CN113410949A - 一种伺服节能型内燃机发电机组及其控制运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种伺服节能型内燃机发电机组及其控制运行方法，由发电电压误差计算器、发电电压调节器、三相激磁电流调节器、滑环、发电机、发电机输出电压采样单元构成的闭环控制系统对发电机的输出发电电压幅值进行闭环，从而保证发电电压幅值的稳定。同时，由激磁频率计算器、转子频率计算器、位置和转速检测单元、位置和速度传感器、三相激磁电流调节器、滑环、发电机构成的闭环控制系统对发电机的输出交流频率进行精确控制。另外，通过相位差检测控制单元、三相激磁电流调节器、滑环和发电机构成的闭环控制系统对发电机的相位进行精确控制。本发明使得发电频率稳定、电压稳定、相位任意可调，可方便地进行与市电并网、自身多机联网或单机运行。

Description

一种伺服节能型内燃机发电机组及其控制运行方法
技术领域
本发明涉及内燃机发电机组技术领域，具体涉及一种伺服节能型内燃机发电机组及其控制运行方法。
背景技术
内燃机发电机组(如柴油发电机、汽油发电机组、燃气发电机组等)是常用的电源设备，通常由以下几个部分组成：内燃机、发电机、控制系统、燃油箱、启动马达、启动和控制蓄电池。为了保证发出的电力的电压稳定(如380VAC)，控制系统会对发电机激磁电流的大小进行调节，以使得发电机在固定的转速下，感应出需要的电压，并且控制系统会检测由于负载的变化带来的电压波动，并通过对激磁电流大小的控制实现对机组输出电压的闭环控制。然而，基于上述基本结构和控制方法的内燃机发电机组，存在如下几个缺点：
1、内燃机定速工作，当负荷发生变化时，负载扭矩会产生变化，速度必然会发生波动(尤其是离网工作的机组)，由于内燃机的速度控制是一个比较缓慢的调节过程，其响应时间常数通常为几百毫秒到几秒，因此负载的波动会带来比较明显的机组速度波动，继而会带来发电频率的波动，对某些频率敏感型用电器(如电机)产生不利影响；
2、内燃机定速工作，当负荷发生变化时，内燃机必然工作在不同的负载扭矩下，存在内燃机在轻载时的燃油效率比额定负载下明显的降低的情况。如图1所示的某型柴油机万有特性曲线图，在额定转速1500rpm下，当负载扭矩达到柴油机的额定扭矩时，柴油机工作在燃油效率较高的状态。柴油机额定点的燃油消耗量约为200克/千瓦时，即当发电机组负载正好为额定负载时，柴油机每输出1千瓦时的机械功，大约需要消耗200克柴油。但是当负载变轻，比如为额定负载的三分之一时，柴油机的负载扭矩约为额定扭矩的三分之一，此时该柴油机每输出1千瓦时的机械功，需要消耗的柴油量大约可达260克，比额定点超出30％左右。
3、内燃机发电机组的发电机功率被明显地低估。如图1所示的某型柴油机带有等功率曲线的万有特性曲线图，在额定转速1500rpm下的额定功率约为100kW，然而该柴油机当转速达到2100rpm及以上时，连续运行功率可达130kW。
如何保证发电频率和电压的稳定、如何将内燃机运行于更加节能的工作点、如何将内燃机运行至更高的转速下以充分发掘设备功率容量是本发明研究的目的。
发明内容
本发明所要解决的是现有内燃机发电机组及其控制方法存在稳定性和节能性不佳的问题，提供一种伺服节能型内燃机发电机组及其控制运行方法。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种伺服节能型内燃机发电机组，包括内燃机、发电机、电压传感器、电压采样单元、发电电压误差计算器、电压调节器、位置和速度传感器、位置和转速检测单元、转子频率计算器、激磁频率计算器、变压器、储能单元、三相激磁电流调节器和滑环；发电机的定子安装于内燃机的机体上，发电机的转子与内燃机的输出轴联轴；电压传感器并接于发电机的输出端，电压传感器的输出端经由电压采样单元连接三相激磁电压调节器的电压采样端和发电电压误差计算器的一个输入端；发电电压误差计算器的另一个输入端接入设定的发电电压；发电电压误差计算器的输出端经由电压调节器连接三相激磁电流调节器的电压指令输入端；位置和速度传感器安装于发电机的轴端，位置和速度传感器的输出端连接位置和转速检测单元的输入端；位置和转速检测单元的一个输出端经由转子频率计算器连接激磁频率计算器的一个输入端，激磁频率计算器的另一个输入端接入设定的发电频率，激磁频率计算器的输出端连接三相激磁电流调节器的频率指令输入端；位置和转速检测单元的另一个输出端连接三相激磁电流调节器的转子位置反馈输入端；变压器的原边连接发电机的输出端，变压器的副边连接三相激磁电流调节器的第一动力输入端；储能单元的一侧连接内燃机的启动装置，储能单元的另一侧连接三相激磁电流调节器的第二动力输入端；三相激磁电流调节器的动力输出端连接滑环的电刷，滑环的集电环连接发电机的转子。
作为改进，上述伺服节能型内燃机发电机组还进一步包括相位差检测控制单元；相位差检测控制单元跨接于发电机的输出端与电网之间，相位差检测控制单元的输出端连接三相激磁电流调节器的相位调节指令输入端。
作为进一步改进，上述伺服节能型内燃机发电机组还进一步包括电流传感器和电流采样单元，电流传感器串接于发电机的输出端，电流传感器的输出端经由电流采样单元连接三相激磁电流调节器的电流采样端。
一种伺服节能型内燃机发电机组的控制方法，包括过程如下：
内燃机启动后，带动发电机的转子转动；当发电机启动工作时，三相激磁电流调节器利用储能单元的电能提供动力；当发电机开始工作后，三相激磁电流调节器利用变压器的电能提供动力；
电压传感器采集发电机的输出电压，并经由电压采样单元采样后送入发电电压误差计算器；发电电压误差计算器根据设定的发电电压U0和电压采样单元送入的发电机实际输出电压U，求得电压误差UE，其中UE＝U0-U；电压误差UE在电压调节器中进行PID运算后得到电压指令送入三相激磁电流调节器；三相激磁电流调节器根据电压指令调节三相激磁电流的电压，并通过滑环对发电机的输出电压进行闭环控制，保证发电机输出电压的稳定；
位置和速度传感器检测发电机的位置和速度，并经由位置和转速检测单元后得到发电机的转子转速；转子频率计算器根据转速检测单元检测的发电机的转子转速n和发电机的转子极对数p，计算发电机实际输出频率F，其中F＝n*p/60；激磁频率计算器根据设定的发电频率F0和转子频率计算器送入的发电机实际输出频率F，求得频率误差FE，其中FE＝F0-F；频率误差FE形成频率指令送入三相激磁电流调节器；三相激磁电流调节器根据频率指令调节三相激磁电流的频率，根据位置各转速检测单元送来的转子位置来调节三相激磁电流的相位，并通过滑环对发电机的输出电压进行闭环控制，保证发电机输出频率的稳定。
作为改进，上述伺服节能型内燃机发电机组的控制方法，其特征是，还进一步包括过程如下：相位差检测控制单元测量发电机的输出端与电网之间的电压波形的相位差，并将该相位差形成相位调节指令送入三相激磁电流调节器；三相激磁电流调节器根据相位调节指令调节三相激磁电流的相位，并通过滑环对发电机的输出相位进行闭环控制，保证发电机输出相位的准确。
作为进一步改进，上述伺服节能型内燃机发电机组的控制方法，其特征是，还进一步包括过程如下：电流传感器采集发电机的输出电流，并经由电流采样单元采样后送入三相激磁电流调节器，三相激磁电流调节器根据电流采样单元送入的采样输出电流和电压采样单元送入的采样输出电压计算发电机的输出功率，从而测算内燃机的输出功率需求。当内燃机的输出功率需求大于内燃机额定功率时，发电机总控单元可以将内燃机工作转速调节至标称额定转速之上，以实现扩大内燃机功率范围的目的。当内燃机的输出功率需求小于或大于内燃机额定功率时，发电机总控单元可以将内燃机工作点调节至燃油效率更经济的运行区域以实现提高发电综合效率的目的。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
1、本发明使得内燃机始终工作在效率较高的运行区间，从而实现节能的目的。
2、本发明使得内燃机可以工作到传统发电机组不能够达到的高转速区间，以获得更大的发电设备容量。
3、本发明使得发电频率稳定、电压稳定、相位任意可调，可方便地进行与市电并网、自身多机联网或单机运行。
附图说明
图1为某型柴油机带有等功率曲线的万有特性曲线图。
图2为一种伺服节能型内燃机发电机组的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，对本发明进一步详细说明。
一种伺服节能型内燃机发电机组，如图2所示，主要由内燃机、发电机、相位差检测控制单元、电流传感器、电流采样单元、电压传感器、电压采样单元、发电电压误差计算器、电压调节器、位置和速度传感器、位置和转速检测单元、转子频率计算器、激磁频率计算器、变压器、储能单元、三相激磁电流调节器和滑环组成。
发电机的定子安装于内燃机的机体上，发电机的转子与内燃机的输出轴联轴，内燃机的输出轴转动时带动发电机转子转动。发电机的转子为三相激磁绕组结构，其三相激磁绕组以120°相位差分布于发电机转子的铁芯槽内。
相位差检测控制单元跨接于发电机的输出端与电网之间，用于测量发电机输出电压与电网电压波形的相位差，相位差检测控制单元的输出端连接三相激磁电流调节器的相位调节指令输入端，通过对输出激磁电流的相位调节来实现对发电机输出电压相位的调节。
电流传感器串接于发电机的输出端，用于测量发电机输出电流。电流传感器的输出端经由电流采样单元连接三相激磁电流调节器的电流采样端。
电压传感器并接于发电机的输出端，用于测量发电机输出电压。电压传感器的输出端经由电压采样单元连接三相激磁电压调节器的电压采样端和发电电压误差计算器的一个输入端。发电电压误差计算器的另一个输入端接入设定的发电电压。发电电压误差计算器的输出端经由电压调节器连接三相激磁电流调节器的电压指令输入端。
位置和速度传感器安装于发电机的转子轴端，位置和速度传感器的输出信号连接位置和转速检测单元的输入端，位置和转速检测单元的一个输出端经由转子频率计算器连接激磁频率计算器的一个输入端。激磁频率计算器的另一个输入端接入设定的发电频率。激磁频率计算器的输出端连接三相激磁电流调节器的频率指令输入端。位置和转速检测单元的另一个输出端连接三相激磁电流调节器，用于传输转子位置信号，从而进行三相激磁电流矢量控制。
变压器为三相变压器。变压器的原边连接发电机的输出端，变压器的副边连接三相激磁电流调节器的第一动力输入端。变压器用于发电机运行后即发电电压建立后对三相激磁电流调节器进行动力电提供。
储能单元的一侧连接内燃机的启动装置，储能单元的另一侧连接三相激磁电流调节器的第二动力输入端。储能单元用于对电动机运行前即发电电压建立前对三相激磁电流调节器进行动力电提供。
滑环为三相滑环，包括集电环和电刷。滑环的电刷连接三相激磁电流调节器的动力输出端，滑环的集电环连接发电机的转子。
三相激磁电流调节器是一种双反馈伺服控制器，其动力输入端分别连接变压器和储能单元，其动力输出端连接于滑环，其电压指令端口连接至发电电压调节器，频率指令接口连接于激磁频率计算器，相位调节指令接口连接于相位差检测控制单元，电流采样反馈端口连接电流采样单元，电压采样反馈端口连接电压采样单元。三相激磁电流调节器根据输出电流和电压信号计算发电机组输出的功率因素，并根据输出电压、电流的相位差、转子位置反馈，控制三相激磁电流矢量角度，从而控制输出电压矢量实现无功补偿。
本发明由发电电压误差计算器、发电电压调节器、三相激磁电流调节器、滑环、发电机、发电机输出电压采样单元构成的闭环控制系统对发电机的输出发电电压幅值进行闭环，从而保证发电电压幅值的稳定。同时，由激磁频率计算器、转子频率计算器、位置和转速检测单元、位置和速度传感器、三相激磁电流调节器、滑环、发电机构成的闭环控制系统对发电机的输出交流频率进行精确控制。另外，通过相位差检测控制单元、三相激磁电流调节器、滑环和发电机构成的闭环控制系统对发电机的相位进行精确控制。
上述伺服节能型内燃机发电机组的控制方法，其具体过程如下：
内燃机启动后，带动发电机的转子转动。当发电机启动工作时，发电机输出电压为0，三相激磁电流调节器利用储能单元的电能提供动力。当发电机开始工作后，发电机输出电压不为0，三相激磁电流调节器利用变压器的电能提供动力。
电压传感器采集发电机的输出电压，并经由电压采样单元采样后送入发电电压误差计算器；发电电压误差计算器根据设定的发电电压U0和电压采样单元送入的发电机实际输出电压U，求得电压误差UE，其中UE＝U0-U；电压误差UE在电压调节器中进行PID运算后得到电压指令送入三相激磁电流调节器；三相激磁电流调节器根据电压指令调节三相激磁电流的电压，并通过滑环对发电机的输出电压进行闭环控制，保证发电机输出电压的稳定。
位置和速度传感器检测发电机转子的位置和速度，并经由位置和转速检测单元后得到发电机的转子转速；转子频率计算器根据转速检测单元检测的发电机的转子转速n和发电机的转子极对数p，计算发电机实际输出频率F，其中F＝n*p/60；激磁频率计算器根据设定的发电频率F0和转子频率计算器送入的发电机实际输出频率F，求得频率误差FE，其中FE＝F0-F；频率误差FE形成频率指令送入三相激磁电流调节器；三相激磁电流调节器根据频率指令调节三相激磁电流的频率，根据位置和转速检测单元送来的转子位置调节三相激磁电流的相位，并通过滑环对发电机的输出频率进行闭环控制，保证发电机输出频率和相位的稳定。由于发电机的气隙磁场的转动速度为转子机械转动速度和由三相激磁电流形成的相对于转子转动的磁场转动速度之和，故只要保证F0＝FR+FE，就可以保证气隙磁场的转速稳定，从而保证发电机输出频率的稳定。
当发电机需要并网运行，相位差检测控制单元测量发电机的输出端与电网之间的电压波形的相位差，并将该相位差形成相位调节指令送入三相激磁电流调节器；三相激磁电流调节器根据相位调节指令调节三相激磁电流的相位，并通过滑环对发电机的输出相位进行闭环控制，保证发电机输出相位的准确。
当发电机进入稳定工作状态时，输出电压、频率和相位均进入稳态。此时电流传感器采集发电机的输出电流，并经由电流采样单元采样后送入三相激磁电流调节器，三相激磁电流调节器根据电流采样单元送入的采样输出电流和电压采样单元送入的采样输出电压计算发电机的输出功率，从而测算内燃机的输出功率需求。当这一内燃机的输出功率需求超出即大于传统意义上的内燃机额定功率时，发电机的总控单元既可以将内燃机工作转速调节至标称额定转速之上，以实现扩大内燃机功率范围的目的。这一内燃机的输出功率需求偏离即大于或小于传统意义上的内燃机额定功率时，发电机的总控单元可以根据内燃机的万有特性曲线上等功率曲线中燃油效率最高的工作点，通过油门控制来调节内燃机的工作转速，当内燃机工作转速确定后，三相激磁电流调节器根据发电电压闭环控制和发电频率闭环控制的双环分别调整发电机组的输出电压和频率，使得整个发电机组工作在内燃机最佳工作点(或经济运行区)，且输出电压、频率稳定可控，从而实现发电机组的节能。由于在本发明所述的发电机组中，内燃机不必始终工作于额定转速点，根据调整工作点的方法，以图1为例，当内燃机工作于额定转速1500rpm时，其最大输出功率约为120kW；当其工作于更高的转速，如2200rpm时，其最大输出功率可达140kW；当其工作于1200-1700rpm，输出扭矩为600-700N.m时，内燃机拥有最佳的工作效率，每输出1kW.h的机械功，仅需燃油200克左右。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种伺服节能型内燃机发电机组，其特征是，包括内燃机、发电机、电压传感器、电压采样单元、发电电压误差计算器、电压调节器、位置和速度传感器、位置和转速检测单元、转子频率计算器、激磁频率计算器、变压器、储能单元、三相激磁电流调节器和滑环；
发电机的定子安装于内燃机的机体上，发电机的转子与内燃机的输出轴联轴；
电压传感器并接于发电机的输出端，电压传感器的输出端经由电压采样单元连接三相激磁电压调节器的电压采样端和发电电压误差计算器的一个输入端；发电电压误差计算器的另一个输入端接入设定的发电电压；发电电压误差计算器的输出端经由电压调节器连接三相激磁电流调节器的电压指令输入端；
位置和速度传感器安装于发电机的轴端，位置和速度传感器的输出端连接位置和转速检测单元的输入端；位置和转速检测单元的一个输出端经由转子频率计算器连接激磁频率计算器的一个输入端，激磁频率计算器的另一个输入端接入设定的发电频率，激磁频率计算器的输出端连接三相激磁电流调节器的频率指令输入端；位置和转速检测单元的另一个输出端连接三相激磁电流调节器的转子位置反馈输入端；
变压器的原边连接发电机的输出端，变压器的副边连接三相激磁电流调节器的第一动力输入端；
储能单元的一侧连接内燃机的启动装置，储能单元的另一侧连接三相激磁电流调节器的第二动力输入端；
三相激磁电流调节器的动力输出端连接滑环的电刷，滑环的集电环连接发电机的转子。
2.根据权利要求1所述的一种伺服节能型内燃机发电机组，还进一步包括相位差检测控制单元；相位差检测控制单元跨接于发电机的输出端与电网之间，相位差检测控制单元的输出端连接三相激磁电流调节器的相位调节指令输入端。
3.根据权利要求1所述的一种伺服节能型内燃机发电机组，还进一步包括电流传感器和电流采样单元，电流传感器串接于发电机的输出端，电流传感器的输出端经由电流采样单元连接三相激磁电流调节器的电流采样端。
4.权利要求1所述一种伺服节能型内燃机发电机组的控制方法，其特征是，包括过程如下：
内燃机启动后，带动发电机的转子转动；当发电机启动工作时，三相激磁电流调节器利用储能单元的电能提供动力；当发电机开始工作后，三相激磁电流调节器利用变压器的电能提供动力；
电压传感器采集发电机的输出电压，并经由电压采样单元采样后送入发电电压误差计算器；发电电压误差计算器根据设定的发电电压U0和电压采样单元送入的发电机实际输出电压U，求得电压误差UE，其中UE＝U0-U；电压误差UE在电压调节器中进行PID运算后得到电压指令送入三相激磁电流调节器；三相激磁电流调节器根据电压指令调节三相激磁电流的电压，并通过滑环对发电机的输出电压进行闭环控制，保证发电机输出电压的稳定；
位置和速度传感器检测发电机的位置和速度，并经由位置和转速检测单元后得到发电机的转子转速；转子频率计算器根据转速检测单元检测的发电机的转子转速n和发电机的转子极对数p，计算发电机实际输出频率F，其中F＝n*p/60；激磁频率计算器根据设定的发电频率F0和转子频率计算器送入的发电机实际输出频率F，求得频率误差FE，其中FE＝F0-F；频率误差FE形成频率指令送入三相激磁电流调节器；三相激磁电流调节器根据频率指令调节三相激磁电流的频率，根据位置各转速检测单元送来的转子位置来调节三相激磁电流的相位，并通过滑环对发电机的输出电压进行闭环控制，保证发电机输出频率的稳定。
5.根据权利要求4所述的一种伺服节能型内燃机发电机组的控制方法，其特征是，还进一步包括过程如下：
相位差检测控制单元测量发电机的输出端与电网之间的电压波形的相位差，并将该相位差形成相位调节指令送入三相激磁电流调节器；三相激磁电流调节器根据相位调节指令调节三相激磁电流的相位，并通过滑环对发电机的输出相位进行闭环控制，保证发电机输出相位的准确。
6.根据权利要求4所述的一种伺服节能型内燃机发电机组的控制方法，其特征是，还进一步包括过程如下：
电流传感器采集发电机的输出电流，并经由电流采样单元采样后送入三相激磁电流调节器，三相激磁电流调节器根据电流采样单元送入的采样输出电流和电压采样单元送入的采样输出电压计算发电机的输出功率，从而测算内燃机的输出功率需求；
当内燃机的输出功率需求大于内燃机额定功率时，发电机总控单元可以将内燃机工作转速调节至标称额定转速之上，以实现扩大内燃机功率范围的目的；
当内燃机的输出功率需求小于或大于内燃机额定功率时，发电机总控单元可以将内燃机工作点调节至燃油效率更经济的运行区域，以实现提高发电综合效率的目的。
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