CN202300665U - 一种柴油发电机组 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种柴油发电机组，该柴油发电机组还包括设置在直流母线上的电压传感器，用于实时监测直流母线侧的电压值；所述的中央控制器还包括一比较模块，用于比较直流母线侧的电压值和直流母线目标稳定电压；当直流母线侧的电压值大于“直流母线目标稳定电压”时，中央控制器通过通讯总线向双向可逆整流装置中的扭矩控制器发出指令，控制扭矩控制器施加在同步发电机上扭矩的方向与大小，驱动同步发电机扭矩方向同柴油发动机输出的扭矩方向相同，此时柴油发动机将由同步发电机拖动运转，实现直流母线侧到柴油发电机组的能量转移，实现节油运行。

Description

一种柴油发电机组

技术领域

本实用新型涉及柴油发电机组的可再生发电类负载应用的技术领域，特别涉及一种柴油发电机组，柴油发电机组可以利用负载侧通过直流母线反馈的能量为同步发电机提供驱动扭矩，进而减少柴油发动机的耗油量实现节油运行。

背景技术

作为交流供电常用、备用和应急发电用的柴油发电机组被广泛的应用于港口、船舶、通讯等众多领域。在实际应用中，很大一部分柴油发电机组是作为移动设备的工作电源，用以拖动可再生发电类负载。对于此类柴油发电机组，当可再生发电类负载释放其动能与势能的时候大量能量被反馈到驱动用双向可逆整流装置的直流母线侧，对于这部分能量的应用是此类设备节能的重要因素之一。

现阶段对于这部分能量一般有以下两种处理方式：

方案1，其一为通过大容量的储能环节储存该能量，如图2所示，在下一次作功周期内释放，为了充分利用该部分能量，这种方式会导致所需要的中间储能环节(一般为超级电容或电池组)容量很大。配置很大容量的储能环节会导致其成本大大增加，同时必须为储能环节在移动设备有限的空间内分配位置，增加了柴油发电机组的复杂性。

方案2，另一种方式为小容量储能环节与热能量消耗单元配合使用，小容量储能环节为柴油发电机组提供驱动重载时的缓冲能量，同时能够吸收小部分反馈能量；热能量消耗单元则用于消耗掉多余的能量，如图3所示，以防止可能引起的过压故障。这种方式在实际应用中一般通过设置制动单元和制动电阻实现，由此会产生能量不能全部回收利用，部分或者大部分通过热能方式耗散，降低了柴油发电机组的运行效率。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，为了解决上述问题，提供一种柴油发电机组，利用反馈能量驱动实现节能运行的柴油发电机组，该实用新型涉及的柴油发电机组可以进一步的应用反馈回来的能量，将该部分能量用于推动柴油发动机运转，达到节能目的。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案提出了一种柴油发电机组，该柴油发电机组包括：可调速运行的柴油发动机、与柴油发动机通过机械传动系统连接进而实现同步运行的同步发电机、与同步发电机电气连接的双向可逆整流装置、以及用于监测与控制整个系统的中央控制器，所述的柴油发动机和双向可逆整流装置通过各自的通讯总线与中央控制器联接，其特征在于，还包括设置在直流母线上的电压传感器，用于实时监测直流母线侧的电压值；

所述的中央控制器还包括一比较模块，用于比较直流母线侧的电压值和直流母线目标稳定电压；当直流母线侧的电压值大于“直流母线目标稳定电压”时，中央控制器通过通讯总线向双向可逆整流装置中的扭矩控制器发出指令，控制扭矩控制器施加在同步发电机上扭矩的方向与大小，驱动同步发电机扭矩方向同柴油发动机输出的扭矩方向相同，实现直流母线侧到柴油发电机组的能量转移，实现节油运行。

上述技术方案中，所述的双向可逆整流装置为三相可逆桥式PWM整流电路，所述的三相可逆桥式PWM整流电路包括：绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)和其并联的续流二极管，其中还包括分别设置在三相交流电侧的三路电流传感器与电压传感器，所述的扭矩控制器通过电流传感器与电压传感器实时监测三相交流电侧的电压与电流，并根据中央控制器通过通讯总线给出的扭矩大小与方向的指令确定IGBT开关的通断时机和调节占空比，以达到调节直流侧电压与电流的目的。

上述技术方案中，所述的同步发电机上还设置有速度编码器，该速度编码器为增量编码器类型并与中央控制器联接，用于测量同步发电机的转子角度，并由中央控制器确保柴油发电机组运行于反拖时同步发电机输出的扭矩不会使柴油发动机转速高于其空载时的怠速转速，当同步发电机输出的扭矩过高，则中央控制器强制指令同步发电机的输出扭矩为“零”，实现矢量控制以保证转速安全。

考虑集装箱港口轮胎式龙门起重机提升与下放集装箱的实际情况，对比现有技术的反馈能量处理方案1，如图2所示，如果采用电容组吸收所有下放能量，则对于具有典型性的负载需要的电容量计算过程如下：

设下放距离为13米，当下放40吨箱时，不考虑能量损失，其下放过程产生的势能可计算如下：

E＝mgh＝40000×9.8×13＝5.096×10⁶J

将该势能全部吸收到储能电容组，且电容组工作电压范围(受限于逆变器工作电压范围)设为600V～800V，则电容量需求为：

$C=\frac{2E}{u_1^2-u_2^2}=\frac{2\×5.096\×{10}^6}{{800}^2-{600}^2}=36.4F$

单体电容选用常用的48V，80F电容，为满足电压需求，每一分组需串联电容为800V/48V约为17个，此时每一回路电容量为80F/17＝4.71F。为了实现需要的电容量，需要并联36.4F/4.71F约8组电容组，所需电容单体数量为17×8＝136个。

如采用方案2，如图3所示，不需要吸收全部下放能量，部分能量通过制动电阻耗散，如使用17个电容单体串联实现，其电容量为4.71F，可以吸收的能量为：

$E=\frac{1}{2}C(u_1^2-u_2^2)=\frac{1}{2}\×4.71\×({800}^2-{600}^2)=6.594\×{10}^{5}J$

则通过电阻耗散的能量约占反馈总能量的87％，其效率较为低下。

本实用新型的优点在于，本实用新型的柴油发电机组，使得位势负载下方过程中产生的部分能量能够通过驱动柴油发电机组消耗，从而能够有效地利用回馈能量。如图4所示，该实用新型涉及的发电机组应用反馈回来的能量，将该部分能量用于推动柴油发动机运转，达到节能目的。

附图说明

图1为本实用新型的柴油发电机组的系统示意图。

图2为现有技术中典型的能量全部由超级电容储存的能量传递状况示意图；

图3为现有技术中典型的储存一部分能量，其余由限压电阻消耗的能量传递状况示意图；

图4为本实用新型的大部分反馈能量驱动柴油发电机组运转的能量传递状况示意图；

图5为本实用新型的双向可逆整流装置的示意图；

图6为柴油发动机固有的转速与最大扭矩对应曲线图；

图7为本实用新型的利用反馈能量驱动同步发电机的方法的流程图。

具体实施方式

为了更好地理解本实用新型的技术方案，以下结合附图对本实用新型做进一步的详细描述。

如图1所示，是本实用新型的柴油发电机组的系统示意图，双向可逆整流装置，柴油发电机组的主要组成部分包括工作转速可从怠速到全速之间连续全程调速的柴油发动机，柴油发动机内部自带转速稳定环节，转速稳定环节可以接受中央控制器的发送的转速信号，将柴油发动机的转速稳定在响应的数值上。与柴油发动机通过机械传动系统连接进而实现同步运行的同步发电机，以及与同步发电机电气连接的可将同步发电机发出的三相交流电整流为直流电，同时又可将直流电逆变为三相交流电的双向可逆整流装置以及对整个柴油发电机组进行控制的中央控制器。

双向可逆整流装置同中央控制器配合，实现对于同步发电机的矢量控制，控制过程中同步发电机扭矩可以作为单独的分量给与控制，使得双向可逆整流装置工作于扭矩控制模式下。

如图5所示，该双向可逆整流装置为基于通用同步电机双向可逆整流装置的扭矩控制器，其核心为三相可逆桥式PWM整流电路，包括由绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)和其并联的续流二极管构成，通过控制IGBT开关的通断时机和调节占空比可以实现控制直流侧电压和电流的目的。

扭矩控制器通过电压传感器实时监测三相交流电的电压与电流情况，双向可逆整流装置通过通讯总线给出的扭矩大小与方向的指令确定IGBT开关的通断时机和占空比，以达到调节电压与电流的目的。

本例中，中央控制器利用基于可编程逻辑控制器或其他智能控制设备实现节能控制系统的直流母线电压、双向可逆整流装置的扭矩控制器、柴油发电机组转速的监视与控制，其核心在于控制同步发电机输出扭矩的方向与大小。当能量向直流母线侧流动时，确保同步发电机输出的扭矩不会大于柴油发动机在对应转速下所能承受的扭矩，防止柴油发动机由于反向负载过大而灭火停车和发生机组反转的恶劣情况；当能量向柴油发电机组侧流动时，中央控制器将控制双向可逆整流装置驱动同步发电机运行的扭矩，确保柴油发动机在被驱动过程中不会超过其额定转速，避免出现转速过高损害柴油发动机的情况发生。

中央控制器其控制程序能够实现根据已事先取得的柴油发动机转速与最大扭矩对应曲线，如图6所示，确定柴油发动机不同转速下对应的扭矩最大值以实现运行中的扭矩安全保护，可以实现监测柴油发动机组运行转度以实现运行中的转速安全保护，同时能够依据直流母线电压状况的检测，实现转速控制和扭矩控制以完成能量双向流动的控制。

首先考虑柴油机功率，转速和扭矩之间的关系，如公式(1)。现设Pe为柴油机的输出功率，Me为柴油机的输出扭矩，圆周率π取3.141，n为柴油机转速(转/分)，ω为曲轴角速度(弧度/秒)，其中有ω＝2πn/60。通过公式可以发现柴油机的输出功率在转速一定的情况下和扭矩成正比。也就是说保持转速不变，尽可能的减小柴油机输出扭矩，将会减小柴油机输出功率，同时将减少柴油机油耗。

$P_e=\frac{M_e\×\mathrm{\ω}}{1000}\≈\frac{\mathrm{Me}\×n}{9550}---\left(1\right)$

以此作为理论基础，当柴油发动机不对外做功的时候，柴油发动机降速到怠速状态，如果此时保持柴油发动机怠速转速不变，使用同步发电机拖动柴油发动机运转，随着同步发电机输出的扭矩逐渐增大，可调速的柴油发动机为了保持转速不变，将会逐渐减少气缸内喷油量，油耗随之降低。

如图7所示，柴油发动机组利用反馈能量驱动同步发电机的方法的步骤包括：

1)中央控制器的控制程序主体由PID控制器构成，控制目标是确保直流母线电压稳定于“直流母线目标稳定电压”，控制器的输出值就是期望双向可逆整流装置输出的扭矩；

2)中央控制器可以监视直流母线电压值，一旦发现直流母线电压大于“直流母线目标稳定电压”，即控制柴油发电机组进入反拖状态；否则，控制柴油发电机组处于泵升状态；

3)为保证直流母线电压稳定，在柴油发电机组处于泵升状态时，双向可逆整流装置会输出反向于柴油发动机的扭矩，因此为保证柴油发动机正常运行，必须对双向可逆整流装置输出的泵升扭矩最大值进行限定。考虑柴油机空载损耗40％后，柴油发动机对应转速下所能承受的负载扭矩，也就是同步发电机对应转速下所能输出的最大扭矩，如下公式计算：

最大泵升扭矩限制值＝柴油机对应转速下最大扭矩-柴油机怠速扭矩×40％  (2)

4)同步发电机在反拖过程中，只要反拖扭矩等于柴油发动机在怠速空载情况下输出的扭矩，柴油发动机输出功率即为“零”。因此将公式(1)变形有如下情况：

即为柴油发动机怠速空载时输出的扭矩，同步发电机在拖动柴油发动机的过程中，只要其输出扭矩达到这个数值，柴油发动机输出扭矩就为“零”，输出功率也将为“零”，柴油发动机的耗油量当然也就为“零”。

5)由于柴油机从反拖到正常运行需要一定的反应时间，因此在直流母线电压介于“直流母线目标稳定电压”至“直流母线目标稳定电压+20伏”之间的时候，不进行反拖(即同步发电机扭矩输出为“零”)；在“直流母线目标稳定电压+20伏”至“直流母线目标稳定电压+100伏”之间，采用一阶函数限制最大反拖扭矩，使扭矩均匀变化；大于“直流母线目标稳定电压+100伏”的时候，出于保护柴油发动机的目的扭矩恒定输出为：

限制最大反拖扭矩的一阶函数为：

6)反拖过程是一个比较危险的过程，此时要实时监测柴油发动机转速，程序虽然确保同步发电机不会输出大于柴油发动机怠速空载时的扭矩，但是为了保证不会出现其它特殊情况，一旦发现柴油发动机转速高于怠速转速，就表明同步发电机输出的扭矩过高，此时强制同步发电机输出扭矩为“零”。

本实用新型的反拖运行变速节油柴油发电机组同现阶段已有技术相比，其主要优势在于当双向可逆整流装置直流母线侧能量反馈导致能量增加，进而表现为直流母线电压升高，通过该双向可逆整流装置可以实现对同步发电机的扭矩控制，使其扭矩方向同转速方向一致，进而实现驱动柴油发动机运行达到节油的目的。

另外，为实现扭矩控制目标，需设置能够运行中切入的增量型速度编码器，以测量同步发电机的转子角度实现矢量控制。

以集装箱港口经常采用的轮胎式龙门起重机为实例，相对于目前已有的方案，该项技术的能量流动状况对比如附图2-4所示：

1)如图2所示，为一种为了能够回收集装箱下放的全部能量，配置大量超级电容，但是现在每块额定电压48伏，电容110法拉的超级电容价格都在1万元以上，欲回收全部反馈能源需要超级电容100块以上，而且柴油发电机组此时虽然为怠速工况，但仍然会消耗柴油，以维持自身运转，同时又少量输出电能，此方案成本过高，且柴油发电机组节能不彻底；

2)如图3所示，是配置少量电容，只确保在起升集装箱的瞬间为电动机提供能量，以减小柴油发动机加速度，达到节能的目的，这种配置方案成本比较低，但是在下放负载中，当产生的能量很巨大的时候，超级电容不足以回收全部能量，因此相当一部分电能会通过限压电阻消耗掉，此方案会以热能形式浪费大量能量，同时也存在柴油发电机组节能不彻底情况。

第一种方案由于成本过高采用并不广泛，第二种方案目前应用实例比较多。针对第二种方案中反馈能量回收不完全的情况，对电力电子部分的控制程序进行改进设计，得到本实用新型配置方案。

本实用新型再配合如图3所示的方案将会获得更好的节能效果，具体情况如图4所示，柴油发电机组在工作于反拖工况下，能量经由负载侧电动机和逆变单元反馈到直流母线侧，直流母线上的电容组起到电压稳定的作用，以弥补控制对象——直流母线电压时间常数小、变化剧烈的弱点，同时部分的承担储能的需求；另一部分能量经由双向可逆整流装置反馈拖动同步发电机运转，运转方向和扭矩为柴油发动机运转与扭矩方向，由于柴油发动机负载降低，柴油发电机组相应降低喷油量，能量浪费极大减小，实现节能目标；同时由于电阻规模变小，电阻成本降低很多，此方案总体成本比图3方案更加低廉。并且在回收可再生发电类负载产生的能量过程中，做到了对柴油发电机组的彻底节能。

该双向可逆整流装置主体为三相可逆整流单元，主要电力电子设备由IGBT构成，矢量控制模式下，其算法控制中的速度控制和扭矩控制解耦为现有的同步电动机变频应用的成熟技术，不是本实用新型保护范围。

柴油发电机组在柴油发动机驱动同步发电机运转后通过检测同轴的速度编码器的旋转角度进而实现同步发电机转子角的测量，通过控制电力电子设备切入角度实现运行中投切运行，该投切算法为已有成熟的应用技术，不是本柴油发电机组的实用新型部分保护内容。

通过速度编码器实现闭环矢量控制，检测同步发电机运转方向，控制施加给同步发电机的扭矩，当扭矩方向同运转方向相反时，实现泵升运行，能量通过变频装置转移至直流母线侧，供负载使用。当扭矩方向同运转方向相同时，该扭矩用于驱动同步发电机运转，主要消耗于柴油发动机的空载损耗上，导致能量从直流母线侧向柴油发电机组侧转移，实现能量的回收利用，这种工作状况在本实用新型专利中称为反拖运行。

在反拖运行过程中，当柴油发动机喷油量减少为零时，柴油发动机将不再燃烧做功，在此状况下能量节约达到最大值；但同时由于柴油发动机不再燃烧做功无法通过柴油发动机内部转速稳定环节控制柴油发动机转速，为防止转速失控，在中央控制器中设置转速控制环节起到防止失速的作用，该中央控制器一方面提供双向可逆整流装置的扭矩、转速控制，使双向可逆整流装置工作于扭矩控制、转速限制这一工况下；另一方面不断检测速度编码器、柴油发动机通讯总线传输来的转速数据，当转速超过设定值时，通过强制发电机输出扭矩为“零”，实现柴油发电机组的安全运行。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种柴油发电机组，该柴油发电机组包括：可调速运行的柴油发动机、与柴油发动机通过机械传动系统连接进而实现同步运行的同步发电机、与同步发电机电气连接的双向可逆整流装置、以及用于监测与控制整个系统的中央控制器，所述的柴油发动机和双向可逆整流装置通过各自的通讯总线与中央控制器联接，其特征在于，还包括设置在直流母线上的电压传感器，用于实时监测直流母线侧的电压值；

所述的中央控制器还包括一比较模块，用于比较直流母线侧的电压值和直流母线目标稳定电压，进而控制扭矩控制器施加在同步发电机上扭矩的方向与大小；当直流母线侧的电压值大于“直流母线目标稳定电压”时，中央控制器通过通讯总线向双向可逆整流装置中的扭矩控制器发出指令，驱动同步发电机扭矩方向同柴油发动机输出的扭矩方向相同，实现直流母线侧到柴油发电机组的能量转移，实现节油运行。

2.根据权利要求1所述的柴油发电机组，其特征在于，所述的双向可逆整流装置为三相可逆桥式PWM整流电路，所述的三相可逆桥式PWM整流电路包括：绝缘栅极双极型晶体管IGBT和其并联的续流二极管，其中还包括分别设置在三相交流电侧的三路电流传感器与电压传感器，所述的扭矩控制器通过电流传感器与电压传感器实时监测三相交流电侧的电压与电流，并根据中央控制器通过通讯总线给出的扭矩大小与方向的指令确定IGBT开关的通断时机和调节占空比，以达到调节直流侧电压与电流的目的。

3.根据权利要求1所述的柴油发电机组，其特征在于，所述的同步发电机上还设置有速度编码器，该速度编码器采用增量式编码器并与中央控制器联接，用于测量同步发电机的转子角度。 

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