CN204928358U - 一种间歇性运转持续性供电的柴油发电机节能系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种间歇性运转持续性供电的柴油发电机节能系统，包括：发电机组、系统控制器、AC/DC整流器、DC/AC逆变器、变压器、电池组、双向DC/DC变换器，该节能系统在发电机组的基础上，增加一组充放电功率大于或等于负载功率的电池组，负载能量需求可由电池组独立提供，电池组放电功率与负载功率需求完全匹配。电池组电量低时，控制启动发电机组以最佳经济能耗工作，并直接为负载提供能量，富余能量给电池组充电，电池组电量升高至设定值时，关闭发电机组，能量需求转由电池组提供，实现发电机组间歇性高效率工作而供电不间断，该节能系统在负载波动越大、低负载工作时间越长的工况时其节能率越高。

Description

一种间歇性运转持续性供电的柴油发电机节能系统
技术领域
本实用新型属于能源应用领域，具体涉及一种间歇性运转持续性供电的发电机组节能系统。
背景技术
发电机组应用广泛，常规发电机组由于必须确保输出标准频率和电压的交流电，机组转速必须恒定(国内发电机组常用转速为1500rpm，频率50Hz)，当负载有功率需求时，无论需求大小机组必须以恒定转速持续运转。发电机组的装机容量必须满足最大负载需求，负载较小时“大马拉小车”，能源效率低，尤其是应用于以变频驱动的起重机等有能量回馈的设备时，每个工作循环均有短时负功率(能量回馈)，即便负功率产生时，发电机组也要持续运转，仍然耗能。
深入分析常规发电机组(此处我们以柴油发动机举例)能效低下的原因如下：
柴油机最佳经济油耗：图1是某型号额定功率100kW柴油机的万有特性曲线图。如图1示的阴影部分，柴油机在1250rpm左右转速下输出70kW左右功率时耗油率最低206g/kWh，称之为“最佳经济油耗”。此柴油机用作发电机组的引擎转速在1500rpm时，最低耗油率为208g/kWh，负载功率需求较低仅为5kW以下时，耗油率高达350g/kWh，是1500rpm转速下最低耗油率的1.68倍、是最佳经济油耗的1.7倍。
柴油机耗油量：柴油机冷却风扇等自耗功率6～8％，用作发电机引擎的柴油机转速恒定在1500rpm，自耗功率与负载大小关系不大。如图2示，假设某负载每小时循环一次，功率需求5kW(运转0.75小时)→75kW(运转0.25小时)循环交变，工作20个小时能量需求共计450kWh；假设用电系统功率因数0.8,柴油机自耗功率6kW，那么柴油机对应的输出功率为12.25kW(运转0.75小时)→100kW(运转0.25小时)，柴油机运转20小时共消耗能量684kWh，其中以12.25kW功率运转15小时消耗能量184kWh、以100kW功率运转5小时消耗能量500kWh。由图1示，柴油机以1500rpm转速运转、功率12.25kW时，耗油率约为325g/kWh；功率100kW时，耗油率为240g/kWh。那么对应上述工况，柴油机耗油量分别为60kg和120kg，共计耗油180kg。
柴油机理想油耗量：假设控制柴油机始终在理想油耗——最佳经济耗油率(206g/kWh)工作，即转速1250rpm、功率70kW，在用电系统功率因数0.8及柴油机自耗功率6kW不变的条件下，输出负载需求的450kWh有效能量时，柴油机自耗能量共计615kWh(450×0.8÷64)，总计耗油量为126.7kg(615×206÷1000)；柴油机仅需要时间3.79小时(615÷70)。与常规柴油发电机组实际油耗相比，节油30％。
然而常规柴油发电机组无能量存储装置，负载有能量需求时，发电机组必须不间断工作，机组输出的能量必须实时消耗掉，即发电机组的输出功率必须根据负载大小实时调整匹配，柴油机无法实现始终在最佳经济油耗区运转，无法达到理想能效。负载的不均匀性严重影响柴油发电机组的能源效率，部分负载如起重机等，柴油发电机组必须按最大功率匹配，额定功率与负载平均功率相比大三倍以上，与最小候机功率相比大八倍以上甚至达到十几倍，能源效率十分低下。
发明内容
为克服上述缺陷，本实用新型的目的即在于提供一种以最佳经济能耗运行、能效较高的间歇性运转持续性供电的发电机组节能系统。
本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：
本实用新型的一种间歇性运转持续性供电的发电机组节能系统，包括：发电机组、系统控制器、AC/DC整流器、DC/AC逆变器、变压器、电池组、双向DC/DC变换器，所述发电机组包括有发动机及与发动机连接的发电机，所发电机组与AC/DC整流器连接后通过直流母线分为两路，一路依次与DC/AC逆变器、变压器连接，另一路依次与双向DC/DC变换器、电池组连接，所述系统控制器对电池组、双向DC/DC变换器及发电机组进行信号控制，所述变压器连接负载，所述电池组的充放电功率大于或等于负载功率。
进一步，所述变压器输出50Hz交流电。
本实用新型提供的一种间歇性运转持续性供电的发电机组节能系统，该节能系统在原发电机组的基础上，增加一组充放电功率大于或等于负载功率的电池组，负载能量需求可由电池组独立提供，电池组放电功率与负载功率需求完全匹配。电池组电量低时，控制启动发电机组以最佳经济能耗工作，并直接为负载提供能量，富余能量给电池组充电，电池组电量升高至设定值时，关闭发电机组，能量需求转由电池组提供，实现发电机组间歇性高效率工作而供电不间断，该节能系统在负载波动越大、低负载工作时间越长的工况时其节能率越高。
附图说明
为了易于说明，本实用新型由下述的较佳实施例及附图作以详细描述(此处我们以柴油发动机举例)。
图1为柴油机万有特性曲线图；
图2为负载功率需求与柴油机油耗对应图；
图3为本实用新型一种间歇性运转持续性供电的发电机组节能系统的电路连接框图；
其中附图标记为：1、系统控制器；2、变压器；3、DC/AC逆变器；4、电池组；5、双向DC/DC变换器；6、AC/DC整流器；7、发电机；8、发动机。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
请参照图3，本实用新型的一种间歇性运转持续性供电的发电机组节能系统，包括：系统控制器1、变压器2、DC/AC逆变器3、电池组4、双向DC/DC变换器5、AC/DC整流器6、发电机组；该发电机组为由发动机8及与发动机8连接的发电机7组成。
其中各部件连接方式如下：
发动机8与发电机7机械连接形成常规发电机组，发电机7的电流输出端连接AC/DC整流器6的交流输入端、经AC/DC整流器6整流后输出至直流母线，DC/AC逆变器3的直流输入端与直流母线连接，DC/AC逆变器3输出50Hz交流电与变压器2输入端连接，变压器2输出50Hz交流电为负载供电。电池组4通过双向DC/DC变换器5与直流母线连接，系统控制器1监测电池组4并通过控制双向DC/DC变换器5的双向电压来控制电池组4的充放电，同时根据电池组4的SOC(StateofCharge，剩余电量)电量控制发动机8启动、运行或关闭。
本系统的工作原理及能量管理控制详细说明如下：
根据负载需求选配合适功率、电压等级的发电机组，可按平均功率需求配置发电机组装机容量，为提高供电可靠性，可按负载最大功率需求配置发电机组，本实用新型的工作原理决定了所选配的发电机组的油耗与装机容量大小关系不大，与所选配的发动机8特性相关，同时根据所选配发动机万有特性的最佳经济能耗设定转速及最大输出功率，根据电池特性组配充放功率、工作电压合适的电池组4，并设定电池组4SOC的工作范围。
启动系统控制器1，自检电池组4等本系统是正常后才投入运行。负载接通后，当电池组4的SOC容量在设定工作范围内时，负载能量需求由电池组4提供，发电机组关闭。电池组4能量通过双向DC/DC变换器5向直流母线提供恒定电压的直流电，直流母线与DC/AC逆变器3连通，DC/AC逆变器3将直流电转换成标准50Hz交流电送至变压器2，变压器2给负载输送稳压、恒频的交流电。
当系统控制器1检测到电池组4的SOC容量降至设定低位时，系统控制器1控制发动机8启动，并按设定的转速(频率)恒速运行，发电机7以某一固定频率(取决于设定的发动机8转速和发电机7绕组的极对数)输出交流电，交流电经AC/DC整流器6整流转换为直流电后送至直流母线，依次通过DC/AC逆变器3、变压器2给负载供电；当负载功率需求大于设定的发电机组输出功率时，系统控制器1通过控制双向DC/DC变换器5直流母线端电压，控制电池组4放电，补足负载需求；当负载功率小于设定的发电机组输出功率时，系统控制器1通过控制双向DC/DC变换器5电池组端电压，给电池组4充电，使发电机组输出功率始终保持在设定最佳工况附近输出，确保发动机8以最佳经济油耗工作。
当系统控制器1检测到电池组4的SOC容量升至设定高位时，系统控制器1发出指令给发电机组，发电机组按机组的固有程序减速-怠速-熄火。
综上所述，本实用新型针对不同用电负载工作特性，提出了一种间歇性运转持续性供电的发电机组节能系统，该节能系统保护的是各个部件及其连接关系，并不涉及对软件的创新，该节能系统采用一套电池组4电源，电池组4可满足负载短时供电需求，实现输出功率与负载功率需求全程匹配，提高能源效率；发动机8要么在最佳经济油耗区工作，要么熄火关闭，达到最高能效；控制发动机8永不过载、不冒黑烟；缩短发电机组运行时间、延长维护保养周期。
本实用新型具备以下特点：
1.电池组4满足负载的最大功率需求，并可短时独立供电，实现供电电源与负载功率完全匹配；发动机8间歇性工作，发动机8一旦投入运转，便控制在最佳工况工作，燃油效率最高；
2.本系统应用广泛，如起重机、抽油机、石油平台、船舶辅机等；特别适用于负载不均匀的工况，负载越不均匀节油率越高；应用于以变频驱动的起重机等有能量回馈的设备时，直流母线直接与变频器直流端子连接，给变频器供电或回收能量和再利用；
3.本系统应用于节能改造时，可不更换原常规发电机组，不改变原负载需求也可实现较高节油率，降低改造成本。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种间歇性运转持续性供电的柴油发电机节能系统，其特征在于，包括：发电机组、系统控制器、AC/DC整流器、DC/AC逆变器、变压器、电池组、双向DC/DC变换器，所述发电机组包括有发动机及与发动机连接的发电机，所述发电机组与AC/DC整流器连接后通过直流母线分为两路，一路依次与DC/AC逆变器、变压器连接，另一路依次与双向DC/DC变换器、电池组连接，所述系统控制器对电池组、双向DC/DC变换器及发电机组进行信号控制，所述变压器连接负载，所述电池组的充放电功率大于或等于负载功率。
2.根据权利要求1所述的一种间歇性运转持续性供电的柴油发电机节能系统，其特征在于，所述变压器输出50Hz交流电。
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