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變頻柴油發(fā)電機(jī)組能源系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)
發(fā)布時(shí)間:2023-02-09 02:05:57  ▏閱讀:

 

新聞主題

變頻柴油發(fā)電機(jī)組能源系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

 

混合能源系統(tǒng)中的柴油發(fā)電機(jī)組,主要作為備用電源,用于在可再生能源利用條件受限時(shí)才啟動(dòng)發(fā)電,可選用傳統(tǒng)定速柴油發(fā)電機(jī)組,也可采用變頻柴油發(fā)電機(jī)組。傳統(tǒng)的普通柴油發(fā)電機(jī)組因其自身的局限性,如通信行業(yè)的應(yīng)用正被采用變頻柴油發(fā)電機(jī)組的新型混合能源供電產(chǎn)品所替代。

 

一、傳統(tǒng)柴油機(jī)淘汰的原因

 

1、電信基站多地處于偏遠(yuǎn)、交通不便利,市電電網(wǎng)覆蓋不到的地方,只能采用獨(dú)立電源供電系統(tǒng)來(lái)保障基站用電設(shè)備的不間斷供電需求。傳統(tǒng)供電方式為普通柴油發(fā)電機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行和后備鉛酸蓄電池組來(lái)提供基站設(shè)備的用電,這就要求柴油發(fā)電機(jī)組具備運(yùn)行的高可靠性和長(zhǎng)壽命及大容量的電池系統(tǒng)。由于柴油發(fā)電機(jī)的長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行必然導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組的老化,故障率上升,大修周期變短,從而大幅度降低了發(fā)電機(jī)組的使用壽命及供電的可靠性,增加了用戶的運(yùn)行維護(hù)成本。同時(shí),由于普通鉛酸蓄電池組的老化,更換不及時(shí),導(dǎo)致基站供電的不可靠性。給用戶帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

2、電信移動(dòng)基站負(fù)載設(shè)備的特性決定了普通柴油發(fā)電機(jī)組將處于長(zhǎng)期低載運(yùn)行工況。電信移動(dòng)基站的主要用電設(shè)備均為48V直流用電設(shè)備,而交流用電設(shè)備僅為空調(diào),且為交流單相負(fù)載,在啟動(dòng)的瞬間具有較大的沖擊電流,屬于單相沖擊性負(fù)載。這就要求普通柴油發(fā)電機(jī)組具備更大的功率以滿足空調(diào)設(shè)備的啟動(dòng)需求,當(dāng)空調(diào)正常運(yùn)轉(zhuǎn)后,發(fā)電機(jī)組所帶負(fù)載急劇下降,使得發(fā)電機(jī)組處于長(zhǎng)期低載運(yùn)行狀況,同時(shí)造成發(fā)電機(jī)組三相負(fù)載的極度不均衡。從而降低了柴油發(fā)電機(jī)組的使用壽命,縮短了柴油機(jī)的大修周期。

3、石油能源價(jià)格的上漲提高了用戶的使用成本。而柴油發(fā)電機(jī)組又處于長(zhǎng)期低負(fù)載連續(xù)運(yùn)行狀態(tài),燃油消耗率高。此外機(jī)油的價(jià)格也不斷攀升,也增加了用戶的使用成本。而發(fā)電機(jī)組處于長(zhǎng)行工況,維護(hù)周期短(基本上每250h進(jìn)行一次正常的保養(yǎng)),這也直接增加了用戶的使用成本。

變頻直流發(fā)電機(jī)組,采用現(xiàn)代變頻技術(shù),永磁發(fā)電機(jī)技術(shù)和智能控制技術(shù),從根本上改變傳統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行模式,在發(fā)電效率得到很大提高的同時(shí),有效地降低油耗,減少污染物的排放。

新型混合能源供電系統(tǒng)由變頻直流發(fā)電機(jī)組,風(fēng)能或太陽(yáng)能,混合能源控制器,鋰電池和DC-DC轉(zhuǎn)換器等組成,如圖1所示。永磁發(fā)電和新型能源通過混合能源控制器管理控制,DC-DC轉(zhuǎn)換器控制完成發(fā)電系統(tǒng)和鋰電池的充放電。由于變頻直流發(fā)電機(jī)組輸出直流,所以混合能源控制器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低,而且可以同時(shí)設(shè)置幾個(gè)模式;柴油發(fā)發(fā)電機(jī)組、太陽(yáng)能與蓄電池;柴油發(fā)電機(jī)組、風(fēng)能與蓄電池等。

 

變頻混合能源供電系統(tǒng)框圖.png

圖1 變頻混合能源供電系統(tǒng)框圖

 

 

二、變頻直流發(fā)電機(jī)組優(yōu)點(diǎn)

 

變頻柴油發(fā)電機(jī)組包括發(fā)動(dòng)機(jī)、多極永磁發(fā)電機(jī)、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和控制模塊。能根據(jù)負(fù)載功率的變化自動(dòng)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出頻率和功率,使發(fā)電機(jī)組始終工作在最節(jié)能的狀態(tài)。變頻發(fā)動(dòng)機(jī)將機(jī)械動(dòng)力轉(zhuǎn)換為可變頻率和可變電壓的電源,經(jīng)過電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(開關(guān)電源整流環(huán)節(jié))輸出穩(wěn)定的恒壓直流電,即使在非線性負(fù)載和不平衡負(fù)載的情況下,也能輸出持續(xù)、穩(wěn)定、不間斷的電源。配用轉(zhuǎn)速可調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)后輸出功率可調(diào),工作轉(zhuǎn)速為1200~3000r/min,與負(fù)載可實(shí)現(xiàn)最佳匹配,功率輸出與轉(zhuǎn)速相關(guān),避免發(fā)動(dòng)機(jī)因工作在低負(fù)載區(qū)而造成的積炭等損害,同時(shí)沒有勵(lì)磁繞組、軸承等可靠性也大幅提高。采用變頻直流柴油發(fā)電機(jī)組具有以下優(yōu)點(diǎn):

1、降低燃油消耗率

通過閉環(huán)控制,使?jié)M負(fù)載時(shí)柴油機(jī)處于額定最高轉(zhuǎn)速;負(fù)載減少時(shí),柴油機(jī)自動(dòng)降低轉(zhuǎn)速,確保柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速始終與負(fù)載的大小維持同步從而達(dá)到降低燃油耗的目的。理論上,柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速區(qū)間越大,節(jié)油越明顯。其節(jié)油量的模型為

[滿載(額定高速)×運(yùn)行時(shí)間+低載(額定低速)×運(yùn)行時(shí)間]-[滿載(額定恒速)×

運(yùn)行時(shí)間+低載(額定恒速)×運(yùn)行時(shí)間]

2、提高柴油機(jī)的輸出功率

采用高速柴油機(jī),使油耗比中速柴油機(jī)明顯的降低,同時(shí)柴油機(jī)的功率大幅度提高,相應(yīng)的也降低發(fā)電機(jī)組的成本和重量。

3、改善柴油機(jī)長(zhǎng)時(shí)間低負(fù)載高恒速運(yùn)行對(duì)柴油機(jī)維護(hù)和磨損的問題

4、可以直流輸出,方便接入,提高效率。

變頻直流發(fā)電機(jī)組能跟蹤負(fù)載將輸出功率自動(dòng)調(diào)節(jié)為最佳狀態(tài)。傳統(tǒng)的50/60Hz,據(jù)測(cè)試30kW柴油發(fā)電機(jī)組的能源利用效率只有78%到82%,而變頻直流發(fā)電機(jī)組能達(dá)到93%以上。因此在同樣的工況下,新型的變頻柴油發(fā)電機(jī)組可以節(jié)省15%左右的燃料。傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)組在通信基站運(yùn)用時(shí),長(zhǎng)期處于低負(fù)載狀態(tài),其平均負(fù)載可以低至30%,相對(duì)能耗較大,效率較低。變頻直流發(fā)電機(jī)組能有效地解決這種矛盾,其發(fā)動(dòng)機(jī)功率跟蹤負(fù)載的變化而變化,從而使得其總是工作在最佳的燃油狀態(tài)下,具有很高的經(jīng)濟(jì)效率、可靠性和穩(wěn)定性。普通基站的主設(shè)備功率在0.5~2kW,為了滿足基站在給電池充電的同時(shí)可以啟動(dòng)大電流負(fù)載,通常配備10~30kW的柴油發(fā)電機(jī)組,而永磁發(fā)電機(jī)的帶載能力強(qiáng)于傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī),用10kW以下的小型變速永磁發(fā)電機(jī)組就可以滿足多數(shù)基站的供電要求。

 

三、變頻直流發(fā)電機(jī)組的系統(tǒng)組成

 

變頻直流發(fā)電機(jī)組由發(fā)動(dòng)機(jī),永磁同步電機(jī)和控制模塊組成。變頻發(fā)動(dòng)機(jī)將機(jī)械動(dòng)力轉(zhuǎn)換為頻率和電壓可變的電源,經(jīng)過PWM升壓整流環(huán)節(jié)輸出穩(wěn)定的恒壓直流電,即使在非線性負(fù)載和不平衡負(fù)載的情況下,也能輸出持續(xù)、穩(wěn)定、不間斷的電源。永磁同步電動(dòng)機(jī)采用無(wú)軸承結(jié)構(gòu),簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)使電動(dòng)機(jī)具有長(zhǎng)壽命、高效率和高可靠性??刂破黛`活適配RS485、RS232和USB通信口,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控,或與PC通信,完全實(shí)現(xiàn)遙信、遙測(cè)和遙控功能,可讀、寫發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行參數(shù),保證發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。發(fā)電機(jī)組的體積小、重量輕,滿足通信運(yùn)營(yíng)商搶修和維護(hù)時(shí)便于搬運(yùn)的要求。系統(tǒng)整體方案如圖2所示。

變頻柴油發(fā)電機(jī)組方案框圖.png

變頻柴油發(fā)電機(jī)組方案框圖

 

1、發(fā)動(dòng)機(jī)

發(fā)動(dòng)機(jī)可根據(jù)負(fù)載大小自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)速不超過3000r/min,調(diào)速區(qū)間不小于1200r/min,發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率和轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系。

發(fā)動(dòng)機(jī)功率選擇需充分考慮發(fā)電機(jī)效率及直流電源整流效率。推薦Perkins400系列工業(yè)機(jī)或3000r/min高轉(zhuǎn)速機(jī)。在發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),需考慮發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與整機(jī)結(jié)構(gòu)的共振問題,避免或降低振動(dòng)強(qiáng)度。

在正常運(yùn)行情況下,發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行維護(hù)間隔不小于200h,即發(fā)動(dòng)機(jī)用機(jī)油、各類濾清器更換間隔不小于200h。

2、發(fā)電機(jī)

發(fā)電機(jī)采用多極稀土永磁發(fā)電機(jī)。轉(zhuǎn)子采用無(wú)刷、無(wú)軸承、自然通風(fēng)、與發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)(直接固定在曲軸的一端)。定子采用多極、多電壓繞組結(jié)構(gòu)。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子隨發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)后,在定子側(cè)輸出單相或三相中頻交流電,輸出交流電壓范圍為90~290V,頻率范圍通常為200~1000Hz。永磁發(fā)電機(jī)應(yīng)避免電磁嘯叫聲,保證在發(fā)電機(jī)組運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),無(wú)尖銳嘯叫聲。其特性見第3章永磁發(fā)電機(jī)。

3、控制系統(tǒng)

控制器采用DC12V直流供電,供電范圍為DC9~36V。發(fā)電機(jī)組在待機(jī)狀態(tài)時(shí),應(yīng)處于自動(dòng)狀態(tài),等待遠(yuǎn)程控制中心干接點(diǎn)啟動(dòng)信號(hào)。發(fā)電機(jī)組處于自動(dòng)狀態(tài),接收到啟動(dòng)命令后,發(fā)電機(jī)組經(jīng)延時(shí)后,自動(dòng)啟動(dòng)。

發(fā)電機(jī)組自動(dòng)啟動(dòng)后,會(huì)維持在設(shè)定好的開機(jī)轉(zhuǎn)速和100%帶載下運(yùn)行1min,控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)中頻輸出電壓、電流、功率等信息,獲取發(fā)電機(jī)輸出負(fù)載信息??刂葡到y(tǒng)將輸出負(fù)載的變換轉(zhuǎn)換為可變的電壓信號(hào),輸出至電子調(diào)速板,對(duì)發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。

為確保發(fā)電機(jī)組工作在最佳轉(zhuǎn)速下,每檔轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)可帶的負(fù)載需匹配,需要充分考慮永磁電機(jī)的效率。不允許出現(xiàn)轉(zhuǎn)速值對(duì)應(yīng)功率低于實(shí)際負(fù)載的情況。電子調(diào)速系統(tǒng)的輸入信號(hào)應(yīng)相匹配,控制系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)速區(qū)間范圍:1200~3000r/min,發(fā)動(dòng)機(jī)可以采取限油門位置的方式,限制發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速。調(diào)速的實(shí)現(xiàn)方式:設(shè)置10組功率/轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)值,用戶自定義控制調(diào)速曲線,可以將整個(gè)曲率區(qū)間分成10組區(qū)間,每一個(gè)區(qū)間其功率和轉(zhuǎn)速有線性的對(duì)應(yīng)關(guān)系,控制器可以根據(jù)這種線性的對(duì)應(yīng)關(guān)系調(diào)整電子調(diào)節(jié)器的輸出電壓,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的線性調(diào)整,當(dāng)發(fā)電機(jī)組達(dá)到最大轉(zhuǎn)速時(shí),控制器不再調(diào)高發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速。根據(jù)這種自定義的對(duì)應(yīng)關(guān)系,控制器最終實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速。調(diào)速設(shè)置時(shí)應(yīng)盡量避免發(fā)電機(jī)組共振點(diǎn),以防發(fā)電機(jī)組振幅過大和電機(jī)發(fā)出尖銳的嘯叫聲。

4、高頻開關(guān)電源系統(tǒng)

1)高頻開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)和工作原理

開關(guān)整流器主要由輸入濾波電路、整流電路、PFC有源功率因數(shù)校正電路、PWM高頻開關(guān)DC-DC變換電路、軟啟動(dòng)電路、檢測(cè)控制和狀態(tài)檢測(cè)、智能通信接口、輸出整流濾波電路等部分組成。如圖3所示。

交流輸入電壓經(jīng)過輸入濾波電路,濾除電網(wǎng)中的高次諧波,同時(shí)也防止開關(guān)電源產(chǎn)生的高次諧波進(jìn)入電網(wǎng)。經(jīng)過濾波后的交流電壓經(jīng)工頻整流電路轉(zhuǎn)換為直流電壓,整流后的直流電壓經(jīng)過功率因數(shù)校正電路后,使輸入交流電流與輸入交流電壓同相,從而使功率因數(shù)接近于1減少了諧波電流對(duì)電網(wǎng)的污染和無(wú)功損耗,該電壓在由DC-DC直流變換器轉(zhuǎn)換為所需要的直流電壓,經(jīng)輸出濾波電路濾波后輸出穩(wěn)定的直流電壓。

控制電路從主電路輸出進(jìn)行取樣,并與設(shè)定的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較,再經(jīng)由誤差放大器放大,然后,用放大的誤差信號(hào)去控制PWM控制器輸出脈沖的寬度,來(lái)穩(wěn)定和調(diào)節(jié)輸出電壓。

智能開關(guān)電源整流器具有交流輸入過電壓、交流輸入欠電壓、直流輸出過電壓、直流輸出限流與短路保護(hù)和散熱器過溫關(guān)機(jī)等保護(hù)功能。

 

變頻柴油發(fā)電機(jī)組開關(guān)整流器基本工作原理框圖.png

圖3 開關(guān)整流器基本工作原理框圖

 

2)監(jiān)控器技術(shù)要求

① 控制器面板布局

系統(tǒng)主菜單液晶屏顯示當(dāng)前日歷時(shí)間、系統(tǒng)狀態(tài)。液晶屏的周圍配有紅、綠指示燈。綠燈亮,表示系統(tǒng)工作正常;紅燈亮,表示系統(tǒng)(告警)故障。在面板上同時(shí)配置有操作鍵。操作鍵在不同的菜單中的功能不同。

② 控制器的主要功能

a.運(yùn)行信息:檢測(cè)系統(tǒng)電池狀態(tài)、故障狀態(tài)、交流供電狀態(tài)和模塊狀態(tài)。

b.參數(shù)設(shè)置:交流參數(shù)、電池參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)和節(jié)能參數(shù)。

c.控制輸出:系統(tǒng)控制、分路控制、模塊控制和干節(jié)點(diǎn)控制。

d.告警記錄:控制運(yùn)行狀態(tài)中發(fā)生的故障告警記錄。

e.系統(tǒng)配置:按訂單技術(shù)要求出廠前進(jìn)行系統(tǒng)配置操作(有權(quán)限操作)。

③ 控制器的其他功能

a.通過通信接口RS484(或RS232)與監(jiān)控中心連接,實(shí)施遙測(cè)、遙信、遙控。

b.通過干節(jié)點(diǎn)告警輸出接口,將系統(tǒng)故障輸出。

c.當(dāng)前告警顯示系統(tǒng)當(dāng)前故障狀態(tài)。

3)整流器

① 通用技術(shù)指標(biāo)

a.穩(wěn)壓精度:不超過直流輸出電壓整定值的±0.6%。

b.電壓調(diào)整率:不超過直流輸出電壓整定值的±0.1%。

c.電流調(diào)整率:不超過直流輸出電流整定值的±0.5%。

d.均流誤差:當(dāng)整流器的輸出電流在50%~100%的額定電流范圍內(nèi)時(shí),其均分負(fù)載電流不平衡度≤±5%額定電流值。

e.可聞噪聲:≤55dB。

f.雜音電壓:電話衡重雜音電壓:300Hz~3400Hz≤2.0mV。

g.峰一峰值雜音電壓:0MHz~20MHz≤200mV。

h.寬頻雜音電壓:3.4kHz~150kHz≤50mV。

② 絕緣電阻

在正常大氣壓條件下,相對(duì)濕度為90%,試驗(yàn)電壓為直流500V時(shí),整流器主回路的交流部分和直流部分對(duì)地,以及交流部分對(duì)直流部分的絕緣電阻均不低于5MΩ。

③ 抗電強(qiáng)度

交流電路對(duì)地、交流電路對(duì)直流電路能承受50Hz、1500V的交流電壓1min,無(wú)擊穿、無(wú)飛弧現(xiàn)象,漏電流≤30mA。

直流電路對(duì)地能承受50Hz、750V的直流電壓1min,無(wú)擊穿、無(wú)飛弧現(xiàn)象,漏電流≤30mA。

交流電路對(duì)直流電路能承受50Hz、3000V的交流電壓1min,無(wú)擊穿、無(wú)飛弧現(xiàn)象,漏電流≤30mA。

4)其他保護(hù)功能

① 短路保護(hù)功能:

當(dāng)整流器直流輸出電流大于額定輸出電流的110%時(shí)實(shí)施短路保護(hù),降低輸出電壓,限流輸出;故障消除,自動(dòng)恢復(fù)正常工作。

② 散熱器過溫保護(hù):

當(dāng)散熱器溫度在110℃±10℃范圍時(shí),整流器實(shí)施過溫關(guān)機(jī)保護(hù);故障消除,自動(dòng)恢復(fù)正常工作。

5)主要技術(shù)指標(biāo)

整流器主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)
 
DUM-48/50H
備注
交流供電
220V單相
-
開機(jī)浪涌電流
≤28A
-
啟動(dòng)電壓
≤95V
-
交流輸入電壓范圍
(額定負(fù)載)
176V~264V
-
AC欠電壓保護(hù)值
<(170±10)V(黃燈),關(guān)機(jī)<(80±10)V
-
AC過電壓保護(hù)值
關(guān)機(jī)(紅燈)>(305±10)V;恢復(fù)關(guān)機(jī)<(290±10)V(59±1)V
-
直流輸出標(biāo)稱
48V
-
直流輸出電壓
43.0V~58.0V
-
直流額定輸出電流
50A
(交流輸入電壓工作范圍
在176V~264V)
直流最大輸出電流
52.5A~55A
(交流輸入電壓工作范圍
在176V~264V)
效率
≥91%
-
重量
2.5kg
-

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