一種柴油發電機組及其利用反饋能量驅動同步發電機的方法
2023-08-02 02:43:26 1
專利名稱：一種柴油發電機組及其利用反饋能量驅動同步發電機的方法
技術領域：
本發明涉及柴油發電機組的可再生發電類負載應用的技術領域，特別涉及一種柴 油發電機組及其利用反饋能量驅動同步發電機的方法，柴油發電機組可以利用負載側通過 直流母線反饋的能量為同步發電機提供驅動扭矩，進而減少柴油發動機的耗油量實現節油 運行。
背景技術：
作為交流供電常用、備用和應急發電用的柴油發電機組被廣泛的應用於港口、船 舶、通訊等眾多領域。在實際應用中，很大一部分柴油發電機組是作為行動裝置的工作電 源，用以拖動可再生發電類負載。對於此類柴油發電機組，當可再生發電類負載釋放其動能 與勢能的時候大量能量被反饋到驅動用雙向可逆整流裝置的直流母線側，對於這部分能量 的應用是此類設備節能的重要因素之一。
現階段對於這部分能量一般有以下兩種處理方式
方案1，其一為通過大容量的儲能環節儲存該能量，如圖2所示，在下一次作功周 期內釋放，為了充分利用該部分能量，這種方式會導致所需要的中間儲能環節(一般為超 級電容或電池組)容量很大。配置很大容量的儲能環節會導致其成本大大增加，同時必須 為儲能環節在行動裝置有限的空間內分配位置，增加了柴油發電機組的複雜性。
方案2，另一種方式為小容量儲能環節與熱能量消耗單元配合使用，小容量儲能環 節為柴油發電機組提供驅動重載時的緩衝能量，同時能夠吸收小部分反饋能量；熱能量消 耗單元則用於消耗掉多餘的能量，如圖3所示，以防止可能引起的過壓故障。這種方式在實 際應用中一般通過設置制動單元和制動電阻實現，由此會產生能量不能全部回收利用，部 分或者大部分通過熱能方式耗散，降低了柴油發電機組的運行效率。發明內容
本發明的目的在於，為了解決上述問題，提供一種柴油發電機組及其利用反饋能 量驅動同步發電機的方法，利用反饋能量驅動實現節能運行的柴油發電機組，該發明涉及 的柴油發電機組可以進一步的應用反饋回來的能量，將該部分能量用於推動柴油發動機運 轉，達到節能目的。
為了達到上述目的，本發明的技術方案提出了一種柴油發電機組，該柴油發電機 組包括可調速運行的柴油發動機、與柴油發動機通過機械傳動系統連接進而實現同步運 行的同步發電機、與同步發電機電氣連接的雙向可逆整流裝置、以及用於監測與控制整個 系統的中央控制器，所述的柴油發動機和雙向可逆整流裝置通過各自的通訊總線與中央控 制器聯接，其特徵在於，還包括設置在直流母線上的電壓傳感器，用於實時監測直流母線側 的電壓值；
所述的中央控制器還包括一比較模塊，用於比較直流母線側的電壓值和直流母線目標穩定電壓；當直流母線側的電壓值大於「直流母線目標穩定電壓」時，中央控制器通過 通訊總線向雙向可逆整流裝置中的扭矩控制器發出指令，控制扭矩控制器施加在同步發電 機上扭矩的方向與大小，驅動同步發電機扭矩方向同柴油發動機輸出的扭矩方向相同，實 現直流母線側到柴油發電機組的能量轉移，實現節油運行。
上述技術方案中，所述的雙向可逆整流裝置為三相可逆橋式PWM整流電路，所述 的三相可逆橋式PWM整流電路包括絕緣柵極雙極型電晶體(IGBT)和其並聯的續流二極 管，其中還包括分別設置在三相交流電側的三路電流傳感器與電壓傳感器，所述的扭矩控 制器通過電流傳感器與電壓傳感器實時監測三相交流電側的電壓與電流，並根據中央控制 器通過通訊總線給出的扭矩大小與方向的指令確定IGBT開關的通斷時機和調節佔空比， 以達到調節直流側電壓與電流的目的。
上述技術方案中，所述的同步發電機上還設置有速度編碼器，該速度編碼器為增 量編碼器類型並與中央控制器聯接，用於測量同步發電機的轉子角度，並由中央控制器確 保柴油發電機組運行於反拖時同步發電機輸出的扭矩不會使柴油發動機轉速高於其空載 時的怠速轉速，當同步發電機輸出的扭矩過高，則中央控制器強制指令同步發電機的輸出 扭矩為「零」，實現矢量控制以保證轉速安全。
為了達到上述的另一目的，本發明的技術方案還提出了一種柴油發電機組利用反 饋能量驅動同步發電機的方法，該方法通過柴油發電機組中的中央控制器根據直流母線側 的電壓值，通過通訊總線向雙向可逆整流裝置中的扭矩控制器發出指令，進而控制扭矩控 制器施加在同步發電機上扭矩的方向與大小，當直流母線側的電壓值大於「直流母線目標 穩定電壓」時，驅動同步發電機扭矩方向同柴油發動機輸出的扭矩方向相同，實現直流側到 柴油發電機組的能量轉移，實現節油運行。
上述技術方案中，所述的方法的步驟包括
I)中央控制器通過直流母線側的電壓傳感器讀取直流母線側電壓值；
2)中央控制器通過比較模塊比較直流母線電壓值和直流母線目標穩定電壓，一旦 發現直流母線電壓大於「直流母線目標穩定電壓」，即控制柴油發電機組進入反拖狀態，否 則控制柴油發電機組處於泵升狀態；
3)在柴油發電機組處於反拖狀態時，雙向可逆整流裝置中的扭矩控制器驅動同 步發電機扭矩方向同柴油發動機輸出扭矩方向相同，實現直流側到柴油發電機組的能量轉 移，能量用於驅動同步發電機運行，同步發電機進而拖動柴油發動機運轉，實現節油運行。
上述技術方案中，所述的反拖狀態下同步發電機的最大輸出扭矩不高於柴油發動 機在怠速空載情況下輸出的扭矩。只要輸出的反拖扭矩等於柴油發動機在怠速空載情況下 輸出的扭矩，柴油發動機輸出功率即為「零」;
柴油丨9550 (N.m)為柴油發動機怠速空載時輸出的扭矩，同步發電機在拖動柴油發動機的過程中，只要其輸出扭矩達到這個數值，柴油發動機輸出扭矩 就為「零」，輸出功率也將為「零」，柴油發動機的耗油量當然也就為「零」。
上述技術方案中，所述的方法還包括步驟4)
4)在柴油發電機組處於泵升狀態時，雙向可逆整流裝置中的扭矩控制器驅動同步 發電機扭矩方向同柴油發動機的輸出扭矩方向相反，實現柴油發電機組到直流側的能量轉移。
上述技術方案中，所述的泵升狀態下的同步發電機的輸出扭矩的最大值為
最大泵升扭矩限制值=柴油機對應轉速下最大扭矩-柴油機怠速扭矩X 40%
為保證直流母線電壓穩定，雙向可逆整流裝置中的扭矩控制器，會輸出反向於柴油發動機的扭矩，為保證柴油發動機正常運行，必須對雙向可逆整流裝置輸出的泵升扭矩最大值進行限定，柴油發動機空載損耗40%後對應轉速下所能承受的負載扭矩也就是發電機對應轉速下所能輸出的最大扭矩。
上述技術方案中，所述的方法還進一步包括步驟5)
5)在柴油發電機組處於反拖狀態時，直流母線側的電壓值降低，由於柴油發動機從反拖到正常運行需要一定的反應時間，當直流母線側的電壓值介於「直流母線目標穩定電壓」至「直流母線目標穩定電壓+20伏」之間時，不進行反拖(即同步發電機輸出扭矩為 「零，，);
當直流母線側的電壓值為「直流母線目標穩定電壓+20伏」至「直流母線目標穩定電壓+100伏」之間時，採用一階函數限制同步發電機的輸出扭矩的最大反拖扭矩，使得扭矩均勻變化；限制最大反拖扭矩的一階函數為
權利要求
1.一種柴油發電機組，該柴油發電機組包括可調速運行的柴油發動機、與柴油發動機通過機械傳動系統連接進而實現同步運行的同步發電機、與同步發電機電氣連接的雙向可逆整流裝置、以及用於監測與控制整個系統的中央控制器，所述的柴油發動機和雙向可逆整流裝置通過各自的通訊總線與中央控制器聯接，其特徵在於，還包括設置在直流母線上的電壓傳感器，用於實時監測直流母線側的電壓值；所述的中央控制器還包括一比較模塊，用於比較直流母線側的電壓值和直流母線目標穩定電壓，進而控制雙向可逆整流裝置中的扭矩控制器施加在同步發電機上扭矩的方向與大小；當直流母線側的電壓值大於「直流母線目標穩定電壓」時，中央控制器通過通訊總線向雙向可逆整流裝置中的扭矩控制器發出指令，驅動同步發電機扭矩方向同柴油發動機輸出的扭矩方向相同，實現直流母線側到柴油發電機組的能量轉移，實現節油運行。
2.根據權利要求1所述的柴油發電機組，其特徵在於，所述的雙向可逆整流裝置為三相可逆橋式PWM整流電路，所述的三相可逆橋式PWM整流電路包括絕緣柵極雙極型電晶體 (IGBT)和其並聯的續流二極體，其中還包括分別設置在三相交流電側的三路電流傳感器與電壓傳感器，所述的扭矩控制器通過電流傳感器與電壓傳感器實時監測三相交流電側的電壓與電流，並根據中央控制器通過通訊總線給出的扭矩大小與方向的指令確定IGBT開關的通斷時機和調節佔空比，以達到調節直流側電壓與電流的目的。
3.根據權利要求1所述的柴油發電機組，其特徵在於，所述的同步發電機上還設置有速度編碼器，該速度編碼器採用增量式編碼器並與中央控制器聯接，用於測量同步發電機的轉子角度，並由中央控制器確保柴油發電機組運行於反拖時同步發電機輸出的扭矩保證柴油發動機轉速不高於其空載時的怠速轉速，當同步發電機輸出的扭矩過高，則中央控制器強制指令同步發電機的輸出扭矩為「零」，實現矢量控制以保證轉速安全。
4.一種柴油發電機組利用反饋能量驅動同步發電機的方法，該方法通過柴油發電機組中的中央控制器根據直流母線側的電壓值，通過通訊總線向雙向可逆整流裝置中的扭矩控制器發出指令，當直流母線側的電壓值大於「直流母線目標穩定電壓」時，驅動同步發電機扭矩方向同柴油發動機輸出的扭矩方向相同，實現直流側到柴油發電機組的能量轉移，實現節油運行。
5.根據權利要求4所述的柴油發電機組利用反饋能量驅動同步發電機的方法，其特徵在於，所述方法的步驟包括1)中央控制器通過直流母線側的電壓傳感器讀取直流母線側電壓值；2)中央控制器通過比較模塊比較直流母線電壓值和直流母線目標穩定電壓，一旦發現直流母線電壓大於「直流母線目標穩定電壓」，即控制柴油發電機組進入反拖狀態，否則控制柴油發電機組處於泵升狀態；3)在柴油發電機組處於反拖狀態時，雙向可逆整流裝置中的扭矩控制器驅動同步發電機扭矩方向同柴油發動機輸出扭矩方向相同，實現直流側到柴油發電機組的能量轉移，能量用於驅動同步發電機運行，同步發電機進而拖動柴油發動機運轉，實現節油運行。
6.根據權利要求5所述的利用反饋能量驅動同步發電機的方法，其特徵在於，所述的反拖狀態下同步發電機的最大輸出扭矩不高於柴油發動機在怠速空載情況下輸出的扭矩。
7.根據權利要求5所述的利用反饋能量驅動同步發電機的方法，其特徵在於，所述的方法還包括步驟4)4)在柴油發電機組處於泵升狀態時，雙向可逆整流裝置中的扭矩控制器驅動同步發電機扭矩方向同柴油發動機的輸出扭矩方向相反，實現柴油發電機組到直流側的能量轉移。
8.根據權利要求7所述的利用反饋能量驅動同步發電機的方法，其特徵在於，所述的泵升狀態下的同步發電機的輸出扭矩的最大值為最大泵升扭矩限制值=柴油機對應轉速下最大扭矩-柴油機怠速扭矩X40%
9.根據權利要求5所述的利用反饋能量驅動同步發電機的方法，其特徵在於，所述的方法還進一步包括步驟5)5)在柴油發電機組處於反拖狀態時，直流母線側的電壓值降低，由於柴油發動機從反拖到正常運行需要一定的反應時間，當直流母線側的電壓值介於「直流母線目標穩定電壓」 至「直流母線目標穩定電壓+20伏」之間時，發電機輸出扭矩為「零」；當直流母線側的電壓值為「直流母線目標穩定電壓+20伏」至「直流母線目標穩定電壓+100伏」之間時，採用一階函數限制發電機的輸出扭矩的最大反拖扭矩，使得扭矩均勻變化；限制最大反拖扭矩的一階函數為
全文摘要
本發明涉及一種柴油發電機組及其利用反饋能量驅動同步發電機的方法，該柴油發電機組還包括設置在直流母線上的電壓傳感器，用於實時監測直流母線側的電壓值；所述的中央控制器還包括一比較模塊，用於比較直流母線側的電壓值和直流母線目標穩定電壓，進而控制雙向可逆整流裝置中的扭矩控制器施加在同步發電機上扭矩的方向與大小；當直流母線側的電壓值大於「直流母線目標穩定電壓」時，中央控制器通過通訊總線向雙向可逆整流裝置中的扭矩控制器發出指令，驅動同步發電機扭矩方向同柴油發動機輸出的扭矩方向相同，此時柴油發動機將由同步發電機拖動運轉，實現直流母線側到柴油發電機組的能量轉移，實現節油運行。
文檔編號H02P9/04GK103001564SQ201110267149
公開日2013年3月27日 申請日期2011年9月9日 優先權日2011年9月9日
發明者王永鋼, 陳旭, 谷盛, 梁克, 於秀娟, 劉永濤, 季英業, 張鳳江 申請人:交通運輸部水運科學研究所