新聞主題	變頻柴油發電機組能源系統的優點

 

混合能源系統中的柴油發電機組，主要作為備用電源，用于在可再生能源利用條件受限時才啟動發電，可選用傳統定速柴油發電機組，也可采用變頻柴油發電機組。傳統的普通柴油發電機組因其自身的局限性，如通信行業的應用正被采用變頻柴油發電機組的新型混合能源供電產品所替代。

 

一、傳統柴油機淘汰的原因

 

1、電信基站多地處于偏遠、交通不便利，市電電網覆蓋不到的地方，只能采用獨立電源供電系統來保障基站用電設備的不間斷供電需求。傳統供電方式為普通柴油發電機組長期運行和后備鉛酸蓄電池組來提供基站設備的用電，這就要求柴油發電機組具備運行的高可靠性和長壽命及大容量的電池系統。由于柴油發電機的長期連續運行必然導致發電機組的老化，故障率上升，大修周期變短，從而大幅度降低了發電機組的使用壽命及供電的可靠性，增加了用戶的運行維護成本。同時，由于普通鉛酸蓄電池組的老化，更換不及時，導致基站供電的不可靠性。給用戶帶來了巨大的經濟損失。

2、電信移動基站負載設備的特性決定了普通柴油發電機組將處于長期低載運行工況。電信移動基站的主要用電設備均為48V直流用電設備，而交流用電設備僅為空調，且為交流單相負載，在啟動的瞬間具有較大的沖擊電流，屬于單相沖擊性負載。這就要求普通柴油發電機組具備更大的功率以滿足空調設備的啟動需求，當空調正常運轉后，發電機組所帶負載急劇下降，使得發電機組處于長期低載運行狀況，同時造成發電機組三相負載的極度不均衡。從而降低了柴油發電機組的使用壽命，縮短了柴油機的大修周期。

3、石油能源價格的上漲提高了用戶的使用成本。而柴油發電機組又處于長期低負載連續運行狀態，燃油消耗率高。此外機油的價格也不斷攀升，也增加了用戶的使用成本。而發電機組處于長行工況，維護周期短（基本上每250h進行一次正常的保養），這也直接增加了用戶的使用成本。

變頻直流發電機組，采用現代變頻技術，永磁發電機技術和智能控制技術，從根本上改變傳統柴油發電機組運行模式，在發電效率得到很大提高的同時，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由變頻直流發電機組，風能或太陽能，混合能源控制器，鋰電池和DC-DC轉換器等組成，如圖1所示。永磁發電和新型能源通過混合能源控制器管理控制，DC-DC轉換器控制完成發電系統和鋰電池的充放電。由于變頻直流發電機組輸出直流，所以混合能源控制器設計簡單、成本低，而且可以同時設置幾個模式；柴油發發電機組、太陽能與蓄電池；柴油發電機組、風能與蓄電池等。

 

圖1 變頻混合能源供電系統框圖

 

 

二、變頻直流發電機組優點

 

變頻柴油發電機組包括發動機、多極永磁發電機、電源轉換系統和控制模塊。能根據負載功率的變化自動調整發動機的轉速，從而調節發電機的輸出頻率和功率，使發電機組始終工作在最節能的狀態。變頻發動機將機械動力轉換為可變頻率和可變電壓的電源，經過電源轉換系統（開關電源整流環節）輸出穩定的恒壓直流電，即使在非線性負載和不平衡負載的情況下，也能輸出持續、穩定、不間斷的電源。配用轉速可調發動機后輸出功率可調，工作轉速為1200～3000r/min，與負載可實現最佳匹配，功率輸出與轉速相關，避免發動機因工作在低負載區而造成的積炭等損害，同時沒有勵磁繞組、軸承等可靠性也大幅提高。采用變頻直流柴油發電機組具有以下優點：

1、降低燃油消耗率

通過閉環控制，使滿負載時柴油機處于額定最高轉速；負載減少時，柴油機自動降低轉速，確保柴油機的轉速始終與負載的大小維持同步從而達到降低燃油耗的目的。理論上，柴油機的轉速區間越大，節油越明顯。其節油量的模型為

［滿載（額定高速）×運行時間＋低載（額定低速）×運行時間］-［滿載（額定恒速）×

運行時間＋低載（額定恒速）×運行時間］

2、提高柴油機的輸出功率

采用高速柴油機，使油耗比中速柴油機明顯的降低，同時柴油機的功率大幅度提高，相應的也降低發電機組的成本和重量。

3、改善柴油機長時間低負載高恒速運行對柴油機維護和磨損的問題

4、可以直流輸出，方便接入，提高效率。

變頻直流發電機組能跟蹤負載將輸出功率自動調節為最佳狀態。傳統的50／60Hz，據測試30kW柴油發電機組的能源利用效率只有78％到82％，而變頻直流發電機組能達到93％以上。因此在同樣的工況下，新型的變頻柴油發電機組可以節省15％左右的燃料。傳統的柴油發電機組在通信基站運用時，長期處于低負載狀態，其平均負載可以低至30％，相對能耗較大，效率較低。變頻直流發電機組能有效地解決這種矛盾，其發動機功率跟蹤負載的變化而變化，從而使得其總是工作在最佳的燃油狀態下，具有很高的經濟效率、可靠性和穩定性。普通基站的主設備功率在0.5～2kW，為了滿足基站在給電池充電的同時可以啟動大電流負載，通常配備10～30kW的柴油發電機組，而永磁發電機的帶載能力強于傳統的發電機，用10kW以下的小型變速永磁發電機組就可以滿足多數基站的供電要求。

 

三、變頻直流發電機組的系統組成

 

變頻直流發電機組由發動機，永磁同步電機和控制模塊組成。變頻發動機將機械動力轉換為頻率和電壓可變的電源，經過PWM升壓整流環節輸出穩定的恒壓直流電，即使在非線性負載和不平衡負載的情況下，也能輸出持續、穩定、不間斷的電源。永磁同步電動機采用無軸承結構，簡單的機械結構使電動機具有長壽命、高效率和高可靠性。控制器靈活適配RS485、RS232和USB通信口，實現遠程監控，或與PC通信，完全實現遙信、遙測和遙控功能，可讀、寫發電機組的運行參數，保證發電機組的穩定運行。發電機組的體積小、重量輕，滿足通信運營商搶修和維護時便于搬運的要求。系統整體方案如圖2所示。

變頻柴油發電機組方案框圖

 

1、發動機

發動機可根據負載大小自動調節轉速，轉速不超過3000r/min，調速區間不小于1200r/min，發動機輸出功率和轉速呈線性關系。

發動機功率選擇需充分考慮發電機效率及直流電源整流效率。推薦Perkins400系列工業機或3000r/min高轉速機。在發動機正常運行轉速范圍內，需考慮發動機轉速與整機結構的共振問題，避免或降低振動強度。

在正常運行情況下，發動機運行維護間隔不小于200h，即發動機用機油、各類濾清器更換間隔不小于200h。

2、發電機

發電機采用多極稀土永磁發電機。轉子采用無刷、無軸承、自然通風、與發動機一體化設計的結構（直接固定在曲軸的一端）。定子采用多極、多電壓繞組結構。發電機的轉子隨發動機曲軸轉動后，在定子側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。永磁發電機應避免電磁嘯叫聲，保證在發電機組運行轉速范圍內，無尖銳嘯叫聲。其特性見第3章永磁發電機。

3、控制系統

控制器采用DC12V直流供電，供電范圍為DC9～36V。發電機組在待機狀態時，應處于自動狀態，等待遠程控制中心干接點啟動信號。發電機組處于自動狀態，接收到啟動命令后，發電機組經延時后，自動啟動。

發電機組自動啟動后，會維持在設定好的開機轉速和100％帶載下運行1min，控制系統實時檢測中頻輸出電壓、電流、功率等信息，獲取發電機輸出負載信息。控制系統將輸出負載的變換轉換為可變的電壓信號，輸出至電子調速板，對發電機組轉速進行調節。

為確保發電機組工作在最佳轉速下，每檔轉速對應可帶的負載需匹配，需要充分考慮永磁電機的效率。不允許出現轉速值對應功率低于實際負載的情況。電子調速系統的輸入信號應相匹配，控制系統對發動機的調速區間范圍：1200～3000r/min，發動機可以采取限油門位置的方式，限制發動機最大轉速。調速的實現方式：設置10組功率/轉速的對應值，用戶自定義控制調速曲線，可以將整個曲率區間分成10組區間，每一個區間其功率和轉速有線性的對應關系，控制器可以根據這種線性的對應關系調整電子調節器的輸出電壓，從而實現對轉速的線性調整，當發電機組達到最大轉速時，控制器不再調高發電機組轉速。根據這種自定義的對應關系，控制器最終實現對發動機的無級調速。調速設置時應盡量避免發電機組共振點，以防發電機組振幅過大和電機發出尖銳的嘯叫聲。

4、高頻開關電源系統

1）高頻開關電源的結構和工作原理

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

交流輸入電壓經過輸入濾波電路，濾除電網中的高次諧波，同時也防止開關電源產生的高次諧波進入電網。經過濾波后的交流電壓經工頻整流電路轉換為直流電壓，整流后的直流電壓經過功率因數校正電路后，使輸入交流電流與輸入交流電壓同相，從而使功率因數接近于1減少了諧波電流對電網的污染和無功損耗，該電壓在由DC-DC直流變換器轉換為所需要的直流電壓，經輸出濾波電路濾波后輸出穩定的直流電壓。

控制電路從主電路輸出進行取樣，并與設定的基準電壓進行比較，再經由誤差放大器放大，然后，用放大的誤差信號去控制PWM控制器輸出脈沖的寬度，來穩定和調節輸出電壓。

智能開關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和散熱器過溫關機等保護功能。

 

圖3 開關整流器基本工作原理框圖

 

2）監控器技術要求

① 控制器面板布局

系統主菜單液晶屏顯示當前日歷時間、系統狀態。液晶屏的周圍配有紅、綠指示燈。綠燈亮，表示系統工作正常；紅燈亮，表示系統（告警）故障。在面板上同時配置有操作鍵。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.運行信息：檢測系統電池狀態、故障狀態、交流供電狀態和模塊狀態。

b.參數設置：交流參數、電池參數、系統參數和節能參數。

c.控制輸出：系統控制、分路控制、模塊控制和干節點控制。

d.告警記錄：控制運行狀態中發生的故障告警記錄。

e.系統配置：按訂單技術要求出廠前進行系統配置操作（有權限操作）。

③ 控制器的其他功能

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

b.通過干節點告警輸出接口，將系統故障輸出。

c.當前告警顯示系統當前故障狀態。

3）整流器

① 通用技術指標

a．穩壓精度：不超過直流輸出電壓整定值的±0.6％。

b．電壓調整率：不超過直流輸出電壓整定值的±0.1％。

c．電流調整率：不超過直流輸出電流整定值的±0.5％。

d．均流誤差：當整流器的輸出電流在50％～100％的額定電流范圍內時，其均分負載電流不平衡度≤±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，相對濕度為90％，試驗電壓為直流500V時，整流器主回路的交流部分和直流部分對地，以及交流部分對直流部分的絕緣電阻均不低于5MΩ。

③ 抗電強度

交流電路對地、交流電路對直流電路能承受50Hz、1500V的交流電壓1min，無擊穿、無飛弧現象，漏電流≤30mA。

直流電路對地能承受50Hz、750V的直流電壓1min，無擊穿、無飛弧現象，漏電流≤30mA。

交流電路對直流電路能承受50Hz、3000V的交流電壓1min，無擊穿、無飛弧現象，漏電流≤30mA。

4）其他保護功能

① 短路保護功能：

當整流器直流輸出電流大于額定輸出電流的110％時實施短路保護，降低輸出電壓，限流輸出；故障消除，自動恢復正常工作。

② 散熱器過溫保護：

當散熱器溫度在110℃±10℃范圍時，整流器實施過溫關機保護；故障消除，自動恢復正常工作。

5）主要技術指標

整流器主要技術指標見表1。

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