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变频柴油发电机组能源系统的优点 |
摘要：变频直流发电机组主要包括柴油发动机、多极永磁发电机、电源转换系统和控制模块。其能根据负载功率的变化自动调整发动机的转速，从而调节发电机的输出频率和功率，使发电机组始终工作在最节能的状态。在实际应用中，变频发电机组主要通过智能调速实现节能，为通信基站、特别是无市电或市电不稳的偏远站点，提供了一个高效、可靠且面向未来的供电解决方案。
一、为何直流比交流机组更有优势
由于直流变频发电机组主要应用于通信行业，本文将以通信基座的运行要求和特点为出发点来阐述其优势性（与传统机组对比如图1所示）。首先，传统的柴油发电机组在通信基站运用时，长期处于低负载状态，其平均负载可以低至30％，相对能耗较大，效率较低。直流变频发电机组能有效地解决这种矛盾，其发动机功率跟踪负载的变化而变化，从而使得其总是工作在最佳的燃油状态下，具有很高的经济效率、可靠性和稳定性。
1、传统柴油机淘汰的原因
（1）信基站多地处于偏远、交通不便利，市电电网覆盖不到的地方，只能采用独立电源供电系统来保障基站用电设备的不间断供电需求。传统供电方式为普通柴油发电机组长期运行和后备铅酸蓄电池组来提供基站设备的用电，这就要求柴油发电机组具备运行的高可靠性和长寿命及大容量的电池系统。由于柴油发电机的长期连续运行必然导致发电机组的老化，故障率上升，大修周期变短，从而大幅度降低了发电机组的使用寿命及供电的可靠性，增加了用户的运行维护成本。同时，由于普通铅酸蓄电池组的老化，更换不及时，导致基站供电的不可靠性。给用户带来了巨大的经济损失。
（2）电信移动基站负载设备的特性决定了普通柴油发电机组将处于长期低载运行工况。电信移动基站的主要用电设备均为48V直流用电设备，而交流用电设备仅为空调，且为交流单相负载，在启动的瞬间具有较大的冲击电流，属于单相冲击性负载。这就要求普通柴油发电机组具备更大的功率以满足空调设备的启动需求，当空调正常运转后，发电机组所带负载急剧下降，使得发电机组处于长期低载运行状况，同时造成发电机组三相负载的极度不均衡。从而降低了柴油发电机组的使用寿命，缩短了柴油机的大修周期。
（3）石油能源价格的上涨提高了用户的使用成本。而柴油发电机组又处于长期低负载连续运行状态，燃油消耗率高。此外机油的价格也不断攀升，也增加了用户的使用成本。而发电机组处于长行工况，维护周期短（基本上每250h进行一次正常的保养），这也直接增加了用户的使用成本。
2、直流变频发电机组优点
直流变频发电机组采用现代变频技术，永磁发电机技术和智能控制技术，从根本上改变传统柴油发电机组运行模式，在发电效率得到很大提高的同时，有效地降低油耗，减少污染物的排放。而新型混合能源供电系统由直流变频发电机组，风能或太阳能，混合能源控制器，锂电池和DC-DC转换器等组成，如图1所示。永磁发电和新型能源通过混合能源控制器管理控制，DC-DC转换器控制完成发电系统和锂电池的充放电。由于直流变频发电机组输出直流，所以混合能源控制器设计简单、成本低，而且可以同时设置几个模式。采用变频直流柴油发电机组具有以下优点：
（1）降低燃油消耗率：通过闭环控制，使满负载时柴油机处于额定最高转速；负载减少时，柴油机自动降低转速，确保柴油机的转速始终与负载的大小维持同步从而达到降低燃油耗的目的。理论上，柴油机的转速区间越大，节油越明显。其节油量的模型为：
［满载（额定高速）×运行时间＋低载（额定低速）×运行时间］-［满载（额定恒速）×运行时间＋低载（额定恒速）×运行时间］
（2）提高柴油机的输出功率：采用高速柴油机，使油耗比中速柴油机明显的降低，同时柴油机的功率大幅度提高，相应的也降低发电机组的成本和重量。
（3）改善柴油机长时间低负载高恒速运行对柴油机维护和磨损的问题
（4）可以直流输出，方便接入，提高效率。
直流变频发电机组能跟踪负载将输出功率自动调节为最佳状态。传统的50/60Hz，据测试30kW柴油发电机组的能源利用效率只有78％到82％，而直流变频发电机组能达到93％以上。因此在同样的工况下，新型的变频柴油发电机组可以节省15％左右的燃料。
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图1 直流变频发电机组优势对比框图. |
图2 变频混合能源供电系统框图 |
二、直流变频机组的结构组成
直流变频发电机组由发动机，永磁同步电机和控制模块组成，由于体积小、重量轻，很好的满足通信运营商抢修和维护时便于搬运的要求。系统整体方案如图2所示。
1、发动机
（1）发动机可根据负载大小自动调节转速，转速不超过3000r/min，调速区间不小于1200r/min，发动机输出功率和转速呈线性关系。
（2）发动机功率选择需充分考虑发电机效率及直流电源整流效率。在发动机正常运行转速范围内，需考虑发动机转速与整机结构的共振问题，避免或降低振动强度。
（3）在正常运行情况下，发动机运行维护间隔不小于200h，即发动机用机油、各类滤清器更换间隔不小于200h。
2、发电机
（1）发电机采用多极稀土永磁发电机。转子采用无刷、无轴承、自然通风、与发动机一体化设计的结构（直接固定在曲轴的一端）。定子采用多极、多电压绕组结构。
（2）发电机的转子随发动机曲轴转动后，在定子侧输出单相或三相中频交流电，输出交流电压范围为90～290V，频率范围通常为200～1000Hz。永磁发电机应避免电磁啸叫声，保证在发电机组运行转速范围内，无尖锐啸叫声。
3、控制系统
（1）基本性能：控制器采用DC12V直流供电，供电范围为DC9～36V。发电机组在待机状态时，应处于自动状态，等待远程控制中心干接点启动信号。发电机组处于自动状态，接收到启动命令后，发电机组经延时后，自动启动。
（2）调速的实现方式：设置10组功率/转速的对应值，用户自定义控制调速曲线，可以将整个曲率区间分成10组区间，每一个区间其功率和转速有线性的对应关系，控制器可以根据这种线性的对应关系调整电子调节器的输出电压，从而实现对转速的线性调整，当发电机组达到最大转速时，控制器不再调高发电机组转速。根据这种自定义的对应关系，控制器最终实现对发动机的无级调速。调速设置时应尽量避免发电机组共振点，以防发电机组振幅过大和电机发出尖锐的啸叫声。
（3）控制器面板布局：系统主菜单液晶屏显示当前日历时间、系统状态。液晶屏的周围配有红、绿指示灯。绿灯亮，表示系统工作正常；红灯亮，表示系统（告警）故障。在面板上同时配置有操作键。操作键在不同的菜单中的功能不同。
（4）控制器的主要功能
① 运行信息：检测系统电池状态、故障状态、交流供电状态和模块状态。
② 参数设置：交流参数、电池参数、系统参数和节能参数。
③ 控制输出：系统控制、分路控制、模块控制和干节点控制。
④ 告警记录：控制运行状态中发生的故障告警记录。通过干节点告警输出接口，将系统故障输出，并显示系统当前故障状态。
⑤ 通过通信接口RS484（或RS232）与监控中心连接，实施遥测、遥信、遥控。
4、高频开关电源系统
开关整流器主要由输入滤波电路、整流电路、PFC有源功率因数校正电路、PWM高频开关DC-DC变换电路、软启动电路、检测控制和状态检测、智能通信接口、输出整流滤波电路等部分组成。如图3所示。
（1）通用技术指标
① 稳压精度：不超过直流输出电压整定值的±0.6％。
② 电压调整率：不超过直流输出电压整定值的±0.1％。
③ 电流调整率：不超过直流输出电流整定值的±0.5％。
④ 均流误差：当整流器的输出电流在50％～100％的额定电流范围内时，其均分负载电流不平衡度≤±5％额定电流值。
⑤ 可闻噪声：≤55dB。
⑥ 电话衡重杂音电压：300Hz～3400Hz≤2.0mV。
⑦ 峰一峰值杂音电压：0MHz～20MHz≤200mV。
⑧ 宽频杂音电压：3.4kHz～150kHz≤50mV。
（2）绝缘电阻：在正常大气压条件下，相对湿度为90％，试验电压为直流500V时，整流器主回路的交流部分和直流部分对地，以及交流部分对直流部分的绝缘电阻均不低于5MΩ。
（3）抗电强度：交流电路对地、交流电路对直流电路能承受50Hz、1500V的交流电压1min，无击穿、无飞弧现象，漏电流≤30mA；直流电路对地能承受50Hz、750V的直流电压1min，无击穿、无飞弧现象，漏电流≤30mA；交流电路对直流电路能承受50Hz、3000V的交流电压1min，无击穿、无飞弧现象，漏电流≤30mA。
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变频柴油发电机组方案框图 |
图3 开关整流器基本工作原理框图 |
三、变频直流机组工作原理
这套系统与传统发电机组最大的不同，在于它完成了一次“机械-电能”转换后的“再加工”，并以此为前提，实现了对发动机转速的“解放”。其工作原理可以分解为以下五个核心环节：
1、动力源头
这是整个系统的“心脏”，但它的工作方式发生了根本变化。
（1）传统发电机组：发动机必须恒定在额定转速（如1500或3000转/分），以输出频率固定的交流电（50Hz或60Hz）。
（2）变频发电机组：发动机转速不再固定，而是在1200～3000转/分的宽范围内连续可调。其转速完全由负载功率决定——负载大时提高转速多发电，负载小时降低转速少发电。
2、发电环节
这台发电机是系统能够“变速”的关键物理基础。
（1）永磁励磁：它使用永久磁铁代替了传统发电机中需要通电的励磁绕组。因此，它不需要外部电源来建立磁场，只要转子旋转，就能切割磁力线产生电压。
（2）输出特性：当发动机带动它旋转时，它直接发出频率和电压都随转速变化的交流电。例如，转速在1200转时发出的是低频低压电，在3000转时发出的是高频高压电。
3、核心转换
这是实现“变频”并输出稳定直流电的核心中枢。它接收来自永磁发电机那“不稳定”的变频交流电，并完成两级变换：
（1）第一级：整流（AC-DC）。首先通过整流桥，将输入的变频交流电全波整流成脉动的直流电（电压仍在变化）。
（2）第二级：稳压（DC-DC）。整流后的脉动直流电，再进入高频开关电源变换电路。这个电路通过高速开关（如IGBT）和脉宽调制（PWM）技术，将其斩波、滤波，最终转化为稳定、纯净的恒压直流电（如通信用的48V或车载用的24V）。
4、智能大脑
控制模块是整个系统的“指挥官”，负责感知、决策和调控，实现了您提到的“最佳匹配”。
（1）实时监测：它时刻监测输出的电压、电流，计算当前负载功率。
（2）动态调速：根据负载大小，向发动机的电子调速器发送指令，精确控制油门，调整转速至对应所需功率的最佳值。
（3）闭环控制：当负载突然增加时，控制模块会立即指令发动机加速，提升发电机输出功率；当负载减小时，则立即减速。整个过程动态响应，确保发动机输出功率与负载实现最佳匹配。
5、高频开关电源系统
智能开关电源整流器具有交流输入过电压、交流输入欠电压、直流输出过电压、直流输出限流与短路保护和散热器过温关机等保护功能。
（1）交流输入电压经过输入滤波电路，滤除电网中的高次谐波，同时也防止开关电源产生的高次谐波进入电网。经过滤波后的交流电压经工频整流电路转换为直流电压，整流后的直流电压经过功率因数校正电路后，使输入交流电流与输入交流电压同相，从而使功率因数接近于1减少了谐波电流对电网的污染和无功损耗，该电压在由DC-DC直流变换器转换为所需要的直流电压，经输出滤波电路滤波后输出稳定的直流电压。
（2）控制电路从主电路输出进行取样，并与设定的基准电压进行比较，再经由误差放大器放大，然后，用放大的误差信号去控制PWM控制器输出脉冲的宽度，来稳定和调节输出电压。
总结：
对于直流变频柴油发电机组，可以把它理解为一个会思考、能省油的智能电源，与必须恒定转速运行的传统发电机组有着根本区别。这一整套技术路线的最终目的，就是让柴油机摆脱“为了保持频率而必须恒速”的束缚，使其转速和功率输出完全跟随负载，从而实现显著的节能减排和延长发电机组寿命。从应用上来说，目前主要适用于通信基站，尤其是偏远地区的基站，是变频直流发电机组最能发挥价值的舞台。
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