專利名稱：一種柴油發(fā)電機(jī)組及其利用反饋能量驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及柴油發(fā)電機(jī)組的可再生發(fā)電類負(fù)載應(yīng)用的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種柴 油發(fā)電機(jī)組及其利用反饋能量驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)的方法，柴油發(fā)電機(jī)組可以利用負(fù)載側(cè)通過(guò) 直流母線反饋的能量為同步發(fā)電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)扭矩，進(jìn)而減少柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油量實(shí)現(xiàn)節(jié)油 運(yùn)行。
背景技術(shù)：
作為交流供電常用、備用和應(yīng)急發(fā)電用的柴油發(fā)電機(jī)組被廣泛的應(yīng)用于港口、船 舶、通訊等眾多領(lǐng)域。在實(shí)際應(yīng)用中，很大一部分柴油發(fā)電機(jī)組是作為移動(dòng)設(shè)備的工作電 源，用以拖動(dòng)可再生發(fā)電類負(fù)載。對(duì)于此類柴油發(fā)電機(jī)組，當(dāng)可再生發(fā)電類負(fù)載釋放其動(dòng)能 與勢(shì)能的時(shí)候大量能量被反饋到驅(qū)動(dòng)用雙向可逆整流裝置的直流母線側(cè)，對(duì)于這部分能量 的應(yīng)用是此類設(shè)備節(jié)能的重要因素之一。
現(xiàn)階段對(duì)于這部分能量一般有以下兩種處理方式
方案1，其一為通過(guò)大容量的儲(chǔ)能環(huán)節(jié)儲(chǔ)存該能量，如圖2所示，在下一次作功周 期內(nèi)釋放，為了充分利用該部分能量，這種方式會(huì)導(dǎo)致所需要的中間儲(chǔ)能環(huán)節(jié)(一般為超 級(jí)電容或電池組)容量很大。配置很大容量的儲(chǔ)能環(huán)節(jié)會(huì)導(dǎo)致其成本大大增加，同時(shí)必須 為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)在移動(dòng)設(shè)備有限的空間內(nèi)分配位置，增加了柴油發(fā)電機(jī)組的復(fù)雜性。
方案2，另一種方式為小容量?jī)?chǔ)能環(huán)節(jié)與熱能量消耗單元配合使用，小容量?jī)?chǔ)能環(huán) 節(jié)為柴油發(fā)電機(jī)組提供驅(qū)動(dòng)重載時(shí)的緩沖能量，同時(shí)能夠吸收小部分反饋能量；熱能量消 耗單元?jiǎng)t用于消耗掉多余的能量，如圖3所示，以防止可能引起的過(guò)壓故障。這種方式在實(shí) 際應(yīng)用中一般通過(guò)設(shè)置制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻實(shí)現(xiàn)，由此會(huì)產(chǎn)生能量不能全部回收利用，部 分或者大部分通過(guò)熱能方式耗散，降低了柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行效率。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，為了解決上述問(wèn)題，提供一種柴油發(fā)電機(jī)組及其利用反饋能 量驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)的方法，利用反饋能量驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行的柴油發(fā)電機(jī)組，該發(fā)明涉及 的柴油發(fā)電機(jī)組可以進(jìn)一步的應(yīng)用反饋回來(lái)的能量，將該部分能量用于推動(dòng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn) 轉(zhuǎn)，達(dá)到節(jié)能目的。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案提出了一種柴油發(fā)電機(jī)組，該柴油發(fā)電機(jī) 組包括可調(diào)速運(yùn)行的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)連接進(jìn)而實(shí)現(xiàn)同步運(yùn) 行的同步發(fā)電機(jī)、與同步發(fā)電機(jī)電氣連接的雙向可逆整流裝置、以及用于監(jiān)測(cè)與控制整個(gè) 系統(tǒng)的中央控制器，所述的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和雙向可逆整流裝置通過(guò)各自的通訊總線與中央控 制器聯(lián)接，其特征在于，還包括設(shè)置在直流母線上的電壓傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)直流母線側(cè) 的電壓值；
所述的中央控制器還包括一比較模塊，用于比較直流母線側(cè)的電壓值和直流母線目標(biāo)穩(wěn)定電壓；當(dāng)直流母線側(cè)的電壓值大于“直流母線目標(biāo)穩(wěn)定電壓”時(shí)，中央控制器通過(guò) 通訊總線向雙向可逆整流裝置中的扭矩控制器發(fā)出指令，控制扭矩控制器施加在同步發(fā)電 機(jī)上扭矩的方向與大小，驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)扭矩方向同柴油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的扭矩方向相同，實(shí) 現(xiàn)直流母線側(cè)到柴油發(fā)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)節(jié)油運(yùn)行。
上述技術(shù)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晶體管(IGBT)和其并聯(lián)的續(xù)流二極 管，其中還包括分別設(shè)置在三相交流電側(cè)的三路電流傳感器與電壓傳感器，所述的扭矩控 制器通過(guò)電流傳感器與電壓傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)三相交流電側(cè)的電壓與電流，并根據(jù)中央控制 器通過(guò)通訊總線給出的扭矩大小與方向的指令確定IGBT開(kāi)關(guān)的通斷時(shí)機(jī)和調(diào)節(jié)占空比， 以達(dá)到調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓與電流的目的。
上述技術(shù)方案中，所述的同步發(fā)電機(jī)上還設(shè)置有速度編碼器，該速度編碼器為增 量編碼器類型并與中央控制器聯(lián)接，用于測(cè)量同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子角度，并由中央控制器確 保柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行于反拖時(shí)同步發(fā)電機(jī)輸出的扭矩不會(huì)使柴油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于其空載 時(shí)的怠速轉(zhuǎn)速，當(dāng)同步發(fā)電機(jī)輸出的扭矩過(guò)高，則中央控制器強(qiáng)制指令同步發(fā)電機(jī)的輸出 扭矩為“零”，實(shí)現(xiàn)矢量控制以保證轉(zhuǎn)速安全。
為了達(dá)到上述的另一目的，本發(fā)明的技術(shù)方案還提出了一種柴油發(fā)電機(jī)組利用反 饋能量驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)的方法，該方法通過(guò)柴油發(fā)電機(jī)組中的中央控制器根據(jù)直流母線側(cè) 的電壓值，通過(guò)通訊總線向雙向可逆整流裝置中的扭矩控制器發(fā)出指令，進(jìn)而控制扭矩控 制器施加在同步發(fā)電機(jī)上扭矩的方向與大小，當(dāng)直流母線側(cè)的電壓值大于“直流母線目標(biāo) 穩(wěn)定電壓”時(shí)，驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)扭矩方向同柴油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的扭矩方向相同，實(shí)現(xiàn)直流側(cè)到 柴油發(fā)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)節(jié)油運(yùn)行。
上述技術(shù)方案中，所述的方法的步驟包括
I)中央控制器通過(guò)直流母線側(cè)的電壓傳感器讀取直流母線側(cè)電壓值；
2)中央控制器通過(guò)比較模塊比較直流母線電壓值和直流母線目標(biāo)穩(wěn)定電壓，一旦 發(fā)現(xiàn)直流母線電壓大于“直流母線目標(biāo)穩(wěn)定電壓”，即控制柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)入反拖狀態(tài)，否 則控制柴油發(fā)電機(jī)組處于泵升狀態(tài)；
3)在柴油發(fā)電機(jī)組處于反拖狀態(tài)時(shí)，雙向可逆整流裝置中的扭矩控制器驅(qū)動(dòng)同 步發(fā)電機(jī)扭矩方向同柴油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩方向相同，實(shí)現(xiàn)直流側(cè)到柴油發(fā)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn) 移，能量用于驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行，同步發(fā)電機(jī)進(jìn)而拖動(dòng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)節(jié)油運(yùn)行。
上述技術(shù)方案中，所述的反拖狀態(tài)下同步發(fā)電機(jī)的最大輸出扭矩不高于柴油發(fā)動(dòng) 機(jī)在怠速空載情況下輸出的扭矩。只要輸出的反拖扭矩等于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速空載情況下 輸出的扭矩，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率即為“零”;
柴油丨9550 (N.m)為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)怠速空載時(shí)輸出的扭矩，同步發(fā)電機(jī)在拖動(dòng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)程中，只要其輸出扭矩達(dá)到這個(gè)數(shù)值，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩 就為“零”，輸出功率也將為“零”，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油量當(dāng)然也就為“零”。
上述技術(shù)方案中，所述的方法還包括步驟4)
4)在柴油發(fā)電機(jī)組處于泵升狀態(tài)時(shí)，雙向可逆整流裝置中的扭矩控制器驅(qū)動(dòng)同步 發(fā)電機(jī)扭矩方向同柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩方向相反，實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)組到直流側(cè)的能量轉(zhuǎn)移。
上述技術(shù)方案中，所述的泵升狀態(tài)下的同步發(fā)電機(jī)的輸出扭矩的最大值為
最大泵升扭矩限制值=柴油機(jī)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下最大扭矩-柴油機(jī)怠速扭矩X 40%
為保證直流母線電壓穩(wěn)定，雙向可逆整流裝置中的扭矩控制器，會(huì)輸出反向于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩，為保證柴油發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行，必須對(duì)雙向可逆整流裝置輸出的泵升扭矩最大值進(jìn)行限定，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)空載損耗40%后對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下所能承受的負(fù)載扭矩也就是發(fā)電機(jī)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下所能輸出的最大扭矩。
上述技術(shù)方案中，所述的方法還進(jìn)一步包括步驟5)
5)在柴油發(fā)電機(jī)組處于反拖狀態(tài)時(shí)，直流母線側(cè)的電壓值降低，由于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)從反拖到正常運(yùn)行需要一定的反應(yīng)時(shí)間，當(dāng)直流母線側(cè)的電壓值介于“直流母線目標(biāo)穩(wěn)定電壓”至“直流母線目標(biāo)穩(wěn)定電壓+20伏”之間時(shí)，不進(jìn)行反拖(即同步發(fā)電機(jī)輸出扭矩為 “零，，);
當(dāng)直流母線側(cè)的電壓值為“直流母線目標(biāo)穩(wěn)定電壓+20伏”至“直流母線目標(biāo)穩(wěn)定電壓+100伏”之間時(shí)，采用一階函數(shù)限制同步發(fā)電機(jī)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(shù)為
權(quán)利要求
1.一種柴油發(fā)電機(jī)組，該柴油發(fā)電機(jī)組包括可調(diào)速運(yùn)行的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)連接進(jìn)而實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)、與同步發(fā)電機(jī)電氣連接的雙向可逆整流裝置、以及用于監(jiān)測(cè)與控制整個(gè)系統(tǒng)的中央控制器，所述的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和雙向可逆整流裝置通過(guò)各自的通訊總線與中央控制器聯(lián)接，其特征在于，還包括設(shè)置在直流母線上的電壓傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)直流母線側(cè)的電壓值；所述的中央控制器還包括一比較模塊，用于比較直流母線側(cè)的電壓值和直流母線目標(biāo)穩(wěn)定電壓，進(jìn)而控制雙向可逆整流裝置中的扭矩控制器施加在同步發(fā)電機(jī)上扭矩的方向與大?。划?dāng)直流母線側(cè)的電壓值大于“直流母線目標(biāo)穩(wěn)定電壓”時(shí)，中央控制器通過(guò)通訊總線向雙向可逆整流裝置中的扭矩控制器發(fā)出指令，驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)扭矩方向同柴油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的扭矩方向相同，實(shí)現(xiàn)直流母線側(cè)到柴油發(fā)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)節(jié)油運(yùn)行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柴油發(fā)電機(jī)組，其特征在于，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晶體管 (IGBT)和其并聯(lián)的續(xù)流二極管，其中還包括分別設(shè)置在三相交流電側(cè)的三路電流傳感器與電壓傳感器，所述的扭矩控制器通過(guò)電流傳感器與電壓傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)三相交流電側(cè)的電壓與電流，并根據(jù)中央控制器通過(guò)通訊總線給出的扭矩大小與方向的指令確定IGBT開(kāi)關(guān)的通斷時(shí)機(jī)和調(diào)節(jié)占空比，以達(dá)到調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓與電流的目的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柴油發(fā)電機(jī)組，其特征在于，所述的同步發(fā)電機(jī)上還設(shè)置有速度編碼器，該速度編碼器采用增量式編碼器并與中央控制器聯(lián)接，用于測(cè)量同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子角度，并由中央控制器確保柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行于反拖時(shí)同步發(fā)電機(jī)輸出的扭矩保證柴油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不高于其空載時(shí)的怠速轉(zhuǎn)速，當(dāng)同步發(fā)電機(jī)輸出的扭矩過(guò)高，則中央控制器強(qiáng)制指令同步發(fā)電機(jī)的輸出扭矩為“零”，實(shí)現(xiàn)矢量控制以保證轉(zhuǎn)速安全。
4.一種柴油發(fā)電機(jī)組利用反饋能量驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)的方法，該方法通過(guò)柴油發(fā)電機(jī)組中的中央控制器根據(jù)直流母線側(cè)的電壓值，通過(guò)通訊總線向雙向可逆整流裝置中的扭矩控制器發(fā)出指令，當(dāng)直流母線側(cè)的電壓值大于“直流母線目標(biāo)穩(wěn)定電壓”時(shí)，驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)扭矩方向同柴油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的扭矩方向相同，實(shí)現(xiàn)直流側(cè)到柴油發(fā)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)節(jié)油運(yùn)行。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的柴油發(fā)電機(jī)組利用反饋能量驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)的方法，其特征在于，所述方法的步驟包括1)中央控制器通過(guò)直流母線側(cè)的電壓傳感器讀取直流母線側(cè)電壓值；2)中央控制器通過(guò)比較模塊比較直流母線電壓值和直流母線目標(biāo)穩(wěn)定電壓，一旦發(fā)現(xiàn)直流母線電壓大于“直流母線目標(biāo)穩(wěn)定電壓”，即控制柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)入反拖狀態(tài)，否則控制柴油發(fā)電機(jī)組處于泵升狀態(tài)；3)在柴油發(fā)電機(jī)組處于反拖狀態(tài)時(shí)，雙向可逆整流裝置中的扭矩控制器驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)扭矩方向同柴油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩方向相同，實(shí)現(xiàn)直流側(cè)到柴油發(fā)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)移，能量用于驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行，同步發(fā)電機(jī)進(jìn)而拖動(dòng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)節(jié)油運(yùn)行。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的利用反饋能量驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)的方法，其特征在于，所述的反拖狀態(tài)下同步發(fā)電機(jī)的最大輸出扭矩不高于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速空載情況下輸出的扭矩。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的利用反饋能量驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)的方法，其特征在于，所述的方法還包括步驟4)4)在柴油發(fā)電機(jī)組處于泵升狀態(tài)時(shí)，雙向可逆整流裝置中的扭矩控制器驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)扭矩方向同柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩方向相反，實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)組到直流側(cè)的能量轉(zhuǎn)移。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的利用反饋能量驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)的方法，其特征在于，所述的泵升狀態(tài)下的同步發(fā)電機(jī)的輸出扭矩的最大值為最大泵升扭矩限制值=柴油機(jī)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下最大扭矩-柴油機(jī)怠速扭矩X40%
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的利用反饋能量驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)的方法，其特征在于，所述的方法還進(jìn)一步包括步驟5)5)在柴油發(fā)電機(jī)組處于反拖狀態(tài)時(shí)，直流母線側(cè)的電壓值降低，由于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)從反拖到正常運(yùn)行需要一定的反應(yīng)時(shí)間，當(dāng)直流母線側(cè)的電壓值介于“直流母線目標(biāo)穩(wěn)定電壓” 至“直流母線目標(biāo)穩(wěn)定電壓+20伏”之間時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出扭矩為“零”；當(dāng)直流母線側(cè)的電壓值為“直流母線目標(biāo)穩(wěn)定電壓+20伏”至“直流母線目標(biāo)穩(wěn)定電壓+100伏”之間時(shí)，采用一階函數(shù)限制發(fā)電機(jī)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(shù)為
全文摘要
本發(fā)明涉及一種柴油發(fā)電機(jī)組及其利用反饋能量驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)的方法，該柴油發(fā)電機(jī)組還包括設(shè)置在直流母線上的電壓傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)直流母線側(cè)的電壓值；所述的中央控制器還包括一比較模塊，用于比較直流母線側(cè)的電壓值和直流母線目標(biāo)穩(wěn)定電壓，進(jìn)而控制雙向可逆整流裝置中的扭矩控制器施加在同步發(fā)電機(jī)上扭矩的方向與大小；當(dāng)直流母線側(cè)的電壓值大于“直流母線目標(biāo)穩(wěn)定電壓”時(shí)，中央控制器通過(guò)通訊總線向雙向可逆整流裝置中的扭矩控制器發(fā)出指令，驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)扭矩方向同柴油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的扭矩方向相同，此時(shí)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)將由同步發(fā)電機(jī)拖動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)直流母線側(cè)到柴油發(fā)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)節(jié)油運(yùn)行。
文檔編號(hào)H02P9/04GK103001564SQ201110267149
公開(kāi)日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2011年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月9日
發(fā)明者王永鋼, 陳旭, 谷盛, 梁克, 于秀娟, 劉永濤, 季英業(yè), 張鳳江 申請(qǐng)人:交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究所