混合能源系统中的变频节能技术

混合能源系统中的柴油发电机组，主要作为备用电源，用于在可再生能源利用条件受限时才启动发电，可选用传统定速柴油发电机组，也可采用变频柴油发电机组。

传统的普通柴油发电机组因其自身的局限性，如通信行业的应用正被采用变频柴油发电机组的新型混合能源供电产品所替代，其主要原因基于以下几点：

1）电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，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。

变频直流发电机组，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。

新型混合能源供电系统由变频直流发电机组，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7-11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。由于变频直流发电机组输出直流，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；柴油发机组、太阳能与蓄电池；柴油发电机组、风能与蓄电池等。

图7-11 变频混合能源供电系统框图

1.变频直流发电机组

变频柴油发电机组包括发动机、多极永磁发电机、电源转换系统和控制模块。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。变频发动机将机械动力转换为可变频率和可变电压的电源，经过电源转换系统（开关电源整流环节）输出稳定的恒压直流电，即使在非线性负载和不平衡负载的情况下，也能输出持续、稳定、不间断的电源。配用转速可调发动机后输出功率可调，工作转速为1200～3000r/min，与负载可实现最佳匹配，功率输出与转速相关，避免发动机因工作在低负载区而造成的积炭等损害，同时没有励磁绕组、轴承等可靠性也大幅提高。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。

变频直流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%，而变频直流发电机组能达到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。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。变频直流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。普通基站的主设备功率在0.5～2kW，为了满足基站在给电池充电的同时可以启动大电流负载，通常配备10～30kW的柴油发电机组，而永磁发电机的带载能力强于传统的发电机，用10kW以下的小型变速永磁发电机组就可以满足多数基站的供电要求。

2.变频直流发电机组的系统组成

变频直流发电机组由发动机，永磁同步电机和控制模块组成。变频发动机将机械动力转换为频率和电压可变的电源，经过PWM升压整流环节输出稳定的恒压直流电，即使在非线性负载和不平衡负载的情况下，也能输出持续、稳定、不间断的电源。永磁同步电动机采用无轴承结构，简单的机械结构使电动机具有长寿命、高效率和高可靠性。控制器灵活适配RS485、RS232和USB通信口，实现远程监控，或与PC通信，完全实现遥信、遥测和遥控功能，可读、写机组的运行参数，保证机组的稳定运行。机组的体积小、重量轻，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7-12所示。

图7-12 系统整体方案框图

（1）发动机

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。

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。推荐Perkins400系列工业机或3000r/min高转速机。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。

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

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。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，保证在机组运行转速范围内，无尖锐啸叫声。其特性见第3章永磁发电机。

（3）控制系统

控制器采用DC12V直流供电，供电范围为DC 9～36V。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。

发电机组自动启动后，会维持在设定好的开机转速和100%带载下运行1min，控制系统实时检测中频输出电压、电流、功率等信息，获取发电机输出负载信息。控制系统将输出负载的变换转换为可变的电压信号，输出至电子调速板，对发电机组转速进行调节。

为确保机组工作在最佳转速下，每档转速对应可带的负载需匹配，需要充分考虑永磁电机的效率。不允许出现转速值对应功率低于实际负载的情况。电子调速系统的输入信号应相匹配，控制系统对发动机的调速区间范围：1200～3000r/min，发动机可以采取限油门位置的方式，限制发动机最大转速。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机组共振点，以防机组振幅过大和电机发出尖锐的啸叫声。

（4）高频开关电源系统

1）高频开关电源的结构和工作原理 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7-13所示。

图7-13 开关整流器基本工作原理框图

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。(www.xing528.com)

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。

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。

2）监控器技术要求

①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。

②控制器的主要功能

a.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。

b.参数设置：交流参数、电池参数、系统参数和节能参数。

c.控制输出：系统控制、分路控制、模块控制和干节点控制。

d.告警记录：控制运行状态中发生的故障告警记录。

e.系统配置：按订单技术要求出厂前进行系统配置操作（有权限操作）。

③控制器的其他功能

a.通过通信接口RS484（或RS232）与监控中心连接，实施遥测、遥信、遥控。

b.通过干节点告警输出接口，将系统故障输出。

c.当前告警显示系统当前故障状态。

3）整流器

①通用技术指标

a.稳压精度：不超过直流输出电压整定值的±0.6%。

b.电压调整率：不超过直流输出电压整定值的±0.1%。

c.电流调整率：不超过直流输出电流整定值的±0.5%。

d.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。

e.可闻噪声：≤55dB。

f.杂音电压：电话衡重杂音电压：300Hz～3400Hz≤2.0mV。

g.峰—峰值杂音电压：0MHz～20MHz≤200mV。

h.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。

4）其他保护功能

①短路保护功能：当整流器直流输出电流大于额定输出电流的110%时实施短路保护，降低输出电压，限流输出；故障消除，自动恢复正常工作。

②散热器过温保护：当散热器温度在110℃±10℃范围时，整流器实施过温关机保护；故障消除，自动恢复正常工作。

5）主要技术指标 整流器主要技术指标见表7-1。

表7-1 主要技术指标