专利名称：一种柴油发电机组及其利用反馈能量驱动同步发电机的方法
技术领域：
本发明涉及柴油发电机组的可再生发电类负载应用的技术领域，特别涉及一种柴 油发电机组及其利用反馈能量驱动同步发电机的方法，柴油发电机组可以利用负载侧通过 直流母线反馈的能量为同步发电机提供驱动扭矩，进而减少柴油发动机的耗油量实现节油 运行。
背景技术：
作为交流供电常用、备用和应急发电用的柴油发电机组被广泛的应用于港口、船 舶、通讯等众多领域。在实际应用中，很大一部分柴油发电机组是作为移动设备的工作电 源，用以拖动可再生发电类负载。对于此类柴油发电机组，当可再生发电类负载释放其动能 与势能的时候大量能量被反馈到驱动用双向可逆整流装置的直流母线侧，对于这部分能量 的应用是此类设备节能的重要因素之一。
现阶段对于这部分能量一般有以下两种处理方式
方案1，其一为通过大容量的储能环节储存该能量，如图2所示，在下一次作功周 期内释放，为了充分利用该部分能量，这种方式会导致所需要的中间储能环节(一般为超 级电容或电池组)容量很大。配置很大容量的储能环节会导致其成本大大增加，同时必须 为储能环节在移动设备有限的空间内分配位置，增加了柴油发电机组的复杂性。
方案2，另一种方式为小容量储能环节与热能量消耗单元配合使用，小容量储能环 节为柴油发电机组提供驱动重载时的缓冲能量，同时能够吸收小部分反馈能量；热能量消 耗单元则用于消耗掉多余的能量，如图3所示，以防止可能引起的过压故障。这种方式在实 际应用中一般通过设置制动单元和制动电阻实现，由此会产生能量不能全部回收利用，部 分或者大部分通过热能方式耗散，降低了柴油发电机组的运行效率。发明内容
本发明的目的在于，为了解决上述问题，提供一种柴油发电机组及其利用反馈能 量驱动同步发电机的方法，利用反馈能量驱动实现节能运行的柴油发电机组，该发明涉及 的柴油发电机组可以进一步的应用反馈回来的能量，将该部分能量用于推动柴油发动机运 转，达到节能目的。
为了达到上述目的，本发明的技术方案提出了一种柴油发电机组，该柴油发电机 组包括可调速运行的柴油发动机、与柴油发动机通过机械传动系统连接进而实现同步运 行的同步发电机、与同步发电机电气连接的双向可逆整流装置、以及用于监测与控制整个 系统的中央控制器，所述的柴油发动机和双向可逆整流装置通过各自的通讯总线与中央控 制器联接，其特征在于，还包括设置在直流母线上的电压传感器，用于实时监测直流母线侧 的电压值；
所述的中央控制器还包括一比较模块，用于比较直流母线侧的电压值和直流母线目标稳定电压；当直流母线侧的电压值大于“直流母线目标稳定电压”时，中央控制器通过 通讯总线向双向可逆整流装置中的扭矩控制器发出指令，控制扭矩控制器施加在同步发电 机上扭矩的方向与大小，驱动同步发电机扭矩方向同柴油发动机输出的扭矩方向相同，实 现直流母线侧到柴油发电机组的能量转移，实现节油运行。
上述技术方案中，所述的双向可逆整流装置为三相可逆桥式PWM整流电路，所述 的三相可逆桥式PWM整流电路包括绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)和其并联的续流二极 管，其中还包括分别设置在三相交流电侧的三路电流传感器与电压传感器，所述的扭矩控 制器通过电流传感器与电压传感器实时监测三相交流电侧的电压与电流，并根据中央控制 器通过通讯总线给出的扭矩大小与方向的指令确定IGBT开关的通断时机和调节占空比， 以达到调节直流侧电压与电流的目的。
上述技术方案中，所述的同步发电机上还设置有速度编码器，该速度编码器为增 量编码器类型并与中央控制器联接，用于测量同步发电机的转子角度，并由中央控制器确 保柴油发电机组运行于反拖时同步发电机输出的扭矩不会使柴油发动机转速高于其空载 时的怠速转速，当同步发电机输出的扭矩过高，则中央控制器强制指令同步发电机的输出 扭矩为“零”，实现矢量控制以保证转速安全。
为了达到上述的另一目的，本发明的技术方案还提出了一种柴油发电机组利用反 馈能量驱动同步发电机的方法，该方法通过柴油发电机组中的中央控制器根据直流母线侧 的电压值，通过通讯总线向双向可逆整流装置中的扭矩控制器发出指令，进而控制扭矩控 制器施加在同步发电机上扭矩的方向与大小，当直流母线侧的电压值大于“直流母线目标 稳定电压”时，驱动同步发电机扭矩方向同柴油发动机输出的扭矩方向相同，实现直流侧到 柴油发电机组的能量转移，实现节油运行。
上述技术方案中，所述的方法的步骤包括
I)中央控制器通过直流母线侧的电压传感器读取直流母线侧电压值；
2)中央控制器通过比较模块比较直流母线电压值和直流母线目标稳定电压，一旦 发现直流母线电压大于“直流母线目标稳定电压”，即控制柴油发电机组进入反拖状态，否 则控制柴油发电机组处于泵升状态；
3)在柴油发电机组处于反拖状态时，双向可逆整流装置中的扭矩控制器驱动同 步发电机扭矩方向同柴油发动机输出扭矩方向相同，实现直流侧到柴油发电机组的能量转 移，能量用于驱动同步发电机运行，同步发电机进而拖动柴油发动机运转，实现节油运行。
上述技术方案中，所述的反拖状态下同步发电机的最大输出扭矩不高于柴油发动 机在怠速空载情况下输出的扭矩。只要输出的反拖扭矩等于柴油发动机在怠速空载情况下 输出的扭矩，柴油发动机输出功率即为“零”;
柴油丨9550 (N.m)为柴油发动机怠速空载时输出的扭矩，同步发电机在拖动柴油发动机的过程中，只要其输出扭矩达到这个数值，柴油发动机输出扭矩 就为“零”，输出功率也将为“零”，柴油发动机的耗油量当然也就为“零”。
上述技术方案中，所述的方法还包括步骤4)
4)在柴油发电机组处于泵升状态时，双向可逆整流装置中的扭矩控制器驱动同步 发电机扭矩方向同柴油发动机的输出扭矩方向相反，实现柴油发电机组到直流侧的能量转移。
上述技术方案中，所述的泵升状态下的同步发电机的输出扭矩的最大值为
最大泵升扭矩限制值=柴油机对应转速下最大扭矩-柴油机怠速扭矩X 40%
为保证直流母线电压稳定，双向可逆整流装置中的扭矩控制器，会输出反向于柴油发动机的扭矩，为保证柴油发动机正常运行，必须对双向可逆整流装置输出的泵升扭矩最大值进行限定，柴油发动机空载损耗40%后对应转速下所能承受的负载扭矩也就是发电机对应转速下所能输出的最大扭矩。
上述技术方案中，所述的方法还进一步包括步骤5)
5)在柴油发电机组处于反拖状态时，直流母线侧的电压值降低，由于柴油发动机从反拖到正常运行需要一定的反应时间，当直流母线侧的电压值介于“直流母线目标稳定电压”至“直流母线目标稳定电压+20伏”之间时，不进行反拖(即同步发电机输出扭矩为 “零，，);
当直流母线侧的电压值为“直流母线目标稳定电压+20伏”至“直流母线目标稳定电压+100伏”之间时，采用一阶函数限制同步发电机的输出扭矩的最大反拖扭矩，使得扭矩均匀变化；限制最大反拖扭矩的一阶函数为
权利要求
1.一种柴油发电机组，该柴油发电机组包括可调速运行的柴油发动机、与柴油发动机通过机械传动系统连接进而实现同步运行的同步发电机、与同步发电机电气连接的双向可逆整流装置、以及用于监测与控制整个系统的中央控制器，所述的柴油发动机和双向可逆整流装置通过各自的通讯总线与中央控制器联接，其特征在于，还包括设置在直流母线上的电压传感器，用于实时监测直流母线侧的电压值；所述的中央控制器还包括一比较模块，用于比较直流母线侧的电压值和直流母线目标稳定电压，进而控制双向可逆整流装置中的扭矩控制器施加在同步发电机上扭矩的方向与大小；当直流母线侧的电压值大于“直流母线目标稳定电压”时，中央控制器通过通讯总线向双向可逆整流装置中的扭矩控制器发出指令，驱动同步发电机扭矩方向同柴油发动机输出的扭矩方向相同，实现直流母线侧到柴油发电机组的能量转移，实现节油运行。
2.根据权利要求1所述的柴油发电机组，其特征在于，所述的双向可逆整流装置为三相可逆桥式PWM整流电路，所述的三相可逆桥式PWM整流电路包括绝缘栅极双极型晶体管 (IGBT)和其并联的续流二极管，其中还包括分别设置在三相交流电侧的三路电流传感器与电压传感器，所述的扭矩控制器通过电流传感器与电压传感器实时监测三相交流电侧的电压与电流，并根据中央控制器通过通讯总线给出的扭矩大小与方向的指令确定IGBT开关的通断时机和调节占空比，以达到调节直流侧电压与电流的目的。
3.根据权利要求1所述的柴油发电机组，其特征在于，所述的同步发电机上还设置有速度编码器，该速度编码器采用增量式编码器并与中央控制器联接，用于测量同步发电机的转子角度，并由中央控制器确保柴油发电机组运行于反拖时同步发电机输出的扭矩保证柴油发动机转速不高于其空载时的怠速转速，当同步发电机输出的扭矩过高，则中央控制器强制指令同步发电机的输出扭矩为“零”，实现矢量控制以保证转速安全。
4.一种柴油发电机组利用反馈能量驱动同步发电机的方法，该方法通过柴油发电机组中的中央控制器根据直流母线侧的电压值，通过通讯总线向双向可逆整流装置中的扭矩控制器发出指令，当直流母线侧的电压值大于“直流母线目标稳定电压”时，驱动同步发电机扭矩方向同柴油发动机输出的扭矩方向相同，实现直流侧到柴油发电机组的能量转移，实现节油运行。
5.根据权利要求4所述的柴油发电机组利用反馈能量驱动同步发电机的方法，其特征在于，所述方法的步骤包括1)中央控制器通过直流母线侧的电压传感器读取直流母线侧电压值；2)中央控制器通过比较模块比较直流母线电压值和直流母线目标稳定电压，一旦发现直流母线电压大于“直流母线目标稳定电压”，即控制柴油发电机组进入反拖状态，否则控制柴油发电机组处于泵升状态；3)在柴油发电机组处于反拖状态时，双向可逆整流装置中的扭矩控制器驱动同步发电机扭矩方向同柴油发动机输出扭矩方向相同，实现直流侧到柴油发电机组的能量转移，能量用于驱动同步发电机运行，同步发电机进而拖动柴油发动机运转，实现节油运行。
6.根据权利要求5所述的利用反馈能量驱动同步发电机的方法，其特征在于，所述的反拖状态下同步发电机的最大输出扭矩不高于柴油发动机在怠速空载情况下输出的扭矩。
7.根据权利要求5所述的利用反馈能量驱动同步发电机的方法，其特征在于，所述的方法还包括步骤4)4)在柴油发电机组处于泵升状态时，双向可逆整流装置中的扭矩控制器驱动同步发电机扭矩方向同柴油发动机的输出扭矩方向相反，实现柴油发电机组到直流侧的能量转移。
8.根据权利要求7所述的利用反馈能量驱动同步发电机的方法，其特征在于，所述的泵升状态下的同步发电机的输出扭矩的最大值为最大泵升扭矩限制值=柴油机对应转速下最大扭矩-柴油机怠速扭矩X40%
9.根据权利要求5所述的利用反馈能量驱动同步发电机的方法，其特征在于，所述的方法还进一步包括步骤5)5)在柴油发电机组处于反拖状态时，直流母线侧的电压值降低，由于柴油发动机从反拖到正常运行需要一定的反应时间，当直流母线侧的电压值介于“直流母线目标稳定电压” 至“直流母线目标稳定电压+20伏”之间时，发电机输出扭矩为“零”；当直流母线侧的电压值为“直流母线目标稳定电压+20伏”至“直流母线目标稳定电压+100伏”之间时，采用一阶函数限制发电机的输出扭矩的最大反拖扭矩，使得扭矩均匀变化；限制最大反拖扭矩的一阶函数为
全文摘要
本发明涉及一种柴油发电机组及其利用反馈能量驱动同步发电机的方法，该柴油发电机组还包括设置在直流母线上的电压传感器，用于实时监测直流母线侧的电压值；所述的中央控制器还包括一比较模块，用于比较直流母线侧的电压值和直流母线目标稳定电压，进而控制双向可逆整流装置中的扭矩控制器施加在同步发电机上扭矩的方向与大小；当直流母线侧的电压值大于“直流母线目标稳定电压”时，中央控制器通过通讯总线向双向可逆整流装置中的扭矩控制器发出指令，驱动同步发电机扭矩方向同柴油发动机输出的扭矩方向相同，此时柴油发动机将由同步发电机拖动运转，实现直流母线侧到柴油发电机组的能量转移，实现节油运行。
文档编号H02P9/04GK103001564SQ201110267149
公开日2013年3月27日 申请日期2011年9月9日 优先权日2011年9月9日
发明者王永钢, 陈旭, 谷盛, 梁克, 于秀娟, 刘永涛, 季英业, 张凤江 申请人:交通运输部水运科学研究所