柴油发电机系统的制作方法

本申请涉及发电控制技术领域，尤其涉及一种柴油发电机系统。

背景技术：

目前，中国企业已将矿产行业的新市场主要放在第三世界国际，而矿产企业大多处于偏僻地区，这些地区多为在供电网络难以覆盖或经济欠发达的无电力供给地区，考虑到矿产企业的建设规模与供电的经济性，企业普遍采用孤网模式下的多台柴油发电机组并列运行供电方式。

但是，由于该供电网络是一个孤立的网络，柴油发电机是唯一的供电电源，因此，当用电负荷出现波动时，或个别柴油发电机突发故障退出运行等情况出现时，都是对供电网络的极大考验。相关技术为了解决此类问题，保证供电的稳定和可靠性，通常采用N+M模式供电，即在满足常规供电容量的基础上，根据实际运行需要额外配置1台或多台柴油发电机，使得多台柴油发电机采用互为热备用的方式并列运行。但是，这样的设置方式使得柴油发电机组的运行负载率在60％左右，即，通过牺牲40％负载率的代价解决上述问题。因此，亟需提出一种既能解决上述问题同时保障柴油发电机组的负载率的方式。

技术实现要素：

本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本申请的第一个目的在于提出一种柴油发电机系统，以实现在保证柴油发电机组的负载效率的情况下，解决孤网模式下柴油机组供电网络内的用电负荷波动，以及个别突发情况下的柴油机组故障退出并列运行的问题。

为达上述目的，本申请第一方面实施例提出了一种柴油发电机系统，包括：柴油发电机组，所述柴油发电机组与交流母线相连，用于向与所述交流母线相连的负载提供电能；数据检测单元，所述数据检测单元与所述交流母线相连，用于实时采集所述交流母线的数据，并根据所述交流母线的数据生成控制指令；储能单元，所述储能单元与所述数据检测单元相连，所述储能单元根据所述控制指令进行放电，使得所述储能单元能够作为所述柴油发电机组的备份，在所述柴油发电机组发生异常时按照所述控制指令进行放电。

可选地，所述储能单元包括：双向变流器，所述数据检测单元与所述双向变流器之间进行通信连接，所述双向变流器根据所述控制指令控制电池组件进行放电。

可选地，所述双向变流器还用于：将所述交流母线上的电能发送至所述储能单元，以为所述储能单元充电。

可选地，所述储能单元，还包括：变压器，所述变压器的低压侧与所述双向变流器相连，所述变压器的高压侧与所述交流母线相连。

可选地，所述的柴油发电机系统，还包括：管理单元，所述管理单元与所述柴油发电机组和负载相连，用于根据所述柴油发电机组和所述负载的运行参数对所述柴油发电机组进行控制。

可选地，所述管理单元具体用于：识别所述柴油发电机组的异常和/或故障，控制异常和/或故障的柴油发电机关闭，并控制备用柴油发电机开启。

可选地，所述管理单元还用于：控制所述柴油发电机组按照预设负载率进行发电。

可选地，所述管理单元还与所述储能单元相连，以控制所述储能单元对所述柴油发电机系统进行黑启动。

可选地，所述储能单元通过所述交流母线向所述柴油发电机组的辅助设备供电。

可选地，所述储能单元还包括电池管理系统，所述电池管理系统连接在所述电池组件与所述双向变流器之间，所述电池管理系统配置为对所述电池组件的充放电进行控制和保护。

根据本申请实施例的柴油发电机系统，通过储能单元的加入简单、易行，可以显著降低供电系统的发电成本，降低对环境的大气污染与噪声污染，为工厂企业提供可靠、稳定、高质量、低成本的供电电源。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本申请实施例的柴油发电机系统的方框示意图；

图2为本申请一个具体实施例的柴油发电机系统的结构图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

矿产资源是一种不可再生资源，伴随着改革开放以来中国国内矿产资源的不断开采，各类矿产逐渐面临着供应紧张的问题，因此，越来越多的矿产企业走出国门，去海外投资开拓矿产行业的新方向。

中国企业将矿产行业的新市场主要放在第三世界国家，而矿产企业大多处于偏僻地区，考虑企业的建设规模和供电的经济性，通常采用孤网模式下的多台柴油发电机组并列运行用电方式。孤网模式下的柴油机组供配电系统，全部的电能供给均来自柴油发电机组，大中型矿产类企业的用电负荷较大，且对供电的稳定性和可靠性要求较高，因此，无法依靠单台柴油发电机完成供电，需要多台柴油发电机组并列运行供电。

由于该供电网络是一个孤立的网络，柴油发电机是唯一的供电电源，因此，当用电负荷出现波动，或个别柴油机突发故障退出运行等情况出现时，都是对供电网络的重大考验。为了解决此问题，保证供电的稳定和可靠性，该类孤网模式下的柴机供电系统通常采用N+M模式供电，即，在满足常规供电容量的基础上，根据实际运行需要额外配置1台至多台柴油发电机，多台柴油发电机采用互为热备用的方式并列运行。

孤网模式下多台柴油发电机组互为热备用供电系统存在诸多问题：

1)柴油机组运行负载率低。为了保证供电的可靠性与稳定性，解决孤网供电系统内负载的随机波动，以及个别柴油机组由于突发故障退出并列运行等诸多情况，正常情况下柴油发电机组运行在约60％负载率，另外的40％作为热备用容量，应对各类突发情况。

2)柴油机组发电效率低。导致发电成本升高。柴油发电机组的发电效率与诸多因素有关，但其中最直接的因素之一便是机组的负载率，即，柴油机组运行负载率越高，相应的发电效率越高。但孤网模式下的柴油发电站为保证供电的可靠性，只能被迫运行在低负载率下，导致发电机组效率较低，发电成本升高。

3)柴油发电站初始投资高。由于柴油发电站的热备用容量问题，柴油发电站在初始建设时必须在满足正常用电负荷的情况下额外多购置1台至多台柴油发电机组，增加了电站初始的投资费用。此外，为了解决孤立电网下电站的黑启动，需配置黑启动电机，也需要增加初始投资。

4)柴油机组运行时间长，损耗增加，寿命降低。为保证供电的可靠性，需增加机组的运行台数，机组在较低的负载率下运行时间被迫增加，导致单台机组的相对运行时间、机组自身损耗增多，机组的运维维护周期缩短，机组寿命降低。

5)日常运行维护费用高。柴油发电机组多，且必须配置黑启动电机将导致柴发电站的日常运维工作量大，从而进一步提高了发电成本。

6)供电电能质量差。由于柴油发电机组的反应速度相对于电力电子设备较慢，因此在供电网络波动时，柴发机组的响应时间较长，导致供电质量变差。

7)环境污染。柴油机组在运行过程中会不可避免的对大气造成污染，污染的问题大致分为氧化、酸化、光化学烟雾、颗粒物、温室效应以及废气等。柴油发电机运行时通常会产生95-125dB(A)的噪声，而人如果长期生活在80dB(A)以上的环境中，将会引起情绪烦躁、听力下降等问题。因此每多开一台柴油发电机，就增加一份污染。

基于此，本申请提出了一种柴油发电机系统。

下面参考附图描述本申请实施例的柴油发电机系统。

图1为本申请实施例的柴油发电机系统的方框示意图。如图1和图2所示，本申请实施例的柴油发电机系统100，包括：柴油发电机组10、数据检测单元20和储能单元30。

其中，柴油发电机组10与交流母线40相连，用于向与交流母线相连的负载提供电能；数据检测单元20与交流母线40相连，用于实时采集交流母线的数据，并根据交流母线的数据生成控制指令；储能单元30与数据检测单元20相连，储能单元30能够作为柴油发电机组的备份，在柴油发电机组发生异常时按照控制指令进行放电。

也就是说，在柴油发电机组10正常工作时，柴油发电机组10产生电能通过交流母线40将电能供给至负载，此时数据检测单元20检测到交流母线40上的数据正常，当柴油发电机组10出现供电故障时，例如，柴油发电机组10中任一台柴油发电机故障，致使供电电能无法满足负载需求，此时，数据检测单元20将检测到交流母线40上的电能低于负载所需电能，则生成控制指令并发送至储能单元30，储能单元30将根据接收到的控制指令进行放电，使得储能单元作为柴油发电机组10的备份，在柴油发电机组10发生异常时按照控制指令进行放电。

其中，数据检测单元20可包括数据采集器21和数据检测器22，数据采集器21与交流母线40相连，用于实时采集交流母线40的电压、电流、频率等电气参数，并将这些参数实时传送给数据监测器22。数据监测器22实时读取、记录采集到的各个电气参数，并与参数的预设定值进行比较，当采集到的参数与预设定值不符时，生成控制指令，并实时传送至储能单元30。其中，数据监测器22与储能单元30之间采用专用高速通信，确保通信的可靠性与准确性，实现毫秒级响应，保证储能系统在供电波动时的响应速度。

需要指出的是，本申请所涉及的这些方法均是现有技术，在其他技术领域数据检测单元20的应用已经非常成熟，比如电子技术中通过比较器进行数据比较，生成的控制指令也可为由比较器产生的高电平后低电平信号，采用专用高速通信在通信与数据传输领域高速的数据传输也很普及。因此，本申请的不涉及对方法本身的改进，所需要解决的问题也不依赖于对计算机程序的改进才能实施。

由此，储能单元的加入简单、易行，可以显著降低供电系统的发电成本，降低对环境的大气污染与噪声污染，为工厂企业提供可靠、稳定、高质量、低成本的供电电源。

可选地，储能单元30包括双向变流器31，数据检测单元20与双向变流器31之间进行通信连接，双向变流器31根据控制指令控制电池组件32进行放电。

需要说明的是，储能单元30中电池组件32的输出为直流电，需要通过双向变流器31将直流电逆变成交流电，上送至交流母线，实现储能单元30的对外供电。

进一步地，双向变流器31还用于：将交流母线40上的电能发送至储能单元30，以为储能单元充电。

应当理解的是，双向变流器31可为DC/AC双向变流器，其中，直流端DC与电池组件32相连，交流端AC与交流母线40相连，当储能单元30通过双向变流器31向交流母线40提供电能时，双向变流器31能够通过直流端DC接收电池组件31输出的直流电，经过逆变将直流电转换为交流电，再通过交流端AC提供给交流母线40，反之亦然。

更进一步地，储能单元30还包括电池管理系统33，电池管理系统30连接在电池组件32与双向变流器31之间，电池管理系统配置为对电池组件32的充放电进行控制和保护。

在本申请实施例中，对比目前各类储能电池，综合考虑产品的性能与价格等主要因素，选择磷酸铁锂电池作为本申请的储能单元30中的电池组件32。磷酸铁锂电池属于电化学储能装置，每套储能装置由大量单体磷酸铁锂电芯的串、并联组成，因此需要专用的电池管理系统对每节电芯的充、放电进行控制与保护。

可选地，储能单元30还包括：变压器34，变压器34的低压侧与双向变流器31相连，变压器34的高压侧与交流母线40相连。

需要说明的是，变压器34也是一个能够使电能双向流动的电器设备。双向变流器31输出的低压交流电经过变压器34升压后与高压柴油发电机组10并网组成供电网络，对外供电。柴油发电机组10的交流母线40同样可以通过变压器34将高压电降压为低压电，进而实现为储能单元30充电。

也就是说，在本申请实施例中，储能单元30中多个部件按照电池组件32、电池管理系统33、双向变流器31和变流器34的顺序连接，其中，双向变流器31与数据检测单元20进行通信，双向变流器31接收到数据检测单元20发送的控制信号时，双向变流器31将电池组件32中存储的电能逆变至低压交流电，然后通过变压器34升压并发送至交流母线40，实现向负载供电的过程，当储能单元30电能不足时，变压器34还可将交流母线40上的高压电降压，再通过双向变流器31逆变成直流电发送至电池组件32进行存储，实现对储能单元30的充电。

应当理解的是，前述数据监测器22可直接与双向变流器31相连，当数据监测器22监测到数据异常时，生成控制指令并发送至双向变流器31，数据监测器22与双向变流器31之间采用专用高速通信，确保通信的可靠性与准确性，实现毫秒级响应，保证储能系统在供电波动时的响应速度。

可选地，柴油发电机系统100，还包括：管理单元50，管理单元50与柴油发电机组10和负载相连，用于根据柴油发电机组10和负载的运行参数对柴油发电机组进行控制。

进一步地，管理单元50具体用于：识别柴油发电机组10的异常和/或故障，控制异常和/或故障的柴油发电机关闭，并控制备用柴油发电机开启；以及控制柴油发电机组10按照预设负载率进行发电。

更进一步地，管理单元50还与储能单元30相连，以控制储能单元30对柴油发电机系统100进行黑启动。其中，储能单元30通过交流母线40向柴油发电机组10的辅助设备供电，以实现黑启动。

具体而言，管理单元50分别与用电负载、柴油发电机组10、数据检测单元20、储能单元30进行实时通信，采集各个设备的电气参数，实时监控整个柴油发电机系统100的运行状况。但该通信的实时性为秒级，因此，管理单元50对整个柴油发电机系统100进行相对长时间的调度与控制，实现电能调度智能优化控制，在管理层面实现电能的合理化利用，降低系统的整体用电成本。

综上所述，柴油机组孤网供电模式由于其供电特点与供电可靠性的要求，每台机组被迫运行在较低负载率，导致整个系统的供电效率低下、供电成本高。储能单元加入后形成的新型智能柴发电机系统可以有效解决原孤网供电系统的各类问题，显著降低系统的供电成本。

其中，柴油发电机系统正常运行时，每台柴油发电机运行在80％-90％负载率(可根据实际工况确定)，储能单元处于热备用状态，数据检测单元实时动态监测供电数据，当供电网络内有小型负载启停、负载波动时，柴油发电机组可自行调整出力，实现整个供配电网络的动态平衡。

当柴油发电机系统内有大型负荷启动或单台柴油发电机的突然故障时，由于供、配间的短时间能量不平衡，将导致供电网络的电能质量下降，由于管理单元的响应时间较长，由管理单元调节的柴油发电机组需要经历几秒甚至几十秒的时间后才可以恢复原供电质量，在恢复过程中对用电设备造成不同程度的影响，而在本申请的柴油发电机系统中，数据检测单元在电能质量下降瞬间监测出异常波动，立即生成控制指令并发送至双向变流器，双向变流器接收到控制指令后迅速做出响应，输出能量，满足供电需求，在毫秒级别的时间内即可改善电网内波动造成的供电质量下降，在大型负荷启动完毕或故障柴油发电机供电后，储能单元退出供电，维持回原供电模式。

然后，在柴油发电机系统正常运行，且用电负荷处在用电低谷时间段时，管理单元检测储能单元的剩余电量，当储能单元电量不满时，柴油发电机组不仅为用电负载供电，同时也为储能单元供电，通过变压器、双向变流器为储能单元充电，保证储能单元的电量充足，以应对需要储能单元放电的情况。

在柴油发电机组全体停电检修后，可由储能单元能作为黑启动电源，首先为柴油发电机组的辅助设备恢复供电，然后完成柴油发电机组的启动、并列运行，最终完成整个柴油发电机组的黑启动恢复供电过程。

如果以一实例对本申请实施例提供的供电系统的技术效果进行介绍：

以某海外项目为例，目前采用柴油发电机组电站供电，配置8台8800kw柴油发电机组，运行时任意开启5台机组，其余3台作为备用机组，工厂用电负荷基本维持在27000kw-28000kw之间，月均用电量约1750万度，经计算单台柴油发电机的负载率约60％。根据厂家提供的信息，机组平均负载率为60％，对应机组平均效率39％；机组平均负载率90％，对应机组平均效率44％。

采用本申请提出的柴油发电机系统，双向变流器选用6500kw，磷酸铁锂电池储能7500kw，能够将负载率由原来的60％提高到90％，机组效率提高带来直接经济成本节省，每年节省燃料经济效益约500万元。此外，储能单元还可以代替原黑启动机组，还会带来机组寿命增加、运维成本降低等诸多有力因素。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。