一种新型柴油机试验电能回收系统的研究

贾宇向，张　磊

(1.河南广播电视大学 机电系,河南 郑州 450008；2机械工业第六设计研究院有限公司,河南 郑州 450007)



一种新型柴油机试验电能回收系统的研究

贾宇向1，张磊2

(1.河南广播电视大学 机电系,河南 郑州 450008；2机械工业第六设计研究院有限公司,河南 郑州 450007)

针对目前国内4 MW大功率柴油机试验电能的机械回收方案，存在的回收效率低、机械磨损大、维护成本高等问题，在对比分析机械式回收法与普通变流逆变回收法的基础上，提出一种新的大容量变流式电能回收系统.该系统的关键在于谐波抑制和治理.分析认为，该回收系统具有运行成本低、节约能源、电能转化效率高、电能质量稳定、谐波含量低的特点，预计投资收回期3年左右，经济效益理想.该系统亦可运用于其他大功率电机等设备长时间试验的电能回收.

电能回收装置；逆变器；谐波抑制；谐波治理；大功率柴油机试验

随着我国工业化的快速发展，各种大功率设备应用越来越频繁，例如大功率柴油机、大功率电动机.这些设备在制造装配完毕待出厂时都要进行长时间的性能试验和负载试验.一台4 MW柴油机出厂试验累计用时6 h以上，需消耗约2 t柴油.过去，我国大中型铁路机车厂、柴油机厂，在生产过程中进行该试验时并未考虑能源回收利用，多采用水电阻消耗法，即在试验中柴油机所产生的能量全部转变为直流电，然后用水电阻模拟恒定负载，使所有能量最终都消耗在水电阻上.整个过程是消耗能量的过程.

以绿色工业设计的方法，把这部分能量回收利用起来，转化为电力自给自足或反馈到电网，既能大幅度减少自身能源消耗、降低电费开支，又能减少碳排放、做到绿色环保[1].目前，国内柴油机厂或电力机车厂进行大功率柴油机试验时较多使用机械式回收系统，即柴油机带动陪试电机发电，并将电能传输给回收系统的原动机(电动机)，通过联轴装置拖动发电机发电，然后将电能回馈到电网.机械式回收方法的缺点为造价高、效率低、噪音大、机械磨损大、维护费用高、发生飞车故障危险性大等.变流电能回收系统的回收效率高、运行成本低、易维护，但其电力电子元件会产生大量谐波，造成谐波干扰，导致电能质量下降，而且谐波的影响会随着系统容量的增大越来越明显.因此，变流电能回收方式在国内的大功率系统中一直未能得到应用.为解决这些问题,本研究提出一种基于直流升压变换器和脉冲宽度调制(PWM)并网逆变器的新型大功率变流式柴油机试验电能回收系统,并对该系统谐波的抑制和治理进行重点分析.

1　机械式与普通变流逆变回收法的比较

柴油机试验电能回收装置一般采用机械式回收法或普通变流逆变回收法.采用机械式回收法的柴油机试验电能回收装置由被试柴油机、陪试发电机、二极管整流器、直流电动机、同步发电机组成，电能通过并网变压器和高压开关接入电网.采用普通变流逆变回收法的柴油机试验电能回收装置是在机械式回收法的基础上，用晶闸管有源逆变器替代了二极管整流器.

国内企业大多采用机械式回收法，由柴油机拖动陪式发电机，产生的电力经简单整流后变为直流，汇集到配电干线并输送给电能回收装置的直流电动机(原动机).直流电动机通过联轴器拖动高压交流发电机运行，发电并反馈至电网，完成电能回收.20世纪80年代开始发展的晶闸管变流回收技术，与机械式回收法相比，晶闸管逆变装置代替了直流电动机及高压交流发电机.受限于晶闸管容量小、价格高、性能差等缺点，该技术主要停留在试验和研究阶段，几乎没有实际应用.随着大功率IGBT等电力电子器件的快速发展，国外变流式电能回收系统的性能远远超过了机械式回收系统，但在国内，普通变流逆变回收系统因适应性差、谐波含量大而应用较少.机械式回收法与普通变流逆变回收法的比较如表1所示.

表1　两种回收方法的比较

2　变流电能回收系统的谐波抑制和治理

的必要性

为了克服普通变流逆变回收法谐波过大、不适用于大功率柴油机试验的缺点，从谐波治理和抑制的手段和方法出发，本研究提出了一种新型变流电能回收系统.

变流电能回收装置中的逆变器、整流器本身会产生大量谐波，其危害和影响不可忽视.

谐波对电动机的影响：谐波会引起附加损耗，产生附加温升、机械振动、噪声和谐振过电压.谐波对变压器的影响：谐波电流除了增加变压器绕组损耗，也会引起外壳和一些紧固件发热甚至局部严重过热，还可能使变压器振动噪声增大.谐波对自动化装置的影响可以整流电路触发为例说明.谐波会引起同步电压信号畸变，影响脉冲产生的过零点，使晶闸管触发产生相位偏差，这时整流器除产生奇次谐波外，还产生特征谐波，谐波反过来使电压畸变更严重.如此恶性循环，由谐波引起的不稳定因素会增多.谐波对通信及测量仪表、继电保护装置等也有比较大的影响[2-3].

针对谐波的危害，我国早在1993年就颁布了GB/T14549《电能质量公用电网谐波》[4].该规范对各电力系统输入公共电网的谐波值有明确规定.对于变流电能回收装置产生的谐波必须特别重视，因为它是决定变流电能回收系统设计成败的关键因素.

3　　　　变流电能回收系统谐波抑制和治理的滤

波措施

抑制谐波的根本是采取减少电力电子装置谐波的措施：增加整流器相数，以减小整流器输出电压的脉动；采取PWM高频调制或多重化措施逆变器，减少输出电压的谐波；采用输入输出滤波的方法等.这里主要讨论滤波措施.

滤波包括输入、输出滤波.输入滤波主要减小谐波对电网的影响，输出滤波主要减小滤波对负载的影响.LC滤波器使用最广泛，在抑制谐波的同时也能起无功补偿的作用，是常用的谐波抑制措施.LC滤波器又可分为单调谐滤波器、高通滤波器等.

针对5次、7次、11次、13次等低次谐波，本系统采用装设单调谐滤波器的方法进行谐波抑制.单调谐滤波器对特定频率有低阻抗，每个滤波器都由串联的RLC电路组成.在谐振时，谐振频率f0和谐振电抗X0分别为：

(1)

(2)

在实际电网中，谐波吸收电路中电容器有改善功率因数的作用，不合理的单调谐滤波器参数会严重影响滤波器组的技术经济效应，因此需要选择恰当的电容器参数.

3.1由单调谐滤波器的谐波电流和滤波电容器的额定电压来确定滤波器电容器的额定容量

滤波器的谐波电流由系统谐波阻抗与滤波器支路调谐阻抗分流产生.由于电容器的热效应，可将基波电流I1和滤波电流Ih的均方根作为滤波电容器电流.考虑滤波电抗器的升压作用，滤波电容器的额定电压及额定电流都应高于系统工频电压及电流.计入过载系数KI，电容器的额定电流应大于工频电流与谐波电流之和.单相滤波器中电容器的额定容量为：

(3)

式中：Ucr为电容器额定相电压；I1为基波电流；Ih为滤波电流；KI=1.0～1.3.当电流含有谐波时，KI宜适当降低，而基波条件下，KI=1.3.

若忽略谐波后滤波电容器的实际电压为UC，滤波电容器的额定电流为Icr，则基波电流I1可表示为UCIcr/Ucr.

单调谐滤波器的串联电抗率为：

τ=xL/xC=UL/UC

(4)

式中：xC、xL分别为滤波电容器、电抗器的基波电抗；UL、UC分别为滤波电抗器和滤波电容器的基波电压(此处同实际电压).UC=US+UL=US/(1-τ).式中US为系统电压.

由式(3)、式(4)可得：

(5)

滤波电容器的额定容量由流过单调谐滤波器的谐波电流和滤波电容器的额定电压来决定.

3.2由额定电压确定滤波电容器的额定容量

设Ih=15A，KI=1，US=20kV，τ=0.111，根据式(5)和不同滤波电容器的额定电压,可得出额定电压和滤波电容器额定容量的关系(图1).

图1　滤波电容器额定容量与额定电压的关系

从图1可知，与额定电压为31.82kV的电容器对应的滤波电容器额定容量的最小值为675kVar；当电容器的额定电压大于31.82kV时，滤波电容器的电容容抗和容量也相应变大.

令dQcr/dUcr=0，则滤波电容器容量最小时额定电压为：

(6)

滤波电容器容量最小值为：

(7)

3.3由谐波电流确定滤波电容器的额定电压

设Ih=15 A，KI=1，US=20 kV，τ=0.111，则不同额定容量下滤波电容器额定电压与谐波电流的关系如图2所示.

图2　不同额定容量下滤波电容器额定电压与谐波电流的关系

由图2可知，当Qcr=2 000 kvar时，滤波电容器额定电压的最小值为22.8 kV，低于图1中滤波电容器的额定电压最小值.

若第n次谐波与单调谐滤波器调谐，则由滤波电容器产生的无功容量为：

(8)

把Qcr=2 000 kvar，Ih=15 A，KI=1，τ=0.111，以及滤波电容器的额定电压最小值31.82 kV，代入式(8)，得到的滤波电容器实际补偿容量为889 kvar；如果代入滤波电容器的额定电压22.8 kV，则得出实际补偿容量为1 731 kvar，大约是889 kvar的两倍.

滤波电容器的额定电压公式在实际应用中可变为：

(9)

把已知参数代入式(9)即可计算出滤波电容器的额定电压.当谐波电流不同时，滤波电容器额定电压与额定容量的关系如图3所示.

图3　谐波电流不同时滤波电容器电压与容量的关系

当滤波电容器的额定容量很大时，Ucr不应小于US/(1-τ)，这样式(9)才有解.当电路含有3次谐波时，Ucr的最小值为1.125US.当计滤波电容的过电流裕度时，KI应大于1.在实际设计单调谐滤波器时，取KI≈1～1.2(考虑到安全因素).

基波及各次谐波电流在电容器上产生的各次谐波电压的算术和与所选电容器额定电压的关系式为：

(10)式中：KU为过电压系数，KU=1.0～1.1，其中纯工频时KU=1.1；XC1为额定容量时电容器的工频容抗.可根据式(10)求出滤波电容器的额定电压的最小值，即：

(11)

令Ucr=Ucr，min，则以基波和各次谐波电压算术和为校验条件的滤波电容器校验电压选择式为：

(12)

当谐波电流不同时，得出的滤波电容器额定容量与校验电压的关系如图4所示.

注：实线表示式(12)的结果(其中KU=1)；虚线表示式(9)的结果(其中KI=1).图4　谐波电流不同时滤波电容器容量与校验电压的关系

由图4还可以看出，式(9)所限定的额定电压普遍低于式(12)限定的校验电压.因此，以基波和各次谐波电压算术和为滤波电容器最低额定电压的校验条件是比较严格的.

输出变压器采用三角形-星形连接法，它一方面起与阻抗匹配的作用，另一方面起隔离直流的作用.另外，绕组也用三角形-星形连接时，三次谐波磁通被大大削弱，磁通波形和感应电动势非常接近正弦波，在一次绕组和二次绕组中都不可能有三次谐波分量.

综上所述，在大功率柴油机电能回收系统中抑制谐波方面，在整流阶段减少电力电子装置产生的谐波，如增加整流器相数，减小整流器输出电压的脉动，从源头减少谐波；在变流阶段，逆变器采取PWM高频调制或多重化措施，减少输出电压的谐波含量；在电能馈网时，采用变压器多重化和三角形-星形连接组别等方法，可有效限制谐波流入电网，确保谐波满足国家的规范要求[5].

4　新型变流电能回收系统

4.1谐波抑制和治理的解决方案

传统方案采用“背靠背”变流器的逆变回馈法.系统由被试柴油机、陪试发电机、PWM整流器和PWM并网逆变器组成.回收电能通过并网变压器和高压开关接入电网.这种方案可顺利完成能量回馈，网侧功率因数高，动态响应快，谐波含量低.其缺点是控制复杂，需对陪试主发电机实施矢量控制或DTC(直接转矩控制方式)控制，成本高.

新型方案在传统方案的基础上，采用二极管整流器和直流升压变换器代替PWM整流器，省去了矢量控制或DTC控制装置，降低了系统的复杂程度和控制难度[6-9].

实验的柴油机种类较多，陪试发电机的额定输出电压也不相同.为了实现回收系统的一机多用，需在陪试发电机、二极管整流后端接入试验馈网系统的直流升压变换器.升压变换器将不同发电机发出的不同电压或不稳定电压调整为稳定电压，为后端的PWM并网逆变器提供稳定的工作电源.逆变器将直流电转换为交流电，经变压器升压后回馈电网.

新型方案具有电网侧单位功率因数高、动态响应快、谐波含量低、控制简单的优点.

4.2电能回收系统的组成设计

基于直流升压变换器和PWM并网逆变器的逆变回收系统更为适合大功率柴油机试验.该系统主要组成部分及功能如表2和图5所示.

表2　新型逆变回收系统组成部分及功能

图5　新型逆变回收系统组成框图

当柴油机进行中高速加载试验、持续稳定性试验时，柴油机拖动陪试发电机发出交流电.交流电经用户自备二极管不控整流器1变为直流，通过直流输入隔离柜2，接入基于直流升压柜5和PWM并网逆变柜7的电能回收系统.电能经回收系统逆变为三相交流低压电，输入多重化的升压变压器9，升压后通过并网开关柜10被注入电网[10].

5　应用分析

(1)基于直流升压变换器和PWM并网逆变器的新型大功率柴油机试验电能回收系统，对传统变流系统而言，有良好的谐波抑制和减少效果，属于国内领先技术，具有系统维护量小、运行费用低、电能回收效率高、应用范围广、回收电能质量稳定等特点.

(2)从经济效益角度分析，一般情况下，生产一台4MW柴油机，需要进行5h试验，按照电能回收率85%、企业年产量1 000台柴油机计算,每年可以回收约17MkWh电能，按0.6元/kWh考虑，一年可节约电费1 020万元人民币.每节约1kWh电，相当于减排0.997kg二氧化碳，全年相当于减排16 950t二氧化碳.该电能回收系统的投资回收期约为3年，经济指标比较理想.

[1]姚敏士,徐顺.柴油机试验电能的逆变回收[J].机车车辆工艺, 2001(4):34-35.

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ResearchonPowerRecoverySystemofNewTypeDieselEngineTest

JIAYu-xiang1,ZHANGLei2

(1.MechanicalandElectricalDepartment,HenanRadio&TelevisionUniversity,Zhengzhou450000,China;2.SIPPREngineeringGroupCo.,Ltd,Zhengzhou450007,China)

Accordingtoenergyrecoveryprobleminlargepowerdieseltest,harmonicinverterhighfrequencymodulationorPWMtakemultiplemeasurestoreduceorsuppressthepowergeneratedinrecoverysystem,andbasedontheexistingmechanicalrecoverysystemwhichusesaprimemoverdrivengeneratorpowerrecoverysystem.Thepaperanalyzesofdieselenginetestrecoveryunitofthreemethods,namelytheresistanceconsumptionmethod,mechanicalrecoverymethodandbraketubeinversionrecoverymethod,thenproposedtwosolutions,namely"Back-to-back"inverterdcboostconverterandinverterfeedbackprinciple.Theseledgridinverterfeedbackscheme.Thenewsystemhasthecharacteristicsofalowoperatingcost,energysaving,highenergyconversionefficiency,stableelectricenergyquality.Recoverysystemisexpectedtoinvestrecoveryperiodofabout3years,theeconomicbenefitsisideal.

powerinverterrecoverydevice;rectifier;inverter;harmonic;highpowerdieselenginetest

2016-06-07

贾宇向(1983-)，女，河南周口人，硕士，讲师，研究方向为电气工程及自动化.

1006-3269(2016)03-0054-06

TK018

A

10.3969/j.issn.1006-3269.2016.03.011