賈宇向，張　磊

(1.河南廣播電視大學(xué) 機(jī)電系,河南 鄭州 450008；2機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司,河南 鄭州 450007)

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一種新型柴油機(jī)試驗(yàn)電能回收系統(tǒng)的研究

賈宇向1，張磊2

(1.河南廣播電視大學(xué) 機(jī)電系,河南 鄭州 450008；2機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司,河南 鄭州 450007)

針對目前國內(nèi)4 MW大功率柴油機(jī)試驗(yàn)電能的機(jī)械回收方案，存在的回收效率低、機(jī)械磨損大、維護(hù)成本高等問題，在對比分析機(jī)械式回收法與普通變流逆變回收法的基礎(chǔ)上，提出一種新的大容量變流式電能回收系統(tǒng).該系統(tǒng)的關(guān)鍵在于諧波抑制和治理.分析認(rèn)為，該回收系統(tǒng)具有運(yùn)行成本低、節(jié)約能源、電能轉(zhuǎn)化效率高、電能質(zhì)量穩(wěn)定、諧波含量低的特點(diǎn)，預(yù)計(jì)投資收回期3年左右，經(jīng)濟(jì)效益理想.該系統(tǒng)亦可運(yùn)用于其他大功率電機(jī)等設(shè)備長時(shí)間試驗(yàn)的電能回收.

電能回收裝置；逆變器；諧波抑制；諧波治理；大功率柴油機(jī)試驗(yàn)

隨著我國工業(yè)化的快速發(fā)展，各種大功率設(shè)備應(yīng)用越來越頻繁，例如大功率柴油機(jī)、大功率電動(dòng)機(jī).這些設(shè)備在制造裝配完畢待出廠時(shí)都要進(jìn)行長時(shí)間的性能試驗(yàn)和負(fù)載試驗(yàn).一臺4 MW柴油機(jī)出廠試驗(yàn)累計(jì)用時(shí)6 h以上，需消耗約2 t柴油.過去，我國大中型鐵路機(jī)車廠、柴油機(jī)廠，在生產(chǎn)過程中進(jìn)行該試驗(yàn)時(shí)并未考慮能源回收利用，多采用水電阻消耗法，即在試驗(yàn)中柴油機(jī)所產(chǎn)生的能量全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，然后用水電阻模擬恒定負(fù)載，使所有能量最終都消耗在水電阻上.整個(gè)過程是消耗能量的過程.

以綠色工業(yè)設(shè)計(jì)的方法，把這部分能量回收利用起來，轉(zhuǎn)化為電力自給自足或反饋到電網(wǎng)，既能大幅度減少自身能源消耗、降低電費(fèi)開支，又能減少碳排放、做到綠色環(huán)保[1].目前，國內(nèi)柴油機(jī)廠或電力機(jī)車廠進(jìn)行大功率柴油機(jī)試驗(yàn)時(shí)較多使用機(jī)械式回收系統(tǒng)，即柴油機(jī)帶動(dòng)陪試電機(jī)發(fā)電，并將電能傳輸給回收系統(tǒng)的原動(dòng)機(jī)(電動(dòng)機(jī))，通過聯(lián)軸裝置拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，然后將電能回饋到電網(wǎng).機(jī)械式回收方法的缺點(diǎn)為造價(jià)高、效率低、噪音大、機(jī)械磨損大、維護(hù)費(fèi)用高、發(fā)生飛車故障危險(xiǎn)性大等.變流電能回收系統(tǒng)的回收效率高、運(yùn)行成本低、易維護(hù)，但其電力電子元件會(huì)產(chǎn)生大量諧波，造成諧波干擾，導(dǎo)致電能質(zhì)量下降，而且諧波的影響會(huì)隨著系統(tǒng)容量的增大越來越明顯.因此，變流電能回收方式在國內(nèi)的大功率系統(tǒng)中一直未能得到應(yīng)用.為解決這些問題,本研究提出一種基于直流升壓變換器和脈沖寬度調(diào)制(PWM)并網(wǎng)逆變器的新型大功率變流式柴油機(jī)試驗(yàn)電能回收系統(tǒng),并對該系統(tǒng)諧波的抑制和治理進(jìn)行重點(diǎn)分析.

1　機(jī)械式與普通變流逆變回收法的比較

柴油機(jī)試驗(yàn)電能回收裝置一般采用機(jī)械式回收法或普通變流逆變回收法.采用機(jī)械式回收法的柴油機(jī)試驗(yàn)電能回收裝置由被試柴油機(jī)、陪試發(fā)電機(jī)、二極管整流器、直流電動(dòng)機(jī)、同步發(fā)電機(jī)組成，電能通過并網(wǎng)變壓器和高壓開關(guān)接入電網(wǎng).采用普通變流逆變回收法的柴油機(jī)試驗(yàn)電能回收裝置是在機(jī)械式回收法的基礎(chǔ)上，用晶閘管有源逆變器替代了二極管整流器.

國內(nèi)企業(yè)大多采用機(jī)械式回收法，由柴油機(jī)拖動(dòng)陪式發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生的電力經(jīng)簡單整流后變?yōu)橹绷?，匯集到配電干線并輸送給電能回收裝置的直流電動(dòng)機(jī)(原動(dòng)機(jī)).直流電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器拖動(dòng)高壓交流發(fā)電機(jī)運(yùn)行，發(fā)電并反饋至電網(wǎng)，完成電能回收.20世紀(jì)80年代開始發(fā)展的晶閘管變流回收技術(shù)，與機(jī)械式回收法相比，晶閘管逆變裝置代替了直流電動(dòng)機(jī)及高壓交流發(fā)電機(jī).受限于晶閘管容量小、價(jià)格高、性能差等缺點(diǎn)，該技術(shù)主要停留在試驗(yàn)和研究階段，幾乎沒有實(shí)際應(yīng)用.隨著大功率IGBT等電力電子器件的快速發(fā)展，國外變流式電能回收系統(tǒng)的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了機(jī)械式回收系統(tǒng)，但在國內(nèi)，普通變流逆變回收系統(tǒng)因適應(yīng)性差、諧波含量大而應(yīng)用較少.機(jī)械式回收法與普通變流逆變回收法的比較如表1所示.

表1　兩種回收方法的比較

2　變流電能回收系統(tǒng)的諧波抑制和治理

的必要性

為了克服普通變流逆變回收法諧波過大、不適用于大功率柴油機(jī)試驗(yàn)的缺點(diǎn)，從諧波治理和抑制的手段和方法出發(fā)，本研究提出了一種新型變流電能回收系統(tǒng).

變流電能回收裝置中的逆變器、整流器本身會(huì)產(chǎn)生大量諧波，其危害和影響不可忽視.

諧波對電動(dòng)機(jī)的影響：諧波會(huì)引起附加損耗，產(chǎn)生附加溫升、機(jī)械振動(dòng)、噪聲和諧振過電壓.諧波對變壓器的影響：諧波電流除了增加變壓器繞組損耗，也會(huì)引起外殼和一些緊固件發(fā)熱甚至局部嚴(yán)重過熱，還可能使變壓器振動(dòng)噪聲增大.諧波對自動(dòng)化裝置的影響可以整流電路觸發(fā)為例說明.諧波會(huì)引起同步電壓信號畸變，影響脈沖產(chǎn)生的過零點(diǎn)，使晶閘管觸發(fā)產(chǎn)生相位偏差，這時(shí)整流器除產(chǎn)生奇次諧波外，還產(chǎn)生特征諧波，諧波反過來使電壓畸變更嚴(yán)重.如此惡性循環(huán)，由諧波引起的不穩(wěn)定因素會(huì)增多.諧波對通信及測量儀表、繼電保護(hù)裝置等也有比較大的影響[2-3].

針對諧波的危害，我國早在1993年就頒布了GB/T14549《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》[4].該規(guī)范對各電力系統(tǒng)輸入公共電網(wǎng)的諧波值有明確規(guī)定.對于變流電能回收裝置產(chǎn)生的諧波必須特別重視，因?yàn)樗菦Q定變流電能回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵因素.

3　　　　變流電能回收系統(tǒng)諧波抑制和治理的濾

波措施

抑制諧波的根本是采取減少電力電子裝置諧波的措施：增加整流器相數(shù)，以減小整流器輸出電壓的脈動(dòng)；采取PWM高頻調(diào)制或多重化措施逆變器，減少輸出電壓的諧波；采用輸入輸出濾波的方法等.這里主要討論濾波措施.

濾波包括輸入、輸出濾波.輸入濾波主要減小諧波對電網(wǎng)的影響，輸出濾波主要減小濾波對負(fù)載的影響.LC濾波器使用最廣泛，在抑制諧波的同時(shí)也能起無功補(bǔ)償?shù)淖饔?，是常用的諧波抑制措施.LC濾波器又可分為單調(diào)諧濾波器、高通濾波器等.

針對5次、7次、11次、13次等低次諧波，本系統(tǒng)采用裝設(shè)單調(diào)諧濾波器的方法進(jìn)行諧波抑制.單調(diào)諧濾波器對特定頻率有低阻抗，每個(gè)濾波器都由串聯(lián)的RLC電路組成.在諧振時(shí)，諧振頻率f0和諧振電抗X0分別為：

(1)

(2)

在實(shí)際電網(wǎng)中，諧波吸收電路中電容器有改善功率因數(shù)的作用，不合理的單調(diào)諧濾波器參數(shù)會(huì)嚴(yán)重影響濾波器組的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，因此需要選擇恰當(dāng)?shù)碾娙萜鲄?shù).

3.1由單調(diào)諧濾波器的諧波電流和濾波電容器的額定電壓來確定濾波器電容器的額定容量

濾波器的諧波電流由系統(tǒng)諧波阻抗與濾波器支路調(diào)諧阻抗分流產(chǎn)生.由于電容器的熱效應(yīng)，可將基波電流I1和濾波電流Ih的均方根作為濾波電容器電流.考慮濾波電抗器的升壓作用，濾波電容器的額定電壓及額定電流都應(yīng)高于系統(tǒng)工頻電壓及電流.計(jì)入過載系數(shù)KI，電容器的額定電流應(yīng)大于工頻電流與諧波電流之和.單相濾波器中電容器的額定容量為：

(3)

式中：Ucr為電容器額定相電壓；I1為基波電流；Ih為濾波電流；KI=1.0～1.3.當(dāng)電流含有諧波時(shí)，KI宜適當(dāng)降低，而基波條件下，KI=1.3.

若忽略諧波后濾波電容器的實(shí)際電壓為UC，濾波電容器的額定電流為Icr，則基波電流I1可表示為UCIcr/Ucr.

單調(diào)諧濾波器的串聯(lián)電抗率為：

τ=xL/xC=UL/UC

(4)

式中：xC、xL分別為濾波電容器、電抗器的基波電抗；UL、UC分別為濾波電抗器和濾波電容器的基波電壓(此處同實(shí)際電壓).UC=US+UL=US/(1-τ).式中US為系統(tǒng)電壓.

由式(3)、式(4)可得：

(5)

濾波電容器的額定容量由流過單調(diào)諧濾波器的諧波電流和濾波電容器的額定電壓來決定.

3.2由額定電壓確定濾波電容器的額定容量

設(shè)Ih=15A，KI=1，US=20kV，τ=0.111，根據(jù)式(5)和不同濾波電容器的額定電壓,可得出額定電壓和濾波電容器額定容量的關(guān)系(圖1).

圖1　濾波電容器額定容量與額定電壓的關(guān)系

從圖1可知，與額定電壓為31.82kV的電容器對應(yīng)的濾波電容器額定容量的最小值為675kVar；當(dāng)電容器的額定電壓大于31.82kV時(shí)，濾波電容器的電容容抗和容量也相應(yīng)變大.

令dQcr/dUcr=0，則濾波電容器容量最小時(shí)額定電壓為：

(6)

濾波電容器容量最小值為：

(7)

3.3由諧波電流確定濾波電容器的額定電壓

設(shè)Ih=15 A，KI=1，US=20 kV，τ=0.111，則不同額定容量下濾波電容器額定電壓與諧波電流的關(guān)系如圖2所示.

圖2　不同額定容量下濾波電容器額定電壓與諧波電流的關(guān)系

由圖2可知，當(dāng)Qcr=2 000 kvar時(shí)，濾波電容器額定電壓的最小值為22.8 kV，低于圖1中濾波電容器的額定電壓最小值.

若第n次諧波與單調(diào)諧濾波器調(diào)諧，則由濾波電容器產(chǎn)生的無功容量為：

(8)

把Qcr=2 000 kvar，Ih=15 A，KI=1，τ=0.111，以及濾波電容器的額定電壓最小值31.82 kV，代入式(8)，得到的濾波電容器實(shí)際補(bǔ)償容量為889 kvar；如果代入濾波電容器的額定電壓22.8 kV，則得出實(shí)際補(bǔ)償容量為1 731 kvar，大約是889 kvar的兩倍.

濾波電容器的額定電壓公式在實(shí)際應(yīng)用中可變?yōu)椋?/p>

(9)

把已知參數(shù)代入式(9)即可計(jì)算出濾波電容器的額定電壓.當(dāng)諧波電流不同時(shí)，濾波電容器額定電壓與額定容量的關(guān)系如圖3所示.

圖3　諧波電流不同時(shí)濾波電容器電壓與容量的關(guān)系

當(dāng)濾波電容器的額定容量很大時(shí)，Ucr不應(yīng)小于US/(1-τ)，這樣式(9)才有解.當(dāng)電路含有3次諧波時(shí)，Ucr的最小值為1.125US.當(dāng)計(jì)濾波電容的過電流裕度時(shí)，KI應(yīng)大于1.在實(shí)際設(shè)計(jì)單調(diào)諧濾波器時(shí)，取KI≈1～1.2(考慮到安全因素).

基波及各次諧波電流在電容器上產(chǎn)生的各次諧波電壓的算術(shù)和與所選電容器額定電壓的關(guān)系式為：

(10)式中：KU為過電壓系數(shù)，KU=1.0～1.1，其中純工頻時(shí)KU=1.1；XC1為額定容量時(shí)電容器的工頻容抗.可根據(jù)式(10)求出濾波電容器的額定電壓的最小值，即：

(11)

令Ucr=Ucr，min，則以基波和各次諧波電壓算術(shù)和為校驗(yàn)條件的濾波電容器校驗(yàn)電壓選擇式為：

(12)

當(dāng)諧波電流不同時(shí)，得出的濾波電容器額定容量與校驗(yàn)電壓的關(guān)系如圖4所示.

注：實(shí)線表示式(12)的結(jié)果(其中KU=1)；虛線表示式(9)的結(jié)果(其中KI=1).圖4　諧波電流不同時(shí)濾波電容器容量與校驗(yàn)電壓的關(guān)系

由圖4還可以看出，式(9)所限定的額定電壓普遍低于式(12)限定的校驗(yàn)電壓.因此，以基波和各次諧波電壓算術(shù)和為濾波電容器最低額定電壓的校驗(yàn)條件是比較嚴(yán)格的.

輸出變壓器采用三角形-星形連接法，它一方面起與阻抗匹配的作用，另一方面起隔離直流的作用.另外，繞組也用三角形-星形連接時(shí)，三次諧波磁通被大大削弱，磁通波形和感應(yīng)電動(dòng)勢非常接近正弦波，在一次繞組和二次繞組中都不可能有三次諧波分量.

綜上所述，在大功率柴油機(jī)電能回收系統(tǒng)中抑制諧波方面，在整流階段減少電力電子裝置產(chǎn)生的諧波，如增加整流器相數(shù)，減小整流器輸出電壓的脈動(dòng)，從源頭減少諧波；在變流階段，逆變器采取PWM高頻調(diào)制或多重化措施，減少輸出電壓的諧波含量；在電能饋網(wǎng)時(shí)，采用變壓器多重化和三角形-星形連接組別等方法，可有效限制諧波流入電網(wǎng)，確保諧波滿足國家的規(guī)范要求[5].

4　新型變流電能回收系統(tǒng)

4.1諧波抑制和治理的解決方案

傳統(tǒng)方案采用“背靠背”變流器的逆變回饋法.系統(tǒng)由被試柴油機(jī)、陪試發(fā)電機(jī)、PWM整流器和PWM并網(wǎng)逆變器組成.回收電能通過并網(wǎng)變壓器和高壓開關(guān)接入電網(wǎng).這種方案可順利完成能量回饋，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，諧波含量低.其缺點(diǎn)是控制復(fù)雜，需對陪試主發(fā)電機(jī)實(shí)施矢量控制或DTC(直接轉(zhuǎn)矩控制方式)控制，成本高.

新型方案在傳統(tǒng)方案的基礎(chǔ)上，采用二極管整流器和直流升壓變換器代替PWM整流器，省去了矢量控制或DTC控制裝置，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度和控制難度[6-9].

實(shí)驗(yàn)的柴油機(jī)種類較多，陪試發(fā)電機(jī)的額定輸出電壓也不相同.為了實(shí)現(xiàn)回收系統(tǒng)的一機(jī)多用，需在陪試發(fā)電機(jī)、二極管整流后端接入試驗(yàn)饋網(wǎng)系統(tǒng)的直流升壓變換器.升壓變換器將不同發(fā)電機(jī)發(fā)出的不同電壓或不穩(wěn)定電壓調(diào)整為穩(wěn)定電壓，為后端的PWM并網(wǎng)逆變器提供穩(wěn)定的工作電源.逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，經(jīng)變壓器升壓后回饋電網(wǎng).

新型方案具有電網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、諧波含量低、控制簡單的優(yōu)點(diǎn).

4.2電能回收系統(tǒng)的組成設(shè)計(jì)

基于直流升壓變換器和PWM并網(wǎng)逆變器的逆變回收系統(tǒng)更為適合大功率柴油機(jī)試驗(yàn).該系統(tǒng)主要組成部分及功能如表2和圖5所示.

表2　新型逆變回收系統(tǒng)組成部分及功能

圖5　新型逆變回收系統(tǒng)組成框圖

當(dāng)柴油機(jī)進(jìn)行中高速加載試驗(yàn)、持續(xù)穩(wěn)定性試驗(yàn)時(shí)，柴油機(jī)拖動(dòng)陪試發(fā)電機(jī)發(fā)出交流電.交流電經(jīng)用戶自備二極管不控整流器1變?yōu)橹绷?，通過直流輸入隔離柜2，接入基于直流升壓柜5和PWM并網(wǎng)逆變柜7的電能回收系統(tǒng).電能經(jīng)回收系統(tǒng)逆變?yōu)槿嘟涣鞯蛪弘?，輸入多重化的升壓變壓?，升壓后通過并網(wǎng)開關(guān)柜10被注入電網(wǎng)[10].

5　應(yīng)用分析

(1)基于直流升壓變換器和PWM并網(wǎng)逆變器的新型大功率柴油機(jī)試驗(yàn)電能回收系統(tǒng)，對傳統(tǒng)變流系統(tǒng)而言，有良好的諧波抑制和減少效果，屬于國內(nèi)領(lǐng)先技術(shù)，具有系統(tǒng)維護(hù)量小、運(yùn)行費(fèi)用低、電能回收效率高、應(yīng)用范圍廣、回收電能質(zhì)量穩(wěn)定等特點(diǎn).

(2)從經(jīng)濟(jì)效益角度分析，一般情況下，生產(chǎn)一臺4MW柴油機(jī)，需要進(jìn)行5h試驗(yàn)，按照電能回收率85%、企業(yè)年產(chǎn)量1 000臺柴油機(jī)計(jì)算,每年可以回收約17MkWh電能，按0.6元/kWh考慮，一年可節(jié)約電費(fèi)1 020萬元人民幣.每節(jié)約1kWh電，相當(dāng)于減排0.997kg二氧化碳，全年相當(dāng)于減排16 950t二氧化碳.該電能回收系統(tǒng)的投資回收期約為3年，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較理想.

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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

賈宇向(1983-)，女，河南周口人，碩士，講師，研究方向?yàn)殡姎夤こ碳白詣?dòng)化.

1006-3269(2016)03-0054-06

TK018

A

10.3969/j.issn.1006-3269.2016.03.011