[发明专利]一种研究柴油发电机组与非线性负载相互作用机理的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种研究柴油发电机组与非线性负载相互作用机理的方法，主要应用于孤岛运行的微电网中，柴油发电机组作为主电源，向微电网直流母线提供电能。

技术背景

微电网将分布式电源、储能装置、负荷及控制装置等组合，形成一个可控的小容量供电系统，同时向用户供给电能和热能，既可与传统大电网联网运行，又能在电网发生故障时与主电网断开孤岛运行，为大电网提供支撑的同时也提高了对用电单位供电的可靠性。微电网中的电源可以采用燃料电池、光伏电池和微型燃气轮机等排碳量相对较低的新型能源，有利于环保，也可以接入柴油发电机组作为支撑电源。在边防海岛、山区等大电网无法覆盖的地区，微电网以孤岛方式运行，风能、太阳能等新能源发电形式受自然条件影响较大，不能保证供电可靠性，柴油发电机组作为一种技术成熟的电源，仍具有不可替代的作用。

柴油发电机组由柴油机、同步发电机、控制系统组成，具有工作可靠、高效环保的特点，在通信基站、舰船、海上石油钻井平台、武器装备、智能建筑、国防(人防)工程、大型集会活动等供电保障中得到广泛应用。例如2014年俄罗斯索契冬奥会采用了66台柴油发电机组作为备用电源，确保冬奥会可靠供电；我国在2008年北京奥运会、2010年上海世博会也采用柴油发电机组作为后备电源。柴油发电机组作为舰船、海上石油钻井平台、武器装备等移动设备的核心动力，良好的工作状态是保障电力设备正常工作的关键，直接决定系统的效能；柴油发电机组作为应急电源向通信基站供电，无论是2008年我国南方冰雪灾害，还是汶川、雅安大地震，对及时传递灾情信息、保障灾区生产生活具有十分重大的作用和意义；作为国防(人防)工程的战备电源，在战时公用电网被摧毁的情况下，柴油发电机组良好的工作状态将决定战争态势的走向，成为制胜的关键；作为智能建筑物的后备电源，在突发情况下确保电梯、消防系统正常工作，可以挽救更多的生命财产，避免更大的损失。总之，在国民经济建设、人民日常生活和军事应用中，柴油发电机组以其优越的性能正发挥着非常重要的作用。

早期的用电负载大多是线性负载，如白炽灯、电磁炉等，即使是异步电动机，也可通过降压启动的方式避免启动电流的冲击。所以柴油发电机组带线性负载时，工作状态平稳，供电频率和负载电压稳定，电流没有畸变，负载与机组容量的匹配关系也相对简单，柴油发电机组的选型方法已十分成熟。但是随着电力电子技术的发展，负荷结构发生了很大的变化，开关非线性负载逐渐增多，现代雷达、侦察设备、通信装置、自动化智能化系统等信息技术设备广泛应用，这些负载工作模式多、工作状态变化大，采用柴油发电机组供电时，由于机组容量小、内阻抗大，开关非线性负载产生的畸变电流在电机内部产生谐波磁场，造成磁场畸变，一方面影响电磁转矩，并通过机械转矩影响原动机，造成原动机转速变化，引起频率波动；另一方面造成电压畸变，畸变的电压将影响开关非线性负载的运行状态，导致电流畸变更加严重，形成恶性循环，最终可能导致系统无法工作。例如，某装备设计中采用两台150KW的柴油发电机组并联向100KVA的开关电源供电，负载有功功率仅为45KW。对接试验时，系统启动后频率即发生大幅发散振荡，电压也极不稳定，数秒之后机组即保护跳闸，无法正常工作。

针对上述问题，当前工程处理方法通常有两种：一是增大柴油发电机组的容量，如将柴油发电机组容量配置为非线性负载功率的2～3.5倍，采用“大马拉小车”方式，虽然解决了部分问题，但是增大了投资，且机组长期在低功率因数下运行，效率低、震动大、噪音高、机械磨损严重、寿命缩短，而且还不能解决所有功率匹配的问题；二是改变负荷结构，如选用具有多脉波整流环节的负载，但这种方法只适用于新设计系统，对于很多已经模块化的定型设备，其结构很难改变；同时如何改变负荷结构，也没有统一的方法。对此，有的文献提出采用增大同步发电机容量，提高机组视在功率的方法，以增大机组非线性负载能力；而有的文献则提出采用增大柴油机功率以克服非线性负载瞬时大功率影响的方法等，这些方案都有一定道理，但都缺乏深入的理论分析，也没有进行系统的仿真研究和试验验证，所以至今仍然没有可靠的解决方法，不能从根本上解决开关非线性负载的功率匹配问题。

发明内容