新聞主題	未來(lái)發(fā)電機新技術(shù)應用

 

在過(guò)去的三十年間，大型旋轉電機的監測系統從無(wú)到有，形成了現在的復雜系統，而系統數據并不總是帶來(lái)最有價(jià)值的信息。從R&D(研究與開(kāi)發(fā))的觀(guān)點(diǎn)看，這種做法是有意義的。另一方面，為了滿(mǎn)足客戶(hù)的需求，我們必須注意現實(shí)中的日常運行約束條件。本文通過(guò)一個(gè)案例分析，闡明大多數新技術(shù)所不能檢測出的主要問(wèn)題，可通過(guò)相對簡(jiǎn)單的監控來(lái)避免它的出現。事實(shí)上，在操作像發(fā)電機這類(lèi)的機械時(shí)，我們需要區分這類(lèi)設備的保護和維護。用于保護的儀器應能夠找出設備出現的預兆，而健康分析應提供對設備的診斷發(fā)電機的新技術(shù)和應用包括新型的發(fā)電機、勵磁系統、控制技術(shù)及應用技術(shù)。

 

 

 

一、現代發(fā)電機的智能化

 

發(fā)電機技術(shù)的升級換代，傳統的有刷勵磁技術(shù)已經(jīng)被無(wú)刷勵磁技術(shù)取代，AVR（AnalogueVoltage Regulator，模擬式自動(dòng)電壓調節器）也有逐漸被DVR（Digital Automatic Voltage Regula-tor，數字式自動(dòng)電壓調節器）取代的趨勢，像有些廠(chǎng)家已經(jīng)全系列采用數字式DVR，甚至出現了發(fā)電機的數字式自動(dòng)電壓調節器（DVR）集成了基本的發(fā)電機組控制管理功能，形象地說(shuō)，即發(fā)電機的數字式自動(dòng)電壓調節器（DVR）相當于一個(gè)簡(jiǎn)單的智能發(fā)電機組控制器功能（Control-ler）加上固有的電壓調節器功能（Regulator）。發(fā)電機的核心控制技術(shù)向柴油機的EMS（Elec-tronic Management System，電子管理技術(shù)）合并，越來(lái)越智能，它帶來(lái)的好處是顯而易見(jiàn)的，就是發(fā)電機組成套廠(chǎng)家GOEM在發(fā)電機組成套時(shí)，就好像連接柴油機的EMS與智能發(fā)電機組控制器樣，只需要簡(jiǎn)單地連接少量的通信線(xiàn)，無(wú)需再安裝繁雜的電流互感器CT，電壓互感器PT及溫度檢測RTD等信號，無(wú)需安裝發(fā)電機故障等報警信號，也無(wú)需再安裝電壓微調和電壓下垂等控制線(xiàn)，所有的發(fā)電機監測控制參數均可共享發(fā)電機本身的電壓、電流和溫度采集硬件設備，通過(guò)通信線(xiàn)與智能發(fā)電機組控制器進(jìn)行數據交換，由智能發(fā)電機組控制器采集顯示，實(shí)現人機交互HMI功能，甚至在控制要求不高的通用應用場(chǎng)合，完全可以起到智能發(fā)電機組控制器的功能，只需將柴油機的控制及信號線(xiàn)接入數字式自動(dòng)電壓調節器CONTREG，即可實(shí)現發(fā)電機組參數監控的目的，為發(fā)電機組成套廠(chǎng)家GOEM節省大量成本，另外由于元器件更少，整個(gè)系統更加簡(jiǎn)潔，故障率也大幅下降，可靠性大大提高。

 

無(wú)刷發(fā)電機內部結構圖

 

 

二、云端大數據的分析和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的客戶(hù)交互

 

發(fā)電機的數字式自動(dòng)電壓調節器（DVR）已經(jīng)普及采用，其本身已經(jīng)具備RS485 或者J1939智能通信接口，借助于現代化的GPS對時(shí)、云監控計算技術(shù)和大數據分析技術(shù)，既可實(shí)現發(fā)電機實(shí)時(shí)的云監控功能，也能夠實(shí)現客戶(hù)實(shí)際運行參數的精確采集，為售后服務(wù)提供有力工具。另外，通過(guò)后臺進(jìn)行云端數據的采集和分析，現代IDC數據中心急需的電源、UPS和空調等設備的協(xié)同工作問(wèn)題就解決了。同時(shí)，借助云端大數據分析，客戶(hù)的使用和個(gè)性化需求都能夠在設計階段考慮到，真正做到為各個(gè)細分市場(chǎng)客戶(hù)量身定制。

1．效率越來(lái)越高

發(fā)電機作為能量轉換裝置，本身不產(chǎn)生任何能量，因此能量的轉換效率顯得至關(guān)重要。在年運行時(shí)間200h以下的備用電站應用場(chǎng)合，效率的提升可能不是考慮的首要條件，但在7x24h長(cháng)行電站應用場(chǎng)合，效率提升即意味著(zhù)相較于低效率發(fā)電機產(chǎn)生同樣的電力時(shí)，高效率發(fā)電機可以節省大量燃油，即節省較多的發(fā)電運營(yíng)成本，高效率發(fā)電機多出來(lái)的一次性采購成本很快能夠回本，后期節省的燃油成本就變成了實(shí)實(shí)在在的利潤。

設計也是從各種方面提高效率：

1）在20kW以下的小功率發(fā)電機應用中，一般采用無(wú)刷無(wú)軸承的外轉子盤(pán)式中頻永磁發(fā)電機，由于沒(méi)有電刷和軸承的機械摩擦的損耗，也不存在非永磁發(fā)電機那樣的勵磁能量損耗，因此效率能夠從傳統的80％以下提高到90％以上，另外，由于磁極數從傳統的不超過(guò)6個(gè)增加到了16個(gè)磁極以上，但是中頻輸出電源不能直接接入工頻交流負載或直流負載，需要配合現代PWM 高頻開(kāi)關(guān)整流等電能變換技術(shù)，將發(fā)電機中頻輸出電源轉換為工頻交流輸出或直流輸出，像最近比較流行的智能數碼發(fā)電機、直流發(fā)電機所采用的中頻發(fā)電機，在發(fā)電機和負載之間均采用了此技術(shù)。

2）在大功率發(fā)電機應用中，由于機械極限限制，在小功率發(fā)電機上常見(jiàn)的外轉子、無(wú)軸承和永磁勵磁的設計均無(wú)法再采用，轉而采用優(yōu)化的電路設計、磁路設計和冷卻通風(fēng)設計等方面來(lái)提升效率，例如某品牌發(fā)電機通過(guò)精確計算定子繞組全工況下所需的散熱量，利用現代先進(jìn)的溫度監控技術(shù)，采用隨定子繞組溫度變化，實(shí)時(shí)調節冷卻風(fēng)扇轉速的新穎冷卻通風(fēng)設計，將大功率發(fā)電機的效率提升到98％以上，比傳統發(fā)電機效率高2％左右，節能效果顯著(zhù)。

下面以K公司的超高效率（Laminar Cross Flow LCF）層流橫流技術(shù)的高效率發(fā)電機為例說(shuō)明：功率在1500kW及以上時(shí)效率可高達98％以上，是該功率段發(fā)電機世界的最高水平。

創(chuàng )新之處包括取消發(fā)電機軸帶的機械式冷卻風(fēng)扇，取而代之的是由一組電子風(fēng)扇組成的冷卻風(fēng)扇模組，能夠降低50％的發(fā)電機冷卻風(fēng)扇消耗功率。

K公司的LCF高效率發(fā)電機在繞組中產(chǎn)生的熱量其實(shí)和KATO公司的傳統發(fā)電機產(chǎn)生的熱量差不多，但是新型的流線(xiàn)型的轉子設計，改善了繞組中的冷卻空氣流體學(xué)路徑，避免了空氣擾流產(chǎn)生的額外功率損耗，保證了發(fā)電機繞組中熱量聚集區的熱量及時(shí)散熱，因此發(fā)電機繞組工作溫較低，保證了繞組的運行壽命。

LCF高效率發(fā)電機目前可提供1000～4000kW，1500～1800r/min。另外，高達15000kW，750r/min的低轉速高效率發(fā)電機也在開(kāi)發(fā)過(guò)程中。

LCF 高效率發(fā)電機特別適合燃氣發(fā)電機和分布式能源等長(cháng)行或連續運行工況。

2．功率體積比越來(lái)越大

隨著(zhù)非晶等新材料技術(shù)和多極永磁中頻發(fā)電機技術(shù)的成熟應用，現代發(fā)電機在同等功率輸出下，已經(jīng)可以做到體積更小，重量更輕，更加適用于方艙電站、超級靜音發(fā)電機組和便攜等安裝空間受限的應用場(chǎng)合。

3．與風(fēng)能、太陽(yáng)能、儲能等綠色新能源技術(shù)和柴油機的隨輸出功率變化的無(wú)級變速節能等新技術(shù)的配合

風(fēng)能、太陽(yáng)能等綠色新能源技術(shù)的快速發(fā)展，發(fā)電機和儲能的工作需要配合風(fēng)能、太陽(yáng)能的輸出，采用先進(jìn)控制策略，以實(shí)現風(fēng)能、太陽(yáng)能的最大綜合利用，降低能耗，實(shí)現TCO（Total Cost of Operation，總運行成本）的降低。這些應用特別在偏遠的無(wú)人值守基站更加具備優(yōu)勢，采用傳統的發(fā)電機方式，一方面是巨額的燃油成本，另一方面由于勞動(dòng)力成本不斷上漲，運行維護成本也越來(lái)越高，通過(guò)多種能源綜合利用的系統化的能量轉換和控制邏輯，總體上減少發(fā)電機的運行時(shí)間，優(yōu)化發(fā)電機的帶載性能，能夠大大降低油耗和運行維護成本。

（1）康明斯發(fā)電技術(shù)有限公司（CGT）VSIG稀土永磁發(fā)電機（后節中詳述）

（2）L公司的LSAVS DC48V可變轉速發(fā)電機

L公司的LSAVS DC48V 可變轉速發(fā)電機的外形如圖3-1所示，主要技術(shù)參數見(jiàn)表3-1。

DC48V可變轉速發(fā)電機能夠在一臺發(fā)電機組上同時(shí)實(shí)現以下功能：

1）作為備用電源，直接向基站直流設備供電。

2）在混合能源供電基站，向DC48V通信用蓄電池充電，該技術(shù)比較傳統的僅僅由柴油發(fā)電機組供電的應用場(chǎng)合，最高能夠降低油耗達36％。

LSAVS DC48V可變轉速發(fā)電機集成了以下兩個(gè)定制元件：

1）定制的R220-VSG型AVR和AC-DC整流電路，確保發(fā)電機在低速和高速兩種運行轉速工況下，均可輸出穩定的直流電壓。

2）集成的CCM充電控制模塊負責管理電池充電功能，借助于EMERSON網(wǎng)絡(luò )能源在電池管理技術(shù)方面的豐富經(jīng)驗積累，CCM支持市面上主流的蓄電池型號，如OPzV、SBS EON、EXIDE、A600和Evolion等。

其性能參數見(jiàn)表3-2。

 

圖3-1 可變轉速發(fā)電機外形圖

表3-1 可變速發(fā)電機主要技術(shù)參數

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