柴油机试验能量回馈的研究

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摘 要：本文详细介绍了柴油机试验能量回馈系统方案的各个部分，并重点介绍了逆变回收装置部分，该部分的逆变的控制部分采用了比较流行的PWM技术，且在并网时采用了开关线性复合的并网方式， 以达到逆变出的波形为正弦波，且逆变后的电能将不对电网产生污染，使绿色电能回馈电网，达到节约能源和降低柴油机生产成本。

关键词：柴油机试验 PWM 开关线性复合 电网

1、引言

随着当代社会工业的迅猛发展以及人口的不断增长，能源需求越来越大。而不断的开采煤、石油等传统的不可再生能源，使得人类的生态环境受到严重的影响，因此全世界对能源、环保问题引起了极大的重视，提出了“绿色环保”的概念，这使得再生能源的合理利用具有十分重要的现实意义。

在内燃机车装车前，都要经过种种性能试验，目的是测试柴油机性能参数，判断机车各部件运行是否可靠、控制特性和功率特性是否满足要求。在柴油机试验中，通常水阻试验是必不可少的检测手段，它的工作原理是柴油机拖动同轴主发电机，以水电阻为负载，通过调节水电阻的大小，模拟机车运行的各种工况，以达到机车设计得要求。但是在柴油机的试验中，试验功率大，时间长，如果采用水阻试验法，据不完全统计，一台中小型柴油机在功率测试过程中转化成热而浪费的能量，如果全部转化为电能，可达到生产这台柴油机所用电能的1/3左右，从这看出水阻试验虽然能测试出柴油机的性能，但存在着缺点：一方面浪费了大量的工业用水，另一方面浪费了电能源，同时还造成金属极板的严重腐蚀，如果能把这部分能量利用起来，发电并反馈到电网，则可以收到一举多得的好处。

据查资料知，对于转速1000rpm以上的柴油机，其耐久性、可靠性试验时间需要1000h，对于拖拉机用内燃机而言，这1000h内约有90%的时间是满载运行。目前的试验设备绝大多数是涡流测功器，它将能量全部转化为热量消耗掉，极不经济。以135HP的内燃机为例，若能回收70%的能量，则1000h内可发电：135 X 0.9 X 0.7 X 0.735 X1000=62511.75kWh，若以1kWh电费为0.5元计算，一次试验则可节约3万多元。因此，如果把这部分能量回送电网，其节约的能量相当可观。

2、柴油机试验能量回馈系统的研究

（柴油机试验能量回馈系统的结构框图如图1所示）

2. 1 柴油机试验台

柴油机试验台由被试柴油机、主发电机、启动电机、整流柜、励磁系统组成。在这个系统中，被试柴油机通过启动电机启动后，即通过离合器和转轴分离，进入柴油机的低速空载磨合期，然后加大油门进入不同转速的工况下，即被试柴油机拖动同轴主发电机发电，然后经过试验台上的整流柜，把

交流整流成直流，接着进行电能回馈试验及测试柴油机功率的稳定性。

2.2 逆变回收装置

逆变回收装置由逆变器、滤波器、输出功率缓冲器、变压器组成，它完成对柴油机试验的控制，并将完成柴油机试验的能量的回收。随着电力电子的发展，在逆变回收时将采用PWM（正弦脉宽调制） 控制技术，PWM控制就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，由这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形，按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

2.2.1 主电路的设计方案

从柴油机试验能量回馈的系统结构图可以看出，主发电机发出的电经整流后变成直流，然后经过电容滤波后供给逆变器，逆变器输出经LC滤波供给输出功率缓冲器，同时由于逆变出的电压不足够高，不能达到直接回馈电网的要求，因此还用到了升压变压器，经输出升压隔离，在通过高压断路器回馈给电网。主电路的设计如图3 所示。分为整流和逆变（由IGBT组成）两部分。通过逆变电路，在逆变侧输出与电网同频率且同步的略带毛刺的正弦波，再经输出功率缓冲器，进一步滤去毛刺，输出纯正弦波，然后经升压变压器在回送电网。

2.2.2输出功率缓冲器

开关线性复合逆变器中线性放大电路的功率管工作在非常特殊的状态：临界饱和偏线性一侧，因而管损耗近似于开关状态，但遵循线性放大电路射极输出器的规律（高阻输入、低阻输出，对负载大小及参数变化不敏感）。开关线性复合技术的本质是将开关放大电路与线性放大电路有机结合，充分利用线性放大电路的射极输出特点获取低阻输出特性，从而增强功率输出级的负载鲁棒性和负载适应性。输出功率缓冲器（即线性放大级）电路如图4所示， T1，T2为功率开关管，两管分别构成两个正负半波的滤波器根据开关线性复合技术的特点，逆变器经过滤波后带有纹波的电压作为电源加在功率管上，从电网采样电压信号经过线性电压放大中元放大后作为功率管的驱动信号，功率管为射极输出，最后在负载上就可得到和电网取样电压信号完全相同的电压波形。输出电压V0的波形完全由驱动电压波形决定，同时输出功率缓冲器可以进一步滤掉逆变器输出的高次谐波。

2.2.3控制电路

能量回馈的要任务是将再生的能量经过变换回馈到电网，实现节能，尽量避免对电网的污染。一个完善的能量回馈控制系统应满足相位、频率两方面的控制条件，即要求回馈过程必须与电网的相位、频率保持同步关系。控制电路设置了两个反馈闭环，外环为电流环，内环为电压环。控制电路系统构图如图。

图5中，电流给定信号与通过有效值变换器采样并网电流的有效值大小的差经PI调节器作为逆变回馈电压的控制信号 （即U1）。在控制系统，为保证逆变系统输出和电网电压同频同相的正弦电压波形，基准正弦参考电压信号Vref从电网同步取样后得到，它和电压控制信号U1通过乘法器相乘得到幅值和U1成正比的逆变器调制参考信号U2，作为逆变器的调制参考信号。用信号U2和逆变输出电压采样信号U3的偏差信号去控制开关线性复合逆变器，

输出基波和Vref一致的电压，经简中LC滤波后，为输出功率缓冲器供电，在负载（回馈变压器的原边）上得到与电网同频同相的正弦电压。

3、结束语

本文提出了一种新型的柴油机试验能量回馈系统的方案，详细阐述了柴油机能量回馈系统功能和特点，并将柴油机试验能量

回馈系统分为三大模块——柴油机试验模块、能量回收逆变装置模块、并网装置模块（如图5），并对每模块的具体要完成的工作流作了重点介绍，使读者能够从整体上把握能量回馈系统的功能结构。

同时我们知道柴油机试验能量回馈属于有源逆变能量回馈，它具有一定的优势：

（1）它的工作方式是利用电力电子变换技术将输出能量再生利用，这样一方面节约了能源；另一方面，它不产生大量的热量，避免了试验场所环境温度升高的问题；

（2）静态、动态性能好，工作状况相对比较稳定。

（3）由于柴油机试验能量反馈系统采用的是能量回馈的方式，因而设备的投资也因该设备的使用所节约的能源费而易收回。

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