发动机实验中产生的电能利用方案及研究
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【摘 要】 近年来，不少汽车企业会进行发动机实验，实验中产生的电能可以用于企业内部的平时用电，但不能影响到外部公共电网。本文主要研究发动机实验中产生的电能的使用方案，如何使其不对外部电网产生影响。首先阐述了发动机实验中产生的电能不同的情况下对外部电网的影响；然后结合实例，从系统、控制、成本、效果等方面分析了电阻箱方案；最终得出在现阶段电阻箱方案能满足发动机试验中产生的电能不影响公共电网的要求，可以有效地利用这部分产生的电能。
【关键词】 发动机实验产生的电能 电阻箱方案
The plan and research of the electricity which is generated by engine test
Chenrui Zhangming
（Shanghai Jiao Tong University， 201301， China）
【Abstract】 In this articl， we discuss the program of electricity use， and how to make it not not affect the external public power grid. Then we set a detail analysis of a specific instance. First， we analy the different situations of the electricity which is generated in the engine test. Second， we analy the resistance way which can remove the effect to external public power grid according to a specific instance.
【Keywords】 electricity which is generated in the engine test， resistance way
0 引言
近年来，不少汽车企业的发动机试验室在发动机试验中会产生的电能，而为了保护发动机，此部分电能必须被消耗掉，一般的处理方法是将此部分电能直接接到专用负载（电阻）上消耗掉。但此部分电能较大，如果直接在电阻上消耗掉比较可惜，特别是现阶段国内能源比较紧张的；而根据试验室设备商的资料，此部分电能的电能质量符合国标的要求，故考虑将此部分电能用于企业的内部电网中的一般负荷（如照明，空调，动力设备等等）；同时要满足供电局不影响公共电网的要求。
1 发动机实验中产生的电能不同情况下的分析
1.1 模型建立
发电机是汽车的主要电源，其功用是在发动机正常运转时，向所有用电设备（起动机除外）供电，同时向蓄电池充电。
因而可以将此发动机看作一台输出功率恒定（不随负载变化，但随时间变化）的发电机，类似于小型的风力发电机或是太阳能发电机。
将第一台实验用的发动机等效为一台发电机b1，第二台实验用的发动机等效为一台发电机b2……第n台实验用的发动机等效为一台发电机bn；并将n台发电设备等效成一台发电机b（如图1）。
市电作为a端电源供电；由所有实验用的发动机等效成一台发电机作为b端电源供电。
所以
由于市电的发电设备距离负荷很远，一般可能要达到几万米，而发动机实验室距离负荷中心很就，一般也就几十米，故的比值约为0.0001-0.001；此外如果还要考虑到一般市电需经过变压器等中间环节，的比值要远小于0.0001-0.001，故而当发动机实验产生电能（此部分发出的电能不可调）时，内部的负荷将先消耗发动机实验产生的电能；而当其电能不足时，才需要市电供电。
不可调，故
1.2 发动机试验中产生的电能不同情况下的分析
当发动机产生电能小于或等于内部电网用电负荷时，由于发动机实验室位于负荷中心附近，而市电的发电设备距离负荷极远，故发动机实验产生的电能全部优先用于内部电网用电，在发动机实验产生的电能未在内部电网消耗完前，市电对内部电网的供电可忽略不计。由于发动机实验产生电能不可调，且小于内部电网用电，故市电也需提供部分电能用于内部电网用电（=0时，市电不向内部电网提供电能）；相当于一个两端（或单端）供电的闭式网络，整个内部电网能正常工作。即发动机实验产生的电能全部用于内部电网用电，市电也提供部分电能用于内部电网用电；正常工作。
当发动机产生电能大于内部电网用电负荷时，，故发动机实验产生电能会有部分多余的电能无法消耗，此部分电能会反馈到外部市电电网中去，从而可能影响市电电网的稳定，故需要采取措施消耗掉此部分电能，并保证不能发生此种状态，使整个电网稳定运行。
2 如何消除对外部主电网的影响
要消除对外部主电网的影响，就要保证不发生发动机实验产生电能大于内部电网用电的情况，一般采用增加电阻箱方案。
以某企业的发动机研发中心设计为例。研发中心内，拟设3间动力实验室，每个实验室有一台发动机做实验，实验时发动机会持续不间断运行几到几十个小时。实验时每台汽车发动机发出的最大电能Dmax=480KW，其电流值为|Idmax|。按照发动机实验室厂商的要求，此研发中心的配电使用一台2500KVA的变压器，一年中最高负荷率约为88%，最低负荷率约为30%。
现考虑尽可能在内部电网中利用这部分实验时发出的电能，并且不能使其反馈到外部电网中去（如图2）。
平时0.4KV内部电网上的负荷由10KV市电经过10KV/0.4KV变压器供电。当发动机实验时发出电能，并通过相关附件（包括变压器，逆变器等等），将此部分电能调节到正常0.4KV市电的要求，再给内部电网负荷供电。
按上述分析结果，当产生电能大于内部电网用电的情况下，发动机实验产生的电能除了用于内部电网用电外，会有部分多余的电能，如无法消耗则此部分电能会反馈到市电电网中，影响市电电网的稳定，此种状态需避免发生。因而需设电阻来储存多余的电能，并由PLC来控制电阻投切的数量。
考虑到信号及设备的延时，需增加部分预留量，从而抵消信号及设备的延时产生的影响。
设位于变压器柜内测得得电流值为I1（电流流向设备I1>0，电流流向变压器I1
汽车发动机1-3对应柜内测得得电流值为Id1-Id3，汽车发动机1-3实验时的发电量为D1-D3，发电量为Dmax=480KW，其电流值为|Idmax|。
电阻设置方案如下：
按负荷率最低的情况30%考虑，设备负荷约为2500x0.8x 0.3=600KW.
所需的总电阻量需大于480x3-600=840KW.
设置电阻为P1=50KW，P2=50KW，P3=100KW，P4=100KW，P5=200KW，P6=400KW.
整个系统需满足：
（1）当汽车发动机1-3并未全部启动发电时，I1>0，I1>|Idmax|
保证此时内部电网的用电负荷中，由外部电网供电的负荷大于最大一台发动机实验设备的发电量Dmax=480KW。
由于存在预留量；当新的发动机向内部发电时，此部分预留的用电负荷即可消耗掉新的电能，使内部电网的电能不流向外部电网。
（2）当汽车发动机1-3全部启动发电时，I1>0，I1>0.1|Idmax|
保证此时内部电网的用电负荷中，由外部电网供电的负荷大于最大一台发动机实验设备的发电量的10%。
当已在发电的发动机的发电量瞬间发生变化时，此部分预留的用电负荷也可抵消发电机发电量变化对内外部电网的影响。
PLC控制流程详见图3：
PLC首先取变压器出线柜内测得得电流值为I1作判断（I>=0，即电流由市电流入内部电网；I
由于此方案已经考虑的设备延时并设定了预留量，正常情况下不会出现电流值I1
当电流值I1>=0时，说明内部电网正常工作。
接着分别检测3台发动机实验系统进线处的电流值Id1-3（Id>=0），即电流由市电流入发动机实验设备；Id
3 成本及效果
3.1 成本
电阻箱方案中所需的设备成本有：电阻，配电柜，控制器等等；估计所需的总成本约100万元；其总成本较低。
3.2 效果
电阻箱方案能有效的利用发动机发出的电能，但其利用率较低。其损耗主要由三部分组成：（1）线路损耗；（2）被电阻箱消耗掉的电能，其中大部分是发动机实验产生的电能，另外一小部分是市电提供的；（3）考虑到要保证内部电网的预留量，则还要增加一部分电阻投入内部电网，而此部分电能会持续的消耗市电电能。
4 结论及展望
综上所述，利用电阻箱方案，能满足发动机试验中会产生的电能不影响公共电网的要求，可以有效地利用这部分产生的电能。近期还有使用蓄电池来实现对发动机产生电能的利用，其效率要高于电阻箱方案，但由于蓄电池的成本很大，现阶段对大部分企业来说难以承受，而且蓄电池的体积大，占地面积也很大，故现阶段实际应用较少。相信随着科技的发展，蓄电池成本的降低，体积减小，蓄电池方案可能成为主流；并且也会出现更多更好的方案，来实现各种电能的利用。毕竟节能是永恒的主题。
参考文献：
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