柴油发电机

发电的动力机械

柴油发电机是一种小型发电设备，系指以柴油等为燃料，以柴油机为原动机带动发电机发电的动力机械。整套机组一般由柴油机、发电机、控制箱、燃油箱、起动和控制用蓄电瓶、保护装置、应急柜等部件组成。

定义

发电机是将其他形式的能源转换成电能的机械设备。

柴油发电机是柴油发动机与发电机（通常是交流发电机）的组合以产生电能。柴油压燃式发动机通常设计成在燃油上运行，但是有一些类型适用于其他液体燃料或天然气。

发展历史

1897年全世界第一台柴油机诞生于德国的奥格斯堡（Augsburg），是由MAN公司的创始人Rudolf Diesel 发明的。柴油机的英文名字即为创始人的姓名 Diesel。

MAN公司乃当今世界上最为专业的柴油机制造公司，单机容量最大可达到15000kW。是海洋船运业的主要动力供应商。中国的大型柴油机发电厂亦依赖MAN公司，如广东惠州东江电厂（10万kW）。佛山电厂（8万kW）均为MAN公司提供的机组。

世界上最早的柴油机被存放在德国国家博物馆的展厅里。

基本结构

柴油发电机的基本结构是由柴油机和发电机组成，柴油机作动力带动发电机发电。

柴油机的基本结构：由气缸、活塞、气缸盖、进气门、排气门、活塞销、连杆、曲轴、轴承和飞轮等构件构成。柴油发电机的柴油机一般是单缸或多缸四行程的柴油机，下面我只说说单缸四行程柴油机的工作基本原理：柴油机起动是通过人力或其它动力转动柴油机曲轴使活塞在顶部密闭的气缸中作上下往复运动。活塞在运动中完成四个行程：进气行程、压缩行程、燃烧和作功（膨胀）行程及排气行程。当活塞由上向下运动时进气门打开，经空气滤清器过滤的新鲜空气进入气缸完成进气行程。活塞由下向上运动，进排气门都关闭，空气被压缩，温度和压力增高，完成压缩过程。活塞将要到达最顶点时，喷油器把经过滤的燃油以雾状喷入燃烧室中与高温高压的空气混合立即自行着火燃烧，形成的高压推动活塞向下作功，推动曲轴旋转，完成作功行程。作功行程完了后，活塞由下向上移动，排气门打开排气，完成排气行程。每个行程曲轴旋转半圈。经若干工作循环后，柴油机在飞轮的惯性下逐渐加速进入工作。

柴油机曲轴旋转便带动发电机转动发电，发电机有直流发电机和交流发电机。

直流发电机主要由发电机壳、磁极铁芯、磁场线圈、电枢和炭刷等组成。工作发电原理：当柴油机带动发电机电枢旋转时，由于发电机的磁极铁芯存在剩磁，所以电枢线圈便在磁场中切割磁力线，根据电磁感应原理，由磁感应产生电流并经炭刷输出电流。

交流发电机主要由磁性材料制造多个南北极交替排列的永磁铁（称为转子）和硅铸铁制造并绕有多组串联线圈的电枢线圈（称为定子）组成。工作发电原理：转子由柴油机带动轴向切割磁力线，定子中交替排列的磁极在线圈铁芯中形成交替的磁场，转子旋转一圈，磁通的方向和大小变换多次，由于磁场的变换作用，在线圈中将产生大小和方向都变化的感应电流并由定子线圈输送出电流。

为了保护用电设备，并维持其正常工作，发电机发出的电流还需要调节器进行调节控制等等。

原理

简而言之，就是柴油发电机驱动发电机运转。

在汽缸内，经过空气滤清器过滤后的洁净空气与喷油嘴喷射出的高压雾化柴油充分混合，在活塞上行的挤压下，体积缩小，温度迅速升高，达到柴油的燃点。柴油被点燃，混合气体剧烈燃烧，体积迅速膨胀，推动活塞下行，称为‘作功’。各汽缸按一定顺序依次作功，作用在活塞上的推力经过连杆变成了推动曲轴转动的力量，从而带动曲轴旋转。将无刷同步交流发电机与柴油发电机曲轴同轴安装，就可以利用柴油发电机的旋转带动发电机的转子，利用‘电磁感应’原理，发电机就会输出感应电动势，经闭合的负载回路就能产生电流。

这里只描述发电机组最基本的工作原理。要想得到可使用的、稳定的电力输出，还需要一系列的柴油发电机和发电机控制、保护器件和回路。

孤岛操作模式

在没有连接到电网的情况下操作的一个或多个柴油发电机被称为孤岛操作模式。并联的工作发电机可以在部分负载下获得更好的效率。用于孤立社区的主电源的孤岛电厂通常将具有至少三个柴油发电机，其中任意两个均被额定承载所需的负载。

发电机可以通过同步过程电连接在一起。同步涉及在将发电机连接到系统之前匹配电压，频率和相位。在连接之前无法同步可能会导致高短路电流或发电机或其开关设备的磨损。同步过程可以由自动同步模块自动完成，或由指导的操作员手动完成。自动同步器将从发电机和母线电压读取电压，频率和相位参数，同时通过发动机调速器或ECM（发动机控制模块）调节速度。

负载可以通过负载共享在并联运行的发电机之间共享。负载共享可以通过使用由发电机频率控制的下降速度控制来实现，同时其不断地调节发动机燃料控制以将负载转移到剩余电源或从剩余电源转移负载。当向其燃烧系统的燃料供应增加时，柴油发电机将承担更多的负载，而如果燃料供应减少，则释放负载。

机组型号

柴油发动机，发电机和各种辅助装置（例如基座，顶盖，声衰减，控制系统，断路器，夹套热水器和起动系统）的封装组合被称为“发电机组”。

标准机组

标准机组广泛应用于机房内安装的一般场所。机组主要由柴油机、发电机、控制系统、机座、减震装置、冷却系统、供油系统、和输出保护开关等部分组成。

防护型机组

防护型机组应用于对噪声没有特殊要求的户外场所。主要由标准机组、防护罩壳、排烟系统等组成。由于防护罩壳没有设置降噪装置，只要满足通风和防雨雪条件即可，故其外形体积较小，成本较低。机组运行时开门开窗通风。防护型电站可以单台，也可以多台并联使用，多台并联使用特别适用于负载变化较大、连续运行可靠性要求较高及低成本经济使用的场合，如配套油田钻机等。

防音型机组

防音型机组广泛应用于对环境保护有特殊要求的户外或室内需要防护降噪的场所，主要由标准机组、防音罩壳、进排风降噪装置和排气降噪装置等组成，其主要特征是防音罩壳设置隔音和吸音层、进排风通道做降噪处理、排气采用工业型和住宅型消声器的组合，分别降低其高频和低频段的噪声。标准防音型机组噪声一般在78～85dB（A），超级防音型机组噪声一般在70～78dB（A）。超级防音型机组是在标准防音型机组的基础上对噪声排放采取更加严格的控制措施，如采用迷宫式进排风通道设计等来实现的。

超级防音型机组一般外型尺寸都较大，制造成本也比标准防音型机组要高得多。防音型机组和超级防音型机组通常在防音罩壳外操作、保养和检修。

露天电站

低噪声方舱电站和集装箱电站一般应用于对环境保护有特殊要求的户外使用场所，可以直接放置在户外露天使用，省去建造机房，同时具有机动性强和投入使用周期短等特点。低噪声方舱电站和集装箱电站的噪声一般在75～85dB（A），可以在方舱和机厢内进行操作、保养和检修。

车载移动电站

车载电站广泛应用于通信、电视转播、高速公路、抢险、供电和军队等对于快速、机动性和可靠性要求较高的电源应急场合。主要将机组安装在汽车的车厢内，并可以配备电动电缆绞盘、多路输出插座和机械（或液压）支腿，也可以很方便的实现多辆车载移动电站并联使用。车载移动电站一般噪声在70～80dB（A）。

参数

制造商提供详细的安装指南，以确保正确的功能，可靠性和低维护成本。在线购买发电机时，必须确保产品附带安装指南和产品描述。指南涵盖以下内容：

尺寸和选型 - 电气设备的典型负载，应用的预期负载

电气因素 - 峰值负载与稳定，允许的应用

冷却 - 发电过程中的发动机冷却

通风 - 冷却过程中允许气流（设计）

燃料储存 - 发电机以特定的使用率运行多长时间

特定型号的噪声 - dB水平

排气量 - ppm（百万分之几）的某些元素，考虑环境和发电机周围的环境

启动系统 - 钥匙启动，拉动启动，按钮启动等等

机组尺寸

家庭、商店、办公室

对于家庭，小商店和办公室，设备尺寸范围从8到30千瓦（也是8到30千伏安单相）

工厂

大型工业发电机从8千瓦（11千伏安）到2,000千瓦（2,500千伏安三相）复合体。 2,000 kW装置可以安装在12米的ISO集装箱中，燃油箱，控制器，配电设备和作为独立电站运行所需的所有其他设备或作为电网电力的备用。

小型发电站

这些模块的组合用于小型发电站，并且每个模块使用1到20个单元，并且可以组合成数百个功率模块。在这些较大的尺寸中，功率模块（发动机和发电机）被单独带到拖车上，并且用大电缆和控制电缆连接在一起以形成完全同步的发电设备。还有许多选择来满足特定的需求，包括用于自动启动和电源并联的控制面板，用于固定或移动应用的通风设备，燃料供应系统，排气系统等。

主要用途

日常使用供电

尽管柴油发电机组的功率较低，但由于其体积小、灵活、轻便、配套齐全，便于操作和维护，所以广泛应用于矿山、铁路、野外工地、道路交通维护、以及工厂、企业、医院等部门。

应急电源

柴油发电机组用于没有连接到电网的地方，或者在电网故障时用作应急电源，以及用于更复杂的应用，例如峰值跳闸，电网支持和电网输出。

发展方向

发电机组肩负着为国民经济以及人民生活用电提供发电成套设备的重任，所以它在很长一段时间内还会占据着很重要的位置。而伴随着时代的进步社会的发展，原有的那种发电机组笨重、耗油高、噪音大、尾气污染严重，显然已经不适合社会的需要。所以未来发电机组的发展方向应该是节能、环保、轻型化、小型化、美观大方。这样才能发挥出发电机组的潜在优势。

前沿应用

1、独立交流微网中电池储能与柴油发电机的协调控制

在独立交流微网系统内,柴油发电机和电池储能之间的协调控制是保证系统稳定运行的关键。利用电池储能的快速响应特性,提出了柴油发电机和储能电池的协调控制方法。柴油发电机作为主电源时,通过在储能系统传统下垂控制中引入辅助功率控制信号,防止柴油机长时过流引起的系统崩溃,提高了系统稳定性。针对微网内主电源从储能系统转为柴油发电机或者从柴油发电机转为储能系统时的短时停电问题,提出了柴油发电机和储能电池双主电源的无缝切换控制策略。

2、船舶柴油发电机组的建模与运行仿真研究

船舶柴油发电机组的运行过程是电站运行的重要组成部分。并联运行的柴油发电机组数量决定了船舶电站的容量。并联运行的稳定性与船舶电站的稳定性密切相关。建立能准确反映柴油发电机组运行的数学模型对电站的运行控制、仿真和性能分析都具有重要意义。柴油发电机组并联运行过程的研究涉及到柴油发电机的模型、并联运行控制模型、电力负荷模型等的建立。其中,柴油发电机模型尽管存在一些不同的建模方法,但大多数仅限于单台模型仿真。以柴油发电机模型为核心,建立多台柴油发电机组并联运行的数学模型。以“育鲲”轮的船舶电站为参考对象,分别建立了柴油发电机模型、电力负荷模型,并联运行控制系统模型。

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