一种小功率柴油增程器的模块化电气架构的制作方法

本发明涉及混合动力发电系统、分布式能源及工程机械电源，具体为一种小功率柴油增程器的模块化电气架构。

背景技术：

1、现有1kw-5kw的小功率柴油发电机组或增程式电源系统主流电气架构为：柴油发动机直接带动发电机，发电机输出的电能经整流或不经整流后，直接供给直流负载，或通过逆变器转换为交流电供给交流负载。部分方案中虽并联有储能蓄电池，但储能单元通常仅作为启动电源或简单的后备电源，未深度参与系统的功率调度。

2、现有小功率柴油发电机组或增程式电源系统在实际应用中存在以下技术问题：一是柴油机运行效率低下，由于缺乏有效的功率缓冲环节，柴油机的输出功率必须实时跟随负载功率的变化，尤其在低负载或负载频繁波动的工况下，柴油机频繁偏离其最佳比油耗区间，导致燃油消耗率显著增加，经济性变差；二是系统动态响应能力不足，柴油发电机组具有较大的机械惯性，其转矩和转速的调节响应时间通常在数百毫秒乃至秒级，当负载快速突加或突卸时，发电系统输出电压和频率易产生剧烈波动，甚至导致发动机熄火或系统保护性停机，无法满足小功率应用场景中对高动态响应品质的要求；三是能量利用方式单一且系统整体效率偏低，现有小功率方案多以单一的交流或直流输出为主，缺乏对储能单元能量的灵活调度能力，无法根据负载需求、电池荷电状态及发动机工况综合优化能量流向。四是系统模块化程度低、扩展性与可维护性差，现有方案中各电气单元往往高度耦合，功能边界模糊，接口不统一，功率等级固定，当应用场景或负载需求发生变化时需重新设计整个系统，难以通过增减标准化模块实现灵活适配，且故障排查与维修成本较高。

3、针对上述问题，已有部分技术提出在系统中引入储能单元以实现功率补偿，但这些方案多集中于算法层面的优化或单一功能的改进。在小功率的应用场景下，受限于成本、体积和系统复杂度的制约，现有技术仍缺乏一种从系统电气架构层面出发，能够同时实现发电功率、储能功率与负载功率之间有效解耦、统一调度及模块化灵活扩展的综合性解决方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种小功率柴油增程器的模块化电气架构，旨在改善现有小功率柴油发电及增程系统存在的柴油机运行效率低下、动态响应能力不足、能量利用方式单一及系统模块化程度低、扩展性与可维护性差的问题。

2、本发明是这样实现的：

3、一种小功率柴油增程器的模块化电气架构，包括机械发电模块，所述机械发电模块包括柴油发动机及与其同轴连接的发电机，用于将柴油的化学能转换为交流电能，还包括：

4、整流滤波模块，与所述机械发电模块电连接，用于将交流电整流并滤波为高压直流电；

5、高压直流变换模块，其输入端与整流滤波模块电连接，用于将高压直流电转换为中压直流电；

6、中压直流母线模块，与高压直流变换模块的输出端电连接，用于实现发电侧、储能侧及负载侧之间的能量解耦；

7、储能模块，并联连接于中压直流母线模块，用于在负载功率变化时进行能量吸收或释放，从而平抑系统功率波动；

8、逆变输出模块，与中压直流母线模块电连接，用于将中压直流电转换为交流电以供交流负载使用；

9、低压辅助电源模块，与中压直流母线电连接，用于将中压直流电转换为低压直流电；

10、主控制器模块，与机械发电模块、高压直流变换模块及储能模块通信相连，用于采集各模块运行状态并输出控制指令，以协调各模块协同工作。

11、进一步的，所述主控制器模块控制所述柴油发动机稳定运行于预设的高效功率区间，并以该高效功率区间所对应的输出功率值作为所述高压直流变换模块的目标输出功率，当负载功率小于所述目标输出功率时，控制所述高压直流变换模块向所述储能模块充电，当负载功率大于所述目标输出功率时，控制所述储能模块经所述中压直流母线补充差额功率。

12、进一步的，所述高压直流变换模块被配置为根据所述储能模块的荷电状态切换充电模式，所述充电模式包括恒流充电模式和恒压充电模式；所述主控制器模块与所述高压直流变换模块之间通过can总线通信；所述主控制器模块向所述高压直流变换模块下发目标输出功率指令及输出电压设定值，所述高压直流变换模块向所述主控制器模块反馈实际输出功率、模块温度及故障状态。

13、进一步的，所述主控制器模块被配置为：当所述储能模块的荷电状态低于第一阈值时，切断负载输出；当所述荷电状态恢复至高于第二阈值时，恢复负载输出；当所述荷电状态高于第三阈值时，控制所述负载消耗所述储能模块的能量，直至所述荷电状态低于所述第三阈值；所述第一阈值小于所述第二阈值，所述第二阈值小于所述第三阈值。

14、进一步的，所述第一阈值为荷电状态50%，所述第二阈值为荷电状态80%，所述第三阈值为荷电状态90%

15、进一步的，所述主控制器模块被配置为：当所述储能模块的荷电状态大于第一荷电阈值且负载功率小于第一功率阈值并持续第一预设时间时，控制所述柴油发动机停机；当所述负载功率大于第二功率阈值并持续第二预设时间，或所述荷电状态低于第四阈值时，控制所述柴油发动机启动。

16、进一步的，所述第一荷电阈值为荷电状态80%，所述第一功率阈值为300w，所述第一预设时间为1分钟；所述第二功率阈值为300w，所述第二预设时间为30秒，所述第四阈值为荷电状态50%。

17、进一步的，所述柴油发动机为单缸四冲程电喷风冷柴油机，带高压共轨系统及发动机控制单元；所述发电机为永磁同步发电机。

18、进一步的，所述中压直流母线的额定电压为48v～96v；所述模块化电气架构的额定输出功率为1kw～5kw。

19、进一步的，所述储能模块为磷酸铁锂电池组，所述逆变输出模块为纯正弦波逆变器。

20、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

21、1、本发明构建了以中压直流母线模块为核心的能量调度平台，使柴油发动机得以摆脱对负载功率的实时跟随，长期稳定运行于预设的高效功率区间，有效解决了现有小功率柴油增程系统中柴油机运行效率低下的问题。

22、2、本发明通过储能模块直接并联挂接于中压直流母线模块，利用其毫秒级功率响应特性在负载突变时瞬时充放电，弥补了柴油发电系统因机械惯性导致的响应滞后，有效解决了系统动态响应能力不足的问题。

23、3、本发明通过主控制器对发电功率、储能充放电功率及负载消耗功率的统一采集与协同调度，实现了系统能量的综合优化，有效解决了能量利用方式单一且整体效率偏低的问题。

24、4、本发明通过各功能模块以标准化接口形式独立挂接于中压直流母线模块，使系统可根据应用需求灵活配置不同功率等级的模块而无需改变整体架构，有效解决了现有方案模块化程度低、扩展性与可维护性差的问题。

25、5、本发明为小功率柴油增程器提供了一种从电气架构层面同时实现能量解耦、功率缓冲及模块化扩展的系统性解决方案。

1.一种小功率柴油增程器的模块化电气架构，包括机械发电模块，所述机械发电模块包括柴油发动机及与其同轴连接的发电机，用于将柴油的化学能转换为交流电能，其特征在于，还包括：

2.根据权利要求1所述的小功率柴油增程器的模块化电气架构，其特征在于，所述主控制器模块控制所述柴油发动机稳定运行于预设的高效功率区间，并以该高效功率区间所对应的输出功率值作为所述高压直流变换模块的目标输出功率，当负载功率小于所述目标输出功率时，控制所述高压直流变换模块向所述储能模块充电，当负载功率大于所述目标输出功率时，控制所述储能模块经所述中压直流母线补充差额功率。

3.根据权利要求1所述的小功率柴油增程器的模块化电气架构，其特征在于，所述高压直流变换模块被配置为根据所述储能模块的荷电状态切换充电模式，所述充电模式包括恒流充电模式和恒压充电模式；所述主控制器模块与所述高压直流变换模块之间通过can总线通信；所述主控制器模块向所述高压直流变换模块下发目标输出功率指令及输出电压设定值，所述高压直流变换模块向所述主控制器模块反馈实际输出功率、模块温度及故障状态。

4.根据权利要求1所述的小功率柴油增程器的模块化电气架构，其特征在于，所述主控制器模块被配置为：当所述储能模块的荷电状态低于第一阈值时，切断负载输出；当所述荷电状态恢复至高于第二阈值时，恢复负载输出；当所述荷电状态高于第三阈值时，控制所述负载消耗所述储能模块的能量，直至所述荷电状态低于所述第三阈值；所述第一阈值小于所述第二阈值，所述第二阈值小于所述第三阈值。

5.根据权利要求4所述的小功率柴油增程器的模块化电气架构，其特征在于，所述第一阈值为荷电状态50%，所述第二阈值为荷电状态80%，所述第三阈值为荷电状态90%。

6.根据权利要求1所述的小功率柴油增程器的模块化电气架构，其特征在于，所述主控制器模块被配置为：当所述储能模块的荷电状态大于第一荷电阈值且负载功率小于第一功率阈值并持续第一预设时间时，控制所述柴油发动机停机；当所述负载功率大于第二功率阈值并持续第二预设时间，或所述荷电状态低于第四阈值时，控制所述柴油发动机启动。

7.根据权利要求6所述的小功率柴油增程器的模块化电气架构，其特征在于，所述第一荷电阈值为荷电状态80%，所述第一功率阈值为300w，所述第一预设时间为1分钟；所述第二功率阈值为300w，所述第二预设时间为30秒，所述第四阈值为荷电状态50%。

8.根据权利要求1所述的小功率柴油增程器的模块化电气架构，其特征在于，所述柴油发动机为单缸四冲程电喷风冷柴油机，带高压共轨系统及发动机控制单元；所述发电机为永磁同步发电机。

9.根据权利要求1所述的小功率柴油增程器的模块化电气架构，其特征在于，所述中压直流母线的额定电压为48v～96v；所述模块化电气架构的额定输出功率为1kw～5kw。

10.根据权利要求1所述的小功率柴油增程器的模块化电气架构，其特征在于，所述储能模块为磷酸铁锂电池组，所述逆变输出模块为纯正弦波逆变器。