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光伏直驱变频离心机系统
双级高效永磁同步变频离心式冷水机机组
光伏直驱变频离心机系统

根据《2012-2016中国建筑节能分析报告》显示,我国建筑能耗约占社会商品能源总消费量的25%,其中建筑空调系统能耗约占建筑能耗的50%。为了保证建筑暖通应用冷水机组、多联机组等制冷设备的高效节能,近年来,各制冷设备厂家局内影响制冷设备能效的制冷循环效率、压缩机绝热效率、机械效率、电机效率等问题进行积极探索,通过采用永磁同步电机、机组变频化、双级压缩、电机直驱等在不同程度的提升了机组的性能系数。进一步提升制冷设备自身的能效水平已经比较困难,为了进一步提升制冷设备的节能型,需要从“开源”的角度寻求制冷设备的节能出路。项目组通过对各种新能源应用的调研分析,研究开发了采用光伏直流电直接驱动的变频空调系统。核心技术创新点主要包括:

1. 提出了基于三元换流控制技术的光伏直驱变频空调拓扑,攻克了光伏输出直流电直接驱动制冷设备、通过制冷设备直接并网、能量双向流动以及自发自用率匹配制冷设备用电的技术难题,实现了光伏直驱变频空调系统的高效化,大幅降低对公共电网的耗电,首次突破了光伏直驱拓扑并成功应用于大型变频冷水机组,形成光伏直驱变频技术、三元换流技术、动态负载跟踪MPPT控制技术、四象限变流技术等谢系列技术。应用该技术的空调产品(1)光伏直驱利用率高达99.04%,转换效率提高6%~8%;(2)具备5种可实时切换工作模式,模式切换时间<10ms;(3)自发自用率高且MPPT跟踪精度大于99%;(3)公共电网耗电降低30%以上。

2. 针对光伏发电及空调用电集成一体系统的管理控制难题,发明了一种发用电一体化管理平台,兼顾光伏发电技术和中央空调群控节能技术的能效管理平台,它包含了光伏发电管理专业和中央空调用电管理专业两方面。光伏直驱变频空调系统发用电一体化管理平台的核心功能是解决光伏直驱变频离心机组系统的发用电管理及能量调度管理,同时监控暖通系统运行和光伏系统发电量、运行状态,预先诊断各个部件的故障,保持系统的稳定运行。

3. 针对光伏输出不稳定电压驱动,压缩机难以稳定运行的难题,提出PAWM交错调制技术,实现了光伏直驱变频空调系统的高可靠,压缩机实际转速与估算转速基本吻合,转速波动维持15rmp左右。

通过以上技术创新,首次推出了光伏直驱变频离心机系统,实现了高节能空调产品与高清洁能源的强强结合。项目研究成果被鉴定为“全球首创,国际领先”,并入选《国家重点节能低碳技术推广目录》(2016年本低碳部分),被广泛应用于各种公共建筑中。

          

        光伏直驱变频离心机系统发用电一体化管理平台                              光伏直驱变频离心机系统获“国际领先”技术成果鉴定


  节能减排是我国的一项基本国策。在我国社会商品能源总消费量中,建筑能耗约占25%,其中建筑空调系统又占建筑能耗的50%,空调系统节能减排意义重大。而大型冷水机组一直是公共建筑空调系统的耗能大户,研究大型冷水机组的节能关键技术,提升机组性能对建筑节能乃至国家能源战略都有重要意义。

评价冷水机组性能指标有两个:名义工况性能系数(简称COP)以及综合部分负荷性能系数(简称IPLV),COP 是考察机组额定工况下(满负荷)的性能,IPLV 是考察机组在不同季节、部分负荷下的全年的综合性能,后者更能反映机组的真实运行能耗。事实上,冷水机组全年约99%以上的时间都运行在部分负荷。

  本项目围绕影响离心式冷水机组性能的关键技术展开研究,包括新型变频压缩机结构研究、全工况气动设计方法研究、大功率高速永磁调速电机及其驱动系统研究等。技术涉及制冷与低温工程、电机、电力电子、空气动力、机械等多学科领域,属于交叉应用学科范畴。关键技术简介如下:

  1. 发明了一种新型高效变频离心压缩机,基于多油楔设计的高速滑动轴承,通过大功率高速永磁同步电机直接驱动双级叶轮做功,取消了传统离心压缩机的增速齿轮,机械损失减少70%;发明了一种多油楔高速滑动轴承,刚度高,实现电机转子在高速下稳定可靠运行;与相同冷量的传统离心压缩机相比,噪音降低8dB(A),体积与重量均降低了约50%。

  2. 提出了一种离心压缩机全工况下的“宽频”设计方法,发明了“全自由曲面”的三元闭式叶轮、“低稠度”叶片扩压器以及多级压缩机“360 度环形”补气结构。解决了传统满负荷点设计的压缩机在部分负荷工况下效率急剧衰减问题,提高了压缩机效率,实现了压缩机全工况高效运行,额定工况绝热效率达0.86,全工况下均达到0.83 以上;

  3. 首次研制出大功率高速永磁同步变频调速电机,功率400KW,转速12000rpm,采用内置式转子磁路结构及系统优化磁路设计,确保电机高转速下的可靠性与效率,电机效率达97.5%,部分负荷下衰减小,全工况范围均能达到96%以上;

  4. 首次研制出大功率高速永磁同步电机专用机载四象限变频器,实现了大功率高转速下永磁同步电机的位置精确估算,确保机组全频率范围内的稳定调速,功率因数达0.998,效率达97%以上。

  所研制的双级高效永磁同步变频离心式冷水机机组已经在人民大会堂等300 余项目上进行了应用,使我国大型冷水机组实现了跨越式的发展,一举超越行业四大家家冷水机组技术,达到国际领先水平,我国冷水机组进入永磁同步变频新时代。研究成果获得2016 年度广东省科学技术奖一等奖、2015 年度中国制冷学会科学技术进步奖一等奖。


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