專利名稱：混合式發(fā)電機(jī)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能為時(shí)變負(fù)載供電的發(fā)電機(jī)設(shè)備。
在傳統(tǒng)的電力發(fā)電機(jī)組中，發(fā)動(dòng)機(jī)或其它主要原動(dòng)機(jī)以額定恒速驅(qū)動(dòng)同步交流發(fā)電機(jī)，所述恒速是為了提供適當(dāng)頻率的交流電力輸出而計(jì)算出來(lái)的。實(shí)際上，發(fā)動(dòng)機(jī)速度并不是精確地保持恒定，導(dǎo)致這種發(fā)電機(jī)組的電力輸出頻率出現(xiàn)不期望的變化。
為了滿足最大負(fù)載需求，這種發(fā)電機(jī)組必須依一定尺寸制造，由于平均負(fù)載一般僅為峰值負(fù)載的20％，所以所制造的尺寸可能是非常浪費(fèi)的。還有大量的應(yīng)用，例如焊接、電池組充電和電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)/運(yùn)行，由于發(fā)電機(jī)組僅間歇重負(fù)載，所以這些應(yīng)用中的負(fù)載需求變化很大。因此，需要在這種應(yīng)用中使用的發(fā)電機(jī)組能夠有效應(yīng)付輕載狀態(tài)。
已經(jīng)提出了一種通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)速度來(lái)響應(yīng)負(fù)載需求變化的變速發(fā)電機(jī)組(例如見Plahn et a1的美國(guó)專利US5,563,802)，它在輕載狀態(tài)下利用電池組向負(fù)載供電。但是，這種已知的系統(tǒng)存在各種各樣的限制，包括有限的發(fā)動(dòng)機(jī)速度運(yùn)行范圍，由于繁重的占空比造成電池組壽命短，以及在不利的負(fù)載狀態(tài)下性能差。
本發(fā)明的目的是提供一種能應(yīng)付負(fù)載中的實(shí)質(zhì)變化而同時(shí)有效運(yùn)行的混合式發(fā)電機(jī)設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明，電源設(shè)備包括至少一個(gè)可控電源，用于提供可變電壓和/或電流電力輸出；去耦轉(zhuǎn)換器裝置，從所述至少一個(gè)可控電源的可變電壓和/或電流電力輸出產(chǎn)生中間DC輸出，所述中間DC輸出與電源電力輸出中的變化無(wú)關(guān)；輸出裝置，產(chǎn)生AC或DC輸出，以便從中間DC輸出為時(shí)變負(fù)載供電；傳感器裝置，監(jiān)視所述至少一個(gè)可控電源的電壓和/或電流以及中間DC輸出，并且產(chǎn)生與其相當(dāng)?shù)妮敵鲂盘?hào)；以及響應(yīng)輸出信號(hào)的控制裝置，控制所述至少一個(gè)可控電源的運(yùn)行，動(dòng)態(tài)改變電源的功率輸出，從而提供時(shí)變負(fù)載所需功率。
可控電源包括燃料電池或諸如水輪發(fā)電機(jī)、風(fēng)輪機(jī)、氣輪機(jī)/發(fā)電機(jī)的其它設(shè)備或從非電輸入產(chǎn)生電輸出的其他設(shè)備。
另一可替換的可控電源包括為去耦轉(zhuǎn)換器裝置提供可變電壓輸出的發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)。
最好是，發(fā)電機(jī)是為去耦轉(zhuǎn)換器裝置提供可變電壓、可變頻率的交流輸出的交流發(fā)電機(jī)，所述設(shè)備包括整流器裝置和去耦轉(zhuǎn)換器裝置，整流器裝置用于對(duì)發(fā)電機(jī)的交流輸出進(jìn)行整流，去耦轉(zhuǎn)換器裝置包含將整流后的交流輸出轉(zhuǎn)換為中間DC輸出的DC-DC轉(zhuǎn)換器，中間DC輸出的電壓根據(jù)參考電壓而受到控制。
控制裝置包括傳感器裝置，用于監(jiān)視轉(zhuǎn)換器裝置的中間DC輸出和/或可控電源的負(fù)載，以及當(dāng)負(fù)載超過(guò)預(yù)定值時(shí)提高發(fā)動(dòng)機(jī)速度。
在一個(gè)實(shí)施例中，運(yùn)行控制裝置來(lái)維持在預(yù)定電平或預(yù)定范圍內(nèi)從可控電源抽取的電流，傳感器裝置包括電壓傳感器，用于監(jiān)視轉(zhuǎn)換器裝置的中間DC輸出的輸出電壓和提高發(fā)動(dòng)機(jī)速度，從而在中間DC輸出的電壓降到第一電壓閾值以下時(shí)增加供給轉(zhuǎn)換器裝置的功率。
在另一個(gè)實(shí)施例中，運(yùn)行控制裝置來(lái)維持中間DC輸出的電壓基本恒定，傳感器裝置包括電流傳感器，用于監(jiān)視從可控電源抽取的電流和提高發(fā)動(dòng)機(jī)速度，從而在從可控電源抽取的電流超過(guò)第一電流閾值時(shí)增加供給轉(zhuǎn)換器裝置的功率。
所述設(shè)備至少包括第一能量存儲(chǔ)裝置，所述第一能量存儲(chǔ)裝置從中間DC輸出被充電并且當(dāng)中間DC輸出的電壓降到額定以下時(shí)將能量放電到中間DC輸出。
可替換的或者除此之外，所述設(shè)備包括輔助負(fù)載控制裝置，用于檢測(cè)繁重的輔助負(fù)載到輸出裝置的連接和控制對(duì)輔助負(fù)載的供電，從而防止輸出裝置的過(guò)載。
最好是，所述設(shè)備至少包括第二能量存儲(chǔ)裝置，設(shè)置充電電路，用于從轉(zhuǎn)換器裝置的中間DC輸出向第二能量存儲(chǔ)裝置充電，設(shè)置放電電路，用于當(dāng)中間DC輸出電壓降到低于第一電壓閾值的第二電壓閾值以下時(shí)，向與第一能量存儲(chǔ)裝置平行的第二能量存儲(chǔ)裝置放電。
在一個(gè)實(shí)施例中，所述設(shè)備包括第三能量存儲(chǔ)裝置，設(shè)置充電電路，用于從電源向第三能量存儲(chǔ)裝置充電，設(shè)置輔助轉(zhuǎn)換器裝置，用于在第二能量存儲(chǔ)裝置已經(jīng)至少部分放電之后，向平行于第一和第二能量存儲(chǔ)裝置的第三能量存儲(chǔ)裝置放電。
第一和第二能量存儲(chǔ)裝置最好是電容器，第三能量存儲(chǔ)裝置最好是電池組。
所述設(shè)備可以包括速度傳感器，用于監(jiān)視發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的速度和產(chǎn)生與其相關(guān)的速度輸出信號(hào)，函數(shù)發(fā)生器裝置，用于從速度輸出信號(hào)產(chǎn)生功率信號(hào)，功率信號(hào)表示發(fā)動(dòng)機(jī)的功率/速度特性，控制裝置利用所述功率信號(hào)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。
所述設(shè)備還可以包括環(huán)境壓力和溫度傳感器，用于監(jiān)視環(huán)境壓力和溫度以及產(chǎn)生相應(yīng)的壓力和溫度輸出信號(hào)，還包括相應(yīng)的壓力和溫度函數(shù)發(fā)生器，用于產(chǎn)生包含發(fā)動(dòng)機(jī)減額特性的輸出以補(bǔ)償環(huán)境運(yùn)行壓力和溫度的變化。
所述設(shè)備也可以包括排氣溫度傳感器，用于監(jiān)視發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度和產(chǎn)生排氣溫度輸出信號(hào)，排氣溫度函數(shù)發(fā)生器，用于從速度輸出信號(hào)產(chǎn)生排氣溫度/速度-負(fù)載特性信號(hào)，控制器，用于從排氣溫度輸出信號(hào)和排氣溫度/速度-負(fù)載特性信號(hào)之差產(chǎn)生誤差信號(hào)，從而補(bǔ)償影響發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度的因素。
圖1是根據(jù)本發(fā)明采用電壓控制方案的混合式發(fā)電機(jī)設(shè)備的高度簡(jiǎn)化的方框圖；圖2框圖與圖1框圖類似，顯示了采用電流控制方案設(shè)備的形式；圖3更詳細(xì)示出了具有輸出電路的圖1的設(shè)備，包括負(fù)載預(yù)期電路；圖4示出了另一可替換的設(shè)備輸出電路；圖5示出了包括第一和第二能量存儲(chǔ)裝置的圖1設(shè)備形式；圖6示出了與圖5所示相似的設(shè)備，但包括第三能量存儲(chǔ)裝置；圖7a是本發(fā)明最佳實(shí)施例的詳細(xì)原理圖，包括由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的永磁交流發(fā)電機(jī)；圖7b是圖7a設(shè)備的控制系統(tǒng)中不同閾值和參考電壓之間的關(guān)系圖；圖8a至8c和9a至9c示出了本發(fā)明所述設(shè)備的一個(gè)實(shí)施例的性能曲線；圖10和11示出了設(shè)備的另一變形，分別利用更復(fù)雜的電壓和電流控制回路；
圖12、13和14是與本發(fā)明設(shè)備一起使用以優(yōu)化其運(yùn)行的附加控制線路的原理圖；圖15是本發(fā)明用燃料電池作為可控電源的一個(gè)實(shí)施例的控制回路的方框圖。
圖1以高度簡(jiǎn)化的方框圖形式示出了本發(fā)明所述的混合式發(fā)電機(jī)裝置。可控電源10可以包括發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)，燃料電池，太陽(yáng)能電力系統(tǒng)，水電發(fā)電機(jī)，風(fēng)輪機(jī)或另一可控以改變輸出的電能源，連接到包含DC-DC轉(zhuǎn)換器的去耦轉(zhuǎn)換器裝置12。這里稱DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出為中間DC輸出，表示為電壓VDC。該中間DC輸出應(yīng)用于“負(fù)載”14，在大多數(shù)實(shí)施例中，“負(fù)載”14是輸出轉(zhuǎn)換器裝置，例如將中間DC輸出轉(zhuǎn)換為向外部負(fù)載提供AC波形的逆變器。但是在其他情況下，外部負(fù)載例如可以是DC負(fù)載或車輛電動(dòng)機(jī)。
去耦轉(zhuǎn)換器裝置12承擔(dān)著把中間DC輸出與電源10的電流和/或電壓輸出中的波動(dòng)去耦或隔離的重要功能，以便裝置的控制方案能夠調(diào)節(jié)電源10輸出中的大的變化。例如，電源10是發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)組，去耦轉(zhuǎn)換器裝置12的去耦效果允許發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)在寬速度范圍內(nèi)運(yùn)行，同時(shí)保持中間DC輸出在期望的運(yùn)行參數(shù)內(nèi)。轉(zhuǎn)換器裝置12也用于把電源與負(fù)載中的變化去耦或隔離。
去耦轉(zhuǎn)換器裝置12可以采用不同的形式，這取決于可控電源10的特性。電源的輸出為DC輸出，去耦裝置為DC-DC轉(zhuǎn)換器是很便利的。在具有AC輸出的電源10的情況下，可以使用AC-DC轉(zhuǎn)換器。實(shí)質(zhì)上，去耦轉(zhuǎn)換器裝置12構(gòu)成了轉(zhuǎn)換功能，接受來(lái)自電源10的大范圍變化的電力輸出并且根據(jù)測(cè)量及控制電路發(fā)出的控制信號(hào)產(chǎn)生中間DC輸出。
圖1中，測(cè)量及控制電路由附圖標(biāo)記16表示。該電路包括模擬或數(shù)字電路，利用適當(dāng)軟件控制下的微處理器可以很容易地實(shí)現(xiàn)該電路。為了便于以下說(shuō)明，將其稱為測(cè)量及控制“電路”。
第一電壓傳感器18監(jiān)視中間DC輸出VDC的值，產(chǎn)生送給測(cè)量及控制電路16的電壓信號(hào)V_1。第二電壓傳感器20測(cè)量電源10的電壓輸出并產(chǎn)生應(yīng)用于測(cè)量及控制電路16的第二電壓信號(hào)V_2。此外電流傳感器22測(cè)量輸出到DC-DC轉(zhuǎn)換器12的電源電流并產(chǎn)生應(yīng)用于測(cè)量及控制電路16的電流信號(hào)I_2。電壓和電流參考信號(hào)V_ref2和I_ref2分別提供給電路16。
電壓傳感器的輸出V_1也應(yīng)用于控制回路24，參考電壓V_ref1也施加到控制電路24，它產(chǎn)生應(yīng)用于電源10控制系統(tǒng)26的電輸出信號(hào)。根據(jù)電源的特性，控制系統(tǒng)26可以是內(nèi)燃機(jī)的燃料注入控制器或在燃料電池中控制氣體(例如氫氣和氧氣)流動(dòng)的控制器。
圖1的裝置包括能量存儲(chǔ)設(shè)備28，它連接到電路的中間DC輸出。在本發(fā)明的簡(jiǎn)單型式中，能量存儲(chǔ)設(shè)備28包括與中間DC輸出簡(jiǎn)單并聯(lián)的電容器，以便當(dāng)應(yīng)用于中間DC輸出的負(fù)載突然變化時(shí)提供短期能量?jī)?chǔ)備。在更為復(fù)雜的實(shí)施例中(見下述)，能量存儲(chǔ)設(shè)備28可以用帶有各自控制系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)不同的能量存儲(chǔ)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。
圖1的裝置以電壓控制回路運(yùn)行，它的設(shè)置是使得去耦DC-DC轉(zhuǎn)換器12根據(jù)參考電壓V_ref2用最大電壓有效地調(diào)節(jié)中間DC輸出電壓VDC，以便不管來(lái)自電源10的輸入電壓如何變化，都根據(jù)參考電壓通過(guò)控制回路調(diào)整VDC的值。
同時(shí)，在該操作模式下，去耦轉(zhuǎn)換器裝置12根據(jù)電流參考I_ref2控制流過(guò)的電流通過(guò)以便電源10最佳負(fù)載。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)組的例子中，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)在其可變速度范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)期望曲線進(jìn)行負(fù)載，該曲線接近發(fā)動(dòng)機(jī)的最優(yōu)功率/速度特性。當(dāng)負(fù)載功率需求突然增加時(shí)，去耦轉(zhuǎn)換器裝置12所施加的電流控制通過(guò)增加從電源提取的電流來(lái)阻止所提供的負(fù)載功率需求的增加。這實(shí)際上意味著中間DC輸出功率不足，導(dǎo)致負(fù)載從增大中間DC輸出的能量存儲(chǔ)設(shè)備28直接提取能量。由于能量是從該設(shè)備提取的，因此設(shè)備輸出以及由此中間DC輸出的電壓VDC將降落。
當(dāng)?shù)谝浑妷簜鞲衅?8檢測(cè)到的VDC值降落到低于第一電壓閾值時(shí)，應(yīng)用于控制回路24和控制系統(tǒng)26的合成輸入信號(hào)V_1控制電源10增加其功率輸出。在發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的例子中，控制系統(tǒng)26將提高發(fā)動(dòng)機(jī)速度，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的輸出電壓相應(yīng)增大。該電壓的增大增加了提供給去耦轉(zhuǎn)換器裝置12的功率，從而使得轉(zhuǎn)換器在不超過(guò)由參考I_ref2所設(shè)定的電源電流的情況下向中間DC輸出提供更大的功率。這樣，電源10滿足了負(fù)載的要求并且使能量存儲(chǔ)設(shè)備28再充電。中間DC輸出的電壓VDC升高直到恢復(fù)為由電壓參考信號(hào)V_ref1所確定的電壓閾值，電源10穩(wěn)定在新的更高的輸出功率電平。
當(dāng)負(fù)載功率需求降低時(shí)，電源和負(fù)載之間的平衡再次遭到破壞。在這種情況下，電壓VDC將升高，電壓/速度控制回路將運(yùn)行以減小電源的輸出功率(例如在發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)組例子中的發(fā)動(dòng)機(jī)速度)，減小電源的輸出功率和電壓從而允許去耦轉(zhuǎn)換器裝置12將其輸出電壓減小回其額定值。
在上述運(yùn)行模式中，電流控制方式是和電源電壓控制方案一起使用的。通過(guò)控制或限制從電源提取的電流，使得中間DC輸出的電壓VDC在去耦轉(zhuǎn)換器裝置12及其控制電路16所允許的預(yù)定電壓變化窗口的范圍內(nèi)隨負(fù)載需求的變化而改變。實(shí)際上除其他因素之外，該“窗口”的大小由負(fù)載轉(zhuǎn)換器14的性能參數(shù)、能量存儲(chǔ)設(shè)備28的能量存儲(chǔ)容量和電源10對(duì)其控制系統(tǒng)26的動(dòng)態(tài)響應(yīng)來(lái)確定。
除了所采用的控制方案主要是電流控制方案而不是電壓控制方案以外，圖2的設(shè)備與圖1的基本類似。根據(jù)電流控制方案，運(yùn)行去耦轉(zhuǎn)換器裝置12以根據(jù)參考電壓V_ref2調(diào)節(jié)中間DC輸出的電壓VDC，以便無(wú)論去耦轉(zhuǎn)換器裝置12的輸入電壓如何變化，都保持VDC的值基本恒定。
當(dāng)負(fù)載功率需求(在中間DC輸出處的DC電壓和DC電流的乘積)增加時(shí)，由于將VDC調(diào)節(jié)為基本恒定，所以轉(zhuǎn)換器中的電流以至電源10所提供的電流也必須增加。去耦轉(zhuǎn)換器裝置12允許電流根據(jù)負(fù)載需求在安全運(yùn)行界限內(nèi)增加或減小。
當(dāng)負(fù)載值增加時(shí)，由于VDC的值基本保持恒定，去耦轉(zhuǎn)換器裝置12將從電源10要求更多的電流供給負(fù)載。電流傳感器22檢測(cè)這一增加，產(chǎn)生應(yīng)用于測(cè)量及控制電路16和控制回路24的輸出信號(hào)I_2。經(jīng)控制系統(tǒng)26，控制回路24調(diào)整電源10的輸出以增大其功率輸出。例如，在發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)組的例子中，發(fā)動(dòng)機(jī)速度被提高，增加了發(fā)電機(jī)的輸出電壓和功率。電源電壓輸出的增加導(dǎo)致去耦轉(zhuǎn)換器裝置12減小其電壓升壓比。隨著輸入電壓升高，去耦轉(zhuǎn)換器裝置12的輸入電流將減小直到恢復(fù)為由電流參考信號(hào)I_ref2所確定的電流閾值且電源10穩(wěn)定在其新的輸出功率(在發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的例子中，發(fā)動(dòng)機(jī)將穩(wěn)定在其新的更高的速度)。
相反地，當(dāng)負(fù)載功率需求降低時(shí)，去耦轉(zhuǎn)換器裝置12將從電源要求更少的電流。當(dāng)電流值降低到I_ref2所設(shè)定的預(yù)定閾值時(shí)，電源的功率輸出被減小(例如，發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)組的發(fā)動(dòng)機(jī)速度被降低)。電源輸出電壓的相應(yīng)降低導(dǎo)致從電源提取的電流增加。當(dāng)電流恢復(fù)到由電流參考I_ref2所確定的值時(shí)，電源將穩(wěn)定在其新的功率輸出(例如，發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)組中發(fā)動(dòng)機(jī)的速度將穩(wěn)定在其新的更低的速度)。
在該運(yùn)行模式下，電源受到去耦轉(zhuǎn)換器裝置12的保護(hù)，去耦轉(zhuǎn)換器裝置12限制從電源提取的最大電流。當(dāng)電源電流增加到所認(rèn)為的最佳值時(shí)(例如，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)組的輸出電流達(dá)到表示發(fā)動(dòng)機(jī)最佳輸出轉(zhuǎn)矩的值時(shí))，根據(jù)電壓控制方案所描述的電流限制功能投入運(yùn)行。隨后負(fù)載需求的增加將使DC輸出功率不足，導(dǎo)致中間DC輸出電壓VDC相應(yīng)下降。
在上述兩種控制方案中，可以看出使用去耦轉(zhuǎn)換器裝置12是極其重要的，這使得能夠使用具有非常不同特性的可變電源。
對(duì)上述基本設(shè)備進(jìn)行大量的修改和變形是可能的。
例如，有可能利用兩個(gè)或更多輔助能源來(lái)代替能量存儲(chǔ)設(shè)備28，以便提供一個(gè)更有效地響應(yīng)短期或長(zhǎng)期峰值負(fù)載的系統(tǒng)(見下述)。在一些其他的情況下，可以排除輔助的能量存儲(chǔ)。取而代之的是，可以引入負(fù)載預(yù)期電路來(lái)處理大沖擊或大階躍負(fù)載。圖3中，所示設(shè)備與圖1的基本相應(yīng)，其中內(nèi)部負(fù)載14包括DC-AC轉(zhuǎn)換器(即逆變器)，設(shè)置該轉(zhuǎn)換器是為了向干線負(fù)載30提供AC電力輸出。此外，迎合次要繁重的輔助負(fù)載32，該負(fù)載被認(rèn)為在運(yùn)行中造成瞬態(tài)或暫時(shí)過(guò)載。該負(fù)載從逆變器14經(jīng)接口電路34和提供輸出電流信號(hào)I_4的電流傳感器36饋送給與負(fù)載電流幅值相關(guān)的控制器38?？刂破?8控制接口電路34的運(yùn)行。
在檢測(cè)負(fù)載時(shí)，接口電路34快速將負(fù)載從逆變器14斷開或者降低輸出到負(fù)載的頻率和/或電壓?？刂破?8產(chǎn)生輸出信號(hào)Va2x，該信號(hào)應(yīng)用于控制回路24使電源10產(chǎn)生最大輸出功率(在發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)組例子中，發(fā)動(dòng)機(jī)被加速到最大速度)。出現(xiàn)瞬時(shí)亞負(fù)載狀態(tài)且臨時(shí)使正常負(fù)載自適應(yīng)功率控制回路過(guò)載。當(dāng)接口控制器38從第二電壓傳感器20的輸出V_2檢測(cè)到電源10的輸出為最大時(shí)，控制器38將控制信號(hào)V_ali輸出到接口34，根據(jù)接口的預(yù)定特性(例如開/關(guān)，可變電壓/頻率或軟啟動(dòng))將輔助負(fù)載32連接到逆變器14。在瞬時(shí)過(guò)載之后，正常負(fù)載自適應(yīng)控制系統(tǒng)將重新運(yùn)行并且使電源10的功率輸出穩(wěn)定以便其輸出功率和總負(fù)載需求平衡。
以舉例的方式，如果輔助負(fù)載是DC并勵(lì)電動(dòng)機(jī)，則接口將向并勵(lì)繞組提供電壓，然后使電樞電路電壓斜坡升至其額定運(yùn)行值。如果輔助負(fù)載是AC電動(dòng)機(jī)，則接口不是減小軟啟動(dòng)電路中的應(yīng)用電壓，就是成比例地減小可調(diào)速度驅(qū)動(dòng)(ASD)中的電壓或頻率。當(dāng)電源已經(jīng)達(dá)到其最大輸出功率電平時(shí)，也能很容易地將輔助負(fù)載斷開或再連接。
除了內(nèi)部負(fù)載14是提供主要DC負(fù)載40的DC-DC轉(zhuǎn)換器之外，圖4所示裝置與圖3(為避免重復(fù)省去相同元件)類似。經(jīng)接口44和電流傳感器36直接從設(shè)備的中間DC輸出提供輔助負(fù)載42(DC或AC)。
圖5中，示出了設(shè)備的變形例，它基本相當(dāng)于圖1的實(shí)施例，只是其中提供了第二增補(bǔ)能量存儲(chǔ)設(shè)備46。在這種結(jié)構(gòu)中，能量存儲(chǔ)設(shè)備28和46通常包括一個(gè)或多個(gè)電容器和極端電容器(ultra-capacitor)。尤其在第二能量存儲(chǔ)設(shè)備46中，占空比不太大，可以采用電池組或如飛輪電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)這樣的另一設(shè)備。電容器46用與其相關(guān)的測(cè)量及控制電路50經(jīng)第二DC-DC轉(zhuǎn)換器48連接到中間DC輸出?？刂齐娐?0從第一電壓傳感器18接收輸出V_1和第三電壓傳感器53的輸出V_3，V_1相當(dāng)于VDC的值，V_3相當(dāng)于能量存儲(chǔ)設(shè)備46的端電壓，以及從電流傳感器54接收輸出I_3，I_3相當(dāng)于增補(bǔ)能量存儲(chǔ)設(shè)備和轉(zhuǎn)換器48之間的電流幅度。
測(cè)量及控制電路50的設(shè)置是為了當(dāng)VDC的值低于第二閾值時(shí)控制轉(zhuǎn)換器48將第二能量存儲(chǔ)設(shè)備46的能量送入中間DC輸出，第二閾值或多或少地低于參考電壓V_ref1所確定的第一閾值。這樣，在負(fù)載的功率需求突然增加的情況下，VDC的值降落到第二閾值以下且來(lái)自電容器46的額外能量送入負(fù)載，與電容器28和主要去耦轉(zhuǎn)換器裝置12有效地并聯(lián)。
為了適應(yīng)作為可變電壓元件的電容器(即電容器的端電壓根據(jù)其電荷狀態(tài)變化)，DC-DC轉(zhuǎn)換器48可以在需要時(shí)作為逐步增大或減小可變比的轉(zhuǎn)換器(取決于電容器的工作電壓)運(yùn)行，以便將額定等于VDC的電壓輸出發(fā)送到中間DC輸出。該裝置允許并行使用具有實(shí)質(zhì)不同的特性(即，更高或更低的工作電壓)的輔助能源。
圖6所示裝置與圖5的類似，但包括由電池56構(gòu)成的第三備用能量存儲(chǔ)設(shè)備。在本例中，能量存儲(chǔ)設(shè)備28和46都是電容器組。在該裝置中，電池56的設(shè)置是為了從能源58對(duì)其進(jìn)行充電，能源58可以來(lái)源于主電源10或者例如輔助電源、太陽(yáng)能電池板或另一能源。能源58的輸出送入轉(zhuǎn)換器60，其特性由能源58的特性確定。轉(zhuǎn)換器60的輸出經(jīng)電流傳感器62送入電池56并且其運(yùn)行由響應(yīng)電流傳感器62的輸出、電壓傳感器66的輸出和電壓及電流參考信號(hào)V_ref4及I_ref4的測(cè)量及控制電路64控制。
電池組56經(jīng)接口電路68連接到DC-DC轉(zhuǎn)換器48的輸入，該連接點(diǎn)通過(guò)轉(zhuǎn)換器48有效地將設(shè)備的第二中間DC輸出從主要中間DC輸出隔離開或去耦合。
可以理解，使用多個(gè)可控電源的上述本發(fā)明的實(shí)施例代表了一種混合式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能根據(jù)預(yù)定控制方案從兩個(gè)或多個(gè)不同電源向一個(gè)或多個(gè)負(fù)載供電。這樣，本發(fā)明為設(shè)計(jì)有特定應(yīng)用的混合式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)提供了相當(dāng)大的靈活性。
在所示裝置中，當(dāng)VDC的值由于負(fù)載需求增加而下降時(shí)，第一能量存儲(chǔ)設(shè)備28向負(fù)載14放電。而且當(dāng)VDC的值降到第一電壓閾值以下時(shí)，如上所述參考圖1啟動(dòng)功率控制回路。當(dāng)VDC的值降到低于第一閾值的第二閾值以下時(shí)，第二能量存儲(chǔ)設(shè)備46向中間DC輸出放電。當(dāng)在第二能量存儲(chǔ)設(shè)備46的輸出測(cè)得的電壓V_3降到電池56的端電壓以下時(shí)，第三能源(備用電池組56)放電。
盡管一旦VDC的值已經(jīng)降到低于第二閾值的第三閾值以下時(shí)，設(shè)置的電池組56可以向中間DC輸出發(fā)送功率，但實(shí)現(xiàn)備用電池組控制電路在任何需要點(diǎn)經(jīng)接口68供電而不受第一和第二預(yù)定閾值的支配是很重要的。這種靈活性是本發(fā)明的一個(gè)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
在圖6的布置中，與電容器組28和46相比，通常很少用電池組56向負(fù)載供電。這是可取的，因?yàn)殡姵亟M的占空比被大大減小，電容器相對(duì)于電池組能經(jīng)受得住更多次得充電/放電循環(huán)。所以，該布置提供了具有相當(dāng)靈活性的設(shè)備和備用能量能力，同時(shí)增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和壽命。
也可以用飛輪電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)裝置這樣其他類型的能量存儲(chǔ)設(shè)備來(lái)代替電容器或電池組。除了利用適當(dāng)接口之外，重要的準(zhǔn)則是使所選的能量存儲(chǔ)設(shè)備類型與輔助存儲(chǔ)設(shè)備所必須滿足的瞬時(shí)和長(zhǎng)期能量需求相匹配。
參考圖7a，圖中示出了本發(fā)明實(shí)施例更為詳細(xì)的框圖。該實(shí)施例用發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)作為可控電源10。用于樣機(jī)中的發(fā)動(dòng)機(jī)70是具有燃料噴射的柴油內(nèi)燃機(jī)，同時(shí)發(fā)電機(jī)72是交流永磁三相發(fā)電機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)有燃料噴射控制器74控制，該控制器響應(yīng)來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)速度控制器電路76的電控制信號(hào)。在應(yīng)用于DC-DC轉(zhuǎn)換器82的輸入(相當(dāng)于前面附圖中的去耦轉(zhuǎn)換器裝置12)之前，發(fā)電機(jī)72的交流輸出應(yīng)用于三相整流器電路78并從那里應(yīng)用于LC濾波器80。轉(zhuǎn)換器作為升壓斬波器運(yùn)行。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)70的速度，發(fā)電機(jī)72的輸出電壓和頻率都發(fā)生變化，DC-DC轉(zhuǎn)換器82將該變化的電壓輸出轉(zhuǎn)換為用于向內(nèi)部負(fù)載14(通常為逆變器)供電的中間DC輸出，該內(nèi)部負(fù)載又為外部負(fù)載84供電。如上所述，DC-DC轉(zhuǎn)換器82有效地將基本隨發(fā)動(dòng)機(jī)70的速度而變化的發(fā)電機(jī)/整流器輸出與中間DC輸出去耦合或隔離。
設(shè)備的控制電路包括電壓控制電路86，電壓控制電路86供以來(lái)自參考電壓函數(shù)發(fā)生器88的主參考輸入電壓Vr10v和來(lái)自響應(yīng)VDC值(即中間DC輸出處電壓)的電壓傳感器的第二輸入Va8。Va8的值反映了由于所提供負(fù)載幅值的變化而引起的VDC值的變化。電壓控制電路86的基本功能是作為調(diào)節(jié)器將測(cè)得的VDC值與主參考電壓Vr10v相比較。在低負(fù)載運(yùn)行的情況下，相當(dāng)于發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的低速運(yùn)行，負(fù)載轉(zhuǎn)換器14中的電壓降較低且通過(guò)函數(shù)發(fā)生器88減小主參考輸入電壓Vr10v，從而改善了設(shè)備的部分負(fù)載效率。
DC-DC轉(zhuǎn)換器82具有電流/電壓轉(zhuǎn)換器控制電路92，該電路接收電壓傳感器90的輸出Va8，也接收來(lái)自參考電流函數(shù)發(fā)生器94的參考電流信號(hào)Vr9i和電壓參考信號(hào)Vr9v。此外，向電流/電壓控制器92提供輸入信號(hào)Va5，該信號(hào)來(lái)源于從整流器80向DC-DC轉(zhuǎn)換器82所提供的電流幅度。電壓控制電路86對(duì)測(cè)得的VDC中的變化作出響應(yīng)產(chǎn)生參考速度信號(hào)Vr11，它與來(lái)自速度傳感器96的輸出信號(hào)Va2一起應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)速度控制器76。速度控制器76產(chǎn)生應(yīng)用于燃料噴射控制器74的輸出信號(hào)Vr12以改變發(fā)動(dòng)機(jī)70的速度。
速度信號(hào)Va2也應(yīng)用于參考電流函數(shù)發(fā)生器94，該發(fā)生器94作為速度的函數(shù)修改參考電流信號(hào)Vr9i以便與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩/速度特性相對(duì)應(yīng)。在永磁發(fā)電機(jī)中，當(dāng)輸出電壓隨速度線性變化時(shí)，發(fā)電機(jī)電流對(duì)應(yīng)于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。從而，電流/電壓控制器92控制轉(zhuǎn)換器82使得它根據(jù)其轉(zhuǎn)矩/速度特性在發(fā)動(dòng)機(jī)70上加載，從而使其性能在負(fù)載大范圍變化時(shí)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)。
當(dāng)負(fù)載84的幅值增加并且因此電壓信號(hào)Va8的值小于參考電壓Vr10v的值即速度控制閾值時(shí)，電壓控制電路86增加輸出信號(hào)Vr11的值使得發(fā)動(dòng)機(jī)速度提高。電流/電壓控制器92調(diào)整DC-DC轉(zhuǎn)換器82的運(yùn)行使得發(fā)電機(jī)輸出電流等于由參考電流信號(hào)Vr9i設(shè)定的值。但是，由于發(fā)電機(jī)電壓以至轉(zhuǎn)換器82的輸入功率隨速度而增加，輸送到中間DC輸出的功率的相應(yīng)增加將導(dǎo)致VDC的值增加。當(dāng)Va8的值等于Vr10v的值時(shí)，達(dá)到穩(wěn)定。相反，當(dāng)電壓信號(hào)Va8(對(duì)應(yīng)于VDC值的變化)大于參考電壓Vr10v時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)速度被降低。如果發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到其最小運(yùn)行速度且VDC的值保持大于參考電壓信號(hào)Vr9v(它在幅度上或多或少大于Vr10v)，電流/電壓控制器92將運(yùn)行DC-DC轉(zhuǎn)換器82減小其輸出，使得電流信號(hào)Va5被減小直到VDC的值等于參考電壓Vr9v。
除了主能量存儲(chǔ)設(shè)備(電容器)28之外，設(shè)備還包括包含電容器C3和電池組BAT的輔助能量存儲(chǔ)設(shè)備。電池組通過(guò)二極管D6與電容器隔離并有效地形成了與電容器并聯(lián)的混合式電池組。電池組電壓Vbat遠(yuǎn)低于電容器電壓Vc3，使得電容器C3在其放電時(shí)，隨著其端電壓從相對(duì)較高的滿充電電壓降落到最終達(dá)到電池組端電壓Vbat的值，能夠?qū)⒆銐蛄康墓β瘦斔徒o負(fù)載。當(dāng)電容器端電壓等于Vbat的值時(shí)，電池組接管功率傳遞功能，它通過(guò)二極管D6經(jīng)充電/放電轉(zhuǎn)換器98向中間DC輸出提供能量。
充電/放電轉(zhuǎn)換器98包括一對(duì)晶體管T2和T3，以及二極管D2和D3以及扼流圈L3。晶體管T3和二極管D3受充電控制器100控制，與扼流圈L3一起作為降壓斬波器從中間DC輸出向電容器C3充電。晶體管T2和二極管D2受放電控制器102控制，與扼流圈L3一起作為升壓斬波器控制電容器C3向中間DC輸出放電。備用電池組BAT也經(jīng)包含晶體管T2、二極管D2和扼流圈L3的升壓斬波器向中間DC輸出放電。
如上所述，放電控制器102根據(jù)中間DC輸出的預(yù)定電壓閾值和由電流傳感器118提供的相關(guān)放電電流反饋信號(hào)Ises起作用。
當(dāng)中間DC輸出電壓信號(hào)V8a超過(guò)充電啟動(dòng)電壓參考Vr19vb，略高于Vr18v時(shí)，充電控制器100響應(yīng)充電啟動(dòng)信號(hào)V21進(jìn)行操作。尤其是它根據(jù)電容器參考電流函數(shù)發(fā)生器電路104的輸出而起作用，該發(fā)生器作為來(lái)自速度傳感器96的速度反饋信號(hào)Va2的函數(shù)來(lái)修改參考電流信號(hào)，從而根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)速度和可用功率優(yōu)化電容器C3的充電。
由于存在阻塞二極管D5，備用電池組BAT僅能經(jīng)充電/放電轉(zhuǎn)換器98放電(而不是被充電)。因此，為了對(duì)電池組充電，設(shè)有包括晶體管T4、二極管D4和扼流圈L4的輔助充電轉(zhuǎn)換器106。轉(zhuǎn)換器106由充電器控制器108控制，并且作為降壓斬波器根據(jù)來(lái)自電池組電壓監(jiān)視器110的反饋電池組電壓信號(hào)Vbat、反饋電池組電流信號(hào)Ibat、電池組電壓參考信號(hào)Vbat_ref和充電電流參考信號(hào)Ibat_ref對(duì)電池組充電。后面的參考信號(hào)分別由電池組參考電壓和電池組參考電流函數(shù)發(fā)生器112和114產(chǎn)生。包括電容器C5和電感器L5的濾波器對(duì)充電轉(zhuǎn)換器106的輸出進(jìn)行平滑以防止大的紋波電壓/電流對(duì)電池組造成損壞。
電池組參考電壓函數(shù)發(fā)生器112根據(jù)電池組溫度修改電池參考電壓信號(hào)Vbat_ref，以防止充電期間充氣。電池組參考電流函數(shù)發(fā)生器根據(jù)速度反饋信號(hào)Va2修改電池組參考電流信號(hào)Ibat_ref，以按照可用功率優(yōu)化電池組充電。
在所示例子中，用于電池組充電轉(zhuǎn)換器106的能量是由中間DC輸出導(dǎo)出的，但可以理解的是，也可以用獨(dú)立電源為電池組BAT充電，例如太陽(yáng)能電池板。
因?yàn)槌潆?放電轉(zhuǎn)換器98的控制電路幾乎在檢測(cè)到由于負(fù)載大小突然增加(即臨時(shí)過(guò)載狀態(tài))而引起VDC值下降的同時(shí)進(jìn)行操作，所以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)70來(lái)說(shuō)以低效高速運(yùn)行來(lái)應(yīng)付這種需求是不必要的。相反，輔助能源可以提供足夠的能量來(lái)滿足峰值負(fù)載需要直到發(fā)電機(jī)速度增加到足以完全滿足負(fù)載需要。這樣，本發(fā)明所述實(shí)施例有效地包括了與可變速度、可變輸出發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的快速反應(yīng)短期能源。
圖7b示出了圖7a電路中不同參考電壓和運(yùn)行閾值電壓之間的相互關(guān)系。當(dāng)與來(lái)自電壓傳感器90的信號(hào)Va8對(duì)應(yīng)的中間DC輸出的電壓VDC降到第二閾值電壓Vr18v以下時(shí)，轉(zhuǎn)換器98將電流從電容器C3抽入中間DC輸出以將其值維持在第二閾值電壓Vr18v，而不管電容器C3端電壓的下降。該端電壓Vses是電壓監(jiān)視器116的輸入電壓，該監(jiān)視器向充電控制器100提供輸出。電容器放電電流Ises從電流傳感器118獲得，并送入充電控制器100和放電控制器102。
放電控制器102根據(jù)參考電流值Vr18i限制放電電流，以便防止轉(zhuǎn)換器98過(guò)載以及電容器C3和電池組BAT的放電速率過(guò)度。
當(dāng)電容器C3的電壓Vses降到第三閾值以下到表示電池組BAT充電的最差狀態(tài)的電平時(shí)，經(jīng)轉(zhuǎn)換器98的放電通過(guò)放電控制器102被禁止。為簡(jiǎn)便起見，圖7a取消了電池組保護(hù)裝置。但是，不存在對(duì)電池組BAT放電的直接控制。當(dāng)電容器C3的端電壓降到備用電池組BAT的端電壓以下時(shí)，電流從電池組經(jīng)二極管D5送入電容器C3并從那里經(jīng)轉(zhuǎn)換器98送入中間DC輸出。因?yàn)槎O管D5兩端電壓下降，電容器C3兩端的電壓降穩(wěn)定在第二閾值之下的第三閾值。當(dāng)它從電容器C3接管功率傳輸功能時(shí)，該電壓電平取決于備用電池組的放電電壓特性。
盡管傳統(tǒng)的知識(shí)可能建議我們將DC-DC轉(zhuǎn)換器放置在發(fā)電機(jī)輸出和負(fù)載之間會(huì)降低設(shè)備的效率，由于轉(zhuǎn)換器的效率低于100％，但實(shí)際上得到了有益的效果。將DC-DC轉(zhuǎn)換器放置在發(fā)電機(jī)/整流器和負(fù)載之間的效果是將發(fā)電機(jī)輸出與系統(tǒng)的中間DC輸出“去耦”或隔離，使得系統(tǒng)在仍然有效運(yùn)行的同時(shí)能處理更寬范圍的發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)速度。這樣，與不能從發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)有效地為輕載供電相反為此目的必須使用電池組的現(xiàn)有系統(tǒng)相比，本發(fā)明的設(shè)備甚至在輕載時(shí)也能有效運(yùn)行。與燃料效率和本發(fā)明設(shè)備的總電輸出效率所獲得的好處相比，轉(zhuǎn)換器中損失所引起的成本損失可以忽略不計(jì)。
圖8a至8c和9a至9c示出了圖7速度/功率控制系統(tǒng)運(yùn)行原理圖。
圖8a中，發(fā)電機(jī)輸出功率作為發(fā)動(dòng)機(jī)速度的函數(shù)示出?！癆”是最小速度運(yùn)行點(diǎn)，“B”是最大速度運(yùn)行點(diǎn)。A和B都是恒速運(yùn)行點(diǎn)。在點(diǎn)A和B之間，發(fā)動(dòng)機(jī)以可變速度模式運(yùn)行。上面的線(虛線)示出了發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率/速度特性，下面的線示出了期望的負(fù)載功率曲線，該曲線總是低于發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率曲線，使得在任一給定時(shí)刻存在用于加速的備用功率。
在最大速度運(yùn)行點(diǎn)(A)，允許負(fù)載功率增加到點(diǎn)1(見圖8a)。當(dāng)負(fù)載進(jìn)一步增加時(shí)，造成發(fā)動(dòng)機(jī)加速直至達(dá)到其最大運(yùn)行速度點(diǎn)2。在這種恒速運(yùn)行模式下，則允許負(fù)載功率增加直至達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)最大額定功率(3)。
發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)的中間DC輸出之間可控去耦轉(zhuǎn)換器的使用為根據(jù)期望曲線在點(diǎn)1和2之間的可變速度區(qū)域控制發(fā)動(dòng)機(jī)上負(fù)載提供了機(jī)會(huì)，包括限制在最小和最大速度運(yùn)行點(diǎn)A和B。通過(guò)控制根據(jù)期望參考電流特性曲線從發(fā)電機(jī)提取的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。圖8c示出了永磁發(fā)電機(jī)的基本線性的電壓/速度特性。假定發(fā)電機(jī)負(fù)載功率由發(fā)電機(jī)已整流的DC電壓和DC電流輸出的乘積表示，隨后，由于電壓特性是給定的，參考電流曲線就可以被計(jì)算出來(lái)以生成負(fù)載功率，該功率與圖8a中點(diǎn)1和2之間的期望功率曲線相匹配。
在圖8b中，上面的線畫出了電流，當(dāng)與圖8c所示的電壓相乘時(shí)產(chǎn)生圖8a中上面的線所示的發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率特性曲線。電流與發(fā)動(dòng)機(jī)上的轉(zhuǎn)矩成正比。同樣地，圖8b下面的線畫出了產(chǎn)生圖8a中下面的線所畫的負(fù)載功率特性所需的電流。可以指出，在最小運(yùn)行速度模式下，允許發(fā)電機(jī)電流增加到點(diǎn)1。在點(diǎn)1和2之間，發(fā)電機(jī)電流受到控制，從而產(chǎn)生期望的功率特性。在點(diǎn)B的最大恒定運(yùn)行速度模式下，再次允許電流上升到點(diǎn)3，表示了與圖8c中對(duì)應(yīng)電壓一起生成發(fā)動(dòng)機(jī)最大額定功率的電流(對(duì)應(yīng)于圖8a中的點(diǎn)3)。
圖9a至9c分別示出了作為負(fù)載功率函數(shù)的發(fā)電機(jī)的電壓、電流和速度。由于永磁發(fā)電機(jī)的線性電壓/速度特性，圖9a和9c是類似的。在恒速模式下，電壓保持恒定。當(dāng)負(fù)載增加到超過(guò)點(diǎn)A的值時(shí)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)速度在點(diǎn)1和2之間增加，使得發(fā)動(dòng)機(jī)能夠應(yīng)付增加的負(fù)載。點(diǎn)B畫出了最大恒定速度，使得速度和電壓在點(diǎn)2和3之間保持恒定。
圖9b中，示出了產(chǎn)生所需的速度/負(fù)載功率特性所需的發(fā)電機(jī)輸出電流。允許負(fù)載電流線性增加到點(diǎn)1。在點(diǎn)1和2之間，電流受到控制，從而獲得期望的速度/功率特性。當(dāng)負(fù)載進(jìn)一步增加時(shí)，電流被再一次允許以恒速運(yùn)行模式增加直至在點(diǎn)3達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)最大額定功率。
以上附圖示出了根據(jù)功率-速度、減額系數(shù)這樣的性能特性優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的相對(duì)簡(jiǎn)單的控制方案。發(fā)動(dòng)機(jī)速度在最小運(yùn)行速度和最大運(yùn)行速度之間變化，使得其負(fù)載跟隨由發(fā)動(dòng)機(jī)性能曲線確定的最佳功率/速度曲線，當(dāng)負(fù)載增加時(shí)總是允許有一些備用容量用于加速。
根據(jù)給定的發(fā)動(dòng)機(jī)功率/速度特性，考慮到永磁發(fā)電機(jī)的輸出電壓隨速度線性變化的實(shí)際情況，根據(jù)特性曲線(圖8b和9b)的相對(duì)簡(jiǎn)單的電流控制將確保當(dāng)負(fù)載隨時(shí)間變化時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)在最優(yōu)狀態(tài)下運(yùn)行，使發(fā)動(dòng)機(jī)速度根據(jù)圖8a和9a所示的功率/速度關(guān)系變化。
在簡(jiǎn)化的控制方案中，可以簡(jiǎn)單地對(duì)電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在其可變速度運(yùn)行區(qū)域內(nèi)運(yùn)行時(shí)保持電流恒定。在這種情況下，圖8b中的電流/速度曲線是點(diǎn)1和2之間簡(jiǎn)單的水平線，同時(shí)圖9a中的功率/速度曲線將跟隨圖9c中的電壓曲線。如果發(fā)動(dòng)機(jī)的功率/速度特性實(shí)質(zhì)上偏離了直線，可以理解盡管速度作為負(fù)載的函數(shù)變化，但發(fā)動(dòng)機(jī)有時(shí)在次優(yōu)化負(fù)載狀態(tài)下運(yùn)行。在很多情況下，這種簡(jiǎn)化的控制方案是完全可以接受的。
圖10示出了圖1設(shè)備中所使用的控制環(huán)的變形，這在電源的電壓特性不是圖8和9所示的線性的情況下是需要的。速度傳感器120產(chǎn)生送入功率函數(shù)發(fā)生器112的速度輸出信號(hào)Va2，功率函數(shù)發(fā)生器112產(chǎn)生表示電源10的輸出功率的相應(yīng)輸出信號(hào)P(即發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的功率-速度特性)。該信號(hào)與來(lái)自電壓傳感器20的信號(hào)V_2一起應(yīng)用于產(chǎn)生送入測(cè)量及控制電路16的參考電流信號(hào)I_ref2的除法器電路124。除法器電路124有效地將功率/速度特性曲線P除以實(shí)時(shí)電壓信號(hào)V_2，為DC-DC轉(zhuǎn)換器提供修改后的電流參考信號(hào)，該信號(hào)將產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于圖9a的期望參考功率曲線。
類似地，圖11中，通過(guò)將速度傳感器120的輸出Va2送入功率函數(shù)發(fā)生器122來(lái)修改圖2的電流控制方案，為了產(chǎn)生期望的參考功率曲線，功率函數(shù)發(fā)生器122的輸出在除法器電路124中被電壓信號(hào)V_2除，從而產(chǎn)生經(jīng)修改的電流參考信號(hào)Iref_2x。
圖12、13和14示出了用于增強(qiáng)所述設(shè)備運(yùn)行的電路。圖12中，設(shè)有環(huán)境溫度傳感器128和環(huán)境壓力傳感器130，它們的輸出分別送入函數(shù)發(fā)生器電路132和134。溫度傳感器128監(jiān)視進(jìn)入發(fā)電機(jī)的空氣溫度，函數(shù)發(fā)生器132的輸出信號(hào)Kder1與高溫環(huán)境運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)減額特性成正比。類似地，壓力傳感器130監(jiān)視發(fā)動(dòng)機(jī)吸入的空氣壓力，并且為產(chǎn)生與高緯度運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)減額特性成正比的輸出信號(hào)Ader1的環(huán)境壓力函數(shù)發(fā)生器134提供壓力信號(hào)。轉(zhuǎn)矩函數(shù)發(fā)生器136從發(fā)動(dòng)機(jī)速度傳感器120提供的發(fā)動(dòng)機(jī)速度信號(hào)Va2產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩參考信號(hào)T，所有這三個(gè)信號(hào)在求和部件138中相加以產(chǎn)生正比于已經(jīng)由于位置條件偏離標(biāo)準(zhǔn)參考條件而使減額的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩/速度特性的輸出電流參考I_ref2。
圖13中，溫度傳感器148用于提供排氣溫度信號(hào)Kex1，在排氣溫度負(fù)載控制器140中將該信號(hào)與排氣溫度函數(shù)發(fā)生器140從發(fā)動(dòng)機(jī)速度信號(hào)Va2產(chǎn)生的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度/速度-負(fù)載特性信號(hào)Kex2相比較。排氣溫度控制器140產(chǎn)生與實(shí)際排氣溫度和參考信號(hào)的偏差有關(guān)的輸出信號(hào)Kex3。在求和部件138中，該誤差信號(hào)Kex3與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩/速度函數(shù)發(fā)生器136的輸出T相加，產(chǎn)生校正的電流參考信號(hào)I_ref2。
排氣溫度是與環(huán)境溫度、壓力(緯度測(cè)量)負(fù)載、發(fā)動(dòng)機(jī)的一般安全狀態(tài)以及所用的燃料質(zhì)量成正比的參數(shù)。因此，通過(guò)簡(jiǎn)單地監(jiān)視發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度和校正其中與排氣溫度參考信號(hào)有關(guān)的變量，就可以通過(guò)提高用于給定負(fù)載功率需求的發(fā)動(dòng)機(jī)速度來(lái)方便地降低發(fā)動(dòng)機(jī)的額定值，以便補(bǔ)償燃料質(zhì)量差、環(huán)境溫度高、高空或發(fā)動(dòng)機(jī)聲音狀態(tài)差等條件。
在圖14中，通過(guò)在函數(shù)發(fā)生器142中產(chǎn)生第二輸出Kex4而使圖13的設(shè)備得到擴(kuò)展，第二輸出Kex4在第二排氣溫度控制器144中與實(shí)際排氣溫度Kex1相比較，從而產(chǎn)生誤差信號(hào)Kex5。在第二求和部件146中將最大速度參考信號(hào)與誤差信號(hào)Kex5相加，產(chǎn)生用于發(fā)動(dòng)機(jī)速度控制電路的輸出速度參考信號(hào)。這里加入了另一個(gè)控制回路，根據(jù)排氣溫度誤差控制發(fā)動(dòng)機(jī)速度。
圖12、13和14中示出的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩參考信號(hào)可以用表示圖10的發(fā)動(dòng)機(jī)功率/速度特性的修改后的電流信號(hào)I_ref2來(lái)代替。也可以指出，上述參考圖12、13和14所述的減額技術(shù)既可應(yīng)用于上述設(shè)備運(yùn)行的電壓控制方案中，又可應(yīng)用于電流控制方案中。
現(xiàn)在參考圖15，所示交流電源包括燃料電池組150，取代了上述發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)。其中使用了與圖1中相類似的附圖標(biāo)記。從概念上來(lái)說(shuō)，圖15的布置與在圖1的電壓控制方案下驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的內(nèi)燃機(jī)的設(shè)備是非常類似的。去耦DC-DC利用兩個(gè)參考輸入即設(shè)定中間DC輸出的VDC值的電壓參考V_1xref和電流參考信號(hào)I_2ref，轉(zhuǎn)換器12受到其專用控制電路16的控制，已對(duì)電流參考信號(hào)進(jìn)行修改以匹配燃料電池性能特性。存在兩個(gè)反饋信號(hào)，即I_2(表示燃料電池輸出電流或轉(zhuǎn)換器輸入電流)和V_1(中間DC輸出上的電壓)。
DC-DC轉(zhuǎn)換器12的操作與圖1中的設(shè)備類似。主電源控制器152監(jiān)視中間DC輸出的電壓VDC。當(dāng)該電壓降到參考電壓V_1xref以下時(shí)，控制器152產(chǎn)生啟動(dòng)主燃料電池控制器24的功率參考信號(hào)P。由于燃料電池性能圖被編入其控制軟件中，因此這種控制器更復(fù)雜。它監(jiān)視燃料電池輸出電壓V_2和電流I_2并且產(chǎn)生電流參考信號(hào)I_ref2，該信號(hào)根據(jù)其最優(yōu)性能特性和主電源流量控制器152的功率需求信號(hào)Pref經(jīng)DC-DC轉(zhuǎn)換器及其控制器調(diào)整對(duì)中間DC輸出的供電。同時(shí)，主燃料電池控制器24產(chǎn)生另外兩個(gè)輸出信號(hào)即氧氣量參考信號(hào)和燃料壓力參考信號(hào)。氧氣/空氣的流量和燃料壓力這些參數(shù)調(diào)整燃料電池的非電輸入，從而調(diào)整輸出功率。燃料壓力和氧氣流量的調(diào)整使得燃料電池在時(shí)變的部分負(fù)載或負(fù)載情況下能有效運(yùn)行。
權(quán)利要求
1.電源設(shè)備，包括至少一個(gè)可控電源，用于提供可變電壓和/或電流輸出；去耦轉(zhuǎn)換器裝置，從所述至少一個(gè)可控電源的可變電壓和/或電流輸出產(chǎn)生中間DC輸出，所述中間DC輸出與電源輸出中的變化無(wú)關(guān)；輸出裝置，產(chǎn)生AC或DC輸出，以便從中間DC輸出為時(shí)變負(fù)載供電；傳感器裝置，監(jiān)視所述至少一個(gè)可控電源的電壓和/或電流以及中間DC輸出，并且產(chǎn)生與其相應(yīng)的輸出信號(hào)；以及響應(yīng)輸出信號(hào)的控制裝置，控制所述至少一個(gè)可控電源的運(yùn)行，動(dòng)態(tài)改變電源的功率輸出，從而為時(shí)變負(fù)載提供所需功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源設(shè)備，其特征在于，可控電源包括燃料電池、水輪發(fā)電機(jī)、風(fēng)輪機(jī)、氣輪機(jī)/發(fā)電機(jī)或從非電輸入產(chǎn)生電輸出的其他設(shè)備。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源設(shè)備，其特征在于，可控電源包括為去耦轉(zhuǎn)換器裝置提供可變電壓輸出的發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電源設(shè)備，其特征在于，發(fā)電機(jī)是為去耦轉(zhuǎn)換器裝置提供可變電壓、可變頻率的交流輸出的交流發(fā)電機(jī)，所述設(shè)備包括整流器裝置和去耦轉(zhuǎn)換器裝置，整流器裝置用于對(duì)發(fā)電機(jī)的交流輸出進(jìn)行整流，去耦轉(zhuǎn)換器裝置包含將整流后的交流輸出轉(zhuǎn)換為中間DC輸出的DC-DC轉(zhuǎn)換器，中間DC輸出的電壓根據(jù)參考電壓而受到控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電源設(shè)備，其特征在于，控制裝置包括傳感器裝置，用于監(jiān)視轉(zhuǎn)換器裝置的中間DC輸出和/或可控電源的負(fù)載，以及當(dāng)負(fù)載超過(guò)預(yù)定值時(shí)提高發(fā)動(dòng)機(jī)速度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電源設(shè)備，其特征在于，運(yùn)行控制裝置來(lái)維持在預(yù)定電平或預(yù)定范圍內(nèi)的從可控電源抽取的電流，傳感器裝置包括電壓傳感器，用于監(jiān)視轉(zhuǎn)換器裝置的中間DC輸出的輸出電壓和提高發(fā)動(dòng)機(jī)速度，從而在中間DC輸出的電壓降到第一電壓閾值以下時(shí)增加供給轉(zhuǎn)換器裝置的功率。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電源設(shè)備，其特征在于，運(yùn)行控制裝置來(lái)維持中間DC輸出的電壓基本恒定，傳感器裝置包括電流傳感器，用于監(jiān)視從可控電源抽取的電流和提高發(fā)動(dòng)機(jī)速度，從而在從可控電源抽取的電流超過(guò)第一電流閾值時(shí)增加供給轉(zhuǎn)換器裝置的功率。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的電源設(shè)備，所述設(shè)備至少包括第一能量存儲(chǔ)裝置，所述第一能量存儲(chǔ)裝置從中間DC輸出被充電并且當(dāng)中間DC輸出的電壓降到額定值以下時(shí)將能量放電到中間DC輸出。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的電源設(shè)備，包括輔助負(fù)載控制裝置，用于檢測(cè)繁重的輔助負(fù)載到輸出裝置的連接和控制對(duì)輔助負(fù)載的供電，從而防止輸出裝置的過(guò)載。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電源設(shè)備，至少包括第二能量存儲(chǔ)裝置，設(shè)置充電電路，用于從轉(zhuǎn)換器裝置的中間DC輸出向第二能量存儲(chǔ)裝置充電，設(shè)置放電電路，用于當(dāng)中間DC輸出電壓降到低于第一電壓閾值的第二電壓閾值以下時(shí)，向與第一能量存儲(chǔ)裝置平行的第二能量存儲(chǔ)裝置放電。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電源設(shè)備，包括第三能量存儲(chǔ)裝置，設(shè)置充電電路，用于從電源向第三能量存儲(chǔ)裝置充電，設(shè)置輔助轉(zhuǎn)換器裝置，用于在第二能量存儲(chǔ)裝置已經(jīng)至少部分放電之后，向平行于第一和第二能量存儲(chǔ)裝置的第三能量存儲(chǔ)裝置放電。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電源設(shè)備，其特征在于，第一和第二能量存儲(chǔ)裝置是電容器，第三能量存儲(chǔ)裝置是電池。
13.根據(jù)權(quán)利要求4至7中任一項(xiàng)所述的電源設(shè)備，包括速度傳感器，用于監(jiān)視發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的速度和產(chǎn)生與其相關(guān)的速度輸出信號(hào)，和函數(shù)發(fā)生器裝置，用于從速度輸出信號(hào)產(chǎn)生功率信號(hào)，功率信號(hào)表示發(fā)動(dòng)機(jī)的功率/速度特性，控制裝置利用所述功率信號(hào)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電源設(shè)備，包括環(huán)境壓力和溫度傳感器，用于監(jiān)視環(huán)境壓力和溫度以及產(chǎn)生相應(yīng)的壓力和溫度輸出信號(hào)，還包括相應(yīng)的壓力和溫度函數(shù)發(fā)生器，用于產(chǎn)生包含發(fā)動(dòng)機(jī)減額特性的輸出以補(bǔ)償環(huán)境運(yùn)行壓力和溫度的變化。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電源設(shè)備，包括排氣溫度傳感器，用于監(jiān)視發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度和產(chǎn)生排氣溫度輸出信號(hào)，排氣溫度函數(shù)發(fā)生器，用于從速度輸出信號(hào)產(chǎn)生排氣溫度/速度-負(fù)載特性信號(hào)，控制器，用于從排氣溫度輸出信號(hào)和排氣溫度/速度-負(fù)載特性信號(hào)之差產(chǎn)生誤差信號(hào)，從而補(bǔ)償影響發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度的因素。
16.本文結(jié)合圖示任一實(shí)施例所述的電源設(shè)備。
全文摘要
混合式發(fā)電機(jī)設(shè)備包括發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)或另一提供可變電壓電力輸出的可控電源(10),對(duì)該輸出進(jìn)行整流并送入DC－DC轉(zhuǎn)換器(12),控制電路(16)監(jiān)視DC－DC轉(zhuǎn)換器的輸出(VDC)。該輸出用作中間DC輸出,它通常用于為逆變器(14)提供能量以產(chǎn)生為外部負(fù)載供電的AC輸出。DC－DC轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用使中間DC輸出和發(fā)電機(jī)輸出隔離,并且允許發(fā)電機(jī)組根據(jù)負(fù)載需求在寬的發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)速度范圍內(nèi)有效運(yùn)行。
文檔編號(hào)H02P9/04GK1246216SQ97181778
公開日2000年3月1日 申請(qǐng)日期1997年12月19日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月20日
發(fā)明者曼努埃爾·多斯·桑托斯·達(dá)·龐特, L·格澤斯亞克, W·科扎拉, P·波斯皮奇, A·尼德茲奧科韋斯基 申請(qǐng)人:曼努埃爾·多斯·桑托斯·達(dá)·龐特