用于提高微电网系统中发电机组效率的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明总体上涉及微电网系统，且更具体地涉及用于提高微电网系统中发电机组效率的系统和方法。
【背景技术】
[0002]微电网系统是一种具有多个发电装置的小型电网，其可配置成服务小范围的功率负载。除了其它部件，微电网系统还可包括服务负载的并联运行的多个发电机(发电机组)。当多个发电机组是向负载供电的主电源时，这些发电机组一般以n+l(或大于n+1)的布置运行。这意味着，除了满足负载要求所需的发电机组数量之外的至少一个附加发电机组运行以满足该需求。通过运行一个或多个额外的发电机组，微电网系统能够以最小值维持功率的电压和频率在规范内，以当巨额负载添加到微电网系统时不造成中断。
[0003]此外，在以n+1的布置运行的一些并联的发电机组时，发电机组可仅以约百分之六十(60%)的负载系数运行。负载系数可以定义为平均负载除以特定时间量内的峰值负载。以较低负载系数操作发电机组的一个原因可以是:在高负载系数下，当发电机组遇到巨额负载时，微电网系统的响应可能不足。然而，众所周知的是，当发电机组接近于满负载容量运行时，发电机组的燃料效率提高，也就是说，燃料效率在较高负载系数时提高。因此，仅在百分之六十(60%)的负载系数下运行发电机组，可能不是非常有燃料效率的。
[0004]另外，在一些微电网系统中，发电机组的发动机可具有与其相关联的涡轮复合系统，该涡轮复合系统通过将来自发电机组的发动机排气的热量和气流能转化为电能、机械能或其它类型的能量，以提供附加的能量，可将燃料效率至少提高一点。然而，当发电机组的发动机接近于满负载运行时，涡轮复合系统提高燃料效率至最大。因此，发电机组仅以百分之六十(60%)的负载系数运行的话，涡轮复合系统可能不是非常有优势的。
[0005]美国专利号7，047，743公开了一种使用电涡轮与发电机组结合的系统，以向电网供电。具体地，该专利示教了一种涡轮发电机，其电输出与发动机驱动的发电机的电输出组合，以增加给定大小的总功率输出，并提高燃料效率。组合功率随后传递到传输线。尽管上述专利示教了使用一种与发电机组组合的电涡轮复合系统，以增加总功率输出，但该专利并未示教增加发电机组自身的负载系数。如上面所讨论，在不增加发电机组负载系数的情况下，电涡轮复合系统并未提供任何显著的燃料节约。此外，在专利'743中发动机驱动的发电机以传统的n+1配置来操作。
[0006]因此，如果能够开发一种提高微电网系统中发电机组的操作效率和燃料效率的机构，将是非常有利的。此外，如果这种机构能在瞬态条件下提供足够响应的同时，可在较高的负载系数下操作发电机组，也将是有利的。
【发明内容】
[0007]根据本发明的一个方面，公开了一种发电机组系统。发电机组系统可包括配置成在大于百分之六十的负载系数下运行的至少一个发电机组，并且在任何给定时间供电的至少一个发电机组的数量可包括能够满足由负载施加的电力需求的发电机组的最小数量或小于最小数量。发电机组系统还可包括与至少一个发电机组中的至少一者相关联的涡轮复合系统，涡轮复合系统中的每一者配置成提高至少一个发电机组的燃料效率。
[0008]根据本发明的另一方面，公开了一种提高微电网系统中发电机组效率的方法。该方法可以包括:提供并联且配置成向负载供电的多个发电机组。多个发电机组中的每一者可配置成在大于百分之六十的负载系数下运行，并且在任何给定时间供电的多个发电机组的数量可包括能够满足由负载施加的电力需求的发电机组的最小数量或小于最小数量。该方法还可包括，确定电力需求是否超过由多个发电机组供应的功率，以及如果电力需求确实超过由多个发电机组供应的功率，则接合至少间接连接到多个发电机组的能量储存单元，以为负载提供电力。该方法可通过能量储存单元继续提供电力，直到多个发电机组中的另一个发电机组准备好为负载提供电力。
[0009]根据本发明的另一方面，公开了一种微电网系统。微电网系统可以包括多个发电机组，所述多个发电机组配置成在大于百分之六十的负载系数下并联运行来服务负载，其中在任何给定时间供电的多个发电机组的数量包括能够满足由负载施加的电力需求的发电机组的最小数量或小于最小数量。微电网系统还可以包括与多个发电机组中的至少一者相关联的涡轮复合系统，发电涡轮复合系统中的每一者配置成提高多个发电机组的燃料效率。微电网系统可以进一步包括至少间接连接到多个发电机组的能量存储单元，能量存储单元配置成在电力需求超过由多个发电机组供应的功率时向负载提供电力。
[0010]结合附图阅读以下描述，将更清楚地理解本发明的这些和其它方面以及特征。
【附图说明】
[0011]图1是根据本发明的至少一些实施例构造的示例性微电网系统的示意图；
[0012]图2是将传统发电机组配置与图1的微电网系统使用的发电机组配置相比较的示例性直方图；
[0013]图3是相对于图2的传统发电机组配置，对图1的微电网系统的发电机组配置的燃料消耗进行比较的示例性图示；
[0014]图4是图解表示图，示出了在二十四小时时间段内的示例性负载曲线并在二十四小时时间段内相对于图2的传统发电机组配置对图1的微电网系统的发电机组配置的发电机组容量进行比较；以及
[0015]图5是根据本发明的至少一些实施例概括地描述操作图1的微电网系统的发电机组以提高其效率的步骤的流程图。
[0016]虽然本发明容许多种改动和替代构造，但其一些说明性实施例将在下文详细示出并描述。然而应理解，不旨在将本发明限于公开的特定实施例，而是相反旨在覆盖落在本发明的精神和范围内的所有改动、替代构造和等同物。
【具体实施方式】
[0017]本发明提供一种微电网系统，其具有并联运行以服务负载的多个发电机组。多个发电机组中的每一者在瞬态和巨额负载期间仍维持额定频率和电压需求的同时，以比迄今为止可能的平均负载系数高得多的平均负载系数下运行。电涡轮复合系统或其它类型的涡轮复合系统可与多个发电机组中的至少一个一同使用，以相对于传统发电机组提供改进的燃料经济性，特别是当发电机组在更高的负载系数下操作时。能量存储可用来使电涡轮复合的多个发电机组能够在更高的负载系数下运行，并且在瞬态和巨额负载期间维持多个发电机组的频率和电压。
[0018]现在参考图1，根据本发明的至少一些实施例示出了一种示例性微电网系统的示意图。如图所示，微电网系统2可以包括多个发电机组4、能量存储单元6、光伏单元8以及向服务负载14的电网12提供能量的风能发电单元10。将理解的是，只在这里示出和描述了用于正确理解本发明所必需的那些部件。然而，在本发明的范围内涉及和考虑了诸如逆变器、整流器、控制器等等通常与微电网系统组合或结合的几个其它部件。
[0019]此外，微电网系统2可用于各种应用中。例如，微电网系统2可以使用在岛屿、远程开采现场、偏僻乡村、军事基地、船舶、住宅区、建筑群或者离网或连接到公共电网线或者需要功率效率和独立性的任何其它场所。在本发明的至少一些实施例中，在上述应用上的负载14可以从约三十千瓦(?30kW)改变到约三十兆瓦(?30MW)，并且范围通常在交流电(AC)的大约五十或者六十赫兹(?50或?60Hz)左右。应理解，这个负载额定范围仅仅是示范性的并且在不同应用中可以改变，并且可以高于或低于上述范围。
[0020]此外，尽管微电网系统2示为只具有多个发电机组4、能量存储单元6、光伏单元8以及经由电网12连接到负载14的风能发电单元10，但在至少一些其他实施例中，电网中的功率供给源的数量和类型可能变化。例如，除上述部件以外或者取代上述部件，至少一些实施例的微电网系统可使用地热发电、水力发电、燃料电池发电、微型涡轮发电以及其它类型的供电源。通常，微电网系统2中使用的供电源的数量和类型可以取决于应用、微电网系统内的每一个部件的供电容量以及微电网系统可以安装的位置来改变。
[0021]现在关于发电机组4，在至少一些实施例中，发电机组中的每一者可以是恒速发电机，其能够将机械能转换为电能，并且特别是交流电能。虽然发电机组4的部件未示出，但一种典型的发电机组可包括主要电源(诸如原动机)，