双电机发电系统的制作方法

文档序号:25544127发布日期:2021-06-18 20:46
双电机发电系统的制作方法

本发明涉及内燃机发电系统技术领域,具体是指一种双电机发电系统。



背景技术:

目前内燃机发电系统的现状是:一个内燃机带动一个发电机工作的基本架构为主,发电系统的功率大小由发电能力和负载需求直接线性决定,内燃机发电系统高效区有限且基本固定难以动态调整,特别是在小功率持续需求工况下的低效发电问题,在发电功率需求动态变动的工况下,综合发电经济性差,发电系统工作时有较大的概率运行在低效工作区。



技术实现要素:

本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点,提供了一种满足操作简便、设备利用率高、适用范围较为广泛的双电机发电系统。

为了实现上述目的,本发明的双电机发电系统如下:

该双电机发电系统,其主要特点是,系统包括内燃机、行星轮机构、第一发电机、第二发电机、第一制动器、第二制动器和发电控制单元,内燃机的输出轴与行星轮机构的行星架相连,第一发电机其转子部分与行星轮机构的太阳轮相连,第二发电机其转子部分与行星轮机构的齿圈相连,第一制动器连接外部壳体,实现太阳轮的自由旋转和停转制动,第二制动器连接外部壳体,实现齿圈的自由旋转和停转制动,发电控制单元控制第一发电机、第二发电机、第一制动器和第二制动器,并与内燃机通信和协调控制,发电控制单元与内燃机、第一发电机、第二发电机、第一制动器和第二制动器进行电信号或功率电流的互通。

较佳地,第一发电机和第二发电机均具备发电机和电动机两种功能,第一发电机和第二发电机的工作参数由行星轮系的机构参数进行匹配。

较佳地,系统根据行星轮机构的工作原理通过发电控制单元控制,实现3种功率范围的高效发电模式,即2种单机发电模式和1种双机发电模式。

较佳地,系统通过控制第一制动器和第二制动器,配合发电储能系统,通过发电控制单元控制,实现3种内燃机的起动模式,即2种单机起动模式和1种双机起动模式。

较佳地,第一发电机和第二发电机的发电输出电源可并联共同对外供电实现同电压电源特性发电的发电电压模式,或第一发电机和第二发电机的发电输出电源分别对外设供电实现异电压电源特性发电的发电电压模式。

较佳地,系统通过行星轮机构实现第一发电机和第二发电机的发电机和电动机的转换,通过主动电机带动被动电机,实现电源转换。

较佳地,系统通过行星轮机构的功率分流,对外形成两组输出功率可调的电源,对处于不同用电网络的设备进行分别供电。

采用了本发明的双电机发电系统,能够扩展内燃机发电系统高效工作区范围和分布,以提高发电系统的动态经济工况覆盖程度,尤其是解决大功率内燃机发电系统在持续小功率发电需求状态下的经济性问题。同时也能够一机多用,即利用1台内燃机提供多种电源,提高了设备利用率。

附图说明

图1为本发明的双电机发电系统的结构示意图。

图2为本发明的双电机发电系统的第一类发电模式示意图。

图3为本发明的双电机发电系统的第二类发电模式示意图。

图4为本发明的双电机发电系统的第三类发电模式示意图。

图5为本发明的双电机发电系统的电源转换模式示意图。

附图标记:

1内燃机

2发电控制单元

3行星轮机构

4第二制动器

5第二发电机

6第一发电机

7第一制动器

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容,下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

本发明的该双电机发电系统,其中包括内燃机、行星轮机构、第一发电机、第二发电机、第一制动器、第二制动器和发电控制单元,内燃机的输出轴与行星轮机构的行星架相连,第一发电机其转子部分与行星轮机构的太阳轮相连,第二发电机其转子部分与行星轮机构的齿圈相连,第一制动器连接外部壳体,实现太阳轮的自由旋转和停转制动,第二制动器连接外部壳体,实现齿圈的自由旋转和停转制动,发电控制单元控制第一发电机、第二发电机、第一制动器和第二制动器,并与内燃机通信和协调控制,发电控制单元与内燃机、第一发电机、第二发电机、第一制动器和第二制动器进行电信号或功率电流的互通。

作为本发明的优选实施方式,第一发电机和第二发电机均具备发电机和电动机两种功能,第一发电机和第二发电机的工作参数由行星轮系的机构参数进行匹配。

作为本发明的优选实施方式,系统根据行星轮机构的工作原理通过发电控制单元控制,实现3种功率范围的高效发电模式,即2种单机发电模式和1种双机发电模式。

作为本发明的优选实施方式,系统通过控制第一制动器和第二制动器,配合发电储能系统,通过发电控制单元控制,实现3种内燃机的起动模式,即2种单机起动模式和1种双机起动模式。

作为本发明的优选实施方式,第一发电机和第二发电机的发电输出电源可并联共同对外供电实现同电压电源特性发电的发电电压模式,或第一发电机和第二发电机的发电输出电源分别对外设供电实现异电压电源特性发电的发电电压模式。

作为本发明的优选实施方式,系统通过行星轮机构实现第一发电机和第二发电机的发电机和电动机的转换,通过主动电机带动被动电机,实现电源转换。

作为本发明的优选实施方式,系统通过行星轮机构的功率分流,对外形成两组输出功率可调的电源,对处于不同用电网络的设备进行分别供电。

本发明的具体实施方式中,包括:内燃机,行星轮机构,第一发电机,第二发电机,第一制动器,第二制动器,发电控制单元。

内燃机以下可简称ice,内燃机的输出轴与行星轮机构的行星架相连,用于传递扭矩;行星轮机构为标准的行星齿轮传动机构,包括太阳轮、行星轮、齿圈和行星架。

第一发电机以下可简称isg1,具备发电机和电动机两种功能,其转子部分与行星轮机构的太阳轮相连;

第二发电机以下可简称isg2,具备发电机和电动机两种功能,其转子部分与行星轮机构的齿圈相连;

第一制动器以下可简称b1,可通过控制单元实现解锁和闭锁功能,从而实现太阳轮的自由旋转和停转制动;

第二制动器以下可简称b2,可通过控制单元实现解锁和闭锁功能,从而实现齿圈的自由旋转和停转制动;

发电控制单元以下可简称gcu,发电系统的总控系统,能够控制第一发电机,第二发电机,第一制动器,第二制动器,并具备与内燃机系统形成通信和协调控制的功能。

其中内燃机的输出轴与行星轮机构的行星架相连;第一发电机其转子部分与行星轮机构的太阳轮相连;第二发电机其转子部分与行星轮机构的齿圈相连;第一制动器连接外部壳体,从而实现太阳轮的自由旋转和停转制动;第二制动器连接外部壳体,从而实现齿圈的自由旋转和停转制动;发电控制单元,发电系统的总控系统,能够控制第一发电机,第二发电机,第一制动器,第二制动器,并具备与内燃机系统形成通信和协调控制的功能。可以是单一的功能集成合件,也可以分解为各部件的子控制单元,功能分解。gcu与内燃机、第一发电机、第二发电机、第一制动器、第二制动器具有电信号或功率电流的互通功能。

本发明以行星轮系耦合原理为基础的双发电机架构发电系统,可灵活优化、匹配两组发电机的工况;

本发明依据行星轮系机构工作原理,通过发电控制单元的策略控制,实现发电系统高效功率工作区扩展,即形成3种功率范围的高效发电模式,即2种单机发电模式和1种双机发电模式;

本发明通过控制第一制动器和第二制动器,配合发电储能系统,通过发电控制单元的策略控制,可以形成3种内燃机的起动模式,即2种单机起动模式和1种双机起动模式;

本发明的两组发电机可以组合两种发电电压模式:一是同电压电源特性发电,即发电输出电源可并联共同对外供电;另一种是异电压电源特性发电,即两组发电机电源输出不具备并联的技术可行性,只能分别对外设供电;

本发明具备电源转换模式,即通过固定行星机构的行星架,isg1电机和isg2电机可以互为发电机/电动机,通过主动电机带动被动电机,从而实现电源转换功能;

本发明通过利用行星机构的功率分流原理,可以对外形成两组输出功率可调的电源,对不处于同一用电网络的设备进行分别供电。

本发明目的是扩展多缸(至少2缸)内燃机发电系统高效工作区范围和分布,以提高发电系统的动态经济工况覆盖程度,尤其是解决大功率内燃机发电系统在持续小功率发电需求状态下的经济性问题。同时也能够一机多用,即利用1台内燃机提供多种电源,提高了设备利用率。拓宽发电系统的高效功率的工况覆盖范围,从而提高了发电系统的综合经济性能;提高功率跟随策略的高效功率概率的占比;对于配备采用功率电池储能系统的用电系统能够通过持续跟随高效功率输出减少储能系统的充放电大功率突变概率,从而提高储能系统的充放电寿命;由于有两组发电机构成,在一组发电机存在故障时可以采用另一组发电机进行发电,降低了完全失效风险;两组发电机可以形成两种发电输出电压,可用于用电系统存在双电压设备工作的场景,一机多用从而优化了发电系统。

本发明提供了一种双电机发电系统及其控制方法,包括:内燃机,行星轮机构,第一发电机,第二发电机,第一制动器,第二制动器,发电控制单元。内燃机以下可简称ice,内燃机的输出轴与行星轮机构的行星架相连,用于传递扭矩;行星轮机构为标准的行星齿轮传动机构,包括太阳轮、行星轮、齿圈和行星架。第一发电机以下可简称isg1,具备发电机和电动机两种功能,其转子部分与行星轮机构的太阳轮相连;第二发电机以下可简称isg2,具备发电机和电动机两种功能,其转子部分与行星轮机构的齿圈相连;第一制动器以下可简称b1,可通过控制单元实现解锁和闭锁功能,从而实现太阳轮的自由旋转和停转制动;第二制动器以下可简称b2,可通过控制单元实现解锁和闭锁功能,从而实现齿圈的自由旋转和停转制动;发电控制单元以下可简称gcu,发电系统的总控系统,能够控制第一发电机,第二发电机,第一制动器,第二制动器,并具备与内燃机系统形成通信和协调控制的功能。可以是单一的功能集成合件,也可以分解为各部件的子控制单元,功能分解。gcu与内燃机、第一发电机、第二发电机、第一制动器、第二制动器具有电信号或功率电流的互通功能。

第一发电机为中小型功率电机,适用于中小功率、高转速高效发电,具备发电机和电动机两种功能。

第二发电机为中型功率电机,适用于中等转速高效发电,具备发电机和电动机两种功能。

第一发电机和第二发电机的发电功率最大能力与传统单发电机的发电功率最大能力相当,两组电机的工作参数由行星轮系的机构参数进行匹配约束。

发电控制单元为发电系统的总控制系统,能够控制第一发电机,第二发电机,第一制动器,第二制动器,并具备与内燃机系统形成通信和协调控制的功能。可以是单一的功能集成合件,也可以分解为各部件的子控制单元。

n1:电机isg1的转速;

n2:电机isg2的转速;

n3:内燃机的转速;

t1:电机isg1的转矩;

t2:电机isg2的转矩;

t3:内燃机的转矩;

太阳轮与齿圈的速比:齿圈齿数/太阳轮齿数=k;

行星轮系的转速约束关系:n1+k×n2=(1+k)×n3;

行星轮系的转矩约束关系:t1/t2/t3=1/k/-(1+k);

功率关系:p1+p2+p3=0。

传动比k的匹配方法:内燃机高效区或常用区的转速通过k值,反馈到第一发电机和第二发电机的高效区,使其转速落点能够覆盖发电机高效区转速范围的上限百分比值以上为最佳。如果发电机高效工作区转速落点范围占比小于下限百分比值,则需要重新匹配k值,或者重新选取经济工作区域合适的内燃机和发电机。

内燃机的输出轴与行星轮机构的行星架相连,用于传递扭矩;第一发电机其转子部分与行星轮机构的太阳轮相连;第二发电机其转子部分与行星轮机构的齿圈相连;第一制动器连接外部壳体,可通过控制单元实现解锁和闭锁功能,从而实现太阳轮的自由旋转和停转制动;第二制动器连接外部壳体,可通过控制单元实现解锁和闭锁功能,从而实现齿圈的自由旋转和停转制动;发电控制单元,发电系统的总控系统,能够控制第一发电机,第二发电机,第一制动器,第二制动器,并具备与内燃机系统形成通信和协调控制的功能。可以是单一的功能集成合件,也可以分解为各部件的子控制单元,功能分解。gcu与内燃机、第一发电机、第二发电机、第一制动器、第二制动器具有电信号或功率电流的互通功能。

利用行星轮系的转速约束关系和转矩约束关系,通过发电控制单元的控制,发电模式有3种:

1、发电模式1——第一制动器解锁,第二制动器闭锁;——内燃机与第一发电机之间的运动和力矩形成耦合关系,第一发电机可执行起动和发电功能;

控制方法:内燃机与第一发电机二者其一选取转矩控制模式,另一选取转速控制模式。内燃机采用停缸节能技术并提高经济负荷率,调整内燃机转速至经济转速范围,经由行星机构速比调整,第一发电机处于负荷和转速的高效经济区域工作;适用场景:小功率高效发电;

发电功率:p1=-p3=t1×n1=t1×(1+k)×n3=-t3/(1+k)×n1=-t3×n3,

转速关系:n1=(1+k)×n3,

转矩关系:t1//t3=1/-(1+k)。

2、发电模式2——第二制动器解锁,第一制动器闭锁;——内燃机与第二发电机之间的运动和力矩形成耦合关系,第二发电机可执行起动和发电功能;

控制方法:内燃机与第二发电机二者其一选取转矩控制模式,另一选取转速控制模式。调整内燃机转速至经济转速范围,经由行星机构速比调整,第二发电机处于负荷和转速的高效经济区域工作;使用场景:中功率高效发电;

发电功率:p2=-p3=t2×n2=t2×(1+k)/k×n3=-t3×k/(1+k)×n2=-t3×n3,

转速关系:n2=(1+k)/k×n3,

转矩关系:t2/t3=k/-(1+k)。

3.发电模式3——第一制动器解锁,第二制动器解锁;——内燃机与第一发电机、第二发电机之间形成功率耦合关系,可执行起动和发电功能;

控制方法:三者之中,只能有一个部件选取转矩控制模式,另外两个选取转速控制模式。调整内燃机转速至经济转速范围,通过第一发电机和第二发电机之间的转速/转矩耦合关系和功率分流原理对其发电功率进行分配,使得两组电机同时处于负荷和转速的高效经济区域工作;适用场景:高功率高效发电。

发电功率:

p1+p2=-p3=t1×n1+t2×n2=t1×n1+t1×k×n2=t2/k×n1+t2×n2=-t3/(1+k)×n1-t3×k/(1+k)×n2=-t3×n3,

转速关系:n1+k×n2=(1+k)×n3,

转矩关系:t1/t2/t3=1/k/-(1+k)。

电源转换模式,即通过固定行星机构的行星架,isg1电机和isg2电机可以互为发电机/电动机,通过主动电机带动被动电机,从而实现电源转换功能。

采用了本发明的双电机发电系统,能够扩展内燃机发电系统高效工作区范围和分布,以提高发电系统的动态经济工况覆盖程度,尤其是解决大功率内燃机发电系统在持续小功率发电需求状态下的经济性问题。同时也能够一机多用,即利用1台内燃机提供多种电源,提高了设备利用率。

在此说明书中,本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是,很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此,说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

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