专利名称：电力发电机的保护系统的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及一种电力发电系统，并且尤其是涉及一种用于通过识别、阻止、和/或校正出现的系统故障来保护电力发电机的自监控系统和方法。
背景技术：
特此参考Wei Wer Qi、Michael Rubbo和Richard Wainwright于本申请的同一日提交的并且标题为“Power Manager for an Electrical Power Generator”的共同未决的序列号为US 11/155,201的美国专利申请。该申请特此全文引入用作参考。
发电机被用于要求与标准电网无关的电源的各种专用电气系统应用和场合。通常，发电机也是车辆或船上或者诸如石油平台上、小镇中、岛上或沿着管道这样的边远地区中的主要的(即使不是唯一的)电源。发电机还普遍被用作主要在断开标准电网时运行的场合中的备用电源。
由于发电机担任这个主要角色，所以在所有情况下，通常都希望保持发电机充分运行、或者至少部分运行。由于传统发电机从属于其负荷的事实，将发电机维持在满负荷比较复杂，该负荷的最大总和可能大大超出发电机的额定容量。发电机本身不能够直接控制其输出功率；该发电机只能够控制其自己的输出电压。相反，是发电机的负荷控制发电机的功率输出。
为了避免可能损害发电机的运行条件，传统发电机保护策略规定，发电机一检测到任何异常就简单地被切断。这种解决方案虽然对保护发电机很有效，然而远远不是理想的解决方案，因为发电机通常是负荷的唯一能源并且需要花费一些时间来重新启动发电机。
在检测和识别将会触发发电机硬停机的异常时，针对超出某个预定阈值的数值，传统保护策略监控发电机的温度、输出电压、输出电流、和/或输出功率。这样的检测策略通常被设计来将发电机运行很好地维持在某些预定容限内，就是说，使发电机远离其中可能会变成不稳定或者其中可能会经历过热或者过电流的任何运行条件。然而，这些策略都存在大大限制了发电机的有效功率容量的不好影响。
发电机典型地具有额定输送容量，该额定输送容量被确定为在不用冒着损害发电机的风险的情况下，在不确定的时间量内发电机能够产生的最大功率量。发电机还具有额定浪涌能力(surge capacity)，该额定浪涌能力被确定为诸如当由于发电机的负荷在导通和断路状态之间转换而使得发电机经历功率需求中的浪涌时，在有限的时间内发电机能够维持的数值。这些额定输送容量和浪涌能力典型地都是发电机实际能够处理的值的非常保守的估计。通过使发电机保守地维持在这些人工界限之内，传统保护策略不必要牺牲发电机的大量的容量。
因此，需要保护策略，这些保护策略保护发电机及其负荷，同时避免发电机不必要地停止运转并且避免对发电机容量的过度约束。
发明内容
本发明提出电力发电机的保护策略，所述保护策略保护发电机不受损害，同时不必要限制发电机的发电能力。电力发电机通过多个系统参数来表征。发电机包括用于保护发电机的控制器。该控制器获得数据，根据该数据能够确定发电机的当前运行点和发电机的发电能力。该控制器还监控表示作为时间的函数的至少一个系统参数的数据，以检测系统参数值中的异常。控制器接着对相对于表示作为时间的函数的系统参数、当前运行点、和发电能力的数据引起异常的事件类型进行分类。最后，该控制器提供用于解决引起异常的该类型事件的响应。
图1是用于图解说明发电机的满负荷的典型发电机的两个功率时间关系曲线图。
图2是根据本发明的电气系统的框图。
具体实施例方式
本发明提出电力发电机的保护策略，所述保护策略保护发电机不受损害，同时不必要限制发电机的发电能力。这样的保护策略尤其有利于保护上面所参考的共同所有的共同未决的序列号为US 11/155,201的美国专利申请中所公开的发电机，该发电机被设计来跨越其全部功率容量范围运行。尽管如此，这些策略还有利于防止任何电力发电机不受损害。
图1是图解说明用于说明发电机的发电能力的典型发电机的功率-时间关系6和8的曲线图。图1绘出了作为时间函数的由发电机所产生的功率量，给定发电机的现有系统参数，在不必冒着损害其自身的风险的情况下，发电机能够维持该功率量的产生。这些参数可以包括环境温度、发电机各部件的温度、发电机的转速以及发电机输出的频率。随着系统参数改变，发电机的容量也这样改变。例如，随着发电机的环境温度升高，发电机的功率容量降低。因此，针对不同的系统参数存在图1中所示的功率-时间关系6和8，其中，功率-时间关系6示出了针对第一组系统参数(例如，低环境温度)的发电机的容量，而功率-时间关系8示出了针对第二组系统参数(例如，高环境温度)的发电机的容量。
如图1中所示，典型的发电机能够产生相对高的功率量；然而，该发电机只能在很短的期间内维持这个量。随着所产生的功率量降低，发电机能够维持这个产生的时间长度增加。最后，可维持的功率稳定在稳态值。
传统发电机的额定输送容量和额定浪涌能力通常根据发电机的这些功率-时间特性保守地得到。就是说，这些额定值典型地根据对应于最差情形的发电机的功率-时间关系来确定。额定输送容量通常被确定为最差情形功率-时间关系的稳态值，而额定浪涌能力被确定为多倍该输送容量。实际上，额定浪涌能力可能低于发电机能够产生的实际最大功率。
本发明使发电机能够在其整个容量范围上产生功率，而不是简单地将发电机限制到其额定输送容量。图2是根据本发明的电气系统10的框图。电气系统10包括用于给多个不同类型的负荷中的任意负荷供电的电力发电机12。仅仅出于说明性目的，发电机12在图2中示出了三个负荷14、16、和18。
如图2中所示，发电机12是无刷发电机，该无刷发电机将原动机19所产生的转动能变换成多相交流电(AC)。然而，本发明不仅仅限于无刷发电机，并且可以用其它类型的发电机替代无刷发电机12。如通常已知的那样，无刷发电机12包括电压调节器(或控制器或处理器)20、具有定子励磁绕组22和转子励磁绕组24的励磁机、旋转整流器25、以及具有转子励磁绕组26和定子励磁绕组28的主发电机。励磁机转子励磁绕组24、旋转整流器25、和主发电机励磁绕组26共享转子并且通过气隙与具有励磁机定子励磁绕组22和主发电机定子励磁绕组28的定子分开。
发电机12的常规发电运行是公知的。在运行中，电压调节器20接收来自电池30的直流(DC)电压。可替换地，电池30可以由永磁发电机或者其它直流电压源替换。电压调节器20为励磁机定子励磁绕组22提供第一直流电压，该励磁机定子励磁绕组22又产生磁场。励磁机转子励磁绕组24在这个磁场中旋转，以产生第一多相交流电压。第一交流电压接着被供给旋转整流器25，该旋转整流器25将第一交流电压整流成第二直流电压，用于给主发电机转子励磁绕组26供电。接着，主发电机转子励磁绕组中的电流产生磁场，该磁场在主发电机定子绕组28的输出处又产生多相交流电源。这个交流电源被供给发电机12的负荷14、16、和18，并且也作为反馈被供给电压调节器20。
电压调节器20利用这个反馈来帮助维持发电机12的输出处的恒定电压，否则该恒定电压可能由于诸如发电机12的转子的可变转速这样的因素而变化。电压调节器20通过测量发电机12的输出电压并且调节被提供给励磁机定子绕组22的电流如有必要以闭环的方式来实现这个目的。
电压调节器20还包括用于实施本发明的发电机保护策略的软件。实质上，因为这些策略在检测故障时使得“硬性限制”的使用最小化，所以这些策略对现有技术加以改进。相反，电压调节器20在任何时刻都知道发电机12的当前运行点(即，发电机12目前正在做什么)以及知道发电机12的发电能力(即，发电机12能够做什么)，并且处理这个信息来智能地评估系统参数的变化是否有害。
为了知道其自己的运行条件，电压调节器20具有捕获关于其自己的运行参数的数据的能力。为此，发电机12包括系统传感器32，用于感知和/或测量与发电机12的运行相关的多个系统参数，诸如其输出处所提供的电压、从其输出处得到的电流、环境温度、其定子的温度、其转子的温度、其励磁机所产生的功率、其转子的转速、其输出信号的频率、和/或系统时间。系统传感器32可以包括能够被包含在单个装置或者多个装置中的硬件和/或软件，用于感知、测量、或者否则确定这些各种系统参数。此外，系统传感器32可以多种常规方法中的任一种方法来实现。然后将表示这些系统参数的数据供给电压调节器20。
发电机12已经在特定运行点执行的时间量是电压调节器20可以利用的另一系统参数。如上所述，高功率输出只能在有限的时期内被维持。因此，发电机12可以包括软件和/或硬件，用于监控发电机12提供超出其额定输送容量的功率的时间长度。
实质上，电压调节器20估计这些系统参数来确定哪一条功率时间曲线与当前运行点最相一致以及当前运行点落在这条曲线的什么地方。根据这个信息，电压调节器20能够确定发电机20的当前功率容量。这个功率容量是发电机12根据系统参数的当前值能够产生的最大功率。发电机12的功率容量可以大于、小于、或等于所供给的当前功率；但重要的是，该功率容量可以超出发电机12的额定输送容量。例如，与在其原动机19低速运行的炎热日子相比，发电机12在原动机19高速运行的寒冷日子里将能够产生更多功率。
一旦电压调节器12知道其当前运行点以及其发电能力，该电压调节器12就能更好地分析系统参数，以识别真正的系统故障。在一个保护策略中，电压调节器20监控输出电压、输出电流、输出功率、和/或合适的替代参数(例如，所测量的输出电压和所测量的输出电流的乘积可以是输出的替代参数)中的至少一个，以针对上述中的任何一个来对电流或电压中的浪涌、过载、和过电流的出现进行监控。不只是估计这些值是否已超出某个预定阈值，电压调节器20还估计或者映射每个随时间变化的参数，以记录任何趋势、诸如变化发生得如何快以及这些变化持续了多长时间。这个信息与发电机12的当前运行点和发电能力结合为电压调节器20提供需要识别所改变的系统参数是否是下列事件的结果的信息，这些事件包括正常事件、导通和断路状态之间的负荷转换引起的瞬变事件、诸如可容许的过载这样的重大事件、或者如果允许持续的话将可能损害发电机12的真正的故障。
如果事件是正常或瞬变事件，则电压调节器20不需要进一步动作。相反，如果事件是系统故障，则电压调节器20就将快速动作，以通过使输出功率降低(诸如通过使输出电压降低)或者通过简单地使发电机12停止运转来防止损害发电机12。最后，如果事件是重大事件，则电压调节器20将开始监控该事件。重大事件通常由发电机12输出处的功率需求引起，该功率需求超出了发电机12的额定输送容量。如上所述，发电机12能够以这些较高的值安全地提供功率，但是该发电机12只能在有限的期间内维持该值，其中这个期间受发电机12的当前运行点和发电能力的影响。因此，电压调节器20将监控该事件，以确保该事件并不成为真正的故障。
其中电压调节器20能够降低输出功率的一种方式是通过与发电机12的任何智能负荷(即，具有用于控制其功率消耗的其自己的控制器的负荷)进行通信。在图2中所示的实施例中，电气系统10包括可通信地耦合到电压调节器20并且彼此通过通信网络44耦合的智能负荷16和18。负荷16包括负荷控制器34及其负荷36，而负荷18包括负荷控制器38及其两个相关负荷40和42。通信网络44可利用任何通信协议来实施。例如，通信网络44可利用控制器局域网络(CAN)来实施，该控制器局域网(CAN)是ISO标准通信协议之一。
通过在电压调节器20与智能负荷16和18之间提供通信，电压调节器20能够请求负荷16和18改变它们的特性(即，它们的功率消耗)，以有助于避免任何真正的系统故障。因此，如果发电机12正在监控重大事件并且认为该重大事件很快会成为系统故障，则电压调节器20就可给负荷16和18发送请求，以降低它们的功率消耗，从而防止出现系统故障。
本发明的第二种保护策略规定发电机12的热保护。传统热保护策略仅仅包含基本的阈值查询“所测量的温度超出阈值温度了吗？”这样的阈值确定的一个问题是温度传感器的慢的响应时间迫使对引起高温的情况的响应缓慢。此外，阈值确定并不允许发电机12在有限的时期内能够承受某些高温的事实，同时不必要地迫使发电机12停止运转。
为了提供热保护，系统传感器32可以包括用于测量环境温度、定子温度、和/或转子温度的传感器。此外，电压调节器20可以估计这些温度测量结果中的任何测量结果的替代参数。例如，实际转子温度是要获得的困难的测量结果；但是，因为转子绕组中的电流的平方与转子温度成比例，所以这个值可用作转子温度的替代参数。
在针对热故障进行监控时，电压调节器20可以估计、或者映射作为时间的函数的温度，以记录任何趋势、诸如变化发生得如何快以及这些变化持续了多长时间。这里，电压调节器20可以考虑绝对温度、或者所测量的温度、和/或绝对温度与环境温度之间的差。通过结合发电机12的当前运行点和发电能力来估计这个相对于时间的温度数据，电压调节器20具有需要识别温度变化是否是下列事件的结果的信息，这些事件包括不需要动作的正常或瞬变热事件、需要进一步监控的重大热事件、或者需要快速响应的真正热故障。
在针对热故障进行监控时，电压调节器20还可以考虑温度随时间的变化率。如果温度增加太快，则电压调节器20可以假定热故障是必然的并且采取迅速的动作来防止其出现。这里，优选地估计温度差而不是只估计绝对温度。通过从随时间变化的绝对温度中减去随时间变化的环境温度，能更直接地考虑温度增加的系统原因。
第三种保护策略涉及发电机12的输出功率的稳定性。为了防止输出功率不稳定，电压调节器20测量输出电压中的基于时间的波动，接着将该波动与系统中的期望值相比较。这个期望值不只是简单的阈值，而是根据发电机12的当前运行点来确定的。根据这个比较，电压调节器20可以确定，这种不稳定是可以容忍的还是需要注意引起发电机12输出处的功率降低。此外，这个降低是可以通过降低输出电压或者通过请求智能负荷16和18减小它们的消耗来实现的。
这种保护策略尤其有利于与本申请同一天提交的共同所有的共同待决的美国专利申请US 11/155,201。其图2与本申请相同的那件申请教导，发电机12与智能负荷16和18合作，以安全地利用发电机12的整个功率容量。根据那件申请的发明内容，电压调节器20通过通信网络44将表示发电机12的当前输出功率和功率容量的数据提供给智能负荷16和18，用于由负荷16和18使用这些数据来确定它们自己的功率消耗。
由于通信网络44的延迟，这个情形为输出功率不稳定的产生提供了非常规的机会。假定电压调节器20通过通信网络44与负荷16和18通信，它们的消耗可得到的附加电源在降低发电机12的功率容量的通信后不久出现一事件。这个新的功率容量被传送给负荷16和18，但由于通信网络44的延迟，负荷16和18可能在接收到第二次通信之前都增加它们的消耗。当负荷16和18接收到第二次通信时，负荷16和18将可能降低它们的消耗。这可能又触发电压调节器20来传送功率容量的增加，并且因此开始导致功率不稳定的跷跷板式效应。电压调节器20通过监控不稳定性能够识别这个情形以及其它导致不稳定的情形，从而降低功率输出和功率容量，直到发电机12的输出稳定下来。
本发明的第四种保护策略是防止线与线短路。为了实施这个策略，系统传感器32包括半波整流发电机12的输出处的每相电压的电路。这里，电压调节器20将所测量的(所整流的)电压与发电机12的当前工作频率的期望电压比较，从而预测线与线短路。这个简单的解决方案包含相对低成本的设备并且为电压调节器20提供足够的时间来在实际短路出现之前对这个短路事件起反应。
虽然已参考优选实施例对本发明进行了描述，但是本领域技术人员将明白，在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以进行形式和细节上的改变。
权利要求
1.一种用于保护电力发电机的方法，该电力发电机具有由多个系统参数表征的电气性能，该方法包括获得数据，根据该数据能够确定发电机的当前运行点和发电机的发电能力；监控表示作为时间的函数的至少一个系统参数，以检测系统参数值中的异常；对相对于表示作为时间的函数的系统参数、当前运行点、和发电能力的数据引起异常的事件类型进行分类；以及提供用于解决引起异常的该类型事件的响应。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个系统参数包括至少两个从下列组中所选择的参数，该组包括发电机输出功率、发电机输出电压、发电机输出电流、环境温度、定子温度、以及转子温度、发电机的转速和发电机输出的频率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述事件类型包括正常事件、瞬变事件、重大事件、和故障事件中的至少一个。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，提供用于解决引起异常的所述类型事件的响应包括如果所述事件被分类为重大事件，则在一时期内进行监控；以及一确定发电机的电气性能在该时期终止之前没有被改进，就使发电机的输出功率降低。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，提供用于解决引起异常的所述类型事件的响应包括如果所述事件被分类为重大事件和故障事件中的一个，则使发电机的输出功率降低。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，使发电机的输出功率降低包括使发电机的输出电压降低。
7.根据权利要求5所述的方法还包括一确定输出功率的降低没有改进发电机的电气性能，就使发电机停止运转。
8.一种电气系统，其包括电力发电机；多个系统传感器，所述系统传感器感知表征发电机的电气性能的多个系统参数；以及发电机控制器，所述发电机控制器被耦合到多个系统传感器，以接收表示多个系统参数的数据，所述发电机控制器根据所述系统参数确定发电机的当前运行点和发电机的发电能力，其特征在于，所述发电机控制器(i)监控表示作为时间的函数的至少一个系统参数的数据，以检测系统参数值中的异常；(ii)对相对于表示作为时间的函数的系统参数、当前运行点、和发电能力的数据引起异常的事件类型进行分类；以及(iii)提供用于解决引起异常的该类型事件的响应。
9.根据权利要求8所述的电气系统，还包括具有与其相关的负荷控制器的至少一个智能的、可变负荷，该负荷从发电机接收功率；以及通信网络，该通信网络可通信地将所述发电机控制器耦合到所述负荷控制器。
10.根据权利要求9所述的电气系统，其特征在于，所述多个系统参数包括至少两个从下列组中所选择的参数，该组包括发电机输出功率、发电机输出电压、发电机输出电流、环境温度、定子温度、和转子温度、发电机的转速、以及发电机输出的频率。
11.根据权利要求9所述的电气系统，其特征在于，所述事件的类型包括正常事件、瞬变事件、重大事件、和故障事件中的至少一个。
12.根据权利要求11所述的电气系统，其特征在于，如果所述事件被分类为重大事件，则所述发电机控制器在一时期内进行监控，并且一确定发电机的电气性能在该时期终止之前没有改进，就使发电机的输出功率降低。
13.根据权利要求11所述的电气系统，其特征在于，如果所述事件被分类为重大事件和故障事件中的一个，则所述发电机控制器使发电机的输出功率降低。
14.根据权利要求13所述的电气系统，其特征在于，所述发电机控制器使发电机的输出电压降低。
15.根据权利要求13所述的电气系统，其特征在于，所述发电机控制器向与至少一个智能负荷相关的负荷控制器发送请求，以降低其负荷的功率消耗。
16.根据权利要求15所述的电气系统，其特征在于，每个智能负荷的负荷控制器都对来自发电机控制器的请求作出反应，以降低消耗。
17.根据权利要求15所述的电气系统，其特征在于，如果确定所述负荷控制器还没有降低其负荷的功率消耗，则所述发电机控制器使发电机停止运转。
全文摘要
一种电力发电机由多个系统参数来表征。发电机包括用于保护发电机的控制器。控制器获得数据，根据该数据能够确定发电机的当前运行点和发电机的发电能力。控制器还监控表示作为时间的函数的至少一个系统参数的数据，以检测系统参数值中的异常。控制器接着对相对于表示作为时间的函数的系统参数、当前运行点、和发电能力的数据引起异常的事件类型进行分类。最后，控制器提供用于解决引起异常的该类型事件的响应。
文档编号H02H7/06GK1913274SQ20061010548
公开日2007年2月14日 申请日期2006年6月16日 优先权日2005年6月17日
发明者W·W·齐, M·鲁波, R·温赖特 申请人:哈米尔顿森德斯特兰德公司