专利名称：混合式发电机设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及能为时变负载供电的发电机设备。
在传统的电力发电机组中，发动机或其它主要原动机以额定恒速驱动同步交流发电机，所述恒速是为了提供适当频率的交流电力输出而计算出来的。实际上，发动机速度并不是精确地保持恒定，导致这种发电机组的电力输出频率出现不期望的变化。
为了满足最大负载需求，这种发电机组必须依一定尺寸制造，由于平均负载一般仅为峰值负载的20％，所以所制造的尺寸可能是非常浪费的。还有大量的应用，例如焊接、电池组充电和电动机的起动/运行，由于发电机组仅间歇重负载，所以这些应用中的负载需求变化很大。因此，需要在这种应用中使用的发电机组能够有效应付轻载状态。
已经提出了一种通过改变发动机/发电机速度来响应负载需求变化的变速发电机组(例如见Plahn et a1的美国专利US5,563,802)，它在轻载状态下利用电池组向负载供电。但是，这种已知的系统存在各种各样的限制，包括有限的发动机速度运行范围，由于繁重的占空比造成电池组寿命短，以及在不利的负载状态下性能差。
本发明的目的是提供一种能应付负载中的实质变化而同时有效运行的混合式发电机设备。
根据本发明，电源设备包括至少一个可控电源，用于提供可变电压和/或电流电力输出；去耦转换器装置，从所述至少一个可控电源的可变电压和/或电流电力输出产生中间DC输出，所述中间DC输出与电源电力输出中的变化无关；输出装置，产生AC或DC输出，以便从中间DC输出为时变负载供电；传感器装置，监视所述至少一个可控电源的电压和/或电流以及中间DC输出，并且产生与其相当的输出信号；以及响应输出信号的控制装置，控制所述至少一个可控电源的运行，动态改变电源的功率输出，从而提供时变负载所需功率。
可控电源包括燃料电池或诸如水轮发电机、风轮机、气轮机/发电机的其它设备或从非电输入产生电输出的其他设备。
另一可替换的可控电源包括为去耦转换器装置提供可变电压输出的发动机和发电机。
最好是，发电机是为去耦转换器装置提供可变电压、可变频率的交流输出的交流发电机，所述设备包括整流器装置和去耦转换器装置，整流器装置用于对发电机的交流输出进行整流，去耦转换器装置包含将整流后的交流输出转换为中间DC输出的DC-DC转换器，中间DC输出的电压根据参考电压而受到控制。
控制装置包括传感器装置，用于监视转换器装置的中间DC输出和/或可控电源的负载，以及当负载超过预定值时提高发动机速度。
在一个实施例中，运行控制装置来维持在预定电平或预定范围内从可控电源抽取的电流，传感器装置包括电压传感器，用于监视转换器装置的中间DC输出的输出电压和提高发动机速度，从而在中间DC输出的电压降到第一电压阈值以下时增加供给转换器装置的功率。
在另一个实施例中，运行控制装置来维持中间DC输出的电压基本恒定，传感器装置包括电流传感器，用于监视从可控电源抽取的电流和提高发动机速度，从而在从可控电源抽取的电流超过第一电流阈值时增加供给转换器装置的功率。
所述设备至少包括第一能量存储装置，所述第一能量存储装置从中间DC输出被充电并且当中间DC输出的电压降到额定以下时将能量放电到中间DC输出。
可替换的或者除此之外，所述设备包括辅助负载控制装置，用于检测繁重的辅助负载到输出装置的连接和控制对辅助负载的供电，从而防止输出装置的过载。
最好是，所述设备至少包括第二能量存储装置，设置充电电路，用于从转换器装置的中间DC输出向第二能量存储装置充电，设置放电电路，用于当中间DC输出电压降到低于第一电压阈值的第二电压阈值以下时，向与第一能量存储装置平行的第二能量存储装置放电。
在一个实施例中，所述设备包括第三能量存储装置，设置充电电路，用于从电源向第三能量存储装置充电，设置辅助转换器装置，用于在第二能量存储装置已经至少部分放电之后，向平行于第一和第二能量存储装置的第三能量存储装置放电。
第一和第二能量存储装置最好是电容器，第三能量存储装置最好是电池组。
所述设备可以包括速度传感器，用于监视发动机/发电机的速度和产生与其相关的速度输出信号，函数发生器装置，用于从速度输出信号产生功率信号，功率信号表示发动机的功率/速度特性，控制装置利用所述功率信号优化发动机的运行。
所述设备还可以包括环境压力和温度传感器，用于监视环境压力和温度以及产生相应的压力和温度输出信号，还包括相应的压力和温度函数发生器，用于产生包含发动机减额特性的输出以补偿环境运行压力和温度的变化。
所述设备也可以包括排气温度传感器，用于监视发动机排气温度和产生排气温度输出信号，排气温度函数发生器，用于从速度输出信号产生排气温度/速度-负载特性信号，控制器，用于从排气温度输出信号和排气温度/速度-负载特性信号之差产生误差信号，从而补偿影响发动机排气温度的因素。
图1是根据本发明采用电压控制方案的混合式发电机设备的高度简化的方框图；图2框图与图1框图类似，显示了采用电流控制方案设备的形式；图3更详细示出了具有输出电路的图1的设备，包括负载预期电路；图4示出了另一可替换的设备输出电路；图5示出了包括第一和第二能量存储装置的图1设备形式；图6示出了与图5所示相似的设备，但包括第三能量存储装置；图7a是本发明最佳实施例的详细原理图，包括由内燃机驱动的永磁交流发电机；图7b是图7a设备的控制系统中不同阈值和参考电压之间的关系图；图8a至8c和9a至9c示出了本发明所述设备的一个实施例的性能曲线；图10和11示出了设备的另一变形，分别利用更复杂的电压和电流控制回路；
图12、13和14是与本发明设备一起使用以优化其运行的附加控制线路的原理图；图15是本发明用燃料电池作为可控电源的一个实施例的控制回路的方框图。
图1以高度简化的方框图形式示出了本发明所述的混合式发电机装置。可控电源10可以包括发动机/发电机，燃料电池，太阳能电力系统，水电发电机，风轮机或另一可控以改变输出的电能源，连接到包含DC-DC转换器的去耦转换器装置12。这里称DC-DC转换器的输出为中间DC输出，表示为电压VDC。该中间DC输出应用于“负载”14，在大多数实施例中，“负载”14是输出转换器装置，例如将中间DC输出转换为向外部负载提供AC波形的逆变器。但是在其他情况下，外部负载例如可以是DC负载或车辆电动机。
去耦转换器装置12承担着把中间DC输出与电源10的电流和/或电压输出中的波动去耦或隔离的重要功能，以便装置的控制方案能够调节电源10输出中的大的变化。例如，电源10是发动机/发电机组，去耦转换器装置12的去耦效果允许发动机/发电机在宽速度范围内运行，同时保持中间DC输出在期望的运行参数内。转换器装置12也用于把电源与负载中的变化去耦或隔离。
去耦转换器装置12可以采用不同的形式，这取决于可控电源10的特性。电源的输出为DC输出，去耦装置为DC-DC转换器是很便利的。在具有AC输出的电源10的情况下，可以使用AC-DC转换器。实质上，去耦转换器装置12构成了转换功能，接受来自电源10的大范围变化的电力输出并且根据测量及控制电路发出的控制信号产生中间DC输出。
图1中，测量及控制电路由附图标记16表示。该电路包括模拟或数字电路，利用适当软件控制下的微处理器可以很容易地实现该电路。为了便于以下说明，将其称为测量及控制“电路”。
第一电压传感器18监视中间DC输出VDC的值，产生送给测量及控制电路16的电压信号V_1。第二电压传感器20测量电源10的电压输出并产生应用于测量及控制电路16的第二电压信号V_2。此外电流传感器22测量输出到DC-DC转换器12的电源电流并产生应用于测量及控制电路16的电流信号I_2。电压和电流参考信号V_ref2和I_ref2分别提供给电路16。
电压传感器的输出V_1也应用于控制回路24，参考电压V_ref1也施加到控制电路24，它产生应用于电源10控制系统26的电输出信号。根据电源的特性，控制系统26可以是内燃机的燃料注入控制器或在燃料电池中控制气体(例如氢气和氧气)流动的控制器。
图1的装置包括能量存储设备28，它连接到电路的中间DC输出。在本发明的简单型式中，能量存储设备28包括与中间DC输出简单并联的电容器，以便当应用于中间DC输出的负载突然变化时提供短期能量储备。在更为复杂的实施例中(见下述)，能量存储设备28可以用带有各自控制系统的一个或多个不同的能量存储设备来实现。
图1的装置以电压控制回路运行，它的设置是使得去耦DC-DC转换器12根据参考电压V_ref2用最大电压有效地调节中间DC输出电压VDC，以便不管来自电源10的输入电压如何变化，都根据参考电压通过控制回路调整VDC的值。
同时，在该操作模式下，去耦转换器装置12根据电流参考I_ref2控制流过的电流通过以便电源10最佳负载。例如，发动机/发电机组的例子中，当发动机/发电机在其可变速度范围内运行时，发动机根据期望曲线进行负载，该曲线接近发动机的最优功率/速度特性。当负载功率需求突然增加时，去耦转换器装置12所施加的电流控制通过增加从电源提取的电流来阻止所提供的负载功率需求的增加。这实际上意味着中间DC输出功率不足，导致负载从增大中间DC输出的能量存储设备28直接提取能量。由于能量是从该设备提取的，因此设备输出以及由此中间DC输出的电压VDC将降落。
当第一电压传感器18检测到的VDC值降落到低于第一电压阈值时，应用于控制回路24和控制系统26的合成输入信号V_1控制电源10增加其功率输出。在发动机/发电机的例子中，控制系统26将提高发动机速度，导致发电机的输出电压相应增大。该电压的增大增加了提供给去耦转换器装置12的功率，从而使得转换器在不超过由参考I_ref2所设定的电源电流的情况下向中间DC输出提供更大的功率。这样，电源10满足了负载的要求并且使能量存储设备28再充电。中间DC输出的电压VDC升高直到恢复为由电压参考信号V_ref1所确定的电压阈值，电源10稳定在新的更高的输出功率电平。
当负载功率需求降低时，电源和负载之间的平衡再次遭到破坏。在这种情况下，电压VDC将升高，电压/速度控制回路将运行以减小电源的输出功率(例如在发动机/发电机组例子中的发动机速度)，减小电源的输出功率和电压从而允许去耦转换器装置12将其输出电压减小回其额定值。
在上述运行模式中，电流控制方式是和电源电压控制方案一起使用的。通过控制或限制从电源提取的电流，使得中间DC输出的电压VDC在去耦转换器装置12及其控制电路16所允许的预定电压变化窗口的范围内随负载需求的变化而改变。实际上除其他因素之外，该“窗口”的大小由负载转换器14的性能参数、能量存储设备28的能量存储容量和电源10对其控制系统26的动态响应来确定。
除了所采用的控制方案主要是电流控制方案而不是电压控制方案以外，图2的设备与图1的基本类似。根据电流控制方案，运行去耦转换器装置12以根据参考电压V_ref2调节中间DC输出的电压VDC，以便无论去耦转换器装置12的输入电压如何变化，都保持VDC的值基本恒定。
当负载功率需求(在中间DC输出处的DC电压和DC电流的乘积)增加时，由于将VDC调节为基本恒定，所以转换器中的电流以至电源10所提供的电流也必须增加。去耦转换器装置12允许电流根据负载需求在安全运行界限内增加或减小。
当负载值增加时，由于VDC的值基本保持恒定，去耦转换器装置12将从电源10要求更多的电流供给负载。电流传感器22检测这一增加，产生应用于测量及控制电路16和控制回路24的输出信号I_2。经控制系统26，控制回路24调整电源10的输出以增大其功率输出。例如，在发动机/发电机组的例子中，发动机速度被提高，增加了发电机的输出电压和功率。电源电压输出的增加导致去耦转换器装置12减小其电压升压比。随着输入电压升高，去耦转换器装置12的输入电流将减小直到恢复为由电流参考信号I_ref2所确定的电流阈值且电源10稳定在其新的输出功率(在发动机/发电机的例子中，发动机将稳定在其新的更高的速度)。
相反地，当负载功率需求降低时，去耦转换器装置12将从电源要求更少的电流。当电流值降低到I_ref2所设定的预定阈值时，电源的功率输出被减小(例如，发动机/发电机组的发动机速度被降低)。电源输出电压的相应降低导致从电源提取的电流增加。当电流恢复到由电流参考I_ref2所确定的值时，电源将稳定在其新的功率输出(例如，发动机/发电机组中发动机的速度将稳定在其新的更低的速度)。
在该运行模式下，电源受到去耦转换器装置12的保护，去耦转换器装置12限制从电源提取的最大电流。当电源电流增加到所认为的最佳值时(例如，当发动机/发电机组的输出电流达到表示发动机最佳输出转矩的值时)，根据电压控制方案所描述的电流限制功能投入运行。随后负载需求的增加将使DC输出功率不足，导致中间DC输出电压VDC相应下降。
在上述两种控制方案中，可以看出使用去耦转换器装置12是极其重要的，这使得能够使用具有非常不同特性的可变电源。
对上述基本设备进行大量的修改和变形是可能的。
例如，有可能利用两个或更多辅助能源来代替能量存储设备28，以便提供一个更有效地响应短期或长期峰值负载的系统(见下述)。在一些其他的情况下，可以排除辅助的能量存储。取而代之的是，可以引入负载预期电路来处理大冲击或大阶跃负载。图3中，所示设备与图1的基本相应，其中内部负载14包括DC-AC转换器(即逆变器)，设置该转换器是为了向干线负载30提供AC电力输出。此外，迎合次要繁重的辅助负载32，该负载被认为在运行中造成瞬态或暂时过载。该负载从逆变器14经接口电路34和提供输出电流信号I_4的电流传感器36馈送给与负载电流幅值相关的控制器38。控制器38控制接口电路34的运行。
在检测负载时，接口电路34快速将负载从逆变器14断开或者降低输出到负载的频率和/或电压。控制器38产生输出信号Va2x，该信号应用于控制回路24使电源10产生最大输出功率(在发动机/发电机组例子中，发动机被加速到最大速度)。出现瞬时亚负载状态且临时使正常负载自适应功率控制回路过载。当接口控制器38从第二电压传感器20的输出V_2检测到电源10的输出为最大时，控制器38将控制信号V_ali输出到接口34，根据接口的预定特性(例如开/关，可变电压/频率或软启动)将辅助负载32连接到逆变器14。在瞬时过载之后，正常负载自适应控制系统将重新运行并且使电源10的功率输出稳定以便其输出功率和总负载需求平衡。
以举例的方式，如果辅助负载是DC并励电动机，则接口将向并励绕组提供电压，然后使电枢电路电压斜坡升至其额定运行值。如果辅助负载是AC电动机，则接口不是减小软启动电路中的应用电压，就是成比例地减小可调速度驱动(ASD)中的电压或频率。当电源已经达到其最大输出功率电平时，也能很容易地将辅助负载断开或再连接。
除了内部负载14是提供主要DC负载40的DC-DC转换器之外，图4所示装置与图3(为避免重复省去相同元件)类似。经接口44和电流传感器36直接从设备的中间DC输出提供辅助负载42(DC或AC)。
图5中，示出了设备的变形例，它基本相当于图1的实施例，只是其中提供了第二增补能量存储设备46。在这种结构中，能量存储设备28和46通常包括一个或多个电容器和极端电容器(ultra-capacitor)。尤其在第二能量存储设备46中，占空比不太大，可以采用电池组或如飞轮电动机/发电机这样的另一设备。电容器46用与其相关的测量及控制电路50经第二DC-DC转换器48连接到中间DC输出。控制电路50从第一电压传感器18接收输出V_1和第三电压传感器53的输出V_3，V_1相当于VDC的值，V_3相当于能量存储设备46的端电压，以及从电流传感器54接收输出I_3，I_3相当于增补能量存储设备和转换器48之间的电流幅度。
测量及控制电路50的设置是为了当VDC的值低于第二阈值时控制转换器48将第二能量存储设备46的能量送入中间DC输出，第二阈值或多或少地低于参考电压V_ref1所确定的第一阈值。这样，在负载的功率需求突然增加的情况下，VDC的值降落到第二阈值以下且来自电容器46的额外能量送入负载，与电容器28和主要去耦转换器装置12有效地并联。
为了适应作为可变电压元件的电容器(即电容器的端电压根据其电荷状态变化)，DC-DC转换器48可以在需要时作为逐步增大或减小可变比的转换器(取决于电容器的工作电压)运行，以便将额定等于VDC的电压输出发送到中间DC输出。该装置允许并行使用具有实质不同的特性(即，更高或更低的工作电压)的辅助能源。
图6所示装置与图5的类似，但包括由电池56构成的第三备用能量存储设备。在本例中，能量存储设备28和46都是电容器组。在该装置中，电池56的设置是为了从能源58对其进行充电，能源58可以来源于主电源10或者例如辅助电源、太阳能电池板或另一能源。能源58的输出送入转换器60，其特性由能源58的特性确定。转换器60的输出经电流传感器62送入电池56并且其运行由响应电流传感器62的输出、电压传感器66的输出和电压及电流参考信号V_ref4及I_ref4的测量及控制电路64控制。
电池组56经接口电路68连接到DC-DC转换器48的输入，该连接点通过转换器48有效地将设备的第二中间DC输出从主要中间DC输出隔离开或去耦合。
可以理解，使用多个可控电源的上述本发明的实施例代表了一种混合式发电机系统，该系统能根据预定控制方案从两个或多个不同电源向一个或多个负载供电。这样，本发明为设计有特定应用的混合式发电机系统提供了相当大的灵活性。
在所示装置中，当VDC的值由于负载需求增加而下降时，第一能量存储设备28向负载14放电。而且当VDC的值降到第一电压阈值以下时，如上所述参考图1启动功率控制回路。当VDC的值降到低于第一阈值的第二阈值以下时，第二能量存储设备46向中间DC输出放电。当在第二能量存储设备46的输出测得的电压V_3降到电池56的端电压以下时，第三能源(备用电池组56)放电。
尽管一旦VDC的值已经降到低于第二阈值的第三阈值以下时，设置的电池组56可以向中间DC输出发送功率，但实现备用电池组控制电路在任何需要点经接口68供电而不受第一和第二预定阈值的支配是很重要的。这种灵活性是本发明的一个独特优势。
在图6的布置中，与电容器组28和46相比，通常很少用电池组56向负载供电。这是可取的，因为电池组的占空比被大大减小，电容器相对于电池组能经受得住更多次得充电/放电循环。所以，该布置提供了具有相当灵活性的设备和备用能量能力，同时增强了系统的可靠性和寿命。
也可以用飞轮电动机/发电机装置这样其他类型的能量存储设备来代替电容器或电池组。除了利用适当接口之外，重要的准则是使所选的能量存储设备类型与辅助存储设备所必须满足的瞬时和长期能量需求相匹配。
参考图7a，图中示出了本发明实施例更为详细的框图。该实施例用发动机/发电机作为可控电源10。用于样机中的发动机70是具有燃料喷射的柴油内燃机，同时发电机72是交流永磁三相发电机。发动机有燃料喷射控制器74控制，该控制器响应来自发动机速度控制器电路76的电控制信号。在应用于DC-DC转换器82的输入(相当于前面附图中的去耦转换器装置12)之前，发电机72的交流输出应用于三相整流器电路78并从那里应用于LC滤波器80。转换器作为升压斩波器运行。根据发动机70的速度，发电机72的输出电压和频率都发生变化，DC-DC转换器82将该变化的电压输出转换为用于向内部负载14(通常为逆变器)供电的中间DC输出，该内部负载又为外部负载84供电。如上所述，DC-DC转换器82有效地将基本随发动机70的速度而变化的发电机/整流器输出与中间DC输出去耦合或隔离。
设备的控制电路包括电压控制电路86，电压控制电路86供以来自参考电压函数发生器88的主参考输入电压Vr10v和来自响应VDC值(即中间DC输出处电压)的电压传感器的第二输入Va8。Va8的值反映了由于所提供负载幅值的变化而引起的VDC值的变化。电压控制电路86的基本功能是作为调节器将测得的VDC值与主参考电压Vr10v相比较。在低负载运行的情况下，相当于发动机/发电机的低速运行，负载转换器14中的电压降较低且通过函数发生器88减小主参考输入电压Vr10v，从而改善了设备的部分负载效率。
DC-DC转换器82具有电流/电压转换器控制电路92，该电路接收电压传感器90的输出Va8，也接收来自参考电流函数发生器94的参考电流信号Vr9i和电压参考信号Vr9v。此外，向电流/电压控制器92提供输入信号Va5，该信号来源于从整流器80向DC-DC转换器82所提供的电流幅度。电压控制电路86对测得的VDC中的变化作出响应产生参考速度信号Vr11，它与来自速度传感器96的输出信号Va2一起应用于发动机速度控制器76。速度控制器76产生应用于燃料喷射控制器74的输出信号Vr12以改变发动机70的速度。
速度信号Va2也应用于参考电流函数发生器94，该发生器94作为速度的函数修改参考电流信号Vr9i以便与发动机的转矩/速度特性相对应。在永磁发电机中，当输出电压随速度线性变化时，发电机电流对应于发动机转矩。从而，电流/电压控制器92控制转换器82使得它根据其转矩/速度特性在发动机70上加载，从而使其性能在负载大范围变化时实现最优。
当负载84的幅值增加并且因此电压信号Va8的值小于参考电压Vr10v的值即速度控制阈值时，电压控制电路86增加输出信号Vr11的值使得发动机速度提高。电流/电压控制器92调整DC-DC转换器82的运行使得发电机输出电流等于由参考电流信号Vr9i设定的值。但是，由于发电机电压以至转换器82的输入功率随速度而增加，输送到中间DC输出的功率的相应增加将导致VDC的值增加。当Va8的值等于Vr10v的值时，达到稳定。相反，当电压信号Va8(对应于VDC值的变化)大于参考电压Vr10v时，发动机速度被降低。如果发动机达到其最小运行速度且VDC的值保持大于参考电压信号Vr9v(它在幅度上或多或少大于Vr10v)，电流/电压控制器92将运行DC-DC转换器82减小其输出，使得电流信号Va5被减小直到VDC的值等于参考电压Vr9v。
除了主能量存储设备(电容器)28之外，设备还包括包含电容器C3和电池组BAT的辅助能量存储设备。电池组通过二极管D6与电容器隔离并有效地形成了与电容器并联的混合式电池组。电池组电压Vbat远低于电容器电压Vc3，使得电容器C3在其放电时，随着其端电压从相对较高的满充电电压降落到最终达到电池组端电压Vbat的值，能够将足够量的功率输送给负载。当电容器端电压等于Vbat的值时，电池组接管功率传递功能，它通过二极管D6经充电/放电转换器98向中间DC输出提供能量。
充电/放电转换器98包括一对晶体管T2和T3，以及二极管D2和D3以及扼流圈L3。晶体管T3和二极管D3受充电控制器100控制，与扼流圈L3一起作为降压斩波器从中间DC输出向电容器C3充电。晶体管T2和二极管D2受放电控制器102控制，与扼流圈L3一起作为升压斩波器控制电容器C3向中间DC输出放电。备用电池组BAT也经包含晶体管T2、二极管D2和扼流圈L3的升压斩波器向中间DC输出放电。
如上所述，放电控制器102根据中间DC输出的预定电压阈值和由电流传感器118提供的相关放电电流反馈信号Ises起作用。
当中间DC输出电压信号V8a超过充电启动电压参考Vr19vb，略高于Vr18v时，充电控制器100响应充电启动信号V21进行操作。尤其是它根据电容器参考电流函数发生器电路104的输出而起作用，该发生器作为来自速度传感器96的速度反馈信号Va2的函数来修改参考电流信号，从而根据发动机速度和可用功率优化电容器C3的充电。
由于存在阻塞二极管D5，备用电池组BAT仅能经充电/放电转换器98放电(而不是被充电)。因此，为了对电池组充电，设有包括晶体管T4、二极管D4和扼流圈L4的辅助充电转换器106。转换器106由充电器控制器108控制，并且作为降压斩波器根据来自电池组电压监视器110的反馈电池组电压信号Vbat、反馈电池组电流信号Ibat、电池组电压参考信号Vbat_ref和充电电流参考信号Ibat_ref对电池组充电。后面的参考信号分别由电池组参考电压和电池组参考电流函数发生器112和114产生。包括电容器C5和电感器L5的滤波器对充电转换器106的输出进行平滑以防止大的纹波电压/电流对电池组造成损坏。
电池组参考电压函数发生器112根据电池组温度修改电池参考电压信号Vbat_ref，以防止充电期间充气。电池组参考电流函数发生器根据速度反馈信号Va2修改电池组参考电流信号Ibat_ref，以按照可用功率优化电池组充电。
在所示例子中，用于电池组充电转换器106的能量是由中间DC输出导出的，但可以理解的是，也可以用独立电源为电池组BAT充电，例如太阳能电池板。
因为充电/放电转换器98的控制电路几乎在检测到由于负载大小突然增加(即临时过载状态)而引起VDC值下降的同时进行操作，所以对发动机70来说以低效高速运行来应付这种需求是不必要的。相反，辅助能源可以提供足够的能量来满足峰值负载需要直到发电机速度增加到足以完全满足负载需要。这样，本发明所述实施例有效地包括了与可变速度、可变输出发电机组并联运行的快速反应短期能源。
图7b示出了图7a电路中不同参考电压和运行阈值电压之间的相互关系。当与来自电压传感器90的信号Va8对应的中间DC输出的电压VDC降到第二阈值电压Vr18v以下时，转换器98将电流从电容器C3抽入中间DC输出以将其值维持在第二阈值电压Vr18v，而不管电容器C3端电压的下降。该端电压Vses是电压监视器116的输入电压，该监视器向充电控制器100提供输出。电容器放电电流Ises从电流传感器118获得，并送入充电控制器100和放电控制器102。
放电控制器102根据参考电流值Vr18i限制放电电流，以便防止转换器98过载以及电容器C3和电池组BAT的放电速率过度。
当电容器C3的电压Vses降到第三阈值以下到表示电池组BAT充电的最差状态的电平时，经转换器98的放电通过放电控制器102被禁止。为简便起见，图7a取消了电池组保护装置。但是，不存在对电池组BAT放电的直接控制。当电容器C3的端电压降到备用电池组BAT的端电压以下时，电流从电池组经二极管D5送入电容器C3并从那里经转换器98送入中间DC输出。因为二极管D5两端电压下降，电容器C3两端的电压降稳定在第二阈值之下的第三阈值。当它从电容器C3接管功率传输功能时，该电压电平取决于备用电池组的放电电压特性。
尽管传统的知识可能建议我们将DC-DC转换器放置在发电机输出和负载之间会降低设备的效率，由于转换器的效率低于100％，但实际上得到了有益的效果。将DC-DC转换器放置在发电机/整流器和负载之间的效果是将发电机输出与系统的中间DC输出“去耦”或隔离，使得系统在仍然有效运行的同时能处理更宽范围的发动机/发电机速度。这样，与不能从发动机/发电机有效地为轻载供电相反为此目的必须使用电池组的现有系统相比，本发明的设备甚至在轻载时也能有效运行。与燃料效率和本发明设备的总电输出效率所获得的好处相比，转换器中损失所引起的成本损失可以忽略不计。
图8a至8c和9a至9c示出了图7速度/功率控制系统运行原理图。
图8a中，发电机输出功率作为发动机速度的函数示出。“A”是最小速度运行点，“B”是最大速度运行点。A和B都是恒速运行点。在点A和B之间，发动机以可变速度模式运行。上面的线(虚线)示出了发动机的最大功率/速度特性，下面的线示出了期望的负载功率曲线，该曲线总是低于发动机的最大功率曲线，使得在任一给定时刻存在用于加速的备用功率。
在最大速度运行点(A)，允许负载功率增加到点1(见图8a)。当负载进一步增加时，造成发动机加速直至达到其最大运行速度点2。在这种恒速运行模式下，则允许负载功率增加直至达到发动机最大额定功率(3)。
发电机和系统的中间DC输出之间可控去耦转换器的使用为根据期望曲线在点1和2之间的可变速度区域控制发动机上负载提供了机会，包括限制在最小和最大速度运行点A和B。通过控制根据期望参考电流特性曲线从发电机提取的电流来实现控制。图8c示出了永磁发电机的基本线性的电压/速度特性。假定发电机负载功率由发电机已整流的DC电压和DC电流输出的乘积表示，随后，由于电压特性是给定的，参考电流曲线就可以被计算出来以生成负载功率，该功率与图8a中点1和2之间的期望功率曲线相匹配。
在图8b中，上面的线画出了电流，当与图8c所示的电压相乘时产生图8a中上面的线所示的发动机最大功率特性曲线。电流与发动机上的转矩成正比。同样地，图8b下面的线画出了产生图8a中下面的线所画的负载功率特性所需的电流。可以指出，在最小运行速度模式下，允许发电机电流增加到点1。在点1和2之间，发电机电流受到控制，从而产生期望的功率特性。在点B的最大恒定运行速度模式下，再次允许电流上升到点3，表示了与图8c中对应电压一起生成发动机最大额定功率的电流(对应于图8a中的点3)。
图9a至9c分别示出了作为负载功率函数的发电机的电压、电流和速度。由于永磁发电机的线性电压/速度特性，图9a和9c是类似的。在恒速模式下，电压保持恒定。当负载增加到超过点A的值时，导致发动机速度在点1和2之间增加，使得发动机能够应付增加的负载。点B画出了最大恒定速度，使得速度和电压在点2和3之间保持恒定。
图9b中，示出了产生所需的速度/负载功率特性所需的发电机输出电流。允许负载电流线性增加到点1。在点1和2之间，电流受到控制，从而获得期望的速度/功率特性。当负载进一步增加时，电流被再一次允许以恒速运行模式增加直至在点3达到发动机最大额定功率。
以上附图示出了根据功率-速度、减额系数这样的性能特性优化发动机运行的相对简单的控制方案。发动机速度在最小运行速度和最大运行速度之间变化，使得其负载跟随由发动机性能曲线确定的最佳功率/速度曲线，当负载增加时总是允许有一些备用容量用于加速。
根据给定的发动机功率/速度特性，考虑到永磁发电机的输出电压随速度线性变化的实际情况，根据特性曲线(图8b和9b)的相对简单的电流控制将确保当负载随时间变化时发动机在最优状态下运行，使发动机速度根据图8a和9a所示的功率/速度关系变化。
在简化的控制方案中，可以简单地对电流进行调节，使得当发动机在其可变速度运行区域内运行时保持电流恒定。在这种情况下，图8b中的电流/速度曲线是点1和2之间简单的水平线，同时图9a中的功率/速度曲线将跟随图9c中的电压曲线。如果发动机的功率/速度特性实质上偏离了直线，可以理解尽管速度作为负载的函数变化，但发动机有时在次优化负载状态下运行。在很多情况下，这种简化的控制方案是完全可以接受的。
图10示出了图1设备中所使用的控制环的变形，这在电源的电压特性不是图8和9所示的线性的情况下是需要的。速度传感器120产生送入功率函数发生器112的速度输出信号Va2，功率函数发生器112产生表示电源10的输出功率的相应输出信号P(即发动机驱动发电机的功率-速度特性)。该信号与来自电压传感器20的信号V_2一起应用于产生送入测量及控制电路16的参考电流信号I_ref2的除法器电路124。除法器电路124有效地将功率/速度特性曲线P除以实时电压信号V_2，为DC-DC转换器提供修改后的电流参考信号，该信号将产生对应于图9a的期望参考功率曲线。
类似地，图11中，通过将速度传感器120的输出Va2送入功率函数发生器122来修改图2的电流控制方案，为了产生期望的参考功率曲线，功率函数发生器122的输出在除法器电路124中被电压信号V_2除，从而产生经修改的电流参考信号Iref_2x。
图12、13和14示出了用于增强所述设备运行的电路。图12中，设有环境温度传感器128和环境压力传感器130，它们的输出分别送入函数发生器电路132和134。温度传感器128监视进入发电机的空气温度，函数发生器132的输出信号Kder1与高温环境运行的发动机减额特性成正比。类似地，压力传感器130监视发动机吸入的空气压力，并且为产生与高纬度运行的发动机减额特性成正比的输出信号Ader1的环境压力函数发生器134提供压力信号。转矩函数发生器136从发动机速度传感器120提供的发动机速度信号Va2产生转矩参考信号T，所有这三个信号在求和部件138中相加以产生正比于已经由于位置条件偏离标准参考条件而使减额的发动机转矩/速度特性的输出电流参考I_ref2。
图13中，温度传感器148用于提供排气温度信号Kex1，在排气温度负载控制器140中将该信号与排气温度函数发生器140从发动机速度信号Va2产生的发动机排气温度/速度-负载特性信号Kex2相比较。排气温度控制器140产生与实际排气温度和参考信号的偏差有关的输出信号Kex3。在求和部件138中，该误差信号Kex3与发动机转矩/速度函数发生器136的输出T相加，产生校正的电流参考信号I_ref2。
排气温度是与环境温度、压力(纬度测量)负载、发动机的一般安全状态以及所用的燃料质量成正比的参数。因此，通过简单地监视发动机排气温度和校正其中与排气温度参考信号有关的变量，就可以通过提高用于给定负载功率需求的发动机速度来方便地降低发动机的额定值，以便补偿燃料质量差、环境温度高、高空或发动机声音状态差等条件。
在图14中，通过在函数发生器142中产生第二输出Kex4而使图13的设备得到扩展，第二输出Kex4在第二排气温度控制器144中与实际排气温度Kex1相比较，从而产生误差信号Kex5。在第二求和部件146中将最大速度参考信号与误差信号Kex5相加，产生用于发动机速度控制电路的输出速度参考信号。这里加入了另一个控制回路，根据排气温度误差控制发动机速度。
图12、13和14中示出的发动机转矩参考信号可以用表示图10的发动机功率/速度特性的修改后的电流信号I_ref2来代替。也可以指出，上述参考图12、13和14所述的减额技术既可应用于上述设备运行的电压控制方案中，又可应用于电流控制方案中。
现在参考图15，所示交流电源包括燃料电池组150，取代了上述发动机/发电机。其中使用了与图1中相类似的附图标记。从概念上来说，图15的布置与在图1的电压控制方案下驱动发电机的内燃机的设备是非常类似的。去耦DC-DC利用两个参考输入即设定中间DC输出的VDC值的电压参考V_1xref和电流参考信号I_2ref，转换器12受到其专用控制电路16的控制，已对电流参考信号进行修改以匹配燃料电池性能特性。存在两个反馈信号，即I_2(表示燃料电池输出电流或转换器输入电流)和V_1(中间DC输出上的电压)。
DC-DC转换器12的操作与图1中的设备类似。主电源控制器152监视中间DC输出的电压VDC。当该电压降到参考电压V_1xref以下时，控制器152产生启动主燃料电池控制器24的功率参考信号P。由于燃料电池性能图被编入其控制软件中，因此这种控制器更复杂。它监视燃料电池输出电压V_2和电流I_2并且产生电流参考信号I_ref2，该信号根据其最优性能特性和主电源流量控制器152的功率需求信号Pref经DC-DC转换器及其控制器调整对中间DC输出的供电。同时，主燃料电池控制器24产生另外两个输出信号即氧气量参考信号和燃料压力参考信号。氧气/空气的流量和燃料压力这些参数调整燃料电池的非电输入，从而调整输出功率。燃料压力和氧气流量的调整使得燃料电池在时变的部分负载或负载情况下能有效运行。
权利要求
1.电源设备，包括至少一个可控电源，用于提供可变电压和/或电流输出；去耦转换器装置，从所述至少一个可控电源的可变电压和/或电流输出产生中间DC输出，所述中间DC输出与电源输出中的变化无关；输出装置，产生AC或DC输出，以便从中间DC输出为时变负载供电；传感器装置，监视所述至少一个可控电源的电压和/或电流以及中间DC输出，并且产生与其相应的输出信号；以及响应输出信号的控制装置，控制所述至少一个可控电源的运行，动态改变电源的功率输出，从而为时变负载提供所需功率。
2.根据权利要求1所述的电源设备，其特征在于，可控电源包括燃料电池、水轮发电机、风轮机、气轮机/发电机或从非电输入产生电输出的其他设备。
3.根据权利要求1所述的电源设备，其特征在于，可控电源包括为去耦转换器装置提供可变电压输出的发动机和发电机。
4.根据权利要求3所述的电源设备，其特征在于，发电机是为去耦转换器装置提供可变电压、可变频率的交流输出的交流发电机，所述设备包括整流器装置和去耦转换器装置，整流器装置用于对发电机的交流输出进行整流，去耦转换器装置包含将整流后的交流输出转换为中间DC输出的DC-DC转换器，中间DC输出的电压根据参考电压而受到控制。
5.根据权利要求4所述的电源设备，其特征在于，控制装置包括传感器装置，用于监视转换器装置的中间DC输出和/或可控电源的负载，以及当负载超过预定值时提高发动机速度。
6.根据权利要求5所述的电源设备，其特征在于，运行控制装置来维持在预定电平或预定范围内的从可控电源抽取的电流，传感器装置包括电压传感器，用于监视转换器装置的中间DC输出的输出电压和提高发动机速度，从而在中间DC输出的电压降到第一电压阈值以下时增加供给转换器装置的功率。
7.根据权利要求5所述的电源设备，其特征在于，运行控制装置来维持中间DC输出的电压基本恒定，传感器装置包括电流传感器，用于监视从可控电源抽取的电流和提高发动机速度，从而在从可控电源抽取的电流超过第一电流阈值时增加供给转换器装置的功率。
8.根据权利要求6或7所述的电源设备，所述设备至少包括第一能量存储装置，所述第一能量存储装置从中间DC输出被充电并且当中间DC输出的电压降到额定值以下时将能量放电到中间DC输出。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的电源设备，包括辅助负载控制装置，用于检测繁重的辅助负载到输出装置的连接和控制对辅助负载的供电，从而防止输出装置的过载。
10.根据权利要求8所述的电源设备，至少包括第二能量存储装置，设置充电电路，用于从转换器装置的中间DC输出向第二能量存储装置充电，设置放电电路，用于当中间DC输出电压降到低于第一电压阈值的第二电压阈值以下时，向与第一能量存储装置平行的第二能量存储装置放电。
11.根据权利要求10所述的电源设备，包括第三能量存储装置，设置充电电路，用于从电源向第三能量存储装置充电，设置辅助转换器装置，用于在第二能量存储装置已经至少部分放电之后，向平行于第一和第二能量存储装置的第三能量存储装置放电。
12.根据权利要求11所述的电源设备，其特征在于，第一和第二能量存储装置是电容器，第三能量存储装置是电池。
13.根据权利要求4至7中任一项所述的电源设备，包括速度传感器，用于监视发动机/发电机的速度和产生与其相关的速度输出信号，和函数发生器装置，用于从速度输出信号产生功率信号，功率信号表示发动机的功率/速度特性，控制装置利用所述功率信号优化发动机的运行。
14.根据权利要求13所述的电源设备，包括环境压力和温度传感器，用于监视环境压力和温度以及产生相应的压力和温度输出信号，还包括相应的压力和温度函数发生器，用于产生包含发动机减额特性的输出以补偿环境运行压力和温度的变化。
15.根据权利要求13所述的电源设备，包括排气温度传感器，用于监视发动机排气温度和产生排气温度输出信号，排气温度函数发生器，用于从速度输出信号产生排气温度/速度-负载特性信号，控制器，用于从排气温度输出信号和排气温度/速度-负载特性信号之差产生误差信号，从而补偿影响发动机排气温度的因素。
16.本文结合图示任一实施例所述的电源设备。
全文摘要
混合式发电机设备包括发动机/发电机或另一提供可变电压电力输出的可控电源(10),对该输出进行整流并送入DC－DC转换器(12),控制电路(16)监视DC－DC转换器的输出(VDC)。该输出用作中间DC输出,它通常用于为逆变器(14)提供能量以产生为外部负载供电的AC输出。DC－DC转换器的应用使中间DC输出和发电机输出隔离,并且允许发电机组根据负载需求在宽的发动机/发电机速度范围内有效运行。
文档编号H02P9/04GK1246216SQ97181778
公开日2000年3月1日 申请日期1997年12月19日 优先权日1996年12月20日
发明者曼努埃尔·多斯·桑托斯·达·庞特, L·格泽斯亚克, W·科扎拉, P·波斯皮奇, A·尼德兹奥科韦斯基 申请人:曼努埃尔·多斯·桑托斯·达·庞特