專利名稱：具有變速發(fā)電機(jī)組的混合電力系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)涉及一種混合電力(能量，power)系統(tǒng)，更特別地涉及一種具有變速發(fā)電 機(jī)組的混合電力系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
對(duì)于離網(wǎng)(off-grid)應(yīng)用場(chǎng)合，例如遠(yuǎn)程通信場(chǎng)合或偏遠(yuǎn)村莊，需要可靠的電力 供應(yīng)。包含燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)設(shè)備(發(fā)電機(jī)組)和電池組的混合系統(tǒng)通常用于提供 持續(xù)的電力供應(yīng)。但是，在這些混合系統(tǒng)中，燃料補(bǔ)給和維護(hù)成本隨時(shí)間變高。為了降低這 些成本，可使用可再生能量如光電能或風(fēng)能作為主能量源，同時(shí)可使用柴油發(fā)電機(jī)組作為 副能量源。由主或副能量源產(chǎn)生的過(guò)剩的能量/電力(即，未被負(fù)載消耗的能量)可用于 對(duì)構(gòu)造成儲(chǔ)存電能以供備用的電池組充電。通常，能量的大部分由可再生能量源來(lái)產(chǎn)生是 優(yōu)選的。在傳統(tǒng)的使用同步速度發(fā)電機(jī)組的混合發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)中，為了維持發(fā)電機(jī)組的高 效率、限制機(jī)器磨損以及避免在部分加載期間的積碳，一種用于發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)的常用策略 被稱作全功率最短運(yùn)行時(shí)間(FPMRT)策略。該策略要求發(fā)電機(jī)組以全功率工作規(guī)定的最短 運(yùn)行時(shí)間，此后如果負(fù)載能完全由可再生能量源或電池供電，則發(fā)電機(jī)組可關(guān)斷。通常，發(fā) 電機(jī)組的尺寸加大(例如，2. 5倍的加大)以便滿足所預(yù)測(cè)的峰值負(fù)載，即使這種高負(fù)載在 其工作時(shí)間中只會(huì)持續(xù)較短時(shí)間。為了有效地儲(chǔ)存由這種尺寸加大的發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的過(guò)剩 能量，可能需要尺寸加大的電池，這會(huì)大大增加電力系統(tǒng)的成本。此外，由于FPMRT策略必 須將大量的過(guò)剩能量充電給電池，所以相應(yīng)的混合電力系統(tǒng)可能由于對(duì)電池充電的低效而 具有大的能量損失。因此，開(kāi)發(fā)這樣一種混合電力系統(tǒng)是有益的，其使發(fā)電機(jī)組工作以滿足 負(fù)載的電力需求，使得頻繁的電池充電可得以避免。最后，還有利的是，對(duì)應(yīng)于期望的低燃 料消耗，發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子速度是可調(diào)節(jié)的。在授予Erdman的美國(guó)專利No. 5，225，712 ( “’ 712專利”)中記載了一種具有變速 風(fēng)輪機(jī)的風(fēng)能系統(tǒng)。’ 712專利描述了一種變速風(fēng)輪機(jī)，其具有減小或消除輸出線路上的大 的能量波動(dòng)的能力。該變速風(fēng)輪機(jī)包括將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的變速發(fā)電機(jī)、功率變換器和連 接到電能儲(chǔ)存裝置的DC電壓母線(voltage link)。根據(jù)’ 712專利的公開(kāi)內(nèi)容，向公共電 網(wǎng)的電力供應(yīng)由功率變換器處的有源開(kāi)關(guān)來(lái)控制。特別地，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度隨著變化的 風(fēng)速而改變，以改善一定范圍風(fēng)速上的能量回收。盡管在’ 712專利中記載的風(fēng)能系統(tǒng)可有效地用于從風(fēng)能量源發(fā)電，但它也會(huì)存 在問(wèn)題。例如，在’ 712專利中記載的系統(tǒng)可能不可靠。由于’ 712專利的電力系統(tǒng)只由風(fēng) 能量源來(lái)工作，當(dāng)該能量源不可用時(shí)，它將無(wú)法工作。結(jié)果，在風(fēng)能喪失的情況下，依賴于持 續(xù)的電力供應(yīng)的負(fù)載將不能工作。此外，由’ 712專利提供的方案可能不那么有效率和節(jié)省成本。例如，發(fā)電機(jī)根據(jù) 風(fēng)速以可變的速度旋轉(zhuǎn)。結(jié)果，變速發(fā)電機(jī)僅由可用的風(fēng)力源來(lái)驅(qū)動(dòng)，并且以由能量源的特 性(如風(fēng)速)而非由負(fù)載的特性確定的速度來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，它不能基于負(fù)載的電力需求來(lái)有效地提供電力供應(yīng)。于是，儲(chǔ)存裝置如電池必須加大尺寸以確保能儲(chǔ)存所有過(guò)剩的電力。 否則，如果儲(chǔ)存裝置不按比例擴(kuò)大，則可能浪費(fèi)大部分所產(chǎn)生的電力。此外，’ 712專利中記載的系統(tǒng)不包括電壓變換裝置，因此不能提供某些離網(wǎng)應(yīng)用 場(chǎng)合所要求的電壓水平。例如，’712專利中公開(kāi)的電力系統(tǒng)的DC母線電壓可能是一高電 壓(例如，750伏)，這可能不適合低電壓應(yīng)用，例如通常要求48伏供電的遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)。所公開(kāi)的混合電力系統(tǒng)旨在克服上述一個(gè)或多個(gè)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，本發(fā)明涉及一種混合電力系統(tǒng)。該混合電力系統(tǒng)可包括構(gòu)造成提供主能 量/電力的主能量源，和聯(lián)接到所述主能量源的能量?jī)?chǔ)存裝置，所述能量?jī)?chǔ)存裝置構(gòu)造成 儲(chǔ)存由所述主能量源提供的過(guò)剩的主能量。所述混合電力系統(tǒng)還可包括變速發(fā)電機(jī)組，該 變速發(fā)電機(jī)組包括副能量源，該副能量源構(gòu)造成響應(yīng)于負(fù)載的電力需求而以可變的轉(zhuǎn)子速 度工作以提供副能量。所述混合電力系統(tǒng)還可包括通信地聯(lián)接到所述主能量源、所述能量 儲(chǔ)存裝置和所述變速發(fā)電機(jī)組的中央控制器，該中央控制器構(gòu)造成基于所述負(fù)載的電力需 求來(lái)控制所述主能量源、所述能量?jī)?chǔ)存裝置和所述變速發(fā)電機(jī)組。另一方面，本發(fā)明涉及一種混合電力系統(tǒng)控制方法。該混合電力系統(tǒng)控制方法可 包括監(jiān)測(cè)與主能量源相關(guān)的能量水平。所述混合電力系統(tǒng)控制方法還可包括使能量?jī)?chǔ)存裝 置在與所述主能量源相關(guān)的能量水平超過(guò)負(fù)載的電力需求時(shí)儲(chǔ)存過(guò)剩的主能量，以及在與 所述主能量源相關(guān)的能量水平低于所述負(fù)載的電力需求時(shí)釋放所儲(chǔ)存的能量。所述混合電 力系統(tǒng)控制方法還可包括監(jiān)測(cè)所述能量?jī)?chǔ)存裝置中儲(chǔ)存的能量水平，以及在與所述主能量 源相關(guān)的能量水平低于所述負(fù)載的電力需求且所述能量?jī)?chǔ)存裝置中儲(chǔ)存的能量水平低于 閾值水平時(shí)使變速發(fā)電機(jī)組工作，所述變速發(fā)電機(jī)組構(gòu)造成產(chǎn)生副能量。


圖1示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的具有變速發(fā)電機(jī)組的混合電力系統(tǒng)；圖2提供根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的、圖1中公開(kāi)的變速發(fā)電機(jī)組的反饋控制方
案/策略；圖3提供根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的、圖1中公開(kāi)的變速發(fā)電機(jī)的燃料圖譜；圖4示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的、包括將AC電壓降低為期望水平的電力變壓 器的變速發(fā)電機(jī)組的電力電子系統(tǒng)；圖5示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的、包括將DC電壓降低為期望水平的DC-DC變 換器的變速發(fā)電機(jī)組的電力電子系統(tǒng)；以及圖6提供根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的、示出混合電力系統(tǒng)調(diào)度控制程序的流程 圖。
具體實(shí)施例方式圖1示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的具有變速發(fā)電機(jī)組140的混合電力系統(tǒng)10。 混合電力系統(tǒng)10可包括可再生能量源110、能量?jī)?chǔ)存裝置如電池組120、DC-AC逆變器系統(tǒng) 130、變速發(fā)電機(jī)組140和中央控制器150?；旌想娏ο到y(tǒng)10——如其名稱所暗示——結(jié)合
5了至少兩種能量源來(lái)為連接到該系統(tǒng)的負(fù)載供電。根據(jù)所公開(kāi)的一個(gè)實(shí)施例，混合電力系統(tǒng)10可將可再生能量源與傳統(tǒng)的基于燃料的能量源、如柴油能量相結(jié)合。混合電力系統(tǒng)10可工作以基于數(shù)種能量源的可用性交替使用這數(shù)種能量源。例 如，混合電力系統(tǒng)10可使用可再生能量作為主能量源，并且僅在主能量源不可用時(shí)切換到 柴油能量?；蛘撸旌想娏ο到y(tǒng)10可工作以同時(shí)結(jié)合使用數(shù)種能量源來(lái)滿足負(fù)載需求。如 圖1所示，混合電力系統(tǒng)10可用于給至少一個(gè)DC負(fù)載160和/或至少一個(gè)AC負(fù)載170供 H1^ ο可再生能量源110可包括任何類型的可再生能量源，例如太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)帷⑺?電、生物質(zhì)能和生物燃料、或它們的組合。與傳統(tǒng)的、基于燃料的、不可再生的能量相比，這 些可再生能量源是可持續(xù)的，并且在某些偏遠(yuǎn)場(chǎng)所是成本效益高的?？稍偕芰吭?10可 經(jīng)由斷路開(kāi)關(guān)111和充電系統(tǒng)121連接到能量?jī)?chǔ)存裝置，例如電池組120。斷路開(kāi)關(guān)111可 構(gòu)造成隔離和保護(hù)可再生能量源110以免在系統(tǒng)出故障的情況下由于電力波動(dòng)而受到損 害。能量?jī)?chǔ)存裝置如電池組120可構(gòu)造成儲(chǔ)存過(guò)剩的能量，并在需要時(shí)和/或按照混 合電力系統(tǒng)10的一個(gè)或多個(gè)裝置或系統(tǒng)的要求釋放所儲(chǔ)存的能量以供使用。按照與所公 開(kāi)的一個(gè)實(shí)施例，由可再生能量源110提供的過(guò)剩能量可由充電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為電力并用于給 電池組120充電。盡管在所示實(shí)施例中示出的是電池組120，但本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然應(yīng)當(dāng)明 白，能量?jī)?chǔ)存裝置也可包括其它類型的裝置，例如燃料電池系統(tǒng)中的重整器、慣性輪或超級(jí) 電容器。當(dāng)可再生能量源110不可用或不足以滿足負(fù)載的電力需求時(shí)，電池組120可釋放 儲(chǔ)存在其中的能量來(lái)供電。電池組120可電聯(lián)接到DC負(fù)載160并構(gòu)造成向DC負(fù)載160提 供DC電力。電池組120也可經(jīng)DC-AC逆變器系統(tǒng)130電聯(lián)接到AC負(fù)載170。DC-AC逆變 器系統(tǒng)130可包括構(gòu)造成將由電池組120提供的DC電力轉(zhuǎn)換成AC電力以驅(qū)動(dòng)AC負(fù)載170 的多個(gè)電力電子開(kāi)關(guān)裝置。儲(chǔ)存在電池組120中的過(guò)剩能量是有限的并且可能僅足以為負(fù)載短時(shí)間供電。因 此，可包含副能量源作為混合電力系統(tǒng)10的一部分，以便在可再生能量源110不可用且電 池組120中的能量低于一閾值水平時(shí)提供備用電力供應(yīng)。所述閾值水平可存儲(chǔ)在中央控制 器150中。其可由用戶設(shè)定并例如被選擇為這樣的水平，該水平能延長(zhǎng)電池壽命或者提供 允許副能量源起動(dòng)和/或達(dá)到穩(wěn)態(tài)速度的充足的貯留水平。按照?qǐng)D1中公開(kāi)的實(shí)施例，可包括有變速發(fā)電機(jī)組140。變速發(fā)電機(jī)組140可設(shè)置 在可再生能量源110和負(fù)載附近。作為替換地或附加地，變速發(fā)電機(jī)組140可構(gòu)造成經(jīng)電 力輸送線路向偏遠(yuǎn)位置供應(yīng)電力。變速發(fā)電機(jī)組140可包括至少一個(gè)變速發(fā)電機(jī)141、電力 電子系統(tǒng)142和遠(yuǎn)程起動(dòng)控制器143。變速發(fā)電機(jī)組140可聯(lián)接到原動(dòng)機(jī)(未示出)，例如 柴油或汽油內(nèi)燃機(jī)。變速發(fā)電機(jī)組140可構(gòu)造成經(jīng)與變速發(fā)電機(jī)組140的轉(zhuǎn)子聯(lián)接的軸接 收機(jī)械動(dòng)力，由此產(chǎn)生電力輸出。變速發(fā)電機(jī)組140可構(gòu)造成根據(jù)負(fù)載的電力需求產(chǎn)生電 力。此外，變速發(fā)電機(jī)組140還可構(gòu)造成提供電力以給電池組120充電。變速發(fā)電機(jī)141可聯(lián)接到副能量源(未示出)，例如柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，并且工作以將由 副能量源提供的能量轉(zhuǎn)換成電力。變速發(fā)電機(jī)141可構(gòu)造成以可變的轉(zhuǎn)子速度工作并產(chǎn)生 具有可變頻率的電力。所產(chǎn)生的電力的量可被調(diào)節(jié)成使得其滿足負(fù)載的電力需求。變速發(fā)電機(jī)141的非限制性示例包括繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)發(fā)電機(jī)、自勵(lì)感應(yīng)發(fā)電機(jī)、定子變換器控制的 感應(yīng)發(fā)電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)、或任何其它適當(dāng)?shù)淖兯侔l(fā)電機(jī)。變速發(fā)電 機(jī)141可經(jīng)由電力電子系統(tǒng)142聯(lián)接到DC負(fù)載160和/或AC負(fù)載170。在本公開(kāi)后面的 根據(jù)圖4和圖5的部分中包括了關(guān)于電力電子系統(tǒng)142的更詳細(xì)的說(shuō)明。在所產(chǎn)生電力的 頻率與負(fù)載的頻率匹配的情況下，變速發(fā)電機(jī)組140也可直接聯(lián)接到AC負(fù)載170。變速發(fā)電機(jī)141可由遠(yuǎn)程起動(dòng)控制器143來(lái)操控。遠(yuǎn)程起動(dòng)控制器143可與中央 控制器150通信，并且可構(gòu)造成基于從中央控制器150接收到的控制信號(hào)來(lái)工作。例如，遠(yuǎn) 程起動(dòng)控制器143可從中央控制器150接收負(fù)載信息，并工作以響應(yīng)于所接收到的負(fù)載信 息設(shè)定變速發(fā)電機(jī)141的轉(zhuǎn)子速度。中央控制器150可包括運(yùn)行應(yīng)用程序所需的一個(gè)或多個(gè)部件，例如，存儲(chǔ)器、輔助 存儲(chǔ)裝置和處理器如中央處理單元。中央控制器150可聯(lián)接到DC負(fù)載160和AC負(fù)載170， 并且可構(gòu)造成監(jiān)測(cè)負(fù)載的電力需求。中央控制器150可聯(lián)接到電池組120和充電系統(tǒng)121 以控制電池的充電和放電。中央控制器150還可聯(lián)接到電力電子系統(tǒng)142和DC-AC逆變器 系統(tǒng)130，并且可控制多個(gè)電力電子裝置的開(kāi)關(guān)以實(shí)現(xiàn)期望的功率轉(zhuǎn)換。圖2提供了根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的、圖1中公開(kāi)的變速發(fā)電機(jī)組140的反饋 控制方案。該反饋控制方案可改善發(fā)電機(jī)組效率，同時(shí)免除對(duì)調(diào)速器的需要。如圖2所示， 負(fù)載160的期望電力(功率)的變化可最先在電力電子系統(tǒng)142中檢測(cè)出來(lái)。例如，當(dāng)產(chǎn) 生這種變化時(shí)電池組120可能會(huì)被耗電(drawn)。對(duì)期望負(fù)載的這種先導(dǎo)認(rèn)知可用于使發(fā) 電機(jī)組針對(duì)負(fù)載160的給定電力需求以最小的燃料消耗工作。按照所公開(kāi)的一個(gè)實(shí)施例，中央控制器150可包括存儲(chǔ)單元151。存儲(chǔ)單元151可 構(gòu)造成存儲(chǔ)變速發(fā)電機(jī)141的燃料圖譜。圖3提供了根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的、圖1中 公開(kāi)的變速發(fā)電機(jī)141的燃料圖譜。該燃料圖譜可包括多條燃料消耗曲線，其中每條曲線 都對(duì)應(yīng)于變速發(fā)電機(jī)組140的唯一的燃料消耗水平。例如，在圖3中的每條曲線上都標(biāo)注 了燃料消耗水平。對(duì)于某單條曲線而言，曲線上的每個(gè)點(diǎn)都對(duì)應(yīng)于變速發(fā)電機(jī)組140的輸 出轉(zhuǎn)矩(以Nm計(jì))和轉(zhuǎn)子速度(以rev/min計(jì))?；谪?fù)載的電力需求，中央控制器150可確定與原動(dòng)機(jī)相關(guān)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩以滿足電 力需求。中央控制器150可構(gòu)造成基于所述目標(biāo)轉(zhuǎn)矩針對(duì)變速發(fā)電機(jī)組140的原動(dòng)機(jī)確定 和選擇轉(zhuǎn)子速度，以限制發(fā)電機(jī)的燃料消耗。中央控制器150還可確定與所需的轉(zhuǎn)子速度 對(duì)應(yīng)的最小穩(wěn)態(tài)燃料噴射量。同時(shí)，變速發(fā)電機(jī)141的電力輸出可被監(jiān)測(cè)和與負(fù)載160的電力需求進(jìn)行比較。 這兩者之間的差可在反饋控制節(jié)點(diǎn)152獲取，并且該差可作為反饋信號(hào)被送到比例-積 分-微分(PID) /比例-積分(PI) /比例-微分(PD)控制器153中。PID/PI/PD控制器153 可提供一輸出以調(diào)節(jié)噴射控制信號(hào)。PID/PI/PD控制器153的輸出與噴射控制信號(hào)之間的 差可在前饋控制節(jié)點(diǎn)154獲取，并且該結(jié)果可作為噴射控制信號(hào)被送到變速發(fā)電機(jī)141。這 種調(diào)節(jié)可提供這樣一種前饋控制，該前饋控制使得對(duì)于改變負(fù)載160的電力需求的瞬態(tài)響 應(yīng)最優(yōu)化，并且將穩(wěn)態(tài)誤差減到最小。因此，可響應(yīng)于負(fù)載160的電力需求來(lái)調(diào)節(jié)變速發(fā)電機(jī)組140的運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)限制原 動(dòng)機(jī)的燃料消耗。如圖2所示的公開(kāi)實(shí)施例中的前饋和反饋控制方案的結(jié)合可使發(fā)電機(jī)組 電力輸出與負(fù)載需求有效地匹配，同時(shí)允許發(fā)動(dòng)機(jī)速度按需要改變。
由變速發(fā)電機(jī)141產(chǎn)生的AC電力可能不具有與負(fù)載直接匹配的電壓和/或頻率。 例如，所產(chǎn)生的AC電壓可能超過(guò)500伏，但是遠(yuǎn)程通信應(yīng)用場(chǎng)合需要48v/24v的低壓供電。 作為另一個(gè)例子，所產(chǎn)生的AC電壓可具有與轉(zhuǎn)子速度成比例的可變頻率，但是連接到混合 電力系統(tǒng)19的AC馬達(dá)可能需要具有60Hz的恒定頻率的電壓供應(yīng)。因此，變速發(fā)電機(jī)組 140可包括根據(jù)負(fù)載的需求具有調(diào)節(jié)電壓的電壓調(diào)整器和改變所產(chǎn)生電力的頻率的變頻器 的電力電子系統(tǒng)142。如圖4和圖5所示，電力電子系統(tǒng)142可尤其包括構(gòu)造成調(diào)整電壓的電力變壓器 310或DC-DC變換器410、構(gòu)造成將AC電力轉(zhuǎn)換成DC電力的AC-DC變換器320、構(gòu)造成將 DC電力轉(zhuǎn)換成AC電力的DC-AC變換器330以及濾波和電壓升高單元(VSU) 340。圖4示出 根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的變速發(fā)電機(jī)組140的電力電子系統(tǒng)142，其包括將AC電壓調(diào)節(jié) 到期望水平的電力變壓器310。按照所公開(kāi)的實(shí)施例，電壓調(diào)整器可具體表現(xiàn)為電聯(lián)接到變速發(fā)電機(jī)141的電力 變壓器310。電力變壓器310可包括感應(yīng)聯(lián)接線絲的初級(jí)繞組和次級(jí)繞組，并且可構(gòu)造成將 次級(jí)感應(yīng)AC電壓從初級(jí)AC電壓調(diào)整一系數(shù)，該系數(shù)等于它們各自繞組中的線絲匝數(shù)的比 率。例如，電力變壓器310可具有10 1的調(diào)整系數(shù)，從而500伏的電壓可降低為50伏。 經(jīng)調(diào)整的AC電壓可由AC-DC變換器320轉(zhuǎn)換成DC母線電壓?；蛘?，電壓在AC-DC轉(zhuǎn)換后能以DC形式被調(diào)整。圖5示出變速發(fā)電機(jī)組140的電 力電子系統(tǒng)142的替換實(shí)施例。在該實(shí)施例中，電壓調(diào)整器可具體表現(xiàn)為根據(jù)本發(fā)明另一 示例性實(shí)施例的、構(gòu)造成將DC電壓調(diào)節(jié)到期望水平的DC-DC變換器410。DC-DC變換器410 可包括構(gòu)造成經(jīng)由開(kāi)關(guān)模式轉(zhuǎn)換將一個(gè)DC電壓水平轉(zhuǎn)換為另一個(gè)DC電壓水平的電力電子 電路。按照所公開(kāi)的一個(gè)實(shí)施例，DC-DC變換器410可以是具有高調(diào)整比率(例如，10 1) 的高頻全橋DC-DC變換器。按照所公開(kāi)的另一個(gè)實(shí)施例，DC-DC變換器410也可以是具有 較低調(diào)整比率(例如，4 1)的降壓型DC-DC變換器。如圖4和圖5兩圖所示，變頻器可使用雙轉(zhuǎn)換過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率變化。該過(guò)程可包 括AC-DC轉(zhuǎn)換，后接DC-AC轉(zhuǎn)換。AC-DC變換器320可包括構(gòu)造成將AC電力轉(zhuǎn)換成DC電力 的多個(gè)電力電子裝置。按照所公開(kāi)的一個(gè)實(shí)施例，AC-DC變換器320可包括構(gòu)造成抵消電負(fù) 載的不期望作用(產(chǎn)生小于1的功率因數(shù))的功率因數(shù)修正電路。AC-DC變換器320還可 包括構(gòu)造成在多種負(fù)載條件下將電壓調(diào)節(jié)在恒定值附近的電壓調(diào)節(jié)電路。來(lái)自AC-DC變換 器320的DC電力輸出可用于驅(qū)動(dòng)DC負(fù)載，例如遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)，和/或給電池組120充電。DC-AC逆變器330可包括多個(gè)電力電子裝置并構(gòu)造成與AC-DC變換器320相反地 將DC電力轉(zhuǎn)換為AC電力。例如，所述多個(gè)電力電子裝置可接通和切斷以進(jìn)行DC電壓的脈 沖寬度調(diào)制(PWM)。脈沖寬度調(diào)制利用方波，該方波的占空比根據(jù)AC負(fù)載170的期望頻率 被調(diào)制，從而引起波形平均值的變動(dòng)。PWM調(diào)制信號(hào)可由濾波和VSU 340進(jìn)行濾波以除去高 頻成分，從而產(chǎn)生期望頻率的AC電壓。AC電壓還可基于AC負(fù)載170的需要由濾波和VSU 340升高。DC-DC變換器410、AC-DC變換器320和DC-AC逆變器330的操作可全都由中央控 制器150控制。中央控制器150可收集負(fù)載信息，至少包括期望的電壓水平和期望的頻率。 因此，中央控制器150可確定各單個(gè)功率變換器的開(kāi)關(guān)方案并向它們的電力電子裝置發(fā)送 驅(qū)動(dòng)電流。
工業(yè)應(yīng)用性盡管所公開(kāi)的實(shí)施例是結(jié)合給離網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)合(更特別地，遠(yuǎn)程通信系統(tǒng))供電來(lái) 描述的，但是所公開(kāi)的混合電力系統(tǒng)可用在需要可靠和經(jīng)濟(jì)的電力供應(yīng)的任何環(huán)境中。具 體地，混合電力系統(tǒng)10可提供可再生能量作為主能量源，將過(guò)剩的主能量?jī)?chǔ)存在能量?jī)?chǔ)存 裝置120中，并在主能量源不可用且能量?jī)?chǔ)存裝置低于閾值水平時(shí)起動(dòng)變速發(fā)電機(jī)組140 以基本按照負(fù)載提供副能量。此外，所公開(kāi)的混合電力系統(tǒng)可構(gòu)造成使變速發(fā)電機(jī)組140 以與最佳燃料效率對(duì)應(yīng)的速度運(yùn)行。圖6提供了根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的、示出混合電力系統(tǒng)調(diào)度控制程序500的 流程圖。如圖6所示，程序500可判定主能量源即可再生能量源110是否可用(步驟501)。 如果主能量源可用(步驟501 是)，則程序500可控制主能量源110繼續(xù)給負(fù)載供電(步 驟502)并控制電池組120儲(chǔ)存過(guò)剩的主能量(步驟503)。步驟501可持續(xù)不斷地重復(fù)進(jìn) 行以監(jiān)測(cè)可再生能量源110和判定主能量源110是否可用。根據(jù)圖6所示的示例性程序，如果主能量源不可用(步驟501 否)(例如，光電電 池的陽(yáng)光不足，風(fēng)電裝置的風(fēng)速不夠，等等)，則程序500可判定電池組120中儲(chǔ)存的能量 是否足以滿足負(fù)載的電力需求(步驟504)。如果電池組120中儲(chǔ)存的能量足以滿足負(fù)載 (步驟504 否)，則程序500可控制電池組120釋放其中儲(chǔ)存的能量，從而給負(fù)載供電(步 驟505)。例如，控制器150可控制電池組120直接給DC負(fù)載如遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)供電。作為另 一個(gè)例子，控制器150可控制電池組120經(jīng)DC-AC變換器130給AC負(fù)載供電。同樣，步驟 501可持續(xù)不斷地重復(fù)進(jìn)行以監(jiān)測(cè)可再生能量源110和判定主能量源是否可用。如圖6所示，如果電池組的能量過(guò)低而無(wú)法滿足負(fù)載(步驟504 是)，則程序500 可命令遠(yuǎn)程起動(dòng)控制器143并起動(dòng)變速發(fā)電機(jī)組140 (步驟506)。程序500還可調(diào)節(jié)變速 發(fā)電機(jī)組140的轉(zhuǎn)子速度(步驟507)。轉(zhuǎn)子速度可基于負(fù)載的電力需求從燃料圖譜中選 擇。例如，中央控制器150可確定為滿足負(fù)載的電力需求變速發(fā)電機(jī)組140所需的電力量。 然后中央控制器150可確定變速發(fā)電機(jī)組140的原動(dòng)機(jī)所需的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩輸出以提供滿足電 力需求所需的電力量。基于所述目標(biāo)轉(zhuǎn)矩輸出，中央控制器150可沿限制原動(dòng)機(jī)所消耗的 燃料量的燃料等值曲線來(lái)確定和選擇轉(zhuǎn)子速度。例如，連接到混合電力系統(tǒng)10的負(fù)載之一、如遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)中的一附屬部件可被 關(guān)斷，從而導(dǎo)致遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)的電力需求減小。該負(fù)載變化可被傳達(dá)給中央控制器150。然 后中央控制器150可對(duì)照所存儲(chǔ)的燃料圖譜(例如圖3所示的燃料圖譜)查找電力需求， 以確定與最低的燃料消耗對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子速度。例如，在所述附屬部件被關(guān)斷之前，所需的總電 力可能對(duì)應(yīng)于200Nm的需求轉(zhuǎn)矩輸出，且由此變速發(fā)電機(jī)組140能以1300reV/min的轉(zhuǎn)子 速度運(yùn)轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)220的最佳燃料消耗。在所述附屬部件被關(guān)斷后，負(fù)載所需的電力可能減 小到180Nm的對(duì)應(yīng)需求轉(zhuǎn)矩輸出。保持以1300reV/min的轉(zhuǎn)子速度運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生222的燃 料消耗。中央控制器150可構(gòu)造成針對(duì)新的電力需求找出新的最佳速度。根據(jù)圖3所示的 燃料圖譜，與180Nm的輸出能量對(duì)應(yīng)的最佳燃料消耗為218，且因此，最佳的轉(zhuǎn)子速度將在 1000rev/min左右。因此，中央控制器150可命令遠(yuǎn)程起動(dòng)控制器143調(diào)節(jié)變速發(fā)電機(jī)141 的轉(zhuǎn)子速度。程序500還可利用變速發(fā)電機(jī)組140給電池組120充電(步驟508)?；蛘撸绦?500可跳過(guò)步驟508并不對(duì)電池充電，直到主能量源再次可用。程序500可持續(xù)不斷地監(jiān)測(cè)可再生能量源110并判定主能量源是否重新可用(步驟509)。一旦可再生能量源110再次 可用(步驟509:是)，程序500可停止變速發(fā)電機(jī)組140(步驟510)并使用步驟502以主 能量源給負(fù)載供電。如果可再生能量源110仍不可用(步驟509:否)，則程序500可重復(fù) 步驟507-509以用變速發(fā)電機(jī)組140給負(fù)載供電。按照本發(fā)明所公開(kāi)的實(shí)施例，變速發(fā)電機(jī)組140可改善燃料效率及由此混合電力 系統(tǒng)10的成本效益。例如，變速發(fā)電機(jī)組140可根據(jù)負(fù)載的電力需求以可變的速度旋轉(zhuǎn)。 與不考慮負(fù)載的需求而以單一的電力水平和頻率工作的傳統(tǒng)FPMRT系統(tǒng)相比，當(dāng)前公開(kāi)的 混合電力系統(tǒng)10可按負(fù)載的電力需求被驅(qū)動(dòng)，由此限制電池充電和放電期間的能量損失 (約20% )。此外，由于沒(méi)有由發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的過(guò)剩電力需要儲(chǔ)存，所以電池組120可不必 加大尺寸。結(jié)果，與需要尺寸加大的電池單元的傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，電池組120的購(gòu)買(mǎi)、維護(hù)和 維修成本可大大降低。另外，由于中央控制器150采用燃料圖譜、基于負(fù)載的電力需求來(lái)確定變速發(fā)電 機(jī)組140的最佳運(yùn)轉(zhuǎn)速度，所以可消耗更少的燃料。由于燃料成本占混合電力系統(tǒng)10的總 成本的大部分，所以結(jié)合燃料圖譜及其相應(yīng)的控制策略可提高系統(tǒng)的效率和成本效益。此外，通過(guò)提供調(diào)節(jié)變速發(fā)電機(jī)組140的電力輸出頻率和電壓水平的電力電子系 統(tǒng)142，混合電力系統(tǒng)10可構(gòu)造成為用戶定制電壓供應(yīng)以滿足特定的離網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)合的需 求。例如，聯(lián)接到混合電力系統(tǒng)10的遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)可能需要48v或24v的電壓供應(yīng)。如圖 4和圖5中的示例性實(shí)施例所公開(kāi)的那樣，可包含電力變壓器310或DC-DC變換器以將電壓 調(diào)整到期望水平。作為另一個(gè)例子，聯(lián)接到混合電力系統(tǒng)10的附配裝置可能包括需要60Hz 的電壓供應(yīng)的AC馬達(dá)。如圖4和圖5中的示例性實(shí)施例所公開(kāi)的那樣，電力電子系統(tǒng)142 可包括AC-DC變換器和DC-AC變換器以通過(guò)AC-DC-AC雙轉(zhuǎn)換改變供電的頻率。本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然清楚，可對(duì)所公開(kāi)的混合電力系統(tǒng)作出各種改進(jìn)和修改而不 會(huì)脫離本發(fā)明的范圍。鑒于本說(shuō)明書(shū)和對(duì)本發(fā)明的實(shí)踐，本發(fā)明的其它實(shí)施例對(duì)于本領(lǐng)域 技術(shù)人員而言也是顯而易見(jiàn)的。本說(shuō)明書(shū)和示例應(yīng)被看作僅僅是示例性的，本發(fā)明的真正 范圍由所附權(quán)利要求及其等同物指明。
10
權(quán)利要求
一種混合電力系統(tǒng)(10)，包括構(gòu)造成提供主能量的主能量源(110)；聯(lián)接到所述主能量源的能量?jī)?chǔ)存裝置(120)，所述能量?jī)?chǔ)存裝置構(gòu)造成儲(chǔ)存由所述主能量源提供的過(guò)剩的主能量；變速發(fā)電機(jī)組(140)，該變速發(fā)電機(jī)組包括副能量源，該副能量源構(gòu)造成響應(yīng)于負(fù)載(160或170)的電力需求而以可變的轉(zhuǎn)子速度工作以提供副能量；和通信地聯(lián)接到所述主能量源、所述能量?jī)?chǔ)存裝置和所述變速發(fā)電機(jī)組的中央控制器(150)，該中央控制器構(gòu)造成基于所述負(fù)載的電力需求來(lái)控制所述主能量源、所述能量?jī)?chǔ)存裝置和所述變速發(fā)電機(jī)組。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合電力系統(tǒng)，其特征在于，所述變速發(fā)電機(jī)組包括 至少一個(gè)構(gòu)造成提供可變頻率電力輸出的變速發(fā)電機(jī)(141)；電力電子系統(tǒng)(142)，該電力電子系統(tǒng)構(gòu)造成將所述可變頻率電力輸出轉(zhuǎn)換成與所述 負(fù)載的電力需求相關(guān)的固定頻率；和遠(yuǎn)程起動(dòng)控制器(143)，該遠(yuǎn)程起動(dòng)控制器構(gòu)造成遠(yuǎn)程地操控所述至少一個(gè)變速發(fā)電 機(jī)和所述電力電子系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的混合電力系統(tǒng)，其特征在于，所述電力電子系統(tǒng)包括 構(gòu)造成改變電壓的頻率的變頻器；和構(gòu)造成調(diào)整電壓水平的電壓調(diào)整器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合電力系統(tǒng)，其特征在于，所述主能量源是可再生能量源 (110)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合電力系統(tǒng)，其特征在于，所述能量?jī)?chǔ)存裝置還聯(lián)接到所 述變速發(fā)電機(jī)組并構(gòu)造成儲(chǔ)存由所述變速發(fā)電機(jī)組提供的過(guò)剩的副能量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合電力系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器構(gòu)造成 持續(xù)不斷地檢測(cè)所述負(fù)載的電力需求；以及利用反饋控制方案調(diào)節(jié)所述變速發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子速度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的混合電力系統(tǒng)，其特征在于，所述中央控制器存儲(chǔ)燃料圖譜， 基于該燃料圖譜，所述變速發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子速度響應(yīng)于所述負(fù)載的電力需求被選定。
8.一種混合電力系統(tǒng)控制方法，包括 監(jiān)測(cè)與主能量源(110)相關(guān)的能量水平；使能量?jī)?chǔ)存裝置(120)在與所述主能量源相關(guān)的能量水平超過(guò)負(fù)載(160或170)的電 力需求時(shí)儲(chǔ)存過(guò)剩的主能量，以及在與所述主能量源相關(guān)的能量水平低于所述負(fù)載的電力 需求時(shí)釋放所儲(chǔ)存的能量；監(jiān)測(cè)所述能量?jī)?chǔ)存裝置中儲(chǔ)存的能量水平；以及在與所述主能量源相關(guān)的能量水平低于所述負(fù)載的電力需求且所述能量?jī)?chǔ)存裝置中 儲(chǔ)存的能量水平低于閾值水平時(shí)使變速發(fā)電機(jī)組(140)工作，所述變速發(fā)電機(jī)組構(gòu)造成產(chǎn) 生副能量。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，使所述變速發(fā)電機(jī)組工作包括 確定所述負(fù)載的電力需求；持續(xù)不斷地監(jiān)測(cè)所述負(fù)載的電力需求；以及響應(yīng)于所述負(fù)載的電力需求、基于燃料圖譜、利用反饋控制方案調(diào)節(jié)所述變速發(fā)電機(jī) 組的轉(zhuǎn)子速度。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述變速發(fā)電機(jī)組包括電力電子系統(tǒng) (142)，所述方法還包括基于所述負(fù)載的電力需求使所述電力電子系統(tǒng)調(diào)節(jié)所述副能量的頻率。
全文摘要
公開(kāi)了一種混合電力系統(tǒng)(10)。該混合電力系統(tǒng)可包括構(gòu)造成提供主能量的主能量源(110)，和聯(lián)接到所述主能量源的能量?jī)?chǔ)存裝置(120)，所述能量?jī)?chǔ)存裝置構(gòu)造成儲(chǔ)存由所述主能量源提供的過(guò)剩的主能量。所述混合電力系統(tǒng)還可包括變速發(fā)電機(jī)組(140)，該變速發(fā)電機(jī)組包括副能量源，該副能量源構(gòu)造成響應(yīng)于負(fù)載(160或170)的電力需求而以可變的轉(zhuǎn)子速度工作以提供副能量。所述混合電力系統(tǒng)還可包括通信地聯(lián)接到所述主能量源、所述能量?jī)?chǔ)存裝置和所述變速發(fā)電機(jī)組的中央控制器(150)，該中央控制器構(gòu)造成基于所述負(fù)載的電力需求來(lái)控制所述主能量源、所述能量?jī)?chǔ)存裝置和所述變速發(fā)電機(jī)組。
文檔編號(hào)H02J3/46GK101878575SQ200880118215
公開(kāi)日2010年11月3日 申請(qǐng)日期2008年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月30日
發(fā)明者D·于, M·P·里施蒂, M·S·依林達(dá)拉, M·T·穆勒 申請(qǐng)人:卡特彼勒公司