CN101902194B - 电力发电机的功率控制器 - Google Patents

Abstract

一种电力系统，包括多个可变负载；发电机，经由输出端给可变负载提供电能；多个系统传感器，感测与发电机的运行相关的多个发电机参数，这些发电机参数包括发电机的输出端上的电压以及从发电机输出端上流出的电流；发电机控制器，其与多个系统传感器相连接，用于接收可以表征多个发电机参数的数据，并且由此确定当前发电机输出功率的代表值以及发电机的电力容量；至少一个负载控制器，其可通讯地连接在发电机控制器上，用于接收可以表征当前发电机输出功率的代表值以及发电机电力容量的数据，并且控制至少一个可变负载的功耗，其是当前发电机输出功率代表值和发电机电力容量的函数。

Description

电力发电机的功率控制器

本申请是申请日为2006年6月16日的同名中国专利申请200610110175.3的分案申请。

相关申请的交叉引用

在此参照由Wei Wei Qi，Michael Rubbo，和Richard Wainwright于本申请申请日提交的题为“电力发电机的安全控制器”的共同待审美国专利申请序列第。

技术领域

本发明涉及一种电力发电系统，尤其涉及一种具有自动监测其容量的电力发电机，其与至少一个智能负载相配合，安全地利用传统上发电机所产生的剩余发电容量。

背景技术

多种专用的电力系统应用和场所需要不依赖于标准电网的电源，在这些应用和场所中使用电力发电机。通常，电力发电机被用作车、船用电源或偏远地区电源的原动力，这些偏远地区诸如在钻油平台上、小镇上、小岛上、或运输管线上等地方，电力发电机通常还用作在未接入标准电网运行时，最初操作的后备电源。

由于电力发电机充当主要角色，因此希望发电机可以在所有条件下都能够作用，或是至少能够部分作用。事实上传统的发电机受制于其负载，而负载的最大总和可能大大超过发电机的额定容量，因此保持发电机处于满容量运行是很困难的。因为发电机本身不能直接控制其输出功率；而只能控制它自己的输出电压。实际上是发电机的负载来控制来自发电机的输出功率。这样，为了避免出现可能会损坏发电机的过载条件，传统的发电机基于过载条件指示器的检测结果，诸如过温，简单地切断发电机。

发电机主要具有额定连续容量，其定义为在不给发电机造成损坏的条件下发电机可以在一段时间内产生的最大电能总量。发电机还具有额定浪涌容量，其定义为发电机可以在一段给定时间内保持不变的一个值，其中给定时间诸如是发电机在电能需求时经历浪涌的时间，该浪涌是由于发电机负载在通断状态之间转变而引起的。

额定连续容量和浪涌容量都是发电机可以实际处理的非常保守的估计值。也就是说，大多数传统的发电机都能产生比其额定允许值大很多的电能，而在使用时我们却忽视了许多发电机的发电能力。但是为了确保发电机连续运行，发电机一般选用具有一个足够大的连续容量，使其可以满足所有负载同时以满负荷运行。这种设想的结果常常是选择一个其容量大于所需的发电机，或是增加一个第二发电机，从而允许连接在第一发电机上的负载减小。然而在许多情形下，处于费用、重量、体积、以及使用效率方面的考虑，这些解决方案并不恰当。因此，需要一种能够充分利用其容量的发电机。

发明内容

本发明是可以使电力发电机的全部电力容量被至少一个连接在发电机输出端上的智能负载使用的系统和方法。根据本发明，获取可以确定发电机的当前输出功率和发电机的电力容量的数据。并将这些可以表征发电机的当前输出功率和发电机的电力容量的数据提供给智能负载，用于使智能负载确定其功耗。

附图说明

图1是表示发电机的全部发电容量的典型发电机的两个功率与时间关系图。

图2是根据本发明的电力系统的框图。

具体实施方式

本发明是涉及一种结合功率控制系统的发电机，与仅将功耗限制为其额定容量的现有发电机不同，本发明的发电机力求俘获和使用发电机的全部电能。图1是用于表示发电机的全部容量的典型发电机的功率与时间关系图。图1表示发电机产生的电能总量是发电机可以持续发电并且发电机自身的给定现存系统参数不会有损害的时间的函数，其中系统参数可以是环境温度、发电机各种部件的温度、发电机的转速、发电机输出频率。当系统参数变化时，发电机的容量也随之发生变化。例如，当发电机的环境温度升高时，发电机的容量降低。这样，对于不同的系统参数都存在图1所示的功率-时间关系6和8，其中功率-时间关系6表示对于第一套系统参数(例如，低环境温度)的发电机容量，功率-时间关系8表示对于第二套系统参数(例如高环境温度)的发电机能量。

如图1所示，典型的发电机可以产生相对较高的功率，但是只能保持很短的时间。当产生的功率减少时，发电机可持续产生电能的时间增长。最后，持续产生的电能停留在一个稳定的值。

传统发电机的额定持续容量和额定浪涌容量一般可以由发电机的功率-时间特性得出。也就是说，这些额定值主要是由对应于假想恶劣环境下的发电机的功率-时间关系确定的。额定持续容量一般是假想恶劣环境下的功率-时间关系的稳态值，而额定浪涌容量为该持续容量的倍数。该额定浪涌容量实际上可以小于发电机可以发出的最大电能。

本发明可以使发电机发出超过其总容量的电能，而不是仅将发电机限制为其额定持续容量。图2是根据本发明的电力系统10的框图。电力系统10包括的电力发电机12，用于给多个不同类型的负载提供电能。为了便于阐述，图2所示的发电机12带有三个负载14，16和18。

如图2所示，发电机12是无刷电机，其将原动机19产生的旋转能量转换成多相交流电(AC)。然而本发明并不仅限于无刷电机，也可以采用其他类型的发电机来替代无刷电机12。众所周知，无刷电机12包括调压器20(或控制器或处理器)、具有定子场绕组22和转子场绕组24的励磁器、旋转整流器25、以及具有转子场绕组26和定子场绕组28的主电机。励磁转子场绕组24、旋转整流器25和主电机场绕组26共用一个转子，并且通过气隙与具有励磁定子场绕组22和主电机定子场绕组28的定子分隔开。

发电机12的传统发电工作过程是众所周知的。在工作时，调压器20接收来自电池30的直流(DC)电压。同时也可使用永磁发电机或其他DC电压源来代替电池30。调压器20给励磁定子场绕组22提供第一DC电压，随后形成磁场。励磁转子场绕组24在该磁场中旋转，产生第一多相AC电压。然后第一AC电压被提供给旋转整流器25，其将第一AC电压调整为第二DC电压并提供给主发电机转子场绕组26。然后主发电机转子场绕组中的电流产生磁场，随后在主发电机定子绕组28的输出上产生感应多相AC电能。该AC电能被提供给发电机12的负载14，16，和18，同时反馈给电压调节器20。

调压器20利用该反馈帮助发电机12的输出保持为一个恒定的电压，否则的话发电机12的输出就会因为发电机12的转子的可变转速这样的因素而变化。调压器12是通过测量发电机12的输出电压，和调节闭环方式所需的提供给励磁定子绕组22的电流来实现这个目的的。

发电机12增加了功率管理逻辑和通讯能力，其允许俘获并且使用发电机12的全部发电能力，从而对传统的发电机进行了改进。本发明主要使发电机12增加了控制其自身电能产生和各种系统参数的能力、以及由此确定其当前发电能力的能力，下面将对此有更加全面的描述。换句话说，本发明给发电机12提供了智能，使其可以得出以下问题的答案：“我现在正在作什么？”“我能够作什么”。随后将该信息传送给至少一个智能负载，该负载能够根据发电机12的能力调节其消耗。这样，就给电力系统10提供了一个机会，使其可以使用传统上意义的发电机12的剩余发电能力。在图2的实施方式中，给调压器20增加了这些能力，但是在替换实施方式中，可以增加一个单独的控制器来实施这些技术特征。

如上面参照附图1所描述的，发电机12的发电能力(即它所能做什么)直接受到发电机12的系统参数(即它现在在作什么)的影响。由于这个原因，本发明的一个重要方面就是发电机12具有能获知其系统参数的能力。因此，发电机12包括系统传感器32，用于感应和/或测量与发电机12的工作有关的多个系统参数，诸如其环境温度、定子温度、转子温度、励磁器产生的能量、转子的转速、或输出信号的频率。系统传感器32可以包括硬件和/或软件，这些硬件和/或软件可以包含在一个或多个用于感应、测量、或确定各个系统参数的装置内。此外，系统传感器32可以采用多种传统的方式实现。随后可以表征这些系统参数的数据被提供给调压器20。该系统传感器32包括用于确定输出端上的电压和电流的硬件和/或软件。

重要的是，这些系统参数还包括提供给发电机12的输出端上的电压，和从发电机12的输出端上引出的电流。通过这两个值，调压器20可以计算出当前输出功率的表示值，其是发电机12的输出端上的电压和发电机12的输出端上的电流的乘积。但该值并不等于发电机12实际提供的功率，而是表示所提供功率的校正表示值。系统传感器32包括硬件/或软件，用来确定输出端上提供的电压，和引出的电流。

其他一些调压器20所包括的系统参数的信息是发电机12以某一特定的输出功率运行的时间，如上所述，较高的输出功率能维持一段时间，因此，发电机12可以包括一些硬件和/或软件，用来监测发电机12在其额定持续容量之上运行的时间长度。

调压器20估算当前输出功率的表示值和其余的系统参数，从而确定发电机12的当前工作点。换句话说，调压器20有效地确定哪条功率-时间曲线是恰当的曲线，以及这条曲线在哪个位置上。从这些信息中，调压器20可以确定发电机12的当前电容量。该电容量是发电机12可以根据发电机12的输出电压、输出电流、以及系统参数所产生的最大电能。发电机12的电容量可以大于、小于、或是等于当前提供的电能；但重要的是，发电机12的电容量可以超过发电机12的额定容量。例如，发电机12可以在冷天使用高速工作的原动机19产生比热天使用低速工作的原动机19更多的电能。

本发明的另一个方面是使用智能负载(即具有用于控制自身耗能的自控制器的负载)，其通过通讯网络44可通讯地连接到调压器20上。如图2所示，发电机12给负载14，16和18提供电能。此处，负载14是传统的“不智能”负载，也就是不具有智能的负载。但负载16和18是智能负载，这两个负载都包括用于控制自身负载的功率分布的控制器。特别是，负载16包括负载控制器34和其自身负载36，而负载18包括负载控制器38和其自身负载40和42。负载控制器34和38彼此可通讯地相互联结，并且经由通讯网络44和发电机12的调压器20相联接。通过给发电机12以及负载12，16，和18提供智能功能，并且经由通讯网络44可通讯地连接每个设备，本发明可以改进能量的分布。

通讯网络44可以采用任意的通讯协议实现。例如，通讯网络44可以采用一种ISO标准通讯协议，如控制器局域网络(CAN)来实现。

负载控制器34和38接收传送给负载16和18的电能，并将其转换成相关负载的有用形态。负载控制器34和38进一步接收和估算发电机12的当前输出功率的代表值和电容量，用于确定是否要调节各个负载16和18的能耗。负载16和18的负载控制器34和38都具有他们所力争的性能设定点。负载控制器34和38还包括传感器(图2中未示出)，用于测量负载16和18的实际性能。通过估算还要做多少工作才能达到它的性能设定点，发电机12当前提供的电能量、发电机12输出的可以使用的电能量，负载控制器34和38可以对要消耗多少电能作出一个智能决定。

例如，如果负载18是一种车用空调系统，其中负载40是压缩电机，负载42是压缩机的风扇电机，那么负载18会构成一个很大的负载。在该例中，空调控制器(负载控制器38)可以估算出发电机12可以提供多少电能，以及空调系统(负载18)的运行状况来确定是否要调节其耗能。这样，当空调系统(负载18)最初被设置成对热空间制冷时，并且在发电机12具有额外容量(也就是其电容量超过当前产生的功率)，空调控制器(负载控制其38)可以优选使空调系统(负载18)以较高的能耗率工作，直到到达其性能设定点，或是直到发电机12减少了其容量。如果发电机12超过其容量工作(电容量小于当前产生的功率)，空调控制系统(负载控制器38)可以选择减少其电能消耗。这样，空调系统(负载18)可以不以较低的设置连续运行，而是在一段时间内利用发电机12的额外运行能力，较快地完成其工作。

负载控制器38和34还可以通过包括检测计算负载16和18的输入电压和引出电流的传感器来计算其消耗的电能。由于具有发电机12，负载控制器38和34可以计算并且依赖于实际消耗的电能的代表值，诸如电流乘以消耗的电压。通过知晓其自身的消耗，负载控制器34和38可以估算出其工作点，从而确定其自身容量。这样，发电机12可以超过其额定连续容量工作，智能负载16和18可以超过其额定连续消耗容量工作。这正是仅计算温度或电流，并且当超过预定极限值时关断设备的现有负载控制器的改进点。估算能量耗能的另一优点是负载控制其34和38可以用实际的电能消耗和预测的电能消耗相比较，用于识别元件的耗损、所需维护、或是显著的故障。

在使用时负载16和18在系统10内按优先级排序，用以避免当发电机12宣布(通告)其容量增加时，智能负载16和18同时从发电机12中获取过多的电能。由此，在具有较高优先级的负载决定要对其耗电进行调节以前，具有较低优先级的负载没有机会增加其耗电。

负载控制器38和34还可以与他们的功耗代表值相互通讯，并且通过通讯网络44与发电机12通讯，从而使能量的分布更加智能化。这样，发电机12和负载16和18都能够最好地师整个电力系统10的优化工作，而不是在只关心自己工作好坏的真空环境下工作。该通讯还可以对负载优先级进行动态登记。例如，如果负载16被指定为一个较高的优先级，并且比负载18更先于达到其设定点，则为了改进系统的性能，发电机12可以重新登记优先级。

通过使负载控制器34和38与调压器20通讯，负载控制器34和38可以要求调压器20调节提供给它的电能。例如，如果负载控制器38认为负载16可以使用更多的电能来更好地满足其设定点，但同时也意识到负载16不能再承受电流增加，则负载控制器38可以给发电机12的调压器20发出“调整”请求，或是暂时加大其输出电压，这样最终结果虽然增加了功率但电流不会增加。

可以通过给引起发电机12的转子旋转的原动机19增加“智能化”或是一个控制器，来进一步改进电力系统10。这有助于在需要时可以让原动机19控制其上的电能产生的负荷。例如，在原动机19是汽车中的发动机，并且汽车需要加速的情况下，如汽车要企图通过交通路口或是要爬山时，原动机19可以给发电机12的调压器20发出通知，要求其减少功率消耗。调压器20可以通过减少发电机12的输出电压来回应该请求，由此减少其产生的功率以及原动机19上的负荷。也可以是，原动机19可以请求发电机12产生的电能由电系统10传送给另一负载系统，诸如汽车的传输系统。

调压器20不能由其负载来控制消耗。如果智能负载16和18没有对调压器20的减少其消耗的请求作出回应，则调压器20可以通过降低其输出电压来促使输出功率减少。由于电功率是输出电压和输出电流的乘积，因此这种行为使得发电机12产生的功率减少。

总的来说，本发明是一种电力发电机，其全部电能都可以被至少一个连接在其输出端上的智能负载所消耗。该发电机具有自动检测能力，使其可以确定发电机的当前输出功率(即现在在做什么)，并且由此来确定发电机的容量(即能做什么)。然后经由通讯网络将这些结果告知给智能负载，用于使智能负载控制其能耗。

虽然已经参照优选实施方式对本发明进行了描述，但是本领域的技术人员应该认识到可以在不脱离本发明精神和范围的情况下对发明的形式和细节进行变化。

Claims (9)

1.一种电力系统，包括：

多个可变负载；

发电机，经由输出端给可变负载提供电能；

多个系统传感器，感测与发电机的运行相关的多个发电机参数，这些发电机参数包括发电机的输出端上的电压以及从发电机输出端上流出的电流；

发电机控制器，其与多个系统传感器相连接，用于接收可以表征多个发电机参数的数据，并且由此确定当前发电机输出功率的代表值以及发电机的电力容量；

至少一个负载控制器，其可通讯地连接在发电机控制器上，用于接收可以表征当前发电机输出功率的代表值以及发电机电力容量的数据，并且控制至少一个可变负载的功耗，其是当前发电机输出功率代表值和发电机电力容量的函数。

2.根据权利要求1的电力系统，其中发电机参数进一步包括至少一个从以下组中选出的参数：环境温度、定子温度、转子温度、转速、输出信号频率。

3.根据权利要求1的电力系统，其中发电机参数进一步包括发电机已经在其额定连续容量之外运行的时间长度。

4.根据权利要求1的电力系统，其中至少一个负载控制器具有多个负载控制器，这些控制器经由通讯网络相互之间可通讯地连接并且与发电机控制器可通讯地连接。

5.根据权利要求4的电力系统，其中每个负载控制器在确定其负载的功耗时估算其负载的性能设定点、其负载的被测性能、其负载当前消耗的电能代表值、其负载的电力功耗容量、当前的发电机输出功率代表值、以及发电机的电力容量。

6.根据权利要求5的电力系统，其中每个负载控制器将其负载的当前功耗和其负载的功耗容量都经过通讯网络发送给其他的负载控制器和发电机控制器。 

7.根据权利要求4的电力系统，其中发电机控制器响应于来自一个负载控制器的请求对发电机的输出电压进行调节。

8.根据权利要求4的电力系统，其中负载控制器具有与其相关优先级值，该优先级值用于确定次序，负载控制器按该次序确定其负载的功耗。

9.根据权利要求1的电力系统，进一步包括：

原动机，给发电机提供一个旋转势能，发电机将该势能转化为电能；

原动机控制器，其控制原动机的旋转，并且通过通讯网络可通讯地连接到发电机控制器上，其中发电机控制器响应于来自原动机控制器的请求调节原动机上的发电机的发电负载。 

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