CN105765855A - 发电机输出的调节 - Google Patents

Abstract

为调节发电机的电力输出，接收指示该电力输出的至少一种特性的信号。首先，相对快响应的第一子控制器被配置为基于该至少一种特性提供第一控制阀信号，并且第二相对慢的第二子控制器被配置为基于该至少一种特性提供第二控制信号。输出提供合并的控制信号以基于第一和第二控制信号调整电力输出。

Description

发电机输出的调节

技术领域

本发明涉及用于发电机的电力输出的调节器以及调节这种发电机的电力输出的方法，具体地，其中发电机包括斯特林发动机(特别地，具有线性交流发电机的线性自由活塞斯特林发动机)。

背景技术

用于在国内综合供热供电(DCHP)单元(其提供国内环境中的热水和集中供暖)中发电的申请“具有线性交流发电机(LA)的自由活塞斯特林发动机(FPSE)”是中所周知的。参考图1，示出了FPSE/LA的典型功率特性，其与US-4,624,547中所示出的相类似。FPSE/LA的功率输出因此取决于头部温度。可以理解的是，当动力活塞相对于电枢绕组(绕组)运动时，由永久磁铁产生的磁通的幅度和极性发生改变。图1中绘制的功率调节方法可以包括在恒定电业或恒定输出功率处运行。

如US-4,624,547中所说明的，FPSE/LA的输出功率是(根据卡诺的)发动机热交换器温度比、工作频率、平均压力、置换器的体积排量和动力活塞的函数。本文档和US-4,624,547中提出基于机械控制的功率调节技术。这些存在一些缺点，例如慢的瞬态响应、低可靠性和高成本。

然而，在电力侧，可以通过调节连接到FPSE/LA侧的负载实现功率调节，该负载间接控制流过交流发电机的电流。作用在活塞上的机械力(F_p)与流过定子线圈的电流(i)成比例，并且它向FPSE提供有效的惯性负载。这在下式中随时间(t)的变化示出，其中α是LA电动机常数。

F_p(t)＝α·i(t)

因此，期望发电机配置有跨发电机端子的合适的阻抗，不管负载需求如何。交流发电机感测到的阻抗过高或过低可能导致过电压、波形畸变，在极端情况下(例如，开路或短路)可能导致发电机的发动机的物理损害。当直接连接到电力干线供给时，发动机或交流发电机通常被保证具有合理的稳定电阻。然而，然而，当发动机或交流发电机从电力干线断开时(例如，在电停电的情况下)，如果它们被用于向所连接的设备提供电能，则通常没有针对它们的内在保护。已经提出大量技术用于在这种情况下调节电压。

如US-4,624,547中所说明的，可以通过假设正弦磁通波形来确定感应电压，并且根据法拉第定律，它的峰值与动力活塞位置的幅度成正比。如可从图1中看出的，当发动机工作在恒定的温度梯度时，所生成的功率和电压之间的关系似乎遵循二次关系。通过控制头部温度和连接到PFSE/LA的负载，执行修改FPSE/LA的工作点的功率调节。

已知若干种功率调节方法用于通过控制连接到FPSE/LA的负载来保持恒定的置换器到活塞行程比和它们的相对相位角。US-4,624,547中描述了一种简单的控制策略，其中自耦变压器的绕组比被调整为在调谐电容器之后维持恒定的电压。这种策略可以适用于电网和离网设备。适于实验室试验的另一种方法是基于US-7,200,994中示出的变频电源(例如，固定的输出电压处的逆变器)、一个自耦变压器和稳流负载。

其它方法使用电子负载，电子负载是利用电力电子拓扑的电气特性以控制负载阻抗的电路。若干种已知的电力电子拓扑可以实现电子负载。例如，US-6,871,495描述了连接不同的电阻负载来实现DC总线中的电压调节，其是调谐电容器之后的整流FPSE/LA输出电压。为克服使用调谐电容器的不足以补偿交流发电机的绕组电感，在US-6,856,107、US-7,453,241和US-6,871,495中提出了有源整流器。如US-7,453,241和US-6,871,495中中所建议的，有源整流器桥晶体管可以被切换以控制SPWM(正弦脉冲宽度调制)信号，直到交流发电机电流与活塞位置或交流发电机EMF同相。然后将负载连接在DC总线并使用电压控制器进行调节。

针对电子负载提出了若干种模拟和数字控制技术，以实现斯特林发动机的功率调节。US-7,453,241提出了基于通过使用滞后控制器的DC总线侧中的恒定电压控制的策略。US-2009/224738和US-6,856,107考虑使用与FPSE/LA活塞位置或EMF同步(或相位)的基准正弦波的数字控制技术。

首先参考图2A，示出了现有调节器技术的第一等效电路，该电路力图使用电子负载来确保这些情况下的稳定的阻抗。包括FPSE/LA10的发电机具有调谐电容12。发电机的输出电压由电压表14测量，电子负载22跨发电机输出。电子负载22由电压控制器20控制，电压控制器20基于电压表14测量得到的电压进行控制。

然而，在这种情况下，负载实际上对应于所连接的设备，所连接的设备跨交流发电机的电力输出被连接。这些被称为客户负载，并且它们可以从零变化到交流发电机的全额定输出。期望地，发动机的功率应使客户负载通电，而不是抑制FPSE/LA生成的功率而没有任何具体用途。

接下来参考图2B，示出了现有调节器技术的第二等效电路，其具有与图2A中示出的组件相似的组件，并且这些组件被以相同的参考标号标识。客户负载30也跨发电机的输出。

当设备一被连接到发电机，这些负载可能需要大大超过发电机通常提供的电流的电流。电感性负载也可能在短时间内需要高水平的电流。因此，需要适当的调节策略来确保这种低惯性发电机在所有的负载需求条件下具有稳定的阻抗。因此，典型的功率调节技术时基于控制连接到FPSE/LA的阻抗的，因为它可以提供针对置换器到活塞行程比以及它们的相对相位角的控制。

现在参考图2C，示出了现有调节器技术的第三等效电路，其具有与图2A和2B中示出的组件相似的组件，并且这些组件被以相同的参考标号标识。客户负载30也跨发电机的输出。除了电压控制20，功率控制块40也被放置在发电机输出处。图2D中示出了根据US/2009/189589(与本发明共同受让)的用于调节器技术的等效电路。同样，使用了与图2C中的组件相同的组件，它们被相同的参考标号标识。图2C的功率控制块40包括电压表46和电流表48，其提供对功率控制块42的测量。这控制AC斩波器44以影响跨客户负载30的输出电压。

确定电压控制块20和功率控制块42的控制信号并不简单。US/2009/189589建议用调节的AC输出信号。现在参考图3A，示出了用于调节AC信号的方法的示意图，如本文档中所描述的。AC输入信号被采样，以得到输入波形52所表示的采样AC信号。该采样AC信号被提供给全波整流器56，并产生经整流的AC信号58。并行地，采样AC信号52可被用于产生与过零伏特的采样AC信号52一致的触发脉冲62。这种零点交叉可使用软件被检测到并且可以使用数字滤波来移除围绕零点交叉的噪声的影响，并利用软件模式匹配来提高面(face)同步。计算机64使用这些触发脉冲62来生成同步的基准信号66。基准信号66对应于正弦波，但只有正延伸的波瓣，使得它等同于全波整流的AC信号。

在比率量度比较块70中，从基准信号66中减去经缩放的AC信号58以产生误差信号72。换言之，从瞬时值中减去瞬时值。为了确保仅正值被获得，偏移被引入。例如，该减法可以由以合适的偏移操作的差分放大器来实现。

该误差信号72不仅是经缩放的AC信号58与基准信号66之间的幅度差的函数，它还是AC输入信号的相位的函数。该相位变化可以在74处被乘法器芯片76移除，乘法器芯片76用于将误差信号除以基准信号66来提供百分比误差信号78。该百分比误差信号78然后可以被用于调节AC输入信号。

这是相对快速响应的控制环路，因为误差信号中的瞬时变化被立即反映在调节的改变中。现在参考图3B，示出了另一示意图，示出了用于控制调节的确切的误差信号的生成。AC输入电压52和设计输出电压66被提供给生成百分比误差信号72的比率量度比较块70。百分比误差信号72被传递到生成模拟误差信号78的比例控制器76。使用比较器79对模拟误差信号78与斜波发生器77的输出进行比较，以生成脉冲宽度调制(PWM)信号81，其被馈送到电子负载，例如AC/AC降压调节器(未示出)，也称之为AC/AC斩波器。

这种控制策略和误差定义影响功率控制(即，开始下降时的电压调节，指示高于正常负载的负载正被应用)，因为当发生器的输出(经缩放)误差信号小于基准信号时，误差信号为正。这可涉及浪涌电流，如以上说明的。当电压控制被需要时(即，当所应用的负载在正常范围内时对电压的调节)误差定义改变，使得当发生器输出(经缩放)大于基准信号时误差信号为正。

通过生成被表示为基准信号的分数(即，百分比)的误差信号，误差信号幅度基本独立于LFPSE/LAAC电压电平。这使得使用快速比例控制器(例如，比例控制器76)是合适的。这种复杂的控制策略似乎非常适合基于低惯性发动机(例如，斯特林发动机)的发电机，其中需要使机械故障的风险最小化的调节策略。但是，它需要大量特定于调节的处理。

发明总结

在此背景下，本发明提供用于发电机的电力输出的调节器，包括：输入，该输入用于接收指示所述电力输出的至少一种特性的信号；相对快响应的第一子控制器，该第一子控制器被配置为基于至少一种特性提供第一控制信号；相对慢响应的第二子控制器，该第二子控制器被配置为基于至少一种特性提供第二控制信号；以及输出，该输出被布置为基于第一控制信号和第二控制信号提供用于调整电力输出的合并的控制信号。

该方法使用两个简单控制环路调节发电机输出：快响应控制器；以及慢响应控制器。虽然依赖于瞬时或接近瞬时测量的复杂快响应控制器已经在现有系统中被使用，通过用两个更简单的控制器来代替，整体调节器的复杂性、成本、功耗都将变小并易于管理。慢响应控制器可以是基于输入(例如，平均输入，尤其是时域平均输入)的。

优选地，发电机包括斯特林发动机。在优选实施例中，发电机包括自由活塞斯特林发动机(FPSE)或线性自由活塞斯特林发动机(LFPSE)。这可与线性交流发电机(LA)一起使用。这两者的组合可以被称为FPSE/LA或LFPSE/LA。也可以考虑包括另一类型的低惯性发动机(例如热声发动机)的发电机。

第一和第二子控制器通常是不同的类型。第一子控制器优选地是前馈控制器，并且更优选地，包括钳位控制器。此外(或者可选地)，第二子控制器可以包括误差补偿器，如典型的单输入单输出(SISO)控制策略中所知的。众多的误差补偿器可以被使用。优选类型是比例积分微分(PID)控制器形式。在优选实施例中，这可以是比例控制器或比例积分(PI)控制器。这可能更易于调谐，并且当设备(即，发电机)特性未知时，它可以工作得很好。只要闭环系统响应是稳定的，其它类型的误差补偿器可以包括超前和滞后补偿器。

有利的是，第二子控制器使用DC电平作为基准(特别是当第二子控制器包括PID类型控制器时)。这有助于使调节器较不复杂和较不容易出问题，因为当使用DC电平时，没有必要时基准电压与发电机输出同步。此外，更容易产生稳定的DC电平。另外地或可替代地，第二子控制器有利地对基准与电力输出的至少一种特性的时间平均值进行比较。这提供简单和有效的慢响应子控制器。此外，控制器还可以处理非正弦波形和正弦波形。

至少一种特性可以包括以下各项中的一项或多项：电压、电流、以及电力输出的功率。在优选实施例中，仅电压被使用。

在一个实施例中，第一和第二子控制器被配置用于电压控制模式。电压控制模式可以基于负载阻抗大于额定值来调剂电压(或在通常的不应用有源负载的情形中，基于电阻大于额定值来调剂电压)。

在另一实施例中，第一和第二子控制器被配置用于电流控制模式。于此相反，电流控制模式可以基于负载阻抗(或同样，电阻)可能低于额定电平来调节电压，负载阻抗(或电阻)低于额定电平的结果是正在产生多于的功率需要被安全耗散。如果发电机过载，这通常意味着连接到它的负载阻抗小于期望值(“期望阻抗”)。连接到发电机的阻抗的值越小，针对给定电压来说电流越大(换言之，输出功率越大)。当要求高电流时(这被看做负载阻抗低于所需阻抗)，电流控制模式可以被使用。当恒定功率输出处的负载阻抗增加从而导致电压升高时，电压控制模式可以解决这一问题。

优选地，第一子控制器被配置为提供第一电流控制信号和第一电压控制信号。因此，第一控制信号可以包括第一电流控制信号和第一电压控制信号。然后，第二子控制器可以被配置为提供第二电流控制信号和第二电压控制信号。因此，第二控制信号可以包括第二电流控制信号和第二电压控制信号。这里，输出可以被布置为提供合并的控制信号，包括：基于第一和第二电流控制信号来调整电力输出的合并的电流控制信号，以及基于第一和第二电压控制信号来调整电力输出的合并的电压控制信号。

在优选实施例中，第一子控制器包括：被配置为基于至少一种特性提供第一电流控制信号的第一电流控制子控制器；以及被配置为基于至少一种特性提供第一电压控制信号的第一电压控制子控制器。然后，第二子控制器包括：被配置为基于至少一种特性提供第二电流控制信号的第二电流控制子控制器；以及被配置为基于至少一种特性提供第二电压控制信号的第二电压控制子控制器。

第一子控制器和第二控制器中的每一个各自包括相应的误差信号生成器，每个误差信号生成器被配置为通过对至少一种特性与相应的基准值进行比较来生成相应的误差信号。此外，每个误差信号生成器还被配置为生成相应的控制信号以便使相应的误差信号最小化。第一和第二子控制器可以被配置为通过确定至少一种特性和相应的基准值之间的差来生成相应的误差信号。第一和第二电流子控制器中的每一个可以通过确定至少一种特性和相应的基准值之间的差来生成相应的误差信号。如果该至少一种特性包括电压或位移，第一和第二电流控制子控制器可以通过从相应的基准值中减去该至少一种特性来生成相应的误差信号。如果该至少一种特性包括电流或功率，第一和第二电流控制子控制器可以通过从至少一种特性中减去相应的基准值来生成相应的误差信号。

有利地，合并的控制信号包括至少一个脉冲宽度调制PWM信号。在优选实施例中，合并的控制信号包括：合并的电流控制信号和合并的电压控制信号，这两者中的每一个包括PWM信号。有利地，第一和第二控制信号是PWM信号(并且同样地，第一和第二电流控制信号以及第一和第二电压控制信号)。然后可以通过将逻辑或运算器应用到相应的第一和第二控制信号来相对简单地生成合并的控制信号(或多个信号)。

在一些实施例中，输入包括被配置为从发电机接收电力输出的端子。然后，调节器还可以包括电子负载，该电子负载跨所述端子布置，并被配置为从输出接收合并的控制信号并基于所接收的合并的控制信号设置它的电阻，从而调整所述电力输出。电子负载可以提供快速、可靠和成本有效的方式来控制阻抗。电子负载可以采用DC斩波器的形式(例如，包括电力电子转换器，例如，耦接到固定负载的降压、升压或回扫逻辑)或一些其它形式的电电子控制的电阻。这可以位于发电机输出处的调谐电容器之后。有利地，电子负载对合并的电压控制信号进行响应。可替代地，它可以被停用，并基本上提供开路(有效无限大的电阻)。

优选地另外地(虽然有可能可替代地)，调节器还可以包括AC转换器，该AC转换器被布置在输入端子处，并被配置为从输出接收合并的控制信号并且根据所接收的合并的控制信号调整电力输出。另外，AC转换器有利地对合并的电流控制信号进行响应。否则，它可以被停用。输出(或负载)可以被自动断开(或断电)。AC转换器可以是AC/AC转换器，例如AC斩波器(例如，AC/AC降压、升压或全桥)。

输入被有利地配置为从发电机接收电力输出。然后，输入可以包括信号处理模块，该信号处理模块被布置为通过对电力输出进行处理来生成指示至少一种特性的第二信号。第一和第二子控制器有利地对指示至少一种特性的第二信号进行响应。可选地，信号处理模块被配置为生成指示至少一种特性的第二信号作为电力输出的经缩放的版本。有利地，信号处理模块被配置为生成指示至少一种特性的第二信号作为电力输出的经整流的版本。

在第二方面，提供了一种调节发电机的电力输出的方法，包括：接收指示电力输出的至少一种特性的信号；基于至少一种特性使用相对快响应的第一子控制器生成第一控制信号；基于至少一种特性使用相对慢响应的第二子控制器生成第二控制信号；以及使用基于第一控制信号和第二控制信号的合并的控制信号调整电力输出。

将要理解的是，该方法可以包括与本文所定义的装置特征中的一个或多个相对应的可选的方法步骤。同样将要领会的是本发明可在计算机程序或被配置为实现本文所公开的任何方法的可编程逻辑(例如，复杂可编程逻辑器件CPLD、数字信号处理器DSP或现场可编程门阵列FPGA)中发现，被配置为当在处理器上被操作时执行本文所公开的任何方法。

本文所公开的装置或方法特征的组合或这两者也被提供，即使没有明确公开。

附图说明

可以用各种方式实践本发明，现在将仅通过示例的方式并参考附图描述其中一种方式，在附图中：

图1示出基于具有线性交流发电机的自由活塞斯特林发动机(FPSE/LA)的发电机的功率特性；

图2A至2D描绘现有调节器技术的等效电路；

图2E示出根据本发明的调节器技术的等效电路；

图3A和3B示出已知方法的示意图，该已知方法基于FPSE/LA生成用于调节发电机的输出电压的误差信号；

图4A和4B示出基于根据本发明的FPSE/LA生成用于调节发电机的输出电压的误差信号；

图5A和5B还出根据图4A和4B的实施例的、作为误差信号生成的一部分的示例电压波形；

图6A和6B描绘根据图4A和4B的实施例的、用于钳位控制器的操作的示例电压波形和占空比特性；

图7示出针对稳定操作如何设置用于控制图4A和4B的实施例的操作的阈值；

图8示出在稳定操作不总是可能的情况下如何设置用于控制图4A和4B的实施例的操作的阈值；

图9示出针对不稳定操作如何设置用于控制图4A和4B的实施例的操作的阈值；

图10示出如何设置用于控制图4A和4B的实施例的操作的阈值以使得稳定操作永远不可能；

图11描绘供图4A和4B的实施例中使用的用于缩放电压的电路和等效电路；

图12示出供图4A和4B中的实施例中使用的比例积分控制器的电路；

图13示出供图4A和4B中的实施例中使用的钳位控制器的电路；

图14示出供图4A和4B中的实施例中使用的斜波发生器的电路；

图15示出供图4A和4B中的实施例中使用的生成的电子负载；

图16示出电子负载的非优选设计。

具体实施方式

首先参考图2E，示出了根据本发明的调节器技术的等效电路。该电路的一些组件与图2D中的组件相同，并且这些组件由相同的参考标号标识。功率控制块43使用电压表14测量到的电压来生成用于AC斩波器44的控制信号。因此，不需要电流表和第二电压表。该电路的目的是形成DCHP单元(LFPSE10形成该DCHP单元的一部分)、电网的交流发电机与本地电器之间的桥梁，以确保交流发电机所产生的信号适于注入电网、供应到所连接的设备或两者。

控制方法

接下来参考图4A，示出了基于FPSE/LA生成用于调节发电机的输出电压的误差信号的方法的示意图。这体现为电压控制块100。当该方法的特征与其它附图中的相同时，这些特征由相同的参考标号标识。两个控制器取决于FPSE/LA输出电压52地并行动作。这些是钳位控制器120和武侠补偿器130。框图还包括：缩放和整流块110、三角波或斜波信号发生器142、第一比较器140、第二比较器145和逻辑或门147。

缩放和整流块110中的精密整流器的输出被提供给过电压保护块110(未示出)。过电压保护块的输出提供到外部关断电路的接口(如下面所描述的)。缩放和整流块110还提供到钳位控制器120和误差补偿器130的输入。

钳位控制器120提供相对快速作用的响应，以确保当FPSE/LA的电压大于某个阈值时发动机上存在负载。钳位控制器120提供连接到发电机的负载方面的快速暂态变化。

误差补偿器130提供相对缓慢作用的响应控制器。它的目的在于实现长期的负载调节。误差补偿器是基于比例积分(PI)控制器的。

钳位控制器120和误差补偿器130二者接收相同的输入，该相同的输入是来自缩放和整流块110的FPSE/LAAC输出的经缩放和整流的版本。误差补偿器130部分地充当比较器，对FPSE/LAAC输出的经缩放和整流的版本于DC电压基准135进行比较。DC电压基准135表示所需的FPSE/LA输出电压。

钳位控制器120和误差补偿器130各自提供相应的输出。这些是用于调节客户负载所见的输出电压的两个控制信号。这两个控制信号然后各自被提供给相应的比较器140、145。第一比较器140和第二比较器145的另一输入通常由三角波或斜波信号发生器142的输出提供。因此，第一比较器140和第二比较器145的输出是脉冲宽度调制(PWM)信号。这些PWM控制信号被使用逻辑或门147合并，以提供单个PWM电压控制信号148，其被提供给电子负载22。电子负载22可以被用于以热能的形式耗散功率并且可以形成供暖系统的一部分，例如用于产生热水的浸入式加热器。

根据该框图的电路使用相对低成本的模拟电子来实现并且它不需要任何微控制器或昂贵的模拟乘法器。它还以相对少的组件并作为单个电源电路提供好的输出电压调节。

钳位控制器120和误差补偿器130被设计用于电压控制模式，其中来自FPSE/LA的电压输出不低于所希望的电平。在这种情况下，线性交流发电机看到的阻抗可以被降低以耗散由FPSE/LA生成的过量功率并避免客户负载看到的电压升高。然而，它不涉及由于暂态或电抗负载引起的高浪涌电流。

为了克服该问题，另一种额外的控制系统可以被提供，以检查：

·客户负载要求的功率不超过可用于给定FPSE/LA电压的最大功率；

·交流发电机要求的电流将不会比活塞超程时可导致对发动机的损害的饱和电流大；

·浪涌电流可以在较低的输出处被提供。

这种新的控制系统可以用作恒定功率源。接下来参考图4B，示出了基于FPSE/LA生成用于调节发电机的输出电压的误差信号以用于功率控制的方法的示意图。这体现为功率控制块150。当该方法的特征与其它附图中的相同时，这些特征由相同的参考标号标识。对于电压控制块150，钳位控制器160和误差补偿器130取决于FPSE/LA输出电压52地并行动作。这以类似于电压控制块130的方式操作。然而，误差补偿器130对FPSE/LAAC输出的经缩放和整流的版本与DC电压基准170进行比较，该DC电压基准170可不同于电压控制块100所用的DC电压基准135。此外，钳位控制器160和误差补偿器130使用与电压控制块100不同的误差计算。这将在下面进行讨论。单个PWM功率控制信号149别提供给AC斩波器44。

图4B中示出的具有电压控制策略的功率控制方法可以在短时间内提供浪涌电流。当调谐电容器12之后的FPSE/LA电压低于所期望的输出电压时，FPSE/LA被认为是过载的。这种情况可能发生在在某个时间段内需要浪涌电流的负载上。在过载情况下，可用于发电机的最大功率将以二次的方式减少，直到发电机停止。这个缺点已经证明可以通过以下方式被克服：使用AC/AC降压转换器逐步降低发电机电压，以通过将负载所需的最大功率保持为小于FPSE/LA在恒定输出电压调节处可以提供的最大功率来在较低的电压处递送较高的电流。

电网独立模块(GIM)单元是基于电压控制块100和功率控制块150二者的。电压控制块100实现FPSE/LA的功率调节，功率控制块150用作恒定功率源来处理浪涌电流。对于功率控制模式，PWM控制信号149控制AC/AC降压调节器44。这影响客户负载30所看到的电压，使得更高的电流被消耗。对于电压控制模式，PWM控制信号148控制电子负载22。如果电子负载22的阻抗被降低，这可以使得线性交流发电机210的电压输出被降低。所实现的电压控制器的PWM输出信号148可以在外部被启用或被禁用。

功率控制模式的目的(至少部分地)在于减轻浪涌电流的问题。可以从机械的角度说明FPSE/LA的动态浪涌电流的影响。作用在活塞上的力取决于斯特林循环产生的压力波。正常条件下作用在活塞上的力和取决于交流发电机电力的反作用力之间达到稳态平衡。从机械/动态的角度看，交流发电机表现得像弹簧质量阻尼系统。

为理解浪涌电流的影响，解释线性交流发电机的行为的等效机械系统被简化为弹簧。交流发电机的弹簧常量将是依赖于交流发电机饱和条件的。当电流大于使交流发电机饱和的最大电流时，弹簧常量将显著减小，并且活塞可超程(取决于位移，阻碍活塞运动的里可能低得多)。应当注意到的是，发动机具有一些弹簧磁铁，可以针对过载提供一定程度的保护，但对于这种类型的发电机大的浪涌电流仍是个问题。

现在提供对于控制器的操作的更详细描述。

缩放和整流块

参考图5A，示出了作为误差信号生成的一部分的示例电压波形，具体而言，示出了由缩放和整流块110生成的波形的示例。FPSE/LA电压300是AC正弦电压(例如，240Vrms)。该电压被缩放为DC电平(从0到5V，具有2.5V的DC偏移)。

参考图5B，示出了作为误差信号生成的一部分的示例电压波形，具体而言，示出了由精密整流器生成的波形的示例。经缩放的AC信号310被整流为经整流的信号320，使得误差电压可以被定义。经整流的信号320的平均值V_avg与FPSE/LA电压300成比例。

现在参考图11，描绘了用于在从0到5V的范围内对电压进行缩放的电路和等效电路。该电路的控制方程如下。

$V_{mac}=V_{ac}\frac{(R_2//Z_C//R_1)}{R_3+(R_2//Z_C//R_1)}=V_{ac}\frac{R_2{Z}_C{R}_1}{R_3(R_1{Z}_C+R_2{R}_1+R_2{Z}_C)+R_2{Z}_C{R}_1}$

$V_{mdc}=V_{dc}\frac{(R_3//R_2//Z_C)}{R_1+(R_3//R_2//Z_C)}=V_{dc}\frac{R_3{R}_2{Z}_C}{R_1(R_2{Z}_C+R_3{Z}_C+R_3{R}_2)+R_3{R}_2{Z}_C}$

误差补偿器

在电压控制模式中，误差补偿器130接收在2.5V到5V内的、表示所需输出电压的DC电压基准。误差被定义为FPSE/LA缩放和整流的电压320减去DC电压基准，即V_avg-V_ref。PI误差补偿器130提供使该误差最小化的输出信号。

在功率控制模式中，0到2.5V内的DC电压基准表示所需输出电压。误差被定义为所需PFSE/LA输出电压减去FPSE/AC缩放和整流电压320，即V_ref-V_avg。误差补偿器130同样提供使该误差最小化的输出信号。

可以使用模拟或数字误差补偿器技术。当前模拟PI控制器被使用，因为它提供良好的暂态响应、简单性和低成本。其它模拟补偿策略可以被实现，例如在Chetty、P.R.K.在“开关调节器的建模和设计”(《IEEE航空航天与电子系统期刊》，1982，AES-18(3)，p.333-344)中所建议的。

接下来参考图12，示出了用于模拟比例积分控制器的电路。该电路的频率响应由以下方程给出。

$V_0\left(s\right)=V_{rer}\left(s\right)+\frac{(R_2+\frac{1}{sC})}{R_1}\left(V_{ref}\right(s)-V_1(s\left)\right)$

该电路的时域响应由以下方程给出。

用于电压控制模式的钳位控制器

由于FPSE/LA是低惯性发电机，钳位控制器160(前馈控制器)被实现以提供快速暂态保护，尤其是如果发动机电压高于260Vrms。这可导致由于超行程引起的不可修复的损害。钳位控制器160仅在经整流的发动机电压高于某个值(例如，240Vrms)时动作。该电路确保在发动机电压高于某个钳位阈值(V_{clamp_th}，例如，与240Vrms相关联的预定义的值)时总是有负载存在。当连接到发电机的负载有大的步进变化时非常需要钳位电路，因为它对暂态负载提供保护。

钳位电路提供实时响应。当经缩放和整流的FPSE/LAAC信号大于钳位阈值时，钳位控制器提供与电压差成比例的输出电压。电压控制模式下的钳位电路的误差被定义为：

${\mathrm{error}}_{clamp}=\left\{\begin{array}{cc}& scaledFPSE/{\mathrm{LA}}_{acsignal}-V_{clamp\_th}\\ 0& \begin{array}{cc}if& V_{clamp\_th}>scaledFPSE/{\mathrm{LA}}_{acsignal}\end{array}\end{array}\right.$

下面参考图6A，示出了电压控制模式中钳位控制器的操作的示例电压波形和占空比特性。用于电压控制的占空比信号对于基于DC降压转换器的电子负载是有效的，虽然基于不同的功率电子拓扑的其它电子负载实现方式可能需要不同的占空比信号与交流发电机电压特性。电压阈值和增益可以由一对电位计来调整。

经整流的电压也被用于过电压保护块。过电压事件例如可能在电子负载故障等意外情况下发生。如果发动机电压高于例如260Vrms，固态开关或继电器被触发以用于单稳态的预定义的时间段。一旦出现过电压跳闸，LFPSE/LA被关闭。

可针对高于钳位阈值的电压定义PWM信号的占空比。图6B中示出电压控制模式的可能的钳位传输响应。

参考图6B，示出了功率控制模式中钳位控制器的操作的示例电压波形和占空比特性。用于功率/电流控制的占空比信号对于AC/AC降压转换器是有效的，虽然基于不同的功率电子拓扑的其它电子负载实现方式可能需要不同的占空比信号与交流发电机电压特性。修改钳位控制器以使用经整流的电压的反相版本。当经缩放和经整流的FPSE/LAAC信号低于电流控制的钳位阈值(其将小于电压控制的钳位阈值)时，钳位提供与电压差成比例的输出电压。

${\mathrm{error}}_{clamp}=\left\{\begin{array}{cc}& V_{alamp\_th}-scaledFPSE/{\mathrm{LA}}_{acsignal}\\ 0& \begin{array}{cc}if& scaledFPSE/{\mathrm{LA}}_{acsignal}>V_{clamp\_th}\end{array}\end{array}\right.$

误差被定义为FPSE/LAAC输出电压经缩放、整流和反相的电压减去所需FPSE/LAAC电压(由DC电压值表示)。

下面参考图13，示出了用于钳位控制器的电路。对该线性电路进行分析得到以下方程。

$v^{+}=\frac{(V_1-X_{{\mathrm{ref}}_1})}{(R_1+R_2)}{R}_2+{\mathrm{Xref}}_1$

$V_{01}=(1+\frac{R_2}{R_1})v^{+}+V_{ref\_clamp}(-\frac{R_2}{R_1})$

$V_{02}=(1+\frac{R_3}{R_4})V_{o1}+X_{ref1}(-\frac{R_3}{R_4})$

电压和功率控制模式的影响

如图2E中所示出的，电压控制块20可以实现发动机的功率调节，功率控制块43可以处理需要高浪涌电力的负载。这两种控制器以不同的误差定义进行操作，如上面所说明的。对于电压控制，当FPSE/LA电压高于所需基准电压时，误差为正。因此，较高的负载必须被连接到发动机以使误差最小化并实现FPSE/LA输出电压调节。对于功率控制(电流控制)，当FPSE/LA电压低于所需电压时，误差为正。

其结果是，对于每个控制器有两种电压设置，标识等于或高于其时电压控制模式被启用(Vref_VC)的电压以及等于或小于其时功率控制模式被启用(Vref_PC)的电压。

首先参考图7，示出了针对稳定操作如何设置用于控制控制器的操作的阈值。用于电压控制的基准电压至少比用于电流/功率控制的基准电压高几伏特。从而避免电压控制(VC)和功率控制(PC)之间的相互作用。

以这种方式实现的两个不同的基准电压提供迟滞并避免寻找(hunting)(即，由信号中的噪声引起的模式之间的重复交替导致重复跨过阈值)。US-2008/224738中对此进行了更详细的讨论。例如，当FPSE/LA工作在基准电压为220Vrms的电压控制模式时，到220Vrms或低于220Vrms的电压下降足够大来指示过大的电流需求，以切换到功率控制模式。当以功率控制模式时，上升到225Vrms可以被用于指示电流需求正常，以使得电压控制器占支配地位。

然后参考图8，示出了在稳定操作不总是可能的情况下如何设置用于控制控制器的操作的阈值。理论上来说，如果用于VC和PC的电压阈值被设为相同的值(或非常接近的值)，控制器应当没有问题地操作。然而，在现实场景中，存在于FPSE/LA中的噪声可能导致VC和PC算法二者之间不期望的相互作用。因此，控制器可能变得不稳定。

现在参考图9，示出针对不稳定操作如何设置用于控制控制器的操作的阈值。在这种情况下可能发生寻找。最后参考图10，示出了如何设置用于控制控制器的操作的阈值以使得稳定操作永远不可能。功率(电流)控制模式始终处于活跃状态，逐步降低客户负载上的电压。

斜波发生器

现在参考图14，示出了斜波发生器的电路。斜波发生器使用两个比价器401、402和一个RS触发器403来实现。振荡周期T遵循以下方程。

T＝T_charge+T_discharge，其中

$T_{disch\arg e}=\mathrm{\τ}\·\ln \left(\frac{X_{ref1}}{X_{ref2}}\right)$ 并且

$T_{ch\arg e}=\mathrm{\τ}\·\ln \left(\frac{X_{ref2}-V_s}{X_{ref1}-V_s}\right)$

电子负载

电子负载是利用功率电子拓扑的电特性的可变负载。这被用于电压控制。

参考图15，示出了广义电子负载，包括耦接到固定负载的电力电子变换器。取决于电力电子拓扑的类型和电子负载的工作模式，增益函数(G)可以是不同的并且由此产生的阻抗关系将相应地不同。例如，工作在CCM(连续导通模式)的降压转换器将接受具有被定义为d的占空比的PWM信号，d是范围[0，1]内的变量。然后，它的增益将被定义为：

$G=\frac{V_{out}}{V_{in}}=d$

对于处于CCM的升压转换器，增益将被定义为：

$G=\frac{V_{out}}{V_{in}}=\frac{1}{1-d}$

对于诸如处于CCM的回扫之类的隔离转换器，增益是占空比也变压器绕组比n的函数。

$G=\frac{V_{out}}{V_{in}}=\frac{1}{1-d}\·n=f(d,n)$

也可确定其它转换器的增益函数。

一般情况下，由此可以看出电子负载的输出电压是占空比的函数，如以下关系所给出的：

V_out＝V_in·G＝V_in·f(d)

以下关系是公知的。

$\begin{array}{cc}{P}_{in}=V_{in}\·I_{in}=\frac{V_{in}^2}{R_{in}}& P_{out}=V_{out}\·I_{out}=\frac{V_{out}^2}{R_{out}}\end{array}$

使用这些并假设无损功率(Pout＝Pin，或等效地，η＝Pout/Pin≈1)，还可以确定输入和输出阻抗之间的关系。通常，转换器显示性能小于1但是我们可以假设它为1。

$Plin=\frac{V_{in}^2}{R_{in}}=P_{out}=\frac{{(V_{in}\·f(d\left)\right)}^2}{R_{out}}$

$\frac{V_{in}^2}{R_{in}}=\frac{V_{in}^2\·f^2\left(d\right)}{R_{out}}$

$R_{in}=\frac{R_{out}}{f^2\left(d\right)}$

然后，具有特定f(d)的特定电子负载的特定关系可以被识别。对于处于CCM的降压转换器：

f(d)＝d并且

$R_{in}=\frac{R_{out}}{f^2\left(d\right)}=\frac{R_{out}}{d^2}$

对于处于CCM的升压转换器：

$f\left(d\right)=\frac{1}{1-d}$ 并且

$R_{in}=\frac{R_{out}}{f^2\left(d\right)}=R_{out}{(1-d)}^2$

对于处于CCM的回扫转换器：

$R_{in}=\frac{R_{out}}{f^2(d,n)}=R_{out}\frac{{(1-d)}^2}{n^2\·d^2}$

如所看到的，回扫转换器(具有电流隔离)的输入阻抗是变压器绕组比和占空比的函数。

电子负载因此可以用任何类型的功率电子拓扑来实现。然而，降压转换器在简单性和成本方面有优势。如果任何原因(例如，安全法规)规定固定负载(其可以是浸入式加热器)需要电隔离，则另一种类型的转换器(例如，半桥或推挽转换器)可以被用来代替降压转换器。

另一种形式的电子负载可以使用可变自耦变压器，其抽头被移动以提高或降低连接到固定负载的电压。下面参考图16，示出了DC斩波器和可变自耦变压器的替代类型的电子负载。并行提供了离散数量的电阻器(R₁、R₂、……、R_n)，其中每个电阻器被耦接到控制电流是否通过电阻器的开关(SW₁、SW₂、……、SW₃)。这些开关可以是继电器或固态开关。控制块提供控制信号(或多个信号)以相应地操作或关闭开关。然而，这种方法是笨重、昂贵的，并且通常不能达到精细的电压调节(因为只有离散的步骤是可能的)。

AC转换器

对于AC负载的功率控制(电流控制)，可以使用任何AC转换器。如果负载被提供AC，则使用AC/AC转换器。这可基于双向开关或高频链路。所用的AC/AC转换器的类型可取决于负载的类型。

工作原理类似于电子负载的原理。输入阻抗可以通过使用控制信号(具有占空比)来控制。对于AC负载(例如，GIM单元)的情况，最易于实现的是AC/AC转换器或电力电子拓扑。处于连续导通模式(CCM)的AC/AC降压转换器显示与占空比成比例的增益。然而，与传统的DC降压相比，电压是正常的正弦波。根据增益函数(如下所示)，输入阻抗可以通过改变占空比来控制：

$G=\frac{V_{out}}{V_{in}}=d$

因此，阻抗关系也由占空比来控制。

$R_{in}=\frac{R_{out}}{f^2\left(d\right)}=\frac{R_{out}}{d^2}$

然而，有许多类型的用于AC转换器的电力电子拓扑，其可以把柏阔：AC/AC升压、AC/AC降压升压、以及具有隔离拓扑AC/AC(全桥)。例如，在AC负载需要电隔离的情况下，优选使用AC/AC全桥。本质上，应用于电子负载的相同概念也可应用于AC转换器。虽然任何电力电子拓扑可以是合适的，经济约束、可靠性约束(开关数量、半导体应力)以及其它问题可以限制AC转换器拓扑的选择。在图4B的实施例中，鉴于这些问题，AC/AC降压被选择。

替代方案

虽然已经描述了具体的实施例，本领域技术人员可以设想各种修改和替换。例如，可以使用慢响应和快速响应控制器。即使快速响应控制器是钳位控制器，慢响应控制器不需要是PI控制器，因为可以使用例如比例控制器或PID控制器。

优选实施例中提供了电压控制和电流控制二者。然而，将要理解的是，替代方案是可能的。特别地，其它实现方式可以仅提供电压控制或仅提供电流控制，并且选择性地实现每个或同时实现二者时可能的。

虽然在本文所描述的实施例中使用了PWM控制信号(有一些优点)，可以使用其他类型的信号。出于实际或效率原因，用于电压控制块或电流控制块的组件的电路可以不同于上面所描述的那些组件，或者电压控制块或电流控制块的通用组件可以不同于本文所建议的那些组件。模拟电路、数字电路以及这两者的组合可以被用于实现本发明。可编程逻辑、固件或软件可以另外被使用或作为替代被使用。

Claims (20)

1.一种用于发电机的电力输出的调节器，包括：

输入，该输入用于接收指示所述电力输出的至少一种特性的信号；

相对快响应的第一子控制器，该第一子控制器被配置为基于所述至少一种特性提供第一控制信号；

相对慢响应的第二子控制器，该第二子控制器被配置为基于所述至少一种特性提供第二控制信号；

输出，该输出被布置为提供基于所述第一控制信号和所述第二控制信号来调整所述电力输出的合并的控制信号。

2.根据权利要求1所述的调节器，其中，所述发电机包括斯特林电动机。

3.根据权利要求1或2所述的调节器，其中，所述第一子控制器包括前馈控制器。

4.根据任何在先的权利要求所述的调节器，其中，所述第二子控制器包括误差补偿控制器。

5.根据权利要求4所述的调节器，其中，所述第二子控制器包括比例积分微分PID形式的控制器。

6.根据任何在先的权利要求所述的调节器，其中，所述第二子控制器使用DC电平作为基准。

7.根据任何在先的权利要求所述的调节器，其中，所述至少一种特性包括以下各项中的一项或多项：电压、电流、以及所述电力输出的功率。

8.根据任何在先的权利要求所述的调节器，其中，所述第一控制信号包括第一电流控制信号和第一电压控制信号，并且其中，所述第二控制信号包括第二电流控制信号和第二电压控制信号，所述合并的控制信号包括：

基于所述第一电流控制信号和所述第二电流控制信号来调整所述电力输出的合并的电流控制信号；

基于所述第一电压控制信号和所述第二电压控制信号来调整所述电力输出的合并的电压控制信号

9.根据权利要求8所述的调节器，其中所述第一子控制器包括：

第一电流控制子控制器，该第一电流控制子控制器被配置为基于所述至少一种特性提供所述第一电流控制信号；以及

第一电压控制子控制器，该第一电压控制子控制器被配置为基于所述至少一种特性提供第一电压控制信号。

10.根据权利要求8或9所述的调节器，其中所述第二子控制器包括：

第二电流控制子控制器，该第二电流控制子控制器被配置为基于所述至少一种特性提供所述第二电流控制信号；以及

第二电压控制子控制器，该第二电压控制子控制器被配置为基于所述至少一种特性提供所述第二电压控制信号。

11.根据任何在先的权利要求所述的调节器，其中所述第一子控制器和所述第二控制器中的每一个各自包括相应的误差信号生成器，每个误差信号生成器被配置为通过对所述至少一种特性与相应的基准值进行比较来生成相应的误差信号并且还被配置为生成所述相应的控制信号以便使所述相应的误差信号最小化。

12.根据任何在先的权利要求所述的调节器，其中，所述合并的控制信号包括至少一个脉冲宽度调制PWM信号。

13.根据权利要求12所述的调节器，其中，所述第一控制信号和所述第二控制信号是PWM信号。

14.根据任何在先的权利要求所述的调节器，其中，所述输入包括被配置为从所述发电机接收所述电力输出的端子，所述调节器还包括：

电子负载，该电子负载跨所述输入端子布置，并被配置为从所述输出接收所述合并的控制信号并基于所接收的所述合并的控制信号设置它的电阻，从而调整所述电力输出。

15.根据权利要求14所述的调节器，当依赖于权利要求8到11中的任一项时，其中所述电子负载对所述合并的电压控制信号进行响应。

16.根据任何在先的权利要求所述的调节器，所述输入包括被配置为从所述发电机接收所述电力输出的端子，所述调节器还包括：

AC转换器，该AC转换器被布置在所述输入端子处，并被配置为从所述输出接收所述合并的控制信号并且根据所接收的所述合并的控制信号调整所述电力输出。

17.根据权利要求16所述的调节器，当依赖于权利要求8到11中的任一项时，其中所述AC转换器仅对所述合并的电流控制信号进行响应。

18.根据任何在先的权利要求所述的调节器，其中，所述输入被配置为从所述发电机接收所述电力输出，并且其中，所述输入包括被布置为通过处理所述电力输出来生成指示所述至少一种特性的第二信号的信号处理模块，对指示所述至少一种特性的所述第二信号进行响应的所述第一子控制器和所述第二子控制器。

19.一种调节发电机的电力输出的方法，包括：

接收指示所述电力输出的至少一种特性的信号；

基于所述至少一种特性使用相对快响应的第一子控制器生成第一控制信号；

基于所述至少一种特性使用相对慢响应的第二子控制器生成第二控制信号；

使用基于所述第一控制信号和所述第二控制信号的合并的控制信号调整所述电力输出。

20.一种计算机程序，被配置为在处理器上操作时执行根据权利要求19所述的方法。