CN106463972A - 优化并联连接发电机的系统的效率的方法 - Google Patents

优化并联连接发电机的系统的效率的方法 Download PDF

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Abstract

一种并联发电机系统，具有并联连接的多个发电机单元和用于发电机单元的选择性的激活和停用的控制器，其中基于系统效率水平与活动的发电机单元的数量由控制器选择性地激活和停用发电机单元，以及一种用于在并联发电机系统中基于系统效率水平与发电机单元的数量利用控制器选择性地激活和停用发电机单元的方法。

Description

优化并联连接发电机的系统的效率的方法
对相关申请的优先权要求和交叉引用
本申请要求于2014年2月19日提交的标题为“METHOD FOR OPTIMIZING THEEFFICIENCY OF A SYSTEM OF PARALLEL-CONNECTED GENERATORS”的美国临时专利申请序列号No.61/941,863的优先权；并且涉及于2015年2月19日提交的标题为“METHOD FOROPTIMIZING THE EFFICIENCY OF A SYSTEM OF PARALLEL-CONNECTED GENERATORS”的美国专利申请序列号No.(代理人案号No.22888-0210)、于2015年2月19日提交的标题为“METHODFOR LOAD SHARE BALANCING IN A SYSTEM OF PARALLEL-CONNECTED GENERATORS USINGACCUMULATED DAMAGE MODEL”的美国专利申请序列号No.(代理人案号No.22888-0206)和于2015年2月19日提交的名为“METHOD FOR LOAD SHARE BALANCING IN A SYSTEM OFPARALLEL-CONNECTED GENERATORS USING SELECTIVE LOAD REDUCTION”的美国专利申请序列号No.(代理人案号No.22888-0208)，以上申请的全部公开内容通过引用合并于此。
技术领域
本公开一般地涉及用于生成电力与分配电力的系统及方法，更具体地涉及包含多个并联连接的发电机的这样的系统及方法。
背景技术
典型地，发电机是熟知类型的旋转电气机器，发电机具有由转子包围的定子，转子由原动机(例如，引擎)通过皮带或轴驱动，从而在定子的导电绕组中电磁感应出电流，由此将机械功率转换为电气功率。发电机可以是产生直流电流的DC类型或者产生交变电流的AC类型，后一类型也称为交流发电机(alternator)。当用于向为电气系统供电的电池充电时，交流发电机的输出被整流。如果必要的话，DC发电机的并联系统可以包括将DC发电机的输出转换为AC系统的输出功率的逆变器。本文中引用的“发电机”可以指任一类型(即DC或AC)，除非指定为交流发电机。
并联发电机系统(其中一种类型(即DC或AC)的多个发电机并联地彼此电气连接)可以适用于固定设备，通常用于为建筑或校园提供备用电源，或者适用于移动设备，并且可以是为电池充电的主电源，该电池向各种类型的车辆(诸如像长途货运拖拉机或大型公交车)提供电力。
并联发电机系统被熟知为用于确保不间断供电，并且相比于单个大型发电机单元，在成本效益、灵活性、可扩展性、维护简易性、耐用性和可靠性等方面具有显著的优点。
在并联系统中操作的各个发电机单元通常具有较小的容量，并且所述发电机单元可以是完全相同的，或者可以具有可变的输出。在任一情形下，这些单元可以与并联开关装置并联地连接，从而在峰值需求期间达到最大输出，或在其它时间达到期望的最小输出。经常地，每个发电机有其自己的数字微控制器(本文称为发电机控制器)，该数字微控制器可以是即插即用设备。发电机控制器中的每一个控制其相应的个别发电机单元的操作，并且在整体并联系统的操作中合作，整体并联系统的操作可以由可选地被包括的主控制器控制。发电机可以在它们当中协同，或者可选地可以指定或者在一个发电机内部或者是外部电子控制单元的系统主控制器。
相比于使用单个大尺寸、高容量的发电机，使用并联的多个发电机单元提供了较大的灵活性。并联操作的多个较小的发电机不需要被分组在一起，并且可以是分布式的，使得它们彼此远离定位，并且不需要如在单个较大发电机的情况下将需要的单个大空间。此外，当确定发电机的尺寸以匹配负荷需求时，经常难以精确地规划负荷的增加并适当地计划预期的额外负荷；通过并联地操作发电机，负荷的变化可以相对容易地通过添加附加的并联连接发电机以用于提供的附加电力供应来适应。这样，通过操作并联系统中的发电机，较容易允许负荷需求的增加。此外，如果并联系统中的发电机单元出现故障或需要维护，这个个别单元可以从服务移除，并被维修或替换，而不中断系统中其它发电机单元的运转。
如本领域的普通技术人员所理解的，为了避免损坏，在并联发电机系统内将进入的交流发电机引入(或重新引入)到活动服务需要它在它与系统中其它正在操作的交流发电机通过共同的总线互连之前，尽可能接近地与系统中其它正在操作的交流发电机同步。进入的交流发电机的同步可以通过将系统中的一个操作的交流发电机连接到总线(称为总线交流发电机)，然后在闭合进入的交流发电机的主电力接触器之前将进入的交流发电机同步到总线交流发电机来实现。典型地，交流发电机在以下时间被同步：当它们具有相等的端电压(设定点)时，这可以通过调整进入的交流发电机的场强来实现；当它们频率相等时，这可以通过调整进入的交流发电机的旋转速度来实现(但在基于车辆的系统中通常不要求，其中完全相同的交流发电机由引擎机轴通过公共的皮带来驱动)；以及它们的相电压处于正确的关系。自动同步装备也被本领域的普通技术人员所知，并且可以在许多情况下被用于将交流发电机接入并联系统中的活动服务。典型地，以上的同步功能由发电机控制器和/或可选的主控制器调节。DC类型发电机的同步相对较简单，因为它可以限于使其电压设定点相等。
相比于单个发电机单元为关键负荷所提供的，多个发电机的并联操作的固有冗余为关键负荷提供了较高的可靠性。如果一个单元发生故障，关键负荷在系统中的其它单元当中被重新分配，通常以优先级为基础。在许多应用中，需要最高程度的可靠电力的关键负荷只占由系统生成的整体电力的一部分，而并联系统提供了使得即使其中一个发电机单元发生故障也能维持关键负荷的电力的必需的冗余。因此，并联系统中的固有冗余提供了多层保护，并确保了对关键电路的不间断供电。
一些并联发电机系统采用多个原动机来驱动多个发电机。例如，引擎可以被专用于只驱动多个并联连接的发电机中的相应的一个，如在大型固定备用电源系统中的典型情况。
其它并联发电机系统，特别是用于车辆中的那些，采用单个引擎来驱动多个发电机。例如，长途货运拖拉机或大型公交车的单个引擎驱动多个并联连接的发电机中的每个发电机，这些发电机通常是安装到引擎并由机轴通过公共的皮带来驱动的交流发电机。经常地，这些发电机单元基本彼此完全相同，并且不论是否被激活，都以直接随着引擎速度变化的共同的速度被驱动。这样的基于车辆的并联连接的交流发电机的系统通常向为车辆的电气系统提供电力的电池(或多个电池)提供整流后的直流(DC)电力。多个交流发电机可以彼此完全相同，并且可以以共同的速度被驱动，该共同的速度是引擎机轴速度的比率。向发电机系统提供电力的每个交流发电机(即，每个活动的发电机)的定子绕组的输出通常由系统中所有交流发电机公共的单个电压调节器来控制，或者由用于那个相应的交流发电机的专用的单个电压调节器来控制。每个转子的移动磁场的强度是由(一个或多个)电压调节器控制的，其中所述磁场在围绕的定子的定子绕组中感应出电流，以生成交流发电机输出电压。
在并联发电机系统中，整体负荷由系统中操作的所有并联连接的发电机(即，活动的发电机)分担。在先前的系统中，负荷分担通常被进行以确保所有发电机对负荷贡献相同的电力。然而，这一方法忽略了可能以其他方式导致的系统效率。
以协同的方式激活/停用发电机单元(使其较好地适应于特定的负荷需求和操作条件)会针对给定的操作点提高系统效率。
发明内容
本公开提供了一种并联发电机系统，该系统包括适于连接到电气负荷的系统总线、多个可并联连接到系统总线的发电机单元以及用于至少一个发电机单元的选择性激活与停用的多个控制器。每个发电机单元在向系统总线提供电力时被激活。由控制器基于系统效率水平和活动的发电机单元的数量选择性地激活与停用至少一个发电机单元，由此提高了在至少一个发电机单元的选择性激活或停用之后系统的效率。
本公开还提供了用于在并联发电机系统中基于系统效率水平和发电机单元的数量利用控制器来选择性地激活与停用发电机单元的方法。
本文公开的系统及方法的目的在于，使所有以相同的轴速度操作的并联连接的发电机的系统的效率最大化。该方法激活与停用发电机，使得活动的发电机在最高效的操作区域中操作。如果活动的发电机在一个低效的区域中操作，那么这些发电机单元中的一个或多个被停用，从而将余下的(一个或多个)活动的发电机的操作推到较高效的区域中。如果一个或多个活动的发电机在另一个低效的区域中操作，那么附加的发电机单元被激活以便将现在活动的所有发电机的操作推到较高效的区域中。
依照本公开的教导，促进了对并联发电机系统的发电机单元的更高效的利用，由此与先前的并联发电机系统相比提高了系统效率。
附图说明
结合附图参考以下对示例性实施例的描述，根据本公开的系统和/或方法的上述方面以及其它特性和优点将变得更加显而易见，并将更好地被理解，其中：
图1描绘了根据本公开的示例并联发电机系统实施例的示意图；
图2示出发电机输出vs.旋转速度的图形，指示不同的发电机效率的操作区域；
图3示出图2中的图形，其具有阴影的第一(上方)和第二(下方)操作区域，在此区域中活动的发电机的操作效率低于最优效率，图3还具有效率相对较高的操作区域，在此区域中，根据本文公开的方法，并联发电机系统可以通过系统的发电机的选择性激活或停用而以相同的速度被操作；
图4示出与图3相似的图形，指示并联发电机系统效率的提高，该提高可以在第一组负荷需求与发电机速度条件下，通过利用根据本公开的方法增加活动的发电机单元的数量来获得；
图5示出与图3相似的图形，指示并联发电机系统效率的提高，该提高可以在第二组负荷需求与发电机速度条件下，通过利用根据本公开的方法减少活动的发电机单元的数量来获得；
图6示出与图3相似的图像，指示并联发电机系统效率的提高，该提高可以在第三组负荷需求与发电机速度条件下，通过利用根据本公开的方法减少活动的发电机单元的数量来获得；以及
图7示出算法的示例，该算法用于通过根据本公开的方法实施例选择性地增加与减少并联发电机系统中活动的发电机的数量。
具体实施方式
以下描述的本发明的实施例并不意图详尽或将本发明限于以下详细描述中所公开的精确形式。相反地，选择并描述实施例使得本领域的其他技术人员可以认识并理解本发明的原理和实践。
图1示意性地示出连接到电气负荷的示例并联发电机系统实施例。如所描绘的，系统20包括主控制器22和四个并联连接的发电机单元24，这些发电机单元24分别被指定为G1、G2、G3和G4，其中每一个具有其自己的发电机控制器26。如以下进一步讨论的，主控制器22的包括是可选的；一个发电机单元24或多个发电机单元24的(一个或多个)发电机控制器26可以适于执行本文所公开的负荷分担平衡的方法。发电机单元24通常地由单个原动机以变化的速度驱动。
在所描绘的实施例中，可选地被包括的主控制器22是单独的，并远离每个发电机单元24被定位。替代地，在一些实施例中，主控制器22和发电机单元24中的一个(其然后可以视为主发电机单元)的发电机控制器26可以被集成为组合的主/发电机控制器。作为进一步的替代方案，在一些实施例中，系统20中所包括的多个发电机单元24的互相通信的发电机控制器26可以合作地执行本文公开的方法，并根据所公开的方法来决定它们之间的哪些发电机单元24将被影响(即，被选择性地激活或停用，或者哪些的电气负荷被部分地转移)。因此，在这样的实施例中，可以避免对单独的主控制器22的需求，及其附带的成本和封装考虑。
当被引入到系统20的活动服务中时，发电机单元24中的每一个电气连接到系统总线28。通过变为连接到系统总线28，或者在交流发电机的情形下其场由其电压调节器激励，被驱动的发电机单元24变为活动的；活动的发电机单元24通过总线28彼此并联连接，并且由每个发电机单元24生成的电力通过总线28被转移到系统负荷30。
在所描绘的实施例中，不论是活动的还是不活动的，每个发电机控制器26通过相应的串行通信线缆32与主控制器22独立地进行串行通信。从发电机控制器26的角度而言，并且如串行通信原理的典型情况，每个串行通信线缆32除了其地线之外还具有发送线和接收线，通过该发送线，数据从发电机控制器26被传送到系统主控制器22，通过该接收线，数据从系统主控制器22被传送到发电机控制器26。每个发电机控制器26通过其相应的线缆32连接到主控制器22中的其相应地相关联的串行端口34。替代地，在一些实施例中，通信线缆32可以是菊花链式的，诸如在其中主控制器22如上面所讨论的被省略的情形。
电流表36可以被设置在系统总线28和系统负荷30之间，由此测量和提供由系统20向负荷30提供的电流，并在所描绘的实施例中，该电流作为到主控制器22的输入，用于确定负荷30的大小。这样的电流表36也可以经由串行通信线缆38与主控制器22进行串行通信。替代地，在一些实施例中，由每个活动的发电机单元24所承担的负荷30的部分可以由其发电机控制器26测量，并且这些负荷部分被加和。例如，在发电机单元是交流发电机的一些实施例中，可以根据所有活动的交流发电机的电压调节器上的占空比来确定电流。这样，可以通过一个或多个活动的发电机单元24内部的测量来确定电流以及因此确定负荷30。
在以下所讨论的示例性、非限制性实施例中，并联发电机系统20的发电机单元24是AC类型的，即交流发电机，它们基本上完全相同并且不论是否被激活都以共同的、变化的速度被驱动。例如，这样的实施例可以适用于长途货运拖拉机或公交车，用于为向车辆电气系统供电的24伏电池充电。
图2示出针对发电机单元24的输出和效率图形。在曲线40下方是范围从>70％到>30％的不同操作效率的识别的范围。
图3示出图2中的图形，其具有上方的第一区域42和下方的第二区域44，其中，先前的并联发电机系统的活动的发电机单元24通常会在经常遭遇的电气负荷和引擎速度下操作。值得注意的是，区域42和44位于较高效的目标区域46之外，该目标区域46包括效率较高的范围的部分。一般而言，目标区域46位于区域42和44之间。
图4到6示出图3中的图形，其中为了清楚起见，用虚线指示的低效区域42、44的边线指示其边界，目标区域46位于虚线边界之间。图4到6还分别示出各个示例，其中，针对不同的负荷需求和发电机速度条件，可以根据本公开的方法来实现并联发电机系统效率的提高。在若干发电机单元24被选择性地激活或停用以便较好地利用它们来满足对系统20的电力需求时，在单个发电机速度处观察每个相应的示例。一般而言，通过激活一个或多个附加的发电机单元24来将活动的发电机输出向下推到目标区域46中，在上方的第一区域42中的相对低效的先前系统操作被改进，而通过停用一个或多个发电机单元24来将活动的发电机输出向上推到目标区域46中，在下方的第二区域44中的相对低效的先前系统操作被改进。
图4的示例示出并联发电机系统操作的一般情况，系统操作从区域42中的点A移动到目标区域46中的点B，其中在点A处，2.7kW的负荷由以60％的效率操作的单个活动的发电机单元24承担，在点B处，负荷由两个活动的发电机单元24承担，其中每一个发电机单元以65％的效率操作，因此从活动的发电机的数量的增加带来346W的节约。
图5的示例示出并联发电机系统操作的典型的低速情况(例如，车辆空转(idling))，系统操作从区域44中的点A移动到目标区域46中的点B，其中在点A处，负荷由四个活动的发电机单元24承担，其中每一个发电机单元以55％的效率操作，在点B处，负荷由以70％的效率操作的单个活动的发电机单元24承担，因而从活动的发电机的数量的减少带来421W的节约。
图6的示例示出并联发电机系统操作的典型的中速情况(例如，车辆巡航速度)，系统操作从区域44中的点A移动到目标区域46中的点B，其中在点A处，四个活动的发电机单元24承担2.1kW的负荷，其中每一个发电机单元以40％的效率操作，在点B处，负荷由以55％的效率操作的单个活动的发电机单元24承担，因而从活动的发电机的数量的减少带来1473W的节约。
参考图7，通过其进行系统20中的发电机单元24的选择性的激活或停用的方法的实施例包括使用主控制器22来执行算法，该算法接收以下作为输入：每个发电机单元24的相应的占空比FDC、每个发电机单元当前是否是活动的(被激励)、以及发电机被旋转的速度(Nalt)。替代地，在某些实施例中，可以省略主控制器，并且发电机控制器26可以确定发电机单元24中的哪个要被激励或去激励。每个发电机单元的负荷信息经由串行通信分享，并与最优的发电机效率点比较，该最优的发电机效率点可以源自于图2的图形，其实质上提供了“真值表(Truth Table)”。
仍参考图7，在当前所讨论示例性的实施例中，发电机单元24是完全相同的交流发电机，不论其是否活动，全部以共同的速度(Nalt)被驱动。在该算法中使用的其它参数包括系统20被调节来提供的电压Vreg和每个相应的活动的发电机单元24的电压设定点Vset。在该示例中，系统20的分别指定为G1、G2、G3、G4的四个发电机单元24分别具有被指定为FDC1、FDC2、FDC3、FDC4的占空比(duty cycle)。在图7中，算法示例示出四个发电机单元24是活动的(在图7中指示为Excite1、Excite2、Excite3和Excite4)。
图7所示的负荷分担算法被应用于每个发电机单元24，并由确定发电机的电压设定点Vset是否比Vreg高至少0.3伏开始。若否(N)，则算法退出并前进，由此将下一个发电机单元作为算法的对象；若是(Y)，则确定该对象发电机单元是否允许被激励(被激活)或去激励(停用)。硬件信号(诸如到发电机或交流发电机上的引脚(pin)的电压)或串行通信信号(诸如可以通过局域互联网(LIN)发布的)将首先向发电机/交流发电机指示该发电机/交流发电机是否被允许激励或去激励它自身。到发电机的其自激活/停用是否可允许的第一指示可以例如防止该发电机不管发电机的电压设定点Vset比Vreg至少高0.3伏的条件是否被满足(Y)，而从其当前的激活或停用状态改变。例如，如果期望发电机单元G3永远不被激活，则那个指令将通过LIN被传送到系统20，或者通过将发电机/交流发电机上的上述引脚(即，硬件)拉“低”(到地)来确保遵守该指令。本领域的那些普通技术人员将认识到，如果需要的话，替代地，可以相似地防止本示例的发电机单元G3被系统20停用。这样，提供了重写(override)系统20的方式。
回到图7，如果对象发电机单元不被允许被激励或去激励(N)，则该算法退出并前进；如果对象发电机单元被允许被激励或反激励(Y)，则随后可以确定仅被激励的(即，活动的)发电机单元24的平均占空比FDCavg。在例如大约一分钟的时段内进行FDCavg的确定。
基于FDCavg和Nalt，该算法查阅真值表(Truth Table，源自于图2)，以确定对象单元24是否应被激励或去激励，或者是否不应采取任何关于其激活状态的动作。该算法被过滤使得在激活和停用之间有充分的迟滞。在决定任何动作之前，在例如一到两分钟的时段内执行几次查询。一旦决定了选择，就执行激活动作或停用动作，或者不执行动作，并且该算法退出并前进。此外，可以以轮换为基础做出哪些发电机单元24要被激活或停用的决定，使得如以上所讨论的，没有单元受到过度磨损。
在负荷低于满系统负荷的情况下，以上的策略将负荷在正确数量的交流发电机当中分发以便最大化系统效率。这有助于在可能的情形中确保发电机不在低效的低负荷或最大负荷点处操作。
以下是根据本公开的优选的实施例的列表：
1、一种并联发电机系统，包括：
系统总线，适于连接到电气负荷；
多个发电机单元，可并联地连接到所述系统总线，每个发电机单元在向所述系统总线提供电力时被激活；以及
多个控制器，用于至少一个发电机单元的选择性的激活和停用，控制器；
其中基于系统效率水平与活动的发电机单元的数量，至少一个发电机单元被控制器选择性地激活和停用，由此，在至少一个发电机单元的所述选择性的激活或停用之后系统的效率被提高。
2、如实施例1所述的并联发电机系统，其中所述多个发电机单元以基本上共同的轴速度被驱动，每个活动的发电机单元的电气输出随轴速度而变化。
3、一种用于在并联发电机系统中基于系统效率水平与发电机单元的数量利用控制器来选择性地激活和停用发电机单元的方法。
虽然包含本发明的原理的示例性的实施例在以上已经被公开，但本发明不限于所公开的实施例。相反地，本申请意在涵盖利用其一般原理的本发明的任何变化、用途或适配。进一步地，本申请意图涵盖在本发明所属领域中已知或惯用的实践内以及落在所附权利要求的限制内的对本公开的偏离。

Claims (3)

1.一种并联发电机系统，包括：
系统总线，适于连接到电气负荷；
多个发电机单元，能够并联地连接到所述系统总线，每个发电机单元在向所述系统总线提供电力时被激活；以及
多个控制器，用于至少一个发电机单元的选择性的激活和停用；
其中基于系统效率水平与活动的发电机单元的数量，至少一个发电机单元被控制器选择性地激活和停用，由此，在至少一个发电机单元的所述选择性的激活或停用之后系统的效率被提高。
2.如权利要求1所述的并联发电机系统，其中所述多个发电机单元以基本上共同的轴速度被驱动，每个活动的发电机单元的电气输出随轴速度而变化。
3.一种在并联发电机系统中基于系统效率水平以及发电机单元的数量利用控制器来选择性地激活和停用发电机单元的方法。
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