CN106685287B - 智能负载组和励磁控制 - Google Patents

Abstract

公开了一种负载管理系统。所述负载管理系统可以包括发电机、配置成驱动发电机的电源、配置成在发电机上产生电负载的负载组、操作地连接至发电机和负载组的斩波器，以及与发电机和斩波器连通的斩波调节器。斩波器可以配置成调制发电机上的负载组的电负载。斩波调节器可以配置成监测发电机参数并且基于发电机参数控制斩波器。

Description

智能负载组和励磁控制

技术领域

本发明总体上涉及发电机组，并且更具体地涉及发电机组的负载管理系统和方法。

背景技术

通常，发电机组可用作初级、离网型电源或用作现有电网系统的备用电源。例如，发电机组可以用来在其中公用电力无法使用的施工现场提供电功率。发电机组是电力发电机和发动机的组合。发动机或其它原动机可以燃烧燃料以向电力发电机提供机械功率。电力发电机将接收自发动机的机械功率转换为电功率。

实际上，对发电机组的功率需求随着负载的激活和停用而波动。在这些瞬时状态期间，发电机组通常可以响应于装载或卸载状态而作出缓慢反应。因此，仍然需要对功率需求的变化作出快速响应并同时允许发电机组保持在其标称操作范围内的负载管理系统和方法。

标题是“结合电力发电机使用的负载卸除控制模块(Load Shed Control Modulefor Use with Electrical Generator)”的美国专利号9,088,180中公开了一种负载管理设备。'180专利的负载管理设备在电力发电机上选择性地添加和卸除负载以防止电力发电机过载。具体地，'180负载管理设备学习每个负载在学习模式期间的负载分布并且执行一个或多个负载卸除程序以控制哪些电负载正装载电力发电机。

虽然是有效的，但是仍然需要可对发电机组的全部装载和卸载功率需求作出快速响应并同时允许发电机组保持在其标称操作范围内的系统和方法。

发明内容

根据一个实施例，公开了一种负载管理系统。所述负载管理系统可以包括发电机、配置成驱动所述发电机的电源、配置成在所述发电机上产生电负载的负载组、操作地连接至所述发电机和所述负载组的斩波器，以及与所述发电机和所述斩波器连通的斩波调节器。所述斩波器可以配置成调制所述发电机上的所述负载组的所述电负载。所述斩波调节器可以配置成监测发电机参数并且基于所述发电机参数控制所述斩波器。

根据另一个实施例，公开了一种用于管理对发电机的功率需求的方法。所述方法可以包括提供配置成在所述发电机上产生电负载的负载组、操作地连接至所述发电机和所述负载组并且配置成调制所述发电机上的所述负载组的所述电负载的斩波器，以及与所述发电机和所述斩波器连通的斩波调节器。所述方法可以进一步包括接收指示所述发电机的输出电压的信号、比较所述发电机的所述输出电压与预编程至与所述斩波调节器相关联的存储器中的目标电压，以及发送信号至所述斩波器以基于所述发电机的所述输出电压与所述目标电压的比较来控制所述发电机上的所述负载组的所述电负载。所述接收、比较和发送步骤可以通过所述斩波调节器来执行。

根据另一个实施例，公开了一种用于由电源驱动的发电机的负载管理系统。所述负载管理系统可以包括配置成在所述发电机上产生电负载的负载组、操作地连接在所述发电机与所述负载组之间的斩波器，以及与所述发电机和所述斩波器连通的斩波调节器。所述斩波器可以配置成调制所述发电机上的所述负载组的所述电负载。所述斩波调节器可以配置成监测所述发电机的输出电压、确定所述输出电压与预编程至与所述斩波调节器相关联的存储器中的目标电压之间的电压误差、比较所述电压误差与预编程至与所述斩波调节器相关联的所述存储器中的预定静区，以及发送信号至所述斩波器以在所述电压误差在所述预定静区之外时控制所述发电机上的所述负载组的所述电负载。

这些和其它方面以及特征将在阅读结合附图取得的以下详细描述时变得更容易显而易见。另外，虽然关于具体示例性实施例公开了各种特征，但是应当理解的是，各种特征可以结合彼此或单独使用，其中各种示例性实施例中的任何一个均未脱离本发明的范围。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的负载管理系统的示意图；

图2是图1的负载管理系统的另一个示意图；

图3是根据另一个实施例的示例性斩波器电压控制曲线图；以及

图4是根据另一个实施例的说明用于管理对发电机或发电机组的功率需求的示例性程序的流程图。

虽然本发明允许进行各种修改和替代性构造，但是其某些说明性实施例将在下文进行详细示出和描述。本发明不限于所公开的具体实施例，而是包括全部修改、替代性构造和其等同体。

具体实施方式

现在参考附图并且具体参考图1和2，示出了根据本发明的某些实施例的用于发电机组22的负载管理系统20的示意图。发电机组22可以包括操作地联接至发电机26的电源24。电源24或其它原动机可以配置成机械地旋转并且驱动发电机26。例如，电源24可以包括发动机，诸如汽油发动机、天然气发动机、柴油发动机或任何其它机械电源。

发电机26可以将接收自电源24的机械功率转换为电功率。由发电机26产生的电功率可以经由一路或多路传输线30引导至用户负载28。例如，发电机26可以包括电动发电机、交流(AC)感应发电机、永磁发电机、AC同步发电机、开关磁阻发电机或任何其它类型的发电机。负载管理系统20可以结合发电机组22使用以管理发电机26上的用户负载28。更具体地，负载管理系统20可以用于在装载和卸载的瞬时状态中对用户负载28的波动功率需求作出快速响应。

如图2中所示，负载管理系统20可以包括负载组32、斩波器34、调压器36和斩波调节器38。操作地连接至发电机组22的负载组32可以配置成在发电机26上产生可控电负载。负载组32可以在发电机26上施用电负载并且消耗发电机26的电功率。例如，负载组32可以是电阻式、感应式、电容式或任何其它类型。

另外，负载组32可以用于在瞬时状态期间补偿用户负载28的功率需求的快速变化。例如，负载组32可以配置成基于施用至发电机26的负载组32上的电负载的百分比来消耗发电机26中的预定量的电功率。当用户负载28的功率需求变化时，负载管理系统20可以通过调整施用至发电机26的负载组32中的电负载的百分比来调整负载组32消耗的预定量的电功率，以便快速地满足用户负载28的波动功率需求。

操作地连接在发电机26与负载组32之间的斩波器34可以配置成调制发电机26上的负载组32的电负载。斩波器34可以用于控制并且改变施用至发电机26的负载组32中的电负载的百分比，由此调制负载组32消耗的功率量。更具体地，斩波器34可以包括开关装置，其高速地连接和断开负载组32中的电负载以提供可变功率。例如，斩波器34可以包括一个或多个硅控整流器(SCR)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、功率双极结型晶体管(BJT)、晶闸管、栅极关断(GTO)晶闸管或其组合。然而，也可以使用其它装置。

与发电机26操作地连通的调压器36可以配置成将发电机26的输出电压维持为恒定电平(诸如目标电压)。例如，目标电压可以是发电机26的额定电压。在一个实例中，额定电压可以是六百伏特(600V)，但是也可以使用其它目标电压。调压器36可以使用前馈控制、负反馈控制环或将发电机26的输出电压维持为目标电压的任何其它类型的电子调节元件。

负载管理系统20还可以包括与发电机26的输出操作地连通的参数单元40。参数单元40可以配置成确定发电机26的输出电压和其它发电机参数，诸如频率、电流和速度。例如，参数单元40可以包括配置成测量发电机26的电功率信号(诸如输出电压、频率和电流)的数字功率表。在其它实例中，参数单元40可以包括传感器或是与发电机26相关联的发电机控制器的部分。调压器36和/或斩波调节器38可以操作地连接至参数单元40以接收指示与发电机26相关联的发电机参数的信号。

与发电机26和斩波器34操作地连通的斩波调节器38可以配置成监测与发电机26相关联的发电机参数并且基于发电机参数控制斩波器34。斩波调节器38可以使用以下一项或多项来实施：处理器、微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)和可以包括上面存储计算机可执行指令的非暂时性计算机可读存储介质或与其相关联的基于处理器的装置，或用于电控制斩波器34的功能性的任何其它合适装置。例如，斩波调节器38可以包括具有脉宽调制(PWM)控制的比例积分微分(PID)控制器，但是也可以使用其它配置。

斩波调节器38可以配置成根据用于操作斩波器34的预定算法或指令集进行操作以控制发电机26上的负载组32的电负载。这些算法或指令集可以编程或结合至存储器42中，所述存储器42与斩波调节器38相关联或至少对斩波调节器38可访问。存储器42可以设置在斩波调节器38内和/或外部，并且可以包括非易失性存储器。应当理解的是，负载管理系统20和斩波调节器38可以包括其它硬件、软件、固件或其组合。

在一个实例中，斩波调节器38可以使用基于斩波器的电压控制。更具体地，斩波调节器38可以配置成监测发电机26的输出电压，并且比较输出电压与预编程至与斩波调节器38相关联的存储器42中的目标电压。如果输出电压等于目标电压或在目标电压附近的预定范围内，那么这可以指示用户负载28的功率需求稳定或处于非瞬时、稳定的装载状态中。

在非瞬时、稳定装载状态期间，斩波调节器可以配置成经由斩波器34在发电机26上的负载组32中施用预定百分比的电负载。预定百分比可以预编程至与斩波调节器38相关联的存储器42中。例如，斩波调节器38可以配置成在非瞬时、稳定装载状态期间在发电机26上的负载组32中施用百分之五十(50％)的电负载。然而，也可以使用其它百分比。

在实例中，如果输出电压低于目标电压或目标电压附近的预定范围，那么这可以指示用户负载28的功率需求的提高。在瞬时装载状态期间，斩波调节器38可以配置成发送信号至斩波器34以降低施用在发电机26上的负载组32的电负载。例如，斩波调节器38可以配置成在发送指示瞬时装载状态期间施用在发电机26上的负载组32中的电负载的较低百分比的信号。为此，负载组32消耗更少电功率，由此允许提高用户负载28的电功率。因此，可以快速地满足用户负载28的提高的功率需求而无需等待发电机组22提高电功率的产能。

继续所述实例，如果输出电压高于目标电压或目标电压附近的预定范围，那么这可以指示用户负载28的功率需求的降低。在瞬时卸载状态期间，斩波调节器38可以配置成发送信号至斩波器34以提高施用在发电机26上的负载组32的电负载。例如，斩波调节器38可以配置成在发送指示瞬时卸载状态期间施用在发电机26上的负载组32中的电负载的较高百分比的信号。为此，负载组32消耗更多电功率，由此允许降低用户负载28的电功率。因此，可以快速地满足用户负载28的降低的功率需求而无需等待发电机组22降低电功率的产能。

另外，斩波调节器38可以配置成根据斩波器电压控制曲线44控制斩波器34，所述斩波器电压控制曲线44的实例在图3中进行示出。斩波器电压控制曲线44可以预编程至与斩波调节器38相关联的存储器42中。基于发电机26的输出电压46，斩波调节器38可以配置成从斩波器电压控制曲线44检索负载值48。斩波调节器38还可以配置成发送信号至斩波器34以根据检索的负载值48来调制发电机26上的负载组32的电负载。例如，负载值48可以是基于输出电压46经由斩波器34施用在发电机26上的负载组32的电负载的负载百分比。

通过经由斩波器34和斩波调节器38管理负载组32，负载管理系统20可以补偿用户负载28的波动功率需求。为此，负载管理系统20同时限制发电机26的励磁变化，因为发电机组22无法提高或降低电功率的产能。因此，发电机组22可以维持恒定速度、频率和电压，从而保持在其标称操作范围内，而用户负载28仍然接收所需求的电功率。

另外，斩波调节器38可以与调压器36操作地连通。基于发电机26的输出电压，斩波调节器38可以配置成发送偏压命令至调压器36以调节发电机26的目标电压。偏压命令可以将发电机26的目标电压提高或降低预定量。例如，斩波调节器38可以使用预编程至与斩波调节器38相关联的存储器42中的查找表以使用发电机26的输出电压检索偏压命令。然而，也可以使用其它配置来确定偏压命令。

工业实用性

一般来说，前述发明用于关于发电机组和/或发电机行业的各种应用。具体地，所公开的负载管理系统可以用于对发电机上的瞬时装载和卸载作出快速响应。更具体地，经由外部负载组将动态管理感知的负载添加至发电机。所公开的负载管理系统在管理外部负载组时还限制发电机组的励磁变化。另外，所公开的负载管理系统管理由发电机通过基于斩波器的电压控制感知的外部负载组的负载。为此，所公开的负载管理系统可以对发电机组上的全部装载和卸载功率需求作出快速响应，并同时允许发电机组保持在其标称操作范围内。

现在转向图4且继续参考图1至3，示出了根据另一个实施例的说明用于管理对发电机或发电机组的功率需求的示例性算法或程序50的流程图。算法或程序50可以包括在负载管理系统的斩波调节器中。例如，算法或程序50可以编程至与斩波调节器相关联的存储器中。在框52处，斩波调节器可以配置成监测发电机参数。例如，斩波调节器可以接收指示发电机的输出电压的信号。

在框54处，斩波调节器确定是否启用负载组。例如，斩波调节器可以从斩波器接收指示是否启用负载组的信号。如果禁用负载组，那么程序50返回行进至框52。如果启用负载组，那么程序50行进至框56。斩波调节器在框56处确定发电机电压误差。更具体地，斩波调节器确定发电机的输出电压与目标电压之间的差值以获得发电机电压误差。目标电压可以是发电机的额定电压或预编程至与斩波调节器相关联的存储器中的发电机的任何其它参考电压。

在框58处，比较发电机电压误差与预编程至与斩波调节器相关联的存储器中的预定静区。更具体地，可以比较发电机电压误差的绝对值与预编程至与斩波调节器相关联的存储器中的电压设置点。例如，如果目标电压是600V，那么预定静区可以从595V至605V，其中电压设置点是五伏特(5V)。然而，也可以使用其它数值的目标电压、预定静区和电压设置点。

如果输出电压在预定静区内或发电机电压误差的绝对值小于或等于电压设置点，那么程序50返回行进至框52。如果输出电压在预定静区之外或发电机电压误差的绝对值大于电压设置点，那么程序50行进至框60。在框60处，启用斩波调节器控制。更具体地，斩波调节器可以发送信号至斩波器以调整发电机上的负载组的电负载。例如，斩波调节器可以根据预编程至与斩波调节器相关联的存储器中的斩波器电压控制曲线(诸如图3的示例性曲线)发送信号至斩波器。例如，斩波调节器还可以发送指示偏压命令的信号至调压器以调整发电机上的目标电压。

应当理解的是，图4中的流程图被示为并且描述为仅仅辅助公开所公开系统的特征的实例，且多于或少于所示的步骤可以包括在对应于上文针对所公开系统描述的各种特征的程序中，而不脱离本发明的范围。

虽然已经关于某些具体实施例给定并且提供了前述详细描述，但是应当理解的是，本发明的范围不应限于这些实施例，而是仅仅提供用于可施行和最佳模式目的。本发明的范围和精神比这里所附的权利要求书内具体公开并且涵盖的实施例更广泛。另外，虽然结合某些具体实施例描述了某些特征，但是这些特征不限于仅仅结合用于描述它们的实施例使用，而是可以与结合替代实施例公开的其它特征一起或与所述其它特征分开使用。

Claims (7)

1.一种负载管理系统，所述负载管理系统用于管理波动用户负载的瞬时加载和卸载，所述负载管理系统包括：

发电机；

电源，其配置成驱动所述发电机；

负载组，其配置成在所述发电机上产生电负载；

斩波器，其操作地连接至所述发电机和所述负载组，所述斩波器配置成响应于所述波动用户负载来调制所述发电机上的所述负载组的所述电负载；以及

斩波调节器，其与所述发电机和所述斩波器连通，所述斩波调节器配置成监测发电机参数并且基于所述发电机参数控制所述斩波器以便以恒定输出保持所述发电机的操作，其中所述发电机参数包括所述发电机的输出电压，所述斩波器被配置成从斩波器电压控制曲线检索负载值，所述斩波器电压控制曲线被预编程至与所述斩波器调节器相关的存储器内，所述负载值基于所述发电机的输出电压，并且所述斩波器被配置成发送信号至所述斩波器以根据检索的所述负载值来调制所述发电机上的负载组的电负载，并且其中所述斩波器调节器包括比例积分微分控制器。

2.根据权利要求1所述负载管理系统，其中所述斩波调节器进一步配置成确定所述输出电压与目标电压之间的电压误差。

3.根据权利要求2所述负载管理系统，其中所述斩波调节器进一步配置成比较所述电压误差与预编程至与所述斩波调节器相关联的所述存储器中的预定静区。

4.根据权利要求3所述负载管理系统，其中如果所述电压误差在所述预定静区之外，那么所述斩波调节器进一步配置成根据所述斩波器电压控制曲线来控制所述斩波器。

5.根据权利要求4所述负载管理系统，其进一步包括与所述发电机和所述斩波调节器连通的调压器，所述调压器配置成将所述发电机的所述输出电压维持为所述目标电压。

6.根据权利要求5所述负载管理系统，其中所述斩波调节器进一步配置成发送偏压命令至所述调压器以基于所述发电机的所述输出电压调整目标电压。

7.一种用于管理对发电机上的波动用户负载的瞬时加载和卸载的功率需求的方法，其包括：

提供配置成在与所述用户负载分离的所述发电机上产生电负载的负载组、操作地连接至所述发电机和所述负载组并且配置成响应于波动负载调制所述发电机上的所述负载组的所述电负载的斩波器，以及与所述发电机和所述斩波器连通的斩波调节器；

接收指示所述发电机输出电压的信号；

比较所述发电机的所述输出电压与预编程至与所述斩波调节器相关联的存储器中的目标电压；以及

发送信号至所述斩波器以基于所述发电机的所述输出电压与所述目标电压的所述比较来控制所述发电机上的所述负载组的所述电负载，所述接收、比较和发送步骤是由所述斩波调节器来执行，从而以恒定输出保持所述发电机的操作；以及

将斩波器电压控制曲线存储至与所述斩波器调节器相关的存储器内，基于所述斩波器控制器曲线，将信号发送至所述斩波器。

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