CN107181316A - 基于双馈电感应发电机的不间断供电系统和控制方法 - Google Patents

基于双馈电感应发电机的不间断供电系统和控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种不间断供电系统，用于向连接到公用设施电源的负载供电。所述不间断供电系统包括双馈电感应发电机、可再充电的能量储存系统、第一变换器以及控制器，所述控制器与所述双馈电感应发电机和第一变换器通信。所述双馈电感应发电机包括连接到所述负载的定子和转子。所述定子和转子磁性连接在一起。所述双馈电感应发电机产生辅助电力输出。所述第一变换器连接在所述转子与所述可再充电的能量储存系统之间。所述控制器检测与所述公用设施电源相关联的功率干扰，并且响应于所述功率干扰而控制所述第一变换器向所述转子提供励磁输入。所述双馈电感应发电机基于所述励磁输入向所述负载提供所述辅助电力输出。

Description

基于双馈电感应发电机的不间断供电系统和控制方法
技术领域
本发明主要涉及一种基于双馈电感应发电机(doubly-fed inductiongenerator，DFIG)不间断供电系统，并且确切地说，涉及具有可控制电力输出的基于离线双馈电感应发电机的不间断供电系统。
背景技术
稳健的(Robust)电力系统能够将电力供应到一个或多个负载。该等电力系统可包括电力发生、输送、整流、逆转和转换的组合，从而向电子、光学、机械和/或核能应用和负载供电。实施电力系统和结构时，实际考虑事项包括成本、大小、可靠性和实施难易性。
在至少一些已知电力系统给中，一个或多个不间断供电(uninterruptible powersupplies,UPS)设施可便于向负载供电。UPS便于确保电力连续供应到一个或多个关键负载，即便在电力系统中的一个或多个部件出现故障时。因此，UPS提供了冗余电源。UPS可用于若干应用中(例如，公用设施变电所、工业装置、海洋系统、高安全系统、医院、数据通信和远程通信中心、半导体制造地、核能装置等)。此外，UPS可用于高、中或低电力应用中。例如，UPS可用于相对较低的电力系统中(例如，娱乐或消费系统)或者微型系统(例如，基于芯片的系统)。
至少一些已知的UPS包括变压器，所述变压器连接在高压和低压变换器之间。所述变换器将从直流(DC)电源接收的电力转换成交流(AC)电信号，所述电信号通过变压器输送到负载。尽管可控制变换器以向负载提供来自DC电源的可变电压，但是在功率干扰的情况下，所述变换器可能无法提供所需的电力质量。
发明内容
在一个方面中，本发明提供了一种不间断的供电系统，用于向连接到公用设施电源的负载供电。所述不间断的供电系统包括双馈电感应发电机、可再充电的能量储存系统、第一变换器以及控制器，所述控制器与所述双馈电感应发电机和第一变换器通信。所述双馈电感应发电机包括连接到所述负载的定子和转子。所述定子和转子磁性连接在一起。所述双馈电感应发电机产生辅助电力输出。所述第一变换器连接在所述转子与所述可再充电的能量储存系统之间。所述控制器检测与所述公用设施电源相关联的功率干扰，并且响应于所述功率干扰而控制所述第一变换器向所述转子提供励磁输入。所述双馈电感应发电机基于所述励磁输入向所述负载提供所述辅助电力输出。
在另一个方面中，本发明提供了一种控制器，用于连接到负载的不间断的供电系统。所述控制器包括处理器以及与所述处理器通信的存储器。所述控制器与双馈电感应发电机和变换器通信。所述双馈电感应发电机包括转子以及连接到所述负载的定子。所述双馈电感应发电机产生辅助电力输出。所述变换器连接在所述转子与可再充电的能量储存系统之间。所述处理器检测与连接到所述负载的公用设施电源相关联的功率干扰，并且响应于所述功率干扰而控制所述变换器向所述转子提供励磁输入。所述双馈电感应发电机基于所述励磁输入向所述负载提供所述辅助电力输出。
在另一个方面中，本发明提供了一种方法，用于使用不间断的供电系统向连接到公用设施电源的负载供电。所述不间断的供电系统包括双馈电感应发电机、变换器、连接到所述变换器的可再充电的能量储存系统以及控制器，所述控制器与所述双馈电感应发电机和所述变换器通信。所述双馈电感应发电机包括连接到所述负载的定子以及连接到所述变换器的转子。所述方法由控制器来实施。所述方法包括：检测与所述公用设施电源相关联的功率干扰；以及响应于所述功率干扰而控制所述变换器向所述转子提供励磁输入。所述双馈电感应发电机基于所述励磁输入产生输送到所述负载的电力输出。
在本发明的一具体实施例中,本发明提供一种不间断供电系统，用于向连接到公用设施电源的负载供电，所述不间断供电系统包括：双馈电感应发电机，包括连接到所述负载的定子和转子，所述定子和所述转子磁性连接在一起，其中所述双馈电感应发电机配置成产生辅助电力输出；可再充电的能量储存系统；第一变换器，所述第一变换器连接在所述转子与所述可再充电的能量储存系统之间；以及控制器，所述控制器通信地连接到所述双馈电感应发电机和所述第一变换器，所述控制器配置成：检测与所述公用设施电源相关联的功率干扰；以及响应于所检测的功率干扰而控制所述第一变换器向所述转子提供励磁输入，其中所述双馈电感应发电机进一步配置成至少部分根据所述励磁输入而向所述负载提供所述辅助电力输出。
进一步地，包括连接到所述转子的原动机，所述原动机通信地连接到所述控制器，其中所述控制器进一步配置成：致使所述原动机旋转所述转子，以产生所述辅助电力输出；监控所述负载处的所述辅助电力输出；致使所述原动机基于所述负载处的所述辅助电力输出调整所述转子的速度，其中调整所述转子速度致使所述辅助电力输出得到调整；以及基于所述经过调整的转子速度控制所述第一变换器调整所述励磁输入，以在同步模式、次同步模式和超同步模式中的一个模式下操作所述双馈电感应发电机。
进一步地，其中所述控制器进一步配置成：确定所述双馈电感应发电机是在次同步模式和超同步模式中的一个模式下操作；以及基于所述经过调整的转子速度控制所述第一变换器调整所述励磁输入的频率，其中所述辅助电力输出的频率与所述公用设施电源的公用设施电力输出的频率大体上相等。
进一步地，其中所述原动机是柴油发电机。
进一步地，其中所述控制器进一步配置成：监控与所述公用设施电源相关联的数据，所述数据包括电力成本、电压、电流和功率因数中的至少一个；基于所监控的数据和所述负载处的所述辅助电力输出计算预计相位；以及致使所述原动机调整所述转子的所述转子速度以将所述辅助电力输出的相位调整成所述预计相位，其中所述辅助电力输出的一部分以所述预计相位输送到所述公用设施电源。
进一步地，其中所述控制器进一步配置成检测与所述公用设施电源相关联的所述电力成本超出了预定阈值成本。
进一步地，其中所述第一变换器进一步配置成：当所述双馈电感应发电机以超同步模式操作时，从所述双馈电感应发电机提取交流有功电力；将所述有功电力转换成直流电力；以及将所述直流电力输送到所述可再充电的能量储存系统进行储存。
进一步地，包括连接在所述原动机与所述转子之间的轴，所述原动机配置成旋转地驱动所述轴以旋转所述转子。
进一步地，包括第二变换器，所述第二变换器连接在所述定子与所述可再充电的能量储存系统之间，所述第二变换器配置成对所述可再充电的能量储存系统进行充电。
在本发明的另一具体实施例中,本发明提供一种用于不间断供电不间断供电系统的控制器，所述不间断供电系统连接到负载，所述控制器包括：处理器以及与所述处理器通信的存储器，所述控制器通信地连接到双馈电感应发电机，所述双馈电感应发电机包括(i)转子以及(ii)连接到所述负载的定子，所述控制器进一步通信地连接到变换器，所述变换器连接在所述转子与可再充电的能量储存系统之间，所述双馈电感应发电机配置成产生辅助电力输出，其中所述处理器配置成：检测与连接到负载的公用设施电源相关联的功率干扰；以及响应于所检测的功率干扰而控制所述变换器向所述转子提供励磁输入，其中所述双馈电感应发电机至少部分根据所述励磁输入而向所述负载提供所述辅助电力输出。
进一步地，其中所述控制器通信地连接到原动机，原动机连接到所述转子，其中所述处理器进一步配置成：致使所述原动机旋转所述转子，以产生所述辅助电力输出；监控所述负载处的所述辅助电力输出；致使所述原动机基于所述负载处的所述辅助电力输出调整所述转子的速度，其中调整所述转子速度致使所述辅助电力输出得到调整；并且基于所述经过调整的转子速度，控制所述变换器调整所述励磁输入，以在同步模式、次同步模式和超同步模式中的一个模式下操作所述双馈电感应发电机。
进一步地，其中所述处理器进一步配置成：监控与所述公用设施电源相关联的数据，所述数据包括电力成本、电压、电流和功率因数中的至少一个；基于所监控的数据和所述负载处的所述辅助电力输出计算预计相位；以及致使所述原动机调整所述转子的所述转子速度以将所述辅助电力输出的相位调整成所述预计相位，其中所述辅助电力输出的一部分以所述预计相位输送到所述公用设施电源。
进一步地，其中所述控制器进一步配置成检测与所述公用设施电源相关联的所述电力成本超出了预定阈值成本。
进一步地，其中所述处理器进一步配置成当所述双馈电感应发电机以超同步模式操作时，致使所述变换器从所述DFIG提取交流有功电力，其中所述变换器配置成将所述有功电力转换成直流电力并且将所述直流电力输送到所述可再充电的能量储存系统进行储存。
在本发明的又一具体实施例中,本发明提供一种方法，用于使用不间断供电不间断供电系统向连接到公用设施电源的负载供电，所述不间断供电系统包括双馈电感应发电机、变换器、连接到所述变换器的可再充电的能量储存系统以及控制器，所述控制器通信地连接到所述双馈电感应发电机和所述变换器，所述双馈电感应发电机包括连接到所述负载的定子以及连接到所述变换器的转子，所述方法包括：通过所述控制器检测与所述公用设施电源相关联的功率干扰；以及响应于所述功率干扰而控制所述变换器向所述转子提供励磁输入，其中所述双馈电感应发电机至少部分根据所述励磁输入而产生用于所述负载的辅助电力输出。
进一步地，包括：通过所述控制器控制连接到所述转子的原动机，所述原动机受控制以旋转所述转子，从而产生所述辅助电力输出；监控所述负载处的所述辅助电力输出；通过所述控制器，致使所述原动机基于所监控的辅助电力输出调整所述转子的速度，其中调整所述转子速度致使所述辅助电力输出得到调整；并且基于所述经过调整的转子速度，控制所述变换器调整所述励磁输入，以在同步模式、次同步模式和超同步模式中的一个模式下操作所述双馈电感应发电机。
进一步地，包括：通过所述控制器确定所述双馈电感应发电机在所述次同步模式和超同步模式中的一个模式下操作；基于所述转子速度控制所述变换器调整所述励磁输入的频率，其中所述辅助电力输出的频率与所述公用设施电源的电力输出的频率大体上相等。
进一步地，包括：通过所述控制器监控与所述公用设施电源相关联的数据，所述数据包括电力成本、电压、电流和功率因数中的至少一个；基于所监控的数据和所述负载处的所述辅助电力输出计算预计相位；以及致使所述原动机调整所述转子的所述转子速度以将所述辅助电力输出的相位调整成所述预计相位，其中所述辅助电力输出的一部分以所述预计相位输送到所述公用设施电源。
进一步地，其中监控与所述公用设施电源相关联的数据进一步包括检测与所述公用设施电源相关联的所述电力成本超出了预定阈值成本。
进一步地，包括当所述双馈电感应发电机以超同步模式操作时，通过所述控制器致使所述变换器从所述双馈电感应发电机提取交流有功电力，其中所述变换器配置成将所述有功电力转换成直流电力并且将所述直流电力输送到所述可再充电的能量储存系统进行储存。附图说明
参照附图阅读以下详细说明将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面及优点，在附图中，相似字符表示附图中的相似部分，其中：
图1是示例性电力系统的示意图，所述示例性电力系统包括不间断供电系统。
图2是替代性示例电力系统示意图，所述电力系统具有类似于图1中所示的不间断的供电系统的另一不间断的供电系统。
图3是可用于图1所示的不间断的供电系统中的示例性计算装置的方框图；以及
图4是用于控制图1中所示的不间断的供电系统的示例性方法的流程图。
除非另作说明，否则本说明书中提供的附图旨在示出本发明实施例的特征。可以相信这些特征适用于包括本发明一个或多个实施例的各种系统。因此，附图并不意图包括所属领域中的普通技术人员已知的实践本说明书中公开的实施例所需的所有传统特征。
具体实施方式
在以下说明和随附权利要求中，将参考多个术语，这些术语的定义如下。
除非上下文明确另作规定，否则单数形式“一个”、“一种”和“所述”也含有复数意义。
“可选”或“可选地”意指后续描述的事件或情况可能会或可能不会发生，并且所述说明同时包括事件发生或者不发生的情况。
本说明书和权利要求书全文中所用的近似语言可以用于修饰能够合理改变而不改变相关对象的基本功能的任何数量表示。因此，由一个或多个诸如“大约”、“近似”和“大体上”等术语修饰的值并不限于所指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可能与用于测量值的仪器的精度对应。在此处以及说明书及权利要求书的各处中，范围限制可以组合和/或互换；除非上下文或语言另作说明，否则此类范围表示说明并且包括其中包含的所有子范围。
本说明书中使用的术语“处理器”和“计算机”和相关术语，例如，“处理装置”、“计算装置”和“控制器”并不限于所属领域中称为计算机的集成电路，而是广泛地指微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路，以及其他可编程电路，而且这些术语可以在本说明书中互换使用。在本说明书中所述的实施例中，存储器可包括但不限于计算机可读介质，例如随机存取存储器(RAM)，以及计算机可读非易失性介质，例如闪存。或者，也可以使用软磁盘、光盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)和/或数字多功能光盘(DVD)。此外，在本说明书中所述的实施例中，额外的输入通道可以是但不限于与诸如鼠标和键盘等操作员接口关联的计算机外围设备。或者，还可使用其他计算机外围设备，例如，包括但不限于扫描仪。此外，在示例性实施例中，额外的输入通道可包括但不限于操作员接口监控器。
本说明书中使用的术语“非瞬时性计算机可读介质”旨在表示以任何方法或技术实施用于信息(如计算机可读指令、数据结构、程序模块和子模块、或任何装置中的其他数据)短期和长期存储的任何有形的基于计算机的装置。因此，本说明书中描述的方法可以被编码为包含在有形的非瞬时性计算机可读介质中的可执行指令，所述计算机可读介质包括(但不限于)存储装置和/或存储装置。当处理器执行此类指令时，所述指令使得处理器执行本说明书中描述的方法的至少一部分。此外，本说明书中所述的术语“非瞬时性计算机可读介质”包括所有有形、计算机可读介质，包括，但不限于非瞬时性计算机存储装置，包括，但不限于，易失性和非易失性介质，以及诸如固件、物理和虚拟存储器、CD-ROM、DVD等可拆卸和不可拆卸介质，以及诸如网络或因特网等其他任何数字来源，以及尚未开发出的数字装置，但是瞬时性的传送信号除外。
本说明书中所述的系统和方法便于在电力系统内的关键负载处提供不间断的可控制电力。具体来说，本说明书中所述的系统和方法便于在涉及到公用设施电源经历功率干扰(例如，断电、限制用电或者电力质量不足)的期间内向负载提供辅助电力。本说明书中所述的系统和方法包括不间断供电系统，所述不间断供电系统具有可再充电的能量储存系统、低压变换器、连接到负载的双馈电感应发电机、原动机和控制器。所述控制器操作所述变换器和所述原动机控制所述不间断供电系统。当所述控制器检测到功率干扰时，所述控制器使所述变换器产生励磁输入并且向所述双馈电感应发电机的转子提供所述励磁输入。所述转子附接到可旋转的轴，所述可旋转的轴连接到所述原动机。所述控制器启动所述原动机以使所述轴和转子旋转。旋转所述转子并且提供所述励磁输入使所述双馈电感应发电机在所述双馈电感应发电机的定子处产生辅助电力输出。所述辅助电力输出从所述定子传输到所述负载。所述辅助电力输出的质量、频率、相位和强度的控制方法是调整所述原动机的励磁输入和转子速度，以提供对不间断供电系统的强化控制。
图1是示意图，其示出了示例性电力系统，并且确切地说，不间断供电系统100。不间断供电系统100连接到负载10。在该示例性实施例中，负载10连接到与公用事业提供商关联的公用设施电力系统20。公用设施电力系统20包括公用设施电源22、开关24、感应器26以及彼此串联的静态旁路28。公用设施电源22产生用于一个或多个负载的公用设施电力输出(包括负载10)。在该示例性实施例中，公用设施电力输出是三相交流(AC)电力输出。例如，公用设施电力输出是三相60赫兹(Hz)、208伏均方根(volts root-means-squared，Vrms)相到相电压。在另一个实例中，公用设施电力输出是三相50Hz、400Vrms相到相电压。或者，所述公用设施电力输出可包括不同数量的相位、频率和/或峰值电压。
当公用设施电源22经历功率干扰，静态旁路28配置成将负载10从公用设施电源22电气地断开。所述功率干扰可包括但不限于电力故障、部分灯火管制(brown outs)、过量电压、过压电流以及电力质量降低(即，电力的功率因数降低)。
不间断供电系统100配置成响应于功率干扰而向负载10供应辅助电力输出。此外，在该示例性实施例中，当公用设施电力系统20正常操作(即，向负载10供电)时，不间断供电系统100配置成向负载10提供辅助电力输出以维持连续、预定质量的电力。所述辅助电力输出具有与来自公用设施电力系统20的电力输出的相位数量和频率匹配的多个相位和频率(即，三相和60Hz)。如本说明书中所述，在一些实施例中，不间断供电系统100配置成将一部分的辅助电力输出传输到公用设施电力系统20，以向连接到公用设施电力系统20的其他负载供电。在一些实施例中，该部分的辅助电力输出可出售给公用事业服务提供商或者与不同负载相关联的其他方。
在该示例性实施例中，不间断供电系统100包括可再充电能量储存系统102、变换器104、双馈电感应发电机106、原动机108和控制器110。在其他实施例中，不间断供电系统100可包括额外、较少或替代的部件，包括本说明书中的其他地方所述的部件。
可再充电的能量储存系统102配置成产生和/或储存电力。可再充电的能量储存系统102是直流(DC)供电系统。可再充电的能量储存系统102进一步配置成从UPS系统100接收电力，所述电力被储存或用于产生额外的电力。在某些实施例中，可再充电的能量储存系统102可从诸如发电机等外部来源接收电力。在该示例性实施例中，可再充电的能量储存系统102是电池组，所述电池组包括一个或多个电池(未图示)。在其他实施例中，可再充电的能量储存系统102是电容器。
变换器104连接在可再充电的能量储存系统102与双馈电感应发电机106之间。具体来说，变换器104通过变换器总线103连接到可再充电的能量储存系统102，并且通过转子总线105连接到双馈电感应发电机106。变换器104配置成往返于可再充电的能量储存箱系统102与双馈电感应发电机106之间转换和输送电力。在该示例性实施例中，变换器104是低压变换器，即1-1000伏(V)。在其他实施例中，变换器104是介质(1.1kV-100kV)或高压变换器(大于100kV)。
在一个实施例中，双馈电感应发电机106是绕线转子、同步、60Hz、三相、双馈电感应发电机，包括磁性连接到发电机转子114的发电机定子112。或者，双馈电感应发电机106是便于如本说明书中所述操作UPS系统100的具有任何数量的相位和频率的任何发电机。双馈电感应发电机106通过定子总线107连接到负载10。在该示例性实施例中，定子112电连接到定子总线107并且转子114电连接到转子总线105。
发电机转子114连接到可旋转的轴116，以使转子114配置成随轴116一起旋转。在示例性实施例中，原动机(prime mover)108连接到轴116。原动机108包括，例如但不限于，柴油发电机、电动机或者配置成产生驱动轴116的机械旋转力矩的其他部件。轴116用于驱动转子114。转子114内感生旋转的磁场，并且磁性连接到转子114的定子112内感生电压。双馈电感应发电机106在定子112内将旋转机械能转换成正弦三相交流电能信号(本说明书中称为“辅助电力输出”)。在该示例性实施例中，原动机108配置成选择性地改变驱动速度以调整轴116的旋转速度。
控制器110通信地连接到变换器104和原动机108以控制不间断供电系统100。具体来说，控制器110配置成选择性地控制变换器104产生的电力(即，励磁输入)的频率、相位和强度以及原动机108的驱动或转子速度。此外，控制器110配置成启动或停用变换器104和原动机108。在至少一些实施例中，控制器110与配置成监控电力系统的一个或多个传感器进行电子数据通信，以接收传感器数据并且基于传感器数据控制UPS系统100。例如，控制器110通信地连接到转子转速计118，所述转子转速计配置成监控轴116以计算轴116或转子114的旋转速度。在另一个实例中，控制器110通信地连接到电连接到负载10的负载电气传感器120以及电连接到变换器104的变换器电气传感器122，以监控负载10以及变换器104处各自的电流、电压、功率、功率因数和/或其他电气值。在其他实施例中，控制器110可通信地连接到电力系统内的不同类型、数量和/或位置的传感器。
在该示例性实施例中，当公用设施电源22正常运行时，公用设施电力输送到负载10和定子112。在至少一些实施例中，变换器104和原动机108关闭。将定子112接通公用设施电力可在转子114和变换器104处产生电力。由于变换器104停用，因此所产生的电力不转换并且输送到能量储存系统102。但是，所产生的电力使变换器104和双馈电感应发电机106保持“热态”，即，随时准备启动并且对短时间内的功率干扰做出应对。
当控制器110检测到与公用设施电力系统20相关联的功率干扰时，控制器110配置成启动变换器104以打开处于第一操作模式下的UPS系统100。在该第一操作模式下，来自可充电能量储存系统102的电力由变换器104接收并且转换成励磁输入(excitation input)。所述励磁输入输送到转子114。在该第一操作模式下，原动机108尚未启动以使轴116旋转。因此，双馈电感应发电机106的转子114和定子112用作变压器，用于产生用于负载10的辅助电力输出。具体来说，通过变换器104提供给转子114的励磁输入在定子112内感生旋转的磁场，以产生辅助电力输出。由于定子112已经通电，因此可在较短时间(例如，2毫秒)内产生辅助电力输出。所述辅助电力输出提供给负载10以便于向辅助10不间断供电。控制器110可配置成监控负载10处的辅助电力输出，并且调整变换器104的一个或多个控制变量(例如，频率)以将辅助电力输出的频率和相位保持与公用设施电力输出的频率和相位类似。负载10配置成或定额成使用预定频率和相位的电力工作。例如，负载10可以配置成使用三相、60Hz的电力工作。因此，不间断供电系统100维持大体类似的频率和相位以便于操作负载10。
处于第一操作模式下，控制器110启动原动机108以在第二操作模式下操作不间断供电系统100。控制器110将控制信号传输到原动机108，以便以不断增大的转子速度驱动轴116，从而使转子114旋转到预定速度。转子114的移动可增大由励磁输入感生的磁场以及所产生的辅助电力输出。随着转子速度增大，控制器110配置成控制变换器104以补偿或调整励磁输入的强度(magnitude)、频率和/或相位，以调整感生的磁场并且将辅助电力输出维持在与公用设施电力输出大体相同的频率和相位。
控制器110配置成监控不间断供电系统100和负载10，并且调整变换器104的励磁输入以及原动机108的转子速度，以便以同步模式、次同步模式或者超同步模式操作双馈电感应发电机106。在同步模式下，转子速度与辅助电力输出同步或者成比例。在次同步和超同步模式下，转子速度不与辅助电力输出同步。相反，调整励磁输入以补偿转子速度。
当转子114以同步速度转动时，控制器110使用通过转子总线105从变换器104传输的有效电力来使发电机转子114励磁。发电机定子112产生同步频率下的辅助电力输出，该电力输出将输送到上述的负载10。
当发电机转子114以小于由发电机定子112限定的同步速度的速度(即，次同步速度)转动时，控制器110使用通过转子总线105从变换器104传输的无功电力来使发电机转子114励磁。转子114将呈现为以相对于发电机定子112的同步速度转动，并且定子112将产生所需的，即同步频率辅助电力输出，输送到上述的负载10。
当发电子转子114以大于同步速度的速度(即，超同步请速度)转动时，控制器110使用通过转子总线105从变换器104传输的无功电力使转子114励磁，同时通过转子总线105从发电机转子114提取有功电力或有效电力。转子114将呈现为以相对于发电机定子112的同步速度转动，并且定子112将产生同步频率的辅助电力输出，输送到上述的负载10。变换器104将从转子114提取的有功电力转换成直流电力，以对能量储存系统102再充电。在至少一些实施例中，控制器110配置成在模式之间切换，以优化原动机108的燃料使用或者UPS系统100的另一操作特性。
在至少一些实施例中，UPS系统100配置成提供辅助电力输出，即便是在未检测到与公用设施电力系统20相关联的功率干扰时。UPS系统100有助于使用两个单独的控制变量(即，转子速度和励磁电力输出)来强化对电力输出和质量的控制。因此，UPS系统100提供了向负载10提供至少一部分电力，以减少由公用设施电源22向负载10供应的电力。在特定实施例中，UPS系统100包括连接到公用设施电力系统20的锁相环路(phase-locked loop，PLL)控制系统(未图示)，用于使公用设施电力输出与UPS系统100的辅助电力输出同步。
在特定实施例中，UPS系统100配置成向公用设施电力系统20提供一部分的辅助电力输出，以待分配到其他负载。所述部分的辅助电力输出可由与公用设施电力系统20相关联的公用事业提供商购买。具体来说，该部分可在高电力需求以及公用事业提供商的电力成本增大期间进行购买。控制器110可配置成监控公用设施电力系统20以确定是否输送该部分的辅助电力输出。例如，如果控制器110确定电力成本高于预定阈值，则控制器110将该部分的电力输送到公用设施电力系统20。控制器110通信地连接到与公用设施电力20相关联的一个或多个计算装置(未图示)，以出售和/或输送电力。在一些实施例中，控制器110通信地连接到与负载10或UPS系统100的操作员或所有者相关的计算装置，以接收出售和传输电力的用户输入。
要将该部分的辅助电力输出输送到公用设施电力系统20，控制器110控制变换器104和原动机108，以改变双馈电感应发电机(DFIG)106产生的电压的相位。具体来说，控制器110使用电力系统监控电气数据，并且使用以下方程式1计算需要输送到公用设施电力系统20的辅助电力输出PDFIG的部分。方程式1包括负载10处接收的电力PLoad、双馈电感应发电机106产生的电压VDFIG、公用设施电源22产生的电压VUtil、电感器26的电感X，以及电压VDFIG的相位δ。方程式1表示为：
通过改变相位δ，控制器110选择性地控制供应到公用设施电力系统20的电力的强度。在该示例性实施例中，控制器110计算电量的预计或所需相位，并且调整相位δ以与预计相位匹配。所述预计相位引发公用设施电力系统20的电压，以向公用设施电力系统20供电。要停止向公用设施电力系统20供电，控制器110将相位δ调整成大体上为零，以使辅助电力输出PDFIG等于电力PLoad。
图2是示意图，其示出了连接到负载10和公用设施电力系统20的替代性示例不间断供电系统200。不间断供电系统200类似于图1中所示的不间断供电系统100，并且若无相反表述，则包括类似的参考数字。与不间断供电系统100不同，不间断供电系统200包括第二变换器230和电容器232，其连接在可再充电的能量储存系统102与定子112之间。在该示例性实施例中，变换器230是低压变换器。与变换器230相连的定子112的绕组与连接到定子总线(stator bus)107和负载10的绕组不同。在其他实施例中，变换器230可连接到与定子总线107相同的绕组。在该等实施例中，变换器230是中压变换器，配置成从公用设施电源22接收电力。
变换器230通信地连接到控制器110，以使控制器110能够操作变换器230。变换器230配置成在不间断供电系统100的操作期间，对可再充电的能量储存系统102进行充电。变换器230从定子112接收交流电力，将交流电力转换成直流电力，并且将该直流电力输送到电容器232进行储存。在变换器230连接到定子总线107的一些实施例中，变换器230从公用设施电源22接收中压交流电力，并且将该交流电力转换成直流电力以对电容器232进行充电。该直流电力可以是低压或中压。双馈电感应发电机106用作变换器104、230之间的变压器，以在变换器104、230，电容器232与双馈电感应发电机106之间形成环路。当电容器232的电压改变(例如，变换器104、230停用时)，储存在电容器232的电力放电到可再充电的能量储存系统102中。变换器230和电容器232使可再充电的能量储存系统102能够在无需以超同步模式操作原动机的情况下充电，以节省燃料(或者原动机108的其他电源)。
图3是示例性计算装置305的方框图，所述示例性计算装置可用于监控和/或控制诸如不间断供电系统100、200(图1和2中所示)等不间断供电系统的操作。在该示例性实施例中，控制器110(图1中所示)使用计算装置305实施。计算装置305包括存储器装置310和处理器315，所述处理器可操作地连接至存储装置310，用于执行指令。
在一些实施例中，处理器315包括一个或多个处理单元(例如，呈多核配置)。在一些实施例中，可执行指令存储在存储装置310中。计算装置305配置用于通过编程处理器315来执行本说明书中描述的一个或多个操作。例如，处理器315可通过将操作编码成一个或多个可执行指令并且在存储装置310中提供这些可执行指令来进行编程。
此外，在该示例性实施例中，存储装置310是连接到处理器315的至少一个装置，用于存储并且检索诸如计算机可能指令和数据等信息，包括但不限于，操作数据、参数、设置点、阈值和/或使计算装置305能够如本说明书中所述运行的其他任何数据。存储装置310可以包括一个或多个有形非瞬时计算机可读介质，例如，但不限于，随机存取存储器(RAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、固态盘、硬盘、只读存储器(ROM)、可擦除可编程ROM(EPROM)、电气可擦除可编程ROM(EEPROM)和/或非易失性RAM(NVRAM)存储器。以上存储器类型仅为示例性的，因此不限于可用于计算机程序的存储的存储器类型。
存储装置310可配置成存储操作测量值，包括但不限于，公用设施电力网电压和电流读数(图1中未图示)、包括不间断供电系统(例如，不间断供电系统100)的电力系统各处的局部电压和电流读数，以及/或者其他任何类型的数据。在一些实施例中，处理器315基于数据寿命从存储装置310中移除或“清除”数据。例如，处理器315可以改写先前记录和存储的、与随后的时间和/或事件相关联的数据。附加地或替代地，处理器315可将超过预先确定的时间间隔的数据移除。此外，存储装置310包括但不限于，足够的数据、算法和命令，以便于进行电力系统保护和控制系统(下文详述)的集中和分布控制。
在一些实施例中，计算装置305包括连接到处理器315的展示接口320。展示接口320向用户325展示信息，如用户界面和/或警报。在一个实施例中，展示接口320包括连接到显示装置(未示出)的显示适配器(未示出)，所述显示装置如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、有机LED(OLED)显示器和/或“电子墨水”显示器。在一些实施例中，展示接口320包括一个或多个显示装置。附加地或替代地，展示接口320包括音频输出装置(未示出)(例如，音频适配器和/或扬声器)和/或打印机(未示出)。在一些实施例中，展示接口320展示与同步机器(图1中未图示)相关联的警告，例如，通过使用人机接口(HMI)(未图示)。
在一些实施例中，计算装置305包括用户输入接口330。在该示例性实施例中，用户输入接口330连接到处理器315，并且从用户325接收输入。用户输入接口330可包括，例如，键盘、指向装置、鼠标、触针、触敏面板(例如，触摸板或触摸屏)和/或音频输入接口(例如，包括麦克风)。单个部件(如触摸屏)可用作展示接口320和用户输入接口330两者的显示装置。
通信接口335连接到处理器315，并且配置成与一个或多个装置(例如变换器104、原动机108(均如图1中所示)、传感器或另一计算装置305)通信地连接，并且执行相对于该等装置的输入和输出操作。例如，通信接口335可包括但不限于，有线网络适配器、无线网络适配器、移动电信适配器、串联通信适配器和/或并联通信适配器。通信接口335可从一个或多个远程装置接收数据和/或将数据传输至一个或多个远程装置。例如，一个计算装置305的通信接口335可将警报传输到另一计算装置305的通信接口335。
展示接口320和/或通信接口335两者均能够(例如，向用户325或另一装置)提供适合用于本说明书中所描述的方法的信息。因此，展示接口320和通信接口335可称为输出装置。类似地，用户输入接口330和通信接口335能够接收适合用于本说明书中描述的方法的信息，并且可称为输入装置。
图4是示例性过程400的流程图，所述示例性过程用于使用不间断供电系统100向负载10提供辅助电力输出(均如图1中所示)。在该示例性实施例中，过程400由控制器110(如图1中所示)执行。
参考图1和图4，控制器110检测402与公用设施电力系统20相关联的功率干扰。在一些实施例中，控制器110通信地连接到公用设施电力系统20内的一个或多个计算装置或传感器，以检测402功率干扰。在其他实施例中，控制器110可监控负载10处的电气数据，以检测402功率干扰。控制器110响应于功率干扰而控制404变换器104向双馈电感应发电机106的转子114提供励磁输入。至少部分根据励磁输入，双馈电感应发电机106通过定子112产生辅助电力输出。所述辅助电力输出通过定子总线107输送到负载10。
控制器110控制406原动机108以使轴116和转子114旋转，以产生辅助电力输出。具体来说，控制器110启动原动机108并且使原动机108将转子速度增大到预定转子速度。控制器110监控408负载10处的辅助电力输出，以确定是否调整变换器104和/或原动机108的操作，以将辅助电力输出的频率和相位维持成与公用设施电力系统20提供的电力类似。控制器110致使410原动机108基于所监控的辅助电力输出调整轴116的转子速度。调整转子速度致使辅助电力输出的频率、相位和/或响度得到调整。控制器110基于在同步模式、次同步模式或超同步模式下操作双馈电感应发电机106的所调整转子速度而控制412变换器104调整励磁输入。
控制器110继续监控408辅助电力输出并且基于所监控的辅助电力输出调整转子速度或励磁输入。在一些实施例中，控制器110检测到功率干扰已解决并且停用原动机108和变换器104。在其他实施例中，控制器110可致使不间断供电系统100在功率干扰解决之后供应辅助电力。例如，控制器110可监控与公用设施电力系统20相关联的数据，例如，电力成本、功率因数、电压和电流，以确定是否向公用设施电力系统供电。在一个实施例中，如果控制器110检测到电力成本超出阈值，则控制器110可致使不间断供电100向公用设施电力系统20供电。
上述系统和方法便于在电力系统内的关键负载处提供不间断的可控制电力。具体来说，上述系统和方法便于在涉及到公用设施电源经历功率干扰(例如，断电(blackout)、限制用电或者电力质量不足)的期间内向负载提供辅助电力。上述系统和方法包括不间断供电系统，所述不间断供电系统具有可再充电的能量储存系统、低压变换器、连接到负载的双馈电感应发电机、原动机和控制器。所述控制器操作所述变换器和所述原动机控制所述不间断供电系统。当所述控制器检测到功率干扰时，所述控制器使所述变换器产生励磁输入并且向所述双馈电感应发电机的转子提供所述励磁输入。所述转子附接到可旋转的轴，所述可旋转的轴连接到所述原动机。所述控制器启动所述原动机以使所述轴和转子旋转。旋转所述转子并且提供所述励磁输入使所述双馈电感应发电机在所述双馈电感应发电机的定子处产生辅助电力输出。所述辅助电力输出从所述定子传输到所述负载。所述辅助电力输出的质量、频率、相位和强度的控制方法是调整所述原动机的励磁输入和转子速度，以提供对不间断供电系统的强化控制。
所述系统和方法不限于本说明书中描述的具体实施例，相反地，系统的部件和/或方法的操作可与本说明书中描述的其他部件和/或操作独立和分开地利用。此外，所述部件和/或操作还可限定在其他系统、方法和/或装置中，或与其他系统、方法和/或装置一起使用，并且不限于仅利用本说明书中描述的系统进行实践。
本说明书中所述的方法、系统和设备的示例性技术效果包括以下项中的至少一项：(a)通过选择性地调整转子速度和励磁输入来调整辅助电力输出，以强化控制；(b)在功率干扰期间向负载提供不间断电力；以及(c)将一部分辅助电力输送到公用设施电力系统，以满足其他负载的电力需求。
以上详细描述了用于监控动态系统的方法和系统的示例性实施例。本说明书中描述的方法和系统并不限于本说明书中描述的特定实施例；相反，系统的部件和/或方法的步骤可独立于本说明书中描述的其他部件或步骤单独分开使用。例如，所述方法还可以与多个不间断供电系统结合使用，并且不限于仅使用本说明书中所述的不间断供电系统进行实践。此外，所述方法还可与装置的其他部件结合使用，并且并不限于仅使用本说明书中所述的系统进行实践。相反，所述示例性实施例可与具有操作寿命需要随时间更换的部件的许多其他装置关联实施和使用。
尽管各个实施例的具体特征可能在一些附图中图示而并未在另一些附图中示出，但这仅仅是为了便于说明。根据本说明书中所描述的系统和方法的原理，附图中的任何特征可以结合其他任何附图中的任何特征进行参照或提出权利主张。
一些实施例涉及一个或多个电子或计算装置的使用。此类装置通常可以包括处理器、处理装置或控制器，例如，通用中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、微控制器、精简指令集计算机(RISC)处理器、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑电路(PLC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理(DSP)装置以及/或者任何其他能够执行本说明书中所描述的功能的电路或处理装置。本说明书中所述的方法可以编码成包含在计算机可读介质中的可执行指令，所述计算机可读介质包括但不限于，存储装置和/或内存装置。当处理装置执行此类指令时，所述指令致使处理装置执行本说明书中描述的方法的至少一部分。以上实例仅是示例性的，因此并不旨在以任何方式限制术语“处理器”和“处理装置”的定义和/或意义。
本说明书使用了多个实例来公开本发明，包括最佳模式，同时还使得所属领域中的任何普通技术人员能够实践这些实施例，包括制造和使用任何装置或系统并且执行所包含的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书限定，并可包括所属领域的技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也应在权利要求书的范围内。

Claims (14)

1.一种不间断供电系统，用于向连接到公用设施电源的负载供电，所述不间断供电系统包括：
双馈电感应发电机，包括连接到所述负载的定子和转子，所述定子和所述转子磁性连接在一起，其中所述双馈电感应发电机配置成产生辅助电力输出；
可再充电的能量储存系统；
第一变换器，所述第一变换器连接在所述转子与所述可再充电的能量储存系统之间；以及
控制器，所述控制器通信地连接到所述双馈电感应发电机和所述第一变换器，所述控制器配置成：
检测与所述公用设施电源相关联的功率干扰；以及
响应于所检测的功率干扰而控制所述第一变换器向所述转子提供励磁输入，其中所述双馈电感应发电机进一步配置成至少部分根据所述励磁输入而向所述负载提供所述辅助电力输出。
2.根据权利要求1所述的不间断供电系统，进一步包括连接到所述转子的原动机，所述原动机通信地连接到所述控制器，其中所述控制器进一步配置成：
致使所述原动机旋转所述转子，以产生所述辅助电力输出；
监控所述负载处的所述辅助电力输出；
致使所述原动机基于所述负载处的所述辅助电力输出调整所述转子的速度，其中调整所述转子速度致使所述辅助电力输出得到调整；以及
基于所述经过调整的转子速度控制所述第一变换器调整所述励磁输入，以在同步模式、次同步模式和超同步模式中的一个模式下操作所述双馈电感应发电机。
3.根据权利要求2所述的不间断供电系统，其中所述控制器进一步配置成：
确定所述双馈电感应发电机是在次同步模式和超同步模式中的一个模式下操作；以及
基于所述经过调整的转子速度控制所述第一变换器调整所述励磁输入的频率，其中所述辅助电力输出的频率与所述公用设施电源的公用设施电力输出的频率大体上相等。
4.根据权利要求2所述的不间断供电系统，其中所述原动机是柴油发电机。
5.根据权利要求2所述的不间断供电系统，其中所述控制器进一步配置成：
监控与所述公用设施电源相关联的数据，所述数据包括电力成本、电压、电流和功率因数中的至少一个；
基于所监控的数据和所述负载处的所述辅助电力输出计算预计相位；以及
致使所述原动机调整所述转子的所述转子速度以将所述辅助电力输出的相位调整成所述预计相位，其中所述辅助电力输出的一部分以所述预计相位输送到所述公用设施电源。
6.根据权利要求4所述的不间断供电系统，其中所述控制器进一步配置成检测与所述公用设施电源相关联的所述电力成本超出了预定阈值成本。
7.根据权利要求1所述的不间断供电系统，其中所述第一变换器进一步配置成：
当所述双馈电感应发电机以超同步模式操作时，从所述双馈电感应发电机提取交流有功电力；
将所述有功电力转换成直流电力；以及
将所述直流电力输送到所述可再充电的能量储存系统进行储存。
8.根据权利要求2所述的不间断供电系统，进一步包括连接在所述原动机与所述转子之间的轴，所述原动机配置成旋转地驱动所述轴以旋转所述转子。
9.根据权利要求1所述的不间断供电系统，进一步包括第二变换器，所述第二变换器连接在所述定子与所述可再充电的能量储存系统之间，所述第二变换器配置成对所述可再充电的能量储存系统进行充电。
10.一种用于不间断供电不间断供电系统的控制器，所述不间断供电系统连接到负载，所述控制器包括：
处理器以及与所述处理器通信的存储器，所述控制器通信地连接到双馈电感应发电机，所述双馈电感应发电机包括(i)转子以及(ii)连接到所述负载的定子，所述控制器进一步通信地连接到变换器，所述变换器连接在所述转子与可再充电的能量储存系统之间，所述双馈电感应发电机配置成产生辅助电力输出，其中所述处理器配置成：
检测与连接到负载的公用设施电源相关联的功率干扰；以及
响应于所检测的功率干扰而控制所述变换器向所述转子提供励磁输入，其中所述双馈电感应发电机至少部分根据所述励磁输入而向所述负载提供所述辅助电力输出。
11.根据权利要求10所述的控制器，其中所述控制器通信地连接到原动机，原动机连接到所述转子，其中所述处理器进一步配置成：
致使所述原动机旋转所述转子，以产生所述辅助电力输出；
监控所述负载处的所述辅助电力输出；
致使所述原动机基于所述负载处的所述辅助电力输出调整所述转子的速度，其中调整所述转子速度致使所述辅助电力输出得到调整；并且
基于所述经过调整的转子速度，控制所述变换器调整所述励磁输入，以在同步模式、次同步模式和超同步模式中的一个模式下操作所述双馈电感应发电机。
12.根据权利要求11所述的控制器，其中所述处理器进一步配置成：
监控与所述公用设施电源相关联的数据，所述数据包括电力成本、电压、电流和功率因数中的至少一个；
基于所监控的数据和所述负载处的所述辅助电力输出计算预计相位；以及
致使所述原动机调整所述转子的所述转子速度以将所述辅助电力输出的相位调整成所述预计相位，其中所述辅助电力输出的一部分以所述预计相位输送到所述公用设施电源。
13.根据权利要求12所述的控制器，其中所述控制器进一步配置成检测与所述公用设施电源相关联的所述电力成本超出了预定阈值成本。
14.根据权利要求10所述的控制器，其中所述处理器进一步配置成当所述双馈电感应发电机以超同步模式操作时，致使所述变换器从所述DFIG提取交流有功电力，其中所述变换器配置成将所述有功电力转换成直流电力并且将所述直流电力输送到所述可再充电的能量储存系统进行储存。
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