CN111566888B - 混合通用负载调节器 - Google Patents

Abstract

发电系统包括发电机组、开关装置、电存储装置、第一逆变器、第二逆变器以及控制器。该开关装置包括连接到发电机组的输入端子和连接到负载的输出端子。第一逆变器连接在输入端子和电存储装置之间。第二逆变器连接在输出端子与电存储装置之间。控制器可通信地联接至发电机组、开关装置、第一逆变器以及第二逆变器。控制器被配置为确定外部电源是否正在向负载供电，如果没有，则控制器以第一状态运行发电系统。如果外部电源正在向负载供电，则控制器以第二状态运行发电系统。

Description

混合通用负载调节器

相关专利申请的交叉引用

本申请要求于2017年10月20日提交的申请号为62/575，166的美国临时申请的权益和优先权，其全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明总体上涉及发电机组。

背景技术

发电机组(“发电机组，genset”)可以与可再生能源(例如太阳能源、风能源等)配合使用。在这种外部能源(即外部电源)的补充下，发电机组满足负载需求所需的输出电力可能低于额定值，并且发电机组的发动机可能无法以固定速度低效运行。根据负载的功率需求以可变速度运行可变速的发电机组可以提高发电机组效率并减少发动机燃料消耗。当负载很轻时，变速发电机组的发动机可以较低的速度运行。当负载很重时，发动机的速度会相应增加。许多定速发电机组和变速发电机组运行效率低下。

发明内容

在一个方面，本申请公开的发明构思涉及一种发电系统，该发电系统包括发电机组、开关装置、电存储装置、第一逆变器、第二逆变器以及控制器。该发电机组包括发动机。开关装置被配置为将发电机组连接到负载，该开关装置具有电连接到发电机组的输入端子和电连接到负载的输出端子。第一逆变器连接在开关装置的输入端子与电存储装置之间。第二逆变器连接在开关装置的输出端子与电存储装置之间。控制器可通信地联接到发电机组、开关装置、第一逆变器以及第二逆变器。该控制器被配置为确定外部电源是否正在向负载供电。该控制器还被配置为响应于确定外部电源未向负载供电，以第一状态运行其中，在所述第一状态中，该发电机组的发动机以第一速度运行，该开关装置闭合以将发电机组连接到负载，并且发电机组通过第一逆变器或第二逆变器中的至少一个对电存储装置充电。该控制器还被配置为响应于确定外部电源正在向负载供电，以第二状态运行发电系统，其中，在所述第二状态中，发动机以低于第一速度的第二速度运行，该开关装置断开，并且该发电机组通过第一逆变器和第二逆变器向负载供电，其中第一逆变器用作整流器运行。

在一些实施例中，控制器还被配置为检测到外部电源正在被添加以向负载供电，并且响应于检测到外部电源正在被添加，通过以下方式将发电系统从第一状态切换到第二状态：将发电机组的发动机的速度从第一速度降低到第二速度，将第一逆变器用作整流器，并且断开开关装置。

在一些实施例中，控制器还被配置为检测到外部电源正在被去除，并且响应于检测到外部电源正在被移除，通过配置电存储装置将发电系统从第二状态切换到第一状态，以向负载供电，将发电机组的发动机的速度从第二速度增加到第一速度，并闭合开关装置。

在一些实施例中，发电系统还包括可通信地联接至控制器的传感器，该传感器被配置为测量开关装置的输出端子处的电压电平，所测量的电压电平提供了外部电源向负载供电的指示。在一些实施例中，第二状态还包括通过发电机组发电系统对电存储装置进行充电。

在一些实施例中，响应于确定外部电源不满足负载需求，控制器被配置为通过向发电机组提供控制输入以将发动机速度增加到第一速度来从第二状态切换到第一状态，通过第一逆变器和第二逆变器从发电机组向负载供电，其中第一逆变器被配置为用作整流器，第二逆变器被配置为使电力与负载同步。响应于确定发电机组的发动机正在以第一速度运行，控制器被配置为通过开关装置将发电机组连接到负载，并且以第一状态运行发电系统。

在一些实施例中，响应于确定外部电源正在满足负载需求，控制器被配置为通过使用开关装置断开发电机组与负载的连接，向发电机组提供控制输入，以将发动机速度降低至第二速度，从而从第一状态切换到第二状态，并以第二状态运行发电系统。

在一些实施例中，控制器还被配置为当发电机组的发动机关闭时以替代模式运行发电系统，该替代模式包括基于从传感器接收的测量电压电平来确定增加的负载需求或减少的负载需求，并且响应于确定减少的负载需求，通过第二逆变器从外部电源向电存储装置供电。

在替代模式的一些实施例中，响应于确定增加的负载需求，发电机组被配置为通过第二逆变器从电存储装置向负载供电，通过第一逆变器从电存储装置向交流发电机供电，向发电机组控制输入以启动发动机，并且响应于确定发电机组的发动机以第一速度运行，通过开关装置将发电机组连接到负载。

在另一方面，本文公开的发明构思涉及一种用于发电系统的控制器。该控制器可通信地联接至发电机组、开关装置、第一逆变器和第二逆变器。控制器被配置为确定外部电源是否正在向负载供电。控制器还被配置为响应于确定外部电源未向负载供电，以第一状态运行发电机组，在第一状态，发电机组的发动机以第一速度运行，开关装置闭合以将发电机组连接到负载，并且通过第一逆变器或第二逆变器中的至少一个发电机组对电存储装置充电。控制器还被配置为响应于确定外部电源正在向负载供电，以第二状态运行发电系统，在第二状态，发动机以低于第一速度的第二速度运行，开关装置断开，发电机组通过第一逆变器和第二逆变器向负载供电，其中第一逆变器用作整流器。

在一些实施例中，控制器还被配置为检测到外部电源正在被添加以向负载供电，并且响应于检测到外部电源正在被添加，通过以下方式将发电系统从第一状态切换到第二状态：将发电机组的发动机的速度从第一速度降低到第二速度，将第一逆变器用作整流器，并且断开开关装置。

在一些实施例中，控制器还被配置为检测到外部电源正在被去除，并且响应于检测到外部电源正在被移除，通过配置电存储装置将发电系统从第二状态切换到第一状态，以向负载供电，将发电机组的发动机的速度从第二速度增加到第一速度，并闭合开关装置。在一些实施例中，第二状态还包括通过发电机组发电系统对电存储装置进行充电。

在一些实施例中，响应于确定外部电源不满足负载需求，控制器被配置为通过向发电机组提供控制输入以将发动机速度增加到第一速度来从第二状态切换到第一状态，通过第一逆变器和第二逆变器从发电机组向负载供电，其中第一逆变器被配置为用作整流器，第二逆变器被配置为使电力与负载同步。响应于确定发电机组的发动机正在以第一速度运行，控制器被配置为通过开关装置将发电机组连接到负载，并且以第一状态运行发电系统。

在一些实施例中，响应于确定外部电源正在满足负载需求，控制器被配置为通过使用开关装置断开发电机组与负载的连接，向发电机组提供控制输入，以将发动机速度降低至第二速度，从而从第一状态切换到第二状态，并以第二状态运行发电系统。

在一些实施例中，控制器还被配置为当发电机组的发动机关闭时以替代模式运行发电系统，该替代模式包括基于从传感器接收的测量电压电平来确定增加的负载需求或减少的负载需求，并且响应于确定减少的负载需求，通过第二逆变器从外部电源向电存储装置供电。

在替代模式的一些实施例中，响应于确定增加的负载需求，发电机组被配置为通过第二逆变器从电存储装置向负载供电，通过第一逆变器从电存储装置向交流发电机供电，向发电机组控制输入以启动发动机，并且响应于确定发电机组的发动机以第一速度运行，通过开关装置将发电机组连接到负载。

在另一方面，本文公开的发明构思涉及一种运行发电系统的方法，该发电系统包括控制器、发电机组、开关装置、第一逆变器、第二逆变器和电存储装置。该方法包括确定外部电源是否正在向负载供电。该方法还包括：响应于确定外部电源没有向负载供电，以第一状态运行发电系统，在第一状态，发电机组的发动机以第一速度运行，开关装置闭合以将发电机组连接到负载，并且通过第一逆变器或第二逆变器中的至少一个发电机组对电存储装置充电。该方法还包括：响应于确定外部电源正在向负载供电，以第二状态运行发电系统，在第二状态，发动机以低于第一速度的第二速度运行，开关装置断开，发电机组通过第一逆变器和第二逆变器向负载供电，其中第一逆变器用作整流器。

在一些实施例中，该方法还包括：检测到正在添加外部电源以向负载供电，并且响应于检测到正在添加外部电源，通过将发电机组的发动机的速度从第一速度降低到第二速度，将发电系统从第一状态切换到第二状态，将第一逆变器用作整流器，并且断开开关装置。

在一些实施例中，该方法还包括检测到外部电源正在被去除，并且响应于检测到外部电源正在被去除，通过配置电存储装置以向负载供电，将发电系统从第二状态切换到第一状态，将发电机组的发动机的速度从第二速度增加到第一速度，并且闭合开关装置。

从以下结合附图的详细描述中，这些和其他特征以及其操作的组织和方式将变得显而易见。

附图说明

图1是根据示例实施例的发电系统的框图。

图2是根据示例实施例的图1的发电系统的配置，其中发电机组处于关闭状态。

图3是根据示例实施例的图1的发电系统的另一种配置，其中发电机组正在启动。

图4是根据示例实施例的图1的发电系统的另一种配置，其中发电机组正常运行，并且不存在外部电源。

图5是根据示例实施例的图1的发电系统的另一种配置，其中存在外部电源。

图6是根据示例实施例的图1的发电系统的另一种配置，其中存在外部电源并且发电机组处于空转状态。

图7是根据示例实施例的图1的发电系统的另一种配置，其中不存在外部电源。

图7A是根据示例实施例的图1的发电系统的配置，其中发电机组处于替代运行模式。

图7B是根据示例实施例的图1的发电系统的另一种配置，其中发电机组处于替代运行模式。

图7C是根据示例实施例的图1的发电系统的另一种配置，其中发电机组处于替代运行模式。

图8是根据示例实施例的图1的发电系统的另一种配置，其中发电机组回到正常运行。

图9是根据示例实施例的用于控制图1的发电系统的方法的流程图。

具体实施方式

为了促进对本发明原理的理解，现在将参考附图中示出的实施例，并且将使用具体语言来描述它们。然而，应理解的是，由此并不意图限制本发明的范围。本文中预期的所示出的实施例中的任何替换和进一步的修改，以及其中所示出的本公开的原理的任何进一步的应用，是本发明所属领域的技术人员通常会想到的。

总体上参考附图，本申请公开的各种实施例涉及用于控制与外部电源结合操作以向负载供电的发电系统的系统和方法。例如，外部电源可以包括可再生能源，诸如太阳能源、风能源等。诸如前述可再生能源之类的外部电源可能并不总是可获得的。发电系统包括彼此连接的发电机组(“发电机组”)和电力电子装置。发电机组可以是固定速度的发电机组。电力电子装置包括电力存储装置(例如电池、超级电容)和两个逆变器。当外部电源不供电时，可以控制发电机组在正常运行下工作以向负载供电。在一些实施例中，两个双向逆变器可以操作以对电力存储装置中的负载不需要的多余能量进行充电，此外可以充当发电系统的有源滤波器。当施加瞬载时，两个逆变器和电力存储装置可以帮助维持固定的输出电压和频率。当增加外部电源来满足负载的最大电力需量时，可以控制发电机组以固定减速、可变减速、空转状态运行或关闭以节省燃料并延长发动机寿命。一个逆变器用作整流器，将来自发电机组的交流电(AC)转换为直流电(DC)，另一个逆变器将来自第一逆变器或储能装置的直流电转换为交流电，以满足负载的电压和频率要求。由发电机组产生并由第一逆变器转换为直流电的多余交流电可用于为储能装置充电。当外部能源(即外部电源)突然消失时，电力存储装置可以提供直流电，该直流电被其中一个逆变器转换成具有适当电压和频率的交流电。通过闭合开关直接提供同步交流电或者当开关保持在断开状态时，通过第一逆变器和第二逆变器间接提供同步交流电，可以(例如，暂时地)控制发电机组加速并向负载供电。

现在参考图1，示出了根据示例实施例的连接到电力网102的发电系统100的框图。电力系统100示出为包括发电机组110、电力电子装置120、控制器130、传感器132以及开关装置140。发电系统100可以在车辆(例如，房车)、固定设施、工业作业机械等上得以实现。电力网102被示出为包括多个负载150和外部电源160。负载150可以包括各种类型的电气装置，例如一个或多个空调、照明装置、厨房用具、娱乐装置和/或其他不同的装置。负载150的电力需量可以随时间变化。例如，当大多数电子装置关闭时，负载150的电力需量可能很低，或者当大多数电子装置打开时，负载150的电力需量可能很高。外部电源160连接到电力网102，以通过逆变器162向负载150供电。外部电源160可以包括可再生能源，例如光伏能源，风能等。外部电源160可能不总是用于向负载150供电。

在所示的实施例中，该发电机组110包括作为原动机的发动机112和作为联接至发动机112并由其驱动的电机的交流发电机114。发动机112可以包括内燃机或任何其他在运行期间消耗燃料(例如汽油、柴油燃料、天然气等)并提供机械能(例如旋转扭矩)的合适的原动机，来驱动交流发电机114，例如通过曲轴。交流发电机114可操作地联接至发动机112，并且可以由发动机112提供电力以产生用于运行例如负载150的电力。交流发电机114可以包括但不限于同步发电机、永磁电机、感应电机、开关磁阻电机或能够响应于机械输入而产生电输出，或者响应于电输入而产生机械输出的任何其他合适的电动机或发电机。在一些实施例中，交流发电机114可以是起动机/交流发电机，其集成了发动机系统中使用的起动电动机和交流发电机的功能。发电机组110可以以固定的速度运行以电力网频率发电。在一些实施例中，发动机112和交流发电机114的额定转速对于50Hz电力网应用是1500rpm，或者对于60Hz电力网应用是1800(或1200)rpm。

电力电子装置120包括电力存储装置122、第一逆变器124和第二逆变器126。电力存储装置122可以包括电池(例如，锂离子电池、镍氢电池、铅酸电池)、超级电容、飞轮或可以存储电能并释放储存能量以供使用的任何合适的电力存储装置。在一些实施例中，电力存储装置122可以包括多个装置，例如包括多个电池的电池组。电力存储装置122可被配置为供电以补充由发电机组110产生的电力(例如，在高需求期间)并且存储由发电机组110产生的过量电力(例如，在低需求期间)。第一逆变器124和第二逆变器126均可被配置为用作将直流电转换为交流电的逆变器或将交流电转换为直流电的整流器。在一些实施例中，第一逆变器124和/或第二逆变器126可以包括配置有四个晶体管(例如，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、场效应晶体管(FET)、栅极晶闸管、可控硅整流器(SCR))由脉冲宽度调制(PWM)信号控制的H桥。PWM控制信号可以选择性地并且单独地驱动逆变器的每个栅极/开关。需要注意的是，在一些实施例中，第一逆变器124可以由整流器代替，第二逆变器126可以由单方向/仅输出逆变器代替。

开关装置140将发电系统100连接到电力网102。在一些实施例中，开关装置140可以包括电控制的输出接触器，其包括第一端子142(也称为输入端子)和第二端子144(也称为输出端子)。开关装置140可以处于断开状态，其中，输入端子142与输出端子144断开，或者处于闭合状态，其中，输入端子142连接至输出端子144。发电机组110连接到输入端子142。电力网102连接到输出端子144。第一逆变器124连接在输入端子142和电力存储装置122之间。第二逆变器126连接在输出端子144和电力存储装置122之间。

传感器132连接到开关装置140的输出端子144，并配置为监控电力网102的状态。在一些实施例中，传感器132包括被配置为感测电力网102处的电压的电压传感器，其可以反映外部电源160的存在或不存在，以及负载150的电力需量的任何变化。例如，当存在阶跃负载或由外部电源160提供的功率突然减小时，传感器132可以感测在电力网102处的电压降。当负载减少或外部电源160提供的功率突然增加时，传感器132可以感测电力网102处的电压冲击。在一些实施例中，传感器132可以包括其他类型的传感器，例如电流传感器或其他类型的负载传感器。

控制器130可通信地联接至发电机组110、电力电子装置120、开关装置140以及传感器132，并且被配置为基于接收来自传感器132的信息来控制发电机组110、电力电子装置120以及开关装置140的运行。组件之间的通信可以通过任意数量的有线或无线连接进行。例如，有线连接可以包括串行电缆、光纤电缆、CAT5电缆或任何其他形式的有线连接。相比之下，无线连接可以包括因特网、Wi-Fi、蜂窝、无线电等。在一个实施例中，CAN总线提供信号、信息和/或数据的交换。CAN总线包括任意数量的有线和无线连接。

控制器130可以实现为通用处理器、专用集成电路(ASIC)、一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)，一组处理组件或其他合适的器件电子加工组件。在一些实施例中，控制器130可以包括一个或多个存储装置(例如，非易失性随机访问存储器(NVRAM)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存，硬盘存储器等)，其存储数据和/或计算机代码以促进由控制器130执行的各种工序(pocesses)。一个或多个存储装置可以是或包括有形的、非瞬态的易失性存储器或非易失性存储器、数据库组件、目标代码组件、脚本组件或用于支持本申请所述的各种活动和信息结构的任何其他类型的信息结构。在一些实施例中，控制器130可被集成为发动机控制器的一部分。在其他实施例中，控制器130可以是独立装置。

控制器130可以控制发电机组110的发动机112的速度、开关装置140的状态(即，断开状态或闭合状态)以及第一逆变器124和第二逆变器126的操作状态(即，用作逆变器或整流器)。下面参考图2-8更详细地描述控制过程。除了在图2-8中省略了控制器130和传感器132之外，图2-8中所示的组件基本上对应于图1中所示的相同组件，以便更清楚地示出该过程。

参照图2，示出了发电系统100的配置200，其中，在该配置中，发电机组110关闭。在配置200中，发电机组110关闭，即发动机112的速度为零。因为发电机组110不输出功率，所以开关装置140(例如，输出接触器)被置于断开状态。

参照图3，示出了发电系统100的配置300，在该配置中，发电机组110正在启动。在配置300中，发动机112的速度正在增加，但是尚未达到额定速度(例如，在一些实施方式中，对于50Hz的电力网应用额定速度为1500rpm，或者对于60Hz的电力网应用额定速度为1800(或1200)rpm)。因此，从发电机组110输出的交流电的电压和/或频率未与电力网102同步。控制器130将开关装置140置于打开状态，使得发电机组110不连接至电力网102。控制器130将第一逆变器124用作充电器(即，整流器)，该充电器将发电机组110输出的交流电转换为直流电，并用直流电对电力存储装置122进行充电。在一些实施例中，控制器130可以监控电力存储装置122的充电状态。响应于确定低电量状况(例如，低于阈值充电水平的充电量)，控制器130可以控制第一逆变器124从发电机组110接收电力。电力也可以从直流电通过第二逆变器126发送到电力网102，该直流电是通过电力存储装置122提供或第一逆变器124提供的。

参考图4，示出了发电系统100的配置400，在该配置中，发电机组110正常运行并且不存在外部电源160，或者可替代地，在该配置中，发电机组110与电力网102并联，并且在其上提供另一外部电源。在配置400中，发动机112以额定速度运行(例如，在一些实施方式中，对于50Hz电力网应用额定速度为1500rpm，或者对于60Hz电力网应用额定速度为1800(或1200)rpm)。控制器130控制从发电机组110输出的交流电的电压、频率和/或相位，以与电力网102的电压、频率和/或相位同步，并闭合开关装置140的触点，以使发电机组110向电力网102供电。

控制器130可以基于例如从传感器132接收的信息来确定在运行期间发生瞬态。如上所述，当增加大负载时，传感器132可感测电压降；当移除大负载时，传感器132可感测电压冲击。可以使用任何合适的方法来检测或确定是否已经增加或移除了大负载。在一些实施例中，控制器130可被配置为可以基于正常运行中的发电机组110的功率输出，由外部电源160提供的稳态电源，相对负载大小，电力存储装置122的容量等使用各种阈值和/或百分比。例如，电力存储装置122可以具有大小被确定为允许特定时间瞬变(例如10秒、30秒、1分钟瞬变)的额定容量，并且在该示例中，阈值可以基于额定容量大小值。

响应于检测到瞬态，控制器130可以控制第一逆变器124和/或第二逆变器126对电力存储装置122进行充电或放电以帮助吸收瞬态。例如，当增加大负载时，控制器130可以操作第一逆变器124和/或第二逆变器126以将从电力存储装置122汲取的直流电转换成交流电并且将交流电供应给负载150，以补充从发电机组110输出的交流电。当去除大负载时，控制器130可以操作第一逆变器124和/或第二逆变器126，以将发电机组110产生的过量的交流电转换为直流电，并用直流电对电力存储装置122进行充电。在一些实施例中，第一逆变器124和第二逆变器126还可以用作无功功率注入或取消的有源滤波器，并且通过发电系统100将总谐波失真(THD)校正应用于输出电压。

参照图5，示出了发电系统100的配置500，在该配置中，当发电机组110处于正常运行时，外部电源160被添加到电力网102。在一些实施例中，当外部电源160开始向电力网102供电时，传感器132可以通过检测电力网102处的电压来感测外部电源160的存在。在配置500中，发电机组110可以通过与开关140联接经由同步并联发电直接地向负载150供电，或者通过第一逆变器124和第二逆变器126间接地向负载150供电。特别地，响应于检测到外部电源160的存在，控制器130操作第一逆变器124(作为整流器)，将从发电机组110输出的交流电转换成直流电，以对电力存储装置122充电并向第二逆变器126提供直流电。它还可以操作第二逆变器126以将直流电转换成交流电。在振幅、频率和/或相位方面，从第二逆变器126输出的交流电与电力网102处的交流电同步。

在配置500中，发电机组110或外部电源160可以经由第一逆变器124或第二逆变器126对电力存储装置112充电。还可以将冲击电力从电力存储装置112经由第一逆变器124或第二逆变器126提供至突然增加的负载150(负载“阶跃”)，并且减少或消除了对发电机组110中多余的“运转备用”功能的需求，并允许发电机组110有时间对变化做出反应。来自突然负载需求下降的过量能量也可以经由第一逆变器124或第二逆变器126被电力存储装置112吸收，并允许发电机组110有时间对变化做出反应。如果已知大负载即将到来，例如电机启动，则可以“预先加载”发电机组110，电力存储装置112通过第一逆变器124或第二逆变器126暂时吸收负载和过量能量。超过发电机组110的额定输出或损坏曲线的负载，也可以通过从电力存储装置112经由第一逆变器124或第二逆变器126提供能量来暂时适应。另外，当同步地(经由开关140直接地)联接或异步地(经由逆变器124、126间接地)联接时，发电机组110对负载的响应变化可以被允许缓慢地发生，以允许发电机组110的发动机逐渐地响应负载变化，因此，发电机组110可以节省燃料，避免过量排放，并减少噪声和/或人类对负载变化的感知。在一些实施例中，第一逆变器124和第二逆变器126还可以用作无功功率注入或取消的有源滤波器，并且通过发电系统100将总谐波失真(THD)校正应用于输出电压。

参照图6，示出了发电系统100的配置600，在该配置中，外部电源160覆盖了负载150的大部分电力需量(例如，＞80％)，并且发电机组110在空转状态下运行，或者，可选地，外部电源160覆盖了负载150的足够的电力需量，发电机组的发动机112效率低下。响应于确定外部电源160覆盖了负载150的大部分电力需量，控制器130可以指示关闭发动机112，或将发动机112的速度降低至固定低速、可变速度、或空转速度。这些速度可以明显低于发动机112的额定速度。例如，空转速度可能低至500rpm，而额定速度是1200、1500或1800rpm。发电机组110的直接交流输出与电力网应用在电压和/或频率上不匹配。控制器130将开关装置140置于断开状态，并且控制发电机组110以通过第一逆变器124和第二逆变器126向负载150供电。具体地，控制器130操作第一逆变器124(用作整流器)将从发电机组110输出的交流电转换成直流电，并且操作第二逆变器126将直流电转换成交流电。在振幅、频率和/或相位方面，从第二逆变器126输出的交流电与电力网102处的交流电同步。换句话说，在配置600中，第一逆变器124提供直流电，第二逆变器126提供预期的THD的固定频率(例如50Hz或60Hz)的交流输出电压。当发电机组110以低固定值、可变速度或空转速度运行时，可以节省燃料并且可以延长发动机寿命。

在一些实施例中，当发电机组110以低固定速度、可变速度或空转速度运行时，直接交流输出可能足以满足负载150的需求并为电力存储装置122充电。控制器130可以将开关装置140置于断开状态，使得发电机组110不连接至电力网102。控制器130操作第一逆变器124以将从发电机组110输出的交流电转换成直流电，并且用过量的直流电对装置122充电。第二逆变器126将从电力存储装置122和/或第一逆变器124输出的剩余直流电转换成交流电以将交流电供应给负载150。从第二逆变器126输出的交流电与电力网102处的交流电同步。

参考图7，示出了发电系统100的配置700，在该配置中，当发电机组110以低的固定速度，可变速度、空转速度或关闭状态运行时，由外部电源160提供的电力从电力网102减少或消失。在一些实施例中，当外部电源160突然消失时，传感器132可以通过检测电力网102处的电压(例如，电压降)来感测由外部电源160提供的电力的减少或消失。发电机组110以降低的速度运行所产生的电力可能无法满足负载150的电力需量。控制器130操作第二逆变器126以从电力存储装置122汲取电力以供应负载150。特别地，第二逆变器126将从电力存储装置122输出的直流电转换为交流电，并将交流电力供应给负载150。在振幅、频率和/或相位方面，从第二逆变器126输出的交流电与电力网102处的交流电同步。

同时，控制器130指示发动机112从降低的速度或空转速度启动或增加速度。在达到额定速度(例如，在一些实施方式中，对于50Hz电力网应用额定速度为1500rpm，或对于60Hz电力网应用额定速度为1800(或1200)rpm)之前，来自发电机组110的直接交流输出不符合电力网要求。控制器130在加速过程中将开关装置140的触点保持在断开状态，并控制发电机组110通过第一逆变器124和第二逆变器126向负载150供电。具体地，控制器130操作第一逆变器124(用作整流器)将从发电机组110输出的交流电转换成直流电，并且操作第二逆变器126将直流电转换成交流电。在幅度、频率和/或相位方面，从第二逆变器126输出的交流电功率(即，从电力存储装置122和发电机组110输出的组合交流电)与电力网102处的交流电压同步。

在一些实施例中，如图7A-7C所示，控制器130可以被配置为以替代运行模式运行以促进快速启动和同步发电机组110。当发电机组110不运行(例如，发动机112关闭)时，可以使用替代运行模式。在替代运行模式的一些实施例中，控制器130打开开关装置140的触点。在替代运行模式的一些实施例中，第一逆变器124和/或第二逆变器126的极性可以切换或以其他方式配置为向外部电源160提供直流电和/或交流电以及从外部电源160提供直流电和/或交流电。例如，第一逆变器124和/或第二逆变器126中的每一个可以包括两个或更多个逆变器(例如，分支电路)，以使得直流电和/或交流电能够双向流动。

参照图7A，配置710示出了替代模式的一种示例性配置。在配置710中，外部电源160可以将电力提供给负载150和/或电力存储装置122。例如，在高需求的过渡阶段期间，外部电源160可以优先向负载150提供交流电。相反，在低需求的时段期间，由于由外部电源160产生的过量交流电，外部电源160可以优先向电力存储装置122供电。

参见图7B，配置720示出了替代模式的另一示例配置。在配置720中，电力存储装置122可以用于减少重新启动发电机组110并使发电机组110同步的时间，从而允许控制器130快速闭合开关装置140的触点。在配置720中，从外部能量装置122向负载150供电，但是来自电力存储装置122的一些电力被引导通过第一逆变器124进入交流发电机114，以使交流发电机作为电动机运行，以辅助发电机组110启动和电力网重新同步。

参考图7C，配置730示出了发动机112以额定速度运行，并且从发电机组110输出的交流电的电压、频率和/或相位与电力网102的电压、频率和/或相位同步。在配置730中，控制器130闭合开关装置140的触点，使得发电机组110向负载150供电。在配置730的一些实施例中，发电机组110可以如上所述的向电力存储装置122供电。

参照图8，示出了发电系统100的配置800，在该配置中，发电机组110返回到正常的同步操作。在配置800中，发动机112以额定速度运行(例如，在一些实施方式中，对于50Hz电力网应用额定速度为1500rpm，或者对于60Hz电力网应用额定速度为1200或1800rpm)。控制器130控制从发电机组110输出的交流电的电压、频率和/或相位以与电力网102的电压、频率和/或相位同步，并且将开关装置140置于闭合状态，使得发电机组110正在向电力网102供电。控制器130可以进一步操作第一逆变器124以对电力存储装置122充电，以恢复使用了的任何存储的电力。也就是说，第一逆变器124用作整流器，其将从发电机组110输出的交流电转换成直流电并且用直流电对电力存储装置122充电。

现在参考图9，示出了根据示例实施例的用于控制发电系统100的方法900的流程图。方法900可以由图1中的控制器130执行。发电系统100包括：发电机组110和开关装置140，该发电机组110包括发动机112，该开关装置140包括连接至发电机组110的输入端子142以及被构造成连接至负载150的输出端子144。发电系统100还包括电存储装置122，连接在输入端子142和电存储装置122之间的第一逆变器124，以及连接在输出端子144和电存储装置122之间的第二逆变器。控制器130可通信地联接至发电机组110，开关装置140、第一逆变器124、第二逆变器126和/或任何其他装置或系统，以促进实施方法900(例如，发电系统100的方法)。

在902，控制器130确定外部电源160是否正在向负载150供电。控制器130可以基于从传感器132接收的信息来确定是否存在由外部电源160提供的电力。在一些实施例中，传感器132包括被配置为感测电力网102处的电压的电压传感器，该电压传感器可以反映外部电源160的存在或不存在。例如，当由外部电源160提供的功率突然减少时，传感器132可以感测在电力网102处的电压降。当由外部电源160提供的电力突然增加时，传感器132可以感测电力网102处的电压冲击。在一些实施例中，传感器132可以包括其他类型的传感器，例如电流传感器、负载传感器等。

响应于确定外部电源160没有向负载150供电(902)，控制器130以第一状态操作发电系统，在第一状态中，发电机组110的发动机112以第一速度运行(904)，开关装置140闭合以将发电机组110连接到负载150(906)，并且发电机组110通过第一逆变器124或第二逆变器126中的至少一个为电存储装置122充电(908)。在一些实施例中，第一速度是额定速度，例如对于50Hz电力网应用额定速度为1500rpm，或对于60Hz电力网应用额定速度为1800(或1200)rpm。

在一些实施例中，在第一状态中，控制器130可以确定瞬态发生并且响应于检测到瞬态而控制第一逆变器124和/或第二逆变器126对电力存储装置122进行充电或放电。例如，当增加大负载时，控制器130可以操作第一逆变器124和/或第二逆变器126以将从电力存储装置122汲取的直流电转换成交流电并且将交流电供应给负载150，以补充从发电机组110输出的交流电。当去除大负载时，控制器130可以操作第一逆变器124和/或第二逆变器126，以将发电机组110产生的过量的交流电转换为直流电，并用直流电对电力存储装置122进行充电。

响应于在902处确定外部电源正在向负载供电，控制器130以第二状态操作发电系统100，在第二状态，发动机112以低于第一速度的第二速度运行(910)，开关装置140断开(912)，并且发电机组110通过第一逆变器124和第二逆变器126向负载150供电，其中第一逆变器124用作整流器(914)。第二速度可以是发动机的较低的固定速度、更低的可变速度或空转速度，其显着低于额定速度。因此，来自发电机组110的直接交流输出与电力网应用不匹配。控制器130将开关装置140置于断开状态，并且控制发电机组110以通过第一逆变器124和第二逆变器126向负载150供电。具体地，控制器130操作第一逆变器124(用作整流器)将从发电机组110输出的交流电转换成直流电，并且操作第二逆变器126将直流电转换成交流电。在振幅、频率和/或相位方面，从第二逆变器126输出的交流电与电力网102处的交流电同步。

在一些实施例中，控制器130可以检测到外部电源160正在被添加以向负载160供电，并且响应于检测到其存在，将发电系统100从第一状态切换到第二状态。在切换时，控制器130将发动机的速度从第一速度降低到第二速度，第一逆变器124用作整流器，并且断开开关装置140。

在一些实施例中，控制器130可以检测到由外部电源160提供的电力减少或消失，并且响应于检测到的减少或消失，将发电系统100从第二状态切换到第一状态。在切换时，控制器130通过第二逆变器126将电力从电存储装置122提供至负载150，将发动机的速度从第二速度增加至第一速度，并闭合开关装置。

应当理解，本文中主张的元件不应根据35U.S.C.112(f)的规定来解释，除非使用短语“用于....”明确叙述该元件。

为了本发明的目的，术语“联接”是指两个构件彼此直接或间接地接合或连接。这种连接本质上可以是固定的或可移动的。例如，发动机的传动轴“联接”到变速器的表示可移动的联接。这种连接可以用两个构件或两个构件以及任何附加的中间构件来实现。例如，电路A可通信地“联接”到电路B的可表示电路A直接与电路B通信(即没有中间媒介)或与电路B间接通信(例如通过一个或多个中间媒介)。

应当理解的是，控制器130可以包括用于完成本文描述的功能的任何数量的电路。此外，应当理解，控制器150可以进一步控制超出本公开范围的其他活动。

控制器130可以在机器可读介质中实现，以由各种类型的处理器执行。例如，所识别的可执行代码的电路可以包括计算机指令的一个或多个例如被组织为对象，过程或功能的物理或逻辑块。然而，所识别的电路的可执行文件不需要在物理上位于一起，而是可以包括存储在不同位置的分散指令，当这些指令逻辑地连接在一起时，构成电路并实现电路的所述目的。实际上，计算机可读程序代码的电路可以是单个指令或许多指令，甚至可以分布在几个不同的代码段上，不同的程序之间，以及几个存储器装置上。类似地，可以在电路内识别和说明操作数据，并且可以以任何合适的形式实现操作数据并且在任何合适类型的数据结构内组织操作数据。操作数据可以收集作为单个数据集，或者可以分布在包括不同存储装置的不同位置上，并且可以至少部分地仅作为系统或网络上的电子信号存在。

虽然上面简要定义了术语“处理器”，但是应该理解，术语“处理器”和“处理电路”应作广义解释。就此而言并且如上所述，“处理器”可以被实现为一个或多个通用处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)或构造成执行由存储器提供的指令的其他合适的电子数据处理组件。一个或多个处理器可以采取单核处理器，多核处理器(例如，双核处理器，三核处理器，四核处理器等)，微处理器等的形式。在一些实施例中，一个或多个更多的处理器可以在装置外部，例如，一个或多个处理器可以是远程处理器(例如，基于云的处理器)。优选地或另外地，一个或多个处理器可以是在装置的内部和/或本地的。在这方面，给定电路或其组件可以布置在本地(例如，作为本地服务器、本地计算系统等的一部分)或远程(例如，作为远程服务器的一部分，例如基于云的服务器)。为此，如本文所述的“电路”可包括分布在一个或多个位置上的组件。

应当注意的是，尽管本文的附图可能示出了方法步骤的特定顺序和组成，但是应当理解，这些步骤的顺序可能与所描绘的顺序不同。例如，可以同时执行或者部分同时执行两个或更多个步骤。而且，可以组合作为分离的步骤执行的一些方法步骤，可以将组合步骤执行的步骤分成分离的步骤，某些过程的顺序可以颠倒或以其他方式变化，分离的过程的性质或数量可以被改变或变化。根据替代实施例，任何元件或装置的顺序或序列可以变化或替换。因此，所有这样的修改旨在被包括在所附权利要求所限定的本发明的范围内。这些变化将取决于所选择的机器可读介质和硬件系统以及设计人员的选择。应当理解，所有这些变化都在本发明的范围内。

出于说明和描述的目的，已经给出了实施例的前述描述。并非旨在穷举或将本公开限制为所公开的精确形式，并且根据上述教导可以进行修改和变化，或者可以从本公开中获得。选择和描述实施例是为了解释本公开的原理及其实际应用，以使本领域技术人员能够利用各种实施方式以及适合于预期的特定用途的各种修改。在不脱离如所附权利要求中表达的本公开的范围的情况下，可以在实施例的设计、操作条件和布置中做出其他替代、修改、改变以及省略。

Claims (20)

1.一种发电系统，其特征在于，包括：

发电机组，所述发电机组包括发动机；

开关装置，所述开关装置包括连接到所述发电机组的输入端子和构造成连接到负载的输出端子；

电存储装置；

第一逆变器，所述第一逆变器连接在所述开关装置的输入端子和所述电存储装置之间；

第二逆变器，所述第二逆变器连接在所述开关装置的输出端子和所述电存储装置之间；以及

控制器，所述控制器可通信地联接到所述发电机组、所述开关装置、所述第一逆变器以及所述第二逆变器，所述控制器被配置为：

确定外部电源是否正在为所述负载供电；

响应于确定所述外部电源未向所述负载供电，以第一状态运行所述发电系统，在所述第一状态中：

所述发电机组的发动机以第一速度运行；

闭合所述开关装置以将所述发电机组连接至所述负载；以及

通过所述第一逆变器或所述第二逆变器中的至少一个，所述发电机组为所述电存储装置充电；和

响应于确定所述外部电源正在向所述负载供电，以第二状态运行所述发电系统，在所述第二状态中：

所述发动机以低于所述第一速度的第二速度运行；

断开所述开关装置；以及

所述发电机组通过所述第一逆变器和所述第二逆变器向所述负载供电，其中所述第一逆变器用作整流器。

2.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于，所述控制器还被配置为：

检测是否添加所述外部电源，以为所述负载供电；以及

响应于检测到添加了外部电源，通过以下方式将所述发电系统从所述第一状态切换到所述第二状态：

将所述发电机组的发动机的速度从所述第一速度降至所述第二速度；

将所述第一逆变器用作整流器；以及

打开所述开关装置。

3.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于，所述控制器还被配置为：

检测到已去除所述外部电源；以及

响应于检测到所述外部电源已被去除，通过以下方式将所述发电系统从所述第二状态切换到所述第一状态：

配置所述电存储装置以向所述负载供电；

将所述发电机组的发动机的速度从所述第二速度增加到所述第一速度；以及

闭合所述开关装置。

4.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于，还包括：传感装置，所述传感装置可通信地联接至所述控制器，所述传感装置被配置为测量所述开关装置的所述输出端子处的电压电平，所测量的电压电平提供了所述外部电源为所述负载供电的指示。

5.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于，响应于确定当所述发电系统以所述第二状态运行时，所述外部电源不满足负载需求，所述控制器被配置为通过以下方式从所述第二状态切换到所述第一状态：

配置所述发电机组以将所述发动机的速度增加到所述第一速度；

从所述发电机组通过所述第一逆变器和所述第二逆变器向所述负载供电，其中所述第一逆变器被配置为用作整流器，所述第二逆变器被配置为使电力与负载同步；

响应于确定所述发电机组的发动机以所述第一速度运行，通过所述开关装置将所述发电机组连接至所述负载；以及

在所述第一状态下运行所述发电系统。

6.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于，响应于当所述发电系统以所述第一状态运行时确定所述外部电源正在满足负载需求，所述控制器被配置为通过以下方式从所述第一状态切换到所述第二状态：

通过所述开关装置断开所述发电机组与所述负载的连接；

向所述发电机组提供控制输入，以将所述发动机速度降低至所述第二速度；以及

以所述第二状态运行所述发电系统。

7.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于，所述第二状态还包括：

通过所述发电机组为所述电存储装置充电。

8.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于，所述控制器还被配置为当所述发电机组的发动机关闭时，所述发电系统以替代模式运行，所述替代模式包括：

确定增加的负载需求或降低的负载需求；以及

响应于确定降低的负载需求，通过所述第二逆变器将来自所述外部电源的电力提供至所述电存储装置。

9.根据权利要求8所述的发电系统，其特征在于，所述发电机组还包括交流发电机，并且其中，所述控制器还被配置为响应于确定增加的负载需求而执行以下操作：

通过所述第二逆变器从所述电存储装置向所述负载供电；

通过所述第一逆变器从所述电存储装置向所述交流发电机供电；

向所述发电机组提供控制输入以启动所述发动机；以及

响应于确定所述发电机组的发动机正在以所述第一速度运行，通过所述开关装置将所述发电机组连接至所述负载。

10.一种用于电力发电系统的控制器，其特征在于，所述控制器可通信地联接至发电机组、开关装置、第一逆变器、第二逆变器以及电存储装置，所述控制器被配置为：

确定外部电源是否正在为负载供电；

响应于确定所述外部电源未向所述负载供电，以第一状态运行所述电力发电系统，在所述第一状态：

所述发电机组的发动机以第一速度运行；

闭合所述开关装置以将所述发电机组连接至所述负载；以及

通过所述第一逆变器或所述第二逆变器中的至少一个，所述发电机组为所述电存储装置充电；和

响应于确定所述外部电源正在向所述负载供电，以第二状态运行所述发电系统，在所述第二状态：

所述发动机以低于所述第一速度的第二速度运行；

断开所述开关装置；以及

所述发电机组通过所述第一逆变器和所述第二逆变器向所述负载供电，其中所述第一逆变器用作整流器。

11.根据权利要求10所述的控制器，其特征在于，所述控制器还被配置为：

检测是否添加所述外部电源，以为所述负载供电；以及

响应于检测到添加了外部电源，通过以下方法将所述发电系统从所述第一状态切换到所述第二状态：

将所述发电机组的发动机的速度从所述第一速度降至所述第二速度；

将所述第一逆变器用作整流器；以及

断开所述开关装置。

12.根据权利要求10所述的控制器，其特征在于，所述控制器还被配置为：

检测以去除所述外部电源；以及

响应于检测到所述外部电源已被去除，通过以下方式将所述发电系统从所述第二状态切换到所述第一状态：

配置所述电存储装置以向所述负载供电；

将所述发电机组的发动机的速度从所述第二速度增加到所述第一速度；以及

闭合所述开关装置。

13.根据权利要求10所述的控制器，其特征在于，响应于确定当所述发电系统以所述第二状态运行时所述外部电源不满足负载需求，所述控制器被配置为通过以下方式从所述第二状态切换到所述第一状态：

配置所述发电机组以将所述发动机的速度增加到所述第一速度；

通过所述第一逆变器和所述第二逆变器从所述发电机组向所述负载供电，其中所述第一逆变器被配置为用作整流器，所述第二逆变器被配置为使电力与负载同步；

响应于确定所述发电机组的发动机以所述第一速度运行，通过所述开关装置将所述发电机组连接至所述负载；以及

在所述第一状态下运行所述发电系统。

14.根据权利要求10所述的控制器，其特征在于，响应于确定当所述发电系统在所述第一状态下运行时所述外部电源正在满足负载需求，所述控制器被配置为通过以下方式从所述第一状态切换到所述第二状态：

通过所述开关装置断开所述发电机组与所述负载的连接；

向所述发电机组提供控制输入，以将所述发动机速度降低至所述第二速度；以及

以所述第二状态运行所述发电系统。

15.根据权利要求10所述的控制器，其特征在于，所述第二状态还包括：

通过所述发电机组为所述电存储装置充电。

16.根据权利要求10所述的控制器，其特征在于，所述控制器还被配置为当所述发电机组的发动机关闭时，以替代模式运行所述发电系统，所述替代模式包括：

确定增加的负载需求或降低的负载需求；以及

响应于确定降低的负载需求，通过所述第二逆变器将来自所述外部电源的电力提供至所述电存储装置。

17.根据权利要求16所述的控制器，其特征在于，所述发电机组还包括交流发电机，并且其中，所述控制器还被配置为响应于确定增加的负载需求而执行以下操作：

从所述电存储装置通过所述第二逆变器向所述负载供电；

从所述电存储装置通过所述第一逆变器向所述交流发电机供电；

向所述发电机组提供控制输入以启动所述发动机；以及

响应于确定所述发电机组的发动机正在以所述第一速度运行，通过所述开关装置将所述发电机组连接至所述负载。

18.一种运行电力发电系统的方法，其特征在于，所述电力发电系统包括控制器、发电机组、开关装置、第一逆变器、第二逆变器以及电存储装置，所述方法包括：

所述控制器确定外部电源是否正在为负载供电；

响应于确定所述外部电源未向所述负载供电，所述控制器以第一状态运行所述电力发电系统，在所述第一状态：

所述发电机组的发动机以第一速度运行；

闭合所述开关装置以将所述发电机组连接至所述负载；以及

通过所述第一逆变器或所述第二逆变器中的至少一个，所述发电机组为所述电存储装置充电；以及

响应于确定所述外部电源正在向所述负载供电，所述控制器在第二状态下运行所述电力发电系统，在所述第二状态中：

所述发动机以低于所述第一速度的第二速度运行；

断开所述开关装置；以及

所述发电机组通过所述第一逆变器和所述第二逆变器向所述负载供电，其中所述第一逆变器用作整流器。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述控制器还被配置为：

检测是否添加所述外部电源，以为所述负载供电；以及

响应于检测到添加了外部电源，通过以下方法将所述电力发电系统从所述第一状态切换到所述第二状态：

将所述发电机组的发动机的速度从所述第一速度降至所述第二速度；

将所述第一逆变器用作整流器；以及

断开所述开关装置。

20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述控制器还被配置为：

检测以去除所述外部电源；以及

响应于检测到所述外部电源已被去除，通过以下方式将所述电力发电系统从所述第二状态切换到所述第一状态：

配置所述电存储装置以向所述负载供电；

将所述发电机组的发动机的速度从所述第二速度增加到所述第一速度；以及

闭合所述开关装置。

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