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CN101765965A - 具有ac和dc功率源的功率系统 - Google Patents

具有ac和dc功率源的功率系统 Download PDF

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CN101765965A
CN101765965A CN200780100042A CN200780100042A CN101765965A CN 101765965 A CN101765965 A CN 101765965A CN 200780100042 A CN200780100042 A CN 200780100042A CN 200780100042 A CN200780100042 A CN 200780100042A CN 101765965 A CN101765965 A CN 101765965A
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S·J·弗里德特
W·E·塞拉斯克
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UTC Power Corp
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    • H—ELECTRICITY
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Abstract

功率系统(110；210；310)把具有DC输出(20A，20B)的功率源(14)与来自AC电网(12)的AC功率供应相组合以便向客户负载(16)提供AC并且向各个DC辅助负载(134，134A)提供DC。DC功率源(14)的DC输出被稳态连接到转换器/双向逆变器(122；222)的DC输入(120A，120B，60)以在其中转换为用于连接(124，124A，32)到客户负载(16)和连接(124，124B)到任何AC辅助负载(134，234)的AC。在启动DC功率源(14)期间，断开的隔离开关(70)把该DC功率源(14)从双向逆变器(122；222)断开连接。启动功率供应(50，60；250，60；90，180，60)在AC功率电网(12)和双向逆变器(122；222)和/或DC控制器(134A)之间有选择地连接(56；94)以便向某些DC辅助负载(134，234)提供在逆变器DC的输入所整流的DC功率供应。在启动和稳定状态期间DC功率基本上被连续地从逆变器DC输入提供到辅助负载(134；234)。

Description

具有AC和DC功率源的功率系统
技术领域
本公开内容涉及功率系统并且尤其涉及从不同源提供电功率。本公开内容尤其涉及一种用于从具有DC输出的功率源向负载、AC电源或它们二者提供电功率以及从AC电源向负载提供电功率的系统。
背景技术
向各种负载提供和分送电功率依赖于很多不同的方案来实现该目标。正获得更多注意力的一个领域不仅从诸如常规的AC电业电网(简称为“AC电网”)或发电机之类的AC功率源而且另外从诸如燃料电池、微涡轮机、太阳能电池等功率源向各种一般为不变的负载提供电功率。常规的AC电网常常用作一个源，但是它与诸如燃料电池等另外的源“合作”。当然，一些这类系统依赖于燃料电池或微涡轮机等向专用的一组客户负载(例如医院，购物商场等)提供基本的负载要求并且使用AC电网用于峰值要求或者作为备用候选方式。
当然，这种方案要求适当的并且有时是复杂和/或昂贵的分送和切换方案来处理这种不同的功率源。由于许多这类功率源提供它们的作为直流(DC)的功率输出而常规的电网提供交流(AC)并且许多、大多数或所有客户负载被视为依赖于交流(AC)，而变得更加复杂。这在传统上是燃料电池功率源的情况，例如燃料电池功率源提供DC输出，所述DC输出然后被逆变器转换为AC以便连接到客户的负载，其常常与AC功率电网并联。例如在美国专利6,465,910、6,757,590和7,061,139中可以发现这种功率分送方案的例子，上述专利均被转让给本申请的受让人。
一般在大部分这种方案中，如在图1的框图中所描述，提供的功率系统10具有诸如AC电网12之类的AC功率源作为一个功率源，和一般用于至少最初提供DC功率的一个或多个另外的功率源14。在图1所图示的例子中并且为了进一步论述本公开的目的，将在燃料电池14的范围内表示并描述该DC功率源。然而应当理解，使用诸如微涡轮机、光伏电池(photovoltaics)等其它类型功率源的功率系统，在它们提供DC功率的范畴内(所述DC功率被转换为AC以便连接到客户负载)，可以类似地得益于本公开内容。
进一步参照图1，AC电网12和燃料电池14一般独立地(交替地)或并联组合地采用AC形式向所谓的“客户负载”16提供功率。燃料电池14用作DC功率源，所述DC功率源从其输出经由导线20A和20B被连接到转换器22的DC输入以便从DC转换为AC，所述转换器22这里被描绘为逆变器22。尽管来自AC电网12和来自逆变器22的AC功率一般可能为三相的，不过为了在图1中以及稍后相对于本发明进行简单描述，其被示为出现在单个电导线上，同时假定其它导线。类似地，相对于图1和本公开的各个控制电路方面，应当理解，单线表示(representation)有时用于用作信号导体的分组并行导线或者双绞线。
来自逆变器22的AC输出出现在导线24上，所述导线24包括分支24A和24B。分支24A被描述为包括独立于电网的(grid-independent，G/I)开关26并且该分支24A延伸到节点27。类似地，来自电网12的AC出现在导线28上，所述导线28包括分支28A和28B。分支28A被描述为包括连接电网的(grid-connect，G/C)开关30并且延伸到节点27。共用的导线32从节点27延伸到客户负载16以便从(分别按照G/I和G/C开关26和30的状态确定的)功率源12和/或14提供AC功率给客户负载16。典型情况下，在稳态操作中，至少G/I开关26是常闭合的以便从燃料电池14提供功率并且G/C开关30也可以闭合以便同时从AC电网12并联地提供功率。由燃料电池14所提供的任何额外功率可以指向电网12。如果G/C开关30是断开的，那么燃料电池在独立于电网的模式下操作作为客户负载16的唯一功率源。
重要地是，与功率系统的燃料电池14的操作相关联地存在大量附加的电负载，这里概括命名为“辅助负载”34。辅助负载34可以包括风扇、泵、送风机、加热器等以及电子控制系统(ECS)和功率调节系统(PCS)的控制器(这里被一起示为控制器34A)，并且辅助负载34可以是AC和/或DC类型的负载。实际上，辅助负载一般是或已经是AC和DC负载的混合。自动转换开关(ATS)40这里被图示为单刀双掷开关，具有经由导线42连接到辅助负载34的共用端子以用于向辅助负载34提供功率输入。转换开关40然后用来把辅助负载34经由分支导线24B连接到逆变器22的AC输出或者经由分支导线28B连接到AC电网12的AC输出。应当注意，在任一示例中，被提供到命名为“辅助负载34”的功能块的输入的功率是AC，那些负载中的一些是DC类型并且要求把AC功率进一步转换为DC功率。可以在用于表示辅助负载的功能块34内部提供此转换/整流，并且尽管并未单独示出，不过应当理解此转换/整流可以需要适当的附加控制和/或电路。
自动转换开关40包括控制电路，其被构造并连接来感测在分支导线24B或分支导线28B上电压的存在(偏置朝向分支导线24B)，并且如果存在电压那么闭合该电路。然而，在初始启动功率系统的燃料电池14期间，G/I开关26和G/C开关30均处于“断开”状态，并且在分支导线24B上不存在来自逆变器22的AC输出的电压。从而，ATS 40闭合通过分支导线28B的电路以便AC电网12向辅助负载34提供初始功率，直到功率系统的燃料电池14开始运行，于是ATS 40切换到分支导线24B以便为辅助负载供电。另外，适当控制器和操作算法(并未示出)然后调节(闭合和/或断开)相应的G/I开关26和G/C开关30以便从一个、另一个或两个功率源12和14把AC功率连接到客户负载16。
虽然提供了满意的操作，不过上述方案包括几个限制。由于在线路24B和28B之间的机械切换，ATS 40会遇到偶然失败。同样可以说G/I开关26，其可能在较小程度上。经由逆变器22把来自燃料电池14的DC转换为AC继而将其一部分重新转换(整流)回DC以便为要求DC的那些辅助负载34供电的序列也是对系统效率的附加负担。当在通常希望使DC辅助负载相对于AC辅助负载的百分比最大化的情况下考虑使系统用于不同国家的灵活性时(这是因为用于AC系统的电压和频率会改变)是特别显著的。换言之，AC供电的辅助负载越少，需要被改变或定制以用于不同国家的这种AC负载的数目越少，从而减少了这种变化需要所带来的成本。
发明内容
提供了一种功率系统，其中具有诸如燃料电池等DC输出的功率源能够与来自AC功率源的AC功率供应并联连接，所述AC功率源例如AC功率电网。提供了一般为双向逆变器的功率转换器，用于把在DC输入或端子的DC转换为在AC输出或端子的AC。在转换器的AC输出和一个或多个普通或用户负载之间存在电连接用于向其提供AC功率。在转换器的AC输出和来自AC功率电网的AC供应之间连接的电网连接开关用于将AC功率电网与转换器的AC输出有选择地并联连接和断开连接。操作DC功率源的辅助负载包括一个或多个DC负载，其中一些一般包括DC功率源和功率系统的电控制/控制器、可变速驱动器、用于致动器的DC线圈、功率供应等。启动功率供应能够在DC功率源启动期间连接在来自AC功率电网的AC供应和至少转换器之间，并且响应于AC电功率的供应至少在转换器的DC输入提供初步的DC功率供应。在至少两个实施例中一种预充电电路提供了该初步供应，并且另一实施例另外提供了小型的常规DC供应用于向部分辅助负载提供部分初步DC功率。
在DC功率源的输出和转换器的DC输入之间连接隔离开关以便在启动DC功率源期间有选择地把在转换器的DC输入的DC与DC功率源隔离。在转换器的DC输入和一个或多个DC辅助负载之间提电连接以便在没有进一步转换的情况下以前行(ongoing basis)的方式向那些负载提供DC功率。
在一个实施例中，启动功率供应包括预充电电路，预充电电路具有用于把AC转换为DC输出的整流器，并且该DC输出被连接到跨过转换器/逆变器的DC输入的DC链路电容器。出现在转换器/逆变器的DC输入并且被延伸到DC辅助负载的DC功率足以激励ECS和/或PCS控制器，所述ECS和/或PCS控制器随后工作来闭合电网连接开关从而向双向逆变器的AC输出或端子施加来自AC功率电网的AC。这导致在逆变器的DC输入提供的和足够功率的相称DC电压来激励用于操作燃料电池或其它DC功率源所要求的其余DC辅助负载。
在另一实施例中，启动功率供应包括预充电电路，其只是包括没有任何整流的电流限制器，并且作为替代被连接到双向逆变器的AC输出或端子以便使逆向工作的逆变器在跨过逆变器的DC输入的DC链路电容器提供DC电压。如在先前的实施例中，DC电压被延伸到辅助负载并且具有足够的功率来激励ECS和/或PCS控制器，所述ECS和/或PCS控制器随后工作来闭合电网连接开关从而向双向逆变器的AC输出施加来自AC功率电网的全部AC功率以便获得上述进一步的结果。
在任何一个实施例中，预充电电路优选包括开关，用于在转换器/逆变器和来自AC功率电网的AC供应之间有选择地连接和断开连接。通过当已经完成初始闭合电网连接开关时把预充电电路断开连接，多少增加了功率系统的效率。
在进一步实施例中，启动功率供应多少更为复杂，把用于辅助负载的控制器的小型常规的AC到DC供应与被连接到双向逆变器的预充电式电路组合以便在启动期间向辅助负载共同分级提供功率。预充电式电路可以包括足够大小的LCL(电感器，电容器，电感器)滤波器，其能够连接在双向逆变器的AC输出和AC源之间。小型AC到DC供应可以被临时连接在辅助负载的控制器和AC源之间以便发起启动，并且一旦控制器闭合开关(电网连接)以便向LCL滤波器提供AC以便此后完成启动阶段，就可以断开连接。
在例如燃料电池的DC功率源的输出和与DC辅助负载相关联的负载之间存在连接。该负载用来调整在DC功率源的输出的电压以便由此建立基准电压。相应地，DC辅助负载包括控制器，一般为PCS控制器，其在工作时调整在转换器/双相逆变器的DC输入的DC电压以便基本上或名义上匹配在DC功率源输出的基准电压，然后闭合隔离开关以便把DC功率源的DC输出与转换器/逆变器的DC输入相连接。
上述方案使得不需要那些现有技术功率系统的自动转换开关以及独立于电网的开关(其用于组合AC和DC功率源以便提供给客户负载)。此外，它使各个辅助负载的DC负载能够“直接”被提供DC，所述DC来自在转换器DC输入出现的DC，特别是在稳态操作期间，而不要求来自转换器AC输出的AC再次被转换为用于那些DC辅助负载的DC。更进一步地，用于向辅助负载提供DC功率的此简化结构促进了相对于AC辅助负载使用更多数目的DC辅助负载，这随后降低了与使AC辅助负载适于各个不同外国AC功率系统相关联的成本和复杂度。
按照如附图中所图示的优选实施例的详细描述，上述本公开的特征和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1是依照现有技术具有AC源和DC源的功率系统的简要示意框图；
图2是与图1类似的功率系统的简要示意框图，但是描绘了依照本公开一个实施例的改进方案；
图3是依照图2的实施例的预充电电路的简要示意图；
图4是与图2类似的功率系统的简要示意框图，但是描绘了依照本公开另一实施例的启动功率供应的替换方案；
图5是依照图4的实施例的预充电电路的简要示意图；和
图6是与那些图2和4类似的功率系统的简要示意框图，但是又描绘了依照本公开另一实施例的启动功率供应的进一步方案；
具体实施方式
为了理解依照本公开一个实施例的改进的功率系统110，特别是在一个或多个燃料电池作为具有DC输出的功率源的示例性上下文内并且相对于图1的现有技术，参考图2。对于在两个配置中相同或大体相同的那些组件来说，在图2中使用与图1完全相同的附图标记。然而，其中存在本公开引起的一些功能、组成或结构差异，但是图2的组件仍然保持类似于图1中的组件，给予它们相同的附图标记，但是前面加“1”。以下描述将强调本公开功率系统的新颖特征、结构和/或功能，并且试图使重复相对于图1提供的同样描述最小化。
在图2的功率系统110中，具有DC输出的功率源再次被描绘为燃料电池14，但是当然其可以是微涡轮机、光伏电池(photovoltaic)等。类似地，由诸如AC功率电网、专用发电机或等效物之类的AC功率源提供AC供应(supply)12，并且客户负载16一般为AC，但是并不局限于此。辅助负载已经被指定为134并且类似于图1的支持燃料电池14等的操作的负载34，但是现在可以有利地包括比先前更大相对比例的DC供电负载，包括所有负载是DC供电的可能性，并且所包括的用于ECS和PCS的控制器134A在由本公开实现的控制中多少有所不同。如先前所述，来自AC功率电网的AC供应可以被经由导线28、电网连接开关30、节点27和导线32有选择地连接到客户负载16。然而如将要解释那样，大部分其余电路不同。
重要地是，转换器/逆变器122本身是双向逆变器，具有由DC链路电容器60跨接的一对DC输入导线/端子120A和120B和被指定为124的AC输出/端子，DC电势产生和/或施加在所述DC链路电容器60上。DC链路电容器60被描绘为转换器/逆变器122中的单个电容器并且跨接输入端子120A、120B，但是应当理解其仅仅是代表性的并且可以是多个电容器等，其被布置用来提供必要的电容，并且在转换器/逆变器122内部或外部。转换器/逆变器122的双方向性不仅允许把在DC输入120A、120B的DC电压转换为在AC输出124的AC电势，而且允许在AC输出/端子124施加的AC电压被整流并且出现在DC输入120A、120B作为DC电压。另外，转换器/逆变器122具有能够把DC控制为任何控制电平的能力。如果被施加到AC输出/端子124的AC电压(峰值，而不是均方根值(rms))大于在输入上的DC，那么转换器/逆变器122将自动地把AC整流为DC。然而，为了有效地控制DC电平，PCS控制器134A需要是活动的并且进行控制。转换器/逆变器本身也可以采用各种形式，使用脉宽调制(PWM)是转换电压的优选技术。为了概括和简化，在双向逆变器122内没有描绘具体的转换电路。
与本公开一致，一个或多个隔离开关70位于在来自燃料电池14的DC输出20A、20B和到双向逆变器122的DC导线/输入120A、120B之间的导线中。此开关可以采用电或机械开关或二极管的形式以便防止功率流入到DC功率源中。在燃料电池启动期间断开隔离开关70，这是因为在启动之前燃料电池不能暴露于在其输出DC端子上的电压，这是因为燃料电池的逆功率流导致寿命减少，隔离开关70在正常操作期间闭合。
重要地是，本公开内容使用简单的低成本的启动功率源，这里是结合DC链路电容器60的预充电电路50，以便在双向逆变器122的DC输入120A、120B或其上建立初始DC电压。更具体地说，来自AC功率电网12的AC电压经由导线28和分支导线128被连接到预充电电路50的输入，并且该预充电电路的输出经由导线58被连接到在双向逆变器122的DC输入120A、120B的电容器60。
参照图3，对于附加细节来说，预充电电路50包括内部整流电路52，这里由单个二极管来图解表示。实际上，预充电电路50的整流器可以是几种简单的低成本方案中的任何一个，用于把AC电网电压整流为适度功率电平的DC电压。在预充电电路50中串行连接限流电阻或阻抗54以便限制流到在双向逆变器122的DC输入的电容器60上产生的DC电压的电流。开关56在串联电路中与整流器52和限流电阻54连接，并且在启动燃料电池14期间闭合以便把整流的DC连接到双向逆变器122的DC输入120A、120B。然而，在启动之后可以断开开关56以便在正常操作期间有效地去除预充电电路50由此略微地改进功率系统110的效率。
这里被指定为120AB的连接从双向逆变器122的DC输入120A、120B延伸到辅助负载134的相应DC输入以便把出现在前者DC输入的DC电压连接到后者DC输入。更具体地说，DC电压到辅助负载134的连接被连接以用于在没有进一步AC/DC转换的情况下向各个DC辅助负载以及其它负载直接提供功率，所述DC辅助负载重要地是包括用于ECS和PCS的控制器134A，所述其它负载例如包括变速驱动器、用于阀的线圈电压、用于控制或功率分送的功率供应等。在导线120AB中或者如这里所描述，在辅助负载134的DC输入或者其中，一般提供了电路134B，电路134B用于把电容器60上的较高DC电压(例如700VDC)步降(step down)控制到(如果适当的话)由包括控制器134A的至少一些辅助负载所要求的典型24VDC。应当理解，ECS和PCS控制器134A包括适当的排序算法，用于按照描述来实现启动和稳态操作。
这里被指定为20AB的独立DC连接从燃料电池14的DC输出20A、20B延伸到辅助负载134中的一个或多个适当负载72，为简单起见这里被描述为电阻器，用于在启动并且在准备闭合隔离开关70期间在燃料电池14的DC输出建立基准电压。负载电阻72一般是固定的，不过也可以是可变的。以下将非常详细地描述此功能。
在双向逆变器122的AC输出，连接延伸到AC节点27的导线124。附图标记124还用于指定逆变器122的AC输出。导线124包括延伸到辅助负载134的AC输入的分支124B，用于向其提供AC功率。在导线124中一般可以包括常规设计的LCL滤波器80，其不仅用于抑制谐波并且被要求用于AC功率流，而且用于产生在双向逆变器122的DC输入所需要的峰值电压以便在准备闭合隔离开关70时与燃料电池14的输出相匹配，稍后更详细地解释。假定存在LCL滤波器80，在滤波器和节点27之间的导线124的部分被指定为分支124A。
现在转向注意依照本公开内容的功率系统110的操作。假定DC功率源燃料电池14最初处于关闭状态而且电网连接开关30断开，那么必须启动燃料电池继而把它分别连接到客户负载16和辅助负载134作为AC和DC功率源，也把电网12的AC功率连接到这些负载。假定预充电电路中的开关56最初断开，使用独立的专用控制和功率供应来远程或手动闭合该开关。作为选择，开关56可以是通常闭合的开关，并且在完成预充电之后断开。预充电电路50然后变为可操作的并且把来自AC功率电网12的AC功率转换为整流的DC，该整流的DC产生在双向逆变器122的DC输入的电容器60上。此时并且依照这种方式产生的DC电压具有有限功率，但是当经由导线120AB连接时足以至少通过初始启动功能向控制器134A供电。尽管预充电电路可以被改变大小以便处理功率供应，其可能会要求昂贵的按比例放大，并且对优选实施例来说不是必须的。控制器134A首先工作来自动地闭合电网连接开关30。这随后不仅用来把来自电网12的AC供应连接到客户负载16和辅助负载134的AC输入，而且还把通过LCL滤波器80和导线124的AC能量连接到双向逆变器122的AC输出。然而，由于该逆变器的双方向性缘故，默认在该输出施加的AC被内部整流并且出现在DC输入120A、120B并且在电容器60上以作为显著的DC能量源。该DC能量于是当经由导线120AB延伸时足以充分用于辅助负载134的DC需要。依照这种方式，用于完成启动燃料电池14所要求的风扇、泵等能够操作。一旦闭合电网连接开关30来向双向逆变器122提供AC功率，就不再要求预充电电路50提供有限的DC功率，并且可以断开其开关56以便将其从电路中去除。
此时燃料电池14能够操作并且在其DC输出20A、20B提供DC电势，但是断开的隔离开关70防止该电势被连接到双向逆变器122。辅助负载134中的负载72充当“伪”负载并且用来建立例如1200VDC的基准输出电势。相应地，控制器134A工作来使双向逆变器122变为活动的并且通过依照已知的方法切换逆变器的功率半导体，来调节由双向逆变器122产生的DC电势，其逆向操作并且出现在DC输入120A、120B。一旦在相应输出20A、20B和输入120A、120B的DC电压基本上匹配以避免涌流(inrush current)(输出20A、20B优选比输入120A、120B大几伏)，然后闭合隔离开关70并且燃料电池14开始经由导线120AB向辅助负载134提供DC功率并且向双向逆变器122的DC输入120A、120B提供DC功率。然后该逆变器按照控制器中的算法被控制以便在前向方向上操作来把DC转换到AC以便输出到导线124并且延伸到AC辅助负载134和客户负载16。
如先前所描述，现在可直接从燃料电池14提供DC功率并且在不要求进一步转换的情况下被直接递送到辅助负载134的DC负载。这改进了功率系统110的效率，并且另外支持使用DC辅助负载的相对增加，所述DC辅助负载避免在具有不同AC功率系统的国家中操作的AC负载的频率和/或电压问题。
如在图4的实施例中所描述的，甚至可以进一步简化功率系统。参照图4的功率系统210，对于在图1和2配置的相应一个、另一个或二者中相同或基本相同的那些组件来说，在图4中使用与图1和/或2完全相同的附图标记。然而，在存在由本公开的此实施例引起的一些功能、组成或结构差异，但是图4的组件仍然保持与图2中的组件类似的情况下，它们被给予相同的附图标记，但是前面加“2”。以下描述强调本公开功率系统的新颖特征、结构和/或功能，并且将试图使对相对于图1和/或2提供的重复描述最小化。
在图4的功率系统210中，具有DC输出的功率源再次被描绘为燃料电池14。类似地，由AC功率电网提供AC供应12并且客户负载16一般为AC，但是并不局限于此。辅助负载已经被指定为134并且有利地是可以包括比现有技术更大比例的DC供电的负载，并且所包括的ECS和PCS的控制器134A可以依照由本公开所实现的控制方式而多少有些不同。如先前所描述，来自AC功率电网的AC供应可以被经由导线28、电网连接开关30、节点27和导线32有选择地连接到客户负载16。相对于图2所讨论的，隔离开关70、DC链路电容器60、到辅助负载134的DC导线20AB和120AB、辅助负载134中的负载72和被连接到双向逆变器222的AC端子的AC导线124中的LCL滤波器80基本上相同。实际上，即便双向逆变器222可以在物理上与图2的逆变器122类似或相同，然而在图4的实施例中它已经被给予前缀“2”以便突出在其使用时功能上的差异。
大体上，启动功率供应的预充电电路250以及它被连接到双向逆变器222的方式构成了在图4和图2的实施例之间的主要差异。在图5中非常详细地示出的预充电电路250可以被简化以便基本上只包括限流电阻器或阻抗254和串行连接的开关56。AC输入预先从AC功率电网12在分支导线128上接收，并且预充电电路250的输出经由导线258被连接到双向逆变器222的正常AC输出124。在这种情况下，双向逆变器222的正常AC输出124也充当来自预充电电路250的限流AC信号的输入。因为然后使双向逆变器222在逆向方向上操作，所以其内部整流电路用来把来自预充电电路250的AC电压整流/转换为在该逆变器的DC输入的电容器60上产生的DC电势。
在这一点上，尽管在双向逆变器的DC输入120A、120B的DC能量被限制为图2实施例中那样，不过它类似地也足以激励辅助负载134的控制器134A并且闭合电网连接开关30，如前述那样。此后，功率系统210的操作基本上与图2的系统110相同。主要AC供应经由导线124被施加到双向逆变器222的AC输出，所述双向逆变器222逆向工作来整流该AC供应以便提供主要DC信号，所述DC信号随后为辅助负载134的DC负载供电。这启动燃料电池14，在2个独立电路中的DC电压被平衡，并且闭合隔离开关70以便建立正常的前向操作。此实施例的额外好处在于在预充电电路中并不要求独立的整流电路，作为替代当逆向操作时使用双向逆变器222的整流能力。
现在参考图6，所述图6描绘了本公开内容的功率系统310的另一实施例，其中启动功率供应多少更为复杂，把用于辅助负载234的控制器134A的小型常规的AC到DC功率供应90与被连接到双向逆变器222的预充电式电路180相组合以便在启动期间共同分级地向辅助负载234提供功率。更具体地并且更详细地说，参照图6的功率系统310，与那些图1-5完全相同的附图标记在图6中用于与在图1-5配置中相应的一个或多个中相同或基本相同的那些组件。然而，在存在由本公开的此实施例引起的一些功能、组成或结构差异，图6的组件仍然保持与图2-5中的组件类似的情况下，它们已经被给予相同的附图标记，但是根据情况前面加“1，2或3”。以下描述强调本公开功率系统的新颖特征、结构和/或功能，并且将试图使对相对于图1-5提供的重复描述最小化。
在图6的功率系统310中，具有DC输出的功率源再次被描绘为燃料电池14。类似地，由AC功率电网提供AC供应12并且客户负载16一般为AC，但是并不局限于此。辅助负载已经被指定为234并且有利地是可以包括比现有技术更大比例的DC供电的负载，并且所包括的ECS和PCS的控制器234A可以依照由本公开所实现的控制方式而多少有些不同。如先前所描述，来自AC功率电网的AC供应可以被经由导线28、电网连接开关30、节点27和导线32有选择地连接到客户负载16。相对于图2和4所描述的，隔离开关70、DC链路电容器60和到辅助负载234的DC导线20AB和120AB和辅助负载234中的负载72基本上是相同的。双向逆变器222可以在物理上与图4的逆变器222是类似的或相同的并且与图4的逆变器222类似地起作用。图6的LCL滤波器180在功能上与图2和4的类似，但是已经被给予前缀“1”，这是因为其组件值可能不同以便满足此图6实施例的附加要求，如将要解释那样。
大体上，图6的启动功率供应的形式不同于图2和4实施例中的那些。更具体地说，图2和4实施例的预充电电路50和250由预充电式电路和用于辅助负载234的控制器134A的小型常规AC到DC供应90代替以便在启动期间共同分级地向辅助负载234提供功率，所述预充电式电路例如被连接到双向逆变器222的增强LCL滤波器180。
在简单和低成本为重要目的的情况下，小型AC到DC供应90可以采取任何几种形式。在所图示的例子中，AC到DC供应90包括AC电压步降(step-down)设备90A，诸如变压器，用于把例如在导线228上出现的480VAC电网电压步降到标称的24VDC，然后是AC到DC转换器90B经由导线92向辅助负载234的控制器134A提供必要的初始DC启动电压。应当理解并且应当认识到，可以把组件设备90A和90B组合为单个部件。该AC到DC功率供应90可以由被示为常断开的然而可以是常闭合的开关94在AC源和控制器134A之间临时连接以便发起启动，并且一旦控制器134A闭合开关30(电网连接)以便向LCL滤波器180提供AC据此完成启动阶段，可以被断开连接。
在此图6实施例中的LCL滤波器80在结构上和功能上与较早实施例类似，但是当电网连接开关30借助初始启动控制动作被闭合时电感器被适当调整大小以便限制到双向逆变器222和DC链路电容器60的涌流。LCL滤波器180中的电感器的大小调整依照公知方式与DC链路电容器60的电容器峰值电流额定值协调。
简要地参照图6的功率系统310的操作，只有启动功能多少有些不同，但是稳态操作是相同的。为了发起启动功率系统310中的燃料电池14，通过激活AC到DC功率供应90，例如如这里所述通过闭合在导线92或导线228中的开关94来使启动功率供应工作。高AC电网电压在VAC步降90A被减小，然后在转换器90B被转换为DC，并且经由导线92延伸到控制器134A的至少这样的部分，该部分被需要来通过闭合电网连接开关30来发起启动。控制器134A的这个功率源可以具有有限的能力和有限的持续时间，从而为了其简单和低成本目的。在闭合电网连接开关30之后不久，可以断开功率供应90的连接。
一旦闭合电网连接开关30，来自电网12的AC电流试图电涌通过LCL滤波器180和双向逆变器222的AC到DC转换以便在DC链路电容器60上产生电荷。选择滤波器180的电感以便在DC链路电容器60的能力内把涌流限制在适当电平。此后，系统与先前实施例并且特别是图4的实施例类似地起作用，来自在逆变器222的DC输入120A、120B的DC链路电容器60的DC功率源足以激励辅助负载234的一般DC负载和控制器134A来完成其余的启动序列以便启动燃料电池14并且实现电压匹配，并且随后闭合隔离开关70以便接入燃料电池作为DC功率源。当然，只要闭合电网连接开关30，任何要求AC功率的辅助负载234将会通过导线124B获得AC功率。
如前所述，本公开内容不仅利用低廉的启动功率供应和隔离开关来代替较为昂贵的ATS和独立于电网的开关，而且还在启动和稳态操作期间从DC功率源和双向逆变器之间的接口直接向各个DC辅助负载提供DC功率，而并不要求从AC到DC的进一步转换。这随后支持了相对增加DC辅助负载的使用，这从减少对各个候选AC负载需要以便满足不同国家的不同电压/频率需要的观点来看是有益的。
尽管相对于其示例性实施例已经描述并图示了本公开内容，然而那些本领域技术人员应当理解，在不脱离本公开精神和范围的情况下可以进行上述及其它各种改变、省略和增加。

Claims (15)

1.一种功率系统(110；210；310)，包括：
功率源(14)，具有DC输出(20A，20B)；
功率转换器(122；222)，用于将在其DC输入/端子(120A，120B)的DC转换为在其AC输出/端子(124)的AC；
来自AC功率源(12)的AC供应；
在转换器(122；222)的AC输出/端子和至少一个一般负载(16)之间的电连接(124，124A，32)，用于向这些负载提供AC功率；
AC功率源连接开关(30)，连接(124，124A，28A，28)在转换器的AC输出/端子(124)和来自AC功率源的AC供应之间，被配置成有选择地将AC功率源(12)与转换器(122；222)的AC输出/端子(124)并联连接和断开连接；
至少一个DC辅助负载(134，134A，134B；234)，用于操作具有DC输出的功率源(14)；
启动功率供应(50，60；250，60；90，180，60)，在至少启动具有DC输出的功率源(14)期间能够连接(28，128，58，30，124A，124；28，128，258，30，124A，124；28，228，92，30，124a，124)在来自AC功率源(12)的AC供应和至少转换器(122；222)之间，并且响应于AC功率(12)的供应(28，128，228，30，124A，124)来至少在转换器(122；222)的DC输入(120A，120B)提供DC功率的启动供应(60；60，90)；
隔离开关(70)，工作时连接在具有DC输出的功率源(14)的输出(20A，20B)和转换器(122；222)的DC输入/端子(120A，120B)之间并且被配置成在启动具有DC输出的源(14)期间有选择地把在转换器的DC输入的DC与DC功率源相隔离；和
电连接(120AB)，用于在不进行进一步转换的情况下向至少一个DC辅助负载(134，134A，134B，234)提供在转换器(122；222)的DC输入/端子(120A，120B，60)的DC功率。
2.如权利要求1所述的功率系统(110；210；310)，其中所述具有DC输出的功率源包括至少一个燃料电池(14)。
3.如权利要求1所述的功率系统(110；210；310)，其中所述功率转换器(122；222)包括双向逆变器(122；222)。
4.如权利要求1所述的功率系统(110；210；310)，其中至少一个DC辅助负载(134，134A，134B；234)至少包括具有电子控制系统和功率控制系统的DC供电控制器(134A)。
5.如权利要求1所述的功率系统(110；210；310)，其中所述启动功率供应(50，60；250，60)包括预充电电路(50；250)，所述预充电电路(50；250)具有开关(56)，所述开关(56)用于有选择地将来自所述AC电源(12)的AC供应通过所述预充电电路与所述转换器(122；222)连接和断开连接，借此在启动具有DC输出的功率源(14)之后可以断开从所述AC功率源通过预充电电路到所述转换器的连接。
6.如权利要求1所述的功率系统(110)，其中所述启动功率供应(50，60)包括具有整流器(52)的预充电电路(50)，以用于把AC转换为DC输出，并且其中所述预充电电路的DC输出被连接(58)到跨过所述转换器(122)的DC输入/端子(120A，120B)的DC链路电容器(60)。
7.如权利要求3所述的功率系统(210)，其中所述启动功率供应包括预充电电路(250)，所述预充电电路(250)具有在来自AC功率源(12)的AC供应和双向逆变器(222)的AC输出/端子(124)之间的限流可切换连接(254，56)，借此来自AC供应的限流AC被双向逆变器(222)整流并且看起来像在跨过逆变器(222)的DC输入/端子(120A，120B)的DC链路电容器(60)的DC。
8.如权利要求3所述的功率系统(310)，其中至少一个DC辅助负载(134，134A，134b；234)至少包括DC供电的控制器(134A)，所述控制器(134A)具有电子控制系统和功率控制系统中的一个或两个，并且其中所述启动功率供应包括工作时连接在AC功率源(10)和DC供电的控制器(134A)之间的AC到DC功率供应以便向其提供有限的DC电压，在AC功率源连接开关(30)和双向逆变器(222)的AC输出/端子(124)之间串联的电感(180)以及跨过所述转换器(122)的DC输入/端子(120A，120B)的DC链路电容器(60)，借此所述有限的DC电压到所述DC供电的控制器(134A)的连接(92)工作时闭合所述AC功率源连接开关(30)并且从AC功率源(10)通过电感(180)向逆变器(222)的AC输出/端子(124)提供限流的AC功率以便转换为在DC链路电容器(60)上出现的DC电压。
9.如权利要求1所述的功率系统(110；210；310)，进一步包括在具有DC输出的功率源(14)和所述至少一个DC辅助负载(134，134A；234)之间的连接(20AB)，并且其中所述至少一个DC辅助负载包括负载阻抗(72)，用于可控制地调整在DC功率源(14)的DC输出(20A，20B)的电压以便提供基准电压。
10.如权利要求9所述的功率系统(110；210；310)，其中所述至少一个DC辅助负载(134，134A；234)进一步至少包括DC供电的控制器(134A)，所述控制器(134A)工作时调整在转换器(122；222)的DC输入/端子(120A，120B)的DC链路电容器上的DC电压以便基本上匹配在DC功率源(14)的DC输出(20A，20B)的所述基准电压，并且还在工作时闭合隔离开关(70)以便将DC功率源(14)的DC输出(20A，20B)与转换器(122，222)的DC输入/端子(120A，120B)相连接。
11.如权利要求4所述的功率系统(110；210)，其中所述功率转换器(122；222)包括双向逆变器(122；222)，所述AC功率源连接开关(30)是常断开的，并且其中根随DC功率到所述DC功率控制器(134A)的连接(120AB)，所述电子控制系统和所述功率控制系统中的至少一个工作来闭合AC功率源连接开关以便向双向逆变器(122；222)的AC输出/端子(124)提供AC功率(12，28，124A，124)，借此来自所述AC功率源(12)的AC功率被双向逆变器整流并且看起来像在所述逆变器的DC输入/端子(120A，120B)的DC链路电容器(60)上的DC电压。
12.如权利要求1所述的功率系统(110；210；310)，其中AC功率源(12)包括AC电网。
13.如权利要求6所述的功率系统(110)，其中AC功率源(12)包括AC电网；所述具有DC输出的功率源包括至少一个燃料电池(14)；所述功率转换器(122)包括双向逆变器(122)；所述至少一个DC辅助负载(134，134A，134B)至少包括DC供电的控制器(134A)，所述控制器(134A)具有电子控制系统和功率控制系统中的一个或两个；所述启动功率供应(50，60)包括预充电电路(50)，所述预充电电路(50)具有开关(56)，所述开关(56)用于将来自AC功率源(12)的AC供应通过所述预充电电路与所述转换器(122)有选择地连接和断开连接，借此在启动具有DC输出的功率源(14)之后把从所述AC功率源通过预充电电路到所述转换器的连接断开；在具有DC输出的功率源(14)和所述至少一个DC辅助负载(134，134A)之间的连接(20AB)，并且其中所述至少一个DC辅助负载包括负载阻抗(72)，用于可控制地调整在DC功率源(14)的DC输出(20A，20B)的电压以便提供基准电压；所述DC供电的控制器(134A)工作时调整在转换器(122)的DC输入/端子(120A，120B)的DC链路电容器(60)上的DC电压以便基本上匹配在DC功率源(14)的DC输出(20A，20B)的所述基准电压，并且还在工作时闭合隔离开关(70)以便把DC功率源(14)的DC输出(20A，20B)与转换器(122)的DC输入/端子(120A，120B)相连接；所述AC功率源连接开关(30)是常断开的，并且其中跟随DC功率到所述DC供电的控制器(134A)的连接(120AB)，所述电子控制系统和所述功率控制系统中的至少一个工作来闭合AC功率源连接开关以便向双向逆变器(122)的AC输出/端子(124)提供AC功率(12，28，124A，124)，借此来自所述AC功率源(12)的AC功率被双向逆变器整流并且看起来像在所述逆变器的DC输入/端子(120A，120B)的DC链路电容器(60)上的DC电压。
14.如权利要求7所述的功率系统(210)，其中AC功率源(12)包括AC电网；所述具有DC输出的功率源包括至少一个燃料电池(14)；所述至少一个DC辅助负载(134，134A，134B)至少包括DC供电的控制器(134A)，所述控制器(134A)具有电子控制系统和功率控制系统中的一个或两个；所述启动功率供应(250，60)包括预充电电路(250)，所述预充电电路(250)具有开关(56)，所述开关(56)用于将来自所述AC功率源(12)的AC供应通过所述预充电电路与所述转换器(222)有选择地连接和断开连接，借此在启动具有DC输出的功率源(14)之后把从所述AC功率源通过预充电电路到所述转换器的连接断开；在具有DC输出的功率源(14)和至少一个DC辅助负载(134，134A)之间的连接(20AB)，并且其中所述至少一个DC辅助负载包括负载阻抗(72)，用于可控制地调整在DC功率源(14)的DC输出(20A，20B)的电压以便提供基准电压；所述DC供电的控制器(134A)工作时调整在转换器(222)的DC输入/端子(120A，120B)的DC链路电容器(60)上的DC电压以便基本上匹配在DC功率源(14)的DC输出(20A，20B)的所述基准电压，并且还在工作时闭合隔离开关(70)以便把DC功率源(14)的DC输出(20A，20B)与转换器(222)的DC输入/端子(120A，120B)相连接；所述AC功率源连接开关(30)是常断开的，并且其中跟随DC功率到所述DC供电的控制器(134A)的连接(120AB)，所述电子控制系统和所述功率控制系统中的至少一个工作来闭合AC功率源连接开关以便向双向逆变器(122)的AC输出/端子(124)提供AC功率(12，28，124A，124)，借此来自所述AC功率源(12)的AC功率被双向逆变器整流并且看起来像在所述逆变器的DC输入/端子(120A，120B)的DC链路电容器(60)上的DC电压。
15.如权利要求8所述的功率系统(310)，其中AC功率源(12)包括AC电网；所述具有DC输出的功率源包括至少一个燃料电池(14)；并且进一步包括在具有DC输出的功率源(14)和至少一个DC辅助负载(134，134A；234)之间的连接(20AB)，并且其中所述至少一个DC辅助负载包括负载阻抗(72)，用于可控制地调整在DC功率源(14)的DC输出(20A，20B)的电压以便提供基准电压；所述DC供电的控制器(134A)工作时调整在转换器(222)的DC输入/端子(120A，120B)的DC链路电容器(60)上的DC电压以便基本上匹配在DC功率源(14)的DC输出(20A，20B)的所述基准电压，并且还在工作时闭合隔离开关(70)以便将DC功率源(14)的DC输出(20A，20B)与转换器(222)的DC输入/端子(120A，120B)相连接。
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