CN102957143A - 混合型发电机组 - Google Patents

Abstract

一种为负载源提供电力的便携式发电机系统，包括发动机和发电机。发动机驱动发电机提供发电机交流（AC）电力输出。能量储存系统（ESS）提供ESS直流（DC）电力输出。连接到发电机的第一逆变器用于接收发电机AC电力输出并提供DC电力输出。连接到第一逆变器和ESS的第二逆变器用于接收来自第一逆变器和ESS DC电力输出的DC电力输出来提供AC电力输出。第一电力模式包括，发电机保持对应于负载源的指定的电力需求的第一发电机电力输出水平，和ESS提供额外的第一ESS电力输出水平来满足负载源指定的电力需求。

Description

混合型发电机组

技术领域

本发明总体涉及发电机组，更具体地，涉及便携式发电机系统，其包括具有发动机和发电机的发电机组。

背景技术

已知的是一般家庭使用的或较大规模的商业楼宇，例如医院，使用的储能系统和便携式（或辅助的）电力系统。同样，辅助电力系统可被用于为多种类型的设备提供电力，例如灯光、音响系统、游乐园的游乐设施、现场机械或工具、或移动应急系统。电力系统可包括发动机和发电机的组合（也被称作发电机组），其可包括驱动发电机产生电压输出的柴油或汽油发动机。

其他电力系统可包括能够直接作为动力源的光伏，并且其可被反馈到当地电网，例如公共电网。另一电力系统可包括柴油发电机组，或发动机发电机组。发电机提供交流电（AC）至接线盒或汇流条以驱动负载源。这类系统需要使用稳压器或调速器，以及发电机电压稳压器使发动机在恒定的发动机速度下运行。系统通常需要转换开关,以在电源故障时断开负载与公共电源的连接，将发电机和负载连接。此外，通常发电机需要发动机在预定的速度运行，以在适当的频率提供电力。当发动机未根据给定的负载运行在最佳速度时，发动机的效率可能很差。

例如，典型的同步发电机组的发动机必须在固定的速度（通常是1800或3600（每分钟转速）RPM）运行，以产生所需的60Hz频率输出电压。当低输出负载或无输出负载时，所需消耗的燃料很大一部分用以保持中到高的发动机速度，从而导致系统非常低效。此外，已知发电机组的另一缺点发生在当电力系统经历瞬间大负载时，例如来自大电机或加热元件，发动机不能实时响应，造成频率的短暂下降，并且对于电压调节系统，可能还有电压的短暂下降。

因此，需要提供一种比现有系统更有效的由便携式发电机组提供电力的系统和方法。

发明内容

在本发明的一方面，一种便携式发电机系统，包括发动机和发电机，用以为负载源提供电力。发动机驱动发电机，以提供发电机交流（AC）电力输出。能量储存系统（ESS）提供ESS直流（DC）电力输出。第一逆变器连接到发电机，用以接收发电机的AC电力输出并且提供DC电力输出。第二逆变器连接到第一逆变器和ESS，用以从第一逆变器和ESSDC电力输出接收DC电力输出，提供AC电力输出。第一电力模式包括，发电机保持对应于负载源的指定的电力需求的第一发电机电力输出水平，和ESS提供额外的第一ESS电力输出水平以满足负载源的指定电力需求。

附图说明

通过接下来对说明性的实施例结合附图的详细描述，本发明的这些和其他目的、特征和优点将得以明显体现。由于图示旨在清晰，以使本领域技术人员结合详细说明能够理解本发明，附图的各种特征并非按比例绘制。在附图中：

图1示出根据本发明一实施例的发电机系统的原理框图；以及

图2示出图1中的发电机系统的原理框图，进一步包括附加组件。

具体实施方式

参照图1，在本发明一实施例中，便携式发电机系统10向负载源14提供电力。系统10包括发电机组20，该发电机组20包括电动机或发动机21，例如柴油发动机，其给发电机22提供动力以从发电机22提供交流（AC）电力输出24。例如，发电机22可为永磁发电机。能量储存系统（ESS）30从ESS 30提供直流（DC）电力输出34。ESS可包括锂离子电池。第一逆变器40连接到发电机22用以接收AC电力输出24，并且提供DC电力输出44。来自第一逆变器的DC电力输出44也可为ESS充电。因此，发电机系统可被视为混合型发电机。另外，ESS可选择地包括超级电容（ultra-capacitors）、铅酸电池以及其他能量存储介质。超级电容可包括双电层电容器（EDLC，Electric Double-Layer Capacitor），也被称为超级电容器(Supercapacitor），超级电容器(Supercondenser)或电化学双电层电容器，其具有相对高的能量密度的电化学电容器。

第二逆变器50通过常规供电总线60与ESS 30和发电机22相连，该总线从第一逆变器40和ESS 30接收DC电力输出44，34，并提供混合AC电力输出54。系统10可在多种操作模式下工作。第一电力模式90包括，发电机22保持对应于负载源14的指定的电力需求的第一发电机电力输出水平。或者，发动机能够提升到对应于负载源14的指定的第二电力需求的第二发电机电力输出水平。此外，ESS 30根据负载源14的指定的电力需求提供额外第一ESS电力输出水平。在发电机组20正常运作的情况下，DC电力输出44可在需要时被用于为ESS充电。

在一个例子中，系统10包括发电机组20，其为负载源14提供所需的全部电力，而无需ESS 30为负载14提供电力。然而，当负载源14产生瞬时电力需求或高的电力需求时，ESS 30能够提供额外的电力。因此，系统10将变速发电机组20和ESS 30结合，在最大化发动机效率的同时保持电力质量。第一逆变器40也可被称为发电机逆变器，因为它的功能是为发电机将AC转换到DC，并且第二逆变器50也可被称为电网逆变器，因为第二逆变器提供相当于电网供电的AC电力。

系统可包括系统控制器80，其包括具有存储在非瞬态计算机可读介质86上的计算程序84的计算机82，计算机82包括用于执行计算程序84的步骤的处理器88。系统控制器80还可包括用于与网络或互联网通信的网络连接89。系统控制器80能够管理发电机22和ESS 30的混合电力输出54，包括选择性地启动多个电力模式。因此，系统控制器80提供系统10的全面监督控制和任何用户界面功能以及使系统10提供电力模式。

在本发明的另一实施例中，第二电力模式92包括关闭发动机和发电机。当负载需求能够完全由ESS 30提供，且发电机组20的运行需要发动机在任何速度下低效运行时，第二电力模式92被实施。因此，当发动机在指定效率以下运行，和/或发电机需要满足预定的低电力输出时，系统控制器80实施第二电力模式。ESS保持对应于负载源的指定的电力需求的指定的ESS电力输出水平，当达到预定的ESS放电水平时，发动机和发电机被切换回运行，以使发电机提供电力输出为ESS充电。

因此，在负载非常低的条件下，当发动机的效率不佳时，例如怠速，系统10可以完全关闭发动机并且只由ESS 30提供输出电力。当ESS 30达到预定的放电水平，系统自动重启发动机21并通过向负载供电的同时为ESS 30充电的方式使发动机21在高效负载点工作。系统10的一个优点在于减少了发动机的维护，其源于三个因素。第一，发动机转速在大范围的负载条件下得以减少，因此在给定的工作间隔里总的发动机转速得以减少。在第二电力模式92中，发动机的操作在某些负载条件下被关闭，进一步降低了发动机的磨损。在两个电力模式90，92中，通过ESS，发动机避免了高压力瞬态工况。发动机转速的最佳范围可与发动机制造商确定。使用本系统10，由于ESS在负载峰值时被用于提供电力，发动机可保持在最佳转速范围内，并且发动机可在低电力需求时被关闭，因此，系统保持了更大的发动机在最佳转速范围内的时间比例，提高系统10的整体效率。

在第一和第二电力模式中，ESS 30能够响应由负载源14引起的瞬时电力请求（或电力请求峰值）。发动机能够提升到对应于负载源的指定的第二电力需求的第二发电机电力输出水平。这使得发动机能缓慢或逐渐地提升，即，增加其转速（RPM）来处理新的负载。这是对于柴油发动机而言相较于已知系统的一个优点，由于柴油发动机在负载的瞬态阶段效率不佳。因此，通过使柴油发动机能够缓慢过渡，本系统10使发动机保持更高的效率。

系统10可被用在注册商标名为HybriGen^TM的系统中。系统10的优点之一是，系统使用第二逆变器50产生输出电压和电流频率，其允许系统10在选定的、对当前负载最有效的速度下操作发动机21。第一逆变器40连接到发电机22，允许系统10在任何发动机21的速度下保持足够的DC电压。系统10提供非常稳定的电压和频率调节，其中发动机速度可以是变化的，例如，在怠速下操作，或在第二电力模式92中完全关闭。

集成了电池ESS 30（其也可基于超级电容）的系统10，允许系统10即使当经历高瞬态负载时也能保持高质量的电压和频率调节。ESS 30能立即响应大的瞬时负载，以保持输出的电压和频率调节。接着，在ESS保持输出的同时，发动机21能逐渐提升到新的负载水平。这进一步提高了效率，因为柴油或其他内燃式发动机在高的瞬态条件下效率很差。

由电网78提供的电网电力79发生电力故障时，在向负载14提供电力的已知备用发电机系统中，发电机启动，提升到指定速度，例如房屋、建筑、或者医院与电网断开连接时，发电机连接到房屋等。通常情况下，发电机中有电路，用于将电压保持在合适的水平，例如115伏特。还有节气门控制，用于保持发动机运转，保持在合适的速度来维持60赫兹的频率。例如，为了保持60赫兹的频率，柴油发动机可能运行在360转左右，并且可产生约100000瓦特的额定电力。然而，负载电力需求可能只需使用约10000瓦特的来自发电机的电力，由于发电机并未在最佳水平工作，即只使用了其能力的一小部分，而导致了差的燃油效率。

在本系统10中，发动机21可减小节气门开度而下降到较慢的转速，从而使发电机22提供与负载的电力需求成比例的电力输出。系统10使用第一逆变器40产生DC输出并将电压提供给ESS 30。第二逆变器50提供负载需要的输出电力水平和频率。此外，如果负载突然变化，ESS提供除了发电机之外的额外电力，直到发动机（例如，柴油发动机）能提升到新的速度（RPM），从而增加发电机的电力输出。因此，系统10可使发动机在最佳速度下运转，以提供需要的电压输出。

在第二动力模式中，发动机被关闭并且系统电力输出完全来自ESS。因此，系统10在满足电力输出需求的速度（RPM）下运转发动机，或者关闭发动机，从而提供了整个系统10的效率。第二逆变器能够降低发电机的速度。例如，如果负载需要来自系统10的30千瓦电力，发动机的速度降低以便由发电机提供30千瓦的电力，第一逆变器40接收AC电力输出（输出电压）并将其提高到电池的DC电压水平。接着，第二逆变器50接收来自第一逆变器40和ESS30的DC输出水平，并将其转换成经过电压和频率调节的AC电力输出。因此，系统10允许发动机在满足产生所需电力的速度下运行，因此需要较少的发动机燃料。

更具体的，发电机22可为永磁发电机，其中它的电压与发动机的速度成正比，并且输出的能量与发动机的转速成正比。由于受到发电机和可充电的电池系统的设计限制，发电机22的AC输出24总是小于ESS 30（或电池组）的最小电压。在系统10中，第一逆变器接收AC输出24并将其转换成与ESS（电池）电压相等的DC输出44。第二逆变器50根据需要为负载源14提供AC输出54，而第一逆变器40提供电力为ESS充电。此外，第一逆变器40能将其接收到的AC电力24的全部或部分提供给ESS 30，同时通过DC电力输出44将来自发电机22的任何多余AC电力24提供给第二逆变器50。在本发明一可替换的实施例中，第二逆变器根据需要为负载源14提供AC输出54，并通过第二逆变器50和负载源14之间的连接点70将AC电力55提供给电网78。

参照图2，其中与图1相同的部件具有相同的附图标记，根据本发明的一可替换的实施例包括系统100的可选部件，其在部件组中由虚线示出。部件组110允许第一逆变器40通过电网连接112连接电网78（例如公用电网）进行操作。电网78可包括本地产生的电网，例如具有多个发电机的远程设备，或由其他电源产生的AC电源，例如本地公共设施。在附图2的系统100中，电网连接112可选择地替换发电机组20，其中，系统100能提供先前描述的、使用发动机/发电机20的系统10的所有特征。如果来自电网78的电力中断，系统100从电网连接112切换到发动机/发电机20，并启动发动机21。在转换所需的时间段中，ESS 30提供负载电力需求，从而对于负载14无电力中断。

部件组140包括光伏（PV阵列）输入144，和DC/DC转换器148，其可用于为常规DC总线60增加附加的太阳能。太阳能可被用于为ESS 30充电和/或满足AC负载14部分或全部的电力需求。部件组160包括可选的、提供28V DC电力输出164的DC/DC转换器162。

虽然已根据优选实施例对本发明进行了详尽的展示和描述，本领域技术人员应当理解的是，在不背离本申请的精神和范围的情况下，可进行形式的改变和细节的增添。因此，本发明并不局限于此处的确切形式以及细节描述和说明，而是落入所附权利要求的范围之内。

Claims (17)

1.一种为负载源提供电力的便携式发电机系统，包括：

发动机和发电机，其中发动机驱动发电机提供发电机交流（AC）电力输出；

能量储存系统（ESS），提供ESS直流（DC）电力输出；

连接到发电机的第一逆变器，接收发电机AC电力输出并提供DC电力输出；以及

第二逆变器，从第一逆变器和ESS接收DC电力输出并提供AC电力输出；

其中第一电力模式包括，发电机保持对应于负载源的指定的电力需求的第一发电机电力输出水平，和ESS提供额外的第一电力输出水平以满足负载源指定的电力需求。

2.如权利要求1所述的系统，其中ESS能够响应负载源的瞬时电力请求。

3.如权利要求1所述的系统，其中发动机能够提升到对应于负载源的指定的第二电力需求的第二发电机电力输出水平。

4.如权利要求1所述的系统，其中来自第一逆变器的DC电力输出为ESS充电。

5.如权利要求1所述的系统，进一步包括：

第二电力模式包括，在达到指定的发电机电力输出水平和/或指定的发动机转速时，关闭发动机和发电机，而ESS保持对应于负载源的指定的电力需求的指定的ESS电力输出水平，并且当达到预定的ESS放电水平时，发动机和发电机被切换到运转，以使发电机提供电力输出为ESS充电。

6.如权利要求1所述的系统，其中ESS包括锂离子电池，或超级电容，或铅酸电池。

7.如权利要求1所述的系统，进一步包括：

系统控制器，包括具有储存在非瞬态计算机可读介质上的计算机程序的计算机，该计算机包括用于执行计算机程序步骤的处理器，系统控制器能够管理来自发电机和ESS的混合电力输出，包括使用计算机程序选择性地启动多个电力模式。

8.如权利要求1所述的系统，其中第一电力模式包括，发动机具有用以保持第一发动机电力输出水平的、在最佳发动机转速范围内的第一发动机转速。

9.一种为负载源提供电力的方法，包括：

由发动机和发电机产生交流（AC）电力输出；

使用能量储存系统（ESS）产生直流（DC）电力输出；

使用连接到发电机的第一逆变器，接收发电机AC电力输出并提供DC电力输出；

使用第二逆变器，接收来自第一逆变器和ESS的DC电力输出以提供AC电力输出；以及

在第一电力模式中，保持对应于负载源的指定的电力需求的第一发电机电力输出水平，并且ESS提供额外的第一电力输出水平以满足负载源指定的电力需求。

10.如权利要求9所述的方法，进一步包括：

使用ESS响应负载源的瞬时电力请求。

11.如权利要求9所述的方法，进一步包括：

使发动机提升到对应于负载源的指定的第二电力需求的第二发电机电力输出水平。

12.如权利要求9所述的方法，进一步包括：

使用第一逆变器输出的DC电力为ESS充电。

13.如权利要求9所述的方法，进一步包括：

在第二电力模式中，在达到指定的发电机电力输出水平和/或预定的发动机转速时，转变发动机和发电机至关闭，而ESS对应于负载源的指定的电力需求保持指定的ESS电力输出水平；并且

当达到指定的ESS放电水平时，发动机和发电机被转变至运转，以使发电机提供电力输出为ESS充电。

14.如权利要求9所述的方法，进一步包括：

管理来自发电机和ESS的混合电力输出，包括使用计算机程序选择性地启动多个电力模式，该计算机程序被包括在系统控制器中，该系统控制器包括具有储存在非瞬态计算机可读介质上的计算机程序的计算机，该计算机包括用于执行计算机程序步骤的处理器。

15.如权利要求9所述的方法，进一步包括：

保持在最佳发动机转速范围内的第一发动机转速以保持第一发动机电力输出水平。

16.一种为负载源提供电力的发电机系统，包括：

发动机和发电机，其中发动机在其最佳性能范围内工作，以驱动发电机提供负载源需要的发电机交流（A.C.）电力输出；

能量储存系统（ESS），提供ESS直流（D.C.）电力输出；以及

逆变器，用于将D.C.电力输出转换为额外的A.C.电力输出；

其中，当负载源在另一种情况下要求发动机在其最佳性能范围之外工作时，额外的A.C.电力输出补充或替代发电机A.C.电力输出。

17.如权利要求16所述的发电机系统，其中如果ESS被放电至低于预定的水平，来自发电机A.C.电力输出的能量被用于为ESS充电。

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