專利名稱：具有瞬時(shí)控制的電力系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及一種電力系統(tǒng)，并且更特別是涉及一種具有瞬時(shí)控制的電力系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
發(fā)電機(jī)組包括發(fā)電機(jī)和例如燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的原動(dòng)機(jī)的組合。由于燃料和空氣的混合物在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒，形成驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)以產(chǎn)生電能的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)。理想地，發(fā)動(dòng)機(jī)以相對(duì)恒定的扭矩和速度驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，并且發(fā)電機(jī)因此產(chǎn)生具有相對(duì)恒定的特征(頻率、電壓等)的電力輸出。發(fā)電機(jī)組通常用作備用電源。也就是說，例如公共電網(wǎng)的主電源通常被連接成提供關(guān)鍵應(yīng)用的電力供應(yīng)，例如為醫(yī)院或制造設(shè)施提供電力。并且，在主電源失效時(shí)，發(fā)電機(jī)組在線為關(guān)鍵應(yīng)用提供備用電力。在主電源重新連接以便為關(guān)鍵應(yīng)用提供電力時(shí)，發(fā)電機(jī)組回復(fù)到待機(jī)操作。雖然有效，但發(fā)電機(jī)組不能對(duì)突然的斷電或復(fù)原進(jìn)行立即響應(yīng)。因此， 在沒有干涉的情況下，對(duì)關(guān)鍵應(yīng)用的電力供應(yīng)會(huì)出現(xiàn)中斷。發(fā)電機(jī)組會(huì)與不間斷電源(UPS)結(jié)合使用。在大多數(shù)情況下，在主電源啟動(dòng)和在線的同時(shí)，UPS通過從主電源吸取電力來儲(chǔ)存能量。以此方式，UPS用作能量?jī)?chǔ)存裝置。并且，如果主電源變得失效或不能連接時(shí)，UPS為關(guān)鍵應(yīng)用提供即時(shí)備用電力，直到發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)并達(dá)到速度為止，此時(shí)UPS會(huì)將載荷饋送責(zé)任返還給發(fā)電機(jī)組。雖然組合式發(fā)電機(jī)組和UPS系統(tǒng)能夠?yàn)檎麄€(gè)電力失效提供可靠的解決方案，但該系統(tǒng)也會(huì)由于突然的載荷變化而出現(xiàn)性能的波動(dòng)。也就是說，發(fā)動(dòng)機(jī)以及發(fā)電機(jī)上的載荷會(huì)受到外界因素影響，這些外界因素不總是能得到準(zhǔn)確控制。并且，載荷的突然變化會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的操作，繼而造成發(fā)電機(jī)的電力輸出特性的不希望的波動(dòng)。使發(fā)電機(jī)組提供的電力輸出特性的波動(dòng)最小化的嘗試在2003年12月2日授權(quán)給 Sinha的美國(guó)專利No. 6，657，321 (321專利)中描述?！?21專利披露了一種不間斷電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有渦輪驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)和能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)。能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)被構(gòu)造成通過調(diào)節(jié)供應(yīng)到渦輪的燃料量并且通過調(diào)節(jié)由能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)提供且由載荷所使用的補(bǔ)充直流電量來提供大致恒定的直流載荷電壓。能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)可用來在渦輪控制器反應(yīng)于載荷變化的同時(shí)吸收和汲取瞬時(shí)電力。能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)可包括例如電池的系統(tǒng)、飛輪、超導(dǎo)磁性能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)或其組合。在一個(gè)實(shí)施例中，為了響應(yīng)過大的直流載荷電壓，能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)用來吸收過大的直流電。在更特別的實(shí)施例中，通過能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)吸收過大的直流電與提供減小的燃料量相結(jié)合來響應(yīng)過大的直流載荷電壓。雖然'321專利的系統(tǒng)會(huì)有助于使直流電產(chǎn)生應(yīng)用中的電力波動(dòng)最小化，但該系統(tǒng)會(huì)受到限制。也就是說，只基于對(duì)直流電壓輸出(過大或不足)響應(yīng)的控制在一些情況下是不充分的。另外，‘321專利的系統(tǒng)會(huì)不能用于交流電力系統(tǒng)的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
4
本發(fā)明的一個(gè)方面針對(duì)一種電力系統(tǒng)。該電力系統(tǒng)可以包括具有希望速度范圍的發(fā)動(dòng)機(jī)，以及通過發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械驅(qū)動(dòng)以便產(chǎn)生引導(dǎo)到外部載荷的電力的發(fā)電機(jī)。該電力系統(tǒng)還可包括與發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)中的至少一個(gè)相聯(lián)的能量?jī)?chǔ)存裝置，以及與發(fā)動(dòng)機(jī)和能量?jī)?chǔ)存裝置通信的控制器。該控制器可被構(gòu)造成確定發(fā)動(dòng)機(jī)的速度偏離希望操作范圍，并且根據(jù)該確定，啟動(dòng)能量?jī)?chǔ)存裝置來吸收或補(bǔ)充引導(dǎo)到外部載荷的電力的至少一部分。本發(fā)明的另一方面針對(duì)另一種電力系統(tǒng)。該電力系統(tǒng)可包括具有希望操作范圍并被構(gòu)造成將電力提供給外部載荷的發(fā)電機(jī)組，以及與該發(fā)電機(jī)組相聯(lián)的能量?jī)?chǔ)存裝置。該電力系統(tǒng)還可包括與發(fā)電機(jī)組和能量?jī)?chǔ)存裝置通信的控制器。該控制器可被構(gòu)造成確定外部載荷的變化，并且在外部載荷的變化將造成發(fā)電機(jī)組的操作偏離希望操作范圍時(shí)，啟動(dòng)能量?jī)?chǔ)存裝置，以便吸收或補(bǔ)充供應(yīng)到外部載荷的電力的至少一部分。在又一方面，本發(fā)明針對(duì)一種操作發(fā)電機(jī)組的方法。該方法可包括燃燒燃料和空氣的混合物，以產(chǎn)生電力，并且將電力引導(dǎo)到外部載荷。該方法還可包括確定發(fā)電機(jī)組的發(fā)動(dòng)機(jī)速度，并且將該發(fā)動(dòng)機(jī)速度與希望發(fā)動(dòng)機(jī)速度比較。該方法還包括根據(jù)比較，吸收或補(bǔ)充引導(dǎo)到外部載荷的電力的至少一部分。


圖1是示例性固定電力系統(tǒng)的示意圖；以及圖2是說明用于操作圖1的電力系統(tǒng)的示例性公開方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式圖1說明根據(jù)一些公開的實(shí)施例的示例性電力系統(tǒng)10。電力系統(tǒng)10可被構(gòu)造成為外部載荷12提供備用電力。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，備用電力可包括在從公共電網(wǎng)14 提供的電力中斷時(shí)立即提供給外部載荷12的備用電力。但是可以考慮到在一些實(shí)施例中， 電力系統(tǒng)10也可被構(gòu)造成主電源(如果希望的話)。如圖1所示，電力系統(tǒng)10可包括發(fā)電機(jī)組16和瞬時(shí)載荷管理系統(tǒng)(TLMS) 18。發(fā)電機(jī)組16和TLMS 18可彼此連接，并都通過電力傳輸網(wǎng)絡(luò)20和連接裝置22連接到外部載荷12。公共電網(wǎng)14可以是產(chǎn)生電力并經(jīng)由集中電網(wǎng)輸送電力的電力產(chǎn)生和/或分配系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)施例中，公共電網(wǎng)14可被構(gòu)造成用于外部載荷12的主電源。例如，公共電網(wǎng) 14可包括核發(fā)電站、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能發(fā)電機(jī)、水力發(fā)電機(jī)等。在一個(gè)示例性實(shí)施例中， 公共電網(wǎng)14可以是將電力提供給一個(gè)或多個(gè)用戶的有償電力產(chǎn)生和/或分配系統(tǒng)。在另一示例性實(shí)施例中，公共電網(wǎng)14可以是移動(dòng)式、自支持電力產(chǎn)生和/或分配系統(tǒng)，例如機(jī)械 (例如施工設(shè)備和/或農(nóng)用設(shè)備)或機(jī)動(dòng)車輛(例如汽車或卡車)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解到公共電網(wǎng)14可以根據(jù)外部載荷12的需要產(chǎn)生多相和/或不同頻率的電力。在一個(gè)例子中，公共電網(wǎng)14可產(chǎn)生和/或提供交流電形式的電力，例如具有預(yù)調(diào)頻率(例如 50Hz,60Hz或任何其它適當(dāng)頻率)的三相交流電。外部載荷12可以包括被構(gòu)造成接收由公共電網(wǎng)14提供的電力并利用電力來進(jìn)行一些類型的任務(wù)的任何類型的電力消耗系統(tǒng)或者裝置。外部載荷12可以包括例如燈、馬達(dá)、加熱元件、電子電路、制冷裝置、空氣調(diào)節(jié)單元、計(jì)算機(jī)服務(wù)器等。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，外部載荷12可包括利用不間斷電力來進(jìn)行一種或多種關(guān)鍵和/或敏感任務(wù)的一個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)和/或裝置。例如，利用不間斷電力的電載荷12包括在醫(yī)院、機(jī)場(chǎng)、計(jì)算機(jī)服務(wù)器、 通信設(shè)施和/或工業(yè)設(shè)備中找到的那些。傳輸網(wǎng)絡(luò)20可體現(xiàn)為用于將公共電網(wǎng)14產(chǎn)生的電力分配到外部載荷12的任何電傳輸系統(tǒng)。例如，傳輸網(wǎng)絡(luò)20可包括具有電站、傳輸線、連接設(shè)備(例如變壓器、電開關(guān)、 繼電器、斷路器和類似物)和用于在電網(wǎng)上分配電力的其它適當(dāng)裝置的系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)施例中，傳輸網(wǎng)絡(luò)20的多個(gè)部分會(huì)埋置在地下和/或經(jīng)由傳輸塔高架延伸。連接裝置22可包括能夠?qū)l(fā)電機(jī)組16、TLMS 18、公共電網(wǎng)14和/或外部載荷12 連接在一起的任何類型的電連接器或系統(tǒng)。例如，連接裝置22可包括多種接線盒、電路中斷裝置、熔斷器或可以適用于使得一個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)相互電連接的任何其它部件。連接裝置 22還可或替代地包括被構(gòu)造成減小或通過其它方式將發(fā)電機(jī)組16、TLMS 18和/或公共電網(wǎng)14提供的電壓調(diào)節(jié)到普通消費(fèi)者的裝置所使用的適當(dāng)?shù)燃?jí)的變壓器。發(fā)電機(jī)組16可包括任何進(jìn)行操作以便產(chǎn)生電的一個(gè)或多個(gè)部件。在一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)組16可包括原動(dòng)機(jī)M，其被連接以便機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)為外部載荷12提供電力的發(fā)電機(jī) 26。出于描述的目的，原動(dòng)機(jī)M被描繪和描述成熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，例如燃燒燃料和空氣的混合物以便形成機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的內(nèi)燃機(jī)或外燃機(jī)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解到原動(dòng)機(jī)M可以是任何類型的燃燒式發(fā)動(dòng)機(jī)，例如柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)或液態(tài)燃料驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。因此， 原動(dòng)機(jī)M可以具有希望的操作范圍，并且在此范圍內(nèi)操作時(shí)，原動(dòng)機(jī)M的性能可以基本上恒定、高效，且發(fā)電機(jī)沈的電輸出可具有基本上恒定的特性(例如電壓、頻率等)。在一個(gè)例子中，希望的操作范圍可與原動(dòng)機(jī)M的轉(zhuǎn)動(dòng)速度相關(guān)聯(lián)。在原動(dòng)機(jī)M的速度降低到希望操作范圍以下時(shí)，會(huì)認(rèn)為原動(dòng)機(jī)M怠速，并且發(fā)電機(jī)26的電輸出會(huì)降級(jí)。類似地，在原動(dòng)機(jī)M的速度增加到希望操作范圍以上時(shí)，會(huì)認(rèn)為原動(dòng)機(jī)M超速，并且發(fā)電機(jī)26的電輸出又會(huì)降級(jí)。考慮到，如果希望，原動(dòng)機(jī)M可替代地體現(xiàn)為非燃燒式能量源，例如燃料電池。發(fā)電機(jī)沈可以例如是通過原動(dòng)機(jī)M機(jī)械驅(qū)動(dòng)以便產(chǎn)生電力的交流感應(yīng)發(fā)電機(jī)、 永磁體發(fā)電機(jī)、交流同步發(fā)電機(jī)或開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)。在一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)沈可以包括多對(duì)極(未示出)，每對(duì)極具有布置在定子(未示出)的周邊以便產(chǎn)生交流電的三個(gè)相。通過發(fā)電機(jī)26產(chǎn)生的電力可出于外接的目的而引導(dǎo)到外部載荷12。TLMS 18可包括用于產(chǎn)生和保持系統(tǒng)10的能量源的多個(gè)部件和子系統(tǒng)。特別地， TLMS 18可包括功率電子器件(PE)觀和能量?jī)?chǔ)存裝置30。能量?jī)?chǔ)存裝置30可包括可以以動(dòng)能或勢(shì)能形式儲(chǔ)存能量的任何裝置，例如飛輪(圖1表示為F/W)、感應(yīng)器、電池、電容器和/或流體蓄能器。提供給TLMS 18的電力可以通過PE觀使用，以便對(duì)能量?jī)?chǔ)存裝置30 充電和/或保持其中的電荷。在正常操作過程中(即在公共電網(wǎng)14將電力提供給外部載荷12時(shí))，TLMS 18可從公共電網(wǎng)14接收電力。在公共電力中斷期間(即發(fā)電機(jī)組16為外部載荷12提供電力時(shí))，TLMS 18可從發(fā)電機(jī)組16接收電力。在任何時(shí)刻，TLMS 18可通過對(duì)能量?jī)?chǔ)存裝置30充電來選擇性地吸收提供給外部載荷12的過大電力，或者通過經(jīng)由PE 28對(duì)能量?jī)?chǔ)存裝置30放電來補(bǔ)充引導(dǎo)到外部載荷12的電力。在一個(gè)例子中，TLMS 18可用作不間斷電源(UPS)。即在公共電網(wǎng)14不能為外部載荷12提供電力時(shí)，并且在發(fā)電機(jī)組16逐步開始操作以達(dá)到所需電力輸出之前，TLMS 18 可提供外部載荷12所需求的必要電力，使得對(duì)外部載荷12的電力供應(yīng)基本上不間斷。作為UPS，TLMS 18需要在發(fā)電機(jī)組16從待機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)變成完全操作狀態(tài)所用的時(shí)間周期上生產(chǎn)外部載荷12的全部需求。在另一例子中，TLMS 18可只用來在發(fā)電機(jī)組16已經(jīng)完全操作之后在變化載荷的情況下幫助保持發(fā)電機(jī)組16的恒定的電輸出。在這種應(yīng)用中，與TLMS 18具有UPS功能的情況相比，TLMS 18可具有較小的電容。例如，在發(fā)電機(jī)組16能夠產(chǎn)生大約IOOOkw的應(yīng)用中，TLMS 18會(huì)只能夠吸收并產(chǎn)生大約100-200kw且為大約5秒鐘的短脈沖。在這種應(yīng)用中，TLMS 18不能用來將電力供應(yīng)從公共電網(wǎng)轉(zhuǎn)換到發(fā)電機(jī)組(反過來也一樣)，而只能在瞬時(shí)載荷下使得發(fā)電機(jī)組16平穩(wěn)操作。但是考慮到，如果希望，TLMS 18可具有UPS和完全操作的瞬時(shí)能力。PE 28可體現(xiàn)為被構(gòu)造成轉(zhuǎn)換、調(diào)節(jié)和/或調(diào)整TLMS 18內(nèi)電力的產(chǎn)生、吸收和放電(即電力來往于能量?jī)?chǔ)存裝置30的流動(dòng))的電子器件。在一個(gè)實(shí)施例中，PE觀可以被構(gòu)造成通過從公共電網(wǎng)14和/或發(fā)電機(jī)組16接收固定或可變頻率的交流電(AC)的輸入并且通過將機(jī)械或電輸出提供給能量?jī)?chǔ)存裝置30來調(diào)整電力流動(dòng)。例如，PE觀可體現(xiàn)為馬達(dá)/發(fā)電機(jī)(圖1所示的M/G)，馬達(dá)/發(fā)電機(jī)可以通過公共電網(wǎng)14或發(fā)電機(jī)組16電驅(qū)動(dòng)，以便機(jī)械地轉(zhuǎn)動(dòng)能量?jī)?chǔ)存裝置30的飛輪，由此將供應(yīng)的電能轉(zhuǎn)換成飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)形式的儲(chǔ)存動(dòng)能。PE觀可進(jìn)一步被構(gòu)造成在通過能量?jī)?chǔ)存裝置30機(jī)械或電驅(qū)動(dòng)時(shí)輸出可變或固定頻率的交流電。例如，作為馬達(dá)/發(fā)電機(jī)的PE觀可以被能量?jī)?chǔ)存裝置30的飛輪機(jī)械驅(qū)動(dòng)，以便產(chǎn)生引導(dǎo)到外部載荷12的電流，由此將儲(chǔ)存的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能。如上所述，TLMS 18可被構(gòu)造成以多種操作模式來操作，包括與來自于公共電網(wǎng) 14或發(fā)電機(jī)組16的恒定電力供應(yīng)相關(guān)聯(lián)的待機(jī)模式、與從公共電網(wǎng)14轉(zhuǎn)換到發(fā)電機(jī)組 16(反之亦然)的電力供應(yīng)相關(guān)聯(lián)的過渡模式、以及在外部載荷12出現(xiàn)突然的需求波動(dòng)時(shí)與來自于發(fā)電機(jī)組16的電力供應(yīng)相關(guān)聯(lián)的瞬時(shí)模式。替代地，TLMS 18可以只在過渡和瞬時(shí)模式中的一個(gè)操作(即在一些應(yīng)用中TLMS 18不設(shè)置成過渡操作)。在待機(jī)模式的操作過程中，在公共電網(wǎng)14能夠維持外部載荷12時(shí)，PE觀可將來自公共電網(wǎng)14的剩余電力提供給能量?jī)?chǔ)存裝置30，以便在能量?jī)?chǔ)存裝置30內(nèi)保持所希望的儲(chǔ)存能量等級(jí)。在來自于公共電網(wǎng)14的電力供應(yīng)出現(xiàn)中斷時(shí)(即在公共電網(wǎng)14失效或者不足以滿足外部載荷12 的需求時(shí))并且在TLMS 18在過渡模式下操作時(shí)，PE觀可以從能量?jī)?chǔ)存裝置30抽取儲(chǔ)存電力，以便適當(dāng)維持外部載荷12，直到發(fā)電機(jī)組16可作為備用電源在線為止。替代地或另外，在發(fā)電機(jī)組16為外部載荷12提供電力時(shí)，PE 28可造成能量?jī)?chǔ)存裝置30選擇性地吸收或補(bǔ)充通過發(fā)電機(jī)組16提供給外部載荷12的電力，使得外部載荷12的波動(dòng)載荷需求以有效和所需方式得到滿足(即沒有造成發(fā)電機(jī)組16的發(fā)動(dòng)機(jī)速度偏離希望的操作范圍)。 因此，TLMS 18可以設(shè)置控制器32，以有助于調(diào)整這些不同模式中的操作?？刂破?2可以體現(xiàn)為單個(gè)或多個(gè)微型處理器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)等，其包括響應(yīng)于多種輸入來控制TLMS 18的操作的部件?？梢再?gòu)買到的多種微型處理器可被構(gòu)造成執(zhí)行控制器32的功能。應(yīng)該理解到控制器32可以容易地體現(xiàn)為與控制其它電力系統(tǒng)功能的微型處理器分開的微型處理器，或者控制器32可以與通用電力系統(tǒng)微型處理器集成，并且能夠控制多種電力系統(tǒng)的功能和操作模式。如果與通用電力系統(tǒng)微型處理器分開，控制器32可經(jīng)由數(shù)據(jù)鏈或其它方法與通用電力系統(tǒng)微型處理器通信。多種其它的公知電路可與控制器32相關(guān)聯(lián)，包括電源電路、信號(hào)調(diào)節(jié)電路、致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器電路(即驅(qū)動(dòng)電磁閥、馬達(dá)或壓電致動(dòng)器的電路)、通信電路以及其它適當(dāng)電路。
7
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，控制器32可以被構(gòu)造成監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)10的性能，并響應(yīng)地調(diào)整 TLMS 18的操作。例如，控制器32可監(jiān)測(cè)提供給外部載荷12的電力的電壓、電流和/或頻率特性。并且，為了響應(yīng)供應(yīng)電力的中斷(在過渡操作過程中)或者為了響應(yīng)供應(yīng)電力偏離希望電力大小(在瞬時(shí)操作過程中)，控制器32會(huì)選擇性地啟動(dòng)、停止或調(diào)節(jié)TLMS 18的致動(dòng)，以便補(bǔ)充或吸收引導(dǎo)到外部載荷12的電力。另外或替代地，控制器32可監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)組16的操作，更特別地監(jiān)測(cè)原動(dòng)機(jī)M的操作，并且為了響應(yīng)操作中斷或與希望操作范圍的偏差(例如為了響應(yīng)原動(dòng)機(jī)M的怠速或超速)，控制器32會(huì)啟動(dòng)、停止或調(diào)節(jié)TLMS 18的致動(dòng)。以此方式，外部載荷12的實(shí)際需求會(huì)得到滿足，而不造成發(fā)電機(jī)組16的操作偏離希望的操作范圍(即不必為了響應(yīng)載荷需求的突然增加或降低而造成原動(dòng)機(jī)M顯著怠速或超速)。根據(jù)另一實(shí)施例，控制器32可預(yù)先地調(diào)整TLMS 18的操作。特別地，為了響應(yīng)外部載荷12的測(cè)量、計(jì)算或假設(shè)的電力需求變化，控制器32可以選擇性地啟動(dòng)、停止或調(diào)節(jié) TLMS 18的致動(dòng)。類似地，為了響應(yīng)希望載荷變化的指示，控制器32可以調(diào)整TLMS 18的操作，以便在該變化可以被測(cè)量、計(jì)算或假設(shè)之前適應(yīng)該變化。以此方式，在發(fā)電機(jī)組16實(shí)際上經(jīng)歷外部載荷12的預(yù)計(jì)需求變化之前(即需求變化造成原動(dòng)機(jī)M和/或發(fā)電機(jī)沈的不希望的性能之前)，外部載荷12的預(yù)計(jì)需求變化可以得到滿足。在過渡操作模式和瞬時(shí)操作模式的過程中，通過選擇性地造成能量?jī)?chǔ)存裝置30 充電或放電，控制器32可以調(diào)整TLMS 18的操作，以便吸收或補(bǔ)充提供給外部載荷12的電力。例如，在過渡操作模式的過程中，為了響應(yīng)從公共電網(wǎng)14提供給外部載荷12的電力突然中斷，控制器32可造成能量?jī)?chǔ)存裝置30經(jīng)由PE 28將儲(chǔ)存的電力釋放到外部載荷12。 并且這種放電會(huì)持續(xù)直到發(fā)電機(jī)組16完全操作并在線提供備用電力、直到來自外部載荷 12的電力需求消失，或者直到能量?jī)?chǔ)存裝置30耗盡其電力儲(chǔ)存。類似地，在過渡操作模式的過程中，在來自公共電網(wǎng)14的服務(wù)已經(jīng)恢復(fù)，并且同時(shí)發(fā)電機(jī)組16正在停機(jī)，控制器32 會(huì)使得PE觀引導(dǎo)來自發(fā)電機(jī)組16的剩余電力，從而對(duì)能量?jī)?chǔ)存裝置30充電。這種充電會(huì)持續(xù)直到發(fā)電機(jī)組16不操作或者直到能量?jī)?chǔ)存裝置30完全充電為止。在瞬時(shí)操作模式的過程中，控制器32會(huì)類似地造成能量?jī)?chǔ)存裝置30吸收或補(bǔ)充提供給外部載荷12的電力。例如，在發(fā)電機(jī)組操作過程中，并且為了響應(yīng)載荷需求中的實(shí)際或預(yù)計(jì)突然增加，控制器32會(huì)使得PE觀將電力從能量?jī)?chǔ)存裝置30釋放到外部載荷12， 以便補(bǔ)償需求增加，使得發(fā)電機(jī)組16的操作保持在希望操作范圍內(nèi)(即防止原動(dòng)機(jī)M的發(fā)動(dòng)機(jī)速度怠速，并且根據(jù)需要保持發(fā)電機(jī)組16提供的電力特性)，并且載荷需求增加得到滿足。類似地，為了在發(fā)電機(jī)組操作過程中響應(yīng)載荷需求的實(shí)際或預(yù)計(jì)突然減小，控制器 32會(huì)使得PE觀引導(dǎo)來自發(fā)電機(jī)組16的過大電力，以便對(duì)能量?jī)?chǔ)存裝置30充電，并且補(bǔ)償該減小，使得發(fā)電機(jī)組16的操作保持在希望的操作范圍(即防止原動(dòng)機(jī)M的發(fā)動(dòng)機(jī)速度超速，并根據(jù)需要保持發(fā)電機(jī)組16提供的電力特性)。在一個(gè)實(shí)施例中，能量?jī)?chǔ)存裝置30的速度會(huì)在充電或放電時(shí)變化。特別地，作為飛輪，能量?jī)?chǔ)存裝置30可在對(duì)應(yīng)于儲(chǔ)存電量的速度下轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，在儲(chǔ)存電量增加時(shí)，飛輪的速度可增加相應(yīng)的量。類似地，在能量?jī)?chǔ)存裝置30內(nèi)儲(chǔ)存的電量減小時(shí)，飛輪的速度可減小相應(yīng)的量?？刂破?2可以被構(gòu)造成在電力系統(tǒng)10的操作過程中保持能量?jī)?chǔ)存裝置30的希望速度，以準(zhǔn)備將來的放電情況。在一個(gè)實(shí)施例中，希望速度可以是大約5000rpm，并且控制器32可在發(fā)電機(jī)組16和/或公共電網(wǎng)14的正常操作的過程中(在穩(wěn)定狀態(tài)操作的過程中)使得PE 28以此速度連續(xù)機(jī)械驅(qū)動(dòng)能量?jī)?chǔ)存裝置30。在充電情況下，在為了響應(yīng)發(fā)電機(jī)組16的載荷需求的突然降低或停機(jī)、發(fā)電機(jī)組16產(chǎn)生的過大電力通過TLMS 18吸收時(shí)，可以使得能量?jī)?chǔ)存裝置30的速度增加到最大極限。在一個(gè)例子中，最大極限可以是大約SOOOrpm，或者大于希望速度大約60%。在放電情況下，在TLMS 18補(bǔ)充引導(dǎo)到外部載荷 12的電力以滿足載荷需求的突然增加從而有助于電力供應(yīng)從公共電網(wǎng)14轉(zhuǎn)換到發(fā)電機(jī)組 16時(shí)，使得能量?jī)?chǔ)存裝置30的速度降低到大約3000rpm或希望速度的大約60%。圖2表示電力系統(tǒng)10的示例性操作。在下面的段落中將更加詳細(xì)地描述圖2，以便進(jìn)一步說明公開的理念。工業(yè)實(shí)用性本發(fā)明的電力系統(tǒng)可以有效的方式為外部載荷提供恒定的電力。特別是，本發(fā)明的電力系統(tǒng)可在主電源失效或者恢復(fù)的過渡周期內(nèi)使用，以有助于去往或來自備用電源的過渡電力供應(yīng)。本發(fā)明的系統(tǒng)還可或替代地用于備用電源操作的瞬時(shí)周期，以適應(yīng)突然的載荷變化，否則這些載荷變化會(huì)造成備用電源的無效或不希望的操作。圖2說明了描述操作電力系統(tǒng)10以便將不間斷電力提供給外部載荷12的示例性方法的流程圖?，F(xiàn)在將詳細(xì)描述圖2。在電力系統(tǒng)10的操作過程中，控制器32可以監(jiān)測(cè)與提供給外部載荷12的電力相關(guān)聯(lián)和/或與外部載荷12的需求變化相關(guān)聯(lián)的特性(步驟100)。例如，控制器32可以使用電流傳感器、電壓傳感器、頻率傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)速度傳感器、內(nèi)部計(jì)算或假設(shè)、操作者輸入等來被動(dòng)和/或主動(dòng)地監(jiān)測(cè)供應(yīng)電壓、供應(yīng)電流、供應(yīng)頻率、發(fā)電機(jī)組性能(例如原動(dòng)機(jī)性能)、公共設(shè)施操作和/或外部載荷需求變化?？刂破?2可接著使用這些監(jiān)測(cè)的特性來確定在電力需求或電力供應(yīng)中是否已經(jīng)出現(xiàn)或?qū)⒊霈F(xiàn)變化(即增加或減小)(步驟110)。即， 控制器32可以使用該特性來確定從公共電網(wǎng)14到外部載荷的電力供應(yīng)是否出現(xiàn)中斷(即公共電網(wǎng)14是否已經(jīng)失效且電力系統(tǒng)10是否正在過渡模式下操作)，或者在發(fā)電機(jī)組16 的操作過程中，來自外部載荷12的電力需求是否突然變化或者將要變化(即電力系統(tǒng)10 是否在瞬時(shí)模式下操作)。在任何的這些情況下，會(huì)具有提供給外部載荷12的電力具有不希望的特性(電壓、頻率等)的危險(xiǎn)或具有不是最佳的原動(dòng)機(jī)操作(例如怠速或超速)的危險(xiǎn)。如果公共電網(wǎng)14能夠?yàn)橥獠枯d荷12提供足夠的電力，控制器32可以繼續(xù)供應(yīng)和需求的監(jiān)測(cè)(步驟Iio 否)(TLMS 18處于待機(jī)模式，并且控制將返回到步驟100)。另外， 如果希望，在公共電網(wǎng)14將電力充足地提供給外部載荷12的同時(shí)，公共電網(wǎng)14可以通過 PE觀同樣對(duì)能量?jī)?chǔ)存裝置30充電或保持其電荷。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，公共電網(wǎng)14可為PE觀提供固定頻率的交流電力。并且PE洲可使用電力來對(duì)能量?jī)?chǔ)存裝置30充電(例如機(jī)械地轉(zhuǎn)動(dòng)能量?jī)?chǔ)存裝置30的飛輪到希望速度)。如果公共電網(wǎng)14不能為外部載荷12提供適當(dāng)?shù)碾娏?步驟110 需求增加或者供應(yīng)減小)(即如果公共電網(wǎng)14失效或者電力系統(tǒng)在過渡模式下操作)，TLMS 18可以被啟動(dòng)，以便補(bǔ)償引導(dǎo)到外部載荷12的電力(步驟120)，直到發(fā)電機(jī)組16可以啟動(dòng)并在線提供備用電力。在這種情況下，在從公共電網(wǎng)到發(fā)電機(jī)組電力供應(yīng)的過渡過程中，能量?jī)?chǔ)存裝置30可以經(jīng)由連接裝置22補(bǔ)充引導(dǎo)到外部載荷12的電力，從而滿足電力需求。一旦發(fā)電機(jī)組16在線并可用，發(fā)電機(jī)組16可從TLMS 18承擔(dān)載荷供給責(zé)任，并且控制會(huì)返回到步驟 100。如果在TLMS 18在過渡模式的操作過程中，控制器32在步驟100確定公共電網(wǎng)14 的功能已經(jīng)恢復(fù)(步驟Iio 需求降低或供應(yīng)增加)，TLMS 18可以被啟動(dòng)，以便吸收通過發(fā)電機(jī)組16引導(dǎo)到外部載荷12的電力的至少一部分(步驟130)，直到發(fā)電機(jī)組16可以停止為止。一旦發(fā)電機(jī)組16停止，TLMS 18可以返回到待機(jī)模式操作，并且如果希望通過公共電網(wǎng)14充電。在步驟130完成之后，控制可返回到步驟100。再次返回到步驟110，如果電力系統(tǒng)10在瞬時(shí)模式下操作，并且來自外部載荷12 的電力需求突然增加(步驟110:需求增加或供應(yīng)減小)，TLMS 18可以如上所述啟動(dòng)，從而補(bǔ)充引導(dǎo)到外部載荷12的電力(步驟120)，直到發(fā)電機(jī)組16可以從突然增加恢復(fù)，并且在將性能保持在希望操作范圍內(nèi)的同時(shí)提供備用電力。類似地，如果在步驟110，電力系統(tǒng)10 在瞬時(shí)模式下操作，并且來自外部載荷12的電力需求突然降低(步驟110 需求降低或供應(yīng)增加)，TLMS 18可如上所述啟動(dòng)，從而吸收引導(dǎo)到外部載荷12的電力的至少一部分(步驟130)，直到發(fā)動(dòng)機(jī)組16可從突然降低中恢復(fù)為止。例如，在瞬時(shí)模式的操作過程中，在發(fā)電機(jī)組16為外部載荷12提供電力時(shí)，控制器32可以使用發(fā)動(dòng)機(jī)速度傳感器(未示出)來監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)組16的性能。接著，控制器32 可將實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)速度與希望操作范圍比較，以便確定原動(dòng)機(jī)M是否怠速或超速。如果確定怠速，可以得出外部載荷12的需求突然增加，并且原動(dòng)機(jī)M尚沒能從載荷增加中恢復(fù)的結(jié)論。相比之下，如果確定超速，可以得出外部載荷12的需求突然減小，并且原動(dòng)機(jī)M尚沒能恢復(fù)的結(jié)論?；谒俣缺容^，控制器32可以啟動(dòng)TLMS 18，以便補(bǔ)充電力或吸收提供給外部載荷12的過大電力，直到發(fā)電機(jī)組16從載荷需求的突然增加或減小中恢復(fù)。本發(fā)明的電力系統(tǒng)可具有廣泛的應(yīng)用。特別地，由于控制器32可以根據(jù)電力供應(yīng)變化、載荷需求變化和/或發(fā)電機(jī)組性能(即實(shí)際或預(yù)計(jì)原動(dòng)機(jī)速度偏差)來觸發(fā)TLMS 18 的啟動(dòng)或停止，電力系統(tǒng)10能夠提供大致恒定的電力供應(yīng)。并且，雖然主要用于交流電載荷，本發(fā)明的電力系統(tǒng)還可或替代地用于直流電載荷。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解到可以對(duì)本發(fā)明的電力系統(tǒng)進(jìn)行多種變型和改型。 本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員從說明書的考量和這里公開的電力系統(tǒng)的實(shí)施中明白其他的實(shí)施例。例如，考慮到TLMS 18可以用作UPS和瞬時(shí)控制系統(tǒng)、獨(dú)立瞬時(shí)控制系統(tǒng)或者與現(xiàn)有 UPS結(jié)合使用的添加的瞬時(shí)控制系統(tǒng)。說明書和例子意于只是示例性的，本發(fā)明的真正范圍通過權(quán)利要求及其等同物指明。
權(quán)利要求
1.一種電力系統(tǒng)(10)，包括 發(fā)動(dòng)機(jī)(M)，其具有希望的速度范圍；發(fā)電機(jī)(沈)，其通過所述發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械驅(qū)動(dòng)，以便產(chǎn)生引導(dǎo)到外部載荷(1 的電力； 能量?jī)?chǔ)存裝置(18)，其與所述發(fā)動(dòng)機(jī)和所述發(fā)電機(jī)中的至少一個(gè)相聯(lián)；以及控制器(32)，其與所述發(fā)動(dòng)機(jī)和所述能量?jī)?chǔ)存裝置通信，所述控制器能夠 確定所述發(fā)動(dòng)機(jī)的速度偏離所述希望的速度范圍；并且根據(jù)所述確定，啟動(dòng)所述能量?jī)?chǔ)存裝置，以便吸收或補(bǔ)充引導(dǎo)到所述外部載荷的電力的至少一部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力系統(tǒng)，其中所述能量?jī)?chǔ)存裝置包括飛輪(30)和相聯(lián)的馬達(dá)/發(fā)電機(jī)08)； 在所述電力系統(tǒng)的正常操作過程中，所述飛輪通過所述馬達(dá)/發(fā)電機(jī)連續(xù)機(jī)械驅(qū)動(dòng)， 從而以大于零的希望速度轉(zhuǎn)動(dòng)；在電力吸收操作過程中，所述飛輪通過所述馬達(dá)/發(fā)電機(jī)選擇性地機(jī)械驅(qū)動(dòng)； 在正常操作和電力吸收操作過程中，所述馬達(dá)/發(fā)電機(jī)通過所述發(fā)電機(jī)電驅(qū)動(dòng)；并且在電力補(bǔ)充操作過程中，所述馬達(dá)/發(fā)電機(jī)通過所述飛輪機(jī)械驅(qū)動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電力系統(tǒng)，其中所述希望速度是大約5000rpm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電力系統(tǒng)，其中所述飛輪在吸收電力時(shí)加速，并且在補(bǔ)充電力時(shí)減速； 在吸收和補(bǔ)充電力時(shí)，所述飛輪的速度被限制在希望范圍內(nèi)；并且所述飛輪的所述希望范圍是大約3000rpm到大約8000rpm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力系統(tǒng)，其中所述電力系統(tǒng)用作公共電源(14)的備用電力供應(yīng)；并且所述控制器還能夠在所述電力系統(tǒng)離線時(shí)，確定從所述公共電源到所述外部載荷的電力供應(yīng)中斷；并且根據(jù)所述確定，啟動(dòng)所述能量?jī)?chǔ)存裝置，以便補(bǔ)充引導(dǎo)到所述外部載荷的電力，直到所述電力系統(tǒng)在線為止。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電力系統(tǒng)，其中在所述公共電源在線時(shí)，所述能量?jī)?chǔ)存裝置通過所述公共電源驅(qū)動(dòng)；以及在所述電力系統(tǒng)在線時(shí)，所述能量?jī)?chǔ)存裝置通過所述電力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。
7.一種操作發(fā)電機(jī)組(16)的方法，包括 燃燒燃料和空氣的混合物，以便產(chǎn)生電力； 將所述電力引導(dǎo)到外部載荷(12)；確定所述發(fā)電機(jī)組的發(fā)動(dòng)機(jī)速度；將所述發(fā)動(dòng)機(jī)速度與希望的發(fā)動(dòng)機(jī)速度比較；并且根據(jù)所述比較，吸收或補(bǔ)充引導(dǎo)到所述外部載荷的電力的至少一部分。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中吸收包括將電力轉(zhuǎn)換成儲(chǔ)存的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)能量，并且補(bǔ)充包括將儲(chǔ)存的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成電力。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述發(fā)電機(jī)組用作公共電源(14)的備用電力供應(yīng)；并且所述方法還包括在所述發(fā)電機(jī)組離線時(shí)，確定從所述公共電源到所述外部載荷的電力供應(yīng)中斷；并且補(bǔ)充引導(dǎo)到所述外部載荷的電力，直到所述發(fā)電機(jī)組在線為止。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，還包括在所述公共電源在線時(shí)，儲(chǔ)存來自所述公共電源的電力；并且在所述發(fā)電機(jī)組在線時(shí)，儲(chǔ)存來自所述發(fā)電機(jī)組的電力；其中弓丨導(dǎo)到所述外部載荷的補(bǔ)充電力是被儲(chǔ)存的電力。
全文摘要
公開一種電力系統(tǒng)(10)。電力系統(tǒng)可包括具有希望的操作速度范圍的發(fā)動(dòng)機(jī)(24)以及通過發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械驅(qū)動(dòng)以便產(chǎn)生引導(dǎo)到外部載荷(12)的電力的發(fā)電機(jī)(26)。電力系統(tǒng)還可具有與發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)中的至少一個(gè)相聯(lián)的能量?jī)?chǔ)存裝置(18)以及與發(fā)動(dòng)機(jī)和能量?jī)?chǔ)存裝置通信的控制器(32)?？刂破骺杀粯?gòu)造成確定發(fā)動(dòng)機(jī)的速度偏離希望操作范圍，并且根據(jù)確定，啟動(dòng)能量?jī)?chǔ)存裝置，以便吸收或補(bǔ)充引導(dǎo)到外部載荷的電力的至少一部分。
文檔編號(hào)F02D41/04GK102239320SQ200980148865
公開日2011年11月9日 申請(qǐng)日期2009年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月30日
發(fā)明者B·M·弗里, S·R·康威 申請(qǐng)人:卡特彼勒公司