專利名稱：發(fā)電系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般而言涉及發(fā)電領(lǐng)域以及用于變換源于電網(wǎng)(grid-originated)的功率的技術(shù)。
背景技術(shù)：
通常功率傳輸是單相的或三相的。雖然單相功率在世界上許多地方更普遍，但是對(duì)于許多不同類(lèi)型的應(yīng)用而言仍然期望三相功率。三相功率能夠通過(guò)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)從電功率到機(jī)械旋轉(zhuǎn)功率的直接功率變換。三相電動(dòng)機(jī)通常比單相電機(jī)r更耐用和高效。
三相功率的應(yīng)用通常包括不同類(lèi)型的電動(dòng)機(jī)負(fù)載。此外，還有電阻性和非電動(dòng)機(jī)負(fù)載類(lèi)型的三相功率應(yīng)用，例如包括激光器、計(jì)算機(jī)設(shè)備、烤箱、焊接機(jī)、等離子切割機(jī)、以及電池充電器。也有三相功率的電動(dòng)機(jī)和非電動(dòng)機(jī)負(fù)載應(yīng)用的組合，例如包括冰箱、CNC(計(jì)算機(jī)數(shù)字控制)研磨機(jī)、以及EDM(放電加工)機(jī)器。
由于來(lái)自公用事業(yè)公司的三相功率昂貴或者不容易利用，所以大部分居住家庭不能夠以合理的價(jià)格得到三相電功率。當(dāng)在這種情形下需要為三相負(fù)載供電時(shí)，安裝一個(gè)變相器來(lái)將單相功率變換成三相功率。
三相功率的另一應(yīng)用是在農(nóng)村地區(qū)。在農(nóng)村地區(qū)或邊遠(yuǎn)地區(qū)的長(zhǎng)電力線通常是單相電力線以降低安裝成本。在農(nóng)村地區(qū)的負(fù)載水平和類(lèi)型通常需要三相制。例如，農(nóng)場(chǎng)使用優(yōu)選以三相功率工作的大旋轉(zhuǎn)電機(jī)。由長(zhǎng)線路和單相功率所供電的系統(tǒng)的功率質(zhì)量(電壓穩(wěn)定性)由于會(huì)發(fā)生停電而有時(shí)為低，所述單相功率必須被變換成三相功率。
如上所述，從單相功率提供三相功率的常規(guī)解決方案包括，使用附加的發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)組來(lái)將單相電網(wǎng)電源變換成三相電源。在許多實(shí)施例中使用固態(tài)功率變換器，該固態(tài)功率變換器是專用的變相器并且需要被單獨(dú)安裝。因此，這些解決方案涉及額外部件的安裝，這導(dǎo)致附加的成本。如果存在本地發(fā)電機(jī)組(例如備用發(fā)電機(jī))，那么系統(tǒng)被連接在AC(交流)側(cè)并且不能提供集成的相位變換。
因此，需要一種用于將單相功率變換成三相功率的集成的低成本解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
在示例性實(shí)施例中，一種發(fā)電系統(tǒng)包括電網(wǎng)變換器，其被配置成將來(lái)自電網(wǎng)的AC功率變換為源于電網(wǎng)的DC功率；電源(source)變換器，其被配置成將來(lái)自電源的功率變換為源于電源的DC功率；中間總線，其被配置成接收源于電網(wǎng)的DC功率和源于電源的DC功率；以及輸出變換器，其被耦合到中間總線并被配置成提供輸出功率。這里，源于電網(wǎng)的DC功率的相數(shù)與輸出功率的相數(shù)不同。
在另一方面，提供一種用于從單相功率生成三相功率的方法。該方法包括提供可再生能量系統(tǒng)；將單相功率變換成變換的DC功率；以及將該變換的DC功率提供給中間總線。該可再生能量系統(tǒng)包括可再生能量源；電源變換器，其被耦合到可再生能量源，并且被配置成將來(lái)自該電源的功率變換為源于電源的DC功率；中間總線，其被配置成從該電源變換器接收源于電源的DC功率；以及輸出變換器，其被耦合到中間總線，并且被配置成提供三相輸出功率。


在參考附圖閱讀后面的具體實(shí)施方式
時(shí)，本發(fā)明的這些和其它的特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將變得更好理解，在整個(gè)附圖中相同的標(biāo)記表示相同的部分，其中圖1是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的示例性發(fā)電系統(tǒng)的圖示；圖2是供圖1的系統(tǒng)中使用的示例性無(wú)源電網(wǎng)變換器的圖示；圖3是使用圖2的無(wú)源電網(wǎng)變換器的功率流的示例性步驟的流程圖表示；圖4是供圖1的系統(tǒng)中使用的示例性有源電網(wǎng)變換器的圖示；圖5是使用圖4的有源電網(wǎng)變換器的功率流的示例性步驟的流程圖表示；圖6是根據(jù)使用控制器的另一實(shí)施例的示例性發(fā)電系統(tǒng)的圖示；圖7是根據(jù)又一實(shí)施例使用風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的示例性發(fā)電系統(tǒng)的圖示；以及圖8是根據(jù)另一實(shí)施例用于從三相電源生成單相電源的示例性發(fā)電系統(tǒng)的圖示。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的實(shí)施例可以用來(lái)從單相電網(wǎng)提供在電壓和頻率方面穩(wěn)定的三相電源，或者可選擇地從三相電源提供穩(wěn)定的單相電源。本發(fā)明的實(shí)施例還可以用來(lái)利用最少的附加部件來(lái)提供變相?？梢宰⒁獾?，在此所用的術(shù)語(yǔ)AC和DC分別是指交流和直流。
圖1是發(fā)電系統(tǒng)10的圖示。該系統(tǒng)10包括電網(wǎng)變換器12，該電網(wǎng)變換器12被配置成將來(lái)自電網(wǎng)14的AC功率整流或變換成源于電網(wǎng)的DC功率，通常用附圖標(biāo)記16表示。源于電網(wǎng)的DC功率16被提供給二級(jí)總線18?？梢宰⒁獾剑谠撌纠詫?shí)施例中電網(wǎng)是單相電網(wǎng)。該系統(tǒng)10還包括電源變換器20，該電源變換器20被配置成將來(lái)自電源22的功率變換成源于電源的DC功率，通常用附圖標(biāo)記24表示。電源變換器20是有源或無(wú)源AC到DC變換器。
如圖1所示的能量源22是發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)被配置成本地提供功率，并且在示例性實(shí)施例中是可再生能量源，例如風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能電池、光電池、水源、地?zé)嵩?、基于生物量的源、或者基于固體廢物的源。在另一實(shí)例中，該源是分布式可再生能量產(chǎn)生源。在該分布式實(shí)施例中，可以采用多于一個(gè)的可再生功率產(chǎn)生源。該多個(gè)功率源被直接或間接連接到源于電源的DC功率總線24。對(duì)于直接連接而言，不需要電源變換器。對(duì)于間接連接而言，需要用于將每個(gè)功率產(chǎn)生源連接到源于電源的dc總線的電源變換器。
參考圖1，中間總線26被配置成接收源于電網(wǎng)的DC功率16和源于電源的DC功率24。該系統(tǒng)還包括輸出變換器28，該輸出變換器28被耦合到中間總線26，并且被配置成提供輸出功率30。該輸出變換器是DC到AC變換器。在一個(gè)實(shí)例中，輸出變換器30被耦合到負(fù)載32，并且該輸出變換器28被配置成將AC功率輸送到負(fù)載32。負(fù)載32因此被配置成通過(guò)三線或四線制接收三相電源。負(fù)載32可以包括例如在上面的背景技術(shù)中所述類(lèi)型的單個(gè)負(fù)載，或者可以包括被配置成將功率提供給多個(gè)負(fù)載的輸出電網(wǎng)。輸出電網(wǎng)例如可以用于諸如農(nóng)場(chǎng)之類(lèi)的邊遠(yuǎn)地區(qū)，其中若干臺(tái)農(nóng)場(chǎng)設(shè)備可能需要三相電源?？梢宰⒁獾剑虚g總線26、電源變換器20、以及輸出變換器28通常在已經(jīng)與能量源22一起存在的功率變換設(shè)備內(nèi)是整體的。
如圖1所示的電源變換器20可以被配置來(lái)用于控制提供給輸出變換器28的源于電源和源于電網(wǎng)的功率的份額(share)。通常源于電網(wǎng)的功率的相數(shù)與輸出功率的相數(shù)不同。在圖1的示例性實(shí)施例中，源于電網(wǎng)的功率是單相的，而輸出功率是三相功率。
系統(tǒng)10還可以包括能量存儲(chǔ)元件34，該能量存儲(chǔ)元件34被配置成平衡在提供給負(fù)載32的功率與從電網(wǎng)提供的功率(源于電網(wǎng)的DC功率16)或電源(源于電源的DC功率24)之間的瞬時(shí)功率差，其中“或”是指平衡是相對(duì)于不管是從電源、電網(wǎng)還是從電源和電網(wǎng)二者提供的無(wú)論什么功率。能量存儲(chǔ)元件34的一些非限制性例子包括電容器、電感器、電池、或者機(jī)械耦合的能量存儲(chǔ)元件，例如飛輪或其組合。在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，能量存儲(chǔ)元件34被配置成在例如由負(fù)載32所需的輸出功率大于由電源22所產(chǎn)生的功率時(shí)的瞬態(tài)狀況期間提供輸出功率。如在此所用的瞬態(tài)狀況意味著當(dāng)在輸出處的功率需求開(kāi)始增加到超過(guò)由電源22所產(chǎn)生的功率時(shí)持續(xù)幾秒鐘或幾分鐘的短時(shí)間隔。
圖2是包括單相整流器的無(wú)源變換器38的圖示，其在示例性實(shí)施方式中用作電網(wǎng)變換器12(圖1中示出)。D1、D2、D3和D4是二極管，C是電容器，以及L是電感器。各種結(jié)構(gòu)的無(wú)源變換器在市場(chǎng)上都是可買(mǎi)到的。
圖3是示出了當(dāng)電網(wǎng)變換器是如圖2所示的無(wú)源變換器40時(shí)從電網(wǎng)14或電源22到圖1的負(fù)載32的功率流的示例性步驟的流程圖40。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)很好地理解，電網(wǎng)功率的使用是基于在由電源所產(chǎn)生的功率(PSource)和由負(fù)載所需的功率(PLoad)之間的差。該系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成使得當(dāng)由負(fù)載所需的功率超過(guò)由電源所產(chǎn)生的功率時(shí)只使用電網(wǎng)功率。同樣，當(dāng)電網(wǎng)變換器是無(wú)源的時(shí)，如果中間總線的電壓小于電網(wǎng)電壓，則該電網(wǎng)變換器自動(dòng)地從電網(wǎng)發(fā)送功率，以及如果中間總線的電壓大于電網(wǎng)電壓，則該電網(wǎng)變換器停止從電網(wǎng)提供任何功率，從而負(fù)載完全由電源所產(chǎn)生的功率來(lái)維持。
參考流程圖40，只要負(fù)載功率需求小于或等于在電源處產(chǎn)生的功率，如步驟42所示，并且中間總線的電壓(VDC)大于電網(wǎng)電壓(VAC，Peak)，如由附圖標(biāo)記44所示，則源于電源的DC功率(Psource)就被提供給負(fù)載，如由附圖標(biāo)記46所指的環(huán)路所示。然后，當(dāng)在如由箭頭48和54所指的轉(zhuǎn)變條件下負(fù)載需求增加時(shí)，就從能量存儲(chǔ)元件提供功率(PDC)，如步驟50所示。當(dāng)能量存儲(chǔ)元件被耗盡，如由箭頭56所示，并且中間總線的電壓(VDC，AVG)小于電網(wǎng)電壓(VAC，Peak)時(shí)，如由步驟58和箭頭60所示，電網(wǎng)變換器就用源于電網(wǎng)的DC功率(PGrid)來(lái)支持源于電源的DC功率，如步驟62所示。
在電網(wǎng)變換器是無(wú)源的并且電源變換器也是無(wú)源的實(shí)施方式中，電源變換器被配置成在中間總線的DC電壓高于電網(wǎng)變換器兩端的電網(wǎng)電壓時(shí)為負(fù)載提供源于電源的DC功率。對(duì)這種系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，通過(guò)部件的設(shè)計(jì)(其中預(yù)先設(shè)定在什么電壓時(shí)電網(wǎng)將開(kāi)始提供功率)自動(dòng)地進(jìn)行從電源到電網(wǎng)的轉(zhuǎn)變或從電網(wǎng)到電源的轉(zhuǎn)變，并且不在工作期間進(jìn)行。
在電網(wǎng)變換器是無(wú)源的而電源變換器是有源的實(shí)施方式中，電源變換器被配置成在輸出功率需求小于源于電源的DC功率時(shí)調(diào)節(jié)中間總線的DC電壓。對(duì)于具有無(wú)源電網(wǎng)變換器和有源電源變換器的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，電源變換器可以被操作成只要源于電源的功率高于負(fù)載所需的功率就控制中間總線上DC電壓的幅值。在一種結(jié)構(gòu)中，中間總線上的DC電壓幾乎是恒定的，并且不隨發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速而改變太多。然而，DC電壓的小變化有可能通過(guò)將源于電源的dc電壓設(shè)定為高于或低于電網(wǎng)電壓的峰值來(lái)控制來(lái)自電網(wǎng)的功率流。
在另一示例性實(shí)施方式中，電網(wǎng)變換器是有源變換器64，如圖4所示。D1、D2、D3、D4是二極管，S1、S2、S3、S4為開(kāi)關(guān)，C是電容器，以及L是電感器。各種結(jié)構(gòu)的有源變換器在市場(chǎng)上都是可買(mǎi)到的。在有源的實(shí)施例中，有源控制用于控制從電源和電網(wǎng)取得的功率的份額。理想地，負(fù)載將仍然主要從電源取得功率。這在圖5的流程圖66的步驟中進(jìn)行說(shuō)明。
參考圖5，正如在無(wú)源電網(wǎng)變換器的情況下，只要負(fù)載需求(PLoad)小于或等于在電源處所產(chǎn)生的功率(PSource)，如步驟68所示，源于電源的DC功率就被提供給負(fù)載，如由箭頭70所示。然后，當(dāng)在如由箭頭72和76所指的轉(zhuǎn)變條件下負(fù)載需求增加時(shí)，就從能量存儲(chǔ)元件提供功率(PDC)，如步驟74所示。當(dāng)能量存儲(chǔ)元件被耗盡，如由箭頭78所示，并且負(fù)載的功率需求大于源于電源的功率時(shí)，則控制器就可以可選地用于逐漸地增加來(lái)自電網(wǎng)的功率(PGrid)，如步驟80所示。在示例性實(shí)施方式中，控制器因此被配置成選擇源于電源的DC功率或源于電網(wǎng)的DC功率。應(yīng)該注意到，與來(lái)自電源的功率不返回到電網(wǎng)中的無(wú)源電網(wǎng)變換器的實(shí)施例不同，在有源電網(wǎng)變換器的實(shí)施例中，在電源處的過(guò)量功率可以被轉(zhuǎn)移到電網(wǎng)中。
圖6是使用了有源電源變換器84和有源電網(wǎng)變換器86的發(fā)電系統(tǒng)82的另一實(shí)施方式的圖示。在這種情況下，通過(guò)控制器88中的軟件所實(shí)施的控制算法可以用于控制源于電源的功率和源于電網(wǎng)的功率的份額。在一個(gè)實(shí)例中，電源的全部功率將首先被耗盡，并且如果這不夠的話，電網(wǎng)將支持負(fù)載剩余的功率需求?？刂破?8被配置成將必需的控制信號(hào)饋送到電源和電網(wǎng)變換器中。圖6中所示的其它元件具有與參考圖1所解釋的相同的功能。
圖7是風(fēng)能系統(tǒng)90的圖示，該風(fēng)能系統(tǒng)90包括將來(lái)自風(fēng)力渦輪葉片的機(jī)械能變換成電能或功率的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)92，該電能或功率通過(guò)風(fēng)力渦輪變換器94被發(fā)送到中間總線26。圖7中所示的其它元件具有與參考圖1所解釋的相同的功能。
圖8是本發(fā)明的另一示例性實(shí)施方式的圖示。如所示，通過(guò)使用來(lái)自三相電網(wǎng)104或者諸如基于光電池或太陽(yáng)能電池的電源106之類(lèi)的任何可再生能量源的功率，發(fā)電系統(tǒng)106產(chǎn)生單相功率輸出，通常用附圖標(biāo)記102表示。圖8中所示的其它元件具有與上文參考圖1所解釋的相同的功能。一個(gè)示例性的實(shí)施方式可以是在使用單相功率的家庭中。
在此所述的各種實(shí)施例可以與發(fā)電機(jī)組中已經(jīng)存在的基礎(chǔ)設(shè)施一起使用，具體而言是DC到AC變換器，從而可以使變相器所需的額外成本最小化。輸出功率的輸出電壓和頻率是穩(wěn)定的，并且在此所述的實(shí)施例不用更改即可用于50Hz或60Hz的市場(chǎng)。如果功率變換設(shè)備發(fā)生故障或者如果功率需求超出由能量源所提供的功率，那么旁路選擇允許電網(wǎng)功率直接提供給負(fù)載。
雖然在此只說(shuō)明和描述了本發(fā)明的某些特征，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將想到許多修改和變化。因此應(yīng)該理解，所附的權(quán)利要求書(shū)打算覆蓋落在本發(fā)明的實(shí)際精神內(nèi)所有的這種修改和變化。
附圖標(biāo)記列表10發(fā)電系統(tǒng)12電網(wǎng)變換器14單相電網(wǎng)16源于電網(wǎng)的DC功率18二級(jí)總線20電源變換器22能量源24源于電源的DC功率26中間總線28輸出變換器30三相輸出32負(fù)載34能量存儲(chǔ)元件38無(wú)源電網(wǎng)變換器40流程圖42-62-流程圖的步驟64有源電網(wǎng)變換器66流程圖68-80 流程圖的步驟82發(fā)電機(jī)組84有源電源變換器86有源電網(wǎng)變換器88控制器90發(fā)電系統(tǒng)92風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)94風(fēng)力渦輪變換器100 發(fā)電系統(tǒng)102 單相輸出104 三相電網(wǎng)106 基于光/太陽(yáng)能電池的源
權(quán)利要求
1.一種發(fā)電系統(tǒng)(10)，包括電網(wǎng)變換器(12)，其被配置成將來(lái)自電網(wǎng)(14)的AC功率變換成源于電網(wǎng)的DC功率(16)；電源變換器(20)，其被配置成將來(lái)自電源(22)的功率變換成源于電源的DC功率(24)；中間總線(26)，其被配置成接收源于電網(wǎng)的DC功率(16)和源于電源的DC功率(24)；以及輸出變換器(28)，其被耦合到中間總線(26)并被配置成提供輸出功率(30)，其中源于電網(wǎng)的DC功率的相數(shù)與輸出功率的相數(shù)不同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中電源變換器(20)被配置成用于控制提供給輸出變換器(28)的源于電源和源于電網(wǎng)的DC功率的份額。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括能量存儲(chǔ)元件(34)，該能量存儲(chǔ)元件(34)被配置成平衡在源于電源或源于電網(wǎng)的DC功率和提供給負(fù)載(32)的功率之間的瞬時(shí)功率差，該負(fù)載被耦合到輸出變換器(28)，其中能量存儲(chǔ)元件(34)被配置成在所需的輸出功率大于由電源所產(chǎn)生的功率時(shí)的瞬態(tài)狀況期間提供輸出功率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中電網(wǎng)變換器(12)包括無(wú)源變換器(38)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中電網(wǎng)變換器(12)被配置成在中間總線的DC電壓低于電網(wǎng)變換器兩端的電網(wǎng)電壓時(shí)支持源于電源的DC功率。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中電源變換器(20)包括無(wú)源變換器，以及其中電源變換器被配置成在中間總線的DC電壓高于電網(wǎng)變換器兩端的電網(wǎng)電壓時(shí)向輸出變換器提供源于電源的DC功率。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中電源變換器(20)包括有源變換器，以及其中電源變換器被配置成在所需的輸出功率小于源于電源的DC功率時(shí)調(diào)節(jié)中間總線(26)的DC電壓。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中電網(wǎng)變換器(12)包括有源變換器(84)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，還包括控制器(88)，該控制器被耦合到電網(wǎng)變換器(86)和電源變換器(84)，并且被配置成控制提供給輸出變換器(28)的源于電源和源于電網(wǎng)的DC功率的份額。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中當(dāng)所需的輸出功率小于由電源所產(chǎn)生的功率時(shí)，使用源于電源的DC功率(24)。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中當(dāng)所需的輸出功率大于由電源所產(chǎn)生的功率時(shí)，添加源于電網(wǎng)的DC功率(16)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中功率源是下述中的至少一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，太陽(yáng)能電池，光電池，蓄電池，水源，地?zé)嵩矗谏锪康脑?，基于固體廢物的源，以及包括多個(gè)可再生功率產(chǎn)生源的分布式可再生能量產(chǎn)生源。
全文摘要
一種發(fā)電系統(tǒng)(10)包括電網(wǎng)變換器(12)，該電網(wǎng)變換器被配置成將來(lái)自電網(wǎng)的AC功率變換成源于電網(wǎng)的DC功率(16)。該發(fā)電系統(tǒng)(10)還包括電源變換器(20)，該電源變換器被配置成將來(lái)自電源(22)的功率變換成源于電源的DC功率(24)。中間總線(26)被配置成接收源于電網(wǎng)的DC功率和源于電源的DC功率；以及輸出變換器(28)被耦合到中間總線并被配置成提供輸出功率。在該發(fā)電系統(tǒng)(10)中，源于電網(wǎng)的DC功率的相數(shù)與輸出功率的相數(shù)不同。
文檔編號(hào)H02M5/44GK101047340SQ200710101620
公開(kāi)日2007年10月3日 申請(qǐng)日期2007年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月30日
發(fā)明者R·泰希曼 申請(qǐng)人:通用電氣公司