发电系统及方法.pdf

一种发电系统(10)包括电网变换器(12)，该电网变换器被配置成将来自电网的AC功率变换成源于电网的DC功率(16)。该发电系统(10)还包括电源变换器(20)，该电源变换器被配置成将来自电源(22)的功率变换成源于电源的DC功率(24)。中间总线(26)被配置成接收源于电网的DC功率和源于电源的DC功率；以及输出变换器(28)被耦合到中间总线并被配置成提供输出功率。在该发电系统(10)中，源于电网的DC功率的相数与输出功率的相数不同。

1.  一种发电系统(10)，包括：
电网变换器(12)，其被配置成将来自电网(14)的AC功率变换成源于电网的DC功率(16)；
电源变换器(20)，其被配置成将来自电源(22)的功率变换成源于电源的DC功率(24)；
中间总线(26)，其被配置成接收源于电网的DC功率(16)和源于电源的DC功率(24)；以及
输出变换器(28)，其被耦合到中间总线(26)并被配置成提供输出功率(30)，
其中源于电网的DC功率的相数与输出功率的相数不同。

2.  根据权利要求1所述的系统，其中电源变换器(20)被配置成用于控制提供给输出变换器(28)的源于电源和源于电网的DC功率的份额。

3.  根据权利要求1所述的系统，还包括能量存储元件(34)，该能量存储元件(34)被配置成平衡在源于电源或源于电网的DC功率和提供给负载(32)的功率之间的瞬时功率差，该负载被耦合到输出变换器(28)，其中能量存储元件(34)被配置成在所需的输出功率大于由电源所产生的功率时的瞬态状况期间提供输出功率。

4.  根据权利要求1所述的系统，其中电网变换器(12)包括无源变换器(38)。

5.  根据权利要求4所述的系统，其中电网变换器(12)被配置成在中间总线的DC电压低于电网变换器两端的电网电压时支持源于电源的DC功率。

6.  根据权利要求4所述的系统，其中电源变换器(20)包括无源变换器，以及其中电源变换器被配置成在中间总线的DC电压高于电网变换器两端的电网电压时向输出变换器提供源于电源的DC功率。

7.  根据权利要求4所述的系统，其中电源变换器(20)包括有源变换器，以及其中电源变换器被配置成在所需的输出功率小于源于电源的DC功率时调节中间总线(26)的DC电压。

8.  根据权利要求1所述的系统，其中电网变换器(12)包括有源变换器(84)。

9.  根据权利要求8所述的系统，还包括控制器(88)，该控制器被耦合到电网变换器(86)和电源变换器(84)，并且被配置成控制提供给输出变换器(28)的源于电源和源于电网的DC功率的份额。

10.  根据权利要求8所述的系统，其中当所需的输出功率小于由电源所产生的功率时，使用源于电源的DC功率(24)。

11.  根据权利要求8所述的系统，其中当所需的输出功率大于由电源所产生的功率时，添加源于电网的DC功率(16)。

12.  根据权利要求1所述的系统，其中功率源是下述中的至少一个：风力发电机，太阳能电池，光电池，蓄电池，水源，地热源，基于生物量的源，基于固体废物的源，以及包括多个可再生功率产生源的分布式可再生能量产生源。

发电系统及方法
技术领域
本发明一般而言涉及发电领域以及用于变换源于电网(grid-originated)的功率的技术。
背景技术
通常功率传输是单相的或三相的。虽然单相功率在世界上许多地方更普遍，但是对于许多不同类型的应用而言仍然期望三相功率。三相功率能够通过电动机实现从电功率到机械旋转功率的直接功率变换。三相电动机通常比单相电机r更耐用和高效。
三相功率的应用通常包括不同类型的电动机负载。此外，还有电阻性和非电动机负载类型的三相功率应用，例如包括激光器、计算机设备、烤箱、焊接机、等离子切割机、以及电池充电器。也有三相功率的电动机和非电动机负载应用的组合，例如包括冰箱、CNC(计算机数字控制)研磨机、以及EDM(放电加工)机器。
由于来自公用事业公司的三相功率昂贵或者不容易利用，所以大部分居住家庭不能够以合理的价格得到三相电功率。当在这种情形下需要为三相负载供电时，安装一个变相器来将单相功率变换成三相功率。
三相功率的另一应用是在农村地区。在农村地区或边远地区的长电力线通常是单相电力线以降低安装成本。在农村地区的负载水平和类型通常需要三相制。例如，农场使用优选以三相功率工作的大旋转电机。由长线路和单相功率所供电的系统的功率质量(电压稳定性)由于会发生停电而有时为低，所述单相功率必须被变换成三相功率。
如上所述，从单相功率提供三相功率的常规解决方案包括，使用附加的发电机-电动机组来将单相电网电源变换成三相电源。在许多实施例中使用固态功率变换器，该固态功率变换器是专用的变相器并且需要被单独安装。因此，这些解决方案涉及额外部件的安装，这导致附加的成本。如果存在本地发电机组(例如备用发电机)，那么系统被连接在AC(交流)侧并且不能提供集成的相位变换。
因此，需要一种用于将单相功率变换成三相功率的集成的低成本解决方案。
发明内容
在示例性实施例中，一种发电系统包括：电网变换器，其被配置成将来自电网的AC功率变换为源于电网的DC功率；电源(source)变换器，其被配置成将来自电源的功率变换为源于电源的DC功率；中间总线，其被配置成接收源于电网的DC功率和源于电源的DC功率；以及输出变换器，其被耦合到中间总线并被配置成提供输出功率。这里，源于电网的DC功率的相数与输出功率的相数不同。
在另一方面，提供一种用于从单相功率生成三相功率的方法。该方法包括：提供可再生能量系统；将单相功率变换成变换的DC功率；以及将该变换的DC功率提供给中间总线。该可再生能量系统包括：可再生能量源；电源变换器，其被耦合到可再生能量源，并且被配置成将来自该电源的功率变换为源于电源的DC功率；中间总线，其被配置成从该电源变换器接收源于电源的DC功率；以及输出变换器，其被耦合到中间总线，并且被配置成提供三相输出功率。
附图说明
在参考附图阅读后面的具体实施方式时，本发明的这些和其它的特征、方面和优点将变得更好理解，在整个附图中相同的标记表示相同的部分，其中：
图1是根据一个实施例的示例性发电系统的图示；
图2是供图1的系统中使用的示例性无源电网变换器的图示；
图3是使用图2的无源电网变换器的功率流的示例性步骤的流程图表示；
图4是供图1的系统中使用的示例性有源电网变换器的图示；
图5是使用图4的有源电网变换器的功率流的示例性步骤的流程图表示；
图6是根据使用控制器的另一实施例的示例性发电系统的图示；
图7是根据又一实施例使用风力涡轮发电机的示例性发电系统的图示；以及
图8是根据另一实施例用于从三相电源生成单相电源的示例性发电系统的图示。
具体实施方式
本发明的实施例可以用来从单相电网提供在电压和频率方面稳定的三相电源，或者可选择地从三相电源提供稳定的单相电源。本发明的实施例还可以用来利用最少的附加部件来提供变相。可以注意到，在此所用的术语AC和DC分别是指交流和直流。
图1是发电系统10的图示。该系统10包括电网变换器12，该电网变换器12被配置成将来自电网14的AC功率整流或变换成源于电网的DC功率，通常用附图标记16表示。源于电网的DC功率16被提供给二级总线18。可以注意到，在该示例性实施例中电网是单相电网。该系统10还包括电源变换器20，该电源变换器20被配置成将来自电源22的功率变换成源于电源的DC功率，通常用附图标记24表示。电源变换器20是有源或无源AC到DC变换器。
如图1所示的能量源22是发电机，该发电机被配置成本地提供功率，并且在示例性实施例中是可再生能量源，例如风力发电机、太阳能电池、光电池、水源、地热源、基于生物量的源、或者基于固体废物的源。在另一实例中，该源是分布式可再生能量产生源。在该分布式实施例中，可以采用多于一个的可再生功率产生源。该多个功率源被直接或间接连接到源于电源的DC功率总线24。对于直接连接而言，不需要电源变换器。对于间接连接而言，需要用于将每个功率产生源连接到源于电源的dc总线的电源变换器。
参考图1，中间总线26被配置成接收源于电网的DC功率16和源于电源的DC功率24。该系统还包括输出变换器28，该输出变换器28被耦合到中间总线26，并且被配置成提供输出功率30。该输出变换器是DC到AC变换器。在一个实例中，输出变换器30被耦合到负载32，并且该输出变换器28被配置成将AC功率输送到负载32。负载32因此被配置成通过三线或四线制接收三相电源。负载32可以包括例如在上面的背景技术中所述类型的单个负载，或者可以包括被配置成将功率提供给多个负载的输出电网。输出电网例如可以用于诸如农场之类的边远地区，其中若干台农场设备可能需要三相电源。可以注意到，中间总线26、电源变换器20、以及输出变换器28通常在已经与能量源22一起存在的功率变换设备内是整体的。
如图1所示的电源变换器20可以被配置来用于控制提供给输出变换器28的源于电源和源于电网的功率的份额(share)。通常源于电网的功率的相数与输出功率的相数不同。在图1的示例性实施例中，源于电网的功率是单相的，而输出功率是三相功率。
系统10还可以包括能量存储元件34，该能量存储元件34被配置成平衡在提供给负载32的功率与从电网提供的功率(源于电网的DC功率16)或电源(源于电源的DC功率24)之间的瞬时功率差，其中“或”是指平衡是相对于不管是从电源、电网还是从电源和电网二者提供的无论什么功率。能量存储元件34的一些非限制性例子包括电容器、电感器、电池、或者机械耦合的能量存储元件，例如飞轮或其组合。在一个示例性实施方式中，能量存储元件34被配置成在例如由负载32所需的输出功率大于由电源22所产生的功率时的瞬态状况期间提供输出功率。如在此所用的瞬态状况意味着当在输出处的功率需求开始增加到超过由电源22所产生的功率时持续几秒钟或几分钟的短时间隔。
图2是包括单相整流器的无源变换器38的图示，其在示例性实施方式中用作电网变换器12(图1中示出)。D1、D2、D3和D4是二极管，C是电容器，以及L是电感器。各种结构的无源变换器在市场上都是可买到的。
图3是示出了当电网变换器是如图2所示的无源变换器40时从电网14或电源22到图1的负载32的功率流的示例性步骤的流程图40。本领域技术人员将会很好地理解，电网功率的使用是基于在由电源所产生的功率(P_Source)和由负载所需的功率(P_Load)之间的差。该系统被设计成使得当由负载所需的功率超过由电源所产生的功率时只使用电网功率。同样，当电网变换器是无源的时，如果中间总线的电压小于电网电压，则该电网变换器自动地从电网发送功率，以及如果中间总线的电压大于电网电压，则该电网变换器停止从电网提供任何功率，从而负载完全由电源所产生的功率来维持。
参考流程图40，只要负载功率需求小于或等于在电源处产生的功率，如步骤42所示，并且中间总线的电压(V_DC)大于电网电压(V_AC，Peak)，如由附图标记44所示，则源于电源的DC功率(P_source)就被提供给负载，如由附图标记46所指的环路所示。然后，当在如由箭头48和54所指的转变条件下负载需求增加时，就从能量存储元件提供功率(P_DC)，如步骤50所示。当能量存储元件被耗尽，如由箭头56所示，并且中间总线的电压(V_DC，AVG)小于电网电压(V_AC，Peak)时，如由步骤58和箭头60所示，电网变换器就用源于电网的DC功率(P_Grid)来支持源于电源的DC功率，如步骤62所示。
在电网变换器是无源的并且电源变换器也是无源的实施方式中，电源变换器被配置成在中间总线的DC电压高于电网变换器两端的电网电压时为负载提供源于电源的DC功率。对这种系统来说，通过部件的设计(其中预先设定在什么电压时电网将开始提供功率)自动地进行从电源到电网的转变或从电网到电源的转变，并且不在工作期间进行。
在电网变换器是无源的而电源变换器是有源的实施方式中，电源变换器被配置成在输出功率需求小于源于电源的DC功率时调节中间总线的DC电压。对于具有无源电网变换器和有源电源变换器的系统来说，电源变换器可以被操作成只要源于电源的功率高于负载所需的功率就控制中间总线上DC电压的幅值。在一种结构中，中间总线上的DC电压几乎是恒定的，并且不随发电机转速而改变太多。然而，DC电压的小变化有可能通过将源于电源的dc电压设定为高于或低于电网电压的峰值来控制来自电网的功率流。
在另一示例性实施方式中，电网变换器是有源变换器64，如图4所示。D1、D2、D3、D4是二极管，S1、S2、S3、S4为开关，C是电容器，以及L是电感器。各种结构的有源变换器在市场上都是可买到的。在有源的实施例中，有源控制用于控制从电源和电网取得的功率的份额。理想地，负载将仍然主要从电源取得功率。这在图5的流程图66的步骤中进行说明。
参考图5，正如在无源电网变换器的情况下，只要负载需求(P_Load)小于或等于在电源处所产生的功率(P_Source)，如步骤68所示，源于电源的DC功率就被提供给负载，如由箭头70所示。然后，当在如由箭头72和76所指的转变条件下负载需求增加时，就从能量存储元件提供功率(P_DC)，如步骤74所示。当能量存储元件被耗尽，如由箭头78所示，并且负载的功率需求大于源于电源的功率时，则控制器就可以可选地用于逐渐地增加来自电网的功率(P_Grid)，如步骤80所示。在示例性实施方式中，控制器因此被配置成选择源于电源的DC功率或源于电网的DC功率。应该注意到，与来自电源的功率不返回到电网中的无源电网变换器的实施例不同，在有源电网变换器的实施例中，在电源处的过量功率可以被转移到电网中。
图6是使用了有源电源变换器84和有源电网变换器86的发电系统82的另一实施方式的图示。在这种情况下，通过控制器88中的软件所实施的控制算法可以用于控制源于电源的功率和源于电网的功率的份额。在一个实例中，电源的全部功率将首先被耗尽，并且如果这不够的话，电网将支持负载剩余的功率需求。控制器88被配置成将必需的控制信号馈送到电源和电网变换器中。图6中所示的其它元件具有与参考图1所解释的相同的功能。
图7是风能系统90的图示，该风能系统90包括将来自风力涡轮叶片的机械能变换成电能或功率的风力涡轮发电机92，该电能或功率通过风力涡轮变换器94被发送到中间总线26。图7中所示的其它元件具有与参考图1所解释的相同的功能。
图8是本发明的另一示例性实施方式的图示。如所示，通过使用来自三相电网104或者诸如基于光电池或太阳能电池的电源106之类的任何可再生能量源的功率，发电系统106产生单相功率输出，通常用附图标记102表示。图8中所示的其它元件具有与上文参考图1所解释的相同的功能。一个示例性的实施方式可以是在使用单相功率的家庭中。
在此所述的各种实施例可以与发电机组中已经存在的基础设施一起使用，具体而言是DC到AC变换器，从而可以使变相器所需的额外成本最小化。输出功率的输出电压和频率是稳定的，并且在此所述的实施例不用更改即可用于50Hz或60Hz的市场。如果功率变换设备发生故障或者如果功率需求超出由能量源所提供的功率，那么旁路选择允许电网功率直接提供给负载。
虽然在此只说明和描述了本发明的某些特征，但是本领域技术人员将想到许多修改和变化。因此应该理解，所附的权利要求书打算覆盖落在本发明的实际精神内所有的这种修改和变化。
                       附图标记列表
10    发电系统
12    电网变换器
14    单相电网
16    源于电网的DC功率
18    二级总线
20    电源变换器
22    能量源
24    源于电源的DC功率
26    中间总线
28    输出变换器
30    三相输出
32    负载
34    能量存储元件
38    无源电网变换器
40    流程图
42-62-流程图的步骤
64    有源电网变换器
66    流程图
68-80 流程图的步骤
82    发电机组
84    有源电源变换器
86    有源电网变换器
88    控制器
90    发电系统
92    风力涡轮发电机
94    风力涡轮变换器
100   发电系统
102   单相输出
104   三相电网
106   基于光/太阳能电池的源