[发明专利]发电机输出的调节

说明书

为调节发电机的电力输出，接收指示该电力输出的至少一种特性的信号。首先，相对快响应的第一子控制器被配置为基于该至少一种特性提供第一控制阀信号，并且第二相对慢的第二子控制器被配置为基于该至少一种特性提供第二控制信号。输出提供合并的控制信号以基于第一和第二控制信号调整电力输出。

技术领域

本发明涉及用于发电机的电力输出的调节器以及调节这种发电机的电力输出的方法，具体地，其中发电机包括斯特林发动机(特别地，具有线性交流发电机的线性自由活塞斯特林发动机)。

背景技术

用于在国内综合供热供电(DCHP)单元(其提供国内环境中的热水和集中供暖)中发电的申请“具有线性交流发电机(LA)的自由活塞斯特林发动机(FPSE)”是中所周知的。参考图1，示出了FPSE/LA的典型功率特性，其与US-4,624,547中所示出的相类似。FPSE/LA的功率输出因此取决于头部温度。可以理解的是，当动力活塞相对于电枢绕组(绕组)运动时，由永久磁铁产生的磁通的幅度和极性发生改变。图1中绘制的功率调节方法可以包括在恒定电业或恒定输出功率处运行。

如US-4,624,547中所说明的，FPSE/LA的输出功率是(根据卡诺的)发动机热交换器温度比、工作频率、平均压力、置换器的体积排量和动力活塞的函数。本文档和US-4,624,547中提出基于机械控制的功率调节技术。这些存在一些缺点，例如慢的瞬态响应、低可靠性和高成本。

然而，在电力侧，可以通过调节连接到FPSE/LA侧的负载实现功率调节，该负载间接控制流过交流发电机的电流。作用在活塞上的机械力(F_p)与流过定子线圈的电流(i)成比例，并且它向FPSE提供有效的惯性负载。这在下式中随时间(t)的变化示出，其中α是LA电动机常数。

F_p(t)＝α·i(t)

因此，期望发电机配置有跨发电机端子的合适的阻抗，不管负载需求如何。交流发电机感测到的阻抗过高或过低可能导致过电压、波形畸变，在极端情况下(例如，开路或短路)可能导致发电机的发动机的物理损害。当直接连接到电力干线供给时，发动机或交流发电机通常被保证具有合理的稳定电阻。然而，当发动机或交流发电机从电力干线断开时(例如，在电网停电的情况下)，如果它们被用于向所连接的设备提供电能，则通常没有针对它们的内在保护。已经提出大量技术用于在这种情况下调节电压。

如US-4,624,547中所说明的，可以通过假设正弦磁通波形来确定感应电压，并且根据法拉第定律，它的峰值与动力活塞位置的幅度成正比。如可从图1中看出的，当发动机工作在恒定的温度梯度时，所生成的功率和电压之间的关系似乎遵循二次关系。通过控制头部温度和连接到PFSE/LA的负载，执行修改FPSE/LA的工作点的功率调节。

已知若干种功率调节方法用于通过控制连接到FPSE/LA的负载来保持恒定的置换器到活塞行程比和它们的相对相位角。US-4,624,547中描述了一种简单的控制策略，其中自耦变压器的绕组比被调整为在调谐电容器之后维持恒定的电压。这种策略可以适用于电网和离网设备。适于实验室试验的另一种方法是基于US-7,200,994中示出的变频电源(例如，固定的输出电压处的逆变器)、一个自耦变压器和稳流负载。

其它方法使用电子负载，电子负载是利用电力电子拓扑的电气特性以控制负载阻抗的电路。若干种已知的电力电子拓扑可以实现电子负载。例如，US-6,871,495描述了连接不同的电阻负载来实现DC总线中的电压调节，其是调谐电容器之后的整流FPSE/LA输出电压。为克服使用调谐电容器的不足以补偿交流发电机的绕组电感，在US-6,856,107、US-7,453,241和US-6,871,495中提出了有源整流器。如US-7,453,241和US-6,871,495中所建议的，有源整流器桥晶体管可以被切换以控制SPWM(正弦脉冲宽度调制)信号，直到交流发电机电流与活塞位置或交流发电机EMF同相。然后将负载连接在DC总线并使用电压控制器进行调节。