离网运行的发电设备及其电压频率控制方法技术

本发明专利技术提供一种离网运行的发电设备及其控制方法。发电设备包括：具有多相对称绕组的转子、具有单相绕组的定子、电压、电流和速度传感器以及励磁控制装置。定子单相绕组提供输出电压和励磁电压。励磁控制装置包括第一计算单元、第一调节单元、第二计算单元、第三计算单元和第二调节单元。第一计算单元根据电压传感器检测的输出电压和电流传感器检测的负载电流计算负载功率。第一调节单元根据计算的负载功率确定所需的发动机转速。第二计算单元用于至少根据速度传感器检测的转子或者发动机转速确定转差角。第三计算单元至少根据输出电压确定转子的目标电压值。第二调节单元利用转子目标电压值和转差角生成调节转子绕组中励磁电流幅值和频率的调节信号。

Off-grid Power Generation Equipment and Its Voltage and Frequency Control Method

【技术实现步骤摘要】
离网运行的发电设备及其电压频率控制方法
本专利技术涉及发电设备及其控制方法，特别是由发动机驱动的变速恒频的发电设备及其控制方法。
技术介绍
一种产生交流电并向用电负载供电的方式是使用离网运行(即脱网,off-grid)的发电系统。临时或者长期不连电网的发电系统叫离网运行的发电系统。当今离网运行的发电系统已在人们的生活和工作中得到了广泛地应用。例如，在人们野营、野餐或在户外工作时，离网运行的发电系统已被广泛地用来和用电设备通过电路连接从而向用电设备提供能量。类似这样的发电系统也被用来在紧急情况下(例如停电时)提供备用电。离网运行的发电系统通常使用一个发动机来提供原动力，该发动机和发电机通过一个共同的轴连接在一起。发动机一启动就会带动轴转动，从而驱动发电机产生电能。如人们所知，多数电器设备都被设计成使用固定频率的电能，例如在北美是60赫兹的电能，在中国是50赫兹的电能。发电系统输出电能的频率主要由发动机的运行速度决定。因此，一些发电设备发动机的运行速度是固定不变的，以使输出电能的频率保持不变。但是，在发电系统带动的负载小于机组的额定负载时，如果发动机仍然以额定转速运行，则发动机的燃料效率小于最佳值,同时运行噪音也非常大。另外，由于许多负载都被设计成使用一定电压值的电能，所以通常离网运行的发电系统需要产生已知等级的输出电压。例如，大多北美的家用电器(例如炉子、烤箱、音响和视频设备)都使用120/240伏等级的电压，而多数中国的家用电器都使用220伏等级的电压。因此，市场需要一款发动机速度可调但输出电压频率和幅值恒定的离网运行的发电机组。
技术实现思路
下面对本专利技术中的离网运行的发电设备及其控制方法进行说明。为了减轻产品重量，降低产本成本，本专利技术的发电设备采用了定子具有单相绕组、转子具有多相对称绕组的结构。但是，此种结构的发电设备对现有发电设备的控制策略提出了挑战。专利技术人曾尝试采用矢量控制策略来控制具有单相绕组的发动设备。但是，矢量控制策略通常用来控制三相电机。并且，此种控制策略需要用到像Clark-Park变换这样的复杂变换来将发电设备的单相绕组参数变换成三相参数。而且，矢量控制策略本身非常复杂，实施这种类型的控制策略还需要使用费用比较高的传感器，特别是用来检测角位移的位置传感器(例如电机编码器)。本专利技术的一些实施例提供一种简单、经济的控制系统。该控制系统根据负载功率的大小调节发动机的转速，使发动机油耗最低。同时，该控制系统控制发电机转子绕组中励磁电流的幅值和频率，以维持定子输出电压)的幅值和频率不变(即实现恒定电压和恒定频率)。这里，离网运行的发电设备是指临时或者长期不与电网连接的发电设备。单相绕组是指绕组的线圈只有一个轴向的绕组，单相绕组可由多个线圈构成，但各个线圈的轴向需重叠。对称绕组是指布置成能够产生旋转磁场的形式的绕组。旋转磁场是大小不变，轴线位置在空间以固定频率改变的电机气隙磁场。多相对称绕组中“多相”可以是两相或更多相。根据一些实施例，离网运行的发电设备包括发动机、发电机和励磁控制装置。发电机包括转子、定子、电压传感器、电流传感器和速度传感器。转子和发动机同轴连接，转子包括多相对称绕组，定子具有能够产生感应电压的单相绕组，该单相绕组和用电负载连接为负载提供输出电压，并和转子绕组连接为转子绕组提供励磁电压。电压传感器被设置成检测定子单相绕组输出电压的幅值。电流传感器被设置为检测定子单相绕组中负载电流的幅值。速度传感器被设置为检测转子或者发动机的转速。励磁控制装置与发动机和发电机电连接，其控制磁场变化使得定子单相绕组产生具有预设频率的感应电压，该励磁控制装置还包括第一计算单元、第一调节单元、第二计算单元、第三计算单元和第二调节单元。第一计算单元被设置成用来至少根据输出电压的幅值和负载电流的幅值计算负载功率。第一调节单元根据计算的负载功率确定所需的发动机转速；并根据所需的发动机转速调节发动机的转速。第二计算单元被设置成用于至少根据所述速度传感器检测的转子或发动机的转速确定转差角。第三计算单元被设置成用于至少根据所述电压传感器检测的输出电压的幅值来确定转子的目标电压值。第二调节单元用于接收转子目标电压值和转差角，利用转子目标电压值和转差角生成调节信号，并使用调节信号调节调节转子绕组中励磁电流的幅值和频率。根据一些实施例，频率转换装置还包括向转子绕组提供交流励磁电压的逆变器，逆变器包括开关器件，其中所述调节信号为具有一定占空比的脉冲信号，该脉冲信号被用来控制逆变器的开关器件，从而实现调节流过转子绕组的励磁电流的幅值和频率。根据一些实施例，输出电压包括高等级的输出电压和低等级的输出电压。发电设备还包括开关，所述定子单相绕组包括第一段和第二段，第一段和第二段分别包括至少一个线圈，第一段和第二段分别与开关连接，用户可有选择地切换开关使第一段和第二段串联或并联以向负载提供高等级的输出电压或低等级的输出电压。其中，电压传感器检测第一段和第二段分别提供给负载的第一输出电压和第二输出电压的幅值；电流传感器检测第一段和第二段分别提供给负载的第一负载电流和第二负载电流的幅值；第一计算单元根据第一段的第一输出电压和第一负载电流的幅值计算第一段的负载功率，根据第二段的第二输出电压和第二负载电流的幅值计算第二段的负载功率，并计算第一段负载功率和第二段负载功率之和作为总负载功率；第一调节单元根据总负载功率确定所需的发动机转速；并根据所需的发动机转速调节发动机的转速；第三计算单元至少根据第一输出电压的幅值或者第二输出电压的幅值来确定转子的目标电压值。根据一些实施例，输出电压包括高等级的输出电压和低等级的输出电压。发电设备还包括开关；所述定子单相绕组包括第一段和第二段，第一段和第二段分别包括至少一个线圈，第一段和第二段分别与开关连接，用户可有选择地切换开关使第一段和第二段串联或并联以向负载提供高等级的输出电压和低等级的输出电压。其中，电压传感器检测第一段和第二段分别提供给负载的第一输出电压和第二输出电压的幅值，和第一段和第二段串联时的总输出电压的幅值；电流传感器检测第一段和第二段分别提供给负载的第一负载电流和第二负载电流的幅值；当定子单相绕组输出低等级的输出电压时，所述第一计算单元根据第一输出电压和第一负载电流的幅值计算第一段的负载功率，根据第二输出电压和第二负载电流的幅值计算第二段的负载功率，并计算第一段负载功率和第二段负载功率之和作为总负载功率；所述第一调节单元根据总负载功率确定所需的发动机转速；所述第三计算单元至少根据第一或第二输出电压的幅值来确定转子的目标电压值，在定子单相绕组输出高等级的输出电压时，所述第一计算单元根据第一段和第二段串联时的总输出电压的幅值和第一负载电流或第二负载电流的幅值计算串联时的负载功率；所述第一调节单元根据串联时的负载功率确定所需的发动机转速；所述第三计算单元至少根据第一段和第二段串联时的总输出电压的幅值来确定转子的目标电压值。根据一些实施例，第三计算单元使用闭环控制电路来至少根据检测的输出电压的幅值确定转子的目标电压值。根据一些实施例，发电机还包括连接定子单相绕组和负载的电路，该电路使得定子单相绕组中产生的感应电压和提供给负载的输出电压频率相同。一些实施例还提供一种离网运行的发电设备的控制方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种离网运行的发电设备，该发电设备包括：发动机；发电机，该发电机包括：和发动机同轴连接的转子，转子包括多相对称绕组；定子，具有能够产生感应电压的单相绕组，该单相绕组和用电负载连接为负载提供输出电压，并和转子绕组连接为转子绕组提供励磁电压；和电压传感器，所述电压传感器被设置成检测定子单相绕组输出电压的幅值；和电流传感器，所述电流传感器被设置为检测定子单相绕组中负载电流的幅值；和速度传感器，所述速度传感器被设置为检测转子或者发动机的转速；和与发动机和发电机电连接的励磁控制装置，其控制磁场变化使得定子单相绕组产生具有预设频率的感应电压，该励磁控制装置还包括：第一计算单元，所述第一计算单元被设置成用来至少根据输出电压的幅值和负载电流的幅值计算负载功率；第一调节单元，根据计算的负载功率确定所需的发动机转速；并根据所需的发动机转速调节发动机的转速；第二计算单元，所述第二计算单元被设置成用于至少根据所述速度传感器检测的转子或发动机转速确定转差角；和第三计算单元，所述第三计算单元被设置成用于至少根据所述电压传感器检测的输出电压的幅值来确定转子的目标电压值；和第二调节单元，用于利用转子目标电压值和转差角生成调节信号，并使用调节信号调节调节转子绕组中励磁电流的幅值和频率。...

【技术特征摘要】
1.一种离网运行的发电设备，该发电设备包括：发动机；发电机，该发电机包括：和发动机同轴连接的转子，转子包括多相对称绕组；定子，具有能够产生感应电压的单相绕组，该单相绕组和用电负载连接为负载提供输出电压，并和转子绕组连接为转子绕组提供励磁电压；和电压传感器，所述电压传感器被设置成检测定子单相绕组输出电压的幅值；和电流传感器，所述电流传感器被设置为检测定子单相绕组中负载电流的幅值；和速度传感器，所述速度传感器被设置为检测转子或者发动机的转速；和与发动机和发电机电连接的励磁控制装置，其控制磁场变化使得定子单相绕组产生具有预设频率的感应电压，该励磁控制装置还包括：第一计算单元，所述第一计算单元被设置成用来至少根据输出电压的幅值和负载电流的幅值计算负载功率；第一调节单元，根据计算的负载功率确定所需的发动机转速；并根据所需的发动机转速调节发动机的转速；第二计算单元，所述第二计算单元被设置成用于至少根据所述速度传感器检测的转子或发动机转速确定转差角；和第三计算单元，所述第三计算单元被设置成用于至少根据所述电压传感器检测的输出电压的幅值来确定转子的目标电压值；和第二调节单元，用于利用转子目标电压值和转差角生成调节信号，并使用调节信号调节调节转子绕组中励磁电流的幅值和频率。2.根据权利要求1所述的发电设备，所述频率转换装置还包括向转子绕组提供交流励磁电压的逆变器，逆变器包括开关器件，其中所述调节信号为具有一定占空比的脉冲信号，该脉冲信号被用来控制逆变器的开关器件，从而实现调节流过转子绕组的励磁电流的幅值和频率。3.根据权利要求1所述的发电设备，所述输出电压包括高等级的输出电压和低等级的输出电压，所述发电设备还包括开关，所述定子单相绕组包括第一段和第二段，第一段和第二段分别包括至少一个线圈，第一段和第二段分别与开关连接，用户可有选择地切换开关使第一段和第二段串联或并联以向负载提供高等级的输出电压或低等级的输出电压，其中：所述电压传感器检测第一段和第二段分别提供给负载的第一输出电压和第二输出电压的幅值；所述电流传感器检测第一段和第二段分别提供给负载的第一负载电流和第二负载电流的幅值；所述第一计算单元根据第一输出电压和第一负载电流的幅值计算第一段的负载功率，根据第二输出电压和第二负载电流的幅值计算第二段的负载功率，并计算第一段负载功率和第二段负载功率之和作为总负载功率；所述第一调节单元根据总负载功率确定所需的发动机转速；并根据所需的发动机转速调节发动机的转速；所述第三计算单元至少根据第一输出电压的幅值或者第二输出电压的幅值来确定转子的目标电压值。4.根据权利要求1所述的发电设备，其中所述输出电压包括高等级的输出电压和低等级的输出电压，所述发电设备还包括开关；所述定子单相绕组包括第一段和第二段，第一段和第二段分别包括至少一个线圈，第一段和第二段分别与开关连接，用户可有选择地切换开关使第一段和第二段串联或并联以向负载提供高等级的输出电压和低等级的输出电压，其中：所述电压传感器检测第一段和第二段分别提供给负载的第一输出电压和第二输出电压的幅值，和第一段和第二段串联时的总输出电压的幅值；所述电流传感器检测第一段和第二段分别提供给负载的第一负载电流和第二负载电流的幅值；当定子单相绕组输出低等级的输出电压时，所述第一计算单元根据第一输出电压和第一负载电流的幅值计算第一段的负载功率，根据第二输出电压和第二负载电流的幅值计算第二段的负载功率，并计算第一段负载功率和第二段负载功率之和作为总负载功率；所述第一调节单元根据总负载功率确定所需的发动机转速；所述第三计算单元至少根据第一或第二输出电压的幅值来确定转子的目标电压值，在定子单相绕组输出高等级的输出电压时，所述第一计算单元根据第一段和第二段串联时的总输出电压的幅值和第一负载电流或第二负载电流的幅值计算串联时的负载功率；所述第一调节单元根据串联时的负载功率确定所需的发动机转速；所述第三计算单元至少根据第一段和第二段串联时的总输出电压的幅值来确定转子的目标电压值。5.根据权利要求1所述的发电设备，其中所述第三计算单元使用闭环控制电路来至少根据检测的输出电压的幅值确定转子的目标电压值。6.根据权利要求1所述的发电设备，所述发电机还包括连接定子单相绕组和负载的电路，所述电路使得定子单相绕组中产生的感应电压和提供给负载的输出电压频率相同。7....

【专利技术属性】
技术研发人员：廖勇，唐华平，张维佳，谢美长，
申请(专利权)人：重庆和亚科技有限公司，
类型：发明
国别省市：重庆,50