具有雙重同步的電力系統的制作方法

專利名稱：具有雙重同步的電力系統的制作方法
技術領域：
本發明整體涉及一種電力系統，更特別地，涉及一種具有雙重同步的電力系統。
背景技術：
很多電力系統具有多個發電機組以向電力負載供電。通常，這些發電機組連接為 通過公共母線并行地提供電力。在一個發電機組連接至公共母線之后，連接至公共母線的 任何另外的發電機組需要產生與第一發電機組所產生的電力的電壓、頻率和相位角匹配的 電力。這一匹配也被稱為使發電機組電同步。更好的同步導致更平滑的傳輸以及對發電機 和負載更小的沖擊。當多個發電機互相靠近地布置時，如在共同的發電廠或在大型船舶上，多個發電 機組的振動可能通過其支架傳播并且被抑制或放大。當發電機組的發動機具有奇數個汽缸 時，發電廠內或船舶上的振動可能會過大。也就是說，具有奇數個汽缸的發動機是機械不平 衡的。例如，在九缸發動機中，四個活塞可以向上移動同時五個活塞向下移動。由于不平衡 的質量及其運動，在該示例中將形成較大的向下的合力。根據這種發動機的質量和轉速、活 塞的尺寸以及支架的類型(剛性或柔性)，這一力可能會足夠大而將足夠幅度的振動傳遞 至發動機支架和周圍支撐件，可能產生結構損傷和/或使得振動對發動機所有者/操作者 造成干擾。當互相靠近地布置的多個發動機互相同步地操作(即，如在兩個靠近地操作的 九缸發動機的情況下，八個活塞向上移動而十個活塞向下移動)時也有這個問題。于2003年4月22日授權予Kern等人的6，552，454號美國專利(，454專利)中 說明了一種針對多個發電機組同步問題的系統。’454專利公開了一種具有定位在共有外殼 內的第一和第二發電機組的發電機結構。每個發電機組包括發動機和由發動機驅動以產生 電力的交流發電機。第一發電機組產生具有第一幅度和頻率的電力，第二發電機組產生具 有第二幅度和頻率的電力。該發電機結構還包括控制器，控制器監控第一和第二發電機組 所產生的電力的幅度和相位，并且通過電子調速器調節發動機的轉速使得第一和第二發電 機所產生的電力互相一致，相關聯的正弦波之間不存在相位差，且正弦波具有相同的頻率。 此外，系統控制器調節發電機組的輸出電壓使得輸出電壓基本相等。一旦頻率和輸出電壓 同步，系統控制器將開關閉合以將第一和第二發電機組的電力連接至負載。雖然’ 454專利的發電機結構使得相位、頻率和電壓能夠匹配，但是，它沒有怎么說 明由于不平衡的發動機而導致的振動。而且，由于發動機組在共有外殼內鄰近地聯接，所 以，取決于發動機電同步的時間，兩個發電機可能在兩個相關的發動機彼此同相時電同步。 而且，如果發動機足夠同相并且不平衡，振動可能嚴重到足以損壞共有的外殼。本發明的電力系統解決上述的一個或多個問題。

發明內容
在一個方面，本發明針對一種電力系統。該電力系統可以包括第一發電機組和第 二發電機組，第一發電機組中第一發動機以驅動方式聯接至第一發電機，第二發電機組中第二發動機以驅動方式聯接至第二發電機。電力系統還可以包括公共母線以及與第一發電 機組和第二發電機組通信的控制器。控制器能夠將電力從第一發電機引導至公共母線，并 且使第二發電機的電力輸出與第一發電機的電力輸出同步。控制器還能夠推遲將第二發電 機的電力引導至公共母線，直至第一發動機和第二發動機基本上機械同步。在另一個方面，本發明針對一種提供電力的方法。該方法可以包括操作第一電力 源以產生電力，并將第一電力源的電力引導至公共母線。該方法還可以包括操作第二電力 源以產生電力，并且使第二電力源的電力輸出與第一電力源的電力輸出同步。該方法可另 外包括推遲將第二電力源的電力引導至公共母線，直至第一和第二電力源基本上機械同 止
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圖1為一種示例性地公開的電力設施的示圖；圖2為能夠用于圖1的電力設施的一種示例性地公開的電力系統的剖視圖；且圖3為示出與圖2的電力系統相關聯的一種示例性地公開的操作的流程圖。
具體實施例方式圖1示出了具有電力系統12的電力設施10，其中電力系統12能夠向電力負載14 供電。雖然圖1中示出了船舶，但是，作為替代方式，電力設施10可以體現為例如固定的陸 基發電站。電力設施10可以包括諸如支撐框架的固定平臺16，固定平臺16連接至電力設 施10的殼體且電力系統12可以安裝至固定平臺16。可以想到，電力系統12可以剛性地或 柔性地安裝至固定平臺16。在圖1的實施方式中，電力負載14可以包括需要不中斷的電力以執行一項或多項 任務的任何裝置，所述任務包括但不限于與所示船舶相關聯的電力照明和電驅動馬達。在 一些實施方式中，電力負載14可能需要特定形式的電力，例如三相交流電。如圖2所示，電力系統12可包括能夠操作用以發電的至少兩個位置靠近的電力源 18，以及用以將電從電力源18傳輸至電力負載14(參照圖1)的諸如公共母線19的電力傳 輸網。在一種實施方式中，各電力源18均可以包括以驅動方式聯接至發電機22的發動機 20以構成發電機組。雖然示出首尾相連的連接方式，但作為替代方式，發電機組可以在共有 的電力室中并排地布置或者隨意地布置。各發動機20可以是可通過燃燒燃料操作以產生機械動力的任何類型的熱機，包 括但不限于柴油發動機、重質燃油發動機、汽油發動機和氣體燃料發動機。在示出的實施方 式中，各發動機20可以是不平衡的。也就是說，各發動機20可以具有奇數個汽缸24，導致 自由質量和自由質量矩。在一種特定的實施方式中，發動機20可以包括九個汽缸24。在九 缸發動機的示例中，四個活塞26可以連接至共有的曲軸28并且向上移動，而也連接至曲軸 28的五個活塞26向下移動。由于不平衡的質量及其移動，在該示例中將產生較大的向下的 合力。這一較大的合力被稱為自由質量。如果不進行處理，自由質量可以導致固定平臺16 中產生顯著的振動。且當多個發動機20靠近地布置并且互相同相地操作(即各發動機20 的曲軸28指向約同樣的角度并且以約同樣的轉速旋轉)時，被放大的振動的幅值可能會過 大。
傳感器30可以與各發動機20相關聯以檢測各曲軸28的瞬時位置。在一種實施 方式中，傳感器30可以使用例如每當曲軸28經過特定的角度時能夠產生脈沖信號的脈沖 發送器。例如，當一個發動機20的曲軸28旋轉使得大多數活塞26經過上止點(TDC)位置 時，相關聯的脈沖發送器可以產生第一電子脈沖。類似地，當第二發動機20的曲軸28旋轉 使得大多數活塞26經過下止點(BDC)位置時，相關聯的脈沖發送器可以產生第二電子脈 沖。在該示例中，當第一和第二電子脈沖約同時產生時，發動機相位差約為180°，導致振動 可以被顯著抑制，甚至完全地互相抵消。相反，第一和第二脈沖之間的較長時間可相應于基 本互相同相的發動機20，且產生的振動會累加。可以想到，作為替代方式，傳感器30可以與 發電機22相關聯，例如與由發動機20直接驅動的轉子和/或與發電機22的線圈相關聯。各發電機22可以是機械聯接以接收來自發動機20的動力并且將至少一部分機械 能轉換為電能的任何類型的電力發生裝置。例如，各發電機22可以體現為交流(AC)感應 發電機、永磁體發電機、AC同步發電機或開關磁阻發電機。在一種實施方式中，各發電機22 可以包括7對磁極(未示出)，每對磁極具有布置在定子(未示出)的周長上的三個相位以 產生60Hz頻率的交流電。電力系統12也可以包括同步和負載分配控制器32以調節電力系統12的操作。控 制器32可以包括公知組件，公知組件協力使得多個電力源18的電輸出同步并且將輸出組 合成被引導至負載14(參照圖1)的公共電力供應。例如，控制器32可以其中包括聯接在 各發電機22和公共母線19之間以及/或者公共母線19和電力負載14之間的一個或多個 斷路器(未示出)，以選擇性地將一個或兩個發電機22的電輸出連接至公共母線19和/或 選擇性地將公共母線19連接至電力負載14。此外，控制器32可以與各發動機20、各發電 機22和傳感器30通信以監測和/或控制發電機組操作的一個或多個方面。控制器32還 可以包括一個或多個感測裝置(未示出)以接收關于各電力源18所產生的電學特性的輸 入，例如電流、頻率、相位和/或電壓。此外，控制器32可以接收與電力負載14所需要的功 率量相關的信息。例如，控制器32可以接收這些信息，例如沿著公共母線19的一個或多個 部分的電壓和/或電流，以及在電力負載14的一個或多個部件中的電壓和/或電流。閉合與第一發電機22相關聯的第一斷路器可以將該發電機22的輸出電連接至公 共母線19。要將另外的發電機22電連接至公共母線19，可能需要該另外的發電機22輸出 的電壓、頻率和相位角與第一個連接的發電機22的電壓、頻率和相位角相匹配。更好的匹 配可以導致更平滑的傳輸以及對電力負載14更小的沖擊。控制器32可以調節額外的電力 源18(即發動機20和/或發電機22)的操作以改變所產生的電力的電輸出特性并與第一 個發電機22的電輸出特性匹配。一旦滿足了所有的同步條件(即頻率、相位角和電壓)，控 制器32可以向與第二個發電機22相關聯的斷路器發出斷路器閉合指令，且在短暫的致動 延遲之后斷路器可以閉合。除了使多個發電機22的電力輸出同步之外，控制器32還能夠控制驅動這些發電機22的發動機20的機械同步。具體來說，在電同步之后并且控制器32發出斷路器閉合指 令以試圖將額外的發電機22聯機之前，控制器32可以先通過傳感器30進行檢查，看看相 關聯的第一發動機20和額外的發動機20是否互相同相位地操作(即是否一個發動機20 的大多數活塞26正與第二個發動機20的大多數活塞26大約同時地向TDC移動)。如果 相關聯的發動機20互相足夠異相地操作，控制器32可以繼續并發出斷路器閉合指令。但是，如果相關聯的發動機20并未足夠異相地操作，控制器32可以推遲將額外的發電機22 聯機，并中止當前的同步嘗試。控制器32可以開始另一個同步嘗試，并多次重復同樣的同 步循環。在一種實施方式中，在開始后備策略之前，控制器32可以進行高達十次的(電和 機械的)雙重同步嘗試。在后備策略中，控制器32可以不考慮機械同步而發出斷路器閉合 指令。這樣，當機械同步不成功時，負載14在電力供給上可以僅受到微小的延遲。圖3為示出電力系統12的一種示例性操作的流程圖。在下一個部分中將討論圖 3以進一步說明所公開的系統及其操作。工業實用性
所公開的電力系統可以應用于任何需要電平衡和機械平衡的情況，例如當具有不 平衡的運動質量的多個電力源互相靠近地布置時。在所公開的電力系統的操作中，可執行 電和機械同步(即雙重同步)以產生共有的電力供給并同時抑制與電力源相關聯的振動。 現在將說明電力系統12的操作。要開始電力系統12的操作，需要起動各電力源18，并將一個電力源18的電力引導 至公共母線19(步驟100)。要起動各電力源18，需要使相關聯的發動機20提速以驅動相 連的發電機22。在一些情況下，使發動機20提速可以包括轉動曲柄以啟動燃燒。在其他的 情況下，發動機20可能已經在操作，但是僅處于備用水平。一旦第一個發動機20的輸出提 速并且相聯接的發電機22產生負載14所需要水平的電力，控制器32可以發出斷路器閉合 指令以將該發電機22的輸出電連接至公共母線19。雖然額外的發電機22也可以產生負 載14所需要水平的電力，但可以將額外的發電機22保持與公共母線19隔離，直至額外的 發電機22的電力輸出與第一個連接的發電機22的電力輸出基本匹配。在進行到公共母線19的額外的連接之前，控制器32可以使額外的發電機22的電 力輸出與第一個連接的發電機22的電力輸出匹配(步驟110)。控制器32可以調節額外的 發動機20和/或發電機22的操作特性以改變并基本匹配頻率、相位角和電壓。一旦控制 器32確定任何額外的發電機22的電力輸出與第一個連接的發電機22的電力輸出基本匹 配(步驟120)，控制器32可以檢查發動機20之間的機械同步。也就是說，控制器32可以 通過傳感器30將與第一個連接的發電機22相關聯的發動機20的機械相位角同與其余的 發動機20的機械相位角進行比較(步驟130)。如果控制器32確定其余發動機20的機械 相位角在驅動第一個連接的發電機的發動機20的可接受的范圍內同步(步驟140)，控制器 32可以發出額外的斷路器閉合指令以將其余的發電機22連接至公共母線19(步驟150)。 在一種實施方式中，可接受的范圍為170° -190°。如果控制器32確定其余發電機的機械相位角不在可接受范圍內同步，控制器32 可以中止當前的同步嘗試并確定在該過程中已經進行了的嘗試的次數(步驟160)。如果嘗 試的次數小于可接受的次數，例如十次，可以通過使控制返回步驟110來重新開始該過程。 但是，如果已經進行了可接受次數的嘗試，控制器32就可以與上面不同地將額外的發電機 22的電輸出連接至公共母線19，而不管機械同步是否實現(步驟150)。這樣，當機械同步 不可能實現或是已經失敗時，可以最小化與過多次嘗試相關聯的電力供給延遲。本領域技術人員將很清楚，在不脫離本發明范圍的情況下，可以對所公開的電力 系統和方法進行多種變型和修正。考慮到這里所公開的電力系統和方法的說明書和實踐， 所公開的電力系統的其他實施方式對于本領域技術人員也將是很清楚的。例如，雖然主要參照僅有兩個發電機組的情況說明了電力系統12，但可以想到，控制器32也可以控制多于兩個發電機組的電和機械同步。但是，應當注意到，如果需要使多于兩個發電機組機械同 步，異相的角度與上文所公開的不一樣(即不為180° )，而且是需要機械同步的發動機個 數的函數。此外，雖然主要用于不平衡的發動機(即具有奇數個汽缸從而具有自由質量的 發動機)，但本發明的雙重同步也可以簡單地用于具有偶數個氣缸但仍然振動過大的發動 機。在一種特定的實施方式中，發動機20可以包括九個汽缸24。所要指出的是，說明書和 實施例例僅意于作為示例性的，本發明的真正范圍由權利要求書及其等同物表示。
權利要求
一種電力系統，包括；第一發電機組，其具有以驅動方式聯接至第一發電機的第一發動機；第二發電機組，其具有以驅動方式聯接至第二發電機的第二發動機；公共母線；以及控制器，其與所述第一發電機組和所述第二發電機組通信，所述控制器能夠將電力從所述第一發電機引導至所述公共母線；以及推遲將電力從所述第二發電機引導至所述公共母線，直至所述第一發動機和所述第二發動機基本上機械同步。
2.如權利要求1所述的電力系統，其中，所述控制器還能夠使所述第二發電機的電力 輸出與所述第一發電機的電力輸出同步。
3.如權利要求2所述的電力系統，其中，當所述第一發電機和所述第二發電機的相位 角、頻率和電壓中的至少一項基本匹配時，所述第二發電機的電力輸出與所述第一發電機 的電力輸出同步。
4.如權利要求2所述的電力系統，還包括第一傳感器，其能夠產生表示所述第一發動機的旋轉角度的第一信號；以及 第二傳感器，其能夠產生表示所述第二發動機的旋轉角度的第二信號， 其中，所述控制器能夠在使所述第二發電機的電力輸出與所述第一發電機的電力輸出 同步之后，比較所述第一信號和所述第二信號。
5.如權利要求4所述的電力系統，其中，僅當所述第一發動機和所述第二發動機的旋 轉角度互相相位差在170°到190°之間時，所述控制器能夠將電力從所述第二發電機引 導至所述公共母線。
6.如權利要求5所述的電力系統，其中，僅當所述第一發動機和所述第二發動機的旋 轉角度互相相位差約為180°時，所述控制器能夠將電力從所述第二發電機引導至所述公 共母線。
7.如權利要求2所述的電力系統，其中，所述控制器還能夠 進行若干次機械同步嘗試；以及在電力輸出同步之后，當已經達到嘗試次數時，不論機械同步如何都將電力從所述第 二發電機弓I導至所述公共母線。
8.如權利要求7所述的電力系統，其中所述嘗試次數為10。
9.如權利要求1所述的電力系統，其中所述第一發動機和所述第二發動機中的至少一 個具有不平衡的旋轉質量。
10.如權利要求9所述的電力系統，其中，所述不平衡的旋轉質量是由于所述第一發動 機和所述第二發動機中的至少一個具有奇數個汽缸而導致的。
11.如權利要求10所述的電力系統，其中，所述第一發動機和所述第二發動機基本相 同，并且各包括九個汽缸。
12.如權利要求1所述的電力系統，其中，所述第一發動機和所述第二發動機安裝在共 有的固定平臺上。
13.一種提供電力的方法，包括 操作第一電力源以產生電力；將電力從所述第一電力源引導至公共母線； 操作第二電力源以產生電力；以及推遲將電力從所述第二電力源引導至所述公共母線，直至所述第一電力源和所述第二 電力源基本上機械同步。
14.如權利要求13所述的方法，還包括使所述第二電力源的電力輸出與所述第一電力 源的電力輸出同步。
15.如權利要求14所述的方法，其中，當所述第一電力源和所述第二電力源的電力輸 出的相位角、頻率和電壓基本匹配時，所述第二電力源的電力輸出與所述第一電力源的電 力輸出同步。
16.如權利要求14所述的方法，還包括 感測所述第一電力源的第一旋轉角度；感測所述第二電力源的第二旋轉角度；以及在使所述第二電力源的電力輸出與所述第一電力源的電力輸出同步之后將所述第一 旋轉角度與所述第二旋轉角度進行比較。
17.如權利要求16所述的方法，還包括僅當所述第一電力源與第二電力源互相相位角 差約180°時將電力從所述第二電力源引導至所述公共母線。
18.如權利要求14所述的方法，還包括 進行若干次機械同步嘗試；以及在電力輸出同步之后，當已經達到嘗試次數時，不論機械同步如何都將電力從所述第 二電力源引導至所述公共母線。
19.如權利要求16所述的方法，其中，所述嘗試次數為10。
20.一種電力設施，包括 共有的固定平臺；第一發電機組，其安裝在所述共有的固定平臺上，并且具有以驅動方式聯接至第一發 電機的質量不平衡的第一發動機；第二發電機組，其安裝在所述共有的固定平臺上，靠近所述第一發電機組，并且具有以 驅動方式聯接至第二發電機的質量不平衡的第二發動機；公共母線，其能夠將電力從所述第一發電機組和所述第二發電機組傳輸至電力負載；以及控制器，其與所述第一發電機組和所述第二發電機組通信，所述控制器能夠 將電力從所述第一發電機引導至所述公共母線； 使所述第二發電機的電力輸出與所述第一發電機的電力輸出同步；以及 推遲將電力從所述第二發電機引導至所述公共母線，直至所述質量不平衡的第一發動 機和所述質量不平衡的第二發動機基本上機械同步并且所述第一發電機組傳導至所述共 有的固定平臺的振動輸入至少部分地被所述第二發電機組的振動輸入抑制。
全文摘要
本發明公開了一種在電力設施中使用的電力系統。該電力系統可以具有第一發電機組和第二發電機組，其中第一發電機組具有以驅動方式聯接至第一發電機的第一發動機，第二發電機組具有以驅動方式聯接至第二發電機的第二發動機。該電力系統還可包括公共母線以及與第一和第二發電機組通信的控制器。控制器可以將電力從第一發電機引導至公共母線，并且使第二發電機的電力輸出與第一發電機的電力輸出同步。控制器還可以推遲將電力從第二發電機引向公共母線，直至第一和第二發動機基本上機械同步。
文檔編號H02J3/38GK101828331SQ200780101134
公開日2010年9月8日 申請日期2007年10月19日 優先權日2007年10月19日
發明者J-P·賴因肯斯 申請人:卡特彼勒公司