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涡轮式发电机

阅读：513发布：2020-10-09

专利汇可以提供涡轮式发电机专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明描述了一种用于运行涡流式发电机系统的方法。所述系统包括并联设置的并与气体流流体连通的多个涡轮式发电机。所述方法包括识别当前其运行最接近于其最大功率输出的一个或更多个涡轮式发电机，并调节所述一个或更多个涡轮式发电机的速度，以使得所述多个涡轮式发电机的功率输出成为更加相似的。以该方式，可以使得所述多个涡轮式发电机的功率输出相匹配。，下面是涡轮式发电机专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于运行涡轮式发电机系统的方法，该系统包括并联设置的且与气体流流体连通的多个涡轮式发电机，所述方法包括以下步骤：
识别当前其运行最接近于其最大功率输出的一个或更多个涡轮式发电机；以及调节所述一个或更多个涡轮式发电机的速度，以使得所述多个涡轮式发电机的功率输出成为更加相似的。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，调节速度的步骤包括以下中的一个或两个：增加被识别的涡轮式发电机的速度和降低未被识别为当前其运行最接近于其最大功率输出的多个涡轮式发电机中的至少一个的速度。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，调节速度的步骤包括降低未被识别为当前其运行最接近于其最大功率输出的多个涡轮式发电机中的所有涡轮式发电机的速度。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，响应于确定被识别的涡轮式发电机处于或接近于其最大功率输出，实施调节速度的步骤。
5.根据权利要求2至4中的任一项所述的方法，其中，调节速度的步骤通过以下被实施：
如果被识别的涡轮式发电机低于预定速度而运行，则增加所述被识别的涡轮式发电机的速度；如果被识别的涡轮式发电机中的一个或更多个未低于预定速度而运行，则降低未被识别为当前其运行最接近于其最大功率输出的多个涡轮式发电机中的至少一个的速度。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，对涡轮式发电机速度的调节减小了被识别的涡轮式发电机的功率输出。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，包括在已减小被识别的涡轮式发电机的功率输出之后，增加穿过多个涡轮式发电机的气体的总流速的步骤。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，增大穿过多个涡轮式发电机的气体的总流速的步骤连续进行，直到一个或更多个涡轮式发电机具有最接近于其最大功率输出的功率输出，或者直到总流速达到最大水平。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，总流速的增大由阀门控制。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述阀门是与所述多个涡轮式发电机并联布置的旁通阀门，以及其中，气体总流速的增加通过关闭所述旁通阀门以减少穿过所述旁通阀门的气体流并因此增加穿过所述多个涡轮式发电机的气体流而实现。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述多个涡轮式发电机中的每个具有相同的最大功率输出，且识别当前其运行最接近于其最大功率输出的一个或更多个涡轮式发电机包括识别当前具有最高功率输出的一个或更多个涡轮式发电机。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，调节涡轮式发电机的速度的步骤包括调节该涡轮式发电机上的负载。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，涡轮式发电机系统是电动涡轮式复合系统，该电动涡轮式复合系统包括被设置为与发动机流体连通的涡轮增压器，其中，所述多个涡轮式发电机与所述涡轮增压器串联或并联地设置。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，气体流是来自于发动机的排出气体流。
15.一种涡轮式发电机系统，包括：
多个涡轮式发电机，所述多个涡轮式发电机并联设置并与气体流流体连通；
控制器，该控制器是可操作的以识别当前其运行最接近于其最大功率输出的一个或更多个涡轮式发电机，且该控制器是可操作的以调节所述一个或更多个涡轮式发电机的速度以降低被识别的涡轮式发电机的功率输出。
16.一种具有指令的计算机可读介质，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行权利要求1至14中的任一项所述的方法。
17.一种用于运行与气体流流体连通的涡轮式发电机的运行方法，包括以下步骤：
确定穿过所述涡轮式发电机的气体的质量流速；
使用被确定的质量流速、以及针对最大功率输出的涡轮速度与质量流速之间的第一预定关系，来确定涡轮式发电机的这样的速度：以该速度，所述涡轮式发电机的功率输出被大致最大化；以及
基于被确定的速度调节涡轮式发电机的速度。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括以下步骤：
确定涡轮式发电机的入口和出口之间的膨胀比；
其中，确定质量流速的步骤包括使用被确定的膨胀比、涡轮式发电机的当前速度以及质量流速、速度与膨胀比之间的第一预定关系计算质量流速。
19.根据权利要求17或18所述的方法，其中，确定膨胀比的步骤包括测量涡轮式发电机的入口压力、和基于涡轮式发电机的出口压力及测量到的入口压力计算膨胀比。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述出口压力是被测量的或是被估算的。
21.根据权利要求18所述的方法，其中，确定质量流的步骤包括：依据被确定的膨胀比、涡轮式发电机的当前速度以及质量流速、速度和膨胀比之间的第二预定关系，计算被减小的质量流速；以及基于测量到的涡轮式发电机的入口压力和测量到的或估算到的涡轮式发电机的出口压力，将所计算的减小的质量流速转换为质量流速。
22.根据权利要求17至21中的任一项所述的方法，其中，所述第一预定关系由查找表示出，所述查找表用于依据被确定的质量流速获得针对最大功率输出的速度。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，计算被减小的质量流速的步骤包括基于涡轮式发电机的旋转速度、测量到的或估算到的涡轮式发电机入口温度计算所述涡轮式发电机的当前的被减小的速度，和基于所计算的被减小的速度计算被减小的质量流速。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，确定涡轮式发电机的将使涡轮式发电机的功率输出被大致最大化的速度包括：依据被确定的质量流速和第一预定关系确定被减小的速度，和基于测量到的或估算到的涡轮式发电机入口温度将被减小的速度转换为旋转速度。
25.根据权利要求17至24中的任一项所述的方法，其中，所述第一预定关系得自涡轮式发电机的一个或更多个涡轮特性。
26.根据权利要求17至25中的任一项所述的方法，其中，所述第一预定关系是基于涡轮式发电机的性能测试数据。
27.根据权利要求17至26中的任一项所述的方法，其中，调节涡轮式发电机的速度的步骤包括调节该涡轮式发电机上的负载。
28.根据权利要求17至27中的任一项所述的方法，其中，所述涡轮式发电机是电动涡轮式复合系统的一部分，该电动涡轮式复合系统包括被设置为与往复式发动机流体连通的涡轮增压器，其中，所述涡轮式发电机与所述涡轮增压器并联地设置。
29.根据权利要求17至28中的任一项所述的方法，其中，气体流是来自于发动机的排出气体流。
30.一种涡轮式发电机，被设置为用于接收气体流，该涡轮式发电机包括：
涡轮，气体穿过该涡轮以使得涡轮旋转；
功率转换器，用于从涡轮的旋转产生电功率；以及
控制器，该控制器是可操作的
以确定穿过所述涡轮的气体的质量流速；
使用被确定的质量流速、以及针对最大功率输出的涡轮速度与质量流速之间的第一预定关系，来确定这样的涡轮旋转速度：以该涡轮旋转速度，所述涡轮式发电机的功率输出被大致最大化；以及
基于被确定的速度调节涡轮旋转速度。
31.一种具有指令的计算机可读介质，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行权利要求17至29中的任一项所述的方法。
32.大致如上文参照附图所描述的一种用于操作所述涡轮式发电机系统的方法。
33.如上文参照附图所描述的一种涡轮式发电机系统。
34.大致如上文参照附图所描述的一种用于操作所述涡轮式发电机的方法。
35.大致如上文参照附图所描述的一种涡轮式发电机。

说明书全文

涡轮式发电机

技术领域

[0001] 本发明涉及一种涡轮式发电机。本发明的实施例涉及一种涡轮式发电机、一种用于运行涡轮式发电机的方法、一种涡轮式发电机系统以及一种用于运行涡轮式发电机系统的方法。

背景技术

[0002] 涡轮式发电机用于从气体流提取能量，所述气体流诸如来自于压缩燃烧式柴油发动机的排气、来自于点火燃烧式气体发动机的排气、蒸汽、有机朗肯流体(organic Rankine fluid)或压缩气体。例如，从往复式发动机的排气管道中的流体回收的排气能量可被转换成用于供应至公共电网网络的电功率。涡轮式发电机可与涡轮增压器组合地设置(或并联或串联)。

[0003] 在GB2451703中，描述了串联涡轮式发电机的运行，其中，涡轮式发电机的速度被设定为优化其效率。然而，在一些情况下，效率可能不是主要的考虑因素，替代地，可能所期望的是优化(尽可能地)涡轮式发电机以实现最大功率输出。然而，实现这样的优化具有挑战性。

[0004] 对于其中设置有多个涡轮式发电机的系统，实现最佳(总的)功率输出甚至更具挑战性，这是由于发动机和每个涡轮式发电机的入口之间的管道的变化，以及由于供给至并联涡轮式发电机的排出气体的量不能使得任何一个涡轮式发电机超过其个体的最大额定功率。因此，来自于多个涡轮式发电机的组合的功率输出将受限于产生最多功率的涡轮式发电机(对于给定的来自于发动机的排气输出)。

[0005] 本发明的实施例图解决这些问题。

发明内容

[0006] 根据本发明的一个方面，提供了一种用于运行涡轮式发电机系统的方法，该系统包括并联设置的且与气体流流体连通的多个涡轮式发电机，所述方法包括以下步骤：

[0007] 识别当前其运行最接近于其最大功率输出的一个或更多个涡轮式发电机；以及[0008] 调节所述一个或更多个涡轮式发电机的速度，以使得所述多个涡轮式发电机的功率输出成为更加相似的。

[0009] 以该方式，可以使得所述多个涡轮式发电机的功率输出相匹配。这(如下面将详细地解释的)可以使得充分利用所述多个涡轮式发电机的额定功率是可行的。调节速度的步骤可包括以下中的一个或两个：增大被识别的涡轮式发电机的速度和降低未被识别为当前其运行最接近于其最大功率输出的多个涡轮式发电机中的至少一个的速度。调节速度的步骤可包括降低未被识别为当前其运行最接近于其最大功率输出的多个涡轮式发电机中的所有发电机的速度。响应于确定被识别的涡轮式发电机处于或接近于其最大功率输出，实施调节速度的步骤。调节速度的步骤可通过以下被实施：如果被识别的涡轮式发电机低于预定速度而运行，则通过增大所述被识别的涡轮式发电机的速度；如果被识别的涡轮式发电机中的一个或更多个未低于预定速度而运行，则通过降低未被识别为当前其运行最接近于其最大功率输出的多个涡轮式发电机中的至少一个的速度。对涡轮式发电机速度的调节可使得被识别的涡轮式发电机的功率输出减小。

[0010] 优选地，所述方法包括在已减小被识别的涡轮式发电机的功率输出之后，增加穿过多个涡轮式发电机的气体的总流速的步骤。通过首先降低最高功率涡轮式发电机的功率输出(但是将该功率输出有效地转移至低于其最大额定功率而运行的另一涡轮式发电机)，可以使得流至所有涡轮式发电机的气体质量流增加，而不会导致所述涡轮式发电机中的任何一个超出其额定功率。将被理解的是，紧随着速度改变，由所述多个涡轮式发电机产生的总体功率可能不保持为相同的，因为功率不仅仅是质量流速的函数，而且也是压力比(横跨涡轮式发电机)和效率的函数。通过改变一个或更多个涡轮式发电机的速度，于涡轮式发电机中的每一个(和旁通阀门，请见下文)处的入口压力将改变，以至于所述一个或更多个涡轮式发电机的效率将改变，并因此，作为整体的系统的效率将改变。然而，原理仍然是通过改变一个或更多个涡轮式发电机的速度,使得可以降低所述一个或更多个涡轮式发电机的功率输出并增加其余涡轮式发电机的功率输出,因此实现功率平衡。增大穿过多个涡轮式发电机的气体的总流速的步骤可持续进行，直到或者所有涡轮式发电机具有最接近于其最大功率输出的功率输出，或者直到总流速达到最大水平。优选地，气体总流速的增大由阀门控制。优选地，所述阀门是与所述多个涡轮式发电机并联布置的旁通阀门，以及气体总流速的增加通过关闭所述旁通阀门以减少穿过所述旁通阀门的气体流并因此增加穿过所述多个涡轮式发电机的气体流而实现。所述多个涡轮式发电机中的每个可具有相同的最大功率输出。在该情况下，识别当前其运行最接近于其最大功率输出的一个或更多个涡轮式发电机包括识别当前具有最高功率输出的一个或更多个涡轮式发电机。调节涡轮式发电机的速度的步骤可包括调节该涡轮式发电机上的负载。涡轮式发电机系统可为电动涡轮式复合系统(electric turbocompounding system)，该电动涡轮式复合系统包括被设置为与发动机流体连通的涡轮增压器，且所述多个涡轮式发电机可与所述涡轮增压器或串联或并联地设置。

[0011] 优选地，气体流是来自于发动机的排出气体流。然而，将被理解的是，本发明的实施例可应用于非来源于发动机的气体流。

[0012] 根据本发明的另一方面，提供了一种涡轮式发电机系统，包括：

[0013] 并联设置的并与气体流流体连通的多个涡轮式发电机；

[0014] 控制器，该控制器是可操作的以识别当前其运行最接近于其最大功率输出的一个或更多个涡轮式发电机，且该控制器是可操作的以调节所述一个或更多个涡轮式发电机的速度以降低被识别的涡轮式发电机的功率输出。

[0015] 根据本发明的另一方面，提供了一种用于运行与气体流流体连通的涡轮式发电机的方法，该方法包括以下步骤：

[0016] 确定穿过涡轮式发电机的气体的质量流速；

[0017] 使用被确定的质量流速、以及针对最大功率输出的涡轮速度与质量流速之间的第一预定关系，来确定涡轮式发电机的这样的速度：以该速度，所述涡轮式发电机的功率输出被大致最大化；以及

[0018] 基于被确定的速度调节涡轮式发电机的速度。

[0019] 以该方式，甚至当气体的质量流速变化时(例如，因为发动机产生较少的排出气体，或者也附接至该发动机的涡轮增压器需要更多的这些排出气体)，可以运行控制循环以大致最大化涡轮式发电机的功率输出。

[0020] 优选地，所述方法进一步包括确定涡轮式发电机的入口和出口之间的膨胀比的步骤。在该情况下，确定质量流速的步骤包括使用被确定的膨胀比、涡轮式发电机的当前速度以及质量流速、速度与膨胀比之间的第一预定关系计算质量流速。确定膨胀比的步骤可包括测量涡轮式发电机的入口压力、和基于涡轮式发电机的出口压力及测量到的入口压力计算膨胀比。出口压力可以是被测量的或是被估算的。

[0021] 确定质量流的步骤可包括：依据被确定的膨胀比、涡轮式发电机的当前速度以及质量流速、速度和膨胀比之间的第二预定关系，计算被减小的质量流速；以及基于测量到的涡轮式发电机的入口压力和测量到的或估算到的涡轮式发电机的出口压力，将所计算的减小的质量流速转换为质量流速。所述第一预定关系可由查找表示出，所述查找表用于依据被确定的质量流速获得针对最大功率输出的速度。计算被减小的质量流速的步骤可包括基于涡轮式发电机的旋转速度、测量到的或估算到的涡轮式发电机入口温度计算所述涡轮式发电机的当前的被减小的速度，和基于所计算的被减小的速度计算被减小的质量流速。

[0022] 确定涡轮式发电机的会使涡轮式发电机的功率输出被大致最大化的速度包括：依据被确定的质量流速和第一预定关系确定被减小的速度，和基于测量到的或估算到的涡轮式发电机入口温度将被减小的速度转换为旋转速度。所述第一预定关系可得自涡轮式发电机的一个或更多个涡轮特性。可替代地，所述第一预定关系可为基于涡轮式发电机的性能测试数据。

[0023] 调节涡轮式发电机的速度的步骤可包括调节施加于该涡轮式发电机上的负载。涡轮式发电机可为电动涡轮式复合系统的一部分，该电动涡轮式复合系统包括被设置为与往复式发动机流体连通的涡轮增压器，其中，所述涡轮式发电机与所述涡轮增压器并联地设置。

[0024] 优选地，气体流是来自于发动机的排出气体流。然而，将被理解的是，本发明的实施例可应用于非来源于发动机的气体流。

[0025] 根据本发明的另一方面，提供了一种被设置为用于接收气体流的涡轮式发电机的方法，该涡轮式发电机包括：

[0026] 涡轮，气体穿过该涡轮以使得涡轮旋转；

[0027] 功率转换器，用于从涡轮的旋转产生电功率；以及

[0028] 控制器，该控制器是可操作的

[0029] 确定穿过涡轮的气体的质量流速；

[0030] 使用被确定的质量流速、以及针对最大功率输出的涡轮速度与质量流速之间的第一预定关系，来确定这样的涡轮旋转速度：以该涡轮旋转速度，所述涡轮式发电机的功率输出被大致最大化；以及

[0031] 基于被确定的速度调节涡轮旋转速度。附图说明

[0032] 参照以下附图，将以示例的方式描述本发明，在附图中：

[0033] 图1示意性地示出了根据第一实施例的发动机和能量回收系统；

[0034] 图2示意性地示出了对于典型涡轮级的膨胀比、涡轮轮转速与涡轮级效率之间的关系；

[0035] 图3示意性地示出了为实现最佳涡轮效率的、膨胀比和最佳涡轮轮转速之间的关系；

[0036] 图4示意性地示出了为实现最佳涡轮效率的或最大功率输出的、质量流和最佳涡轮轮转速之间的关系；

[0037] 图5示意性地示出了对于典型涡轮的、被减小的质量流量、膨胀比与涡轮速度之间的关系；

[0038] 图6是描述用于大致最大化在图1中所描述的能量回收系统的功率输出的控制循环的示意性流程图；

[0039] 图7示意性地示出根据第二实施例的发动机和利用多个涡轮式发电机(与涡轮增压器串联)的能量回收系统；

[0040] 图8示意性地示出根据第二实施例的发动机和利用多个涡轮式发电机(与涡轮增压器并联)的能量回收系统；

[0041] 图9在描述针对多个不同的涡轮速度的、功率输出和膨胀比之间的关系的图中示意性地示出两个并联的涡轮式发电机的功率输出；

[0042] 图10示出了在图9中所描述的功率输出水平时，穿过两个并联的涡轮式发电机的质量流；

[0043] 图11示意性地示出了图10的变型，其中，涡轮式发电机中的一个的速度已经降低，涡轮式发电机中的另一个的速度被增大；

[0044] 图12示意性地示出了两个并联的涡轮式发电机在图11的速度配置中的功率输出；以及

[0045] 图13是描述用于大致最大化图7和8的能量回收系统的功率输出的控制循环的示意性流程图。

具体实施方式

[0046] 第一实施例——控制单个涡轮式发电机的速度以最大化功率输出

[0047] 首先参照图1，其示出了一种系统，该系统包括涡轮增压发动机、涡轮式发电机以及相关联的功率转换器(PC)，该功率转换器(PC)用于将从涡轮式发电机产生的功率转换成可被引入公共电网网络中的形式。第一实施例特别地适用于与涡轮增压器并联配置的涡轮式发电机中。在图1中，设置了一种涡轮增压发动机1，其具有排气出口14，该排气出口14经由排气管道22和阀门31通向涡轮式发电机3的入口26。相关联的转换器5被设置以将由涡轮式发电机3产生的功率转换成可被引入公共电网网络(输出至公共电网的电力输出)中的形式。

[0048] 往复式发动机1可以是柴油或火花点燃往复式发动机，其被设置为通过空气入口管道12接收经由空气供应线路10穿过涡轮增压器2的进入空气。排气管道14除通向涡轮式发电机3之外，还排气至涡轮增压器2的涡轮18的入口16中。阀门31控制提供至涡轮增压器2的排气气体相对于提供至涡轮式发电机3的排气气体的比例。涡轮18的出口20排气至周围环境。

[0049] 涡轮式发电机3包括涡轮24，该涡轮24具有入口26和出口28，该入口26用于接收来自于排气管道22的流体，该出口28用于将流体排放至周围环境。涡轮式发电机3还包括交流发电机4，该交流发电机4设置在涡轮24的输出轴上，以用于将轴输出功率转换为电功率，且该交流发电机4通过电连接部30连接至功率转换器5，该功率转换器5供应电力输出(如所示)至公共电网网络。功率转换器5包括AC/DC转换器6和DC/AC转换器8，该AC/DC转换器6用于将来自于交流发电机4的AC输出转换为DC连接线路7上的DC电源，该DC/AC转换器8用于产生三相输出，该三相输出用于经由输出线路9供应至公共电网。

[0050] 涡流式发电机的运行由控制器40控制，该控制器40连接至功率转换器5。功率转换器5能够为控制器40提供涡轮24的当前旋转速度的指示。在一个可替代实施例中，涡轮24的旋转速度由在涡轮24处的传感器直接测量。控制器40使用传感器42测量入口26处的压力，该传感器42设置为包括结合有应变仪的膜片的压力传感器的形式。此外，测量出口28处的压力、入口26处的温度以及出口28处的温度的传感器44可被设置。控制器40能够通过使得功率转换器5调节施加至交流发电机4上的电力负载而减慢或加速涡轮24的旋转速度。为了减慢涡轮24，电力负载被增加，为了加速涡轮24，电力负载被减小。控制器40因此能够控制涡轮24的旋转速度，其目的将在下文中详细描述。

[0051] 之前的涡轮式发电机控制技术侧重于最大化涡轮级的效率。参照图2，通过描述，典型的涡轮级具有关联跨越涡轮的膨胀比、涡轮轮转速和涡轮级效率的特性。在图2中，横坐标轴表示跨越涡轮式发电机3(即，图1中在26处的入口压力与在28处的出口压力的比例)的膨胀比。纵坐标轴表示涡轮的效率(作为百分比)。图2中绘制的每条线示出针对特定的涡轮式发电机速度，膨胀比和效率之间的关系。在本案例中，绘制了针对7个不同速度的关系，范围从821N/√T(21.0krpm)至1641N/√T(42.0krpm)。将被注意的是，图2是针对“被减小的速度”而绘制的，而不是针对涡轮转子的绝对旋转速度而绘制。实际速度和被减小的速度之间的关系如在下面的公式(1)中被阐明：

[0052] 被减小的速度＝转子速度(每分钟转数)/√温度(K) 公式(1)

[0053] 如从图2可看到，在低膨胀比时，较低的速度更加有效，而在高膨胀比时，较高的速度更加有效。因此，将被理解的是，涡轮式发电机的最有效的运行速度根据膨胀比而变化。这引出膨胀比和最佳涡轮轮转速之间的关系，以得到在图3中示出的最好的涡轮效率。参照图3，在涡轮膨胀比(横坐标轴线)对被减小的速度(纵坐标轴线)的图上示出了最佳效率线。
在此处可看出，随着涡轮膨胀比增加，最佳速度通常增加。以该方式，可以通过改变涡轮式发电机的速度以针对当前膨胀比匹配最佳速度而使得涡轮式发电机的效率最大化。将被理解的是，膨胀比可根据来自于发动机的排气输出而改变，且可在任何给定的时间根据阀门
31的打开程度而改变。因此，维持最大效率需要连续控制循环，该连续控制循环随着膨胀比改变而连续地修改转子速度(注意到的是，在图3中绘制的被减小的速度将需要使用上述公式(1)被转换为实际的转子速度)，以保持为尽可能接近在图3中示出的最佳效率线。

[0054] 尽管往往效率是主要的驱动因素，在一些情况下，更重要的是最大化功率输出。如将变得清晰明了的，第一实施例涉及控制涡轮式发电机的速度以优化其功率输出，而不是优化其效率。这通过以下实现，通过首先测量涡轮式发电机速度和涡轮式发电机的上游压力，并且或者通过测量下游压力及上游温度、或者通过对这些参数做出可能的值的假设。然后，基于这些参数计算穿过涡轮式发电机的排气气体的质量流。然后使用查找表以针对涡轮式发电机速度选择设定点。因此，涡轮式发电机速度被反复改变以就最大化(在切实可行范围内尽量地)功率输出而言给出最佳性能。以该方式，可以通过改变涡轮式发电机速度而优化该涡轮式发电机的功率输出。

[0055] 对于任何给定的涡轮质量流，由涡轮式发电机产生的功率不仅与级效率关联，而且还与跨越涡轮式发电机的膨胀比关联。在大多数情况下，为了产生最大功率而需要的转子速度大致高于为实现最佳级效率而需要的转子速度。这在图4中被图示，在图4中，横向坐标轴表示涡轮质量流(以kg/s表示)，纵向坐标轴表示被减小的速度。在图4的曲线图上绘制的较低的线表示为了实现最佳涡轮效率而需要的被减小的速度。在图4的曲线图上绘制的较高的线表示为了实现最大涡轮功率而需要的被减小的速度。

[0056] 为了实现最大涡轮功率而需要的被减小的速度可依据涡轮特性计算，或可通过实验确定。由涡轮产生的功率可被表示为如下：

[0057] Q＝m x Cp x(T1–T2) 公式(2)

[0058] 其中，Q＝由涡轮产生的功率，m＝穿过涡轮的质量流量，T1＝涡轮入口温度(K)，T2＝涡轮出口温度(K)，Cp是用以kJ/kg.K为单位的气体比热容量。对于一系列质量流速的任何给定的涡轮质量流，功率Q需要被优化以达到其最大值(最大功率，而不是最大级效率)，以得到图4的最大功率线。

[0059] 将被理解的是，为了依据图4中所明确的被减小的速度确定实际的转子速度，将有必要使用上述公式(1)依据被减小的速度执行转换。在质量流为0.8kg/s的情况下，为了提取最大功率，涡轮应当以1600rpm/√T的被减小的速度运行，而不是以～1200rpm/√T(这将实现最佳效率)的被减小的速度运行。为了能够针对最大功率选择最佳涡轮速度(基于图4)，需要涡轮的质量流速。然而，直接测量该参数既困难又成本高昂。替代地，质量流可依据对以下参数的知晓而计算得出：

[0060] 涡轮入口压力(P1)——被测量，单位为kPa(绝对)

[0061] 涡轮速度——被测量，单位为rpm(转换为所需要的被减小的速度)

[0062] 涡轮入口温度——被测量或被估算，单位为开尔文(K)

[0063] 涡轮出口压力(P2)——被测量或被估算，单位为kPa(绝对)

[0064] 首先，横跨涡轮式发电机的膨胀比根据以下被计算：

[0065]

[0066] 其中：T1＝涡轮入口温度(K)，T2＝涡轮出口温度(K)，γ＝热容量Cp和Cv的比，其中Cp是单位为kJ/kg.K的气体比热容。

[0067] 入口压力(P1)由传感器42检测。出口压力(P2)可由传感器44检测，或可替代地，可基于已知(具体应用)的涡轮式发电机3的运行和/或环境条件估算该出口压力(P2)。例如，出口压力可能基于大气压力，入口温度可能基于处于满负载时的排气歧管温度。

[0068] 图5将涡轮式发电机的膨胀比(横向坐标轴)关联至被减小的质量流速的曲线图。特别地，图5针对涡轮的多个不同的被减小的速度绘制了被减小的流速相对于膨胀比的关系。被减小的质量流速以单位kg.s-1.√K.Pa-1而被测量。质量流速和被减小的质量流速之间的关系如下：

[0069] 被减小的质量流速＝质量流速x√入口温度/入口压力公式(4)[0070] 依据膨胀比和当前涡轮速度，可以从图5获取穿过涡轮式发电机的当前被减小的质量流速。例如，如果膨胀比被确定为2.5，且当前被减小的速度(使用上述公式(1)依据转子速度而被转换)为2383N/√T(或67.2krpm)，则可看出被减小的质量流速大约为0.074kg.s-1.√K.Pa-1。将被理解的是，在实践中，可在控制器40处使用算法或在控制器40处使用查找表(LUT)依据膨胀比和被减小的速度确定被减小的质量流速。将被理解的是，图
5针对典型的涡轮关联了被减小的质量流速、涡轮速度和膨胀比。然而，具体的关系将取决于涡轮/涡轮式发电机的特性。在算法中使用的具体关系(或由查找表表示的具体关系)可基于涡轮特性通过计算或通过实验获取。

[0071] 依据被减小的质量流速，可使用上述公式(4)计算出质量流速，这将需要测量到的入口压力(P1)以及测量到的入口温度(T1)或入口温度(T1)的估算值。一旦已经确定质量流速，该质量流速和当前被减小的速度可被提供至图4线图(或算法或查找表)，以获得可被期望提供来自于从涡轮式发电机的最大功率输出的涡轮速度。

[0072] 现在参照图6，提供了一种利用上述原理的控制循环。在步骤S1时，基于测量到的入口压力和出口压力(测量到的或估算到的)计算出膨胀比。然后，在步骤S2时，依据当前涡轮式发电机速度、膨胀比和涡轮特性计算被减小的质量流速(见图5)。在步骤S3时，基于上述公式(4)，使用测量到的入口压力和入口温度(测量到的或估算到的)，被减小的质量流速被转换为质量流速。在步骤S4时，依据所计算的质量流速和涡轮最佳速度特性计算新的最佳速度(见图4)。最佳速度然后用于调节涡轮转子的设定速度。流程然后返回至步骤S1。将被理解的是，步骤S1至S5形成控制循环，该控制循环将连续地运行。应当理解的是，通过在步骤S5时改变速度，入口压力可改变，这将在步骤S1的下一次迭代时导致新膨胀比，该新膨胀比将遍历步骤S2至S5，以导致新的不同的设定速度。该流程将连续进行，知道控制循环稳定。还应当理解的是，入口压力还将根据来自于发动机1的、且经由阀门31传到涡轮式发电机的排气输出的量而改变。在由于流动至涡轮式发电机的气体流的改变而引起入口压力改变的情况下，控制循环将确定新膨胀比、质量流和目标速度，以针对任何给定的运行条件维持或重获最大功率输入。相同的原理将适用于其它改变。例如，入口和/或出口温度可随着时间改变(例如，日间/夜晚运行，或随着涡轮式发电机从冷气动预热)，这将导致控制循环重新估算针对最大功率输出的最佳转子速度。

[0073] 第二实施例——控制多个涡轮式发电机以最大化总体功率输出

[0074] 在一些情况中，单个发动机可装配有包括一个以上的涡轮式发电机的能量回收系统。参照图7，其示出一种系统，该系统包括涡轮增压发动机和一组并联设置的多个涡轮式发电机。图7的系统提供了与涡轮增压器串联的涡轮式发电机阵列。在图7中，设置了一种涡轮增压发动机101，其具有排气出口114，该排气出口14通向涡轮增压器102的涡轮118的入口。往复式发动机1可以是柴油或火花点燃往复式发动机，其被设置为通过空气入口管道112接收经由空气供应线路110穿过涡轮增压器102的进入空气。涡轮118的出口120排气至相应的涡轮式发电机103a、103b、103c的入口126a、126b、126c，因此提供了发动机101、涡轮增压器102和涡轮式发电机103a、103b、103c的串联设置。涡轮118的出口120还排气至旁通阀门132，该旁通阀门132与涡轮式发电机103a、103b、103c并联设置。通过打开旁通阀门
132，在入口126a、126b、126c处的入口压力被减小，且来自于涡轮增压器102的更多的排出气体可从入口126a、126b、126c转移，以减小压力比和减小穿过所有发电机103a、103b、103c的气体的质量流速。相似地，通过关闭旁通阀门132，在入口126a、126b、126c处的入口压力被增大，且来自于涡轮增压器102的更多的排出气体进入入口126a、126b、126c，以增加压力比和增加穿过所有发电机103a、103b、103c的气体的质量流速。将被理解的是，旁通阀门132不能够独立地控制特定的涡轮式发电机的质量流速和入口压力。涡轮式发电机103a、103b、
103c中的每个设置有相关联的功率转换器105a、105b、105c，该相关联的功率转换器能够将由涡轮式发电机103a、103b、103c产生的功率转换为可被引入至公共电网网络中的形式。涡轮式发电机103a、103b、103c每个包括涡轮124a、124b、124c，涡轮124a、124b、124c具有入口
126a、126b、126c和出口，所述入口用于接收来自于排气管道120的流体，所述出口用于排放流体至周围环境(将被注意的是，在图7中，所有的出口被接合在一起，并接合至阀门132的出口)。每个涡轮式发电机103a、103b、103c还包括设置在其相应的涡轮124a、124b、124c的输出轴上的交流发电机104a、104b、104c，以用于将轴输出功率转换为电功率，且每个交流发电机104a、104b、104c通过电连接部连接至相应的功率转换器105a、105b、105c，该功率转换器105a、105b、105c供应电力输出(如所示)至公共电网网络。功率转换器105a、105b、105c可属于相同的类型，且如图1的功率转换器5一样运行。

[0075] 涡轮式发电机103a、103b、103c阵列的运行由控制器140控制，该控制器140被连接至功率转换器105a、105b、105c中的每个、并连接至阀门132。每个功率转换器105a、105b、105c能够为控制器140提供其相应的涡轮124a、124b、124c的当前旋转速度的指示，尽管在一个可替代实施例中，旋转速度替代地由在涡轮124a、124b、124c处的传感器直接测量。控制器140能够通过使得一个(或更多个)功率转换器105a、105b、105c调节施加至相应的交流发电机104a、104b、104c上的电力负载而减慢或加速每个涡轮124a、124b、124c的旋转速度。
如同图1，为了减慢涡轮，电力负载被增加，为了加速涡轮24，电力负载被减小。控制器140因此能够控制涡轮的旋转速度，其目的将在下文中详细描述。应当理解的是，控制器140能够互相独立地控制每个涡轮的速度。控制器140还能够控制旁通阀门132，以增大或减小入口压力和穿过涡轮式发电机阵列的排气的量，因此改变压力比和总质量流速。

[0076] 现在参照图8，类似于图7的系统的系统被示出，但是在图8的情况中，涡轮式发电机阵列与涡轮增压器并联而不是串联地设置。在图8中，设置了一种涡轮增压发动机201，其具有排气出口214，该排气出口14通向涡轮增压器202的涡轮218的入口。往复式发动机1被设置为通过空气入口管道212接收经由空气供应线路210穿过涡轮增压器202的进入空气。出口220排气至周围环境，而相比之下，在图7的示例中涡轮118排气至涡轮式发电机阵列。
相反，在图8中，来自于发动机201的排气经由阀门231直接提供至涡轮式发电机203a、203b、
203c，因此提供了发动机201、涡轮增压器202和涡轮式发电机203a、203b、203c的并联设置。
发动机201还(经由阀门231)排气至旁通阀门232，该旁通阀门132与涡轮式发电机203a、
203b、203c并联设置。通过打开旁通阀门232，在入口226a、226b、226c处的入口压力被减小，且来自于涡轮增压器201的更多的排出气体可从入口226a、226b、226c转移，以减小压力比和减小穿过所有发电机203a、203b、203c的气体的质量流速。相似地，通过关闭旁通阀门
232，在入口226a、226b、226c处的入口压力被增大，且来自于涡轮增压器201的更多的排出气体进入入口226a、226b、226c，以增加压力比和增加穿过所有发电机203a、203b、203c的气体的质量流速。将被理解的是，旁通阀门232不能够独立地控制特定的涡轮式发电机的质量流速和入口压力。涡轮式发电机203a、203b、203c中的每个设置有相关联的功率转换器
205a、205b、205c，该相关联的功率转换器能够将由涡轮式发电机203a、203b、203c产生的功率转换为可被引入至公共电网网络中的形式。涡轮式发电机203a、203b、203c每个包括涡轮
224a、224b、224c，涡轮224a、224b、224c具有入口226a、226b、226c和出口，所述入口用于接收来自于发动机201的流体，所述出口用于排放流体至周围环境(将被注意的是，在图8中，所有的出口被接合在一起，并接合至阀门232的出口)。每个涡轮式发电机203a、203b、203c还包括设置在其相应的涡轮224a、224b、224c的输出轴上的交流发电机204a、204b、204c，以用于将轴输出功率转换为电功率，且每个交流发电机204a、204b、204c通过电连接部连接至相应的功率转换器205a、205b、205c，该功率转换器205a、205b、205c供应电力输出(如所示)至公共电网网络。功率转换器205a、205b、205c可属于相同的类型，且如图1的功率转换器5一样运行。

[0077] 涡轮式发电机203a、203b、203c阵列的运行由控制器240控制，该控制器140被连接至功率转换器205a、205b、205c中的每个、并连接至阀门232。每个功率转换器205a、205b、205c能够为控制器240提供其相应的涡轮224a、224b、224c的当前旋转速度的指示，尽管在一个可替代实施例中，旋转速度替代地由在涡轮224a、224b、224c处的传感器直接测量。控制器240能够通过使得一个(或更多个)功率转换器205a、205b、205c调节施加至相应的交流发电机204a、204b、204c上的电力负载而减慢或加速每个涡轮224a、224b、224c的旋转速度。
如同图1，为了减慢涡轮，电力负载被增加，为了加速涡轮24，电力负载被减小。控制器240因此能够控制涡轮的旋转速度，其目的将在下文中详细描述。应当理解的是，控制器240能够互相独立地控制每个涡轮的速度。控制器240还能够控制旁通阀门232，以增大或减小穿过涡轮式发电机阵列的排气的量，因此改变总质量流速。

[0078] 如果两个或更多个涡轮式发电机彼此并联地放置，如图7和8的情况，由于管道变化和制造公差，将可以使得由每个涡轮式电动机产生的并从每个涡轮式发电机输出的功率略微不同。每个涡轮式发电机被单独定额定功率，以能够输出多达特定量的功率，而不被损坏。在参照以上图7和8中所描述的系统中，可使用旁通阀门控制穿过涡轮式发电机阵列的总质量流速。然而，通过使用这样的阀门，重要的是供应至并联的涡轮式发电机的排气量不能使得涡轮式发电机中的任何一个超过其独立的最大额定功率。因此，来自于多个涡轮式发电机的组合的功率输出将受限于产生最多功率的涡轮式发电机(对于给定的来自于发动机的排气输出)。换言之，通过将质量流速设定在所准许的、而不导致涡轮式发电机中的一个(或更多个)超出其额定输出的最高水平，其它涡轮式发电机可能低于其额定输出而运行。

[0079] 本实施例意识到，通过独立地改变并联连接的涡轮式发电机中的每个的速度，可以使得其功率输出相匹配。因此，速度控制可被用于实现平衡跨越所述多个涡轮式发电机的功率输出，而入口压力和总体质量流速控制(例如经由旁通阀门)可被用于实现最大功率输出。在原理上，这能够使得所有涡轮式发电机大致在所有的时间里同时以最大功率输出运行(受限于发动机提供足够的排出气体以运行涡轮增压器和所有涡轮式发电机)。如从图7和8可见的，控制器140、240能够通过功率转换器105a、105b、105c、205a、205b、205c独立地控制转子速度，和经由阀门132、232控制总体质量流速。

[0080] 参照图9，示出了并联放置的两个涡轮式发电机的示例，其中第二涡轮式发电机(TG2)由于较高的管道损失而在其入口处具有5Kpa的减少压力。在图9的曲线图中，膨胀比沿其横坐标轴绘制，功率输出沿其纵坐标轴绘制。针对四个不同的涡轮速度中的每个，膨胀比和功率之间的关系被示出。在图9中，两个涡轮式发电机均以其“理想的”、在第3和第4发动机速度之间的、1500rpm/sqrt.K的被减小的速度运行。在不要求平衡的系统中(即，在涡轮式发电机之间不存在压力或质量流差异)，“理想的”速度可以例如是在该速度时，涡轮式发电机以其最高效率运行(选择1)，或涡轮式发电机具有最大功率输出(选择2)。在后者的情况中，可使用参照第一实施例的上述技术计算理想的速度。可替代地，理想的速度可被预设定。在本案例中，所选择的速度在图9和10中示出，即为1500rpm/sqrt.K。

[0081] 图9的曲线图示出，当两个涡轮式发电机均以该速度运行时，来自于该两个涡轮式发电机的总输出被产生60kW(最大额定)的涡轮式发电机限制为仅仅为112kW(组合质量流速为1.63kg/s)。这是基于第一涡轮式发电机以膨胀比E1运行，及第二涡轮式发电机以较低的膨胀比E2运行。引起涡轮式发电机产生不同的功率量的主要原因是穿过每个涡轮的、与对应的涡轮式发电机的膨胀比相关的不同的质量流(该原理在上文中参照图5被讨论)。其它因素包括压力比(也通过改变转子速度和通过控制旁通阀门而被影响)和效率，效率可以是转子速度和压力比的函数。输出功率和质量流速之间的关系在上文中参照公式(2)做了讨论。图10的曲线图具有沿其横坐标轴绘制的膨胀比和在其纵坐标轴上绘制的质量流速(单位为kg/s)。可以看出，基于如图9的相同的发动机速度，具有压缩比E1的第一涡轮式发动机(TG 1)具有0.84kg/s的质量流速，同时具有膨胀比E2的第二涡轮式发动机(TG2)具有0.79kg/s的质量流速。这提供了1.63kg/s的组合质量流速，导致了112kW的组合功率输出(例如基于公式(2))。与图10相似地，图11绘制了膨胀比(横坐标轴)与质量流(纵坐标轴)的对比关系。图11示出，如果第一涡轮式发电机(TG1)加速至1640rpm/sqrt.K的被减小的速度，且第二涡轮式发动机(TG2)被减慢至1400rpm/sqrt.K的被减小的速度，在该情况中，穿过每个涡轮式发电机的质量流变得更加相似，其中第一涡轮式发电机(TG1)接收0.81kg/s和第二涡轮式发电机(TG2)接收0.82kg/s。将被理解的是，总质量流(1.63kg/s)保持为相同(由于质量流、压力比和转子速度之间的复杂关系，大体上可能存在与此值之间的偏差)。如在图12(其以与图9相似的方式描述了膨胀比和功率输出之间的关系)中示出，该变化的效果是使得每个涡轮式发电机的功率输出为相似的值。在图12的情况中，总体质量流速也已被增大，以使的两个涡轮式发电机均以其最大额定功率输出60kW运行。注意到，由于TG1和TG2的运行条件的差异，为实现相匹配的功率输出，TG1和TG2的质量流可能不需要是相同的。

[0082] 参照图13，通过流程图示意性地描述了利用了上述原理的控制循环。在步骤V1时，具有最高输出的涡轮式发电机(或更一般性地，具有最接近于其最大额定功率输出的涡轮式发电机，所述最大额定功率输出在使用了具有不同的额定功率的涡轮式发电机的情况下可能是不同的)被选择。该选择是使用每个涡轮式发电机的测量到的输出功率而做出的，该测量到的输出功率来自于与每个涡轮式发电机相关联的功率转换器，并在控制器140、240处可得到。将被理解的是，在一些情况中，一个以上的涡轮式发电机可能提供相同的功率输出(或距其额定功率有相同的差距)，在该情况中，这些涡轮式发电机被选择。然后在步骤V2时，确定被选择的涡轮式发电机当前是否以其最大额定功率运行。否则，则控制循环返回至步骤V1，因为既然没有涡轮式发电机在当前是总体功率输出的限制因素，则视为无需平衡涡轮式发电机的功率输出。然而，将被理解的是，可能会使用这样的运行模式，其中，即使步骤2被回答为否，涡轮式发电机功率输出依然被平衡——例如，以使得在增加可用排出气体的情况下，排出气体可被立即输送至涡轮式发电机阵列。

[0083] 在任何情况下，返回至图13的示例，如果在步骤V2时确定，在步骤V1时被选择的一个或多个涡轮式发电机的当前功率输出处于该一个或多个涡轮式发电机的最大额定功率，则在步骤V3时确定所述一个或多个涡轮式发电机(中的至少一个)当前是否以其最大容许速度运行。否则，则在步骤V4时增大被选择的一个或多个涡轮式发电机的速度(潜在地达到其最大容许运动)。速度可以通过固定的增量增加，或可以被可变地设定，根据例如要求增加速度以均衡涡轮式发电机之间的质量流——例如使用查找表。如果在步骤V3时，确定至少一个被选择的涡轮式发电机当前以其最大容许速度运行(因此不能被加速)，则在步骤V5时，未被选择的涡轮式发电机(即，在步骤V1时被确定为不具有最高功率输出或不接近于其最大额定功率的涡轮式发电机)的速度被降低。步骤V4或V5中的任何一个将导致减少穿过被选择的涡轮式发电机的质量流速和增加穿过未被选择的涡轮式发电机的质量流速。相应地，在步骤V6时，涡轮发电机速度变化引起涡轮式发电机的功率输出变化，在涡轮式发电机之间有效地转移功率输出。由此，被选择的涡轮式发电机应低于其最大额定功率而输出功率，提供超过该输出功率的余量以接收增加的质量流。相应地，在步骤V7时，如果可能，总体质量流被增加，因此增加了由涡轮式发电机的组合产生的功率总量。控制循环然后返回至步骤V1，在这里，涡轮式发电机的新的功率输出水平被测量并被用于遍历图13的控制循环的下一次迭代。将被理解的是，以其最简单的方式，可仅仅使用功率输水平和当前涡轮速度作为输入而执行控制循环。将被理解的是，可能经常是这样的情况，增加一个或多个最高功率涡轮式发电机的速度可能不足以平衡功率输出。在该情况中，一旦控制循环已将一个或多个最高功率涡轮式发电机的速度推至最大水平(潜在地通过控制循环的多次迭代)，步骤V3将从“否”切换至“是”，然后其它涡轮式发电机将被减速。

[0084] 一旦使得所有涡轮式发电机的功率输出相匹配(一起最大的功率)，或如果没有涡轮式发电机以其最大额定功率运行，则控制循环意于稳定(即，达到这样的状态，在该状态时，其将不增加或降低任何一个涡轮式发电机的速度)。因此，当发动起起动时，旁通阀门可被关闭以驱动所有排出气体穿过涡轮式发电机阵列，控制循环可不执行任何操作(在步骤V2时终止)，直至排出气体达到这样的水平，在该水平处，涡轮式发电机中的一个达到其最大额定功率，或至少接近预定的功率输出水平(其被定义为低于涡轮式发电机的最大额定功率的某个差距)。在这个时刻，速度控制步骤V3、V4和V5将相对于其它涡轮式发电机增加最高功率涡轮式发电机的速度(使用步骤V4或V5中的任何一个)，以平衡涡轮式发电机的功率输出，以准许更多的质量流(总的)穿过涡轮式发电机，从而准许实现更高的总体功率输出。如果涡轮式发电机全部(相等地)以最大功率运行，则旁通阀门将被打开以停止质量流速变得更高而使涡轮式发电机过载。如果随后排出气体压力下降，旁通阀门将关闭以补偿并尽可能长时间地保持最大功率。

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