CN101341650A - 现场发电设备控制 - Google Patents

Abstract

现场发电设备(24)具有有选择地控制原动机(26，28，30)的运行的控制器(40)。在一个示例中，控制器(40)响应于负载(22)需求的瞬变而改变运行的原动机的数量，同时继续运行原动机中的至少一个原动机。一个示例包括基于与用于提供设施内的温度控制功能的原动机相关的热电联产单元(32，34，36)的需求优先选择用于运行的原动机(26，28，30)。另一个示例包括基于用于为原动机提供燃料的容量控制原动机的运行。

Description

现场发电设备控制

技术领域

本发明大体涉及现场发电设备(on-site power plant)。更具体地，本发明涉及控制现场发电设备的部件的运行。

背景技术

现场发电设备已为人所知。典型装置包括用于产生电力的多个原动机(prime mover)。在某些示例中，微透平作为原动机。

大多数现场发电设备提供电力至诸如建筑的设施。一些现场发电设备提供热能和电能，并且包括用于对设施进行加热或冷却的温度控制功能。这种装置通常包括基于来自微透平的排气而运行的热电联产单元(cogeneration unit)。根据对设施内的加热或冷却的需求，热电联产单元以相应的方式运行，从而根据具体系统的装置利用来自原动机的排气。

在某些情况下，现场发电设备包括若干组原动机，每组原动机与热电联产单元相关。在控制这种现场发电设备的运行中存在各种困难。

许多设备的主要考虑是避免现场发电设备产生比负载所需的电力更多的电力，以避免电力输出至与例如公用事业公司等外部电源相关的电网。如果输出至电网的电力超过可基于电力或时间的所选阈值，则安全继电器关闭现场发电设备。

例如，当负载所需的电力量存在快速的向下瞬变(down transient)时，现场发电设备可以以所需电力水平运行。为了避免将过多电力输出至电网，典型的解决方案是关闭整个现场发电设备。在这种情况下，外部电源提供电力至设施。这种解决方案具有包括潜在地使设施在某些时段没有被加热或冷却的缺点，这需要增加公用事业的需求费用。此外，在延长的时段内不提供来自现场发电设备的电力，否则与现场发电设备的目的相抵触。

现有装置的另一个问题是，提供至热电联产单元的排气流并非总是符合对设施内的加热或冷却的需要。在许多情况下，由于来自原动机的过多排气排出至大气中，故需要辅助的加热器或冷却器或者需要辅助的加热器和冷却器来维持设施内的所需温度，从而存在效率损失。存在已知的建筑管理系统，其能够确定与现场发电设备相关的热电联产单元组中的哪个热电联产单元将最适合于在设施中提供所需温度。然而，不存在利用这种信息控制现场发电设备的原动机的装置。

与已知的装置相关的另一个问题是，必须处理(例如利用增压器(booster))提供至原动机的天然气燃料。例如，存在一个或多个燃料增压器可能发生故障或由于修理或例行维护而暂时停止工作的情况。在这种情况下，由于用于提供燃料的可用容量不足以运行在这种情况下运转的原动机，故已知的装置倾向于关闭整个现场发电设备。此外，在原动机的起动期间，高的进气压力需要比正常运行更高的燃料消耗率。解决这种问题的一个尝试是，提供过量的气体增压器容量以起动原动机。这不合期望地增加了系统成本。存在改善基于燃料气体的可用性而运行原动机的控制策略的需要。

本发明解决了对改善现场发电设备的控制的需要，并且避免了上述的各种缺点。

发明内容

一种控制现场发电设备的典型方法，该现场发电设备具有用于产生电力的多个原动机，该方法包括：运行多个原动机以产生用于负载的第一电力水平。响应于负载的向下瞬变而调节原动机的运行，同时继续运行多个原动机中的至少一个原动机，以产生用于负载的第二、较低的电力水平。

通过维持原动机中的至少一个原动机运行，则所公开的示例避免响应于负载所需电力的向下瞬变而关闭整个现场发电设备——只要这种继续运行是可能的，而同时避免继电器跳闸。该示例提供了如下益处，即继续实现现场发电设备的优点，并且同时还避免以如下方式将电力输出至电网，该方式通过使逆功率保护性继电器跳闸而关闭现场发电设备。

例如，一个示例包括基于燃料气体增压器的运行状况确定为现场发电设备提供燃料的容量。然后，确定的容量用于确定如何控制原动机，例如选择用于运行的合适的原动机数量。通过响应于可用燃料容量而控制原动机中的哪个原动机运行，所公开的示例避免关闭现场发电设备，该关闭现场发电设备与不匹配的燃料消耗和燃料供应容量相关。

另一个示例包括响应于对温度控制需求的确定而优先选择将使用原动机中的哪些。在一个示例中，确定哪个热电联产单元将最好地提供所需的温度控制。然后，决定哪个原动机运行，以确保确定的热电联产单元接收用于提供所需温度控制的排气流。一个示例包括以全部容量运行至少一个原动机，以在发电和热电联产单元的运行中获得最佳的可能效率。

所公开的示例结合上述技术中的每种技术，以便来自现场发电设备的电力输出对应于负载所需的电力而不超过所需电力并且对应于可用燃料容量，所公开的示例控制原动机的运行，以便燃料消耗不超过可用容量，并且确保优先的热电联产单元接收尽可能多的原动机排气，以满足温度控制需求。

本发明的各种特征和优点将由于以下详细说明而对本领域技术人员变得明显。详细说明的附图可简要地描述如下。

附图说明

图1示意性地示出根据本发明的典型实施例的现场发电设备装置。

图2是概述一个典型控制策略的流程图。

具体实施方式

图1示意性地显示用于提供电力至诸如建筑的设施的系统20。该设施在附图中示意性地显示为电负载22和热负载23。现场发电设备24包括以已知方式布置的部件，用于产生由电负载22使用的电力并提供对热负载23的温度控制。在所示的示例中，现场发电设备24包括多个用于产生电力的原动机。在一个示例中，原动机包括微透平。

在所示的示例中，原动机成组，从而存在第一的多个原动机26、第二的多个原动机28和第三的多个原动机30。每个多个原动机均以已知方式与热电联产单元相关。热电联产单元32与多个原动机相关。另一个热电联产单元34与原动机28相关，而第三典型的热电联产单元36与原动机30相关。已知的是，热电联产单元有选择地从与其相关的原动机接收排气流。例如，来自原动机26的排气流有选择地提供至热电联产单元32，而并非提供至热电联产单元34或36。相似地，来自原动机30的排气流有选择地提供至热电联产单元36，而并非提供至热电联产单元32或34。

所示的示例包括控制原动机的运行的控制器40。典型控制器40利用关于负载22、负载23或两者的需求的各个方面的信息，用于有选择地控制现场发电设备24的原动机的运行。典型控制器40具有可单独地或共同地用于满足具体情况需要的多种性能。通过本说明书，本领域技术人员将认识到的是，典型性控制器40的哪些方面将对控制器所处的情况有用。为了描述的目的，示意性地显示了一个控制器。受益于本说明书的人员将能够选择一个或多个处理器或者设计合适的硬件、软件、固件或者它们的组合，以实现满足控制器所处的具体情况的需要的控制器。

图2包括示出了一种典型控制策略的流程图42。该流程图包括典型控制器40的各种特征。某些典型实施例不必包括由图2示意性示出的每个步骤。流程图42在44处开始，在44处控制器40确定负载22所需的电力。在图1的示例中，负载22从现场发电设备24和例如公用事业公司等外部电源46接收电力。在所示的示例中，控制器40通过传统的测量计48确定多少电力由外部电源或电网46提供至负载。由于控制器40知晓在给定时间命令多少个原动机运行，故控制器40还知晓多少电力从现场发电设备24提供至负载22。控制器根据来自合适传感器的原动机状态的指示、工程师对电力输出水平的估算或者上述两者中的至少一个来确定电力量。

在图2中，在50处，控制器40确定需要用于提供负载22所需的电力的原动机数量。在某些示例中，控制器40试图使从现场发电设备24提供至负载22的电力量最大，以及使从电网46所需的电力量最小。同时，控制器40试图避免使现场发电设备24产生不由负载22所吸收的任何过多的电力，以避免将电力输出至电网46。已知的是，公用事业公司需要防止电力从现场发电设备24输出至电网46的保护继电器。将电力输出至电网通常将导致继电器(未示出)跳闸，从而关闭现场发电设备24。在某种程度上由于复位该继电器将为耗费时间的和耗费成本的，故这种情况是不合乎期望的。控制器40监控现场发电设备24的电力输出并且有选择地控制原动机的运行，以避免这种情况。

在图2中，在52处，控制器40确定当前运行的原动机数量是否大于需要用于满足负载22所需的电力的原动机数量。如果由现场发电设备24所产生的电力量在负载22所需的电力量的范围内，则控制器40在54处继续确定是否存在足够的燃料用于运行这么多数量原动机。

如图1示意性地示出，燃料增压器装置56包括一个或多个已知的燃料增压器装置。燃料增压器装置56将诸如燃气的燃料从燃料供应58提供至现场发电设备24内的原动机。典型控制器40确定燃料增压器装置56的运行状况，以确定为原动机提供燃料的容量。在燃料增压器中的一个或多个燃料增压器发生故障或者停止工作的情况下，控制器40可重新设定待运行的原动机数量，以在可用容量内维持该原动机数量。这例如显示在图2的60处。在一个示例中，控制器40基于给定的燃料增压器容量确定多少个原动机可以以全部容量运行。然后，控制器40在确定的容量下选择可以以全部容量运行的最大的原动机数量。

另一个示例包括以基于可用的燃料增压器容量的方式控制原动机的运行。例如，微透平原动机在正常运行期间不需要与起动时一样大的压力并且不具有与起动时一样高的燃料消耗率。因此，在一个示例中，控制器40避免同时起动原动机。使原动机的起动时间错开有助于校平燃料消耗率，以将燃料消耗率保持在由燃料增压器组件56内的可用的运行的燃料增压器所提供的容量内。该典型装置的一个优点是，控制器40避免由于在给定时间用于运行所需原动机数量的燃料供应容量不足而关闭现场发电设备24。某些已知的系统倾向于当燃料供应不足以满足被认为是当前运行的原动机的需求时关闭整个系统。该示例的控制器40避免了这种情况。

即使在存在较小的进气压力的情况下，所公开的示例也允许运行现场发电设备。此外，所公开的示例减少了所需的增压器数量以及减少了对过度设计(over-design)的增压器的需要。此外，所公开的示例通过减弱气体增压器的故障或关闭将阻止现场发电设备运行的倾向来改善原动机的可用性。

典型控制器40的另一个特征是，该控制器40试图在与现场发电设备24相关的设施内提供最高的温度控制容量。在图1中，建筑管理系统62确定热电联产单元32，34或36中的哪个热电联产单元最适合于满足与热负载23相关的当前的加热或冷却需求。在一个示例中，温度控制功能用于控制建筑内的空气温度。另一个示例包括温度控制功能，用于管理现场发电设备24的热能或用于管理诸如仪表或控制器的发电设备的部件。例如，这种温度控制功能可在不存在建筑管理系统62的情况下实现，因此，在示图中示意性地分离该热负载23。存在用于确定所需温度控制功能的已知技术。典型控制器40利用这种信息设定用于运行原动机的优先级，以确保最合适的热电联产单元接收足够的排气供应，以满足加热或冷却需求。

例如，如果控制器40从建筑管理系统62接收热电联产单元34最适合于满足给定需求的信息，则控制器40将在运行原动机26或30之前优先运行原动机28，以确保热电联产单元34接收某些排气流。此外，在一个示例中，控制器40优选以全部容量运行至少一个原动机，而不是以小于全部容量的容量运行多个原动机。以全部容量运行原动机在发电中提供更高的效率。在一个示例中，这提供了其它利益，即例如提供足够的排气流至热电联产单元，以允许满足所需的温度控制需求。

在图2中，在64处，控制器40基于温度控制需求确定原动机的优先级。为了控制建筑的空气温度，控制器40从建筑管理系统62接收指令。对于其它的控制功能，控制器使用其它的合适指令。图2的示例考虑任一种情况或两种情况。控制器40首先选择最高优先级的原动机，以提供所需电力并使优先的热电联产单元能够运行。这示于图2中的66处。

所公开的示例的重要优点是，控制器40能够响应于电负载22的电力需求的瞬变而调节现场发电设备24的运行。在图2中，在68处，控制器40检测在电负载22处吸取的电力的瞬变。然后，控制器40确定电负载22由于瞬变所需的电力。在向下瞬变的情况下，控制器40确定在相比于当前运行水平较低的水平处需要多少电力。

在典型流程图42之后，在存在向下瞬变的情况下，在52处的询问结果将为太多的原动机运行用于较小的电力需求。与关闭整个现场发电设备24相反，控制器40在70处确定如何调节原动机的运行以响应减小的电力需求。在一个示例中，控制器40确定在所需电力限制内关闭当前运行的原动机中的多少个原动机。只要有可能，原动机中的至少一个原动机继续运行，以避免完全关闭现场发电设备24。

当然，当必须关闭整个发电设备以避免继电器跳闸时将出现上述情况。一个示例包括在这种情况下利用控制器40进行关闭，以避免与继电器跳闸相关的缺点。控制器启动的关闭允许更快的重新起动，并且避免关闭继电器可能对原动机的使用期限的消极影响。

在一个示例中，控制策略包括优先以全部运行容量运行任何运转的原动机。在许多情况下，控制器40关闭多个原动机，这将在来自现场发电设备24的电力输出中产生差异，该差异大于在向下瞬变之前与之后由负载22吸取的电力之间的差异。换句话说，在一个示例中，控制器40将关闭原动机，而不是以小于全部运行容量的容量继续运行该原动机，即使这将使电力输出减小至低于由于向下瞬变而所需的较低水平。在一个示例中，控制器40始终关闭足够的原动机，以便在向下瞬变之前与之后负载22的来自现场发电设备24的电力输出之间的差异至少等于在向下瞬变之前与之后由负载22吸取的电力的差异。

在一个示例中，控制器40考虑上述的燃料容量和热电联产温度控制需求选择关闭哪个原动机。图2所示的典型策略包括用于实现现场发电设备24的所需运行的控制技术的组合。

所公开的示例相比于前述装置提供了若干个优点。典型控制器40响应于具有可能的任何大小的负载需求的瞬变而使对电网的逆功率输出最小，并且不需要关闭现场发电设备24。使对电网的电力输出最小将使现场逆功率保护继电器跳闸的可能性最小，该现场逆功率保护继电器的跳闸将使现场发电设备关闭。这改善了现场发电设备的可用性，并且为设施中的用户提供更好的结果。

所公开的示例还使原动机的运行与热电联产单元的需求相匹配，以使设施内的加热或冷却效果最佳。这改善了系统的总效率，并且提高了与建筑管理系统的集成度。

虽然特征的组合示于所示的示例中，但是并非需要组合所有的特征以实现本发明的各种实施例的益处。换句话说，根据本发明实施例设计的系统将不必包括图2所示的所有步骤或者图1示意性示出的所有部分。

一个实施例使用典型技术，用于响应于向下瞬变而调节原动机运行，而不关闭整个发电设备。相同的示例不包括上述的燃料增压器容量或温度控制的监测特征。另一个示例仅包括基于燃料容量的控制技术。另一个示例结合上述三种技术中的两种技术。又一个示例仅包括用于使温度控制容量最大的控制技术。

前述描述在本质上是示例性的，而并非是限制性的。所公开的示例的变型和改进可对本领域技术人员显而易见，而不必脱离本发明的本质。本发明的法律保护范围仅由权利要求确定。

Claims (22)

1.一种控制现场发电设备的方法，所述现场发电设备具有用于产生电力的多个原动机，所述方法包括：

运行所述多个原动机以产生用于负载的第一电力水平；并且

响应于所述负载的向下瞬变而调节所述原动机的运行方式，而继续运行所述多个原动机中的至少一个原动机，以产生用于所述负载的相对较低的第二电力水平。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括

检测所述负载中的向下瞬变；

确定与所检测的向下瞬变相对应的所述负载所需电力的减小量；并且

调节所述原动机的运行方式，以便所述现场发电设备不提供比所述负载所需电力更多的电力。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法包括确定将关闭所述原动机中的多少个原动机，使得由所述现场发电设备产生的所述第一电力水平与所述第二电力水平之间的差至少为所确定的所述负载所需电力的减小量。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述原动机的每个原动机都与热电联产单元相关，所述热电联产单元利用来自所述相关原动机中的至少一个原动机的排气，以提供温度控制功能，而所述方法包括

响应于温度控制需求而确定将关闭所述原动机中的哪些。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述温度控制针对建筑内的空气温度。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法包括

确定所述热电联产单元中的哪个热电联产单元优先用于满足所述温度控制需求；并且

相对于与其它热电联产单元相关的其它原动机，以较高的优先级运行与所确定的优先的热电联产单元相关的所述原动机中的至少一个原动机。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法包括以全部容量运行所述原动机中的至少一个原动机，并且使以较小容量运行的所述原动机的数量最小。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括

基于至少一个燃料增压器的运行状况来确定提供给所述现场发电设备的燃料的容量；并且

响应于所确定的容量而有选择地运行所述原动机。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法包括

响应于所检测到的所确定容量的减小而关闭所述原动机中的至少一个原动机，而继续运行所述原动机中的至少一个其它的原动机。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括选择所述多个原动机中的哪个原动机来运行，使得由所述现场发电设备提供的电力量不超过所述负载所需的电力量。

11.一种现场发电设备，其包括：

用于产生电力的多个原动机；和

控制器，其构造成有选择地运行所述原动机以产生用于负载的第一电力水平，并响应于所述负载的向下瞬变而调节所述原动机的运行，而继续运行所述原动机中的至少一个原动机，以产生用于所述负载的较低的第二电力水平。

12.根据权利要求11所述的现场发电设备，其特征在于，所述控制器构造成

检测所述负载的向下瞬变；

确定与所检测的向下瞬变相对应的所述负载所需电力的减小量；并且

确定将关闭所述原动机中的多少个原动机，以便所述现场发电设备不提供比所述负载所需的电力更多的电力。

13.根据权利要求12所述的现场发电设备，其特征在于，所述控制器构造成以便确定将关闭所述原动机中的多少个原动机，使得由所述现场发电设备产生的所述第一电力水平与所述第二电力水平之间的差异大于或等于所确定的所述负载所需电力的减小量。

14.根据权利要求11所述的现场发电设备，其特征在于，所述现场发电设备包括多个热电联产单元，每个热电联产单元与所述原动机中的至少一个原动机相关，使得所述热电联产单元使用来自所述相关原动机的排气，以提供温度控制；并且

所述控制器构造成以便响应于温度控制需求而确定将关闭所述原动机中的哪些。

15.根据权利要求14所述的现场发电设备，其特征在于，所述温度控制针对在与所述现场发电设备相关的建筑内的空气温度。

16.根据权利要求14所述的现场发电设备，其特征在于，所述现场发电设备包括构造成以便确定所述热电联产单元中的哪个热电联产单元优先用于满足温度控制需求的装置，所述控制器与所述装置通信，所述控制器构造成，在运行与其它热电联产单元相关的其它原动机之前，基于优先运行与所确定的优先的热电联产单元相关的至少一个原动机而优先运行所述原动机。

17.根据权利要求16所述的现场发电设备，其特征在于，所述控制器使所述原动机中的至少一个原动机以全部容量运行。

18.根据权利要求11所述的现场发电设备，其特征在于，所述现场发电设备包括供应燃料至所述原动机的至少一个燃料增压器，而所述控制器构造成基于所述至少一个燃料增压器的运行状况而确定给所述现场发电设备提供燃料的容量，并且所述控制器构造成以便响应于所确定的容量而有选择地运行所述原动机。

19.根据权利要求18所述的现场发电设备，其特征在于，所述控制器构造成响应于所检测到所确定容量的减小而关闭所述原动机中的至少一个原动机，而继续运行所述原动机中的至少一个其它的原动机。

20.根据权利要求11所述的现场发电设备，其特征在于，所述控制器构造成以便确定由所述现场发电设备提供至所述负载的电力量和由在所述现场发电设备外部的其它电源提供至所述负载的电力量，并且所述控制器构造成以便选择运行所述多个原动机中的哪个原动机，使得由所述现场发电设备提供的电力量不超过所述负载所需的电力量。

21.一种现场发电设备，其包括：

用于产生电力的多个原动机；和

控制器，其构造成以便执行以下操作中的至少一个：

控制所述原动机的运行，以产生用于负载的第一电力水平，并且响应于所述负载的向下瞬变而调节所述原动机的运行，而继续运行所述原动机中的至少一个原动机，以产生用于所述负载的较低的第二电力水平；

响应于与所述现场发电设备相关的设施的温度控制需求，确定运行所述原动机中的哪些；或者

确定给所述现场发电设备提供燃料的容量，并且响应于所确定的容量而控制所述原动机的运行。

22.根据权利要求19所述的现场发电设备，其特征在于，所述控制器构造成以便控制所述原动机的运行，使得所述现场发电设备提供的电力量不超过所述负载所需的电力量。

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