CN1340895A - 发动机发电机设备 - Google Patents

Abstract

本发明可以防止由于在取消互连时需要停止发动机的运行而使操作效率降低,并使施加于发动机的起动装置上的负载被减到最小。提供系统保护器138用于在检测到系统源的故障时产生故障信号。在收到故障信号时,互连继电器135被打开,从而取消所述互连,同时,起动计时器39。所述的取消使得发动机11能够空载运行。当故障信号被保持直到经过计时器39的设置时间间隔时,发出时间到信号,从而使发动机11停止。在另一方面,当在计时器39的设置时间间隔经过之前由于消除故障原因而消除故障信号时,互连继电器135闭合,从而再次建立互连,并且计时器39被复位。

Description

发动机发电机设备

技术领域

本发明涉及发动机发电机设备和联合发电系统，尤其涉及用作私人发电机或小型联合发电设备的具有和电力系统互连的功能的发动机发电机设备，以及包括所述发动机发电机设备的联合发电系统。

技术背景

私人使用的发电机设备已经被广泛地用于停电或电源故障的紧急情况下。近来，近来，可以和电力系统互连以便改善操作效率的私人使用的联合发电设备已被广泛使用。这种联合型私人使用的发电设备包括由汽油发动机或者由气体燃料例如民用燃气为燃料的气体发动机驱动的小的发电机。

为了平稳地进行和电力系统的互连，联合型发电机设备需要满足进行互连的技术要求准则(由贸易部制订)，该准则规定技术标准，其中包括所适用的电力系统的输出范围，以及在接地故障或短路情况下的电力系统的保护。因而，当操作不满足所述准则的要求，即认为发生故障时需要取消和电力系统的互连。当操作被复位从而满足所述准则的要求时，可以重新建立和电力系统的互连。

由汽油发动机或气体发动机驱动的联合发电系统包括用于净化废气的控制器单元。更具体地说，在来自发动机的废气通路上提供有氧气浓度检测器，用于测量废气中的氧气浓度，然后利用所述氧气浓度把供给发动机的混合气体中的空气-染料比控制等于进行完全燃烧所需的理论上的空气-染料比。

当具有这种废气净化设备的联合发电系统在其操作期间遇到故障时，其便取消和电力系统的互连，并然后停止发动机，因而具有下列缺点。为了正常操作，氧气浓度检测器需要具有大约为400℃的温度。在每次重新起动发动机的操作时，需要加热，以便使氧气浓度检测器的温度从一个较低的值升高到一个使检测器起动的可操作的值。频繁的加热操作引起操作效率的降低。尤其是，在暂时取消互连而使发动机停止，而后在一个短的时间间隔内重新建立互连的情况下，操作效率被大大降低。此外，如果在每次取消互连时接通保护设施使发动机停止，则可能对起动装置或者其它元件施加不希望的负载。

发明内容

本发明是根据上述缺点提出的，因而本发明的目的在于，提供一种发动机发电机设备和联合发电系统，其可以禁止在取消互连时由于发动机的停止而引起的操作效率的降低，并减少施加于发动机起动装置上的负载。

按照本发明，提供一种发动机发电机设备，用于使由发动机驱动的发电机的输出和电力系统互连，包括：被提供在发发动机上的氧气浓度检测器，用于根据其输出控制空气染料比，用于在氧气浓度检测器处于起动状态时使发电机的输出和电力系统互连的装置，用于检测和电力系统互连中的故障的故障检测装置，用于当所述故障检测装置检测到故障时取消和电力系统的互连，并且在所述故障被除去时恢复和所述电力系统的互连的装置，以及用于当由于检测到故障使得在一个预定长度的时间内取消互连时使发动机停止的装置。

按照上述的结构，即使和电力系统的互连被取消，只要从取消到重新互连的时间间隔不大于预定长度的时间，发动机便不停止而是空载操作。可以成功地消除在每次取消互连时的发动机停止。结果，可以以较低的频率进行为起动氧气浓度检测器所需的加热，并且可以避免在发动机的起动装置上施加不需要的负载。

按照本发明的联合发电系统包括余热利用单元，用于利用由发动机发电机设备的操作而产生的余热，其中所述发动机响应从余热利用单元接收到的加热请求被起动。当发动机被来自余热利用单元的加热请求起动时，可以高效地利用在氧气浓度检测器的起动完成之前的时间间隔期间产生的余热。

附图说明

图1是说明本发明的一个实施例的发动机发电机设备的方块图；

图2是在起动时ECU的操作的流程图；

图3是在起动时逆变器控制器的操作流程图；

图4是在发生故障时ECU的操作流程图；

图5在发生故障时逆变器控制器的操作流程图；

图6是说明本发明的另一个实施例的联合发电系统的方块图；以及

图7是常规的发动机发电机设备的方块图。

实施方式

下面参照附图详细说明本发明的一个实施例。图1是发动机发电机设备的流程图。如图所示，由发动机驱动的发电机10包括发动机11和发电机12。发电机12被发动机11驱动，用于产生相应于转速的交流输出。发电机12包括和发动机11相连的转子以及绕有三相绕组的定子。三相绕组的输出端和逆变器单元13相连。逆变器单元13把发电机12的交流输出转换成和市电电源的性质相当(在电压、频率、噪声以及其它因素上)的交流，然后，把输出连接到市电系统，其每个相和系统的每个相同步。

更具体地说，逆变器单元13包括转换器131，用于把发电机12的交流输出转换成直流，逆变器电路133，用于把从逆变器131接收的直流转换成具有市电系统的频率和电压的交流，滤波器电路134，以及连接器继电器135。逆变器单元13的交流输出借助于连接器继电器135以及主开关136和市电电力系统14相连，还和家用电气负载15相连(例如在私人使用的电力系统中)。

此外，逆变器单元13包括逆变器控制器137，用于开关控制逆变器电路133的FET。逆变器控制器137被设置响应变换器电路131的输出电流Io，输出电压Vdc，以及来自系统保护器138的信号，用于控制连接器继电器135的开关动作，从而提供保护逆变器电路133的功能。

系统保护器138监视发电机12的输出端的电压和频率，如果所述电压或频率和参考值不同，或者如果电源发生故障，则向逆变器控制器137发出误差信号，这又使得断开连接器继电器135，因而释放并联操作，从而保护所述系统。可以从系统的相位跳跃判断电源的故障。此外，当逆变器的输出发生周期的相位漂移时，可以从相位漂移的程度判断故障。逆变器控制器137包括非易失存储器，例如EEPROM，用于存储故障数据和在逆变器单元13或市电电力系统14中发生故障时的(异常的)停止运行的数据。

连接器继电器135被闭合，从而连接逆变器单元135进行并联操作，当其被打开时，则断开逆变器单元13，使并联操作停止。此外，连接器继电器135作为切断器用于保护所述系统，当系统发生故障时瞬时打开。连接器继电器135的开关作用被逆变器控制器137和系统控制器138控制，其可以由微型计算机来实现。当主开关136断开时，连接器继电器135保持打开。

提供ECU38用于控制发动机11。当连接器继电器被保持打开一个预定的时间长度时，ECU38便产生一个停止信号，使发动机11停止。因而，ECU38包括非易失存储器，例如EEPROM，用于存储故障数据或者存储由故障引起的停止运行的数据，还包括显示器，例如LED，用于显示故障。

在ECU38和逆变器控制器137和系统保护器138的组合(其可以和ECU侧相对被称为逆变器侧)之间提供有通信单元139，用于传递两侧的每个状态。电源140和逆变器单元13的输出端相连，用于对发动机发电机10和逆变器单元13的驱动电源和控制电源提供功率。

发动机11由混合器33供给空气和气体燃料的混合物。在气体进入管34提供有比例阀35，其打开的程度可以决定空气-燃料比。空气和气体燃料的混合物在发动机11内燃烧，并从排气管36排出。在排气管36上提供有氧气检测器37。响应由氧气检测器37检测到的氧气的浓度，ECU38驱动比例阀35，把空气-燃料比设置为供完全燃烧的空气燃料比。在氧气检测器37被起动之前，发动机11以贫油燃烧方式被驱动，以便按照排气规定使排出的有毒物质最少。

图2和图3是在发动机发电机10起动时在发动机发电机(或ECU)控制侧和系统的逆变器控制侧的操作流程图。当主开关136被接通而由于发生故障而使发动机11的运动停止时控制作用开始。

下面参照图2说明在ECU38控制侧的控制步骤。在步S1，由在非易失存储器中存储的数据判断发动机11是否由于发动机11上的故障而停止。当发动机由于故障而停止时，在步S4所述故障在LED上被显示，以便通知用户。此时在存储器中的数据保持不变。当停止运行不是由发动机11的故障引起时，则程序进入步S2，检查停止运行是否是由逆变器单元13的故障引起的。所述检查根据在非易失存储器中存储的数据进行。

当逆变器单元13具有故障时，程序跳到步S4。当逆变器单元13没有故障时，程序执行步S3。

当判断发动机11由于发动机11或者逆变器单元13的故障而停止时，程序进入步S4，显示所述故障。然后进行步S5，检查发动机停止是否通过用户处理而解除。当停止运行由用户取消时(步S5为yes)，程序进入步S3。可以独立于主开关136提供一个开关(未示出)，用于取消由故障引起的停止运行，以便使用户不必惦记消除停止运行。

在步S3检查是否收到来自用于检测热负载的大小的控制器的加热请求，即检查是否收到起动发动机11的指令。以热水箱形式的热负载和控制器将在下面详细说明。

当收到加热请求时，程序进入步S6，检查发动机11是否有故障。如果没有，则程序进入步S7，起动通信单元139，询问逆变器控制器137关于逆变器单元13的状态。在步S8，由来自逆变器控制器137的回答检查逆变器单元13是否有故障。如果没有，则程序进入步S9，起动发动机11。当发动机11被起动时，通过通信单元139把所述起动传递给逆变器控制器137。

然后，在步S10检查氧气检测器37是否被起动。当检测器37被起动时，便通过单元139把“逆变器起动允许”的信号传递给逆变器控制器137，因而逆变器被起动并向负载供电(S11)。当在发动机11起动之后经过一个预定长度的时间时，或者当氧气检测器37的环境温度增加到一个预定值时，可以判断氧气检测器被起动。

下面参照图3说明逆变器控制器137的操作。因为主开关136已经被接通，所以在步S12由非易失存储器中的数据检查是否检测到电源故障。当检测到电源故障时，程序进入步S13进行暂停或延时。在暂停预定长度的时间之后(例如150秒)，程序进入步S14。如果没有检测到电源故障，则程序从步S12跳到步S14。

在步S13的时间延迟具有以下的优点。在发生电源故障之后，故障部位可以通过由电力公司操作的暂时重合闸进行识别。一旦电源故障发生时，在重合闸之后故障可能重复出现。如果这样，当电源故障发生在相连的主开关136时，随后的重合闸将起动发电机设备。这使得查清电源故障的原因是困难的。然而，暂停或者延时150秒便使得容易查清故障原因。

然后在步S14检查电力系统是否有故障。如果电力系统没有故障，则程序进入步S15，检查逆变器单元13现在是否有故障。如果没有故障，则程序进入步S17，起动发电机12的检查。当逆变器单元13有故障时，程序进入步S18，在存储器内存储“逆变器故障”的数据，并返回步S14。

当在步S14判断电力系统有故障时，则维持在步S14的判断直到电力系统的故障被消除。当用户消除通常的状态并且在步S5的判断是肯定的情况下，在非易失存储器中的表示逆变器单元13的故障的数据被清除。结果，逆变器故障被消除。这个关于逆变器单元13的信息被传递到ECU38侧，作为在步S7的询问的响应。

然后在步S19检查在整流之后的直流电压Vdc是否超过一个预定值(例如380V)。当电压超过预定值时，程序进入步S20，利用在步S1发出的“逆变器起动允许”信号闭合连接器继电器135，从而起动和市电系统的并联操作。

然后进入步S21，增加逆变器单元13的输出。在步S22，检查直流电压Vdc是否保持超过一个预定值(例如380V)。如果在步S22的结果是肯定的，则程序进入步S23，检查输出是否达到额定值(例如1kw)。如果输出没有达到额定值，则程序返回步S21，增加逆变器单元13的输出。当输出达到其额定值时，则判断操作正常，因而结束在起动时的逆变器故障检查程序。因为具有步S21到步S23，所以可以实现逐渐增加输出的软起动。

在另一方面，当直流电压Vdc在增加逆变器单元13的输出之后小于预定值，逆变器单元13的输出小于额定值时(在步S23是否定的)，则程序从步S23进入步S24。在步S24，检查直流电压Vdc不大于预定值的判断是否重复出现预定的次数(例如5次)。如果步S24的结果是肯定的，则判断发电机12具有故障，因而取消和市电系统的并联运行，因而停止逆变器控制处理。如果在步S24的判断结果是否定的，则程序进入步SS25，取消并联运行。在步S26提供预定长度的时间延迟(150秒)之后，程序返回步S20，重新起动并联操作。程序可以从步S26转移到步S19而不转移到步S20。

当在步S19的判断是否定的情况下，程序进入步S27，判断在一个预定长度的时间内(例如3分钟)直流电压Vdc是否小于预定值。当发电机12有故障时，在步S27的判断是肯定的，或者在步S24的判断是肯定的，程序进入步S24a。在步S24a，在非易失存储器内存储发电机12的故障，然后结束逆变器控制程序。

下面说明在起动之后没有加热请求或者发生故障的处理。图4是ECU38的处理的流程图。在步S30，检查是否收到加热请求。如果没有，则程序进入步S31，使发动机11停止。在停止发动机11之后，程序进入步S3(图2)，等待收到加热请求。当发动机11由于没有加热请求而停止时，其信息被传递到逆变器控制器13。

当收到加热请求时，程序进入步S32，检查发动机11是否有故障。当发动机11有故障时，程序进入步S33，使发动机11停止。在发动机11停止时，在步S34在非易失存储器中存储“发动机故障”的数据，然后，程序返回步S1。如果发动机11由于故障而停止，则发动机停止被传递到逆变器控制器13。

当发动机11没有故障时，程序进入步S35。在步S35，检查是否收到来自逆变器控制器137的表示逆变器单元13的故障的故障信号。当收到来自逆变器单元13的故障信号时，程序进入步S36，使发动机11停止。然后，在步S37在非易失存储器中存储“逆变器故障”的数据，并且程序返回步S1。

如果没有接收到来自逆变器单元13的故障信号，则程序进入步S38，检查是否收到来自逆变器控制器137的表示电力系统故障的信号。当没有收到电力系统故障信号时，程序进入步S30。当收到来自表示电力系统故障的信号时，程序进入步S39，使发动机11停止，并且程序返回步S3。

下面参照图5说明逆变器控制器13的处理。在步S40，检查是否收到来自ECU38的加热请求停止。当收到加热请求停止时，在步S41解除和电力系统的连接，程序返回步S12(图3)。当收到加热请求停止时，程序进入步S42，确定是否收到发动机停止的信号。当收到发动机停止的信号时，在步S43解除并联运行，程序返回步S12。如果没有收到发动机停止的信号，则在步S44检查逆变器单元13是否有故障。当逆变器单元13有故障时，程序进入步S45，解除和市电系统的连接，并且程序返回步S12。

如果逆变器单元13没有故障，则在步S46检查电力系统是否有故障。当电力系统没有故障时，程序进入步S47，检查是否建立连接或并联运行。当并联运行被建立时，程序返回步S40。

当在步S46判断电力系统有故障时，程序进入步S51，解除系统的并联操作。然后在步S52检查是否发生电源故障。当检测到电源故障时，则在步S53在非易失存储器中存储表示所述故障的数据。如果没有检测到电源故障，则程序跳过S53而进入步S54。然后，在步S54，检查在预定长度的时间内(例如5分钟)电力系统故障是否持续。如果在步S54是否定的，则程序进入步S47。当并联操作没有被建立时，程序进入步S48，检查电力系统是否有故障。当电力系统有故障时，程序返回步S40。如果没有故障，则程序进入步S49，提供预定长度的延时(例如150秒)然后进入步S50。在步S50，起动并联操作。当故障持续一个预定的长度的时间时，程序进入步S55，向ECU38发送停止发动机11的指令。然后在步S56检查电力系统是否有故障。当故障已经被消除时，程序进入步S57，提供一个预定长度的延时(例如150秒)，然后返回步S12(图3)。

下面说明按照本发明的联合发电系统，其包括利用来自发动机发电机的废气的热能的装置。图6是联合发电系统的方块图，其中和图1相同的部分用相同的标号表示。发动机11驱动发电机12，其产生热量，所述热量通过热交换被发动机11的热量回收单元16回收。热量的回收最好在包括回气管的发动机11的整个高温区域进行。因为冷却水通过沿着热量回收单元16延伸的管道18输送，所以冷却水作为介质用于把热量回收到热水存储箱17中。

热水存储箱17含有和管道18连通的输出热量交换器(下文被称为第一热交换器)20。由水源31提供给热水存储箱17的水被第一热交换器20加热而成为热水。被加热并被储存在热水存储箱17中的热水被送到热水供应单元21，被进一步利用，这是第一个热负载。在储水箱17中的第一热交换器20的上方提供有第二热交换器22。第二热交换器22和管道23连通，管道23又和作为第二热负载的加热系统24例如中央加热系统或地面加热系统相连。第二管道23形成第二热水通路，其和用于从热水存储箱17向热水供应单元21提供热水的热水通路分开。第二热水通路23和热水存储箱17进行第二热交换，因而增加了热回收的效率。

在第二热水通路23中，还提供有再加热锅炉25和三向阀26。再加热锅炉25具有泵27，用于使热水通过第二热水通路23循环。三向阀26是一个使热水流到旁路28或流到加热系统24的装置。流动的路径通过操作三向阀26进行选择。当三向阀26被转换到加热系统24时，通路被打开，通过再加热锅炉25和加热系统24从热水存储箱17和对热水存储箱17输送热水。当三向阀26转换到旁路28时，打开通过旁路28而不通过加热系统24从热水存储箱17和对热水存储箱17输送热水的通路。

在热水存储箱17中提供有温度检测器TS1，由温度检测器TS1测量的热水的温度T1的信息被发送给控制器29。温度检测器TS1可以位于在第一热交换器20的最上方和第二热交换器22的最下方之间的合适的高度上，最好在第一热交换器20和第二热交换器22之间的中间位置。很可能由于对流的影响，热水的温度在热水存储箱17的最下方较低，而在其最上方较高。因为温度检测器位于中间位置，其可以检测热水存储箱17中的温度的平均值。

响应温度信息T1，控制器29控制发动机11的起动和停止。因为温度信息T1代表来自热水供应单元21或者来自加热系统24的温度要求，前者直接从热水存储箱17汲取热水，后者通过第二热交换器22间接地汲取热水，当温度信息T1不大于参考值Tref-1时，控制器29判断要求超过，因而驱动发动机11产生热量。在另一方面，当温度信息T1高于参考值Tref-1时，控制器29判断有足够的热能被存储在热水存储箱17中，因而关断加热请求，然后停止发动机11。

温度的参考值Tref-1由热负载的大小和类型(即热水供应单元21和加热系统24的类型和容量)、发动机驱动的发电机10的热输出、热水存储箱17的容量等多个参数确定。参考值Tref-1具有滞后作用，以便确保发动机11的稳定操作，避免进行频繁的起动和停止操作。

在发动机11利用温度信息TI控制的情况下，其操作可以用于驱动发电机12产生恒定的功率输出，或者以电气负载相关的方式根据电气负载15的大小产生可变的输出。在恒功率输出方式下，作为驱动能源的发动机11被控制使得其转速恒定，因而其操作可以确保具有较高的效率，从而减少燃料消耗，并放出可接受的数量的废气。如果电量的需求超过发电机12的输出，则由市电电力系统14补充电力的不足。

在热水存储箱17中的热水的温度根据消耗的热水的数量即热能需求，以及发动机操作的发电机10的工作方式，例如恒输出方式或者电气负载相关方式而有大的改变。例如，在热水消耗低的系统中，热水的温度可以被维持在大约80℃以上，此时发电机12响应由温度检测器TS1检测到的温度而工作，由同时来自热水供应单元21和加热系统24的热量需求引起的突然的、大量的热水消耗，或者系统的起动，可以引起热水存储箱17中的热水的温度下降到和供应的冷却水的温度那样低的温度。

在热水存储箱17中的热水的参考温度利用从发动机11收集的热量很难维持的情况下，再加热锅炉25便发挥作用。热水控制器30分别向再加热锅炉25和三向阀26提供命令再加热的指令B和命令转换的指令C。热水控制器30利用较低的参考温度Tref-L被预先设置，所述参考温度低于参考温度Tref-1，因而当在热水存储箱17中的热水的温度T1降低到小于较低的参考温度Tref-L时，其接通再加热指令B和转换指令C。因为再加热指令B被接通，所以再加热锅炉25开始操作。因为转换指令C被接通，所以三向阀26将其通路转换到旁路28。因而，由再加热锅炉25加热的热水提供管道23循环，因而通过第二热交换器22增加在热水存储箱17中的热水的温度。

在温度检测器ST1的上方提供有温度检测器ST2。当温度T1低于参考温度Tref-1时，或者当由温度检测器TS2输出的温度T2不高于参考温度Tref-2(＞Tref-1)时，控制器19可以产生并向ECU38传递加热请求。

当由温度检测器TS1输出的温度T1超过大于参考温度Tref-1的参考温度Tref-3(例如70℃)时，发动机驱动的发电机10停止。此时判断在热水存储箱中存储的热能是足够的，这由温度检测器TS1输出的达到参考温度Tref-3的温度T1表示。

根据在热水存储箱17中的水温表示的热负载的大小控制发动机驱动的发电机的起动和停止操作的步骤在由本申请人提出的日本专利申请11-106296中说明了。

图7是说明本发明的主要部分的方块图。如图所示，当检测到来自电力系统的电压和频率的系统源中的故障时，系统保护器138产生故障信号。在收到故障信号之后，连接器继电器135被打开，从而取消和电力系统的互连，并同时接通计时器39。当互连被取消时，发动机11空载运行。当故障信号持续直到计时器39的设置时间到(在步S54设置为5分钟)时，发出时间到信号。在收到时间到信号之后，发动机11停止。当在设置的计时器39的持续时间到之前通过消除故障原因使故障信号被消除时，连接器继电器135闭合，从而再次建立互连，并且计时器39被复位。

如上所述，本发明的权利要求1-3限定的特征使得发动机即使在取消互连并在一个短的时间间隔内恢复的情况下也能继续运行，因而消除了施加于起动装置上的负载。此外，在发动机停止之后总是进行的用于起动氧气浓度检测器的加热操作必须以较小的频率进行，因而避免了操作效率的降低。

按照本发明的权利要求2和3限定的特征，发动机响应从余热利用装置收到的加热请求被起动，因而使得在氧气浓度检测器的起动完成之前的时间间隔期间产生的余热能够以高的效率被利用。

Claims (3)

1一种发动机发电机设备，用于使由发动机驱动的发电机的输出和电力系统互连，包括：

被提供在发发动机上的氧气浓度检测器，用于根据其输出控制空气染料比；

用于在氧气浓度检测器处于起动状态时使发电机的输出和电力系统互连的装置；

用于检测和电力系统互连中的故障的故障检测装置；

用于当所述故障检测装置检测到故障时取消和电力系统的互连，并且在所述故障被除去时恢复和所述电力系统的互连的装置；以及

用于当由于检测到故障使得在一个预定长度的时间内取消互连时使发动机停止的装置。

2一种联合发电系统，包括：

发动机发电机设备，用于使由发动机驱动的发电机的输出和电力系统互连，包括：

被提供在发发动机上的氧气浓度检测器，用于根据其输出控制空气染料比；

用于在氧气浓度检测器处于起动状态时使发电机的输出和电力系统互连的装置；

用于检测和电力系统互连中的故障的故障检测装置；

用于当所述故障检测装置检测到故障时取消和电力系统的互连，并且在所述故障被除去时恢复和所述电力系统的互连的装置；以及

用于当由于检测到故障使得在一个预定长度的时间内取消互连时使发动机停止的装置；

余热利用单元，用于利用由发动机发电机设备的操作而产生的余热，其中所述发动机响应从余热利用单元接收到的加热请求被起动。

3如权利要求2所述的联合发电系统，其中所述余热利用单元包括：热水箱，用于存储由发动机发电机设备释放出的余热加热的第一热水；

被安装在热水箱中的第一热交换器，用于产生所述第一热水；

位于所述热水箱中的第一热交换器上方的第二热交换器，用利用第一热水的热量加热所述第一热水成为比第一热水温度高的第二热水；

被提供在第一热交换器的上端和第二热交换器的下端之间附近的温度检测器；以及

被设置用于响应所述温度检测器的输出对发动机发电机设备产生并提供加热请求的控制器。

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