CN1604991A - 家用组合式热电单元 - Google Patents

Abstract

一种家用组合式热电(dchp)单元，包括：斯特林发动机(1)，用于为家庭住宅供热，同时提供电力源。在正常的工作条件下，由国家高压输电网为该dchp供应电力。当来自输电网的干线电力中断时，dchp切换到独立于输电网的模式，其中电力由dchp产生并供应给控制器(26)和水泵，以维持住宅供热的完整性；此后剩余的电力供应给了选定的家用用电设备，比如灯和电视机。本发明还公开了在缺少干线电力期间dchp的无电源启动方法，以及在缺少电力期间启动电器设备的工作电压的修正，以防止斯特林发动机停转。

Description

家用组合式热电单元

技术领域

本发明涉及一种家用组合式热电单元。

背景技术

家庭住宅的电力供应不可能总是得到保证，并且可能会因为多种多样的外部条件造成断电。家用供热器具通常需要电源，即使燃气是基本的燃料，也需要为电力控制电路、点火器等供电。因此干线电力故障会使住宅失去其主热源以及照明等等。一旦发生这样的故障，通常会给用户造成极大的不便，并且对于居住在偏僻之处的人、老人或小孩而言，这种故障可能会成为更加严重的问题。

家庭住宅用的备用发电设施的设备一般都由发动机驱动的发电机构成，在发生故障之后，需要将这种由发动机驱动的发电机接入隔离电路中。然后这些设备会向家用电路供电，直到恢复了网络供电。然后需要将这种发电机关掉、断开连接，并且重新连接上干线电源。这种设备提供了备用电力，但是在以下方面存在不足：发电机存放和/或在需要时要移动到的位置、发电机的代用燃料存放、为确保可靠性的常规维护，以及对安全切换的要求。市内的住宅无法采用这样的设施，因为市内住宅中没有空间(比如车库)可用于存放发电机。

已经开发出了结合有内部电源的家用供热系统，比如DE29706869中所公开的家用供热系统，其中有一个备用储能电池，可在受限的时间内为该供热系统提供电力。不过，长时间的断电仍然会造成热力短缺。

有许多家用光伏(photo-voltaic)系统能够提供备用电力，不过这些系统受到天气条件的影响并且需要阳光来发电。风力发电也依赖于外界条件，并且不能靠它来提供紧急备用电力。燃料电池能够提供电势备用电源，如JP4308432中所公开的，其中利用太阳能电池或燃料电池来提供备用电力，但是只能为DC系统供电。备用电源存在于任何一件设备之外，并且都不专用于供热系统。

近来，本申请的受让人提出了一种包括线性自由活塞斯特林(Stirling)发动机(LFPSE)的家用组合式热电(dchp)单元。在以下文献中，对微型热电联产系统的已经认识到的需求进行了回顾并且以斯特林发动机dchp为基础对其原理进行了介绍：“Microgen-Cogenerationfor the home”，by Dann et al，at the International Gas ResearchConference，San Diego，1998。这篇文章指出，在断电时提供备用电力是这种dchp所具备的特征。该文章还指出，但未详细解释，这种备用电力的提供涉及到很多潜在问题。

本发明尤其(但非专门)所关心的就是解决由dchp提供备用电力时涉及的潜在问题。

发明内容

根据本发明，提供了一种家用电力系统，用于满足家庭中的热力和电力的需求，该系统包括：与干线电源相连的连接部，在正常工作状况期间，该干线电源至少满足部分家用电力需求；家用组合式热电单元，具有一可燃燃料供应源，并且产生电力输出和热力输出，该热力输出至少满足了家用热力需求的一部分，该单元可在缺少干线电源的情况下进行工作；干线电力中断检测装置；以及，自动连接装置，用于在缺少干线电力的情况下，自动地将所述家用组合式热电单元的电力输出连接到选定的耗电设备，该选定的耗电设备具有比总的家用电力需求低的电力需求。

当存在干线电力时，在正常工作期间，该dchp单元通过消耗来自一可燃燃料供应源的燃料来满足至少部分热力和电力需求。当干线电力中断时，就使用同一单元和可燃燃料供应源来发电，为耗电设备供电。该dchp具有一个最大电力输出，在后一种情况下，该最大电力输出通常不足以提供足够的电力来满足通常的家庭总需求。因此，根据本发明，所产生的电力优先地用于为dchp单元的工作系统供电，以继续产生热力输出。不过，可以想见，由dchp单元在干线中断期间提供的电力水平还是足以使得选定的其它用电设备(比如一些照明装置)和基本的电气设备为用户提供一定程度的效用的。不过，为了防止从dchp单元中汲取的电力过多(例如在断电期间)，以免导致斯特林发动机停转，本发明规定了某些，但不是全部，在存在干线电力期间所需要的电力，即使在停电期间也用于为电灯或电插座供电。在一个优选实施例中，在干线供电中断期间，仅为某些家用插座供电。另选地，对于一个给定的电流需求量，还可以降低提供给这些插座的电压，以便对从dchp单元中汲取出来的总的电力进行限制。由于该备用发电不是由电池供电的，所以只要可以获得可燃燃料供应源，就可以无限期地不停发电。

但该系统在没有干线电力的情况下进行工作以致电力仅由dchp单元提供时，用户有可能会需要过量的电力负荷，这可能会破坏所述dchp单元。如果需要过量的负荷，可以简单地设置一个熔断器来切断对选定的耗电设备供电。不过，优选地，该系统还包括：电力负荷检测装置，用于检测所选定的耗电设备所需求的电力负荷；和，峰值电压降低装置，用于在所需的电力超过一阈值时，降低提供给选定设备的峰值电压。通过这种方法，用户电气设备的可感知的性能恶化(例如灯光变暗)会警告用户他正在试图汲取过量的电力。于是他就能够采取行动来降低他的电力消耗。如果不采取这样的行动，该系统优选地还包括切断装置，用于在所需求的电力持续超过一阈值一个预定时间段的时候断开所选定的耗电设备。

本发明主要是使用家用燃气供应源来驱动dchp单元，因为家用燃气供应源是最为常用的可燃燃料源。不过，也可以使用其它的可燃气体(比如LPG、LNG或沼气)或液态燃料。在具有定期补充的有限液态燃料供应源的地处偏远的家庭中，不可否认，应急发电的能力是有限的。不过，这种能力仍旧大大超出了可购买到的电池的容量。而且，在这种条件下，本发明仍然比使用单独的发电机更加可取，因为本发明避免了这样的发电机的费用以及必须手动地启动发电机的不便利性。

目前最好的选择是使用斯特林发动机作为家用组合式热电单元。斯特林发动机优选地是一线性自由活塞斯特林发动机。这种发动机表现出了多种优点。例如，它是一个密封的单元，几乎不需要维护并且能够同步工作，以提供稳定的电力输出。

可将选定的耗电设备设为与住宅中的主电路完全分离的组件(例如，应急照明电路)。不过，这造成了线路和设备的重复配备。另选地，选定的耗电设备也可以是具有多个环路的住宅中的一个环路上配备的那些设备。不过，优选地，该系统配备有在缺少干线电源的情况下有选择地断开各种耗电设备的装置。

如果干线电源中断检测装置还能够检测干线电力的主电压或频率何时处于可接受的程度之外，那么就可能实现另一种操作模式。这就使得系统可以在干线不具有适当的供电质量时，将某一设备从干线电源断开，而由dchp单元为该设备供电。这样，敏感的设备就可以得到保护，同时不太敏感的设备仍由干线供电。

在dchp单元正常工作的情况下，有时会出现高的热力需求和低电力需求的情况，该单元可以具有将过量电力输出给输电网的能力。当其与输电网断开时，这就不再可能了。因此优选地该系统配备有电力吸收装置(electrical sink)来消耗过量的电力。这种电力吸收装置优选地采用水冷电阻的形式。这样就能将过量的电力转换为热能，这些热能可以得到有效的利用，因为这原本就是高热力需求情况下的一种工作模式。

相反，如果电力需求较高，而热力需求较低，那么在正常的工作条件下，该单元能够通过输电网简单地满足这一电力需求，同时操作dchp单元来匹配所述热力需求。在与输电网独立的工作过程中，这是不可能的。因此，优选地配备一个热力吸收装置(heat sink)。这个装置优选地采用辅助风扇的形式，该风扇能够吹散从dchp单元中输出的热量。

本dchp单元工作的本质特征使得它会在发动机/发电机停机时消耗掉其一部分时间。如果在这样一种情况下失去干线供电，那么仍然能够启动dchp单元来提供热力和应急电力就成为优势了。因此，优选地该家用组合式热电单元包括：斯特林发动机，包括一用于向发动机机盖(engine head)中输入热能以驱动一往复运动部件的燃烧器，该往复运动部件通过一交流发电机产生电力输出；和，启动系统，包括用于控制所述单元的启动的控制装置、一对所述燃烧器进行点火的点火器、一脉冲发生器以及一本机受限电源，其中在所述控制装置确定所述发动机机盖已达到一阈值温度时，所述脉冲发生器为所述发电机提供一电脉冲，以使所述往复运动部件进入运动状态，所述本机受限电源用于在启动操作期间为所述控制装置、点火器和脉冲发生器供电。

以下单元构成了本发明的另一方面，它可以与本发明的第一方面结合使用或单独使用。具体来说，根据本发明的另一方面，提供了一种家用组合式热电单元，包括：斯特林发动机，包括一用于将热能输入到发动机机盖中以驱动一往复运动部件的燃烧器，该往复运动部件通过一个交流发电机产生电力输出；和，启动系统，包括用于控制所述单元启动的控制装置、一对所述燃烧器进行点火的点火器、一脉冲发生器以及一本机受限电源，其中在所述控制装置确定所述发动机机盖已达到一阈值温度时，所述脉冲发生器为所述发电机提供一个电脉冲，以使所述往复运动部件进入运动状态，所述本机受限电源用于在启动操作期间为所述控制装置、点火器和脉冲发生器供电。

所述本机受限电源优选地是一直流电源，比如电池，不过，例如，也可以是，一个或更多个电容器。仅需要这个电力源为所述控制装置、点火器和脉冲发生器供电。因此，这与现有应用完全不同，现有应用需要用电池来提供所有的备用电力。一旦斯特林发动机运转起来，就可以立即为电池充电。

根据本发明的又一方面，提供了一种家用电力系统，用于满足家庭中的热和电能需求，该系统包括：与干线电源相连的连接部，在正常工作期间，该干线电源至少满足部分家用电能需求；家用组合式热电单元，具有一可燃燃料供应源，并且按与基本上与干线电源相同的正常工作电压产生电力输出和热力输出，该热力输出至少满足了部分的家用热力需求，该单元可在缺少干线电源的情况下进行工作；检测器，用于检测干线电源中断；开关，用于接通或关闭所述家用组合式热电单元的电力输出，以便在所述检测器检测到缺少干线电源时，提供至少一部分家用电力需求；以及，单元电力限制器，其被设置成，在所述单元正在提供家用电力需求的时段期间，当家用电力需求要求的电流超过了在所述正常工作电压下从所述单元中能够汲取出来的最大电流时，将本单元输出的瞬时峰值电压控制为一小于其正常工作电压的值。

附图说明

现在将参照附图对根据本发明的系统和单元的示例进行介绍，其中：

图1是一斯特林发动机系统的示意图，显示了该系统的各种输入和输出；

图2是一现有电力系统的示意图；

图3是类似于图2的示意图，不过表示的是根据本发明的系统；以及

图4是表示独立于输电网的模块的工作过程的示意图。

具体实施方式

本dchp系统基于一个如图1所示的斯特林发动机1。该发动机优选地是一线性自由活塞斯特林发动机，其工作过程在本领域内是公知的。为了用在dchp系统中，该发动机的电输出应当是16A的单相输出。

斯特林发动机1是由从发动机燃烧器2中输出的热力进行驱动的。这个燃烧器由可燃燃气供应源3提供燃料，在阀门5的控制下，该可燃燃气供应源3与一空气源4相混合。混合气流由风扇6输送到燃烧器2。这样就以本领域公知的方式驱动斯特林发动机，以从一个线性交流发电机产生电力输出7。在冷却器8处从该斯特林发动机中抽出热量，该冷却器8实质上为一换热器，由泵9沿管线10泵入的水流经该冷却器8。流过冷却器8的水然后在换热器11中由从发动机燃烧器中排出的废气再次进行加热，所述发动机燃烧器已经对斯特林发动机的机盖进行了加热。为了对水实现再次加热，并且为了在斯特林发动机不工作时实现对水的独立加热，在换热器11中设置了一个用于对水进行加热的辅助燃烧器12。该辅助燃烧器由可燃燃气供应源3提供燃料，在阀门15的控制下，该可燃燃气供应源3与一空气源14进行混合。混合气流由风扇6吹送给所述辅助燃烧器12。

风扇6通过一个分流阀(未示出)将空气吹送给混合阀5和15，该分流阀确保为每个混合阀提供正确的气流。

在另选的设计方案中，使用了单独的风扇来为两个燃气/空气混合阀5和15吹送空气。这避免了对分流阀的需要，但是，如我们在审理中的申请GB0130380.9中所述，相对单个风扇设计方案它确实带来了相当大的重量、成本和效率恶化。

从发动机燃烧器2和辅助燃烧器12排出的废气已经在换热器11中释放出了它们所有的热量，随后沿着排气管17排出。这样，所述斯特林发动机1产生了一电力输出7和一热力输出18，该热力输出18例如可用于提供家庭热水需求或供给中央供热系统，或者以一种组合设备(“联用”锅炉)实现前述二者。

所提出的dchp系统被设计为提供高达1kW的电力(净电力)，直接输送到家用网络中，并因此与来自输电网的电力组合在一起。图2表示用于结合了一个与输电网供电并联连接的dchp单元的家用电路的最简单的连接方案。

在图2的方案中，来自输电网20的电力通过一个输电网熔断器21进入家庭住宅，并且在流经一个标准用户单元23之前先通过一个家用电表22，该标准用户单元23包含诸如隔离器、电路断路器和RCD的元件。从这里，将电力输送到家用负载23。

dchp单元25主要包括图1的斯特林设备以及一个控制板26和输电网接口27。交流发电机28是如参照产生电力输出7的斯特林发动机1所述的交流发电机，而供热部29与产生热水输出18的燃烧器2和12和换热器11相对应。如图2所示，由交流发电机28输出的电力沿着线路30提供给输电网接口27并且沿着线路31提供给了供热部29，以为这些组件提供基本的电力需求。在这种方案中，dchp单元将只在输电网供电的时候进行发电，因此它不是一个独立于输电网的系统。

在WO-A-01/69078中详细介绍了输电网接口27。这个接口位于dchp单元之内，并且该接口使得该单元在斯特林发动机的正常“软”启动和关机期间(即，在连接干线电源时)能够与输电网连接或断开连接。

所述控制板除了总体控制该单元的工作(控制送给燃烧器的燃料等)之外，还沿着线路32发送适当的信号，以适时激活接口继电器。也可以使用另选的输电网接口技术来代替继电器，比如，电子可变自耦变压器(连续可调自耦变压器)或者同步逆变器。

输电网保护控制电路26与在WO-A-02/061911中所介绍的相同，并且对输电网供电20进行监测。这个电路被示出在dchp单元之内，但也可以位于外部，或者根据本地安装条件与用户单元或电表集成在一起。当输电网的电力供应处于预定的电压和频率极限之外时，输电网保护控制电路26向控制板33发出信号，于是该控制板33在输电网接口处将本单元与输电网断开。这一断开是保护发电机和网络自身所必须的，并且合乎任何分布式发电系统的法律要求。进行断开的当前预设标准相对于正常工作标准，对于电压是-10％、+10％，对于频率是-6％、+1％。

该dchp系统是经过用户单元23与家用负载24相连接的，并且在该电路中设置了辅助熔断器和手动隔离器34，以实现本单元的安全安装与拆除。

已经根据本发明对上面所介绍的系统进行了适应性的修改，以便可以在缺少干线电力时实现供热和发电。为了切实实现这一目的，需要对该系统进行各种适应性改进，下面将参照图3对此进行介绍。

在图3所示的方案中，一旦干线供电断开，输电网保护控制电路26将继续工作，以监测干线供电，从而一旦干线供电回复到预定的标准之内，可以将其重新接入。

除此之外，如图3所示，配备了一个独立于输电网的模块35作为发动机启动设施，以使得本dchp单元25在缺少干线供电时能够重新启动。下面将对这个模块35进行更加详细的介绍。

万一干线电力发生故障的话，则从交流发电机28经过输电网接口27和独立于输电网的模块35沿着线路36向独立于输电网的供电点37或者向插座38供电。

在图3所示的方案中，独立于输电网的供电点37与一次级电路相连接，该次级电路具有在正常情况下不与主家用电路相连接的设备。这就需要设备的某些重复(应急灯等)，因为备用电路是一单独电路，并且在正常输电网连接的情况下是不进行工作的。

不过，这种方案确实提供了为用户带来一定效用的应急电路。该应急电路所可以提供的电力可达发电机容量减去单元服务设备(泵、控制电路等)所需的寄生电力(该寄生电力典型地为所产生的电力的约10-20％)，并且所安装的备用设备不能超出这一程度。在应急电路中设置了一个熔断器来强制实现这一限制，确保安全并对本系统加以保护。

在另选方案中，可以安装独立于输电网的插座38(这些插座实际上是家用负载24的一部分，只不过为了方便，在图3中将它们单独示出)。这些插座在正常情况下由输电网供电，而当干线出现故障时，由dchp单元供电。

在这种方案中，由独立于输电网的模块35提供了独立于输电网的控制，该独立于输电网的模块35可与dchp单元控制板33集成在一起。于是大量标准电源插头可用于用户选择的电源设备。从而不再需要设备的重复，因为这些插座是长期有效的，不管输电网供电存在与否。

下面将参照图4对独立于输电网的模块进行介绍。

该独立于输电网的模块35提供本dchp单元在没有外部干线供电的情况下进行工作所需的附加功能。电池、充电器或类似的电源41提供了有限容量的电源，以在独立于输电网的工作条件下实现重启(见下文)。由该电源为控制电路、点火器和火焰检测器42供电，以使燃烧器能够点着，并启动脉冲发生器43，来激发斯特林发动机的往复运动。虽然在图5中将点火器和火焰检测器42表示为独立于输电网的模块的一部分，但是它们也可以作为本dchp单元控制系统的一部分。

由交流发电机输出的电力是经输电网接口27通过独立于输电网的模块35馈出的。电压控制系统45对交流发电机电压进行连续监测并将其维持在安全操作标准以下，该电压控制系统通过电力耗散装置(powerdump)47利用波形控制技术来耗散过量的电力。该电力耗散装置47可以是气冷电阻或水冷电阻(如浸入式加热器中所用的)。因此以几毫秒的时间常数防止了过电压，保护了斯特林发动机不致受到过电压破坏。如果由于例如组件故障的作用，过电压将变得过大，则进行紧急停机，以关掉发动机。

当电流升高到一个安全阈值以上时，电流控制电路46使用阻抗转换波形控制技术来控制对dchp系统的过量电力需求。电流控制电路46防止由在工作期间施加的过量负载造成的交流发电机的停转。如果在独立于输电网的工作期间，用户接入了过多的负载，将会发生这种过量负载情况。

在正常工作条件下，随着波形的峰值电压减小，电流控制电路46允许所提供的电流以受控方式升高，以维持可接受的电力输出。如后面所述，这提供了一个安全过电流报警容限。此外，还以发光或发声的报警器48的形式提供了另外的过电流报警，该报警器既可安装在本单元的外部上，亦可安装在室内的一个适当的可见位置上。

该电流控制电路能够改变电流/电压比(保持功率恒定)，以提供某些家用电器(例如，电视机、计算机显示器、电动机)所要求的启动电流。

这种高电流只能持续提供一个短暂时期，此后，如果电流仍然较高，输出将会断开。低电压下的高电流还确保了系统在需要的时候可以断开熔断器。

一个另选方案结合了一个与家用负载电路串联安装的附加可变电阻。其作用是增大负载电路的阻抗、降低电压。

用在自动电压控制和电流控制中的波形控制技术通过从输入电力中提取电流并对电力进行重构以形成一个所需电压电平的输出波形。于是所输出的电流就是所驱动装置的阻抗的函数，在自动电压控制的情况下，这个阻抗是耗散电阻(dump resistance)，而在电流控制的情况下，这个阻抗是用户负载阻抗。这样，有目的地使波形控制的主要功能为，使用一个预先编程的控制算法来改变输出电压幅度，以实现两种控制功能：输入电压控制或输出电流控制。

与传统的逆变器技术相比，该波形控制技术实现了对波形的高度控制和调整。

发动机无电源启动过程

用于dchp单元的仅当经济上有利时发电的控制策略，要求在斯特林发动机关闭的情况下，不可避免地消耗一部分时间。发动机通常使用的启动过程(软启动)是使用来自干线供电的电压脉冲来启动往复运动过程。在某些时候，很可能需要发动机在没有输电网供电的帮助下进行启动。

为了这个目的，自激dchp单元包括一个小的电池(下面将对此进行介绍)，以实现这种无助启动。只要dchp单元一发电，该电池就可以从本单元的电力输出中再次进行充电。该电池实际上并不用于提供备用电力，因此其尺寸可保持为最小。通常最好使用小型可重复充电型的电池(例如铅酸、镍镉或金属镍卤类的电池)，不过任何可充电的电池种类都可使用。任何其它可选种类的有限容量电能存储装置，例如使用了电容的装置，都可以采用。由于其尺寸很小，该电池可以是一个具有最小成本的用完即弃产品。除了需要这一可由电池实现的启动电源之外，本dchp单元不需要额外的电源，并且能够完全独立地无限期工作。

在干线供电故障的情况下，所述启动是一个4个步骤的过程：(1)隔离家用电路(由输电网隔离电路39实现)，以满足网络安全的要求；(2)加热器机盖燃烧器2点火；(3)当所记录的加热器机盖温度达到了一个目标温度(例如，220℃)时，备用电池提供一个DC方波电压脉冲，以使交流发电机运动，并因此启动发动机的往复运动；(4)随着加热器机盖温度的升高，电力输出增大，以匹配备用电力需求(在最大加热器机盖工作温度下，最大电力输出约为1.1kW)。

过电流报警

如果在缺少干线电力期间，电气设备的电力需求超出了斯特林发动机的能力，可能会对其造成损坏。可以对与本独立电路连接的设备加以限制来避免这种情况的发生。不过，如果未连接的插座38是可为用户所用的，那么电力需求量的控制权就落在用户的手中了。因此，在备用电路中存在某种形式的电气过电流装置以避免使斯特林发动机过载是很重要的。

这可以是一个瞬时熔断/跳闸装置，它用于一旦超过了极限就断开电力供应(例如，当另外一件设备接电时)。这将导致完全断电，并且，在涉及到应急设备的情况下，会造成不便。用户对各件设备的电力消耗的了解虽然在这方面很有用，但是却不能依靠这种了解来将电路的需求量维持在断电阈值以下。

因此可以提供一种另选的方案，其中用户具有一个“高电流”报警时段。这将在下面进行介绍，并且允许电流升高到标称最大值以上约10％。在这个过电流时段期间，电压将按比例降低，以将功率维持在发电机的极限以内。这将导致在该独立于输电网的电路中安装的设备的性能略微恶化。这种恶化将会是用户可察觉的，并因此起到了警告将要超出极限的作用。另外还有一个具有发光或发声的报警器48的形式的过电流指示器。不过，所允许的电压降低会预设成这样一种程度：不会对敏感于输入电压的设备(VCR器材、医用泵等)造成损坏。

提供这种“高电流”报警的功能是由图5中的电流控制电路46实现的。当出现过度电流需求时，电流控制电路46通过利用阻抗变换器功能降低峰值输出电压，以减小电压波形的幅度。另选地，由该电流控制电路46控制着一个与家用负载电路串联安装的可变电阻，以增大负载的阻抗。这以受控的方式降低了跨越负载的电压，并使得电流能够升高以满足负载的要求，同时将输出功率保持在安全工作的程度上。

由于对其它家用电路的供电的亏缺，用户将会意识到这些电路正处于独立于输电网的状态下，并且能够将过电流效应或其它报警理解为需要限制安装在独立于输电网的电路中的设备。如果用户对过电流征兆没有作出相应的反应，将会导致在最终超过极限的时候完全断电，因此导致了独立于输电网的电力需求量的强制降低。输送给dchp单元服务装置的电力将仍然继续，尽管断开了其余的独立于输电网的电路。因此仍然能够对住宅供热，即使当断电的时候也如此。只要需求量得到了降低(例如，通过从电路中拔下设备)，切断状态将会得到重置，并且独立于输电网的电路的电力供应将会恢复。

因干线电力质量低下造成的与输电网断开

除了发生在干线供电故障的时候之外，与输电网的断开还将发生在由于供电困难改变了供电的质量造成干线供电处于预定极限之外的情况下。差的电力质量可能对其供电的家用设备造成不良的影响，dchp单元25能够提供一个替代电源：使得用户能够保护敏感设备免受任何供电波动的影响。因此，断开连接并不是必然意味着干线供电已经发生故障，而是仅仅意味着干线电源没有处于规定的限度之内，这种限度表示具有可接受质量的电力供应。在这种情形下，由dchp单元产生的电力将供应给独立于输电网的电路，而干线将继续为住宅中的其它部分供电，直到干线供电恢复到可接受的质量水平。

热/电负载匹配

当dchp单元25是与干线供电并行工作的，该单元将会把所产生的过量电力输送给输电网，并进行满足家庭供热需求的操作。只要供热需求足够大，发动机将会以最大能力进行发电，并且燃烧器将被调节，以使其以可能实现的最经济方式与需求量相匹配。这样就将不需要去消耗电力，因为使用了输电网作为电力耗散器，提供了一种无源形式的电压控制。采用这种方法，对干线连接单元的控制能够变得相对简单。另选地，在电力需求量较高时，供热量可能较低。当连接着输电网时，dchp单元可以满足供热需求，同时从输电网中引入额外的电力来满足家庭需要。

当干线电源失效时，dchp单元的工作模式将由家庭供电和供热需求来决定。在存在供热需求的时候，斯特林发动机必须进行工作，以产生充足的电力(约200W)输送给单元服务设备(控制电路、泵等等)。在斯特林发动机燃烧器以最小输出设定值输出时，它将产生超出上述电力的过量电力，从而如果对这些额外电力没有本地需求，就需要将这些电力耗散掉。在不与输电网相连接的情况下，这种电力耗散必须在家庭本地进行。

电力耗散方案：

为了使得本单元能够在对所产生的电力的需求有限的情况下进行工作，可以将电力输送给一个置于输送给家用热水系统的冷水中的水冷电阻。这起到了浸入式加热器的作用，它根据与传统的电热水装置相同的方式将过量的电力转换为热量。当家庭中已经有了浸入式热水器时，可以将其用作另选的/附加的热消耗装置。另选地，独立于输电网的模块可以结合风冷电阻来消散过量电力。

热耗散方案：

由于如果对多余的热量没有一定的需求量的话，斯特林发动机将无法工作，所以独立于输电网的工作需要对过量的热量加以利用。家用供热系统的散热器的热容量可以用于对所产生的热量进行吸收，不过在散热器关闭并且不需要热水的情况下，水温将逐渐升高。由于斯特林发动机的性能依赖于低的冷却器温度，因此该性能将会很快开始下降。当系统水温变得过高时，可利用来自分流阀的辅助气流提供额外的空气冷却。

输电网重接

当输电网保护控制电路26检测到干线电源恢复正常时，本单元将暂时停机。这一停机是必须进行的，因为dchp单元在与输电网供电断开连接时，是以其自身的固有频率进行工作的。这个频率或多或少地不同于正常的输电网频率，并且在独立于输电网的工作的时段之后二者是不同步的。首先进行停机，随后在输电网隔离模块39中进行了重连接之后，进行重启。为了进行重启，可遵循正常的输电网启动过程，其利用得自输电网的电压脉冲来启动往复运动，从而dchp单元能够恢复其与输电网并行的工作。

当前法律要求规定，只有在持续三分钟的时间段内监测到输电网供电处于预定的限度之内时，才能重新接入输电网供电。因此直到满足这一条件之前，不能使斯特林发动机停机。这确保了可能正在为主要的家用设备送电的独立于输电网的电路的停止时间不会长于确保安全重连接所必须的时间。一旦持续三分钟监测到输电网供电处于输电网保护限度之内，则重连接过程为：

1、停止斯特林发动机燃烧器；

2、在输电网接口27处断开dchp单元25与独立于输电网的电路的连接-对应于输电网的电路停止工作；

3、在输电网隔离模块39处重新接入输电网供电-独立于输电网的电路由干线电力供电；

4、等待发动机1停转，一般此时加热器机盖温度会降到200℃以下，要经过大约10分钟；

5、在输电网接口27处将dchp单元重新与输电网连接；

6、重新启动斯特林发动机燃烧器2；

7、等待加热器机盖温度升到220℃；

8、发送重启脉冲来启动斯特林发动机的往复运动。

这一停机不会为用户带来不便，因为主家用电路将再次处于工作状态，并且独立于输电网的电路仅仅会在上述步骤2和3之间暂时失去电力。在这一重连接时段期间，如果仍然存在对供热的需求，辅助燃烧器12将会继续工作。由于单元服务装置从独立于输电网的电路接收电力，所以泵等将在重新连接的干线电力的驱动下继续工作，并因此防止了加热系统内的过热。

也可以使用一种另选方案，其中使用了一个基于电阻的输电网接口电路(如用于输电网接口27的接口电路)来实现输电网供电的重新接入，且无需发动机停机，该基于电阻的输电网接口电路在WO-A-01/69078中进行了介绍。利用该输电网接口电路的“先通后断”继电器触点装置，确保了在独立于输电网的电路中发生平稳的再同步。

另一种另选方案是利用一个输电网隔离点39处的同步电路。这个电路监测并比较干线和dchp供电的电压波形。一旦监测到它们实现了同步，就进行连接。

Claims (17)

1、一种家用电力系统，用于满足家庭中的热力和电力需求，该系统包括：与干线电源相连接的连接部，在正常工作状态期间，该干线电源满足至少部分的家庭电力需求；家用组合式热电单元，该单元具有一可燃燃料供应源，并且产生电力输出和热力输出，该热力输出满足了至少部分的家庭热力需求，该单元在缺少干线电源的情况下可进行工作；用于检测干线电源中断的装置；和用于自动连接的装置，该装置在缺少干线电力的情况下，自动地将所述家用组合式热电单元的电力输出与选定的耗电设备连接起来，所述选定的耗电设备具有比总的家庭电力需求低的电力需求。

2、根据权利要求1所述的系统，其中所述家用组合式热电单元包括：斯特林发动机，该发动机包括燃烧器，用于向该发动机的机盖中输入热能，以驱动往复运动部件，该往复运动部件通过一个交流发电机产生电输出；和启动系统，该启动系统包括用于控制所述单元启动的控制装置、对所述燃烧器进行点火的点火器、脉冲发生器以及本机受限电源，其中在所述控制装置确定所述发动机机盖已达到一个阈值温度时，所述脉冲发生器为所述发电机提供一个电脉冲，以使所述往复运动部件进入运动状态，并且所述本机受限电源在启动操作期间为所述控制装置、点火器和脉冲发生器供电。

3、根据权利要求1或2所述的系统，还包括电力输出限制器，该限制器设置为，在缺少干线电力期间，将所述家用组合式热电单元的电力输出限制为一个等于或小于其预定最大可用电力输出的值。

4、根据权利要求3所述的系统，其中所述电力输出限制器是一控制器，该控制器设置为，在缺少干线电力期间，当由负载汲取的电流超过了最大电流时，将瞬时峰值电压控制为一个小于正常工作电压的值，其中所述最大电流是指，在所述家用组合式热电单元提供所述正常工作电压的情况下，从其中能够汲取出来的最大电流。

5、根据权利要求4所述的系统，其中所述控制器是一阻抗变换波形控制器。

6、根据权利要求4或5所述的系统，还包括一定时器，该定时器设置为，确定由所述负载汲取的电流超过在所述正常工作RMS电压下所能够汲取的所述最大电流的持续时间量，当所确定的时间超过一个预定阈值时，使所述家用组合式热电单元的电力输出与所述选定的耗电设备隔离。

7、根据前述任何一项权利要求所述的系统，其中，所述可燃燃料供应源是家用燃气供应源。

8、根据前述任何一项权利要求所述的系统，其中，家用组合式热电单元包括一个斯特林发动机。

9、根据权利要求8所述的系统，其中，所述斯特林发动机是一个线性自由活塞斯特林发动机。

10、根据前述任何一项权利要求所述的系统，其中所述选定的耗电设备是与家庭住宅中通常被供电的设备完全分离的组件。

11、根据权利要求1到9中任何一项所述的系统，其中，所述选定的耗电设备是家庭住宅中通常被供电的设备的一个子集，并且其中，所述系统配备有在缺少干线电力的情况下，选择性地断开各种不同耗电设备的装置。

12、根据前述任何一项权利要求所述的系统，其中所述检测干线电源中断的装置还能够检测何时干线电源的主电压或频率处于可接受的程度之外。

13、根据前述任何一项权利要求所述的系统，还包括电力吸收装置，用于消耗过量的电力。

14、根据权利要求13所述的系统，其中，所述电力吸收装置是以气冷或水冷电阻的形式实现的。

15、根据前述任何一项权利要求所述的系统，还包括热力吸收装置，用于消耗过量的热力。

16、根据权利要求15所述的系统，其中，所述热力吸收装置是一辅助气流，该气流能够消散所述家用组合式热电单元输出的热力。

17、根据权利要求15所述的系统，其中，所述热力吸收装置是家用中央供热系统的散热器。

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