CN1808316A - 模块化能量产生系统 - Google Patents

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Abstract

系统(1)包含主组合产生模块(10)，其可被供给以燃料流(11)，并可产生电能量和优选地为水的至少第一热流体的流的形式的热能量。所述主模块(10)具有电输出端或节点(15)，电输出端或节点(15)可直接连接到电用户设备(16)以及通过受控开关装置(18)还可并联地与外部电产生和配电网络(17)连接。所述系统(1)还包含：辅助产生模块(12)，它可被供给以由于所述主模块(10)生产的热能量，且可提供至少一个第二冷流体的流形式的较低温度的热能量；以及监督与控制部件(13，14；40)，其被设置成根据预定的程序控制所述主模块(10)和所述辅助模块(12)的操作。

Description

模块化能量产生系统
技术领域
本发明涉及模块化能量产生系统。更具体地说，本发明涉及创新的三重产生系统，也就是能生产电能量和热能量的系统，后者以两种可用的形式，也就是例如用于加热和/或用于服务的高温可用能量，以及例如用于环境调节和/或服务的低温可用能量。
发明内容
根据本发明的模块化能量产生系统基本上包含：
主组合产生模块，其可被供给以燃料流并产生电能量和至少一个第一热流体(优选地是水)的流形式的热能量，主模块具有电输出端或节点，电输出端或节点可直接连接到电用户设备，且还可通过受控开关装置与外部电能量产生和配电网络并联地连接；
辅助产生模块，其可被供给以由主模块生产的热能量，且可提供至少一个第二冷流体的流形式的较低温度的热能量；以及
监督与控制部件，被设置成根据预定的程序控制主模块和辅助模块的操作；
主组合产生模块包含：
-电能量产生器单元，其包括被供给以燃料且被耦合到旋转式交流电(优选地是三相)发电机的内燃引擎(内燃机)；
-电子转换器单元，其包括：连接到发电机输出的ac/dc转换器，优选地具有带零线的三相输出并且通过dc线路连接到ac/dc转换器的输出且连接到主模块的电输出端或节点的dc/ac转换器，以及使dc/dc转换器可允许电能量从存储模块流到dc线路且反之亦然的方式、通过双向dc/dc转换器耦合到dc线路的电能量存储模块；以及
-热交换模块，其连接到内燃引擎且可回收该引擎产生的部分热量，将该热量传递到至少一个第一流体，热交换模块具有控制电磁阀部件，控制电磁阀部件适于使内燃引擎产生的热量的回收程度能够变化；
辅助产生模块包含热泵，热泵被用来接收来自热交换模块或来自内燃引擎的热液体的流，且可输出相对较低温度的至少一个第二流体的流；
监督与控制部件被设置成用于：
-通过以使内燃引擎以预定的输出操作的方式，控制转速和该引擎的燃料注入，从而调整主模块产生的电功率；
-通过根据预定的程序控制转速和内燃引擎输送的扭矩以及驱动控制电磁阀部件，从而调整主模块产生的电功率与热功率之间的比；
-以主模块与配电网络断开的模式或连接到配电网络的模式根据预定的程序控制主模块的操作，以及不中断向电用户设备的能量供应而控制从上述的一种操作模式向另一种操作模式的自动改变；
-当主模块连接到所述网络时，调整主模块的输出电压和功率因数，以及补偿被电用户设备所吸收的电流的正弦波形的任何偏差；以及
-在能量生产生器单元不工作时，检测电网服务中断的情况，以及用存储模块传送的电能量保证向至少部分电用户设备的最小时间段的连续的电供应，所述最小时间段足够使电产生器单元变得能够运行。
附图说明
参考附图，从下面纯粹通过非限定实例给出的详细描述，本发明的另外的特征和优点将变清晰。
图1是示出根据本发明的模块化能量产生系统的大体构造的框图；
图2是更详细地示出根据本发明的系统的结构的框图；
图3是示出根据本发明的产生系统的变体的部分结构的框图；
图4是示出根据本发明的模块化能量产生系统中所包括的热交换模块的实施例的局部框图。
具体实施方式
在图1和图2中，一般用1表示根据本发明的模块化能量产生系统或多重产生器。
如将从以下描述中将变得更清晰的，系统或多重产生器1允许几种能量载体的组合生产。更具体地说，系统或多重产生器允许电能量和热或冷的热能量的生产，具有以下性能：
-在标称功率的30％到大于100％(对瞬变周期)的非常宽的范围内调整输送的功率，而保持所使用燃料的初始能量的转换效率几乎恒定；
-调节所产生的电功率与热功率之间的比；
-跟随或满足可变的电和/或热功率需要；
-向连接到或未连接到电能量产生/配电网络的电用户设备供电；
-对于连接到网络的电用户设备，多重产生器系统即使在通过该网络的能量供应服务中断的情况下也能使用户的能量需要得以维持而不中断；
-对于连接到产生/配电网络的电用户设备的供电，衰减来自网络和/或被输入到网络的电服务质量的干扰。
参考图1和图2，模块化系统或多重产生器1基本上包含主组合产生模块10，主组合产生模块10可被供给以燃料流11，并可产生电能量以及至少第一热流体(优选地是水或者可能是空气)的流形式的热能量。
在操作上，可以向与主组合产生模块10关联的辅助的、三重产生模块12提供由主模块10生产的热能量，以及可提供至少一个第二冷流体(例如水或者可能是空气)的流形式的较低温度的热能量。
在图1和图2中用13表示的监督与控制模块被设置成根据预定的程序控制主模块10和关联的辅助模块12的操作。本地监督与控制模块13可又被连接到远程控制单元14。在这种情形下，本地监督与控制模块13和远程控制单元14可被设置成以自动启动介入和维护程序来实现远程控制程序，执行例如监控操作参数的功能，以适应本地能量需要的变化以及可选择地依赖能量价格、多时间表费率、诊断和可能的预测的改变来实时地调度生产、生产控制等。
远程控制单元14可被选择地连接到根据本发明的多个模块化产生系统或多重产生器，然后，可被有利地设置成用于协同地控制多重产生器或多个系统的操作，即使它们被安装在不同的地点。
参考图2，主组合产生模块10具有电输出端或节点15，其可被直接连接到一般地用16表示的电用户设备，且其还可以通过已知类型的受控开关装置18并联地与外部电能量产生/配电网络17连接。这种开关装置可以是机电型或固态型。另一个类似的开关装置18’可被插入在输出节点15与电用户设备16之间。
具体如图2所示，主组合产生模块10包含有包括内燃引擎20的电能量产生器单元19，内燃引擎20被供给以燃料11并被连接到用21表示的旋转式交流电(优选的为三相)发电机。
与内燃引擎20关联的电子控制单元(ECU)22。
旋转式发电机21例如是异步三相发电机。
传统的电力启动机(未示出)可与内燃引擎20相联。或者，发电机21可以是可逆电机，其可作为发电机和电动机运行，并且在电动机操作模式下可被用于启动关联的内燃引擎20。
一般地用23表示的电子转换单元被连接到旋转式发电机21的输出。该单元包含连接到发电机21的输出的ac/dc转换器24和通过dc线路26连接到转换器24的输出的dc/ac转换器或逆变器25。
dc/ac转换器25优选的具有带零线的三相输出，且被连接到输出端或节点15。
主组合产生模块10还包含热交换模块28(图2和图4)，热交换模块28连接到内燃引擎20，且可回收由该机在操作中产生的部分热量，将该热量传递到流体，该流体如已经陈述的有利地是水或可能是空气。
参考图4的示意图，模块28可包含液体/液体或液体/空气热量交换器，用于将输入线路28a中流动的流体(例如，引擎20的冷却水)中回收的热量传递到在输出线路28b中流动的流体中。
有利地，输入线路28a包含被设置成用于与输出线路28b进行热交换的管道28c和旁通管道28d，旁通管道28d被设置成不与输出管道进行交换，而是在适当或必要的时候使输入线路28a中流动的流体所传送的至少部分热量得以消散。在旁通管道28d中插入至少一个调整电磁阀29，旁通管道28d在液压上与管道28c并联，使通过旁通管道的引擎20的冷却液体的流速能够从0到预定的最大值之间变化。
模块28还可包含气体/液体或气体/空气热量交换器，用于将从引擎20的废气中回收的热量传递到在输出线路28b中流动的流体中，该废气在模块28的另一个输入线路28e的管道中流动。
有利地，输入线路28e包含被设置成用于与输出线路28b进行热交换的管道28f和旁通管道28g，旁通管道28g被设置成不与输出管道28b进行交换，而是在适当或必要的时候使在线路28e中流动的气体所传送的至少部分热量能够通过将它直接发送到烟道得以消散。在旁通管道28g中插入至少一个调整电磁阀29’，旁通管道28g在液压上与管道28f并联，使通过旁通管道的引擎的废气的流速能够从0到预定的最大值之间变化。
参考图2，辅助产生模块12包含用于接收来自热交换模块28的或甚至直接来自内燃引擎20的热流体的流的热泵30，以及其可输出相对较低温度的诸如水或可能是空气的流体的流且这能被用于环境调节和/或用于其它服务或用途。热泵30例如是化学型的特别是带有干燥液体的类型。
辅助产生模块12还可包含已知类型的热能量累积器31。
仍然参考图2，电能量存储模块32通过双向dc/dc转换器33连接到电子转换器单元23的dc线路26。转换器33可允许电能量从存储模块32流向dc线路26，且反之亦然。
主组合产生模块10包含有包括例如微处理器的电子控制单元40。该单元40连接到开关装置18和18’的控制输入，连接到用于检测开关装置18和18’上游的网络电压和电流的装置35，连接到转换器24、25和33，连接到内燃引擎20的控制单元22，以及连到热交换模块28的电磁阀29和29’。
主组合产生模块10的控制单元40还被连接到监督与控制模块13并被设置成用于和监督与控制模块13对话，监督与控制模块13又被连接到并被设置成用于控制辅助产生模块12。
在主组合产生模块10的变体中，到少一个另外的直流电压产生器(如普通的光生伏达电池)的输出被连接到dc线路26。附图的图3示出了这样一个变体，其中光生伏达电压产生器36和燃料电池产生器37被连接到dc线路26。在这种类型的实施例中，控制单元40能够通过例如根据公知的CAN协议的通信总线39的操作，可与和内燃引擎20关联的控制单元22以及与另外的产生器36和37对话。
既然已经描述了根据本发明的模块化能量产生系统的构造，将具体关于主组合产生模块10来描述它们的操作程序和策略。
主组合产生模块10的操作被有利地设置为三个层次的控制级别：
-级别1，或系统控制：该级别总体上涉及主模块10的控制和作为与外部世界接口的操作；它根据需要控制向用户的产生服务，与控制网络17的公用程序(utility)的中央远程控制系统通信，以及选择地控制不同模块化系统或多重产生器的多个主组合产生模块和用于与电网接口的各个装置；
-级别2或本地产生控制：该级别涉及电部分的电子转换器单元23的控制，以及热部分的热交换模块28的控制；以及
-级别3或产生装置的点态控制：该级别涉及电动机-发电机单元20-21的直接控制，以及电能量存储模块32的电池的控制。
控制级别1，也就是系统控制，可通过功能软件或有限状态机实现。该控制模块的策略提供根据网络17的经济和电负载情况以及用户的本地需求的热和/或电能量的生产。
涉及能量生产的时间计划可以在对用户需要和市场费率变化的统计预测的基础上进行计算。
根据有效的费率以及根据用户的电需要，可能的是提供以使成本函数最小化为目标的策略，成本函数依赖于电能量资费也依赖于模块化组合产生系统的生产线的效率。
控制级别2的策略涉及产生控制。由控制单元40管理控制电产生的逻辑。
更具体地说，该单元可被设置成以使内燃引擎按预定的输出操作的方式、通过控制内燃引擎20的燃料的注入(电子的)和转速，来调整由主模块10产生的电功率，预定的输出可以是恒定的输出或依赖于使排放最小化或依赖于热能量需要的可变的受控输出。
控制单元40还可被设置成根据预定的程序，通过控制内燃引擎20输送的扭矩和转速以及驱动与热交换模块28的管道或旁通管道关联的一个或多个电磁阀，来调整主模块10产生的热功率与电功率之间的比。所产生的热功率与电功率之间的比因此几乎可自由地变化，这对于传统的产生系统是不可能的。
控制单元40还可被设置成使得对于给定的电功率需要，通过调节输送的扭矩和引擎20的转速，使该引擎在操作点操作，该操作点一方面满足电功率需要，另一方面在电效率与使排放最小化之间达到最佳的折衷。
控制单元40还可能被设置成以与网络17断开的模式或连接到网络17的模式，根据预定的程序控制主组合产生模块10的操作，并控制从上述两种操作模式的一种到另一种的自动改变。
控制单元40的另外的任务在于，当主组合产生模块10连接到网络17时调整该模块10的输出的电量，以及补偿由电用户设备16吸收的或者输入到配电网络的电流的正弦波形的任何偏差。
控制单元40还可被设置成在能量产生器单元1不启动时，检测电网17的服务中断的情况，然后，用存储模块32提供的电能量，保证向用户设备16或者至少部分用户设备16最小时间段的连续的电供应，也就是说，提供足够使包含引擎20和旋转式发电机21的电产生器单元变得能运行的最小时间段。与传统的解决方案(其提供UPS-不间断电源与电产生单元的组合)相比，根据本发明的系统的优势在于具有实质上无限的自主性以及尺寸和重量减小到十倍的存储系统。
根据本发明的系统可从与网络17并联的操作变化到“孤岛(island)”操作且反之亦然，也就是与网络分离的并且单独地连接到按优先顺序排列的负载16的操作，而不会导致任何类型的服务中断，使自身与网络17适当地同步。这些功能通过与负载并联的根据本发明的系统的连接来执行，然而，在常规的系统中，应急设备与负载是串联的。根据本发明的解决方案消除了来自网络的增补能量中的损失，以及在产生故障时对用于旁路系统的装置的需求。
控制单元40还可被设置成实现有源滤波功能：将开关装置18关闭，逆变器25持久地与网络17和用户设备16并联地连接。在这种操作模式下，控制单元40设置以对由非线性负载产生的电流的变形进行自动补偿，以使从网络17一侧所看的节点15的电流具有尽可能接近于正弦波的波形。通过对输出电压和电流的电子监控进行滤波，且因此可以不需要调谐而校正任何谐波，如同是常规滤波器的情形。
控制单元40还可被设置成通过连续分析输出电压值以及根据需要从用作缓冲器的电能量存储模块32汲取能量，实现消除或“平滑”电压“洞”的功能。
主组合产生模块10还可被用作电感性和电容性的无功能量产生器，实时跟踪网络17的负载情况并连续调整，适当地对所提供的电压和电流的相位进行移相。这允许改进对线路和网络变换器的利用(也就是，减少给定负载的损失)，并提高大的可变负载的功率因数。
控制级别3提供策略的实现，其在这种情形下还是由主组合产生模块10的控制单元40来实现。这些策略基本上涉及引擎-发电机单元20-21的启动，与三相网络17并联的有功功率产生器单元的控制，以及自主能量产生的控制。
如需要由用户启动主组合产生模块。启动操作可以通过与内燃引擎20关联的电力起动机或通过发电机21来执行，如果发电机21是可逆电机的形式的话，且假设在转换单元23的端子可获得充足的功率能量。
依赖负载的需要通过dc线路26将功率转换为直流，对与网络17并联起作用的作为受控功率产生器的主组合产生模块10进行控制。与传统的产生系统相比，通过共享根据策略所提供的功率需要，进行向负载的电供应，该策略在负载情况(例如，快速变化或者功率需要超过主产生器的容量)的基础上或者在经济准则或策略(对于来自控制级别1的信息)的基础上进行了优化。
电能量存储模块32保证在引擎-发电机20-21起动阶段和不可避免的负载瞬变过程中的能量流的连续性。
系统还可在非平衡负载下运行。
当模块10作为自主能量产生器操作时，开关装置18打开且转换器单元23的输出代表对电用户16的电压源。随着负载变化，控制单元40以例如在输出节点15维持具有规定容许量(也就是用户设备16可允许的容许量)的限度内的有效值和频率的对称的三正弦电压组的方式驱动转换单元23。
存储模块32保证在引擎-发电机20-21的启动阶段和不可避免的负载瞬变过程中的能量流的连续性。
自然地，本发明的原理保持相同，实施例的形式和结构的细节可以关于通过纯粹地非限制性的实例所描述的和说明的那些而有广泛的变化，而不因此背离如所附的权力要求限定的本发明的范围。

Claims (7)

1、一种模块化能量产生系统(1)，包含：
主组合产生模块(10)，适于被供给以燃料流(11)，并适于产生电能量和优选地为水的至少一个第一热流体的流的形式的热能量，具有电输出端或节点(15)的所述主模块(10)适于直接连接到电用户设备(16)以及通过受控开关装置(18)并联地与外部电能量产生和配电网络(17)连接；
辅助产生模块(12)，适于被供给以由所述主模块(10)生产的热能量，并适于以至少一个第二冷流体的流的形式提供较低温度的热能量；以及
监督与控制部件(13，14；40)，设置成根据预定的程序控制所述主模块(10)和所述辅助模块(12)的操作；
所述主组合产生模块(10)包含：
-包括内燃引擎(20)的电能量产生器单元(19)，所述内燃引擎(20)被供给以燃料(11)并被耦合到优选地为三相的旋转式交流发电机(21)；
-包括连接到所述电产生器(19)的输出的ac/dc转换器(24)的电子转换器单元(23)，优选的具有三相输出、且通过dc线路(26)连接到所述ac/dc转换器(24)的输出、以及通过滤波单元(27)连接到所述主模块(10)的电输出端或节点(15)的dc/ac转换器(25)，以及以使dc/dc转换器(33)被设置成允许电能量从所述存储模块(32)流向dc线路(26)且反之亦然的方式、通过双向dc/dc转换器(33)耦合到dc线路(26)的电能量存储模块(32)；以及
-热交换模块(28)，其被连接到所述内燃引擎(20)并被设置成回收由所述引擎(20)产生的部分热量，向所述至少一个第一流体传递所述热量，所述热交换模块(28)具有适于使所述内燃引擎(20)产生的热量的回收程度能够变化的控制电磁阀部件(29)；
所述辅助产生模块(12)包含热泵(30)，所述热泵(30)用来接收来自所述热交换模块(28)或来自所述引擎(20)的热流体的流，以及适于输出相对较低温度的所述至少一个第二流体的流；
所述监督与控制部件(13，14；40)被设置成用于：
-通过以使所述引擎用预定的输出操作的方式，控制所述内燃引擎(20)的燃料注入和转速，来调整由所述主模块(10)产生的电功率；
-通过根据预定的程序，控制转速和所述内燃引擎(20)输送的扭矩以及驱动所述控制电磁阀部件(29)，来调整由所述主模块(10)产生的电功率与热功率之间的比；
-以所述主模块(10)与所述网络(17)断开的模式或连接到所述网络(17)的模式根据预定的程序控制所述主模块(10)的操作，以及控制从上述的一种操作模式到另一种操作模式的自动改变；
-当所述主模块(10)被连接到所述网络(17)时，调整所述主模块(10)的输出电压和功率因数，并补偿输送到所述电用户设备(16)的电流的正弦波形的任何偏差；以及
-检测电网络(17)的服务中断的情况，并以所述存储模块(32)输送的电能量，保证向至少部分所述电用户设备(16)的、足以使电产生器单元(19)变成可运行的最短时间段的连续的电供应。
2.根据权利要求1所述的模块化能量产生系统，其中包括数字信号处理器的控制单元(40)与所述电产生器单元(19)相联，所述控制单元(40)连接到所述开关装置(18)的控制输入(18a)、连接到所述转换器单元(23)的ac/dc转换器(24)和dc/ac转换器(25)、连接到所述dc/dc转换器(33)和连接到所述内燃引擎(20)的电子控制单元(22)、以及连接到用于检测所述开关装置(18)上游的网络(17)的电压和电流的部件(35)。
3.根据权利要求1所述的模块化能量产生系统，其中所述dc/dc转换器(33)被设置成执行所述电能量存储模块(32)的再充电，并且以使连接所述dc线路(26)一侧的电压高于连接所述电能量存储模块(32)一侧的电压的方式对所述dc/dc转换器(33)进行设置。
4.根据权利要求1所述的模块化能量产生系统，其中至少一个另外的直流电压产生器的输出被连接到所述dc线路(26)，所述另外的直流电压产生器诸如光生伏达产生器(36)或燃料电池产生器(37)。
5.根据权利要求1所述的模块化能量产生系统，其中所述辅助产生模块(12)包含带有干燥液体的化学型热泵(30)。
6.根据权利要求5所述的模块化能量产生系统，其中所述辅助产生模块(12)还包含热存储部件(31)。
7.根据权利要求1所述的模块化能量产生系统，其中所述监督与控制部件(13，14；40)被设置成以使所述主组合产生模块(10)适于提供电容性或电感性无功能量的方式驱动所述转换器(24；25，33)，所述无功能量通过所述开关装置(18)耦合到所述网络(17)。
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