DE10336659A1

DE10336659A1 - Blockheizkraftwerk und Steuer- und/oder Regelverfahren für ein Blockheizkraftwerk

Info

Publication number: DE10336659A1
Application number: DE10336659A
Authority: DE
Inventors: Jochen Mahlein; Olaf Simon; Josef Schmidt
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2002-11-20
Filing date: 2003-08-09
Publication date: 2004-06-09
Anticipated expiration: 2023-08-10
Also published as: DE10336659B4

Abstract

Blockheizkraftwerk, DOLLAR A wobei Energiefluss mittels eines Matrixumrichters beeinflussbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Blockheizkraftwerk und ein Steuer- und/oder Regelverfahren für ein Blockheizkraftwerk.

Aus den Schriften DE 197 42 609 A1 , DE 197 46 797 , DE 199 58 041 A1 , DE 100 05 449 A1 DE 100 16 230 A1 , DE 100 37 970 A1 , DE 101 46 182 A1 , DE 101 35 286 A1 sind Matrixumrichter bekannt. Im Matrixumrichter sind stets Leistungshalbleiter, die von einer Steuerelektronik des Matrixumrichters derart ansteuerbar sind, dass Energie in beide Richtungen transportierbar ist, also von einer Elektromaschine, wie Elektromotor, Generator oder dergleichen, zum Netz oder umgekehrt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Blockheizkraftwerk kostengünstig und mit hohem Wirkungsgrad weiterzubilden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Blockheizkraftwerk nach den in Anspruch 1 und bei dem Steuer- und/oder Regelverfahren für ein Blockheizkraftwerk nach den in Anspruch 8 angegebenen Merkmalen gelöst.

Wesentliche Merkmale der Erfindung bei dem Blockheizkraftwerk sind, dass Energiefluss mittels eines Matrixumrichters beeinflussbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass kein Anlasser notwendig ist und somit Kosten einsparbar sind und die gesamtökologische Bilanz verbesser ist und auch der Wirkungsgrad verbessert ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist kein Anlasser vorhanden. Von Vorteil ist dabei, dass Kosten, Anzahl der Bauteile und Bauvolumen reduzierbar sind.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist mittels eines Verbrennungsmotors ein Generator im generatorischen Betrieb antreibbar zur Erzeugung elektrischer Energie und im motorischen Betrieb der Generator als Anlasser für den Verbrennungsmotor vorsehbar. Von Vorteil ist dabei, dass ein Anlasser einsparbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Generator im motorischen Betrieb von dem Matrixumrichter versorgbar und im generatorischen Betrieb die vom Generator erzeugte elektrische Energie mittels des Matrixumrichter ins Netz, insbesondere Versorgungsnetz und/oder öffentliches Versorgungsnetz, einspeisbar. Von Vorteil ist dabei, dass die Netzspannung vom Matrixumrichter korrekt, also im Rahmen der zulässigen Toleranz, einstellbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist Verlustwärme der elektronischen Bauteile des Matrixumrichters, Verbrennungsmotors und/oder Generators über einen Wärmetauscher Verbrauchern im Warmwasser zur Verfügung stellbar. Von Vorteil ist dabei, dass der Wirkungsgrad des Blockheizkraftwerkes verbesserbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Steuerelektronik des Matrixumrichters derart gestaltet, dass die Steuerung und/oder Regelung von Komponenten, wie Pumpen, Ventilen und dergleichen, ausführbar ist. Der Matrixumrichter ist dazu mit Ein- und Ausgängen ausgestattet, über die die Sensorsignale oder Steuersignale übertragbar sind. Insbesondere ist die Steuerelektronik des Matrixumrichters mit Sensoren, wie insbesondere zumindest Temperaturfühler oder dergleichen, und mit Aktoren, wie insbesondere zumindest Motoren, Pumpen, Ventile, Klappen und dergleichen, elektrisch verbunden, insbesondere zur Durchführung eines Steuer- und/oder Regelverfahrens. Von Vorteil ist dabei, dass Steuerungen oder Steuerelektronik des Blockheizkraftwerkes einsparbar ist.

Wesentliche Merkmale der Erfindung bei dem Steuer- und/oder Regelverfahren für ein Blockheizkraftwerk, sind dass Daten von Sensoren, wie insbesondere zumindest Temperaturfühler oder dergleichen, an die Steuerelektronik eines Matrixumrichters übertragen werden,
und von der Steuerelektronik des Matrixumrichters Steuersignale für Aktoren, wie insbesondere zumindest Motoren, Pumpen, Ventile, Klappen und dergleichen, generiert werden und an diese Aktoren übertragen werden
und dass die Steuerelektronik die Steuersignale für Leistungshalbleiter des Matrixumrichters aus Daten von Sensoren bestimmt und generiert. Von Vorteil ist dabei, dass wiederum Steuerungen oder Steuerelektronik des Blockheizkraftwerkes einsparbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Blockheizkraftwerk in der oben beschriebenen Weise ausgeführt. Von Vorteil ist dabei, dass durch Wärmerückgewinnung und deren Steuerung und Regelung mittels der Steuerelektronik des Matrixumrichters der Wirkungsgrad des Blockheizkraftwerkes verbesserbar ist.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.

1: Motor
2: Generator
3: Kamin
4: Schalldämpfer
5: Abgaswärmetauscher
6: Gas
7: Netz
8: Plattenwärmetauscher
9: Leistungselektronik
10: Speicherladepumpe
11: Temperaturhochhaltung
12: Heizung
13: Mischventil
14: Kaltwasser
15: Speicher
16: Warmwasser
17: Verbraucher
21: Gleichrichter
31: Abgaswärmetauscher
32: Abgas
33: interner Kühlkreislauf
34: Wärmetauscher
35: Heizwasser
36: Matrixumrichter
37: Gas
41: Gleichrichter
42: Filter für Hochsetzsteller
43: Hochsetzsteller
44: Zwischenkreis
45: Wechselrichter
46: Netzfilter
47: Synchrongenerator
48: Netz
50: Matrixumrichter
51: bidirektionale Schalter
52: Netzfilter
53: Netz
M: Motor
G: Generator
A: Aufwärtswandler
W: Wechselrichter
F: Filter

Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert: Die Erfindung bezieht sich insbesondere auch auf einen Matrixumrichter als Energiewandler für Blockheizkraftwerke.
In der 1 ist ein Blockheizkraftwerk als Prinzipschaltbild skizziert. Blockheizkraftwerke kombinieren die Gewinnung von thermischer und elektrischer Energie um fossile Brennstoffe, wie beispielsweise Diesel oder Gas, energetisch effizient zu nutzen. Grundlegende Bestandteile sind ein Verbrennungsmotor 1 oder eine entsprechend vorgesehene Turbine, der oder die mit einem elektrischen Generator 2 mechanisch gekoppelt ist. In dieser Kombination ist elektrische Energie bereitstellbar und es ist die Abwärme der Verbrennungsmaschine in einen Heizkreislauf einspeisbar, wie in 1 gezeigt.
Die Auskopplung der elektrischen Energie aus einem Blockheizkraftwerk kann im einfachsten Fall durch eine direkte Anschaltung des Generators an das öffentliche Stromversorgungsnetz erfolgen. Bei dieser Variante wirkt es sich nachteilig aus, dass eine Leistungsregelung nur durch eine Drosselklappe am Verbrennungsmotor oder an der Turbine erfolgen kann, wodurch sich nachteilige Betriebsergebnisse einstellen, da die Verbrennung nicht optimal verläuft und sich ein schlechter Wirkungsgrad ergibt.
1 zeigt ein demgegenüber verbessertes Konzept, bei dem über einen Stromrichter zwischen Generator und Netz eine gezielte Belastung des Verbrennungsmotors einstellbar ist und somit über die Drehzahl der Maschine eine Leistungsregulierung vorgesehen ist.
Die Abgase werden über den Kamin 3 an die Umwelt abgegeben. Der vorgeschaltete Schalldämpfer 4 reduziert die Geräuschemission. Der Abgaswärmetauscher 5 führt zu einem verbesserten Gesamtwirkungsgrad des Blockheizkraftwerkes, das mit Gas 6 betrieben ist und einerseits elektrische Energie ans Netz 7 abgibt andererseits thermische Energie zum heizen zur Verfügung stellt.
Die vom Motor 1, Abgaswärmetauscher 5 und Generator 2 stammende Wärme wird über einen Plattenwärmetauscher 8 einer Heizung 12 und/oder einem Speicher 15 zuführbar, wobei zur Temperaturregelung eine Speicherladepumpe 10 zusammen mit einer Temperaturhochhaltung 11 und einem Mischerventil 13 vorgesehen ist. Durch den Speicher 15 durchgeleitetes Kaltwasser 14 wird als Warmwasser 16 verfügbar.
Die vom Generator 9 erzeugte elektrische Energie wird über eine Leistungselektronik 9 dem Netz 7 zugeführt, an dem die Verbraucher 17 angeschlossen sind.
Für den Motor 1 ist ein elektrischer Anlasser notwendig.
Ein Aufbaukonzept des Stromrichters ist in 2 dargestellt. Die Ausgangsspannung des Generators G wird mittels des Gleichrichters 21 gleichgerichtet, durch einen als Aufwärtswandler A vorgesehenen Hochsetzsteller, der eine Drossel enthält, auf eine konstante Spannung gebracht und anschließend durch einen Spannungszwischenkreispulswechselrichter, also einen Wechselrichter W, über einen Filter wechselgerichtet. Insbesondere der Filter F zwischen Wechselrichter W und Netz, insbesondere Drehstromnetz mit drei mal 400 V bei 50 Hz, umfasst ein großes und daher kostspieliges induktives Bauelement.
In 3 ist ein erfindungsgemäßes Blockheizkraftwerk mit Matrixumrichters als elektrisches Stellglied dargestellt. Die dort gezeigte Technologie der direkten Umwandlung eines gegebenen Drehstromsystems in ein variables Drehstromsystem innerhalb des Systems Blockheizkraftwerk mittels eines Matrixumrichters bietet besondere Vorteile. Der sonstige Aufbau ist wiederum ähnlich zu 1. Das dem Motor M zugeführte Gas 37 wird von diesem verbrannt und dem Abgaswärmetauscher 31 zugeführt und dann als Abgas 32 an die Umwelt abgeführt. Die Wärme wird aus dem Abgaswärmetauscher 31 an den Wärmetauscher 34 ebenso zugeführt wie auch die Wärme der aus dem Motor M, Generator G und Matrixumrichter 36 Motor-Generator-Wandlereinheit. Dazu ist ein interner Kühlkreislauf 33 vorgesehen. Im Wärmetauscher 34 wird Kaltwasser erhitzt und als Heizwasser zur Verfügung gestellt.
Somit ist der Motor mittels des vom Matrixumrichter angetriebenen Generator, also in motorischer Betriebsweise, anlassfähig und der elektrische Anlasser kann entfallen.
Im Dauerbetrieb ist der Matrixumrichter als Wechselspannungs-Wandler einsetzbar, um die für das Netz notwendige Wechselspannung aus der vom Generator stammenden Wechselspannung zu generieren.
In der 5 ist der Matrixumrichter 50 schematisch dargestellt. Die Steuerelektronik und Ansteuerelektronik ist nicht dargestellt. Der Fachmann ist in der Lage, mit Hilfe des Inhalts der genannten Schriften und seines Fachwissens diese nicht gezeigten Komponenten vollständig auszuführen und somit den gesamten Matrixumrichter funktionsfähig aufzubauen. Der Matrixumrichter umfasst im Leistungsteil neun bidirektionale Schalter, die je drei Eingangsphasen mit drei Ausgangsphasen verbindbar machen, sowie ein kostengünstiges kompakt ausführbares, kapazitives C-L-Netzfilter.
Die Systemvorteile des Matrixumrichters ergeben sich aus folgenden Gründen:

1. Der leistungselektronische Energiewandler umfasst nicht mehr vier, sondern nur noch zwei Komponenten, die leistungselektronischen Schalter, beispielsweise IGBT, und das Netzfilter. Hieraus resultiert ein wesentlich kompakterer Aufbau.
2. Es ist kein Spannungszwischenkreis vorhanden. Dieser wird aus wirtschaftlichen Gründen bei Spannungszwischenkreisumrichtern in aller Regel aus Elektrolytkondensatoren realisiert. Bei Einsatz in einem kompakt aufgebauten Blockheizkraftwerk liegt aber eine relativ hohen Umgebungstemperatur für die leistungselektronischen Komponenten vor, die bei Elektrolytkondensatoren zu einer erheblich verkürzten Lebensdauer führen würde. Beim Matrixumrichter ist die Lebensdauer also erhöhbar.
3. Beim Stromrichterkonzept nach Stand der Technik sind zwei Drosseln notwendig, die einer erheblichen hochfrequenten Spannungsbelastung unterliegen und daher wesentliche Verluste erzeugen. Beim Matrixumrichterkonzept entfallen hochfrequent belastete Drosseln vollständig, es ist lediglich eine kleine, netzfrequent belastete, kompakt aufbaubare, kostengünstige Drossel notwendig. Neben der Volumeneinsparung sowie der vereinfachten Konstruktion gibt es den weiteren Vorteil, dass nur eine wesentliche Verlustquelle im elektrischen Energiewandler vorhanden ist, wobei diese Wärmequelle in den Kühlkreislauf mit einbezogen ist und liefert dadurch thermische Energie.
4. Der Matrixumrichter liefert am Eingang und am Ausgang im Wesentlichen sinusförmige Strom- und Spannungsverläufe. Dadurch kann der Generator (im Gegensatz zum Stand der Technik) ohne niederfrequente Stromharmonische betrieben werden. Dies verringert die dort entstehenden Verluste und begünstigt die elektrische Ausnutzung.
5. Durch die selbstgeführten Eigenschaften des Matrixumrichters am generatorseitigen Ausgang kann der Generator feldorientiert betrieben werden und einen verlustoptimale Stromeinprägung erfolgen, die ebenfalls die Verluste senkt und die Ausnutzung verbessert.
6. Der Matrixumrichter kann sowohl einen permanenterregten Synchrongenerator als auch einen Asynchrongenerator betreiben, da er die für den Asynchrongenerator benötigte Magnetisierung, insbesondere Blindleistung, bereitstellen kann.
7. Da der Matrixumrichter Energie je nach Betriebsart in beide Richtungen führt, ist der Generator auch als Motor und damit als Anlasser für den Verbrennungsmotor einsetzbar.

Weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen umfassen eine derart modifizierte Steuerelektronik des Matrixumrichters, dass diese zur Steuerung zumindest einiger Aggregate des Blockheizkraftwerks, wie beispielsweise Steuerung und/oder Regelung der Pumpen und/oder Ventile, vorgesehen ist. Somit ist keine zusätzliche Steuerelektronik für das Blockheizkraftwerk notwendig und das Blockheizkraftwerk ist kostengünstig ausführbar. Insbesondere ist die Steuerelektronik auch derart ausführbar, dass Daten für eine Fernwartung gesammelt werden oder an ein Netz zur Informationsübertragung, beispielsweise hauseigenes Bussystem, wie EIB, LON oder dergleichen, Feldbus-System oder Telefonnetz, übermittelt werden und auch von dort Daten und Informationen empfangen werden.

Claims

Blockheizkraftwerk dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Blockheizkraftwerks Energiefluss mittels eines Matrixumrichters beeinflussbar ist.
Blockheizkraftwerk nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass kein Anlasser notwendig und/oder vorhanden ist.
Blockheizkraftwerk nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Verbrennungsmotors ein Generator im generatorischen Betrieb antreibbar ist zur Erzeugung elektrischer Energie und im motorischen Betrieb der Generator als Anlasser für den Verbrennungsmotor vorsehbar ist.
Blockheizkraftwerk nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator im motorischen Betrieb von dem Matrixumrichter versorgbar ist und im generatorischen Betrieb die vom Generator erzeugte elektrische Energie mittels des Matrixumrichter ins Netz, insbesondere Versorgungsnetz und/oder öffentliches Versorgungsnetz, einspeisbar ist.
Blockheizkraftwerk nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verlustwärme der elektronischen Bauteile des Matrixumrichters, Verbrennungsmotors und/oder Generators über einen Wärmetauscher Verbrauchern im Warmwasser zur Verfügung stellbar ist.
Blockheizkraftwerk nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektronik des Matrixumrichters derart gestaltet ist, dass die Steuerung und/oder Regelung von Komponenten, wie Pumpen, Ventilen und dergleichen, ausführbar ist.
Blockheizkraftwerk nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektronik des Matrixumrichters mit Sensoren, wie insbesondere zumindest Temperaturfühler oder dergleichen, und mit Aktoren, wie insbesondere zumindest Motoren, Pumpen, Ventile, Klappen und dergleichen, elektrisch verbunden ist, insbesondere zur Durchführung eines Steuer- und/oder Regelverfahrens.
Steuer- und/oder Regelverfahren für ein Blockheizkraftwerk, dadurch gekennzeichnet, dass Daten von Sensoren, wie insbesondere zumindest Temperaturfühler oder dergleichen, an die Steuerelektronik eines Matrixumrichters übertragen werden, und von der Steuerelektronik des Matrixumrichters Steuersignale für Aktoren, wie insbesondere zumindest Motoren, Pumpen, Ventile, Klappen und dergleichen, generiert werden und an diese Aktoren übertragen werden und dass die Steuerelektronik die Steuersignale für Leistungshalbleiter des Matrixumrichters aus Daten von Sensoren bestimmt und generiert.
Steuer- und/oder Regelverfahren für ein Blockheizkraftwerk, dadurch gekennzeichnet, dass das Blockheizkraftwerk nach mindestens einem der Ansprüche 1 – 7 ausgeführt ist.