根据本发明的模块化发电系统基本上包括：
主废热发电模块，其可以被供给以燃料流，燃烧过程使用，并能 够产生电能和优选地为水的至少一个第一热流体的流的形式的热能， 所述模块具有电输出端或节点，其可以被直接连接到电用户设备上以 及通过受控开关装置并联地与外部电能发电和配电网络连接；
与主废热发电模块相联系的底部循环回收废热发电循环装置，为 了从所述燃烧过程的产物中回收和部分回收热能到有用的工作。
辅助发电模块，起可以被供给以由所述主模块或者回收废热发电 装置产生的热能，并能够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
管理和控制装置，预置成根据预定的方式管理所述主模块，回收 废热发电装置和所述辅助模块的操作；
所述主废热发电模块包含：
-包括内燃机的电能发电单元，所述内燃机被供给以燃料并被连接 到优选地为三相的交流旋转发电机；
-包括连接到所述发电机的输出的ac/dc转换器的电子转换器单 元，优选的具有三相输出的ac/dc转换器，通过dc连线连接到所述 ac/dc转换器的输出和连接到所述主模块的电输出端或节点，电能存 储模块，直接或者通过双向dc/dc转换器连接到上述dc连线上，这样， 所述dc/dc转换器能够允许电能从所述存储模块流到所述dc连线，反 之亦然；和
-热交换模块，其被连接到所述内燃机，能够回收操作时所述发动 机产生的部分热能，将其传递到所述至少一个第一流体，所述热交换 模块具由能够允许所述内燃机产生的热量的回收程度变化的电磁阀控 制装置；
-所述辅助发电模块包括热泵，所过热泵用来接收来自所述热交换 模块或来自所述发动机或来自所述回收废热发电装置的热流体的流， 能够在其输出提供相对较低温度的所述至少一个第二流体的流；
所述管理和控制装置被预置为：
-通过以预定的效率操作内燃机的燃料喷射，控制所述内燃机的燃 料喷射和转速，来调整由所述主模块产生的电能；
-通过根据预定的方式，控制所述内燃机的转速和输出的扭矩以及 驱动上述电磁阀控制装置，来调整由所述主模块产生的电能与热能之 间的比率；
-以预定的方式控制回收废热发电装置的操作；
-以预定的方式管理所述主模块连接到所述网络或断开，以及在所 述操作模式之间自动变换；
-当所述主模块连接到所述网络时，调整所述主模块的输出电压和 功率因数，并补偿输送到所述电用户设备的电流的正弦波形的任何偏 差；以及
-检测所述电网络的服务中断的情况，为了足够保证所述发电机单 元的操作的最短时间，利用所述存储模块提供的电能，保证向至少部 分所述电用户设备提供连续的电能。
附图说明
参考附图，从下面纯粹通过非限定实施例给出的详细描述，本发 明的另外的特征和优点将显现出来：
附图1是根据本发明的模块化能量发电系统的大体构造的框图；
附图2是更详细地示出根据本发明的系统的结构的框图；
附图3是示出根据本发明的发电系统的实施例的变形的部分结构 的框图；
附图4是根据本发明的模块化能量发电系统中所包含的热交换模 块的实施例的局部框图。

在附图1和2中，一般用1整体地表示根据本发明的模块化能量 发电系统或多重发电机。
如从以下描述中将变得更加清晰的，系统或多重发电机1允许几 种能量矢量的组合发电。更具体地说，系统或多重发电机允许热或冷 的电能和热能的发电，具有以下可能性：
-在额定功率的30％到大于100％(对瞬变周期)的非常宽的范围 内调整供给的功率，保持所使用染料的初始能量的转换效率几乎恒定；
-调节所发电的电功率和热功率之间的比例；
-监控或满足可变的电和/或热类型的规律需要；
-向连接到或未连接到电能发电/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，多重发电机系统即使在通过该网 络的能量供应服务中断的情况下也可能连续不断地满足用户的能量需 要；
-对于连接到发电/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。
参考附图1和2，模块化系统或多重发电机1基本上包括主废热发 电模块10，起可以被供给以燃料流11，并可以发电电能以及至少第一 热流体(优选地是水或可能是空气)的流形式的热能。
主废热发电模块10具有与其相联系的辅助三重发电模块12，在操 作过程中，其被供给以主模块10生产的热能，并能够提供至少一个第 二冷流体(例如水或者空气)的流形式的较低温度的热能。
在图1和图2中，数字13表示管理和控制模块，被预制成根据预 定的方式管理主模块10和关联的辅助模块12以及将在下文描述的二 次回收废热发电模块50的操作。本地管理和控制模块13可又被连接 到远程控制单元14。在这种情形下，本地管理和控制模块13和远程控 制单元14可被预制成实施远程管理方法，执行例如监控操作参数，生 产调度，生产的实时控制的功能，使其适应本地能量需要的变化以及 必要时根据能量价格趋势、多时间表费率、必要时随着修理和维护程 序的自动启动的诊断等。
远程控制单元14可选择地连接到根据本发明的多个模块化发电系 统或多重发电机，可以因此方便地设置成对这样的多个系统或多重发 电机的操作的协同管理，即使它们被安装在不同的地点。
参考附图2，主废热发电模块10具有电输出端或节点15，其可被 直接连接到整体地用16表示的电用户设备，还可以通过已知类型的受 控开关装置18并联地与外部电能发电/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’可被布置在 输出节点15与电用户设备16之间。
具体如附图2所示，主废热发电模块10包含有包括内燃机20的电 能发电单元19，内燃机20被供给以燃料11并被连接到用21表示的交 流旋转发电机，优选的为三相型。
电子控制单元(ECU)与内燃机20相联系。
旋转发电机21例如是异步三相发电机。
传统的电力启动机(未示出)可与内燃机20相联系。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相联系的内燃机20。
整体地用23表示的电子变换器单元被连接到旋转发电机21的输 出上。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管路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优选的具有带零钱的三相或单相输出，且被连接 到输出端或节点15。
主废热发电模块10还包含热交换模块28(图2和图4)，热交换 模块28连接到内燃机20，且可回收由该机在操作中发电的部分热量， 将该热量传递到流体，该流体如已经陈述的方便地是水或可能是空气。
参考附图4的示意图，模块28可以包含液体/液体或液体/空气 型热量交换器，用于将输入管路28a中流动的流体(例如发动机20的 冷却水)中回收的热量传递到在输出管路28b中流动的流体中。
方便地，输入管路28a包含被设置成用于与输出管路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 进行热交换，而是在适当或必要的时候使输入管路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中设置至少一个调 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。
如将从下文的描述中变的清楚，模块28的输出管路28b方便地连 接到二次底部循环回收废热发电装置50上，这将在下文进行描述。
参考附图2，辅助发电模块12包含用于接收来自热交换模块28或 二级回收装置50或甚至直接来自内燃机20的热流体的流的热泵30， 并且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，其可 以被用于环境调节和/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。
辅助发电模块12还可以包含已知类型的热能存储装置31。
附图2中，数字50整体表示的底部循环回收废热发电装置50连接 到主废热发电模块10上，为了执行从内燃机20中发生的燃烧过程的 产物(排出的气体)的热能的回收。
为此目的，回收废热发电装置50包括环形液体管路，包括蒸汽发 生器51，能够从循环泵52接收例如水的液体流，利用由主模块10的 发动机20发电的排出气体的热量将这种液体流转化成蒸汽流。这些气 体经由管子70到达蒸汽发生器51。
蒸气机53，其可以是往复式或回转式的，连接到蒸汽发生器51的 输出上。
在附图2所示的实施例中，交流旋转发电机54，优选三相交流发 动机，连接到发动机53上，在其输出三相电压系统上具有操作的可用 性。
发电机54的输出可以被用来直接连接到配电网络17上或直接供 给给本地电用户16。
换句话说，或者另外，如附图2所示，发电机54的输出可以连接 到ac/dc转换器59上，其输出可以方便地连接到dc连线26上。
发动机53的下游，流入上述环形液体管路的蒸汽到达第一凝结阶 段55以及第二凝结阶段。
在凝结阶段，所述液体进一步凝结，作为热交换的结果，从外部 供给的冷液体(优选水，或空气)的液流经由管子71(其是冷凝装置 56的下游)对热交换模块28进行延续，特别是对其输出管路28b(附 图2和4)。
在附图未示出的结构变形中，从外部通过管子71的液体流(水或 空气)根据凝结温度和冷凝装置56中的压力水平可以是有创造性的。 在这种变形中，外部液体可以冷的进入交换器28和热的从冷凝装置56 排出。
冷凝装置56的出口连接到循环泵52的进口或出口。
参考附图2，方便地，蒸汽缓冲器58连接在蒸汽发生器和蒸气机 53之间。
所述回收废热发电装置50基本上使用华氏绝对温标热力循环进行 操作。
如附图2所示，连接到蒸汽发生器51上的燃烧器57可以与底部循 环回收装置50相联系，优选地，尽管不是必须的，所述燃烧器供给以 与内燃机20同样的燃料。
由于燃烧器57的出现，所述回收装置50不仅可以工作在被动模 式，从内燃机20的燃烧产物回收余热，还能够，如果必要，自动地操 作电能和/或热能的发电。完整的模块化发电系统作为一个整体具有较 好的操作灵活性。
仍然参考附图2，电能存储模块32连接到垫子转换单元23的dc 连线26上，直接地或者经由双向类型的dc/dc转换器33。所述的dc /dc转换器33能够执行所述电能存储模块32的再充电，并且使连接 所述dc连线26一侧的电压高于连接所述电能存储模块32一侧的电压 的方式对所述dc/dc转换器33进行设置。转换器33可允许电能从存 储模块32流向dc连线26，且反之亦然。所述电能存储模块32以这样 的方式连接到所述dc连线26：其可以由所述ac/dc转换器24和/或所 述dc/ac转换器25充电。
主废热发电模块10包含有包括例如微处理器的电子的控制单元 40。该控制单元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，连接到内燃机20的控制单元22以及连到热交换 模块28的电磁阀29和29’。
主废热发电模块10的控制单元40还被预置为以预定方式控制回 收废热发电装置50的操作。为此，所述控制单元40连接到例如循环 泵52，如果有燃烧器57的话，还连接到该燃烧器57，另外如果还有 ac/dc转换器59和电磁阀装置(未示出)的话，连接到ac/dc转换 器59和电磁阀装置(未示出)，用来控制和/或调整回收废热发电装置 50的操作。
主废热发电模块10的控制单元40还被连接到管理和控制模块13 并被预置成用于和管理和控制模块13对话，管理和控制模块13又被 连接到并被预置成用于控制辅助发电模块12。
通过主废热发电模块10的实施例的变形，到少一个附加的直流电 压发电器(例如光伏发生器)的输出被连接到dc连线26。附图的图3 示出了这样一个实施例的变形，其中光伏电压发电器36和燃料电池发 电器37被连接到dc连线26。在这样的实施例中，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，可与和内燃机20 关联的控制单元22以及与另外的发电器36和37对话。
已经描述了根据本发明的模块化能量发电系统的构造，现在将具 体参考主废热发电模块10来描述它们的操作方式和策略。
主废热发电模块10的操作被方便地构造为三个层次的控制级：
-级别1或系统控制：该级别涉及主模块10的整体控制和作为与外 界接口的操作，它根据需要管理对用户的能量发电服务，与管理网络 17的公用程序(utility)的中央远程控制系统通信，必要时控制不同模 块化系统或多重发电机的多个废热发电模块和用于与电网接口的相关 设备；
-级别2或本地发电控制：该级别涉及作为电部分的电子转换器单 元23的控制，以及作为热部分的热交换模块28和/或回收废热发电装 置50的控制；以及
-级别3或发电装置的具体控制：该级别涉及发动机/发电机单元20 -21的直接控制，电能存储模块32的电池的管理和回收废热发电装置 50的燃烧器(如果出现的话)的控制。
控制级别1，或系统控制，可通过功能软件或完成状态机实现。该 控制模块使用的策略根据网络17的经济和电负载情况以及用户的本地 需求来确定热能和/或电能的生产。
能量生产的时间计划可以在对用户需要和市场费率趋势的统计预 测的基础上进行计算。
根据已有的费率以及根据用户的电能需要，可能确定一种策略， 目标是使成本函数最小化，成本函数不但依赖于电能资费也依赖于模 块化废热发电系统的生产线的效率。
级别2的控制策略涉及发电控制。由控制单元40管理控制电能产 生的逻辑规程。
该单元可被特别地预置成调节主模块10产生的电能，控制转速和 内燃机20的(电)燃料喷射，这样，以预定效率的后者操作可以时恒 定的或者控制的效率，和根据最小化排放或者根据热能需求的可变效 率。
控制单元40还可以被预置成调节由主模块10产生的电能和热能 之间的比率，控制旋转的速度和由内燃机20提供的转距，以预定的方 式驱动与热交换模块28的旁通管道相联系的电磁阀。产生的电能和热 能之间的比率可以自由的变化多或少，而这些对传统的发电系统来说 时不可能的。
控制单元40还可以被预置成这样，通过调节发动机20的转距的 旋转速度响应给出的电能要求，在操作条件的后者操作一方面满足了 电能的需求，另一方面保证了电效率和减少排放之间的最佳折衷。
控制单元40还可以被预置成以与网络17断开的模式或连接到网 络17的模式，根据预定的方式控制主废热发电模块10的操作，并控 制在所述两种操作模式之间自动转变。
控制单元40的另外的功能在于，当主废热发电模块10连接到网 络17时调整该模块10的输出的电参数，以及补偿由电用户设备16吸 收的或者引入到配电网络的电流的正弦波形的任何偏差。
控制单元40还被预置成在发动机单元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，保证向用户设 备16或者至少部分用户设备16在最小时间段的连续的电供应，足够 保证包含发动机20和旋转发电机21的电产生单元的操作。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“单独 (isolation)”操作且反之亦然，也就是与网络分离的并且仅连到特别 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 明的解决方案可能消除了来自网络的增补能量中的损失，以及在发电 故障时对用于旁路系统的装置的需求。
控制单元40还可以被预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在机器的电流限制范围内对由非线性负载产 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 控制进行滤波，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还可以被预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存储模块32汲取能量，实现消除或“平滑”电 压“洞”的功能。
主废热发电模块10还可以被用作电感性和电容性的无功功率发电 机，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。这允许电网变压器和线路的更有效的利用(或 者损耗减少，对一些负载)和剧烈变化负载的再定相。
控制级别3执行策略，其在这种情形下还是由主废热发电模块10 的控制单元40来实现。这些策略基本上涉及发动机/发电机单元20- 21的启动，与三相网络17并联的有功功率发电单元的控制，以及自主 能量发电的控制。
主废热发电模块的启动由用户的请求启动。启动操作可以通过与 内燃机20相关联的电力起动机或通过发电机21来执行，当发电机21 是可逆电机的形式时，且假设在转换单元23的端子可获得充足的高能 量。
根据负载的需要转换从dc连线26的直流电，对与网络17并联起 作用的作为受控功率发电机的主废热发电模块10进行控制。与传统的 发电系统相比，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发 电机的容量)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。
电能存储模块32保证在发动机/发电机2021的起动阶段和不可避 免的负载瞬变过程中的能量供应的连续性。
系统还可在非平衡负载下运行。
当模块10作为自主能量发电机操作时，开关装置18打开且转换 器单元23的输出代表电用户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保证在发动机/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供应的连续性。
显然，不变更本发明的原理，实施例和结构的细节可以根据通过 纯粹地非限制性的实施例描述和说明原理进行广泛的变化，而不因此 背离所附的权力要求限定的本发明的范围。
技术领域和背景技术