本公开总体涉及包括至少一个电机和用于将电机操作为发电机的至少一个活塞发动机的发电厂。更具体地，本公开涉及用于控制发电厂的控制系统、方法以及计算机程序。
背景技术：
为了处理越来越多的易失性能源，诸如例如风能源和太阳能源，对其它能源的需求从根本上改变，这是因为其它能源应能够补偿易失性能源的电力变化。在一些极端情况下，易失性能源的发电相对于电力消耗如此高，以至于瞬时电价变为负，即，在将电力插入到电网时必须付款。例如，2013年6月16日在德国，电价降至大约-100€/mw。因此，非常有价值的是能够处于保留状态并在需要时有力地增加发电并再次尽快地减少甚至停止发电。以上所提及的要求结合发电厂可能具有挑战性，该发电厂包括一个或更多个发电机、用于驱动一个或更多个发电机的一个或更多个活塞发动机以及用于电连接到一个或更多个发电机中的每个以及诸如电网的外部电力系统的电导体系统。每个活塞发动机通常为诸如例如柴油发动机的往复式活塞内燃发动机。
用于控制以上所提及的种类的发电厂的典型方法是在存在所需电力的显著变化时启动并停止活塞发动机且切断并恢复发电机。因此，如果电力需要变得太低，则停止活塞发动机中的一个或更多个，并且从发电厂的电导体系统切断由一个或更多个活塞发动机驱动的相应的一个或更多个发电机。如果电力需要再次增加且超过给定极限，则重启活塞发动机中的一个或更多个，并且相应的一个或更多个发电机接通到电导体系统。与该方法有关的固有挑战是对电力需要的变化进行响应所需的响应时间在活塞发动机停止并需要再次启动且相应发电机切断并需要再次恢复原状时往往增加。在同步发电机的情况下，恢复原状(switchingback)包括通常需要时间的再同步。
技术实现要素：
下文为了提供各种发明实施方式的一些方面的基本理解而提出了简化概述。该概述不是本发明的广泛概观。它既不旨在识别本发明的关键或紧要元素，也不旨在描绘本发明的范围。以下概述仅以简化形式提出本发明的一些概念，作为本发明的示例性实施方式的更详细描述的序言。
根据本发明，提供一种用于控制发电厂的新控制系统，该发电厂包括：
-一个或更多个电机，
-一个或更多个活塞发动机，该一个或更多个活塞发动机用于将一个或更多个电机操作为一个或更多个发电机，以及
-电导体系统，该电导体系统用于电连接到一个或更多个电机中的每个和外部电力系统。
根据本发明的控制系统包括：
-第一控制器，该第一控制器用于响应于中断从电机中的第一个或更多个到电导体系统的供电的需要而中断连接到电机中的第一个或更多个的活塞发动机中的第一个或更多个的燃料供应，并且用于响应于恢复(reactivate)从电机中的第一个或更多个到电导体系统的供电的需要而恢复活塞发动机中的第一个或更多个的燃料供应，以及
-第二控制器，该第二控制器用于响应于中断活塞发动机中的第一个或更多个的燃料供应的情况而保持电机中的第一个或更多个连接到电导体系统，以便将电机中的第一个或更多个操作为用于利用从电导体系统接收的电力使活塞发动机中的第一个或更多个旋转的一个或更多个电动马达。
因为其燃料供应被中断的一个或更多个活塞发动机旋转且相应的一个或更多个电机保持连接到电导体系统，所以供电的恢复可以显著快于活塞发动机停止且电机切断的情况。在电机是同步电机的示例性情况下，电机保持与在电导体系统中流行的电压同步。由此，一个或更多个活塞发动机和相应的一个或更多个电机构成能够被快速激活的旋转保留(reserve)。旋转保留在与到电网的电力电子器件连接的存在大量非同步发电(诸如太阳能电池板和/或其它能源(例如，风车))的电网中是特别有利的。
在根据本发明的示例性且非限制性实施方式的控制系统中，第一控制器被配置为维持连接到电机中的第二个或更多个的活塞发动机中的第二个或更多个的燃料供应，并且第二控制器被配置为响应于活塞发动机中的第一个或更多个的燃料供应中断的情况而保持电机中的第二个或更多个连接到电导体系统。在该示例性情况下，第二个或更多个活塞发动机可以用于使活塞发动机中的第一个或更多个以及电机中的第一个或更多个旋转。该操作模式在如下情况下是有用的：发电厂例如与例如电网的外部电力系统隔离，但对向外部电力系统供电的需要可能在任意时刻返回。
在根据本发明的示例性且非限制性实施方式的控制系统中，第一控制器被配置为将活塞发动机的燃料供应保持为交替有效。例如可以根据预定操作计划、和/或根据从活塞发动机测量的温度和/或其它量、和/或根据某一其它信息在操作期间使燃料供应被中断的活塞发动机和燃料供应有效的活塞发动机交替。
根据本发明，还提供了一种新发电厂，该发电厂包括根据本发明的控制系统，该控制系统用于控制发电厂的一个或更多个活塞发动机和一个或更多个电机。
每个活塞发动机有利地是诸如例如柴油发动机的往复式活塞内燃发动机。每个电机例如可以为同步电机，诸如电励磁同步电机或永磁电机。原则上，还可以的是，电机中的一个或更多个例如是异步电机。除了由一个或更多个活塞发动机驱动的一个或更多个电机之外，根据本发明的示例性且非限制性实施方式的发电厂还可以包括由例如一个或更多个燃气轮机和/或一个或更多个其它原动机驱动的一个或更多个电机。
根据本发明，还提供了一种用于控制以上所描述的种类的发电厂的新方法。根据本发明的方法包括以下步骤：
-响应于中断从发电厂的一个或更多个电机到电导体系统的供电的需要而中断连接到发电厂的一个或更多个电机的一个或更多个活塞发动机的燃料供应，
-响应于恢复从一个或更多个电机到电导体系统的供电的需要而恢复一个或更多个活塞发动机的燃料供应，以及
-响应于中断一个或更多个活塞发动机的燃料供应的情况而保持一个或更多个电机连接到电导体系统，以便将一个或更多个电机操作为用于利用从电导体系统接收的电力使一个或更多个活塞发动机旋转的一个或更多个电动马达。
根据本发明，还提供了一种用于控制以上所描述的种类的发电厂的新计算机程序。根据本发明的计算机程序包括计算机可执行指令，这些计算机可执行指令用于控制可编程处理系统：
-响应于中断从发电厂的一个或更多个电机到电导体系统的供电的需要而中断连接到发电厂的一个或更多个电机的一个或更多个活塞发动机的燃料供应；
-响应于恢复从一个或更多个电机到电导体系统的供电的需要而恢复一个或更多个活塞发动机的燃料供应，并且
-响应于中断一个或更多个活塞发动机的燃料供应的情况而保持一个或更多个电机连接到电导体系统，以便将一个或更多个电机操作为用于利用从电导体系统接收的电力使一个或更多个活塞发动机旋转的一个或更多个电动马达。
根据本发明，还提供了一种新计算机程序产品。该计算机程序产品包括编码有根据本发明的计算机程序的非易失性计算机可读介质(例如，光盘“cd”)。
所附从属权利要求中描述了本发明的若干示例性且非限制性实施方式。
关于构造和操作方法这两者的本发明的各种示例性且非限制性实施方式连同其另外目的和优点一起将在关于附图阅读时从具体示例性且非限制性的实施方式的以下描述来最佳地理解。
动词“包括”在该文献中用作既不排除也不需要未列特征的存在的开放限制。从属权利要求中所列的特征可互相自由组合，除非另外明确陈述。此外，应理解，“一”或“一个”(即，单数形式)贯穿本文档的使用不排除复数。
附图说明
以下在示例的意义上且参照附图更详细地说明本发明的示例性且非限制性实施方式及其优点，附图中：
图1例示了根据本发明的示例性且非限制性实施方式的发电厂，以及
图2是根据本发明的示例性且非限制性实施方式的用于控制发电厂的方法的流程图。
具体实施方式
以下描述中所提供的具体示例不应被解释为限制所附权利要求的范围和/或可应用性。说明书中所提供的示例的列表和组不是详尽的，除非另外明确陈述。
图1例示了根据本发明的示例性且非限制性实施方式的发电厂。发电厂包括电机105、106、107以及112。在该示例性情况下，每个电机是电励磁同步电机。发电厂包括用于向电机的转子绕组供应励磁电流的励磁装置120、121、122以及123。每个励磁装置例如可以为非接触式旋转励磁机或滑环励磁机。发电厂包括用于将电机105-107操作为发电机的活塞发动机108、109以及110。活塞发动机105-107中的每个有利地为诸如例如柴油发动机的往复式活塞内燃发动机。此外，图1所例示的示例性发电厂包括用于将电机112操作为发电机的燃气轮机113。发电厂包括电导体系统111，该电导体系统用于电连接到每个电机和例如可以为电网的外部电力系统114。电导体系统111包括用于将电机105-107和112电连接到电导体系统111并将其与电导体系统断开连接的开关115、116、117以及118。电导体系统111还包括用于将整个发电厂连接到外部电力系统114并将其与外部电力系统断开连接的开关119。
发电厂包括根据本发明的示例性且非限制性的实施方式的用于控制活塞发动机108-110和电机105-107的控制系统101。此外，控制系统101可以被配置为控制电机112和燃气轮机113，或者发电厂可以包括用于控制电机112和燃气轮机113的单独控制系统。控制系统101包括第一控制器102，该第一控制器用于响应于中断从电机105-107中相应的一个或更多个到电导体系统111的供电的需要而中断活塞发动机108-110中的一个或更多个的燃料供应，并且用于响应于恢复从电机中的一个或更多个到电导体系统的供电的需要而恢复活塞发动机中的一个或更多个的燃料供应。控制系统101还包括第二控制器103，该第二控制器用于在中断活塞发动机中的上述一个或更多个的燃料供应时保持电机中的上述一个或更多个连接到电导体系统111，以便将该电机或这些电机操作为用于利用从电导体系统111接收的电力使活塞发动机中的一个或更多个旋转的一个或更多个电动马达。因为其燃料供应被中断的一个或更多个活塞发动机旋转且相应的一个或更多个电机保持与在电导体系统111中流行的电压同步，所以供电的恢复可以快速发生。因此，可以通过恢复一个或更多个活塞发动机的燃料供应快速地恢复所述一个或更多个活塞发动机，并且相应地，因为没有同步延迟，所以一个或更多个电机被快速恢复以供电。由此，一个或更多个活塞发动机和相应的一个或更多个电机构成能够被快速激活的旋转保留。在例如外部电力系统的频繁控制中可以用具有旋转保留的发电厂，具有快速响应。
在根据本发明的示例性且非限制性实施方式的控制系统中，第一控制器102被配置为中断所有活塞发动机108-111的燃料供应，并且第二控制器103被配置为响应于发电厂能够从外部电力系统111接收电力且存在中断从发电厂到外部电力系统的供电的需要的情况而保持所有电机105-107连接到电导体系统111。该操作模式例如在以下情况下是有用的：瞬时电价变为负，即，发电厂的所有者在将电力插入到外部电力系统114时必须付款。
在根据本发明的示例性且非限制性实施方式的控制系统中，第一控制器102被配置为在活塞发动机中的另一个或更多个的燃料供应已被中断时保持活塞发动机108-110中的一个或更多个的燃料供应有效。第二控制器103被配置为保持所有电机105-107电连接到电导体系统111。在该示例性情况下，连接到其燃料供应有效的一个或更多个活塞发动机的一个或更多个电机可以用于使连接到其燃料供应被中断的一个或更多个其它活塞发动机的一个或更多个其它电机旋转。该操作模式例如在以下情况下是有用的：发电厂与外部电力系统114断开连接或发电厂电连接到外部电力系统114，但不利的是，在发电厂与外部电力系统114之间转移电力，并且对向外部电力系统114供电的需要可以在任意时刻返回。
根据本发明的示例性且非限制性实施方式的控制系统包括第三控制器104，该第三控制器被配置为根据电导体系统111的电压的目标值和/或要从考虑中的电机向电导体系统111供应的无功功率的目标值控制电机105-107中的每个的励磁。因此，连接到其燃料供应被中断的活塞发动机的每个电机可以用作旋转无功功率补偿器。换言之，连接到其燃料供应被中断的活塞发动机的电机不仅构成旋转保留，而且电机还可以操作为旋转无功功率补偿器。
在根据本发明的示例性且非限制性实施方式的控制系统中，第一控制器102被配置为将活塞发动机108-110的燃料供应保持为交替有效，例如使得根据预定操作计划、和/或根据从活塞发动机测量的温度和/或其它量、和/或根据某一其它信息在操作期间使其燃料供应被中断的一个或更多个活塞发动机交替。在根据本发明的示例性且非限制性实施方式的控制系统中，第一控制器102被配置为从活塞发动机108-110接收温度信号t1、t2、...、t3，并且激活其温度信号指示由温度信号指示的温度中的最低温度的活塞发动机中的特定一个的燃料供应，并且中断其温度信号指示由温度信号指示的温度中的最高温度的活塞发动机中的另一个的燃料供应，以便均衡活塞发动机的温度。
根据本发明的示例性且非限制性实施方式的控制系统包括第四控制器105，该第四控制器被配置为从活塞发动机108-110接收温度信号t1、t2、...、t3，并且激活加热系统以加热其燃料供应被中断且其温度信号指示小于第一极限值的温度的活塞发动机中的每个的冷却液。为了保持考虑中的活塞发动机能够提供对电力需要的快速响应，该活塞发动机的温度有利地被保持在合适极限以上。在图1中，加热系统用附图标记124来表示。加热系统124例如可以基于用于加热考虑中的活塞发动机的冷却液的加热电阻器。还可以的是，加热系统124包括换热器，该换热器用于将来自其燃料供应有效的一个或更多个活塞发动机的冷却液的热转移到其燃料供应被中断的一个或更多个其它活塞发动机的冷却液。还可以的是，加热系统124包括换热器，该换热器用于将来自其燃料供应有效的一个或更多个活塞发动机的排放气体的热转移到其燃料供应被中断的一个或更多个其它活塞发动机的冷却液。
在根据本发明的示例性且非限制性实施方式的控制系统中，上述第一控制器102包括单独的控制器单元，使得每个控制器单元被配置为控制包括电机和活塞发动机的一个发电机组，使得控制器单元大致独立于其它控制器单元控制相关发电机组。对应地，上述第二控制器103可以包括单独的发电机组特定控制器单元，上述第三控制器104可以包括单独的发电机组特定控制器单元，和/或上述第四控制器105可以包括发电机组特定控制器单元。由此，控制系统101可以包括发电机组特定部分控制系统，每个发电机组特定部分都大致独立于其它部分控制系统控制相关发电机组。在以上所描述的示例性情况下，控制系统101是功能分布式控制系统。根据本发明的另一个示例性且非限制性实施方式的控制系统是用于控制所有发电机组的中心式控制系统。
以上述方式将包括电机和活塞发动机的发电机组用作旋转保留的固有不便是活塞发动机在被电机旋转时消耗机械能。大部分机械能消耗通过在由活塞泵送的空气从活塞发动机离开到排气管道时在压缩冲程期间主要在气缸内部且在稍后级在涡轮增压器涡轮处发生的泵送损失而引起。此外，在许多情况下，活塞发动机设置有由活塞发动机机械驱动的一个或更多个泵，诸如冷却液泵。在这些示例性情况下，以上所提及的机械能消耗的另一部分由通过活塞发动机机械驱动的泵而引起。
在根据本发明的示例性且非限制性实施方式的控制系统中，第一控制器102被配置为减少其燃料供应被中断的活塞发动机108-110中的每个的入口阀的打开时间，以便减少主要发生在气缸内部的上述泵送损失，从而减少使考虑中的活塞发动机旋转所需的机械功率。在减少进气阀的打开时间时，减少压缩冲程开始时的空气量，由此降低压缩压力。还可以的是，第一控制器102被配置为在阻气阀的帮助下减少入口歧管中的气流。在一些示例性情况下，可以有利的是，在中断燃料供应时将进气阀的打开时间减少至零和/或关闭阻气阀。还可以的是，第一控制器102被配置为调节其燃料供应被中断的活塞发动机108-110中的每个的排气阀的打开时间，以便减少上述泵送损失。
进气阀的打开时间例如可以被减少为使得在燃料供应有效时存在用于正常操作的不同凸轮轴形状，并且在燃料供应被中断时存在用于保留操作的不同凸轮轴形状。凸轮轴形状可以在借助于例如液压、气动和/或电致动运行的同时改变。还可以的是，发动机设置有适配在气缸头上的装置，该装置用于在燃料供应被中断时在保留操作期间提升进气阀且可能还有排气阀，即，用于保持进气阀且可能还有排气阀关闭。上述装置可以为液压的、电气的和/或气动的。例如，为了独立于凸轮致动来促进阀提升，可以用另外液压动力源控制液压摇杆。
为了保持其燃料供应被中断的活塞发动机能够提供对电力需要的快速响应，通常有利的是保持活塞发动机的涡轮增压器旋转。然而，这产生能量损失，因为涡轮增压器往往增加压缩冲程开始时的空气量，这转而倾向于增加上述泵送损失。
在根据本发明的示例性且非限制性实施方式的控制系统中，第一控制器102被配置为打开用于允许由其燃料供应被中断的活塞发动机的涡轮增压器生成的气流的至少一部分排放到环境空气的放泄阀，以便减少将活塞发动机用作用于生成保持涡轮增压器旋转的另一个气流的泵所需的机械功率。在图1中，活塞发动机108的放泄阀用附图标记126来表示。
在根据本发明的示例性且非限制性实施方式的发电厂中，为了减少使其燃料供应被中断的每个活塞发动机旋转所需的机械功率，活塞发动机108-110的冷却液泵是电动冷却液泵。还可以的是，用电动泵代替通常由活塞发动机机械驱动的一些其它泵。在图1中，电动冷却液泵中的一个用附图标记125来表示。
根据本发明的示例性且非限制性实施方式的控制系统包括第四控制器105，该第四控制器被配置为从活塞发动机108-110接收温度信号t1、t2、...、t3，并且激活加热系统124以加热其燃料供应被中断且其温度信号指示小于第一极限值的温度的活塞发动机中的每个的冷却液。第四控制器105还被配置为激活其温度信号指示在第二极限值以上的温度的活塞发动机中的每个的电动冷却液泵，该第二极限值大于上述第一极限值。由此，每个活塞发动机的温度被保持在第一极限值与第二极限值之间。
控制系统101的实现可以基于一个或更多个模拟电路、一个或更多个数字处理电路、或其组合。每个数字处理电路可以是可编程处理器电路，该可编程处理器电路设置有适当软件、专用硬件处理器(诸如例如，专用集成电路“asic”)或可配置硬件处理器(诸如例如，现场可编程门阵列“fpga”)。此外，控制系统101可以包括一个或更多个存储器电路，每个存储器电路例如可以为随机存取存储器“ram”电路。
图2示出了根据本发明的示例性且非限制性实施方式的用于控制发电厂的方法的流程图，该发电厂包括：
-一个或更多个电机，
-一个或更多个活塞发动机，该一个或更多个活塞发动机用于将一个或更多个电机操作为一个或更多个发电机，以及
-电导体系统，该电导体系统用于电连接到一个或更多个电机中的每个和外部电力系统。
该方法包括以下动作：
-动作201：响应于中断从电机中的第一个或更多个到电导体系统的供电的需要而中断连接到电机中的第一个或更多个的活塞发动机中的第一个或更多个的燃料供应，
-动作202：响应于活塞发动机中的第一个或更多个的燃料供应中断的情况而保持电机中的第一个或更多个连接到电导体系统，以便将电机中的第一个或更多个操作为用于利用从电导体系统接收的电力使活塞发动机中的第一个或更多个旋转的一个或更多个电动马达，以及
-动作203：响应于恢复从电机中的第一个或更多个到电导体系统的供电的需要而恢复活塞发动机中的第一个或更多个的燃料供应。
根据本发明的示例性且非限制性实施方式的方法包括以下步骤：维持连接到电机中的第二个或更多个的活塞发动机中的第二个或更多个的燃料供应；以及响应于活塞发动机中的第一个或更多个的燃料供应中断的情况而保持电机中的第二个或更多个连接到电导体系统。
根据本发明的示例性且非限制性实施方式的方法包括以下步骤：将活塞发动机的燃料供应保持为交替有效，使得在每个时刻，活塞发动机中的至少一个的燃料供应有效，并且活塞发动机中的至少另一个的燃料供应中断。
根据本发明的示例性且非限制性实施方式的方法包括以下步骤：
-从一个或更多个活塞发动机接收温度信号，
-激活其温度信号指示由温度信号指示的温度中的最低温度的活塞发动机中的特定一个的燃料供应，以及
-中断其温度信号指示由温度信号指示的温度中的最高温度的活塞发动机中的另一个的燃料供应。
根据本发明的示例性且非限制性实施方式的方法包括以下步骤：中断所有活塞发动机的燃料供应，以及响应于发电厂能够从外部电力系统接收电力且存在中断从发电厂到外部电力系统的供电的需要的情况而保持所有电机连接到电导体系统。
根据本发明的示例性且非限制性实施方式的方法包括以下步骤：从一个或更多个活塞发动机接收温度信号，以及激活加热系统以加热其燃料供应被中断且其温度信号指示小于第一极限值的温度的活塞发动机中的每个的冷却液。
根据本发明的示例性且非限制性实施方式的方法包括以下步骤：激活其温度信号指示在第二极限值以上的温度的活塞发动机中的每个的电动冷却液泵。
根据本发明的示例性且非限制性实施方式的方法包括以下步骤：根据电导体系统的电压的目标值、和/或要从考虑中的电机向电导体系统供应的无功功率的目标值控制电机中的每个的励磁。
根据本发明的示例性且非限制性实施方式的方法包括以下步骤：减少其燃料供应被中断的活塞发动机中的每个的进气阀的打开时间，以便减少使考虑中的活塞发动机旋转所需的机械功率。
根据本发明的示例性且非限制性实施方式的方法包括以下步骤：打开用于允许由其燃料供应被中断的活塞发动机中的每个的涡轮增压器生成的气流的至少一部分排放到环境空气的放泄阀，以便减少将活塞发动机用作用于生成用于保持涡轮增压器旋转的另一个气流的泵所需的机械功率。
根据本发明的示例性且非限制性实施方式的计算机程序包括计算机可执行指令，这些计算机可执行指令用于控制可编程处理系统执行与根据本发明的以上所描述的示例性且非限制性实施方式中的任一个的方法有关的动作。
根据本发明的示例性且非限制性实施方式的计算机程序包括软件模块，这些软件模块用于控制发电厂，该发电厂包括：
-一个或更多个电机，
-一个或更多个活塞发动机，该一个或更多个活塞发动机用于将一个或更多个电机操作为一个或更多个发电机，以及
-电导体系统，该电导体系统用于电连接到一个或更多个电机中的每个和外部电力系统。
软件模块包括计算机可执行指令，这些计算机可执行指令用于控制可编程处理系统：
-响应于中断从一个或更多个电机到电导体系统的供电的需要而中断连接到电机中的一个或更多个的活塞发动机中的一个或更多个的燃料供应，
-响应于一个或更多个活塞发动机的燃料供应中断的情况而保持一个或更多个电机连接到电导体系统，以便将一个或更多个电机操作为用于利用从电导体系统接收的电力使一个或更多个活塞发动机旋转的一个或更多个电动马达，以及
-响应于恢复从一个或更多个电机到电导体系统的供电的需要而恢复一个或更多个活塞发动机的燃料供应。
软件模块例如可以为用适于可编程处理系统的编程工具实现的子例程或函数。
根据本发明的示例性且非限制性实施方式的计算机程序产品包括编码有根据本发明的示例性实施方式的计算机程序的计算机可读介质，例如光盘“cd”。
根据本发明的示例性且非限制性实施方式的信号被编码以承载定义根据本发明的示例性实施方式的计算机程序的信息。
以上给出的描述中所提供的具体示例不应被解释为限制所附权利要求的范围和/或可应用性。以上给出的描述中所提供的示例的列表和组不是详尽的，除非另外明确陈述。