用于独立式房屋的迷你/微型中央供热供电站的运行方法及设备与流程

本发明涉及一种用于运行用于独立式房屋的迷你/微型中央供热供电站(Blockheizkraftwerk)的方法，在该方法中，燃烧发动机/内燃机产生转矩，该转矩用于驱动作为发电机使用的异步电机，该异步电机提供具有相R、S和T的三相电流以用于为了产生用于房屋中的消耗器的热能和电能的目的而取用电功率，燃烧发动机还产生废气流，废气流的废热通过热交换器被输送给蓄热器，以产生用于使用水循环和热循环的热能和产生房屋热水，设置有电池蓄能器和整流器/逆变器单元，该电池蓄能器用于暂时提供用于耗电器的电功率，该整流器/逆变器单元用于通过对由发电机提供的交变电流的至少一部分进行整流而为电池蓄能器充电和用于将直流电流转换成交流电流以用于房屋中的耗电器，其中，燃烧发动机、发电机、蓄热器、电池蓄能器和整流器/逆变器单元被中控逻辑装置控制。

此外，本发明涉及一种用于执行所述方法的设备，该设备具有燃烧发动机，该燃烧发动机产生用于驱动作为发电机使用的异步电机的转矩，该异步电机提供具有相R、S和T的三相电流以用于取用用于房屋中的热能消耗和电能消耗的电功率，该燃烧发动机还产生废气流，废气流的废热通过热交换器被输送给蓄热器，以产生用于使用水循环和热循环的热能以及房屋热水，该设备具有用于暂时提供用于耗电器的电功率的电池蓄能器、用于通过对由发电机提供的交变电流的至少一部分进行整流而为电池蓄能器充电的和用于将直流电流转换成交流电流以用于房屋中的耗电器的整流器/逆变器单元、以及中控逻辑装置，该中控逻辑装置与燃烧发动机、发电机、蓄热器、电池蓄能器和整流器/逆变器单元相连接以用于操控。

背景技术：

原则上，中央供热供电站(BHKW)提供来自热电联供的热能和电能，其中，利用油或气体驱动的燃烧发动机或燃料单元与产生电流的发电机相联接(参见文献DE 41 02 636 C2、DE 197 40 398 A1、DE 198 16 415 A1、DE 198 22 880A1、DE 20 2009 009 945 U1、DE 10 2010 015 702 A1、DE 20 2010 018 242 U1、DE 20 2011 102 374 U1、DE 20 2011 106 636 U1、DE 10 2011 120 823 A1)。

中央供热供电站总是应用在除了电能也可使用热能的地方。因此，中央供热供电站的重要应用领域是住宅区、工业企业、商业停车场、公共建筑或游泳池。这种中央供热供电站设计用于在满负荷下长时间运行，并且或者以引导热的运行方式工作，或者以引导电流的运行方式工作。在引导热的运行方式中，BHKW的控制参数是热需求，而在引导电流的运行方式中控制参数是电流。BHKW的经济性的运行方式的前提是每年至少6000小时的尽可能无中断的运行时间(BHKW-Grundlagen(BHKW基础)，Arbeitsgemeinschaft für sparsamenund umweltfreundlichen Energiever-brauch e.V.(节能环保能耗联合企业注册协会)，www.asue.de/cms/upload/inhalte/../broschuere/bhkw-grundlagen-2010.pdf)。

此外已知的是，在公寓式或居民楼式房屋中，应用具有小于50kW的功率的迷你中央供热供电站，而在独立式房屋中应用具有小于20kW的功率的所谓的微型中央供热供电站，然而其也要求每年＞5000小时的最小运行时间并且此外需要附加锅炉或缓冲蓄能器(“Mini-BHKW-noch zu groβfür Ein-und (对于独户或两户式房屋还过大的迷你BHKW)”,www.springer-vdi-verlag.de/library/common.../ebwk_06_2008_thomas.pdf)。至今为止，在独立式房屋中还不能贯彻实现微型BHKW，这是因为不能达到所要求的高的年运行功率，其购置和维护成本过高并且电效率过低。

从文献DE 10 2013 100 999 A1中已知一种供能装置，其具有中央供热供电站、蓄电器、可控的有效功率消耗器和控制装置，该控制装置具有用于外部供能网络的联接部、用于用户消耗器的联接部和逆变器，其中，逆变器设置成用于提供有效功率和无功功率。这种已知的现有技术实现了用于从网络并行运行模式到孤岛运行模式的快速切换，在孤岛运行模式中，对于由中央供热供电站提供的电能以及联接的用户消耗器所取用的电能的每个相都进行电压、电流强度和比较，并且对于每个相进行调节。

此外，文献EP 2 348 597 A1公开了一种用于调整部分功率的方法，该部分功率在具有多个外部导体的多相交变电流网与用于将电能供给到该交变电流网中的、具有多相逆变器以及联接到交变电网上的耗电器的设备之间的电网联接点处流过各个外部导体，其中，检测流过单个外部导体的部分功率之间的差，并且通过利用逆变器将不同大小的部分功率供给到单个外部导体中来减小该差。

此外，已知一种异步发电机，该异步发电机通过变压器给单相的消耗器网供电，其方式为：三相对称地产生的能量完全被转换用于单相的联接部(T.F.Chan,L.L.Lai；“Single-Phase Operation of a Three-Phase Induction Generator Using a Novel Line Current Injection Method”,IEEE Transaction on Energy Conversion,Vol.20,No.2,2.June 2005)。

所有这些已知的解决方案共同的缺点是，发电机的电功率不能与热能和电能的瞬时消耗负荷相匹配。

技术实现要素：

在这种现有技术中，本发明提出的目标是，提供一种用于运行用于独立式房屋的迷你/微型中央供热供电站的方法以及设备，利用该方法和设备可在改善热效率和电效率的同时显著减小迷你/微型BHKW的年运行时间并且降低维护成本以及运行成本。

该目标通过具有权利要求1的特征的开头所述类型的方法实现并且通过具有权利要求10或11的特征的设备实现。

从从属权利要求中得到根据本发明的方法和设备的有利的设计方案。

根据本发明的解决方案来源于这样的核心想法，即，根据在独立式房屋中的消耗器的瞬时的总负荷重新分配由发电机给出的功率，并且同时同步地与热能和电能的相应的瞬时部分负荷相匹配。

这通过以下方式实现，即，根据热能和电能的瞬时出现的消耗负荷，将待提供到单个相R、S和T上的发电机的电功率至少从一个相R和T部分地或者完全地至少重新分配到第三相S上，并且由此与热能和电能的瞬时出现的负荷相匹配，其中，测量电能和热能的瞬时负荷，所述测量值被传输给中控逻辑装置，在该中控逻辑装置中与针对消耗确定的用于热能和电能的年连续曲线和日间变化曲线相比较，确定具有允许的公差的负荷偏差，并且通过调整元件相应于瞬时消耗负荷将在一个或两个相中提供的电功率无电势地供给到第三相S上。

在优选的实施变型方案中，通过以下步骤进行根据本发明的方法：

a)起动燃烧发动机并且接通发电机以产生具有相R、S和T的对称的三相电流，

b)通过被分配给蓄热器的热量计和被分配给耗电器的电子计数器持续测量消耗负荷，

c)在中控逻辑装置中储存用于热能和用于电能的、为独立式房屋计划的年连续曲线和日间变化曲线以及其相应于实际消耗的持续的更新记录，

d)通过中控逻辑装置从测量值获得瞬时负荷和确定与用于热能和电能的日间变化曲线的负荷偏差，

e)通过调整元件通过所出现的电流直接转换落到三相电流的第一相S上的功率份额，并且通过调整元件转换落到三相电流的其它两相上的功率份额，

f)通过调整元件如此将相R和T的功率份额分配到相S上，使得其相应于根据步骤d)获得的热能和电能的瞬时负荷，

g)如此为电池蓄能器和蓄热器充能，使得落到电池蓄能器上的功率份额比落到蓄热器上的功率份额高5％至10％，

h)如果电池蓄能器和蓄热器达到其最大规定的功率份额容量，则关断燃烧发动机，

i)通过消耗器从电池蓄能器和蓄热器中取用功率份额，直至功率份额的剩余容量为至少4％，以及

j)如果电池蓄能器和蓄热器低于根据步骤i)所述的剩余容量，则接通燃烧发动机并且重新进行步骤a)至j)。

在根据本发明的方法的另一优选的实施方式中规定，使用具有换流器的三相电流-交变电流-变压器作为调整元件，其中，三相电流-交变电流-变压器通过直接存在的电流转换落到一个相上的功率份额，并且换流器将落到其它相上的功率份额无电势地供给到第一相中。这具有的优点是，使每个相中的功率与负荷相匹配并且仅须根据消耗情况提供功率。

按照根据本发明的方法的另一优选的设计方案，通过整流器的电路使用于相R的换流器和用于相T的换流器如此工作，即，一个换流器单向切换并且另一换流器双向切换。

适宜地，三相电流-交变电流-变压器和换流器被集成到发电机的电路中并且直接由该发电机运行。

在根据本发明的方法的另一备选的实施方式中，可以为每个单个相使用由中控逻辑装置控制的整流器作为调整元件，该整流器确保使得功率与在单个分支中的相应的负荷相匹配。

按照根据本发明的方法的另一优选的设计方案，使用四象限计数器作为电子计数器，该四象限计数器测量每个相中的瞬时的电能消耗负荷并且将测量值传输给中控逻辑装置以进行处理和输出控制命令。

此外，本发明的目标通过开头所述类型的设备通过以下方式实现，即，为了获得热能和电能的瞬时负荷，设置有热量计和电子计数器，以及为了使三相电流的单个相R、S和T的待提供的电功率与热能和电能的瞬时负荷相匹配，设置有具有电子换流器的三相电流-交变电流-变压器，该三相电流-交变电流-变压器的初级侧具有与一个次级输出部相配设的三个初级绕组，其中，初级绕组中的一个直接与相S和T相连接，并且其它初级绕组分别通过各一个电子换流器与相S和R以及相R和T相连接。

备选地，代替每个相上的具有电子换流器的三相电流-交变电流-变压器，使用一个由中控逻辑装置操控的二极管调节的整流器用作调整元件。

在本发明的另一适宜的实施方式中，被分配给相R和S的换流器具有双向切换的整流器二极管，被分配给相R和T的换流器具有单向切换的整流器二极管，整流器二极管为了操控的目的与中控逻辑装置相连接。

根据本发明的设备的另一有利的设计方案规定，三相电流-交变电流-变压器和换流器被集成到发电机的电路中。

此外适宜的是，为蓄热器分配有热量计，为房屋配电器分配有电子计数器，其中，热量计和电子计数器与中控逻辑装置相连接。

四象限计数器证实为特别适用于测量电能的瞬时消耗。

从以下参考附图的描述中得到其它优点和细节。

附图说明

以下根据实施例详细解释本发明。

其中：

图1示出了迷你/微型中央供热供电站的示意图，其作为具有与暖气、热水供给部和耗电器的联接部的孤岛解决方案，

图2示出了具有换流器和交变电流输出部的三相电流-交变电流-变压器的、集成到发电机中的电路，以及

图3a和3b示出了独立式房屋的热负荷和电流负荷的典型的日间变化曲线的图示。

附图标记列表：

1 迷你/微型BHKW

2 燃烧发动机

3 发电机

4 废气热交换器

5 止回阀

6 管路

7 蓄热器

8 废气管路

9 管路

10 6和9之间的连接管路

11 三通阀

12 前进管路

13 回流管路

14 暖气片

15 地暖

16 7中的热交换器

17 冷水输入管路

18 电加热棒/沉没管电加热器

19 热量计

20 用于19的控制线路

21 中控逻辑装置

22 调整元件

23 控制线路

24 电池蓄能器

25 三相电流-交变电流-变压器

26 25的初级侧

27、28、29 初级绕组

30、31 电子换流器

32 次级交变电流输出部

33 整流器/逆变器单元

34 电子计数器

35 用于34的连接线路

36 用于18的电子开关

37 暖气控制器

38 用于油或燃气的输入管路

R、S、T 三相电流的相

N 零点

具体实施方式

图1以示意图示出了迷你/微型中央供热供电站1的基本结构，该迷你/微型中央供热供电站1给一独立式房屋供应具有6kWh的电功率和20kWh的热功率的平均能量消耗。

迷你/微型中央供热供电站(BHKW)1主要包括利用油或燃气运行的液体冷却的燃烧发动机2和作为发电机3的异步电机，该异步电机与燃烧发动机2相联接。

燃烧发动机2具有10kW的机械输出功率并且与用于油或燃气的输入管路38相连接。异步电机以四导体电路提供50Hz、400/231V的对称的具有相R、S和T的三相电流和高达20kW的输出功率，其中，在这三个相之间必须可调整不对称的消耗器，例如在一个相上为额定功率的300％而在另外两个相上没有功率。

燃烧发动机2的燃烧废气被输送给废气热交换器4，废气热交换器4的液体侧通过可由止回阀5阻断的管路6与蓄热器7相连接，蓄热器7用使用水填充。被冷却的燃烧废气通过废气管路8从废气热交换器4的气体侧向外被导出到环境中。蓄热器7具有1000升的储存体积并且实施成层式蓄能器。

燃烧发动机2的冷却水循环回路通过管路9与蓄热器7相连接，从而一方面发动机热并且另一方面燃烧废气分别可将其热量给出到蓄热器7中的使用水。

管路9通过连接管路10与管路6相连接，连接管路10可借助于三通阀11阻断，从而可为了维护和装配的目的而中断燃烧发动机2的冷却循环。

蓄热器7通过前进管路12和回流管路13与房屋的暖气片14或地暖15相连接。

暖气的控制通过通常的暖气控制器37实现，其因此不必详细描述。

在蓄热器7中存在与冷水输入管路17相连接的热交换器16，通过冷水输入管路17将冷水输入热交换器16，通过热交换器16加热使用水并且将其分配给房屋中的消耗器部位以供取用。

附加地，蓄热器7配备有电加热棒18，当使用水提供的热量不足以加热暖气和热水时，可通过由中控逻辑装置21操控的电子开关36接通电加热棒18。

在蓄热器7处存在热量计19，其被分配给通到热交换器4的管路6和与燃烧发动机2的冷却循环回路相连接的管路9。热量计19持续地测量所消耗的热量并且通过控制线路20将其传输给中控逻辑装置21，中控逻辑装置21处理该测量值并且将其转换成用于稍后还将描述的在发电机3处的调整元件22的相应的控制命令。

中控逻辑装置21此外通过控制线路23与燃烧发动机2、发电机3和加热棒18相连接，控制线路23传输中控逻辑装置21的控制命令以用于起动和停止燃烧发动机2、起动和关断发电机3以及接通和断开加热棒18。

此外，迷你/微型BHKW 1还具有电池蓄能器24，电池蓄能器24由8至12个具有150Ah至225Ah的容量的锂离子电池或铅电池组成。发电机3的输出部利用其3个相R、S和T以及零点N贴靠在调整元件22上，在图2中示出了调整元件22的结构。

调整元件22由三相电流-交变电流-变压器25组成，其初级侧26具有三个初级绕组27、28和29，在所述初级绕组中，初级绕组27直接与相S和T连接，并且另外两个初级绕组28和29分别通过电子换流器30和31联接到相S和R上以及T和R上，从而这三个初级绕组共同地分担一个次级交变电流输出部32。

联接在相S和R之间的换流器30是双向切换的，而联接在相R和T之间的换流器31是单向切换的。

位于相S和T之间的初级绕组27相应于所存在的电流直接转换落到第一相S上的功率份额，即100％转换，而换流器30和31将落在其它相上的功率份额无电势地供给到第一相中。通过操控连接在换流器30和31中的整流器、缓冲电容和电子开关，可通过借助于中控逻辑装置的脉宽调制，在一个相上分配高达额定功率的300％的功率份额并且在其它相上分配不同的直至零功率的功率份额，也就是说，可在很宽的范围中以非对称的方式加载对称地产生的三相电流。

还要再次参考图1。调整元件22的交变电流输出部32与整流器/逆变器单元33相连接，整流器/逆变器单元33一方面将由调整元件22给出的交变电流转换成直流电流以用于为电池蓄能器24充电，并且另一方面在需要时通过中控逻辑装置21将来自电池蓄能器24的直流电流转换回交变电流以用于耗电器。持续地通过电子计数器34测量电能消耗，并且通过连接线路35将其传输给中控逻辑装置21以进行处理。有利地，可使用四象限计数器作为电子计数器34，利用该四象限计数器能够测量所有电参数例如无功电流。

现在详细说明根据本发明的方法的流程。

如下进行根据本发明的方法：

a)起动燃烧发动机2并且接通发电机3以产生具有相R、S和T的三相电流，

b)通过被分配给蓄热器7的热量计19和被分配给耗电器的电子计数器34持续测量消耗负荷，

c)在中控逻辑装置21中储存规划到独立式房屋名下的热能和电能的年连续曲线和日间变化曲线以及其相应于实际消耗的持续的更新记录，

d)从测量值获得热能和电能的瞬时部分负荷，通过中控逻辑装置21确定与日间变化曲线的负荷偏差，

e)通过调整元件22转换落到三相电流的第一相上的功率份额并且转换落到三相电流的其它两相上的功率份额，

f)通过调整元件22如此将功率份额分配到相R、S和T上，使得其相应于根据步骤d)获得的热能和电能的瞬时负荷，

g)如此为电池蓄能器24和蓄热器7充能，使得落到电池蓄能器上的功率份额比落到蓄热器7上的功率份额高5％至10％，

h)一旦电池蓄能器24和蓄热器7达到其最大规定的功率份额容量，就关断燃烧发动机2，

i)通过消耗器从电池蓄能器24和蓄热器7中取用功率份额，直至功率份额的剩余容量为至少4％，以及

j)一旦电池蓄能器24和蓄热器7低于根据步骤i)所述的剩余容量，就接通燃烧发动机2并且重新进行步骤a)至i)。

图3a和3b示出了典型的根据VDI标准4655确定的用于独立式房屋的热能和电能的日间变化曲线。热能和电能的年连续曲线和日间变化曲线储存在中控逻辑装置21中，并且通过所测得的测量值相应于实际消耗不断地进行更新。

如果通过中控逻辑装置21根据连续曲线确定了由热量计19和电子计数器34、例如四象限计数器瞬时测得的负荷与热能和电能的日间变化曲线的偏差，则中控逻辑装置21将调整命令给到调整元件22，该调整元件相应于热能和电能的瞬时的实际功率，以与所述偏差相匹配的方式重新分配落到两个相R和T上的功率份额，而不改变第一相S上的负荷。

相对于现有技术，本发明具有一系列的优点：

1.本发明特别适合用于独立式房屋。

2.BHKW的非连续的运行方式也保证了热能和电能的最大化的不同的消耗。

3.迷你/微型BHKW的根据本发明的非连续的运行方式基本上实现了BHKW更长的使用寿命，确切地说将其延长了四到五倍。

4.由于针对相应的瞬时负荷重新分配所提供的功率，缩短了伴随着显著成本的维护周期。

5.尽管是非连续的运行方式，但也实现了＞90％的有效效率。

6.对于使用者来说，成本降低了30％至40％。

7.具有电流失效和其它不安全性的已知结果的天气变化对根据本发明的迷你/微型BHKW没有影响，因为其自给自足地产生能量。

8.根据本发明的迷你/微型BHKW能可选地联接到公共电网上，并因此可灵活应用。