专利名称：用于将发电机连接到电网的连接电路及方法
背景技术：
对电力供应的限制范围放宽的结果，其中使得也能向电网供电，地方发电，即例如在具有加热设备的家庭或其它建筑物中实现的发电，成为有效的。这种连接的例子在未预先公开的荷兰专利申请1015319中描述了，这里附上该专利申请的副本，并且应当认为该专利申请的内容也被包括在本说明中。在中央发电中，借助于改变发电机的转速直到发电机和电网电压之间的相位差足够小时，使同步发电机和电网相连。这种处理在地方发电中一般是不够的，并且在上述的利用斯特林发电机作为(线性)发电机的组合中确实是不够的。
如果在发电机的相位和频率与电网的相位和频率相差较大时使发电机和电网相连，则将发生大的电流，这在电网中是不允许的，或者将在一个短的时间内使(斯特林)发电机破坏。
发明内容
本发明的目的在于使得能够利用相当简单的装置使发电机和电网实现可靠的连接，并克服上述的问题。
本发明提供一种用于将产生电能的发电机连入电网的连接电路，包括-测量电路，用于测量通过所述连接电路的电流；-储能装置，用于在至少某时间周期内存储所述发电机提供的电荷；-第二测量电路，用于测量存储的电荷的量，所述电路和一个存储元件相连；以及-第一可控开关，用于以测量的电流强度、电压和存储的电荷为条件把所述发电机连接到所述电网。
在同步期间，在发电机上存在以阻尼方式作用的电负载。在斯特林发电机的情况下，发电机的机械振幅被限制，因而避免机械破坏；在旋转发电机的情况下，可以避免过量的发电机的角速度。只要发生相位锁定，便可被继续被维持在某个限制内。
优选地，和所述存储元件并联设置有消耗元件和第二可控开关，只要发电机不和电网相连，所述第二开关便闭合，借以使得可以使用具有相当小的电容(微法数量级)的存储元件快速地发生同步。
本发明的其它的优点、特征和细节通过下面结合附图对按照本发明的电路和方法的优选实施例进行的说明将会更加清楚地看出。
图1是按照本发明的电路的第一优选实施例的原理图；图2表示图1的电路图的一部分的优选实施例；图3表示图1的电路图的另一部分的优选实施例；图4A-4C表示在图1-3的电路图中发生的各个信号的曲线；以及图5A-5C表示在图1-3的电路图中发生的各个信号的曲线。
具体实施例方式
按照本发明的电路10的优选实施例被连接在斯特林发电机5(例如350-5000W，分别为230V，50Hz和110V，60Hz)的端子11和12之间，具有匹配电容器6，用于提供正确的匹配，以便实现电阻负载，例如功率因数大约为0.9-1.0，以及示意地表示的电网4的端子13和14。此外，示意地表示的第一可控开关28被设置在端子11和13之间。电路10包括分流电阻15，使得发电机产生的电流可以通过互感器16被测量。电路10还包括由4个二极管21，22，23，24构成的二极管桥式电路20，其输出和存储电容器25的极相连。电阻26和存储电容器25并联，并示意地示出了第二可控开关27。在端子13和14之间还连接有差动放大器29。
差动放大器29的输出和电路30的输入相连，用于产生一个等于预定值的偏置电压。差动放大器29的输出还和相位电路40的输入相连，用于确定和移动相位电路40的相位，互感器16的输出也和所述相位电路相连。差动放大器51和电容器25的两个极相连，差动放大器51的输出和第二差动放大器52相连，差动放大器52具有和电路30的输出相连的另一个输入。施密特触发器电路53和差动放大器52的输出相连。与门54和相位电路40的输出相连，与门54的另一个输入由“逻辑选通信号”E构成。放大器55(具有反相器)和56和与门54的输出相连。放大器56的输出和可控开关27的输入相连。放大器55的反相输出和与门57相连，所述与门的输出和可控开关28相连。
电路30(图2)包括变换器31，用于把来自差动放大器29的输出信号变换成块状信号；频率乘法器32，其和变换器31的输出相连，并且来自相位电路40的信号A和其第二个输入相连。此外，计数器34和或门33的输出相连，同时复位输入和变换器31的输出相连。电路30还包括和计数器34的8个并行输出(D0-D7)相连的EPROM 35。DA变换器36和EPROM 35的8个并行输出相连。
相位电路40(图3)的优选实施例包括相位比较器41，用于比较两个输入的相位，即，在一方面，来自端子11的电流，在另一方面，在端子13和14之间的电压。相位差被传递到示意地表示的微处理器42-44，其中只要相位差不为0，一个返回环路便是有效的。当相位差大致为0时，便对与门54(图1)产生一个逻辑信号。只要示意地表示的在方块44中相位差不为0，便通过脉冲发生器45对电路30产生逻辑信号A。
在电路30和40的另一个实施例中，这些电路的功能被全部或者部分地在微处理器或数字信号处理器中实现，以便在异常操作情况下能够进行干预，这是可能的，因为，利用来自与门54的输出信号，便能够在比电网的周期时间短的时间内，例如在0.2毫秒内，从电网连接转换到由电容器25和包括电阻26的可变负载构成的负载。
下面根据图4A-5C进一步说明上述电路的操作。
利用例如由USA的STC公司制造的110V，350W，60Hz的斯特林发电机对按照本发明的电路进行了试验。不过，本发明的电路可以用于所有类型的同步直线或旋转发电机。在这种发电机中，只要在发电机和电网之间的相位改变足够小，便保持相位锁定。
在接通时，即，在发电机5通过开关28和电网4相连时，频率和相位必须完全相等，以便避免开始流过太大的电流，太大的电流在电网4中是不允许的，或者将导致发电机5的破坏。
斯特林发电机5如果和电阻负载相连，则产生基本上是正弦形状的电流。使用互感器16测量的电流I1示于图4A。借助于二极管电路20整流的电流对电容器25充电。在差动放大器51的输出端得到的电压V1示于图4B。电压V1在差动放大器52中和电路30的输出比较。
开关27由和施密特触发器53相连的与门57的输出控制。如果反相器55提供一个逻辑“真”信号，则由元件51，52，53，57和27构成的控制环有效；在恒定的偏置电压V3下从电容器交替地进行充电或不充电，其中电容器上的电压具有如图4B所示的形状。在端子11和12之间的电压将具有图4C所示的形状。其中正值和负值的幅值大致等于电容器25上的电压。在实际的电路中，通过测量电阻的电流和在端子11和12之间的电压例如分别大致具有被连接的电网操作时具有的值。
图5A表示能够使发电机和电网同步的电压V3的可能的波形。
在本实施例中，电压V3具有等于电网的周期的一半的周期，同时相位被锁定在电网的相位上。例如其值在最大值Vmax和0.8Vmax之间改变，去周期是电网的平均周期的一半。
例如可以应用下式求得V3V3＝Vmax-4.(Vmax-0.8Vmax)T-2·P2，其中T是电网的周期，并且对于变量P应用-T/2≤P≤T/2。
例如变量P的例子如图5B所示，而在改变V3时所得的电压V1’如图5C所示。
只要V3是常数，发电机便空载，并且不进行相位锁定。不过，当电压改变时，例如具有图5A所示的周期T/2，则快速地发生相位锁定。
在电路30(图2)中，通过差动放大器从电网获得的信号首先在变换器31中被转换成块状信号。在乘法器32中，频率例如乘以128。计数器34利用块状信号复位。信号A将影响计数器34的计数。计数器34的输出数据线和EPROM 35相连，其通过变换器36例如产生图5A所示的波形。
在电路40(图3)中，电流I1和电网的电压之间的相位差在41中被测量。只要相位差不等于0，返回环路便有效。每当完成所述返回环路时，便通过脉冲发生器45产生一个增加的计数A，并通过或门33送给计数器34，借以使电压V1的相位移动，直到发电机最后和电网同步为止。在那个时刻，可以把开关25打开，把开关28闭合。然后发电机在被锁定在电网的相位上的状态下向电网提供电能。
本发明不限于上述的优选实施例，本发明的保护范围应当由下面的权利要求书限定，在本发明的范围内，可以作出许多改变。
权利要求
1.一种连接电路，用于将产生电能的发电机连入电网，包括-测量电路，用于测量通过所述连接电路的电流；-存储元件，用于在至少一些时间内存储着所述发电机提供的电荷；-第二测量电路，用于测量存储电荷的数量，所述第二测量电路与存储元件相连；以及-第一可控开关，用于在已测量的电流强度、电压和存储电荷条件下把所述发电机连接到所述电网。
2.按照权利要求1所述的连接电路，其中所述第一测量电路包括互感器。
3.按照权利要求1或2所述的连接电路，其中所述第二测量电路包括差动放大器。
4.按照权利要求1或2或3所述的连接电路，还包括用于产生预定值电压的电路。
5.按照权利要求1-4中任何一项所述的连接电路，还包括相位电路，用于确定和移动测量信号的相位。
6.按照权利要求4所述的连接电路，其中所述电路包括微处理器；EPROM，其中以数字形式存储着所述预定值的信号；以及D/A变换器。
7.按照权利要求6所述的连接电路，其中一个计数器与所述EPROM相连，用于相移所述EPROM的输出。
8.按照权利要求5所述的连接电路，其中所述相位电路包括相位比较器，锁相和返回环路。
9.按照权利要求1-8中一项或几项权利要求所述的连接电路，其中所述消耗元件和所述第二可控开关设置成与所述存储元件并联。
10.一种用于将发电机连接到电网的方法，其中使用一种连接电路，其中测量通过所述逻辑电路的电流，测量在所述测量电路的存储元件中存储的电荷的数量，并且其中只要测量表示由所述发电机产生的电压的相位和电网的电压的相位大致相等时，立刻把所述发电机连接到所示电网。
11.按照权利要求9所述的方法，其中应用按照权利要求1-8中一项或几项所述的连接电路。
12.按照权利要求10或11所述的方法，其中按照权利要求1-10所述的测量值被用于延迟与所述电网的连接或不发生与所述电网的连接，或者用于中断现有的连接，并在短的时间内返回到消耗所述发生的电功率，使得可以避免发生机械的、机电的、或者电的破坏。
全文摘要
本发明涉及一种用于将发电机连入电网的连接电路，包括测量电路，用于测量通过所述连接电路的电流；储能元件，用于在至少一些时间内存储所述发电机提供的电荷；第二测量电路，用于测量存储的电荷的数量，所述电路和存储元件相连；以及第一可控开关，用于在已测量的电流强度、电压和存储电荷条件下把所述发电机连接到所述电网。
文档编号H02J3/40GK1500304SQ02807268
公开日2004年5月26日 申请日期2002年3月12日 优先权日2001年3月12日
发明者盖雷杜斯·J·J·贝克斯, 德克·L·贝克林, 威廉·A·万肯佩, 伯恩德·J·万肯佩, 约翰尼斯·S·里伯迪恩克, 雅各布斯·G·M·楚特, J 万肯佩, A 万肯佩, L 贝克林, 斯 G M 楚特, 斯 S 里伯迪恩克, 盖雷杜斯 J J 贝克斯 申请人:伊耐泰克电力热力有限公司