CN102812212B - 有机兰金循环(orc)负载跟踪发电***及操作的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于使用有机兰金循环(ORC)产生电力的***，其包括涡轮、发电机、蒸发器、电加热器、逆变器***和有机兰金循环(ORC)电压调节器。涡轮联被接到发电机上用于产生电力。蒸发器在涡轮的上游，并且电加热器在蒸发器的上游。蒸发器向涡轮提供汽化的有机流体。电加热器在蒸发器之前加热有机流体。逆变器***被联接到发电机上。逆变器***将电力从发电机传递至负载。ORC电压调节器被联接到逆变器***上且被联接到电加热器上，并且其从逆变器***将过剩的电力转移至电加热器。

Description

有机兰金循环(ORC)负载跟踪发电***及操作的方法
背景技术
兰金循环***通常用于发生电力。兰金循环***包括用于工作流体的蒸发的蒸发器或锅炉、从蒸发器接收蒸汽来驱动发电机的涡轮、用于冷凝蒸汽的冷凝器，以及用于将被冷凝的流体再循环至蒸发器的泵或其它器件。兰金循环***中的工作流体通常为水，且因此涡轮由水蒸汽驱动。有机兰金循环(ORC)***以与常规兰金循环类似的方式运行，只是ORC***使用有机流体来替代水作为工作流体。一些有机流体在低于水的温度下汽化，允许诸如工业废热、生物质热、地热和太阳能热力热等低温热源被用作为蒸发器的热源。
在一些情形中，在由ORC***生成电力之后，其经由逆变器***流至负载或电网。逆变器***包括DC总线，必须将DC总线保持在接近恒定电压下。通常，ORC***被连接到无限电网上，无限电网接收由ORC***生成的所有电力，并且在DC总线上保持恒定电压。然而，可以期望使用ORC***来在遥远的区域或无限电网不可用的其它位置中生成电力。当无限电网不可用时，流入DC总线中的电力必须跟踪负载，以便在DC总线上保持恒定电压。
发明内容
一种用于使用有机兰金循环(ORC)产生电力的***，其包括涡轮、发电机、蒸发器、电加热器、逆变器***和ORC电压调节器。涡轮被联接到用于产生电力的发电机上。蒸发器在涡轮的上游，且电加热器在蒸发器的上游。蒸发器向涡轮提供汽化的有机流体。电加热器在蒸发器之前加热有机流体。逆变器***被联接到发电机上。逆变器***将电力从发电机传递至负载。ORC电压调节器被联接到逆变器***上并且被联接到电加热器上，且其将过剩的电力从逆变器***转移至电加热器。
附图说明
图1为设计成用以将过剩的电力从逆变器***转移回到有机兰金循环(ORC)***的有机兰金循环(ORC)发电***的示意图。
图2为类似于图1且还包括用于ORC***的寄生负载(parasiticload)的发电***的示意图。
图3为处于稳态模式中的图2的发电***的放大示意图，其图示了***中所选点处的电力。
图4为刚好在负载中的正步进变化之后的图3中的发电***的示意性视图。
图5为发电***在正步进变化之后已进入稳态模式后的图4中的发电***的示意性视图。
图6为刚好在负载中的负步进变化之后的图3中的发电***的示意性视图。
图7处于准备模式而等待再连接至电网的图6中的发电***的示意性视图。
具体实施方式
兰金循环***可用于生成电力。兰金循环使用汽化的工作流体(即，水)来驱动产生电力的发电机。有机兰金循环(ORC)以与常规兰金循环类似的方式运行，只是ORC***使用有机流体来替代水作为工作流体，以便ORC***可使用低温热源来用于工作流体的蒸发。示例性低温热源包括工业废热、生物质热(诸如树)、地热、太阳能热力热。
在由发电机产生电力之后，电力经由逆变器***流至电网或负载。逆变器***包括DC总线，必须将DC总线保持在接近恒定电压下。流入和流出DC总线的电力必须相等，以便在DC总线上保持恒定电压。当ORC***被连接到无限电网时，过剩生成的电力被输出至无限电网，并且保持DC总线的电压。然而，当ORC***在遥远的区域或无限电网不可用的其它位置中使用时，逆变器***必须响应于负载中的变化补充或多或少的电力来保持DC总线的电压。例如，当使用者开灯时，流出DC总线比流入DC总线的电力更多，其导致DC总线的电压下降，并且必须增加进入DC总线的电力来保持DC总线的电压。同样，当使用者关灯时，流入DC总线比流出DC总线的电力更多，这导致DC总线的电压增加，并且必须减少进入DC总线的电力来保持DC总线的电压。发电***必须作用为将DC总线的电压保持在可接受的极限内。一种用以保持恒定的DC总线电压的方式在于调整由ORC***生成的电力的量。然而，如下文将进一步描述的那样，不能快速地控制由ORC***生成的电力。逆变器***提供几毫秒至一秒之间的电容来用于DC总线的电压调整，同时其将花费几分钟来调整由ORC***生成的电力的量。本文所描述的***和方法包括生成过剩的电和将过剩的电转移回到ORC***，以便在无限电网不可用时在负载中的正步进变化和负步进变化期间在DC总线上保持恒定电压。该***和方法快速地改变至DC总线的电力，创造出负载跟踪ORC发电***且允许在没有无限电网的情况下使用ORC***。
图1为具有有机兰金循环(ORC)发电***12、逆变器或电力电子***14和负载16的电力***10的示意图。由ORC***12生成的电力经由逆变器***14流至负载16。负载16可为局部电网或孤立电网的一部分。ORC***12未被连接到无限电网上。因此，超过负载16的电力不可输出至无限电网，并且电力***10必须能够跟踪负载16中的变化。
ORC***12包括冷凝器18、储液器20、泵22、同流换热器（recuperator）24、电加热器26、蒸发器28、涡轮30和发电机32。有机工作流体34经由ORC***12中的闭环而循环，并且用于生成电力。接收器或储液器20储存来自于泵22的上游的冷凝器18中的液体工作流体34a。接收器20通过提供泵22的上游的液体工作流体34a源并防止蒸汽进入泵22来向ORC***12提供稳定性。尽管图1中将接收器20图示为单独的结构，但接收器20可与冷凝器18形成一体。例如，冷凝器18可为水冷式冷凝器，其执行冷凝器和接收器的功能。
液体工作流体34a从接收器20被供送至泵22。泵22增大了液体工作流体34a的压力。然后，高压液体流体34a经由同流换热器24和电加热器26流至蒸发器28。在液体工作流体34a进入蒸发器28之前，同流换热器24和加热器26加热工作流体34a。蒸发器28利用热源36来汽化工作流体34。在一个实例中，热源36可包括用生物质(即，树)加燃料的燃烧器来加热的热油。
工作流体34作为蒸汽(34b)离开蒸发器28，并且传递到涡轮30中。汽化的工作流体34b用于驱动涡轮30，涡轮30继而又向发电机32供能，使得发电机32产生电力。高压汽化的工作流体34b在涡轮30中膨胀，并且作为低温低压蒸汽离开。工作流体34b在离开涡轮30之后由同流换热器24来冷却。最后，工作流体34b回到冷凝器18，在冷凝器18处将工作流体34b冷凝回液体32a，并且重复该循环。热沉38向冷凝器18提供冷却。尽管将冷凝器18大体上示为热交换器，但冷凝器18可为适用于将工作流体蒸汽34b冷却并冷凝回工作流体液体34a的任何冷凝器。在一个实例中，冷凝器18为空气冷却式冷凝器，其使用空气来将蒸汽工作流体34b冷却并冷凝至液相34a。在另一实例中，冷凝器18为水冷式冷凝器，其使用水来将蒸汽34b冷却并冷凝至液体34a。
如上文讨论的那样，同流换热器24在工作流体34进入蒸发器28之前加热工作流体34，而在工作流体进入冷凝器18之前冷却工作流体34。同流换热器24为逆流式热交换器，其使用从较热的蒸汽工作流体34b回收的废热来加热较冷的液体工作流体34a。同流换热器24通过从工作流体34b回收热量来保存能量，否则能量将损失。在一些运行条件下，同流换热器24可以不存在于ORC***12中。同流换热器24通常在工作流体34b于远比环境温度热的温度下离开涡轮30时存在，使得过热的工作流体34b在进入冷凝器18之前必须被冷却。
在工作流体34a进入蒸发器28之前，电加热器26也加热工作流体34a。如下文进一步描述那样，逆变器***14将过剩的电力转移至加热器26，以便不论负载16增大还是减小都保持恒定的电压。加热器26应当将尺寸确定为用以接收由涡轮30和发电机32产生的最大电力，以便如果需要的话诸如在局部电网跳闸时，可将全部电力的量转移至加热器26。在一个实例中，来自于加热器26的热量等于或小于由蒸发器28传递至工作流体34a的总热量的大约10%。因此，加热器26不会显著地干扰***12。
不可快速地改变由ORC***12生成的电力的量。例如，如上文所描述的那样，至蒸发器28的热源36可包括热油，热油由燃烧器加热且流经蒸发器28以使工作流体34汽化。控制热油的流动控制了蒸发器28中的工作流体34的温度变化，且因此控制了生成的电力的量。为了降低工作流体34的温度(并减小由ORC***12生成的电力)，将减小热油至蒸发器28的流动。减小热油的流动导致燃烧器上的油温度增加。作为响应，降低燃烧器的燃烧速率来减少油的温度。然而，降低油的流动速率不会立即改变电力的生成。最后，蒸发器28和工作流体34必须改变温度，以便减小生成的电力的量。因此，改变***12发电所需的实际时间不是减小热油流动至蒸发器28所花费的时间，而是在于冷却蒸发器28和工作流体34所花费的时间。由于工作流体34的较大热质量和蒸发器28的热容量，故该时间处于几分钟的数量级。
在由ORC***12生成电力之后，其经由逆变器***14流至负载16。逆变器***14包括AC/DC整流器40、直流电流(DC)总线42、DC/AC逆变器44、电容器46、电池48和电压调节器50。在使用中，电力从AC/DC整流器40经由DC总线42和AC/DC逆变器44流至负载16。AC/DC整流器40从发电机32接收交流电流(AC)且将其转换成直流电流(DC)。DC电流从AC/DC整流器40经由DC总线42流至DC/AC逆变器44，逆变器44从DC总线42接收DC电流，且将其转换成AC电流，以便将AC电流提供至负载16。DC总线42必须通过具有相等的流入和流出的电力的量保持在接近恒定的电压下。
电容器46和电池48被连接到DC总线42上。电容器46为DC总线42提供稳定性，以便进入和离开DC总线42的电力不必在一秒的每一小部分都匹配。电容器46向***提供大约几毫秒到一秒之间的时间以响应负载16中的变化。电容器46不提供为调整由ORC***12生成的电力的量所需的几分钟时间。
在ORC***12的启动期间可使用电池48。电池48可为可再充电池，其在过剩电力可用时由来自于DC总线42的电力充电。尽管将电池48图示为单个电池，但电池48可包括多个电池。
电压调节器50置于AC/DC整流器40与DC总线42之间。如前文所讨论的那样，进入和离开DC总线42的电力必须匹配以便保持DC总线42上的电压。电压调节器50将流入DC总线42的过剩的电力转移回ORC***12，以便流入DC总线42中的电力与流出DC总线42的电力匹配。具体而言，电压调节器50将过剩的电力发送至加热器26，加热器26在工作流体34a进入蒸发器28之前使用电力来加热工作流体34a。通过在蒸发器28之前加热工作流体，可同等地减小蒸发器的加热速率。因此，改善了ORC***的效率，该效率限定为输出的电力除以输入的外部热量。
电压调节器50控制电力至加热器26的流动，以便保持DC总线42上的电压。在一个实例中，电压调节器50基于感测到的参数通过电脉冲的形式开启和关闭电加热器26来控制电力至加热器26的流动。工作循环为装置在给定周期期间运行或处于"起作用"状态中时的一部分时间。例如，假设装置运行0.1秒、关闭0.9秒、又运行0.1秒等。该装置运行每一秒的十分之一、或一秒周期的1/10，且其具有1/10或百分之10的工作循环。电压调节器50可通过在一段周期期间改变加热器26起作用(或通过脉冲开启)时的持续时间来改变加热器26的工作循环。通过改变加热器26的工作循环，电压调节器50改变了发送至加热器26和DC总线42的电力的量。例如，在一段周期期间通过增加以脉冲开启加热器26的时间量(也称为启动较大的任务)，电压调节器50增加了在该周期期间发送至加热器26的电力的量且减小了进入DC总线42的电力流动。同样，在一段周期期间通过减少以脉冲开启加热器26的时间量(也称为启动较小的任务)，电压调节器50减少了该周期期间发送至加热器26的电力的量并且增大了进入DC总线42的电力流动。
逆变器***14使用发送至电压调节器50的感测到的参数用以保持DC42上的恒定电压，或用以将DC总线42的电压保持在特定范围内。电压调节器50响应感测到的参数，并且在大约几毫秒至一秒内使流入和流出DC总线42的电力的流动达到平衡，以便保持DC总线42上的电压。在一个实例中，电压调节器50监测DC总线42的电压VB，以便将DC总线42的电压保持在特定范围内。例如，如果DC总线42的电压VB增大到高于最大电压值(即，负载16减小)，则电压调节器50将启动较大的任务，以便通过脉冲使加热器26开启较长的时间。这将较多电力发送至加热器26，而将较少电力发送至DC总线42。同样，如果DC总线42的电压VB降低到低于最小电压值(即，负载16增大)，则电压调节器50将启动较小的任务，以便通过脉冲使加热器26开启较短的时间。这将较少的电力发送至加热器26，而将较多的电力发送至DC总线42。
在另一个实例中，输入电压调节器50的感测到的参数为负载电力PL，负载电力PL为离开逆变器***14的电力。在该实例中，电压调节器50可与负载电力PL中的变化成反比地通过脉冲开启和关闭加热器26，以便保持DC总线42上的恒定电压。例如，如果负载电力PL增大(即，负载16增大)，则电压调节器50将启动较小的任务，以便使加热器26开启较短的时间，且将较多电力发送至DC总线42。同样，如果负载电力PL减小，(即，负载16减小)，则电压调节器50将启动较大的任务，以便通过脉冲使加热器26开启较长的时间，并且将较少电力发送至DC总线42。
在再一个实例中，被输入电压调节器50的感测到的参数包括负载电力PL和输入电力PI，输入电力PI为进入DC总线42的电力。在该实例中，电压调节器50可比较负载电力PL和输入电力PI，以便确定转移至加热器26的电力的量。在再一个实例中，电压调节器50基于感测到的参数中的趋势来确定转移至加热器26的电力的量。此外，适用于确定DC总线42的电压中的变化的任何其它参数可以是感测到的参数并且被发送至电压调节器50。
电压调节器50可包括开关和控制器。电压调节器50的开关控制电力至电加热器26的流动。在一个实例中，开关为可关断晶闸管(GTO)。GTO为高电力半导体装置。与普通晶闸管相反，GTO为完全可控的开关，其可以通过它们的第三导线(GATE导线)开启和关闭。当从GTO除去电流时，GTO关闭。电压调节器50的控制器可包括处理器，处理器用于基于感测到的参数来确定转移至电加热器26的电力的量。控制器还可控制开关，以便将确定的电力的量转移至加热器26。
电压调节器50允许发电***10快速地对负载16中的负变化和正变化起反应。例如，当负载16减小时，电压调节器50将过剩的电力转移至加热器26，并且在几毫米或几秒内保持DC总线42上的电压。电压调节器50只要需要就可继续将过剩电力转移至加热器26，或电压调节器50可进入稳态模式以便不浪费过剩的热量，并且***10可适应负载16中的正步进变化。
如果负载16增大，则电压调节器50将较少的电力转移至加热器26，以便较多电力进入负载16。为了使电压调节器50响应负载16中的正步进，该步进不可大于刚好在正步进之前被转移至加热器26的电力的量。为了适应负载16中的正步进变化，电压调节器50可被构造成用以将电力的缓冲量转移至电加热器26。缓冲量为高于负载16和***10所需的电力的由ORC***12产生的特定电力的量。缓冲量允许发电***10对正步进变化作出反应。缓冲量的大小可取决于地点和预计的最大正步进增加而变化。在负载16中的正步进变化之后，电压调节器50可保持新的平衡***或进入稳态模式，以便预料到另一正步进变化又产生特定的缓冲量。
ORC***12中使用的发电机32的类型影响逆变器***14中使用的整流器40的类型。在一个实例中，发电机32为感应发电机。感应发电机不控制频率。作为替代，感应发电机跟踪其感觉到的频率。在此情况下，整流器40必须为完整的双向逆变器，其控制和强制感应发电机32上的频率。
在另一个实例中，发电机32为同步发电机。在同步发电机中，由发电机产生的频率被反馈回其中，以便同步发电机生成其特有的频率。当发电机32为同步发电机时，整流器40为整流器。
在再一个实例中，发电机32为永磁发电机。类似于同步发电机，永磁发电机也生成其特有的频率。永磁发电机的自旋速度确定来自发电机的频率和电压两者。当永磁发电机32与简单的整流器40一起被使用时，将频率保持在由发电机电力和DC总线42电压限定的频带内。如果期望发电机32或涡轮30有较紧的频率控制，则主动中断逆变器可用于整流器40。
图2为***52的框图，***52类似于图1中的电力***10，只是电压调节器50还被连接到泵54和逆变器56上。泵54泵送加热的流体57穿过热源36与蒸发器28之间产生的加热环。逆变器56将DC电流从电压调节器50转换成用于泵54的AC电流。泵54为从DC总线42获取电力的寄生负载。电压调节器50改变被发送至泵54的电力的量来控制ORC***12的电力生成。为了用ORC***12生成更多电力，电压调节器50将较多电力发送至泵54。较大的电力的量导致泵54的速度增大，这会提高蒸发器28的温度。同样，为了减少通过ORC***12生成的电力的量，电压调节器50发送较少电力至泵54，这导致泵54的速度减小。泵54的降低速度导致泵54从热源36泵送较少流体至蒸发器28，且蒸发器28的温度降低。泵54为可存在于ORC***中的寄生负载的一个实例。其它寄生负载包括用于加热和冷却***(即，蒸发器28、冷凝器18)的附加的泵和风扇，如泵22。这些寄生负载将以类似于泵54的方式运行，并且将不会影响电压调节器50的基本运行。***52的其余特征如上文相对于图1所描述的那样运行。
图3至图7为图2的***的放大视图，其示出了在各种事件之后和在不同条件下的***52中的选定点处的电力。在存在于图2至图7中的***52中，ORC***12可产生高达220kW，并且DC总线42具有大约700伏DC(VDC)的电压。在呈现于图3至图7中的实例中忽略了二次损失，诸如逆变器转换损失。此外，仅呈现了图3至图7中的电力值和电压值来图示电压调节器50的运行和稳态模式和准备模式。电力生成***可具有不同于下文呈现的那些的电力值和电压值。
图3图示了稳态模式中的ORC***52。如所图示的，涡轮30和发电机32产生130kW的电力，而负载16需要100kW。在稳态下，热泵54获得10kW。在没有加热器26的情况下，120kW将进入DC总线42。即是说，在没有加热器26的情况下，流入DC总线42中的电力比将离开的电力要多20kW。电压调节器50将20kW过剩电力转移至加热器26，以便100kW进入DC总线42并且100kW离开DC总线42。
在稳态模式中，电压调节器50将电力的缓冲量转移至电加热器26。缓冲量为超过负载16和热泵54的电力需求的由ORC***12产生的特定的电力的量。在图3中所图示的实例中，缓冲量为20kW。缓冲量为ORC***52在不利用备用电力源(诸如，气体发生器)的情况下可适应的最大的正步进量。缓冲量的特定大小取决于在地点处预计的最大负载步进。下文进一步图示了将电压调节器50构造成用以将电力的缓冲量转移至电加热器26的益处。
在图4中，负载16突然增加15kW至115kW的正步进。立即地，来自DC总线42的电力比进入DC总线42的电力多15kW，且DC总线42的电压下降。电压调节器50通过将至加热器26的电力减小至5kW来响应电压降，以便使流入和流出DC总线42的电力又在115kW处相等，并且保持DC总线42的电压。在15kW的正步进之后，在***52中达到新的平衡。热泵54如步进变化之前那样接收相同的电力的量(10kW)，以便涡轮30和发电机32继续产生相同的电力的量(130kW)。然而，电压调节器50已减小了被发送至加热器26的电力的量，以便加热器26现在仅接收5kW。电压调节器50的快速响应在小于一秒内使进入和离开DC总线42的电力平衡。在保持DC总线42的电压时，电压调节器50可使电压回到700VDC，或可使电压略低于700VDC，只要电压在***的指定范围内。
在该实例中，电压调节器50能够减小被转移至加热器26的电力的量，且满足负载16的增大需求，因为刚好在步进变化之前，电压调节器50将电力的缓冲量转移至ORC***12。如相对于图3描述的那样，在步进变化之前，ORC***12产生20kW的过剩电力的缓冲量，电压调节器50将该缓冲量转移至电加热器26。电力的缓冲量允许***52适应负载16中的正增长。
图4示出了刚好在负载16中的正步进变化之后的***52，而图5示出了在15kW的正步进变化之后的稳态模式中的***52。在稳态模式中，电压调节器50被构造成用以调整至热泵54的电力的配置，以便又将大约20kW的指定缓冲量转移至加热器26。在正步进变化之后，ORC***12必须生成更多电力，以便电压调节器50可将电力的缓冲量转移至电加热器26，同时保持DC总线42上的恒定电压。电压调节器50通过增加发送至热泵54的电力来增加ORC***12的电力生成。发送至热泵54的增加的电力的量增大泵54的速度，这继而又升高蒸发器28的温度并增加由涡轮30和发电机32生成的电力。如图5中所示，电压调节器50将发送至热泵54的电力增大至12kW，以便将ORC***12的电力生成增大至147kW。在负载16等于115kW的稳态模式中，电压调节器50将由涡轮30和发电机32生成的电力增大至147kW；该电力中的12kW进入热泵54，20kW的缓冲量进入加热器26，且115kW经由DC总线42进入负载16。15kW的正步进变化需要ORC***12将电力生成增加17kW，因为必须将更多电力发送至热泵54，以便将更多热量供给蒸发器28。在稳态模式中，电压调节器50将电力的缓冲量转移至加热器26。缓冲量为生成的超过热泵54和负载16的需求的电力的量。如果负载16中存在正步进变化，则可将达到全部的缓冲量从加热器26转移至负载16来平衡流入和流出DC总线42的电力。在稳态模式中，***52可适应高达20kW的正步进变化。
刚好在负载16中的正步进变化之后，电压调节器50通过转移较少电力至加热器26来将DC总线42的电压保持在特定范围内。如果期望的话，电压调节器50可调整由ORC***12生成的电力来适应该正步进变化，且使***52回到稳态模式。例如，电压调节器50可增大发送至热泵54的电力，这将增加转嫁给蒸发器28的热量。在稳态模式中，生成了特定过剩量(也称为缓冲量)的电力，这允许***52响应负载16中将来的正步进变化。用电压调节器50将电力从电加热器26转移至负载16提供了对负载16中的正步进增加的快速响应，且在几毫秒至一秒的定量时段内平衡了进入和离开DC总线42的电力。相比之下，因为工作流体34的热质量较大，将花费几分钟来调整由ORC***12生成的电力的量，而且不可在定量时段内平衡了进入和离开DC总线42的电力。用电压调节器50将电力从电加热器26转移至负载16允许电力***52响应正负载变化。
图6示出了刚好在负载16中的负步进至0kW之后的ORC发电***52。在负步进变化之前，***52在图3中呈现的条件下运行，并且负载16为100kW。例如，当局部电网跳闸时，可发生负步进变化至0kW。刚好在负步进变化之后，进入DC总线42的电力比离开DC总线42的电力大100kW。这种不匹配的电力流导致DC总线42的电压增大。电压调节器50通过发送更多电力至加热器26来响应增大的电压。ORC发电***52继续生成与负步进变化之前相同的电力的量，其中过剩的电力将转移至加热器26。如所图示，刚好在负步进之后，热泵54继续接收10kW以使涡轮30和发电机32继续产生130kW。电压调节器50将流入DC总线42中的过剩电力转移至加热器26，以便剩余的120kW此时流至加热器26。电压调节器50允许ORC发电***52对负载中的瞬时下降起反应，而不会损失运行期间实现的电力。在ORC***52中形成压力和温度之后，不期望不必要地暂停或减少由ORC***12生成的电力的量。停止或减少由ORC***12生成的电力的量将浪费用以达到ORC***12的当前温度和压力所消耗的能量。此外，当负载又增大或电网恢复时，由于工作流体34的热质量和热交换器18、24和28的电容量，故将消耗额外的时间来再次增加ORC***12的温度和压力。然而，如果在负步进变化之后保持ORC***12的温度和压力，则ORC***12将准备在再连接至局部电网时立即提供电力。
在负步进变化之后或如果负步进变化持续了较短时间周期，可立即地使用图6中的***。如果ORC***12与局部电网断开持续了相当长的时间周期，则ORC***52可进入准备模式且等待再连接至局部电网。图7示出了在图6中描述的负步进变化之后处于准备模式中的***52。在准备模式中，电压调节器50通过减少至热泵54的电力来降低由涡轮30和发电机32产生的电力。在较少电力的情况下，热泵54泵送较少的热量至蒸发器28，因而降低了工作流体34的温度。因为由涡轮30和发电机32生成了较少电力，故存在较少过剩的热量流入DC总线42，且必须向加热器26转移较少电力。在准备模式中，将特定最小电力的量发送至加热器26。在***52中，最小量为50kW。该最小电力的量代表电网回到连线时负载中最大可允许的步进增加。总体上，ORC***12产生55kW；5kW进入热泵54，而剩余的50kW进入加热器26。通过将***52保持在准备模式中，一旦再连接至电网，***52可更快地响应正步进变化。例如，通过将工作流体34保持在最小温度下，***52可适应等同于再连接至电网时的最小量的步进变化。准备模式防止了在再连接至电网与由***52生成电力之间的延迟时间。最小电力的量的大小可取决于地点而变化。在准备模式和稳态模式两者中，生成了过剩的电力，且过剩的电力被转移至加热器26。为稳态模式和准备模式生成的过剩电力的量可以是相同的或可以是不同的，这取决于特定环境下的预计负载变化。
当负载16大于0kW且***52处于稳态模式时，ORC***12连续地生成，并且电压调节器50转移超过负载16和热泵54的电力需求的额外电力的缓冲量。该缓冲量允许***52和电压调节器50快速地响应负载16中的正步进变化，且保持DC总线42上的恒定电压。在使用中，电压调节器50将过剩电力转移回加热器26。加热器26使用电力来预热工作流体34a。预热工作流体34减少输入蒸发器28的所需的热量。因此，为缓冲量生成的过剩电力不是完全无效率的。此外，在一个实例中，来自于加热器26的热量最多等于由蒸发器28提供的总热量的大约10%，以便加热器26不会显著地扰乱或干扰ORC***12。由电压调节器50转移的缓冲量的大小将取决于预计地点的最大步进负载增加。
当负载16为0kW且***52处于准备模式时，ORC***12生成且电压调节器50转移超过负载16和热泵54的电力需求的最小电力的量，以便不停止ORC***12。该最小量为***再连接至局部电网或负载16从0kW增大时允许的最大步进变化。一旦重建与电网的连接，则将最小量转移至加热器26防止了由ORC***12电力生成的延迟。类似于缓冲，准备模式中生成的过剩电力由电压调节器50转移至加热器26来预热工作流体34a。预热工作流体34a减少了蒸发器28所需的输入的热量，同时将工作流体34a保持在最小温度下。此外，由于来自于加热器26的热量最多等于由蒸发器28提供的总热量的大约10%，故加热器26不会显著地干扰ORC***12。准备模式中转移至加热器26的最小电力的量的特定值将取决于再连接至电网时经历的最大步进而变化，并且将取决于地点而变化。
如上文所描述，由于工作流体34和热交换器18、24和28的较大热质量，故不能快速改变在ORC***12中的电力生成以便跟踪负载。在独立***中或连接到局部电网或孤立电网的ORC***中，必须在大约几毫秒至一秒内平衡进入和离开DC总线的电力。电压调节器50可重新定向负载16与电加热器26之间的电力来在大约几毫秒至大约一秒的时段内平衡进入和离开DC总线42的电力。此外，通过在ORC***12中生成转移回加热器26的过剩电力，电压调节器50和发电***52可快速地响应负载16中的正步进增加。因此，ORC***12可在无限电网不可用的位置使用。
图3至图7中描述的***52在稳态模式中产生缓冲量而在准备模式中产生最小量，该***52最佳适用于至蒸发器28的热源(如，生物质热源)并非完全免费的ORC***。由于要考虑热源的成本，故不期望不必要地以最大电力产生连续运转此种***。为了降低成本，当不需要额外电力时(诸如在***进入稳态模式和准备模式时)减少输入蒸发器28的热量。***52被构造成用以在负载16大于0kW时产生20kW的缓冲量，而在负载为0kW时产生50kW的最小量。缓冲量代表***52连接至局部电网时的负载16的最大可允许的步进增加。最小量代表将***52再连接至局部电网时负载16中的最大可允许步进增加。可基于地点的具体要求来调整缓冲量和最小量。
如果输入蒸发器28的热量(诸如地热)是免费的，则可期望以最大电力连续运转***52。在此情况下，电压调节器50仍如上文描述那样将电力转移至加热器26并且从加热器26转移电力，但***52将不会进入稳态模式或准备模式。如果***12以最大电力生成连续地运转，则由于此种运行可将ORC***12的压力增大至高于设计压力而应当监测***12的压力。例如，如果由涡轮30和发电机32生成的电力的一半转移回加热器26，并且输入蒸发器28的热保持恒定，则ORC***12将连续地产生更多电力。最后，可达到***12的压力极限，而且***12变为压力过大。监测***12的压力允许调整***12的运行条件从而在超过***12的压力极限之前减小***12的压力。
如上文所提及的，除泵54之外或替代泵54，其它寄生负载可存在***52中。在一个实例中，泵22和泵54都是寄生负载。泵22泵送液体工作流体或制冷剂至热交换器24。泵22的电力需求大体上遵循与泵54的电力需求相同的趋势。即是说，当泵54的电力需求增加时，泵22的电力需求也增加。包含寄生泵22和54的***以与上文所述***52相同的方式运行。唯一的差别在于必须在泵22和54之间分送从DC总线42获得的电力。
尽管已经参照示例性实施例(多个实施例)描述了本发明，但本领域的技术人员将理解的是，在没有脱离本发明范围的情况下可制作出各种变化，并且等同物可替代其元件。例如，发电***可在负载大于0kW时在稳态模式中运行，但ORC***可在负载小于0kW时停止(发电***不在准备模式中运行)。此外，在没有脱离本发明基本范围的情况下可制作出许多改动来使具体情形或材料适应本发明的教导内容。因此，并非意在将本发明限于所公开的具体实施例(多个实施例)，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (19)

1.一种用于使用有机兰金循环(ORC)产生电力的***，所述***包括：
涡轮，其被联接到发电机上来用于产生电力；
蒸发器，其在所述涡轮的上游以用于将汽化的有机流体提供给所述涡轮；
电加热器，其在所述蒸发器的上游以用于在所述蒸发器之前加热所述有机流体；
逆变器***，其被联接到所述发电机上来用于将电力从所述发电机传递至负载；以及
有机兰金循环(ORC)电压调节器，其被联接到所述逆变器***上且被联接到所述电加热器上来用于将过剩的电力从所述逆变器***转移至所述电加热器。
2.根据权利要求1所述的***，其中，所述ORC电压调节器包括开关。
3.根据权利要求1所述的***，其中，所述发电机为感应发电机，并且所述逆变器***包括双向逆变器。
4.根据权利要求1所述的***，其中，所述发电机选自由永磁发电机和同步发电机构成的集合。
5.根据权利要求1所述的***，并且所述***还包括被连接到所述逆变器***上的寄生负载。
6.根据权利要求1所述的***，其中，所述逆变器***包括电池。
7.根据权利要求1所述的***，其中，所述ORC电压调节器被构造成用以在负载等于0kW时将最小电力的量转移至所述电加热器。
8.根据权利要求1所述的***，其中，所述ORC电压调节器被构造成用以在所述负载大于0kW时将电力的缓冲量转移至所述电加热器。
9.根据权利要求1所述的***，其中，所述ORC电压调节器被构造成用以在转移至所述电加热器的过剩电力增加时减少输入所述蒸发器的热量。
10.根据权利要求1所述的***，其中，所述ORC电压调节器被构造成用以在转移至所述电加热器的所述过剩电力减少时增加输入所述蒸发器的热量。
11.根据权利要求1所述的***，并且所述***还包括被连接到所述逆变器***上的局部电网。
12.一种使用有机兰金循环(ORC)***产生负载跟踪电能的方法，所述有机兰金循环***包括涡轮、位于所述涡轮上游的蒸发器和位于所述蒸发器上游的电加热器，所述方法包括：
通过蒸发有机流体来用有机兰金循环(ORC)***产生电力，使蒸发的有机流体穿过被联接到发电机上的涡轮，冷凝所述有机流体并且使冷凝的有机流体返回所述蒸发器；
将来自于所述ORC***的电力经由DC总线发送至负载；并且
使用电压调节器来将流入所述DC总线中的过剩电力发送至所述ORC***的所述电加热器，以便流入所述DC总线的电力匹配流出所述DC总线的电力。
13.根据权利要求12所述的方法，并且所述方法还包括在发送至所述电加热器的所述过剩电力增加时减少输入所述蒸发器的热量。
14.根据权利要求12所述的方法，并且所述方法还包括在发送至所述电加热器的所述过剩电力减少时增加输入所述蒸发器的热量。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述电压调节器使用开关来将流入所述DC总线中的所述过剩电力发送至所述ORC***的所述电加热器。
16.根据权利要求12所述的方法，并且所述方法还包括将电力的所选部分储存在电池中。
17.根据权利要求12所述的方法，其中，保持所述DC总线中的电压包括：
将所述DC总线的电压与最大电压和最小电压相比较；并且
如果所述电压高于所述最大电压则通过所述电压调节器增加发送至所述ORC***的所述电加热器的电力的量，且如果所述电压低于所述最小电压则通过所述电压调节器减少发送至所述ORC***的所述电加热器的电力的量。
18.根据权利要求12所述的方法，其中，当所述负载为0kW时，所述电压调节器将特定的最小的电力的量发送至所述ORC***的所述电加热器。
19.根据权利要求12所述的方法，其中，当所述负载大于0kW时，所述电压调节器将特定的缓冲电力的量发送至所述ORC***的所述电加热器。
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