CN102969715B - 一种快速双向切换的电能补充管理装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快速双向切换的电能补充管理装置和方法，双向DC-DC分系统中电压低的DC端与储能装置相连、电压高的DC端通过直流母线与双向DC-AC分系统的DC端相连，双向DC-AC分系统的中的AC端接入三相交流线路，控制开关设置在局域电网接入三相交流线路之前；主控系统连接两个分系统和控制开关；主控系统在待机状态下，此时向两分系统发送开机指令；主控系统在启动状态下，向两分系统发送启动指令；主控系统在自动运行状态下，按照设定流程自动发送相关指令引导两分系统进入目标工作状态，并根据三相交流电压的状态控制两分系统间的切换。本发明取消充电器使用，简化了系统配置。而且增加主控系统，在运行中可快速切换工作状态，加快两个分系统之间的协调。
Description
技术领域
本发明属于电能管理技术领域，具体涉及一种快速双向切换的电能补充管理装置和方法。
背景技术
电能系统通常包括发电系统、输电系统、配电系统和用电系统，构成电网。通过用电终端，将电能传递到用户。
在小容量局域电网中，一方面，发电系统中，无论是传统的水力发电，还是新兴起的新能源发电，例如风力发电、光伏发电等方式，瞬时发电量受自然条件限制产生波动，无法维持恒定；另一方面，用电设备（即系统中的负载）可能因某种原因会产生调整，也会造成系统波动。由于电网存在惯性，难以快速响应负载变化，无法瞬时对输出的电能进行调整，很可能造成用电设备上的电能品质下降，小容量局域电网因容量有限，造成调整能力弱，在严重时甚至可能造成局域电网内停电。
为了避免上述情况的发生，小容量局域电网中需要配置储能装置，当小容量局域电网不能正常为用电设备供电时，储能装置通过吸收或释放电能来实现调节。通常配置蓄电池或蓄电池组作为储能装置。由于蓄电池或蓄电池组提供直流电，为了将其连接到通用的三相交流电网中，还需要配合使用DC-AC系统。根据蓄电池或蓄电池组与交流端电压的情况，现有的DC-AC系统的DC端有两种连接方式，一种是配合使用DC-DC系统（如图1（a）所示），另一种是不使用DC-DC系统，直接与蓄电池或蓄电池组（以下统称蓄电池组）连接（如图1（b）所示）。使用DC-DC系统的，其DC端电压更加稳定，且通常能够选择更适合系统的DC端电压。对于精度有要求的系统，通常选用配合使用DC-DC系统与DC-AC系统，从而形成一个瞬时电能补充管理装置。
实际使用时，还需要考虑蓄电池或蓄电池组的充电问题。传统的瞬时电能补充管理装置为了简化系统管理，采用额外配置蓄电池（组）充电器的方法来为蓄电池（组）充电，如图2（b）所示。
对于图2（b）示出的系统结构，DC-DC系统和DC-AC系统这两个分系统分别采用各自的控制器实现协同工作，在工作时，只能够通过先启动一个分系统，由另一个分系统检测DC端电压来达到自动配置工作状态的目的，无法实现在运行中更换工作状态的效果。
发明内容
有鉴于此，本发明一种快速双向切换的电能补充管理方案，该方案将DC-DC系统与DC-AC系统配置为双向DC-DC分系统和双向DC-AC分系统，当负载需要能量时，储能装置放电，当电网上有多余能量时，可以向储能装置充电，从而取消充电器使用，简化了系统配置。而且本发明增加主控系统，在运行中可以快速切换工作状态，加快两个分系统之间的协调。
为解决上述技术问题，本发明具体方法如下：
一种快速双向切换的电能补充管理装置，该电能补充管理装置连接在局域电网向用电设备负载供电的三相交流线路上；该装置包括储能装置、双向DC-DC分系统、双向DC-AC分系统、主控系统和控制开关；所述储能装置可充电和放电；
双向DC-DC分系统中电压低的DC端与储能装置相连，双向DC-DC分系统中电压高的DC端通过直流母线与双向DC-AC分系统的DC端相连，双向DC-AC分系统的中的AC端接入所述三相交流线路，控制开关设置在局域电网接入所述三相交流线路之前；主控系统连接双向DC-DC分系统、双向DC-AC分系统和控制开关；
双向DC-DC分系统包含待机状态、启动状态、高端电压稳定状态、充电状态；其中，
双向DC-DC分系统的待机状态：双向DC-DC分系统接收到主控系统发送的开机指令后，双向DC-DC分系统的控制部分启动，完成与主控系统的通讯握手，功率部分等待启动；
双向DC-DC分系统的启动状态：双向DC-DC分系统接收到主控系统发送的启动指令后，完成设定的变量初始化，准备进入高端电压稳定状态或充电状态；
高端电压稳定状态：双向DC-DC分系统接收到主控系统发送的高端电压稳定指令后，进入高端电压稳定状态，把储能装置的电能转换为稳定的高端电压；
充电状态：双向DC-DC分系统接收到主控系统发送的充电指令后，进入充电状态，利用高端电压给储能装置充电；
双向DC-AC分系统包含待机状态、启动状态、直流稳定状态、电流源逆变状态、电压源逆变状态、准同期调整状态；其中，
双向DC-AC分系统的待机状态：双向DC-AC分系统接收到主控系统发送的开机指令后，双向DC-AC分系统的控制部分启动，完成与主控系统的通讯握手，功率部分等待启动；
双向DC-AC分系统的启动状态：双向DC-AC分系统接收到主控系统发送的启动指令后，完成设定的变量初始化，准备进入直流稳定状态、电流源逆变状态或电压源逆变状态；
直流稳定状态：双向DC-AC分系统接收到主控系统发送的直流稳定指令后，进入直流稳定状态，把三相交流转换为稳定的直流电压；
电流源逆变状态：双向DC-AC分系统接收到主控系统发送的电流源逆变指令后，进入电流源逆变状态；此时双向DC-AC分系统作为恒流源，将要求的输出功率换算成电流目标值，把稳定的直流电压转换为符合电流目标值的三相交流输出；
电压源逆变状态：双向DC-AC分系统接收到主控系统发送的电压源逆变指令后，进入电压源逆变状态；此时双向DC-AC分系统作为恒压源，将要求的输出功率换算成电压目标值，把稳定的直流电压转换为符合电压目标值的三相交流输出；
准同期调整状态：双向DC-AC分系统在电压源逆变状态，接收到主控系统发送的准同期合闸指令后，根据目标的三相交流电压，调节现有的三相交流电压的频率、相位、电压，即实现准同期调整，二者偏差满足设定的允差时，进入电流源逆变状态，并通知主控系统将局域电网与用电设备负载之间的控制开关闭合；
双向DC-DC分系统和双向DC-AC分系统还将采集的端电压、端电流信息发送给主控系统；
主控系统包含待机状态、启动状态、自动运行状态和充电状态；
主控系统的功能包括为：1）主控系统接收到来自外部的待机命令后，进入待机状态，此时向双向DC-DC分系统和双向DC-AC分系统发送开机指令，完成与双向DC-DC分系统、双向DC-AC分系统的通讯握手；2）主控系统接收到来自外部的启动命令后，进入启动状态，此时向双向DC-DC分系统、双向DC-AC分系统发送启动指令；3）主控系统接收到来自外部的运行指令后，进入自动运行状态，此时，主控系统按照设定流程自动发送相关指令引导双向DC-DC分系统、双向DC-AC分系统进入目标工作状态；所述目标工作状态包含电能补充状态、电压支撑状态、准同期并网状态和充电状态；
所述设定流程包括：控制开关初始是闭合的，主控系统判断三相交流电压当前值与目标值之间的差异，如果差异在允许范围内，则进入电能补充状态，即保持局域电网向用电设备负载供电，通过发送相关指令使得双向DC-DC分系统工作在高压稳定状态、双向DC-AC分系统工作在电流源逆变状态，且控制双向DC-DC分系统和双向DC-AC分系统调整自身输出以补偿所述的差异；
如果差异在允许范围之外，则进入电压支撑状态，即通过控制开关的设定切断局域电网与用电设备负载之间的连接，转由该电能补充管理装置向用电设备负载供电，此时通过发送相关指令使得双向DC-DC分系统工作在高压稳定状态、双向DC-AC分系统工作在电压源逆变状态；
当主控系统工作在电压支撑状态时，如果局域电网恢复正常，请求切回局域电网向用电设备负载供电，则主控系统进入准同期并网状态：此时，主控系统通过发送相关指令使得双向DC-DC分系统保持在高压稳定状态、双向DC-AC分系统工作在准同期调整状态；准同期调整状态完成向电流源逆变状态的切换后，主控系统自动转为电能补充状态；
当主控系统接收到来自外部或储能装置的充电请求时，判断当前是否由局域电网向用电设备负载供电，如果是，则进入充电状态，此时主控系统通过发送相关指令使得双向DC-DC分系统工作在充电状态、双向DC-AC分系统工作在直流稳定状态；否则，暂不处理充电请求。
一种快速双向切换的电能补充管理方法，该方法采用如权利要求1所述的电能补充管理装置，该方法包括如下步骤：
步骤1、主控系统接收到来自外部的待机命令后，进入待机状态，此时向双向DC-DC分系统和双向DC-AC分系统发送开机指令，完成与双向DC-DC分系统、双向DC-AC分系统的通讯握手；
步骤2、主控系统接收到来自外部的启动命令后，进入启动状态，此时向双向DC-DC分系统、双向DC-AC分系统发送启动指令；
步骤3、主控系统接收到来自外部的运行指令后，进入自动运行状态；在自动运行状态下，主控系统首先通过发送相关指令控制双向DC-DC分系统进入高端电压稳定状态；初始时控制开关闭合，局域电网向用电设备负载供电；
步骤4、主控系统确认双向DC-DC分系统进入高端电压稳定状态后，检测三相交流电压是否在用电设备允许范围内，如果是，则通过发送相关指令控制双向DC-AC分系统进入电流源逆变状态，此时主控系统工作在电能补充状态，执行步骤5；否则，通过控制开关的设置切断用电设备负载与局域电网的连接，通过发送相关指令控制双向DC-AC分系统进入电压源逆变状态，此时主控系统工作在电压支撑状态，执行步骤9；
步骤5、主控系统处于电能补充状态，实时监测双向DC-AC分系统反馈的三相交流电压，并将三相交流电压的当前值与目标值允差范围进行比较：
如果发现三相交流电压幅值和/或频率降低到目标值允差范围之外，但仍在用电设备允许范围内，则执行步骤6；
如果发现三相交流电压幅值和/或频率升高到目标值允差范围之外，但仍在用电设备允许范围内，则执行步骤7；
如果发现三相交流电压幅值和/或频率超出用电设备允许范围并维持设定时间，则执行步骤8；
如果三相交流电压幅值和频率均在目标值允差范围之内，则重复执行本步骤5；
步骤6、主控系统根据三相交流电压的当前值与目标值之间的偏差，计算出需要向三相交流线路补充的功率值，发送给双向DC-DC分系统和双向DC-AC分系统；双向DC-DC分系统以所接收的功率值为目标，控制高压端的输出功率；同时双向DC-AC分系统以所接收的功率值为目标，调整三相交流输出；返回执行步骤5；
步骤7、主控系统根据三相交流电压的当前值与目标值之间的偏差，计算出需要向三相交流线路补充的功率值，该功率值也逐渐减小，将该功率值发送到给双向DC-DC分系统和双向DC-AC分系统；双向DC-DC分系统以所接收的逐渐减小的功率值为目标，控制高压端的输出功率逐渐减小；同时双向DC-AC分系统以所接收的逐渐减小的功率值为目标，调整三相交流电流减小；
当双向DC-DC分系统和双向DC-AC分系统向三相交流线路补充的功率值达到零，但三相交流电压幅值和/或频率仍高于目标值允差范围，则，主控系统计算出从三相交流线路吸收的功率值，将该功率值发送到给双向DC-DC分系统和双向DC-AC分系统；双向DC-DC分系统以所接收的吸收功率值为目标，控制高压端吸收功率，储存到储能装置内；同时双向DC-AC分系统以所接收的吸收功率值为目标，调整三相交流电流；
返回执行步骤5；
步骤8、主控系统切换到电压支撑状态：此时主控系统一方面切断用电设备负载与局域电网的连接，另一方面，根据三相交流电压的目标值，计算出需要向用电设备负载提供的功率，发送给双向DC-DC分系统和双向DC-AC分系统；双向DC-DC分系统以所接收的功率值为目标，控制高压端的输出功率；同时双向DC-AC分系统在主控系统的控制下改变逆变模式，迅速切换到电压源逆变模式，以所接收的功率值为目标，控制三相交流输出，执行步骤9；
步骤9、主控系统处于电压支撑状态，实时监测双向DC-AC分系统反馈的三相交流电压，并将三相交流电压的当前值与目标值允差范围进行比较：
如果发现三相交流电压幅值和/或频率变化到目标值允差范围之外，则执行步骤10；否则，重复执行本步骤9；
如果主控系统接收到切换回局域电网供电的请求，则执行步骤11；
步骤10、主控系统根据三相交流电压的目标值，计算出需要向用电设备负载提供的功率值，发送给双向DC-DC分系统和双向DC-AC分系统；双向DC-DC分系统以所接收的功率值为目标，控制高压端的输出功率；同时双向DC-AC分系统根据所接收的功率值，控制三相交流输出；返回执行步骤9；
步骤11、主控系统进入准同期并网状态：此时通过发送相关指令使得双向DC-DC分系统工作在高压稳定状态、双向DC-AC分系统工作在准同期调整状态；双向DC-AC分系统完成准同期调整状态向电流源逆变状态的切换后，主控系统自动转为电能补充状态；返回步骤5；
在上述流程中，当主控系统接收到来自外部或储能装置的充电请求时，判断当前是否由局域电网向用电设备负载供电，如果是，则进入充电状态，此时主控系统通过发送相关指令使得双向DC-DC分系统工作在充电状态、双向DC-AC分系统工作在直流稳定状态；否则，存储当前充电请求，不进行充电处理，待恢复局域电网向用电设备负载供电后，在进入充电状态。
优选地，双向DC-AC分系统和双向DC-AC分系统进一步周期性检测自身故障；
主控系统周期性查询双向DC-AC分系统与双向DC-AC分系统的故障信息，一旦出现故障，主控系统暂停当前处理流程，进入故障状态，转向执行故障处理程序。
本发明立足于小容量局域电网中的用户，为用户提供可靠、安全、稳定的供电，其具有如下有益效果：
（1）本发明的瞬时电能补充管理装置为了提高系统利用率和性能，降低系统成本，将DC-DC系统与DC-AC系统配置为双向DC-DC分系统和双向DC-AC分系统。当系统需要能量时，蓄电池（组）放电；当系统有多余能量时，蓄电池（组）充电。从而取消充电器使用。
（2）为了实现两个分系统之间的协调控制，通过在运行中快速切换工作状态从而实现快速切换，本发明增加主控系统，加快两个系统之间的协调。
附图说明
图1（a）为现有技术中的一种瞬时电能补充管理装置；
图1（b）为现有技术中的另一种瞬时电能补充管理装置；
图2为本发明瞬时电能补充管理装置的结构示意图。
图3为本发明控制流程的示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
本发明提供了一种快速双向切换的电能补充管理装置，如图2所示，该电能补充管理装置连接在局域电网向用电设备负载供电的三相交流线路上；具体来说，该装置包括储能装置、双向DC-DC分系统、双向DC-AC分系统、主控系统和控制开关；所述储能装置可充电和放电，在实际中可以使蓄电池组或蓄电池。
上述各组成的连接关系为：
双向DC-DC分系统中电压低的DC端与储能装置相连，双向DC-DC分系统中电压高的DC端通过直流母线与双向DC-AC分系统的DC端相连，双向DC-AC分系统的中的AC端接入所述三相交流线路，控制开关设置在局域电网接入所述三相交流线路之前；主控系统连接双向DC-DC分系统、双向DC-AC分系统和控制开关。
本发明的基本思路为：主控系统检测三相交流电压，如果在负载允许范围内浮动，则通过蓄电池（组）、DC-DC系统和DC-AC系统的补充部分控制向三相交流线路上补充或吸收电能，使得三相交流电压达到目标值附近。如果三相交流电压的变化范围过大，超过负载允许范围，则取消局域电网供电，直接由所述补充部分承担起负载供电的责任，而非一个补充的角色。当局域电网供电正常后，恢复局域电网供电，所述补充部分也恢复到补充的角色。本发明的特点是，在执行上述操作过程中，设定了多个状态，在多个状态之间进行转换，转换速度快，从而使得控制速度也得以保证。
下面先针对各组成的要求和状态设定进行描述。
双向DC-DC分系统的输入端不固定，任一DC端均可成为输入端，另一端成为输出端。因此，本发明将电压高的DC端（高压端）设为双向DC-DC分系统与双向DC-AC分系统共有的直流端，将电压低的DC端（低压端）设为连接电池（组）端。设双向DC-DC分系统的低压端电压为UdcD，低压端电流为IdcD，高压端电压为UdcG，高压端电流为IdcG。
双向DC-DC分系统根据是否闭环，分为闭环系统和开环系统。以将低压端变换为高压端为例，开环系统不采用高压端电压UdcG形成反馈，输出电压UdcG按照设定的规律，为低压端电压UdcD的固定规律函数。这样，造成UdcG随着低压端电压UdcD和输出负载IdcG的波动而变化。通常，UdcD越低，或IdcG越大，UdcG越低；UdcD越高，IdcG越小，UdcG越高。闭环系统中，因采用输出电压UdcG作为反馈，其输出电压能够实时获取UdcG的变化，从而稳定在目标值，形成闭环控制，被精度较高的系统采用。
双向DC-AC分系统的输入端不固定，DC端或AC端均可成为输入端，另一端成为输出端。本发明将DC端设为双向DC-DC分系统与双向DC-AC分系统共有的直流端，将AC端设为连接用电设备端。设双向DC-AC分系统的直流端电压为UdcGGD，直流端电流为IdcGGD，用电设备端三相电压分别为Ua，Ub，Uc，交流端电流分别为Ia，Ib，Ic。
双向DC-AC分系统根据是否闭环，分为闭环系统和开环系统。以将连接用电设备端变换为直流端为例，开环系统不采用直流端电压UdcGGD形成反馈，输出电压UdcGGD按照设定的规律，为用电设备端三相电压的固定规律函数。这样，造成UdcGGD随着用电设备端电压和输出负载IdcGGD的波动而变化。通常，用电设备端三相电压越低，或IdcGGD越大，UdcGGD越低；用电设备端三相电压越高，IdcGGD越小，UdcGGD越高。闭环系统中，因采用输出电压UdcGUdcGGD作为反馈，其输出电压能够实时获取UdcGGD的变化，从而稳定在目标值，形成闭环控制，被精度较高的系统采用。
本发明配置的双向DC-DC分系统、双向DC-AC分系统均为闭环系统，从全系统考虑，双向DC-DC分系统检测高压端电压UdcG、低压端电压UdcD、低压端电流IdcD；双向DC-AC分系统检测用电设备侧的三相交流电压、三相电流、直流侧电压。即可实现二者的独立闭环，又能实现系统检测的完整性。
为了加快响应速度，从整体电能系统的配置开始考虑，本发明增加主控系统，明确控制方式，实现对双向DC-DC分系统、双向DC-AC分系统的有力补充。
本发明的电能管理装置所包含的双向DC-DC分系统、双向DC-AC分系统、主控系统均为多状态控制系统。
双向DC-DC分系统包含：待机状态、启动状态、高端电压稳定状态、充电状态、故障状态；
其中待机状态：双向DC-DC分系统接收到主控系统发送的开机指令后，双向DC-DC分系统的控制部分启动，完成与主控系统的通讯握手，功率部分等待启动；优选地，在此期间还可以启动电压电流检测和故障判断；双向DC-DC分系统所需检测的电压电流在前面已经描述过。
启动状态：双向DC-DC分系统接收到主控系统发送的启动指令后，完成必要的变量初始化后，准备进入高端电压稳定状态或充电状态；优选地，之间还可以完成电压电流检测、故障判断；此时，功率部分还没有启动，而是在高端电压稳定状态和充电状态下启动了功率部分。
高端电压稳定状态：功率部分处于启动状态，双向DC-DC分系统接收到主控系统发送的高端电压稳定指令后，进入高端电压稳定状态，把蓄电池（组）的电能转换为稳定的高端电压；优选地，之间还可以完成电压电流检测、故障判断；
充电状态：功率部分处于启动状态，双向DC-DC分系统接收到主控系统发送的充电指令后，进入充电状态，利用高端电压给蓄电池（组）充电；优选地，之间还可以完成电压电流检测、故障判断。
故障状态：双向DC-DC分系统实施检测电压、电流，并测算功率等，根据故障判断程序获取相关故障信息，一旦出现故障，执行相应的故障处理程序，汇报主控系统相应故障状态。
双向DC-AC分系统包括：待机状态、启动状态、直流稳定状态、电流源逆变状态、电压源逆变状态、准同期调整状态、故障状态等；
其中待机状态：双向DC-AC分系统接收到主控系统发送的开机指令后，双向DC-AC分系统的控制部分启动，完成与主控系统的通讯握手，功率部分等待启动；优选地，在此期间还可以启动电压电流检测、故障判断；双向DC-AC分系统所需检测的电压电流在前面已经描述过。
启动状态：双向DC-AC分系统接收到主控系统发送的启动指令后，完成必要的变量初始化后，准备进入直流稳定状态、电流源逆变状态或电压源逆变状态；优选地，之间还可以完成电压电流检测、故障判断；此时，功率部分还没有启动，而是在后续状态中启动。
直流稳定状态：双向DC-AC分系统接收到主控系统发送的直流稳定指令后，进入直流稳定状态，把三相交流转换为稳定的直流电压；优选地，之间还可以完成电压电流检测、故障判断；
电流源逆变状态：双向DC-AC分系统接收到主控系统发送的电流源逆变指令后，进入电流源逆变状态，此时双向DC-AC分系统作为恒流源，将要求的输出功率换算成电流目标值，把稳定的直流电压转换为符合电流目标值的三相交流；优选地，之间还可以完成电压电流检测、故障判断；双向DC-AC分系统作为恒流源时不干扰局域电网为用电设备负载提供的电压值，因此通常电流目标值可以设置为0。
电压源逆变状态：双向DC-AC分系统接收到主控系统发送的电压源逆变指令后，进入电压源逆变状态；此时双向DC-AC分系统作为恒压源，将要求的输出功率换算成电压目标值，把稳定的直流电压转换为符合电压目标值的三相交流；优选地，之间还可以完成电压电流检测、故障判断。双向DC-AC分系统作为恒压源的目的是在局域电网不能为用电设备负载提供电压的情况下，维持用电设备的电压。
准同期调整状态：双向DC-AC分系统在电压源逆变状态，接收到主控系统发送的准同期合闸指令后，根据目标的三相交流电压，调节现有的三相交流电压的频率、相位、电压，即实现准同期调整，二者偏差满足设定的允差时，进入电流源逆变状态，通知主控系统将局域电网连接用电设备负载的控制开关闭合。
故障状态：双向DC-AC分系统实施检测电压、电流，并测算功率等，根据故障判断程序获取相关故障信息，一旦出现故障，执行相应的故障处理程序，汇报主控系统相应故障状态。
双向DC-DC分系统和双向DC-AC分系统还将采集的端电压、端电流信息发送给主控系统，供主控进行判断和状态切换。
主控系统包括：待机状态、启动状态、自动运行状态、故障状态等。
待机状态：主控系统接收到来自外部的待机命令后，主控系统向双向DC-DC分系统和双向DC-AC分系统发送开机指令，完成与双向DC-DC分系统、双向DC-AC分系统的通讯握手；优选地，还可以获取必要的故障信息；
启动状态：主控系统接收到启动指令后，向双向DC-DC分系统、双向DC-AC分系统发送启动指令；
自动运行状态：主控系统接收到来自外部的运行指令后，按照设定流程自动发送相关指令引导双向DC-DC分系统、双向DC-AC分系统进入目标工作状态，包含电能补充状态，电压支撑状态、准同期并网状态和充电状态。电能补充状态：即双向DC-DC分系统工作在高压稳定状态，双向DC-AC分系统工作在电流源逆变状态；电压支撑状态：即双向DC-DC分系统工作在高压稳定状态，双向DC-AC分系统工作在电压源逆变状态；准同期并网状态：双向DC-DC分系统工作在高压稳定状态，双向DC-AC分系统工作在准同期调频状态。
具体来说，所述设定流程包括：
控制开关初始是闭合的，主控系统判断三相交流电压当前值与目标值之间的差异，如果差异在允许范围内，则进入电能补充状态，即保持局域电网向用电设备负载供电，通过发送相关指令使得双向DC-DC分系统工作在高压稳定状态、双向DC-AC分系统工作在电流源逆变状态，且控制双向DC-DC分系统和双向DC-AC分系统调整自身输出以补偿所述的差异；
如果差异在允许范围之外，则进入电压支撑状态，即通过控制开关的设定切断局域电网与用电设备负载之间的连接，转由该电能补充管理装置向用电设备负载供电，此时通过发送相关指令使得双向DC-DC分系统工作在高压稳定状态、双向DC-AC分系统工作在电压源逆变状态；
当主控系统工作在电压支撑状态时，如果局域电网恢复正常，请求切回局域电网向用电设备负载供电，则主控系统进入准同期并网状态，此时，通过发送相关指令使得双向DC-DC分系统工作在高压稳定状态、双向DC-AC分系统工作在准同期调整状态；当准同期调整状态完成向电流源逆变状态的切换后，主控系统自动转为电能补充状态；
当主控系统接收到来自外部或储能装置的充电请求时，判断当前是否由局域电网向用电设备负载供电，如果是，则进入充电状态，此时主控系统通过发送相关指令使得双向DC-DC分系统工作在充电状态、双向DC-AC分系统工作在直流稳定状态；否则，暂不处理充电请求，可以待到局域电网恢复向用电设备负载供电后再处理。
故障状态：主控系统实时查询双向DC-AC分系统与双向DC-AC分系统，获取相关故障信息，一旦出现故障，执行相应的故障处理程序，电能管理装置进入故障状态。
基于上述装置，本发明还提供了一种快速双向切换的电能补充管理方法，如图3所示，该方法包括如下步骤：
步骤1、主控系统接收到来自外部的待机命令后，进入待机状态，此时向双向DC-DC分系统和双向DC-AC分系统发送开机指令，完成与双向DC-DC分系统、双向DC-AC分系统的通讯握手；都握手成功后，可开始后续工作。此时主控系统、双向DC-DC分系统和双向DC-AC分系统均处于待机状态。
步骤2、主控系统接收到来自外部的启动命令后，进入启动状态，此时向双向DC-DC分系统、双向DC-AC分系统发送启动指令。
步骤3、主控系统接收到来自外部的运行指令后，进入自动运行状态。在自动运行状态下，主控系统首先通过发送相关指令控制双向DC-DC分系统进入高端电压稳定状态；初始时控制开关闭合，局域电网向用电设备负载供电。
步骤4、主控系统确认双向DC-DC分系统进入高端电压稳定状态后，检测三相交流电压是否在用电设备允许范围内，如果是，则通过发送相关指令控制双向DC-AC分系统进入电流源逆变状态，此时主控系统工作在电能补充状态，执行步骤5；否则，通过控制开关的设置切断设备用电与局域电网的连接，通过发送相关指令控制双向DC-AC分系统进入电压源逆变状态，此时主控系统工作在电压支撑状态，执行步骤9。
步骤5、主控系统处于电能补充状态，实时监测双向DC-AC分系统反馈的三相交流电压，并将三相交流电压的当前值与目标值允差范围进行比较：
如果发现三相交流电压幅值和/或频率降低到目标值允差范围之外，但仍在用电设备允许范围内，则执行步骤6；
如果发现三相交流电压幅值和/或频率升高到目标值允差范围之外，但仍在用电设备允许范围内，则执行步骤7；
如果发现三相交流电压幅值和/或频率超出用电设备允许范围并维持设定时间，则执行步骤8；如果三相交流电压只是超出用电设备允许范围瞬间，则按照超出目标值允差范围之外处理。这里的设备允许范围与前述允差范围不同，允差范围是指在目标值周围取一个小范围，当数据落入允差范围后认为数据达到目标值。
如果三相交流电压幅值和频率均在目标值允差范围之内，则重复执行本步骤5；
步骤6、双向DC-AC分系统工作在电流源逆变状态，如果用电设备侧的负载增加或局域电网内的发电量减少，将直接导致用电设备侧的电压可能出现电压或频率降低。双向DC-AC分系统检测到三相交流端电压出现变化，实时反馈到主控系统；主控系统根据三相交流电压的当前值与目标值之间的偏差，计算出需要向三相交流线路补充的功率，发送给双向DC-DC分系统和双向DC-AC分系统；双向DC-DC分系统以所接收的功率值为目标，在稳定母线电压的同时，控制高压端的输出功率，以达到对用电设备的补充；同时双向DC-AC分系统以所接收的功率为目标，换算出当前交流电流目标值（此时是电流闭环），根据该目标值将直流母线上的电能，转换成三相交流输出，来平衡用户电网电压的变化，然后返回执行步骤5。
这里的调整速度很快，快速性是通过DC-DC系统已经进入高端电压稳定状态，且DC-AC系统已经进入电流源逆变状态，来实现的。控制时，只需要测算释放的目标功率值，按照目标值输出即可。
步骤7、双向DC-AC分系统工作在电流源逆变状态，如果用电设备侧的负载减少或局域电网内的发电量增加，将直接导致用电设备侧的电压可能出现电压或频率增加。双向DC-AC分系统检测到三相交流端电压出现变化，实时反馈到主控系统；
此时，主控系统根据三相交流电压的当前值与目标值之间的偏差，计算出需要向三相交流线路补充的功率值，该功率值也逐渐减小，将该功率值发送到给双向DC-DC分系统和双向DC-AC分系统；双向DC-DC分系统以所接收的逐渐减小的功率值为目标，控制高压端的输出功率逐渐减小；同时双向DC-AC分系统以所接收的逐渐减小的功率值为目标，调整三相交流电流减小；
当双向DC-DC分系统和双向DC-AC分系统向三相交流线路补充的功率值达到零，但三相交流电压幅值和/或频率仍高于目标值允差范围，则，主控系统计算出从三相交流线路吸收的功率值，将该功率值发送到给双向DC-DC分系统和双向DC-AC分系统；双向DC-DC分系统以所接收的吸收功率值为目标，控制高压端吸收功率，储存到储能装置内；同时双向DC-AC分系统以所接收的吸收功率值为目标，调整三相交流电流；
返回执行步骤5；
这里的调整速度很快，快速性是通过DC-DC系统已经进入稳高端电压定状态，且DC-AC系统已经进入电流源逆变状态，来实现的。控制时，只需要测算释放的目标功率值，按照目标值输出即可。
步骤8、双向DC-AC分系统工作在电流源逆变状态时，如果用电设备侧的负载增加或局域电网内的发电量减少剧烈，或者用电设备侧的负载减小或局域电网内的发电量增大剧烈，导致用电设备侧的电压可能出现电压或频率变化的程度已经超出用电设备允许范围，且达到一定时间。双向DC-AC系统检测到三相交流端电压出现变化，实时反馈到主控系统；
那么，主控系统切换到电压支撑状态：此时主控系统一方面切断用电设备负载与局域电网的连接，另一方面，根据三相交流电压的目标值，计算出需要向用电设备负载提供的功率，发送给双向DC-DC分系统和双向DC-AC分系统；双向DC-DC分系统以该功率值为目标，在稳定母线电压的同时，控制高压端的输出功；同时双向DC-AC分系统在主控系统的控制下改变逆变模式，迅速切换到电压源逆变模式，以所接收的功率值为目标，控制三相交流输出（此时是电压和电流闭环，需要计算出电压电流值，三相交流电压为目标值例如220V，三相交流电流为功率除以电压）；执行步骤9。
这里的调整速度很快，快速性是通过DC-DC系统已经进入高端电压稳定状态，只需DC-AC系统从电流源逆变状态切换到电压源逆变状态，且快速切断用电设备与局域电网的连接来实现的。
步骤9、主控系统处于电压支撑状态，实时监测双向DC-AC分系统反馈的三相交流电压，并将三相交流电压的当前值与目标值允差范围进行比较：
如果发现三相交流电压幅值和/或频率变化到目标值允差范围之外，则执行步骤10；否则，重复执行本步骤9；
如果主控系统接收到切换回局域电网供电的请求，则执行步骤11；
步骤10、主控系统三相交流电压的目标值，计算出需要向用电设备负载提供的功率值，发送给双向DC-DC分系统和双向DC-AC分系统；双向DC-DC分系统以该功率值为目标，在稳定母线电压的同时，控制高压端的输出功率；同时双向DC-AC分系统根据所接收的功率值，控制三相交流输出；返回执行步骤9。
这里的调整速度很快，快速性是通过DC-DC系统已经进入高端电压稳定状态，且DC-AC系统已经进入电压源逆变状态，来实现的。控制时，只需要测算释放的目标功率值，按照目标值输出即可。
步骤11、主控系统进入准同期并网状态：此时通过发送相关指令使得双向DC-DC分系统工作在高压稳定状态、双向DC-AC分系统工作在准同期调整状态；双向DC-AC分系统完成准同期调整状态向电流源逆变状态的切换后，主控系统自动转为电能补充状态；返回步骤5；
为了保证蓄电池或蓄电池组的电能吸收与放出的能力，上述处理过程中对其容量进行监控，如果容量低于某个设定限位，则向主控系统发出充电请求。当然，用户可以在适当的时候想主控系统发出向蓄电池充电的请求，以维护系统对电能控制的能力。
当主控系统接收到来自外部或储能装置的充电请求时，判断当前是否由局域电网向用电设备负载供电，如果是，则进入充电状态，此时主控系统通过发送相关指令使得双向DC-DC分系统工作在充电状态、双向DC-AC分系统工作在直流稳定状态；否则，存储当前充电请求，不进行充电处理，待恢复局域电网向用电设备负载供电后，在进入充电状态。
主控系统还周期性查询双向DC-AC分系统与双向DC-AC分系统的故障信息，一旦出现故障，主控系统暂停当前处理流程，进入故障状态，转向执行故障处理程序。其中，双向DC-AC分系统和双向DC-AC分系统也具有周期性检测自身故障的功能，前面已经有所涉及。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种快速双向切换的电能补充管理装置，该电能补充管理装置连接在局域电网向用电设备负载供电的三相交流线路上；其特征在于，该装置包括储能装置、双向DC-DC分系统、双向DC-AC分系统、主控系统和控制开关；所述储能装置可充电和放电；
双向DC-DC分系统中电压低的DC端与储能装置相连，双向DC-DC分系统中电压高的DC端通过直流母线与双向DC-AC分系统的DC端相连，双向DC-AC分系统中的AC端接入所述三相交流线路，控制开关设置在局域电网接入所述三相交流线路之前；主控系统连接双向DC-DC分系统、双向DC-AC分系统和控制开关；
双向DC-DC分系统包含待机状态、启动状态、高端电压稳定状态和充电状态；其中，
双向DC-DC分系统的待机状态：双向DC-DC分系统接收到主控系统发送的开机指令后，双向DC-DC分系统的控制部分启动，完成与主控系统的通讯握手，功率部分等待启动；
双向DC-DC分系统的启动状态：双向DC-DC分系统接收到主控系统发送的启动指令后，完成设定的变量初始化，准备进入高端电压稳定状态或充电状态；
高端电压稳定状态：双向DC-DC分系统接收到主控系统发送的高端电压稳定指令后，进入高端电压稳定状态，把储能装置的电能转换为稳定的高端电压；
充电状态：双向DC-DC分系统接收到主控系统发送的充电指令后，进入充电状态，利用高端电压给储能装置充电；
双向DC-AC分系统包含待机状态、启动状态、直流稳定状态、电流源逆变状态、电压源逆变状态和准同期调整状态；其中，
双向DC-AC分系统的待机状态：双向DC-AC分系统接收到主控系统发送的开机指令后，双向DC-AC分系统的控制部分启动，完成与主控系统的通讯握手，功率部分等待启动；
双向DC-AC分系统的启动状态：双向DC-AC分系统接收到主控系统发送的启动指令后，完成设定的变量初始化，准备进入直流稳定状态、电流源逆变状态或电压源逆变状态；
直流稳定状态：双向DC-AC分系统接收到主控系统发送的直流稳定指令后，进入直流稳定状态，把三相交流转换为稳定的直流电压；
电流源逆变状态：双向DC-AC分系统接收到主控系统发送的电流源逆变指令后，进入电流源逆变状态；此时双向DC-AC分系统作为恒流源，将要求的输出功率换算成电流目标值，把稳定的直流电压转换为符合电流目标值的三相交流输出；
电压源逆变状态：双向DC-AC分系统接收到主控系统发送的电压源逆变指令后，进入电压源逆变状态；此时双向DC-AC分系统作为恒压源，将要求的输出功率换算成电压目标值，把稳定的直流电压转换为符合电压目标值的三相交流输出；
准同期调整状态：双向DC-AC分系统在电压源逆变状态，接收到主控系统发送的准同期合闸指令后，根据目标的三相交流电压，调节现有的三相交流电压的频率、相位和幅值，即实现准同期调整，二者偏差满足设定的允差时，进入电流源逆变状态，并通知主控系统将局域电网与用电设备负载之间的控制开关闭合；
双向DC-DC分系统和双向DC-AC分系统还将采集的端电压和端电流信息发送给主控系统；
主控系统包含待机状态、启动状态、自动运行状态和充电状态；
主控系统的功能包括为：1)主控系统接收到来自外部的待机命令后，进入待机状态，此时向双向DC-DC分系统和双向DC-AC分系统发送开机指令，完成与双向DC-DC分系统、双向DC-AC分系统的通讯握手；2)主控系统接收到来自外部的启动命令后，进入启动状态，此时向双向DC-DC分系统、双向DC-AC分系统发送启动指令；3)主控系统接收到来自外部的运行指令后，进入自动运行状态，此时，主控系统按照设定流程自动发送相关指令引导双向DC-DC分系统、双向DC-AC分系统进入目标工作状态；所述目标工作状态包含电能补充状态、电压支撑状态、准同期并网状态和充电状态；
所述设定流程包括：控制开关初始是闭合的，主控系统判断三相交流电压当前值与目标值之间的差异，如果差异在允许范围内，则进入电能补充状态，即保持局域电网向用电设备负载供电，通过发送相关指令使得双向DC-DC分系统工作在高端电压稳定状态、双向DC-AC分系统工作在电流源逆变状态，且控制双向DC-DC分系统和双向DC-AC分系统调整自身输出以补偿所述的差异；
如果差异在允许范围之外，则进入电压支撑状态，即通过控制开关的设定切断局域电网与用电设备负载之间的连接，转由该电能补充管理装置向用电设备负载供电，此时通过发送相关指令使得双向DC-DC分系统工作在高端电压稳定状态、双向DC-AC分系统工作在电压源逆变状态；
当主控系统工作在电压支撑状态时，如果局域电网恢复正常，请求切回局域电网向用电设备负载供电，则主控系统进入准同期并网状态：此时，主控系统通过发送相关指令使得双向DC-DC分系统保持在高端电压稳定状态、双向DC-AC分系统工作在准同期调整状态；准同期调整状态完成向电流源逆变状态的切换后，主控系统自动转为电能补充状态；
当主控系统接收到来自外部或储能装置的充电请求时，判断当前是否由局域电网向用电设备负载供电，如果是，则进入充电状态，此时主控系统通过发送相关指令使得双向DC-DC分系统工作在充电状态、双向DC-AC分系统工作在直流稳定状态；否则，暂不处理充电请求。
2.如权利要求1所述的电能补充管理装置，其特征在于，双向DC-DC分系统和双向DC-AC分系统进一步周期性检测自身故障；
主控系统周期性查询双向DC-DC分系统与双向DC-AC分系统的故障信息，一旦出现故障，主控系统暂停当前处理流程，进入故障状态，转向执行故障处理程序。
3.一种快速双向切换的电能补充管理方法，其特征在于，该方法采用如权利要求1所述的电能补充管理装置，该方法包括如下步骤：
步骤1、主控系统接收到来自外部的待机命令后，进入待机状态，此时向双向DC-DC分系统和双向DC-AC分系统发送开机指令，完成与双向DC-DC分系统、双向DC-AC分系统的通讯握手；
步骤2、主控系统接收到来自外部的启动命令后，进入启动状态，此时向双向DC-DC分系统、双向DC-AC分系统发送启动指令；
步骤3、主控系统接收到来自外部的运行指令后，进入自动运行状态；在自动运行状态下，主控系统首先通过发送相关指令控制双向DC-DC分系统进入高端电压稳定状态；初始时控制开关闭合，局域电网向用电设备负载供电；
步骤4、主控系统确认双向DC-DC分系统进入高端电压稳定状态后，检测三相交流电压是否在用电设备允许范围内，如果是，则通过发送相关指令控制双向DC-AC分系统进入电流源逆变状态，此时主控系统工作在电能补充状态，执行步骤5；否则，通过控制开关的设置切断用电设备负载与局域电网的连接， 通过发送相关指令控制双向DC-AC分系统进入电压源逆变状态，此时主控系统工作在电压支撑状态，执行步骤9；
步骤5、主控系统处于电能补充状态，实时监测双向DC-AC分系统反馈的三相交流电压，并将三相交流电压的当前值与目标值允差范围进行比较：
如果发现三相交流电压幅值和/或频率降低到目标值允差范围之外，但仍在用电设备允许范围内，则执行步骤6；
如果发现三相交流电压幅值和/或频率升高到目标值允差范围之外，但仍在用电设备允许范围内，则执行步骤7；
如果发现三相交流电压幅值和/或频率超出用电设备允许范围并维持设定时间，则执行步骤8；
如果三相交流电压幅值和频率均在目标值允差范围之内，则重复执行本步骤5；
步骤6、主控系统根据三相交流电压的当前值与目标值之间的偏差，计算出需要向三相交流线路补充的功率值，发送给双向DC-DC分系统和双向DC-AC分系统；双向DC-DC分系统以所接收的功率值为目标，控制高压端的输出功率；同时双向DC-AC分系统以所接收的功率值为目标，调整三相交流输出；返回执行步骤5；
步骤7、主控系统根据三相交流电压的当前值与目标值之间的偏差，计算出需要向三相交流线路补充的功率值，该功率值也逐渐减小，将该功率值发送到给双向DC-DC分系统和双向DC-AC分系统；双向DC-DC分系统以所接收的逐渐减小的功率值为目标，控制高压端的输出功率逐渐减小；同时双向DC-AC分系统以所接收的逐渐减小的功率值为目标，调整三相交流电流减小；
当双向DC-DC分系统和双向DC-AC分系统向三相交流线路补充的功率值 达到零，但三相交流电压幅值和/或频率仍高于目标值允差范围，则主控系统计算出从三相交流线路吸收的功率值，将该功率值发送到给双向DC-DC分系统和双向DC-AC分系统；双向DC-DC分系统以所接收的吸收功率值为目标，控制高压端吸收功率，储存到储能装置内；同时双向DC-AC分系统以所接收的吸收功率值为目标，调整三相交流电流；
返回执行步骤5；
步骤8、主控系统切换到电压支撑状态：此时主控系统一方面切断用电设备负载与局域电网的连接，另一方面，根据三相交流电压的目标值，计算出需要向用电设备负载提供的功率，发送给双向DC-DC分系统和双向DC-AC分系统；双向DC-DC分系统以所接收的功率值为目标，控制高压端的输出功率；同时双向DC-AC分系统在主控系统的控制下改变逆变模式，迅速切换到电压源逆变模式，以所接收的功率值为目标，控制三相交流输出，执行步骤9；
步骤9、主控系统处于电压支撑状态，实时监测双向DC-AC分系统反馈的三相交流电压，并将三相交流电压的当前值与目标值允差范围进行比较：
如果发现三相交流电压幅值和/或频率变化到目标值允差范围之外，则执行步骤10；否则，重复执行本步骤9；
如果主控系统接收到切换回局域电网供电的请求，则执行步骤11；
步骤10、主控系统根据三相交流电压的目标值，计算出需要向用电设备负载提供的功率值，发送给双向DC-DC分系统和双向DC-AC分系统；双向DC-DC分系统以所接收的功率值为目标，控制高压端的输出功率；同时双向DC-AC分系统根据所接收的功率值，控制三相交流输出；返回执行步骤9；
步骤11、主控系统进入准同期并网状态：此时通过发送相关指令使得双向DC-DC分系统工作在高端电压稳定状态、双向DC-AC分系统工作在准同期调 整状态；双向DC-AC分系统完成准同期调整状态向电流源逆变状态的切换后，主控系统自动转为电能补充状态；返回步骤5；
在上述流程中，当主控系统接收到来自外部或储能装置的充电请求时，判断当前是否由局域电网向用电设备负载供电，如果是，则进入充电状态，此时主控系统通过发送相关指令使得双向DC-DC分系统工作在充电状态、双向DC-AC分系统工作在直流稳定状态；否则，存储当前充电请求，不进行充电处理，待恢复局域电网向用电设备负载供电后，再进入充电状态。
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