CN103178540A - 微电网及其不间断并网的方法 - Google Patents

Abstract

一种微电网及其不间断运行的并网方法。所述微电网包括：控制发电机与微电网的接通和断开的发电机出口开关；设置在发电机连接到微电网的进线侧并检测微电网主干线的电气参数的第一检测单元；设置在微电网与市电的连接处并控制微电网与市电的接通和断开的微电网接口开关；以及设置在市电接入到微电网的进线侧并检测市电电气参数的第二检测单元。根据本发明，当微电网接入到市电时，发电机可以基于第二检测单元检测的市电电气参数将其自身的电气参数调整为与市电电气参数相同之后再接通微电网接口开关，从而可以在发电机不停机的情况下完成并网过程。

Description

微电网及其不间断并网的方法

技术领域

本发明涉及到一种微电网，特别涉及到可以不间断运行的与市电并网的微电网及其并网方法。

背景技术

目前，通过市政电网提供电力资源的市电通常是380V、50Hz的交流电。微电网是指由分布式电源、储能装置、负载、监控和保护装置构成的能源网络。微电网通常是低压电网，既可以与市电联网运行，也可在市电故障时或需要时与市电断开而单独运行，从而保证不间断供电。因此，微电网通常是能够实现自我控制、保护和管理的独立系统。

微电网中的分布式电源通常包括光伏发电、风力发电、发电机、储电单元等。这种分布式电源是相对于传统集中供电而言，国际分布式能源联盟WADE对“分布式能源”定义：由发电系统组成，这些系统能够在消费地点或很近的地方发电，比如光伏，储能，甚至燃气发电机等。但是发电机与分布式电源的主要区别在于发电机可以长期供电。

在需要将微电网并入市电网络联网运行时，需要用到微电网并网技术。另外，在不需要将微电网并入市电网络联网运行时，例如在市电中断的情况下，微电网的发电机可以单独带负载运行，这种情况称为微电网的孤网。另外，发电机的并网是指通过发电机出口开关的合闸，把发电机与微电网连接起来，将电能输送到微电网的负载中。

图1显示了微电网的并网和孤网切换示意图。

如图1所示，微电网分为并网和孤网两个状态。在并网转向孤网时瞬间，市电断开，微电网内的原来的分布式电源作为电源向负责供电。因此微电网在孤网时可能由发电机供电，也有可能由其他分布式电源供电。其他分布式电源的特点是可作为短时供电，如光伏发电受光照和时间限制，储能受容量限制等。

在孤网时，为实现微电网供电的安全和稳定，为实现无间断并网，微电网的主电源必须为发电机。因此在其他分布式电源作为主电源的情况下，必须启动发电机并网，将发电机作为微电网的主电源。

在孤网模式下，发电机直接对负载供电，发电机可以不参照外部条件而直接输出设定的电压、频率和相角。并且，发电机对输出的频率、电压、相角进行小幅调整对负载影响不大。

在并网模式下，由于市电提供的电压、频率和相角与发电机输出的不同，如果直接将发电机输出连接到市电网络，则会发生相间短路，造成设备损坏。因此，在切换到并网模式之前，发电机需要在启动前将自身的频率、相角调节到与市电一致。

在实际应用中，根据需要可能会经常将微电网与大电网并网和断开，因而微电网会频繁在并网、孤网这两种状态之间切换。这种切换过程中，微电网的发电机可能会出现间断、停止运行等异常情况，严重时会导致发动机停机和微电网断网，然后需要花费大量的人力物力进行维修和恢复，这大大降低了微电网的稳定性和可靠性。

因此，需要一种新的技术，能够解决由微电网由孤网向并网的切换过程中发电机不间断运行的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种微电网及其不间断并网的方法。根据本发明，可以解决发电机在微电网由孤网向并网的切换过程中的不间断运行问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种微电网，该微电网包括发电机、分布式电源和负载，以及控制发电机与微电网的接通和断开的发电机出口开关，还包括：第一检测单元，设置在发电机连接到微电网的进线侧，用于检测微电网主干线的电气参数；微电网接口开关，设置在微电网与市电的连接处，用于控制微电网与市电的接通和断开；第二检测单元，设置在市电接入到微电网的进线侧，用于检测市电的电气参数；当微电网接入到市电时，发电机基于第二检测单元检测的市电电气参数将其自身的电气参数调整为与市电电气参数相同之后再接通微电网接口开关。

所述微电网还包括并网控制单元，该并网控制单元分别连接到第一和第二检测单元、发电机出口开关、微电网接口开关和发电机，用于分别从第一和第二检测单元接收数据，将数据发送给发电机以使发电机对自身的电气参数进行调整，以及从发电机接收发电机的电气参数，并据此控制发电机出口开关和微电网接口开关的接通和断开。

其中，所述并网控制单元选择性的与第一检测单元或第二检测单元接通。

其中，当所述微电网接入到市电时，所述并网控制单元接通到第二检测单元，从第二检测单元接收市电的电气参数并将其发送到发电机；当发电机的电气参数调整到与市电的电气参数的相同时，并网控制单元控制微电网接口开关接通。

其中，当发电机启动时，如果微电网已经接入到市电，所述并网控制单元接通到第一检测单元，从第一检测单元接收微电网侧的电气参数并将其发送到发电机；当发电机的电气参数调整到与微电网侧的电气参数的相同时，并网控制单元控制发电机出口开关接通。

可选的，所述并网控制单元包括：可编程逻辑控制器，用于向连接到并网控制单元的外部元件发出控制其动作的控制指令；选择继电器，用于在接通第一检测单元或接通第二检测单元之间切换。

可选的，所述第一和第二检测单元是电压互感器。

根据本发明的另一方面，还提供了一种微电网不间断并网的方法，包括：当发电机启动并且微电网已接入到市电时，通过设置在发电机连接到微电网的进线侧的第一检测单元检测微电网侧的电气参数；当发电机的电气参数调整到与微电网侧的电气参数的相同时，发电机接通到微电网；当微电网接入到市电时，通过设置在市电接入到微电网的进线侧的第二检测单元检测市电的电气参数；当发电机的电气参数调整到与市电的电气参数的相同时，微电网接通到市电。

所述电气参数是电压、频率和相位的至少其中之一。

根据本发明的微电网及其不间断并网方法，可以稳定的解决发电机在孤网和并网切换过程中的停机问题，并且相对传统设备增加的辅助设备较少。

附图说明

图1显示了微电网的并网和孤网切换示意图；

图2显示了现有技术的微电网结构示意图；

图3显示了本发明的微电网结构示意图；

图4显示了本发明微电网的孤网-并网切换流程；

图5显示了本发明的并网控制单元的控制示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图2显示了现有技术的微电网结构示意图。

如图2所示，为简单起见，本发明作为例示的微电网仅显示发电机1、分布式电源2和负载3，但不排除包含其他组件。

发电机出口开关A1设置在发电机输出侧，用于控制发电机与微电网接通和断开。

检测单元PT设置在发电机连接到微电网的进线侧，用于检测微电网主干线的电气参数，例如电压、频率、和相位等。

微电网接口开关PCC设置在微电网与市电的连接位置处，用于控制微电网与市电的接通和断开。当PCC断开时，微电网与市电断开从而工作于孤网模式，微电网由发电机供电；当PCC合上时，微电网与市电接通从而工作于并网模式，微电网由市电和发电机共同供电。

并网控制单元4分别连接到检测单元PT、发电机出口开关A1、微电网接口开关PCC和发电机，用于从检测单元PT接收检测的数据，将数据发送给发电机以使发电机对自身的电气参数进行调整，以及从发电机接收发电机的电气参数，并据此控制发电机出口开关A1和微电网接口开关PCC的开合。

此外，微电网中还设置有分布式电源。在并网转向孤网时瞬间，市电断开，微电网内的原来的分布式电源作为电源向负责供电。因此微电网在孤网时可能由发电机供电，也有可能由其他分布式电源供电。除了发电机以外的分布式电源只能作为短时供电，因为受到光伏发电受光照和时间限制，储能受容量限制等。

在孤网时，为实现微电网供电的安全和稳定，为实现无间断并网，微电网的主电源必须为发电机。因此在分布式电源作为主电源的情况下，必须启动发电机并网，将发电机作为微电网的主电源。

从图2可见，现有的微电网仅仅在发电机到微电网的进线侧位置处设置一个检测单元PT。

当市电中断时，断开微电网接口开关PCC以防止市电恢复时市电与发电机发生环流短路，此时微电网运行在孤网模式。在该孤网模式下，微电网内的频率、相角、电压等参数与市电是不同的。该检测单元PT只能检测微电网内主干线的电气参数，例如电压、频率、或相位等，而不能检测市电的电气参数，特别是不能检测市电接入微电网段的传输线的电气参数。

当市电恢复，需要将微电网由孤网切换到并网模式时，为了避免微电网与市电的电气参数不一致而导致故障，需要先停止发电机工作，断开发电机出口开关A1，即使微电网内部断电，然后合上PCC开关，将市电接入到微电网，然后在检测单元PT检测接入的市电电气参数，并网控制单元将检测到的参数发送给发电机，待发电机将自身的电气参数调节到与市电相同(即使得发电机出口开关A1的进线侧和出线侧的频率、电压、相角相同)之后，合上发电机出口开关A1，发电机接入微电网，微电网切换到并网模式。

另外，当发电机开始启动时，如果选择孤网模式运行，同样也需要断开市电与微电网的开关PCC，发电机运行于孤网模式。

如上所述，现有技术的微电网在由孤网模式向并网模式切换过程中需要停止发电机向负载供电，造成了一定时间间隔上的断电，对一些重要场合如医院，重要生产部门可能会引发灾难或生产事故。

图3显示了本发明的微电网结构示意图。

如图3所示，本发明的微电网相对于图2所示现有技术的微电网结构作出了改进，具体来说，在市电接入到微电网的进线侧设置了另一检测单元PTa(即第二检测单元)，用于检测市电的电气参数，例如电压、频率、和相位等。另外，为了区别起见，将设置在发电机1连接到微电网的进线侧的检测单元表示为PTb(即第一检测单元)。

本发明的实施例中，本发明的发电机出口开关A1仍然设置在发电机输出侧，并网控制单元4分别连接到检测单元PTa和PTb、发电机出口开关A1、微电网接口开关PCC和发电机1，用于分别从检测单元PTa和PTb接收检测数据，将数据发送给发电机以使发电机对自身的电气参数进行调整，以及从发电机接收发电机的电气参数，并据此控制发电机出口开关A1和微电网接口开关PCC的开合。另外，并网控制单元对发电机进行连续采样，并控制为只有当发电机的参数与市电参数一致时，才会接通开关PCC。

图4显示了本发明微电网的孤网-并网切换流程。

如图4所示，发电机在开始启动时，如果微电网在并网状态，需要检测单元PTb检测微电网侧的电压、频率和相位，并网控制单元根据检测到的信号调节发电机参数。当发电机的电压、频率和相位与微电网侧的对应参数相同时，合上(或接通)发电机出口开关A1以将发电机并入微电网。

当市电中断时，断开微电网接口开关PCC，以防止市电恢复时市电与发电机发生环流短路，此时微电网切换到孤网模式。

在微电网孤网状态下，如果发电机处于工作状态，发电机作为主电源协同其他分布式电源一起向负载提供电力。如果发电机处于停止状态，由于其他分布式电源的时效性，需要将启动发电机并入微电网，以实现微电网的长期稳定运行。在发电机并网的过程中，需要检测单元PTb检测微电网侧的电压、频率和相位，并网控制单元根据检测到的参数调节发电机参数。当发电机的电压、频率和相位与微电网侧的相应参数一致时，合上(或接通)发电机出口开关A1以将发电机并入微电网(这个步骤与微电网并网时发电机并网步骤类似)。

发电机启动后，发电机替代其他分布式电源作为主电源，等待电力恢复向市电网并网。

在市电恢复后，需要将微电网由孤网切换到并网模式。此时微电网接口开关PCC的状态为断开，发电机出口开关A1的状态为接通。由于检测单元PTb不能检测到市电的电气参数，此时如果合上PCC开关，则很可能由于市电与发电机的电气参数不同而导致运行故障。

这种情况下，可以通过另外设置的检测单元PTa检测PCC开关进线侧的市电的电气参数，并网控制单元接通检测单元PTa，从该检测单元PTa接收检测数据，将检测数据发送到发电机，发电机根据该市电的电气参数调整其自身参数(包括频率、电压、相角等)，当发电机的参数调整到与市电的电气参数相同时，并网控制单元控制微电网接口开关PCC接通，从而在不需要断开发电机的情况下将微电网并入到市电中，即切换到并网模式。

如上所述，在微电网的并网和孤网的切换过程中，发电机无需停机再启动，从而保证了微电网的无间断运行。

图5显示了本发明的并网控制单元的控制示意图。

本发明的实施例中，并网控制单元4是用于控制和保护发电机的设备，具体可以实施为电气柜，内部设置有可编程逻辑控制器PLC和选择继电器5等。如图5所示，并网控制单元4通过选择继电器5实现选择性的与检测单元PTa或PTb接通，从通过检测单元PTa或PTb采集相应位置处的电压、频率、相位等参数，然后根据这些参数调节发电机的电压、频率、相位等参数。

本发明的实施例中，检测单元PTa或PTb优选的采用电压互感器，用于采集电压、频率和相位。如图5所示，通常由3台电压互感器构成一组检测单元，分别检查所在位置传输线的电压、频率和相位。

如上所述，在微电网的并网和孤网的切换过程中，发电机无需停机再启动，从而保证了微电网的无间断运行。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种微电网，该微电网包括发电机、分布式电源和负载，以及控制发电机与微电网的接通和断开的发电机出口开关，还包括：

第一检测单元，设置在发电机连接到微电网的进线侧，用于检测微电网主干线的电气参数；

微电网接口开关，设置在微电网与市电的连接处，用于控制微电网与市电的接通和断开；

第二检测单元，设置在市电接入到微电网的进线侧，用于检测市电的电气参数；

当微电网接入到市电时，发电机基于第二检测单元检测的市电电气参数将其自身的电气参数调整为与市电电气参数相同之后再接通微电网接口开关。

2.根据权利要求1所述的微电网，还包括并网控制单元，该并网控制单元分别连接到第一和第二检测单元、发电机出口开关、微电网接口开关和发电机，用于分别从第一和第二检测单元接收数据，将数据发送给发电机以使发电机对自身的电气参数进行调整，以及从发电机接收发电机的电气参数，并据此控制发电机出口开关和微电网接口开关的接通和断开。

3.根据权利要求2所述的微电网，所述并网控制单元选择性的与第一检测单元或第二检测单元接通。

4.根据权利要求3所述的微电网，当微电网接入到市电时，所述并网控制单元接通到第二检测单元，从第二检测单元接收市电的电气参数并将其发送到发电机；当发电机的电气参数调整到与市电的电气参数的相同时，并网控制单元控制微电网接口开关接通。

5.根据权利要求3所述的微电网，当发电机启动时，如果微电网已经接入到市电，所述并网控制单元接通到第一检测单元，从第一检测单元接收微电网侧的电气参数并将其发送到发电机；当发电机的电气参数调整到与微电网侧的电气参数的相同时，并网控制单元控制发电机出口开关接通。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的微电网，所述并网控制单元包括：

可编程逻辑控制器，用于向连接到并网控制单元的外部元件发出控制其动作的控制指令；

选择继电器，用于在接通第一检测单元或接通第二检测单元之间切换。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的微电网，所述第一和第二检测单元是电压互感器。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的微电网，所述电气参数是电压、频率和相位的至少其中之一。

9.一种微电网不间断并网的方法，包括：

当发电机启动并且微电网已接入到市电时，通过设置在发电机连接到微电网的进线侧的第一检测单元检测微电网侧的电气参数；

当发电机的电气参数调整到与微电网侧的电气参数的相同时，发电机接通到微电网；

当微电网接入到市电时，通过设置在市电接入到微电网的进线侧的第二检测单元检测市电的电气参数；

当发电机的电气参数调整到与市电的电气参数的相同时，微电网接通到市电。

10.根据权利要求9所述的方法，所述电气参数是电压、频率和相位的至少其中之一。

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