CN103329383B - 本地电源装置 - Google Patents

Abstract

一种包括用于从电源网络（2）向负载布置（3）传输电力的多相传输线（4）的本地电源装置（1）具有断开设备（5），被配置为当操作断开设备（5）时将传输线（4）分离为馈电部（6）和引出部（7）这两个互相电隔离的部。网络监控设备（8）被连接至传输线（4）的馈电部（6），用于监控电源网络（2）的状态。此外，本地电源装置（1）包括经由至少一个相位被连接至传输线（4）的引出部（7）的网络形成体（9）以及被连接至传输线（4）的引出部（7）的至少一个连接设备（10）。该连接设备（10）被配置为将传输线（4）的引出部（7）中的至少一个相位连接至传输线（4）的引出部（7）中的另一个相位以形成公共相位。

Description

本地电源装置

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序部分的本地电源装置。本发明还涉及用于操作本地电源装置的操作方法。

背景技术

当来自例如在住宅中的电气装置所连接至的电源网络的供电中断（例如作为电源网络中故障的结果）时，此类本地电源装置被用于该电气装置的备用电源（也被称作备份电源）。本地电源装置监控电源网络，并且在发生网络故障的情况下，切换至所谓的独立网络操作或者孤立网络操作。在这种情况下，本地电源装置断开与电源网络的连接，并接通备用电源。可以从存储单元（例如具有适当的功率储备的可再充电电池）向备用电源馈电，因此，形成本地独立网络。该备用电源例如可以通过将来自存储单元的直流电压转换为交流电压的逆变器来提供。在独立网络操作中，由本地电源装置连续监控电源网络。一旦电源网络再次可用，本地电源装置再次从独立网络操作切换回正常网络操作。在这种情况下，存储单元接着被再充电。

文献EP 1 965 483 A1描述了此类本地电源装置。在这种情况下，本地发电单元（例如光生伏打装置）由具有存储单元的逆变器来扩展。逆变器被设计为监控电源网络，在电源网络发生故障时，将本地电源装置从电源网络断开，并自主地形成本地网络。然后，各种本地发电单元能够以模块化的方式用于向该本地网络馈送电力。

电源网络通常是公用三相电源网络，尽管它也可以是区域电源网络。例如，可以从连续运行的发电机向此类区域电源网络馈电，其中，该发电机不需要位于与电气装置相同的位置点。例如在住宅或者工业设施中的本地电气装置通常被连接至电源网络的多个相（特别是所有的三个相），用以在相位之间均匀地分配由消费者产生的负载。

通常，本地电源装置是单相装置，其结果是在发生网络故障时，仅有某些负载（特别是最重要的负载）可以被供应电力。作为选择，对于每个相位都需要专用的备用电源。

存在对这样的本地电源装置的需求，该本地电源装置不需要具有三相能量源（诸如柴油发电机或者多个逆变器），但在电源网络发生故障时，仍能够向在本地网络中的所有相位上的负载供应电力。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于提供一种改进的本地电源装置。另一个目的在于提供一种用于本地电源装置的操作方法。

该目的通过具有权利要求1的特征的本地电源装置实现。它还通过具有权利要求6的特征的操作方法实现。在从属权利要求中指明了改进和有利的完善。

根据本发明的第一方面，本地电源装置包括如下：多相传输线，用于从电源网络向负载布置传输电力；断开设备，被配置为当操作断开设备时，将传输线分离为两个互相电隔离的部分，即馈电部和引出部；网络监控设备，被连接至传输线的馈电部，并且被配置为用于监控电源网络的状态；以及网络形成体，经由至少一个相位被连接至传输线的引出部。本地电源装置的特征在于，至少一个连接设备被连接至传输线的引出部，并被配置为将传输线的引出部中的至少一个相位连接至传输线的引出部中的另一个相位以形成公共相位。

传输线的各部的连接以及下面的其他功能单元的连接指的是导电连接。术语“断开设备”指的是可以使用“常开”以及“常闭”开关两者。具有至少二个、三个或以上的相位和中性线的电源网络在下文中被称为多相网络，而单相网络意指具有一个相位和一个中性线的网络。

网络形成体意指被设计为通过能够预先确定网络电压、频率和相位角而形成本地电源网络的设备。与综合电源网络隔离的此类本地网络也被称为独立网络，并且其操作被称为独立网络操作。出于该目的所需的电能例如从存储器（电池）获取、或者从被内燃机、被风力/水力驱动的发电机获取，或者以一些其他方式获取。网络形成体可以包括电池和逆变器。

监控设备用于监控电网络，其中确定电压、频率和相位角，并从其中导出现有状态。如果所有被监控的参数在预先确定的容限范围内与其额定值相符，那么网络状态被称为处于正常状态。在与其额定值有差异时，检测到故障状态，例如网络故障。

在电源网络的故障状态下，电气装置的所有相位连接在一起，以在负载侧形成公共相位，并且这些相位在下文中被称为引出相位。来自网络形成体的电力被提供给该公共相位。在一个可能的实施例中，该网络形成体包括具有直流电压源的单相逆变器。当电源网络返回正常状态时，在切换回网络操作之前，再次取消（即断开）引出相位的该连接。

负载通常是分布在引出相位之间的单相器件，以便在电气装置的相位上实现一致的加载。与仅在一个相位上的紧急电源形成对照的是，在电源网络中发生故障状态的情况下引出相位的连接导致所有负载被供电。因此不需要用于紧急操作的额外的多相发电机。

在本发明的一个实施例中，提供用于控制连接设备、断开设备和网络形成体的控制设备。控制设备例如可以出于通信目的被连接至网络监控设备，并且可以使用来自该网络监控设备的输出信号，从而以适当的时间序列控制连接的开关和连接设备。

在本发明的一个有利实施例中，其中，网络形成体具有用于每个引出相位的单相逆变器，在检测到发生网络故障时，首先将单相逆变器的所有相位同步至一个相位。也就是说，在连接引出相位之前，相位之间通常存在的相移（例如在三相的情况下为120°，在二相的情况下为180°）被消除。在返回到网络操作之前，引出相位首先再次从彼此断开连接，之后，在被连接至电源网络之前，进行将单独的单相逆变器同步回到之前存在的相移的处理。

在这种情况下，特别有利的是，当在独立网络操作期间引出相位被耦合时，由于被耦合的引出相位并联连接，所有连接的逆变器的性能（特别是过载能力）可共同地用于负载的操作。反之亦然，取决于功率需求，可以连接或断开逆变器，例如以在低负载时间（例如夜晚）节约能量。

在另一个实施例中，提供本地发电单元（特别是与光生伏打逆变器连接的光生伏打发电机），用于向传输线馈送电力。本地发电单元可以被连接至传输线的馈电部或者传输线的引出部。本地发电单元还可以由其他能量源（诸如风力或者水力、燃料电池或者内燃机）馈电。

在这种情况下，有利的是，有可能将本地发电单元用于在网络操作中向电源网络馈电，以及用于在电源网络发生故障状态下向引出相位馈电。

传输线可以是三相设计，连接设备可以被配置为连接引出部中的所有三个相位以形成公共相位。

网络形成体可以是多相设计，本地发电单元可以被连接至传输线的一个相位。

本地电源装置可以具有控制设备，该控制设备被设计为操作断开设备、连接设备和网络形成体，用以在网络监控设备检测到电源网络中的故障状态的情形下，在传输线的引出部中形成独立网络。

用于例如上面所述的本地电源装置的操作方法具有下面的步骤，其中所述本地电源装置一方面被连接至多相电源网络，另一方面被连接至具有负载的负载布置：

监控电源网络，并确定其状态。如果在电源网络中确定了故障状态，那么将负载布置从电源网络断开。为了向至少一些负载供电，以经由被连接的相位从网络形成体对负载供电的方式连接负载布置的至少两个相位被连接。

还可以监控电源网络的状态，用以在电源网络已经返回到正常状态之后，也就是说在故障状态终止之后，将负载布置的至少两个相位从彼此断开，并且用以将负载布置重新连接至电源网络以向负载供电。在这种情况下，可以参考电源网络的状态根据需要接通或者关断网络形成体。

在操作方法的一个特别优选的实施例中，在故障状态下，负载布置的所有相位被连接在一起，用以向所有负载供电。

在一个实施例中，电源装置具有可以包括一个逆变器或者多个单相逆变器的多相网络形成体，所述多个单相逆变器彼此耦合以提供在相位之间具有相移的多相网络。参考在这种情况下的操作方法，在相位被连接之前，消除该相移，即，使相位同步。这意味着，一旦在电源网络中检测到故障状态，在其关联的相位将被连接的网络形成体的这些输出，使相位角同步。

在操作方法的另一个实施例中，在断开负载布置的至少两个相位的连接之后，在网络形成体的输出的相位角首先与电源网络中对应的相位角同步。此后，该负载布置被重新连接至电源网络，以便保证在独立网络供电与来自电源装置的供电之间的不间断的过渡。

与现有技术相比，根据本发明的本地电源装置和根据本发明的操作方法现在使得在多相网络操作和独立网络操作之间进行自动过渡成为可能，其在最简单的情况下以简单的方式仅从一个相位被馈电，而对于单相负载不要求装置的任何改变。

附图说明

下文参考示例性实施例并辅以附图，进一步具体说明本发明，其中：

图1示出本地电源装置的一般框图；

图1a示出用于图1所示的本地电源装置的网络形成体的一个实施例的框图；

图2示出本地电源装置的一个示例性实施例的框图；

图3示出图2所示的本地电源装置的示例性实施例的电路图；

图4示出图2所示的示例性实施例的另一变形的电路图；以及

图5示出方法的流程图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的本地电源装置1的一般框图。

本地电源装置1具有多相传输线4，例如在操作断开设备5（例如机械开关）时，多相传输线4可以被断开设备5再分为馈电部6和引出部7。通过这种方式再分的馈电部6和引出部7被电隔离，并彼此断开。该示例中，意在使传输线4具有三个相位。

传输线4的馈电部6被导电连接至电源网络2（例如公用电源网络）。传输线4的引出部7被连接至负载布置3。单独的负载一般以分布式的方式被连接至多相传输线4，以使得所有相位尽可能均匀地被加载。

网络监控设备8被连接至传输线4的馈电部6，并且被提供用于监控电源网络2的状态。该状态可以是通常操作状态或者故障状态。在故障状态下，电源网络2例如已故障或者不符合它的例如电压、频率的期望值。

网络形成体9在至少一个相位上被连接至传输线4的引出部7。

此外，传输线4的引出部7被连接至至少一个连接设备10。连接设备10被设计为将引出部7的至少一个相位连接至另一相位，以在引出部7中形成公共相位。

图1a示出网络形成体9的一个示例。该网络形成体9具有被连接至逆变器12的可再充电电池11。逆变器12在它的输入使用来自电池11的直流电压，以在它的交流电压输出产生交流电压。网络形成体9可以馈电至多相传输线4的一个相位，或者作为多相逆变器，可以馈电至多个相位，或者可以由具有公共的或者各自分离的电池的多个可能耦合的逆变器12构成，以便允许将电力被提供给传输线4的所有相位。网络形成体9还可以是发电机，它由各种动力机器（例如内燃机、流体涡轮机、风力驱动机等）驱动。

逆变器12是能够由直流供应进行操作的形成网络的单元，也就是说产生交流电压，因此形成供电网络并向负载布置供电。这一般是双向电池逆变器，其另外还能够从交流电压侧对电池充电。

在一个实施例中，根据本发明的本地电源装置1具有至少一个相分离的本地发电单元（此处未示出），该本地发电单元可以在交流电压侧，在任何点处被连接至图1所示的传输线4。

参考图1对本地电源装置的操作进行解释。

电源网络2被监控设备8监控。如果发现故障状态，则操作断开设备5，其结果是传输线4被再分为馈电部6和引出部7，也就是说，馈电部6和引出部7然后彼此电隔离。然后使网络形成体9激活以向引出部7供应能量，用以对负载布置3供电。另外，通过使连接设备10激活，引出部7的至少一个相位被连接至另一个相位以形成公共相位。这使得对被连接至不同的（现在已被连接）相位的所有负载供电成为可能。进一步地监控电源网络2，当已经返回正常状态并已被检测到该正常状态时，通过使连接设备10去激活（deactivate），引出部7的相位彼此断开连接。然后使断开设备5去激活，作为其结果，传输线4的馈电部6和引出部7再次彼此连接。用于网络形成体9的双向逆变器可以对电池再充电。现在可以再次从电源网络2向负载布置3供电。

图2示出根据本发明的本地电源装置1的另一个示例性实施例的框图。

在这种情况下，本地电源装置1设置有控制设备15，控制设备15功能性地连接至网络监控设备8、断开设备5、网络形成体9和连接设备10。这在每个情况下都由双向箭头指示，其目的在于示出控制设备15不仅控制各个功能单元，而且还可以从它们那里接收信息。通过示例的方式，控制设备15还可以被集成在网络形成体9、连接设备10或者网络监控设备8中。

图3示出图2所示的根据本发明的本地电源装置1的示例性实施例的电路图。

本地电源装置1被用于保证在电源网络2的故障之后，向具有至少一个负载V1、V2、V3的至少一个负载布置3供应电力。

本地电源装置1包括：具有逆变器12和电池11的至少一个网络形成体9、网络监控设备8、控制设备15、连接设备10和断开设备5。

在交流电压侧，逆变器12例如被连接至引出相位L1′和引出中性线N′。

网络监控设备8被连接至电源网络2的馈电相位L1、L2和L3以及馈电中性线N，并测量这些馈电相位L1、L2、L3之间的网络电压和相对于馈电中性线N的网络电压。此外，网络监控设备8确定馈电相位L1、L2和L3的瞬时相位角。相位角和网络电压连续地被传输至控制设备15或者在控制设备15的请求下被传输至控制设备15。

在这种情况下，断开设备5是具有4个常开触点的接触器，馈电相位L1、L2、L3和馈电中性线N、以及引出相位L1′、L2′、L3′和引出中性线N′被连接至这些常开触点。

通过示例的方式，至少一个负载布置3由单相负载V1、V2、V3构成，这些单相负载V1、V2、V3各自被连接在引出相位L1′、L2′、L3′与引出中性线N′之间。例如，如果这是建筑设施，当然该建筑设施中有多个单相负载，那么它们分布在引出相位L1′、L2′、L3′之间，使得负载尽可能均一分布，也就是说，引出相位L1′、L2′、L3′被均匀加载。

在这种情况下，连接设备10是以接触器的形式。在这种情况下，第一触点组被用于引出相位L1′和L2′的连接。第二触点组将引出相位L1′和L3′连接。在这种情况下通过接通用于形成触点组的接触器来使连接设备10激活。连接设备10和断开设备5中的接触器的控制输入被连接至控制设备15，并由其控制。

图4示出图2所示的示例性实施例的另一个变形的电路图。

在该变形中，网络形成体9是三相设计，其中3个单相逆变器12各自产生一个相位，其中在它们之间具有相移，并且单相逆变器12被连接至公共电池11。此外，3个本地发电单元16也被提供各自用于一个相位。此类本地发电单元16例如可以由逆变器构成，该逆变器在其输入处具有另外直流电压源（例如光生伏打装置）。这些逆变器被设计为向现有网络馈电，也就是说，仅在该网络存在并在选定的范围内时，馈电逆变器才被连接至网络，向其馈送电力。当然，还有可能仅提供一个此类本地发电单元16，用于仅向一个相位馈电。

在这种情况下，开关构件（即传送开关18、馈电使能开关19和参考使能开关20）被用作断开设备。这些开关装置各自被设计用于三个相位和中性线。如图3所示，连接设备10可以由专用的接触器来提供，或者使用公共开关构件，例如传送开关18上的触点组。

在从电源网络2的正常状态到故障状态的第一过渡状态下，一旦馈电使能开关19和参考使能开关20被打开，通过控制设备15将关联的逆变器12的相位同步至引出相位L1′，第二引出相位L2′和第三引出相位L3′被同步至第一引出相位L1′。在该第一过渡状态下，由于每个引出相位L1′、L2′、L3′均由网络形成体9供电，对于负载布置3而言没有电源故障。如果这在固定的时间周期内完成，则在这种情况下进行的引出相位L2′、L3′的同步不能被与其连接的负载V1、V2、V3察觉，所述固定的时间周期不必太短且在几百ms范围内。

当引出相位L1′、L2′、L3′的相位角相同时，以上述方式使连接设备10激活。在公共接触器（未示出）被用于传送开关18和连接设备10的实施例中，连接本地发电单元16，同时连接相位。

在具有三个单相逆变器作为网络形成体9的该变形中，以及在本地发电单元16中，这产生的特别的优点是，由于当连接引出相位L1′、L2′、L3′时，负载V1、V2、V3借助连接设备10被并联连接，因此，所有被连接的逆变器12的过载能力可共同用于负载V1、V2、V3的操作。

在这种情况下，逆变器12可以根据要求被单独连接和/或断开，例如用以减小损耗并在低负载期间节约能量。

在从电源网络2的故障状态到正常状态的第二过渡状态下，首先使连接设备10停止去激活，作为其结果，逆变器12不再并联连接，并且必须单独地被同步回到电源网络2的馈电相位L1、L2、L3。来自网络监控设备8的测量值用于该目的。在同步回去之后，再次关闭馈电使能开关19和参考使能开关20。

在图4所示的本发明的变形的情况下，通常情况下的三相本地发电单元16经由馈电使能开关19馈电至馈电部6。在发生故障时，在本地独立网络从电源网络2成功断开并且进行所述的引出相位7的同步和连接之后，经由传送开关提供18向本地独立网络的馈电。

图5示出根据本发明的用于本地电源装置1的操作的方法的流程图。

在步骤S1开始后，网络监控设备8针对正常状态下的网络电压和相位角，监控电源网络2。这一直持续到发生故障状态，例如网络故障（j）。

然后，在步骤S2中，在第一过渡状态下使断开设备5和网络形成体9中的逆变器12激活。在图4所示的变形的情况下，也就是说，当存在各自被连接至一个引出相位L1′、L2′、L3′的至少2个单相逆变器12时，所有的逆变器12被同步至一个相位。

在进一步的步骤S3中，使连接设备10激活，以连接引出相位L1′、L2′、L3′。

在步骤S4中，进一步地借助网络监控设备8来监控电源网络2。

一旦发现该网络已经返回至正常状态（j），就通过使连接设备10去激活，在步骤S5中，在第二过渡状态下取消相位连接。

在步骤S6中，接着进行一个或者多个逆变器12回到电源网络2的各个值的同步，最后，使断开设备5去激活，也就是说关闭断开设备5。然后跳转回步骤S1。

本发明不限于上述的示例性实施例，而是可以在所附权利要求书的范围内进行修改。

例如，连接设备10还可以具有给它增加的手动开关元件（未示出），以防止单独的相位或者所有相位耦合，或者由控制单元10进行控制处理，以使得连接设备10永久打开，由此防止相位连接。

另外可行的是当连接了本地发电单元16时，使用本地发电单元16的网络监控作为网络监控设备8。

网络监控设备8和控制设备15这两者可以被集成在本地发电单元16中和在网络形成体9中。

附图标记列表

1 本地电源装置

2 电源网络

3 负载布置

4 传输线

5 断开设备

6 馈电部

7 引出部

8 网络监控设备

9 网络形成体

10 连接设备

11 电池

12 逆变器

15 控制设备

16 本地发电单元

18 传送开关

19 馈电使能开关

20 参考使能开关

L1…3 馈电相位

L1′…3′ 引出相位

N 馈电中性线

N′ 引出中性线

S1…6 方法步骤

V1…3 负载

Claims (12)

1.一种本地电源装置(1)，具有：

-多相传输线(4)，用于从电源网络(2)向负载布置(3)传输电力，所述多相传输线(4)包括：

断开设备(5)，被配置为当操作所述断开设备(5)时，将所述传输线(4)分离为两个互相电隔离的部，即馈电部(6)和引出部(7)；

-网络监控设备(8)，被连接至所述传输线(4)的所述馈电部(6)，并且被配置为监控所述电源网络(2)的状态；以及

-网络形成体(9)，经由至少一个相位端子被连接至所述传输线(4)的所述引出部(7)，

其特征在于，

还具有至少一个连接设备(10)，被连接至所述传输线(4)的所述引出部(7)，并被配置为将所述传输线(4)的所述引出部(7)中的至少一个相位端子连接至所述传输线(4)的所述引出部(7)中的另一个相位端子以形成公共相位。

2.根据权利要求1所述的本地电源装置(1)，其中，所述网络形成体(9)包括电池(11)和逆变器(12)。

3.根据权利要求1所述的本地电源装置(1)，还包括用于将电力馈送到传输线(4)的本地发电单元(16)。

4.根据权利要求3所述的本地电源装置(1)，其中所述本地发电单元(16)是与光生伏打逆变器连接的光生伏打发电机。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的本地电源装置(1)，其中，所述传输线(4)包括三个相位端子，所述连接设备(10)被配置为连接所述引出部(7)中的三个相位端子以形成公共相位。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的本地电源装置(1)，还包括控制设备(15)，所述控制设备(15)被配置为控制所述断开设备(5)、所述连接设备(10)和所述网络形成体(9)，以在由所述网络监控设备(8)检测到所述电源网络(2)的故障状态的情况下，在所述传输线(4)的所述引出部(7)中形成独立网络。

7.一种用于本地电源装置(1)的操作方法，所述本地电源装置(1)被连接至多相电源网络(2)和具有负载(V1、V2、V3)的负载布置(3)，所述操作方法包括：

-监控所述电源网络(2)并且确定所述电源网络(2)的状态；

-在所述电源网络(2)的确定的故障状态的情况下，从所述电源网络(2)断开所述负载布置(3)；

-连接负载布置(3)的至少两个相位端子；以及

-通过网络形成体(9)经由连接的相位端子向至少一些负载(V1、V2)供电。

8.根据权利要求7所述的操作方法，在连接负载布置(3)的至少两个相位端子的步骤之后，还包括下面的步骤：

-监控所述电源网络(2)并确定所述电源网络(2)的状态；

-在所述电源网络(2)的故障状态不再存在的情况下，断开所述负载布置(3)的所述至少两个相位端子；以及

-将负载布置(3)连接至所述电源网络(2)，以便对负载(V1，V2，V3)供电。

9.根据权利要求7或者8所述的操作方法，其中，所述网络形成体(9)与所述电源网络(2)的状态相关地被接通或者关断。

10.根据权利要求7或者8所述的操作方法，其中，在故障状态的情况下将负载布置(3)的所有相位端子连接，以便向所有负载(V1、V2、V3)供电。

11.根据权利要求7或者8所述的操作方法，所述操作方法用于包括多相网络形成体(9)的电源装置(2)，其中，在确定故障状态之后并在连接所述负载布置(3)的所述至少两个相位端子之前，还进行下面的步骤：

-在所述负载布置(3)的相位端子被彼此连接之前，使得在网络形成体(9)的被连接至负载布置(3)的各相位端子的输出处的各相位角同步。

12.根据权利要求8所述的操作方法，其中，在断开所述负载布置(3)的所述至少两个相位端子之后，并且在将所述负载布置(3)连接至所述电源网络(2)之前，使得在所述网络形成体(9)的每个输出的相位角与所述电源网络(2)的对应相位端子的相位角同步。