CN105164884A - 将单相电源与多相电网耦合的系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及分步式能源生产。本发明尤其涉及一种将单相电源(25，26)与一家庭，公司，或者其他设施的内部多相电网(25A，25B，25C)相耦合的系统。内部电网还与一外部配电网(L1，L2，L3)相连接。该系统包括一接口单元(22)，接口单元包括所述单相电源的第一连接点(22A)和所述多相电网的第二连接点(28A，28B，28C)，接口单元允许从单相电源的单相电输入多相电网，以及装置(23A，23B，23C)，装置与接口单元功能性连接，为了监测所述多相电网的单独的相位的负载状态。接口(22)包括耦合装置(27)，耦合装置将单相电基于多相电网的单独的相位的负载状态有选择的与多相电网的相位中的一个相位耦合。本发明提高了本地生产电力使用的成本效益，并节省了传输的损失。

Description

将单相电源与多相电网耦合的系统与方法

技术领域

本发明涉及一种将分布式能源与电网耦合的系统，例如一连接区域电网的家庭电网。本发明还涉及一相应的方法。

背景技术

电源通常通过三相电源配电网来向家庭或者其它地区输送。在家庭中，一般使用通过家庭的内部电网，一些高功率设备，例如微波炉，电炉和热水器使用全部的三相，而小功率设备则只用三相电源中的一相或者两相。虽然家庭的内部电网以三相都使用的形式而设计，相位间的负载在实际情况中即使在特定时间下也很少被用到。如此会导致三相间的负载不平衡。

能源产品的分布式系统已变得很常见。该系统常包括可再生能源发电装置如风力发电厂和太阳能发电系统，它们常通过，例如一个变相器将其与家庭内部电网耦合。该系统减少了需要从配电网购买的电源。然而，当来自分布式能源的电力可用时，特别是在单相变相器的情况下，在家庭内电网中三相间的负载平衡/负载不平衡会受到显著的影响。

在一些国家中，如果可再生能源产生了超额的电源，可将电源进一步输入配电网。在一些国家，由于配电盘中电表的技术限制，或由于官方或配电器的限制就不可能将它输入配电网。即使此种输入是可能的，从经济角度上对于没有国家输电税和机制支持的团体来说也是无利可图的。为了避免或最小化向配电网必要的能源输入，优选的，常常尽可能的在家庭或者其它设施中使用可再生能源。向配电网输送电源也可能引起在配电网中的三相间的负载不平衡，从而可能对配电网造成损害，因而这也是电力输送者所不愿看到的。

美国专利2011/298292公开了一种将三相电流输入配电网的方法和一种将三相太阳能变相系统作为分布式能源的特定情况下的配电网中的负载不平衡问题的解决方案。该解决方案给予提供一种中央控制和监测单元，包括一负载不平衡检测功能和一负载不平衡控制功能，以允许单个太阳能变相器通过切断器从电网中完全断开，以作为来自监测单元的控制命令信号。该系统不适用于单相变相系统，以便单相变相系统可使能源中的电源以最佳的方式使用。

世界知识产权组织2011/089181公开了一种在多相配电网和多相变相单元之间的一并网点平衡部分电能的方法。该方法也未应用于单相反相系统。

美国专利2011/210608公开了一单极电源转换系统，该系统包括一太阳能电源和一变相器，用于向配电网传送电力。此外，有一负载平衡单元，与反相器耦合，和一控制器，用于为变相系统判定最大电力点，其调整变相器的输出电压，计算配电网中的电力需求和一变相器可达到最大功率点的输出功率间的功率平衡差，并控制一基于功率平衡差的实时负载平衡。该负载平衡单元可为一能量储存单元或一功率消耗单元。该系统的目标在于优化配电网中的电力需求和一单级变相器的输出功率间的功率平衡差。该系统不涉及或者不能解决太阳能电源所连接的电网单相负载不平衡的问题。

因此，具有对普通电网耦合分布式能源产品单元的改进的系统或方法的需求。

发明内容

本发明的目的在于通过分布式电力生产商，提供一种电力的更加合理的生产和使用的系统。

本发明的明确的目的在于提供一种改进的系统和方法，用于使一单相电源与多相交流电网的耦合。

本发明的目标还在于减少输入配电网的电源的需求。

该发明基于一个在分布式能源与其多相网络连接点间提供一接口单元的理念，该接口单元可以选择性的将能源与多相网和监控设备的任何相位线耦合，以允许基于多相网络的相位线的负载控制，控制接口单元，特别是控制耦合。

更加具体的，本发明的特点在于所声明的独立权利要求。

根据一实施例，本发明提供一系统，系统将一单相电源与一家庭，公司，或者别的设施的内部多相电网相耦合。其中内部电网还与一外部配电网相连接。该系统包括一接口单元，接口单元包括一所述单相电源的第一连接点和所述多相电源的第二连接点，接口单元可使单相电源中的单相电输入多相网络中，和功能性连接接口单元的装置，用于监测多相电网的单个相位的负载状态。该接口单元还被设为基于多相电网的单个相位的负载状态，将单相电源有选择的与多相电网的一个相位相耦合。

该单相电源可包括一可再生能源，例如风能转换器，太阳能光电模块，燃料电池或波能发电机。传统的，提供一能源转换器，例如一变相器，位于可再生能源与多相电网之间，以提供一单相电源，该电源能有效的传输至多相网络。

根据一实施例，本方法为将一单相电源传输电力至一多相电网，多相电网还与一配电网耦合，该方法包括使用单相电源产生电源，从单相电源传输电力至多相电网的一个相位，并监测多相电网的相位的负载状态。根据本发明，与单相电源所连接的多相电网的相位为，至少部分的基于多相电网的相位的负载状态所决定。相位的负载状态可使用多种方法测试或监测，例如通过电流传感器，电流传感器无需直接接触相位电流。它们可以分离装置或者它们可以被整合为一个功率测试单元。将负载监测设备整合入功率测试单元使远程控制单相电源传输变得可能。术语‘配电(电)网’指的是一种传统的城市电网，或者有例如用户为单个家庭，设施或者公司的乡村或城市电网。术语‘内部(电)网’指的是用户的电力系统。在配电网何内部电网之中，一般有一配电板和/或电子测量部件。用户相当于分配式能源的生产者。

术语‘一相位的负载状态’用于描述连接指该相位的设备的吸收电能的能力，或者，如果有大量多余的本地制造的能源，将能量输入至外部配电网的能力。因此，监测装置有能力探测在配电网与内部电网之间的电流的大小与方向。

术语‘相位’单独使用，如‘使单相电源与内部电网的一相位耦合’可以常解读为‘相位线’，如，意为与一多相系统的特定交流相位相连的电线。

术语‘多相’意味着，譬如，有三个互呈120度相位相差的交流电的普通电网。

本发明有显著的优势。最显著的是，通过本发明，内部电网的相位的使用可被平衡或优化至比原来更高的角度，如此更多的本地产生的能量将在内部网络中使用，并且更少的电能被输入配电网。本发明还可允许智能电力生产和消耗环境的产生。本发明可使用标准电气部件，由此其甚至适合于小型的设施，例如独立的家庭和有一或两个可再生能源的小型公司。为了让再生能源设备变的更普遍，这很重要。

优选的实施例为从属权利的主体。

根据一实施例，接口单元用于判定多相电网的另一相位是否能比单相电源当前耦合的相位能够吸收更多的电流。如果是的话，接口单元适用于将单相电流与所判定的另一相位耦合。优选的，此转换仅在电流从内部电网流至外部配电网是发生。为了这个目的，接口单元包括基于监控装置得到的数据来判定是否电流从单相电源当前耦合的相位流至配电网，以及合适的逻辑，用于仅当电流流至配电网才执行与另一相位的耦合。通过这些实施例，本地产生的能量也能有效的在本地使用。

在一些实施例中，可优选的减少耦合转换的次数，例如为避免磨损，如果一带有接触器的转换设备被接口单元所使用，以产生一个对三个中一个的耦合。为了这个目的，可使用进一步的逻辑应用于此系统。

根据一实施例，系统包括一数据采集及分析单元，它可为接口单元或一独立单元的实体的一部分，数据采集及分析单元可基于从用于监控的装置和电源的信号中，采集电量消耗及产生的数据。数据接着被统计分析，例如，计算一段时间内的平均消耗量。用于耦合能源的相位接着基于电量消耗及产生数据通过为接口单元提供合适的控制数据或控制信号被选择，以根据一已编程的耦合时间表产生一个或多个适当耦合。根据一实施例，统计分析仅仅根据电量消耗或产生的数据所得出，如果产电比例或耗电量的比例在每一个相位分别可以预测，这是十分有利的。使用这些实施例，电力生产系统的控制可在统计上以最优的方法被执行。此外可使用一学习系统，学习系统利用可预测的控制来适应不同的预期电量消耗和/或产生的状态。

根据一实施例，多相电网的一传输相位被选择为一段时间内最大瞬时功率消耗的相位或统计功耗的相位。时间段可更具情况来选择，并且可以从几秒变至一年。

根据一实施例，系统包括一负载激活开关，用以根据多相电网的负载情况，将能源存储单元或能耗单元与一个或多个多相电网的相位耦合。如果发觉不是所有的电源提供的电能被本地消耗，该实施例可被用为向电池单元充电或为存热单元加热，例如以热水存储器。换句话说，如果电能从所述多相电网流至所述配电网以减少或停止所述电流，负载激活开关用以激活能量存储单元或能耗单元。额外的，或而非最小化配电网的输入或电流，负载激活开关也可用于在接口单元内最小化转换设备的接触器的磨损。这些与其它的实施例和本发明的优点将在一下具体实施例与相应的配图中得以更详细的描述。

附图说明

图1显示了一本发明可使用的电力产生及消耗系统的示意图。

图2显示了一根据本发明实施例的更加详细的框图。

图3－5显示了描绘了根据本发明的多个实施例的控制逻辑的流程图。

具体实施方式

如上已描述的内容可看出，本系统的意图为，尽可能的最小化来自能量生产和消耗实体的内部网络至一个配电网的电流。该意图通过使用一接口单元达成，该接口单元通过从电源至一相位线输入电源，以平衡相位负载，其中相位线具有最大吸收电源能力。典型事例会在下面所描述。

图1显示了一能源生产和消耗系统12的概貌，该系统包括一三相配电机14和一单相电气设备18，电气设备通过一内部交流电源配送网络17与其连接，该内部交流电源配送网络17一般同时包括三相交流电源线和单相交流电源线。该系统还包括：一单相能源16，例如太阳能模块，通过一单相交流变相器15和一电源线11与该配电机14耦合。该配电机14还与一外部三相交流配电网10连接。

图2显示了一配电机14，以及在配电网20的电源线L1，L2，L3，连接或可连接至多个负载(未在图中显示)的内部电网的内部电源线25A，25B，25C，和电源25,26之间的连接的细节图。

内部电网通过一功率测量单元21与配电网20相连，功率测量单元可记录从配电网20到内部电网至内部电网和/或从内部电网至配电网20的输入功率的总和，或是分别对于单相，或是相位的总和。

电源25,26包括一电力生产单元26，如太阳能模块或一风能转换机，和一单相交流变相器25，单相交流变相器将电力生产单元的输出转换至理想的电压大小或频率，例如230V和50Hz。

本发明的核心部分显示于虚线框中。变相器25的输出通过一第一连接点22A与一接口单元22连接，接口单元包括一开关仪器，开关仪器有一个或多个开关27，开关可使变相器25的输出有选择的通过电源输入连接点28A，28B，28C连接内部电网的三个相位中的任何一个相位。开关仪器可以使用半导体或静态开关。

连接至内部电网的每一根电源线25A，25B，25C，优选的位于与功率测量单元21相近的测量点，即装置23A，23B，23C，它们用来检测电源线25A，25B，25C的瞬时负载，对应于检测在装置23A、23B、23C所在位置的总的电源流量。监测装置23A，23B，23C的输出通过负载测量线24A,24B,24C连接至接口单元22。监测装置23A，23B，23C应该设于内部电源线25A，25B，25C内，其中内部电源线位于接口单元22的第二连接点28A，28B，28C与测量单元21之间，如图2所示。优选的，在监测装置23A，23B，23C和功率测量单元21之间没有连接负载。

该接口单元22还可包括控制装置，控制装置基于内部电源线25A，25B，25C有负载的情况下监测装置23A，23B,23C所提供的数据，通过编程的方式控制一个或多个接触器27。如果来自电源26至电源线25A,25B,25C中的一根的电源可用，则说明了通过电源线的监测装置23A，23B，23C的电量(电流)减少。如果功率超过连接至那根特定电源线的设备所需的额度且功率测试单元21可以向配电网20输送电力，则负载为负，例如，电力向配电网中流入。

该监测装置23A，23B，23C可包括任何已知类型的测量装置，可通过装置连接的单独的内部电源线25A，25B，25C，测量功率或电流。特别有利的是，电流传感器无需与相电流直接连接。它可为电流互感器或，例如钳形或圆形的，霍尔传感器。监测装置23A，23B，23C，可为分离装置，或者它们可被整合至功率测量单元21中。

根据一实施例，接口单元22为一分离模块，附于一电子配电板14，且包括上述和如图2的连接所需的输入与输出。

根据一可选的实施例，接口单元22被整合至一分布式能源生产系统的电子单元中。例如，其可为变相器25的一实体部分。

根据一更优选的实施例，特别是在电流传感器23A，23B，23C整合入功率测量单元21中的情况下，接口单元22由功率测试单元21所操控，调整电能至所需要的相位。如果功率测试单元21为远程控制型，对于接口单元22的实际控制可归于网络操作者或别的可连接至功率测试单元21的远程控制功能的部件。根据另一个实施例，相位负载状态的测量是用于触发一与由电源供电的相位耦合的额外负载，以防电源无法内部消耗。为了这个目的，接口单元与一负载激活开关29装在一起，其与负载监测装置和接口单元的控制逻辑功能性耦合。额外负载L可包括一可充电的电能储存器，如一电池单元，或一热能储存器，如一水单元，其可被过剩的能源提供的能量所加热。优选的，负载激活开关29可激活一在内部网络的任一相位的负载L。根据此实施例，输入相位的改变或一向配电网的反馈电源，可在一些情况下被负载激活所替代。

在能源26为一电池存储系统的情况下，负载激活开关29和额外的负载L可以用一双向交流/直流转换器25所替代，此处负载激活意味着能量不能被任一相位所消耗，被简单地导回用作电池储存系统26的充电电流，或能量从电池中获得，而不是外部配电网，以传输至负载。

接着，用于判定哪一个内部网络的相位线应该连接至电源的逻辑，图3显示了根据一实施例的基本方法的流程图。在开始阶段，电源在一开始时与内部网络中的相位中的一相位相耦合，该方法开始于步骤30，以测量所有相位线的负载。在步骤32中，测量的负载用于判定是否需要改变与电源相耦合的相位线。如果是的话，在步骤34中，输入相位被接口单元改变成另一相位。如果判定不需要更改相位，在步骤36中，输入相位保持不变，以作为步骤34的另一选择。

根据一实施例，图4更详细的展示了判定以及相位改变的步骤。在步骤40中，判定是否电流从电源当前耦合的相位流入配电网。在步骤42中，判定是否任何其它的相位可以比初相吸收更多的能量，包括可以被单个负载激活开关所激活的与任何一相位耦合的负载。如果这种相位被发现，在步骤44中，该接口单元与电源在该相位耦合。

根据一实施例，该系统包括装置，用于基于使用负载监测装置负载监测，采集内部网络的相位的统计功率消耗数据。该装置可包括一存储单元，用于存储多个负载值或功率消耗值，以及一计算单元，用于计算统计功率消耗值，例如一暂时的总值或一平均值，从这些值中独立的计算每个相位。此外，能源的产生功率值可以通过别的采集装置(未标出)所采集，且这些值可以被存储并用于计算统计功率消耗值。

参考图5，在步骤50中，统计值通过上述的采集装置收集。接着，在步骤52中，判定哪一个相位在某一时期内有最大的消耗量。在步骤54中，电源的输入相位被更改为具有最大消耗量的相位。自然的，统计数据的采集会一直持续，只要接下来的消耗量的可靠的大约值是需要的。在另一方面，时间段，即使时长一样，在冬天和夏天也可能有不同的消耗量数据。例如，基于长期数据的采集的统计值可能自动转换至不同的数据，或其可能逐步的改变，随着相位上的实际负载开始偏离所应用的统计值。

如图3-5所描述的方法和上述的方法可以应用于一控制逻辑单元，优选的，整合至接口单元，但是也可设置于一独立的部件或者整合至系统的另一功能单元。逻辑单元可包括一数据采集和分析单元，用于执行上述的统计运算和判定。这可能包括来自变相器25的一持续的功率输出的监测，以便提升系统的预测与控制。显然，采集数据不单单与能耗有关，其在多相网络中的变化也很重要，此外它也具有与变相器25的输出供应端一致的信息。

应当理解到的是，本发明公开的实施例不限于所公开的一特别的结构，步骤，或材料，对一个现有的技术人员，应当了解本发明并不仅限于上述的例子和实施例，而可能处于附加的权利要求的范围内。

任何涉及本说明书的“一个实施例”，“举例实施例”等都意味着同实施例相关的一个特别的特征，结构或属性，此实施例至少包含在本发明的一个实施例中。因此，本说明述中在不同位置出现的“一个实施例”，或“具体实施例”对于所有相同的实施例不是必须的。。

文中所使用的多个物品、结构元件、组成员件以及/或材料，可以一般列表方式呈现以利方便性。然而，该等列表应被解释为：该列表的各成员系被独立的视为分离且独特的成员。因此，基于此列表的成员出现在同一群组中而没有其他反面的指示，此列表中的各成员均不应被解释为与同列表中的任何其他成员相同的。此外，本发明的不同的实施例和例子随着不同部分的改变可与此对应。可以理解到该实施例，譬如，和选择并非被理解成为互相的实际等同，而应被考虑为本发明的分别和自发的表达。

此外，所描述的功能，结构，或特征可包括于一个或多个实施例中的任意合适的形式。在以下描述中，多个具体的细节将被描述，例如长度，宽度，形状等的例子，为了使本发明的实施例得以更好的理解。对一个现有的技术人员将理解，然而，本发明在没有一个或多个细节，或别的方法，部件，材料等时，依然可实现。在别的例子中，公知的结构，材料，或者操作不被标示或描述于细节，以防止掩盖本发明的特性。

先前的例子为本发明中一个或多个特定应用的原则性说明，并对于本领域的技术人员，不同的修改和改变都应包含在本申请的精神和范围之内。因此，以下的权利要求都不受本发明的限制。

Claims (17)

1.一种系统，用于使一个单相电源与一个多相电网耦合，多相电力网还与一个外部配电网连接，系统包括：

一接口单元，包括一用于所述单相电源的第一连接点，和一用于所述多相电网的第二连接点，所述接口单元允许来自所述单相电源的单相电流入所述多相电网；

一装置，用于监控所述多相电网的单独的相位的负载状态，用于监控的所述装置与所述接口单元功能性的连接，

其特征在于，所述接口单元用于将单相电基于所述多相电网的单独的相位的负载状态有选择的与所述多相电网的相位中的一个相位耦合。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，用于监控的所述装置包括感应变压器，例如用于所述多相电网的相位线周围的环状变压器。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，用于监控的所述装置与所述多相电网的相位线和一连接点耦合，其中所述多相电网的相位线位于所述接口单元的第二连接点之间，连接点位于所述多相电网和所述配电网之间。

4.如之前任意一条权利要求所述的系统，其特征在于，用于监控所述多相电网的单独的相位的负载状态的所述装置，被整合入一功率测量单元，所述功率测量单元与所述外部配电网连接，所述功率测量部件可远程读取和控制，以产生用于所述接口单元的控制信号，以使单相电有选择的与所述多相电网的相位中的一个相位耦合。

5.如之前任意一条权利要求所述的系统，其特征在于，所述接口单元用于：

判定所述多相电网的另一相位是否能比所述单相电源当前耦合的相位吸收更多的电流；

如果是的话，所述单相电流与所述多相电网的所述另一相位耦合。

6.如权利要求5的所述系统，其特征在于，所述接口单元用于：

判定电流是否从所述单相电源当前耦合的相位流向所述配电网，以及

仅当电流流向所述配电网时，执行与所述另一相位的耦合。

7.如之前的任意一条权利要求所述的系统，其特征在于，包括一数据采集及分析单元，所述数据采集及分析单元能够：

根据用于监控的所述装置的测量值，采集统计功率消耗数据；

可选择的，从所述单相电源采集统计功率生产数据；

基于功率消耗数据，以及可选择的功率产生数据，选择所述多相电网的相位中的所述一个相位；

基于使单相电与所述多相电网的所述选择的相位耦合的所述判定，为所述接口单元提供控制数据。

8.如之前的任意一条权利要求所述的系统，其特征在于，选择所述多相电网的相位中的所述一个相位，所述一个相位为在一段时间内具有最大瞬时功率消耗或统计功率消耗的相位。

9.如之前的任意一条权利要求所述的系统，其特征在于，所述接口单元为附于一电子配电板的一分离的部件。

10.如权利要求1-9中的任意一条所述的系统，其特征在于，所述接口单元被整合入一分布式能源生产系统的一电子单元中。

11.如之前的任意一条权利要求所述的系统，其特征在于，包括一负载激活开关，用以将能量存储单元或能耗单元，根据所述多相电网的负载情况，与所述多相电网的相位中的一个或多个耦合。

12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述负载激活开关用以启动所述能量存储单元或能耗单元，如果电能从所述多相电网流至所述配电网。

13.如之前的任意一条权利要求所述的系统，其特征在于，所述单相电源包括：一可再生能源单元，例如风能转换器或光伏部件，以及一将由所述可再生能源单元产生的能量传输至内部多相电网的变相器。

14.一种方法，将电力从一单相电源输入至一多相电网，多相电网还与一配电网相耦合，方法包括：

由所述单相电源产生电力，

将电力从所述单相电源传输至所述多相电网的相位中的一个相位；

监测所述多相电网的相位的负载状态。

其特征在于，基于所述多相电网的相位的负载情况，选择所述多相电网的所述相位，其中电力被输送至所述多相电网的所述相位。。

15.如权利要求13所述的方法，其特征在于：

基于所述监测判定电流是否从所述单相电源耦合的所述多相电网的相位流至所述配电网；

判定所述多相电网的另一相位是否可吸收更多电力；

如果所述多相电网的另一相位是否可吸收更多电力，耦合所述单向电源至所述多相电网的那个相位。

16.如权利要求13或14所述的方法，其特征在于：

根据所述监测，采集所述多相电网的相位的统计功率消耗数据；

可选的，从所述单相电源采集统计功率消耗数据；

基于功率消耗数据，以及可选择的功率产生数据，选择所述多相电网的所述相位。

17.如权利要求14-16中的任意一条所述的系统，其特征在于，使用所述多相电网的相位的采集的统计功率消耗数据，基于在一段时间内的最大功率消耗，选择所述相位。