CN105391164B - 微电网型不间断电源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微电网型不间断电源系统，包括：光储逆变系统、燃料发电系统、开关电路、监测电路、比较电路以及控制电路。上述微电网型不间断电源系统，在市电正常时，开关电路进入第一开关状态，由市电和光储逆变系统对负载进行供电；在市电异常时且光储逆变系统的供能满足负载的用电需求时，开关电路进入第三开关状态，从而仅由光储逆变系统对负载进行供电。当市电异常且光储逆变系统的供能不能满足负载的用电需求时，开关电路进入第二开关状态，由燃料发电系统向负载进行供电，从而能够满足大功率负载的持续供电需求。

Description

微电网型不间断电源系统
技术领域
本发明涉及电源技术领域，特别是涉及一种微电网型不间断电源系统。
背景技术
微电网是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统。微电网既可以与外部大电网并网运行，也可以在大电网断电时脱离大电网独立运行，确保对大功率或者超大功率重要负载的持续不间断供电。
随着工业园区、大规模工业自动生产线、高密度数据中心等高供电保障单位对大功率不间断供电需求的日益增加，传统的在线式不间断电源系统(UPS)容量小，供能能力有限，已经不能满足大功率或者超大功率负载不间断供电的需求。
发明内容
基于此，有必要提供一种能够满足大功率负载的持续供电需求的微电网型不间断电源系统。
一种微电网型不间断电源系统，包括：光储逆变系统、燃料发电系统、开关电路、监测电路、比较电路以及控制电路；所述光储逆变系统分别与所述监测电路、所述控制电路以及负载连接；所述开关电路分别与所述控制电路、燃料发电系统、市电以及负载连接；所述比较电路分别与所述监测电路、控制电路连接；所述开关电路包括第一开关状态、第二开关状态和第三开关状态；所述开关电路在第一开关状态时控制市电与负载连接并断开燃料发电系统与负载的连接；所述开关电路在第二开关状态时控制所述燃料发电系统与负载连接并断开市电与负载的连接；所述开关电路处于第三开关状态时断开所述燃料发电系统以及所述市电和所述负载之间的连接；所述监测电路用于对市电的运行状态进行监测并在市电正常时输出第一监测信号，在市电异常时输出第二监测信号；所述监测装置还用于对所述光储逆变系统的供能进行监测并输出监测结果；所述比较电路用于将所述监测结果与负载的供电需求量进行比较并在监测结果大于负载的供电需求量时输出第一比较信号，反之输出第二比较信号；所述控制电路用于根据第一监测信号控制所述开关电路进入第一开关状态；所述控制电路还用于在接收到第二监测信号且接收到第一比较信号时控制所述开关电路进入第三开关状态；所述控制电路还用于在接收到第二监测信号且接收到第二比较信号时控制所述开关电路进入第二开关状态。
在其中一个实施例中，所述燃料发电系统包括柴油发电机。
在其中一个实施例中，所述开关电路包括切换开关和可控开关；所述切换开关分别与市电、燃料发电系统以及所述可控开关连接；所述可控开关还与负载、所述光储逆变系统连接。
在其中一个实施例中，所述光储逆变系统包括光伏电池组件、逆变器、升压变压器、蓄电池以及充电电路；所述光伏电池组件分别与所述充电电路的输入端、所述逆变器的直流侧输入端连接；所述蓄电池分别与所述充电电路的输出端、所述逆变器的直流侧输入端连接；所述充电电路的输入端还与开关电路的输出端以及升压变压器的输出端连接；所述逆变器的输出端与所述升压变压器的输入端连接。
在其中一个实施例中，所述光储逆变系统还用于在所述开关电路处于第一开关状态时，由所述光伏电池组件或者市电经由充电电路对蓄电池进行充电。
在其中一个实施例中，所述光储逆变系统还用于在所述开关电路进入第一开关状态时，由所述逆变器根据负载电流中的无功和谐波分量经升压变压器输出无功和谐波补偿电流以进行无功和谐波补偿。
在其中一个实施例中，所述光储逆变系统还包括防反电路；所述防反电路的输入端与所述蓄电池的输出端连接；所述防反电路的输出端与所述逆变器的直流侧输入端连接。
在其中一个实施例中，还包括旁路开关；所述旁路开关分别与市电、负载连接；所述旁路开关用于在所述微电网型不间断电源系统需要进行维修时导通从而由市电直接向负载供电。
在其中一个实施例中，所述控制电路还用于获取负载的重要级别，并根据各负载的重要级别对供能进行分配。
在其中一个实施例中，所述控制电路还用于对所述光储逆变系统的供能能力进行预测，并对负载用电的时长进行预测，从而根据预测结果对微电网型不间断电源系统的供能进行分配。
上述微电网型不间断电源系统，其包括光储逆变系统以及燃料发电系统。因此，当市电正常时，开关电路进入第一开关状态，由市电和光储逆变系统对负载进行供电。当市电异常时且光储逆变系统的供能满足负载的用电需求时，开关电路进入第三开关状态，从而仅由光储逆变系统对负载进行供电。当市电异常且光储逆变系统的供能不能满足负载的用电需求时，开关电路进入第二开关状态，由燃料发电系统向负载进行供电，从而能够满足大功率负载的持续供电需求。
附图说明
图1为一实施例中的微电网型不间断电源系统的结构框图；
图2为图1中的逆变器进行无功和谐波补偿的电路原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为一实施例中的微电网型不间断电源系统的结构框图，该微电网型不间断电源系统(即UPS)包括光储逆变系统110、燃料发电系统120、开关电路130、监测电路(图中未示)、比较电路(图中未示)以及控制电路(图中未示)。
光储逆变系统110分别与监测电路、控制电路以及负载连接。具体地，光储逆变系统110通过公共连接点PCC与负载输入端连接。光储逆变系统110用于将光能转换为电能进行发电，并在光伏发电不足时由储能蓄电池补充发电，输出给负载以确保负载持续供电。在本实施例中，光储逆变系统110包括光伏电池组件112、蓄电池114、逆变器116、充电电路118以及升压变压器T1。其中，光伏发电组件112的输出端与充电电路118的一个输入端连接，且光伏发电组件112的输出端还与逆变器116的一个直流侧输入端连接。逆变器116的另一个直流侧输入端还与蓄电池114的输出端连接。充电电路118的输出端与蓄电池114的输入端连接。逆变器116的输出端与升压变压器T1连接后与PCC点连接。充电电路118的另一个输入端还与PCC点连接。具体地，光伏电池组件112可以将转换得到的电能通过逆变器116以及升压变压器T1的处理后输出电能给负载，对负载进行供电，光伏电池组件112还可以将光能转换为电能并通过充电电路118进行电压变换后对蓄电池114进行充电。蓄电池114同样可以输出电能并通过逆变器116和升压变压器T1的处理后输出电能给负载，对负载进行供电。光储逆变系统110中逆变器116的直流侧的供电优先由光伏电池组件112提供。当光伏电池组件112输出直流电不足以给逆变器116供电时，才由蓄电池114向逆变器116提供直流电源。并且，蓄电池114也可以由市电经由充电电路118进行电压转换后进行充电，以补充蓄电池114的电能损耗。在本实施例中，蓄电池114通过多个单体蓄电池串联形成。光储逆变系统110还包括防反电路。具体地，防反电路包括防反二极管D1。防反二极管D1的输入端(即正极)与蓄电池114的输出端连接，防反二极管D1的输出端(即负极)与逆变器116的输入端连接。防反二极管D1使得蓄电池114给逆变器116提供直流电源时只能单方向输出，避免逆变器116的直流侧反方向倒灌给蓄电池114。
燃料发电系统120用于将燃料燃烧产生的热能转换为电能后向外供电。燃料发电系统120中的燃料可以为燃煤、燃气或者燃油等能源。在本实施例中，燃料发电系统120为柴油发电机。在其他的实施例中，燃料发电系统120也可以由采用其他燃料的发电机组成。燃料发电系统120只要提供燃料即可进行发电，因此可以不受电网以及环境的影响进行独立发电，从而可以在市电和光储逆变系统110不能正常供电时由燃料发电系统120作为补充，向负载进行供电，确保负载持续不间断工作。
开关电路130分别与市电、燃料发电系统120、光储逆变系统110、控制电路连接。开关电路130包括第一开关状态、第二开关状态和第三开关状态。开关电路130处于第一开关状态时，控制市电与负载连接并断开燃料发电系统120与负载的连接，从而使得UPS进入市电工作模式。开关电路130处于第二开关状态时，控制燃料发电系统120与负载连接并断开市电与负载的连接，从而使得UPS进入燃料发电系统工作模式。开关电路130处于第三开关状态时，控制断开燃料发电系统120以及市电和负载之间的连接，从而使得UPS进入光储逆变系统离网工作模式。在本实施例中，开关电路130包括切换开关132和可控开关134。切换开关132分别与市电、燃料发电系统120以及可控开关134连接。可控开关134则还与负载、光储逆变系统110连接。当开关电路130处于第一开关状态时，切换开关132接至市电，可控开关134闭合。当开关电路130处于第二开关状态时，切换开关132接至燃料发电系统120，可控开关134闭合。当开关电路130处于第三开关状态时，可控开关134断开。
监测电路分别与市电、光储逆变系统110连接。监测电路用于对市电是否正常进行监测，并在监测到市电正常时输出第一监测信号，在市电异常时输出第二监测信号。具体地，监测电路通过对市电的三相电压进行监测来判断市电是否正常。在本实施例中，市电正常是指市电的电压处于稳定状态，不会发生急剧变化(短时间内电压有较大的提升或者下降)且能够正常输出给负载进行供电；市电异常则是指市电的电压处于不稳定状态或者中断(即不能正常输出给负载供电)状态。监测电路还用于对光储逆变系统110的供能能力进行监测并输出监测结果。具体地，光储逆变系统110的供能能力包括光伏发电组件112的发电能力和蓄电池114的发电及储能电量。监测电路将监测到的供能情况输出给比较电路。
比较电路分别与监测电路、控制电路连接。比较电路用于将监测结果与负载的供电需求量进行比较，并在监测结果即光储逆变系统110的供能大于负载的供电需求量时输出第一比较信号，反之则输出第二比较信号。比较电路可以通过比较器实现。在本实施例中，比较电路与控制电路为独立设置，在其他的实施例中，也可以将比较电路和控制电路集成在一个电路模块中来实现。
控制电路分别与开关电路130、监测电路以及比较电路连接。控制电路用于对UPS的工作模式进行控制。具体地，控制电路在接收到第一监测信号时控制开关电路130进入第一开关状态，从而控制UPS进入市电工作模式。此时由市电向负载供电。在市电向负载进行供电的同时，逆变器116通过升压变压器T1的升压作用与电网并联运行，由光伏发电组件112或蓄电池114提供直流电源给负载供电。本实施例中，光储逆变系统110还可以根据负载需求(即负载电流iload)对PCC点进行无功和谐波补偿，从而抵消PCC点负载电流iload中的无功和谐波部分(负载电流iload一般可分解为基波电流iUPSf和谐波加无功电流iUPSh，即：iload＝iUPSf+iUPSh)，最终使得市电电流igrid只含有有功分量，因此消除了无功和谐波电流对电网的危害，可以使得公共连接点PCC的电能质量得到较好的改善，进而提高了电网的能效指数。并且通过无功和谐波补偿，PCC点的负载电流iload波形变为纯正弦波，也在一定程度上改善了负载的供电质量。在本实施例中，逆变器116中设置有无功和谐波电流提取电路，用于提取出负载电流iload中的无功和谐波电流值。图2为逆变器116中的无功和谐波电流提取电路的原理框图。参见图2，无功和谐波电流提取电路包括直流量转换电路210、低通滤波器220、基波量转换电路230以及相减器240。其中，直流量转换电路210、低通滤波器220、基波量转换电路230以及相减器240顺次连接。直流量转换电路210的输入端用于与负载输入端连接。直流量转换电路210的输入端还与相减器240的输入端连接。具体地，负载电流iload先经过直流量转换电路210将负载电流转换为含有低频纹波的直流量Iloadh，再通过低通滤波器220滤波成纯净的直流量Iload。然后基波量转换电路230的作用将直流量Iload转换成负载电流基波分量iUPSf，最后负载电流中的基波分量iUPSf通过相减器240的作用减去负载电流iload得到需要补偿的无功和谐波补偿电流值，即：
iUPSf－iload＝iUPSf－(iUPSf+iUPSh)＝－iUPSh。
光储逆变系统110只需要将-iUPSh注入到PCC点，则负载电流iload中的无功和谐波电流部分iUPSh相抵消，最终使得市电电流igrid只含有有功分量即可，进而可以实现PCC点负载电流iload和PCC点的电压正弦化、单位功率因数的效果。
控制电路在接收到第二监测信号且接收到第一比较信号时，即市电异常且光储逆变系统110的供能能够满足负载的供电需求时，控制开关电路130进入第三开关状态。此时，开关电路130中的可控开关134断开，从而将市电和燃料发电系统120与负载之间的连接断开，仅由光储逆变系统110进行供电，UPS进入光储逆变系统离网工作模式。光伏发电组件112或者蓄电池114给负载进行供电。在一实施例中，当UPS处于光储逆变系统离网工作模式时，控制电路可以控制UPS仅对重要负载进行供电，以确保重要负载持续不间断工作。
控制电路还用于在接收到第二监测信号且接收第二比较信号时，控制开关电路130进入第二开关状态。此时，光储逆变系统110和市电不向负载供电，仅由燃料发电系统120进行供电，UPS进入燃料发电系统工作模式。UPS进入燃料发电系统工作模式时，为确保重要负载持续正常经济运行，在该工作模式时控制电路可以控制UPS仅对重要负载进行供电。
当市电电压恢复正常时，即监测电路输出第一监测信号时，控制电路重新控制开关电路130进入第一开关状态，UPS进入市电工作模式。
在一实施例中，控制电路还用于获取负载的重要级别，并根据负载的重要级别对供能进行分配。例如，可以将负载分为重要负载以及可控负载，从而在供能不足时仅对重要负载进行供电，从而保证重要负载的持续供电。在一实施例中，控制电路还用于对光储逆变系统110的供电能力进行预测，并对负载用电的时长进行预测，从而根据预测结果对UPS的供能按最优原则进行分配，协同以上各出力单元和电网之间的功率流动，实现对重要负载供能的高级能量管理，确保重要负载安全经济运行。
在本实施例中，UPS还包括旁路开关140。旁路开关140分别与市电、负载连接，用于在UPS需要进行维修时导通从而由市电直接向负载供电。在本实施例中，旁路开关140的输入端与切换开关132的输出端连接，旁路开关140的输出端与负载的输入端连接。
上述UPS，当市电正常时，控制电路控制开关电路130进入第一开关状态，由市电和光储逆变系统110对负载进行供电，UPS进入市电工作模式。UPS进入市电工作模式时，会根据负载电流中的无功和谐波分量进行无功和谐波补偿，从而消除了无功和谐波部分对电网的危害，提高了能效指数。当市电异常时且光储逆变系统110的供能满足负载的用电需求时，开关电路130进入第三开关状态，从而仅由光储逆变系统110对负载进行供电，UPS进入光储逆变系统离网工作模式。当市电异常且光储逆变系统110的供能不能满足负载的用电需求时，开关电路130进入第二开关状态，由燃料发电系统120向负载进行供电，UPS进入燃料发电系统工作模式，从而能够实现不间断供电，满足负载持续工作的供电需求。上述微电网型UPS的供能能力较强，从而能够满足大功率或者超大功率负载的持续供电需求。上述微电网型UPS适合用于工业园区、大规模工业自动生产线、高密度数据中心等高供电保障单位，以满足其对大功率或者超大功率负载的供电需求。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种微电网型不间断电源系统，其特征在于，包括：光储逆变系统、燃料发电系统、开关电路、监测电路、比较电路以及控制电路；所述光储逆变系统分别与所述监测电路、所述控制电路以及负载连接；所述开关电路分别与所述控制电路、燃料发电系统、市电以及负载连接；所述比较电路分别与所述监测电路、控制电路连接；
所述开关电路包括第一开关状态、第二开关状态和第三开关状态；所述开关电路在第一开关状态时控制市电与负载连接并断开燃料发电系统与负载的连接；所述开关电路在第二开关状态时控制所述燃料发电系统与负载连接并断开市电与负载的连接；所述开关电路处于第三开关状态时断开所述燃料发电系统以及所述市电和所述负载之间的连接；
所述监测电路用于对市电的运行状态进行监测并在市电正常时输出第一监测信号，在市电异常时输出第二监测信号；所述监测装置还用于对所述光储逆变系统的供能进行监测并输出监测结果；
所述比较电路用于将所述监测结果与负载的供电需求量进行比较并在监测结果大于负载的供电需求量时输出第一比较信号，反之输出第二比较信号；
所述控制电路用于根据第一监测信号控制所述开关电路进入第一开关状态；所述控制电路还用于在接收到第二监测信号且接收到第一比较信号时控制所述开关电路进入第三开关状态；所述控制电路还用于在接收到第二监测信号且接收到第二比较信号时控制所述开关电路进入第二开关状态；
所述光储逆变系统还用于在所述开关电路进入第一开关状态时，由所述逆变器根据负载电流中的无功和谐波分量经升压变压器输出无功和谐波补偿电流以进行无功和谐波补偿；所述逆变器中设置有无功和谐波电流提取电路，用于提取出负载电流中的无功和谐波电流值；
所述无功和谐波电流提取电路包括直流量转换电路、低通滤波器、基波量转换电路以及相减器；所述直流量转换电路、所述低通滤波器、所述基波量转换电路以及所述相减器顺次连接；所述直流量转换电路的输入端用于与负载输入端连接；所述直流量转换电路的输入端还与所述相减器的输入端连接；所述直流量转换电路用于将负载电流转换为含有低频纹波的直流量，所述低通滤波器用于将所述含有低频纹波的直流量滤波成纯净的直流量；所述基波量转换电路用于将所述直流量转换成负载电流的基波分量；所述相减器用于将所述基波分量减去负载电流得到需要补偿的无功 和谐波补偿电流值。
2.根据权利要求1所述的微电网型不间断电源系统，其特征在于，所述燃料发电系统包括柴油发电机。
3.根据权利要求1所述的微电网型不间断电源系统，其特征在于，所述开关电路包括切换开关和可控开关；所述切换开关分别与市电、燃料发电系统以及所述可控开关连接；所述可控开关还与负载、所述光储逆变系统连接。
4.根据权利要求1所述的微电网型不间断电源系统，其特征在于，所述光储逆变系统包括光伏电池组件、逆变器、升压变压器、蓄电池以及充电电路；所述光伏电池组件分别与所述充电电路的输入端、所述逆变器的直流侧输入端连接；所述蓄电池分别与所述充电电路的输出端、所述逆变器的直流侧输入端连接；所述充电电路的输入端还与开关电路的输出端以及升压变压器的输出端连接；所述逆变器的输出端与所述升压变压器的输入端连接。
5.根据权利要求4所述的微电网型不间断电源系统，其特征在于，所述光储逆变系统还用于在所述开关电路处于第一开关状态时，由所述光伏电池组件或者市电经由充电电路对蓄电池进行充电。
6.根据权利要求4所述的微电网型不间断电源系统，其特征在于，所述光储逆变系统还包括防反电路；所述防反电路的输入端与所述蓄电池的输出端连接；所述防反电路的输出端与所述逆变器的直流侧输入端连接。
7.根据权利要求1所述的微电网型不间断电源系统，其特征在于，还包括旁路开关；所述旁路开关分别与市电、负载连接；所述旁路开关用于在所述微电网型不间断电源系统需要进行维修时导通从而由市电直接向负载供电。
8.根据权利要求1所述的微电网型不间断电源系统，其特征在于，所述控制电路还用于获取负载的重要级别，并根据各负载的重要级别对供能进行分配。
9.根据权利要求1所述的微电网型不间断电源系统，其特征在于，所述控制电路还用于对所述光储逆变系统的供能能力进行预测，并对负载用电的时长进行预测，从而根据预测结果对微电网型不间断电源系统的供能进行分配。
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