CN111095718A - 微电网控制器和相关方法 - Google Patents

Abstract

本发明控制和/或改进可选地和/或间歇地耦接至电力系统(一个或更多个)的一个或更多个微电网的操作。

Description

微电网控制器和相关方法

交叉引用和优先权声明：

本专利申请要求2017年8月2日提交的美国临时申请序列号62/540,141“MICROGRID CONTROLLERS AND ASSOCIATED METHODOLOGIES,”的优先权，其全部公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开的发明涉及控制和改进可选地和/或间歇地耦接至电力系统(一个或更多个)的一个或更多个微电网的操作的领域。

背景技术

微电网是离散的能源系统，其包括分布式能源和负载，这些能源和负载可以与“主”电网并行操作，或独立于“主”电网操作，所述“主”电网在行业中又称为“电力系统”(Electric Power System，EPS)。这样的分布式能源通常用于为商业、工业和政府消费者提供可靠的能源安全，无论它们是处于城市还是乡村环境中，并致力于满足公共、私人、政府和/或军事电力需求。

正如术语所表达的那样，微电网通常使用与常规电网所用相同的技术来实现，但规模较小。因此，微电网受到与发电和配电有关的常规问题(例如，平衡和效率)的影响。但是，微电网已通过靠近和设计而变得更加紧密地连接至替代发电源，所述替代发电源诸如为可再生源，如太阳能农场、地热能生产设施、风力涡轮机农场、水力发电设施、工业废能源收集设施、以及众所周知的热电联产(Combined Heat and Power，CHP)系统。

常规地，这样的微电网已经被配置为提供如上所述的利用本地发电源的能力，以及以有效的方式以规定的方式将所产生的电力卸载到较大的主电网上，以保持主电网(一个或更多个)的正常操作的能力。另外，微电网被吹捧为提供执行自主自我修复的能力，其中，在主电网故障时，一个或更多个微电网可以通过将自身与主电网解耦而不影响主电网的完整性来独立于EPS操作，并且自身通过将其发电节点和电力负载与影响主电网的干扰隔离来满足微电网的需求。因此，当电网换相的中断超过可接受的电压和频率限制时，需要按照IEEE1547和UL1741中的规定，使电网交互逆变器停止为区域EPS供能，上述规定陈列了分布式能源(Distributed Energy Resources，DER)(例如微电网)与EPS互连的标准和要求。

发明内容

以下提出简化的概要，以便提供对各种发明实施方式的一些方面的基本理解。该概述不是本发明的广泛概述。它既不旨在标识本发明的关键或重要元素，也不旨在描绘本发明的范围。以下概要仅以简化形式提出本发明的一些概念，作为下面更详细描述的序言。

本公开的发明涉及控制和改进一个或更多个微电网的操作。

根据至少一个实施方式，嵌入在将至少一个微电网耦接至EPS的设备内的控制器被配置为控制换相，以便在EPS电力非预期过渡关闭的期间(即，从电网交互操作过渡到电网独立操作)保持至少一个微电网的操作。更具体地，实施方式可以利用所公开的方法来在非预期的电网交互到电网独立的过渡期间控制微电网的换相，从而使多个并联的、电网交互逆变器能够自主地“渡过(ride through)”该过渡而不会中断对微电网负载的供电。

根据至少一个实施方式，在将至少一个微电网耦接至EPS的设备内实施的控制器被配置为利用多个并联的逆变器而对以电网独立操作的微电网的功率因数进行控制，其中通过操作处于电网独立模式的一个逆变器，从而控制电压和频率，以及通过操作处于电网交互模式的第二逆变器，从而控制功率因数。

应当理解，可以以各种方式组合各种实施方式的功能和结构，以在各种不同的实现方式中提供本文公开的功能。

附图说明

通过参考以下考虑随附附图的描述，可以获得对所公开的实施方式及其效用的更完整的理解，其中相同的附图标记表示相同的特征，并且在附图中：

图1示出了微电网的示例，其可以被修改以结合根据所公开的实施方式的所公开的实施方式的结构和功能。

图2示出了常规的、公共直流(Direct Current，DC)总线实现的微电网及其组成部件的示例。

图3示出了设置有根据至少第一示例性实施方式实现的控制功能的微电网和组成部件。

图4示出了第一示例性实施方式的操作的示例。

图5示出了设置有根据至少第一示例性实施方式实现的控制功能的微电网和组成部件。

具体实施方式

为了促进对当前公开的发明的原理的理解，现在将参考附图中例示的实施方式，并且将使用特定语言来描述它们。但是，应当理解，由此并不意图限制本发明的范围；所描述或例示的实施方式的任何改变和其他修改以及其中例示的本发明的原理的任何其他应用，如本发明所涉及的本领域的技术人员通常会想到的那样设想。

微电网技术的一个目标是保持对负载供电、在EPS故障的情况下与EPS断开连接、以及在恢复电力而不中断对微电网负载供电时与EPS电网重新连接的能力。相应地，如标题为“SUBSTANTIALLY BUMPLESS TRANSFERGRID SYNCHRONIZATION,”的、通过引用整体并入本文的US8,31,0104中所公开的，微电网可包括任意数量的DC和AC电源，以向使用一系列接触器和传感器的逆变器子系统供电，以连接至EPS电网。因此，这样的逆变器子系统可以使用来自公共DC总线以及任意数量的AC电源和相关组件的电力来控制和协调公共DC总线电力输入上的电力流和存储，或者将附加的AC电力提供回一个或更多个负载、或甚至EPS电网。这可以在具有如下四种操作状态的现场控制器的指导下执行：关闭、仅电网、电网隔离以及电网并行。

在仅电网模式，也称为电网交互模式下，通过EPS电网可以满足负载的所有电力需求。在电网独立的情况下(也称为隔离模式或“孤立的”)，逆变器系统将所有电力提供给负载。因此，一旦EPS电网被恢复，则逆变器子系统可以随后以电流受限、相位同步的无扰动方式重新连接至EPS电网。

在电网并行模式下，微电网的逆变器子系统连接至EPS电网。在电网并行模式下，使用EPS的换相信号将逆变器子系统与EPS电网同步，因此，电网(与逆变器子系统的电流限制结合)有效地控制逆变器子系统的频率。这样，逆变器子系统的电流限制保持了输出到EPS电网的电力的电流限制。此外，只要逆变器子系统以电网并行模式连接至EPS电网，就可以为EPS电网提供功率因数校正。

根据至少第一实施方式，嵌入在将至少一个微电网耦接至EPS的设备内的控制器被配置为控制换相，以便在EPS电力非预期过渡关闭的期间保持至少一个微电网的操作。可以结合图1中概括示出(但是在图3-图5中更详细地描述)的配置来利用所公开的实施方式。

如图1所示，微电网AC总线600将区域EPS 100耦接至一个或更多个负载500。为了符合与IEEE1547和UL1741有关的要求，提供了电网交互逆变器A和B 300、400，且它们被配置为停止向区域EPS 100供能。另外，使用断路器开关S3 200将微电网总线600及其相关组件与区域EPS 100耦接/解耦。

通常被可再生能源利用的电网交互逆变器300、400的操作响应于电网换相的中断超过可接受的电压和频率限制而停止向区域EPS 100供能。这可以防止可再生能源被包含在任何能源弹性系统中。

但是，使用常规逆变器，在从电网交互(其中来自EPS 100的换相信号用于协助控制微电网的组件)到电网独立操作(其中微电网组件本身必须提供换相信号)的过渡期间，微电网所使用的换相信号被中断。当并网交互逆变器或以电网交互模式进行操作的逆变器不再从EPS接收换相信号时，并行电网交互逆变器停止输出，从而停止微电网的操作。

当前公开的实施方式，特别是第一公开的实施方式，可以利用本文所公开的方法来在非预期的电网交互到电网独立的过渡期间控制微电网的换相，从而使多个并联的、电网交互逆变器能够在过渡期间和之后自主操作而不会中断对微电网负载的供电。特别地，至少第一公开的实施方式提供了控制器和控制方法，该控制器和控制方法被特定地配置为在电网交互状态与电网独立状态之间的非预期过渡期间提供这种控制。该控制使一个或更多个并网交互逆变器能够在这种过渡期间自主操作而不会中断操作输出，如下面关于图3-图4所讨论的。

所公开的实施方式提供了相对于诸如图2所示的常规使用的公共直流(DC)总线实现的微电网的改进的技术效用。如该图所示，尽管公共DC总线微电网10可以实现与当前公开的实施方式类似的功能，但是这种实现方式还引入了一些附加的技术挑战，这些技术挑战只能通过DC/DC转换器20的多次能量转换来解决，以将能量从可再生资源30转换为DC，这会降低整个系统的效率。

这种效率的降低极大地影响了功能，因为从区域EPS 100到负载500的连接不是直接连接，并且需要双重转换(AC到DC，然后DC到AC；未显示但分别包含在逆变器50、60中)配置以将在微电网AC总线70上的AC电力提供给负载500。这些转换中的每个都会降低效率。

另外，各种可再生资源(例如，太阳能、风能、电池等)具有非常不同的DC操作参数。例如，使用最高功率点跟踪(MPPT)，太阳能电池板的操作效率最高。这要求DC总线维持相对恒定。但是，电池的DC电压会随充电状态而变化。因此，两个系统之间的DC要求之间的不兼容性要求通过DC/DC转换器20进行DC到DC的能量转换。同样，这些转换中的每个都会降低效率。

此外，公共DC总线微电网所需的高功率转换器和高压DC组件的类型是专用产品，其无法大规模商业生产。这极大地增加了公共DC总线微电网的制造和安装成本。此外，高功率DC/DC转换器不是可商业购得的。而高电压、高功率DC组件仅在小型市场上可商业购得。

相反，高电压、高功率AC组件可以大规模商业购得且成本低得多，这与公共DC总线微电网相比，进一步提高了在技术上实现所公开的实施方式的能力。

根据至少第一公开的实施方式，一种用于在电网交互到电网独立的过渡(和返回)期间控制微电网的换相的控制策略，使多个并网交互逆变器能够在过渡期间自主操作而不会中断。因此，如图3所示，微电网系统1000可以被配置成使得微电网的公共AC总线600经由断路器开关S3 200的操作与区域EPS 100断开。这种断开的结果是，当电网换相中断超过可接受的电压和频率限制时，微电网系统1000停止为区域EPS 100供能。

在该过渡期间，一个或更多个电网交互逆变器300在无扰动过渡中保持公共AC总线600上的换相。这样的过渡要求公共AC总线600的操作电压和频率保持在本文所述的第二逆变器B 400所特定限制的渡过范围内。

公共AC总线600上的中断在多个并网交互逆变器400的可接受的操作电压和频率渡过限制内，这是因为微电网技术具有能够在EPS故障的情况下，在与EPS断开期间保持公共AC总线的换相，并在电力恢复时重新连接至EPS电网的能力。

逆变器300需要两种控制来监测并控制断开事件和重新连接事件并实现本发明。电网感测700对EPS的状态进行监测以确定电网换相何时在可接受的电压和频率限制内。BKR控制信号800是如下方法：在所述方法中，逆变器300在EPS故障的情况下控制与EPS断开，并且在电力恢复时控制与EPS电网重新连接。

图4示出了在EPS故障的情况下与EPS断开的期间在公共AC总线600上的电压和电流的实施方式。在图4的左部分中，逆变器300以电网交互模式进行操作，其中区域EPS 100正在控制电压和频率。逆变器利用电网感测700对EPS的状态进行监测，以确定电网换相何时在可接受的电压和频率限制内。在图4的中点处，逆变器感测到换相不再处于可接受的限制内，并且利用BKR控制信号800来断开S3断路器200并且将微电网AC总线600与EPS断开。此时，逆变器将其内部换相从电网交互模式切换到电网独立模式。在过渡期间，逆变器不需要中断其输出信号。第二逆变器B400和负载500在微电网AC总线600中不会出现偏差。

实际上，限制DERS集成(例如可再生能源，诸如光伏(Photo Voltaic，PV)和风能)到现有电网中的最常被引用的原因之一是可再生资源的输出是不可靠且变化的，并且它们导致EPS电网中的不稳定。如在IEEE1547和UL1741中所规定的，由于要求停止向区域EPS供能，在非预期的断电或者其他电压或频率偏移期间，此问题被加剧。根据至少第一公开的实施方式，在非预期的断电期间，来自微电网内的可再生能源的电力可以用作能量弹性资源。

联邦能源可靠性公司负责维护区域EPS的能源弹性标准。这些标准目前需要约7％的备用容量。一旦可再生能源资源的总贡献变得大于所需的储备，可再生资源的不可靠且变化的输出将阻止EPS电网保持能源弹性，并加剧断电的频率和持续时间。这将需要调节附加的储备容量，以补偿在非预期的电压或频率偏移期间可再生能源的损失。使用所公开的实施方式，在非预期的断电期间，来自微电网内的可再生能源的电力可以用作能量弹性资源，从而减少了对附加的储备容量的需求。

根据用于控制和改进微电网的操作的至少第二示例性实施方式，提供了一种控制器和方法，用于使用多个并联的逆变器来主动控制电网独立微电网或在电网独立(隔离、孤立)模式下的微电网的功率因数。

这是一种新的控制策略，用于利用多个并联的逆变器而对以电网独立操作的微电网的功率因数进行控制，其中，通过操作处于电网独立模式的一个逆变器，控制电压和频率，以及通过操作处于电网交互模式的第二逆变器，控制功率因数。

如上面简要讨论的，逆变器具有至少两种基本的操作模式：电网交互和电网独立。如上所述，对于包括频率和电压的换相信号，电网交互模式依赖于EPS电网。因此，电网交互逆变器仅调节功率和功率因数。第二模式为电网独立的，其中逆变器对微电网AC总线上的换相信号的频率和电压进行调节，但不能独立于频率和电压来控制功率和功率因数。

根据至少第二公开的示例性实施方式，并且如图5所示，可以使用多个逆变器300、400来配置微电网系统1000，使得公共微电网AC总线600将在经由断路器开关S3 200与区域EPS 100断开的同时操作。该操作以这样的方式启用：微电网1000将以电网独立模式进行操作，而组件仍可以控制功率因数。

与第一实施方式中一样，断路器开关S3 200的断开将微电网AC总线600与区域EPS100断开。此后，微电网控制器1100可以控制/命令电网独立逆变器300以电网独立模式进行操作。因此，包括频率和电压的控制的公共微电网AC总线600上的换相被保持。同时或结合地(例如，以串行方式)，微电网控制器1100控制/命令第二并网交互逆变器400以电网交互模式进行操作并调节公共微电网AC总线600上的功率和功率因数。该第二并联的逆变器400是电网交互逆变器400，其依赖于电网独立逆变器300以进行其换相。

因此，与逆变器300、400通信并对其进行控制的微电网控制器1100的这种配置提供了有源功率因数控制，这在动态地改变隔离的微电网中是重要的考虑，因为添加和移除了分布式能源和负载。这是由于可再生能源是不可控制的DER，并且需要动态减载方案以在隔离的微电网结构中正确实施。而且，功率因数可以快速改变，并且需要有源控制电路。

逆变器300可能需要两种控制来监测并控制断开事件和重新连接事件并实现本发明。电网感测700可以被配置为对EPS的状态进行监测以确定电网换相何时在可接受的电压和频率限制内。BKR控制信号800是如下机制：逆变器300在EPS故障的情况下通过所述机制控制与EPS断开，并且在电力恢复时控制与EPS电网重新连接。

此外，在实现方式中，至少第二公开的实施方式使来自可再生能源的逆变器能够被用作有源功率因数控制装置。

以电网交互模式进行操作时，单个逆变器可以依赖于区域EPS以控制换相的电压和频率。电网交互逆变器可以从区域EPS提供或提取有功和无功功率。当以电网独立模式进行操作时，单个逆变器不能依赖于区域EPS以获得其换相信号。因此，电网独立逆变器将控制微电网的电压和频率。但是，单个逆变器绝不能既控制电压/频率也控制有功/无功功率。因此，在至少该第二实施方式中，将至少一个微电网耦接至EPS的设备内的控制器被配置为利用多个并联的逆变器而对以电网独立操作的微电网的功率因数进行控制，其中，通过操作处于电网独立模式的一个逆变器，从而控制电压和频率，以及通过操作处于电网交互模式的第二逆变器，从而控制功率因数。

此外，在实现方式中，可以使用常规的、现成的逆变器技术来实现电网交互逆变器。因此，应当理解的是，微电网控制器1100与电网独立逆变器300结合(如本文所公开的那样定位、耦接和配置)为至少第二公开的示例性实施方式提供了技术效用。

本文引用的所有出版物、在先申请和其他文件通过引用整体并入本文，如同每个文献都已通过引用单独并入并被完整阐述。尽管已经在附图和前面的描述中详细示出和描述了本发明，但是本发明在性质上应被认为是示例性的而不是限制性的，应理解，仅示出和描述了优选实施方式，并且所有的改变和修改都落入要求保护的本发明的精神范围内。

Claims (27)

1.一种微电网，所述微电网包括：

控制器，所述控制器被配置为将所述微电网耦接至电力系统；

断路器开关，所述断路器开关耦接至所述控制器；

第一逆变器，所述第一逆变器耦接至所述控制器，并且被配置为保持AC总线上的换相；以及

第二逆变器，所述第二逆变器与所述第一逆变器并联耦接。

2.根据权利要求1所述的微电网，其中，所述第一逆变器被配置为在从所述电力系统断开期间保持换相。

3.根据权利要求1所述的微电网，其中，所述第一逆变器包括用以监测并控制断开事件和重新连接事件的两种控制。

4.根据权利要求3所述的微电网，其中，所述第一逆变器还包括电网感测，所述电网感测对所述电力系统的状态进行监测以确定电网换相是否在能够接受的电压和频率限制内。

5.根据权利要求4所述的微电网，还包括BKR信号，所述BKR信号对响应于电力故障而执行的从所述电力系统的断开以及响应于电力的恢复而进行的重新连接至所述电力系统进行控制。

6.根据权利要求4所述的微电网，其中，所述第一逆变器被配置为以电网交互模式和电网独立模式进行操作。

7.根据权利要求5所述的微电网，其中，所述第一逆变器响应于所述断路器开关闭合而以电网交互模式进行操作，并且响应于所述断路器开关断开而以电网独立模式进行操作。

8.根据权利要求6所述的微电网，其中，所述第一逆变器被配置为响应于所述换相不再处于能够接受的电压或频率限制内而从电网交互模式切换到电网独立模式。

9.一种用于可选地耦接至电力系统的微电网，所述微电网包括：

用于将所述微电网耦接至所述电力系统的控制器；

耦接至所述控制器的断路器开关；

AC总线；

第一逆变器，所述第一逆变器以电网独立模式进行操作并且耦接至所述控制器；以及

第二逆变器，所述第二逆变器以电网交互模式进行操作并且与所述第一逆变器并联耦接。

10.根据权利要求9所述的微电网，其中，所述第二逆变器被配置为对所述微电网的功率和功率因数进行调节。

11.根据权利要求9所述的微电网，其中，所述第一逆变器被配置为对所述AC总线上的换相信号的频率和电压进行调节。

12.根据权利要求9所述的微电网，其中，所述断路器开关被配置为与所述电力系统耦接并且响应于所述断路器开关断开而将所述微电网从电力系统断开。

13.根据权利要求9所述的微电网，其中，所述第二逆变器与所述第一逆变器协作以形成换相信号。

14.根据权利要求9所述的微电网，其中，所述第一逆变器包括用以监测并控制断开事件和重新连接事件的两种控制。

15.根据权利要求14所述的微电网，其中，所述第一逆变器还包括电网感测，所述电网感测对所述电力系统的状态进行监测以确定电网换相何时在能够接受的电压和频率限制内。

16.根据权利要求15所述的微电网，还包括BKR信号，所述BKR信号对响应于电力故障而进行的从所述电力系统的断开以及响应于电力恢复而进行的重新连接至所述电力系统进行控制。

17.根据权利要求9所述的微电网，还包括可再生能源。

18.根据权利要求17所述的微电网，其中，所述可再生能源包括被配置成作为有源功率因数控制装置来操作的逆变器。

19.根据权利要求9所述的微电网，其中，所述第二逆变器被配置为从电力源供应或提取有功功率和无功功率。

20.一种用于操作可选地耦接至电力系统的微电网的方法，所述方法包括：

使用以电网独立模式进行操作且耦接至所述微电网的控制器的第一逆变器来对所述微电网中包括的AC总线上的换相信号的频率和电压进行调节；以及

使用以电网交互模式进行操作的第二逆变器来对所述微电网的功率和功率因数进行调节，其中，所述第二逆变器与所述第一逆变器并联耦接。

21.根据权利要求20所述的方法，还包括：响应于断路器开关闭合而使用所述断路器开关将所述微电网耦接至所述电力系统；以及响应于所述断路器开关断开而将所述微电网从电力系统断开。

22.根据权利要求20所述的方法，其中，所述第二逆变器与所述第一逆变器协作以形成换相信号。

23.根据权利要求20所述的方法，其中，所述第一逆变器包括用以监测并控制断开事件和重新连接事件的两种控制。

24.根据权利要求23所述的方法，还包括：所述第一逆变器使用电网感测来对所述电力系统的状态进行监测以确定电网换相是否在能够接受的电压和频率限制内。

25.根据权利要求20所述的方法，还包括使用BKR信号对响应于电力故障而从所述电力系统断开以及响应于电力的恢复而重新连接至所述电力系统进行的控制。

26.根据权利要求20所述的方法，使用微电网可再生能源，所述微电网可再生能源包括被配置成作为有源功率因数控制装置来操作的逆变器。

27.根据权利要求20所述的方法，其中，所述第二逆变器被配置为从电力源供应或提取有功功率和无功功率。

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