CN112544025A - 具有一个或更多个源的微电网控制器 - Google Patents

Abstract

一种可以管理从不同电源向负载提供的电力的微电网控制系统。该微电网控制系统可以基于不同源的特性电力特征，来确定不同源之间的电力分配。

Description

具有一个或更多个源的微电网控制器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年6月18日提交的美国临时申请No.62/686,305和2019年6月18日提交的美国专利申请No.16/444,022的优先权，其两者的全部内容通过引用并入本申请，包括但不限于与微电网控制有关的那些部分。

技术领域

本公开内容是针对具有至少一个能量源的微电网的领域。该微电网结合了将来自不同源的DC电平匹配以及DC链路电压控制。

背景技术

电池和光伏系统以直流形式储存或生成电。为了使该形式的电更加有用和通用，通常使用逆变器将其转换为交流。逆变器使用开关以将DC转换为AC，通常AC输出电压是DC输入电压的函数，遵循AC输出的数学公式RMS＝DC输入/1.414。可能需要使用输出侧AC变压器或通过提升输入DC电压来提升输出电压。根据本公开内容，微电网被配置为接收至少一个DC或AC已知或未知电压源，以及确定该电压源是否提供足够的电压来为微电网供应电力。如果微电网接收多个源，则微电网将决定从哪个源或哪些源汲取电力并且从这些源汲取电力，而忽略未选择的源。

发明内容

根据本公开内容的一方面，一种用于由若干个电源供应电力的微电网的操作方法，可以包括：检测若干个电源的第一电源和第二电源的一个或更多个特性电力特征；比较检测到的第一电源和第二电源的特性电力特征；确定第一电源和第二电源之间的用于通信(communication，传输、交流、联系)至负载的电力的分配；以及基于所确定的第一电源和第二电源之间的分配来连接若干个电源以提供用于输出到负载的电力。

在一些实施方式中，比较检测到的特性电力特征可以包括将来自第一电源和第二源中的每个源的可用电压与负载的电压要求进行比较。对检测到的特性电力特征进行比较可以包括根据每个电源的电力容量来对电源排序。在一些实施方式中，根据每个电源的电力容量来排序包括根据可作为输入来对负载供应电力的电压电平来排序。

根据本公开的另一方面，一种用于管理从若干个电源到负载的电力输出的微电网控制系统可以包括：控制设备，该控制设备被配置为感测若干个电源的特性电力特征、比较若干个电源的特性电力特征、基于感测到的特性电力特征来确定若干个电源之间的用于与负载通信的电力分配、以及基于所确定的分配来提供指令以选择性地提供用于输出到负载的电力；以及DC链路总线，该DC链路总线被配置成基于来自控制设备的指令来选择性地连接用于输出以向负载提供电力的若干个电源中的一个或更多个电源。在一些实施方式中，若干个电源可以包括至少两个电源，上述至少两个电源中的至少一个电源包括可再生电源。

附图说明

考虑到附图，通过参考下面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，在附图中，类似的附图标记表示类似的特征，并且其中：

图1示出一种DC电压控制系统，其中，第一DC源被连接到DC至DC转换器，以及第二DC源被连接到DC至DC转换器的输出以及DC链路。

图2示出图1的DC电压控制系统并且还包括“N”个电压源，这些电压源被连接到DC至DC转换器的输出以及DC链路。

图3示出图1的DC电压控制系统并且还包括开关网络，该开关网络允许用于进一步控制被引导到DC至DC转换器中的电压。

图4示出AC电压控制系统，其中，该系统可以基于负载的要求来调整频率和幅度。

图5示出具有传感器控制系统的微电网的概览。

为了促进对本公开内容的原理的理解的目的，现在将参考以下描述的附图中例示的实施方式。下面公开的实施方式并不意在是穷举性的或者不意在将本公开内容限制于以下详细描述中公开的精确形式。确切地，选择并描述实施方式使得本领域的其他技术人员可以利用它们的教导。将理解的是，因此并不意在限制本公开内容的范围。本公开内容包括在例示性设备以及本公开内容的原理的另外的应用中的任何改变和另外的修改，这通常是与本公开内容的相关领域中的技术人员会想到的。除非另有说明，否则附图中的部件是彼此成比例地示出的。

具体实施方式

在一些情况下，为建筑物、交通工具或任何其他需要电力的负载供应电力的电气网可能会遇到中断或停电，导致建筑物、交通工具或任何其他负载无法从该网接收电力。在这些情况下，微电网可以充当备用并向该网或负载提供电力。这些微电网可以从不同源——可再生或不可再生源、已知或未知的源——接收电力，并将该电力转换成可用电力。微电网可以被连接到多个源，并且需要确定从哪个源汲取电力。为了实现这一点，下面描述的微电网100包括至少一个电源102、DC至DC转换器104、DC链路106、逆变器108、和控制系统110。

图1示出微电网100，该微电网包括电源102、电源103、DC至DC转换器104、电容器105、DC链路106、逆变器108、和控制系统110。电源102被连接到DC至DC转换器104和控制系统110。DC至DC转换器104被连接到DC链路106、控制系统110、以及电源103。DC至DC转换器104可以是但不限于降压转换器、升压转换器、或降压升压转换器。DC链路电压106被连接到控制系统110、DC至DC转换器104、和逆变器108。DC链路电压106是被配置成将任何数量的设备连接在一起的总线。电源102、103各自为DC电源。电容器105充当用于逆变器108的输入111的滤波器。电源103被连接到控制系统110和DC链路106。逆变器108具有可以附接到负载(未示出)诸如电力网或电气设备的AC输出112。AC输出112可以是但不限于在50HZ、60HZ或任何其它频率处的208VAC、380VAC、415VAC以及48VAC。

电源102、103可以是可再生的或不可再生的，并且电源102、103可以与微电网100配合而无需用户对电源102、103分派类型。可再生能源可以包括但不限于风能、太阳能、生物燃料、生物质、地热、水电、潮汐能和波能。不可再生能源可以包括但不限于电池、煤炭、石油、天然气、核能和化石燃料。微电网100可以包括任意数量的可再生和不可再生源或其组合。

DC至DC转换器104的输出114设置了DC链路电压要求，该DC链路电压要求可以高于负载和逆变器108的输出112的电压要求。控制系统110与电源103和DC链路106并联。控制系统110读取电源103的电压并且确定电源103是否可以向微电网100提供电力。如果控制系统110确定电源103可以提供电力，并且该电力高于逆变器108所要求的最低电压，则控制系统110可以降低DC链路电压，以允许电流和电力从电源103流向DC链路106和逆变器108。逆变器108将DC波转变成与负载的频率和幅度要求相匹配的AC波形式。在一些情况下，电源103可以向DC链路106提供足够的电力，但控制系统110可以选择不使用电源103来为负载供应电力。在其他情况下，电源103可能无法提供足够的电力。在该情况下，控制系统110聚集来自电源102、103两者的电力以为负载供应电力。控制系统110可以从任何数量的电源聚集或获取。

图2示出微电网200，其运行类似于图1所示的微电网100，但其中附加了代表任何数量的电源的电源216以及与每个电源203、216串联附接的开关218、220。电源216被附接到与电源203并联的DC链路206、DC至DC转换器204的输出、以及控制系统210。控制系统210读取每个电源203、216的特性，并且基于每个源提供的电力量、使用每个电源203、216的成本、电源203、216提供的电力类型，或者通过读取和比较每个电源203、216的任何其他特性，来确定从哪个电源获取电力。一旦控制系统210选择了电源，控制系统210就闭合所选择的电源的开关并且断开未被选择的电源的开关。例如，如果电源203、216两者都向微电网200提供电力并且控制系统210选择电源203，则控制系统210将闭合开关218并且断开开关220，从电源203获取电力。然后，控制系统210将把DC链路电压阈值降低到既对于为负载供应电力来说是足够的又对于电源203提供电力和电压来说是足够低的电压。操作者可以手动地输入DC链路电压阈值。在其他实施方式中，可以有任意数量的电源和开关，上述电源和开关与这些电源和控制系统210并联。在每个实施方式中，控制系统210选择电源以通过逆变器208在输出212处为负载供应电力。电容器205充当滤波器以平滑所选择的电源的波形。在其他实施方式中，控制系统210聚集多个电源以为负载供应电力。

操作者利用优先次序开关(未示出)可以选择哪个电源将向微电网200提供电力，该优先次序开关与控制系统210通信。操作者可以对优先次序开关进行编程，以通过检查每个电源的效率、噪音(来自静音源的电力)、容量或可用性来自主选择电源。操作者可以基于在那时对用户的重要性，对这些因素中的每个因素赋予权重。控制系统210可以基于每个因素的权重和值来确定哪个或哪些电源将为微电网200供应电力。如果操作者没有给每个因素赋予权重，控制系统210可以仅查看每个电源的容量以确定哪个电源将为微电网200供应电力。在一些实施方式中，控制系统210将对每个电源的容量进行分类和排序，并且然后选择哪个电源将为微电网210供应电力。

为了排序和选择哪个电源将为微电网200供应电力，控制系统210首先分析来自每个电源的输入。然后，控制系统210将每个电源的电压输入从最高到最低依次排序。控制系统210然后将选择具有最高电压的电源并且提高DC链路电压，使得微电网200可以仅从具有最高电压的电源获取电力。如果负载需要的电力多于一个源能够提供的电力，控制系统210系统可以利用多个电源来获取足够的电力以为负载供应电力。在这样做时，控制系统210降低DC链路电压，使得足够的电源可以充分地为负载供应电力。在其他实施方式中，操作者可以设置控制系统210，使得控制系统查看其他因素以确定从哪些电源获取电力来为负载供应电力。

在微电网200运行时，控制系统210持续地监控微电网200。如果负载需要来自微电网200的更多或更少的电力，控制系统210可以调整DC链路电压和每个开关220、218，使得输出212将与负载的需求相匹配。类似地，如果电源203、216中之一或全部降低或改变它们正在提供的电力量，控制系统210可以调整开关220、218和DC链路电压以供应负载。例如，在电源203向微电网200提供太阳能的情况下，在白天期间随着太阳出来并进出云层，电源203将提供不断变化的程度的电力。控制系统210可以通过断开和闭合不同的开关、提高或降低DC链路电压、以及调整逆变器208以向负载提供可预测的并且一致的电力来解决这些变化。在一些实施方式中，控制系统210可以足够快地调整微电网200，使得负载将不会缺失电力达相当长时间段。上下文中的相当长时间段是以下这样的时间段，在该时间段中，普通人不会意识到电力已经停止以及任何依靠微电网200的机器将不会关机、重启或电力耗尽。开关220、218提供保护，防止一个电源与另一电源反向馈电。

图3示出微电网300。微电网300与微电网100类似，但微电网300还包括在每个电源302、303上的开关网络334、336。开关网络334、336将最高电压电源路由到DC至DC转换器304和DC链路306的高电压输出338。高电压输出338接着充当逆变器308的输入311。逆变器308具有到负载(未示出)的输出312。图3示出电源303被路由到DC至DC转换器304的低电压输入340中，以及电源302被路由到高电压输出338。根据在每个电源上的电压，该配置可以反向。每个电源303、304可以具有不同类型的能量。

微电网300可以确保较低的电压能够馈送到系统中。例如，电源302可以是电池，以及电源304可以是光伏能量源。如果电源302提供600VDC、DC链路电压在700VDC并且电源303在接收到非常少的太阳时提供300VDC以及在太阳没有落下且没有被遮挡时提供700VDC，那么控制器系统310可以控制开关网络334、336尽可能长时间地切换到电源303。首先，控制器系统310将降低DC链路电压以匹配电源302的电压。其次，控制器系统将使电源302变动到高电压输出338，并使用DC至DC转换器将电源303升压到DC链路电压。如果电源303增大到DC链路电压以上，开关网络336可以被反向以将电源303馈送到DC链路306中。该配置可以减少转换缺失。微电网300可以包括任何数量的电源和与这些电源串联附接的开关网络。此外，电源303、304可以是与整流器连接的AC源，以将AC电力转换成DC电力。

尽管每一类型的可再生能量和不可再生能量生成具有不断变化的程度的噪声、频率和幅度的不同波形，但微电网400可以使用逆变器、整流器、和升压器系统，以既平滑波形又调整频率和幅度，使得其可以满足负载的规格。图4示出使用AC链路420来控制到达负载的电力的微电网400。微电网400包括AC源422、AC源424、二极管426、开关428、逆变器430、控制系统410、和AC输出432。AC源422被直接地连接到AC输出432。在AC源424的幅度和频率与AC源422的幅度和频率完全地匹配并且AC源422没有向AC输出432提供足够的电力的情况下，AC源424可以增强AC源422。控制系统410确定AC源422、424的幅度和频率。如果AC源422、424具有相同的频率和幅度并且增强后的波形满足必要的AC输出432，则控制系统410闭合开关428，并且AC源424能够增强或替代AC输出432。如果控制系统410确定AC源422、424具有不同的频率或没有向AC输出432提供适当的电力量，则控制系统410断开开关428并且AC源422的波形穿过二极管426并进入逆变器430。

如果AC源424由于诸如但不限于没有提供足够的电压、提供过多的电压、或具有不同的频率的原因而不能适当地增强AC源422，则AC源424的波形被引导穿过二极管426，该二极管将波形从AC转换为DC。在其它实施方式中，二极管426可以是另一类型的整流器。如果AC源424的电压高于在AC输出432处所要求的电压，则可以使用逆变器430将AC源424的波形调整到适当的幅度和频率以与AC源的422波形聚集并产生AC输出432。如果AC源424低于AC输出430，则在整流器和逆变器430之间包括DC至DC转换器(未示出)。DC至DC转换器可以被用于将AC源424的电压升压到足够高，使得逆变器430可以在AC输出432处提供用户期望的电压。

如果AC源424在名义上与期望的输出432具有相同的电压和频率但太不稳定而无法与432处早先存在的AC波形链接。则逆变器430可以被用于通过从AC源424经整流器426向AC输出432供应电力来加载和稳定AC源424。逆变器430也可以被用于将其输出与AC源424同步，以便可以将424直接与AC输出432链接。

图5示出具有两个DC至DC转换器542、544、逆变器546、电池548、负载550、以及端口552、554、556、558的微电网500。电源馈送到端口552、554、556、558中。另外，端口552、554、556、558是可选的并且可以互换。电池548可以是与整流器(未示出)串联附接的任何dc能源或AC源。负载550可以是临界负载、主源、或网总线。微电网500还包括DC链路560。DC至DC转换器544在DC链路560处设置DC链路电压。

在一些实施方式中，在端口552、556与负载550兼容的情况下，端口552、556充当输入。在端口552、556可以提供足够的电压来直接地馈送DC链路560以支持负载550的情况下，上述端口与负载550兼容。端口552、556可以彼此并联作为DC馈送，端口556被用于DC馈送。如果馈送到端口552中的电压源是AC源，其整流幅度高于输出电压550要求的整流幅度，那么可以通过整流器562整流该源并直接地馈送到DC链路560。如果端口552是在幅度和频率上与输出550完全地匹配的AC源，那么端口552可以通过触点566被直接地链接以支持550，从而避免转换缺失。

端口554、558每当它们提供电力时可以充当输入。端口554、558馈送到DC至DC转换器542中。如果端口554正在接收AC电力，则整流器564将在电力到达DC至DC转换器542之前将AC电力转换为DC电力。DC至DC转换器542可以将来自端口554、558的电压转换成高于DC链路电压的电压，使得端口554、558总是被推到输出560、负载550、或电池548。

在一些实施方式中，端口552、554被附接到变动接触器布置568，该变动接触器布置可以将电力端口552、554提供的路由变动到DC链路506、DC至DC转换器542、或者直接地变动到负载550。多个电源可以通过与变动接触器交互来将电力供应至微电网500。

端口552、554、556、558可以是但不限于针对重复连接而制成的接线片(lug：焊片、凸片、凸耳)式铜排。端口552、554、556、558在使用时可以由盖部(未示出)覆盖。如果盖部是“向上”的，这表示与高阻抗测量的连接。

可以利用铝衬垫加固端口552、554、556、558周围的区域。微电网500可以与猪尾线电池专用连接器具有内部接线片连接。电力连接被指定为在200A电力缺失小于3瓦特。微电网500使用串联(inline：直列、内联)的以whe配置卷绕的电抗器和电容器。该串联电抗器可以是具有铁氧体磁芯的铝线，或可能可以包括液冷式电抗器的任何其他系统。微电网500还可以在输出560处包括LCL过滤器或升压变压器。

在本公开内容内，所确定的分配可以包括在第一电源和第二电源之间的零分配。零分配可以包括连接以提供来自第一电源和第二电源中的仅一个电源的电力。基于所确定的分配来连接以提供电力可以包括连接以提供来自第一电源的第一电力值的电力和/或来自第二电源的第二电力值的电力，其中，第一电力值和第二电力值可以基于所确定的分配。

在本公开内容内，可以连续地执行下述中的各项：检测一个或更多个特性电力特征，比较检测到的特性电力特征，以及/或者确定第一电源和第二电源之间的电力分配。连接以提供电力可以包括基于第一电源和第二电源之间连续地确定的电力分配来重新连接以提供电力。基于第一电源和第二电源之间连续地确定的电力分配来重新连接以提供电力可以包括下述中的至少一项：调整若干个电源中的至少一个电源的开关，调整DC链路电压，以及调整与负载通信的逆变器的输出。

在本公开内容内，重新连接可以包括快速地执行下述中的至少一项以阻止达相当长时间段的电力缺失：调整若干个电源中的至少一个电源的开关，调整DC链路电压，以及调整与负载通信的逆变器的输出。达相当长时间段的电力缺失可以包括超过预确定的阈值的导致所连接的机器执行关机、重启、或经历电力故障的电力缺失。连接以提供电力可以包括调整DC链路电压以匹配负载电压要求。连接以提供电力可以包括将电力反向以馈送第一电源和第二电源中的一个电源。连接以提供电力可以包括增强来自第一电源和第二电源中的至少一个电源的电力。增强电力可以包括下述中的至少一项：调整来自第一电源和第二电源中的至少一个电源的电力的幅度和频率中的一个或更多个。增强电力可以包括从AC转换成DC。增强电力可以包括稳定来自第一电源和第二电源中的至少一个电源的电力。用于输出到负载的电力可以是AC电力。

Claims (21)

1.一种用于由若干个电源供应电力的微电网的运行方法，所述方法包括：

检测所述若干个电源中的第一电源和第二电源的一个或更多个特性电力特征，

对检测到的所述第一电源和第二电源的特性电力特征进行比较，

确定所述第一电源和第二电源之间的用于通信至负载的电力的分配，以及

基于所确定的所述第一电源和第二电源之间的分配，连接所述若干个电源以提供用于输出到所述负载的电力。

2.根据权利要求1所述的运行方法，其中，对检测到的特性电力特征进行比较包括：将来自所述第一源和第二源中的每一者的可用电压与所述负载的电压要求进行比较。

3.根据权利要求1所述的运行方法，其中，对检测到的特性电力特征进行比较包括：根据每个电源的电力容量来对所述电源进行排序。

4.根据权利要求3所述的运行方法，其中，根据每个电源的电力容量进行排序包括：根据能够作为输入来对所述负载供应电力的电压电平进行排序。

5.根据权利要求1所述的运行方法，其中，所确定的分配包括在所述第一电源和第二电源之间的零分配。

6.根据权利要求5所述的运行方法，其中，零分配包括连接以提供来自所述第一电源和第二电源中仅一者的电力。

7.根据权利要求1所述的运行方法，其中，基于所确定的分配来连接以提供电力包括：连接以提供来自所述第一电源的第一电力值的电力和来自所述第二电源的第二电力值的电力，其中，所述第一电力值和所述第二电力值基于所确定的分配。

8.根据权利要求1所述的运行方法，其中，连续地执行下述中的各项：检测一个或更多个特性电力特征，对检测到的特性电力特征进行比较，以及确定所述第一电源和第二电源之间的电力分配。

9.根据权利要求8所述的运行方法，其中，连接以提供电力包括：基于连续地确定的所述第一电源和第二电源之间的电力分配来重新连接以提供电力。

10.根据权利要求9所述的运行方法，其中，基于连续地确定的所述第一电源和第二电源之间的电力分配来重新连接以提供电力包括下述中的至少一项：调整所述若干个电源中的至少一个电源的开关，调整DC链路电压，以及调整与所述负载通信的逆变器的输出。

11.根据权利要求10所述的运行方法，其中，重新连接包括快速地执行下述中的至少一项以阻止达相当长时间段的电力缺失：调整所述若干个电源中的至少一个电源的开关，调整DC链路电压，以及调整与所述负载通信的逆变器的输出。

12.根据权利要求11所述的运行方法，其中，达相当长时间段的电力缺失包括超过预确定的阈值的导致所连接的机器执行关机、重启或经历电力故障的电力缺失。

13.根据权利要求1所述的运行方法，其中，连接以提供电力包括调整DC链路电压以匹配负载电压要求。

14.根据权利要求1所述的运行方法，其中，连接以提供电力包括使电力反向以馈送所述第一电源和第二电源中的一者。

15.根据权利要求1所述的运行方法，其中，连接以提供电力包括使来自所述第一电源和第二电源中至少一者的电力增强。

16.根据权利要求15所述的运行方法，其中，增强电力包括下述中的至少一项：对来自所述第一电源和第二电源中至少一者的电力的幅度和频率中的一个或更多个进行调整。

17.根据权利要求15所述的运行方法，其中，增强电力包括从AC转换成DC。

18.根据权利要求15所述的运行方法，其中，增强电力包括使来自所述第一电源和第二电源中至少一者的电力稳定。

19.根据权利要求15所述的运行方法，其中，用于输出到所述负载的电力是AC电力。

20.一种用于管理从若干个电源到负载的电力输出的微电网控制系统，所述微电网控制系统包括：

控制设备，所述控制设备被配置为：感测所述若干个电源的特性电力特征；比较所述若干个电源的特性电力特征；基于感测到的特性电力特征来确定所述若干个电源之间的用于通信至所述负载的电力的分配；以及基于所确定的分配来提供指令以选择性地提供用于输出到负载的电力；以及

DC链路总线，所述DC链路总线被配置为：基于来自所述控制设备的指令，来选择性地连接所述若干个电源中的一个或更多个电源，以便输出以向所述负载提供电力。

21.根据权利要求20的所述的微电网控制系统，其中，所述若干个电源包括至少两个电源，所述至少两个电源中的至少一个电源包括可再生电源。

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