CN115298921A - 用于同步电网构建式逆变器的启动的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于同步分布式资源孤岛系统(DRIS)中的分散式电力调节器启动的方法和设备。在一个实施方式中，该方法包括：通过DRIS中的电力调节器确定DRIS的线电压何时塌降至零；当线电压塌降至零时，通过电力调节器开启黑启动定时器，其中在多个黑启动定时器对应于DRIS的多个电力调节器时将黑启动定时器设置成相同时间量；以及在黑启动定时器的终止之后，通过电力调节器起动黑启动。

Description

用于同步电网构建式逆变器的启动的方法和设备

技术领域

本公开的实施方式总体上涉及分布式电力生成系统，以及更具体地，涉及分布式电力生成系统的黑启动。

背景技术

在电力系统(EPS)中，黑启动(black start)是在没有连接至电力网的纯离网系统突发或启动以后恢复电力的过程。在多个电网构建式逆变器连接至大负载以及接通电源的情况中，多个电网构建式逆变器需要开启来同时产生电流。如果多个电网构建式逆变器没有被很好地同步，则逆变器将电压不足，因为逆变器不能独自供应足够的电流以支持负载和建立电压波形。逆变器还需要产生具有相同极性的电流，对于具有非极化连接器的逆变器，逆变器有可能利用相反的极物理连接以及抵消彼此的启动电流。

因此，现有技术中需要一种用于黑启动的方法和设备，其致力于对于多个电力调节器的定时和电流方向的同步。

发明内容

本发明的实施方式总体上涉及用于同步分布式资源孤岛系统(DRIS)中的电网构建式逆变器的分散式启动的方法和设备，该方法和设备基本上如相关于附图中的至少一幅示出和/或描述的，在权利要求中更完全地阐明。

通过随附图一起浏览本公开的随后的详细描述，可以了解本公开的这些和其他特征和优点，整个附图中相同的参考数字表示相同的部件。

附图说明

为了可详细地理解本发明的上述特征的方式，上面简单概述的本发明的更具体的描述可以参考实施方式得到，附图中图示了一些实施方式。然而，要注意，附图仅图示本发明的典型实施方式以及因此不被认为限制本发明的范围，因本发明可以承认其他等同的有效实施方式。

图1为使用本发明的一个或多个实施方式的用于电力转换的系统的框图；

图2为根据本发明的一个或多个实施方式的电力调节器控制器的框图；和

图3为根据本发明的一个或多个实施方式的用于同步分布式资源孤岛系统(DRIS)中的电网构建式逆变器的分散式启动的方法的流程图。

具体实施方式

本发明的实施方式总体上涉及用于分散式黑启动技术的方法和设备，该方法和设备致力于对于分布式资源孤岛系统(DRIS)中的电力调节器的定时和电流方向的同步。本文中描述的技术能够实现电网构建式电力调节器黑启动至负载量，达到其在没有负载继电器的系统中的最大级别负载。此外，本文中描述的技术能够实现电力调节器在没有附加继电器的情况中以及以分散式的方式——即，没有来自网关或中央装置的协调以及没有逆变器之间的附加通信信道——黑启动至负载量。

在一个或多个电力调节器试图黑启动但是不能支持负载的多种实施方式中，黑启动失败并且电压塌降至零。一旦观察到零线电压，全部连接的电力调节器即开启定时器，并且当定时器终止时全部连接的电力调节器试图重新开启电力转换。因为全部电力调节器同时观察到电压塌降事件，所以在全部电力调节器的定时器被设置成相同量的情况中，定时器将同时终止以提供同步的重新开启。

在需要确定合适的电流极性的那些实施方式中，例如，对于具有非极化连接器、而非在起初准确同步开启的电力调节器，每个电力调节器使用基于极性置信度评分的延时算法。待生成的电流极性中具有强置信度的那些电力调节器可能首先开启，具有较弱置信度的那些电力调节器可能随后开启。这为随后开启的电力调节器提供观察来自剩余电力调节器的电压的机会，整体效果为起初启动的电力调节器稍微地散布使得它们可看见彼此的斜坡。在几次尝试之后，全部电力调节器将已经注意到电压需要以哪种方式进行并且延时接着降级至零，允许电力调节器从那时起准确地同步开启。

图1为使用本发明的一个或多个实施方式的用于电力转换的系统100的框图。这个图仅绘制了可以利用本发明的各种各样可能的系统配置和装置中的一个变型。

系统100还可以被称为微电网或分布式资源孤岛系统(DRIS)，是分布式电力生成系统，其包括：共同称为电力调节器102的多个电力调节器102-1、…102-N、…、102-N+M；共同称为DC电源104的多个DC电源104-1、…、104-N；共同称为能量存储/传送装置112的多个能量存储/传送装置(例如，电池)112-1、…、112-M；系统控制器106；总线108；和负载中心110。DC电源104可以为任何适合的DC源，比如来自前面的电力转换级的输出、电池、可再生能源(例如，太阳能面板或光伏(PV)模块、风力涡轮机、水电系统、或相近的可再生能源)或其他，用于提供DC电力。在一些实施方式中，比如相对于图1描述的实施方式，DC源104为PV模块以及被称为“PV模块104”。尽管能量存储/传送装置112可以为任何适合的可存储能量和传送存储的能量以用于使用的装置(例如，电池、水电站、或其他)，但是在本文中相对于图1描述的实施方式中能量存储/传送装置112是电池，在本文中被称为“电池112”。

电力调节器102是双向电网构建式DC-AC逆变器，但是在其他实施方式中，电力调节器102可以是其他类别的电力转换器(例如，AC-AC矩阵转换器)。除了电力转换部件之外，电力调节器102包括现有技术中已知的有助于电力转换和/或本文中描述的技术的部件(图1中未示出)，比如用于监控DC电流/电压的电流监控器和电压监控器、用于与其他电力调节器和/或系统控制器106通信(例如，经由比如电力线通信(PLC)的有线技术、和/或无线技术)的收发器、及其他。

每个电力调节器102-1、...、102-N分别以一一对应的方式联接至PV模块104-1、...、104-N，但是在一些其他实施方式中，多PV模块104可以连接至电力调节器102中的一个或多个。每个电力调节器102-(N+1)、...、102(N+M)分别以一一对应的方式联接至电池112-1、...、112-(M)，但是在其他实施方式中，单个电池可以联接至多电力调节器，其中每个成对的电力调节器102和电池112形成“AC电池”130(例如，电池112-1和电力调节器102-(N+1)形成AC电池130-1，以及电池112-M和电力调节器102-(N+M)形成AC电池130-M)。电力调节器102经由总线108联接至系统控制器106；总线108进一步经由负载中心110联接至一个或多个负载和电力网160(例如，商用电网、一个或多个其他微电网、或其他)。

系统控制器106包括控制器118以及可以通过无线和/或有线通信(例如，用于提供电力调节器102的操作控制和/或监控(例如，将命令通信给送至电力调节器102、从电力调节器102获得数据(例如，关于电力调节器102的性能))的电力线通信(PLC)、及其他)与电力调节器102通信。此外，电力调节器102可以通过无线和/或有线通信(例如，PLC)彼此通信。在一些实施方式中，系统控制器106可以为用于经由通信网络(例如经由因特网)从另外的装置(比如远程主控制器，未图示)接收信息和/或向该另外的装置发送信息的网关。在这样的实施方式中，系统控制器106可以将关于电力调节器102的信息(例如，性能数据)通信给送至远程主控制器，和/或将从远程主控制器接收的数据(例如，控制命令)通信给送至电力调节器102中的一个或多个。

系统100进一步包括微电网互连装置(MID)140，其还可以被称为孤岛互连装置(IID)，用于确定何时从电力网160断开连接/连接至电力网160，以及用于执行断开连接/连接。例如，MID 140可以检测电网波动、扰动或突发，以及因此将系统100从电力网160断开连接。一旦从电力网160断开连接，系统100就可作为特意孤岛(intentional island)继续生成电力，不会对可能正在电力网160上工作的任何线路工作人员施加安全风险。MID 140包括用于将系统100物理地从电网或较大微电网断开连接/连接至电网或较大微电网的断连部件(例如，接触器或其他)。在一些实施方式中，MID 140可以附加地包括自动构建器，用于利用一些中性电流将平衡电力系统100联接至分相负载，该分相负载在其中可以具有不平衡。在其他实施方式中，在系统仅作为孤岛操作时，可以不存在MID 140。

在一些替换实施方式中，系统控制器106包括MID 140或MID 140的一部分。例如，系统控制器106可以包括孤岛化模块，用于监控电力网160、检测电网失效和扰动、确定何时从电力网160断开连接/连接至电力网160、以及据此驱动断连部件，其中断连部件可以为系统控制器106的部分，或者替换地，与系统控制器106分开。在其他实施方式中，比如图1中描绘的实施方式，MID 140与系统控制器106分开，并且包括断连部件以及CPU和孤岛化模块，用于监控电力网160、检测电网失效和扰动、确定何时从电力网160断开连接/连接至电力网160、以及据此驱动断连部件。在一些实施方式中，MID 140可以与系统控制器106协调，例如，使用电力线通信和/或无线通信。因此，系统100从电力网160断开连接/连接至电力网160为由MID 140驱动的受控过程。

电力调节器102-1、...、102-N经由总线108将来自PV模块104的DC电力转换成AC输出电力以及将生成的输出电力耦联至负载中心110。负载中心110进一步联接至电力网160(例如，商用电力网、较大微电网等)以及联接至一个或多个负载(例如，电气应用)。电力调节器102-(N+1)、...、102-(N+M)是双向转换器，其可将来自AC总线108的AC转换成DC以及将由此获得的能量存储在对应的电池112-1、...、112-M中，以及可将来自对应的电池112-1、...、112-M的DC转换成AC，该AC接着被耦联至AC总线108。如此，系统100可在白天时间期间经由PV模块104生成AC输出电力，将生成的能量的至少一部分存储在电池112中，并且在夜晚时间期间使用存储在电池112中的能量继续生成AC输出。在连接至电力网160时，电力调节器102可以以“电力模式”操作，其中电网电压被用作用于将来自电力调节器102的输出同步的参考电压。

根据本发明的一个或多个实施方式，电力调节器102-1、...、102-(N+M)中的每一个包括具有用于提供分散式黑启动的黑启动模块114-1、...、114-(N+M)的对应的控制器116-1、...、116-(N+M)，该对应的控制器116-1、...、116-(N+M)用于在系统100被孤岛化和去激励的情况中对电力调节器102的定时和电流方向的同步。系统100可以因多种原因被孤岛化(即，没有连接至电力网160)；例如，MID 140可以在电力网160上的电力失效之后将系统100从电力网160断开连接，用户可以手动地将系统100从电力网160断开连接以执行维护和/或增加部件，系统100可以已经被安装而尚未连接至电力网160，系统100可以被配置为不连接至电力网160(即，作为纯离网系统)，或其他。在一些实施方式中，系统100可以在由于其负载超过系统生成能力被孤岛化时被去激励。在其他实施方式中，系统100可以在由于从源104和112接收不足够输入而被孤岛化时被去激励；例如，在DC源104为PV模块的一个或多个实施方式中，在PV模块没有产生任何输出时以及如果电池112具有不足够的存储以符合负载要求，那么系统100可以在夜晚期间被孤岛化的同时成为去激励的。在其他实施方式中，系统100可以在被孤岛化的同时特意地被去激励以进行常规维护或扩展系统100。在黑启动之前，一个或多个负载(比如非关键负载)可以根据需要从系统100断开连接。

在系统100被孤岛化时，具有足够DC输入的那些电力调节器102开始起动黑启动以在柔性电网水平或标称电压处从去激励(de-energized)过渡至活跃电网(active grid)。在负载足够大要求多电力调节器102同时激活时，电力调节器102将被同步以同时激活，如本文中描述的那样。

在电力调节器102中的一个或更多个试图激活(例如，在输入电压超过阈值时)但是单独地或小数量地不能供应足够的电流以支持负载和建立电压波形的情况中，电力调节器的激活将失败，线电压塌降至零。一旦观察到线电压塌降(即，零电压)，全部连接的电力调节器102就开启定时器。当对应的定时器终止时，每个电力调节器102开始激活；当定时器被全部设置成相同值时，全部电力调节器102被同步以同时激活。

在需要确定合适的电流极性的那些实施方式中，例如，对于具有非极化连接器、而非在起初准确同步开启的电力调节器，每个电力调节器102将随机化时间延时添加至其启动中以便确定电流极性。随机化时间延时是基于指示生成特定方向电流的置信度水平的置信度评分。在产生电流之前，这种额外的延时为电力调节器102提供足够的时间以观察彼此的极性。延时可以例如达到AC主线周期的一半，但是可以使用其他水平的延时。

在一个或多个实施方式中，每个电力调节器102维持在范围-100至100内的置信度评分，其中置信度评分为100意味着电力调节器102应确定地以正电流开启，置信度评分为-100意味着电力调节器102应确定地以负电流开启；如果置信度评分在某个位置接近零，则电力调节器102将随机选择方向。在替换实施方式中，可以使用其他值以建立置信度评分范围。

基于斜坡上升(ramp-up)期间观察到的事件上调或下调置信度评分。例如，从另一个电力调节器102观察到正电压将评分向上推动，而从另一个电力调节器102观察到负电压将评分向下推动；成功完成的斜坡上升增加电流生成在正确方向上的置信度，而失败的斜坡上升减小置信度。

每个电力调节器102计算其随机化时间延时，其中延时范围与置信度评分成反比例。已经决定方向的那些电力调节器102可能首先开启，而不确定的那些电力调节器102可能随后开启，从而为那些不确定的电力调节器102提供观察来自剩余电力调节器102的电压的机会。一旦电力调节器102达到其最大置信度水平，附加延时范围就减小至零使得进一步的黑启动试图被准确同步。电力调节器102因此在哪个方向中被“训练”以黑启动。

图2为根据本发明的一个或多个实施方式的电力调节器控制器116的框图。控制器116包括支持电路204和存储器(或非瞬态计算机可读存储介质)206，支持电路204和存储器206各自联接至中央处理单元(CPU)202。CPU 202可以包括一个或多个常规可得的微处理器或微控制器；替换地，CPU 202可以包括一个或多个专用集成电路(ASIC)。支持电路204为用于促进CPU 202的功能的已知电路。这样的电路包括但不限于高速缓存、电源、时钟电路、总线、输入/输出(I/O)电路、及其他。控制器116可以使用通用用途计算机实施，通用用途计算机在运行特定软件和/或固件时，变成专用用途计算机用于执行本发明的多种实施方式。在其他实施方式中，CPU 202可以为包括用于储存控制器固件的内部存储器的微控制器，控制器固件在被运行时提供本文中描述的控制器功能。

存储器206可以包括随机存取存储器、只读存储器、可移除盘式存储器、闪存、和这些和/或其他类别存储器的多种组合。存储器206有时候被称为主存储器以及可以部分用作高速缓存存储器或缓冲存储器。如果需要，存储器206通常存储控制器116的操作系统(OS)208，操作系统208可由CPU能力支持。在一些实施方式中，OS208可以为多个可商购操作系统中的一种，比如但不限于，LINUX、实时操作系统(RTOS)、及其他。

存储器206储存多种形式的应用软件和/或固件，比如用于控制电力调节器102的操作(例如，DC-AC转换、AC-DC转换、通信、及其他)的电力调节器控制模块210和用于在被运行时控制如本文中描述的电力调节器黑启动功能的黑启动模块114。下面相对于图3描述关于由黑启动模块114提供的功能的进一步细节。

存储器206可以附加地储存用于储存与电力调节器102的操作和/或本发明相关的数据的数据库212。

图3为根据本发明的一个或多个实施方式的用于同步分布式资源孤岛系统(DRIS)中的电网构建式逆变器的分散式启动的方法300的框图。可以被称为电力调节器的电网构建式逆变器为比如上述系统100中的DRIS的部分，并在方法300开始时被去激励。DRIS中的每个电力调节器实施用于分散式黑启动的方法300，该方法用于对于电力调节器的定时和电流方向的同步。

在多种实施方式中，方法300为上述黑启动模块114的实施。在一些实施方式中，计算机可读介质包括在由处理器(比如上述的处理器)运行时执行方法300的程序。

方法300在步骤302开始，并进行至步骤304。在步骤304，确定是否电力调节器接收了足够的DC输入以在柔性电网水平或标称电压处从去激励过渡至活跃电网。例如，电力调节器可以确定是否接收的DC满足阈值。如果确定的结果为否，则方法300返回至步骤304。如果确定的结果为是，则方法进行至起动黑启动的步骤306。

方法300进行至步骤308，在此确定是否黑启动成功。如果确定的结果为是，即黑启动成功，则方法300进行至步骤310，在此该方法结束。如果确定的结果为否，即黑启动不成功(即，线电压已经塌降至零)，则方法300进行至步骤312。

在步骤312，开启定时器并且方法进行至步骤314。在步骤314，确定是否定时器已经终止。如果确定的结果为否，则方法300返回至步骤314。如果确定的结果为是，则方法300进行至步骤316。

在步骤316，起动延时以便确定需要的电流极性。延时为基于如上面相对于图1描述的置信度评分的随机化时间延时。在产生电流之前，这个额外的延时提供足够的时间用于观察来自DRIS中的其他电力调节器的极性。延时可以例如达到AC主线周期的一半，但是可以使用其他水平的延时。

方法300进行至步骤318，在此确定是否延时已经完成。如果确定的结果为否，则方法300返回至步骤318；如果确定的结果为是，则方法300返回至步骤306以重新尝图黑启动。在一个或多个实施方式中，不需要确定电流极性(例如，在DRIS电力调节器具有极化连接器的情况中)以及方法300直接从步骤314进行至步骤306以重新尝图黑启动。

尽管前述指向本发明的实施方式，但是在不背离本发明的基础范围的情况中可以构想本发明的其他和进一步的实施方式，以及本发明的范围由随后的权利要求确定。

Claims (15)

1.一种用于同步分布式资源孤岛系统(DRIS)中的分散式电力调节器启动的方法，包括：

通过DRIS中的电力调节器确定所述DRIS的线电压何时塌降至零；

当所述线电压塌降至零时，通过所述电力调节器开启黑启动定时器，其中将所述黑启动定时器设置成相同时间量作为对应于所述DRIS的多个电力调节器的多个黑启动定时器；和

在所述黑启动定时器终止之后，通过所述电力调节器起动黑启动。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

在所述定时器终止之后并且在起动所述黑启动之前，起动时间延时。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述时间延时为随机化时间延时。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述随机化时间延时是基于指示生成特定极性的电流的置信度水平的置信度评分。

5.根据权利要求4所述的方法，其中在斜坡上升期间，基于观察的至少一个事件，通过所述电力调节器调整所述置信度评分。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述至少一个事件包括以下中的至少一个：来自所述DRIS的至少一个其他电力调节器的电压、不成功的斜坡上升试图、或成功完成的斜坡上升。

7.根据权利要求4所述的方法，其中用于所述随机化时间延时的延时范围与所述置信度评分成反比例。

8.一种非瞬态计算机可读介质，所述非瞬态计算机可读介质上储存有在被运行时使得用于同步DRIS中的分散式电力调节器起动的方法被执行的指令，所述方法为前述权利要求中任一项所述的方法。

9.一种用于同步分布式资源孤岛系统(DRIS)中的分散式电力调节器启动的设备，包括:

用于DRIS中的电力调节器的控制器，其中所述控制器包括至少一个处理器，以及：

确定所述DRIS的线电压何时塌降至零；

当所述线电压塌降至零时开启黑启动定时器，其中将所述黑启动定时器设置成相同时间量作为对应于所述DRIS的多个电力调节器的多个黑启动定时器；和

在所述黑启动定时器终止之后，起动黑启动。

10.根据权利要求9所述的设备，其中在所述定时器终止之后并且在起动所述黑启动之前，所述控制器进一步起动时间延时。

11.根据权利要求10所述的设备，其中所述时间延时为随机化时间延时。

12.根据权利要求11所述的设备，其中所述随机化时间延时是基于指示生成特定极性的电流的置信度水平的置信度评分。

13.根据权利要求12所述的设备，其中在斜坡上升期间，基于观察的至少一个事件，通过所述电力调节器调整所述置信度评分。

14.根据权利要求13所述的设备，其中所述至少一个事件包括以下中的至少一个：来自所述DRIS中的至少一个其他电力调节器的电压、不成功的斜坡上升试图、或成功完成的斜坡上升。

15.根据权利要求12所述的设备，其中用于所述随机化时间延时的延时范围与所述置信度评分成反比例。

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