基于微電網的不間斷電源裝置及其調度控制方法

專利名稱：基于微電網的不間斷電源裝置及其調度控制方法
技術領域：
本發明涉及分布式能源發電領域，特別涉及一種基于微電網的不間斷電源裝置及 其調度控制方法。
背景技術：
分布式能源發電裝置是分散的小功率電源，可由化石能源或可再生能源發電，目 前主要利用可再生能源發電，例如風力、光伏、水力等資源。將分布式電源、負荷、儲能裝置 及控制單元等集成為一個可控的單元，使之既可以與大電網并網運行，也可在電網故障或 任何需要時與主網斷開單獨運行，則稱該可控單元為微電網，亦稱微型電網或微網。完善的 微型電網需要設計靈活的控制策略，可以單獨運行，也可并網運行，并且并網運行時與電網 的功率交換可控，并服從電網調度。現有技術中的分布式電源的應用方式分為三種大功率并網、小功率并網和獨立 運行。我國大功率的分布式電源發展迅速，如風力發電、光伏發電和水力發電、垃圾發電等。 大功率分布式電源以可再生能源電源為主，功率較大，運行投資費用很高，一般以最大功率 輸出方式并網運行，給電網調度帶來一定難度。一些小功率并網運行分布式電源，其運行不受電網調度控制，給配電網運行方式、 保護配置、電量計量等帶來很多不便，所以不為供電部門支持，應用也受到限制。獨立運行或戶用的分布式能源發電裝置一般功率較小。以風光水等可再生能源 發電為例，電能利用方式采用單獨的風電控制器、光伏控制器、微水發電控制器或風光互補 控制器。這類裝置配置儲能系統，一般采用蓄電池儲能，單機運行，常用于電網沒有到達或 者可再生能源非常豐富的區域。在電網供電區域，雖然有儲能裝置，但是由于能源的不確定 性，無法保證供電的可靠性和持續性，只能用于特定負載，應用也受到限制。不間斷電源設備(Uninterruptible Power Supply, UPS)是隨著計算機的發展而 發展起來的一種電源系統，目前已應用到醫療、通信、網絡中心等多個領域，而且越來越多 的尖端設備依賴于UPS的保護。UPS的基本功能是當市電電源發生故障時，不間斷地為用戶 設備提供符合規定的交流電源。當市電電源停電時，UPS轉換為由蓄電池供電的工作方式， 在規定時間內向用戶設備供電。當市電正常時，UPS采用電力電子技術，將市電電源進行適 當的變換和調節，從而抑制市電電源的各種干擾，為負載提供高質量的交流電源。根據國際 標準IEC62040-3和國標GB7260，單機UPS可分為雙變換UPS(doubleconversion UPS)、冷備 用 UPS (passive standby UPS)和市電交互 UPS (line interactive UPS)三種類型。UPS 由 整流、儲能、逆變和切換開關等幾部分組成。市電通過整流后變為直流電為儲能部分供電； 市電異常時，通過逆變將儲能部分的電能轉換為交流電向負荷供電；根據UPS的工作類型， 負荷供電在逆變輸出和市電之間通過切換開關切換。小功率分布式電源采用電力電子技術，一般包括整流、儲能、逆變和開關切換等部 分，與UPS結構類似。如果將分布式電源、微電網和UPS三種技術結合起來，在微電網的統 一調度下，將分布式電源所發電能，按照UPS的工作方式向負荷供電，必將提高小功率分布
5式電源的可用性，也不會影響電網調度。現有技術提出了一種由光伏電源、儲能、逆變、切換開關及控制回路組成的供電系 統，其特點是僅利用光伏電源向儲能系統供電或通過逆變向負載供電或通過逆變并入配電 網發電，沒有涉及分布電源調度問題。

發明內容
(一)要解決的技術問題本發明要解決的技術問題是提高分布式電源的可用性，增強用戶供電可靠性，節 約能耗。
發明內容
本發明提供了一種基于微電網的不間斷電源裝置，包括至少一組儲能組件，與直流母線和調度控制母線相連接；分布電源組件，與所述直流母線和調度控制母線相連接，用于將能源轉化為電能， 將所述電能轉化為電壓、電流和功率可控的直流電并輸出至直流母線；至少一個逆變模塊，與所述直流母線、交流母線以及調度控制母線相連接，用于將 所述直流母線的直流電逆變為交流電并輸出至交流母線，逆變模塊將直流母線承載的直流 電逆變輸出為交流電；交直流負荷模塊，包括若干與所述直流母線連接的直流負荷單元和/或與交流母 線連接的交流負荷單元；調度控制模塊，與所述調度控制母線相連接，用于接收所述儲能組件、分布電源組 件和逆變模塊發送的工作狀態報告，對所述儲能組件、分布電源組件和逆變模塊的工作狀 態進行控制；其中，所述儲能組件包括相連接的儲能載體和儲能功率單元，所述儲能載體包括鉛酸蓄電池、鋰電池或飛 輪儲能；所述儲能功率單元用于對儲能載體進行充放電管理，與直流母線和調度控制母線 相連接。所述分布電源組件包括分布式電源單元，用于將能源轉換為電能；電源功率單元，其連接于所述分布式電源單元，用于將轉換的所述電能轉化為電 壓、電流和功率可控的直流電，并將所述電壓、電流和功率可控的直流電輸出至直流母線。所述交直流負荷模塊還包括連接所述交流負荷單元的交流負荷控制單元，連接所 述直流負荷單元的直流負荷控制單元，交流母線和市電母線。還包括市電充電模塊，與所述直流母線和市電母線相連接，用于當所述分布式電 源組件供電不足且所述儲能組件的荷電不足時，將市電轉化為電壓、電流和功率可控的直 流電。還包括同步信號發生器，與市電母線相連接所述市電充電模塊包括功率單元，用于將市電進行降壓處理并輸出電壓功率可控的直流電。所述調度控制模塊包括
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與所述調度控制母線相連接的調度控制器和備用控制器。為此，本發明還提供了一種不間斷電源裝置的調度控制方法，包括儲能組件、分布電源組件、市電充電模塊、逆變模塊以及調度控制模塊上電初始 化，進入待機狀態；所述調度控制模塊通過通信方式巡檢儲能組件、分布電源組件、市電充電模塊和 逆變模塊的工作狀態，收到開機指令后，若所述工作狀態滿足逆變條件至少一個分布電源 組件或市電充電模塊正常、至少一個儲能組件正常且至少一個逆變模塊正常，則所述調度 控制模塊控制分布電源組件、儲能組件和逆變模塊進入逆變運行狀態；若所述工作狀態滿 足儲能條件至少一個分布電源組件或市電充電模塊正常、至少一個儲能組件正常且所有 逆變模塊不正常，則所述調度控制模塊控制分布電源組件、儲能組件進入儲能運行狀態，同 時將所述逆變模塊停止運行。所述控制分布電源組件、儲能組件和逆變模塊進入逆變運行狀態包括控制啟動 就緒分布電源組件，就緒儲能組件，啟動逆變模塊，將所述逆變模塊的切換開關合至交流母 線。控制分布電源組件、儲能組件和逆變模塊進入儲能運行狀態包括啟動就緒分布 電源組件，就緒儲能組件，將所述逆變模塊停止運行，將交流負荷單元的切換開關切至市 電，進入儲能運行狀態。所述進入逆變運行狀態之后還包括所述調度控制模塊通過通信方式巡檢儲能組 件、分布電源組件、市電充電模塊和逆變模塊的工作狀態；若所述工作狀態仍滿足逆變條 件，則判斷直流母線電壓是否越限，是則依照既定優先級調度策略調節所述分布電源組件 的發電功率；若所述工作狀態不滿足逆變條件但滿足儲能運行條件，則停機運行的逆變模 塊，將交流負荷單元的切換開關切至市電。若所述直流母線電壓越限，則還包括依既定優先級調度策略調節所述儲能組件 的充電功率，根據所述既定優先級調度策略調度交直流負荷模塊，根據所述既定優先級調 度策略調度逆變模塊的輸出功率。所述進入儲能運行狀態之后還包括所述調度控制模塊通過通信方式巡檢并記錄 所述儲能組件、分布電源組件、市電充電模塊和逆變模塊的工作狀態；若所述工作狀態滿足 逆變條件，則依照既定優先級調度策略調節分布電源組件的發電功率，依照既定調度策略 調節儲能組件的充電功率，根據優先級調度交直流負荷模塊，根據優先級調度逆變模塊的 輸出功率，啟動逆變模塊，將逆變模塊的切換開關合至交流母線，進入逆變運行狀態；若所 述工作狀態不滿足逆變條件，則判斷直流母線電壓是否越限，是則依既定優先級調度策略 調節分布電源組件的發電功率，依既定優先級調度策略調節儲能組件的充電功率；若收到 停機指令，則停機運行的分布電源組件和儲能組件，進入待機狀態；若所述工作狀態異常， 則停機運行的分布電源組件和儲能組件，進入故障狀態。還包括若所述工作狀態滿足分布電源組件或市電充電組件、儲能組件以及逆 變模塊都不正常，則所述調度控制模塊控制分布電源組件、儲能組件和逆變模塊進入故障 狀態。所述進入故障狀態之后還包括所述調度控制模塊通過通信方式巡檢儲能組件、 分布電源組件、市電充電模塊和逆變模塊的工作狀態；若收到停機指令，則進入待機狀態；
7若所述工作狀態滿足逆變條件，則啟動就緒分布電源組件，啟動就緒儲能組件，啟動就緒逆 變模塊，將逆變模塊的切換開關合至交流母線，進入逆變運行狀態；若滿足儲能運行條件， 則啟動就緒分布電源組件，啟動就緒儲能組件，進入儲能運行狀態。(三)有益效果本發明提供的不間斷電源裝置及其調度控制方法將分布式電源、微電網和不間斷 電源三種裝置整合在一起，通過微電網調度分布式電源，能夠提高分布式電源可用性，增加 用戶供電可靠性并節能。


圖1是本發明實施例的基于微電網的不間斷電源裝置結構示意圖；圖2是本發明實施例的儲能組件結構示意圖；圖3是圖2中的蓄電池結構示意圖；圖4是本發明實施例的定功率調節模式示意圖；圖5是本發明實施例的定電壓調節模式示意圖；圖6是本發明實施例的定電流調節模式示意圖；圖7是本發明實施例的風能分布電源組件結構示意圖；圖8是本發明實施例的市電充電模塊結構示意圖；圖9是本發明實施例的全控橋式逆變和變壓器升壓結構的逆變模塊結構示意圖；圖10是本發明實施例的調度控制模塊結構示意圖；圖11是本發明實施例的不間斷電源裝置的調度控制方法的狀態轉移圖；圖12是本發明實施例的不間斷電源裝置的調度控制方法的逆變運行狀態轉移 圖；圖13是本發明實施例的不間斷電源裝置的調度控制方法的儲能運行狀態轉移 圖；圖14是本發明實施例的不間斷電源裝置的調度控制方法的故障狀態轉移圖。圖中，1 儲能組件；11 儲能載體；12 儲能功率單元；2 分布電源組件；21 分布 式電源單元；22 電源功率單元；3 逆變模塊；4 交直流負荷模塊；41 交流負荷單元；42 交流負荷控制單元；43 直流負荷單元；44 直流負荷控制單元；5 調度控制模塊；51 調度 控制器；52 備用控制器；6 市電充電模塊。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施 例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。如圖1所示，為本發明實施例的基于微電網的不間斷電源裝置結構示意圖，本實 施例包括儲能組件1、分布電源組件2、逆變模塊3，交直流負荷模塊4和調度控制模塊5。其中儲能組件1與直流母線和調度控制母線相連接，用于儲能載體數據監測，儲 存電能并對該電能進行充放電管理；分布電源組件2與直流母線和調度控制母線相連接， 用于將能源轉化為電能，將該電能轉化為電壓、電流和功率可控的直流電并輸出至直流母 線；逆變模塊3與直流母線、交流母線以及調度控制母線相連接，用于將直流母線的直流電
8逆變為交流電并輸出至交流母線；交直流負荷模塊包括交流母線，直流母線，調度控制母 線、交流負荷控制母線、直流負荷控制母線，與交流母線和交流負荷控制母線相連接的交流 負荷單元41，與交流負荷控制母線和調度控制母線相連接的交流負荷控制單元42，與直流 母線和直流負荷控制母線相連接的直流負荷單元43，與直流負荷控制母線和調度控制母線 相連接的直流負荷控制單元44;調度控制模塊5用于通過調度控制母線接收儲能組件1、分 布電源組件2和逆變模塊3發送的工作狀態報告，對儲能組件1、分布電源組件2和逆變模 塊3的開機、停機等工作狀態進行控制。本實施例還可以包括市電充電模塊6，用于當分布電源組件2供電不足且儲能組 件1的荷電不足時，向儲能組件1提供電能。根據本實施例基于微電網的不間斷電源裝置的容量要求和單臺儲能組件的設計 容量的不同，可以設置一臺或多臺儲能組件。再如圖1所示，儲能組件1包括儲能載體11和 儲能功率單元12。其中儲能載體11可以選擇合適的儲能介質，如鉛酸蓄電池、鋰電池和飛 輪儲能等，用于存儲電能。本實施例的儲能載體11為蓄電池。儲能功率單元12需要按照本 發明不間斷電源裝置的性能要求、直流母線電壓幅值和儲能載體的類別來設計功率回路拓 撲結構和充放電控制策略，對儲能載體11進行充放電管理。如圖2所示，為本發明實施例 的儲能組件結構示意圖，本實施例以安裝一臺儲能組件為例，包括控制單元121、電容(C)、 電感(L)、二極管⑶、開關器件⑴以及蓄電池⑶；其中蓄電池⑶作為儲能載體，控制單 元121、電容(C)、電感(L)、二極管(D)以及開關器件(T)組成儲能功率單元；控制單元121 與調度控制模塊5相連接，用于與調度控制模塊5進行通信，接收調度控制模塊5的控制指 令，根據控制指令執行開機或停機，還可以上傳儲能組件的工作狀態至調度控制模塊5。本 實施例的儲能組件有定電壓和定電流兩種工作模式，以滿足儲能載體工作特性需要。當有 多個儲能組件時，可根據儲能載體的性質，設計各路儲能組件的優先級調度策略，盡量使充 放電快、儲能容量大的組件優先充放電。本實施例的儲能組件采用降壓電路，設計直流母線電壓額定值與蓄電池⑶的額 定電壓相等，當直流母線電壓高于蓄電池⑶的電壓時，可以對蓄電池⑶進行充電；當直 流母線電壓低于蓄電池⑶的電壓時，蓄電池⑶工作于放電狀態。控制單元121檢測蓄 電池⑶的電壓電流，并輸出控制信號G對開關器件⑴的電壓進行調制，將調制后的電壓 施加至蓄電池(B)，在開關器件(T)斷開時經二極管(D)續流，電感(L)儲能繼續向蓄電池 (B)充電，電容(C)維持電壓恒定；控制單元121根據蓄電池(B)的荷電狀態實現恒流、恒 壓等充電過程控制。本實施例的蓄電池(B)由單體蓄電池經過串并聯連接達到合適的端電壓和容量。 如圖3所示，為圖2中的蓄電池結構示意圖，單體蓄電池Bll、B12. .. Bln串聯后與蓄電池 B21、B22. . .B2n并聯，再與蓄電池Bml、Bm2. . . Bmn并聯，串并聯數量需要在蓄電池電壓幅 值、容量、直流母線電壓和微電源裝置容量之間進行均衡設計。再如圖1所示，分布電源組件2包括分布式電源單元21及電源功率單元22。本實 施例的分布式電源單元21是指分散的小功率電源，通過發電設備將一次化石能源和可再 生能源轉化為電能，再經分布電源組件2得到功率和電壓可控的直流電源。以風能為例，利 用風力發電機將風力機接收到的風能轉化為電能。電源功率單元22將分布式電源發出的 電能轉化為輸出電壓、電流和功率可控的直流電，并送至直流母線。本實施例的分布電源組件有定功率、定電壓和定電流三種工作模式，一般設置為定功率模式，以滿足調度控制策略 的需要。根據分布式電源的功率、容量和運行成本，設計分布電源的優先級調度策略，在投 入電源或增加電源功率時，優先考慮發電功率大、容量大且運行成本低的電源，切除或減小 電源功率時正好相反。電源的優先級可以動態調整。如圖4所示，為本發明實施例的定功率調節模式示意圖；Pg為給定功率，對于分布 電源組件，相當于調度控制模塊期望該分布電源組件發出的功率，Pf為實際輸出功率反饋 值，可由分布電源組件輸出端測量得到的輸出電壓u和輸出電流i相乘得到，Pg和Pf經PI 調節器運算后得到給定電流Ig，給定電流Ig與分布電源組件輸出端測量的輸出電流If經 第二個PI調節器運算后得到占空比D，其中輸出電流If由測量瞬時值i經運算得到，PWM 控制模塊根據D調節開關器件的開關，使組件輸出功率達到給定功率要求。市電充電模塊 的定功率調節模式與分布電源組件相同。如圖5所示，為本發明實施例的定電壓調節模式示意圖，其中Ug為給定功率，對于 分布電源組件，相當于調度控制模塊期望該分布電源組件輸出的電壓，Uf為實際輸出電壓 反饋值，可由分布電源組件輸出端測量得到的的輸出電壓u得到，Uf和u經PI調節器運算 后得到給定電流Ig，給定電流Ig再與分布電源組件輸出端測量得到的輸出電流If經第二 個PI調節器運算后得到占空比D，其中If由測量瞬時值i經運算得到，PWM控制模塊根據 D調節開關器件的開關，使組件輸出電壓達到給定電壓要求。一般分布電源組件不工作于定 電壓調節模式。儲能組件經常工作于定電壓調節模式，以蓄電池為例，當蓄電池電壓高于恒 壓充電限值時應工作于定電壓調節模式，以維持蓄電池電壓在安全范圍內。由于常用負載 都是定電壓工作，所以逆變模塊一般采用定電壓調節模式。如圖6所示，為本發明實施例的定電流調節模式示意圖，以分布電源組件為例，給 定電流Ig和分布電源組件輸出端測量得到的輸出電流If經PI調節器運算后得到占空比 D，其中If由測量瞬時值i經運算得到，PWM控制模塊根據D調節開關器件的開關，使組件 輸出電流達到給定電流要求。分布電源組件一般不工作于定電流調節模式，逆變模塊也不 工作于定電流調節模式。儲能組件經常使用定電流調節模式，以蓄電池為例，當蓄電池電壓 低于恒壓充電限值時應工作于定電流調節模式，加速蓄電池充電過程。以小型風能電源組件為例，如圖7所示，為本發明實施例的風能分布電源組件結 構示意圖，本實施例的分布電源組件包括風力機(W)、風力發電機(G)、整流電路(BR)、開關 器件(T)、二極管(D)、電感(L)、電容(C)和控制單元221 ；其中開關器件(T)、二極管(D)、 電感(L)和電容(C)構成斬波電路；風力機(W)和風力發電機(G)組成分布式電源單元，整 流電路(BR)、開關器件(T)、二極管(D)、電感(L)、電容(C)和控制單元221組成電源功率 單元。在本實施例中設計風力電源電壓高于直流母線電壓，采用降壓電路將風力電源電 壓降壓后，再將降壓后的風力電源輸出至直流母線。風力機(W)將風能轉換為旋轉機械能 并將其施加至風力發電機(G)軸上，發出幅值、頻率變化的三相交流電，該三相交流電經整 流電路(BR)轉化為波動的直流電，再經由斬波電路處理，得到電壓、電流和功率可控的直 流電，經開關KP輸出至直流母線。控制單元221根據調度控制模塊5的調度控制目標，控 制本組件按給定的電壓、電流或功率輸出。由于分布式電源種類很多，所以電源功率單元的
10結構和容量也不相同。即便同一種分布式電源也會根據本發明不間斷電源裝置的需要安裝 一臺或多臺，并且容量也不盡相同。當分布電源組件供電不足且儲能組件的儲能載體荷電不足時，可由市電充電模塊 提供電能，以維持直流母線電壓的穩定，如圖8所示，為本發明實施例的市電充電模塊結構 示意圖；本實施例包括降壓變壓器(TR)、整流電路(BR)、開關器件(T)、二極管(D)、電感 (L)、電容(C)和控制單元61 ；其中降壓變壓器(TR)、整流電路(BR)、開關器件(T)、二極管 (D)、電感(L)、電容(C)和控制單元61組成市電充電功率單元。在本實施例中，市電經變壓器(TR)降壓后，將電壓降至稍高于直流母線電壓，然 后由降壓電路經開關KCO輸出至直流母線，控制單元61根據調度控制模塊的調度控制目 標，控制本組件按給定的電壓、電流或功率輸出。根據本發明的不間斷電源裝置容量變化的 需要，可以設置一臺或多臺市電充電模塊。本實施例的市電充電模塊有定功率、定電壓和定 電流三種工作模式，以滿足調度控制策略的需要。本實施例的逆變模塊用于將直流母線承載的直流電逆變輸出交流電，根據本發明 不間斷電源裝置容量需求和逆變單元設計容量，可以將多臺逆變模塊并聯工作。根據實際需要，有多種逆變電路選擇，圖9為本發明實施例的全控橋式逆變和變 壓器升壓結構的逆變模塊結構示意圖。本實施例的逆變模塊包括開關器件T1、T2、T3和Τ4 構成的全控橋式逆變單元、電感(L)和電容(C)、變壓器(TR)和控制單元31。其中全控橋式 逆變單元的直流側經開關KNI連接至直流母線，其輸出側經電感(L)和電容(C)構成的濾 波器，濾除高頻分量，再經變壓器(TR)升壓后，輸出穩定的交流電壓，再通過開關KNO輸出 至交流母線。當逆變模塊工作正常時，開關KNO閉合，否則開關KNO斷開。控制單元31根據 交流輸出電流i、交流輸出電壓U、直流電壓Ud等采樣信號，控制切換開關KNO、KNI和橋式 逆變電路的開關器件正常工作，并向調度控制模塊5上傳工作狀態數據。同步信號發生器 7產生與市電電壓同相位的方波信號，送至本實施例逆變控制單元，可使逆變模塊的輸出電 壓與市電同步，避免電源切換對負荷的沖擊。用于當多個逆變模塊同時工作時，維持所有逆 變模塊同步運行。本實施例的逆變模塊有定功率、定電壓和定電流三種工作模式，一般設置 為定電壓模式，以滿足交流負荷大多為定電壓工作的要求。當有多個逆變模塊時，可根據逆變模塊的工作時間，設計各路逆變模塊的優先級 調度策略，盡量使所有逆變模塊利用率相同，延長使用壽命。再如圖1所示，本實施例的交直流負荷模塊包括交流負荷單元41、交流負荷控制 單元42、直流負荷單元43、直流負荷控制單元44、交流母線、市電母線、直流母線以及調度 控制母線。在實際應用當中電源一般使用交流負荷，市電母線和交流母線經接觸器KLl至 KLr接至交流負荷單元。接觸器KL可由逆變模塊控制投切，當交流負荷較多、需要進行負 荷控制時可設置交流負荷控制單元，由交流負荷控制單元42控制接觸器KL投切。設存在 r個交流負荷單元41，每個交流負荷單元通過接觸器KL接至交流母線和市電母線，接觸器 KL由交流負荷控制器通過交流負荷控制母線傳送投切信號。根據電源功率與負荷功率平 衡原則，微網調度控制器通過交流負荷控制單元實施負荷控制。當微網功率不足時，接觸器 KL將負荷切換至市電母線，當微網功率充足時，接觸器KL將負荷切換至交流母線。若存在 直流負荷單元時，可將直流負荷單元直接接至直流母線，當直流負荷較多、需要進行負荷控制時可設置直流負荷控制單元，其工作原理與交流負荷相同。根據負荷的功率、容量和緊急 程度，設計各路負荷的優先級調度策略，盡量使重要負荷由本系統供電，并使本裝置供電利 用率最大。負荷的優先級可以動態調整。如圖10所示，為本發明實施例的調度控制模塊結構示意圖；本實施例的調度控制 模塊包括人機接口回路511、微處理器及外圍電路512和通信接口回路513。調度控制模塊 5的微處理器一般選擇高檔微控制器如ARM微處理器，并采用實時操作系統(RTOS)管理微 處理器及外圍電路512 ；人機接口回路511根據本發明的不間斷電源裝置復雜程度可選擇 簡單或復雜人機界面，簡單界面如發光二極管和幾個按鍵，復雜設計可采用觸摸屏。通信接 口回路513作為調度控制母線與微處理器之間的接口，根據實際通信介質和通信協議來設 計。調度控制模塊5是本發明不間斷電源裝置的核心部件。根據實際需要，可設置兩 臺調度控制模塊互為熱備用，分別稱為調度控制器51和備用控制器52。調度控制器51用 于接收儲能組件1、分布電源組件2、市電充電模塊6、交流負荷控制單元42、直流負荷控制 單元44和逆變模塊3發送的數據，并發送控制指令至儲能組件1、分布電源組件2、市電充 電模塊6、交流負荷控制單元42、直流負荷控制單元44和逆變模塊3等；當出現異常時發送 故障通知至備用控制器52開始工作；備用控制器52，正常運行時與調度控制器51同時接 收儲能組件1、分布電源組件2、市電充電模塊6、交流負荷控制單元42、直流負荷控制單元 41和逆變模塊3發送的數據，當調度控制器51異常時接管其控制工作。而且當正常工作 時，兩臺控制器都接收儲能組件1、分布電源組件2以及逆變模塊3等傳來的數據，但只有調 度控制器51能夠發出調度指令，對儲能組件1、分布電源組件2和逆變模塊3進行控制；當 調度控制器51出現異常不能正常工作時，停止發出控制調度指令，發出故障通知至備用控 制器52 ；備用控制器52接收到調度控制器51的故障通知后轉為調度控制器，執行調度控 制器的功能，這時故障調度控制器可拆下檢修，使得本發明的不間斷電源可以不受影響的 持續工作。調度控制模塊5與其它各個模塊之間的通信線路也是關鍵部件，出現故障將導致 整個不間斷裝置不能正常工作。根據需要，調度控制母線也可設置雙線互為熱備用。調度 控制通信介質可以采用光纖、雙絞線等，通信協議至少支持半雙工，也可運行全雙工、一主 多從和多主工作模式等。本發明提供的不間斷電源裝置將分布式電源、微電網和不間斷電源三種裝置整合 在一起，通過微電網調度分布式電源，能夠提高分布式電源可用性，增加用戶供電可靠性并 節能。本發明還提出了多個逆變單元的并聯接入交流母線方法。如圖11所示，為本發明實施例的不間斷電源裝置的調度控制方法的狀態轉移圖， 本實施例的調度控制方法包括以下步驟步驟10、儲能組件、分布電源組件、市電充電模塊、逆變模塊以及調度控制模塊上 電初始化，進入待機狀態；本實施例的調度控制方法由調度控制模塊控制運行，調度控制模塊通過與各組件 通信獲取各組件的運行數據，通過通信下發控制指令，維持不間斷電源裝置的正常運行。調 度控制模塊共存在四種工作狀態待機狀態、故障狀態、逆變運行狀態和儲能運行狀態。步驟20、調度控制模塊通過通信方式巡檢儲能組件、分布電源組件、市電充電模塊和逆變模塊的工作狀態；步驟30、若上述四個組件的工作狀態滿足逆變條件，則執行步驟31 ；本實施例的逆變條件是指至少一個分布電源組件或市電充電模塊正常，且至少一 個儲能組件正常，且至少一個逆變模塊正常。步驟40、若上述四個組件的工作狀態滿足儲能條件，則執行步驟41 ；本實施例的儲能運行條件是指至少一個分布電源組件或市電充電模塊正常，且至 少一個儲能組件正常，且逆變模塊都不正常。步驟50、若上述四個組件的工作狀態異常，則執行步驟51 ；步驟31、啟動就緒分布電源組件，就緒儲能組件，啟動逆變模塊，將逆變模塊的切 換開關合至交流母線，進入逆變運行狀態；步驟41、啟動就緒分布電源組件和就緒儲能組件，將逆變模塊停止運行，將交流負 荷單元的切換開關切至市電，進入儲能運行狀態；步驟51、將交流負荷單元的切換開關切至市電，進入故障狀態。如圖12所示，為本發明實施例的不間斷電源裝置的調度控制方法的逆變運行狀 態轉移圖，進入逆變運行狀態之后還包括步驟32、調度控制模塊通過通信方式巡檢儲能組件、分布電源組件、市電充電模塊 和逆變模塊的工作狀態；步驟321、若上述四個組件的工作狀態仍滿足逆變條件且直流母線電壓越限，則執 行步驟3211 ；在逆變和充電狀態時，直流母線電壓和蓄電池電流是系統調度的重要判據。當直 流母線電壓超出上限時，表示電源功率大于負荷功率，需要減小電源輸出功率；當直流母線 電壓超出下限或蓄電池放電電流超越上限時，表示電源功率小于負荷功率，需要增加電源 輸出功率；若電源給定功率已到最大值，直流母線電壓仍然超出下限，說明電源輸出不足以 滿足全部負荷，則依次將部分負荷切換至市電供電。在上述調節過程中，雖然直流母線電壓 存在波動，由于逆變模塊自身的閉環控制使得輸出交流電壓仍滿足穩定指標。步驟322、若工作狀態滿足儲能條件，則執行步驟3221 ；步驟323、若收到停機指令，則執行步驟3231 ；步驟324、若工作狀態異常，則執行步驟3241 ；步驟3211、依照既定優先級調度策略調節分布電源組件的發電功率，依照既定優 先級調度策略調節儲能組件的充電功率，依照既定優先級調度策略調度交直流負荷模塊， 依照既定優先級調度策略調度逆變模塊的輸出功率；步驟3221、將交流負荷單元的切換開關切至市電，停機運行的逆變模塊，進入儲能 運行狀態；步驟3231、停機運行的分布電源組件、儲能組件，停機運行的逆變模塊，進入待機 狀態；步驟3241、停機運行的分布電源組件、儲能組件，將交流負荷單元的切換開關切至 市電，停機運行的逆變模塊，進入故障狀態。如圖13所示，為本發明實施例的不間斷電源裝置的調度控制方法的儲能運行狀 態轉移圖，進入儲能運行狀態之后還包括
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步驟42、調度控制模塊通過通信方式巡檢并記錄儲能組件、分布電源組件、市電充 電模塊和逆變模塊的工作狀態；步驟421、若工作狀態滿足逆變條件，則執行步驟4211 ；步驟422、若直流母線電壓越限，則執行步驟4221 ；步驟423、若收到停機指令，則執行步驟4231 ；步驟424、若工作狀態都異常，則執行步驟4241 ；步驟4211、依照既定優先級調度策略調節分布電源組件的發電功率，依照既定優 先級調度策略調節儲能組件的充電功率，依照既定優先級調度策略調度交直流負荷模塊， 依照優先級調度策略調度逆變模塊的輸出功率，啟動逆變模塊，將逆變模塊的切換開關合 至交流母線，進入逆變運行狀態；步驟4221、依照既定優先級調度策略調節分布電源組件的發電功率，依照既定優 先級調度策略調節儲能組件的充電功率；步驟4231、停機運行的分布電源組件和儲能組件，進入待機狀態；步驟4241、停機運行的分布電源組件和儲能組件，進入故障狀態。如圖14所示，為本發明實施例的不間斷電源裝置的調度控制方法的故障狀態轉 移圖，進入故障狀態之后還包括步驟52、調度控制模塊通過通信方式巡檢并記錄儲能組件、分布電源組件、市電充 電模塊和逆變模塊的工作狀態；步驟521、若接收到停機指令，則進入待機狀態；步驟522、若滿足逆變條件，則執行步驟5221 ；步驟523、若滿足儲能條件，則執行步驟5231 ；步驟5221、啟動就緒分布電源組件、就緒儲能組件和逆變模塊，將逆變模塊的切換 開關合至交流母線，進入逆變運行狀態；步驟5231、啟動就緒分布電源組件和就緒儲能組件，進入儲能運行狀態。本實施例中，只要分布電源組件和儲能組件電能充足，則優先工作于逆變狀態，相 當于雙變換UPS。當逆變模塊及交直流負荷單元的切換開關采用固態開關時，市電與逆變 輸出切換延時會很小，不會中斷負荷供電，若采用接觸器或斷路器時，會產生一個周波的斷 電，不會影響一般設備的運行。本實施例的逆變模塊及交直流負荷單元的切換開關優選采 用靜態開關。本發明提供的不間斷電源裝置及其調度控制方法將分布式電源、微電網和不間斷 電源三種裝置整合在一起，通過微電網調度分布式電源，能夠提高分布式電源可用性，增加 用戶供電可靠性并節能。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人 員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型 也應視為本發明的保護范圍。
1權利要求
1.一種基于微電網的不間斷電源裝置，其特征在于，包括至少一組儲能組件，與直流母線和調度控制母線相連接；分布電源組件，與所述直流母線和調度控制母線相連接，用于將能源轉化為電能，將所 述電能轉化為電壓、電流和功率可控的直流電并輸出至直流母線；至少一個逆變模塊，與所述直流母線、交流母線以及調度控制母線相連接，逆變模塊將 直流母線承載的直流電逆變輸出為交流電；交直流負荷模塊，包括若干與所述直流母線連接的直流負荷單元和/或與交流母線連 接的交流負荷單元；調度控制模塊，與所述調度控制母線相連接，用于接收所述儲能組件、分布電源組件和 逆變模塊發送的工作狀態報告，對所述儲能組件、分布電源組件和逆變模塊的工作狀態進 行控制。
2.如權利要求1所述的基于微電網的不間斷電源裝置，其特征在于，所述儲能組件包括相連接的儲能載體和儲能功率單元，所述儲能載體包括鉛酸蓄電池、鋰電池或飛輪儲 能；所述儲能功率單元用于對儲能載體進行充放電管理，與直流母線和調度控制母線相連 接。
3.如權利要求1所述的基于微電網的不間斷電源裝置，其特征在于，所述分布電源組 件包括分布式電源單元，用于將能源轉換為電能；電源功率單元，其連接于所述分布式電源單元，用于將轉換的所述電能轉化為電壓、電 流和功率可控的直流電，并將所述電壓、電流和功率可控的直流電輸出至直流母線。
4.如權利要求1所述的基于微電網的不間斷電源裝置，其特征在于，所述交直流負荷 模塊還包括連接所述交流負荷單元的交流負荷控制單元，連接所述直流負荷單元的直流負 荷控制單元，交流母線和市電母線。
5.如權利要求4所述的基于微電網的不間斷電源裝置，其特征在于，還包括市電充電 模塊，與所述直流母線和市電母線相連接，用于當所述分布式電源組件供電不足且所述儲 能組件的荷電不足時，將市電轉化為電壓、電流和功率可控的直流電。
6.如權利要求4所述的基于微電網的不間斷電源裝置，其特征在于，還包括同步信號 發生器，與市電母線相連接。
7.如權利要求5所述的基于微電網的不間斷電源裝置，其特征在于，所述市電充電模 塊包括功率單元，用于將市電進行降壓處理并輸出電壓功率可控的直流電。
8.如權利要求1所述的基于微電網的不間斷電源裝置，其特征在于，所述調度控制模 塊包括與所述調度控制母線相連接的調度控制器和備用控制器。
9.一種不間斷電源裝置的調度控制方法，其特征在于，包括儲能組件、分布電源組件、市電充電模塊、逆變模塊以及調度控制模塊上電初始化，進 入待機狀態；所述調度控制模塊通過通信方式巡檢儲能組件、分布電源組件、市電充電模塊和逆變模塊的工作狀態，收到開機指令后，若所述工作狀態滿足逆變條件至少一個分布電源組件 或市電充電模塊正常、至少一個儲能組件正常且至少一個逆變模塊正常，則所述調度控制 模塊控制分布電源組件、儲能組件和逆變模塊進入逆變運行狀態；若所述工作狀態滿足儲 能條件至少一個分布電源組件或市電充電模塊正常、至少一個儲能組件正常且所有逆變 模塊不正常，則所述調度控制模塊控制分布電源組件、儲能組件進入儲能運行狀態，同時將 所述逆變模塊停止運行。
10.如權利要求9所述的不間斷電源裝置的調度控制方法，其特征在于，所述控制分布 電源組件、儲能組件和逆變模塊進入逆變運行狀態包括控制啟動就緒分布電源組件，就緒 儲能組件，將所述逆變模塊的切換開關合至交流母線，啟動逆變模塊。
11.如權利要求9所述的不間斷電源裝置的調度控制方法，其特征在于，控制分布電 源組件、儲能組件和逆變模塊進入儲能運行狀態包括啟動就緒分布電源組件，就緒儲能組 件，將所述逆變模塊停止運行，將交流負荷單元的切換開關切至市電，進入儲能運行狀態。
12.如權利要求9所述的不間斷電源裝置的調度控制方法，其特征在于，所述進入逆變 運行狀態之后還包括所述調度控制模塊通過通信方式巡檢儲能組件、分布電源組件、市電 充電模塊和逆變模塊的工作狀態；若所述工作狀態仍滿足逆變條件，則判斷直流母線電壓 是否越限，是則依照既定優先級調度策略調節所述分布電源組件的發電功率；若所述工作 狀態不滿足逆變條件但滿足儲能運行條件，則停機運行的逆變模塊，將交流負荷單元的切 換開關切至市電。
13.如權利要求12所述的不間斷電源裝置的調度控制方法，其特征在于，若所述直流 母線電壓越限，則還包括依既定優先級調度策略調節所述儲能組件的充電功率，根據所述 既定優先級調度策略調度交直流負荷模塊，根據所述既定優先級調度策略調度逆變模塊的 輸出功率。
14.如權利要求12所述的不間斷電源裝置的調度控制方法，其特征在于，所述進入儲 能運行狀態之后還包括所述調度控制模塊通過通信方式巡檢并記錄所述儲能組件、分布 電源組件、市電充電模塊和逆變模塊的工作狀態；若所述工作狀態滿足逆變條件，則依照既 定優先級調度策略調節分布電源組件的發電功率，依照既定調度策略調節儲能組件的充電 功率，根據優先級調度交直流負荷模塊，根據優先級調度逆變模塊的輸出功率，啟動逆變模 塊，將逆變模塊的切換開關合至交流母線，進入逆變運行狀態；若所述工作狀態不滿足逆變 條件，則判斷直流母線電壓是否越限，是則依既定優先級調度策略調節分布電源組件的發 電功率，依既定優先級調度策略調節儲能組件的充電功率；若收到停機指令，則停機運行的 分布電源組件和儲能組件，進入待機狀態；若所述工作狀態異常，則停機運行的分布電源組 件和儲能組件，進入故障狀態。
15.如權利要求9所述的不間斷電源裝置的調度控制方法，其特征在于，還包括若所 述工作狀態滿足分布電源組件或市電充電組件、儲能組件以及逆變模塊都不正常，則所述 調度控制模塊控制分布電源組件、儲能組件和逆變模塊進入故障狀態。
16.如權利要求14或15所述的不間斷電源裝置的調度控制方法，其特征在于，所述進 入故障狀態之后還包括所述調度控制模塊通過通信方式巡檢儲能組件、分布電源組件、市 電充電模塊和逆變模塊的工作狀態；若收到停機指令，則進入待機狀態；若所述工作狀態 滿足逆變條件，則啟動就緒分布電源組件，啟動就緒儲能組件，啟動就緒逆變模塊，將逆變模塊的切換開關合至交流母線，進入逆變運行狀態；若滿足儲能運行條件，則啟動就緒分布 電源組件，啟動就緒儲能組件，進入儲能運行狀態。
全文摘要
本發明公開了一種基于微電網的不間斷電源裝置及其調度控制方法，該裝置包括儲能組件，與直流母線和調度控制母線相連接；分布電源組件，與所述直流母線和調度控制母線相連接，用于將能源轉化為電能，將電能轉化為電壓、電流和功率可控的直流電并輸出至直流母線；至少一個逆變模塊，與直流母線、交流母線以及調度控制母線相連接；交直流負荷模塊，包括交流母線，直流母線，調度控制母線、交流負荷控制母線、直流負荷控制母線，與直流母線和交流母線相連接的負荷單元；調度控制模塊，與所述調度控制母線相連接。本發明能夠提高分布式電源的可用性，增加用戶供電可靠性。
文檔編號H02J9/00GK102005817SQ20101029126
公開日2011年4月6日 申請日期2010年9月25日 優先權日2010年9月25日
發明者井天軍, 杜海江, 楊明皓 申請人:中國農業大學