供电设备、发电单元和发电系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种供电设备、发电单元和发电系统，其中，该供电设备包括：发电单元驱动器，用于将直流电转换成交流电或将交流电转换为直流电；交流电动机，用于如果接收到所述发电单元驱动器转换的交流电，则将所述发电单元驱动器转换的交流电转换为机械能；同步发电机，用于根据所述交流电动机转换的机械能生成交流电能并输出给公共联结点；连接在所述发电单元驱动器和所述交流电动机之间的第一开关；以及，旁路开关，其一端连接在所述发电单元驱动器和所述第一开关之间，另一端连接在所述同步发电机和公共联结点之间。利用该供电设备、发电单元和发电系统，能够使得交流驱动的发电单元可工作于多种模式下，从而能够根据与公共联接点连接的电网或负载状况、环境状况以及发电单元本身的状况灵活地控制发电单元的运行模式，实现更加高效同时稳定的运行。
【专利说明】供电设备、发电单元和发电系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力系统，尤其涉及一种供电设备、发电单元和发电系统。【背景技术】
[0002]目前，微网可指由分布式发电单元、能量转换装置、监控装置、保护装置和相关负荷等一个或多个部分组成的小型发、配、用电系统。所谓小型是与主干电网的规模相比较小。微网既可以与外部电网(比如主干电网等)并列/并联/并网运行，也可以独立运行。一般而言，微网是一个能够实现自我控制、自我保护和自我管理的自治系统。[0003]微网中的发电单元一般有第一能源发电单元和第二能源发电单元等多种类型。第一能源发电单元采用诸如可再生能源驱动，该第一能源发电单元可以具体实现为间歇式可再生能源发电单元，采用比如光伏(photovoltaic，PV)、风力、潮汐等间歇式可再生能源驱动；第二能源发电单元采用传统能源，比如煤、燃气、柴油、小型水电等驱动。具体地，间歇式可再生能源发电单元由能源捕获设备和电力电子能源转换设备组成，并作为并网单元接入微网。电力电子能源转换设备可以是变换器(converter)或逆变器(inverter)等,变换器用于执行一般的功率变换，比如交流(Alternating Current, AC)输入直流(DirectCurrent，DC)输出卿AC/DC)、DC/AC、DC/DC、AC/AC等，逆变器主要用于实现DC/AC变换。由于间歇式可再生能源具有能量密度低、受天气和环境条件影响大、输出功率波动性强、难以准确预测等特点，微网中的间歇式可再生能源发电单元的总安装容量通常受到较大限制。如果超过这个限制，则无法保证微网的安全稳定运行，同时也可能给与其相连的外部电网的稳定带来不利因素。
[0004]间歇式可再生能源发电单元接入微网的常规方法如图1所示，使用传统能源的发电机组(如小型水电、柴油发电等)建立并稳定微网的电压和频率，而间歇式可再生能源作为并网单元采用电流源控制方式接入微网。具体地，图1包括以下部分:外部电网11、微网
12。外部电网11可以是主干电网或者不同于微网12的另一个微网。微网12包括:一个或多个光伏支路PVl……PVn、一个或多个风力支路、柴油或水力发电机106、负荷107、开关108。光伏支路、风力支路、柴油或水力发电机106、负荷107都连接到公共联接点(point ofcommon coupling，PCC)。具体地，PCC可为交流母线。每个光伏支路包括:PV阵列101、DC/AC逆变器102 ;每个风力支路包括:风力发电机103、AC/DC变换器104、DC/AC逆变器105。该模式下，为保证微网的可靠、稳定运行，需要配置大容量的传统电源以维持微网的电压和频率稳定。此时，间歇式可再生能源发电单元不参与微网的电压和频率的调节，其总发电容量比例在微网中受到较大限制。
[0005]中国专利申请CN102244498A提出了一种电网中的交流驱动的发电单元，在利用间歇式可再生能源时能够对电网供电的稳定起作用。如图2所示，在该专利申请中，交流驱动的发电单元200包括能量输入模块210、能量储存模块220和能量输出模块230。能量输入模块210可以利用光伏、风力、潮汐等间歇式可再生能源形式，通过相应的电力电子控制器输出相对稳定的直流电。能量输入模块210可以包括用于捕获一种或多种间歇式可再生能源的能源捕获设备212以及充电控制器214。能量储存模块220可以用于存储能量输入模块210输出的直流电。能量输出模块230包括发电单元驱动器(SPU driver) 232、交流电动机234、同步发电机(synchronous generator, SG) 236。其中，发电单元驱动器232用于将来自能量输入模块210和/或能量储存模块220的直流电转化为交流电。交流电动机234用于将来自发电单元驱动器232的交流电转换成机械能，同步发电机236用于将来自交流电动机234的机械能转换成电能,其转子与定子形成的旋转磁场保持同步速。然而，该交流驱动的发电单元只能工作在稳定电网的模式下。
【发明内容】
[0006]有鉴于此，本发明实施例提供一种供电设备、发电单元和发电系统，其能够使得所述发电单元工作在多种模式下。
[0007]按照本发明实施例的一种供电设备，包括:发电单元驱动器，用于将直流电转换成交流电或将交流电转换为直流电；交流电动机，用于将所述发电单元驱动器转换的交流电转换为机械能；同步发电机，用于将所述机械能转换成交流电能并输出给公共联结点；连接在所述发电单元驱动器和所述交流电动机之间的第一开关；和，旁路开关，其一端连接在所述发电单元驱动器和所述第一开关之间，另一端连接在所述同步发电机和所述公共联结点之间。
[0008]在一种具体实现方式中，所述旁路开关和所述第一开关被配置为:当所述旁路开关断开时所述第一开关闭合，和当所述旁路开关闭合时所述第一开关断开。
[0009]在一种具体实现方式中，所述供电设备还包括连接在所述同步发电机和所述公共联结点之间的第二开关，其中，所述旁路开关的所述另一端连接在所述第二开关和所述公共联结点之间。
[0010]在一种具体实现方式中，所述旁路开关、所述第一开关和所述第二开关被配置为:当所述旁路开关断开时所述第一开关和所述第二开关闭合，以及，当所述旁路开关闭合时所述第一开关和所述第二开关断开。
[0011]在一种具体实现方式中，所述旁路开关断开且所述第一开关和所述第二开关闭合时，则所述发电单元驱动器将直流电转换交流电并输出给所述交流电动机，以及，所述旁路开关闭合且所述第一开关和所述第二开关断开时，则所述发电单元驱动器将直流电转换为交流电并经由所述旁路开关输出给所述公共联接点，或者将经由所述旁路开关来自所述公共联接点的交流电转换成直流电。
[0012]在一种具体实现方式中，所述旁路开关是以下之一:机械触点式的接触器、机械触点式的断路器、由两只功率半导体开关器件反向串联形成的双向开关、以及由功率半导体开关器件和整流桥并联形成的双向开关。
[0013]在一种具体实现方式中，所述第一开关是在所述发电单元驱动器中利用软件实现的开关。
[0014]按照本发明实施例的一种发电单元，包括:能量输入模块，用于捕获能源并输出由所捕获的能源转化的直流电；能量存储模块，用于存储所述能量输入模块输出的直流电；以及，所述供电设备，其与所述能量输入模块、所述能量存储模块和公共联接点，用于将来自所述能量输入模块和/或所述能量存储模块的直流电转换为交流电并输出给所述公共联接点，或者将来自所述公共联接点的交流电转换为直流电并存储到所述能量存储模块。
[0015]在一种具体实现方式中，所述能源包括以下的至少之一:间歇性能源、可再生能源和间歇性可再生能源。
[0016]按照本发明实施例的一种发电系统，包括:多个所述发电单元，其中，所述多个发电单元以并联方式连接到公共联接点。
[0017]在一种具体实现方式中，所述多个发电单元共用相同的能量输入模块和能量存储模块。
[0018]在一种具体实现方式中，所述多个发电单元共用相同的能量存储模块。
[0019]从以上描述可以看出，由于在发电单元的供电设备中增加了旁路开关，因此相对于现有技术，本发明实施例的发电单元可以工作在多种模式下，从而能够根据与公共联接点连接的电网或负载状况、发电环境状况以及发电单元本身的状况灵活地控制发电单元的运行模式，实现更加高效同时稳定的运行。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]本发明的其它特点、特征、优点和益处通过以下结合附图的详细描述将变得更加显而易见。其中:
[0021]图1示出了常规的微网拓扑结构图；
[0022]图2示出了现有的电力系统中的发电单元的结构图；
[0023]图3示出了按照本发明一个实施例的发电单元的示意图；
[0024]图4A示出了按照本发明的一个实施例的旁路开关的示意图；
[0025]图4B示出了按照本发明的另一个实施例的旁路开关的示意图；
[0026]图4C示出了按照本发明的再一个实施例的旁路开关的示意图；
[0027]图4D示出了按照本发明的又一个实施例的旁路开关的示意图；
[0028]图5示出了按照本发明的一个实施例的发电系统的示意图；
[0029]图6A示出了按照本发明的另一个实施例的发电系统的示意图；以及
[0030]图6B示出了按照本发明的再一个实施例的发电系统的示意图。
【具体实施方式】
[0031]下面，将结合附图详细描述本发明的各个实施例。
[0032]图3示出了根据本发明一个实施例的发电单元的示意图。图3所示的发电单元300是交流驱动的，其可以将诸如间歇性能源、可再生能源或间歇性可再生能源等这样的能源转化成交流电并输出给电网和/或负荷可连接的公共联接点。其中，该电网可以是微网或主干电网等，该能源例如可以是光伏、风力、潮汐等。如图3所示，发电单元300可以包括能量输入模块310、能量存储模块320和供电设备330。
[0033]能量输入模块310可以用于捕获一种或多种能源并输出由所捕获的能源转化的电能。这里，能量输入模块310例如可以包括能源捕获设备312和充电控制器314。能源捕获设备312可以用于捕获能源并将其转换成电能，能源捕获设备312可以包括例如光伏(PV)阵列、风力发电机等。充电控制器314可以是DC/DC变换器或AC/DC变换器，其用于将能源捕获设备312转换的电能转换为直流电并存储在能量存储模块320中。
[0034]能量存储模块320，其可以与能量输入模块310相连，用于存储能量输入模块310输出的直流电。这里，能量存储模块320可以是铅酸蓄电池、锂电池、镍氢电池或多种其他能量存储形式。
[0035]供电设备330，其可以与能量输入模块310、能量存储模块320和公共联接点连接，用于将来自能量输入模块310和/或能量存储模块320的直流电转换为交流电并输出给公共联接点，或者将来自公共联接点的交流电转换为直流电并存储在能量存储模块320中。供电设备330可以包括发电单元驱动器(SPU driver) 331、交流电动机332、同步发电机333、开关334、开关335和旁路开关336。
[0036]发电单元驱动器331与能量输入模块310和能量存储模块320连接，可工作于DC/AC逆变模式以将直流电转换为交流电或可工作于AC/DC整流模式以将交流电转换为直流电。其中，当工作于DC/AC逆变模式时，发电单元驱动器331可以将能量输入模块310和/或能量存储模块320的直流电转换为交流电，其中，该转换的交流电可以是频率可调的。或者，当工作于AC/DC整流模式时，发电单元驱动器331可以将接收到的交流电转换为直流电并存储到能量存储模块320。
[0037]交流电动机332与发电单元驱动器331连接，用于如果接收到发电单元驱动器331转换的交流电，则将发电单元驱动器331转换的交流电转换为机械能。
[0038]同步发电机333与交流电动机332和公共联接点连接，用于将交流电动机332产生的机械能转换成交流电能并输出给公共联接点。
[0039]开关334连接在发电单元驱动器331和交流电动机332之间，开关335连接在同步发电机333和公共联接点之间。
[0040]旁路开关336，其一端连接在发电单元驱动器331和第一开关334之间，另一端连接在开关335和公共联接点之间。旁路开关336的功能是实现电能的双向流动，因此，任何具有提供双向电能通过能力的器件都可以用作旁路开关336。
[0041]例如，旁路开关336可以是机械触点式的接触器或断路器。或者，旁路开关336可以是双向可控硅，如图4A所示。或者，旁路开关336可以是由两只功率半导体开关器件反向串联形成的双向开关，例如图4B所示的由两只IGBT以共发射极的方式反向串联形成的双向开关或者图4C所示的由两只IGBT以共集电极的方式反向串联形成的双向开关。或者，旁路开关336可以是由功率半导体开关器件与整流桥并联形成的双向开关，例如图4D所示的由IGBT与整流桥并联形成的双向开关。
[0042]开关334可以是由硬件实现的开关，也可以是在发电单元驱动器331中利用软件实现的开关。图中示出的开关335是由硬件实现的开关。
[0043]在发电单元300中，旁路开关336、开关334和开关335可以被配置为:当旁路开关336断开时开关334和开关335闭合，和当旁路开关336闭合时开关334和开关335断开。
[0044]以下描述发电单元300的工作模式。
[0045]如果旁路开关336断开且开关334和开关335闭合，则发电单元驱动器331工作于DC/AC逆变模式，以将能量输入模块310和/或能量存储模块320的直流电转换为交流电，交流电动机332将发电单元驱动器331转换的交流电转换为机械能，同步发电机333在交流电动机332转换的机械能的作用下生成交流电并输出给公共联接点。当发电单元300工作在此模式下时，能够稳定对公共联接点供电，从而能够稳定与公共联接点连接的电网。
[0046]如果旁路开关336闭合且开关334和开关335断开，则根据发电单元驱动器331是工作于DC/AC变换模式还是工作于AC/DC变换模式，发电单元300具有两种不同的工作模式。
[0047]如果发电单元驱动器331是工作于DC/AC变换模式，则发电单元驱动器331将能量输入模块310和/或能量存储模块320的直流电转换为交流电并通过旁路开关336输出给公共联接点。此时，发电单元驱动器331作为常规并网逆变器运行，无需经过交流电动机332和同步发电机333将电能直接逆变输出给公共联接点，从而降低了能量损耗并提高了发电单元300的效率。
[0048]如果发电单元驱动器331工作于AC/DC变换模式，则公共联接点的交流电经由旁路开关336到达发电单元驱动器331，发电单元驱动器331将来自公共联接点的交流电转换为直流电并存储到能量存储模块320。此时，发电单元驱动器331作为充电控制器运行，对能量存储模块320进行充电管理，从而提高了能量存储模块320的利用率和发电单元300的发电灵活性。
[0049]从上面的描述可以看出，由于在发电单元300的供电设备330中增加了旁路开关336，因此发电单元300可工作于多种模式下，从而能够根据与公共联接点连接的电网或负载状况、发电环境状况以及发电单元本身的状况灵活地控制发电单元的运行模式，实现更加高效同时稳定的运行。同时，发电单元300还可具有双向传输电能的功能。
[0050]图5示出了根据本发明一个实施例的用于电力供应的发电系统的示意图。如图5所示，发电系统500可以包括多个发电单元300，该多个发电单元300以并联方式连接到公共联接点。其中，该多个发电单元300各自具有独立的能量输入模块310、能量存储模块320和供电设备330。
[0051]其它变形
[0052]本领域技术人员应当理解，虽然在上面的实施例中，发电单元300包括开关335，然而，本发明并不局限于此。在本发明的其它一些实施例中，发电单元300也可以不包括开关335。在这种情况下，旁路开关336的一端连接在发电单元驱动器331和开关334之间，旁路开关336的另一端连接在同步发电机333和公共联接点之间。
[0053]本领域技术人员应当理解，虽然在上面的实施例中，发电系统500所包括的多个发电单元300各自具有独立的能量存储模块320，然而，本发明并不局限于此。在本发明的其它一些实施例中，发电系统500所包括的多个发电单元300也可以共用相同的能量存储模块320，如图6A所示。
[0054]本领域技术人员应当理解，虽然在上面的实施例中，发电系统500所包括的多个发电单元300各自具有独立的能量输入模块310和能量存储模块320，然而，本发明并不局限于此。在本发明的其它一些实施例中，发电系统500所包括的多个发电单元300也可以共用相同的能量输入模块310和能量存储模块320，如图6B所示。
[0055]本领域技术人员应当理解，上面所公开的各个实施例，可以在不偏离发明实质的情况下做出各种变形和改变。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书来限定。
【权利要求】
1.一种供电设备，包括: 发电单元驱动器，用于将直流电转换成交流电或将交流电转换为直流电； 交流电动机，用于将所述发电单元驱动器转换的交流电转换为机械能； 同步发电机，用于将所述机械能转换成交流电能并输出给公共联结点； 连接在所述发电单元驱动器和所述交流电动机之间的第一开关；和旁路开关，其一端连接在所述发电单元驱动器和所述第一开关之间，另一端连接在所述同步发电机和所述公共联结点之间。
2.如权利要求1所述的供电设备，其中， 所述旁路开关和所述第一开关被配置为:当所述旁路开关断开时所述第一开关闭合，和当所述旁路开关闭合时所述第一开关断开。
3.如权利要求1所述的供电设备，其中，还包括: 连接在所述同步发电机和所述公共连接点之间的第二开关， 其中，所述旁路开关的所述另一端连接在所述第二开关和所述公共联结点之间。
4.如权利要求3所述的供电设备，其中， 所述旁路开关、所述第一开关和所述第二开关被配置为:当所述旁路开关断开时所述第一开关和所述第二开关闭合，和当所述旁路开关闭合时所述第一开关和所述第二开关断开。
5.如权利要求4所述的供电设备，其中 所述旁路开关断开且所述第一开关和所述第二开关闭合时，所述发电单元驱动器将接收到的直流电转换成交流电并输出给所述交流电动机，和 所述旁路开关闭合且所述第一开关和所述第二开关断开时，所述发电单元驱动器将直流电转换为交流电并通过所述旁路开关输出给所述公共联接点，或者通过所述旁路开关将来自所述公共联接点的交流电转换成直流电。
6.如权利要求1、2、3、4或5所述的供电设备，其中， 所述旁路开关为:机械触点式的接触器、机械触点式的断路器、由两只功率半导体开关器件反向串联形成的双向开关、或由功率半导体开关器件和整流桥并联形成的双向开关。
7.一种发电单兀，包括: 能量输入模块，用于捕获能源并输出由所捕获的能源转化的直流电； 能量存储模块，用于存储所述能量输入模块输出的电能；以及如权利要求1-6中任意一项所述的供电设备，其与所述能量输入模块、所述能量存储模块和公共联接点连接，用于将来自所述能量输入模块和/或所述能量存储模块的电能转换为交流电并输出给所述公共联接点，或者将来自所述公共联接点的交流电转换为直流电并存储到所述能量存储模块。
8.一种发电系统，包括: 多个如权利要求7所述的发电单元，其中，所述多个发电单元以并联方式连接到公共联接点。
9.如权利要求8所述的发电系统，其中所述多个发电单元共用相同的能量输入模块和能量存储模块。
10.如权利要求8所述的发电系统，其中所述多个发电单元共用相同的能量存储模块。
【文档编号】H02J3/38GK103904680SQ201210575965
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2012年12月26日 优先权日:2012年12月26日
【发明者】李晶, 张京伟, 廖华, 马琳 申请人:西门子公司