能量管理装置和电气设备的制作方法

本发明涉及一种在具有发电机和能量储存装置的电气设备中使用的能量管理装置，本发明还涉及一种此类的电气设备。

背景技术：

所谓的分布式能源发电变得越来越广泛地使用。小容量的发电机安装在用电装置附近并且并联连接至当地负载以及连接至主电网。发电机的供应能够用于驱动当地负载，但是通常由于可再生能源发电的不稳定性，该供应将不会恒定地匹配当地负载的需求。在发电机的电力输出超过当地电力使用的时刻，电力能够从发电机流至电网。当电力使用超过发电机的输出时，从电网获取电力。

存在一系列不同的能够用于分布式发电的小尺度装置。这些装置包括：利用可再生能源的发电机，比如光伏电池和风力涡轮机；和依靠供应的燃料的发电机，比如微型燃气轮机，热电联产、燃料电池和由内燃发动机驱动的那些。

这些技术中的一些(比如光伏)导致它们在民用装置中广为熟知。例如，在一些国家，经常看到在民用住宅的屋顶上的一组光伏电池。当然，来自风力发电机或太阳能发电机的电力输出根据环境因素(比如日照强度和风强度)而变化。

小型的分布式能源发电机连接至电网的公共低压分布部分，而不是连接至高压传输系统，但是为了这样做，小型的分布式能源发电机必须以期望的形式提供输出。输出必须是交流电(ac)，根据用户必须连接的电网，该交流电可以是单相或者三相；其必须与电网同相；并且其必须处于适当的电压。还需要通过控制电流和电压之间的相差控制功率系数。

当地发电机的直接输出通常不是期望的形式，因此通过逆变器联接到电网，该逆变器接收可再生能源发电机的输出并且提供适合用于连接到电网的交流电供应作为其自身输出。发电机的输出通常是直流电，因此，逆变器为直流-交流逆变器。逆变器监测电网并且调节其供应的相位和电压，以对应于电网的相位和电压。适当的装置是广为熟知且可广泛获得的，且这些装置有时被称为“并网逆变器”。

为了确保分布式发电机对电网不产生不利影响，一些规章管理着设备的各方面及其操作，包括：(a)逆变器，发电机通过逆变器联接至电网；和(b)传送至电网的最大功率。在英国，例如，一个工业标准(已知为g83)应用于供应高达每相16安培的发电机，另一负有法律责任的标准(已知为g59)应用于供应超过每相16安培的发电机。考虑涉及的电压，这表示为了满足g83标准，发电机必须供应超过每相3.68kw。因此，在许多小型设备(比如民用设备)中，逆变器受制造商限制以满足该标准，或者使用包含逆变器的“中间馈入装置”，其限制传送至电网的功率。如果能够用于输出至电网的当地产生功率超过限制，则能量可能被浪费。许多使用可再生能源的民用发电机在适当的环境条件下能够提供超过3.68kw限制的电力。

为了安全且为了符合规章，当电网的电力供应被切断时，还需要中间馈入装置或逆变器使发电机从电网断开。配电公司需要能够确保如果它们为了工程工作而切断给定部分的配电网，则那部分随后将不被保持在可能导致工人死亡的高压下。因此，当没有检测到电网连接时，馈入装置停止电力传送。

为了降低产能浪费，期望的是将能量储存装置包含到当地设备中。蓄电池很好地适用于在小型设备中使用，尽管其它储能技术也是已知的并且也可以采用。原则很简单：储存由于功率限制而不能立刻传送至电网的产能。在稍后的时刻，当能够从发电机立刻传送至电网的功率低于极限(因为发电机的输出由于环境条件(例如，缺乏阳光和风)而变低，或者因为当地用户的电力消耗变大)时，储存的能量被释放至电网。

使用可行技术且在规章之内执行该系统并不简单。除了中间馈入装置或逆变器(通过这些装置来联接至电网)之外，该系统需要与可再生能源发电系统(例如，风力涡轮机、太阳能光伏等)相关的逆变器，以使得发电机能够驱动当地负载。在该连接中使用的已知逆变器被设计成用于直接电网连接、并且在没有此类连接的情况下不传送电力，因此它们不能够直接将电力供应至能量储存装置。如果发电机的逆变器“看不见”电网，则没有电力被传送。

技术实现要素：

本发明的各方面在所附权利要求书中阐释。

根据本发明的一个方面，提供了一种在电气设备中使用的能量管理装置，所述电气设备具有能量储存装置、至主电网的连接部、和提供电输出的发电机，所述发电机联接至发电机逆变器，所述发电机逆变器将发电机的电输出转换成用于驱动负载的交流电，所述能量管理装置包括至少一个双向逆变器，所述双向逆变器具有交流电侧和直流电侧，所述双向逆变器的交流电侧能够连接至所述发电机逆变器以及连接至负载，所述双向逆变器能够通过从主电网获取的信号来控制，以便在其交流电侧提供交流电电压，所述双向逆变器的交流电电压与所述主电网的交流电电压同步地变化，所述双向逆变器的直流电侧能够连接至所述能量储存装置，以将电能供应至能量储存装置，其中，所述双向逆变器能够：(a)沿着从交流电侧至直流电侧的方向传递电力，以使所述能量储存装置充电；和(b)沿着从直流电侧至交流电侧的方向传递电力，以将能量从所述能量储存装置供应至负载。

所述发电机逆变器适当地是可再生能源的逆变器。

因此，本发明提供了一种在一个或多个双向逆变器的ac侧的人造电网，所述发电机逆变器能够连接至人造电网。在不提供人造电网的情况下，发电机逆变器由于上述原因而不起作用。但是，通过在发电机逆变器和系统的其余部分之间的连接处提供人造电网，能够将一个或多个双向逆变器的一个或多个dc侧连接至dc电力储存装置(例如，电池组)，或者经由馈入逆变器连接至电网。换言之，本发明使得发电机逆变器能够成功地连接至除了电网之外的部件，这些部件能够构造成根据需要将电力供给至电力储存装置或者电网。另外，提供双向逆变器允许电力沿着任意方向流动，因此使得电力储存装置在双向逆变器的ac侧处提供输出，发电机逆变器将双向逆变器“看”做电网。适当地，该构造解决了或者克服了上文简述的一些问题和/或提供了用于将可再生能源连接至电力分配网的替代部件。

适当地，所述双向逆变器根据需要将电力从其交流电侧传递至其直流电侧、或者从其直流电侧传递至其交流电侧，以便将在其交流电侧上的交流电电压保持在与所述主电网的交流电电压相同的水平。传统的充电器/逆变器接收来自可再生能源装置的呈交流电形式的连接，作为传送至电网的电力的一部分。因此，它将优先于输出至电网而使电池充电至设定点的充电状态。可再生能源装置逆变器的ac输出与电池和电网之间的连接因此是一致的。因此，由于来自可再生能源装置的逆变器的ac输出和电网之间的直接连接，该系统不遵从g83。在本文描述的双向逆变器设计具有经由g83逆变器连接至电网的孤立连接以及经由从dc母线产生的人造电网而连接至可再生能源装置的逆变器的ac输出部的孤立连接，因此通过将单独孤立的dc供应供给至用于电网输出的g83认证过的逆变器而遵从g83。另外，传统的与可再生能源装置使用的电池储存系统设置为48v左右或以下。在本文描述的设计在220v和440v之间的dc电压下运行，该更高的电压允许dc输出驱动单独的g83逆变器，其要求比48v更高的输入。

适当地，所述电池充电控制器连接在双向逆变器和所述能量管理装置的输出部之间，所述能量管理装置的输出部用于与呈一个或多个电池形式的能量储存装置连接。

适当地，设置一端口，用于将双向逆变器的dc侧连接至经测试的g83型逆变器的输入部、或者连接至中间馈入装置，用于将能量输出至主电网。

适当地，所述电池充电控制器构造成在能量被输出到主电网时禁止电池在预定充电状态下放电。

适当地，所述能量管理装置能够用于多相电气设备，并且可以包括多个双向逆变器：每个双向逆变器用于多相电气设备的每个相应的相。

适当地，所述能量管理装置能够用于三相电气设备，并且可以包括三个双向逆变器：每个双向逆变器用于三相电气设备的每个相应的相。

本发明的一个方面提供了一种电气设备，所述电气设备包括：能量储存装置；至主电网的连接部；发电机；发电机逆变器，所述发电机逆变器连接至发电机，以将发电机的电输出转换成用于驱动负载的交流电；至少一个双向逆变器，所述双向逆变器具有交流电侧和直流电侧，所述双向逆变器的交流电侧连接至所述发电机逆变器以及连接至负载，所述双向逆变器能够通过从主电网获取的信号来控制，以便在其交流电侧提供交流电电压，所述双向逆变器的交流电电压与所述主电网的交流电电压同步地变化，所述双向逆变器的直流电侧连接至所述能量储存装置，以将电能供应至能量储存装置，其中，所述双向逆变器能够：(a)沿着从交流电侧至直流电侧的方向传递电力，以使所述能量储存装置充电；和(b)沿着从直流电侧至交流电侧的方向传递电力，以将能量从所述能量储存装置供应至负载。

适当地，所述电气设备还包括中间馈入装置(比如经测试的g83型逆变器)，所述中间馈入装置能够连接至所述双向逆变器的直流电侧和所述主电网之间，以将电力从所述电气设备输出至所述电网。

所述中间馈入装置(比如经测试的g83型逆变器)适当地限制能够从所述电气设备输出至所述电网的电力。

适当地，在将电力从所述电气设备输出至所述电网期间电池放电被禁止或者被限制于预定的充电状态。

适当地，所述发电机由可再生能源供应动力。

适当地提供给了开关装置，所述开关装置能够在第一构造和第二构造之间切换，在所述第一构造中，开关装置将负载连接至所述双向逆变器的交流电侧，在所述第二构造中，开关装置将负载连接至主电网。根据场地要求，开关装置能够是手动的或自动的转换开关。适当地，所述开关装置包括软转换开关，所述软转换开关适于使从负载至双向逆变器的ac侧到负载至主电网的连接逐渐衰减。

所述能量储存装置可以包括蓄电池和/或一组电池。在该情况下，所述电气设备还包括电池充电控制器，所述电池充电控制器连接在双向逆变器的直流电侧和所述能量储存装置之间，所述电池充电控制器构造成在所述双向逆变器的直流电侧上的电压低于阈值时使电池充电、并且在所述双向逆变器的直流电侧上的电压高于阈值时使电池放电。电力向电网的输出依赖于双向逆变器的dc母线侧的电压：当dc母线电压高于阈值时，电力能够经由g83逆变器输出至电网，否则没有必要这样。

附图说明

现在将参照附图，仅以示例的方式描述本发明的特定实施例，其中：

图1是体现本发明的电气设备的框架，其能够与电网交换能量并且设置有能量储存装置；

图2也是体现本发明的设备的更加详细的框架；和

图3是图1的系统的变型，其还包括软转换开关。

具体实施方式

图1表示单相ac设备。该设备从至少一个可再生能源发电机或小尺度的当地发电机接收电能。在该示例中，设置了两个这样的发电机(风力涡轮机10和一组光伏电池12)，尽管其它设备可以使用一个或多个发电机。该设备还通过输入仪表16连接至主电网(以盒子14表示)，输入仪表由电力公司安装并且其读数用作计算用户账单的基础。

每个发电机10、12均连接至相应的发电机逆变器18、20。这些逆变器是并网逆变器，其设计成直接连接至ac电网且使他们的输出的频率、相位和电压与电网相匹配。然而，在该设备中，它们不连接至电网14。

发电机逆变器18、20的输出由相应的发电仪表22、24监测，发电机逆变器越过发电仪表连接在一起，使得两个发电机逆变器18、20的输出并联。组合的输出通向一组双向逆变器26。在所示的实施例中，采用了三个双向逆变器26。

鉴于流动通过传统逆变器的电力通常沿着从dc输入至ac输出的方向，双向逆变器26(如它们的名字所提示的)能够沿着任意方向传送电力。然而，双向逆变器26传统上的作用是将在一侧上的dc电压转换成在另一侧上的不同ac电压。每个双向逆变器26的经历交流电(ac)的两个端口28将被称为“ac侧”，而每个双向逆变器26的经历直流电(dc)的两个端口30将被称为“dc侧”。虽然双向逆变器为本领域人员广为熟知，但是适用于在所示设备中使用的双向逆变器被特别地选择：其通常具有高电压dc侧(通常为100vdc-450vdc)；并且还被选择成使得它们的ac侧与电网同步，如下文将描述的那样。

双向逆变器26在它们的ac侧彼此并联连接。在该示例中，每个双向逆变器26具有5kw的功率容量，使得所述一组的三个此类装置提供15kw的容量。其它实施例可以采用具有所需功率容量的单个单元，或者可以在一组中采用不同数量的单元以实现设计的功率容量。

双向逆变器26被控制成在它们的ac侧穿过端口28提供系统电压，该系统电压在其频率、相位和幅度上均遵从来自电网的ac电压。为了实现该目的，双向逆变器26通过在联接部位38处联接至连网带电电力线40的导引线36感测电网的ac波形。联接部位38无必要要求直接连接至电力线40，它可以使用感应器，如示出的那样。

双向逆变器26的作用是在它们的ac侧产生连接至发电机逆变器18、20的“人造电网”。该人造电网模拟主电网14。因此，发电机逆变器18、20能够向人造电网供应电力，尽管没有连接至实际电网14。

接地棒42从中性点分接，以形成用于人造电网的tt(terra-terra)接地系统。

每个双向逆变器26通过其dc端口30连接至相应的电池充电控制器44。每个电池充电控制器44的充电输出部46连接至一组电池48的相反两极，电池48在该实施例中形成能量储存装置。电池充电控制器供应适当的dc输出，以在电力流处于该方向时对电池48进行充电，并且还在电力流沿着相反的方向时提供电池放电的路径。

当来自发电机10、12的电力输出较低时，可以经由电池充电控制器44和双向逆变器26从电池48获取用于驱动当地负载的电力。如果来自发电机10、12的电力输出增加(或者来自负载的需求降低)，使得存在过量的产能，则通过双向逆变器26来防止在人造电网上的系统电压的增大，此时，双向逆变器用于将电力沉集到电池中。

该设备能够通过中间馈入装置50将能量输出到电网，在该实施例中，中间馈入装置符合英国的g83标准，其输出功率被限制到3.68kw。中间馈入装置50的dc输入部52连接穿过双向逆变器26之一的dc端口30，且中间馈入装置的ac输出部54连接至连网电力线40。

当在dc母线(即，在馈入装置终端52处)上的电压超过阈值时，即，当馈入装置“看见”足够高的电压时，电力被输出到电网，否则就没有必要这样。因此，输出到电网的电力很大地和/或完全地依赖于双向逆变器26的dc侧上的dc母线电压。

所示的设备具有：第一配电箱56，在该实施例中，电力通过第一配电箱引导至家用负载，比如环形电路和照明；和第二配电箱58，其用于可再生负载。第一配电箱56始终连接至主电网14。第二配电箱58通常通过开关熔断器60和转换开关62连接至人造电网，转换开关在该实施例中形成为手动开关。当需要时，用户能够改变转换开关62的状态，致使该转换开关将第二配电箱连接至主电网14并且将第二配电箱从人造电网断开。

在图2中示出的设备是三相的，但是在许多其它方面类似于图1的实施例。

图2的设备通过线110从一个或多个当地发电机(未示出)接收三相电力，每条线110连接至相应的发电机逆变器118(特别地，处理三个相的三个逆变器118可以集成到单个单元中)。如在图1的实施例中那样，发电机逆变器118是并网逆变器，其设计成被连接至ac电网，但是在所示的实施例中，被连接至人造电网，如将在下文解释的那样。

该设备还具有经由电源仪表116通过电力线115连接至主电网的连接部。

发电机逆变器118的输出部经由相应的过电压保护接触器119和发电仪表122通向相应的双向逆变器126。如果来自当地发电机的电压变得过高，则过电压保护接触器打开。过电压保护接触器由电子控制器168控制，在该实施例中，电子控制器具有各种控制功能并且是可编程的电子装置。发电仪表122用于记录由当地发电机供应的能量。

在该实施例中，三个双向逆变器126中的每一个处理由发电机供应的三相交流电中的一相。每个双向逆变器具有一个ac端口128和一个dc端口130，并且在ac端口和dc端口之间的电力流能够在任意方向上发生。所有的三个双向逆变器126的dc端口130彼此连接并且连接至电池充电控制器144，电池充电控制器144的输出部通向一组蓄电池(电池)148。

在该实施例中，双向逆变器126设置有逆变器控制单元170，逆变器控制单元通过导引线172接收表示三条连网电力线140(三相主电网中每一相具有一条线)中的相位和幅度的信号并且将三个双向逆变器126响应地控制成遵从电网电压。如图1的实施例那样，其作用是在双向逆变器126的ac侧提供连接至发电机逆变器118的“人造电网”(其遵从实际电网的电压)，从而使得发电机逆变器118像它们被连接至电网本身那样起作用。

逆变器控制单元170还连接至电池充电器144并且控制电池充电器144。

双向逆变器126的dc侧130连接至电池充电控制器144的连接部在本文将称为dc母线174。电池充电控制器144根据dc母线174的电压充电或放电。在本实施例中，当dc母线电压在440v以上时，电池充电；而当dc母线电压在440v以下时，电池放电。

当能够从发电机获得过量能量时，在人造电网上的电压将倾向于升高，但是该升高将由双向逆变器126控制，因此，双向逆变器126将电力通过电池控制器144沉集到电池148中。当需求相对于供应增加时，人造电网上的电压倾向于回落，但是再次地，该回落由双向逆变器126控制，于是，双向逆变器从电池148获取电力，从而适当地保持人造电网的电压。

尽管以电池148的形式设置了能量储存装置，但是有利地是，能够将能量输出至电网。电池148的能量是有限的；当电池被完全充满时，通过输出可以避免能量浪费。图2的实施例具有三个中间馈入装置150(一个馈入装置用于三相中的一相)，所述三个中间馈入装置在它们的ac输出侧经由可选的输出仪表176并且经由电源的计费仪表116连接至三相电网的相应的电力线115。三个中间馈入装置150的dc输入部均可经由输出继电器178连接至dc母线164。输出继电器178由电子控制器168控制。向电网的输出仅在继电器闭合时发生。还注意到的是，在输出期间，中间馈入装置150将dc母线174上的电压拉低至440v以下，这预计可导致电池148向电网放电。这可能是不适当的，因此在本实施例中，当电子控制器168闭合输出继电器178时，发送不可放电的信号，以在发生输出的同时使得电池不可放电。尽管可以使用简单的继电信号，但是在本实施例中，逆变器控制单元172通过数字母线(更具体地，控制器局部网(can)母线)与电子控制器168通信。电子控制器168通过can母线与设备的各种部件通信。

在所示的实施例中，在电子控制器168的指导下，通过开关装置162来控制以下连接中的任意一者或两者：(a)形成在双向逆变器150的ac侧128上的人造电网的连接，和(b)连网电力线115至当地负载182的连接。在本实施例中，开关装置162采取具有在100ms以下的开关时间的软转换开关，该开关时间与主电网同步。适当的装置包括由emerson电子公司售卖的asco7000系列，但是其他适当的装置将为本领域技术人员所熟知。开关装置162具有第一开关组184，其通常被闭合以将人造电网连接至负载182，使得负载被当地发电机和/或电池148驱动。当需要时，开关装置能够打开第一组开关184并闭合第二组开关186，以经由电力线140将负载182连接至主电网。

应当注意，所示出的以及在本文描述的设备的许多部件能够购买“现成”的。在图2中，虚线框188已经被布置在设备的呈能量管理装置形式的那些部件周围，所述部件可以由供应商作为单个单元或者作为一批零件提供，所述能量管理装置适当地管理电池充电/放电、通过中间馈入装置的电输出、以及人造网络。

上文参照图1描述的系统的变型示出在图3中。相同的附图标记用于表示相同的特征以避免重复，并且图3的系统的操作基本与上文参照图1描述的实施例的操作相同。

在图3中，系统还包括软转换开关200，其在其输入端202处连接至连网电力线40、41并且经由开关熔断器60在204处连接至可再生能源装置22、24，如之前描述的那样。因此，负载56能够通过经由软转换开关200从电网202转移电力而被从电网直接供电，或者通过可再生能源装置22、24被从204供电。软转换开关200适于使电力从末端202衰减至末端204，反之亦然，从而确保从主电力至当地产生的可再生电力的平滑过渡。另外，因为在双向逆变器26的ac侧28上的ac电力与电网同步，因此不存在在电网上的主电力供应的中断或打断。实质上，负载56不能检测切换，因此使得由本发明供电的临界负载成为可能。

本发明的示例性应用与利用电池储能装置以在g83参数范围内操作的可再生能源发电装置有关。例如，许多苏格兰岛屿受限于g83电网连接，但是在每个地点存在高于每相16安培的用于可再生能源发电的大量潜能。具有更大需求的地点能够从更大的可再生能源发电设备获益，同时缓解由长距离网络传输所导致的电网压力。根据本发明，每相均可安装包括电池能量储存装置的5至15kw系统。电池容量可以根据每个地点进行评估。标准的g83逆变器将并联地安装至网络，其中，通向该逆变器的输入经由电池能量储存装置从可再生能源装置直接馈给。与输出和反孤岛效应有关，这于是将处于g83参数内。因此，本发明将产生与主电网同步的人造电网，该人造电网将允许风能逆变器和太阳能逆变器的连续运行。在该示例中，来自可再生能源的发电量将首先满足当地需求并且高于当地需求的任何发电量将储存在电池系统中。当电池系统的充电状态处于预定限制内时，电池系统可以经由g83逆变器将稳定的3.68kw输出至电网，以保持吸收过量发电量的能力。如果存在比当地需求少的可再生能源发电量，则电池系统将转换至人造电网，以向可再生能源发电装置提供电池辅助，以满足当地需求。如果可再生能源发电装置和电池系统不能够满足当地需求，则软转换开关将操作成从电网带来供应。转换开关经由微处理器控制，以仅允许在两种供应同步且处于预定容差内的情况下进行操作。转换开关在10毫秒内适当地执行该操作。反孤岛效应经由转换开关通过在两种供应不同步时不允许转换供应而被阻止，因此如果电网遭受电力损失，则将不启动转换。当经由电网对当地供电时，经由本发明所产生的人造电网能够允许可再生能源装置保持发电并对电池充电，一旦已经提供了足够的充电，则转换开关能够变回到人造电网。可以想象，由于本发明提供的优势，使用本发明的任何应用将不再受限于g83，而是能够通过允许由电压容差等控制的连接部而允许输出更大的容量。

应当理解的是，上文参照电池能量储存装置(即，将过量的能量作为化学潜能储存在一组电池中)描述了本发明，但是并不必然要求这样。例如，能够采用替代的能量储存装置，比如抽水蓄能水电系统、马达驱动飞轮、压缩气体能量储存系统、热能储存系统、氢气制造和储存装置、和/或电转气系统。还注意的是，上述能量储存系统中的任意一个可以被作为“负载”比如在附图中的盒子58处连接至系统，凭借该系统可以使用过量的发电量，例如，对电转气系统进行供电，比如适于将水转换成氢燃料气体的电解车间，尽管这只是一个示例且本发明不局限于此。