孤岛运行多个并网的功率转换器的制作方法

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本专利文献根据美国法典第35条119(e)款要求2015年7月2日提交的美国临时专利申请序列号62/188,278的提交日期的权益，所述申请特此通过引用并入。

本发明大体涉及功率转换器；且更具体地，涉及用于孤岛运行多个并网功率转换器以形成微电网的系统和方法。

背景技术：

功率系统可包括分布式功率源(例如，分布式发电机、电池组和/或诸如太阳能面板或风力涡轮机的可再生资源)，以将功率供应提供到电网(例如，具有本地负载的微电网和/或公用电网)。功率系统可包括用于在功率源与电网之间转换功率的功率转换器(诸如，功率逆变器)。此类功率转换可包括ac/dc、dc/dc、ac/ac和dc/ac。

微电网系统可以包括多种互连的分布式能量资源(例如，功率发电机和储能单元)和负载。微电网系统可通过开关(诸如，断路器、半导体开关(诸如，闸流管和igbt)和/或接触器)耦接到主要公用电网。在微电网系统连接到主要公用电网的情况下，主要公用电网可将功率供应到微电网系统的本地负载。主要公用电网自身可给本地负载提供功率，或主要公用电网可与微电网的功率源结合使用以给本地负载提供功率。

可采用包括硬件和软件系统的控制器来控制并管理微电网系统。此外，控制器能够控制开关的通断状态，使得微电网系统可以相应地连接到主要电网或与主要电网断开连接。微电网系统的电网连接操作通常被称为“并网”模式，而电网断开连接操作通常被称为“孤岛”或“孤立”模式。处于并网模式的微电网系统应能够在电网事件(其中在主要公用电网处发生诸如断电的异常操作情况)的情况下与主要电网断开连接并转变到孤岛模式。

当微电网包括电池组时，可使用电池储能系统来将功率提供到微电网或从微电网接收功率。电池储能系统可以用作智能电网系统中的储能单元。可再生能源(诸如，光伏/太阳能面板和风力涡轮机)是受制于不可预测和不方便的天气模式的间歇源。发电源很少匹配负载需求；且因此期望提供储能单元。储能单元(其既可以存储功率又可以供应功率)的使用允许微电网系统将可靠稳定的功率提供到本地负载。

储能单元还可以存储来自可再生源(及潜在地电网)的过多能量。例如，可再生能源发电量可超过微电网的负载需求。在没有储能能力的情况下，额外的发电量丢失。如果在微电网中采用储能单元，那么额外的发电量可以通过将其存储在电池中而被捕获。然后，储能单元可以在适当的情况下将此功率供应到本地负载乃至主要公用电网。

不幸的是，现有的实施方式并不能使得多个单元能够在并网与孤立模式之间无缝转变。

技术实现要素：

根据本公开，可使用可再生能源与储能单元的组合来形成自我维持的微电网。此类自我维持的微电网可用于在故障时间和偏远地区中负担不了的重要负载。

本发明的实施例包括多个功率转换器，所述功率转换器耦接在一起且配置成将组合的功率转换器输出提供到负载。

在一个方面中，一种功率系统具有可在公共连接点(pcc)处耦接在一起的多个功率转换器。所述功率转换器可配置成在pcc处耦接到负载并将组合的功率转换器输出提供到负载。开关可耦接到pcc，且配置成串联耦接在pcc与外部电网之间使得当开关闭合时功率系统处于并网结构中，且当开关打开时功率系统处于微电网结构中。控制系统(其包括耦接到多个功率转换器的一个或多个控制器)可配置成：使得开关能够响应于从监控外部电网的一个或多个传感器接收的信号来打开和闭合；使得功率转换器在开关断开时以及当系统处于并网结构中时能够在电流控制模式中操作；将多个功率转换器从并网模式转变到微电网模式并使功率转换器同步，使得这些转换器共享负载。

pcc可以是共享的ac总线。

功率系统可进一步包括：近侧传感器，其耦接在pcc与开关之间；以及远侧传感器，其耦接在开关与外部电网之间。控制系统可使得远侧开关能够响应于从近侧传感器和远侧传感器接收的信号来打开和闭合。

控制系统可进一步配置成：接收远侧传感器信号以测量外部电网输入；以及当控制系统确定外部电网输入处于异常状态时，使得开关能够打开。

控制系统可配置成接收近侧传感器信号以测量组合的功率转换器输出。控制系统可进一步配置成：当系统确定外部电网输入处于正常状态时且当组合的功率转换器输出基本上匹配外部电网输入时，使得开关能够闭合。

在使得开关能够闭合之后，控制系统可进一步配置成使功率转换器同步到外部电网电压。在转换器同步到电网的情况下，控制系统可同时改变功率转换器中的每一者的频率以彼此保持同步。

在功率系统中，当电压幅度或频率中的至少一者在下界或上界之外时，外部电网可处于异常状态。

在功率系统中，控制系统进一步配置成将多个功率转换器从并网模式转变到微电网模式以及使功率转换器同步使得转换器共享负载。此同步可包括：控制系统配置成将多个转换器中的一者或多者从电流控制模式转变到电压控制模式，以使转换器中的一者或多者建立微电网的电压。

在功率系统中，控制系统配置成将多个功率转换器从并网模式转变到微电网模式以及使功率转换器同步使得这些功率转换器共享负载包括：控制系统配置成记录在转变到微电网模式之前的电网相位角以及根据所记录的电网相位角来设定微电网相位角。

在功率系统中，控制系统进一步配置成将多个功率转换器从并网模式转变到微电网模式以及使转换器同步以使得这些转换器共享负载还可包括：控制系统配置成对多个功率转换器中的每一个功率转换器实施下垂控制。

在功率系统中，控制系统配置成对多个功率转换器中的每一者实施下垂控制还可包括：控制系统配置成针对每个功率转换器根据以下公式将电压和频率下垂应用于其相应的设定点：

u_set＝u_nom-kqv*qout

其中u_set对应于电压设定点幅度，

u_nom对应于标称电压幅度，

kqv对应于下垂电压斜率(v/kvar)，且

qout对应于测得的输出无功功率；以及

f_set＝f_nom-kpf*pout

其中f_set对应于cl输出的频率设定点，

f_nom对应于标称频率，

kpf对应于下垂频率斜率(hz/kw)，且

pout对应于测得的输出有功功率。

在功率系统中，控制系统可进一步包括多个控制器，所述控制器对其相应的转换器实施下垂直控制，其中每个控制器控制转换器中的一个转换器。

在功率系统中，控制系统进一步包括多个控制器，其中每个控制器控制多个转换器中的一个，其中所述多个控制器中的一个可以是主控制器且剩余控制器可以是从属控制器。配置成将多个转换器从并网模式转变到微电网模式以及使转换器同步使得这些转换器共享负载的控制系统还可具有主控制器，所述主控制器配置成：通过控制电压幅度和频率，使得其功率转换器能够在电压控制模式中操作；以及产生用于使从属控制器遵循的有功和无功电流命令。从属控制器中的一个或多个可配置成从主控制器接收有功和无功电流命令；以及使得其功率转换器能够在电流控制模式中操作。

在功率系统中，控制系统包括：多个从属控制器，其中每一个从属控制器控制功率转换器中的一个功率转换器；以及协调从属控制器的主控制器，其配置成将转换器从并网模式转变到微电网模式以及使转换器同步使得这些转换器共享负载，所述控制系统还可包括主控制器，其配置成通过控制微电网电压、幅度和频率来以电压控制模式操作以及产生用于使从属控制器遵循的有功和无功电流命令。其中，从属控制器还可配置成：从主控制器接收有功和无功电流命令；以及使得其功率转换器能够在电流控制模式下操作。在此期间，可使用来自主控制器的有功和无功命令来控制与从属控制器中的一个或多个耦接的转换器的输出。

功率系统可进一步包括耦接到逆变器的多个功率资源。

在功率系统中，功率源可选自由以下构成的组：电池功率资源、光伏功率资源、燃料电池功率资源、压缩空气存储功率资源、电容器功率资源、风力涡轮机功率资源、微型燃气轮机功率资源、水力功率资源、波浪功率资源、热功率资源、飞轮功率资源和生物质功率资源。

在功率系统中，多个资源包括电池功率资源和可再生功率资源。控制系统可进一步配置成：比较电池功率资源的存储量与上限阈值；以及如果它超过上限阈值，那么命令可再生功率资源削减发电量。

功率系统可进一步包括一个或多个dc/ac转换器，其中每个转换器串联耦接在多个功率资源中的一个功率资源与多个功率转换器中的一个功率资源之间。

在功率系统中，开关可以是接触器、电动化开关或半导体ac开关。

在功率系统中，在孤岛微电网结构期间，功率转换器对负载的组合输出做出同等的贡献。

在功率系统中，在孤岛微电网结构期间，功率转换器对负载的组合输出并未做出同等的贡献。

在另一个方面中，一种将在pcc处耦接在一起的多个功率转换器从并网模式转变到微电网模式的方法包括：断开串联耦接在pcc与外部电网之间的孤岛开关；将转换器的微电网电压和频率命令设定成上一个已知的电网电压和频率；使转换器的微电网电压和频率命令从上一个已知的电网电压和频率斜线上升(ramping)到标称电压和频率；将电压下垂应用于转换器的微电网电压命令以便于共享无功功率；以及将频率下垂应用于转换器的频率命令以便于共享有功功率。

所述方法可进一步包括：根据上一个已知的电网相位角来设定初始微电网相位角。

所述方法可进一步包括：监控外部电网电压、幅度和频率，以在外部电网电压、幅度或频率中的一个或多个超出上界或下界的情况下确定是否应断开孤岛开关。

在所述方法中，功率转换器耦接到电池功率资源和可再生功率资源，所述方法可进一步包括：比较电池功率资源的电池存储量与上限阈值；以及如果存储量超过阈值，那么命令可再生功率资源削减发电量。

在另一个方面中，一种使用连接到功率转换器上的主控制器和一个或多个从属控制器来将在pcc处耦接在一起的多个功率转换器从并网模式转变到微电网模式的方法，所述主控制器和所述一个或多个从属控制器耦接到所述功率转换器，所述方法可进一步包括：断开串联耦接在pcc与外部电网之间的孤岛开关；通过主控制器将微电网电压和频率命令设定成上一个已知的电网电压和频率；通过主控制器使微电网电压和频率命令从上一个已知的电网电压和频率斜线上升到标称电压和频率；通过主控制器产生用于使一个或多个从属控制器遵循的有功和无功电流命令；在电流控制模式中操作一个或多个从属控制器，在所述电流控制模式期间，使用来自主控制器的有功和无功电流命令来控制耦接到从属控制器的功率转换器的输出。

所述方法可进一步包括：主控制器根据上一个已知的电网相位角来设定初始微电网相位角。

所述方法可进一步包括：监控外部电网电压、幅度和频率；以及当外部电网电压、幅度和频率超出上界或下界时，断开孤岛开关。

在所述方法中，功率转换器耦接到电池功率源和可再生功率资源，所述方法可进一步包括：通过主控制器来比较电池功率资源的电池存储量与上限阈值；以及如果电池存储量超过阈值，那么命令可再生功率资源削减发电量。

应注意，本公开不应限于本公开中所描述的实施例。使用本文中附入的构思，众多其他实施例也是可能的。

附图说明

将容易了解本发明的其他优点，因为这些优点在结合附图考虑时通过参考以下详细描述变得被更好地理解，在附图中：

图1a和图1b是用于孤岛运行多个并网储能逆变器以形成微电网的系统的例示性实施例；

图2说明了用于控制功率转换器在并网模式与微电网模式之间的转变和同步的例示性实施例；

图3说明了其中实施下垂方法以使多个功率转换器同步的方法；

图4说明了其中实施主/从结构以使多个功率转换器同步的方法；以及

图5说明了根据本发明的实施例的控制功率系统的方法，其中功率系统从微电网模式转变到并网模式。

具体实施方式

现将参考附图，所述附图形成本文的一部分且通过说明示出了特定的例示性实施例。然而，本文中所描述的原理可以许多不同形式体现。诸图中的部件未必按比例绘制，而是将重点放在说明本发明的原理上。此外，在诸图中，可遍及不同视图放置相似的参考数字以指定对应部分。

在本发明的以下描述中，某些术语仅用于参考的目的，而非旨在为限制性的。例如，虽然本文中可使用术语第一、第二等来描述各种元件，但这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用来将一个元件与另一个元件区分开。如本发明的描述和所附权利要求中所使用，除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一(a/an)”和“所述/该(the)”也旨在包含复数形式。还将理解，如本文中所使用的术语“和/或”是指及涵盖关联的所列举条目中的一者或多者的任何和所有可能组合。将进一步理解，当用于本说明书中时，术语“包括(comprises和/或comprising)”指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或添加。

本发明的实施例包括用于孤岛运行多个功率转换器以形成微电网的系统和方法。在微电网应用中使用功率转换器(例如，双向功率逆变器、dc/dc转换器、ac/dc转换器等)，以在功率源与电网之间转换功率。当期望从并网模式(其中功率转换器连接到诸如公用电网的外部电网)切换到微电网模式时，有必要使功率转换器与电网断开连接并设定电网的电压。本发明的实施例利用单元间同步和/或控制信号通信来将多个功率转换器从并网模式无缝转变到孤岛模式，以继续给微电网的重要负载提供功率。可使用(例如)x10协议通过功率总线来实现功率系统的各种部件之间的通信。

当功率转换器连接到外部电网时，功率转换器可在控制系统的控制下以电流控制(或源)模式操作。控制系统可包括功率转换器的自有控制器以及站点控制器，所述站点控制器协调微电网的各种分布式能量资源。功率转换器的自有控制器可容纳在功率转换器的柜中，其处于受保护以免受功率转换器的功率电子设备的影响的环境或外部环境中。在并网模式中，电网电压的相位由电网限定。功率转换器与电网频率和相位同步操作。

当转变到微电网模式时，功率转换器中的一个或多个可转变到电压控制模式(其中功率转换器设定微电网的电压)。然后，功率转换器既可在稳态中又可在瞬态期间同等地共享负载。在另一个实施例中，微电网可基于(例如)各个功率转换器的剩余电池能量(电荷状态)来实施不等负载共享。此类不等负载共享可由协调微电网的各种分布式能量资源的站点控制器来实施，或由分布式能量资源基于它们相应的可用能量来自主地实施。

关于是否与外部电网断开连接的决定可以是基于外部电网的条件。例如，如果外部电网电压或频率在上界和下界之外，那么控制系统可决定与外部电网断开连接。电压界限的例示性值是：下界＝-12％，上界＝+10％。频率界限的示例值是：下界＝57hz，上界＝60.5hz。当电网电压再次在界限内时，功率转换器将自动地使输出电压与电网电压同步并无缝转变到并网操作。在某些情况下，可由预料到电网有问题的电网操作员来请求与外部电网断开连接，在此类情况下，微电网可与外部电网断开连接同时仍给本地负载提供功率。

图1a和图1b是用于孤岛运行多个并网的功率转换器以形成微电网的系统的例示性实施例。在图1a和图1b中所示的实施例中，多个功率转换器130和140并联连接，且多个功率转换器130和140在公共连接点(pcc)处耦接到负载。

参考图1a，根据本发明的实施例的功率系统100可包括功率资源110和120、功率转换器130和140、外部电网/ac源150、断开连接件/孤岛开关160、负载170、ac总线180和控制系统200。

在图1a中所说明的实施例中，功率资源110和120是电池(或电池组)，且功率转换器130和140是双向功率逆变器130和140。双向功率转换器在dc与ac之间进行转换。电池110或120和功率逆变器130或140可以一同被称为储能系统。可以在众多应用中使用此类储能系统，包括但不限于可再生能源稳定化(renewablefirming)、斜坡速率控制、调峰(peakshaving)和频率调整。

外部电网/源150可以是主要公用电网、微电网的单独的电网段或连接到微电网的另一个ac或dc源。断开连接件160可以是使微电网与ac源150分离的构件。断开连接件160可以是使外部电网150与微电网断开连接的孤岛开关。断开连接件160可以是(例如)静态断开连接开关、电动化断路器、接触器、半导体ac开关等。

负载170表示实际消耗能量的负载。在图1a中负载170被表示在ac侧上，但其也可以是dc负载。在替代性实施例中，负载170也可以不存在。

功率转换器在公共连接点(pcc)处耦接在一起以共享负载170。在图1a中所说明的实施例中，pcc是ac总线。ac总线180在微电网上与本地负载170建立接口。

在基于图1a的实施方式的一个示例中，两个储能逆变器130和140以及电池110和120安装成邻近于建筑物负载170。可由外部电网/ac源150给建筑物负载170提供功率。在这个示例中，ac源150是公用电网。在正常操作期间，电池110和120可提供其他价值流，诸如加入辅助服务市场、提供削峰、提供可再生能源整合等。公用电网150一旦发生故障(诸如，断电)，便由控制系统200将断开连接件160断开。然后，控制系统可将功率系统100转变到微电网模式。在这个模式中，逆变器130和140中的一者或两者从电流控制(或源)模式转变到电压控制(或源)模式以在公用电网150断电期间继续向负载170供应能量。应注意，图1a和图1b中仅出于例示性目的示出了两个逆变器。在本发明的范围内，可使用任何数目的逆变器。

一旦公用电网150恢复，控制系统200便指导微电网的ac电压与公用电网150的ac电压同步并指导断开连接件160闭合。一旦断开连接件160相对所有逆变器被闭合，逆变器130和140便重新同步到公用电网150并转变回到电流控制(或源)操作模式。

图1b是用于在并网模式与微电网模式之间转变多个并网功率转换器的系统的另一个例示性实施例。在图1b中所示的实施例中，太阳能电池阵列190代替电池120以作为其中一个功率资源。在图1b中所示的实施例中，功率转换器130是从电池110提供能量或将能量提供到电池110的双向功率逆变器，且功率转换器140是将来自太阳能电池阵列190的dc能量转换到适合于负载170和/或外部电网150的ac能量的功率逆变器。类似于图1a中所示的实施例，图1b的功率系统在并网模式到微电网模式之间进行转变。

在另一个示例中，参考图1b的实施例，电池储能逆变器130可与电池110耦接并安装成邻近于负载170。也可安装包括逆变器140和太阳能电池阵列190的光伏(pv)系统。太阳能逆变器140可由与逆变器130相同的供应商制造或可以不由与逆变器130相同的供应商制造或甚至制造为与逆变器130相同的类型。可在安装储能系统(逆变器130和电池110)之前、同时或之后安装pv系统。

在基于图1b的实施方式的一个示例中，可由外部电网/ac源150和来自逆变器140的太阳能给负载170提供功率。公用电网150一旦发生故障(诸如，断电)，便经由来自控制系统200的命令将断开连接件160断开。控制系统200可经编程以将系统转变到微电网模式，在这个模式中，储能逆变器130从电流源模式转变到电压源模式以在公用电网停电期间继续向负载170供应能量。通过储能逆变器130转变到电压源模式，太阳能逆变器140可保持处于pv生产模式并继续向负载170供应能量。如果太阳能产生量大于负载所需的功率，那么可将额外的能量用来(例如)给电池110充电。如果太阳能产生量低于负载170的需求，那么电池110可放电以提供操作所需的额外功率。一旦公用电网150恢复，微电网的ac电压便与公用电网150的ac电压同步且断开连接件160闭合。一旦断开连接件160闭合，功率转换器130和140便转变回到电流控制源操作模式。

在图1a和图1b中所说明的实施例中，功率转换器130和140是耦接到dc功率源110和120的功率逆变器。然而，应理解，本发明并不限于功率逆变器或dc源。例如，功率源110可以是诸如风力涡轮机的ac源，且功率转换器130或140可包括串联耦接到在风力涡轮机与ac总线180之间的ac/dc功率逆变器的ac/dc转换器。此外，微电网设备(诸如，电池储能逆变器、pv和风系统、柴油发电机等)可直接或通过隔离或自耦变压器耦接到总线180。此外，一些分布式资产(诸如，风力涡轮机)可以是ac源并具有ac/ac转换器，其中输入ac是从涡轮机到转换器，且输出ac连接是到电网。功率源110和120可以是任何dc源或dc源与ac源的组合。可使用的此类其他源的示例是发电机、风、pv(光伏)、燃料电池、压缩空气存储等。因此，功率转换器130和140可以是ac/dc、dc/dc、ac/ac或dc/ac。

图2说明了用于控制功率转换器130和140在并网模式与微电网模式之间的转变和同步的例示性实施例。控制系统200可包括多个控制器。所述多个控制器可以是(例如)现场可编程门阵列(fpga)和/或既能够进行本地更新又能够进行远程更新的基于数字信号处理的控制器。

控制系统200可包括多个控制器和传感器，它们彼此通信以在并网模式与微电网模式之间实现同步和转变。控制系统可包括多个独立的功率转换器控制器230和240，其中每个功率转换器控制器控制功率系统100的功率转换器中的一个。控制系统200还可包括配置成在独立的逆变器控制器230与240之间进行协调的主控制器210。所述主控制器可以是单独的站点控制器，可以是一个功率转换器中的各个控制器中的一个控制器，或可以与功率转换器的独立的控制器一同收容在一个功率逆变器中。各个功率转换器230中的一个功率转换器的控制器或主控制器210可配置成使用近侧(感测点a)传感器和远侧(感测点b)传感器来监控孤岛开关160的任一侧(即，点a和点b)上的电压。可在感测点a和b处使用市售换能器来将电压信号提供到控制系统，以监控孤岛开关160的两侧上的电压。

根据一些实施例，可由控制系统200在点b处监控ac源150的ac电压和频率。可将所述电压和频率与电压和频率界限进行比较。如果电压和/或频率中的任一者或两者违背了容许范围，那么系统可从并网转变到微电网模式。此转变可包括功率转换器中的至少一者从电流控制(或源)模式转变到电压控制(或源)模式。替代性地，主站点控制器可以以电压控制模式操作以设定微电网的电压，且功率转换器可从该主站点控制器接收电流命令并以电流控制模式操作。

当以并网模式操作时，孤岛开关160闭合且来自能源110和190的能量与电网150耦合。来自能源110和190的能量可用来将功率提供到负载170或将额外发电量提供到公用电网150以支援其他负载。当孤岛开关160闭合时，感测点a和b处的电压应在大小、频率和相位方面相等。

逆变器130和140之间的连接件可由导电材料(诸如，铜或铝)制成。孤岛开关160优选地是快速作用的开关，诸如接触器、(基于半导体的)静态开关或电动化断路器。功率转换器130、孤岛开关160、传感器点a和传感器点b可位于彼此靠近之处，但无需太近距离(proximity)。在一个示例中，它们可相隔50英尺以内，而在其他示例中，它们相隔500英尺或更多。例如，断开连接件160可位于离配电变电站里有相当一段距离远的地方。在这种情况下，在功率转换器130、功率转换器140和断开连接件160之间使用光纤链路或其他高速链路可为优选的。在这个实施例中，整个配电馈线(其可包括不与逆变器并列布置的负载、几英里中等电压配电线和用于在负载站点处服务负载的降压变压器)现在可孤立于ac源150。

如果控制系统200感测到电压或电压的频率在界限外，那么控制系统使得孤岛开关160能够断开。来自控制系统200的信号可(例如)发送作为中继信号、光纤链路或通过其他数字通信方法。电压和频率界限可以是可设定的，并且可以基于特定需求(诸如，负载需求)加以设定和配置。例如，可如下设定电压界限的值：下界＝-12％，上界＝+10％。频率界限的示例值可以是：下界＝57hz，上界＝60.5hz。本领域普通技术人员应清楚，众多其他电压和频率界限是可能的。

当与电网断开连接时，控制系统200将多个功率转换器从并网模式转变到微电网模式并使功率转换器同步，使得这些功率转换器共享负载。功率转换器使用同一个微电网上的单个断开连接件160一同进行转变。在这个模式中，功率转换器可限定微电网电压的相位。在从并网模式转变到微电网模式期间，可获取电网电压的相位角的快照连同上一个已知的电压和频率。然后，微电网上的功率转换器可基于来自电网的此上一个相位信息来初始化它们的相位计算。保持相位的一个益处是：这允许用同一个相位值来初始化多个功率转换器，由此允许在最初同步的条件下转变到微电网/孤岛模式。此外，负载并未经历相位跳变，这可有助于使瞬态更平滑。电网电压波形具有三个主要属性。幅度是电网电压的大小。例如，480v系统将具有480^*1.414＝678v的峰值幅度。频率是在1s的时间段期间电压正弦波的数目。例如，如果每秒有60个周期，那么频率是60hz。相位指示在任何给定时间点电压波形在正弦波中的位置。

在实施例中，为便于转变和同步，功率系统200保存上一个已知的电网电压、电网频率和电网相位角。因此，当断开连接件160与电网150断开连接时，控制系统具有在多个功率转换器与电网150断开连接之时的电网150的正弦波的快照。通过控制系统200，功率转换器可以知道在功率系统200命令孤岛开关断开的时候正弦波所在的位置，且功率转换器可以从那个点重新开始(pickup)正弦波，因此当它们从并网模式转变到微电网模式时(如果有的话)，重要负载并未经历太多的瞬态。

在实施例中，功率转换器中的一者或多者有可能并未觉察到断开连接件160的状态变化。例如，在其中微电网包括光伏系统(包括pv逆变器140和太阳能电池阵列190)和储能系统(包括储能逆变器130和电池110)的一种情况下，可没必要通知光伏系统该状态变化。例如，当从并网转变到微电网模式时，储能逆变器130可转变到电压源模式，同时pv逆变器140继续以电流源操作并保持同步到电压源逆变器130。在这种情况下，pv逆变器140可能并未觉察到断开连接件160断开(即，未连接到外部电网150)。在这个例示性实施例中，控制系统200的逻辑可容纳在逆变器130的控制器230中。在另一个实施例中，可由在任何功率转换器外部的主控制器来实施该逻辑。

一旦获得上一个已知的电网电压、频率和相位角，功率系统100便可实施不同的方法来使多个功率转换器同步。例如，在实施例中，当将多个功率转换器转变到微电网模式并使多个逆变器同步时，功率系统可实施下垂控制方法。在下垂控制方法中，控制系统包括多个独立的功率控制器，其中每一个功率控制器控制一个功率转换器。各个控制器中的每一个控制器可对其功率转换器实施下垂控制方法。下垂控制基于负载有功功率来改变功率转换器的输出频率且基于负载无功功率来改变输出电压幅度。在实施下垂控制方法中，功率转换器的各个控制器并不一定要彼此之间具有直接通信。如果功率转换器的各个控制器认识到其自身上的过负载，那么该控制器减小功率转换器频率且便于在功率转换器之间共享负载，尽管功率转换器之间不必存在直接通信。

图3说明了其中功率系统100实施下垂方法以使多个功率转换器同步的方法。功率转换器从控制系统200接收功率命令。当功率系统100以并网模式运行时，控制系统200定期检查电网频率和电网电压并确定这些值是否是可接受的(步骤310)。如果电网频率和电网电压是不可接受的，那么控制系统200在功率系统200确定电网电压和/或频率在界限外之时存储电网电压、频率和相位角(步骤320)，并断开孤岛开关(步骤330)。步骤340至370由独立功率转换器控制器中的每一者来执行。首先，将微电网电压和频率设定成上一个已知的电网电压、频率和相位角(在步骤340处)。接下来，由每个功率转换器的对应的功率转换器控制器使每个功率转换器输出电压幅度和频率从上一个已知的电压幅度和频率斜线上升(ramp)到标称电压幅度和频率(步骤350)。接下来，每个功率转换器控制器将电压下垂应用于微电网电压命令，从而便于共享无功功率(步骤360)。最后，每个功率转换器控制器将频率下垂应用于微电网频率命令，从而便于在功率转换器当中共享有功功率。

以下控制逻辑说明了其中控制系统包括多个控制器(其中每一个控制器控制一个功率转换器)的实施例。所述多个功率转换器各自实施下垂控制方法。在以下实施例中，当功率系统从并网转变到微电网模式时，功率转换器中的每一个从电流控制模式转变到电压控制模式。当从并网模式转变到微电网模式并使功率转换器同步时，功率转换器中的每一个可独立地操作。因此，对功率系统的功率转换器中的每一个功率转换器实施以下控制逻辑。

在以上控制逻辑中，功率系统在转变到微电网模式之前运行在并网模式中，while(state＝runpqandgrid_ok＝1)即是功率系统的功率转换器以并网模式运行且电网条件在界限内。在这种情况下，功率转换器可从站点主控制器(用户)接收有功功率(p)和无功功率(q)命令pcmd_usr和qcmd_usr。‘controlp(pcmd_usr)’和‘controlq(qcmd_usr)’是用于将功率转换器的有功和无功功率控制为功率命令的例行程序。check_grid(grid_ok)是用于检查外部电网的例行程序。这个例行程序监控电网电压幅度和频率，if(grid_ok！＝1)是指电网条件异常的情形，state＝transition_uf开始到微电网模式的转变。last_volt＝grid_volt、last_freq＝grid_freq和last_ph＝grid_ph存储上一个已知的电网电压、频率和相位角，其可为在界限外且被认为是异常的电网电压或频率。state＝runpq在电网正常时继续以并网模式运行功率系统。

以下控制逻辑说明了功率系统从并网模式到微电网模式的转变。类似于以上控制逻辑，由功率转换器中的每一个来实施这个控制逻辑。

在转变状态(即，transition_uf)期间，功率转换器的输出电压幅度和频率从上一个已知的电压幅度和频率(其可为在界限外且被认为是异常的电压或频率)斜线上升到标称电压幅度和频率。标称(或标准)电压和频率可以是(例如)480v、60hz。open_kext()命令孤岛开关断开。wait(kext_open_tm)是用于等待使孤岛开关断开所花费的时间量的命令。在一些实施例中，可不应用此wait(等待)，在这种情况下时间为0。pha＝pha+freq*dt是实施相位计算的例行程序，dt是用于所述计算的回路时间(looptime)。当转变到微电网模式时，用来自上一个已知的电网相位角的相位来初始化微电网模式的相位。ramp(u_set,last_volt,volt_nom,ramprate_u)和ramp(f_set,last_freq,freq_nom,ramprate_f)使微电网电压和频率命令/设定点从上一个已知的电网电压和频率斜线上升到标称电压和频率。执行此初始化以使瞬态减到最少并具有到微电网模式的平滑转变。在所述ramp(斜线上升)例行程序中，输出是u_set和f_set。输入是待应用的上一个电网电压和频率以及斜坡速率的初始条件。u_set＝u_nom-kqv*qout将电压下垂应用于电压命令以便于共享无功功率。u_nom是标称电压。kqv(v/kvar)是下垂斜率。下垂斜率可设定成使电压漂移减到最少，而同时在功率转换器之间具有高速共享。例如，当功率转换器输出其额定无功输出的20％时，kdrp＝20％ratedkva/volt的值可导致1v的降落。对于480v系统而言，这可以是可接受的。如果将系统设定到低于480v的电压，那么这个值可减小。qout是测得的输出无功功率且由每个功率转换器使用(例如)内部电压和电流传感器来测量。controlu(u_set)是用于将微电网电压控制为电压命令/设定点的例行程序，且controlf(f_set)是用于将微电网频率控制为频率命令/设定点的例行程序。if(u_set＝u_nomandf_set＝f_nomandkext＝open)检查电压和频率的斜线上升是否已完成及孤岛开关是否断开，且如果是这样，那么转变已完成且正运行微电网模式(state_runuf)。否则，功率系统保持处于转变状态(state_transitionuf)中。

以下控制逻辑说明了在微电网模式(state＝runuf)中的功率系统操作。类似于以上控制逻辑，由功率转换器中的每一个来实施这个控制逻辑。

在以上控制逻辑中，功率转换器中的每一个继续应用频率和电压下垂。另外，当功率转换器耦接到电池功率资源时，其控制器可监控电池功率资源的电荷以确定是否应削减可再生发电量。u_set＝u_nom-kqv*qout和f_set＝f_nom-kpf*pout是电压和频率下垂，它们在微电网模式中继续被应用于电压和频率命令/设定点。if(storage_soc>soc_highlimit)检查电池存储器是否被过充电。curtail_generation()削减可再生功率资源的发电量，这可通过以下方法来实现：例如，切断发电、命令可再生资源少产生一些、增大微电网频率以向资源传信通知少产生一些或通过将微电网频率改变为超出标称频率来使可再生资源离线跳闸。unconstrained_generation()允许可再生资源不受约束地发电。controlu(u_set)和controlf(f_set)是用于将微电网电压和微电网频率控制到电压和频率设定点/命令的例行程序。

在另一个实施例中，可对多个功率转换器实施主/从结构。在主/从结构中，多个功率转换器中的一个功率转换器可以充当尝试控制输出电压幅度和频率的微电网主控制器。替代性地，站点控制器可充当主控制器。在这种情况下，功率转换器可全部是从属装置。

主功率转换器或主控制器通过将有功和无功电流命令发送到从属功率转换器来命令从属功率转换器输出一定水平的有功和无功电流。可以闭环方式基于微电网电压控制来计算这些电流参考的幅度。即，一个主逆变器可控制电压，且其他从属逆变器可从主逆变器接收关于它们应供应到微电网中的电流的命令，使得可以在多个逆变器之间共享负载。

一旦处于微电网模式，便可能在主装置与从属装置之间需要快速通信信号，以确保所有装置被对准并以与微电网的频率(例如，处于60hz)相同的频率操作。这些信号可包括电流参考和同步信号。同步信号可以是(例如)每隔一定时间发送的电脉冲或光纤携带脉冲。在另一个实施例中，同步信号可以是基于标准协议(诸如，ieee1588)的时基同步信号。

在其中功率系统包括多个储能逆变器的实施例中，主控制器或主功率转换器可基于独立存储装置中可用的剩余能量向从属功率逆变器发布实际和无功电流命令。例如，主控制器可向耦接到具有更多能量的存储装置的从属储能逆变器发布在值方面更大的电流命令，同时也向耦接到具有更少能量的存储装置的从属储能逆变器发布在值方面更小的电流命令。

当功率系统包括储能系统(包括电池和功率转换器)以及可再生储能系统时，可存在过剩的可再生能量。此过剩的能量可用来给电池充电。在这种情况下，存在给存储装置过充电且在微电网上产生不稳定情形的可能性。为应对这一问题，主控制器装置可将功率削减命令发送到可再生发电源、将停工命令发送到发电源或调节微电网频率以使发电源离线跳闸。当存储装置被充分耗尽而能够再次接受充电时，可通过将微电网频率恢复到标称值并允许发电装置重新连接到微电网来在线恢复可再生装置。

图4说明了其中实施主/从结构的方法。控制系统200检查电网电压和电网频率(步骤410)。如果电网电压和/或电网频率在界限外，那么控制系统200在功率系统200确定电网电压和/或频率在界限外之时存储电网电压和频率(步骤420)。然后，主控制器以及多个从属控制器中的每一个从属控制器执行一系列步骤。主控制器断开孤岛开关(步骤430)。接下来，主控制器将微电网电压、初始相位角和频率设定到上一个已知的电网电压和频率(即，所存储的电网电压、频率和相位角)(步骤440)。主控制器使微电网电压和频率命令从上一个已知的电网电压和频率斜线上升到标称电网电压和频率(步骤450)。主控制器产生有功和无功功率命令并将这些命令传输到从属功率转换器(步骤460)。从属功率转换器接收有功和无功功率命令并根据接收到的命令以电流控制模式操作(步骤480)。

以下控制逻辑说明了其中实施主-从设置的实施例。控制系统包括以电压控制模式操作的主控制器和以电流控制模式操作的一个或多个从属控制器。主控制器可以是各个控制器中的一个，它控制其相应的功率转换器，在这种情况下，该功率转换器可被称为主功率转换器。在另一个实施例中，主控制器可以是协调整个系统的分布式能量资源的全站控制器。从属控制器各自可以是控制其相应的从属功率转换器的独立的控制器。主控制器控制到微电网模式的转变，且命令从属功率转换器遵循电流命令。

在以上控制逻辑中，功率系统在转变到微电网模式(uf)之前以并网模式(pq)运行。while(state＝runpqandgrid_ok＝1)是功率系统的功率转换器以并网模式运行且电网条件在界限内的情况。在这种情况下，功率转换器可从站点主控制器(用户)接收有功功率(p)和无功功率(q)命令pcmd_usr和qcmd_usr。这些也可被称为功率转换器的设定点。‘controlp(pcmd_usr)’和‘controlq(qcmd_usr)’是用于将功率转换器的有功和无功功率控制为功率命令的例行程序。check_grid(grid_ok)是用于检查外部电网的例行程序。这个例行程序监控电网电压幅度和频率，if(grid_ok！＝1andis_master)应用于主控制器且是指电网条件异常的情形，state＝transition_uf开始到微电网模式的转变。last_volt＝grid_volt和last_freq＝grid_freq存储上一个已知的电网电压和频率，其可为在界限外且被认为是异常的电网电压或频率。state＝runpq在电网正常时继续以并网模式运行功率系统。

以下控制逻辑说明了当控制器是主控制器时功率系统从并网模式到微电网模式的转变的实施例。如上文所注释，以下控制逻辑可由主逆变器的控制器来实施，或替代性地可由站点主控制器来实施。

在转变状态(即，transition_uf)期间，由主控制器使微电网电压幅度和频率从上一个已知的电压幅度和频率(其可为在界限外且被认为是异常的电压或频率)斜线上升到标称电压幅度和频率。标称(或标准)电压和频率可以是(例如)480v、60hz。open_kext()命令孤岛开关断开。wait(kext_open_tm)是用于等待使孤岛开关断开所花费的时间量的命令。在一些实施例中，可不应用此wait，在这种情况下时间为0。pha＝pha+freq*dt是实施相位计算的例行程序，dt是用于所述计算的回路时间。当转变到微电网模式时，用来自上一个已知的电网相位角的相位来初始化微电网模式的相位。ramp(u_set,last_volt,volt_nom,ramprate_u)和ramp(f_set,last_freq,freq_nom,ramprate_f)使微电网电压和频率命令/设定点从上一个已知的电网电压和频率斜线上升到标称电压和频率。执行此初始化以使瞬态减到最少并具有到微电网模式的平滑转变。在所述ramp例行程序中，输出是u_set和f_set。输入是待应用的上一个电网电压和频率以及斜坡率的初始条件。controlu(u_set,f_set,ld_cmd,lq_cmd)是用于将微电网电压控制到微电网电压命令/设定点以及将微电网频率控制到微电网频率命令/设定点的例行程序。除控制微电网电压和频率之外，主控制器还产生用于使以电流控制模式操作的从属控制器遵循的有功和无功电流命令(lld_cmd和lq_cmd)。if(u_set＝u_nomandf_set＝f_nomandkext＝open)检查电压和频率的斜线上升是否已完成及孤岛开关是否断开，且如果是这样，那么转变已完成且正运行微电网模式(state_runuf)。否则，功率系统保持处于转变状态(state_transitionuf)中。

以下控制逻辑说明了当控制器是从属控制器时功率系统从并网模式到微电网模式的转变。

while(state＝transition_ufandis_slave)

control_current(ld_cmd,lq_.cmd)；

endwhile

control_current(ld_cmd,lq_cmd)是在转变到微电网模式时从属功率转换器的例行程序。从属功率转换器以电流控制模式操作，且从属功率转换器的从属控制器从主控制器接收实际电流命令和无功电流命令ld_cmd、lq_cmd。

以下控制逻辑说明了当控制器是主控制器时在微电网模式(state＝runuf)中的功率系统操作的实施例。

在以上控制逻辑中，主控制器继续用于将微电网电压控制到微电网电压命令/设定点以及将微电网频率控制到微电网频率命令/设定点的例行程序。除控制微电网电压和频率之外，主控制器还产生用于使以电流控制模式操作的从属控制器遵循的有功电流命令和无功电流命令(lld_cmd和lq_cmd)。if(storage_soc>soc_highlimit)检查电池存储器是否被过充电。curtail_generation()削减可再生功率资源的发电量，unconstrained_generation()允许可再生资源不受约束地发电。

以下控制逻辑说明了当控制器是控制多个功率转换器中的一个功率转换器的从属控制器时在微电网模式(state＝runuf)中的功率系统操作的实施例。

while(state＝runufandis_slave)

control_current(ld_cmd,lq_cmd)；

endwhile

在以上控制逻辑中，从属控制器继续以电流控制模式操作，且从属功率转换器的从属控制器从主控制器接收实际电流命令和无功电流命令ld_cmd、lq_cmd从而根据所述实际电流命令和无功电流命令ld_cmd、lq_cmd来控制输出电流。

图5说明了根据本发明的实施例的控制功率系统的方法，其中功率系统从微电网模式转变到并网模式。一般地，当在微电网模式中操作时，控制系统200可继续检查断开连接件160的电网侧的电压和频率并确定所测量的电压和频率是否在所限定的界限内。这些界限可(例如)由逆变器的规定遵从性要求来限定。

控制系统200可配置成通过使用倒数计时器来周期性地检查电压和频率。在一些实施方式中，一旦测量到可接受的电压和频率，便可需要在重新连接到电网之前经过预设时间量以帮助确保电压和频率是稳定的。

更详细地参考图5，控制系统200可执行分析以确定转变到并网模式是否安全(步骤510)。所述分析可包括：确定电网频率是否在界限内(步骤520)、电网电压是否在界限内(步骤530)以及电网重新连接计时器是否已到期(步骤540)。如果步骤520、530或540中的任一个未通过，那么过程在步骤510处重新开始。否则，当电网频率和电压在界限内且重新连接计时器到期时，在步骤550处使电压源同步到电网电压。

电压源同步到电网电压可包括：逐步调节微电网的频率，以使微电网的相位与电网电压对准并锁定到电网电压中。例如，在实施例中，在断开连接件160的两侧上都有电压源，一个电压源可以是电网，而另一个电压源是微电网。一旦控制系统200确定同步已发生，便可将断开连接件160闭合(步骤580)，因为断开连接件160的任一侧上的电压相同或几乎相同。因此，当断开连接件160闭合时，避免了任何大的瞬态。在预设的时间段之后(步骤570)，功率转换器将转变到电流源模式，且操作将恢复到并网模式。所述预设的时间段可以基于一旦控制系统200发布闭合命令便将断开连接件160闭合所花费的时间量。

代替使电压传感器b回到控制系统200的做法是，可使用市售同步继电器。一旦微电网的相位与公用电网的相位匹配，继电器便可将信号发送到控制系统。基于这个信号，控制系统200可将断开连接件160闭合。

以上所描述的实施例被描述为连接到公用电网(作为外部电网)的微电网。然而，应理解，外部电网并不限于公用电网。例如，该微电网可进一步分割成多个微电网。这些微电网中的每一个将具有能源(可再生能源、发电机、储能器)和负载。然后，微电网可根据需要彼此重新连接和彼此断开连接。

所公开的实施例提供了功率系统和方法，其中并联连接的多个功率转换器从并联模式无缝转变到微电网模式。在本发明的实施例中，通过单元间同步和/或控制信号通信，一旦检测到异常电网电压和/或频率条件，多个功率转换器便可无缝转变到孤岛模式、形成微电网和继续给重要孤岛负载提供功率。

本领域技术人员将了解，在不背离本公开的范围的情况下，可以对所公开的功率系统做出各种修改和变化。出于说明书和对本发明的实践的考虑，本公开的其他实施例将为本领域技术人员所显而易见，预期说明书和示例仅被视为例示性的，本公开的真实范围由以下权利要求及其等效物来指示。