專利名稱：后備電力系統的制作方法
技術領域：
本發明涉M備電力系統，其被配置為具有用戶發電系統并具有網絡監視裝置的UPS系統，背景技術用于產生電能的用戶發電系統是已知的，例如其被饋送到電網的電力強烈變化的燃料電池、可變速度內燃機、太陽能發電機或具有PM發電機 的風能系統。通常為這種發電系統提供有吸引力的特殊費率(rate)，因 此，從經濟的角度看來，對于這些系統的操作者來說對將所產生的電力饋 送到市電網有著越來越大的興趣。由于不同的費率，所產生和消耗的能量 通常用不同的表進行測量。電網并聯運行需要考慮安全和連接的特殊情況。 網絡監視也是已知的。其非常重要。對于用戶發電系統來說，必須能 夠檢測出電網故障并停止運行。當一電網部分已被斷開但用戶發電系統繼 續在此部分中運行時，由于存在傷害電網維護工人的可能風險，不允許進 一步向電網饋送電力。網絡監視方法是已知的，其分為被動和主動方法。 凈皮動方法僅評估一相和三相電網電壓以及電網頻率的測量值。主動方法的 特征在于功率或電壓失真以這樣的方式影響電網電網參數或電網阻抗可 從響應推斷。由電流失真獲得電壓響應，反之亦然，由電壓失真獲得電流 響應。相應地，電網監視系統必須在電網運行中有效。在孤島運行(其中， 到市電網的連接被中斷，僅規定的先前已知部分中的負載被進一步供電) 中，關閉電網監視是已知的。這由于在電網運行過程中電網阻抗遠遠低于 孤島運行模式中的阻抗而發生。另外，在這樣的方法中，由于孤島網絡的 電網阻抗在模塊化擴展時發生變化，模塊化擴展性得到促進。有利地避免5了作為改變的電網參數的結果而發生的、用戶發電系統的內部網絡監視的故障切斷，特別是在較大的載荷步(load steps)時。整個系統因此變得更 加穩定，特別是當作為孤島網絡運行時。電氣負栽在電網故障時繼續被供電的用戶發電系統是已知的。它們需 要附加的裝置。這個意義上的一種附加裝置是功能性單元，操作者必須安裝該單元， 以便允許已有的用戶發電系統作為后備電源系統運行。有利的是，當更多的電氣負載需要用后備電力供電時，在沒有必須與 附加裝置的某個功能性單元相關聯的特定電氣負載的情況下，系統僅能使 用以附加部件的形式添加的模塊進行擴展。對于要保證的負載的不間斷供電，當其處于負載運行時(其中，提供 市電網)和處于無負載運行時(其中，不提供市電網)總是在同一控制模 式下運行后備電力系統是實際有效的，因此，不需要中斷供電以切換控制 器。在市電網恢復運行時，同樣適用。在用戶發電系統被安裝在線路分支上時，當饋入高而消耗低時可能在 此線路分支中產生不能允許的高電網電壓。附加裝置于是可用于吸收能量 并相應地降低電網電壓。結果，電網可被穩定，以便允許甚至在線路分支 上安裝用戶發電系統，否則這是不可能的。另一方面，當消耗非常高時，在這些線路分支上，電網電壓可達到不 能允許的低值。這里，同樣地，可使用附加裝置以便從電池為高消耗峰值 供給電力。相應地，消耗節點上的電網電壓可被保持為穩定，即使是在更 大的電氣負栽下。能被附加地用作后備電源系統的電網并聯用戶發電系統是已知的。具有電池充電器和電池變換器的分立UPS系統可從EP 0 817 350 A2 獲知。這種系統被稱為在線式UPS系統。該系統以這樣的方式運行當市電網故障時，通過將用戶發電系統從 電網斷開，保證后備電力供給。于是，將電能提供給附加插座。使電壓在 此插座上可用的變換器于是通過電池被供電。電池由從市電網被供電或從用戶發電系統凈皮供電的電池充電器進4亍充電。為此目的實現的用戶發電系統以這樣的方式配置其能在切換后繼續 作為孤島網絡工作。僅電池充電器被連接到此孤島網絡。在市電網故障時，電氣負載必須被手動連接到附加插座，其在一方面 是不便的，另一方面，在某些情況下由于電流中斷也是非常不受歡迎的。如果電氣負栽總是通過附加插座凈皮供電，電池充電器以及附加變換器 中產生的損失必須^皮接受。在這種情況下，系統如在線式UPS系統那樣地 運行。如果在線式UPS系統故障，通過該系統被供電的電氣負栽必須經由 附加的開關裝置連接到市電網。這種方案不保證到相關聯負載的電流供給。這種UPS系統具有其他的缺點。如果系統被運行為在線式UPS系統，附加轉換損耗必須被忍受，也需要已有用戶發電系統與開關單元之間的數 據連接。結果，難以將已有用戶發電系統轉換到具有受到保證的電源的系統，因為當在線式UPS系統故障時，經由在線式UPS系統凈皮供電的電氣負載需要通過附加的開關裝置連接到市電網。具有受到保證的供電的電氣 負載與確切的一個電池變換器相關聯。相應地，非常大的負載不能與幾個 變換器相關聯。另外，多個負栽必須進一步總是在特定的變換器中分配。另外，用戶發電系統、電氣負載和后備電源不被并聯連接在AC側， 故安全的電力供給和電網并聯運行是不可能的。美國專利No.6 949 843 B2示出并介紹了用于在DC側耦合能量蓄積器 和用戶發電系統的耦合裝置。所介紹的系統為離線式UPS系統。在該系統中，僅提供一個DC-AC轉換器，其用于向市電網饋送電能， 或用于當電網電力不可用時向特定電氣負載供電。由于能量源_一例如光電發電機一一在所介紹的情況下具有嚴重波動 的電壓，必須在能量源和電池之間設置雙向適配器。"轉換單元"被裝在DC-AC轉換器的下游。在電網故障時，該單元 將DC-AC轉換器和特定負載從電網斷開。此后，它們被連接到DC-AC轉 換器的輸出，通過DC-AC轉換器，它們4皮供電。負栽在切換過程中不4皮供電。作為從光電發電機供給能量的替代方案，電池必須由市電網通過分立 的電池充電器進行充電。在此離線方案中，沒有模塊化擴展的可能，除了電氣負載不能在沒有中斷的情況下被供電以外，因為特定數量的特殊負載與特定的DC-AC轉 換器相關聯。結果，消耗高功率的負載不能與幾個DC-AC轉換器相關聯。 因此，多個負載必須總是在特定的DC-AC轉換器之間分配。另一缺點在 于在用戶發電系統安裝時整個系統必須從開始被設計為作為安全電源運 行，因為電池必須被連接到DC側，且DC-AC轉換器也必須適合于從一 開始進行孤島運行。另外，現有的不具有DC中間電路的用戶發電系統—— 特別是具有異步發電機的風力發電機一一不能被一體化。 需要附加裝置一一即雙向適配器，其使系統更為昂貴。 如果希望電池也從市電網充電，進一步需要附加的電池供電設備。 具有耦合在AC側的用戶發電系統和電池變換器的方案也是已知的。 在2006年8月的目錄"Smart Energy Concepts" ( Studer Inc in Sion (Switzerland))中，在第11頁介紹了組合了具有用戶發電系統的電池 變換器的系統，用戶發電系統的網絡監視在電網運行和孤島運行模式下均 保持為可運行。對這樣的系統進行調節，使得電流控制在負載運行中在獨立變換器中 可操作。在電網故障的情況下，控制必須被切換到電壓控制。結果，負載 的供電在所有網絡配置中被中斷。此系統的不利之處在于，當負載被添加到電路或從電路移除時，由于 電網參數在孤島運行模式下與在電網運行模式下相比變化更大，用戶發電 系統經常在孤島運行中關閉。結果，整個系統的穩定性受到限制。另外， 使得模式化擴展更為困難。當電池變換器和用戶發電系統根據現有技術被 耦合到AC側時，不能實現負載的不間斷供電，因為控制器需要被切換。被配置為具有用戶發電系統和電網監視系統的UPS系統的后備電力 系統可從美國專利No.6，304,006 Bl獲知，所述系統凈皮配置為UPS(不間斷電源)或后備系統。其包含電網監視裝置。太陽能發電機由此可經由開關 連接到負載。太陽能發電機被連接到獨立變換器，該變換器將太陽能發電機的DC電壓轉換為與電網相當的AC電壓。市電網,皮連接到該開關。然 而，通過開關，僅電網或僅太陽能發電機可被有選擇地連接到負載。或者， 電池而不是太陽能發電機可被連接到獨立轉換器。通過這種開關拓樸，不 可能同時將太陽能發電機和電池連接到負栽。如果太陽能發電機被用于提 供后備電力，連接到獨立變換器的、附加的附屬發電機必須在夜間使用。 采用這種方案，獨立變換器的尺寸必須設計為用于最高可能性能。這樣是 昂貴的，因為獨立變換器必然是過大的。如果超過了獨立變換器的性能限 制，必須使用新的、更為強大的變換器。對于AC發電機，不能直接對負 載供電。US 2002/143438 Al顯示并介紹了用于被連接到市電網的燃料電池的 開關拓樸。該拓樸包含三個連接節點，即第一節點，其接有具有DC/AC 轉換器的燃料電池、用于電網連接的開關以及用于連接負栽的附加開關； 第二節點，其接有負載、附加開關以及用于負載的開關；笫三節點，其用 于將電網連接到附加開關和第一開關。進一步提供了負載管理。這種負載 管理用于在峰值負載時(例如在某些季節或一天中的某些時間)將燃料電 池連接到電網，以^f更避免電網故障。包舍再生發電機(即幾個風能電廠和幾個太陽能發電機)的孤島網絡 可從WO03/077398 A2獲知。每個太陽能發電枳4皮連接到DC/DC轉換器。 DC/DC轉換器以總線狀方式被連接到DC/AC轉換器。進一步使用蓄電裝 置或電池，其各自包含DC/DC轉換器。這里介紹的本發明的目的在于尋找對現有技術的改進，以便提供電網 側的電網并聯用戶發電系統的擴展，據此，用戶發電系統得到補充，使得 一方面其可用于提供后備電力，另一方面，其可4吏用才莫塊進行擴展，在電網故障存在時負栽的不間斷電力供給以^v電網斷開成為可能。此目的通過#>實現為具有用戶發電系統和監一見裝置的UPS系統的后備電力系統得到實現。所述系統包含連接到用戶發電系統的第 一連接節點，9用戶發電系統被連接到包含第 一開關的至少 一個自動斷開開關，所述第一 開關被布置在用戶發電系統和市電網之間，且用戶發電系統被連接到第二 開關，第二開關被連接到一個或幾個負載，所述系統還包含第二連接節點， 第二連接節點被連接到第二開關，第二開關被連接到負載，用戶發電系統 被連接到布置在市電網與負載之間的第三開關且被連接到第四開關，第四 開關接有具有蓄電裝置的獨立變換器，所述系統包含將第一開關與第三開關連接到市電網的第三連接節點，用戶發電系統提供AC電壓，該電壓可 與市電網并聯地^^口到電路，在市電網故障時，用于斷開第一開關的電網 監視裝置被設置。本發明提供了對于能夠供給后備電力的電網并聯用戶發電系統的方案。本發明還提供了在線式UPS系統，如果各開關的開關時間不大于 50ms、特別是不大于30ms,其是有利的；各開關由此被實現為接觸器。 安全不間斷電源因此得到保證。本發明可安裝為附加到已經存在的用戶發電系統，不必更換饋送裝置 (例如太陽能轉換器)。本發明進一步允許例如電池支持的后備電源到市電網的并聯運行(其 他蓄能裝置——例如飛輪(flywheel)蓄能系統、UC電容器、EEstore、 燃料電池等一一也是可以的)，并實現下列優點后備電力系統的蓄能裝置可長期再度充電，使得在電網故障時可以獲 得充足的能量。可影響能量流和蓄能裝置的電壓，以保證蓄電裝置的長壽 命。為用戶發電系統提供"自動斷開開關"(較早的ENS)，以便使得用 戶發電系統的內部自動斷開開關不可運行。結果，用戶發電系統可有利地 繼續以孤島運行模式運行。在市電網故障的情況下，通常可在沒有任何中斷的情況下對負栽供電。 如果沒有到市電網的連接，形成孤島網絡，直到市電網重新可運行。于是, 可重新從市電網對負載供電。在重新連接到電路之前，孤島網絡可在電壓和頻率上與市電網同步。在市電網中短路(short)的情況下，由后備電源供電的負栽上的電壓下降不能持續多于30ms。滿足了根據現有技術有效規則的所有饋入安全要求。 使用分立的計數器，可以進一步區分來自市電網的電力和由用戶發電系統饋送的電力。在本發明所開發的有利實施方式中，設置為各開關以這樣的方式集 成在附加裝置中，使得各部件被布置在適當的盒子或一個或幾個控制面板 中，并使附加裝置被連接在市電網與用戶發電系統之間。獨立變換器以及 蓄能裝置可以為附加裝置的組成部分。在本發明的系統所開發的另 一有利實施方式中，提供了檢測孤島網絡 的裝置，所述裝置被實現為其控制用戶發電系統到電網的耦合，使得在 電網故障時附加裝置能與電網完全隔離。結果，當電力供給低時，電氣負 載的電力需求可通過用戶發電系統(即通過被連接到獨立變換器的蓄能裝 置一一例如電池)得到保證。當光電發電機用于用戶發電系統時這一點是 重要的，因為這些發電機在夜間不供給任何電力，或在太陽輻射低時供給 太小的電力。當幾個用戶發電系統并聯連接時，給出增大電力需求的最優適應。由 于在市電網與用戶發電系統之間附加裝置包含能被實現為接觸器的開關， 且由于該開關也可對于高電流強度以相對較低的成本設計，才莫塊化擴展是 可行的。如果負載尺寸要求的話，幾個獨立變換器可并聯連接。如果附加裝置包含自動斷開開關，使得用戶發電系統的電網監視能以 其可在電網并聯以及在孤島運行模式中運行的方式設置的話，可獲得另一 優點，這意味著電網監視由具有獨立變換器的附加裝置接管。附加裝置還包含自動斷開開關、轉換接觸器(transfer contactor)、 接觸器、電網電壓表以及電網電流表，使得裝置能夠自足地運行。當被用作移動系統時，有利地設置為轉換接觸器為兩極接觸器，一 極被配置為在從電網并聯運行切換到孤島運行時，被連接到邏輯點的中性導體的接觸器極能被電網的中性導體切換到PE。才艮據有利的特征，還i殳置為電網中一有電壓且獨立變換器以充電運 行模式運行或不運行，轉換接觸器就在電網和負載之間開啟。這是為了保 證當獨立變換器不運行時的電力供給。本發明的另一目的是運行附加裝置的一種方法，用戶發電系統為連接 到附加裝置的數據，并通過數據通信以可以將運行模式從孤島運行切換到 電網運行的方式受到影響，運行才莫式的切換受到控制，使得在數據連接故 障時，用戶發電系統切換到電網并聯運行或保持在這種運行模式。從屬權利要求中給出了本發明的進一步的有利的實施方式。
下面將參照附圖更為詳細地介紹本發明。 在所述附圖中圖l-8示出了附加裝置的八種不同的典型實施例。 在附圖中，同樣的號碼用于表示相同的部件。
具體實施方式
圖l示出了后備電力系統或附加裝置4的實施例。這種裝置包含用于 第一表2 (其被更為具體地實現為輸出表)和第二表3 (其被更為具體地實現為輸入表)的連接。附加裝置4通過輸出表2和輸入表3被連接到市電網1。 一個或幾個用戶發電系統5 (例如具有太陽能變換器的太陽能發電 機)、負載6、緊急時的(at need)發電機8被連接到具有獨立變換器7 的附加裝置4。獨立變換器可包含并聯連接的一個或幾個獨立變換器。一 旦用戶發電系統5已被連接到附加裝置4，可能設置在用戶發電系統中的 電網監視系統(ENS)停止運行。在其DC側，獨立變換器7被連接到蓄能裝置，例如電池71。獨立變 換器7可包含AC與DC側之間的內部電隔離。這種隔離可通過以與電網運行在同一頻率的變壓器或通過一個或幾個高頻變壓器實現。獨立變換器7被有利地配置為由半導體開關構成的H橋。這些半導體 開關可包含MOS晶體管、IGBT晶體管或GTO晶閘管。根據本發明，獨立變換器7被配置為在孤島運行過程中負栽電路存 在短路時，啟用負載電路的已有的過載保護元件。接觸器45被觸發，使得當存在負栽電路短路時以及存在與其相關的邏 輯點9上的電壓下降時，接觸器觸點保持閉合，直到變換器7的短路電流 啟用負載電路的相關聯的過載保護元件，故邏輯點9上的電壓被恢復。附加裝置4包含接口單元41。該單元用于將獨立變換器7與附加裝置 4中的致動器以及傳感器相連接。適合的數據總線(例如CAN總線)被用 作連接。所述一個或幾個用戶發電系統經由自動斷開開關42被連接到輸出 表2。這種斷開開關包含至少一個接觸器411;然而，其還可以包含附加接 觸器412，該接觸器與此接觸器串聯連接。接觸器411和412可被配置為 單極接觸器或斷路器。負載6經由轉換接觸器43被連接到電網1。當轉換 接觸器43被斷開，且系統以孤島運行模式運行時，接觸器44將用戶發電 系統5經由邏輯點9連接到負載6。接觸器45將獨立變換器7與負載6經 由邏輯點9連接。接觸器46將發電機8經由邏輯點9連接到負載6。這些 接觸器各自可被配置為單極接觸器或斷路器。附加裝置4至少包含以下測量值檢測器電網電壓表47，獨立變換器 上的AC電壓測量表49， AC電流表50。另夕卜，還提供了發電機電壓表48。下面的運行條件是可能的由市電網運4亍接觸器411、 412、 43和45被閉合，接觸器44和46被斷開。負載6 從電網l經由輸入表3被供給能量。用戶發電系統5經由輸出表2向市電 網1饋送能量。獨立變換器7對蓄能裝置71充電。當蓄能裝置被充電時， 具有低能量花費的涓流充電通常足夠。使用對于電網電壓和電網電流的測 量值以及合適的孤島抑制方法(anti-islanding method)，獨立變換器7不 斷監視市電網的電網參數，因此能夠檢測是否存在孤島網絡。獨立變換器7受到電壓控制。獨立變換器7中的內橋電壓由此受到控制，使得其在大 小和相位上相對于邏輯點上的電壓以這樣的方式被設置在邏輯點上獲得 的電壓為希望的電壓，且規定的電池負載電流得到設置。如果獨立變換器有缺陷或臨時故障，其可經由連接器45從邏輯點9 斷開。 一旦故障已被改正，其可使用電壓表47和49與邏輯點9上的電壓 同步，并能恢復蓄能裝置71的負載運行。轉變獨立變換器7檢測電網l的斷開，附近的短路或市電網電壓供給中的 故障。通過其電壓控制器，獨立變換器現在試圖在邏輯點9上保持電壓恒 定。使得接觸器411、 412、 43斷開。如果轉變過程中的條件導致來自獨立 變換器7的電流超過某個最大值，獨立變換器7將此電流限制到此最大值， 以便使獨立變換器的內部部件不過載。于是，邏輯點9上的電壓相應地下 降。 一旦上面提到的接觸器被斷開，電流僅流入負載6。邏輯點9上的電 壓重新達到其標稱值。孤島運行在孤島運行中，使得接觸器44閉合，故用戶發電系統能夠自動與邏輯 點9上的孤島網絡同步。現在，由此形成的孤島網絡能被運行，只要用戶 發電系統平均提供足夠的能量。產出和消耗中的波動被獨立變換器7及其 蓄能裝置71平滑掉。相應地，現有的發電機(例如柴油發電機)能經由接觸器46添加到電 路。出于這個目的，發電機被首先啟動，然后，獨立變換器使用發電機電 壓表48和電壓表49將邏輯點9的電壓與發電機8的輸出電壓同步。在同 步完成時，發電機接觸器46被閉合。當電網恢復運行時電壓表47檢測市電網l的電壓何時恢復到正常。在檢測時，使得接觸 器44首先斷開。用戶發電系統于是關閉。接著，使得邏輯點9上的電壓與 電網l中的電壓同步，并使轉換接觸器43閉合。最后，使得接觸器411、 412閉合，以便允許用戶發電系統5經由輸出表2由電網運行。結果，負載6由電網供電，用戶發電系統5向電網l饋送電力。轉換接觸器43可被實現為斷開器或包括半導體開關。其可被觸發，以 便當電網電壓在附加裝置故障的情況下被施加時總是閉合。結果，可保證 負載在附加裝置故障時不與電網隔離。附加裝置4的所有部件可被布置在合適的盒子、獨立變換器7或用戶 發電系統5的一個或幾個控制面板中。獨立變換器7和蓄能裝置71也為附 加裝置4的組成部分。在孤島運行中，負載6可完全由用戶發電系統5供電，只要所產生的 能量大于或等于消耗。蓄能裝置僅用于替代產出與消耗之間的差異能量。 結果，作為ac耦合的優點，整個系統能量增加。用戶發電系統優選為具有相關聯的pv變換器的pv電廠。其還可以 為具有pm發電機(永磁同步發電機)的可變速度風能電廠。圖2示出了系統的構造，轉換接觸器43被配置為使得當從電網并聯 運行變為孤島運行時，被連接到邏輯點9的中性導體的接觸器極能被電網 的中性導體切換到pe。圖3示出了在一相上具有幾(m)個用戶發電系統和幾(n)個獨立變 換器的系統的構造。獨立變換器由此可通過合適的數據總線連接被連接到 接口單元41以及連接在一起。圖4示出了具有到市電網的三相連接以及每相一個獨立變換器的系統 的構造。圖5示出了具有到市電網的三相連接和一個三相獨立變換器的系統的 構造。圖6示出了具有三相轉換接觸器43的系統的構造，接觸器43被配置 為當從電網并聯運行變為孤島運行時，被連接到邏輯點9的中性導體的 接觸器極可被電網的中性導體切換到pe。切換操作也可由幾個接觸器進 行。圖7示出了系統的構造，其具有到市電網的三相連接以及每相一個以 上(n個)的獨立變換器。0到m個用戶發電系統被連接到各相。也可連15接0到m個三相用戶發電系統。圖8示出了具有到市電網的三相連接以及一個以上(n個)的三相獨 立變換器的系統的構造。0到m個用戶發電系統被連接到每相。也可連接 0到m個三相用戶發電系統。用戶發電系統可用對于孤島運行以^t于電網并聯運行的不同模式實 現。借助附加裝置4與用戶發電系統5之間的通信，模式之間的切換是可 行的。因此可在孤島運行模式中實現進一步改進的穩定性。根據本發明， 切換以這樣的方式設計在用戶發電系統與附加裝置之間的數據連接故障 或中斷時，用戶發電系統切換到"電網并聯"運行^^莫式或保持在其中。通過合適的數據傳送介質，附加裝置可從負責的電網操作者接收數據。 如果已與電網操作者達成對應的協議，附加系統可基于這些翁:據與市電網 交換無功和/或有功功率，以便穩定邏輯點上的電壓。結果，可在邏輯點上 避免例如用戶發電系統的饋入引起的過電壓或大負載引起的過電壓。所有的開關元件可被配置為具有插入印刷電路板的繼電器或繼電器與 接觸器。用戶發電系統可包含具有同步發電機、PM發電機或異步發電機并具 有變換器的風能電廠，具有電網耦合同步或異步發電機的風能電廠，具有 相關聯的變換器的燃料電池。用戶發電系統還可為具有電網耦合同步或異 步發電機的水力電廠或具有PM發電機、同步發電機或異步發電機以及相 關聯的電網變換器的可變速度水電設備。用戶發電系統還可以包含具有電 網耦合同步或異步發電機的內燃機，具有PM發電機、同步發電機或異步 發電機以及相關聯的電網變換器的可變速度內燃機。另外，用戶發電系統 可包含具有相關聯的變換器的燃料電池，或為其它類型的用戶發電系統。簡言之，圖l-8所示的附加裝置特征在于一其具有自己的電網監視和孤島網絡檢測，且其使得用戶發電系統適合用作后備電源系統，-其具有一個或幾個獨立變換器7以及一個或一個以上的蓄能裝置71,-獨立變換器7受到電壓控制，〗吏得在電網故障時，不需要控制器切換，-附加裝置4包含自動開關42，且作為其結果，用戶發電系統的電網監 視可被設置為在電網并聯運行模式和孤島運行模式下運行(意味著電網監 視由具有獨立變換器7的附加裝置4進行)，-包含用戶發電系統5和附加裝置4的后備電源在某種程度上為在線式 UPS系統，其在所發生的大多數電網故障的情況下不間斷地連續對負載供 電，-用戶發電系統5、負載6、獨立變換器7、市電網1通過AC側的邏輯 點9連接，-電網l被連接到此后備電源系統，其為向多個負載供電的公用市電網 或為具有一個或幾個負載的孤島網絡，-附加裝置4包含自動開關42、轉換接觸器43和接觸器44,-其包含電網電壓表47和電網電流表50，-附加裝置4被連接到電網并聯用戶發電系統5 ，畫自動開關42包含兩個串聯連接接觸器411和412，-附加裝置4另外包含接口單元41 ，-接口單元41用于將獨立變換器7連接到附加裝置4中的致動器和傳 感器；連接由此可由適當的數據總線(例如CAN總線)完成， -附加裝置4可另外包含發電機接觸器46和發電機電壓表48， -附加裝置4另外包含用于斷開獨立變換器的接觸器45以及獨立變換 器上的電壓表49,-附加裝置4的部件被布置在適當的盒子、獨立變換器7或用戶發電系 統5的一個或幾個控制面板中，-后備電力系統可通過簡單并聯連接一個或幾個獨立變換器進行擴展，-幾個獨立變換器為連接到合適的數據總線的數據，-獨立變換器7和用戶發電系統5由半導體開關構成，例如MOS晶體 管、IGBT、 GTO，-獨立變換器7被電連接到邏輯點，-獨立變換器7不被電連接到邏輯點9，且包含以與電網相同的頻率運行的變壓器，-獨立變換器7不被連接到邏輯點9，且包含以高于電網頻率的頻率運 ^f亍的一個或一個以上的變壓器，-獨立變換器7為一相或三相變換器，-通過一相或三相連接對所述一個或一個以上的用戶發電系統5進行連接，-獨立變換器7被配置為全橋，-轉換接觸器43為單極接觸器，且中性導體在從電網并聯運行切換到 孤島運行時不被切換，-轉換接觸器43為兩極接觸器， 一極被配置為當從電網并聯運行變為 孤島運行時，連接到邏輯點9的中性導體的接觸器極可被電網1的中性導 體切換到PE，國轉換接觸器43為三極接觸器，且中性導體不在從電網并聯運行切換 到孤島運行時被切換，-轉換接觸器43為四極接觸器， 一極被配置為當從電網并聯運行變為 孤島運行時，被連接到邏輯點9的中性導體的接觸器極可被電網1的中性 導體切換到PE，-開關元件411， 412; 42， 43， 44, 45， 46可被配置為接觸器、繼電 器或具有插入印刷電路板的繼電器，-負載6可總體由處于孤島運行模式的用戶發電系統5供電，只要所產 生的能量大于或等于消耗，-用戶發電系統為具有對應變換器的PV電廠，具有PM發電機、同步 發電機或異步發電機以及變換器的可變速度風能電廠，具有電網耦合的同 步或異步發電機的風能電廠，具有相關聯的變換器的燃料電池，具有電網 耦合的同步或異步發電機的水力電廠或具有PM發電機、同步發電機或異 步發電機以及相關聯的電網變換器的可變速度水電設備，具有電網耦合同 步或異步發電機的內燃機，具有PM發電機、同步發電機或異步發電機以 及相關聯的電網變換器的可變速度內燃機，或其它類型的用戶發電系統，畫蓄能裝置71為電池、雙層電容器、EEStore、燃料電池、飛輪、抽水蓄能電廠或任何其他蓄能裝置，-附加裝置被實現為負載所消耗的能量與由用戶發電系統饋送的能量由分立的^C^進行測量，-設置在附加裝置中的電網監視和孤島網絡檢測依賴于被動方法， -設置在附加裝置中的電網監視與孤島網絡檢測依賴于主動方法， -附加裝置能夠在負責的電網操作者要求時與市電網交換無功和有功功率，-為了改進邏輯點上的市電網電壓品質，附加裝置能夠與市電網交換無 功和有功功率，-轉換接觸器43被配置為斷開器， -轉換接觸器43被配置為半導體開關，-當負載電路在孤島運行過程中短路時，負栽電路的過載保護元件由獨 立變換器7啟用，-當負栽電路在孤島運行過程中發生短路以及存在與其相關的邏輯點9 上的電壓下降時，接觸器45保持閉合，直到獨立變換器7能夠啟用負載電 路的過載保護元件，使得邏輯點9中的電壓能被恢復，-一旦電池被完全充電，獨立變換器i^節能模式，關閉除電網監視系 統以外的一切，以便節省能量，-一旦市電網中有電壓以及獨立變換器在充電運行模式下運行或不運 行時，轉換接觸器43被開啟，-在附加裝置4中的電網監視系統故障時，接觸器411， 412; 44被關閉，-用戶發電系統5為連接到附加裝置4的數據，并通過數據通信以這樣 的方式受到影響將運行;漠式從孤島運行切換到電網運行是可行的，畫切換用戶發電系統5的運行模塊-孤島運行/電網并聯運行被配置為 當數據連接有缺陷時，用戶發電系統i^X電網并聯運行模式或保持在此模 式中，-數據連接通過導線約束的(wire-bound)通信和/或無線電通信和/或 電力線通信進4亍，-用于在用戶發電系統5的孤烏運行與電網并聯運行之間切換的命令借助簡單的模擬或數字信號傳輸，畫用于在用戶發電系統5的孤島運行與電網并聯運行之間切換的命令借 助中央紋波控制信號在電力線上傳輸。根據本發明，后備電力系統與用戶發電系統、負栽、市電網并聯運行， 使得可以使用模塊對之進行擴展，且現有系統可容易地隨之更新。現有的用戶發電系統可使用模塊進行擴展，以便作為后備電源系統。 后備電源系統的性能可在后面的級中容易地提高。用戶發電系統、市電網、負載和后備電源系統可在AC側并聯連接。結果，如果市電網不再供給電力，負載可在沒有任何中斷的情況下4皮 供電。在市電網中附近的地方發生短路時，負載的供電可被中斷小于30ms。 用于提供不間斷電力供給的附加電力消耗可以是最小的。 由用戶發電系統饋入市電網的能量不能被附加裝置最小化。
權利要求
1.一種后備電力系統，其被配置為具有用戶發電系統(5)和網絡監視裝置的UPS系統，其特征在于開關拓撲a包含第一連接節點a.1其被連接到用戶發電系統(5)a.2被連接到包含第一開關(411，412)的至少一個自動斷開開關，所述第一開關(411，412)被布置在用戶發電系統(5)與市電網(1)之間，且a.3被連接到第二開關(44)，所述第二開關被連接到一個或幾個負載(6)，b.包含第二連接節點(9)b.1其被連接到所述第二開關(44)b.2被連接到所述負載(6)b.3被連接到布置在市電網(1)與負載(6)之間的第三開關(43)，且b.4被連接到第四開關(45)，所述第四開關接有具有蓄電裝置(71)的獨立變換器(7)，c.包含第三連接節點c.1其將所述第一開關(411，412)和所述第三開關(43)連接到所述市電網(1)，d.所述用戶發電系統(5)與所述市電網(1)并聯地供給能被加到電路的AC電壓，在市電網故障時，用于斷開所述第一開關(411，412)的電網監視裝置被設置。
2. 根據權利要求l的后備電力系統，其特征在于每個開關(411， 412， 43， 44， 45)以這樣的方式集成在附加裝置(4)中每個部件布置在適當 的盒子中或一個或幾個控制面板中，且所述附加裝置(4)4皮連接在市電網(1)與用戶發電系統(5)之間。
3. 根據權利要求2的后備電力系統，其特征在于設置孤島網絡檢測裝置，該裝置用于控制用戶發電系統(5 )到市電網 (1)的耦合，使得當市電網(1)故障時，所述附加裝置(4)能被完全地 從電網隔離。
4. 根據權利要求l的后備電力系統，其特征在于使幾個用戶發電系統 (5)適用于并聯連接的實施方式。
5. 根據權利要求1的后備電力系統,其特征在于使幾個獨立變換器(7) 適用于并聯連接的實施方式。
6. 根據權利要求l的后備電力系統，其特征在于用于兩個分立的功率 表(2， 3)的兩個連接，被連接到自動斷開開關(42)的第一表(2)被設 置為輸出表(2)，并設置第二表(3)，第二表(3)被連接到介于電網(1) 與負載(6)之間的第四開關(43) iU皮配置為輸入表。
7. 根據權利要求l的后備電力系統，其特征在于另一個一一更為具體 地說一一第五開關(46)被設置為用于將附加發電機(8)添加到電路，所 述發電機不同于用戶發電系統的發電機，所^X電機(8)優選為內燃機發 電機，更為具體地說，是柴油發電機。
8. 根據權利要求l的后備電力系統，其特征在于用戶發電系統包含具 有至少一個DC-AC變換器的至少一個光電發電。
9. 根據權利要求l的后備電力系統，其特征在于獨立變換器(7)受 到電壓控制，使得當電網故障時，控制器不需要被切換。
10. 根據權利要求2的后備電力系統，其特征在于 所述附加裝置(4)包含自動斷開開關(42) , 4吏得用戶發電系統的網絡監視可被設置為在電網并聯運行模式和孤島運行模式下均可運行。
11. 根據權利要求10的后備電力系統，其特征在于所述附加裝置(4 ) 包含自動斷開開關(42)、作為開關的轉換接觸器(43)、接觸器(44)、 電網電壓表(47)、電網電it^ (50)。
12. 根據權利要求11的后備電力系統，其特征在于所述轉換接觸器(43 )為兩極接觸器， 一極被配置為當從電網并聯運行切換到孤島運行時， 被連接到邏輯點(9)的中性導體的接觸器極可被電網(1)的中性導體切 換到PE。
13. 根據權利要求1的后備電力系統，其特征在于在孤島運行中，負 栽(6)可完全由用戶發電系統(5)供電，只要所產生的能量大于或等于 消耗。
14. 根據權利要求2的后備電力系統，其特征在于附加裝置(4)中提 供的網絡監視和孤島網絡檢測依賴于被動或主動方法。
15. 根據權利要求1的后備電力系統，其特征在于在孤島運行過程 中負載電路發生短路時以M生與^目關的邏輯點(9)的電壓下降時，接 觸器(45)保持閉合，直到獨立變換器(7)能夠啟用負載電路的過載保護 元件，使得邏輯點(9)的電壓得到恢復。
16. 根據權利要求1的后備電力系統，其特征在于一旦電池已被完全 再充電，獨立變換器進入這樣的能量模式其關斷除網絡監視之外所有的 一切，以便節省能量。
17. 根據權利要求ll的后備電力系統，其特征在于一旦市電網有電壓 以及獨立變換器在充電運行模式下運行或不運行，轉換接觸器(43)被切 換為開通。
18. 運行根據權利要求l的系統的方法，其特征在于用戶發電系統(5) 為連接到附加裝置(4 )的數據，且可通過數據通信以這樣的方式受到影響 將運行模式從孤島運行切換到電網并聯運行是可行的，發電系統(5 )的運 行模式一一孤島運行/電網并聯運行——的切換被設計為使得在數據連接 故障時，用戶發電系統切換到電網并聯運行或保持在此運行^f莫式中。
全文摘要
本發明的主題為一種后備電力系統，其被配置為具有有著以下開關拓撲的網絡監視裝置和用戶發電系統(5)的UPS系統a包含第一連接節點，a.1其被連接到用戶發電系統(5)，a.2被連接到包含第一開關(411，412)的至少一個自動斷開開關，所述第一開關(411，412)被布置在用戶發電系統(5)與市電網(1)之間，且a.3被連接到第二開關(44)，第二開關被連接到一個或幾個負載(6)；b.所述系統包含第二連接節點(9)，b.1其被連接到所述第二開關(44)，b.2被連接到所述負載(6)，b.3被連接到布置在市電網(1)與負載(6)之間的第三開關(43)，且b.4被連接到第四開關(45)，第四開關接有具有蓄電裝置(71)的獨立變換器(7)。
文檔編號H02J9/08GK101257223SQ20081008260
公開日2008年9月3日 申請日期2008年2月27日 優先權日2007年2月27日
發明者A·福爾克, M·羅瑟特, T·克萊默, V·瓦亨費爾德 申請人:Sma技術股份公司