CN106164681A - 具有定位在客户现场处的无功伏安控制器的计量器/电压调节器 - Google Patents

具有定位在客户现场处的无功伏安控制器的计量器/电压调节器 Download PDF

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CN106164681A
CN106164681A CN201580014288.0A CN201580014288A CN106164681A CN 106164681 A CN106164681 A CN 106164681A CN 201580014288 A CN201580014288 A CN 201580014288A CN 106164681 A CN106164681 A CN 106164681A
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克里斯托弗·约翰·雷西奥
克里斯托弗·林恩·卡斯韦尔
迈克尔·格拉尔德·托宾
佐兰·米莱蒂奇
塞尔吉奥·彼伊加
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Abstract

提供了用于对电网供应和吸收无功功率的方法和系统。控制系统包括电耦接至源自公用电网的功率源的终端。终端接收具有有功功率分量和无功功率分量的电网交流电流。功率转换器电耦接至终端，功率转换器包括将基本上所有的电网交流电流转换成直流电流的有源整流器和存储由直流电流供应的电能的电能存储装置。有源整流器将无功功率分量和存储的电能通过终端供应至公用电网。功率转换器还包括将直流电流转换成负载交流电流的逆变器，负载交流电流具有负载有功功率分量和负载无功功率分量中的至少一个。

Description

具有定位在客户现场处的无功伏安控制器的计量器/电压调 节器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年2月14日提交的美国临时申请61/940,205的优先权，其全部公开内容通过引用合并到本文中。
技术领域
本公开内容总体上涉及电功率，更具体地，涉及对公用电网供应和吸收无功功率。更具体地，本公开内容涉及相对于电网从客户现场供应(sourcing)和吸收(sinking)无功功率。
背景技术
电力公司传送并且分配供终端用户或客户使用的电功率。电功率包括有功功率和无功功率。有功功率供应负载执行实际工作(例如使电动机运行)所需要的电能。无功功率向配电系统提供电压调整。当电流和电压不同相时，在交流电力系统中存在无功功率。无功功率用无功伏安(“VAR”)单位表示。
在电力分配期间，输电线路和其他装置将阻抗例如电容和电感引入到配电系统中。这些无功阻抗部件使电流相对于对应电压改变相位。例如，电容使电流在相位上超前电压，而电感使电流在相位上滞后电压。
无功功率被引入到配电系统中以维持期望的电压电平。例如，可以将无功功率引入到具有低滞后的功率因数的配电系统中以减小“电压凹陷”。如果配电系统中的无功功率较高，则流过配电系统的输电线路和负载的电流增大，这导致热损耗增加和系统效率降低。
附图说明
现在将参照附图仅通过示例的方式描述本技术的实现方式，其中：
图1例示了根据本公开内容的一个示例的公用电网环境；
图2例示了根据本公开内容的另一示例的公用电网环境；
图3例示了根据本公开内容的又一示例的公用电网环境；
图4例示了在根据本公开内容的一个示例的操作环境内的单相控制装置；
图5例示了在根据本公开内容的一个示例的操作环境内的分相控制装置；
图6例示了在根据本公开内容的一个示例的操作环境内的三相控制装置；
图7A例示了根据本公开内容的一个示例的当从控制装置的公用电网侧考虑时的功率因数；
图7B例示了根据本公开内容的一个示例的当从控制装置的负载侧考虑时的功率因数；
图8例示了对应于图7A的波形图；
图9例示了对应于图7B的波形图；
图10A例示了根据本公开内容的另一示例的当从控制装置的公用电网侧考虑时的功率因数；
图10B例示了根据本公开内容的另一示例的当从控制装置的负载侧考虑时的功率因数；
图11例示了对应于图10A的波形图；
图12例示了对应于图10B的波形图；
图13A例示了根据本公开内容的又一示例的当从控制装置的公用电网侧考虑时的功率因数；
图13B例示了根据本公开内容的又一示例的当从控制装置的负载侧考虑时的功率因数；
图14例示了对应于图13A的波形图；
图15例示了对应于图13B的波形图；
图16A例示了根据本公开内容的另一示例的当从控制装置的公用电网侧考虑时的功率因数；
图16B例示了根据本公开内容的另一示例的当从控制装置的负载侧考虑时的功率因数；
图17例示了对应于图16A的波形图；
图18例示了对应于图16B的波形图；
图19A例示了根据本公开内容的另一示例的当从控制装置的公用电网侧考虑时的功率因数；
图19B例示了根据本公开内容的另一示例的当从控制装置的负载侧考虑时的功率因数；
图20例示了对应于图19A的波形图；
图21例示了对应于图19B的波形图；
图22A例示了根据本公开内容的另一示例的当从控制装置的公用电网侧考虑时的功率因数；
图22B例示了根据本公开内容的另一示例的当从控制装置的负载侧考虑时的功率因数；
图23例示了对应于图22A的波形图；
图24例示了对应于图22B的波形图；
图25例示了根据本公开内容的一个示例的示例性方法的流程图。
具体实施方式
将要理解的是，为了说明的简单和清楚，在适当情况下，在不同附图之间重复的附图标记指示对应的或相似的元素。此外，为了提供对本文所描述的实施例的透彻的理解，对许多具体细节进行了阐述。然而，本领域普通技术人员将要理解的是，本文所描述的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实施。在其他实例中，为了不模糊正被描述的有关的相应特征，没有详细描述方法、过程和部件。此外，具体实施方式不被认为限制了本文所描述的实施例的范围。附图不一定是按比例绘制的，并且为了更好地说明本公开内容的细节和特征已经夸大了某些部分的比例。可以访问本文所提供的教义的本领域技术人员将认识到本发明范围内的另外的修改、应用和实施例以及本发明将在其中具有显著效用的另外的领域。
除非另有规定，本文所使用的技术和科学术语具有与本公开内容所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。如本文所使用的术语“第一”、“第二”等不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于将一个元素与另一个元素区分开。此外，术语“一(a)”和“一(an)”不表示对数量的限制，而表示存在至少一个所引用的项目。术语“或”的意思是包括性的并且表示所列举项目的任一项目、任何项目、若干项目或所有项目。
术语“连接”和“耦接”不限制于物理的或机械的连接或耦接，并且可以包括电连接或耦接，而不管是直接还是间接连接或耦接。连接可以是物体被永久地连接或可释放地连接。术语“以可通信的方式耦接”被定义为通过中间部件直接或间接地连接，并且连接不一定限于物理连接，而是包含在所描述的部件之间的数据、流体或其他物质的传递的连接。术语“基本上”被定义为本质上符合“基本上”改变的事物，以便该事物不需要是精确的。例如，基本上实时意味着事件可以在没有明显延迟的情况下发生，但是可以包括微小的延迟。
术语“电路(circuit)”、“电路(circuitry)”和“控制器”可以包括单个部件或多个部件，部件是有源部件和/或无源部件并且可以任意地连接或者另外地耦接在一起以提供所描述的功能。在各种实施例的任何实施例中描述的“处理器”包括能够基于输入作出决定的电子电路，并且“处理器”可以与术语“控制器”互换。处理器可以包括通用计算机、专用计算机、ASIC或其他可编程数据处理装置的微处理器、微控制器和中心处理单元等。虽然可以使用单一处理器，但是本公开内容可以通过多个处理器来实现。
在各种实施例的任何实施例中描述的“服务器”包括提供处理、数据库和通信设备的硬件和/或软件。作为示例而非限制，“服务器”可以指具有相关联的通信和数据存储器和数据库设备的单个物理处理器，或者“服务器”可以指联网的或集群的处理器联合体以及相关联的网络和存储装置，以及支持由服务器提供的服务的操作软件、一个或更多个数据库系统和应用软件。
短语“电力公司”被定义为提供或管理向一个或更多个电能客户的电功率或电能的供应的实体。本公开内容中使用的该短语包括但不限于区域公共事业公司、区域传输机构和任何其他负荷服务实体或管理地理区域内的电网的实体。电力公司采用恒频发电机在如60Hz、50Hz、400Hz等的恒定的固定频率处生成功率。电能客户可以是出于任何目的使用电功率的任何实体。例如，电能客户可以包括但不限于个体业主、商业办公楼租户、生产操作人员等。虽然本文所描述的特定示例涉及具有交流电流的公用电力环境例如电网，但是本领域普通技术人员将容易理解，本文所描述的技术适用于具有交流电流的任何配电系统，例如与飞机、轮船、潜水艇等联合使用的配电系统。此外，本领域普通技术人员将容易理解，本文所描述的技术应用于具有交流电流并且在例如60Hz、50Hz、400Hz等的任何固定频率处操作的配电系统。
需要用于相对于配电系统的电网添加或移除无功功率的系统和方法。此外，为了在配电系统中获得期望的无功功率值，需要用于相对于电网在客户现场处添加或移除无功功率的系统和方法。根据一个示例，与在配电系统的其他部分处例如在发电设备与客户现场之间添加或移除无功功率相比，在终端配电系统处例如在客户现场处添加或移除无功功率是最佳的。
出于本公开内容的目的，计算机可读介质以机器可读的形式存储计算机数据。作为示例而非限制，计算机可读介质可以包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括以任何方法或技术实现的用于存储信息(例如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EPROM、EEPROM、闪存或其他固态存储技术、CD-ROM、DVD、或其他光学存储器、磁带盒、磁带、磁盘存储器或其他磁存储装置、或可以用于存储期望的信息并且可以由计算机访问的任何其他介质。
在本公开内容中的术语“包括”、“包含”和“具有”可以互换使用。术语“包括”、“包含”和“具有”表示包括但不一定限于所描述的事物。
下面的描述参考方法和装置的方框图以及操作说明，所述方法和装置控制向电网中供应无功功率和从电网吸收无功功率。应当理解，可以利用模拟或数字硬件和计算机程序指令来实现方框图或操作说明的每个块以及方框图或操作说明中的块的组合。可以将计算机程序指令提供给执行计算机程序指令的处理器以实现在方框图或一个或多个操作块中规定的功能/动作。在一些替选的实施方式中，在块中记录的功能/动作可以不按照操作说明中记录的顺利发生。例如，取决于所涉及的功能/动作，事实上可以基本上同时执行连续示出的两个块或者有时可以以相反的顺序执行块。
电力公司调节配电系统内的无功功率以控制电压电平和修改公用电网的功率因数。当前，在客户现场之前的位置处(例如从发电设备到客户现场之前的地点)调节公用电网的无功功率。本公开内容描述控制客户现场处的无功功率以调节配电系统内的无功功率值的系统和方法。根据一个示例，在客户现场处设置具有被配置成逆变器的有源整流器的功率转换器以在配电系统内供应和吸收无功功率。根据一个示例，基于客户现场处功率消耗期间的可用功率的量来确定可以被供应至公用电网的无功功率的量。例如，如果控制单元额定在30安培、120伏特处，则控制单元可以提供高达3,600kVA的有功功率或无功功率。该有功功率或无功功率可以作为有功功率、无功功率或二者的组合被递送至客户现场或公用电力公司。关于将无功功率供应回公用电网，如果客户现场正在消耗2000kVA，则控制单元可以将剩余的高达1600kVA供应回电网。
图1例示了公用电网环境100的一个示例。客户设施101例如居住建筑、商业建筑等设置有电能消耗装置或负载。例如，电能消耗装置可以包括计算机、冰箱、电视机、气候控制系统例如供暖系统和空调系统、电动机、泵、商业装置或制造装置等。根据一个示例，在客户现场101处可以设置多个控制装置102以控制相对于电网的无功功率的供应和吸收。多个控制装置102可以以可通信的方式耦接至远程服务器或者对应的客户设施101内的计算装置。
控制装置102可以以可通信的方式耦接至设置在客户设施101处的功率表103。通过形成电网的一部分的输电线路115将功率传送至客户设施101。根据一个示例，控制装置102可以经由网络104例如因特网、蜂窝通信网络、专用广域网(“WAN”)、电力线通信(“PLC”)网络或任何其他合适的通信技术来以可通信的方式耦接至公用电网。网络104可以经由常规的路由器和/或防火墙连接至因特网。网络104还可以连接至公共载波无线网络例如CDMA网络。网络104还可以连接至广域网，该广域网连接至PLC网络。
控制装置102可以包括具有处理器120的机载计算机并且控制装置102可以以可通信的方式耦接至计算机可读介质122。控制装置102可以包括具有使客户能够控制控制装置102的图形用户界面的显示装置124。可替选地，控制装置102可以由客户计算机经由网络104来远程地控制。更进一步，控制装置102可以由电力公司或其他第三方经由网络104来远程地控制。在控制装置102处设置软件应用以用于与下面描述的功率表103、电能消耗装置和应用服务器106等其他部件接口连接。软件应用可以包括由处理器120执行的指令。
在客户现场101处设置功率表103以测量由其中的电能消耗装置消耗的功率。根据一个示例，功率表103可以由服务于对应的客户设施101的电力公司来提供。可替选地，功率表103可以由与电力公司不同的实体来提供。在这种情况下，功率表103可以代替由电力公司提供的任何功率表。可替选地，功率表103可以以可通信的方式耦接(例如以串行方式可通信地耦接)至由电力公司提供的功率表。功率可以经由功率表103和控制装置102进入客户设施101。
根据一个示例，可以对功率表103进行编程以基本上实时地测量功率消耗。因此，功率表103可以基本上实时地测量客户设施101处消耗的功率并且可以以预选的间隔将功率消耗数据传送至控制装置102。计算机可读介质122可以存储数据例如功率消耗数据，或者可以为在控制装置102处接收到的数据提供备份或存档。预选的间隔可以包括时间间隔例如实时的或者连续的、基于秒的、基于分的、基于时的、基于天的、基于月的等。本领域普通技术人员将容易理解，其他预选的间隔可以包括由电能消耗的百分比变化、消耗的电能的总量、一天中的时间、一月中的天等引起的间隔。本领域普通技术人员还将容易理解，可以以组合单元的方式来设置控制装置102和功率表103或者可以将控制装置102和功率表103设置为分开的单元。
参照图1，可以设置与多个控制装置102进行通信的应用服务器106。应用服务器106可以经由网络104例如因特网、蜂窝通信网络、专用WAN、PLC网络或任何其他合适的通信技术来与多个控制装置102进行通信。根据一个示例，网络104可以与预选的区域相关联。例如，网络104可以与地理区域例如街道、附近地区、邮政区号、县、州、地区等相关联。可以对多个控制装置102分配互联网协议(IP)地址以追踪对应的位置信息。本领域普通技术人员将容易理解，可以使用其他技术来获得位置信息。
应用服务器106可以包括具有以可通信的方式耦接至计算机可读介质118的处理器116的机载计算机，计算机可读介质118将数据存储在例如数据库中。应用服务器106可以包括具有使电力公司能够控制应用服务器106的图形用户界面的显示装置。可替选地，应用服务器106可以由电力公司或其他第三方经由网络104来远程地控制。在应用服务器106处设置软件应用以用于与控制装置102、功率表103和电能消耗装置等其他部件进行连接。软件应用可以包括由处理器116执行的指令。
根据一个示例，控制装置102可以经由网络104与功率表103和应用服务器106进行通信。例如，网络104可以支持传输控制协议/互联网协议(TCP/IP)连接，并且可以通过蜂窝通信信道、Wi-Fi、有线连接等访问网络104。建立连接后，应用可以通信并且指示控制装置102来相对于电网实时地供应和/或吸收无功功率。对应于无功功率供应和/或吸收的数据可以从所有其他的控制装置102接收，并且可以汇总以形成瞬时的总无功功率供应和/或吸收概况。
根据一个示例，控制装置102可以与对应的应用服务器106进行通信以为对应的客户现场101提供无功功率供应和/或吸收数据。计算机可读介质118可以存储例如供应和/或吸收的无功功率的量等数据或者可以为在应用服务器106处接收到的数据提供备份或存档。多个控制装置102可以以预选的间隔将对应于供应和/或吸收的无功功率的数据传送至对应的应用服务器106。例如，预选的间隔可以包括时间间隔例如实时的或者连续的、基于秒的、基于分的、基于时的、基于天的、基于月的等。本领域普通技术人员将容易理解，其他预选的间隔可以包括由供应和/或吸收的无功功率的百分比变化、供应和/或吸收的无功功率的总量、一天中的时间、一月中的天等引起的间隔。
根据一个示例，软件应用108(下文中“应用108”)可以与应用服务器106接口连接以访问对应于来自对应的客户现场101的所供应和/或吸收的无功功率的数据。例如，应用108可以包括在服务器上执行的、以汇总分析对应于供应和/或吸收的无功功率的数据的指令。根据一个示例，应用108可以分析从多个控制装置102获得的、汇总的无功功率供应和/或吸收数据，以确定供应和/或吸收的无功功率的总量。可以在任何时间周期内例如瞬时地、每小时的周期、每天的周期、每周的周期、每月的周期等来确定供应和/或吸收的无功功率的总量。此外，应用108可以在对应的时间周期期间分析另外的数据。另外的数据可以包括环境数据、天气数据等。根据一个示例，应用108可以分析供应和/或吸收的无功功率的总量和/或另外的数据，以预测将来在预选的时间周期内的无功功率的供应和/或吸收。
根据一个示例，应用108可以存在于应用服务器106的计算机可读介质118中。可替选地，应用108可以存在于以可通信的方式耦接至应用服务器106的远程客户端装置110处。远程客户端装置110可以经由网络112与应用服务器106进行通信。网络112可以例如经由因特网、蜂窝通信网络、专用WAN、PLC网络或任何其他合适的通信技术来支持TCP/IP连接。网络112可以经由常规的路由器和/或防火墙连接至因特网。网络112还可以连接至公共载波无线网络例如CDMA网络。网络112还可以连接至广域网，该广域网连接至PLC网络。
参照图2，可以定义多个区域201a至201n，其中每个区域201a至201n包括图1中所示的部件。可以根据地理区域例如街道、附近地区、邮政区号、县、州、地区等来定义多个区域201a至201n。可替选地，可以根据客户类型例如住宅客户、商业客户、工业客户、医院、警察局、急救响应单元等来定义多个区域201a至201n。本领域普通技术人员将容易理解，多个区域201a至201n可以具有任何期望的特征。
根据一个示例，多个区域201a至201n可以限定选择的地理县内的客户。如上所述的设置有控制装置102和功率表103的多个客户现场101可以与对应的多个区域201a至201n相关联。此外，应用服务器106a至106n可以与对应的多个区域201a至201n相关联，并且可以如上所述与多个控制装置102进行通信。可替选地，本领域普通技术人员将容易理解，应用服务器206可以与多个区域201a至201n中的两个或更多个区域相关联。
应用服务器206可以包括具有以可通信的方式耦接至计算机可读介质218的处理器216的机载计算机，计算机可读介质218将数据存储在例如数据库中。应用服务器206可以包括具有使电力公司能够控制应用服务器206的图形用户界面的显示装置。可替选地，应用服务器206可以由电力公司经由网络204来远程地控制。在应用服务器206处设置软件应用以用于与控制装置102、功率表103、应用服务器106a至106n和电能消耗装置进行接口连接。软件应用可以包括由处理器216执行的指令。
可以设置网络204以将多个区域201a至201n和应用服务器206以可通信的方式耦接。网络204可以例如经由因特网、蜂窝通信网络、专用WAN、PLC网络或任何其他合适的通信技术来支持TCP/IP连接。网络204可以经由常规的路由器和/或防火墙连接至因特网。网络204还可以连接至公共载波无线网络，例如CDMA网络。网络204还可以连接至广域网，该广域网连接至PLC网络。软件应用208(下文中“应用208”)可以与应用服务器206接口连接，以访问从多个区域201a至201n获得的无功功率供应和/或吸收数据。
图3例示了根据一个示例的分布式控制系统300。分布式控制系统300包括如上参照图2所描述的多个区域201a至201n和应用服务器206，并且可以包括以上参照图1所描述的部件。设置配电系统115，以将功率从一个或更多个发电设备302a至302n(下文中“发电设备302”)传输至设置在多个区域201a至201n处的客户现场101。控制装置102安装在遍及多个区域201a至201n分布的客户现场101处以获得对应于所供应和/或吸收的无功功率的数据。根据一个示例，控制装置102被配置成将对应的数据传送至应用服务器206、应用服务器306和/或应用服务器106a至106n。
发电设备302可以包括以可通信的方式耦接至应用服务器206和/或应用服务器106a至106n的对应的接口装置310a至310n。可替选地或另外地，发电设备302可以经由网络304以可通信的方式耦接至应用服务器306。网络304可以经由常规的路由器和/或防火墙连接至因特网。网络304还可以连接至公共载波无线网络例如CDMA网络。网络304还可以连接至广域网，该广域网连接至PLC网络。
应用服务器306可以包括具有以可通信的方式耦接至计算机可读介质318的处理器316的机载计算机，计算机可读介质318将数据存储在例如数据库或存储器中。应用服务器306可以包括具有使电力公司能够控制应用服务器306的图形用户界面的显示装置。可替选地，应用服务器306可以由电力公司或其他第三方经由网络304来远程地控制。在应用服务器306处设置软件应用以与控制装置102、功率表103、应用服务器106a至106n、应用服务器206和电能消耗装置等其他部件进行接口连接。软件应用可以包括由处理器316执行的指令。软件应用308(下文中“应用308”)可以存在于应用服务器306中。应用服务器306可以经由网络304和/或网络204以可通信的方式耦接至应用服务器206和/或应用服务器106a至106n。
根据一个示例，可以将发电设备302分配给一个或更多个对应的区域201a至201n。接口装置310a至310n可以与应用服务器206和/或对应的应用服务器106a至106n进行通信以获得和/或确定例如在客户现场101处的无功功率供应和/或吸收数据概况。此外，接口装置310a至310n可以分析对应区域201a至201n处所需要的、所供应和/或吸收的无功功率的量。例如，接口装置310a至310n可以从应用服务器106a至106n、206访问并且分析对应于所供应和/或吸收的无功功率的数据。可以基本上实时地执行该分析并且对应的发电设备302可以根据该分析来确定对应区域201a至201n内的客户现场101需要供应和/或吸收多少无功功率。以这种方式，发电设备302可以试图准确地获得对应区域201a至201n的配电系统内的期望的无功功率值。
通常，发电设备302可以试图通过定位遍及对应区域201a至201n的配电系统的可调负载来保持期望的线路功率因数。可调负载可以包括无功阻抗，例如被引入至对应区域201a至201n的配电系统中以调节无功功率值的电容器组和电感器。常规的可调负载从配电系统提取功率并且对负荷条件的实时变化具有延迟的响应。此外，在配电系统的最后阶段，可调负载在控制功率因数上具有有限的效果。此外，如果将可调负载放置得太接近配电系统的最后阶段，则可调负载可能在客户现场101处引入电力中断。
本文所描述的技术提供在客户现场101处向公用电网供应和/或吸收无功功率的系统和方法，其可以对客户现场101进行整体控制以在配电系统内获得期望的线路功率因数。控制装置102可以包括具有有源整流器的功率转换器，该有源整流器将基本上所有的电网交流电流转换成直流电流。可以在DC总线处设置电能存储装置例如电容器、电池等以存储由直流电流供应的电能。在需要时，有源整流器可以将无功功率分量和所存储的能量供应至公用电网以调节在客户现场101处的无功功率值。根据一个示例，电能存储装置的可用电荷量可以基于在有源整流器处接收到的功率与提供给负载的功率之间的差值。例如，如果在有源整流器处接收10kW并且将5kW提供给负载，则5kW可用于对电能存储装置进行充电。可以控制功率转换器以防止客户现场101处的电力中断。
与现有技术相比，本文所描述的技术显著节省了发电设备302的成本。例如，在客户现场101处可以利用最小的提取功率来供应和/或吸收无功功率。此外，可以基于在客户现场101处的实际负荷条件基本上实时地控制对公共电网供应和/或吸收无功功率的量。因此，在客户现场101处可能不会引入电力中断。
如上所述，多个控制装置102可以包括使用户或客户能够选择偏好的图形用户界面。例如，控制装置102可以使用户能够在引起停电或灯火管制状况的不稳定周期期间选择在客户现场101处要被供应和/或吸收的无功功率的量。以这种方式，控制装置102可以使用户能够实现电能赊购，作为交换则允许客户现场101处的电力中断。本领域普通技术人员将容易理解，客户可以选择其他的偏好。此外，例如多个控制装置102可以包括在停电或灯火管制状况之后实现交错启动以避免从发电设备302提取太多的功率的电路。
从发电设备302的透视图可以看出，分布式控制系统300提供用于对在客户现场101处要被供应和/或吸收的无功功率的量的实际瞬时需求进行预测的准确工具。因此，发电设备302可以更有效地将线路功率因数保持在理想状况的范围内。以这种方式，在节省大量成本的同时，可以极大地减小对遍及配电系统来分配可调负载的需要。
此外，应用服务器106a至106n、206可以基于从客户现场101处获得准确的无功功率供应和/或吸收数据概况来增大与将线路功率因数保持在理想状况下相关联的总效率。例如，准确的数据可以导致遍及配电系统的分布式可调负载的延迟激活。在这种情况下，在依赖消耗电能的分布式可调负载之前，发电设备302可以通过从客户现场101吸收和/或供应额外的无功功率来启动使公用电网稳定的过程。
根据一个示例，发电设备302可以将从客户现场101获得的任何吸收和/或供应的额外的无功功率立即分配遍及多个区域201a至201n中。以这种方式，分布式控制系统300可以允许发电设备302通过基于因特网的无功功率交换网站从其他的发电设备302购买额外的无功功率。无功功率交换网站可以被配置成经由有线连接或无线连接与控制装置102进行通信。可以将控制装置102安装在客户现场101处以确定在一个周期内瞬时的或总的可用无功功率。可以通过应用服务器106a至106n、206来收集无功功率数据。
此外，分布式控制系统300可以采用需求侧的监测工具来降低总电能成本。例如，分布式控制系统300可以提供创建客户现场101的电能消耗概况的界面。分布式控制系统300可以分析来自客户现场101的电能消耗概况并且可以选择在一个时间周期内供应相当大的无功功率量。例如，在客户不在家的工作时间或排定的假期期间，可以大量地供应无功功率。例如，基于客户的电能消耗概况，分布式控制系统300可以在客户现场101具有最小中断的情况下，自动供应无功功率以降低电能成本。
根据一个示例，除了控制相对于电网供应和/或吸收的无功功率以外，控制装置102可以调节至客户现场101处的负载的电压和电流，以在配电系统的选择部分内获得期望的效率。例如，可以使用柔性交流输电系统来调节电压和电流。根据一个示例，控制装置102可以包括具有设置有中间直流(“DC”)总线的逆变器406和整流器404的功率转换器。根据另一示例，控制装置102可以被包含在布置于客户现场101处的电表插座中的功率表103中。可替选地，控制装置102可以被定位成接近客户现场101处的电表插座。
根据一个示例，控制装置102可以被定位在客户现场101如家庭或企业的进户线处，并且可以由电力公司直接或远程地访问。根据一个示例，为了通过提高线路功率因数来使输电成本最小化，应用服务器106a至106n、206可以访问一个或更多个控制装置102以调节相对于公用电网的无功功率。本领域普通技术人员将容易理解，与访问单个客户现场101处的单个控制装置102相比，访问区域201内的不同客户现场101处的多个控制装置102将提供改善的性能。本领域普通技术人员将容易理解，可以在居住、商业和工业建筑的配电系统等其他配电系统内使用控制装置102。在商业或工业环境中，可以对建筑管理者授予对控制装置102进行编程的权限，以局部地调节无功功率从而提高配电系统的功率因数。
根据一个示例，控制装置102可以被配置成通过与居住和/或商业结构相关联的配电系统来调节传送至客户现场101处的负载的电压和电流。此外，控制装置102可以例如通过对公用电网和/或建筑网络供应和/或吸收无功功率来调节配电网络内的无功功率。可以通过防止电压电平升高超过期望的阙值来执行电压调整以节省电能。将电压电平保持在期望的电压电平以上可能导致浪费功率。根据一个示例，可以采用电桥设计来调节无功功率同时也调节电压。
图4例示了具有向负载403供应电能的电压调节器的单相控制装置102’的一个示例。单相控制装置102’被配置成相对于公用电网410吸收和供应无功功率。在单相控制装置102’的电网侧上设置有源整流器404。有源整流器404包括AC分量和DC分量。在单相控制装置102’的负载侧上设置逆变器器406。逆变器器406包括DC分量和AC分量。有源整流器404和逆变器406的DC分量彼此独立并且包括电容器和电感器。例如，有源整流器404和逆变器406的DC分量可以包括存储电能以便随后放电的电容器。
图5例示了具有向负载503供应电能的电压调节器的分相控制装置102”的一个示例。分相控制装置102”被配置成对电网510吸收或供应无功功率。在分相控制装置102”的电网侧上设置有源整流器504。有源整流器504包括AC分量和DC分量。在分相控制装置102”的负载侧上设置逆变器506。逆变器506包括DC分量和AC分量。有源整流器504和逆变器506的DC分量彼此独立并且包括电容器和电感器。例如，有源整流器504和逆变器506的DC分量可以包括存储电能以便随后放电的电容器。
图6例示了具有向负载603供应电能的电压调节器的三相控制装置102”’的一个示例。三相控制装置102”’被配置成对电网610吸收或供应无功功率。在三相控制装置102”’的电网侧上设置有源整流器604。有源整流器604包括AC分量和DC分量。在三相控制装置102”’的负载侧上设置逆变器606。逆变器606包括DC分量和AC分量。有源整流器604和逆变器606的DC分量彼此独立并且包括电容器和电感器。例如，有源整流器604和逆变器606的DC分量可以包括存储电能以便随后放电的电容器。
根据替选的示例，三相控制装置102”’可以放置在三相干线处如变压器位置处，以向多个客户设施101提供功率。控制装置102”’的该替选放置增强了针对例如电动机启动或短路等事件的峰值电流的处理能力。与30A RMS连续额定电流相比，在电动机启动期间，峰值电流可以高达150A。根据一个示例，RAM连续额定电流为90A的三相控制装置102”’可以在每一相上服务多个客户设施101，这提供了设计灵活性并且降低了功率转换的总成本。例如，三相控制装置102”’的每一相可以包括平衡负载配置例如每一相服务三个客户设施101。可替选地，可以使用不平衡的负载配置。
与将控制装置102”’放置在每个客户设施101处相比，将控制装置102”’放置在三相干线位置处提供了设计优点。在将控制装置102”’定位在三相干线处以服务九个客户设施101的示例中，在每个输入终端和每个输出终端处均设置有电感器，总共为六个电感器。相反，如果将控制装置102”’定位在客户现场101处，则总共需要十八个电感器，其中在每个输入终端和每个输出终端处均设置有电感器。根据一个示例，将控制装置102”’定位在三相干线处的另外的设计优点是，与设置在定位于客户现场101处的每个控制装置102”’处的电能存储装置的尺寸相比，可以使用相同尺寸的电能存储装置来控制九个客户现场101。
此外，将控制装置102”’放置在三相干线处可以改善以下设计参数以保护控制装置102”’而不造成误动作：针对电感器的饱和电流、硅的峰值电流和区分短路与电动机启动的能力。例如，将控制装置102”’定位在三相电源处使得从每个客户设施101引至控制装置102”’的每个功率线路能够向负载侧贡献电感。相比之下，将控制装置102”’定位在客户现场101处不允许在负载侧的来自功率线路的额外电容。
根据一个示例，图7A至图7B例示了针对在具有无功功率的电网上具有无源或阻性负载的情况下进行操作的控制装置102的在x轴上的有功功率(P)和在y轴上的无功功率(Q)的极坐标图。参照图4，极坐标图的y轴以左的部分对应于来自整流器404的功率输出，并且极坐标图的y轴以右的部分对应于来自逆变器406的功率输出。此外，极坐标图的x轴以上的部分对应于功率的供应，而极坐标图的x轴以下的部分对应于功率的吸收。图7A例示了当从控制装置102’的电网侧考虑时的功率因数。图7B例示了当从控制装置102’的负载侧考虑时的功率因数。图7A例示了象限II中电网侧上的正无功功率，这表示控制装置102’正在向电网供应无功功率。
图8对应于图7A并且例示了当从控制装置102’的电网侧考虑时，被移相而落后于电流波形804的电压波形802。在图8中，控制装置102’在如图7A所示的象限II中在具有无功功率的电网上具有无源或阻性负载的情况下进行操作。图9对应于图7B并且例示了当从控制装置102’的负载侧考虑时与电流波形904同相的电压波形902。
根据另一示例，图10A至图10B例示了针对在具有无功功率的电网上具有无源或阻性负载的情况下进行操作的控制装置102的在x轴上的有功功率(P)和在y轴上的无功功率(Q)的极坐标图。图10A例示了当从控制装置102’的电网侧考虑时的功率因数。图10B例示了当从控制装置102’的负载侧考虑时的功率因数。图10A例示了象限III中电网侧上的负无功功率，这表示控制装置102’正在从电网吸收无功功率。
图11对应于图10A并且例示了当从控制装置102’的电网侧考虑时，被移相而超前电流波形1104的电压波形1102。在图11中，控制装置102’在如图10A所示的象限III中在具有无功功率的电网上具有无源或阻性负载的情况下进行操作。图12对应于图10B并且例示了当从控制装置102’的负载侧考虑时与电流波形1204同相的电压波形1202。
根据又一示例，图13A至图13B例示了针对在具有无功功率的电网上具有非同式功率负载(non-unity power load)(例如电动机负载)的情况下进行操作的控制装置102的在x轴上的有功功率(P)和在y轴上的无功功率(Q)的极坐标图。图13A例示了当从控制装置102’的电网侧考虑时的功率因数。图13B例示了当从控制装置102’的负载侧考虑时的功率因数。图13A例示了象限II中电网侧上的正无功功率，这表示控制装置102’正在向电网供应无功功率。图13B例示了象限I中负载侧上的正无功功率，这表示控制装置102’正在向负载供应无功功率。
图14对应于图13A并且例示了当从控制装置102’的电网侧考虑时，被移相而落后电流波形1404的电压波形1402。在图8中，控制装置102’在象限II中在具有无功功率的电网上具有非同式功率负载(例如电动机负载)的情况下进行操作。图15对应于图13B并且例示了当从控制装置102’的负载侧考虑时被移相而落后电流波形1504的电压波形1502。电流波形1504的振幅证实了非同式功率负载。
根据又一示例，图16A至图16B例示了针对在具有无功功率的电网上具有非同式功率负载(例如电动机负载)的情况下进行操作的控制装置102的在x轴上的有功功率(P)和在y轴上的无功功率(Q)的极坐标图。图16A例示了当从控制装置102’的电网侧考虑时的功率因数。图16B例示了当从控制装置102’的负载侧考虑时的功率因数。图16A例示了象限III中电网侧上的负无功功率，这表示控制装置102’正在从电网吸收无功功率。图16B例示了象限IV中负载侧上的负无功功率，这表示控制装置102’正在从负载吸收无功功率。
图17对应于图16A并且例示了当从控制装置102’的电网侧考虑时，被移相而超前电流波形1704的电压波形1702。在图17中，控制装置102’在如图16A中所示的象限III中在具有无功功率的电网上具有非同是功率负载(例如电动机负载)的情况下进行操作。图18对应于图16B并且例示了当从控制装置102’的负载侧考虑时被移相而超前电流波形1804的电压波形1802。电流波形1804的振幅证实了非同式功率负载。
根据又一示例，图19A至图19B例示了针对在具有无功功率的电网上具有例如在夜间的轻负载或无负载的情况下进行操作的控制装置102的在x轴上的有功功率(P)和在y轴上的无功功率(Q)的极坐标图。图19A例示了当从控制装置102’的电网侧考虑时的功率因数。图19B例示了当从控制装置102’的负载侧考虑时的功率因数。图19A例示了象限II中电网侧上的正无功功率，这表示控制装置102’正在向电网供应无功功率。
图20对应于图19A并且例示了当从控制装置102’的电网侧考虑时被移相而超前电流波形2004的电压波形2002。在图20中，控制装置102’在如图19A中所示的象限II中在具有无功功率的电网上具有例如在夜间的轻负载或无负载的情况下进行操作。图21对应于图19B并且例示了当从控制装置102’的负载侧考虑时与电流波形2104同相的电压波形2102。电流波形2104的振幅证实了例如在夜间时段的轻负载或无负载。
根据又一示例，图22A至图22B例示了针对在具有无功功率的电网上具有例如在夜间的轻负载或无负载的情况下进行操作的控制装置102的在x轴上的有功功率(P)和在y轴上的无功功率(Q)的极坐标图。图22A例示了当从控制装置102’的电网侧考虑时的功率因数。图22B例示了当从控制装置102’的负载侧考虑时的功率因数。图22A例示了象限III中电网侧上的负无功功率，这表示控制装置102’正在从电网吸收无功功率。
图23对应于图22A并且例示了当从控制装置102’的电网侧考虑时被移相而超前电流波形2304的电压波形2302。在图23中，控制装置102’在如图22A中所示的象限III中在具有无功功率的电网上具有例如在夜间时段的轻负载或无负载的情况下进行操作。图24对应于图22B并且例示了当从控制装置102’的负载侧考虑时与电流波形2404同相的电压波形2402。电流波形2404的振幅证实了例如在夜间时段的轻负载或无负载。
图25是根据本公开内容的示例性方法2500的流程图。可以使用上面所描述的系统来实现方法2500。例如，可以使用在客户现场处设置的分布式控制系统来实现方法2500以相对于电网供应和吸收无功功率。
方法2500可以包括：在操作2502中接收具有有功功率分量和无功功率分量的电网交流电流，电网交流电流来源于公用电网；在操作2504中，将基本上所有的电网交流电流转换为直流电流；在操作2506中，存储由直流电流供应的电能；以及在操作2508中，将无功功率分量和所存储的电能供应至公用电网。
上面借助于例示指定功能及其关系的实现方式的功能构建块来描述了示例。为了便于描述，本文中已经任意限定了这些功能构建块的边界。只要适当地执行指定功能及其关系，就可以限定替选的边界。要理解的是，意在使用具体实施方式部分而不是总结和摘要部分来解释权利要求。总结和摘要部分可以解释一个或更多个示例，但是不能解释发明人所设想的所有示例，因此总结和摘要部分不意在以任何方式限制本公开内容和所附的权利要求。

Claims (20)

1.一种设置在客户现场处的用于对公用电网供应和吸收无功功率的控制系统，所述控制系统包括：
终端，电耦接至源自所述公用电网的功率源，所述终端接收具有有功功率分量和无功功率分量的电网交流电流；以及
功率转换器，电耦接至所述终端，所述功率转换器包括：
有源整流器，将基本上所有的所述电网交流电流转换成直流电流；以及
电能存储装置，存储由所述直流电流供应的电能，所述有源整流器将所述无功功率分量和所述存储的电能通过所述终端供应至所述公用电网。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述有源整流器被配置成将确定量的无功功率分量和用于传输的所存储的电能通过所述终端供应至所述公用电网。
3.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述有源整流器将所述无功功率分量和用于传输的所存储的电能吸收至负载。
4.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述功率转换器还包括将所述直流电流转换成负载交流电流的逆变器，所述负载交流电流包括负载有功功率分量和负载无功功率分量中的至少一个。
5.根据权利要求4所述的控制系统，其中，所述逆变器在固定频率处生成所述负载交流电流。
6.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述电能存储装置包括电池或电容器中的至少一个。
7.根据权利要求2所述的控制系统，还包括：从远程装置接收信号的通信终端，所述远程装置识别经由所述终端至所述公用电网的所述确定量的无功功率分量和用于传输的所存储的电能。
8.一种从客户现场向公用电网供应和吸收无功功率的方法，所述方法包括：
接收具有有功功率分量和无功功率分量的电网交流电流，所述电网交流电流源自所述公用电网；
将基本上所有的所述电网交流电流转换成直流电流；
存储由所述直流电流供应的电能；以及
将所述无功功率分量和所存储的电能供应至所述公用电网。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，供应所述无功功率分量和所存储的电能包括将确定量的所述无功功率分量和用于传输的所存储的电能供应至所述公用电网。
10.根据权利要求8所述的方法，还包括：将所述无功功率分量和用于传输的所存储的电能吸收至负载。
11.根据权利要求8所述的方法，还包括：将所述直流电流转换成负载交流电流，所述负载交流电流包括负载有功功率分量和负载无功功率分量中的至少一个。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述负载交流电流在固定频率处生成。
13.根据权利要求8所述的方法，其中，存储由所述直流电流供应的电能包括将所述电能存储在电池或电容器中的至少一个内。
14.根据权利要求9所述的方法，还包括：从远程装置接收信号，所述远程装置识别至所述公用电网的所述确定量的无功功率分量和用于传输的所存储的电能。
15.一种存储有指令的非暂态计算机可读存储介质，当设置在客户现场处的控制装置执行所述指令时，所述指令使所述控制装置：
接收具有有功功率分量和无功功率分量的电网交流电流，所述电网交流电流源自公用电网；
将基本上所有的所述电网交流电流转换成直流电流；
存储由所述直流电流供应的电能；以及
将所述无功功率分量和所存储的电能供应至所述公用电网。
16.根据权利要求15所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，当所述控制装置执行所述指令时，所述指令使所述控制装置通过将确定量的所述无功功率分量和用于传输的所存储的电能供应至所述公用电网来供应所述无功功率分量和所存储的电能。
17.根据权利要求15所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，当所述控制装置执行所述指令时，所述指令使所述控制装置将所述无功功率分量和用于传输的所存储的电能吸收至负载。
18.根据权利要求15所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，当所述控制装置执行所述指令时，所述指令使所述控制装置将所述直流电流转换成负载交流电流，所述负载交流电流包括负载有功功率分量和负载无功功率分量中的至少一个。
19.根据权利要求18所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，当所述控制装置执行所述指令时，所述指令使所述控制装置在固定频率处生成所述负载交流电流。
20.根据权利要求16所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，当所述控制装置执行所述指令时，所述指令使所述控制装置从远程装置接收信号，所述远程装置识别至所述公用电网的所述确定量的无功功率分量和用于传输的所存储的电能。
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