CN107112758B - 电力传输 - Google Patents

Abstract

一种改进了的电力传输网络的管理，通过在每个用户场所处提供负载控制装置来获得，其中负载控制装置包括一个功率校正系统，用于施加电容负载和/或一个开关电抗器，用于跨输入电压进行电压校正，和一个感测系统，由电源上的一对仪表定义，其中一个仪表在电源侧，第二个在电压校正的下游，用于检测功率因数得变化。一个控制系统操作以控制功率校正系统，一响应感测系统检测到的变化，并且在负载控制设备和网络控制系统之间进行通信，以便提供一双向交互系统。

Description

电力传输

技术领域

本发明涉及一种电力传输网络，设计用于补偿由于网络上的无功负载引起的功率因数，及涉及一种在网络上用于用户房屋处的负载控制设备。

背景技术

电力系统如今面临的最大挑战是：功率因数控制，变压器负载不平衡和非线性负载，增加了变压器不平衡，并向系统中注入破坏性谐波电流。所有这些问题都会削弱电力系统的效率和稳定性，有些情况下在给客户输送途中会造成超过40％的电力损失。

电力系统补偿目前正自上而下实施，，高压和大功率校正设备正安装在配电变电站上。这可以包括用于功率因数或电压校正的静态或开关电容器组和/或开关电抗器，通用功率流量控制器，以用于平衡负载和控制总线电压。这些设备可以解决一些挑战，但是成本是显着的，并且解决方案不太适合。他们需要大量投资于工程，定制设备，基础设施来安装设备，具有低容错能力，并需要维护。

发明内容

根据本发明，提供了一种用于电力传输网络的负载控制装置，其包括用于接收电力的多个用户房屋，每个用户房屋在电源电路上包括多个用户设备，其中至少一些用户设备在运行时引起功率因数变化，以及传输线路，向所述每个用户房屋中提供电力，其具有一个从所述传输线路之一到电源入口的一根落线，所述负载控制装置被布置成连接到相应的一个电源入口，用于控制从电源入口供向电源电路上的用户设备的电力，

所述负载控制装置包括：

一感测系统，用于检测由用户设备引起的功率因数变化；

一功率校正系统，用于将电容性负载施加到由所述落线提供给所述用户房屋的电力；

和一个控制系统，用于控制功率校正系统，以响应检测到的变化。

优选地，所述感测系统包括一个仪表生成数据，其为电压，电流和有效功率的标准真实均方根值。这些值然后可以由控制系统使用来计算功率因数，以产生所需的电容性负载的值，以提高功率因数。

功率因数可以在可能的情况下提高到最大单位功率因数，使系统中只有真正的功率流动。然而，在某些情况下，有必要应用一个负载，其提供改进而未达到理论上的最佳情况。无论所述系统处于最大补偿还是被配置为改善变压器不平衡。

变压器不平衡是典型三相系统中，每相负载不对称的结果。通过补偿每相的电容性负载，可以独立改善变压器不平衡。尽管功率因数和负载不平衡的非最佳解决方案会导致仅仅使用电容补偿，但是整体运营效率可能是可用资源的最佳解决方案。本发明最简单的形式是仅用于一相的被动电容修正。可以通过添加无功补偿组件和多相执行的控制来实现负载不平衡的更多控制，其中电流的不平衡可以在控制之内被分配，以平衡相电流。这些改进带来了复杂性和成本的代价。分布式太阳能/风力发电的增加可以通过提供这种电力到重负荷相位来帮助改善不平衡问题。

在某些情况下，所述系统可用于校正电源的波形，以消除由噪声引起的失真，从而提高电源质量。这种噪声可能来自许多不同的用户设备，其不提供线性功率使用。为了校正噪声，从而更好地平衡电源的波形，所述感测系统产生与电源波形的FFT频谱相关的数据。然后，所述控制系统使用来自FFT分析的数据，以明显大于电源波形的频率的速率提供校正信号。也就是说，感测系统可以用于从这个分析中生成有关总谐波失真(简称THD)的数据。

一个参考电流波形与电压波同相，并且为正弦波。误差信号由负载电流的FFT频谱的结果构成。基波电流频率分量被去除，因为不需要补偿。所有其他频率分量都会降低电源质量并组成误差信号。参考信号减去误差信号提供校正脉冲至有功功率因数控制(简称APFC)。APFC将入射电流整形正弦波，消除电源噪声并提高电源质量。

APFC产生直流电流，以将本地电容器充电至高电压。这种能量可以使用电力逆变器重新反转回系统，流出，或者可以成为当地太阳能/风力发电系统的另一种能源。应该注意的是，该系统对于房屋内的电力质量没有任何作用。从系统方面看，电力质量得到改善，并限制噪音影响附近房屋。本发明可以用于降低房屋内的问题负载的噪声，例如工业设置中的变速驱动器。其中安装的控制装置监视和补偿一个特定的负载或一组负载。

优选地，所述传感系统包括在落线下产生数据的第一仪表，以及在功率校正系统下游产生数据的第二电表。两个仪表提供从电源获得的相同参数，以便可以比较数据。例如，控制系统可用于将来自第二仪表的输出数据与来自第一仪表的输出数据进行比较，以确定由功率校正系统获得的功率因数的改善水平。该比较提供了自我记录功能，其中可以监视功率因数持续改进的水平。如果需要，可以使用该数值来计算客户的返还以获得改进，并且可以用于监控特定传输线上的一组房屋，在房屋层级的哪里和如何进行改进，这可以与相关变压器在宏观层面检测到的改进进行比较。即，所述负载控制装置被配置为使用与改进有关的通信系统数据同网络控制系统进行通信。此外，所述负载控制装置可以被布置成将与有功功率有关的数据传送到网络控制系统。这向系统和房屋的运行的网络管理系统提供了数据，从而可以更好地控制供应端的网络。

通常功率校正系统包括静态或开关电容器组。这些电容器可以根据控制系统的要求开关，以提供容性负载的值来管理功率因数。例如，可以采用二进制系统，使用数量为n的电容器，每个电容器的值为前一个值的两倍，以提供高达2ⁿ个不同的值，用于紧密管理电容性负载。可以通过与电容器组并联的开关电抗器来实现更精细的功率因数控制。调整电抗器上的触发角，可以从其最大电流额定值到零来实现无限级数的电流。这使得系统能够非常精确地跟踪功率因数。

除了电容性负载的控制之外，在一些情况下还可以在功率校正系统中提供有功功率因数控制(简称APFC)。这是一种已知的布置，可以高速切换，以滤除由FFT分析检测到的噪声和总谐波失真。所述开关可以每个循环多次高速运行，将电路连接到电感器中，因此电感器以改变输入电流消耗的方式来平滑消除来自用户装置的噪声产生的影响。所述开关被操作以响应电源来自波形的FFT分析的误差信号以用于电流修正。该系统可以从系统中吸取能量，这些能量可以通过电阻引出，作为本地太阳能/风力发电的另一种能源，或者是本地电力逆变器的源头。理想情况下，这应该与当地的太阳能/风力发电机相结合，因为这些系统已经具有集成的电力逆变器，可以节省安装成本。通过一个泄放电阻来消耗能量只有在损耗最小和不需要额外的功率逆变器成本的情况下是方便的。

此外，所述负载控制装置可以包括一个系统，用于断开用户房屋内某些用户设备与电源电路的连接，以减轻负荷。这通常通过在电路的一个或多个分接落线上的开关进行，以断开诸如加热和冷却系统的高负载项目。

该控制系统也可以是可编程的，以改变对感测系统检测的变化的响应。也就是说，控制系统可以根据不同情况，使用自适应智能来改变输出以控制功率校正系统，以响应检测到的变化。该输出的变化可能会使用天数时间或输入电压或功率因数作为编程中的参数。该系统操作以在某一点或几个参数的加权组合上维持功率因数或电压以满足所需条件。

此外，控制系统可以由通信系统从网络控制系统接收的数据进行编程。也就是说，该网络控制系统可以向单独的控制系统传达负载控制装置的指令，这些指令取决于在网络的头端处检测到的网络的状态。该指令可以是以不同于某种方式控制组件，特别是功率校正系统，其中这种方式在缺乏来自网络控制的信息的情况下由系统使用。因此，可以通过来自网络的指令集中控制电压和负载减轻。以这种方式，可以设置交互式通信系统，其中通信系统双向操作，以向网络控制系统提供信息，并且作为该信息的结果或从网络常规获得的其他数据，接收从网络获得的指令。

通常，通信协议不是被设置为要求将复杂指令实时地高速通信给多个用户房屋，而是系统通常会自适应地生成随时间变化的程序，以响应检测到的数据。因此，中央网络控制可以随着时间的推移将程序传送到负载控制设备，这些程序依据本地检测的数据实时运行。然而，高速通信技术可以用于实时管理系统。可以设置通信系统以提供同步脉冲，以周期性地在现场进行控制。这使得系统能够在整个系统中采取全局性快捷措施，从而更好地跟踪功率并获得系统稳定性。

众所周知，传输线上的电压可以根据与头尾端的距离而变化，并且还知道电压可以由无功负载，特别是沿着线路的各个位置施加到传输线的电容性负载来管理。使用这种知识，可以操作各个房屋的全部或一些控制系统，以响应于由网络控制系统提供或传送的数据来改变相应落线的电压。也就是说，本地控制系统可用于响应于来自网络控制系统的数据而增加电容性负载或减轻负载。以这种方式，可以通过来自本地负载控制装置的数据提前检测网络中的不稳定性，并且可以通过操作本地负载控制装置来采取措施来更好地管理网络中的不稳定性，以改善稳定性问题。例如，可以以这种方式来管理沿着传输线的电压分布。该网络控制系统可以安排各个房屋控制系统对系统事件做出反应，以保持稳定性。类似巡航控制设置电压和转动负载的开启或关闭，以保持电压测量恒定。该方法具有沿着传输线平整电压坡度的净效应，使得跨线路的整体电压压降减少。

电力系统正在开始采用可变电压互感器来管理高峰期间系统的总体功耗。通过降低系统电压，负载消耗更少的电流，这意味着更少的整体功率被传递，从而充分利用可用资源。可变电压互感器效率通过本文中的布置能力而增加，以使配电线的总体压降最小化，从而允许更大的电压降，同时仍然保持每个房屋内的额定电压容差。

这里的网络也可以用于控制供电系统，例如存储在电池组中的太阳能，在用户房屋处，为房屋增加电力。也就是说，控制系统可以被设置为控制电容器组，任何负载减轻和由电源系统添加的任何功率，以响应检测到的变化。本地变化可与来自网络控制系统的数据结合使用，以控制这些组件以更好地管理网络。

根据本发明的第二方面，提供了一种负载控制装置，用于电力传输网络中的单独用户房屋，包括用于接收电力的多个用户房屋，每个用户房屋包括多个电源电路上的用户设备，其中至少一些用户设备在运行时引起功率因数变化；输送线路，以提供电力；以及一个网络控制系统，用于控制传输线路上的电力供应，其中每个用户房屋具有从一个传输线路到电源入口的一根落线；

所述负载控制装置被布置成连接到相应的一个电源入口，用于控制从电源入口向电源电路上的用户设备提供的电力，

所述负载控制装置包括：

一个感测系统，用于检测由用户设备引起的功率因数变化；

一个功率校正系统，用于将电容性负载施加到由所述落线提供给所述用户房屋的电力；

一个控制系统，用于响应检测到的变化来控制功率校正系统；

和一个通信系统，用于在所述负载控制装置和所述网络控制系统之间进行通信。

所述负载控制装置可以被布置成提供网络中上述特征的任何一个或多个。

因此，如本文所述的布置使用自下而上的方法来对电力系统进行补偿和监测。取代一个大的安装的是，成千上万的小单元分布在系统中，理想情况下是单独的电力服务或负载。负载补偿点(PLC)是最少化损耗并最大化系统稳定性的最佳布置。与自上而下的解决方案相比，几个设计因素有助于显着降低成本。

为低压侧设计补偿设备可降低组件成本，增加可靠性和组件可用性。若使用电信行业已建立的型号，安装成本将最低。

从变电站到负载的典型距离为几公里，自上而下的补偿对这些传输线路的影响有限。安装补偿器接近负载以及更精细的补偿级数进一步降低损耗，并提高系统的稳定性和灵活性。

在负载点部署这些设备会产生自然通信网络，电源系统电压，电流和相量本身。提供全局通信网络，用于整个系统的控制和同步。但是在没有全局通信的情况下，个别单元运行作为一种反身式的控制，监测电力系统的线路价值，并通过最佳的操作实践对变化作出反应。通过比传统系统更快地响应干扰，系统稳定性和可用性都会增加。这个功率监视器和补偿器的网络可以为每个安装的工作提供独特的见解。使用这些信息，自我组织和学习算法为每个单独的系统提取最佳的操作实践。这些信息可以帮助电力系统管理的几乎每个方面，包括电力盗窃。随着小规模太阳能和风力发电的出现，目前的趋势正在朝向分布式发电模式推动。基于集中控制理念，分布式发电模型对当前的监控和数据采集(简称SCADA)系统提出了许多挑战。本单元可以轻松地将分布式发电模型集成到系统中，并将其用作发电，系统控制和补偿中的有功元件。

本发明的一种形式包括两个测量点：一个在系统侧，一个在负载侧。功率补偿模块安装在这两个测量点之间。这种独特的方案允许对补偿的影响进行测量和量化，并构成实施协议计算的基础。负载侧(和/或系统侧)的电表输出可用作主动补偿模块的反馈。这允许模块消除或减少由有问题的SMPS，CFL，LED照明和类似非线性负载产生的噪声。系统侧仪表的输出显示了这样运行的结果。每个计量点都能够测量电压，电流，有效功率的均方根值，以及精确确定功率因数，FFT频谱，总谐波失真(THD)等等。这些仪表是现场可更新的，并处于软件控制下，以便它们可以对数据的重要方面进行编程，调整或集中，以帮助控制或监控任务。

双计量结构可以补偿可见的负载和情况，避免任何过度补偿。以及因此，避免由设备的补偿动作产生的不稳定性的任何可能性。该设备本身是设计稳定的，只能提供可以提高系统稳定性的补偿或动作。这一切都可以在无需与任何其他设备，电力网络控制等进行通信的情况下完成。这对网络安全有着深远的影响。其中通过指挥(可能数百万)这些设备的电力网络的中断来执行系统危害是不可能的！

使用电流逆变器作为补偿元件显着地提高了本发明的灵活性和稳定性。一个电流逆变器测量电流注入和系统电压作为反馈，以控制相对于系统电压注入的电流量和该电流的位置。使用电流逆变器或通用补偿器，可以通过使用这种结构的软件实现任何被动元件或(电容器，电阻器，电感器和负电阻器)组合。电流注入反馈控制避免了与外部系统组件的任何共振干扰，其中外部系统组件加强了它的内在稳定特性。结构是半桥构成的，其中半桥接合直流链路总线和交流系统或可再生能源。电流逆变器可以用半桥构造，以连接任何数量的交流相位或可再生能源(如图5所示)。最少只需要一个半桥，将太阳能，风能或电池等可再生能源与直流链路总线连接起来。该结构具有天然的模块化设计拓扑，可以根据需要添加补偿器之外的其它设备。多个半桥可以并联组装以维护交流相位或能量源，以通过交错技术增加电流传输能力，并降低运行噪声。

电流注入补偿使用两仪表结构，其中补偿注入在这两个仪表点之间。当电力从系统流向服务端时，补偿动作由服务仪表决定。注入校正电流，使整个服务端从系统侧作为电阻负载(PF＝1)出现。谐波清洗和功率因数校正对系统有很大的好处。稳定裕量急剧增加，而具有较老的中继设备的系统通过消除不可检测的谐波而受益。由于本地可再生能源被添加到服务端，电力将同时流向系统和服务负载。利用目前的两仪表结构，并在这两个计量点之间再次注入可再生能源，该电力的流动可以使用用于补偿的电流注入逆变器进行计量和调节。

该系统充当通用补偿器，因为在这种情况下，双计量表结构特别有用，以实现电力的逆向流动。使用通用半桥将两个仪表结构之间的补偿点连接太阳能电池板，风力发电机和电池等可再生能源。这使得逆变器不仅可以补偿VAR，而且可以从这些可再生能源中注入有效功率，并在将这些能源注入系统之前将所需的VAR补偿添加到这些能源。双仪表可以跟踪这个有效功率，数量以及它在哪里传送，无论是系统，服务还是两者皆有。这是与当前可用的系统的重要区别，其中测量输送功率，但没有跟踪和VAR补偿。并且如果提供VAR补偿，则需要通信网络来提供电源和VAR命令。然而，在本发明中，设备不需要通信来提供VAR补偿和保持系统的稳定性。

逆变器可以配置为单相，双相，三相三角或Y相连的逆变器，或大多数任何多相配置都可以容纳。如果多于一个相位被补偿，逆变器也可以将相电流作为补偿的一部分进行平衡，而无需外部通讯。多相补偿器的净效应是功率与单位功率因数平衡，并且谐波被从系统中擦除。现在从配电变压器看，负载是理想的平衡电阻负载。

该系统在SMPS和CFL设备中提供分布式补偿，特别是低瓦数的器件，通过设计倾向于将牵引电流集中在电压峰值。电流的尖峰非常窄，幅度很大，类似于脉冲功能。这产生了大量注入系统的高电流谐波。此外，多个器件起到增加独立于制造商的峰值振幅的作用，并且是以最低成本的工业设计实践。这些类型的负载可能会使补偿装置饱和。这里描述的分布式补偿使得布线路径中的多个单元有助于补偿这些负载。

其中，某些连接的设备可能需要比在负载点可用的更多的补偿。现在，布线路径上的所有设备可以有助于此补偿。

如果可再生能源在当地可用，VARs，谐波失真，有效功率的分布式补偿，可以采用沿着布线路径安装设备的形式，以补偿连接到这些设备的硬连线负载和可再生能源。出口内置的补偿器可以替代标准出口，其具有增加的特征用于负载减少和附加负载的需求侧管理。这些设备之间的通信可以用于中断和恢复管理，其中首先恢复优先级加载，并且随着更多的电源可用，更多的负载被恢复。可以通过位置或连接到诸如冰箱的可插拔负载的数字识别标签来设置优先级，无论它们被插入到哪里。执行补偿功能并不是绝对需要沟通，而实施优先级的负载恢复需要沟通。

本文公开的布置提供以下独特的特征和优点：

1)双电表结构：允许电流反转和计算。

2)分布式补偿设置提高了性能和整体效率。

3)它可以用于消除对包含在消费类设备中的PFC电路的需求，从而减少制造、环境、上市、消费者的成本。电力网络基础设施预计将持续数十年，如果不是几个世纪。而消费品平均寿命为3-5年。如果当前设备电路构建在电力网络内，则它变得适应性强并且具有更大的弹性，这减少或消除了将这种电路包括在消费者设备内的需要。这个活动可以对社会和环境产生重大影响。

4)它能够通过单独的断路器电路提供更有用的功率，而不是跳闸或违反电气规范。这在配电网络能力较差的较老地区可能非常重要。这些社区的典型家庭的服务规模在40到80安培范围内。这可能没有足够的电流运行诸如具有低功率因数的空调的现代设备。通过采用现有的补偿方法，可以另外获得20％至30％的功率来帮助满足这些额外的负载。这可以在不影响本地分布式网络的情况下实现，但实际上可以改善其运行，稳定性和最大化电力销售。

这里的布置可以采取许多形式，包括在服务入口处的面板，如下文详细描述的。然而，它也可以沿着各个布线路径被设置为黑盒子。在这种形式中，它可以用于更换出口或者可以在电源线内模制。

这里的布置可以与用于双相服务的系统一起使用。在这种情况下，沿着具有两相的布线路径的出口现在可以选择哪个相位用于引导负载，以便以自然和透明的方式改善相位平衡。

此外，如果SMPS负载被识别为负载，并且可以在240V而不是120V时更有效地工作，则可以以自然和透明的方式再次采用240V。目前可用的大多数电压适配器具有通用电压结构，可采用90至260VAC并与全球市场兼容。电源电压越低，适配器的整体效率就越低。其中，这种新的适应将允许这些负载在峰值设计效率下运行，即使在120VAC环境中。

电力系统如今面临的最大问题之一是如何在靠近负荷中心容纳大量分布式可再生能源。在某些地区，这些分布式电源大于电力系统并网连接。当系统发生停电时，会出现此问题。如何以有序和稳定的方式逐次恢复数以千计的发电机(分布式可再生能源)和成千上万的负载？传统上，电力并网是停电后的最优选或唯一的来源。系统重新启动，但必须在停电之前任何运行负载的装载下启动。这可以合计到一个巨大的负载大小。其中一个在不久的将来具有超越电网并网的能力，在这种情况下，目前的方法将不起作用。使用本发明的解决方案是可能的。通过检测电网不稳定性和打开入口供电开关17，本地系统可以与电网隔离。使用可用的可再生能源并清除任何非优先负载，这个隔离系统可以继续运行。在电网并网连接重新建立和稳定后，本地系统可以与电网并网重新同步，并重新启动开关17，再次将本地连接到更大的电网。需求侧管理是现代电力系统设计的重要功能，是解决这一最困难的电力系统管理问题的重要组成部分。本发明可以执行负载优先级的需求侧管理。其中，最重要的负载首先提供服务，随着更多的功率可用，更多的负载将被重新启用。当检测到弱电网的迹象(电压下降，线路频率下降等)或被网络指示这样做时，需求侧管理可以通过去除非优先权负载来减少停电或掉电次数。

连接负载的排序和优先级排序。这在恢复停电期间对当前的电力系统产生深远的影响。随着电力系统中预期的分布式发电源等级越来越高，协调和同步这些电源变得越来越困难。特别是在由分布式电源主导的系统中，电网较弱，且不能用作同步电源的系统。在当前的方案中，负载被移除仅剩下最高优先级的负载，这使得负载侧较弱，并且允许电网用作分布式电源的同步电源。随着越来越多的电源可用，优先级结构中的更多负载将被恢复。再一次，这提供了一种解决非常困难的电力网络问题的自然而透明的方式。此外可以做很少或没有通信联络。

附图说明

现在将结合附图描述本发明的一个实施例，其中：

图1是根据本发明的电力网络的一示意图。

图2是图1中功率校正电路的一示意图。

图3是类似于图1的本发明的电力网络的一示意图，但是包括进一步的特征。

图4是图3中功率校正电路的一示意图。

图5是在图3和图4的配置中使用的半桥的一示意图。

图6是类似于图1的电力网络的一示意图，示出了补偿器内置在出口。

在附图中，与附图中的字符相对应的部分标示在不同的图中。

具体实施方式

一个电力传输网络10包括一个电源11，其中通常在一个变压器提供一个或多个传输线路12，并且由一个网络控制系统9使用许多系统进行管理，用于检测网络参数和控制网络的各种组件，以保持传输线上的电压稳定性。

在传输线上是多个用户房屋13，用于接收电力，每个用户房屋在电源电路15上包括多个用户设备14。每个用户房屋13具有从传输线到电源入口板17的一个落线16，电源入口板通常包括主入口控制开关。通常在落线中提供了用于测量功率使用的仪表。在本发明中，仪表由一个整体部件代替，其限定了连接到电源入口17的负载控制装置18，用于控制从电源入口向电源电路15上的用户装置供电的电力。

每个负载控制装置包括一个感测系统19，用于检测由用户装置14引起的功率因数变化；一个功率校正系统20，用于对由所述落线提供给用户房屋的电力施加负荷校正；以及一个控制系统21，用于响应检测到的变化来控制功率校正系统。控制系统21连接到用于在负载控制装置19和网络控制系统9之间进行通信的通信系统91。

感测系统包括第一仪表22和第二测量仪表23，每个测量仪具有一般公知的结构。每个仪表都用于监视电源的波形并产生数据，数据与电压、电流的均方根值和有效功率相关。所述感测系统还可以具有生成数据的系统，数据与电源波形的FFT频谱相关，其中通过使用传统的快速傅里叶变换技术分析波形。这也可以用于生成与总谐波失真(简称THD)有关的数据。

第一个仪表位于落线位，第二个仪表位于功率校正系统的下游，并且从两者接收数据的控制系统21用于将来自第二仪表的输出数据与来自第一仪表的输出数据进行比较，以确定由功率校正系统20获得的功率因数的改善水平。

负载控制装置被布置成传送与所测量的改进和消耗的有效功率有关的数据至网络控制系统9。这可以实时完成，但通常是周期性的。

如图2所示，功率校正系统20包括开关电容器组24，其包括由控制器21操作的开关25，开关25在二进制开关系统中切换选定的电容器26。系统20还包括用于电压校正的开关电抗器电路38。这包括一个电感器28和一个将电感器连接在电源总线30和31上的开关29。所述开关29由控制器21操作，以响应引导功率因数，通过改变触发角度来提供更大的功率因数控制。通常，系统通过电容器过度补偿功率因数，并使用电抗器开关组合将功率因数微调到一致。系统20还包括一个用于噪声校正和电流整形的有功功率因数校正电路40。这由整流器41组成，通过供电总线30和31馈送到电感器42中，随着一个开关43连接到整流器返回形成升压电路。来自升压电路的输出被送至二极管44和保持电容器45。开关43由控制器21操作，以响应下游负载的噪声和FFT分析。使用一个基频的正弦波形减去FFT波形的总和再减去基波，作为调制到高频的开关43的输入。该电路40基于来自下游负载的测量噪声将负载电流整形成正弦波。沉积在电容器45上的电荷可以用电阻(未示出)排出，馈送到本地的太阳能/风力电池充电系统，或者重新反向回到电源总线上。

所述负载控制装置还包括一个系统，用于断开某些用户设备，用于负载减轻，负载减轻由控制器21操作的开关33提供。

控制系统包括一个处理器，其可从来自通信系统的外部输入编程，或者被编程为改变对由感测系统检测到的变化的响应，使得响应在不同情况下是不同的。以这种方式，整个系统可以是交互式的或可以是适应性的，以提供改进的响应，以根据各个方面，例如系统中本地或全局的时间和电压水平，更好地管理整个系统。

尤其是，所述控制系统通过其程序操作，通过改变电容性负载来改变落线处的电压，以响应来自网络控制系统的数据或其他因素，以便为网络管理系统提供另一种工具，来更好地控制电压并更好地保持稳定性。

用户房屋的一些或全部可以包括一个电力供应系统在用户房屋处，用于增加电力。这可以包括任何已知的电源系统，例如太阳能电池板，发电机和其他本地系统。例如，如图所示的电源包括一个连接到电池组36的太阳能发电机35，电池组36由开关37操作，开关37由控制器21控制的，根据来自传感器系统19或网络控制器9的数据和/或程序指令从落线16中取出电力或向落线处添加电力。因此，所述控制系统被布置成控制电容器组和由电源系统添加的电力，以响应检测到的变化。

双仪表结构22,23可以补偿可见的负载和条件，从而避免任何过度补偿的可能性。因此，避免由设备的补偿动作产生任何不稳定性的可能性。所述设备本身是设计稳定的，只能提供可以提高系统稳定性的补偿或动作。这一切都可以在无需与任何其他设备进行通信，电力网络控制等的情况下完成。这对网络安全有着深远的影响。通过指挥这些设备(可能数百万)进行电力网络中断来危害系统是不可能的。

现在转到图3和图4，示出了一种布置，用于将太阳能电池板351，风力发电机352，其他电源353和电池组354连接到功率校正电路20。在图4中，提供了用于连接的布置，其包括沿着一对导体358和359排成一行的一系列电流逆变器355,356和357。跨越这些导体还连接有一对另外的电流逆变器361和362。电容器363也连接到导体358,359并且位于电流逆变器361和362之间。

每个电流逆变器的结构如图5所示，且包括一个上开关和回扫二极管364以及下开关和回扫二极管365，连接在导体358,359之间，其中来自电源的相关输入在366连接。当连接到诸如太阳能电池板，风力发电机或充电电池的输入电源时，变频器的作用就像升压调节器。通常，直流链路电压远高于由连接的可再生电源产生的电压，因此升压转换是必需的。可再生能源的返回或地面连接到点359。所述下开关导通，直到通过电感器368构建用367测量的所需电流“I”。然后关掉下开关365。电感器具有存储电荷，其现在将通过上开关364回扫二极管放电，对连接在点358和359之间的直流链路电容器363进行充电，最后通过返回到连接的电源完成电路。以这种方式，通过图4所示的逆变器361和362，直流链路电容器363被充满能够反向回到交流系统中的能量。为了逆转这个过程并对电池充电，电流逆变器就像降压转换器一样，将能量从高直流电压源传输到较低的电压。再次，负电池端子附接到点359。为给电池充电，从直流链路电容器363和总线358和359供电，上开关364的电力被导通，直到端子366处的电压达到适合于对附接的电池充电。这也在电感器368内形成电流，并且是电池的充电电流。然后，上开关关闭，该电流继续通过下开关365的反向二极管，电感器368对电池充电，直到电压/电流下降到上开关再次导通的点，如此往复。电流逆变器现在用作降压转换器，将直流链路电容器的电压降低到连接的电池所需的水平。升压和降压转换周期在业界都是众所周知的，其被作为在两个直流电压和一个直流转换器之间传输能量的一种方式。

使用电流逆变器作为补偿元件大大提高了布置的灵活性和稳定性。使用电流逆变器或通用补偿器，可以使用这种结构的软件实现任何无功元件或(电容器，电阻器，电感器和负电阻器)的组合。电流注入反馈控制避免了与外部系统组件的任何共振干扰，并加强了其固有稳定特性。结构由半桥364,365构成，其接合直流链路总线358、359与交流系统或可再生能源351至354。电流逆变器由半桥构成，可与任何数量的交流相位或可再生能源相接。最少只需要一个半桥将太阳能，风能或电池等可再生能源与直流总线连接起来。该结构具有天然的模块化设计拓扑，可以根据需要添加其它部件至补偿器。如图4所示，可以并联组合多个半桥，以便服务于交流相位或电源，以通过交错技术增加电流传递能力，降低运行噪声。

如图1和3所示，电流注入补偿使用二仪表结构22、23，补偿注入在这两个仪表点之间。当电力从系统流向服务端时，补偿动作由服务仪表23确定。注入校正电流可使整个服务端从系统侧(仪表22)作为电阻负载(PF＝1)出现。谐波清洗和功率因数校正对系统有很大的好处。稳定裕量急剧增加，而具有较老的中继设备的系统通过消除不可检测的谐波而受益。由于本地可再生能源351至354被添加到服务端，能量将流向系统和服务负载14。利用现在的两仪表结构，并且如图4所示，在功率校正电路20的这两个计量点之间再次注入可再生能源，该电力的流量可以使用用于补偿的电流注入逆变器进行计量和调节。

该系统充当通用补偿器，因为在这种情况下，双仪表结构特别有用，以实现电力的逆向流动。使用通用半桥将两个仪表结构之间的补偿点连接太阳能电池板，风力发电机和电池等可再生能源。这使得逆变器不仅可以补偿VAR，而且可以从这些可再生能源中注入有效功率，并在将这些能源注入系统之前将所需的VAR补偿添加到这些能源。双仪表22、23能够跟踪这个有效功率，数量以及在哪里被传送到系统，服务或两者皆有。这是与当前可用的系统的重要区别，当前可用的系统测量了输送功率，但没有跟踪和VAR补偿。并且，如果提供VAR补偿，则需要由通信系统91向网络9提供的通信网络来提供功率和VAR命令。然而，在本发明中，通信系统91对于设备是不需要的，以提供VAR补偿并保持系统的稳定性。

如图6所示，本发明可以被包装到本地出口插座中。其中每个断路器600通过沿着布线路径连接的多个出口补偿模块601来获得布线路径。这形成了分布式补偿设置。每个模块可以包含一个通信接口691，以经由通信接口91和/或与其他类似单元与安装补偿器的面板通信。同样，每个模块内的双仪表结构使得补偿需要和补偿结果能够在沿着路径的每个位置处测量。通过通信，所有单元都可以共享此信息，使此组能够最大化分布式的补偿效率。在没有通信的情况下，通过沿着布线路径设置来提供该信息的天然共享机制。如果设定一串行路径，那么距离断路器最远的模块是隔离的，其中该模块只能看到连接到其本地出口602的负载。每个模块从最远的一个可以看到每个模块远离面板大于自身的影响和负载。这允许了将补偿添加到链路往下的负载上，这些负载不能由其本地模块补偿。虽然补偿效率不如通信模块那么有效，但增加的成本和复杂性可能是无保证的。这种分布式补偿设置可以通过在本地产生负载VAR要求来增加面板断路器和相关布线的能力。随后该切断只需要承载这些负载所需的有效功率。与之前相反，切断必须承载每个负载的实际和虚拟的功率需求。这可能是重要的，会增加功率传输20％到30％，或更多。所有这些都不违反现行电气规范的布线电流容量。这可能对旧的安装和家庭产生很大的影响，其中安装了最少的布线，并且意外地需要更大的电力。现在，随着补偿出口模块的安装，更有用的电力可以由多年前安装的旧电缆承载，将新的活力植入旧的结构。

需求侧管理和优先级负载识别和管理功能需要691的通信接口。每个模块都接收到需求侧装载命令，并根据顺序连接或分离适当的负载。通过电力网络控制通信连接，例如9，更精细的电力系统需求管理是可能的，其中数百万个负载可以通过重要性，类别(充电，加热，冷却等)，大小，噪声含量等来识别。这将使得能够更好更精细地控制负载曲线以匹配网络功率，时间和功率类型，可再生电力或电网等的可用性。断电后，所有非优先级负载都将被移除。可以按优先级顺序重新初始化功率返回负载，以匹配电流功率可用性标准。需求侧管理和负载排序可以对系统的可靠性和稳定性产生重大的影响，特别是在可再生能源高度集中的电网中。

Claims (22)

1.一种用于电力传输网络的负载控制装置，其特征在于，网络包括：

多个用户房屋，用于接收电力，每个用户房屋在电源电路上包括多个用户设备，其中至少一些用户设备在运行时引起功率因数变化；

传输线路，向所述用户房屋中的每一个提供电力，其具有从所述传输线路之一到电源入口的一根落线；

所述负载控制装置被设置成控制从所述电源入口向所述电源电路上的所述用户装置提供电力；

所述负载控制装置包括：

一个感测系统，用于检测由用户设备引起的功率因数的变化；

一个功率校正系统，用于将无功补偿组件施加到电力，其中电力由所述落线提供给所述用户房屋；

以及一个控制系统，用于控制功率校正系统，以响应检测到的变化；

其中所述感测系统包括一个在落线处产生数据的第一仪表，和一个在功率校正系统的下游产生数据的第二仪表；

其中所述控制系统被设置成将来自第二仪表的数据与来自第一仪表的数据进行比较，以确定由功率校正系统获得的功率因数的改善水平。

2.根据权利要求1所述的负载控制装置，其特征在于，所述第一和第二仪表产生涉及电压，电流和有效功率的标准真实均方根值的数据。

3.根据权利要求1所述的负载控制装置，其特征在于，所述第一和第二仪表产生与电源波形的FFT频谱有关的数据。

4.根据权利要求1所述的负载控制装置，其特征在于，所述第一和第二仪表产生与总谐波失真(THD)有关的数据。

5.根据权利要求1所述的负载控制装置，其特征在于，所述无功补偿组件包括静态或开关电容器组。

6.根据权利要求1所述的负载控制装置，其特征在于，所述无功补偿组件包括一个开关电抗器。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的负载控制装置，其特征在于，所述功率校正系统使用参考信号正弦曲线减去误差信号，误差信号向有功功率因数控制器提供校正脉冲，该有功功率因数控制器将输入电流整形成正弦波，消除功率噪声并提高功率质量。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的负载控制装置，其特征在于，提供了用于断开某些用户设备的系统，用于减小负载。

9.根据权利要求1-6中任一项所述的负载控制装置，其特征在于，所述控制系统是可编程的，以改变对由所述感测系统检测到的变化的响应。

10.根据权利要求1-6中任一项所述的负载控制装置，其特征在于，所述控制系统可由依靠通信从一个网络控制系统接收的数据来编程。

11.根据权利要求1-6中任一项所述的负载控制装置，其特征在于，包括在所述用户房屋处的至少一个电力供应系统，用于从所述落线向电力增加功率，并且其中控制系统被设置为控制无功补偿组件和由所述电源系统增加的电力，以响应检测到的变化。

12.根据权利要求11所述的负载控制装置，其特征在于，所述至少一个附加电源连接于所述第一和第二仪表之间，使得所述第一和第二仪表提供由所述至少一个附加电源添加的电力追踪。

13.根据权利要求11所述的负载控制装置，其特征在于，所述控制系统还控制负载减少。

14.根据权利要求1-6中任一项所述的负载控制装置，其特征在于，所述无功补偿由一电流逆变器执行。

15.根据权利要求14所述的负载控制装置，其特征在于，所述电流逆变器包括一个或多个半桥。

16.根据权利要求1-6中任一项所述的负载控制装置，其特征在于，电流注入反馈控制被设置成避免与外部系统部件的任何共振干扰。

17.根据权利要求1-6中任一项所述的负载控制装置，其特征在于，所述负载控制装置沿着布线作为模制体连接在电源线上。

18.根据权利要求1-6中任一项所述的负载控制装置，其特征在于，所述负载控制装置连接出口，以将负载连接到所述出口。

19.根据权利要求1-6中任一项所述的负载控制装置，其特征在于，所述负载控制装置设置为在停电之后，在其它负载之前恢复优先负载。

20.根据权利要求1-6中任一项所述的负载控制装置，其特征在于，所述负载控制装置被设置成在一个或多个相位之间进行选择。

21.根据权利要求1-6中任一项所述的负载控制装置，其特征在于，所述功率校正系统包括一开关，开关在每个循环被运行多次，以把电流波形整形为与电压波形同相的正弦波。

22.一种电力传输网络，包括：

多个用户房屋，用于接收电力的，每个用户房屋在电源电路上包括多个用户设备，其中至少一些用户设备在运行时引起功率因数变化；

传输线路，以提供电力；

每个用户房屋具有从传输线路中的一条到电源入口的落线；

一个网络控制系统，用于控制传输线路上的电力供应；

以及多个负载控制装置，每个负载控制装置连接到相应的一个电源入口，用于控制向电源电路上的用户装置供电的电力，其中电力由电源入口提供，

根据权利要求1-6中任一项所述的每个负载控制装置。

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