CN109075717B - 配电网络和过程 - Google Patents

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Abstract

一种配电网络，包括：多个电力控制装置，每个电力控制装置包括：信号转换部件，从而将所接收的信号转换为具有第二基频和第二特征电压的期望的信号；以及控制器，其控制信号转换部件的运行，以确定电力控制装置的输出信号的输出电压和输出频率；发电部件，充当电力源；以及电力消耗部件，充当至少一些电力控制装置的电力接收器；并且其中，电力控制装置自主地运行但是互连，使得每个电力控制装置的输出连接到至少一个对应的电力控制装置的输入并且连接到电力接收器和/或电力源中的一个或多个，使得电力控制装置将电力信号的电压和频率共同维持在目标值。

Description

配电网络和过程
技术领域
本发明涉及电能供应，尤其涉及配电网络和配电过程。
背景技术
全球能源问题
以电的形式利用化石燃料的储存能量的能力已使得人类能够为我们的福祉取得惊人的进步。但是，随着全球对电的需求的持续增加，人们普遍预计由此产生的对环境的影响将最终达到对我们的生存构成威胁的程度。因此，解决对普遍获得电的约束而没有不可持续的环境后果是社会和经济的最高优先事项。
为了满足世界人口的正当愿望和影响贫困，美国能源情报署估计到2040年全球能源需求将增加50％以上(参考：国际能源展望2016)。同时，需要显著降低环境影响和能源的成本。我们的传统发电方法使用的化石燃料都是有限的资源。目前，我们唯一经过验证的清洁发电选择是水力、地热、生物质能、太阳能和风能。其中，太阳能和风能提供了满足我们未来需求的最佳机会，因为其它选项具有非常具体的地理输入和要求。
如最近的巴黎气候公约或COP21公约所表明的，政策制定者的全球共识是我们需要大幅增加我们的清洁能源的产生。但是，随着我们目前和预测的清洁发电技术的进步，我们的电网设计无法让我们实现规定的目标。特别地，消纳是一个众所周知且尚未解决的问题。
电力系统概述
整个电力供应链通常可以被分为三个领域：发电、配电和消费。为了维持可靠的电力供应，能量产生受到控制以通过端到端网络满足消费。
配电网络是有史以来创建的最大人造物体。迄今为止，它们都是在单一设计示意图中针对非常具体的运行条件进行构思和构建。设计示意图相对简单：过去的发电是容易的并且与消费充分地均衡。少量可调度的发电源向一系列分片或分组的消费者供电。电网的拓扑往往是径向的混合(单个大型发电机与消费者在其周围的树形结构中逐步转移)，以及更复杂和冗余的路径网络拓扑，诸如网状和环形拓扑。这些拓扑被设计为基于几个大型稳定和可调度发电机以及许多消费者的网络需求提供可靠性和成本的良好平衡。
目前，绝大多数发电是直接可控的，因为它是由化石燃料产生的。下表列出了美国和英国目前的发电构成。
表1按来源划分的总发电量百分比(2015年)
Figure BDA0001784116820000021
随着可变可再生能源发电水平的提高，我们控制电力供应以匹配需求的能力变得越来越困难。如果不能维持这种供需平衡，电力的稳定性和可用性就会受到威胁。
随着发电的构成向更多可再生能源转变，电力供应的特征正在发生变化，包括网络的物理架构和我们控制发电水平的能力。这导致稳定性和效率问题日益严重，其中当前电网架构的阈值能力远远达不到满足我们的气候变化目标所需的水平。试图单独通过控制发电和/或消费来解决这种情况具有不可容忍的社会、经济和环境影响。如果我们的电力供应链要保持可行并实现我们的社会和经济意图，配电网络的构造需要适应性改变。
电力系统平衡要求
维持可靠的电力供应要求电网的电压和频率维持在约+/-1％的窄带内。除了目前可用的有限存储选项之外，必须在产生电力时消耗电力，因此必须平衡供需，以维持所需的目标电压和频率。到目前为止，这已经通过在粗略的高水平监视电网，然后调整主要是化石燃料、核电或水电的可控发电源的输出来实现。
电网的平衡可以被分类为三个响应时间：
·长期(数天至数周)
·中期(数小时)
·短期(数毫秒至数分钟)
联合国报告“Global Trends in Renewable Energy Investment 2016”指出，目前有四种潜在的平衡选项，不可接受的第五种选项目前也在全球范围内被利用。
在需求超过供应的情况下：
i.增加更快响应的传统发电量，即，天然气、煤炭或柴油；
ii.互连器将电力从一个电网输送到另一个电网；以及
iii.在供应变得落后于需求时，通过较大的工业和商业消费者支付以减少使用量来进行需求响应。
在供应超过需求的情况下：
iv.能量存储装置在电力可用时存储多余电力，并在需要时将其释放回电网中；以及
v.削减可再生能源发电以直接减少供应。
并行地结合这些解决方案似乎有可能试图管理电网的长期和中期平衡。目前，每个选项要么具有高昂的成本、不可接受的后果，要么两者兼而有之。
对于我们的电网平衡的短期响应(数毫秒至数分钟)，这些选项中的任何一个都不会成功地允许可再生发电的增加的渗透和消耗，同时维持可靠的电力供应，这是由于至少下面讨论的原因。
短期电网平衡问题
以下概述了关于将可再生能源集成到电网中必须克服的问题。
系统频率
所有发电机将电力作为交流电(AC)注入到我们的电网中，并且被同步以在相同的频率和相位下运行。每个发电机注入的电量通过其电力输出额定值与将电力注入到系统中的所有其它发电机的电路输出额定值相比的比率进行平衡，以便均匀地分配负载。除非由操作员控件修改，否则这自然发生。
传统的化石燃料、核能甚至水电都是同步发电机，它们引入惯性来帮助维持这个频率，并且是可控的，从而提供频率响应和稳定性。由于它们互连的自我调节特性，它们保持同步。如果一个发电机偏离其同步速度，则以减小速度偏差的方式从系统中的其它发电机传输电力。存储的发电机的惯性能量提供了频率变化的短期反作用，调节器在几秒钟之后接管。
作为对照，风能和太阳能发电使用明显不同的技术，从而产生DC电并通过转换器将其注入到AC电网中。这意味着它们与电网频率解耦，并导致异步运行而没有贡献的惯性能量。配备有类似调节器控件的转换器可以响应频率下降，但是这不能足够快地发生以充分补偿和维持电网稳定性。它也可以仅在发电源正在缩减条件下运行时发生。
电网架构
我们的电网已被专门设计为通过远距离的传输网络从电力来源向配电网络上的负载中心交付可靠的电力供应。由于可再生能源发电的本地和分散性质，我们电网的整个本体正在发生变化。我们目前的电网硬件无法通过网络双向地以及垂直和水平地充分分配这些新电力来源，从而导致无数的电力工程问题，包括网络容量的减少。
解决这些问题的当前方法主要涉及附加的硬件和软件系统以减轻非期望的影响。这些技术通常被认为是在没有解决根本原因的情况下增加了网络的脆弱性和成本。
控制
诸如风能和太阳能的可再生能源不像传统的化石燃料、核能或水电那样可调度。由于我们无法控制能量输入(即，风或太阳)，因此我们不能根据需要提高或降低以平衡系统，或维持稳定的输出状态。我们只能主动管理输出，以通过存储解决方案或通过缩减发电来维持所需的电力水平。但是，缩减是纯粹的浪费。
变化性
诸如风能和太阳能的可再生能源的电力输出的速率比传统发电技术快得多。这以两种主要形式发生：
·间歇性-由于在直接控制之外的输入要求(即，阳光和风)，可再生能源具有长时间段的不可获得性。
·波动性-在任何时候，可再生能源发电的输出都会出现不断的变化。其中两个主要组成部分是输出发电的快速变化率和输出信号固有的噪声。
平均定律有助于部分地减轻大量太阳能和风能发电源对波动的瞬时影响。但是，在短期内(数毫秒至数秒)维持电压和频率仍然是重要的未解决的挑战。目前可用的响应式可调度发电技术的反应速度仍然明显慢于由波动的可再生发电引入的变化速率。目前没有对这个问题的解决方案。
效率
电网被设计为在特定的运行点工作，由于消费要求而具有窄的运行频带。当电压或频率偏离最佳点时，电网及其设备的效率降低，从而导致较大的能量损失。先进电网的能源损失为5％-10％，其中高达一半的这种损失是由于非固定的低效率损失造成的。当电压或频率超出设定的运行边界时，系统保护动作会自动进行，其导致掉电和断电，以实现硬件保护和安全性。
网络硬件
世界各地的电力网络主要使用AC(交流)输电和配电。DC(直流)通常仅用于单独网络之间的高容量和长距离互连器(例如，海底电缆连接)。必须改变不同位置处的网络电压(以及有时改变网络频率)，以最小化输电和配电损失，并以可管理的水平向消费者交付电力。这些电压和由此产生的电力流通过以下设备进行管理，这些设备被设计为在供需的最小变化下以固定的最大容量最高效地运行。
断路器
允许变电站与输电网络断开连接或允许配电线路断开连接。
变压器
这些用于AC电力网络中的大多数电压转换任务。变压器是无源设备；它们使用简单的电磁电路原理运行，无需任何有源调制或开关方案。在一些变压器上使用了简单的分接开关，以根据不同的需求在相对窄的范围内以离散步骤调节网络电压。取决于设备每侧的发电和负载的平衡，变压器也可以双向传输电力。
整流器
这些使用半导体二极管或类似设备执行从AC到DC电力的直接转换。这些也是无源系统，因为它们的设计中没有内置固有的切换或控制能力。大型整流器用于HV DC传输。
变频器
这些是较复杂的设备，其使用主电源的有源高速电子开关来在网络的两个不同部分之间提供频率转换。它们的大小范围从小型家用网络连接的太阳能面板逆变器到长距离HV DC到AC转换器。
电力校正设备
有许多设备的唯一目的是对系统中的电力实行纠正措施，以维持稳定和清洁的电力供应以供使用。这组设备包括但不限于滤波器、电容器和电感器。
网络限制
可变和不可调度发电源(即，诸如风能和太阳能的可再生能源)日益增加的渗透率正在改变网络的物理架构和我们控制发电水平的能力。这导致日益增加的稳定性和效率问题，其中当前电力网络架构的阈值能力远落后于所需水平。
现有电力网络的新方法
毫无争议，我们目前的输电和配电网络无法提供高于来自风能和太阳能的清洁能源的一定阈值渗透的可用电力供应。基于物理架构、发电和负载分布曲线以及许多其它因素，这个阈值点因每个网络而异。
在过去的120年中，我们的电力网络使用的设计架构和技术在成本和效率方面得到了显著提高。但是，它仍然采用与19世纪建立的相同的基础技术和设计架构。
整个电力系统的基本基础之一变压器是无源设备，其无法有效地处理施加在其运行上的可变性。例如，变压器在其设计的运行点处非常高效，但其效率在远离此点时迅速恶化。需要一种能够高效地接受宽得多的范围的运行条件的设备。增加的主动控制运行和影响通过系统的电力流的能力允许提供进一步的稳定性和安全性。被添加到现有刚性系统的新的可变可再生发电的地理分布进一步加剧了这一要求。
目前提出的所有升级我们的网络的选项都依赖于现有的运行方法、技术和系统。在能量存储的情况下，尚未发明使其经济上可行的技术。所有这些选项都会给网络带来巨大的成本、复杂性和脆弱性，并降低其效率。
期望减轻现有技术的一个或多个困难，或者至少提供有用的替代方案。
发明内容
根据本发明的一些实施例，提供了一种配电网络，包括：
多个电力控制装置，每个电力控制装置包括：
一个或多个信号转换部件，接收具有对应的第一基频和对应的第一特征电压的对应的第一信号形式的电力，并生成具有对应的第二基频和对应的第二特征电压的对应的第二信号；以及
控制器，控制信号转换部件的运行，以确定电力控制装置的输出信号的输出电压和输出频率；
发电部件，充当至少一些电力控制装置的电力源；以及
电力消耗部件，充当来自至少一些电力控制装置的电力的接收器(sink)；
其中，电力控制装置自主地运行但是互连，使得每个电力控制装置的输出连接到至少一个对应的其它电力控制装置的输入并且连接到电力接收器和/或电力源中的一个或多个，使得电力控制装置共同将流过配电网络的电力信号的电压和频率维持在目标值，以补偿电力接收器和/或电力源的变化。
在一些实施例中，每个电力控制装置包括存储电能的一个或多个能量存储部件，并且当它接收比其输出处所需的更多电力时使用其能量存储部件来存储电能，并且当它接收比其输出处所需的更少电力时从其能量存储部件中释放所存储的电能，以及以具有目标输出频率和目标输出电压的对应输出信号的形式提供对应的输出电力。
根据本发明的一些实施例，提供了一种配电网络，包括：
多个电力控制装置，每个电力控制装置包括：
一个或多个信号转换部件，接收具有对应的第一基频和对应的第一特征电压的对应的第一信号形式的电力，并且生成具有对应的第二基频和对应的第二特征电压的对应的第二信号；
存储电能的一个或多个能量存储部件；以及
控制器，控制信号转换部件和能量存储部件的运行；
发电部件，充当至少一些电力控制装置的电力源；以及
电力消耗部件，充当来自至少一些电力控制装置的电力接收器；
其中，电力控制装置互连并自主运行，使得每个电力控制装置在其接收比其输出处所需的更多电力时使用其能量存储部件来存储电能，并且当它接收比其输出处所需的更少电力时从其能量存储部件中释放所存储的电能，以及以具有目标输出频率和目标输出电压的对应输出信号的形式提供对应的输出电力。
在一些实施例中，每个电力控制装置包括：
至少一个虚拟气隙变压器，包括至少一个初级绕组、至少一个次级绕组以及控制初级绕组和次级绕组之间的电磁耦合的至少一个控制绕组；
外差部件，被配置为接收具有第一基频的信号并且生成对应的外差信号，外差信号具有与第一基频和参考频率的和与差对应的频率分量；
滤波部件，被配置为对外差信号进行滤波以从其中去除和与差频率分量中的一个并提供对应的经滤波信号；
输入端口，被配置为接收具有第一输入基频和第一电压的第一输入信号；以及
控制器，被配置为：
(i)接收表示至少第一输入信号的第一基频的信号，并生成对应的频率控制信号，以确定外差部件的参考频率，使得经滤波信号具有目标输出频率；以及
(ii)接收表示第一电压的信号，并生成对应的虚拟气隙控制信号，以确定至少一个虚拟气隙变压器的控制绕组中的电流，使得在次级绕组处生成目标输出电压。
在一些实施例中，控制部件被配置为控制至少一个虚拟气隙变压器的控制绕组中的电流，以改善电力控制装置的功率因数。
在一些实施例中，控制部件包括现场可编程门阵列(FPGA)或其它形式的处理器，其被配置为实现：
锁相环(PLL)，用于确定对应的第一信号的相位；
至少一个派克(Park)变换部件，用于基于PLL确定的相位生成第一信号的电压和电流的派克变换表示；
无功功率估计部件，其被配置为处理第一信号的电压和电流以生成无功功率的估计；以及
一个或多个功率因数控制部件，其被配置为处理无功功率的估计，以控制至少一个虚拟气隙变压器的控制绕组中的电流，以改善电力控制装置的功率因数。
在一些实施例中，每个电力控制装置被配置用于双向使用，使得该装置接收具有第二输入基频和第二输入电压的第二输入信号形式的第二输入电能，并生成以第二目标频率和第二目标输出电压的对应第二输出信号形式的对应的输出电能，其中第二输入信号或从第二输入信号导出的对应信号被施加到至少一个虚拟气隙变压器的次级绕组以在虚拟气隙变压器的初级绕组处生成具有第二目标输出电压的对应信号。
在一些实施例中，外差部件接收第二输入信号或从第二输入信号导出的对应信号，以生成具有与第二基频和参考频率的和与差对应的第二频率分量的对应第二外差信号，并且滤波部件被配置为对第二外差信号进行滤波以从其中去除和与差频率分量中的一个，并提供对应的第二经滤波信号。
在一些实施例中，外差部件是第一外差部件，滤波部件是第一滤波部件，并且系统包括第二外差部件和第二滤波部件，其中第一外差部件和第一滤波部件被配置为处理沿着第一通路流过装置的信号，并且第二外差部件和第二滤波部件被配置为处理沿着与第一通路大致相反的第二通路流过装置的信号。
在一些实施例中，外差部件是第一外差部件，滤波部件是第一滤波部件，并且该装置包括第二外差部件和第二滤波部件，其中外差部件和滤波部件被配置为使得由系统接收到的第一信号在被提供作为至少一个虚拟气隙变压器的输入之前，被第一外差部件和第一滤波部件上变频到更高的频率，以及至少一个虚拟气隙变压器的对应输出被第二外差部件和第二滤波部件下变频到目标频率，使用较高频率提高了至少一个虚拟气隙变压器的效率。
在一些实施例中，至少一个虚拟气隙变压器包括通过被配置为存储能量的至少一个回路串联连接的两个虚拟气隙变压器。
根据本发明的一些实施例，提供了由上述任一过程中的电力控制装置中的每一个执行的配电过程，该过程包括：
接收具有对应的第一基频和对应的第一特征电压的对应的第一信号形式的电力，该电力表示由电力接收器和/或电力源中的一个或多个修改的至少另一个电力控制装置的输出；
控制一个或多个信号转换部件，使得电力控制装置以具有对应的目标电压值和频率值的对应的输出信号的形式提供输出电能。在一些实施例中，配电过程包括：
当电力控制装置接收比其输出处所需的更多电能时，将电能存储在一个或多个对应的能量存储部件中；
当电力控制装置接收比其输出处所需的更少电能时，从一个或多个对应的能量存储部件释放存储的电能；以及
以具有目标输出频率和目标输出电压的对应输出信号的形式提供对应的输出电力。
在一些实施例中，配电过程包括控制一个或多个信号转换部件以改善电力控制装置的功率因数。
在一些实施例中，配电过程包括：
测量电力控制装置的可变气隙变压器的次级绕组上的输出电压；
应用测得电压的派克变换以生成测得电压的直流分量和正交分量；
将直流分量与目标电压值进行比较；
使用比例积分控制回路来生成控制信号；
将逆派克变换应用于控制信号以生成变换后的控制信号；以及
基于变换后的控制信号和至少一个虚拟气隙变压器的控制绕组中的电流的比较，调节控制绕组中的电流以改善电力控制装置的功率因数。
附图说明
现在将参考附图仅以示例的方式描述本发明的一些实施例，其中：
图1是根据本发明的一些实施例的电能供应系统的框图；
图2是根据本发明的一些实施例的电能供应系统的虚拟气隙变压器(VAGT)的示意图，在该示例中，该变压器由在通量路径中具有虚拟气隙的单相磁芯型变压器组成，其中能量被存储为主要在气隙内的磁场能量；
图3是示出通过VAGT的电能的双向流动以及电能供应系统的实现的外差部件和滤波部件的框图；
图4是示出通过具有两个外差部件和两个滤波部件的电能供应系统的实现的电能的双向流动的框图；
图5是由图1的两个单相VAGT通过内部绕组串联互连而形成的复合虚拟气隙变压器(VAGT)的示意图，该内部绕组可以用于存储能量；
图6是第二种形式的虚拟气隙变压器(VAGT)的示意图，其具有在磁通路径中具有虚拟气隙的单相磁芯，并且能够以主要在气隙内的磁场能量的形式存储能量；
图7是由图6的两个单相VAGT串联互连形成的复合虚拟气隙变压器(VAGT)的示意图；
图8是由在磁通路径中具有虚拟气隙的单相壳型变压器形成的第三种形式的虚拟气隙变压器(VAGT)的示意图；
图9是由图8的两个单相VAGT串联互连形成的复合虚拟气隙变压器(VAGT)的示意图；
图10是由在其磁通路径中具有虚拟气隙的三相壳式变压器形成的第四种形式的虚拟气隙变压器(VAGT)的示意图；
图11是由图10的两个三相VAGT串联互连形成的复合虚拟气隙变压器(VAGT)的示意图；
图12是由在其磁通路径中具有虚拟气隙的三相壳式变压器形成的第五种形式的虚拟气隙变压器(VAGT)的示意图；
图13是由图12的两个三相VAGT串联互连形成的复合虚拟气隙变压器(VAGT)的示意图；
图14是图示为支持外差而实现的能量供应系统的部件之间的信号流的简化框图；
图15是使用围绕设备的磁芯的控制绕组的虚拟气隙变压器的一种实现的示意图；
图16是虚拟气隙变压器的替代实现的示意图，该虚拟气隙变压器具有围绕设备的磁芯的多个控制绕组，以在设备内形成相应的多个虚拟气隙；
图17是示出在将两个部件结合在一起，在其之间具有控制绕组以形成图18中所示的虚拟气隙变压器的实现之前变压器磁芯的两个部件的示意图；
图18是由图17中所示的部件和其之间的控制绕组形成的虚拟气隙变压器的示意图；
图19示出了在图17和18的极部件之间使用的控制绕组的许多可能构造中的三种；
图20是通过将电线拧过被形成为通过磁芯的孔来使用嵌入在变压器的磁芯内的控制绕组实现虚拟气隙变压器的示意图；
图21是使用嵌入在磁芯内的、在任何方向(x，y或z轴)上缠绕在柱状开口之间的控制绕组实现虚拟气隙的示意图；
图22是使用嵌入在磁芯内的控制绕组，通过将其馈送通过被形成为通过磁芯的圆形开口来实现虚拟气隙的示意图；以及
图23是本文所述的电能供应系统的转换效率与传统变压器的转换效率相比的曲线图(电能供应系统具有较低的峰值效率，因为它使用电力来控制设备，但是设备具有提供更好的灵活性的广泛得多的效率带)；
图24是具有提供控制绕组的脉冲宽度调制的整流器、DC链路和两个桥接电路的电路图；
图25是提供虚拟气隙变压器的控制的控制回路和功能块的示意图；
图26是实现用于在虚拟气隙控制内使用的锁相环的示意图；
图27是磁路的示意图，示出了初级和次级绕组、虚拟气隙的磁芯磁阻和受控磁阻；
图28是具有磁通量感测绕组以测量磁芯磁通量的单相磁芯型虚拟气隙变压器的示意图；
图29是控制绕组中的电流与初级绕组中的电流之间的关系以及通过最小化控制电流来改变形状的示意图；
图30是在通过设备调制之前和之后的波形的示意图，其将两者在单个轴上进行比较，以演示从曲线的一个部分到另一个部分的电力的短期偏移；
图31是由四个部分构成的单相磁芯型变压器的示意图，其中两个部分容纳初级和次级绕组，另两个部分具有三个子部分，其中不同的材料构成中间子部分；
图32是由垂直构造的6个孔组成、具有三个独立的控制绕组回路的虚拟气隙的示意图；
图33是用于变压器的标准层压板堆叠工艺的示意图，在一些层压板中具有断裂，其中使用间隔件将允许用于磁芯内的控制绕组的孔而无需钻孔；
图34是由于电流被施加到控制绕组而在磁芯内改变的磁通路径的示意图；
图35是复合虚拟气隙变压器(VAGT)的示意图，该变压器具有由多个虚拟气隙控制的多个磁通路径，以重新引导磁通通过磁芯并改变通过次级绕组的磁通方向，从而允许AC到DC的整流；
图36是复合虚拟气隙变压器(VAGT)的示意图，该变压器具有由多个虚拟气隙控制的多个磁通路径，以允许磁通可控制地分布在不同的通路之间，从而改变流过次级绕组的磁通量；
图37是图示可以如何在供电网络内布置设备以调制和平衡整个网络的电力流的简化框图；
图38是单相虚拟气隙变压器(VAGT)的示意图，该变压器具有用于磁通行进的多条路径，其可以经由VAG定向控制，其中两个次级绕组沿相反方向缠绕，从而允许通过根据相位角来交替在每个次级绕组之间流动的磁通进行AC到DC的整流；
图39是图示可以如何在供电网络内布置设备以调制和平衡整个网络的电力流的简化框图；
图40是根据本发明的一些实施例的配电网络的框图；
图41是根据本发明的一些实施例的电力控制装置的实施例的电路图；
图42是图41的电力控制装置的电压控制过程的流程图；以及
图43是图41的电力控制装置的功率因数控制过程的流程图。
具体实施方式
本发明的实施例包括配电网络和过程。配电网络包括电力控制装置，其典型地分布在整个网络中并且共同将流过配电网络的电力信号的对应电压和频率维护在对应的目标值，以补偿电力接收器和/或电力源中的变化，包括例如可再生能源(诸如风能和太阳能)的可变性。以这种方式，配电网络和过程解决了上述现有技术的缺点。下面描述网络所基于的电力控制装置，接着描述这些装置如何互连以形成本文描述的配电网络并实现它们的许多优点。
电力控制装置
本发明的实施例包括电力控制装置的实例，每个电力控制装置以具有一定频率和电压的输入信号的形式接收输入电能，并且将该输入电能转换为具有对应的期望或“目标”频率和对应的期望或“目标”输出电压的输出信号形式的输出电能。输入电能通常随时间而变化(即，其频率和/或电压是时间相关的)，因此系统和过程运行以动态地控制转换，使得输出电能具有期望的目标频率和目标电压，这些目标频率和目标电压本身也可能随时间而变化。
电力控制装置能够提供频率和电压转换，同时提供功率因数校正，从而利用高速电磁路径切换而不是电子电路切换来提供改进的效率和调节(以及电隔离两个系统)。
在本说明书中，除非上下文另有指示，否则术语“信号”是为了便于参考而使用，并且应广义地解释为指代以电压和至少一个基频(其在DC电压的情况下可以为零)为特征的电能的形式，并且不一定要求信号表示或传达任何形式的信息，但是本发明的一些实施例可能涉及信号中编码的信息的通信。
如图1所示，电力控制装置100包括频率控制部件102、电压控制部件104和控制器106。如上所述，频率控制部件102接收某个特征输入频率的输入信号，并且无论输入频率如何，都提供具有选定或期望输出频率的对应输出信号。类似地，电压控制部件104接收某个特征输入电压的输入信号，并且无论输入电压如何，都提供具有选定或期望输出电压的对应输出信号。组合起来，频率控制部件102和电压控制部件104协同工作，使得系统100接收具有某个(通常是时变的)特征频率fin和电压Vin的输入信号，并生成具有选定频率fout和选定电压Vout的对应输出信号。特别地，电力控制装置100用作干线配电网络的一部分，系统100可以配置为使得输出频率fout恒定并且等于50Hz或60Hz的适当干线电频率，并且输出电压被动态调节以匹配系统100上的电负载。与标称干线频率的偏差是电网内的主要损耗源。
控制器106使用降压(step down)设备(例如，所述实施例中的降压(buck)转换器)来监控输入频率和电压，并生成对应的频率和电压控制信号，这些信号分别用于控制频率控制部件102和电压控制部件104的运行。
如本领域技术人员所知的，变压器是经由互感将电能从一个电路传递到另一个电路的电磁设备，并且通常由初级绕组、磁芯和次级绕组构成。当交流电压施加到初级绕组时，交流电流流过初级绕组。该磁化电流产生交变磁通。磁通主要限制在磁芯内，并在链接的次级绕组中感应出电压，如果次级绕组连接到电负载则产生交流电。然后，该次级负载电流产生链接回初级绕组的其自身的交变磁通。
次级电压由初级电压和次级绕组中的匝数与初级绕组中的匝数之比的乘积确定。变压器通常用于在高压和低压之间进行转换，但是在分配频率下它们必然是庞大的。它们具有高效率、简单的设计和双向电力传输。但是，它们的无源性质对传输的电力提供有限的调节，从而需要引入低效的功率因数控制和电压调节。在干线供电频率处的运行物理特性也使得它们在给定额定功率处相对较大，从而增加了材料、制造和绝缘管理的成本。
电压转换
通过提供本文称为“虚拟气隙变压器”或“VAGT”200的变压器构造形式的电压控制部件104来实现电压转换，如图2所示，其中至少一个控制绕组202布置在变压器的初级绕组204和次级绕组206之间的磁通路径中，以可控制地使磁芯的局部区域208饱和，从而控制初级绕组204和次级绕组206之间的电磁耦合，并且因此确定在次级绕组206两端产生的电压。使磁通路径的局部区域208饱和的效果等效于磁通路径中的物理气隙的效果，其中饱和区域208的大小(并且因此等效的('虚拟')气隙208的大小)在任何时候由当时流过控制绕组202的电流确定。通过控制绕组202的该控制电流可以是DC或AC，如由每种实现的具体要求所确定的，其中每种电流类型提供不同的特性和复杂性。例如，DC电流用于简化控制，而AC电流用于更复杂的控制并提供更低的漏电损耗。
除了各种控制电流实现之外，设备的一些实现可以将短路施加到控制绕组202或当实现多个绕组时将短路施加到一些控制绕组。在短路施加期间，控制绕组以抵抗对该点处系统状态的任何变化的方式影响磁芯磁通。利用磁芯内的局部点和磁芯横截面上的这种现象，磁通路径可以被改变和使其饱和。
通过动态监测初级绕组204两端的输入电压并且已知随着流过控制绕组202的电流而变化的次级绕组和初级绕组电压之间的关系，可以动态地调节流过控制绕组202的电流以提供次级绕组206两端的选定或期望电压。
此外，在设备的一些实现中，跨次级绕组206两端以及跨初级绕组204两端测量电压。在设备的一些实现中，在初级绕组、次级绕组或两者上测量电压和频率。
在设备的一些构造中，测量通过VAGT的磁芯的磁通。磁通与流过设备的电力有关，并且是通过使用控制绕组改变磁路的磁阻来控制的力。取决于实现的具体要求，由霍尔效应传感器(诸如http://uk.rs-online.com/web/c/automation-control-gear/sensors- transducers/hall-effect-sensors/)或如图28所示围绕磁芯的绕组测量磁通。对于本领域技术人员来说明显的是，可以使用许多已知构造和感测方法中的任何一种来实现这种测量。
在由AC磁通源驱动的磁路中，主磁通(Φm)由驱动电压来确定(Φm＝∫vdt)。磁芯内的磁通密度具有磁阻，其可以如下计算：
Figure BDA0001784116820000181
其中l是磁路长度，Ac是磁芯横截面积，并且μ0μr是磁芯磁导率。
磁芯中的磁动势(mmf)是磁通和磁阻的函数。由于虚拟气隙的变化引起的磁芯的磁阻的变化产生mmf的对应变化，这又产生VAGT 200的初级电感的变化。
根据以下，磁芯具有作为磁通和磁阻的函数的相关联的总mmf。
Figure BDA0001784116820000191
如果气隙被插入到磁路中，则磁阻由于增加了气隙磁阻
Figure BDA0001784116820000192
而增加，从而增加了mmf。图27中提供了这种简单的代表性电路图。标准DC驱动电压的情况不同，因为mmf和电流恒定，磁通随磁阻的变化而变化。用谐波调制的DC驱动电压能够在某些运行条件下降低谐波输出(参见http://ieeexplore.ieee.org/document/4595983/)。调制的AC驱动电压减少了能量使用，并且在正确控制时改善了设备和输出电力的能量利用。图29示出了当初级绕组204中的电流在整个周期中改变时，控制绕组202中所需的电流量改变，从而减小所需的控制电流(例如，从曲线2902到曲线2904)以实现输出目标信号，并提高设备的效率。
虚拟气隙208被提供在初级磁通路径内，以便提供对通过VAGT的电力流的控制。但是，也可以在返回磁通路径中提供第二虚拟气隙210，如图2所示。取决于物理结构(包括VAGT是单相还是3相)，VAGT可以具有多个虚拟气隙，从而确保至少可以直接控制每相的初级磁通路径。在一些实施例中可以利用多个虚拟气隙来改变局部饱和的水平。
至少，虚拟气隙由两个DC或AC绕组形成，这两个绕组布置成产生相反的磁通，使得它们相对于整个VAGT相互抵消，但是在每个对应的局部饱和区域中使磁芯核饱和。VAGT的具体构造(包括绕组和磁芯材料和构造、叠片、尺寸、磁芯大小和形状、相数和面构造等)可以使用本领域技术人员已知的标准变压器设计方法来确定，其中虚拟气隙的数量和位置以及(一个或多个)控制绕组的构造由具体应用的电气要求来确定。
包含虚拟气隙的变压器的磁芯可以由任何材料制成，其磁阻可以由流过控制绕组的电流控制，材料包括但不限于铁磁材料。磁芯本身可以形成为单体结构，或者可以由多个部件部分构成，这些部件部分可以由相同或不同的材料制成，用于磁芯的不同区域。这允许形成磁芯的虚拟气隙的局部铁磁属性与磁芯的具有不同磁化曲线(也称为磁滞曲线或更常见的B-H曲线，其中B＝磁通密度，H＝场强，μ＝磁导率并且B＝μH)的其它区域的属性不同。
通过VAGT的电力流通过控制其(一个或多个)虚拟气隙208、210来调节。由于输入电力和输出电力汲取会不断变化，因此通过改变(一个或多个)控制绕组202中的DC或AC控制电流以提供选定的磁阻水平来对应地调节该(一个或多个)虚拟气隙208、210。控制电流可以是直接模拟信号，其中电流水平被直接改变，或者可以采取使用脉冲宽度调制(PWM)以提供等效的平均电流的数字信号的形式。PWM使用的数字信号切换速率远高于将影响负载的速率，以控制所供给的电力。以适当的占空比将负载的电压切换到近似于期望的电压水平。以相同的方式，可以改变占空比以使用数字源提供模拟波形的近似。现代半导体能够在数微秒内提供这种切换，这意味着电力损耗非常低，但是在一些应用中，不完美波形的产生会导致显著的谐波和损耗。
通过控制绕组202的电流的PWM是通过由整流器、DC链路和两个桥组成的控制电路实现的，如图24所示。两个桥由四个二极管和四个绝缘栅双极晶体管(IGBT)组成。四个IGBT通过控制器106接通和断开，以便在控制绕组202中提供正确的电流水平以提供目标信号输出。对于本领域技术人员来说明显的是，这可以通过多种不同的电路拓扑来实现。利用降压(step down)转换器(降压(buck)转换器)的控制电路系统拓扑允许极大地减少电力使用以实现期望的虚拟气隙控制的幅度和范围。
通过以10kHz的速度控制PWM，输出信号的波形使用VAG进行调制以便消除谐波，如图30所示。对于本领域技术人员来说明显的是，控制的速度受到能够使用任何控制频率的上端技术实现的实用性的限制。更快的控制速度更好地补偿和纠正谐波。
当平均电力流用作控制点时，对于随着时间的推移通过VAGT的过电压和欠电压，电压的变化大致相等。VAGT内有少量的内部电力存储可用，以在欠压时进行补偿，其中过电压峰被切断。该过电压电力损耗显著小于被动地通过过电压所产生的低效率和损耗。
为了降低内部电力存储要求，针对其来控制VAGT的电力水平可以低于平均输入电压。这平均增加了过电压时间的量，从而增加了对应的损耗，但是这相对于配电网络的其它损耗仍然是微不足道的。确切的控制电力水平由具体应用的要求确定。
如图36所示，在一些实施例中，磁芯具有次级磁通通路，以在通过磁芯的两条路径之间分配磁通，从而在稳态条件下改变流过次级绕组的磁通。设备的电压转换比与初级绕组的数量和初级电流、次级绕组的数量和次级电流直接成比例，并且与稳态条件下的磁路磁阻无关。由第二虚拟气隙控制的第二磁通通路与控制初级磁通通路的虚拟气隙结合提供了两个通路之间的总磁通的相对分布。初级磁通通路上的次级绕组将仅具有相对于流过初级通路的磁通感应的电流，并且可以在不改变初级或次级绕组的数量的情况下改变。
在一些实施例中，能量回收电路用于存储由虚拟气隙阻挡的否则将丢失的多余能量。该能量可以存储在电容器、电感器或其它能量存储设备内，并且随后直接重新注入到通过设备的主电力流中，或者直接来自电容、电感或其它存储装置。
频率转换
在如本文所述的电力控制装置的一些实现中，频率控制部件102以与电压转换相同的方式实现频率转换。由于耦合的电气系统的频率取决于所发的电的频率并与负载平衡，由于发电和负载之间的这种平衡变化，因此系统的频率将变化。通过测量电力控制装置100的输入和输出频率，测得的差异指示不平衡。因此，改变控制绕组电流，并且因此改变虚拟气隙，电路的磁阻将改变，并且能量将被注入到电力流中或从电力流中获取，如下所述。即，相同的(一个或多个)VAGT构成电压控制部件104和频率控制部件102两者，如图1中的频率控制部件102和电压控制104周围的虚线框所指示的，并且只存在从控制器106到(一个或多个)VAGT的单个控制信号(表示电压)，但如上所述，该信号也用于控制频率。
VAG可以用于使局部区域中的磁芯饱和，并且因此影响磁通路径。使用图35中的磁芯结构，可以通过使用多个VAG来转换输出信号的频率，以使通过次级绕组的磁通路径交替。这允许同一设备既用作逆变器又用作整流器，所有切换都在磁场中，从而利用磁路的自然滤波。
鉴于本公开，本文描述的电力控制装置的大量可能的构造对于本领域技术人员而言将是明显的。在一种这样的构造中，使用标准的磁芯切割和堆叠技术来制造磁芯型变压器(例如，参见http://sites.ieee.org/gms-pes/files/2014/11/Transformer-Manufacturing-Processes.pdf)。如图31所示，没有初级或次级绕组的两个磁芯部分由串联的三部分铁磁材料组成：材料1、材料2和材料1。材料1和2具有不同的B-H曲线。
在制造过程期间，在通过磁芯的横截面垂直对齐的等距空间处，在磁芯的材料2内形成6个孔，如图31至34所示。在这个特定的示例中，这些孔通过使磁芯层由分开的块(如图33所示)而不是单个连续的片组成来形成。这些块在堆叠过程期间使用间隔件进行对准，一旦堆叠完成，这些间隔件就可以被移除。
初级绕组和次级绕组缠绕在适当的部分上。控制绕组缠绕在磁芯构建过程中形成的孔之间，如图32所示。孔垂直地从1至6进行编号，绕组在孔1和2之间形成所需数量的回路，然后是3和4，然后5和6。
控制绕组由电子电路开关控制电路供电，利用AC控制信号的脉冲宽度调制，如图24至26所示。在一些实施例中，使用高速微处理器(诸如在http://www.ti.com/product/TMS320F2808描述的100MHz Texas Instruments设备)，并且具有来自输入和输出的传感器输入(电路直接在初级绕组之前并且直接在次级绕组之后)以测量电压和频率，并且霍尔效应磁通传感器(诸如http://uk.rs-online.com/web/c/automation-control-gear/sensors-transducers/hall-effect-sensors/)被嵌入在磁芯中的六个控制绕组孔内以测量局部化磁通。
微处理器执行控制过程，以对图24中所示的桥接电路中的四个IGBT设备进行PWM。这会改变通过控制线圈的流量，以便在每个受监控位置处维持正确的磁通水平，这与测得的电压和电流输入和输出相结合，在输出处提供目标设定点。磁通控制反馈回路在1MHz下运行，并且锁相环在100kHz下运行。
包括能量回收电路以捕获和存储由于虚拟气隙而偏离的能量。该回收电路包括电容器，以允许能量流的短期存储和平滑化。
使用外差的频率转换
作为上述的替代，在如本文所述的电力控制装置的一些实现中，频率控制部件102使用来自通信理论的频率外差原理来实现频率转换。虽然如本文所述的外差的使用不可避免地引起能量损耗，但是在一些应用中它可能是有用的，特别是在VAGT的大小和重量受到限制的情况下，例如航空、铁路和航天。在这些应用中，获得的动能效率可以超过附加的电损耗。
如本领域技术人员所知，频率外差是通过组合或混合两个输入频率产生新频率的方法。频率为f1和f2的两个信号被混合组合以产生两个称为外差的新信号，一个在两个频率的和f1+f2处，另一个在差f1-f2处。通常只需要一个新频率，而另一个信号被滤掉。
因此，在电力控制装置的这种实现中，频率控制部件102包括可变频率振荡器和可变频率滤波器，其隔离和滤波频率由控制器106生成的频率控制信号来确定，从而允许混频信号被改变以确保输出信号始终处于期望的输出频率。这种频率控制还允许系统100用于代替转换器(逆变器或整流器)。
回到图1，在该图中示出了从左到右流动的输入信号，在向VAGT 104提供对应信号之前频率被调整。虽然这种构造由于其允许VAGT 104与已知频率的信号一起运行而通常是优选的，但是输入信号也可以在相反方向上流动，使得输入信号在由频率控制部件102调节其频率之前流过VAGT 104。
此外，图1中所示的布置可以用于处理在任一方向上流动的信号，这使其对于诸如能量分配等应用特别有用，其中本地能量生成源(例如，住宅物业上的太阳能面板)可以产生在与从能量分配网络或电网流向住宅物业的能量方向相反的方向上流向能量分配网络或电网的能量。
例如，图4是图示基于图1的电能控制装置400的框图，其中频率控制部件102包括外差部件402和频率滤波部件404，其中信号在相反的方向上以适当的顺序流过这些部件402、404。
图5是另一个电能控制装置500的框图，其具有布置在VAGT 104的相对侧的两个频率控制部件，其允许在任一方向上行进通过系统500的输入信号在被提供给VAGT 104之前被调整频率，这可以用于提高VAGT 104的效率。此外，该构造还允许输入信号的频率在施加到VAGT 104之前升高(例如，至1kHz)，并且对应的VAGT输出被降低(例如，降至50Hz或60Hz的适当干线供电频率)以提供期望的输出频率。由于变压器在给定磁通密度下的电动势力(EMF)随频率而增加，因此通过在较高频率处运行，变压器可以在物理上更小，因为磁芯能够传输更多电力而不会达到饱和，并且需要更少的匝来实现相同的阻抗。
具有较小的设备减少了由于变压器绕组的欧姆电阻引起的铜损耗，这是主要的低效率。初级绕组的损耗为I1 2R1，次级绕组的损耗为I2 2R2。其中，I1和I2分别是初级和次级绕组中的电流，R1和R2分别是初级和次级绕组的电阻。较小的设备还减少了设备重量，这在诸如铁路、航空和航天等应用中具有显著优势，其中整体系统效率通过动能增加被极大地提高。
但是，铁损耗(涡流和磁滞损耗)依赖于频率并随频率增加。磁滞损耗(由于变压器磁芯中磁化的反转)如下计算：
Wh＝ηBmax1.6fV(瓦特)
其中η＝斯坦梅茨(Steinmetz)磁滞常数，V＝磁芯的体积，以m3为单位，f为频率。
如上所述，本文描述的电能控制装置能够双向控制电压、频率和功率因数以完全控制电力流并将完美负载的图像递送到系统的供电侧，同时匹配负载的电力要求。这直接提高了设备本身的效率，也提高了对其它设备的输电和配电和其它设备本身的效率。
如下所述，调制和信道配对方案允许在互连的电力系统和电网之间精细地控制和匹配通过系统的电力流，以减少损耗和失真。
在频率转换和控制通过频率外差法效率低的情况下，VAG原理可以用于调制磁通并使用许多不同的VAGT构造中的任何一种将AC转换为DC。图35示出了利用H桥以便控制通过次级线圈的磁通的方向的构造。如从楞次(Lenz)定律可知，感应电流的方向总是使得抵抗电路中的变化或产生它的磁场的变化。因此，改变通过绕组的磁通方向将使电流相位移动180度(即，改变符号正/负)。通过使用VAG根据正弦波形改变该流量，可以产生DC电流。
图38中示出了完成这个的替代方法，其中VAG用于引导磁通通过以相反方向缠绕的两个次级线圈之一。对于本领域技术人员明显的是，可以实现许多替代构造来实现类似的效果。图35和图38中提供的简单代表性示意图可以容易地改变和扩展，以提供具有多个VAG的多条磁通路径，当其与适当的控制过程组合时，可以提供频率控制，从而由于切换事件、谐波等而导致较低能量损耗。
能量存储
本文描述的电能控制装置以三种方式存储瞬时功率，以使得能够通过在需要时注入附加功率来优化电力流调节。使用附加的能量存储方法(诸如电容器)，电力作为磁场能量被存储在每个虚拟气隙内(参见下文)，并且还可以如下所述在每个系统内提供内部回路，以保持瞬时功率(如果在具体实现中需要)。但是，除了包括一个或多个电容器的实施例的情况之外，VAGT设备不在调节电力流的运行中时不能在任何时段存储电力。
具有电感(L)和峰值电流(I)的电感器的存储能量(W)可以通过以下计算来确定：
W＝1/2LI2
该能量作为磁场能量存储在铁氧体磁芯内。所需存储的能量越高，所需的磁芯越大。电感器的大小与存储能量大致成比例。
当向电感器添加气隙时，电感器的磁阻增加。磁芯的磁导率比气隙的磁导率高三个数量级，这意味着绝大部分的能量存储在气隙内，因此可存储的能量的量根据以下与气隙的大小有关：
Figure BDA0001784116820000261
其中B是磁通密度，A是横截面积，δ是气隙的宽度，并且μ0是气隙的磁导率。
Lenz定律指出，感应电流的方向总是使得抵抗电路中的变化或产生它的磁场的变化。因此，存储的磁能有助于平滑(一个或多个)次级绕组上的小功率振荡。在一些实施例中，诸如在图41中所示的电能控制装置中提供次级磁通通路。该磁通通路环绕磁芯的外壳并且可以用于存储磁能。
在一些实施例中，电能控制装置包括复合虚拟气隙变压器(VAGT)，其由具有串联的虚拟气隙的一对变压器组成，在一个变压器的次级绕组和另一个变压器的初级绕组之间具有电线环，以便产生具有内部电流回路的单个复合VAGT。回路的规格由所需的瞬时能量存储量确定。具有虚拟气隙的两个变压器由单个控制器作为单个设备控制。对于一些应用，该内部回路包括至少一个电容器。
图2和图5至图13是图示可以在各种实施例中使用的各种不同形式的虚拟空气变压器(VAGT)的示意图，包括由VAGT通过内部回路串联互连形成的复合VAGT，该内部回路可以以磁场的形式存储能量。例如，最简单形式的VAGT如图2中所示，它具有在磁通路径中具有虚拟气隙的单相磁芯。能量存储为磁场能量，主要在气隙内。这种类型的两个VAGT可以串联互连，以便形成能够通过互连两个VAGT的内部绕组来存储能量的复合VAGT。
图6是第二种形式的虚拟气隙变压器(VAGT)的示意图，该变压器具有在磁通路径中具有虚拟气隙的单相磁芯，并且能够以主要在气隙内的磁场能量的形式存储能量。这种形式的VAGT在变压器的同一侧具有初级绕组和次级绕组两者，一个缠绕在另一个的外侧，并且两者之间有电气屏蔽。与图2的VAGT一样，第二种形式的两个单独的VAGT可以类似地串联互连，以形成如图7所示的复合虚拟气隙变压器(VAGT)。
第三种形式的虚拟气隙变压器(VAGT)如图8中所示，由单相壳型变压器形成，该变压器在其磁通路径中有虚拟气隙。同样地，这些VAGS中的两个可以串联互连以便形成如图9所示的复合VAGT。
除了诸如以上所述的单相VAGS之外，VAGT还可以由三相壳型变压器形成，该变压器在其磁通路径中具有虚拟气隙，如图10所示，并且其中的一对可以互连以提供如图11所示的复合VAGT。
图12是由三相壳型变压器形成的第五种形式的虚拟气隙变压器(VAGT)的示意图，该变压器在其磁通路径中具有虚拟气隙，并且同样地，这种一般形式的一对VAGT可以串联互连以提供复合VAGT，诸如图13中所示的复合VAGT。
图15至22是图示各种不同形式的虚拟气隙构造的示意图，如在单相磁芯型变压器磁芯上所演示的。对于本领域技术人员明显的是，这些和其它构造可以扩展为具有多个VAGT、三相设备和壳型磁芯。
图15是使用围绕设备的磁芯的控制绕组实现虚拟气隙变压器(VAGT)的示意图。图16是实现虚拟气隙变压器的示意图，该虚拟气隙变压器使用围绕设备的磁芯的控制绕组以在设备内产生多个虚拟气隙，可扩展到可以物理地形成或制造的任何实际数量的虚拟气隙。图18是使用磁芯的两个部件(在图17中被示为分离的)之间的控制绕组实现虚拟气隙的示意图。绕组可以根据需要由以任何朝向和回路的组合的电线构成，或者通过本身进行稳定，或者用在周围、在其上或在其内缠绕绕组的材料进行稳定。图19示出了在图18的VAGT的各种不同实施例中在磁芯的两个部件之间使用的控制绕组的各种构造。如对于本领域技术人员将明显的，该控制绕组可以由任意数量的绕组以任何角度和构造形成，无论是作为单独的物品，还是围绕框架或前者缠绕。
图20是使用嵌入在磁芯内的控制绕组实现虚拟气隙变压器的示意图。这可以是在任何方向(x，y或z轴)。图21是使用嵌入在磁芯内、通过形成在磁芯内的柱状开口沿任何方向(x，y或z轴)缠绕的控制绕组实现虚拟气隙的示意图。图22是使用嵌入在磁芯内的控制绕组，通过将其馈送通过被形成为通过磁芯的圆形开口实现虚拟气隙变压器的示意图。
控制器
如上所述，控制器106接收表示施加到系统的对应输入信号的频率和电压的信号，并且在使用外差的实现中，生成分别提供给频率控制部件102和电压控制部件104的对应频率和电压控制信号，以便控制这些部件中的每一个的运行，以确保对应的输出信号具有期望的目标输出频率和输出电压。
在所描述的实施例中，利用位于(一个或多个)控制绕组相互作用并且影响磁芯中的磁通的特定点处的霍尔效应磁通传感器。这些测量结果与输入和输出电压和频率一起使用，以确定所需的控制信号。但是，对于本领域技术人员将明显的是，可以使用其它测量传感器和技术来监测磁通，诸如围绕将具有基于磁通而感应的电流的磁芯的绕组。
控制器106的运行速度取决于由系统控制的电力流的频率。鉴于在频率外差之后，这可以在kHz范围内(而不是配电中的应用的50Hz或60Hz)，因此，如果系统内使用的应用要求需要，可以利用高速控制。在50Hz或60Hz的电网内，具有相对低的在MHz范围内的时钟频率的微处理器就足够了。
控制器106持续测量输入信号的电压和频率，并且在一些实施例中(最常见的是，在具有两个串联连接的VAGT的实施例中)，输出信号的电压和频率也通过电压和频率控制信号直接控制(一个或多个)可变气隙和(在适用的情况下)频率外差，以便将功率因数维持为尽可能接近1。
在输入正在提供比那时输出所需的更多电力的情况下，控制器通过增加VAGT的磁阻并因此减少磁通来减少通过VAGT的电力流。增加VAGT的磁阻意味着附加的电力被存储在VAGT的磁场中。
在输入正在提供比那时输出所需的更少电力的情况下，控制器通过监视输入和输出信号来确定这一点，并通过减小其(一个或多个)控制绕组中的控制电流来生成对应的控制信号以增加通过VAGT的电力流。这降低了磁阻并增加了VAGT中的磁通，从而将存储的VAGT内的磁能释放到输出，从而提供比到VAGT的电力输入大的基本上瞬时的电力输出。如果VAGT已经处于最小磁阻水平(即，DC控制电流已经为零并且因此不能进一步降低)，那么在一些实施例中，存储在内部回路(以及在可用的情况下，(一个或多个)电容器或其它能量存储装置)内的能量可以用于补偿短期内的这种电力缺乏。
用于电力控制装置的替代控制方法是滞后控制(而不是如上所述的超前控制)。在这种构造中，系统以同步方式起作用，输入和输出根据需要并基于瞬时输入和输出电力水平向磁场注入和从磁场吸收能量。然后，这改变了磁路的磁阻和初级与次级绕组之间的能量传递效率的平衡。控制器监视输入和输出，然后对这种不平衡的影响作出反应，以使系统恢复平衡。
VAGT绕组、控制绕组和内部回路的比例以及电容器大小都可以被选择以提供效率和容量的最佳平衡，以补偿电力不足的情况。
在所描述的实施例中，控制器106被实现为由通过设备的电力流供电的现场可编程门阵列(FPGA)，并且电力供应过程被实现为存储在非易失性存储器中的配置数据。但是，对于本领域技术人员将明显的是，在其它实施例中，控制器106可以被实现为专用集成电路(ASIC)，或者被实现为编程为执行存储在非易失性存储器中的指令的微处理器。对于本领域技术人员还将明显的是，在其它实施例中，控制器可以由单独的局部电源供电(在可用的情况下)，局部电源诸如来自配电板的局部控制电力。
根据上述PWM控制实现扩展，测得的磁通用于具有FPGA(或在适用的情况下为其它控制器设备)的控制反馈回路，如图25所示。该控制的参考信号由测得的磁通驱动的锁相环(PLL)提供。锁相环使用具有反馈回路的相位检测器、滤波器和电压控制振荡器来相互锁定输入和输出频率，如图26所示。在所述实施例中，锁相环被控制在1kHz的速度；但是，对于本领域技术人员将明显的是，在其它实施例中，可以使用不同的控制速度。
参考图14的示意图，下面的表2示出了控制器106用来控制电能控制装置的运行的输入、输出和内部变量，该电能控制装置具有功能上设置在电压控制部件或VAGT 104两侧的两个频率控制部件102，如上所述。
Figure BDA0001784116820000301
Figure BDA0001784116820000311
控制图
PDF、VAGT和SHF中的每一个以模拟信号的形式从控制器106接收控制输入。控制器106系统使用输入和输出信号上的标准相位和电压测量设备从通过设备的电力流接收模拟输入，以便确定其控制输出是什么。合适的设备包括在http://www.ni.com/white-paper/8198/en/#toc3,https://www.pce-instruments.com/english/measuring-instruments/test-meters/3-phase-power-meter-kat_155415_1.htm，http://w3.siemens.com/powerdistribution/global/en/lv/portfolio/pages/7km-pac-measuring-devices.aspx以及http：//www.schneider-electric.com/en/product-category/4100-power---energy-monitoring-system中所描述的设备。
为了图示本文描述的电力控制装置的一般运行，下面描述示例情况的电力供应过程的步骤，其中电力控制装置以输入信号的形式接收单相电力，其中电力流从初级到次级，即，到初级侧的源和次级侧的负载。
1.PF和PV输入到设备
2.测量PF和PV作为PHF的输入
3.计算所需的POF以为VAGT创建所需的频率输入
4.将POF注入到PHF中并过滤掉非期望的外差
5.PHF输出电力，其中电压PV和频率IF处于比PF高得多的水平
6.测量IF以及PV作为到VAGT的输入
7.基于PV和SV计算所需的DCC，以注入到VAGT中以提供SVS
8.通过改变VAGT的磁阻，将DCC注入到VAGT中以控制mmf(磁动力)，从而以固定的绕组比影响输出电压
9.VAGT输出具有电压SVS和频率IF的电力
10.计算所需的SOF以创建SFS
11.将SOF注入到SHF中并过滤掉非期望的外差
12.SHF输出具有电压SVS和频率SFS的电力
13.设备的输出为SVS和SFS以与SV和SF对准
通过交换初级和次级输入、输出和设定点，相同的过程适用于反向电力流。通过施加到每一相，相同的过程可以用于3相电力。
明显的是，本文描述的电力控制装置是特别有利的，因为它们能够动态且快速地响应系统接收到的输入能量的变化，以便生成具有目标电压和目标频率的对应输出能量。特别地，这种能力使它们能够将输出能量与系统上的负载所需的能量相匹配。此外，电力控制装置是双向的，这意味着它们能够为从能量网供应并且例如在一个方向上流动的能量做到这一点，以及还为从可再生能源供应的可能在相反的方向上流过系统的能量做到这一点。例如，能够通过系统和过程减轻由风的变化和/或可用太阳光的变化引起的局部能量生成的变化，从而为固定负载提供相对恒定的输出。类似地，可以在对应的(一个或多个)虚拟气隙变压器的能力范围内补偿负载的变化，虚拟气隙变压器当然被限制为在由零极限确定的电压范围内运行并且在每个单独VAGT的磁芯内完成局部饱和，这由每个VAGT的构造来决定。明显的是，可以制造具有不同虚拟气隙构造的一系列VAGT，以满足给定应用的电压和电力可变性的相应要求。
虽然本文描述的电力控制装置可以用于在各种不同的应用环境中提供电力，但是当它们分布在整个配电网络中以形成有效的新型电力供应网络或电网时它们特别有用，如以下所描述的。
配电网络和过程
上述电力控制装置可以互连以形成配电网络，其中每个电力控制装置的输出连接到至少一个对应的其它电力控制装置的输入并且连接到一个或多个对应的电力接收器(即，负载)和/或对应的电力源(例如发电系统，诸如太阳能板、风电场、油或气轮机等)。当以这种方式互连时，电力控制装置自主地运行，但是共同地将流过配电网络的电力信号的电压和频率维持在目标值，以补偿电力接收器和/或电力源的变化。
配电网络提供响应且高效的框架，用于在广泛的发电和消耗性能条件下将电能从一个位置递送到另一个位置。该框架在自主的分散化控制下运行，其中电网是自我管理的并且提供一定程度的电惯性和短期负载平衡。
这是通过在整个网络中布置多个电力控制装置以接收具有基本上任意和未知或至少可变频率和电压的输入信号形式的输入电能，并且将该输入电能转换为具有期望或“目标”频率和期望或“目标”输出电压的输出信号的形式的输出电能来实现的。输入电能通常随时间而变化(即，其频率和/或特征电压是时间相关的)，因此每个电力控制装置运行以动态地控制转换，使得其输出电能具有期望的目标频率和目标电压，这些目标频率和目标电压本身也可能随时间而变化。
当这些电力控制装置在需要对电压或频率进行任何修改的战略位置中分布在整个输电和配电网络中(从非常简单到非常复杂)时，每个装置的输出将输入提供给供电链中的下一个装置，从而提供更稳定和更低噪声的输入电力信号。这防止了可能由发电、消耗或其它原因引起的网络干扰在整个配电网络中聚集和传播。这又使得由于网络在峰值性能特征之外运行而导致的损耗最小化。
电力控制装置也位于到网络和来自网络的电能的供应和消耗的点。在电力注入到网络中的位置处，电力控制装置确保最大量的有用电力被注入到网络中而不会不利地影响效率。在从网络消耗电力的位置处，电力控制装置运行以确保消耗最大量的有用电力，以便最小化无功功率和对网络效率的其它负面影响。
本发明的实施例能够提供频率和电压转换，同时提供功率因数校正，从而利用高速电磁路径切换而不是电子电路切换来提供改进的效率和调节(以及将两个系统电隔离)。
每个电力控制装置可以包括存储电能的一个或多个能量存储部件，并且当它接收比其输出处所需的电力更多的电力时使用其能量存储部件来存储电能，并且当它接收比其输出处所需的电力更少的电力时从其能量存储部件释放所存储的电能。
能量存储部件的使用通过改善对整个网络中不同位置处的能量需求的小且快速的波动的补偿使网络更高效，从而将这些位置处的电压和频率维持在尽可能接近期望的目标值。这些变化的减少使得整个网络中的噪声减少，从而减少了损失并提高了效率。
在本说明书中，除非上下文另有指示，否则术语“信号”是为了便于参考而使用，并且应广义地解释为指代以电压和至少一个基频(其在DC电压的情况下可以为零)为特征的电能的形式，并且不一定要求信号表示或传达任何形式的信息，但是本发明的一些实施例可能涉及信号中编码的信息的通信。
如图37所示，电力供应网络或电网包括以下网络部件：
(i)电力源(向系统注入电力的任何东西)；
(ii)负载(从系统消耗电力的任何东西)；以及
(iii)如本文所述的电力控制装置，分布在整个网络中，以从对应的电力源(或者直接地或者经由一个或多个其它网络部件)接收具有相应输入电压和相应输入频率的输入信号形式的输入电力，并生成期望的或目标输出电压和频率的对应输出电力。
因此，本文描述的网络运行以维持从电力源到负载的最佳(或至少改善的)电力流。例如，每个电力控制装置动态地平衡从对应的源到至少一个对应的负载的电力流，使得电力源总是看起来像看到完美的负载，并且负载总是看起来像看到完美的源，这意味着系统的功率因数是1：即，所供应的能量等于所使用的能量。如上所述，本文描述的电力控制装置自主地适应以在变化的条件下维持该效率。
电力网络可以包括任何实际数量的每个网络部件以形成如图37所示的复杂系统。虽然电力总是从源流到负载，但是因为本文描述的电力控制装置是双向的，因此它们不必以完全线性的方式布置。
本文描述的电力控制装置的属性意味着网络内的源和负载不需要以相同的电压或频率运行(作为示例，电力网络可以被配置为改变整个网络中的电压以最小化电阻损耗，同时向最终用户提供可管理水平的电力)。
控制
电力供应网络利用分散式控制方法，该方法可以被视为由网络内的多个单独运行节点组成。在这个上下文中，网络内的节点是电波形被修改以实现目标电压和/或频率的任何点。网络中的这些节点中的每一个包括如本文所述的对应电力控制装置，其能够动态地调制其输出的电压、频率和功率因数。
每个电力控制装置以自主方式运行以管理其直接网络区域以维持稳定和高效的电力流。它通过持续监控其输入和输出波形来实现这一点，并动态地控制电力流以维持最佳性。该控制独立于连接到电力控制装置的输入和输出的装备，这意味着不需要知道其它装备或附加信息输入。
每个电力控制装置具有物理设计和内置控制系统，该系统专门针对其系统区域中的输入和输出的设定点进行编程。当在系统中组合多个电力控制装置节点时，由于一个电力控制装置的输出是另一个电力控制装置的输入，因此固有地形成紧急命令。这在整个网络中维持稳定的供需平衡，从而使其能够适应毫秒级的电力波动。网络能够在其最佳点连续运行，而无需附加的控制系统。
管理
管理是系统上的程序和规则的框架，以使代理的意图(消费、发电和分配的各方的意图)能够在系统的可运行约束内。
任何类型的命令都需要管理，并且分散的“选择机器”(在当前的上下文中，是电力控制装置)的紧急命令需要对中央控制的选择机器(诸如现有技术的配电网/电网)进行明显不同的本体和原型管理。
为了独立于发电的性质和分配并且以尽可能低的成本可靠地维持对消费者的能量供应，本文描述的配电网络在动态平衡中调节电压、频率、功率因数和网络谐波。配电网络使系统的各方能够以新颖的方式实现其意图。现有电网的相同各方的行为通过在非常窄的运行参数范围内命令同时必须维持系统平衡来集中管理。管理电力传输的关键方面的主动管理的规则具有增加对系统代理可用的可运行参数的预期结果，因此，管理系统发电机和消费者的规则实质上有更少的约束。
电力供应网络的管理与任何单个或组合的电力控制装置的控制是分离的。配电网络内的每个电力控制装置的运行和控制是自主的，从而允许电力供应网络在紧急命令内形成和运行。根据定义，这种紧急命令是可适应的，并且将倾向于系统稳定性和最优性。
系统管理通过网络中所有代理和装置的共享目标来传递，即，在电力供应网络的规则集内运行。
通信
初级通信
网络可以利用作为电波形本身的固有信息来跨系统中的电力控制装置进行通信和互运行控制和调制要求。
电力是复杂的信号，具有许多变量，包括相位、电压、电流和频率。网络中的每个节点(即，如本文所述的电力控制装置)不需要知道网络的其余部分的构成、状态或要求。通过实时监视其输入和输出，并遵循已知信息的特定规则集，它可以根据需要对其可控输入/输出采取行动。
在网络内，每个节点的输出形成另一个节点的输入。当每个节点直接控制其输出时，此输出向下一个节点提供输入。使用电力波形本身作为信息源消除了对附加通信和信息系统的需要。所有需要的信息都可在需要时在需要它的位置处作为输入获得。
次级通信
现有技术使得可以通过可运行电力电缆发送编码的数据。这是通过以远高于电力波形的频率发送数据来完成的。由于电力线是未屏蔽且未加捻的，因此电线本身充当天线并且可以以所使用的频率发射无线电波。在可以将有限电力宽带信号注入到非屏蔽电线的管辖区(例如美国)中，该技术可以用于在电力控制装置之间发送信息。该数据可以包括状态信息，诸如设备健康和统计信息。此外，可以在不经由电力线直接连接的电力控制装置之间传递信息。
选择机器
在电力供应网络内运行的电力控制装置作为网络内的选择机器运行。由AlanTuring定义的选择机器的概念是机器的运行只能由构造部分地确定。
电力供应网络是复杂的开放系统，因为外部因素直接影响系统状态，即，进出系统的电力的发电和消耗。系统内这些点中的每个点都充当外部代理，从而做出直接影响系统状态的选择。这些选择采取多种形式，包括人类决策或环境变量(影响发电的阳光或风)。在电力供应网络内，这些发电和消耗代理中的每一个是在系统内作为选择机器起作用的电力控制装置。它连接到如本文所述的也充当选择机器的其它电力控制装置，彼此进行反应。
电力网络实现
概述
本文描述的网络构成电力的系统的、分布式的和自治的元网络。这不是现有电力网络可以满足的定义。它由分布式对等构造的以下部件组成：
·许多电力源；
·许多电力控制装置(或“节点”)，用于调制整个网络的电力波形；
·许多负载；以及
·连接上述部件以允许电力流动的电导体。
该网络在电网中提供系统电压和频率的短期平衡，以维持最佳功率因数，并最小化由于低效运行引起的能量损失以及引入的噪声、不稳定性和事件。网络适应供需中的每一个变化，并且产生的平衡以比现有电力网络可以使用传统控制方法和可调度发电进行平衡的速率更快的速率在整个网络中传播。这为系统内高得多的级别的分布式、易失性异步发电提供了容量，而没有网络的低效率和故障。
架构
图40是根据本发明的配电网络的概括部分的框图。在该图中，电力通常从左向右流动，输入电力来自电力控制装置中的对应一个(未示出)并且耦合到以下中的至少一个：
(i)一个或多个对应的源s0；
(ii)一个或多个对应的负载l0；以及
(iii)一个或多个对应的另外的电力控制装置CA1，......CAN。
即，在一般情况下，只需要存在项目(i)至(iii)中的一个。
如果存在，一个或多个电力控制装置CA1，......CAN中的每一个如本文所述控制其对应输出，并且该输出类似地耦合到具有图40中所示的相同一般构造的网络的另一个部分的对应输入，直到达到网络的最右边缘，在这种情况下，输出耦合到一个或多个负载以及可选地和/或一个或多个源。类似地，在网络的最左边缘处，没有来自左方向的输入，并且一个或多个对应的源S0是电力的唯一源。因此，图40中所示的网络的一般化部分可以被认为是网络的构建块，其中存在任何实际数量的这些构建块以通过互连它们来形成网络，使得N个输出在右手侧并且耦合到构建块的其它实例的对应输入。
结果产生的网络是自我管理的对等电力网络。它满足具有地理约束以及发电和消耗曲线的任意组合的电力分配要求。
网络的行为源于其内的电力控制装置的行为，并且提供受到网络的物理约束的高效的双向电力分配。在网络在绿地(Greenfield)位置中实现的情况下，可以基于所需发电和供电分配和曲线的性质进行设计。
运行效果
稳定性
网络在每个节点/电力控制装置处提供系统频率的动态调制。这使得网络对于发电输入的性质更具弹性，因为，与现有技术网络不同，它不依赖于同步发电来引入存储的惯性能量以通过负载平衡的自我调节提供频率变化的短期缓解。相反，本文描述的网络充当具有其自身频率变化惯性的分布式系统，分布在整个网络中的电力控制装置的直接网络效应主动调制系统频率以维持效率。
这种惯性允许网络处理增加的异步发电水平(诸如太阳能和风能)，对网络的短期(毫秒到秒)频率稳定性几乎没有影响。
效率
与现有技术的电网络架构相比，该网络在宽得多的范围的运行条件下提高了效率。随着波动水平(发电和/或消耗的短期变化)的增加，这种效率增益显著增加。
由于消耗负载的要求，任何电网络都需要在窄带运行内维持电力流。本文描述的网络通过使用本文描述的电力控制装置连续地和动态地调制电波形，以将波形维持在接近峰值效率。这避免了在其它网络管理构造下出现的次优网络利用时段，以及避免了将切换事件引入到必须进行补偿和过滤的电力网络中(这是由于在启动纠正动作之前等待网络降级到预定的效率限制)。
此外，通过维持改进的功率因数，网络装备的大小可以被调整以适合较小的运行频带(较差的功率因数需要对给定的功率输出进行装备扩界)，从而通过较低的相对传输和分配损耗导致效率提高。
绿地实现
当实现如本文所述的新电力供应网络而没有要集成和重用的现有装备时，网络将包括电力控制装置和标准电力网络基础设施部件，如下所述。
电气基础设施部件
这些部件根据需要从点到点传输电力，并且可以在网络如何运行的约束内以及在消耗电力的对应物理位置处的预测能量使用下被设计为可能的最高效布置。由于电力流在改善的瞬态响应的情况下得以维持，因此导电设备的大小可以被适当地调整以减少网络中的电阻损耗。
除了直接影响电压、频率和功率因数之外的原因在网络中使用的现有电气装备(即，断路器，隔离器等)也可以被使用。
电力控制装置
这些维持电压和频率稳定性，通常分布在整个网络中。可以选择电力控制装置的位置以提供网络内电力流的最高效和可靠的维护。特别地，电力控制装置可以位于注入电力或从电网汲取电力的每个点处，或者电力流的属性在网络内变化(包括配电电压的变化)的任何其它点处。
图41是电力控制装置的一个实施例的电路图。在该实施例中，电力控制装置包括单相壳型可变气隙变压器(VAGT)，其中N1匝的初级绕组缠绕在中央腿上，并且次级绕组缠绕在变压器的所有三个腿上。N2匝的次级绕组的主要部分缠绕在中央腿上，左腿上的附加绕组与中央腿的缠绕方向相同，并且右腿上的绕组为相反的方向。左腿和右腿两者都具有相同的匝数。由于磁芯是对称的，因此，当没有控制时，磁通在两个通路之间均匀分开，并且左右腿上的绕组相互抵消，并且对设备的效应为零。N1与N2匝数的比率给出了电压转换的比率。
设备的控制使用两个控制绕组来实现。这两个绕组各自为Nc匝，以相反方向缠绕。当电流通过这些控制绕组时，主磁通路径的两半的磁阻对应地被修改，从而改变了流过每一半的磁通的比例。由于两个控制绕组为相反的方向，因此对电路的净效应为零。
当磁通不均匀地流过变压器的两半时，左腿和右腿绕组的平衡被改变，从而修改N1和N2的有效比率，并且因此修改电压转换比率。如果更多的磁通流过左腿，则N2增加。相反，如果更多的磁通流过右腿，则N2减少。这种比率变化提供了独立于V1(初级绕组上的电压)控制输出电压V2(次级绕组上的电压)的能力。
该电力控制装置用于控制三个方面：输出电压、输入功率因数和输出电压的曲线(即，波形)。在所述实施例中，使用锁相环(PLL)和派克变换来实现控制，这两者都是本领域技术人员已知的标准信号处理方法。
锁相环是标准的电子构建块，其用于将两个信号锁定到相同的频率，例如，如在http://www.radio-electronics.com/info/rf-technology-design/pll-synthesizers/phase-locked-loop-tutorial.php中所描述的。PLL可以用硬件或软件实现，如在http://www.ti.com/lit/an/sprabt3a/sprabt3a.pdf中对于软件实现所描述的，以及在http://www.ti.com/product/lmx2594中对于硬件实现所描述的。
但是，在图41所示的实施例中，PLL和电力控制装置的其它控制过程(包括本文所述的功率因数和电压控制过程)被实现为现场可编程门阵列(FPGA)的配置数据，如在https://www.xilinx.com/products/silicon-devices/fpga/kintex-7.html中所描述的，该现场可编程门阵列耦合到电压传感器(诸如在http://www.eaton.com/Eaton/ProductsServices/Electrical/Productsand Services/AutomationandControl/SensorsLimitSwitches/PowerSensors/VoltageSensors/index.htm#tabs-1中所描述的那些电压传感器)和电流传感器(诸如在http://uk.rs-online.com/web/p/current-transduers/7157970/中所描述的那些电流传感器)。
派克变换用于将ABC参考系中的向量转换为DQZ参考系(直流轴、二次轴和零序)，将正交静止参考系量变换为旋转参考系量。派克变换通常通过以下公式来表达：
Vd＝Vα*cos(θ)+Vβ*sin(θ)
Vq＝Vβ*cos(θ)-Vα*sin(θ)
其中，
Vd，Vq是旋转参考系量
Vα，Vβ是正交静止参考系量
θ是旋转角度
逆派克变换将旋转参考系中的量变换到正交静止参考系。逆派克变换通常通过以下公式来表达：
Vα＝Vd*cos(θ)-Vq*sin(θ)
Vβ＝Vq*cos(θ)+Vd*sin(θ)
其中，
Vα，Vβ是正交静止参考系量
Vd，Vq是旋转参考系量
θ是旋转角度
这是可以被直接编码到控制系统软件中的数学函数，可作为软件开发包(诸如Matlab)中的函数块使用，如在http://www.ti.com/lit/an/bpra048/bpra048.pdf和https://uk.mathworks.com/help/physmod/sps/powersys/ref/abctodq0dq0toabc.html中所描述的。
输出电压控制
电力控制装置通过执行电压控制过程来控制其输出电压，如图42所示。该过程在步骤4202处通过测量次级绕组上的输出电压开始。在步骤4204处，获取测得电压的派克变换以生成直流分量和正交分量。PLL为控制系统以及所有其它系统内的该派克变换提供参考相位角，从而确保所有计算都在相同的时间和相位值的情况下取得。PLL是参考在初级线圈上取得的电压测量值(供电电压V1)计算的。
在步骤4206处，将测得电压的直接(即，DC)分量与作为期望或目标电压设定点的V2需求的参考电压进行比较。在步骤4208处，PI(比例-积分)控制回路用于使用V2需求(即，目标输出电压)与次级绕组上的测得输出电压(即，负载V2)之间的误差来生成控制信号。
在步骤4210处，使用PLL的相位角参考，获取控制信号的逆派克变换以返回到ABC系。
在步骤4212处，将逆派克变换的输出与控制绕组中的电压进行比较，并且差值用作电压控制回路(在该实施例中是PI控制回路)的输入。
在步骤4214处，将电压控制回路的输出与控制绕组中的电流进行比较，并且差值用作电流控制回路(在该实施例中是PI控制回路)的输入。
在步骤4216处，电流控制回路的输出用于生成提供给控制绕组以校正输出电压的电力。在所述实施例中，这是通过使用电流控制器的输出作为脉冲宽度调制(PWM)控制器的输入信号来实现的。该PWM激活为两个控制绕组提供电力的双通道全桥逆变器电路内的IGBT(绝缘栅双极晶体管)。
功率因数(PF)控制
电力控制装置通过执行功率因数控制过程来控制其输出电压，如图43所示。该过程在步骤4302处通过测量初级绕组的电压和电流开始。在步骤4304处，采用测得电压和电流的派克变换来生成每一个的直流分量和正交分量。该变换参考使用初级线圈的电压(供电电压V1)测得的PLL来进行。
在步骤4306处，估计功率因数(PF)。这可以通过多种方法来完成，最简单的方法是电压和电流之间的相位角。功率因数控制的目的是将初级绕组上的无功功率控制为零。视在功率具有两个组成部分：有效功率和无功功率。目标是在装置的输出处提供的视在功率尽可能接近有效功率(功率因数是有效功率与视在功率之比)，这意味着无功功率将为零并且功率因数将为1。
在步骤4308处，PI控制回路使用功率因数估计和目标PF(即，无功功率＝0)之间的误差来生成控制信号。
在步骤4310处，使用PLL的相位角参考来获取控制信号的逆派克变换以返回到ABC系。
在步骤4312处，将逆派克变换的输出与控制绕组中的电压进行比较，并将结果用作电压控制回路(PI控制回路)的输入。
在步骤4314处，将电压控制回路的输出与控制绕组中的电流进行比较，并将结果用作电流控制回路(PI控制回路)的输入。
在步骤4316处，电流控制回路的输出用于生成供应给控制绕组的电力，以优化或至少改善设备的功率因数。在所述实施例中，这是通过使用电流控制器的输出作为脉冲宽度调制(PWM)控制器的输入信号来实现的。该PWM激活为两个控制绕组提供电力的双通道全桥逆变器电路内的IGBT(绝缘栅双极晶体管)。
电网控制
使用如上所述的次级通信，在电力控制装置之间的电力线上发送数据，并且由数据表示的信息可以用于改变电力控制装置的调谐和性能特性。其原因在于，任何单个电力控制装置的最佳性能对于整个网络可能不是最佳的可能动作。作为示例，可能需要稍微减少从电力控制装置向下游的电力以帮助缓解网络内其它地方的电力短缺，或反之亦然(增加向下游的电力以帮助释放网络容量并减少过电压跳闸的可能性)。
在图41所示的实施例中，可以修改以影响电力控制装置性能的三个参数是：
(i)PLL，其为所有派克变换提供相位并允许频率变化；
(ii)Qref，其是PF控制需求；以及
(iii)V2需求，其是目标输出电压。
棕地(Brownfield)实现
以下概述了用于将现有电力网络切换到本文所述的网络的装备概要。由于网络的每个节点/电力控制装置是自主的，因此各个节点可以单独在现有电力网络内运行而不需要附加的基础设施，从而允许分阶段部署，从而最小化了风险并提供增加的益处。
每个电力控制装置直接替换电力网络内的变压器。它是替代品，利用相同的物理电网连接，并提供变压器的所有功能，以及本文描述的附加功能。
不需要附加的信息系统、网络或任何其它电气装置。该网络利用传统的电传导基础设施来传输电。在调整电网络时，可以重用现有的电线，从而最小化需要安装的新基础设施的量。
本文描述的网络使得电力网络中当前需要以用于调节和稳定的许多现有技术是多余的。这是由于网络内的电力控制装置精细地控制电力流，使得不需要对电压、频率和功率因数进行附加的校正动作。这包括网络部件，诸如变频器、功率因数补偿器和谐波滤波器。这使得网络比现有技术的电力网络更鲁棒(由于故障点和故障模式的减少)，构建和维护更便宜，并且更高效。
用例示例
网络中的每个电力控制装置如本文所述运行，以在个体水平上控制通过自身的电力流。利用将电力保持在期望目标水平的个体行为，下面将参见图39解释如何在网络级别控制电力流。
1.网络内的每个装置通过瞬时电压和电流测量其输入和输出处的电力。装置将控制其运行以维持最佳生产率；
a.如果输出电力下降并且变得低于输入电力，则装置使用其控制进行补偿，并且多余的电力将被存储在装置内；
b.如果输出电力增加并且变得高于输入电力，装置将使用其控制进行补偿，如果设备内有存储的多余的电力，则这将是补偿的初始源，补偿的辅助源由如本文所述的装置控制提供；
2.每个电力源将在其位置处看到网络的状态，并且如果它具有装置作为它到网络的直接连接，那么将基于该信息控制其到网络的输入；
3.网络内的每个负载将按其期望进行运行。
如果网络保持在稳定状态，则以下概述将如何发生动态响应：
1.情况：负载3增加：
a.装置3检测其输出增加并用内部存储进行补偿；
b.一旦内部存储耗尽，装置3输入侧本地网络看到负载增加；
c.以下并行发生；
i.装置2看到负载增加并且用内部存储进行补偿；
ii.电力源2看到负载增加，并且若电力可用则作出响应；
iii.装置4看到负载增加，并且若电力源3大于负载4，则装置4可以用电力进行响应；
d.一旦内部存储耗尽，则装置2输入侧本地网络看到负载增加；
e.装置1看到负载增加并且用内部存储进行补偿；
f.一旦内部存储耗尽，则装置1输入侧本地网络看到负载增加。
使用相同的逻辑方法，可以描述网络内任何电力源或负载的增加或减少的情况，包括其在整个网络中的流动效应。
对于本领域技术人员将明显的是，本文描述的配电网络仅能够补偿和解决电力流中的短期和相对小的波动。特别地，使用该系统无法抵消供电和其它主要干扰的间歇性。
在不脱离本发明的范围的情况下，许多修改对于本领域技术人员将是明显的。

Claims (17)

1.一种配电网络，包括：
多个电力控制装置，每个所述电力控制装置包括：
一个或多个信号转换部件，接收具有对应的第一基频和对应的第一特征电压的对应的第一信号形式的电力，并生成具有对应的第二基频和对应的第二特征电压的对应的第二信号；以及
控制器，控制信号转换部件的运行，以控制电力控制装置的输出信号的输出电压和输出频率；
发电部件，充当至少一些电力控制装置的电力源；以及
电力消耗部件，充当来自至少一些电力控制装置的电力的接收器；
其中，电力控制装置自主地运行但是互连，使得每个电力控制装置的输出连接到至少一个对应的其它电力控制装置的输入并且连接到电力接收器和/或电力源中的一个或多个，使得电力控制装置将流过配电网络的电力信号的电压和频率共同维持在目标值，以补偿电力接收器和/或电力源的变化。
2.如权利要求1所述的配电网络，其中每个所述电力控制装置包括存储电能的一个或多个能量存储部件，并且当它接收比其输出处所需的更多电力时使用其能量存储部件来存储电能，并且当它接收比其输出处所需的更少电力时从其能量存储部件中释放所存储的电能，以及以具有目标输出频率和目标输出电压的对应输出信号的形式提供对应的输出电力。
3.一种配电网络，包括：
多个电力控制装置，每个所述电力控制装置包括：
一个或多个信号转换部件，接收具有对应的第一基频和对应的第一特征电压的对应的第一信号形式的电力，并且生成具有对应的第二基频和对应的第二特征电压的对应的第二信号；
存储电能的一个或多个能量存储部件；以及
控制器，控制信号转换部件和能量存储部件的运行；
发电部件，充当至少一些电力控制装置的电力源；以及
电力消耗部件，充当来自至少一些电力控制装置的电力的接收器；
其中，电力控制装置互连并且自主运行，使得每个电力控制装置在其接收比其输出处所需的更多电力时使用其能量存储部件来存储电能，并且当它接收比其输出处所需的更少电力时从其能量存储部件中释放所存储的电能，以及以具有目标输出频率和目标输出电压的对应输出信号的形式提供对应的输出电力。
4.如权利要求3所述的配电网络，其中每个所述电力控制装置包括：
至少一个虚拟气隙变压器，包括至少一个初级绕组、至少一个次级绕组以及控制初级绕组和次级绕组之间的电磁耦合的一个或多个控制绕组；
输入端口，被配置为接收具有第一输入基频和第一输入电压的第一输入信号；以及
控制部件，被配置为：
接收表示第一输入信号的第一输入电压和第一输入基频的信号，并生成对应的虚拟气隙控制信号，以确定所述至少一个虚拟气隙变压器的控制绕组中的电流，使得在次级绕组处生成目标输出频率的目标输出电压；
其中电力供应系统接收具有第一输入基频和第一输入电压的第一输入信号形式的输入电能，并以目标频率和目标输出电压的对应的第一输出信号的形式生成对应的输出电能。
5.如权利要求4所述的配电网络，其中所述控制部件被配置为控制所述至少一个虚拟气隙变压器的控制绕组中的电流，以改善所述电力控制装置的功率因数。
6.如权利要求5所述的配电网络，其中所述控制部件包括现场可编程门阵列(FPGA)或其它形式的处理器，所述处理器被配置为实现：
锁相环PLL，用于确定对应的第一信号的相位；
至少一个派克变换部件，用于基于PLL确定的相位生成第一信号的电压和电流的派克变换表示；
无功功率估计部件，被配置为处理第一信号的电压和电流以生成无功功率的估计；以及
一个或多个功率因数控制部件，被配置为处理无功功率的估计，以控制所述至少一个虚拟气隙变压器的控制绕组中的电流，以改善电力控制装置的功率因数。
7.如权利要求4至6中任一项所述的配电网络，其中每个所述电力控制装置被配置用于双向使用，使得所述装置接收具有第二输入基频和第二输入电压的第二输入信号形式的第二输入电能，并生成以第二目标频率和第二目标输出电压的对应第二输出信号形式的对应的输出电能，其中第二输入信号或从第二输入信号导出的对应信号被施加到所述至少一个虚拟气隙变压器的次级绕组，以在虚拟气隙变压器的初级绕组处生成具有第二目标输出电压的对应信号。
8.如权利要求1至3中任一项所述的配电网络，其中每个所述电力控制装置包括：
至少一个虚拟气隙变压器，包括至少一个初级绕组、至少一个次级绕组以及控制初级绕组和次级绕组之间的电磁耦合的至少一个控制绕组；
外差部件，被配置为接收具有第一基频的信号并且生成对应的外差信号，所述外差信号具有与第一基频和参考频率的和与差对应的频率分量；
滤波部件，被配置为对外差信号进行滤波以从其中去除和频率分量与差频率分量中的一个并且提供对应的经滤波信号；
输入端口，被配置为接收具有第一输入基频和第一电压的第一输入信号；以及
控制器，被配置为：
(i)接收表示至少第一输入信号的第一基频的信号，并生成对应的频率控制信号，以确定外差部件的参考频率，使得经滤波信号具有目标输出频率；以及
(ii)接收表示第一电压的信号，并生成对应的虚拟气隙控制信号，以确定至少一个虚拟气隙变压器的控制绕组中的电流，
使得在次级绕组处生成目标输出电压。
9.如权利要求8所述的配电网络，其中每个电力控制装置被配置用于双向使用，使得所述装置接收具有第二输入基频和第二输入电压的第二输入信号形式的第二输入电能，并生成以第二目标频率和第二目标输出电压的对应第二输出信号形式的对应的输出电能，其中第二输入信号或从第二输入信号导出的对应信号被施加到所述至少一个虚拟气隙变压器的次级绕组，以在所述虚拟气隙变压器的初级绕组处生成具有第二目标输出电压的对应信号。
10.如权利要求8所述的配电网络，其中第二输入信号或从第二输入信号导出的对应信号由所述外差部件接收，以生成具有与第二基频和参考频率的和与差对应的第二频率分量的对应第二外差信号，并且滤波部件被配置为对第二外差信号进行滤波以从其中去除和频率分量与差频率分量中的一个，并提供对应的第二经滤波信号。
11.如权利要求8所述的配电网络，其中，所述外差部件是第一外差部件，所述滤波部件是第一滤波部件，并且所述电力控制装置包括第二外差部件和第二滤波部件，其中，第一外差部件和第一滤波部件被配置为处理沿着第一通路流过装置的信号，并且第二外差部件和第二滤波部件被配置为处理沿着与第一通路大致相反的第二通路流过装置的信号。
12.如权利要求8所述的配电网络，其中，所述外差部件是第一外差部件，所述滤波部件是第一滤波部件，并且所述装置包括第二外差部件和第二滤波部件，其中，所述外差部件和所述滤波部件被配置为使得由电力控制装置接收到的第一信号在被提供作为所述至少一个虚拟气隙变压器的输入之前，被第一外差部件和第一滤波部件上变频到更高的频率，并且所述至少一个虚拟气隙变压器的对应输出被第二外差部件和第二滤波部件下变频到目标频率，使用较高频率提高了所述至少一个虚拟气隙变压器的效率。
13.如权利要求4至6中任一项所述的配电网络，其中，所述至少一个虚拟气隙变压器包括通过被配置为存储能量的至少一个回路串联连接的两个虚拟气隙变压器。
14.一种配电方法，由权利要求1至13中任一项所述的电力控制装置中的每一个执行，所述方法包括：
接收具有对应的第一基频和对应的第一特征电压的对应的第一信号形式的电力，所述电力表示由电力接收器和/或电力源中的一个或多个修改的至少另一个电力控制装置的输出；
控制所述一个或多个信号转换部件，使得所述电力控制装置以具有对应的目标电压值和目标频率值的对应的输出信号的形式提供输出电能。
15.如权利要求14所述的配电方法，包括：
当所述电力控制装置接收比其输出处所需的更多电力时，将电能存储在一个或多个对应的能量存储部件中；
当所述电力控制装置接收比其输出处所需的更少电力时，从所述一个或多个对应的能量存储部件释放存储的电能；以及
以具有目标输出频率和目标输出电压的对应输出信号的形式提供对应的输出电力。
16.如权利要求14或15所述的配电方法，包括控制所述一个或多个信号转换部件以改善所述电力控制装置的功率因数。
17.如权利要求14或15所述的配电方法，包括：
测量电力控制装置的可变气隙变压器的次级绕组上的输出电压；
应用测得电压的派克变换以生成测得电压的直流分量和正交分量；
将直流分量与目标电压值进行比较；
使用比例积分控制回路来生成控制信号；
将逆派克变换应用于控制信号以生成变换后的控制信号；以及
基于变换后的控制信号与至少一个虚拟气隙变压器的控制绕组中的电流的比较，调节控制绕组中的电流以改善电力控制装置的功率因数。
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