CN115066664A - 双向配电网络 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双向配电网络，包括：高压配电总线；中压馈电线；低压配电线路，其中低压配电线路被连接到一个或多个负载和/或一个或多个电源；以及中压电功率调节装置，包括：具有DC端子的DC接触器；连接到中压馈电线的传输网络连接器，包括：连接到一个或多个火线连接的一个或多个火线端子和连接到中压馈电线的零线的零线端子；连接至DC接触器的开关；以及与开关耦合的电子控制设备，并控制开关以独立调节中压馈电线的火线连接和零线连接的每个上的电功率，从而在不同的负载和电源条件下维持配电总线中的电压。

Description

双向配电网络
技术领域
本发明涉及一种配电网，并且在一个特定示例中，涉及一种具有电功率调节装置的配电网，该电力调节装置用于提供双向电力传输或分配网络。
背景技术
在功率传输或配电系统中，功率调节设备被实施为在宽范围的负载条件下调节功率供应。电压调节是具有挑战性的，因此配电馈线经过精心设计为在允许的范围内供应电压，同时考虑客户负载变化。随着客户拥有的可再生能源发电不断普及，屋顶太阳能发电和商业规模的太阳能发电场预计将在未来几年成为总电力供应的主要贡献者。这使得电压调节更具挑战性，因为除了现有的用户负载变化的问题外，还需要考虑馈入功率。
网络运营商已使用变压器分接开关(有载和无载)、电压调节器和导体尺寸的组合来控制电压偏移，并维持法定限制范围。然而，这些设计对于管理单向网络中的电压是有限的。此外，系统通常没有被配置为动态调整。例如，分接变压器通常需要断开以进行调整，这意味着此类机制无法实时响应电压变化，而是需要配置以适应在数周、数月甚至数年内发生的任何负载/馈入变化。因此，当存在由于可再生能源的潜在馈入时，这些布置通常无法管理网络上的电压，或者最多只允许在受到限制的情况下馈入功率。因此，可再生能量向电网的输出往往受到限制，阻碍了可再生能源的充分利用。
本说明书中对任何先前出版物(或从其导出的信息)或任何已知事项的引用不是且不应被视为确认或承认或任何形式的建议，即先前出版物(或从其导出的信息)或已知事物构成本说明书所涉及的努力领域中公知常识的一部分。
发明内容
在一种广义形式中，本发明的方面试图提供一种用于调节电功率的装置，其被配置为调节输电网络中的电功率，该装置包括：具有DC端子的DC接触器，其被配置为连接到DC设备；传输网络连接器，其被配置为连接到所述输电网络，并且包括：至少一个火线端子(live terminal)，其被配置为连接到所述输电网络的至少一个火线连接；以及零线端子(neutral terminal)，其被配置为连接到所述输电网络的零线或地线中的至少一个；连接到所述DC接触器的多个开关；与开关耦合的一个或多个电子控制设备，并被配置成控制开关以选择性地连接DC端子与至少一个火线端子和零线端子，从而独立地调节至少一个火线连接和零线连接中的每一个上的电功率，一个或多个电子控制设备被配置为：接收至少一个火线连接的电压读数；计算至少一个火线连接的电压读数的平均值；如果平均值大于预定的上限值，则控制所述开关将至少一个火线连接选择性地连接到DC设备，从而降低至少一个火线连接上的电压；如果平均值小于预定下限值，则控制所述开关将至少一个火线连接选择性地连接到DC设备，从而增加火线连接上供应的电压。
在一个实施例中，一个或多个电子控制设备被配置为通过以下至少一项来增加电压：提供(source)无功功率；增加无功功率；吸收实际功率；以及降低实际功率。
在一个实施例中，一个或多个电子控制设备被配置为通过以下至少一项来降低电压：提供实际功率；增加实际功率；吸收无功功率以及降低无功功率。
在一个实施例中，一个或多个电子控制设备被配置为接收以下至少一种电压读数：至少每微秒；至少每秒钟；在微秒到每秒钟之间。
在一个实施例中，一个或多个电子控制设备被配置为计算以下至少一种移动平均值：在10分钟的窗口内；以及在微秒的窗口内，其中随后的稳定性求平均至少每10分钟发生。
在一个实施例中，输电网络是多相传输网络，并且一个或多个电子控制设备被配置为相互独立地改变多个火线连接的电压。
在一个实施例中，该装置被配置为在最佳位置连接在电路上。
在一个实施例中，从电网连接到最佳位置的累积电压差为沿电路的总累积电压差的约40％到60％。
在一个实施例中，从电网连接到最佳位置的累积电压差为沿电路的总累积电压差的约50％。
在一个实施例中，总累积电压差是以下至少一项的平均值：最大馈入时的总累积电压差；最小负载下的总累积电压差；以及最大负载下的总累积电压差。
在一个实施例中，一个或多个电子控制设备被配置为控制开关以在电流模式或电压模式下操作。
在一个实施例中，一个或多个电子控制设备被配置为控制开关以在电流模式和电压模式下操作之间改变。
在一个实施例中，当处于电流模式时，一个或多个电子控制设备被配置为控制开关，使得至少一个火线端子或DC端子中的每一个具有预定的电流波形。
在一个实施例中，当处于电压模式时，一个或多个电子控制设备被配置为控制开关，使得至少一个火线端子或DC端子中的每一个具有预定的电压波形。
在一个实施例中，所述装置还包括用于抑制至少一个连接上的噪声的一个或多个滤波器。
在一个实施例中，所述装置还包括连接在一个或多个滤波器和DC接触器之间用于抑制噪声的缓冲电路。
在一个实施例中，所述零线连接与地线解耦。
在一个实施例中，所述开关包括多个碳化硅MOSFET开关。
在一个实施例中，所述开关包括多个对称的半桥拓扑臂，其连接到所述至少一个火线连接和所述零线连接。
在一个实施例中，所述一个或多个滤波器包括以下中的至少一个：电磁干扰(EMI)扼流圈；差模扼流圈，其连接到所述至少一个火线连接和所述零线连接，用于滤波噪声；以及共模扼流圈，其连接到所述开关，用于抑制干扰。
在一个实施例中，开关具有被配置为至少一项的多个电容器：DC功率的平滑波动；并且，存储足够的能量，以完成具有全相位偏移范围的每个切换周期。
在一个实施例中，多个电容器被连接到故障安全机构以在发生故障时使电容器放电。
在一个实施例中，电容器通过交错结构与多层印刷电路板(PCB)连接。
在一个实施例中，交错结构包括一个或多个通孔，其将电容器之一的正极触点连接到PCB的一个或多个正极层，并且将电容器之一的负极触点连接到PCB的一个或多个负极层。
在一个实施例中，多层PCB定义交替极性层以抵消生成的磁场。
在一个实施例中，多层PCB包括八个导电层。
在一个实施例中，多层PCB具有至少两个外部导电负极层。
在一个实施例中，所述故障安全机构包括以下中的至少一个：硬件故障安全机构，其被配置为在发生故障时断开所述DC接触器或所述传输网络连接器；以及软件故障安全机构，在发生故障时，其被配置为以下中的至少一个：将所述电容器与地线快速连接和断开；并且关闭所述DC接触器或所述传输网络连接器。
在一个实施例中，所述一个或多个电子控制设备包括主控制器和从控制器。
在一个实施例中，所述DC设备包括以下中的至少一个：电池；太阳能发电机；流体动力发电机；以及风力发电机。
在一个实施例中，所述传输网络连接器包括以下中的至少一个：AC接触器；AC继电器；以及用于所述至少一个火线端子中的每个的AC断路器。
在一个实施例中，所述装置还包括负载连接器，所述负载连接器被配置为连接到负载并且包括：至少一个负载端子，其被配置为连接到所述负载；以及负载零线端子，其被配置为连接到所述负载的零线或地线中的至少一个。
在一个实施例中，所述负载连接器包括用于所述至少一个负载端子中的每个的DC断路器。
在一个实施例中，所述装置还包括通信接口，所述通信接口连接到所述一个或多个电子控制设备以与外部设备进行通信。
在一种广义形式中，本发明的方面试图提供一种在输电网络中调节电功率的方法，该方法包括使用一种电功率调节装置，该电功率调节装置包括：DC接触器，其具有配置成连接到DC设备的DC端子；传输网络连接器，其被配置成连接到所述输电网络，并且包括：被配置成连接到输电网络的至少一个火线连接的至少一个火线端子；以及零线端子，其被配置成连接到输电网络的零线或地线中的至少一个；连接到DC接触器的多个开关；与开关耦合的一个或多个电子控制设备，并被配置为控制开关以选择性地连接DC端子与至少一个火线端子和零线端子，从而独立地调节至少一个火线连接和零线连接中的每一个上的电功率，该方法包括，在一个或多个电子控制设备中：接收至少一个火线连接的电压读数；计算至少一个火线连接的电压读数的平均值；如果平均值大于预定的上限值，则控制开关将至少一个火线连接选择性地连接到DC设备并且从而降低至少一个火线连接上的电压；如果平均值小于预定下限值，则控制开关将至少一个火线连接选择性地连接到DC设备并且从而增加火线连接上供应的电压。
在一个实施例中，增加电压的方法包括以下至少一种：提供无功功率；增加无功功率；吸收实际功率；以及降低实际功率。
在一个实施例中，降低电压的方法包括以下至少一个：提供实际功率；增加实际功率；吸收无功功率；以及降低无功功率。
在一个实施例中，接收电压读数的方法包括来接收以下至少一种电压读数：至少每微秒；至少每秒钟；以及在每微秒和每秒钟之间。
在一个实施例中，计算平均值的方法包括，在一个或多个电子控制设备中，计算以下至少一种移动平均值：在10分钟的窗口内；以及在微秒的窗口内，其中随后的稳定性求平均至少每10分钟发生。
在一个实施例中，输电网络是多相传输网络，并且该方法包括相互独立地改变多个火线连接的电压。
在一个实施例中，该方法包括在一个或多个电子控制设备中，控制开关在电流模式或电压模式下操作。
在一个实施例中，该方法包括在一个或多个电子控制设备中，控制开关在电流模式和电压模式下操作之间改变。
在一个实施例中，当处于电流模式时，该方法包括在一个或多个电子控制设备中控制开关，使得至少一个火线端子或DC端子中的每一个具有预定的电流波形。
在一个实施例中，当处于电压模式时，该方法包括在一个或多个电子控制设备中控制开关，使得至少一个火线端子或DC端子中的每一个具有预定的电压波形。
在一种广义形式中，本发明的方面试图提供一种用于确定连接在电路上的电功率调节装置的最佳位置的方法，该方法包括：确定沿电路的总累积电压差；以及基于总累积电压差计算最佳位置。
在一个实施例中，计算最佳位置包括计算从电网连接到最佳位置的累积电压差为总累积电压差的约40％到60％。
在一个实施例中，计算最佳位置包括计算从电网连接到最佳位置的累积电压差为总累积电压差的约50％。
在一个实施例中，总累积电压差是以下至少一项的平均值：最大馈入时的总累积电压差；最小负载下的总累积电压差；以及最大负载下的总累积电压差。
在一种广义形式中，本发明的方面试图提供一种双向配电网络，包括：连接到高压变压器的配电总线；连接到配电总线的多个中压馈电线；连接到每个馈电线的多个低压配电线路，其中低压配电线路连接到以下至少一个：一个或多个负载；以及一个或多个电源；以及，至少一个中压电功率调节装置，其连接到多个馈电线中的至少一个，其中中压电功率调节装置包括：DC接触器，其具有被配置成连接到DC设备的DC端子；传输网络连接器，其被配置为连接到中压馈电线，并且包括：至少一个火线端子，其被配置成连接到中压馈电线的至少一个火线连接；以及零线端子，其被配置成连接到中压馈电线的零线或地线中的至少一个；连接到DC接触器的多个开关；以及与开关耦合的一个或多个电子控制设备，并被配置为控制开关，以选择性地连接DC端子和至少一个火线端子以及零线端子，从而独立地调节中压电力馈送线的至少一个火线连接和零线连接上的电功率，从而在不同的负载和电源条件下维持配电总线中的电压。
在一个实施例中，一个或多个电子控制设备被配置为：接收至少一个火线连接的电压读数；计算至少一个火线连接的电压读数的平均值；如果平均值大于预定的上限值，则控制开关将至少一个火线连接选择性地连接到DC设备，并且从而降低至少一个火线连接上的电压；并且，如果平均值小于预定的下限值，则控制开关将至少一个火线连接选择性地连接到DC设备，并且从而增加火线连接上供应的电压。
在一个实施例中，配电总线和中压馈电线上的电压至少为以下之一：约5kV；约7.2kV；约10kV；约11kV；约12.47kV；约15kV；约20kV；约22kV；约25kV；约33kV；约34.5kV；以及约35kV。
在一个实施例中，低压配电线路上的电压至少为以下之一：约220V至240V；约100V至120V；约400V；以及，约240V。
在一个实施例中，低压配电线路连接到低压电功率调节装置。
在一个实施例中，预定的上限值比标称值高5％。
在一个实施例中，预定的下限值比标称值低5％。
在一个实施例中，一个或多个电子控制设备被配置为通过以下至少一项来增加电压：提供无功功率；增加无功功率；吸收实际功率，以及，降低实际功率。
在一个实施例中，一个或多个电子控制设备被配置为通过以下至少一项来降低电压：提供实际功率；增加实际功率；吸收无功功率；以及，降低无功功率。
在一个实施例中，一个或多个电子控制设备被配置为接收以下至少一种电压读数：至少每微秒；每15-25毫秒；每35-65毫秒；每100-200毫秒；每500-700毫秒；至少每秒钟；在每微秒和每秒钟之间；每2-5秒。
在一个实施例中，一个或多个电子控制设备被配置为计算以下至少一种移动平均值：在2分钟的窗口内；在6分钟的窗口内；在10分钟的窗口内；在15分钟的窗口内；在20分钟的窗口内；以及，在微秒的窗口内，其中随后的稳定性求平均至少每10分钟发生。
在一个实施例中，中压馈电线是多相传输网络，并且一个或多个电子控制设备被配置为相互独立地改变多个火线连接的电压。
在一个实施例中，中压电功率调节装置被配置成在最佳位置连接到中压馈电线。
在一个实施例中，从高压连接到最佳位置的累积电压差约沿中压馈电线的总累积电压差的为40％到60％。
在一个实施例中，从高压连接到最佳位置的累积电压差为沿中压馈电线的总累积电压差的约50％。
在一个实施例中，总累积电压差是以下至少一项的平均值：最大馈入时的总累积电压差；最小馈入时的总累积电压差；最小负载下的总累积电压差；最大负载下的总累积电压差；最大馈入和最小负载下的总累积电压差；以及最小馈入和最大负载下的总累积电压差。
在一个实施例中，所述一个或多个电子控制设备被配置为控制所述开关在电流模式或电压模式下操作。
在一个实施例中，所述一个或多个电子控制设备被配置为控制所述开关在电流模式和电压模式下操作之间改变。
在一个实施例中，当处于所述电流模式下时，所述一个或多个电子控制设备被配置为控制所述开关，使得火线端子或DC端子中的至少一个中的每个具有预定的电流波形。
在一个实施例中，当处于所述电压模式下时，所述一个或多个电子控制设备被配置为控制所述开关，使得所述至少一个火线端子或所述DC端子中的每个具有预定的电压波形。
在一个实施例中，中压电功率调节装置还包括一个或多个滤波器，用于抑制至少一个连接上的噪声。
在一个实施例中，所述中压电功率调节装置还包括连接在所述一个或多个滤波器与所述DC接触器之间用于抑制噪声的缓冲电路。
在一个实施例中，所述零线连接与地线解耦。
在一个实施例中，所述开关包括多个碳化硅MOSFET开关。
在一个实施例中，所述开关包括多个对称的半桥拓扑臂，其连接到所述至少一个火线连接和所述零线连接。
在一个实施例中，所述一个或多个滤波器包括以下中的至少一个：电磁干扰(EMI)扼流圈；差模扼流圈，其连接到所述至少一个火线连接和所述零线连接，用于滤波噪声；以及共模扼流圈，其连接到所述开关，用于抑制干扰。
在一个实施例中，所述开关具有多个电容器，其被配置为平滑DC功率的波动。
在一个实施例中，多个电容器被连接到故障安全机构以在发生故障时使电容器放电。
在一个实施例中，电容器通过交错结构与多层印刷电路板(PCB)连接。
在一个实施例中，交错结构包括一个或多个通孔，其将电容器之一的正极触点连接到PCB的一个或多个正极层，并且将电容器之一的负极触点连接到PCB的一个或多个负极层。
在一个实施例中，多层PCB定义交替极性层以抵消生成的磁场。
在一个实施例中，多层PCB包括八个导电层。
在一个实施例中，多层PCB具有至少两个外部导电负极层。
在一个实施例中，所述故障安全机构包括以下中的至少一个：硬件故障安全机构，其被配置为在发生故障时断开所述DC接触器或所述传输网络连接器；以及软件故障安全机构，在发生故障时，其被配置为以下中的至少一个：将所述电容器与地线快速连接和断开；并且关闭所述DC接触器或所述传输网络连接器。
在一个实施例中，所述一个或多个电子控制设备包括主控制器和从控制器。
在一个实施例中，所述DC设备包括以下中的至少一个：电池；太阳能发电机；流体动力发电机；以及风力发电机。
在一个实施例中，所述传输网络连接器包括以下中的至少一个：AC接触器；AC继电器；以及用于所述至少一个火线端子中的每个的AC断路器。
在一个实施例中，所述中压电功率调节装置还包括负载连接器，所述负载连接器被配置为连接到负载并且包括：至少一个负载端子，其被配置为连接到所述负载；以及负载零线端子，其被配置为连接到所述负载的零线或地线中的至少一个。
在一个实施例中，所述负载连接器包括用于所述至少一个负载端子中的每个的DC断路器。
在一个实施例中，所述中压电功率调节装置还包括通信接口，所述通信接口连接到所述一个或多个电子控制设备以与外部设备进行通信。
在一种广义形式中，本发明的方面试图提供一种双向配电网络的方法，该方法包括将电功率调节装置连接到与配电总线连接的中压馈电线，该电功率调节装置包括：DC接触器，其具有被配置成连接到DC设备的DC端子；传输网络连接器，其被配置为连接到中压馈电线，并且包括：至少一个火线端子，其被配置成连接到中压馈电线的至少一个火线连接；以及零线端子，其被配置成连接到中压馈电线的零线或地线中的至少一个；连接到DC接触器的多个开关；以及与开关耦合的一个或多个电子控制设备，并被配置成控制开关，以选择性地连接DC端子与至少一个火线端子和零线端子，从而独立地调节中压电力馈送线的至少一个火线连接和零线连接的每一个上的电功率，从而在不同的负载和电源条件下维持配电总线中的电压。
在一个实施例中，一个或多个电子控制设备被配置为：接收至少一个火线连接的电压读数；计算至少一个火线连接的电压读数的平均值；如果平均值大于预定的上限值，则控制开关将至少一个火线连接选择性地连接到DC设备，并且从而降低至少一个火线连接上的电压；并且，如果平均值小于预定的下限值，则控制开关将至少一个火线连接选择性地连接到DC设备，并且从而增加火线连接上供应的电压。
在一个实施例中，配电总线和中压馈电线上的电压至少为以下之一：约5kV；约7.2kV；约10kV；约11kV；约12.47kV；约15kV；约20kV；约22kV；约25kV；约33kV；约34.5kV；以及约35kV。
在一个实施例中，预定的上限值比标称值高5％。
在一个实施例中，预定的下限值比标称值低5％。
在一个实施例中，增加电压的方法包括以下至少一项：提供无功功率；增加无功功率；吸收实际功率；以及，降低实际功率。
在一个实施例中，降低电压的方法包括以下至少一项：提供实际功率；增加实际功率；吸收无功功率；以及，降低无功功率。
在一个实施例中，一个或多个电子控制设备被配置为接收以下至少一种电压读数：至少每微秒；每15-25毫秒；每35-65毫秒；每100-200毫秒；每500-700毫秒；至少每秒钟；在每微秒和每秒钟之间；以及，每2-5秒。
在一个实施例中，计算平均值的方法包括，在一个或多个电子控制中，该电子控制设备被配置为计算以下至少一种移动平均值：在2分钟的窗口内；在6分钟的窗口内；在10分钟的窗口内；在15分钟的窗口内；在20分钟的窗口内；以及，在微秒的窗口内，其中随后的稳定性求平均至少每10分钟发生。
在一个实施例中，输电网络是多相传输网络，并且该方法包括相互独立地改变多个火线连接的电压。
在一个实施例中，中压电功率调节装置被配置成在最佳位置连接到中压馈电线。
在一个实施例中，从高压连接到最佳位置的累积电压差为沿中压馈电线的总累积电压差的约40％到60％。
在一个实施例中，从高压连接到最佳位置的累积电压差为沿中压馈电线的总累积电压差的约50％。
在一个实施例中，总累积电压差是以下至少一项的平均值：最大馈入时的总累积电压差；最小馈入时的总累积电压差；最小负载下的总累积电压差；最大负载下的总累积电压差；最大馈入和最小负载下的总累积电压差；以及最小馈入和最大负载下的总累积电压差。
在一个实施例中，该方法包括在一个或多个电子控制设备中，控制开关在电流模式或电压模式下操作。
在一个实施例中，该方法包括在一个或多个电子控制设备中，控制开关在电流模式和电压模式下操作之间改变。
在一个实施例中，当处于电流模式时，该方法包括在一个或多个电子控制设备中控制开关，使得至少一个火线端子或DC端子中的每一个具有预定的电流波形。
在一个实施例中，当处于电压模式时，该方法包括在一个或多个电子控制设备中控制开关，使得至少一个火线端子或DC端子中的每一个具有预定的电压波形。
应当理解，本发明的广义形式和它们相应的特征可以结合和/或独立地使用，并且对单独的广义形式的引用不旨在进行限制。此外，应当理解，该方法的特征可以使用该系统或装置来执行，并且该系统或装置的特征可以使用该方法来实施。
附图说明
现在将参照附图描述本发明的各种示例和实施例，其中：-
图1是电功率调节装置的示例的示意图；
图2是电功率调节装置的操作示例的流程图；
图3是处理系统的示例的示意图；
图4是电功率调节装置的示例的示意图；
图5A和图5B是电功率调节装置的印刷电路板上的电容器的示意图；
图6是电功率调节装置的开关的示例的示意图；
图7是调节电功率的方法的示例的流程图；
图8(a)至(d)是示出了电压差与负载功率因数的相位图；
图9是双向配电网络的示意图；
图10A是示出了太阳能对低压架空配电网影响的曲线图；
图10B是示出了太阳能对中压架空配电网影响的曲线图；
图10C是示出了太阳能对电压分布影响的曲线图；
图11是低压传输网络的示意图；
图12A和12B是沿架空电路的电压分布图；
图13A和13B是沿具有电压调节的架空电路的电压分布图；
图14A和14B是沿地下电路的电压分布图；
图15A和15B是沿具有电压调节的地下电路的电压分布图；
图16是径向架空电路的电压分布图；
图17是中压变电站(substation)的示意图；
图18是沿中压配电馈线的电压分布图；
图19是沿低压配电馈线的电压分布图；
图20是沿低压配电馈线的电压分布图；
图21是沿低压配电馈线的电压分布图；
图22是沿低压配电馈线的电压分布图；
图23是沿低压配电馈线的电压分布图；
图24是沿中压配电馈线的电压分布图；
图25是沿低压配电馈线的电压分布图；
图26是沿低压配电馈线的电压分布图；
图27是沿低压配电馈线的电压分布图；
图28是沿低压配电馈线的电压分布图；
图29是沿低压配电馈线的电压分布图；
图30是沿低压配电馈线的电压分布图；
图31示出了14Vrms的第5次谐波，以及6Vrms的第7次谐波的电压波形；以及
图32示出了电流模式下的端子电压。
具体实施方式
现在将参照图1描述电功率调节装置的示例。
一种电功率调节装置100，其被配置为调节输电网络中的电功率。电功率调节装置100包括DC接触器110、传输网络连接器120、多个开关130、一个或多个滤波器140、一个或多个电子控制设备150、至少一个火线连接160A、160B、160C和零线连接160N。
具有DC端子110A、110B的DC接触器110被配置为连接到DC设备(未示出)。DC设备可以是DC电源，诸如以下中的至少一个：电池、太阳能发电机、流体动力发电机、风力发电机或诸如此类。
在该示例中，传输网络连接器120被配置为经由传输总线170连接到输电网络。传输网络连接器120包括至少一个火线端子120A、120B、120C，并且火线端子120A、120B、120C被配置为连接到输电网络。传输网络连接器120还包括零线端子120N，其被配置为连接到输电网络的零线或地线中的至少一个。
提供一个或多个滤波器140，其被配置为抑制至少一个连接160A、160B、160C上的噪声。在该示例中，传输网络连接器120利用至少一个火线连接160A、160B、160C和零线连接160N耦合到一个或多个滤波器140。火线连接160A、160B、160C连接到它们相应的火线端子120A、120B、120C，并且零线连接160N连接到零线端子120N。然而，应当理解，可以使用其他合适的配置。
多个开关130连接到DC接触器并提供到传输网络连接器的前向连接，在该示例中，这通过连接到一个或多个滤波器140，并且特别是利用至少一个火线连接160A、160B、160C和零线连接160N。
开关140还与一个或多个电子控制设备150耦合。一个或多个电子控制设备150被配置为控制开关140选择性地连接DC端子110A、110B和至少一个火线连接160A、160B、160C和零线连接160N，从而独立地调节至少一个火线连接160A、160B、160C和零线连接160N中的每个上的电功率。
因此，一个或多个控制设备150可以由能够控制开关130的任何合适的控制设备形成，并且可以包括微处理器、微芯片处理器、逻辑门配置、可选地与实施逻辑相关联的固件诸如FPGA(现场可编程门阵列)、或任何其他电子设备、系统或布置。此外，为了便于说明，其余描述将涉及电子控制设备，但应理解，可以使用多个控制设备，其中控制根据需要分布在设备之间，并且对单数的引用包含复数布置并且反之亦然。
现在将参照图2描述电功率调节装置100的操作示例。
在该示例中，电功率调节装置100连接到输电网络。在步骤200处，电功率调节装置100的一个或多个火线端子120A、120B、120C从输电网络接收电功率，并且零线端子120N连接到输电网络的零线或地线。在一个示例中，一个或多个火线端子120A、120B、120C中的每个从输电网络接收具有相应相位的电功率。
火线连接160A、160B、160C连接到相应的火线端子120A、120B、120C以承载具有相应相位的AC功率。在步骤210处，火线连接160A、160B、160和零线连接160N上承载的AC功率被传递到一个或多个滤波器140以对AC功率的噪声和/或干扰进行滤波。
滤波后的AC功率利用一个或多个火线连接160A、160B、160C和零线连接160N被传递到开关130。在步骤220处，电子控制设备150控制一个或多个火线连接160A、160B、160C和零线连接160N的开关130。开关130被控制以选择性地连接DC端子110A、110B和至少一个火线连接160A、160B、160C和零线连接160N，使得在一个或多个火线连接160A、160B、160C和零线连接160N中的每个上的电功率被独立调节。这允许了在步骤230处将DC功率输出到DC端子110A、110B，例如为电池充电。
可替选地，在步骤240处，这允许从DC设备供应到DC端子的DC功率用于调制火线连接160A、160B、160C和零线连接160N上的功率。例如，电功率调节装置100可以独立地调节一个或多个火线连接160A、160B、160C和零线连接160N中的每个上的电功率——例如通过调整连接上的电压或电流的相位、幅度或状况，这可以继而用于使每个火线连接上的不平衡电压或电流输入适应，并允许调整每个火线连接上的电压和/或电流，从而控制和/或调节功率。由于电功率调节装置100能够独立地调节一个或多个火线连接160A、160B、160C和零线连接160N中的每个上的电功率，所以这允许电功率调节装置100利用不平衡负载操作或作为不平衡电源操作。这也允许电功率调节装置100在三相、两相和单相系统中的任何一种系统中实施，并且操作以调节系统的电压和/或电流。
应当理解，本文描述的调节AC到DC功率系统的电功率调节装置100仅出于示例性。电气调节装置100能够调节DC到AC功率系统、AC到AC功率系统或DC到DC功率系统。
现在将描述多个进一步的特征。
电子控制设备被配置为控制开关以电流模式或电压模式操作。此外，电子控制设备被配置为控制开关在以电流模式和电压模式操作之间改变。这允许电功率调节装置提供了合适的电压或电流以满足输出要求并在要求改变时在模式之间转换。
因此，当处于电流模式时，电子控制设备被配置为控制开关，使得至少一个火线端子或DC端子中的每个具有预定的电流波形。类似地，当处于电压模式时，电子控制设备被配置为控制开关，使得至少一个火线端子或DC端子中的每个具有预定的电压波形。这允许电功率调节装置提供了满足DC设备或输电网络的要求的电压或电流波形。
电功率调节装置还可以包括连接在一个或多个滤波器和DC接触器之间用于抑制噪声的缓冲电路。
在一个示例中，零线连接与地线解耦，诸如输电网络的地线，这可以使用一个或多个电容器或诸如此类来实现。这允许对零线连接进行调节或调制，其继而在系统可以提供的整体控制方面提供了更大的灵活性。
开关可以是连接到至少一个火线连接和零线连接的多个对称半桥拓扑臂，这允许火线连接和零线连接的可选择切换。另外，开关可以是碳化硅MOSFET开关，这有利地允许开关在物理上紧凑。
在一个示例中，一个或多个滤波器可以是以下中的至少一个：电磁干扰(EMI)扼流圈；差模扼流圈，其连接到至少一个火线连接和零线连接以对噪声进行滤波；以及共模扼流圈，其连接至开关以抑制干扰。一个或多个滤波器有利地消除来自输电网络或开关的噪声或干扰。
开关可以具有多个电容器，其被配置为存储充足的能量以完成具有全相位偏移范围的每个切换周期并因此平滑DC功率的波动，使得其通过提供具有最小波动的DC功率来促进保护DC设备。电容器可以是薄膜电容器、陶瓷电容器和电解电容器中的任何一种。应当理解，其他类型的电容器也可以是合适的。
多个电容器可以通过交错结构与多层PCB连接，以进一步最小化由PCB轨道引起的噪声。在一个示例中，交错结构包括一个或多个通孔，其将电容器之一的正极触点连接到PCB的一个或多个正极层，并且将电容器之一的负极触点连接到PCB的一个或多个负极层。另外，多层PCB可以定义交替极性层，以便抵消由PCB的每一层生成的磁场。在一个示例中，多层PCB包括具有导电负极层的八个导电层，其中负极层中的两个是外层并且层之间的极性交替。
在一个示例中，多个电容器可以进一步连接到故障安全机构以在发生故障时使电容器放电。故障可以是过电流、电压过冲、功率损失、控制设备故障和/或通信故障。
故障安全机构可以是硬件故障安全机构和/或软件故障安全机构。在此示例中，硬件故障安全机构被配置为在发生故障时断开DC接触器或传输网络连接器，而软件故障安全机构被配置为将电容器与地线快速连接和断开和/或关闭DC接触器或传输网络连接器。故障安全机构为装置的电子装置(诸如MOSFET开关、微控制器)提供保护，使其免受过电流或电压过冲的损坏。
电子控制设备可以包括主控制器和从控制器。
传输网络连接器可以包括以下中的至少一个：AC接触器；AC继电器；以及用于至少一个火线端子中的每个的AC断路器。
另外，电功率调节装置可以包括用于连接到负载的负载连接器。负载连接器可以包括连接到负载的至少一个负载端子和连接到负载的零线或地线中的至少一个的负载零线端子。类似地，负载连接器可以包括用于至少一个负载端子中的每个的DC断路器。
电功率调节装置还可以包括连接到电子控制设备的用于与外部设备通信的通信接口。通信接口可以是WAN、蓝牙、WLAN和/或合适的串行端口，以允许电功率调节装置由外部计算机控制或配置。
现在将参照图3描述电子控制设备的示例。
在该示例中，电子控制设备160包括至少一个微处理器300、存储器301、可选的输入/输出设备302(诸如键盘和/或显示器)、接口303，它们经由总线304互连，如示出的。在该示例中，接口303可以用于将电子控制设备160连接到外围设备，诸如通信网络或诸如此类。
在使用中，微处理器300执行以存储在存储器301中的应用软件形式的指令，以允许执行所需的过程，包括对电子控制设备160进行控制。应用软件可以包括一个或多个软件模块，并且可以在合适的执行环境中执行，诸如操作系统环境或诸如此类。
因此，应当理解，电子控制设备160可以由任何合适的控制系统形成并且可以包括任何电子处理设备，诸如微处理器、微芯片处理器、逻辑门配置、可选地与实施逻辑相关联的固件诸如FPGA(现场可编程门阵列)或任何其他电子设备、系统或布置。
然而，应当理解，为了以下示例的目的而假定的上面描述的配置不是必需的，并且可以使用许多其他配置。还应当理解，不同处理系统之间的功能划分可以取决于特定实施方式而变化。
现在将参照图4更详细地描述电功率调节装置的示例。
一种电功率调节装置400，其被配置为调节输电网络中的电功率。电功率调节装置400包括DC接触器410、多个电容器431、多个开关430、共模(CM)扼流圈441、差模(DM)扼流圈442、EMI扼流圈443、电网连接器(grid connector)和负载连接器。电网连接器包括AC连接器421、AC继电器422、AC断路器423和三个AC端子420A、420B、420C和AC零线连接器420N。负载连接器包括负载断路器471和三个负载端子470A、470B、470C和负载零线连接器470N。电功率调节装置400还包括三个连接460A、460B、460C和零线连接460N。三个连接460A、460B、460C连接到具有AC端子420A、420B、420C的相应火线连接。
零线连接
DC接触器410具有DC端子410A、410B。DC端子410A、410B被配置为连接到电池和低压(LV)太阳能发电机。在该示例中，DC接触器410包括用于切换端子410A、410B两者的至少一个机械开关。机械开关坚固且可靠，并且可以被配置为具有高电压和电流分断能力，以提高电气安全性。
在一个实施例中，实施了一种安全联锁机构。安全联锁机构可以包括联锁多个AC接触器和/或联锁AC和DC接触器两者。安全联锁机构可以利用诸如控制设备451、452之一的板载处理器以及辅助外部处理器来接通电源。板载处理器监视电功率调节装置400的状态，而外部处理器出于安全考虑进行监视，诸如电池电压和/或电池极性。两个处理器在操作接触器之前相互交叉检查。
DC总线传感器410C被实施以监视DC端子410A、410B处的电流。DC总线传感器410C耦合到控制设备451并且允许检测泄漏电流或剩余电流。在示例中，Sigma-Delta配置用于DC总线传感器410C，它提供了高电压隔离和感测精度。
DC电容器
DC接触器410经由电容器431连接到开关430。在该示例中，电容器431是聚丙烯电容器。聚丙烯电容器能够在相对较高的纹波电流下操作，这允许用户在不降低电容器寿命的情况下控制高次谐波。聚丙烯电容器还具有自愈能力，这允许减小电容器的尺寸以提供所需的电容和适应瞬态电压。
在该示例中，电功率调节装置400中存在十二个电容器。电容器以三乘四阵列布置安装在多层印刷电路板(PCB)上。连接电容器的轨道位于多层PCB上，具有交错结构，以最小化寄生电感。参考图5A和图5B更详细地描述了交错结构。如图5A中示出的，十二个电容器以交替极性方式放置在板520上。因此，电容器511的正极触点邻近电容器512的负极触点定位。此外，板520具有八层，并且每层都镀有铜，这使得该层可导电，从而使“迹线”电感效应最小化。这些层连接到电容器触点的正极或负极，这形成了层的交替极性图样。
参考图5B，电容器510具有正极触点510a和负极触点510b。正极触点510b通过板520的贯通孔(也称为“通孔”)结构520a与第二层522、第五层525和第七层527接触。负极触点510b焊接在第一层521上，同时利用通孔结构520b与其他层523、524、526和528接触。类似地，电容器511、512利用通孔结构520c、520d和520e、520f连接到板520，如图5B中所示出的。在一个示例中，交错结构使用八层，其中每层大约2盎司铜，并且这些层用厚度约为0.4mm的FR4 PCB材料隔开。应当理解，可以取决于不同的系统要求使用其他合适的材料和/或厚度。
当电流跨多个层分布时，交错结构允许减小寄生电感。感应了电感的层上也没有“轨道”。具有交替极性的平行层可以增加寄生电容以补充电容器。如所描述的，正极和负极之间存在交替的板图样，从而最小化寄生电感并增加总电容。这也改善了等效串联电阻(ESR)和温度，这是因为涡流循环更少(来自磁场的感应电流与迹线/导线相互作用的现象)。在温度更稳定的情况下，操作期间由于温度引起的电容变化会减少。
在该示例中，顶层521和底层528是负的，使得板520具有最小的电磁干扰(EMI)并且因此提高了电磁兼容性(EMC)。交错结构还降低了在板520内感应的EMI电流，并且因此降低了板520内的总体噪声幅度。
电功率调节装置400还包括故障安全系统433，其将电容器432耦合到地线以在发生故障时控制电容器的放电。故障安全系统433包括软件故障安全和硬件故障安全机构。当检测到电压异常时，软件故障安全机构会快速打开和关闭电容器，以使电容器安全放电。此外，如果功率损失，则硬件故障安全机构会打开DC和AC接触器。硬件故障安全机构还包括外部DC电池保险丝和外部AC电网保险丝。
开关
电容器431连接到开关430，用于调制三个连接460A、460B、460C和零线连接460N中的每个。图6示出了开关430的示例，其包括连接到三个连接460A、460B、460C和零线连接460N中的每个的四个对称半桥拓扑臂430A、430B、430C、430N。每个对称半桥拓扑臂包括两个MOSFET开关。在本示例中，MOSFET开关为碳化硅开关，特别是符合ROHM标准的1200V 55ASCT3040MOSFET。
可以通过硬件设计和/或控制设备451、452来配置开关430的切换特性，诸如上升时间、下降时间和死区时间，以优化性能。由于使用特定隔离装置时初级侧到次级侧电容的减小，因此开关430可以在更高的切换频率(大约100kHz)下操作。这还允许高压隔离势垒提高抗噪能力，并在初级侧和次级侧之间提供高压保护。开关430还可以包括缓冲电路433以减少电压随时间的变化(dv/dt)以满足EMI/EMC要求。
CM扼流圈
CM扼流圈441耦合到开关430以抑制和/或抵制高频共模电流。火线连接460A、460B、460C和零线连接460N连接到CM扼流圈441并穿过芯。CM扼流圈441的芯可以是粉末芯并且可以被配置为以低损耗在高频下操作。CM扼流圈441还被配置为在更宽的温度范围条件下操作，同时保持低能量损耗。此外，在一个示例中，CM扼流圈441可以与电功率调节装置400的外底盘绝缘，从而使与周围设备的高频磁耦合最小化。CM扼流圈441的绕组可以是非交错结构，从而减少传播到相邻导体的耦合噪声。此外，绕组可以是铜扁条绕组，这可以使低频和高频中的铜损最小化。当与圆形绕组相比时，扁条绕组还可以减少集肤效应。扁条绕组增加的表面积可能有助于CM扼流圈441的散热。
DM扼流圈
CM扼流圈441耦合到DM扼流圈442，DM扼流圈442充当带通滤波器并且平滑来自开关430所生成的PWM的高频。DM扼流圈442可以包括由EE芯构建的独立的差模电感器。当与环形芯相比时，EE芯紧凑且更易于制造。EE芯还可以屏蔽高频噪声和杂散磁场。此外，DM扼流圈442的芯可以由高饱和点的粉末芯材料制成，使得DM扼流圈442可以被配置为以低损耗在高频下操作。这使得DM扼流圈具有一致的滤波性能，并且使电感器在短期内具有过高的容量。DM扼流圈441可以被配置为在更宽的温度范围条件下操作，同时保持低能量损耗。此外，DM扼流圈442可以与电功率调节装置400的外底盘绝缘，使得与周围设备的高频磁耦合最小化。
DM扼流圈442的绕组包括铜膜绕组，其可以是薄且平坦的铜膜，以使低频和高频中的铜损最小化。当与圆形绕组相比时，铜膜绕组还可以降低集肤效应。薄膜绕组的增加的表面积可以帮助DM扼流圈442的散热。薄膜绕组的使用还允许增加匝数而不影响尺寸和/或集肤效应损耗。
EMI滤波器
DM扼流圈442耦合到EMI滤波器443，EMI滤波器443滤除高频电磁干扰。这可以帮助防止任何杂散共模电流输出到电网，其中来自电网的任何共模电流影响控制电路。EMI滤波器443包括具有纳米晶材料的环形芯。实心漆包铜导线可用于芯材周围，以最小化铜损，特别是在50Hz处。EMI滤波器443包括对称绕组以最小化漏电感。EMI滤波器443还可以在其PCB设计中包括Y电容器(Y2额定)。
应当理解，电流和/或电压测量可以在电功率调节装置400中的任何点处实施。在一个示例中，AC电流和电压测量在DM扼流圈442和EMI扼流圈443之间实施。AC电流可以利用LEM(100-p)100A高精度霍尔效应传感器测量。
电功率调节装置400包括在DM扼流圈442和EMI扼流圈443之间的X类电容器(X2额定)。X电容器可用于高压应用以最小化高压瞬变。这还允许保护信号迹线不受PCB上的功率迹线影响，并且还提供从初级侧到次级侧的保护。如图4中所示出的，在该点处通过解耦电容器为零线连接460N提供地线链路。
负载接触器
在该示例中，电功率调节装置400包括负载连接器，使得电功率调节装置400可以在连接到电网的同时提供UPS功能。负载连接器具有用于每个火线连接460A、460B、460C的63A断路器471。连接器可以是Amphenol连接器。由于电功率调节装置400能够补偿谐波分量以匹配负载分量，所以这允许谐波含量被管理并且不会传递通过到电网。这也为负载提供了“干净的”AC源。由于可以调制零线连接460N，因此电功率调节装置400可以在不平衡负载条件下操作。
这允许电功率调节装置400成为用于负载的源，而无关乎负载是三相、两相还是单相负载。这对于具有大型感应机器的离网负载特别有用，诸如农业设备、传送带、冰箱等。
AC接触器
AC接触器421耦合到EMI滤波器443以连接到电网。AC接触器421可以是具有38kW分断能力的Semmens三相(AC-3额定)接触器，其具有低功耗，诸如小于4W。AC接触器421还坚固可靠，并且能够分断高故障电流，同时提供较短的接通和断开响应时间。AC接触器421可以包括与控制设备451、452中的至少一个通信的内部传感器，从而监视和控制AC接触器的操作状态。
AC继电器
AC继电器422、422a、422b耦合在AC触点421和电网之间以提供额外的隔离。如图4中所示出的，零线连接460N分别耦合到两个AC继电器422a、422b。AC继电器422、422a、422b与控制设备451、452中的至少一个进行通信。另外，AC接触器421和AC继电器422由不同的控制设备451、452控制。这允许AC接触器421和AC继电器422执行联锁，其提供额外的安全性。类似地，两个AC继电器422a、422b也由不同的控制设备451、452控制，以向零线连接460N提供额外的安全性。
断路器
与负载连接断路器471类似，断路器423耦合到火线连接中的每个以在AC端子420A、420B、420C和AC接触器421之间形成隔离势垒。这为电功率调节装置400提供了额外的过电流保护。断路器423额定为63A，以允许在各种温度下操作并且不会因温度而过早损坏。
MCU
控制设备451、452可以是两个板载微处理器。第一微处理器451包括用于控制设备400的操作的可执行程序，并且第二微处理器452用作安全联锁控制器。模拟测量451a和温度测量452a可以分别耦合到微处理器451、452。此外，通信接口453也连接到微处理器451、452。通信接口453可以包括用于Modbus(TCP/IP)、USB、RS232/485、以太网、需求响应模式(DRM)通信的一个或多个接口。这允许外部处理器与装置400通信以监视、控制和/或配置装置400。
该电功率调节装置提供至少以下优点：
·快速响应，通常不到20毫秒
·电压的连续控制
·解决闪烁问题
·解决电压不平衡问题
·低功率损耗
·能够生成415V三相输出并将三相系统对接到一个电池。这提供了成本优势，这是因为每个装置只需要一个电池和电池管理系统。这也导致了更小的单元，这是因为通过使用MOSFET可以实现更高的调制频率。更小的尺寸意味着更小的储藏柜，既节省空间又节省材料。
·作为四象限设备，使其能够灵活地管理有功和无功功率。这使其在管理电池储能系统、太阳能光伏(PV)装置和配电系统电压方面具有优势
·由于没有使用电解电容器，因此电容器和其他组件均为高质量组件，因此可靠
·操作基于其中的程序可以是自动的，几乎不需要维护和维修。
VAR(伏安电抗)管理
现在将参考图7描述调节电功率的方法的示例。
在该示例中，一种调节输电网络中的电功率的方法，该方法包括使用基本上与上述类似的电功率调节装置100。电功率调节装置100包括DC接触器110、传输网络连接器120、多个开关130、一个或多个电子控制设备150、至少一个火线连接160A、160B、160C和零线连接160N。具有DC端子110A、110B的DC接触器110被配置为连接到DC设备(未示出)。在该示例中，传输网络连接器120被配置为经由传输总线170连接到输电网络。传输网络连接器120包括至少一个火线端子120A、120B、120C，并且火线端子120A、120B、120C被配置为连接到输电网络。传输网络连接器120还包括零线端子120N，其被配置为连接到输电网络的零线或地线中的至少一个。
多个开关130连接到DC接触器，并提供到传输网络连接器的前向连接，在该示例中，这通过连接到至少一个火线连接160A、160B、160C和零线连接160N。应当理解，一个或多个滤波器140可以可选地实施在开关130和至少一个火线端子120A、120B、120C之间，以滤波至少一个火线连接160A、160B、160C上的噪声和/或干扰。
开关140还与一个或多个电子控制设备150耦合。一个或多个电子控制设备150被配置为控制开关140选择性地连接DC端子110A、110B和至少一个火线连接160A、160B、160C和零线连接160N，从而独立地调节至少一个火线连接160A、160B、160C和零线连接160N中的每个上的电功率。
因此，一个或多个电子控制设备150可以由能够控制开关130的任何合适的控制设备形成，并且可以包括微处理器、微芯片处理器、逻辑门配置、诸如FPGA(现场可编程门阵列)与实施逻辑可选地相关联的固件、或任何其他电子设备、系统或布置。此外，为了便于说明，其余描述将涉及电子控制设备，但应理解，可以使用多个控制设备，其中控制根据需要分布在设备之间，并且对单数的引用包含复数布置并且反之亦然。
在使用中，该装置被配置为调整网络中的电压，以便将电压维持在规定的限制范围内。为了实现这一点，在步骤700处，该装置被配置成使得一个或多个电子控制设备150接收至少一个火线连接的电压读数。这可以包括对应于多相网络中的多个相位的多个火线连接中的每一个的电压，或单相网络中的单个火线连接的电压。
随后在步骤710处，一个或多个控制设备150计算至少一个火线连接的电压读数的平均值。该平均值通常是设定时间段内的滚动平均值，诸如几秒钟到几分钟，尽管这不是必需的，并且也可以使用其他平均值。
在步骤720处，一个或多个控制设备确定平均值是否大于预定的上限值。如果是，在步骤730处，一个或多个电子控制设备控制所述开关以将至少一个火线连接选择性地连接到DC设备，并且从而降低至少一个火线连接上的电压。
如果不是，在步骤740处，一个或多个电子控制设备确定平均值是否小于预定的下限值。如果是，在步骤750处，一个或多个电子控制设备控制所述开关以将至少一个火线连接选择性地连接到DC设备，并且从而增加火线连接上供应的电压。
因此，上述方法和装置使用了电功率调节装置来调节被供应在输电网络上的一个或多个火线连接上的功率，并且在一个特定示例中，调节被供应在输电网络的馈线上的功率。具体地说，该装置通过将火线连接和/或零线连接选择性地连接到DC设备(诸如DC负载或源)进行操作，从而允许网络中的电压水平被控制，并将其维持在所需的操作限制范围内，而与网络上的功率馈入或功率消耗无关。有利的是，该装置允许输电网络基本上实时地管理电压。这使得网络更容易适应不同的馈入功率以及客户负载变化，从而使可再生能源得到更充分的利用。
该方法可被用于单相或多相网络。在后一种情况下，可以对零线连接进行控制，以便可以独立地控制火线连接上的每个相位。这允许装置在操作时不需要平衡三相和为每相独立提供电压。
有利地，该方法允许电功率调节装置在不平衡的输电网络中调节功率。因此，电功率调节装置可以被安装在传输网络上的任何位置，以增加或减少供应给一个或多个火线连接的电压，并且从而调节电压。此外，这可以通过简单地将电功率调节装置连接到网络来实现，并且不另外地需要重新配置网络，从而允许容易地将其改装到现有的网络基础设施中。
除了上述描述之外，现在将描述一些进一步的特征。
在一个示例中，增加电压可包括增加或提供无功功率和/或减少或吸收实际功率。此外，降低电压可包括增加实际功率和/或降低无功功率。这使得无功功率可以被调节为输电网络的无功功率和实际功率，并且从而产生超前或滞后的无功功率。这通过有效地将电感或电容引入网络来实现，方法是将装置操作为电容器或电感器。
在一个示例中，接收电压读数包括每秒钟或在微秒到秒的范围内接收电压读数。这使得电压的监测和调节能够以相对较高的频率进行响应。然而，这不是必需的，并且电压可以在更高或更低的频率下确定，这取决于与网络相关联的首选实施方案和控制要求。
在一个示例中，计算移动平均值包括在10分钟的窗口内计算移动平均值。这允许在一段时间内计算平均值，其可以适应短期电压波动或不稳定性。因此，例如，这避免了装置对短期尖峰或电压降作出反应。然而，可以理解的是，可以在其他窗口上计算平均值，诸如几毫秒到几分钟。
在一个示例中，输电网络是多相传输网络，并且相互独立地改变多个火线连接的输出功率。这允许每个火线连接可被独立调节。
在一个示例中，该装置被配置为在最佳位置处连接在电路上。电功率调节装置可以被实施在用户电表后面或配电网上的电表前面。最佳位置也可以位于为各种负载供电的电路上。
在一个示例中，电路上的最佳位置发生在所累积电压差约为电路上总累积电压差的40％到60％的地方，或更优选地约为总累积电压差的50％的地方。这允许装置通过补偿电网和装置之间的电压差而有效地调节沿电路的馈入电压。然后，在装置后馈送到负载的电压将维持在允许的包络内。在一个示例中，输电网络的电路包括具有相等负载的十个负载位置(L1到L10)。每个负载位置之间的电压差(ΔV)相同，因此电网连接到L1之间的电压差为ΔV、电网连接到L2之间的电压差为2ΔV、电网连接到L3之间的电压差为3ΔV、等等。L3处的累积电压差是ΔV、2ΔV和3ΔV之和，即，6ΔV，并且因此总累积电压差为55ΔV。在本示例中，最佳位置是累积电压差约为55ΔV的50％(≈27.5ΔV)的位置。根据负载布置，最佳位置为L7处，在那里累积电压差为28ΔV，并且最接近总累积电压差的50％。
应当理解，输电网络的电路可以包括每个位置处的各种负载和/或发电机。总累积电压差可能随着负载和/或发电量随时间的变化而变化，因此，为了确定最佳位置的目的，可以对总累积电压差进行统计计算。在一个示例中，总累积电压差是最大馈入时的总累积电压差和最大负载时的总累积电压差中至少一个的平均值。最大馈入时的最大总累积电压差是发生最大馈入时的电压差，并且通常与最小负载需求一致。在一个示例中，负载需求在白天是最小的，此时负载可以部分地由其自身的太阳能发电机供应。同样，最大负载下的电压差是负载需求最大时的馈电电压。在一个示例中，当家庭使用率较高且太阳能发电机的供应量最少时，负载需求在夜间最大。
在另一个示例中，基于负载功率因数的电压差计算可在澳大利亚标准AS3008的第4.5节中解释，如图8所示。传输线路或变压器的串联阻抗两端电压差的完整公式为：
Figure BDA0003632492810000271
Figure BDA0003632492810000281
Figure BDA0003632492810000282
其中，I＝I/θ负载电流；
IP＝I csoθ＝负载电流的实际或同相分量；
IQ＝I sinθ＝负载电流的虚数、正交或无功分量；
pf＝cosθ＝位移功率因数，其中θ＝负载电流分量基波相对于负载电压的相位延迟；
Figure BDA0003632492810000283
Figure BDA0003632492810000284
并且因此
Figure BDA0003632492810000285
负载端的单位功率因数负载电流的电压上升仅在跨传输线路和变压器阻抗的电阻部分可见。同样，纯无功负载只会在跨传输线路和变压器阻抗的无功部分引起电压下降(如果是电感性的，即从电网吸收VAR)或上升(如果是电容性的，则注入VAR)。
沿中压(MV)或LV馈线分布负载的问题需要稍微不同的公式，尽管它基于相同的原理。
双向电网
利用电功率调节装置和在输电网络中调节电功率的方法，可以构建双向电网。现在将参考图9描述双向配电网络的示例。
双向配电网络900包括连接到高压变压器901的配电总线910。
取决于现有基础设施和/或法定限制范围，不同国家或州的配电总线和中压馈电线上的电压可以不同。配电总线和中压馈电线上的电压可以为约5kV、约7.2kV、约10kV、约11kV、约12.47kV、约15kV、约20kV、约22kV、约25kV、约33kV、约34.5kV和约35kV中的至少一个。以澳大利亚为例，配电总线和中压馈电线上的电压约为11kV。
多个中压馈电线920A、920B被连接到配电总线910。多个低压配电线930被连接到每个馈线920A、920B。取决于现有基础设施和/或法定限制范围，不同国家或州的低压配电线路上的电压可以不同。低压配电线路上的电压可为约220V至240V、约100V至120V、约400V和约240V中的至少一个。以澳大利亚为例，低压配电线路上的电压约为220V至240V。
低压配电线路930被进一步连接到一个或多个负载(L)和/或电源(S)。在该示例中，低压配电线路930经由低压变压器931被连接到中压馈电线920A、920B。双向配电网络900包括连接到中压馈电线920A的中压电功率调节装置940，从而在不同的负载和电源条件期间维持配电总线910中的电压。
中压电功率调节装置940基本上类似于上述电功率调节装置100。因此，中压电功率调节装置940包括DC接触器，其具有被配置为连接到DC设备的DC端子；传输网络连接器，其被配置为连接到中压馈电线920A。中压电功率调节装置940包括连接到中压馈电线920A的一个或多个火线连接的一个或多个火线端子和被配置为连接到中压馈电线920A的零线或地线的零线端子。中压电功率调节装置940还包括连接到DC接触器的多个开关和与这些开关耦合的一个或多个电子控制设备。一个或多个电子控制设备控制所述开关以选择性地连接DC端子、一个或多个火线端子和零线端子，从而独立地调节中压馈电线920A的一个或多个火线连接和零线连接中的每个上的电功率，并且从而在不同的负载和电源条件期间维持配电总线910中的电压。
这种布置允许电功率调节装置调节中压馈电线上的电压，从而在各种负载和发电条件下将电压维持在法定限制范围内。在馈入/发电量远大于负载消耗的情况下，这种布置允许中压馈电线承载馈入/发电量，同时在法定电压限制范围内且稳定。通过在馈电线上稳定地承载大量的馈入功率，馈入功率可以输出到变电站或高压电网中使用。这种布置还允许配电总线上的电压稳定或维持在限制范围内。因此，这种布置能够在维持配电总线上的电压稳定的同时输出更多的馈入/发电量，并且从而实现双向电网。
除了上述描述之外，现在将描述一些进一步的特征。
在一个示例中，一个或多个电子控制设备接收至少一个火线连接的电压读数。一个或多个电子控制设备可每15-25毫秒、每35-65毫秒、每100-200毫秒、每500-700毫秒、每秒钟或每2-5秒接收电压读数。应当理解，接收电压读数的频率可以是计量系统能够获取的任何频率。
一个或多个电子控制设备随后计算至少一个火线连接的电压读数的平均值。在一个示例中，一个或多个电子控制设备计算电压读数的移动平均值，并且移动平均值通过对在时间窗口中获取的电压读数进行平均来计算。窗口可以为2分钟、6分钟、10分钟、15分钟或20分钟。此外，移动窗口也可以是可变长度或恒定长度。
在计算移动平均值时，如果平均值大于预定的上限值，则一个或多个电子控制设备控制开关以将至少一个火线连接选择性地连接到DC设备，并且从而降低至少一个火线连接上的电压。如果平均值小于预定的下限值，则一个或多个电子控制设备控制开关以将至少一个火线连接选择性地连接到DC设备，并且从而增加火线连接上供应的电压。
这允许电功率调节装置能够频繁地监测中压馈电线上的一个或多个火线连接上的电压，并有效地调节一个或多个火线连接上的电压。
在一个示例中，预定上限值比标称值高约5％，并且预定下限值比标称值低约5％。应当理解，预定的上限或下限值可以是任何值，并且它们可以基于系统能力和/或法定限制范围。
在一个示例中，一个或多个电子控制设备可以通过增加无功功率和/或降低实际功率来增加电压。在另一个示例中，一个或多个电子控制设备可以通过增加实际功率和/或降低无功功率来降低电压。换句话说，一个或多个电子控制设备可控制该装置以生成超前无功功率或滞后无功功率，其进而增加或减少无功功率或实际功率。
在另一个示例中，低压配电线路连接到低压电功率调节装置。这允许低压配电线路上的电压得到调节，这可以进一步有助于调节中压馈电线上的电压。
在一个示例中，中压馈电线是多相传输网络，并且一个或多个电子控制设备被配置为相互独立地改变多个火线连接的电压。这使得可以在无需在相位之间进行平衡的情况下，对每个相位上的电压进行独立调节。这进一步扩大了双向配电网在各种负载条件和/或发电量/馈入条件下保持稳定的能力。
在一个示例中，中压电功率调节装置被配置成在最佳位置连接到中压馈电线。
在一个示例中，从高压连接到最佳位置的累积电压差为沿中压馈电线的总累积电压差的约40％到60％。
在一个示例中，从高压连接到最佳位置的累积电压差为沿中压馈电线的总累积电压差的约50％。
在一个示例中，总累积电压差可以是以下至少一项的平均值：最大馈入时的总累积电压差；最小馈入时的总累积电压差；最小负载下的总累积电压差；最大负载下的总累积电压差；最大馈入和最小负载下的总累积电压差；以及最小馈入和最大负载下的总累积电压差。
负载和嵌入式太阳能发电引起的配电馈线电压差
公式1可被展开以用于模拟在任何时间点由于负载利用率和太阳能发电量而导致的沿着11kV馈线主干的电压下降或上升。在保持馈线总长度不变的同时更改节点数(dmax)允许了粒度分析。
Figure BDA0003632492810000311
其中，V＝分节处的线对地电压d；
Vs＝子(11kV总线)处的线对地电压；
Z＝单位为欧姆/Ph/节的馈线阻抗R+kX；
Ut＝变压器利用率占每日峰值利用率的％；
UU＝单位为％的变压器的平均利用率；
Cd＝单位为kVA/节的容量密度(变压器装机容量)；
Vl＝单位为kV的标称线对线电压；
θl＝负载相位角；
Us＝峰值日照百分比(到达给定区域的太阳辐射)；
Sp＝每个配电变压器的太阳能kVA容量；
θs＝发电相位角；
dmax＝馈线分节的最大数量；
d＝分节数量。
通过配电变压器的电压差
配电变压器被评估为具有由于负载或太阳能输出而通过它们的净电流的阻抗。
Figure BDA0003632492810000321
其中，V＝在分节处的相位对地电压d
Vs＝假设HV上有1.0pu的标称相位对零线电压
Z＝单位为Ohm的变压器阻抗(R+jX)
Ut＝变压器利用率占每日峰值利用率的％
UU＝单位为％的变压器平均利用率
Cd＝单位为kVA/节的容量密度(变压器装机容量)
θl＝负载相位角
Us＝峰值日照百分比(到达给定区域的太阳辐射)
Sp＝每个配电变压器的太阳能kVA容量
θs＝发电相位角
沿低压电路的电压差
低压馈线分为几节，每节分配4个客户，在三个相位上取平均。架空(OH)导体假定为LV ABC或Moon，并且地下(UG)导体假定为240mm2 Al。低压电路上的电压由下式给出：
Figure BDA0003632492810000322
其中
V＝分节处的线对地电压d
Vs＝配电变压器低压端子处的线对地电压
Zs＝单位为欧姆/Ph/跨度(OH)或欧姆/Ph/节(UG)的馈线阻抗(R+jX)
Ut＝以百分比为单位的利用率(基于负载曲线的ADMD百分比)
Dad＝假设单相负载，单位为kVA的每户ADMD
Vl＝单位为kV的标称相位对相位电压
θl＝负载相位角
Us＝峰值日照百分比(到达给定区域的太阳辐射)
Sp＝每个客户连接的平均太阳能kVA容量，太阳能kVA/客户/馈线
θs＝发电相位角
dmax＝LV分节的最大数量，OH为5，UG为9，其中街道临街面为30米
d＝分节数
Figure BDA0003632492810000331
Z表示单位为欧姆/Ph/km的LV线路阻抗，Sf是单位为米的平均街面
通过将公式2的第一个电压值(Vs)替换为公式1所需部分V，并且将公式3的第一个电压值(Vs)替换为公式2的计算的V，将这三个公式结合起来，以计算从11kV总线下到馈线主干的任何分节处的选定LV电路末端的总电压降/升。
在模拟MV和LV馈线时，进行了以下假设：
·公式1和公式3要求将馈线分成相等的节，其为每个节分配配电变压器。为保证精度，MV馈线要求400m或更短的分节长度。对于LV馈线，典型的分节长度是跨极点之间的平均跨度。这通常是住宅区平均临街面的两倍。典型的临街面(地块大小)为30米，这使得每个LV分节的长度为60米。假设每个家庭的ADMD为3至4kVA，对于大多数LV铺设，OH导体约为300米，或UG导体为540米。配电变压器可被设置为MV馈线上平均变压器的尺寸(总装机容量除以变压器数量)，或在进行通用计算时被设置为“典型”尺寸。常见的配电变压器尺寸为315KVA。
·在本分析的目的中，假设馈线在其整个长度上由相同的导体构成。
·假设所研究配电馈线上的所有变压器中的太阳能渗透率相等，例如，当太阳能渗透率为10％时，所有变压器的太阳能渗透率为10％。
·假设研究的配电馈线上所有变压器的负载利用率相等。
·假设所有变压器处的负载和太阳能功率因数相等。负载功率因数因地区而异，但0.95pf在住宅区是相当典型的。在太阳能PV发电量开始增长时，太阳能PV通常被设置为单位pf。
·假设所有配电变压器的阻抗为4％，其中X/R比为10。由于大多数已安装的变压器被记录为分接头5，所以假设变压器在分接头5(标称)处。
·每个配电变压器通常至少有2个LV电路(因此，一个电路上的负载或发电量是变压器当前负载/发电量的一半)。
利用无功功率进行线路压降补偿
传输线路上的电压降由
Figure BDA0003632492810000341
给出，并且如果角度
Figure BDA0003632492810000342
则可以设置为0；这也可以通过将负载角设置为使电源或线路阻抗角超前或滞后90°。
当电源阻抗由无功分量主导时，诸如在区域变电站总线上，消除电阻压降所需的无功分量很小，并且超前功率因数非常接近单位。
当电源阻抗X/R比接近单位时，诸如对于11kV馈线，补偿电阻压降所需的超前无功分量在幅值上接近实际功率分量，并且所需功率因数降至0.8(超前)，如下表所示。
Figure BDA0003632492810000351
如果负载实际上是发电源(诸如电网连接的PV系统)，则由馈线注入的功率所引起的电压上升可以通过PV系统吸收VAR进行补偿，即，以超前功率因数操作。实际的系统可能包括与嵌入式PV发电并联的本地负载，并且取决于具体情况，可能会导致需求减少，或者可能出现功率逆转。在这些示例中，负载的实际功率因数可以更接近单位，因为只需要部分电压降补偿。并入变电站处的分接开关中的现有LDC可依靠于缓慢变化的负载。
分布式太阳能PV发电的影响
基于上述公式，可以开发一种识别太阳能PV发电影响的模型。该模型显示，对于每10％的太阳能PV渗透率，住宅太阳能PV发电导致LV网络的电压上升约1.15％，这可能不是线性的。太阳能PV渗透率(单位为％)基于LV供电区域的太阳能PV逆变器总容量(单位为KW)与供应该区域的配电变压器容量(单位为kVA)的商。如图10A所示。中压网络每10％的太阳能PV渗透率可以经历略高于0.5％的电压上升，如图10B所示。太阳能PV渗透率的影响会导致非常不同的电压分布，尤其是在馈线/电路的末端。以图10C为示例，示出了建模的11kV馈线末端的电压分布。下面的汇总表给出了总体影响以及其构成方式。
太阳能渗透率 10％ 20％ 30％ 40％ 50％ 60％
11kV电压上升 0.53％ 1.06％ 1.59％ 2.12％ 2.64％ 3.17％
变压器VR 0.40％ 0.80％ 1.20％ 1.60％ 2.00％ 2.40％
LV电压上升 1.08％ 2.18％ 3.32％ 4.49％ 5.70％ 6.93％
总计 2.01％ 4.04％ 6.10％ 8.21％ 10.34％ 12.50％
如果不缓解这种影响，当太阳能PV渗透率达到约30％时，可能会导致大多数电网超过电压极限。
电功率调节装置能够并且适合用作电池储能系统管理工具，作为太阳能PV发电接口以及作为配电系统电压管理装置。其管理配电系统电压的能力可通过上述计算和建模得到验证。这也使得配电系统工程师能够确定实施该装置的合适的尺寸和位置，从而最好地缓解太阳能PV发电的影响。
现在将描述调节电力的方法的示例。在本示例中，无功功率管理被用于调节输电网络中的电压，其基于以下给出的工程公式。
实际功率(P)和无功功率(Q)都会影响电压，并且它们的影响分别与网络电阻(R)和电抗(X)成正比。在网络电压为V的位置，网段中的电压变化取决于客户连接点的实际功率和无功功率，具体根据
Figure BDA0003632492810000361
当网络电压与电压变化相比较大时，这种近似是有效的，并且它假设了平衡的三相配电线路。符号常规是电力的方向是流向客户的，也就是说，对于负载，P>0，且当太阳能发电超过负载时，P<0。
同时使用P和Q，可以将电压设置在所需的水平，可能是根据保护性降压(CVR)策略以减少电阻负载的功耗，或者可能是通过一些其他策略。对于完全平坦的电压分布，可以通过设置无功功率使电压变化为零，以便
Figure BDA0003632492810000371
为了抵消电压下降(P>0)，客户应供应超前无功功率，即Q<0，就像电容器一样。类似地，为了抵消电压上升(P<0)，客户应该消耗滞后无功功率，即Q>0，就像电感一样。
因此，配电线路的X/R比放大了或减小了无功功率的影响。这是每单位长度的(感应)电抗与每单位长度的电阻的比率，并且在实践中会遇到一定范围的值。更高的电压分布和传输线路可能具有更高的X/R比。
低压和11kv网络的电压管理
本文以具有典型设备和负载的城市网络的径向LV网络为例，被用来说明调节电功率的方法。结果显示为配电变压器终端电压的百分比，假设为240±6％VAC。
图11示出了由变电站组成的配电网，该变电站供应具有与LV网络相关联的多个配电变压器的11kV馈线。这种具有单一供应电源的网络代表了澳大利亚的所有网络。所有州管辖区都要求将低压维持在240±6％VAC或230+10％或230-6％VAC。变电站和配电变压器具有允许变压器输出高于标称240/230VAC的电压的分接头绕组，以补偿随着负载增加的电压降。配电变压器具有有载分接开关，其可随负载而改变11kV总线电压(即，随着负载增加，11kV电压增加)。配电变压器有无载分接开关。只有在无负载的情况下更改分接头设置，才能改变电压。分接头通常在安装时设置，并且只能在LV区域断电时改变。
PV发电配电网电压的影响可以通过工程电压计算来说明。OH配电变压器将有1-4个低压电路。每个电路的长度可达300-400米。使用具有10个负载点的简单OH径向网络，以代表在315kVA变压器上以40m为间隔的客户负载，可以计算各种客户负载、太阳能PV发电、VARS和电池存储的沿电路的电压分布。在这个示例中，无功功率管理是通过在配电或客户端使用电功率调节装置来实现的。
DER发电的电压调节
为了确定PV发电对同一网络的影响，在每个客户处应用5kW的PV发电，其在0.97PF时，具有仅为0.5kW的白天最小负荷。在中午期间，住宅的ADMD通常在0.3到1kW之间。下面的图12A示出了由此产生的电压分布。电压分布已从电压降低转变为电压上升。每个客户的PV发电超过6千瓦，将使电压上升超过+6％的监管限制。PV发电量为变压器额定值的19％。几家配电公司已将最大值设定为配电变压器额定值的25％，以限制过度的电压上升。图12B示出了当每个客户的PV发电量增加到10kW且总发电量为配电变压器额定值的32％时的电压上升。增加PV发电量会增加沿LV电路的稳态电压。电路/馈线末端的房屋具有最高的电压上升。
通过在最佳位置处添加滞后无功功率，可以显著改善电压分布，最佳位置是网络中电压变化最小所在的位置，可以确保整个网络保持在所需的操作限制范围内。图13A示出了在图12B所示的负载和发电量相同的情况下，在50kVAR的滞后VAR的情况下，沿电路的电压上升。电压分布已显著改善，其中所有用户电压在法定限制范围内，且沿电路的电压分布几乎理想的统一。在维持法定电压调节的同时，添加滞后VAR使太阳能PV发电量占配电变压器的32％。
图13B示出了，在不会违反+6％的电压调节限制范围的情况下，95％的PV发电量可以被输出到LV网络。如果没有VAR补偿，电压将比标称值高32％。当滞后VAR补偿处于最佳位置时，最大电压上升比标称值高6％，在法定限制范围内。完全PV发电可以通过在最佳位置具有100kVAR的滞后或通过在180kW的负载下对电池进行充电来实现。
地下电路
一种典型的三相UG配电变压器将为500kVA(4％阻抗)，并具有多达4个240mm24CAl分段XLPE的LV电路。以下分析适用于UG LV配电电路。对于OH电路也得到了类似的结果。图14A示出了每户家庭需要10kW的PV发电量才能超过+6％的电压调节限制。产生更高阈值的原因是UG电路与OH电路相比具有更低的阻抗和X/R比。在这种情况下，PV发电量为DT额定值的20％，其类似于OH阈值的19％。图12B示出了PV发电量为DT额定值40％时的电压分布。电压上升到标称值以上13％。
图15A示出了需要140k VAR滞后补偿才能将电压恢复到适当的调节。由于UG电缆的电容特性，与OH电路相比，滞后补偿通常更高。当PV发电量达到配电变压器额定值的100％时，电压上升到标称值以上40％，明显超过法定限制范围。图15B示出了在馈线/电路的最佳位置添加424kVAR滞后补偿后的电压分布。滞后补偿使最大电压达到法定限制范围。
11kV馈线的电压管理
VAR管理可以对所有类型的11kV馈线产生类似的结果。VAR量将取决于相关馈线的阻抗而变化。对于11kV馈线，需要将配电变压器电感添加到导体的X上。因此，可能需要更多的VAR来管理沿11kV馈线上的电压。与使用用于高压(7KV)的电功率调节装置相比，管理来自LV的11kV电压是一种更经济的解决方案。电子元件的成本随着电压呈指数增长。连接到配电变压器LV端子的电功率调节装置来调节11kV电压可能是最经济的解决方案。
电功率调节装置的放置
有许多方法可以部署VAR管理，以将网络电压维持在法定限制范围内。将用于VAR沉降/发电的电功率调节装置放置在客户端的电表后面或DNSP网络上的电表前面，将获得相同的结果。进行上述分析时，将电功率调节装置置于最佳位置，以便在单个电路/馈线上调节所有客户的电压。另一种选择是在每个客户处进行分布式VAR沉降/发电。DNSP可以首选该方法，即通过强制使用符合AS4777.2.2015的智能逆变器的电压/VAR和电压/功率设施。
峰值负载的电压调节
图16示出了在功率因数为0.97的情况下，沿LV电路径向的电压分布，其后差异最大的需求(ADMD)为5kW。该分布代表了沿电路具有典型压降的单向电网。电压刚好在-6％的调节范围内。通过生成超前VAR来补偿感应馈线阻抗和负载，可以改善电压降。
通过将电功率调节装置转换为VAR发电机(超前VAR)，可以调节电路/馈线上的电压，使其保持在法定限制范围内。通过将需求转化为单位功率因数，将需求转化为生产单位PF的超前VAR可被用于需求管理。在澳大利亚，即使较大的太阳能PV渗透率，网络系统的峰值也没有改变，并且仍然在太阳时间以外的傍晚。电功率调节装置可以在太阳时间以外调节网络电压，并有助于降低峰值需求。
一般来说，本地系统峰值出现在太阳时间之外，并且电压降仍然是所有DNSP的主要问题。电功率调节装置的应用可以改善电压调节，并使所有用户都处于监管的电压限制内。大多数太阳能逆变器在没有连接的DC电源的情况下不能提供超前VAR，并且也不能在太阳时间以外调节电压。
电压波动
DNSP对间歇性DER的电压波动的关注是正确的。对于太阳能PV，瞬态云层会导致逆变器输出大幅波动。一般来说，这不是太阳输出在几秒钟/分钟内缓慢衰减的问题。此外，符合AS4777.2:2015的智能逆变器采用减缓电压波动的缓变技术。即使没有AS4777.2:2015的缓变，电功率调节装置也可即时调整VAR输出，以改善电压上升/下降，使Pst和Plt测量值均符合要求。
电压波动的最坏情况是，当达到电压上限或下限时，逆变器瞬时关闭。当多个逆变器同时关闭时，这种情况会变得更加复杂。电功率调节装置可通过维持法定电压限制，防止逆变器在第一时间关闭，并通过感应电压上升/下降和即时调整VAR进行补偿，来防止过度电压波动。作为DNSP和客户的额外好处，电功率调节装置还可以补偿正常的下限/膨胀情况。
谐波的生成和衰减
通常，符合AS4777.2:2015的太阳能逆变器具有低谐波输出，并且通常不会成为DNSP的问题。在少数情况下，局部谐振可能会导致问题。未检测到的太阳能逆变器设备故障可以导致显著的谐波。背景谐波问题很可能是由网络上的其他设备引起的。电功率调节装置可被编程为在本地网络上衰减高达24kHz的任何谐波。它还可以测量电压的谐波含量，这将给出一些待决的谐波问题的指示。
以OH为主的配电网将开始出现广泛的电压调节问题，其DER渗透率在20-30％之间的范围内。对于以UG网络为主的配电网，渗透率水平将在30-40％之间的范围内。在无需传统的在线分接开关或固定式分接变压器的情况下，采用VAR管理可以调节11kV或LV网络上的电压。与在电功率调节装置一起使用无功功率管理可将11kV和LV维持在监管限制范围内。在将电压维持在监管限制内的同时，DER发电量高达网络设备的热额定值。使用电功率调节装置，可以在峰值需求时间将电压降最小化，这能够延长LV电路长度，降低网络资本成本。
在具有多个电路的典型LV配电变压器上，每个电路上的单个电功率调节装置可以控制该电路的电压，以取代AS477.2:2015电压/VAR设置。同样，11kv馈线上的电压可以通过安装在每个电路上的单个电功率调节装置进行控制，尽管dSTATCOM要大得多。由于馈线的X/R比较低，UG馈线上的电压上升将较低。UG馈线应能承载比OH馈线更多的DER容量。在一个示例中，优选的是，在将低压电功率调节装置放置于位于最佳位置处的配电变压器的LV端子处的情况下，对11kV馈线进行电压调节。
通常，在设计11kV和LV网络时，电压降是一个关键的设计因素。导体尺寸通常是根据电压降而不是热额定值来选择的。随着这种方法的使用，许多传统的设计规则不再适用。LV电路的长度不再是一个决定因素，并且LV区域可以构建到导体和配电变压器的最终热额定值。随着包括电池的DER渗透率提升，对配电变压器的最大需求可能会降低。随着电功率调节装置最大需求的降低和电压降问题的解决，LV电路可能更加需要更少的配电变压器。这将为DNSP节省大量资本。
通过配电变压器上的有载分接开关来实现11kV网络的电压调节。分接开关由一个或多个线路压降补偿继电器或变电站控制系统内的等效算法进行控制。在城市地区，配电变压器有多个11kV馈线，其不同的负载曲线连接到11kV总线。这使得11kV电压调节更加困难，并且在许多情况下会产生电压调节问题，导致客户投诉电压。通过无功功率管理，11kV网络上的电压调节可以变得更加简单，并最大限度地减少对配电变压器上昂贵的有载分接开关的需求。
双向电网
太阳能在澳大利亚继续快速增长，并正在降低电力成本。随着公用事业规模的太阳能最终进入市场，大部分太阳能产能仍在住宅用户的屋顶上，并且商业部门也开始遵循这种增长轨迹。在未来的许多年里，客户拥有的分布式太阳能发电量将为我们的总电力供应做出巨大贡献。电网改造路线图(ENA和CSIRO，2016年)预计，到2050年，50％的电力将在电表的后面产生。这与我们已经处于世界领先水平的屋顶太阳能相比是巨大的增长。大部分DER发电将在具有建立的配电网的城市地区进行。配电网被设计用于单向功率流，并且DER的增长的渗透率已经突显出现有配电网在适应双向功率流方面的局限性。
DER主要连接到LV和中压(11kV)电网，并且DNSP在容纳大量DER发电方面有三个主要问题。它们是
·第一个主要问题是，任何输出到这些网络的发电都会导致该网络上的电压上升。大多数DNSP对输出量进行了限制，以将电压控制在法定限制范围内(对于LV，230VAC+10％，-6％，对于高压22kV或以下为±5％)。
·DNSP的第二个主要问题是反向功率流扰乱了单向网络的电压等级。现有配电网已被设计用于提高或降低电压，以在高负载和低负载条件下维持法定电压限制。变压器分接开关已被用于管理单向网络上的电压水平。
·最后一个问题是网络故障的识别、定位和隔离。大多数DER发电量当前限制在其输出额定值+10％，并且即使配电网出现故障，只要电压不崩溃，也将继续馈入额定电流。因此，在高阻抗故障发生的情况下，并且电压不会崩溃，DER发电将继续为故障馈电。在中压的传统系统中，灵敏接地故障保护将检测大多数高阻抗故障，但随着较大的DER渗透率，这可能不再按预期运行，并且高阻抗故障可能无法被检测并持续很长时间，可能会导致危险情况。
如果DER要在未来减少温室气体和扩大可再生能源DER方面发挥重要作用，所有这些担忧都是合理的，并且需要加以解决。本白皮书将展示如何实施新技术，以克服单向电网的局限性，并为未来建立一种功能齐全的双向电网。
澳大利亚的屋顶太阳能发电站
与世界其他国家相比，澳大利亚的屋顶太阳能PV发电量惊人。如今，澳大利亚具有世界上最高的DER渗透率，超过所有住宅的15％。这是第二高渗透率的比利时的两倍多。相比之下，由于商业和大型设施对太阳能和风能的利用率较低，澳大利亚人均可再生能源发电量仅排在第八位。到目前为止，住宅市场推动了装机容量的稳定增长，但现在太阳能的成本低到足以鼓励商业和工业客户尽可能多地安装太阳能。它们由减少电费的令人信服的经济因素和满足企业社会责任和环境目标的压力的组合所驱动。这些客户具有拥有大面积的高质量屋顶空间，是太阳能PV发电的理想选择——高架、连续和无遮挡。
由连接在“电表的后面”太阳能创建的分布式发电站的总容量已达到7GW，并为澳大利亚的电力供应做出了重要贡献。它能够而且应该做出越来越大的贡献。
一些州的司法管辖区对可以输出到电网中的内容进行了限制。尤其是在昆士兰(QLD)和南澳大利亚(SA)，由于配电网络的限制，商业和工业客户无法安装它们屋顶空间所允许的太阳能。太阳能输入到为供电而设计的电网的技术影响，意味着配电网服务提供商(DNSP)限制了其允许连接的太阳能总量。商业客户可以被限制为零输出。这严重限制了太阳能的经济性，并导致与物理和经济潜力相比，系统的规模往往大大不足——其规模根据每个客户的峰值负载，而不是零售能源补偿和输出收入。
由于阻止住宅用户进行连接的负面政治后果，他们通常会获得优先权，并且能够连接适度的系统，在城市环境中通常高达5千瓦，而无需进行广泛的连接研究和程序。这种情况不会持续下去。太阳能家庭的比例继续增加，其中集中度非常高的地区。绿地(Greenfield)开发项目已被提议为100％的家庭提供太阳能，需要对配电网设计进行特别考虑。这将及时改变情况，但多年来，大多数屋顶太阳能将安装在与现有网络连接的现有屋顶上。
本白皮书描述了如何使用电功率调节装置技术和网络集成控制来解决太阳能部署的电网限制。它描述了屋顶太阳能引发的技术问题、传统和新的可用解决方案、全国各地DNSP的情况，以及网络将太阳能增长作为其业务转型机会的潜力。
上述段落表明，VAR管理可以管理大量DER发电的配电网上的电压。如何实现这一点取决于将其连接到电网的配电网。在管理被设计为在从主要供电点向客户提供单向功率的有利条件时，配电网络服务提供商(DNSP)必须适应来自逆变器连接发电的反向功率流。
需要对以下影响进行管理：
·在太阳能输出峰值时，由于电压上升，电压包络线变宽；
·在太阳能输出峰值时达到网络的热极限；
·当太阳能输出与负载水平相似时，防陷落保护失效；以及
·由于使用快速切换的逆变器的高度集中而导致谐波失真。
其中，对于大多数DNSP来说，电压上升是首要考虑的问题，并且在太阳能渗透率高的网络区域，需要立即予以关注。由于所有符合标准的逆变器在电压超出法定限制范围时将跳闸，因此不会对网络稳定性造成威胁。现有数据显示，25-35％的逆变器在某些区域跳闸。这对于需要手动重置他们的逆变器的客户来说是不可接受的，并且由于太阳能输出的收入减少而他们无法实现预期投资回报。
现有的屋顶太阳能发电量占澳大利亚电力的5.3％，这远低于预期的50％。太阳能PV发展到这个水平将是一个巨大的转变。
澳大利亚DNSP对太阳能输出的影响表现出多种反应。这些反应包括限制太阳能连接的数量，对太阳能系统实施零输出或其他输出要求，以及要求客户进行额外投资，以支付由此产生的网络成本。这些措施助长了网络企业的“死亡螺旋(death spiral)”，因为客户将有更大的激励使用减少对电网依赖的技术。可替选地，DNSP可以进行传统的网络侧投资，以加强他们的电网，以容纳更多屋顶太阳能。但这也助长了死亡螺旋，因为这些措施成本高昂，并且随着时间的推移，这些费用会通过客户的电价转嫁给客户，从而使电网供电的吸引力降低。
这些解决方案在不需要DNSP进行大规模的网络侧投资的情况下是可用的，这些投资非常昂贵，而且会增加客户账单的压力。许多DNSP正在展示允许对客户发电进行主动管理的技术，以管理功率流和电压。网络电压可以使用无功功率进行控制，与减少太阳能输出相比，这对客户输出的影响要小得多。尽可能利用太阳能和储能逆变器的能力来提供无功功率。然而，电功率调节装置可以更全面地提供无功功率，电功率调节装置是专门用于高效提供无功功率而设计的电力电子设备。
使用连接在客户站点的智能逆变器或电功率调节装置，通过本地智能控制自下而上管理电压。它还可以通过合适的通信接口让DNSP充分了解其网络性能，但由于控制是本地的，因此不需要SCADA质量控制。与大多数DNSP目前尚未准备好与其运行操作控制集成的分布式能源管理系统(DERM)相比，这代表了成本节约和简单性。它允许采用分层的电压管理方法，在客户电表的后面逐个站点有效地解决电压问题，并且然后随着时间的推移，在出现热限制时使用DERMS进行管理。在每个州的区域变电站规模上进行的说明将向DNSP展示，这种方法具有商业和实际意义，并在他们转变为主要太阳能供应时为他们的网络提供未来保障。
总之，可以注意到：
·电压调节是针对DER网络的强制的先决条件。
·电压调节解锁了DER的真正好处。
·VAR管理比传统的维持电压的替代方案更经济。
传统的单向电网电压调节
下图17示出了典型中压网络的配置。配电变压器通常具有有载分接开关，用于在所有负载条件下调节11kV总线。澳大利亚常用两种控制方法。
恒定变电站电压——分接开关的位置将取决于负载情况而变化，以维持变电站的稳定电压，从而补偿在子传输网络中随着负载变化而发生的电压变化。
调节馈线电压——在高负载条件下，11kV总线电压将增加至约103％，并且在低负载条件下，将降低至约100％。分接开关由负载下降补偿继电器(LDC)或电压VAR调节(VVR)算法确定，该算法通常与实时SCADA系统相关联。LDC继电器模拟11kV馈线的阻抗(电阻和电感)，并对馈线上的电压进行建模，以确定何时改变分接头，并将馈线电压调节为沿馈线大约1/3进程的位置处的恒定值。VVR算法与LDC类似，但具有适应电容器和调节器切换的设施。
配电变压器通常有固定的无载分接开关，并且在11kV和LV网络的电压调节中起主要作用。11KV馈线起始处的电压将高于馈线末端的电压，因此设置了配电分接头以降低馈线起始处配电变压器端子处的电压，并增加馈线末端配电变压器LV端子处的电压。通常，在低负载条件下，配电变压器LV端子处的分接头被设置为245VAC。这种配置在城市地区相当典型。
在农村地区，11kV馈线通常更长，并且可以具有沿着馈线的一个或多个电压调节器。电压调节器将取决于负载而提高或降低电压。
电压调节可被应用于单个配电馈线或多个馈线。对于单个馈线，位于馈线开头的电压调节器和LDC继电器将独立调节每个馈线上的电压。对于公共总线上的多个馈线，LDC负载电流是所有馈线的总和，并且公共总线由有载分接开关进行调节。
虽然被广泛使用，但LDC方案确实有许多缺点。一些缺点是：
·如果功率流从控制总线单向流出，则LDC系统通常仅被配置为控制电压。
·LDC电压假设负载沿一个或多个馈线均匀分布。
·LDC仅控制一个由R和X设置确定的符号馈线。
·对于控制多个馈线的LDC，假设每个馈线具有分布均匀的负载，且每个馈线的负载分布相同，但情况往往并非如此，因此会影响结果。
·下游的分布式串联或并联电容器组使电压调节更加困难。
LDC和双向电网
LDC将永远是具有功率可以在任何时候流向任何方向的真正双向电网的障碍。常规的LDC只能在功率流从控制总线/调节器系统单向流出时产生正确的结果。这是DNSP限制DER发电输出到LV和MV网络的另一个原因。当一个或多个馈线向控制总线输入功率，而其他馈线从控制总线输出功率时，情况会进一步恶化。在这种情况下，LDC控制方案无法正确控制沿任何馈线的电压。
真正双向电网的要求
对于真正的双向电网，每个电路/馈线的电压必须独立于该电路/馈线内的负载或发电量进行控制。VAR管理是目前可用的唯一可行的、具有合适技术的方法。在第一份白皮书“Is the Grid Full”中，示出了LV馈线上的电压如何在负载和发电量条件的法定限制范围内进行管理。任何LV电网都可以容纳高达配电变压器额定值200％的DER，同时将电网电压维持在法定限制范围内。200％包括输出到HV电网的100％，以及由LV馈线上的客户消耗的另外100％。在夜间，当发电量最小并且负载最大时，可以通过生成超前VAR来维持电压，以补偿因负载增加而产生的电压降。通过使用电力调节系统，电压可以在无需遥感的情况下随时自动维持。
在第一份白皮书“Is the Grid Full”中，示出了沿电路/馈线存在的最佳点，在该点上，电功率调节装置的放置可以调节该电路/馈线的电压，而不是使用下垂控制算法进行分布式VAR管理。电功率调节装置可被放置于电表的前面或电表的后面，并且解决了每个负载/发电站点处的分布式VAR管理的许多技术和商业不公平问题。
总之，可以注意到：
·现有配电网仅为单向功率流而设计。
·双向配电网要求每个馈线/电路具有独立的电压控制，以管理功率流。
·像LDC这样的现有电压控制需要被禁用，并由独立的电压控制机制取代。
·由于锥形的配电变压器分接头等级，单向网络中的反向功率流将导致更多的电压问题。
电功率调节装置特性
电功率调节装置被专门用于解决将DER引入配电网所面临的许多网络问题而设计的。DNSP面临的主要问题有：
·电压管理，尤其是由于网络上较低电压水平的发电而导致的电压上升。
·间歇性发电引起的电压波动。
·故障识别与定位。
·相间电压平衡。
·谐波抑制。
·网络可靠性。
电功率调节装置是一种先进的四象限三相四线逆变器，其采用最新的碳化硅和聚丙烯电容器技术，预期使用寿命为20年。该电功率调节装置逆变器具有以下特点：
·真正的三相380-480VAC逆变器在一个封装中。电功率调节装置是一种四线制设备，其零线被调制以模拟3个独立的相位输出。每个相位输出可以有不同的电压和电流，达到相位的额定值。
·可配置为三相四线或单相两线。两相可被并联以产生单相和零线逆变器。
·频率可变或固定为50Hz-60Hz。电功率调节装置的频率可固定在50Hz或60Hz，以适应现有网络。对于远程泵送或电机启动的电功率调节装置可被配置为变频驱动。
·DC输入范围600-980VDC。当电池电量为80％DoD时，需要较大的DC电压范围以能够在最大电压下输出。
·完整的四象限——能够提供/沉降VAR，并输入/输出kW至完整的额定值。
·四线制三相独立相电流平衡。通过调节零线，功率可以在相位之间切换，以平衡相位电压，并起到功率调节器的作用。
·储能设备的电池充电和放电。
·电网下陷/膨胀和电压波动的功率调节补偿。电功率调节装置可被用作功率调节器，以提高供电质量。它能够将相电压调节到特定的电压和带宽。下陷和膨胀将通过首先提供或沉降VAR来纠正电压偏移，并且如果存在电池，其将通过生成或消耗实际功率来纠正电压。
·可编程谐波接收器。电功率调节装置可被编程为沉降谐波频率直至25kHz。
·可选电流源或电压源逆变器。电功率调节装置是一种形成逆变器的电网，当其连接到网络时，它可以处于电流模式，或者对于离网应用，它可以处于电压模式。随时间的变化小于2个周期。
·功率因数校正。如果需要，电功率调节装置可被配置为固定式超前或滞后功率因数校正设备，或具有下垂曲线的可变超前或滞后VAR发电机。
·功率流调节。电功率调节装置可被编程为将输入或输出限制在规定水平。
·不间断电源(UPS)功能。该电功率调节装置可以是线路交互式或在线UPS。在线路交互模式下，电功率调节装置可在不到2个周期内从电流模式转换为电压模式。
·离网运行。结合DER发电和备用发电机，该电功率调节装置可以是部分并网或完全离网电源。
·方向性顺序保护。作为真正的四线制设备，电功率调节装置可以计算正、负、零序电压和电流，其可被用于检测线对线和线对地故障，并与网络隔离。
·网络可靠性。通过为客户提供独立的UPS以应对网络中断，电功率调节装置可以提高网络可靠性SAIDI。
·不间断电源(UPS)功能。该电功率调节装置可以是线路交互式或在线UPS。在线路交互模式下，电功率调节装置可在不到2个周期内从电流模式转换为电压模式。
·离网运行。结合DER发电和化石燃料备份，该电功率调节装置可以是部分并网或完全离网电源。
·方向性顺序保护。作为真正的四线制设备，电功率调节装置可以计算正、负、零序电压和电流，其可被用于检测线对线和线对地故障，并与网络隔离。
·网络可靠性。通过为客户提供独立的UPS以应对网络中断，电功率调节装置可以提高网络可靠性SAIDI。
230VAC电压标准
澳大利亚的大多数司法管辖区都采用了230VAC+10％-6％的新电压标准。作为一项临时措施，该系统的结构符合之前的240VAC±6％标准，因为这符合新标准。其目的是在未来某个时候完全达到230VAC+10/-6％的国际电压标准。临时230VAC+10％-6％标准的电压上限253VAC几乎与254VAC相同，但其具有的电压下限216VAC与之前的下限225VAC相比更低。有人建议采用临时230VAC标准，可以增加网络的PV承载能力。只有当配电变压器上的分接头设置被设置为标称230VAC时，才会出现这种情况。这将是一项成本高昂的工作(派遣工作人员更改配电变压器分接头设置的费用约为2000美元)，并且如果使用电功率调节装置来管理电压，则无需这样做。在下文各段中。结果表明，在不改变现有配电网的情况下，电功率调节装置的VAR管理可达到国际230VAC±6％。
双向电网的电压管理
以下是几个案例研究，以说明LV电功率调节装置在双向电网上管理电压的能力。案例研究表明，VAR管理在双向电网上调节电压的可行性。电功率调节装置都位于LV网络上，在配电变压器端子处或沿LV馈线的最佳点处。在双向电网中，有许多可能的负载和发电量排列。为了说明电功率调节装置VAR管理对所有负载和发电排列的适用性，仅分析了极端条件(即最大负荷和最大发电量)。下面探讨了两种负载情况：
·LV网络上的最大DER发电量，高达设备的热额定值。
·这里没有DER发电量，只有达到配电设备额定值的最大负荷。这种情况将模拟没有DER发电量的傍晚高峰。
在每种情况下，LDC/VVR 11kV电压被禁用，并且所有电压通过LV网络上的电功率调节装置VAR控制进行管理。负载流封装被用于计算下图所示的电压分布。
典型变电站配置
图17示出了本报告中使用的典型MV变电站。变电站由与11kV总线并联的两个次级传输变压器(在我们的研究中为33/11kV)组成。11kV总线将具有连接到总线的几个11kV馈线，以便向周围区域配电。每个11kV馈线具有间隔400m的25个配电变压器，其连接到每个11kV OH馈线。每个OH 11kV馈线为三相，具有沿其整个长度的月球导体(AAC 7/4.75)。每个11kV馈线具有额定功率为315kVA的25个配电变压器，并且电压比为11000/415，呈三角形/Y形布置。在风速为1米/秒时，月球导体的额定功率超过400A(7.8MVA)。通常，11kV馈线的峰值需求利用率为60-70％(4.5-5.3MVA)。本报告中分析的所有“最大”负载/发电量情况均为每个馈线使用7.8MVA，这将涵盖DNSP中的所有运行情况。
对于发电量和负载两种情况，11kV馈线的最差电压调节将发生在馈线末端。通常，采用LDC/VVR电压调节，11kV电压维持在11±5％kV。此外，沿11kV馈线的电压被设计在标称电压的±5％内。沿11kV馈线上允许的电压下降或上升为5％。
LV电压调节采用由10个节点组成的单个LV三相四线月球导体电路进行建模，每个节点相距40米，总LV电路长度为400米。通常，每个配电变压器至少有2个LV电路。两种LV拓扑已进行了建模：
·来自配电变压器的电路，在10个发电点中的每个具有单位PF的发电量15.75kW。每个电路长为400米。
·一个LV电路连接至配电变压器的LV端子，其长度为400m，并且在沿电路等距分布的10个发电点中的每个处的发电量为31.5kW。与正常的2个电路拓扑相比，这种“最大”情况将产生最大的电压上升或下降。
为了评估DER发电的影响，详细显示了第一个配电变压器和最后一个配电变压器的电压调节。在11kV馈线上的最后一个配电变压器处，维持用于LV网络的正确调节所需的VAR应为最大值。对于所有电压调节分析，使用了标称230VAC。在澳大利亚，目前的法定电压限制为230+10％-6％。
详细分析了变电站的两种情况，一种是DER的最大发电量等于配电变压器的热额定值，以及另一种是每个配电变压器上的最大负载等于配电变压器的热额定值，即315kVA。在示例性变电站中，11kV馈线F1将具有最大发电量，并且F2将具有最大负载。该配置将展示VAR在所有负载和发电量条件下管理网络电压的能力。F1将代表最大发电量条件，其中使用滞后VAR将电压管理在法定条件内。F2将代表馈线处于最大负载条件下的情况，其中超前VAR将被用于将电压管理在法定限制范围内。
对于最大发电量分析，假设最大发电量时的本地负载由DER发电供应，并且完整发电量通过配电变压器供应。
这种简单的拓扑结构和下面的分析将说明VAR管理的应用，以成功调节变电站11kV和LV网络的电压，而不是像当前许多DNSP的情况一样限制发电量输出来控制电压。发电量将代表“中午”情况，在这种情况下太阳能PV的DER发电量是最大的，并且电压上升可以维持在现有的监管限制中。峰值需求将代表晚间峰值，此时没有DER发电量，并且11kV和LV网络上的电压降最大。
在所有分析中，LV电功率调节装置被用于生成滞后VAR以降低电压或超前VAR以增加电压。对于11kV电压控制，电功率调节装置被放置在配电变压器DT17的LV端子上，并且对于LV电压控制，电功率调节装置被放置在沿LV电路的位置7上。在前面的段落中已经说明，VAR控制的最佳位置是在沿电路66％的负载平衡点。所有VAR管理分析都是在VAR管理处于或接近66％的负载平衡点的情况下进行的。
单个OH 11kV(MV)馈线的电压管理，其中每个DT具有2个低压电路
最大发电量分析
图18示出了在有无VAR管理的情况下，单个11kV上的电压分布。每个配电变压器在PF1时有315KW的电力，反向向11kV馈线发电，总发电量为7.8MVA。在没有任何VAR管理的情况下，11kV馈线末端的电压上升接近11kV总线电压的7％。当在位置17的配电变压器LV端子处添加dStatcom，生成1000kVAR的滞后VAR时，馈线末端的电压降低至+4.9％，这在11kV电压调节限制内。
图19示出了DT1和DT25处的LV电路上无任何VAR补偿的电压调节。配电变压器1的LV电路电压调节率为9.3％，仅在230VAC+10％的允许电压调节限制范围内。正如预期的那样，DT25处的电压调节大于230VAC+10％的允许限制范围，并且为15.8％。
为了将LV电压恢复到法定限制范围内，需要对LV电路进行VAR管理。下图20示出了当所有LV电路施加25kVAR的滞后VAR或沿F1的每个配电变压器施加50kVAR时，DT1和DT25处的LV电压调节。DT25上每个电路末端的电压调节为9.9％。在DT1时，电压调节率仅为5.9％。
在每个电路上有25kVAR的情况下，沿F1的每个配电变压器的功率因数在0.964到0.962之间的范围内。这些功率因数与经历典型峰值负载条件的单向电网下的功率因数相似。11kV馈线F1的功率因数为0.923。
图20说明，在完整的11kV馈线上，仅通过每个LV电路上的VAR管理，就可以管理完整的电压调节。另一种选择是将11kV和LV电路上的VAR管理结合起来。如图4所示，通过配电变压器的LV总线，可以直接在11kV馈线上由VAR管理来管理11kV电压和相关联的LV端子电压。以下分析表明，通过对11kV和低压电路都进行电压调节，可以实现LV电压调节。
图21示出了DT1和DT25上的电压调节，每个低压电路上的电压调节为20kVAR，DT17的LV端子上的电压调节为额外的400kVAR。DT17处的400kVAR降低了所有配电变压器上的LV端子电压。配电变压器LV端子电压越低，导致维持电压调节的VAR补偿越低。
VAR管理效率
电压调节可通过单独对LV电路进行VAR管理或通过对11kV和LV电路都进行VAR管理的组合来实现。要确定哪种VAR管理方法更有效，需要计算每个选项所需的总VARS。在图19和图20所述的情况下，维持法定限制范围所需的总VAR分别为1250kVAR(25x50kVAR)和1400kVAR(25x40+400)。对于均匀发电量和均匀阻抗的简单情况，仅LV电路VAR管理更有效。
单个OH 11kV(MV)馈线的电压管理，其中每个DT具有1个LV电路
对于额定值大于100kVA的大多数大型配电变压器来说，通常有一个以上的LV电路，但对于额定值较小的配电变压器，通常只有一个LV电路。为了评估VAR管理在所有配置中的普遍应用，对单个LV电路的情况进行分析。以下分析显示了VAR管理在“最大”情况下的适用性，其中每个315kVA配电变压器仅连接一个LV电路，并且其每户发电量为31.5kW，每个配电变压器的总发电量为315kW。图22示出了连接到馈线开头处的DT1和连接到馈线末端处的DT25的电路沿线的电压上升。DT1的电压上升在+10％的限制范围内，而DT25的单个电路末端的最大电压为12.7％，并超过+10％的限制范围。
图23示出了DT1和DT25沿线的电压上升，其中每个配电变压器在H7处的VAR补偿为60kVAR。针对每个配电变压器，LV的电压调节维持在法定限制范围内。11kV馈线的电压调节为2.4％，其中每个配电变压器在H7处为60kVAR。
对于单个电路，需要60kVAR将LV电压保持在法定限制范围内，这相比较于对于每个配电变压器的两个LV电路，每个电路需要25kVAR。结果类似，但需要额外的10kVAR来管理针对单个电路的更严重的电压上升。
承载容量
从以上结果来看，最大DER承载能力大于配电额定值的100％，可输出100％的DER发电量，并且用于本地负载的DER发电量可高达100％。
总之，应该指出：
·通过电功率调节装置、VAR管理，DER承载容量大于配电变压器额定值的100％。
·在输出DER发电量与配电变压器的热额定值相等时，可以维持LV法定电压限制范围。
·每个配电变压器完全输出时，11kV馈线电压在±5％内。
·11kV和LV VAR管理均可被用于调节11kV和LV电压。
·LV VAR补偿只需要比11kV和LV VAR管理组合更少的VAR。
·对于100％的DER输出，配电变压器PF>0.95，并且11kV PF>0.9。
·根据上述分析，对于100％的DER输出的滞后VAR要求低于每kVA的配电变压器额定值200VAR。
具有最大负载的馈线的电压调节
该电功率调节装置能够输出VARS以提高电路的电压。当馈线负载过重时，电压沿馈线下降。在单向电网中，配电变压器的分接开关被用于在最大负载条件下调节电压。配电变压器LV端子电压被设置为高于馈线的开始处的电压，以补偿最大负载条件下的电压降。除了用配电变压器分接开关来调节电压降外，并联电容已被用于限制沿馈线的电压降，以及提高功率因数。
7.8MW负荷下每个配电变压器的2个电路的分析
图24示出了总负载为7.8MW时，沿馈线每个配电变压器上负载为315kW时的11kV电压降。当所有配电变压器分接头设置为标称值时，馈线上的电压调节为10.3％。如果在配电变压器7和配电变压器17的LV端子上放置2MVAR的超前VAR，则电压调节将提高到4.9％。
DT1和DT25上的LV电压调节如图25所示，其中各有负载为157.5kW的2个CCT。DT1在法定限制范围允许的-6％内，而DT25则远远超出法定限制范围，其电压降为-13.7％。
图26示出了具有超前VAR补偿的DT1和DT25的沿LV CCT的电压调节。在每个电路H7为60kVAR时，电压维持在-6％的法定限制范围内。
调节LV电压降的另一个选择是增加配电变压器LV端子电压，因此调节LV电路电压需要较少的LV超前VAR补偿。图27示出了DT1和DT25上的电压调节，其中在DT17的LV端子上有2MVAR的超前。2MVAR将配电变压器LV端子电压提高2-5％，从而导致用于补偿LV电压降的超前VAR减少。11kV馈线的功率因数为0.98，并且配电变压器的功率因数在0.994到0.998之间的范围中。尽管11kV上仅使用了一个位置来说明11kV电压补偿的有效性，但可以使用沿11kV馈线的几个11kV注入站点。实际上，几个C&I站点可以适合使用现有变压器容量。
VAR效率
满足230VAC+10％-6％监管限制范围所需的总VARS可通过两种方式满足：
·仅LV电路上的超前VAR(图25)。
·用于改善11kV电压调节的超前VAR和用于改善LV电压调节的LV超前VARS的组合(图26)。
仅LV超前VARS所需的总VARS为3000kVAR，而11kV和LV VAR组合所需的总VARS为2750kVAR。该组合比仅LV VAR更有效。
7.8MW负载下每台配电变压器的一个电路的分析
图28示出了每个配电变压器的1个电路的电压调节，但每个配电变压器的满载为315kW。负载平均分布在10个负载上，每个负载为31.5kW。由于沿馈线存在严重的11KV电压降，因此无法找到LV超前VAR解决方案。必须将11kV电压降提高到-6％以下，才能获得用于LV电路的可接受的超前VAR解决方案。图27给出了一种解决方案，其中在每个LV电路上，配电变压器7LV处有1MVAR，配电变压器17LV处有2MVAR，并且H7处有90kVAR。
总之，应该指出：
·通过电功率调节装置、VAR管理，DER承载容量大于配电变压器额定值的100％。
·在输出DER发电量与配电变压器热额定值相等时，可以维持LV法定电压限制。
·每个配电变压器完全输出时，11kV馈线电压在±5％内。
·11kV和LV VAR管理均可被用于调节11kV和LV电压。
·LV VAR补偿只需要比11kV和LV VAR管理组合更少的VAR。
·对于100％的DER输出，配电变压器PF>0.95，并且11kV PF>0.9。
·根据上述分析，针对100％DER输出的滞后VAR要求低于每kVA的配电变压器额定值200VAR。
双向电网讨论
根据上述分析，每个配电变压器配备2个LV电路并输出100％DER发电量的11kV馈线需要1250kVAR来维持法定电压限制。而同一条馈线，如果无发电量，并且满负载等于配电变压器总额定值，需要2750kVAR来维持法定电压限制。
管理双向电网的电压降所需的输出VAR远大于管理由于发电量的电压上升所需的吸收VAR。主要原因是，配电变压器阻抗和线路阻抗主要是电感性的，并且需要在超前VAR调节电压之前取消。对于双向电网，电压调节所需的VAR量由DER发电不可用时的电压降驱动，而不是由限制电压上升的VAR驱动。
上述所有分析均假设所有配电变压器分接头设置均为零线分接头，并且变压器的比率为11000/415。
总之，应该指出：
·由电功率调节装置进行的VAR管理可以在所有发电量和负载条件(直至设备的热额定值)下维持双向配电网络的法定电压限制，。
·通过电功率调节装置VAR管理，DER承载能力可以被增加到配电变压器热额定值的100％。
·当发电和输出功率高达配电变压器的热额定值时，可以维持法定电压限制。
·如果放置在最佳位置，则只需要一个电功率调节装置来维持整个馈线/电路的法定电压限制。
·当满负载功率高达配电变压器的全额定值时，电功率调节装置的VAR管理可以调节11kV和LV网络上的电压，同时维持法定电压限制VAR管理比传统的维持电压替代方案更经济。
移动至230VAC±6％标准
在上面的段落中，展示了当功率流向任何方向时，VAR管理可以调节配电网上的电压。使用的标准是230VAC+10％-6％的澳大利亚临时标准。本节将展示电压可被调节至230VAC±6％的国际标准。仅分析发电电压上升调节，因为上述第7节中最大负载的结果相同，即230VAC-6％。
图29示出了在25个配电变压器中的每一台均输出315kW的情况下，11kV馈线起点和终点时的电压调节。在最大发电量条件下，需要45kVAR的滞后VAR，以将每个LV电路的电压调节维持在230VAC±6％。每个配电变压器总共需要90kVAR。
图30示出了另一种VAR管理布置，其中在DT17的低压端子处注入600kVAR的电功率调节装置滞后VAR。这降低了沿11kV馈线的各配电变压器的LV端子电压，并将沿LV电路的VAR要求降低到35kVAR，而不是之前的45kVAR。这种布置将11kV馈线的总VAR需求增加到2350kVAR，而沿每个LV电路放置时仅为2250kVAR。
为了管理最大负载电压调节，需要至少一个11kV超前VAR注入来调节沿馈线的电压。由于11kV VAR注入是必要的，因此11kV和LV VAR注入的组合将是最有效的结果。
总之，应该指出：
·在所有发电和负载条件(直至设备的热额定值)下，电功率调节装置的VAR管理可将双向配电网络上的法定电压维持在230VAC±6％的国际标准。
限制电压波动
DNSP对间歇性DER的电压波动的关注是正确的。一般来说，由于太阳输出在几秒钟/分钟内缓慢衰减，间歇云不是问题。电压波动的最坏情况是，当达到电压上限或下限时，逆变器瞬时关闭。当多个逆变器同时关闭时，这种情况会变得更加复杂。发电量的急剧减少可以导致LV馈线上所有客户的电压波动。符合AS4777.2:2015标准的智能逆变器采用减缓电压波动的缓变技术。电功率调节装置可以即时调整VAR输出，以改善电压上升/下降，从而使Pst和Plt措施都符合要求。
电功率调节装置可通过维持法定电压限制，防止逆变器在第一时间关闭，并通过感应电压上升/下降和即时调整VAR进行补偿，来防止过度电压波动。
作为DNSP和客户的额外好处，电功率调节装置还可以补偿正常的下陷/膨胀情况。
总之，应该指出：
·电功率调节装置可以改善LV和11kV馈线上的电压波动，以维持调节电压波动限制。
限制谐波
通常，符合AS4777.2:2015的太阳能逆变器具有低谐波输出，并且通常不会成为DNSP的问题。在少数情况下，局部谐振可能会导致问题。未检测到的太阳能逆变器设备故障可以导致显著的谐波。背景谐波问题很可能是由网络上的其他设备引起的。
电功率调节装置可被编程为在本地网络上衰减高达24kHz的任何谐波。它还可以测量电压的谐波含量，这将给出一些待决的谐波问题的指示。
电功率调节装置仿真
将电功率调节装置配置在电压模式下，不仅产生50Hz基波，还产生一些扭曲50Hz波形的5次和7次谐波。它直接连接到被配置在电流模式下的另一个电功率调节装置。电流模式电功率调节装置具有固件，该固件计算每个选定谐波的谐波电流，并随着PI控制器实时地改变消除的谐波电流。校正时间间隔为20毫秒或50Hz基波的1个周期。以下所有测量均在电流模式电功率调节装置的端子上进行。
图31示出了电压源电功率调节装置的输出，其中第5次谐波为14Vrms，并且第7次谐波为6Vrms。平坦波形是具有多个奇次谐波的典型的50Hz波形。
图32示出了当电流模式电功率调节装置被打开以消除图31所示的第5次和第7次谐波时的电压波形结果。第5次和第7次谐波已分流至零线，并且只剩下50Hz 230Vrms。
当被放置于LV网络上时，电功率调节装置可以沉降高达24kHz的任何奇偶谐波。它将消除整个LV馈线的所有谐波，因为与配电变压器阻抗相比，它将是最低阻抗。
总之，应该指出：
·电功率调节装置可以沉降整个LV馈线或客户安装所产生的高达24kHz的所有谐波。
配电变压器分接头开关策略
在单向网络中，固定式配电变压器分接开关的设置被设计为补偿峰值需求时的电压降。一般来说，配电变压器分接开关设置会降低馈线前三分之一处的配电变压器LV端子电压，中间三分之一处于标称分接状态，并且最后三分之一将提升LV端子电压。即使是单向网络，这种典型的分接头设置设计也不理想。当重新配置11kV馈线时，分接头设置总是需要花费相当大的费用进行更改。
对于LV网络上的DER发电，典型的配电变压器分接头设置加剧了电压调节问题，但同时需要在非发电时间支持电压。因此，对于未来的DER网络，使用固定式配电变压器分接开关不再是可行的工程解决方案。
另一种选择是使用具有有载分接开关的配电变压器。这种解决方案已被提出，但发现并不经济。电功率调节装置VAR管理系统是目前技术最经济实用的解决方案。如果将现有的单向网络转换为电功率调节装置的双向网络，理想的配电变压器分接头设置将是零线分接头。尽管本白皮书中没有说明，但现有的单向网络配电变压器分接头设置可以通过改变电功率调节装置VAR的大小来适应。
新的双向电网设计方法不需要配备具有分接开关设备的配电变压器。
上述内容说明了如何将传统的单向配电网转换为双向配电网，以便在所有连接的客户之间共享分布式能源(DER)发电。它概述了电功率调节装置技术，使DER的承载能力增加到与现有电网设备的热额定值相等。有几个技术问题限制了在LV配电网上安装DER。它们是：
·电压调节
·电压波动
·谐波生成
电压调节
电压调节可能是限制DER承载能力的最大问题。网络容量通常受到电压调节问题的限制，而不是热容量限制。在专为单向功率流设计的网络中，DER发电将增加连接点处的网络电压，并最终增加稳态电压，使其超过法定电压上限。DNSP对电压调节的典型响应是限制从DER向网络的输出，或要求对配电网进行昂贵的设备升级。对DER输出的限制限制了可再生能源市场的发展，并且限制了碳排放的减少。
电压波动
可再生能源的间歇性会导致网络上的电压波动，并影响LV馈线上的所有客户。当云层覆盖在太阳能装置上时，输出从云层造成任何遮挡之前的高水平转换到太阳能电池完全处于被遮挡时的低电平或接近零电平，并且然后在云层穿过后返回高水平。太阳能输出的这些变化对电网电压有直接影响，导致在遮挡期间电压下降。如果足够严重，这可能会导致照明水平的变化，并可能会对家庭、仓库和办公室的人员造成刺激。
谐波
几乎所有的DER发电机都使用功率电子逆变器，如果设计不当，它会生成谐波。虽然电压波动和谐波是电压调节问题的次要问题，但在DER成为主流技术之前，它们是需要解决的技术问题。
在过去80年中，所有配电网都被设计为单向网络，其一端有发电，另一端有负载。区域变电站和输电变电站中的变压器分接开关已被用于将网络电压维持在法定限制范围内。随着DER的安装，发电现在发生在电网的两端，这与传统的单向电网不兼容。未来的配电网必须是一种“真正的”双向电网，以适应DER发电。
本白皮书展示了电力调节技术如何在所有发电和负载条件下将传统的单向电网转变为真正的双向电网。DER发电可通过配电变压器和沿11kV馈线的输出返回以向其他11kV馈线供电，或通过分区配电变压器返回，并进入次级传输网络。电力调节技术使用VAR管理来调节11kV和LV网络上的电压，以将承载容量增加到100％供其他客户输出和100％供本地客户使用(200％)。电力调节系统可以从一个位置调节LV或11kV馈线/电路上所有发电和负载条件下的电压。
电力调节系统还可以减少电压波动和谐波，这解决增加配电网上的DER承载容量的所有问题。
贯穿本说明书和随后的权利要求，除非上下文另有要求，否则词语“包括”和诸如“包括了”或“包含”的变体将被理解为暗示包含所陈述的整数或整数群组或步骤，但不排除任何其他整数或整数群组。如本文所使用且除非另有说明，否则术语“大约”意指±20％。
必须注意，如在说明书和所附权利要求中使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指示物，除非上下文另有明确规定。
因此，例如，提及“支架”包括多个支架。在本说明书和随后的权利要求中，将提及许多术语，这些术语应被定义为具有以下含义，除非明显有相反的意图。
当然将认识到，虽然以上是借由本发明的说明性示例给出的，但对本领域技术人员而言显而易见的所有此类和其他修改和变化均被视为落入如在本文阐述的本发明的广泛范围和界限内。

Claims (106)

1.一种用于调节输电网络中的电功率的装置，所述装置包括：
a)DC接触器，其具有被配置成连接到DC设备的DC端子；
b)传输网络连接器，其被配置为连接到输电网络，并且包括：
i)至少一个火线端子，其被配置为连接到所述输电网络的至少一个火线连接；以及
ii)零线端子，其被配置为连接到所述输电网络的零线或地线中的至少一个；
c)连接到所述DC接触器的多个开关；以及
d)与所述开关耦合的一个或多个电子控制设备，并被配置成控制所述开关选择性地连接所述DC端子与至少一个火线端子和零线端子，从而独立地调节至少一个火线连接和零线连接中的每一个上的电功率，所述一个或多个电子控制设备被配置为：
i)接收所述至少一个火线连接的电压读数；
ii)计算所述至少一个火线连接的电压读数的平均值；
iii)如果所述平均值大于预定的上限值，则控制所述开关将所述至少一个火线连接选择性地连接到所述DC设备并且从而降低所述至少一个火线连接上的电压；以及
iv)如果所述平均值小于预定的下限值，则控制所述开关将所述至少一个火线连接选择性地连接到所述DC设备并且从而增加所述火线连接上供应的电压。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述一个或多个电子控制设备被配置为通过以下至少一项增加所述电压：
a)提供无功功率；
b)增加无功功率；
c)吸收实际功率；以及
d)降低实际功率。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述一个或多个电子控制设备被配置为通过以下至少一项降低所述电压：
a)提供实际功率；
b)增加实际功率；
c)吸收无功功率；以及
d)降低无功功率。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述一个或多个电子控制设备被配置为接收以下至少一项的所述电压读数：
a)至少每微秒；
b)至少每秒；以及
c)在每微秒和每秒之间。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其中，所述一个或多个电子控制设备被配置为计算以下至少一项的移动平均值：
a)在10分钟的窗口内；以及
b)在微秒的窗口内，其中随后的稳定性求平均至少每10分钟发生。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其中，所述输电网络是多相传输网络，并且所述一个或多个电子控制设备被配置为相互独立地改变多个火线连接的电压。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中，所述装置被配置为在最佳位置处连接在电路上。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其中，从电网连接到所述最佳位置的累积电压差为沿所述电路的总累积电压差的约40％至60％。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其中，从电网连接到所述最佳位置的累积电压差为沿所述电路的总累积电压差的约50％。
10.根据权利要求8或9所述的装置，其中，所述总累积电压差是以下至少一项的平均值：
a)最大馈入时的总累积电压差；
b)最小负载下的总累积电压差；以及
c)最大负载下的总累积电压差。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的装置，其中，所述一个或多个电子控制设备被配置为控制所述开关在电流模式或电压模式下操作。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的装置，其中，所述一个或多个电子控制设备被配置为控制所述开关在电流模式和电压模式下操作之间改变。
13.根据权利要求11或12所述的装置，其中，当处于所述电流模式时，所述一个或多个电子控制设备被配置为控制所述开关，使得所述至少一个火线端子或所述DC端子中的每个具有预定的电流波形。
14.根据权利要求11或12所述的装置，其中，当处于所述电压模式时，所述一个或多个电子控制设备被配置为控制所述开关，使得所述至少一个火线端子或所述DC端子中的每个具有预定的电压波形。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的装置，其中，所述装置还包括用于抑制所述至少一个连接上的噪声的一个或多个滤波器。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的装置，其中，所述装置还包括连接在所述一个或多个滤波器和所述DC接触器之间用于抑制噪声的缓冲电路。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的装置，其中，所述零线连接与地线解耦。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的装置，其中，所述开关包括多个碳化硅MOSFET开关。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的装置，其中，所述开关包括多个对称的半桥拓扑臂，其连接到所述至少一个火线连接和所述零线连接。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的装置，其中，所述一个或多个滤波器包括以下至少一个：
a)电磁干扰(EMI)扼流圈；
b)差模扼流圈，其连接到所述至少一个火线连接和所述零线连接以滤波噪声；以及
c)共模扼流圈，其与所述开关连接以抑制干扰。
21.根据权利要求1至20中任一项所述的装置，其中，所述开关具有多个电容器，所述多个电容器被配置为以下至少一项：
a)平滑DC功率的波动；以及
b)存储足够的能量，以完成具有全相位偏移范围的每个切换周期。
22.根据权利要求1至21中任一项所述的装置，其中，所述多个电容器被连接到故障安全机构，以在发生故障时使所述电容器放电。
23.根据权利要求21或22所述的装置，其中，所述电容器通过交错结构与多层印刷电路板(PCB)连接。
24.根据权利要求23所述的装置，其中，所述交错结构包括一个或多个通孔，其将所述电容器之一的正极触点连接到PCB的一个或多个正极层，并且将所述电容器之一的负极触点连接到所述PCB的一个或多个负极层。
25.根据权利要求23至24中任一项所述的装置，其中，所述多层PCB定义了交替极性层以抵消生成的磁场。
26.根据权利要求23至25中任一项所述的装置，其中，所述多层PCB包括八个导电层。
27.根据权利要求23至26中任一项所述的装置，其中，所述多层PCB具有至少两个外部导电负极层。
28.根据权利要求22至27中任一项所述的装置，其中，所述故障安全机构包括以下至少一种：
a)硬件故障安全机构，其被配置为在发生故障时断开所述DC接触器或所述传输网络连接器；以及
b)软件故障安全机构，在发生故障时，被配置为以下至少一项：
i)将所述电容器与地线快速连接和断开；以及
ii)关闭所述DC接触器或所述传输网络连接器。
29.根据权利要求1至28中任一项所述的装置，其中，所述一个或多个电子控制设备包括主控制器和从控制器。
30.根据权利要求1至29中任一项所述的装置，其中，所述DC设备包括以下至少一个：
a)电池；
b)太阳能发电机；
c)流体动力发电机；以及
d)风力发电机。
31.根据权利要求1至30中任一项所述的装置，其中，所述传输网络连接器包括以下至少一个：
a)AC接触器；
b)AC继电器；以及
c)用于所述至少一个火线端子中的每个的AC断路器。
32.根据权利要求1至31中任一项所述的装置，其中，所述装置还包括负载连接器，所述负载连接器被配置成连接到负载并且包括：
i)至少一个负载端子，其被配置为连接到所述负载；以及
ii)负载零线端子，其被配置为连接到所述负载的零线或地线中的至少一个。
33.根据权利要求1至32中任一项所述的装置，其中，所述负载连接器包括用于所述至少一个负载端子中的每个的DC断路器。
34.根据权利要求1至33中任一项所述的装置，其中，所述装置还包括通信接口，所述通信接口连接到所述一个或多个电子控制设备以与外部设备进行通信。
35.一种在输电网络中调节电功率的方法，所述方法包括使用电功率调节装置，所述电功率调节装置包括：
a)DC接触器，其具有被配置成连接到DC设备的DC端子；
b)传输网络连接器，其被配置为连接到输电网络，并且包括：
i)至少一个火线端子，其被配置为连接到所述输电网络的至少一个火线连接；以及
ii)零线端子，其被配置为连接到所述输电网络的零线或地线中的至少一个；
c)连接到所述DC接触器的多个开关；
d)与所述开关耦合的一个或多个电子控制设备，并被配置成控制所述开关选择性地连接所述DC端子与至少一个火线端子和零线端子，从而独立地调节所述至少一个火线连接和所述零线连接中的每个上的电功率，所述方法包括，在所述一个或多个电子控制设备中：
i)接收所述至少一个火线连接的电压读数；
ii)计算所述至少一个火线连接的电压读数的平均值；
iii)如果所述平均值大于预定的上限值，则控制所述开关将所述至少一个火线连接选择性地连接到所述DC设备并且从而降低所述至少一个火线连接上的电压；以及
iv)如果所述平均值小于预定的下限值，则控制所述开关将所述至少一个火线连接选择性地连接到所述DC设备并且从而增加所述火线连接上供应的电压。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，增加所述电压的方法包括以下至少一项：
a)提供无功功率；
b)增加无功功率；
c)吸收实际功率；以及
d)降低实际功率。
37.根据权利要求35或36所述的方法，其中，降低所述电压的方法包括以下至少一项：
a)提供实际功率；
b)增加实际功率；
c)吸收无功功率；以及
d)降低无功功率。
38.根据权利要求35至37中任一项所述的方法，其中，接收所述电压读数的方法包括接收以下至少一项的所述电压读数：
a)至少每微秒；
b)至少每秒；以及
c)在每微秒和每秒之间。
39.根据权利要求35至38中任一项所述的方法，其中，计算所述平均值的方法包括，在所述一个或多个电子控制设备中，计算以下至少一项的移动平均值：
a)在10分钟的窗口内；以及
b)在微秒的窗口内，其中随后的稳定性求平均至少每10分钟发生。
40.根据权利要求35至39中任一项所述的方法，其中，所述输电网络是多相传输网络，并且所述方法包括彼此相互独立地改变多个火线连接的电压。
41.根据权利要求35至40中任一项所述的方法，其中，所述方法包括，在所述一个或多个电子控制设备中，控制所述开关以电流模式或电压模式操作。
42.根据权利要求35至41中任一项所述的方法，其中，所述方法包括：在所述一个或多个电子控制设备中，控制所述开关在电流模式和电压模式下操作之间改变。
43.根据权利要求41或42所述的方法，其中，当处于所述电流模式时，所述方法包括：在所述一个或多个电子控制设备中，控制所述开关，使得所述至少一个火线端子或所述DC端子中的每一个具有预定的电流波形。
44.根据权利要求41或42所述的方法，其中，当处于所述电压模式时，所述方法包括：在所述一个或多个电子控制设备中，控制所述开关，使得所述至少一个火线端子或所述DC端子中的每一个具有预定的电压波形。
45.一种用于为连接在电路上的电功率调节装置确定最佳位置的方法，所述方法包括：
a)确定沿所述电路的总累积电压差；以及
b)基于所述总累积电压差来计算所述最佳位置。
46.根据权利要求45所述的方法，其中，计算所述最佳位置包括：将从电网连接到所述最佳位置的累积电压差计算为所述总累积电压差的约40％至60％。
47.根据权利要求45所述的方法，其中，计算所述最佳位置包括：将从电网连接到所述最佳位置的累积电压差计算为所述总累积电压差的约50％。
48.根据权利要求45至47中任一项所述的方法，其中，所述总累积电压差是以下至少一项的平均值：
a)最大馈入时的总累积电压差；
b)最小负载下的总累积电压差；以及
c)最大负载下的总累积电压差。
49.一种双向配电网络，包括：
a)连接到高压变压器的配电总线；
b)连接到所述配电总线的多个中压馈电线；
c)连接到每个馈线的多个低压配电线路，其中所述低压配电线路连接至以下至少一个：
i)一个或多个负载；以及
ii)一个或多个电源；以及
d)至少一个中压电功率调节装置，其连接到多个馈线中的至少一个，其中所述中压电功率调节装置包括：
i)DC接触器，其具有被配置成连接到DC设备的DC端子；
ii)传输网络连接器，其被配置为连接到所述中压馈电线，并且包括：
(1)至少一个火线端子，其被配置为连接到所述中压馈电线的至少一个火线连接；以及
(2)零线端子，其被配置为连接到所述中压馈电线的零线或地线中的至少一个；
iii)连接到所述DC接触器的多个开关；以及
iv)与所述开关耦合的一个或多个电子控制设备，并被配置为控制所述开关选择性地连接所述DC端子与至少一个火线端子和零线端子，从而独立地调节所述中压馈电线的所述至少一个火线连接和所述零线连接上的电功率，从而在不同的负载和电源条件下维持所述配电总线中的电压。
50.根据权利要求49所述的双向配电网络，其中，所述一个或多个电子控制设备被配置为：
(1)接收所述至少一个火线连接的电压读数；
(2)计算所述至少一个火线连接的电压读数的平均值；
(3)如果所述平均值大于预定的上限值，则控制所述开关将所述至少一个火线连接选择性地连接到所述DC设备并且从而降低所述至少一个火线连接上的电压；以及
(4)如果所述平均值小于预定的下限值，则控制所述开关将所述至少一个火线连接选择性地连接到所述DC设备并且从而增加所述火线连接上供应的电压。
51.根据权利要求49所述的双向配电网络，其中，所述配电总线和所述中压馈电线上的电压为以下至少一个：
a)约5kV；
b)约7.2kV；
c)约10kV；
d)约11kV；
e)约12.47kV；
f)约15kV；
g)约20kV；
h)约22kV；
i)约25kV；
j)约33kV；
k)约34.5kV；以及
l)约35kV。
52.根据权利要求49至51中任一项所述的双向配电网络，其中，所述低压配电线路上的电压为以下至少一个：
a)约220V至240V；
b)约100V至120V；
c)约400V；以及
d)约240V。
53.根据权利要求49至52中任一项所述的双向配电网络，其中，所述低压配电线路连接到低压电功率调节装置。
54.根据权利要求49至53中任一项所述的双向配电网络，其中，所述预定上限值比标称值高5％。
55.根据权利要求49至54中任一项所述的双向配电网络，其中，所述预定下限值比标称值低5％。
56.根据权利要求49至55中任一项所述的双向配电网络，其中，所述一个或多个电子控制设备被配置为通过以下至少一项来增加所述电压：
a)提供无功功率；
b)增加无功功率；
c)吸收实际功率；以及
d)降低实际功率。
57.根据权利要求49至56中任一项所述的双向配电网络，其中，所述一个或多个电子控制设备被配置为通过以下至少一项来降低所述电压：
a)提供实际功率；
b)增加实际功率；
c)吸收无功功率；以及
d)降低无功功率。
58.根据权利要求49至57中任一项所述的双向配电网络，其中，所述一个或多个电子控制设备被配置为接收以下至少一项的所述电压读数：
a)至少每微秒；
b)每15-25毫秒；
c)每35-65毫秒；
d)每100-200毫秒；
e)每500-700毫秒；
f)至少每秒；
g)在每微秒和每秒之间；以及
h)每2-5秒。
59.根据权利要求49至58中任一项所述的双向配电网络，其中，所述一个或多个电子控制设备被配置为计算以下至少一项的移动平均值：
a)在2分钟的窗口内；
b)在6分钟的窗口内；
c)在10分钟的窗口内；
d)在15分钟的窗口内；
e)在20分钟的窗口内；以及
f)在微秒的窗口内，其中随后的稳定性求平均至少每10分钟发生。
60.根据权利要求49至59中任一项所述的双向配电网络，其中，所述中压馈电线是多相传输网络，并且所述一个或多个电子控制设备被配置为相互独立地改变多个火线连接的电压。
61.根据权利要求49至60中任一项所述的双向配电网络，其中，所述中压电功率调节装置被配置为在最佳位置处连接到所述中压馈电线。
62.根据权利要求49至61中任一项所述的双向配电网络，其中，从高压连接到所述最佳位置的累积电压差为沿所述中压馈电线的总累积电压差的约40％至60％。
63.根据权利要求49至62中任一项所述的双向配电网络，其中，从高压连接到所述最佳位置的累积电压差为沿所述中压馈电线的总累积电压差的约50％。
64.根据权利要求62或63所述的双向配电网络，其中，所述总累积电压差是以下至少一项的平均值：
a)最大馈入时的总累积电压差；
b)最小馈入时的总累积电压差；
c)最小负载下的总累积电压差；
d)最大负载下的总累积电压差；
e)最大馈入和最小负载下的总累积电压差；以及
f)最小馈入和最大负载下的总累积电压差。
65.根据权利要求49至64中任一项所述的双向配电网络，其中，所述一个或多个电子控制设备被配置为控制所述开关在电流模式或电压模式下操作。
66.根据权利要求49至65中任一项所述的双向配电网络，其中，所述一个或多个电子控制设备被配置为控制所述开关在电流模式和电压模式下操作之间改变。
67.根据权利要求65或66所述的双向配电网络，其中，当处于所述电流模式时，所述一个或多个电子控制设备被配置为控制所述开关，使得所述至少一个火线端子或所述DC端子中的每一个具有预定的电流波形。
68.根据权利要求65或66所述的双向配电网络，其中，当处于所述电压模式时，所述一个或多个电子控制设备被配置为控制所述开关，使得所述至少一个火线端子或所述DC端子中的每一个具有预定的电压波形。
69.根据权利要求49至68中任一项所述的双向配电网络，其中，所述中压电功率调节装置还包括用于抑制至少一个连接上的噪声的一个或多个滤波器。
70.根据权利要求49至69中任一项所述的双向配电网络，其中，所述中压电功率调节装置还包括连接在所述一个或多个滤波器和所述DC接触器之间用于抑制噪声的缓冲电路。
71.根据权利要求49至70中任一项所述的双向配电网络，其中，所述零线连接与地线解耦。
72.根据权利要求49至71中任一项所述的双向配电网络，其中，所述开关包括多个碳化硅MOSFET开关。
73.根据权利要求49至72中任一项所述的双向配电网络，其中，所述开关包括多个对称的半桥拓扑臂，其连接到所述至少一个火线连接和所述零线连接。
74.根据权利要求49至73中任一项所述的双向配电网络，其中，所述一个或多个滤波器包括以下至少一个：
a)电磁干扰(EMI)扼流圈；
b)差模扼流圈，其连接到所述至少一个火线连接和所述零线连接以滤波噪声；以及
c)共模扼流圈，其与所述开关连接以抑制干扰。
75.根据权利要求49至74中任一项所述的双向配电网络，其中，所述开关具有多个电容器，所述多个电容器被配置为平滑DC功率的波动。
76.根据权利要求49至75中任一项所述的双向配电网络，其中，所述多个电容器被连接到故障安全机构，以在发生故障时使所述电容器放电。
77.根据权利要求75或76所述的双向配电网络，其中，所述电容器通过交错结构与多层印刷电路板(PCB)连接。
78.根据权利要求77所述的双向配电网络，其中，所述交错结构包括一个或多个通孔，其将所述电容器之一的正极触点连接到PCB的一个或多个正极层，并且将所述电容器之一的负极触点连接到所述PCB的一个或多个负极层。
79.根据权利要求77至78中任一项所述的双向配电网络，其中，所述多层PCB定义了交替极性层以抵消生成的磁场。
80.根据权利要求77至79中任一项所述的双向配电网络，其中，所述多层PCB包括八个导电层。
81.根据权利要求77至80中任一项所述的双向配电网络，其中，所述多层PCB具有至少两个外部导电负极层。
82.根据权利要求76至81中任一项所述的双向配电网络，其中，所述故障安全机构包括以下至少一项：
a)硬件故障安全机构，其被配置为在发生故障时断开所述DC接触器或所述传输网络连接器；以及
b)软件故障安全机构，在发生故障时，被配置为至少一种：
i)将所述电容器与地线快速连接和断开；以及
ii)关闭所述DC接触器或所述传输网络连接器。
83.根据权利要求49至82中任一项所述的双向配电网络，其中，所述一个或多个电子控制设备包括主控制器和从控制器。
84.根据权利要求49至83中任一项所述的双向配电网络，其中，所述DC设备包括以下至少一个：
a)电池；
b)太阳能发电机；
c)流体动力发电机；以及
d)风力发电机。
85.根据权利要求49至84中任一项所述的双向配电网络，其中，所述传输网络连接器包括以下至少一个：
a)AC接触器；
b)AC继电器；以及
c)用于所述至少一个火线端子中的每个的AC断路器。
86.根据权利要求49至85中任一项所述的双向配电网络，其中，所述中压电功率调节装置还包括负载连接器，其被配置成连接到负载，并且包括：
a)至少一个负载端子，其被配置为连接到所述负载；以及
b)负载零线端子，其被配置为连接到所述负载的零线或地线中的至少一个。
87.根据权利要求49至86中任一项所述的双向配电网络，其中，所述负载连接器包括用于所述至少一个负载端子中的每个的DC断路器。
88.根据权利要求49至87中任一项所述的双向配电网络，其中，所述中压电功率调节装置还包括通信接口，所述通信接口连接到所述一个或多个电子控制设备以与外部设备进行通信。
89.一种提供双向配电网络的方法，所述方法包括将电功率调节装置连接到与配电总线相连接的中压馈电线，所述电功率调节装置包括：
i)DC接触器，其具有被配置成连接到DC设备的DC端子；
ii)传输网络连接器，其被配置为连接到所述中压馈电线，并且包括：
(1)至少一个火线端子，其被配置为连接到所述中压馈电线的至少一个火线连接；以及
(2)零线端子，其被配置为连接到所述中压馈电线的零线或地线中的至少一个；
iii)连接到所述DC接触器的多个开关；以及
iv)与所述开关耦合的一个或多个电子控制设备，并被配置为控制所述开关选择性地连接所述DC端子与所述至少一个火线端子和所述零线端子，从而独立地调节所述中压馈电线的所述至少一个火线连接和所述零线连接上的电功率，从而在不同的负载和电源条件下维持所述配电总线中的电压。
90.根据权利要求89所述的方法，其中，所述一个或多个电子控制设备被配置为：
(1)接收所述至少一个火线连接的电压读数；
(2)计算所述至少一个火线连接的电压读数的平均值；
(3)如果所述平均值大于预定的上限值，则控制所述开关将所述至少一个火线连接选择性地连接到所述DC设备并且从而降低所述至少一个火线连接上的电压；以及
(4)如果所述平均值小于预定的下限值，则控制所述开关将所述至少一个火线连接选择性地连接到所述DC设备并且从而增加所述火线连接上供应的电压。
91.根据权利要求89或90所述的方法，其中，所述配电总线和所述中压馈电线上的电压为以下至少一个：
a)约5kV；
b)约7.2kV；
c)约10kV；
d)约11kV；
e)约12.47kV；
f)约15kV；
g)约20kV；
h)约22kV；
i)约25kV；
j)约33kV；
k)约34.5kV；以及
l)约35kV。
92.根据权利要求89至91中任一项所述的方法，其中，所述预定上限值比标称值高5％。
93.根据权利要求89至92中任一项所述的方法，其中，所述预定下限值比标称值低5％。
94.根据权利要求89至93中任一项所述的方法，其中，增加所述电压的方法包括以下至少一种：
a)提供无功功率；
b)增加无功功率；
c)吸收实际功率；以及
d)降低实际功率。
95.根据权利要求89至94中任一项所述的方法，其中，降低所述电压的方法包括以下至少一种：
a)提供实际功率；
b)增加实际功率；
c)吸收无功功率；以及
d)降低无功功率。
96.根据权利要求89至95中任一项所述的方法，其中，所述一个或多个电子控制设备被配置为接收以下至少一项的所述电压读数：
a)至少每微秒；
b)每15-25毫秒；
c)每35-65毫秒；
d)每100-200毫秒；
e)每500-700毫秒；
f)至少每秒；
g)在每微秒和每秒之间；以及
h)每2-5秒。
97.根据权利要求89至96中任一项所述的方法，其中，计算所述平均值的方法包括，在所述一个或多个电子控制设备中，被配置为计算以下至少一种移动平均值：
a)在2分钟的窗口内；
b)在6分钟的窗口内；
c)在10分钟的窗口内；
d)在15分钟的窗口内；
e)在20分钟的窗口内；以及
f)在微秒的窗口内，其中随后的稳定性求平均至少每10分钟发生。
98.根据权利要求89至97中任一项所述的方法，其中，所述输电网络是多相传输网络，并且所述方法包括相互独立地改变多个火线连接的电压。
99.根据权利要求89至98中任一项所述的方法，其中，所述中压电功率调节装置被配置为在最佳位置处连接到所述中压馈电线。
100.根据权利要求89至99中任一项所述的方法，其中，从高压连接到最佳位置的累积电压差为沿所述中压馈电线的总累积电压差的约40％至60％。
101.根据权利要求89至100中任一项所述的方法，其中，从高压连接到最佳位置的累积电压差为沿所述中压馈电线的总累积电压差的约50％。
102.根据权利要求100或101所述的方法，其中，所述总累积电压差是所述总累积差分电压是以下至少一项的平均值：
a)最大馈入时的总累积电压差；
b)最小馈入时的总累积电压差；
c)最小负载下的总累积电压差；
d)最大负载下的总累积电压差；
e)最大馈入和最小负载下的总累积电压差；以及
f)最小馈入和最大负载下的总累积电压差。
103.根据权利要求89至102中任一项所述的方法，其中，所述方法包括：在所述一个或多个电子控制设备中，控制所述开关在电流模式或电压模式下操作。
104.根据权利要求89至103中任一项所述的方法，其中，所述方法包括：在所述一个或多个电子控制设备中，控制所述开关在电流模式和电压模式下操作之间改变。
105.根据权利要求103或104所述的方法，其中，当处于所述电流模式时，所述方法包括：在所述一个或多个电子控制设备中，控制所述开关使得所述至少一个火线端子或所述DC端子中的每个具有预定的电流波形。
106.根据权利要求103或104所述的方法，其中，当处于所述电压模式时，所述方法包括，在所述一个或多个电子控制设备中，控制所述开关使得所述至少一个火线端子或所述DC端子中的每个具有预定的电压波形。
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