TW201633658A - 電力傳送網路 - Google Patents

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Abstract

電力傳輸網路的改進管理達成係藉由在每個用戶住所處提供負載控制裝置，其包括功率改正系統以施加電容性負載及/或開關電抗器作為電壓改正於輸入電壓處以及由一對計量器構成之感測系統，一個在供電入口處以及第二個在電壓校正的下游處以偵測功率因素之變化。操作控制系統以控制功率改正系統以回應由感測系統所偵測之變化以及在負載控制裝置與網路控制系統之間交換資訊以提供雙向互動式系統。

Description

電力傳送網路
本發明係關於基座組件，其具有由板延伸出之豎板軸。更具體地說，本發明係關於調整豎板軸以改變板位置之特性。具體而言，本發明係關於對準組件位於豎板軸及驅動軸之間以使用於改變反應器處理槽室內基座組件之板的相對位置，使得更精確的對準以及在反應器內部壁板及板之間能夠達成更均勻的間距。
今天所面對的電力系統最具挑戰性的問題為：功率因數控制，變壓器負載失衡，非線性負載，增加變壓器的不平衡以及注入破壞性諧波電流進入系統。所有這些問題削弱電力系統的效率和穩定性，在一些情況下40%以上的功率是在送至客戶途中丟失。
電力系統補償目前係從上往下進行，高電壓和高功率改正設備是安裝在配電變電站。其可以包括靜態的或開關電容器組及/或功率因數和電壓改正之開關電抗器，通用電源流量控制器以平衡負載以及控制母線電壓。這些設備可以解決一些挑戰，但是費用也顯著增加以及解決方案不是最佳的。他們在工程上需要大量的投資，專用設備，安裝設備基礎設施，其具有低容錯能力以及需要維護。
本發明提供一種負載控制裝置以使用於電力傳輸網絡，其包含多個用戶住所以接收電力，每一住所包括多個使用者裝置於電源供應線路中，其至少一些在操作時會造成功率因數變化以及供應每一用戶住所之電力傳輸線路由傳輸線路至電力供應入口具有電壓降，負載控制裝置被配置成作為連接至各別電源入口以在電力供應電路上控制從電源入口至用戶裝置供給之電力，負載控制裝置包括：感測系統，用於偵測用戶裝置所引起的功率因數變化；功率改正系統，用於施加電容負載到供應用戶住所之電力；以及控制系統，用於控制功率改正系統以回應偵測到的變化。
優先地感測系統包括計量器，其產生有關於電壓，電流和實際功率的標準真實RMS值之數據。這些數值能夠由控制系統使用以計算功率因數而產生所需要之電容負載數值以改善功率因數。
功率因數可以在可能的情況下加以改善至最大單位功率因數，使得僅真實的功率流動在系統中。然而，在一些情況下，有必要施加一個負載，其提供改善而不會達到理論上的最佳情況。無論是系統處於最大補償或該系統被配置成改善變壓器不平衡。
變壓器不平衡通常是三相系統的各相不對稱負載的結果。藉由補償每相電容負載能夠獨立地改善變壓器不平衡。雖然對功率因數和負載不平衡並非最佳解決方案將導致只使用電容補償，整體操作效率為可利用資源的最佳解決方案。本發明最簡單的形式為只對一相作無源的電容補償。負載不平衡更進一步控制可以通過添加無功的補償組件以及多相實施控制，其中電流的不平衡可在控制範圍內再加以導引以平衡相電流。這些改善代 價為複雜性以及成本價格。加入分散式式太陽能/風力發電可以藉由對重負載相提供功率而有助於解決不平衡的問題。
在一些情況下，該系統可被用來改正在電源的波形以去除由於噪訊引起的失真，提高供電品質。這種噪訊可能來自於許多不同使用者裝置，其並不提供使用線性功率。在為了改正噪訊以及因而更好地平衡電源的波形，感測系統產生與電源波形之FFT頻譜相關的數據。控制系統然後使用來自FFT分析的數據以提供改正訊號，其速率顯著大於電源波形的頻率。即感測系統可以來自該分析以產生有關總諧波失真(THD)的數據。
參考電流波形為電壓波之相位以及是正弦的。誤差信號增大為負載電流的FFT頻譜所致。基波電流頻率分量被除去，因為並不需要補償。所有其它頻率分量降低電力品質以及構成誤差信號。參考信號減去誤差信號對有源功率因數控制(APFC)提供改正脈衝。APF將輸入電流成形為正弦波，其去除電力噪訊以及改善電力品質。
APFC產生DC電流對本地電容器充電到高電壓。該能量可以被重新回到使用功率變流器之系統，放電，或者可以是局部太陽能/風能發電系統之另一種能量來源。應該提到這個系統對處所內的電力品質並不產生作用。由系統側來看電力品質得到改善以及限制影響附近處所噪訊。本發明可用於降低住所內產生問題負載之噪訊，例如工業設置中變速之驅動器。其中安裝控制以監視和補償特定負載或負載群組。
優先地感測系統包括：產生數據第一計量器於下引配線處以及產生數據第二計量器於電力改正系統的下游。兩個計量器提供來自電源所得到相同參數，使得數據可以作比較。例如，能夠使用控制系統對第二計量 器之輸出數據與第一計量器之輸出數據並作比較以決定藉由電力改正系統得到功率因數之改善。該比較提供自行計算功能，其中能夠監測功率因數持續改善值。假如需要情況下，能夠使用該數值於對客戶改善計算折扣以及能夠使用來監測特定傳送線路上一組用戶住所以及用戶住所在處所以及如何作了改善，其能夠以宏觀層面在相關變壓器比較所檢測之改善。即負載控制裝置被配置成使用相關於改善之通信系統數據與網絡控制系統連通。除此，負載控制裝置可以配置成將實際電力有關的數據與網絡控制系統連通。此將提供數據至系統的操作網絡管理系統以及用戶住所，其允許更好地控制供應端網絡。
通常，電力改正系統包括：靜態或開關電容器系列。這些系列在需要時藉由控制系統能夠切入以及切斷以提供電容負載值以管理功率因素。例如能夠採用二元系統，每兩次先前數值一次為使用電容器之數目n以提供高達2^n不同的數值作為電容負載管理。精確功率因素控制能夠利用電容器系列並聯開關電抗器達成。調整電抗器之引發角，電流無限大之解析度可達成由最大電流額定值至零。此能夠促使系統非常精確地追蹤功率因素。
除了控制電容器負載，在一些情況下亦有可能在電力改正系統中提供有源功率因數控制(APFC)。此為已知的配置，其能夠在高頻率切換以濾除噪訊以及諧波失真，其藉由FFT分析偵測到。切換能夠在高數值多次每循環下操作，切換連接電路以及斷開電路，改變輸入電流之電感吸進方式使得來自使用者裝置噪訊產生之影響變為緩和。因而操作切換以回應電力波形FFT分析產生之錯誤信號。該系統吸進能量，其能夠藉由電阻洩放，為當地的太陽能或風力發電之電力來源，或當地的變流器來源。理想地，其應該連接當 地的太陽/風力發電，因為這些系統已具有節省安裝費用之整合電力變流器。假如損耗很小以及並不會構成電力變流器額外的費用，經由洩放電阻消耗該能量為較方便的。
此外，負載控制裝置能夠包含契約用戶特定裝置由電力供應線路去除負載之系統。其通常藉由切換到電路一個或多個下引配線以去除高負載項目例如為加熱以及冷卻系統。
控制系統也可以是可程式化以對感測系統所偵測到的變化作反應。即控制系統能夠使用可調適智慧以改變輸出，其控制電力改正系統以回應不同情況所偵測到的變化。該輸出的變化可使用白天時間或輸入電壓或功率因素作為可程式化之參數。操作系統以保持功率因素或電壓在一個特定點或數個參數之加權組合以符合所顯示情況。
除此，控制系統能夠藉由網路控制系統之通訊系統所接收的資料加以程式化。此網路控制系統可與負載控制裝置指令之各別控制系統相互連通，其決定於網路狀態如同網路頭端處所偵測的情況。該指令可控制多個組件特別是電力改正系統，其方式不同於不存在來自網路控制系統所使用情況。因而電壓以及去除負載能夠由中央系統之網路指令加以控制。在該情況下，能夠建立互動式通訊系統，其他通訊系統雙向地操作以供應資訊至網路控制系統以及接收來自網路之指令，其由於該資訊或由網路傳統式得到之資訊所致。
通常情況下，並不建立通信協議以要求即時複雜指令以高速通信送達至眾多用戶住所，而是系統通常會隨著時間適應產生程式化，其將改變以回應所偵測到數據。因此，中央網絡控制可隨時間變化傳送程式至負載 控制裝置，其可依據本地所偵測到數據即時地實施。不過能夠使用高速通訊技術以即時地管理系統。能夠建立通訊系統以提供週期性地同步脈衝至現場之控制。此能夠是促使系統採用全域快速掌控整個系統之量測，促使較佳地追蹤電力以及達成系統穩定性。
如人們所熟知，在傳輸線路上電壓會隨著離源頭距離而改變以及人們亦熟知電壓能夠藉由電抗性負載特別是沿著傳輸線路在不同位置處對線路施加電容負載加以管理。使用該技術，能夠操作全部或部份用戶住所之控制系統以改變在各別下引配線處之電壓以回應網路控制系統通訊所提供之數據。在該情況下網路之不穩定性能夠由來自本地負載控制裝置之數據早期地偵測到以及能夠藉由操作本地負載控制裝置以採取改善穩定問題之步驟而較佳地管理。例如沿著傳輸線路電壓分佈能夠以該方式管理。網路控制系統能夠配置各別用戶住所控制系統以回應系統事件而保持穩定性。十分類似巡弋控制設定電壓以及開或關負載以保持電壓固定。該方法對沿著傳輸線路電壓具有整平電壓修勻之最終效果，使得整個線路之電壓降減小。
電力系統開始使用可變的變壓器以在尖峰用電期間管理系統整體電力使用。藉由降低系統電壓，負載取用較小的電流，其係指傳送較少全部電力而採用最可利用的來源。可變化的變壓器效率藉由配置能力而提高將配電線路之整體取用減為最低，因而允許較大的電壓降，同時仍然在每一用戶住所內維持額定電壓誤差。
在此亦能夠使用網路以控制供電系統，例如太陽能儲存於用戶住所處電池組中以將電力加入至用戶住所供電。即控制系統能夠配置成控制 電容器組，任何負載去除以及任何由供電系統增加電力以回應所感測到變化。能夠使用局部變化以及由網路控制系統連通的數據以控制這些組件以較佳方式管理網路。
依據本發明第二項，其提供負載控制裝置以使用於電力傳輸網路之各別用戶住所，其包含一組多個接收電力之用戶住所，每一用戶住所包含一組多個使用者裝置於電力供應電路上，至少一些電力用戶住所在操作時導致功率因素變化；供應電力之傳輸線路；以及網路控制系統以控制傳輸線路上電力供應，其中每一用戶住所具有由一條傳輸線路之下引配線至電力供應入口；負載控制裝置配置成連接至各別電力供應入口以控制由電力供應入口供應電力至電力供應電路上使用者裝置，負載控制裝置包含：偵測由使用者裝置所導致功率因素變化之感測系統；電力改正系統以施加電容負載到下引至用戶住所所供應之電力；控制系統以控制電力改正系統以回應所偵測到之變化；以及通訊系統以在負載控制裝置及網路控制系統之間交換訊息。
負載控制裝置能夠配置成提供一項或多項上述所說明之網路特性。
在此配置因而對電力系統使用逆向式方法以補償以及監測許多分散式小單元於整個系統，理想地在各別電力服務或負載處，而非一個大的安裝。負載補償點(PLC)為最佳的配置將損耗減為最低以及系統穩定達到最大。與傳統解決方法比較，數個設計因素促成顯著地減少費用。
設計低電壓側補償設備降低組件費用，增加可靠性以及組件之利用。使用電信業界已成功建立之模式，安裝費用為最低。
變電站至負載之一般距離為數公里以及傳統式補償對這些傳輸線路效果有限。安裝靠近於負載之補償以及較細微地補償將減小損耗以及提高系統穩定性以及彈性。
這些裝置部署於負載點處產生自然狀態的通訊網路，電力系統電壓，電流，以及其本身相角。提供全域通訊網路作為整體系統控制以及同步。但是不存在全域通訊情況下，各別單元操作為反身性形式之控制，監測電力系統線路值以及對變化以最佳操作常規作出回應。藉由對干擾提供比傳統系統較為快速之回應，將提高系統的穩定性以及可利用性。該電力監測器以及補償器之網路產生獨特地洞悉每一安裝之工作。使用該資訊，自行組織以及學習之演算法使得每一各別系統得到最佳的操作。該資訊能夠輔助幾乎每一電力系統之管理，包含竊電。目前趨勢為朝向分散式發電模式，出現小規模太陽能以及風力發電。分散式發電模式對目前管理控制以及數據取得(SCADA)系統呈現出許多挑戰，其依據中央式控制之概念。目前設備能夠很容易地整合分散式發電模式於系統內以及使用其作為發電，系統控制以及補償之主動性元件。
本發明一種形式包含兩個計量點：一個在系統側以及一個在負載側。電力補償模組安裝於這兩個計量點之間。該獨特方式允許補償效果被量測以及數量化，以及形成計算契約計價之基準。由負載側(及/或系統側)之計量輸出能夠使用作為主動式補償模組之反饋。此允許模組抵銷或減少來自有問題之SMPS,CFL,LED照明以及類似非線性負載產生之噪訊。由系統側計量之輸出顯示出該效應之結果。每一計量點能夠量測出電壓，電流，有效功率，以及精確地測定功率因素，FFT頻譜，總諧波失真(THD)，以及許多參數之 標準確實RMS值。這些計量為現場可更新以及可軟體控制，使得其可程式化，調整或專注於重要項目之數據以輔助控制或監測目標。
雙重計量結構促使可見負載以及條件補償而避免任何過度補償之機會以及由裝置補償作用產生任何不穩定之可能。裝置藉由設計為本質上穩定性以及能夠只提供改善系統穩定性補償或作用。此能夠全部完成而並不需要與任何其他裝置，電力網路控制作資料交換。此對網路板安全有深切的影響。其中藉由對這些(可能數百萬)裝置下指令之電力網路中斷對系統造成損害為不可能的。
使用電流變流器作為補償元件將顯著地改善本發明之彈性以及穩定性。電流變流器量測注入電流以及系統電壓作為反饋以控制有關系統電壓之注入電流數量以及該電流位置。任何被動性元件或(電容，電阻，電感，以及負電阻)與電流變流器或通用補償器組合能夠使用該結構利用軟體實施。電流注入反饋控制防止與外部系統元件之任何共振相互作用而突出其本質性穩定特徵。結構由半橋接器所構成，其接合直流鏈路匯流排與交流系統或再生能源。電流變流器能夠利用半橋接器製造出以接合任何數目交流分相器或再生能源(如圖5所示)。最少情況只需要一個半橋接器以接合再生能源例如太陽能，風力或電池與直流鏈路匯流排。該結構具有自然模組設計架構的型態，其中在需要時能夠加入補償器。多個半橋接器能夠平行組合作為交流分相器或能源以經由交錯傳送技術增加電流轉變能力以及減少操作噪訊。
電流注入補償使用兩個計量結構，利用補償注入於兩個計量點之間。當電力由系統流到服務側時，補償作用由服務計量結果來決定，其促使整 個服務側由系統呈現出為電阻性負載(PF=1)。諧波清除以及功率因素改正對系統具有較大好處。藉由去除無法偵測到的諧波，穩定安全係數顯著地提高以及系統具有舊有延遲設備優點。當局部再生能源加入服務側，能量流到至系統以及服務負載。利用目前兩個計量結構以及注入再生能源於該兩個計量點之間，該能量流動能夠加以計量以及使用電流注入變流器加以調節作為補償。
系統作為通用補償器，其中雙重計量結構特別地有用於該情況促使電力逆向流動。連接再生能源例如太陽能板，風力發電機，以及電池於兩個使用一般半橋接器的計量結構之間補償點處。其能夠促使變流器並不只是補償VARs同時由這些再生能源注入實質電力以及加入所需要VAR補償至這些電源於其注入至系統之前。雙重計量促使追蹤有效功率，數量以及是否傳輸至系統，服務或兩者。此為與目前可利用系統重要的區別，目前系統量測傳輸功率但是沒有追蹤以及VAR補償。假如提供VAR補償，通訊網路為必需的以提供電力以及VAR指令。然而在本發明中並不需要通訊以提供VAR補償以及維持系統穩定。
變流器能夠配置為單相，雙相，三相三角形或Y形連接變流器，或提供任何多相之配置。假如補償超過多相，變流器亦能夠抵銷相位電流作為部份補償，而並不需要與外部作資料交換。多相補償之淨效應為功率平衡具有單一功率因素以及諧波由系統去除。由配送變壓器來看，負載為理想的平衡電阻負載。
系統在SMPS及CFL裝置中提供分散式補償，特別是低電壓情況，藉由設計傾向在電壓波峰處集中引入電流。電流尖波非常狹窄以及數值很 大，類似脈衝函數。此產生大數值高電流諧波注入至系統。更進一步，多個裝置功能為提高該波峰振幅與製造者無關以及為業界為了節省費用之設計操作。這些種類負載使補償裝置飽和。在此所說明分散式補償促使配線路徑中多個單元輔助補償這些負載。
其中一些附加裝置需要更多補償多於在負載點處可利用情況。目前在配線路徑上所有裝置有助於補償。
假如再生能源局部地可利用，VAR，諧波失真，有效功率之分散式補償能夠採用沿著配線路徑安裝裝置之形式以補償固線式負載以及附加至這些裝置之再生能源。製造成輸出口之補償器能夠替代標準式電源插座，具有去除負載以及附加負載需求側管理之附加特點。這些裝置之間通訊能夠作停電管理以及再判定優先負載最先恢復以及當更多電源變為可利用時更多負載將回復。優先權能夠依位置為不容更改的設定，或數位辨識標籤附接至可插入式負載例如冰箱插入時設定為優先的。對於進行補償功能通訊並非嚴格必需的，但是實施優先負載回復為需要的。
在此所揭示配置提供下列獨特之特性以及優點：
1)雙重計量結構：允許電力逆向流動以及計價。
2)分散式補償配置改善性能以及整體效率。
3)能夠使用來移除PFC線路包含於顧客裝置之需求，節省製造，環境，上市時間以及顧客之費用。電力網路基礎建設預期可延續數十年。因而客戶產品平均壽命為3-5年。假如電流裝置電路形成於電力網路內，其變為可調整的以及更具彈性，減少或去除該電路需要包含於客戶裝置內。該功能對社會以及環境具有重要影響。
4)其能夠促使更多有用的功率傳送經由各別斷路器電路而不需要跳脫斷路器或違反電工法規。在舊的社區中該情況為非常顯著的，其中配電網絡具有較低的容量。在這些社區中通常家庭服務規模為在40至80安培範圍內。這並非足夠的電流來運轉現代家電例如具有低功率因素之空調。藉由採用本方法補償，另外20%至30%的電力將變得可用於幫助滿足這些增加的負載。這可以達成而不會以負面方式影響本地的配電網絡，但是確實地提高其操作，穩定性，以及使公用事業售電量達到最大。
在此配置可採取多種形式，包括一個面板在服務入口處，詳細說明於底下。然而，它也可以沿著各別配線路徑以一個黑盒子提供。在這種形式中，其可以被用來替代插座或模組化於電力線內。
在此配置可使用系統作為雙相服務。在這種情況下，沿著配線路徑的雙相插座目前能夠選擇那一相將加以使用對負載供電以自然以及透明的方式改善相位平衡。
此外，如果SMPS負載被變數為負載，並且可以在240V而不是120V更有效地操作，它可以再次以自然的和透明的方式以240V供電。當今大多數可利用之電壓變換器為通用電壓結構，可以接電90至以260VAC，以及與全球市場相匹配。缺點是降低供電電壓，降低變換器的整體效率。其中，這種新的適應會允許這些負載能以最高設計效率操作，即使在120VAC的環境中工作。
一個目前所面臨電力系統最大的問題是如何容納大量的分散式再生能源接近負載中心。在一些地區，這些分散式電源比交錯式電網連接之電力系統大。當系統發生停電時問題就出現了。如何依序地以及穩定的 方式恢復數以千計的發電機(分散式可再生能源)以及數千負載。傳統上，在停電後交錯式電網連接是最強的或唯一電源。該系統必需在停電之前任何所承載之負載下重新啟動。此會顯著地增加負載大小。在不久的將來其中之一將成為超出交錯式電網的能力以及在這種情況下目前的方法將不起作用。使用本發明的解決方式是可能的。藉由通過偵測電網不穩定以及打開入口供應開關17，本地系統可以與電網隔離。使用可用的再生能源以及去除任何非優先負載。該隔離系統可以繼續運作。交錯式電網連接重新建立以及穩定之後，本地系統可以與電網同步以及再確立開關17將本地系統連接較大電網。需求側管理是現代電力系統設計的重要功能，以及是解決最困難的供電系統管理問題的一個組成部分。本發明可執行需求側之管理，其具有優先選擇負載功能。其中最重要的負載最先提供服務，以及隨著越來越多的電源可利用，進一步重新開始負載。需求側管理可以協助減少停電或限電的次數，其藉由當偵測到微弱電網的跡象(電壓降，線路頻率下降等)或由網絡指示這樣做時去除非優先的負載方式達成。
連接負載的優先性以及次序。這對目前電力系統在停電之復電期間產生深遠的影響。越來越高等級之分散式電源預期在電力系統中，協調以及同步這些眾多的電源變得越來越困難。特別是在由分散式電源處於支配地位之系統中，在交錯式電網為弱的以及不能使用作為同步電源。其中在本方案中，負載被去除，只留下最高優先等級的，這使得負載側變弱的以及允許交錯式電網功能為分散式電源之同步電源。由於越來越多的電源成為可利用的，優先結構中更多的負載恢復供電。同樣，其提供了自然的和透明的方式解決非常困難的電力網絡問題。並且還可以很少或沒有通信情況 來完成。
1‧‧‧電源
9‧‧‧網路控制系統
10‧‧‧電力傳輸網絡
11‧‧‧電力供應
12‧‧‧傳輸線路
13‧‧‧用戶住所
14‧‧‧使用者裝置
15‧‧‧電力供應電路
16‧‧‧下引配線
17‧‧‧電源入口配電板
19‧‧‧感測系統
20‧‧‧電力改正系統
21‧‧‧控制系統
19‧‧‧負載控制裝置
20‧‧‧電力改正系統
21‧‧‧控制系統
22‧‧‧第一計量器
23‧‧‧第二計量器
24‧‧‧開關電容器組
28‧‧‧電感器
29‧‧‧開關
30,31‧‧‧母線
33‧‧‧開關
35‧‧‧太陽能發電機
36‧‧‧電池組
37‧‧‧開關
38‧‧‧開關電抗器電路
40‧‧‧改正電路
41‧‧‧整流器
42‧‧‧電感器
43‧‧‧開關
44‧‧‧二極體
45‧‧‧電容器
91‧‧‧通信系統
351‧‧‧太陽能電池板
352‧‧‧風力發電機
353‧‧‧電源
354‧‧‧電池組
355,356,357‧‧‧電流變流器
358,359‧‧‧導體
361,362‧‧‧電流變流器
363‧‧‧電容器
364‧‧‧反饋二極體
365‧‧‧反饋二極體
366‧‧‧連接處
367‧‧‧電流計
368‧‧‧電感
600‧‧‧斷路器
601‧‧‧補償模組
602‧‧‧插座
691‧‧‧通信界面
本發明的一個實施例現在將結合下列附圖詳細地加以說明，其中：圖1是依據本發明之電力網絡示意圖。
圖2是圖1電力改正電路的示意圖。
圖3是依據本發明類似於圖1電力網路的示意圖，但其中包含更進一步的特徵。
圖4是圖3電力改正電路的示意圖。
圖5是半電橋器之示意圖以使用於圖3和4配置中。
圖6是類似於圖1之電力網絡的示意圖，其顯示出一種配置，其中補償器形成於插座內。
在附圖中相同的參考數字表示在不同圖中相對應的組件。
電力傳輸網絡10包括電源1通常在變壓器處，其供應一個或多個傳輸線路12，以及藉由網路控制系統9來管理，其使用許多系統來偵測網絡的參數以及控制網絡之多個組件，以保持傳輸線路上電壓穩定。
傳輸線路上包含多個用戶住所13以接收電電力，每一用戶住所包含多個使用者裝置14於電力供應電路15上。每一個用戶住所13由傳輸線路到電源入口配電板17具有下引配線16，入口配電板通常包含主要入口控制開關。通常在下引配線中提供量測使用電力之計量器。在本發明中計量器以積體組件替代，其限定負載控制裝置連接至電力供應入口17以控制供應電力 由電力供應入口至電力供應電路15上之使用者裝置。
每個負載控制裝置包括：感測系統19用於偵測用戶住所裝置14所引起的功率因數之變化，電力改正系統20以施加負載改正至用戶住下引配線所供應電力以及控制系統21以控制電力改正系統以回應偵測到的變化。控制系統21連接到通信系統91於負載控制裝置19與網絡控制系統9之間。
感測系統包括：第一計量器22和第二計量器23，各自是通常已知的構造。每個計量器監視電源的波形以及產生有關電壓以及電流的標準確實RMS值以及相關於有效功率之數據。感測系統還可以具有產生有關電源波形的FFT頻譜之數據，其藉由使用傳統快速傅立葉轉換技術分析波形。其也可以用來產生有關總諧波失真(THD)的數據。
第一計量器位於下引配線以及第二計量器位於電力改正系統以及控制系統21之下游，它接收來自兩者系統數據作為比較從第二計量器輸出數據與從第一計量器輸出數據以決定由電力改正系統20獲得的功率因素之改善程度。
負載控制裝置配置成傳送有關所量測之改善以及所消耗有效功率之數據至網路控制系統9。此可以即時地完成，但是通常是週期性地完成。如圖2所示，電力改正系統20包括開關電容器組24，其包括由控制器21操作之開關，其在所選擇電容器中以二進制交換系統作切換。系統20還包括用於電壓改正之開關電抗器電路38。其包括電感器28以及開關29連接電感器在電源兩端母線30以及31。開關29藉由控制器21操作以回應超前功率因數，藉由改變引發角度提供較大的功率因數控制。通常情況下系統利用電容器會過度補償功率因數以及使用反應器開關組合以微調功率因數至1。系統20 還包括有源功率因數改正電路40用於噪訊改正以及電流波整形。其包含整流器41跨於供電排線30以及31饋送到電感器42，其具有開關43連接到整流器折返形成升壓電路。從升壓電路輸出饋送至二極體44以及儲存電容器45。開關43由控制器21操作以回應噪訊以及下游負載的FFT分析。基頻的正弦波形減去FFT波形和減去基頻使用作為對開關43之輸入，其調變至較高的頻率。該電路40依據下游負載量測到的噪訊將負載電流整形成為正弦波。儲存到電容器45的電荷可利用電阻(未示出)洩放掉，饋送至局部太陽能/風能電池充電系統，或重新倒回到供電之排線。
負載控制裝置還包括用於斷開特定使用者裝置之系統，藉由控制器21操作之開關33提供移除負載。
控制系統包括處理器，其可經由通訊系統之外部輸入作程式化或程式化作改變以對感測系統所偵測到的變化作回應，使得在不同情況下反應為不同的。在該方式下，整個系統可以是交互式的，也可以是自適應的以提供改善的回應，以更好地管理整個系統，其根據各方面例如一天的時間以及系統中局部或全域的電壓值進行管理。
特別是，控制系統是由程序操作以改變下引配線處電壓，其係藉由改變電容負載以回應網絡控制系統之數據或其他因素而達成，從而對網絡管理系統提供另一種工具以更好地控制電壓以及更好地保持穩定。
一些或全部用戶住所可包括供電系統於用戶住所處，以對電源增加電力。此可以包括任何已知的供電系統，諸如太陽能電池板，發電機以及其他局部的系統。例如如圖所示電源包括太陽能發電器35，其連接至電池組36，並藉由控制器21控制的開關37操作以由下引配線16取電或將電力加到 下引配線，其決定於來自感測器系統19或網路控制9之數據或程式指令。因此，控制系統配置成控制電容器組以及由供電系統加入電力以回應所偵測的變化。
雙重計量器結構22,23促使可見負載作補償以及避免過度補償機會之情況。以及因而避免由於裝置補償作用產生不穩定之機會。裝置是由設計產生本質性之穩定的以及能夠只提供改善系統穩定之補償或作用。其能夠不需要與其他裝置或電力網路控制系統作通訊而完成。其對網絡安全性產生深遠的影響。對這些裝置下指令(可能數以百萬計的)而對系統造成損壞之電力網路停機為不可能發生的。
現在參考圖3以及4，其顯示出一種配置以連接太陽能電池板351，風力發電機352，其它電源353以及電池組354至電力改正電路20。在圖4中提供連接之配置，其包括一系列電流變流器355，356以及357配置成
一排沿著一對導體358以及359。跨於這些導體亦連接另一對電流變流器361以及362。電容器363也連接到導體358，359以及位於電流變流器361以及362之間。
每個電流變流器的結構顯示於圖5中以及包括上開關以及反饋二極體364以及下部開關以及反饋二極體365連接跨於兩個導體358，359，其中來自電源的相關輸入連接在366處。當連接到輸入電源例如為太陽能板，風力發電機，或充電的電池時，變流器的作用就像升壓調節器。典型地，直流鏈路電壓遠高於來自附加再生電源的電壓，因此升壓轉換是必要的。所述可再生電能源的返回或接地是連接於點359處。下部開關打開直到利用電流計367量測之所需要的電流"I"增大通過電感368。下開關365然後再被關 閉。電感器具有存儲電能，其現在會釋出經由上部開關364反饋二極體，對連接於點358以及359之間的直流鏈路電容器363充電，最後經由返回到所連接之電源完成循環。在這種方式下，直流鏈路電容器363利用經由圖4所示的變流器361以及362返回到交流系統之電力進行充電。為反轉這一過程以及對電池充電，電流變流器的作用就像降壓轉換器，將來自高直流電壓源之能量轉變為較低的電壓。再次地，負電池端子附接到點359。為了對電池充電，來自直流鏈電容器363以及排線358以及359以及上開關364的電力被導通持續到在端子366處電壓達到其適合於對連接電池充電。這也使電流可達電感368以及作為電池充電之電流。然後上開關被關斷，該電流繼續經由下開關365之反饋二極體，電感368對電池充電，直至電壓/電流下降到一個點，其中上部開關再次被接通，重複循環。電流變流器現在功能為降壓轉換器，降低了直流連接電容器的電壓達到附加電池所需要的大小。兩個升壓以及降壓的轉換循環在業界是已知的，為直流電壓與直流轉換器之間轉換能量之方式。
使用電流變流器作為補償元件可顯著地改善該配置的靈活性以及穩定性。具有電流變流器或通用補償器任何無源元件或(電容器，電阻器，電感器，以及負電阻器)的組合可以使用該結構利用軟體來實現。電流注入反饋控制避免了與外部系統組件之任何共振相互作用，彰顯其本質性的穩定特性。結構由半橋接器364，365建立，其接合DC鏈路排線358，359與AC系統或再生能源351到354。電流變流器利用半橋接器建立以接合到任何數目的交流相或再生能源。至少只有一個半橋接器需要接合再生能源如太陽能，風能或電池用與直流鏈路排線。這種結構具有自然模組化設計的構造， 其中在需要情況下可以加入至補償器。多個半橋接器可以平行地加以組裝為如圖4所示以對交流相或電源提供服務以增加的電流轉換能力，以及經由互動技術降低操作之噪訊。
如圖1以及3所示，電流注入補償使用兩個計量器結構22，23，補償注入於這兩個計量器點之間。當電力從系統流到服務側時能夠促使整個服務側從系統側(計量器22)呈現出為電阻性負載(PF=1)。諧波清除以及功率因數改正對系統有很大的好處。藉由去除偵測不到之諧波將顯著地增加穩定度安全係數以及系統具有舊的中繼裝置的好處。由於本地再生能源351至354被加入到服務側，能量將流到系統以及服務負載14。利用本發明兩個計量器結構以及再注入再生能源於電力改正線路20處兩個計量點之間如圖4所示，此能量的流動能夠加以計量以及加以調節，其使用電流注入變流器作為補償。
系統作為通用補償器，其中雙重計量器結構特別有用於該情況下以促使電力反向流動。連接可再生電源例如太陽能電池板，風力發電機，以及電池於兩個使用通用半橋接器的計量器結構之間的補償點處。這促使變流器不僅補償VAR，同時由再生能源注入有效功率以及將所需要VAR補償加到電源於注入到系統之前。雙重計量器22,23能夠追蹤該有效功率，數量以及其是否傳輸到系統，服務或兩者。這是非常重要的不同於目前可利用之系統，其中量測傳輸之電力但是沒有追蹤以及作VAR補償。如果提供VAR補償，由通訊系統對網路9所提供的通訊網路為必要的以提供電源以及VAR指令。然而，本發明的通信系統91對提供VAR補償以及維持系統的穩定性之裝置為不需要的。
本發明可被包裝至本地插座內如圖6所示。其中每一塊面板斷路器600源頭為配線路徑，具有多個插座補償模組601沿著配線路徑。其形成了分散式補償配置。每個模組可以包含通信界面691經由通信界面91及/或與其它類似裝置與安裝面板補償器進行通信。再次地在每個模組內雙重計量器結構促使需要補償以及補償結果在沿著路徑的每個位置處進行測量。利用與所有裝置通信能共亨這些信息以促使群組將分散式補償效率最大化。並不使用通信，該信息的自然共用構件沿著配線路徑設置。假設串接路徑，離斷路器最遠之模組被隔離，其中該模組只能看到附接到其本地插座602之負載。從最遠處模組，每一模組可以看到離開本身面板之每個模組的效果以及負載。這允許補償加入到鏈路更下游之多個負載，其無法藉由本地模組作補償。雖然補償效率不如利用通信模組之效率，其對增加成本以及複雜性無法作保證。該分散式補償配置將藉由本地地產生負載VAR要求而增加面板斷路器以及相關配線的容量。因而斷路器只需要運載這些負載所必需之有效功率。異於先前所說明斷路器必需運載每個負載的有效功率以及虛儗功率之需求。此為顯著的，將增大電力轉移20到30%或更多。其全部並未違反既定的電工規範之佈線電流容量。對較舊的設施以及家庭有很大的影響，其安裝最小的佈線以及未預見較大的電力需求。現在，利用安裝的補償插座模組更多有用的電力能夠運載於很多年前所安裝相同的老線路，注入新的使用年限至較舊的結構中。
需求側管理以及優先負載之辨識以及管理功能需要通訊界面691。需求側負載指令被每一模組接收以及適當的負載連接或移除根據指令而決定。利用電力網路控制通訊連接例如9個較為微小的電力系統需求管理 計劃為可能，其中數百萬負載藉由重要性，種類(充電器，加熱，冷卻等)，大小，噪音含量等加以辨識。此能夠促使負載分佈較大以及較為微細的控制以匹配網路電力，一天中的時間，以及電力類型，再生或電網等之可利用性。由於停電所有非優先負載被去除。利用電力回復計劃，負載依優先順序加以回復以匹配目前電力可利用標準。需求側管理以及負載順序可以對系統的可靠性以及穩定性產生很大的，特別是在具有高度集中再生能源之電網中。
1‧‧‧電源
9‧‧‧網路控制系統
10‧‧‧電力傳輸網絡
11‧‧‧電力供應
12‧‧‧傳輸線路
13‧‧‧用戶住所
14‧‧‧使用者裝置
15‧‧‧電力供應電路
16‧‧‧下引配線
17‧‧‧電源入口配電板
19‧‧‧感測系統
20‧‧‧電力改正系統
21‧‧‧控制系統
19‧‧‧負載控制裝置
20‧‧‧電力改正系統
21‧‧‧控制系統
22‧‧‧第一計量器
23‧‧‧第二計量器
24‧‧‧開關電容器組
28‧‧‧電感器
29‧‧‧開關
30,31‧‧‧母線
33‧‧‧開關
35‧‧‧太陽能發電機
36‧‧‧電池組
37‧‧‧開關
38‧‧‧開關電抗器電路
40‧‧‧改正電路
41‧‧‧整流器
42‧‧‧電感器
43‧‧‧開關
44‧‧‧二極體
45‧‧‧電容器
91‧‧‧通信系統

Claims (32)

  1. 一種負載控制裝置以使用於電力傳輸網絡中，其包含多個用戶住所以接收電力，每一住所包括多個使用者裝置於電源供應線路中，其至少一些在操作時會造成功率因數變化以及供應每一用戶住所之電力傳輸線路由傳輸線路至電力供應入口具有電壓降，負載控制裝置被配置成作為連接至各別電源入口以在電力供應電路上控制從電源入口至用戶裝置供給之電力，負載控制裝置包括：感測系統，用於偵測用戶裝置所引起的功率因數變化；功率改正系統，用於施加電容負載到供應用戶住所之電力；以及控制系統，用於控制功率改正系統以回應偵測到的變化。
  2. 依據申請專利範圍第1項之負載控制裝置，其中感測系統包含計量器，其產生有關於電壓，電流和實際功率的標準真實RMS值之數據。
  3. 依據申請專利範圍先前任何一項之負載控制裝置，其中感測系統產生有關電力供應波形FFT頻譜之數據。
  4. 依據申請專利範圍先前任何一項之負載控制裝置，其中感測系統產生有關總諧波失真(THD)的數據。
  5. 依據申請專利範圍先前任何一項之負載控制裝置，其中感測系統包含產生數據之第一計量器於下引配線處以及產生數據之第二計量器於電力改正系統的下游處。
  6. 依據申請專利範圍第5項之負載控制裝置，其中控制系統配置成比較第二計量器之輸出數據與第一計量器之輸出數據以決定藉由電力改正系統得到功率因數之改善。
  7. 依據申請專利範圍第6項之負載控制裝置，其中負載控制裝置配置成將有關改善之數據傳送至網路控制系統。
  8. 依據申請專利範圍先前任何一項之負載控制裝置，其中負載控制裝置配置成將有關實際功率之數據傳送至網路控制系統。
  9. 依據申請專利範圍先前任何一項之負載控制裝置，其中功率改正系統包含靜態的或開關電容器組。
  10. 依據申請專利範圍先前任何一項之負載控制裝置，其中功率改正系統包含電壓改正之開關電抗器。
  11. 依據申請專利範圍先前任何一項之負載控制裝置，其中功率改正系統包含開關電抗器，其中操作開關以回應電壓改正之供電波形的FFT分析。
  12. 依據申請專利範圍先前任何一項之負載控制裝置，其中功率改正系統使用參考正弦訊號減去誤差信號，其對有源功率因數控制(APFC)提供改正脈衝，其將輸入電流成形為正弦波而去除電力噪訊以及改善電力品質。
  13. 依據申請專利範圍先前任何一項之負載控制裝置，其中為了去除負載提供一種系統以移除特定用戶裝置。
  14. 依據申請專利範圍先前任何一項之負載控制裝置，其中控制系統可程式化作改變以回應由感測系統偵測到之變化。
  15. 依據申請專利範圍先前任何一項之負載控制裝置，其中控制系統為可程式化，其係藉由通訊系統接收來自網路控制系統之數據達成。
  16. 依據申請專利範圍先前任何一項之負載控制裝置，其中控制系統可操作來改變下引配線處電壓以回應來自網路控制系統之數據。
  17. 依據申請專利範圍先前任何一項之負載控制裝置，其中控制系統可操作 來去除負載以回應來自網路控制系統傳輸之數據。
  18. 依據申請專利範圍先前任何一項之負載控制裝置，其中網路控制系統配置成管理網路以回應接收來自負載控制裝置之數據。
  19. 依據申請專利範圍先前任何一項之負載控制裝置，其中包含供電系統於用戶住所處以由下引配線將電力加入至電源以及其中控制系統配置成控制電容器組以及由供電系統加入電力以回應偵測到之變化。
  20. 依據申請專利範圍第19項之負載控制裝置，其中控制系統控制負載之去除。
  21. 依據申請專利範圍第19項之負載控制裝置，其中控制系統配置成控制電容器組以及由供電系統加入電力以回應來自網路控制系統傳輸之數據。
  22. 依據申請專利範圍先前任何一項之負載控制裝置，其中補償係藉由電流變流器實施。
  23. 依據申請專利範圍第22項之負載控制裝置，其中電流變流器包含一個或多個半橋接器。
  24. 依據申請專利範圍第22項之負載控制裝置，其中電流變流器配置成由外部電源注入電力。
  25. 依據申請專利範圍先前任何一項之負載控制裝置，其中電流注入反饋控制配置成避免與外部系統組件產生任何共振相互作用。
  26. 依據申請專利範圍先前任何一項之負載控制裝置，其中雙重計量器提供由外部電源注入電力之追蹤。
  27. 依據申請專利範圍先前任何一項之負載控制裝置，其中補償裝置沿著配線連接為電力線路上模製物體。
  28. 依據申請專利範圍先前任何一項之負載控制裝置，其中補償裝置以插座方式連接，將負載連接至插座。
  29. 依據申請專利範圍先前任何一項之負載控制裝置，其中補償裝置成在停電後對優先負載回復供電而在其他負載之前。
  30. 依據申請專利範圍先前任何一項之負載控制裝置，其中控制裝置配置成在單相或多相之間作選擇。
  31. 依據申請專利範圍先前任何一項之負載控制裝置，其中補償裝置避免在客戶裝置中需要PFC裝置。
  32. 一種電力傳輸網路，其包含：一組多個接收電力之用戶住所，每一用戶住所包含一組多個使用者裝置於電力供應電路上，至少一些電力用戶住所在操作時導致功率因素變化；供應電力之傳輸線路；每一用戶住所具有由一條傳輸線路之下引配線至電力供應入口；網路控制系統以控制傳輸線路上之電力供應；一組多個負載控制裝置，其均連接至各別供電入口以控制來自供電入口所供應電力至供電電路上使用者裝置，每一負載控制裝置係依據先前任何一項申請專利範圍之裝置。
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