用于管理配电网络中的电力的系统和方法与流程

1.本发明涉及用于管理诸如电力供应电网的配电网络中的电力的系统和方法。


背景技术：

2.本说明书中对任何先前出版物(或从其衍生的信息)或任何已知内容的引用，不是且不应当被认为是对先前出版物(或从其衍生的信息)或已知内容构成本说明书所涉及的致力研究的领域中公知常识的一部分的承认或认可或任何形式的暗示。
3.运营电力供应电网或网络的电力公用事业公司在以高效且划算的方式向住宅、商业和工业客户供电方面上正面临着日益严峻的挑战。鉴于促进了太阳能使用的广泛采用的在部分地由太阳能上网电价以及其它补贴所推动的情况下而正变得愈加并联的分布式太阳能光伏(pv)发电，面临着特殊的挑战。
4.电网稳定性传统上是由网络运营商通过确保发电和消耗尽可能密切匹配来实现的。这保证了电力在适当的频率和电压下进行供应。随着越来越多的太阳能pv系统连接到电网，输出到电网的发电量显著增加，尤其是当电网负载处于非高峰时，可能导致供电频率变化、电压尖峰和过度供应。这些事件进一步有可能损坏电器并伤害公用事业工人。
5.当负载需求大于供应能力时，当存在电压不平衡(在三相系统中)时或当具有低功率因数的负载上线时，电网都可能会进一步遭受电力质量劣化。具有低功率因数的负载比具有高功率因数的负载汲取更多的电流，以用于传递相同量的有功功率来对负载供电。这导致发电和输电成本增加。
6.在过去，公用事业运营商曾经尝试通过选择性地将高昂的电容器组上线来缓解低功率因数等问题，例如电容器组位于整个网络中，其将功率因数校正施加于负载。
7.虽然在白天期间，太阳能pv系统在负载较低时，通过向电网供应过多电力可能导致电网问题，但是在通常负载较高的夜间，pv系统并不活动而且无法帮助支持电网上的负载需求。
8.因此，提供能够管理配电网络中的电力的系统将是有利的，这一系统有能力促进稳定的电网运行并且改善电力公用事业公司所面临的一项或多项上述问题。


技术实现要素：

9.在一个广泛的形式中，本发明的一方面试图提供一种用于管理配电网络中的电力的方法，所述方法包括在一个或多个电子处理设备中：确定交流电(ac)源的一个或多个运行参数的参数值；确定一个或多个运行参数的目标参数值；确定参数值与目标参数值之间的差值；以及至少部分地基于确定的差值，生成控制信号以控制逆变器，从而选择性地引起直流电(dc)能量存储装置与ac源之间的电力潮流，所述电力潮流引起参数值趋向于目标参数值。
10.在一个实施例中，ac源的一个或多个运行参数包括下列中的至少一个：ac源频率；ac源电压；相位负载；以及负载功率因数。
11.在一个实施例中，ac源包括公用电网或发电机中的至少一个。
12.在一个实施例中，逆变器是双向dc/ac逆变器，其具有经由阻抗与ac源相耦合的输出。
13.在一个实施例中，逆变器包括配电静止补偿器(dstatcom)。
14.在一个实施例中，确定参数值的步骤包括在至少一个电子处理设备中：在逆变器输出处，确定ac电压幅值、ac电流幅值和ac电流相位角的测量值；以及在ac源处，确定ac电压幅值、ac电流幅值和ac电流相位角的测量值。
15.在一个实施例中，控制信号引起逆变器进行下列中的至少一项：引起从ac源至能量存储装置的电力潮流；以及引起从能量存储装置至ac源的电力潮流。
16.在一个实施例中，ac源和逆变器输出与一个或多个ac负载相耦合，并且控制信号引起从能量存储装置至一个或多个负载的电力潮流。
17.在一个实施例中，电力潮流包括有功功率(kw)和无功功率(kvar)中的至少一个。
18.在一个实施例中，至少一个电子处理设备生成控制信号，其引起逆变器致动一个或多个开关设备从而控制一个或多个负载的运行。
19.在一个实施例中，至少一个电子控制设备引起逆变器输出变得与ac源同步。
20.在一个实施例中，通过无线通信至少控制一个或多个电子处理设备、逆变器、能量存储装置、一个或多个ac负载、ac源以及一个或多个外部通信网络。
21.在一个实施例中，控制信号至少部分地由机器学习算法或根据ac源的一个或多个运行参数的历史数据而被生成。
22.在一个实施例中，能量存储装置包括具有至少600vdc的额定工作电压的一个或多个电池。
23.在一个广泛的形式中，本发明的一方面试图提供一种用于管理配电网络中的电力的系统，所述系统包括：至少一个dc能量存储装置，其电耦合到dc总线；至少一个dc/ac逆变器，其具有电耦合到dc总线的输入以及电耦合到ac负载和ac电源中的至少一个的输出；以及一个或多个电子处理设备，所述一个或多个电子处理设备：确定ac源的一个或多个运行参数的参数值；确定一个或多个运行参数的目标参数值；确定参数值与目标参数值之间的差值；以及至少部分地基于确定的差值，生成控制信号以控制逆变器，从而选择性地引起能量存储装置与ac源之间的电力潮流，所述电力潮流引起参数值趋向于目标参数值。
24.在一个实施例中，ac源包括公用电网或发电机中的至少一个。在一个实施例中，逆变器是具有经由阻抗与ac源相耦合的输出的双向dc/ac逆变器。
25.在一个实施例中，逆变器包括配电静止补偿器(dstatcom)。
26.在一个实施例中，所述系统进一步包括电耦合到dc总线的多个dc源。
27.在一个实施例中，控制信号引起从能量存储装置至一个或多个负载的电力潮流。
28.在一个实施例中，至少一个能量存储装置包括具有至少600vdc的额定工作电压的一个或多个电池。
29.在一个实施例中，通过无线通信至少控制一个或多个电子处理设备、逆变器、能量存储装置、至少一个ac负载、ac源以及一个或多个外部通信网络。
30.在一个广泛的形式中，本发明的一方面试图提供一种用于管理配电网络中的电力的系统，所述系统包括：多个dc能量存储装置，每个能量存储装置电耦合到相应的dc总线；
多个dc/ac逆变器，每个dc/ac逆变器与能量存储装置相关联，并且具有电耦合到相关联的dc总线的输入以及电耦合到ac负载和ac电源中的至少一个的输出；以及一个或多个电子处理设备，所述一个或多个电子处理设备：确定ac源的一个或多个运行参数的参数值；确定一个或多个运行参数的目标参数值；确定参数值与目标参数值之间的差值；以及至少部分地基于确定的差值，生成多个控制信号以控制多个逆变器，从而选择性地引起多个能量存储装置与ac源之间的电力潮流，所述电力潮流引起参数值趋向于目标参数值。
附图说明
31.现在将参考附图描述本发明的示例，其中
32.图1是用于管理配电网络中的电力的系统的示例的示意图；
33.图2是通信系统的示例的示意图；
34.图3是用于管理配电网络中的电力的系统的第二示例的流程图；
35.图4是用于使用ac源的电压电平作为运行参数来管理配电网络中的电力的方法的示例的流程图；以及
36.图5是用于管理配电网络中的电力的系统的另一示例的示意图。
具体实施方式
37.现在将参考图1，描述用于管理配电网络中的电力的系统的示例。
38.在本示例中，系统100包括至少一个能量存储装置140，其电耦合到dc总线106；以及至少一个dc/ac逆变器160，其具有电耦合到dc总线106的输入161以及电耦合到ac负载182、184和ac电源150中的至少一个的输出162。
39.能量存储装置140可以是任何合适的存储设备，包括例如电化学存储设备(诸如电池)或静电能量存储设备(诸如电容器或氢贮存)。在示出的示例中，能量存储装置140包括具有至少600vdc的额定工作电压的一个或多个电池。
40.ac电源150将通常是电网或公用供电网络，但也可能是独立的ac发电机。ac负载182、184代表系统中受控制和不受控制的负载，包括例如客户负载(诸如ac电器)和工业负载(诸如感应电动机以及各种其它ac机器)。
41.虽然未示出在图1中，但是系统100进一步包括一个或多个电子处理设备，其确定ac源150的一个或多个运行参数的参数值；确定一个或多个运行参数的目标参数值；确定参数值与目标参数值之间的差值；并且至少部分地基于确定的差值，生成控制信号以控制逆变器160，从而选择性地引起能量存储装置140与ac源150之间的电力潮流，所述电力潮流引起参数值趋向于目标参数值。这将在下文中更详细地进行描述。
42.ac源的运行参数可以包括例如ac源频率、ac源电压、相位负载和负载功率因数中的至少一个。
43.上述布置的优点在于，能量存储装置可以由公用事业公司等战略性地使用，以帮助保持其配电网中的电力质量。特别地，ac源的运行参数可以通过根据需要从一个或多个能量存储装置拉出或汇入(sourcing or sinking)电力而保持在可接受的限制内。通过使用能量存储装置来更好地控制ac源的运行参数的这种灵活性将使电力公司能够更高效率且更高效益地将电力输送给住宅、商业和工业客户。
44.现在将描述许多进一步的特征。
45.在一个示例中，逆变器是双向的，其具有经由阻抗与ac源相耦合的输出。逆变器可以进一步包括配电静止补偿器(dstatcom)。例如，包括dstatcom的双向逆变器使电力潮流能够按照需要往返于逆变器，从而支持网络负载或汇入来自电网的无功功率。
46.在一些示例中，例如当网络负载较低且有足够的电网电力可用于充电时，能量存储装置可以直接耦合到逆变器，并且由来自ac源的电力进行充电。在其它示例中，系统可以包括电耦合到dc总线的多个dc源，其可以为能量存储装置充电。另外，可以使用能够产生dc输出的任何电源，包括但不限于：燃料电池、dc发电机、风力涡轮机和太阳能pv电池。
47.确定参数值的步骤通常包括在至少一个电子处理设备中，确定在逆变器输出处的ac电压幅值、ac电流幅值和ac电流相位角的测量值；以及确定在ac源处的ac电压幅值、ac电流幅值和ac电流相位角的测量值。从这些测量结果中，可以确定所有其它ac侧参数，诸如负载功率因数等。
48.在示例中，由一个或多个电子处理设备生成的控制信号使逆变器进行下列中的至少一项：引起从ac源至能量存储装置的电力潮流；以及引起从能量存储装置至ac源的电力潮流。
49.在进一步的示例中，控制信号使逆变器引起从能量存储装置至一个或多个负载的电力潮流，以便支持例如网络上的负载需求。在以上示例中，电力潮流包括有功功率(kw)和无功功率(kvar)中的至少一个。
50.在进一步的示例中，生成的控制信号引起逆变器致动一个或多个开关设备(例如继电器或开关)以控制一个或多个负载的运行。例如，开关设备可以调节由负载所汲取的电力，或完全将负载与网络断开。
51.虽然可以基于通过测量结果等获取的确定参数值来生成控制信号，但是至少部分地由机器学习算法或从网络的一个或多个参数的历史数据(诸如在例如一天的某个时间中预期的典型峰值负载值)来生成控制信号也是可能的。
52.系统通常包括至少在一个或多个电子处理设备、至少一个能量存储装置与逆变器之间的无线通信。系统还可以与一个或多个ac负载、外部通信网络(例如与电网进行通信)和ac源计量器进行无线通信，所述ac计量器被配置为测量和记录在固定的时间间隔内家用或商用从ac源消耗的电量。
53.在另一示例中，系统包括多个dc能量存储装置，每个能量存储装置电耦合到相应的dc总线；以及多个dc/ac逆变器，每个dc/ac逆变器与能量存储装置相关联，并且具有电耦合到相关联的dc总线的输入以及电耦合到ac负载和ac电源中的至少一个的输出。系统进一步包括一个或多个电子处理设备，其确定ac源的一个或多个运行参数的参数值，确定一个或多个运行参数的目标参数值，确定参数值与目标参数值之间的差值，并且至少部分地基于确定的差值，生成多个控制信号以控制多个逆变器，从而选择性地引起多个能量存储装置与ac源之间的电力潮流，所述电力潮流引起参数值趋向于目标参数值。
54.在具有多个逆变器和能量存储装置模块的系统中，提供了较大的控制能力，这是由于模块可以被安装在沿配电馈线的选定位置处(例如在最需要它们来支持供电网络的位置)。
55.现在将更详细地描述图1中所示的系统架构。系统100包括电耦合到dc总线106的
能量存储装置140。能量存储装置140通常包括具有至少600v dc的额定电压的一个或多个高压电池，其直接连接到dc总线106。dc总线106还电耦合到dc/ac逆变器160，所述dc/ac逆变器160将电力从能量存储装置140输送至ac源150和一个或多个ac负载182、184，所述ac源150和一个或多个ac负载182、184形成配电网络的一部分。因此，并网型dc/ac逆变器160将dc总线电压转换为市电频率中的ac市电或电网电压(例如，230
‑
240vac,50hz)。
56.在示例中，逆变器160是四象限自同步类型，其经由同步接触器164通过小阻抗154与ac源150同步运行。wolfs,p与maung than oo(2013年)的“用于具有高pv穿透的网络的具有减小的dc总电容的lv配电级statcom(a lv distribution level statcom with reduced dc bus capacitance for networks with high pv penetrations)”，ieee电力与能源协会(pes)中描述了可用于系统中的逆变器拓扑的示例。因此，逆变器160可以是包括配电静止补偿器(dstatcom)的双向dc/ac逆变器，使得逆变器可以促进去往和来自ac源150的电力传递。例如，电力可以从能量存储装置140被传递到ac源150，或从ac源150被传递回到能量存储装置140。
57.系统100可以进一步包括在ac源150处的计量。优选地，计量器152是能够测量和记录在固定的时间间隔内家用或商用从ac源150消耗的电量的智能计量器。
58.可选地，并且如图1所示，系统100可以进一步包括电耦合到dc总线106的多个dc源120。dc源120可以向能量存储装置140提供电力以促进其充电，尽管这不是必需的并且能量存储装置140可以替代地由来自ac源150的电力充电。在图1所示的系统中，多个太阳能pv模块120形成系统的一部分(例如顶部安装式pv阵列或太阳能农场)。每个pv模块120可以电耦合到dc/dc转换器130，其将太阳能模块120的低压输出122逐步升高至适合于dc总线(通常至少为600vdc)的优选高压输出。
59.如前所述，系统100还包括一个或多个电子处理设备，其确定ac源150的一个或多个运行参数的参数值，确定一个或多个运行参数的目标参数值，确定参数值与目标参数值之间的差值，并且至少部分地基于确定的差值，生成控制信号以控制逆变器160，从而选择性地引起能量存储装置140与ac源150之间的电力潮流，所述电力潮流引起参数值趋向于目标参数值。
60.现在参考图2，其示出了系统100的各种设备可以经由通信网络200进行通信。设备可以经由任何适当的机制进行通信，诸如经由有线或无线连接，包括但不限于移动网络、专用网络(诸如802.11网络)、互联网、lan、wan等，以及经由直接或点对点连接(诸如蓝牙、zigbee等)。
61.在示出的示例中，电池140经由节点204连接到网络200，并且系统控制器170(由一个或多个电子处理设备组成)经由节点206连接到网络200。系统控制器170可以连接到外部通信网络208，所述外部通信网络208可以例如与公用电网运营商进行通信。可选地，dc/dc转换器130(对于具有多个dc源的系统)可以在节点202处连接到网络。虽然未示出，但要理解的是逆变器、ac负载和ac源计量器同样将经由相应的节点连接到通信网络200。
62.尽管系统控制器170可以是单个实体，但将理解的是，系统控制器170可以例如通过使用作为基于云的环境的一部分提供的处理系统和/或数据库，而被分布在多个地理上分开的位置。然而，上述布置并不是必需的，而且可以使用其它合适的构造。
63.在一个示例中，系统控制器170可以包括任何合适的一个或多个电子处理设备(包
括一个或多个处理系统)，其可选地可以耦合到一个或多个数据库，例如包含关于历史负载和ac源参数的信息。因此，一个或多个处理系统可以包括任何合适形式的电子处理系统或设备，其能够控制逆变器、能量存储装置、本地负载、ac源计量器和外部通信网络中的一个或多个。
64.在一个示例中，合适的处理系统包括处理器、存储器、输入/输出(i/o)设备(诸如键盘和显示器)以及经由处理系统总线耦合在一起的外部接口。将理解的是，i/o设备可以进一步包括诸如键盘、小键盘、触摸屏、按钮、开关等的输入，从而允许用户输入数据，然而这并不是必需的。外部接口用于将处理系统耦合到包括逆变器、能量存储装置、本地负载、ac源计量器和外部通信网络的系统设备。
65.处理器在使用中执行以存储在储存器中的应用软件的形式的指令，以至少允许逆变器160引起能量存储装置140与ac源150之间的电力潮流。因此，出于以下说明书的目的，将理解的是，由一个或多个处理系统执行的动作通常由处理器在存储于存储器中的指令的控制下进行执行，因此这在下文中将不再进一步详细地描述。
66.因此，将理解的是，一个或多个处理设备可以由任何适当编程的处理系统形成。然而，电子处理设备的形式通常将会是微处理器、微芯片处理器、逻辑门配置、可选地与实现逻辑相关联的固件(诸如fpga(现场可编程门阵列)、eprom(可擦除可编程只读存储器))、或者能够交互和控制系统中的各种设备的任何其它电子设备、系统或布置。
67.现在参考图3，示出了用于管理配电网络中的电力的方法的示例，所述方法试图控制ac源的一个或多个运行参数。在步骤300处，一个或多个电子处理设备确定ac源的一个或多个运行参数的参数值。例如，在ac源是配电网络的市电电网的情况下，一个或多个运行参数可以包括ac源电压、ac源频率、相位负载(对于三相系统)和负载功率因数。负载功率因数是有功功率(kw)与视在功率(kva)(其是有功功率与无功功率(kvar)的组合)的比率。消耗或产生无功功率的负载将从ac源汲取更多的电流，以用于实际做功以给负载供电的传递的有功功率的给定量。因此，具有低功率因数的负载从ac源汲取更多的电流而且效率低下。
68.一个或多个运行参数的一个或多个参数值可以从合适的测量结果中确定。在一个示例中，在ac源计量器处，进行ac电压幅值、ac电流幅值和ac电流相位角的测量，并且在逆变器的ac输出处，进行ac电压幅值、ac电流幅值和ac电流相位角的测量。从这些测量结果中，一个或多个处理设备可以确定ac源的所有运行参数。ac电压的测量可以使用任何合适的电压传感器进行，所述电压传感器包括例如电压表、万用表、真空管电压表(vtvm)、场效应晶体管电压表(fet
‑
vm)等。ac电流的测量可以使用任何合适的电流传感器进行，所述电流传感器包括万用表、电流表、皮安安培计等。
69.在步骤302处，一个或多个运行参数的目标参数值由一个或多个处理设备确定。例如，一个或多个处理设备可以从指示目标参数值的公用电网中接收数据，或者目标值可以从数据库中获取。在步骤304处，一个或多个处理设备确定一个或多个运行参数的实际参数值与目标参数值之间的差值。在步骤306处，一个或多个处理设备至少部分地基于确定的差值来生成控制信号，以控制逆变器在能量存储装置与ac源之间传递电力。去往或来自逆变器的所得到的电力潮流引起参数值趋向于目标参数值。以这种方式，能量存储装置可以用作电源或汇点，以提高配电网络的效率和电力质量。
70.图4中示出了控制ac源的运行参数的方法的具体示例。在此示例中，在步骤400处，
一个或多个处理设备确定ac源的ac电压电平。例如，ac电压可以由位于ac源计量器处的电压传感器进行合适地测量，所述ac源计量器表向一个或多个处理设备发送指示ac源电压的信号。在步骤402处，确定ac源的目标电压电平(目标电压电平可以是具有上下限的可接受的范围)。对于ac源为市电公用电网的情况，公用事业运营商将设置目标电压电平。在步骤404处，ac源的电压电平与目标电压电平之间的差值由一个或多个处理设备来确定。
71.在步骤406和408处，一个或多个处理设备分别确定ac源电压是否大于或小于目标电压。换言之，系统确定网络中是否存在过电压问题或欠电压问题。响应于过电压，在步骤410处，一个或多个处理设备生成控制信号以引起逆变器将无功功率从ac源汇入至能量存储装置，从而降低ac源电压。响应于欠电压，在步骤412处，一个或多个处理设备生成控制信号以引起逆变器将无功功率从能量存储装置拉出至ac源，从而升高ac源电压。
72.在另一示例中，对于具有低负载功率因数的系统(例如当存在消耗无功功率的一个或多个感应ac负载时)，逆变器可以被用于将无功功率注入电网或将无功功率直接供应到负载，以便将负载功率因数提高到可接受的水平。
73.在另一示例中，由于逆变器与ac源同步，例如当ac源丢失或无法对负载提供足够的电力时，系统能够对一个或多个ac负载提供不间断电源(ups)。在本示例中，假设能量存储装置具有足够的容量，则系统可以从能量存储装置拉入电力以对一个或多个ac负载供电。
74.在另一示例中，系统可以被用于通过动态负载平衡来降低三相网络中的电压不平衡。每个相位的电压电平可以使用合适的电压传感器进行测量。一个或多个电子处理设备然后基于这些测量结果来确定电压电平，并且向逆变器发送控制信号，以引起电力从过载相传递到轻载相。可替换地，逆变器可以引起从能量存储装置到一个或多个轻载相的电力潮流(例如无功功率补偿)以平衡过载相。
75.现在参考图5，其示出了用于管理配电网络中的电力的系统的另一示例。所述系统包括多个能量存储装置540(例如高压电池)，每个能量存储装置540经由相应的高压dc总线电耦合到相应的dc/ac逆变器。每个dc/ac逆变器560的输出562电耦合到ac源550。例如，每个逆变器560可以耦合到电网的馈线，其中ac源代表配电馈线。多个负载580与电网相耦合。在一个示例中，每个模块500(包括能量存储装置540和dc/ac逆变器560中的至少一个)可以由公用事业运营商在沿馈线的选择位置处(其中每个模块500可以被最好地利用以支持配电网络)安装。在另一示例中，每个模块500可以代表住宅安装式系统。
76.在图5所示的布置中，每个模块500可以用于支持网络，并且改进诸如ac源电压、ac源频率、相位负载(对于三相系统)和负载功率因数在内的运行参数。另外，模块500可以彼此通信，使得例如如果网络的一部分中的负载较低(且电池具有充足的电荷)，则电池可以用于向具有低电荷水平的另一电池或负载较高的网络的一部分供电。
77.在整个说明书以及随后的权利要求书中，除非上下文另有要求，否则词语“包括(comprise)”及其诸如“包括(comprises)”或“包括(comprising)”之类的变型将被理解为暗指包括所声明的整体或整体的组或者步骤，但不排除任何其它整体或者整体的组。
78.本领域技术人员将理解的是许多变型和修改将是显而易见的。对于本领域技术人员来说显而易见的所有这些变型和修改，都应当被认为是落入本发明在描述之前广泛出现的精神和范围内。