用于实现分布式发电的配电系统的制作方法

用于实现分布式发电的配电系统的制作方法
【专利摘要】一种具有分布式发电的配电系统，包括安装在电力使用点处(POU)处的能量处理单元(EPU)。在当前的传统发电和配电系统中，被传递到最终消费者的电力质量是由于数种破坏性技术和立法影响(尤其随着连接在跨低压(LV)配电网络的任何点处的无数种私人拥有和操作的家用和商用分布式发电(DEG)装置逐渐增多)而降级。该具有分布式发电的配电系统解决这个越来越严峻的DEG问题。
【专利说明】
用于实现分布式发电的配电系统
[0001 ] 版权声明
[0002] 本专利文件的公开的一部分包括受到版权保护的材料。版权所有者不反对任何人 复制呈现在专利和商标局专利文件或记录中的专利文件或专利公开内容，但在其它方面却 保留所有版权权利。
[0003] 国内优先权要求
[0004] 本申请依据35U.S.C.§119要求以下美国临时申请案的优先权:2013年10月11日提 交的第61/889,543号、2013年10月28日提交的第61/896,635号、2013年10月28日提交的第 61/896,639号、2013年11月26日提交的第61/908,763号、2013年12月10日提交的第61/913， 932号、2013年12月10日提交的第61/913,934号和2013年12月10日提交的第61/913,935号， 所述申请案的全部内容是以引用方式并入本文。
技术领域
[0005] 本发明涉及发电和配电。更具体地说，本发明涉及用于解决当前传统电气系统中 由于技术演进和立法影响(诸如分布式发电(DEG))产生的日益增多的电力质量降级的方法 和系统。
【背景技术】
[0006] 当前传统电气系统和被传递到用户的电力质量是由于数种破坏性技术和立法影 响(尤其随着连接在跨低电压LV配电网络的任何点处的无数种私人拥有和操作的家用和商 用分布式发电(DEG)装置迅速日益增多）而降级。被传递到最终消费者的电力质量的这种日 益增多的降级(尤其电压波动、电流和频率起伏)可负面地影响性能或甚至损坏电气设备、 电气用具和连接到用户住宅中的电力系统的电子装置，且甚至可使更广领域的LV配电网 络、变电站保护设备、高电压(HV)输电电网和甚至发电厂跳闸和断电。
[0007] 参考图1，在1800年代末期启动的传统交流(AC)电力系统中，由于低电压组件和距 离过短而限制了输电能力。因此无数种分离的独立发电厂（IPP)随着中央发电厂而不断涌 现并向局部区域或局部电力岛供电。当时，每一个局部区域或局部电力岛存在一定范围的 电压和各种频率。包括大量白炽灯电力照明的负载是简单的。
[0008] 参考图2,随着电力技术的发展，运用HV绝缘体和开关，允许输电电压增加，因此实 现较高电力在较长距离内的传递。电压等级从爱迪生的初始220VDC局部电网迅速地增加到 2.3KVAC的第一AC电网（1893年），每隔几年上升到765KVAC(1960年末期）。由于较长输电电 网导致覆盖电力岛，商业领域、竞争技术标准中开始出现矛盾，且最终出现垄断。随着日益 增多的使用电力、可靠性成疑和电力行业中的矛盾的增长，许多国家开始立法来对其电力 行业进行监管控制。
[0009] 在美国，基于向消费者传递高质量的可靠电力的目标，监管迅速增长的电力行业 以创建国家标准变得至关重要，这也将允许多个电网互连以在全国创建稳定的电力网络。 联邦政府在1992年国会通过了联邦级别的能源电力监管立法。因此FERC(联邦能源监管委 员会)承担监管来自中央电力公用设施的电力质量的责任，所述中央电力公用设施拥有发 电厂、端对端的输电和配电网络。然后在1996年，为了增加竞争和优化电力成本，FERC进一 步解除对电力行业的监管并规定发电、输电和配电必须通过合法的独立实体来进行。这为 输电电网上创建了竞争市场，使得发电厂可在输电网电网上作电力批发销售，而经销商可 从输电公司作电力批发购买。
[0010] 许多国家在1900年制定了类似的已解除监管的竞争电力结构。在美国，在1965年 的大规模东北部断电之后，创建了NERC(北美可靠性委员会）以维护并执行系统标准和电力 质量可靠性。再然后，在2003年8月14日东北部和加拿大的另一次大规模断电之后，联邦政 府在2007年6月对输电运营商通过了由NERC联合FERC合法地强制的更严格的监管法规和处 罚。
[0011] 参考图3, 一直到今天，伴随着解除监管立法出现了DEG，其能够将小型发电机连接 到HV输电电网。随着发电的更进一步技术发展(诸如CHP微涡轮机、燃料电池设施和尤其可 再生能源诸如光伏(PV)、太阳热能和风能））外加投资成本的降低，家用和商用住宅的私营 业主已宣布购买并安装这些小型DEG装置。
[0012]过去几年引入后续更新和修改的上网电价(FIT)政策加速了这些小型私人拥有和 操作的家用和商用DEG装置的安装。FIT强制输电运营商向DEG装置的业主以最低价格支付 已产生并返回添加到能量电网中的过多电力。因此，现在无数种私人拥有和操作的家用和 商用DEG装置日益增多地连接到局部LV配电网络，其不但对用于最终消费者的电力质量产 生了巨大影响，而且增加了广大地区的大规模电网断电的现实可能性。尤其输电电网因运 转备用的减少而出现跳闸(运转备用的减少是由于大型中央公用设施因由数量不断增长的 已安装DEG装置产生另外的电力而卸载)的机会增加。来自这些私人拥有和操作的家用和商 用DEG装置的叠加到配电网络和输电电网上的所得电压、电流和频率起伏增加了系统跳闸 保护开关设备(通常按紧密度容限和长期建立的传统电力规范进行调整)断流的可能性。
[0013] 另外，由于配电网络上的这些电压的增加，当DEG接口控制电子器件在超过经调节 电压极限而禁用DEG接口时，这不但切断了来自DEG设施的任何DEG能量回收，而且消除了最 终消费者的任何FIT回收。因此，沿局部配电网络连接的DEG接口（例如，附近的PV设施）越 多，随着配电网络电压由于大量过多能量被DEG设施传递到配电网络中而增加，将被DEG接 口控制电子器件禁用的这些DEG接口的数量就越多，其中对于最终消费者来说没有能量回 收或FIT。
[0014] 电力质量是在以下规范下定义，关键参数是被传递到用户的电力的一致且稳定的 电压、谐波和频率。随着连接到电气系统的日益增多的电子装置和设备(其是复杂的电气负 载)的出现，尤其随着家用和商用（而非工业，诸如在美国）电力需求的增加，因为这些电子 装置向电气系统提供更复杂的负载，所以这些电子装置可引入电力不稳定性，且这些电子 装置通常位于家用和商用住宅中，使得来自LV配电网络的电力需求增加，从而随着跨配电 网络的负载和功率因子的变化而增加了电压不稳定性。
[0015] 当传统中央发电公用设施拥有完全相等的端对端的发电、输电和配电时，其同意 且可满足由政府和监管机构规定和执行的已立法的严格电力质量标准。随着许多国家的电 力行业更进一步解除监管的出现和FIT的扩张，允许日益增多的无数种私人拥有和操作的 家用和商用DEG装置连接到LV配电网络以及增加复杂负载和改变功率因子，电力质量(尤其 电压不稳定性)的降级日益严峻且局部和大面积大规模断电的潜在性增加。
[0016] 电气设备、电气用具、电子器件和尤其电动机全部被设计为最优地在已立法的电 压和频率严格设置的传统标准下执行。经受这些电压和频率起伏的电气和电子装置在设置 严格的传统容限之外可能失灵、降低性能且甚至被破坏。
[0017] 尤其随着国家之间的输电大规模电网连接的出现，这些电力质量标准在每一个国 家且甚至在全世界已经有很长历史的监管标准化。对于家用和商用用户的LV配电网络，一 些国家制定的电气LV配电干线标准的实例如下所示，参考标称电压、电压容限、标称频率和 频率容限：
[0020] 许多国家具有类似的标称LV配电POU电压(诸如220/230/240VAC(且使这种较高配 电网络电压趋向于230VAC))和大体上110/115/120VAC的较低电压，其中频率现在的标准是 50Hz 或 60Hz。较高 220/230/240VAC 电压大体上为 50Hz，且较低 110/115/120VAC 电压为 60Hz， 但是某些国家因其电力系统历史而使用任一种频率。电压容限可被标准化为±5%/±6%/ +10、-6%/±10%，任何国家的最大容限被设置为±10%。
[0021] 在许多国家，频率容限通常被标准化为±1 %，某些国家具有±2%，±2%是最大 允许频率容限。
[0022] 电力质量问题与偏离规定监管设置和执行极限的电压或频率相关联。电压量级问 题可为：
[0023] 1)电压迅速变化；
[0024] 2)低频电压变化导致闪烁；
[0025] 3)欠电压骤降(-10%以下）；
[0026] 4)过电压浪涌(+10%以上）
[0027] 5)过电压尖峰和噪声；
[0028] 6)3相系统中的电压不平衡；
[0029] 7)电压和电流谐波；
[0030] 8)功率因子(PF)-电压和电流的相位（（PF=I，V和I同相，PF = 0，V和I 180°异相）） 因被称为功率因子的无功功率不平衡而异相不但可产生电压和电流谐波问题，而且电气和 电子设备且尤其在电动机中费电、性能欠佳且还产生可能的破坏；
[0031] 9)3相系统中的电流不平衡(其中每一个相位负载有不相等电流)可导致输电和配 电设备问题且使电力质量降级;和
[0032] 10)频率偏移也可影响电气和电子装置、变压器和电动机的性能和操作；
[0033]由于配电网络上的这些电压的增加，当超过经调节电压极限时，DEG接口控制电子 器件禁用DEG接口，因此不但切断了来自DEG设施的任何DEG能量回收，而且消除了最终消费 者的任何FIT回收。因此，沿局部配电网络(例如，民居)连接的DEG接口（例如，附近的家用PV 设施)越多，随着配电网络电压由于大量过多能量被DEG设备传递到配电网络中而增加 ，DEG 接口控制电子器件将禁用大量这些DEG接口，其中对于用户来说没有能量回收或FIT。
[0034]所有这样的电力质量问题使被传递到用户的电力质量降级，尤其跨并通过POU处 的LV配电网络的电压不稳定性，其中现在，另外，无数种私人拥有和操作的家用和商用DEG 装置已连接，由这些DEG装置产生的过多电力被返回负载到局部LV配电网络上。另外，这些 私人拥有和操作的家用和商用DEG装置即使必须满足性能测试规范IEC 61215(2005年第2 版)和IEC 61646(2008年第2版），其仍然可更广泛地在POU处的局部LV配电网络上建立大幅 变化的电压、频率和迅速功率起伏。这些家用和商用DEG装置是小型PV设施、微风力、微水 电、CHP微涡轮机、CHP燃料电池和未来可能的混合动力汽车。另外，这些问题还可降低POU处 的电气和电子负载中的电力使用效率。例如，电动机在其以高于针对最优性能设计电动机 的电压的电压下驱动时费电，且另外过多的PF、电压和电流不平衡和谐波不但可降低效率 而且可损坏这些灵敏的电气和电子负载。
[0035] 大型可再生工业PV、太阳热能、风能和水力发电设施需要远离人群中心、电力用户 的广大物理区域，因此大型工业设施在大体上长距离内需要端对端HV输电，所以这些大型 设施可被公用设施发电厂拥有和控制，因此可满足输电运营商监管的电力质量标准且可对 其负责。
[0036]很多小型私人拥有和操作的家用和商用DEG装置的优点是，电力通过LV配电网络 在靠近用户或POU处局部产生。但是这些私人拥有和操作的家用和商用DEG装置的业主购 买、安装并操作这些DEG装置，但对局部LV配电网络电力质量的影响不负责。这些传统局部 LV配电网络在大部分情况中最初并未针对要连接的很多家用和商用DEG装置而设计。因此， 监管机构的担忧真实存在且日益增加，这是由于这些私人拥有和操作的家用和商用DEG装 置的不断渗入，不但将用户电力质量降级，而且LV配电网络上的局部功率不稳定。除此之 外，复杂的负载连接日益增加、改变功率因子和改变整个配电网络的负载。这导致更大区域 且甚至HV输电电网因电压、电流或频率起伏超出可使电压、电流或频率电气系统安全和保 护装置跳闸的严格容限电气标准而出现的服务中断日益增加，导致断电和运行中断。另外 由于配电网络上的这些电压增加，当超过经调节电压极限时，DEG接口控制电子器件禁用 DEG接口；因此不但切断了来自DEG设备的任何DEG能量回收，而且消除了用户的任何FIT回 收。
[0037]电力行业和监管机构努力克服传统电气系统中的这种新的且破坏性演变。对这种 日益增加且真实问题的推荐解决方案全部是针对维持传统且具历史性的输电和配电网络 结构和电力质量容限。
[0038]单独专用于私人拥有和操作的家用和商用DEG装置的不断渗入的迫在眉睫的问题 的一本重要书籍是Math Bollen和Fainan Hussan创作的标题为"电力系统中的分布式发电 的集成（Integration of Distributed Generation in the Power System)''。这本书的全 部内容是以引用方式并入本文。这本书是IEEE最近在2011年唯一出版的书籍，且这本书描 述了过去10年周期以来的详细深入研究，全部涉及私人拥有和操作的家用和商用DEG装置 对电力质量的破坏性演变。
[0039]这本书具有470个参考文献，且在其对DEG装置对整体电力系统的破坏性影响的日 益严峻方面的细节的深入研究方面是优越的。许多作者和机构提出了解决这个问题的类似 解决方案，相同解决方案同样全面详细地涵盖在这本书中，且再次全部针对通过保护和控 制HV输电电网和LV配电网络来维持传统电气标准电力质量容限。但是同样，所有这些推荐 解决方案是单独用来维持多年以来这些历史性的、长期建立的传统严格容限电气行业标 准。这本深入研究且详细的书最后对其通过添加一层数字通信网络以将DEG装置返回链接 为控制和保护HV输电电网来解决很多私人拥有和操作的家用和商用DEG装置的日益增加连 接的严峻问题的建议作出了总结，或甚至这种数字通信网络可促进配电网络馈电线上的电 压保护中继器的跳闸或甚至断开DEG装置（即，过电压结果）。这本书还推荐了添加存储器和 基于将备用转移到客户或DEG装置的所添加数字通信网络的其它负载转移动作的各种方 案。
[0040] 由于添加将所需要的更复杂的数字通信网络和软件算法所涉及的大成本、时间和 复杂性的担忧，这本书又总结出另一种可能的常规解决方案，因此在其第470页上的最后一 段中在这些高级的解决方案之后，不应忘记建立更坚固的电线或电缆的经典解决方案。 然而，引入新类型的产品将需要在更多情况中使用比以往更先进的解决方案。通过结合经 典和先进的解决方案，电力系统将不会变为对引入分布式发电的不必要障碍"。
[0041] 因此，这本书在第470页的这个最后一段概括了其对私人拥有和操作的家用和商 用DEG装置尤其在LV配电网络上的日益渗入和其对整体电网的稳定性的潜在重要影响的担 忧。其提出了先进的数字通信网络和软件解决方案（"智能电网"），而且在添加更多铜线到 现有LV配电网络方面推荐了简单但昂贵的常规物理解决方案，这将通过随着这些DEG装置 添加日益增多且波动的电力到局部LV配电网络上而降低当前LV配电网络中的导线的电阻 来增加功率处置能力并降低电压不稳定性。最初并未设计这些LV配电网络，且当然也没有 预期到随着很多私人拥有和操作的家用和商用DEG装置的连接的这种近期演变而出现这个 新的DEG问题。
[0042] 这本详细的书在最后一段明确地强调：
[0043] 1)所有推荐解决方案均是针对并仍然满足电力质量的历史传统监管和执行电气 标准的当前严格容限；
[0044] 2)很多私人拥有和操作的家用和商用DEG装置连接到局部LV配电网络是主要问 题，因为LV配电网络最初并未被设计用来处置这种新的破坏性电气演变，因此物理地升级 这些LV配电网络的建议强调这个真实而又严峻问题的复杂性；
[0045] 3)这本书的最后一行表明，由于这些先进的复杂"数字"解决方案（"智能电网"）的 复杂性和成本以及时间，仅仅添加另外的铜线到当前LV配电网络将有所帮助。但是物理地 升级LV配电网络也是极昂贵的解决方案且将需要数年来完成；
[0046] 4)现在由于这些严峻问题是伴随着电力质量的降级和可能的普遍输电电网跳闸 而发生，可能需要立法来限制允许安装的私人拥有和操作的家用和商用DEG装置的数量；
[0047] 5)这本书也没有表明谁将对巨大数字通信软件网络的成本负责且谁对被传递到 用户的电力质量最终负责;和
[0048] 6)再者，这本书和该行业中围绕这个近期演变的DEG装置问题的所有建议强调毫 无疑问完全同意地维持历史、传统监管电力质量严格规范和框架且仍满足数十年来的旧有 传统电气系统电力质量严格容限标准。

【发明内容】

[0049]迄今为止，该行业提出的解决方案尝试通过定位于发电、HV输电和/或未真正成功 的LV配电来解决因引入DEG的这种日益严峻问题。然而，本发明通过直接定位于电力使用点 (POU)处理问题，使得每一个POU处可直接恢复高质量电力。因而，本发明将严格立法且监管 的传统"电网"变换为具有宽容限的一类"开源式能量电网"。在这种"开源式能量电网"中， 个别能量处理单元(EPU)装置安装在每一个最终消费者的POU处。这些EPU装置经具体设计 以容忍极宽范围的电压、电流和频率变动-输入上的"污电力"，并处理输入"污电力"以在直 接传递于POU处的输出处产生干净的高质量电力。本发明然后尤其使得LV配电网络能够处 置数量日益增多的私人拥有和操作的家用和商用DEG装置的连接，并同时满足施加于HV输 电运营商的严格监管和立法的传统电气标准的要求。
[0050] 在本文中，使用点（POU)的具体定义是最终消费者与LV电网之间的单个电路连接 终端。因而，EPU可被安装在最终消费者POU处，但不限于直接安装在最终消费者住宅中的配 电板、电力连接服务终端、配电室处、远距离地安装在到单个最终消费者的住宅或负载的单 个电路连接处、最终消费者住宅内部或外部的附近位置中，或电线杆上。本领域一般技术人 员将观察到，如本文中定义的POU是其中安装EPU之处、可介于最终消费者的住宅或负载与 点对点连接或由最终消费者进行的任何单个电路连接的LV电网之间。
[0051] 最终消费者的具体定义包括能量电网上的常规电力消费者和连接到能量电网的 DEG装置的业主和/或运营商。
【附图说明】
[0052] 下文参考附图更详细地描述本发明的实施方案，其中：
[0053]图1是1800年代后期的发电和配电网络的逻辑图；
[0054]图2是1900年代的发电和配电网络的逻辑图；
[0055]图3是具有DEG装置但无本发明方案的当前发电和配电网络的逻辑图；
[0056]图4是本发明的一个实施方案中具有DEG装置和EPU的发电和配电网络的逻辑图； [0057]图5是本发明的一个实施方案中能量处理单元的配置的方框图。
【具体实施方式】
[0058]在以下描述中，发电和配电等的方法和系统被阐述为优选实例。可以理解的是，本 领域技术人员可以在不脱离本发明的范围和精神的情况下，作出包括添加和/或替换的修 改。下面的描述中可能省略一些具体细节以免混淆;然而，这里的公开是要使得本领域技术 人员能够在不过度实验的情况下即可实施本发明。
[0059] 随着对允许这些私人拥有和操作的家用和商用DEG装置连接到LV配电网络的解除 监管的电力质量的负面影响日益增多、尤其随着对FIT的进一步立法和许多国家的类似许 可，在添加复杂的数字通信网络和控制算法到电网（"智能电网"）方面尝试要解决的工业问 题变得严峻。然而，这种方法是昂贵的、复杂的，且将巨大的电力系统联合在一起将需要数 年，且同时其将不会改善当前情况(允许数量日益增多的私人拥有和操作的家用和商用DEG 装置连接到配电网络)或不能解决日益增多的复杂负载的添加和改变整个配电网络的负载 和功率因子。
[0060] 电力行业中的许多人表达的主要担忧是整个电力系统的稳定性，因为日益增多的 私人拥有和操作的家用和商用DEG装置的安装将不但使局部LV配电网络降级，而且可危及 HV输电电网，这是因为更多的中央发电公用设施因从DEG装置产生并负载到LV配电网络上 的能量增加和一般来说可再生设备增加而减少容量和空转备用。由于中央发电厂公用设施 空转备用降低且通过一系列且日益增多的私人拥有和操作的家用和商用DEG装置传递到LV 配电网络的更多波动能量，网络电压和频率跳闸的机会和另外由于HV电网故障不能用不足 的空转备用来补偿而导致的大规模运行中断的潜在性日益增加。
[0061] 本发明的一方面是完全忽略所安装且主要连接到LV配电网络的无数个和多种类 型的私人拥有和操作的家用和商用DEG装置的严峻且日益增多的问题的配电系统，所述LV 配电网络最初并未是针对近期DEG演变外加日益增多的复杂负载的添加、改变整个配电网 络的负载和功率因子而设计或甚至所预期。
[0062] 根据一方面，本发明将严格立法且监管的传统"电网"变换为具有宽容限的一类" 开源式能量电网"。在这种"开源式能量电网"中，个别能量处理单元(EPU)装置安装在每一 个最终消费者的POU处。这些EPU装置经具体设计以容忍极宽范围的电压、电流和频率变动-输入上的"污电力"，并处理输入"污电力"以在直接传递于POU处的输出处产生干净的高质 量电力。
[0063] EPU可仅仅安装在每一个POU处且LV配电网络没有任何变化，使得可安装和连接的 DEG装置的质量和数量没有限制，因此本发明允许近期演变为"电网"以演变为"开源式能量 电网"，使得EHJ处理"污电力"以直接在POU处产生"干净电力"。
[0064]例如，在根据本发明的一个实施方案的一种配置中，到EPU的输入可被设计为接受 +-25%的电压容限，且在POU处为+-2%时在其输出处用并入EPU的自动调压(AVR)传递电 压。因此，例如，LV配电网络电压容限可被放宽到+-25%，输电电网可被放宽到+-10%，且另 外DEG装置输出电压满足+-10%。因此，由于EPU的安装且电力质量容限被加宽以允许配电 网络和电网电力质量波动，且EPU在POU处传递高电力质量，DEG的发展可随着配电和网络稳 定性的增加以及POU处的高识破的电力质量而继续进行，而不限制可连接到LV配电网络的 DEG装置的数量。
[0065]另外由于EPU安装在POU处且配电网络由于连接日益增多的私人拥有和操作的家 用和商用DEG装置而出现的波动和稳定性增加的潜在电力质量问题且由于POU修正所有或 一些这样的严格传统容限，无关于LV配电网络上的广泛的电力质量起伏、尤其电压、PFdg 波和电流不平衡，另外在大幅节能方面均存在另外的优势，因为EPU在POU处的输出高电力 质量受到严格控制，因此大幅节能也是可行的。
[0066]在根据本发明的一个实施方案的另一配置中，因为运用串联电压方法，EPU的输出 电压被调节且被保持为严格标称电压和容限（这无关于且独立于EHJ的输入处的高配电电 压)且还因为EPU是双向的，所以连接到EPU的输出的任何过多能量被返回传递到其输入且 传递到HV配电网络上，而无关于配电网络上的高电压。然而，当DEG接口连接到EPU输出时， DEG接口控制电子器件只得到并感测标准且标称的经调节EPU输出，因此DEG接口电子器件 将继续在全能量回收的情况下正常操作。因而，本发明的EPU解决了与LV配电网络上的DEG 设备的数量日益增加相关联的问题。
[0067] 图4示出了连接到EPU 401输出的DEG 402,它还连接到实际住宅P0U。因为EPU 401 用作串联调压器而操作，基本上将DEG接口与高配电电压"隔离"，所以DEG接口和能量回收 正常地操作，这是因为DEG控制器件仅发现或感测固定且设置的标称EPU调节输出电压，且 任何过多的DEG能量通过双向EPU而返回传递到连接到配电网络的EPU输入，而无关于配电 网络上的高电压，从而允许标准的FIT用于用户。
[0068]在根据本发明的优选实施方案的另一配置中，代替并入EPU中的全AVR的是，EPU可 针对最大节能而利用守恒降压(CVR)来设计，因此EPU在低电压AC电源的条件下可用仅降压 AC调压器结合串联旁路接触器针对较低成本和另外的节能来配置。因此代替EPU的是，利用 全AVR(将电压增压到设置的经调节输出电压，但是仅仅在结合串联旁路接触器使用具有降 压AC调压器的EPU时将损失另外的节能）。例如，在EPU的这种节能优化配置中，本发明涉及 优化EPU的节能且还防止电气负载过电压且防止高AC输入电压的能耗超过最优能耗水平。 在输入电源AC电压下降到选定最优水平以下的情况下，如同在EPU中利用全AVR，全AVR不但 继续使用其内部电力电子器件来将低输入AC电压增压到设置的经调节输出AC电压，而且 AVR将输入AC电源电压增加或增压到设置的最优输出节能电压等级，然后节能在低输入电 源AC电压下将不会被优化，因为输入电流（因此输入功率)将随着全AVR将低电源输入AC电 压增加或增压而增加。
[0069] 在本发明的这个优选实施方案中，如果输入AC电源电压下降到最优节能电压或较 低选定电压点以下，那么EPU中的降压电力电子器件被断开以节省降压AC调压器内部电力 电子器件的使用，且串联旁路接触器被激活，使得较低电源电压被直接传递到电气负载，因 此实现的节能大于交替EPU配置中使用全增压AVR的情况。本发明的原理可轻易地适用于任 何多相AC系统，诸如单相或3相电气系统。
[0070] 例如，在全世界的电气系统中，最终的LV配电电压大体上是110/120VAC系统或 220/230/240VAC系统，但是全世界大部分系统针对LV配电电压而被标准化为标称120VAC或 230VAC系统。另外，存在标准化且立法的电气系统规范，且尤其待传递到家用和商用住宅的 配电板的配电电压等级和容限。例如，在美国，家用和商用住宅的标准配电电压是120VAC (由FERC/NERC规定)和最大+5%且最小-5%的电压容限。在诸如澳大利亚（由AS60038规定） 和英国（由EN50160规定）的较高电压230VAC系统中，允许的电压容限被规定为+10%最大值 和-6%最小值。虽然工业中可接受的是过电压等级可能更高且接受+10%的过电压和-10% 的欠电压作为极限，但是仍然是可接受的。但是这些极端和最大电压在被施加于被设计为 标称规定标准电压(诸如美国的120VAC以及澳大利亚和英国的230VAC)的电气设备和电气 用具(尤其电动机)时，不但耗能（由于另外的较高工作电压)而且不会最优地执行，电动机 和变压器可能过热、缩短工作寿命且可永久地损坏连接到电气系统的任何设备。
[0071] 因此，对于美国来说，与标称120VAC相差+5%最大电压的电压范围是126VAC，且相 差+10%过电压等级的电压范围是132VAC，且相差-5%最小值的电压范围是114VAC，在-10%过电压下是108VAC。工业中通常接受的是，美国的输电和配电运营商将114VAC的最小 电压传递到住宅配电板，且允许到诸如家庭住宅中的电气用具的实际负载的另一3.5%电 压降(针对110VAC的最小值估计）。
[0072] 为了将与120VAC的标称电压相差所允许的电压容限内的规定范围的电压传递到 局部电力岛配电网络上的每一个家用或商用住宅，其要求到局部电力岛配电网络的输入处 的电压更高，这是由于因电线和系统导体的电阻而沿配电网络的物理电线连续发生的电压 降。因此，通常靠近配电网络局部电力岛的变电站的住宅将发现较高的最大电压范围，且进 一步沿局部电力岛配电网络将发现较低的电压范围。因此对于美国来说，针对标称120VAC 局部电力岛配电网络，电压范围可从126VAC或甚至更高降低到114VAC或甚至更低。
[0073] 类似地，对于标称230VAC的国家，诸如澳大利亚和英国，针对标称230VAC局部电力 岛配电网络，电压范围可从253VAC或在局部电力岛变电站处甚至更高降低到216VAC或沿配 电网络甚至更低。
[0074] 因此，已对局部电力岛配电网络进行了大规模投资以使所有家用和商用住宅的所 传递电源AC电压的容限最小化，但是这因日益增多的使用和复杂的电子负载被添加到家用 和商用住宅外加改变负载和功率因子而变得更加困难。在例如美国，现在有很多家用和商 用楼宇工业使用的电力。由于与DEG相关联的前述问题，就电力系统复杂性、电压范围波动 和尤其过压来说，所述问题大幅严重化。
[0075] 电气和电子设备以及电气用具(尤其电动机)被具体设计以在标称规定标准电压 (诸如美国的120VAC和其它230VAC国家，以及澳大利亚、英国的230VAC和其它230VAC国家） 下操作。超过标称设计标准电压的电压不但可损坏所连接的电气和电子设备，而且其耗能 比所需要的更多，电动机和变压器可能过热，因此通常存在优化性能和传递最大节能的优 化电压。因此例如，在针对最大节能利用CVR优化的EPU中，最优节能电压被选择作为标称电 压电源-5%以实现标准设备性能，且最大化节能。使得节能设置电压对于标称120VAC系统 来说可为114VAC，且对于标称230VAC系统来说可为220VAC，或可选择其它较低节能电压，且 这仅仅是明确示出概念的实例。
[0076] 因此，在本发明的这个优选实施方案中，只需要降压AC调压器结合串联旁路接触 器工作，且降压AC调压器的输出电压对于标称120VAC系统被设置为114VAC的节能水平，且 对于230VAC被设置为220VAC的节能水平，因此在极端或过电压的条件下，降压AC调压器将 到负载的输出电压保持在选定设置的节能电压。在输入AC电源电压下降到节能设置电压 (在这个实例中，对于标称120VAC系统，114VAC，且对于标称230VAC系统，220VAC)以下的条 件下，如果使用全AVR，那么全AVR将不但使用内部电力来将低输入电源AC电压增加或增压， 而且将不会节省与本发明一样多的能量，因为在设置节能电压以下，控制电子器件将感测 低输入AC电源电压，切断节省内部能量的降压AC调压器电力电子器件，且激活串联旁路接 触器，因此低电源AC输入电压现在被直接施加于负载，使得在降压AC调压器保持连接在电 路中时使电压降最小化，且凭借于通过串联旁路接触器将这个低输入电源AC电压直接施加 于负载来实现另外的节能。另外当输入电源AC电压增加到设置节能电压以上时，串联旁路 接触器被切断，且降压AC调压器被激活以将到负载的输出AC电压调节为节能电压等级，而 无关于配电网络上的较高和极端过电压。
[0077]在本发明的另一实施方案中，具有仅仅结合串联旁路接触器工作的降压AC调压器 的具体节能EPU并有如许多"智能仪表"中设计的标准数字通信。以这种方式，利用CVR的节 能EPU可被称为"节能仪表"，因为其不但执行并报告为通过"智能仪表"数字通信的各种标 准模式通信的"智能仪表"，而且其可节能。
[0078]为了说明EPU输出电压降低到最优节能水平（在这个实例中，对于120VAC系统， 114VAC，且对于230VAC或240VAC系统，220VAC)，可实现10%到15%的节能，且在低于120VAC 系统中的114VAC或230VAC或240VAC系统中的220VAC以下的低电压条件下在仅仅结合串联 旁路接触器使用降压AC调压器的这种较低成本节能EPU(代替利用全AVR的EPU)中将增加这
[0079] EPU可被设计为在双向数字通信网络中工作，双向数字通信网络可用于将EPU装置 和LV配电网络的状态传送到中央位置。这种传输数据可用来修改EPU装置的操作以缓解LV 配电网络问题，且另外EPU电力岛可被隔离为用作所述局部电力区域中的"微电网"（图4中 的403)操作，且由于LV配电网络上放宽了电力质量容限，LV配电网络或微电网可在更宽的 电力质量波动下操作，而EPU处理所述"污电力"以传递POU处的"干净电力"。另外，数字数据 可在更宽的电力岛区域上使用以修改发电厂、输电电网、DEG和EPU的整体交互和操作以维 持电力系统的稳定性，但是在电力系统上的较宽电力质量容限的情况下，由于安装了EPU， 其允许在增加配电电力质量波动的情况下更容易进行整体系统控制，而EPU仍然在POU处传 递高电力质量的"干净电力"。
[0080] AC电源上存在调节电压的两种方式。一种方式是串联调压，其中AC输入和AC输出 被"解耦"使得只有未经调节输入AC电压与规定且固定的经调节输出AC电压之间的电压差 被电力电子器件处理。另一种方法是分流调节，其中AC电压是通过注入与电源分流或并联 的规定电流且调整被接合内部存储装置(诸如高电压电解质电容器）的电力电子器件注入 或吸收的规定电流的水平而改变。分流调节方法因此通过驱动或吸收接合跨电源线阻抗或 电阻的内部存储装置的规定电流来控制AC电源线电压。
[0081] 根据本发明的实施方案的EPU调压是通过串联调压方法进行，所述串联调压方法 包括(但不限于）以下美国临时实用专利申请案中公开的串联AC高频调压器技术：第61/ 913,935号、第61/913,934号和第61/908,763号。串联调压方法具有优于分流调节方法的巨 大优势。分流调节方法需要产生大量电流来改变其中AC线阻抗极低的条件下的电压差。AC 线阻抗通常远小于Iohm，且在许多情况中可小于O.lohm，且另外取决于线条件而改变。因 此，分流调节方法是不足的且其驱动足够多电流到低线阻抗以在广大范围内调节电压的能 力有限，且在一些情况下，极低线阻抗不能产生或吸收足够多电流来修正所需电压。如本发 明中所使用的串联调压方法高度有效、无需分流配置所需要的内部存储装置(诸如不可靠 的高电压电解质电容器），且可在输入AC电压的极宽范围内调节AC输出电压，独立于线阻 抗，且可单独用作独立AC串联调压AVR。
[0082]图5示出了根据本发明的一个实施方案的EPU的配置，且以下表格列出了其在解决 前述电力质量问题方面的操作参数。
[0085] 本发明的前述描述已出于说明和描述目的而提供。其不旨在详尽或将本发明限于 所公开的精确形式。本领域技术人员将明白许多修改和变动。
[0086] 实施方案经选取和描述以最佳地解释本发明的原理和其实际应用，从而使得本领 域技术人员能够针对各个实施方案且在适用于所预期的特定使用的各种修改的情况下理 解本发明。希望本发明的范围是由以下权利要求书和其等同物界定。
【主权项】
1. 一种具有分布式发电的配电系统，其特征在于，包括： 配电网络； 一个或多个能量处理单元，其各自直接安装在一个或多个使用点中的一者处； 其中所述能量处理单元中的每一者具有连接到所述配电网络的输入连接、以及连接到 安装所述能量处理单元的所述使用点处的负载和分布式发电装置中的一者或多者的输出 连接； 其中所述能量处理单元中的每一者，在其输出处基于来自所述配电网络中的所述能量 处理单元输入处的未经调节输入电压，产生一个经调节输出电压； 其中所述能量处理单元中的每一者包括串联调压器且使用串联调压方法结合一个或 多个电力质量功能中的至少一者产生其经调节输出电压； 其中所述能量处理单元中的每一者是双向的，允许在安装所述能量处理单元的所述使 用点处的任何分布式发电装置产生的过多能量的能被回收被返回传递到所述能量处理单 元输入且返回传递到所述配电网络上;和 其中所述能量处理单元的所述输出连接处的所述经调节输出电压允许当所述配电网 络中的所述未经调节输入电压高于经调节上限时进行连续能量回收。2. 根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个电力质量功能包括功率因子控制、 负载平衡、电压平衡、谐波修正和频率控制。3. 根据权利要求1所述的系统，其中所述配电网络中的所述未经调节输入电压被允许 与标称电压变化相差±25%的容限、与标称电压不平衡相差±10%的容限、与标称电压谐 波相差±10%的容限，低功率因子被修正到0.98以上、与标称电流不平衡相差±10%、与标 称频率偏差相差±5%。4. 根据权利要求1所述的系统，其中所述配电网络中的所述未经调节输入电压被允许 高于立法的电力质量标准容限的容限。5. 根据权利要求1所述的系统，其中所述能量处理单元配备有双向数据通信装置以与 所述配电网络中的发电厂和电力输电运营商进行数据通信。6. 根据权利要求1所述的系统，其中所述能量处理单元中的每一者中的所述串联调压 器是第61/896,635号美国专利申请中定义的串联高频交流调压器。7. 根据权利要求1所述的系统，其中所述能量处理单元中的每一者中的所述串联调压 器是第61 /896，639号美国专利申请中定义的串联高频交流调压器。8. 根据权利要求1所述的系统，其中所述能量处理单元中的每一者中的所述串联调压 器是第61/908,763号美国专利申请中定义的串联高频交流调压器。9. 根据权利要求1所述的系统，其中所述能量处理单元中的每一者中的所述串联调压 器是第61/913,934号美国专利申请中定义的串联高频交流调压器。10. 根据权利要求1所述的系统，其中所述能量处理单元中的每一者中的所述串联调压 器是第61/913,935号美国专利申请中定义的串联高频交流调压器。11. 根据权利要求1所述的系统，其中所述能量处理单元中的每一者还包括串联旁路接 触器且使用守恒降压方法实现节能;其中所述守恒降压方法包括： 当所述未经调节输入电压高于所述经调节上限时通过所述串联降压器传递所述未经 调节输入电压;和 当所述未经调节输入电压低于所述经调节上限时通过所述串联旁路接触器传递所述 未经调节输入电压。12. 根据权利要求11所述的系统，其中所述能量处理单元中的每一者中的所述串联调 压器是第61/896,635号美国专利申请中定义的串联高频交流调压器。13. 根据权利要求11所述的系统，其中所述能量处理单元中的每一者中的所述串联调 压器是第61 /896，639号美国专利申请中定义的串联高频交流调压器。14. 根据权利要求11所述的系统，其中所述能量处理单元中的每一者中的所述串联调 压器是第61/908,763号美国专利申请中定义的串联高频交流调压器。15. 根据权利要求11所述的系统，其中所述能量处理单元中的每一者中的所述串联调 压器是第61/913,934号美国专利申请中定义的串联高频交流调压器。16. 根据权利要求11所述的系统，其中所述能量处理单元中的每一者中的所述串联调 压器是第61/913,935号美国专利申请中定义的串联高频交流调压器。
【文档编号】H02J3/00GK106068588SQ201480060505
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2014年10月10日 公开号201480060505.5, CN 106068588 A, CN 106068588A, CN 201480060505, CN-A-106068588, CN106068588 A, CN106068588A, CN201480060505, CN201480060505.5, PCT/2014/88325, PCT/CN/14/088325, PCT/CN/14/88325, PCT/CN/2014/088325, PCT/CN/2014/88325, PCT/CN14/088325, PCT/CN14/88325, PCT/CN14088325, PCT/CN1488325, PCT/CN2014/088325, PCT/CN2014/88325, PCT/CN2014088325, PCT/CN201488325
【发明人】斯图尔特·尼尔乔治
【申请人】逸节电子有限公司