通过在电力使用点利用自适应电压控制和峰值降低来节省电压从而最大限度地节省能源制造技术

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）装置逐渐增多而降级。本发明专利技术通过提供包括安装在客户电力使用点（POU）处的能量处理单元（EPU）的解决方案来解决这个越来越严峻的DEG问题。并且由于受到严格的电压控制EPU的调节输出，可以通过动态电压控制实现显着的节能效果，利用CVR效应，降低无功功率需求，并减少或消除峰值需求量的征费。

Maximum energy savings are achieved by utilizing adaptive voltage control and peak reduction at power use points.

In current traditional power generation and distribution systems, the quality of electricity delivered to the final consumer is due to several destructive technologies and legislative influences, especially with the increasing number of privately owned and operated household and commercial distributed generation (DEG) devices connected at any point across low voltage (LV) distribution networks. The invention solves this increasingly severe DEG problem by providing a solution including an energy processing unit (EPU) installed at a customer power use point (POU). Moreover, due to the strict voltage control EPU's regulated output, dynamic voltage control can achieve significant energy-saving effect, using CVR effect, reducing reactive power demand, and reducing or eliminating the peak demand levy.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】通过在电力使用点利用自适应电压控制和峰值降低来节省电压从而最大限度地节省能源版权声明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。相关专利申请的交叉引用本申请在巴黎公约下要求2016年10月17日提交的美国专利申请第15/295,967号的优先权，其公开内容通过整体引用并入本文。美国专利申请号15/295,967是2014年10月10日提交的美国专利申请第14/511,187号的部分继续（CIP）申请，其公开内容通过整体引用并入本文。本申请还涉及2015年9月29日授权的美国专利第9,148,058号，于2014年10月10日提交的美国专利申请第14/565,444号，以及于2015年1月12日提交的PCT国际申请第PCT/CN2015/070538号以及于2015年3月1日提交的PCT国际申请第PCT/CN2016/075144号，其公开内容通过整体引用并入本文。
本专利技术涉及发电和配电。更具体地说，本专利技术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。
技术介绍
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。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。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。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。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。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。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。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。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数的变化而增加了电压不稳定性。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数，电力质量（尤其电压不稳定性）的降级日益严峻且随着增加的浪费能源消耗，向客户提供的电压过高的潜在性增加。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、被破坏且甚至浪费能源。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:国家监管标准标称电压（VACRMS）电压容限（%）标准频率（Hz）频率容限（%）美国FERC/本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有分布式能量产生的配电系统，其特征在于，包括电力配电网络；一或多个能量处理单元，每个能量处理单元直接安装在一或多个使用点之一；其中，每个能量处理单元具有输入连接和输出连接，所述输入连接连接至配电网络的输入连接，所述输出连接连接至一或多个负载及位于安装有所述能量处理单元的使用点中的分布式能量产生设备；其中，每个能量处理单元在其输出端由所述能量处理单元的输入处的配电网络中的未调节输入电压产生已调节的输出电压；其中，每个能量处理单元包括串联调压器，并使用串联调压方法产生其已调节的输出电压；其中，每个能量处理单元是电双向的，以使得过剩能量的能量回收能够被传送回所述能量处理单元的输入并且传送到所述配电网络上，该过剩能量由其中安装有能量处理单元的使用点中的任何分布式能量产生设备产生；其中，当所述配电网络中的未调节输入电压高于规定的上限时，所述能量处理单元的所述输出连接处的已调节的输出电压允许进行连续的能量回收。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.10.17 US 15/2959671.一种具有分布式能量产生的配电系统，其特征在于，包括电力配电网络；一或多个能量处理单元，每个能量处理单元直接安装在一或多个使用点之一；其中，每个能量处理单元具有输入连接和输出连接，所述输入连接连接至配电网络的输入连接，所述输出连接连接至一或多个负载及位于安装有所述能量处理单元的使用点中的分布式能量产生设备；其中，每个能量处理单元在其输出端由所述能量处理单元的输入处的配电网络中的未调节输入电压产生已调节的输出电压；其中，每个能量处理单元包括串联调压器，并使用串联调压方法产生其已调节的输出电压；其中，每个能量处理单元是电双向的，以使得过剩能量的能量回收能够被传送回所述能量处理单元的输入并且传送到所述配电网络上，该过剩能量由其中安装有能量处理单元的使用点中的任何分布式能量产生设备产生；其中，当所述配电网络中的未调节输入电压高于规定的上限时，所述能量处理单元的所述输出连接处的已调节的输出电压允许进行连续的能量回收。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，每个能量处理单元用于：将在其输出端的已调节电压直接提供给所述使用点；允许设置或动态控制较不精确的输出电压，以通过节能降压（CVR）效应降低KW级能源来最大化地节能；允许通过远程补偿在最远的一或多个电源插座上的接线电压降来降低输出电压，以最大限度地减少无功功率需求和峰值需量，并在低负载的情况下补偿降低的能量处理单元效率；允许通过分别降低或增加每个能量处理单元的已调节电压输出，降低或增加由负载消耗的来自电网的KW级总功率需求或KVAR或KVA级总视在功率，以能够控制连接至所述能量处理单元的输入的电网电压;允许通过使用双向通信数字网络将实时电能质量数据从每个负载点的能量处理单元沿着配电网络经由远程减少或增加各个能量处理单元输出电压，以能够细粒度控制沿着整个配电网络或者配电网络的一或多个部位的电网电压。3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，每个能量处理单元还包括可充电电池，以减少或消除用于降低峰值需量计费资费的KW级峰值需量；所述可充电电池不用于支持蓄电。4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，每个能量处理单元包括串联调压器，并且使用与一或多个电能质量功能中的至少一个相结合的串联调压方法，来产生其已调节的输出电压；所述一或多个电能质量功能包括功率因数控制、负载平衡、电压平衡、谐波校正和频率控制。5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，电力配电网络中的未调节输入电压允许范围为：±25%的标称电压变化的容限，±10%的标称电压不平衡的容限，±10%的标称电压谐波，低功率因数校正超过0.98，±10%的标称电流不平衡，±5%的标称频率偏差容限。6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电力配电网络中的未调节输入电压的容限被允许高于法定电力质量标准容限。7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述能量处理单元配备有双向数据通信装置，用于与电力配电网络中的发电机和电力传输运营者进行数据通信。8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，每个能量处理单元中的串联调压器是串联交流（AC）高频调压器，其包括：用于降低AC输入电源的AC输入电压的AC高频（HF）串联电压降压电源调控器拓扑结构，其包括：第一独立可控AC双向开关和第二独立可控AC双向开关，第一功率电感器，和用于产生指示第一功率电感器电流方向的第一功率电感器电流方向数据信号的第一电流变换器；用于升高AC输入电压源的ACHF串联电压降压电源调控器拓扑结构，其包括：第三独立可控AC双向开关和第四独立可控AC双向开关，第二功率电感器，和用于产生指示第二功率电感器电流方向的第二功率电感器电流方向数据信号的第二电流变换器；控制电路，用于接收AC输入电压、AC参考电压、AC输出电压源、第一功率电感器电流方向数据信号和第二功率电感器电流方向数据信号，并产生用于AC双向开关的开关驱动信号。9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，每个能量处理单元中的串联调压器是串联交流（AC）高频调压器，其包括：用于降低AC输入电源的AC输入电压的AC高频（HF）串联电压降压电源调控器拓扑结构，其包括：第一单极路径，其包括：第一半桥，其包括分别与第一独立可控单极开关和第二独立可控单极开关串联连接的第一整流器和第二整流器，和第一功率电感器；第二单极路径，其包括：第二半桥，其包括分别与第三独立可控单极开关和第四独立可控单极开关串联连接的第三整流器和第四整流器，和第二功率电感器；和用于升高AC输入电压的ACHF串联电压升压电源调控器拓扑结构，其包括：第三单极路径，其包括：第三半桥，其包括分别与第五独立可控单极开关和第六独立可控单极开关串联连接的第五整流器和第六整流器，和第三功率电感器；第四单极路径，其包括：第四半桥，其包括分别与第七独立可控单极开关和第八独立可控单极开关串联连接的第七整流器和第八整流器，和第四功率电感器；控制电路，用于接收AC输入电压、AC参考电压和AC输出电压，并产生用于单极开关的开关驱动信号；其中，在消除任何功率“击穿”的任何时间，在ACHF串联电压升压电源调控器拓扑结构或ACHF串联电压降压电源调控器拓扑结构中，分离地且独立地处理AC输入电压的正半周期和负半周期。10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，每个能量处理单元中的串联调压器是串联交流（AC）高频调压器，其包括：AC高频（HF）串联电压降压电源调控器拓扑结构，用于降低AC输入电源的AC输入电压；旁路接触器；与旁路接触器并联连接的双向AC半导体器件；控制电路，用于接收AC输入电压、AC参考电压和AC输出电压，并产生用于旁路接触器和双向AC半导体器件的驱动信号；其中，在AC输入电压下降至低于选定的最佳节能设定水平的情况下，控制电路感测该情况，产生驱动信号以激活双向AC半导体器件，并转换旁路接触器，使得双向AC半导体器件首先旁路ACHF串联电压降压电源调控器拓扑结构，然后旁路接触器的触点闭合并完全旁路ACHF串联电压降压电源调控器拓扑结构和双向AC半导体器件。11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，每个能量处理单元还包括串联旁路接触器，并使用节能降压方法实现节能；其中，所述节能降压方法包括：当所述未调节输入电压高于规定的上限时，通过串联调压器输送所述未调节输入电压；当所述未调节输入电压低于规定的上限时，通过串联旁路接触器输送所述未调节输入电压。12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，每个能量处理单元中的串联调压器是串联交流（AC）高频电压调节器，其包括：用于降低AC输入电源的AC输入电压...

【专利技术属性】
技术研发人员：尼尔·乔治·斯图尔特，戈登·柯里，简·萨帕塔，理查德·麦金杜，
申请(专利权)人：逸节电子有限公司，
类型：发明
国别省市：中国香港,81