动态无功功率的分布式控制的制作方法
动态无功功率的分布式控制的制作方法
【专利摘要】本发明公开了通过提供分布式VAR补偿器，来提供用于控制快速动态分布式无功功率的系统和方法。所述VAR补偿器可以包括：电压传感器，用于感测公用电网的电网电压的瞬时值。所述VAR补偿器还可以包括无功功率补偿器和控制器，所述控制器配置为操作所述无功功率补偿器。所述控制器还可以配置为：基于感测的电网电压和下降曲线来确定要提供给电力系统的无功功率量。
【专利说明】动态无功功率的分布式控制
[0001]本申请是以美国国有公司Petra Solar inc.的名义于2012年3月9日递交的PCT国际专利申请，除美国之外的所有国家的指定 申请人:是Petra Solar inc.，针对美国指定的 申请人:是荷兰公民Johan H.R.Enslin、约旦公民Ruba Akram Amarin、多哥公民AdjeF.Mensah和约旦公民Ehab H.Shoubaki,并且要求2011年3月9日递交的美国专利申请N0.61/450，742的优先权，将其公开全部合并在此作为参考。
【背景技术】
[0002]大量现今的电力通过大规模集中式电厂使用燃料、水力或核能来产生，并且通过长距离传送给终端用户。功率从集中式电厂通过分布式网络流至消费者。从集中式电厂到终端用户的电力通常按照交流电(AC)形式传递，其中电流和电压都是正弦形式，也称作AC系统。在AC系统中，将功率作为通过给定点的能流速率进行测量。如果终端用户的负载是纯电阻性的，只传送实际的功率，这是由于电压和电流都是同相的。如果终端用户的负载是纯电抗性的(电容器和电感器)，因此电压和电流是90°异相的，并且不存在到负载的净能量传送。
[0003]典型的终端用户负载具有电阻、电感和电容，因此有功功率和无功功率(reactivepower)两者都流动至终端用户负载。终端用户负载的电感性和电容性性质引起电流相对于电压改变相位:电容倾向于电流在相位上领先电压，而电感倾向于电流在相位上落后电压。为了传输相同量的有功功率，在电流和电压之间具有较高相位差的AC系统将具有较高的环流，因此具有较高的损耗。此外，较高的环流要求高额定(功率)的设备(导体、变压器等)，或者可能由于过流导致引起对于设备的损坏。
[0004]因此在AC系统中，为了传送最大量的能量并且提高效率和可靠性，电流和电压之间的相位差应该最小。通过在电力系统中吸收或递送无功功率来控制电流和电压之间的相位差。将电力系统中无功功率的控制称作VAR支持。使用VAR补偿器来提供电力系统中的VAR支持。这些VAR补偿器通常位于分布的子站中或者在靠近分布式子站的馈电器上。这些VAR补偿器向位于变压器或者位于负载附近的其他设备提供最小的保护或不提供保护。此外，现如今的VAR补偿器是单机式的。
【发明内容】
[0005]根据本发明的实施例，公开了一种系统和方法，用于电力系统中快速动态分布式无功功率的拓扑和控制。所述系统可以包括:电压传感器，用于感测电网电压的瞬时值。所述系统还可以包括无功功率补偿器和用于操作无功功率补偿器的控制器。所述控制器可以配置为基于感测的电网电压和下降曲线(droop profile)来确定要提供给电力系统的无功功率的量。所述控制器还可以配置为操作无功功率补偿器的开关，以向电力系统增加/从电力系统去除电容器和/或设置一个或多个电感器的点弧角。
[0006]应该理解的是前述一般性描述和以下详细描述是示例并且只是说明性的，并且不应该看作是限制所述和要求权利的本发明的范围。另外，可以提供这里阐述的特征和/或变体以外的其他特征和/或变体。例如，本发明的实施例可以涉及在详细描述中描述的各种特征的组合和子组合。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]在本公开中包括的并且作为本公开一部分的【专利附图】
【附图说明】了本发明的各种实施例。附图中:
[0008]图1示出了可以实践本发明的各种实施例的环境；
[0009]图2示出了根据本发明实施例的配电系统，具有快速动态分布式VAR补偿器；
[0010]图3示出了根据本发明实施例的图2的动态分布式VAR补偿器；
[0011]图4是根据本发明实施例的用于图3的VAR补偿器的控制器的元件的方框图；
[0012]图5是根据本发明实施例的用于分布式VAR补偿器的下降曲线；
[0013]图6是根据本发明实施例的快速动态分布式VAR补偿器的数据获取、监测和控制的体系结构；以及
[0014]图7是描述了根据本发明实施例的VAR补偿器的操作模式的图。
【具体实施方式】
[0015]以下详细描述参考附图。如果可能，在附图和以下描述中使用相同的参考数字来表示相同或类似的元件。尽管可以描述本发明的实施例，但是修改、改变和其他实现方式是可能的。例如，可以对于附图中说明的元件实现替换、增加或修改，并且可以通过对于所公开方法的替换、呈现和添加阶段来修改这里所述的方法。因此，以下详细描述并非限制本发明。相反，本发明的正确范围由所附权利要求限定。
[0016]本发明的实施例可以通过提供一种快速动态分布式的VAR补偿器，来提供一种控制配电系统中的无功功率的系统和方法。可以通过分布式VAR补偿器来吸收或传递配电系统中的无功功率，以控制无功功率。所述系统可以包括:电压传感器，用于感测电网电压的瞬时值。所述系统还可以包括:无功功率补偿器和操作无功功率补偿器的控制器。所述控制器可以配置为基于感测的电网电压和下降曲线来确定要提供给电力系统的无功功率的量。所述控制器还可以配置为操作无功功率补偿器的开关，以向电力系统增加/从电力系统去除电容器和/或设置一个或多个电感器的点弧角。
[0017]根据本发明的实施例，图1是可以实践本发明的各种实施例的环境。将图1示出为包括发电站102、一个或多个传输单兀104a、104b和104c (统称为传输单兀104)、一个或多个配电单兀106a和106b (通常为配电单兀106)、微电网108、一个或多个负载IlOa和IlOb (统称为负载110)和配电系统112。附加地,微电网108还包括一个或多个功率电子接口(PEI) 114a、114b 和 114c (统称为 PEI 314)、一个或多个 DG 源 116a、116b 和 116c (统称为DG源116)以及一个或多个DG单元118a、118b和118c (统称为DG单元118)。
[0018]如上所述，发电站102可以依赖于传统和可再生源，所述源可以包括但不限于燃料、核能、水利、风能、光电能和地热。除了上述之外，发电站102可以产生大规模电力以经由配电系统112分配给负载110。关于图2详细描述了配电网。
[0019]根据本发明的实施例，可以将由发电站102产生的电力提供给传输单元104，以将电力进一步传输给配电单元106。将从发电站102产生的电力馈送到传输单元104中。因为发电单元102通常位于远离配电单元106的位置，因此传输单元104可以使用高电压(110KV或以上)来减小传输的能量损耗。配电单元106可以是将电力传递给终端用户的最终级，并且可以使用降压变压器来减小较高值的电压。终端用户也称作本公开中的消费建
Λ-Α-巩。
[0020]图2是具有快速动态分布式VAR补偿器的配电系统200。如图2所示，配电系统200可以包括配电子站202、一个或多个配电馈电器204a和204b (统称为馈电器204)、一个或多个次级配电变压器206a和206b (统称为次级配电变压器206)、一个或多个消费建筑208a和208b (统称为消费建筑208)、一个或多个电容器组210、一个或多个快速动态分布式VAR补偿器212a和212b (统称为VAR补偿器212)。图2的配电系统200还可以包括通信系统214和数据中心216。
[0021]配电子站202可以将从传输系统接收的电力传送给馈电器204。子站202可以包括一个或多个初级变压器218以改变高传输电压(110KV或以上)和低配电电压(2.3KV至35KV)之间的电压电平。子站202还可以包括切换、保护和控制设备220。初级变压器218可以具有初级绕组和次级绕组(图2中未示出)。传输系统可以与初级绕组相连，而馈电器204可以与初级变压器218的次级绕组相连。
[0022]配电子站202的输出可以是馈电器204。馈电器204可以沿街道在头顶上(或者在一些情况下在地下)延伸。馈电器204可以用于将电力从配电子站202递送至消费建筑208。只有较大的消费建筑可以直接从配电电压来直接馈电。大多数消费建筑可以经由次级配电变压器206馈电。次级配电变压器206可以配置为将来自馈电器204的电压电平改变为消费建筑208所请求的电压电平(相对低的电平)。次级配电变压器206可以是安装或者设置在地上的极点，并且可以位于消费建筑208附近。尽管示出了只有一个消费建筑与图2中的次级配电变压器相连，多于一个消费建筑可以与单独的次级配电变压器相连。在一个示例实施例中，也可以将配电系统200的次级配电变压器206以外的部分称作次级电压网络。
[0023]次级电压网络可以配备多于一个VAR补偿器212。作为示例，VAR补偿器212可以连接在次级配电变压器206和消费建筑208之间，优选地更靠近次级配电变压器206。VAR补偿器212可以配置为在次级电压网络上提供快速动态分布式无功功率补偿。在本公开中，参考图3更加详细地描述VAR补偿器212。
[0024]根据本发明的实施例，一个或多个电容器组222可以与馈电器204相连以提供对于馈电器204的电压控制。电容器组222也可以包括电容器控制器224，以将一个或多个电容器与馈电器204相连/断开。
[0025]根据本发明的实施例，电容器控制器224、VAR补偿器212和控制设备220可以通过通信系统214与数据中心216相连。通信系统214可以是基于ZigBee协议的通信系统、广域网(WAN)、网状网络、因特网或其他标准的通信系统。电容器控制器224、VAR补偿器212和控制设备220也可以使用通信系统214彼此通信。在一个示例实施例中，数据中心216可以位于中央监测系统处。
[0026]根据本发明的实施例，配电系统200可以包括中央监测系统(图2中未示出)。中央监测系统可以配置为使用通信系统214或者分离的通信系统与配电系统200的元件通信。中央监测系统可以配置为使用双向通信系统与配电系统200的元件通信。双向通信可以包括从元件接收与配电系统的状态有关的数据，并且响应于接收到的状态数据向可配置元件发送命令。所述命令可以包括由接收命令的元件执行的动作集合。数据中心214可以位于中央监测系统中，并且用于存储从配电系统的元件接收的数据。
[0027]根据本发明的实施例，中央监测系统可以包括标准配电系统管理工具，像配电管理系统(DMS)、监督控制和数据获取(SCADA)系统、电力断供管理系统(OMS)、故障检测隔离和恢复(FDIR)系统、班组管理系统(CMS)、度量数据管理系统(MDMS)和本发明的管理系统。
[0028]尽管在图2中只示出了两个VAR补偿器，典型的配电系统可以包括在较大的地理区域上分布的多于两个VAR补偿器。VAR补偿器的个数可以基于消费建筑的个数、消费负载的类型、消费负载的量和消费建筑距配电子站的距离。作为示例，可以提供每一个次级配电变压器一个VAR补偿器，用于控制配电系统中的无功功率。在本说明书的附录I中提供了VAR补偿器的示例规范。
[0029]图3示出了根据本发明实施例的VAR补偿器212的元件。VAR补偿器212可以包括电压传感器302、控制器304、无功功率补偿器306、熔丝308、电磁干扰(EMI)反应装置310和通信模块312。
[0030]电压传感器302可以与馈电器204相连。电压传感器302可以配置为感测馈电器电压的瞬时值，也称作电网电压(VgHd)。可以将感测的馈电器电压的瞬时值发送至控制器304。控制器304可以配置为操作无功功率补偿器306中的开关，以基于感测的电网电压向馈电器204提供VAR支持。相对于本公开的图4详细地描述了控制器304及其功能。
[0031]在一个实施例中，无功功率补偿器306可以通过熔丝308和EMI反应装置310与馈电器204相连。熔丝308可以配置为中断过量电流以防止无功功率补偿器306的过热或损坏。EMI反应装置308可以配置为对在馈电器204和无功功率补偿器306之间传导的射频干扰进行衰减。
[0032]在一个实施例中，无功功率补偿器306可以包括前导VAR单元314以及一个或多个VAR单元316a、316b和316c (统称为VAR单元316)。前导VAR单元314和VAR单元316与馈电器204并联连接。无功功率补偿器306还可以包括金属氧化物变阻器(MOV) 318。金属氧化物变阻器(MOV) 318可以与前导VAR单元314以及VAR单元316并联连接。
[0033]在一个实施例中，MOV 318可以配置为保护无功功率补偿器306的敏感部件不受过量的瞬态电压影响。当前导VAR单元314和VAR单元316两端的电压较高时，MOV 318可以传到显著增加的电流。当VAR单元两端的电压保持小于钳制电压时，MOV 318可以在正常操作期间保持不导电，作为分路模式(shunt-mode)器件。当VAR单元两端的电压与钳制电压相交叉时，可以触发MOV 318，并且可以将由增加的电压产生的电流分路掉以离开VAR单元。可以通过效用来确定钳制电压。
[0034]在一个实施例中，前导VAR单元314可以包括反应装置320、用于交流电的三极管(TRIAC)或固态AC开关322以及驱动器324。反应装置320可以通过TRIAC 322与馈电器204相连。驱动器324可以配置为操作TRIAC322。
[0035]在一个实施例中，VAR单元316a可以包括TRIAC 324a、驱动器326a、反应装置328a以及一个或多个电容器330a和330b (统称为电容器330)。一个或多个电容器330可以与反应装置328串联连接。一个或多个电容器330a和330b可以串联或并联或者按照串联和并联的组合连接在一起。反应装置328可以通过TRIAC 324与馈电器204相连。如图3所示，VAR单元316b和316c也可以包括与VAR单元316a类似的部件。VAR单元316b和316c的部件可以按照与VAR单元316a的部件类似的方式连接。作为示例，VAR单元316b可以包括TRIAC 324b、驱动器326b、反应装置328b以及一个或多个电容器330c和330d。作为另一个示例，VAR单元316c可以包括TRIAC324c、驱动器326c、反应装置328c以及一个或多个电容器330e和330f。
[0036]在一个实施例中，TRIAC 322和324可以是当导通时可以沿任一个方向传导电流的电子部件。可以通过向TRIAC的栅极电极施加正电流或负电流来导通TRIAC 322和324。可以通过驱动器324和326来提供栅极电流，也称作门控信号(gating signal)。一旦导通，TRIAC 322和324可以继续传导，直到流经TRIAC的电流下降到预定阈值以下为止。预定阈值也可以称作保持电流。在一个实施例中，驱动器324和326可以通过控制器304来操作。
[0037]图4是根据本发明实施例的图3的控制器304的方框图。控制器304可以包括模数转换器(ADC)402、锁相环(PLL)404、均方根(RMS)估计器460、误差估计器408、下降曲线410和调制器412。控制器304还可以包括监督状态机414、数字通信总线416和定时器418。
[0038]在一个实施例中，ADC 402可以配置为从电压传感器302接收感测的电网电压的瞬时值。ADC 402可以提供物理信号的数字版本，表示电网电压和每一个单独的电容器组。可以将来自ADC 402的输出发送至PLL 404和RMS估计器406。
[0039]在一个实施例中,PLL 404可以产生与输入信号的相位相关的输出信号。PLL 404可以提供电网电压的相位参考。PLL 404也可以向RMS估计器406提供电网电压的估计频率作为校正因子。
[0040]在一个实施例中，RMS估计器406可以使用来自ADC 402的输出来计算电网电压(Vgrid)的RMS值。RMS值是变化量的幅度的统计测量，例如正弦变化。在一个示例中，可以将电网电压的RMS值计算为:`
I/._ ^eak
[0041]Vrms 二1 ~7=~
，
[0042]其中Vpeak是电网电压(VgHd)的峰值。
[0043]在一个实施例中，来自RMS估计器406的输出可以用作误差估计器408的输入。误差估计器408可以将从RMS估计器406接收的电网电压(Vgrid)的RMS值与参考RMS电压进行比较。误差估计器408还可以估计RMS估计器406计算的电网电压的RMS值和参考RMS电压之间的差。
[0044]在一个实施例中，可以通过中央监测系统来提供参考RMS电压，并且可以将参考RMS电压本地存储在RMS估计器406中。在一个示例实施例中，可以基于配电系统200的操作条件来动态地修改参考RMS电压。
[0045]在一个实施例中，由RMS估计器406计算的电网电压的RMS值与参考RMS电压之间估计的差值可以用作下降曲线模块410的输入。下降曲线模块410可以包括如图5所示的下降曲线。参考本公开的图5更加详细地讨论下降曲线。
[0046]在一个实施例中，下降曲线模块410可以基于估计的差值来估计将要在馈电器204中吸收/递送的所需的无功功率量。下降曲线模块可以通过使用本地存储的下降曲线或者使用位于中央监测系统的下降曲线来估计所需量。
[0047]在一个实施例中，来自下降曲线模块410的输出可以用作调制器412的输入。调制器412可以将来自下降曲线模块410的输出转换为将电容器与馈电器404连接/断开的控制信号，并且设置无功功率补偿器306中的可变电感器的点弧角。来自调制器410的输出可以用作驱动器324和326的输入。
[0048]在一个实施例中，监督状态机414可以配置为协同闭环下降控制和通过通信导管暴露的外部命令接口之间的相互作用。监督状态机414也可以携带相对于电压的配置参数，例如各种操作方案，或者如上所述的任意其他量。
[0049]在一个实施例中，定时器418可以向控制器内的所有其他部件提供参考定时信号。参考定时信号可以由部件用于同步内部时钟，或者向从公用电网感测的数据加上时间戳。数字通信总线416配置为在控制器304和通信系统214之间建立通信。
[0050]在一个实施例中，通过由TRIAC 322切换的相位角度调制，可以将反应装置324可变地切换到电路中，并且因此向配电系统200提供连续可变的无功功率注入(或吸收)。在这种配置中，由电容器330提供粗糙的电压控制；TRIAC受控的反应装置是为了提供精细的控制。可以利用TRIAC受控的电容器切换来提供更平滑的控制和更多的灵活性。
[0051]图5描述了根据本发明实施例的下降曲线的示例。在一个实施例中，下降曲线可以包括电网电压的RMS值的估计误差和要在馈电器204中吸收或递送的所需无功功率量之间的一种映射。无论何时电网电压的RMS值的估计误差落在映射中提供的两个连续值之间，可以通过使用电网电压的RMS值的估计误差以下和以上的点来执行插值，计算所需的无功功率。
[0052]在一个实施例中，尽管按照图5中曲线的形式描述了电网电压的RMS值的估计误差与所需的无功功率量之间的映射，可以按照表格或任意其他映射技术来描述所述映射。
[0053]在一个实施例中，电网电压的RMS值的估计误差和所需的无功功率量之间的映射可以存储在下降曲线中，并且动态地进行更新。可以通过中央监测系统或管理者来更新所述映射。可以经由通信系统214发送更新的映射。另外，电网电压的RMS值的估计误差和所需的无功功率量之间的映射可以基于馈电器204的操作条件来在本地更新。
[0054]图6是根据本发明另一个实施例的用于快速动态分布式VAR补偿器的数据获取、监测和控制的体系结构。如图6所示，VAR补偿器可以与配电系统的次级电压网络相连。
[0055]在一个实施例中，VAR补偿器可以具备与配电系统相连的发电源。作为不例，VAR补偿器可以与太阳能光伏(PV)系统一起提供。在另一个实施例中，可以提供VAR补偿器作为与配电系统相连的单机元件。
[0056]如图6所述，VAR补偿器可以配置为经由通信系统与中央监测系统通信。所述通信系统可以是无线通信系统或有线通信系统。通信系统可以使得VAR补偿器能够与配电系统中的其他VAR补偿器或另一个电力调节设备相互作用。中央监测系统可以使用通信系统来监测和控制每一个单独的VAR补偿器。此外，通信系统可以实现对距中心区域较大区域上地理分散的VAR补偿器的管理。
[0057]在一个实施例中，所述通信系统可以是智能电网通信系统，公用使用智能电网通信系统来管理配电系统。VAR补偿器与智能电网系统的集成实现了 VAR补偿器对中央监测系统的操作和健康程度的监测和报告。监测和报告可以包括记录VAR补偿器产生的无功功率。监测和报告还可以包括向公用控制中心发送维护和修理警报。
[0058]在一个实施例中，VAR补偿器与智能电网的集成可以使得能够远程地控制VAR补偿器。在一个示例中，可以通过通信系统上的命令来远程地配置VAR补偿器。可以在中央监测系统中观看生成的VAR补偿器的状态。
[0059]在一个示例实施例中，VAR补偿器与智能电网的集成可以向公用提供电网可靠性工具，其中中央监测系统可以恒定地监测和提供对于临界参数(例如电压和VAR)的实时状态更新，从而实现自动电力断供检测和快速修理响应时间。
[0060]图7说明了根据本发明实施例的VAR补偿器的不同操作模式的电压。如图7所示，VAR补偿器可以在两种不同的模式下操作。在第一操作模式下，VAR补偿器可以基于本地存储的下降曲线工作。基于电网电压和下降曲线的VAR补偿器可以在吸收/递送配电系统中的无功功率。在第二操作模式下，通过中央监测系统来控制VAR补偿器操作。中央监测系统可以经由通信系统发送命令。
[0061]在一个实施例中，快速动态分布式VAR补偿器可以将配电馈电器上的次级服务抽头上的电压调节到所要求的限制内。电压调制可以允许公用通过沿馈电器补偿紧急和增长的负载曲线来延长次级配电变压器的寿命。此外，分布式VAR补偿器可以通过改进沿馈电器的功率因子使次级配电变压器中的损耗最小化。另外，分布式VAR补偿器可以减小由于分布式发电数量(例如光伏(PV)电池)的增加而引起的电压上升。减少电压上升的能力可以允许馈电器上附加的PV电池。
[0062]在一个实施例中，快速动态分布的VAR补偿器可以能够将前导和滞后无功功率递送至配电系统。当在配电系统上操作(例如，支持最小电压或校正功率因子)时，VAR补偿器中的无功功率产生可以提供平滑切连续的电压输出。VAR补偿器可以设计为使由于部件选择和受控切换而引起的线路上产生的谐波和噪声最小化。
[0063]控制配电系统中的无功功率可以减小配电系统和传输系统中的损耗。此外，控制无功功率可以通过电压/VAR优化而允许变压器损耗的减小、容量减小和峰值节能。控制无功功率可以允许推迟变压器更新和替换，从而提高了效率。此外，控制无功功率增大了馈电器上的功率因子，从而减轻了其他光伏(PV)发电或非线性负载的功率质量影响。分布式有助于避免对于集中式VAR补偿的依赖，集中式VAR补偿要求较大的无功元件，并且产生线性频率谐波。另外，避免对于集中式VAR支持的依赖消除了单点故障的可能性。通过在负载点提供VAR支持，快速动态分布式VAR补偿器使用分离的VAR单元提高了公用电网的总体性能，并且降低了对于消费者的损耗和电压波动。
[0064]本发明的实施例可以在包括分立电子元件的电路、包含逻辑门的封装或继承电子芯片、利用微处理器的电路或者在包含电子元件或微处理器的单一芯片上实现。本发明的实施例也可以使用能够执行逻辑运算(例如“与”、“或”和“非”)的其他技术来实现，，包括但不限于机械、光学、流体和量子技术。此外，本发明的实施例可以在通用计算机或者任意其他电路或系统中实现。
[0065]例如，本发明的实施例可以实现为计算机过程(方法)、计算系统或者制造物品，例如计算机程序产品或计算机可读介质。计算机程序产品可以是计算机系统可读并且对用于执行计算机处理的计算机程序指令进行编码的计算机存储介质。计算机程序产品也可以是通过计算机系统可读的载体上传播、并且对执行计算机处理的计算机程序指令进行编码的信号。因此，本发明可以以硬件和/或软件(包括固件、驻留软件、微代码等)中实现。换句话说，本发明的实施例可以采取计算机可用或计算机可读存储介质上的计算机程序产品的形式，在所述存储介质上具有在介质实现的计算机可用或计算机可读程序代码，由指令执行系统或者结合指令执行系统来使用所述程序代码。计算机可用或计算机可读介质可以是可以包含、存储、通信、传播或传输由指令执行系统、设备或装置使用的程序的任意介质。
[0066]例如，计算机可用或计算机可读介质可以是但不限于电子、磁、光、电磁、红外或半导体系统、设备、装置或传播介质。更具体的计算机可读介质示例(非完尽列表)，计算机可读介质可以包括以下内容:具有一个或多个引线的电连接、便携式计算机磁盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPR0M或闪速存储器)、光纤、便携紧凑盘只读存储器(CD-ROM)。注意:计算机可用或计算机可读介质甚至可以是其上打印了程序的纸或其他合适的介质，例如经由纸或其他介质的扫描来以电子方式获取程序，然后如果必要按照合适的方式编译、解释或另外处理，然后存储在计算机存储器中。
[0067]例如，以上参考根据本发明实施例的方法、系统和计算机程序产品的方框图和/或可选说明描述了本发明的实施例。在模块中提到的功能/动作可能与任意流程图中所示的次序颠倒地进行。例如，依赖于所包含的功能/动作，连续示出的两个模块实际上可以实质上同时执行，或者有时可以按照相反的顺序执行。
[0068]尽管说明书包括示例，本发明的范围由所附权利要求表示。另外，尽管已经按照对于结构特征和/或方法动作专用的语言描述了本发明，权利要求不限于上述特征或动作。相反，作为本发明实施例的示例公开了上述的特定特征和动作。
[0069]附录I
[0070]
【权利要求】
1.一种用于控制快速动态分布式无功功率的系统，所述系统包括:电压传感器，用于感测公用电网的电网电压的瞬时值；与所述公用电网相连的无功功率补偿器；以及控制器，配置为操作所述无功功率补偿器以向公用电网提供VAR支持，所述控制器配置为:基于均方根误差值和下降曲线来确定要提供给公用电网的无功功率量，其中所述均方根误差值是电网电压的瞬时值的均方根值和参考均方根电压之间的差；以及基于所确定的量，按照以下至少一个来操作无功功率补偿器中的开关:将电容器与公用电网相连；将电容器与公用电网断开；以及设置针对可变电感器的点弧角。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述下降曲线是均方根误差值和要提供给公用电网的无功功率量之间的映射。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述下降曲线存储在控制器上。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述下降曲线存储在中央监测系统上。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述控制器配置为从中央监测系统获取下降曲线和下降曲线更新。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器还配置为使用双向通信系统与中央监测系统通信。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述双向通信系统是网状网络。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述无功功率补偿器包括并联连接的金属氧化物变阻器(MOV)以保护无功功率补偿器不受过量瞬时电压影响。
9.一种控制无功功`率的方法，所述方法包括:接收公用电网的电网电压的瞬时测量值；基于均方根误差值和下降曲线来确定要瞬时提供给公用电网的无功功率量，其中所述均方根误差值是电网电压的瞬时值的均方根值和参考均方根电压之间的差；以及基于所确定的量，按照以下至少一个来操作无功功率补偿器中的开关:将电容器与公用电网相连；将电容器与公用电网断开；以及设置针对可变电感器的点弧角；其中所述无功功率补偿器可操作地连接至公用电网。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述下降曲线是均方根误差值和要提供给公用电网的无功功率量之间的映射。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述下降曲线存储在控制器上，并且其中所述控制器配置为操作所述无功功率补偿器的开关。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述下降曲线存储在中央监测系统中。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述控制器还配置为从中央监测系统获取下降曲线和下降曲线更新。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述控制器配置为使用双向通信系统与中央监测系统通信。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述双向通信系统是网状网络。
16.一种用于控制无功功率的系统，所述系统包括:公用电网；以及至少一个快速动态分布式VAR补偿器，包括:电压传感器，用于感测公用电网的电网电压的瞬时值；无功功率补偿器；以及控制器，配置为操作所述无功功率补偿器以向公用电网提供VAR支持，所述控制器配置为:基于均方根误差值和下降曲线来确定要提供给公用电网的无功功率量，其中所述均方根误差值是电网电压的瞬时值的均方根值和参考均方根电压之间的差；以及基于所确定的量，按照以下至少一个来操作无功功率补偿器中的开关:将电容器与公用电网相连；将电容器与公用电网断开；以及设置针对可变电感器的点弧角。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述公用电网是智能电网。
18.根据权利要求16所述的系统，其中所述快速动态分布式VAR补偿器与公用电网的次级电压网络相连。
19.根据权利要求16所述的系统，其中所述控制器配置为使用双向通信系统与中央监测系统通信。
20.根据权利要求19所述的 系统，其中所述双向通信系统是分布式或网状通信协议。
【文档编号】G06F1/26GK103518169SQ201280022444
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2012年3月9日 优先权日:2011年3月9日
【发明者】约翰·恩斯林, 鲁巴·阿克拉姆·阿马里, 阿杰·F·门萨, 埃哈卜·H·舒巴基 申请人:佩特拉太阳能公司
【专利摘要】本发明公开了通过提供分布式VAR补偿器，来提供用于控制快速动态分布式无功功率的系统和方法。所述VAR补偿器可以包括：电压传感器，用于感测公用电网的电网电压的瞬时值。所述VAR补偿器还可以包括无功功率补偿器和控制器，所述控制器配置为操作所述无功功率补偿器。所述控制器还可以配置为：基于感测的电网电压和下降曲线来确定要提供给电力系统的无功功率量。
【专利说明】动态无功功率的分布式控制
[0001]本申请是以美国国有公司Petra Solar inc.的名义于2012年3月9日递交的PCT国际专利申请，除美国之外的所有国家的指定 申请人:是Petra Solar inc.，针对美国指定的 申请人:是荷兰公民Johan H.R.Enslin、约旦公民Ruba Akram Amarin、多哥公民AdjeF.Mensah和约旦公民Ehab H.Shoubaki,并且要求2011年3月9日递交的美国专利申请N0.61/450，742的优先权，将其公开全部合并在此作为参考。
【背景技术】
[0002]大量现今的电力通过大规模集中式电厂使用燃料、水力或核能来产生，并且通过长距离传送给终端用户。功率从集中式电厂通过分布式网络流至消费者。从集中式电厂到终端用户的电力通常按照交流电(AC)形式传递，其中电流和电压都是正弦形式，也称作AC系统。在AC系统中，将功率作为通过给定点的能流速率进行测量。如果终端用户的负载是纯电阻性的，只传送实际的功率，这是由于电压和电流都是同相的。如果终端用户的负载是纯电抗性的(电容器和电感器)，因此电压和电流是90°异相的，并且不存在到负载的净能量传送。
[0003]典型的终端用户负载具有电阻、电感和电容，因此有功功率和无功功率(reactivepower)两者都流动至终端用户负载。终端用户负载的电感性和电容性性质引起电流相对于电压改变相位:电容倾向于电流在相位上领先电压，而电感倾向于电流在相位上落后电压。为了传输相同量的有功功率，在电流和电压之间具有较高相位差的AC系统将具有较高的环流，因此具有较高的损耗。此外，较高的环流要求高额定(功率)的设备(导体、变压器等)，或者可能由于过流导致引起对于设备的损坏。
[0004]因此在AC系统中，为了传送最大量的能量并且提高效率和可靠性，电流和电压之间的相位差应该最小。通过在电力系统中吸收或递送无功功率来控制电流和电压之间的相位差。将电力系统中无功功率的控制称作VAR支持。使用VAR补偿器来提供电力系统中的VAR支持。这些VAR补偿器通常位于分布的子站中或者在靠近分布式子站的馈电器上。这些VAR补偿器向位于变压器或者位于负载附近的其他设备提供最小的保护或不提供保护。此外，现如今的VAR补偿器是单机式的。
【发明内容】
[0005]根据本发明的实施例，公开了一种系统和方法，用于电力系统中快速动态分布式无功功率的拓扑和控制。所述系统可以包括:电压传感器，用于感测电网电压的瞬时值。所述系统还可以包括无功功率补偿器和用于操作无功功率补偿器的控制器。所述控制器可以配置为基于感测的电网电压和下降曲线(droop profile)来确定要提供给电力系统的无功功率的量。所述控制器还可以配置为操作无功功率补偿器的开关，以向电力系统增加/从电力系统去除电容器和/或设置一个或多个电感器的点弧角。
[0006]应该理解的是前述一般性描述和以下详细描述是示例并且只是说明性的，并且不应该看作是限制所述和要求权利的本发明的范围。另外，可以提供这里阐述的特征和/或变体以外的其他特征和/或变体。例如，本发明的实施例可以涉及在详细描述中描述的各种特征的组合和子组合。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]在本公开中包括的并且作为本公开一部分的【专利附图】
【附图说明】了本发明的各种实施例。附图中:
[0008]图1示出了可以实践本发明的各种实施例的环境；
[0009]图2示出了根据本发明实施例的配电系统，具有快速动态分布式VAR补偿器；
[0010]图3示出了根据本发明实施例的图2的动态分布式VAR补偿器；
[0011]图4是根据本发明实施例的用于图3的VAR补偿器的控制器的元件的方框图；
[0012]图5是根据本发明实施例的用于分布式VAR补偿器的下降曲线；
[0013]图6是根据本发明实施例的快速动态分布式VAR补偿器的数据获取、监测和控制的体系结构；以及
[0014]图7是描述了根据本发明实施例的VAR补偿器的操作模式的图。
【具体实施方式】
[0015]以下详细描述参考附图。如果可能，在附图和以下描述中使用相同的参考数字来表示相同或类似的元件。尽管可以描述本发明的实施例，但是修改、改变和其他实现方式是可能的。例如，可以对于附图中说明的元件实现替换、增加或修改，并且可以通过对于所公开方法的替换、呈现和添加阶段来修改这里所述的方法。因此，以下详细描述并非限制本发明。相反，本发明的正确范围由所附权利要求限定。
[0016]本发明的实施例可以通过提供一种快速动态分布式的VAR补偿器，来提供一种控制配电系统中的无功功率的系统和方法。可以通过分布式VAR补偿器来吸收或传递配电系统中的无功功率，以控制无功功率。所述系统可以包括:电压传感器，用于感测电网电压的瞬时值。所述系统还可以包括:无功功率补偿器和操作无功功率补偿器的控制器。所述控制器可以配置为基于感测的电网电压和下降曲线来确定要提供给电力系统的无功功率的量。所述控制器还可以配置为操作无功功率补偿器的开关，以向电力系统增加/从电力系统去除电容器和/或设置一个或多个电感器的点弧角。
[0017]根据本发明的实施例，图1是可以实践本发明的各种实施例的环境。将图1示出为包括发电站102、一个或多个传输单兀104a、104b和104c (统称为传输单兀104)、一个或多个配电单兀106a和106b (通常为配电单兀106)、微电网108、一个或多个负载IlOa和IlOb (统称为负载110)和配电系统112。附加地,微电网108还包括一个或多个功率电子接口(PEI) 114a、114b 和 114c (统称为 PEI 314)、一个或多个 DG 源 116a、116b 和 116c (统称为DG源116)以及一个或多个DG单元118a、118b和118c (统称为DG单元118)。
[0018]如上所述，发电站102可以依赖于传统和可再生源，所述源可以包括但不限于燃料、核能、水利、风能、光电能和地热。除了上述之外，发电站102可以产生大规模电力以经由配电系统112分配给负载110。关于图2详细描述了配电网。
[0019]根据本发明的实施例，可以将由发电站102产生的电力提供给传输单元104，以将电力进一步传输给配电单元106。将从发电站102产生的电力馈送到传输单元104中。因为发电单元102通常位于远离配电单元106的位置，因此传输单元104可以使用高电压(110KV或以上)来减小传输的能量损耗。配电单元106可以是将电力传递给终端用户的最终级，并且可以使用降压变压器来减小较高值的电压。终端用户也称作本公开中的消费建
Λ-Α-巩。
[0020]图2是具有快速动态分布式VAR补偿器的配电系统200。如图2所示，配电系统200可以包括配电子站202、一个或多个配电馈电器204a和204b (统称为馈电器204)、一个或多个次级配电变压器206a和206b (统称为次级配电变压器206)、一个或多个消费建筑208a和208b (统称为消费建筑208)、一个或多个电容器组210、一个或多个快速动态分布式VAR补偿器212a和212b (统称为VAR补偿器212)。图2的配电系统200还可以包括通信系统214和数据中心216。
[0021]配电子站202可以将从传输系统接收的电力传送给馈电器204。子站202可以包括一个或多个初级变压器218以改变高传输电压(110KV或以上)和低配电电压(2.3KV至35KV)之间的电压电平。子站202还可以包括切换、保护和控制设备220。初级变压器218可以具有初级绕组和次级绕组(图2中未示出)。传输系统可以与初级绕组相连，而馈电器204可以与初级变压器218的次级绕组相连。
[0022]配电子站202的输出可以是馈电器204。馈电器204可以沿街道在头顶上(或者在一些情况下在地下)延伸。馈电器204可以用于将电力从配电子站202递送至消费建筑208。只有较大的消费建筑可以直接从配电电压来直接馈电。大多数消费建筑可以经由次级配电变压器206馈电。次级配电变压器206可以配置为将来自馈电器204的电压电平改变为消费建筑208所请求的电压电平(相对低的电平)。次级配电变压器206可以是安装或者设置在地上的极点，并且可以位于消费建筑208附近。尽管示出了只有一个消费建筑与图2中的次级配电变压器相连，多于一个消费建筑可以与单独的次级配电变压器相连。在一个示例实施例中，也可以将配电系统200的次级配电变压器206以外的部分称作次级电压网络。
[0023]次级电压网络可以配备多于一个VAR补偿器212。作为示例，VAR补偿器212可以连接在次级配电变压器206和消费建筑208之间，优选地更靠近次级配电变压器206。VAR补偿器212可以配置为在次级电压网络上提供快速动态分布式无功功率补偿。在本公开中，参考图3更加详细地描述VAR补偿器212。
[0024]根据本发明的实施例，一个或多个电容器组222可以与馈电器204相连以提供对于馈电器204的电压控制。电容器组222也可以包括电容器控制器224，以将一个或多个电容器与馈电器204相连/断开。
[0025]根据本发明的实施例，电容器控制器224、VAR补偿器212和控制设备220可以通过通信系统214与数据中心216相连。通信系统214可以是基于ZigBee协议的通信系统、广域网(WAN)、网状网络、因特网或其他标准的通信系统。电容器控制器224、VAR补偿器212和控制设备220也可以使用通信系统214彼此通信。在一个示例实施例中，数据中心216可以位于中央监测系统处。
[0026]根据本发明的实施例，配电系统200可以包括中央监测系统(图2中未示出)。中央监测系统可以配置为使用通信系统214或者分离的通信系统与配电系统200的元件通信。中央监测系统可以配置为使用双向通信系统与配电系统200的元件通信。双向通信可以包括从元件接收与配电系统的状态有关的数据，并且响应于接收到的状态数据向可配置元件发送命令。所述命令可以包括由接收命令的元件执行的动作集合。数据中心214可以位于中央监测系统中，并且用于存储从配电系统的元件接收的数据。
[0027]根据本发明的实施例，中央监测系统可以包括标准配电系统管理工具，像配电管理系统(DMS)、监督控制和数据获取(SCADA)系统、电力断供管理系统(OMS)、故障检测隔离和恢复(FDIR)系统、班组管理系统(CMS)、度量数据管理系统(MDMS)和本发明的管理系统。
[0028]尽管在图2中只示出了两个VAR补偿器，典型的配电系统可以包括在较大的地理区域上分布的多于两个VAR补偿器。VAR补偿器的个数可以基于消费建筑的个数、消费负载的类型、消费负载的量和消费建筑距配电子站的距离。作为示例，可以提供每一个次级配电变压器一个VAR补偿器，用于控制配电系统中的无功功率。在本说明书的附录I中提供了VAR补偿器的示例规范。
[0029]图3示出了根据本发明实施例的VAR补偿器212的元件。VAR补偿器212可以包括电压传感器302、控制器304、无功功率补偿器306、熔丝308、电磁干扰(EMI)反应装置310和通信模块312。
[0030]电压传感器302可以与馈电器204相连。电压传感器302可以配置为感测馈电器电压的瞬时值，也称作电网电压(VgHd)。可以将感测的馈电器电压的瞬时值发送至控制器304。控制器304可以配置为操作无功功率补偿器306中的开关，以基于感测的电网电压向馈电器204提供VAR支持。相对于本公开的图4详细地描述了控制器304及其功能。
[0031]在一个实施例中，无功功率补偿器306可以通过熔丝308和EMI反应装置310与馈电器204相连。熔丝308可以配置为中断过量电流以防止无功功率补偿器306的过热或损坏。EMI反应装置308可以配置为对在馈电器204和无功功率补偿器306之间传导的射频干扰进行衰减。
[0032]在一个实施例中，无功功率补偿器306可以包括前导VAR单元314以及一个或多个VAR单元316a、316b和316c (统称为VAR单元316)。前导VAR单元314和VAR单元316与馈电器204并联连接。无功功率补偿器306还可以包括金属氧化物变阻器(MOV) 318。金属氧化物变阻器(MOV) 318可以与前导VAR单元314以及VAR单元316并联连接。
[0033]在一个实施例中，MOV 318可以配置为保护无功功率补偿器306的敏感部件不受过量的瞬态电压影响。当前导VAR单元314和VAR单元316两端的电压较高时，MOV 318可以传到显著增加的电流。当VAR单元两端的电压保持小于钳制电压时，MOV 318可以在正常操作期间保持不导电，作为分路模式(shunt-mode)器件。当VAR单元两端的电压与钳制电压相交叉时，可以触发MOV 318，并且可以将由增加的电压产生的电流分路掉以离开VAR单元。可以通过效用来确定钳制电压。
[0034]在一个实施例中，前导VAR单元314可以包括反应装置320、用于交流电的三极管(TRIAC)或固态AC开关322以及驱动器324。反应装置320可以通过TRIAC 322与馈电器204相连。驱动器324可以配置为操作TRIAC322。
[0035]在一个实施例中，VAR单元316a可以包括TRIAC 324a、驱动器326a、反应装置328a以及一个或多个电容器330a和330b (统称为电容器330)。一个或多个电容器330可以与反应装置328串联连接。一个或多个电容器330a和330b可以串联或并联或者按照串联和并联的组合连接在一起。反应装置328可以通过TRIAC 324与馈电器204相连。如图3所示，VAR单元316b和316c也可以包括与VAR单元316a类似的部件。VAR单元316b和316c的部件可以按照与VAR单元316a的部件类似的方式连接。作为示例，VAR单元316b可以包括TRIAC 324b、驱动器326b、反应装置328b以及一个或多个电容器330c和330d。作为另一个示例，VAR单元316c可以包括TRIAC324c、驱动器326c、反应装置328c以及一个或多个电容器330e和330f。
[0036]在一个实施例中，TRIAC 322和324可以是当导通时可以沿任一个方向传导电流的电子部件。可以通过向TRIAC的栅极电极施加正电流或负电流来导通TRIAC 322和324。可以通过驱动器324和326来提供栅极电流，也称作门控信号(gating signal)。一旦导通，TRIAC 322和324可以继续传导，直到流经TRIAC的电流下降到预定阈值以下为止。预定阈值也可以称作保持电流。在一个实施例中，驱动器324和326可以通过控制器304来操作。
[0037]图4是根据本发明实施例的图3的控制器304的方框图。控制器304可以包括模数转换器(ADC)402、锁相环(PLL)404、均方根(RMS)估计器460、误差估计器408、下降曲线410和调制器412。控制器304还可以包括监督状态机414、数字通信总线416和定时器418。
[0038]在一个实施例中，ADC 402可以配置为从电压传感器302接收感测的电网电压的瞬时值。ADC 402可以提供物理信号的数字版本，表示电网电压和每一个单独的电容器组。可以将来自ADC 402的输出发送至PLL 404和RMS估计器406。
[0039]在一个实施例中,PLL 404可以产生与输入信号的相位相关的输出信号。PLL 404可以提供电网电压的相位参考。PLL 404也可以向RMS估计器406提供电网电压的估计频率作为校正因子。
[0040]在一个实施例中，RMS估计器406可以使用来自ADC 402的输出来计算电网电压(Vgrid)的RMS值。RMS值是变化量的幅度的统计测量，例如正弦变化。在一个示例中，可以将电网电压的RMS值计算为:`
I/._ ^eak
[0041]Vrms 二1 ~7=~
，
[0042]其中Vpeak是电网电压(VgHd)的峰值。
[0043]在一个实施例中，来自RMS估计器406的输出可以用作误差估计器408的输入。误差估计器408可以将从RMS估计器406接收的电网电压(Vgrid)的RMS值与参考RMS电压进行比较。误差估计器408还可以估计RMS估计器406计算的电网电压的RMS值和参考RMS电压之间的差。
[0044]在一个实施例中，可以通过中央监测系统来提供参考RMS电压，并且可以将参考RMS电压本地存储在RMS估计器406中。在一个示例实施例中，可以基于配电系统200的操作条件来动态地修改参考RMS电压。
[0045]在一个实施例中，由RMS估计器406计算的电网电压的RMS值与参考RMS电压之间估计的差值可以用作下降曲线模块410的输入。下降曲线模块410可以包括如图5所示的下降曲线。参考本公开的图5更加详细地讨论下降曲线。
[0046]在一个实施例中，下降曲线模块410可以基于估计的差值来估计将要在馈电器204中吸收/递送的所需的无功功率量。下降曲线模块可以通过使用本地存储的下降曲线或者使用位于中央监测系统的下降曲线来估计所需量。
[0047]在一个实施例中，来自下降曲线模块410的输出可以用作调制器412的输入。调制器412可以将来自下降曲线模块410的输出转换为将电容器与馈电器404连接/断开的控制信号，并且设置无功功率补偿器306中的可变电感器的点弧角。来自调制器410的输出可以用作驱动器324和326的输入。
[0048]在一个实施例中，监督状态机414可以配置为协同闭环下降控制和通过通信导管暴露的外部命令接口之间的相互作用。监督状态机414也可以携带相对于电压的配置参数，例如各种操作方案，或者如上所述的任意其他量。
[0049]在一个实施例中，定时器418可以向控制器内的所有其他部件提供参考定时信号。参考定时信号可以由部件用于同步内部时钟，或者向从公用电网感测的数据加上时间戳。数字通信总线416配置为在控制器304和通信系统214之间建立通信。
[0050]在一个实施例中，通过由TRIAC 322切换的相位角度调制，可以将反应装置324可变地切换到电路中，并且因此向配电系统200提供连续可变的无功功率注入(或吸收)。在这种配置中，由电容器330提供粗糙的电压控制；TRIAC受控的反应装置是为了提供精细的控制。可以利用TRIAC受控的电容器切换来提供更平滑的控制和更多的灵活性。
[0051]图5描述了根据本发明实施例的下降曲线的示例。在一个实施例中，下降曲线可以包括电网电压的RMS值的估计误差和要在馈电器204中吸收或递送的所需无功功率量之间的一种映射。无论何时电网电压的RMS值的估计误差落在映射中提供的两个连续值之间，可以通过使用电网电压的RMS值的估计误差以下和以上的点来执行插值，计算所需的无功功率。
[0052]在一个实施例中，尽管按照图5中曲线的形式描述了电网电压的RMS值的估计误差与所需的无功功率量之间的映射，可以按照表格或任意其他映射技术来描述所述映射。
[0053]在一个实施例中，电网电压的RMS值的估计误差和所需的无功功率量之间的映射可以存储在下降曲线中，并且动态地进行更新。可以通过中央监测系统或管理者来更新所述映射。可以经由通信系统214发送更新的映射。另外，电网电压的RMS值的估计误差和所需的无功功率量之间的映射可以基于馈电器204的操作条件来在本地更新。
[0054]图6是根据本发明另一个实施例的用于快速动态分布式VAR补偿器的数据获取、监测和控制的体系结构。如图6所示，VAR补偿器可以与配电系统的次级电压网络相连。
[0055]在一个实施例中，VAR补偿器可以具备与配电系统相连的发电源。作为不例，VAR补偿器可以与太阳能光伏(PV)系统一起提供。在另一个实施例中，可以提供VAR补偿器作为与配电系统相连的单机元件。
[0056]如图6所述，VAR补偿器可以配置为经由通信系统与中央监测系统通信。所述通信系统可以是无线通信系统或有线通信系统。通信系统可以使得VAR补偿器能够与配电系统中的其他VAR补偿器或另一个电力调节设备相互作用。中央监测系统可以使用通信系统来监测和控制每一个单独的VAR补偿器。此外，通信系统可以实现对距中心区域较大区域上地理分散的VAR补偿器的管理。
[0057]在一个实施例中，所述通信系统可以是智能电网通信系统，公用使用智能电网通信系统来管理配电系统。VAR补偿器与智能电网系统的集成实现了 VAR补偿器对中央监测系统的操作和健康程度的监测和报告。监测和报告可以包括记录VAR补偿器产生的无功功率。监测和报告还可以包括向公用控制中心发送维护和修理警报。
[0058]在一个实施例中，VAR补偿器与智能电网的集成可以使得能够远程地控制VAR补偿器。在一个示例中，可以通过通信系统上的命令来远程地配置VAR补偿器。可以在中央监测系统中观看生成的VAR补偿器的状态。
[0059]在一个示例实施例中，VAR补偿器与智能电网的集成可以向公用提供电网可靠性工具，其中中央监测系统可以恒定地监测和提供对于临界参数(例如电压和VAR)的实时状态更新，从而实现自动电力断供检测和快速修理响应时间。
[0060]图7说明了根据本发明实施例的VAR补偿器的不同操作模式的电压。如图7所示，VAR补偿器可以在两种不同的模式下操作。在第一操作模式下，VAR补偿器可以基于本地存储的下降曲线工作。基于电网电压和下降曲线的VAR补偿器可以在吸收/递送配电系统中的无功功率。在第二操作模式下，通过中央监测系统来控制VAR补偿器操作。中央监测系统可以经由通信系统发送命令。
[0061]在一个实施例中，快速动态分布式VAR补偿器可以将配电馈电器上的次级服务抽头上的电压调节到所要求的限制内。电压调制可以允许公用通过沿馈电器补偿紧急和增长的负载曲线来延长次级配电变压器的寿命。此外，分布式VAR补偿器可以通过改进沿馈电器的功率因子使次级配电变压器中的损耗最小化。另外，分布式VAR补偿器可以减小由于分布式发电数量(例如光伏(PV)电池)的增加而引起的电压上升。减少电压上升的能力可以允许馈电器上附加的PV电池。
[0062]在一个实施例中，快速动态分布的VAR补偿器可以能够将前导和滞后无功功率递送至配电系统。当在配电系统上操作(例如，支持最小电压或校正功率因子)时，VAR补偿器中的无功功率产生可以提供平滑切连续的电压输出。VAR补偿器可以设计为使由于部件选择和受控切换而引起的线路上产生的谐波和噪声最小化。
[0063]控制配电系统中的无功功率可以减小配电系统和传输系统中的损耗。此外，控制无功功率可以通过电压/VAR优化而允许变压器损耗的减小、容量减小和峰值节能。控制无功功率可以允许推迟变压器更新和替换，从而提高了效率。此外，控制无功功率增大了馈电器上的功率因子，从而减轻了其他光伏(PV)发电或非线性负载的功率质量影响。分布式有助于避免对于集中式VAR补偿的依赖，集中式VAR补偿要求较大的无功元件，并且产生线性频率谐波。另外，避免对于集中式VAR支持的依赖消除了单点故障的可能性。通过在负载点提供VAR支持，快速动态分布式VAR补偿器使用分离的VAR单元提高了公用电网的总体性能，并且降低了对于消费者的损耗和电压波动。
[0064]本发明的实施例可以在包括分立电子元件的电路、包含逻辑门的封装或继承电子芯片、利用微处理器的电路或者在包含电子元件或微处理器的单一芯片上实现。本发明的实施例也可以使用能够执行逻辑运算(例如“与”、“或”和“非”)的其他技术来实现，，包括但不限于机械、光学、流体和量子技术。此外，本发明的实施例可以在通用计算机或者任意其他电路或系统中实现。
[0065]例如，本发明的实施例可以实现为计算机过程(方法)、计算系统或者制造物品，例如计算机程序产品或计算机可读介质。计算机程序产品可以是计算机系统可读并且对用于执行计算机处理的计算机程序指令进行编码的计算机存储介质。计算机程序产品也可以是通过计算机系统可读的载体上传播、并且对执行计算机处理的计算机程序指令进行编码的信号。因此，本发明可以以硬件和/或软件(包括固件、驻留软件、微代码等)中实现。换句话说，本发明的实施例可以采取计算机可用或计算机可读存储介质上的计算机程序产品的形式，在所述存储介质上具有在介质实现的计算机可用或计算机可读程序代码，由指令执行系统或者结合指令执行系统来使用所述程序代码。计算机可用或计算机可读介质可以是可以包含、存储、通信、传播或传输由指令执行系统、设备或装置使用的程序的任意介质。
[0066]例如，计算机可用或计算机可读介质可以是但不限于电子、磁、光、电磁、红外或半导体系统、设备、装置或传播介质。更具体的计算机可读介质示例(非完尽列表)，计算机可读介质可以包括以下内容:具有一个或多个引线的电连接、便携式计算机磁盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPR0M或闪速存储器)、光纤、便携紧凑盘只读存储器(CD-ROM)。注意:计算机可用或计算机可读介质甚至可以是其上打印了程序的纸或其他合适的介质，例如经由纸或其他介质的扫描来以电子方式获取程序，然后如果必要按照合适的方式编译、解释或另外处理，然后存储在计算机存储器中。
[0067]例如，以上参考根据本发明实施例的方法、系统和计算机程序产品的方框图和/或可选说明描述了本发明的实施例。在模块中提到的功能/动作可能与任意流程图中所示的次序颠倒地进行。例如，依赖于所包含的功能/动作，连续示出的两个模块实际上可以实质上同时执行，或者有时可以按照相反的顺序执行。
[0068]尽管说明书包括示例，本发明的范围由所附权利要求表示。另外，尽管已经按照对于结构特征和/或方法动作专用的语言描述了本发明，权利要求不限于上述特征或动作。相反，作为本发明实施例的示例公开了上述的特定特征和动作。
[0069]附录I
[0070]
【权利要求】
1.一种用于控制快速动态分布式无功功率的系统，所述系统包括:电压传感器，用于感测公用电网的电网电压的瞬时值；与所述公用电网相连的无功功率补偿器；以及控制器，配置为操作所述无功功率补偿器以向公用电网提供VAR支持，所述控制器配置为:基于均方根误差值和下降曲线来确定要提供给公用电网的无功功率量，其中所述均方根误差值是电网电压的瞬时值的均方根值和参考均方根电压之间的差；以及基于所确定的量，按照以下至少一个来操作无功功率补偿器中的开关:将电容器与公用电网相连；将电容器与公用电网断开；以及设置针对可变电感器的点弧角。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述下降曲线是均方根误差值和要提供给公用电网的无功功率量之间的映射。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述下降曲线存储在控制器上。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述下降曲线存储在中央监测系统上。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述控制器配置为从中央监测系统获取下降曲线和下降曲线更新。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器还配置为使用双向通信系统与中央监测系统通信。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述双向通信系统是网状网络。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述无功功率补偿器包括并联连接的金属氧化物变阻器(MOV)以保护无功功率补偿器不受过量瞬时电压影响。
9.一种控制无功功`率的方法，所述方法包括:接收公用电网的电网电压的瞬时测量值；基于均方根误差值和下降曲线来确定要瞬时提供给公用电网的无功功率量，其中所述均方根误差值是电网电压的瞬时值的均方根值和参考均方根电压之间的差；以及基于所确定的量，按照以下至少一个来操作无功功率补偿器中的开关:将电容器与公用电网相连；将电容器与公用电网断开；以及设置针对可变电感器的点弧角；其中所述无功功率补偿器可操作地连接至公用电网。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述下降曲线是均方根误差值和要提供给公用电网的无功功率量之间的映射。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述下降曲线存储在控制器上，并且其中所述控制器配置为操作所述无功功率补偿器的开关。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述下降曲线存储在中央监测系统中。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述控制器还配置为从中央监测系统获取下降曲线和下降曲线更新。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述控制器配置为使用双向通信系统与中央监测系统通信。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述双向通信系统是网状网络。
16.一种用于控制无功功率的系统，所述系统包括:公用电网；以及至少一个快速动态分布式VAR补偿器，包括:电压传感器，用于感测公用电网的电网电压的瞬时值；无功功率补偿器；以及控制器，配置为操作所述无功功率补偿器以向公用电网提供VAR支持，所述控制器配置为:基于均方根误差值和下降曲线来确定要提供给公用电网的无功功率量，其中所述均方根误差值是电网电压的瞬时值的均方根值和参考均方根电压之间的差；以及基于所确定的量，按照以下至少一个来操作无功功率补偿器中的开关:将电容器与公用电网相连；将电容器与公用电网断开；以及设置针对可变电感器的点弧角。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述公用电网是智能电网。
18.根据权利要求16所述的系统，其中所述快速动态分布式VAR补偿器与公用电网的次级电压网络相连。
19.根据权利要求16所述的系统，其中所述控制器配置为使用双向通信系统与中央监测系统通信。
20.根据权利要求19所述的 系统，其中所述双向通信系统是分布式或网状通信协议。
【文档编号】G06F1/26GK103518169SQ201280022444
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2012年3月9日 优先权日:2011年3月9日
【发明者】约翰·恩斯林, 鲁巴·阿克拉姆·阿马里, 阿杰·F·门萨, 埃哈卜·H·舒巴基 申请人:佩特拉太阳能公司
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