针对延迟电压恢复的基于能量存储的对策的制作方法

专利名称:针对延迟电压恢复的基于能量存储的对策的制作方法
针对延迟电压恢复的基于能量存储的对策
相关申请案的引用
本申请要求2009年9月28日申请的美国临时申请案61/246，372的权利，该案全文以引用的方式并入本文中。
背景技术：
本申请案涉及延迟电压恢复，即基于电池的延迟电压恢复(“DVR”)系统。DVR系统可提供对策以缓解并且减轻大型电网上的DVR事件的严重性。

图1通过示出南加利福尼亚州230-kV输电故障后的由故障所引致的延迟电压恢复(“FIDVR”)而图示了大型电网上导致性能退化的DVR现象。X轴是时间，而y轴是电压。图1的区段100描绘稳态电压。在时间102处，电网上故障发生并且清除。故障是因举例而言树倒下压到线路或雷击或可能导致输电线短路的任何其它事件所导致的输电线的短路。与故障相关的高电流可能因V = IR或电压=电流X电阻的基本关系而导致线路电压大幅降低。在故障期间，输电线电压可能降低一半或更多。在故障设备通过断路器断开而隔离前，输电和配电设备故障的持续时间通常是非常短的4至10个循环或若干分之一秒。通常，在故障设备断开/隔离且故障电流停止流动后，电网电压应当立即恢复到故障前的正常水平。
但是，如果系统无法正常运行，那么在故障发生的短短几秒内，电机(例如，空调)可能感测到大的压降并且停转。一些空调基于压降而与电网断开，而其它仅在热传感器检测到工作温度升高时才断开。因此，这第二组空调不会在故障导致电压降的情况下断开。而是，由于压降，空调可能停转并且汲取比正常运行时高6-8倍的电流。大量的电流汲取导致空调产生过量的热。这些空调不会断开直到检测到必要的热水平，可能在故障发生后20至30秒内。停转的空调还可能导致其它热传感器空调停转。这可能使其成为一种被称作电压崩溃的断电。所以，这些热状态被触发的空调使故障恶化并且形成DVR状态。由于越来越多的家用空调带有热传感器，所以，DVR状态已成为更大的问题。
再次参考图1，时间周期104是延迟电压恢复周期，在此期间一些负载(例如，电机、空调等)可能停转并且开始经由热保护开关而与电网断开。通常，周期104可以延长大约20秒。随后，在时间106处，通常发生由线路和变电站电压支持的电容器保留在线路上所导致的功率过冲。在时间108处，电容器因时间106处的电压过冲而断开。在时间110处，之前断开的负载回到线上。在时间112处，电网欠电压达一个时间周期而在时间108处关闭的电容器仍关闭。此欠电压周期增大另一个延迟电压恢复事件的可能性。合起来，恢复时间，即系统在故障102后恢复100处的稳态状态所花时间可能持续高达大约30秒。如图1所示，延迟电压恢复事件期间电网上的电压偏移可能是极端的。
第一个记录的DVR事件于1987年8月22日发生在Tennessee Valley Authority输电系统中。目前的系统已经无法在DVR发生时检测到DVR ;多数DVR是在事件发生很久后查看电网数据才发现的。
已知的先前部署的解决方案包括燃烧轮机驱动的发电机和静态乏补偿器或SVC。但是，发电机燃烧化石燃料，从而浪费资源并且增加温室气体，而且一些发电机没有足以(快至)防止电压崩溃的响应时间。SVC使无功伏安(“乏”)输出与端子电压之比下降。因此，当最需要乏支持时，这些解决方案的输出能力和有效性下降。当前，电力行业针对美国电力系统所面临的这种相对较新/新兴风险的选择和解决方案有限。
概述
本发明的一些实施方案提供下列优于现有系统的一种或多种优势:
a.通过使用具有高功率容量的电源快速以及双向(注入功率和吸收功率)赋予大功率的能力，使单个装置能够有效支持大面积的电网；
b.区分指示延迟电压恢复事件的特定电网状态的能力；和
c.使用电源和电网之间的功率-电子接口(逆变器)来管理在系统运行期间输送以缓解延迟电压恢复的、动态的、快速变化的双向功率流。
在一个方面中，所公开的系统包括用于监控电力网状态的计量装置、用于判定计量装置是否在电网上检测到指示延迟电压恢复事件的状态的控制器和用于与连接到电力网的一个或多个远程位置的双向电源模块通信的通信装置，其中控制器被编程来在控制器检测到指示延迟电压恢复事件的状态的情况下经由通信装置向一个或多个远程位置的双向电源模块发送通知。在一些实施方案中，计量装置包括电网计量装置。在一些实施方案中，计量装置测量功率因数和电压及乏/瓦特比的变化。
在另一个方面中，系统包括双向电源、用于将双向电源连接到电网的逆变器、用于从远程装置接收通信的通信接口、用于测量电网的一个或多个特性的计量装置和与逆变器、通信接口和计量装置电通信的控制器，其中控制器被编程来通过使逆变器抵消延迟电压恢复事件而响应从通信接口接收的延迟电压恢复通知以及其中通过基于计量装置所测量到的一个或多个特性从双向电源将功率注入到电网中或从电网中提取功率而抵消延迟电压恢复。在一个实施方案中，双向电源可以包括电池、储能电容器或机械能存储装置。在一些实施方案中，计量装置包括端子电压计量装置。
在另一个方面中，系统包括用于监控电网状态的电网计量装置、用于判定电网计量装置是否在电网上检测到指示延迟电压恢复事件的状态的系统控制器、远程双向电源模块，其包括:双向电源、用于将双向电源连接到电网的逆变器、用于接收通信的通信接口、用于测量电网的一个或多个特性的模块计量装置和与逆变器、通信接口和模块计量装置电通信的模块控制器和用于与连接到电力网的一个或多个远程双向电源模块的通信接口通信的通信装置，其中系统控制器被编程来在系统控制器检测到指示延迟电压恢复事件的状态的情况下经由通信装置向一个或多个远程位置的双向电源模块发送通知，其中模块控制器被编程来通过导致逆变器抵消延迟电压恢复事件而响应从通信装置接收的延迟电压恢复通知，以及其中逆变器通过基于模块计量装置所测量到的一个或多个特性从双向电源将功率注入到电网中或从电网中提取功率而抵消延迟电压恢复。
在另一个方面中，本公开内容涉及一种方法，其包括监控电网上的一个或多个状态；判定电网上的一个或多个状态是否指示延迟电压恢复事件；和如果判定指示延迟电压恢复事件的状态，那么传输通知到一个或多个远程位置的双向电源模块。在一些实施方案中，电网状态包括功率因数或电压及乏/瓦特比的变化中的一个。
在另一个方面中，本公开内容涉及一种方法，其包括监控从远程装置接收延迟电压恢复的通知；测量电网的一个或多个特性和通过基于一个或多个所测量到的特性从双向电源将功率注入到电网中或从电网中提取功率而抵消延迟电压恢复事件。在一些实施方案中，双向电源可以是电池、储能电容器或机械能存储装置。在一些实施方案中，电网的特性包括端子电压。
在另一个方面中，本公开内容涉及一种方法，其包括监控电网上的一个或多个状态；判定电网上的一个或多个状态是否指示延迟电压恢复事件；如果判定指示延迟电压恢复事件的状态，那么传输通知到一个或多个远程位置的双向电源模块；在远程位置上测量电网的一个或多个特性；和通过基于在远程位置上测量的一个或多个特性从双向电源将功率注入到电网中或从电网中提取功率而抵消延迟电压恢复事件。
附图简述
为了更全面地理解本公开内容的不同实施方案，现参考下文结合附图进行的描述，其中:
图1示出了 230-kV输电故障后的典型FIDVR ；
图2示出了针对正常状态和停转状态描绘电力线的典型功率特性；
图3是根据本公开内容的一个或多个实施方案的电网模块的方块图；
图4是根据本公开内容的一个或多个实施方案的电源模块的方块图；
图5是根据本公开内容的一个或多个实施方案的电网模块和多个电源模块的方块图；和
图6是根据本公开内容的一个或多个实施方案的输电线上的电网模块和两个电源模块的示意图。
具体实施方式
本文所公开的基于能源存储的对策系统通过使用电网计量装置和电源的分布系统检测并且纠正延迟电压恢复事件。所公开的系统使用部署遍及电网(例如，在从配电电路穿过变电站的电网上的不同位置上)的电网计量装置检测延迟电压恢复事件。这些电网计量装置与控制器通信，当检测到延迟电压恢复事件时，该控制器触发分布的电源的运行。触发的电源可以通过将功率注入到电网中和从电网中吸收功率而提供针对延迟电压恢复事件的对策。
所描述的针对检测到的DVR的对策通过在故障已经发生并且已经清除后快速注入(有功和无功)功率以抵消大型电气系统DVR事件期间的受抑制的电气系统电压而操作，但是系统电压保持受抑制达不可接受的周期(10秒或更长)。针对DVR事件的这种对策能够:
I)检测并且区分DVR状态；
2)启动经由电源模块的分布系统将功率注入到电网中；和
3)即使在局部电压受抑制的状态下，仍维持将功率注入到电网中和从电网中吸收功率达预定时间周期，例如30秒。
图2示出了针对正常状态220和停转状态225描绘电力线的典型功率特性。曲线图的y轴是瓦特和乏，而X轴是百分比电压。如图2所示，在正常运行状态220中，电力线中的瓦特大大高于电力线中的乏(大约2:I比率)且瓦特数和乏相对于不断增大的电压百分比(X轴)处于相对稳定状态。如上所述，当在输电线或电网上发生故障(伴随有线路中的压降)时，压降导致线路上的感应负载停转。停转可能导致电力线上的电压泄漏增大，导致恢复至正常工作电压的延迟(DVR状态)。如图2所示，在停转状态225中，乏值超过瓦特值或至少更接近1:1比率且乏和瓦特相对于电压百分比急剧增大。此外，图2示出了70%电压阈值，低于该阈值存在DVR状态。70%电压阈值及以下是电机通常停转但是通过牵引起动电流而保持通电的压降的深度。停转的电机是电压恢复延迟的潜在物理原因。所以，当导致DVR的停转开始时，电力线经历电压和乏/瓦特比的不连续改变。
本文所述的DVR系统检测并且触发电力线中乏/瓦特比和电压的这些改变。乏/瓦特比还涉及输电线的功率因数。功率因数是电力线上的电压与电流之间的电相差。如本文中所使用，有功功率指的是导致能量在一个方向上净转移的、在AC波形的完整周期内平均化的部分功率。如本文中所使用，在每个循环返回源的、归因于所存储的能量的部分功率被称作无功功率。表观功率指的是有功功率和无功功率的组合。所以，系统还可以使用功率因数作为DVR状态的指标。具体地说，低功率因数或功率因数的不连续下降可能导致DVR状态。这些测量值为系统提供区分暂时抑制区域电压的非VDR电系统状态与真实的DVR状态的能力。此外，其它状态可用于检测DVR状态，包括电网上的谐波含量特征、电流的波形或形状或电流尖峰。
所描述的系统的方块图提供作为图3和图4。图3描绘了一种电网模块300，其检测DVR状态并且通知实施(下文将描述的)对策的远程模块。电网模块300包括具有测量输电线/电力线上的乏、瓦特和/或功率因数的能力的电网计量装置302。示例性电网计量装置 302 是 GridSense, Inc.(加利福尼亚州 West Sacramento)制造的 LineTrackerConductor Mounted Sensor。电网计量装置302持续监控电网的功率因数、乏、瓦特和电压。该信息被传递到位于电网模块300中的系统控制器304。控制器304判定来自计量装置302的信息是否指示电网上的DVR状态。控制器304可以是可编程逻辑控制器、基于数字的控制器、经过编程的处理器或电脑。如果控制器304基于来自电网计量装置302的信息判定DVR状态存在，那么控制器304导致通信装置306发送警报到电源模块的配电系统(见图4)。这些电源模块随后注入功率脉冲到电网中以在检测到DVR状态的位置附近提供短时间最大功率输出。所涉及的时间区间即在若干分之一秒到几秒内检测到DVR状态；随后在下I至2秒内触发电源模块响应；随后维持运行达10至30秒；允许使用多种标准通信链路和协议，包括铜线、光纤、以太网和无线电。
虽然图3将系统控制器304描绘为与电网计量装置302处于同一位置，但是在其它实施方案中，系统控制器304可以位于电网计量装置302的远程。在本实施方案中，系统控制器304可以从多个远程位置的电网计量装置302接收信息，例如功率因数和端子电压值。在一个实施方案中，系统控制器304基于所测量到的功率因数检测到DVR。系统控制器304还可以测量系统控制器上的局部端子电压并且结合从电网计量装置接收的功率因数信息使用该值以判定DVR状态是否存在。
图4描绘了远程位置的电源模块400。电源模块400包括电源402以提供注入到输电线中(以升高低压并且供应停转电机的电流需求)或从输电线中吸收(以降低高压)的功率以抵消DVR状态。再次参考图1，当电压被抑制时，电源模块400在周期104内注入功率，以及当电压太高时，电源模块400在周期106内吸收功率。如描绘彼此间无线通信的一个电网模块300和六个电源模块400的图5所不，电源模块400可以是配电系统的一部分，其中各电源模块400可以位于负载(例如，工业设备、电机等)的附近或位于受输电线控制的中心位置，例如变压器装置或变电站。注意，靠近可能导致DVR状态的电机负载、局部将功率注入到电力线中更高效且有效地纠正DVR问题。电网模块300可以位于电网中的任何位置，例如发电站或远程输电线并且可以位于电源模块400的远程或局部。虽然图5仅示出一个电网模块，但是多个电网模块可与多个电源模块通信。此外，虽然图5中电网模块和电源模块彼此无线通信，但是本公开内容不限于无线通信，不同模块可以通过本领域技术人员所知的任何通信方案(例如，铜线、光纤和以太网)彼此通信。虽然，本文中将电源模块400描述成在远程位置，但是电源模块400可以位于电网模块300的附近。例如，图6描绘位于电力线600上的电网模块300。接近电网模块300的是两个电源模块400、40(V。如图6所示，电源模块400可以是例如如A123系统公司所制造的网络储能装置。电源模块400'可以是停放在车主住所并且充电的插电式混合动力汽车或电动汽车。
电源模块400包括下列组件:
I)双向电源402，例如电池，其即使在电压严重受抑制的状态下仍可输送并且维持有功功率和无功功率；
2)逆变器404，例如电源402与电网之间的功率电子器件接口 ；
3)模块计量装置406，其用于测量电源模块400上的端子电压；
4)通信接口 408，其接收来自电网计量模块300的通信；和
5)模块控制器410，其管理这些分散的子系统。
双向电源402可以是能够即响应从离线到满载而在两秒以内输送大量功率的任何电化学、机械或热装置并且可以维持功率输送达长至足以抵消DVR事件的时间周期，例如大约三十秒。此外，双向电源402 —旦在线可以随机方向循环(在任意方向上从充电/放电移动到满载)，而不导致功率装置受损。双向电源302可以是例如高功率电池，诸如A123系统公司(Watertown，MA)所制造的电池。电源模块的范围可以从电动汽车(例如，连接到电网系统的车辆)内的小电池到位于电站或电力设施里的大型电池阵列。小型分布式电池系统和来自单个源的大功率注入的总效果可以有效地缓解DVR状态。由于所公开的DVR系统可以使用具有不同能力的分布式电源，但是可以精心定制针对DVR事件的对策以在发生时解决特定的DVR事件。例如，基于所测量到或检测到的DVR状态的类型，系统控制器可以(例如，针对大型、分布式DVR)启动电网内的所有电源模块或(例如，针对较小、局部DVR)选择较少电源模块。可使用的双向电源的其它实施例包括基于超级电容器(储能电容器)或飞轮(或其它机械能存储器)的装置。双向电源402可以以电源或负载形式运行。作为负载，双向电源402可以通过从电网中吸收功率而自行再充电。
逆变器404是电源402与电网之间的连接。逆变器404具有下列特性:(I)在千分之一秒内立即改变输出电平和方向(例如，吸收或注入)的能力；(2)在无功功率(乏)与有功功率(瓦特)之间分配输出的能力和(3)现代数字通信和控制接口，其包括智能电网可共同操作的控制接口以使逆变器404可与电力系统上的不同装置对话。所以，逆变器404分配功率注入和/或吸收以反映或对抗电力线路上的现有乏状态以平衡和稳定线上的有功功率、表观功率和无功功率。逆变器404还将DC功率转换成AC功率。通过使用模块计量装置406判定电力线上的现有状态。[0046]通信接口 408与模块控制器410和计量装置406通信。通信接口 408从电网模块300的通信装置306中接收远程通信。
模块计量装置406测量电源模块400上的局部端子电压，即来自储能装置的端子电压。模块计量装置406可以是本领域技术人员所知的任意类型的电压测量装置。
模块控制器410被编程来控制双向电源402、通信接口 408和逆变器404的运行。通信接口 408从电网模块300的通信装置306中接收DVR状态存在的指示。如果DVR状态存在，那么模块控制器410触发电源402以传输功率脉冲到电网。模块控制器410基于藉由模块计量装置406进行的端子电压测量判定将增加或从电网中吸收的功率。基于端子电压，模块控制器410判定(I)功率量级、(2)方向和(3)瓦特/乏之间的分配以提供并且维持至电网的有功功率和无功功率的合适水平。逆变器404在千分之一秒内执行来自模块控制器410的指令并且传输及维持至电网的有功功率和无功功率的合适水平。模块控制器410继续指示逆变器404输出或吸收功率直至从模块计量装置406测量到的端子电压值恢复其稳态值。在一些情况下，模块控制器410的决定可被外部操作者调用改写，例如将负载从线路上移除的调用。
所公开的DVR系统运行如下，电网计量装置302监控电网上的状态。基于此等状态，系统控制器304将通过检测电网上的功率因数的相对变化而判定是否存在DVR事件。在一些实施方案中，可结合功率因数测量值使用局部端子电压以检测DVR事件或状态。如果功率因数或端子电压中的一个或任一个降至低于阈值，那么系统可以判定DVR状态存在。如果系统控制器304检测到DVR，那么电网模块300将DVR事件的存在传达给多个远程分布的电源模块400。随后，这些电源基于在每个电源模块上局部测量到的端子电压将功率注入到电网中或从电网中吸收功率直至抵消DVR事件或超过电源模块容量和/或等级且输出必须降低或停止。在DVR事件期间，电力线的电压藉由模块计量装置406持续监控且电源模块400将基于该信息继续将功率注入到电网中或从电网中吸收功率。
如上所述，系统可以包括跨电网分布的多个电网计量装置和远程电源模块。每个电网计量装置监控其所处电力线的状态并且将状态报回一个或多个系统控制器。当系统控制器检测到故障或DVR状态时，系统控制器基于电网计量装置所测量到的乏、瓦特、功率因数和电压值判定应当启动哪个远程电源。在一些情况下，基于所检测到的DVR状态，系统控制器请求所有可使用的电源启动以抵消DVR。在其它情况下，系统控制器指示特定电源模块启动。此外，DVR系统可以含有多个系统控制器以判定DVR状态是否存在，每个系统控制器可与多个电源模块通信。一旦启动，所启动的电源模块的局部控制将调节至电源线的功率输出(注入或吸收)以补偿故障后的电压偏移(低和高)直到电压正常化。例如，DVR事件可能导致邻近该事件的一个远程电源的触发或系统可以判定需要多个电源来抵消DVR事件。所以，该系统提供灵活的解决方案以通过使用独特分布的计量和纠正系统解决电力网上的DVR问题。
虽然已示出并且描述本发明的实施例，但是本领域技术人员可以容易地了解可在不脱离本发明的范围的情况下对本发明进行各种改变和更改。
权利要求
1.一种系统，其包括: 计量装置，其用于监控电力网状态； 控制器，其用于判定所述计量装置是否在电网上检测到指示延迟电压恢复事件的状态；和 通信装置，其用于与连接到所述电力网的一个或多个远程位置的双向电源模块通信，其中所述控制器被编程来在所述控制器检测到指示延迟电压恢复事件的状态的情况下经由所述通信装置向所述一个或多个远程位置的双向电源模块发送通知。
2.根据权利要求
1所述的系统，其中所述计量装置包括电网计量装置。
3.根据权利要求
1所述的系统，其中所述电力网状态包括功率因数。
4.根据权利要求
1所述的系统，其中所述电力网状态包括电压和乏/瓦特比的变化。
5.一种系统，其包括: 双向电源； 逆变器，其用于将所述双向电源连接到电网； 通信接口，其用于接收来自远程装置的通信； 计量装置，其用于测量所述电网的一个或多个特性；和 控制器，其与所述逆变器、所述通信接口和所述计量装置电通信， 其中所述控制器被编 程来通过导致所述逆变器抵消所述延迟电压恢复事件而响应从所述通信接口接收的延迟电压恢复的通知；和 其中所述逆变器通过基于所述计量装置所测量到的所述一个或多个特性从所述双向电源将功率注入到所述电网中或从所述电网提取功率而抵消所述延迟电压恢复。
6.根据权利要求
5所述的系统，其中所述双向电源包括电池。
7.根据权利要求
5所述的系统，其中所述双向电源包括储能电容器或机械能存储装置。
8.根据权利要求
5所述的系统，其中所述计量装置包括端子电压计量装置。
9.一种系统，其包括: 电网计量装置，其用于监控电力网状态； 系统控制器，其用于判定所述电网计量装置是否在所述电网上检测到指示延迟电压恢复事件的状态； 远程位置的双向电源模块，其包括: 双向电源； 逆变器，其用于将所述双向电源连接到所述电网； 通信接口，其用于接收通信； 模块计量装置，其用于测量所述电网的一个或多个特性；和模块控制器，其与所述逆变器、所述通信接口和所述模块计量装置电通信；和通信装置，其用于与连接到所述电网的一个或多个远程位置的双向电源模块的所述通信接口通信； 其中所述系统控制器被编程来在所述系统控制器检测到指示延迟电压恢复事件的状态的情况下经由所述通信装置向所述一个或多个远程位置的双向电源模块发送通知；其中所述模块控制器被编程来通过导致所述逆变器抵消所述延迟电压恢复事件而响应从所述通信装置接收的延迟电压恢复的通知；和 其中所述逆变器通过基于所述模块计量装置所测量到的所述一个或多个特性从所述双向电源将功率注入到所述电网中或从所述电网中提取功率而抵消所述延迟电压恢复。
10.根据权利要求
9所述的系统，其中所述双向电源包括电池。
11.根据权利要求
9所述的系统，其中所述双向电源包括储能电容器或机械能存储装置。
12.根据权利要求
9所述的系统，其中所述电力网状态包括功率因数。
13.根据权利要求
9所述的系统，其中所述电力网状态包括电压和乏/瓦特比的变化。
14.根据权利要求
9所述的系统，其中所述模块计量装置所测量到的所述一个或多个状态包括端子 电压。
专利摘要
所公开的系统包括用于监控电力网状态的计量装置、用于判定该计量装置是否在电网上检测到指示延迟电压恢复事件的状态的控制器，和用于与连接到该电力网的一个或多个远程位置的双向电源模块通信的通信装置，其中该控制器被编程来在该控制器检测到指示延迟电压恢复事件的状态的情况下经由该通信装置向该一个或多个远程位置的双向电源模块发送通知。在一些实施方案中，该计量装置包括电网计量装置。在一些实施方案中，该计量装置测量功率因数和电压及乏/瓦特比的变化。
文档编号H02J3/28GKCN202997562 U发布类型授权 专利申请号CN 201090001336
公开日2013年6月12日 申请日期2010年9月28日
发明者C·瓦塔尼安, M·C·霍夫, D·科卢西, P·戈特利布 申请人:A123系统公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan