УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТЬЮ Российский патент 2025 года по МПК H01F27/24 H01F27/42 H01F30/12 H02J3/24 

Область техники

[0001] Настоящее изобретение относится к устройству управления мощностью для модуляции сигналов электрической мощности и к способам модуляции сигналов электрической мощности.

Уровень техники

[0002] Поддержание надежного электроснабжения от электросети требует поддержания напряжения и частоты электрической сети в пределах целевого диапазона. Как правило, электроэнергия должна потребляться по мере ее выработки, и, следовательно, спрос и предложение должны быть сбалансированы для поддержания целевых значений напряжения и частоты электрической сети.

[0003] Балансировка нагрузки электрической мощности обычно включает в себя различные методики, такие как регулировка выходной мощности диспетчеризируемой генерации, т.е. источников электроэнергии, которые могут быть задействованы по требованию по запросу операторов энергосистемы, таких как электростанции, работающие на ископаемом топливе. Другой пример помощи в балансировке нагрузки - использование гидроаккумулирующих электростанций для хранения энергии в виде потенциальной энергии гравитации.

[0004] Производство электроэнергии из недиспетчеризуемых возобновляемых источников энергии, таких как ветровая и солнечная фотоэлектрическая энергия, не может быть легко контролируемо операторами энергосистемы. Растущая доля таких недиспетчеризуемых возобновляемых источников энергии все чаще создает проблемы для балансировки нагрузки и, следовательно, для стабильности частоты. Например, производство солнечной фотоэлектрической энергии в течение дня вызывает временной дисбаланс между пиковым спросом и производством энергии, что обычно называют «кривой утки».

[0005] Дисбаланс между выработкой и потреблением может привести к потерям энергии и нестабильности в электрической сети из-за гармоник формы сигнала и отклонений напряжения, а в конечном итоге - к возможному отказу системы в виде отключений электроэнергии.

Сущность изобретения

[0006] Описанные в настоящем документе устройства управления мощностью позволяют оптимизировать работу и поток энергии во времени, пространстве и режиме путем изменения магнитного потока во времени посредством индукции ближнего поля и высокоскоростной диспетчеризации. Таким образом, такие устройства управления мощностью могут использоваться для помощи в балансировке нагрузки, управлении потоками мощности и оптимизации качества электроэнергии.

[0007] Согласно изобретению создано устройство управления мощностью. Устройство управления мощностью включает в себя магнитопровод, содержащий первую секцию, вторую секцию и третью секцию. Каждая секция расположен вокруг центральной оси, и каждая секция имеет первый конец и второй конец, причем первые концы секций соединены друг с другом в первом положении вдоль центральной оси, а вторые концы секций соединены друг с другом во втором положении вдоль центральной оси. Первичная обмотка расположена вокруг первой секции, и первая вторичная обмотка может быть расположена вокруг первой секции. Вторая вторичная обмотка расположена вокруг второй секции, а третья вторичная обмотка расположена вокруг третьей секции. Устройство управления мощностью содержит преобразователь напряжения, имеющий соединение переменного тока и соединение постоянного тока, и контроллер. Контроллер сконфигурирован для получения данных, связанных с параметрами первого сигнала в первичной обмотке, сравнения параметров первого сигнала с параметрами соответствующего опорного сигнала для каждой из второй вторичной обмотки и третьей вторичной обмотки, определения сигнала гармонизации, который при подаче на первую секцию заставляет соответствующий второй сигнал в каждой из второй вторичной обмотки и третьей вторичной обмотки приближаться к соответствующему опорному сигналу. Контроллер сконфигурирован для инициирования подачи гармонизирующего сигнала на первую секцию с использованием преобразователя напряжения.

[0008] Устройство управления мощностью модулирует сигналы электрической мощности, например, в электрической сети. Например, опорный сигнал может иметь частоту 50 Гц или 60 Гц. Параметры первого сигнала могут включать в себя одно или более из следующих: напряжение, ток, частота, угол сдвига фаз и коэффициент мощности первого сигнала.

[0009] Соединение переменного тока преобразователя напряжения может быть электрически связано с первичной обмоткой, и контроллер может быть сконфигурирован для обеспечения подачи сигнала гармонизации на первую секцию с помощью преобразователя напряжения путем обеспечения подачи сигнала гармонизации на первичную обмотку с помощью преобразователя напряжения. Соединение переменного тока преобразователя напряжения может быть электрически связано с отводом на первичной обмотке. В качестве альтернативы отводу устройство управления мощностью может содержать модулирующую обмотку, расположенную вокруг первой секции. В качестве альтернативы соединению между преобразователем напряжения и первичными обмотками, соединение переменного тока преобразователя напряжения может быть электрически связано с модулирующей обмоткой, и контроллер может быть сконфигурирован для обеспечения подачи сигнала гармонизации на первую секцию с помощью преобразователя напряжения путем обеспечения подачи сигнала гармонизации на модулирующую обмотку с помощью преобразователя напряжения. Соответственно, преобразователь напряжения электромагнитно связан с первичной обмоткой через модулирующую обмотку. Подача сигнала гармонизации на отвод в первичной обмотке, а не на модулирующую обмотку, сокращает количество меди, необходимое для обмоток, и снижает потери в обмотке во время работы устройства управления мощностью. Кроме того, конфигурации с отводами в обмотках требуют меньшей площади поверхности магнитопровода для индуцирования сигналов гармонизации, чем отдельные модулирующие обмотки.

[0010] Преобразователь напряжения может быть первым преобразователем напряжения, и устройство управления мощностью может содержать второй преобразователь напряжения, имеющий соединение переменного тока и соединение постоянного тока. Другими словами, может существовать преобразователь напряжения, электрически соединенный с каждой из первичной и вторичных обмоток. Соединение переменного тока второго преобразователя напряжения может быть электрически связано со второй вторичной обмоткой. Например, второй преобразователь напряжения может быть электрически соединен с отводом на второй вторичной обмотке. В качестве альтернативы отводу, соединение переменного тока второго преобразователя напряжения может быть электрически подключено параллельно нагрузке, которая электрически соединена со второй вторичной обмоткой. В качестве альтернативы соединению между преобразователем напряжения и первичными и вторичными обмотками, устройство управления мощностью может содержать вторую модулирующую обмотку, расположенную вокруг секции, и соединение переменного тока второго преобразователя напряжения может быть электрически связано со второй модулирующей обмоткой. Соответственно, преобразователь напряжения электромагнитно связан с каждой из первичной и вторичных обмоток через модулирующие обмотки. Симметричное расположение компонентов на каждой стороне магнитопровода обеспечивает стабилизацию частоты сигнала путем применения регулирования снижения напряжения. В свою очередь, это позволяет достичь временного баланса спроса (нагрузки) по отношению к предложению в режиме реального времени, даже при наличии отрицательного потока мощности и сильно нелинейных нагрузок с обеих сторон устройства управления мощностью.

[0011] Устройство управления мощностью может содержать средства для накопления энергии. Средства для накопления энергии могут быть подключены к соединению постоянного тока преобразователя напряжения. Средства для накопления энергии могут накапливать электрическую энергию, например, в конденсаторах или аккумуляторах. Средства для накопления энергии могут преобразовывать энергию в другую форму, такую как энергия вращения в маховиках, или тепловая энергия для тепловых аккумуляторов или тепловых насосов. Средства для накопления энергии могут преобразовывать электрическую энергию для электролиза воды на водород и кислород, каждый из которых может храниться в качестве топлива. Энергия, запасенная в средствах для накопления энергии, может быть высвобождена позднее, например, во время пиков спроса в электрической сети. Соответственно, средства для накопления энергии могут содержать один или более из следующих элементов: конденсатор, аккумулятор, маховик, тепловой аккумулятор, электролизер, например, со связанным блоком хранения водорода, тепловой насос, например, со связанным тепловым аккумулятором, и воздушный компрессор, например, со связанным воздушным резервуаром. Если устройство управления мощностью содержит второй преобразователь напряжения, средство для накопления энергии может быть также подключено к соединению постоянного тока второго преобразователя напряжения. Средства для накопления энергии позволяют накапливать энергию для временного сдвига мощности, т.е. для балансировки нагрузки.

[0012] Магнитопровод может иметь тороидальную форму. Первичная обмотка может быть первой первичной обмоткой, и устройство управления мощностью может содержать вторую первичную обмотку, расположенную вокруг второй секции, и третью первичную обмотку, расположенную вокруг третьей секции. Каждая из первой первичной обмотки, второй первичной обмотки и третьей первичной обмотки может быть расположена таким образом, чтобы пропускать различную фазу трехфазного сигнала переменного тока.

[0013] Сигнал гармонизации может привести к тому, что второй сигнал в каждой из второй вторичной обмотки и третьей вторичной обмотки будет приближаться к соответствующему опорному сигналу путем компенсации гармоник в первом сигнале, так что гармоники удаляются или уменьшаются в соответствующем втором сигнале. Фаза соответствующего второго сигнала может быть зафиксирована по отношению к фазе первого сигнала с помощью схемы фазовой автоподстройки частоты. Аппроксимация соответствующего опорного сигнала соответствующим вторым сигналом может включать в себя согласование или существенное согласование параметров опорного сигнала.

[0014] Сигнал гармонизации может привести к тому, что величина тока в каждой из первой первичной обмотки, второй первичной обмотки и третьей первичной обмотки будет равномерно перераспределена между первой первичной обмоткой, второй первичной обмоткой и третьей первичной обмоткой.

[0015] Преобразователь (и) напряжения может содержать полевой транзистор на основе карбида кремния с металлическим оксидом-полупроводником и/или транзистор на основе нитрида галлия. Преобразователь (и) напряжения может иметь скорость переключения, которая выше, чем период, т.е. частота, самого опорного сигнала. Например, преобразователь (и) напряжения может иметь скорость переключения от 1/100 секунды до 1/500 секунды.

[0016] Предоставляется реализованный на компьютере способ модуляции соответствующего второго сигнала в каждой из второй вторичной обмотки и третьей вторичной обмотки устройства управления мощностью, имеющего магнитопровод, содержащий первую секцию, вторую секцию и третью секцию. Первичная обмотка расположена вокруг первой секции, и первая первичная обмотка может быть расположена вокруг первой секции. Вторая вторичная обмотка расположена вокруг второй секции, а третья вторичная обмотка расположена вокруг третьей секции. Первая секция, вторая секция и третья секция представляют собой дугообразные секции, причем каждая секция расположена вокруг центральной оси, и каждая секция имеет первый конец и второй конец, причем первые концы секций соединены друг с другом в первом положении вдоль центральной оси, а вторые концы секций соединены друг с другом во втором положении вдоль центральной оси. Способ включает в себя: получение данных, связанных с параметрами первого сигнала в первичной обмотке; сравнение параметров первого сигнала с параметрами соответствующего опорного сигнала для каждой из второй вторичной обмотки и третьей вторичной обмотки; определение сигнала гармонизации, который при подаче на первую секцию заставляет соответствующий второй сигнал в каждой из второй вторичной обмотки и третьей вторичной обмотки приближаться к соответствующему опорному сигналу; и обеспечение подачи сигнала гармонизации на первую секцию с помощью преобразователя напряжения.

[0017] Обеспечение подачи сигнала гармонизации на первую секцию с помощью преобразователя напряжения может включать в себя обеспечение подачи сигнала гармонизации на первичную обмотку с помощью преобразователя напряжения. Обеспечение подачи сигнала гармонизации на первичную обмотку с помощью источника напряжения может включать в себя обеспечение подачи сигнала гармонизации на отвод в первичной обмотке с помощью преобразователя напряжения.

[0018] Обеспечение подачи сигнала гармонизации на первую секцию с помощью преобразователя напряжения может включать в себя обеспечение подачи сигнала гармонизации на модулирующую обмотку с помощью преобразователя напряжения, причем модулирующая обмотка расположена вокруг первой секции.

[0019] Сигнал гармонизации приводит к тому, что соответствующий второй сигнал в каждой из второй вторичной обмотки и третьей вторичной обмотки приближается к соответствующему опорному сигналу путем компенсации гармоник в первом сигнале, так что гармоники удаляются или уменьшаются в соответствующем втором сигнале, т.е. путем деструктивной интерференции.

Краткое описание чертежей

[0020] Дополнительные подробности, аспекты и варианты осуществления изобретения будут описаны, только в качестве примера, со ссылкой на чертежи. Элементы на чертежах проиллюстрированы для простоты и ясности и не обязательно нарисованы в масштабе. На соответствующих чертежах приведены одинаковые номера ссылок для облегчения понимания. На чертежах:

Фиг. 1 - схематическое изображение устройства управления мощностью;

Фиг. 2 - схематическое изображение устройства управления мощностью;

Фиг. 3 - схематическое изображение устройства управления мощностью;

Фиг. 4 - схематическое изображение устройства управления мощностью;

Фиг. 5 - схематическое изображение устройства управления мощностью;

Фиг. 6 - схематическое изображение устройства управления мощностью;

Фиг. 7 - схематическое изображение устройства управления мощностью;

Фиг. 8 - схематическое изображение устройства управления мощностью;

Фиг. 9А - схематическое изображение магнитопровода;

Фиг. 9В - схематический вид сбоку магнитопровода, изображенного на фиг. 9А;

Фиг. 9С - схематический вид сверху магнитопровода, изображенного на фиг. 9А;

Фиг. 10 - схематическое изображение устройства управления мощностью;

Фиг. 11 - схематическое изображение устройства управления мощностью; и

Фиг. 12 - блок-схема последовательности операций способа модуляции сигнала электрической мощности.

Подробное описание изобретения

[0021] Настоящее изобретение относится к устройствам управления электрической мощностью и способам, которые включают в себя получение входной электрической энергии в форме входного сигнала, имеющего форму волны напряжения и среднеквадратичное (RMS) напряжение, и применение сигнала гармонизации для вывода электрической энергии в форме выходного сигнала, имеющего желаемую форму волны напряжения и желаемое выходное среднеквадратичное значение напряжения. Например, форма входного сигнала может включать в себя шумы и гармонические искажения, которые подавляются в выходном сигнале.

[0022] Со ссылкой на фиг. 1, устройство 100 управления мощностью содержит магнитопровод 102, имеющий первичную секцию 104 и вторичную секцию 106. Магнитопровод 102 может иметь прямолинейную или тороидальную форму. Первичная секция 104 включает в себя первичную обмотку 110, которая электрически соединена с источником 112 питания переменного тока (АС). Вторичная секция 106 включает в себя вторичную обмотку 116, которая электрически соединена с нагрузкой 118. Нагрузка 118 может представлять собой одну или более последующих нагрузок, которые потребляют мощность от устройства 100 управления мощностью. На чертежах нагрузка 118 показана в виде идеализированного резистора. Магнитопровод 102 вместе с первичной обмоткой 110 и вторичной обмоткой 116 в дальнейшем совместно именуются электромагнитной подсистемой.

[0023] Устройство 100 управления мощностью содержит преобразователь 124 напряжения, предназначенный для функционирования как в качестве преобразователя для преобразования электрической энергии переменного тока (АС) в постоянный (DC), так и в качестве инвертора для преобразования электрической энергии постоянного тока в переменный. Преобразователь 124 напряжения содержит множество транзисторов и множество конденсаторов. Одна из известных форм преобразователя напряжения включает в себя многоуровневую схему преобразователя. Многоуровневая схема преобразователя включает в себя преобразовательные мосты или ячейки, соединенные последовательно, каждая преобразовательная ячейка включает в себя пару последовательно соединенных транзисторов, подключенных параллельно конденсатору. Транзисторы могут быть полевыми транзисторами на основе карбида кремния с металл-оксид-полупроводниковой структурой, биполярными транзисторами с изолированным затвором и/или транзисторами на основе нитрида галлия. Клеммы переменного тока преобразователя 124 напряжения электрически соединены с отводом 128 в первичной обмотке 110. Клеммы постоянного тока преобразователя 124 напряжения электрически соединены со средством 130 для накопления энергии. На фиг. 1 средство 130 для накопления энергии показано в виде конденсатора. Другие примеры средств для накопления энергии обсуждаются ниже.

[0024] Устройство 100 управления мощностью содержит мостовой выпрямитель 134, предназначенный для преобразования электрической энергии переменного тока в постоянный. Клеммы переменного тока мостового выпрямителя 134 электрически соединены параллельно нагрузке 118. Клеммы постоянного тока мостового выпрямителя 134 электрически соединены со средством 130 для накопления энергии.

[0025] Когда электрический сигнал от источника 112 питания переменного тока поступает в первичную обмотку 110, в магнитопроводе 102 индуцируется электромагнитное поле. Электромагнитное поле индуцирует электрический сигнал во вторичной обмотке 116. Число витков обмоток первичной обмотки 110 и вторичной обмотки 116 может быть одинаковым, так что напряжение входного электрического сигнала и напряжение выходного электрического сигнала одинаковы. В других примерах вторичная обмотка 116 может иметь меньше витков, чем первичная обмотка 110, так что выходное напряжение понижается. В других примерах вторичная обмотка 116 может иметь больше витков, чем первичная обмотка 110, так что выходное напряжение повышается.

[0026] Устройство 100 управления мощностью содержит контроллер 140, который может быть связан с возможностью обмена данными с преобразователем 124 напряжения. Контроллер 140 сконфигурирован для получения данных, связанных с параметрами входного электрического сигнала в первичной обмотке 110. Например, параметры могут включать в себя напряжение, ток, частоту, угол сдвига фаз и/или коэффициент мощности. Контроллер может получать данные от одного или нескольких датчиков напряжения и/или тока.

[0027] Контроллер 140 сконфигурирован для сравнения параметров входного сигнала с параметрами опорного сигнала для вторичной обмотки 116. Опорный сигнал содержит идеализированную форму сигнала с желаемыми параметрами выходного сигнала, например, без шумов или гармоник. Контроллер 140 сконфигурирован для определения сигнала гармонизации, который при подаче на первичную обмотку 110 заставляет выходной электрический сигнал во вторичной обмотке 116 приближаться к опорному сигналу, например, путем деструктивной интерференции. Контроллер 140 сконфигурирован для обеспечения подачи сигнала гармонизации на первичную обмотку 110 с помощью преобразователя 124 напряжения. Соответственно, после подачи сигнала гармонизации выходной электрический сигнал во вторичной обмотке 116 практически идентичен опорному сигналу.

[0028] Баланс энергии в электромагнитной подсистеме в момент времени t по отношению к сигналу определяется выражением:

E^P(t₁)=E^S(t₁)-L(t₁),

[0029] где Е^р и Е^в обозначают энергию на первичной и вторичной сторонах соответственно. L обозначает потери энергии, которые происходят в электромагнитной подсистеме, что может быть представлено следующим образом:

L(t₁)=L_SI(t₁)+L_EMS(t₁),

[0030] L_SI представляет собой потери, обусловленные неравенством сигналов на первичной и вторичной сторонах, a L_EMS обозначает общие электромагнитные потери электромагнитной подсистемы, например, за счет потерь на вихревые токи или потерь на рассеяние. L_SI может составлять значительную долю общих потерь энергии, в частности, при наличии нелинейных нагрузок на первичной стороне, которые могут быть вызваны содержанием гармоник высшего порядка в токе на первичной стороне и фазовым сдвигом между входным и выходным сигналами.

[0031] Применение сигнала гармонизации позволяет восстановить L_SI. Восстановленная энергия в пределах заданного интервала времени Δt1, LSI(t1+Δt1), может быть зарезервирована во множестве конденсаторов преобразователя 124 напряжения. Инкремент времени Δt1 меньше периода опорного сигнала, например, меньше 1/50 секунды или 1/60 секунды. Например, Δt1 может составлять от 1/100 секунды до 1/500 секунды.

[0032] Часть энергии, запасенной во множестве конденсаторов, может быть использована для подачи питания для подачи сигнала гармонизации в более поздний момент времени t₂, тем самым поддерживая коррекцию коэффициента мощности, регулирование напряжения, управление качеством электроэнергии и/или балансировку фаз в рамках стабилизации частоты системы в выходном сигнале. Кроме того, энергия, запасенная во множестве конденсаторов, может быть передана в средство 130 для накопления энергии. Средство 130 для накопления энергии может накапливать электрическую энергию, например, в конденсаторах или аккумуляторах. Средство 130 для накопления энергии может преобразовывать энергию в другую форму, такую как энергия вращения в маховиках или тепловая энергия для тепловых аккумуляторов или тепловых насосов. В частном примере электрическая энергия может использоваться для электролиза воды на водород и кислород, каждый из которых может храниться в качестве топлива. Энергия, запасенная в средстве 130 для накопления энергии, может быть высвобождена позднее, например, во время пиков спроса в электрической сети. Соответственно, устройство управления мощностью позволяет оптимизировать работу и поток энергии во времени, пространстве и режиме, что обеспечивается модуляцией магнитного потока, изменяющегося во времени, посредством индукции ближнего поля и высокоскоростной диспетчеризации.

[0033] Кроме того, соответствующий выбор размера множества конденсаторов преобразователя 124 напряжения, такой, что множество конденсаторов и/или средство 130 для накопления энергии способны накапливать больше электрической энергии, чем требуется для подачи сигналов гармонизации, т.е. примерно 20% от общей номинальной мощности электромагнитной подсистемы, позволяет отводить электрическую энергию со вторичной стороны электромагнитной подсистемы в преобразователь 124 напряжения, например, во время избыточного производства энергии в электрической сети.

[0034] Хотя вышеизложенное описание приведено со ссылкой на устройство 100 управления мощностью, различные конфигурации устройств управления мощностью также работают аналогичным образом, обеспечивая модуляцию сигналов электрической мощности. Некоторые из этих конфигураций обсуждаются ниже.

[0035] Со ссылкой на фиг. 2, устройство 200 управления мощностью содержит магнитопровод 102, имеющий первичную секцию 104 и вторичную секцию 106. Первичная секция 104 включает в себя первичную обмотку 110, которая электрически соединена с источником 112 питания переменного тока. Первичная секция 104 также включает в себя модулирующую обмотку 202. Вторичная секция 106 включает в себя вторичную обмотку 116, которая электрически соединена с нагрузкой 118. Устройство 200 управления мощностью содержит преобразователь 124 напряжения, предназначенный для функционирования как в качестве преобразователя, так и в качестве инвертора. Преобразователь 124 напряжения по существу такой же, как преобразователь 124 напряжения устройства 100 управления мощностью.

[0036] Клеммы переменного тока преобразователя 124 напряжения электрически соединены с модулирующей обмоткой 202. Клеммы постоянного тока преобразователя 124 напряжения электрически соединены со средством 130 для накопления энергии. Устройство 200 управления мощностью содержит мостовой выпрямитель 134, предназначенный для преобразования электрической энергии переменного тока в постоянный. Клеммы переменного тока мостового выпрямителя 134 электрически соединены параллельно нагрузке 118. Клеммы постоянного тока мостового выпрямителя 134 электрически соединены со средством 130 для накопления энергии.

[0037] Устройство 200 управления мощностью содержит контроллер 240, который может быть связан с возможностью обмена данными с преобразователем 124 напряжения. Контроллер 240 сконфигурирован для получения данных, связанных с параметрами входного электрического сигнала в первичной обмотке 110. Контроллер 240 сконфигурирован для сравнения параметров входного сигнала с параметрами опорного сигнала для вторичной обмотки 116. Опорный сигнал содержит идеализированную форму сигнала с желаемыми параметрами выходного сигнала, например, без шумов или гармоник. Контроллер 240 сконфигурирован для определения сигнала гармонизации, который при подаче на модулирующую обмотку 202 заставляет выходной электрический сигнал во вторичной обмотке 116 приближаться к опорному сигналу, например, путем деструктивной интерференции. Контроллер 240 сконфигурирован для обеспечения подачи сигнала гармонизации на модулирующую обмотку 202 с помощью преобразователя 124 напряжения. Соответственно, после подачи сигнала гармонизации выходной электрический сигнал во вторичной обмотке 116 практически идентичен опорному сигналу.

[0038] Подача сигнала гармонизации на отвод в первичной обмотке 110, например, на отвод 128, а не на модулирующую обмотку, уменьшает количество меди, необходимое для обмоток, и снижает потери в обмотке во время работы устройства управления мощностью. Кроме того, конфигурации с отводами в обмотках требуют меньшей площади поверхности магнитопровода для индуцирования сигналов гармонизации, чем отдельные модулирующие обмотки.

[0039] Альтернативные конфигурации вторичной стороны устройства управления мощностью описаны со ссылкой на фиг. 3 и 4.

[0040] Со ссылкой на фиг. 3, устройство 300 управления мощностью по существу такое же, как устройство 100 управления мощностью. В устройстве 300 управления мощностью клеммы переменного тока мостового выпрямителя 134 электрически соединены с отводом 302 во вторичной обмотке 116.

[0041] Со ссылкой на фиг. 4, устройство 400 управления мощностью по существу такое же, как устройство 100 управления мощностью. Вторичная секция 106 устройства 400 управления мощностью включает в себя выходную обмотку 402. В устройстве 400 управления мощностью клеммы переменного тока мостового выпрямителя 134 электрически соединены с выходной обмоткой 402.

[0042] И устройство 300 управления мощностью, и устройство 400 управления мощностью позволяют сделать напряжение на входе мостового выпрямителя 134 отличным от напряжения во вторичной обмотке 116.

[0043] Альтернативные конфигурации устройства управления мощностью включают в себя преобразователь напряжения, связанный с каждой стороной магнитопровода. Симметричное расположение компонентов на каждой стороне магнитопровода обеспечивает стабилизацию частоты сигнала путем применения регулирования снижения напряжения. В свою очередь, это обеспечивает временной баланс спроса, т.е. нагрузки, по отношению к предложению в режиме реального времени, который может быть достигнут даже при наличии отрицательного потока мощности и сильно нелинейных нагрузок с обеих сторон устройства управления мощностью.

[0044] Со ссылкой на фиг. 5, устройство 500 управления мощностью содержит магнитопровод 102, имеющий первичную секцию 104 и вторичную секцию 106. Первичная секция 104 включает в себя первичную обмотку 110, которая электрически соединена с источником 112 питания переменного тока. Вторичная секция 106 включает в себя вторичную обмотку 116, которая электрически соединена с нагрузкой 118.

[0045] Устройство 500 управления мощностью содержит первый преобразователь 502 напряжения и второй преобразователь 504 напряжения, каждый из которых предназначен для функционирования как в качестве преобразователя, так и в качестве инвертора. Клеммы переменного тока первого преобразователя 502 напряжения электрически соединены с отводом 128 в первичной обмотке 110. Клеммы постоянного тока первого преобразователя 502 напряжения электрически соединены со средством 130 для накопления энергии. Клеммы переменного тока второго преобразователя 502 напряжения электрически соединены параллельно нагрузке 118. Клеммы постоянного тока второго преобразователя 504 напряжения электрически соединены со средством 130 для накопления энергии.

[0046] Устройство 500 управления мощностью содержит контроллер 510, который может быть связан с возможностью обмена данными как с первым преобразователем 502 напряжения, так и со вторым преобразователем 504 напряжения. Контроллер 510 сконфигурирован для получения данных, связанных с параметрами входного электрического сигнала в первичной обмотке 110.

[0047] Контроллер 510 сконфигурирован для сравнения параметров входного сигнала с параметрами опорного сигнала для вторичной обмотки 116. Опорный сигнал содержит идеализированную форму сигнала с желаемыми параметрами выходного сигнала, например, без шумов или гармоник. Контроллер 510 сконфигурирован для определения сигнала гармонизации, который при подаче на первичную обмотку 110 заставляет выходной электрический сигнал во вторичной обмотке 116 приближаться к опорному сигналу, например, путем деструктивной интерференции. Контроллер 510 сконфигурирован для обеспечения подачи сигнала гармонизации на первичную обмотку 110 с помощью первого преобразователя 502 напряжения. Соответственно, после подачи сигнала гармонизации выходной электрический сигнал во вторичной обмотке 116 практически идентичен опорному сигналу. Второй преобразователь 504 напряжения позволяет устройству 500 управления мощностью буферизовать дополнительную энергию.

[0048] В альтернативной конфигурации, обсуждаемой со ссылкой на фиг. 6, устройство 600 управления мощностью по существу такое же, как устройство 500 управления мощностью. Первичная секция 104 устройства 600 управления мощностью включает в себя модулирующую обмотку 602. В устройстве 600 управления мощностью клеммы переменного тока первого преобразователя 502 напряжения электрически соединены с модулирующей обмоткой 602.

[0049] Со ссылкой на фиг. 7, устройство 700 управления мощностью содержит магнитопровод 102, имеющий первичную секцию 104 и вторичную секцию 106. Первичная секция 104 включает в себя первичную обмотку 110, которая электрически соединена с источником 112 питания переменного тока. Вторичная секция 106 включает в себя вторичную обмотку 116, которая электрически соединена с нагрузкой 118.

[0050] Устройство 700 управления мощностью содержит первый преобразователь 502 напряжения и второй преобразователь 504 напряжения, каждый из которых предназначен для функционирования как в качестве преобразователя, так и в качестве инвертора. Клеммы переменного тока первого преобразователя 502 напряжения электрически соединены с отводом 128 в первичной обмотке 110. Клеммы постоянного тока первого преобразователя 502 напряжения электрически соединены со средством 130 для накопления энергии. Клеммы переменного тока второго преобразователя 502 напряжения электрически соединены параллельно нагрузке 118. Клеммы постоянного тока второго преобразователя 504 напряжения электрически соединены с отводом 702 во вторичной обмотке 116.

[0051] Устройство 700 управления мощностью содержит контроллер 704, который может быть связан с возможностью обмена данными как с первым преобразователем 502 напряжения, так и со вторым преобразователем 504 напряжения.

[0052] Контроллер 704 сконфигурирован для получения данных, связанных с параметрами первого сигнала в первичной обмотке 110. Контроллер 704 сконфигурирован для сравнения параметров первого сигнала с параметрами опорного сигнала для вторичной обмотки 116. Опорный сигнал содержит идеализированную форму сигнала с желаемыми параметрами второго сигнала, например, без шумов или гармоник. Контроллер 704 сконфигурирован для определения сигнала гармонизации, который при подаче на первичную обмотку 110 заставляет второй сигнал во вторичной обмотке 116 приближаться к опорному сигналу, например, путем деструктивной интерференции. Контроллер 704 сконфигурирован для обеспечения подачи сигнала гармонизации на первичную обмотку 110 с помощью первого преобразователя 502 напряжения. Соответственно, после подачи сигнала гармонизации второй сигнал во вторичной обмотке 116 практически идентичен опорному сигналу.

[0053] Контроллер 704 может быть сконфигурирован для получения данных, связанных с параметрами третьего сигнала во вторичной обмотке 116. Контроллер 704 сконфигурирован для сравнения параметров третьего сигнала с параметрами опорного сигнала для первичной обмотки 110. Опорный сигнал содержит идеализированную форму сигнала с желаемыми параметрами второго сигнала, например, без шумов или гармоник. Контроллер 704 сконфигурирован для определения сигнала гармонизации, который при подаче на вторичную обмотку 116 заставляет четвертый сигнал в первичной обмотке 110 приближаться к опорному сигналу, например, путем деструктивной интерференции. Контроллер 704 сконфигурирован для обеспечения подачи сигнала гармонизации на вторичную обмотку 116 с помощью второго преобразователя 504 напряжения. Соответственно, после подачи сигнала гармонизации четвертый сигнал в первичной обмотке 110 практически идентичен опорному сигналу.

[0054] Соответственно, устройство 700 управления мощностью имеет симметричную структуру, так что как первичная, так и вторичная сторона могут принимать входной сигнал.

[0055] В альтернативной конфигурации, обсуждаемой со ссылкой на фиг. 8, устройство 800 управления мощностью по существу такое же, как устройство 700 управления мощностью. Первичная секция 104 устройства 800 управления мощностью включает в себя первую модулирующую обмотку 802. Вторичная секция 106 устройства 800 управления мощностью включает в себя вторую модулирующую обмотку 804. Клеммы переменного тока первого преобразователя 502 напряжения электрически соединены с первой модулирующей обмоткой 802. Клеммы переменного тока второго преобразователя 504 напряжения электрически соединены со второй модулирующей обмоткой 804.

[0056] Источник 112 питания переменного тока любого из описанных выше устройств управления мощностью может быть однофазным. Для поддержки многофазных сигналов переменного тока система управления мощностью может содержать множество устройств управления мощностью, по одному устройству управления мощностью на каждую фазу. Например, для трехфазной электрической сети система управления мощностью может содержать три описанных выше устройства управления мощностью, но с единым контроллером, связанным с возможностью обмена данными с каждым из преобразователей напряжения, а не с тремя независимыми контроллерами. Единый контроллер поддерживает выходной сигнал для каждой фазы независимо. Преобразователи напряжения системы управления мощностью могут быть соединены между собой, например, с помощью шин. Это позволяет передавать мощность между устройствами управления мощностью для балансировки мощности по всем трем фазам.

[0057] В качестве альтернативы одному устройству управления мощностью на фазу может использоваться многофазный магнитопровод. Например, магнитопровод типа E-I или магнитопровод, как описано в патентной заявке Великобритании №2115649.2, которая настоящим документом включена в качестве ссылки в полном объеме. Пример трехфазного магнитопровода из патентной заявки Великобритании №2115649.2 кратко описан со ссылкой на фиг. 9А-9С.

[0058] Со ссылкой на фиг. 9А-9С, магнитопровод 900 содержит три дугообразных секции 902, которые расположены на равном расстоянии друг от друга вокруг центральной оси 904. Все секции 902 практически идентичны. Дугообразные секции 902 представляют собой дуги в 180 градусов. Каждая секция 902 имеет первый конец и второй конец. Каждый первый конец имеет первую кромку, которая лежит вдоль центральной оси 904. Каждый второй конец имеет вторую кромку, которая лежит вдоль центральной оси. Первые концы соединены друг с другом, а вторые концы соединены друг с другом. На каждой секции 902 может быть намотана одна или более из следующих обмоток: первичная, вторичная и модулирующая (не показаны на фиг. 9А-9С). Каждая секция 902 может содержать множество полос электротехнической стали, которые согнуты и набраны вместе. Использование тонких стальных пластин снижает потери мощности, вызванные вихревыми токами, индуцируемыми при подаче синусоидального напряжения на обмотки. Ширина набранных полос электротехнической стали может быть различной, что приводит к тому, что секции 902 имеют поперечное сечение, приближающееся к кругу. В качестве альтернативы, ширина набранных полос электротехнической стали в секциях 902 может быть постоянной, так что секции имеют прямоугольное поперечное сечение. Обмотки могут быть распределенными или концентрическими. Преимущественно распределенные обмотки обеспечивают превосходное сопротивление утечки и лучшие тепловые характеристики по сравнению с концентрическими обмотками. Кроме того, улучшенное распределение магнитного поля по трехфазному сердечнику достигается в конструкции с распределенной топологией обмотки. Распределенные обмотки поддерживают более низкий уровень сопротивления утечки при идентичных рабочих условиях, максимизируя диапазон регулирования напряжения системы управления для предотвращения магнитного насыщения ферромагнитного материала. Например, могут существовать требования сетевого кода к процентному сопротивлению от 2% до 8%.

[0059] Со ссылкой на фиг. 10, устройство 910 управления мощностью содержит магнитопровод 901. Магнитопровод 901 представляет собой трехфазный магнитопровод, такой как магнитопровод 900. Магнитопровод 901 содержит первую секцию 902а, вторую секцию 902b и третью секцию 902с. Первая секция 902а включает в себя первую первичную обмотку 912а и первую вторичную обмотку 914а. Вторая секция 902b включает в себя вторую первичную обмотку 912b и вторую вторичную обмотку 914b. Третья секция 902с включает в себя третью первичную обмотку 912с и третью вторичную обмотку 914с.

[0060] Первая первичная обмотка 912а электрически соединена с первым источником 916а питания переменного тока, имеющим первую фазу. Вторая первичная обмотка 912b электрически соединена со вторым источником 916b питания переменного тока, имеющим вторую фазу. Третья первичная обмотка 912с электрически соединена с третьим источником 916с питания переменного тока, имеющим третью фазу. Источники 916а, 916b, 916с питания переменного тока могут каждый нести одну фазу трехфазной сети электроснабжения.

[0061] Первая вторичная обмотка 914а электрически соединена с первой нагрузкой 918а. Вторая вторичная обмотка 914b электрически соединена со второй нагрузкой 918b. Третья вторичная обмотка 914с электрически соединена с третьей нагрузкой 918с. Нагрузки 918а, 918b, 918с могут представлять собой одну или более последующих нагрузок, потребляющих мощность от устройства 910 управления мощностью, например, трехфазную электрическую сеть.

[0062] Устройство 910 управления мощностью содержит шесть преобразователей напряжения, каждый из которых предназначен для функционирования как в качестве преобразователя, так и в качестве инвертора. Каждый преобразователь напряжения содержит множество транзисторов и множество конденсаторов. Первый преобразователь 920а напряжения содержит клеммы переменного тока и клеммы постоянного тока. Клеммы переменного тока первого преобразователя 920а напряжения электрически соединены с отводом 922а в первой первичной обмотке 912а. Клеммы постоянного тока первого преобразователя 920а напряжения электрически соединены с первым средством 924а для накопления энергии. Второй преобразователь 92ба напряжения содержит клеммы переменного тока и клеммы постоянного тока. Клеммы переменного тока второго преобразователя 926а напряжения электрически соединены с отводом 928а в первой вторичной обмотке 914а. Клеммы постоянного тока второго преобразователя 926а напряжения электрически соединены с первым средством 924а для накопления энергии. Третий преобразователь 920b напряжения содержит клеммы переменного тока и клеммы постоянного тока. Клеммы переменного тока третьего преобразователя 920b напряжения электрически соединены с отводом 922b во второй первичной обмотке 912b. Клеммы постоянного тока третьего преобразователя 920b напряжения электрически соединены со вторым средством 924b для накопления энергии. Четвертый преобразователь 926b напряжения содержит клеммы переменного тока и клеммы постоянного тока. Клеммы переменного тока четвертого преобразователя 926b напряжения электрически соединены с отводом 928b во второй вторичной обмотке 914b. Клеммы постоянного тока четвертого преобразователя 926b напряжения электрически соединены со вторым средством 924b для накопления энергии. Пятый преобразователь 920с напряжения содержит клеммы переменного тока и клеммы постоянного тока. Клеммы переменного тока пятого преобразователя 920с напряжения электрически соединены с отводом 922 с в третьей первичной обмотке 912с. Клеммы постоянного тока пятого преобразователя 920с напряжения электрически соединены с третьим средством 924с для накопления энергии. Шестой преобразователь 926с напряжения содержит клеммы переменного тока и клеммы постоянного тока. Клеммы переменного тока шестого преобразователя 926с напряжения электрически соединены с отводом 928 с в третьей вторичной обмотке 914с. Клеммы постоянного тока шестого преобразователя 926с напряжения электрически соединены с третьим средством 924с для накопления энергии. Шесть преобразователей напряжения могут быть соединены между собой, например, с помощью шин. Это позволяет передавать мощность между преобразователями напряжения для балансировки мощности по всем трем фазам. Три средства 924а, 924b, 924с для накопления энергии могут быть соединены между собой, например, с помощью шин. Три средства 924а, 924b, 924с для накопления энергии могут представлять собой одно и то же средство для накопления энергии.

[0063] Некоторые или все преобразователи напряжения могут быть подключены к модуляционным обмоткам на секции вместо того, чтобы быть электрически соединенными с отводом в первичной или вторичной обмотке.

[0064] Когда электрический сигнал от одного из источников 916а, 916b, 916с питания переменного тока подается на первичную обмотку соответствующей секции, в магнитопроводе 901 индуцируется электромагнитное поле. Электромагнитное поле в магнитопроводе 901 индуцирует электрический сигнал во вторичных обмотках двух других секций.

[0065] Устройство 910 управления мощностью включает в себя контроллер (не показан), который может быть соединен с каждым из шести преобразователей 920а, 920b, 920с, 92ба, 926b, 926с напряжения. Контроллер сконфигурирован для получения данных, связанных с параметрами входного электрического сигнала в каждой из первичных обмоток 912а, 912b, 912с. Например, параметрами могут быть напряжение, ток, частота, угол сдвига фаз и/или коэффициент мощности. Контроллер может получать данные от одного или нескольких датчиков напряжения и/или тока.

[0066] Контроллер сконфигурирован для сравнения параметров входного сигнала с параметрами опорного сигнала для каждой из вторичных обмоток 914а, 914b, 914с. Каждый опорный сигнал представляет собой идеализированную форму волны с желаемыми параметрами выходного сигнала в каждой из вторичных обмоток, например, без шума и гармоник. Контроллер сконфигурирован для определения набора гармонизирующих сигналов, включающего в себя гармонизирующий сигнал по меньшей мере для одной из первичных обмоток 912а, 912b, 912с. При подаче набора гармонизирующих сигналов по меньшей мере на одну первичную обмотку выходной электрический сигнал во вторичных обмотках 914а, 914b, 914с приближается к своему соответствующему опорному сигналу, например, путем деструктивной интерференции. Контроллер сконфигурирован для подачи набора гармонизирующих сигналов на первичные обмотки 912а, 912b, 912с с использованием преобразователей 920а, 920b, 920с напряжения. Соответственно, после подачи набора гармонизирующих сигналов выходные электрические сигналы во вторичных обмотках 914а, 914b, 914с практически идентичны своим соответствующим опорным сигналам.

[0067] При сбалансированных нагрузках между тремя фазами гармоники третьего порядка могут быть подавлены. Контроллер также может быть сконфигурирован для удаления других гармоник и обеспечения дополнительного регулирования напряжения при несбалансированных нагрузках, представляя их в электрической сети как сбалансированные. Это достигается путем независимого управления амплитудой и фазой гармонизирующих сигналов в наборе гармонизирующих сигналов для каждой секции. Это обеспечивает устройству управления мощностью шесть степеней свободы для достижения различных целей управления. Одной из возможных целей управления является изменение вторичного напряжения на каждой секции на одинаковый процент, но сохранение соотношения первичных токов для соответствующих секций неизменным по сравнению с пассивным, т.е. немодулированным, режимом работы устройства управления мощностью. Другой возможной целью управления является изменение выходного напряжения на каждой секции, но с одновременным перераспределением первичных токов. Одним из возможных вариантов перераспределения является выравнивание амплитуды трех первичных токов с сохранением их фаз на расстоянии 120 и 240 градусов друг от друга, что позволяет достичь практически одинаковой балансировки нагрузки с точки зрения первичной стороны.

[0068] Использование одного магнитопровода для модуляции многофазного сигнала переменного тока, а не одного однофазного магнитопровода для каждой фазы для модуляции того же многофазного сигнала переменного тока, позволяет модулировать межфазные гармоники и шум в дополнение к внутрифазным гармоникам и шуму. Использование многофазного магнитопровода также позволяет сократить физическое количество необходимого железа по сравнению с несколькими однофазными сердечниками. Кроме того, потери в режиме нагрузки и холостого хода могут быть снижены в многофазном магнитопроводе по сравнению с несколькими однофазными сердечниками.

[0069] В качестве альтернативы паре преобразователей напряжения для каждой фазы может использоваться пара трехфазных преобразователей напряжения. Ссылаясь на фиг. 11, устройство 950 управления мощностью в основном такое же, как устройство 910 управления мощностью, и включает в себя магнитопровод 901. Магнитопровод 901 представляет собой трехфазный магнитопровод, такой как магнитопровод 900. Магнитопровод 901 включает в себя первую секцию 902а, вторую секцию 902b и третью секцию 902с. Первая секция 902а включает в себя первую первичную обмотку 912а и первую вторичную обмотку 914а. Вторая секция 902b включает в себя вторую первичную обмотку 912b и вторую вторичную обмотку 914b. Третья секция 902с включает в себя третью первичную обмотку 912с и третью вторичную обмотку 914с.

[0070] Первая вторичная обмотка 914а электрически соединена с первой нагрузкой 918а. Вторая вторичная обмотка 914b электрически соединена со второй нагрузкой 918b. Третья вторичная обмотка 914с электрически соединена с третьей нагрузкой 918с. Нагрузки 918а, 918b, 918с могут представлять собой одну или более последующих нагрузок, потребляющих мощность от устройства 950 управления мощностью, например, трехфазную электрическую сеть.

[0071] Устройство 950 управления мощностью включает в себя первый преобразователь 952 напряжения и второй преобразователь 954 напряжения, каждый из которых предназначен для функционирования как в качестве преобразователя, так и в качестве инвертора. Каждый преобразователь напряжения представляет собой трехфазный преобразователь напряжения и включает в себя множество транзисторов и множество конденсаторов. Каждый преобразователь напряжения включает в себя клеммы переменного тока и клеммы постоянного тока. Клеммы постоянного тока первого и второго преобразователей 952 напряжения, 954 электрически соединены со средством 956 для накопления энергии. Клеммы переменного тока первого преобразователя 952 напряжения электрически соединены с каждым из отвода 922а в первой первичной обмотке 912а, отвода 922b во второй первичной обмотке 912b и отвода 922 с в третьей первичной обмотке 912с. Клеммы переменного тока второго преобразователя 954 напряжения электрически соединены с каждым из отвода 928а в первой вторичной обмотке 914а, отвода 928b во второй вторичной обмотке 914b и отвода 928 с в третьей вторичной обмотке 914с. Некоторые или все преобразователи напряжения могут быть подключены к модуляционным обмоткам на секции вместо того, чтобы быть электрически соединенными с отводом в первичной или вторичной обмотке.

[0072] Когда электрический сигнал от одного из источников 916а, 916b, 916с питания переменного тока подается на первичную обмотку соответствующей секции, в магнитопроводе 901 индуцируется электромагнитное поле. Электромагнитное поле в магнитопроводе 901 индуцирует электрический сигнал во вторичных обмотках двух других секций.

[0073] Устройство 950 управления мощностью включает в себя контроллер (не показан), который может быть соединен с каждым из первого и второго преобразователей 952, 954 напряжения. Контроллер сконфигурирован для получения данных, связанных с параметрами входного электрического сигнала в каждой из первичных обмоток 912а, 912b, 912с. Например, параметрами могут быть напряжение, ток, частота, угол сдвига фаз и/или коэффициент мощности. Контроллер может получать данные от одного или нескольких датчиков напряжения и/или тока.

[0074] Контроллер сконфигурирован для сравнения параметров входного сигнала с параметрами опорного сигнала для каждой из вторичных обмоток 914а, 914b, 914с. Каждый опорный сигнал представляет собой идеализированную форму волны с желаемыми параметрами выходного сигнала в каждой из вторичных обмоток, например, без шума и гармоник. Контроллер сконфигурирован для определения набора гармонизирующих сигналов, включающего в себя гармонизирующий сигнал по меньшей мере для одной из первичных обмоток 912а, 912b, 912с. При подаче набора гармонизирующих сигналов по меньшей мере на одну первичную обмотку выходной электрический сигнал во вторичных обмотках 914а, 914b, 914с приближается к своему соответствующему опорному сигналу, например, путем деструктивной интерференции. Контроллер сконфигурирован для подачи набора гармонизирующих сигналов на первичные обмотки 912а, 912b, 912с с использованием первого преобразователя 952 напряжения. Соответственно, после подачи набора гармонизирующих сигналов выходные электрические сигналы во вторичных обмотках 914а, 914b, 914с практически идентичны своим соответствующим опорным сигналам.

[0075] Со ссылкой на фиг. 12 описывается способ 1100 для модуляции второго сигнала во вторичной обмотке устройства управления мощностью, такого как любое из описанных выше устройств управления мощностью. Устройство управления мощностью имеет магнитопровод, включающий в себя первую секцию и вторую секцию, причем первичная обмотка расположена вокруг первой секции, а вторичная обмотка расположена вокруг второй секции. Способ 1100 выполняется контроллером и включает в себя на этапе 1102 получение данных, связанных с параметрами первого сигнала в первичной обмотке. Например, параметрами могут быть напряжение, ток, частота, угол сдвига фаз и/или коэффициент мощности. Контроллер может получать данные от одного или нескольких датчиков напряжения и/или тока. Данные, связанные с параметрами, могут быть получены от одного или нескольких датчиков напряжения и/или тока, связанных с первичной и/или вторичной обмоткой.

[0076] На этапе 1106 контроллер сравнивает параметры первого сигнала с параметрами опорного сигнала для вторичной обмотки. Каждый опорный сигнал представляет собой идеализированную форму волны с желаемыми параметрами выходного сигнала в каждой из вторичных обмоток, например, без шума и гармоник.

[0077] На этапе 1110 контроллер определяет гармонизирующий сигнал, который при приложении к первой секции приводит к тому, что выходной электрический сигнал во вторичной обмотке приближается к опорному сигналу, например, путем деструктивной интерференции. На этапе 1114 контроллер инициирует подачу гармонизирующего сигнала на первую секцию с использованием преобразователя напряжения. В устройствах управления мощностью, в которых первичная обмотка включает в себя отвод, преобразователь напряжения подключен к отводу, и преобразователь напряжения сконфигурирован для подачи гармонизирующего сигнала на первую секцию с использованием отвода. В устройствах управления мощностью, в которых первая секция включает в себя модуляционную обмотку, преобразователь напряжения подключен к модуляционной обмотке, и преобразователь напряжения сконфигурирован для подачи гармонизирующего сигнала на первую секцию с использованием модуляционной обмотки. После подачи гармонизирующего сигнала выходной электрический сигнал во вторичной обмотке практически идентичен опорному сигналу.

[0078] В настоящем описании, если контекст не указывает на иное, термин «сигнал» используется для простоты ссылки и должен толковаться широко как относящийся к форме электрической энергии, характеризующейся напряжением, током и по меньшей мере одной основной частотой (которая была бы равна нулю в случае постоянного напряжения), и не обязательно требует, чтобы какая-либо форма информации была представлена или передавалась сигналом.

[0079] Хотя настоящее изобретение было описано в связи с некоторыми вариантами осуществления, оно не предназначено для ограничения конкретной формой, изложенной здесь. Напротив, объем настоящего изобретения ограничен только прилагаемой формулой изобретения. Кроме того, хотя признак может быть описан в связи с конкретными вариантами осуществления, специалист в данной области техники поймет, что различные признаки описанных вариантов осуществления могут быть объединены в соответствии с изобретением. В формуле изобретения термин «включающий в себя» или «содержащий» не исключает наличия других элементов.

[0080] Любой из описанных выше контроллеров представляет собой один или более процессоров общего назначения, таких как микропроцессор, центральный процессор или аналогичный. В частности, контроллер может представлять собой микропроцессор с полным набором инструкций (CISC), микропроцессор с сокращенным набором инструкций (RISC), микропроцессор с очень длинной командной строкой (VLIW), процессор, реализующий другие наборы инструкций, или процессоры, реализующие комбинацию наборов инструкций. Контроллер также может представлять собой одно или более специализированных обрабатывающих устройств, таких как специализированная интегральная схема (ASIC), программируемая пользователем вентильная матрица (FPGA), цифровой сигнальный процессор (DSP), сетевой процессор или аналогичный. Контроллер сконфигурирован для выполнения программной логики для выполнения операций и этапов, описанных здесь.

[0081] Контроллер может быть связан с возможностью обмена данными с устройством хранения данных. Устройство хранения данных может включать в себя один или более машиночитаемых носителей информации (или, более конкретно, один или более энергонезависимых компьютерно-читаемых носителей информации), на которых хранится один или более наборов инструкций, воплощающих любую из методологий или функций, описанных здесь. Инструкции также могут полностью или, по меньшей мере частично, находиться в контроллере во время их выполнения.

[0082] Различные способы, описанные выше, могут быть реализованы с помощью компьютерной программы. Компьютерная программа может включать в себя компьютерный код, предназначенный для того, чтобы инструктировать компьютеру выполнять функции одного или нескольких из различных способов, описанных выше. Компьютерная программа и/или код для выполнения таких способов могут быть предоставлены устройству, такому как компьютер, на одном или нескольких машиночитаемых носителях или, в более общем смысле, в виде программного продукта. Машиночитаемые носители могут быть энергозависимыми или энергонезависимыми. Один или более машиночитаемых носителей могут представлять собой, например, электронную, магнитную, оптическую, электромагнитную, инфракрасную или полупроводниковую систему, или среду распространения для передачи данных, например, для загрузки кода через Интернет. Кроме того, один или более машиночитаемых носителей могут иметь форму одного или нескольких физических машиночитаемых носителей, таких как полупроводниковая или твердотельная память, магнитная лента, съемный компьютерный диск, оперативное запоминающее устройство (RAM), постоянное запоминающее устройство (ROM), жесткий магнитный диск и оптический диск.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат заключается в балансировке нагрузки, управлении потоками мощности и оптимизации качества электроэнергии. Технический результат достигается за счет устройства управления мощностью для модуляции сигналов электрической мощности и способов модуляции сигналов электрической мощности. В одном из вариантов осуществления устройство управления мощностью содержит магнитопровод, включающий в себя первую секцию и вторую секцию. Первичная обмотка расположена вокруг первой секции, а вторичная обмотка расположена вокруг второй секции. Устройство управления мощностью содержит преобразователь напряжения, имеющий соединение переменного тока и соединение постоянного тока, и контроллер. Контроллер сконфигурирован для получения данных, связанных с параметрами первого сигнала в первичной обмотке, сравнения параметров первого сигнала с параметрами опорного сигнала для вторичной обмотки, определения гармонизирующего сигнала, который при приложении к первой секции приводит к тому, что второй сигнал во вторичной обмотке приближается к опорному сигналу. Контроллер сконфигурирован для инициирования подачи гармонизирующего сигнала на первую секцию с использованием преобразователя напряжения. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Устройство управления мощностью, содержащее:

магнитопровод, содержащий первую секцию, вторую секцию и третью секцию, при этом каждая из первой секции, второй секции и третьей секции представляют собой дугообразные секции, каждая из которых расположена вокруг центральной оси и имеет первый конец и второй конец, причем первые концы секций соединены между собой в первом положении вдоль центральной оси, а вторые концы секций соединены между собой во втором положении вдоль центральной оси;

первичную обмотку, расположенную вокруг первой секции;

вторую вторичную обмотку, расположенную вокруг второй секции;

третью вторичную обмотку, расположенную вокруг третьей секции;

преобразователь напряжения, имеющий соединение переменного тока и соединение постоянного тока; и

контроллер, выполненный с возможностью:

- получения данных, связанных с параметрами первого сигнала в первичной обмотке;

- сравнения параметров первого сигнала с параметрами соответствующего опорного сигнала для каждой из второй вторичной обмотки и третьей вторичной обмотки;

- определения гармонизирующего сигнала, который при приложении к первой секции приводит к тому, что соответствующий второй сигнал в каждой из второй вторичной обмотки и третьей вторичной обмотки приближается к соответствующему опорному сигналу; и

- инициирования подачи гармонизирующего сигнала на первую секцию с использованием преобразователя напряжения.

2. Устройство управления мощностью по п. 1, в котором соединение переменного тока преобразователя напряжения электрически соединено с первичной обмоткой, и контроллер выполнен с возможностью инициирования подачи гармонизирующего сигнала на первую секцию с использованием преобразователя напряжения путем инициирования подачи гармонизирующего сигнала на первичную обмотку с использованием преобразователя напряжения.

3. Устройство управления мощностью по п. 2, в котором соединение переменного тока преобразователя напряжения электрически соединено с отводом вдоль первичной обмотки.

4. Устройство управления мощностью по п. 1, содержащее модуляционную обмотку, расположенную вокруг первой секции, причем соединение переменного тока преобразователя напряжения электрически соединено с модуляционной обмоткой, и контроллер выполнен с возможностью инициирования подачи гармонизирующего сигнала на первую секцию с использованием преобразователя напряжения путем инициирования подачи гармонизирующего сигнала на модуляционную обмотку с использованием преобразователя напряжения.

5. Устройство управления мощностью по любому из предшествующих пунктов, в котором преобразователь напряжения является первым преобразователем напряжения, и устройство управления мощностью содержит второй преобразователь напряжения, имеющий соединение переменного тока и соединение постоянного тока.

6. Устройство управления мощностью по п. 5, в котором соединение переменного тока второго преобразователя напряжения электрически соединено со второй вторичной обмоткой.

7. Устройство управления мощностью по п. 6, в котором соединение переменного тока второго преобразователя напряжения электрически соединено с отводом вдоль второй вторичной обмотки.

8. Устройство управления мощностью по п. 6, в котором соединение переменного тока второго преобразователя напряжения электрически соединено параллельно с нагрузкой на вторую вторичную обмотку.

9. Устройство управления мощностью по п. 5, содержащее вторую модуляционную обмотку, расположенную вокруг второй секции, причем соединение переменного тока второго преобразователя напряжения электрически соединено со второй модуляционной обмоткой.

10. Устройство управления мощностью по любому из предшествующих пунктов, содержащее средство накопления энергии, причем средство накопления энергии подключено к соединению постоянного тока преобразователя напряжения, и средство накопления энергии содержит одно или более из: конденсатора, аккумулятора, маховика, теплового аккумулятора, электролизера, теплового насоса и воздушного компрессора.

11. Устройство управления мощностью по любому из предшествующих пунктов, в котором магнитопровод имеет тороидальную форму.

12. Устройство управления мощностью по любому из предшествующих пунктов, в котором первичная обмотка является первой первичной обмоткой, и устройство управления мощностью содержит вторую первичную обмотку, расположенную вокруг второй секции, и третью первичную обмотку, расположенную вокруг третьей секции, причем каждая из первой первичной обмотки, второй первичной обмотки и третьей первичной обмотки выполнена с возможностью передачи различной фазы трехфазного сигнала переменного тока.

13. Устройство управления мощностью по любому из предшествующих пунктов, содержащее первую вторичную обмотку, расположенную вокруг первой секции.

14. Устройство управления мощностью по любому из предшествующих пунктов, в котором гармонизирующий сигнал обеспечивает приближение соответствующего второго сигнала в каждой из второй вторичной обмотки и третьей вторичной обмотки к соответствующему опорному сигналу путем компенсации гармоник в первом сигнале, так что гармоники удаляются или уменьшаются в соответствующем втором сигнале.

15. Устройство управления мощностью по любому из пп. 12-14, в котором гармонизирующий сигнал обеспечивает равномерное перераспределение величины тока в каждой из первой первичной обмотки, второй первичной обмотки и третьей первичной обмотки между первой первичной обмоткой, второй первичной обмоткой и третьей первичной обмоткой.

16. Устройство управления мощностью по любому из предшествующих пунктов, в котором преобразователь напряжения содержит полевой транзистор на основе карбида кремния с металл-оксид-полупроводниковой структурой и/или транзистор на основе нитрида галлия.

17. Компьютерно-реализуемый способ модуляции соответствующего второго сигнала в каждой из второй вторичной обмотки и третьей вторичной обмотки устройства управления мощностью, имеющего магнитопровод, содержащий первую секцию, вторую секцию и третью секцию, при этом каждая из первой секции, второй секции и третьей секции представляют собой дугообразные секции, каждая из которых расположена вокруг центральной оси и имеет первый конец и второй конец, причем первые концы секций соединены между собой в первом положении вдоль центральной оси, а вторые концы секций соединены между собой во втором положении вдоль центральной оси, при этом первичная обмотка расположена вокруг первой секции, вторая вторичная обмотка расположена вокруг второй секции, и третья вторичная обмотка расположена вокруг третьей секции, причем способ включает этапы, на которых:

получают данные, связанные с параметрами первого сигнала в первичной обмотке;

сравнивают параметры первого сигнала с параметрами соответствующего опорного сигнала для каждой из второй вторичной обмотки и третьей вторичной обмотки;

определяют гармонизирующий сигнал, который при приложении к первой секции приводит к тому, что соответствующий второй сигнал в каждой из второй вторичной обмотки и третьей вторичной обмотки приближается к соответствующему опорному сигналу; и

инициируют подачу гармонизирующего сигнала на первую секцию с использованием преобразователя напряжения.

18. Способ по п. 17, при котором при инициировании подачи гармонизирующего сигнала на первую секцию с использованием преобразователя напряжения инициируют подачу гармонизирующего сигнала на первичную обмотку с использованием преобразователя напряжения.

19. Способ по п. 18, при котором при инициировании подачи гармонизирующего сигнала на первичную обмотку с использованием преобразователя напряжения инициируют подачу гармонизирующего сигнала на отвод в первичной обмотке с использованием преобразователя напряжения.

20. Способ по п. 17, при котором при инициировании подачи гармонизирующего сигнала на первую секцию с использованием преобразователя напряжения инициируют подачу гармонизирующего сигнала на модуляционную обмотку с использованием преобразователя напряжения, причем модуляционная обмотка расположена вокруг первой секции.

21. Способ по п. 17 или 18, при котором гармонизирующий сигнал обеспечивает приближение соответствующего второго сигнала в каждой из второй вторичной обмотки и третьей вторичной обмотки к соответствующему опорному сигналу путем компенсации гармоник в первом сигнале, так что гармоники удаляются или уменьшаются в соответствующем втором сигнале.

22. Способ по любому из пп. 17-19, при котором первичная обмотка является первой первичной обмоткой, и устройство управления мощностью содержит вторую первичную обмотку, расположенную вокруг второй секции, и третью первичную обмотку, расположенную вокруг третьей секции, при этом каждая из первой первичной обмотки, второй первичной обмотки и третьей первичной обмотки выполнена с возможностью передачи различной фазы трехфазного сигнала переменного тока, причем гармонизирующий сигнал обеспечивает равномерное перераспределение величины тока в каждой из первой первичной обмотки, второй первичной обмотки и третьей первичной обмотки между первой первичной обмоткой, второй первичной обмоткой и третьей первичной обмоткой.