[发明专利]电力供应系统及过程

说明书

一种电力供应系统，包括：至少一个虚拟气隙变压器，包括至少一个初级绕组、至少一个次级绕组以及用于控制初级绕组和次级绕组之间的电磁耦合的一个或多个控制绕组；输入端口，被配置为接收具有第一输入基频和第一输入电压的第一输入信号；以及控制部件，被配置为：接收表示第一输入信号的第一输入电压和第一输入基频的信号，并且生成用于确定至少一个虚拟气隙变压器的控制绕组中的电流的对应虚拟气隙控制信号，使得在次级绕组处生成具有目标输出频率的目标输出电压；其中，电力供应系统接收具有第一输入基频和第一输入电压的第一输入信号形式的输入电能，并且生成具有目标频率和目标输出电压的对应第一输出信号形式的对应输出电能。

技术领域

本发明涉及电能供应，尤其涉及电力供应系统及过程。

背景技术

全球能源问题

以电的形式利用化石燃料的储存能量的能力已使得人类能够为我们的福祉取得惊人的进步。但是，随着全球对电的需求的持续增加，人们普遍预计由此产生的对环境的影响将最终达到对我们的生存构成威胁的程度。因此，解决对普遍获得电的约束而没有不可持续的环境后果是社会和经济的最高优先事项。

为了满足世界人口的正当愿望和影响贫困，美国能源情报署估计到2040年全球能源需求将增加50％以上(参考：国际能源展望2016)。同时，需要显著降低环境影响和能源的成本。我们的传统发电方法使用的化石燃料都是有限的资源。目前，我们唯一经过验证的清洁发电选择是水力、地热、生物质能、太阳能和风能。其中，太阳能和风能提供了满足我们未来需求的最佳机会，因为其它选项具有非常具体的地理输入和要求。

如最近的巴黎气候公约或COP21公约所表明的，政策制定者的全球共识是我们需要大幅增加我们的清洁能源的产生。但是，随着我们目前和预测的清洁发电技术的进步，我们的电网设计无法让我们实现规定的目标。特别地，消纳是一个众所周知且尚未解决的问题。

电力系统概述

整个电力供应链通常可以被分为三个领域：发电、配电和消费。为了维持可靠的电力供应，能量产生受到控制以通过端到端网络满足消费。

配电网络是有史以来创建的最大人造物体。迄今为止，它们都是在单一设计示意图中针对非常具体的运行条件进行构思和构建。设计示意图相对简单：过去的发电是容易的并且与消费充分地均衡。少量可调度的发电源向一系列分片或分组的消费者供电。电网的拓扑往往是径向的混合(单个大型发电机与消费者在其周围的树形结构中逐步转移)，以及更复杂和冗余的路径网络拓扑，诸如网状和环形拓扑。这些拓扑被设计为基于几个大型稳定和可调度发电机以及许多消费者的当前网络需求提供可靠性和成本的良好平衡。

目前，绝大多数发电是直接可控的，因为它是由化石燃料产生的。下表列出了美国和英国目前的发电构成。

表1按来源划分的总发电量百分比(2015年)

随着可再生能源发电水平的提高，我们控制电力供应以匹配需求的能力变得越来越困难。如果不能维持这种供需平衡，电力的稳定性和可用性就会受到威胁。

随着发电的构成向更多可再生能源转变，电力供应的特征正在发生变化，包括网络的物理架构和我们控制发电水平的能力。这导致稳定性和效率问题日益严重，其中当前电网架构的阈值能力远远达不到满足我们的气候变化目标所需的水平。试图单独通过控制发电和/或消费来解决这种情况具有不可容忍的社会、经济和环境影响。如果我们的电力供应链要保持可行并实现我们的社会和经济意图，配电网络的构造需要适应性改变。

电力系统平衡要求

维持可靠的电力供应要求电网的电压和频率维持在约+/-1％的窄带内。除了目前可用的有限存储选项之外，必须在产生电力时消耗电力，因此必须平衡供需，以维持所需的目标电压和频率。到目前为止，这已经通过在粗略的高水平监视电网，然后调整主要是化石燃料、核电或水电的可控发电源的输出来实现。