背景技術：

數(shù)字電力可以被表征為以分立可控制能量單元來分配電能的任何電力格式。包能量傳遞(pet)是已經(jīng)由發(fā)明人斯蒂芬s伊夫斯(stephens.eaves)在題為“powerdistributionsystemwithfaultprotectionusingenergypacketconfirmation(使用能量包確認進行故障保護的電力分配系統(tǒng))”的美國專利號8,068,937中公開的新數(shù)字電力協(xié)議。在伊夫斯的美國專利號8,781,637b2(伊夫斯2012)中描述了一種使用pet協(xié)議的代表性數(shù)字電力分配系統(tǒng)。

與傳統(tǒng)的模擬電力系統(tǒng)相比，數(shù)字電力傳輸系統(tǒng)的主要區(qū)別因素是電能被分成多個分立單元，并且各種能量單元可以與可用于優(yōu)化安全性、效率、彈性、控制或路由目的的模擬和/或數(shù)字信息相關聯(lián)。

如伊夫斯2012所描述的，電源控制器與負載控制器通過電力傳輸線連接。伊夫斯2012的電源控制器周期性地將電力傳輸線與電源隔離開來(斷開連接)，并且在線被分離之前和之后立即至少對電源控制器端子處存在的電壓特性進行分析。電力線被隔離的時間段被伊夫斯2012稱為“采樣周期”，并且電源被連接的時間段被稱為“傳遞周期”。線上電壓的上升和衰減速率在采樣周期之前、期間和之后揭示電力傳輸線上是否存在故障狀況?？蓽y量故障包括但不限于短路、高線路電阻或不當接觸這些線的個人的存在。由于pet系統(tǒng)中的能量被作為分立量或量子進行傳遞，所以這種能量可以被稱為“數(shù)字電力”。

圖1示出了如在伊夫斯2012中最初描述的代表性數(shù)字電力系統(tǒng)。系統(tǒng)包括電源1以及至少一個負載2。通過操作開關裝置3來啟動pet協(xié)議，以便周期性地使電源與電力傳輸線斷開連接。當開關處于打開(非導通)狀態(tài)時，通過隔離二極管(d1)4，這些線還與可能駐留在負載處的任何所存儲能量相隔離。電容器(c3)5表示在電路的負載側上的能量存儲元件。

傳輸線具有固有線間電阻(r4)6和線間電容(c1)7。如伊夫斯2012所描述的pet系統(tǒng)架構添加附加線間電阻(r3)8和線間電容(c2)9。在開關3打開的時刻，c1和c2已經(jīng)存儲了以與r4和r3的附加值成反比的速率衰減的電荷。由于隔離二極管(d1)4的反向阻斷行為，因此電容器(c3)5并不通過r3和r4進行放電。c1和c2中包含的電荷量與它們兩端的電壓成正比，并且可以由電源控制器11在點10處測量。

如伊夫斯2012中所描述的，存儲在c1和c2中的能量的衰減速率的變化可以指示傳輸線上存在跨線故障。圖2中展示了如伊夫斯2012所提出的正常操作與故障之間的差異。

題為“digitalpowernetworkmethodandapparatus(數(shù)字電力網(wǎng)絡方法和裝置)”的美國專利申請公開號2015/0207318a1(以下稱為“l(fā)owe2014”)引入了在使用包能量傳遞的數(shù)字電力網(wǎng)絡中安全地連接在一起的多個電源和多個負載的概念。在lowe2014中引入了電力控制元件(pce)作為數(shù)字電力網(wǎng)絡中的主要部件。圖3描繪了電力控制元件12的圖示。

電力控制元件執(zhí)行以下功能中的一項或多項：

·在包能量傳遞(pet)協(xié)議下執(zhí)行安全能量傳遞，

·在pet協(xié)議下將模擬電力轉(zhuǎn)換成數(shù)字電力，或反之亦然，

·轉(zhuǎn)換和/或控制電壓和/或電流，和/或

·將電力從網(wǎng)絡內(nèi)的一個pet通道切換到另一個pet通道。

可以采用pce來管理能量存儲設備(如電池)的充電和放電。pce可以管理從電源(如太陽能電池板)處進行的能量提??；替代性地，pce向負載(如發(fā)光二極管(led)燈)提供電力。

技術實現(xiàn)要素：

本文中描述了用于配置數(shù)字電力網(wǎng)絡中的電力控制元件的數(shù)字電力系統(tǒng)和方法，其中，所述系統(tǒng)和方法的各實施例可包括下文所描述的元件、特征和步驟中的一些或全部。

本發(fā)明涉及用于配置數(shù)字電力網(wǎng)絡中的電力控制元件的方法和裝置。更具體地，本發(fā)明涉及一種用于配置數(shù)字電力控制元件來以串聯(lián)-并聯(lián)配置管理各個電源從而獲得期望的電壓和電源能力的方法和裝置。采用能量包的相移或交織來提高電力質(zhì)量。

然而，伊夫斯2012描述了包括單個電源和單個負載設備的數(shù)字電力系統(tǒng)，而lowe2014將該技術擴展為包括結合到數(shù)字電力網(wǎng)絡中的多個電源和負載，本文中描述了采用串聯(lián)-并聯(lián)安排來管理向和從pce的電力以便產(chǎn)生更高的分配電壓和/或電流。此外，本公開引入了能量包的相移(通常稱為交織)平行流的概念以便達到更高的電力質(zhì)量。在本發(fā)明的上下文中，交織是多個pet通道隨時間推移而對能量包的傳輸進行交錯。由于通道在pet協(xié)議下中斷電流流動是正常的，因此交織防止所有通道同時中斷線電流。這種交錯降低了對電力分配系統(tǒng)的峰值需求，減少了電磁干擾，并且減小了濾波部件(如電容器和電感器)的大小和成本。

一種數(shù)字電力系統(tǒng)的實施例包括以下各項：至少一個電源；至少一個電力控制元件；以及數(shù)字電力接收器，所述數(shù)字電力接收器與所述電力控制元件電耦合，以便從其中接收電流。所述電力控制元件包括：(i)電力調(diào)節(jié)電路，所述電力調(diào)節(jié)電路與所述電源電耦合；以及(ii)元件控制器電路，所述元件控制器電路與所述電力調(diào)節(jié)電路電耦合，并且被配置成用于控制并接收來自所述電力調(diào)節(jié)電路的反饋，接收通信/同步信號，并且在包能量傳遞協(xié)議下輸出數(shù)字電力。

一種用于配置數(shù)字電力網(wǎng)絡中的電力控制元件的方法，所述方法包括：向至少一個電力控制元件遞送電流流動，所述至少一個電力控制元件包括電力調(diào)節(jié)電路和元件控制器電路，所述元件控制器電路包括多個包能量傳遞開關，所述多個包能量傳遞開關控制所述電流通過所述電力控制元件中的包能量傳遞傳輸線對的流動；使用所述電力調(diào)節(jié)電路來穩(wěn)定、調(diào)整或轉(zhuǎn)換在所述電力控制元件中的所述電流流動的輸入電壓；使用所述元件控制器電路來接收來自所述電力調(diào)節(jié)電路的所述電流流動，控制并接收來自所述電力調(diào)節(jié)電路的反饋，并且在包能量傳遞協(xié)議下輸出來自所述電力控制元件的數(shù)字電力；將通信/同步信號傳達至所述元件控制器電路，以便依次選擇性地打開和閉合不同包能量傳遞開關；以及在包能量傳遞協(xié)議下向數(shù)字電力接收器遞送所述輸出數(shù)字電力，其中，所述輸出數(shù)字電力是從由所述電力控制元件中的至少一個閉合的包能量傳遞開關控制的至少一個包能量傳遞傳輸線對中遞送的。

附圖說明

圖1示意性地示出了代表性數(shù)字電力系統(tǒng)，所述數(shù)字電力系統(tǒng)包括電源1、至少一個負載2、以及電源控制器11。

圖2展示了圖1的系統(tǒng)的操作中的正常操作與故障之間的電壓變化差異。

圖3是與電源13耦合的電力控制元件12的示意圖。

圖4示意性地示出了數(shù)字電力系統(tǒng)的實施例，其中，通信/同步信號28用于允許在多個pce12當中以及每個pce12內(nèi)的多個pet開關當中對交織進行協(xié)調(diào)，并且在所述pce12與數(shù)字電力接收器之間交換控制和監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖5示意性地示出了為數(shù)字電力接收器33供電的pce12的串行安排的實施例，所述數(shù)字電力接收器是通信/同步信號28的源。

圖6示出了電力控制元件(pce)12，所述pce由各個電源13饋電且并聯(lián)安排，為作為通信/同步信號28的源的單個數(shù)字接收器33供電。

圖7示出了由單個電源13饋電的pce12，其中，pce12并聯(lián)安排，為單個數(shù)字接收器33供電，所述數(shù)字接收器是通信/同步信號28的源。

圖8描繪了包括多個pce12的數(shù)字電力發(fā)射器40，所述多個pce由單個電源13饋電且包括發(fā)射器控制器41，所述發(fā)射器控制器是通信/同步信號28的源。

在附圖中，貫穿不同視圖，類似參考符號指代相同或相似部件；并且省略號用于區(qū)分共享相同參考號的相同或相似項目的多個實例。這些圖不必須按比例繪制；相反，重點放在了展示下文所討論的范例的具體原理上。

具體實施方式

本發(fā)明的各方面的上述以及其他特征和優(yōu)點將因以下對本發(fā)明更寬闊的界限的各種構思和具體實施例更具體的描述而更明顯。鑒于主題不受限于任何具體實施方式，上文引入并在下文更詳細討論的主題的多個方面可以用很多方法中的任何一種實施。具體實現(xiàn)方式的示例和應用主要是為了說明的目的而提供的。

除非另外在本文中定義、使用或表征，本文中使用的術語(包括技術術語和科學術語)將解釋為具有與其在相關領域的背景下所接受的相一致的意思，而不被解釋為理想化或過分正式意義，除非在本文中明顯這樣定義。

空間相關的術語，比如“之上”、“之下”、“左方”、“右方”、“之前”、“之后”等可以在本文中用于使描述一個元件與另一個元件的關系的說明變得簡單，如在圖中所展示的。可以理解，這些空間相關的術語以及所展示的結構意指除本文所描述和圖中所描繪的取向之外還包括使用和運行中的裝置的不同指向。例如，如果將圖中的裝置翻過來，那么描述為在其他元件或特征“之下”或“下方”的元件則可以取向為在這些其他元件或特征的“上方”。因此，示例性術語“之上”可以包括之上和之下的定向。該裝置能夠以其他方式定向(例如，旋轉(zhuǎn)90度或處于其他定向)并且本文中使用的空間關系描述符相應地得以解釋。

更進一步地，在本公開中，當一個元件被稱為在另一個元件“上”、“連接到”另一個元件、“耦合至”另一個元件、與另一個元件“接觸”等，該元件可以直接在該另一個元件上、連接到該另一個元件、耦合至該另一個元件或與該另一個元件接觸，或者可以存在中間元件，除非另有說明。

本文中使用的術語是為了描述具體實施例的目的，而非旨在限制這些示例性實施例。如本文中所使用的，單數(shù)形式(比如“一個(a)”和“一種(an)”)旨在同樣包括復數(shù)形式，除非上下文以其他方式表明。另外，術語“包括(includes)”、“包括(including)”、“包括(comprises)”和“包括(comprising)”指定了所述的元件或步驟的存在，但是不排除一個或多個其他元件或步驟的存在或添加。

此外，可以以組裝和成品形式來提高本文中所指定的各種部件；或者可以將這些部件中的一些或全部封裝在一起并且作為具有供客戶組裝或修改以便生產(chǎn)最終產(chǎn)品的指令的套件(例如，以書面、視頻或音頻形式)進行銷售。

圖4提供了電力控制元件(pce)12的內(nèi)部圖。pce12連接至電源13的端子。值得注意的是，電源13可以是或者提供能量或者接收能量的能量存儲設備。電源13連接至pce12中的電力調(diào)節(jié)電路14。pce12的輸出是包能量傳遞協(xié)議下的數(shù)字電力。

電力調(diào)節(jié)電路14采用輸入電壓并提供到另一個電壓電平的穩(wěn)定、調(diào)整或轉(zhuǎn)換。電力調(diào)節(jié)電路14還可以提供隔離以便使輸入端子與輸出端子電隔離。電力調(diào)節(jié)電路14還可以將dc輸入轉(zhuǎn)換為ac輸出。如pce12中所采用的，電力調(diào)節(jié)電路14可以是雙向的，允許電力從或向電源13流動。如果電源13還是能量存儲設備(如電池)，則這種雙向可能是必要的。在其最基本形式中，電力調(diào)節(jié)器可以是簡單的濾波電容器或者允許或禁止電流流過的電開關(固態(tài)或機械的)。最電力密集的調(diào)節(jié)電路14中的一些在行業(yè)中被已知為開關模式電力轉(zhuǎn)換器。行業(yè)中所熟知的最常見非隔離技術中的一些包括但不限于升壓、降壓、升降壓、sepic和電荷泵/開關電容器。隔離技術包括反激式轉(zhuǎn)換器、前向轉(zhuǎn)換器、推挽式轉(zhuǎn)換器和諧振轉(zhuǎn)換器。

電力調(diào)節(jié)電路14從元件控制器電路15中接收監(jiān)視控制并向元件控制器電路提供反饋。元件控制器電路15可以向電力調(diào)節(jié)電路14提供非常低電平的控制，如對在電力轉(zhuǎn)換中使用的各個電力半導體開關的控制；在附加實施例中，元件控制器電路15可以提供補充由作為電力調(diào)節(jié)電路14的一部分存在的嵌入式控制器執(zhí)行的低電平控制的非常高電平的功能。元件控制器電路15管理執(zhí)行pet協(xié)議所需要的一系列pet開關或斷開設備(s1，s2，…，sn)16、17、18。如在伊夫斯2012中詳細描述的，pet開關s1、s2、…、sn可以是電力半導體設備，但也可以采用其他形式，如機電繼電器。電壓感測點19、20和21用于執(zhí)行如伊夫斯2012中所描述的包能量傳遞協(xié)議。

每個pet開關控制作為電纜束29離開pce12的單獨的pet導體22/23/24。相應負導體25、26和27為傳輸線電流提供返回路徑，并且每個負導體作為電纜束30離開pce12。

而伊夫斯2012描述了響應于單個pet開關的控制器，本方法允許控制器管理用于各個pet傳輸線對的多個pet開關s1、s2、…、sn。此外，本文中所描述的電力控制元件(pce)12具有交錯(或交織)能量包的傳遞以便最小化對電力系統(tǒng)的影響的能力。由于每個包周期都中斷從電源13到各個pet導體22-24的電流，因此避免中斷同時發(fā)生在所有通道上是有利的。。例如，如果每個pet傳輸線對以一安培電流進行操作，則沒有交織的三對傳輸將導致電源13看到每個包周期中從0安培到3安培的轉(zhuǎn)變。就1.5ms的包周期而言，每1.5ms轉(zhuǎn)變將從0安培變?yōu)?安培。使用交織，來自這三個pet傳輸線對的pet包可以在1.5ms周期上交錯，導致在任何實例中兩個對導通同時第三個對非導通的情況。這導致從電源13中汲取的電流每1.5ms從2安培轉(zhuǎn)變?yōu)?安培三次的情況。該配置不需要受限于總共三個pet開關；少至一個pet開關到多至實際應用的開關都可以被實現(xiàn)。電濾波部件(如電容器)可以用于限制電源13直接看到的電流轉(zhuǎn)變；但是，在任何情況下，交織可以顯著地降低部件的大小、重量和成本。

如在本說明書中稍后將描述的，可以串聯(lián)地和/或并聯(lián)地結合多個pce12以便達到高電壓和/或電流電平。圖5中描繪了為數(shù)字電力接收器33供電的pce12的串行安排的一個實施例。參照圖4，通信/同步信號28用于允許在多個pce12中間以及每個pce12中的多個pet開關s1、s2、…、sn當中對交織進行協(xié)調(diào)，同樣用于在pce12與數(shù)字電力的接收器33之間交換控制和監(jiān)測數(shù)據(jù)。同步信號28可以被提供作為分立信號，或者其可以被嵌入在串行數(shù)據(jù)流中。在伊夫斯2012中描述了用于在pet系統(tǒng)中通信的多個操作，伊夫斯2012中詳細描述了包括rs-232、rs-485、can總線、火線以及其他的通信硬件和協(xié)議?？梢允褂勉~導體、光纖或者無線地建立通信?？梢允褂帽绢I域技術人員眾所周知的許多協(xié)議(包括wi-fi、irda、wi-max及其他)中的任何一種來建立無線通信。

伊夫斯2012中描述的用于實現(xiàn)通信/同步信號28的功能的另一選項被稱為本領域已知的方法“電力線上通信”、或“通信或電力線載波”(plc)，又稱為“電力線數(shù)字用戶線路”(pdsl)、“干線通信”、或“電力線上寬帶”(bpl)。在題為“packetenergytransferin-linecommunications(包能量傳遞有線通信)”的公開的美國專利申請?zhí)?015/0215001a1中描述了又另一種用于建立通信/同步信號28的方法。有線通信方法利用當傳輸對與電源(發(fā)射器)和負載(接收器)隔離時pet協(xié)議下的周期作為“安靜”周期來傳遞電壓振幅調(diào)制數(shù)據(jù)流。

除了將同步信號嵌入到串行數(shù)據(jù)流中之外，中央控制器可以提供交織相移值或偏移以便允許多個pce12以及每個pce12中的多個pet開關s1、s2、…、sn配備有單獨的相移控制。在pce12的串行安排的一個實施例中，同步信號28可以用于將完全相同的相移值應用于串聯(lián)串中附接至相同pet傳輸對的所有pce12。

如圖5中所示出的，通信/同步信號28可以源于數(shù)字電力接收器33。盡管不具有本文中引入的交織的新概念，但是在題為“digitalpowerreceiversystem(數(shù)字電力接收器系統(tǒng))”的美國專利申請?zhí)?4/886,455中描述了具有合適接口的數(shù)字電力接收器。在另一個實施例中，交織上的相移可以被pce元件控制器電路15隨機化，并且獲得使用同步交織實現(xiàn)的益處的大部分。在附加實施例中，同步化和隨機化交織的組合可以在系統(tǒng)中實現(xiàn)。

再次參照圖4，旁路二極管(db)31和旁路開關(sb)32在如圖5中的電力控制元件(pce)12串聯(lián)連接的一些實施例中是有用的，以便允許當pet開關s1、s2、…、sn處于非導通狀態(tài)時電流從其他pce12繼續(xù)流動?？梢詥为毷褂枚O管db實現(xiàn)旁路功能；然而，由于在可以實施旁路開關sb的許多電力半導體(例如，場效應晶體管(fet))中發(fā)現(xiàn)的傳導損耗比在二極管中發(fā)現(xiàn)的傳導損耗更低，因此sb的添加降低了電力損耗。替代性地，盡管二極管db提供了用于在sb或pet開關s1、s2或sn故障時允許操作整個線的相對地故障安全方法的優(yōu)點，但是如果實現(xiàn)了sb，則db可以被完全消除。

應當注意的是，在存在多于一個pet開關(指存在多于一個pet傳輸線對)的實例中，針對每一對實現(xiàn)專用旁路二極管(db)和/或旁路開關(sb)。為了簡單起見，圖4僅示出了一個旁路二極管(db)和一個旁路開關(sb)。實際上，三個旁路二極管和三個旁路開關用于三個相應pet開關s1、s2和sn。在每個實例中，開關sb由元件控制器電路15操作，以便每當所述開關相應pet開關s1、s2或sn處于導通狀態(tài)時，所述開關處于非導通狀態(tài)；否則sb表現(xiàn)為電短路。

圖6描繪了pce12的一個實施例，所述pce由各個電源13饋電且并聯(lián)安排，為單個數(shù)字接收器33供電。在這種情況下，數(shù)字接收器33是通信/同步信號28的源，并且通過優(yōu)化交織相移值來最大化由pce12提供給接收器33的電力質(zhì)量。

圖7描繪了pce12的一個實施例，所述pce由單個電源13饋電，其中，pce12并聯(lián)安排，為單個數(shù)字接收器33供電。在這種情況下，數(shù)字接收器33是通信/同步信號28的源，并且通過pce12借助于對交織相移值進行優(yōu)化來最大化從單個電源13中汲取的電力質(zhì)量。

圖8描繪了包括多個pce12的數(shù)字電力發(fā)射器40，所述多個pce由單個電源13饋電并且包括發(fā)射器控制器41，所述發(fā)射器控制器是通信/同步信號28的源并且通過所述pce12借助于對交織相移值進行優(yōu)化來最大化從單個電源13中汲取的電力質(zhì)量。

在描述本發(fā)明的實施例時，為了清晰的目的而使用了特定的術語。為了描述的目的，特定的術語旨在至少包括技術的和功能的等效物，這些等效物以相似的方式操作從而實現(xiàn)相似的結果。另外，在一些實例中，本發(fā)明的一個具體實施例包括多個系統(tǒng)元素或方法步驟，這些元素或步驟可以被替換為單一的元素或步驟；同樣，單一的元素或步驟可以被替換為多個元素或步驟，其目的是形同的。進一步，除非另有說明，當本文中為本發(fā)明的實施例指定了不同特性的參數(shù)或其他值時，這些參數(shù)或值可以上下調(diào)整1/100、1/50、1/20、1/10、1/5、1/3、1/2、2/3、3/4、4/5、9/10、19/20、49/50、99/100等(或高達為1、2、3、4、5、6、8、10、20、50、100等的因子)，或其四舍五入的近似值。而且，盡管已經(jīng)參照本發(fā)明的具體實施例示出并描述了本發(fā)明，但是本領域技術人員將理解的是，可以在不背離本發(fā)明的范圍的情況下，做出形式及細節(jié)方面的不同替換和改變。仍進一步地，其他一些方面，一些功能和優(yōu)點同樣在本發(fā)明的范圍內(nèi)；并且本發(fā)明的所有實施例不需要必須地獲得所有這些優(yōu)點或具有所有這些上述的特征。另外，本文中所討論的與一個實施例有關的這些步驟、元素和特征可以同樣連同其他一些實施例被使用。貫穿本文件所引用的參考內(nèi)容(包括參考文件、期刊文章、專利、專利申請，等等)通過引用以其全文結合在此；并且來自這些參考內(nèi)容的適當?shù)牟考?、步驟和特征可以被包括或不被包括在本發(fā)明的實施例中。仍進一步地，在背景技術部分指明的這些部件和步驟與本公開是一體的，并且在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以結合在本公開中其他地方所描述的部件或步驟使用或替換它們。在方法權利要求中，其中以具體的順序列舉了多個階段——具有或不具有為易于引用而添加的有序前序字符——這些階段并不解釋為被暫時地限制于它們所列舉的順序，除非另有說明或被這些術語和措辭所隱含。