BRPI0611013B1

BRPI0611013B1 - “dispositivo e método para controle do consumo de energia de uma carga em uma rede de eletricidade”

Info

Publication number: BRPI0611013B1
Application number: BRPI0611013-4A
Authority: BR
Inventors: Hirst David
Original assignee: Responsiveload Limited
Priority date: 2005-06-03
Filing date: 2006-06-01
Publication date: 2018-06-26
Also published as: BRPI0611013A2; EP1891724A2; RU2007149547A; TW200705773A; GB2436253A; DK2273648T3; CN101238625A; ES2371355T3; TWI452795B; EP2273647A2; GB2436252B; GB2426878A; GB0511361D0; GB2426878B; US8396607B2; US20100072817A1; MX2007015099A; KR20080027324A; WO2006128709A3; EP2273648B1

Abstract

um dispositivo de controle de carga o qual responde a uma variável física representando o equilíbrio entre a carga e a geração em uma rede de eletricidade, o dispositivo de controle varia o consumo de energia da carga com base no valor atual da variável física da rede em relação a um valor central daquela variável física, o qual é derivado a partir de leituras passadas da variável física da rede, o dispositivo de controle de resposta de rede também leva em consideração o tempo desde que a carga variou por último seu consumo de energia ao determinar se ao controle de carga variável de rede deve ou não ser provido.

Description

(54) Título: DISPOSITIVO E MÉTODO PARA CONTROLE DO CONSUMO DE ENERGIA DE UMA CARGA EM UMA REDE DE ELETRICIDADE (51) Int.CI.: H02J 3/14; G06F 1/26 (30) Prioridade Unionista: 03/06/2005 GB 0511361.8 (73) Titular(es): RESPONSIVELOAD LIMITED (72) Inventor(es): DAVID HIRST

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DISPOSITIVO E MÉTODO PARA CONTROLE DO CONSUMO DE ENERGIA DE

UMA CARGA EM UMA REDE DE ELETRICIDADE

Campo da Invenção [001] A presente invenção se refere a um meio e a um método para o controle do equilíbrio entre o suprimento e a geração em uma rede de eletricidade.

Antecedentes da Invenção [002] Uma fonte confiável de eletricidade é essencial para a maioria dos aspectos da vida moderna.

[003] A provisão de eletricidade confiável, no presente, é um desafio técnico enormemente complexo. Ele envolve uma avaliação e um controle em tempo real de um sistema de eletricidade consistindo em geração de todos os tipos (nuclear, carvão, óleo, gás natural, hidroelétrica, geotérmica, fotovoltaica, etc.) e carga, por exemplo, de equipamentos, instrumentos, etc. usando a eletricidade.

[004] A eletricidade é suprida por uma rede de distribuição que consiste em linhas de transmissão interconectadas por estações de comutação. A eletricidade gerada é geralmente 'elevada' por transformadores para altas voltagens (de 230 a 7 65 kV) para redução das perdas de transmissão de eletricidade (através de aquecimento). Os geradores, as redes de distribuição e as cargas compreendem a rede de potência elétrica.

[005] Uma operação confiável de uma rede de potência é complexa já que, no presente, a eletricidade deve ser produzida no instante em que é usada, significando que geração de potência e demanda devem ser equilibradas continuamente. Nos sistemas de gerenciamento de potência existentes, o suprimento de eletricidade é equilibrado com

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2/104 a demanda pelo planejamento, controle e coordenação da geração de eletricidade.

[006] Uma falha em combinar geração com demanda faz com que a frequência de um sistema de potência AC aumente, quando a geração exceder à demanda, e diminua, quando a geração for menor do que a demanda.

[007] No Reino Unido, os quadros de eletricidade devem manter uma frequência nominal de 50 Hz e é permitida uma variação de + V%. Nos Estados Unidos, a frequência nominal é de 60 Hz. Em alguns sistemas de laço fechado, tal como um avião, a frequência nominal é de 400 Hz. A frequência nominal é a frequência da potência AC para que uma rede foi projetada e é pretendido que mantenha esta frequência controlada e estável.

[008] Variações pequenas randômicas na frequência são normais, já que as cargas se tornam ligadas e desligadas e geradores modificam sua saída para seguirem as mudanças de demanda. Contudo, grandes desvios na frequência podem fazer com que a velocidade de rotação de geradores se mova além dos limites de tolerância, o que pode danificar turbinas de gerador e um outro equipamento.

[009] A variação na frequência também pode danificar cargas.

[010] Uma mudança de frequência de apenas + é um sinal grande em termos da precisão da instrumentação de semicondutor moderna.

[011] Há problemas com a arquitetura de estilo de lado de suprimento presente de combinação de geração com demanda. No presente, quando não se pode lidar com frequências extremamente baixas, isto é, a demanda ultrapassa a geração,

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3/104 uma redução de carga de subfrequência automática pode ser disparada, o que coloca blocos de consumidores fora de linha, de modo a impedir um colapso do sistema de eletricidade. Isto pode ter o efeito de estabilizar o sistema, mas é extremamente inconveniente e mesmo perigoso para o usuário.

[012] Após um blecaute, a rede está em um estágio particularmente sensível e uma recuperação é lenta. Grandes geradores geralmente requerem outros geradores para tornarem alguma potência disponível para uma partida ou nova partida deles. Se nenhuma potência estiver disponível, esse(s) gerador(es) não pode(m) dar a partida. Assim, os sistemas de rede têm serviços, conhecidos como serviços de “autorestabelecimento de unidade geradora” (“black start”), segundo o que um subconjunto de geração tem a capacidade de dar a partida e continuar a geração, mesmo quando o restante da rede estiver inativo (isto é, apagada). As operadoras de rede prepararam sequências planejadas para a restauração da geração e da carga. Estas asseguram que os suprimentos iniciais limitados sejam usados primeiramente para a provisão de comunicação e controle, então, para se dar a partida em geradores maiores e, depois disso, a carga é progressivamente conectada para combinação com a disponibilidade crescente de geração.

[013] O processo inteiro de auto-restabelecimento de unidade geradora (black start) é tenso. Um blecaute é um evento muito raro, e não é um que possa ser praticado, exceto em uma crise real. Todo mundo envolvido está sob pressão severa, e os sistemas estão sendo operados bastante fora de sua faixa de operação normal (e, às vezes, fora de sua faixa de projeto). Toda etapa quando carga ou geração é adicionada

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4/104 é um choque para o sistema e a rede pode levar segundos ou minutos para estabilizar, após isto acontecer. A prudência sugeriria fazer mudanças em pequenos incrementos. Isto inevitavelmente desacelera o processo em geral, prolongando o blecaute para aqueles que ainda estiverem por serem reconectados.

[014] De modo a se garantir tanto quanto possível contra uma redução de carga, um sistema de potência será operado em todos os momentos para ser capaz de lidar com a perda do gerador mais importante ou da instalação de transmissão (isto é, a contingência única mais significativa). Assim, a rede normalmente está sendo operada bem abaixo de sua capacidade, de modo que uma falha randômica de carga não prejudique o sistema como um todo. Isto, contudo, significa que a geração não está operando tão eficientemente quanto possível, com um aumento resultante nos custos de suprimento de eletricidade.

[015] Um condicionamento de ar alto e outras cargas de resfriamento no verão e cargas de aquecimento de espaço altas no inverno são uma causa normal de cargas de pico. As operadoras de rede, contudo, usam estudos de planejamento e operação rigorosos, incluindo avaliações de longo prazo, um ano à frente, uma estação à frente, uma semana à frente, um dia à frente, uma hora à frente e análises de contingência operacional de tempo real para antecipação de problemas.

[016] O inesperado ainda pode ocorrer, o que é porque o sistema opera com espaço para compensação da maior contingência. Os serviços de utilidade pública podem usar geradores de pico adicionais, os quais têm alto custo de funcionamento, para a provisão de eletricidade adicional, quando necessário, ou, alternativamente, não operam os

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5/104 geradores principiais à capacidade, de modo a deixarem algum potencial para uma geração extra para satisfação das cargas em excesso. Ambos estes métodos resultam em um custo unitário mais alto de eletricidade do que se o sistema estivesse operando mais próximo da capacidade.

[017] Foi proposta uma arquitetura alternativa para combinação de carga e geração com aquela presentemente usada. A idéia geral é compensar diferenças entre carga e geração usando o lado de demanda por meio de gerenciamento de carga.

[018] Existe uma literatura limitada sobre o conceito de uso de carga, ou demanda, para contribuição (pelo menos) para a estabilidade da rede.

[019] A Patente U.S. N° 4.317.049 (Schweppe et al.) mostra uma filosofia básica como essa no gerenciamento de potência elétrica existente, na qual o suprimento e a demanda de eletricidade respondem uma à outra e tentam manter um estado de equilíbrio.

[020] Este documento identifica duas classes de dispositivos de uso. O primeiro tipo é de dispositivos de uso do tipo de energia caracterizados por uma necessidade de uma certa quantidade de energia por um período de tempo, de modo a cumprirem sua função e uma indiferença quanto ao momento exato em que a energia é fornecida. Os exemplos foram aparelhos de condicionamento de espaço, aquecedores de água, refrigeradores, compressores de ar, bombas, etc. A segunda classe foi um dispositivo de uso de tipo de potência caracterizado por uma potência necessária em um momento específico. Esses dispositivos não seriam capazes de cumprirem (plenamente) sua função, se a potência não fosse suprida no momento e na taxa designados. Os exemplos incluem

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6/104 iluminação, computadores, TVs, etc..

[021] O Reprogramador de Potência - Energia de Frequência Adaptativa (FAPER) da patente de Schweppe et al. proveu seu gerenciamento de potência pela aplicação de um FAPER a dispositivos de uso do tipo de energia. A patente de Schweppe e col. particularmente discute a aplicação do FAPER a uma bomba de água para bombeamento da água em um tanque de armazenamento.

[022] O nível de água no tanque de água tem um nível mínimo admissível Y_min e um nível máximo admissível Y_max. Comumente, a bomba de água será comutada para ligada para bombear água para o tanque de armazenamento, quando o nível cair para ou abaixo do nível mínimo, e desliga-se a bomba quando o nível máximo for atingido. Caso contrário, a bomba está inativa.

[023] O FAPER modifica estes limites (Y_max, Y_min), dependendo da frequência do sistema. Assim, um período de alta frequência (falta de demanda de eletricidade), isto é, quando a frequência de rede aumenta acima do nominal, o nível de água mínimo fazendo com que a bomba se ative (Ymin) é aumentado, e o nível de água máximo (Y_max) também é elevado. Assim, a bomba comuta para ligada em um nível mais alto e pára em um nível mais alto do que uma operação não sob o controle de um FAPER. Isto significa que o excesso na geração está sendo assumido. Usando-se o mesmo princípio, conforme a frequência de eletricidade cai abaixo da frequência nominal de rede (uma falta de geração), os níveis de água mínimo e máximo são diminuídos. Esta diminuição resulta em as bombas LIGADAS serem comutadas para desligadas mais cedo e as bombas DESLIGADAS serem ligadas mais tarde do que o uso e, assim,

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7/104 usando menos eletricidade, desse modo se reduzindo a carga.

[024] De acordo com Schweppe, a elevação dos limites (particularmente o máximo) e a diminuição dos limites (particularmente o mínimo) devem ter um topo de extensão, definido pelos desejos do usuário ou por exigências de segurança. Assim, os limites devem ser extensíveis, mas apenas até uma certa extensão, já que, caso contrário, o tanque poderia esvaziar ou extravasar de forma inaceitável.

[025] O conceito amplo descoberto por Schweppe nesta patente é que dispositivos consumindo, os quais incorporam algum tipo de armazenamento de energia e operam em um ciclo de carga, são úteis na provisão de um comportamento de resposta de rede. Quando funcionando, o armazenamento de energia está sendo recompletado ou preenchido e, assim, a energia potencial do armazenamento está aumentando. Quando os dispositivos não estão rodando, sua função é preservada, por causa da capacidade da carga de armazenar energia.

[026] O FAPER modifica o sincronismo do consumo de carga, sem prejuízo do serviço provido pelo dispositivo, usando a frequência de rede como um guia. Assim, a energia potencial do dispositivo é aumentada, quando a frequência de rede é alta, de modo a se maximizar a quantidade de energia alimentada para o dispositivo, a qual é armazenada. Isto compensa qualquer excesso. Durante os momentos de geração insuficiente (alta frequência), a energia potencial do dispositivo é abaixada, desse modo se liberando a energia para a rede e compensando a falta.

[027] Continuando a partir do FAPER, um “sistema de resposta de carga” diferente e melhorado foi mostrado na Patente G.B. N° 2361118 do presente inventor. O sistema de

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8/104 resposta de carga foi baseado no mesmo princípio subjacente dos dispositivos FAPER, que a estabilidade de rede pode ser pelo menos auxiliada pelo uso de uma resposta de rede de lado de demanda, e baseada no método de resposta e ofereceu um melhoramento adicional de uso de métodos probabilísticos quanto ao sincronismo de comutação para LIGADO / DESLIGADO para a carga.

[028] Um problema com o dispositivo FAPER é que, sem qualquer randomização, o menor movimento da frequência poderia resultar em todas as cargas com os FAPERs aplicados respondendo da mesma forma e fazendo-o simultaneamente. Isto poderia resultar em uma influencia desestabilizadora na rede. Uma resposta mais gradual é necessária, e o sistema de resposta de carga oferecido por esta pela distribuição das frequências às quais cada dispositivo responde pelo uso de uma função randomizada.

[029] Conforme mencionado acima, o sistema de resposta de carga da Patente G.B. N° 2361118 define um método baseado em probabilidade para escolha da frequência na qual um dispositivo é sensível. Desta forma, uma proporção progressivamente maior da população de dispositivo de resposta de carga muda a carga, conforme a frequência do sistema se desviar da frequência nominal da rede.

[030] Em maiores detalhes, o sistema de resposta de carga usa um randomizador para escolher uma frequência alta e uma frequência baixa às quais o dispositivo é sensível. Isto é vantajoso em relação ao dispositivo FAPER, já que mais e mais carga é comutada para ligada ou desligada progressivamente, conforme a frequência aumentar ou diminuir, respectivamente.

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9/104 [031] As entradas randômicas para as frequências altas e baixas às quais os dispositivos são sensíveis são revidadas de tempos em tempos. Esta etapa tem a vantagem de distribuição de quaisquer desvantagens de dispositivos de resposta dentre a população e garantindo que nenhum dispositivo que estivesse preso com uma frequência desfavorável disparasse. Por exemplo, não seria apropriado se um dispositivo em particular fosse constantemente sensível a mais leve mudança na frequência, ao passo que um outro dispositivo teve essas frequências de gatilho amplas que apenas provia uma resposta de frequência em situações de tensão de rede extremas.

[032] Um problema com este sistema é que o controlador não é à prova de violação. Usuários, tais como usuários de condicionamento de ar, poderiam escolher ativar seus controles por causa do ligeiro aquecimento/resfriamento de um ambiente além do desejado, como resultado de uma mudança de carga de resposta de frequência sendo notada. Assim, se o condicionador de ar estiver gerando em uma faixa de temperatura mais baixa, isto é, o condicionador de ar está trabalhando mais duramente e está ligado mais frequentemente, por causa de um aumento na frequência de rede, e um usuário nota isto e desliga o condicionamento de ar, antes de a frequência retornar para um nível aceitável, então, a resposta terá sido perdida.

[033] Parcialmente por causa do problema acima, o

Sistema de Estabilidade de Rede do pedido de patente UK número 0322278.3 foi formado. O sistema de estabilidade de rede impede um usuário final de suprimir a função de resposta de frequência pela fixação de gatilhos de frequência em

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10/104 regulagens de tensão de pré-rede. Desta forma, uma manipulação de um controlador de ponto de regulagem, tal como um termostato, é tornada ineficaz pela duração do período de tensão alta.

[034] O sistema de estabilidade de rede também define três estados do sistema, normal, tensão e crise. O nível de tensão da rede determina quais dos três estados de rede acima são relevantes.

[035] O nível de tensão da rede pode ser determinado pela comparação da frequência de rede atual com valores de limite para a frequência e determinar se a frequência atual cai dentro de limites escolhidos para representação de um estado normal, um estado tensionado ou um estado de crise.

[036] Mudanças rápidas na frequência, qualquer que seja seu valor absoluto, também são usadas como indicadores de nível de tensão de rede pela definição de limites para a taxa de mudança da frequência de rede.

[037] O nível de tensão de rede também pode ser indicado por uma integração, ao longo do tempo, do desvio da frequência de rede da frequência de rede nominal. Assim, mesmo se a extensão de desvio de frequência for muito pequena, se ela se desviar por um tempo longo o suficiente, então, uma condição de tensão ou crise de rede ainda será determinada.

[038] O status de rede, portanto, é determinado de acordo com o sistema de estabilidade de rede, ao se levarem em consideração desvios de frequência grande instantâneos de mudanças nominais rápidas de frequência e acumulativamente grandes, mas não necessariamente fora de uma mudança de frequência preferida em qualquer dado tempo, desvios todos

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11/104 sendo sinais de tensão de rede. Cada um destes tipos possíveis de indicadores de rede tem um conjunto associado de limites que individualmente ou em combinação determinam se a rede está em um estado normal, um estado tensionado ou em um estado de crise.

[039] Tendo determinado o status da rede, isto é, se a rede está em um estado normal, um estado tensionado ou em um estado de crise, o controlador do sistema de estabelecimento de rede adapta seu comportamento de resposta de rede dependendo do status de rede determinado. Se um status normal for determinado, o dispositivo proverá uma resposta a mudanças de frequência da mesma forma que o dispositivo de resposta de carga original. Assim, conforme a frequência de rede subir acima da frequência de gatilho de determinação de temperatura, os dispositivos desligados serão comutados para ligados, de modo a assumirem a geração extra. No caso em que a frequência de rede cai abaixo de um valor de gatilho de frequência baixa, os dispositivos ligados serão comutados para desligados para redução da carga na rede.

[040] Se operado de acordo com a invenção FAPER, uma variável física associada à carga (nível de água, temperatura) ainda será controlada em valores mínimo e máximo durante este tempo, mas os limites serão estendidos, de modo que os dispositivos comutados para ligados e os dispositivos já ligados fiquem ligados por mais tempo do que se o dispositivo controlado estivesse operando nos limites de frequência normais. De modo similar, em períodos de frequência de rede excessivamente alta, os dispositivos desligados ficarão desligados por mais tempo do que se o

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12/104 limite inferior da variável física tivesse sido estendido também.

[041] Usando-se o exemplo de tanque de água, conforme a frequência de rede aumenta acima dos limites de frequência mais altos, os dispositivos desligados serão comutados para ligados e os dispositivos ligados ficarão ligados até que a variável física atinja seu limite estendido ou até que a frequência retorne para abaixo dos limites de frequência mais altos. Se a faixa normal para a profundidade de tanque de água ficar entre 1 e 1,5 metros, por exemplo, se a frequência de rede subir acima dos limites de frequência mais alta, os dispositivos desligados serão comutados para ligados e os dispositivos ligados ficarão ligados até uma profundidade de água estendida de 1,7 metros, por exemplo. Assim, o nível máximo potencial do tanque de água foi elevado acima de seu nível normal. Ainda, a energia potencial de uma população de bombas de água controlada desta forma terá aumentado sua profundidade média de água. Isto serve para compensação da geração excessiva, a qual produziu a frequência de rede alta, e armazenou a energia de rede excessiva, a qual compensará, até alguma extensão, a frequência mais alta. Quando a frequência cai abaixo dos limites de frequência mais baixos, esta energia é reembolsada para a rede pela comutação para ligado de dispositivos desligados e mantendo-se desligados os dispositivos desligados até um limite de variável física estendido mais baixo de, por exemplo, 0,8 metros. Isto permite que uma população grande de dispositivos reduza sua energia potencial e supra a diferença de energia para a rede. Isto serve para compensação da falta de geração que resultou na

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13/104 frequência baixa.

[042] Se operado de acordo com o sistema de resposta de carga da GB2361118, os limites de controle permaneceram inalterados, mas o dispositivo poderia ser comutado para ligado ou desligado, se a frequência do sistema se movesse além da frequência até a qual o dispositivo era sensível. Assim, o dispositivo poderia ser comutado antes de atingir seus limites de controle, e esta comutação extra modificaria a carga e assim contribuiría para a mudança de carga necessária para o equilíbrio do sistema.

[043] Usando-se o exemplo do tanque de água de novo, uma frequência baixa faria com que um dispositivo ligado comutasse para desligado a, por exemplo, 1,4 m e, então, mais cedo do que se o limite de 1,5 m fosse atingido e, inversamente, uma frequência alta faria com que o dispositivo comutasse para ligado, por exemplo, a 1,1 m e, então, mais cedo do que se o limite inferior de 1 metro fosse atingido.

[044] Em conjunto, estes fazem com que o nível médio de água em uma população se torne mais baixo do que quando a frequência é baixa, e se torne mais alto quando a frequência foi alta, embora cada dispositivo individual operasse em seus limites de controle.

[045] Os limites de frequência para um dispositivo em particular são escolhidos para caírem em uma faixa de frequência superior e uma faixa de frequência inferior. Como com a Carga de Resposta previamente discutida, um randomizador é usado para escolha de uma frequência de gatilho alta em particular e a frequência de gatilho baixa em particular, de modo que uma população de dispositivos tenha frequências de gatilho altas e frequências de gatilho

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14/104 baixas distribuídas na faixa de frequência superior e na faixa de frequência inferior, respectivamente. Assim, uma janela é provida entre a distribuição de frequências de gatilho altas e frequências de gatilho baixas. Esta janela é centralizada em torno da frequência nominal. A janela permite que a carga controlada, por exemplo, um tanque de água, um refrigerador ou um condicionador de ar, opere inteiramente como normal, isto é, embora ela não tivesse um controlador de resposta de frequência aplicado a ela, quando a frequência da rede é próxima o bastante da frequência de rede nominal para ficar na janela. Uma resposta é provida apenas quando a frequência de rede se estender fora desta janela.

[046] No caso em que um estado de tensão é determinado, os limites de controle do dispositivo são congelados nas regulagens pré-tensão, de modo que uma manipulação de um painel de controle para ajuste de um ponto de regulagem para uma variável física detectada (por exemplo, temperatura) é ineficaz. Assim, o usuário da carga controlada não pode ajustar as regulagens de carga, por exemplo, pelo uso de um controle de termostato. Se o dispositivo de resposta estiver controlando um condicionador de ar, uma mudança induzida de resposta de rede na temperatura do ambiente poderia ser notada. Um usuário pode decidir tentar contra-atuar a mudança na temperatura pelo ajuste do termostato. O dispositivo de carga de resposta do sistema de estabelecimento de rede suprime um ajuste como esse do ponto de regulagem, quando a rede for determinada como estando em uma condição de tensão. Isto é importante, já que a rede é particularmente sensível durante um período de tensão de

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15/104 rede e usuários negando a resposta provida poderiam piorar a desestabilização da rede.

[047] Em circunstâncias extremas, quando existe um risco de blecaute, um estado de crise de rede pode ser determinado. No estado de crise de rede, o sistema de estabelecimento de rede relaxa o controle dos limites de variável física e permite que eles se movam para fora de uma faixa preferida. Em um estado de rede de frequência alta, as cargas são comutadas para ligadas até se sair do estado de crise de rede, e, em um estado de crise de rede de frequência baixa, a carga de resposta (por exemplo, geladeira) é comutada para desligada até se sair do estado de crise. A comutação para ligado e a comutação para desligado são realizadas independentemente dos limites de controle, de modo que uma geladeira, por exemplo, poderia resfriar continuamente para bem abaixo de um mínimo preferido ou poderia ser permitido que a geladeira se aquecesse até a condição ambiente bem acima de uma temperatura máxima preferida. Estas medidas extremas são tomadas apenas nas condições de rede mais sérias, quando a alternativa é um blecaute.

[048] A modelagem dos dispositivos de controle de frequência e de resposta da técnica anterior tem problemas desconhecidos previamente não cobertos com as cargas de resposta de rede da técnica anterior descritos acima.

[049] Foi descoberto que, após uma resposta ter sido afetada por um período de tempo, uma população dos dispositivos tenderá a se aproximar dos limites de controle de variável física e começará a comutar a uma taxa excessiva. Por exemplo, uma unidade de refrigeração controlada por um

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16/104 dispositivo de resposta de frequência atingirá seus limites de temperatura estendidos após um período sustentado de frequência alta ou baixa. Usando-se o exemplo de uma frequência de rede mais alta do que a nominal, os dispositivos serão comutados para ligados até que o limite de temperatura baixa tenha sido atingido e, então, serão comutados para desligados, mas assim que a temperatura passar de volta pelo limite de temperatura baixa, o dispositivo de novo checará se a frequência de rede está acima de seus limites de frequência mais altos e, se assim for, comutará de novo para ligado imediatamente. Isto resulta em uma comutação muito frequente, já que o dispositivo está tentando prover uma resposta de frequência a uma unidade próxima de seus limites de variável física. Isto não é um comportamento desejado, já que poderia danificar as cargas controladas. Uma oscilação excessiva na comutação para ligada e desligada da carga reduzirá o intervalo de vida do dispositivo.

[050] Também, a modelagem de cargas de resposta de frequência de rede anteriores mostrou ter um efeito inesperado sobre a frequência de rede. Foi assumido que os dispositivos de resposta suavizariam a frequência de rede para a provisão de uma frequência de rede bem mais clara, menos ruidosa. Contudo, isto não se confirmou inteiramente durante uma modelagem, e algum comportamento estranho desconhecido previamente da frequência de rede foi observado, como resultado das cargas de resposta.

[051] Os dispositivos de controle de resposta de rede da técnica anterior não provêem qualquer assistência especial a uma rede se recuperando de um blecaute, mas o efeito de estabilização das cargas de resposta é necessário,

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17/104 mais do que nunca, neste momento.

[052] Dentre outros objetivos, a presente invenção tem por objetivo ter um efeito de estabilização melhorado em uma rede de potência.

[053] A presente invenção também tem por objetivo reduzir a comutação de ativação de um armazenamento de energia durante uma operação de um dispositivo de resposta de rede controlando a ativação do armazenamento de energia.

[054] A presente invenção também tem por objetivo ajudar na partida da rede após um blecaute. Em particular, a também tem por objetivo suavizar os choques no sistema durante um processo de auto-restabelecimento de unidade geradora (black start). As cargas e os geradores podem ser reconectados mais rapidamente, desse modo acelerando a recuperação.

[055] O dispositivo da presente invenção também tem por objetivo superar os problemas identificados acima com os dispositivos de controle de resposta de rede da técnica anterior.

Sumário da Invenção [056] De acordo com um primeiro aspecto, a presente invenção provê um dispositivo de controle para controle de um consumo de energia de uma carga em uma rede de eletricidade, o referido dispositivo de controle compreendendo:

um meio para a detecção por um período de tempo de valores de uma variável física da rede, a referida variável física variando dependendo de uma relação entre a geração de eletricidade e a carga na rede;

um meio para a determinação de um valor baseado

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18/104 historicamente da variável física da rede a partir dos referidos valores da variável física da rede; e um meio para variação do consumo de energia da referida carga, a referida variação dependendo do referido valor central.

[057] De acordo com um segundo aspecto, a presente invenção provê um método correspondente de controle de um consumo de energia de uma carga em uma rede de eletricidade.

[058] Convencionalmente, uma frequência nominal da rede e um valor atual da variável física são usados para controle do consumo de energia da carga. A presente invenção, contudo, usa alguma função das leituras passadas da variável física. Isto proporciona um valor passado de longa duração para o valor baseado historicamente e é este valor que é levado em consideração para controle do consumo de energia da carga. A modelagem da presente invenção mostrou que o uso de um valor (central) baseado historicamente para controle do consumo de energia da carga remove os efeitos estranhos na frequência de rede que mostraram existir com os dispositivos de controle de resposta de rede da técnica anterior.

[059] Os primeiro e segundo aspectos da presente invenção podem ser usados em combinação com os dispositivos de controle de resposta de rede da técnica anterior, conforme discutido acima. Alternativamente, a forma preferida da presente invenção envolve um dispositivo de controle de resposta de rede compreensivo combinável com qualquer um dos outros aspectos descritos abaixo da invenção ou qualquer um dos recursos preferidos descritos acima.

[060] Em um terceiro aspecto, a presente invenção provê um dispositivo de controle para controle do consumo de

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19/104 energia de uma carga em uma rede de eletricidade, o referido dispositivo de controle compreendendo:

um meio para a detecção de um valor de uma variável física da rede, a referida variável física variando dependendo de uma relação entre a geração de eletricidade e a carga na rede;

um meio para a detecção de um valor de uma variável física da carga, a referida variável física da carga representativa da energia armazenada pela carga;

um meio para variação do consumo de energia da referida carga, quando um valor da referida variável física da rede atingir um valor de gatilho; e um meio para a determinação do valor de gatilho, a referida determinação do valor de gatilho dependendo da referida variável física detectada da carga e ainda baseada em um valor randômico.

[061] Em um quarto aspecto, a presente invenção provê um método correspondente de controle de um consumo de energia de uma carga em uma rede de eletricidade.

[062] Os terceiro e quarto aspectos da presente invenção controlam a carga com base em um valor da variável de rede, a qual é selecionada dependendo da variável da carga. Assim, estes aspectos da invenção permitem que o consumo de energia das cargas seja mudado de uma forma que varia com a variável física detectada da carga. Ao se levar em consideração a variável da carga desta forma, o consumo de energia da carga pode ser controlado para minimização da taxa de mudanças no consumo de energia da carga. Isto também é devido ao fato de cargas mais próximas de seus pontos de comutação naturais (o que é determinado pela variável da carga) são favorecidas

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20/104 para controle de resposta de rede.

[063] Novamente, a invenção provida pelos terceiro e quarto aspectos é vantajosa quando usada em combinação com os dispositivos de controle de resposta de rede da técnica anterior. Estes aspectos são especialmente vantajosos quando combinados com os primeiro e segundo aspectos da invenção descritos acima, e provêem vantagens adicionais quando combinados com as modalidades preferidas detalhadas abaixo.

[064] As modalidades preferidas descritas abaixo são aplicáveis como modalidades preferidas dos métodos da presente invenção ou do aparelho. Assim, os recursos das modalidades preferidas podem ser adaptados para incluírem o meio de um dispositivo de controle para realização do recurso ou podem ser adaptados para compreenderem etapas de método. Os recursos preferidos geralmente são denominados em termos de aparelho, mas são aplicáveis a todos os aspectos da presente invenção.

[065] Em uma modalidade preferida dos primeiro e segundo aspectos da invenção, o dispositivo de controle é adaptado para determinar um valor de gatilho da variável física da rede com base no referido valor central e variar o consumo de energia da carga, quando um valor atual da variável física detectada da rede atingir o valor de gatilho.

[066] O dispositivo de controle pode determinar um valor de gatilho com base apenas na variável física detectada da carga ou na variável física detectada da carga e na variável física detectada da rede, ou apenas na variável física detectada da rede. Esta combinação de recursos da presente invenção é vantajosa, conforme estipulado em maiores detalhes abaixo.

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21/104 [067] De acordo com uma forma preferida dos aspectos da invenção, o meio para determinação do valor de gatilho compreende uma função para prover randomicamente o valor de gatilho entre um valor superior ou inferior determinado da variável física da rede e o valor central.

[068] O dispositivo de controle também pode ser adaptado, preferencialmente, para gerar um valor randômico e para determinar o valor de gatilho com base ainda no referido valor randômico e para controlar o consumo de energia da carga dependendo do valor de gatilho.

[069] Assim, todos os aspectos da presente invenção podem utilizar, vantajosamente, um valor randômico na determinação do valor de gatilho, já que isto proverá um elemento randomizado para o valor de gatilho, significando que uma população de cargas controladas desta forma não mudará seu consumo de energia de uma forma sincronizada, o que desestabilizaria a rede.

[070] De acordo com outro recurso preferido, o controle do consumo de energia das cargas é realizado pela comparação do valor de gatilho da variável física da rede com a variável física detectada atual da rede.

[071] Em uma modalidade preferida, a variável física da rede é uma frequência e, assim, é a frequência da rede a qual é detectada. Alternativamente, uma amplitude da voltagem de suprimento poderia ser detectada, a qual também mostra dependência do equilíbrio entre geração e carga da rede.

[072] Assim, de acordo com uma modalidade preferida da presente invenção, uma frequência central é determinada a partir de leituras passadas da frequência da rede, e o

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22/104 dispositivo de controle tende a resistir a qualquer mudança na frequência, para cima ou para baixo, até certa extensão, independentemente da frequência absoluta da rede. Assim, enquanto nos dispositivos de controle de resposta de frequência de rede da técnica anterior é a frequência nominal da rede a qual é usada como um ponto de referência para se determinar se é para prover uma resposta, a presente invenção difere no uso de um valor histórico, em torno do qual a frequência de gatilho de resposta é regulada.

[073] O conceito básico é que, mesmo durante um período no qual a frequência cai abaixo da nominal, se a frequência começar a subir, então, o dispositivo de controle de resposta funcionará para resistir a esta mudança, apesar de a frequência realmente se mover mais próxima da nominal, o que convencionalmente era considerado favorável.

[074] Durante períodos de frequência baixa, a energia de entrada média em uma população de cargas cai, de modo a se reduzir a extração de energia da rede e, portanto, compensa a carga excessiva causando a queda de frequência. A energia, com efeito, está sendo emprestada à rede.

[075] Um comportamento ideal seria recuperar esta energia, e restaurar o armazenamento de energia total, antes de a frequência de novo retornar para a frequência nominal de rede. Assim, uma elevação de frequência a partir de abaixo de um valor nominal é o momento mais favorecido para se reembolsar a energia para a rede.

[07 6] De modo similar, mas simetricamente, durante um período de acima da frequência nominal na rede, as cargas são controladas para emprestarem energia da rede, de modo a assumirem parte da geração em excesso. O comportamento

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23/104 favorecido é retornar esta energia antes de a frequência atingir de novo a frequência nominal de rede.

[077] O comportamento do dispositivo de controle reforça a propriedade emergente natural de redes, pela qual a frequência é uma indicação de excessos ou déficits de energia na rede. Se a frequência for baixa, haverá um déficit de energia, e, se for alta, haverá um excesso. Se o déficit ou o excesso for largamente absorvido pelas cargas, então, o sinal de frequência será tornado mais claro.

[078] O valor central da variável, por exemplo, frequência, preferencialmente é provido pelo cálculo de uma média móvel a partir de leituras passadas da variável física da rede.

[079] O valor de gatilho é um valor, por exemplo, frequência, no qual os dispositivos de controle de resposta aumentarão ou diminuirão seu consumo de energia e é determinado com base neste valor central. Assim, por exemplo, para uma população desses dispositivos de controle, se a frequência atual estiver acima da frequência central, o consumo de energia da carga tenderá a aumentar e, se abaixo, o consumo de energia da carga tenderá a diminuir.

[080] Um elemento randômico também é incluído, preferencialmente, na determinação do valor de gatilho para se garantir que o aumento ou a diminuição de cargas seja gradual, de modo a não sobrecarregar a rede com uma população de cargas todas comutando ao mesmo tempo, desse modo refutando o objetivo de estabilização do dispositivo de controle. Assim, uma comutação sincronizada em larga escala é evitada.

[081] O efeito de supressão do uso do valor central para

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24/104 a determinação do variável física, no qual o consumo de energia da carga é mudado, significa que uma população de cargas controladas por tais dispositivos, ativa e continuamente amortecem as variações de frequência de rede.

[082] Em uma modalidade preferida, o dispositivo é ainda adaptado para: detectar uma variável física associada à carga; determinar limites superiores e inferiores para a variável física associada à carga; e mudar o consumo de energia da carga, quando a variável física associada à carga atingir seus limites superiores ou inferiores.

[083] Este recurso garante que a carga ainda realize sua função principal, a qual é manter uma variável associada à carga em certos limites. Estes limites podem ser derivados de uma seleção de usuário. Por exemplo, o ponto de regulagem de um termostato para condicionamento de ar ou uma regulagem de refrigerador levaria a limites sendo definidos. A temperatura do espaço sendo condicionado ou refrigerado não deve exceder ou ir além destes limites. A temperatura á mantida em torno da temperatura desejada. Um refrigerador, por exemplo, operaria em um ciclo de carga de modo que, quando a temperatura atingisse seus limites superiores, o mecanismo de resfriamento do refrigerador fosse comutado para ligado, de modo a diminuir a temperatura. Obviamente, uma vez que a temperatura atinja seus limites inferiores, o refrigerador será comutado para desligado.

[084] A maioria da descrição que se segue concerne a cargas que controlam a variável física da carga nos limites de controle pelo ligamento ou desligamento do consumo de energia. Contudo, cargas nas quais este controle é obtido pelo aumento ou pela diminuição da energia continuamente

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25/104 também são aplicáveis no dispositivo de controle da invenção reivindicada.

[085] A modalidade preferida provê duas camadas de controle, a primeira sendo para se aumentar ou diminuir o consumo de energia da carga para manter a variável física associada à carga em seus limites de controle, e a segunda camada sendo para se controlar adicionalmente o consumo de energia da carga, dependendo de subidas ou quedas relativas da variável de rede a partir de um valor central.

[086] Conforme descrito acima, um dos problemas com os dispositivos de resposta de rede da técnica anterior foi que este controle em duas camadas tendia a aumentar as taxas de comutação após um desvio de frequência prolongado. A presente invenção tem por objetivo combater este aumento de taxa de comutação e os terceiro e quarto aspectos da invenção e as modalidades preferidas do primeiro e segundo aspectos da invenção são dirigidos para envolverem a obtenção deste objetivo.

[087] Em uma modalidade preferida, este objetivo também é obtido pelo valor de gatilho (ou pela frequência de gatilho) que é baseado na variável física detectada da carga. Em uma forma preferida, o meio para determinação do valor de gatilho é configurado para determinar o valor de gatilho dependendo da variável física detectada da carga e dos limites de controle, de modo a se reduzir a taxa de variação da carga.

[088] Em outra forma preferida, o meio para determinação do valor de gatilho compreende uma função a qual retorna o valor de gatilho, dependendo da variável física detectada da carga, a referida função definindo um perfil de valor de

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26/104 gatilho variando com a referida variável física da carga, o referido perfil de modo que quanto mais recentemente o consumo de energia da carga tiver variado, mais distante o valor de gatilho esteja de um valor central da variável física da rede.

[089] Mais especificamente, em uma modalidade preferida adicional, a provisão de um valor de gatilho (por exemplo, frequência) é adicionalmente baseada em uma relação de um valor representando a referida variável física detectada em relação ao limite superior ou inferior da variável física detectada associada à carga para uma faixa entre o limite superior e o limite inferior.

[090] A relação definida acima é uma indicação de quanta energia é armazenada na carga, se comparada com o máximo ou o mínimo definido pelos limites de controle. Novamente, no caso de um refrigerador, quando o refrigerador esteve ligado por 50 por cento da porção ligada do ciclo de carga do refrigerador, então, a variável detectada associada à carga será metade de seu limite de temperatura inferior, ou, em outras palavras, o refrigerador está na metade de sua energia de entrada máxima. Na determinação da frequência de gatilho para a modalidade preferida, o dispositivo de controle leva em consideração quão pleno está o armazenamento de energia e, portanto, quão próximo ele está de um ponto de comutação natural.

[091] Em uma extensão desta modalidade, o valor de gatilho varia com a relação de modo que a probabilidade do consumo de energia da carga ser mudado aumente conforme a relação aumentar. Assim, a relação aumenta dependendo da extensão de tempo em que a carga esteve em um estado de

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27/104 consumo em particular. Por exemplo, no caso de um refrigerador, o meio de provisão de resfriamento estando em um estado desligado é um estado de consumo de energia em particular e o meio de provisão de resfriamento estando em um estado ligado é um outro estado de consumo de energia em particular. Em uma forma preferida, um primeiro estado de consumo é um no qual a energia armazenada pela carga está crescendo e um segundo estado de consumo é um no qual a energia armazenada pela carga está diminuindo.

[092] A relação pode ser qualquer função representativa de por quanto tempo a carga esteve em um estado de consumo de energia em particular. Assim, em uma modalidade preferida, uma relação é definida representando a extensão de tempo em que uma carga esteve em um estado de consumo de energia em particular em relação a um tempo máximo para aquele estado. Preferencialmente, esta representação é derivada a partir de uma variável física associada à carga e seus limites superiores e inferiores.

[093] A relação é definida de modo que aumente quanto mais tempo o refrigerador estiver ligado e também é definida de modo que aumente quanto mais tempo o refrigerador estiver comutado para desligado. Se a probabilidade de o estado de consumo de energia da mudança da carga aumentar, conforme esta relação aumentar, então, a comutação da carga entre estados de consumo de energia será minimizada. Isto é, conforme mencionado antes, importante para a prevenção de danos de longa duração ao equipamento de carga, o que seria inaceitável para o consumidor.

[094] É um importante recurso de modalidades preferidas que o valor de gatilho determinado leve em

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28/104 consideração quão próximo da carga está um ponto de comutação natural ou por quanto tempo a carga esteve em um estado de consumo de energia em particular, se comparado com uma extensão máxima de tempo, conforme determinado por quão próxima a variável física associada à carga está dos valores máximos e mínimos de cargas para aquela variável. Um refrigerador em um estado “de resfriamento ligado” está mais próximo de seu ponto de comutação natural, conforme a variável física detectada se aproximar de um limite inferior para a temperatura do refrigerador. Inversamente, o refrigerador em um estado “de resfriamento desligado” está mais próximo de seu ponto de comutação natural conforme a variável física detectada se aproximar de um limite superior para a temperatura no espaço de refrigeração.

[095] Assim, alguma relação representando a posição relativa da variável física detectada entre os limites máximos e mínimos para a variável física associada à carga é a forma preferida para a determinação do ponto de comutação natural da carga. A relação é levada em consideração pela função que calcula a frequência de gatilho do dispositivo.

[096] Em uma modalidade preferida, o dispositivo de controle é adaptado para determinar um limite superior e um inferior para a variável física da rede; onde a provisão de um valor de gatilho é adicionalmente baseada nos referidos limites superiores e inferiores para a variável física da rede. Desta forma, o dispositivo de controle apropriadamente distribui a frequência de gatilho de uma população dos dispositivos entre o limite superior e o inferior de modo a prover uma resposta, quando for necessário.

[097] Em uma modalidade preferida, o valor da

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29/104 frequência de gatilho é tal que as cargas remanescentes em um estado em particular por um tempo mais longo do que outras sejam mais sensíveis a mudanças na variável detectada da rede pela provisão de uma função apropriada para o cálculo do valor de gatilho orientado desta forma.

[098] Mais particularmente, a provisão de um valor de gatilho, de preferência, primeiramente, envolve o dispositivo de controle ser adaptado para prover um valor de base da rede de variável física com base no referido valor randômico e no referido valor central, por exemplo, para se prover randomicamente o referido valor de base entre o referido valor central e os referidos limites de controle superiores ou inferiores; o dispositivo de controle é ainda adaptado para prover uma função de valor de gatilho a partir do referido valor de base; e, então, determinar o valor de gatilho a partir da função de valor de gatilho.

[099] Assim, a randomização provida pelo valor randômico é dirigida para a provisão de um valor de base, o qual, por sua vez, é determinativo de uma função em particular usada para se prover o valor de gatilho. Em uma modalidade particularmente preferida, a função de valor de gatilho define um valor de gatilho que varia com a extensão de tempo em que a carga esteve em um estado de consumo de energia em particular. Mais preferencialmente, a frequência de gatilho é provida partir de uma função de valor de gatilho que varia conforme descrito acima.

[100] Assim, cada dispositivo é primeiramente provido com um valor de base randomizado, a partir do qual é provida uma função de valor de gatilho. A forma em particular da função, isto é, como ela varia com a relação,

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30/104 é dependente do valor do valor de base. Assim, o aumento ou a diminuição na probabilidade de a carga mudar seu estado de consumo de energia é diferente, dependendo do valor de base.

[101] De acordo com as modalidades preferidas da presente invenção, cada dispositivo de controle em uma população determinará sua própria frequência de base. As frequências de base serão distribuídas randomicamente através da população, de modo que a mudança do consumo de energia das cargas ou a comutação das cargas seja progressiva através da população.

[102] De acordo com as modalidades preferidas, uma vez que esta frequência de base tenha sido determinada, a frequência exata à qual o dispositivo responde depende da frequência de gatilho determinada a partir da função de valor de gatilho. Esta função é definida de modo que a propensão da resposta de carga varie de acordo com seu estado interno. Se ela estiver em um estado de energia muito baixa e o dispositivo estiver ligado, ou em um primeiro estado de aumento da energia armazenada pela carga, ela não desejará comutar para desligada ou comutar para um segundo estado de diminuição da energia armazenada pela carga, exceto no mais extremo dos estados de rede (conforme representado pela variável física da rede, isto é, a frequência), mas se o armazenamento de energia estiver se aproximando do limite superior, ela estará muito propensa a comutar para desligada ou para o segundo estado. Esta propensão à mudança é refletida pela extensão até a qual a frequência de gatilho se desvia da frequência central.

[103] Assim, a frequência de gatilho é provida com uma trajetória não linear, conforme o estado de energia da

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31/104 carga variar. De modo a se preservar a distribuição randômica de probabilidade de comutação através da população, a forma da função de valor de gatilho muda, dependendo do valor de base provido randomicamente.

[104] Pela mudança da propensão desta forma, uma comutação será tão rara quanto possível, e a carga comutando é distribuída através das cargas. Isto também serve para se manter a diversidade da carga, pela evitação de uma acumulação de uma subpopulação que é muito próxima dos limites.

[105] Em uma modalidade preferida, o valor randômico é provido a partir de um randomizador configurado para prover uma distribuição de valores de base para uma população dos referidos dispositivos de controle, a referida distribuição se estendendo a partir de um limite da variável física da rede para o valor central da variável física da rede. Isto é em contraste com os dispositivos da técnica anterior em que uma janela é definida, na qual uma resposta de rede não é provida e na qual é permitido que o dispositivo se comporte como normal, embora ele não tivesse nenhum dispositivo de controle de resposta instalado.

[106] A presente invenção, contudo, distribui a população de valores de gatilho a partir de um valor central para um limite e, assim, uma resposta é provida em todas as frequências entre os limites superiores e inferiores determinados para a frequência da rede. Desta forma, um empréstimo de energia da rede ou um reembolso da energia assim emprestada a partir da rede ocorre por todo o espectro de frequência determinado da rede. Isto é influente na provisão de um amortecimento para todos os movimentos da

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32/104 frequência de rede a partir da frequência central.

[107] Também é preferido que o randomizador seja tal que a população dos dispositivos de controle tenha valores de gatilho tendo uma distribuição que se estende entre o limite superior e o inferior da variável física da rede. Em uma modalidade preferida, o valor de gatilho varia a partir de um limite da variável física da rede até o valor central conforme a relação se mover de uma relação mínima para uma relação máxima. Desta forma, o valor de gatilho é mais próximo d valor central quanto mais tempo a carga tiver estado em um estado de energia em particular. Daí, o consumo de energia da carga tem maior probabilidade de mudar quanto mais tempo o dispositivo tiver estado em um estado de consumo de energia em particular.

[108] Em uma modalidade preferida, a mudança do consumo de energia da carga envolve a comutação da carga para ligada ou a comutação da carga para desligada. Uma carga é definida como o consumo de energia associado à função principal da carga. Por exemplo, no caso de um refrigerador, a carga é o consumo de energia do meio de provisão de resfriamento. Assim, usando-se esta definição, uma operação de fundo de um refrigerador, tal como iluminação ou outros periféricos para a função principal da carga, não é considerada a carga no contexto do relatório descritivo.

[109] Deve ser claro que a relação descrita acima é uma representação de por quanto tempo o dispositivo esteve ligado ou por quanto tempo o dispositivo esteve desligado. Preferencialmente, a relação está em um máximo conforme a variável física detectada de um dispositivo desligado se aproximar do limite de dispositivo associado ao estado

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33/104 desligado de uma carga ou a relação é definida para um dispositivo ligado, de modo que esteja em um máximo quando a variável física detectada se aproximar do limite para o estado ligado do dispositivo.

[110] Em uma modalidade preferida adicional, a provisão de um valor de gatilho é adicionalmente baseada no estado de energia em particular da carga (por exemplo, se a carga está em um estado ligado ou desligado). Também, preferencialmente, a relação representando quão próximo o dispositivo está da variável física detectada atingindo um limite é dependente do estado de consumo de energia em particular da carga. Assim, de acordo com as modalidades preferidas da presente invenção, a relação é definida diferentemente, dependendo do estado de energia em particular da carga (se a carga está ligada ou desligada ou no primeiro estado ou no segundo estado).

[111] Isto é vantajoso, já que uma carga desligada, por exemplo, comutará para ligada normalmente em um limite de variável de carga baixo (energia armazenada mínima). Uma carga ligada, por outro lado, está se aproximando de seu ponto de comutação natural em um limite de variável de carga alta (energia armazenada máxima). Portanto, é preferido levar em conta o estado de consumo de energia de uma carga quando da definição da frequência de gatilho.

[112] Ainda em uma outra modalidade preferida, os limites superiores e inferiores associados à carga são derivados a partir de um ponto de regulagem da variável física associada à carga. Um ponto de regulagem poderia ser definido, por exemplo, por uma regulagem de termostato ou pela regulagem em particular de um refrigerador. É um recurso

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34/104 vantajoso da presente invenção que não apenas um bom efeito de estabilização seja obtido pela provisão de uma resposta de frequência de rede, mas também a função primária da carga, por exemplo, resfriamento, aquecimento, bombeamento, etc. seja realizada.

[113] Há certas condições de rede nas quais os limites da variável física detectada associada à carga são controlados para serem mudados por um período de tempo estendido. Esta mudança dos limites não está relacionada, usualmente, à provisão de um comportamento de resposta de rede normal, nem é devido a uma mudança em um ponto de regulagem para a variável física. A mudança estendida dos limites mais usualmente é devida a uma condição de rede.

[114] De acordo com uma modalidade preferida da invenção, o limite superior e/ou o inferior da variável física detectada são aumentados ou diminuídos conforme uma taxa menor do que ou maior do que, respectivamente, uma taxa máxima de aumento ou uma diminuição da variável física detectada da carga.

[115] Desta forma, os limites são movidos a uma taxa menor do que a variável física poderia teoricamente se mover. A taxa mais baixa do movimento de limite significa que há ainda alguma provisão para a carga ser de resposta à rede, mesmo enquanto os limites de variável estiverem sendo mudados.

[116] Um exemplo de uma condição de rede em que isto é útil é durante uma partida após uma falta de potência. Conforme discutido acima, a rede é particularmente delicada neste estágio. Normalmente, a variável física detectada estará fora de sua faixa normal após um corte de potência e

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35/104 a carga precisará ser operada para se colocar a variável de volta em seus limites de controle preferidos. De acordo com um aspecto preferido da presente invenção, o limite superior e/ou o inferior da variável física detectada são aumentados a uma taxa menor do que um consumo de energia máximo constante da carga.

[117] Assim, há um potencial, durante o aumento nos limites, de provisão de resposta. Esta capacidade da carga de prover um comportamento de resposta de rede é especialmente importante durante um auto-restabelecimento de unidade geradora (black start), já que a rede é especialmente delicada neste momento.

[118] Em outra modalidade preferida, a presente invenção define um modo de assistência de autorestabelecimento de unidade geradora (black start), no qual um atraso randômico é provido, antes de a carga retirar energia da rede. Este recurso preferido significa que as cargas começarão retirando energia da rede gradualmente, ao invés de todas elas entrarem em linha ao mesmo tempo e causando tensão severa na rede.

Breve Descrição dos Desenhos [119] As formas preferidas da presente invenção serão descritas abaixo com referência aos desenhos a seguir.

[120] As Figuras 1A a 1C mostram uma forma preferida de como a frequência de gatilho varia com a energia armazenada na carga.

[121] A Figura 2 mostra uma população de exemplo das cargas controladas de acordo com uma forma preferida da presente invenção.

[122] As Figuras 3A a 3B mostram um exemplo de um

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36/104 perfil da função de frequência de gatilho.

[123] A Figura 4 mostra uma visão geral dos vários estados de um dispositivo de controle de resposta preferido.

[124] A Figura 5 mostra um diagrama de blocos da operação preferida do dispositivo de controle de resposta da presente invenção.

[125] A Fig. 6 mostra um diagrama de blocos que esboça amplamente a operação de uma carga de controle PID.

[126] A Fig. 6A mostra um diagrama de blocos que esboça amplamente a operação de um dispositivo de controle de resposta de rede de ajuste de ponto de regulagem para uma carga de controle PID.

[127] A Fig. 6B mostra um diagrama de blocos que esboça amplamente a operação de um dispositivo de controle de resposta de rede de ajuste de potência de motor para uma carga de controle PID.

[128] A Fig. 7 mostra uma operação de controle de resposta de rede com um preço como um indicador do equilíbrio entre a carga e a geração na rede.

Descrição Detalhada da Invenção [129] As modalidades específicas da presente invenção serão descritas, agora, de modo a ajudarem na compreensão da presente invenção.

[130] O dispositivo de controle da presente invenção é aplicável a cargas de armazenamento de energia em uma rede, as quais consomem energia intermitente ou variável.

[131] O dispositivo de controle requer duas entradas principais, a primeira sendo a frequência da rede, ou outro parâmetro representativo do equilíbrio entre geração de potência e exigência de potência, e a segunda

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37/104 sendo alguma variável física associada à carga de armazenamento de energia. Geralmente, a função primária da carga é manter a variável física em limites de controle especificados.

[132] As cargas geralmente operarão em um ciclo de carga de algum tipo, usualmente com um período no qual a carga está ligada e com um período no qual a carga está desligada. Assim, um ciclo de carga de 50% significa que a carga estará ligada e desligada por uma quantidade igual de tempo. Cargas específicas deste tipo às quais a presente invenção é aplicável incluem condicionadores de espaço (por exemplo, aquecimento ou resfriamento), refrigeradores e bombas de armazenamento de água, dentre outros.

[133] Contudo, um controle eletrônico de potência moderno também torna praticável variar a potência consumida por um motor. Isto pode tornar o motor mais eficiente e, também, significa que o motor está funcionando continuamente ou de forma quase contínua, com a potência variada de acordo com as demandas do dispositivo. Então, em um refrigerador, por exemplo, o motor reduzirá sua potência quando a temperatura tiver atingido seu ponto de regulagem desejado, aumentará se a temperatura subir e reduzirá mais se o refrigerador ficar frio demais. Para refrigeradores isto também tem alguns benefícios na percepção de ruído.

[134] O motor geralmente precisará operar bastante bem por uma faixa de potência ampla, já que, em um refrigerador ou um freezer, por exemplo, ele terá que ter uma capacidade de resfriar um refrigerador aquecido rapidamente, quando for comutado para ligado ou quando uma massa aquecida for posta nele. Então, permanece escopo para

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38/104 mudança temporária das demandas de potência do dispositivo a partir de outras entradas além da temperatura - tal como a frequência.

[135] A presente invenção provê um dispositivo de controle operável para variação da energia consumida por ambos os tipos de cargas, isto é, um controle binário de liga / desliga e por um aumento ou uma diminuição graduado ou contínuo do consumo de energia.

[136] Pela descrição remanescente, um refrigerador servirá como o exemplo principal para uso com o dispositivo de controle da presente invenção.

[137] A presente invenção opera, até um ponto, em comum com dispositivos de controle de resposta de rede conhecidos a partir da técnica anterior. A presente invenção utiliza o princípio que as cargas de armazenamento de energia, conforme descrito acima podem realizar sua função sem requererem uma energia de entrada a partir da rede em um tempo específico. Diferentemente de iluminação e outras cargas como essa, as cargas de armazenamento de energia podem receber uma energia de entrada em níveis variáveis ou intervalos variáveis, e ainda operarão de uma maneira plenamente satisfatória, desde que elas sejam controladas de modo a manterem a variável física da carga nos limites de controle especificados da carga em particular.

[138] As quantidades de energia armazenadas pelos dispositivos de armazenamento de energia descritos acima são determinadas pelos limites de controle da variável física. No caso de um refrigerador, a quantidade máxima de energia armazenada pela carga é definida pelo limite de temperatura mais baixo para a regulagem de ponto de regulagem atual do

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39/104 refrigerador e a quantidade mínima de armazenamento de energia é o limite de temperatura mais alto.

[139] Na descrição a seguir, y é a medição normalizada da variável física da carga sendo controlada pelo dispositivo de controle de resposta de rede da presente invenção. Um y maior implica que mais energia de entrada é armazenada (isto é, o refrigerador é mais frio) do que um y menor. Se x representar a energia no armazenamento, então, y será uma função de x, isto é, y = f(x). Um y normalizado pode variar de 0, com nenhuma energia armazenada, a 1, um nível máximo crítico de energia armazenada. A função normalmente é suficientemente próxima da linear para se fazer esta aproximação útil.

[140] No caso de um refrigerador, a energia de entrada é dirigida ao resfriamento. Então, y é o maior, 1, quando o refrigerador estiver em seu mais frio possível, e 0 quando a temperatura interna subir para a ambiente. No caso de um tanque, y é 0 quando o tanque está vazio e 1 em um nível quando o tanque extravasa. Normalmente, de forma óbvia, ele é controlado para estar em limites mais estreitos, e estes são referidos como os limites superior e inferior da variável física, ou y_max e y_mi_n.

[141] De acordo com princípios conhecidos de cargas de resposta de rede, em uma regulagem em particular da carga, a energia de entrada é variada para se manter a variável física y nos limites regulados por y_min e y_max, da mesma forma que a carga normalmente seria operada, exceto pela frequência da rede (ou algum outro parâmetro associado no equilíbrio entre geração e carga na rede) ser levada em consideração.

[142] Falando geralmente, uma carga, do tipo aplicável

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40/104 com a presente invenção, operada sem um controlador de resposta de rede comutaria a carga para ligada quando o valor mínimo de y (y_min) fosse atingido e comutaria a carga para desligada quando seu valor máximo (y_max) fosse atingido.

[143] De acordo com o controlador de resposta de rede da modalidade preferida, o sincronismo da comutação, quando uma carga ligada é comutada para desligada ou quando uma carga ligada é comutada para ligada, é ajustado, dependendo da frequência da rede. Durante um período de frequência baixa, por exemplo, há carga ligada demais na rede e uma geração não suficiente para combinar com ela, e um dispositivo de resposta de rede o qual esteja ligado reagirá ao comutar para desligado, isto é, antes de y atingir y_max. Da mesma forma, durante um período de frequência alta, mais carga é necessária para se assumir o excesso na geração e as cargas serão comutadas para ligadas (ou comutadas para um estado de consumo de energia aumentado), antes de ymin ser atingido.

[144] Ainda, um conjunto estendido de limites superiores e inferiores para a variável detectada pode ser determinado de modo a se melhorar a quantidade de resposta provida. Então, durante um período de frequência alta, as cargas de resposta de rede serão comutadas para ligadas e o valor máximo para a variável detectada (y_max) pode ser aumentado, de modo que as cargas tendo sido comutadas para ligadas permaneçam ligadas por um período de tempo mais longo do que o normal, conforme o farão cargas que já estivessem ligadas. Uma provisão similar é utilizada durante períodos de frequência baixa.

[145] O dispositivo de controle preferido da presente

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41/104 invenção define um status para a rede, de modo a determinar o tipo exato de resposta a mudanças na frequência provido pelo dispositivo de controle de resposta de rede. O dispositivo de controle de resposta de rede tem três modos de operação, um modo normal, um modo “de tensão” e um modo “de crise, de uma forma similar ao sistema descrito no pedido de patente UK N° 0322278.3.

[146] A modalidade preferida da presente invenção determina o modo de operação modo de operação do controlador e o status de rede associado a partir de uma função definida da frequência, a partir deste ponto denominada h. A função h determina a partir do comportamento da frequência de rede o status atual da rede. De modo ideal, h representa até certo ponto uma medida de quanta energia foi tomada a partir de ou emprestada para as cargas de armazenamento de energia.

[147] A função h preferencialmente inclui três termos principais, um termo proporcional, um termo integral e um termo derivativo. Os três termos proporcionarão uma boa indicação do estado de estabilidade da rede.

[148] O termo proporcional é o desvio de frequência atual a partir da frequência nominal da rede ou de algum outro valor central que representa quanto a frequência precisa ser corrigida para retornar para o valor central desejado.

[149] O termo integral representa uma vista de termo mais longo (se comparado com o termo proporcional instantâneo) do erro de frequência. Este termo é útil, já que um erro pequeno por um longo tempo influenciará a função há e, assim, será levado em consideração na provisão da resposta de estabilidade de rede. O termo integral pode ser

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42/104 a soma de uma quantidade regulada de desvios passados de frequência ou pode ser uma média móvel de desvios passados de frequência. Ao invés de a partir do tempo zero, o termo integral pode ser medido desde a última vez em que o desvio de frequência foi zero.

[150] O termo derivativo está relacionado à instabilidade atual da rede. Ele pode ser uma taxa de mudança de desvio de frequência. Assim, grandes oscilações na frequência também afetarão a função h e podem ser uma indicação de uma rede instável, mesmo se o presente desvio real da frequência de rede não estiver fora dos limites preferidos.

[151] Em forma de equação, a função h pode ser escrita: h = Pf_c + IC_c - Df'_c onde f_c é o termo proporcional, C_c é o termo integral e f'_c é o termo derivativo. P, I e D são constantes para influenciarem o grau de importância para a função h de cada um dos termos.

[152] O termo integral C_c pode ser calculado por (f_cS), onde S é a amostra integral.

[153] Os três parâmetros, P, I e D, devem ser suficientes para o dispositivo de controle derivar h, mas para completitude e flexibilidade, pode ser apropriado estender isto para os termos quadráticos ou cúbicos.

[154] De acordo com a implementação preferida da presente invenção, o status de rede é inferido a partir da função h. Por exemplo, se h estiver abaixo de um primeiro limite, então, um status normal da rede será determinado. Se h estiver entre o primeiro limite e um segundo limite maior, então, uma condição de stress para a rede será

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43/104 determinada. Se h estiver entre o segundo limite e um terceiro limite maior, então, uma condição “de crise” será determinada. A diferença entre os modos de operação associados a cada um destes estados de rede é similar àquele descrito no pedido de patente UK N° 0322278.3.

[155] A função h é uma forma útil de determinação da tensão sob a qual a rede está operando. Uma regulagem apropriada dos parâmetros P, I e D de h permite que a função distinga apropriadamente os três estados gerais da rede.

[156] Durante o modo normal de operação, o dispositivo de controle de resposta de rede da presente invenção operará plenamente conforme descrito abaixo. Durante um modo de operação de tensão, um usuário da carga de armazenamento de energia não tem permissão para ajustar um ponto de regulagem da variável física associada à carga. Assim, uma negação da compensação de resposta de rede provida pela presente invenção não é possível. Durante um estado de crise, a carga de armazenamento de energia está operando sem considerar a faixa desejada da variável física associada à carga. A variável física de carga tem permissão para atingir os limites absolutos de y, ao invés da faixa preferida representada por y_max e y_min. Por exemplo, em um estado de crise, um refrigerador poderia ter permissão para atingir uma temperatura ambiente, ou ser deixado ir para a temperatura mais baixa que o refrigerador fosse capaz de obter. De modo similar, no caso de um tanque de água, o nível de água poderia ser deixado atingir o vazio ou se estender para cima até o nível de tanque cheio.

[157] Um modo principal de prática dos princípios da presente invenção é descrito, agora. Outras formas

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44/104 preferidas da invenção se seguem.

[158] O controlador de resposta de rede da presente invenção inclui um mecanismo de controle para se amortecer de forma ativa e contínua uma variação de frequência de rede. O dispositivo de controle de resposta de rede da presente invenção responde a todas as variações de frequência a partir de um valor central, o qual é definido como um valor médio por um período de amostra predeterminado de leituras históricas de frequência.

[159] Quando o dispositivo de controle é usado primeiramente, o valor central será regulado para a frequência atual. O valor central então evoluirá conforme as amostras passadas forem incorporadas na média móvel. A frequência central é o valor médio da frequência de rede desde o começo do período de amostra.

[160] Qualquer movimento da frequência de rede a partir da frequência central é resistido pela população de dispositivos de controle de resposta da presente invenção. Se a frequência atual estiver acima do valor central, então, os dispositivos de controle de resposta tenderão a comutar para ligadas suas cargas, para compensação do aumento. Se a frequência de rede atual cair abaixo do valor central, então, os dispositivos ligados tenderão a comutar para desligados para compensação pelo déficit na geração. Isto provê um efeito de estabilização de supressão na rede, conforme representado por um sinal de frequência de rede mais claro ou com menos ruído.

[161] Nem todas as cargas mudarão o status de consumo de energia ao mesmo tempo. O dispositivo de controle da presente invenção é adaptado para garantir que as cargas

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45/104 sejam comutadas de uma forma progressiva, de modo que um desvio maior do valor central resulte em mais cargas tendendo a comutarem para ligadas/desligadas. Esta comutação progressiva é importante, de modo a se garantir que a resposta de uma população de cargas não seja simultânea, o que proveria uma influência de desestabilização à rede. A randomização é descrita em maiores detalhes abaixo.

[162] Na implementação preferida do dispositivo de controle de resposta da presente invenção, o período de amostra de cálculo do valor de frequência central é tomado como o período desde que a frequência central cruzou por último a frequência nominal da rede.

[163] A presente invenção define desvios de frequência alta, quando a frequência central se move acima da nominal, e desvios de frequência baixa, quando a frequência central está abaixo da nominal. O fim de um destes tipos de desvios marca o começo do outro. Estes cruzamentos mostraram ser um momento conveniente para um começo de acumulação de leituras de frequência para o cálculo da frequência central. Assim, a frequência central será calculada para cada desvio alto (acima da nominal) ou desvio baixo (abaixo da nominal) da frequência central. A frequência central, portanto, será calculada como uma média móvel da frequência durante o desvio atual e é reinicializada uma vez que a frequência central cruze a nominal e uma mudança de desvio (por exemplo, um desvio de alto para baixo ou viceversa) ocorra.

[164] Uma vantagem de escolher os desvios acima da nominal e abaixo da nominal para o período de amostra é que os dispositivos terminarão tendo uma vista comum

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46/104 compartilhada da frequência central. As cargas que são recentemente conectadas à rede e, assim, não têm um histórico, logo chegarão a ver o mesmo histórico recente que os outros dispositivos, uma vez que é esperado que o cruzamento de frequência central pela frequência nominal da rede ocorra frequentemente o bastante. É útil que os dispositivos apreciem uma frequência central comum, já que ela permite que seu comportamento seja coordenado (mas não sincronizado) de uma maneira pretendida.

[165] Este período de amostra nem sempre pode ser apropriado. Se o desvio durar por um período que se aproxime da média do ciclo ligado ou desligado do dispositivo de armazenamento de energia, os dispositivos bem podem ser chamados para a provisão de um comportamento de resposta de rede sem ter tido a oportunidade de atingir seu armazenamento de energia máximo ou mínimo. Este poderia ter um efeito adverso sobre as taxas de comutação das cargas de armazenamento de energia. Ainda, se a carga não atingir seu armazenamento de energia máximo e plenamente se reabastecer, então, a população dessas cargas, na média, será esvaziada. Pode ser que o dispositivo de controle tenha que ser adaptado ligeiramente, de modo a ser útil nessas circunstâncias.

[166] É divisado que a média móvel para a obtenção da frequência central poderia ser uma média móvel ponderada, de modo que os termos de frequência mais recentes recebessem mais importância. Desta forma, movimentos de frequência de valores obtidos recentemente mais provavelmente proverão uma resposta de carga e poderiam ser compensados. Isto ajudará mais a estabilizar qualquer movimento de frequência da rede.

[167] O dispositivo de controle de resposta de rede

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47/104 de certos aspectos da presente invenção também inclui um melhoramento adicional que tem por objetivo minimizar a comutação de uma carga e distribuir variações de energia através da população disponível das cargas. Conforme descrito em maiores detalhes abaixo, isto é obtido pela variação da frequência de gatilho do dispositivo, conforme ele progredir através do estado atual ligado ou desligado.

[168] Uma frequência de gatilho é a frequência da rede na qual a carga será controlada para comutar de um estado ligado para um estado desligado ou de um estado desligado para um estado ligado. As cargas também serão comutadas para ligadas ou desligadas, quando a variável detectada associada à carga atingir seu mínimo ou máximo atual, conforme definido ^{por y}max ^e Ymin.

[169] O dispositivo de controle de resposta de rede é adaptado para determinar uma frequência alvo (ou de base) de uma forma randômica. Em uma população desses dispositivos, as frequências alvos serão distribuídas randomicamente através da população, de modo que a resposta progressiva descrita acima seja obtida.

[17 0] De acordo com uma modalidade preferida da presente invenção, a frequência alvo de dispositivo é a frequência na qual, em média, o dispositivo responderá. A frequência de gatilho atual, contudo, é a frequência da rede na qual a carga será comutada entre os estados ligado e desligado, não é usualmente a mesma que a frequência alvo. A frequência alvo é uma frequência escolhida randomicamente, a partir da qual um perfil único para determinação da frequência de gatilho, a frequência de rede que fará com que o dispositivo dispare entre estados, é derivada.

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48/104 [171] Assim, o perfil para a frequência de gatilho é derivado a partir de uma função, a qual, por sua vez, é dependente da frequência alvo escolhida randomicamente. A frequência de gatilho real usada pelo dispositivo de controle é derivada a partir desta função, a qual preferencialmente é uma função de por quanto tempo o dispositivo esteve em seu estado de consumo de energia atual, isto é, por quanto tempo ele esteve ligado ou desligado.

[172] Por quanto tempo um dispositivo esteve ligado ou desligado é determinado em relação a um ponto de comutação natural, o qual é o ponto no qual a variável física detectada atingirá seus valores máximos ou mínimos atuais para a variável física detectada (y_max e y_min) e, portanto, comutaria de qualquer forma. Assim, a função para a determinação da frequência de gatilho de dispositivo também é uma função do valor da variável detectada em relação a seus valores mínimos ou máximos.

[173] A frequência de gatilho atual, portanto, é dependente do valor atual de y. De acordo com a modalidade preferida da presente invenção, a trajetória da frequência de gatilho é orientada de modo que quanto mais distante uma carga estiver de seu ponto de comutação natural, a frequência de gatilho será uma frequência menos provável da rede, isto é, a frequência de gatilho será mais distante da nominal. Assim, o dispositivo tem menor probabilidade de comutar quanto mais distante estiver de um ponto de comutação natural.

[174] Preferencialmente, a trajetória da frequência de gatilho é orientada de forma tal que metade do tempo o dispositivo seja menos sensível do que a frequência alvo

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49/104 escolhida randomicamente, e metade do tempo seja menos sensível. Assim, preferencialmente, a média da frequência de gatilho é a frequência alvo.

[175] Nas modalidades preferidas, a extensão de tempo na qual uma carga esteve no estado ligado ou desligado é calculada a partir do valor atual da variável detectada, se comparada com uma faixa admitida para aquela variável, conforme definido pelos valores atuais de y_max e y_min. Isto poderia ser expresso, por exemplo, como uma percentagem. Em nome da ilustração, um dispositivo de carga o qual esteja em um estado ligado com a variável detectada próxima de atingir um máximo da variável detectada poderia ter estado ligada por 80% de seu período ligado normal. Isto pode ser expresso em termos de fórmula como:

^ton ^_ (^{y y}min) ^/ (^y max - ymi _n) onde t_on é a quantidade de tempo em que a carga esteve comutada para ligada em relação ao seu tempo ligado esperado e y é o valor atual da variável detectada.

[176] Por quanto tempo o dispositivo esteve desligado é definido usando-se uma fórmula diferente, mas o mesmo princípio se aplica. Quanto mais próximo um dispositivo desligado estiver de seu limite inferior ymin, por mais tempo ele esteve desligado. Assim, a fórmula apropriada é conforme se segue:

^toff ^— (^ymax ^{— y) /} (^ymax ^{— y}min) onde toff é a quantidade relativa de tempo desligado, se comparada com a quantidade esperada de tempo desligado para a carga.

[177] As Figuras 1A, 1B e 1C mostram formas de exemplo do perfil da função de frequência de gatilho. A frequência

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50/104 é plotada no eixo y e a plenitude/esvaziamento percentual, em termos de energia da carga de armazenamento de energia é plotada ao longo do eixo x.

[178] A Fig. 1A mostra a frequência na qual um dispositivo ligado será comutado para desligado. Como é único para a presente invenção, a frequência de gatilho é dependente do tempo pelo qual o dispositivo esteve ligado, se comparado com o tempo esperado (y_max atingido). Conforme pode ser visto a partir da Fig. 1A, por 50% do tempo, a frequência de gatilho é relativamente próxima da frequência central ou nominal, para os outros 50% do tempo a frequência de gatilho é mais distante destas frequências. Assim, é apenas durante as circunstâncias de rede mais extremas que os dispositivos os quais tenham apenas estado ligados por 50% ou menos de seu tempo ligado esperado serão disparados. Isto é com base na hipótese que a frequência de rede, para a maior parte do tempo, reside em torno da frequência central ou nominal e, assim, as frequências de gatilho que estejam mais próximas disto têm maior probabilidade de serem obtidas pela rede. Assim, uma comutação da carga é mais provável de ocorrer quanto mais próximas as frequências de gatilho estiverem da frequência nominal ou central.

[179] Também é importante apreciar que a forma exata da dependência do tempo da frequência de gatilho ligado ou desligado, se comparada com o tempo ligado ou desligado é escolhida pela frequência alvo, a qual é escolhida randomicamente. Desta forma, uma população de cargas proverá uma resposta de frequência de rede diversificada.

[180] Comparando a Fig. 1B com a Fig. 1A, ilustra-se a dependência de perfil da frequência alvo escolhida. Pode ser

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51/104 concluído que, enquanto a frequência de gatilho é variada com o percentual de um tempo esperado ligado ou desligado da carga, a forma desta variância é determinada pela frequência alvo escolhida randomicamente.

[181] As Fig. 1A e 1B mostram a frequência de gatilho para um dispositivo ligado. A Fig. 1C, inversamente, mostra o perfil para um dispositivo desligado. Os princípios são os mesmos. Especificamente, a frequência na qual um dispositivo desligado comutará para ligado varia dependendo do percentual de tempo desligado esperado, conforme definido pela fórmula acima. Conforme pode ser visto a partir da Fig. 1C, a frequência de gatilho se aproxima da frequência central ou da frequência nominal da rede, conforme o dispositivo se aproximar de seu ponto de comutação natural para ligado. Geralmente, o perfil requer que quanto mais próximo o dispositivo esteja de seu ponto de comutação natural para ligado, mais próxima a frequência para a frequência de amortecimento ou nominal e, portanto, mais provavelmente a carga será usada para a provisão de uma resposta de frequência de rede.

[182] De acordo com a implementação preferida da invenção, qualquer movimento de frequência de rede detectada acima ou abaixo da frequência central resultará em cargas sendo comutadas. Quanto mais distante a frequência de rede detectada estiver da frequência central, progressivamente mais cargas serão comutadas. Uma vez que a frequência central é uma média móvel de faixas de frequência passadas, a frequência central tenderá a seguir a frequência de rede detectada, embora de uma maneira amortecida. Isto proverá um valor central suave para uso para se determinar se é para

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52/104 realizar uma resposta de frequência alta (acima da nominal) ou de frequência baixa (abaixo da nominal).

[183] A frequência detectada bem pode mudar de direção e ir para acima ou abaixo da frequência central. O dispositivo da presente invenção resistirá a quaisquer aumentos ou diminuições rápidos na frequência de rede acima ou abaixo da frequência central ao emprestar ou reembolsar energia de ou para a rede, assim que a frequência de rede começar a se mover. Este é o momento apropriado para o empréstimo ou o reembolso de energia, conforme descoberto pelo presente inventor, e provê uma frequência de rede bem mais estável, se comparado com as frequências de controle de resposta de rede da técnica anterior.

[184] Em primeiro lugar, qualquer movimento acima ou abaixo da frequência central de rede apenas comuta cargas que estejam mais próximas de seus pontos de comutação naturais. Isto é devido ao fato de a frequência de gatilho ser variável para um dispositivo em particular com um tempo ligado ou desligado para um dispositivo. Todas as cargas que estiveram ligadas ou desligadas por mais do que 50% de seu tempo ligado ou desligado esperado são favorecidas. É apenas quando a frequência de rede se move dramaticamente para longe da frequência central que os dispositivos que estão menos de 50% do tempo longe de seu ponto de comutação prévio comutarão.

[185] Assim, a implementação preferida da presente invenção provê uma frequência de rede mais estável, desse modo inerentemente resultando em menos comutação da carga de resposta. Mais ainda, uma comutação de dispositivos que já foram comutados é desfavorecida, desse modo se diminuindo

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53/104 mais a carga de comutação sobre a carga.

[186] Um sistema consistindo em uma população de cargas de armazenamento de energia controladas pelos dispositivos de controle de resposta de rede da presente invenção provê uma população de cargas prontas para comutação em resposta a qualquer mudança na frequência de rede. Quanto maior a mudança na frequência, maior a população de cargas provendo uma resposta. Isto deve ser uma relação linear.

[187] A Fig. 2 mostra um exemplo de um sistema que é controlado de acordo com a presente invenção, em um estado estável e funcionando na frequência nominal de rede. Conforme mostrado na Fig. 2, neste estado, a porção de dispositivos que estão desligados [1] e a porção de dispositivos que estão ligados [2] corresponde ao ciclo de carga esperado. Assim, se a carga estiver funcionando em um ciclo de carga a 50%, a população será dividida uniformemente.

[188] Se o sistema se mover para um desvio de frequência baixa (abaixo da nominal), as cargas ligadas serão disparadas para desligado [3], de modo a se reduzir a carga. Será improvável que elas comutem para ligadas de novo por um tempo.

[189] Durante este desvio de frequência baixa, algumas cargas desligadas serão comutadas para ligadas [4], apesar do excesso atual de carga na frequência, devido ao fato de que elas atingiram seu estado de armazenamento de energia mínimo e uma função própria da carga requer que ela comute para ligada. Estas cargas não foram pedidas para a provisão de uma resposta de frequência alta, e são perdidas da população de cargas capazes de proverem uma resposta de frequência alta, embora elas fossem realmente as mais

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54/104 sensíveis. Novamente, é improvável que estas cargas comutadas recentemente comutem para ligadas de novo por um tempo.

[190] Algumas cargas atingirão seu estado de energia máximo e precisarão ser comutadas para desligadas [5]. Se o ciclo de carga for 50%, o número de dispositivos atingindo seu estado de energia máximo [5] tenderá a ser o mesmo que o número de dispositivos atingindo seu estado de energia mínimo [4].

[191] Os dispositivos remanescentes capazes de proverem uma resposta de frequência baixa [7] é a população que teve regulagens de frequência menos sensíveis, uma vez que aquelas próximas da frequência de rede nominal foram usadas.

[192] Se a frequência agora subir acima da frequência central, então, apesar da frequência ainda estar abaixo da frequência nominal de rede, será desejado que as cargas comecem a comutar para ligado e comecem a recuperar a energia emprestada para a rede anteriormente.

[193] Conforme a frequência sobe acima da frequência central, alguns dispositivos serão disparados para ligados [8], de modo a se aumentar sua carga. Estes têm maior probabilidade de serem retirados da população remanescente a partir de [1], já que as cargas [3] estarão em um modo de comutação mínimo, uma vez que elas foram comutadas apenas recentemente.

[194] Conforme antes, alguns dispositivos ligados serão desligados [10], e alguns dispositivos desligados ficarão ligados [9], porque eles atingiram seu estado de energia máximo ou mínimo, respectivamente, sem serem

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55/104 chamados para proverem uma resposta de frequência alta. Embora os dispositivos ligados ficando desligados [10] fossem os mais sensíveis para a provisão de uma resposta da população, eles foram perdidos para a população para provisão de uma resposta de frequência baixa, sem serem usados. Esta população de cargas atingindo seus estados de energia mínimos ou máximos será bastante pequena.

[195] A população de dispositivos continuando a ser capaz de prover uma resposta de frequência alta é conforme desejado, à medida que eles são distribuídos de forma razoavelmente uniforme dentre a frequência entre a frequência central e uma frequência de limite máximo. A população de dispositivos sensíveis a frequências imediatamente abaixo da frequência central, contudo, se tornou esvaziada. Então, uma reviravolta na frequência de novo disparará menos redução de carga do que antes, resultando em uma frequência média que cairá ainda mais, até uma zona não esvaziada ser atingida, ou a migração natural de frequências de gatilho voltar a ocupar a zona esvaziada.

[196] Este é um comportamento desejado. Durante um desvio de frequência baixa, onde a frequência está ondulando, a frequência tenderá a cair mais facilmente do que ela sobe (ou, mais geralmente, se mover mais a partir da nominal mais facilmente do que se aproxima da nominal). Isto reflete o fato que as cargas estão emprestando energia para a rede e resistindo a uma frequência subindo, conforme o empréstimo é reembolsado. De modo ideal, é apenas quando um empréstimo tiver sido plenamente reembolsado que a frequência retorna para a nominal.

[197] Uma manipulação possível da população de

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56/104 frequência baixa é mostrada na Fig. 2 para a distribuição das cargas ligadas remanescentes através da faixa entre a frequência central e a frequência mínima (ao invés de entre a frequência nominal e a frequência mínima). Isto tem o efeito de deixar as frequências imediatamente abaixo da frequência central adicionalmente esvaziadas (já que os dispositivos que teriam escolhido frequências alvos acima da frequência central, entre a frequência nominal e a frequência central, agora, as têm abaixo da frequência central), de modo que a temperatura tem uma tendência maior a cair. Isto pode não ser desejável.

[198] Em uma alternativa a esta manipulação, esta mudança poderia ser feita apenas para algumas cargas, tais como aquelas que comutaram para ligadas, desde o começo do desvio de frequência baixa. A lógica disto surge porque os dispositivos os quais comutaram para ligados desde o começo do desvio o teriam feito porque eles estavam com a energia baixa e, então, precisavam de uma oportunidade para reabastecerem esta energia antes de proverem uma resposta.

Uma forma de se efetuar isto é sistematicamente abaixar (tornar mais extrema) a frequência na qual eles comutarão para ligados. Isto, por sua vez, tenderá a permitir que a frequência de rede caia mais. Em circunstâncias extremas, isso também tenderá a distribuir o tempo ligado mais uniformemente dentre os dispositivos. O tempo ligado, sem esta modificação, já é uniformemente distribuído através de dispositivos pela trajetória da frequência de gatilho.

[199] O exemplo mostrado na Fig. 2 é para um desvio de frequência baixa, o comportamento de uma população de cargas durante um desvio de frequência alta sendo simétrico.

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57/104 [200] Em um sistema ideal, em que toda a resposta de rede é provida pelos dispositivos controlados de acordo com a presente invenção, os desvios de frequência não terminarão até que os empréstimos de energia sejam reembolsados. Se a resposta a frequências de rede vier de outras fontes também (isto é, por geradores), o desvio poderá terminar antes de os empréstimos terem sido plenamente reembolsados, mas as cargas, não obstante, recuperarão a energia requerida para reabastecerem seu armazenamento de energia.

[201] A frequência central, derivada de uma média em movimento da frequência, é a frequência acima da qual a carga geral derivada dos dispositivos controlados de acordo com a presente invenção aumentará, e abaixo da qual a carga diminuirá. Isto efetivamente é uma frequência alvo para o sistema inteiro. Poderia ocorrer que uma frequência alvo de sistema diferente desta pudesse ser adicionalmente derivada. A possibilidade é mover a frequência alvo do sistema para mais próxima da frequência nominal, de modo a se prover alguma orientação para influenciar a frequência de rede em direção à nominal.

[202] Abaixo, é descrito, em maiores detalhes, um procedimento completo para a obtenção da frequência de gatilho para um dispositivo de controle em particular.

[203] Em primeiro lugar, a frequência central é calculada. Cada leitura a partir da primeira leitura de frequência registrada desde que o desvio de corrente acima ou abaixo da nominal começou é levada em consideração. A frequência central obtida então pode ser adicionalmente manipulada para se orientá-la em direção à frequência nominal, mas isto pode não ser necessário, uma vez que uma

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58/104 orientação como essa é um recurso inerente dos dispositivos de controle da presente invenção.

[204] Uma frequência de base ou alvo de dispositivo então é determinada. Para se fazer isto, uma faixa dentro da qual a frequência de base é para ser posta é determinada, e, então, uma frequência alvo randômica é escolhida nesta faixa. Cada dispositivo tem uma frequência alvo alta e uma frequência alvo baixa, as quais preferencialmente são providas a partir de valores randômicos separados denominados o valor randômico baixo e o valor randômico alto.

A frequência alvo alta é para um desvio de frequência alta e a frequência alvo baixa é para um desvio de frequência baixa.

[205] Quando se escolhe o número randômico o qual distribui a frequência alvo entre a nominal e um limite baixo ou um limite alto da faixa de frequência admissível, é preferido que um número randômico seja usado para desvios de frequência alta e um outro número randômico seja usado para desvios de frequência baixa. Os números randômicos preferencialmente são providos entre 0 e 1, de modo que a frequência alvo possa ser posicionada em qualquer lugar entre a faixa plena (conforme definido acima) de frequências possíveis. É preferido que os dois números randômicos sejam gerados pós um desvio oposto começar.

[206] Assim, o número randômico de desvio de frequência baixa é escolhido no começo do desvio de frequência alta e o número randômico de desvio de frequência alta é escolhido no começo de um desvio de frequência baixa, desse modo se assegurando a prontidão do número randômico mediante uma mudança de desvio de frequência.

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59/104 [207] É importante regenerar os números randômicos em intervalos regulares, conforme a sensibilidade da frequência de rede mudar para um dispositivo de controle em particular, dependendo do número randômico. Conforme será mais claro a partir de abaixo, um refrigerador com números randômicos pequenos tenderá a portar uma carga de comutação maior do que com números randômicos maiores. Isto é porque a frequência alvo gerada a partir de um número randômico grande mais provavelmente proverá uma frequência de gatilho mais próxima dos limites de frequência externos, os quais são mais raramente analisados pela rede, do que frequências mais próximas da frequência nominal da rede.

[208] Também é importante que o número randômico não seja regenerado durante um desvio em particular. Isto poderia resultar em um impacto imprevisível sobre a estabilidade de rede. Outras estratégias são possíveis, contudo. Por exemplo, os números randômicos podem ser gerados durante uma primeira mudança seguindo-se a um período de 24 horas ou outro período escolhido como esse.

[209] Há quatro faixas possíveis dentro das quais as frequências alvos devem ser providas:

(1) A rede está em uma condição de desvio de frequência baixa (frequência central abaixo da nominal) e a carga está atualmente ligada. Isto é mostrado no lado esquerdo da Fig. 3A. Neste caso, a frequência alvo é provida entre um limite de frequência baixa (a seleção do limite de frequência baixa para a rede é discutida abaixo) da rede e a frequência nominal de rede. Uma vez que a rede atualmente está em um desvio de frequência baixa, a frequência central também será provida entre a frequência nominal e o limite de

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60/104 frequência baixa acima.

[210] (2) No caso de um desvio de frequência baixa quando a carga está desligada (Fig. 3A, lado direito), a frequência alvo será randomicamente posicionada entre um limite de frequência alta (a seleção do limite de frequência alta é discutida abaixo) da rede e a frequência central (diferente da frequência nominal).

[211] (3) No caso de um desvio de frequência alta (frequência central acima da nominal) e a carga estar desligada (Fig. 3b, à esquerda), a frequência alvo é provida randomicamente entre o limite de frequência alta e a frequência nominal de rede.

[212] (4) No caso de um desvio de frequência alta e a carga estar ligada (Fig. 3B, à direita), a frequência alvo é provida entre a frequência baixa e o valor de frequência central.

[213] As Fig. 3A a 3B mostram posições de exemplo das frequências em cada uma destas quatro possibilidades. Estas figuras também mostram as frequências de gatilho, em cujo ponto a frequência de rede será tal que dispare um dispositivo em particular para desligado, se ele já estiver ligado ou ligado, se ele já estiver desligado. As Fig. 3A e 3B mostram que as frequências de gatilho são providas na mesma faixa de frequências providas para o posicionamento randômico da frequência alvo.

[214] Conforme mostrado nas Fig. 3a e 3B, a frequência alvo de dispositivo é determinativa da forma do perfil de frequência de gatilho. Assim, a randomização da frequência alvo é realizada através das frequências de gatilho.

[215] Na implementação preferida do dispositivo de

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61/104 controle da presente invenção, uma vez que a frequência alvo alta ou baixa tenha sido calculada para um dispositivo em particular, a frequência de gatilho específica de dispositivos precisa ser calculada. Quando o dispositivo está ligado, apenas a frequência alvo baixa é relevante, e quanto o dispositivo está desligado, apenas a frequência alvo alta é relevante. A partir do valor da frequência alvo em particular, a forma da função pode ser derivada. A função é diferente, não apenas dependendo da frequência alvo para o dispositivo, mas também de se o dispositivo está ligado ou desligado. A partir desta função, usando-se o valor atual da variável detectada, a frequência de gatilho atual do dispositivo pode ser obtida. Esta frequência de gatilho então é determinativa de se o dispositivo comutará para ligado ou desligado pela comparação dela com a frequência detectada.

[216] O valor da frequência de gatilho mostrado nas Fig. 3A e 3B é calculado conforme esboçado abaixo. A proporção referida abaixo é uma representação de quão próximo o armazenamento de energia está de seu máximo ou mínimo, dependendo de se o dispositivo está ligado ou desligado, respectivamente. A proporção preferencialmente é t_on ou t_off, cujo cálculo é descrito acima.

[217] (1) Se a proporção for menor do que 0,5, então (isto é, o tempo desde que a carga comutou por último menor do que 50% do tempo que leva para atingir um mínimo ou um máximo) (2) Afastamento = (a frequência alvo StartPoint) * a proporção onde o StartPoint é o limite de frequência baixa para os dispositivos ligados e o limite de frequência

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62/104 alta para os dispositivos desligados. Assim, a (frequência alvo - StartPoint) é a diferença entre o limite de frequência alta ou o limite de frequência baixa e a frequência alvo. Uma vez que a proporção sempre corre entre 0 e 0,5 (conforme pela etapa (1)), esta diferença é tornada menor pelo termo de proporção. Assim, nesta etapa, o valor da variável detectada está influenciando a frequência de gatilho como está a frequência alvo.

[218] (3)	A frequência de gatilho = StartPoint +
Afastamento	assim, para dispositivos ligados, a
frequência de	gatilho é afastada do limite de frequência

baixa e para dispositivos desligados a frequência de gatilho

é afastada do	limite de frequência alta.
[219] (4)	Se a proporção for maior do que ou igual a 0,5
então,	(este é o tempo em que o dispositivo esteve

ligado ou desligado mais do que metade em direção a seu ponto de comutação natural? Se assim for, então, a carga precisará

operar em uma	zona de comutação de probabilidade mais alta
do que acima.)	^.
[220] (5)	Afastamento = (Endpoint - a frequência alvo)
* a proporção	Onde Endpoint é a frequência central para

dispositivos desligados durante desvios baixos e para dispositivos ligados durante desvios altos, e é a frequência nominal para dispositivos ligados durante excursões altas e dispositivos desligados durante desvios baixos. O afastamento é a diferença entre a frequência alvo e o endpoint, com a diferença fatorada pela proporção. Uma vez

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63/104 que a proporção sempre está entre 0,5 e 1, o afastamento está em algum lugar entre ser toda ou metade desta diferença. De novo, esta etapa mostra que por quanto tempo o dispositivo esteve ligado ou desligado e a frequência alvo influenciam ambos o valor do afastamento.

[221] (6) A frequência de gatilho = a frequência alvo +

Afastamento assim, as frequências de gatilho são providas entre a frequência alvo e a frequência central ou a frequência nominal.

[222] Um dispositivo de controle de carga tendo os perfis de gatilho mostrados nas Fig. 3A será descrito, agora.

[223] Durante um desvio de frequência baixa, a frequência central é provida entre a nominal e o limite baixo para a frequência de rede, conforme mostrado nas Fig. 3A. Durante um desvio de frequência baixa como esse, o comportamento desejado geral é para dispositivos ligados tenderem a comutar para desligados, de modo a se eventualmente colocar a frequência do sistema de volta em direção à nominal.

[224] A Fig. 3A mostra a evolução de uma carga a qual inicialmente estava em um estado ligado, enquanto a rede está em um desvio de frequência baixa. A trajetória do estado de energia 1 (eixo esquerdo) mostra-o se movendo a partir de um estado de energia mínimo em direção a um estado de energia máximo. Se nenhuma resposta for provida, a carga comutará para desligada no estado de energia máximo a partir de sua regulagem de limite, e o estado de energia então se moverá a partir do máximo para o mínimo.

[225] Para cada leitura da frequência de rede e da

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64/104 variável física associada à carga, a frequência central é recalculada. Por clareza, o diagrama mostra uma frequência central fixada, mas na realidade variará com as condições de rede.

[226] Enquanto o dispositivo está ligado, a frequência alvo para desligado então é calculada usando-se o número randômico de frequência baixa 2. Isto ficará sobre a faixa 3 mostrada na esquerda do diagrama (Fig. 3A), o que, neste estado, é escolhido para estar entre o limite de frequência baixa e a frequência nominal. A variável física associada à carga então é usada para o cálculo da frequência de gatilho para desligado 4. A frequência de gatilho nos dispositivos ligados assim leva em consideração a nova frequência central e a nova variável detectada associada à carga. Para dispositivos ligados, quando a frequência de rede está abaixo da frequência alvo desligada, então, a carga será comutada para desligada. Para cargas desligadas, quando a frequência de rede medida é maior do que a frequência de gatilho ligada, então, a carga será comutada para ligada.

[227] Quando a frequência de rede se tornar menor do que a frequência de gatilho 5, o dispositivo comutará para desligado, e a trajetória de energia mudará de direção, embora o armazenamento de energia máximo não tenha sido atingido. Isto tem o efeito de diminuir a energia média armazenada no dispositivo, sem mudar os limites de variável física. Em uma população grande de dispositivos, isto tem o efeito de elevar a temperatura média da população de dispositivos.

[228] Quando o dispositivo tiver comutado para desligado, seu comportamento adicional é mostrado no lado

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65/104 direito da Fig. 3A. A porção do ciclo de carga que é perdida é mostrada hachurada.

[229] Neste caso, a faixa pela qual a frequência alvo ligada é escolhida fica entre o limite de frequência alta e a frequência central, e uma trajetória de exemplo 8 da frequência de gatilho para ligado é mostrada. Se a frequência central permanecer não modificada, então, o dispositivo não comutará para ligado de novo 9, até o estado de energia ter mais uma vez atingido seu mínimo.

[230] De acordo com a Fig. 3A, qualquer movimento da frequência de rede medida para longe da nominal resultará em cargas serem comutadas para desligadas. Claramente, quanto mais distante a frequência de rede estiver da nominal, progressivamente maior será o número de dispositivos que serão comutados para desligados. Também, pode ser visto que quanto mais distante a frequência detectada estiver da nominal, mais cedo a carga tenderá a ser comutada para desligada durante seu ciclo ligado.

[231] De acordo com a Fig. 3A, qualquer movimento acima da frequência central tenderá a resultar nas cargas desligadas serem comutadas para ligadas. Assim, as frequências de gatilho providas pela presente invenção resistem a todos os movimentos de frequência de rede em torno da frequência central.

[232] Uma discussão similar é aplicável para desvios de frequência alta, conforme mostrado na Fig. 3B.

[233] Em uma manipulação das modalidades mostradas, todas as quatro faixas para provisão da frequência alvo, descritas acima, poderiam ser providas entre a frequência central e um limite máximo ou mínimo, ao invés de duas das

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66/104 faixas estarem entre a frequência nominal de rede e um limite alto ou baixo (como nas Fig. 3A a 3B). Nesta forma alternativa do dispositivo de controle, a Fig. 3A será ajustada de modo que apenas diminuições na frequência detectada abaixo da frequência central resultem em cargas serem comutadas para desligadas (ao invés de diminuições abaixo da frequência central e aumentos acima da central até a frequência nominal, conforme é mostrado). Isto ainda proverá a resposta desejada, já que uma redução de frequência significa carga demais e, portanto, dispositivos comutando para desligados. De modo similar, o perfil da Fig. 3B poderia ser modificado de modo que apenas aumentos acima da frequência central resultassem em dispositivos desligados se tornarem ligados (ao invés de aumentos acima da central e diminuições abaixo da central até o valor nominal, conforme é mostrado). Novamente, a resposta provida nesta forma modificada ainda é conforme desejado, uma vez que uma subida na frequência representa um aumento na geração, o que precisa ser assumido pela comutação das cargas para ligadas.

[234] De acordo com a Fig. 3A, durante um desvio de frequência baixa, se a frequência atual do sistema cair abaixo de uma frequência central, então, os dispositivos desligados não poderão comutar para ligados, uma vez que nenhuma frequência de gatilho é provida abaixo deste ponto. A única forma pela qual os dispositivos desligados serão comutados para ligados seria se a variável física de uma carga atingisse seu limite inferior. Assim, no caso de uma diminuição abaixo da frequência central, uma resposta é provida apenas para dispositivos ligados para comutarem para desligados, conforme pode ser determinado a partir da Fig.

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3A, a qual é exatamente conforme requerido para compensação da carga em excesso causando a queda de frequência.

[235] De novo com referência à Fig. 3B, durante uma subida na frequência acima do valor central, é desejado que os dispositivos desligados comecem a comutar para ligados. Este comportamento é provido de acordo com a Fig. 3B. A Fig. 3B também mostra como dispositivos se aproximando de pontos de comutação naturais para ligados são favorecidos ao terem suas frequências de gatilho mais próximas da frequência central. A figura também mostra como as frequências de gatilho da população de dispositivos desligados estão espalhadas entre a frequência central e o limite de frequência alta, de modo a se prover um comportamento de resposta progressiva.

[236] Há a possibilidade de a frequência da rede repetidamente se mover para cima e para baixo em uma faixa de frequência estreita próxima da frequência central. Nestas circunstâncias, a população de dispositivos sensíveis às frequências experimentadas se tornará esvaziada. Isto é, quando a frequência cair, os dispositivos mais sensíveis

comutarão pa	ra desligados,	e quando ela	subir,	os
dispositivos	mais	sensíveis	comutarão para	ligados.	Os
dispositivos	que	comutam	desta forma	tornar-se	-ão
indisponíveis	para	provisão de	uma resposta adicional,	até

eles terem completado o restante de seu ciclo. No tempo devido, a população de dispositivos sensíveis será restaurada, conforme os dispositivos se aproximarem do estado no seu ciclo, o qual pode ser encurtado pela resposta que ele prover, onde eles estão de novo desejando comutar.

[237] A taxa na qual uma zona de frequência esvaziada é

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68/104 reabastecida é influenciada pela faixa pela qual a frequência alvo é escolhida. Incluir a zona de frequência que é esvaziada de dispositivos sensíveis na faixa de frequência alvo aumenta a taxa na qual a zona esvaziada é reabastecida a partir da população de dispositivo que estão se aproximando de pontos sensíveis.

[238] O reabastecimento aumentado é obtido pelo espalhamento do esvaziamento através de uma faixa de frequência mais ampla, a qual não está sendo experimentada atualmente na rede. Embora isto reduza a resposta total ainda disponível, esta apropriadamente reflete o fato físico de consumo da resposta finita provida pela população de refrigeradores.

[239] Embora pareça que há uma zona entre a frequência nominal e a frequência central em que a ação de dispositivos ligados e a ação de dispositivos desligados parecem se sobrepor e, assim, negar uma à outra, na prática, estas ações de fato não ocorrerão ao mesmo tempo, mas serão separadas pelo tempo gasto para a frequência de rede mudar de direção e servem para amortecimento de mudanças e frequência pequenas e para cima e para baixo.

[240] O grau de resposta disponível conforme a frequência de rede passa através de uma zona esvaziada será menor, de modo que uma mudança na carga disponível para desaceleração da mudança na frequência tenderá a ser menor. Esta tendência torna a frequência um indicador mais acurado da extensão até a qual a energia foi emprestada ou tomada pela população de refrigerador e é o comportamento desejado pretendido.

[241] Conforme pode ser visto a partir da Fig. 3A,

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69/104 quando a frequência de rede detectada aumenta acima da frequência central, os dispositivos desligados se tornam ligados, de acordo com a Fig. 3A. Apenas se a frequência então diminuir de novo os dispositivos ligados se desligarão, já que permanece uma população de dispositivos com as frequências de gatilho desligadas entre a frequência central e a frequência nominal. Isto significa que, enquanto os movimentos da frequência de rede abaixo da frequência central resultam apenas em dispositivos ligados serem comutados para desligados (excluindo-se dispositivos desligados atingindo seus limites mínimos da variável física associada à carga), a resposta para a frequência de rede se movendo acima da frequência central é provida pelos dispositivos desligados comutando para ligados, conforme desejado, para a estabilização dos movimentos de frequência de rede.

[242] Uma discussão similar a uma dada acima concernente a desvios de frequência baixa com respeito à Fig. 3B é simetricamente aplicável a um desvio de frequência alta (acima da nominal) da frequência central.

[243] Em uma rede real, uma mudança entre desvios altos e baixos, conforme a carga e a geração variam, a população de refrigeradores em cada estado será dinâmica e o comportamento de refrigeradores individuais menos determinado do que nestas descrições.

[244] Os limites máximos e mínimos de frequência são usados pelo dispositivo de controle para a determinação das faixas pelas quais as frequências alvos e de gatilho devem ser espalhadas. Estes limites de frequência podem ser determinados pela experiência ao longo do tempo do comportamento de frequência da rede, ou podem ser regulados

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70/104 na instalação, dependendo da rede com a qual se pretende que sejam usados.

[245] Por exemplo, nos Estados Unidos, pretende-se que a frequência de rede seja mantida em mais ou menos 0,5% da frequência nominal de rede, isto é, a frequência de rede deve sempre cair entre 59,7 Hertz e 60,3 Hertz. Este seria o valor padrão para um dispositivo de controle pretendido para ser operado na rede americana. Estes valores padronizados poderiam ser regulados ou poderiam ser de autootimização com base na experiência do dispositivo com a rede. A possibilidade de auto-otimização do dispositivo de controle para a provisão destes limites de frequência será discutida, agora.

[246] O dispositivo de controle da presente invenção preferencialmente será provido com um conjunto padrão de parâmetros relacionados à rede com a qual se espera que seja usado. Conforme pode ser visto a partir das figuras 3A a 3B, se a frequência de rede passar fora da faixa máxima ou mínima, a população inteira de dispositivos estará no mesmo estado comutado, isto é, desligada ou ligada. Nenhuma resposta de rede adicional está disponível a partir da carga. Assim, é importante realizar uma auto-sintonia dos limites de frequência de forma correta e cuidadosa.

[247] De modo ideal, os limites de controle de potência são escolhidos para ficarem imediatamente além do desvio de frequência tolerável pela rede. Contudo, também é desejável manter a taxa na qual a frequência de rede varia razoavelmente baixa. O método adotado pelo dispositivo de controle de resposta de rede da presente invenção é equilibrar estas exigências para monitoração dos extremos de

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71/104 frequência experimentados, e usar estes para o ajuste dos limites de frequência armazenados. Dois processos de ajuste de núcleo são usados.

[248] Em primeiro lugar, se uma frequência extrema experimentada durante um desvio for maior do que o limite usado, então, em desvios subsequentes, o extremo se tornará o novo limite. Assim, em uma rede com grandes variações, o dispositivo de controle de resposta de rede ajustará para distribuir seu serviço através da faixa plena de frequências experimentadas. O dispositivo de controle de resposta de rede tem a capacidade de analisar os eventos levando até o extremo, e pode usar isto para moderar a extensão até a qual os limites são alargados.

[249] No segundo processo, se a frequência extrema experimentada em um período for menor do que os limites de frequência atualmente armazenados, então, os limites de frequência serão ajustados para mais próximos dos extremos de frequência experimentados. O dispositivo de controle de resposta, contudo, apenas levará os limites para mais próximos por uma proporção pequena da diferença entre os extremos e os limites (uma técnica de média móvel). Desta forma, levará numerosos ciclos de ajuste, antes de os limites de frequência se tornarem significativamente mais estreitos. A tendência de os limites se estreitarem também poderia ser contra-atuada ao se ignorarem todos os desvios fora dos limites de frequência armazenados que fossem mais curtos do que um período definido (por exemplo, em minutos).

[250] Assim, se o dispositivo experimentar frequências mais extremas do que seus padrões levam a esperar, ele rapidamente alargará seu comportamento para se adequar às

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72/104 circunstâncias. Se, por outro lado, a rede for mais estável do que os padrões levam a esperar, ela apenas lentamente migrará em direção a limites mais estreitos, e ainda reagirá rapidamente se o comportamento de rede de novo se tornar mais volátil.

[251] Ainda, os limites são providos com uma margem, uma assim denominada margem de evento raro, de modo que o dispositivo de controle de resposta de rede assuma que o desvio de frequência maior não é raro e, então, os limites de frequência realmente escolhidos são ajustados para a provisão de uma capacidade avulsa proporcional à margem de evento raro. A margem de evento raro poderia ser provida, na fabricação, de duas formas.

[252] A margem de evento raro poderia ser regulada para ser menor do que a unidade, significando que o comportamento de resposta de rede não será possível, enquanto extremos normais da rede forem experimentados. Isto é porque a margem de evento raro definirá os limites de frequência de dispositivo de controle para ficarem nos extremos de frequência de rede. Em uma rede em que o comportamento de resposta de rede é predominantemente provido por plantas de combustível fóssil e não pelas cargas, benefícios de emissões substanciais podem ser obtidos com uma margem de evento raro menor do que a unidade.

[253] Alternativamente, a margem de evento raro também pode ser regulada para ser maior do que a unidade. Assim, o dispositivo de controle de resposta de rede se sintonizará, de modo que mesmo durante extremos de rede haja uma margem para eventos excepcionais. Este modo é essencial quando os dispositivos de controle de resposta de rede da presente

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73/104 invenção são o provedor predominante de um comportamento de resposta de rede, já que algum comportamento de resposta em todas as circunstâncias de rede será necessário.

[254] Assim, a margem de evento raro de menos de um será usada nos estágios iniciais de implementação do dispositivo de controle de resposta de rede e, conforme a população crescer, uma margem de evento raro maior do que a unidade se tornará o padrão normal.

[255] O benefício de emissões de se ter uma margem de evento raro menor do que um surge porque a provisão de uma resposta a um fim de carga não terá qualquer impacto sobre emissões, sejam de dióxido de carbono ou de outros poluentes. Isto está em contraste com a provisão de uma resposta a um fim de suprimento de eletricidade, onde a planta de geração terá que ser operada a menos do que a capacidade e ser capaz de operar com mudanças dinâmicas frequentes (tornando a eficiência e a poluição mais difíceis de controlar).

[256] De modo a concluir quando uma frequência extrema ou um evento raro ocorreu, o dispositivo de controle de resposta de rede da presente invenção precisa de alguma definição de raro a usar. Os eventos de rede extremos incluem uma planta de geração com falha ou uma linha de transmissão importante com falha. Um evento como esse é mais improvável de ocorrer mais do que de forma extremamente não frequente e é o tipo de evento que se pretende que a margem de evento raro de mais do que um cubra. Por outro lado, se uma carga de pico transiente ocorrer, tal como uma quebra de TV no inverno, não é coberto pelos limites de frequência extremos, então, os limites devem ser ajustados de forma útil para cobrirem um evento como esse, o qual é uma

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74/104 indicação de tensão de rede, mas não uma falha rara.

[257] Também pode ser valioso considerar ter limites de controle de frequência diferentes para vários períodos diferentes em um dia ou uma semana (muitas redes usam meias horas como fronteiras de medição, e isto pode ser útil aqui). A faixa dos limites pode ser mais larga em tempos em que a demanda está mudando rapidamente, conforme indicado pela função de status de tensão (h) definida anteriormente. Os tempos de demanda mínimos ou um estado de tensão baixa da rede poderiam ter uma faixa mais estreita de limites de controle de frequência. Os tempos durante um dia em que a rede tem maior probabilidade de estar sob tensão poderiam ser aprendidos a partir da experiência com a rede, e os intervalos nos quais os limites de controle de frequência precisam ser alargados poderiam ser sincronizados pelo dispositivo de controle. Contudo, uma vez que o dispositivo de controle não terá acesso a um relógio externo, este sincronismo precisará ser descartado sempre que a potência for comutada para desligada.

[258] Em uma visão geral, a presente invenção provê um dispositivo de controle de resposta de frequência de rede que minimiza a comutação de cargas, resiste a todas as mudanças de frequência em torno de uma média móvel histórica da frequência atual e orienta a frequência do sistema em direção à nominal até certo ponto. Assim, a rede é estabilizada e um trabalho excessivo das cargas é impedido. Um sinal de frequência claro também é provido, que tem menos ruído, é mais suave e o qual é orientado gradualmente e de forma contínua em direção a uma frequência nominal ideal da rede.

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75/104 [259] No dito acima, uma comutação do consumo de energia da carga entre os estados ligados e desligados é realizada pelo controle direito do dispositivo de consumo de energia da carga. Contudo, uma implementação alternativa da presente invenção é ajustar o ponto de regulagem ou os limites centrais do parâmetro da carga. Desta forma, a carga ajustará seu consumo de energia para manter a variável detectada da carga nos limites de controle.

[260] No exemplo de um refrigerador, quando a frequência detectada é tal que o refrigerador deve comutar para ligado, os limites de controle podem ser deslocados abaixo do valor presente da temperatura do espaço de resfriamento do refrigerador. Isto, o mecanismo de controle do refrigerador detectará que a temperatura é alta demais e responderá comutando o meio de resfriamento do refrigerador para um estado ligado. A direção oposta de movimento dos limites de controle pode ser realizada quando a frequência é detectada como sendo tal que o refrigerador deve ser comutado para desligado.

[261] Ao invés de se ajustarem os limites de controle, o ponto de regulagem em si pode ser ajustado pelo dispositivo de controle da presente invenção. O mecanismo de controle da carga receberá um novo ponto de regulagem e derivará os limites de controle em si.

[262] O dispositivo de controle controlando o ponto de regulagem ou os limites de controle desta forma pode ser vantajoso. Um dispositivo de controle como esse não precisará ser integrado no circuito de controle da carga, de modo a ser capaz de se comunicar diretamente com o meio de consumo de energia da carga. Ao invés disso, ele meramente precisa

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76/104 prover um sinal central para o circuito de controle da carga e a variação do consumo de energia é realizada da forma normal.

[263] Até agora, nós discutimos ainda modalidades preferidas em que o controle de resposta de rede é realizado pela comutação do consumo de energia para ligado ou desligado. Algumas cargas, contudo, controlam uma variável física da carga em limites de controle pelo ajuste do nível de consumo de energia. Assim, a carga pode ser controlada entre um primeiro estado de aumento da energia armazenada pela carga e um segundo estado de diminuição da energia armazenada pela carga, conforme foi discutido previamente. Abaixo é descrita uma implementação de exemplo do dispositivo de controle da presente invenção com um refrigerador usando esse controle contínuo do consumo de energia para manutenção da temperatura do espaço resfriado em limites de controle.

[264] Um controlador de temperatura puro provavelmente terá como objetivo se tornar um controlador de três termos clássico, com parâmetros influenciando a extensão até a qual as variações a partir do ponto de regulagem influenciam a potência. Classicamente, estes são o erro proporcional (quão grande é o erro agora); o erro integral (acumulação de erro menor ao longo do tempo), e o erro derivativo (de modo que, se um erro estiver reduzindo rapidamente sua ultrapassagem seja minimizada). Isto é conhecido como o controlador PID físico, embora o controle, de fato, não inclua todos os três termos e, assim, seja mais simples do que isso.

[265] Em geral, o controlador PID realmente aciona um controlador de potência de motor, o qual, por sua vez, aciona a eletrônica de potência do controlador do motor que

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77/104 realmente aciona o motor ou a carga. A Fig. 6 proporciona maiores detalhes:

- O controlador manual provê uma entrada para um controlador de ponto de regulagem que provê o sinal de ponto de regulagem para o controlador de PID em uma forma adequada. O controlador PID também tem uma entrada para o estado atual da variável sendo controlada, de modo que, em um refrigerador, por exemplo, esta seja a temperatura.

- A saída do controlador PID é um nível de potência de motor desejado. Este é o nível de potência considerado apropriado para se manter a variável controlada em seu ponto de regulagem.

- Este nível de potência desejado frequentemente é usado por um controlador adicional para fazer ajustes na potência real fluindo para o motor, já que a taxa de mudança da potência real pode ser mais lenta do que a taxa na qual o ponto de regulagem desejado pode mudar. Então, um controle de feedback adicional pode ser implementado para se garantir que o controlador de motor (eletrônico) seja regulado de forma tão acurada quanto possível.

[266] Dois métodos são descritos pelos quais os serviços de resposta de rede desejados do dispositivo de controle da presente invenção podem ser habilitados em uma carga como essa. Em uma implementação em particular um ou ambos podem ser usados.

[267] Uma abordagem de modificação de ponto de regulagem, conforme descrita acima influencia a potência consumida pelo dispositivo pela modificação do ponto de regulagem ou de limites de controle usados pelo controlador PID para tomada de suas decisões de controle. De modo que,

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78/104 em um refrigerador, quanto mais baixa a frequência, mais baixo o ponto de regulagem de temperatura (isto é, a energia armazenada aumentada), e quanto mais alta a frequência, mais alto o ponto de regulagem de temperatura (isto é, a energia armazenada diminuída). Mais geralmente, quanto mais baixa a frequência, mais alta a energia interna armazenada, conforme indicado pela variável física da carga, que o dispositivo tem por objetivo obter.

[268] A Fig. 6A mostra um diagrama de blocos esboçando o dispositivo de controle proposto. Quanto a um controlador convencional, uma entrada manual é usada para a definição do ponto de regulagem normal para o PID. Para este controlador, isto regula o nível de energia interna alvo que se aplicará quando a frequência atual for a mesma que a frequência central. Isto é, ele se aplicará quando nenhum controle adicional pela frequência for necessário.

[269] Neste controlador, uma função de frequência de ajuste de ponto de regulagem alimenta um ajuste para o controlador de ponto de regulagem. Este sinal é escalonado de modo que: quando estiver em seu valor positivo máximo, o ponto de regulagem de nível de energia interna seja regulado para o controle manual; e quando estiver em seu valor negativo máximo, o ponto de regulagem de nível de energia seja regulado para o valor permitido mais baixo.

[270] A função de frequência de ajuste de ponto de regulagem tem duas entradas:

1. A frequência central, derivada conforme descrito acima.

2. O valor atual da frequência detectada.

[271] Em sua forma mais simples, a função de frequência

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79/104 de ajuste de ponto de regulagem pode operar pela comparação de duas frequências, multiplicando-se esta por um parâmetro e alimentando o resultado como uma entrada para o controlador de ponto de regulagem.

[272] Uma falha nesta abordagem simples concerne à possibilidade de, se os parâmetros do PID e a função (ou multiplicador simples) se relacionar à mudança de frequência para mudança de ponto de regulagem não fossem especificamente sintonizados para as circunstâncias específicas da rede específica, então, há a possibilidade de a população de refrigeradores estimar para mais ou para menos a mudança na saída necessária para a obtenção da estabilidade. Na correção desta mudança, os dispositivos poderiam fazer com que a frequência oscilasse.

[273] Essa oscilação (a qual surge de uma perda do que é conhecido como estabilidade de sinal pequeno) às vezes realmente ocorre em redes existentes e, se não detectada inicialmente e corrigida, pode ter consequências severas. Quando detectada, o método normal de correção é reconfigurar a rede e a geração, de modo que a frequência em particular de oscilação não seja mais ressonante (uma abordagem razoável de tentativa e erro). Também pode ser resolvido pela nova sintonia de alguns dos controladores da configuração de geradores grandes que participam da oscilação. Uma análise de redes para a detecção e a correção e a nova sintonia de controle demanda informação e capacidade computacional.

[274] Contudo, redes futuras, com números muito grandes de dispositivos de controle de resposta de rede de acordo com a presente invenção não podem facilmente ser deliberadamente reconfiguradas (pode acontecer

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80/104 acidentalmente como as falhas de gatilho de oscilações!).

[275] Daí, é importante incluir no sistema de controle automático um elemento de diversidade na sensibilidade de resposta dentre a população de dispositivos. Com essa diversidade, há uma progressão suave de resposta a partir dos dispositivos mais sensíveis para os menos, desse modo tornando a mudança na carga monotônica com um desvio crescente da frequência nominal.

[276] A obtenção desta diversidade é descrita abaixo pela incorporação de um elemento de probabilidade para o controle de ponto de regulagem.

[277] O controlador usa dois números randômicos, escolhidos conforme descrito acima, um para a frequência baixa e um para a frequência alta.

[278] Se a frequência atual estiver abaixo da frequência central, então, a função de ajuste de ponto de regulagem será:

1. Derivar um valor negativo da diferença de frequência (por exemplo, por frequência atual - frequência central).

2. Tornar este valor proporcional à faixa pela qual o controlador operará (frequência mínima a frequência nominal).

3. Multiplicar este valor pelo número randômico de frequência baixa.

4. Multiplicar o resultado por um parâmetro de sensibilidade definindo a sensibilidade do sistema.

5. Alimentar o resultado para o controlador de ponto de regulagem, o qual usará isto para ajuste do ponto de regulagem e para redução do nível de energia que ele

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81/104 busca.

[279] Se a frequência real estiver acima da frequência central, o procedimento será similar, mas usará o número randômico de frequência alta, e poderá usar um aplicativo de sensibilidade diferente.

[280] O parâmetro de sensibilidade será regulado à luz do comportamento esperado de rede, e pode ser ajustado à luz da experiência do dispositivo em uso.

[281] Uma alternativa para uma modificação de ponto de regulagem para um controlador PID é um controlador PID de resposta de saída, cujo controlador ajusta a saída normal do controlador PID para modificação da energia real consumida pelo dispositivo de acordo com a frequência.

[282] Com referência à Fig. 6B, a saída do controlador PID é usada pelo controlador de potência de motor para aumento ou redução da potência consumida pelo motor.

[283] Se a frequência central for a mesma que a frequência real, o comportamento do controlador de potência do motor continuará a funcionar como normal para manter a variável de controle nos limites centrais.

[284] A Fig. 6B mostra um diagrama de blocos que esboça a operação de um dispositivo de controle como esse para uso com uma carga de controle PID.

[285] Se a frequência central e a frequência real forem diferentes, então, o aumento ou a redução no nível de potência do motor será modificado pelo sinal a partir de uma função de frequência de ajuste de saída. Com ambos estes sinais normalizados para refletirem uma faixa pela qual os dispositivos operam, as quatro ações de controle possíveis são discutidas, cada uma:

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1. Se o sinal de controlador PID for para um aumento no nível de potência de motor, e a frequência real estiver acima daquela da frequência central. É desejado que ambos os sinais de controle estejam na mesma direção. Neste caso, a função de frequência de ajuste de saída aumentará o aumento no nível de potência buscado pelo controlador PID.

O cálculo será:

aumento de nível de saída de potência ajustado = aumento de nível de potência de saída PID + (aumento de nível de potência de saída PID * número randômico de frequência alta * parâmetro de aumento de frequência alta * (frequência real - frequência central)).

2. Se o sinal de controlador PID for para um aumento no nível de potência de motor e a frequência real estiver abaixo da frequência central. Neste caso, os desejos de ambos os sinais de controle estão em conflito. Neste caso, a função de frequência de ajuste de saída reduzirá o aumento no nível de potência buscado pelo controlador PID. O cálculo será:

aumento de nível de saída de potência ajustado = aumento de nível de potência de saída PID + (aumento de nível de potência de saída PID * número randômico de frequência baixa * parâmetro de aumento de frequência baixa * (frequência central - frequência real)).

3. Se o sinal de controlador de PID for para uma redução no nível de potência de motor e a frequência real estiver abaixo da frequência central. Os desenhos de ambos os sinais de controle estão na mesma direção. Neste caso, a função de frequência de ajuste de saída ajustada aumentará o aumento no nível de potência buscado pelo controlador de

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PID. O cálculo será:

redução de nível de saída de potência ajustado = redução de nível de potência de saída PID + (redução de nível de potência de saída PID * número randômico de frequência baixa * parâmetro de redução de frequência baixa * (frequência real - frequência central)).

4. O sinal de controlador PID é para redução no nível de potência de motor e a frequência real está acima da frequência central. Neste caso, os desejos dos dois sinais de controle estão em conflito. Neste caso, a função de frequência de ajuste de saída ajustada reduzirá a redução no nível de potência buscada pelo controlador PID. O cálculo será:

redução de nível de saída de potência ajustado = redução de nível de potência de saída PID + (redução de nível de potência de saída PID * número randômico de frequência alta * parâmetro de redução de frequência alta * (frequência central - frequência real)).

[286] Os quatro parâmetros: parâmetro de aumento de frequência alta, parâmetro de aumento de frequência baixa, parâmetro de redução de frequência baixa e parâmetro de redução de frequência alta são regulados à luz da resposta de rede desejada, e podem ser ajustados pelo controlador à luz da experiência de rede real.

[287] Há muitos exemplos de cargas tendo um consumo de energia intermitente ou variável nos limites centrais. Ainda, há muitos dispositivos que podem se beneficiar se eles operarem em ciclos de duração mais longa do que aqueles discutidos até agora. Um exemplo da indústria de água é aquele de “perfilagem de reservatório”. Isto é usado quando

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84/104 há, por exemplo, reservatórios de água que têm capacidade de adequação de suas necessidades por um período de um dia ou tanto, ou por um tempo suficiente para cobrirem pelo menos um período de cotação “fora de pico”.

[288] Nessas circunstâncias, é possível deixar o reservatório vazio abaixo do nível preferido, quando a demanda por eletricidade for alta e reabastecê-lo quando o custo de eletricidade for mais baixo. Assim, por exemplo, durante o período de eletricidade de demanda de pico da manhã, o qual também corresponde ao período de pico da manhã por demanda de água, economias de custo são possíveis pelo adiamento do reabastecimento do reservatório até a demanda de eletricidade ser menor.

[289] Ainda, a natureza intermitente do reabastecimento de reservatório o torna um candidato ideal para uso com um dispositivo de controle de resposta de rede.

[290] O presente dispositivo de controle de exemplo faz uso de um parâmetro de preço para prover um controle de resposta de rede. O preço atual de eletricidade também é, como a frequência, representativo do equilíbrio de geração e carga na rede.

[291] A detecção e o uso de um preço de eletricidade em tempo real são discutidos na GB 2407947.

[292] O preço é usado, então, em um controlador de limite central ou ponto de regulagem para o ajuste dos limites centrais da variável física da carga.

[293] O princípio é que, conforme o preço sobe, os limites (ou o ponto de regulagem) para o armazenamento de energia interna são diminuídos e, conforme o preço cai, os limites (ou o ponto de regulagem) para o armazenamento de

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85/104 energia interna são elevados.

[294] Um controle proporcional simples, com os limites escolhidos para serem proporcionais ao preço é usado.

[295] Um refinamento disto é ter o preço modificando a “taxa de mudança” dos limites. De modo que, se o preço for alto ou acima de um limite regulado por aqueles a que você paga, então, a taxa na qual os limites (de energia interna) são reduzidos é aumentada. Os limites são impedidos de passarem por extremos regulados por exigências operacionais e de segurança.

[296] De modo similar, se o preço for baixo, ou estiver abaixo de um limite regulado por aqueles que o pagam, então, a taxa na qual os limites (de energia interna) são aumentados em si é aumentada.

[297] A sintonia ideal para isto é permitir que uma população dessas cargas seja capaz de prover parte da resposta de frequência alta e da de frequência baixa em todos os momentos, mas também se beneficiar do armazenamento de duração mais longa pela minimização do custo da eletricidade.

[298] A presente invenção também provê um recurso de assistência de auto-restabelecimento de unidade geradora (black start), o qual permite que as cargas de armazenamento de energia provejam um comportamento de resposta de rede durante auto-restabelecimentos de unidade geradora (black starts) após um blecaute ter ocorrido. Conforme mencionado previamente, a rede é particularmente sensível neste momento, e a provisão de cargas de resposta de frequência de rede é necessária para se garantir uma estabilização de rede neste ponto mais importante e também para acelerar a recuperação da rede.

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86/104 [299] Assim, de acordo com um quinto aspecto, a presente invenção provê um dispositivo de controle para controle de um consumo de energia de uma carga em uma rede de eletricidade, o referido dispositivo de controle compreendendo:

um meio para atrasar o consumo de energia da referida carga por uma quantidade de tempo gerada radialmente após a potência ser inicialmente provida para o dispositivo de controle.

Um método correspondente para o quinto aspecto é provido em um sexto aspecto da presente invenção.

[300] De acordo com um sétimo aspecto, a presente invenção provê um dispositivo de controle para controle de um consumo de energia de uma carga em uma rede de eletricidade para manutenção de uma variável física da carga em limites superiores e inferiores, o referido dispositivo de controle compreendendo:

um meio para a detecção da variável física da carga;

um meio para a provisão dos limites superiores e inferiores da variável física detectada da carga; e um meio para aumento do limite superior e/ou inferior da variável física detectada em uma taxa menor do que um consumo de energia máximo da carga, após a potência ser inicialmente provida para o dispositivo de controle.

[301] Um método correspondente para o sétimo aspecto é provido por um oitavo aspecto da presente invenção.

[302] Os recursos dos aspectos da invenção associados ao modo de auto-restabelecimento de unidade geradora (black start) são combináveis para a provisão de um dispositivo de

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87/104 controle particularmente vantajoso. Eles podem ser usados com dispositivos de controle de resposta de rede da técnica anterior ou com o dispositivo de controle de resposta de rede descrito aqui anteriormente e, particularmente, combináveis com os aspectos estabelecidos previamente e os aspectos preferidos da invenção. Os aspectos de assistência de auto-restabelecimento de unidade geradora (black start) (BSA) da invenção serão descritos agora em maiores detalhes.

[303] Quando uma carga é desativada, isto poderia ser devido a um corte de potência ou a um blecaute. O dispositivo de controle da presente invenção é adaptado para reconhecer esta possibilidade.

[304] Nessas circunstâncias, a rede pode ser delicada, e é desejável que o dispositivo: 1) comece provendo uma resposta de frequência alta e uma baixa assim que possível; 2) evite um comportamento sincronizado com outros dispositivos de controle de resposta de rede; e 3) restabeleça a variável física detectada da carga de armazenamento de energia em seus limites máximos e mínimos. Contudo, uma vez que um blecaute já poderia ter movido a variável física detectada para a carga para fora de seus limites de controle, um atraso ligeiro no tempo para o restabelecimento da carga para sua faixa de operação preferida geralmente terá uma prioridade mais baixa do que manter a rede se recuperando estável.

[305] O dispositivo de controle da presente invenção oferece um modo de auto-restabelecimento de unidade geradora (black start) (BSA) quando de uma ativação para ajudar na recuperação da rede durante uma reconexão de carga.

[306] Em um aspecto do modo de BSA, o dispositivo de

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88/104 controle de resposta de rede determina um atraso randômico antes da partida. Este atraso é para evitar uma carga de pico surgindo quando da restauração de potência, devido a todas as cargas comutarem para ligadas assim que a porção cortada da rede for reconectada, e para minimização da sincronização (maximizar a diversidade) dos dispositivos de controle tão logo quanto possível. O atraso randômico na partida após uma reconexão no modo de auto-restabelecimento de unidade geradora (black start) provê um aumento gradual na carga na rede, após um blecaute.

[307] Quando de uma reconexão, um refrigerador convencional regulará um ciclo de carga a 100 por cento para a carga de armazenamento de energia até a variável física detectada da carga atingir seu limite de controle máximo (y_max) e, então, será interrompido imediatamente. Em um segundo aspecto vantajoso da presente invenção, contudo, uma resposta é provida pela carga, mesmo quando a carga estiver sendo operada a uma taxa acelerada para restabelecimento da carga em seus parâmetros de operação preferidos.

[308] De acordo com este segundo aspecto vantajoso de BSA, a carga é elevada para sua condição de operação própria, isto é, quando a variável física detectada está nos limites de controle de carga para a variável, com algum ciclo de carga mantido. A provisão de um ciclo de carga durante este processo de subida permite que alguma resposta seja provida, desse modo ajudando no auto-restabelecimento de unidade geradora (black start). De modo a acelerar a carga para sua condição de operação própria, os limites de carga de armazenamento de energia para a variável física detectada devem ser aumentados. Assim, o ciclo de carga é adaptado de

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89/104 modo que o dispositivo opere com uma porção ligada mais longa do que para uma operação normal. A carga é controlada, contudo, de modo que ainda retenha um ciclo de carga. Um método de exemplo para obtenção disto é conforme se segue.

[309] A primeira etapa é escolher um tempo pelo qual o dispositivo atingirá sua operação apropriada. Este seria algum fator (maior do que 1) do tempo em que a carga atingira sua operação apropriada, se não fosse interrompida. Este fator proverá períodos sem carga durante o processo de autorestabelecimento de unidade geradora (black start). Desta forma, a carga pode comutar para desligada à luz de uma frequência baixa e para ligada à luz de uma frequência alta. Assim, a carga é capaz de prover uma resposta durante a subida dos limites de controle de carga. Este fator poderia ser, por exemplo, a relação do tempo de ciclo geral esperado da carga para a porção ligada esperada daquele ciclo.

[310] No caso de um refrigerador atualmente à temperatura ambiente por causa de um blecaute recente, o tempo de ciclo de carga ligado de 100 por cento normal para se atingir seus limites de temperatura máximos, digamos de 0 grau Celsius, poderia ser de 30 minutos. Usando-se um fator de dois, o tempo para aumento da carga para sua faixa de temperatura de operação normal seria de 60 minutos.

[311] O fator escolhido pode ser alterado por uma função de randomização para se encorajar uma diversidade adicional dos dispositivos de controle de carga.

[312] A próxima etapa é avaliar o tempo ligado esperado para restauração de uma operação normal. Uma forma de se estimar isto é extrapolar a partir da mudança de temperatura normal para uma unidade de tempo ligado da carga para se

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90/104 determinar de quanto tempo a carga precisará para estar ligada começando a partir do nível de armazenamento de energia atual. Se necessário, esta estimativa do tempo ligado esperado pode ser tornada mais sofisticada do que uma extrapolação linear.

[313] Uma taxa de mudança do nível alvo de armazenamento de energia tendo em vista de quanto tempo o dispositivo precisará para ser ligado e tendo em vista o período escolhido para restauração para o nível desejado, então, pode ser determinada.

[314] Após o atraso randômico ter passado, o limite de energia baixa é regulado para o valor atual da variável detectada e o limite de energia superior é definido para ser uma quantidade normal de afastamento do limite inferior. A carga tem a partida dada e é movida para a operação de resposta de rede normal.

[315] Os limites são incrementados, de acordo com a taxa escolhida de mudança do nível de armazenamento de energia.

[316] Uma visão geral da operação do comportamento de resposta de rede incorporando as modalidades preferidas de todos os aspectos da invenção em um único sistema combinado, com referência às Figuras 4 e 5, será dada agora.

[317] Conforme mostrado na Figura 5, o controlador de resposta de rede preferencialmente é integrado com uma carga para retirada de energia da rede. Esta medição de frequência é realizada periodicamente, com base em um ciclo de relógio de processador central ou algum outro ciclo de processamento do dispositivo de controle de resposta, ou um número predeterminado desses ciclos. Estas leituras de frequência consecutivas serão acumuladas de modo a se calcular a

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91/104 frequência central da rede, dentre outros usos, e são críticas para a operação do dispositivo de controle de resposta de rede da presente invenção. À parte da medição de frequência, o dispositivo de controle de resposta de rede também requer que uma variável física seja detectada a partir da carga.

[318] A Figura 4 mostra uma representação de vários estados e transições de estado nas quais o dispositivo de controle de resposta pode operar. Conforme pode ser visto a partir da figura 4, o dispositivo de controle de resposta de rede preferencialmente dá a partida em um modo de assistência de auto-restabelecimento de unidade geradora (black start), conforme descrito acima. Desta forma, todas as cargas recentemente conectadas à rede proverão um comportamento de resposta de rede desde o começo, o que, conforme já descrito acima, é especialmente útil após um blecaute.

[319] Como parte dos recursos de assistência de autorestabelecimento de unidade geradora (black start) oferecidos pela presente invenção, o dispositivo de controle poderia ser provido com um atuador de nova partida presente (conforme mostrado na Figura 5), o que resulta em a variável detectada da carga ser colocada nos limites de controle normais tão logo quanto possível, se atuado. Assim, se o controle de nova partida presente for ativado, então, o modo de assistência de auto-restabelecimento de unidade geradora (black start) é suprimido e a carga é operada no consumo de energia máximo até a variável física detectada ser provida em seus limites de controle. Este recurso é útil, já que frequentemente a carga está simplesmente sendo comutada para ligada pela primeira vez ou, talvez, após passar por

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92/104 serviços. Nestas circunstâncias, a rede é relativamente estável e os dispositivos ligados sendo operados sem resposta por um breve período após a partida não têm consequências em termos de estabilidade de rede.

[320] O atuador de nova partida presente poderia ser um botão provido na carga. O botão deve ser adaptado onde um engenheiro de manutenção estaria ciente dele, mas onde seria inconveniente para um proprietário de carga tecnicamente ciente pressioná-lo. Se o botão fosse tal que muitos proprietários de carga estivessem cientes do botão de nova partida presente, então, a função de assistência de autorestabelecimento de unidade geradora (black start) do dispositivo de controle de resposta de rede da presente invenção poderia ser suprida.

[321] Uma vez que a variável detectada da carga esteja em seus limites de controle especificados, o estado da rede será determinado, de modo a se derivar o modo de operação para o dispositivo de controle. O estado da rede é determinado a partir da função h definida acima e de uma frequência de rede medida, conforme mostrado na Figura 5. Conforme declarado previamente e conforme mostrado na figura 4, a rede pode estar em um estado de crise alto ou baixo, um estado de tensão de frequência alta ou baixa ou um estado normal, dependendo do valor da função h.

[322] Um princípio geral do dispositivo de controle de resposta da presente invenção é que os limites máximos e mínimos para a variável física detectada (y_max, y_min) são dependentes do modo de operação do dispositivo de controle, conforme esboçado abaixo.

[323] Durante um modo de assistência de autoPetição 870180019949, de 12/03/2018, pág. 114/127

93/104 restabelecimento de unidade geradora (black start), os limites atuais para a variável física detectada são regulados em torno da variável física detectada medida quando da ativação inicial da carga. Esta regulagem dos limites iniciais de assistência de auto-restabelecimento de unidade geradora (black start) para a variável física é mostrada na Figura 5. Estes limites são incrementados em uma taxa predeterminada até os limites normais para operação apropriada da carga serem atingidos, conforme descrito mais plenamente acima. É um recurso vantajoso da invenção que a taxa predeterminada de incremento de limite proveja que o dispositivo tenha algum ciclo de carga. Ter um ciclo de carga permitirá que a carga proveja uma resposta, ao invés de a alternativa de ter a carga continuamente ligada.

[324] O incremento dos limites durante um modo de BSA é sempre realizado, a menos que: um período de tensão ou crise de frequência baixa seja determinado, em cujo caso os limites são congelados; ou um período de tensão ou crise de frequência alta seja determinado, quando a taxa de incremento é aumentada. Durante um estado de tensão ou crise de frequência baixa, há carga demais na rede e, então, continuar a aumentar o consumo de energia das cargas de resposta não é apropriado. Durante um estado de tensão ou crise de frequência alta, há geração demais, e, então, será benéfico que a rede aumente a taxa de incremento.

[325] Durante uma crise de frequência mais baixa, os limites da variável física da carga são diminuídos, até atingirem um estado de energia mínimo (y = 0). A taxa de decremento é escolhida para ser aproximadamente a metade do tempo de funcionamento ligado da carga, de modo que alguma

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94/104 resposta permaneça conforme os limites forem reduzidos em direção ao zero.

[326] Durante uma tensão de frequência baixa, os limites atuais da carga, conforme definido pelo ponto de regulagem da carga, são congelados, de modo a se evitar um ajuste do ponto de regulagem pelo usuário. A exceção para este congelamento dos limites é no caso de recuperação de uma crise de frequência baixa, durante cujo tempo os limites são incrementados para se levá-los de volta para seu valor antes de se ter entrado no estado de crise.

[327] Uma vez que o modo normal de operação após o BSA tenha siso atingido, os limites da variável física detectada preferencialmente são controlados, dependendo de se a rede está enfrentando uma tensão ou uma crise de frequência alta ou uma tensão ou uma crise de frequência baixa. Durante uma tensão ou uma crise de frequência alta, os dispositivos desligados preferencialmente são ativados de modo a assumirem a geração em excesso. Assim, o valor de y_maxpreferencialmente é aumentado de modo que os dispositivos ligados permaneçam ligados por um período de tempo mais longo e os dispositivos previamente desligados que foram recém comutados para ligados por causa da frequência alta permaneçam ligados por um período de tempo estendido também. Durante uma tensão ou uma crise de frequência baixa, o oposto é verdadeiro, e há carga demais na rede. Isto significa que o limite mais baixo da variável física detectada (y_min) é diminuído, para se garantir que os dispositivos desligados permaneçam desligados por uma quantidade de tempo extra.

[328] Durante uma crise de frequência alta, os limites são incrementados até atingirem um nível de armazenamento de

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95/104 energia máximo (y = 1). Os incrementos são escolhidos para aproximadamente dobrarem a porção ligada do ciclo de carga da carga, de modo a se reduzir o nível de armazenamento de energia, mas ainda manter alguma resposta.

[329] Durante uma tensão de frequência alta, os limites mínimos e máximos para a variável física detectada são congelados, pela mesma razão pela qual são congelados durante um período de tensão de frequência baixa - para evitar um ajuste de ponto de regulagem. Uma exceção para estes limites serem impedidos de serem mudados ocorre quando a rede está em recuperação de uma crise de frequência alta ou baixa, quando os limites são movidos em passos pequenos até eles terem se tornado aqueles usados antes de a rede ter entrado em um estado de crise.

[330] O incremento dos limites durante uma crise de frequência alta ou um modo de assistência de autorestabelecimento de unidade geradora (black start) de operação do dispositivo de controle de resposta de rede e a diminuição dos limites durante uma crise de frequência baixa são ilustrativos de um outro recurso novo e vantajoso da presente invenção em relação à técnica anterior. De acordo com a presente invenção, mesmo durante tais eventos raros de rede, algum comportamento de resposta de rede ainda é proporcionado. Esta resposta é particularmente benéfica durante estes estados de rede, se a estabilidade de rede for para ser recuperada.

[331] As linhas tracejadas na Figura 4 mostram transições ilegais as quais representam um comportamento estranho da rede. Por exemplo, se mover diretamente de um estado de crise de frequência baixa para um estado de crise

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96/104 de frequência alta não deve ocorrer. Em geral, se uma transição como essa realmente ocorrer, um estado intermediário será escolhido pelo dispositivo de controle para tornar a transição de estado do dispositivo de controle de resposta de rede menos abrupta.

[332] Embora os limites mínimos e máximos da variável detectada sejam mudados dependendo do modo de operação do dispositivo, a determinação da frequência de gatilho é conforme descrito previamente. A única diferença é que o nível de temperatura médio em uma população desses dispositivos será estendido por uma faixa de temperatura maior, dependendo do modo de operação. Assim, em um modo de crise, o limite variável de carga (y_min ou y_max) será estendido, se comparado com os limites durante uma operação normal. Isto resultará em a população dos dispositivos prover uma resposta por uma faixa estendida da variável física da carga.

[333] Com referência à Figura 5, uma vez que o dispositivo tenha dado a partida no modo de autorestabelecimento de unidade geradora (black start) e uma vez que o status de rede tenha sido determinado, as frequências alvos e de gatilho serão calculadas usando-se o y_max e/ou o y_min ajustados, os quais são ajustados dependendo do status de rede, e o valor atual da variável física da carga, conforme detectado. Tendo detectado a frequência de rede e a variável física da carga e tendo obtido um valor da frequência detectada para disparar a carga ligada ou desligada, uma decisão pode ser quanto a se é para comutar o dispositivo. Esta decisão é tomada pela comparação da frequência detectada com a frequência de gatilho e pela

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97/104 comparação da variável detectada da carga com os limites atuais para a variável detectada da carga.

[334] Etapas adicionais também são mostradas na Figura 5. Estas etapas envolvem a captura de dados concernentes a uma operação do dispositivo e o uso destes dados para sintonia da operação do dispositivo. Esta captura e a sintonia já foram discutidas acima com respeito à provisão dos limites de frequência de rede e seu ajuste, dependendo da experiência da rede. Outras possibilidades para sintonia do dispositivo são discutidas abaixo. As variáveis sintonizadas poderiam potencialmente ser armazenadas e reusadas vantajosamente.

[335] A Figura 5 também mostra a possibilidade de comunicação de dados capturados e isto é discutido abaixo.

[336] A presente invenção também envolve um dispositivo de controle de resposta de rede, conforme discutido acima, com certas modificações. Estas modificações são recursos opcionais que podem oferecer melhoramentos particulares para o dispositivo de controle já discutido.

[337] O dispositivo de controle da presente invenção tem por objetivo impedir uma comutação rápida de cargas de armazenamento de energia, mas ainda pode haver certas condições de rede que resultem em uma taxa de comutação excessiva, aproximadamente quando a rede estiver sob tensão. Essas taxas de comutação rápidas podem, no caso de um refrigerador, por exemplo, tornar este compressor ineficaz, bem como danificá-lo. A ineficácia do compressor pode resultar de um tempo mínimo necessário para que a pressão interna no compressor dissipe após ser comutado para desligado. Se ele for comutado para ligado de novo, antes de

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98/104 isto ter acontecido, a pressão alta no compressor não poderá ser superada (ele precisa de um empurrão extra da inércia de uma bomba funcionando), de modo que ele parará. Isto pode criar uma carga elétrica alta, dissipada como calor, colocando o dispositivo como um todo em risco. Os refrigeradores usualmente têm detectores de parada ou térmicos os quais desconectam a potência e, então, protegem o dispositivo deste dano.

[338] O dispositivo de controle de resposta da presente invenção pode incluir um recurso de histerese, de modo que um estado ligado ou desligado seja mantido por um período mínimo, e isto pode ser regulado para se adequar ao dispositivo. Este recurso de histerese é uma reserva, já que a trajetória de frequência de gatilho sendo orientada para minimização da comutação normalmente deve impedir qualquer comutação rápida. Será apenas nas condições de rede mais extremas que a taxa de comutação será excessiva e o recurso de histerese será requerido.

[339] O dispositivo de controle de resposta de rede da presente invenção deve ser capaz de operar sem qualquer entrada externa, à parte da frequência e da variável detectada. O dispositivo de controle de resposta de rede também deve ser autônomo pela vida inteira do armazenamento de energia.

[340] De modo a se obterem essas exigências de autonomia, o dispositivo de controle de resposta de rede da presente invenção preferencialmente é adaptado para detectar a frequência nominal (e esta etapa é mostrada na Figura 5) da rede em si. Conforme descrito acima, é importante que a presente invenção esteja ciente da frequência nominal, de

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99/104 modo que o dispositivo de controle possa orientar seu comportamento de resposta de rede de modo a forçar a frequência do sistema em direção à frequência nominal.

[341] Há outras regulagens de rede em particular das quais a presente invenção faz uso e as quais o dispositivo de controle de resposta de rede deve ser capaz de avaliar a partir da experiência da rede à qual é conectado e não a partir de entradas adicionais. Outro exemplo e a detecção dos limites de frequência superiores e inferiores, conforme descrito acima.

[342] Tendo em vista as exigências acima da presente invenção, o dispositivo de controle de resposta de rede é adaptado para determinar a frequência nominal após a tomada de uma série de medições. Para cada uma destas medições, um conjunto de “frequências nominais padronizadas” armazenado em uma memória do dispositivo de controle é interrogado e a frequência nominal padronizada mais próxima da medição de frequência de rede é tomada como a frequência padrão para aquela medição uma vez que a mesma frequência padrão tenha sido determinada a partir de um número consecutivo de medições de frequência, o valor determinado é escolhido como a frequência nominal da rede. O controle de resposta da presente invenção, portanto, é requerido para se manter uma lista de frequências nominais possíveis, tais como 50 Hertz,

Hertz e 400 Hertz.

[343] O dispositivo de controle da presente invenção também pode ser configurado para estar ciente de certos períodos de tempo pré-estabelecidos, os quais são empregados no salvamento de quaisquer regulagens atuais aprendidas a partir da rede. Qualquer um destes parâmetros determinados

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100/104 de experiência de rede pode ser salvo em uma memória não volátil de longa duração no final de um período de tempo apropriado. Desta forma, recursos chaves do comportamento de rede podem ser registrados na memória de longa duração.

[344] A capacidade de armazenar dados e atualizar estes dados conforme o dispositivo aprende a partir do comportamento de rede e do comportamento de carga é um recurso importante da presente invenção (e é mostrado na Figura 5), já que é muito possível que uma carga em particular possa ser movida entre redes. Por exemplo, na Dinamarca, a carga nem mesmo precisará ser movida internacionalmente para a mudança de redes. Cada rede se comportará diferentemente e o dispositivo de controle de resposta de rede precisará reagir a isto e se adaptar de modo conforme.

[345] O dispositivo de controle também precisará se sintonizar ao comportamento de rede, porque é possível que este comportamento possa mudar com o tempo, particularmente conforme cada vez mais dispositivos de controle de resposta de rede forem aplicados às cargas de armazenamento de energia na rede. A auto-sintonia, contudo, precisa ser realizada cuidadosamente, já que não seria útil se, por exemplo, um período sustentado de instabilidade de rede causasse uma auto-sintonia que danificasse a capacidade do dispositivo de responder durante uma crise rara.

[346] Os dispositivos de controle de resposta também podem precisar sintonizar seus parâmetros para levarem em consideração o comportamento da carga. Por exemplo, um refrigerador muito cheio não se comporta bem da mesma forma que um quase vazio.

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101/104 [347] As possibilidades de auto-sintonia são presentemente divisadas para incluírem a otimização levandose em consideração uma variação do tempo de ciclo de carga esperado, uma otimização dos limites de frequência máximos e mínimos à luz da experiência de rede (conforme discutido acima) e uma otimização do uso de comportamentos históricos de frequência nos parâmetros de adaptação.

[348] Se uma carga estiver se recuperando a partir de um blecaute, será desejável reter quaisquer parâmetros sintonizados obtidos antes do blecaute. Isto requer o armazenamento dos parâmetros sintonizados e outros dados capturados, conforme mostrado na Figura 5. O dispositivo de controle, contudo, também precisa levar em consideração que o distribuições poderia estar sendo comutado para ligado pela primeira vez e não há quaisquer parâmetros sintonizados previamente a recuperar. O princípio geral para o qual os dispositivos de controle de resposta de rede serão operados é que o dispositivo terá por objetivo recuperar uma sintonia anterior, a menos que o dispositivo tenha sido desconectado por um tempo tão longo que não possa ser um blecaute, ou a frequência nominal de rede tenha mudado.

[349] Um recurso de hardware pode ser usado para se determinar se o dispositivo foi desconectado por mais tempo do que um blecaute, tal como um capacitor com vazamento, o qual, então, quando este for descarregado, sugere que a carga está em um estado de y = 0.

[350] Assim, o controlador é provido com alguns meios de determinar se a carga foi comutada para desligada por causa de um blecaute ou simplesmente porque o usuário a comutou para desligada. Em ambos os casos, uma recuperação

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102/104 de parâmetros previamente sintonizados é apropriada. Se, contudo, a carga estiver sendo comutada para ligada pela primeira vez, ou for provável que tenha sido movida entre redes, então, um carregamento de parâmetros previamente determinados a partir da memória não será realizado.

[351] Uma recuperação a partir de um blecaute também realiza a possibilidade de todos os períodos de captura de dados de uma população das cargas conectadas à rede se tornarem sincronizados. Nenhum dos processos atualmente divisados depende criticamente de períodos diversificados, mas a possibilidade de mudança rápida no comportamento da rede a partir de uma auto-sintonia idêntica simultânea é removida, se houver. Assim, mediante uma comutação inicial para ligado, os dispositivos de controle de resposta de rede da presente invenção preferencialmente são adaptados para escolherem um tempo randômico para quaisquer períodos de que o dispositivo faça uso.

[352] O dispositivo de controle de resposta da presente invenção frequentemente faz uso do tempo no qual se espera que o dispositivo esteja ligado, e o tempo no qual se espera que o dispositivo esteja desligado, por exemplo, na determinação da taxa de incremento ou decremento dos limites de controle de variável detectada durante uma assistência de auto-restabelecimento de unidade geradora (black start) ou uma operação de crise alta ou baixa. O tempo em que se espera que o dispositivo esteja ligado ou desligado é o tempo em que se espera que a carga esteja se movendo de um valor de variável detectada para outro. A sintonia deste tempo de espera é possível com base na experiência de como a variável detectada da carga reage a um nível de consumo de energia em

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103/104 particular .

[353] Uma forma de otimização da resposta de carga a um consumo de energia é conforme se segue. Após cada mudança de estado, isto é, uma comutação de um status ligado para um status desligado ou vice-versa, é possível notar por quanto tempo a carga esteve funcionando, e a extensão de mudança da variável detectada naquele tempo. Para uma estimativa de um tempo ligado ou de um tempo desligado esperado para uma mudança de variável em particular, estes valores anotados podem ser extrapolados. Como a variável detectada mudará com o tempo ligado/desligado dependerá de seu uso atual, por exemplo, de quão plena ela está e de quão frequentemente ela é aberta. Os cálculos de tempo ligado ou desligado esperado poderiam ser realizados em um ponto de comutação, por exemplo.

[354] O dispositivo de controle de resposta também pode fazer uso de uma predição de por quanto tempo ele estará em um estado ligado ou em um estado desligado. Isto pode ser determinado a partir de uma média móvel dos tempos reais dos estados prévios.

[355] É claro a partir de uma inspeção de gráficos de frequência que redes diferentes têm diferenças reais no seu comportamento de frequência. A faixa pela qual a frequência varia é um aspecto importante, mas também há diferenças mais sutis, tais como sua tendência a flutuar, a extensão usual de desvios acima da nominal, etc. É possível que estes recursos possam ser usados para modificação de alguns dos parâmetros, tais como os parâmetros ajustando a taxa na qual os limites de frequência se estreitam. Assim, é importante que o dispositivo de controle de resposta da presente

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104/104 invenção capture uma informação sobre o comportamento da frequência de rede, particularmente no fim de períodos naturais, tal como um desvio de frequência, e de um estado de rede em particular (normal, de tensão ou crise), o fim de um estado em particular da carga (ligada ou desligada) ou o fim de um ciclo de operação (um ciclo do processador controlando os sincronismos das funções principais do dispositivo de controle). Toda a informação capturada poderia ser usada para a entrada em sintonia do dispositivo de controle de resposta de modo as e otimizar a operação com respeito à rede à qual ele é conectado.

[356] O dispositivo de controle de resposta da presente invenção também pode incluir alguma forma de meio de comunicação, e uma etapa de comunicação é mostrada na Figura 5, de modo que os dados coletados possam ser transferidos. A transferência de dados normalmente será provida pelo pessoal de manutenção. O meio de comunicação também pode estar disponível de modo que o software do dispositivo de controle de resposta ou os parâmetros de rede possam ser atualizados mediante uma visita de manutenção. O meio de comunicação também tornará possível capturar medições do comportamento de rede durante a vida em trabalho da carga e também a contribuição das cargas para a rede. Assim, alguma medida do valor de carga para a rede pode ser determinada.

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1/8

Claims

REIVINDICAÇÕES

1/8 energia mínima tempo=% de armazenamento da energia energia máxima= tempo ligado=0 tempo ligado esperado

Fig 1A

Fig 16

1. Dispositivo de controle para controle de um consumo de energia de uma carga em uma rede de eletricidade, o dispositivo de controle caracterizado pelo fato de compreender:

um meio para a detecção por um período de tempo de valores de uma variável física da rede, a variável física variando dependendo de uma relação entre a geração de eletricidade e a carga na rede;

um meio para a determinação de uma média móvel da variável física da rede a partir de leituras passadas dos valores da variável física da rede; e um meio para aumento ou diminuição do consumo de energia da carga, a variação dependendo de uma variável física atual da rede em relação a uma média móvel.

2. Dispositivo de controle, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender:

um meio para aumento ou diminuição do consumo de energia da carga, quando um valor atual da variável física detectada da rede atingir um valor de gatilho; e um meio para determinação do valor de gatilho, a determinação do valor de gatilho dependendo da média móvel e onde

a) o meio para determinação do valor de gatilho compreende um meio para a provisão randomicamente do valor de gatilho entre um valor superior ou inferior determinado da variável física da rede e a média móvel, e/ou onde

b) o dispositivo de controle compreende um meio para a detecção de um valor de uma variável física da carga, a variável física representativa da energia armazenada pela

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2/8 carga; a determinação do valor de gatilho ainda dependendo da variável física detectada da carga.

3. Dispositivo de controle para o controle do consumo de energia de uma carga em uma rede de eletricidade, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, o dispositivo de controle caracterizado pelo fato de compreender:

um meio para a detecção de um valor de uma variável física da rede, a variável física variando dependendo de uma relação entre a geração de eletricidade e a carga na rede;

um meio para a detecção de um valor de uma variável física da carga, a variável física da carga representativa da energia armazenada pela carga;

um meio para variação do consumo de energia da carga, quando um valor da variável física da rede atingir um valor de gatilho; e um meio para a determinação do valor de gatilho, a determinação do valor de gatilho dependendo da variável física detectada da carga e ainda com base em um valor randômico.

4. Dispositivo de controle, de acordo com a reivindicação 2 ou 3, caracterizado pelo fato do meio para variação compreender um meio para comparação do valor de gatilho com a variável física detectada atual da rede.

5. Dispositivo de controle, de acordo com a reivindicação 2 ou 3, caracterizado pelo fato do meio para variação do consumo de energia da carga ser configurado para variar o consumo de energia da carga, de modo a manter a variável física detectada da carga em limites centrais e ainda ser configurado para variar o consumo de energia,

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3/8 quando o valor da variável física da rede atingir o valor de gatilho.

6. Dispositivo de controle, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato do meio para determinação do valor de gatilho ser configurado para a determinação do valor de gatilho dependendo do valor da variável física detectada da carga em relação a seus valores mínimos ou máximos.

7. Dispositivo de controle, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato do meio para determinação do valor de gatilho compreender um meio para a definição de um perfil de valor de gatilho variando com a variável física da carga, o perfil de modo que, quanto mais recentemente o consumo de energia da carga tiver variado, mais distante o valor de gatilho está de uma média móvel a partir de leituras passadas da variável física da rede.

8. Dispositivo de controle, de acordo com a reivindicação 2 ou 3, caracterizado pelo fato do meio para determinação do valor de gatilho compreender um meio para a definição de um perfil de valor de gatilho que varia com a variável física da carga, o perfil sendo influenciado por um valor randômico.

9. Dispositivo de controle, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato da variável física detectada da rede ser uma freqüência detectada da rede.

10. Dispositivo de controle, de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato do meio para variação ser configurado para variação do consumo de energia pela comutação do consumo de energia entre um

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de um rede de > 1, o fato de

primeiro estado de aumento da energia armazenada pela carga e um segundo estado de diminuição da energia armazenada pela carga.

11. Dispositivo de controle para contr consumo de energia de uma carga em uma eletricidade, de acordo com a reivindica dispositivo de controle caracterizado pelo compreender:

um meio para a determinação de um atraso randômico; um meio para atrasar o começo de consumo de energia da carga por uma quantidade gerada randomicamente de tempo após a potência ser inicialmente provida para o dispositivo de controle.

12. Dispositivo de controle para controle de um consumo de energia de uma carga em uma rede de eletricidade, de acordo com a reivindicação 1, para manutenção de uma variável física da carga dentro de limites superior e inferior, o dispositivo de controle caracterizado pelo fato de compreender:

um meio para a detecção da variável física da carga; um meio para a provisão dos limites superior e inferior da variável física detectada da carga; e um meio para aumento do limite superior e/ou inferior da variável física detectada a uma taxa menor do que um consumo de energia máximo da carga, após a potência ser inicialmente provida para o dispositivo de controle.

13. Método de controle de um consumo de energia de uma carga em uma rede de eletricidade, o método caracterizado pelo fato de compreender:

a detecção por um período de tempo de valores de uma

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5/8 variável física da rede, a variável física variando dependendo de uma relação entre geração de eletricidade e carga na rede;

a determinação de uma média móvel da variável física da rede a partir de leituras passadas dos valores da variável física da rede; e o aumento ou a diminuição do consumo de energia da carga, a variação dependendo de uma variável física atual da rede em relação à média móvel.

14. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de compreender:

a variação do consumo de energia da carga, quando um valor atual da variável física detectada da rede atingir um valor de gatilho; e a determinação do valor de gatilho, a determinação do valor de gatilho dependendo da média móvel.

15. Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato da determinação do valor de gatilho compreender uma função para se prover randomicamente o valor de gatilho entre um valor superior ou inferior determinado da variável física da rede e a referida média móvel.

16. Método, de acordo com a reivindicação 14 ou 15,

caracterizado pelo fato de compreender a detecção de um valor de uma variável física da carga, a variável física representativa da energia armazenada pela carga; a determinação do valor de gatilho ainda dependente da variável física detectada da carga. 17. Método de controle do consumo de energia de uma carga em uma rede de eletricidade, de acordo com a

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6/8 reivindicação 13, o método caracterizado pelo fato de compreender:

a detecção de um valor de uma variável física da rede, a variável física variando dependendo de uma relação entre a geração de eletricidade e a carga na rede;

a detecção de um valor de uma variável física da carga, a variável física da carga representativa da energia armazenada pela carga;

a variação do consumo de energia da carga, quando um valor da variável física da rede atingir um valor de gatilho; e a determinação do valor de gatilho, a determinação do valor de gatilho dependendo da variável física detectada da carga, e ainda com base em um valor randômico.

18. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 17, caracterizado pelo fato da variação compreender a comparação do valor de gatilho com a variável física detectada atual da rede.

19. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 18, caracterizado pelo fato da variação no consumo de energia da carga compreender a variação do consumo de energia da carga, de modo a se manter a variável física detectada da carga em limites de controle e ainda a variação do consumo de energia quando o valor da variável física da rede atingir o valor de gatilho.

20. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato do valor de gatilho compreender a determinação do valor de gatilho, dependendo do valor da variável física detectada da carga em relação a seus valores mínimos ou máximos.

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21. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de o valor de gatilho compreender a definição de um perfil de valor de gatilho que varia com a variável física da carga, o perfil de modo que, quanto mais recentemente o consumo de energia da carga tiver variado, mais distante o valor de gatilho esteja de uma média móvel determinada a partir de leituras passadas da variável física da rede.

22. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 13a 21, caracterizado pelo fato da variável física detectada da rede ser uma freqüência detectada da rede.

23. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 13a 22, caracterizado pelo fato da variação compreender a variação do consumo de energia pela comutação do consumo de energia entre um primeiro estado de aumento da energia armazenada pela carga e um segundo estado de diminuição da energia armazenada pela carga.

24. Método de controle de um consumo de energia de uma carga em uma rede de eletricidade, de acordo com a reivindicação 13, o método caracterizado pelo fato de compreender:

a provisão de um dispositivo de controle, o dispositivo de controle determinando uma quantidade de tempo randômica;

o atraso do começo de consumo de energia de uma carga por uma quantidade de tempo gerada randomicamente após a potência ser inicialmente provida para a carga.

25. Método de controle de um consumo de energia de uma carga em uma rede de eletricidade, de acordo com a

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8/8 reivindicação 13, para manutenção de uma variável física da carga em limites superior e inferior, o método caracterizado pelo fato de compreender:

a detecção da variável física da carga; a provisão dos limites superior e inferior da variável física detectada da carga; e o aumento do limite superior e/ou inferior da variável física detectada a uma taxa menor do que um consumo de energia máximo da carga, após a potência ser inicialmente provida para o dispositivo de controle.

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2/8

1ΜΎ ₇ <·

NaxHz.

Hz freqüência de gatilho de dispositivo ligado energia máxima tempo desligado=0 tempo=% de armazenamento de energia energia mínima = tempo desligado esperado

Fig 1C começo de freqüência nominal de excursão baixa durante freqüência de desvio baixa declinada durante freqúência de desvio baixa subindo população de resposta deHF freqüência nominal população de resposta deLF todos os dispositivos desligados »ιυ todos os dispositivos ligados = Ri í’i +disparados para desligados [3]

- ligados por X Min [4] +desligados por _M6| XMax[5]

Í6J +disparados para ligados [8]

-ligados porX Min [9] +desligados por

X Max [10] qni ^|2L „ +disparados para desligados [3] -ligados por X Min [4] ♦ desligados por . pi XMax[5]

ΙΊ +disparados para ligados [6]

- ligados porX Min ¢9] +desligados por

XMax[10] i «l»?l ¢=1 freqüência central