CN101064478A - 确定向多个电负载配送能量的方法及相应的系统 - Google Patents

Abstract

一种确定在一个调制周期(T)期间向多个电负载(12₁，12₂，…，12_n)配送能量的方法，该能量来源于至少一个发电机(14)，在该调制周期期间往各电负载中的任意一个提供预定量的能量是由发射(由所述发电机在所述调制周期的一个预定部分期间发射)一个其功率与要求于该电负载的功率相对应的电信号来实现的，该方法包括根据一种分配准则对由所述发电机在所述调制周期内发射的各电信号进行时间分配，该分配准则根据电信号来确定，并在该同一调制周期内被相继地应用于每一个电信号。所述对各电信号时间分配的准则是根据各电信号的时间长度和功率来更精确地确定的。

Description

确定向多个电负载配送能量的方法及相应的系统

技术领域

本发明涉及一种确定在一个调制周期期间向多个电负载配送能量的方法，该能量来源于至少一个发电机。本发明还涉及一个能实施该方法的能量配送系统。

背景技术

对于在调制周期期间向各电负载中的任意一个提供预定量的能量是由发射(由所述发电机在所述周期的一个预定部分期间发射)一个其功率与该电负载的功率相对应的电信号来实现的情况，现已知道采用这样一个方法：该方法包括根据一个预定的准则对由发电机发射的电信号在该调制周期内进行时间分配。

对于交流电的能量配送应用，由发电机发射的电信号更具体地说是一些波列。而对于直流电而言，电信号可能具有完全不同的形式。

例如，在以编号EP 0 710 051提交的欧洲专利中，考虑了采用这样一种方法：该方法通过对波列之间的连续平滑处理，容许在一定数量的调制周期后收敛到一个对由发电机发射的、用来对各电负载供电的功率的更规则的分配。

根据该专利，为了收敛到该更优的波列时间分配所需进行的计算很简单，但其代价是收敛较慢。

因此，最好是采用快速甚至瞬时收敛的方法。EurothermAutomation公司以名称“483”商业化了20多年的能量配送系统所采用的方法就属于这种情况。

该系统实现了根据一个分配准则对由发电机发射的电信号在一个调制周期内进行时间分配；该分配准则根据电信号来确定，并在该同一调制周期内被相继地应用于每一个电信号。更确切地说，该分配准则与该调制周期内需要分配的电信号的数量相关，即与该调制周期期间需要被供给能量的电信号的数量相关。根据该准则，调制周期被分为与需要传输的电信号的数量相等的等长时间区间，而电信号的上升沿在每个区间的起始点被传输。这样就产生了需要发射的电信号的上升沿的规则时间分配。

因此，在瞬间，即仅在一个调制周期内，就获得了对由发电机发射的电信号的足够好的时间分配。然而这种分配并非最优。

发明内容

本发明的目的就是纠正现有方法的局限性，尤其是改进“483”系统所采用的方法，为达到此目的，本发明提供了一种采用更精细的分配准则的确定能量配送的方法。

因此，本发明的目的在于一种确定在一个调制周期期间往多个电负载上配送能量的方法，该能量来源于至少一个发电机；在该调制周期期间向各电负载中的任意一个提供预定量的能量是由发射(由所述发电机在所述调制周期的一个预定部分期间发射)一个其功率与要求于该电负载的功率相对应的电信号来实现的；该方法包括根据一种分配准则对在所述调制周期内由所述发电机发射的电信号进行时间分配，该分配准则根据电信号来确定，并在该同一调制周期内被相继地应用于每一个电信号；所述方法的特征在于：所述对各电信号的时间分配准则是根据各电信号的时间长度和功率来更精确地确定的。

在在调制周期内对所有电信号进行时间分配之前，电信号的时间长度和功率就是两个完全定义该电信号的参数。因此在时间分配准则中考虑这两个参数可以产生对由发电机在该调制周期内分配给每一瞬时的功率的最优分配。

在实施在调制周期内分配各电信号之前，最好实施一个根据一个预定的优先权准则对各电信号分级的步骤。因此，对所述方法的优化不仅在于采用一种最优的分配准则，还在于被相继地应用该分配准则的电信号的顺序。

优先权准则最好按每个电信号的时间长度(例如，在这种情况下，各电信号按时间长度递减分级)、按每个电信号的功率(例如，在这种情况下，各电信号按功率递减分级)、或按每个电信号的时间长度与功率的乘积(例如，在这种情况下，各电信号按时间长度与功率的乘积递减分级)来确定。

根据本发明的确定能量配送的方法还最好包括多个根据多个不同优先权准则的分级步骤，每个分级步骤后面跟随着一个在调制周期内分配各电信号的步骤和一个通过计算效率因子来测量该分配的最优度的步骤，最后保留下来的分配方式就是与该效率因子的最佳值相对应的分配方式。

更确切地说，在调制周期内对各电信号连续进行时间分配例如是迭代(itérative)的，并在每一次迭代(在每一次迭代中，调制周期内的一次临时分配产生至少一个功率段)中包括如下步骤：

—在该临时分配中，选择一个最小功率段；

—如果在需要分配的电信号中，存在至少一个时间长度与所选段的时间长度相同的电信号，就选择功率最大的电信号(其时间长度等于所选的段)；

—否则，就按分级步骤中定义的优先权顺序选择下一个电信号；和

—在所选的段中定位该电信号，产生一个新的临时分配。

向每个电负载配送预定量的能量需要由发电机在调制周期期间总体上发射一个平均电功率，故(可选地)再定义一个衰减该平均电功率的因子，该衰减因子应用于每一个应当被提供给相应电负载的预定能量值。

在这种情况下，还可能给至少一个电负载关联一个应用于该电负载的衰减因子的最小阈值。

本发明还有一个目的在于一种在一个调制周期期间向多个电负载配送能量的系统，该能量来源于至少一个发电机；该系统包括：每个电负载至少一个开关，用于通过传输一个电信号而在该调制周期期间给该电负载提供预定量的能量，该电信号由所述发电机在所述调制周期的一个预定部分期间发射，并且其功率与要求于该负载的功率相对应；该系统的特征在于：该系统还包括一个计算机和一个控制各开关的设备，所述计算机用于根据一个分配准则(该分配准则根据各电信号的时间长度和功率确定，并在该同一调制周期内被连续地应用于每一个电信号)对由所述发电机在所述调制周期内发射的各电信号实施时间分配，所述控制各开关的设备用于通过各开关应用由所述计算机实施的时间分配。

每个开关最好包括至少一个闸流晶体管。事实上，由于其价格和其耐用性，闸流晶体管如今看来是能够在所述系统中实施该开关功能的最佳功率电子器件。尽管如此，每个开关可以由任何其它断路部件构成。

附图说明

借助于下文中的纯粹作为实例给出的、参照各附图的描述，本发明将被更好地理解。这些附图是：

—图1示意性地表示根据本发明的一种可能的实施方式的能量配送系统的结构；

—图2a、2b、2c示意性地表示一个用于在一个调制周期内由发电机发射的电信号的总体形状；

—图3示意性地表示两个电信号在同一调制周期内叠加的总体形状；

—图4说明根据本发明的一种可能的实施方式的一种确定能量配送的方法的连续步骤；

—图5、6、7、8a、8b示意性地表示在应用图4的方法时电信号叠加的各种可能的布置；

—图9a说明在同一调制周期内对多个电信号的非优化分配；

—图9b说明在应用了根据本发明的衰减因子之后，在同一调制周期内对多个电信号的非优化分配；

—图10a说明应用了图4的方法之后，在同一调制周期内对多个电信号的优化分配；

—图10b说明应用了图4的方法和衰减因子之后，在同一调制周期内对多个电信号的优化分配。

具体实施方式

图1上所表示的设施包括一个通过至少一个发电机14在一个调制周期期间往多个电负载12₁，12₂，...，12_n分配电能的系统10。

下文中所描述的应用涉及交流电能的分配。在这种特定情况下，发电机所发射的电信号形为波列，而对于本发明的其它应用，则可能具有其它形式。

系统10包括多个开关16₁，16₂，...，16_n，每个电负载一个开关。每个开关16_i(最好是一对反向并行安装的闸流晶体管)被布置在连接发电机14与电负载12_i的电能供给电路中，位于发电机14与对应电负载12_i之间。

在一个调制周期期间往各电负载12_i中的任意一个提供预定量的能量是由发射(由所述发电机14在所述调制周期的一个预定部分期间发射)一列其功率与该电负载12_i的功率相对应的电波来实现的。

需要对电负载12_i供电的电波列的发射的开始由开关16_i的闭合触发，而该电波列的发射的结束由开关16_i的断开触发。因此，通过确定系统10的开关16₁，16₂，...，16_n中的每一个的断开和闭合，可以定义由发电机14在一个调制周期内发射出的波列的时间分配。

根据本发明，波列在一个调制周期内的时间分配准则根据各波列的时间长度和功率确定。

为了通过上文中定义的分配准则来实施该时间分配，系统包括一个包括一个计算机18的中央单元22，该中央单元22的形式为一个与一个或多个存储器相连的微处理器。

在需要时，该计算机18事先对需要由发电机14发射到各不同电负载12₁，12₂，...，12_n的各不同波列排序，然后连续地处理这些波列，以便借助于上文中定义的分配准则按最优方式在调制周期内对这些波列进行时间分配。该计算机18的功能将参照图4至8b详述。

此外，中央单元22包括一个控制各开关16₁，16₂，...，16_n的设备20。该控制设备20在定义调制周期内的波列时间分配的计算机18与实际实现该时间分配的开关16₁，16₂，...，16_n之间实现接口的功能。

一个波列就是由发电机14在调制周期的一部分期间所发射出的交流电信号。正如可以在图2a、2b、2c中看到的那样，这样的波列可以由一个矩形来示意性地表示。

该矩形长度Ton_i对应于该波列的时间长度，并表示调制周期T的一部分。

该矩形高度P_i对应于该波列的功率，因而对应于相应电负载12_i的功率。

相应开关在发射该波列期间，即在时段Ton_i期间闭合，在时段Toff_i＝T-Ton_i期间断开。

如图2a所示，可以在调制周期T的开始发射波列。

波列也可以在调制周期T内错开一个延迟D_i，如图2b所示。

最后，如图2c所示，如果错开的距离D_i大于Toff_i，那么周期性地，该波列的前部分在调制周期的末尾处被发射，另一部分在调制周期的开头被发射。

图3说明了在一个调制周期内由发电机14发射的两列波的可能的叠加。

一个时间长度为Ton₁、功率为P₁的第一波列由发电机14通过开关16₁以延迟D₁发射至电负载12₁。

一个时间长度为Ton₂、功率为P₂的第二波列由发电机14通过开关16₂以延迟D₂发射至电负载12₂。

如果这两个波列至少部分地叠加(如图3所示实例的情况)，那么在波列的叠加区内，功率增加，发电机于是传输一个等于P₁+P₂之和的电功率。

因此，在调制周期T内，可以区分出由发电机14发射出的功率的多个段。事实上，在图3的实例中，调制周期被分成五个区间。在区间[t₀，t₀+D₁]中，没有功率发射。在区间[t₀+D₁，t₀+D₂]中，发射功率P₁。在区间[t₀+D₂，t₀+D₁+Ton₁]中，发射功率P₁+P₂。在区间[t₀+D₁+Ton₁，t₀+D₂+Ton₂]中，发射功率P₂。最后，在最后区间[t₀+D₂+Ton₂，t₀+T]中，没有功率发射。

通过把该简单实例推广到n个需要在同一调制周期内被供电的电负载的情况。可以得到大量可能的波列叠加布置，其中某些对应于发电机14在每一瞬时发射的功率的大幅变化。本发明的目的就是最大程度地限制这些变化。

为了测量这些变化，我们借助如下量值定义了一个效率因子：

$P\max =\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Pi}$

CPmin＝对于一个给定的分配方式，由发电机14在调制周期T期间所发射出的瞬时功率的最小值。

CPmax＝对于一个给定的分配方式，由发电机14在调制周期T期间所发射出的瞬时功率的最大值。

于是效率因子f由如下关系式给出：

$f=\frac{P\max -(\mathrm{CP}\max -\mathrm{CP}\min )}{P\max }$

计算机18于是实施图4中表示的步骤。

该方法包括一个按根据一种预定优先权准则的优先权顺序对波列分级的第一步骤100。该优先权准则例如是每个波列的时间长度、每个波列的功率、或每个波列的时间长度与功率的乘积。

如果该优先权准则是每个波列的时间长度，这些波列按时间长度递减排序。

然后，对每个波列迭代地应用本方法。在该迭代过程的一个步骤中，一定数量的波列已经在调制周期中被分配，从而产生一个临时分配。

在步骤102中，计算机18在该临时分配中选择第一个最小功率段。

在随后的步骤104中，计算机18寻找是否在需要分配的波列中存在至少一个时间长度与所选定的段的时间长度相同的波列。如果是，则选择这样一个波列：其时间长度等于所选定的段的时间长度，并且其功率最大。

于是转到在选定的段中定位该波列的步骤108，与图5所表示的布置一致。

否则，如果在需要分配的波列中不存在时间长度与所选定的段的时间长度相同的波列，则转到按照在第一步骤100中定义的优先权顺序选择下一个波列的步骤106。

在这种情况下，两种布置都有可能，分别表示在图6和图7中。

根据图6所表示的第一布置，如果所选定的波列的时间长度小于所选定的段的时间长度，就在步骤108中定位该波列，以便其上升沿与所选定的段的起始相对应。该波列完全被包含在所选定的段内。

根据图7所表示的第二布置，如果所选定的波列的时间长度大于所选定的段的时间长度，就在步骤108中定位该波列，以便其上升沿与所选定的段的起始相对应。但该波列的一部分超出了所选定的段。该部分因而位于后续的段中。

作为可选的方案，对于图7中的布置，也可以围绕所选定的段移动所选定的波列，与图8a和8b所示的一致。

在图8a中，当所选定的波列的上升沿被定位于所选定段的起始处时，在调制周期内将所选定的波列向左错动，直至将其上升沿定位于功率高于在时间上后续于所选定段的功率的第一段的末尾。

如图8b所示，如果在向左错动的过程中，在所选定的波列的上升沿到达功率高于在时间上后续于所选定段的功率的段之前，所选定的波列的下降沿位于所选定段的末尾，那么就将所选定波列保留在该位置。

当所选定波列被定位后，转移到步骤110，在该步骤110中，计算机18验证是否还有至少一个需要定位的波列。如果是，则从步骤102重新开始本方法；如果否，则转移至步骤112，在该步骤112中，验证是否该重复的方法已经在所有可能的优先权准则的基础上被执行过了。如果否，则从步骤100重新开始本方法，以便根据一个新的优先权准则(例如，每个波列的功率、或每个波列的时间长度与功率的乘积)对各波列排序。如果否，则转到选择最佳分配的最后步骤114。

因此，根据前述方法，可以首先按时间长度递减将波列分级，然后第一次执行重复性的方法。于是得到第一个结果，该结果提供了效率因子的第一个值。然后，通过按照功率递减将波列分级，重复第一分级步骤，再第二次执行重复性的方法。于是得到第二个结果，该结果提供了效率因子的第二个值。最后，通过按照每个波列的时间长度与功率的乘积递减将波列分级，重复第一分级步骤，再第三次执行重复性的方法。于是得到第三个结果，该结果提供了效率因子的第三个值。

于是步骤114在于从所得到这三个分配方式中，选择可以得到最高效率因子的分配方式。

此外，可以对由发电机14在调制期间向电负载12₁，12₂，...，12_n提供的能量值施加一个衰减因子r。

已知由发电机14在调制周期期间所发射的平均功率P_t由如下关系式定义：

$\mathrm{Pt}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{PiTo}{n}_i}{T}$

出于降低能量消耗的考虑，衰减因子r容许施加一个由发电机14发射出的、降低了的平均功率P₀：

P₀＝rP_t

该衰减因子可以不加区分地应用于所有电负载。在这种情况下，它应用于相应波列的时间长度。

然而，任何一个电负载可以被认为不能接受一个小于阈值s₁的衰减因子。在这种情况下，这样一个衰减因子r被应用于该电负载：

r_i＝s₁(当r＜s_i)；r_i＝r(反之)

因此，需要分配的新的波列的时间长度为r_i.Ton_i。

为了考虑衰减因子r以及阈值s₁，通过应用前述方法在调制周期内分配各新的波列。

图9a说明了在没有采用任何分配方法的情况下，由发电机14为了给多数量n的电负载供电而在一个调制周期期间发射的功率的演变。可以注意到所有波列在调制周期的时刻t₀开始，必然导致一个很低的效率因子。

通过对所有电负载应用一个如前文定义的衰减因子r，例如等于0.5，并且始终不采用分配方法，得到了与图9b中外形相同、但被因子0.5在时间上压缩了的外形(如图9b所示)。所产生的效率因子至少与前者同样低。

相比较而言，在采用了根据本发明的方法之后，对于同样数量的电负载和同样的需要由发电机14发送的波列，得到了图10a中所表示的分配。所获得的分配容许给所述n个电负载提供与图9a中相同的波列，而另一方面，所获得的效率因子则明显更高，甚至非常接近1，意味着由发电机14在每一瞬时分配的功率几乎是恒定的，并保存非常接近于对n个电负载供电需要的平均功率P_t。

在图10中可以看到：通过施加一个与图9b中的相同的衰减因子r，并且重新执行一个根据本发明的方法，得到了一个新的分配，该分配的效率因子仍然非常高，并非常接近于1。由发电机14在每一个瞬时所分配的功率几乎恒定，并保持非常接近于用衰减因子校正后的、对n个电负载供电所需的平均功率r(P_s)。

由于采用了前述方法，得到了一个在同一调制周期内、对由发电机14向多个电负载12₁，12₂，...，12n发射的各种不同电信号的非常好的分配。该优化了的分配容许在每个瞬时保持非常接近对各电负载供电所需的平均功率值。因此，对一个有一定数量的电负载要供电并知道这些电负载的总需求的用户而言，从电能配送商那里选择一个承包预定而不担心局部超过该承包额，就变得简单得多了。

此外，还将注意到：本发明不局限于前述的实施方式。尤其，例如在所考虑的应用涉及直流电能的配送的情况下，由发电机发射出的电信号不必是波列。

Claims (9)

1.一种确定在一个调制周期(T)期间向多个电负载(12₁，12₂，...，12_n)的能量配送的方法，该能量来源于至少一个发电机(14)，在该调制周期期间往各电负载中的任意一个提供预定量的能量是由所述发电机在所述调制周期的一个预定部分期间发射一个其功率与该电负载要求的功率相对应的电信号来实现的，所述方法包括根据一种分配准则对由所述发电机发射的电信号在所述调制周期内进行时间分配(102，104，106，108，110，112)，该分配准则根据电信号来确定，并相继应用于该同一调制周期内的每一个电信号；所述方法的特征在于：所述各电信号的时间分配准则是根据各电信号的时间长度和功率来更精确地确定的。

2.根据权利要求1的确定能量配送的方法，包括按根据一种预定优先权准则的优先权顺序对电信号分级的步骤(100)，所述分级步骤先于在所述调制周期内对各电信号的分配(102，104，106，108，110，112)被实施。

3.根据权利要求2的确定能量配送的方法，其中优先权准则根据如下集合中的元素之一确定，该集合由如下元素构成：每个电信号的时间长度(Ton_i)、每个电信号的功率(P_i)、每个电信号的时间长度与功率的乘积。

4.根据权利要求2或3的确定能量配送的方法，包括根据多个不同优先权准则的多个分级步骤(100)，每个分级步骤后面跟随着一个在调制周期内分配各电信号的步骤(102，104，106，108，110，112)和一个通过计算效率因子来衡量该分配的最优度的步骤，最后保留下来(114)的分配方式就是与该效率因子的最佳值相对应的分配方式。

5.根据权利要求2至4中任何一项的确定能量配送的方法，其中在调制周期(T)内各电信号的相继的时间分配是迭代的，并在每一次迭代中调制周期内的一次临时分配产生至少一个功率段，在每一次迭代中包括如下步骤：

-在该临时分配中，选择一个最小功率段(102)；

-如果在需要分配的电信号中，存在至少一个时间长度与所选段的时间长度相同的电信号，就选择功率最大的电信号，该功率最大的电信号的时间长度等于所选段的时间长度(104)；

-否则，就按分级步骤(100)中定义的优先权顺序选择下一个电信号(106)；和

-将该电信号(108)置于所选的段中，产生一个新的临时分配。

6.根据权利要求1至5中任何一项的确定能量配送的方法，其中向每个电负载(12_i)配送预定量的能量需要由发电机(14)在调制周期(T)期间总体上发射一个平均电功率，再定义一个所述平均电功率的衰减因子，该衰减因子应用于每一个应当被提供给相应电负载(12_i)的预定能量值。

7.根据权利要求6的确定能量配送的方法，其中为至少一个电负载(12_i)关联一个应用于该电负载(12_i)的衰减因子的最小阈值。

8.一种在一个调制周期期间向多个电负载(12₁，12₂，...，12_n)配送能量的系统(10)，该能量来源于至少一个发电机(14)，该系统包括：每个电负载至少一个开关(16₁，16₂，...，16_n)，用于通过传输一个电信号而在该调制周期期间给该电负载提供预定量的能量，该电信号由所述发电机(14)在所述调制周期的一个预定部分期间发射，并且其功率与该电负载的功率相对应；该系统的特征在于：该系统还包括一个计算机(18)和一个控制各开关的设备(20)，所述计算机(18)用于根据一个分配准则对由所述发电机在所述调制周期内发射的各电信号实施时间分配，该分配准则根据各电信号的时间长度和功率确定，并在该同一调制周期内被相继地应用于每一个电信号，所述控制各开关的设备(20)用于通过各开关应用由所述计算机实施的时间分配。

9.根据权利要求8的能量配送系统，其中每个开关(16₁，16₂，...，16_n)包括至少一个闸流晶体管。

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