CN101752864A - 用于限制电负载所需的电功率的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于限制至少两个电负载所需的电功率的方法和设备，每个电负载具有预定优先级，该设备包括：用于监测至少两个电负载(21、22、23)所需的总电功率的装置(31、32、33)；以及用于按照优先级以如下方式降低具有预定优先级的电负载(21、22、23)各自所需的电功率的装置(31、32、33)：从具有最低优先级的一个或多个电负载开始并每次一个优先级地朝着最高优先级前进，直到监测到的总电功率不超过预定阈值为止。

Description

用于限制电负载所需的电功率的方法和设备
技术领域
本发明涉及限制至少两个电负载所需的电功率。
背景技术
诸如船上或港口中的起重机应用的各种电力系统包括从同一电源供电的多个电负载。图1示出了包括三个电负载21、22、23的这样的电力系统的一个例子。该例子中的电负载21、22、23是电驱动器，其中每个都包括由逆变器或变频器驱动的电动机。电负载每个都连接到诸如供电线或供电网的同一电源10，取决于所讨论的应用，电源10可以是交流或直流电源。
有时候，与当所有电负载(比如起重机的运动机构)同时以全功率使用时所需的总功率相比，包括多个负载的这样的电力系统中的电源的可用最大功率暂时或一直是有限的。在图1的例子中，电负载21、22和23各自所需的最大功率可分别是例如20千瓦、10千瓦和5千瓦，而电源的最大功率容量可能只有30千瓦，其小于各负载的总最大功率35千瓦。在这种情况下，电源(例如馈线网络)不能向所有负载都馈送最大功率。这种情况可能例如归因于功率不足的电源(可能有意限制最大功率)或电源的暂时问题。在例如起重机应用的情形下，系统所需功率根据下式与起重机运动机构中所用的速度范围相关：
P＝Q＊V＊g/效率   (1)
其中：
P＝所需的电动机功率(千瓦)
Q＝负荷(吨)
V＝速度(米/秒)
g＝标准重力加速度(≈9.81米/秒2)
在例如起重机应用的情形下，这意味着起重机操作员需要每次人工选择一个起重机运动机构或者缓慢驱动以降低起重机所需的总功率，这可能是有问题的。
US 4,117,537公开了一种用于限制能量消耗的方案。在该公开的方案中，当期望功率消耗速率被超过时，降低调制负载的负荷。如果存在多于一个的调制负载，可通过为不同的负载设定不同的降低速率来实现调制负载降低的优先级系统。
上述方案所涉及的一个缺点是：所有调制负载的负荷虽然可能以不同的速率、但是同时地降低。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种方法和一种用于实施该方法的设备以便解决或至少缓解上述问题。本发明的目的是利用一种方法、一种计算机程序产品、一种设备和一种电驱动器来实现的。此外，还提供了本发明的多个优选实施例。
本发明基于以下思想：按照优先级以如下方式降低多个电负载各自所需的电功率：首先降低最低优先级的一个或多个电负载各自所需的电功率，然后每次一个优先级地朝着最高优先级前进，每次依次降低该优先级的一个或多个电负载各自所需的电功率，直到监测到的总电功率不超过预定阈值为止。
本发明的一个优点是：它使得较为重要的较高优先级负载能够尽可能长时间地接收全功率，因为功率降低过程从一个或多个最低优先级负载开始并朝着较高优先级负载逐个优先级地前进，直到达到所需的总功率水平为止。对于包括电负载的任何应用都可使用本发明。此外，本发明实现了自动的功率调整，这允许系统(比如起重机应用)的操作员专注于系统的工作而不需要关心可能的功率问题。这改善了工作的安全性。
附图说明
下面，将参照附图结合优选实施例更详细地描述本发明，在附图中：
图1示出了其中可使用本发明的电系统的框图；
图2示出了根据本发明的一个实施例的框图；
图3示出了根据本发明的一个实施例的信令图；
图4示出了根据本发明的一个实施例的信令图；
图5示出了根据本发明的一个实施例的流程图；以及
图6示出了根据本发明的一个实施例的流程图。
具体实施方式
本发明不限于应用于任何特定系统，而是可对于各种电系统加以使用从而限制电负载所需的电功率。图1示出了其中可使用本发明的电系统的简化框图。图1只示出了理解本发明所必需的部件。应当注意，该系统可包括任意数目的负载21、22、23。电负载可属于任何类型，比如包含电动机的电驱动器或其他受控负载。取决于所讨论的应用，电源10可以是任何类型的交流或直流电源，比如供电线或供电网。而且，本发明不限于应用于采用任何特定基波频率或任何特定电压电平的系统。
根据本发明的一个实施例，降低每个都具有预定优先级的至少两个电负载21、22、23所需的电功率包括：按照优先级、每次一个优先级地以如下方式降低具有预定优先级的电负载各自所需的电功率：从具有最低优先级的一个或多个电负载开始并朝着最高优先级前进，直到监测到的总电功率不超过预定阈值为止。因此，负载21、22、23中的每一个具有预定优先级。两个或更多负载亦可具有同一优先级，或者所有负载可具有不同优先级。优先级可由电系统的操作员设定，并且/或者优先级可由系统自身根据例如某个预定机制或某组规则自动配置。优选地，负载的预定优先级是可重新配置的。优先级可以用专用优先号来表示。例如，最高优先级负载可具有优先号1而最低负载具有最大优先号。因此，在三个负载的情形下，从最高到最低的优先号将是1、2和3。也可采用逆序的编号方式。不同负载的优先级亦可不同地表示，这与本发明的基本思想没有任何特别的相关性。
图5示出了根据本发明的一个实施例的流程图。下面参照图5给出一个实施例的更详细描述。在步骤201，监测各电负载所需的总电功率，如果总功率超过预定阈值，则开始降低各电负载所需的总功率。首先，在步骤202，在必要时将当前优先级设定为最低级。这确保了功率降低从一个或多个最低优先级负载开始。接着，在步骤203，降低当前优先级的一个或多个负载所需的电功率。由于当前优先级首先被设定为最低级，所以最低优先级的一个或多个负载所需的电功率被降低。在降低步骤203之后，在步骤204检查各电负载所需的总功率是否仍然超过预定阈值。如果不，则该降低已经足够，可继续工作。如果总功率超过预定阈值，接着，在步骤205，将当前优先级增大一级，即，如果优先级被设定为最低级，则现在将它增大到次最低级。接着，在步骤203，再次降低当前优先级的一个或多个负载所需的电功率。由于当前优先级现在被设定为次最低级，所以次最低优先级的一个或多个负载所需的电功率被降低。在降低步骤203之后，在步骤204再次检查各电负载所需的总功率是否仍然超过预定阈值。如果不，则该降低已经足够，可继续工作。如果总功率超过预定阈值，接着，在步骤205，将当前优先级再次增大一级，并在步骤203降低当前优先级的一个或多个负载所需的电功率。由此，重复步骤203、204和205直到各电负载所需的总功率不超过预定阈值为止，使得在步骤203、204和205的每个重复过程中，每次降低一个优先级的一个或多个电负载所需的电功率。通过从最低优先级开始并朝着最高优先级前进，可逐个优先级地逐渐降低各电负载所需的总功率，且较高优先级负载尽可能长时间地不受影响。
优选地，负载21、22、23中的每一个具有表示该单个负载的功率可怎样低地降低的预定最小功率水平。根据一个实施例，给定优先级的一个或多个电负载各自所需的电功率的降低(例如步骤203)包括将该电负载所需的电功率降低到预定最小功率水平。根据一个可替选实施例，给定优先级的一个或多个电负载各自所需的电功率的降低(例如步骤203)包括：逐渐降低该电负载所需的电功率，直到达到预定最小功率水平为止或者直到监测到的总电功率不超过预定阈值为止。因此，根据后一个实施例，逐渐地(阶式地或连续地)降低(例如在步骤203)所讨论的一个或多个电负载各自所需的电功率，同时监测总电功率。如果在达到该单个负载的预定最小功率水平之前监测到的总电功率下降到预定阈值以下，则可停止该降低。在图5的例子中，此情况意味着在步骤203之后不需要步骤204。如果电源10的最大功率容量已知，优选地将各电负载的预定最小功率水平设定为使得各电负载的最小功率水平之和等于或小于电源10的最大功率容量。这确保了最迟当所有优先级的负载各自的功率已降低到其最低水平时总是可充分地降低各电负载所需的总功率。
应当注意，代替功率值，可采用与功率成比例的任何量来表示例如单个负载的功率、总功率、负载的最小功率水平或任何其他功率。在例如电动机负载或涉及运动的其他类似负载的情形下，负载所需的功率根据等式1与运动机构的速度成比例。因而，在本发明的各实施例中，可采用速度值来代替功率值。然而，这与本发明的基本思想无关。
图6示出了根据本发明的一个实施例的流程图。图6的例子示出了图5的实施例的工作的可能的延续。如上所述，在降低了一个或多个电负载所需的电功率之后，可继续工作从而在步骤207监测总电功率，如果总电功率足够低，即，低于特定阈值水平，则在步骤208重置生效的一个或多个电负载的所有功率降低，即，允许各负载使用其全功率而无限制，且工作可返回到步骤201的正常状态。在步骤207，监测到的总功率不得超过的阈值水平可以与在步骤201和204中采用的、但减小了特定裕量的阈值水平是同一阈值。优选地将该裕量设定得足够高，使得其允许消除负载降低。该裕量还可包括为工作提供特定滞后作用以便防止负载降低的摆动(hunting)的部分。代替在步骤208同时重置所有负载降低，亦可以逐渐(例如逐个)重置可能的负载降低。亦可以使系统的操作员人工消除可能的负载降低并使工作返回到正常状态。然而，应当注意，可能用以重置或消除负载降低的方式与本发明的基本思想无关。
可以以集中或分布方式实施根据本发明的功能。集中方式的实施可通过在系统中提供可连同负载之一设置或作为单独单元而设置的控制单元或装置来实现。这样的控制单元于是将根据以上实施例监测系统和控制负载。
分布方式的实施可通过为负载21、22、23中的每一个提供适当的控制功能并将它们连接在一起来实现。图2以简化的方式示出了包括三个电负载21、22、23的这样的分布式系统的一个例子。各负载具有与其关联的控制单元31、32、33，用于提供根据上述发明的各实施例的功能。这样的控制单元31、32、33可以是单独的单元，或者，在例如电驱动器的情形下，控制单元可以是电驱动器的控制单元。控制单元31、32、33中的每一个优选地包括或者连接到提供负载21、22、23之间的通信链路的发送器-接收器单元41、42、43。在图2的示例连接中，负载21、22、23已根据环形拓扑相连，但是也可采用诸如星形、树状或网状拓扑的其他拓扑。其中所用的协议或链路的类型与本发明的基本思想无关。负载21、22、23之间的通信链路可以是有线或无线链路。可能的链路类型的一个例子是Profibus(过程现场总线)。
在根据一个实施例的分布方式的实施中，负载的控制单元31、32、33或相应实体彼此传达电负载21、22、23各自所需的电功率，使得每个负载知道其他电负载各自所需的实际电功率。因此，各负载中的控制单元31、32、33可监测各负载所需的总电功率。图3示出了电负载21、22、23各自所需的电功率的彼此传达。在该例子中，第一负载21将其实际功率(用“1-实际功率”消息)发送至第二负载22和第三负载23。以类似的方式，第二负载22和第三负载23将其实际功率(分别用“2-实际功率”和“3-实际功率”消息)发送至其他负载。此外，负载的控制单元31、32、33或相应实体优选地彼此传达电负载的预定优先级和预定最小功率水平。因此，负载21、22、23中的每一个知道其他负载的优先级和最小功率水平。此信息可用适当的消息发送，如图4中所示，其中第一负载21将其优先级和最小功率水平用“1-优先级状态消息”发送至第二负载22和第三负载23。以类似的方式，第二负载22和第三负载23将其优先级和最小功率水平分别用“2-优先级状态”和“3-优先级状态”消息发送至其他负载。
根据一个实施例，在电负载21、22、23中基于从其他电负载传达的信息以及预定阈值来确定是否应当降低电负载所需的电功率。换言之，当负载的控制单元31、32、33接收其他负载的实际功率信息并进一步接收其他负载的预定优先级和预定最小功率水平时，它们可确定是否应当降低其功率。例如由控制单元31、32、33或相应单元在各自的负载21、22、23中进行的判断可例如如下进行。首先，该负载的控制单元31、32、33监测所有负载21、22、23所需的总电功率。如果总电功率超过预定阈值，并因此应当降低总电功率，则确定其优先级低于所讨论的负载的所有负载是否都已经降低了其功率。这可基于从其他负载传达的信息(即，其他负载的实际功率、预定优先级和预定最小功率水平)来确定。如果不，则进行等待，直到具有较低优先级的所有负载都已降低了其功率为止。如果总电功率超过预定阈值，并且如果具有较低优先级的所有负载都已经降低了其功率，则所讨论的负载的控制单元确定现在应降低所讨论的负载的功率。当在负载21、22、23中的每一个中同时进行上述判断时，结果是各负载每次一个优先级地降低其功率，直到总电功率不超过预定阈值为止。
优选地，总功率的预定阈值、特定于负载的优先级和特定于负载的最小功率水平是可重新配置的。在上述分布方式的实施中，这可实施为使得所有负载21、22、23都具有允许系统的用户(或其他控制实体)配置参数的适当的用户接口。这样的用户接口可例如由负载的控制单元31、32、33提供。亦可以根据一些预定条件改变参数。下表示出了在具有三个不同驱动器负载的起重机应用中使用的负载中的可能实际值和设定参数的一个例子：
驱动器1(提升机)      驱动器2(吊运车)        驱动器3(回转机)
实际功率＝22千瓦     实际功率＝5千瓦        实际功率＝3千瓦
总功率＝30千瓦       总功率＝30千瓦         总功率＝30千瓦
网络限制＝开         网络限制＝开           网络限制＝开
网络限制源＝内部     网络限制源＝内部       网络限制源＝内部
优先级＝1            优先级＝2              优先级＝3
内部功率限制＝20千瓦 内部功率限制＝20千瓦   内部功率限制＝20千瓦
最小功率＝15千瓦     最小功率＝3千          瓦最小功率＝2千瓦
其中：
实际功率＝表示负载的实际功率
总功率＝表示连接在一起的负载的总系统的实际总功率
参数“网络限制”＝使能(开)或禁止(关)功率限制逻辑
参数“网络限制源”＝定义网络限制源，即内部计算(内部)或外部源(外部)
参数“优先级”＝定义负载的优先级
参数“内部功率限制”＝定义总功率的预定阈值
参数“最小功率”＝定义特定于负载的最小功率水平。代替功率水平参数，对于涉及运动的负载(比如电动机负载)亦可采用表示最小速度水平的参数，因为速度根据等式1与功率成比例。
在上例中，所有负载的总功率的预定阈值(内部功率极限)都被设定为20千瓦。但是，也可以为一些或所有负载设定不同值。结果，具有较低的总功率预定阈值的负载将比具有较高阈值的负载更早降低其功率。因此，可使用总功率的预定阈值来定义负载的优先级，并且将不需要优先级的任何单独参数(优先级)。
根据各种实施例，本发明可应用于包括电负载的多种应用。这些应用的例子包括多种起重机应用。下面给出可能的起重机应用的例子：
1)工业起重机：例如如果工厂中的电网有限或不够强从而不能满足起重机的功率需求(旧的供电变压器、到起重机的长线缆、不良的网络、错误的规模设计等)，可采用根据本发明的实施例的功率限制。室内起重机的最常用起重机类型是EOT起重机(高架移动式起重机)。这种起重机从电力母线并经由滑动环获取电力供应，其中滑动环将电力传递给运动起重机供应单元。有时候，对于旧的起重机，振动或磨损或外部灰尘可能使电力供应降低到100％以下。代替起重机交流驱动器由于低电压(因电网的高负荷所致)而发生跳闸，可采用功率限制来例如保持起重机运行直到修复了网络状况为止。
2)港口起重机：例如如果总电起重机容量高于柴油发电机的可用电功率容量，可以在RTG起重机(轮胎式龙门起重机)中采用根据本发明的实施例的功率限制。操作员可根据港口的状况、通过相应地设定各起重机驱动器的优先级来选择应当限制哪个操作。可获得的另一个优点是与柴油发电机的规模设计(燃料消耗)相关的能量和资金节省。包含功率限制功能的起重机驱动器决不向发电机施加高于用户所设定的极限的负荷。
3)建筑/塔式起重机：如果可用电力供应在暂时安装建筑-塔式起重机的地点不足够强，可以在该塔式起重机中采用根据本发明的实施例的功率限制。这些起重机通常暂时安装在不同的建筑工地上，并且使最近的电交叉点与电网相连。如果可用电功率容量小于电起重机容量，则可以采用功率限制。此外，起重机使用较小主熔断器的能力提供了与电网相连的成本较低的优点。
4)船上的海运起重机：根据本发明的实施例的功率限制可以在海运起重机中针对不同的运行状况加以采用。当船在港口中时的可用电网容量可能高于当船外出在海上时的可用电网容量。因此，尤其当船在海上时可采用功率限制。
根据任何一个上述实施例或它们的组合的设备可以以一个单元实现，或者以被配置成实施各种实施例的功能的两个或更多单独的单元实现。这里，术语“单元”一般是指物理或逻辑实体，比如物理装置或其一部分或软件例程。这些单元中的一个或多个可存在于诸如电驱动器或其部件(比如逆变器或变频器)的电负载中。
根据任何一个实施例的设备可至少部分地借助于例如设有适当软件的一个或多个计算机或相应数字信号处理(DSP)设备来实现。该计算机或数字信号处理设备优选地包括为算术运算提供存储区域的至少一个工作存储器(RAM)以及诸如通用数字信号处理器的中央处理单元(CPU)。CPU可包括一组寄存器、算术逻辑单元和控制单元。控制单元由从RAM传递到CPU的程序指令序列来控制。控制单元可包含用于基本运算的许多微指令。微指令的实现取决于CPU设计而可能不同。程序指令可通过编程语言编码，该编程语言可以是高级编程语言如C、Java等，或低级编程语言如机器语言或汇编程序。计算机亦可具有可以为用程序指令编写的计算机程序提供系统服务的操作系统。实现本发明的计算机或其他设备或其一部分还可包括用于接收例如测量结果和/或控制数据的适当的输入装置以及用于输出例如控制数据的输出装置。还可以使用一个或多个专用集成电路或者分立电部件和装置来实施根据任何一个实施例的功能。
根据任何一个实施例或它们的任何组合，本发明可以用诸如电驱动器或其部件(比如逆变器或变频器或类似装置)的现有系统元件来实现，或者通过以集中或分布方式使用单独的专用元件或装置来实现。用于电驱动器的现有装置(比如逆变器和变频器)通常包括可用于执行根据本发明的实施例的功能的处理器和存储器。因此，例如在现有装置中实施本发明实施例所需的所有修改和配置可以以软件例程来执行，这些软件例程可以以增加的或更新的软件例程来实现。如果本发明的功能通过软件来实施，则该软件可以以包括计算机程序代码的计算机程序产品来提供，该计算机程序代码当在计算机上运行时使得计算机或相应设备如上所述那样执行根据本发明的功能。该计算机程序代码可存储或通常包含在计算机可读介质比如适当的存储器上，该适当的存储器例如是可从中加载程序代码到执行程序代码的一个或多个单元的闪速存储器或盘存储器。此外，实现本发明的该计算机程序代码可例如经由适当的数据网络加载到执行程序代码的一个或多个单元中，并且它可替换或更新可能存在的计算机程序代码。
本领域的技术人员明白，随着技术的进步，本发明的基本思想可以以许多种方式实施。因此，本发明及其实施例不限于以上例子，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (9)

1.一种用于限制至少两个电负载所需的电功率的方法，每个所述电负载具有预定优先级，所述方法包括：
监测所述至少两个电负载(21、22、23)所需的总电功率；以及
在监测到的所述总电功率超过预定阈值的情况下，根据所述电负载的所述预定优先级以如下方式降低所述至少两个电负载(21、22、23)所需的所述总电功率：按照优先级降低(203)具有所述预定优先级的所述电负载(21、22、23)各自所需的电功率，其中所述降低(203)从具有最低优先级的一个或多个电负载开始(202)并每次一个优先级地朝着最高优先级前进(205)，直到(204)监测到的所述总电功率不超过所述预定阈值为止，其特征在于，所述方法包括：
所述至少两个电负载中的每一个彼此传达所述电负载(21、22、23)各自所需的所述电功率，其中对所述至少两个电负载所需的所述总电功率的监测是在所述至少两个电负载中的每一个中执行的；
所述至少两个电负载(21、22、23)中的每一个彼此传达所述电负载的所述预定优先级和预定最小功率水平；以及
在所述电负载(21、22、23)中基于从其他电负载传达的信息以及所述预定阈值来确定是否应当降低所讨论的电负载所需的电功率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少两个电负载(21、22、23)中的每一个具有预定最小功率水平，其中给定优先级的一个或多个电负载各自所需的电功率的所述降低(203)包括：
将所述电负载所需的所述电功率降低到所述预定最小功率水平。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少两个电负载(21、22、23)中的每一个具有预定最小功率水平，其中给定优先级的一个或多个电负载各自所需的电功率的所述降低(203)包括：
逐渐降低所述电负载所需的所述电功率，直到达到所述预定最小功率水平为止，或直到监测到的所述总电功率不超过所述预定阈值为止。
4.一种包括计算机程序代码的计算机程序产品，其中在计算机中执行所述程序代码使得所述计算机执行根据权利要求1所述的方法的步骤。
5.一种用于限制至少两个电负载所需的电功率的设备，每个所述电负载具有预定优先级，所述设备包括：
用于监测所述至少两个电负载(21、22、23)所需的总电功率的装置(31、32、33)；以及
用于在监测到的所述总电功率超过预定阈值的情况下根据所述预定优先级降低所述至少两个电负载(21、22、23)所需的所述总电功率的装置(31、32、33)，其中所述用于降低所述总电功率的装置包括用于按照优先级以如下方式降低具有所述预定优先级的所述电负载(21、22、23)各自所需的电功率的装置(31、32、33)：从具有最低优先级的一个或多个电负载开始并每次一个优先级地朝着最高优先级前进，直到监测到的所述总电功率不超过所述预定阈值为止，其特征在于，对于所述至少两个电负载(21、22、23)中的每一个，所述设备包括：
用于彼此传达所述电负载各自所需的所述电功率、所述电负载的所述预定优先级和预定最小功率水平的装置(41、42、43)；
所述用于监测所述至少两个电负载所需的所述总电功率的装置(31、32、33)；以及
用于基于从其他电负载传达的信息以及所述预定阈值来确定是否应当降低所讨论的电负载所需的电功率的装置(31、32、33)。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述至少两个电负载(21、22、23)中的每一个具有预定最小功率水平，其中所述用于降低给定优先级的一个或多个电负载各自所需的电功率的装置(31、32、33)被配置成将所述电负载所需的所述电功率降低到所述预定最小功率水平。
7.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述至少两个电负载(21、22、23)中的每一个具有预定最小功率水平，其中所述用于降低给定优先级的一个或多个电负载各自所需的电功率的装置(31、32、33)被配置成逐渐降低所述电负载所需的所述电功率，直到达到所述预定最小功率水平为止，或直到监测到的所述总电功率不超过所述预定阈值为止。
8.根据权利要求5至7中的任何一项所述的设备，其特征在于，所述至少两个电负载(21、22、23)中的至少一个包括至少一个电驱动器。
9.一种电驱动器，其特征在于，所述电驱动器(21、22、23)包括：
用于监测至少两个电负载所需的总电功率的装置(31、32、33)，其中所述至少两个电负载中的一个是所述电驱动器；
用于基于预定阈值、监测到的所述至少两个电负载所需的所述总电功率以及所述至少两个电负载的预定优先级来降低所述电驱动器所需的电功率的装置(31、32、33)；以及
用于将所述电驱动器所需的电功率、所述电驱动器的所述预定优先级以及所述电驱动器的预定最小功率水平传达给所述至少两个电负载中的其他负载的装置(41、42、43)。
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