CN102055361A - 公用事业互动逆变器系统体系结构以及其操作方法 - Google Patents

Abstract

电动设备以及为该设备供电的方法。在一个实施例中，该设备包括：(1)耗电装置，(2)耦合到该耗电装置并被配置成耦合到从配电盘延伸的分支电路并使电能从该分支电路流向该耗电装置的电源输入，以及，(3)至少间歇地可耦合到电源输入并被配置成从至少一个房屋电源接收电能并使电能流向设备或配电盘的并网电源输入。在更具体的实施例中，设备是室外单元。

Description

公用事业互动逆变器系统体系结构以及其操作方法

对相关申请的交叉引用

本申请要求2009年10月12日由Manohar等人提交的专利申请号为No.61/250,736标题为“SunSourceTMHeatPump”的美国临时申请的优先权。本申请还是2008年8月5日由Uselton提交的标题为“Dual-PoweredAirflowGenerator”的美国专利申请No.12/186,132的部份接续申请案。这些申请是共同受让的，并通过引用结合在本申请中。

技术领域

一般而言，本申请涉及电力系统，更具体而言，涉及公用事业互动逆变器系统体系结构，以及其操作方法。

背景技术

主流媒体已经广泛地报道了降低对化石以及核燃料的依赖而转向所谓的再生能源(主要是太阳能和风能)的努力。住宅和企业的用电客户已经采取措施减少他们对于商业配电网络(通常称为“电网”)和通过该网络销售电力的电力公司的依赖。

客户不仅可以通过，例如，增大热绝缘，选择能源效率较高的设备(例如，电器)，并更审慎地使用它来降低消耗，而且还通过从他们在自己的房屋上的可再生的电源(包括风力发电机和光伏(“太阳”)配电盘)吸取他们所需的至少一些电能，降低净能量吸取。这些客户中相对来说不多的客户从这些房屋电源获得足够的电能，以离开“电网”。相反，大多数客户“仍在电网上”，尽可能地使用房屋电源，并从电网吸取他们所需的其余的电能。

大多数州通过了允许分布式发电(DG)(俗称为“并网”)的法律。DG是将房屋电源耦合到现有的电网，以便可以与电网同步，并将电能提供到电网。为补偿客户将电能提供到电网，许多州还通过了允许“净记帐”或“净计量”的法律。净记帐使用与测量客户从电网获取的电能的普通电度表分开的第二电度表，来测量客户的房屋电源向电网提供的电能。净计量使用单个的双向的电度表来跟踪流向电网或从电网流出的净功率。

发明内容

一个方面提供电动设备。在一个实施例中，该设备包括：(1)耗电装置，(2)耦合到该耗电装置并被配置成耦合到从配电盘延伸的分支电路并使电能从该分支电路流向该耗电装置的电源输入，以及(3)至少间歇地可耦合到电源输入并被配置成从至少一个房屋电源接收电能并使电能流向设备或配电盘的并网电源输入。本申请包含地使用“或”，在前面的句子的上下文中，其含义是指房屋电源可以相对于设备而被调整大小，以便电能有时可以流向设备和配电盘两者。

另一方面提供为电动设备供电的方法。一方面，该方法包括：(1)通过其电源输入和从配电盘延伸的并耦合到电源输入的分支电路至少间歇地将电能提供到设备中的耗电装置，(2)至少间歇地将来自并网电源输入的电能提供到耗电装置，(3)通过电源输入和分支电路，至少间歇地将来自并网电源输入的电能提供到配电盘。

再一个方面提供室外单元。在一个实施例中，该单元包括：(1)马达，(2)耦合到该马达并被配置成耦合到从配电盘延伸的分支电路并使电能从该分支电路流向该马达的电源输入，以及，(3)至少间歇地可耦合到电源输入并被配置成从至少一个房屋电源接收电能并使电能流向马达或配电盘的并网电源输入。

附图说明

现在将参考下面的结合各个附图的描述，其中：

图1是与示例房屋相关联的并耦合到电网的电力系统的一个实施例的高级别的示意图；

图2是可以经由其分支电路耦合到房屋电力系统的电动设备的一个实施例的框图；

图3是可以经由其分支电路耦合到房屋电力系统的电动设备的一个实施例的框图；

图4是示出了随时间变化的逆变器输出的图；以及

图5是为电动设备供电的方法的一个实施例的流程图。

具体实施方式

如上所述，越来越多的住宅和企业的用电客户采取措施，通过利用并网的优点来降低他们对于电网和电力公司的依赖。然而，规定业界本地电气规程和标准实践的国家电气规程，当前只将并网直接接纳到配电盘中。因此，那些希望“并网”他们的房屋电源(例如，风力发电机、太阳能电池组件或其他源)的客户被迫使安装从他们的房屋电源到他们的配电盘的专用并网总线。令人遗憾的是，配电盘几乎在建筑物的内部的任何位置，或许在内壁上。结果，安装合适的专用并网总线涉及相当大的成本和精力，作为结果，阻碍客户利用可再生能源和潜在的电费节省。

本申请认识到，国家电气规程的关于配电盘上的并网的规定，尽管被广泛接受，但是属于人为限制，针对并网的其他技术不仅是可能的，而且对于许多应用可能十分有利。因此，本申请引入了电力公司交互式逆变器系统体系结构，其中，在通过一个或多个分支电路(可以是专用分支电路)耦合到配电盘的电动设备的一个或多个部分进行并网。新颖的体系结构至少部分地基于这样的认识：分支电路可以执行将电能路由到配电盘的任务，总线只需要安装在一个或多个房屋电源与一个或多个电动设备之间。

图1是与示例房屋相关联的并耦合到电网的电力系统的一个实施例的高级别的示意图。图1示出了房屋100。房屋100可以是土地以及坐落在土地上的建筑物110。建筑物110可以是住宅，例如，单家庭或多家庭住宅，公寓或共管公寓大楼、社区、分区、带大门的社区、大师计划的社区、养老院或疗养院或乡村、房车停车场、娱乐车停车场或任何常规的或以后开发的类型的人可以居住的任何位置。建筑物110可以另选地或另外地是企业，例如，独立零售或办公大楼，街道或封闭式购物中心、餐厅、工厂、博物馆、仓库、宾馆、汽车旅馆、旅游区或旅馆或人可以工作或玩的任何其他常规或以后开发的类型的任何位置。

商业配电网络130的分支120(通常被称为“电网”)进入房屋100，并耦合到电功率表140，如图1所示，与建筑物110的外墙相关联。配电盘150位于建筑物110内，并耦合到电功率表140。本领域相关技术人员将理解，电功率表140和配电盘150可以位于相对于建筑物110(实际上，整个房屋100)的任何地方。

配电盘150充当房屋电力系统的枢纽。在房屋电力系统中包括了多个分支电路，图1将它们示为从配电盘150延伸，并围绕建筑物110和房屋100。例如，非专用的分支电路160a延伸到由多个未引用的线路表示的多个未引用的负荷(例如，插座或灯)和第一电动设备170a。专用分支电路160b延伸到单个负荷，即，第二电动设备170b。专用分支电路160c延伸到另一单个负荷，即，构成空调系统或热泵气候控制系统的至少一部分的室外单元170c。对于此说明书，专用分支电路是延伸到单个负荷并向该单个负荷提供电源的分支电路，而非专用的分支电路被设计成向一个以上的负荷提供电源，尽管在某些时间没有负荷或只有一个负荷与它耦合。本领域相关技术人员还认识到，使用室外单元(常常位于建筑物的附近的地面，或屋顶上)，以在闭路循环冷却剂回路和周围环境之间进行热交换，以使流过冷却剂回路的冷却剂(例如，氢氟烃液体)发热或冷却。

对于此说明书，电动设备是任何类型的电力负荷，包括电阻和电抗性负荷，并包括可以被供电的各种各样设备和电器。本申请给出的具体示例包含各种各样气候控制设备，包括HVAC设备、热泵设备、干燥设备和蒸发冷却设备。然而，本领域相关技术人员将理解，本申请的原理适用于各种电力负荷，没有限制。

总线190将房屋电源180电耦合到室外单元170c。房屋电源180可以是位于房屋100上的任何电能源(例如，风力发电机、光电电池、配电盘或阵列、燃料电池、电池、地热发电机、水力发电机或任何其他常规或以后开发的或发现的电能源)。房屋电源180可以产生DC或AC电源。因此，总线190可以是任何适当电压或电流容量的DC总线或AC总线。在替换实施例中，房屋电源180产生AC电源，产生DC电源，但是，在沿着总线190传输电能之前，将DC电源转换为AC电源，或产生DC电源并沿着总线190传输，以便在总线190的中间位置或远端进行转换(紧邻室外单元170c的一端，或者在替换实施例中，第一或第二电动设备170a、170b)。

现在将描述两个一般实施例。在第一实施例中，设备可以使用来自两个源的电能：来自电力公司的AC电源，来自太阳光伏组件的可再生电能。如所示出的，公用事业互动逆变器变为用于将DC电源(来自房屋电源)转换为，例如，供压缩机、风扇马达或设备中的其他负荷使用的AC电源的桥。公用事业互动逆变器的输出端连接到设备连接器(功率继电器)的“线路”端。如此连接，公用事业互动逆变器可以检测电力公司所提供的AC电源的电压和相位，以与它同步。随着压缩机或其他负荷消耗电能，从电力公司源获取的量可以降低由公用事业互动逆变器产生并转换的再生能源的量。当压缩机及其他负荷循环关闭时，公用事业互动逆变器仍通过设备的分支电路连接到电网。因此，设备变为用于运行建筑物中的其他负荷的发电源。如果再生能源系统的发电能力超出房屋或建筑物中的负荷，则将电能输出到电网。建筑物上的功率表“往回转”。

图2是可以经由其分支电路耦合到房屋电力系统的电动设备的一个实施例的框图。在图2的实施例中，电动设备是图1的室外单元170c或包括图1的室外单元170c，而分支电路是图1的专用分支电路160c或包括图1的专用分支电路160c。电能可以是单相的或三相的。

室外单元170c包括耗电装置240。该设备240可以是任何类型的负荷。在图2的实施例中，设备240是风扇马达。室外单元170还包括电源输入210和并网电源输入220。电源输入210耦合到设备240，并被配置成耦合到从配电盘(例如，图1的配电盘150)延伸的分支电路160c。如此耦合，电源输入210使电能从分支电路160c流向设备240，以使其通电并运转。电源输入210可以与室外单元的其他部分位于共同的外壳内或上，或位于相关联的接线盒或开关箱。连接器230可以打开或关闭设备240，或许响应于来自室外单元控制器(未示出)的命令。

并网电源输入220至少间歇地可耦合到电源输入210，并被配置成通过总线190从至少一个房屋电源，例如，一个或多个风力发电机180a、一个或多个太阳能电池组件180b或图2中未示出的其他或进一步的房屋电源来接收电能。并网电源输入220可以与室外单元的其他部分位于共同的外壳内或外壳上，或位于相关联的接线盒或开关箱中。在图2的实施例中，并网电源输入220包括从室外单元170c的外面可访问的插座(未示出)。插座，如果存在的话，使至少一个房屋电源插入室外单元170c，以及从其中拔出。

并网电源输入220使从至少一个房屋电源所提供的电能流向设备240或配电盘(图2中未示出)。在图2的实施例中，以设备240所需要的功率的程度，从至少一个房屋电源所提供的电能流向设备240，从至少一个房屋电源所提供的电能，以至少一个房屋电源的功率输出超过设备240的功率要求的程度流向配电盘。

在图2的实施例中，室外单元170c还包括断路器270a。断路器270a是可控制的，以基于至少一个房屋电源中的至少一个，即，一个或多个风力发电机180a的状态来接通。在图2的实施例中，断路器270a是DC断路器，因为一个或多个风力发电机180a产生DC电能。图2的实施例也包括断路器270b。类似于断路器270a，断路器270b是可控制的，以基于至少一个房屋电源中的至少一个，即，一个或多个太阳能电池组件180b的状态来接通。在图2的实施例中，断路器270a是DC断路器，因为一个或多个风力发电机180a产生DC电能。图2的实施例还包括AC断路器260。断路器270b是可控制的，以在希望将室外单元170c与配电盘(图2中未示出)隔离时断开。

图2的实施例包括被配置成提供相应地控制断路器260、270a、270b的信号的断路器控制器280。在图2的实施例中，断路器控制器260使AC断路器260只有在希望将室外单元170c与配电盘分离的情况下才断开，使DC断路器270a、270b在它们的相关联的房屋能源有故障、产生的电力不足或质量差或不耦合到总线190时断开。在替换实施例中，断路器260、270a、270b是手动断路器，不需要断路器控制器。在替换实施例中，一个或多个公用事业互动逆变器250包括内部断路器，这些断路器取决于它们是否与逆变器输入或输出相关联可以是DC或AC断路器。内部断路器，如果存在的话，可以具有它们自己的控制器。如果一个或多个公用事业互动逆变器250包括断路器，则可以省略DC断路器270a、270b。

因为所示出的房屋电源，即，一个或多个风力发电机180a和一个或多个太阳能电池组件180b提供DC电源，使用具有耦合到并网电源输入220的输入端和耦合到电源输入210的输出端的公用事业互动逆变器250，以将DC电源转换为AC电源。在图2的实施例中，公用事业互动逆变器250包括一个或多个微逆变器。

在过去十五年，在小规模的公共事业并网(utility inter-tie)系统领域取得了进展。电气与电子工程师学会(IEEE)和UnderwritersLaboratories，Inc.(UL)为公用事业互动逆变器开发了安全标准，可以从再生能源获取DC电源，并作为兼容并同步的AC电源馈送回电业网。过去十年，对于家庭和企业的太阳光伏电力系统，额定为几千瓦的实用的公用事业互动逆变器已经变得越来越流行。在最近的18个月，此技术已经被小型化到一千瓦以下，产生所谓的“微逆变器”。此新技术至少部分地允许创建由再生能源供电的电动设备，当生成的可再生的电能比运转该设备所需的电能更多时，可以向家庭或企业净输出电能。

图2的实施例对于使用一个或几个房屋电源的应用特别有利。如果由每一太阳能电池组件所提供的DC电源低于50伏特，国家电气规程没有严格地管理线路约定。当使用多个房屋电源时，可以使用相等数量的公用事业互动逆变器，将使用总线来将每一房屋电源连接到每一逆变器。公用事业互动逆变器的输出端可以结合在一起，使电流汇流在一起，以输送到设备的“线路”端子。

根据图2配置的设备可以在现场转换为图3的实施例。在希望使用多个太阳能电池组件的情况下这将会发生一随着时间的推移，可能增大太阳发电容量。在图3的实施例中，公用事业互动逆变器是设备外部的，通过副电源进入点，将公用事业互动逆变器的输出提供给该设备。当有多个太阳能电池组件和逆变器时，此实施例相对于第一个实施例是有利的。原因是是逆变器输出处于高电压，要传输相同功率，导体大小可以较小。公用事业互动逆变器的输出电流被组合起来，只需要一对高电压AC导体即可将此电源引入设备的副电源进入点。如上所述，对于总线的保护，也可以应用相同的主题。需要指定的是适用于设备的最大大小的房屋电源。

图3是可以经由其分支电路耦合到房屋电力系统的电动设备的一个实施例的框图。图3的实施例与图2的实施例至少在一个方面不同，即，图2的公用事业互动逆变器250现在与房屋电源的相应的那些相关联。更具体而言，一个或多个公用事业互动逆变器250a位于一个或多个风力发电机180a附近，以及或许与它们形成整体。同样，一个或多个公用事业互动逆变器250b位于一个或多个太阳能电池组件180b附近，以及或许与它们形成整体。在图3的实施例中，公用事业互动逆变器250a、250b是微逆变器。

图3还示出了断路器270a、270b是AC断路器，因为它们控制的电力是AC电源。在一个实施例中，AC断路器260、270a、270b是手动断路器，不需要断路器控制器。在进一步的替换实施例中，一个或多个公用事业互动逆变器250a、250b包括内部断路器，这些断路器取决于它们是否与逆变器输入或输出相关联可以是DC或AC断路器。内部断路器，如果存在的话，可以具有它们自己的控制器。如果一个或多个公用事业互动逆变器250包括断路器，则可以省略AC断路器270a、270b。最后，图3示出了直接耦合到电源输入210的并网电源输入220。可以在并网电源输入220和电源输入210之间插入一个或多个开关(未示出)，但是，它们不在本描述的范围之内。

在一个实施例中，公用事业互动逆变器的输出电流的总和小于用于为设备供电的分支电路导体的载流容量，确保分支电路保持安全。例如，当一个或多个房屋电源不发电时，分支电路导体被适当地调整大小，以使设备运转。当一个或多个房屋电源产生的电能比设备所需的电能更多时，分支电路导体被适当地调整大小，以处理返回电能。当一个或多个房屋电源所产生的电能比设备所需的电能少时，流过分支电路导体的电能等于设备所需的电流和由太阳能系统所产生的电流之间的差，这小于分支电路导体的设计容量。

在各实施例中，这些公用事业互动逆变器中的某些的性能和报告诊断能力可以链接到与设备(例如，室外单元)相关联的商业和住宅通信网络。可以实时地将每一个房屋电源的性能报告到显示器，例如，建筑物能源管理计算机中的恒温器/显示单元。当电力公司和政府投资于再生能源领域时，通过有线线路或无线连接链接回因特网可以实现电力公司和政府所需的远程性能监视。

图4是示出了对于其中电动设备是HVAC系统的室外单元而房屋电源包括太阳能电池组件的示例，逆变器输出410和耗电装置功率要求420随时间变化的图。当然，图4只是可以给出的许多示例中的一个示例。

图4示出了输出410超出要求420的情况。在此时间，净电能可以从电动设备(例如，室外单元)整个地流回到配电盘和电网。如上所述，无需直接地提供从房屋电源到配电盘的单独的总线，即可实现回流到电网。在其他时间，要求420超出输出410，在这些时间，净电能可以从电网整个地流过配电盘，并流向电动设备。

图5是为电动设备供电的方法的一个实施例的流程图。该方法在开始步骤510开始。在步骤520中，通过电源输入和从配电盘延伸的分支电路，将电能提供给耗电装置。在步骤530中，从房屋电源接收电能。在步骤540中，断路器被接通，以使电能从房屋电源流向并网电源输入。在步骤550中，将通过并网电源输入接收到的电能从DC转换成AC。在步骤560中，以设备所需的功率的程度，将经过转换的电能提供给耗电装置。在步骤570中，通过电源输入和分支电路，将多余的经过转换的电能提供到配电盘。该方法在结束步骤580结束。

本申请所涉及的本领域的技术人员将理解，可以对所描述的实施例进行其他和进一步的添加、删除、替换和修改。

Claims (10)

1.一种电动设备，包括：

耗电装置；

耦合到所述耗电装置并被配置成耦合到从配电盘延伸的分支电路并使电能从所述分支电路流向所述耗电装置的电源输入；以及，

至少间歇地可耦合到所述电源输入并被配置成从至少一个房屋电源接收电能并使所述电能流向所述耗电装置或所述配电盘的并网电源输入。

2.如权利要求1所述的设备，还包括具有耦合到所述并网电源输入的输入端和耦合到所述电源输入的输出端的公用事业互动逆变器。

3.如权利要求1所述的设备，其中，所述耗电装置包括风扇马达。

4.如权利要求1所述的设备，还包括可控制以基于所述至少一个房屋电源中的至少一个的状态接通的断路器。

5.如权利要求1所述的设备，其中，所述并网电源输入包括从所述电动设备外面可访问的插座。

6.如权利要求1所述的设备，其中，所述分支电路是所述电动设备的专用分支电路。

7.如权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个房屋电源包括光伏组件。

8.室外单元，包括：

马达；

耦合到所述马达并被配置成耦合到从配电盘延伸的分支电路并使电能从所述分支电路流向所述马达的电源输入；以及，

至少间歇地可耦合到所述电源输入并被配置成从至少一个房屋电源接收电能并使所述电能流向所述马达或所述配电盘的并网电源输入。

9.如权利要求8所述的单元，其中，所述马达选自由下列各物组成的组：

风扇马达，

空调器压缩机马达，以及

热泵压缩机马达。

10.如权利要求8所述的单元，还包括在所述并网电源输入和所述电源输入之间耦合且可控制以基于所述至少一个房屋电源中的至少一个的状态接通的断路器。

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