CN102246378A - 电力节约系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及降低尤其是电力网处基于波纹的能量消耗的方法和系统，波纹为短期电力短缺或电力过剩。该方法基于如下理念：如果能量消耗装置的运行不是必要的，则在电力短缺期间关闭能量消耗装置，并且如果能量可以存储在能量消耗装置中，尤其是当能量能够以能量消耗装置的运行的一部分(诸如冷冻器的温度)、作为一些物理参量或者变量存储时，在电力过剩期间选择性地打开这种能量消耗装置。

Description

电力节约系统和方法
技术领域
本发明涉及降低尤其是电力网处由于波纹的能量消耗的方法和系统，波纹为短期电力短缺或电力过剩。该方法基于如下理念：如果能量消耗装置的运行不是必要的，则在电力短缺期间关闭能量消耗装置，并且如果能量可以存储在能量消耗装置中，尤其是当能量能够以能量消耗装置的运行的一部分、作为一些物理参量或者变量(诸如冷冻器的温度)存储时，在电力过剩期间选择性地打开这种能量消耗装置。
背景技术
目前，电厂产生的电不存储在输电系统中，而是在生成的同时消耗。因此，必须随时保持储备从而及时响应消耗中无法预料的变化。这些无法预料的变化尤其是以数分钟或者甚至少于一分钟的量级的波动的短期负载变动，也称为波纹。储备在数秒钟内被激活从而补偿负载变动，这里调整能量产生的一些选项为燃料调整、节流蒸汽阀或者冷凝流控制。所有这些导致电力生成的低效，而且估计电力工业中运行消耗的每年全球成本的量超过14.000.000欧元。
文献US7123994描述了一种管理能量消耗装置组所消耗的能量的电力消耗管理方法。能量消耗装置根据能量管理控制协议经通信媒介交换信息。能量管理控制协议包括用于通知未来能量消耗的能量预订信息类别，用于通知可能的能量消耗减小的能量减小指示信息类别，以及用于准许能量预订信息和/或能量减小指示的准许信息类别。能量消耗装置通过根据能量消耗控制协议所交换的信息协商它们的能量消耗并根据协商的结果控制它们的能量消耗。
当接收到减小电力消耗的请求时，能量消耗装置确定可能的能量消耗的减小、分配给这些可能性优先级并且通过指示信息向其它能量消耗装置告知这些可能性。
例子之一是压缩机或者制冷机或者冷冻器的运行。如果制冷机或者冷冻器的冷却温度没有超过预定临界温度，压缩机或者制冷机或者冷冻器的运行可被打断一定时间。如果冷却温度超过这种温度，控制单元分配相应高的优先级给预订信息和指示信息。
另一个例子是一种可以在没有任何运行问题的情况下在预定期限内被打断的滚筒式烘衣机。
还有一个例子是一种能够在洗衣环节阶段停止并且会延迟甩干环节的启动的洗衣机。
此外，有可能在调度规则中不同的装置优先级分配给不同的能量消耗装置。这种装置优先级反应用户为其不同的能量消耗装置所选的优先级。
因此系统包括利用协议获知装置组的未来能量消耗，而与短期不可预测的波纹不相关。
另一个文献WO06128709与电网响应控制装置相关，描述一种负载控制装置，其响应于表示电网上的负载与发电之间的平衡的物理变量。控制装置基于电网的物理变量的当前值相对于该物理变量的中心值改变负载的能量消耗，中心值从电网的物理变量的过去的读数中获得。电网响应控制装置在确定是否应该提供电网变量负载控制时还考虑自负载上次改变其能量消耗以来的时间。
此外，该文献提到负载的基本功能是将物理变量保持在特定控制限度内。负载基本以占空比运行，通常是以负载打开的期间和以负载关闭的期间运行。
然而，该文献描述了一种与个别装置的测量历史相关的方法，因此不是非常适合对电力网上波纹的短期响应。
发明内容
本发明的目的在于提出一种消除公用电力网上的这种波纹从而节约能量和费用的方法和系统。
本发明的主要理念为利用许多能量消耗装置(诸如如US7123994和WO06128709中描述的那些)通常不会连续地开启这一事实。确实，许多系统通过重复开启和关闭而以占空比运行，诸如制冷机和冷冻器，当它们的内部温度降低到某个下限时开始冷冻，并且当它们的内部温度上升到某个上限时再次停止。这种系统利用能量以获得诸如温度的物理参量的状态，接着让系统“漂移”直至需要新的能量被输送至该系统。可以说将能量存储到装置运行的物理参量(可变物理参量)中。物理参量可以是任何东西，诸如热能、动能(如电机轴的旋转)、或者可替换地如由空气调节器控制的周边环境状态、空气湿度等条件，但是，对于本发明来说，它们还可以涉及运行，诸如滚筒式烘衣机或洗衣机的运转，这里连续运行不是关键。
该目的通过引入一种管理、调节和/或控制能量消耗装置组所消耗的能量的方法而实现，这里，能量消耗装置能够增加或者减小物理参量。该方法包括从控制器接收减小能量消耗或增加能量消耗的信息的步骤，其中，当所述信息为减小能量消耗时，处于增加其物理参量的过程中的每个能量消耗装置被指示以停止增加其物理参量，并且，当所述信息为增加能量消耗时，处于减小其物理参量的过程中的每个能量消耗装置被指示以开始增加其物理参量。
在本发明的一个优选实施方式中，能量消耗装置设为在最小物理参量和最大物理参量所限定的物理参量范围内运行。
在这个实施方式中，当达到最小物理参量或者最大物理参量时，每个能量消耗装置优选否决所述信息并改变阶段，这样当其达到最大物理参量时能量消耗装置改变以减小物理参量而当其达到最小物理参量时能量消耗装置改变以增加物理参量。
本发明的物理参量可以为温度，空气湿度，CO2浓度或者与系统相关的任何其它环境值。
在一个优选实施方式中，能量消耗装置是制冷机、冷冻装置、HVAC系统中的一个。
在一个优选实施方式中，信息以如下方式与电力网上的波纹相关联，即，当所述电力网所输送的总能量增加到期望输送能量变化范围之上时，所述信息为减小能量消耗，并且，当所述电力网所输送的总能量减小到期望输送能量变化范围之下时，所述信息为增加能量消耗。
根据本发明的一个方面，波纹表示从期望输送能量变化范围由所述电力网所输送的能量的任何波动，所述期望输送能量变化范围具有少于30分钟、或者更优选地少于10分钟、或者更优选地少于1分钟的时间间隔。
一个非限制性的实例，可以有利地引用的方法和系统为(例如超市里可见的)商业制冷或者冷冻系统。
每一种制冷实体包括一个或更多个蒸发器，每个蒸发器适于处在允许制冷剂流沿着蒸发表面经过的工作状态，和非工作状态，在非工作状态防止这种制冷剂流。蒸发器可以在工作状态和非工作状态之间切换以获得制冷实体的制冷室内部的期望温度范围内的温度并将该温度保持在期望温度范围内。这种制冷系统常常包括可变容量压缩机装置，例如两个或更多个压缩机的压缩机组形式的可变容量压缩机装置。因而可能调节制冷系统的制冷容量(即被压缩机从制冷实体的蒸发器去除的液体制冷剂量)以满足制冷需求(即蒸发器产生的气态制冷剂量)。在可变压缩机装置为压缩机组形式的情况下，制冷容量通常通过开启或者关闭压缩机组的压缩机而进行调整。如果这相对频繁地进行，将导致压缩机明显的磨损。每个制冷实体的制冷要求取决于所采用的控制策略以及所讨论的制冷实体的外部负载。在本文中，术语“负载”应该被解释为表示施加在制冷实体上的热量。因此，负载的改变通常由外部原因所致，诸如将新的(最大可能为更热的)制品放在制冷实体的制冷室，或者将夜遮幕应用到一个或多个制冷实体上。
在本文中，术语“制冷实体”应该被解释为表示制冷制品产生的位置。因此，制冷实体可以是冷藏陈列柜，例如，通常在超市里使用的那种。冷藏陈列柜可以是开口冷藏陈列柜，或者具有用户需要开启以取得被冷藏的制品的门的冷藏陈列柜。可替换地，制冷实体可以是更大的实体，诸如封闭的冷藏室，例如可以在餐厅或者屠宰场中使用的那种。制冷系统可以包括各种制冷实体，例如，两个或两个以上上述的那种制冷实体。可替换地，制冷系统可以包括仅一种制冷实体。
经过制冷实体的每个蒸发器的制冷剂流优选地通过一个或者多个阀控制。因此，经过特定蒸发器的制冷剂流可以通过能够控制制冷剂流的一个电子阀控制并以如下方式进行控制，即所讨论的制冷实体的温度被保持在期望温度范围内，并且以如下方式进行控制，即吸入压力被保持在期望压力范围内。可替换地，经过特定蒸发器的制冷剂流可以通过两个或更多个阀进行控制，例如，能够控制填充的恒温膨胀阀，以及能够以将温度保持在期望温度范围的方式打开和关闭制冷剂流(与恒温膨胀阀串联定位)的电子阀。
在本文中，术语“吸入压力”被解释为表示紧接压缩机组的上游的制冷剂的压力。吸入压力优选地通过位于适当位置的探测器进行测量。这个压力由被压缩机组的压缩机压缩的制冷剂的量和由经过制冷实体的蒸发器的制冷剂的量所确定。因此，一方面，吸入压力由压缩机所消耗的制冷剂所确定，而另一方面，吸入压力由制冷实体产生的制冷剂所确定，正如从探测器的位置处所见。
当需要快速应用平衡储备时，可以使用制冷温度调节装置的前期接入/断开。这会给电厂充分时间以调整它们的电力生产从而平衡需求。
其它实例包括HVAC系统、洗衣机、滚筒式烘衣机、烹饪机(例如微波炉)，以及在一个或者多个参数的限定变化范围内运行或者可以短期关闭的任何其它装置。
在HVAC系统的实例中，物理参量或者变量可以是，例如，由HVAC系统的传感器测量的周边CO2或者空气湿度，HVAC系统还运行以将它们保持在最小极限和最大极限之间的变化范围内。只要物理参量在该变化范围内，HVAC系统可以根据状况安全地关闭或者打开。
本发明的一个实施方式的一个重要方面在于引进一种至少逻辑地位于电源和能量消耗装置之间某处的控制器。这是基本上完全独立于单独的能量消耗装置的中心控制器，它的主要任务是给出电力短缺或者电力过剩的信号。因此本发明的系统独立于装置的任何局部配位(localcoordination)，例如通过协议，它不需要来自装置的任何反馈或者响应，尽管在本发明更优先的版本中，控制器会接收来自装置的响应，例如它们的响应的反馈、它们当前状态的指示等。因此，能量消耗装置通常会位于非常不同且完全不相关的地方，诸如超市等。
此外，本发明在电力网上或者电源中具有短且无法预料的波纹的情况下运行，意味着没有预警时间，如果它们处于“正确”状态，装置仅对来自控制器的信号进行反应。
附图说明
图1是通过公共电力网输送的电力的示意图。
图2是制冷系统的示意图。
图3是三个装置的可变物理参量循环的示意图。
图4是本发明的配置的示意图。
图5是根据本发明的第一方面调节时三个装置的可变物理参量循环的示意图。
图6是根据本发明的第二方面调节时三个装置的可变物理参量循环的示意图。
图7是根据本发明的第三方面调节时三个装置的可变物理参量循环的示意图。
具体实施方式
图1显示两天期间的能量消耗，这里X轴为时间而Y轴为消耗的能量或者功率，这里峰值出现在白天时间。一些期望或者基本能量消耗曲线(虚线)给出由电厂输送的期望的能量或者功率，这里会以诸如基于天气条件、每年的季节以及任何其它因素的历史数据的平均值的任何情况为基础。
第二曲线(实线)表示电厂所输送的实际能量，显示偏离虚线的波动或者波纹。所示的波纹是高度夸大的。这种波纹是不可预料的并会在从一个小时到少于一分钟的时间范围内出现。
波纹与期望或者基本能量消耗的偏离导致电力短缺期间(50)和电力过剩期间(51)。
图2是制冷系统(1)的示意图，制冷系统(1)包括多个制冷实体(2)，压缩机(4)或者包括任何数量的压缩机(4)的压缩机组(3)，以及冷凝器(5)。在图中，示出两个制冷实体(2)，但是如虚线所示，可以增加一个或者多个额外的制冷实体(2)。制冷实体(2)彼此并联，并且每个制冷实体(2)与压缩机(4)和冷凝器(5)串联。图2中所示的制冷系统(1)是超市中经常使用的种类的系统。
压缩机(4)可以以所测吸入压力P吸入为基础由压缩机控制单元(6)控制。冷凝器(5)可以以所测冷凝器压力为基础由冷凝器控制单元(未示出)控制。
每个制冷实体(2)可以包括容纳待冷冻制品(例如食品原料)的冷藏陈列柜(8)，蒸发器(9)，控制阀(10)。控制阀(10)用作开/闭阀并用作过热(膨胀)阀，并且可以是电磁阀。当控制阀(10)是电磁阀时，过热通常通过脉冲宽度调制方法控制。控制阀(10)由滞后控制器(11)控制以确保冷藏陈列柜(8)中存在的空气的温度被控制在期望温度带内，同时控制阀(10)由过热控制器(12)控制以确保蒸发器(9)中保持最优填充。
滞后控制器(11)接收来自位于相应冷藏陈列柜(8)内侧的温度传感器(13)的输入，该输入指示冷藏陈列柜(8)内存在的空气的温度T空气。如果T空气达到期望温度带的上限(接通温度)，滞后控制器(11)会使得控制阀(10)打开，从而允许制冷剂流穿过蒸发器(9)。因此，蒸发器(9)被切换到工作状态，而提供对冷藏陈列柜(8)的容纳物的制冷。类似地，如果T空 气达到期望温度带的下限(断开温度)，滞后控制器(11)会使得控制阀(10)关闭，从而防止制冷剂流穿过蒸发器(9)。因此，蒸发器(9)被切换到非工作状态，而不再提供对冷藏陈列柜(8)的容纳物的制冷。
过热控制器(12)接收来自过热传感器(14)的输入，过热传感器(14)测量相应蒸发器(9)的出口中的温度和蒸发温度之间的差异。这通常通过测量吸入压力，将吸入压力转化成蒸发温度并从所测出口温度减去蒸发温度而实现。它可替换地通过测量蒸发器(9)的入口温度和出口温度并取得两者之差而获得。过热控制器(12)以这样一种方式控制对蒸发器(9)的制冷剂填充，即：最大化蒸发器(9)的液体填充部分，而不允许液体制冷剂排出蒸发器(9)。过热控制器(12)通过调节控制阀(10)而实现此方式以获得小而正的过热。通过这样做，它利用蒸发器(9)中的温度曲线在液体填充区域基本恒定并在干区域升高。因此，正过热温度确保没有液体制冷剂排出蒸发器(9)。通过保持低过热温度，最大化液体区域。
图3显示了示意出受控制冷系统中典型的温度变化T显示的图像。该图示意出三个不同制冷实体的温度变化T显示，这里每个制冷实体由曲线(32)，(33)和(34)表示。可以看出，对于每个制冷实体的T显示被允许在由上方值(30)和下方值(31)限定的温度范围内变化。当制冷实体的T显示达到温度范围的上限值(30)时，对应于那个制冷实体的电磁阀(5)会打开，从而允许制冷剂流通过制冷实体的蒸发器。具体参见图2。制冷实体因而会开始制冷，从而使得T显示降低。类似地，当制冷实体的T显示达到温度区间的下限值(31)时，相应的电磁阀(5)会关闭，从而防止制冷剂流通过相应的蒸发器。类似于以上所描述的，这会造成相应制冷实体的T显示增加。
所示实例以相同的上限值(30)和下限值(31)进行运行，然而，每个消耗装置(22)通常会具有它们的可变物理参量(32，33，34)的单独的上限值(30)和下限值(31)，物理参量(32，33，34)甚至可以是不同的物理参量，例如一个是温度，一个是电机轴的旋转，而一个是例如空气湿度的周边条件。物理参量可以是能量消耗装置(22)的任何运行状态，能量消耗装置(22)不需要持续能量消耗。
还需要注意的是，虽然实例示意了具有三个物理参量(32，33，34)的三个能量消耗装置(22)，但是本发明还可以应用任何数量的能量消耗装置和任何数量的物理参量。
图5示意本发明的配置，这里电源(20)(诸如电厂)通过电力网(21)将能量输送给能量消耗装置组(22)，这里的部分或者全部能量消耗装置选择性地可以是图2中所示和上述的制冷实体(2)。然而，本发明还可以应用任何能量消耗装置，诸如HVAC系统、普通压缩机系统、利用电动机的系统等等。
控制器(23)与每个能量消耗装置(22)或者直接数据通信，或者通过监控、调节和/或控制能量消耗装置(22)的本地控制器间接数据通信。控制器(23)能够直接或者间接地并且通过任何业界公知的发送和接收数字信息或者模拟信息的方式单独地将信息给予每个能量消耗装置(22)，诸如关闭装置(22)或者打开并启动装置(22)，例如关闭或者打开以上实例中的电磁阀(5)。
控制器(23)还与电源(20)通信以得知开始电力短缺(50)或者开始电力过剩(51)。
图5和图6示意波纹在开始电力短缺(50)或者开始电力过剩(51)条件下开始的状况。对于那些能量消耗装置(22)来说，当能量消耗装置(2)打开并运行时，它们的可变物理参量增加，图5显示开始电力短缺(50)的状况，在时刻(35)的信息为关闭当前消耗能量的那些能量装置(22)，并且这里可变物理参量(图中表示三个能量消耗装置(22)的三个曲线(32，33，34))处于上限值(30)以下，这是对应曲线(32)和(33)的装置(22)，这些曲线改变方向(32a，33a)以减小值，曲线(34)继续不变(34a)。在某一时刻，当曲线(32a)在点(36)上时曲线(32a，33a，34a)可达到下限值(31)。装置(22)接着会否决该信息并改变运行状态回到正常运行过程以增加物理值，如图中的(32a)。
图6显示相同的装置(22)，这里在时刻(35)的信息为当电力过剩(51)状态开始时打开被关闭的那些能量消耗装置(22)。由曲线(32，33)表示的装置(22)接着继续不变(32b，33b)，但是当装置(22)打开时曲线(34)改变状态到增加的物理值(34b)。再次，当达到上限值(30)时，信息被否决而装置(22)(图中对应于曲线(33)的装置(22))改变运行状态回到正常运行过程以减小物理值(32b)。
对于当能量消耗装置(2)打开并运行时可变物理参量减小的那些能量消耗装置(22)，图5和6示意了相反的状况。当波纹始于开始电力过剩(51)状态时，能量消耗装置(2)打开并运行，在时刻(35)的信息是打开当前关闭的(如图6所示)并且可变物理参量(图中表示三个能量消耗装置(22)的三个曲线(32，33，34))处于上限值(30)以下的那些能量装置(22)，这是对应曲线(32)和(33)的装置(22)，这些曲线改变方向(32a，33a)以减小值，曲线(34)继续不变(34a)。在某一时刻，当曲线(32a)在点(36)上时曲线(32a，33a，34a)可达到下限值(31)。装置(22)则会否决该信息并改变运行状态回到正常运行过程以增加物理值，如图中的(32a)。
图6接着示意相同的装置(22)，这里在时刻(35)的信息为电力短缺(50)状态开始时关闭被打开的那些能量消耗装置(22)。由曲线(32，33)表示的装置(22)继续不变(32b，33b)，但是曲线(34)在装置(22)关闭时改变状态到增加的物理值(34b)。再次，当达到上限值(30)时，该信息被否决而装置(22)(图中对应于曲线(33)的装置(22))改变运行状态回到正常运行过程以减小物理值(33b)。
应注意，在信息引起能量消耗装置(22)的运行变化以后，它们进入正常运行状态，意味着如在正常运行状态它们之后会响应于任何条件和设置。
在本发明的一个更优先的实施方式中，超过一个参量(诸如温度)是用来决定各个能量消耗装置(22)是否对于信息起作用的可变参量。
在本发明的另一个优先的实施方式中，系统对于每个能量消耗装置(22)来说以至少两个上限值(30)和至少两个下限值(31)进行运行。一个是装置(22)在正常运行过程中反应而没有任何干涉运行状态的信息的上限值(30)和下限值(31)，另一个上限值(30a)和下限值(参见图7)限定其中信息有效的物理参量(32，33，34)的变化范围，意味着，如果物理参量(如图8中的(32)和(33))在由信息上限值(30a)和信息下限值(31a)限定的这个极限之外，那么信息对于那些装置(22)来说被认为不是有效的，意味着，曲线(32c)和(33c)在由信息上限值(30a)和信息下限值(31a)给出的变化范围之外，那么对于那些装置(22)来说信息不是有效的，意味着，曲线(32c)和(33c)在由信息上限值(30a)和信息下限值(31a)给出的变化范围之外，继续它们的运行状态如同没有给出信息，但是在变化范围内的曲线(34)改变其运行状态以增加物理参量(34c)。

Claims (11)

1.一种管理、调节和/或控制能量消耗装置组所消耗的能量的方法，所述能量消耗装置能够增加或者减小物理参量，所述方法包括从控制器接收信息以减小能量消耗或增加能量消耗的步骤，并且能量消耗的减小或者增加通过改变物理参量而实现。
2.如权利要求1所述的管理、调节和/或控制能量消耗装置组所消耗的能量的方法，其中，当所述信息为减小能量消耗时，处于增加其物理参量的过程中的每个能量消耗装置被指示以停止增加其物理参量，并且，当所述信息为增加能量消耗时，处于减小其物理参量的过程中的每个能量消耗装置被指示以开始增加其物理参量。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述能量消耗装置设为在最小物理参量和最大物理参量所限定的物理参量的范围内运行。
4.如权利要求3所述的方法，其中，当达到最小物理参量或者最大物理参量时，每个能量消耗装置否决所述信息并改变阶段，这样当所述物理参量达到最大物理参量时能量消耗装置改变以减小物理参量，而当所述物理参量达到最小物理参量时能量消耗装置改变以增加物理参量。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述物理参量为温度。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述能量消耗装置是制冷装置或冷冻装置。
7.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述信息以如下方式与电力网上的波纹相关联：当所述电力网所输送的总能量增加到期望输送能量变化范围之上时，所述信息为减小能量消耗，并且，当所述电力网所输送的总能量减小到期望输送能量变化范围之下时，所述信息为增加能量消耗。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述波纹为从所述期望输送能量变化范围由所述电力网所输送的能量的任何波动，所述期望输送能量变化范围具有少于30分钟、或者更优选地少于15分钟、或者更优选地少于10分钟的时间间隔。
9.如权利要求7或8所述的方法，其中，所述期望输送能量变化范围是实时动态的，意味着所述期望输送能量变化范围在至少一个昼夜变化，并且还可选择地在一个月和/或一年变化。
10.如权利要求9所述的方法，其中，实时动态的所述期望输送能量变化范围取决于一天、一个月和/或一年所见的由电力网输送的能量的经验数据，预测由电力网输送的能量的自适应模型，和/或诸如温度、光照、云量、大气压力状态和湿度的外部天气条件中的一个或者组合。
11.通过如前述任一权利要求所述的方法运行的系统。
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