CN104704699A - 用于传输电功率的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于在电网（16）和与该电网（16）相耦合的耗电器（12）或发电机（12）之间传输电功率的一种方法（40），其中检测该电网（16）的至少一个电气量，其中确定该电气量与该电网（16）的分配给该电气量的额定量之间的偏差，其中根据该偏差来控制功率传输，并且其中该电气量是该电网（16）的电网频率和/或电网电压，并且该额定量是该电网（16）的额定频率和/或额定电压。

Description

用于传输电功率的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于在电网和与该电网相耦合的耗电器或发电机之间传输电功率的一种方法。

另外本发明还涉及用于在电网和与该电网相耦合的耗电器或发电机之间传输电功率的一种装置。

背景技术

在机动车驱动技术领域通常已知的是，采用电机来作为唯一的驱动或者与另一类型的驱动发动机一同（混合驱动）来驱动。在这种电动车辆或混合动力车辆中典型地采用电感应式电机来作为驱动发动机，所述电感应式电机由位于机动车上的电能存储器来提供电能。

在插电混合动力车辆或电动车辆中，电能存储器以确定的时间间隔或在该车辆的确定使用期限之后与能源供应商的电网相连，以给电能存储器加载电能。

但是，在已知的用于电驱动机动车的充电系统中，在进行充电过程时不考虑电网的当前负荷。从而在电网负荷大时所提取的功率本身没有被降低。如果同时有非常多的耗电器连接到该电网（例如许多电动汽车），那么这可能导致电网的不稳定，或者在极端情况下可能导致该电网的（部分）失效。

因此为了实现负荷大的电网的卸载和稳定，能源供应商要求在负载峰值时能够断开充电设备。

为此在已知的能量传输系统中例如采用了所谓的中央控制技术。在这种中央控制技术中通过现有的电网来发送控制指令，以能够相应地控制耗电器。通过脉冲序列在从110Hz至约2000Hz的频率范围中来进行控制指令的传输，其中脉冲序列以各自额定电压的约1%至4%的幅度被叠加到电网电压上。给该耗电器前接一个特殊的接收器，该接收器又从该电网中滤出所述脉冲序列，并从中导出所期望的控制信息。借助控制指令可以实现对不重要的电网负载的选择性负载切除，以防止在负荷大时电网的崩溃。

类似地该中央控制技术也可以用于控制较小的发电机，例如光伏设备。因为在电能分配网络中电能的生产和消耗任何时间都应该是一致的，所以这种分散设备的馈入功率在电能供应过剩时就被降低。从而在供应过剩情况下把馈入功率限制信号传输到分散的发电机，以从而逐级地减少所馈入的功率。为了分析中央控制信号，还给分散的发电设备配备相应的接收器。

在DE 20 2009 018 108中已知一种逆变器，以把电能分散地馈入到公共交流电网中。该逆变器具有控制装置和针对集中发送的馈入功率限制信号的接收器，该控制装置根据该馈入功率限制信号来把逆变器的馈入功率限制为预给定的水平。

在已知的能量传输系统中的缺点是，需要特殊的发送器/接收器来生成/分析中央控制信号。这导致在技术上耗费的解决方案，并需要在信息和通信技术上的大量投入。

发明内容

因此本发明提供了用于在电网和与该电网相耦合的耗电器或发电机之间传输电功率的一种方法，其中检测该电网的至少一个电气量，其中确定该电气量与该电网的分配给该电气量的额定量之间的偏差，其中根据该偏差来控制功率传输，并且其中该电气量是该电网的电网频率和/或电网电压，并且该额定量是该电网的额定频率和/或额定电压。

另外本发明还提供了用于在电网和与该电网相耦合的耗电器或发电机之间传输电功率的一种装置，其中该装置具有用于检测该电网的至少一个电气量的检测单元、用于确定该电气量与该电网的分配给该电气量的额定量之间的偏差的分析单元、和控制单元，其中该控制单元构造用于根据该偏差来控制功率传输，其中该电气量是该电网的电网频率和/或电网电压，并且该额定量是该电网的额定频率和/或额定电压。

本发明的优点

在根据本发明的装置或在根据本发明的方法中，根据所确定的电气量与额定量之间的偏差来控制功率传输。该电气量可以直接在该电网上加以测量，或者通过由其他的量观测或计算来加以确定。作为电气量检测该电网的电网频率和/或电网电压。在此在一个实施方式中可以主要检测电网频率，因为借助该电网频率可以可靠地说明该电网的总负荷。所测量的电网电压另外可以被附加地用于对基于频率分析所进行的判断进行验证。

在一个替换实施方式中，也可以仅分析电网电压，其中只要例如识别到在电网中的电压扰动，就降低所传输的功率。

根据本发明，可以放弃用于控制功率传输的复杂而耗费的通信结构。这简化了耗电器/发电机的构造，并从而导致造价合理的整体解决方案。

特别优选的是，在该电气量的第一和第二阈值之间定义控制范围，在该控制范围中根据该电气量的偏差来改变功率传输，其中该额定量位于该控制范围之外。

在该实施方式中，设定控制范围，在该控制范围中把功率传输与当前的电网负载相匹配。如果所确定的电气量具有比该控制范围中更小的偏差（也即所确定的量大约在该额定量的一个范围中移动），那么就例如没有变化地继续进行功率传输（例如电动车辆的电能存储器在这种运行状态下可以以全功率来加以充电）。

在另一实施方式中，所传输的功率在该控制范围中随着该电气量与额定量之间偏差的增大而连续地下降。

如果所确定的电气量在该控制范围中移动，那么按照运行方式（耗电器/发电机）该电网出现过载或供应过剩。从而必须降低功率传输以稳定电网。在此该降低连续地进行，以免由于例如突然断开许多充电设备而另外使电网不稳定。

根据另一实施方式，所传输的功率在该控制范围中随着该电气量与额定量之间偏差的下降而连续地增大。

一旦该电气量接近该额定量，并且该电网从而再次稳定，那么就可以增大所传输的功率。这也是连续地进行，以例如尽可能柔和地（例如沿斜坡函数）把耗电器耦合到该电网中。

在另一实施方式中，在该电气量的偏差高于该控制范围时中断功率传输。

如果该电气量具有比在控制范围中更大的偏差，那么就中断功率传输，以实现该电网的稳定。

在一个实施方式中，该电气量在该控制范围中可以被如此降低，使得针对在该控制范围中最大的偏差中断能量传输。换句话说，所传输的功率在该控制范围中连续地一直下降至值0。

在一个替换的实施方式中，所传输的功率可以被一直降低至预定义的值，然后在偏差超过该控制范围时保持该预定义的值。

根据另一实施方式，在该电气量的第三和第四阈值之间定义第二控制范围，其中在该第二控制范围中根据该电气量来改变功率传输，其中该额定量位于该第二控制范围与该第一控制范围之间。

在该实施方式中设定第二控制范围，在该第二控制范围中同样根据所确定的电气量与额定量之间的偏差来匹配功率传输。但是在此也涉及与该第一控制范围中不同的运行状态。在耗电器连接到该电网时，通过该第二控制范围例如覆盖了如下运行状态，在该运行状态下该电网存在供应过剩。如果识别到这种供应过剩，那么把耗电器的充电功率提高到超过额定值。从而例如可以充分利用分散的发电设备更高的馈入功率。该电网保持于稳定而平衡的状态。

在另一实施方式中，所传输的功率在该第二控制范围中随着该电气量与该额定量之间偏差的增大而连续地提高。

所传输的功率在该第二控制范围中被连续地提高，以免例如由于多个电负载突然增大到更高的功率消耗而引起电网不稳定。在此所传输的功率有利地被限制为预定义的最大值。

在该电气量的偏差较小时，也即在该额定量与该第二控制范围之间的偏差较小时，该发电机/耗电器例如以功率传输的额定值来运行。

在另一实施方式中，所传输的功率在该第二控制范围中随着该电气量与该额定量之间偏差的下降而连续地下降。

一旦该电气量再次接近该额定量，那么所传输的功率就连续地下降，以关于该电网内的能量平衡来保持该电网的稳定/平衡状态。

根据另一实施方式，根据该额定量来设定该电气量的阈值。

该第一和第二控制范围的阈值根据所确定的额定量（例如50Hz/60Hz电网）和运行方式（发电机/耗电器）来加以调节。从而可以把功率传输的控制精确地与当前的运行状态相匹配。

在另一实施方式中，根据所检测的电气量来确定该额定量。

例如连接到该电网的充电设备可以借助频率测量来自动地识别该充电设备是在50Hz电网还是在60Hz电网上运行。据此来设定该额定量以及相应的阈值。从而不需要手动配置该发电机/耗电器。可能的错误配置可以被排除。由此实现了对该发电机/耗电器的非常简单的处理。

在另一实施方式中，功率从该电网向该耗电器来传输，并且该第一控制范围被定义为低于该额定量。

通过该措施，例如在电网频率下降时识别到该电网的过载。因此由该充电设备所消耗的功率被连续地降低，以抵抗过载。

该第二控制范围在该运行方式中被设定为高于该额定量。从而该充电设备例如可以在电能供应过剩时消耗更多的功率，并从而重新建立在该电网中产生的电能和消耗的电能的平衡。

在另一实施方式中，功率从该发电机传输到该电网，并且该第一控制范围被定义为高于该额定量。

作为发电机例如可以采用光伏设备或馈电的逆变器。在该实施方式中，根据电网频率和/或电网电压的增大而推导出在该电网中存在供应过剩。相应地，由该发电机根据电网频率和/或电网电压的值所馈入的功率被连续地降低。

在另一实施方式中，根据功率传输的运行条件来断开对功率传输的控制。

如果例如耗电器在岛式电网（例如柴油发电机、风力发电机等）中运行，那么可以停止该耗电器的功率下降，以避免随着该发电机的频率调节而振荡。

基于应急电源运行（电网备用设备）的岛式电网通常在与额定频率有明显偏差的频率（例如47Hz）下运行，以保证发电机（例如光伏设备）保持断开。从而一旦电网频率的偏差超过另一阈值，那么该耗电器就可以替换地被切换为具有预定义参数的所定义的电网备用运行。

在该装置的一个特别优选的实施方式中，在该电气量的第一和第二阈值之间定义控制范围，其中该额定量位于该控制范围之外，并且其中该控制单元构造用于使所传输的功率在该控制范围中随着该电气量与额定量之间偏差的增大而连续地下降。

通过该措施，该耗电器/发电机可以自动地对该电网中的当前负载状态进行反应。可以避免在电网的信息和通信结构中耗费或成本高的投入。根据本发明的对功率传输的控制另外也可以应用在已有的电网中，因为仅需要在耗电器/发电机的电网端子上检测电气量。从而可以利用非常简单的装置（例如在充电设备中的新的软件）而达到在电网中的负载峰值时高效的电网卸载。

应理解，根据本发明的方法的特征、特点和优点也相应适用于或可应用于根据本发明的装置。

附图说明

图1示出了用于在电网和与该电网相耦合的耗电器/发电机之间传输电功率的一种装置的示意图；

图2示出了用于显示耗电器的与电网的电网频率相关的功率特征曲线的图；

图3示出了用于显示发电机的与电网的电网频率相关的功率特征曲线的图；以及

图4示出了用于解释本发明方法的一个实施方式的图。

具体实施方式

图1以示意图示出了用于在连接到低压电网14的耗电器/发电机12与电网16之间传输电功率的一种装置10。该低压电网14现在理解为该电网16的一部分，该部分用于把电能分配给耗电器。在中欧，低压电网通常以在230V/400V（单相/三相）至1000V之间的电压来运行。为了避免电压损失，低压电网在空间扩展上限定于从几百米至少量几公里的范围内。因此区域性的低压电网通过变电站从上级中压电网来被供电。

该装置10用于把在该耗电器/发电机12与该电网16之间的功率传输与该电网16的当前负载状态相匹配。为此该装置10具有检测单元18，其中借助该检测单元来检测该低压电网14的至少一个电气量。作为电气量例如可以确定该低压电网14的电网频率和/或电网电压。

此外该装置10还具有分析单元20和控制单元22。所检测的该低压电网14的电网频率和/或电网电压被续传到该分析单元20，以分析该电网16的负载状态。从而例如该电网频率是该电网16负荷的一个可靠指示。在该电网16过载时，该电网频率就下降到低于该电网16的额定频率。在该电网16高负荷时，该电网电压也并行地下降。从而该电网电压另外还被用于例如对基于频率分析所进行的判断进行验证。该分析单元20确定该电气量与相应额定量之间的偏差，并在必要时将所述偏差续传到该控制单元22。该控制单元22构造用于根据所述偏差来控制或改变在耗电器/发电机12与该电网16之间的功率传输。由此可以把功率传输与该电网16的供应过剩或过载相匹配，而不必为此采用耗费的信息和通信结构。所传输的功率仅仅根据对电网端子的电气量的分析来加以调节。因此降低了整个系统的复杂性。

在下文中应借助图2和3来详细解释功率传输的控制。为此在图2和3的各自横坐标上以单位赫兹记录该低压电网14的电网频率。各自的纵坐标表示所传输的功率，所述功率被标准化为所传输功率的额定值，其中该额定值涉及的是分别所连接的耗电器/发电机12。在此图2示出了在该耗电器12连接到该电网16的情况下所传输的功率的示例变化曲线。类似地图3示出了所连接的发电机12的功率变化曲线，其中该发电机将功率馈入到该电网16中。在这两种情况下（图2-耗电器12，图3-发电机12），都应假定该电网16或该低压电网14首先在50Hz的额定频率上运行。

下面应该首先详细解释图2的用于控制耗电器12的功率特征曲线。在当前的情况中，该耗电器12例如是充电设备12，其与电运行机动车的牵引电池相耦合。为了控制用于该牵引电池12的充电功率，在频率49.9 Hz处定义第一阈值24，并在频率49.8Hz处定义第二阈值26。在这两个阈值24、26之间的范围构成了用于所传输的充电功率的第一控制范围28。

在本例子中，借助该检测单元18来检测该低压电网14或者该电网16的电网频率。如果该电网频率具有比50Hz小的值，那么该电网16就出现过载。相反，如果该电网频率大于50Hz，那么该电网16就供应过剩。为了分析所测量的电网频率，该电网频率被续传到该分析单元20。该分析单元20把所测量的电网频率与阈值24、26相比较。如果所确定的电网频率在额定量（50Hz）与该第一阈值（49.9Hz）之间的范围中移动，那么该牵引电池就以额定功率被继续充电。但如果该电网频率位于该第一控制范围28中，那么所确定的电网频率的偏差就被续传到该控制单元22。该控制单元22如此控制该充电设备12，使得充电功率随着该电网频率与该额定频率之间偏差的增大而连续地下降。该充电功率有利地如此下降，使得该充电功率在该第二阈值26处一直下降至值0。从而对于超过该第二阈值26的电网频率偏差，中断至该牵引电池的功率传输。借助在该控制范围28中功率的连续降低，实现了该电网16的柔和的卸载，而不会在该电网16中产生不稳定。

从而该充电设备12可以自动地对该电网16中的负载峰值通过降低功率来进行反应。避免了在信息和通信结构中的耗费的投入。

替换地也存在如下的可能性，即只要该电网16存在过载，那么该充电设备12就从该牵引电池向该电网16馈入功率。为此需要该充电设备12具有馈入装置。

如果确定电网频率具有比该额定频率大的值，那么这就表明该电网16供应过剩。为了在电网16供应过剩时控制功率传输，设定第三阈值30和第四阈值32，它们定义了第二控制范围34。在所测量的电网频率位于该额定频率（50Hz）与该第三阈值30（50.1Hz）之间时，以额定功率对该电池继续充电。但如果所检测的电网频率在该第二控制范围34中移动，那么所确定的偏差就被续传到该控制单元22。该控制单元22如此控制该充电设备12，使得该充电功率随着该电网频率与额定频率之间偏差的增大而连续地增大。通过增大功率提取可以抵抗该电网16中的供应过剩。例如把能量馈入到该电网16中的太阳能设备在阳光照射强时可能在该电网16中引起这种供应过剩。该供应过剩引起电网电压以及电网频率上升。通过提高充电功率可以在该电网16中重新建立在馈入的功率与提取的功率之间的平衡。

在所确定的电网频率接近50 Hz的额定频率时，所传输的功率就被连续地再次提高（第一控制范围28）或下降（第二控制范围34）到该额定功率。

在前述的实施例中，单单根据所检测的电网频率来实施充电功率的控制。但另外还可以检测该低压电网14的电网电压，以验证借助该电网频率所确定的充电功率调节。在一个替换实施方式中，也可以仅仅检测该低压电网14的电网电压，并借助该电网电压来控制该充电设备12的充电功率。为此与前述实施例相类似地设定多个电压阈值，这些电压阈值定义了相应的第一和第二控制范围。在此所传输的功率同样被连续地匹配，以避免例如由于充电设备12突然被断开而导致的负面的电网反馈。

有利地利用缓慢的控制来进行所传输功率的调节，以抑制无意的起振效应。

针对图2所述的用于功率控制的原理可以类似地应用于发电机12，在本情况中应用于馈电的逆变器12。在图3中示出了相应的功率特征曲线。因为在该运行方式中功率被馈入到该电网16中，所以第一控制范围28`被定义为在第一阈值24`（50.1Hz）与第二阈值26`（50.5Hz）之间高于电网频率50Hz的范围中。

在电网频率低于该第一阈值24`时，该逆变器12把额定功率馈入到该电网16中。一旦该分析单元20识别到该电网频率的偏差处于第一控制范围28`中，那么该偏差就被续传到该控制单元22。该控制单元22如此控制该逆变器12，使得所馈入的功率随着该电网频率与该额定频率之间偏差的增大而连续地对应于图3示例示出的功率特征曲线一直下降至值0。在偏差超过该第二阈值的情况下，中断借助该逆变器12来馈入功率。从而能够抵抗该电网16中的供应过剩。

在一个替换实施方式中，在达到该第二阈值26`时，功率也可以下降到不等于0的值。但是该值应该如此来选择，使得能够有效地减少该电网16中的供应过剩。

与图2的实施例相类似，该逆变器12所馈入的功率被连续地改变，以避免该电网16中的不稳定和/或起振效应。

另外也可以附加或替换地分析该电网电压以控制该逆变器12的馈入功率。

图4示出了用于解释本发明方法40的一个实施方式的图。该方法40尤其是用于控制在该电网16和与该电网16相耦合的耗电器/发电机12之间的功率传输。为了解释该方法40，应该再次假定充电设备12耦合到该电网16上。

在步骤42中，首先检测该低压电网14的电网频率。根据该电网频率，该充电设备12自动地识别该充电设备12例如是否运行在额定频率为50Hz或为60Hz的电网上。在确定该低压电网14的额定频率之后，在步骤44中根据该额定频率来设定阈值24、26、30、32。从而还定义了控制范围28、34。

接着在步骤46中检测该低压电网14的电网频率和/或电网电压。为了进一步阐述该方法40，应假定该电网频率构成了用于功率控制的主要的量，并且该电网电压仅仅用于进行验证。但是替换地也可以仅仅基于该电网频率或仅仅基于该电网电压来进行所传输功率的控制。

在步骤48中确定该电网频率与该额定频率之间的偏差。

接着在步骤50中检验该电网频率的偏差是否位于该第一控制范围28中或位于该第二控制范围34中。如果不是这种情况，那么就在该步骤46中继续检测该电网频率和/或电网电压。所传输的功率没有变化。

但如果该偏差位于控制范围28、34之一中，那么就在步骤52中借助所测量的电网电压来验证借助该电网频率所确定的运行状态（电网过载/电网供应过剩）。如果该验证是肯定的（也即例如在电网频率较小的情况下还测量到较小的电网电压），那么就对应于该功率特征曲线来匹配该充电设备12的充电功率。在验证为否定时，可以考虑多种可能性。例如在验证为否定时可以采用与在验证为肯定时不同的功率特征曲线。替换地也可以仅仅出于统计的目的来分析否定的验证。然后与该验证无关地来调节该充电设备12的功率。在另一替换实施方式中，否定的验证可以导致所传输的功率保持不变。

本发明的方法40或本发明的装置10例如可以应用于电动车辆或插电混合动力车辆中，这些车辆利用充电设备在交流电网上来被补充充电。另外所推荐的功率控制也可以应用在其他所有静止的、不需要连续功率提取的耗电器中。作为这种耗电器的例子可以是静止的电池组、应急电源、烤箱、循环泵等。对于向该电网16馈入能量的情况，本发明的解决方案例如可以应用在在光伏逆变器或风力发电逆变器中。

根据对电网端子的电气量的分析，为了把所传输的功率与电网的负载状态相匹配不必为不同的耗电器/发电机配备耗费的通信技术。

Claims (15)

1.用于在电网（16）和与该电网（16）相耦合的耗电器（12）或发电机（12）之间传输电功率的方法（40），其具有步骤：

-检测该电网（16）的至少一个电气量，

-确定该电气量与该电网（16）的分配给该电气量的额定量之间的偏差，以及

-根据该偏差来控制功率传输，

其中该电气量是该电网（16）的电网频率和/或电网电压，并且该额定量是该电网（16）的额定频率和/或额定电压。

2.根据权利要求1所述的方法，其中在该电气量的第一和第二阈值（24，26）之间定义控制范围（28），其中功率传输在该控制范围中根据该电气量的偏差来变化，其中该额定量位于该控制范围（28）之外。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所传输的功率在该控制范围（28）中随着该电气量与该额定量之间偏差的增大而连续地下降。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中所传输的功率在该控制范围（28）中随着该电气量与该额定量之间偏差的下降而连续地增加。

5.根据权利要求2至4之一所述的方法，其中该功率传输在该电气量的偏差超过该控制范围（28）时被中断。

6.根据权利要求2至5之一所述的方法，其中在该电气量的第三和第四阈值（30，32）之间定义第二控制范围（34），其中功率传输在该第二控制范围中根据该电气量来变化，其中该额定量位于该第二控制范围（34）与该第一控制范围（28）之间。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所传输的功率在该第二控制范围（34）中随着该电气量与该额定量之间偏差的增大而连续地增大。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其中所传输的功率在该第二控制范围（34）中随着该电气量与该额定量之间偏差的下降而连续地下降。

9.根据权利要求2至8之一所述的方法，其中该电气量的阈值（24，26，30，32）根据该额定量来加以设定。

10.根据权利要求1至9之一所述的方法，其中该额定量根据所检测的电气量来加以确定。

11.根据权利要求2至10之一所述的方法，其中功率从该电网（16）传输到该耗电器（12），并且其中该第一控制范围（28）被定义为低于该额定量。

12.根据权利要求2至11之一所述的方法，其中功率从该发电机（12）传输到该电网（16），并且其中该第一控制范围（28`）被定义为高于该额定量。

13.根据权利要求1所述的方法，其中根据该功率传输的运行条件来关闭对该功率传输的控制。

14.用于在电网（16）和与该电网（16）相耦合的耗电器（12）或发电机（12）之间传输电功率的装置（10），该装置具有：

-检测单元（18），用于检测该电网（16）的至少一个电气量，

-分析单元（20），用于确定该电气量与该电网（16）的分配给该电气量的额定量之间的偏差，以及

-控制单元（22），其构造用于根据该偏差来控制功率传输，

其中该电气量是该电网（16）的电网频率和/或电网电压，并且该额定量是该电网（16）的额定频率和/或额定电压。

15.根据权利要求14所述的装置，其中在该电气量的第一和第二阈值（24，26）之间定义控制范围（28），其中该额定量位于该控制范围（28）之外，并且其中该控制单元（22）构造用于把所传输的功率在该控制范围（28）中随着该电气量与该额定量之间偏差的增大而连续地下降。