CN104716639A - 变速风机群组供电装置及其能源管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种供电装置和能源管理的控制方法，为应用在变速风机群组的节能控制，该供电装置包含一具功率因数修正功能的整流转换单元、一直流稳压单元、一控制单元、一输入单元、一通信单元、至少一个以上具有电能计量功能的直流调压单元与至少一个以上的变速风机。其中，该整流转换单元与该直流稳压单元分别可接受交流市电与直流电作为电源。该控制单元藉由该输入单元的输入信息与该至少一个以上的直流调压单元的电能计量信息，搭配优先权方法调整该至少一个以上的直流调压单元输出的端电压，使变速风机降载运转，配合区域电力需量控制，达到满足需量控制条件的最佳化节能控制。

Description

变速风机群组供电装置及其能源管理方法

技术领域

本发明涉及一种供电装置和能源管理的控制方法，特别涉及一种应用在变速风机群组的供电装置和节能控制方法，可以最佳化节能控制条件达成区域需量控制。

背景技术

现有的变速风机群组的供电与控制架构，如图1所示，在风机群组进行风量控制时，若依设定的温度值来调整冷暖风量时，可由中央控制系统发送风机转速命令至各区域的风机的通信单元或由控制单元（如由控制面板选择风量强、中、弱）手动输入一转速命令，进而使变频驱动单元调整风机转速，改变风量大小。

目前大多数现有的变频驱动单元在接受交流市电经功因修正为直流端电压后，依转速命令进行脉冲宽度调变(PWM，Pulse Width Modulation)以控制风机马达的转速。现有的变速风机群组在进行能源管理控制时，有以下诸多的缺点：

再生能源装置经由变流转换单元后并接至交流电网(市电)，因此不直接供电给负载。

每个风机需装设交流电表作为计量用，并将各电表信息传送至能源管理系统后，风机负载命令再以通信接口传送至风机群组进行控制。因此电表建置费用高、使用通信软硬件费用高，且风机数量使用愈多，使用成本愈高。

配合能源管理系统进行风机群组需量管控时，若该群组的耗电累积总和大于设定的需量上限值时，须依照预先规划的排程命令(如依区域优先权降载、循环式降载等)并藉通信接口传送至风机的控制单元后，进而发送降低转速命令以调降风机转速(即降低负载)。现有的变速风机群组的排程控制命令缺乏弹性，可能会破坏原本能源管理系统依区域环境条件所设定的风机转速命令，能源管理系统因而失效，导致部分区域环境温度产生过冷或过热的异常升降情形，使得空调环境不舒适，无法达成需量管控机制。

发明内容

电力系统负载尖、离峰差距逐年增大，会造成电厂供电成本的增加，为应付短时间尖峰负载而投资高成本的供电设备，然大多数的离峰时间均闲置不用非常不经济。因之为降低供电成本，提高设备使用率，并减少缺电机率，电力系统必须施以电力需量管理，对用电负载作有效的控制，如此对电厂而言可降低成本，减少供电不足压力；对用户而言可减轻电费负担，提高设备利用率，更可减少能源浪费，降低环保污染。

为改善前述现有风机群组于需量管控时，利用交流市电经整流功因修正后，提供一固定端电压值予所有变速风机，再经通信接口下达转速命令以进行转速控制的缺失。本发明乃提出一整合直/交流、可变动调整端电压的变速风机群组供电装置，并提出一可满足最大需量控制的最佳化控制流程的能源管理控制方法。

本发明的供电装置及能源管理方法，应用于变速风机群组的节能控制，该供电装置包含一具功率因数修正功能的整流转换单元、一直流稳压单元、一控制单元、一输入单元、一通信单元、至少一个以上具有电能计量功能的直流调压单元、及至少一组的变速风机。其中，该供电装置的整流转换单元与直流稳压单元分别可接受交流市电与直流电作为电源。本发明的供电装置亦可利用再生能源装置经由该直流稳压单元，直接供电给负载，即利用该整流转换单元与直流稳压单元作为供给电源，该直流稳压单元为一直流转直流的转换器，具有电能计量的电路模块；控制单元藉由输入单元的输入信息与该至少一个以上直流调压单元的电能计量信息，搭配优先权方法调整该至少一个以上直流调压单元输出的端电压，控制变速风机的运转。

该控制单元藉由该输入单元的输入信息与该至少一个以上的直流调压单元的电能计量信息，搭配优先权方法调整该至少一个以上的直流调压单元输出的端电压，使变速风机降载运转，达成区域需量控制。

该控制单元亦可藉由通信单元输出电能计量信息至远端能源管理系统，并依照该系统的节能最佳化演算技术，求得风机群组的最佳耗电设定值，再回传至该供电装置的控制单元，以调整各对应的至少一个以上的直流调压单元的输出端电压，使风机调整转速，达成满足需量控制条件的最佳化节能控制，该控制单元为一微处理器。该输入单元为一能够接受手动输入的界面，为键盘、鼠标或触控屏幕其中的一种。该通信单元为符合标准通信协定的有线或无线通信界面RS232、RS485、Ethernet、ZigBee或Wi-Fi其中的一种。因此，本发明的供电装置具有调整端电压和耗电计量的功能。

该能源管理方法，包括：该控制单元存取该输入单元设定的需量上限与该至少一个以上的直流调压单元的优先权信息与该至少一个以上的直流调压单元的电能计量信息；该控制单元搭配一修正优先权计算方法，计算出该至少一个以上的直流调压单元的修正后耗电设定值，该计算方法包括：该输入单元设定的该至少一个以上的直流调压单元优先权a1，a2，……，an，设定的电力需量上限Pupp；该控制单元存取该至少一个以上的直流调压单元耗电计量信息P1，P2，……，Pn与总和耗电Psum：Psum=P1+P2+…+Pn；该控制单元计算各修正优先权b1,b2，……，bn与修正优先权总和bsum:bsum=b1+b2+…+bn；

$b1=a1\×\left(\frac{P1}{\mathrm{Psum}}\right),b2=a2\×\left(\frac{P2}{\mathrm{Psum}}\right),\·\·\·\·\·\·,\mathrm{bn}=\mathrm{an}\×\left(\frac{\mathrm{Pn}}{\mathrm{Psum}}\right)$

该控制单元计算该至少一个以上的直流调压单元修正后耗电设定值P1’至Pn’，

${P1}^{\′}=P1-\left(\frac{b1}{\mathrm{bsum}}\right)\×(\mathrm{Psum}-\mathrm{Pupp}),\·\·\·\·\·\·,{\mathrm{Pn}}^{\′}=\mathrm{Pn}-\left(\frac{\mathrm{bn}}{\mathrm{bsum}}\right)\×(\mathrm{Psum}-\mathrm{Pupp})$

修正后的耗电设定值回传至该供电装置的控制单元，该控制单元依转速与耗电的关系将耗电设定值换算成该至少一个以上的直流调压单元输入至风机马达的直流端电压值，并控制该至少一个以上的直流调压单元输出此直流端电压至变速风机的驱动单元，调整风扇马达的转速，使变速风机群组，达成符合电力需量控制的运转。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1现有变频风机群组控制的架构配置图；

图2本发明变速风机群组供电装置架构图；

图3本发明能源管理方法－区域需量控制的流程图；

图4A本发明风机的端电压与风机转速的操作特性关系图；

图4B本发明风机直流端电压与马达转速的相对关系；

图5本发明能源管理方法－远端需量控制的流程图。

其中，附图标记

1 变速风机群组

2 供电装置

21 整流转换单元

22 直流稳压单元

23 控制单元

24 输入单元

25 通信单元

26 直流调压单元

3  能源管理系统

4  环境感测信息

f1，f2，..fn   变速风机

F1，F2，..Fn  昔知变速风机

具体实施方式

为使本发明的结构和功效有更进一步的了解与认同，兹以一实施例配合图示详细说明如后。

请参阅图2，为本发明变速风机群组1供电装置2架构图，该供电装置2包含一具功率因数修正功能的整流转换单元21、一直流稳压单元22、一控制单元23、一输入单元24、一通信单元25、至少一个以上具有电能计量功能的直流调压单元26与至少一个以上的变速风机；该供电装置2的整流转换单元21可接受交流市电并进行功率因数修正以成为一直流电压源；该直流稳压单元22可接受直流电并进行电压转换以成为一直流电压源，直流电压源连接至该直流稳压单元22作为供电电源，或该直流稳压单元22可接受再生能源，作为一直流电压源。该供电装置2可对变速风机群组进行能源管理，针对内部能源管理系统3设定的区域端电力需量控制，依据控制单元存取环境感测信息4的数据，做最佳化的演算，求得各风机最佳修正后耗电设定值，控制该供电装置2内的直流调压单元输出直流端电压至变速风机的变频驱动单元，以控制马达的运转。即本发明的变速风机群组的供电装置2利用该整流转换单元21与直流稳压单元22作为供给电源，控制单元23藉由输入单元24的输入信息与该至少一个以上的直流调压单元26的电能计量信息，搭配优先权方法调整该至少一个以上的直流调压单元26输出的端电压，控制变速风机的运转。该控制单元23亦可藉由通信单元25输出电能计量信息至远端能源管理系统，并依照该系统的节能最佳化演算技术，求得风机群组的最佳耗电设定值，再回传至该供电装置的控制单元23，以调整各对应的至少一个以上的直流调压单元26的输出端电压，使风机调整转速，达成满足需量控制条件的最佳化节能控制。因此，本发明的供电装置具有调整端电压和耗电计量的功能。

如图3所示为本发明变速风机群组供电装置的能源管理方法－区域电力需量控制的流程图，图3中该控制单元23设定为区域需量控制模式，并设定该至少一个以上的直流调压单元优先权a1，a2，……，an及需量上限值Pupp。当进行能源管理时，该控制单元23会存取该至少一个以上的直流调压单元耗电计量信息P1，P2，……，Pn与耗电累积总合Psum，该控制单元23是以下述公式计算各修正优先权b1，b2，……，bn与总和bsum，

$b1=a1\×\left(\frac{P1}{\mathrm{Psum}}\right),b2=a2\×\left(\frac{P2}{\mathrm{Psum}}\right),\·\·\·\·\·\·,\mathrm{bn}=\mathrm{an}\×\left(\frac{\mathrm{Pn}}{\mathrm{Psum}}\right)$

当耗电累积总合Psum大于设定的需量上限时，该控制单元23以下述公式计算该至少一个以上的直流调压单元修正后耗电设定值P1’至Pn’，

${P1}^{\′}=P1-\left(\frac{b1}{\mathrm{bsum}}\right)\×(\mathrm{Psum}-\mathrm{Pupp}),\·\·\·\·\·\·,{\mathrm{Pn}}^{\′}=\mathrm{Pn}-\left(\frac{\mathrm{bn}}{\mathrm{bsum}}\right)\×(\mathrm{Psum}-\mathrm{Pupp})$

修正后的耗电设定值回传至该供电装置1的该控制单元23，调整该至少一个以上的直流调压单元输出的端电压，使各变速风机依修正优先权降载运转，达到区域需量控制的节能管理目的。

请再参阅图4A为本发明风机的端电压与风机马达转速的操作特性相对关系图，即有关本发明所运用的能源管理原理，图4B中显示风机直流端电压与马达转速的相对关系，其中，X轴方向代表风机直流端电压值，对应Y轴马达转速比率，有关马达耗功与扭矩转速公式如下所示，即：

Ea＝Ke×ωm Pout＝Tem×ωm

式中，各代号意义为：

Ea：端电压、感应电动势

Ke：马达常数

ωm：马达转速

Pout：马达耗功

Tem：扭矩

从图4A中可知，当永磁变速马达在特定扭矩(Tem)下，其转速(ωm)大小近似正比于端电压(Vt)大小，为一线性关系，其中，Ia代表场电流，φf代表磁通量，If代表电枢电流，因此，若以特定转速区段为控制的基础，调整端电压(或称为端电压可程序化)，即可管控马达的耗电。该控制单元23将耗电设定值换算成该至少一个以上的直流调压单元输入至风机马达的直流端电压值，该至少一个以上的直流调压单元输出此直流端电压至变速风机的驱动单元，使风机达成符合预定需求用电量控制的运转。

请再参照图5，为本发明变速风机群组供电装置能源管理方法的另一实施例，即利用远端电力需量控制的流程图。本实施例为一种连接至外部能源管理系统的远端需量控制的控制流程，当进行能源管理时，该控制单元23存取该至少一个以上的直流调压单元输出的计量电能与总和输出电能，并将信息藉传送至远端能源管理系统，该远端能源管理系统依据设定的风机群组需量上限值、该至少一个以上的直流调压单元输出电量、总合输出电量等环境感测信息，经最佳化演算后，求得各风机最佳修正后耗电设定值，再藉由远端能源管理系统回传至该控制单元23，该控制单元23将修正后耗电设定值换算成该至少一个以上的直流调压单元输入至该变速风机马达的直流端电压值(原理如（图4B所示)，并控制该至少一个以上的直流调压单元输出此直流端电压至变速风机的驱动单元，使变速风机达成符合能源管理系统最佳化演算的控制运转，该最佳化演算方法为梯度法、模拟退火法、基因演算法、或模糊演算法。

综上所述，本发明的变速风机群组的供电装置及能源管理方法，可解决传统变速风机群组的种种缺点和限制，其优点大致可归纳以下几点：

（1）本发明变速风机群组供电装置可输入交流或直流电源、可变动调整端电压。

（2）本发明供电装置包含整合交流与直流电源的输入架构，为再生能源未来应用趋势，亦可最大效率地利用再生电源。

（3）本发明利用端电压调整与电能计量信息，搭配变速风机的特性；马达的转速大小近似正比于端电压大小的线性关系，调整风机耗电并达成风机群组需量控制与的效果。

（4）本发明供电装置具有多个电能计量功能，减少装设多个具通信功能交流电表的高成本。

（5）本发明交/直流转换与功因修正集中在该供电装置，使风机成本降低、模块化可能性增加；且风机转速命令可由供电装置的端电源调压实现，进而消除风机通信成本，更降低风机成本。

（6）本发明供电装置可达成最大需量控制的能源管理方法，由供电端（即供电装置）做变速风机群组的需量控制，免去传统能源管理时，需量控制需系藉由通信接口连接风机的复杂性与高成本(电表、通信单元、通信平台、需量控制器)。且可改善传统风机群组排程控制僵化、造成局部区域风量不足致温度过冷或过热的情形。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (20)

1.一种变速风机群组供电装置，其特征在于，该装置包含：

一具功率因数修正功能的整流转换单元、一直流稳压单元、一控制单元、一输入单元、至少一个以上具电能计量功能的直流调压单元与至少一个以上的变速风机；其中，

该装置的整流转换单元能够接受交流市电并进行功率因数修正以成为一直流电压源，并以该直流电压源，连接至该直流稳压单元；

该直流稳压单元能够接受直流电或再生能源，并进行电压转换为一直流电压源；

即该整流转换单元与该直流稳压单元作为供给电源，该控制单元藉由该输入单元的输入信息与该至少一个以上直流调压单元的电能计量信息，搭配优先权方法调整该至少一个以上直流调压单元输出的端电压，控制变速风机的运转。

2.根据权利要求1所述的变速风机群组供电装置，其特征在于，该整流转换单元为一交流转直流并具功因修正的整流器，该直流稳压单元为一直流转直流的转换器。

3.根据权利要求1所述的变速风机群组供电装置，其特征在于，该输入单元为一能够接受手动输入的界面，该控制单元为一微处理器。

4.根据权利要求3所述的变速风机群组供电装置，其特征在于，该输入单元为键盘、鼠标或触控屏幕其中的一种。

5.根据权利要求1所述的变速风机群组供电装置，其特征在于，更包括一通信单元，该通信单元为RS232、RS485、Ethernet、ZigBee或Wi-Fi其中的一种，该控制单元亦能够藉由通信单元输出电能计量信息至远端能源管理系统，并依照该系统的节能最佳化演算技术，求得风机群组的最佳耗电设定值，再回传至该供电装置的控制单元，以调整各对应的至少一个以上的直流调压单元的输出端电压，使风机调整转速，达成满足需量控制条件的最佳化节能控制。

6.根据权利要求1所述的变速风机群组供电装置，其特征在于，该直流调压单元为一直流转直流的转换器，具有电能计量的电路模块。

7.一种变速风机群组供电装置的能源管理方法，其特征在于，包括：一具功率因数修正功能的整流转换单元、一直流稳压单元、一控制单元、一输入单元、一通信单元、至少一个以上具电能计量功能的直流调压单元与至少一个以上的变速风机；

其中，该控制单元存取该输入单元设定的需量上限与该至少一个以上直流调压单元的优先权信息与该至少一个以上直流调压单元的电能计量信息；

该控制单元搭配一修正优先权计算方法，计算出该至少一个以上直流调压单元的修正后耗电设定值；

该计算方法包括：该输入单元设定的各直流调压单元优先权a1,a2,…an，设定的需量上限Pupp；

该控制单元存取该至少一个以上直流调压单元耗电计量信息P1，P2，……，Pn与总和耗电Psum：Psum=P1+P2+…+Pn；

该控制单元计算各修正优先权b1，b2，……，bn；并计算修正优先权总和bsum：bsum=b1+b2+…+bn；

$b1=a1\×\left(\frac{P1}{\mathrm{Psum}}\right),b2=a2\×\left(\frac{P2}{\mathrm{Psum}}\right),\·\·\·\·\·\·,\mathrm{bn}=\mathrm{an}\×\left(\frac{\mathrm{Pn}}{\mathrm{Psum}}\right)$

该控制单元计算该至少一个以上直流调压单元修正后，耗电设定值P1’至Pn’，

${P1}^{\′}=P1-\left(\frac{b1}{\mathrm{bsum}}\right)\×(\mathrm{Psum}-\mathrm{Pupp}),\·\·\·\·\·\·,{\mathrm{Pn}}^{\′}=\mathrm{Pn}-\left(\frac{\mathrm{bn}}{\mathrm{bsum}}\right)\×(\mathrm{Psum}-\mathrm{Pupp})$

该修正后耗电设定值回传至该供电装置的控制单元，该控制单元依转速与耗电的关系将耗电设定值换算成该至少一个以上直流调压单元输入至风机马达的直流端电压值，并控制该至少一个以上直流调压单元输出此直流端电压至变速风机的驱动器，使变速风机达成符合需量控制的运转。

8.根据权利要求7所述的变速风机群组供电装置的能源管理方法，该至少一个以上直流调压单元优先权a1，a2，……，an为正整数，该修正优先权b1，b2，……，bn为正实数。

9.根据权利要求8所述的变速风机群组供电装置的能源管理方法，其特征在于，该整流转换单元为一交流转直流并具功因修正的整流器，该直流稳压单元为一直流转直流的转换器。

10.根据权利要求7所述的变速风机群组供电装置的能源管理方法，其特征在于，该输入单元为一能够接受手动输入的界面，该控制单元为一微处理器，该通信单元为符合标准通信协定的通信界面。

11.根据权利要求10所述的变速风机群组供电装置的能源管理方法，其特征在于，该输入单元为键盘、鼠标或触控屏幕的一种。

12.根据权利要求10所述的变速风机群组供电装置的能源管理方法，其特征在于，该通信单元为RS232、RS485、Ethernet、ZigBee或Wi-Fi其中的一种。

13.根据权利要求7所述的变速风机群组供电装置的能源管理方法，其特征在于，该至少一个以上直流调压单元为一直流转直流的转换器，具有电能计量的电路模块。

14.一种变速风机群组供电装置的能源管理方法，其特征在于，包括：一具功率因数修正功能的整流转换单元、一直流稳压单元、一控制单元、一输入单元、一通信单元、至少一个以上具电能计量功能的直流调压单元与至少一个以上的变速风机；

其中，该控制单元存取各直流调压单元输出的计量电能与总和输出电能等信息，并将该信息藉该通信单元传送至远端能源管理系统，并接收依远端能源管理系统以最佳化演算求得的各风机最佳修正后耗电设定值至该控制单元；

该控制单元依转速与耗电的关系将该修正后耗电设定值换算成各直流调压单元输入至该变速风机马达的直流端电压值，并控制该至少一个以上的直流调压单元输出此直流端电压至变速风机的驱动器，使变速风机达成符合能源管理系统最佳化演算方法的控制运转。

15.根据权利要求14所述的变速风机群组供电装置的能源管理方法，该整流转换单元为一交流转直流并具功因修正的整流器，该直流稳压单元为一直流转直流的转换器。

16.根据权利要求14所述的变速风机群组供电装置的能源管理方法，其特征在于，该输入单元为一能够接受手动输入的接口，该控制单元为一微处理器，该通信单元为符合标准通信协定的有线或无线通信界面。

17.根据权利要求16所述的变速风机群组供电装置的能源管理方法，其特征在于，该输入单元为键盘、鼠标或触控屏幕的一种。

18.根据权利要求16所述的变速风机群组供电装置的能源管理方法，其特征在于，该通信单元为RS232、RS485、Ethernet、ZigBee或Wi-Fi其中的一种。

19.根据权利要求14所述的变速风机群组供电装置的能源管理方法，其特征在于，该至少一个以上的直流调压单元为一直流转直流的转换器并具备电能计量的电路模块。

20.根据权利要求14所述的变速风机群组供电装置的能源管理方法，其特征在于，该最佳化演算方法为梯度法、模拟退火法、基因演算法、或模糊演算法。