CN106660461A - 用于能量存储充电站的功率控制的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

系统包含具有处理器和通信接口的控制单元。通信接口配置成与一个或更多个充电站进行通信，充电站电耦合成接收来自配电网的电功率并且配置成选择性地为连接到充电站的一个或更多个能量存储装置充电。处理器配置成生成第一控制信号以便通过通信接口传递到一个或更多个充电站，以控制无功和/或有功功率从充电站到配电网的传递。控制信号至少部分基于电耦合到配电网的一个或更多个电机的负载循环简档而生成。

Description

用于能量存储充电站的功率控制的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年6月20日提交的美国临时申请序列号62/014807和2014年6月20日提交的美国临时申请序列号62/014793的权益，两个申请通过引用全部结合于本文中。
技术领域
本发明的实施例一般涉及电动车辆的充电。其它实施例涉及用于配电网，特别是诸如在矿井或制造设施中的本地配电网的控制系统。
背景技术
电动车辆通常使用一个或更多个牵引马达用于推进。在一些此类车辆中，电能存储在诸如电池或超级电容器的车载能量存储装置中，并且被馈送到逆变器，其中，直流(DC)功率被转换成交流(AC)功率。随后，AC被馈送到驱动车辆的轮的多相（通常为3相）AC马达。电动推进在包含地下采矿车的材料运输车辆中正变得越来越普遍，替代柴油动力车辆以便符合环境和安全规则，降低排放和改进矿井空气条件。
然而，电动车要求对车载能量存储装置进行定期充电。虽然一些电动车利用可移式电池组，该电池组在它们达到低电荷状态时被换出，但其它电动车具有永久性固定到车辆，并且要求到电功率的供应的连接用于再充电的能量存储装置。在任一情况下，在矿井或其它工业设施中，将车辆和/或能量存储装置移到设施外用于充电可能是不现实的。因此，设施可装配有充电站，其连接到设施的配电系统用于接收电功率的供应用于为电动车能量存储装置充电。
从功率供应角度而言，矿井和其它工业设施中的操作呈现了独特的挑战。例如，矿井通常装配有本地配电系统，其连接到公用事业电网和/或本地发电设备。本地配电系统提供用于照明、通风设备、采矿设备和机械及诸如此类的功率。例如，配电系统可用来供应功率到已知呈现大的电气负载的拉铲挖掘机、电铲（例如，电矿铲）、连续采煤机及其它机械或电气装置。
实际上，由于分配系统上的许多负载是大的马达负载，在启动期间经常存在大的涌入电流。除大的负载摆动外，这些负载在其被关闭或开启时能够形成大的阶跃变化。在本地配电系统是弱的时，例如在它通过长传输线连接到主电网，或者是微电网的一部分时，本地系统在要求的时间内管理这些大的负载阶跃的能力明显更小，导致电网不稳定。即使在强连接电网中，此类大的负载摆动对于正常电网操作也是不利的，并且能够导致保护性装置的损害跳闸和电气设备上的过度磨损。
此外，关于到采矿机械的配电，在此种采矿设备和机械现场在矿井内需要无功功率。然而，机械的大的电马达的频繁间歇性操作可造成跨在电气变电站（其形成本地分配系统的一部分）与机械之间长的馈线电缆的电压降。相应地，保持适当的电压是采矿工业中更具挑战性问题之一，并且从到采矿操作的功率输送的角度而言，经常是对矿井扩大的主要约束。这是由于马达生产率和寿命均随降低的电压而降低的事实。在某些情况下，保持最小可接受电压组确定了最大可允许电缆长度，并且因此，确定了矿井的最大物理范围。
发明内容
在实施例中，系统（例如，功率控制系统）包含具有处理器和可操作耦合到处理器的通信接口的控制单元。通信接口配置成与一个或更多个充电站进行通信，充电站电耦合成接收来自配电网的电功率并且配置成选择性地为连接到充电站的一个或更多个能量存储装置充电。例如，充电站可以是电动车充电站，并且能量存储装置可以是电动车电池。控制单元的处理器配置成生成第一控制信号以便通过通信接口传递到一个或更多个充电站，以控制无功和/或有功功率从充电站到配电网的传递。至少部分基于电耦合到配电网的一个或更多个电机（例如，与充电站不同的负载）的负载循环简档(profile)，生成控制信号。负载循环简档可包含调度电机从配电网汲取电功率的一个或更多个时间（例如，时间段或一天的时间）和在那些时间汲取的预计或指定的一个或多个电功率的量值的信息。备选地或另外地，负载循环简档可包含在一个或更多个电机是操作的时预计一个或更多个电机从配电网汲取的功率量的信息。
附图说明
参照附图，阅读下面非限制性实施例的描述将更好地理解本发明，其中下面：
图1是根据本发明的实施例的充电站的示意说明和框图。
图2是图示在未使用补充电池能量存储装置的电动车的充电期间的充电分布的曲线图。
图3是图示在利用图1的具有补充电池能量存储装置的充电站的电动车的充电期间的充电分布的曲线图。
图4是根据本发明的实施例，用于控制来自能量存储充电站的有功功率和无功功率的系统的示意图。
图5是根据本发明的实施例的图4的系统的充电站的示意说明和框图。
图6是根据本发明的实施例的图4的系统的控制单元的框图，图示用于提供有功功率控制的其控制体系结构。
图7是根据本发明的实施例的图4的系统的控制单元的框图，图示用于提供无功功率的其附加的控制体系结构。
图8是控制单元和系统的另一实施例的框图。
具体实施方式
下面将详细参照本发明的示范实施例，其示例在附图中图示。在任何可能的情况下，在图形通篇中使用了相同的参考数字表示相同或相似的部分。虽然本发明的方面结合材料运输车（例如，地下或地上采矿车）描述和图示，但实施例更普遍适用于电动车和其它电气机械。另外，虽然实施例在本文中结合在矿井或其它工业设施内的配电系统描述和图示，但其它实施例通常适用于任何类型的电网或微电网。
如本文中使用的，“电连接”、“电气通信”和“电耦合”意味着直接或间接连接的参考的元素，使得电流或功率可从一个流到另一个。连接可包含直接传导连接（在没有中间电容、电感或有源元素）、电感连接、电容连接和/或任何其它适合的电气连接。中间组件可存在。如本文中使用的，“电机”意味着电动的机器。“离散”电机是个别分开和截然不同的电机，例如，它可作为单个单元从一个位置移到另一位置，和/或经一个连接可连接到配电网。（从配电网的角度而言，离散电机的功率汲取是由那一个机器从电网汲取或反馈到电网的功率，不同于例如在不同点处附接到电网的多个电机的集中或累积功率汲取。）此类离散电机的示例包含但不限于拉铲挖掘机、电铲（例如，电矿铲）和连续采煤机。“电动车”包含只基于存储的电功率（无车载引擎）运行的车辆和基于存储的电功率运行并且另外包含用于电池充电的车载引擎，直接供电马达或诸如此类的混合车辆。
本发明的实施例涉及用于耦合到诸如在矿井或其它工业设施中的本地配电网以便提供电网支持的充电站的功率控制系统。在一个示例中，系统包含具有处理器和可操作耦合到处理器的通信接口的控制单元。通信接口配置成与电耦合成接收来自配电网的电功率的一个或更多个充电站进行通信。控制单元可以是充电站中的一个的一部分（例如，容纳在充电站的壳体中），或者它可以是远离任何充电站的集中单元。充电站配置成选择性地为连接到充电站的一个或更多个能量存储装置进行充电。（“选择性地”意味着在不同时间可控地，使得可存在其中能量存储装置电耦合到充电站但不充电的实例。）充电站可以是电动车充电站，并且能量存储装置可以是电动车电池。控制单元的处理器配置成生成第一控制信号以便通过通信接口传递到一个或更多个充电站，以控制无功和/或有功功率从充电站到配电网的传递。（在实施例中，仅控制无功功率。在另一实施例中，仅控制有功功率。在另一实施例中，两者均受控制。）至少部分基于电耦合到配电网的一个或更多个电机（例如，与充电站不同的负载）的负载循环简档，生成控制信号。负载循环简档可包含调度电机从配电网汲取电功率的一个或更多个时间（例如，时间段或一天的时间）和在那些时间汲取的预计或指定的一个或多个电功率的量值的信息。备选地或另外地，负载循环简档可包含在一个或更多个电机是操作的时预计一个或更多个电机从配电网汲取的功率量的信息。也就是说，即使机器具有未知或随机工作循环，控制单元也将从负载循环简档知道在机器是操作的时预计汲取的功率量（即，作为操作时间的函数的预计的功率汲取），从而允许控制单元响应于检测到机器已变成或将变成操作的，或者接收相同的信息（例如，来自传感器）而相应地做出反应。
以这种方式，根据本发明的方面，控制单元配置成控制充电站以便可用来在预计的高负载和/或负载瞬态的时间传递功率（例如，从连接到充电站的电动车能量存储装置）到配电网。这对于稳定支持较小数量的大型功率汲取（例如，每个1到10兆瓦）负载的本地配电网（例如，在矿井或其它工业设施中）可以是特别有用的。
图1示出根据本发明的实施例的电动车充电站10。充电站10包含通常可为矩形或另外的壳体12。壳体12可由钢或另一金属制成，但如下文详细讨论的一样，任何其它稳固的结构可用来容纳充电站的内部组件。在实施例中，壳体12是防爆外壳，意味着它满足国际电子技术委员会(IEC)和/或美国劳工部矿山安全与健康管理局(MSHA)的防爆外壳标准。站10通过供应线14电连接到AC功率的供应，并且包含用于到电动车13的连接以便为其充电的充电线16。在实施例中，供应线14将站10连接到在矿井或另外内的配电网15（即，配电系统或网络），配电网15又可连接到主功率网和/或本地发电设备。在实施例中，充电线16是能够将电功率从充电站10传送到耦合的电动车或其它设备的传导电缆。在其它实施例中，充电线16可替换将AC功率传递到电动车的无线部件，例如技术领域中熟知的无线部件。
进一步参照图1，电动车充电站10也包含用于电气安全、通信、控制及诸如此类的多种系统块。如本文中使用的，“块”表示配置成执行指示的功能的特定的一个或多个组件/和或装置。具体而言，充电站包含控制块18、通信块20、电气开关22、显示器24及网络通信装置26。充电站也可包含控制单元28。在实施例中，控制单元28是控制块18的一部分。备选地或另外地，控制单元28能够囊括和/或包括充电站的其它部分。如本文中详细讨论的一样，控制单元28配置成控制电能从充电站10到连接的电动车（或其它设备）的分配和/或诸如存储在连接的电动车的能量存储装置中的电能回到配电网的传递。控制块18可配置成保护充电站10和连接的一个或多个车辆免于电气损坏。为此，控制块18也可包含具有电路断路器阵列、熔丝和/或用于接地故障保护和过载保护监测的其它组件的控制板。
在实施例中，通信块20配置成与要充电的电动车建立通信链路。此类通信链路的目的是要提供到车辆的高带宽链路以便交换关键或另外的信息。在实施例中，在通信块20与车辆13之间的通信是有线连接，但也设想了诸如无线的其它类型的通信。关键信息可包含健康监测数据、关键系统软件/固件的上载和/或与矿井或另外内车辆性能有关的物流信息。通信块20的通信链路也用来识别适当车辆或设备的存在，并且评估在当时通过充电站10到耦合的车辆（或从车辆到充电站）能够提供的最大电流汲取。
电气开关22负责来往于电动车的AC功率的基本开启和关闭切换。具体而言，开关能够选择性地从在其中阻止AC电功率从充电站10流到连接的电动车的第一状态转变到在其中准许AC电功率从充电站10流到连接的电动车以便为车辆车载的能量存储装置充电的第二状态。在实施例中，电气开关22是接触器。在实施例中，在充电站22与车辆之间建立电气通信时，电气开关22配置成自动转变到第二状态。在其它实施例中，可手动激活电气开关。
显示器24包含一个或更多个电控制的视觉指示符，例如显示屏幕、LED阵列和/或诸如此类。显示器配置成向用户传达操作信息（例如，充电状态）。例如，显示器24可配置成传达站10是否在正常运转或在故障状态中以及车辆充电是否是完成的或进行的。
网络通信装置26配置成提供从站10到另一位置的通信路径，例如从站设置在其中的矿井或其它工业设施到设施外或到矿井或其它设施中的另一位置。例如，通信装置26可以是能够通过VHF或UHF（用于现有泄漏馈线系统）传送和/或接收信息的无线收发器。在其它实施例中，网络通信装置26提供用于通过WiFi在充电站10与远程位置之间的通信。
控制单元28配置成控制电能从充电站10到连接的电动车或设备的分配。相应地，在实施例中，控制单元18可根据在存储器中存储的控制算法以及依赖于从通信块接收的有关车辆或设备的信息来操作以运行特定于要充电的车辆或能量存储单元的充电例程。此外，控制单元28可配置成响应SCADA命令以调节充电或暂停/中止充电。
进一步参照图1，充电站10也可包含车载能量存储装置30。车载能量存储装置30能够是诸如电池、超级电容器及诸如此类的大量已知能量存储系统的任何一个或更多个，并且可使用由站10经由供应线14接收的电功率的供应进行充电。能量存储装置30配置成在控制单元28的控制下释放存储的电能到连接的车辆或设备，以补充来自主供应线14的电能的主要供应。相应地，能量存储装置30配置成充当缓冲器以降低在另外情况下将置于配电网15上的总峰值负载。
参照图2和3，示出能量存储装置30的“平滑”效应。具体而言，图2是图示在电动车利用不具有补充电池能量存储装置的充电站10的充电（由充电分布曲线下的区域110表示）期间在配电网上的功率汲取的曲线图100。如图中所图示的，在充电开始的时刻112，存在功率汲取中的大的瞬间激增，并且在充电结束或终止的时刻114，存在功率汲取的大的瞬间下降。如将容易领会的一样，在车辆/设备充电期间的这些大的尖峰瞬态功率流增大了在上游电网组件上的压力，并且在整体上能够降低配电系统的完整性。
图3是图示充电站10的实施例的补充能量存储装置30的平滑效应的曲线图200。连接的电动车或设备的其它块机械的充电由区域210表示。如图中所示,通过供应除来自供应线14的主要功率外的补充功率，能量存储装置30运转以使充电分布的边缘平滑。具体而言，在车辆连接到充电站10时，车载能量存储装置30提供补充电能以防止如通过212的斜度表明的在配电网上的此种大的瞬间汲取。此外，在充电完成时，能量存储装置30自动重新充电（由区域214表示），其运转以防止由充电站10的功率汲取中的瞬间下降。如图中所示，在电动车充电完成时为能量存储装置30再充电运转以如通过线216表明的使充电分布的后端处的曲线平滑。
因此，本文中描述的充电站的实施例提供用于电动车和设备的所特制（tailored）和受控的充电，同时最小化对诸如矿井内配电网的更大功率网的影响。站10可以是制造成本低和/或便携式的自包含单元，使得它能够选择性地定位在矿井或其它设施内。而且，站可被配置以便承受矿井或类似工业设施的恶劣环境，并且可以防爆，使得它适应供在煤矿应用中使用。如上讨论的一样，在实施例中，站包含集成/车载能量存储装置，其有助于使充电站的功率分布平滑，并且有助于上游电网组件处理在充电期间由电动车造成的大的尖峰瞬态功率流。
图4显示用于控制来自电连接到配电网的一个或更多个充电站的有功功率的系统300的实施例。如下文讨论的一样，通过控制来自充电站的有功功率，系统300能够提供电网支持到配电网。虽然系统300的实施例在本文中描述为与矿井内的配电系统集成在一起，但系统300对于任何装置或设施能够提供有功功率支持到任何类型的电网或微电网。因此，除非另有指定，系统300不意图限于采矿应用。
如图4中所示，系统300包含一个或更多个充电站316、318、320和本地配电网312，它们可操作地设置在电机操作所处的矿井或其它设施314中。一个或更多个充电站316、318、320电连接用于来往于配电网312传递电功率。配电网312电连接到功率源310，功率源可包含或甚至排他地包括本地发电设备（例如，燃料电池、发电机、太阳能电池阵或风力涡轮机或诸如此类）。备选地或另外地，功率源可包含到公用事业电网的连接。配电网312可包含供应功率到充电站和灯、通风设备、采矿或其它工业机械和设备和/或其它电机319的电气电缆的网络。充电站316、318、320可选择性地连接到电动车或其它机械的诸如电池322、324、326的可再充电能量存储装置，以便选择性地为其充电。如本文中使用的，“选择地连接”意味着能量存储装置不是始终连接到充电站，使得在某些时间段期间，能量存储装置与充电站电连接地放置用于充电，并且在其它时间段期间，能量存储装置未连接到充电站，例如在其中容纳能量存储装置的车辆由于车辆移动而远离充电站时。虽然图4图示三个充电站，但系统300可包含更多或更少的充电站。
也如图4中所示，系统300还包含电耦合到至少配电网312和/或充电站316、318、320并且与其进行通信的控制单元328。控制单元也可电耦合到功率源310或其元素并且与其进行通信。（例如，如果功率源包含本地发电机，则控制单元可电耦合到发电机，用于接收来自传感器和/或发电机的车载控制器的发电机的操作信息。）在实施例中，控制单元328是集中控制单元，其可本地位于设施314内，或者可远离设施314放置。如本文中使用的，“集中的”意味着控制单元远离充电站316、318、320的车载控制单元，但其以另外方式配置成与一个或更多个充电站进行通信以便个别和/或集体协调充电站的网络的操作。在其它实施例中，控制单元328可容纳在充电站316、318、320中的一个内。在其它实施例中，预期控制单元328可以是多个协调的控制单元，每个容纳在充电站316、318、320的相应一个内。
充电站316、318、320配置成选择性地为相应电动车或其它机械（在此视图中未示出）车载的能量存储装置322、324、326充电。在其它实施例中，充电站另外或备选配置成为用于电动车的暂时在车辆外的能量存储装置充电（例如，去除能量存储装置用于充电）。参照图5，示出示范充电站316的内部体系结构。（诸如充电站318、320的其它充电站的内部体系结构可实质上是相同的。）如图所图示，充电站316包含其中包含功率转换电路系统的功率转换块330和包含控制电路系统的控制块332。功率转换块330在输入端处电连接到矿井或其它设施314的配电网312，并且在输出端处电连接到电动车电池322（存在且被连接时），并且包含转换器334、驱动器336和DC/DC转换器338。控制块332包含接口340、本地控制单元342和感测电路系统344。控制单元342通过接口340电耦合到功率转换块330的组件，并且配置成控制功率转换块330的组件。
如图5所示，感测电路系统344与车辆电池322进行通信，并且接收来自车辆电池322或关于其和来自配电网312的信息，以及将此信息中继到本地控制单元342。另外，感测电路344系统监测电功率从配电网312到充电站及从充电站316到配电网312的流动和电功率从充电站316到任何连接的车辆电池322及从车辆电池322到充电站316的流动。如将容易领会的一样，所有此信息可传递到本地控制单元342，并且随后传递到控制单元328以便提供用于充电站的网络的总体控制，如下面详细讨论的一样。
在实施例中，备选地或另外地，整体或部分配置充电站316、318、320，象如上所述和如图1中图示的充电站10一样。
如图6中所示，在实施例中，控制单元328包含负载评估块346、容量评估块348、选择块350及分派块352。通过负载评估块346，控制单元328配置成确定配电网312上由于采矿设备或其它电机的启动、关闭和/或持续操作而造成的实际或预计的负载以及由电网312供应的功率是否能够适当地满足负载要求。具体而言，在实施例中，控制单元328配置成依赖于多个负载评估参数，进行实时负载评估。负载评估参数可包含来自配电网312的电气供应的测量的电压、电流、功率和/或频率的一项或更多项、历史负载数据和/或网络模型。
在实施例中，历史负载数据和网络模型可表示在设施内实际和预计的电气负载的数量和大小，并且可包含与在电机的启动和关闭期间的实际和预计的涌入电流和阶跃变化有关的数据。在实施例中，历史数据可以是包含但不限于发电机或负载的个别电机的电压、电流、频率和功率的瞬间值，或在诸如馈线头或接线盒的共用测量点或配电网中的任何其它点处的集合测量的瞬间值。
在实施例中，通过容量评估块348，控制单元328也配置成确定网络充电站316、318、320的容量，以提供有功功率支持到配电网312。具体而言，控制单元328配置成确定充电站的容量以依赖于从每个充电站316、318、320接收的多个容量评估参数/信息，提供有功功率网支持。在实施例中，容量评估参数可包含与分别连接到充电站316、318、320的每个电池322、324、326（及其关联电动车）的充电分布有关的信息和数据、负载循环简档、资产信息、每个电池322、324、326的状态和/或用于不同电动车的操作的概念。
进一步参照图6，在选择块350中，控制单元328配置成选择在可行的情况下要由系统300利用充电站316、318、320或有功功率控制的组合执行的控制/电网支持的类型。在实施例中，控制/支持的类型可包含负载斜变调节(load ramp regulation)、发电机斜变调节及频率调节。另外，控制单元328配置成控制充电站以提供补充备用功率支持和/或紧急功率支持，如下面详细讨论的一样。在实施例中，根据当前操作条件或者如由操作员或另一控制输入确定的，能够在控制选择期间对某些有功功率控制相对于其它进行优先考虑。
此外，通过功率分派块352，控制单元328配置成向一个或更多个充电站316、318、320发出控制信号，以提供由选择块350选择的特定类型的支持。在实施例中，控制信号包含传递到一个或更多个充电站316、318、320的本地控制单元342的有功功率设置点。
在操作中，在实施例中，为提供有功功率支持到配电网，控制单元328首先依赖于从功率源310到配电网312的电气供应的电压、功率、频率和/或电流测量的一项或更多项、用于电网312的历史负载数据及网络模型，进行实时负载评估。控制单元328随后确定哪些充电站具有与其连接（并且因此能够提供有功功率）的电池或其它能量存储装置和此类充电站的容量以依赖于电池322、324、326的充电分布、负载循环简档、资产信息及每个电池322、324、326的状态，提供有功功率。一旦容量已被确定，控制单元328便选择要执行的控制类型，例如负载斜变调节、发电机斜变调节、频率调节，从而提供补充备用功率和/或提供紧急功率。在选择控制类型时，控制单元328将包含对应于选择的控制类型的有功功率分派命令的控制信号传递到在其中运行命令的一个或更多个充电站316、318、320。
具体而言，在接收来自控制单元328的有功功率命令时，一个或多个充电站内的本地控制单元342控制电功率的流动以提供电网支持。具体地说，在接收来自控制单元328的命令时，本地控制单元中断连接的电池（如果电池当前在充电）的充电分布，以便提供有功功率输出（即，从充电站316到配电网312）。
根据上述，本发明的系统300经由充电站316、318、320执行从一个或更多个充电站到诸如矿井或其它设施内的配电网312的连接的电网的有功功率输出的控制。如讨论的一样，基于要执行的控制的实际类型和连接到系统300中充电站316、318、320的能量存储装置的总数，计算有功功率命令。
结合上述，系统的实施例配置成提供用于负载斜变调节及频率调节。采用负载斜变调节，充电站的斜变率(ramp rate)只受连接到充电站的能量存储装置的大小及其相应充电状态限制。通过控制来自充电站的有功功率输出，充电站能够适当地满足负载，由此允许到矿井或其它设施的主电力的供应（例如来自主功率网或用于微电网的本地发电源）以便以更小有压力的速率斜升。类似地，关闭大的电力负载导致负阶跃，使得主功率源斜降。在实施例中，充电站能够用来防止系统加载中的此类频繁阶跃变化，由此延长电力供应设备的操作寿命。
关于发电机斜变调节，无论何时存在负载功率中的变化，现场发电机将通常修改其输出功率以匹配变化。然而，由于象当前操作点、失去一个或更多个发电机、发电机惯性、设计限制等因素，发电机可能不能满足此变化。在实施例中，到连接的能量存储装置的可用到的容量程度，控制单元328能够在满足这些负载变化中增大发电机。控制单元328也能够持续执行此操作以阻止发电机经常改变其输出设置点，从而允许更有效地操作它们。
关于补充备用功率，为计及负载可变性和电力供应设备的停用（因此改进的可靠性），在现场发电机和电气设备容量上保持了一定量的峰值储备(head room)，从而导致降低的效率。能够将此类备用或裕度降低用于连接到充电站的能量存储装置的能量存储的可用到的容量量。
关于紧急功率，在实施例中，在部分或完全电网停用的情况下，控制单元328能够用来提供紧急功率，其能够用于启动现场发电机和保持关键负载运行。
在某些高功率电机（例如，包含极大电马达的电机）中，例如有时在例如矿井和其它工业设施中发现的那些电机中，情况可能是在机器的工作循环中存在相当大部分的再生，从而导致从机械到配电网中的电能反馈。在实施例中，充电站316、318、320可用来通过吸收过多的有功功率到连接的电池322、324、326中，调节这些反馈。如将容易领会的一样，借助于通过连接到相应的充电站316、318、320的电池322、324、326的充电/放电来补偿负载中的阶跃变化，这些负载阶跃对公用事业电网（本地配电网或主供应电网）或微电网资产的净效应得以最小化，并且可实质上得以消除。
另外，虽然通常在无同步本地发电的情况下，不为分配电网执行频率调节，但系统300的充电站316、318、320能够通过响应于负载的变化而为连接的电池322、324、326充电或放电，由此调节电网频率并且使其保持在可接受限制内，在此操作方面中帮助电网。如将容易领会的一样，通过允许本地发电设备在其最佳点处，而不是不太有效的负载跟踪操作模式操作，这也有助于更有效地操作本地发电设备。
如将领会的一样，在实施例中，系统300利用连接到网络充电站的能量存储装置用于电网支持，并且具体而言用于电网上的频率支持，以及支持连接到电网的采矿机械或其它电机的斜变率。因此，系统300最小化了由于通过在矿井配电系统中通常遇到的大阶跃变化而施加的陡斜变率造成的发电资产上的磨损。通过利用在操作电动车的矿井或其它设施中的现有充电站，能够降低或消除由负载变化、阶跃变化、功率反馈及诸如此类产生的分配电网的现有弱点。
在实施例中，设想了系统的实施例可利用一个或一组网络充电站（及其关联连接的电池或其它能量存储装置）针对其它能量存储设备的快速充电进行缓冲。如有必要，能够在充电站处安装附加的电池以支持此功能。
在实施例中，除有功功率控制外，系统300也可配置成提供无功功率到配电网。具体而言，参照图7，控制单元328可另外如图中所示配置成提供无功功率。与此相结合，控制单元328可另外或备选包含电压/无功功率评估块354、无功容量评估块356及分派块358。
与此实施例相结合，通过电压/无功功率评估块354，控制单元328配置成确定在任何给定时间在配电网312的分配线中存在的电压和/或无功功率。具体而言，控制单元328配置成依赖于多个无功功率参数，为配电网312进行实时电压和无功功率评估。如本文中使用的，“实时”表示在操作期间对于任何特定时刻的分配系统参数的监测和评估，其中，评估具有通常在用于所述电气系统的可接受规范内的延迟，因为在实际与评估的参数之间的任何可感知的差别是最小和容许的。在实施例中，无功功率参数可包含从功率源310到分配电网312（以及在分配312内）的电气供应的测量的电压、电流和/或功率的一项或更多项、历史数据及网络模型。在实施例中，历史数据可以是包含但不限于发电机或负载的个别电机的电压、电流、频率和功率的瞬间值，或在诸如馈线头或接线盒的共用测量点处或配电网络中的任何其它点处的集合测量的瞬间值。在实施例中，历史数据和网络模型可表示在矿井（或其它设施或其它位置）内实际和预计的电气负载的数量和大小，并且可包含与跨分配电缆的实际和预计的电压和/或实际与预计的电压波动有关的数据。在另一实施例中，历史数据本身或与网络模型组合，能够用来预测被考虑在内用于确定无功功率分派的将来操作条件。
通过容量评估块356，控制单元328也配置成确定网络充电站316、318、320的容量，以提供有功功率支持到配电网络312。（无功功率支持可包含提供无功功率和/或接收/吸收无功功率。）具体而言，控制单元328配置成确定充电站的容量以依赖于从每个充电站316、318、320接收的多个无功容量评估参数和/或信息，提供有功功率支持。在实施例中，无功容量评估参数可包含与分别连接到充电站316、318、320的每个电池322、324、326（及其关联电动车）的充电分布有关的信息和数据、负载循环简档及发电设备和功率供应资产信息。
进一步参照图7，通过无功功率分派块358，控制单元328配置成向一个或更多个充电站316、318、320发出控制信号以提供无功功率支持。在实施例中，控制信号包含传递到一个或更多个充电站316、318、320的一个或多个本地控制单元342的无功功率设置点。在实施例中，无功功率设置点对应于配电网312上的预期终端电压，或者依赖于该电压而以另外的方式计算得出。如将容易领会的一样，不要求电池连接到充电站316、318、320以便站提供无功功率到配电网络。
在操作中，为提供无功功率到配电网，控制单元328首先依赖于从功率源310到分配电网312的电气供应的电压、功率和/或电流测量的一项或更多项、用于网络312的历史负载数据及网络模型，为配电网312进行实时无功功率评估。控制单元328随后确定网络充电站316、318、320的容量，以依赖于任何连接的电池322、324、326的充电分布、负载循环简档和发电资产信息，提供无功功率。一旦容量已被确定，控制单元328便向一个或更多个网络充电站316、318、320发出包含对应于需要的无功功率量的无功功率分派命令的控制信号，命令在充电站中运行。在实施例中，依赖于在负载点处的测量、预期无功功率需求、增大的负载需求和/或用于发电机的功率因素改进中的一个，计算无功功率命令。在实施例中，测量可以电压测量，但本发明不意图在这点上被如此限制，并且可包含任何其它类型的测量，例如功率、电流或频率测量。
在接收来自控制单元328（集中或以另外方式）的无功功率命令时，一个或多个充电站内的一个或多个本地控制单元342控制无功功率从充电站到分配电网312并且最终到连接到电网312的任何电动机械的流动。具体而言，在接收来自控制单元328的命令时，本地控制单元342根据确定的设置点从一个或多个充电站发起无功功率输出，以便优化或以另外方式控制到电机的无功功率流。
根据上述，经由充电站316、318、320，系统300可配置成通过控制从一个或更多个充电站到诸如矿井或其它设施内的配电网312的连接的电网的无功功率输出，执行电压控制。如讨论的一样，在实施例中，基于在配电网312上的预期终端电压，计算控制单元328的无功功率命令。
另外，经由充电站，本发明的系统300可配置成提供用于电压/无功功率管理，以便优化到矿井（或其它位置）内电气采矿机械（或其它电动机械）的无功功率（即，VAR）。在实施例中，不管电池是否连接到充电站，充电站能够通过根据需要吸收或供应无功功率而帮助电压调节。如将容易领会的一样，每个充电站能够供应的无功功率量仅受充电站内转换器（例如，逆变器）的大小限制。除在负载点处调节电压外，在实施例中，充电站也能够用来补偿在开启和关闭电气负载时由负载中的阶跃变化造成的电压暂降。
通过借助于从充电站供应无功功率，保持在负载点处的最小可接受电压，可延长马达生产率和寿命，超出关于现有系统是有可能的生产率和寿命。通过延长马达寿命，可整体增大机械的寿命和生产率。另外，通过为在矿井或其它设施内操作的电动采矿机械保持适当的电压，可扩展矿井或其它设施的物理范围，超过在此之前可能的范围（因为由于从充电站补充的无功功率，与以前可能的距离相比，功率能够输送到更远距离）。有利的是，本发明的实施例的系统利用在矿井装置或其它设施中可已经存在的能量存储充电站（用于操作电动车的矿井或其它设施），减轻了安装任何附加的系统或硬件的需要。
虽然系统300的控制单元328在上面已描述为包含在图6和7中图示的用于选择性地提供有功功率控制和无功功率的控制体系结构，但在某些实施例中，控制单元328可具有图6中图示的用于提供有功功率控制的体系结构或图7中用于提供无功功率的体系结构。在其它实施例中，系统可具有分别用于提供有功功率和无功功率控制的单独控制单元。
作为基于实时负载评估来控制充电站的备选或除其之外，在实施例中，参照图8，控制单元400配置成基于电耦合到配电网的一个或更多个电机408的负载循环简档406，生成用于配电网404的有功和/或无功功率支持的控制信号402。控制单元包含处理器410和可操作耦合到处理器的通信接口412。通信接口配置成与电耦合成接收来自配电网的电功率的一个或更多个充电站414进行通信。充电站配置成选择性地为连接到一个或更多个充电站的一个或更多个能量存储装置416进行充电。例如，能量存储装置可以是设置在或者配置成设置在电动车418中的电池。负载循环简档406可存储在与处理器关联的存储器单元420中。控制单元400可另外或备选包含诸如图1、6和7中示出和描述的组件。
在实施例中，负载循环简档406包含调度一个或更多个电机从配电网汲取电功率的一个或更多个时间（一天的时间和/或时间段或持续时间）和在一个或更多个时间由一个或更多个电机从配电网汲取的电功率的一个或更多个量值的第一信息。例如，负载循环简档可指示在给定的一天的时间调度第一电机开始操作，以在瞬态时间段内汲取10兆瓦的功率，并且随后在稳定状态操作时间段内汲取1兆瓦。在负载循环简档中可类似地表征其它电机。至少部分基于此信息（例如，实时负载评估数据也可被计算在内），控制单元400的处理器410配置成生成第一控制信号402用于通过通信接口传递到一个或更多个充电站，以控制有功功率或无功功率的至少一个从一个或更多个充电站到配电网404的传递。例如，对于给定一天的时间和预计的功率量值和持续时间，控制单元可生成控制信号以在该时间之前，控制充电站中止电动车充电操作（包含可能控制或调度车辆不与充电站分离），并且在该给定一天的时间，开始在所有或部分持续时间内传递功率到电网。（例如，情况可能是控制单元控制充电站仅在超过指定阈值的功率汲取瞬态内传递功率到配电网，并且在能够由功率供应稳定适应的稳态操作内不传递功率。）
在实施例中，电机408不是充电站，即，它们未配置成处理电功率用于为电动车或其它机器的能量存储装置充电。这反映了控制单元400配置成不但在其中充电站和类似的较小/稳定负载连接到电网的情况下，而且在其中具有大的功率汲取和瞬态（例如，对于给定机器，1兆瓦到10兆瓦或更多）的较大型离散电机连接到电网的情况下，例如可以是在矿井或其它工业设施中的情况，控制电网支持。
如所述的，在某些操作模式中，此类电机可将功率反馈/传递回到配电网404。相应地，在实施例中，另外地或备选地，负载循环简档406可包含调度一个或更多个电机408将电功率传递回到配电网的一个或更多个第二时间（一天的时间和/或时间段或持续时间）和在一个或更多个第二时间由一个或更多个电机传递回到配电网的电功率的一个或更多个量值的第二信息。控制单元400的处理器410还配置成至少部分基于第二信息，生成第二控制信号422用于通过通信接口412传递到一个或更多个充电站，以控制一个或更多个充电站采用从配电网汲取的电功率为一个或更多个能量存储装置416充电。例如，控制单元400可延迟或调度由充电站进行的充电，直至预计/调度电机408将功率反馈到电网的时间。
在其它实施例中，备选地或另外地，负载循环简档406可包含在一个或更多个电机是操作的时预计一个或更多个电机408从配电网汲取（或传递回到电网）的功率量的信息。这可计及其中不知道电机何时将开始操作的情况 。具体而言，控制单元可配置成检测或确定电机何时已变成操作的，或者将变成操作的。这可基于传感器数据（例如，由与电机可操作关联的传感器生成）和/或基于连接到电机的电网供应线上存在的电气信号的测量。例如，如果在电网供应线上的电气信号从零电流转变到某一非零电流，则这可指示电机开始操作。备选地或另外地，控制单元可接收诸如来自电机车载的控制器的电机已开始操作或者将开始操作的信息。（例如，如果机器操作取决于某些事件或条件的发生，则在确定此类事件或条件已发生时，除控制机器开始操作外，控制器还可与控制单元进行通信。）在操作中，控制单元将从负载循环简档知道在给定机器是操作的时预计从电网汲取（或反馈到电网）的功率量（即，作为操作时间的函数的预计的功率汲取或反馈），从而允许控制单元响应于检测到机器已变成或将变成操作的，或者接收相同的信息而相应地做出反应。例如，对于给定机器，如果负载循环简档指示在开始操作时，机器将在给定瞬态时间段内汲取1兆瓦，则在控制单元确定（或者接收信息）机器开始操作时，控制单元生成控制信号402以控制充电站414将功率从耦合到充电站的能量存储装置416传递到配电网404。对于生成控制信号422以支持从电机回到配电网的功率传递同样是真的。例如，如果负载循环简档指示在开始操作时，给定机器将在给定时间段内操作，并且随后在该时间段结束而关闭时将1兆瓦的功率传递回到电网，则在控制单元确定（或者接收信息）机器开始操作时，控制单元设置用于时间段的计数器，并且生成控制信号422以控制充电站在电机将传递功率回到电网时或在其之前开始能量存储装置充电。
在实施例中，控制单元借助于以太网网络或其它局域数据网络以通信方式与充电站和/或电机耦合。
虽然本文中阐述了基于每次汲取大约从1到10兆瓦的电电流的机器的负载循环简档来表征控制的实施例，但这不排除另外将小于此量的负载（即，大于或低于1兆瓦的负载）考虑在内的负载循环简档，或只将小于1兆瓦的负载考虑在内的负载循环简档。在一些实施例中，至少一些负载（机器）是1兆瓦或更多。
要理解，上述描述意图是说明的而不是限制的。例如，上述实施例（和/或其方面）可彼此组合使用。另外，在不脱离本发明范围的情况下，可进行许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。虽然本文中所述材料的尺寸和类型意图定义本发明的参数，但它们决不是限制的，而是示范实施例。在查看上面描述时，许多其它实施例对于本领域的技术人员将是显然的。术语“包含”和“其中”用作相应术语“包括”和“其中”的易懂的英语等效物。刺耳，术语“第一”、“第二”、“第三”、“上方”、“下方”、“底部”、“顶部”等只用作标签，并不意图对其对象强加数字或位置要求。
此书面描述使用包含最佳模式的示例公开了本发明的若干实施例，并且也允许本领域的技术人员实践本发明的实施例，包含制作和使用任何装置或系统并执行任何包含的方法。
如本文使用的，以单数叙述或以字词“一”或"一个"的元素或步骤应理解为不排除多个该元素或步骤，除非明确规定此类排除。此外，对本发明的“一个实施例”的引用不意图解释为排除也包含所叙述特征的附加实施例的存在。此外，除非明确相反地规定，否则，“包括”、“包含”或“具有”具有特定属性的元素或多个元素的实施例可包含不具有那个属性的附加此类元素。

Claims (29)

1.一种系统，包括：
控制单元，包括处理器和可操作耦合到所述处理器的通信接口，其中所述通信接口配置成与一个或更多个充电站进行通信，所述充电站电耦合成接收来自配电网的电功率，并且配置成选择性地为连接到所述一个或更多个充电站的一个或更多个能量存储装置充电，
其中所述控制单元的所述处理器配置成生成第一控制信号以便通过所述通信接口传递到所述一个或更多个充电站，以至少部分基于电耦合到所述配电网的一个或更多个电机的负载循环简档，控制无功功率或有功功率中的至少一个从所述一个或更多个充电站到所述配电网的传递。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述负载循环简档包含调度所述一个或更多个电机从所述配电网汲取电功率的一个或更多个时间和在所述一个或更多个时间由所述一个或更多个电机从所述配电网汲取的所述电功率的一个或更多个量值的信息。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述一个或更多个电机是与充电站不同的离散电机。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述一个或更多个电机是与充电站不同的离散电机，并且所述负载循环简档包含调度所述一个或更多个电机从所述配电网汲取电功率的一个或更多个时间和在所述一个或更多个时间由所述一个或更多个电机从所述配电网汲取的所述电功率的一个或更多个量值的信息。
5.如权利要求4所述的系统，其在所述一个或更多个时间由所述一个或更多个电机从所述配电网汲取的所述电功率的所述一个或更多个量值的每个是至少一兆瓦。
6.如权利要求1所述的系统，其中：
所述负载循环简档包含：调度所述一个或更多个电机从所述配电网汲取电功率的一个或更多个第一时间和在所述一个或更多个第一时间由所述一个或更多个电机从所述配电网汲取的所述电功率的一个或更多个量值的第一信息；以及调度所述一个或更多个电机将电功率传递回到所述配电网的一个或更多个第二时间和在所述一个或更多个第二时间由所述一个或更多个电机传递回到所述配电网的所述电功率的一个或更多个量值的第二信息；
所述控制单元的所述处理器配置成至少部分基于所述第一信息，生成所述第一控制信号；以及
所述处理器还配置成至少部分基于所述第二信息，生成第二控制信号以便通过所述通信接口传递到所述一个或更多个充电站，以控制所述一个或更多个充电站采用从所述配电网汲取的电功率为所述一个或更多个能量存储装置充电。
7.如权利要求6所述的系统，其中所述一个或更多个电机是与充电站不同的离散电机。
8.如权利要求7所述的系统，其中在所述一个或更多个第一时间由所述一个或更多个电机从所述配电网汲取的所述电功率的所述一个或更多个量值的每个和在所述一个或更多个第二时间由所述一个或更多个电机传递回到所述配电网的所述电功率的所述一个或更多个量值的每个是至少一兆瓦。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述系统设置在矿井中，所述一个或更多个能量存储装置配置用于在电动矿井车中的部署以便至少为车辆推进提供车载电功率，并且所述电机包括与所述电动矿井车不同的采矿设备。
10.如权利要求1所述的系统，其中所述控制单元的所述处理器配置成：
基于与所述配电网关联的电功率的电压测量、电流测量、功率测量或频率测量中的至少一个，进行所述配电网的实时负载评估；以及
进一步基于所述负载评估，生成所述第一控制信号。
11.如权利要求10所述的系统，其中所述控制单元的所述处理器配置成：
至少部分基于所述能量存储装置的一个或更多个充电分布，确定所述一个或更多个充电站的容量以将无功功率或有功功率的所述至少一个传递到所述配电网；以及
进一步基于确定的所述容量，生成所述第一控制信号。
12.如权利要求1所述的系统，其中所述控制单元容纳在所述一个或更多个充电站中的一个内。
13.如权利要求1所述的系统，其中：
所述一个或更多个充电站包括多个充电站；以及
所述控制单元是远离所述充电站定位的集中的控制单元。
14.如权利要求13所述的系统，其中每个充电站包含配置成接收来自所述集中的控制单元的所述第一控制信号，并且至少部分基于所述第一控制信号，向所述配电网传递无功功率或有功功率的所述至少一个的相应的本地控制单元。
15.如权利要求1所述的系统，其中所述控制单元的所述处理器配置成选择一个或更多个有功功率控制，并且生成用于所述一个或更多个充电站的所述第一控制信号以实现选择的所述一个或更多个有功功率控制，所述一个或更多个有功功率控制包含负载斜变调节、频率调节、发电机斜变调节、补充储备功率及应急功率。
16.如权利要求1所述的系统，其中所述负载循环简档包含在所述一个或更多个电机是操作的时预计所述一个或更多个电机从所述配电网汲取的功率量的信息。
17.一种系统，包括：
多个充电站，电耦合成接收来自配电网的电功率，并且配置成选择性地为配置成以可分离方式电耦合到所述充电站的多个能量存储装置充电，所述能量存储装置设置在相应电动车辆中以便至少为车辆推进提供车载电功率；以及
控制单元，包括处理器和可操作耦合到所述处理器的通信接口，其中所述通信接口配置成与所述充电站进行通信；
其中所述控制单元的所述处理器配置成生成第一控制信号以便通过所述通信接口传递到所述充电站，以至少部分基于电耦合到所述配电网的多个电机的负载循环简档中的第一信息，控制无功功率或有功功率的至少一个从所述充电站到所述配电网的传递；
其中所述处理器还配置成至少部分基于在所述负载循环简档中的第二信息，生成第二控制信号以便通过所述通信接口传递到所述充电站，以控制所述充电站采用从所述配电网汲取的电功率为所述能量存储装置充电；以及
其中所述一个或更多个电机是与充电站不同的离散电机。
18.如权利要求17所述的系统，其中：
所述第一信息包含调度所述电机从所述配电网汲取电功率的多个第一时间和在所述第一时间由所述电机从所述配电网汲取的所述电功率的量值；以及
所述第二信息包含调度所述电机将电功率传递回到所述配电网的多个第二时间和在所述第二时间由所述电机传递回到所述配电网的所述电功率的量值。
19.如权利要求18所述的系统，其中在所述第一时间由所述电机从所述配电网汲取的所述电功率的所述量值的每个和在所述第二时间由所述电机传递回到所述配电网的所述电功率的所述量值的每个是至少一兆瓦。
20.如权利要求17所述的系统，其中所述第一信息包含在所述一个或更多个电机是操作的时预计所述一个或更多个电机从所述配电网汲取的功率量的信息，并且其中所述第二信息包含预计所述一个或更多个电机传递回到所述配电网的功率量的信息。
21.如权利要求20所述的系统，其中所述一个或更多个电机每个配置成为在所述一个或更多个电机是操作的时预计所述一个或更多个电机从所述配电网汲取的功率量贡献至少一兆瓦，并且为预计所述一个或更多个电机传递回到所述配电网的功率量贡献至少一兆瓦。
22.一种采矿功率系统，包括：
设置在矿井中，如权利要求17所述的系统，其中车辆是电动矿井车，并且电机包括与所述矿井车不同的采矿设备。
23.一种方法，包括：
采用控制单元的处理器，生成第一控制信号用于控制无功功率或有功功率的至少一个从一个或更多个充电站到电耦合到所述一个或更多个充电站的配电网的传递，所述一个或更多个充电站配置成选择性地为连接到所述一个或更多个充电站的一个或更多个能量存储装置充电，其中，至少部分基于电耦合到所述配电网的一个或更多个电机的负载循环简档，生成所述第一控制信号；以及
采用可操作耦合到所述处理器的所述控制单元的通信接口，将所述第一控制信号传递到所述一个或更多个充电站。
24.如权利要求23所述的方法，其中所述负载循环简档包含调度所述一个或更多个电机从所述配电网汲取电功率的一个或更多个时间和在所述一个或更多个时间由所述一个或更多个电机从所述配电网汲取的所述电功率的一个或更多个量值的信息。
25.如权利要求23所述的方法，其中所述一个或更多个电机是与充电站不同的离散电机。
26.如权利要求23所述的方法，其中所述负载循环简档包含调度所述一个或更多个电机从所述配电网汲取电功率的一个或更多个时间和在所述一个或更多个时间由所述一个或更多个电机从所述配电网汲取的所述电功率的一个或更多个量值的信息，并且其中所述一个或更多个电机是与充电站不同的离散电机。
27.如权利要求26所述的方法，其中在所述一个或更多个时间由所述一个或更多个电机从所述配电网汲取的所述电功率的所述一个或更多个量值的每个是至少一兆瓦。
28.如权利要求23所述的方法，其中：
所述负载循环简档包含：调度所述一个或更多个电机从所述配电网汲取电功率的一个或更多个第一时间和在所述一个或更多个第一时间由所述一个或更多个电机从所述配电网汲取的所述电功率的一个或更多个量值的第一信息；以及调度所述一个或更多个电机将电功率传递回到所述配电网的一个或更多个第二时间和在所述一个或更多个第二时间由所述一个或更多个电机传递回到所述配电网的所述电功率的一个或更多个量值的第二信息；
至少部分基于所述第一信息，生成所述第一控制信号；以及
所述方法还包括：
采用所述处理器，至少部分基于所述第二信息，生成第二控制信号以控制所述一个或更多个充电站采用从所述配电网汲取的电功率为所述一个或更多个能量存储装置充电；以及
采用所述通信接口，将所述第二控制信号传递到所述一个或更多个充电站。
29.如权利要求23所述的方法，其中所述负载循环简档包含在所述一个或更多个电机是操作的时预计所述一个或更多个电机从所述配电网汲取的功率量的信息。
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