CN107425518A - 混合电力系统中的负载管理 - Google Patents

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Abstract

本文中描述的各种实施方案涉及用于使用开关设备管理连接到多个电源的多个负载的系统和方法。本文中描述的设备可以包含设计用于负载的快速和高效切换的多掷点开关。本文中描述的方法可以包含从一组负载中选择一个或多个负载以连接到一个或多个替代电源，并且选择一个或多个负载以连接到主(例如，公用)电网。

Description

混合电力系统中的负载管理
相关申请案的交叉引用
本申请案要求2016年5月24日递交的发明名称为“混合电力系统中的负载管理(Load Management in Hybrid Electrical Systems)”的第62/340,688号美国临时专利申请案 的优先权权益。本段中列出的专利和专利申请案以全文引用的方式并入本文中。
背景技术
一些电力系统可以具有多个电力源和电力负载特征。例如，住宅可以连接到公用电 网以及连接到逆变器，所述逆变器将来自光伏发生器或电池的直流电(DC)电力转换成交流电(AC)。在许多情况下，逆变器并不连接到电网。有时需要切换连接到负载的电 源。例如，可能需要在白天从逆变器为家用负载供电并且在晚上从网格为家用负载供电。 在一些情境中，逆变器引起的电力输出下降可能要求将一些负载从逆变器输出移到网 格。需要用以促进在将负载从一个电源切换到另一个电源时平稳转移的方法和设备。
发明内容
以下概述是仅出于说明性目的对本发明概念中的一些概念的简短概述，而并不意图 限制或约束本发明以及详细描述中的实例。所属领域的技术人员根据详细描述将认识到 其它新颖的组合和特征。
本文中的实施例可以采用方法、系统和设备在电源之间切换电力负载。
在包括一个或多个电力系统的说明性实施例中，一组电力负载可以可电连接到多个 电力源。例如，包括几十个电器的住宅可以可连接到电网外加一个或多个替代电源(例如，光伏发生器、电池、风车、燃料电池、飞轮等)。替代电源可以用作备用电源，以 确保在网格运转中断期间连续供应功率到负载。在一些实施例中，替代电源可以在常规 网格运行期间对网格进行补充。例如，替代电源可以供应电力到负载，并且在替代发电 不充分的情况下(即，当负载需要比替代电源所产生的功率更多功率时)，可以从网格 获取补偿功率。
在一些实施例中，替代电源可以可电连接到网格。替代电源与网格之间的电连接可 以使替代电源能够在超量替代发电期间(即，当替代电源产生比负载所消耗的功率更多的功率时)为网格输电。在一些实施例中，替代电源可以不电连接到或可以电连接到网 格，并且替代电源所产生的超量替代功率可以储存在储能装置(例如，电池、飞轮)上 或用于为额外负载供电。在一些实施例中，当替代电源并不连接到网格并且没有储能装 置可用时，额外负载可以连接到替代电源，从而增加所利用的产生功率。例如，系统可 经配置以在替代电源超量发电期间接通非时间关键负载(例如，洗衣机、烘干机、空调、 电动汽车和/或热水器)。在一些实施例中，如果没有额外负载可用，替代电源可以限制 于产生不超过负载所消耗的功率。
可以根据时间特定政策和位置特定政策以及关于替代电源的规定设计对连接到替 代电源的负载的管理。例如，在一些位置，当地公用事业机构可以对当地替代发电商支付上网电价。上网电价可以高于、低于或等于公用事业机构对从网格获取的功率收取的 费用。在这些位置，可盈利的做法是当替代电源产生比所连接负载所需的功率更多的功 率时将所述替代电源连接到网格。以此方式，网格可以用作负载，从替代电源获取功率。
在一些位置，当地公用事业机构可能不支付上网电价，这种情况下替代发电机所有 者并不因供应到网格的超量功率而受到补偿。在这些位置，当替代电源产生比当地负载所需的功率更多的功率时，可为有益的是将超量功率储存在储能装置(例如，电池或飞 轮)上用于后续消耗。在一个布置中，储存在储能装置上的超量功率可以后续用于自消 耗。在一些情况下，例如当储能装置不可用时，超量发电可以用于减少当地负载在稍后 的时间例如接通空调来使房屋降温、接通热水器、为电动汽车充电、或接通洗碗机或洗 衣机所需的功率。在另一布置中，可能需要减少替代电源所产生的功率以将发电匹配到 负载要求。例如，这在没有额外负载或没有储能装置可用时可为有利。
在一些实施例中，负载可以划分成多个更小负载，其中每个负载选择性地连接到电 网或替代电源。确定哪些负载连接到电网以及哪些负载连接到替代电源可以取决于当地 上网政策并且可以根据本文中公开的各种方法来实施。例如，在其中上网电价不存在或低于消耗来自网格的功率的成本的位置，可能需要连接负载以使从替代电源获取的功率达到最大从而用于自消耗或储存用于后续自消耗，但不超过替代电源所产生的功率。在 其中上网电价高于消耗来自网格的功率的成本但是可允许的上网功率有限的位置，可能 需要连接负载以使在不超过可允许的上网限制的情况下馈送到网格的功率达到最大。
可以使用各种算法方法以最佳方式将负载连接到不同电源。为简单起见，本文中公 开的描述假设上网电价(如果存在上网电价)低于从网格获取功率的成本，即，有益的是使替代电源所产生的用于自消耗的功率达到最大。应理解，这仅仅是说明性情境，所 属领域的技术人员可以修改相同的方法以逆转最优性标准(即，使馈送到网格的功率达 到最大)，并且修改的方法包含在本发明的范围内。
在一些实施例中，可以实施“穷举搜索”，其中可以选择所计算的负载的每个可能组 合的总消耗、对应于不超过连接到替代电源的替代电源发电的最高总消耗的一组负载，以及连接到网格的所有其它负载。在一些实施例中，可以频繁的间隔实施穷举搜索，例 如每秒一次，从而确保替代功率资源的最佳使用。在一些实施例中，负载的数目可能使 穷举搜索对于频繁的负载划分布置不可行。在这些实施例中，可以不那么频繁地实施穷 举搜索(例如，每五分钟一次)。另外或替代地，在这些实施例中，穷举搜索可以包含 更快的探试法，以更短的有规律的间隔划分电源之间的负载。在一些实施例中，发电或 负载电平的一个或多个变化可触发负载根据最优性标准的再分配。
根据说明性实施例，开关电路及其控制可以设计用于电源之间的负载的快速和高效 切换。一些实施例可以包含开关电路，所述开关电路包括一个或多个并联连接的开关装置。例如，可以使用多个并联连接的支路实施说明性单刀多掷(SPMT)开关。每个支 路可以包含与一个或多个继电器(例如，机电继电器和/或固态继电器)并联的晶体管(例 如，MOSFET-金属氧化物半导体场效应晶体管，或IGBT-绝缘栅双极型晶体管)。继电 器可以提供低稳态电阻，并且晶体管可以提供快速切换响应并限制切换期间继电器上的 电压降。
在一些说明性实施例中，配电板可以包含一个或多个集成开关电路，用于将配电板 的一个或多个子电路连接到一个或多个电源的选定电源。在一些实施例中，配电板可以最初设计为包含用于将子电路连接到不同电源的开关电路。在一些实施例中，可以对开 关电路翻新改进以适应现有配电板从而增加负载切换功能。
为了促进负载从一个电源到另一个电源的平稳切换，一些实施例可以包含使电源电 压同步以避免为负载提供具有不连续性特征的电源电压信号。例如，在一些实施例中，将来自DC电源的直流电(DC)功率转换成交流电(AC)功率的功率变换器可以与电 网同步，且经配置以输出与所述网格相同幅值、频率和相位的AC电压。
其它实施例包含用于监控示例性电源系统中的负载划分的用户界面。系统所有者或 运营商可能够查看系统负载和电源列表，在每个负载与为所述负载供电的电源之间具有 映射。在一些实施例中，列表可以是计算装置上可查看的图形用户界面(GUI)，所述计算装置例如是计算机显示器、平板电脑、智能电视、智能手机等。在一些实施例中，系 统运营商可能够通过GUI(例如，通过按压按钮)手动地将负载从一个电源切换到另一 个电源。
如上所述，此概述仅仅是本文所描述的特征中的一些特征的概述，并且提供本概述 以便用简化形式介绍下文在具体实施方式中进一步描述的概念的选择。所述概述是非详 尽性的，并非意图识别所要求主题的关键特征或基本特征，并且并非对权利要求的限制。
附图说明
根据以下描述、权利要求书和图式将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和 优点。本发明借助于实例说明并且不受附图限制。
图1是根据说明性实施例的电力系统的局部示意性局部方块图。
图2是根据说明性实施例的用于电力系统中的负载管理的方法的流程图。
图3是根据说明性实施例的电力系统的局部示意性局部方块图。
图4是根据说明性实施例的负载-开关电路的部分的局部示意性局部方块图。
图5A到5D是根据说明性实施例的用于切换的方法的流程图。
图6是根据说明性实施例的电力系统的局部示意性局部方块图。
图7A到7B是根据说明性实施例的用于电力系统的用户界面的说明性模型。
图8是根据说明性实施例的用于电力系统中的负载管理的方法的流程图。
图9A到9E是根据说明性实施例的用于电力系统中的负载管理的方法的流程图。
图10是根据说明性实施例的用于电压同步的系统的局部示意性局部方块图。
具体实施方式
在各种说明性实施例的以下描述中，参考附图，这些附图形成实施例的一部分并且 其中借助于说明展示可实践本发明的方面的各种实施例。应理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可利用其它实施例，且可做出结构和功能修改。
为了清楚起见且减少视觉干扰，本文中公开的许多图在通常将使用多线连接的地方 具有单线电连接特征。应理解，一些单线电连接将在一些实施例中实施为两条线(例如，直流电(DC)正线和直流电(DC)负线/接地线)，或三条或更多条线(例如，一些三 相交流电(AC)系统具有三条线特征，并且一些包含第四条“中性”线)。
现在参考图1，图1是根据说明性实施例的电力系统的局部示意性局部方块图。电力系统100可以包括发电系统101、网格108、储存装置104、开关电路103和负载102。 发电系统101可以包含一个或多个可再生电源，例如光伏(PV)发生器(例如，PV电 池、PV模块、PV瓦等)、风车、水力发电机等。网格108可以是提供交流电(AC)功 率的公用网格。在一些场所(例如，欧洲、亚洲、非洲和中东的许多地方)，网格108 可以约50Hz的频率在约220V到240VRMS的电压下提供功率，而在一些场所(例如， 北美)，网格108可以约60Hz的频率在约120VRMS的电压下提供功率。网格108可 能够提供比发电系统101明显更多的功率。储存装置104可以包括电池、飞轮、抽水蓄 能或储热装置中的一个或多个。负载102可以包括大机器或小机器、家用电器、照明电 路等等。
仍参考图1，开关电路103可以包括一个或多个开关(例如，MOSFET或IGBT等 晶体管开关，和/或继电器)，所述开关经配置以将负载102中的一些或全部连接到网格 108、发电系统101和/或储存装置104以及断开负载102中的一些或全部到网格108、 发电系统101和/或储存装置104的连接。开关电路可以是安装在建筑物配电板上的单个 组件，或可以由分布在建筑物内的不同位置的许多小开关电路组成。例如，一些电源插 座可以包含用于将插座连接到不同电源(例如，发电系统101、网格108或储存装置104) 的开关。
仍参考图1，控制器105可以控制开关电路103的切换。控制器105可以包括控制 装置，例如微处理器、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成 电路(ASIC)等。在一些实施例中，控制器105可以包含或耦合到传感器/传感器接口 和/或测量装置，例如电压、电流和/或功率传感器。测量装置、传感器或传感器接口可 以为控制器105提供关于发电系统101或发电系统101的一个或多个组件的当前操作的 信息。例如，测量装置、传感器或传感器接口可以向控制器105提供指示发电系统101 所产生的功率、负载102所消耗的功率、环境温度和/或储存装置104上储存的能量等的 信息。控制器105可另外包括存储器装置110，用于存储操作数据，例如负载指数、负 载幅值、将由控制器105运行的代码等等。存储器装置110可以是具有用于实时应用的 充足处理能力的任何类型的存储器装置(例如，快闪、电可擦除可编程只读存储器 (EEPROM)、随机存取存储器(RAM)、固态装置(SSD)或其它存储器装置)。
在一些实施例中，控制器105可以在物理上邻近开关电路103定位，并且可以直接向开关电路103的开关组件提供控制信号。例如，控制器105可以直接向开关电路103 的开关元件的终端施加电压信号。在一些实施例中，一个或多个通信装置可以通信地互 连一个或多个系统组件。例如，控制器105可以远程定位(例如，远程服务器，或作为 云软件服务)，并且可以包括通信装置107。通信装置107可经配置以与通信装置118通 信，其中通信装置118包含用于控制开关电路103的切换的控制系统或控制器。发电系 统101可以包含通信装置106。通信装置106可经配置以与通信装置107和/或通信装置 118通信。例如，通信装置106可以向通信装置107和/或通信装置118报告发电的当前 水平。在一些实施例中，储存装置104可以包含通信装置109。通信装置109可以包含 用于配置储存装置104的操作模式(例如，充电、放电或两者皆不是)的控制器。通信 装置109可以传送关于储存装置104的状态(例如，储存装置104的当前操作模式和储 存装置104的当前储存能级)的信息。
仍参考图1，可以各种形式实施通信装置106、107、118和/或109。例如，通信装 置106、118和/或109可以使用电力线通信(PLC)方法和/或声学通信方法在电力线上 进行通信。在一些实施例中，通信装置106、107、118和/或109可以包括无线收发器， 并且可以使用无线技术和协议进行通信，所述无线技术和协议例如是ZigBeeTM、Wi-Fi、 BluetoothTM和/或蜂窝网络。
现在参考图2，图2示出根据说明性实施例的用于电力系统中的负载管理的方法的流程图。常规负载管理方法考虑在当前功率资源可能不足以为连接到电源的所有负载供电时选择一组负载为其提供功率的问题。本文中公开的方法可以包含但不限于以下情 境：其中公用网格能够为所有负载供应所需功率，但是对系统管理器可为有益的是通过 使从替代电源获取和利用的功率达到最大而将从网格获取的功率减到最小(例如，在其 中替代电源可不向网格注入功率的场所，或上网电价低于从网格获取功率的成本时)。
对可连接到多个电源的负载的高效管理可实现电源的解耦并且减少与系统实施方 案相关联的成本。例如，并网光伏(PV)逆变器必须符合各种安全标准和规定。此外， 安装并网PV逆变器可能需要当地公用事业机构的批准，这个过程可能使系统安装延迟 数月。通过对可连接到PV逆变器和网格的负载提供有效管理，方法200的实施方案可 以提高安装未必并入网格的PV逆变器的财务可行性，由此可能允许使用更便宜的PV 逆变器(例如，可能并不设计为符合所有并网逆变器要求的逆变器)，并减少获得安装 PV系统的公用事业机构允许所需的时间。
方法200可以通过装置或控制器实施，例如通过图1的控制器105实施。在步骤201，控制器或装置可以接收发电和当前负载电平的一个或多个测量值。例如，控制器或装置 可以接收发电机(例如，图1的发电系统101)所产生的功率以及一组一个或多个负载 (例如，图1的负载102)所消耗的功率的量。测量值可以通过控制器(例如，图1的控 制器105)中包含的传感器/传感器接口或装置直接测量，或可以经由一个或多个通信装 置(例如，图1的通信装置106、107、118和109)提供到控制器或装置。在步骤202， 控制器或装置可以对发电测量值与当前负载电平测量值进行比较。
由于对发电测量值与当前负载电平测量值进行比较，控制器或装置可以确定所产生 的功率的量大于当前负载电平(示出为发电>负载)、所产生的功率的量等于当前负载电平(示出为发电＝负载)，或所产生的功率的量小于当前负载电平(示出为发电< 负载)。理论上，电源系统可以在负载＝发电的条件下无限地操作。在实际供电系统中， 一般需要维持可操作的负载<发电条件，具有系统界定的超量发电余量(例如，负载≤ 发电+∈，其中∈是所需的超量发电余量)。此类操作模式可以允许即使在突然减少发电 或突然增加负载的情况下也能向负载连续供电。
为简单起见，当描述本文中公开的说明性方法时，将假设负载＝发电条件是连续系 统操作的可接受条件，无需超量发电余量。应理解，所属领域的技术人员可以略微修改本文中公开的方法以并入对超量发电余量的要求。例如，替代接受针对可持续系统操作 的条件负载＝发电，系统可以要求针对一些系统界定的∈的条件负载≤发电-∈。此类 修改方法在本文中公开的实施例的范围内。
返回到图2，取决于步骤202的比较结果，处理可以继续进行到若干不同步骤中的一个。如果在步骤202获得结果负载＝发电(也就是说，如果所产生的功率的量等于当 前负载电平)，系统可以在不需要校正动作的时刻操作，并且控制器或装置可以继续进 行到步骤203。在步骤203，控制器或装置可以等待一段时间，之后循环回至步骤201。 在一些实施例中，控制器可以保持在步骤203直到接收到中断。在一个实例中，接收到 的中断可以包括负载和/或发电测量值的变化。如果在步骤203接收到中断，处理可以循 环回至步骤201。在一些实施例中，实施方法200的控制器或装置可以在步骤203中等 待的同时参与其它任务或计算。例如，控制器或装置可以执行图9A的针对若干发电和/ 或负载电平的可以指示或预测未来发电和/或负载电平的方法(下文详细论述)。
如果在步骤202获得结果负载>发电(也就是说，如果当前负载电平大于所产生的功率的量，这可以指示其中发电机(例如，图1的发电系统101)不能够为当前连接到 它的所有负载供电的条件。可能需要将一个或多个负载从所述发电机切换到不同电源， 例如备份储存装置(例如，图1的储存装置104)或网格(例如，图1的网格108)。因 此，如果当前负载电平大于所产生的功率的量，处理可以继续进行到步骤204。在步骤 204，可以重新配置各种负载、发电机和网格之间的连接。连接的重新配置可以包括确 定哪些负载应从发电机断开连接。连接的重新配置可进一步包括确定哪些断开连接的负 载应连接到网格以及哪些断开连接的负载应连接到备用装置。在一些实施例中，步骤204 可以包含将一个或多个负载从发电机切换到网格，且接着将一个或多个不同负载从网格 切换到发电机，从而实现优选操作条件。在一个布置中，优选操作条件可以是在不超过 发电机的发电能力的情况下使发电机输出的利用达到最大。
在一个情境中，第一负载和第二负载可以当前连接到发电机，并且第三负载和第四 负载可以当前连接到网格。在步骤202，控制器或装置可已经确定当前负载电平大于所产生的功率的量。处理可已继续进行到步骤204，其中控制器或装置可以分析负载和发 电机和/或网格之间的连接。在第一实例中，控制器或装置可以确定在第三和第四负载连 接到发电机且第一和第二负载连接到网格的情况下可以获得发电机输出的最大利用。因 此，在第一实例中，步骤204的连接的重新配置可以包含将第一和第二负载的连接从发 电机切换到网格，并且将第三和第四负载的连接从网格切换到发电机，从而实现优选操 作条件。在第二实例中，控制器或装置可以确定在将第三负载重新配置为连接到发电机 且将第一和第二负载重新配置为连接到网格的情况下(同时第四负载保留其到发电机的 连接)可以获得发电机输出的最大利用。因此，在第二实例中，步骤204的连接的重新 配置可以包含将第三负载的连接从发电机切换到网格，并且将第一和第二负载的连接从 网格切换到发电机，从而实现优选操作条件。可以使用大量方法实施选择将哪个负载或 哪些负载从发电机切换到网格/备用装置且反之亦然，本文中公开了所述方法中的一些 (例如，图9A的方法和图9B的方法980)。
在一些实施例中，执行方法200的控制器或装置可以访问详述系统负载的列表。每个负载条目可以指示对所述负载供电的电源以及所述负载当前消耗的功率。此类列表的图形实例在图7A和7B中示出(下文详细论述)。所述列表可以存储于与图1的存储器 装置110类似或相同的存储器装置(例如，快闪、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、 随机存取存储器(RAM)、固态装置(SSD)或其它存储器装置)中，并且可以由控制 器读取和编辑。例如，当控制器在步骤204中切换一个或多个负载的连接之后，控制器 可以更新列表以反映更新后的连接。
在步骤204之后，处理可以返回至步骤202，其中再次将发电测量值与当前负载电平测量值进行比较。在一些实施例中，可以在步骤202之后相继进行若干次步骤204(即， 所述方法相继在步骤202与204之间跳转)，每次一个或多个负载切换到网格或备用装 置。在一些实施例中，步骤204的实施方案可以确保在步骤204结束时当前连接发电机 的负载小于或等于所产生的功率的量，并且处理可以在步骤203或步骤205继续(这些 变化形式并未在流程图中明确描绘)。
如果在步骤202获得结果负载<发电(也就是说，如果当前负载电平小于所产生的功率的量，这可以指示其中发电机(例如，图1的发电系统101)产生比连接到它的负 载所需的功率更多的功率的条件。在此条件下，可能需要系统实现新的操作条件，所述 新的操作条件能更好地使用发电机的发电能力。因此，处理可以继续进行到步骤205， 其中控制器或装置可以确定是否有任何负载(例如，图1的负载102中的一个或多个负 载)连接到网格(例如，网格108)和/或备用装置(例如，储存装置104)。控制器或装 置可以基于负载的详细列表(上文参考步骤201所描述)确定是否有任何负载连接到网 格和/或备用装置。如果在步骤205确定一个或多个负载连接到网格或备用装置，处理可 以继续进行到步骤209。在步骤209，装置或控制器可以将一个或多个选定负载从网格 和/或备用装置切换到发电机。可以使用大量方法实施选择一个或多个负载切换到发电 机，本文中公开了所述方法中的一些(例如，图9A的方法和图9C的方法940)。
如果在步骤209装置或控制器成功地选择一个或多个负载以切换到发电机，那么处 理可以继续进行到步骤203。如果在步骤209装置或控制器不能够选择一个或多个负载以切换到发电机，那么方法可以继续进行到步骤206。例如，如果将任何单个负载从网 格/备用装置切换到发电机将引起不可接受的负载>发电条件(即，如果切换单个负载 将引起当前负载电平大于所产生的功率)，装置或控制器可不能够选择一个或多个负载 以切换到发电机。在步骤206，装置或控制器可以确定储存装置是否可用。如果储存装 置可用(例如，与图1的储存装置104类似或相同的储存装置)，所述方法可以继续进 行到步骤208。在步骤208，装置或控制器可以将储存装置连接到发电机。例如，图1 的控制器105可以配置开关电路103以将储存装置104连接到发电系统101。在这种配 置之后，发电系统101可以将超量功率储存在储存装置104中。处理接着可返回至上文 所论述的步骤203。
如果在步骤206没有储存装置可用，所述方法可以继续进行到步骤207，其中装置或控制器可以增加由发电机供电的负载或减少发电机所产生的功率。如果系统不包含储存装置，或如果所有储存装置已经被最大限度地利用，那么储存装置可能不可用。控制 器或装置可经配置以在不具有可用储存装置的超量发电的情况下将某些负载连接到发 电机。例如，装置或控制器可以将空调系统连接到发电机以在夏季降低住宅温度，加热 热水器中的水或接通洗衣机或洗碗机，这可以减少后续功耗(因为在许多情况下这些装 置将另外在后续当可能不存在由发电机产生的可用超量功率时接通)。如果没有负载经 配置以在超量发电的情况下接通，那么在步骤207，装置或控制器可以减少发电机所产 生的功率。例如，如果方法200适用于这样的系统：其中发电机包含光伏(PV)发生器， 所述PV发生器耦合到有功功率电子产品(例如，一个或多个DC-DC变换器和/或一个 或多个DC-AC逆变器)，所述有功功率电子产品经配置以控制所述PV发生器的功率输 出，那么装置或控制器可以配置有功功率电子产品以减少从PV发生器获取的功率，使 得其匹配当前负载电平。所述方法可以从步骤207继续进行到步骤203。
现在参考图3，图3是根据说明性实施例的电力系统的局部示意性局部方块图。电力系统300可以包括发电系统301、网格308、开关电路303、控制器305以及负载302a、302b…302n。网格108可以与图1的网格108类似或相同。负载302a、302b…302n可 以统称为“负载302”，并且可以与图1的负载102类似或相同。
仍参考图3，发电系统301可以与图1的发电系统101类似或相同。在图3的说明 性实例中，发电系统301包括光伏(PV)源311、功率管理器312、储存装置304和逆 变器313。PV源311可以包括PV发生器(例如，PV板、电池或瓦)、一串或多串串接 的PV发生器。在一些实施例中，PV源311可以包括一个或多个PV发生器，所述PV 发生器可以划分成多组的一个或多个PV发生器，具有耦合到每组的直流电到直流电 (DC/DC)变换器(例如，降压变换器、增压变换器、降压-增压变换器、增压+增压变 换器、反激变换器、Cuk变换器或正向变换器，或充电泵)。耦合到每组的DC/DC变换 器可经配置以控制从每组获取的功率。例如，DC/DC变换器可以增加或减少从每组PV 发生器获取的功率。功率管理器312可以包括一个或多个开关，并且可经配置以将功率 从PV源311引导到逆变器313(其可以是直流电到交流电(DC/AC))和/或储存装置 304。储存装置304可以与图1的储存装置104类似或相同。在图3的说明性实施例中， 储存装置304经由功率管理器312可连接到(经由功率管理器312)逆变器313。在一 些实施例中，储存装置304可以直接可连接到负载302，类似于图1的说明性实施例。逆变器313可经配置以将从PV源311和/或储存装置304接收到的直流电(DC)功率 转换成适合于为负载302供电的交流电(AC)功率。在一些实施例中，可以使用多个储 存装置，其中一个或多个储存装置可直接连接到负载(例如，图1中所示的布置)，而 一个或多个储存装置并不直接连接到负载(例如，图3的布置)。
仍参考图3，断路器307可以将发电系统301耦合(例如，连接)到开关电路303。 断路器307可经配置以在潜在安全风险的情况下(例如，检测到泄漏电流)将发电系统 301从开关电路303断开连接。例如，如果在开关电路303的方向上离开发电系统301 的电流不等于在发电系统301的方向上返回的电流，可以检测到泄漏电流。在一些实施 例中，断路器307可以由类似于断路器306a、306b…306n(下文论述)部署的多个断路 器替代。多个断路器中的每个断路器可经配置以将负载302中的单个负载从开关电路303 断开连接。
仍参考图3，发电系统301、控制器305和开关电路303可以包含与图1的通信装 置106、107和118类似或相同的通信装置。通信装置可经配置以类似于关于图1描述 的方式彼此通信。为简洁起见，未关于图3明确描绘和描述通信装置。
断路器306a、306b…306n可以统称为“断路器306”。断路器306可以将网格308耦合(例如，连接)到开关电路303。在潜在不安全条件情况下，例如，检测到泄漏电流， 断路器可以自动地将负载302中的一个或多个负载从网格308断开连接。如果在负载302 中的一个负载的方向上来自网格308的电流不等于在网格308的方向上返回的电流，可 以检测到泄漏电流。
仍参考图3，断路器306、开关电路303和断路器307可以部署在位于容纳负载302的处所的配电板上。集成根据图3的说明性实施例的替代电源(例如发电系统301)的 潜在优点之一是开关电路303等开关装置的无缝集成。通过在断路器306和负载302之 间串联安装开关电路303，从“网格视角”来看(即，从操作网格308的公用事业机构的 视角来看)，到处所配电板的电连接以及处所配电板与网格之间的电接口可以始终没有 变化。通过以不明显改变“网格视角”的方式安装发电系统301，相比可能改变网格与处 所配电板之间的接口的安装的情况，应用并从公用事业机构和监管机构接收安全电气间 隙的过程可以更快且更简单。
开关电路303可以包括开关309a、309b…309n，其可以统称为“开关309”。开关309中的每个开关可以使负载302中的一个负载能连接到一个或多个电源。例如，在图3的 说明性实施例(具有单线电连接特征)中，开关309a可以是在一端(单个极点)连接 到负载302a且在另一端可连接到网格308(经由断路器306a)或发电系统301(经由断 路器307)或根本不连接到电源的单刀三掷开关。在包含可直接连接到图1的负载的储 存装置的实施例(例如，储存装置104可经由开关电路103连接到负载102)中，可以 对开关309中的每个开关增加额外掷点，从而使每个开关还能将其相应负载连接到储存 装置。由于图3的电连接以单个线指示，因此开关309在图3中示出为具有单个极点。 在需要连接和断开连接两条或更多条线(例如，正DC线和负DC线)的系统中，可以 替代地使用双刀、三刀或多刀开关。
在一些实施例中，开关309可以封装和部署为离散组件。例如，开关309中的每个开关可以围封在其自身的壳体中，并且单独地连接在负载302中的一个负载与断路器306中的一个断路器之间。在一些实施例中，多个开关309可以封装在一起以形成开关电路303，其中开关电路303封装为单个组件并且具有一个壳体特征。在一些实施例中，开 关电路303可以设计为使得能够翻新改进以适应现有配电板(例如，通过连接断路器306 与负载302之间的开关电路303)。
开关电路303可进一步包括测量装置(为减少视觉干扰未明确描绘)，其用于测量电压、电流和/或供应到负载302中的每个负载的功率。在一些实施例中，供应到负载 302中的每个负载的电压可以大约相同(例如，网格电压、或由发电系统301供应的电 压)，仅要求电流测量以允许计算每个负载所获取的功率。在一些实施例中，单个测量 装置可以测量总电压、电流和/或供应到连接到发电系统301的负载302的功率，其中通 过临时断开每个负载的连接并从总功率测量值减去新功率测量值来实现计算负载302中 的每个负载所获取的功率。作为数值实例，如果连接到发电系统301的负载所消耗的总 功率是1000[W]，并且负载302a(其连接到发电系统301)所消耗的功率是100[W]，开 关电路303可以在所有负载已连接时测量到总共1000[W]，临时断开负载302a的连接， 测量到900[W]，并计算负载302a所消耗的功率为1000[W]-900[W]＝100[W]。开关电 路303可进一步包括通信装置(未明确描绘)，其用于发送测量值到控制器305和/或从 控制器305接收切换命令。
控制器305可以与图1的控制器105类似或相同，并且可经配置以根据本文中描述的方法(例如，图2的方法200)控制开关电路303的切换。控制器305可进一步包括 通信装置(未明确描绘)，其用于从开关电路303和/或发电系统301接收测量值以及发 送命令到开关电路和/或发电系统301。
现在参考图4，图4示出根据说明性实施例的负载-开关电路的部分。负载-开关电路可以包括开关409。开关409可以包括连接到负载402的极点410。负载402可以与 图3的负载302中的任何负载类似或相同。开关409可进一步包括多个掷点406a、 406b…406n，统称为“掷点406”，其中掷点406a、406b…406n中的每个个别的非特定掷 点称为“掷点406”。掷点406中的每个掷点可以在一端经由极点410耦合(例如，连接) 到负载402，并且可以在另一端耦合到电源。在一些实施例中，掷点406中的一个或多 个可能不耦合到电源(例如，在可连接电源的数目少于包括开关的掷点的数目的系统中 可以部署通用n-掷点开关)。掷点406中的每个掷点可以切换到接通位置以将负载402 连接到耦合到所述掷点的电源。例如，当掷点406a在接通位置时，负载402可以连接 到网格408。当掷点406b在接通位置时，负载402可以连接到逆变器413，所述逆变器 可以是与图3的发电系统301类似或相同的发电系统的一部分。当掷点406c在接通位 置时，负载402可以连接到储存装置404，所述储存装置可以与关于图1的储存装置104 描述的储存装置类似或相同。当掷点406n在接通位置时，负载402可能不连接到任何 电源。
每个掷点406可以包括一个或多个开关元件。例如，每个掷点406可以包括并联耦合到继电器(例如，机电继电器或固态继电器)的晶体管。参考掷点406a，掷点406a 可以包括与晶体管Q1并联耦合的机电继电器R1。一般来说，机电继电器等继电器可以 具有比晶体管更低的传导电阻和更低的损耗，但是这些继电器可能对高压切换敏感(例 如，显著电压降的情况下在继电器终端之间的恒定切换可能给继电器施压并缩短继电器 的使用寿命)。在一些实施例中，并联连接机电继电器等继电器和晶体管并以高效方式(例如，根据图5A和5B的方法，下文论述)切换它们可以减少开关损耗并延长开关元 件的使用寿命。
举例来说，在可以类似409的开关为特征的配电板中，可能需要使用继电器，例如MOSFET机电继电器，所述继电器额定耐受约600V的开路电压。具有600V额定值的 MOSFET可以具有约15mΩ到100mΩ的“接通状态电阻”(RON)，其中15mΩ的MOSFET 花费约$5，且100mΩ的MOSFET花费$1。相比而言，额定600V的机电继电器可以具有 约1mΩ到2mΩ的RON，并且可以花费约$0.5。连接到开关409的大负载例如，负载402) 可以获取至少15A的电流，从而产生至少的 损耗。为了获得RON＝1.5mΩ，可以每一掷点约$50的总成本并联耦合十个 15mΩ的MOSFET。相比而言，可以针对约$0.5获得电阻1.5mΩ的单个继电器，并且与低 价MOSFET(例如，具有RON＝100mΩ的MOSFET，花费约$1)并联，可以针对每一掷 点$1.5的总价格或小于仅MOSFET的解决方案的价格的三十分之一获得1.5mΩ的等效电 阻。应理解，上文所论述的价格和标准组件特性仅反映在编写时潜在合理的情境。组件 技术的发展和/或价格的变化可以改变以上列举的实例数字中的一些或全部。数值实例仅 仅用于说明其中可以实现本文中公开的实施例的优势的一个可能情境，而不是限制本发 明的任何部分。在一些实施例中，在不获取组合开关元件的所有潜在优势的情况下，单 个开关元件(例如，晶体管或继电器)可以用于每个掷点406。
在一些实施例中，晶体管Q1可以由多个晶体管替代。例如，许多MOSFET和IGBT 以旁路二极管为特征，所述旁路二极管允许即使在晶体管断开时电流也在一个方向上流 动。当使用这些晶体管时，晶体管Q1可以由一对背靠背晶体管(本文中称为“晶体管 Q2”)替代，其中将共用信号施加到这两个晶体管的栅极用于接通和断开晶体管。在使 用晶体管Q2的布置中，在两个晶体管并非均处于接通状态的情况下电流可能不能够从 一侧流动到另一侧。
每个掷点406的开关元件可以通过控制装置405切换，控制装置405可以与图3的控制器305和/或图1的控制器105类似或相同。控制装置405可经配置以将控制信号施 加到晶体管栅极终端(例如，掷点406a的终端G1)和继电器触发终端(例如，掷点406a 的终端T1)。
再次参考用于描述说明性实施例的图式的单线性质。在多线电力系统中，连接两个 单终端元件的每个掷点406可以由连接两个元件的多个终端的多个掷点替代。例如，网格408和负载402可以包括三个终端(“线路”、“返回”和“中性”)，并且掷点406a可以 由三个同步掷点(即，三个掷点接收相同信号并一起切换)替代，每个掷点将网格终端 连接到负载402的对应终端。类似地，储存装置404可以包括两个终端(“DC正”和“DC 负”)，其中掷点406c由将储存装置404连接到负载402的两个同步掷点替代。
现在参考图5A和5B，其说明根据说明性实施例的用于切换的方法。如图5A和5B 中分别示出的方法500和510可以适用于包括一个或多个继电器(例如，机电继电器和 /或固态继电器)和一个或多个晶体管(例如，MOSFET)(例如，图4的掷点406a)的 开关装置。为简单起见将关于包括并联耦合的一个MOSFET和一个机电继电器的开关 装置描述所述方法。应理解，其类似地适用于包括多个各种类型的晶体管和/或多个并联 连接的继电器(例如，多个并联连接的机电继电器和/或固态继电器)的开关装置。
可以利用方法500将开关装置从断开位置切换到接通位置。在断开位置中，在步骤501，MOSFET和机电继电器均可以处于断开状态。在步骤502，将MOSFET设置为接 通状态。可以通过从控制装置(例如，图4的控制装置405)接收控制信号来将MOSFET 设置为接通状态。在步骤502之后，开关装置处于接通位置，在开关装置终端之间的具 有约零电压，但是由于MOSFET所引发的潜在高损耗，因此保留装置在此状态中可能 并不理想。在步骤503，将机电继电器设置到接通位置。可以通过从控制装置(例如， 图4的控制装置405)接收控制信号来将机电继电器设置到接通位置。在步骤503期间 机电继电器上的电压应力可以为约0[V]，从而防止对继电器的明显侵蚀。在步骤504， 将MOSFET返回到断开状态，保持机电继电器处于接通状态。在方法500结束时，开 关装置处于接通位置。接通位置中引发的唯一损耗可以是继电器损耗，其可以明显低于 MOSFET损耗。
可以利用方法510将开关装置从接通位置切换到断开位置。在接通位置，在步骤511， MOSFET可以处于断开状态并且机电继电器可以处于接通状态。在步骤512，可以将MOSFET设置为接通状态。可以通过从控制装置(例如，图4的控制装置405)接收控 制信号来将MOSFET设置为接通状态。在步骤513，将机电继电器设置到断开位置。在 步骤513期间继电器上的电压应力可以为约0[V]，从而防止对继电器的明显侵蚀。在步 骤514，将MOSFET返回到断开状态，保持继电器处于断开状态。在方法510结束时， 开关装置可以处于断开位置。
在一些实施例中，沿着AC功率信号在特定时间切换可以提供一定优势。例如，当没有电流流过开关时(即，在AC电流信号的“零交叉点”处)，可以通过将开关从接通切 换为断开来减少在开关上的开关损耗。类似地，可以在开关终端之间的电压降为零时 (即，在开关终端之间的AC电压信号的“零交叉点”处)进行将开关从断开切换到接通。 零电压开关和零电流开关还可以减少热损耗和电磁干扰(EMI)。在一些情境中，零电压 开关可以防止接近其额定电压电平操作的开关在开关瞬态期间超越其额定电压。在50 Hz处提供AC功率的系统中，将存在每秒约50个零交叉点。实施方法500和510的控 制器(例如，控制装置405)可以从耦合到负载的传感器/传感器接口接收电压和/或电流 测量值，并且可以使用所述测量值来提供输出开关信号，从而确保流过开关的电压和/ 或电流为零，之后再连接开关或断开开关的连接。
现在参考图5C和5D，其说明根据说明性实施例的用于切换的方法。方法520和530可以应用于例如图4的开关409的开关。在一些实施例中，与图1的发电系统101类似 或相同的发电系统(PGS)可能不可连接到公用网格(例如，网格108)。例如，PGS可 能包含尚未认证用于并网应用的光伏逆变器，或当地公用事业机构可能未经许可将PGS 连接到公用网格。在这些和类似情境中，在不将PGS连接到网格的情况下可以将负载从 PGS切换到网格且反之亦然。根据说明性实施例，使用“先断后通”方法将个别负载从一 个电源切换到另一个电源。
参考图5C，方法520是根据说明性“先断后通”实施例用于将负载从PGS切换到网格的方法。负载(例如，图4的负载402)的初始条件521是负载连接到PGS且与网格 断开连接。在步骤522，例如，通过使用方法510将与掷点406b类似或相同的掷点切换 到断开位置，断开负载与PGS的连接。在步骤523，例如，通过使用方法500将与掷点 406a类似或相同的掷点切换到接通位置，将负载连接到网格。负载的最终条件524是负 载连接到网格且与PGS断开连接。
参考图5D，方法530是根据说明性“先断后通”实施例用于将负载从网格切换到PGS的方法。负载(例如，图4的负载402)的初始条件531是负载连接到网格且与PGS断 开连接。在步骤532，例如，通过使用方法510将与掷点406a类似或相同的掷点切换到 断开位置，断开负载与网格的连接。在步骤533，例如，通过使用方法500将与掷点406b 类似或相同的掷点切换到接通位置，将负载连接到PGS。负载的最终条件534是负载连 接到PGS且与网格断开连接。
当应用方法520和方法530时，切换优选地足够快速从而为待切换的负载提供接近连续的电源。开关驱动器可以设计为高速切换MOSFET(或替代晶体管)，具有几纳秒、 几十纳秒或几百纳秒的切换时间。在应用方法520和方法530时实施快速切换可以确保 负载仅在极短时间段内断开连接，其影响可忽略。
现在参考图6，图6是根据说明性实施例的电力系统的局部示意性局部方块图。电力系统600可以类似于图3的电力系统300，区别在于电源与负载之间的电连接性布置。 电力系统600可以包括网格608(与图1的网格108类似或相同)、发电系统601(与图1的发电系统101和/或图3的发电系统301类似或相同)，以及经由开关电路603耦合 到网格608和发电系统601的负载602a、602b…602n(统称为“负载602”)。开关电路 603可以包括开关609a、609b…609n(统称为“开关609”)。开关609中的每个开关可以 与图3的开关309中的一个开关或图4的开关409类似或相同。断路器606a、606b…606n (统称为“断路器606”)可以分别耦合到开关609a、609b…609n或分别与所述开关集成。 在一些实施例中，每个断路器606可以与开关609集成并且封装和部署为单个装置。断 路器606可以与图3的断路器306类似或相同。在图6的说明性实施例中，网格608和 发电系统601可以“共享”断路器606，即，断路器606中的每个断路器可以断开负载602 中的一个负载的连接(例如，在检测到不安全条件的情况下)，而不论负载所连接到的 电源，这在一些实施例中可以简化包括开关电路603的配电板的设计并减少其成本。
在一些实施例中，电力系统600可进一步包含可连接到发电系统601和/或负载602的与图1的储存装置104类似或相同的储存装置(未明确描绘)。类似地，电力系统600 可进一步包含与图1的控制器105和/或图3的控制器305类似或相同的控制器(未明确 描绘)，其经配置与开关电路603和/或发电系统601通信(例如，经由与图1的通信装 置106和107类似或相同的通信装置)并控制开关电路603和/或发电系统601。
参考图7A，示出在智能手机、平板电脑、计算机、工作站服务器、移动装置(例 如蜂窝装置)和/或类似计算装置上运行的说明性应用程序。应用程序可以提供电力系统 (例如，电力系统100、300或600)的负载列表。应用程序可以提供每个负载的描述性 名称(例如，“餐厅插座#1”、“主卧灯”)。在一些实施例中，当个别负载值可用时，应用 程序可以提供每个负载的当前负载值。在一些实施例中，应用程序可以指示当前为列表 上的每个负载提供功率的电源。应用程序可以提供用于手动地改变为特定负载提供功率 的电源的选项。例如，用户可以激活(例如，使用移动电话上的触摸屏，或计算机上的 鼠标)位于负载#4(“餐厅照明”)旁边的“开关源”按钮701，并看到将负载#2从PV逆 变器切换到网格或电池的选项。当系统维护员(例如，安装工或电工)希望关闭电力系 统的一部分(例如，PV逆变器的例行维护)并且需要首先将连接到所述部分的负载传 递到不同电源时可需要此类动作。在一些实施例中，负载在不同电源之中的自动划分可 能引起次佳划分，因此手动校正可有益。
仍参考图7A，应用程序可进一步包含关于与图1的储存装置104类似或相同的储存装置的当前状态的信息。例如，图7A的应用程序所描述的系统可以包含电池，其中 应用程序显示电池的当前状态(例如，充电、放电、或既不充电也不放电)、当前充电/ 放电速率以及当前电池储存的能级。例如，通过提供用于将储存装置模式从“充电”模式 切换到“放电”模式的按钮702，应用程序可以另外允许用户更改储存装置的状态。
仍参考图7A，应用程序可以连接到有线通信网络、无线通信网络和/或数据网络，包含企业内部网或互联网。应用程序可以经由在其上执行应用程序的计算装置从系统装置(例如，发电系统101、负载102、储存装置104和/或开关电路103)接收数据以及 发送命令到所述系统装置。除了向终端用户提供信息和控制相关服务以外，应用程序还 可以从一个或多个连接系统的控制和/或通信装置接收关于潜在不安全条件的通知并警 示用户(例如，系统维护工)。这些警示可以是音频和/或视频。例如，它们可以是哔哔 声、频音、警报声、LED和/或高流明LED。例如，如果图6的断路器606检测到泄漏 电流，除了断开负载602a的连接以外，其还可以触发警示以(通过电力系统600中包
现在参考图7B，图7B示出图7A的应用程序，提供关于电力系统的状态的更新信息。连接系统的PV逆变器(例如，图3的逆变器313)的产出可以从图7A中描绘的3 kW减少到图7B描绘的1kW。响应于PV逆变器产出的减少，系统可以将几个负载从 PV逆变器切换到网格。例如，可以将负载#1(“厨房照明”)从PV逆变器切换到网格。 此外，可以将电池从“充电”模式切换到“放电”模式。也可以在中间时间段连接额外负载， 从而使得从网格获取的功率从1910W增加至4.5kW。可以使用上文参考图2论述的步 骤和下文参考图9A的方法和图9B的方法980论述的那些步骤执行负载从PV逆变器切 换到网格的选择。
应理解，如图7A和7B中所示的应用程序仅仅是说明性实施例。用户界面应用程序可以提供许多额外特征，例如时间和日期指示、图形系统说明、通信服务、天气预报、 发电和负载预报、服务通话能力等等。此外，一些应用程序可以为几个电力系统服务， 其中用户能够在指示不同电力系统的屏幕之间滚动选择，并且单独地查看和控制每个系 统。
现在参考图8，图8示出根据说明性实施例的用于电力系统中的负载管理的方法的流程图。可以通过经配置以控制开关电路(例如，图1的开关电路103)从而在多个电 源(例如，图1的网格108和发电系统101)之中划分一组负载(例如，图1的负载102) 的控制器(例如，图1的控制器105)实施方法800。在步骤801，控制器可以从发电机 接收负载值和一个或多个发电值的一个或多个当前测量值。例如，控制器可以接收指示 图1的负载102所消耗的功率的一个或多个负载测量值。控制器可以另外接收指示发电 系统101所产生的功率和/或储存装置104所放出的功率的一个或多个发电值。控制器可 以经由有线或无线通信装置(例如，经由通信装置106、107、118和/或109)接收一个 或多个负载和发电测量值。
在步骤802，控制器可以选择负载的子集以连接到发电机和/或连接的储存装置，其 中负载的其余部分连接到网格或保持连接到网格。如上文所论述，可能需要(例如，在其中上网电价低或不存在的位置)在不超过发电机的能力的情况下使发电机输送到负载的功率达到最大。此问题在本发明中将称为“负载子集问题”(LSP)。LSP可以配制为“0-1 背包问题”(KP)的变化形式。KP可以通过以下描述进行描述：“给定项目的集合，每 个项目具有加权和值，确定项目的子集以包含在集合中，使得总加权小于或等于给定限 制并且总值最大”。LSP可以配制为KP的专用或变化情况，其中每个项目是表示的负载， 其中每个项目的值和加权等于对应的负载所消耗的功率。给定限制是发电机的发电能 力。当应用于包含可以用作发电机(即，当放电时)或用作负载(当充电时)的储存装 置的系统时，所述问题可适于动态地增加给定限制(当储存装置放电时)或向设置新增 项目，所述项目具有当充电时储存装置所消耗的功率的值和加权。
KP可在拟多项式时间通过动态编程(DP)技术解决。替代地，可以使用“穷举”(BF)算法解决所述问题，即，计算负载的每个可能子集的总消耗，并且选择仍不超出发电机 能力的最大消耗的子集。一般来说，BF方法在指数时间运行，指数时间即与2n成正比 的时间，其中n表示负载的数目。在n并不大的系统(例如，系统包括仅10个或20个 负载)中，BF算法仍可以提供可接受的时序性能。相比而言，DP方法可以在与n·G成 正比的时间运行，其中G是发电机能力。在一些实施例中，DP可以提供更好的时间性 能，但是以需要明显更大的存储器资源为代价。步骤802的BF解法的实例在图9A中 提供。如果优选DP解法，所属领域的技术人员将能够通过经由最初写入的代码或从其 它源获取代码来实施一个DP解法。
仍参考图8的步骤802，BF和DP解法均可以确定需要切换相当大数目的负载。在 极端的情况下，DF和DP解法可以确定每个负载应从当前为其供电的电源切换到不同电 源。负载的频繁切换可能并不合需要，因为在一些实施例中，负载的频繁切换可能磨损 开关和/或造成负载的累积侵蚀。例如，在一些电器情况下，不断更改电源可能造成破坏。 此外，在大系统(例如，包括几十或几百个负载的系统)中，DP和BF方法两者所消耗 的时间对于实时应用程序而言可能太长(例如，在突然发电减少的情况下)。在一些实 施例中，可能需要实施一个或多个替代方法，所述替代方法相对于LSP可能次佳，但是 可以相对当前操作条件提供递增的改进和/或防止某些负载不接收足够功率的情况。例 如，通过将负载的子集立即切换到网格以确保向所有负载的连续供电，且接着选择性地 将某些负载切换到发电机，确保连接到发电机的负载所消耗的总功率不超出发电机能 力，系统控制器可经配置以对发电的突然减少作出响应。用于实施这些步骤的方法的说 明性实施例在图9B和9C中公开。
在步骤803，执行方法800的控制器可以控制开关电路(例如，图1的开关电路103)以根据步骤802中选定的子集将负载连接到电源。在步骤804，控制器可以等待一段时 间，随后循环回至步骤801。在一些实施例中，控制器可以保持在步骤804直到接收到 中断，所述中断可以触发循环回至步骤804。在一个实例中，可以在负载或发电测量值 存在变化时接收到中断。在一些实施例中，控制器可以利用在步骤804花费的时间来同 时实施额外计算。例如，控制器可以在步骤802根据图9B到9E的方法切换负载以获得 可比前一负载划分优选然而并非最佳的负载划分，并且在步骤804所述方法可以运行 BF或DP方法以获得最佳划分。
仍参考图8的步骤804，控制器可以利用循环回至步骤801之前的时间来考虑其可能需要作出响应的可能未来情境。例如，控制器可以试图预测未来负载和/或发电测量值，并且运行BF方法、DP方法或其它方法来解决考虑到可能的未来情境的LSP。例如，控 制器可以运行LSP解决方法，其考虑到是当前发电水平的90％或110％的发电，并且考 虑到是当前负载消耗水平的90％或110％的负载消耗。提前实施LSP解决方法可以允许 更有效的实时响应(即，在测得发电和/或负载消耗的变化时)。负载消耗预测和发电预 测均是研究的高度研究领域，具有大量可用的预报方法。对于相当简单和可预测的电力 系统，线性回归模型可以提供恰当的负载和/或发电预报。对于更复杂的系统，人工神经 网络或其它机器学习技术可以提供发电和/或消耗的更精确预报。
在一些系统中，本地存储器装置可以记录先前测得的负载和发电值用于未来参考。 记录的测量值可以提供负载和/或发电的未来变化的指示。例如，在一些住宅电力系统中， 在用餐时间在6pm频繁地关闭厨房炉子，或在星期二晚上在9pm频繁地打开电视机看最爱的电视节目。在一些系统中，白天树荫开始遮盖光伏板的时间可能每天有几分钟的 变化(因为白天逐渐变得更长或更短)，而专业控制器可能够预测可能出现PV产生的下 降的精确分钟时间。在步骤804，控制器可以访问记录的历史数据来预测可能的负载和 发电测量值，并且相应地计算优选负载划分。
现在参考图9A，图9A示出用于计算负载最佳划分为子集的“穷举”(BF)方法的流程图。所示出的方法假定系统具有两个可能电源：发电机(例如，图1的发电系统101) 和网格(例如，图1的网格108)。假设可经由阵列P访问N个负载(例如，负载102) 的列表，其中元素P[i]指示第i个负载所消耗的功率。假设已知发电机的当前功率输出 能力并且将其称为参数Generation。在步骤901，可以初始化一个或多个局部变量。在 一个实例中，可以将参数current_maximum(表示到目前为止连接到发电机的当前最大 负载消耗)初始化为零。另外，可以将参数current_optimum(表示指示负载最佳划分为 子集的字符串)初始化为空值或空串。另外，可以将参数i(表示对循环910的计数) 初始化为0。在步骤911，可以开始执行循环910。可以执行2N次循环910，针对每次负 载可能划分为两组执行一次循环。在其中三个电源可用的系统(例如，网格、发电机和 储存装置)中，可以执行3N次循环，针对每次负载可能划分为三组执行一次循环。
在步骤911，确定计数i是否小于2N-1。如果计数i小于2N-1，处理可以继续进行到 步骤912，其中可以初始化额外参数。将参数b设置为i的二进制表示，其中i为循环 910的循环计数。例如，在循环910的第18个迭代，参数b将含有字符串‘10001’，其 是十进制数17的二进制表示。将参数total_load设置为零，所述参数表示根据b所指示 的布置假设连接到发电机的当前总负载消耗。另外，将针对循环920的计数，即参数j， 设置为零。将针对字符串b的每个字符执行一次循环920。在步骤921，通过确定参数j (针对循环920的计数)的当前值小于长度(b)-1的值而开始循环920的处理。如果参 数j的当前值小于长度(b)-1的值，处理继续到步骤922，其中评估参数b的字符。如 果第j个字符是‘1’，考虑将第j个负载连接到发电机。因此，在步骤923，将第j个负载 的消耗电平添加至参数total_load，其表示根据参数b所指示的布置连接到发电机的当 前总负载消耗。在步骤923之后和/或如果步骤922的评估指示第j个负载不是‘1’，处理 继续到步骤924，其中将循环计数j递增1。处理可以返回至步骤921，其中如果j小于 长度(b)-1的值，则可针对递增的值j重复循环920的处理。替代地，可以结束循环 920的处理(即，如果j不小于长度(b)-1的值)。在执行j次循环920之后，变量total_load 将含有根据参数b所指示的布置连接到发电机的总负载消耗。如果循环920的处理完成 (即，如果j不小于长度(b)-1的值)，处理可以继续进行到步骤913。
在步骤913，将表示连接到发电机的总负载消耗的参数total_load与表示发电机的 当前功率输出能力(即，连接到发电机的最大所允许消耗)的参数Generation进行比较，并与表示到目前为止连接到发电机的最大负载消耗的参数current_maximum进行比较。 在一些实施例中，参数Generation可以指示可小于当前发电机所产生的功率的可允许消 耗(例如，如果需要超量发电余量，如相对于图2所论述)。如果参数total_load小于或 等于参数Generation并且参数total_load大于参数current_maximum，那么将变量 current_maximum设置为等于total_load，并且将表示指示负载最佳划分为子集的字符串 的变量current_optimum设置为等于字符串b。换句话说，参数current_maximum和current_optimum追踪到目前为止最好的解法，即，划分负载使得在不超过Generation的 情况下连接发电机的负载最大化的解法。Current_optimum表示负载划分为组(如果第i 个负载连接到发电机，则将current_optimum的第i个字符设置为‘1’，否则设置为‘0’)， 并且current_maximum追踪根据由current_optimum表示的布置连接到发电机的总负载的 数值。在步骤914中更新参数之后(或如果在步骤913确定total_load不大于Generation 和/或total_load不大于current_maximum)，处理可以继续进行到步骤915，其中表示针 对循环910的循环计数的参数i的值可以递增1。处理接着可返回至步骤911，其中可以 确定计数i是否小于2N-1。如果计数i小于2N-1，可以重复执行循环910。如果步骤911 的确定指示计数i不小于2N -1，可以结束循环910的执行。一旦完成执行循环910，就已 经考虑所有2N个负载子集，其中参数current_maximum和current_optimum分别含有已经 连接到发电机的最大负载消耗以及指示负载最佳划分为子集的字符串。可以在步骤902 输出这些参数。
现在参考图9B，图9B示出用于确定在电源之间切换哪些负载的方法。方法980可以是用于选择负载以从发电机(例如，发电系统101)切换到网格(例如，网格108) 的方法的实例。可以响应于其中连接到发电机的一组负载的累积消耗超出发电机的能力 的条件而触发方法980。方法980可以接收当前连接到发电机的负载列表(在本文中称 为参数gen_loads)、当前连接到网格的负载列表(在本文中称为参数grid_loads)以及 将连接到发电机的最大所允许消耗(在本文中称为参数generation)作为输入。在步骤 921，可以初始化参数集合。例如，可以计算连接到发电机的负载的总消耗(示出为 “sum(gen_loads)”)并存储在参数sum_loads中。另外，可以计算sum_loads和generation 之间的差并存储在参数margin中。参数margin中存储的差可以指示可需要从发电机切 换到网格的最小负载消耗。另外，表示待切换的负载的参数to_move可以初始化为浮动 无穷值(示出为float(“inf”))。处理可以继续进行到步骤931，即循环930内的第一步骤。 可以针对连接到发电机的每个负载执行一次循环930。每个连接发电机的负载转而(即， 在一个循环迭代处)称为load_x。在步骤931，将load_x的值与表示需要脱离发电机的 负载电平的参数margin进行比较并且与表示选定从发电机切换到网格的当前负载的参 数to_move进行比较。如果load_x小于to_move并且load_x大于或等于margin，那么选 择load_x为从发电机切换到网格的最佳候选(到目前为止)，因为从发电机切换load_x 将连接发电机的总负载消耗减小到最大可接受水平(或更低)同时使连接发电机的负载 消耗达到最大。因此，在步骤932，将表示选定从发电机切换到网格的当前负载的参数 to_move设置为等于load_x，评估当前负载。在步骤934，可以确定gen_loads(即，当 前连接到发电机的负载列表)中是否存在尚未在步骤931经过评估的额外负载。如果在 步骤934确定gen_loads中存在一个或多个额外负载，处理可以返回至步骤931，其中可 以针对gen_loads中的下一个负载重复分析循环930。如果在步骤934确定gen_loads中 不存在额外负载，则循环930的执行完成，并且处理可以继续进行到步骤922。
在步骤922，评估to_move(通过执行循环930选定将从发电机切换到网格的负载)的有效性。例如，如果在步骤931评估所有连接发电机的负载小于margin，那么在步骤 932(即，通过循环930)将不选择负载。如果在步骤922尚未选择load_x为to_move (即，参数to_move仍等于其初始无穷值)，那么可以继续进行到步骤923。在步骤923， 可以选择最大的连接发电机的负载从发电机切换到网格。此步骤可能不会将连接发电机 的总负载消耗减少到可接受水平，但是其仍然可以减少连接发电机的负载消耗。可以额 外数次调用方法980直到连接发电机的总负载消耗达到可接受水平。在步骤923之后和 /或如果在步骤922已经选择load_x为to_move(即，to_move的值不同于初始无穷值)， 处理可以继续进行到步骤924。在步骤924，从gen_loads列表中除去从发电机切换到网 格的选定负载(load_x)。在步骤925，将从发电机切换到网格的选定负载(load_x)附 加到grid_loads列表。在步骤926，传回更新后的列表gen_loads和grid_loads。
现在参考图9C，图9C示出用于选择从网格(例如，图1的网格108)切换到发电 机(例如，发电系统101)的负载的方法。可以响应于其中连接到发电机的一组负载的 累积消耗小于发电机的能力的条件而触发方法940。方法940可以接收当前连接到发电 机的负载列表(本文中称为gen_loads)、当前连接到网格的负载列表(本文中称为 grid_loads)以及将连接到发电机的最大所允许消耗(本文中称为generation)作为输入。 在步骤941，可以初始化参数集合。例如，计算连接到发电机的负载的总消耗(示出为 sum(gen_loads))并将其存储在变量sum_loads中。另外，计算表示将连接到发电机的最 大所允许消耗的generation与表示连接到发电机的负载的总消耗的sum_loads之间的差 并将其存储在参数margin中，所述差指示可添加至发电机而不超出发电机的能力的额外 负载消耗。另外，初始化变量to_move用于存储将从网格切换到发电机的负载。处理接 着可继续进行到步骤951，所述步骤是循环950的第一步骤。可以针对连接到网格的每 个负载执行一次循环950。每个连接网格的负载转而(即，在一个循环迭代处)称为 load_x。在步骤951，将load_x的值与参数margin(即，可以从网格切换到发电机的负 载电平)进行比较并且与由参数to_move表示的选定从网格切换到发电机的当前负载进 行比较。如果load_x大于to_move并且load_x小于或等于margin，那么选择load_x为 从网格切换到发电机的最佳候选(到目前为止)，因为将x从网格切换到发电机(当前) 将使连接发电机的总负载消耗达到最大同时保持低于或等于最大可接受负载消耗。因 此，如果load_x大于to_move并且load_x小于或等于margin，那么在步骤952，将参数 to_move设置为等于load_x。在步骤953，可以确定grid_loads(即，当前连接到发电机 的负载列表)中是否存在尚未在步骤951经过评估的额外负载。如果在步骤953确定 grid_loads中存在一个或多个额外负载，处理可以返回至步骤951，其中可以针对 grid_loads中的下一个负载重复分析循环950。如果在步骤953确定grid_loads中不存在 额外负载，则循环950的执行完成，并且处理可以继续进行到步骤942。
在步骤942，评估to_move(通过执行循环950选定将从网格切换到发电机的负载)的有效性。例如，如果在步骤951评估所有连接网格的负载大于margin，那么在步骤952 将不选择负载。如果在步骤952已经针对to_move选择负载load_x(即，在步骤942确 定to_move的值大于零)，处理可以继续进行到步骤943，其中可以将load_x附加到 gen_loads(即，连接到发电机的负载列表)，并且继续进行到步骤944，其中可以从 grid_loads(即，连接到网格的负载列表)中除去load_x。如果尚未针对to_move选择负 载(即，在步骤942确定to_move的值不大于零)，处理可以继续进行到步骤945，其中 可以确定是否有储存装置(例如，储存装置104)可用于储存所产生的超量功率。如果 有储存装置可用，处理可以继续进行到步骤946，其中可以调用命令储存装置开始储存 margin功率的函数。如果在步骤945没有储存装置可用，处理可以继续进行到步骤947， 其中可以将额外负载连接到发电机或可以减少发电机所产生的功率，如相对于图2的步 骤207所描述。在每个步骤944、946和947之后，处理可以继续进行到步骤948，其中 可以输出更新后的列表gen_loads和grid_loads。
现在参考图9D，图9D示出用于将一个或多个负载从发电机(例如，发电系统101)切换到网格(例如，网格108)的方法的实例。可以响应于其中连接到发电机的一组负 载的累积消耗超出发电机的能力的条件而触发方法970。方法970可以接收指示连接到 发电机的总消耗的一个或多个参数(total_gen_loads)、连接到网格的总消耗 (total_grid_loads)、指示哪些负载连接到发电机和网格的指数列表(分别为 index_gen_loads和index_grid_loads)以及连接到发电机的当前最大可允许消耗 (generation)作为输入。可以计算total_gen_loads和generation之间的差并存储在参数 margin中。参数margin中存储的差可以指示可需要从发电机切换到网格的最小负载消 耗。方法970可能不假设已知个别负载消耗值，并且可以试图在不了解个别负载消耗值 的情况下减少连接到发电机的总负载。只要total_gen_loads大于generation(即，可能 有必要减少连接到发电机的负载消耗)，就可以执行方法970的循环960。如果在步骤961处total_gen_loads大于generation，可以在步骤962在随机选定指数i处从 index_gen_loads中选择连接发电机的负载。在步骤963，可以将选定负载从发电机切换 到网格。在步骤964，可以计算更新后的参数集合，包含total_gen_loads、total_grid_loads、 index_gen_loads、index_grid_loads。接着可重复循环960直到连接发电机的总负载消耗 小于generation，即，小于可允许的连接发电机的最大总消耗。
如果在步骤961处total_gen_loads不大于generation，可以评估负载在网格和发电 机之中的所得划分(由循环960的一次或多次执行产生)。如果循环960的一次或多次 执行将大的负载从发电机切换到网格，那么可已经创建大的超量发电余量，并且可能需 要将潜在较小负载从网格切换到发电机，以便使连接发电机的负载消耗达到最大同时不 超出generation。因此，在步骤971，如果参数generation和参数margin之间的差大于 参数total_gen_loads，那么在步骤972，可以调用将或多个负载从网格(例如，网格108) 切换到发电机(例如，发电系统101)的方法。将或多个负载从网格切换到发电机的实 例方法在下文参考图9E进行论述。调用将或多个负载从网格切换到发电机的方法可以 包含传输一个或多个计算参数(即，在最后一次执行循环960时在步骤964计算的参数)， 例如total_gen_loads、total_grid_loads、index_gen_loads、index_grid_loads。
参考图9E，用于将一个或多个负载从网格(例如，网格108)切换到发电机(例如，发电系统101)的方法的实例。可以响应于其中连接到发电机的一组负载的累积消耗低 于发电机的能力的条件而触发方法990。方法990可以接收指示连接到发电机的总消耗 的变量(total_gen_loads)、连接到网格的总消耗(total_grid_loads)、指示哪些负载分别 连接到发电机和网格的指数列表(index_gen_loads和index_grid_loads)以及连接到发电机的当前最大可允许消耗(generation)作为输入。另外，计算表示将连接到发电机的最 大所允许消耗的generation与表示连接到发电机的负载的总消耗的total_gen_loads之间的差并将其存储在参数margin中，所述差指示可从网格切换到发电机而不超出发电机的能力的额外负载消耗。方法990可能不假设已知个别负载消耗值，并且可以试图在不了 解个别负载消耗值的情况下增加连接到发电机的总负载。只要total_gen_loads小于generation(即，可能有必要增加连接到发电机的负载消耗)，就可以重复循环999的执 行。如果在步骤981处total_gen_loads小于generation，可以在随机指数i处从 index_grid_loads中选择连接网格的负载。在步骤983，可以将选定负载(示出为负载[i]) 从网格切换到发电机。在步骤984，可以计算所得参数total_gen_loads、total_grid_loads、 index_gen_loads、index_grid_loads。接着可重复执行循环999直到连接发电机的总负载 消耗大于generation，即，大于可允许的连接网格的最大总消耗。
如果在步骤981处total_gen_loads不小于generation，则循环999的执行完成，并且在步骤991，可以评估负载在网格和发电机之中的所得划分。如果在步骤983将大的 负载从网格切换到发电机，那么可已经创建大的负发电余量，并且可能需要将负载从发 电机切换到网格，以便使连接发电机的负载消耗减少到低于generation。因此，如果在 步骤991，如果参数total_gen_loads大于参数generation与margin的值之间的差，可以 调用如上文关于图9D所论述的方法970。如上所述，方法970是用于将一个或多个负 载从发电机(例如，发电系统101)切换到网格(例如，网格108)的方法的实例。调 用将或多个负载从发电机切换到网格的方法可以包含传输一个或多个计算参数(即，在 循环999的最后一次迭代中在步骤984对这些参数的计算)，例如total_gen_loads、 total_grid_loads、index_gen_loads、index_grid_loads。
应理解，上文描述的方法970和990的直接应用可能引起振荡性，其中负载不断地在发电机与网格之间切换。在一些实施例中，这种不断的切换可能不合乎需要。在一些 实施例中，可以略微修改方法970和990以包含“停止条件”，其将负载在网格与发电机 之间的可接受划分有效地保持一段时间，之后再重新评估负载划分(例如，在已经过一 段时间或已经接收到中断之后)。
现在参考图10，图10是根据说明性实施例的用于电压同步的系统的局部示意性局部方块图。在一些电力系统中，可能需要使网格的电压输出和替代电源的电压输出同步。例如，如果负载从电网切换到PV逆变器的输出，如果PV逆变器和网格不同相，那么 即使逆变器和网格均以相同幅值和频率输出交流电(AC)电压，负载仍可能经历电压幅 值跳变。一些负载可能对电源的电压幅值的突然跳变敏感，并且负载组件可能在发生电 压跳变时被损坏。网格1028可以与图1的网格108类似或相同。可以通过电压表1024 对网格1028的电压连续取样，其中电压表1024提供样本到控制器1025。控制器1025 可以控制PV逆变器1023的操作。PV逆变器1023可以从光伏(PV)源1021接收输入 功率。PV源1021可以与图3的PV源311类似或相同。PV源1021和PV逆变器1023 可以一起包括与图1的发电系统101或图3的发电系统301类似或相同的发电机。
在从电压表1024接收电压样本后，控制器1025就可以控制逆变器1023的开关元件以追踪网格1028的电压输出。PV逆变器可以根据参考电压信号输出电压，并且通过 将网格1028的电压用作用于PV逆变器1023的参考电压信号，可以通过网格1028和 PV逆变器1023输出同步电压信号。如果提供同步电压信号，那么负载从网格1028切 换到PV逆变器1023或从PV逆变器1023切换到网格1028可能不受开关影响。此外， 使PV逆变器1023的输出电压和网格1028的输出电压同步可以促进将PV逆变器1023 耦合到网格1028，从而实现PV逆变器1023向网格1028注入功率(例如，以换取“上 网”支付)。
在本文中公开的说明性实施例中，使用光伏模块来举例说明可以利用所公开的新颖 特征的能源。在一些实施例中，所述能源可以包含太阳能瓦、电池、风力或水力涡轮机、燃料电池、水力发电机，或除或替代光伏板的其它能源。本文中公开的方法和特征可以 应用于替代能源，例如上文所列的那些替代能源，并且将光伏模块提及为能源并非意图 在这方面进行限制。
应注意，本文中在元件之间阐述各种连接。这些连接一般描述为直接或间接连接，并且除非另外规定，否则这些连接可以是直接或间接连接；本说明书并不意图在这方面 进行限制。此外，一个实施例的元件可以与其它实施例的元件以适当的组合形式或子组 合形式进行组合。例如，图1的发电系统101可以替代图3的发电系统300。

Claims (15)

1.一种电力系统，其包括：
第一电力源；
第二电力源；
开关电路，其经配置以从所述第一电力源和所述第二电力源接收功率；
一个或多个电力负载，每个电力负载耦合到所述开关电路并且可经由所述开关电路连接到所述第一电力源或所述第二电力源；以及
控制器，其经配置以控制所述开关电路，从而将所述一个或多个电力负载连接到所述第一电力源和所述第二电力源以及将所述一个或多个电力负载从所述第一电力源和所述第二电力源断开连接，
其中所述控制器经配置以控制所述开关电路，响应于确定所述第一电力源所产生的功率不足以为所述一个或多个电力负载中的第一负载供电而将所述第一负载连接到所述第二电力源，同时所述第一电力源继续为所述一个或多个电力负载中的第二负载供电。
2.根据权利要求1所述的电力系统，其中所述开关电路将所述第一电力源和所述第二电力源维持在断开连接状态。
3.根据权利要求1所述的电力系统，其进一步包括储能装置，所述储能装置经配置以从所述第一电力源接收功率并且将所述功率输出到所述一个或多个电力负载。
4.根据权利要求1所述的电力系统，其中所述第一电力源包括光伏发生器。
5.根据权利要求3所述的电力系统，其进一步包括连接在所述第一电力源与所述开关电路之间的交流电到直流电(AC到DC)逆变器。
6.根据权利要求5所述的电力系统，其进一步包括连接在所述第一电力源与所述第二电力源之间的断路器。
7.根据权利要求1所述的电力系统，其中所述第二电力源包括公用电网。
8.根据权利要求1所述的电力系统，其中所述控制器经配置以控制所述开关电路，从而将负载从所述第一电力源断开连接，之后再将所述负载连接到所述第二电力源。
9.根据权利要求1所述的电力系统，其中所述开关电路包括多个开关，其中所述多个开关中的一个或多个开关与断路器集成。
10.一种方法，其包括：
监控第一电力源所输出的电力；
监控连接到所述第一电力源的一组一个或多个负载所消耗的电力；
响应于确定所述第一电力源所输出的所述电力不足以为所述组一个或多个负载中的所有负载供电，选择性地将一个或多个选择负载从所述第一电力源断开连接，并且将所述一个或多个选择负载连接到第二电力源；以及
响应于确定所述第一电力源所输出的所述电力大于为所述组一个或多个负载供电所需的电力，触发响应性动作以利用所述第一电力源所输出的不需要用于为所述组一个或多个负载供电的所述电力。
11.根据权利要求10所述的方法，其中将一个或多个选择负载从所述第一电力源断开连接以及将所述一个或多个选择负载连接到第二电力源包括：将一个或多个选择负载从所述第一电力源断开连接，之后再将所述一个或多个选择负载连接到第二电力源。
12.根据权利要求11所述的方法，其中将一个或多个选择负载从所述第一电力源断开连接以及将所述一个或多个选择负载连接到第二电力源包括：断开具有最小累积功率的一个或多个负载的连接使得所述第一电力源所输出的所述电力变得足以为所述组一个或多个负载中的所有所述负载供电，以及将所述一个或多个负载连接到所述第二电力源。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述触发所述响应性动作包括将一个或多个负载增加至连接到所述第一电力源的所述组一个或多个负载。
14.根据权利要求10所述的方法，进一步地，其中所述触发所述响应性动作包括将储能装置增加至连接到所述第一电力源的所述组一个或多个负载。
15.根据权利要求10所述的方法，其中所述触发所述响应性动作包括减少所述第一电力源所产生的功率。
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