CN110799925B - 聚集和供应能量的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于聚集和供应能量的设备和方法，包括：多个电力模块，其用于将从多个电力的源被供应至电力模块的第一类型的电力在电力模块的输出处逆变为第二类型的电力，用于将逆变后的电力递送至存储装置以便未来使用，或者递送至电负载、或者递送至区域或中心公用电网。电力微控制器由电力模块中的每一个承载并被结合在电力模块的每一个内，并且每个电力微控制器被配置用于控制电力逆变操作。电力微控制器被配置为用于从所述多个电力模块的每一个产生充电和放电的受控脉冲以用于增大能量存储装置的存储容量。控制微控制器被配置为用于监测所述至少一个能量存储装置内的电压电平，以及用于使能量存储装置内的电压重新平衡。

Description

聚集和供应能量的设备和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求标题均为“聚集和供应能量的设备和方法”的在2018年4月17日提交的美国非临时申请号15/954,993和在2017年4月18日提交的美国临时申请号62/486,654的优先权，其每个通过引用整体包含在此。
技术领域
本发明大体上涉及聚集、产生和供应电能的领域。更具体地，本发明针对这样的设备和方法，其聚集来自多个不同产生源的这种能量，调节和控制产生的能量，并且最佳地将产生的能量独立地供应至负载，或者将产生的能量供应至公用电网，或者将产生的能量供应至负载和公用电网两者。本发明的设备有时在本文中被称为“能量服务器”或简称为“服务器”。
背景技术
近年来，气候变化和全球变暖的不利影响导致对作为一种清洁、丰富的能量源的可再生能量越来越感兴趣。全球正在努力从基于化石燃料的电能产生过渡至可再生发电。但是，这种过渡具有重大的技术、政治和地缘政治挑战需要克服。
可再生能量在世界上任何地方都是丰富可用的。然而，可再生能量是间歇性、不可调度的(这意味着其不能根据需要被打开和关闭)，并且取决于地理环境和可再生能量的类型，一天中只在有限的时间是可用的。
然而，居民区和全世界的能量需求通常是每天24小时持续供应稳定的电力。
许多现有电力网络目前被设计为每天24小时递送稳定电力的连续供应。但它们的设计通常基于可预测的能量源和每天24小时可用的可调度发电。
由于电网网络被设计用于每天24小时可用的可预测可调度发电，因此它具有局限性，包括需要大量资本来发展网络和很长前置时间来构建基础设施，其相互依赖性导致了大片网络同时故障并且导致主要的维护和保养需求。
由于这些局限性，特别是要求大量资本支出的需要，世界上仍有大约13亿人尚未用上电或没有用上适当的电。
因此，为了克服现有电网基础设施的局限性和可再生发电的独特性，必须开发分布式能量解决方案，以使电力能够在同一地点产生和消耗。这些解决方案必须包括可再生发电技术，比如光伏太阳能(“PV”)、风力、储能(电池)、以及实现每天24小时连续稳定电力的产生、调节、控制和递送的控制系统。
该问题的解决方案被认为在于提供待聚集的不同产生源以及被调节和控制的所产生的能量。然后，可以将聚集的能量供应至储能系统以用于非产生时间期间的可用性。这样就可以管理负载。
目前，正在尝试通过将包括其他发电系统(比如公用电网)、各种类型的储能的多种可再生能量源组合成具有AC和/或DC输出的单个系统来构建这样的解决方案。这通常需要将每个单独的能量产生源连接至中央控制器，设计监测负载曲线并从适当的源调度能量的复杂软件，并管理各种能量源、控制器和负载之间的多种通信协议。这种集成通常需要为每个部署定制的复杂软件。尽管这种部署正在推出，但不足以满足从化石燃料向基于可再生能量网络的适当过渡的需求。
发明内容
为了替代化石燃料，控制电子器件必须递送电网网络现在递送的所有功能性，以及递送稳定、连续和有弹性的电力。因此，重要的是要注意，操作网络所需的所有特征在本发明的服务器中均已设计并可用，因此使它们相互最佳地工作。通过消除通常从不同制造商供应的多种硬件系统和软件组件，能量服务器还消除了不兼容的风险，因此与由不同产品组成的解决方案相比，交付了更稳定、更有弹性的解决方案。
与前述内容一致并且根据本文实施和宽泛描述的本发明，适当详细地描述了一种设备和方法以使本领域普通技术人员能够制造和使用本发明，所述设备和方法用于聚集来自多个不同产生源的能量，调节和控制所产生的能量，以及独立地最佳地将所产生的能量供应至负载，或将产生的能量供应至公用电网或将产生的能量供应至负载和公用电网两者。
具体地，本发明针对用于聚集和供应能量的设备和方法。所述设备包括多个电力模块，其用于将从多个不同的电力的源被供应至所述电力模块的第一类型的电力(比如DC电力)在所述电力模块的每一个的输出处逆变为第二类型的电力(比如AC电力)，以用于存储以便未来使用，或者用于驱动电负载或者用于发送至中心或区域电网。第一汇流排(比如DC汇流排)与所述多个不同的电力的源连接并且还与所述多个电力模块连接，用于对其提供所述第一类型的电力。第二汇流排(比如AC汇流排)与所述多个电力模块中的每一个的输出连接，用于从所述电力模块接收所述第二类型的电力以及用于使所述第二类型的电力可用于目的地。电力微控制器由所述电力模块中的每一个承载并被结合在所述电力模块的每一个内，并且每个电力微控制器被配置用于控制所述电力模块的电力逆变操作。放电微控制器还被配置为用于产生充电和方法的受控脉冲以用于增大所述至少一个能量存储装置的存储容量。控制模块与所述多个电力模块连接，并且接口可以与控制模块连接，用于与外部装置进行通信。在所述服务器外部的至少一个能量存储装置可以与所述多个电力模块通信，用于从它们的输出接收电能。所述至少一个能量存储装置还可以具有多个电池单元，用于接收和存储从所述电力模块输出的能量。充电模块和由所述充电模块支撑的放电微控制器通过基于算法的脉宽调制器(“PWM”)配置为用于连续地监测所述至少一个能量存储装置。所述电力微控制器被配置为用于从所述多个电力模块产生充电和放电的受控脉冲以用于增大能量存储装置的存储容量。控制微控制器由所述控制模块承载并结合在所述控制模块内，并且与所述至少一个能量存储装置连接，所述控制微控制器被配置为用于确定和监测所述至少一个能量存储装置内的电压电平，以及用于使所述至少一个能量存储装置内的电压重新平衡。传感器装置被定位为与所述至少一个能量存储装置接触，连续地感测所述至少一个能量存储装置内的电压电平，所述传感器与所述控制微控制器通信以用于对其供应所感测的数据。通信和自动化模块(“CAM”)由所述控制模块支撑并且与所述控制微控制器通信。所述CAM具有可编程干输出，用于对所述控制微控制器进行监测和接口连接以及响应于由传感器监测和检测的在服务器内的事件。
本发明的方法包括：通过第一汇流排(比如DC汇流排)从多个不同的源接收第一类型的电力(比如DC电力)；将所述第一类型的电力引导至多个电力模块，用于将所述第一类型的电力在所述电力模块的输出处逆变为第二类型的电力(比如AC电力)；将来自所述电力模块的所述第二类型的电力递送至与所述多个电力模块连接的第二汇流排(比如AC汇流排)；以及使得来自所述电力模块的所述第二类型的电力可用于地点进行使用，比如电负载、存储装置、或国家或区域电网系统、或能量存储装置。所述方法还包括：通过结合在所述电力模块的每一个内的电力微控制器来控制所述电力模块的各种操作，所述电力微控制器被配置为用于进行所述控制；以及通过与所述电力模块连接的控制模块来控制和操作所述电力模块。所述控制模块具有由所述控制模块承载并在所述控制模块内的控制微控制器。执行从所述电力模块产生充电和放电的受控脉冲，从而增大所述能量存储装置的存储容量。所述方法还包括：感测所述能量存储装置内的电压电平，并将感测到的电压电平供应至所述控制微控制器，所述控制微控制器被配置为用于重新平衡所述能量存储装置内的电压；并且通过所述控制微控制器监测所述感测的电压电平，以及基于所感测的数据来检测滞后或超前功率因数，并且对用于校正所述超前或滞后所需的电容或电感充电；所述控制微控制器与所述能量存储装置连接，并被配置为用于所述监测。并且所述方法包括：通过由所述控制模块支撑且与所述控制微控制器通信的通信和自动化模块(“CAM”)来监测和响应于所述服务器内的由传感器监测的事件。
下面进一步在本文中描述本发明的其他特征、实施例和方面。
附图说明
通过优选实施例的以下详细描述，本发明的特征和优点将被更充分地公开或变得显而易见，所述优选实施例将与附图(其中相同的附图标记指代相同的部件)一起考虑，并且其中：
图1是本发明的机箱支撑元件和模块的正视图；
图2是示出体现本发明原理的整体系统架构的示意图；
图3是示出图2的系统的一个方面的局部示意图；
图4(a)和图4(b)是当使用具有中压线或高压线的系统时，本发明中并入的电压转换变压器的示意图；
图5示出通信和自动化模块(“CAM”)，作为用于与本发明的控制模块进行通信的通用转换器；
图6是本发明中使用的静态开关电路的电路图；
图7是示出本发明中使用的AC至DC整流器的电路图；
图8是本发明中用于连接图1所示机箱的AC输入汇流排、AC输出汇流排、DC汇流排和通信汇流排的逆变器(电力)模块的示意图；
图9是本发明的电力模块的布置和连接的示意图；
图10是示出当将图8所示的逆变器模块插入图1所示的机箱中时的启动顺序的流程图；
图11是图8所示的逆变器模块的电路图；和
图12是示出用于进行滞后或超前功率因数的校正的元件的电路图。
具体实施方式
以下公开包括用于实现本发明的不同特征的实施例或示例。以下描述组件和布置的特定示例以简化本公开。当然，这些仅仅是示例，而无意于进行限制。诸如“耦接”、“连接”和“互连”之类的关于电耦接等的术语是指这样一种关系，其中各结构直接地或通过中间结构间接地彼此通信，除非另有明确说明。为简单起见，本文中讨论和描述的所参考的装置、结构和元件之间的所有连接和通信链接可能实际上没有在附图中示出或图示，或者由于这些连接或链接不适合在图中示出而未被示出。然而，本领域技术人员将从本文的描述以及描述其的上下文中理解并懂得这种连接和链接的存在。另外，本公开可以在各个示例中重复参考数字和/或字母。该重复是出于简单和清楚的目的，并且其本身并不决定所讨论的各种实施例和/或配置之间的关系。
以下描述与附图一起示出和描述了本发明的用于对来自不同类型的输入和存储介质的能量进行聚集、管理、转换、逆变和控制的能量服务器10的例示性示例。该服务器由于其模块化设计而具有完全的灵活性和可扩展性，并具有以下所述的独特功能。
首先参照图1，机箱100用作本发明的能量服务器10的基础设施平台，并包括具有用于容纳和支撑本发明各种模块和元件的插槽102的壳体(或“机架”)101。在本发明的一个示例性实施例中，在机架101的插槽中支撑了如下系统模块：监视器模块103；充电器模块104；和电力模块105(可以提供多个电力模块105)。还可以在电源线中对每个模块提供电涌保护装置106和107以用于保护。还可以在输入、输出和旁路线(如下文所讨论的)中分别提供输入、输出和旁路断路器108、109和110以用于进一步的系统保护。电力模块105(有时在本文中也被称为“逆变器模块”或“逆变器”)具有正弦波曲线，其被配置为以每四分之一周期1024位的极高分辨率操作，这与以每四分之一周期16位操作的现有逆变器相反。场效应晶体管(“FET”)器件的这种高速开关是通过使用宽带隙氮化镓器件(也称为GaN FET)并在电力模块中配置微控制器来实现的，以使得能够使用GaN器件来产生具有每四分之一周期1024位的极高分辨率的正弦波。
硅(Si)技术已经取代了几乎所有在先的低功率热电子和机电装置，但基本的材料限制已使其在高功率应用中的使用停滞不前。GaN器件现已可用于高功率应用。GaN器件的优点包括：减少了对散热器的需求；系统体积和重量减少80％；单极性器件的压降较低；增大了输出功率；改善了瞬态特性和开关速度；减小了来自较小系统包装的电噪声；并且由于几乎为零的恢复电荷而减小了电噪声。
电力模块承受由无功负载产生的高达1000％的极高转矩负载，这与可承受最大250％的当前逆变器相反。通过组合高分辨率正弦波的性质(如上所述)并在高输入DC电压(384VDC-1200VDC)下操作，可以承受由所有无功负载产生的高转矩负载。电力模块DC至AC效率非常高，对于无功负载超过96％，并且对于电阻负载超过99％。通过组合高速/低损耗开关(如上所述)和高的操作DC电压(384VDC-1200VDC)来实现如此高的效率。
电力模块105主要用作DC电力至AC电力的逆变器。图9示意性示出了电力模块105的布置和连接。因此，电力模块105包括微控制器单元(“MCU”)903，其被配置为控制电力模块的操作。输入操作电压通过电压和检查元件902被供应至MCU 903，从三相主电力输入901将操作电压供应至电压和检查元件902。输入901还将电压馈送至整流器开关904，整流器开关904将整流电压供应至谐波滤波器905。谐波滤波器905被配置用于限制电压波动并改善电力模块的操作。这种过滤器是商业上已知且是可用的。滤波器905随后馈送至6或12脉冲整流器906以对电压信号进行整流。MCU 903被配置为经由整流器触发(spring)电路来控制整流器的操作。随后从整流器906将整流电压信号馈送至总线滤波器908(用于馈送至MCU903中)和DC总线滤波器910两者，DC总线滤波器910将电力供应至在服务器外部的电池260和直接与负载连接的离网逆变器911两者。来自DC总线滤波器910的电力还将电力供应至电池电压和电路控制总线保护单元912。电池电压和电路控制总线保护单元912随后反馈回至MCU 903，MCU 903转而操作充电电压电路控制保护913和输入电压默认相位整流器914。电池260可以是各种类型的，包括例如多电池单元的化学电池。
在正常操作期间，来自电网网络的AC电力在AC输入901处被供应，并经过整流器开关904、滤波器905、整流器906、然后汇流排910，达至逆变器911和负载280，或外部电池260。在此期间，由内部MPPT控制的PV能量供应电力以对电池260充电。当电网不可用时(比如，由于电网断电)，系统将供应从外部PV面板(其通过太阳能控制器从太阳光920生产能量)无缝转移至电池和PV，然后转移至负载280以对负载供电，或者系统将供应无缝转移至电池260，然后转移至负载，从而确保连续电力供应。在白天，在有足够的PV输入和可用电网电力的情况下，将从太阳能面板提供电力，并将由太阳能控制器将其调整到最大供电状态以对负载进行供应，而电网输入处于待命状态，并同时用任何多余的电力对电池260充电。
在夜间，同样在电网电力可用时，电力将从外部电池260(其已在白天从PV太阳能面板充电)供应，电池放电至预设值(具有应急的储备)。如果在第二天PV面板开始生产之前电池260已完全放电，则系统将自动切换到电网，向负载供电，直到PV输入再次开始为止。在阴天/雨天，没有足够的阳光为电池充电，但有可用的电网电力时，将首先由PV太阳能面板供应电力，任何多余的电力将同时为电池260充电。当PV电源不再可用时，电池将为负载280供电，直到其被放电到预设值(保留用于应急的储备)为止，此后，系统将自动切换到电网为负载供电。在夜间，在电网不可用时，将使用电池电力。
在维护时段期间，可以通过旁路开关来供应来自电网的电力以为负载280供电。
尽管在图1中不容易看到，但如图2所示，机箱100还包括AC输入汇流排202、AC输出汇流排203、DC汇流排204、和通信汇流排205、以及控制模块201，它们由壳体(机架)101支撑。控制模块201包括通信和自动化模块(CAM)205，其可以作为单独的元件安装在机架101中，如下文进一步所述。如上所述，实际上，各种功能模块被插入到用于支撑在机箱100中的插槽102中，经由安全螺钉(未示出)连接至汇流排，并且由控制模块201控制和操作。
控制模块201与接口220(诸如图形用户界面)通信，用于进行与具有不同协议的外部装置或系统的通信。接口220对机器通信中的通信协议采用众知的行业标准，比如USB、RS232、RS485和干触点。
每个汇流排通过热断路器108、109和110连接至输入或输出。电流、电压和温度传感器207、208和209分别连接在这些汇流排上，以将数据提供给控制模块201。还可以根据能量服务器的类型和尺寸在机箱100中安装诸如典型的冷却风扇和空调之类的其他装置(未示出)以进行冷却。
壳体101所承载的机箱100中还支撑一个或多个电力模块105(其可以包括太阳能模块210、风能模块211、电网电力模块212和柴油发电机(“DG”)电力模块213)。电力模块进行操作(如结合图9所图示和描述的)以将输入电压进行逆变，然后使该供应电力可用于至少一个外部电池(比如电池260)和负载280。负载280可以是无功的或阻性的任何类型的AC负载，并且可以由所有不同的输入(AC/DC)能量驱动。除了标准的最大功率点跟踪(“MPPT”)功能外，太阳能和风能模块还将标准铅酸/AGM/Gel/LiFePo4电池的存储容量提高了40％，并使得超级电容器、铅酸或锂离子电池能够在不影响循环寿命的情况下以100％的放电深度操作(当前的太阳能充电控制器和风能充电控制器不具有此类功能性)。由太阳能或风能模块中的每个模块承载的微控制器由算法配置，以在短持续时间内驱动一组受控的充电和放电脉动突发。该活动(其由太阳能或风能模块中的微控制器进行监测和控制)导致化学电池(但仅针对铅酸、AGM和凝胶电池)内部的电解质的离子密度增加，从而增加了其存储容量。增加存储容量的另一个好处是在不影响循环寿命的情况下以100％的放电深度安全地操作电池的能力。
尽管为方便起见在图2中仅示出了单个电池260，但应当容易理解，当在本文中引用“电池260”或“电池”或“该电池”时，旨在包括联结在一起的多个电池，或者串联和并联连接至服务器10的电池阵列。这种电池还可以具有多个电池单元262。连接的阵列中的各个电池可能会由于制造公差而产生不平衡的充电状态，这可能会导致随时间损坏的不平衡的电池。为了保护电池免于损坏，服务器通过电池单元传感器261连续监测阵列中每个电池单元的状况，并通过从处于过度充电状态的电池单元中汲取电荷并将电荷供应至处于充电不足状态的电池单元来平衡每个电池单元。传感器261监测每个电池单元的电压、温度和内阻，并且经由RS484通信线265将该数据传送到电池存储模块214内的微控制器，从而控制电池单元的平衡。
每个电池260由放电微控制器231控制，由充电模块230支撑，并由基于算法的脉宽调制器(“PWM”)配置，该脉宽调制器连续监测电池单元电压并将其与电池中的其他电池单元进行比较。当检测到过充电不平衡时，放电控制器会从过充电的电池单元汲取电荷，并将其供应至与控制器连接的辅助电池单元，从那里将其供应回具有最低电荷的电池单元。通过这种方式，实现了主动电池平衡。
AC输入汇流排202(用于各种配置或实施例，比如：三相440V 50Hz；三相220V60Hz；一相220V 50Hz或一相110V 60Hz)通过1500V的AC隔离器219被安装在机箱100中并通过模块插槽中的微型开关连接器113被连接至各种模块和其他系统元件(见图1)。AC输入汇流排202由此被隔离的，并且各种模块是可热插拔的(如本文中所使用的，表述“可热插拔”旨在表示可以在无需操作性地关闭机箱或系统的情况下移除或安装模块)。AC输入汇流排202能够对作为恒定负载的2倍于其额定容量(以kW为单位)的输入、以及对作为瞬时负载的10倍于其额定容量(以kW为单位)的输入承受2s。这种汇流排在本领域中是众知的，并且对于电气和电子领域中的消费者是商业可用的。
连接至服务器10的各种不同的电力输入(无论是太阳能、风能、涡轮机、柴油发电机、电网、地热、电池还是任何其他AC或DC源)均可以以预定百分比进行混合，并以调节后的功率质量输出进行递送。所有这些输入能量源(即，AC、DC、电池)以及服务器的内部电容器存储在公共DC汇流排204上被调节，该DC汇流排204是驱动逆变器的主要源。在一种能量源转移至另一能量源的情况下，如通过控制模块承载的中央控制微控制器(“控制微控制器”)201.1所示意的那样，电池和/或电容器存储向DC汇流排提供临时能量，直到源之间的转移完成为止。因此，逆变器在过渡期间保持完全通电，因此，源之间的切换是无缝的并且几乎是瞬时的。
控制模块201的控制微控制器201.1与电力模块的输出连接通信，并且因此与负载208通信。控制微控制器201.1的控制逻辑检测电路负载上的滞后或超前功率因数，并被配置为进行功率因数校正。参照图12，控制微控制器201.1(在图12中由端子符号201.1象征性地示出)还被配置为使得其随后以校正滞后/超前所需的准确电容或电感对服务器中的嵌入式单个大电容器C-1或电感器L-1充电。然后，电容器C-1或电感器L-1供应准确电容或电感以校正滞后或超前。电容或电感的值通过由控制微控制器201.1确定并实现的IGBT-1和IGBT-2的开关来控制。
控制微控制器201.1的控制逻辑连续检测和分析由无功负载产生的谐振谐波频率。然后，它计算R、L、C(电阻器、电感器、电容器)值，并将这些值应用于电路(这种电路由通过输出端子处的负载产生的闭合电流路径形成)以滤除不需要的频率。
在图1和2中未示出，但如图3所示，具有适当额定值的热断路器340位于AC输入301与AC输入汇流排202之间，用于输入过载安全性。类似地，断路器341、342、343、344和345分别位于AC输出302与AC输出汇流排203之间，电池输入303与电池/存储模块214(其也可以支撑在机箱100中)之间、旁路输入304与旁路/电力模块215之间、PV输入305与太阳能模块210之间、以及太阳能输入306与风能模块211之间。电压和霍尔效应电流传感器也安装在汇流排上，以通过控制模块201监测电流和电压。
AC输出汇流排203(3相440V 50Hz/3相220V 60Hz/1相220V 50Hz/1相110V 60Hz)通过1500V AC隔离器219安装在机箱100中，并通过诸如模块插槽102中的113之类的连接器被连接至各种模块和其他系统元件。AC输出汇流排203被隔离，并且模块是可热插拔的。AC输出汇流排203能够对作为恒定负载的2倍于其额定容量(以kW为单位)的输出、以及对作为瞬时负载的10倍额定容量(以kW为单位)的输出承受2s。图3所示的具有适当额定值的热断路器341位于AC输出302与AC输出汇流排203之间，用于输出过载安全。电压、霍尔效应电流和其他传感器(比如传感器207、208和209，见图1)也安装在汇流排上，以通过控制模块监测电流和电压。
DC汇流排204还通过1500V DC隔离器219安装在机箱100中，并且通过诸如模块插槽102中的113之类的连接器连接至各种模块和其他系统元件或装置。DC汇流排204被隔离，并且模块是可热插拔。DC汇流排204能够对作为恒定负载的2倍于其额定DC容量(以kW为单位)、以及对作为瞬时负载的10倍于其额定容量(以kW为单位)承受2s。电压霍尔效应电流和其他传感器(比如传感器207、208和209，见图1)位于汇流排上，以通过控制模块监测电流和电压。
四线双工通信汇流排205被连接至机箱100的每一个模块插槽102中的连接器113，并且是用于在各种模块之间通信的通道。
以下是安装在机箱模块100中的输入和输出连接器：AC输入301；AC输出302；电池输入303；存储输入(DC)；旁路输入(AC)304；PV输入(DC)305；风能模块中的风能输入(DC/AC)；以及发电机输入(AC)(旁路输入也被用作发电机输入)。
所有输入和输出通过用于过载保护的断路器340-345被安装，如图3所示。
机箱100的机架101中用于容纳和支撑各种系统模块和其他系统元件的每个插槽均承载微型开关连接器113。当拧紧被插入的模块中的指定安全螺钉时，该微型开关113被按下。一旦按下微型开关113，电信号就被发送至控制模块201，并提供关于被插入的模块的数据，从而允许控制模块启动被插入的模块的初始化过程，并将其与系统中的操作模块同步。将模块插入插槽中并将其从插槽中移除是可以在能量服务器操作时执行的无缝操作，提供了连续的可操作性，因此防止了电力中断。
电压转换机箱模块250在机箱250的输入和输出处分别包含电压转换变压器251和252，使得可以根据需要转换输入和输出操作电压。这在当将机箱模块250与中压或高压线一起使用时被使用。一旦连接，机箱模块250的输入和输出电压可以被转换成中或高电压。图4(a)和4(b)分别示意性示出了用于转换输入和输出电压的电压转换变压器251和252。在图4(a)所示的示例中，通过输入电压转换变压器251将11KV的初级输入电压降压到400V的次级电压。在图4(b)所示的示例中，通过输出电压转换变压器252将400V的初级输出电压升压到11KV的次级电压。在本发明的实施例中，电压转换变压器是服务器的组成部分，因此将不会需要外部或单独的机箱，比如机箱250。
在图5中示意性示出的通信和自动化模块(“CAM”)205是嵌入有串行端口501(RS232)、502(RS485/RS422)和503(TCP/IP以太网端口)的通用协议转换器。CAM通过64位并行端口504与控制模块201通信，然后将该通信转换为不同的协议。CAM 205支持MODBUS、TCP/IP上的MODBUS、RS485上的MODBUS、CANBUS、PROFIBUS和S BUS。
CAM还具有一个8端口干触点输出505，其是用户可编程的。每个端口均可编程，以响应由服务器上各种传感器确定的特定事件，比如低电池警告、系统过载、电池断开连接、逆变器关闭、静态旁路、电网故障、模块故障等，或响应系统中的任何事件。
CAM 205还结合了可编程自动化特征，以与可被连接至系统的外部装置通信。CAM205的该自动化特征也在相同的64位端口505上与控制模块20通信。
尽管CAM 205在机箱100中具有单独插槽，但其作为控制模块201的组成部分来操作，并且如果拔出会导致控制模块201关闭，从而关闭服务器系统。
电网/充电模块230操作为：(i)将AC转换为DC电压；(ii)使用双向DC至DC转换器为电池260充电；以及(iii)在逆变器故障和逆变器重启的情况下，在旁路和逆变器之间进行静态切换。
当将电网/充电模块230插入其在机箱100中的插槽中时，其操作以通过特殊的可热插拔连接器连接汇流排。
电网/充电模块230结合了微控制器231，其被配置为执行如下：
(i)检测在DC汇流排上是否存在输入DC电压；
(ii)检测安全螺钉是否到位；
(iii)确认输入DC电压是否在正确范围内；
(iv)确认输入AC电压是否在正确范围内；
(v)检查在通信汇流排205上是否存在握手信号；
(vi)通过通信汇流排205与控制模块201连接；
(vii)从控制模块201接收其模块编号分配；以及
(viii)与控制模块通信以接收与电网输入的使用有关的指令，其可以是以下中任一项：
a.在输出处静态地切换电网输入并关闭逆变器(静态切换模式)；或者
b.接通AC至DC整流器，然后将电网输入转换为DC，并将此DC电力与DC汇流排204合并。DC电力根据用户编程的策略进行合并，并通过控制模块201传达给电网/充电模块230(AC至DC整流模式)；或者
c.在限流模式下接通AC至DC整流器，然后将电网输入转换为DC，并将此DC电力与DC汇流排合并以供应给逆变器(AC至DC整流和限流模式)。
一旦以上述模式中的任一种启动了电网/充电模块230，其连续地与控制模块201通信，以接收与限流值或改变模式有关的操作指令。每种模式的操作被描述如下。
如图6所示，通过静态开关600实现静态切换模式，该静态开关600在正向和反向连接中结合了双向可控硅整流器(“SCR”)的组合开关，SCR也连接到PWM微控制器231。有2个SCR对以单极双通模式操作(公共601连接到负载，NC 602(常闭触点)连接到逆变器，NO 603(常开触点)连接到旁路端子)。一旦PWM微控制器从控制模块接收到指令，它将从NC切换至NO模式。从NC至NO模式的切换时间在5ms内完成。在逆变器故障或可能导致在输出处功率为零的能量源的任何其他故障的情况下，该旁路开关布置用于将应急电源连接至负载280。静态旁路通过用户将负载280静态地切换为预定义的能量源。锁相环(“PLL”)同步的切换时间为4ms。这是通过使用半导体静态装置(SCR-硅可控整流器)来实现的。不使用机电继电器。手动旁路是连接在服务器接线柱上的机电开关，其由用户手动操作。该手动旁路可用于维护。一旦启用了手动旁路，就从接线柱对电力进行旁路，并且可以在系统内部的任何地方进行维护。在输出负载上过载或短路的情况下，服务器的自动旁路功能通过静态旁路开关自动将负载旁路到电网。在电网不可用或过载/短路大于服务器容量的200％的情况下，内部安全措施关闭服务器。该功能性通过控制模块微控制器201.1监测输出电流/负载来实现——这检测到过载或短路，并向静态旁路开关示意，以将负载从逆变器直接转移到电网，并且在电网不可用或过载大于200％的情况下关闭服务器。
切换响应时间为5ms，即从发生故障直到恢复备用电力所计数的时间。在输出负载280上过载或短路的情况下，自动旁路功能通过静态旁路开关600自动将负载旁路到电网。在电网不可用或过载/短路大于服务器容量的200％的情况下，内部安全措施(如本文所述)关闭服务器。该功能性通过微控制器201.1监测输出电流/负载来实现——这检测到过载或短路，并向静态旁路开关600示意，以将负载从逆变器直接转移到电网，并且在电网不可用或过载大于200％的情况下关闭服务器。
如图7所示，AC至DC整流器模式由PWM模式开关电源、桥式整流器和电感器-电容器电路(“LC电路”)滤波器组成，该滤波器连接至图7所示的绝缘栅双极型晶体管(IGBT-7)，其由配置为控制IGBT-7的PWM微控制器701来控制。IGBT-7在通过短按键整流器(short keyrectifier)和输出电容器对其滤波之后，切换功率电感器的DC电力，并将放电电力从电感器转移至DC汇流排204。PWM微控制器701利用来自DC输出处的电压和电流传感器的反馈来调节该整个过程。LC电路可用作电谐振器(音叉的电模拟)，其存储以电路的谐振频率振荡的能量。IGBT是主要用作电子开关的三端功率半导体器件，随着它的发展，它结合了高效快速切换。
在AC至DC整流和限流模式下，通过充电模块230中的微控制器231中的控制逻辑来监测整流过程，并且基于优化负载和电池充电状态(“SOC”)来限制电流。控制逻辑连续地检查负载和电池SOC并限制电流，使得负载安全地操作并且电池不被过充电。
在PWM微控制器231(其运行脉宽调制功能)从控制模块201.1的控制微控制器201.1接收到有关AC输入电压以及AC输入电压是否在正确范围(其将由用户编程)内的信息之后，整流过程启动并继续。在AC输入电压落在设定范围之外的情况下，控制微控制器201.1关闭该过程。当AC输入电压返回设定范围时，控制微控制器201.1重启该过程。
每个模块的额定功率为20kW或50kW或100kW。在发生过载事件时，PWM微控制器201.1立即关闭该过程。PWM微控制器201.1在60s至120s(由用户编程的时间)之后分析负载情况。如果过载持续存在，则除非手动复位，否则它将保持关闭。
如图8所示，电力模块105(或如上所述的“逆变器模块”)是可热插拔的模块，并包括与以下汇流排的连接：AC输入汇流排202；AC输出汇流排203；DC汇流排204；和通信汇流排205。逆变器模块的电路图在图11中示出。电力模块还具有用于与通信汇流排205接触的通信端口81、用于向AC输出汇流排203提供输出功率的输出端口82、用于与DC汇流排204接触的输入端口、用于与AC输入汇流排202接触的AC输入端口84、用于与旁路输入304接触的旁路输入端口85、和配置端口86。
逆变器模块201操作来将来自DC输入汇流排的DC输入逆变为在预定义频率(50Hz或60Hz)和输出电压(每相90V或110V或220V/240V)上的AC输出。逆变器模块201随后在机箱100的AC输出汇流排处将AC输出进行同步。
当第一逆变器(电力)模块被插入其在机箱100中的插槽时，其通过特殊的可热插拔连接器连接至各种汇流排。启动顺序过程在图10中示出。
逆变器(电力)模块201的MCU 903被配置为使得当在步骤1001将第一逆变器模块插入机箱100中时，逆变器模块内的MCU 903执行以下进一步的步骤。步骤1002检测DC汇流排上是否存在输入DC电压。如果是，则其在1003检测安全螺钉是否到位。如果不是，则重复该步骤。如果是，则MCU 903在步骤1004确认输入DC电压是否在正确范围内。然后，它在1005检查在通信汇流排205上是否存在握手信号。接下来，在1006，它通过通信汇流排205与控制模块201连接，并从控制模块201接收其模块编号分配。
在第一逆变器模块(“模块1”)已经接收到其模块编号分配之后，模块1随后在1007等待来自控制模块201的指示该相位与输入信号的相位有关的锁相环(“PLL”)信号。当它在1008接收到来自控制模块的PLL信号时，MCU 903在步骤1009启动该逆变器模块，并在1010启用被编程至MCU 903中的针对DC过电压、DC欠电压、AC过电压、AC欠电压、和AC同步故障的安全检查的启动。
对于模块2...n，其各自的MCU随后：在1011检测AC汇流排上的同步(过零)检测；在1012接收来自控制模块201的PLL信号，随后在1013启动该逆变器模块；并且在1014启用针对以下的安全算法：DC过电压；DC欠电压；AC过电压；AC欠电压；和AC同步故障。
离网逆变器911被直接连接至负载。因此，负载280的所有属性必须由逆变器直接承受。该问题在负载是无功的时变得繁琐。逆变器可以承受这些问题的唯一方法是利用高分辨率正弦波。已确定，可以有效承受负载问题的最小分辨率为每四分之一周期1024位。
为了实现该分辨率，为正弦波周期的每个象限配置数字信号处理器(“DSP”)微控制器903。然后将该信号馈送到包含氮化镓功率晶体管的功率驱动器中，这些功率晶体管以桥式连接，以205kHz PWM占空比的频率在正和负DC线之间切换。这导致高分辨率的正弦波(每四分之一周期1024位)的输出。该DC输出如下：
·额定20kW模块：300VDC-420VDC，最佳电压为384VDC。
·额定50kW模块：500VDC-725VDC，最佳电压为600VDC。
·额定100kW模块：1000VDC-1450VDC，最佳电压为1200VDC。
由于产生的正弦波是高分辨率的，因此它使得能够在短持续时间内承受高转矩负载，这是因为它不会因负载产生的瞬时电流而失真。逆变器模块的示意图如下图9所示。
控制模块微控制器提供过电压和欠电压保护，其被配置为连续监测DC输入的电压。如果DC输入电压超过最大或最小当前限制，则控制模块微控制器关闭逆变器(电力)模块以对其进行保护。在电子关机不起作用的情况下，快速熔断保险丝和断路器(未示出，其在本领域中是众知的)发挥作用。
通过将控制模块微控制器配置为连续监测来自输出线上的传感器的输出负载，控制模块微控制器还提供过载保护。配置的保护允许以下过载情况：
最大1000％持续2s
在接下来的8s内降低到200％
如果过载状况继续而超出了此规范，则控制模块微控制器立即关闭逆变器(电力)模块以对其进行保护。
然而，如果过载保持在200％以内，则微控制器的配置允许在警报的情况下操作另外30分钟。在这30分钟内，控制模块微控制器201.1通过与控制模块通信来监测电池存储的状况。如果控制模块微控制器即使在30分钟的持续时间内仍感测到电池存储无法支撑该过载，则控制模块微控制器关闭逆变器模块。
当模块被插入机箱时，并且如果其不是第一个模块，则控制微控制器在使逆变器接通和同步之前检查AC输出汇流排的电压。如果电压不在设定的限制内，则逆变器不被接通也不被同步，并且发出警报。此状况也传达给控制模块。
当逆变器模块与AC输出汇流排同步时，它通过电流传感器不断监测正负电流情况。在检测到负能量正倾泻到逆变器中的情况下，其以反方向流动表明同步失败。在这种情况下，控制微控制器与控制模块进行通信，以在1ms内获得适当的PLL同步信号。如果这仍未纠正，则控制模块微控制器关闭逆变器模块以对其进行保护。
为了保护所有输入和输出，在逆变器模块的所有输入和输出上连接了快速熔断保险丝。在如上所述的电子关闭安全措施故障的情况下，输入和输出快速熔断保险丝保护模块。
如上所述，三个不同的微控制器通过公共通信总线同时控制服务器的所有组件和功能。在一个微控制器由于某种原因而挂起的情况下，看门狗在同一机器周期内将控制无缝地转移到冗余微控制器，因此不会丢失指令，并且控制保持不间断。第三个微控制器始终保持备用状态，并保持不同的设置和传感器数据的存储。
尽管已经结合所示出和详细描述的当前优选实施例例示和描述了本发明，但是本发明无意限于所示出的细节，因为可以进行各种修改和结构改变而不以任何方式背离本发明的精神。选择和描述实施例以便最佳地解释本发明的原理和实际应用，从而使本领域技术人员能够最佳地利用本发明以及具有各种修改的各种实施例以适合于预期的特定用途。

Claims (28)

1.一种用于聚集和供应能量的设备，包括：
至少一个电力模块，其用于将从第一电力的源被供应至所述至少一个电力模块的第一电力的源在所述电力模块的输出处逆变为第二类型的电力；
附加电力模块，其用于将来自不同的第一电力的源的电力在每个附加电力的源的输出处逆变为所述第二类型的电力；
第一汇流排，其与所述不同的第一电力的源连接并且与所述至少一个电力模块和所述附加电力模块连接，用于对其提供第一类型的电力；
第二汇流排，其与所述至少一个电力模块和所述附加电力模块的输出连接，用于从所述至少一个电力模块和所述附加电力模块接收所述第二类型的电力以及用于使所述第二类型的电力可用于目的地；
电力微控制器，其由所述电力模块中的每一个承载并被结合在所述电力模块的每一个内，每个所述电力微控制器被配置用于控制所述电力模块的电力逆变操作；
控制模块，其与所述至少一个电力模块和所述附加电力模块连接；
至少一个能量存储装置，其与所述电力模块中的每一个通信，用于接收来自于其输出的电能；
充电模块和由所述充电模块支撑的放电微控制器，其通过基于算法的脉宽调制器(“PWM”)配置为用于连续地监测所述至少一个能量存储装置，所述放电微控制器还被配置为用于产生充电和放电的受控脉冲以用于增大所述至少一个能量存储装置的存储容量；
控制微控制器，其由所述控制模块承载并结合在所述控制模块内，并且与所述至少一个能量存储装置连接；
电压传感器，其被定位为与所述至少一个能量存储装置接触，用于连续地感测所述至少一个能量存储装置内的电压电平，所述电压传感器与所述控制微控制器通信以用于对其供应所感测的电压数据；
所述控制微控制器被配置为用于基于所述感测的电压数据来确定和监测所述至少一个能量存储装置内的所述电压电平，以及用于使所述至少一个能量存储装置内的所述电压电平重新平衡，并且还被配置为用于基于感测的数据来检测滞后或超前功率因数，以及对用于校正滞所述后或超前功率因数所需的电容或电感充电。
2.根据权利要求1所述的设备，还包括通信和自动化模块(“CAM”)，其由所述控制模块支撑并且与所述控制微控制器通信，所述通信和自动化模块具有可编程干输出以用于对所述控制微控制器进行监测和接口连接以及响应于由传感器监测和检测的在设备内的事件。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述电力模块被配置为利用用于在每四分之一周期1024位的高分辨率下操作的正弦波曲线来操作。
4.根据权利要求3所述的设备，其中在所述电力模块中使用GaN FET来实现所述每四分之一周期1024位的高分辨率。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述目的地是负载或公用电网。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个能量存储装置是电池。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述电池是用于接收和存储从所述电力模块输出的能量的多电池单元的电池。
8.根据权利要求6所述的设备，其中所述至少一个能量存储装置是多电池单元的化学电池。
9.根据权利要求6所述的设备，其中所述至少一个能量存储装置是锂离子电池。
10.根据权利要求1所述的设备，还包括与所述控制模块连接的接口，其用于进行所述控制模块与外部装置的通信。
11.根据权利要求1所述的设备，还包括通信汇流排，其与所述至少一个电力模块和所述附加电力模块和所述控制模块接触以用于在它们之间进行通信。
12.根据权利要求1所述的设备，其中所述放电微控制器还被配置为用于通过电池单元传感器连续地监测所述至少一个存储装置的电池单元电压，以及将每个所述电池单元的电池单元电压与所述能量存储装置的其他电池单元的电池单元电压进行比较，并且被配置为从一个电池单元汲取电荷并将所述电荷提供至充电不足的电池单元。
13.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制微控制器还被配置为用于连续地检测和分析正由无功负载产生的谐振谐波频率，以及用于计算电阻器、电感器和电容器值，并将所述值施加在由通过在输出端子处的所述无功负载产生的闭合电流路径所形成的电路上，从而滤除不期望的频率。
14.根据权利要求13所述的设备，其中所述至少一个电力模块包括被配置为用于控制其操作的电力微控制器、用于将操作电压提供至所述电力微控制器的输入、整流器，所述整流器从所述输入接收操作电压并将所述操作电压通过谐波滤波器供应至一个整流器，所述整流器转而将整流后的电压供应至逆变器并随后供应至所述无功负载。
15.根据权利要求14所述的设备，其中所述整流后的电压被供应至总线滤波器以被供应至所述电力微控制器，并且所述整流后的电压被供应至DC总线滤波器，所述DC总线滤波器将所述电压供应至电池以及所述逆变器。
16.根据权利要求2所述的设备，还包括将以下组件支撑在其中的支撑机箱和机架：所述至少一个电力模块和所述附加电力模块，所述第一汇流排和所述第二汇流排、所述控制模块、所述充电模块、所述至少一个能量存储装置、所述放电微控制器、所述传感器、以及所述通信和自动化模块。
17.根据权利要求16所述的设备，其中所述至少一个电力模块、所述附加电力模块、所述控制模块、所述充电模块、以及所述通信和自动化模块在所述支撑机箱和机架内是可热插拔的。
18.根据权利要求16所述的设备，还包括电压转换变压器，其由所述支撑机箱和机架承载以用于转换输入操作电压和输出。
19.根据权利要求5所述的设备，还包括静态开关，其具有正向连接和反向的双向可控硅整流器(“SCR”)，所述双向可控硅整流器连接至所述放电微控制器以用于在能量源故障的情况下将应急电源连接至所述负载。
20.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一类型的电力和所述第二类型的电力分别是DC电力和AC电力，并且其中所述第一汇流排和所述第二汇流排分别是DC汇流排和AC汇流排。
21.根据权利要求1所述的设备，还包括用于选择性地将从多个不同的电力的源接收到的电力供应至所述目的地的装置。
22.一种用于聚集和供应能量的方法，包括：
通过第一汇流排从多个不同的源接收第一类型的电力；
将所述第一类型的电力引导至多个电力模块，用于将所述第一类型的电力在所述电力模块的输出处逆变为第二类型的电力；
将来自所述电力模块的所述第二类型的电力递送至与所述多个电力模块连接的第二汇流排；
使得来自所述电力模块的所述第二类型的电力可用于能量存储装置，以用于所述电力的能量存储以便所述第二类型的电力的未来使用；
使得来自所述多个电力模块的所述第二类型的电力可用于负载，以用于驱动所述负载；
通过结合在所述电力模块的每一个内的电力微控制器来控制所述电力模块的操作，所述电力微控制器被配置为用于进行所述控制；
通过与所述电力模块连接的控制模块来控制和操作所述电力模块，所述控制模块具有由所述控制模块承载并在所述控制模块内的控制微控制器；
从所述电力模块产生充电和放电的受控脉冲，从而增大所述能量存储装置的存储容量；
感测所述能量存储装置内的电压电平，并将感测到的电压电平数据供应至所述控制微控制器以用于重新平衡所述能量存储装置内的所述电压电平；
基于所感测的数据来检测滞后或超前功率因数，并且对用于校正滞后或超前功率因数所需的电容或电感充电；
通过所述控制微控制器来监测所述感测的电压电平，所述控制微控制器与所述能量存储装置连接并且被配置为用于所述监测；以及
通过由通信和自动化模块(“CAM”)来监测和响应于由传感器监测的事件。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述电力模块被配置为利用用于在每四分之一周期1024位的高分辨率下操作的正弦波曲线来操作。
24.根据权利要求22所述的方法，还包括：通过电池单元传感器连续地监测所述能量存储装置的多个电池单元的电池单元电压，以及将每个电池单元的所述电池单元电压与所述能量存储装置的其他电池单元的电池单元电压进行比较，并且从一个电池单元汲取电荷并将所述电荷提供至充电不足的电池单元，从而实现主动的存储装置电池单元平衡。
25.根据权利要求22所述的方法，还包括：连续地检测和分析正由无功负载产生的谐振谐波频率，以及计算电阻器、电感器和电容器值，并将所述值施加在由通过在输出端子处的所述负载产生的闭合电流路径所形成的电路上，从而滤除不期望的频率。
26.根据权利要求22所述的方法，还包括：在能量源故障的情况下，通过具有正向连接和反向连接的双向可控硅整流器(“SCR”)的静态开关来将应急电源连接至所述负载。
27.根据权利要求22所述的方法，其中所述第一类型的电力和所述第二类型的电力分别是DC电力和AC电力，并且其中所述第一汇流排和所述第二汇流排分别是DC汇流排和AC汇流排。
28.根据权利要求22所述的方法，还包括选择性地将从所述不同的第一电能的源接收的电力供应至所述负载和/或所述能量存储装置。
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