CN113557647A - 用于不间断电源的电网边缘控制器及其操作方法 - Google Patents

用于不间断电源的电网边缘控制器及其操作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种系统，该系统包括：不间断电源(UPS)，该UPS被配置成从电网和储能装置向关键负载选择性地提供电力；和电网边缘控制器，该电网边缘控制器被配置成与该UPS的控制器通信并且使该UPS将该储能装置作为该电网的分布式能源(DER)操作，同时保持该UPS的自主操作以服务于该关键负载。该电网边缘控制器可被配置成例如保持该储能装置中的关键储备，该关键储备使该UPS能够维持该关键负载，同时允许该储能装置还用于需量管理、频率调节和其他面向电网的任务。该电网边缘控制器可被配置成例如经由该UPS的该控制器的应用编程接口(API)来控制该UPS。

Description

用于不间断电源的电网边缘控制器及其操作方法
背景技术
本发明主题涉及不间断电力系统(UPS)及其操作方法，并且更具体地涉及连接到电网的UPS及其操作方法。
数据中心客户通常需要不间断电源(UPS)解决方案，该解决方案提供数据中心客户的任务关键操作所需的电力质量和关键电力储备。然而，数据中心客户还可能越来越需要可提供能源辅助服务(诸如高峰调节和频率调节形式的需量响应)的高级UPS。此类能力使客户能够使用先前未开发和无法获得的电池容量，这可改善设备投资回报(ROI)并降低总运营成本(TCO)。
发明内容
本发明主题的一些实施方案提供了一种系统，该系统包括：不间断电源(UPS)，该UPS被配置成从电网和储能装置向关键负载选择性地提供电力；和电网边缘控制器，该电网边缘控制器被配置成与UPS的控制器通信并且使UPS将储能装置作为电网的分布式能源(DER)操作，同时保持UPS的自主操作以服务于关键负载。电网边缘控制器可被配置成例如保持储能装置中的关键储备，该关键储备使UPS能够维持关键负载，同时允许储能装置还用于需量管理、频率调节和其他面向电网的任务。电网边缘控制器可被配置成例如经由UPS的控制器的应用编程接口(API)来控制UPS。
根据另外的方面，电网边缘控制器可包括用户接口，该用户接口被配置成使用户能够为电网边缘控制器设置将储能装置作为DER操作的标准。例如，用户接口可包括至少一个网页，该至少一个网页被配置成接受用于将储能装置作为DER操作的至少一个基于SOC的阈值的至少一个用户设置。在一些实施方案中，用户接口可包括至少一个网页，该至少一个网页被配置成接受用于将储能装置用作DER的计划表的用户设置。
一些实施方案提供了一种系统，该系统包括：不间断电源(UPS)，该UPS被配置成从电网和储能装置向关键负载选择性地提供电力；和电网边缘控制器，该电网边缘控制器被配置成与UPS的控制器通信，以及使UPS自主地保持从电网和储能装置到负载的连续电力，并且根据储能装置的荷电状态(SOC)响应于电网控制输入而在电网和储能装置之间选择性地传输电力。电网控制输入可包括电网运营商命令和/或电网的操作参数。电网边缘控制器可被配置成响应于SOC满足预定标准(诸如对应于支持UPS操作所需的关键储备的SOC)而阻止将储能装置用作电网的DER。电网边缘控制器可被配置成提供用户接口，该用户接口提供对标准的控制。
另外的实施方案提供了方法，这些方法包括：UPS自主地操作以从电网和储能装置向关键负载选择性地提供电力，从而维持关键负载；以及电网边缘控制器与UPS的控制器选择性地交互以基于储能装置的荷电状态(SOC)来将储能装置作为电网的DER操作。电网边缘控制器与UPS的控制器选择性地交互可包括保持储能装置中的关键储备，以使UPS能够维持关键负载。电网边缘控制器与UPS的控制器选择性地交互可包括电网边缘控制器经由UPS的控制器的应用编程接口(API)与UPS通信。电网边缘控制器与UPS的控制器选择性地交互可包括电网边缘控制器使UPS支持频率调节和需量响应。
在一些实施方案中，电网边缘控制器与UPS的控制器选择性地交互可包括电网边缘控制器使UPS自主地保持从电网和储能装置到负载的连续电力，以及根据储能装置的荷电状态(SOC)响应于电网控制输入而在电网和储能装置之间选择性地传输电力。电网控制输入可包括电网运营商命令和/或电网的操作参数。
附图说明
图1为示出根据一些实施方案的具有UPS和电网边缘控制器的系统的示意图。
图2-图4示出了根据一些实施方案的电网边缘控制器用户接口的网页。
图5为示出根据一些实施方案的电网边缘控制器的操作的流程图。
图6为示出根据另外的实施方案的系统的示意图，该系统利用聚合器将多个电网边缘控制器和UPS结合。
具体实施方式
现在将参照附图描述本发明主题的具体示例性实施方案。然而，本发明主题可具体体现为许多不同形式，并且不应理解为限于本文所阐述的实施方案；相反，提供这些实施方案使得本公开将是周密且完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本发明主题的范围。在附图中，类似的标号表示类似的项目。应当理解，当项目被称为“连接”或“耦接”到另一个项目时，该项目可以直接连接或直接耦接到另一个项目，或者可存在居间项目。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关联的列出的项目的任何组合和所有组合。
本文所用的术语仅是为了描述特定实施方案，而并非旨在限制本发明主题。除非另外明确规定，否则如本文所用，单数形式“一个”、“一种”和“该”旨在也包括复数形式。还应当理解，在本说明书中使用的术语“包括”和/或“包含”指明存在所述的特征、整数、步骤、操作、项目和/或部件，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、项目、部件和/或其组合。
除非另有定义，否则本文所用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本发明主题所属领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。还应当理解，术语诸如常用词典中定义的那些术语应解释为具有与它们在本说明书和相关领域的上下文中的含义一致的含义，并且除非本文中明确地定义，否则将不在理想化或过于形式化的意义上进行解释。
图1示出了用于使UPS 110能够用作此类DER的示例性系统。UPS 110的输入端111耦接到AC电网，并且该UPS被配置成经由例如配电单元(PDU)120服务于耦接到其输出端112的关键负载。一组电池130耦接到UPS 110，并且用于在来自电网的电力中断或劣化时支持关键负载。
根据一些实施方案，UPS 110可被启用为使用电网边缘控制器140的DER，该电网边缘控制器可实现支持能源辅助服务(诸如高峰调节和频率控制)的能源控制方案，同时使UPS 110继续作为用于IT负载或关键负载的关键备用电源自主操作。电网边缘控制器140包括经由例如网络交换机144与UPS 110中的控制器API通信的电网边缘控制器142。该电网边缘控制器142可支持网络连接以允许配置控制器140以使用UPS 110提供某些辅助能源服务。
例如，电网边缘控制器142可实现UPS 110的操作计划表，该操作计划表根据一天中的时间操作UPS 110以各种模式提供电网辅助服务。例如，计划表可使电网边缘控制器142在一天中的特定时间内以高峰调节模式操作UPS，从而使UPS 110将电力从电池组120输送到负载以限制UPS 110在该时间段期间从电网汲取的电力的量。对此类计划操作的支持可包括使UPS110预先将电池组120充电到适于支持高峰调节操作的水平，该水平可以是电池组120的最大可用容量或接近最大可用容量的容量。此类充电可例如在之前较低能源费率的较低时间段(或非高峰期)期间发生，诸如在夜间或电网上的低能源拥塞时间段。
在另一个示例中，电网边缘控制器142的控制计划表还可包括其中UPS将在频率调节模式下操作的时间段。在此类模式下，UPS 110可以向电网运营商提供电力以及从电网运营商接收电力，以补偿电网上的频率变化。与高峰调节模式相比，在以频率调节模式操作之前，电网边缘控制器142可使UPS 110将电池组120带到可为电池组120的最大容量的大约一半的荷电状态(SOC)，以使电池组120有效地依次提供和接收电力，使UPS参与电网辅助服务的时间最大化。
根据另外的方面，电网边缘控制器142还可以提供电网安全兼容接口，用于将UPS110用作DER。在一些改型应用中，例如，UPS 110可以是未被设计为耦接到电网控制网络的UPS，并且可以不是电网安全兼容的以防止或降低侵入的可能性。电网边缘控制器142可采用符合电网的安全要求的硬件和软件，从而允许UPS 110在DER应用中与电网一起安全地使用。
根据另外的方面，电网边缘控制器142还可提供用户接口以允许UPS客户监视和控制由电网边缘控制器142实现的计划表，以及由电网边缘控制器142使用的参数，诸如用于关键电力和辅助服务的电池组120的容量的映射。例如，图2示出了可由电网边缘控制器142托管的网页，该网页提供向客户通知系统及其组成部分的状态的控制面板，包括UPS 110的当前模式、电池组的当前荷电状态(SOC)及其当前容量分配、输入和输出电力表以及电网边缘控制器142的当前模式。
图2示出了指示UPS和相关联的储能电池的状态的网页，指示例如其中UPS正在操作的模式、电池的荷电状态及其操作模式、以及由电网边缘控制器142监测的各种输入和输出参数的状态。图3示出了由电网边缘控制器142托管的网页，该网页可由客户用于为关键电力和能源辅助服务设置或分配电池容量。如图所示，例如，客户可设定关键储备荷电状态(SOC)阈值310，该阈值表示确保关键负载可以被服务指定时间量(这里显示为五分钟)所需的最小容量。电网边缘控制器142可被编程为确保电池组SOC在正常(非紧急)操作下永远不会下降到该水平。为了帮助保留关键储备，客户可设置更高的最小有效SOC水平320，该水平可用作禁用辅助能源服务的阈值，即，如果电池组SOC降至该水平以下，则可中止服务。类似地，客户可建立最大有效SOC 330，该最大有效SOC可用作禁用有效服务(诸如频率调节)的阈值，该有效服务可能导致电池组超过该水平。客户还可建立最大SOC 340和最小SOC，该最大SOC表示降低过度充电可能性的阈值，该最小SOC用于降低电池组的过深放电的可能性。目标SOC与能源辅助服务相关并且表示即将到来的或计划的电网辅助服务的初始或理想SOC水平；电网边缘控制器恰好在电网辅助之前将电池充电或放电到目标SOC。
特定电网边缘控制器参数的动态能力允许数据中心运营商根据需要调整/调适UPS DER的操作，以使DER电池容量的利用最大化。如果不具有进行此类运行时调节的能力，则电网边缘控制器和UPS的操作在本质上将是静态的，从而迫使用户接受在初始化时建立的参数的特定设置或组合。具有动态能力的数据中心DER还通过避免关闭UPS来重新初始化边缘控制器参数，以配合本质为动态的数据中心操作计划，从而最大限度地提高UPS作为DER的可用性。另外，可以选择性地启用或禁用动态能力，如用于逐个参数地启用和禁用动态能力的复选框350所示；这为DER运营商提供另一个控制自由度。
电网边缘控制器142可支持多种不同类型的能源辅助服务，诸如分时电价(TOU)需量电费管理。需量电费可占商业客户每月能源账单的相当大一部分。费率结构根据地理位置而变化，并且费率可由于费率政策和能源计划的变化而变化。不受管理的电力需量可恰好产生高峰罚款和意料不到的/不利的场所电力等级以及不期望的费率重新分类。根据一些实施方案，上文参考图1所描述的布置可用于将UPS和电池设备资源转换成需量电费管理装置并减少能源账单以及避免昂贵的罚款。
图4示出了可由电网边缘控制器142支持的示例性网页，作为提供此类TOU需量电费管理的一部分。该网页使得客户能够输入用于电网边缘控制器142的操作的参数，从而允许客户设置诸如季节日期范围410、各个季节的高峰期和非高峰期420以及各个时间段的能源收费430等的值。这些参数允许电网边缘控制器142被配置成满足应用的特定需求。与图3所示的参数一样，复选框440或类似的输入特征可以用于选择性地允许这些参数的动态重新配置。
根据图1的配置也可用于支持实时定价需量响应。数据中心客户可参与能源批发市场以获得最低能源价格。然而，在关键时刻，客户可能会经历批发定价典型的高价格波动。图1的系统的电网边缘控制器142可处理来自客户网络的实时定价命令，例如来自公用事业运营商的警示电子邮件或其他定价信号，并且作为响应使UPS 110使用存储在电池组130中的能源来减少需求。例如，电网边缘控制器142可修改其分时电价需量电费管理配置文件(例如，图4)以反映此类实时定价输入。电网边缘控制器142可利用非高峰期中的低实时能源价格将能源重新存储到电池组。这样，数据中心可避免在高电网拥塞和压力的时间段附近常见的更高的实时价格。这可以降低总运营成本，还可以使数据中心利用根据特殊短期和中期分布式资源合同授予符合条件的负载的容量储备付款。
图5为示出根据一些实施方案的图1的系统的示例性操作的流程图。UPS 110在正常模式下操作，其中其可自主地对电力中断或劣化作出反应以保持对关键负载的服务(框510)。在确定要提供辅助电网服务时(框520)，系统可确定电池SOC是否适于执行服务，而不会例如在服务中断或其他劣化的情况下降低UPS 110服务于关键负载的能力(框530)。如果SOC不合适，则可不提供辅助电网服务，并且UPS可继续其正常自主操作。如果SOC合适，则电网边缘控制器142可使UPS提供辅助电网服务(框540)。如果电池SOC在提供辅助电网服务的同时变得不合适，则系统可终止该服务并返回到自主UPS操作(框550、530、510)。类似地，如果服务完成，则系统还可返回到自主UPS操作(框550、510)。
与其他DER一样，UPS可作为数据中心操作典型的复杂电气基础设施的部分而广泛分布。根据一些实施方案，可通过创建一组UPS(2、4、6，并且可能甚至更多)的聚合使得它们充当一体资源来实现这些的协调和调度以形成/创建用于目标能源辅助服务的总电力。
典型的数据中心电气基础设施由许多配电分支和子分支组成，这些配电分支和子分支由进线口变压器和配电盘供电。分支被指定为最终为下游信息技术设备(ITE)供电(支持)的馈电线和子馈电线。
ITE负载可根据数据中心IT操作而变化，并且不一定逐个馈电线地协调。由于随机性ITE活动和流量，一条馈电线上的负载水平可能与另一条馈电线上的负载水平非常不同。然而，可根据能源经济性通过虚拟化来控制/管理IT负载。
ITE馈电线上的关键部件是UPS，其可用于确保数据中心的电力质量和关键电力目标。对关键负载的保护是UPS的主要任务，并且如果设计适当，UPS将自始至终保护该负载免受电源干扰，包括完全断电。ITE负载与这些馈电线上的机械负载相结合。机械负载可位于UPS的下游或上游(更典型地位于上游)。
通常，还存在并联冗余馈电线和UPS，其不主动支持负载并且在其大部分使用寿命期间保持待机。这些馈电线可被视为搁置容量或除了一些能源减少/存储目的否则将不被使用或发掘的容量。如果冗余投资在空闲状态时用于支持可能感兴趣的能源服务，那么冗余投资可能负担其自身费用。
根据上文所描述的，特定馈电线上的UPS可具有双重用途，以支持数据中心运营商所需的能源服务和关键负载备份。一个示例性服务是需量电费管理(DCM)。DCM操作逻辑可被视为关于负载等级、源极电压和电池荷电状态的关键输入信息。每条馈电线和子馈电线可具有专用电力表以提供计量值(电力数据)。
数据中心电力基础设施馈电线通常不是协调的。例如，电气基础设施可包括保持未以任何方式组合或关联的独立/自主读数(数据)的子表。聚合系统可以识别数据中心电气基础设施中正在工作(消耗有意义的电力)并有可能产生净节能或其他能源特征或性能指标的部分。聚合器可关联(协调)目标馈电线/UPS(数据)，使得它们作为一个或多个容量组操作。
例如，图6示出了包括第一容量群集和第二容量群集的数据中心电力基础设施的示例，该第一容量群集和第二容量群集包括相应组的多个UPS，每个组由相应电网边缘控制器142a、142b控制。聚合器510可与多个电网边缘控制器142a，142b进行交互，以使得能够使用两个容量群集并将它们视为组合能源资源，例如，通过协调分时电价、电池容量以及电网边缘控制器142a，142b所使用的其他参数。
根据一些实施方案的分时电价需量电费管理和自主频率调节可向控制网络提供简化，其中DER UPS在没有来自电网的输入(例如，“设置并忘记”)的情况下操作关键备份和电网辅助服务两者。自主FR模式可通过UPS感测本地频率并将电力拉/推至一些预设频率/电力阈值(在美国被称为频率瓦特对，在欧洲被称为频率控制储备)来实现。
除了一些冷却或设施负载、数据中心负载，以及特别是IT负载之外，尽管负载相当恒定也是弹性的；负载弹性意味着数据中心操作将负载转移到不同计算水平的能力。根据一些实施方案的基于UPS的DER可通知该过程，反之亦然。上游负载可被控制/通知/用于“选择性自消耗”，其中表后DER(如根据上文所描述的UPS DER)可(由电网运营商及其电网连接规则)限制为不将电力推出设施的公共连接点(POC或PCC)。UPS DER可与这些负载进行交互以保持符合此类电网连接规则/条例。就电网辅助服务而言，如电网所见，设施的电力如预期的那样上升或下降；净电力产生(从DER流向电网)的要求不是必须的，甚至可能违反要求。根据本文所描述的DER UPS的上游的负载可帮助解决该合规问题。
一些实施方案可用于实现堆叠服务，其中在根据上文所描述的用户接口上找到的优先级参数可开始起作用。堆叠服务是指使得一种以上类型的辅助服务能够(计划用于)在感兴趣的时间段内操作的能力，其中已知一种服务具有比另一种服务更高的优先级。优先级可以是一个辅助服务相对于另一个辅助服务的经济价值的函数；经济价值可在不同时间段变化，并且因此优先级可在不同时间段变化。一般来讲，堆叠服务可改善系统ROI，因为其可增加系统的可实现收入或节省(正现金流)。
附图和说明书已经公开了本发明主题的示例性实施方案。尽管采用了具体术语，但是这些术语仅按一般和描述性意义使用，而非用于限制目的，本发明主题的范围由以下权利要求限定。

Claims (20)

1.一种系统，包括：
不间断电源(UPS)，所述UPS被配置成从电网和储能装置向关键负载选择性地提供电力；和
电网边缘控制器，所述电网边缘控制器被配置成与所述UPS的控制器通信并且使所述UPS将所述储能装置作为电网的分布式能源(DER)操作，同时保持所述UPS的自主操作以服务于所述关键负载。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述电网边缘控制器被配置成保持所述储能装置中的关键储备，所述关键储备使得所述UPS能够维持所述关键负载。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述电网边缘控制器被配置成经由所述UPS的所述控制器的应用编程接口(API)来控制所述UPS。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述电网边缘控制器被配置成操作所述UPS以支持频率调节和需量响应。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述电网控制器包括用户接口，所述用户接口被配置成使得用户能够为所述电网边缘控制器设置将所述储能装置作为DER操作的标准。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述用户接口包括至少一个网页，所述至少一个网页被配置成接受用于将储能装置作为DER操作的至少一个基于SOC的阈值的至少一个用户设置。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述用户接口包括至少一个网页，所述至少一个网页被配置成接受用于将所述储能装置用作DER的计划表的用户设置。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述电网边缘控制器包括第一电网边缘控制器并且还包括聚合器，所述聚合器被配置成与至少一个第二电网边缘控制器一致地控制所述第一电网边缘控制器，以将与所述第一电网边缘控制器相关联的第一容量群集和与所述至少一个第二电网边缘控制器相关联的至少一个第二容量群集作为组合能源资源操作控制。
9.一种系统，包括：
不间断电源(UPS)，所述UPS被配置成从电网和储能装置向关键负载选择性地提供电力；和
电网边缘控制器，所述电网边缘控制器被配置成与所述UPS的控制器通信，以及使所述UPS自主地保持从所述电网和所述储能装置到所述负载的连续电力，并且根据所述储能装置的荷电状态(SOC)响应于电网控制输入而在所述电网和所述储能装置之间选择性地传输电力。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述电网控制输入包括电网运营商命令和/或所述电网的操作参数。
11.根据权利要求9所述的系统，其中所述电网边缘控制器响应于所述SOC满足预定标准而阻止将所述储能装置用作所述电网的DER。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述电网边缘控制器被配置成提供用户接口，所述用户接口提供对所述标准的控制。
13.根据权利要求9所述的系统，其中所述电网边缘控制器包括第一电网边缘控制器并且还包括聚合器，所述聚合器被配置成与至少一个第二电网边缘控制器一致地控制所述第一电网边缘控制器，以将与所述第一电网边缘控制器相关联的第一容量群集和与所述至少一个第二电网边缘控制器相关联的至少一个第二容量群集作为组合能源资源操作控制。
14.一种方法，包括：
UPS自主地操作以选择性地从电网和储能装置向关键负载提供电力，从而维持所述关键负载；以及
电网边缘控制器与所述UPS的控制器选择性地交互，以基于所述储能装置的荷电状态(SOC)来将所述储能装置作为所述电网的DER操作。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述电网边缘控制器与所述UPS的所述控制器选择性地交互包括保持所述储能装置中的关键储备，以使所述UPS能够维持所述关键负载。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述电网边缘控制器与所述UPS的所述控制器选择性地交互包括所述电网边缘控制器经由所述UPS的所述控制器的应用编程接口(API)与所述UPS通信。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述电网边缘控制器与所述UPS的所述控制器选择性地交互包括所述电网边缘控制器使所述UPS支持频率调节和需量响应。
18.根据权利要求14所述的方法，其中所述电网边缘控制器与所述UPS的所述控制器选择性地交互包括所述电网边缘控制器使所述UPS自主地保持从所述电网和所述储能装置到所述负载的连续电力，以及根据所述储能装置的荷电状态(SOC)响应于电网控制输入而在所述电网和所述储能装置之间选择性地传输电力。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述电网控制输入包括电网运营商命令和/或所述电网的操作参数。
20.根据权利要求14所述的方法，所述方法还包括：
所述电网边缘控制器响应于所述SOC满足预定标准而阻止将所述储能装置用作所述电网的DER；以及
所述电网边缘控制器提供用户接口，所述用户接口提供对所述标准的控制。
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