CN115066819B - 与一个或多个不同的公用事业代理一起使用的电力供应管理系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开内容涉及适于与至少一个公用事业代理电源一起使用以在AC主电源不可用于向负载提供电力时帮助控制对负载进行供电的电力供应管理系统。该系统具有形成不间断电力供应的电力转换器，并且该电力转换器包括被配置成控制电力转换器的操作的控制器。包括与电力转换器通信的补充电池子系统，该补充电池子系统用于向电力转换器供应DC电力。控制器监控从公用事业代理至负载的电力的施加，并且在需要时使用由补充电池子系统供应的DC电力来补充由电力转换器生成的电力，从而辅助电力转换器与由公用事业代理提供的电力一起为负载供电。

Description

与一个或多个不同的公用事业代理一起使用的电力供应管理 系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2021年2月9日提交的美国发明专利申请第17/171,555号的优先权，并且还要求于2020年4月13日提交的美国临时申请第63/009,096号以及于2020年2月10日提交的美国临时申请第62/972,521号的权益。上述申请中的每个申请的全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开内容涉及电力供应管理系统和方法，并且更具体地，涉及利用补充电池电源来克服在使用各种类型的公用事业代理例如燃料电池和集成电池组时的响应限制的电力供应管理系统和方法，这些公用事业代理的响应时间不够快，无法满足负载要求的实时变化。
背景技术
该部分中的陈述仅提供与本公开内容相关的背景信息，并且可以不构成现有技术。
在许多应用特别是诸如数据中心、医院、金融机构等中，需要可靠的电力来为各种计算机相关设备和其他类型的电子设备供电。为此，这样的环境通常可以在AC主电力断电的情况下实现两个或更多个备用电源。
对使用燃料电池和集成电池电力子系统两者作为关键应用中的公用事业代理的关注越来越普遍。然而，特别是燃料电池传统上受到显著的限制，这些限制已经限制了它们作为公用事业代理的适用性。一个特别显著的限制是传统的燃料电池例如固体氧化物燃料电池在被要求这样做时不能足够快速地实时响应以满足负载的需要。已知燃料电池在被加载时具有一般的“海绵状”响应，这意味着它们通常不能几乎立即响应负载的增加或降低。在较小程度上，当使用集成电池电力子系统(其提供AC输出)作为公用事业代理时，也可能会经历这种限制。此外，这种“海绵状”响应通常也存在于柴油和天然气两者驱动的发电机中，但是程度低于燃料电池。
燃料电池的另一缺点是它们的电力输出更难以紧密调节，这可能导致燃料电池产生比关键负载所需的电力更多电力的时间段。在这种情况下，多余电力必须被引导至补充负载，这相当于浪费能量。
因此，需要更好且更有效地使用燃料电池和集成电池电力子系统两者作为为关键负载供电的公用事业代理的系统和方法，并且该系统和方法克服上述与这些类型的公用事业代理相关联的公知的缺点。
发明内容
本部分提供了本公开内容的总体概述，并且不是对其全部范围或其所有特征的全面公开。
在一个方面，本公开内容涉及一种适于与至少一个公用事业代理电源一起使用以在AC主电源不可用于向负载提供电力时帮助控制对负载进行供电的电力供应管理系统。该系统包括：形成不间断电力供应的电力转换器，其中，电力转换器包括被配置成控制电力转换器的操作的控制器。包括与电力转换器通信的补充电池子系统，所述补充电池子系统用于向电力转换器供应DC电力。控制器还被配置成：监测从公用事业代理至负载的电力的施加，并且在需要时使用由补充电池子系统供应的DC电力来补充由电力转换器生成的电力，从而辅助与由公用事业代理提供的电力一起为负载供电。
在另一方面，本公开内容涉及一种适于与多个可用公用事业代理一起使用以在AC主电源不可用于向负载提供电力时帮助控制对负载进行供电的电力供应管理系统，其中，所述多个公用事业代理包括燃料电池公用事业代理。该系统可以包括：形成不间断电力供应的电力转换器。电力转换器包括被配置成控制电力转换器的操作的内部电力转换器控制器。补充电池子系统与电力转换器通信，该补充电池子系统用于向电力转换器供应DC电力。电力转换器控制器还被配置成：监测从公用事业代理至负载的电力的施加，并且在需要时使用由补充电池子系统供应的DC电力来补充由电力转换器生成的电力，从而辅助与由公用事业代理提供的电力一起为负载供电。电力转换器控制器还被配置成：在由燃料电池公用事业代理支持负载时监测负载的阶跃变化，并且被配置成：在检测到来自负载的需求的阶跃增加时，使用补充电池子系统向负载提供电力；以及当检测到来自负载的需求的阶跃降低时，使用多余电力对补充电池子系统进行充电。
在又一方面，本公开内容涉及一种用于与至少一个公用事业代理电源一起使用以在AC主电源不可用于向负载提供电力时帮助控制对负载施加电力的电力供应管理方法。该方法可以包括使用形成不间断电力供应的电力转换器来辅助从至少一个公用事业代理向负载提供电力。该方法还可以包括使用与电力转换器通信的补充电池子系统来向电力转换器供应DC电力。更进一步地，该方法可以包括控制电力转换器以在需要时使用由补充电池子系统提供的DC电力来补充由电力转换器生成的电力，从而辅助公用事业代理为负载供电。
根据本文提供的描述，其他应用领域将变得明显。本概述中的描述和特定示例仅旨在用于说明的目的而并不旨在限制本公开内容的范围。
附图说明
本文所描述的附图仅用于对所选择的实施方式而非所有可能的实现方式进行说明的目的，并且不旨在限制本公开内容的范围。
贯穿附图的若干视图，对应的附图标记指示对应的部分。
图1是根据本公开内容的系统的一个实施方式的高级别示意图；
图2是示出集成电池存储子系统与其他电源的“孤立化”(即，隔离)的本公开内容的另一实施方式；
图3是列出当来自公用事业设施的电力断电时在没有可用发电机的常规不间断电力供应(UPS)应用中操作的电力转换器的操作的表；
图4是列出具有可用发电机的电力转换器的操作的表；
图5是列出具有可用的集成电池存储子系统但是没有发电机的电力转换器的操作的表，该集成电池存储子系统采用扩展运行锂离子电池组(“扩展运行LIB”)，用于在来自公用事业设施的电力断电的情况下进行辅助；
图6是示出可以由图1的系统在管理并入系统中的燃料电池的启动时执行的操作的一个示例的流程图；
图7是示出可以由图1的系统在处理阶跃负载增加和阶跃负载降低两者时执行的操作的一个示例的流程图；以及
图8是可以包括在图1的系统的智能电力优化软件模块中的各种子模块的高级别框图。
具体实施方式
现在将参照附图更全面地描述示例实施方式。
参照图1，示出了根据本公开内容的电力供应/管理系统10的一个实施方式。该示例中的系统10使用四个不同的电力供应源：燃料电池子系统12、电力公用事业电源14(即，AC主电源)、外部发电机子系统16(柴油驱动的或天然气驱动的)和集成电池电力子系统18。电力供应源12、14、16或18可以用于以任何层级顺序为负载20供电。该示例中的电力供应源12、16和18形成公用事业“代理”，意味着当公用事业电源14不可用时，电力供应源12、16和18充当电力公用事业电源14的替代品。将理解，其他公用事业代理例如电力供应源12、16或18的备用系统可以并入到系统10中。并且虽然已经示出了燃料电池子系统、外部发电机子系统和集成电池电力子系统作为替代电源，但是将理解，系统10不限于仅与这些类型的替选电源一起使用。几乎任何其他形式的替选电源都可以在对系统进行很少修改或没有修改的情况下被并入到系统10中。
该示例中的负载20被示出为四排设备机架20a至20d，每排接收125kW的电力。当然，其他类型的负载可以由系统10供电，这将在以下段落中进一步讨论。因此，系统10不限于仅与安装有设备机架的电气计算部件一起使用。可以通过多个断路器22和20a1/20a2、20b1/20b2、20c1/20c2、20d1/20d2来控制对负载20a至20d的电力供应，其操作将在以下段落中更全面地说明。
该示例中的系统10还使用耦接至电力供应源12至18中的每一个以及耦接至负载20a至20d的两个电力转换器26和28。“电力转换器”意指能够以常规不间断电力供应(UPS)的方式运行的装置，该装置在公用事业电力故障时通过从电池或电池组汲取电力来支持负载，而且具有将来自任何电源的电力引导至任何负载或与其连接的另一电源的附加能力。在该示例中，电力转换器26和28被配置成公知的“冗余1+1”配置，以进一步提高可靠性。设置了补充电池子系统30，在该示例中为远离电力转换器26和28定位的锂离子电池组(在下文中被称为“电力转换器LIB”30)，该补充电池子系统30可以经由位于专用电力总线32c上的断路器32a和32b的选择性闭合而耦接至电力转换器26和28中的任一者或两者。电力转换器LIB 30的功能是系统10的重要特征并且将在以下段落中更详细地说明。
电力转换器26与电源12至18的耦接可以通过断路器34a、34b和34c的选择性闭合来控制，并且电力转换器26与负载20的耦接可以经由断路器34d的选择性闭合来控制。电力转换器28与电力供应源12至18的耦接通过断路器36a和36b的选择性闭合来控制，并且电力转换器28与负载20的耦接通过断路器36d的选择性闭合来控制。电力转换器26包括旁路电路26a、整流器子系统26b、DC/DC转换器26c、DC/AC逆变器26d和电子控制器26e。电力转换器28同样包括相同的子系统28a至28e。燃料电池子系统12可以包括燃料电池12a，在该示例中为固体氧化物燃料电池(“SOFC”)，其从气体公用事业设施40接收天然气。DC/DC转换器12b将来自燃料电池12a的DC输出转换成不同大小的DC输出，然后可以通过闭合断路器12c和断路器34c将其馈送至电力转换器26。电力转换器26在其逆变器26d处接收从燃料电池子系统12供应的DC电力并且将DC电力转换成AC电力，然后将AC电力供应给负载20。AC电力也可以由电力转换器26的DC/DC转换器26c使用来帮助对电力转换器LIB 30进行再充电。这些操作由电子控制器26e控制。有利地，如果燃料电池子系统12产生的电力比负载20所需的电力多，则多余电力可以用于为电力转换器LIB 30和/或集成电池电力子系统18的扩展运行LIB18a充电(在以下段落中更详细地说明)，并且如果电力转换器LIB 30和/或扩展运行LIB18a被充分充电，则可以将多余电力输送至公用事业设施14或输送至电力发电机16a的外部发电机端口(未示出)，以帮助为现场的其他负载供电。作为燃料电池系统12产生多余电力时的最后手段，可以添加补充负载(未示出)以吸收多余电力，或者燃料电池子系统12的输出可以被节流回。
公用事业电源14包括电力公用事业设施42，该电力公用事业设施42可以用于向断路器14a和欠电压继电器14b以及(取决于断路器34a、34b、36a或36b中的哪些被选择性地闭合)向电力转换器26或28中的任一者(或两者)的旁路电路26a或28a或者可选地向整流器26b或28b(或两者)供应AC电力，在该示例中为415Vac。虽然欠电压继电器14b可能不是在所有应用中都需要，但是它仍然有助于感测存在于公用事业电源14的输出端处的欠电压(即，低电压)状况，并立即断开断路器14a并发信号通知系统10切换至来自替选电源的电力。在系统10所示的示例中，替选电源是集成电池电力子系统18。
发电机子系统16可以从气体公用事业设施40接收天然气，或者它可以使用柴油燃料作为其燃料源。为方便起见，以下讨论将参考用于为发电机子系统16供电的天然气。发电机子系统16包括产生AC输出的发电机16a。该示例中的AC输出为415Vac，其可以通过断路器16b供应给电力转换器26和28的整流器26b或28b或者旁路26a或28a，或者经由断路器16b和断路器36c和22以及断路器20a1/20a2、20b1/20b2、20c1/20c2和20d1/20d2中的一个或更多个还供应给负载20。
集成电池电力子系统18可以包括具有扩展运行LIB 18a的电池组，该电池组具有将扩展运行LIB 18a的DC输出转换为AC输出的相关联的逆变器，AC输出在该示例中为415Vac输出。来自集成电池电力子系统18的AC输出可以通过断路器18b施加至电力转换器26的整流器26b和/或电力转换器28的整流器28b，或者经由断路器36c和22以及断路器20a1/20a2、20b1/20b2、20c1/20c2和20d1/20d2中的一个或更多个的选择性闭合还直接施加至负载20。
可选地，燃料电池子系统12的输出或集成电池电力子系统18的输出可以用于向一个或更多个辅助负载44供应电力。这将涉及例如在使用燃料电池子系统12时断路器12c、34c、34d、46和48的选择性闭合。对于集成电池电力子系统18的情况，这将涉及断路器18b、36c、48和46的选择性闭合。可选地，燃料电池子系统12或集成电池电力子系统18还可以用于通过断路器52的选择性闭合来向一个或更多个机械负载50供应AC电力。并且当然，电力转换器26和28中的任一者或两者也可以驱动负载44和50，而不管电力转换器26和28中的任一者或两者从其被供电的电源如何。
如行业内所理解的，公用事业断路器12c、14a、16b和18b在不同的电力供应源12、14、16和18之间切换时以“先断后合”的方式操作。系统10的特定优点是电力转换器LIB 30可以被用作“桥”，以在从一个电源切换至另一电源的同时向电力转换器26或28提供电力。
为了协调系统10的整体操作和监测，可以包括具有智能电力编排软件模块54a(在下文中被简称为“软件模块”54a)的编排电子控制器54。编排电子控制器54(在下文中被简称为“控制器”54)从与燃料电池子系统12相关联的电子控制器12d、从与天然气驱动的发电机子系统16相关联的电子控制器16c以及从与集成电池电力子系统18相关联的电子控制器18c接收输入。控制器54还与电力转换器26的电子控制器26e和电力转换器28的电子控制器28e双向通信。控制器54及其软件模块54a使用从电子控制器26e和28e接收到的信息监控电力转换器26和28的整体操作。控制器54还使用从电子控制器12d、16c和18c实时接收到的信息来监测在任何给定时间当前正在使用哪个电力供应源12至18。可选地，控制器54还可以通过有线连接或无线连接与单独的远程控制器(未示出)通信以接收附加信息或命令来帮助操作系统10。
软件模块54a可以被构建成帮助系统10执行任何期望的层级电源使用方案。例如，软件模块54a可以包括一个或更多个程序或子模块，其控制系统10使用来自电力公用事业电力供应源14的电力(如果可用)，但是如果不可用，则使用来自集成电池电力子系统18的电力(如果可用)，并且如果不可用，则使用来自燃料电池子系统12的电力(如果可用)，并且如果不可用，则使用来自天然气发电机子系统16的电力。实际上可以采用任何层级电力使用方案，并且软件模块54a可以被容易地修改或更新以适应稍后添加的其他新的电源。如果从系统10中移除任何一个公用事业代理，则软件模块54a也可以被更新以合并对现有层级电力使用方案的修改。如以下段落中所描述的，软件模块54a还可以被构建成包括可以执行诸如需求管理、能量成本优化和电网稳定的功能的程序或子模块。
电力转换器控制器26e和28e还可以执行以下功能：对经由电力供应源12至18中的任一个接收到的电力进行“限定”，这涉及监测所接收的信号的频率、电压和/或电流，并且如果从当前选择的电源接收的电力以任何方式不可接受地变化(例如，不可接受的频率变化、高于设定的上电压阈值、低于设定的下电压阈值等)，则采取行动通知控制器54。控制器54可以使用该信息以通过选择性地闭合和断开系统10中使用的各种断路器来实时命令切换至不同的电源。
系统10的特别重要的优点是使用电力转换器LIB 30来增加由电力供应源12、14、16或18中的任一个提供的AC电力。特别地，燃料电池子系统12的使用(对负载具有“海绵状”响应，意味着它实际上不能立即响应负载的需求)通过使用电力转换器LIB 30显著受益。在燃料电池子系统12的启动期间，电力转换器LIB 30还可以用于通过断路器32a、34c和12c从电力转换器26向燃料电池子系统12的DC/DC转换器12b供应电力，以帮助“加热”燃料电池子系统。当电力转换器接收来自燃料电池子系统12的输出时，取决于闭合断路器32a或32b中的哪一个，电力转换器LIB 30可以用于增加电力转换器26或28的输出，以更好地确保来自电力转换器26和/或28的均匀输出。如果两个电力转换器都在工作，则闭合断路器32a和32b两者使得电力转换器LIB 30能够同时向电力转换器26和28两者提供DC电力。取决于所使用的集成电池电力子系统18的具体模型/制造，该子系统还可能经历不可接受的长响应时间和/或不能快速响应来自负载的需求，并且因此也受益于电力转换器LIB 30的使用。
参照图2，示出了根据本公开内容的另一实施方式的系统100。与系统10的部件相同的部件被标记有与其在系统10中的对应部件相同的附图标记。为了避免使附图混乱，在图2中省略了控制器54、26e、28e、12d、16c和18c，尽管将理解，这些部件可以存在并且执行与针对图1的系统10所描述的相同的操作。为了简化对系统100的讨论，仅示出了电力转换器28作为系统的一部分，其中将理解，电力转换器26可以容易地以图1中所示的方式并入。
图1的系统10和图2的系统100各自被配置成“孤立”集成电池电力子系统18。“孤立”意味着将集成电池电力子系统18与电力供应源12至16隔离。这消除了用于将来自集成电池电力子系统18的输出直接流入电力供应源12至16中的任一者的任何直接电路路径，同时仍然提供当其他电力供应源12、14或16中的一个变得可用时能够对集成电池电力子系统18再充电的配置。可以由子系统的制造商推荐使集成电池电力子系统18“孤立”的配置。例如，可以与系统10或100一起使用作为集成电池电力子系统18的可从特斯拉(Tesla)公司获得的某些集成电池组被推荐为与所有其他可用电源孤立。
图2的系统100与图1的系统10相比不太复杂，并且因此将在以下段落中通篇提及，以提供对孤立化的更方便的说明。集成电池电力子系统18的孤立化(即，经由断路器14a和16b与电力公用事业电力供应源14和发电机子系统16隔离)仍允许断路器18b的输出侧直接与负载20和电力转换器26通信。这是通过将断路器18b的输出侧通过断路器36f连接至系统的电力总线部分22a以及(分别通过断路器36c和36b)连接至电力转换器28的旁路电路28a和整流器电路28b的输入侧两者来实现的。
在操作中，当断路器18b和36c闭合并且断路器14a、16b、36b和36f断开时，集成电池电力子系统18的输出可以施加至电力转换器28的旁路电路28a。当负载20的输入侧上的断路器20a1/20b1/20c1/20d1闭合时，则来自集成电池电力子系统18的AC电力将被直接施加至电力总线部分22a并且用于为负载20供电。在这种配置中，集成电池电力子系统18不可能将其输出的任何部分施加至电力供应源12、14或16中的任一个。如果需要增加电池电力子系统18的输出，则电力转换器LIB 30可以通过将它们的输出施加至DC/DC转换器28c来进行帮助，电力转换器LIB 30的输出在(通过断路器36d)被放置在电力总线部分22a上之前由逆变器28d转换成AC输出。
在电力转换器28发生故障的情况下，集成电池电力子系统18仍可以用于通过闭合断路器18b和36f并断开断路器14a、16b、36b和36c来直接为负载20供电。在这种配置中，维护线36e用于帮助创建从集成电池电力子系统18至电力总线部分22a并因此至负载20的直接路径。
当需要对集成电池电力子系统18进行再充电时，断路器18b闭合，断路器36f断开，并且断路器14a或16b中的任一个闭合。这使得电力能够由电源14或16中的任一个提供给电池集成电力子系统18以进行再充电，以及同时提供给电力转换器28的整流器电路28b或旁路电路28a，这取决于断路器36b和36c中的哪一个闭合。因此，可以在电源14或16向电力转换器28供应电力时同时完成再充电。
图3至图5提供了当电力转换器26或28与不同电源或电源组合即公用事业电力供应源14和/或公用事业代理电力供应源12、16和18一起使用时可以由系统10执行的操作的示例。图3示出了表200，该表200示出了当仅存在来自公用事业设施的电力(即，来自公用事业电源14的电力)并且存在电力转换器26或28中的至少一个时，可以由系统10执行的各种操作。在这些操作中，当公用事业电力断电时，电力转换器26或28用作常规的UPS。图4示出了表300，该表300示出了当公用事业电力供应源14与发电机子系统16一起存在时，可以由系统10执行的操作。图5示出了表400，该表400示出了当公用事业电力供应源14和集成电池电力子系统18两者都可用但发电机子系统16不可用时，可以由系统10执行的操作。图3至图5的三个场景中提到的用于切换至电源的“步入”过程是本领域中公知的过程，通过该过程，随着从替选电源向负载供应的电力被逐渐移除，来自被步入的源的电力被逐渐施加至负载。图3至图5中也提到的“软加载”过程也是本领域中公知的过程，通过该过程，在由替选电源供应支持负载所需的附加电力的同时，逐渐从源汲取电力以支持负载(或负载增加)。
现在参照图6，示出流程图500以说明在启动燃料电池子系统12的燃料电池12a时可以由系统10执行的各种操作。最初，在操作502、504、506和508处进行检查，在该示例中以顺序方式进行检查以确定公用事业电力是否可用于为燃料电池加热器供电(操作502)，发电机是否可用于为燃料电池加热器供电(操作504)，扩展运行LIB是否可用于为燃料电池加热器供电(操作506)，或者电力转换器LIB是否可用于为燃料电池加热器供电(操作508)。这四种检查的“优先级”顺序可以根据设计偏好进行修改，并且因此该特定的检查顺序仅意指用于使用可能可用的各种补充电源的合适“优先级”的一个示例。此外，燃料电池通常包括多个具有独立加热器的堆，这些堆一次一个地在线，并且将针对该示例进行这种假设。
根据操作502至508处的检查中的哪个检查产生第一“是”答案，该特定电源将用于开始(或继续)一次一堆地加热燃料电池12a，如在操作510处所指示的。如果存在公用事业电力或发电机电力(即，操作502或操作504产生“是”答案)，则电力转换器26或28将DC电压从其DC总线施加至燃料电池加热器。如果公用事业电力和发电机电力不可用，则电力转换器26或28经由其DC总线从扩展运行LIB 18a(在操作506处)或从电力转换器LIB 30(在操作508处)向燃料电池加热器施加DC电压，但是以降低的电力水平向燃料电池加热器施加DC电压。在操作512处进行检查以确定当前被加热的特定堆是否被完全加热，并且如果该检查产生“否”答案，则重复操作510和操作512。如果操作512处的检查返回“是”答案，指示被加热的堆被完全加热，则使燃料电池堆在线并且用于开始输送电力，如在操作514处所指示的。然后在操作516处进行检查燃料电池12a的所有堆是否已经被完全加热。如果该检查产生“是”答案，则燃料电池启动操作成功结束。如果操作516产生“否”答案，则在操作518处，刚刚被完全加热的堆连同任何先前完全加热的堆一起用于开始加热下一个堆并支持负载。可以重复操作510至518，直到操作516处的检查指示所有的堆都被完全加热并且输送电力。
如果操作508处的检查(用于为燃料电池堆加热器供电的四个选项中的最后一个)产生“否”答案，则暂停燃料电池启动过程。
图7示出了流程图600，该流程图600示出了在使用燃料电池子系统12为负载供电时可以由系统10执行以监测、检测和响应负载的变化的操作的一个示例。对于该示例，将假设燃料电池子系统12完全支持关键负载并且燃料电池操作的优选模式是保持在恒定负载处。此外，将假设扩展运行LIB 18a已经保持在部分再充电状态下，该部分再充电状态可以是小于其最大容量的充电水平，可以由系统设计者预先选择该最大容量。在操作602处进行检查是否发生负载的阶跃变化。如果该检查产生“否”答案，则系统10重复操作602，连续监测和检测负载变化；这可以在子循环水平例如在约3kHz下完成。如果在操作602处的检查产生“是”答案，则操作604确定负载变化是否为阶跃增加。
如果操作604处的检查产生“是”答案，指示已经经历负载的阶跃增加，则在操作606处，电力转换器LIB 30可以用于开始/继续燃料电池子系统12的软加载。本示例中的“软加载”意味着支持负载增加所需的附加能量由电力转换器LIB 30供应，同时从燃料电池子系统12逐渐汲取能量。然后在操作608处进行检查以确定燃料电池子系统12是否完全支持负载。如果不是，则在操作606处继续燃料电池子系统12的软加载。如果该检查产生“是”答案，则在系统10继续监测负载变化时可以重复操作602。
如果操作604处的检查产生“否”答案，指示检测到负载的阶跃降低(操作610)，则燃料电池子系统12当前产生比支持降低的负载所需的更多的电力(操作612)。如果需要，则可以执行一系列操作以使用来自燃料电池子系统12的多余电力对电力转换器LIB 30和扩展运行LIB 18a进行再充电。在操作614处，进行检查以确定电力转换器LIB 30的充电水平是否处于其最小运行时间水平。“最小运行时间水平”意指在用户指定的时间内将电池保持在操作状态下所需的充电水平。在一个示例中，最小运行时间水平可以是最大电池电量的80％，尽管系统设计者可以将该水平变为更高或更低。如果操作614处的检查产生“是”答案，则不需要对电力转换器LIB 30进行再充电，并且可以在操作616处进行检查以确定扩展运行LIB 18a是否处于其最大充电水平。扩展运行LIB 18a的最大充电水平可以反映系统性能因素诸如燃料电池响应速度，或者可以被预设为容量的100％、容量的80％或由系统设计者选择的任何其他水平。如果操作616处的检查也产生“是”答案，则不需要对扩展运行LIB18a进行再充电，并且在操作624处，系统10确定燃料电池子系统12是否仍产生多余电力。如果是这样，则在操作626处，可以添加补充负载以保持系统10平衡，并且如果关键负载没有恢复，则系统10可能需要命令燃料电池子系统12降低其容量。在操作626之后，或者如果在操作624处燃料电池子系统12不再产生多余电力，则系统10在操作602处继续监测负载变化。
如果操作616处的检查指示扩展运行LIB 18a未处于其最大充电水平，则系统10可以命令扩展运行LIB 18a进入(或维持)再充电操作模式，如在操作618处所指示的。然后在操作620处，电力转换器26将可从燃料电池子系统12获得的多余电力发送回至整流器输入端(即，整流器子系统26b的输入侧)，以开始/继续对扩展运行LIB 18a进行充电。重复操作616至620，直到在操作616处检测到扩展运行LIB 18a被充电至其最大充电水平为止，此时可以执行操作624处的检查。
如果操作614处的检查产生“否”答案，指示电力转换器LIB 30没有被充电至它们的最小运行时间充电水平(在该示例中为最大电池电量的80％)，则在操作622处，电力转换器26开始使用来自燃料电池子系统12的多余电力对电力转换器LIB进行充电。然后重复操作614和操作622，直到操作614处的检查产生“是”答案为止，指示电力转换器LIB 30被充电至它们的最大预定充电水平。
那么，将理解，将电力转换器LIB 30和扩展运行LIB 18a的充电水平设置和维持在小于容量的100％的值使得来自燃料电池子系统12的因负载的阶跃降低而突然变得可用的多余电力被电力转换器LIB 30和扩展运行LIB 18a“吸收”或利用，以进行再充电目的。在没有该特征的情况下，将需要立即引入补充负载，该补充负载将用于立即帮助吸收可从燃料电池子系统12获得的多余电力，但没有提供任何其他有用的目的。因此，将电力转换器LIB30和扩展运行LIB 18a的充电水平设置和维持在小于100％的水平用于两个有用的目的：帮助提供可以吸收多余电力的装置，以及使用多余电力对电力转换器LIB 30和扩展运行LIB18a进行再充电。
在图8中更详细地示出了智能电力编排软件模块54a。软件模块54a帮助实现智能控制/利用方案，通过该智能控制/利用方案，电力转换器(例如，电力转换器26和28)的最终目标是始终向关键负载输送ITIC兼容的电力。为此，软件模块54a可以控制多个程序或子模块。例如，需求管理子模块54a1可以涉及对公用事业电力汲取实施预设限制，诸如响应于公用事业设施要求、指南或折扣计划实施限制。充当控制层的“编排层”54b使用外部信号或内部预定设置来限制从公用事业设施汲取的电力的量。电力转换器26和28以上述方式在公用事业设施与其他可用能量源之间进行源共享。例如，如果燃料电池子系统12a可用，则系统10可以从其汲取能量，而在紧急情况下，系统10可以从电力转换器LIB 30和/或扩展运行LIB 18a汲取能量。
软件模块54a还可以包括能量成本优化子模块54a2以帮助确定在一天中的任何给定时间下两个或更多个可用能量源中的哪一个是最低成本的能量源。能量成本优化子模块54a2可以用于部分地基于由编排层54b提供的信息诸如来自外部信号或数据或者可能来自使得其能够确定每个可用能量源的实时能量成本的所保存的设置或数据，来帮助选择最低成本的能量源。尽管软件模块54a可以被配置成考虑到其他不寻常的情况或条件(如果出于一些原因，则不应当使用最低成本的能量源)，但是预期在大多数情况下，最低成本的能量源将被期望为关键负载供电。
在系统10启用并网的情况下，如果所产生的能量的成本低于恢复的并网收入，则系统10可以输出能量。系统10优选地总是将电力转换器LIB 30保持充电到它们的最小运行时间限制。系统10可以延迟对扩展运行LIB 30再充电，只要它的部分再充电状态能够被保持。如果扩展运行LIB 30未处于其最大充电水平，则可以对其进行再充电直到处于其最大充电水平为止(如上所述，最大充电水平不是100％最大充电值，而是较低的值例如80％)。
软件模块54a还可以包括电网稳定子模块54a3。电网稳定子模块54a3与编排层54b一起工作，并且可选地与能量成本优化子模块54a2一起工作，并且进一步可选地与提供电力汲取信息和成本信息中的任一者或两者的外部信号一起工作，以确定需要多少电网稳定能量。电力转换器26和/或28可以使用能量成本优化操作将可用电力输送至其/它们各自的限制以提供期望的电网稳定能量。
软件模块54a还可以包括层级电源使用子模块54a4，如前所述，如果公用事业电力供应变得不可用，则该层级电源使用子模块54a4可以确定使用公用事业代理的顺序。
本公开内容的各种实施方式都提供了根据预定的使用层级使用两个或更多个不同的公用事业代理作为电源的能力。特别地，本公开内容的各种实施方式克服了与使用燃料电池和电池电力子系统作为主要电源相关联的缺点。这样的电源通常不能充分响应被供电的负载的实时变化，并且本公开内容的各种实施方式消除了这些缺点，而不会显著地使整个系统设计复杂化或显著地增加其成本。
出于说明和描述的目的，已经提供了对实施方式的前述描述。这并非旨在是详尽无遗的或限制本公开内容。特定实施方式的各个元件或特征通常不限于该特定实施方式，而是在适用的情况下是可互换的并且可以用于所选择的实施方式中，即使没有具体示出或描述也是如此。特定实施方式的各个元件或特征在许多方面也可以变化。这样的变型不被视为是脱离本公开内容，并且所有这样的修改旨在被包括在本公开内容的范围内。
提供示例实施方式使得本公开内容将是透彻的，并且这些示例实施方式将充分地向本领域技术人员传达范围。阐述许多具体的细节例如特定部件、装置以及方法的示例以提供对本公开内容的实施方式的透彻理解。对于本领域技术人员而言将明显的是，不需要采用具体细节，示例实施方式可以以许多不同的形式来实施，并且都不应当被解释为限制本公开内容的范围。在一些示例实施方式中，未详细描述公知的处理、公知的装置结构和公知的技术。
本文中使用的术语仅用于描述特定示例实施方式的目的，而不旨在是限制性的。如本文中所使用的，单数形式“一”、“一种”以及“该”也可以旨在包括复数形式，除非上下文另有明确指示。术语“包括”、“包括有”、“包含”以及“具有”是包含性的，并且因此指定了所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组的存在或添加。除非具体指示出执行的顺序，否则本文中所描述的方法步骤、处理和操作不应被解释为必须需要它们以所讨论或说明的特定顺序来执行。还应当理解的是，可以采用附加步骤或替选步骤。
当元件或层被称为“在……上”、“接合至”、“连接至”或“耦接至”另一元件或层时，该元件或层可以直接在另一元件或层上、接合至另一元件或层、连接至另一元件或层或者耦接至另一元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件被称为“直接在另一元件或层上”、“直接接合至”、“直接连接至”或“直接耦接至”另一元件或层时，可以不存在中间元件或层。用于描述元件之间的关系的其他词语应当以同样的方式解释(例如，“在……之间”与“直接在……之间”、“相邻”与“直接相邻”等)。如本文中所使用的，术语“和/或”包括相关联的列出项目中的一个或更多个的任何和所有组合。
尽管可以在本文中使用术语第一、第二和第三等来描述各个元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语可以仅用于区分一个元件、部件、区域、层或部分与另一区域、层或部分。例如“第一”、“第二”的术语和其他数字术语在本文中使用时，除非由上下文明确指示，否则不暗含序列或顺序。因此，在不脱离示例实施方式的教示的情况下，下面所讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分。
为了便于描述，在本文中可以使用空间相关术语，例如“内”、“外”、“下面”、“下方”、“下”、“上方”、“上”等来描述如图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。除了图中描绘的定向之外，空间相关术语可以旨在包括装置在使用或操作中的不同定向。例如，如果图中的装置被翻转，则被描述为在其他元件或特征的“下方”或“下面”的元件将被定向成在其他元件或特征的“上方”。因此，示例术语“下方”可以包括上方和下方两个定向。装置可以以其他方式定向(旋转90度或处于其他定向)，并且本文中所使用的空间相对描述语也依此解释。

Claims (20)

1.一种适于与至少一个公用事业代理电源一起使用以在AC主电源不能用于向负载提供电力时帮助控制对所述负载进行供电的电力供应管理系统，所述至少一个公用事业代理电源包括燃料电池公用事业代理和/或集成电池公用事业代理，所述系统包括：
形成不间断电力供应的电力转换器，所述电力转换器包括被配置成控制所述电力转换器的操作的电力转换器控制器；
与所述电力转换器通信的补充电池子系统，所述补充电池子系统用于向所述电力转换器供应DC电力；
所述电力转换器控制器还被配置成：监测从所述公用事业代理电源至所述负载的电力的施加，并且在由所述燃料电池公用事业代理或所述集成电池公用事业代理支持所述负载的情况下，在需要时使用由所述补充电池子系统供应的DC电力来补充由所述电力转换器生成的电力，从而辅助与由所述燃料电池公用事业代理或所述集成电池公用事业代理提供的电力一起为所述负载供电，以满足负载需求的实时变化；以及
编排控制器，所述编排控制器被配置成与所述至少一个公用事业代理电源通信以及与所述电力转换器控制器双向地通信，并且向所述电力转换器控制器提供关于所述至少一个公用事业代理电源的信息，以供所述电力转换器控制器在控制所述电力转换器的操作时使用。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述补充电池子系统包括至少一个锂离子电池单元。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述补充电池子系统包括锂离子电池单元组。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述至少一个锂离子电池单元经由专用电力总线耦接至所述电力转换器。
5.根据权利要求3所述的系统，其中，所述锂离子电池单元组经由专用电力总线耦接至所述电力转换器。
6.根据权利要求2所述的系统，还包括多个独立可控的断路器，所述多个独立可控的断路器用于选择性地将多个可用的公用事业代理电源或所述AC主电源中的至少一个耦接至所述电力转换器。
7.根据权利要求2所述的系统，还包括代表附加的不间断电源的附加的电力转换器，所述附加的电力转换器与所述补充电池子系统和所述电力转换器两者通信，所述附加的电力转换器也用于辅助向所述负载提供电力。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电力转换器被配置成：当可从所述燃料电池公用事业代理或所述集成电池公用事业代理或所述AC主电源中的至少一个获得超出为所述负载供电所需的电力的多余电力时，对所述补充电池子系统进行再充电。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述补充电池子系统被配置成保持在部分充电状态下，并且还被配置成吸收由所述燃料电池公用事业代理或所述集成电池公用事业代理产生的不是为所述负载供电所需的周期性水平的多余电力。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电力转换器控制器被配置成：在所述燃料电池公用事业代理或所述集成电池公用事业代理正在生成超出为所述负载供电所需的电力的多余电力时，命令将补充负载连接至所述负载。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电力转换器控制器被配置成实现软加载特征，以在所述电力转换器还向所述负载施加电力的同时将从所述燃料电池公用事业代理或所述集成电池公用事业代理接收的电力逐渐施加至所述负载。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述编排控制器还被配置成监控所述电力转换器控制器的操作。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述编排控制器包括编排软件模块，所述编排软件模块具有用于执行层级电源使用方案以帮助控制对所述公用事业代理电源以及能用于向所述负载提供电力的至少一个附加的公用事业代理电源的使用的子模块。
14.根据权利要求12所述的系统，其中，所述编排控制器包括具有需求管理子模块的编排软件模块，所述需求管理子模块被配置成执行以下中的至少一者：
对从电力公用事业设施汲取的公用事业电力实施预设限制；
响应于由公用事业电源设置的公用事业要求实施限制；
实施由公用事业电源设置的公用事业指南；或者
响应于由公用事业电源设置的公用事业折扣计划实施限制。
15.根据权利要求13所述的系统，其中，所述编排软件模块包括编排层，所述编排层被配置成充当控制层并且使用外部信号或内部预定设置中的至少一个来限制从公用事业电源汲取的电力的量。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述编排软件模块包括能源成本优化子模块，所述能源成本优化子模块被配置成帮助确定在一天中的任何给定时间下两个或更多个可用能量源中的哪一个是最低成本的能量源。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述编排软件模块还包括电网稳定子模块，所述电网稳定子模块被配置成与所述编排层一起工作，并且还与所述能源成本优化子模块以及与提供电力汲取信息和成本信息两者的外部信号一起工作。
18.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电力转换器控制器还被配置成：在由所述燃料电池公用事业代理支持负载时监测所述负载的阶跃变化，并且被配置成：
当检测到来自所述负载的需求的阶跃增加时，使用所述补充电池子系统向所述负载提供电力；以及
当检测到来自所述负载的需求的阶跃降低时，使用多余电力对所述补充电池子系统进行充电。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述电力转换器控制器还被配置成：在最初启动所述燃料电池公用事业代理时，通过以顺序的方式使用所述至少一个公用事业代理电源中的不同的公用事业代理电源提供能量来加热所述燃料电池公用事业代理的燃料电池堆，来执行对所述燃料电池公用事业代理进行预热的预热操作，直到所述燃料电池公用事业代理的所有燃料电池堆被完全加热并且在线输送电力为止。
20.一种用于与至少一个公用事业代理电源一起使用以在AC主电源不能用于向负载提供电力时帮助控制对所述负载施加电力的电力供应管理方法，所述至少一个公用事业代理电源包括燃料电池公用事业代理和/或集成电池公用事业代理，所述方法包括：
使用形成不间断电力供应的电力转换器来辅助从所述至少一个公用事业代理电源向所述负载提供电力，所述电力转换器包括被配置成控制所述电力转换器的操作的电力转换器控制器；
使用与所述电力转换器通信的补充电池子系统来向所述电力转换器供应DC电力；以及
在由所述燃料电池公用事业代理或所述集成电池公用事业代理支持所述负载的情况下，控制所述电力转换器以在需要时使用由所述补充电池子系统提供的DC电力来补充由所述电力转换器生成的电力，从而辅助所述燃料电池公用事业代理或所述集成电池公用事业代理为所述负载供电，以满足负载需求的实时变化；以及
使用被配置成与所述至少一个公用事业代理电源通信以及与所述电力转换器控制器双向地通信的编排控制器向所述电力转换器控制器提供关于所述至少一个公用事业代理电源的信息，以供所述电力转换器控制器在控制所述电力转换器的操作时使用。
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