CN1922780A - 高峰负荷的后援装置 - Google Patents

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Abstract

本发明是关于一个连接在公共电网(ENT)的交流电终端机上的用电设备(VB)的高峰负荷的后援装置，其包括一个由直流电蓄电池(BAT)供电并且其输出端与用电设备(VB)的电源(EB)并联的功率变换器(WR)，一个连接在用户的连接电路(EN)上的测量器(Z1，Z2)和一个控制器(STE)。依靠测量器(Z1，Z2)的帮助，控制器监控用电设备(VB)的电能消耗，由此估算在一个指定的时间间隔的终结时的电能的总耗电量(E*(T))，例如通过线性外推法，并且当通过这种方式获得的预测值如超过一个规定的临界值(Emax)时，让功率变换器(WR)运转以便为用电设备提供电能。

Description

高峰负荷的后援装置
技术领域
本发明是关于一个可连接在公共电网的交流电终端机上的用电设备的高峰负荷的后援装置。
背景技术
电力公司，特别在它们的商业部门，一般拥有不但针对整体耗电并且针对耗电高峰的电价模式，即根据(整体)临时耗电(由于它与一较短的时间段相联系同样以千瓦小时计算)的最大值。这里，耗电量是在一个指定的时间单元里累计，例如15分钟，并且储存在那个时刻的最大值。这个过程的潜在目的是使电能的供应商还要考虑，即使可供应的电能没有完全耗尽情况下都在这个电价上供应电能。
为避免用电高峰时超过一个规定的最大值的已知方法是，运用例如一高峰负荷监视器。这些仪表是能耗表，其持续测量耗电量，并且在最大值将要突破时触发一个警报。在这种情况下，就由用户自行决定去减少耗电，比如关掉非必需的用电设备。在其他解决办法中，高峰负荷监视器的自动运行，仅限于直接临时关闭部分用电设备，例如对用电时间要求不严格的用电设备，比如热水器。
此外，还有其他一些情况下，避免或者弥补高峰负荷是很重要的。在一间公司里常常发生的是系统在一个很短的时间内需要一个很高的电量(例如，在一天中的某几分钟里)，而在其他时候一般只需要消耗很少的电量。
发明内容
所以本发明的目标是提供一可以后援能耗高峰的电源，从而向供电网“隐藏”它们。当然，这被假定为自动发生(没有操作者的干预)并且不中断对用户或个别用电设备的供电。
通过一种在开始时提到的后援高峰负荷的这类设备可以实现这个目标，它包括一个由直流电蓄电池供电并且其输出端可与用电设备的电源并联的功率变换器，一个可连接在用户的连接电路上的测量器和一个依靠测量器的帮助监控用电设备的电能消耗的控制器，并且当通过这种方式获得的电能消耗值超过一个规定的临界值时，让功率变换器运转以便为用电设备提供电能。
这种解决办法对用户的高峰用电实现了一个可靠的桥接(或者“弥补”这种说法更好)。通过这种方式，有可能设计一个具有较低瓦数和(或)更相宜的电价的系统连接。
在本发明的一个优选的实施例中，通过功率转换器输入连接电路的电能或电力是可以调节的。通过功率转换器输入的电力可以通过控制器来无限调节。如果该控制器可设置成把通过功率转换器输入的电能设在一个规定的值，使能量消耗或消耗量在规定的临界值之下，这对实现这个目的会有很大帮助。
对当前耗电量的特定监控是可取的，特别在数个时间间隔内测量整体电能消耗来计算电价的情况下。这时在下面的情况下是具有优越性的，如果依靠测量器的帮助以控制器监控用电设备的耗电量，从而估算在一指定的时间间隔的终结时的总耗电量，当通过这种方式获得的预测值超过规定的临界值时，让功率变换器运转以便为用电设备提供电能。在一个此项技术的进一步发展的优选例子中，线性外推法被用于估算耗电量。如通过线性外推法根据以前的耗电量及瞬间耗电量来算出在一指定时间间隔的终结时的总耗电量超过一个规定的临界值时，就让功率变换器运转。
再者，一可以由用户的连接电路提供电能的充电器，其可以有利地被提供来为直流电蓄电池充电。假如充电器可以由控制器打开或关上，并且控制器可以设置为仅仅在功率变换器不运转的时候打开充电器，这样是有好处的。
假如临界值由装置本身决定就更好了。出于这个目的，控制器可以被设置为在一个耗电周期记录用户的耗电量，并且根据以这种方式所记录的耗电量曲线图按照规定的标准计算下一个耗电周期的临界值。例如，在耗电周期记录内耗电量的最大值可以被确定，此最大值选定为新的临界值，其始于所记录的耗电周期的基于时间的耗电量，从而能够在电能消耗高峰时(特别当耗电量超过这个最大值时)打开功率转换器，以实现减少从电网中抽取的电量至低于这个最大值，并且不超出直流电蓄电池的蓄电量。
下面，引用示意图图解的示范性的实施例详细解释本发明。在示意图中出现的图表有：
附图说明
图1一个示范性的实施例的电力供应的结构图
图2一个电能消耗的外推实例，及
图3一个图1中的电力供应的控制流程图
具体实施方式
本发明的一个优选的实施例是关于快餐店例如热狗摊位的用电设备的电力供应。本发明自然不限于这个实施例，并且，这个实施例以及其细节都仅代表本发明的各种不同应用可能性的其中的一个非限制性的例子。
图1展示根据本发明的该快餐店的电力供应结构图。这个快餐店的用电设备，例如大量每一个最大耗电量都为1.5至2千瓦的烤盘及各种加热和冷却装置，整体上被称为用电设备VB。电力供应通过一由公共电网ENT提供给快餐店的连接设备EA供给，本案中的连接设备的设计专为适用于商业的具有例如10千瓦的功率。使用一个累计电流计ESZ以惯常的方式测量从连接设备EA抽取的电能的量。这个电流计由公共电网ENT的供应商拥有，并且不允许连接设备EA的用户(等于快餐店的商户)操纵。
在本实施例中的连接设备EA是一个交流电单相连接(相和直接接地导体)；同样，别的连接方式也是可能的，特别是所谓的三相连接(所谓多相电流)。图1中的加黑线条表示交流电线路有一定合适数量的导体。
本发明设计的目的是限制用电设备VB的高峰耗电量，其可能由比如电池这种电能储存器提供的电能的额外供给而导致超过临界值或最大值。把在前的最大值(或者例如，如果电价分了等级，代表下一级的电价的临界值)设置为这样的临界值是可取的，但亦取决于所确定的电价模式。不论所涉及的用电设备是什么类型，均可确保用电设备的电力供应在一个尽可能低的的电价上提供。
按照本发明，ASV系统(电力供应补偿系统)在用电设备VB和主电源连接设备EA之间连接，其主要任务是对用电设备的高峰负荷进行补偿。ASV系统的基本功能与一个交流电的不间断电源相若，但是有一点不同的是，当主电源正常供电时而非(或并非只是)当主电源切断时它能精确地供电。
按照本发明，在ASV系统中，控制器STE依靠一个累计电流计Z1来持续侦测系统的耗电量，其测量在输入端抽取的电能。耗电量在数个同等的时间间隔上累计，跟发生于公共电网ENT的耗电表ESZ一样。此外，还提供有一个电池BAT(或另一个合适的可逆式电能储存器)和一功率转换器WR。
电池BAT被设计成一个可逆式直流电蓄电池，其所容纳的电能大到足够在至少一个累计期间供应本系统的高峰负荷的一部分；不可否认，哪一电池尺寸才合理而且合乎逻辑就视乎该特定的应用情况。在这里的一个例子中，电池BAT是一组铅蓄电池，有大约总共150安培小时电荷，电压大约36伏；在这种选定的情况下，一个或两个烤盘(大约2千瓦)可以获得可靠的电源1小时。对于所选定的电压，机动车电池或这类电池的组合可以得到有利的使用。
电池所需的直流电通过一市面上有售的电池充电器BLG来供应，充电器BLG的电力消耗和用电设备VB比起来是小的。例如，一设计成可为给36V/150Ah的电池充电(例如，7.5A在36V)一整夜，产生大约550瓦的额定功率。
功率变换器WR的连接电压被设计成与该电池组电压相若，并用来把由电池供电的直流电转换成与主电源的参数相应的交流电。这种类型的功率转换器是大家所熟知的。
一方面电池BAT的充电(等于启动电池BLG和关闭功率变换器WR)和另一方面的放电(等于启动功率变换器WR)均由控制器STE通过下文叙述的开关S1和S2来控制。如果需要，开关S1和(或)S2可以与充电器BLG或者功率变换器WR结合在一起，特别当这个装置允许电子控制的话。
例如，控制器STE通过使用微处理器来实施，微处理器用电网内在的电流计履行电力消耗累计功能，以这种方式获得的值和相关联的瞬间一起储存在例如硬盘或可换磁盘上的非易失存储器PSP里。并且，根据当前的电能消耗，它生成一关于在当前运转累计期间的总值的预测(见下面的图2)通过这种方式，控制器估算(预测)是否在当前运转累计期间临近超过该临界值，特别是是否超过了较早测量过的电价最大值。如果情况是这样，即，如果有可能超过临界值的威胁时，功率变换器就被启动，从而从电池中放电到(本地的)用电设备的连接电路EN中。充电器BLG应该关闭以便阻止能量循环及其伴随相关的损耗是一个可取方法；并且，这也有助于减少电能消耗。结果，与连接设备EA连接的一部分用电设备VB也是由电池BAT供电的，而从电网ENT中抽取的电力减少。通过这种方式，可避免超过较早的最大值和因此而增加的电价。
为了不必要地将数据记忆耗尽，控制器STE清除了两个最大值之间的所有数值，因为这类耗电值已经没有意义了，即使对随后的估价(出于控制的目的)来说也是一样。
为了方便，电池BAT和相关联的充电器BLG可相对于供电系统ASV设置成外置式的，以便使整个系统能够容易适应用电设备VB所处位置的现有条件。
取代了或除了电流计Z1外，可提供一第二电流计Z2安装在用户方的连接设备EA上以测量在输出端供应给用电设备VB的电量；原则上，可以连接一系列的用电设备；更简单地说来，通过各用电设备的并联为一用电设备组的来实现，见图1中的用电设备VB处。
应该指出的是，作为一个按照本发明的替代解决办法，当然可通过配有备用供电电池的不间断电源(UPS)，去操纵特定的用电设备；并且，当对最大负荷警报装置发生反应时，中断UPS的主电源，并通过这些电池给用电设备供应短时间的电。这个解决办法具有缺点，必须事先决定哪一个用电设备通过UPS供电；电网(正在运转的)的支援输入(supporting feed)无法于UPS运用的。在本发明的解决办法中，电能被直接输入用户方的电流计连接电路EN中，从而电网ENT输入的电力减少了电池供电的转换器即功率变换器WR输入的电力的总量。原来设计为从光电系统中输入电能给公共电网的功率变换器，也可以有利地用作转换器。特别根据电网供应商的规定，这些功率变换器已经装有安全的切入输电操作所需的所有安全装置，诸如在电源停电的情况下(例如，由于进行安全维护工作)自动终止切入输电(以便使维修工作安全)时的主电源电压的侦测。
如果电池BAT的直流电和转换器(功率变换器WR)的切入电压是不同的，例如，如果电池电压保持在低电压水平，运转转换器所需要的输入电压可以通过在电路中插入一个DC-DC转换器产生。反过来，如果功率变换器WR的输出电压与电网ENT的电压不对应，可将一个50赫兹的电力变压器EN与功率变换器串联。
图2表明一个研究中案例的控制器STE的线性预测。在控制器STE中，正如已经提到的，从当前累计期间的起点开始计算的瞬间耗电量持续累计，通过这种方式，计算至今(在当前时间间隔内)已经消耗的电能E(1)。图2表明作为时间t的函数的耗电量E(t)(例如用千瓦小时所测量的)，只展示了开始在t＝0处而终止在t＝T处的当前累计期间。T是这个期间的持续时间，比如15分钟。还有，如果可能的话就不应超过当前适用的临界值Emax(较早的耗电最大值)。在每一个测试中的瞬间t1(例如，在时间间隔10秒或1分钟内)中，瞬间耗电量——作为电力与图表中的坡线相应——被线性外推到累计期间(上虚线21)的终点。在此，耗电量是基于不把功率变换器连进电路，即没有放电。以这种方式获得的E*(T)值与临界值Emax相比。如果如图2所示的E*(T)值比Emax大，临近于超过临界值，并且功率变换器被连进电路。通过这种方式，所得的明显低的耗电量使我们不需担心超过临界值(下虚线22)。
图3的流程表中表明控制顺序，这通过每一个测试的瞬间t1来运行。作为第一步，至今蓄积的耗电量E(t1)通过累计流量计Z1确定。因此就产生了对E*(T)的线性预测；如果在这个瞬间放电已经起动，当放电被终止，就产生一个这种情况下的E*(T)的预测值。在决定31中，检测是否以这种方式获得的E*(T)值大于临界值Emax；取决于测试结果，通过分支31a或31n进行延续。如果E*(T)值大于临界值Emax(分支31a)，功率变换器启动(或保持工作状态)，并且随后放电，电池充电器被关闭。然而，通过分支31n，如果E*(T)值小于临界值Emax，功率变换器关闭(或保持在待机状态)。因此，在决定32中，电池BAT的充电状态会被检测。如果充了足够的电，通过分支32a进行延续，并且充电器BLG关闭；否则，分支32n-充电器BLG启动来给电池BAT充电。
本发明特别适合于单数千瓦范围内用电系统，可以使用已知类型的功率变换器，这是本发明的一个特别优点。尤其是，在太阳能装置中所构思使用的功率变换器，该设计同样地为了在交流电网运行过程中输入交流电，可使用比如本申请人的SITOP装置。
这个高峰负荷的补偿电源系统ASV不仅防止更多的最大的耗电量状态；而且，在一个以上扩展版本示范性实施例中，也适合一般补偿电能消耗以便只产生较低的累计值，并且，把电源耗电量平均，就可以取得更合理的电价，结果电费就降下来了。假设，每天都有相似的耗电量，可以进行控制来决定什么时候(当然是有限的)电池容量和输入的电力能够最有效地使用。在当前例子中，假定用来比较的耗电周期是天数，在前面提到的快餐店的情况下是正确的(或相似的商业操作)；在其他应用情况下，取决于特定的情况，适用的周期，不用天数而是用例如24小时，48或者168小时来作为耗电周期。然而，耗电周期应该不与累计期间T混淆；并且，耗电周期延伸至多个累计期间。
在这个扩展中，提供一进行测量和储存电能的自学习的应用工作，例如，在连续多个的累计时间间隔T内使用累计流量计Z1以耗电量的形式进行一整天的测量(不受负荷补偿的影响)。把电池容量计算在内，以这种方式所记录的一天的耗电量曲线图，被用来作为补偿电能消耗的根据。从耗电记录看，确定了最大耗电值(更准确说来应该是耗电量的值)。首先，计算最高和次高耗电值之间的差值。然后，如果耗电量通过在最大值所指定的累计时间间隔内切入输电而降低到次高耗电值，计算所得的电池放电量。第一次计算找出了第一电池末端充电状态，在下一次计算找出在两个最高累计时间间隔内输入第三高耗电值的电力时所得的第二电池末端充电状态。如所得第二电池充电状态是正的(大于0)，可以进行第三次计算找出第三电池末端充电状态，其可在三个最高的累计时间间隔内输电后，来降低到第四高的耗电值而获得。这些计算反复进行直到电池容量用尽。最后的成功获得的耗电值(即指定的正的电池末端充电状态)在下一天中被作为临界值Emax。
因为相关的时间间隔都已知，按照上述程序，在这些累计时间间隔内为电池BAT充电并同时切入输电到用户连接终端EN，这也是可以考虑的。而且，这种情况下，由于充电过程中的能量损失，以致电能余额效能在100％之下，例如，对铅酸蓄电池来说大约是80％到85％(因化学耗损及充电器BLG的耗损)。
当然，也可以按照几天(耗电周期)来计算估值，耗电量曲线图储存在存储器中。获取的每一天的(初步的)临界值，最终临界值也从此而来，例如，依靠最大临界值的选择，中间值或平均值的选择这样的步骤。
在实际操作中，基于在耗电量上做出比较需额外执行每日耗电量记录用来计算近来的临界值Emax，目的是可以对耗电量例如季节波动等的变化进行恰当的反应。
并且，使用者能够提前把耗电量的一些已知的变化输入到当前的控制器中，例如，如果增加一个额外的用电设备；为此目的可将控制器设置一输入/输出EAE。这里，输入与预计耗电量和预计开机时间以及耗电期间有关的数据；这些数据也标绘在经测量的耗电量曲线图上，并且，通过这种方式获得的耗电量曲线图被作为上面描述过的计算步骤的根据。
另一个可取的扩展是关于电池BAT充电电流的控制。在上面叙述的例子中，如果还没有达到完全的电池容量，电池BAT一直在充电，就不会接近超过耗电量临界值Emax。在一变体中，使用者可以通过输入/输出EAE限定在某些时间进行充电操作，例如只在晚上(晚上电价)或在快餐店不忙的时间。在另一版本中(或和以前的版本的组合)，通过对充电器BLG的控制，控制器STE可以在有需要时限定例如电池的充电电流或充电器BLG的能量吸收，即如果接近超出临界值，尤其是再次达到临界值Emax的地步时。在这种情况下，仅仅当充电的电流减少到不足以把耗电量(包括充入的电力)降低到临界值以下时，电池BAT才通过功率变换器WR进行输电。
应该注意到的是，本发明也适合于那些基于时间的电价模式的情况。控制器STE也把在不同的时间不同的电价结构考虑进去，例如，在预测时将电能值乘以电价(例如，欧元/千瓦小时)；在图2中消耗费用将代替耗电量。
应该注意，除了使用作为可逆式直流电蓄电池的电池BAT之外，也可以使用一种不同的直流电电源。例如，当需要时，可以使用由控制器启动的柴油发动机或汽油发动机，将直流电输入到功率变换器的输入端。和直接从发动机输电到连接线路相比，这种方法具有优点，即，从本发明的意义上来说，可以输入不限变量的额外电能。
然而本发明的另一种扩展是通过接收器实现的。例如，以脉动控制接收器RSE的形式，连接到控制器STE上并且通过控制器STE来引发公共电网ENT的供应商进行放电，与用户的电能消耗不相关联。通过这种方式，电能可以从电池BAT输回到电网ENT中，特别是当耗电高峰时；这一般是建立在一较高电价的基础上的。

Claims (10)

1.一个可连接在公共电网(ENT)的交流电终端机上的用电设备(VB)的高峰负荷的后援装置，
特点是：一个可由一直流电蓄电池(BAT)供电并且其输出端可与用电设备(VB)的电源(EB)并联的功率变换器(WR)，一个可安插在用电设备(Z1，Z2)的连接电路(EN)上的测量器(Z1，Z2)，和一个依靠测量器(Z1，Z2)的帮助监控用电设备(VB)的电能消耗的控制器(STE)，并且当以这种方式取得的电能消耗值超过一个规定的临界值时，让功率变换器(WR)运转以便为用电设备提供电能。
2.在权利要求1所述的装置，其中控制器(STE)依靠测量器(Z1，Z2)的帮助来监控用电设备(VB)的电能消耗，从而估算在一指定的时间间隔的终结时(T)的总耗电量(E*(T))，并且当以这种方式取得的预测值超过一个规定的临界值(Emax)时，就让功率变换器(WR)运转以便为用电设备提供电能。
3.在权利要求2所述的装置，其中控制器(STE)依靠测量器(Z1，Z2)的帮助来监控用电设备(VB)的电能消耗，并且，如通过线性外推法根据以前的耗电量及瞬间耗电量来算出在一指定时间间隔的终结时的总耗电量(E*(T))超过一个规定的临界值(Emax)时，就让功率变换器(WR)运转以便为用电设备提供电能。
4.在权利要求1至3其中一项所述的装置，其中控制器把通过功率变换器输入的电能设在一个规定的值，使电能消耗或消耗量在规定的临界值之下。
5.在权利要求1至4其中一项所述的装置，特点是给直流电蓄电池(BAT)充电的充电器(BLG)可以从用电设备(VB)的连接电路(EN)中获得电能。
6.在权利要求5所述的装置，其中充电器(BLG)可以由控制器(STE)来启动或关闭。
7.在权利要求6所述的装置，其中控制器(STE)仅仅在功率变换器(WR)不运转的时候才启动充电器。
8.在权利要求1至7其中一项所述的装置，其中控制器记录用电设备(VB)在一个耗电周期的电能消耗，及按照一个预定的标准，根据以这种方式所记录的耗电量曲线图计算一临界值。
9.在权利要求8所述的装置，其中，为了要确定下一个耗电周期的临界值，需要确定耗电周期记录内的耗电量最大值，并且，此最大值被选定为新的临界值，其始于所记录耗电周期的基于时间的耗电量，能够在电能消耗高峰时打开功率转换器(WR)，减少从电网(ENT)中抽取的电量至低于这个最大值，并且不超出直流电蓄电池(BAT)的蓄电量。
10.在权利要求1至9其中一项所述的装置，特点是将一接收器(RSE)连接到控制器(STE)上，并且可通过与用电设备(VB)电能消耗无关的功率变换器(WR)的输电来引发。
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