RU2635101C2 - Управление емкостью аккумуляторной батареи - Google Patents

Abstract

Использование – в области электротехники. Технический результат – обеспечение эффективного регулирования электрической сети. Согласно способу избирательной модуляции в электрической сети от резервной системы аккумуляторных батарей аккумуляторные батареи используют в качестве источника бесперебойного питания (UPS). Часть емкости аккумуляторных батарей используют для услуг регулирования электрической сети, при этом поддерживают резерв емкости аккумуляторной батареи для обеспечения электропитания UPS, если необходимо. Преимуществом является то, что батарейная установка контролируется эффективнее, поскольку она регулярно заряжается и разряжается. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Данное изобретение относится к использованию емкости резервной аккумуляторной батареи для обеспечения услуг выравнивания мощности и регулирования мощности.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Питание сетевым электричеством в современных системах обеспечивается посредством сложного взаимодействия генераторов, распределения и передачи электроэнергии. На стороне потребления такое же сложное сочетание потребителей требует переменных несогласованных уровней питания. Все это имеет место в реальном времени. В то время как генераторы будут законтрактованы для подачи определенных уровней электроэнергии в течение определенных периодов времени в течение дня и это осуществляется посредством источников питания, которые приводятся в действие в оперативном режиме и в автономном режиме, с масштабами времени, составляющими десятки минут, эта изменчивость потребления означает, что эти источники питания и нагрузки никогда точно не совпадают. Это приводит к увеличению оборотов (частоты) генератора, когда нагрузка ниже, чем выработка электроэнергии, и уменьшению оборотов (частоты), когда нагрузка превышает выходную выработку электроэнергии.

Услуга регулирования корректирует в течение коротких периодов времени изменения в потреблении электроэнергии посредством помощи в согласовании выходной выработки электроэнергии и потребления и в поддержке необходимой частоты. Эти услуги могут быть регулированием на повышение для обеспечения дополнительной мощности, когда потребление превышает генерируемую мощность, или регулированием на понижение, когда эта генерируемая мощность превышает потребление.

Одним способом для обеспечения услуги регулирования является изменение выходной мощности генератора на ископаемом топливе около заданного значения, в частности газовых турбин вследствие их более быстрой реакции по сравнению с угольной электростанцией. Другим источником услуги регулирования является гидроаккумулирующая электростанция, в которой выходная выработка электроэнергии изменяется около базового заданного значения. Известны другие системы, включающие в себя сжатый воздух и маховики.

Другой способ для обеспечения услуг регулирования использует большие аккумуляторные батареи. Во время периодов избыточного питания аккумуляторные батареи заряжаются. Когда дополнительная выходная мощность требуется для регулирования, используется преобразователь мощности для выработки переменного тока (AC) из выхода по постоянному току (DC) аккумуляторной батареи. Это может быть обеспечено относительно быстро и с высокой надежностью. Несмотря на то, что эффективные системы для осуществления этого существуют, требуются относительно большие капитальные затраты, связанные с этими системами аккумуляторных батарей, управляющей электроникой и силовой электроникой для систем на основе аккумуляторных батарей.

Объектом данного изобретения является обеспечение услуг регулирования более эффективным способом.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В первой расширенной форме услуги регулирования обеспечиваются с использованием части емкости (мощности) системы аккумуляторных батарей, которая является частью резервного источника питания для источника бесперебойного питания (UPS) или подобной системы. Часть этой емкости аккумуляторных батарей может быть использована для услуг регулирования, при этом поддерживая резерв емкости аккумуляторной батареи для обеспечения резервного питания, при необходимости.

Согласно одному аспекту данное изобретение обеспечивает способ обеспечения избирательного питания и накопления от резервной системы аккумуляторных батарей, которая подключена к этой электрической сети, причем эта система включает в себя одну или более аккумуляторных батарей, преобразователь AC-DC для зарядки аккумуляторных батарей и инвертор (преобразователь DC-AC) для преобразования тока разрядки аккумуляторных батарей в AC, причем этот AC может избирательно подаваться либо для использования в качестве резервного источника питания, либо для внешней подачи электроэнергии обратно в электрическую сеть, и по меньшей мере некоторый участок аккумуляторных батарей выделен для использования в качестве как резервного питания, так и для подачи электроэнергии обратно в электрическую сеть, причем первая часть емкости таких аккумуляторных батарей назначается для использования в качестве резервного источника питания, а вторая часть этой емкости таких аккумуляторных батарей назначается для использования для избирательной зарядки от внешнего источника питания или разрядки во внешний источник питания.

Конкретным преимуществом вариантов осуществления данного изобретения является то, что технические средства этих аккумуляторных батарей регулярно заряжаются и разряжаются таким образом, чтобы они могли контролироваться на производительность и исправность, тогда как общепринятые UPS тестируются периодически, и состояние аккумуляторной батареи является неизвестным до тех пор, пока это тестирование не будет выполнено.

Другим важным преимуществом данного изобретения является то, что оно позволяет собственнику или оператору получать дополнительный поток поступлений дохода от капитальных инвестиций в аккумуляторные батареи и связанную с ними электронику и другую инфраструктуру. Когда потребуются дополнительные емкости аккумуляторных батарей, это скомпенсируется потоком поступлений дохода, который может быть получен от обеспечения услуги регулирования для этой электрической сети.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Иллюстративные варианты осуществления данного изобретения будут описаны со ссылкой на приложенные чертежи, в которых:

фиг. 1 является типичной схемой UPS в оперативном режиме;

фиг. 2 является графиком состояния заряда и мощности от времени для условной системы аккумуляторных батарей;

фиг. 3 является блок-схемой последовательности операций способа, иллюстрирующей один вариант осуществления данного изобретения;

фиг. 4 является блок-схемой, показывающей иллюстративный вариант осуществления данного изобретения; и

фиг. 5 является блок-схемой последовательности операций способа, показывающей процесс определения состояния заряда согласно данному изобретению.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное изобретение будет описано в первую очередь со ссылкой на вариант осуществления с использованием свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, более конкретно на вариант осуществления с использованием свинцово-кислотной сверхбатареи (свинцово-кислотной аккумуляторной батареи по технологии UltraBattery). Однако принцип данного изобретения может применяться к другим химическим системам хранения, например литий-полимерной системе, литий-ионной системе, системе на сульфиде натрия, никель-кадмиевой системе или любой другой такой химической системе. Этот принцип может также применяться к другим технологиям хранения, таким как суперконденсаторы и сверхконденсаторы. Когда термин аккумуляторная батарея используется везде в данном описании и формуле изобретения, он предназначается для распространения на эти типы аккумуляторных батарей и систем хранения, если иное не указано в контексте.

Следует понимать, что эти обеспеченные примеры приводятся в качестве иллюстративных вариантов осуществления данного изобретения и не должны считаться ограничивающими объем данного изобретения. Возможны многие альтернативные варианты осуществления, как будет очевидно специалистам в данной области техники.

Фиг. 1 иллюстрирует типичную схему UPS в оперативном режиме предшествующего уровня техники, к которой данное изобретение может быть применено. Такой UPS берет входной сигнал от источника питания, проводит его через входной фильтр и выпрямляет AC в DC. Этот DC используется для зарядки аккумуляторной батареи, а также подачи питания последующим инвертором центру обработки данных или подобной установке. Когда входное питание по переменному току нарушается, тогда выходное устройство аккумуляторной батареи питает установку через инвертор.

Со ссылкой на фиг. 1 и более подробно UPS в оперативном режиме включает в себя входную линию 15 от электрической сети. Следует понимать, что питание является питанием на номинальной мощности, достаточной для установки, о которой идет речь, подаваемым обычно от специально предназначенной подстанции в виде трехфазной мощности. На главном пути, после прохода через плавкий предохранитель 21 входной AC выпрямляется посредством выпрямителя/зарядного устройства 22. Выпрямленный переменный ток вводится затем для зарядки аккумуляторной батареи 30. Выпрямленный выходной ток является также входным током для инвертора 23. Инвертор 23 вырабатывает AC, который затем выводится через плавкий предохранитель 24 и переключатель 25 к выходному устройству 16 и впоследствии питает установку. В этой системе инвертор и выпрямитель всегда являются включенными. Имеется также обходная цепь 11 для технического обслуживания и связанный с ней переключатель 13 для обеспечения электроснабжения, когда UPS находится в автономном режиме для ремонта.

Специалистам в данной области техники будет понятно, что возможны другие конфигурации UPS, например, с использованием многочисленных аккумуляторных батарейных модулей, имеющих общие системы с резервированием, резервные системы, и т.п. Данное изобретение может быть применено к любой из них в подходящем варианте осуществления.

Преимущество этого типа системы, показанной на фиг. 1, состоит в том, что мощность переменного тока, которая принимается установкой, выпрямлена и затем инвертирована таким образом, чтобы она была выровненной и избавилась от искажений и выбросов тока. Дополнительно, поскольку частота и напряжение управляются инвертором, установка всегда принимает высококачественный AC в пределах номинальных параметров. Если источник питания отказывает, то инвертор функционирует как раньше, но энергия приходит от аккумуляторной батареи. Это обеспечивает также время для, например, приведения в оперативный режим дизель-генератора или другого локального генератора мощности в случае продолжительного перерыва в подаче электроэнергии. В случае коротких перерывов в подаче электроэнергии потребители электроэнергии в установке не почувствуют никаких потерь входящего переменного тока.

Такая резервная установка обычно имеет отношение к коммуникационным техническим средствам или техническим средствам цифровой обработки, например центру обработки данных, вышке автоматической телефонной станции или сотовой связи, серверной ферме и т.п. В то время как данное изобретение является, в принципе, применимым к меньшим объектам, практические соображения масштаба предполагают, что оно является наиболее применимым к большим объектам, которые имеют соответственно большую емкость аккумуляторной батареи.

Основным принципом данного изобретения является то, что емкость аккумуляторной батареи частично используется для обеспечения резерва для соответствующего объекта, а частично для обеспечения услуги регулирования для электрической сети. Обеспечивается достаточно большая аккумуляторная батарея для обеспечения необходимой резервной емкости, а также емкости для обеспечения услуг регулирования. Аккумуляторная батарея обычно обеспечивается в виде большого количества взаимосвязанных элементов. Следует понимать, что аккумуляторные батареи могут быть выполнены в виде единственного блока или установки, или в распределенном виде.

Фиг. 3 является блок-схемой последовательности операций способа, иллюстрирующей обычное функционирование системы согласно одному (некоторому) варианту осуществления данного изобретения. При 31 процесс определяет, присутствует ли сетевое напряжение. Если сетевое напряжение не присутствует, то тогда выпрямительная ступень выключается 35, и процесс продолжается для настройки напряжения инвертора для поддерживания мощности.

Если сетевое напряжение присутствует, то при 32 процесс проверяет, имеется ли отказ в UPS или аккумуляторной батарее. Если имеется отказ, то тогда приводится в действие состояние тревоги при 36. Если отказа нет, то тогда процесс продолжается при 33 для настройки мощности выпрямителя для обеспечения регулирующей мощности плюс необходимой мощности установки. Далее, напряжение инвертора настраивается при 34 для поддержки необходимой мощности установки, и процесс возвращается в начало.

Фиг. 2 иллюстрирует состояние заряда (SOC) и необходимую мощность условной аккумуляторной батареи, используемой согласно данному изобретению, от времени. Левая ось показывает регулирующую мощность в МВт, а правая ось показывает % состояния заряда. Можно увидеть, что регулирующая мощность качается от положительных до отрицательных значений на основе частого повторения для обеспечения необходимого регулирования для электрической сети. Состояние заряда изменяется медленно, в противоположном направлении, и отстает от кривой мощности. В этом варианте осуществления базовое состояние заряда составляет около 70%.

Энергия в аккумуляторной батарее, запасенная ниже уровня 60%, указанного в виде пунктирной линии на графике, резервируется для использования для резервного питания соответствующей установки. Функционирование аккумуляторной батареи для обеспечения услуг регулирования, таким образом, вызывает перемещение состояния заряда вверх и вниз, но при этом резервируется 60% емкости для услуг резервирования.

Этот график показывает конечную точку, где сигнал регулирования пропадает, поскольку нарушилась связь с электрической сетью. Это SOC тогда уменьшается и падает к нулю в течение периода времени, равного обычно 15 минутам, в то время как аккумуляторная батарея подает резервную мощность установке.

В системе согласно вариантам осуществления данного изобретения оператор резервной системы UPS мог бы предложить обеспечение услуг регулирования, например, на ± 20 МВт. Емкость аккумуляторной батареи для услуг регулирования или заряжается или разряжается для обеспечения услуг регулирования в зависимости от управляющего сигнала регулирования. Последний меняется в зависимости от системы электрической сети. Например, описание быстродействующего сигнала регулирования и образцовых сигналов PJM может быть найдено на http://pjm.com/markets-and-operations/ancillary-services/mkt-based-regulation.aspx#Sliderltem1. Такие системы входят в состав фонового состояния электрической сети и будут хорошо поняты специалистами в данной области техники и поэтому не будут дополнительно объясняться здесь.

В типичном варианте осуществления данного изобретения объединенная емкость UPS и услуги регулирования могли бы иметь запасенную энергию, установленную на уровне, в среднем, около 70% емкости аккумуляторной батареи. Эта запасенная энергия может качаться между 60% и 80% емкости при обеспечении потребности регулирования. Величина резерва аккумуляторной батареи определяется таким образом, чтобы 60% емкости аккумуляторной батареи было достаточно для обеспечения питания установки в течение необходимого времени резервирования.

Следует понимать, что потребитель может нуждаться в дополнительной емкости аккумуляторов относительно потребности в резервной электроэнергии самой по себе, например дополнительно 67% свыше обычной потребности. Силовая электроника инвертора остается в большинстве случаев идентичной, однако силовая электроника ступени AC-DC выпрямителя требует увеличенной емкости для управления базовой нагрузкой UPS плюс пиковым потреблением регулирования.

Принято эксплуатировать системы UPS предшествующего уровня техники с элементами в полностью заряженном состоянии, готовыми для обеспечения резервного питания. Однако собственник объекта не знает, не функционирует ли элемент не оптимально до тех пор, пока мощность отбирается. Системы предшествующего уровня техники могут тестироваться разрядом каждые несколько месяцев, однако, это не обеспечивает настолько высокую уверенность, насколько ее обеспечивает непрерывная работа системных компонентов, включая аккумуляторную батарею, в данном изобретении. Согласно вариантам осуществления данного изобретения аккумуляторная батарея могла бы непрерывно тестироваться при высоких уровнях мощности таким образом, чтобы могла быть получена постоянная основа оценки исправности элементов аккумуляторной батареи.

Для эксплуатации в частичном состоянии заряда (SOC), например 60-80%, необходимо вычислять SOC. Оценка SOC элемента в предшествующем уровне техники обычно включает в себя остановку зарядки системы, ожидание в течение нескольких часов стабильного напряжения и использование его в качестве оценки состояния заряда. После этого момента подсчитываются кулоны заряда или разряда, масштабируемые на основе меры емкости элемента и используемые для оценки нового SOC.

Одной проблемой, связанной с этой технологией, является то, что заряд определяется посредством интеграла тока, причем процесс интегрирования требует высокой точности измерения тока, а это приводит к накоплению погрешностей. Следовательно, необходимо периодически возвращаться к измерению стабильного напряжения, чтобы перекалибровать SOC. Эта перекалибровка требует, чтобы система остановила зарядку и разрядку, и в это время невозможно обеспечение услуг регулирования.

Согласно вариантам осуществления данного изобретения SOC элементов может быть измерено, в то время как система работает. Для любого элемента напряжение смещается на оценку внутреннего напряжения элемента. Она вычисляется как ток элемента, умноженный на номинальный импеданс, типичный для используемого элемента, для получения оценки «внутреннего» напряжения элемента. Измеренное напряжение затем фильтруется с использованием большой постоянной времени, составляющей 2-24 часа, для получения оценки внутреннего напряжения. Ток также интегрируется для обеспечения измерения заряда и фильтруется с использованием высокочастотной постоянной времени, которая является такой же, что и низкочастотная величина, которую мы используем для напряжения элемента.

Наша оценка состояния заряда объединяет низкочастотную оценку SOC по напряжению с высокочастотным интегралом оценки SOC по току для обеспечения результирующей оценки SOC. Преимуществом этого способа является то, что система не нуждается в остановке для перекалибровки меры SOC. Дополнительным преимуществом является то, что имеется меньше предыскажений при долговременном интегрировании тока, так как достаточно измерения тока с меньшей точностью, меньшего по стоимости.

Со ссылкой на фиг. 5, напряжение 70 цепочки и ток 71 цепочки (от датчиков, как будет описано ниже) обеспечивают входные сигналы для процесса оценки состояния заряда. Напряжение цепочки смещается на величину номинального импеданса элемента, умноженного на ток цепочки при 72, что обеспечивает затем оценку внутреннего напряжения 74 элемента. Результат затем масштабируется посредством диапазона напряжений элемента для обеспечения состояния заряда при 76 по напряжению и пропускается через низкочастотный фильтр 77.

Параллельно интегрируемый ток 73 обрабатывается для определения величины заряда в кулонах 75. Результат масштабируется к емкости элемента в кулонах для обеспечения состояния заряда в кулонах и пропускается через высокочастотный фильтр 80. Эти величины из 77 и 78 затем суммируются 78 для обеспечения оценки 81 состояния заряда.

В предпочтительной форме оценка SOC учитывает эффект Пейкерта, где более высокая скорость разрядки обусловит более высокий внутренний импеданс, и, следовательно, аккумуляторная батарея сможет обеспечить меньшую общую мощность при таких условиях. В результате ток, извлекаемый при более высокой скорости, снизит полезную емкость аккумуляторной батареи. В оценке SOC этот эффект учитывается таким образом, чтобы более быстрая разрядка или зарядка оценивалась с более высокими весовыми коэффициентами в обобщенном вычислении емкости в А⋅ч.

В дополнительной предпочтительной форме постоянные времени фильтрации не назначаются, а выбираются из заданных величин в интервале 2-24 часа, когда аккумуляторная батарея находится под нагрузкой, или в интервале 0,2-2 часа, если с аккумуляторной батареи снята нагрузка.

Следует понимать, что величина 60-80% частичного SOC обеспечивается только в качестве примера, данное изобретение может, в принципе, быть реализовано с использованием любого подходящего значения частичного SOC, которое является необходимым и которое совместимо с типом и конфигурацией аккумуляторной батареи и элемента.

Пример практического осуществления системы согласно данному изобретению будет теперь описываться со ссылкой на фиг. 4. Эта система включает в себя 160 2-элементных модулей сверхбатарей East Penn, которые могут быть упакованы в два грузовых контейнера ISO. Каждый набор 40, 41, 42 из 32 элементов включает в себя модуль (BMM) 43, 44, 45 контроля батареи, поверх каждого 32-элементного набора 40, 41, 42. Для ясности показаны только три набора элементов, но будет очевидно, что в такой системе требуются 10 наборов, каждый с соответствующим BMM.

Наборы 40, 41, 42 элементов также имеют подключение 60 по постоянному току, например через твердую шину, к силовой электронике 49. Силовая электроника принимает переменный ток от электрической сети 61 и выпрямляет его для зарядки наборов элементов, инвертирует постоянный ток для обеспечения мощности переменного тока для этой установки, а также выдает управляемый переменный ток (согласно командам из SCP 48), если требуется обеспечить услуги регулирования для сети.

Каждый BMM 43, 44, 45 является электронным модулем с микропроцессорным управлением с 32 дифференциальными входами напряжения (для каждого отдельного элемента) и 8 входами температурных датчиков (не показаны). Температурные входы позволяют контролировать выборочные места в пределах 32-элементного модуля. Напряжение каждого элемента индивидуально контролируется посредством соответствующего BMM.

Каждый из BMM включает в себя коммуникационную CAN шину, которая обеспечивает обратную связь 46 с главным контроллером (SMC) 47 батарейной цепочки. Последний обеспечивает возможность управления набором BMM, чтобы регистрировать напряжения элементов и температуры при необходимой частоте выборки, например, обычно 1/сек. SMC 47 является обычно промышленно упакованным PC (персональным компьютером) и имеет дополнительный вход от датчика тока цепочки (не показан). Последний может, например, быть прецизионным датчиком тока на эффекте Холла Hioki 9709. SMC будет принимать различные входные напряжения элементов и ток цепочки (одинаковый для всех элементов цепочки) и вычислять SOC цепочки и SOC отдельных элементов с использованием способа, описанного выше.

Эта система управляется посредством системного управляющего процессора (SCP) 48. Последний связывается с SMC 47, силовой электроникой 49 через информационное соединение 50, а с удаленным центром 52 обработки данных (или чем-либо подобным) через внешний канал 51 связи.

Чтобы оценить состояние исправности батарейной цепочки, может быть использована следующая процедура. Периодически батарейная цепочка выводится из эксплуатации посредством SCP 48, если необходимо, эта цепочка может быть разряжена до заданного целевого SOC. Ее оставляют в покое на некоторое время, а затем к батарейной цепочке прикладывают силовую нагрузку либо через балластный резистор, либо через подключенный инвертор. BMM настраиваются для выборки при более высокой частоте, обычно 1000/сек, и отбирается набор замеров. Например, это может быть набор из 100 замеров, 50 до скачка нагрузки и 50 после.

Эти замеры затем вычерчиваются с использованием общепринятых процессов линейной аппроксимации и аппроксимации кривой для определения амплитуды скачка напряжения, видимой для каждого элемента. Этот наблюдаемый скачок напряжения напрямую относится к сопротивлению элемента и является мерой состояния исправности (SOH) элементов. Измерение SOH регистрируется в центре 51 обработки данных, удаленном от объекта, и изменения в SOH элементов контролируются с течением времени для определения любых тенденций, указывающих на отказывающие элементы. Для некоторых установок с более высокими уровнями шума измерений источник питания BMM может быть изолирован во время чувствительного измерения SOH. Схема внутреннего источника питания каждого BMM включает в себя достаточный резерв для продолжения функционирования во время таких периодов изоляции.

Набор из 320 элементов предназначен для обеспечения 1 МВт мощности UPS в течение 10 минут при запуске при 60% от максимального запаса энергии. Эти 320 элементов способны также обеспечить ± 0,5 МВт мощности регулирования, при этом функционируя в диапазоне 60-80% запасенной энергии.

Эта 320-элементная аккумуляторная батарея подключается к силовой электронике 49, например, Liebert NXL 1100kVA/1100kW UPS силовой электронике с входной AC-DC выпрямительной ступенью силовой электроники, увеличенной на 50% по допустимой мощности.

При потере подключения к сети переменного тока SCP 48 остановит тогда систему, обеспечивающую услугу регулирования частоты, и SCP затем отдаст команды силовой электронике 49 для начала обеспечения полной нагрузки от наборов элементов. Это является общепринятой работой UPS, где аккумуляторная батарея разряжается в течение 5-10 минут для обеспечения системной нагрузки. В качестве альтернативного варианта осуществления при потере подключения к сети переменного тока силовая электроника 49 могла бы отключиться от подключения к сети переменного тока, игнорировать вход SCP 48 и начать разрядку аккумуляторной батареи для обеспечения нагрузки.

SCP 48 обеспечивает общее управление этой системой. Он принимает сигнал регулирования частоты от администрации энергетической компании, например PJM на востоке США, через подходящее интерфейсное устройство, в данном случае интерфейсный модуль SecureNet-Rt. Следует понимать, что соответствующий интерфейс будет зависеть от системы регулирования частоты сигнала, которая соответствует данному местоположению этой системы.

Системный контроллер управляет затем Liebert NXL через интерфейс Modbus для модуляции уровня мощности выпрямителя, обеспечивая регулирование по запросу PJM вместе с нагрузкой установки через инвертор. Системный контроллер Ecoult также контролирует состояние аккумуляторной батареи, напряжение, температуру, SOC от SMC и может блокировать функцию регулирования частоты, если состояние аккумуляторной батареи выйдет за пределы граничных условий. Системный контроллер Ecoult дополнительно регистрирует различные режимы UPS и аккумуляторной батареи и передает эти данные в центр обработки данных, удаленный от установки UPS.

Следует дополнительно понимать, что в то время как данное изобретение описано в отношении специфических вариантов осуществления технических средств для UPS и ступеней выпрямителя и инвертора, возможны различные альтернативы.

Например, вместо топологии UPS, состоящей из ступени выпрямителя, аккумуляторных батарей и ступени инвертора могла бы быть обеспечена отдельная выходная ступень преобразования DC в AC для регулирования электрической сети. Однако это не является предпочтительным, так как технология мощного выпрямителя имеет обычно существенно более низкую стоимость, чем инверторная технология.

Дополнительным преимуществом данного изобретения является то, что часто имеется большая резервная емкость, чем участок SOC, зарезервированный для этой цели. Это происходит потому, что в случае отключения питания сеть является недействующей и не нуждается в услугах регулирования. Любая запасенная энергия может, следовательно, быть использована для резервных целей. Другими словами, минимальная резервная энергия, доступная в вариантах осуществления данного изобретения, будет являться зарезервированной резервной емкостью - в почти всех ситуациях она будет больше, чем зарезервированная емкость.

Данное изобретение может быть также реализовано исключительно в качестве нагрузки, реагирующей на электропотребление. Это означает, что система функционирует только в качестве установки с регулированием на понижение и не обеспечивает мощность обратно в электрическую сеть.

Можно реализовать это изобретение с UPS центра обработки данных, сегментированным на две части, - одну, которая является стандартным резервным источником питания, и - другую, которая объединяет услуги резервирования и регулирования. Последняя могла бы быть предпочтительно основана на сверхбатареях. Это позволяет сегменту на сверхбатареях обеспечить сочетание функциональных возможностей регулирования и UPS, которое оптимизируют соотношение цена/выгода, не будучи сдерживаемым минимальным и максимальным уровнями энергопотребления центра обработки данных. Изменение в электропотреблении могло бы контролироваться посредством стандартного сегмента UPS. Например, центр обработки данных с энергопотреблением 1,5 МВт мог бы питаться UPS на сверхбатареях на 1 МВт и стандартным UPS на 0,5 МВт. UPS на сверхбатареях на 1 МВт мог бы также обеспечить 1 МВт для регулирования, увеличивая доход от регулирования, и мог бы выдать куда-нибудь между 0 и 2 МВт, в зависимости от сигнала регулирования. Если базовая нагрузка центра обработки данных упала в течение дня с 1,5 МВт к 1,1 МВт, то выходная мощность от общепринятого UPS на 0,5 МВт могла бы снизиться до 0,1 МВт таким образом, чтобы сегмент на сверхбатареях мог продолжить обеспечение услуги регулирования на 1 МВт.

Сверхбатареи для целей данного изобретения описываются, например, в «Development of ultra-battery for hybrid-electric vehicle applications», L.T.Lam, R.Louey, Journal of Power Sources, Vol 158, Issue 2, 25 August 2006, Pages 1140-1148. Они также являются коммерчески доступными в East Penn, Inc.

В то время как данное изобретение описано со ссылкой на резервные системы для конкретного объекта, может быть так, что эта система применяется для многочисленных объектов. Подобным образом емкость аккумуляторной батареи, на которую ссылаются, не обязательно должна располагаться на общем объекте или даже в географической близости. Как известно, используются виртуальные организации, являющиеся объединением нагрузок или генераторов, или их частью, подлежащей управлению через электрическую сеть. Подобным образом данное изобретение могло бы быть виртуальным провайдером услуг, с использованием системы накопительных установок, может быть различного типа, которые обычно управляются для обеспечения услуг регулирования. Такая виртуальная услуга могла бы быть сочетанием выработки электроэнергии, управляемого накопления в аккумуляторных батареях, таких как описанные выше, и других нагрузочных и/или генерирующих компонентах, функционирующих вместе для обеспечения услуг для электрической сети и оптимизации эффективности и дохода для виртуального оператора.

В частности, предпочтительные виртуальные варианты осуществления могут использовать распределенную выработку электроэнергии вместе с накоплением, обеспеченным, как указано выше, для обеспечения эффективного регулирования, в частности, когда распределенная выработка электроэнергии обеспечивается ветровыми, солнечными или другими периодическими источниками электроэнергии.

Claims (9)

1. Способ обеспечения избирательной модуляции в электрической сети от резервной системы аккумуляторных батарей для установки (62), которая подключается к электрической сети (61), причем резервная система аккумуляторных батарей включает в себя одну или более аккумуляторных батарей, преобразователь для преобразования переменного тока (АС) в постоянный ток (DC) для зарядки аккумуляторных батарей от электрической сети (61) и инвертор для преобразования DC-AC для питания нагрузки в установке и избирательного питания электрической сети (61), причем АС выход инвертора избирательно подключается к электрической сети (61) и модулируется для обеспечения регулирования электрической сети, и по меньшей мере некоторые из аккумуляторных батарей назначаются для использования в качестве как резервного источника питания для упомянутой установки (62), так и для регулирования электрической сети, причем первая часть емкости таких аккумуляторных батарей назначается для использования в качестве резервного источника питания, а вторая часть емкости таких аккумуляторных батарей назначается для использования для регулирования электрической сети посредством избирательной зарядки от электрической сети (61) через преобразователь или разрядки через инвертор в электрическую сеть (61), при этом пиковая мощность, доступная второй части, меньше, чем пиковая нагрузка в установке, чтобы общая мощность выпрямителя всегда выступала в качестве нагрузки для подключения к электрической сети.

2. Способ по п. 1, в котором от 50 до 70% емкости используется для указанной первой части.

3. Способ по п. 1, в котором от 15 до 30% емкости не используется ни первой, ни второй частью, чтобы оптимизировать срок службы указанных аккумуляторных батарей.

4. Способ по п. 1, в котором вторая часть используется для обеспечения услуг регулирования и в котором обеспечивается контроллер для управления разрядкой и зарядкой указанной второй части, который реагирует на подачу сетевых автоматизированных сообщений вспомогательных услуг.

5. Способ по п. 4, в котором указанный контроллер дополнительно выполнен с возможностью контроля и предоставления отчета о состоянии и исправности указанных аккумуляторных батарей.

6. Способ по п. 1, в котором электрическая сеть (61) используется для зарядки аккумуляторных батарей на непрерывной основе до первой части указанной емкости, и указанная первая часть непрерывно разряжается в инвертор, чтобы обеспечить номинальную операционную мощность для нагрузки в установке.

7. Способ по п. 1, в котором одностороннее направление потока мощности допускает, чтобы ступень выпрямителя AC-DC была реализована через силовую электронику с более низкой стоимостью по сравнению со стоимостью двунаправленного преобразователя AC-DC.

8. Способ по п. 1, в котором для функции регулирования электрической сети требуется мощность регулирования частоты, и установка (62) имеет нагрузку в установке, и система имеет пиковую мощность перезарядки аккумуляторной батареи, причем мощность регулирования частоты плюс нагрузка в установке выбирается таким образом, чтобы быть меньше чем или равной пиковой мощности перезарядки аккумуляторной батареи с тем, чтобы потребности в услугах регулирования частоты и перезарядке аккумуляторной батареи, следующие за отключением питания, были исключительными, допуская минимизацию требований к мощности подключения.

9. Способ по п. 1, в котором первая часть аккумуляторной батареи обеспечена технологией, адаптированной для поддержания случайной быстрой разрядки для зарядки резервной аккумуляторной батареи, а вторая часть обеспечена технологией, адаптированной для обеспечения частого питания энергией, причем система дополнительно включает в себя быстродействующие электронные переключатели для выбора, какой участок подключается к преобразователю AC-DC, в зависимости от необходимой функции.

Images