智能響應電氣負載的製作方法

2023-11-06 23:41:27 3

專利名稱：智能響應電氣負載的製作方法
技術領域：
本發明涉及智能響應電氣負載。此外，本發明還涉及通過使用這些智能響應電氣負載提供供電網絡負載控制的方法。並且，本發明涉及包含這些智能響應電氣負載中的一個或更 多個的供電網絡。另外，本發明涉及可在計算硬體上執行的、用於實現這些方法的軟體產品。
背景技術：
在早先公開的國際PCT專利申請WO 06Λ8709Α2中描述用於對供電網絡提供智能負載的裝置和方法，在此加入該專利申請作為參考。該公開專利申請描述了製冷器，並且與將水抽吸到箱罐中類比。但是，該申請沒有考慮具有其它操作限制的其它類型的裝置。因此，響應供電網絡幹線頻率的變化，電氣負載脫落是已知的，並且是基於諸如熱水器和製冷器的裝置。並且，電氣中斷之後的自動啟動也是已知的。當前，全世界每天消耗約8千萬桶油。這些油的很大部分被用於運輸，例如，用於汽車、卡車、船和飛機。石油代表方便在例如汽車的行動裝置中使用的極其濃縮形式的能量。但是，期望對於將來的道路運輸使用電力，其中，在理想情況下從可再生能源產生電力。實際上，電力更可能源自燃煤發電站中的燃燒的煤(產生溫室氣體)並且源自核反應堆(產生危險的長期的放射性廢料)。這種燃煤發電站和核電站已知能夠應對穩定的基線負載，但是，難以應對迅速波動的需求。並且，當社會的很大部分使用個人電動運輸時，隨著這種電氣需求中的更大的時間波動，供電需求可望在將來更大。例如，用於電動車輛的快速電池充電器都在對這些車輛的電池充電時可望消耗來自供電網絡的幾千瓦(kw)的電力。這種大小的消耗減少由製冷器和類似的器具消耗的功率量。但是，當對電池充電時，例如，當對具有非常不同的要求的鋰電池或超級電容器充電時，控制製冷器中的加熱和冷卻的方法是相當不合適的。例如，公司EEstor Inc.宣稱最近開發了具有無限次數再充電/放電循環的基於提供超過300W/kg的能量存儲密度的納米粒子形式的鈦酸鋇材料的超電容器；如果可以以經濟的形式實現這種電池技術，那麼，它代表電動道路運輸的重大突破，為從內燃機道路運輸向電動道路運輸的轉變鋪平了道路。一些過程，例如，電池充電過程，均是能量集中和複雜的，即，需要仔細控制充電功率變化的次序，以實現保持最佳的電池壽命。這種充電過程不落入根據國際PCT專利申請 WO 06/28709A2的適於控制製冷器的限制內。關於電池充電，在電網緊張時斷開電氣裝置的供電線路頻率響應過程是不期望的。類似地，洗衣機和洗碗機對於從它們的供電網絡斷開一段時間作出不利的響應；例如，洗碗機需要達到足夠高的溫度以確保微生物在洗碗過程中被消滅，並且，衣服如果在高溫下放置不必要地延長的時段可能受到損害。因此，需要替代類型的用於穩定供電網絡中的智能響應電氣負載，這些智能響應電氣負載能夠應對複雜能量消耗過程，該複雜能量消耗過程使用與例如製冷器的簡單開關裝置不同的複雜步驟次序。

發明內容
本發明尋求提供用於供電網絡的改進的智能響應電氣負載，該智能負載可操作為對於網絡提供響應負載控制，同時還滿足與智能響應電氣負載相關的複雜能量消耗過程的需求。根據本發明的第一方面，提供在所附的權利要求1中描述的智能響應電氣負載 提供一種在操作上可與供電網絡連接的智能響應電氣負載，智能響應電氣負載包含耗電裝置和用於控制從網絡向裝 置供給電力的控制配置，其中，控制配置可操作為在要求向裝置提供功率的請求之後在向裝置供給電力之前施加可變時間延遲(tp)，可變時間延遲(tp)為網絡的狀態的函數。本發明的優點在於，作為用於通過用於提供網絡調節的裝置來延遲電力消耗的網絡的狀態的函數，使用可變時間延遲能夠應對複雜能量消耗過程的需要。任選地，關於智能響應負載，網絡的狀態是網絡的供電頻率(f)。任選地，關於智能響應負載，網絡的狀態是網絡的供電幅度(V)。任選地，關於智能響應電氣負載，控制配置可操作為在已經過可變時間延遲(tp) 之後以不中斷的方式向裝置供給電力。更任選地，關於智能響應電氣負載，不中斷的方式不易於由於用戶幹擾而被超馳。任選地，關於智能響應電氣負載，控制配置可操作為響應供電頻率(f)超過界限頻率值向裝置施加電力，電力然後以不中斷的方式被施加到裝置。任選地，關於智能響應電氣負載，控制配置可操作為響應供電幅度(V)超過界限幅度值向裝置施加電力，電力然後以不中斷的方式被施加到裝置。任選地，關於智能響應電氣負載，控制配置被配置為在操作中接收用於參照的數字時鐘信號，控制配置可操作為計算供電頻率(f)作為時鐘信號計數的數量，並且，控制配置可操作為計算作為時鐘信號計數的乘數的函數的可變時間延遲(tp)。更任選地，關於智能響應電氣負載，控制配置可操作為單獨地對於供電頻率(f) 低於其標稱優選值提供低側響應。更任選地，關於智能響應電氣負載，控制配置可操作為單獨地對於供電頻率(f) 大於其標稱優選值提供高側響應。更任選地，關於智能響應電氣負載，控制配置可操作為單獨地對於供電幅度(V) 低於其標稱優選值提供低側響應。更任選地，關於智能響應電氣負載，控制配置可操作為單獨地對於供電幅度(V) 大於其標稱優選值提供高側響應。更任選地，關於智能響應電氣負載，控制配置可操作為提供供電頻率(f)大於其標稱優選值的高側響應和供電頻率⑴低於其標稱優選值的低側響應的組合。更任選地，關於智能響應電氣負載，控制配置可操作為提供供電幅度(V)大於其標稱優選值的高側響應和供電幅度(V)低於其標稱優選值的低側響應的組合。更任選地，關於智能響應電氣負載，界限頻率值與以下的方面相對應(a)供電頻率(f)的標稱最大值；或(b)供電頻率(f)的標稱值；或(c)供電頻率(f)的標稱最小頻率值。
更任選地，關於智能響應電氣負載，可從控制配置遠程調節界限頻率值。例如，可通過網際網路、通過無線或類似的通信媒體實現這種遠程控制。更任選地，通過網絡的操作員確定這種遠程控制。更任選地，關於智能響應電氣負載，為了使得與網絡耦合的多個智能負載能夠向網絡提供集體平穩改變負載特性，界限頻率值是可隨機調節的。任選地，關於智能響應電氣負載，網絡的狀態經受用於限定用於控制可變時間延遲(tp)的閾值的預過濾。任選地，關於智能響應電氣 負載，閾值響應天的時間和/或年的季節而改變。更任選地，關於智能響應電氣負載，裝置包含以下方面中的至少一個(a)電池；和(b)家用器具。更任選地，裝置包含以下方面中的至少一個(a)電動車輛電池；(b)洗衣機；(c)洗碗機；和(d)電熱水壺。任選地，關於智能響應電氣負載，可變時間延遲(tp)具有與其相關的負載的自動自發開關(willingness to switch) (WTS)，該自動自發開關(WTS)易於相對於限定的頻率偏差被調節，在該頻率偏差上，負載可操作為嘗試保持網絡的狀態。這一方面參照圖5和圖 7。更任選地，關於智能響應電氣負載，自動自發開關(WTS)的特性被配置為在多個負載在操作中與網絡耦合時使網絡具有線性變化負載響應。這一方面參照圖7。根據本發明的第二方面，提供在所附的權利要求18中要求權利的方法提供一種在操作上可與供電網絡連接的智能響應電氣負載的操作方法，智能響應電氣負載包含耗電裝置和用於控制從網絡向裝置供給電力的控制配置，其中所述方法包括(a)接收要求向裝置提供功率的請求；(b)通過在接收要求向裝置提供功率的請求之後在向裝置供給電力之前施加可變時間延遲(tp)，通過使用控制配置控制向裝置的電力的傳輸，可變時間延遲(tp)為網絡的狀態的函數。根據本發明的第三方面，提供在所附的權利要求19中要求權利的智能負載系統， 提供一種用於向供電網絡供給響應負載的智能負載系統，智能負載系統包含根據本發明的第一方面的多個智能負載。根據本發明的第四方面，提供在所附的權利要求21中要求權利的微型發電裝置 提供一種可操作為產生用於向供電網絡供給的電力的微型發電裝置，其中，該裝置適於用於向根據本發明的第一方面的智能響應電氣負載供給能量，該微型發電裝置可與其它的微型發電裝置群一起操作以響應供電網絡的物理參數提供穩定化的供電網絡，穩定化依賴於熱輸出和/或微型發電裝置的電力輸出。可以理解，在不背離本發明的範圍的情況下，本發明的特徵易於在任何的組合中被組合。


現在將參照以下的附圖僅作為例子描述本發明的實施例，其中，圖1是與供電網絡耦合的根據本發明的智能響應電氣負載的示圖；圖2a 2d是在圖1的智能響應電氣負載的操作中提供的各種響應特性的示例性示
圖3是由圖1的網絡的狀態的變化觸發的智能響應負載的示例性示圖，其中，智能響應負載可操作為提供高側和低側響應兩者；圖4是由圖1的網絡的狀態的變化觸發的智能響應負載的示例性示圖，其中，智能響應負載可操作為提供低側響應；圖5是多個圖1的智能負載的自動自發開關(WTS)特性的示圖；圖6是由多個具有圖5所示的特性的智能負載提供的響應調節特性的示圖；圖7是多個圖1的智能負載的替代性自動自發開關(WTS)特性的示圖；圖8是圖1的智能響應電氣負載的實際表現的示圖；以及圖9是設有來自微型發電裝置群的電力的圖1的智能響應負載的示圖。在附圖中，使用下劃線以表示定位下劃線數字的項或與下劃線數字相鄰的項。不帶下劃線的數字涉及由連結不帶下劃線的數字與項的線所識別的項。當數字不帶下劃線並且伴隨相關的箭頭時，使用不帶下劃線的數字以識別箭頭指向的一般項。
具體實施例方式本發明涉及可操作為根據嘗試在減少可能的啟動延遲和作為供電頻率(f)和/或供電電壓幅度(V)的函數響應負載響應提供有用的供電網絡之間找到最佳平衡的算法來延遲它們的啟動的自動響應負載。負載被有益地配置，使得它們的功耗性能一旦被啟動就不被中斷或明顯修改。由此，不出現與中斷的不期望的結果有關的問題。此外，通過使用根據本發明實現的大量的智能響應電氣負載有益地提供供電網絡負載響應，這些響應電氣負載使用到目前為止會被視為不適於提供供電網絡的負載控制的能量消耗過程。本發明與也稱為「黑啟動輔助」的「冷啟動輔助」形成對照即不同。「冷啟動輔助」與在供電網絡被關閉之後恢復即從「中斷」恢復之後允許啟動負載之前的時間延遲有關。本發明涉及在正常的連續操作條件下穩定供電網絡。參照圖1，示出根據本發明的智能響應電氣負載的示圖；智能負載一般由10表示。 智能負載10包含通過控制配置40與供電網絡20耦合的電氣負載30。控制配置40包含與鎖存接觸器60串聯連接在電氣負載30和供電網絡20之間的幹線電力開關50。例如，幹線電力開關50被有益地實現為用戶可操作類型，例如，實現為接通(ON)/關斷(OFF)開關或插頭/插座連接器。任選地，例如，通過利用數字邏輯電路和半導體電力開關裝置的組合通過使用電子部件實現鎖存接觸器60。任選地，控制配置40可實現為沒有幹線電力開關50，即，控制配置40是包含於鎖存接觸器60和電氣負載30之間的僅有的元件。當以這種方式實現智能響應負載10時，控制配置40然後任選地實現為二端子裝置，或者實現為包含與供電網絡20的相對的另一電源線路連接的三端子裝置。當對於控制配置40使用二端子操作時，配置40具有以下的益處(a)當鎖存接觸器60實現為真實鎖存機械部件時，在致動之後不需要功率；或者，(b)從以下的情況，在鎖存接觸器60的接觸器關閉之後，消耗功率(i)例如，在使用三端雙向可控矽開關元件或其它的固態開關的情況下，在各半個幹線循環上激發三端雙向可控矽開關裝置之前的小相位角；或者

(ii)三端雙向可控矽開關裝置兩端的電壓降。對於智能響應負載10使用的鎖存致動器60需要在智能負載10的下一個操作之前進行復位。通過以下方面中的任一個實現該復位(a)通過使用例如提供致動器60的閉合力的單圈負載電流，例如，在電熱水壺上， 通過由電氣負載30消耗的負載電流，使鎖存致動器60保持為開；或者(b)與幹線電力開關或循環指示的其它機械端的機械連結。可例如任選地通過由一個或更多個感測裝置產生的信號，例如，從測量溫度的感測裝置和/或被充電的電池內的壓力變化，實現鎖存致動器60的復位。鎖存接觸器60的控制輸入100與比較器110的輸出耦合。比較器110包含非反相輸入120和反相輸入130。比較器110可操作為比較設置在非反相輸入120上的第一信號Sl與設置在反相輸入130上的第二信號S2。當第一信號Sl超過第二信號S2時，比較器 110可操作為激活鎖存接觸器60。一旦鎖存接觸器60被通電，它就保持鎖存以從供電網絡 20向電氣負載30提供功率。由頻率測量功能150產生的第一信號Sl表示供電網絡20的供電頻率f。並且， 第二信號S2由輸入X通過定時器功能170與如圖所示的那樣遠離供電網絡20的電力開關 50的電氣側Y連接的響應功能160產生。定時器功能170可操作為提供從將電力開關50 從關斷狀態切換到接通狀態的時間瞬時t = 0的時間延遲tp。換句話說，與沒有定時器功能170的配置相比，定時器功能170的操作要在向負載30供給功率之前施加時間延遲tp。有益地通過使用在用由頻率穩定時鐘振蕩器產生的時鐘信號的操作中設置的便宜的微處理器或微控制器實現幹線供電的頻率(f)的測量；例如，任選地使用簡單的8位微控制器。有益地，時鐘振蕩器包含用於精確地限定振蕩器的工作頻率的石英晶體共振器。這種微處理器或微控制器可有益地被編程為對從幹線電位中的零交叉或幹線電流中的零交叉確定的幹線供電中的一個或更多個周期內的時鐘脈衝的數量計數。由於石英共振器相對於溫度和時間是相對頻率穩定的，因此，歐洲供電網絡的標稱50. OHz幹線頻率與每20mSec 幹線供電循環的Nk時鐘周期對應。當瞬時幹線頻率4偏差標稱50. OHz頻率時，對於每個幹線供電的周期由微控制器或微處理器計數的大量的時鐘周期N而改變，使得可以很容易地從等式1 (Eq. 1)計算從標稱50. OHz的頻率偏差Δ f Δ/ = — JVt (5。廣)=k、N - Nk ) Eq. 1這裡，k是由設計確定的常數。通過使用能夠執行計數和乘法功能的便宜的計算硬體，這種確定幹線供電的瞬時頻率fm的方式在計算上易於實現。類似地，可基於對大量的時鐘周期計數計算可變時間延遲tp，由此避免在實現本發明時需要實現複雜的數值計算。因此，當例如通過使用簡單的4 位或8位控制器實現時，本發明可能具有最適度的成本。
在圖8中示出用於控制配置40的可能的示例性實現，其中，配置40是二端子實現，其中第一端子700與電力開關50連接，並且，第二端子710與負載30連接。電子部件 720 810包含線路邊緣檢測器電路；部件720 800包含電阻器和電容器。如圖所示，線路邊緣檢測電路與具有包含耦合在一起的電阻器740、750和電容器760的正反饋的比較器配置結合組合電容分壓器720、730。二極體800可操作為確保用於比較器810的正確的直流偏壓，該比較器的輸出與上拉電阻器770耦合。比較器810的輸出易於被用於產生向控制配置40提供的幹線電源的線路零交叉點，由此，如果需要的話，使得信號能被用於相位控制三端雙向可控矽開關元件觸發目的以及線路頻率測量。示例性部件的特 性包含(a)部件720、730分別為InF和33nF電容器；(b)部件740、750分別為470k Ω和390k Ω電阻器；(c)部件76O為InF電容器；(d)部件800為1N4148矽二極體；並且，(e)部件770為IOkQ電阻器。通過使用具有一般與專用LM393半導體裝置類似的操作特性的比較器裝置實現比較器810。在操作中，比較器810及其相關的電路易於僅消耗毫瓦級的功率。雖然(a) (e)表示實際已測試的具有令人滿意的結果的部件值，但是其它的部件值是也可行的。對於各線路循環，包含於圖8中的配置40中的微控制器850可操作為對如示出的那樣連接的比較器810的輸出的各正邊緣之間的由晶體共振器860的共振頻率定義的大量的時鐘周期計數。最佳地，存在於比較器810的輸出中的負邊緣之間的時鐘周期的數量也被測量，並且被平均或加到相關的正邊緣之間的計數上。該時鐘周期的數量然後作為值被饋送到通過在微控制器850上執行的軟體實現的線路頻率估計(LFEF)濾波器870中。濾波器870的典型濾波器參數會是在操作中表現為0. 25 1秒的組延遲和1 1. 5的阻尼因子的二極濾波器。由於對於每個線路循環提供輸出，因此，濾波器870的標準實現是具有最小存儲要求的IIR濾波器。該濾波器870由此在頻率確定中提供噪聲拒絕和測量延遲之間的折衷。部件700 850、860、870是將在後面更詳細解釋的頻率測量單元150的實現。在圖8中，來自濾波器870的輸出在操作中被饋送到判定單元880，用於實現項 170、160、110的功能，從而導致通過電晶體910饋送到接觸器的接觸器線圈920的的啟動輸出。在操作中，當接觸930閉合時，通過電氣負載30的電流通過與接觸器相關的小線圈 940使接觸器保持閉合；然後，一旦接觸器被閉合，電源950就不再需要向控制配置40提供功率。一旦通過負載30的電流被中斷，通過用戶或者在其任務已完成之後切斷的負載，接觸器將復位。圖8的控制配置40具有如下優點，諸如負載30的操作期間非常低的耗散，以及簡單的二端子部件與代表負載30的器具或充電器的剩餘部分無關。因此，重新參照圖1，在操作中，當電力開關50被用戶激活時，比較器比較第一信號Sl與信號S2。當第一信號Sl超過第二信號S2時，鎖存接觸器60被激活並且將電氣負載30連接到供電網絡20。現在更詳細地解釋信號Si、S2的本質。定時器功能170能夠實現為提供(a)圖2a示出的主要高側響應(b)圖2b示出的主要低側響應
(c)圖2c示出的綜合主要低側和主要高側響應；或者(d)圖2d示出的小低側響應和主要高側響應的組合。「高側」涉及智能負載10對於幹線供電的響應，該幹線供電的交變頻率超過對於智能負載10的幹線供電的標稱交變頻率；例如，標稱幹線交變頻率在歐洲為50Hz、在美國為 60Hz並且在專家移動小型供電網絡中為400Hz。並且，定時器功能170被兩個參數，即電力開關50是否處於其接通狀態以及從供電網絡20提供的電力的頻率f，驅動。根據在智能負載10中使用哪個控制區域，時間延遲 tp是圖2a 2d所示的頻率f的函數。任選地，控制時段取決於以下方面中的至少一個(a) 一天的時間，例如，與傍晚相對，夜晚時間。(b) 一年的周期，例如，一年的季節；(b)在控制其功能的智能負載20上接收的信號，例如，來自供電網絡20的操作員的無線或網際網路指示。

在圖2a 2d中，頻率f = 50. OHz是用於供電網絡20的標稱期望工作頻率。在圖2a中，當頻率f大於50. 5Hz時，時間延遲tp是0秒。時間延遲tp從頻率f 為50. 5Hz時的0秒逐漸增加到頻率f為50. OHz時的極限tpmaxl。對於低於50. OHz的頻率 f,時間延遲tp限於示出的tpmaxl。在圖2b中，當頻率f大於50. OHz時，時間延遲tp是0秒。對於從50. OHz減小到
49.5Hz的頻率f，時間延遲tp逐漸增加到tpmax2。當頻率f小於49. 5Hz時，時間延遲tp保
持在值 pmax2上。在圖2c中，當頻率f大於50. 5Hz時，時間延遲tp是0秒。當頻率f從50. 5Hz變為49. 5Hz時，時間延遲tp從0秒逐漸增加到tpmax3。當頻率f小於49. 5Hz時，時間延遲tp
保持在值 pmax3上。在圖2d中，當頻率f大於50. 5Hz時，時間延遲％是0秒。當頻率f從50. 5Hz變為
50.OHz時，時間延遲tp從0秒逐漸增加到值tpmax4a。此外，當頻率f從50. OHz變為49. 5Hz 時，時間延遲tp從tpmax4a逐漸增加到tpmax4b。當頻率f小於49. 5Hz時，時間延遲tp保持在
值 tpmax4b 上。能夠用要作為解釋性的例子的圖2a 2d所示的特性以外的其它類型的特性實現定時器功能170。例如，當通過與其共用的供電網絡相互耦合時，任選地利用沒有離散的拐點的平滑函數，以減少智能負載10在操作中與任何其它的這樣的智能負載同步化的趨勢。在操作中，當頻率f由於供電網絡20上的更大的負載而減小時，智能負載10趨於在接合鎖存接觸器60之前延遲得更長。圖2a 2d示出電力開關50被接合的瞬時作為頻率f的函數實現延遲tp的不同時段。任選地，當電力開關50從其關斷狀態變為其接通狀態時，智能負載10可操作為考慮瞬時t = 0秒之前的採樣周期的頻率f的先前平均值；這種先前平均值的考慮是預過濾的例子。另外任選地，頻率f對於接合電力開關50以將頻率 f的時間變化模型化之前的周期被採樣，時間延遲tp是頻率f的將來期望的外推值的函數。 該期望的外推有效地提供微分反饋特性，該微分反饋特性對於通過電力用戶經受時間波動發電容量和功率負載的供電網絡中的減弱振蕩是高度有益的。更任選地，延遲％是延遲周期tp期間的頻率f的變化的函數。例如，在圖3中，向電氣負載30供給功率的鎖存接觸器60的致動也是頻率f的增加速率的函數。換句話說，時間延遲％可響應當已出現時間延遲tp時的頻率改變而動態改變。並且，例如，在圖4中， 向電氣負載30供給功率的鎖存接觸器60的致動是低於閾值的頻率f的降低的時間速率的函數。任選地，當電力開關50分別對於高側和低側響應的實際啟動時間(ST)被設置為其接通狀態時，圖2a 2d所示的開關特性與圖3和/或圖4所示的開關特性組合，以從請求啟動(RS)提供混合控制的程度。響應功能160有益地操作為在由定時器功能170提供的基本定時延遲功能上提供該附加的控制。現在將描述第一情況，其中，智能負載10提供用於有助於穩定供電網絡20的高側響應；「高側響應」與對於大於網絡20的標稱工作頻率、例如高於歐洲供電網絡的50. OHz 的標稱交變頻率的來自供電網絡20的供電頻率f提供來自智能負載10的功率穩定化響應相對應。許多智能負載10有益地與供電網絡20耦合，以向網絡20提供平穩變化的共同負載，其響應向基本上以例如歐洲供電網絡的f = 50. OHz的標稱交變頻率的操作來穩定網絡 20。在不導致用戶不方便的情況下有益地提供網絡20的最佳穩定化響應，例如，這種不方便為用戶等待他們的充電式混合車輛在與供電網絡已耦合之後開始充電。當初始通電時緩慢增加的電氣負載30通常在10秒內保持全功率操作；約10秒的啟動延遲對於用戶來說一般是覺察不到的。例如小於30分鐘的更長的延遲使得能夠實現更大程度地穩定網絡20。 當網絡20非常嚴重地過載時，例如，當主要發電機群由於維護或事故而處於非操作中時， 必需例如幾小時或者甚至幾天的更長的延遲。例如，電氣負載30是用於以3kW的速率對電池充電的電池充電器，其中，電池是 IOkffh的滿能量容量。由於電池一般在再充電之前僅在使用中被部分放電，因此，電池的充電循環包含存儲約7kWh能量。假定當頻率f為50. 5Hz時在前30分鐘的電池充電中出現 3kff的消耗並且當頻率f為50Hz時在2小時延遲之後進行充電，那麼為了有助於穩定供電網絡20，能夠實現約86W的高側響應。現在將描述第二種情況，其中，智能負載10提供用於有助於穩定供電網絡20的低側響應；「低側響應」與來自供電網絡20的供電頻率f提供來自智能負載10的功率穩定化響應相對應，該頻率小於供電網絡20的標稱交變頻率、例如低於歐洲供電網絡的50. OHz0 換句話說，低側響應實現延遲啟動電氣負載30，當頻率f小於50. OHz時，該電氣負載30如果與供電網絡20直接連接那麼已另外開始。為了獲得在10秒或更短的時間內反應的低側響應，只有會在小於10秒內反應的那些智能負載10是相關的。類似地，為了獲取在30秒或更長的時間內反應的低側響應，只有在30秒或更長的時間內反應的那些智能負載10是相關的。實際上，出於有助於穩定網絡20的目的，通過易於受用戶期望短標稱延遲的許多啟動影響的高功率負載30最佳地提供快速反應低側。例如，負載30是家用熱水壺，該家用熱水壺當操作時消耗2. 7kff並且需要2分鐘來為用戶加熱壺中的水。在壺每天被使用10次的情況下，與壺相關的每日總功耗為 0.9kWh，或者，在24小時周期上的平均值為37. 5W。當啟動延遲tp在對於f = 50. OHz的 0秒到對於f = 49. 5Hz的30秒的範圍內改變時，能夠實現24小時周期的從(2. 7kffX30 秒)/2. 4小時=9. 5W的壺的低側調節響應。實際上，當壺被最常使用時，由作為智能負載 10操作的壺提供的這種調節每天被加偏壓多次。對於這種壺，高側響應也易於如圖2c所示的那樣被添加，其中，隨著頻率f從50. 5Hz減小到49. 5Hz，時間延遲tp逐漸增加。如果用於30秒的標稱延遲使得包含壺的智能負載10能夠提供更多的對於網絡20的負載調節，那麼可以提供高側和低側響應，其中， 當頻率f為50. OHz時，包含壺的智能負載10提供時間延遲tp的中間量，時間延遲tp隨著頻率f增加到與網絡20的小負載相對應的約50. 5Hz而減小，並且時間延遲tp隨著頻率f 減小到與網絡20的大負載對應的約49. 5Hz而增加。對於混合充電式車輛的整夜充電，當用戶正在睡覺時，幾分鐘或者甚至幾小時的延遲一般對於用戶來說是可接受的。在用於智能負載10的電氣負載30的電池充電器的情況下，特別期望圖2d所示的響應特性，即，提供強的高端響應和相對較弱的低端響應，使得在tpmax4b > tpmax4a的條件下， tpmax4b << (2Xtpmax4a)。當頻率f = 50. OHz時，時間延遲tpmax4a有益地為2小時。但是，由於與用於加熱水的壺的重複使用相比對電池充電相對很少發生，因此，由實現為電池充電器的智能負載10提供的網絡20的低側調節響應的量相對較小，估計是對於30秒時間延遲的0. 7W或對於10秒反應延遲的0. 24W。很顯然，為了提供用於網絡20的更重要的響應負載控制，高度期望至少幾 分鐘或甚至幾小時的更長的時間延遲。以上，智能負載10從用戶的觀點看表現作為由供電網絡20提供的電力的頻率f 的函數的「自動自發開關」(WTS)的特性。「自動自發開關」(WTS)有益地以與為網絡20的 50. OHz的標稱工作頻率的兩側提供調節的圖2d類似的方式實現為二部分功能。當許多智能負載10被設置為與網絡20耦合併且還為網絡20提供調節時，智能負載10有益地具有相互不同的「自動自發開關」(WTS)特性，即，實現它們的低側和高側響應的有效標稱不同優選的目標頻率。這種相互不同的WTS為網絡20提供更平穩的調節響應，這有助於關於網絡20減少調節控制振蕩和可能的操作不穩定性。耗電裝置群將趨於相互同步化，除非隨機性的表現被拒絕以減少出現這種同步化的趨勢，該耗電裝置群通過共用供電網絡至少部分地相互耦合在一起並且根據與某一閾值相關的突然過渡而遭受開關事件。在本發明的情況下，使用從一個智能負載10到另一個改變的延遲tp以提供這種隨機化；從智能負載10的 「自動自發開關」(WTS)得到這種變化。參照圖5，示出由SLl SLlO表示的十個智能負載10的響應的集合。橫軸表示 「自動自發開關」(WTS)，縱軸表示從例如為歐洲供電網絡的標稱頻率f = 50. OHz的標稱開關頻率的偏差。在圖5中，各智能負載IO(SL)的目標頻率由圓200表示。因此，提供具有相互不同的目標頻率的多個智能負載10，關於這些目標頻率，配置它們的高側和低側響應。 任選地，智能負載10分別可操作為隨機採用關於使用「自動自發開關」的圖5所示的特性。 這種採用有益地為網絡20的性能的函數；例如，網絡20在低於50. OHz的頻率f上操作的趨勢導致智能負載10自動採用它們提供更大的低端響應的時段。當使用智能負載10的這種操作時，獲得圖6所示的用於加載網絡20的操作特性，其中，橫軸NFD與歸一化頻率偏差對應，縱軸PD與變為接通狀態的智能負載10的部分對應。曲線300與例如圖2b所示的在智能負載10中使用線性調節響應時的智能負載10的響應特性相對應，並且曲線310與如圖5所示的智能負載10的相互不同的響應的集合相對應。從圖6可以理解，所有與適於曲線300類似的智能負載10相比，對於曲線310智能負載10初始更迅速地接通。當智能負載IO(SL)被配置為提供圖7所示的特性時，S卩，各智能負載10被分配 「目標WTS」而不是目標頻率時，可從實現為提供用於使網絡20穩定的相互不同的負載調節特性的多個智能負載IO(SL)獲得改進的特性。智能負載IO(L)組內的「目標WTS」的分布如圖7所示的那樣有益地均勻地分布。此外，智能負載10易於使它們的「目標WTS」隨機地和/或響應例如通過網際網路和/或來自供電網絡20的操作員的無線通信傳送到智能負載 10的指令被修改。在圖7中，各線表示具有由各線的圓350表示的特定的目標WTS的智能負載10。 當網絡20的頻率f偏向與和其自身的WTS狀態相關的開關頻率相當的大小時，智能負載10 將分別開關。 各智能負載(SL)的目標WTS是中間頻率偏差上即智能負載10的轉向點上的 WTS 值。發明人通過模擬和計算已理解，如果智能負載10群的目標WTS在可能的WTS的範圍上均勻分布並且智能負載10的實際WTS隨著時間而線性變化並且是獨立的，那麼該群將線性地響應頻率f從其例如為50. OHz的標稱期望值的頻率偏差；該線性響應將被理解為表示智能負載10作為頻率的函數接通和關斷的次數。對於智能負載10中的一小部分，該開關將經受量化粗度，但是對於智能負載10中的很大一部分該粗度遵守為平均化為平穩響應。 該對於大部分的平穩響應對於避免在群中出現同步化效果是高度有利的，並因此能夠在操作中提供更加穩定的網絡20。為了從根據圖7實現的智能負載10群獲得有用的線性響應，目標WTS不需要被均勻地分布。WTS目標值的數值平均基本上均等於例如0 1的範圍中的0. 5的中間WTS值就夠了。任選地，可以有益地使用WTS目標值的半正弦分布、三角形分布或者甚至非對稱分布，以為智能負載提供穩定的網絡20。圖7沒有表示用於基於在使負載與網絡20耦合之前使用時間延遲％提供對於在網絡20內出現的頻率偏差的線性響應的唯一方案。但是，基本期望的要求是，作為頻率f的函數，在集合中考慮的所有裝置的所有WTS頻率曲線的平均梯度必須是基本上恆定的。圖1所示的控制配置40任選地被實現為現有電氣負載30的改進。作為替代方案，控制配置40易於整體加入用於與網絡20耦合的新的裝置中。任選地，至少部分地通過使用可操作為執行用於實現本發明的一個或更多個軟體產品的計算硬體實現控制配置40 ； 在機器可讀數據存儲介質上記錄一個或更多個軟體產品。作為又一替代方案，控制配置40 易於在硬接線電子電路中、例如在專用集成電路(ASIC)、定製集成電路等中被實現。本發明高度期望用於通過供電網絡再充電的未來的充電式電動車中，這裡，期望避免這種供電網絡的周期性過載。任選地，這種充電式電動車輛使它們的電池分成電池的多個子組，其中，這些組在時間上以組的次序被充電，並且，各組電池可在根據本發明的用於提供更多柔性和更少粒度穩定的網絡20的充電中經受延遲tp。作為循序的放電/再充電循環的函數與執行用於嘗試避免電池充電特性的相互偏差的電池平衡組合，有益地實現該電池的子組的充電。在不背離由所附的權利要求限定的本發明的範圍的條件下，以上描述的本發明的實施例的修改是可能的。雖然以上已經關於供電網絡20的頻率f描述了本發明的實施例，但應理解，在供給電壓幅度V是用於通過控制配置40改變和控制時間延遲tp的參數的情況下，本發明是類似地適用的。作為又一替代方案，控制配置40可操作為通過作為頻率f和供給電壓幅度V 的函數的複合參數改變和控制時間延遲tp。例如，低頻率f和低供給電壓幅度V的同時出現可導致智能負載10在對於例如電池充電或其它不可中斷過程的給定過程開始消耗功率之前延遲特別長的時間。當存在明顯的可能出現「中斷」的風險時，這種特性使得智能負載 10能夠應對極端負載條件。本發明涉及可用於穩定供電網絡的智能響應電氣負載。有益地，本發明易於與可操作為向圖9所示的供電網絡20供給電能的微型發電裝置500群結合使用。有益地，由裝置500群提供的淨電力涉及例如為以下的參數中的至少一個的供電網絡20的物理參數(a)供電網絡20的頻率；(b)供電網絡20的電壓幅度；

(c)供電網絡20的(a)和/或(b)中的參數的早期(歷史)值；以及(d)基於(a)和/或(b)中的參數的早期(歷史)值的(a)和/或(b)中的參數的將來預測(期望)值。有益地在微型發電裝置500上局部感測和記錄早期(歷史)值。另外，或者，作為替代方案，早期值在微型發電裝置500上被局部感測並被傳送到中心設施510，其中，中心設施510可操作為協調穩定供電網絡20。另外，或者，作為替代方案，從中心設施510，例如， 通過自身可操作為監視供電網絡20的值的無線網絡或網際網路控制微型發電裝置500。雖然可以使用其它類型的大型和微型發電裝置，但是，微型發電裝置500有益地包含以下方面中的至少一個(i)大型和微型水力發電配置，例如，安裝到山區河流上的水力渦輪機；(ii)小型風力渦輪機配置，例如，垂直安裝的Darrieus型風力渦輪機配置或安裝在私人住所和/或商業建築物中、例如安裝在居民房屋屋頂上的常規取向的水平軸葉輪型風力渦輪機配置；(iii)例如安裝到居民房屋屋頂上的矽和/或薄膜太陽能電池；(iv)例如安裝到居民房屋屋頂上的太陽鏡發電配置；(ν)海洋波能量發電方案，例如，沿海岸並在水的主要島嶼區域中實現的發電配置，例如振蕩水柱和水下潮汐渦輪機，例如相關的海邊假日住所；(vi)基於燃燒，例如基於例如農田上、鋸木廠中、垃圾處理場等中的氣體、生物燃料和/或可燃廢物產品的燃燒的發電方案。例如，微型發電用於通過消耗諸如氣體(甲烷、 丙烷)的主要化石燃料產生熱水；該微型發電有益地產生一些電力作為副產品，這些電力可選擇性被供給到供電網絡20。有益地，與本發明相關地提供微型發電裝置500群，其中，該群的淨髮電與供電網絡20的物理參數有關，使得裝置500可操作為提供有助於穩定供電網絡20的操作的響應服務，該裝置500可操作為獨立地計算它們的用於向供電網絡20提供穩定響應的熱輸出和 /或電力輸出。使用這種微型發電裝置500的益處在於，可從各種來源提供向供電網絡20的電力供給，由此提高對於供電網絡20的供電的可靠性，同時還協同地對於供電網絡20提供穩定響應服務。此外，由於例如作為某些特定的天的強風條件和/或一年中的某些其它時間的可燃生物燃料的突然的可用性和/或主要降雨事件、例如來自收穫操作的秸稈的結果，來自單個給定的微型發電裝置500的電氣輸出是非常可變的，因此，高度期望穩定供電網絡 20的響應控制。因此，本發明不僅易於通過使用智能耗電裝置10提供需求響應、例如具有時間延遲響應的智能電池充電器以提供相應的網絡穩定響應，而且還易於提供用於向與該智能耗電裝置10耦合的供電網絡20供電的微型發電裝置500。本發明例如與在Scandinavia中提供來自微型發電裝置500的功率的電動可充電車輛有關。使用諸如「包括」、「包含」、「加入」 「由…構成」、「具有」、「為」的表達方式以描
述以非排它性方式解釋本發明並要求其權利，即，也允許給出沒有明確描述的項、部件或 元件。提到的單個也應被解釋為涉及多個。包含於所附的權利要求中的括號中的數字目的是有助於理解權利要求，並且決不應被解釋為限制由這些權利要求要求權利的主題。
權利要求
1.一種在操作上可與供電網絡(20)連接的智能響應電氣負載(10)，所述智能響應電氣負載(10)包含耗電裝置(30)和用於控制從網絡(20)向裝置(30)供給電力的控制配置 (40)，其特徵在於，所述控制配置(60、110、150、160、170)可操作為在要求向裝置(30)提供功率的請求之後在向裝置(30)供給電力之前施加可變時間延遲(tp)，所述可變時間延遲(tp)是所述網絡(20)的狀態的函數。
2 如權利要求1所述的智能響應電氣負載(10)，其中，所述網絡(20)的所述狀態是所述網絡(20)的供電頻率(f)。
3.如權利要求1所述的智能響應電氣負載(10)，其中，所述網絡(20)的所述狀態是所述網絡(20)的供電幅度(V)0
4.如權利要求2所述的智能響應電氣負載(10)，其中，所述控制配置(60、110、150、 160,170)被配置為在操作中接收用於參照的數字時鐘信號，所述控制配置(60、110、150、 160,170)可操作為計算所述供電頻率(f)作為時鐘信號計數的數量，並且，所述控制配置 (60、110、150、160、170)可操作為作為所述時鐘信號計數的倍數的函數計算所述可變時間延遲(tp)。
5.如權利要求1所述的智能響應電氣負載(10)，其中，所述控制配置(60、110、150、 160)可操作為在已經過所述可變時間延遲(tp)之後以不中斷的方式向所述裝置(30)供給電力。
6.如權利要求4所述的智能響應電氣負載(10)，其中，所述延遲不易於由於用戶幹擾而被超馳。
7.如權利要求2所述的智能響應電氣負載(10)，其中，所述控制配置(60、110、150、 160,170)可操作為響應所述供電頻率(f)超過界限頻率值向所述裝置(30)施加電力，所述電力然後以不中斷的方式被施加到裝置(30)。
8.如權利要求3所述的智能響應電氣負載(10)，其中，所述控制配置(60、110、150、 160,170)可操作為響應所述供電幅度(V)超過界限幅度值向所述裝置(30)施加電力，所述電力然後以不中斷的方式被施加給裝置(30)。
9.如權利要求7所述的智能響應電氣負載(10)，其中，所述控制配置(60、110、150、 160,170)可操作為單獨地對於供電頻率(f)低於其標稱優選值提供低側響應。
10.如權利要求8所述的智能響應電氣負載(10)，其中，所述控制配置(60、110、150、 160,170)可操作為單獨地對於供電幅度(V)低於其標稱優選值提供低側響應。
11.如權利要求7所述的智能響應電氣負載(10)，其中，所述控制配置(60、110、150、 160,170)可操作為單獨地對於供電頻率(f)大於其標稱優選值提供高側響應。
12.如權利要求8所述的智能響應電氣負載(10)，其中，所述控制配置(60、110、150、 160,170)可操作為單獨地對於供電幅度(V)大於其標稱優選值提供高側響應。
13.如權利要求1所述的智能響應電氣負載(10)，其中，所述控制配置(60、11、150、 160,170)可操作為提供供電頻率(f)大於其標稱優選值的高側響應和供電頻率(f)低於標稱優選值的低側響應的組合。
14.如權利要求1所述的智能響應電氣負載(10)，其中，所述控制配置(60、11、150、.160,170)可操作為提供供電幅度(V)大於其標稱優選值的高側響應和供電幅度(V)低於其標稱優選值的低側響應的組合。
15.如權利要求7所述的智能響應電氣負載(10)，其中，所述界限頻率值與以下的方面對應(a)供電頻率(f)的標稱最大值；或(b)供電頻率(f)的標稱值；或(c)供電頻率(f)的標稱最小頻率值。
16.如權利要求7所述的智能響應電氣負載(10)，其中，可從所述控制配置(40)遠程調節所述界限頻率值。
17.如權利要求7所述的智能響應電氣負載(10)，其中，所述界限頻率值是可隨機調節的，用於使得與網絡(20)耦合的多個所述智能負載(10)能夠向所述網絡(20)提供共同平穩變化的負載特性。
18.如權利要求1所述的智能響應電氣負載(10)，其中，所述網絡(20)的所述狀態經受用於限定控制所述可變時間延遲(tp)的閾值的預過濾。
19.如權利要求7所述的智能響應電氣負載(10)，其中，所述閾值響應天的時間和/或年的季節而改變。
20.如權利要求1所述的智能響應電氣負載(10)，其中，所述裝置(30)包含以下方面中的至少一個(a)電池；和(b)家用器具。
21.如權利要求20所述的智能響應電氣負載(10)，其中，所述裝置(30)包含以下方面中的至少一個(a)電動車輛電池；(b)洗衣機；和(c)洗碗機。
22.如權利要求1所述的智能響應電氣負載(10)，其中，所述可變時間延遲(tp)具有與其相關的所述負載(10)的自動自發開關(WTS)，該自動自發開關(WTS)易於相對於限定的頻率偏差被調節，在該頻率偏差上，所述負載(10)可操作為嘗試保持所述網絡(20)的所述狀態。
23.如權利要求22所述的智能響應電氣負載(10)，其中，所述自動自發開關(WTS)的特性被配置為在多個所述負載(10)在操作中與網絡(20)耦合時為網絡(10)提供線性變化負載響應。
24.一種在操作上可與供電網絡(20)連接的智能響應電氣負載(10)的操作方法，所述智能響應電氣負載(10)包含耗電裝置(30)和用於控制從網絡(20)向裝置(30)供給電力的控制配置(40)，其特徵在於，所述方法包括(a)接收要求向所述裝置(30)提供功率的請求；(b)通過在接收要求向裝置(30)提供功率的請求之後在向裝置(30)供給電力之前施加可變時間延遲(tp)，通過使用所述控制配置(60、110、150、160、170)控制向裝置(30)的電力傳輸，所述可變時間延遲(tp)為所述網絡(20)的狀態的函數。
25.一種用於向供電網絡(20)提供響應負載的智能負載系統，所述智能負載系統包含根據權利要求1到23中的任一項的多個智能負載(10)。
26.一種操作為產生用於向供電網絡(20)供給電力的微型發電裝置(500)，其中，所述裝置(500)適於用於向如權利要求1到23中的任一項所述的智能響應電氣負載(10)提供能量，所述微型發電裝置(500)通過其它微型發電裝置群可操作，以響應供電網絡(200)的物理參數提供穩定化的供電網絡(20)，所述穩定化取決於微型發電裝置(500)的熱輸出和 /或電力輸出。
全文摘要
智能響應電氣負載(10)在操作上可與供電網絡(20)連接。智能響應電氣負載(10)包含耗電裝置(30)和用於控制從網絡(20)向裝置(30)供給電力的控制配置(40)。控制配置(60、110、150、160、170)可操作為在要求向裝置(30)提供功率的請求之後在向裝置(30)供給電力之前施加可變時間延遲(tp)。可變時間延遲(tp)是網絡(20)的狀態、例如其頻率(f)和/或其電壓幅度(V)的函數。任選地，裝置(30)是例如供可充電電動車輛使用的電池充電器。有益地，從可操作為提供供電網絡響應的微型發電裝置(500)群向智能響應負載(10)提供電力。
文檔編號H02J3/00GK102210079SQ200980144203
公開日2011年10月5日 申請日期2009年9月18日 優先權日2008年9月22日
發明者A·戴梅斯, A·霍維, K·羅斯索普羅斯 申請人:Rl技術有限公司