電網響應控制設備的製作方法

2023-09-19 21:13:30 4

專利名稱：電網響應控制設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及控制電網中用電和發電之間的平衡的裝置和方法。 背景抆術可靠的電力來源對於現代生活幾乎所有的方面都是必不可少的。當前，提供可靠的電力是一項非常複雜的技術挑戰。它涉及到對由發電機(包括 所有類型核能、燃煤、燃油、天然氣、水力、地熱、光伏等)和負載(例如，用電 的設備和裝置等)組成的電力系統的實時評估和控制。電力是通過由開關站和傳輸線組成的配電網來供應的。發電機產生的電力，通常 會通過變壓器被逐級升壓至高電壓(230-765kV)，以減少(由發熱造成的)電力傳 輸損耗。發電機，配電網，和負載組成了電力電網。目前，電網的可靠運行是非常複雜的，這是由於，電力被產生後立即被用掉，這 就意味著電能的產生和需求必須保持持續地平衡。在現有的電力管理系統裡，電力供 應與需求的平衡，是通過計劃，控制和協調發電側來實現的。當電力供大於求時將導致交流電力系統的頻率增加，而當電力供不應求時將導致 該頻率下降。在英國，供電局必須保證50Hz的標稱頻率，該頻率允許的變化範圍是土O. 5%。 在美國，該標稱頻率為60Hz。在一些閉環系統裡面，例如，飛機，該標稱頻率是"OHz。 標稱頻率是交流電的頻率，電網的設計就是為了保證這個頻率是受控的和穩定的。由於負載的接入和斷開，以及發電機改變其輸出以滿足用電需求的變化，產生隨 機的、較小的頻率變化是正常的。然而，頻率上較大的偏移，將導致發電機的轉動速 度超過可以容忍的極限，造成發電機渦輪和其他設備的損壞。頻率上較大的變化也會造成負載的損壞。對現代的半導體儀器的精度來說，頻率變化僅±0.5%,已經是較大的信號了。 現有的在供電側來匹配發電量與需求的架構有許多問題。目前，當不能處理極低 頻時，即，當電力需求超過發電量時，自動低頻減載操作就會被觸發，使用戶離線以 防止整個電力系統的崩潰。這樣對穩定電力系統是有幫助的，但對用戶來說，特別地 不方便，甚至是危險的。在停電事故後，電網處於特別敏感的階段，恢復過程是很慢的。大型發電機往往 需要其他發電機提供部分電力來進行啟動或再啟動。如果沒有額外的電力，這種發電 機將沒有辦法啟動。因此電網系統具有叫做"黑啟動"服務的服務，通過黑啟動一些發電機具有自啟動和持續發電的能力，即使電網的其他部份全部停用(即，為黑)。 電網運營商已經準備了恢復發電和負荷的次序。這些保證了有限的初始電力供應被首 先用來提供通信和控制，然後用來啟動大型發電機，然後負荷被逐步地連入電網內以 匹配逐步增加的發電量。黑啟動的整個過程是令人憂心的。停電是非常罕見的事件，沒有人能練習除非正 處在這樣的實際危機中。參與這樣的過程的每個人都有巨大的壓力，電力系統的操作 完全處在其正常操作範圍外(有時在設計範圍外)。負荷或發電量被連入電網的每一 步，都是對電力系統的衝擊，之後，電網需要花幾秒或者幾分鐘來穩定。處于謹慎的 考慮，負荷或發電量應該以很小的變化加入。這必然使整個恢復過程變得很緩慢，對 那些仍須重新連入電網的用戶來說，延長了停電時間。為了儘可能地避免切負荷，在任何時間都運行電力系統以能處理關鍵發電機和關 鍵傳輸設備的損耗(即，最重要的單次偶然事故)。這樣，電網通常在不滿負荷的情 況下，也能正常運行，以使較大的隨機故障不會危及整個系統的安全。然而這也意味 著發電機的工作效率不高，導致電力供應的成本增加。夏天的空調及其他製冷負載和冬天的供熱負載，通常是造成系統高峰負荷的常見 原因。然而，電網運營商通過精確的計劃和對電網運行的研究，包括長期的評估，年 前，季前，周前，日前，小時前和實時的運行中的意外事故分析，來預見問題。而總有意外事故發生，這就是為什麼電力系統運行需要有用於補償最大意外事故 的空間。可以使用具有高運行成本的額外的調峰發電機，在需要的時候提供額外的電 力供應，或讓主發電機不滿負荷運轉以留出一些潛在的發電餘量應付過負荷的情況。 這兩種方案都會導致單位發電成本較系統接近滿負荷運轉時高。一種針對現有方案的、匹配負荷和發電量的可替代的架構已經被提出。主要的思 想就是通過在需求側對負荷進行管理來彌補負荷與發電量之間的差值。關於使用負荷或電力需求，來(至少)對電網的穩定性產生作用的文獻有限。US 4, 317,049 (Schweppe等人)，提出了這樣一種與現有的電力管理方法不同 的基本理念，就是電力的供應和需求彼此響應，並試圖維持平衡的狀態。這篇文獻定義了兩類用電設備，第一類用電設備稱為電能消耗型用電設備，它們 的特點是，在一段時間內需要一定量的電能以完成它們的功能，同時這類用電設備並 不關心某一具體時間上電能的供給。例如空調設備，熱水器，電冰箱，空氣壓縮機，泵等。第二類用電設備稱之為功率消耗型用電設備，它們的特點是，在特定的時間需 要功率。如果沒有在特定的時間並以特定的速率提供功率，這類用電設備將(完全) 失效。這類設備例如，照明設備，計算機，電視機等。Schweppe等人的專利提出的，頻率自適應功率-電能再調度器(FAPER),通過 在電能消耗型用電設備上應用FAPER來實現功率管理。Schweppe等人的專利具體討 論了在用於將水泵送至儲水箱內的水泵上的FAPER的應用。在水箱中，水的液面高度有最小允許高度乙n和最大允許高度Y_。
一般地，當 水箱內液面回落至或低於最小高度時，水泵將會啟動，將水泵送至儲水箱內，而當水 箱內液面達到最大高度時，水泵將會被關閉。其他時間，水泵將是閒置的。FAPER根據電力系統的頻率對這些極限(乙 和Y ax)進行了修改。這樣，在系統 頻率較高的時期內(電力需求較小的情況下)，也就是說，在電網的頻率超過標稱值 時，導致水泵被啟動的最小液面高度(U被增加，而最大液面高度(Y ax)也被增 加。這樣，水泵將會在比沒有在FAPER控制下運轉時高的液面高度上接入和斷開。這 就意味著消耗了過多的電量。使用同樣的原理，在電網的頻率低於電網的標稱頻率時 (發電量不足的情況下)，最小液面高度和最大液面高度被降低。這種降低使接入的 水泵被較快地被斷開，斷開的水泵較晚地被接入，所以消耗較少的電能，從而降低了 電網的負荷。根據Schweppe等人的專利，液面高度極限的升高(特別是最大允許高度)和液 面高度極限的降低(特別是最小允許高度)應有一定的範圍限制，這由用戶需求或安 全要求來確定。所以，這種液面高度極限是可以擴展的，但被限制在一定範圍內，否 則，水箱將會發生難以接受的溢出或者完全空掉。Schwe卯e等人的專利揭示的主要概念為，具有某種電能存儲功能並以工作周期 運行的耗能設備，對提供電網響應行為很有幫助。當設備運行時，補充或充滿電能存 儲，因而存儲的勢能增加。當設備不運行時，由於負載存儲電能的能力，該負載的功 能仍然能發揮作用。FAPER在不影響設備所提供的服務的前提下，根據電網頻率的引導修改負載的耗 能時間。這樣，當電網頻率較高時，設備的勢能增加，以最大化所存儲的供給到設備 中的電能的量。這樣能補償任何過多的電能。在發電量不足的時期(高頻情況下)， 設備勢能降低，從而釋放電能給電網，以彌補發電量的不足。由FAPER改進， 一種不同的、改進的"響應負載系統"，由本發明人在專利 GB2361 118中公開。響應負載系統是基於與FAPER設備相同的基本原理，通過使用需 求側的電網響應，並基於這種響應方法和提供對負載的接入/斷開時刻應用統計學的 方法的進一步改進，至少有助於電網的穩定性。FAPER設備的一個問題是，沒有任何隨機性，電網頻率的最小變化都會導致所有 具有FAPER的負載同時以相同的方式響應。這可能會對電網造成不穩定的影響。逐漸 的響應是需要的，且響應負載系統通過用隨機化功能來分配每一個設備發生響應的頻 率來實現這一點。如上面提到的，GB 2361118所述的響應負載系統，定義了一種用於選擇設備所 敏感的頻率的可能的方法。採用這種方法，當系統頻率偏離電網的標稱頻率時，逐漸 增多的響應負載設備數量，改變了電網的負荷。更詳細地，響應負載系統使用隨機數發生器來選擇設備對之敏感的高頻率和低頻率。這比FAPER設備有利在於，隨著頻率分別地增加或減小，越來越多的負荷被逐步 地接入或切除。設備對之敏感的髙、低兩個頻率的隨機輸入有時被修改。這個步驟有助於將響應 設備的任何不利之處，在響應設備總體中分散，並確保沒有設備被固定在不合適的頻 率觸發上。例如，如果某一特定的設備一直對頻率上最小的改變敏感，同時另一個設 備具有隻在電網極端緊張的情況下才提供頻率響應的較寬的觸發頻率，這是都不適當 的。這種響應負載系統有一個問題，控制器不是可以防止擺弄的。用戶，例如，空調 用戶，也許會選擇改變他們的空調控制，因為由於頻率響應負載改變的結果，房間裡 的一點點供熱或製冷，超過了預期。這樣，如果空調設定的溫度範圍比較低，由於電 網頻率的增加，空調會更劇烈且更頻繁地運轉，用戶注意到這些，會在電網頻率恢復 到可接受的水平前，將空調關掉，導致負載頻率響應失敗。部分是因為上述這個問題，產生0322278. 3號UK專利申請中的電網穩定系統。 這種電網穩定系統可以通過將頻率觸發固定在電網預緊張設置而防止終端用戶使頻 率響應功能無效。通過這種方法，在電網高度緊張時期，對設定點控制器，例如溫度 控制器的操作，將沒有效果。這種電網穩定系統還定義了系統的三種狀態，正常狀態，緊張狀態，和危機狀態。 電網的緊張水平決定了電網處於上述三種狀態的哪一種。通過比較當前的電網頻率和頻率的極限值，並判斷當前電網頻率是否落在表示系 統是處於正常狀態，緊張狀態或危機狀態的極限值內來確定電網的緊張水平。通過規定電網頻率變化的速率的極限，頻率的快速變化，不論頻率的絕對值是多 少，也可以作為電網緊張水平的指示。電網緊張水平，也可以由電網頻率對電網標稱頻率的偏移隨著時間的積分來指 示。這樣，即使頻率偏離的程度非常小，只要它偏離了足夠長的時間，都可以認定系 統處於緊張狀態或是危機狀態。所以，電網狀態是由電網穩定系統來決定，通過考慮了瞬時的較大的偏離於標稱 值的頻率，快速的頻率變化，和累積起來較大的，但不是必須在任何給定時間下優選 的頻率變化範圍之外的偏離，都指示電網的緊張狀態。每一種可能的電網緊張狀態的 指示都有一組相關的極限，該極限單獨或組合判斷電網是否處於正常狀態、緊張狀態 或是危機狀態。 '電網的狀態，即電網是否處於正常狀態、緊張狀態或是危機狀態確定後，電網穩 定系統的控制器將基於確定的電網狀態調整其電網響應行為。如果確定是處於正常狀 態，設備將以與現有響應負載設備相同的方式提供對頻率變化的響應。因此，當電網 頻率高於由溫度確定的觸發頻率時，斷開的設備將接入以"消耗"電網中過多的發電 量。在電網頻率低於低頻率觸發值的時候，"接入"的設備將被斷開，以減少電網的負荷。如果像FAPER發明一樣運轉，負載的物理變量(液面高度、溫度)在工作時仍然 被控制在最小值和最大值之間，但極限值被擴展了，所以，設備接入和已接入的設備， 將比運轉在正常頻率狀態內的可控設備停留在接入狀態更長時間。同樣的，在電網頻 率過高的時期，斷開的設備將停留在斷開狀態更長的時間，因為負載物理變量的下限 也已經被擴展了。使用水箱的例子，當電網頻率增加超過頻率上限時，斷開的設備將接入，而接入 的設備將保持接入，直到負載物理變量達到其擴展後的極限，或直到電網頻率返回頻 率上限以下。舉個例子，如果水箱液面高度的正常範圍在1米到1. 5米之間，只要電網頻率超過頻率上限，斷開的設備將接入，而接入的設備將保持接入狀態，直到達到擴展的液面高度，例如1.7米。這樣，水箱的可能的最大液面高度被提高到它正常面高度之上。而且，所有以此方式控制的水泵的總體的勢能將增加它們的平均液面高 度。這對產生高電網頻率的過多發電量提供了補償，並將這部分過多的電網電能存儲 起來，在一定程度上補償了電網的較高頻率。當電網頻率落至頻率下限以下，這部分 電能將通過接入的設備被斷開和被斷開的設備保持斷開直到達到擴展的物理變量的下限，例如O. 8米，來被償還給電網。這使設備總體降低它們的勢能，並將電能差提 供給電網。這將補償造成低電網頻率的發電量不足。如果像GB2361118專利中所述的響應負載系統一樣工作，控制極限保持不變，但 是如果系統的頻率超過了設備敏感的頻率，設備將被接入或斷開。這樣，在設備達到 控制極限之前，設備可以被切換，這額外的切換操作改變了負荷，也就起到了平衡系 統所必需的負荷改變的作用。再次使用水箱的例子，低電網頻率可以使接入的設備在，例如1.4米被斷開，比 達到1.5米的極限早地斷開設備。相反，高電網頻率可以使斷開的設備在，例如l.l 米接入，比達到1米的下限早地接入設備。合在一起，當系統頻率降低的時候，導致設備總體的平均液面高度變低，當系統 頻率變高的時候，平均液面高度變高，儘管每個單獨的設備仍然運行在其控制極限內。將特定設備的頻率極限選擇落在上頻率範圍內和下頻率範圍內。由於使用了前面 討論的響應負載，使用隨機數發生器選擇特定的高觸發頻率和特定的低觸發頻率，使 得設備總體具有分別分布在上頻率範圍和下頻率範圍內的高觸發頻率和低觸發頻率。 從而在高觸發頻率分布和低觸發頻率分布之間，形成窗口。這個窗口以標稱頻率為中 心。當電網頻率與標稱頻率足夠接近以落在這個窗口內時，該窗口允許受控的負載， 如水箱，空調，電冰箱等，完全正常運轉，也就是說，如同沒有採用施加在該負載上 的頻率響應控制器似的。響應只有當電網頻率超出這個窗口時才會被提供。在電網確定為處於緊張狀態的情況下，設備的控制極限被固定在預緊張設置，所 以，控制面板調整檢測到的物理變量(例如溫度)的設定點的操作將失效。這樣，受控負載的用戶將無法例如通過使用溫度控制器來調整這些受控負載的設置。如果響應 設備正在控制空調，電網響應導致房間溫度的變化將會被注意到。用戶也許決定試圖 通過調節溫度控制器來克服這種溫度變化。但在電網確定為處於緊張狀態的時候，電 網穩定系統的響應負載設備將會使這種設定點的調整無效。這是非常重要的，因為當 電網處於緊張狀態下的時候電網是非常敏感的，且用戶取消所提供的負載響應，將會 使電網的不穩定加重。在極端的情況下，當停電的風險存在時，電網進入危機狀態。在電網危機狀態下， 電網穩定系統釋放對負載物理變量極限的控制，並允許它們移到優選範圍之外。在高 頻率電網狀態下，設備被接入，直到危機狀態解除，在低頻率電網危機狀態下，響應 負載(例如電冰箱)被斷開直到危機狀態解除。這種接入和斷開將不會考慮到控制極 限，所以，例如電冰箱，可能會持續製冷到溫度低於優選的最低溫度，或該冰箱允許 溫度升高到高於優選的最高溫度的周圍環境的溫度。這些極端的措施只有在電網處於 非常嚴重的情況下才會採用，否則就會發生電網停電事故。現有的頻率和響應控制設備的模型揭示了上述現有的電網響應負載的以前未知 的問題。研究發現，在響應已經生效的一段時間後，設備總體將試圖達到物理變量的控制 極限，並以過高的速率開始接入或斷開。例如，由頻率響應負載設備控制的電冰箱單 元將會在持續一段時間高頻或低頻後，達到它擴展的溫度極限。以頻率高於電網標稱 頻率的情況為例，設備將被接入直到達到低溫極限，然後設備被斷開，但只要溫度回 到低溫極限之上，設備將再次檢查電網頻率是否高於它的頻率上限，如果是，則設備 將立即再次被接入。這樣的後果導致當設備試圖提供頻率響應至接近其物理變量極限 的單元的時候，非常頻繁地切換設備。這不是我們期望的行為，因為這樣可能會損壞 受控負載。接入和斷開負載的過多轉換，將會減少設備的使用壽命。此外，已經發現，現有的電網頻率響應負載的模型對電網頻率有不希望的影響。 假定響應設備能夠平滑系統頻率，以提供更乾淨、噪聲更低的電網頻率。然而，在模 型上，這完全沒有被證實，而且還觀察到由於響應負載造成的電網頻率上一些以前不 知道的奇怪特徵。對於電網從停電中恢復出來，現有的電網響應控制設備沒有提供任何幫助，而響 應負載的穩定作用在此刻確比以前更需要。在其他的目的上，本發明目的在於，具有一種對電網的改進的穩定作用。本發明的目的也在於，在電網響應設備控制電能存儲設備的供電的時候，減少對 電能存儲設備供電的切換。本發明的目的還在於，在停電後，幫助電網的啟動。特別是，本發明的目的在於， 在系統的黑啟動過程中，減弱對系統的衝擊。發電機和負載能被更快地重連入電網， 也就是加速電網的恢復。本發明所述的設備目的在於，克服前面提到的，現有的電網頻率響應控制設備的 問題。發明內容根據本發明的第一個方面，本發明提供一種控制電網中的負載的電能消耗的控制 設備，所述控制設備包括檢測一段時間內電網的物理變量的值的裝置，所述電網物理變量依賴於電網 中發電量和負荷之間的關係來變化；從所述電網的物理變量的值中確定電網物理變量的中心值的裝置；和 改變所述負載的電能消耗的裝置，所述改變依賴所述中心值。 根據本發明的第二個方面，本發明提供一種控制電網中的負載的電能消耗的相應 方法。通常，電網的標稱頻率和電網的物理變量的當前值，被用來控制負載的電能消耗。 然而，本發明使用了電網物理變量的過去讀數的一些功能。這為中心值提供了長期的 過去值，正是這個中心值，被用來控制負載的電能消耗。本發明的模型顯示，用於控 制負載的電能消耗的基於歷史值的中心值的使用，將消除現有的電網響應控制設備對 電網頻率的奇怪的影響。本發明的第一和第二個方面可以與前面討論的、現有的電網響應控制設備結合起 來使用。可選地，本發明的優先實施方式包括結合以下描述的本發明的任何其他方面 或任何以下描述的優選的特徵的綜合的電網響應控制設備。根據本發明的第三個方面，本發明提供一種控制電網中的負載的電能消耗的控制 設備，所述控制設備包括檢測電網的物理變量的值的裝置，所述電網物理變量依賴於電網中發電量和負荷之間的關係來變化；檢測負載的物理變量的值的裝置，所述負載物理變量代表了負載存儲的電能；當所迷電網物理變量的值達到觸發值時，改變所述負載的電能消耗的裝置；和確定所述觸發值的裝置，所述觸發值的確定依賴於所述檢測到的負載物理變量。根據本發明的第四個方面，本發明提供一種控制電網中的負載的電能消耗的相應 方法。本發明的第三和第四個方面依賴於電網物理變量的值來控制負載，這個電網物理 變量依賴於負載的物理變量被選擇。這樣，本發明的這些方面使得負載的電能消耗隨 著檢測到的負載的物理變量的變化而變化。通過以此方式將負載的物理變量記入考慮，負載的電能消耗能被控制以最小化負載電能消耗的變化率。這是因為負載越接近 他們的固有切換點(由負載的物理變量決定)對電網的響應控制就越有幫助。此外，由本發明的第三和第四個方面所提供的本發明在和現有的電網響應控制設 備結合應用時是有利的。當它們與前述的本發明的第一、第二個方面結合應用的時候 特別有利，並在和下面詳述的優選實施例結合起來時提供更多的優點。下面描述的優選實施例是可應用的，如本發明的方法或裝置的優選實施例。這樣， 優選實施例的特徵，也可以適用於包括執行這些特徵的控制設備的裝置，或可以適用 於包括方法步驟。這些優選特徵通常是以裝置術語描述，但都可以適用於本發明的所 有的方面。在本發明的第一和第二個方面的優選實施例中，控制設備適用於基於所述中心 值，確定電網的物理變量的觸發值，並在當檢測到的電網物理變量的當前值達到這個 觸發值時，改變負載的電能消耗。這個控制設備可以僅僅基於檢測到的負載的物理變量，或基於檢測到的負載的物 理變量和檢測到的電網的物理變量，或僅僅基於檢測到的電網的物理變量，確定觸發 值。本發明的特徵的這種組合的優點將在下面詳細闡述。根據本發明的這些方面的優選實施方式，確定觸發值的裝置包括，能隨機地提供 在確定的電網物理變量的上限或下限和電網物理變量的中心值之間的觸發值的函數。控制設備也可以優選地適用於產生隨機值和進一步基於所述隨機值確定觸發值， 並基於觸發值控制負載的電能消耗。這樣，本發明的所有方面可以有利地利用隨機值來確定觸發值，這對觸發值提供 了隨機因素，意味著大量以這種方式控制的負載不會同步改變它們的電能消耗，這會 造成電網的不穩定。根據更優選的特徵，對負載電能消耗的控制是通過比較電網物理變量的觸發值和 檢測到的電網物理變量的當前值來實現的。在優選實施例中，電網的物理變量是頻率，所以是檢測到的電網的頻率。或者也 可以檢測到供電電壓的振幅，這也能顯示出電網的發電量與負荷之間的平衡關係。這樣，根據本發明的一個優選實施例，中心頻率是由電網頻率的過去讀數確定的， 且控制設備傾向於在一定程度上阻止頻率增高或降低上的任何變化，不管電網頻率的 絕對值是多少。從而，在現有的電網頻率響應控制設備中，以電網的標稱頻率作為確 定是否要提供響應的參考點，而在本發明中，不同在於使用電網頻率的歷史值，響應 觸發頻率就設置在其附近。基本的概念是，甚至當電網頻率低於標稱頻率的時期，如果頻率開始上升，那麼 響應控制設備將阻止這種改變，不管頻率實際上是向標稱值靠近，而這一般認為是有 利的。在頻率較低的時期，負載總體的平均輸入電能降低以減少從電網獲取的電能，以此補償導致電網頻率降低的過多負荷。電能，事實上被借給了電網。理想的行為是，在頻率再次回到標稱電網頻率以前，恢復這部分電能，並恢復整 個電能儲備。所以，頻率從低於標稱頻率的值開始升高是非常有利的時間，以將電能 回饋給電網。同樣，但對稱的，在電網頻率高於標稱頻率的時期，這些負載被控制從電網借取 電能，以消耗掉部分過多的發電量。有利的行為是，在頻率再次達到電網的標稱頻率 之前，返回這些電能。控制設備的行為加強了電網的固有特性，其中頻率是電網中電能過多或不足的指示。如果電網頻率低，則電能緊缺；如果電網頻率髙，則電能過剩。如果這種緊缺或過剩大部分都能夠由負載吸收掉，那麼頻率信號就會非常乾淨了。電網物理變量的中心值，例如頻率的中心值，優選地通過由電網物理變量的過去讀數計算移動平均數得來。觸發值是一個值，例如頻率，響應控制設備在物理變量達到這個值時，將要增加或者減少它們的電能消耗，觸發值是基於中心值來確定的。舉個例子，對於這樣的控制設備總體，如果當前的頻率高於中心值，負載的電能消耗將趨向於增加；如果當前 頻率低於中心值，負載的電能消耗將趨向於減少。隨機因素還優選地包括在對觸發值的確定中，以確保負荷的增加或減少是逐步發 生的，不會在負載總體同時被切換時對電網造成負擔，從而影響控制設備的穩定性目 標。這樣，可以避免大範圍的負載同步切換。使用中心值來確定觸發值(在該觸發值上負載的電能消耗改變)的最重要的效果 是> 由這樣的設備控制的負載總體積極不斷地阻止電網頻率的變化。在優選實施例中，設備還可適用於檢測負載的物理變量；確定負載物理變量的上 限和下限；並當負載的物理變量達到其上限或下限時，改變負載的電能消耗。這個特徵確保負載仍然能實現它的主要功能，即保持負載的物理變量在特定極限 內。這些極限也可以由用戶選擇來得出。例如，空調、或電冰箱的溫度控制器的設定 點的設置，將導致這些極限被確定。經調節或製冷的空間的溫度不應該超過這些極限 或位於這些極限之外。溫度被保持在所希望的溫度附近。例如，電冰箱將會以工作周 期工作，以使當溫度達到其上限的時候，電冰箱的制冷機制將被接入，以降低溫度。 當然， 一旦溫度達到其下限，電冰箱將被斷開。下面的描述大部分涉及通過接入或斷開電能消耗，控制負載的物理變量處在控制 極限內的負載。然而，採用連續地增加或減少電能來實現該控制的負載，也可以適用 於本發明所要求保護的控制設備。優選實施例提供了兩個層次的控制，第一層是通過增加或減少負載的電能消耗以 保持負載的物理變量在其控制極限內，而第二層是根據電網物理變量偏離中心值的相 對增加或減少，來進一步控制負載的電能消耗。如上所述，現有的電網響應設備的問題之一是，經過長時間的頻率偏移，這兩層 控制會趨向於造成切換率的增加。本發明目的在於防止這種切換率的增加，且本發明 的第三和第四個方面，和本發明的第一和第二個方面的優選實施例都是直接圍繞著達 到這個目標。在優選實施例中，這個目的也可以通過基於檢測到的負載物理變量的觸發值(或 觸發頻率)來達到。在優選實施方式中，用於確定觸發值的裝置被設置為，依賴於檢 測到的負載物理變量和其控制極限來確定觸發值，以使負載的電能消耗變化速率減 小。在另一優選實施方式中，確定觸發值的裝置包括，依賴於檢測到的負載物理變量 返回觸發值的函數，所述函數定義了隨所述負載物理變量變化的觸發值曲線(a trigger value profile),所述觸發值曲線示出，負載電能消耗改變得越多，觸發 值也就離電網物理變量的中心值越遠。更具體地，在另一優選實施例中，觸發值(例如頻率)的提供，還可以基於代表 所述檢測到的負載物理變量的相對於負載的物理變量的上限或下限的比較值與上限 和下限之間的範圍的比值。上面定義的這個比值是，和由控制極限所定義的最大值或最小值相比，有多少電 能存儲於負載之中的指示。而且，在以電冰箱為例的情況下，當冰箱已經接入了整個 電冰箱工作周期中接入時間的50%時，檢測到的負載物理變量應該在距其最低溫度極 限一半的地方，或換句話說，電冰箱在距其最大輸入電能的一半的位置。在確定這個 優選實施例的觸發頻率的過程中，控制設備需要考慮，已經存儲了多少電能，因而有 多靠近固有切換點。在這個實施例的擴展中，觸發值隨著這個比值的變化而變化，因此負載電能消耗 被改變的概率，隨著這個比值的增加而增加。這樣，這個比值的增加，依賴於負載處 於特定的電能消耗狀態的時間長短。例如，在電冰箱的例子中，冰箱的製冷裝置處於 斷開狀態是一種特定的電能消耗狀態，而冰箱的製冷裝置處於接入狀態則是另一種特 定的電能消耗狀態。在優選實施方式中，第一電能消耗狀態是負載存儲的電能增加的 狀態，而第二電能消耗狀態是負載存儲的電能減少的狀態。這個比值可以是代表負載已經處於某一特定電能消耗狀態的時長的任何函數。這 樣，在優選實施例中，這個比值被定義為代表負載處於特定電能消耗狀態的時間相對 於可以處於這個狀態的最大時間之比。優選地，這種代表是從負載的物理變量和其上 限和下限中得來的。這個比值可以定義為它將增加電冰箱接入的時間，也可以定義為它將增加電冰箱 斷開的時間。如果負載電能消耗狀態改變的概率隨著這個比值增加而增加，那麼負載 在電能消耗狀態之間的切換則被最小化。如前面提到過的，這對於防止用戶所不能接 受的負載設備長期的損壞是非常重要的。被確定的觸發值考慮了負載與固有切換點的接近程度，或者與由負載的物理變量 到負載物理變量的最大值或最小值的接近程度確定的最長時間相比，負載已經處於某 一特定電能消耗狀態的時間，這是優選實施例的重要特徵。當檢測到的負載物理變量 接近電冰箱的溫度下限的時候，處於"製冷"狀態的電冰箱是較接近它的固有切換點 的。相反地，當檢測到的負載物理變量接近電冰箱空間溫度的上限的時候，處於"不 製冷"狀態的電冰箱是較接近它的固有切換點的。這樣，代表檢測到的負載物理變量在其最大極限和最小極限內的相對位置的某一 比值，對於確定負載的固有切換點是一種優選的方式。計算設備的觸發頻率的函數將 把這個比值計入考慮。在優選實施例中，控制設備適用於確定電網物理變量的上限和下限；其中，觸發值的提供將依賴於所述電網物理變量的上限和下限。這樣，控制設備適當地在這個上 限和下限內，分配設備總體的觸發頻率，以使設備在需要的時候提供響應。在優選實施例中，觸發頻率的值是這樣的值，就是通過提供合適的計算觸發值的 函數，使比起其他負載保持在特定狀態較長時間的負載變得對檢測到的電網物理變量 的改變更敏感。更具體地，觸發值的提供，優選地，首先採用適用於基於所述中心值和所述隨機 值提供電網物理變量的基值的控制設備，例如，隨機地提供在所述中心值和所述控制上限或控制下限內的所述基值；控制設備還適用於從所述基值提供觸發值函數；然後 從這個觸發值函數確定觸發值。這樣，由隨機值帶來的隨機化就被應用於基值的提供，從而對用於提供觸發值的 特定函數有決定作用。在特定的優選實施例中，觸發值函數定義了觸發值隨著負載處 於特定電能消耗狀態的時間而變化。更優選地，由如上所述的觸發值函數改變提供觸 發頻率。這樣，每個設備首先都從觸發值函數，得到隨機化的基值。這個函數的特定形式， 也就是說，它是如何跟隨比值變化的，依賴於所述基值的值。這樣，基於基值的負載 改變其電能消耗狀態的概率的增加或減少是不同的。根據本發明的優選實施例，每個控制設備都將確定它自己的基本頻率。這個基本 頻率將在設備總體中隨機分布，這樣負載電能消耗狀態的改變或負載的接入或斷開， 將在整個設備總體中逐漸進行。根據本發明的優選實施例， 一旦這個基本頻率被確定，則設備發生響應的準確頻 率依賴於觸發值函數確定的觸發頻率。這個函數被定義為，使負載的自發響應根據其 內部狀態而變化。如果，處於非常低的電能狀態，同時設備為接入的，或者在增加負 載存儲的電能的第一狀態，設備斷開或切換到減小負載存儲的電能的第二狀態將是不 期望發生的，除非處於最極端的電網狀態(由電網的物理變量，即頻率表示)但，如 果設備的電能存儲正接近其上限，則設備斷開或切換到第二狀態是非常期望發生的。這種改變自發性受觸發頻率偏離中心頻率的程度影響。這樣，當負載的電能狀態變化時，觸發頻率具有非線性的軌跡。為了保持負載總 體中切換的概率的隨機分布，觸發值函數的形式依賴於隨機提供的基值而變化。以這種方式改變自發性，切換操作將會儘可能地少，同時切換的負載在負載總體 中分步。這也通過避免建立非常接近極限的子負載總體來保持負載的分散性。在優選實施例中，隨機數發生器提供隨機值，隨機數發生器被配置為為大量所述 控制設備提供基值分布，所述分布是從電網物理變量的極限擴展到電網物理變量的中 心值。這是與現有的設備有所區別的地方，這定義了一個窗口，在這個窗口範圍內不 提供電網響應，且設備被允許正常運轉，好像沒有安裝響應控制設備一樣。然而，本發明，將大量的觸發值分布在從中心值到極限，這樣，在確定的頻率上 限和下限之間的所有頻率上都有響應被提供。以這種方式，從電網中借取電能或返還 從電網借取的電能就會在整個確定的電網頻譜上發生。這對提供抑制所有對電網中心 頻率的偏移是有影響的。優選地，隨機數發生器是這樣的，就是控制設備總體都將具有觸發值，該觸發值 具有從電網物理變量的上限到下限之間擴展的分布。在優選實施例中，當比值從最小 值變到最大值變化時，觸發值從電網物理變量的極限到中心值變化。以這種方式，觸 發值越接近中心值，負載停留在特定電能狀態的時間也就越長。因此，負載的電能消 耗改變的可能性越大，設備停留在特定電能狀態的時間也就越長。在優選實施例中，負載電能消耗的改變，可以採用接入負載或斷開負載。負荷被 定義為負載的主要功能的電能消耗。例如，在電冰箱的例子中，負荷被定義為製冷裝 置的電能消耗。這樣，使用這個定義，電冰箱的不顯著的運行，例如，照明或負載的 其他輔助功能的負荷將不在本文中被考慮。應該明確，上述比值反映了設備已經被接入或斷開的時間。優選地，當斷開的設 備的檢測到的物理變量接近處於斷開狀態的設備物理變量的極限時，這個比值達到最 大值，或者，這個比值是為處於接入的設備定義的，當接入的設備的檢測到的物理變 量接近處於接入狀態的設備物理變量的極限時，它為最大值。在另一優選實施例中，觸發值的提供還基於負載的特定的電能狀態(例如，負載 是處於接入還是斷開的狀態)。也優選地，代表著設備接近物理變量的極限的程度的 比值，是依賴於負載的特定電能消耗狀態的。這樣，根據本發明的優選實施例，根據 負載的特定電能狀態(舉例來說，這個負載是處於接入還是斷開狀態，或是處於第一 狀態還是第二狀態)，不同地定義這個比值。這是有利的，例如當斷開的負載，通常在負載物理變量的下限(存儲的電能最小) 時，將被接入。另一方面，當接入的負載，在負載物理變量的上限(存儲的電能最大) 時，將接近其固有切換點。因此，當定義觸發頻率的時候，優選地將負載電能消耗狀 態計入考慮。在另一個優選實施例中，負載物理變量的上限和下限是從負載物理變量的設定點 得出來的。設定點可以由例如溫度控制器設置，或是電冰箱的特定設置來定義。這是 本發明有利的特徵，不僅僅通過提供電網頻率響應實現了較好的電網穩定效果，而且 負載的主要功能，例如製冷，加熱，泵送等，可以實現。在一定的電網條件下，檢測到的負載物理變量的極限可以被控制改變一段延長的 時間。這種極限的改變，並不是經常與正常的電網響應行為的提供相關，也不是由於 物理變量的設定點中的改變。這種極限擴展的改變通常是歸因於電網情況。根據本發明的優選實施例，檢測到的物理變量的上限和/或下限分別地以小於或 大於檢測到的負載物理變量增大或者減少的最大速率，被增加或者減少。以這種方式，極限以小於物理變量理論上能達到的變化速率被移動。極限移動的 較低速率意味著，即使當物理變量的極限被改變了，仍然有負載在提供電網響應。電網狀態的一個例子在停電後的啟動過程中是非常有用的。正如上面討論的，電 網在這個階段中是非常脆弱的。
一般地，在電力中斷後，檢測到的物理變量將在其正 常的範圍之外，且負載將需要被操作以使該物理變量返回到它優選的控制極限內。根 據本發明優選的方面，檢測到的物理變量的上限和/或下限以小於負載恆定的最大電 能消耗的速率被增加。這樣，這在增加極限以提供響應期間是有可能的。在電網黑啟動的過程中，負載 的這種提供電網響應行為的能力是非常重要的，在這個過程中，電網是非常脆弱的。在又一優選實施例中，本發明定義了黑啟動輔助模式，在這個模式中，在負載從 電網抽取電能之前，有隨機的延遲。這個優選的特徵，意味著負載將逐漸地從電網抽 取電能，而不是這些負載同時接入，極大地給電網造成緊張。


本發明的優選實施方式，將在下面參考附圖進行描述。圖1A到圖1C顯示的是，觸發頻率如何隨負載存儲的電能變化的優選實施方式。圖2顯示的是，根據本發明的優選實施方式控制的負載總體的例子。圖3A到圖3B顯示的是，觸發頻率函數曲線的例子。圖4顯示的是，優選的響應控制設備的各種狀態圖。圖5顯示的是，本發明的響應控制設備的優選運行流程圖。圖6顯示的是，大致描述PID控制器控制的負載的運行的方塊圖。圖6A顯示的是，大致描述PID控制器控制的負載的調整電網響應控制設備的設定點的運行的方塊圖。圖6B顯示的是，大致描述PID控制器控制的負載的調整電網響應控制設備的電動機功率的運行的方塊圖。圖7顯示的是，以價格作為電網發電量和負荷的平衡指示運行的電網響應控制。
具體實施方式
下面將描述本發明的特定的實施例，以幫助對本發明的理解。本發明的控制設備可以應用到電網上的具有電能存儲能力的，消耗斷續的或可變 的電能的負載。控制設備要求兩種主要的輸入，第一種是電網的頻率，或者其他能代表電網中發 電量和電力需求的平衡的參數，而第二種是電能存儲負載的某種物理變量。通常，負 載的首要功能是保持物理變量在特定的控制極限。負載通常以某種工作周期運行，通常在一段時間內，負載是接入的，而另一段時 間內，負載是斷開的。因此，50%的工作周期意味著，負載將接入和斷開相等的時間。 本發明可應用的這種特定負載包括，空調(例如，製冷或制熱的)，電冰箱和儲水泵 等。然而，現代電力電子控制技術使得改變電動機的功率消耗成為可能。功率根據設 備的需求來變化，使電動機運轉得更有效率，也意味著電動機連續或幾乎連續地運轉。 所以，以電冰箱為例，當溫度已經達到其所期望的設定點時，電動機將減小其功率， 而當溫度升高時，電動機將增加其功率，並且如果電冰箱變得太冷了，電動機還將進 一步減小功率。這樣做，也對電冰箱減小噪音有好處。電動機通常需要運行在相當寬的功率範圍內，例如冰箱和冷藏庫，當它們被接通 的時候，或有熱的物體被放入時，它們需要有快速製冷的能力。所以，這裡仍然有根 據溫度外的輸入，例如頻率，暫時地改變設備的功率需求的餘地。本發明提供的控制設備，可操作以改變兩種類型的負載消耗的電能，即一類是二 進位接入/斷開控制，而另一類是逐漸地或連續地增加和減少電能消耗。下面的描述，將主要以電冰箱為例，說明本發明所述的控制設備的使用。本發明到目前這一點上，操作都與現有技術已知的電網響應控制設備相同。本發 明利用上面描述的電能存儲負載的原理，能在特定時間內不需要從電網輸入電能仍然 能完成其功能。與照明設備，或其他負載不同，電能存儲負載可以變化的水平或變化 的間隙接受輸入電能，並且，只要能被控制以保持負載的物理變量在特定負載的特定 控制極限內> 就能以完全令人滿意的方式工作。上面描述的電能存儲設備所存儲的電能量，由物理變量的控制極限確定。以電冰 箱為例，負載所能存儲的最大電能量由電冰箱當前設定點設置的溫度下限來確定，而 最小電能量由溫度上限來確定。在下面的描述中，y是由本發明的電網響應控制設備所控制的負載的物理變量的 歸一化的測量。較大的y值代表比較小的y值存儲更多的輸入電能(例如，電冰箱最 冷)。如果x代表存儲的電能，那麼y是x的函數，即，y = f (x)。歸一化的y, 可以取值從O到l, O表示沒有電能存儲，1表示電能存儲的臨界最大水平。這個函數通常是非常接近線性的，使它能被很好地近似。在電冰箱的例子中，輸入的電能被直接用來製冷。所以當電冰箱達到其最冷的程度時，y最大，為l,而當內部的溫度升髙到環境溫度時，y是0。以水箱為例，當水 箱為空的時候，y是0，當水箱溢出的時候，y為l。通常，它當然被控制在較小的極 限內，即物理變量的上限和下限，或y唚和y^。根據現有的電網響應負載的原理，在負載的特定設置下，輸入能量變化以保持物 理變量y在由y^和y^設置的極限內變化，以同樣的方式，當負載可以被正常地操 作時，電網的頻率(或其他與電網中發電量與負荷之間的平衡相關的參數)不被考慮 進去。通常地說，沒有電網響應控制器運行的使用本發明的這類負載，當y的最小值 (y^)達到時，將會接入負載，當y的最大值(y,)達到時，將會斷開負載。根據優選實施例的負載響應控制器，負載切換的時刻，即什麼時候接入的負載被 斷開或斷開的負載被接入，將根據電網的頻率進行調整。例如，在電網頻率低的時期， 電網上有太多的負荷而沒有足夠的發電量來匹配，且接入的電網響應設備將響應於在 正常應該斷開負載的時刻之前，也就是說在y達到y,之前斷開負載(或切換到減少 的電能消耗狀態)。同樣，在電網頻率高的時期，需要更多的負荷來消耗過多的發電 量，且在y^達到之前，負載將被接入(或切換到增加的電能消耗狀態)。另外，可以確定檢測到的物理變量的上限和下限的擴展設置以增加響應提供的數 量。所以，在電網頻率高的時期，電網響應負載將被接入，且檢測到的物理變量的最 大值(y,)可以被增加，這樣負載可以比正常狀態下被接入更長的時間，已接入的 負載亦如此。在電網頻率低的時期，有同樣的操作。本發明的優選控制設備定義了電網的狀態，以確定改變電網響應控制設備所提供 的頻率的響應的具體類型。電網頻率響應控制設備有三種運行模式，"正常"模式， "緊張"模式，和"危機"模式，這與0322278. 3號UK專利申請所描述的系統中定 義的相同。本發明的優選實施例，從頻率的函數，以下稱為h,定義了控制器的運行模式和 關聯的電網狀態。函數h從電網頻率的特徵來定義電網的當前狀態。理想的h在一定 程度上代表了，有多少電能被借給電能存儲負載或有多少電能從電能存儲負載借來的 測量值。優選地，函數h包含三個主項，比例項，積分項和微分項。這三項將給出電網穩 定狀態的很好指示。比例項是當前頻率與電網標稱頻率或其他中心值的偏差，代表著頻率需要改變多 少以返回期望的中心值。積分項代表了從長時期內來看(與瞬時比例項相比)的頻率誤差。這一項是很有 用的，長時間內的小誤差將影響函數h,所以在提供電網穩定性響應時，應該被考慮。積分項可以是過去時間內頻率的偏移的一組量的和，或者可以是過去時間內頻率的偏 移的移動平均值。積分項可以從上一次頻率偏移為零的時刻開始計算，而不是時間的 零點。微分項與電網當前的不穩定性相關。它可以是頻率偏移變化的速率。這樣，大的 頻率擺動也將影響函數h,並成為電網不穩定的指示，即使實際的電網頻率當前的偏 移沒有超出優選極限。以等式的形式，函數h可以被寫成 h=Pfc+ICc-Df，c這裡fc是比例項，Cc是積分項，f，c是微分項，P, I， D是每個項影響函數h 的重要程度的常數。積分項Cc可以由(fcS)計算得來，這裡S是取樣積分。三個參數P, I, D對控制設備得到h應該是足夠了 ，但為了實現完整性和靈活性， 可以適當擴展到平方項或立方項。根據本發明的優選實施例，電網狀態是由函數h推斷出來的。例如，如果h低於 第一極限，那麼電網處於"正常"狀態。如果h是在第一極限和更高一些的第二極限 之間，那麼電網處於"緊張"狀態。如果h處於第二極限和更高一些的第三極限內， 那麼電網處於"危機"狀態。與電網的每個狀態相關的運行模式的差別，與0322278.3 號UK專利申請中描述的相同。函數h是確定電網運行的緊張程度的有效方式。適當地設定h的參數P, I和D,使得函數能適當地區分電網的這三種狀態。在正常運行模式下，本發明的電網響應控制設備將如下面所述運行。在緊張運行 模式下，電能存儲負載的用戶，將不被允許調整負載物理變量的設定點。這樣，本發 明提供電網響應補償將不會被否定。在危機狀態下，電能存儲負載的運行，將不會理 會負載物理變量的期望的範圍。負載的物理變量將被允許達到y的絕對極限，而不是 y^和y^設定的優選範圍。例如，在危機狀態下，電冰箱被允許達到其製冷所能達到 的最低溫度，或者達到環境溫度。同樣地，在水箱的例子中，液面高度允許達到水箱 為空或達到滿的水平。下面將描述實踐本發明的原理的主要模式。緊接著是本發明的其他優選實施例。本發明的電網響應控制器包括不斷主動地阻止電網頻率變化的控制機制。本發明 的電網響應控制設備將對所有的對中心值的頻率偏移進行響應，這個中心值，定義為 歷史頻率讀數期間預定的樣本的平均值。當控制設備第一次被使用時，中心值將被設成當前的頻率。然後該中心值是電網 頻率過去釆樣值的移動平均值。中心頻率是電網頻率從開始採樣的時刻起到現在的平 均值。電網頻率對中心頻率的任何偏移都將被本發明的響應控制設備阻止。如果當前電網頻率髙於中心頻率，那麼響應控制設備將趨向接入它們的負荷以補償發電量的增 加。如果當前電網頻率低於中心頻率，那麼響應控制設備將趨向於斷開它們的負荷以 補償發電量的不足。這將對電網提供重要的穩定作用，由乾淨、噪音更低的電網頻率 信號表示。負載將不會同時地改變它們的電能消耗狀態。本發明的控制設備適用於確保負荷 以漸進的方式開始切換，以使越大的從中心值的頻率偏移將導致越多的趨向於接入或 者斷開的負荷。對於確保負載總體不同步地響應，該同步將對電網造成不穩定的影響， 這種漸進式的切換是非常重要的。下面將描述隨機化的更多細節。在本發明的響應控制設備的優選實施例中，計算中心頻率值的採樣時期將從中心 頻率值上一次跨過電網的標稱頻率開始計時。本發明定義了高頻率偏移時期，即當中心頻率高於標稱頻率移動的時候，和低頻 率偏移時期，即當中心頻率低於標稱頻率的時候。 一個偏移時期的結束，標誌著另一 個偏移時期的開始。這種交替的時刻是為計算中心頻率而開始累積頻率讀數的方便的 時刻。這樣，為中心頻率的每一高頻率偏移時期(頻率高於標稱值)和低頻率偏移時 期(頻率低於標稱值)，計算中心頻率。因此，中心頻率將計算為當前頻率偏移時期 內的頻率的移動平均值，並在中心頻率一跨過標稱頻率，且頻率偏移發生改變(例如， 從高頻率偏移變到低頻率偏移或相反)的時候就被重置。選擇高於或者低於標稱頻率的偏移時期為採樣時間的優點在於，設備將以具有共 同的中心頻率數據而結束。剛連入電網的負載，沒有頻率的歷史數據，由於中心頻率 跨越電網標稱頻率預期將足夠地頻繁發生，所以很快就會與其他設備有相同的頻率歷 史數據。設備將會有相同的中心頻率是很有用的，因為它們的行為也將以預想的方式 協調一致(但不是同步發生)。釆樣時期也許不是總是合適的。如果頻率偏移時期持續了接近電能存儲設備接入 或斷開周期的平均值的一段時間，設備也許會被要求提供電網響應行為，從而沒有機 會達到它們最大或最小電能存儲水平。這對電量存儲負載的切換頻率有相反的效果。 另外，如果負載沒有達到其最大電能存儲水平，且使其自身充分充電，那麼這樣的設 備總體，平均起來，將被耗盡。這也許是控制設備需要稍微改進的地方以適應這樣的 情況。有一點可以設想，用來得到中心頻率的移動平均可以是加權移動平均，這樣越是 最近時刻的頻率值也就越重要。用這種方式，最近獲得的頻率的偏移值也就越可能提 供負載響應和被補償。這對穩定電網的任何頻率偏移也是有幫助的。本發明的某些方面所述的電網響應控制設備，也包括另一種改進，目的在於最小化負載的切換頻率和在這樣的有效負載總體中，分布能量的變化。如下面描述的細節， 這是根據其當前接入或斷開狀態，通過改變設備的觸發頻率來實現的。觸發頻率是電網的頻率，在該頻率上，負載將被控制從接入狀態切換到斷開狀態，或者從斷開狀態切換到接入狀態。當檢測到的負載物理變量到達由y,或y^定義的 當前頻率最大值或最小值時，負載也能被接入或者斷開。電網響應控制設備適用於以隨機的方式確定目標(或基本)頻率。在這樣的設備 總體中，目標頻率將在設備總體中隨機分布，所以前面所述漸進的響應可以實現。根據本發明的優選實施例，設備的目標頻率是平均起來，設備將要響應的頻率。 然而，當前的觸發頻率，即負載將要在接入狀態和斷開狀態之間切換的電網頻率，通 常與目標頻率是不一樣的。目標頻率是隨機選擇的頻率，確定導致設備在不同狀態之間切換的觸發頻率，電網頻率的唯一曲線是根據它得出來的。因此，觸發頻率的曲線是從一個函數得出來的，這個函數依賴於隨機選擇的目標 頻率。控制設備使用的實際的觸發頻率就是從這個函數得來，這個函數優選地是設備 已經處於當前電能消耗狀態多長時間，也就是說，設備已經接入或斷開了多長時間的 函數。設備已經接入或斷開了多長時間，相對於固有切換點確定，該固有切換點是檢測 到的物理變量將要達到其最大值或最小值(y^或y^),從而進行切換的點。所以， 確定設備觸發頻率的函數也是檢測到的物理變量相對於其最大值或最小值的值的函 數。所以，當前觸發頻率是依賴於y的當前值。根據本發明的優選實施例，觸發頻率 的軌跡線將是傾斜的，這樣，負載離開其固有切換點越遠，觸發頻率就越不可能是電 網的頻率，也就是說，觸發頻率越遠離標稱頻率。這樣，設備越不可能發生切換，該 設備離其固有切換點就越遠。優選地，觸發頻率的軌跡是以這樣一種方式傾斜的，有一半的時間，設備的敏感 比隨機選擇的目標頻率情況下的小，有一半時間比之大。這樣，優選地，觸發頻率的 平均值就是目標頻率。在優選實施例中，負載處於接入狀態或斷開狀態的時間長度，由與y,或y^的 當前值界定的檢測到的物理變量允許的範圍相比的負載物理變量的當前值計算出來。 這可以例如用百分比來表示出來。為了說明，處於接入狀態，且其檢測到的物理變量 接近達到該檢測到的變量的最大值的負載設備，已經接入了它正常接入時間的80%。 這可以用公式表達為formula see original document page 23這裡，t。n是負載相對於它預期應該接入的時間的已經接入的時間，y是檢測到的 物理變量的當前值。設備處於斷開狀態多長時間，應用相同的原理，但使用不同的公式定義。斷開的 設備，越接近其物理變量的下限y^，它停留在斷開狀態的時間也就越長。適合的公 式如下這裡，t。rr是負載相對於它預期應該斷開的時間的已經斷開的時間。圖1A, 1B和1C顯示觸發頻率函數的曲線的例子。Y軸是頻率，X軸表示電量存 儲負載，電能滿或空的程度。圖1A顯示接入的設備將要被斷開的頻率。由於對本發明來說是唯一的，觸發頻 率是依賴於設備與預期應該接入的時間(達到y^)相比的已經處於接入狀態的時間。 從圖1A上可以看到，對於50%的時間，觸發頻率較靠近中心頻率或標稱頻率，對於 另外50%的時間，觸發頻率較遠離這些頻率。這樣，只有在非常極端的電網狀態下， 那些僅接入了 50%的時間，或者少於其預期接入時間的設備將會被觸發。這是基於一 種假設，就是，電網頻率大部分時間將在中心頻率或者標稱頻率附近，這樣，電網頻 率就更有可能達到接近中心頻率或者標稱頻率的觸發頻率。這樣，觸發頻率越接近標 稱頻率或者中心頻率，負載的切換就越有可能發生。這對於隨機選擇的目標頻率基於與所期望的接入時間或斷開時間相比的接入或 斷開時間，選擇觸發頻率的確切形式也是很重要的。以這種方式，負載總體將提供多 樣的電網頻率響應。圖1B與圖1A相比，說明觸發頻率的曲線依賴於選擇的目標頻率。這可以得出結 論，當觸發頻率總是隨著負載預期接入或斷開時間的百分比而變化時，這種變化的形 式決定於隨機選擇的目標頻率。圖1B和圖1A顯示了接入的設備的觸發頻率。圖1C相反地顯示了斷開的設備的觸發頻率曲線。原理是相同的，也就是，斷開的設備將要被接入時的頻率依賴於預期 斷開時間的百分比而變化，如上面的公式所定義。如從圖1C中所能看到的，當設備 接近其固有切換點的時候，觸發頻率接近中心頻率或者電網的標稱頻率。通常，這個曲線要求，設備越接近其固有切換點，頻率就越接近阻尼頻率或標稱頻率，所以，負 載也就越有可能被用於提供電網頻率響應。根據本發明的優選實施例，檢測到的電網頻率在中心頻率之上或之下的任何變 動，將導致負載被切換。檢測到的電網頻率偏離中心頻率越多，逐漸地被切換的負載 也就越多。由於中心頻率是過去頻率範圍的移動平均值，中心頻率將趨向於"跟隨" 檢測到的電網頻率，儘管是以阻尼的方式。這將能提供平滑的中心值，以決定執行高 頻率(高於標稱頻率)響應還是低頻率(低於標稱頻率)響應。檢測到的頻率也可能改變其方向，高於中心頻率或低於中心頻率。只要電網頻率 開始變化，本發明的控制設備將通過從電網借取或者償還電能，阻止任何高於或低於 中心頻率的快速增加或者減少的頻率變化。本發明的發明人發現，這是從電網借取或 者償還電能的適當的時刻，並提供比現有技術的電網響應控制頻率穩定得多的電網頻 率。在一開始，高於或低於電網中心頻率的任何變化，只會切換那些接近它們固有切 換點的負載。這是因為觸發頻率隨著特定設備接入或斷開的時間而變化。已經接入或斷開大於50%它們預期應該接入或斷開時間的所有的負載優先。只有當電網頻率劇烈 地遠離中心頻率變化時，那些距離上一個切換點的時間少於50%的設備才會被切換。這樣，本發明的優選實施例提供了較穩定的電網頻率，因此也導致響應負載的較 少切換。而且已經切換的設備不是優先被切換的，所以進一步導致負載的切換負擔。由本發明的電網響應控制設備控制的電能存儲負載總體組成的系統，提供準備切 換以響應任何電網頻率的變化的負載總體。頻率的改變越大，越多數量的負載提供響 應。這應該是線性的關係。圖2顯示了由本發明控制的系統的例子，該系統處於穩定狀態，並運行在電網標 稱頻率下。如圖2所示，在這種狀態下，處於斷開狀態下的設備的比例[l],和處於接入狀態下設備的比例[2],對應於預期的工作周期。所以，如果負載運行在5oy。的工作周期的情況下，負載總數平分。如果系統進入低頻率(低於標稱頻率)偏移期，接入的負載將會被觸發成斷開[3] 以減小負荷。它們在短時間內不可能再被接入。在低頻率偏移期，不管負載當前超出的頻率，有一些斷開的負載將會被接入[4],因為它們已經達到了它們電能存儲的最小狀態，負載的特定功能要求它被接通。這部 分負載將不再被要求提供高頻率響應，所以要從能夠提供高頻率響應的負載總數中劃 去，即使這些負載實際上是最敏感的。此外，這些近期被切換的負載在短時間內，不 可能會再被斷開。一些負載將要達到它們的最大電能存儲狀態，需要被斷開[5]。如果工作周期是 50%,那麼達到最大電能存儲狀態的負載數量[5]將趨向於和達到其最小電能存儲狀態 的設備數量[4]相同。剩下的有能力提供低頻率響應的設備[7]是具有較低敏感頻率設置的總體，由於 它們接近電網的標稱頻率已經被"用掉"。如果現在頻率上升，高於中心頻率，那麼，儘管頻率仍然低於電網的標稱頻率， 期望的是，負載開始被接入並恢復早先借給電網的電能。當頻率上升，高於中心頻率， 一些設備將被觸發接入[8]以增加電網的負荷。由 於負載[3]因為最近剛被切換而處於最小切換模式，所以這些設備最有可能是[1]中的 剩餘的設備數量。如以前， 一些接入的設備將會被斷開[IO],而一些斷開的設備將會被接入[9]， 因為它們已經分別達到了它們最大或者最小電能存儲狀態，而並不被要求提供高頻率 響應。雖然將被斷開的已接入設備UO],在總體中提供響應最敏感，但這些設備將從 提供低頻率響應的總體中被划去，不再使用。已經達到了它們最大或者最小電能存儲 狀態的負載的數量將會相當小。能夠繼續提供高頻率響應的設備的總體是如所期望的，由於它們適度地平均分布 在中心頻率和最大頻率極限之間的頻率內。然而，那些對僅低於中心頻率的頻率敏感的設備總體，已經被耗盡。所以，頻率的再次下降，將觸發比以前導致下降得更多的 平均頻率少的負荷減小，直到達到未耗盡的區域或者觸發頻率的固有移動，重新分布 在已耗盡的區域。這是所期望的行為。在頻率發生波動的低頻率偏移期，頻率趨向於易於下降而不 是上升(或更通常的是，遠離標稱頻率比接近標稱頻率更容易發生)。這反映了一個 事實，當負載償還電能時，負載正在將電能借給電網並阻止頻率的升髙。理想地，只 有當負載償還所有的電能給電網時，頻率才會返回標稱值。圖2顯示了低頻率總體的一種可能的操作，就是將仍然接入的負載在中心頻率和 最小頻率之間分布(而不是標稱頻率和最小頻率之間)。這樣做，可以使頻率僅僅比 中心頻率低一點點的設備也被耗盡(選擇的目標頻率高於中心頻率，或在標稱頻率和 中心頻率之間的設備，現在讓它們的目標頻率低於中心頻率)。所以，頻率具有較大 的下降趨勢。這也許不是所希望的。在該操作的替換中，這種改變可以僅有助於一些負載，如那些從低頻率偏移期開 始的時候就接入的設備。發生這種情況是由於設備從低頻率偏移期就已經接入，因為 它們處於電能低的狀態，所以需要在它們提供響應之前補充電能的機會。影響這個的 方法之一是，系統地(更極端地)降低負載被接入時的頻率。這樣，將趨向於允許電 網頻率降得更低。在極端的狀態下，這也將趨向於在設備中更均句地分布接入時間。 在沒有這個修改時，這個接入時間已經沿著觸發頻率的軌跡在設備之間均勾分布。圖2所示的例子是對於低頻率偏移期的，在高頻率偏移期，負載總體的行為是對 稱的。在理想的系統裡，即所有的電網響應是由根據本發明控制的設備來提供的，頻率 偏移將不會結東直到所有從電網借取的電能都被償還了。如果對電網頻率的響應還來 自其他地方(如發電機)，頻率偏移也許會在被借取的電能完全被償還前結東，雖然 如此，負載仍會重新得到電能以補充它們的電能存儲。從頻率的移動平均中得到的中心頻率是這樣的頻率，就是高於該頻率，所有由根 據本發明控制的設備產生的負荷將增加，而低於該頻率，該負荷將減少。對整個系統 來說，這是有效的目標頻率。移動系統的目標頻率靠近標稱頻率，提供一些偏置以影 響電網頻率靠近標稱頻率是可能的。下面將更細地描述得到特定的控制設備的觸發頻率完整的過程。首先，計算中心頻率。從當前高於或低於標稱頻率的頻率偏移期的第一個記錄的 頻率讀數開始的每一個讀數都被計入考慮。所得到的中心頻率然後被進一步處理以偏 向標稱頻率，但這一步也不是必須的，因為這樣的傾斜是本發明的控制設備固有的特 徵。然後是確定設備的基本頻率或目標頻率。為此，基本頻率所處的頻率範圍先被確 定下來，然後在這個範圍內選擇隨機的目標頻率。每個設備都有高目標頻率和低目標頻率，優選地，這兩個頻率分別由稱為高隨機值和低隨機值的隨機值提供。高目標頻 率是用於高頻率偏移時期，而低目標頻率是用於低頻率偏移時期。當選擇使目標頻率分布在標稱頻率和允許的頻率範圍的下限或上限之間的隨機 數時，優選地， 一個隨機數用於高頻率偏移時期，另一個隨機數用於低頻率偏移時期。 這些隨機數較優選地處於O到l之間，這樣目標頻率可以位於整個允許的頻率範圍(如上所定義的)內的任何位置。優選地，兩隨機數在相反的頻率偏移時期開始後，重新 產生。這樣，低頻率偏移隨機數在高頻率偏移時期開始時被選擇，而高頻率偏移隨機數 在低頻率偏移時期開始時被選擇，從而確保在頻率偏移時期切換時，準備好隨機數。因為特定控制設備對電網頻率變化的敏感程度依賴於隨機數，所以，以有規律的 間隔重新產生隨機數，是非常重要的。如下詳述，具有較小隨機數的電冰箱，將趨向 於帶有比具有較大的隨機數的電冰箱大的切換負擔。這是因為，由較大的隨機數產生 的目標頻率將更有可能提供更接近外部頻率極限的觸發頻率，這比提供靠近電網的標 稱頻率的觸發頻率，更不容易由電網實現。隨機數不在特定的頻率偏移時期內產生也是很重要的。這將會對電網的穩定性產 生不能預料的影響。然而，其他的策略也是可能的，例如，可以在二十四小時後，或 其他這樣的選擇的時期後的第一次變化期間，產生隨機數。目標頻率有四個可能的範圍(1) 電網處於低頻率偏移時期(中心頻率低於標稱頻率)情況下，負載處於當 前接入狀態，這在圖3A的左邊部分示出。在這個狀態中，目標頻率處在電網頻率下 限(電網頻率下限的選擇在下文論述)和標稱頻率之間。由於電網當前是處於低頻率 偏移時期，中心頻率也將處於標稱頻率和上述電網頻率下限之間。(2) 電網處於低頻率偏移時期情況下，負載處於斷開狀態(在圖3A的右邊部分 示出)。目標頻率將隨機地處在電網頻率上限(電網頻率上限的選擇在下文論述)和 中心頻率(不同於標稱頻率)之間。(3) 電網處於高頻率偏移時期(中心頻率高於標稱頻率)情況下，負載處於斷 開狀態(在圖3B的左邊部分示出)。目標頻率將隨機地處在電網頻率上限和電網標 稱頻率之間。(4) 電網處於高頻率偏移時期(中心頻率高於標稱頻率)情況下，負載處於接 入狀態(在圖3B的右邊部分示出)。目標頻率將處在電網頻率下限和中心頻率值之 間。圖3A到圖3B顯示了頻率在上述四個區域中的每個內的示例位置。這些圖也顯示 了觸發頻率，在該觸發頻率點上，電網頻率將觸發使特定的接入的設備斷開，或觸發 使特定的斷開的設備接入。圖3A到圖3B顯示，觸發頻率與隨機的目標頻率在相同的 頻率範圍內。如圖3A到圖3B所示，設備的目標頻率對觸發頻率曲線的形狀有決定作用。這樣， 目標頻率的隨機化效果就被帶入到觸發頻率中。在本發明的控制設備的優選實施例中， 一旦為特定設備計算了高目標頻率或低目 標頻率，設備特定的觸發頻率就需要被計算。當設備是接入的，只有低目標頻率是相 關的，而當設備是斷開的，只有髙目標頻率是相關的。從特定目標頻率的值，可以得 到函數的形式。這個函數是不同的，不僅僅依賴於設備的目標頻率，也依賴於設備是 處於接入狀態還是斷開狀態。從這個函數，使用物理變量的當前值，可以得到設備的 當前觸發頻率。通過將電網頻率與觸發頻率相比較，這個觸發頻率對設備是接入還是 斷開起決定作用。圖3A到圖3B所示的觸發頻率的值由下述方式來計算。下述的比例，代表電能存 儲接近它最大值或者最小值的程度，是最大值還是最小值，是由設備是處於接入還是 斷開狀態決定的。這個比例優選地是U或t。rf,計算過程如下(1) 如果比例小於0.5,那麼(也就是說，負載切換持續的時間是否小於負載 達到電能存儲的最大值或最小值的時間的50% )(2) "偏移"=(目標頻率-"起始點")x比例這裡，起始點對接入的設備來說，是頻率下限，而對斷開的設備來說，是頻率上 限。這樣，(目標頻率-起始點)是頻率上限或頻率下限與目標頻率之間的差。由於 這個比例總是在0到0.5之間(如步驟(1)所述)，這個差由於比例項的作用而變 小。這樣，在這一步驟裡，檢測到的物理變量的值和目標頻率一樣，影響觸發頻率。(3) 觸發頻率=起始點+偏移這樣，對於接入的設備，觸發頻率是從頻率下限的偏移，而對於斷開的設備，觸 發頻率是從頻率上限的偏移。(4) 如果比例大於或等於0. 5,那麼(也就是說，負載接入或斷開持續的時間 是否超過到其固有切換點時間的一半以上？如果是逸樣，負載需要被操作在切換概率 高的區域)。(5) 偏移=("結東點"-目標頻率)x比例這裡，結東點是在低頻率偏移時期斷開的設備和在高頻率偏移時期接入的設備的 中心頻率，是在高頻率偏移時期接入的設備和在低頻率偏移時期斷開的設備的標稱頻 率。這個偏移是目標頻率與結東點之間的差值乘上比例。由於該比例總是在0. 5到1 之間，偏移將處於這個差值的一半和這個差值之間。此外，這一步驟顯示，設備接入 或斷開的時間和目標頻率都影響偏移的值。(6) 觸發頻率=目標頻率+偏移這樣，觸發頻率處在目標頻率和中心頻率或標稱頻率之間。 下面將描述圖3A所示的具有觸發頻率曲線的負載控制設備。 在低頻率偏移時期，如圖3A所示，中心頻率在標稱頻率和電網頻率下限之間。在這樣的低頻率偏移時期，最希望的行為是接入的設備趨向於斷開，以最後將系統頻 率帶回到電網的標稱頻率。圖3A顯示負載的變化過程，負載一開始處於接入的狀態，此時電網處於低頻率 偏移時期。電量狀態的軌跡1(左邊坐標)顯示，電能狀態從最小電能狀態向最大電 能狀態變化。如果沒有響應提供，負載將在最大電能狀態從其極限設置斷開，然後電 能狀態將從最大電能狀態向最小電能狀態變化。對於電網頻率和負載物理變量的每個讀數，中心頻率被重新計算。為了清晰起見， 圖示顯示了固定的中心頻率，但實際上，它是隨著電網狀態而變化的。當設備是接入的，用低頻率隨機數2計算用於斷開設備的目標頻率。這將存在於 圖示(圖3A)的左邊所示的範圍3中，在該狀態中，選擇位於頻率下限和標稱頻率 之間。負載的物理變量被用於計算使設備斷開的觸發頻率4。這樣，接入的設備的觸 發頻率將考慮新的中心頻率和新的檢測到的負載物理變量。對於接入的設備來說，當 電網頻率低於目標斷開頻率時，那麼負荷將會被斷開。對於斷開的設備來說，當測得 的電網頻率高於接入觸發頻率時，那麼負荷將會被接入。當電網頻率變得低於觸發頻率5時，設備將會被斷開，電能軌跡將改變方向，即 使最大電能存儲狀態沒有達到。這樣有助於在不改變物理變量的極限的情況下，降低 存儲在設備中的平均電能。對於大量這樣的設備來說，這樣做的效果就是，提高了設 備總體的平均溫度。當設備已經被斷開時，其下一步的行為如圖3A右邊所示。如圖所示，工作周期 的一部分6被略去。在設備接入的目標頻率的選擇範圍在頻率上限和中心頻率之間的情況下，接入觸 發頻率的示例軌跡8如圖所示。如果中心頻率保持不變，那麼設備將不會被再次接入9直到電能狀態再次達到其最小值。根據圖3A,測得的電網頻率的任何偏離標稱頻率的變動，都將導致一些負載被 斷開。明顯地，電網頻率偏離標稱頻率越大，也就有越多數量的設備被逐漸斷開。而 且，可以看到，檢測到的電網頻率偏離標稱頻率越大，負載就趨向于越早在其接入工 作周期中被斷開。根據圖3A,中心頻率的任何變動，都將導致斷開的負載被接入。這樣，本發明 提供的觸發頻率阻止所有關於中心頻率的頻率變動。相同的討論也可以用於高頻率偏移時期，如圖3B所示。在所示實施例的操作中，上面描述的目標頻率所在的四個範圍，都可以在中心頻 率和頻率最大極限或頻率最小極限之間提供，而不是兩個範圍在電網標稱頻率和頻率 上限或頻率下限之間(如圖3A到圖3B中)。在這種控制設備的可選形式中，圖3A將被調整，使只有測得的頻率減小到中心頻率以下，將導致負載被斷開(而不是減小 到中心頻率以下和增加到中心頻率以上直到標稱頻率，如圖所示)。這將仍然提供所期望的響應，由於頻率的減小意味著太多的負荷，所以，設備被斷開。同樣的，圖 3B的曲線可以被修改，所以只有在頻率增加到中心頻率以上，將導致斷開的設備被 接入(而不是增加到中心頻率以上以及減小到中心頻率以下直到標稱值，如圖所示)。 這種修改了的形式也將仍然提供所期望的響應，由於頻率的增加代表著發電量的增 加，這需要通過接入負載來消粍這部分增加的發電量。根據圖3A,在低頻率偏移時期，如果當前系統頻率降至中心頻率以下，那麼斷開的設備不能被接入，由於沒有觸發頻率在這個點以下。斷開了的設備被接入的唯一的方法是，只要負載物理變量達到了它的下限。這樣，從圖3A中可以確定，在頻率 減小到中心頻率以下的情況下，只能由接入的設備被斷開來提供響應，這正是補償造 成的頻率下降過多負荷所要求的響應。再次參考圖3B,在頻率上升到中心頻率以上的時期，斷開的設備開始被接入是 所期望的。根據圖3B,這個行為被提供。圖3B也顯示了通過使設備的觸發頻率最接 近中心頻率，這些設備接近固有接入點是如何有利的。這個圖也顯示了斷開的設備總 體的觸發頻率是如何分布在中心頻率和頻率上限之間的，因而能提供漸進地頻率響應 行為。有這樣一種可能就是，電網頻率在接近中心頻率的很小的頻率範圍內重複地上升 和下降。在這種情況下，那些對這個頻率範圍內的頻率敏感的設備總體將被耗盡。也 就說，當頻率降低時，最敏感的設備將被斷開，而當頻率上升時，那些最敏感的設備 將被接入。以這樣的方式切換的設備將變得無法提供更多的響應，直到它們完成它們 工作周期剩下的部分。在適當的時候，隨著設備接近它們的工作周期中的狀態，敏感 設備的總數將被恢復，這個工作周期通過設備提供的響應可能被縮短，這樣設備將再 次可以被切換。目標頻率所選擇的範圍將影響耗盡了的頻率區被補充的速度。目標頻率範圍包括 被耗盡的敏感設備的頻率區，增加了從接近敏感點的設備總數中補充耗盡了的頻率區 的速度。增加的補充通過在較寬的頻率範圍內分散耗盡來實現，這個頻率範圍不是當前電 網所經歷的。當這確實減小了所有仍然有效的響應時，這適當地反映出用盡由大量電 冰箱提供的有限響應的物理事實。儘管看起來，在標稱頻率和中心頻率之間有一個區域，在這個區域中，接入的設 備和斷開的設備的行為看起來是彼此交疊並從而無效，在實踐中，這些行為實際上不 會同時發生，它們被用於電網頻率改變方向和阻止頻率較小的上升和下降變化的時間 分開。當電網頻率經過耗盡的區域，響應有效的程度將會變小，所以，減緩頻率變化的 負載的改變也趨向於變小。這個趨勢使得頻率成為，電冰箱總體從電網中借取電能和 給予電網電量的程度的較準確的指示，這個趨勢也是所希望的行為。從圖3A中可以看到，當測得的電網頻率增加到中心頻率以上時，根據圖3A,斷 開的負載將會接入。只有當頻率再次降低時，接入的設備將會被關閉，由於仍有一定 數量的設備，它們的觸發斷開頻率在中心頻率和標稱頻率之間。這意味著，當電網頻 率低於中心頻率變化時，將導致只有接入的設備被斷開(除了斷開的設備已經達到了 它們的負載物理變量的最小極限)，對於電網頻率高於中心頻率變化的響應，是由斷 開的設備被接入提供的，如所期望的那樣使電網頻率的變化穩定。對於與圖3B所給出的低頻率偏移時期類似的討論可對稱地應用到中心頻率的高頻率偏移時期(高於標稱頻率)在真實的電網中，隨著負荷和發電量變化，在高頻率偏移時期和低頻率偏移時期 之間變化，在每個狀態中，電冰箱的總數將是動態的，電冰箱個體的行為較少由這些 描述確定。控制設備使用最大頻率極限和最小頻率極限，以確定目標頻率和觸發頻率應該分 布的範圍。這些頻率極限可以根據電網的頻率行為的過去經驗來確定，或者依賴於確 定使用的電網在安裝時就設置這些頻率極限。例如，在美國，電網頻率規定被保持在電網標稱頻率±0. 5。/。的範圍內，也就是說， 電網頻率始終在59. 7赫茲和60. 3赫茲之間。這是在美國電網中運行的控制設備的缺 省值。這些預設值可以被設置或者根據設備在電網中的經驗而自我優化。自我優化的 控制設備提供頻率極限的可能性將被討論。本發明的控制設備優選地具有與電網相關的一些參數的預設設置，這些參數是希 望被釆用的。從圖3A到圖3B可以看出，如果電網頻率超出電網的最大或最小頻率範 圍，所有的設備都將處於相同的切換狀態，也就是接入或者斷開狀態。負載不再提供 進一步的電網響應。這樣，仔細和正確地執行頻率極限的自我調整就變得非常重要了。理想地，頻率的控制極限被選在剛超出電網所能容忍的頻率偏移。然而，這也是 期望的，以保持相當低的電網頻率變化的速率。本發明的電網響應控制設備所採用的 方法是平衡這些需求，以監視電網所經歷的頻率極端，並用這些經驗去調整存儲的電 網頻率極限。使用兩個核心的調整過程。首先，在頻率偏移期，如果頻率所經歷的極值比當前使用的頻率極限大，那麼， 在下一個偏移期內，這個極值將被設為新的頻率極限。所以，在具有較大的頻率變化 的電網上，電網響應控制設備將調整分布其服務覆蓋電網頻率所能經歷的整個範圍。 電網響應控制設備有能力分析導致出現極值的事件，並能用這種能力緩衝頻率極限擴 大的程度。在第二個過程中，如果在一段時期內頻率所經歷的極值小於當前存儲的頻率極 限，那麼頻率極限將被調整為靠近這個所經歷的頻率極值。然而，響應控制負載將僅 用頻率極值和頻率極限的差乘以較小的比例來使頻率極限靠近所經歷的頻率極值。用 這種方式，在頻率極限明顯變窄之前，將用許多周期來調整。極限變窄的趨勢也會通過忽略所有在所存儲的頻率極限以外的偏移期比定義的時期(例如在幾分鐘內)短而 被克服。所以，如果設備經歷了比它預設情況所預期的多的極值頻率，它將快速地擴展它 的行為以適應這種情況。在另一方面，如果電網比它預設情況所預期的更穩定，它將 僅僅緩慢地朝較窄的極限變化，如果電網行為再次變得較不穩定時，仍將快速地反應。而且，這種極限度具有餘度，即所謂的罕見事件餘度，這樣，電網響應控制負載 將假定，最大的頻率偏移是不罕見的，所以，實際選擇的頻率極限被調整到以提供與 罕見事件餘度成比例的空閒容量。罕見事件餘度可以在製造時以兩種方式提供。當經歷正常的電網頻率極值時，罕見事件餘度可以被設置成小於1,意味著將沒 有電網響應行為。這是因為罕見事件餘度將定義控制設備的頻率極限在電網的頻率極 值內。在電網中，電網的頻率響應行為主要由火力發電設備而不是負載來提供，豐富 的排放好處可以通過將罕見事件餘度設為小於1實現。可選地，罕見事件餘度也可以被設置為大於1。這樣，電網響應控制設備將調整 它自己，以使甚至在電網的極端情況下，仍然對異常事件有餘度。當本發明的電網響 應控制設備是主要電網響應行為的提供者時，這模式是非常重要的，因為一些電網響 應行為在電網的所有狀態下都是需要的。這樣，小於1的罕見事件餘度將被用於電網響應控制設備的實現的早期階段，且 隨著數量的增多，大於1的罕見事件餘度將變成正常的標準。小於1的罕見事件餘度的排放好處增加，因為在負載端提供響應將不會對排放產 生任何影響，無論是二氧化碳還是其他汙染物。這與在電力供應端提供響應相反，在 供應端，發電設備將不得不運行在比其最大發電能力低的水平上，並能運行在頻繁的 動態變化下(使效率和汙染控制困難)。為了下結論，當極值頻率和罕見事件發生時，本發明的電網響應控制設備需要對 "罕見"進行定義。極端的電網事件，包括發電設備失效或者重要的傳輸線失效。這 樣的事件是最不可能發生的，而且也是大於1的罕見事件餘度打算覆蓋的事件。在另 一方面，如果短暫的高峰負荷發生，例如在冬天裡的電視的中斷，沒有被極端頻率極 限覆蓋，那麼極限將被有效地調整以覆蓋這樣的事件，此為電力緊張的指示，但不是 罕見的失效。一天或一周內不同的變化時期有不同的頻率控制極限也是值得考慮的事情(許多 電網使用半小時作為測量的分界線，這裡，這將很有用)。在電力需求快速改變時， 極限的範圍有時可以變得更寬，如前面定義的緊張狀態函數(h)所指示。最小電力 需求的時刻或電網的低緊張狀態下，可以有較窄的頻率控制極限範圍。在一天裡面電 網最有可能處於緊張狀態的時刻，可以通過對電網過去的經歷狀況的學習而得來'而 頻率控制設備需要被加寬的時間間隔，可以由控制設備記時。然而，因此，控制設備 將不用訪問外部時鐘，這種調整在電力被斷開時需要被廢棄。從整體上來看，本發明提供電網頻率響應控制設備，以最小化負荷的斷開，阻止 所有關於當前頻率的歷史移動平均值的頻率變化，並使系統頻率向標稱頻率偏移一定 程度。這樣，電網被穩定，負載的過度工作被防止。還提供乾淨的頻率信號，其噪聲 較少，更平穩，且逐漸地，連續地向理想的電網標稱頻率偏移。如上所述，在接入和斷開狀態之間切換負載的電能消耗，是通過直接控制負載的 電能消耗設備來實現的。然而，本發明的另一實施例調整負載參數的設定點或負載參 數的控制極限。在這種方式下，負載將調整其電能消耗以保持檢測到的負載物理變量 在控制極限內。在電冰箱的例子中，當測得的頻率是電冰箱應該被接入的頻率，控制極限可以被 移動到電冰箱製冷空間內當前的溫度以下。這樣，電冰箱的控制機制將檢測到溫度太 高，並通過將電冰箱的製冷方式切換到接入的狀態以響應。這種反方向移動控制極限 可以在測得的頻率是電冰箱應該斷開的頻率時被執行。除了調整控制極限，設定點本身也可以被本發明的控制設備調整。負載的控制機 制自身將接收到新的設定點，並得出新的控制限度。控制設備以這種方式控制設定點或控制極限是有利的。這樣，控制設備將不需要 被集成進負載的控制電路，可以能夠直接與負載的電能消耗裝置通信。相反，它僅需 要提供中心信號到負載的控制電路，電能消耗的變化以正常方式實現。回到前面討論的優選實施例，電網響應控制是通過接入或斷開電能消耗來實現 的。然而， 一些負載，通過調整電能消耗的水平控制負載物理變量在控制極限內。這 樣，負載可以被控制在負載存儲的電能增加的第一狀態和負載存儲的電能減小的第二 狀態之間，如前面所討論的。下面將用以這樣連續地控制電能消耗來維持製冷空間內 的溫度在控制極限內的電冰箱為例，描述本發明的控制設備的示例實施例。純粹的溫度控制器很容易變成經典的三項控制器，其參數影響從影響功率的設定 點變化的程度。典型地，這是比例誤差(現在誤差有多大)；積分誤差(長時間累積 的較小誤差)，和微分誤差(如果誤差在快速地減小，則其過調量是最小的)。現有 的三項控制器如PID控制器，儘管，事實上，控制可以不包括所有的三項，這樣要簡單許多。通常，PID控制器實際上驅動電動機功率控制器，該電動機功率控制器接下來驅 動電動機控制器的電力電子，然後驅動電動機或者負載。圖6給出了更多細節-手動控制器提供輸入到設定點控制器，設定點控制器以合適地形式提供設定點 信號到PID控制器。PID控制器也接受被控制的變量的當前狀態做為輸入，所以，在 電冰箱的例子中，物理變量應該為溫度。-PID控制器的輸出是，所希望的電動機功率水平。這個功率水平視為可以適合 保持控制的物理變量在其設定點。-這個所希望的功率水平經常被其他控制器使用，以調整傳給電動機的實際的功率，因為實際功率改變的速率也許比所希望的設定點所能改變的速率慢。所以，可以 實現其他的反饋控制，以確保(電子)電動機控制器被設置得儘可能地精確。描述了在這樣的負載中實現本發明的控制設備的所希望的電網響應服務的兩種 方法。在特定實施例中，這兩種方法的一種或全部可以被使用。設定點修改方法，如上面所述，通過修改被PID控制器所使用的設定點或控制極 限，影響設備消耗的功率。這樣，在電冰箱裡，頻率越低，溫度設定點就越低(也就 是說，增加存儲的電能)，頻率越高，溫度設定點就越髙(也就是說，減小存儲的電 能)。更普遍地，設備希望實現，頻率越低，存儲的內部電能就越多，如負載物理變 量所指示。圖6A顯示的方塊圖，略述了所提出的控制設備。至於常規的控制器，手動輸入 被使用以為PID定義正常的設定點。對於這個控制器，這設定了當實際頻率達到中心 頻率時將要應用的內部電能目標水平。也就是說，當不需要其他控制加在頻率上時應 用。在這個控制器中，設定點調整頻率函數將對設定點控制器提供調整。這個信號被 縮放使當它是在其最大正值時，內部電能水平設定點被設置到最高的允許值；當它 是零值時，內部電能水平設定點被設置為手動控制；且當它是在其最大負值時，內部 電能水平設定點被設置到最低的允許值。設定點調整頻率函數有兩個輸入1. 中心頻率，由上面描述得來。2. 測得的頻率的當前值。在其最簡化時，設定點調整頻率函數可以通過比較兩個頻率，乘以一個參數，然 後將結果作為輸入傳給設定點控制器運行。這種簡單的方法的缺點涉及到可能性，如果使頻率變化相關於設定點變化的PID 的參數和這個函數(或簡單的乘法器)，不是特別為特定的電網的特定的環境來調整 的，那麼這就存在這樣一種可能性，即冰箱的總體將高估或低估要達到穩定的輸出的 變化。在糾正這個改變的過程中，設備將導致頻率發生振蕩。這樣的振蕩(由小信號穩定性的損失引起)，確實有時在現有的電網中發生，而 且，如果不早點發現和糾正，將導致非常嚴重的後果。當檢測到後，糾正的常規方法 是重新配置電網和發電機量，所以振蕩的特定頻率不再共振(適當地撞擊和故障方 法)。這可以通過返還一些參與振蕩的大型發電機的控制器來解決。分析電網，以檢 測，糾正和重新調整控制，對信息和計算能力提出了要求。然而，將來的電網，有非常多的本發明的電網響應控制設備，不可能很容易地故 意去重新配置(這可能當振蕩觸發失效時意外地發生)。因此，在自動控制系統中，包含對設備總體中間的響應具有差異性敏感的元素是 重要的。有了這樣的差異性，響應將平滑地從最敏感設備向著敏感最小的設備改變，所以使隨著從標稱頻率偏移來改變單調的負荷。下面將通過在設定點控制中加入概率元素，來描述這種差異性的實現。 控制器使用兩個隨機數，如上面描述的那樣選擇， 一個用於低頻率，另一個用於高頻率。如果當前頻率低於中心頻率，那麼設定點調整函數將1. 算出頻率差的負值(例如，當前頻率-中心頻率)。2. 使這個值與控制器將要運行的整個頻率範圍(最小頻率到標稱頻率)成比例。3. 將這個值乘以低頻率隨機數。4. 將結果乘以定義系統敏感度的敏感性參數。5. 將此結果傳給設定點控制器，後者將用此數據調整設定點，降低電能水平。如果實際的頻率高於中心頻率，那麼這個過程將相同，但使用高頻率隨機數，也 可以使用不同的敏感性參數。敏感性參數將根據希望的電網行為被設置，也可以根據設備的使用經驗被調整。一種用於PID控制器修改設定點的替代方法是，輸出響應PID控制器，該控制器 調整PID控制器的正常輸出以修改設備隨著頻率消耗的實際電能。參考圖6B, PID控制器的輸出，被電動機功率控制器所使用，以增加或者減小電動機消耗的功率。如果中心頻率與實際頻率相同，電動機功率控制器的行為繼續正常運作，以保持控制變量在控制極限內。圖6B顯示的方塊圖概述了使用PID可控負載的控制設備的運行。 如果中心頻率和實際頻率是不同的，那麼增加或減少電動機的功率水平是通過來自輸出調整頻率函數的信號來修改的。這些信號被歸一化以反映設備運行的範圍，四種可能的控制行為分別如下所述1. 如果PID控制器的信號是用於電動機功率水平的增加，同時實際頻率高於中 心頻率的。所希望的兩個控制信號都是同方向的。這種情況下輸出調整頻率函數將增 大PID控制器所要求的功率水平的增加。計算如下調整的功率輸出水平增加-PID輸出功率水平增加+ (PID輸出功率水平增加x 高頻率隨機數x高頻率增加參數x (實際頻率-中心頻率))。2. 如果PID控制器的信號是用於電動機功率水平的增加，同時實際頻率低於中 心頻率的。這種情況下所希望的兩個控制信號都是相反的。這種情況下輸出調整頻率 函數將減小PID控制器所要求的功率水平的增加。計算如下調整的功率輸出水平增加-PID輸出功率水平增加-(PID輸出功率水平增加x 低頻率隨機數x低頻率減小參數x (中心頻率-實際頻率))。3. 如果PID控制器的信號是用於電動機功率水平的減小，同時實際頻率低於中 心頻率的。所希望的兩個控制信號都是同方向的。這種情況下調整的輸出調整頻率函數將增大PID控制器所要求的功率水平的增加。計算如下調整的功率輸出水平減小-PID輸出功率水平減小+ (PID輸出功率水平減小x 低頻率隨機數x低頻率減小參數x (實際頻率-中心頻率))。4.如果PID控制器的信號是用於電動機功率水平的減小，同時實際頻率高於中 心頻率的。這種情況下所希望的兩個控制信號都是相反的。這種情況下調整的輸出調 整頻率函數將減小PID控制器所要求的功率水平的減小。調整的功率輸出水平減小-PID輸出功率水平減小-(PID輸出功率水平減小x 髙頻率隨機數x高頻率減小參數x (中心頻率-實際頻率))。四個參數高頻率增加參數，低頻率增加參數，低頻率減小參數，高頻率增加參 數，根據所希望的電網響應來設定，也可以由控制器根據實際的電網經驗值來調整。有許多負載中斷或改變電能消耗以控制物理變量在控制極限內的例子。此外，有 許多設備可以從中收益，如果它們運行在比那些目前討論的工作周期長的周期中。供 水工業的一個例子是，"蓄水池模型(reservoir profiling)"。這在當例如蓄水 池有能力足夠滿足一天或更長時期內的需求，以跨越至少一個"非高峰"價格時期時 被使用。在這樣的情況下，當對電力需求高時，讓蓄水池放空到優選的水面高度以下，而 當電費較低時，補償水面高度是可能的。所以，舉個例子，在早上電力需求的高峰期 時，也對應於用水量的高峰期，通過推遲蓄水池的水的補充，直到電力需求降低，是 可以實現耗電節約的。然而，蓄水池的補充的間歇性質，使得使用電網響應控制設備是 一個理想的選擇。控制設備的現有例子利用價格參數以提供電網響應控制。電力的當前價格，像頻 率一樣，也代表著電網負荷與發電量的平衡關係。檢測和使用實時電力價格在GB 2407947專利中討論了 。然後在控制極限或設定點控制器中使用價格，以調整負載物理變量的控制極限。 該原理是，當價格升高時，用於內部電能存儲的極限(或設定點)被降低，而當 價格下降時，用於內部電能存儲的極限(或設定點)升高。 使用 一種將極限選為與價格成比例的簡單的比例控制。對此的優化是，用價格來修改極限的"變化率"。所以，如果價格較高，或高於 所付價格設置的閾值，那麼(內部電能的)極限減小的速率被增加。這個極限被阻止 超過由搡作和安全要求設定的極值。同樣的，如果價格較低，或低於所付價格設定的闃值，那麼(內部電能的)極限 增加的速率被增加。理想的調整是使大量這樣的負載在所有的時間都能提供高頻率響應和低頻率響 應兩者，但也能通過最小化電力的消耗從長期存儲中受益。本發明也提供了黑啟動輔助功能，這個功能允許電能存儲負載，在停電發生後，黑啟動過程中提供電網響應行為。如前面提到的，電網在這個時期是特別的敏感，且 電網頻率響應負載是需要的，以確保在這個非常重要的點上的電網穩定性，也加速了 電網的恢復過程。這樣，依照第五個方面，本發明提供控制電網中負載電能消粍的控制設備，所述 的控制設備由以下組成通過在控制設備上電後隨機產生的時間值延遲所述負載的電能消粍的開始的裝置。第五個方面的相應方法，在本發明的第六個方面中提供。依照第七個方面，本發明提供控制電網中負載電能消耗以將負載的物理變量保持 在上下限之間的控制設備，所述的控制設備由以下組成 檢測負載物理變量的裝置；提供所檢測到的負載物理變量的上下限的裝置；和在控制設備上電後，以小於負載最大的電能消耗的速率，增加所檢測到的物理變 量的上限和/或下限的裝置。第七個方面的相應方法，由本發明的第八個方面提供。本發明涉及黑啟動模式的方面的功能，可以組合起來提供一種特別有利的控制設 備。它們可以與現有技術中的頻率響應控制設備或上文中提到的頻率響應控制設備一 起使用，特別是和以前所述的方面和本發明優選的方面組合在一起。本發明的黑啟動 輔助(BSA)方面下面將更詳細地描述。當負載掉電時，這可以歸結為負載電力被切斷或者停電。本發明的控制設備適用 於識別這種可能性。在這樣的情況下，電網是脆弱的，所以希望設備能1)，儘快地開始提供髙頻率響應和低頻率響應；2),避免與其他電網響應控制設 備同步地提供響應；3),使檢測到的電能存儲負載的物理變量重新位於其最大極限和 最小極限內。因為，停電可能已經使檢測到的負載的物理變量超出了它的控制極限， 一點時間上的延遲使負載重新進入其優選的運行範圍，通常比保持恢復電網穩定的優 先級要低。本發明的控制設備提供黑啟動輔助(BSA)模式提升電力以在負載重新連入電網 的過程中幫助恢復電網。在BSA模式的一個方面，電網響應控制設備確定開始前的隨機延遲。這個延遲可 以既能在電力恢復的時候防止高峰負荷上升，由於只要電網被切部分被重新接入，所 有的負荷同時處於接入狀態，又能儘可能快地最小化控制設備同步(最大化差異性)。 在黑啟動模式下的重新接入後的啟動中的隨機延遲，將提供停電後電網負荷的逐漸增 加。在重新接入的時候，常規的電冰箱將為電能存儲負載設置100%的接入工作周期，直到檢測到的負載的物理變量達到其最大控制極限(y_)並將立即斷開。然而，在 本發明的第二個有利的方面，響應是由負載提供的，即使當此負載以加速的速率操作， 使負載重新設置在其優選的運行參數中。根據BSA的這個第二個有利的方面，負載被逐漸地處於其較合適的工況，也就是 說，當檢測到的物理變量是在負載物理變量的控制極限內，保持在某個工作周期內。 在這個漸進的過程中，工作周期的提供允許一些響應被提供，從而幫助黑啟動。為了 加速負載進入其合適的工況，檢測到的電能存儲負載物理變量的極限必須被增加。這 樣，工作周期適用於使設備運行在比正常運行時長的接入狀態。控制負載，雖然它確 實也保持工作周期。達到這個目的一種示例方法，如下所述。第一步是選擇設備將要達到其合適的工況的時間。這是某一時間因數(大於1), 負載如果不被中斷，將達到合適的工況。這個因數將在黑啟動過程中提供沒有負載的 時期。以這種方式，負載可以根據低頻率被斷開或根據高頻率被接入。這樣，負載能 在其控制極限逐漸升高的過程中提供響應。這個因數可以是，例如，期望的總體工作 周期與期望的工作周期中負載接入的時間部分的比值。在當前處於環境溫度的電冰箱的例子中，由於最近的停電，正常情況下，達到最 高溫度極限，即0攝氏度的100%的接入的工作周期時間需要30分鐘。使用因數2， 增加負載到其正常的運行溫度範圍的時間需要60分鐘。選擇的因數可以通過隨機化函數被更改，以增加負載控制設備的更多差異性。下一步是估計恢復正常運行所需要的接入時間。估計這個時間的一種方法是，正 常溫度變化推斷負載接入時間的一個單位，來確定負載需要從現在的電能存儲水平開 始接入多長時間。如果需要，所期望的接入時間的估計可以比線性的推斷更複雜。考慮到設備將處於接入狀態多長時間和恢復到所希望的水平所選擇的時期，電能 存儲目標水平改變的速率可以被確定下來。在經過隨機延遲後，電量下限被設置為檢測到的物理變量的當前值，而電能上限 被設為從下限的一定的偏移。設備被啟動，並進入正常頻率響應操作。根據選擇的電能存儲水平變化的速率，極限被增加。參考圖4和圖5，下面將給出，在單一的系統裡結合本發明的所有方面的優選實 施例的電網響應行為的搡作的概述。如圖5所示，優選地，電網響應控制器集成從電網中消耗電能的負載。當負載第 一次連入或接入電網中時，響應負載控制設備適用於確定當前電網的頻率。頻率的測 量是基於中央處理器的時鐘周期或響應控制設備的其他處理周期，或預先定義的一定 數量的這樣的循環來周期性地執行的。這些連續的頻率讀數將被累積起來用來計算電 網的中心頻率，在其他用途中，這對本發明的電網響應控制設備的操作來說是關鍵的。除了頻率測量，電網響應控制設備也要求檢測負載的物理變量。圖4顯示響應控制設備運行的各種狀態和狀態轉換。從圖4可以看出，電網響應控制設備優選地以黑啟動輔助模式啟動，如上所述。在這種方式下，所有最近接入電 網的負載都將從接入一開始就提供電網響應，如前面已經描述過了的，這對停電後是 特別有用的。作為本發明所提供的黑啟動輔助功能的一部分，控制設備將具有人工重啟動執行 器(如圖5所示)，如果人工重啟動執行器被啟動，其將使檢測到的負載物理變量， 被儘可能地快的帶回到正常控制極限範圍內。這樣，如果人工重啟動控制被啟動，那 麼黑啟動輔助模式將無效，負載將運行在最大電能消耗狀態，直到檢測到的物理變量 回到其控制極限內。這個功能是很有用的，因為在第一次使用或者被維修以後，負載 經常是簡單地被接入。在這些情況下，電網是相對穩定的，且根據電網的穩定性，在 啟動時期接入的設備在沒有響應時運行短暫時期，是不合理的。人工重啟動執行器可以是負載上提供的按鈕。這個按鈕應該被安裝在維修工程師 知道，但知道技術的負載的所有者並不方便去按動的位置。如果，這個人工重啟動按 鈕為許多負載的所有者所知，那麼本發明的電網響應控制設備的黑啟動輔助功能將無 效。一旦檢測到的負載的物理變量在其指定的控制極限內，電網的狀態將被確定，以 導出控制設備的操作模式。電網的狀態是由前面定義的h函數和測量得到的電網頻率 所確定，如圖5所示。如前面描述過的和圖4所顯示的，依賴於函數h的值，電網可 以處於高頻率危機狀態或低頻率危機狀態，高頻率緊張狀態或低頻率緊張狀態或正常 狀態。本發明的響應控制設備的一般的原理是，檢測到的物理變量的最大極限和最小極 限(ym， y in)依賴於控制設備的運行模式，概述如下。在黑啟動輔助模式期間，檢測到的物理變量的當前限度被設置在負載初始上電時 測量到的物理變量的值的附近。這個物理變量的初始黑啟動輔助極限的設置如圖5所 示。這些極限以預先定義的速率被增加，直到達到負載的正常運行的正常極限，如以 上較完整的描述。這是本發明的有利特徵，預先定義的極限增加速率使設備有某些工 作周期。這些工作周期將允許負載提供響應而不是讓設備連續地接入。在BSA模式下，極限總是增加的，除非在低頻率緊張狀態或低頻率危機狀態下， 在這些狀態下，極限被固定；或者在極限增加速率被增加時處在高頻率緊張狀態或髙 頻率危機狀態下。在低頻率緊張狀態或低頻率危機狀態下，電網的負荷太高，所以連 續增加響應負載的電能消耗是不合適的。在高頻率緊張狀態或高頻率危機狀態下，發 電量太大，所以增加極限增加的速率是有利的。在低頻率危機狀態下，負載物理變量的極限被減小，直到它們達到最小電能存儲 狀態(y-0)。減小的速率被選擇為近似為負載接入運行時間的一半，所以當極限朝 著0減小時沒，仍然有響應。在低頻率緊張狀態下，由負載的設定點確定的負載當前極限被固定以防止用戶調節設定點。對這種極限的固定有一種例外就是，在從低頻率危機狀態恢復的情況下， 在此期間，極限增加以將它們帶回到進入危機狀態以前的值。一旦在BSA後達到正常的運行狀態，檢測到的物理變量的極限，優選地依賴於電 網面臨著髙頻率緊張狀態，高頻率危機狀態，低頻率緊張狀態還是低頻率危機狀態來 控制。在高頻率緊張狀態或高頻率危機狀態下，斷開的設備優選地被接入以消耗過多 的發電量。這樣，y,的值優選地增加，這樣，接入的設備將保持接入更長一段時間， 而剛剛被接入的以前斷開的設備，因為高頻率而保持接入一段延長了的時間。在低頻 率緊張狀態或低頻率危機狀態下，與之相反，電網中有太多的負荷。這意味著檢測到的物理變量的下限(y in)被減小，以確保斷開的設備保持斷開一段延長了的時間。在高頻率危機狀態下，極限被增加，直到它達到最大電能存儲水平(y=i)。這 個增加被選擇為近似於負載工作周期中接入時間的一倍，以減小電能存儲水平，但仍 然保持一些響應。在高頻率緊張狀態下，檢測到的物理變量的最大極限和最小極限被固定，因為與 它們定在低頻率緊張狀態下被固定同樣的原因，以防止設定點的調整。對於防止這些 極限被改變有一個例外，就是當電網在從高頻率危機狀態或者低頻率危機狀態中恢復 時，當極限被很小地移動直到它們回到電網進入危機狀態以前的值。在高頻率危機狀態下或電網響應控制設備的黑啟動輔助模式下，極限的增加和在 低頻率危機狀態下，極限的減小，是本發明對於現有技術的另一新穎性和有利特徵的 例證。根據本發明，即使在罕見電網事件中， 一些電網響應行為仍然能被提供。這種 響應，在那些要恢復電網的穩定性的電網狀態中是特別有利的。圖4中所示的虛線示出，代表著電網的奇怪的行為的無效轉換。例如，直接從低 頻率危機狀態轉換到高頻率危機狀態是不可能發生的。通常，如果這樣的轉換確實發 生了，控制設備將選擇中間狀態以使電網響應控制設備的狀態轉換少一些突變。當檢測到的物理變量的最小極限和最大極限根據設備的運行模式而被改變時，觸 發頻率的確定如以前所描述的。唯一的不同是，根據運行模式，在這樣的設備的總體 中的平均溫度水平將被擴展到較大的溫度範圍內。這樣，在危機狀態模式中，負載物 理變量的極限(y^或ymin)將相對於正常運行模式下的極限被擴展。這將導致設備總 體在負載物理變量擴展的範圍內提供響應。參考圖5,—旦設備以黑啟動模式啟動，且一旦電網狀態被確定下來，目標頻率 和觸發頻率將使用調整後的y^和/或y^來計算，它們是根據電網狀態'測得的負載 物理變量的當前值進行調整的。測得電網頻率，負載物理變量，並得到測到的觸發以 使負載接入或斷開的頻率的值後，可以得出是否需要切換負載的決定。這個決定是通 過比較測得的電網頻率與觸發頻率，和比較檢測到的負載物理變量和檢測到的負載物理變量的當前極限而得來的。更多的步驟如圖5所示。這些步驟包括，捕獲涉及設備運行的數據，使用這些數據調整設備的運行。這種捕獲和調整已經在前面關於依賴於電網經驗提供並調整電網 頻率極限討論過。關於調整設備的更多可能性，將在下面討論。調整後的變量可以被 存儲和有利地重新使用。圖5也顯示了傳遞捕獲到的數據的可能性，這將在下面討論。本發明也包括如上所述具有某些改進的電網響應控制設備。這些改進是可選的特 徵，這些特徵可以對已經討論過的控制設備提供特別的改進。本發明的控制設備目的在於，防止電能存儲負載的快速切換，但仍然有一定的電 網狀態能導致過高的切換率，特別是當電網處於緊張狀態下時。這樣快的切換率也許， 在電冰箱的例子中，會使壓縮機無效甚至損壞。壓縮機的無效是由於在壓縮機被斷開 後，壓縮機內部的壓強被散去所需要的最小時間引起的。如果在這發生以前它又被接 入，則壓縮機內的高壓強不能被克服(它需要從運行著的泵的慣性的額外的推動)， 所以壓縮機將停止運轉。這將產生高電力負荷，散逸熱，把整個設備置於風險中。電 冰箱通常具有停止檢測器或熱量檢測器，可以從這樣的損壞中斷開電源以保護設備。本發明的響應控制設備可以包括滯後功能，這樣，接入或者斷開狀態都能保持最 小時間，這可以適合於設備而設定。這個滯後功能是一種備份，因為被偏置以最小化 切換的觸發頻率軌跡將阻止任何快速的切換。僅僅是在最極端的電網狀態下，切換率 將會變得過高，滯後功能才是需要的。本發明的電網響應控制設備將能夠運行而不需要任何額外的輸入，除了頻率和檢 測到的物理變量外。在電能存儲的整個過程中，電網響應控制設備是獨立的。為了達到這樣的獨立要求，本發明的電網響應控制設備優選地適用於能檢測電網 本身的標稱頻率(這個步驟如圖5所示)。如前面所描述的，對本發明來說，知道標 稱頻率是重要的，因此控制設備能偏移其頻率響應行為，以致於促使系統頻率回到標 稱頻率。本發明也利用了一些其他的電網特定設置，電網響應控制設備應能從其連接的電 網的過去經驗中確定這些設置，而不需要額外的輸入。另一個例子是，檢測電網頻率 的上下限，如前面所描述的。由於本發明上述的要求，電網響應控制設備適用於經過一系列測量後確定電網的 標稱頻率。對於每一次測量，都會查詢存儲在控制設備存儲器裡的"標準標稱頻率" 集，且最接近電網頻率測量值的標準標稱頻率被當作該次測量的標準頻率。 一旦在連 續的頻率測量中確定了相同的標準頻率，這個標準頻率的值就被選作電網的標稱頻 率。因此，本發明的響應控制要求保留可能的標稱頻率的列表，如，"赫茲，60赫 茲和400赫茲。本發明的控制設備也可被配置為，知道用來存儲從電網中得到的任何當前設置的 一定的預定時期。任何從電網過去的經驗中得來的參數都可以在相應的時間周期結東 的時候，被存儲進長時間非易失性存儲器。以這種方式，電網行為的關鍵特徵能被記錄在長時間存儲器上。這種能夠存儲和更新設備從電網的行為和負載的行為得到的數據的能力，是本發 明重要的特徵(如圖5所示)，因為特定負載很可能在電網間移動。例如，在丹麥， 負載不用在國家之間移動就可以切換電網。每一個電網的行為表現都不一樣，且電網 響應控制設備需要據此做出反應和調整。控制設備也需要調整自己與電網行為協調，因為電網行為可能隨著時間而發生改 變，特別是當越來越多的電網響應控制設備應用於電網中的電能存儲負載上。然而， 這種自我調整需要仔細地進行，否則將是沒有幫助的。例如， 一段連續時期內電網的 不穩定導致設備的自我調整，將損害設備在罕見的危機狀態時進行響應的能力。響應控制設備也需要根據負載的行為，調整它們的參數。例如，非常滿的電冰箱 不可能和幾乎是空的電冰箱以相同的方式進行響應。自我調整的能力目前被設想為包括最優化考慮所希望的工作周期時間的變化，根 據電網的經驗(如上面所討論的)，最優化最小頻率極限和最大頻率極限，並在參數 調整的過程中最優化歷史頻率特性的使用。如果負載正在從停電中恢復，保留停電事故前所達到的任何調整後的參數是所希 望的。這要求存儲調整後的參數和其他捕獲的數據，如圖5所示。然而，控制設備也 需要考慮到設備在第一次被接入時，沒有任何以前調整的參數可以恢復的情況。將要 運行的電網響應控制設備的一般的原則是，設備目的在於恢復較早的調整，除非設備 已經斷開時間太長，這不可能是停電或電網標稱頻率已經改變。可以使用一種硬體功能以確定是否設備已經斷開太久，超過了停電事故，例如漏電電容器，當它放電結東時，建議負載處於y^O的狀態。這樣，控制器具有一些裝置以確定負載是否因為停電被斷開，或者僅僅是因為用 戶斷開了它而被斷開。在這兩種情況下，恢復以前調整好了的參數是合適的。然而， 如果負載是第一次被接入，或被從一個電網切換到另一個電網，那麼，將不會加載來 自存儲器中以前確定的參數。從電網停電中恢復也有可能使大量連接到電網的負載的所有的數據捕獲時期變 得同步。當前設想的過程沒有精密地依靠不同時期，但電網行為因為同時相同的自我 調整而快速變化的可能性被消除，如果有的話。這樣，在設備初始接入時，本發明的 電網響應控制設備優選地適用於為設備所利用的任何時期選擇隨機的時間。本發明的響應控制設備經常利用設備預期被接入和斷開的時間，例如，在黑啟動 輔助模式或者高頻率危機狀態或低頻率危機狀態下，確定檢測到的物理變量控制極限 的增加率或減少率的時候。設備預期被接入和斷開的時間是負載預期從一個檢測到的 物理變量的值變化到另一個值的時間。對這個預期的時間的調整可以基於檢測到的負 載的物理變量是如何對特定電能消耗水平進行反應的經驗來進行。最優化負載對電能消耗的響應的一種方法，如下所述。在狀態的每一次變化後'也就是說，從接入狀態到斷開狀態切換或相反時，可以觀察到負載運行了多長時間， 和在那時檢測到的物理變量改變的程度。這些被觀察到的值可以被用於推斷估計特定 物理變量改變的預期接入的時間或預期斷開的時間。檢測到的物理變量隨著接入/斷 開時間如何變化依賴於它的當前使用。舉例來說，滿的程度或開啟的頻繁程度。預期 接入或斷開時間的計算可以例如在每個切換點進行。響應控制設備也可以利用對停留在接入狀態或斷開狀態的時間長短的預期。這可 以從上一個狀態的實際停留時間的移動平均值來確定。從頻率圖表的檢查來看，很清楚的是，不同電網在它們的頻率行為上具有實質的 差異。頻率變化的範圍是一個重要的方面，但這裡還有更細微的差異，如頻率波動的 趨勢，高於標稱頻率的頻率偏移時期的時間長度等等。這些特徵可以被用來修改一些 參數，如調整頻率極限變窄的速率這樣的參數。這樣，對於本發明的響應控制設備來 說，捕獲電網頻率行為中的信息是重要的，特別是在固有時間周期結東的時候，如頻 率偏移時期，特定電網狀態(正常，緊張或危機)時期，負載特定狀態結東(接入或 斷開)或者工作周期結束(控制控制設備的主要功能計時的處理器的一個周期)的時 候。所有捕獲到的信息可以作為調整響應控制設備的輸入，以優化響應控制設備所連 接的電網的運行。本發明的響應控制設備也可以包括某種形式的通信裝置，通信步驟如圖5所示， 這樣，收集的數據可以被傳輸出去。數據的傳輸通常由設備維護人員來完成。有效的 通信裝置，可以使響應控制設備的軟體或電網參數通過維護訪問進行更新。通信裝置 也使在負載的工作壽命內，捕獲電網行為測量值和負載對電網起作用成為可能>這樣, 負載對電網的價值的某些度量，也就能被確定。
權利要求
1.一種控制電網中的負載的電能消耗的控制設備，其特徵在於，所述控制設備包括在一段時期內檢測所述電網的物理變量的值的裝置，所述電網物理變量依賴於所述電網中發電量和負荷之間的關係而變化；從所述電網物理變量的值中，確定所述電網的物理變量的中心值的裝置；和改變所述負載的電能消耗的裝置，所述改變依賴於所述中心值。
2. 如權利要求l所述的控制設備，其特徵在於，包括 當所述檢測到的電網的物理變量的當前值達到觸發值時，改變所述負載的電能消耗的裝置；和確定所述觸發值的裝置，所述確定所述觸發值依賴於所述中心值。
3. 如權利要求2所述的控制設備，其特徵在於，所述確定所述觸發值的裝置包括，隨機地提供在確定的所述電網的物理變量的上限或下限和所述中心值之間 的所述觸發值的函數。
4. 如權利要求2或3所述的控制設備包括，其特徵在於，包括檢測所述負載的物理變量的值的裝置，所述負載物理變量代表所述負載所存儲的電能；所述確定所述觸發值還依賴於所述檢測到的負載物理變量。
5. —種控制電網中的負載的電能消耗的控制設備，其特徵在於，所述控制設 備包括檢測所述電網的物理變量的值的裝置，所述電網物理變量依賴於所述電網中 發電量和負荷之間的關係而變化；檢測所述負載的物理變量的值的裝置，所述負載物理變量代表著所述負載所存儲的電能；當所述電網物理變量的值達到觸發值時，改變所述負載的電能消耗的裝置；和確定所述觸發值的裝置，所述確定所述觸發值依賴於所述檢測到的負載物理 變量。
6. 如權利要求2到5中任何一個所述的控制設備，其特徵在於，所述改變所 述負載的電能消耗的裝置包括，比較所述觸發值和所述檢測到的電網物理變量的當前值的裝置。
7. 如權利要求2到5中任何一個所述的控制設備，其特徵在於，所述改變所 述負載的電能消耗的裝置被設置成改變所述負載的電能消粍以保持所述檢測到的 負載物理變量在控制極限之內，且還被設置成當所述電網物理變量的值達到所述 觸發值時，改變所述負載的電能消耗。
8. 如權利要求7所述的控制設備，當取決於權利要求4或5時，其特徵在於， 所述確定所述觸發值的裝置被設置成依賴於所述檢測到的負載物理變量和所述控 制極限來確定所述觸發值，以減小所述負載電能消耗的變化率。
9. 如權利要求7所述的控制設備，當取決於權利要求4或5時，其特徵在於, 所述確定所述觸發值的裝置包括，依賴於所述負載的物理變量，返回所述觸發值 的函數，所述函數定義隨著所述負載的物理變量而變化的觸發值曲線，所述觸發 值曲線顯示，所述負載的電能消耗改變得越多，所述觸發值也就離所述電網物理 變量的中心值越遠。
10. 如任何前述權利要求所述的控制設備，其特徵在於，所述檢測到的電網 物理變量是檢測到的所述電網的頻率。
11. 如任何前述權利要求所述的控制設備，其特徵在於，所述改變所述負載 的電能消耗的裝置被設定成通過在增加所述負載存儲的電能的第一狀態和減少所 述負載存儲的電能的第二狀態之間切換所述負載的電能消耗來改變所述負載的電 能消耗。
12. —種控制電網中的負載的電能消耗的控制設備，其特徵在於，所述控制 設備包括在所述控制設備初始上電以後，通過隨機產生的時間，延遲所述負載的電能 消耗的開始的裝置。
13. —種控制電網中的負載的電能消耗以保持所述負載的物理變量在上限和 下限內的控制設備，其特徵在於，所述控制設備包括檢測所述負載的物理變量的裝置；提供所述檢測到的負載物理變量的上限和下限的裝置；和 在所述控制設備初始上電以後，以小於所述負載的最大電能消耗的速率，增加所述檢測到的負載物理變量的上限和/或下限的裝置。
14. 一種控制電網中的負載的電能消耗的方法，其特徵在於，所述方法包括.-在一段時期內檢測所述電網的物理變量的值，所述電網物理變量依賴於所述電網中發電量和負荷之間的關係而變化；從所述電網物理變量的值中，確定所述電網物理變量的中心值；和 改變所述負載的電能消耗，所述變化依賴於所述中心值。
15. 如權利要求14所述的方法，其特徵在於，包括 當所述檢測到的電網物理變量的當前值達到觸發值時，改變所述負載的電能消耗；和確定所述觸發值，所述確定所述觸發值依賴於所述中心值。
16. 如權利要求15所述的方法，其特徵在於，所述確定所述觸發值包括，隨 機地提供在確定的所述電網的物理變量的上限或下限和所述中心值之間的所述觸 發值的函數。
17. 如權利要求15或16所述的方法，其特徵在於，包括檢測所述負載的物 理變量的值，所述負載物理變量代表所述負載存儲的電能；所述確定所述觸發值 還依賴於所述檢測到的負載物理變量。
18. —種控制電網中的負載的電能消耗的方法，其特徵在於，所述方法包括: 檢測所述電網的物理變量的值，所述電網物理變量依賴於所述電網中發電量和負荷之間的關係而改變；檢測所述負載的物理變量的值，所述負載的物理變量代表所述負載存儲的電能；當所述電網的物理變量的值達到觸發值時，改變所述負載的電能消耗；和 確定所述觸發值，所述確定所述觸發值依賴於所述檢測到的負載物理變量。
19. 如權利要求15到18中任何一個所述的方法，其特徵在於，所述改變所述負載的電能消耗包括，比較所述觸發值和所述檢測到的電網物理變量的當前值。
20. 如權利要求15到19中任何一個所述的方法，其特徵在於，所述改變所 述負載的電能消耗包括，改變所述負載的電能消耗以保持所述檢測到的負載物理 變量在控制極限之內，且還包括在所述電網物理變量的值達到所述觸發值時，改變所述負載的電能消耗。
21. 如權利要求20所述的方法，當取決於權利要求17或18時，其特徵在於, 所述確定所述觸發值包括，依賴於所述檢測到的負載物理變量和所述控制極限來 確定所述觸發值，以減小所述負載的電能消耗的變化率。
22. 如權利要求20所述的方法，當取決於權利要求17或18時，其特徵在於, 所述確定所述觸發值包括，依賴於所述負載的物理變量，通過定義隨著所述負載 物理變量變化而變化的觸發值曲線，返回所述觸發值，所述觸發值曲線顯示，所 述負載的電能消耗改變得越多，所述觸發值也就離所述電網物理變量的中心值越 遠。
23. 如權利要求14到22中任何一個所述的方法，其特徵在於，所述檢測到 的電網物理變量是檢測到的所述電網的頻率。
24. 如權利要求14到23中任何一個所述的方法，其特徵在於，所述改變所 述負載的電能消耗包括，通過在增加所述負載存儲的電能的第一狀態和減小所述 負載存儲的電能的第二狀態之間切換所述負載的電能消耗來改變所述負載的電能 消耗。
25. —種控制電網中的負載的電能消耗的方法，其特徵在於，所述方法包括 在所述控制設備初始上電以後，通過隨機產生的時間，延遲所述負載的電能消耗的開始。
26. —種控制電網中的負載的電能消耗以保持所述負載的物理變量在上限和 下限內的方法，其特徵在於，所述方法包括檢測所述負載的物理變量；提供所述檢測到的負載物理變量的上限和下限；和在所述控制設備初始上電以後，以小於所述負載的最大電能消耗的速率，增 加所述檢測到的負載物理變量的上限和/或下限。
全文摘要
一種對代表電網中發電量和負荷之間的平衡關係的物理變量進行響應的負載控制設備。該控制設備基於電網物理變量的當前值相對於該電網物理變量的中心值的變化，改變負載的電能消耗。該電網物理變量的中心值是由電網物理變量的過去讀數得來。該電網響應控制設備也考慮了從負載上一次改變其電能消耗到現在的時間，以確定是否應該提供電網物理變量負載控制。
文檔編號H02J3/14GK101238625SQ200680028738
公開日2008年8月6日 申請日期2006年6月1日 優先權日2005年6月3日
發明者大衛·赫斯特 申請人:響應負載有限公司