用于能量削減的系統和方法
【專利說明】用于能量削減的系統和方法
[0001]本申請涉及能量管理領域，并且更具體地，涉及用于管理電能削減的系統和方法。
[0002]燈、HVAC單元、計算機、手機、TV、廣播和其他電力消耗設備是我們生活的組成部分。對通常由公共事業公司通過電網提供的電力的需求隨著時間而變化。為了防止電力需求方面的突然的沖擊壓垮公用事業基礎設施和資源，電網上的負荷被監測和控制。術語負荷削減指的是響應于需求增加和/或供應降低而減少電網上的負荷的過程。
[0003]一般來說，公共事業公司已經建立并繼續擴大電基礎設施(電網)以滿足高峰需求，這會帶來更高的資本支出。此外，在短時間內產生額外功率的成本顯著更高，因為短期電功率的產生采用昂貴的技術。因此，為了減少高峰需求，公共事業公司通過與客戶的需求成比例地向他們更多地收費來鼓勵他們的客戶縮減高峰需求。
[0004]需求被定義為在時間間隔(例如，15或30分鐘的間隔)期間電被消耗的平均速率。需求是以千瓦(kW)測量的。針對時間間隔中的所有間隔(即一個月或過去的12月)的最大實際需求被稱為高峰需求。公用事業分配公司與商業客戶的高峰需求成比例地向商業客戶收費。客戶具有財務激勵以積極地管理他們的需求并削減不必要的負荷，以防止需求尖峰并避免更高的成本。
[0005]除了基于高峰需求收費以外，還基于以千瓦小時(kWHr)測量的實際的電的使用對客戶收費。電費根據一天中的時間和季節而改變。通常，公共事業公司在高峰時段或持續時間期間收取較高的費率，以及在非高峰時段或持續時間期間收取較低的費率。
[0006]與在非高峰時段期間使用的電力相比，商業實體為在高峰時段期間使用的電力交付大約1.5到2倍的費用。與在非高峰時段期間收取的價格相比，在尖峰電價(CPP)事件期間的電價可以高至17倍。因此，在高峰和CPP時段期間從電網削減負荷能顯著減小公司的能量成本。
[0007]在通常的商業企業中，配備電池的許多電子設備(例如膝上型電腦、服務器、PC、應急燈、出入口控制系統等)利用了大量的電能。例如，計算機、顯示設備和UPS (不間斷電源)可以占辦公裝備所用能量的40%至60%。通常的膝上型電腦消耗30瓦左右，通常的桌式計算機消耗100瓦左右。
[0008]除了照明以外，不管是日常開支還是任務，可約占商業建筑中消耗的電的37%。
[0009]因此，從電子(計算機、膝上型電腦等)裝備和電氣(照明)裝備花費的能量顯著地貢獻于消費者的運行成本，因為這些裝備通常在高費率時間(高峰時段)期間充分地操作。
[0010]此外，已經制定了某些國家和地方法律，其允許公共事業公司請求消費者減少他們的需求以防止電網超負荷。例如，ASHRAE 189.1要求建筑物具有至少10%的高峰電負荷減少能力。國際綠色建筑規范和加利福尼亞的Title 24-2008授權能夠減小照明功率消耗至少15%的需求響應照明控制系統。
[0011]用于負荷削減的一個策略是在高峰需求時段期間將空調單元上的溫度設置向上調節，以減少空調單元對電網施加的需求。替代性地，空調單元可以在高峰需求時段期間在指定的工作周期(其防止單元的持續運行)上操作，以減小空調單元對電網施加的需求。
[0012]類似地，在被請求減少需求的時段期間，可關閉日常照明。
[0013]然而，在這些時段期間活動的余下的電子和電裝備仍然顯著地貢獻于能量消耗和公司的成本。
[0014]因此，在行業中存在用于管理電子和/或電氣裝備的電能消耗以滿足規定的需求要求并降低操作成本的方法和系統的需要。
[0015]本發明的一個目的是提供用于管理能量削減以滿足需求響應請求并降低操作成本的方法和系統。
[0016]本發明的一個目的是提供用于管理能量削減同時不以妥協用戶舒適性和方便性為條件的方法和系統。
[0017]本發明的一個目的是提供用于通過智能的電池使用和再充電來管理能量削減以保證靈活性和便攜性被保留的方法和系統。
[0018]—般來說，電池/ UPS (不間斷電源)的主要目的是在緊急情況期間供應電力以及能夠實現便攜性。根據本發明的原理，電池和UPS可在短的持續時間上用于負荷削減，同時保留足夠的充電水平以滿足其主要目的。相應地，只要電池的或UPS的電荷狀態(SoC)或容量保持在預留電荷之上，電池和/或UPS就用于負荷削減。預留電荷表示預留用于緊急情況和電池驅動事件的電池電荷的量。
[0019]根據本發明的原理，公開了用于管理能夠在電網和能量存儲電源上操作的設備中的負荷削減的方法。所述方法可以在處理器中操作，包括以下步驟:接收針對負荷削減的請求；確定是否履行針對負荷削減的請求；確定能量存儲電源中的容量是否在預留水平之上；以及當能量存儲電源中的容量至少處于預留水平或在預留水平之上時切換至所述能量存儲電源以供應能量。
[0020]在本發明的另一方面中，公開了用于管理負荷削減的系統。所述系統包括與存儲器通訊的處理器，該處理器包括代碼，當該代碼由處理器訪問時使得該處理器:接收針對負荷削減的請求；確定是否履行針對負荷削減的請求；確定能量存儲電源中的容量是否在預留水平之上；以及當所述能量存儲電源中的容量在所述預留水平之上時切換至能量存儲電源以供應能量至處理器。
[0021]當考慮結合附圖詳細描述的說明性實施例時，本發明的優點、性質和各種附加特征將更加充分地顯現，其中遍及附圖中，相同的附圖標記用于識別相同的元件:
圖1A圖示常規的電網網絡。
[0022]圖1B圖示常規的電子設備配置。
[0023]圖2圖示示例性的充電/放電曲線；
圖3圖示根據本發明原理的示例性過程的流程圖；
圖4圖示根據本發明原理的利用示例性電池充電曲線的圖；
圖5圖示根據本發明示例性實施例的能量削減管理的圖；
圖6圖示根據本發明原理的示例性設備配置；
圖7圖示根據本發明原理的第二示例性設備配置。
[0024]將理解的是，在此描述的本發明的附圖和描述已經被簡化來圖示對于清楚地理解本發明相關的元件，同時為了清晰的目的，去掉了許多其他的元件。然而，由于這些去掉的元件是本領域所公知的，并且由于它們不促進本發明更好的理解，所以在此沒有提供這樣的元件的討論和這樣的元件的說明。在此的公開也指向本領域技術人員所知的變型和修改。
[0025]圖1圖示包括多個電廠發電機110 (例如，煤炭，風，核，或組合)的常規電網系統100，發電機110向電網120提供電能。商業實體130和住宅實體140通過電氣子網絡或子電網112、114連接到電網120，以獲得被供應的電能為對應的實體內的設備供電。所提供的電能由電表150監測和計量。在每個實體130、140內，存在電氣網絡160，其包括一個或多個電氣設備170 (例如，燈、器具等)和電子設備180 (例如，計算機，膝上型電腦，計算機監視器，UPS，服務器，等)可連接到其上的多個連接、插孔或插座(未示出)。
[0026]參照圖1B，通常每個電子裝置180包括電池和存儲設備(例如，電能電源)186，其在設備從電網160斷開時向設備的處理元件提供電能。例如，膝上型電腦可包括電池(或能量存儲設備)186，其儲存由電網160提供的電能，并且當電網160不向電子設備180提供電能時將電能釋放到電子設備(例如，膝上型計算機)180的處理元件187、188、189。電子設備的處理元件可以包括連接到處理器188的顯示器187、存儲器189。
[0027]還圖示了將由電網160提供的交流電壓轉換為將由設備180使用的基本穩定的電壓(或直流)的AC至DC轉換器184。與直流相關的電壓可提供給充電電路182，其對電池186提供電荷以維持電池186基本上處于滿電荷。比較器185接收來自AC至DC轉換器184和電池186的電壓，并且確定哪個電源將向設備180 (例如，顯示器187，處理器188，和存儲器189)的部件提供電能。
[0028]盡管圖1B圖示了確定是將來自電池186還是AC至DC轉換器184的電壓施加到處理器188的比較器185，但是，例如將領會到的是，比較器185僅是可以確定兩個輸入電壓中的較大者和將兩個輸入電壓中較大者施加到處理器188的設備的邏輯表示。替代性地，比較器185可以由周期性地采樣電池186 (即儲電電源)和AC至DC轉換器184的DC輸出電壓的采樣電路(未示出)表示。然后，采樣電路的結果可以施加到將兩個DC輸出電壓中的較大者施加到處理器188的比較器185。在進一步替代性的實施例中，比較器的輸出可以被施加到將存儲設備186和AC至DC轉換器中的較大的電壓施加到處理器188的開關(未示出)。
[0029]可再充電鋰離子電池是用于便攜式電子設備的最流行類型的電池之一，具有最佳的能量重量比、沒有存儲效應、和在不使用時電荷的緩慢損失中的一個。雖然，在此作為能量儲存設備的例子討論了鋰離子電池，但是其他類型的能量存儲設備(例如，鎳鎘，鎳金屬氫化物)也被認為在本發明的范圍內。
[0030]圖2圖示通常在消費類電子設備中可發現的鋰離子電池的示例性充電和放電特性。在這個示例性的例子中，當電能提供給電池時，電池的電壓水平迅速增加，然后以基本上線性的速率增加直到達到高峰電壓。在放電階段期間，電壓初始從高峰電壓快速下降