法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2017-02-15
授权
授权
2014-04-16
实质审查的生效 IPC(主分类):H02J3/36 申请日:20120524
实质审查的生效
2014-03-19
公开
公开
技术领域
本发明一般涉及替代能源的电力管理的技术领域，并在一个实施例中， 本发明涉及在一公用总线上，一种整合和管理的多种替代能源的方法、装置 和系统。
背景技术
发电机的发电方式可以分类为利用替代能源发电，或者是利用可控制的 能源发电。而利用替代能源发电，例如太阳能发电，风力发电和潮汐发电等， 被认为是无法掌控的能源发电(Uncontrolled-Energy Power-Generators, UEPGs)，因为其能源源自于大自然，故无法被控制与预期。相反的，可控制 的能源发电(Controlled-Energy Power Generators,CEPGs)可以通过调整其原 料的输入或者是其他的因素，进而控制其能源的产生，例如于石化燃料蒸气 涡轮发电机中增加煤或天然气的使用，亦或者是增加氢气与氧气的供给量等。
替代能源通常具有复杂的能源输出特性。以太阳能光电面板来说，面板 的最大输出电压对应的电流为零，而最大电流所对应的电压为零，即两者功 率皆为零（电流与电压的乘积）。风力发电于风速最大时产生最大的电压， 相似于太阳能面板于开回路的状况。因此，通过风力发电获得能源将会降低 其速度，而超载将会使其停止。通常单一个再生能源所产生的能源，并不足 以满足一整天的需求。因此，一个商业区或住宅区所需的能源，将结合多个 来源与不同类型的再生能源来提供。大多数的再生能源所提供的能源为直流 电的型式。然而，国家电网和大多数应用中，如住宅区及商业区等，则专为 交流电设计。如果每个再生能源的应用皆需要一个逆变器(Inverter)，使其直 流电转换为交流电，则此再生能源系统将因昂贵的逆变器(Inverter)而所费不 赀。
太阳能光电面板的另一个问题为优化阵列面板的工作点。举例来说，不 同的太阳能面板有不同的阴影遮蔽处，或者是出产于不同的制造商或不同的 批次，都将会使其输出不同的电压与电流。试图以一给定的应用程序去调和 这些不同的输出状况，例如改善家庭环境或者调整交流电网等，都将需要精 密且昂贵的电子电力技术，才能达到市场所期望的改善结果，而且也有可能 因为不匹配的状况，而造成庞大能源的流失。
另外，如果再生能源所产生的高电压比现有导线所能承受的电压来得高 的话，例如住宅区、商业区与工业区等，将会需要大量的时间和成本去改善 现有的导线，使其能承受较高的电压，此现象亦为现有问题之所在。
发明内容
本发明的目的在于提供一种整合及管理至少一发电机与至少一电力消耗 装置的方法与系统。该至少一发电机与该至少一电力消耗装置连接至一直流 总线。本发明方法及系统提供自动需求响应、平顺的转换及无需中央控管的 特点。本发明系统为模块化及自我平衡，其中该发电机及该电力消耗装置在 无需对该系统进行任何其他改变的前提下加入该系统或自该系统移除。
本发明系统允许该直流总线的该工作电压介于一最低总线工作电压与一 最高总线工作电压间浮动，或是一峰值安全总线电压，或是实际上该总线工 作电压乃根据在不同的总线工作电压电平下，由该发电机提供给该直流总线 的该电力数量，以及根据在不同的总线工作电压电平下，由该电力消耗装置 从该直流总线所消耗的该对应电力数量。发电机及电力消耗装置可以被指定 或调整以具有不同的控制电压范围。该控制电压范围具有一最低电压电平及 一最高电压电平。在该控制电压范围中该装置可以分别地开启与关闭。当该 瞬间总线工作电压改变，该总线工作电压将进出各自装置的控制电压范围， 进而导致装置启动或关闭，或是导致装置调整所产生或消耗的电力电平。因 此，通过提供该直流总线可以工作的一电压范围，以及通过提供连接至该直 流总线的该装置的控制电压范围，一种具有自动、自我平衡及自我调整的需 求/响应系统即可产生。也就是说，在具有不同工作电压电平的该直流总线的 该工作电压中的一变动可以控制至少一发电机及/或至少一电力消耗装置的 工作。其乃基于在该直流总线的该工作电压中的一变动以及基于该发电机的 一电压控制范围及/或该电力消耗装置的该电压控制范围，其中该总线工作电 压可以跨越。因此，通过将跨越该总线电压范围的多个电力消耗装置的控制 电压范围拉开间距，电力消耗装置可以在无需中央控管及监控下选择性地被 启动或优先处理。同样地，通过将跨越该总线电压范围的多个发电机的控制 电压范围拉开间距，无论是可控制更新电力或是可控制电力，发电机可以被 选择性地使用以驱动不同的总线工作电压，其乃基于负载的数值及重要性或 是保护的重要性等。当该发电机与该电力消耗装置一起使用可以致使本发明 系统具有模块化、弹性、坚固、可客制化、可靠性及容易被实施应用等特性。
本发明系统允许可控制的能源发电如公用的电网电力，在低总线工作电 压下，通过启动及供应电力至该直流总线以推动该总线工作电压从该最低总 线工作电压上升。本发明系统允许无法控制的能源发电如太阳能发电在任何 时间提供电力给该直流总线。由于无法控制的能源发电的强力电力产生一般 发生在中午，因此假使只有固定的负载连接至该总线，该总线工作电压会被 驱动上升至一峰值安全总线电压。然而，由于一渐增总线工作电压会徘徊或 转换至处于一较高电压的具有一控制电压范围的装置，这些具有较高控制电 压范围的装置将自该直流总线启动及开始消耗电力，并将该总线工作电压从 该峰值安全总线电压推动下降。即使存在电力消耗如照明、加热水等，被提 供至该系统的可用电力消耗是不足够的。举例而言，当该总线工作电压从该 峰值安全总线电压推动下降，从一烈日或强风天亦即所谓机会性负载可以被 拾取该可用电力。通过跨一狭窄但变动的总线工作电压范围以设计发电机及 电力消耗装置的该控制电压范围，本发明系统可以自动地提供区域需求/响应 的功能。
举例而言，本发明系统开始于无明显电力源可从该可替代能源发电(无法 控制能源发电)提供至该直流总线的一天，起因于当日的太阳与风力均为微 弱。相反地，提供给该直流总线的主要电力源为可控制能源发电如电网发电， 其被设计针对该电压控制范围中具有一最低电压电平，该最低电压电平接近 该直流总线电压范围的低端点，但高于该总线的该最低总线工作电压。电力 消耗装置连接至该直流总线，实务上如住宅、商业或工业应用，电力消耗装 置具有一控制电压范围，譬如一转换或开启电压，亦即在任何总线工作电压 下必须够低到可以驱动该电力消耗装置，其包含该最低总线工作电压以及可 能性低点。因此，当一天开始时这些电力消耗装置可以自动地被该直流总线 所驱动。假如该电力消耗装置在该直流总线上产生一实质足够的负载，或是 一可控制能源发电不足以满足负载需求，例如在一部分停电状态时，则该电 力消耗装置可以推动该直流总线的该工作电压下降接近至该最低总线工作电 压。此时，该直流总线的该工作电压可以设定接近一备份电池系统的一控制 电压范围，例如是一转换或开启电压，该备份电池系统连接至该直流总线用 以平衡负载。当一天继续进行时，假使有一些负载需求出现，该总线工作电 压会回复上升及超出该备份电池系统的该控制电压范围，但依旧处于使用电 网发电的该可控制能源发电的该控制电压范围中。
当一天再继续进行，无法控制能源发电如太阳发电会开始启动并提供该 直流总线一渐增电力数量，亦如在总线上的该总线工作电压会针对一预定负 载而增加。当该总线工作电压增加时，假使在一般的应用上在该直流总线上 将具有充足的容量以驱动整个负载。因此该总线工作电压会开始上升至超出 该电网可控制能源发电的该控制电压范围，例如该总线工作电压开始符合但 后来超出该电网可控制能源发电的该控制电压范围的一最高电压电平。此时， 该电网可控制能源发电对应产生最低而后为零的电力。当太阳能无法控制能 源发电变得更活跃时，该总线工作电压会继续上升而最后跨越连接至该总线 的额外发电机的不同的控制电压范围。假如该太阳能无法控制能源发电继续 产生比现存负载可以消耗更多的电力，包含电力消耗装置的电网逆变器 (Inverter)，之后该总线工作电压会继续上升进而逼近该最高总线工作电压。 此时该总线工作电压会高于连接至电网的额外电力消耗装置的该控制电压范 围，其有关于自该直流流排抽取电力并储存的随机电力消耗装置，例如利用 在一水槽中加热水以供后续使用，或是冷冻水以供后续降温之用，或是对备 份电池进行充电等。假如该太阳能无法控制能源发电继续产生电力以提供给 该直流总线，并超出所有电力消耗装置可以消耗的电力，包含该随机电力消 耗装置，之后该太阳能无法控制能源发电源最后会推动该总线电压上升高到 足以符合该太阳能无法控制能源发电源的一电压限制，例如接近该最高总线 工作电压，此时该太阳能无法控制能源发电源将会限制电压并关闭以防该总 线工作电压超过该最高总线工作电压。
当午后太阳变小时，该太阳能无法控制能源发电源所产生电力会降低至 在直流总线上的该电力消耗装置所消耗的电力超出该太阳能无法控制能源发 电源所产生电力。此时，该总线工作电压会开始下降而脱离该控制电压范围， 例如是该随机性电力消耗装置的该转换电压，之后在一较低总线工作电压而 脱离该控制电压范围，例如是该公称电力消耗装置的该转换电压。在该总线 上的该负载随着无法控制能源发电降低而减少，在在该总线上的特殊型态的 该负载也逐渐并自动地减少。一预定电力消耗装置的电力消耗轨迹可以提供 本发明系统防止震荡或其他不稳定因子进而使该系统瞬间崩毁。此外，本发 明适合应用于一广泛变动的开启及关闭演算法，同时并适用一特别应用上的 特殊需求。当该总线工作电压下降，以及在该总线上的负载继续下降时，该 直流总线电压最后会自我平衡以考量所有电力消耗装置以及所有发电机。当 该太阳能无法控制能源发电源完全不运作，该总线工作电压继续下降至低于 该最低无法控制能源发电的工作电压，此刻在必要时，电力消耗装置会从该 直流总线上消耗电力，此时可控制能源发电如备份电池及/或电网可控制能源 发电会上线并根据相关的控制电压范围以平衡负载。本发明所揭示技术的各 种变换组合与实施例可以被实现，并根据不同的需求会有不同的应用。
通过以上较佳具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与 精神，而并非以上述所揭示的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。 相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请 的专利权利要求范围的范畴内。
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一 步的了解。
附图说明
图1绘示本发明系统的至少一实施例的功能方块图。
图2绘示本发明系统的至少一实施例的示意图。
图3A绘示本发明需求响应系统的至少一实施例的负载曲线图。
图3B绘示本发明无法控制能源发电机的至少一实施例的功率曲线图。
图3C绘示本发明可控制能源发电机的至少一实施例的功率曲线图。
图3D绘示本发明的至少一实施例的电力消耗曲线图。
图4绘示本发明需求/响应系统的至少一实施例的程序流程图。
图5绘示本发明需求/响应系统的至少一实施例的需求/响应情境方案图 表。
其中，附图标记说明如下：
101：直流总线 320：无法控制能源发电机的电
102：电压限制发电机 压范围
104：交错工作电压范围的电力消 321：可控制能源电力发电机的 耗装置及发电机 电压范围
106：单调功率梯度的电力消耗装 322：产生范围
置 323：过度电力产生的电压范围
108：备份发电机的最低电压 324：电压范围
110：控制电压范围 326：最低总线工作电压的点
111：电弧故障检测 330：可控制发电机的备用电流
120：需求/响应的性能 范围
122：分布式独立控制 332：无法控制能源发电机的电
124：模块化 流范围
126：自我调整 340-A：电流范围
200：系统 340-B：电流范围
204-1：直流至直流上转换器 360：无法控制能源发电的电力
204-s：直流至直流上转换器 曲线
204-N：直流至直流上转换器 360-1：自我限制电压电平
208-1：直流至直流上转换器 360-R：控制电压范围
208-N：直流至直流上转换器 361：可控制能源发电的电力曲
205：直流总线 线
206-A：太阳能板A 361-1：最高电压电平
206-N：风力涡轮 361-2：最低电压电平
206-S：太阳能板S 362：电力消耗曲线
207：电力线通信模块 362-1：最高电压电平
209：独立电弧故障检测 362-2：最低电压电平
210-A：备份电池A 362-3：对应总线负载范围
210-B：备份电池B 362-R：随机控制电压范围
212-1～212-c：充电器 363：电力消耗曲线
214-1：直流负载照明 363-1：最高电压电平
214-2：直流负载计算设备 363-2：最低电压电平
214-3：直流负载电动车 363-3：电流范围
214-4：直流负载冰箱 363-R：正常控制电压范围
214-5：直流负载热水加热器 364：电力消耗曲线
214-m：其它各种的直流负载 364-1：最高电压电平
220-A：直流-至-交流逆变器 364-2：最低电压电平
220-B：交流-至-直流整流器 364-3：电流范围
250：交流线 364-R：强烈控制电压范围
300-A：负载曲线 365-3：总线负载范围
300-B：电力曲线的示意图 365-R：范围
300-C：电力曲线的示意图 400：流程图
300-D：电力消耗曲线 402：程序
301：系统负荷曲线的终止 404：程序
306：峰值 406：程序
308：最高总线工作电压 408：程序
310：逆变器控制电压范围 410：程序
311：最低无法控制电力工作电压 412：程序
312：最低总线工作电压 414：程序
315-A：返送限制 416：程序
315-B：返送限制 416A：备份
317-A：最高电流率 416-B：紧急
317-B：最高电流 416-C：正常运作
418：程序
418-A：随机
418-B：强烈
418-C：正常
418-D：必要
420：程序
422：程序
500：图表
具体实施方式
本发明提供一种区域性需求/响应系统的方法、装置和系统，用来整合替 代能源、传统能源以及在直流总线上的负载，藉以提供分布式、独立方式以 及有自我调控性能的方法、装置和系统。在以下的描述，为了使本发明的目 的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细细 节的说明。然而，本领域的技术人员没有这些具体细节也可以实施各种实施 例。
本发明提供一种分发电力或电力控制的发电系统和方法，于实际应用上 能够达成成本和发电的最适化和优化。本发明可以优化每一个发电机装置的 操作以及最小化相关电子设备的复杂度。本发明所采取的方法使用一控制在 一狭窄的电压范围内的总线，以连结发电或者电力消耗的所有装置。也就是 说，电压范围足够大以允许电力消耗装置和发电机装置的开启或者关闭电压 容限(Tolerance)，以及范围足够窄能够避免在电力消耗装置的性能产生波动过 于明显，藉以达成一使用者或一实际应用上的需要。直流总线所使用的电压 通过区域供电线路电压(在美国为120±6V[rms,均方根])来量测，简单地 将电力从直流总线转换到供电交流电网。通过足够的余量公称(Nominal)直流 总线电压应该大于峰值(peak)或者峰间(Peak-To-Peak)交流电压之一，使得电力 消耗装置的损失足以补偿(通常为几伏特(Volt))。因此，由于在直流总线上为 有限的存储量(电容Capacitance)，所以公称(Nominal)电压被设计成高于最小电 压，对于美国市场的公称(nominal)直流总线电压是最低约[(126V x√2)+5V] ≈185V(伏特)。例如波动由于变动负载超过一半主循环(在60赫兹(Hz)下每 秒的1/120)，如果有电力损失输入到总线，总线从公称值(Nominal Value)下降 不会超过到最小值。因此，在美国该系统设计于工作在190±5Vdc的总线(相 当于最低185Vdc)。
发电机连接到直流总线(例如太阳能板、风力涡轮机等)，预计在电压低 于直流总线电平(Level)时在内部产生电力，然后使用一升压式截波器(Boost Chopper)为一直流至直流转换器(Converter)以转换电力到直流总线，例如一上 转换器(Up-Converter)。其他电力转换拓扑结构(Topologies)可以使用，但是拓 扑结构其内部电压穿越直流总线电压可能会更加复杂因此较昂贵。上转换器 (Up-Converter)的电路将试图最大限度地提高平均电流以注入总线，因此电力 相等于电压乘以电流，以及通过使用总线电压基本上是固定的。因此，电流 和电压的精确测量不是必需的。上转换器(Up-Converter)在总线电压电平峰值 上(如在美国应用所述为195Vdc)或者某处为未低于总线电压电平峰值且高于 公称(Nominal)直流总线，则将会被切断，以至于总线电压始终限制在一个安 全电平(Level)。通过这种方式，此切断操作能避免总线电压急剧下降，从而 促进了系统的稳定性。此外，总线电压峰值(Peak Bus Voltage)的适当容限 (Tolerance)设置以及公称直流总线电压能够提供有较不准确电压设定但为较 不昂贵的组件以提供较合理的安全限制，例如电子设备将容忍一定程度的过 电压(Over-Voltage)。这种操作模式被称为“发电机”模式。
逆变器(Inverter)或者其他装置从总线消耗电力，能够以“主(Master)”或 “从属(Slave)”模式工作。在任何一个时间在总线上只有一个主装置，以及 主控制功能能够被移动到未被连接到直流总线的装置，例如电脑以智能电网 控制连接到网路。在从属模式下，一装置当电力能使用时将消耗电力，例如 总线电压大于最小总线工作电压，或是通过一些公称值得知对于美国地区为 高于185Vdc，或者是如果当通信被启用时，主装置能够指示从属装置该如何 运作。从属负载在一顺利的转换下将从直流总线得到电力，也有可能的情况 为总线电压的功能能够避免破坏总线。例如电池充电器在超过一段时间将会 提升至满载以及变化超过电压范围，或直流总线在当直流电压下降到接近最 低值时会从公称运行至没有负载。主模式能够成为一装置能够管理电力的转 换至电网，例如通过一个直流至交流转换器(Converter)，将会变化电力将其转 换至保持在公称电平上的直流总线(在美国低区为190Vdc)。
再者，其他负载能够从直流总线消耗电力，该其它负载包含有备份电力 或者是电动车使用的电池充电器。这些电池最好直接从直流电充电，而不是 从转换直流电至交流电再转换回直流电来充电，其会导致电力耗损。同样地， 一些照明电器的种类如果从直流总线得到电力能够更有效地运行。而当在直 流总线回没有主动的可再生能源，主模式能够使用一上转换器(Up-Converter)， 例如在最小电压时能够从公用电网获取来源以保持直流总线，或者通知用备 份电池充电器运作(如果它是单独的设备)。由于多个备份来源可能连接到直 流总线，因此在一电压下通过拥有多个备份来源提供电力下能够实现自动负 载分配。该电压从最低支持电平变化到最大支持电平。其中，该最低支持电 平通过发电机产生最小的电力(如上所述185Vdc)，该最大支持电平通过发电 机产生最大的电力(例如在美国地区为184Vdc)。
上述系统的负载与负载曲线(Load Curve)相似如图3A所示。在正常发电 的情况下，直流总线在靠近公称工作电压处运作。如果电力发电超过所需， 则总线电压当对于系统能达到最大(允许)电压时，将会一直增加直到发电机 能够自我限制(Self-Limit)。如果较少的电力能够被用以产生电流，以及当可使 用电力下降至最小电压如同当产生电力达零时则该总线电压将会下降。当低 于总线电压，备份电力在达到或高于最小电压时将会启用以支撑起总线电压。
在一个简单的系统中，组件不需要直接相互通信。相反地，它们通过总 线电压间接通信。因为发电机在超过一最大输出电压范围时将发挥最佳性能， 所以如果发电机能够提高效率(对于直流电线电压)则交流至直流转换器 (Converter)能调低其工作点(Operating Point)。在更复杂的系统中，额外的通信 在监控总线电压可以发生，以及装置可以调整操其工作参数，例如如果工作 电压被调整向上或向下以改善整体系统效率，该系统将会和其他组件通信能 避免造成冲突。而通信可以通过直流总线本身使用"线路"通信硬体来执行。 组件连接到直流总线将会被构成，使得组件不能阻断或降低有线通信。
在一个智能电网(Smart Grid)的环境中，在同一时间当电力来自可再生能 源，该备份电池/充电器能够返回电力至交流电线路是很有吸引力的。而前提 是如果当通过主装置或其它装置指示命令时，该备份电池/充电器能够转换至 发电机模式。
请参阅图1，图1绘示本发明系统的功能方块图，用于提供多个发电机和 多个电力消耗系统之间的需求/响应，在直流总线上该系统有一控制电压范 围。本发明的一个主要功能是提供一直流总线至输入和输出之间的界面。输 入功能包含有一电压限制发电机102、交错工作电压范围之电力消耗装置及发 电机104、一单调功率梯度的电力消耗装置106、一备份发电机的最低电压108、 一控制电压范围110以及一电弧误差(Arc-Fault)检测111。从系统的输出功能包 含有一需求/响应的性能120、一分布式独立控制122、一模块化124以及一自我 调整126。在之后所使用的设备系统和方法中，上述这些功能能够被启用，以 及对于一具有不同优先顺序的电力消耗装置的广泛的范围能够提供解决方 案，以整合和管理一潜在的能源来源。其结果是一个坚固和低复杂度的系统 适合住宅和商业应用的区域性需求。一些输入能通过系统或者装置设计者所 设计，如单调功率梯度的电力消耗装置。而其他输入能通过区域使用者或者 系统管理员弹性地编辑程序，如备份发电机的最低电压108。
请参阅图2，图2绘示本发明系统200的示意图，为在一直流总线205上用 于提供在多个发电机和多个电力消耗系统之间的需求/响应。任何形式的直流 负载在本发明中被称为一电力消耗装置(Power-Consumer,PC)，该电力消耗装 置能够在系统200中所使用。该电力消耗装置包含有一直流负载照明214-1； 直流负载计算设备214-2；直流负载电动车(Electric Vehicle,EV)214-3；直流负 载冰箱214-4；直流负载热水加热器214-5；充电器212-1～212-c；直流-至-交流 逆变器(Inverter)220-A；及其它各种的直流负载214-m。且如图2所示电力消耗 装置简单地连接到直流总线，并可以在没有任何中央控制或编程下以取得需 求响应性能，而能选择性地删除或添加到系统中。然而当一些电力消耗装置 在没有电压控制范围(Control Voltage Range,CVR)且仅仅是在超过总线工作电 压范围上能够运作。如果至少一电力消耗装置有一控制电压范围，该系统200 的改善性能能够发生，而控制电压范围取决实际总线工作电压能允许电力消 耗装置能够选择性地启动和关闭。在一个实施例中，对于一个给定的电力消 耗装置的控制电压范围是固定的。而在另一个实施例中，对于至少一电力消 耗装置的控制电压范围是变动的以及可配置的，如通过一个可选择电压范围 的手动设置，或者虚拟和/或远端通过一连结来选择，例如，根据公用电网条 件，一使用者或者系统管理员(权力经纪人或者公用事业公司)进行设置USB 连接到网路或者Mobile装置。一控制电压范围的一直流负载冰箱214-4的一例 子，为一固态珀尔帖致冷器(Peltier Cooler)对于开启和关闭具有可配置电压， 以及取决于直流总线电压而在什么样的负载电平。同样地，一直流负载热水 加热器214-5的一例子，为负载有一可调控开关以及有一固态电子器件，取决 于直流总线电压来变动负载。而该可调控开关能够在不同电压下来启动。一 充电器212-c或者一直流负载电动车电池214-3电池组，为一电子控制的电池充 电器，该电子控制的电池充电器根据在该直流总线的电压电平上通过充电器 来变动负载，该电子控制的电池充电器通过充电器来变动负载。
同样地，直流电力来源或者整流后的交流电力来源的任何类型，在此统 称为发电机(Power Generator,PG)，可以用在系统200中，包含有一太阳能板 A(Solar Photovoltaic Panel)206-A到一太阳能板S206-S；一备份电池A210-A到一 备份电池B210-B；风力涡轮206-N；以及交流-至-直流整流器(Rectifier)220-B； 任选的直流负载电动车214-3电池组；以及任何其它的电力来源。一些可再生 能源，如太阳能发电(Photovoltaics,PVs)和风力发电被表示为当低压电流 (Low-Voltage Current)来源时，需要一串联(In-Line)直流至直流转换器分别为直 流至直流上转换器(Up Converter)204-1到直流至直流上转换器(Up Converter)204-s以及直流至直流上转换器(Up Converter)204-N，如升压型 (Boost-Type)直流至直流转换器，以达到所设计的总线工作电压电平。同样地， 备份电池A210-A到备份电池B210-B是使用直流至直流上转换器(Up Converter)208-1到直流至直流上转换器(Up Converter)208-N。如电力消耗装置， 当一些发电机在没有电压控制范围(Control Voltage Range,CVR)且仅仅是在超 过总线工作电压范围上能够运作。如果至少一发电机有一控制电压范围，一 系统200的改善性能能够发生，而控制电压范围取决于实际总线工作电压能允 许发电机能够选择性地启动和关闭。以这种方式，使用此系统200能够实现一 大量的能源效率以及节省成本。
一控制电压范围对于任何给定的电力消耗装置和/或发电机通过设计能 够在内部动态变动。例如，一电池充电器212-c具有内部电路，能够动态变 动该控制电压范围的起始点和终止点和/或负载。对于备用电池B210-B完全 充电的状态下，电池充电器取用总线，较少电流是取用总线和/或在较高的总 线电压下能够电流能被取用。对于直流负载冰箱214-4或者直流负载热水加 热器214-5存在类似的情况，其中当它们每一个达到它们的目标温度则只需 要较少的电力。这些变动的负载取出能进行外部地改进，例如，一使用者想 要他们的电动车快速充电。对于一给定的电力消耗装置在负载取出时的改变， 可能会导致在该电力消耗装置或者该发电机的模式下发生改变。如从强烈到 随机模式会在之后的图5来描述。此外，控制电压范围能够相互交错和/或相 互重叠，使得电力消耗装置和/或发电机漂移过去/通过彼此的控制电压范围， 因此创建一个滚动式转换，而不是一个不连续的开启或关闭电压或其他相关 的事件。启动和关闭电压也称为转换电压(Transition Voltages)。此外，对于电 力消耗装置或发电机的控制电压范围在电力使用情况下在其间能有电压间 距，例如，对于提供一可见的信号给一系统使用者，在电力供应下此一转换 是为了训练目的或者帮助监测器以及简省电力而发生的。对于一无法控制能 源的发电机(Uncontrolled-Energy Power-Generator)可以使用任何类型的自然能 源，如太阳能板、波能发电机、风力发电机等自然能源。一可控制能源发电 (controlled-Energy Power-Generator)能够使用任何类型的可控制能源的电力发 电，例如，一燃料电池(Fuel-Cell)发电机、一电池备用组(Battery Backup)发电 机、一电网整流发电机、一化石燃料电发电机、一核动力(Nuclear-Powered)发 电机等可控制能源的电力发电。任何无法控制能源发电机和可控制能源发电 机的组合能够在本发明的系统200里使用。
因此，实际上，总线工作电压电平变成信息信号(Information Signal)来启 动和关闭连接在直流总线的发电机和/或电力消耗装置。系统200可以包括可 选择电力线通信(Power Line Communication,PLC)模块207。该电力线通信模块 207使用电线调幅器(Wireline Modulator)在直流总线上提供一调幅讯号，对于 一可选择层的中央控管任何发电机和/或电力消耗装置、或其它感测器或连接 在总线205的装置进行信号通信。此外，虽然系统200中提出了一个给定的 发电机和电力消耗装置的数量和类型，本发明的揭示适合于在总线205上任 何发电机和电力消耗装置的组合。虽然系统200在一标称电压电平使用于住 宅和商业装置的说明，但是系统200运作同样适用于一系统按比例放大的 2x-10x、10x-100x、100x-1000x等的电压电平，直到一百万伏特以及超出国家 电力发电以及分布式电平持续增加。而控制电压范围和总线工作电压波动亦 使用相同的原则，作为启动和关闭信号至发电机和电力消耗装置。在一个国 家电网的情况下，发电机可以是核能、煤炭、水力发电和其他类型的发电机。 而电力消耗装置可以是不同的城市节点、工业园区、电网分部等。
对于安全预防和减少安装成本，独立电弧故障检测(Arc-Fault Detection)209在图1中提供电弧故障的功能111。特别是如果电弧故障检测209 在总线205上任何电象差(Electrical Aberration)超过一阈值的电值(Threshold Electrical Value)以及一在时间内的给定阈值，独立电弧故障检测209将会关 闭。如电压象差超过微秒至毫秒的一组数量；如short across,bus205 momentarily；如在毫秒范围内的一些时间因子。在响应中，发电机如交流至 直流整流器(Rectifier)220-B和直流至直流上转换器(Up Converter)208-1，在本实 施例中，有一电流限制电路(Current Limiting Circuitry)当它们从短路开始提高 电流供应，该电流限制电路将会跳闸(Trip)，从而防止它们供应过大的电流至 总线205。因此，当电弧故障检测209启动时，发电机所拥有的电流限制电路 将会跳闸(Trip)。然而当电弧故障检测209在一段时间后重新设置时，发电机 也将重新设置，如对于电弧故障检测在经过一段略长时间后，以及持续运作 以提供电力至总线205。在毫秒范围或更少的范围内，一给定的电弧故障检 测209启动将会发生，且电弧故障检测和预防的整个过程对于电力消耗装置 以及最后到系统200的使用者，将是透明的以及无法察觉的。在另一个实施 例中，电弧故障检测电路可以设计进每个发电机以及任一发电机有或者没有 独立电弧故障检测电路209仍能使用。因而如果所有的电力提供至总线205 以这种方式主动控制，则电弧故障是不可能在系统200和接地管道，对于一 总线则另有需求，能够避免伴随着的相同材料和安装的成本。而在系统200 中大部分或全部电力消耗装置在内部有足够的内在电力储存以消除电弧故障 切出，并从而可几乎不受电弧故障缺口影响。接着本发明有一限制电容，直 接连接到总线205，在本实施方式中，为在总线上从一短路(short)提供一安全 风险，而该限制电容能够对于一通过发电机的过电流有能力以实施应用一电 流切断作用(Current Cutout)。
请参阅图3，图3绘示需求响应系统的负载曲线图，有一单一可控制能 源发电机，一单一无法控制能源发电机(无法控制的能源发电)，以及一并网 逆变器(Grid-Tie Inverter)的电力消耗装置皆连接至该直流总线。图3A表示为 图2中下列设备的使用：一电网交流至直流整流的可控制能源发电，如交流 至直流整流器220-B；如一太阳能板206-A为无法控制能源发电，无法控制能 源发电连接到直流至直流上转换器204-1；以及如直流至直流电网逆变器 (Grid-Tie Inverter,GTI)GTI220-A的电力消耗装置，皆连接至总线205。一系统 负载曲线301(实线和虚线)包含多个电压范围，取决于电力消耗装置的数量以 及发电器的发电能力，当工作电压超过电压范围则可以浮动和漂移，并通过 控制电压范围和其他电力消耗装置和发电机装置的操作特性能够实现。在本 实施例中，系统的负荷曲线301有两个电压范围共享一个共同的转换或阈值 电压点，以及最低无法控制电力工作电压311。而该第一电压范围是无法控 制能源发电机的电压范围320，以及(对于可再生能源)一无法控制能源发电机 的电流范围332为对应下降至横轴。而在一实施例中通过一适当大小的并网 逆变器(Grid-Tie Inverter)的电力消耗装置能够相当于电流消耗。第二电压范围 是可控制能源电力发电机的电压范围321，以及(对于电网，公用或其他可控 制的能源)一可控制发电机的备用电流范围330为对应下降至横轴。通过该无 法控制发电机则代表为一过度电力产生的一电压范围323，例如，对于太阳 能电池为一阳光非常强烈的晴天，其会超过一设计于太阳能电池具有最大效 率运作时的变压器控制电压范围。如果并网逆变器(Grid-Tie Inverter)电力消耗 装置不能消耗在过度产生的范围(Over-Generation Range)下所提供的所有电 力，以及如果没有额外的负载被带来连线以下拉总线工作电压，则总线工作 电压将会上升至最高总线工作电压308。此时，达到一无法控制发电机的电 压限制，则导致一无法控制发电机的电力限制以及一系统负荷曲线的终止 301，直到电压通过在总线上的额外负载而造成降低，或者从至少一无法控制 的能源发电机(例如，减少在阳光，风，等)以及无法控制发电机的电力被重 置或重新启动而造成电压降低。
当对于该无法控制能源的发电机的能源减弱，而该直流总线205的总线 工作电压第一下降至一逆变器控制电压范围310，在这一点该逆变器停止消 耗电力，并进入一产生范围(Under-Generation Range)322，相对应地减少电流产 生。总线工作电压能够持续下降至最低无法控制电力工作电压311，在此通 过该无法控制能源发电机电流所产生电流基本上为零。如果任何寄生负载 (Parasitic Load)或者新负载在直流总线上被启动，则会因为没有可替代能源能 够提供直流总线电力，所以电压电平将会持续下降。然而一可控制能源发电 机(可控制能源发电)从该电网的交流至直流整流器或者可替代的备用电池能 够拥有一控制电压范围，该控制电压范围从最低无法控制电力工作电压311 的电平跨越下降至最低总线工作电压，并可通过电压范围324代表，且在总 线工作电压下将会启动以及因此提供电力至直流总线，并可通过可控制发电 机的备份电流范围330代表。如果额外的电力消耗装置被带来连线至直流总 线，例如，作为必要的负载，总线工作电压将会下降每一可控制能源发电逆 变器的设计容量，直到达到最低总线工作电压312的点326，此代表为整流器 的电力额定值。而当低于最低总线工作电压312的点326，备份电池能够启动， 对于停电的情况下，在总线不够电力以提供至负载，则通过整流器提供电力。
负载曲线301能够横贯上至下的电压范围，在电流上有相对应的改变， 像装置的性能或响应一样快或慢，和/或对于一给定的系统和环境条件下经常 发生。因此，对于不稳定晴天/阴天有间歇性的云层覆盖，负载曲线301反复 地运行在一个较短的时间内，有该系统200的使用者，例如，一住宅，基本 上在电力供应上没有实现潜在明显的操作变化，则在电力消耗装置供应时假 设为公称变动，例如，灯的减低亮度在超过电压范围则是感觉不到。一无法 控制能源发电机320加上可控制能源发电机321的整体电压范围，对于一个 给定的系统无论单独地或者共同地任意组合能够根据需要以作为广阔或狭窄 的，且通过控制电压范围和装置性能为启动。通过摇晃控制电压范围彼此分 开，或者通过分别加入或减少负载而设计开启和关闭速率，阻尼(Damping)也 能够被内置到系统300中。对于峰值306、最高总线工作电压308、逆变器控 制电压范围310、最低无法控制电力工作电压311以及最低总线工作电压312 的所有电压电平的示范性数值分别提供为200V,195V,192V,190V,185V和 184V。本发明揭示非常适合广泛的数值可以使用于具体的偏移增量和/或百分 比被选择以提供一个运作的开启或关闭的给定模式或场景。
不同发电机的组合有不同的控制电压范围能够被使用于不同的目的。例 如，一发电机的组合导致在一第一发电机有最大电压电平，而该第一发电机 的最大电压电平低于以及接近于最小总线工作电压低于以及接近于一第二发 电机的最大电压电平，以便提供一个需求/响应性能。其中该第一电发电机只 在直流总线工作电压低于该第二发电机而启动，为了供应额外的电力至直流 总线以推动直流总线的工作电压高于最小总线工作电压。例如，对于一第一 电发电机，一发电机的最小电压电平的不同组合高于最低电压电平，以便提 供一个需求/响应性能。其中在和第一发电机相比为一最高的直流总线工作电 压下，当总线工作电压降低至低于最小第二发电机的电压电平，则第二发电 机能达到最大电力产生。在另一个实施例中，一整流器可控制能源发电机连 接至直流总线，能够额定为一最大总线负载。因此对于所有总线负载低于或 相等于额定总线负载，能有能力以推动直流总线的工作电压高于最小总线电 压。至少一备用电力发电机，如一直流电池的备用电力发电机的任意组合， 化石燃料发电机，整流备用电力发电机等备用电力发电机能够连结至直流总 线。而当总线工作电压在等于或低于一最小无法控制发电机工作电压时，以 提供最小电力至直流总线，以及当总线工作电压在一最小总线工作电压时， 以提供最大电力至直流总线。
不同的备用发电机组合在可控制能源电力发电机的电压范围321中可用 于提供不同情境方案的备份电力。举例来说，第一备用发电机有一个高于第 二备用发电机的关闭电压，当该总线自无法控制能量发电因电压降低，第一 备用发电机将较第二发电机优先于提供电流至直流总线。这两个备用发电机 被假设有一个相同且与最低总线工作电压312相等的开启电压。当直流总线 电压低于最低补充发电机工作电压时，一公共电网备用发电机可以被应作于 一备用模式，而且当直流总线电压高于最低补充发电机工作电压时，则会运 作于一补充发电模式。其中发电机也可以是一电力消耗装置取决于该装置的 状态与该总线工作电压电平。例如一备用电池可以是一发电机于其电量饱满 且该总线电压足够低时，也可以是一电力消耗装置于其电量不足且该总线电 压足够高时。举例来说，该直流总线电压分别低于或高于一最低无法控制电 力工作电压。
换句话说，一预定总线工作电压将自动地优先化具有一控制电压范围的 电力消耗装置与发电机。控制电压范围包含在其他电力消耗装置与发电机中 具有在即时总线工作电压之外的控制电压范围的一即时总线工作电压。举例 来说，第一电力消耗装置具有一比第二电力消耗装置的开启电压低的开启电 压，该直流总线于一较低的工作电压时，第一电力消耗装置将较第二电力消 耗装置优先于开始耗电。换句话说，一电力消耗装置于具有一电压电平低于 最低无法控制能源发电的工作电压的开启电压时，无论至少一补充发电机是 否能产生足够的电力去拉升该总线工作电压至高于该最低无法控制能源发电 的工作电压的开始运作。同样地，一电力消耗装置于具有一电压电平高于最 低无法控制能源发电的工作电压的开启电压时，将只会选择性地被启动，当 至少一补充或无法控制能源发电能产生足够的电力去拉升该总线工作电压至 高于该最低无法控制能源发电的工作电压。一正在运作的电力消耗装置具有 一最高与最低控制电压范围，将会有一最低电力消耗近乎于最低或开启电压 电平的控制电压范围与一最高电力消耗近乎于最高控制电压范围。于一般系 统200将自动地优先化具有一控制电压范围的电力消耗装置与发电机。控制 电压范围包含在其他电力消耗装置与发电机中具有在即时总线工作电压之外 的控制电压范围的一即时总线工作电压，如负载曲线300-A所示。
在一并网逆变器(Grid-Tie Inverter)电力电力消耗装置的例子，例如，图2 的交流至直流整流器220-B，并网逆变器(Grid-Tie Inverter)从一系统200拉出 一最大负载，将能保持总线电压在图3A的逆变器电压控制范围310内，为了 对太阳能电池的无法控制发电机建立一目标电压，并通过其最大功率点的追 踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)能够完成建立目标电压。如电压和电 流产物通过两个不同的组件独立管理，从而降低电路的复杂度和增加稳健性。 如果无法控制能源发电基产生过多的电力总线电压将无法进入电压区域323， 而额外的电力消耗装置负载能够选择性地被加进总线的每个这些额外的电力 消耗装置负载的控制电压范围。以及如果无法控制能源发电，则总线将会进 入区域322，而给定的电力消耗装置负载能够选择性地远离每个这些给定的 电力消耗装置负载的控制电压范围。因此，电力消耗装置在该无法控制能源 发电机的电压范围320可以控制总线电压。相反地，对于一些传统发电机方 案注重于保持一单一工作电压电平，只有较少的容限(Tolerance)或者变动。而 本发明揭示需求和利益从一总线工作电压的波动用以作为提供控制和发送信 号至电力消耗装置和发电机的一种手段以连接至总线，只要波动的范围是合 理的以及在限制内，例如，最大总线工作电压308和最小总线工作电压312。
每一个电力消耗装置(如图2所示)中可以在每一电力消耗装置的该控制 电压范围的最高与最低值之间进行电力消耗的单调变化(如图3A所示)。特别 地，一电网逆变器的电力消耗装置220-B连接于一交流线250(公共电网)，其 中该电网逆变器220-B具有一超出一补充或无法控制能量发电机的最高累积 电流产生容量，通过连接于直流总线200以保持该直流总线205的工作电压 位于该最高总线工作电压308或低于该最高总线工作电压308。该直流总线 205的最低工作电压312可以被一开启电压所设定。假使全部电力消耗装置都 被关闭，则没有电流被消耗且一电压电平将会被连接于直流总线205的一发 电机所定义。
对于直流总线205在负载曲线300-A中，该工作电压乃通过该发电机与 该电力消耗装置的控制电压范围所产生，并藉以高于一连接至该直流总线205 的公共电网的交流电网电压峰值。其中只有一备份型式直流至直流转换器部 分是需要的，在该直流至交流电网逆变器220-A中，电力消耗装置需要提供 电力自直流总线至交流线250(公共电网)，及只有一直流至交流整流器发电机 220-B的推动型式直流至直流转换器部分需要提供电力自该交流线250(公共 电网)至直流总线205。此外，针对该直流总线205，总线电压安全峰值306 被设定在低于或等于一预定应用如建筑物线路的电压范围。
请参阅图3B，图3B绘示本发明的至少一实施例的一具有控制电压范围 与返送限制的无法控制能源发电的一电力曲线的示意图300-B。控制电压范 围360-R介于一大约为零的开启电压与一关闭电压之间，或是一大约为该最 高总线工作电压308的自我限制电压电平360-1。无法控制能源发电的电力曲 线360可以代表一替代能源发电源如太阳能或电池(如图2所示)。无法控制能 源发电的电力曲线360具有一介于零电压至最高总线工作电压308的一电压 范围360-R。在零电压时，无法控制能源发电具有一公称电流限制或返送限 制315-A，介于电流范围340-A间，其设计为现有电力电子设备所知悉。一最 高电流率317-A发生介于大约最低无法控制电力工作电压311与最高总线工 作电压308之间，此时在该无法控制能源发电中的电压限制会自我限制该发 电机或限制电力输出，藉以防止该总线工作电压由该最高总线工作电压308 超出。当该总线的电压电平下降至该最低总线电压电平并继续趋近零电压时， 该返送限制315-A会限制该预定装置的电流产出。在无法控制能源发电的电 力曲线360中的特定型式及破坏点可以在不同型态的无法控制能源发电如风 力或太阳能等与具有替代无法控制能源发电型态的不同设计、材料及装置特 征之间广泛地变动，当持续维持该最高总线工作电压308的关键特征，在介 于最高总线工作电压308与最低无法控制电力工作电压311的工作范围中维 持一接近固定的电流，其乃相对于接近最高电流率317-A及安全返送下降至 返送限制315-A。
请参阅图3C，图3C绘示本发明的至少一实施例的一具有控制电压范围 与返送限制的可控制能源发电的一电力曲线的示意图300-C。可控制能源发 电的电力曲线361类似于无法控制能源发电的电力曲线360的一般型式。替 代无法控制能源发电的电力曲线360的电压限制，电力曲线使用一控制电压 范围361-R，控制电压范围361从最高电压电平361-1变动至最低电压电平 361-2。最高电压电平361-1是一门槛电压，其中可控制能源发电用以提供一 最低电量及最后关闭而不提供电力。最低变压电平361-2一在由可控制能源 发电所生产的最高电量的电压电平，例如最高电流317-B。最高电压电平361-1 低于该最低无法控制电力工作电压电平311以防止转换的不稳定，该转换介 于无法控制能源发电例如图3B的电力曲线360中高于该最低无法控制电力工 作电压311与可控制控制能源发电的电力曲线361中低于该最低无法控制电 力工作电压311。因此，无法控制控制能源发电的电力曲线360(如图3B所示) 以及可控制控制能源发电的电力曲线361(如图3C所示)一起被应用于如图2 所示的装置时，一系统负载曲线301(如图3A所示)将导致于无法控制与可控 制电力发电等二模式之间无缝隙且明显的转换，其乃显示于在无法控制能源 发电机的电压范围320及可控制能源发电机的电压范围321中的系统负载曲 线301。在可控制能源发电机的电压范围321中，总线的电压大致由该可控制 能源发电及其在相关控制电压范围中的电力容量所决定。在无法控制能源发 电机的电压范围320中，总线的电压大致由在总线的电力消耗装置负载量及 数目所决定。因此由无法控制能源发电所产生电力是无法控制，并起因于大 自然的风力与阳光如图3D所示。
再者，控制电压范围361-R的开启率将提供系统阻尼(Damping)及在不同 的电力消耗装置的启动与关闭及在不同的发电机的开启与关闭或自我限制之 间产生平稳转换。当总线线电压被持续增加的负载如电流范围340-B推动至 零电压时，可控制能源发电的电力曲线361所产生的电流将返送至返送限制 315-B。如同无法控制能源发电的电力曲线360，在可控制能源发电的电力曲 线361的特定型式与破坏点可以在不同型态的可控制能源发电如电网或被份 电池等与具有替代可控制能源发电型态的不同设计、材料及装置特征之间广 泛地变动，其如同前述所示。
请参阅图3D，图3D绘示本发明的至少一具体实例的电力消耗曲线的示 意图。图3D所示的电力消耗曲线300-D说明在该直流总线上因聚集负载的变 化而当该总线工作电压增加或降低时，有关于电力消耗的关系状况。电力消 耗装置可以被区分为必要、强烈、正常以及随机等分组。必要电力消耗装置 乃为以安全目的为需求的电力消耗装置，例如照明或生命为互设备，或是以 紧急目的为需求的电力消耗装置，例如计算机设备的紧急数据储存及关闭该 计算机设备。而必要电力消耗装置具有该最低控制电压范围，例如范围365-R， 当该总线工作电压增加而进入范围365-R，该电力消耗装置将会启动，而在 相对应总线负载范围365-3中，该电力消耗装置将会被控制。在该电力消耗 曲线中所有控制电压范围是单调的(Monotonic)，其中该电流总是增加，例如 为线性或非线性增加，而针对电压增加以防止不稳定。一旦该电力消耗装置 开启，当该总线工作电压会增加上升至该电力消耗曲线362、363、364时， 该电力消耗装置会继续被启动，例如上升至该最高总线工作电压308。而该 电力消耗装置会继续被启动直到该总线工作电压再度进入该控制电压范围， 其中该电力消耗装置会在该较低的一端而被关闭。在开启与关闭间的跨度， 该电力消耗装置的电压电平会协助防止不稳定的状况如震荡开启/关闭循环。
接着，强烈电力消耗装置乃为当可用电力增加而从无法控制能源发电最 早消耗电力的电力消耗装置。因此，强烈电力消耗装置具有最先控制电压范 围为强烈控制电压范围364-R，其具有一最低电压电平364-2及一最高电压电 平364-1。强烈电力消耗装置可以是针对一使用者任何具有一次高修先顺序的 装置，以及可以具有一广泛范围的负载，例如冰箱或暖炉等。于控制电压范 围间，该电力消耗装置的电流消耗最后是固定的，如同垂直线所示，例如介 于强烈控制电压范围364-R的该最高电压电平364-1与正常控制电压范围 363-R的该最低电压电平363-2之间。
在强烈电力消耗装置之上的即是具有最低电压电平363-2及最高电压电 平363-1的正常控制电压范围363-R的电力消耗装置，其范围对应电流范围 363-3。正常电力消耗装置包含传统非紧急负载，例如电力消耗装置的电网直 流-至-交流逆变器220-A(如图2所示)。下一组电力消耗装置即是具有最低电 压电平362-2及最高电压电平362-1的随机控制电压范围362-R，及对应总线 负载范围362-3，位于最高总线工作电压308之下。随机负载乃为用以从无可 控制能源发电拾取额外电力的负载，例如当一非常活跃的太阳能面板在正常 电力消耗装置之上所产生的额外电力。为避免浪费这种能源，一些形式的能 源储存装置被用以储存该额外电力以供后续使用，例如散热器、电池、热水 加热器、汲水储存设备等。当一预定系统可以任意在该电力消耗曲线300-D 的上下穿越，该预定控制电压范围的该预定该单调关系促进该直流总线的该 可靠需求/响应性能。
假如所有电力消耗装置的累积电力消耗仍不足以截取由该无法控制能源 发电所产生的电力，接者该总线的该工作电压最后会达到该最高总线工作电 压308，其乃该无法控制能源发电的电压限制，藉以自该峰值306安全电压提 供一缓冲区。该电力消耗曲线的斜率以及全部上升可以依据该电力消耗装置 的性能特性独立且一起进行变动。
请参阅图4，图4绘示本发明需求/响应系统的至少一实施例的程序流程 图。流程图400被应用于先前描述的系统与元件。程序402为针对可控制能 源发电产生控制电压范围。如图3C所示，在一可控制能源发电的控制电压 范围中，在一最低电压范围电平下产生一最高电力以推动该直流总线的该工 作电压高于该最低总线工作电压，当在一最高电压电平下产生一最低电力数 量，起因于该总线工作电压进一步高于该最低总线工作电压或接近无法控制 能源发电(如可更新能源发电源)提供电力给该直流总线的工作电压。再者， 不同的可控制能源发电的控制电压范围可以被交错以提供逐渐开启，及电力 消耗装置的控制电压范围轨迹的负载配对。
程序404乃在一低于该最高总线工作电压的数值下针对不可控制能源发 电设定一电压限制。假使该不可控制能源发电增加强度如太阳或风力变强， 该不可控制能源发电将继续产生电力。因此该电压限制将保护该直流总线至 低于该最高总线工作电压。
程序406提供一返送限制给发电机。如图3B及3C所示，当在总线上的 负载增加而超出该发电机维持最低总线工作电压时，该总线工作电压可以接 近于零，此时该可控制或无法控制能源发电的输出电流在该较高总线工作电 压从该最高电流输出电平继续下降至一返送限制，该返送限制介于零安培与 最高电流输出之间。
程序408乃针对该电电力消耗装置选择性地交错该开启与关闭电电压电 平。该交错产生该装置的梯状及逐渐开启以不至于是该系统过度负载。在该 控制电电压范围中的该开启及关闭电电压电平可以由该设备的设计所设定， 或是选择性地由使用者或第三方所设定，例如智能电网的管理者，以至于达 成不同的可编程电平。程序410连接该发电机与该电电力消耗装置至该直流 总线。如图2所示，该发电机与该电电力消耗装置可以以模块化方式加入系 统或自系统移除，其基于该直流总线的该工作电电压及各自控制电电压调整 电平而各自独立控制及自我调整。
程序412允许该直流总线于一工作电电压范围自一最高总线工作电电压 至一最低总线工作电电压之间变动。也就是说，直流总线不需要通过一中央 控制器或一个別控制器或微控制器所控制，以寻求一具有非常小的变动的预 定狭窄电电压电平。相反地，该总线的工作电压电平的变动是一种用以启动 及关闭发电机及电力消耗装置以提供自我调整的需求/响应的信息。在发电机 及电电力消耗装置中的该控制电电压装置及相关电电压控制电路可以具有如 控制器的功能，虽然其並非是一传统的微控制器。在另一实施例中，一实际 微控制器可以被使用在至少一发电机或电电力消耗装置上，以允许发电机或 电电力消耗装置的控制，或是与系统或其他发电机或电电力消耗装置之间更 多通信。程序414乃当该直流总线的该工作电电压位于该发电机或电电力消 耗装置的该控制电电压范围中时以启动该电电力消耗装置。
程序416设定发电机的工作模式，例如不管是备份416A或是紧急416-B， 或是正常运作416-C，以及超过电电压范围。同样地，程序416设定电电力消 耗装置的工作模式，其利用如随机418-A、强烈418-B、正常418-C以及必要 418-D等参数进行设定。任何的分类与说明可以视实际应用而进行变更。
程序420询问针对需求/响应的修先顺序外部修正是否需要，例如从一智 能电网管理者或一电网电电力供应者询问。假如该外部修正是需要的，则流 程图400返回程序416以设定该发电机或该电电力消耗装置的工作模式。假 如没有修正产生，则流程图400结束及该系统继续运作。在该系统在任何工 作频率下运作或改变下，流程图400的运作可以被重复运用。
请参阅图5，图5绘示本发明需求/响应系统的至少一实施例的需求/响应 情境方案图表。图表500呈现不同型态的装置，其可区分为位于上半部的发 电机以及位于下半部的电电力消耗装置。针对该二种可控制能源及无法控制 能源发电性能，多种情境方案提供不同的应用环境。举例而言，在一可更新 能源设定中，发电机中的太阳能面板”开启”以及电网整流器”关闭”，而 电电力消耗装置中的必要元件(“E”)如电脑设备及LED照明被先启动，假如 有足够的电电力存在，接著冰箱、热水加热器及电网逆变器等正常负载(“N”) 可以接序地被启动。下一个情境方案乃针对电网的整流器发电机中关闭状态 的部分停电电网，其中电电力消耗装置中冰箱、热水加热器的状态变更为” 随机”，亦即其优先顺序是低于需要所有电电力的电网逆变器。在一些实际 案例中，从区域替代能源如无可控制能源的太阳能发电提供电电力給电网， 在电网的高电电力需求的一天时间中可以为使用者、管理者或系统拥有者提 供超额利润。在最后无区域发电机的情境方案中，由于无法提供该替代能源 因此太阳能面板处于关闭状态如夜晚，而仅留下电网整流器以提供电电力给 该直流总线。而当电电力源仅来自于电网时，电电力消耗装置的状态除了电 网逆变器无法提供外，其余如同可更新能源模式的状态。此外，系统管理者 或使用者另具有需求/响应情境方案的额外可编程版本，或是针对特定系统以 修改设定例如方案A及方案B。再者，发电机与电电力消耗装置在实际的应 用装置上具有可靠简单的操作开关，或是通过有线或无线传输进行內部设定 如可选择性地決定装置的模式。例如一热水加热系统具有一表示必要”E”、 随机”O”及强烈”G”的开关设定。使用者可以依据它们的需求改变这些如 其他节能统变数的设定。
本发明通过提供使用者根据电网及区域无法控制能源发电性能以改变系 统的使用情境方案，藉以节省实质的电电力与成本。本发明系统通过广泛的 使用情境方案及使用者的偏好优先顺序，及智能电网或公共事业输入，以決 定该电电力消耗装置的分类、状态及使用优先顺序。图表500包含由使用者 或是统管理者的统计性的设定数值。于另一实施例中，图表500可以是一动 态图表，用以基于公共电网及/或使用者需求如通过具有数值及轨迹点(电网 电电压vs.总线电电压)的一智能控制器，于图表500的列情境方案间进行自动 变换。于任何预定发电机及/或电电力消耗装置中，动态变化的控制变压范围 (如先前所述的系统200)可以在图表500中关于该发电机或电电力消耗装置的 模式产生改变，例如丛一强烈状态到一随机状态。本发明可以与传统的发电 机及电力消耗装置混合，并以具有变动或可编程的控制电电压范围以设定补 偿传统的装置的不足。
通过以上较佳实施方式的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精 神，而并非以上述所揭示的较佳具体实施例来对本发明的范围加以限制。相 反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的 专利范围內。因此，本发明所申請的專利范围应根据上述的说明作最宽广的 解释，以致使其涵盖所有可能的改变以及具相等性的安排。
机译： 集成和管理替代能源，电网功率和负载之间的需求/响应的系统和方法
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