用于不间断电源的控制器及其操作方法与流程

用于不间断电源的控制器及其操作方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术是2020年2月24日提交的名称为“用于不间断电源的电网边缘控制器(grid edge controllers for uninterruptible power supplies)”的美国专利申请序列号16/798,898的部分继续申请并且要求其权益，该专利申请要求2019年2月25日提交的名称“电网感知的ups系统(grid-aware ups system)”的美国临时专利申请序列号62/810,100，这些专利申请的公开内容以全文引用的方式并入本文中。


背景技术：

3.本发明主题涉及不间断电力系统(ups)及其操作方法，并且更具体地涉及连接到电网的ups及其操作方法。
4.数据中心客户通常需要不间断电源(ups)解决方案，该解决方案提供数据中心客户的任务关键操作所需的电力质量和关键电力储备。然而，数据中心客户还可能越来越需要可提供能源辅助服务(诸如高峰调节和频率调节形式的需量响应)的高级ups。此类能力使客户能够使用先前未开发和无法获得的电池容量，这可改善设备投资回报(roi)并降低总运营成本(tco)。


技术实现要素：

5.本发明主题的一些实施方案提供了一种系统，所述系统包括不间断电源(ups)，所述不间断电源被配置为选择性地从电网和能量存储装置向关键负载提供能量，并且在所述能量存储装置和所述电网之间转移能量。所述系统还包括控制器，所述控制器被配置为致使所述ups基于所述能量存储装置的荷电状态(soc)选择性地支持所述电网与所述能量存储装置之间的能量的双向转移和单向转移。所述控制器可被配置为响应于所述soc达到最大有效soc而防止从所述电网到所述能量存储装置的能量转移，同时在所述soc达到所述最大有效soc之后继续允许从所述能量存储装置到所述电网的转移，并且可响应于所述soc达到比所述最大有效soc小预定量的水平而恢复允许从所述电网到所述能量存储装置的转移。在另外的实施方案中，所述控制器可被配置为响应于所述soc达到最小有效soc而防止从所述能量存储装置到所述电网的能量转移，同时在所述soc达到所述最小有效soc之后继续允许从所述电网到所述能量存储装置的转移，并且可响应于所述soc达到比所述最小有效soc大预定量的水平而恢复允许从所述电网到所述能量存储装置的转移。所述控制器可被配置为与电网运营商通信，并且致使所述ups响应于与所述电网运营商的通信而在所述电网与所述能量存储装置之间转移能量。
6.根据另外的方面，所述控制器可被配置为基于连接到所述电网的一组ups和能量存储装置的性能标准来改变对从所述电网运营商接收的能量转移请求的响应。所述控制器可被配置为基于连接到所述电网的一组ups和能量存储装置的性能标准来改变对从所述电网运营商接收的能量转移请求的响应。
7.根据一些实施方案，所述控制器可被配置为致使所述ups基于所述能量存储装置
的所述soc与预定soc范围的关系，在所述电网与所述能量存储装置之间选择性地双向转移能量和单向转移能量。所述控制器可被配置为基于例如与所述ups相关联的性能标准和/或与多个ups相关联的性能标准来调整所述soc范围。
8.一些实施方案提供了一种系统，所述系统包括：不间断电源(ups)，所述不间断电源被配置为选择性地从电网和能量存储装置向关键负载提供能量，并且在所述能量存储装置和所述电网之间转移能量；和控制器，所述控制器被配置为致使所述ups基于所述能量存储装置的荷电状态(soc)与具有大于关键储备soc的下界的soc范围的关系来选择性地支持所述电网与所述能量存储装置之间的能量的双向和单向转移，所述关键储备soc表示被分配以便为所述关键负载提供备用能量的能量的量。所述控制器可被配置为与电网运营商通信，并且致使所述ups响应于与所述电网运营商的通信而在所述电网与所述能量存储装置之间转移能量。所述控制器可被配置为基于连接到所述电网的一组ups和能量存储装置的性能标准来改变对从所述电网运营商接收的能量转移请求的响应。
9.在一些方法实施方案中，操作不间断电源(ups)以选择性地从电网和能量存储装置向关键负载提供能量，并且在所述能量存储装置和所述电网之间转移能量。控制器致使所述ups基于所述能量存储装置的荷电状态(soc)选择性地支持所述电网与所述能量存储装置之间的能量的双向转移和单向转移。
附图说明
10.图1为示出根据一些实施方案的具有ups和电网边缘控制器的系统的示意图。
11.图2-图4示出了根据一些实施方案的电网边缘控制器用户接口的网页。
12.图5为示出根据一些实施方案的电网边缘控制器的操作的流程图。
13.图6为示出根据另外的实施方案的系统的示意图，该系统利用聚合器将多个电网边缘控制器和ups结合。
14.图7为示出根据一些实施方案的用于使用ups以向电网提供能量以及从电网接收能量的系统的示意图。
15.图8和图9为示出图7的系统的操作的流程图。
具体实施方式
16.现在将参照附图描述本发明主题的具体示例性实施方案。然而，本发明主题可具体体现为许多不同形式，并且不应理解为限于本文所阐述的实施方案；相反，提供这些实施方案使得本公开将是周密且完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本发明主题的范围。在附图中，类似的标号表示类似的项目。应当理解，当项目被称为“连接”或“耦接”到另一个项目时，该项目可以直接连接或直接耦接到另一个项目，或者可存在居间项目。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关联的列出的项目的任何组合和所有组合。
17.本文所用的术语仅是为了描述特定实施方案，而并非旨在限制本发明主题。除非另外明确规定，否则如本文所用，单数形式“一个”、“一种”和“该”旨在也包括复数形式。还应当理解，在本说明书中使用的术语“包括”和/或“包含”指明存在所述的特征、整数、步骤、操作、项目和/或部件，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、项目、部件和/或其组合。
18.除非另有定义，否则本文所用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本发明主题所属领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。还应当理解，术语诸如常用词典中定义的那些术语应解释为具有与它们在本说明书和相关领域的上下文中的含义一致的含义，并且除非本文中明确地定义，否则将不在理想化或过于形式化的意义上进行解释。
19.图1示出了用于使ups 110能够用作此类der的示例性系统。ups110的输入端111耦接到ac电网，并且该ups被配置成经由例如配电单元(pdu)120服务于耦接到其输出端112的关键负载。一组电池130耦接到ups 110，并且用于在来自电网的电力中断或劣化时支持关键负载。
20.根据一些实施方案，ups 110可被启用为使用电网边缘控制器140的der，该电网边缘控制器可实现支持能源辅助服务(诸如高峰调节和频率控制)的能源控制方案，同时使ups 110继续作为用于it负载或关键负载的关键备用电源自主操作。电网边缘控制器140包括经由例如网络交换机144与ups 110中的控制器api通信的电网边缘控制器142。该电网边缘控制器142可支持网络连接以允许配置控制器140以使用ups 110提供某些辅助能源服务。
21.例如，电网边缘控制器142可实现ups 110的操作计划表，该操作计划表根据一天中的时间操作ups 110以各种模式提供电网辅助服务。例如，计划表可使电网边缘控制器142在一天中的特定时间内以高峰调节模式操作ups，从而使ups 110将电力从电池组120输送到负载以限制ups110在该时间段期间从电网汲取的电力的量。对此类计划操作的支持可包括使ups 110预先将电池组120充电到适于支持高峰调节操作的水平，该水平可以是电池组120的最大可用容量或接近最大可用容量的容量。此类充电可例如在之前较低能源费率的较低时间段(或非高峰期)期间发生，诸如在夜间或电网上的低能源拥塞时间段。
22.在另一个示例中，电网边缘控制器142的控制计划表还可包括其中ups将在频率调节模式下操作的时间段。在此类模式下，ups 110可以向电网运营商提供电力以及从电网运营商接收电力，以补偿电网上的频率变化。与高峰调节模式相比，在以频率调节模式操作之前，电网边缘控制器142可使ups 110将电池组120带到可为电池组120的最大容量的大约一半的荷电状态(soc)，以使电池组120有效地依次提供和接收电力，使ups参与电网辅助服务的时间最大化。
23.根据另外的方面，电网边缘控制器142还可以提供电网安全兼容接口，用于将ups 110用作der。在一些改型应用中，例如，ups 110可以是未被设计为耦接到电网控制网络的ups，并且可以不是电网安全兼容的以防止或降低侵入的可能性。电网边缘控制器142可采用符合电网的安全要求的硬件和软件，从而允许ups 110在der应用中与电网一起安全地使用。
24.根据另外的方面，电网边缘控制器142还可提供用户接口以允许ups客户监视和控制由电网边缘控制器142实现的计划表，以及由电网边缘控制器142使用的参数，诸如用于关键电力和辅助服务的电池组120的容量的映射。例如，图2示出了可由电网边缘控制器142托管的网页，该网页提供向客户通知系统及其组成部分的状态的控制面板，包括ups 110的当前模式、电池组的当前荷电状态(soc)及其当前容量分配、输入和输出电力表以及电网边缘控制器142的当前模式。
25.图2示出了指示ups和相关联的储能电池的状态的网页，指示例如其中ups正在操
作的模式、电池的荷电状态及其操作模式、以及由电网边缘控制器142监测的各种输入和输出参数的状态。图3示出了由电网边缘控制器142托管的网页，该网页可由客户用于为关键电力和能源辅助服务设置或分配电池容量。如图所示，例如，客户可设定关键储备荷电状态(soc)阈值310，该阈值表示确保关键负载可以被服务指定时间量(这里显示为五分钟)所需的最小容量。电网边缘控制器142可被编程为确保电池组soc在正常(非紧急)操作下永远不会下降到该水平。为了帮助保留关键储备，客户可设置更高的最小有效soc 320，该水平可用作禁用辅助能源服务的阈值，即，如果电池组soc降至该水平以下，则可中止服务。类似地，客户可建立最大有效soc 330，该最大有效soc可用作禁用有效服务(诸如频率调节)的阈值，该有效服务可能导致电池组超过该水平。客户还可建立最大soc 340和最小soc，该最大soc表示降低过度充电可能性的阈值，该最小soc用于降低电池组的过深放电的可能性。目标soc与能源辅助服务相关并且表示即将到来的或计划的电网辅助服务的初始或理想soc；电网边缘控制器恰好在电网辅助之前将电池充电或放电到目标soc。
26.特定电网边缘控制器参数的动态能力允许数据中心运营商根据需要调整/调适ups der的操作，以使der电池容量的利用最大化。如果不具有进行此类运行时调节的能力，则电网边缘控制器和ups的操作在本质上将是静态的，从而迫使用户接受在初始化时建立的参数的特定设置或组合。具有动态能力的数据中心der还通过避免关闭ups来重新初始化边缘控制器参数，以配合本质为动态的数据中心操作计划，从而最大限度地提高ups作为der的可用性。另外，可以选择性地启用或禁用动态能力，如用于逐个参数地启用和禁用动态能力的复选框350所示；这为der运营商提供另一个控制自由度。
27.电网边缘控制器142可支持多种不同类型的能源辅助服务，诸如分时电价(tou)需量电费管理。需量电费可占商业客户每月能源账单的相当大一部分。费率结构根据地理位置而变化，并且费率可由于费率政策和能源计划的变化而变化。不受管理的电力需量可恰好产生高峰罚款和意料不到的/不利的场所电力等级以及不期望的费率重新分类。根据一些实施方案，上文参考图1所描述的布置可用于将ups和电池设备资源转换成需量电费管理装置并减少能源账单以及避免昂贵的罚款。
28.图4示出了可由电网边缘控制器142支持的示例性网页，作为提供此类tou需量电费管理的一部分。该网页使得客户能够输入用于电网边缘控制器142的操作的参数，从而允许客户设置诸如季节日期范围410、各个季节的高峰期和非高峰期420以及各个时间段的能源收费430等的值。这些参数允许电网边缘控制器142被配置成满足应用的特定需求。与图3所示的参数一样，复选框440或类似的输入特征可以用于选择性地允许这些参数的动态重新配置。
29.根据图1的配置也可用于支持实时定价需量响应。数据中心客户可参与能源批发市场以获得最低能源价格。然而，在关键时刻，客户可能会经历批发定价典型的高价格波动。图1的系统的电网边缘控制器142可处理来自客户网络的实时定价命令，例如来自公用事业运营商的警示电子邮件或其他定价信号，并且作为响应使ups 110使用存储在电池组130中的能源来减少需求。例如，电网边缘控制器142可修改其分时电价需量电费管理配置文件(例如，图4)以反映此类实时定价输入。电网边缘控制器142可利用非高峰期中的低实时能源价格将能源重新存储到电池组。这样，数据中心可避免在高电网拥塞和压力的时间段附近常见的更高的实时价格。这可以降低总运营成本，还可以使数据中心利用根据特殊
短期和中期分布式资源合同授予符合条件的负载的容量储备付款。
30.图5为示出根据一些实施方案的图1的系统的示例性操作的流程图。ups 110在正常模式下操作，其中其可自主地对电力中断或劣化作出反应以保持对关键负载的服务(框510)。在确定要提供辅助电网服务时(框520)，系统可确定电池soc是否适于执行服务，而不会例如在服务中断或其他劣化的情况下降低ups 110服务于关键负载的能力(框530)。如果soc不合适，则可不提供辅助电网服务，并且ups可继续其正常自主操作。如果soc合适，则电网边缘控制器142可使ups提供辅助电网服务(框540)。如果电池soc在提供辅助电网服务的同时变得不合适，则系统可终止该服务并返回到自主ups操作(框550、530、510)。类似地，如果服务完成，则系统还可返回到自主ups操作(框550、510)。
31.与其他der一样，ups可作为数据中心操作典型的复杂电气基础设施的部分而广泛分布。根据一些实施方案，可通过创建一组ups(2、4、6，并且可能甚至更多)的聚合使得它们充当一体资源来实现这些的协调和调度以形成/创建用于目标能源辅助服务的总电力。
32.典型的数据中心电气基础设施由许多配电分支和子分支组成，这些配电分支和子分支由进线口变压器和配电盘供电。分支被指定为最终为下游信息技术设备(ite)供电(支持)的馈电线和子馈电线。
33.ite负载可根据数据中心it操作而变化，并且不一定逐个馈电线地协调。由于随机性ite活动和流量，一条馈电线上的负载水平可能与另一条馈电线上的负载水平非常不同。然而，可根据能源经济性通过虚拟化来控制/管理it负载。
34.ite馈电线上的关键部件是ups，其可用于确保数据中心的电力质量和关键电力目标。对关键负载的保护是ups的主要任务，并且如果设计适当，ups将自始至终保护该负载免受电源干扰，包括完全断电。ite负载与这些馈电线上的机械负载相结合。机械负载可位于ups的下游或上游(更典型地位于上游)。
35.通常，还存在并联冗余馈电线和ups，其不主动支持负载并且在其大部分使用寿命期间保持待机。这些馈电线可被视为搁置容量或除了一些能源减少/存储目的否则将不被使用或发掘的容量。如果冗余投资在空闲状态时用于支持可能感兴趣的能源服务，那么冗余投资可能负担其自身费用。
36.根据上文所描述的，特定馈电线上的ups可具有双重用途，以支持数据中心运营商所需的能源服务和关键负载备份。一个示例性服务是需量电费管理(dcm)。dcm操作逻辑可被视为关于负载等级、源极电压和电池荷电状态的关键输入信息。每条馈电线和子馈电线可具有专用电力表以提供计量值(电力数据)。
37.数据中心电力基础设施馈电线通常不是协调的。例如，电气基础设施可包括保持未以任何方式组合或关联的独立/自主读数(数据)的子表。聚合系统可以识别数据中心电气基础设施中正在工作(消耗有意义的电力)并有可能产生净节能或其他能源特征或性能指标的部分。聚合器可关联(协调)目标馈电线/ups(数据)，使得它们作为一个或多个容量组操作。
38.例如，图6示出了包括第一容量群集和第二容量群集的数据中心电力基础设施的示例，该第一容量群集和第二容量群集包括相应组的多个ups，每个组由相应电网边缘控制器142a、142b控制。聚合器510可与多个电网边缘控制器142a，142b进行交互，以使得能够使用两个容量群集并将它们视为组合能源资源，例如，通过协调分时电价、电池容量以及电网
730自主地进行操作以提供关键负载的备用能力(框910)。假设电池710的soc处于例如最小有效soc和最大有效soc之间的中点，则控制器740将允许双向转移，即，其将遵循来自系统操作者760的对从电池710到电网750的转移或从电网750到电池710的转移的请求。响应于来自电网运营商760的请求，例如，可将能量从电池710转移到电网750以减少电池710的soc(框820)。如果soc保持大于最小有效soc，则控制器740将继续遵循对从电池710到电网750的转移的类似请求(框930、框910、框920)。然而，如果soc下降到最小有效soc(例如，由于到电网750的转移或到ups 730的关键负载的转移)，则控制器740将开始将ups 730限制为单向转移，即，控制器740将开始忽略来自系统操作者760的将能量从电池710转移到电网750的请求，同时继续遵循将能量从电网750转移到电池710的请求(框930、框940、框950、框960)。如果电池710的soc增加到量δ1从而高于最小有效soc(例如，由于从电网750到电池710的此类转移)，则控制器740重新使得能够符合对从电池710到电网750的转移的请求(框970、框980)。
45.本发明主题的另外实施方案可改变上文参考图7至图9讨论的沿着线的操作。例如，在一些实施方案中，可基于各种标准修改阈值，诸如最小有效soc和/或最大有效soc。例如，如果将电池组连接到电网的ups是给定站点处的多个此类ups中的一者并且提供如图6所示的聚合der，则最小有效soc和/或最大有效soc可基于例如成本因素、维持特定关键负载所需的余量等来自适应地进行修改。
46.根据另外的实施方案，也可改变ups对转移请求做出响应的程度。例如，在一些辅助电网服务方案中，基于der对电网运营商的能量转移请求的响应的质量，对der进行“分级”。根据一些实施方案，例如，ups对能量供应或接收请求的响应(例如，对于诸如峰值负载抑制和频率调节的服务)可基于各种标准进行缩放，诸如基于辅助电网服务方案中使用的站点的聚合索引或分数来定制单独ups对此类请求的响应(例如，仅部分地满足转移请求)。在这种方法中，例如，单独ups可不均匀地缩放其响应，同时仍然维持期望的聚合性能。
47.附图和说明书已经公开了本发明主题的示例性实施方案。尽管采用了具体术语，但是这些术语仅按一般和描述性意义使用，而非用于限制目的，本发明主题的范围由以下权利要求限定。