具有能量儲存和控制系統(tǒng)的dc建筑系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用/通過引用并入
[0002] 本申請要求享有2012年8月16日提交的題為"DC MICROGRID BHLDING ENERGY MANAGEMENT PLATFORM"（代理人案號 No. 13050-40005-US-1)的美國臨時專利申 請No·61/684,083、和2012年9月10日提交的題為"DCMICR0GRIDBΠLDINGENERGY MANAGEMENT PLATFORM"（代理人案號No. 13050-40005-US-2)的美國臨時專利申請 No. 61/699, 169的優(yōu)先權(quán)。在此通過引用將這些專利申請的全部主題整體并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及可以提高建筑能量效率的先進的部件技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0004] 當前的AC建筑系統(tǒng)不以成本效益最好的方式來使用本地生成的可再生能量，而 是需要非?？煽康墓秒娋W(wǎng)連接，導(dǎo)致過多的全壽命成本以及能量安全性考慮。已知采用 電池作為PV陣列的能量緩沖器，但這種系統(tǒng)在解決諸如照明和通氣的最常見的建筑電氣 負載時并不消除浪費性的AC轉(zhuǎn)換。類似地，已知提供智能建筑能量管理系統(tǒng)，但這樣的系 統(tǒng)不包含用以改進效率和能量安全性的DC微電網(wǎng)。圖1是用于與本發(fā)明相比較的常規(guī)AC 參考系統(tǒng)的一個實施例的方框圖。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明涉及一種無逆變器的DC微電網(wǎng)。所述DC微電網(wǎng)為一個或多個DC供電的 設(shè)備供電，所述DC供電的設(shè)備可以包括照明和致冷設(shè)備。所述DC微電網(wǎng)提供了對由光伏 (PV)陣列生成的DC電力的更有效的使用。所述DC微電網(wǎng)比常規(guī)PV系統(tǒng)實現(xiàn)起來更便 宜，并且提供了經(jīng)提高的回報。所述DC微電網(wǎng)實現(xiàn)了對較便宜的DC供電的設(shè)備的使用。 在各實施例中，所述DC微電網(wǎng)可以采用在美國專利申請No. 13/560, 726和美國專利申請 No. 13/749, 604中描述的太陽能同步負載和/或最大功率點跟蹤控制特征。
[0006] 在其他實施例中，可以調(diào)整所述DC微電網(wǎng)的所述PV陣列的大小以提供有利的DC 總線電壓范圍，以用于比常規(guī)DC總線電壓范圍更低和/或更窄的更有效的最大功率點跟蹤 (MPPT)控制。備選地或額外地，可以調(diào)整所述PV陣列的大小以提供預(yù)定范圍內(nèi)的電力，以 有利地平衡所述PV陣列和公用電網(wǎng)的電力產(chǎn)生。例如，可以調(diào)整所述PV陣列的大小以提 供少于一半的電力需求，例如在電力需求的25-40%之間。
[0007] 相對于常規(guī)交流（AC)建筑系統(tǒng)，本發(fā)明的直流（DC)微電網(wǎng)建筑能量管理平臺 (DCMG-BEMP)在減小的總擁有成本（TCO)和增大的能量安全性方面提供了顯著的益處。常 規(guī)建筑級配電系統(tǒng)在為許多常見設(shè)備供電時遭受到AC-DC轉(zhuǎn)換損耗，并且在采用諸如來自 可再生能量源的本地產(chǎn)生的DC電力時遭受到DC-AC損耗。例如，在與本發(fā)明的DC微電網(wǎng) 相比較時，這些轉(zhuǎn)換導(dǎo)致在光伏（PV)陣列與AC照明負載之間高達12%的更大的能量損耗。 典型的PV系統(tǒng)還要求所有電力都流過不可靠且昂貴的電網(wǎng)連接的逆變器硬件，所述逆變 器硬件在失去電網(wǎng)電力（斷電狀況）時阻礙了將PV電力用于關(guān)鍵任務(wù)活動。另外，當前AC 建筑系統(tǒng)具有有限的能力或沒有能力來管理建筑峰值電力需求，這可能導(dǎo)致需量電費和進 一步的電網(wǎng)不穩(wěn)定性。所述DCMG-BEMP應(yīng)用創(chuàng)新的方法來使用成熟、可靠的DC技術(shù)，并且動 態(tài)地優(yōu)化電源、負載和能量儲存系統(tǒng)交互，使TCO和對基于電網(wǎng)的電力的依賴性最小化。使 用BLCC工具的經(jīng)濟建模示出了所述DCMG-BEMP與等效的AC系統(tǒng)相比較在25年間儲蓄一 投資比（SIR)有15% -25%的提高。與其他方法相比較，本發(fā)明的DCMG-BEMP提供了增大 的能量效率、提高的能量安全性和較低的總擁有成本。
[0008] 本發(fā)明可以提供一種DC微電網(wǎng)配置，在所述DC微電網(wǎng)配置中儲存了 DC電能量以 便于在不被轉(zhuǎn)換為AC電能量的情況下為DC負載供電。雖然在附圖中僅示出了電池，但是 這樣的DC能量儲存可以是電池、電容器、飛輪等形式。
[0009] 使用所述DC微電網(wǎng)配置中的能量儲存的一個主要優(yōu)勢是在以來自能量儲存元件 的DC形式時，可以由所述DC負載更有效地采用能量（例如備用電力）。較高的效率的一個 原因是不存在建筑中典型地做出的從DC儲存到AC并回到DC的中間轉(zhuǎn)換。
[0010] 能量儲存元件可以被并入到DC電源中，使得其實際上類似于不間斷電源（UPS)配 置。備選地，能量儲存元件可以被獨立地連接到所述DC總線。然而，附圖中的至少一個示 范性實施例包括被并入到DC電源中的電池，所述DC電源被連接到AC電網(wǎng)并且與太陽能電 網(wǎng)（例如可再生DC能量電源）分開。
[0011] 能量儲存設(shè)備可以被直接連接到所述DC總線，或者可以具有中間DC/DC轉(zhuǎn)換器以 對用于充電/放電的電壓和電流進行優(yōu)化。能量儲存設(shè)備可以通過AC/DC電源從電網(wǎng)充電、 可以從諸如太陽能光伏（PV)的其他DC源充電、或者可以通過全部這兩種方法充電。
[0012] 所述DC微電網(wǎng)中相對少量的能量儲存容量可以被用于滿足美國建筑的90分鐘緊 急照明需要，而沒有對于典型的專用緊急照明電路或分布式電池策略的需要。例如，可以經(jīng) 由軟件控制來調(diào)暗所有燈光和/或僅開啟燈的子集，以便滿足緊急照明亮度需要。以不間 斷電源（UPS)模式來使用所述DC電源可以使得能夠為DC緊急照明供電而不向建筑添加任 何額外基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)有技術(shù)中，相反緊急照明可能需要額外的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，例如單獨的AC 或DC照明電路和電池系統(tǒng)。本發(fā)明的布置可以提供諸如低成本、高可靠性以及改變在緊急 情況期間開啟哪些燈并且改變在緊急情況期間哪些照明水平可用的靈活性的優(yōu)勢。可以經(jīng) 由本發(fā)明的軟件配置來唯一地實現(xiàn)這些優(yōu)勢。
[0013] 大量能量儲存可以被包括在所述DC微電網(wǎng)中，以提供不同水平的備用能量。例 如，可以儲存足夠的備用能量，以便在存在足夠的白天產(chǎn)生的過剩太陽能PV能量以放入到 能量儲存系統(tǒng)中并且隨后在夜晚太陽能能量不可用時在所述DC負載中使用的情況下，在 大多數(shù)夜晚中以緊急模式保持建筑整個夜晚運轉(zhuǎn)。需要的儲存量可以取決于"緊急模式" 中需要的電量（即，在斷電時較低的照明或通氣水平可能是可接受的），并可以取決于在不 同地理區(qū)域中的可用太陽能能量的量。這些變量可以被用于從統(tǒng)計學上計算"能量安全性" 或利用白天儲存的過剩太陽能能來在整個夜晚或其他期望的時間段為建筑供電的概率。儲 存的太陽能PV能量的任何量都可以減少其他備用發(fā)電選項所需的柴油或其他燃料的量。
[0014] 如果所述DC微電網(wǎng)并入了 DC熱負載（例如，食品冷藏、建筑HVAC、熱水加熱），那 么熱儲存可以與電能量儲存組合以確定"能量安全性"。例如，即使在能量儲存耗盡時，冷凍 的食品也可以幾個小時保持冷凍，這可以提供足夠的保護，直到在早晨太陽能能量再次可 用。另外，可以將食品冷凍至比凍結(jié)需要低幾度的溫度，并且冷凍食品自身因此可以有效地 儲存能量。
[0015] 為了擴展能量儲存的可用性以保持在緊急情況下建筑可使用，可以調(diào)節(jié)建筑中的 電氣負載以適于儲存的能量的可用性、太陽能電力和斷電的持續(xù)時間（例如失去公用電網(wǎng) 電力的持續(xù)時間）。例如，在有充足日照和充足能量儲存預(yù)備的情況下發(fā)生的斷電的第一個 小時中，照明、通氣或其他緊急情況負載可以保持在滿功率。然而，隨著斷電持續(xù)期間持續(xù) 到具有更少的可用日照的第二個小時中，緊急情況負載可以以較低功率水平操作，以便保 存儲存的能量。例如，可以調(diào)暗燈光，通氣可以以低速操作等。隨著斷電持續(xù)時間變長，并 且取決于可用的太陽能能量的量，可以對負載的操作進行額外的這樣的調(diào)節(jié)。通過對緊急 情況負載的適應(yīng)性調(diào)節(jié)，建筑更有可能在更多的斷電場景下保持可用的狀態(tài)，這是因為短 期斷電比長期斷電發(fā)生得更頻繁，并且因為天氣條件（例如日照量）在不同斷電期間可能 極為不同。
[0016] 主要被設(shè)計成所述DC微電網(wǎng)以用作備用的能量儲存也可以被用于"需求響應(yīng)"的 目的，以幫助公用公司管理峰值電力需求。例如，公用公司可以為所述DC微電網(wǎng)發(fā)送電信 號或提供激勵（例如日分時采用率或需量電費），在一段時間中將來自能量儲存和PV的電 力而不是來自公用電網(wǎng)的電力用于DC負載，因此減少了在峰值時間段期間對公用電網(wǎng)的 電力需求（"DC負載均衡"）。
[0017] 除了以上的，所述能量儲存可以被連接到將允許所述能量儲存還被用于抵消來自 所述建筑中的AC負載或AC公用電網(wǎng)上的其他地方的峰值需求（"AC負載均衡"）的DC/AC 逆變器或雙向AC/DC轉(zhuǎn)換器。所述DC微電網(wǎng)可以被配置為提供以上的DC負載均衡和AC 負載均衡的組合。
[0018] 所述DC微電網(wǎng)中的能量儲存可以具有通過出于測試目