TWI550987B - 多用途功率管理系統及方法 - Google Patents

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格藍動力股份有限公司
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Description

多用途功率管理系統及方法
相關申請案之相互參照
本件非臨時申請案請求於2011年8月2日申請之第61514103號美國臨時申請案之優先權，其被併入本案供作參照。本申請案復確認由相同申請人於2011年5月4日申請之先前第13/100957號美國專利申請案且併入本件專利申請案中供作參照。
本發明係關於用於功率管理單元以及/或裝置系統陣列之微型電網系統之功率管理，其可由外部啟動一短暫或永久之時期且可為***式以及/或再充電式以及攜帶式。其可使用所有範圍之能量來源而提供波動的(如太陽能面板、發電機以及類似者)或恆定之功率(如牆上適配器或公用電網)作為輸出。此外功率管理裝置(在實施中之單一以及/或多個功率管理單元/裝置可被稱為及配置用作功率管理系統)可被堆疊以及建置具有防盜與超載偵測能力。該等能輸出多種電壓以及可變之功率量俾用於操作多種終端電器，包括手機、個人音響、備忘記錄器、電視、燈具、電腦、電冰箱。
近來再生能源之熱潮為能源領域帶來一些重大之進展，但再生技術及習用的電網不一定彼此適合。在此方面存在有一些主要的問題。首先，現代化電網係用交流(AC)功率操作，而再生能源例如，太陽能面板是產生直流(DC)電。由直流電轉換為交流電造成了電網中可以避免的無效率，其在電力由交流電轉換回直流電以操作現代化直流電器(如手機、筆記型電腦、以及光二極管燈具)時更為加劇。
再生能源的第二個問題是在功率輸出方面其本身的可變性，例如，太陽能面板被遮蔽，其保證儲存之大量以便確保穩定與可靠之功率輸送至電網之節點。特別是，在發展中國家之鄉村地區電源供應的持續性(每日小時數)以及供應的品質(電壓與頻率)皆係高度不確定和間斷的。這對於電網運營商是既昂貴又難以衡量的。此外，傳統之電網受竊電所害，使得已是昂貴的再生能源之來源更加昂貴。例如，在印度能源竊盜是鄉村社區的主要問題，那裡的分銷公司遭遇了超過58%之總計技術與商業損失(AT&C)，其中多係因為竊盜和偷竊。
又，此等地區之電力分銷公司向消費者收取一項與電力供給/消耗無關之最低固定月費。是故，在數個案例中人們支付的比他們實際消耗的電力更多，只為了保持 連結。現今之電器用品多為直流供電且多數看好的再生能源電力是“太陽”，其亦產生直流電。因此，在發電與多數消耗係直流電的地區，就有直流功率之傳輸與配送之需求，以減少經由數層轉換之功率損失。
先前技藝之美國第2010/0207448 A1號及美國第2012/0080942 A1號專利公告案被認為與本發明有關。但是，引述之先前技藝基本上描述的是構想和概念，而非對於問題的具體技術解決。此等構想和概念在被承認的先前技藝被揭露之前已經在幾件公開案中被討論過了。
然而，現有的電網供應交流功率或混合功率(交流與直流功率之組合)，遭遇配送問題。特別是，非習用且可變之電壓功率(直流功率)發電之數量因為固有之不確定性而不穩定。此外，從電網供應之交流功率是完全不規律的尤其是在鄉村地區，混合式供應的情形亦同。亦即，沒有可靠之系統與方法可得以供應交流或直流功率之配送以藉消除竊電，而確保公平與實質上規律之電力供應，並藉實施對被配送之最大功率點追蹤(MPPT)以及智能化能源需求之回應技術而將發電/配送之效率最大化。
上述相關技藝之範例以及其相關之侷限性係為說明並非專屬的。相關技藝之其他限制將於閱讀本說明書及研究圖式時更為清晰。
是故，本發明之一個目的在提出一種智能功率網，其包含一種或多種之能量產生來源及一個中央控制器，該能源產生來源可供應恆定或可變之功率量，該中央控制器具有可選之遠程監視能力，其可以控制一群之功率管理裝置(PMD)，其被用於對應於不同能源之需求-發電情形之電力作有效率之監視、控制、計量、公平配送給消費者，並消除竊電。
本發明之另一個目的在提出至少一種功率管理裝置，具有可選之內部儲存能力並與智能功率電網對接，作為被配送之儲存，以允許智能電網內之所有用戶分攤儲存之費用進而減少電網業主之資本與營運費用。
本發明之再另一個目的在提出與智能電網對接的至少一種功率管理裝置，其可以容納外部儲存裝置以增大儲存能力。
本發明之又一個目的在提出至少一種與智能電網對接之功率管理裝置，其被配置在智能微型電網上實施有效率之需求-反應管理以及公平之功率配送至一些電器，包括如電冰箱、冷氣機、加熱器的裝置，其具有內含之冗餘(slack)，以補充或作用為附著於功率管理裝置上之主儲存。
本發明之再一個目的在提出一種功率管理裝 置，其使用電網上之電壓且可將供應之電壓轉換為有用之直流功率、交流功率或混合電壓以操作種類繁多之消費電器。
本發明之又另一個目的在提出一種功率管理裝置，其可選地包含內部、外部或混合儲存，其可藉由智能電網而被使用於遠程冗餘管理，以控制此儲存之充電與放電而在無中央儲存設施之重大投資的情況下提供可靠之功率給消費者，即便是於低發電水平期間。
本發明之另一個目的在提出一種功率管理裝置，其與中央電網控制器在有線或遠程通訊模式下如先前技藝般無額外裝置之配送方式即達成對可變化之功率產生來源之最大功率點(MPP)之追蹤。
本發明之再另一個目的在提出一種在功率之傳輸、配送及消耗時經由與智能電網對接之功率管理裝置自動偵測竊電之方法。
本發明之又另一個目的在提出一種功率管理裝置，其具有計量功率之產生與消耗之裝置，包括存款/信用/欠款之資料的處理。
本發明之再另一個目的在提出一種功率管理裝置，其容許用戶對應於增大的/減小的功率供應而增大本地儲存與消耗或減小功率消耗。
DC‧‧‧直流
AC‧‧‧交流
PMD‧‧‧功率管理裝置
1、30‧‧‧電路保護
2、11、12、15、31、34‧‧‧切換器
3‧‧‧DC/DC轉換器
4、32、37‧‧‧主計量器
5‧‧‧開關切換器
6‧‧‧電池管理器
7‧‧‧電池組
13‧‧‧安全
14、29‧‧‧DC-DC轉換器
16‧‧‧DC-AC逆變器
17‧‧‧控制器
18‧‧‧電網通訊介面
19‧‧‧實時時鐘
20‧‧‧切換驅動器
21‧‧‧類比至數位介面
22‧‧‧用戶介面
23‧‧‧電池備用介面
24‧‧‧邏輯備用功率
25‧‧‧篡改偵測器
27‧‧‧啟動介面
28‧‧‧處理器
33‧‧‧電池充電器
36‧‧‧DC/DC+AC/DC轉換器
38‧‧‧扇出
39‧‧‧中央控制器
40‧‧‧逆變器
41‧‧‧充電控制器
42‧‧‧電池
43‧‧‧可變功率產生來源
44‧‧‧其他習用或非習用之發電來源
45‧‧‧遠程通訊系統
第1圖顯示根據本發明之一種與一個直流微型電網對接之功率管理裝置之方塊圖。
第2圖顯示根據本發明之一種與一個交流微型電網對接之功率管理裝置之方塊圖。
第3圖顯示根據本發明之一種與一個混合式微型電網(AC+DC)對接之功率管理裝置之方塊圖。
第4圖顯示具有中央儲存和附有其內部配送儲存之功率管理裝置的本發明之智能電網之結構。
第5A,5B,5C圖圖解顯示根據本發明之一種在不同發電消耗狀況下實施最大功率點追蹤之方法。
第6A及6B圖圖解說明根據本發明之竊電偵測之方法。
本方法係藉附圖中之圖式範例做說明而非侷限，其中類似之參照係指相同之元件。應注意的是在本文中參照“一”、“一個”或“一些”之具體實施例未必是指同一個具體實施例，且這樣的描述意指至少一個。
因此，茲提供一種功率管理裝置(PMD)，其可與智能微型電網對接(使用AC或DC功率、或混合功率)以解決先前技藝之問題。智能微型電網被配置為具有模塊結構，使得其可以滿足少數為幾十個之面對消費者之功率管理裝置以及藉組合數個智能微型電網與提供於該數個智能 微型電網之間之通訊裝置而擴展操作作為一個公用電網。此模組化尤其可使其能提供電網功率而無需將公用電網延伸至遠程地區之鉅大資本支出。此處描述之本發明係一種可以使用配送儲存之智能微型電網之智能化用戶方功率管理裝置(PMD)。
本發明之智能微型電網以從來源至電器的交流功率、直流功率以及混合型功率操作。電網能夠工作且不限於只工作於每一家庭或行業各有其自己的能源儲存之配送儲存地域、以全部用戶為基準分攤能源儲存之費用並且容許無縫度量。智能微型電網對竊電之耐受性極低。此外，本發明允許實施配送儲存及最大功率點追蹤之技術而無需使用任何額外之裝置。
根據本發明之智能微型電網包含至少下列所示：
a.一或多個習用或非習用之功率產生來源，其可產生恆定或可變之電量，例如，太陽能、風力、生物質能、微型、水力以及從電網而來之現有電力供應。
b.配送電線，其將功率從發電站傳送至一個或多個扇出，扇出作用為一群消費者之中間配送站。功率從扇出被配送至每一位具有一個功率管理裝置之消費者。
c.一個位置靠近功率產生來源之中央控制器，其計量進入微型電網之總電量並與每一個扇出通訊。扇出 計量經由其通過之功率並與配送功率經過其間之每一個功率管理裝置通訊。所有此種本地通訊係利用一個媒介，其可以是有線、無線或二者之混合式，因為功率管理裝置使用之通訊協定係可為任何通訊媒介而量身訂作。功率管理裝置被設計為可以純交流功率、純直流功率或二者之混合式共同操作，從而以最有效率之方式配合所有形式之發電。每一個功率管理裝置之其他特點中還提供有至少一個微控制器，其具有獨立性，不依賴於輸入功率是交流功率或直流功率、或混合式功率。
d.中央控制器可以包含一個全球移動通訊系統(GSM)模塊，以與一個遠程中央伺服器無線通訊，其中由微型電網收集之所有資訊儲藏在該遠程中央伺服器中。此伺服器被連接至網際網路以允許電網操作人員遠程監視微型電網之操作。中央伺服器亦將指令傳至全球移動通訊系統模塊以與任何特定之功率管理裝置通訊，並進一步消除微型電網之技術問題或將其開啟或關閉。中央控制器亦可使用任何其他之技術與遠程中央伺服器通訊，例如無線電、分碼多工存取(CDMA)、使用乙太網等之有線通訊等。
功率管理裝置可以接受直流功率、交流功率、或混合功率之備份輸入，將測量之資訊提供至電網，以用於功率使用，輸出不同之直流電壓及一個標準之交流電壓，以操作多種之電器，與電網通訊，以做冗餘管理及安 全操作，將備份之內部儲存充電以於電網停機時提供電力，以及提供用戶介面，以將相關之資訊給予用戶。此外，其可被啟動及停用而允許受控制之消耗水平，亦即，裝置會保持活動直至某一電量流經其間，類似於一個預付費之手機保持活動直至帳戶用至負數。當多個功率管理裝置被使用時配送功率之儲存網路為功率管理系統創建了基礎。
在一個具體實施例中，對於AC輸入至功率管理裝置，提供了三個級別之電路保護，例如：
i.一個變阻器，被用於與供電並聯以保護電路使之免於電壓尖波。
ii.一保險絲(可復式或非可復式)或一斷路器被放置於與功率供應串聯以避免電流尖波。
iii.在主要計量器中，一個變流器計量電路中流動之電流。如過電流流動超過一個臨界限制，微控制器會關閉繼電器以保護功率管理裝置(包括功率管理裝置供電之電器)之內部電路。
為了計量交流功率，如在第2圖所示，功率管理裝置對進入之AC波形之電壓與電流進行取樣。取樣率是選擇為比波形之頻率超過二倍以避免混淆。微控制器經由其類比至數位介面讀取此些數值。電壓之讀取係利用一個降壓變壓器及一個分壓器。變壓器在功率與控制器電路之間提供電磁隔離以保護數位電路。
另一種測量電壓之方法係調整一個分壓器以及使用不同電源供應之多個光偶合器以將數位電路自功率電路之電湧隔離。使用一個變流器來測量電流。其亦可用一個電流感測電阻，霍爾效應傳感器做測量。還有集成電路可用以計量交流功率，其亦可選擇性地被用在功率管理裝置中以計量流經其之功率。
經由主計量器輸入之功率，在一個具體實施例中，導致：
1.使用DC-DC轉換器輸出5伏DC及13伏DC。不過如果用戶不需要嚴格的電壓調節，輸出13伏DC之DC-DC轉換器可被省略。在這個情形下，此種輸出可被直接連結至由功率管理裝置充電之本地12伏儲存，且電壓會波動對應於儲存電壓之變化。
2.操作各種標準AC電器。
3.經由一個AC-DC充電器將本地儲存充電。 根據本具體實施例，如第2圖所示，DC輸出係經由受限於DC-DC轉換器的電流而產生。當輸出電流超出此電流限制時，電壓下降以保持功率輸出之恆定。此電壓係與使用一個類比比較器之的臨界值做比較而當電壓低於此臨界值時，切換器(一個P型金氧半場效電晶體(PMOS)或N型金氧半場效電晶體(NMOS))會藉由改變其柵極電壓而關閉。因此，輸出電壓可用低成本被安全地控制。
功率管理裝置包含一個電池充電器，其具有一個AC至DC之轉換器以及一個脈寬調變(PWM)控制之電壓反饋電路，以精準地監視轉換器之輸出充電電壓。此充電電壓可被一個微控制器控制之數位電位器所修改。微控制器從智能電網接收信號，以藉由調整數位電位器而增大或減小其所回應的功率管理裝置之功率消耗。數位電位器設定電池充電器之負反饋參考電壓，其更改電路之脈寬調變及改變充電電壓。
電池充電器被校準使得充電與電池電壓之間之特別差異導致特別數量之電流流入電池。故改變此種充電電壓可準確地控制進入電池之電量。或者，在AC-DC電池充電器之外還可用一個電流感測電阻、電流放大器、及類比比較器來控制此功率。在類比比較器上之負反饋參考電壓可被改變以變更電路之脈寬調變從而改變流入電池之電流量。此本地儲存係附著於一個逆變器，其將DC轉換為AC。於此期間，當電網無法供應足夠之功率去承擔負載時，控制器切換至逆變器功率從而減小電網之負載。電網將此訊息傳送至功率管理裝置以切換至電池儲存而非電網功率。但是電網可繼續供應電力而根據功率可用性將電池充電。
在本發明另一具體實施例中，當輸入至功率管理裝置的輸入功率係高電壓DC(例如，在150-250伏之間的 DC)時，其可藉由使用一個在功率管理裝置中之適當DC-DC轉換器被增大或減小，以使用變更的輸入電壓範圍來產生不同之有用電壓，許多種類之再生能源可被用以供電給功率管理裝置。
一個電路保護形式之斷路器被提供以避免功率管理裝置之內部電路因為電網中之電壓尖波或因為用戶方短路所造成之電流驟增而受損害。此種電路保護可為機械式或電動式之裝置，其在此種尖波狀況下將功率管理裝置自電網切斷，且僅於一些用戶動作(亦即，翻轉一個切換器、按鈕等)之後才重新連結功率管理裝置。此與一般交流電網上家庭常見之斷路器之概念類似；但斷路器之形式可不同於習見之裝置以適應直流功率、或交流功率、或混合式電網之特殊需求。
例如，電路保護係以單向齊納二極管完成。其亦可用高功率電晶體完成，高功率電晶體之柵極電壓被數位電路所控制，數位電路輸出之高/低係基於輸入電壓是否在規定之範圍內而定。例如，一個由電阻組成之分壓器網路可被用於測量輸入電壓，其係被使用一個類比比較器而與一臨界電壓做比較。此比較器之輸出被連結至電晶體之柵極，以於電網電壓超出規定之限制時將其關閉，並將其保持直至其回復至限制內。
在功率管理裝置中之DC-DC轉換器有動態之 可調整輸出電壓。此電壓亦是儲存之充電電壓。經由電網通訊，功率管理裝置知道何時應消耗較多或較少之功率且從而調整與DC-DC轉換器之負反饋節點連結之數位電位器。調整此電位器時，轉換器之輸出電壓會被改變，其依序改變進入與功率管理裝置之總功率消耗相對之電池之功率。AC至DC轉換器在此不是必要的，因為輸入之功率亦是直流功率。此使得系統更有效率。或者，任何能容許改變DC-DC轉換器之脈寬調變之技術皆可用於調整進入本地儲存之功率。
主計量器用分壓器測量輸入之電壓以及用電流感測電阻技術測量電流。在所有DC功率管理裝置(PMD-A)中，控制器不必測量任何頻率、功率因素等，因為在直流功率中所有之功率皆係實際的功率。每一個功率管理裝置亦被編程適於最大容許電流通過其間。不論何時計量器感應到高電流時，其關閉計量器數秒並以使用者介面上之紅色發光二極體(LED)指示出超載。控制器隨後藉由開啟所有之輸出切換器而將計量器開啟回復。如果超載情形排除了，計量器會保持在開啟狀態，否則會重覆此作法。
在本發明之一個具體實施例中，在功率管理裝置中之使用者介面提供下面資料給用戶：
a.在液晶顯示螢幕上或經由分段顯示根據自計量模塊讀取之即時功率消耗。
b.餘留供消耗之總功率(在預付費功率之情形)。此係藉由計算功率管理單元啟動之總功率與消耗之功率量之間之差而決定，功率管理單元自啟動時起即已作測量。
c.功率歷史：一個可選在裝置上之SD卡或類似之儲存裝置可被提供以記錄功率管理單元上之功率消耗之歷史。SD卡隨後可被***電腦以讀取該歷史。或者，資料可經由在網際網路上之入口網站上之數據機被通訊或可藉由中央控制器經由電網通訊而取得。
d.故障指示器被用於功率管理單元之外殼上用以顯示任何通訊錯誤或其他錯誤狀況(比如短路或超載)。一個重置按鈕被提供在功率管理單元之外殼上以使該裝置在錯誤被補救後回復至正常之操作。在此狀態下系統被允許定期自行重置，以檢查錯誤狀態是否已被排除，在此情形下系統回復至正常操作，否則就回到錯誤狀態。
功率管理裝置有一個可選的DC至AC逆變器以配合交流功率之電器。根據本發明，內部儲存可以是任何可再充電之電池組因為DC-DC轉換器負責將輸入電網之電壓轉換至適當之電池電壓以用於充電及/或創建輸出電壓而運轉電器。功率管理裝置-控制器可被編程以將功率管理單元中所使用之特定電池充電。控制器根據其與電網之通訊亦可切換於電池充電、儲存及放電之間。此種通訊之一個範例為電網傳送至功率管理裝置之2位元(bit)輸入流。
一位元決定功率管理裝置是否可被充電，而另一位元則決定相對於電網中其他功率管理裝置之儲存而將此功率管理裝置之儲存充電之優先順序。根據電池狀態及此輸入流，功率管理裝置控制電池切換器以及允許電池充電或保持其狀態。視電池狀態而定，功率管理裝置亦控制電池是否應被容許放電或不放電，以確保電池不致過度放電。切換電池的通訊如何可以運作之一個可選範例是電網可以只傳送一個信號，該信號決定功率管理裝置之一個電池該充多少的電。是故，如果電網傳送一個表示40%的信號，所有功率管理裝置會設定一個充電率(容許更多或更少之電流進入電池)使其電池達到其充電狀態之40%。由於功率管理裝置中之一個可編程微控制器與電網通訊對接，以及控制內儲存，功率管理裝置可以與電網設計者或操作者可能想用來管理其儲存負載的任何通訊系統/協定對接及調適。
DC輸出電壓及輸入電壓係並聯至二個位於功率管理裝置上之不同堆疊連接器。此使得二或三個功率管理裝置單元被堆疊在彼此之頂部上。由於輸入電壓係堆疊的，一個單一輸入電纜可同時將所有堆疊之功率管理裝置之相關聯儲存予以充電/監視，且功率管理裝置上直接連結至電網之計量器將測量進入所有功率管理裝置之總功率並將其傳遞回到電網。藉由堆疊輸出，可自功率管理裝置堆 疊之單一輸出連結器提取更多之功率因為所有堆疊之功率管理裝置現在可以提供功率至與特定功率管理裝置連結之負載中。是故，如果一個功率管理裝置可以經由5伏DC輸出供應15瓦，三個功率管理裝置在堆疊後可以經由相同之5伏DC輸出供應45瓦。
功率管理裝置可以堆疊至多少個之限制取決於輸出連結器之額定功率據此亦決定功率管理裝置中之電路之其餘額定功率。或者，堆疊可藉由分解控制器、斷路器、計量器、及DC-DC轉換器成為一個單元以及將其餘之功率管理(儲存、不同之直流功率與交流功率輸出電壓、交流/直流功率比較器、切換器)分解成為另一個“較少智能化之儲存單元”而實施。之後堆疊可包含一個前單元，其與電網連結及處理安全與計量，而其他單元則可作用成為後儲存裝置，其與該前單元被集中控制。這樣可以減少堆疊過多之儲存裝置之成本，因為額外裝置具有較低之功能，此可被中央控制器補足。
在本發明之另一具體實施例中，如在第3圖所示，功率管理裝置可在產生交流與直流功率二者以及消耗交流與直流功率二者之多種功率產生來源之下操作。在此情形，功率管理裝置-微控制器被配置以實施下列額外之功能：
i.主計量器(37)仍計量通過功率管理裝置承 擔通過不同直流功率輸出之負載之總直流功率或於交流功率不可得時經由DC-AC逆變器(16)承擔交流功率之負載。此外，在功率管理裝置中有一個交流功率計量器(32)，其計量進入其中之交流功率。此計量器(32)係實用的因為如果負載需要交流功率且供應亦係交流功率，則功率可直行經由240伏交流功率輸出(10)而流至電器且逆變器(16)開關可被打開。不論何時可得到交流功率以及在功率管理裝置上有交流功率負載時，逆變器是被關閉的以避免能源喪失及功率自交流功率計量器(32)直行流至負載。
ii.用在此功率管理裝置中之主轉換器係一個DC-DC+AC-AC轉換器，其能將二種功率轉換成為單一13伏直流功率輸出，其可用於將本地儲存充電以及供電給5伏直流功率輸出與逆變器。
本發明之功率管理裝置亦配置有一個可選之堆疊特點。功率管理裝置有公/母堆疊連結器，其容許多個功率管理裝置被實體上及電力上連結在一起。一旦被堆疊，功率管理裝置之直流功率與交流功率輸出會被連結至其他堆疊之功率管理裝置。這使得用戶可自堆疊提取更多之功率。為了堆疊DC輸出，在各個功率管理裝置中之DC電壓被彼此並聯在一起。為了堆疊AC之輸出，各功率管理裝置有一個“相位同步器”。
在一個具體實施例中，此相位同步化係藉由引 起交流電波延遲而執行，使得進入堆疊之新功率管理裝置之交流電波之相位在交流功率輸出之間開啟連結之前與已存在堆疊上的相位相同。
根據本發明之一個優勢，功率管理裝置容許消費者使用預付費之模式購買電力。例如，消費者購買能源信用額度以充值其計量器。此等信用資料可透過使用多種選項(有線通訊、使用全球移動通訊系統之無線通訊、藍芽、紅外線、或可使資料轉送進入功率管理裝置的其他任何媒介)被轉送進入之電源管理裝置中。計量器計算正在消耗之功率量並保持遞減計數此等能源信用額度。當功率管理裝置用完能源信用額度時，功率管理裝置--控制器會關閉主切換器/繼電器以避免任何進一步之功率消耗。
功率管理裝置一旦被充值了信用額度，切換器再度打開及功率再次開始流動。此種預付費之購買模式有下列優點：1.其使得用戶支付確實之耗電量，2.其消除欠款，3.其使得用戶知道其功率消耗，此可驅使減少能源之浪費。
在本發明之另一優點中，在消費者端使用功率管理裝置之智能微型電網以及一個在發電方上面之中央控制器，可用分配方式實施最大功率點追蹤之方法。最大功率點追蹤(MPPT)，如第5A-C圖所示，係一種常用之技術， 藉著修改產生來源之負載產生條件而將多種功率產生來源之功率輸出最大化，其迫使功率產生來源輸出可以根據分別由陽光或風速得到之最大功率。例如，太陽能面板有特定量之太陽能輻射之最大功率點。如果消費者試圖自面板提取比在最大功率點可以得到之更多電流，則通過面板的電壓顯著下降且來自面板之總功率亦下降。
類似地，如果提取之電流減少太多，則面板之電壓趨近其之開放電路電壓，這亦減少電壓與電流之產生並且從而減少功率輸出。為避免此情形，先前技藝使用昂貴之最大功率點追蹤器來控制面板之輸出電壓與電流，以便將功率輸出最大化。典型上，此等最大功率點追蹤器係電流控制之DC-DC轉換器，其控制系統之輸出電流以將輸出功率最大化。最大功率點追蹤亦為人所知是安裝在中央，於此處系統有其中央儲存或自該處系統將功率售回至電網。
與先前技藝相反，在所揭露之發明中，免除了昂貴的最大功率點追蹤器以及最大功率點追蹤係經由中央控制器(39)、扇出(38)以及功率管理裝置之間之智能化通訊以分配方式實施，除此之外亦使得本發明之系統更有效益。
在一個具體實施例中，太陽能電池陣列之最大功率點追蹤之實施如下：
a.中央控制器(39)測量太陽能面板陣列之DC電壓及DC電 流。藉著電壓與電流相乘，中央控制器(39)測量太陽能電池陣列之功率輸出。
b.中央控制器(39)隨後將一個信號送至扇出(38)以小量增加其功率消耗。此信號典型上係以百分比之形式。
c.每個扇出隨後將此信號傳送至其控制之功率管理裝置。
d.功率管理裝置，根據其電池充電之狀況以及描述功率增加百分比之信號而調整其內建數位電位器，以增加進入其本地儲存之功率。如果其儲存已滿，則其亦能直接控制進入裝置(例如具有固有冗餘之加熱器、冷暖氣機、電冰箱等)的功率。
e.扇出自功率管理裝置收集關於功率已經被消耗了多少之資訊，並將此資訊傳回至中央控制器。如果增大之總功率少於中央控制器所擔保的，則扇出會傳送一個再度增大之信號至功率管理裝置並且如此做直到功率被增大至中央控制器所需要之相同量。
f.中央控制器現在再次測量面板之總功率輸出。如果增大之負載遠超過面板所能處理的，則面板之電壓可能會顯著下降，這樣會導致功率輸出之整體下降。在此情形中，中央控制器傳送指令至扇出以減少功率消耗，直至面板開始輸出與早先之較高功率相同水平的功率。相反地，如果功率輸出增大，中央控制器會要求扇出再增大其功率消耗直至偵測出太陽能電池陣列之尖峰功率位置。
g.為保障電網穩定性，一個中央儲存(電池)亦可裝設在系統中。此儲存之尺寸要視微型電網之尺寸以及其自所有扇出與功率管理裝置收到資料之時間而定。藉由中央儲存，可以藉著加裝一個計量器來測量中央儲存輸出之功率而可輕易偵測到尖峰功率。只要沒有功率從中央儲存出來以及所有功率係來自面板，中央控制器會繼續命令扇出增大其消耗。在中央儲存開始補充面板之功率輸出之際，中央控制器要求扇出減少功率。最大功率點追蹤方法之目的在於始終允許最大功率流出發電來源，此暗示中央儲存應該供應最少或零功率從而減少中央儲存與花費相對之能量。
在本發明之再一個具體實施例中，提供一種在與一群功率管理裝置對接之智能微型電網中偵測竊電之方法。首先，本發明之功率管理裝置被配置可防止篡改。
在本發明之一個具體實施例中，功率管理裝置有一個光感應器，而此感應器被功率管理裝置之外殼包覆。一旦未經授權的人打開外殼，功率管理裝置自己會關閉並將篡改信號傳至其扇出，其依序將此信號傳達至中央控制器。中央控制器經由全球移動通訊系統通知電網操作人員哪一個計量器已經被篡改了，然後操作人員可採取適當之行動。或者，一個觸控感應器、電接觸或是能夠識別一個計量器外殼在何時已被打開的任何其他形式之感應裝置，皆可被用以偵測計量器之篡改，然後篡改之信號經由 通訊在系統中被傳播。
然而，已知是“配電線路篡改”之第二類型竊電，可直接從線上盜取功率或無需打開外殼便在外部篡改功率管理裝置之計量器。如第6A-B圖所示，本發明亦可偵測及抑制此種形式之竊盜。本發明之智能微型電網典型上具有多於一條之配電線路且每一條線路擴及於多位消費者。在一個具體實施例中，於無篡改之情形時，中央控制器經由扇出與功率管理裝置通訊，以測量在發電與功率管理裝置之間之配電電線上之電壓下降。此電壓下降允許中央控制器測量在正常情況下在中央控制器與每一個功率管理裝置之間之線電阻。
經由線電阻之測量資料，中央控制器(39)根據微型電網上之發電及線損而決定多少功率可被消耗。中央控制器，經由與功率管理裝置及扇出之通訊，亦決定每一扇出(38)及其功率管理裝置之消耗。如果線損以及功率管理裝置/扇出之消耗的總量多過於自中央控制器出來之總功率，則中央控制器產生一個篡改信號並藉由全球移動通訊系統之主文訊息通知電網操作人員或以任何其他形式之通訊通知至電網操作人員之監視系統該配電線路已經被篡改，且如果有需要就關閉配電線路上之電源供應。中央控制器可將電源保持關閉一段時間以及重新開始供應以看看篡改是否已經被排除了。如果仍然存在，中央控制器會繼 續保持關閉電源供應。
如在第4圖所示，一個智能微型電網包含一個或多個能量產生來源(43、44)。如果其係一個DC微型電網以及產生來源的其中之一產生AC功率，則此產生來源被連結至一個整流器，其將AC功率轉換成與微型電網之配電電壓對應之DC功率。如果產生來源係DC功率，則無需整流器或電壓轉換器因為配電電壓可被處理為配合發電電壓以避免任何因為額外轉換之能源損失。相反的，如果AC微型電網及發電係直流功率，則需要一個逆變器(40)以將直流功率轉換成為功率分配所使用之交流電壓。
如果也有一個AC產生器，其以不同於配電電壓之電壓產生電力，則在供電至微型電網之前要用到一個變壓器及相位同步器(未顯示)。產生之功率，交流功率或直流功率隨後流經一個使用電線之中央控制器(39)。中央控制器(39)之輸出被連結至多個扇出(38)，其每一個被分配至使用配電線之一群功率管理裝置(A、B、C)，經由該配電線，功率流過中央控制器(39)與扇出(38)之間。扇出(38)隨之使用配電線連結至全部功率管理裝置(A、B、C)，以將功率分配至全部功率管理裝置以運行負載。為了使中央控制器(39)與扇出(38)通訊以及扇出(38)與功率管理裝置通訊，一個通訊之連結被設置在這些裝置之間。此連結可為有線或無線。中央控制器(39)、扇出(38)以及功率管理裝置(A、B、 C)之內部有通訊硬體可讓此有線或無線之連結附着於其上。例如，如果連結是有線的，則在一具體實施例中，中央控制器(39)、扇出(38)以及功率管理裝置(A、B、C)可具有RS485收發器。如果連結是無線的，中央控制器(39)、扇出(38)以及功率管理裝置(A、B、C)可具有無線之數據機，例如無線電收發器、紫蜂(Zigbee)數據機、無線相容認證(Wifi)數據機、或任何其他容許無線數據傳輸者。
中央控制器(39)亦可連結至長距離無線收發器(45)，例如全球移動通訊系統數據機，其容許微型電網之遠程監視因為中央控制器(39)現在可以將在微型電網收集之資料傳送至一個遠程中央伺服器(未顯示)，從該處此資料可被輕易存取。智能微型電網可被提供一個中央儲存(42)，以及一個充電控制器(41)。
如在第1圖所示，功率管理裝置(A)，在用戶端包含至少一個電路保護(1)，一個切換器(2)，以及一個主計量器(4)。在用戶端，功率管理裝置(A)包含，一個被電池管理器(6)所控制之本地儲存(7)，以及一個開關切換器(5)。每一個功率管理裝置(A)有一個控制器(17)，用於監視及控制與電網中央控制器(39)之通訊，確保最大發電以及公平之功率分配，其包括計量、防止竊盜、被分配之最大功率點追蹤、以及收益管理。功率管理裝置(B)與一個AC-電網對接，功率管理裝置(B)類似地包含一個電路保護(30)，一 個切換器(31)，以及一個在電網操作人員端之計量器(32)，以及一個具有電池管理器(7、6)之本地儲存，一個電池充電器(33)，一個DC-AC逆變器(16)，至少一個DC-DC轉換器(29)，以及一個在用戶端且包括微控制器(17)之開關切換器(34)。與混合電網(AC+DC)對接之功率管理裝置(C)包含二個個別之次計量器(32、4)，二個電路保護(30、1)，切換器(31、2)，一個主計量器(37)，以及一個個別之DC-DC和AC-DC轉換器(36)，具有電池管理器的一個電池組(6、7)，一個DC-DC轉換器(14)，一個DC-AC逆變器(16)，包括一個微控制器(17)之多個切換器(11、12、15)。
功率管理裝置(A、B、C)之微控制器部分(17)收集、處理、以及儲存功率資料、顯示相關資訊給用戶、與外界(18、27)通訊(例如公用電網以及啟動裝置)、控制致動器(例如功率管理裝置上之繼電器(20))以及與輔助裝置(例如篡改偵測器(25))之介面(21、23、22)。
控制器(17)之中央元件係一個處理器(28)，藉著周邊電路補充微控制器(28)之功能。控制器部分(17)之主要部件，可以位在微控制器之內部(28)或建置在周邊電路，該主要部件是：a)類比-至-數位轉換器(21)，將功率信號之電壓與電流波形取樣並傳送至微控制器(17)。類比-至-數位轉換器(21)亦可被用以對例如溫度、備用電池電壓、光位準等其他有用信 號取樣；b)數位輸入與輸出(I/O)，用以控制外部裝置(例如繼電器、切換器)以及接收外部信號(例如來自按鈕或篡改偵測裝置的信號)；c)非揮發記憶體(NVM)，用以儲存相關參數以及資料記錄。此包括電子抹除式可複寫唯讀記憶體(EEPROM)(通常用於參數儲存)、快閃記憶(通常用於資料記錄)、或任何其他長期儲存資料的記憶體技術；d)電網通訊介面(18)，其容許微控制器(17)與公用電網通訊。此可被實施成為有線介面(亦即RS-485、乙太網等)、功率線介面、或無線介面(亦即紫蜂(Zigbee)、光學等)；e)啟動及除錯介面(27)，其容許微控制器(17)與信用再充值裝置以及在場(in-field)除錯裝置通訊。此可被實施成為有線介面(亦即RS-232、通用串列匯流排(USB)等)或無線介面(即藍芽、紅外線等)；f)實時時鐘(19)，用以保持時間與日期的追蹤；
電網通訊介面
GCI將資訊傳達進出公用電網。自功率管理裝置傳送至公用電網之資訊可包括自行識別之資訊、功率與能源使用、篡改資訊、以及其他相關之資料。自公用電網傳送至功率管理裝置之資訊可包括資料之請求、控制指令(例如用於被分配之負載管理演算的指令)、時間同步指令 等。
啟動與除錯介面
啟動與除錯介面(27)容許比用戶介面提供更多與計量器之互動。在一個具體實施例中，其係一種直接靠近功率管理裝置之裝置所使用之近距離通訊介面。在此具體實施例中，啟動與除錯介面(27)包含一個在功率管理裝置上之紅外線接收器，其可與一個稱作啟動伺服器鑰(Activation Dongle)之外部裝置通訊。啟動伺服器鑰含有功率信用額度且可被電網作業人員用來為有預付費帳戶之用戶將計量器再充值額外之信用額度。如名稱所暗示，此介面(27)亦可用於取得關於功率管理裝置或其除錯之額外之資訊。
用戶介面
用戶介面(或使用者介面)(22)將相關之功率使用與帳戶資訊通知用戶。此資訊顯示在一個螢幕上，若需要的話附有額外的指示器，例如LED。在一個具體實施例中，螢幕係扭曲向列型(TN)數值液晶顯示螢幕，附有幾個LED以指示各種事情。
傳統上，此介面會顯示資訊，例如功率使用的瓦數及能量使用的千瓦-小時數。然而，由於這些係預付費計量器以及為改善消費者對功率消耗之了解，功率與能量資訊可用與金錢和時間有關的非傳統之單位顯示，而非以 絕對之工程單位顯示。
根據本發明之一個具體實施例，螢幕係在三種數量間交替：目前功率使用，以信用額度/小時表達；總運行時間餘額，考量目前功率使用以及帳戶中之信用餘額；以及最後，帳戶中之信用餘額。
又，一個LED被提供，其以功率消耗成比例的速度閃爍，以補充螢幕上顯示之信用額/小時數之資訊。最後，多個LED可被提供，其指示錯誤情況，例如計量器超載或篡改。
在本發明之一個較佳具體實施例中，已知之配電儲存技術無需任何額外之結構裝置即可實施，以分散電網中之能源儲存，其除此之外還容許功率儲存延續至終端節點(家庭、行業等)且為功率之穩定性在中央儲存(42)僅保留一個非常小之量。每一個終端節點(功率管理裝置)包含有一個電池(7)以及一個逆變器，使其在中央控制器(39)之指令下使用其自己之電池電力。此技術利用一個可靠、快速遍及電網之通訊裝置以執行配電之負載管理演算以及確保在低發電日審慎的能源分配。分配儲存亦容許一個更可擴展之電網基礎架構，因為在電網中之儲存數量係直接隨用戶之數目而擴展。
根據本發明，電池係位於電網所有之終端節點(功率管理裝置)，以及藉由微控制器(17)與中央控制器(39) 之間之通訊而控制功率管理裝置，一個精準之控制運用於功率量使電網在任何既定時間之消耗皆來自功率產生來源。不只電池(7)之充電可被開啟與關閉，一整個功率管理裝置可以自電網功率無縫切換至電池功率，藉此暫時消除其來自電網的功率消耗。此在具有限度、不能延展之功率產生來源(例如太陽能功率)之微型電網特別有用。雖然此種支援能力之形式可藉中央儲存(42)而提供，然而，分配之儲存在不同之終端節點之間加入了自動交替電網使用之能力，從而公平地在電網所有不同之終端節點之間配給有限量之能源。
為實施分配儲存之技術，一個電池管理器(6)，一個電池充電器(3、33、36)，以及一個逆變器(16)被提供在終端節點，其包含一個通訊裝置(23)以自中央控制器(39)控制在終端節點(功率管理裝置)之此等裝置。
在本發明之一個具體實施例中，RS-485通訊協定被用在微型電網上，以使所有終端節點(功率管理裝置)與電網中之控制器連結。不同形式之有線通訊、功率線通訊、或者無線網路亦是可能。此外，一個中央控制器(39)被提供在電網中，其保持功率、能源以及在電網中所有節點之一般狀態的追蹤。
茲參考圖式將本發明之操作方法說明如下：第1圖，當功率管理裝置接收高電壓直流功 率，功率通過電路保護(1)、切換器(2)、以及絕緣的DC/DC轉換器(3)，其是透過使用電線或者經由印刷電路板上之走線而連結。DC-DC轉換器(3)輸出低電壓直流功率，除此以外其供電至微控制器(17)以及在印刷電路板上之其他同方向走線或一條電線通過主計量器(4)。主計量器(4)被連結至控制器(17)，其將電壓與電流之讀數傳送到控制器(17)之類比至數位介面(21)。此等讀數被一個在控制器(17)內部之處理機(28)用來計算經過功率管理裝置(A)之功率。
在通過主計量器(4)之後，功率經由第1圖所示之多個AC與DC輸出(8、9、10)而進入負載中。功率進入此等負載係被控制器(17)藉由一個切換驅動器(20)將切換器(11、12、13、15)打開或關閉而控制。如果切換器(11、12、13、15)是打開的，則功率進入負載中。
如果負載需要13伏DC，其經由一個輸出DC連接器(8)直接進入負載其間，因為被隔離之DC-DC轉換器(3)之輸出亦係13伏DC。如果負載需要5伏DC(如通用串列匯流排供電的負載所需)，則一個DC-DC轉換器(14)被用來將13伏DC轉換為5伏DC，然後經由一個輸出DC連接器(9)使功率進入負載。如果負載需要AC輸入，則功率經過一個DC-AC逆變器(16)來將13伏DC轉換成合適之AC電壓(在一個具體實施例中係240伏AC)，且隨後功率經由一個輸出AC連接器(10)進入負載中。
DC輸出電壓被連接至分開之電壓分壓器，其依序被連接至控制器(17)之類比接腳上。控制器感應輸出電壓之改變並於任何有超載情況之時，輸出電壓因為功率管理裝置中之DC-DC轉換器(14)有限定電流而下降。當此電壓下降至低於一個臨界值時，該適合之切換器(11、12、13或15)係經由一個自切換驅動器(20)至該切換器之信號而被關閉。在經過主計量器(4)之後，功率亦藉著一個切換器(5)及電池管理器(6)而進入本地儲存(7)。此電池管理器(6)被連結至本地儲存(7)且其傳送電池之充電狀態的資料、輸入和輸出電流狀態之資料至控制器(39)，其幫助控制器(17)評估多少功率應該被傳送進入電池(7)。切換器再度被控制器(17)經由其切換驅動器所控制，以將電池之充電/放電打開或關閉。
在另一個具體實施例中使本發明運作之方法是，當功率管理裝置(B)正在接收AC-輸入時，如第2圖所描繪，功率在經過主計量器(32)後進入電池充電器(33)以及/或至240伏之輸出。功率自電池管理器(6)進入切換器(11、12)，自此處功率管理裝置(B)藉由DC-DC轉換器(14)提供DC輸出至負載。操作之其餘步驟實質上類似於功率管理裝置(A)所實施者。
在又一個具體實施例中，使本發明運作之方法是，當功率管理裝置(C)正在從電網接收混合功率(交流功 率+直流功率)時，如第3圖所描繪，不同形式之輸入功率AC或DC經由不同之輸入連接器進入功率管理裝置(C)。其通過電路保護(1、30)以及被分別計量。在計量後，交流功率經由一個切換器(31)直接進入交流功率輸出或者其進入結合式轉換器(36)以產生不同之直流功率輸出。當切換器(31)打開時，切換器(15)被關閉而當切換器(15)打開時，切換器(31)被關閉。
高電壓DC功率進入結合式轉換器(36)並且被轉換成為有用之低電壓DC。將由功率管理裝置(C)實行之方法之其餘步驟與功率管理裝置(A)的相同。
使用之最佳模式與範例方法
本發明之不同元件如何結合及同時操作本發明在智能微型電網系統中之功率管理裝置之一個範例於此提供如下：1.多個太陽能面板(43)被提供於生產能源，即總共2千瓦峰值(kWp)之能量，2.至少500瓦小時(Wh)能量之中央儲存(42)被設置以提供15分鐘對電網穩定性之備用支援，在這其間分配之儲存程序將面板(43)之功率產生最佳化並確保電網穩定性，3.一個DC-DC轉換器(41)提供一個恆定之電壓至逆變器，其相等於電池電壓，4.一個中央逆變器(40)將來自太陽能面板(43)及/或電池(7) 的直流功率轉換成為240伏交流功率，5.一個中央控制器(39)被安裝在功率發電站，其可計量傳輸進入電網之總功率以及與智能微型電網之不同裝置通訊，包括功率管理裝置，6.載有240伏AC之主配電線，7.至少一個扇出(38)，由該處電線分流延伸至一群消費者，形成一群之數量可根據人口密度與功率消耗而被增加/減少，8.功率管理裝置(B)之用戶端被提供至藉由扇出(38)連結之每一位消費者，9.每一個功率管理裝置內部之本地儲存裝置(7)被安排在用戶端，該用戶端被連結至具有一個電池充電器之功率管理裝置，10.一個可選的逆變器可被放在消費者端，以於無法取得微型電網之功率時提供AC備用功率，以及經由一個切換器被連結至功率管理裝置，11.電器被連結至經由功率管理裝置而來之功率，以及12.一個通訊媒介，例如，捻成一對之電線以實施RS485之通訊協定，從中央控制器至扇出以及從扇出至每一個用戶端。
在本發明具有功率管理裝置之智能微型電網系統如於此所揭露者，其產生之功率以下列之順序流動： 太陽能面板-->DC-DC轉換器-->電池及/或逆變器-->中央控制器-->扇出-->個別功率管理裝置-->電器及/或本地電池及/或逆變器。類似地，通訊指令/資訊可流動於下列裝置之間： 此僅係通訊能夠如何流動之一個範例。電網中之每一個元件於必要時亦可以直接彼此互動。此階級式之通訊技術使電網更模組化及可以擴展。例如，如果一個功率管理裝置(B)必須被增加至電網，其僅需向扇出(38)指示出其之存在。如果一個完全之扇出(38)必須被增加，扇出(38)係藉由發送一個適當之指令而增加至中央控制器(39)。
本發明在不同情況下提供之可能的技術解決方案
情況A
本情況假設消費者使用之電器所消耗之功率小於太陽能面板之總發電。沒有功率管理裝置以及中央控制器，太陽能面板無法操作在其最大功率點而造成功率之浪費。或者，當功率管理裝置以及中央控制器一起操作時，應可實施之解決方案如下：
a.中央控制器(39)與DC-DC電轉換器(41)通訊以測量太陽 能電池陣列(43)之總功率輸出。
b.如果可以得到歷史發電資料，系統可以預測在一個位置於當時之太陽能電池陣列之可能總發電量。更進一步之技術隨後被用以達到最大功率點。
c.如果中央控制器(39)偵測出功率管理單元未操作在最大功率點，一個指令會被傳輸至扇出(38)以增大其總功率之消耗。
d.每一個扇出(38)具有一個根據將被供電之功率管理裝置(A、B、C)之總量而預設之能源容量。根據一個扇出(38)在一天之一個特定時間已經消耗之總能源，自其之每日配額/分配量，中央控制器(39)按扇出(38)之每天配額之最小消耗次序訂出優先順序。例如，如果有三個扇出(38)，其具有3000瓦小時、1500瓦小時以及5000瓦小時之配額且其分別消耗了其被分配容量之20%、50%及70%，中央控制器(39)會下指令例如，扇出1以比扇出2較高之優先順序增大其功率消耗。相似地，扇出2以高於扇出3之優先順序被供電。此技術確保了一個平等之功率分配。
e.類似於扇出(38)，功率管理裝置(A、B、C)亦被分配了能源容量。使用同樣之優先順序技術，如上面(d)所述，扇出(38)要求功率管理裝置(A、B、C)以特定之百分比或一個絕對量來增大其功率消耗。
f.功率管理裝置藉由改變其電池充電電流以儲存額外之功 率於其本地儲存(7)，而增大其功率消耗。功率管理裝置亦可藉由在消費者端操作額外之電器(如電冰箱、冷暖氣機、幫浦抽水)而使用此額外之功率。
g.中央控制器(29)隨後測量新的功率消耗。
h.中央控制器(29)亦測量自中央儲存(42)提取之功率。
i.如果功率非自中央儲存(42)提取，則其會指示出消耗仍是少於可能之功率發電。故中央控制器(39)再度要求扇出(38)進一步增大功率消耗。
j.本方法被重複直至一些功率自中央儲存(42)被提取，中央控制器(39)在此點要求扇出(38)稍微減少其消耗以避免從中央儲存(42)流出功率。
k.扇出定期在不同之功率管理裝置之間轉換以確保功率之公平分配至與其連結之所有功率管理裝置。
情況B
本情況假設電器經由功率管理裝置所消耗之功率多於功率產生器能夠產生之功率。
a.此情形指出有顯著之電量係自中央儲存(42)提取，b.中央控制器(39)要求扇出(38)使用在上述情況A所描述之優先順序技術來減少功率消耗，c.扇出(38)隨後要求功率管理裝置停止將其電池(7)充電，d.如果功率減少的仍然不夠，扇出(38)會使用在情況A所描述之優先順序方案關閉供應至功率管理裝置(A、B、C)之功 率，e.沒有或有具有較少功率供應之功率管理裝置自動切換至使用其本地儲存(7)以繼續將功率供應至電器，f.此情況被保持直至中央控制器(39)要求扇出(38)增大其功率消耗，g.扇出定期在不同之功率管理裝置之間轉換以確保功率公平的分配至與其連結之所有功率管理裝置。
情況C
本情況預測一個功率管理裝置被篡改以盜取電力：a.如先前所述，功率管理裝置上具有一個篡改偵測器(25)，其可為光感應器(25)之形式，光感應器被連結至功率管理裝置之控制器，b.一旦功率管理裝置之外殼被打開去篡改內部電路，篡改偵測器/光感應器會偵測未經授權之存取並傳送一個信號至微控制器(17)，c.微控制器(17)關閉主切換器而停止供應功率至電器，d.微控制器(17)亦傳送一個篡改旗標至中央控制器(39)，以指示出功率管理裝置(A、B、C)已經被篡改，e.中央控制器(39)發送關於此篡改的通知至電網操作人員，f.在篡改係以切斷/改變功率管理裝置與中央控制器(39)之間之通訊之情形，中央控制器(39)同樣發送一個通知至電網操作人員。
情況D
本情況適用於篡改配電線時之竊電(見第6A圖及第6B圖)：a.中央控制器(39)與扇出(38)及功率管理裝置(ABC)通訊以測量發電站與每一個連接之間之傳輸線阻，b.此結合之電阻讓中央控制器(39)評估對於被整個電網提取之某一數量之功率而言，在配電線上消耗了多少功率，c.中央控制器(39)計量在微型電網上每一個扇出(38)所提取之總功率，d.例如，從中央控制器(39)至一個扇出(38)進入微型電網之總功率是1.5千瓦。為了此負載總功率因為配電線上面之電阻所受之損失是105瓦(根據線阻計算，由中央控制器(39)計算出7%)。現在，藉由計算從每一個功率管理裝置提取之結合功率，扇出(38)指示出正在提取的僅是1千瓦。是故，中央控制器(39)偵測到在配電線上面有395瓦之功率正在被盜用，e.中央控制器(39)隨後將此篡改訊息發送至電網操作人員，其檢查電線以偵測竊盜，f.中央控制器(39)亦可被編程為關閉此整條線路之功率供應並定期藉由短暫地打開功率恢復供應來檢查篡改情形是否已被排除。
本發明使用的分配儲存技術之一個範例：考慮一個2千瓦峰值太陽能供電之智能微型電網服務10個 家庭。平均地在一個晴朗之陽光天，假設太陽能面板產生10千瓦小時之總量。10個家庭中每一家都擁有一個功率管理裝置，其係附接至一個本地儲存。此等功率管理裝置有一個能源配額，其係根據消費者選擇、消費者喜好之連結類型而被決定，或者其亦可根據消費者之功率消耗之歷史資料而設定。
由於功率之再生能源(如風力及太陽能)具有變化與實質上不可預測之發電水平，一個分配儲存技術以及一個最大功率點追蹤技術(見第5A、5B、5C圖)使得這些來源之功率分配公平與更可靠。
所有消費者之能源配額當被加總至10千瓦小時的時候，微型電網可能以全陽光之平均天來發電與出售。問題發生在發電水平增大或減小時，此即是本發明所要解決的。
發電水平從10千瓦小時減少暗示著整天可出售給消費者的是低於10千瓦小時。然而，本發明之本質是不論可以得到何種功率皆可公平分配給所有的消費者且同時排除一小部份之消費者在一個短時間內消耗較多之功率而用完所發的所有電。為確保公平分配，根據本發明，中央控制器(39)監視被分配給一個功率管理裝置之多少百分比之能源配額在某一個時間點被用完，以及因而訂出功率供應至那些用到其每日配額之較低百分比之功率管理裝置 之優先順序。下面是十個消費者每日配額之假想資料簡要以及他們在一天之一個特定時間消耗了多少能源： *根據本發明此資訊係被自動記錄在電網中，因為功率管理裝置計量消耗之能源數量而扇出與中央控制器可在任何一點自它們取得此資料。
此假想微型電網可以做到之最大發電是2千瓦。現在，問題出在二個統計：
低發電&高功率需求
假設電網中之即時發電減少至1千瓦，亦即目前係太陽能面板之最大功率點的尖峰能量之50%。因此，如果系統欲提取更多之功率，則面板之電壓與相對之總功率輸出應該減少因為面板不能慣常在其最大功率點操作。再假設即時能源需求在此時是1.5千瓦，微型電網必須決定在何處可輸送可以得到之功率(1千瓦)以及如何滿足超出之0.5千瓦之需求。
不限制本發明之範圍、應用，以及假設所有的10個功率管理裝置都連接至一個單一扇出(38)，中央控制 器(39)傳輸一個信號至扇出(38)，該信號指出扇出(38)可以消耗之功率量(在本例中是1千瓦)。扇出(38)隨後將指令傳送至個別之功率管理裝置，這些功率管理裝置被以其用掉之能源配額所減少之百分比定出優先順序，以開始從微型電網供應切換至其本地儲存(7)去繼續供電至其所連結之負載。扇出(38)亦可傳送指令至功率管理裝置，以如上所述之相同優先順序，去減少其本地儲存之充電電流以減少其整體功率提取。如果減少充電電流可以減少總功率提取至所需之水平，則功率管理裝置不需自電網供應被關閉。一旦扇出(38)測量出總功率消耗下降至1千瓦，則其停止傳送“關閉”信號或者“減少充電電流”信號至功率管理裝置。此方法被定期重複以及被要求減少其功率消耗之功率管理裝置組被改變以做公平之能源分配。
此簡單之定優先順序與分配之技術確保可得之功率始終被均勻與公平地分配至功率管理裝置且亦確保功率產生器在其最大功率點操作。
高發電與低功率需求
假設即時發電是1.5千瓦，此為目前太陽能面板之最大功率點。然而，功率之需求在此點僅是1千瓦。因此假如系統提取較少之功率，則太陽能面板之電壓將增大，電流將減小且面板將不操作在其最大功率點，而導致潛在多餘功率產生的可能浪費。由於需求比供給小，微型電網必須決定在 何處可輸送可得之多餘供電。
在此例中，中央控制器(39)傳送一個信號至扇出(38)，信號指出扇出(38)必須增大功率消耗量。扇出(38)隨後傳送指令至個別之功率管理裝置，其係藉由增大用完能源配額之百分比而被定優先順序，以以開始充電或增大其本地儲存(7)之充電電流。一旦扇出(38)測量出被提取之總功率已達中央控制器(39)指示之水平，扇出(38)就停止傳送此等指令。本方法被定期重複以更新功率管理裝置組，其必須開始或增大其本地儲存之充電速率。定優先順序及公平分配之技術根據本發明還讓太陽能面板在其最大功率點操作。
雖然本發明之前面說明係參照特定具體實施例及其之應用而被顯示與描述，其僅係為舉例與說明之目的而非欲詳盡無遺或將本發明限制於所揭露之特定具體實施例與應用。具有通常技藝者會明白對於此處描述之本發明可做許多之改變、變更、變化、或修改，而無一者違反本發明之精神與範圍。特別之具體實施例與應用被選擇及描述以提供本發明之原則與其之實際應用之較佳示例以使具有通常技藝者能將本發明使用在多種具體實施例中，且具有多種變更以適於考慮中之特別用途。
DC‧‧‧直流
AC‧‧‧交流
1、11、15‧‧‧電路保護
2‧‧‧切換器
3‧‧‧DC/DC轉換器
4‧‧‧主計量器
5‧‧‧開關切換器
6‧‧‧電池管理器
7‧‧‧電池組
13‧‧‧安全
14‧‧‧DC-DC轉換器
16‧‧‧DC-AC逆變器
17‧‧‧控制器
18‧‧‧電網通訊介面
19‧‧‧實時時鐘
20‧‧‧切換驅動器
21‧‧‧類比至數位介面
22‧‧‧用戶介面
23‧‧‧電池備用介面
24‧‧‧邏輯備用功率
25‧‧‧篡改偵測器
27‧‧‧啟動介面
28‧‧‧處理器

Claims (26)

  1. 一種用於一群功率管理裝置(PMD)的智能功率電網系統，被使用於有效率之監視、控制、計量，包括將電力公平分配給消費者，該公平分配藉由排除竊電與需求-發電狀態對應，該智能功率電網包含一或多個非習用之可變的能量產生來源、一傳統交流電網功率以及/或包括該非習用之功率產生來源的習用功率電網；一中央控制器以及多個功率管理裝置(PMD)的一組合，其中每一功率管理裝置包含：a.一微控制器，具有一處理器、多個接口、一切換驅動器、一篡改偵測器以及用於備用功率的一邏輯；b.一電路保護裝置；c.一計量裝置，用以測量由該智能電網供應及被該消費者消耗之不同類型之功率，例如交流功率、直流功率或一個交流功率與直流功率之組合(混合)；d.多個切換器，用於避免系統之超載、非法之功率消耗、以及監視電網之供給，每個切換器可被該切換驅動器操作；e.一本地儲存裝置，具有一充電監視電路，用於暫時補充發電之短缺或功率消耗低於發電；以及 f.一電網通訊介面，容許該功率管理裝置與被實體連接之該中央控制器通訊，或遠程實施一智能化需求--回應、功率漏失或竊盜之區域的識別、遠程除錯、以及更新功率消耗之付款，以有線或無線通訊模式與該微控制器通訊之該中央控制器被使能為最大化從該發電機輸出的該功率，經由關聯之扇出、包括功率之公平分配的被分配之儲存而定出每一功率管理裝置之優先順序，及遠程之堆疊管理避免竊電。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之智能功率微型電網，其中該中央控制器被連結至一個遠程無線收發器。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之智能功率微型電網，包含具有一充電控制器之一中央儲存。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之智能功率微型電網，其中當該微型電網是被對接至一功率管理裝置(B)的一交流電網時，該功率管理裝置(B)在用戶端被提供有一個電池充電器(33)、一DC-AC逆變器(16)以及至少一DC-DC之轉換器。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之智能功率微型電網，其中當該電網是被對接至一功率管理裝置(C)之一混合電網時，該功率管理裝置(C)被提供各有一個次計量器，用於分別計量交流功率與直流功率供應，包括一個組合之轉換器。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中與功率管理裝置控制器通訊之該中央控制器被使能為：a.測量該發電機之總輸出；b.實施最大功率點(MPP)追蹤之方法；c.根據發電-消耗容量分配一能源容量至每一扇出及每一功率管理裝置；d.如果該功率管理裝置未在MPP操作，則傳輸信號至該扇出以增大功率消耗，或當消耗高於發電時減小功率消耗；e.根據扇出之預先分配容量、功率產生、以及在每一個時間點之功率消耗而定出每一扇出之優先順序；f.根據包括預先分配容量的發電-消耗狀態而將通過該扇出的每一功率管理裝置定出優先順序以及將信號傳送到該功率管理裝置，以增大或減小功率消耗；g.當發電高時允許功率管理裝置經由將本地儲存的充電或供應給消費者而消耗多餘之功率，或者當發電低於需求時允許功率管理裝置停止將其內部儲存充電，包括分配該供應給該消費者； h.在功率消耗增大之情況下測量功率-提取，以及進一步由該功率管理裝置測量來自該中央儲存之功率的消耗；i.當消耗高於發電時由該功率管理裝置測量功率消耗的減少狀態；j.在情況(viii)之下傳輸進一步的指令至該功率管理裝置，以繼續增大其消耗，或當第一個減少不能對應於較低之發電時停止供電至該功率管理裝置以及允許功率管理裝置從其本地儲存供電給該消費者。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中多個功率管理單元被提供在一堆疊之中以產生多種輸出電壓。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該系統藉著外部通過一特別頻率之波形或該系統可讀取之特定指令而被啟動或停用一固定期間，以及其中在一固定啟動時間期滿之後，一功率管理裝置自動地被關閉。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中切換器包含金氧半場效電晶體，其將該功率管理單元打開或關閉。
  10. 如前述申請專利範圍任一項所述之系統，其中可變之能量產生來源可選自太陽能面板、電網供應、微型風力發電機、自行車發電機以及微型水力發電廠。
  11. 一種多目的之功率管理系統，包含：至少一個功率管理裝置，該至少一個功率管理裝置的每一個其單獨或與另一個功率管理裝置的結合為可啟動及可停用，以及該功率管理裝置的每一個被配置以耦合至多種輸入能量來源；一控制器，被配置用於提供被調節可操作之機構；多個轉換器，該多個轉換器中的每一個轉換器被耦合至被配置用於提供可個別存取之輸出電壓的每一功率管理裝置之一相應電池；多個濾波器，該多個濾波器中的每一個濾波器被耦合至一相應電池以過濾用於啟動/停用或再充電之信號；以及多個感應電路，以感應外部信號且選擇性地啟動或停用該功率管理系統，該至少一個功率管理裝置能與其他功率管理裝置通訊以及使能一中央電網功率管理系統的創建。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之系統，尚包含：一系統外殼；一微控制器，用作一特定類型之控制器，其經由竊盜偵測之保護以及危及該系統之該至少一個功率管理裝置之超載或短路電路而控制信號以提供用於該功率管理系統之啟動以及該至少一個功率管理裝置之停用之至少其中之 一；以及位於該外殼之一頂部及一底部之多個連接器，用以堆疊用於較高功率輸出的多個功率管理裝置。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之系統，其中該充電控制器包括一比較器，該比較器將一個別功率管理裝置之一電池電壓與一參考電壓做比較，以及如果該電池電壓超出一參考電壓，該比較器提供一輸出，該輸出視有無一錯誤情況而決定是否應該將該裝置打開或關閉。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之系統，其中一或多個輸入能量來源將該電池充電而無需轉換或外部電壓調節。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之系統，其中功率管理裝置可被配置用於一特別類型之輸入能量來源，以致能保全經由充電站行業之租賃。
  16. 如申請專利範圍第12項所述之系統，其中回應於被配置用於一特別類型之輸入能量之一功率管理裝置，之後該多個功率管理裝置不用從另一輸入能量來源充電。
  17. 如申請專利範圍第11項所述之系統，其中多個功率管理裝置被提供在一堆疊中並產生多種輸出電壓。
  18. 如申請專利範圍第11項所述之系統，更包含：電網竊盜偵測用作該控制器之該可操作被調節之機構之一者。
  19. 如申請專利範圍第11項所述之系統，更包含：超載偵測能力用作該控制器之該可操作被調節之機構之一者。
  20. 一種多目的之功率管理系統，包含：一系統外殼；單一或多個功率管理裝置，其可單獨或多個一起被啟動及停用，以及該功率管理裝置的每一個可單獨被啟動的及停用的，具有一電池，以及被配置以耦合至多種輸入能量來源，成為一中央電網結構之一分配儲存網路之一部分；一控制器或一系列之控制器，被配置以提供下面可被調節操作之機構a.將該裝置之電池充電，b.電網竊盜偵測，c.能源超載偵測；多個轉換器，耦合至每一功率管理單元之該電池以及被配置用於提供可個別存取之輸出電壓；一用戶介面組件，可使多種資訊反饋至該單元與整個系統 上；多個用戶切換器，用於外部啟動及控制；多個濾波器，被耦合至該電池以過濾用於啟動/停用或再充電之信號；使一或多個輸入能量來源被耦合至該系統之能力，其中下列至少一者被選擇出來，太陽能面板、電網供應、微型風力發電機、自行車發電機以及微型水力發電廠；多個濾波器，被耦合至該電池以過濾用於啟動/停用或再充電之信號；一反向阻斷二極管，被耦合至該電池以避免電流從電池流動至輸入能量來源；一或多個金氧半場效電晶體，其將該功率管理單元打開或關閉，以及多個感應電路，感應外部信號並提供該系統選擇性之啟動或停用。
  21. 一種用於操作一多目的功率管理系統之方法，包含：實施單一或多個功率管理裝置，該功率管理裝置可單獨或多個一起被啟動及停用，以及該功率管理裝置的每一個被可操作地配置以耦合至多種輸入能量來源； 使用一控制器或一系列之控制器的一步驟，該控制器被配置以提供以下被調節可操作之機構；實施多個轉換器的一步驟，該多個轉換器被耦合至每一功率管理單元之該電池以及被配置以提供可各別存取之輸出電壓；使得及使用一用戶介面部件以使多種訊息反饋至該單元與整個系統的一步驟；使用多個用戶切換器以用於外部啟動與控制之一步驟；使用耦合至該電池以過濾用於啟動/停用或再充電之信號之多個濾波器之一步驟；用於實施被偶合至該系統之一或多個輸入能量來源之能力之一步驟，其中自下列選擇至少一者，太陽能面板、電網供應、微型風力發電機、自行車發電機以及微型水力發電廠；用於使用多個被耦合至該電池以過濾啟動/停用及再充電之信號之濾波器之一步驟；用於允許使用一反向阻斷二極管的一步驟，該反向阻斷二極管被耦合至該電池以避免電流從該電池流動至輸入能量來源；實施一或多個金氧半場效電晶體的一步驟，該金氧半場效電晶體打開或關閉該功率管理單元；以及使用多個感應電路以感應外部信號並提供該系統選擇 性之啟動或停用的一步驟。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之方法，一可操作被調節之機構之步驟包含：將該功率管理裝置之電池充電。
  23. 如申請專利範圍第21項所述之方法，一可操作被調節之機構之步驟包含：經由一功率管理裝置而監視系統之電網防竊。
  24. 如申請專利範圍第21項所述之方法，一可操作被調節之機構之步驟包含：偵測在個別裝置上之能量超載以及當該系統與該微型功率電網有關時偵測該系統上之能量超載。
  25. 一種在一智能微型電網中偵測竊電之自動化方法，該智能微型電網產生功率並具有一中央控制器和至少一功率管理裝置，該功率管理裝置具有一微控制器和一光感應器，該微控制器與該中央控制器通訊，該方法包含下列步驟：a.偵測未經授權之存取；b.傳輸一信號至該控制器以關閉及偵測發生之竊盜點；c.如果篡改情況未被排除，暫時關閉功率供應。
  26. 一種在一智能微型電網中自動達成可變功率產生 來源的最大功率點追蹤的方法，該智能微型電網具有至少一中央控制器以及一組功率管理裝置，該組功率管理裝置中的每一者具有一微控制器，該方法包含下列步驟：a.測量功率供應之電壓與電流，以及藉由增大該電壓與該電流來測量功率產生器之功率輸出；b.當功率管理裝置在百分比功率改變之狀態下從扇出收到信號時，由該中央控制器進行測量；c.經由一控制器計算以及傳輸一信號至該扇出以用於必要之變更；d.在該系統上提供一計量裝置給一中央儲存。
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