專利名稱：用于自動在替換能源和公共電網(wǎng)之間切換的轉換開關的制作方法
技術領域：
在此公開的主題涉及用于自動在主電源和次電源之間切換的轉換開關。更具體地，公開了用于自動在替換能源(alternative energy source)和公共電網(wǎng)(utilitygrid)之間切換的轉換開關。
背景技術：
歷史上，已知提供轉換開關以在公共電網(wǎng)不正常工作的情況下將負載從公共電網(wǎng)自動轉換到備用發(fā)電機(generator)。例如，監(jiān)視公共電網(wǎng)上存在的電壓，如果該電壓落到預設值以下，則轉換開關切換到備用電源，比如發(fā)電機。此外，自動轉換開關可以在將負載 連接到發(fā)動機之前向發(fā)電機提供信號以啟動引擎，并等待直到發(fā)電機正常工作。隨著替換電源及其相關聯(lián)的電力轉換設施的發(fā)展，可能希望提供除了公共電網(wǎng)之外的電源作為主電源?？梢赃x擇諸如光生伏打陣列(photovoltaic array)或者風輪機的替換能源。但是，來自這樣的替換源的電源是依賴于在給定時間存在的日光量或者風力而可變的。結果，替換的能源通常與能量存儲設備組合使用。因為能量存儲設備存儲并提供DC電壓，所以提供將DC電壓轉換為適于與負載連接的AC電壓的變壓器。但是，傳統(tǒng)的自動轉換開關并不太適合于其中主要能源是替換能源并且次級能源是公共電網(wǎng)的應用。如上所述，典型的自動轉換開關監(jiān)視主要能源的電壓電平，并且當該電壓電平落到最小值以下時切換到次級源。但是，提供AC電壓的變壓器將嘗試調整輸出電壓以維持標定AC電壓，例如120VAC。如果替換能源不產生足夠的電力來供應負載并且電池已經(jīng)用盡，則變壓器將經(jīng)歷故障狀態(tài)并停機。需要人工介入來復位變壓器，使自動轉換開關的目的落空。此外，由于可變的能量產生，預期將需要比公共電網(wǎng)作為主要能源時更頻繁地從替換能源切換到公共電網(wǎng)。因此，希望提供適合于在替換能源作為主要能源并且公共電網(wǎng)作為次級源時使用的自動轉換開關。

發(fā)明內容
在此公開的主題涉及配置用于連接到諸如風輪機、水輪機和太陽能電池板的非傳統(tǒng)的、全部時間使用或間斷使用的電源的自動轉換開關。這些非傳統(tǒng)電源的電力輸出可以用于對DC電池組充電、直接對負載供電或者這些的組合。經(jīng)由DC到AC變壓器向AC負載提供電力。該轉換開關被配置使得變壓器得到的電力是主電源，并且公共電網(wǎng)得到的電力是備用電源。該轉換開關在這兩個電源在正常操作下都可用的假設下而工作。當非傳統(tǒng)電源不能維持滿足負載需要的足夠輸出電力時，該轉換開關將從變壓器切換到公共電網(wǎng)。因為當電源不能產生提供給負載的所有電力時，DC電池補充電力，所以DC電池中剩余的能量提供非傳統(tǒng)電源是否可以為負載提供足夠的輸出電力的指示。隨著DC電池中的能量水平的降低，在電池的端子上呈現(xiàn)的DC電壓通常也降低。通過檢測電池組DC電壓何時降到預設電平以下，該轉換開關可以在變壓器達到故障狀態(tài)并停機之前切換電源。當負載電流超過變壓器的額定值時但是在變壓器達到故障狀態(tài)并停機之前，該轉換開關也將從變壓器切換到公共電網(wǎng)。因此，超過變壓器的額定值的臨時負載情況將不會引起變壓器的故障或者限制負載可用的電力。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，一種用于選擇性地將負載連接到作為主電源的替換能源和能量存儲設備以及作為次電源的公共電網(wǎng)的開關包括第一輸入端，被配置為接收與能量存儲設備中的能量水平對應的信號。至少一個致動器選擇性地將主電源或次電源連接到該負載，以及電路產生作為能量存儲設備中的能量水平的函數(shù)的、用于致動器選擇性地將主電源或者次電源連接到該負載的控制信號。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，第二輸入端被配置為接收與次電源的操作狀態(tài)對應的信號，并且該電路還將致動器的控制信號產生為次電源的操作狀態(tài)的函數(shù)。如果能量存儲設 備中的能量水平在預定閾值以下并且如果次電源的操作狀態(tài)在預定范圍內，則該電路產生的控制信號可以啟動從主電源到次電源的轉換。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，第三輸入端被配置為接收與負載汲取的電流的量值對應的信號，并且所述電路還將該致動器的控制信號產生為負載汲取的電流的函數(shù)。如果次電源的操作狀態(tài)在預定范圍內并且如果能量存儲設備中的能量水平在預定閾值以下或者負載汲取的電流的量值在預定閾值以上，則所述電路產生的控制信號可以啟動從主電源到次電源的轉換。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，用于選擇性地將第一電源和第二電源連接到負載的自動轉換開關包括第一輸入端，電連接到第一電源；第二輸入端，電連接到第二電源；以及輸出端，電連接到負載。該第一電源包括替換能源和能量存儲系統(tǒng)。至少一個致動器選擇性地將第一輸入端和第二輸入端之一連接到該輸出端。第一傳感器測量與該第一電源的能量存儲系統(tǒng)中的能量水平對應的第一操作參數(shù)；以及第二傳感器測量該第二電源的第二操作參數(shù)。電路向致動器提供作為該第一和第二操作參數(shù)的函數(shù)的控制信號以將第一輸入端或第二輸入端連接到該輸出端。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，一種選擇性地將負載連接到包括能量存儲設備的第一電源或者連接到第二電源的方法，該方包括步驟測量該能量存儲設備中的能量的水平；如果該能量存儲設備中的能量的水平大于預定閾值，則將該負載連接到第一電源；以及如果該能量存儲設備中的能量的水平小于該預定閾值，則將該負載連接到第二電源。


在附圖中例示了在此公開的主題的各個示例實施例，附圖中，通篇相同的參考標記表示相同的部分，并且其中圖I是本發(fā)明的一個實施例的框圖表示；圖2是例示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的轉換開關的自動切換的流程圖；圖3是并入了本發(fā)明的一個實施例的示例配電面板；圖4是移除封蓋的圖3的示例配電面板；以及
圖5是控制根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的轉換開關的電路的框圖表示。在描述附圖中例示的本發(fā)明的優(yōu)選實施例時，為了清楚，將采取具體術語。但是，不意圖將本發(fā)明限制于因此選擇的具體術語，并且可以理解，每個具體術語包括以類似方式工作以實現(xiàn)類似目的的所有技術等效物。例如，經(jīng)常使用詞語“連接”、“附接”或與其類似的術語。它們不限于直接連接，而是包括通過其他元件連接，這樣的連接被本領域技術人員視為是等效的。
具體實施例方式參考在以下描述中詳細描述的非限制性實施例更全面地說明在此公開的主題的各個特征以及有益細節(jié)。參考圖1，電力產生系統(tǒng)10可以包括多個電源。電源可以是根據(jù)具體環(huán)境或應用需要的電源的任意適當組合。諸如光生伏打陣列的直流(DC)電源12產生具有DC電壓的 電力。該DC電壓可以直接提供給DC總線20，也稱為DC分發(fā)系統(tǒng)/網(wǎng)絡或者DC鏈接，或者該DC電壓可以經(jīng)由DC到DC電力轉換器22提供給DC總線20。諸如風輪機、水輪機等的交流(AC)電源14產生具有AC電壓的電力。該AC電壓經(jīng)由AC到DC轉換器24提供給DC總線20。因為這些替代的能源的每一個產生可變的電量，因此諸如電池的能量存儲設備16也經(jīng)由電力轉換器26連接到DC總線20。電力轉換器26管理在DC總線20和能量存儲設備16之間的雙向電力流，使得當電源產生超過負載38所需的能量的能量時，對能量存儲設備16充電，并且當電源產生比負載38所需的能量更少的能量時，能量存儲設備16放電，向負載38提供電力或者補充提供給負載38的電力。另外，與公共電網(wǎng)35的連接也是可用的。提供轉換開關40以選擇性地將電負載38連接到電源。轉換開關40包括第一輸入端42和第二輸入端44,每個輸入端被配置為建立與電源之一的電連接。轉換開關40還包括輸出端46，被配置為建立與負載38的電連接。圖I是線路圖并且通過單線例示了輸入端42和44以及輸出端46中的每一個。不過，考慮每個端子可以包括單個連接或者多個連接(例如兩個端子)以根據(jù)應用要求選擇性地在單個電源線之間或者在多個電源線之間轉換連接。根據(jù)另一實施例，來自每個源的一條電源線可以選擇性地連接到負載，而來自每個源的另一電源線可以接合到公共連接。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，第一輸入端42連接到替換的能源，比如風輪機、水輪機或者光生伏打陣列，第二輸入端44連接到公共電網(wǎng)35。再次參考圖1，一個或多個AC能源14、一個或多個DC能源12、能量存儲設備16或它們的任意組合可以連接到DC總線20。DC總線20經(jīng)由變壓器30連接到轉換開關40，該變壓器30將在DC總線20上存在的DC電壓轉換為適合于提供給負載38的AC電壓。變壓器30的輸出端連接到轉換開關40的第一輸入端42。開關51選擇性地將第一輸入端42或者第二輸入端44連接到輸出端46。盡管開關51被例示為單極雙擲開關，但是可以使用任何適當?shù)呐渲脕磉B接各端，例如(非限制性地)雙極單擲開關或兩個單極單擲開關。第一輸入端42電連接到開關51上的第一輸入端52。第二輸入端44電連接到開關51上的第二輸入端54。來自開關51的輸出端56電連接到輸出端46。開關51的觸點53可以機械或電控制以選擇性地將開關51的輸入端52或54之一連接到輸出端56?？梢酝ㄟ^可由操作者訪問以在兩個輸入端52和54之間切換開關51的觸點53的操作桿來提供機械操作?？捎芍T如螺線管的致動器或者被選擇性地通電以在兩個輸入端52和54之間移動開關51的觸點53的一對致動器來提供電操作。轉換開關40還包括控制電路50，其產生至少一個控制信號55以選擇性地在開關51的第一輸入端52或第二輸入端54之間定位觸點53?？刂齐娐?0從監(jiān)視連接到轉換開關40的電源的操作性能的多個傳感器接收輸入信號。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，如圖I和圖5所示，第一電壓傳感器62監(jiān)視來自變壓器30的AC輸入電壓的幅度。第二電壓傳感器64監(jiān)視來自公共電網(wǎng)35的AC輸入電壓的幅度。電流傳感器66監(jiān)視由負載38汲取的電流的幅度。第三電壓傳感器68監(jiān)視在能量存儲設備16處存在的DC電壓的幅度。根據(jù)本發(fā)明的替換實施例，考慮電壓和/或電流傳感器可以位于電力系統(tǒng)10的替換位置中或者替換組合中以監(jiān)視電源的操作性能。也參考圖2，在步驟110，控制電路50從每個傳感器讀取指示每個電源的操作狀態(tài)的值。在步驟120，控制電路50檢查能量存儲設備16處的電壓電平處于可接受的電平。在 能量存儲設備16被放電時，DC電壓的幅度開始下降。能量存儲設備的放電表明替換的能源未產生滿足負載38的電力需求的足夠能量。如果能量存儲設備中剩余的電荷落到最小電平以下，其不再能夠完全補充替換能源以滿足負載38的需求。在此操作點，變壓器30將嘗試維持AC輸出電壓的命令的量值；但是，隨著在變壓器30的輸入處的電力不足，變壓器可能進入故障狀態(tài)，要求人工復位。為了防止變壓器30進入故障狀態(tài)，控制電路50可以預配置閾值，不希望允許能量存儲設備16處的DC電壓下降到該閾值以下。如果能量存儲設備16的DC電壓電平大于閾值，則控制電路50前進到步驟130，并檢查被負載38汲取的電流的幅度?？刂齐娐?0可以預配置最大電流值，不希望在該最大電流值以上操作變壓器30，因為變壓器通常具有短期電流額定值以及長期電流額定值。通過監(jiān)視負載38汲取的電流的幅度，如果例如汲取的電流超過變壓器30的長期電流額定值但是在電流超過變壓器30的短期電流額定值、導致變壓器30進入故障狀態(tài)之前，轉換開關40可以將負載38從替換能源斷開并將負載38重新連接到公共電網(wǎng)35。如果能量存儲設備16處的DC電壓電平以及負載38汲取的電流兩者都在操作限度內，則控制電路50產生控制信號55以將替換能源連接到負載38，如步驟150處所示。如果能量存儲設備16的電壓電平小于閾值電平，則控制電路50前進到步驟140并檢查公共電網(wǎng)35提供的AC電壓的量值。類似地，如果能量存儲設備16的DC電壓電平在閾值電平以上而負載38汲取的電流超過其設置點，則控制電路50再次前進到步驟140并檢查公共電網(wǎng)35提供的AC電壓的量值?？刂齐娐?0可以預配置有針對來自公共電網(wǎng)35的AC電壓的最小和/或最大值。如果來自公共電網(wǎng)35的AC電壓操作在可接受的電平，則控制電路50產生控制信號55以將公共電網(wǎng)35連接到負載38，如步驟160所示。在將負載38連接到公共電網(wǎng)35之前檢驗公共電網(wǎng)35工作在可接受的參數(shù)內降低了對構成負載38的電系統(tǒng)或設備的損壞的可能性。如果電源都未工作在期望的參數(shù)內，則控制電路50產生控制信號55以將替換能源連接到負載38，如步驟150所示。例如，如果能量存儲設備16的DC電壓電平小于變壓器的操作需要的最小電壓，或者負載汲取的電流超過變壓器的操作希望汲取的最大電流，公共電網(wǎng)35也不在可接受的操作參數(shù)內，則繼續(xù)從替換能源提供電力可以延長可以將電力提供給負載38的持續(xù)時間。變壓器30將嘗試維持命令的輸出電壓，并提供所需的電流，只要來自主電源的能量允許并且只要電流不超過變壓器30的短期超載。因此，如果公共電網(wǎng)38不可用，則保持主電源連接到負載38可以允許在電壓臨時驟降(dip)或者電流尖峰期間提供電力。但是，如果公共電網(wǎng)35仍不可用并且主電源在其期望的操作參數(shù)以外太長時間，則變壓器30將必然故障以防止損壞變壓器30。以周期或持續(xù)為基礎進行圖2例示的步驟。還參考圖5，可以以數(shù)字或者模擬方式實現(xiàn)控制電路的組件。監(jiān)視主電源或次電源的性能的每個傳感器向控制電路50提供模擬信號。例如使用運算放大器實現(xiàn)的比較器將該信號與參考值相比較以確定每個電源是否工作在可接受的范圍內。運算放大器的輸出可以驅動離散邏輯門以及螺線管驅動器電路150或160。螺線管驅動器電路150或160致動螺線管170或180以選擇性地定位開關51并將主電源或者次電源連接到負載38。因此，模擬電路可以持續(xù)監(jiān)視每個電源的操作狀態(tài)并據(jù)此選擇適當?shù)碾娫?。可選地，控制電路50的一部分可以數(shù)字地在例如場可編程門陣列(FPGA)、專用集成電路(ASIC)中或者微處理器內實現(xiàn)。因此，數(shù)字電路可以根據(jù)設備內的指令執(zhí)行而周期地監(jiān)視操作參數(shù)。無論如何實現(xiàn)，都希望在主電源和次電源之間的轉換足夠迅速地發(fā)生以避免負載 38處的電力的可觀察到的中斷。因為轉換開關40被配置為連接到作為主電源的可變的或者間斷的能源并且連接到作為次要能源的公共電網(wǎng)，所以考慮轉換開關40將需要比傳統(tǒng)轉換開關更頻繁地在主電源和次電源之間切換。此外，除了在第一電源故障的情況下單獨作為備用系統(tǒng)，這樣的轉換可以發(fā)生在正常操作狀態(tài)下。希望在需要時，轉換開關40斷開主電源并迅速地重新連接次電源以最小化或者消除明顯的切換指示，例如燈的閃爍或者電視畫面的臨時中斷。結果，使用模擬電路設備實現(xiàn)控制電路50可以提供改進的響應性以及快速的切換能力。應該理解，本發(fā)明在其應用方面不限于在此所述的結構的細節(jié)和組件的布置。本發(fā)明能夠有其他實施例并且能夠按各種方式實踐或執(zhí)行。對以上內容的變化和修改在本發(fā)明的范圍內。還應理解，在此公開和定義的本發(fā)明擴展到所述的以及根據(jù)本文和/或附圖顯而易見的各個特征中的兩個或多個的所有替換組合。所有這些不同的組合構成本發(fā)明的各個替換方面。在此所述的實施例說明了已知用于實踐本發(fā)明的最佳模式，并將使本領域技術人員能夠利用本發(fā)明。
權利要求
1.一種開關，用于選擇性地將作為主電源的替換能源和能量存儲設備以及作為次電源的公共電網(wǎng)連接到負載，該開關包括 第一輸入端，被配置為接收與能量存儲設備中的能量水平對應的信號； 至少一個致動器，選擇性地將主電源和次電源之一連接到該負載；以及 電路，產生作為能量存儲設備中的能量水平的函數(shù)的、用于致動器選擇性地將主電源或者次電源連接到該負載的控制信號。
2.如權利要求I的開關，其中如果能量存儲設備中的能量水平在預定閾值以下，則該電路產生的控制信號啟動從主電源到次電源的轉換。
3.如權利要求I的開關，還包括第二輸入端，被配置為接收與次電源的操作狀態(tài)對應的信號，其中所述電路還將用于致動器的控制信號產生為次電源的操作狀態(tài)的函數(shù)。
4.如權利要求3的開關，其中如果能量存儲設備中的能量水平在預定閾值以下并且如果次電源的操作狀態(tài)在預定范圍內，則該電路產生的控制信號啟動從主電源到次電源的轉換。
5.如權利要求3的開關，還包括第三輸入端，被配置為接收與所述負載汲取的電流的量值對應的信號，其中所述電路還將用于致動器的控制信號產生為所述負載汲取的電流的函數(shù)。
6.如權利要求5的開關，其中如果次電源的操作狀態(tài)在預定范圍內并且如果能量存儲設備中的能量水平在預定閾值以下或者所述負載汲取的電流的量值在預定閾值以上，則所述電路產生的控制信號啟動從主電源到次電源的轉換。
7.如權利要求I的開關，其中所述電路包括模擬電設備。
8.一種自動轉換開關，用于選擇性地將第一電源和第二電源連接到負載，該自動轉換開關包括 第一輸入端，電連接到第一電源，其中該第一電源包括替換能源和能量存儲系統(tǒng)； 第二輸入端，電連接到第二電源； 輸出端，電連接到所述負載； 至少一個致動器，選擇性地將第一輸入端和第二輸入端之一連接到所述輸出端； 第一傳感器，測量與第一電源的能量存儲系統(tǒng)中的能量水平對應的第一操作參數(shù)； 第二傳感器，測量第二電源的第二操作參數(shù)；以及 電路，向致動器提供作為第一和第二操作參數(shù)的函數(shù)的控制信號以將第一輸入端或第二輸入端連接到輸出端。
9.如權利要求8的自動轉換開關，其中第一傳感器測量能量存儲系統(tǒng)的DC電壓電平，并且如果該DC電壓電平在預定閾值以下，則所述電路啟動從第一電源到第二電源的轉換。
10.如權利要求9的自動轉換開關，其中第二電源是公共電網(wǎng)，第二傳感器測量公共電網(wǎng)的AC電壓電平，并且如果該AC電壓電平在希望的操作范圍之外則所述電路中止從第一電源向第二電源的轉換，并且如果該AC電壓電平在希望的操作范圍內，則所述電路完成從第一電源到第二電源的轉換。
11.如權利要求8的自動轉換開關，還包括第三傳感器，其測量負載的第三操作參數(shù)。
12.如權利要求11的自動轉換開關，其中所述第三操作參數(shù)是由負載汲取的電流值，并且如果該電流值在預定閾值以上，則所述電路啟動從第一電源到第二電源的轉換。
13.如權利要求12的自動轉換開關，其中所述第二電源是公共電網(wǎng)，所述第二傳感器測量公共電網(wǎng)的AC電壓電平，并且如果該AC電壓電平在希望的操作范圍之外，則所述電路中止從第一電源向第二電源的轉換，并且如果該AC電壓電平在希望的操作范圍內，則所述電路完成從第一電源到第二電源的轉換。
14.如權利要求8的自動轉換開關，其中所述電路包括模擬電設備。
15.一種選擇性地將負載連接到包括能量存儲設備的第一電源或者連接到第二電源的方法，該方法包括步驟 測量該能量存儲設備中的能量的水平； 如果該能量存儲設備中的能量的水平大于預定閾值，則將該負載連接到第一電源；以及 如果該能量存儲設備中的能量的水平小于該預定閾值，則將該負載連接到第二電源。
16.如權利要求15的方法，其中該第二電源是公共電網(wǎng)，并且還包括測量公共電網(wǎng)上存在的電壓的幅度的步驟，以及其中僅在公共電網(wǎng)上存在的電壓在可接受范圍內時才進行將負載連接到第二電源的步驟。
17.如權利要求15的方法，還包括測量由負載汲取的電流的量值的步驟，其中 如果能量存儲設備中的能量的水平大于最小能量水平并且由負載汲取的電流的幅度小于最大電流水平，則進行將負載連接到第一電源的步驟；以及 如果能量存儲設備中的能量的水平小于最小能量水平或者由負載汲取的電流的幅度大于最大電流水平，則進行將負載連接到第二電源的步驟。
18.如權利要求17的方法，其中該第二電源是公共電網(wǎng)，還包括測量在公共電網(wǎng)上存在的電壓的幅度的步驟，以及其中僅在公共電網(wǎng)上存在的電壓在可接受的范圍內時才進行將負載連接到第二電源的步驟。
全文摘要
被配置用于連接到諸如風輪機或者太陽電池板的非傳統(tǒng)的全時間使用的或者間斷使用的電源的自動轉換開關選擇性地連接作為主電源的該非傳統(tǒng)的電源和作為次電源的公共得到的(utility-derived)電源。間斷使用的電源包括諸如DC電池組的能量存儲設備，以在低能量產生時段期間補充電力輸送。該電力經(jīng)由DC-AC變壓器提供給AC負載。轉換開關包括監(jiān)視能量存儲設備上的電壓電平的輸入端，并且當能量存儲設備上的電壓電平落到預設電平以下時將從主電源切換到公共電源。因此，超過變壓器的額定值的負載狀態(tài)將不會使變壓器故障或者限制負載可用的電力。
文檔編號H02J9/06GK102751779SQ201210119089
公開日2012年10月24日 申請日期2012年4月20日 優(yōu)先權日2011年4月20日
發(fā)明者N.A.克扎內基 申請人:信賴控制公司