模块式电力管理及方法 与相关申请的相互参照
本申请是我94年10月24日提交编号为NO.08/328,574申请的部分接续申请(CIP)，该申请于03/19/96授予专利5,500,561；它是9/29/93提交而今已放弃的编号为No.08/129,575的一项申请的覆盖继续申请；No.08/129,575又是9/14/92提交而今已放弃的编号为No.07/944,786的一项申请的覆盖继续申请；No.07/944,786则是1/18/91提交而今已放弃作废编号为No.07/638,637的最早申请的覆盖申请。
专利5,500,561及我以前申请的公开内容在此引入作为参考。
鉴于不仅在技术文献而且在专利中一些电工名词有混乱和经常使人误解甚至错误应用，也为了对一些甚至可能已在我的专利5,500,561中用得不够严谨的名词加以辩证，这里对“逆变器”(Inverter)或逆变器设备，“变换器”(converter)或变换器设备及“内在DC负载”或内在负载设备等名词就本CIP公开内容中的用法加以定义。那就是逆变器或逆变器设备是指一器件，电路或系统，它由DC电源供给电能，同时输出AC电能，即整流的逆向；变换器或变换器设备是指一器件、电路或系统，它接受和给出DC电能，而在能量流动的中间过程里形成AC；名词内在DC负载或内在DC负载设备是指一DC器件、电路或系统，它相对输入该点的DC电能起DC负载功能。
上述我的专利5,500,561针对的是用户侧电力管理系统及方法，并公开了几个实施方案，它们基本缓解电力公司或公用事业要保持其发电容量远大于最大预见电力需要量这一要求。总的说，我的专利及以前的申请针对地是这样一些系统，其中在电力管理系统中包括一个蓄电池设备形式的直流供电设备，靠它的运行来减轻对电力公司的过量电力需求。
简言之，在我的共同未审定申请中提出的问题，其本质是基于这一事实，即用户对电力公司的电力需求量随每天的不同时间、每周的不同天、每年的不同季节及/或其他可能影响电力需求的因素包括用户性质而变动很大。现已有人提出所谓不间断电源，但它们一般不适于用来彻底有效地缓解问题。可以Lavin等人1994年2月22日的专利5,289,045作为这类系统的范例，把注意点放在作为现有技术而摘引的那些参照材料与前面述及的我以前的申请作对比上。
本CIP申请对配电普遍适用，尤与专供居民区之类的配电有关，这类用户众所周知，用的是由公用事业或电力公司供给的AC电能，通常是分相的，意即，电力公司的两个120V AC相进入建筑物，这样，就有两个120V AC电路及一个240V AC电路可资利用。这样的三线系统包括来自电力公司的两条电力导线及一条中线导线。这些导线通常的做法是接入用户配电箱，在那里经合适的断路器设备接至两条电力母线和直接接到箱内的中线母线。箱内还装有接地母线，通常的做法此母线配备有引至箱外的导线连接和带有一接地极的进线电气连接，该接地极在接地母线上建立起地电位。
本CIP申请所针对的是有效地使用和/或利用电力及其方法的问题，更确切地说是通过在当事地建立一个双电压能力来有效地在该地利用DC电力。
本发明的目的是使美国以及世界其他各地所见到的普通建筑物室内线路能够允许连接两个不同供电系统，一个DC，另一个AC。
本发明的另一个目的是提供一个兼容的电力接线系统，它容许DC电力及AC电力同时运行无需对电力接线系统作修改，而与一般的建筑物线路电力出端相接。此兼容性容许，例如工作电压为低压24V DC的用电器，尤其是目前已有的或以后将被用作内在DC负荷或内在DC负载设备的，以及那些常规120V的用电器都可以在同一幢建筑物内同时使用而不用改变现有电缆及电线的敷设。
本发明的另一个目的是在电力接线系统中引入成组联动断路器设备。
本发明还有另一个目的是提供双电压性能，利用成组联动断路器设备不只把AC电压回路“高”及“低”压两侧切断，而且也把DC回路切断。
也即，上述目的可以在AC线路上利用一断路器设备，同样地在DC线路上用第二个断路器设备。
本发明还有另一个目的是提供一内在DC负载设备，它与连接DC电源一侧的断路器设备和连接DC电源另一侧的断路器设备串连成回路。
本发明再一个目的是提供一种装置，它只要求有一个简单的输入接头接在生活区或住宅(活动的或非活动的)的配电箱之后就可以多种不同方式完成其功能，允许单独使用来自多种DC电源，即发电机，光生伏打设备、风力透平设备等的DC电能。
本发明的再一个目的是提供滤波电容器设备与蓄电池设备电气并联布置的组合，滤波电容器设备起有限AC接地通路功能，其电容量大小确保在60Hz时呈低阻抗接地通路；蓄电池设备的作用是以相反方向导通电流，正好与AC电流向地导通的要求相一致。也即蓄电池设备及其相关的DC电源既提供了DC对地隔离通路同时又提供了AC接地导通通路，而滤波电容器设备提供了有限AC接地通路。
本发明的再一个目的是提供一个与前述目的协调一致的系统，其中滤波电容器设备是在配电箱中进行硬线连接，蓄电池设备则装在本发明的模块单元的壳体里面。
本发明另一目的是提供一个配电箱和模块式电力系统模块单元的组合，配电箱内装有中线母线设备、电力母线设备、地线母线设备及滤波电容器设备，后者的电容量有限、体积小以便提供有限接地通路；模块式电力系统模块单元壳体内装有蓄电池设备，它与前述的滤波电容器设备相比电容量相当大、体积也大，以便能反方向导通电流使AC通地。
本发明的另一目的是提供一个实用途径把建筑侧DC电力应用于内在DC器件或负载。
利用蓄电池设备来达到削去峰尖和填充峰谷从而把用户需求的峰值功率减至最小是本发明的又一个目的。
本发明另一个重要目的是提供一模块单元，单元中包含蓄电池设备，蓄电池设备提供的电池等效电容的电容量极大，与控制蓄电池设备充电电平的电压调节设备或变换器设备组合在一起，体积也大。
本发明的另一目的是提供一个根据前一目的的系统，与内在DC负载相结合达到利用蓄电池设备蓄电容量的目的。
本发明的另一目的是提供一个模块系统，它利用可再充电蓄电池设备作为临界(criticals)变换电路的一部分进行滤波和电压调节(它可能含有一变换器)来防止蓄电池设备因过充或欠充而遭受损伤，其中蓄电池设备向内在DC负载设备供应电力。
本发明另一个目的是提供一个配电箱、模块式电力系统模块单元和内在DC负载的组合，配电箱内装有中线母线设备、电力母线设备、地线母线设备及滤波电容器设备，后者电容量有限、体积小，以便形成一个有限AC接地通路和能隔直；模块单元内装有与前述滤波电容器设备相比电容量很大体积也大的蓄电池设备；内在DC负载设备用以利用前述蓄电池设备的蓄贮容量。
本发明再一个目的是令上述蓄电池设备的电池等效电容量非常大，使之与理想的AC接地通路相符；又令上述滤波电容器设备的电容量极小，使之与有限AC接地通路相符，但也足够大使之能通过充分的电流以保证最坏情况下的事故电流甚低于任何震荡危险电流，同时要在线路短路时能通过一定量的电流使有关断路器跳开。
本发明的一个目的是提供一个与上述目的协调一致并与变换器设备相配合的结构。此变换器在电能流动的中间过程里产生高频AC，其中又设有专门的电容器设备，把上述高频AC的电压尖峰吸收掉。
图1表示本发明的双电压概念，成组联动断路器设备概念和关于它们的模块式概念；
图2表示本发明中我的共同未审定申请的线性电压调节器和控制接口结合成一个设备，用以控制蓄电池设备的充电电平；
图3表示断路器设备的应用、DC照明线路及辅助DC设备和逆变器的回路组成，同时作出配电箱的简化表示；和
图4表示一变换器，它由整流器供应DC输出送往蓄电池设备；如图所示，蓄电池电气并联一滤波电容器。
此时参照图1，它是本发明的部分线路图，表示为常规的三线或分相系统，包括电力公司电力线路导线L1及L2和中线N；可能来自电力公司EU，进入住宅、公寓或诸如此类建筑(活动的或不活动的)的配电箱EDB，配电箱的表示极为简化。这里只需说明EDB有通常的冲出的孔，自电力公司来的或与其他实体往来的电缆或导线都穿过此孔，导线L1及L2连接至电力公司或电力公用事业的断路器10及12，通过断路器10和12保护接至其上的内部电力母线P1及P2、AC配电箱DBA里的住宅线路AL和DC配电箱DBD里的住宅线路内在负载设备LM不被来自公司EU的过电压或浪涌破坏。中线N在内部连接到中线母线NB,NB与配电箱EDB的内部接地母线GB不直接连接而是加有隔离的。
图1示出了一个常规电气出端E01，其电气插孔20、22及24分别与导线W20、W22及W24相接，这些导线是穿过箱EDB上适当的冲出孔进入的，这些导线在内部分别与断路器14、中线母线NB及地线母线GB相接。前面提到过的断路器10及12为常规型式，在传统的箱EDB铰接面板转向一边因而暴露箱内的任何断路器时，它们迅速跳回原位。这远比老式带螺纹熔断器插座可取。无论如何，本发明的模块特点决定了采用蓄电池设备SB，其正极端与导线B26相连，后者与接地母线导线GB30连接于接点J1,GB30进入箱EDB与接地母线GB相连，如图所示。蓄电池设备SB的负极端与导线B28相连，导线B28的接点J2与中线母线连线NB32连接在箱EDB内接至中线母线NB，如图所示。
既然导线W20、W22及W24连接如图，电气插头PL1的脚20′、22＇及24′就可用来给由箱DBA供电的AC负载AL馈电。与之类似，电气插头PL2可用来给由箱DBD供电的内在DC负载设备馈电。
图1示出基本模块单元M，它不在箱EDB的内部，因而有极大方便之处，这里将对此方便之处作说明。基本模块单元M包含可再充电的蓄电池设备SB，它代表没有其他DC电力来源时能为耗电利用的蓄电池容量。蓄电池设备SB可按深循环方式充电，一直到初期电解质达沸点时的充电值为止。所用蓄电池设备应当能实现这一充电值以保证充电电平既不过充也不欠充。
本发明的一个重要方面是把蓄电池设备SB固有的“电池等效电容量”与滤波电容器FC结合起来混合使用。蓄电池设备SB显示的单位体积“电池等效电容量”增益值是极为突出的。为说明这一点，一标准滤波电容器FC可具有以微法计(譬如说50微法)的电容量，其体积或容积可以容易地置于箱DB内。蓄电池设备将具有至少10,000法的电池等效电容。蓄电池设备这一高电池等效电容对AC峰尖的滤除极为有效，但其体积很大，不能置于箱EDB内，而且更重要的是，它提供了一个理想的AC接地通路。设若把蓄电池设备SB移去，即使是暂时的，由滤波电容器FC提供的有限AC接地通路也会变得不适合于充当合适的AC接地通路，然而DC电源DCPS或其等价物的存在提供了合适通路。代之以12V深循环铅酸电池设备SB，体积约1立方英尺，相对“电池等效电容”就可达至少10,000法，也就是说，这样的蓄电池设备SB能提供一很大的、和与待利用负荷电流相当的合格的AC接地通路，而滤波电容器FC提供的有限AC接地通路仍必需符合地方电力标准。这两只电容器联合起来运行，两者都必需符合地方标准，设备SB的电流沿反方向流动，正好与AC向地流动的要求相一致，其相关的DC供电又进而提供了一个DC对地隔离通路；同时在设备SB失效时，设备FC提供了第二个、但有限的AC接地通路。关于后者，设备FC的电容大小定得其容抗Xc充分小，使有足够电流通过，既保证最恶劣情况下的事故电流甚低于任何振荡危险电流，又保证在家用电器短路时有关的断路器能跳开。
虽然滤波电容器FC正常情况下在箱EDB内以硬线连接，它亦可能装在模块M内与蓄电池设备并联。
可以看到，导线W20及W22有AC电势，因为电力母线P2通有AC电力；导线W22及W24因有蓄电池设备SB而有DC电势。所以插孔20及22可以通过电插头PL1的插头脚20′和22′与配电箱DBA的AC负载设备AL相连，而插孔22和24可通过电插头PL2的脚22″和24″与配电箱DBD的内在DC负荷设备LM相连。
如前所述图1的表示作了一定简化，它仅连接一条AC电力母线P2，应该还有其他不同的连线；同时导线W22与W24之间仅示出了DC电力的一种利用方式，而实际上电气出端E01更复杂，具备提供更多方式AC及DC电力的能力，对此随后将作详细图示。
参照图2，注意所示线路与我共同未审查申请的图3极为相似，由二极管82和84进行整流，它们向电压调节部分(有标志)的TEE线路94、90、92供电，电压调节部分与控制接口(有标志)一起工作，自A点输出DC。这样本发明的一个重要目的便得到实现，即蓄电池设备SB的充电电平保持在向内在DC负载如图2之46或图3电子(DC)镇流的荧光照明线路FL供电所应有的电平。注意，专利5,500,501中公开的三种运行方式都可行。
在有AC输入时，图2所示电压调节器功能部分是维持模块M中蓄电池设备SB的充电电平的一种设备，蓄电池设备SB的接点为J1和J2(见图1)。照明负载46当然是一种内在DC负载设备，如在接地母线GB和断路器B5及B6间形成回路的环形LIGHTS线路FL，而线路断路器B5和B6接至中线母线NB，如图3。图1的DC电源DCPS是图2的光生伏打盘设备PV，图1及图2均示出了逆变器设备1NV。图2中配电箱EDB未予全部表示，是为避免图示过于复杂而作的简化。
图3表示配电箱EDB，形式经简化而不乱，图3主要为了说明成组联动断路器的概念、内在DC负载设备形成回路的概念和负载源设备的使用。画出了箱EDB框架，接地母线GB、中线母线NB及电力母线P2都作了注明。DC镇流荧光照明内在DC负载设备FL包括一个接至箱EDB的配电箱DBD的示例。每个WDBD54和WDBD56回路都是在中线母线NB(-DC)经过断路器B5及B6至接地母线GB(+DC)之间。示出了四只电气出端设备E01,E02,E03和E04，它们全都相同，由两根导线W20分别经断路器设备B1和B3与电力母线P2连接。与之类似，两根导线W22分别经断路器设备B2和B4与中线母线NB连接。这里的两只断路器B1和B3，每只对应于图1中的断路器14，而两只断路器B2和B4每只对应于图1中的断路器13。断路器B1及B2分别“隶属”于一条AC通路和一条DC通路，断路器B3和B4有相类似的“隶属”。
电气插头PL1及/或PL2可如前所述以其插脚20′,22′,24′及/或20″,22″、24″插入电气出端。
DC电源DCPS表示为DC发电机及光生伏打盘设备PV，后者在经调节器40调节后，经过隔离二极管D2接至接点A；DC发电机DCPS的正极端经隔离二极管D1亦接至此点。接点A通过断路器B8接至地线母线GB，而从逆变器50来的AC输入靠导线W50接至中线母线NB，通过导线W52接至断路器B7。内在DC负载设备回路有效地使有关导线的承载电流能力加倍，而关于断路器设备的AC及DC通路成组联动使双电压得以高度安全地执行。
重述上述某些内容，本发明中模块概念的重要性在于它最后形成分立式实体，它们是蓄电池设备SB和滤波电容器设备FC。蓄电池设备SB具有适于成为良好的AC接地通路的巨大电池等效电容；而滤波电容器设备FC具有极小的电容以符合有限AC接地通路的要求，且其电容大小使容抗Xc降低到有足够电流通过，以保证在最坏情况下故障电流甚低于任何振荡危险电流，另一方面保证在家用电器短路的事故情况下，通过的电流足够使有关断路器跳开。如上所述，滤波电容器FC的电容量约在50微法。
图4表示的是一种开关型变换器的线路，变换器效率极高，其形式也是优选的，因为这种DC-DC型电源代表了同时代里所可能的高效率。图4示出了输入机构，其中一些未标参照字符，全按功能作了标号，也示出了输出机构，对之全都未标出参照字符，而按功能作了标号。无论何种情况，其含义应是清楚的，相信不需要对参照字符和机构作详细说明。
标有参照字符501的虚线方框内表示的是典型的全波整流桥式电路(对逆变器的对立物)，在接点501′向电容器505供电，其意图是减少线路501的整流纹波分量，并在接点501′和导线501V之间形成经过滤波的DC输入电压，向变换器设备借电。
图中变换器线路接在整流线路501之后，由501供给经过滤波的DC，在部分521内有接点521′及521″，两点间连接电阻/电容偶521r及521c，此偶又提供接点521。接点521接导线521V，导线521V向脉宽调制器503提供正电压Vcc，接点521并向二极管521d1供电，二极管521d1接至连接在二极管521d2和接点521″之间的并联电阻/电容偶。
变换器采用503所指的脉宽调制器PWM，用它控制开关晶体管线路508将导线508V上的瞬变电压窄脉冲加到变压器506的原边，令电流循环送往变压器初级绕组L1和L2。由此“在能量流动的中间过程形成AC”。恰如上述“变换器”定义中所定义的。变压器506的副边表示为绕组L3和L4。
电路509是脉宽调制器503与变压器506副边的控制设备522之间的光隔离开关，它使变压器506原边脉宽调制器503在导线509V上形成的控制电压可充当副边控制设备522的输入以影响脉宽调制器PWM503而不致有自次级线路返回的漏电流。通常变压器506形成的变换频率将为20,000-100,000Hz，这需要用专门的电容器517来吸收这些瞬变量，若要用，电容器517的电容量通常在1微法左右。
次级绕组L4驱动线路514，后者相似于整流器501加上电容器505的滤波，提供DC输出，这里通过导线514V专门将其输入控制设备522。控制设备522有一输出导线522。接到光隔离开关510，用以控制按我以前申请的原理的电压控制的三种运行方式。那就是当光隔离器510开关“通”时，便处于光生伏打设备520的DC电流导通的那些运行方式，即DC电力输入由设备520单供或由设备520供部分或共担DC电力输入。当光隔离器开关“不通”时，就按另一种方式运行，DC电力输入完全由另一电源供给(即无光生伏打输入)。
方式由两接点J1和J2间的DC支配电压(或设置一连接此两接点的可再充电DC机构例如蓄电池设备)来检控，此时方式1-DC电力单独输入到可再充电DC机构、方式2-DC电力共同输入和方式3-无DC电力输入此DC充电机构，是每日的程序。亦即当导线523和524与图4中DC电源之一，或与如图1或图3中-DC电源如DCPS相连时，系统就能完全胜任其预定的任务。
换句话说，加至蓄电池设备的DC电压将取决于图2中电阻36、42、43、44、45、68、70、74及76或图4中包括511、512、513和515在内的电阻所形成的反馈。
按照本发明，这一系统即使在输入极少的情况下也是能工作的。例如在那些AC或DC电力只有一部分时间里供应，或只能从处在本地的机构取得的地方，这里图中公开的某个结构就能有效地为蓄电池设备供应DC电力。