CN101238625B - 电网响应控制设备 - Google Patents

Abstract

一种对代表电网中发电量和负荷之间的平衡关系的物理变量进行响应的负载控制设备。该控制设备基于电网物理变量的当前值相对于该电网物理变量的中心值的变化，改变负载的电能消耗。该电网物理变量的中心值是由电网物理变量的过去读数得来。该电网响应控制设备也考虑了从负载上一次改变其电能消耗到现在的时间，以确定是否应该提供电网物理变量负载控制。

Description

电网响应控制设备

技术领域

本发明涉及控制电网中用电和发电之间的平衡的装置和方法。

背景技术

可靠的电力来源对于现代生活几乎所有的方面都是必不可少的。

当前，提供可靠的电力是一项非常复杂的技术挑战。它涉及到对由发电机(包括所有类型：核能、燃煤、燃油、天然气、水力、地热、光伏等)和负载(例如，用电的设备和装置等)组成的电力系统的实时评估和控制。

电力是通过由开关站和传输线组成的配电网来供应的。发电机产生的电力，通常会通过变压器被逐级升压至高电压(230-765kV)，以减少(由发热造成的)电力传输损耗。发电机，配电网，和负载组成了电力电网。

目前，电网的可靠运行是非常复杂的，这是由于，电力被产生后立即被用掉，这就意味着电能的产生和需求必须保持持续地平衡。在现有的电力管理系统里，电力供应与需求的平衡，是通过计划，控制和协调发电侧来实现的。

当电力供大于求时将导致交流电力系统的频率增加，而当电力供不应求时将导致该频率下降。

在英国，供电局必须保证50Hz的标称频率，该频率允许的变化范围是±0.5％。在美国，该标称频率为60Hz。在一些闭环系统里面，例如，飞机，该标称频率是400Hz。标称频率是交流电的频率，电网的设计就是为了保证这个频率是受控的和稳定的。

由于负载的接入和断开，以及发电机改变其输出以满足用电需求的变化，产生随机的、较小的频率变化是正常的。然而，频率上较大的偏移，将导致发电机的转动速度超过可以容忍的极限，造成发电机涡轮和其他设备的损坏。

频率上较大的变化也会造成负载的损坏。

对现代的半导体仪器的精度来说，频率变化仅±0.5％，已经是较大的信号了。

现有的在供电侧来匹配发电量与需求的架构有许多问题。目前，当不能处理极低频时，即，当电力需求超过发电量时，自动低频减载操作就会被触发，使用户离线以防止整个电力系统的崩溃。这样对稳定电力系统是有帮助的，但对用户来说，特别地不方便，甚至是危险的。

在停电事故后，电网处于特别敏感的阶段，恢复过程是很慢的。大型发电机往往需要其他发电机提供部分电力来进行启动或再启动。如果没有额外的电力，这种发电机将没有办法启动。因此电网系统具有叫做“黑启动”服务的服务，通过黑启动一些 发电机具有自启动和持续发电的能力，即使电网的其他部份全部停用(即，为黑)。电网运营商已经准备了恢复发电和负荷的次序。这些保证了有限的初始电力供应被首先用来提供通信和控制，然后用来启动大型发电机，然后负荷被逐步地连入电网内以匹配逐步增加的发电量。

黑启动的整个过程是令人忧心的。停电是非常罕见的事件，没有人能练习除非正处在这样的实际危机中。参与这样的过程的每个人都有巨大的压力，电力系统的操作完全处在其正常操作范围外(有时在设计范围外)。负荷或发电量被连入电网的每一步，都是对电力系统的冲击，之后，电网需要花几秒或者几分钟来稳定。处于谨慎的考虑，负荷或发电量应该以很小的变化加入。这必然使整个恢复过程变得很缓慢，对那些仍须重新连入电网的用户来说，延长了停电时间。

为了尽可能地避免切负荷，在任何时间都运行电力系统以能处理关键发电机和关键传输设备的损耗(即，最重要的单次偶然事故)。这样，电网通常在不满负荷的情况下，也能正常运行，以使较大的随机故障不会危及整个系统的安全。然而这也意味着发电机的工作效率不高，导致电力供应的成本增加。

夏天的空调及其他制冷负载和冬天的供热负载，通常是造成系统高峰负荷的常见原因。然而，电网运营商通过精确的计划和对电网运行的研究，包括长期的评估，年前，季前，周前，日前，小时前和实时的运行中的意外事故分析，来预见问题。

而总有意外事故发生，这就是为什么电力系统运行需要有用于补偿最大意外事故的空间。可以使用具有高运行成本的额外的调峰发电机，在需要的时候提供额外的电力供应，或让主发电机不满负荷运转以留出一些潜在的发电余量应付过负荷的情况。这两种方案都会导致单位发电成本较系统接近满负荷运转时高。

一种针对现有方案的、匹配负荷和发电量的可替代的架构已经被提出。主要的思想就是通过在需求侧对负荷进行管理来弥补负荷与发电量之间的差值。

关于使用负荷或电力需求，来(至少)对电网的稳定性产生作用的文献有限。

US 4,317,049(Schweppe等人)，提出了这样一种与现有的电力管理方法不同的基本理念，就是电力的供应和需求彼此响应，并试图维持平衡的状态。

这篇文献定义了两类用电设备，第一类用电设备称为电能消耗型用电设备，它们的特点是，在一段时间内需要一定量的电能以完成它们的功能，同时这类用电设备并不关心某一具体时间上电能的供给。例如空调设备，热水器，电冰箱，空气压缩机，泵等。第二类用电设备称之为功率消耗型用电设备，它们的特点是，在特定的时间需要功率。如果没有在特定的时间并以特定的速率提供功率，这类用电设备将(完全)失效。这类设备例如，照明设备，计算机，电视机等。

Schweppe等人的专利提出的，频率自适应功率-电能再调度器(FAPER)，通过在电能消耗型用电设备上应用FAPER来实现功率管理。Schweppe等人的专利具体讨论了在用于将水泵送至储水箱内的水泵上的FAPER的应用。

在水箱中，水的液面高度有最小允许高度Y_min和最大允许高度Y_max。一般地，当水箱内液面回落至或低于最小高度时，水泵将会启动，将水泵送至储水箱内，而当水箱内液面达到最大高度时，水泵将会被关闭。其他时间，水泵将是闲置的。

FAPER根据电力系统的频率对这些极限(Y_min和Y_max)进行了修改。这样，在系统频率较高的时期内(电力需求较小的情况下)，也就是说，在电网的频率超过标称值时，导致水泵被启动的最小液面高度(Y_min)被增加，而最大液面高度(Y_max)也被增加。这样，水泵将会在比没有在FAPER控制下运转时高的液面高度上接入和断开。这就意味着消耗了过多的电量。使用同样的原理，在电网的频率低于电网的标称频率时(发电量不足的情况下)，最小液面高度和最大液面高度被降低。这种降低使接入的水泵被较快地被断开，断开的水泵较晚地被接入，所以消耗较少的电能，从而降低了电网的负荷。

根据Schweppe等人的专利，液面高度极限的升高(特别是最大允许高度)和液面高度极限的降低(特别是最小允许高度)应有一定的范围限制，这由用户需求或安全要求来确定。所以，这种液面高度极限是可以扩展的，但被限制在一定范围内，否则，水箱将会发生难以接受的溢出或者完全空掉。

Schweppe等人的专利揭示的主要概念为，具有某种电能存储功能并以工作周期运行的耗能设备，对提供电网响应行为很有帮助。当设备运行时，补充或充满电能存储，因而存储的势能增加。当设备不运行时，由于负载存储电能的能力，该负载的功能仍然能发挥作用。

FAPER在不影响设备所提供的服务的前提下，根据电网频率的引导修改负载的耗能时间。这样，当电网频率较高时，设备的势能增加，以最大化所存储的供给到设备中的电能的量。这样能补偿任何过多的电能。在发电量不足的时期(高频情况下)，设备势能降低，从而释放电能给电网，以弥补发电量的不足。

由FAPER改进，一种不同的、改进的“响应负载系统”，由本发明人在专利GB2361118中公开。响应负载系统是基于与FAPER设备相同的基本原理，通过使用需求侧的电网响应，并基于这种响应方法和提供对负载的接入/断开时刻应用统计学的方法的进一步改进，至少有助于电网的稳定性。

FAPER设备的一个问题是，没有任何随机性，电网频率的最小变化都会导致所有具有FAPER的负载同时以相同的方式响应。这可能会对电网造成不稳定的影响。逐渐的响应是需要的，且响应负载系统通过用随机化功能来分配每一个设备发生响应的频率来实现这一点。

如上面提到的，GB 2361118所述的响应负载系统，定义了一种用于选择设备所敏感的频率的可能的方法。采用这种方法，当系统频率偏离电网的标称频率时，逐渐增多的响应负载设备数量，改变了电网的负荷。

更详细地，响应负载系统使用随机数发生器来选择设备对之敏感的高频率和低频 率。这比FAPER设备有利在于，随着频率分别地增加或减小，越来越多的负荷被逐步地接入或切除。

设备对之敏感的高、低两个频率的随机输入有时被修改。这个步骤有助于将响应设备的任何不利之处，在响应设备总体中分散，并确保没有设备被固定在不合适的频率触发上。例如，如果某一特定的设备一直对频率上最小的改变敏感，同时另一个设备具有只在电网极端紧张的情况下才提供频率响应的较宽的触发频率，这是都不适当的。

这种响应负载系统有一个问题，控制器不是可以防止摆弄的。用户，例如，空调用户，也许会选择改变他们的空调控制，因为由于频率响应负载改变的结果，房间里的一点点供热或制冷，超过了预期。这样，如果空调设定的温度范围比较低，由于电网频率的增加，空调会更剧烈且更频繁地运转，用户注意到这些，会在电网频率恢复到可接受的水平前，将空调关掉，导致负载频率响应失败。

部分是因为上述这个问题，产生0322278.3号UK专利申请中的电网稳定系统。这种电网稳定系统可以通过将频率触发固定在电网预紧张设置而防止终端用户使频率响应功能无效。通过这种方法，在电网高度紧张时期，对设定点控制器，例如温度控制器的操作，将没有效果。

这种电网稳定系统还定义了系统的三种状态，正常状态，紧张状态，和危机状态。电网的紧张水平决定了电网处于上述三种状态的哪一种。

通过比较当前的电网频率和频率的极限值，并判断当前电网频率是否落在表示系统是处于正常状态，紧张状态或危机状态的极限值内来确定电网的紧张水平。

通过规定电网频率变化的速率的极限，频率的快速变化，不论频率的绝对值是多少，也可以作为电网紧张水平的指示。

电网紧张水平，也可以由电网频率对电网标称频率的偏移随着时间的积分来指示。这样，即使频率偏离的程度非常小，只要它偏离了足够长的时间，都可以认定系统处于紧张状态或是危机状态。

所以，电网状态是由电网稳定系统来决定，通过考虑了瞬时的较大的偏离于标称值的频率，快速的频率变化，和累积起来较大的，但不是必须在任何给定时间下优选的频率变化范围之外的偏离，都指示电网的紧张状态。每一种可能的电网紧张状态的指示都有一组相关的极限，该极限单独或组合判断电网是否处于正常状态、紧张状态或是危机状态。

电网的状态，即电网是否处于正常状态、紧张状态或是危机状态确定后，电网稳定系统的控制器将基于确定的电网状态调整其电网响应行为。如果确定是处于正常状态，设备将以与现有响应负载设备相同的方式提供对频率变化的响应。因此，当电网频率高于由温度确定的触发频率时，断开的设备将接入以“消耗”电网中过多的发电量。在电网频率低于低频率触发值的时候，“接入”的设备将被断开，以减少电网的 负荷。

如果像FAPER发明一样运转，负载的物理变量(液面高度、温度)在工作时仍然被控制在最小值和最大值之间，但极限值被扩展了，所以，设备接入和已接入的设备，将比运转在正常频率状态内的可控设备停留在接入状态更长时间。同样的，在电网频率过高的时期，断开的设备将停留在断开状态更长的时间，因为负载物理变量的下限也已经被扩展了。

使用水箱的例子，当电网频率增加超过频率上限时，断开的设备将接入，而接入的设备将保持接入，直到负载物理变量达到其扩展后的极限，或直到电网频率返回频率上限以下。举个例子，如果水箱液面高度的正常范围在1米到1.5米之间，只要电网频率超过频率上限，断开的设备将接入，而接入的设备将保持接入状态，直到达到扩展的液面高度，例如1.7米。这样，水箱的可能的最大液面高度被提高到它正常液面高度之上。而且，所有以此方式控制的水泵的总体的势能将增加它们的平均液面高度。这对产生高电网频率的过多发电量提供了补偿，并将这部分过多的电网电能存储起来，在一定程度上补偿了电网的较高频率。当电网频率落至频率下限以下，这部分电能将通过接入的设备被断开和被断开的设备保持断开直到达到扩展的物理变量的下限，例如0.8米，来被偿还给电网。这使设备总体降低它们的势能，并将电能差提供给电网。这将补偿造成低电网频率的发电量不足。

如果像GB2361118专利中所述的响应负载系统一样工作，控制极限保持不变，但是如果系统的频率超过了设备敏感的频率，设备将被接入或断开。这样，在设备达到控制极限之前，设备可以被切换，这额外的切换操作改变了负荷，也就起到了平衡系统所必需的负荷改变的作用。

再次使用水箱的例子，低电网频率可以使接入的设备在，例如1.4米被断开，比达到1.5米的极限早地断开设备。相反，高电网频率可以使断开的设备在，例如1.1米接入，比达到1米的下限早地接入设备。

合在一起，当系统频率降低的时候，导致设备总体的平均液面高度变低，当系统频率变高的时候，平均液面高度变高，尽管每个单独的设备仍然运行在其控制极限内。

将特定设备的频率极限选择落在上频率范围内和下频率范围内。由于使用了前面讨论的响应负载，使用随机数发生器选择特定的高触发频率和特定的低触发频率，使得设备总体具有分别分布在上频率范围和下频率范围内的高触发频率和低触发频率。从而在高触发频率分布和低触发频率分布之间，形成窗口。这个窗口以标称频率为中心。当电网频率与标称频率足够接近以落在这个窗口内时，该窗口允许受控的负载，如水箱，空调，电冰箱等，完全正常运转，也就是说，如同没有采用施加在该负载上的频率响应控制器似的。响应只有当电网频率超出这个窗口时才会被提供。

在电网确定为处于紧张状态的情况下，设备的控制极限被固定在预紧张设置，所以，控制面板调整检测到的物理变量(例如温度)的设定点的操作将失效。这样，受 控负载的用户将无法例如通过使用温度控制器来调整这些受控负载的设置。如果响应设备正在控制空调，电网响应导致房间温度的变化将会被注意到。用户也许决定试图通过调节温度控制器来克服这种温度变化。但在电网确定为处于紧张状态的时候，电网稳定系统的响应负载设备将会使这种设定点的调整无效。这是非常重要的，因为当电网处于紧张状态下的时候电网是非常敏感的，且用户取消所提供的负载响应，将会使电网的不稳定加重。

在极端的情况下，当停电的风险存在时，电网进入危机状态。在电网危机状态下，电网稳定系统释放对负载物理变量极限的控制，并允许它们移到优选范围之外。在高频率电网状态下，设备被接入，直到危机状态解除，在低频率电网危机状态下，响应负载(例如电冰箱)被断开直到危机状态解除。这种接入和断开将不会考虑到控制极限，所以，例如电冰箱，可能会持续制冷到温度低于优选的最低温度，或该冰箱允许温度升高到高于优选的最高温度的周围环境的温度。这些极端的措施只有在电网处于非常严重的情况下才会采用，否则就会发生电网停电事故。

现有的频率和响应控制设备的模型揭示了上述现有的电网响应负载的以前未知的问题。

研究发现，在响应已经生效的一段时间后，设备总体将试图达到物理变量的控制极限，并以过高的速率开始接入或断开。例如，由频率响应负载设备控制的电冰箱单元将会在持续一段时间高频或低频后，达到它扩展的温度极限。以频率高于电网标称频率的情况为例，设备将被接入直到达到低温极限，然后设备被断开，但只要温度回到低温极限之上，设备将再次检查电网频率是否高于它的频率上限，如果是，则设备将立即再次被接入。这样的后果导致当设备试图提供频率响应至接近其物理变量极限的单元的时候，非常频繁地切换设备。这不是我们期望的行为，因为这样可能会损坏受控负载。接入和断开负载的过多转换，将会减少设备的使用寿命。

此外，已经发现，现有的电网频率响应负载的模型对电网频率有不希望的影响。假定响应设备能够平滑系统频率，以提供更干净、噪声更低的电网频率。然而，在模型上，这完全没有被证实，而且还观察到由于响应负载造成的电网频率上一些以前不知道的奇怪特征。

对于电网从停电中恢复出来，现有的电网响应控制设备没有提供任何帮助，而响应负载的稳定作用在此刻确比以前更需要。

在其他的目的上，本发明目的在于，具有一种对电网的改进的稳定作用。

本发明的目的也在于，在电网响应设备控制电能存储设备的供电的时候，减少对电能存储设备供电的切换。

本发明的目的还在于，在停电后，帮助电网的启动。特别是，本发明的目的在于，在系统的黑启动过程中，减弱对系统的冲击。发电机和负载能被更快地重连入电网，也就是加速电网的恢复。

本发明所述的设备目的在于，克服前面提到的，现有的电网频率响应控制设备的问题。

发明内容

根据本发明的第一个方面，本发明提供一种控制电网中的负载的电能消耗的控制设备，所述控制设备包括：

检测一段时间内电网的物理变量的值的装置，所述电网物理变量依赖于电网中发电量和负荷之间的关系来变化；

从所述电网的物理变量的值中确定电网物理变量的基于历史的值的装置；和

改变所述负载的电能消耗的装置，所述改变依赖相对于所述基于历史的值的所述电网的当前物理变量。

根据本发明的第二个方面，本发明提供一种控制电网中的负载的电能消耗的相应方法。

通常，电网的标称频率和电网的物理变量的当前值，被用来控制负载的电能消耗。然而，本发明使用了电网物理变量的过去读数的一些功能。这为基于历史的值提供了长期的过去值，正是这个基于历史的值，被用来控制负载的电能消耗。本发明的模型显示，用于控制负载的电能消耗的基于历史的值(中心值)的使用，将消除现有的电网响应控制设备对电网频率的奇怪的影响。

本发明的第一和第二个方面可以与前面讨论的、现有的电网响应控制设备结合起来使用。可选地，本发明的优先实施方式包括结合以下描述的本发明的任何其他方面或任何以下描述的优选的特征的综合的电网响应控制设备。

根据本发明的第三个方面，本发明提供一种控制电网中的负载的电能消耗的控制设备，所述控制设备包括：

检测电网的物理变量的值的装置，所述电网物理变量依赖于电网中发电量和负荷之间的关系来变化；

检测负载的物理变量的值的装置，所述负载物理变量代表了负载存储的电能；

当所述电网物理变量的值达到触发值时，改变所述负载的电能消耗的装置；和

确定所述触发值的装置，所述触发值的确定依赖于所述检测到的负载物理变量，并进一步基于随机值。

根据本发明的第四个方面，本发明提供一种控制电网中的负载的电能消耗的相应方法。

本发明的第三和第四个方面依赖于电网物理变量的值来控制负载，这个电网物理变量依赖于负载的物理变量被选择。这样，本发明的这些方面使得负载的电能消耗随着检测到的负载的物理变量的变化而变化。通过以此方式将负载的物理变量记入考虑，负载的电能消耗能被控制以最小化负载电能消耗的变化率。这是因为负载越接近他们的固有切换点(由负载的物理变量决定)对电网的响应控制就越有帮助。

此外，由本发明的第三和第四个方面所提供的本发明在和现有的电网响应控制设备结合应用时是有利的。当它们与前述的本发明的第一、第二个方面结合应用的时候特别有利，并在和下面详述的优选实施例结合起来时提供更多的优点。

下面描述的优选实施例是可应用的，如本发明的方法或装置的优选实施例。这样，优选实施例的特征，也可以适用于包括执行这些特征的控制设备的装置，或可以适用于包括方法步骤。这些优选特征通常是以装置术语描述，但都可以适用于本发明的所有的方面。

在本发明的第一和第二个方面的优选实施例中，控制设备适用于基于所述中心值，确定电网的物理变量的触发值，并在当检测到的电网物理变量的当前值达到这个触发值时，改变负载的电能消耗。

这个控制设备可以仅仅基于检测到的负载的物理变量，或基于检测到的负载的物理变量和检测到的电网的物理变量，或仅仅基于检测到的电网的物理变量，确定触发值。本发明的特征的这种组合的优点将在下面详细阐述。

根据本发明的这些方面的优选实施方式，确定触发值的装置包括，能随机地提供在确定的电网物理变量的上限或下限和电网物理变量的中心值之间的触发值的函数。

控制设备也可以优选地适用于产生随机值和进一步基于所述随机值确定触发值，并基于触发值控制负载的电能消耗。

这样，本发明的所有方面可以有利地利用随机值来确定触发值，这对触发值提供了随机因素，意味着大量以这种方式控制的负载不会同步改变它们的电能消耗，这会造成电网的不稳定。

根据更优选的特征，对负载电能消耗的控制是通过比较电网物理变量的触发值和检测到的电网物理变量的当前值来实现的。

在优选实施例中，电网的物理变量是频率，所以是检测到的电网的频率。或者也可以检测到供电电压的振幅，这也能显示出电网的发电量与负荷之间的平衡关系。

这样，根据本发明的一个优选实施例，中心频率是由电网频率的过去读数确定的，且控制设备倾向于在一定程度上阻止频率增高或降低上的任何变化，不管电网频率的绝对值是多少。从而，在现有的电网频率响应控制设备中，以电网的标称频率作为确定是否要提供响应的参考点，而在本发明中，不同在于使用电网频率的历史值，响应触发频率就设置在其附近。

基本的概念是，甚至当电网频率低于标称频率的时期，如果频率开始上升，那么响应控制设备将阻止这种改变，不管频率实际上是向标称值靠近，而这一般认为是有利的。

在频率较低的时期，负载总体的平均输入电能降低以减少从电网获取的电能，以 此补偿导致电网频率降低的过多负荷。电能，事实上被借给了电网。

理想的行为是，在频率再次回到标称电网频率以前，恢复这部分电能，并恢复整个电能储备。所以，频率从低于标称频率的值开始升高是非常有利的时间，以将电能回馈给电网。

同样，但对称的，在电网频率高于标称频率的时期，这些负载被控制从电网借取电能，以消耗掉部分过多的发电量。有利的行为是，在频率再次达到电网的标称频率之前，返回这些电能。

控制设备的行为加强了电网的固有特性，其中频率是电网中电能过多或不足的指示。如果电网频率低，则电能紧缺；如果电网频率高，则电能过剩。如果这种紧缺或过剩大部分都能够由负载吸收掉，那么频率信号就会非常干净了。

电网物理变量的中心值，例如频率的中心值，优选地通过由电网物理变量的过去读数计算移动平均数得来。

触发值是一个值，例如频率，响应控制设备在物理变量达到这个值时，将要增加或者减少它们的电能消耗，触发值是基于中心值来确定的。举个例子，对于这样的控制设备总体，如果当前的频率高于中心值，负载的电能消耗将趋向于增加；如果当前频率低于中心值，负载的电能消耗将趋向于减少。

随机因素还优选地包括在对触发值的确定中，以确保负荷的增加或减少是逐步发生的，不会在负载总体同时被切换时对电网造成负担，从而影响控制设备的稳定性目标。这样，可以避免大范围的负载同步切换。

使用中心值来确定触发值(在该触发值上负载的电能消耗改变)的最重要的效果是，由这样的设备控制的负载总体积极不断地阻止电网频率的变化。

在优选实施例中，设备还可适用于检测负载的物理变量；确定负载物理变量的上限和下限；并当负载的物理变量达到其上限或下限时，改变负载的电能消耗。

这个特征确保负载仍然能实现它的主要功能，即保持负载的物理变量在特定极限内。这些极限也可以由用户选择来得出。例如，空调、或电冰箱的温度控制器的设定点的设置，将导致这些极限被确定。经调节或制冷的空间的温度不应该超过这些极限或位于这些极限之外。温度被保持在所希望的温度附近。例如，电冰箱将会以工作周期工作，以使当温度达到其上限的时候，电冰箱的制冷机制将被接入，以降低温度。当然，一旦温度达到其下限，电冰箱将被断开。

下面的描述大部分涉及通过接入或断开电能消耗，控制负载的物理变量处在控制极限内的负载。然而，采用连续地增加或减少电能来实现该控制的负载，也可以适用于本发明所要求保护的控制设备。

优选实施例提供了两个层次的控制，第一层是通过增加或减少负载的电能消耗以保持负载的物理变量在其控制极限内，而第二层是根据电网物理变量偏离中心值的相对增加或减少，来进一步控制负载的电能消耗。

如上所述，现有的电网响应设备的问题之一是，经过长时间的频率偏移，这两层控制会趋向于造成切换率的增加。本发明目的在于防止这种切换率的增加，且本发明的第三和第四个方面，和本发明的第一和第二个方面的优选实施例都是直接围绕着达到这个目标。

在优选实施例中，这个目的也可以通过基于检测到的负载物理变量的触发值(或触发频率)来达到。在优选实施方式中，用于确定触发值的装置被设置为，依赖于检测到的负载物理变量和其控制极限来确定触发值，以使负载的电能消耗变化速率减小。

在另一优选实施方式中，确定触发值的装置包括，依赖于检测到的负载物理变量返回触发值的函数，所述函数定义了随所述负载物理变量变化的触发值曲线，所述触发值曲线示出，负载电能消耗在越近的时间改变，触发值也就离电网物理变量的中心值越远。

更具体地，在另一优选实施例中，触发值(例如频率)的提供，还可以基于代表所述检测到的负载物理变量的相对于负载的物理变量的上限或下限的比较值与上限和下限之间的范围的比值。

上面定义的这个比值是，和由控制极限所定义的最大值或最小值相比，有多少电能存储于负载之中的指示。而且，在以电冰箱为例的情况下，当冰箱已经接入了整个电冰箱工作周期中接入时间的50％时，检测到的负载物理变量应该在距其最低温度极限一半的地方，或换句话说，电冰箱在距其最大输入电能的一半的位置。在确定这个优选实施例的触发频率的过程中，控制设备需要考虑，已经存储了多少电能，因而有多靠近固有切换点。

在这个实施例的扩展中，触发值随着这个比值的变化而变化，因此负载电能消耗被改变的概率，随着这个比值的增加而增加。这样，这个比值的增加，依赖于负载处于特定的电能消耗状态的时间长短。例如，在电冰箱的例子中，冰箱的制冷装置处于断开状态是一种特定的电能消耗状态，而冰箱的制冷装置处于接入状态则是另一种特定的电能消耗状态。在优选实施方式中，第一电能消耗状态是负载存储的电能增加的状态，而第二电能消耗状态是负载存储的电能减少的状态。

这个比值可以是代表负载已经处于某一特定电能消耗状态的时长的任何函数。这样，在优选实施例中，这个比值被定义为代表负载处于特定电能消耗状态的时间相对于可以处于这个状态的最大时间之比。优选地，这种代表是从负载的物理变量和其上限和下限中得来的。

这个比值可以定义为它将增加电冰箱接入的时间，也可以定义为它将增加电冰箱断开的时间。如果负载电能消耗状态改变的概率随着这个比值增加而增加，那么负载在电能消耗状态之间的切换则被最小化。如前面提到过的，这对于防止用户所不能接受的负载设备长期的损坏是非常重要的。

被确定的触发值考虑了负载与固有切换点的接近程度，或者与由负载的物理变量到负载物理变量的最大值或最小值的接近程度确定的最长时间相比，负载已经处于某一特定电能消耗状态的时间，这是优选实施例的重要特征。当检测到的负载物理变量接近电冰箱的温度下限的时候，处于“制冷”状态的电冰箱是较接近它的固有切换点的。相反地，当检测到的负载物理变量接近电冰箱空间温度的上限的时候，处于“不制冷”状态的电冰箱是较接近它的固有切换点的。

这样，代表检测到的负载物理变量在其最大极限和最小极限内的相对位置的某一比值，对于确定负载的固有切换点是一种优选的方式。计算设备的触发频率的函数将把这个比值计入考虑。

在优选实施例中，控制设备适用于确定电网物理变量的上限和下限；其中，触发值的提供将依赖于所述电网物理变量的上限和下限。这样，控制设备适当地在这个上限和下限内，分配设备总体的触发频率，以使设备在需要的时候提供响应。

在优选实施例中，触发频率的值是这样的值，就是通过提供合适的计算触发值的函数，使比起其他负载保持在特定状态较长时间的负载变得对检测到的电网物理变量的改变更敏感。

更具体地，触发值的提供，优选地，首先采用适用于基于所述中心值和所述随机值提供电网物理变量的基值的控制设备，例如，随机地提供在所述中心值和所述控制上限或控制下限内的所述基值；控制设备还适用于从所述基值提供触发值函数；然后从这个触发值函数确定触发值。

这样，由随机值带来的随机化就被应用于基值的提供，从而对用于提供触发值的特定函数有决定作用。在特定的优选实施例中，触发值函数定义了触发值随着负载处于特定电能消耗状态的时间而变化。更优选地，由如上所述的触发值函数改变提供触发频率。

这样，每个设备首先都从触发值函数，得到随机化的基值。这个函数的特定形式，也就是说，它是如何跟随比值变化的，依赖于所述基值的值。这样，基于基值的负载改变其电能消耗状态的概率的增加或减少是不同的。

根据本发明的优选实施例，每个控制设备都将确定它自己的基本频率。这个基本频率将在设备总体中随机分布，这样负载电能消耗状态的改变或负载的接入或断开，将在整个设备总体中逐渐进行。

根据本发明的优选实施例，一旦这个基本频率被确定，则设备发生响应的准确频率依赖于触发值函数确定的触发频率。这个函数被定义为，使负载的自发响应根据其内部状态而变化。如果，处于非常低的电能状态，同时设备为接入的，或者在增加负载存储的电能的第一状态，设备断开或切换到减小负载存储的电能的第二状态将是不期望发生的，除非处于最极端的电网状态(由电网的物理变量，即频率表示)但，如果设备的电能存储正接近其上限，则设备断开或切换到第二状态是非常期望发生的。 这种改变自发性受触发频率偏离中心频率的程度影响。

这样，当负载的电能状态变化时，触发频率具有非线性的轨迹。为了保持负载总体中切换的概率的随机分布，触发值函数的形式依赖于随机提供的基值而变化。

以这种方式改变自发性，切换操作将会尽可能地少，同时切换的负载在负载总体中分步。这也通过避免建立非常接近极限的子负载总体来保持负载的分散性。

在优选实施例中，随机数发生器提供随机值，随机数发生器被配置为为大量所述控制设备提供基值分布，所述分布是从电网物理变量的极限扩展到电网物理变量的中心值。这是与现有的设备有所区别的地方，这定义了一个窗口，在这个窗口范围内不提供电网响应，且设备被允许正常运转，好像没有安装响应控制设备一样。

然而，本发明，将大量的触发值分布在从中心值到极限，这样，在确定的频率上限和下限之间的所有频率上都有响应被提供。以这种方式，从电网中借取电能或返还从电网借取的电能就会在整个确定的电网频谱上发生。这对提供抑制所有对电网中心频率的偏移是有影响的。

优选地，随机数发生器是这样的，就是控制设备总体都将具有触发值，该触发值具有从电网物理变量的上限到下限之间扩展的分布。在优选实施例中，当比值从最小值变到最大值变化时，触发值从电网物理变量的极限到中心值变化。以这种方式，触发值越接近中心值，负载停留在特定电能状态的时间也就越长。因此，负载的电能消耗改变的可能性越大，设备停留在特定电能状态的时间也就越长。

在优选实施例中，负载电能消耗的改变，可以采用接入负载或断开负载。负荷被定义为负载的主要功能的电能消耗。例如，在电冰箱的例子中，负荷被定义为制冷装置的电能消耗。这样，使用这个定义，电冰箱的不显著的运行，例如，照明或负载的其他辅助功能的负荷将不在本文中被考虑。

应该明确，上述比值反映了设备已经被接入或断开的时间。优选地，当断开的设备的检测到的物理变量接近处于断开状态的设备物理变量的极限时，这个比值达到最大值，或者，这个比值是为处于接入的设备定义的，当接入的设备的检测到的物理变量接近处于接入状态的设备物理变量的极限时，它为最大值。

在另一优选实施例中，触发值的提供还基于负载的特定的电能状态(例如，负载是处于接入还是断开的状态)。也优选地，代表着设备接近物理变量的极限的程度的比值，是依赖于负载的特定电能消耗状态的。这样，根据本发明的优选实施例，根据负载的特定电能状态(举例来说，这个负载是处于接入还是断开状态，或是处于第一状态还是第二状态)，不同地定义这个比值。

这是有利的，例如当断开的负载，通常在负载物理变量的下限(存储的电能最小)时，将被接入。另一方面，当接入的负载，在负载物理变量的上限(存储的电能最大)时，将接近其固有切换点。因此，当定义触发频率的时候，优选地将负载电能消耗状态计入考虑。

在另一个优选实施例中，负载物理变量的上限和下限是从负载物理变量的设定点得出来的。设定点可以由例如温度控制器设置，或是电冰箱的特定设置来定义。这是本发明有利的特征，不仅仅通过提供电网频率响应实现了较好的电网稳定效果，而且负载的主要功能，例如制冷，加热，泵送等，可以实现。

在一定的电网条件下，检测到的负载物理变量的极限可以被控制改变一段延长的时间。这种极限的改变，并不是经常与正常的电网响应行为的提供相关，也不是由于物理变量的设定点中的改变。这种极限扩展的改变通常是归因于电网情况。

根据本发明的优选实施例，检测到的物理变量的上限和/或下限分别地以小于或大于检测到的负载物理变量增大或者减少的最大速率，被增加或者减少。

以这种方式，极限以小于物理变量理论上能达到的变化速率被移动。极限移动的较低速率意味着，即使当物理变量的极限被改变了，仍然有负载在提供电网响应。

电网状态的一个例子在停电后的启动过程中是非常有用的。正如上面讨论的，电网在这个阶段中是非常脆弱的。一般地，在电力中断后，检测到的物理变量将在其正常的范围之外，且负载将需要被操作以使该物理变量返回到它优选的控制极限内。根据本发明优选的方面，检测到的物理变量的上限和/或下限以小于负载恒定的最大电能消耗的速率被增加。

这样，这在增加极限以提供响应期间是有可能的。在电网黑启动的过程中，负载的这种提供电网响应行为的能力是非常重要的，在这个过程中，电网是非常脆弱的。

在又一优选实施例中，本发明定义了黑启动辅助模式，在这个模式中，在负载从电网抽取电能之前，有随机的延迟。这个优选的特征，意味着负载将逐渐地从电网抽取电能，而不是这些负载同时接入，极大地给电网造成紧张。

附图说明

本发明的优选实施方式，将在下面参考附图进行描述。

图1A到图1C显示的是，触发频率如何随负载存储的电能变化的优选实施方式。

图2显示的是，根据本发明的优选实施方式控制的负载总体的例子。

图3A到图3B显示的是，触发频率函数曲线的例子。

图4显示的是，优选的响应控制设备的各种状态图。

图5显示的是，本发明的响应控制设备的优选运行流程图。

图6显示的是，大致描述PID控制器控制的负载的运行的方块图。

图6A显示的是，大致描述PID控制器控制的负载的调整电网响应控制设备的设定点的运行的方块图。

图6B显示的是，大致描述PID控制器控制的负载的调整电网响应控制设备的电动机功率的运行的方块图。

图7显示的是，以价格作为电网发电量和负荷的平衡指示运行的电网响应控制。

具体实施方式

下面将描述本发明的特定的实施例，以帮助对本发明的理解。

本发明的控制设备可以应用到电网上的具有电能存储能力的，消耗断续的或可变的电能的负载。

控制设备要求两种主要的输入，第一种是电网的频率，或者其他能代表电网中发电量和电力需求的平衡的参数，而第二种是电能存储负载的某种物理变量。通常，负载的首要功能是保持物理变量在特定的控制极限。

负载通常以某种工作周期运行，通常在一段时间内，负载是接入的，而另一段时间内，负载是断开的。因此，50％的工作周期意味着，负载将接入和断开相等的时间。本发明可应用的这种特定负载包括，空调(例如，制冷或制热的)，电冰箱和储水泵等。

然而，现代电力电子控制技术使得改变电动机的功率消耗成为可能。功率根据设备的需求来变化，使电动机运转得更有效率，也意味着电动机连续或几乎连续地运转。所以，以电冰箱为例，当温度已经达到其所期望的设定点时，电动机将减小其功率，而当温度升高时，电动机将增加其功率，并且如果电冰箱变得太冷了，电动机还将进一步减小功率。这样做，也对电冰箱减小噪音有好处。

电动机通常需要运行在相当宽的功率范围内，例如冰箱和冷藏库，当它们被接通的时候，或有热的物体被放入时，它们需要有快速制冷的能力。所以，这里仍然有根据温度外的输入，例如频率，暂时地改变设备的功率需求的余地。

本发明提供的控制设备，可操作以改变两种类型的负载消耗的电能，即一类是二进制接入/断开控制，而另一类是逐渐地或连续地增加和减少电能消耗。

下面的描述，将主要以电冰箱为例，说明本发明所述的控制设备的使用。

本发明到目前这一点上，操作都与现有技术已知的电网响应控制设备相同。本发明利用上面描述的电能存储负载的原理，能在特定时间内不需要从电网输入电能仍然能完成其功能。与照明设备，或其他负载不同，电能存储负载可以变化的水平或变化的间隙接受输入电能，并且，只要能被控制以保持负载的物理变量在特定负载的特定控制极限内，就能以完全令人满意的方式工作。

上面描述的电能存储设备所存储的电能量，由物理变量的控制极限确定。以电冰箱为例，负载所能存储的最大电能量由电冰箱当前设定点设置的温度下限来确定，而最小电能量由温度上限来确定。

在下面的描述中，y是由本发明的电网响应控制设备所控制的负载的物理变量的归一化的测量。较大的y值代表比较小的y值存储更多的输入电能(例如，电冰箱最冷)。如果x代表存储的电能，那么y是x的函数，即，y＝f(x)。归一化的y，可以取值从0到1，0表示没有电能存储，1表示电能存储的临界最大水平。这个函 数通常是非常接近线性的，使它能被很好地近似。

在电冰箱的例子中，输入的电能被直接用来制冷。所以当电冰箱达到其最冷的程度时，y最大，为1，而当内部的温度升高到环境温度时，y是0。以水箱为例，当水箱为空的时候，y是0，当水箱溢出的时候，y为1。通常，它当然被控制在较小的极限内，即物理变量的上限和下限，或y_max和y_min。

根据现有的电网响应负载的原理，在负载的特定设置下，输入能量变化以保持物理变量y在由y_max和y_min设置的极限内变化，以同样的方式，当负载可以被正常地操作时，电网的频率(或其他与电网中发电量与负荷之间的平衡相关的参数)不被考虑进去。

通常地说，没有电网响应控制器运行的使用本发明的这类负载，当y的最小值(y_min)达到时，将会接入负载，当y的最大值(y_max)达到时，将会断开负载。

根据优选实施例的负载响应控制器，负载切换的时刻，即什么时候接入的负载被断开或断开的负载被接入，将根据电网的频率进行调整。例如，在电网频率低的时期，电网上有太多的负荷而没有足够的发电量来匹配，且接入的电网响应设备将响应于在正常应该断开负载的时刻之前，也就是说在y达到y_max之前断开负载(或切换到减少的电能消耗状态)。同样，在电网频率高的时期，需要更多的负荷来消耗过多的发电量，且在y_min达到之前，负载将被接入(或切换到增加的电能消耗状态)。

另外，可以确定检测到的物理变量的上限和下限的扩展设置以增加响应提供的数量。所以，在电网频率高的时期，电网响应负载将被接入，且检测到的物理变量的最大值(y_max)可以被增加，这样负载可以比正常状态下被接入更长的时间，已接入的负载亦如此。在电网频率低的时期，有同样的操作。

本发明的优选控制设备定义了电网的状态，以确定改变电网响应控制设备所提供的频率的响应的具体类型。电网频率响应控制设备有三种运行模式，“正常”模式，“紧张”模式，和“危机”模式，这与0322278.3号UK专利申请所描述的系统中定义的相同。

本发明的优选实施例，从频率的函数，以下称为h，定义了控制器的运行模式和关联的电网状态。函数h从电网频率的特征来定义电网的当前状态。理想的h在一定程度上代表了，有多少电能被借给电能存储负载或有多少电能从电能存储负载借来的测量值。

优选地，函数h包含三个主项，比例项，积分项和微分项。这三项将给出电网稳定状态的很好指示。

比例项是当前频率与电网标称频率或其他中心值的偏差，代表着频率需要改变多少以返回期望的中心值。

积分项代表了从长时期内来看(与瞬时比例项相比)的频率误差。这一项是很有用的，长时间内的小误差将影响函数h，所以在提供电网稳定性响应时，应该被考虑。 积分项可以是过去时间内频率的偏移的一组量的和，或者可以是过去时间内频率的偏移的移动平均值。积分项可以从上一次频率偏移为零的时刻开始计算，而不是时间的零点。

微分项与电网当前的不稳定性相关。它可以是频率偏移变化的速率。这样，大的频率摆动也将影响函数h，并成为电网不稳定的指示，即使实际的电网频率当前的偏移没有超出优选极限。

以等式的形式，函数h可以被写成：

h＝Pfc+ICc-Df’c

这里fc是比例项，Cc是积分项，f’c是微分项，P，I，D是每个项影响函数h的重要程度的常数。

积分项Cc可以由(fcS)计算得来，这里S是取样积分。

三个参数P，I，D对控制设备得到h应该是足够了，但为了实现完整性和灵活性，可以适当扩展到平方项或立方项。

根据本发明的优选实施例，电网状态是由函数h推断出来的。例如，如果h低于第一极限，那么电网处于“正常”状态。如果h是在第一极限和更高一些的第二极限之间，那么电网处于“紧张”状态。如果h处于第二极限和更高一些的第三极限内，那么电网处于“危机”状态。与电网的每个状态相关的运行模式的差别，与0322278.3号UK专利申请中描述的相同。

函数h是确定电网运行的紧张程度的有效方式。适当地设定h的参数P，I和D，使得函数能适当地区分电网的这三种状态。

在正常运行模式下，本发明的电网响应控制设备将如下面所述运行。在紧张运行模式下，电能存储负载的用户，将不被允许调整负载物理变量的设定点。这样，本发明提供电网响应补偿将不会被否定。在危机状态下，电能存储负载的运行，将不会理会负载物理变量的期望的范围。负载的物理变量将被允许达到y的绝对极限，而不是y_max和y_min设定的优选范围。例如，在危机状态下，电冰箱被允许达到其制冷所能达到的最低温度，或者达到环境温度。同样地，在水箱的例子中，液面高度允许达到水箱为空或达到满的水平。

下面将描述实践本发明的原理的主要模式。紧接着是本发明的其他优选实施例。

本发明的电网响应控制器包括不断主动地阻止电网频率变化的控制机制。本发明的电网响应控制设备将对所有的对中心值的频率偏移进行响应，这个中心值，定义为历史频率读数期间预定的样本的平均值。

当控制设备第一次被使用时，中心值将被设成当前的频率。然后该中心值是电网频率过去采样值的移动平均值。中心频率是电网频率从开始采样的时刻起到现在的平均值。

电网频率对中心频率的任何偏移都将被本发明的响应控制设备阻止。如果当前电 网频率高于中心频率，那么响应控制设备将趋向接入它们的负荷以补偿发电量的增加。如果当前电网频率低于中心频率，那么响应控制设备将趋向于断开它们的负荷以补偿发电量的不足。这将对电网提供重要的稳定作用，由干净、噪音更低的电网频率信号表示。

负载将不会同时地改变它们的电能消耗状态。本发明的控制设备适用于确保负荷以渐进的方式开始切换，以使越大的从中心值的频率偏移将导致越多的趋向于接入或者断开的负荷。对于确保负载总体不同步地响应，该同步将对电网造成不稳定的影响，这种渐进式的切换是非常重要的。下面将描述随机化的更多细节。

在本发明的响应控制设备的优选实施例中，计算中心频率值的采样时期将从中心频率值上一次跨过电网的标称频率开始计时。

本发明定义了高频率偏移时期，即当中心频率高于标称频率移动的时候，和低频率偏移时期，即当中心频率低于标称频率的时候。一个偏移时期的结束，标志着另一个偏移时期的开始。这种交替的时刻是为计算中心频率而开始累积频率读数的方便的时刻。这样，为中心频率的每一高频率偏移时期(频率高于标称值)和低频率偏移时期(频率低于标称值)，计算中心频率。因此，中心频率将计算为当前频率偏移时期内的频率的移动平均值，并在中心频率一跨过标称频率，且频率偏移发生改变(例如，从高频率偏移变到低频率偏移或相反)的时候就被重置。

选择高于或者低于标称频率的偏移时期为采样时间的优点在于，设备将以具有共同的中心频率数据而结束。刚连入电网的负载，没有频率的历史数据，由于中心频率跨越电网标称频率预期将足够地频繁发生，所以很快就会与其他设备有相同的频率历史数据。设备将会有相同的中心频率是很有用的，因为它们的行为也将以预想的方式协调一致(但不是同步发生)。

采样时期也许不是总是合适的。如果频率偏移时期持续了接近电能存储设备接入或断开周期的平均值的一段时间，设备也许会被要求提供电网响应行为，从而没有机会达到它们最大或最小电能存储水平。这对电量存储负载的切换频率有相反的效果。另外，如果负载没有达到其最大电能存储水平，且使其自身充分充电，那么这样的设备总体，平均起来，将被耗尽。这也许是控制设备需要稍微改进的地方以适应这样的情况。

有一点可以设想，用来得到中心频率的移动平均可以是加权移动平均，这样越是最近时刻的频率值也就越重要。用这种方式，最近获得的频率的偏移值也就越可能提供负载响应和被补偿。这对稳定电网的任何频率偏移也是有帮助的。

本发明的某些方面所述的电网响应控制设备，也包括另一种改进，目的在于最小化负载的切换频率和在这样的有效负载总体中，分布能量的变化。如下面描述的细节，这是根据其当前接入或断开状态，通过改变设备的触发频率来实现的。

触发频率是电网的频率，在该频率上，负载将被控制从接入状态切换到断开状态， 或者从断开状态切换到接入状态。当检测到的负载物理变量到达由y_max或y_min定义的当前频率最大值或最小值时，负载也能被接入或者断开。

电网响应控制设备适用于以随机的方式确定目标(或基本)频率。在这样的设备总体中，目标频率将在设备总体中随机分布，所以前面所述渐进的响应可以实现。

根据本发明的优选实施例，设备的目标频率是平均起来，设备将要响应的频率。然而，当前的触发频率，即负载将要在接入状态和断开状态之间切换的电网频率，通常与目标频率是不一样的。目标频率是随机选择的频率，确定导致设备在不同状态之间切换的触发频率，电网频率的唯一曲线是根据它得出来的。

因此，触发频率的曲线是从一个函数得出来的，这个函数依赖于随机选择的目标频率。控制设备使用的实际的触发频率就是从这个函数得来，这个函数优选地是设备已经处于当前电能消耗状态多长时间，也就是说，设备已经接入或断开了多长时间的函数。

设备已经接入或断开了多长时间，相对于固有切换点确定，该固有切换点是检测到的物理变量将要达到其最大值或最小值(y_max或y_min)，从而进行切换的点。所以，确定设备触发频率的函数也是检测到的物理变量相对于其最大值或最小值的值的函数。

所以，当前触发频率是依赖于y的当前值。根据本发明的优选实施例，触发频率的轨迹线将是倾斜的，这样，负载离开其固有切换点越远，触发频率就越不可能是电网的频率，也就是说，触发频率越远离标称频率。这样，设备越不可能发生切换，该设备离其固有切换点就越远。

优选地，触发频率的轨迹是以这样一种方式倾斜的，有一半的时间，设备的敏感比随机选择的目标频率情况下的小，有一半时间比之大。这样，优选地，触发频率的平均值就是目标频率。

在优选实施例中，负载处于接入状态或断开状态的时间长度，由与y_max或y_min的当前值界定的检测到的物理变量允许的范围相比的负载物理变量的当前值计算出来。这可以例如用百分比来表示出来。为了说明，处于接入状态，且其检测到的物理变量接近达到该检测到的变量的最大值的负载设备，已经接入了它正常接入时间的80％。这可以用公式表达为：

t_on＝(y-y_min)/(y_max-y_min)

这里，t_on是负载相对于它预期应该接入的时间的已经接入的时间，y是检测到的物理变量的当前值。

设备处于断开状态多长时间，应用相同的原理，但使用不同的公式定义。断开的设备，越接近其物理变量的下限y_min，它停留在断开状态的时间也就越长。适合的公式如下：

t_off＝(y_max-y)/(y_max-y_min)

这里，t_off是负载相对于它预期应该断开的时间的已经断开的时间。

图1A，1B和1C显示触发频率函数的曲线的例子。Y轴是频率，X轴表示电量存储负载，电能满或空的程度。

图1A显示接入的设备将要被断开的频率。由于对本发明来说是唯一的，触发频率是依赖于设备与预期应该接入的时间(达到y_max)相比的已经处于接入状态的时间。从图1A上可以看到，对于50％的时间，触发频率较靠近中心频率或标称频率，对于另外50％的时间，触发频率较远离这些频率。这样，只有在非常极端的电网状态下，那些仅接入了50％的时间，或者少于其预期接入时间的设备将会被触发。这是基于一种假设，就是，电网频率大部分时间将在中心频率或者标称频率附近，这样，电网频率就更有可能达到接近中心频率或者标称频率的触发频率。这样，触发频率越接近标称频率或者中心频率，负载的切换就越有可能发生。

这对于随机选择的目标频率基于与所期望的接入时间或断开时间相比的接入或断开时间，选择触发频率的确切形式也是很重要的。以这种方式，负载总体将提供多样的电网频率响应。

图1B与图1A相比，说明触发频率的曲线依赖于选择的目标频率。这可以得出结论，当触发频率总是随着负载预期接入或断开时间的百分比而变化时，这种变化的形式决定于随机选择的目标频率。

图1B和图1A显示了接入的设备的触发频率。图1C相反地显示了断开的设备的触发频率曲线。原理是相同的，也就是，断开的设备将要被接入时的频率依赖于预期断开时间的百分比而变化，如上面的公式所定义。如从图1C中所能看到的，当设备接近其固有切换点的时候，触发频率接近中心频率或者电网的标称频率。通常，这个曲线要求，设备越接近其固有切换点，频率就越接近阻尼频率或标称频率，所以，负载也就越有可能被用于提供电网频率响应。

根据本发明的优选实施例，检测到的电网频率在中心频率之上或之下的任何变动，将导致负载被切换。检测到的电网频率偏离中心频率越多，逐渐地被切换的负载也就越多。由于中心频率是过去频率范围的移动平均值，中心频率将趋向于“跟随”检测到的电网频率，尽管是以阻尼的方式。这将能提供平滑的中心值，以决定执行高频率(高于标称频率)响应还是低频率(低于标称频率)响应。

检测到的频率也可能改变其方向，高于中心频率或低于中心频率。只要电网频率开始变化，本发明的控制设备将通过从电网借取或者偿还电能，阻止任何高于或低于中心频率的快速增加或者减少的频率变化。本发明的发明人发现，这是从电网借取或者偿还电能的适当的时刻，并提供比现有技术的电网响应控制频率稳定得多的电网频率。

在一开始，高于或低于电网中心频率的任何变化，只会切换那些接近它们固有切换点的负载。这是因为触发频率随着特定设备接入或断开的时间而变化。已经接入或 断开大于50％它们预期应该接入或断开时间的所有的负载优先。只有当电网频率剧烈地远离中心频率变化时，那些距离上一个切换点的时间少于50％的设备才会被切换。

这样，本发明的优选实施例提供了较稳定的电网频率，因此也导致响应负载的较少切换。而且已经切换的设备不是优先被切换的，所以进一步导致负载的切换负担。

由本发明的电网响应控制设备控制的电能存储负载总体组成的系统，提供准备切换以响应任何电网频率的变化的负载总体。频率的改变越大，越多数量的负载提供响应。这应该是线性的关系。

图2显示了由本发明控制的系统的例子，该系统处于稳定状态，并运行在电网标称频率下。如图2所示，在这种状态下，处于断开状态下的设备的比例[1]，和处于接入状态下设备的比例[2]，对应于预期的工作周期。所以，如果负载运行在50％的工作周期的情况下，负载总数平分。

如果系统进入低频率(低于标称频率)偏移期，接入的负载将会被触发成断开[3]以减小负荷。它们在短时间内不可能再被接入。

在低频率偏移期，不管负载当前超出的频率，有一些断开的负载将会被接入[4]，因为它们已经达到了它们电能存储的最小状态，负载的特定功能要求它被接通。这部分负载将不再被要求提供高频率响应，所以要从能够提供高频率响应的负载总数中划去，即使这些负载实际上是最敏感的。此外，这些近期被切换的负载在短时间内，不可能会再被断开。

一些负载将要达到它们的最大电能存储状态，需要被断开[5]。如果工作周期是50％，那么达到最大电能存储状态的负载数量[5]将趋向于和达到其最小电能存储状态的设备数量[4]相同。

剩下的有能力提供低频率响应的设备[7]是具有较低敏感频率设置的总体，由于它们接近电网的标称频率已经被“用掉”。

如果现在频率上升，高于中心频率，那么，尽管频率仍然低于电网的标称频率，期望的是，负载开始被接入并恢复早先借给电网的电能。

当频率上升，高于中心频率，一些设备将被触发接入[8]以增加电网的负荷。由于负载[3]因为最近刚被切换而处于最小切换模式，所以这些设备最有可能是[1]中的剩余的设备数量。

如以前，一些接入的设备将会被断开[10]，而一些断开的设备将会被接入[9]，因为它们已经分别达到了它们最大或者最小电能存储状态，而并不被要求提供高频率响应。虽然将被断开的已接入设备[10]，在总体中提供响应最敏感，但这些设备将从提供低频率响应的总体中被划去，不再使用。已经达到了它们最大或者最小电能存储状态的负载的数量将会相当小。

能够继续提供高频率响应的设备的总体是如所期望的，由于它们适度地平均分布在中心频率和最大频率极限之间的频率内。然而，那些对仅低于中心频率的频率敏感 的设备总体，已经被耗尽。所以，频率的再次下降，将触发比以前导致下降得更多的平均频率少的负荷减小，直到达到未耗尽的区域或者触发频率的固有移动，重新分布在已耗尽的区域。

这是所期望的行为。在频率发生波动的低频率偏移期，频率趋向于易于下降而不是上升(或更通常的是，远离标称频率比接近标称频率更容易发生)。这反映了一个事实，当负载偿还电能时，负载正在将电能借给电网并阻止频率的升高。理想地，只有当负载偿还所有的电能给电网时，频率才会返回标称值。

图2显示了低频率总体的一种可能的操作，就是将仍然接入的负载在中心频率和最小频率之间分布(而不是标称频率和最小频率之间)。这样做，可以使频率仅仅比中心频率低一点点的设备也被耗尽(选择的目标频率高于中心频率，或在标称频率和中心频率之间的设备，现在让它们的目标频率低于中心频率)。所以，频率具有较大的下降趋势。这也许不是所希望的。

在该操作的替换中，这种改变可以仅有助于一些负载，如那些从低频率偏移期开始的时候就接入的设备。发生这种情况是由于设备从低频率偏移期就已经接入，因为它们处于电能低的状态，所以需要在它们提供响应之前补充电能的机会。影响这个的方法之一是，系统地(更极端地)降低负载被接入时的频率。这样，将趋向于允许电网频率降得更低。在极端的状态下，这也将趋向于在设备中更均匀地分布接入时间。在没有这个修改时，这个接入时间已经沿着触发频率的轨迹在设备之间均匀分布。

图2所示的例子是对于低频率偏移期的，在高频率偏移期，负载总体的行为是对称的。

在理想的系统里，即所有的电网响应是由根据本发明控制的设备来提供的，频率偏移将不会结束直到所有从电网借取的电能都被偿还了。如果对电网频率的响应还来自其他地方(如发电机)，频率偏移也许会在被借取的电能完全被偿还前结束，虽然如此，负载仍会重新得到电能以补充它们的电能存储。

从频率的移动平均中得到的中心频率是这样的频率，就是高于该频率，所有由根据本发明控制的设备产生的负荷将增加，而低于该频率，该负荷将减少。对整个系统来说，这是有效的目标频率。移动系统的目标频率靠近标称频率，提供一些偏置以影响电网频率靠近标称频率是可能的。

下面将更细地描述得到特定的控制设备的触发频率完整的过程。

首先，计算中心频率。从当前高于或低于标称频率的频率偏移期的第一个记录的频率读数开始的每一个读数都被计入考虑。所得到的中心频率然后被进一步处理以偏向标称频率，但这一步也不是必须的，因为这样的倾斜是本发明的控制设备固有的特征。

然后是确定设备的基本频率或目标频率。为此，基本频率所处的频率范围先被确定下来，然后在这个范围内选择随机的目标频率。每个设备都有高目标频率和低目标 频率，优选地，这两个频率分别由称为高随机值和低随机值的随机值提供。高目标频率是用于高频率偏移时期，而低目标频率是用于低频率偏移时期。

当选择使目标频率分布在标称频率和允许的频率范围的下限或上限之间的随机数时，优选地，一个随机数用于高频率偏移时期，另一个随机数用于低频率偏移时期。这些随机数较优选地处于0到1之间，这样目标频率可以位于整个允许的频率范围(如上所定义的)内的任何位置。优选地，两随机数在相反的频率偏移时期开始后，重新产生。

这样，低频率偏移随机数在高频率偏移时期开始时被选择，而高频率偏移随机数在低频率偏移时期开始时被选择，从而确保在频率偏移时期切换时，准备好随机数。

因为特定控制设备对电网频率变化的敏感程度依赖于随机数，所以，以有规律的间隔重新产生随机数，是非常重要的。如下详述，具有较小随机数的电冰箱，将趋向于带有比具有较大的随机数的电冰箱大的切换负担。这是因为，由较大的随机数产生的目标频率将更有可能提供更接近外部频率极限的触发频率，这比提供靠近电网的标称频率的触发频率，更不容易由电网实现。

随机数不在特定的频率偏移时期内产生也是很重要的。这将会对电网的稳定性产生不能预料的影响。然而，其他的策略也是可能的，例如，可以在二十四小时后，或其他这样的选择的时期后的第一次变化期间，产生随机数。

目标频率有四个可能的范围：

(1)电网处于低频率偏移时期(中心频率低于标称频率)情况下，负载处于当前接入状态，这在图3A的左边部分示出。在这个状态中，目标频率处在电网频率下限(电网频率下限的选择在下文论述)和标称频率之间。由于电网当前是处于低频率偏移时期，中心频率也将处于标称频率和上述电网频率下限之间。

(2)电网处于低频率偏移时期情况下，负载处于断开状态(在图3A的右边部分示出)。目标频率将随机地处在电网频率上限(电网频率上限的选择在下文论述)和中心频率(不同于标称频率)之间。

(3)电网处于高频率偏移时期(中心频率高于标称频率)情况下，负载处于断开状态(在图3B的左边部分示出)。目标频率将随机地处在电网频率上限和电网标称频率之间。

(4)电网处于高频率偏移时期(中心频率高于标称频率)情况下，负载处于接入状态(在图3B的右边部分示出)。目标频率将处在电网频率下限和中心频率值之间。

图3A到图3B显示了频率在上述四个区域中的每个内的示例位置。这些图也显示了触发频率，在该触发频率点上，电网频率将触发使特定的接入的设备断开，或触发使特定的断开的设备接入。图3A到图3B显示，触发频率与随机的目标频率在相同的频率范围内。

如图3A到图3B所示，设备的目标频率对触发频率曲线的形状有决定作用。这样，目标频率的随机化效果就被带入到触发频率中。

在本发明的控制设备的优选实施例中，一旦为特定设备计算了高目标频率或低目标频率，设备特定的触发频率就需要被计算。当设备是接入的，只有低目标频率是相关的，而当设备是断开的，只有高目标频率是相关的。从特定目标频率的值，可以得到函数的形式。这个函数是不同的，不仅仅依赖于设备的目标频率，也依赖于设备是处于接入状态还是断开状态。从这个函数，使用物理变量的当前值，可以得到设备的当前触发频率。通过将电网频率与触发频率相比较，这个触发频率对设备是接入还是断开起决定作用。

图3A到图3B所示的触发频率的值由下述方式来计算。下述的比例，代表电能存储接近它最大值或者最小值的程度，是最大值还是最小值，是由设备是处于接入还是断开状态决定的。这个比例优选地是t_on或t_off，计算过程如下：

(1)如果比例小于0.5，那么(也就是说，负载切换持续的时间是否小于负载达到电能存储的最大值或最小值的时间的50％？)

(2)“偏移”＝(目标频率-“起始点”)×比例

这里，起始点对接入的设备来说，是频率下限，而对断开的设备来说，是频率上限。这样，(目标频率-起始点)是频率上限或频率下限与目标频率之间的差。由于这个比例总是在0到0.5之间(如步骤(1)所述)，这个差由于比例项的作用而变小。这样，在这一步骤里，检测到的物理变量的值和目标频率一样，影响触发频率。

(3)触发频率＝起始点+偏移

这样，对于接入的设备，触发频率是从频率下限的偏移，而对于断开的设备，触发频率是从频率上限的偏移。

(4)如果比例大于或等于0.5，那么(也就是说，负载接入或断开持续的时间是否超过到其固有切换点时间的一半以上？如果是这样，负载需要被操作在切换概率高的区域)。

(5)偏移＝(“结束点”-目标频率)×比例

这里，结束点是在低频率偏移时期断开的设备和在高频率偏移时期接入的设备的中心频率，是在高频率偏移时期接入的设备和在低频率偏移时期断开的设备的标称频率。这个偏移是目标频率与结束点之间的差值乘上比例。由于该比例总是在0.5到1之间，偏移将处于这个差值的一半和这个差值之间。此外，这一步骤显示，设备接入或断开的时间和目标频率都影响偏移的值。

(6)触发频率＝目标频率+偏移

这样，触发频率处在目标频率和中心频率或标称频率之间。

下面将描述图3A所示的具有触发频率曲线的负载控制设备。

在低频率偏移时期，如图3A所示，中心频率在标称频率和电网频率下限之间。 在这样的低频率偏移时期，最希望的行为是接入的设备趋向于断开，以最后将系统频率带回到电网的标称频率。

图3A显示负载的变化过程，负载一开始处于接入的状态，此时电网处于低频率偏移时期。电量状态的轨迹1(左边坐标)显示，电能状态从最小电能状态向最大电能状态变化。如果没有响应提供，负载将在最大电能状态从其极限设置断开，然后电能状态将从最大电能状态向最小电能状态变化。

对于电网频率和负载物理变量的每个读数，中心频率被重新计算。为了清晰起见，图示显示了固定的中心频率，但实际上，它是随着电网状态而变化的。

当设备是接入的，用低频率随机数2计算用于断开设备的目标频率。这将存在于图示(图3A)的左边所示的范围3中，在该状态中，选择位于频率下限和标称频率之间。负载的物理变量被用于计算使设备断开的触发频率4。这样，接入的设备的触发频率将考虑新的中心频率和新的检测到的负载物理变量。对于接入的设备来说，当电网频率低于目标断开频率时，那么负荷将会被断开。对于断开的设备来说，当测得的电网频率高于接入触发频率时，那么负荷将会被接入。

当电网频率变得低于触发频率5时，设备将会被断开，电能轨迹将改变方向，即使最大电能存储状态没有达到。这样有助于在不改变物理变量的极限的情况下，降低存储在设备中的平均电能。对于大量这样的设备来说，这样做的效果就是，提高了设备总体的平均温度。

当设备已经被断开时，其下一步的行为如图3A右边所示。如图所示，工作周期的一部分6被略去。

在设备接入的目标频率的选择范围在频率上限和中心频率之间的情况下，接入触发频率的示例轨迹8如图所示。如果中心频率保持不变，那么设备将不会被再次接入9直到电能状态再次达到其最小值。

根据图3A，测得的电网频率的任何偏离标称频率的变动，都将导致一些负载被断开。明显地，电网频率偏离标称频率越大，也就有越多数量的设备被逐渐断开。而且，可以看到，检测到的电网频率偏离标称频率越大，负载就趋向于越早在其接入工作周期中被断开。

根据图3A，中心频率的任何变动，都将导致断开的负载被接入。这样，本发明提供的触发频率阻止所有关于中心频率的频率变动。

相同的讨论也可以用于高频率偏移时期，如图3B所示。

在所示实施例的操作中，上面描述的目标频率所在的四个范围，都可以在中心频率和频率最大极限或频率最小极限之间提供，而不是两个范围在电网标称频率和频率上限或频率下限之间(如图3A到图3B中)。在这种控制设备的可选形式中，图3A将被调整，使只有测得的频率减小到中心频率以下，将导致负载被断开(而不是减小到中心频率以下和增加到中心频率以上直到标称频率，如图所示)。这将仍然提供所 期望的响应，由于频率的减小意味着太多的负荷，所以，设备被断开。同样的，图3B的曲线可以被修改，所以只有在频率增加到中心频率以上，将导致断开的设备被接入(而不是增加到中心频率以上以及减小到中心频率以下直到标称值，如图所示)。这种修改了的形式也将仍然提供所期望的响应，由于频率的增加代表着发电量的增加，这需要通过接入负载来消耗这部分增加的发电量。

根据图3A，在低频率偏移时期，如果当前系统频率降至中心频率以下，那么断开的设备不能被接入，由于没有触发频率在这个点以下。断开了的设备被接入的唯一的方法是，只要负载物理变量达到了它的下限。这样，从图3A中可以确定，在频率减小到中心频率以下的情况下，只能由接入的设备被断开来提供响应，这正是补偿造成的频率下降过多负荷所要求的响应。

再次参考图3B，在频率上升到中心频率以上的时期，断开的设备开始被接入是所期望的。根据图3B，这个行为被提供。图3B也显示了通过使设备的触发频率最接近中心频率，这些设备接近固有接入点是如何有利的。这个图也显示了断开的设备总体的触发频率是如何分布在中心频率和频率上限之间的，因而能提供渐进地频率响应行为。

有这样一种可能就是，电网频率在接近中心频率的很小的频率范围内重复地上升和下降。在这种情况下，那些对这个频率范围内的频率敏感的设备总体将被耗尽。也就说，当频率降低时，最敏感的设备将被断开，而当频率上升时，那些最敏感的设备将被接入。以这样的方式切换的设备将变得无法提供更多的响应，直到它们完成它们工作周期剩下的部分。在适当的时候，随着设备接近它们的工作周期中的状态，敏感设备的总数将被恢复，这个工作周期通过设备提供的响应可能被缩短，这样设备将再次可以被切换。

目标频率所选择的范围将影响耗尽了的频率区被补充的速度。目标频率范围包括被耗尽的敏感设备的频率区，增加了从接近敏感点的设备总数中补充耗尽了的频率区的速度。

增加的补充通过在较宽的频率范围内分散耗尽来实现，这个频率范围不是当前电网所经历的。当这确实减小了所有仍然有效的响应时，这适当地反映出用尽由大量电冰箱提供的有限响应的物理事实。

尽管看起来，在标称频率和中心频率之间有一个区域，在这个区域中，接入的设备和断开的设备的行为看起来是彼此交叠并从而无效，在实践中，这些行为实际上不会同时发生，它们被用于电网频率改变方向和阻止频率较小的上升和下降变化的时间分开。

当电网频率经过耗尽的区域，响应有效的程度将会变小，所以，减缓频率变化的负载的改变也趋向于变小。这个趋势使得频率成为，电冰箱总体从电网中借取电能和给予电网电量的程度的较准确的指示，这个趋势也是所希望的行为。

从图3A中可以看到，当测得的电网频率增加到中心频率以上时，根据图3A，断开的负载将会接入。只有当频率再次降低时，接入的设备将会被关闭，由于仍有一定数量的设备，它们的触发断开频率在中心频率和标称频率之间。这意味着，当电网频率低于中心频率变化时，将导致只有接入的设备被断开(除了断开的设备已经达到了它们的负载物理变量的最小极限)，对于电网频率高于中心频率变化的响应，是由断开的设备被接入提供的，如所期望的那样使电网频率的变化稳定。

对于与图3B所给出的低频率偏移时期类似的讨论可对称地应用到中心频率的高频率偏移时期(高于标称频率)

在真实的电网中，随着负荷和发电量变化，在高频率偏移时期和低频率偏移时期之间变化，在每个状态中，电冰箱的总数将是动态的，电冰箱个体的行为较少由这些描述确定。

控制设备使用最大频率极限和最小频率极限，以确定目标频率和触发频率应该分布的范围。这些频率极限可以根据电网的频率行为的过去经验来确定，或者依赖于确定使用的电网在安装时就设置这些频率极限。

例如，在美国，电网频率规定被保持在电网标称频率±0.5％的范围内，也就是说，电网频率始终在59.7赫兹和60.3赫兹之间。这是在美国电网中运行的控制设备的缺省值。这些缺省值可以被设置或者根据设备在电网中的经验而自我优化。自我优化的控制设备提供频率极限的可能性将被讨论。

本发明的控制设备优选地具有与电网相关的一些参数的缺省设置，这些参数是希望被采用的。从图3A到图3B可以看出，如果电网频率超出电网的最大或最小频率范围，所有的设备都将处于相同的切换状态，也就是接入或者断开状态。负载不再提供进一步的电网响应。这样，仔细和正确地执行频率极限的自我调整就变得非常重要了。

理想地，频率的控制极限被选在刚超出电网所能容忍的频率偏移。然而，这也是期望的，以保持相当低的电网频率变化的速率。本发明的电网响应控制设备所采用的方法是平衡这些需求，以监视电网所经历的频率极端，并用这些经验去调整存储的电网频率极限。使用两个核心的调整过程。

首先，在频率偏移期，如果频率所经历的极值比当前使用的频率极限大，那么，在下一个偏移期内，这个极值将被设为新的频率极限。所以，在具有较大的频率变化的电网上，电网响应控制设备将调整分布其服务覆盖电网频率所能经历的整个范围。电网响应控制设备有能力分析导致出现极值的事件，并能用这种能力缓冲频率极限扩大的程度。

在第二个过程中，如果在一段时期内频率所经历的极值小于当前存储的频率极限，那么频率极限将被调整为靠近这个所经历的频率极值。然而，响应控制负载将仅用频率极值和频率极限的差乘以较小的比例来使频率极限靠近所经历的频率极值。用这种方式，在频率极限明显变窄之前，将用许多周期来调整。极限变窄的趋势也会通 过忽略所有在所存储的频率极限以外的偏移期比定义的时期(例如在几分钟内)短而被克服。

所以，如果设备经历了比它缺省情况所预期的多的极值频率，它将快速地扩展它的行为以适应这种情况。在另一方面，如果电网比它缺省情况所预期的更稳定，它将仅仅缓慢地朝较窄的极限变化，如果电网行为再次变得较不稳定时，仍将快速地反应。

而且，这种极限度具有余度，即所谓的罕见事件余度，这样，电网响应控制负载将假定，最大的频率偏移是不罕见的，所以，实际选择的频率极限被调整到以提供与罕见事件余度成比例的空闲容量。罕见事件余度可以在制造时以两种方式提供。

当经历正常的电网频率极值时，罕见事件余度可以被设置成小于1，意味着将没有电网响应行为。这是因为罕见事件余度将定义控制设备的频率极限在电网的频率极值内。在电网中，电网的频率响应行为主要由火力发电设备而不是负载来提供，丰富的排放好处可以通过将罕见事件余度设为小于1实现。

可选地，罕见事件余度也可以被设置为大于1。这样，电网响应控制设备将调整它自己，以使甚至在电网的极端情况下，仍然对异常事件有余度。当本发明的电网响应控制设备是主要电网响应行为的提供者时，这模式是非常重要的，因为一些电网响应行为在电网的所有状态下都是需要的。

这样，小于1的罕见事件余度将被用于电网响应控制设备的实现的早期阶段，且随着数量的增多，大于1的罕见事件余度将变成正常的标准。

小于1的罕见事件余度的排放好处增加，因为在负载端提供响应将不会对排放产生任何影响，无论是二氧化碳还是其他污染物。这与在电力供应端提供响应相反，在供应端，发电设备将不得不运行在比其最大发电能力低的水平上，并能运行在频繁的动态变化下(使效率和污染控制困难)。

为了下结论，当极值频率和罕见事件发生时，本发明的电网响应控制设备需要对“罕见”进行定义。极端的电网事件，包括发电设备失效或者重要的传输线失效。这样的事件是最不可能发生的，而且也是大于1的罕见事件余度打算覆盖的事件。在另一方面，如果短暂的高峰负荷发生，例如在冬天里的电视的中断，没有被极端频率极限覆盖，那么极限将被有效地调整以覆盖这样的事件，此为电力紧张的指示，但不是罕见的失效。

一天或一周内不同的变化时期有不同的频率控制极限也是值得考虑的事情(许多电网使用半小时作为测量的分界线，这里，这将很有用)。在电力需求快速改变时，极限的范围有时可以变得更宽，如前面定义的紧张状态函数(h)所指示。最小电力需求的时刻或电网的低紧张状态下，可以有较窄的频率控制极限范围。在一天里面电网最有可能处于紧张状态的时刻，可以通过对电网过去的经历状况的学习而得来，而频率控制设备需要被加宽的时间间隔，可以由控制设备记时。然而，因此，控制设备将不用访问外部时钟，这种调整在电力被断开时需要被废弃。

从整体上来看，本发明提供电网频率响应控制设备，以最小化负荷的断开，阻止所有关于当前频率的历史移动平均值的频率变化，并使系统频率向标称频率偏移一定程度。这样，电网被稳定，负载的过度工作被防止。还提供干净的频率信号，其噪声较少，更平稳，且逐渐地，连续地向理想的电网标称频率偏移。

如上所述，在接入和断开状态之间切换负载的电能消耗，是通过直接控制负载的电能消耗设备来实现的。然而，本发明的另一实施例调整负载参数的设定点或负载参数的控制极限。在这种方式下，负载将调整其电能消耗以保持检测到的负载物理变量在控制极限内。

在电冰箱的例子中，当测得的频率是电冰箱应该被接入的频率，控制极限可以被移动到电冰箱制冷空间内当前的温度以下。这样，电冰箱的控制机制将检测到温度太高，并通过将电冰箱的制冷方式切换到接入的状态以响应。这种反方向移动控制极限可以在测得的频率是电冰箱应该断开的频率时被执行。

除了调整控制极限，设定点本身也可以被本发明的控制设备调整。负载的控制机制自身将接收到新的设定点，并得出新的控制限度。

控制设备以这种方式控制设定点或控制极限是有利的。这样，控制设备将不需要被集成进负载的控制电路，可以能够直接与负载的电能消耗装置通信。相反，它仅需要提供中心信号到负载的控制电路，电能消耗的变化以正常方式实现。

回到前面讨论的优选实施例，电网响应控制是通过接入或断开电能消耗来实现的。然而，一些负载，通过调整电能消耗的水平控制负载物理变量在控制极限内。这样，负载可以被控制在负载存储的电能增加的第一状态和负载存储的电能减小的第二状态之间，如前面所讨论的。下面将用以这样连续地控制电能消耗来维持制冷空间内的温度在控制极限内的电冰箱为例，描述本发明的控制设备的示例实施例。

纯粹的温度控制器很容易变成经典的三项控制器，其参数影响从影响功率的设定点变化的程度。典型地，这是比例误差(现在误差有多大)；积分误差(长时间累积的较小误差)，和微分误差(如果误差在快速地减小，则其过调量是最小的)。现有的三项控制器如PID控制器，尽管，事实上，控制可以不包括所有的三项，这样要简单许多。

通常，PID控制器实际上驱动电动机功率控制器，该电动机功率控制器接下来驱动电动机控制器的电力电子，然后驱动电动机或者负载。图6给出了更多细节：

-手动控制器提供输入到设定点控制器，设定点控制器以合适地形式提供设定点信号到PID控制器。PID控制器也接受被控制的变量的当前状态做为输入，所以，在电冰箱的例子中，物理变量应该为温度。

-PID控制器的输出是，所希望的电动机功率水平。这个功率水平视为可以适合保持控制的物理变量在其设定点。

-这个所希望的功率水平经常被其他控制器使用，以调整传给电动机的实际的功 率，因为实际功率改变的速率也许比所希望的设定点所能改变的速率慢。所以，可以实现其他的反馈控制，以确保(电子)电动机控制器被设置得尽可能地精确。

描述了在这样的负载中实现本发明的控制设备的所希望的电网响应服务的两种方法。在特定实施例中，这两种方法的一种或全部可以被使用。

设定点修改方法，如上面所述，通过修改被PID控制器所使用的设定点或控制极限，影响设备消耗的功率。这样，在电冰箱里，频率越低，温度设定点就越低(也就是说，增加存储的电能)，频率越高，温度设定点就越高(也就是说，减小存储的电能)。更普遍地，设备希望实现，频率越低，存储的内部电能就越多，如负载物理变量所指示。

图6A显示的方块图，略述了所提出的控制设备。至于常规的控制器，手动输入被使用以为PID定义正常的设定点。对于这个控制器，这设定了当实际频率达到中心频率时将要应用的内部电能目标水平。也就是说，当不需要其他控制加在频率上时应用。

在这个控制器中，设定点调整频率函数将对设定点控制器提供调整。这个信号被缩放：使当它是在其最大正值时，内部电能水平设定点被设置到最高的允许值；当它是零值时，内部电能水平设定点被设置为手动控制；且当它是在其最大负值时，内部电能水平设定点被设置到最低的允许值。

设定点调整频率函数有两个输入：

1.中心频率，由上面描述得来。

2.测得的频率的当前值。

在其最简化时，设定点调整频率函数可以通过比较两个频率，乘以一个参数，然后将结果作为输入传给设定点控制器运行。

这种简单的方法的缺点涉及到可能性，如果使频率变化相关于设定点变化的PID的参数和这个函数(或简单的乘法器)，不是特别为特定的电网的特定的环境来调整的，那么这就存在这样一种可能性，即冰箱的总体将高估或低估要达到稳定的输出的变化。在纠正这个改变的过程中，设备将导致频率发生振荡。

这样的振荡(由小信号稳定性的损失引起)，确实有时在现有的电网中发生，而且，如果不早点发现和纠正，将导致非常严重的后果。当检测到后，纠正的常规方法是重新配置电网和发电机量，所以振荡的特定频率不再共振(适当地撞击和故障方法)。这可以通过返还一些参与振荡的大型发电机的控制器来解决。分析电网，以检测，纠正和重新调整控制，对信息和计算能力提出了要求。

然而，将来的电网，有非常多的本发明的电网响应控制设备，不可能很容易地故意去重新配置(这可能当振荡触发失效时意外地发生)。

因此，在自动控制系统中，包含对设备总体中间的响应具有差异性敏感的元素是重要的。有了这样的差异性，响应将平滑地从最敏感设备向着敏感最小的设备改变， 所以使随着从标称频率偏移来改变单调的负荷。

下面将通过在设定点控制中加入概率元素，来描述这种差异性的实现。

控制器使用两个随机数，如上面描述的那样选择，一个用于低频率，另一个用于高频率。

如果当前频率低于中心频率，那么设定点调整函数将：

1.算出频率差的负值(例如，当前频率-中心频率)。

2.使这个值与控制器将要运行的整个频率范围(最小频率到标称频率)成比例。

3.将这个值乘以低频率随机数。

4.将结果乘以定义系统敏感度的敏感性参数。

5.将此结果传给设定点控制器，后者将用此数据调整设定点，降低电能水平。

如果实际的频率高于中心频率，那么这个过程将相同，但使用高频率随机数，也可以使用不同的敏感性参数。

敏感性参数将根据希望的电网行为被设置，也可以根据设备的使用经验被调整。

一种用于PID控制器修改设定点的替代方法是，输出响应PID控制器，该控制器调整PID控制器的正常输出以修改设备随着频率消耗的实际电能。

参考图6B，PID控制器的输出，被电动机功率控制器所使用，以增加或者减小电动机消耗的功率。

如果中心频率与实际频率相同，电动机功率控制器的行为继续正常运作，以保持控制变量在控制极限内。

图6B显示的方块图概述了使用PID可控负载的控制设备的运行。

如果中心频率和实际频率是不同的，那么增加或减少电动机的功率水平是通过来自输出调整频率函数的信号来修改的。这些信号被归一化以反映设备运行的范围，四种可能的控制行为分别如下所述：

1.如果PID控制器的信号是用于电动机功率水平的增加，同时实际频率高于中心频率的。所希望的两个控制信号都是同方向的。这种情况下输出调整频率函数将增大PID控制器所要求的功率水平的增加。计算如下：

调整的功率输出水平增加＝PID输出功率水平增加+(PID输出功率水平增加×高频率随机数×高频率增加参数×(实际频率-中心频率))。

2.如果PID控制器的信号是用于电动机功率水平的增加，同时实际频率低于中心频率的。这种情况下所希望的两个控制信号都是相反的。这种情况下输出调整频率函数将减小PID控制器所要求的功率水平的增加。计算如下：

调整的功率输出水平增加＝PID输出功率水平增加-(PID输出功率水平增加×低频率随机数×低频率减小参数×(中心频率-实际频率))。

3.如果PID控制器的信号是用于电动机功率水平的减小，同时实际频率低于中心频率的。所希望的两个控制信号都是同方向的。这种情况下调整的输出调整频率函 数将增大PID控制器所要求的功率水平的增加。计算如下：

调整的功率输出水平减小＝PID输出功率水平减小+(PID输出功率水平减小×低频率随机数×低频率减小参数×(实际频率-中心频率))。

4·如果PID控制器的信号是用于电动机功率水平的减小，同时实际频率高于中心频率的。这种情况下所希望的两个控制信号都是相反的。这种情况下调整的输出调整频率函数将减小PID控制器所要求的功率水平的减小。

调整的功率输出水平减小＝PID输出功率水平减小-(PID输出功率水平减小×高频率随机数×高频率减小参数×(中心频率-实际频率))。

四个参数：高频率增加参数，低频率增加参数，低频率减小参数，高频率增加参数，根据所希望的电网响应来设定，也可以由控制器根据实际的电网经验值来调整。

有许多负载中断或改变电能消耗以控制物理变量在控制极限内的例子。此外，有许多设备可以从中收益，如果它们运行在比那些目前讨论的工作周期长的周期中。供水工业的一个例子是，“蓄水池模型(reservoir profiling)”。这在当例如蓄水池有能力足够满足一天或更长时期内的需求，以跨越至少一个“非高峰”价格时期时被使用。

在这样的情况下，当对电力需求高时，让蓄水池放空到优选的水面高度以下，而当电费较低时，补偿水面高度是可能的。所以，举个例子，在早上电力需求的高峰期时，也对应于用水量的高峰期，通过推迟蓄水池的水的补充，直到电力需求降低，是可以实现耗电节约的。

然而，蓄水池的补充的间歇性质，使得使用电网响应控制设备是一个理想的选择。

控制设备的现有例子利用价格参数以提供电网响应控制。电力的当前价格，像频率一样，也代表着电网负荷与发电量的平衡关系。

检测和使用实时电力价格在GB 2407947专利中讨论了。

然后在控制极限或设定点控制器中使用价格，以调整负载物理变量的控制极限。

该原理是，当价格升高时，用于内部电能存储的极限(或设定点)被降低，而当价格下降时，用于内部电能存储的极限(或设定点)升高。

使用一种将极限选为与价格成比例的简单的比例控制。

对此的优化是，用价格来修改极限的“变化率”。所以，如果价格较高，或高于所付价格设置的阈值，那么(内部电能的)极限减小的速率被增加。这个极限被阻止超过由操作和安全要求设定的极值。

同样的，如果价格较低，或低于所付价格设定的阈值，那么(内部电能的)极限增加的速率被增加。

理想的调整是使大量这样的负载在所有的时间都能提供高频率响应和低频率响应两者，但也能通过最小化电力的消耗从长期存储中受益。

本发明也提供了黑启动辅助功能，这个功能允许电能存储负载，在停电发生后， 黑启动过程中提供电网响应行为。如前面提到的，电网在这个时期是特别的敏感，且电网频率响应负载是需要的，以确保在这个非常重要的点上的电网稳定性，也加速了电网的恢复过程。

这样，依照第五个方面，本发明提供控制电网中负载电能消耗的控制设备，所述的控制设备由以下组成：

通过在控制设备上电后随机产生的时间值延迟所述负载的电能消耗的开始的装置。

第五个方面的相应方法，在本发明的第六个方面中提供。

依照第七个方面，本发明提供控制电网中负载电能消耗以将负载的物理变量保持在上下限之间的控制设备，所述的控制设备由以下组成：

检测负载物理变量的装置；

提供所检测到的负载物理变量的上下限的装置；和

在控制设备上电后，以小于负载最大的电能消耗的速率，增加所检测到的物理变量的上限和/或下限的装置。

第七个方面的相应方法，由本发明的第八个方面提供。

本发明涉及黑启动模式的方面的功能，可以组合起来提供一种特别有利的控制设备。它们可以与现有技术中的频率响应控制设备或上文中提到的频率响应控制设备一起使用，特别是和以前所述的方面和本发明优选的方面组合在一起。本发明的黑启动辅助(BSA)方面下面将更详细地描述。

当负载掉电时，这可以归结为负载电力被切断或者停电。本发明的控制设备适用于识别这种可能性。

在这样的情况下，电网是脆弱的，所以希望设备能：

1)，尽快地开始提供高频率响应和低频率响应；2)，避免与其他电网响应控制设备同步地提供响应；3)，使检测到的电能存储负载的物理变量重新位于其最大极限和最小极限内。因为，停电可能已经使检测到的负载的物理变量超出了它的控制极限，一点时间上的延迟使负载重新进入其优选的运行范围，通常比保持恢复电网稳定的优先级要低。

本发明的控制设备提供黑启动辅助(BSA)模式提升电力以在负载重新连入电网的过程中帮助恢复电网。

在BSA模式的一个方面，电网响应控制设备确定开始前的随机延迟。这个延迟可以既能在电力恢复的时候防止高峰负荷上升，由于只要电网被切部分被重新接入，所有的负荷同时处于接入状态，又能尽可能快地最小化控制设备同步(最大化差异性)。在黑启动模式下的重新接入后的启动中的随机延迟，将提供停电后电网负荷的逐渐增加。

在重新接入的时候，常规的电冰箱将为电能存储负载设置100％的接入工作周期， 直到检测到的负载的物理变量达到其最大控制极限(y_max)并将立即断开。然而，在本发明的第二个有利的方面，响应是由负载提供的，即使当此负载以加速的速率操作，使负载重新设置在其优选的运行参数中。

根据BSA的这个第二个有利的方面，负载被逐渐地处于其较合适的工况，也就是说，当检测到的物理变量是在负载物理变量的控制极限内，保持在某个工作周期内。在这个渐进的过程中，工作周期的提供允许一些响应被提供，从而帮助黑启动。为了加速负载进入其合适的工况，检测到的电能存储负载物理变量的极限必须被增加。这样，工作周期适用于使设备运行在比正常运行时长的接入状态。控制负载，虽然它确实也保持工作周期。达到这个目的一种示例方法，如下所述。

第一步是选择设备将要达到其合适的工况的时间。这是某一时间因数(大于1)，负载如果不被中断，将达到合适的工况。这个因数将在黑启动过程中提供没有负载的时期。以这种方式，负载可以根据低频率被断开或根据高频率被接入。这样，负载能在其控制极限逐渐升高的过程中提供响应。这个因数可以是，例如，期望的总体工作周期与期望的工作周期中负载接入的时间部分的比值。

在当前处于环境温度的电冰箱的例子中，由于最近的停电，正常情况下，达到最高温度极限，即0摄氏度的100％的接入的工作周期时间需要30分钟。使用因数2，增加负载到其正常的运行温度范围的时间需要60分钟。

选择的因数可以通过随机化函数被更改，以增加负载控制设备的更多差异性。

下一步是估计恢复正常运行所需要的接入时间。估计这个时间的一种方法是，正常温度变化推断负载接入时间的一个单位，来确定负载需要从现在的电能存储水平开始接入多长时间。如果需要，所期望的接入时间的估计可以比线性的推断更复杂。

考虑到设备将处于接入状态多长时间和恢复到所希望的水平所选择的时期，电能存储目标水平改变的速率可以被确定下来。

在经过随机延迟后，电量下限被设置为检测到的物理变量的当前值，而电能上限被设为从下限的一定的偏移。设备被启动，并进入正常频率响应操作。

根据选择的电能存储水平变化的速率，极限被增加。

参考图4和图5，下面将给出，在单一的系统里结合本发明的所有方面的优选实施例的电网响应行为的操作的概述。

如图5所示，优选地，电网响应控制器集成从电网中消耗电能的负载。当负载第一次连入或接入电网中时，响应负载控制设备适用于确定当前电网的频率。频率的测量是基于中央处理器的时钟周期或响应控制设备的其他处理周期，或预先定义的一定数量的这样的循环来周期性地执行的。这些连续的频率读数将被累积起来用来计算电网的中心频率，在其他用途中，这对本发明的电网响应控制设备的操作来说是关键的。除了频率测量，电网响应控制设备也要求检测负载的物理变量。

图4显示响应控制设备运行的各种状态和状态转换。从图4可以看出，电网响应 控制设备优选地以黑启动辅助模式启动，如上所述。在这种方式下，所有最近接入电网的负载都将从接入一开始就提供电网响应，如前面已经描述过了的，这对停电后是特别有用的。

作为本发明所提供的黑启动辅助功能的一部分，控制设备将具有人工重启动执行器(如图5所示)，如果人工重启动执行器被启动，其将使检测到的负载物理变量，被尽可能地快的带回到正常控制极限范围内。这样，如果人工重启动控制被启动，那么黑启动辅助模式将无效，负载将运行在最大电能消耗状态，直到检测到的物理变量回到其控制极限内。这个功能是很有用的，因为在第一次使用或者被维修以后，负载经常是简单地被接入。在这些情况下，电网是相对稳定的，且根据电网的稳定性，在启动时期接入的设备在没有响应时运行短暂时期，是不合理的。

人工重启动执行器可以是负载上提供的按钮。这个按钮应该被安装在维修工程师知道，但知道技术的负载的所有者并不方便去按动的位置。如果，这个人工重启动按钮为许多负载的所有者所知，那么本发明的电网响应控制设备的黑启动辅助功能将无效。

一旦检测到的负载的物理变量在其指定的控制极限内，电网的状态将被确定，以导出控制设备的操作模式。电网的状态是由前面定义的h函数和测量得到的电网频率所确定，如图5所示。如前面描述过的和图4所显示的，依赖于函数h的值，电网可以处于高频率危机状态或低频率危机状态，高频率紧张状态或低频率紧张状态或正常状态。

本发明的响应控制设备的一般的原理是，检测到的物理变量的最大极限和最小极限(y_max，y_min)依赖于控制设备的运行模式，概述如下。

在黑启动辅助模式期间，检测到的物理变量的当前限度被设置在负载初始上电时测量到的物理变量的值的附近。这个物理变量的初始黑启动辅助极限的设置如图5所示。这些极限以预先定义的速率被增加，直到达到负载的正常运行的正常极限，如以上较完整的描述。这是本发明的有利特征，预先定义的极限增加速率使设备有某些工作周期。这些工作周期将允许负载提供响应而不是让设备连续地接入。

在BSA模式下，极限总是增加的，除非在低频率紧张状态或低频率危机状态下，在这些状态下，极限被固定；或者在极限增加速率被增加时处在高频率紧张状态或高频率危机状态下。在低频率紧张状态或低频率危机状态下，电网的负荷太高，所以连续增加响应负载的电能消耗是不合适的。在高频率紧张状态或高频率危机状态下，发电量太大，所以增加极限增加的速率是有利的。

在低频率危机状态下，负载物理变量的极限被减小，直到它们达到最小电能存储状态(y＝0)。减小的速率被选择为近似为负载接入运行时间的一半，所以当极限朝着0减小时没，仍然有响应。

在低频率紧张状态下，由负载的设定点确定的负载当前极限被固定以防止用户调 节设定点。对这种极限的固定有一种例外就是，在从低频率危机状态恢复的情况下，在此期间，极限增加以将它们带回到进入危机状态以前的值。

一旦在BSA后达到正常的运行状态，检测到的物理变量的极限，优选地依赖于电网面临着高频率紧张状态，高频率危机状态，低频率紧张状态还是低频率危机状态来控制。在高频率紧张状态或高频率危机状态下，断开的设备优选地被接入以消耗过多的发电量。这样，y_max的值优选地增加，这样，接入的设备将保持接入更长一段时间，而刚刚被接入的以前断开的设备，因为高频率而保持接入一段延长了的时间。在低频率紧张状态或低频率危机状态下，与之相反，电网中有太多的负荷。这意味着检测到的物理变量的下限(y_min)被减小，以确保断开的设备保持断开一段延长了的时间。

在高频率危机状态下，极限被增加，直到它达到最大电能存储水平(y＝1)。这个增加被选择为近似于负载工作周期中接入时间的一倍，以减小电能存储水平，但仍然保持一些响应。

在高频率紧张状态下，检测到的物理变量的最大极限和最小极限被固定，因为与它们定在低频率紧张状态下被固定同样的原因，以防止设定点的调整。对于防止这些极限被改变有一个例外，就是当电网在从高频率危机状态或者低频率危机状态中恢复时，当极限被很小地移动直到它们回到电网进入危机状态以前的值。

在高频率危机状态下或电网响应控制设备的黑启动辅助模式下，极限的增加和在低频率危机状态下，极限的减小，是本发明对于现有技术的另一新颖性和有利特征的例证。根据本发明，即使在罕见电网事件中，一些电网响应行为仍然能被提供。这种响应，在那些要恢复电网的稳定性的电网状态中是特别有利的。

图4中所示的虚线示出，代表着电网的奇怪的行为的无效转换。例如，直接从低频率危机状态转换到高频率危机状态是不可能发生的。通常，如果这样的转换确实发生了，控制设备将选择中间状态以使电网响应控制设备的状态转换少一些突变。

当检测到的物理变量的最小极限和最大极限根据设备的运行模式而被改变时，触发频率的确定如以前所描述的。唯一的不同是，根据运行模式，在这样的设备的总体中的平均温度水平将被扩展到较大的温度范围内。这样，在危机状态模式中，负载物理变量的极限(y_max或y_min)将相对于正常运行模式下的极限被扩展。这将导致设备总体在负载物理变量扩展的范围内提供响应。

参考图5，一旦设备以黑启动模式启动，且一旦电网状态被确定下来，目标频率和触发频率将使用调整后的y_max和/或y_min来计算，它们是根据电网状态，测得的负载物理变量的当前值进行调整的。测得电网频率，负载物理变量，并得到测到的触发以使负载接入或断开的频率的值后，可以得出是否需要切换负载的决定。这个决定是通过比较测得的电网频率与触发频率，和比较检测到的负载物理变量和检测到的负载物理变量的当前极限而得来的。

更多的步骤如图5所示。这些步骤包括，捕获涉及设备运行的数据，使用这些数 据调整设备的运行。这种捕获和调整已经在前面关于依赖于电网经验提供并调整电网频率极限讨论过。关于调整设备的更多可能性，将在下面讨论。调整后的变量可以被存储和有利地重新使用。

图5也显示了传递捕获到的数据的可能性，这将在下面讨论。

本发明也包括如上所述具有某些改进的电网响应控制设备。这些改进是可选的特征，这些特征可以对已经讨论过的控制设备提供特别的改进。

本发明的控制设备目的在于，防止电能存储负载的快速切换，但仍然有一定的电网状态能导致过高的切换率，特别是当电网处于紧张状态下时。这样快的切换率也许，在电冰箱的例子中，会使压缩机无效甚至损坏。压缩机的无效是由于在压缩机被断开后，压缩机内部的压强被散去所需要的最小时间引起的。如果在这发生以前它又被接入，则压缩机内的高压强不能被克服(它需要从运行着的泵的惯性的额外的推动)，所以压缩机将停止运转。这将产生高电力负荷，散逸热，把整个设备置于风险中。电冰箱通常具有停止检测器或热量检测器，可以从这样的损坏中断开电源以保护设备。

本发明的响应控制设备可以包括滞后功能，这样，接入或者断开状态都能保持最小时间，这可以适合于设备而设定。这个滞后功能是一种备份，因为被偏置以最小化切换的触发频率轨迹将阻止任何快速的切换。仅仅是在最极端的电网状态下，切换率将会变得过高，滞后功能才是需要的。

本发明的电网响应控制设备将能够运行而不需要任何额外的输入，除了频率和检测到的物理变量外。在电能存储的整个过程中，电网响应控制设备是独立的。

为了达到这样的独立要求，本发明的电网响应控制设备优选地适用于能检测电网本身的标称频率(这个步骤如图5所示)。如前面所描述的，对本发明来说，知道标称频率是重要的，因此控制设备能偏移其频率响应行为，以致于促使系统频率回到标称频率。

本发明也利用了一些其他的电网特定设置，电网响应控制设备应能从其连接的电网的过去经验中确定这些设置，而不需要额外的输入。另一个例子是，检测电网频率的上下限，如前面所描述的。

由于本发明上述的要求，电网响应控制设备适用于经过一系列测量后确定电网的标称频率。对于每一次测量，都会查询存储在控制设备存储器里的“标准标称频率”集，且最接近电网频率测量值的标准标称频率被当作该次测量的标准频率。一旦在连续的频率测量中确定了相同的标准频率，这个标准频率的值就被选作电网的标称频率。因此，本发明的响应控制要求保留可能的标称频率的列表，如，50赫兹，60赫兹和400赫兹。

本发明的控制设备也可被配置为，知道用来存储从电网中得到的任何当前设置的一定的预定时期。任何从电网过去的经验中得来的参数都可以在相应的时间周期结束的时候，被存储进长时间非易失性存储器。以这种方式，电网行为的关键特征能被记 录在长时间存储器上。

这种能够存储和更新设备从电网的行为和负载的行为得到的数据的能力，是本发明重要的特征(如图5所示)，因为特定负载很可能在电网间移动。例如，在丹麦，负载不用在国家之间移动就可以切换电网。每一个电网的行为表现都不一样，且电网响应控制设备需要据此做出反应和调整。

控制设备也需要调整自己与电网行为协调，因为电网行为可能随着时间而发生改变，特别是当越来越多的电网响应控制设备应用于电网中的电能存储负载上。然而，这种自我调整需要仔细地进行，否则将是没有帮助的。例如，一段连续时期内电网的不稳定导致设备的自我调整，将损害设备在罕见的危机状态时进行响应的能力。

响应控制设备也需要根据负载的行为，调整它们的参数。例如，非常满的电冰箱不可能和几乎是空的电冰箱以相同的方式进行响应。

自我调整的能力目前被设想为包括最优化考虑所希望的工作周期时间的变化，根据电网的经验(如上面所讨论的)，最优化最小频率极限和最大频率极限，并在参数调整的过程中最优化历史频率特性的使用。

如果负载正在从停电中恢复，保留停电事故前所达到的任何调整后的参数是所希望的。这要求存储调整后的参数和其他捕获的数据，如图5所示。然而，控制设备也需要考虑到设备在第一次被接入时，没有任何以前调整的参数可以恢复的情况。将要运行的电网响应控制设备的一般的原则是，设备目的在于恢复较早的调整，除非设备已经断开时间太长，这不可能是停电或电网标称频率已经改变。

可以使用一种硬件功能以确定是否设备已经断开太久，超过了停电事故，例如漏电电容器，当它放电结束时，建议负载处于y＝0的状态。

这样，控制器具有一些装置以确定负载是否因为停电被断开，或者仅仅是因为用户断开了它而被断开。在这两种情况下，恢复以前调整好了的参数是合适的。然而，如果负载是第一次被接入，或被从一个电网切换到另一个电网，那么，将不会加载来自存储器中以前确定的参数。

从电网停电中恢复也有可能使大量连接到电网的负载的所有的数据捕获时期变得同步。当前设想的过程没有精密地依靠不同时期，但电网行为因为同时相同的自我调整而快速变化的可能性被消除，如果有的话。这样，在设备初始接入时，本发明的电网响应控制设备优选地适用于为设备所利用的任何时期选择随机的时间。

本发明的响应控制设备经常利用设备预期被接入和断开的时间，例如，在黑启动辅助模式或者高频率危机状态或低频率危机状态下，确定检测到的物理变量控制极限的增加率或减少率的时候。设备预期被接入和断开的时间是负载预期从一个检测到的物理变量的值变化到另一个值的时间。对这个预期的时间的调整可以基于检测到的负载的物理变量是如何对特定电能消耗水平进行反应的经验来进行。

最优化负载对电能消耗的响应的一种方法，如下所述。在状态的每一次变化后， 也就是说，从接入状态到断开状态切换或相反时，可以观察到负载运行了多长时间，和在那时检测到的物理变量改变的程度。这些被观察到的值可以被用于推断估计特定物理变量改变的预期接入的时间或预期断开的时间。检测到的物理变量随着接入/断开时间如何变化依赖于它的当前使用。举例来说，满的程度或开启的频繁程度。预期接入或断开时间的计算可以例如在每个切换点进行。

响应控制设备也可以利用对停留在接入状态或断开状态的时间长短的预期。这可以从上一个状态的实际停留时间的移动平均值来确定。

从频率图表的检查来看，很清楚的是，不同电网在它们的频率行为上具有实质的差异。频率变化的范围是一个重要的方面，但这里还有更细微的差异，如频率波动的趋势，高于标称频率的频率偏移时期的时间长度等等。这些特征可以被用来修改一些参数，如调整频率极限变窄的速率这样的参数。这样，对于本发明的响应控制设备来说，捕获电网频率行为中的信息是重要的，特别是在固有时间周期结束的时候，如频率偏移时期，特定电网状态(正常，紧张或危机)时期，负载特定状态结束(接入或断开)或者工作周期结束(控制控制设备的主要功能计时的处理器的一个周期)的时候。所有捕获到的信息可以作为调整响应控制设备的输入，以优化响应控制设备所连接的电网的运行。

本发明的响应控制设备也可以包括某种形式的通信装置，通信步骤如图5所示，这样，收集的数据可以被传输出去。数据的传输通常由设备维护人员来完成。有效的通信装置，可以使响应控制设备的软件或电网参数通过维护访问进行更新。通信装置也使在负载的工作寿命内，捕获电网行为测量值和负载对电网起作用成为可能，这样，负载对电网的价值的某些度量，也就能被确定。

Claims (25)

1.一种控制电网中的负载的电能消耗的控制设备，其特征在于，所述控制设备包括：

在一段时期内检测所述电网的物理变量的值的装置，所述电网物理变量依赖于所述电网中发电量和负荷之间的关系而变化；

从所述电网物理变量的值的过去读数中，确定所述电网的物理变量的基于历史的值的装置；和

增加或减少所述负载的电能消耗的装置，所述增加或减少依赖于相对于所述基于历史的值的所述电网的当前物理变量。

2.如权利要求1所述的控制设备，其特征在于，包括：

当所述检测到的电网的物理变量的当前值达到触发值时，增加或减少所述负载的电能消耗的装置；和

确定所述触发值的装置，所述确定所述触发值依赖于所述基于历史的值，且其中a)所述确定所述触发值的装置包括，随机地提供在确定的所述电网的物理变量的上限或下限和所述基于历史的值之间的所述触发值的装置；和/或b)所述控制设备包括，检测所述负载的物理变量的值的装置，所述负载物理变量代表所述负载所存储的电能；所述确定所述触发值还依赖于所述检测到的负载物理变量。

3.如权利要求1所述的控制设备，其特征在于，所述控制设备包括：

检测所述负载的物理变量的值的装置，所述负载物理变量代表着所述负载所存储的电能；

当所述电网物理变量的值达到触发值时，增加或减少所述负载的电能消耗的装置；和

确定所述触发值的装置，所述确定所述触发值依赖于所述检测到的负载物理变量，并进一步基于随机值。

4.如权利要求2到3中任何一个所述的控制设备，其特征在于，所述增加或减少所述负载的电能消耗的装置包括，比较所述触发值和所述检测到的电网物理变量的当前值的装置。

5.如权利要求2到3中任何一个所述的控制设备，其特征在于，所述增加或减少所述负载的电能消耗的装置被设置成增加或减少所述负载的电能消耗以保持所述检测到的负载物理变量在控制极限之内，且还被设置成当所述电网物理变量的值达到所述触发值时，增加或减少所述负载的电能消耗。

6.如权利要求5所述的控制设备，其特征在于，所述确定所述触发值的装置被设置成依赖于相对于所述检测到的负载物理变量的最大值或最小值的所述检测到的负载物理变量的值来确定所述触发值。

7.如权利要求5所述的控制设备，其特征在于，所述确定所述触发值的装置包括，定义随着所述负载的物理变量而变化的触发值曲线的装置，所述触发值曲线显示，所述负载的电能消耗在越近的时间增加或减少，所述触发值也就离从所述电网物理变量的过去读数中确定的基于历史的值越远。

8.如权利要求2或3所述的控制设备，其特征在于，所述确定所述触发值的装置包括，定义随着所述负载的物理变量而变化的触发值曲线的装置，所述触发值曲线受所述负载的物理变量的随机值影响。

9.如权利要求1到3中任何一个所述的控制设备，其特征在于，所述检测到的电网物理变量是检测到的所述电网的频率。

10.如权利要求1到3中任何一个所述的控制设备，其特征在于，所述增加或减少所述负载的电能消耗的装置被设定成通过在增加所述负载存储的电能的第一状态和减少所述负载存储的电能的第二状态之间切换所述负载的电能消耗来增加或减少所述负载的电能消耗。

11.如权利要求1所述的控制设备，其特征在于，所述控制设备包括：

确定随机延迟的装置；

在所述控制设备初始上电以后，通过随机产生的时间，延迟所述负载的电能消耗的开始的装置。

12.如权利要求1所述的控制设备，其特征在于，所述控制设备控制电网中的负载的电能消耗以保持所述负载的物理变量在上限和下限内，且所述控制设备包括：

检测所述负载的物理变量的装置；

提供所述检测到的负载物理变量的上限和下限的装置；和

在所述控制设备初始上电以后，以小于所述负载的最大电能消耗的速率，增加所述检测到的负载物理变量的上限和/或下限的装置。

13.一种控制电网中的负载的电能消耗的方法，其特征在于，所述方法包括：

在一段时期内检测所述电网的物理变量的值，所述电网物理变量依赖于所述电网中发电量和负荷之间的关系而变化；

从所述电网物理变量的值的过去读数中，确定所述电网物理变量的基于历史的值；和

增加或减少所述负载的电能消耗，所述增加或减少依赖于相对于所述基于历史的值的所述电网的当前物理变量。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，包括：

当所述检测到的电网物理变量的当前值达到触发值时，增加或减少所述负载的电能消耗；和

确定所述触发值，所述确定所述触发值依赖于所述基于历史的值。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述确定所述触发值包括，随机地提供在确定的所述电网的物理变量的上限或下限和所述基于历史的值之间的所述触发值的函数。

16.如权利要求14或15所述的方法，其特征在于，包括检测所述负载的物理变量的值，所述负载物理变量代表所述负载存储的电能；所述确定所述触发值还依赖于所述检测到的负载物理变量。

17.如权利要求14到15中任何一个所述的方法，其特征在于，所述增加或减少所述负载的电能消耗包括，比较所述触发值和所述检测到的电网物理变量的当前值。

18.如权利要求14到15中任何一个所述的方法，其特征在于，所述增加或减少所述负载的电能消耗包括，增加或减少所述负载的电能消耗以保持所述检测到的负载物理变量在控制极限之内，且还包括在所述电网物理变量的值达到所述触发值时，增加或减少所述负载的电能消耗。

19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述增加或减少所述负载的电能消耗包括，增加或减少所述负载的电能消耗以保持所述检测到的负载物理变量在控制极限之内，且还包括在所述电网物理变量的值达到所述触发值时，增加或减少所述负载的电能消耗。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述确定所述触发值包括，依赖于相对于所述检测到的负载物理变量的最大值或最小值的所述检测到的负载物理变量的值来确定所述触发值。

21.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述确定所述触发值包括，定义随着所述负载物理变量变化而变化的触发值曲线，所述触发值曲线显示，所述负载的电能消耗在越近的时间增加或减少，所述触发值也就离从所述电网物理变量的过去读数中确定的基于历史的值越远。

22.如权利要求13到15中任何一个所述的方法，其特征在于，所述检测到的电网物理变量是检测到的所述电网的频率。

23.如权利要求13到15中任何一个所述的方法，其特征在于，所述增加或减少所述负载的电能消耗包括，通过在增加所述负载存储的电能的第一状态和减少所述负载存储的电能的第二状态之间切换所述负载的电能消耗来增加或减少所述负载的电能消耗。

24.如权利要求13到15中任何一个所述的方法，其特征在于，所述方法包括：

提供一种控制设备，所述控制设备确定时间的随机量；

在所述控制设备初始上电以后，通过随机产生的时间，延迟所述负载的电能消耗的开始。

25.如权利要求13到15中任何一个所述的方法，其特征在于，所述方法控制电网中的负载的电能消耗以保持所述负载的物理变量在上限和下限内，且所述方法包括：

检测所述负载的物理变量；

提供所述检测到的负载物理变量的上限和下限；和

在所述控制设备初始上电以后，以小于所述负载的最大电能消耗的速率，增加所述检测到的负载物理变量的上限和/或下限。

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