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公開番号2020145921
公報種別公開特許公報(A)
公開日20200910
出願番号2020069148
出願日20200407
発明の名称配電ネットワークおよび処理方法
出願人サード イクエーション リミテッド,Third Equation LTD
代理人個人,個人,個人
主分類H02J 3/12 20060101AFI20200814BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】配電ネットワークを通じて流れる電力信号の電圧および周波数を、まとめてターゲット値に維持し、電力のシンクおよび/またはソース内の変化を補償する電力制御装置を提供する。
【解決手段】配電ネットワークであって、複数の電力制御装置は、対応する第1基本周波数および対応する第1特性電圧を有する対応する第1信号の形式の電力を受信し、かつ、対応する第2基本周波数および対応する第2特性電圧を有する対応する第2信号を生成する、ひとつ以上の信号変換コンポーネントと、信号変換コンポーネントの動作を制御するコントローラと、いくつかの電力制御装置への電源として動作する電力発電コンポーネントと、いくつかの電力制御装置からの電力のシンクとして動作する電力消費コンポーネントとを有する。
【選択図】図41
特許請求の範囲【請求項1】
配電ネットワークであって、複数の電力制御装置(100)を備え、各前記電力制御装置(100)が、
時間変化する入力基本周波数および時間変化する入力特性電圧を有する入力信号形式の入力電力を受信する入力と、
対応する出力基本周波数および対応する出力特性電圧を有する出力信号形式の出力電力を与える出力と、
制御信号を生成するコントローラ(106)と、
前記制御信号に依存して、前記入力信号から前記出力信号を生成する、ひとつ以上の信号変換コンポーネントと、
少なくともいくつかの前記電力制御装置(100)への電力のソース(S

,S

,S

,...,S

)として動作する電力発電コンポーネントと、
少なくともいくつかの前記電力制御装置(100)からの電力のシンク(I

,I

,I

,...,I

)として動作する電力消費コンポーネントと
を有し、
前記コントローラ(106)は、前記出力信号の生成を動的に制御し、かつ、前記出力電圧および前記出力周波数をターゲット値に維持するよう、前記時間変化する入力基本周波数および前記時間変化する入力特性電圧に依存して、前記制御信号を動的に生成し、
前記電力制御装置(100)は自主的に動作するが、電力制御装置(100)の各々の前記出力が、対応する少なくともひとつの他の電力制御装置(100)の前記入力に接続され、および、前記電力制御装置(100)の少なくともいくつかの各々の前記出力は、電力のひとつ以上の前記シンク(I

,I

,I

,...,I

)および/またはひとつ以上の前記ソース(S

,S

,S

,...,S

)へ接続され、
前記電力制御装置(100)は、前記配電ネットワークを通じて流れる電力信号の前記電圧および前記周波数を、動的にかつまとめてターゲット値に維持し、電力の前記シンクおよび/またはソース内の変化を補償する、ことを特徴とする配電ネットワーク。
続きを表示(約 5,000 文字)【請求項2】
各前記電力制御装置(100)は、電気エネルギーを格納するひとつ以上のエネルギーストレージコンポーネントを有し、その出力において要求を上回る電力を受信したとき、電気エネルギーを格納し、かつ、その出力において要求を下回る電力を受信したとき、前記エネルギーストレージから格納済みの電気エネルギーを解放するべく、エネルギーストレージコンポーネントを使用し、ターゲット出力周波数およびターゲット出力電圧を有する対応する出力信号の形式で対応する出力電力を与える、ことを特徴とする請求項1に記載の配電ネットワーク。
【請求項3】
各前記電力制御装置(100)は、少なくともひとつの一次巻き線(204)、少なくともひとつの二次巻き線(206)、および、前記一次巻き線(204)と前記二次巻き線(206)との間の電磁気結合を制御するためのひとつ以上の制御巻き線(202)を含む、少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器(200)と、
前記入力信号を受信するように構成された入力ポートと、
制御コンポーネント(104)であって、前記入力信号の前記入力電圧および前記入力基本周波数を表す信号を受信し、かつ、前記少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器(200)の制御巻き線(202)内の電流を決定するべく、対応する仮想エアギャップ制御信号を生成するように構成され、その結果、ターゲット出力周波数のターゲット出力電圧が前記二次巻き線(206)で生成される、ところの制御コンポーネントと、
を有する、ことを特徴とする請求項1または2に記載の配電ネットワーク。
【請求項4】
前記制御コンポーネント(104)は、前記電力制御装置(100)の力率を改善するべく、前記少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器(200)の前記制御巻き線(202)内の前記電流を制御するように構成されており、
好適には、
前記制御コンポーネント(104)は、フィールド・プログラマブル・ゲートアレイ(FPGA)または他の形式のプロセッサを有し、当該プロセッサは、
対応する入力信号の位相を決定するために位相同期回路(PLL)と、
前記PLLにより決定された位相に基づいて、前記入力信号の電圧および電流を表すパーク変換を生成するための、少なくともひとつのパーク変換成分と、
無効電力の見積もりを生成するべく、前記入力信号の電圧および電流を処理するように構成された無効電力見積もりコンポーネントと、
前記電力制御装置(100)の力率を改善するべく、前記少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器(200)の前記制御巻き線(202)内の電流を制御するよう、前記無効電力の見積もりを処理するように構成されたひとつ以上の力率制御コンポーネントと
を実装する請求項3に記載の配電ネットワーク。
【請求項5】
各前記電力制御装置(100)は、当該装置(100)が、第2入力基本周波数および第2入力電圧を有する第2入力信号の形式の第2入力電気エネルギーを受信し、かつ、第2ターゲット周波数および第2ターゲット出力電圧の対応する第2出力信号の形式の対応する出力電気エネルギーを生成するように、双方向使用に対して構成され、前記第2入力信号または前記第2入力信号から導出された対応する信号が、前記少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器(200)の前記二次巻き線(206)に適応され、前記仮想エアギャップ変圧器(200)の前記一次巻き線(204)において、前記第2ターゲット出力電圧を有する対応する信号を生成する、ことを特徴とする請求項3または4に記載の配電ネットワーク。
【請求項6】
各前記電力制御装置(100)は、
少なくともひとつの一次巻き線(204)、少なくともひとつの二次巻き線(206)、および、前記一次巻き線および二次巻き線の間の前記電磁気結合を制御する少なくともひとつの制御巻き線(202)を含む、少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器(200)と、
第1基本周波数を受信し、前記第1基本周波数と基準周波数との和および差に対応する周波数成分を有する対応するヘテロダイン信号を生成するように構成されたヘテロダインコンポーネント(402)と、
周波数成分の前記和および前記差のひとつを除去し、対応するフィルタリング済み信号を与えるべく、ヘテロダイン信号をフィルタリングするように構成されたフィルタリングコンポーネント(404)と、
前記入力信号を受信するように構成された入力ポートと、
を含み、
前記コントローラ(106)はさらに、
(i)前記第1入力信号の少なくとも前記第1基本周波数を表す信号を受信し、かつ、前記フィルタリング済み信号がターゲット出力周波数を有するように、前記ヘテロダイン成分(402)の前記基準周波数を決定するべく、対応する周波数制御信号を生成し、かつ
(ii)前記第1電圧を表す信号を受信し、かつ、ターゲット出力電圧が前記二次巻き線(206)において生成されるように、前記少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器(200)の前記制御巻き線(202)内の電流を決定するべく、対応する仮想エアギャップ制御信号を生成するように構成されている、ことを特徴とする請求項1または2に記載の配電ネットワーク。
【請求項7】
各前記電力制御装置(100)は、当該装置(100)が、第2入力基本周波数および第2入力電圧を有する第2入力信号の形式で第2入力電気エネルギーを受信し、第2ターゲット周波数および第2ターゲット出力電圧の対応する第2出力信号の形式で対応する出力電気エネルギーを生成するように、双方向の使用に対して構成され、前記第2入力信号または前記第2入力信号から導出された対応する信号が前記少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器(200)の前記二次巻き線(206)に適応され、前記仮想エアギャップ変圧器(200)の前記一次巻き線(204)において前記第2ターゲット出力電圧を有する対応する信号が生成される、ことを特徴とする請求項6に記載の配電ネットワーク。
【請求項8】
前記第2入力信号または前記第2入力信号から導出された対応する信号が、前記ヘテロダインコンポーネント(402)によって受信され、前記第2基本周波数および基準周波数の和および差に対応する第2周波数成分を有する対応する第2ヘテロダイン信号が生成され、前記フィルタリングコンポーネント(404)は、周波数成分の和および差のひとつを除去するべく前記第2ヘテロダイン信号をフィルタリングし、かつ、対応する第2のフィルタリング済み信号を与えるように構成される、ことを特徴とする請求項6または7に記載の配電ネットワーク。
【請求項9】
前記ヘテロダインコンポーネント(402)は第1ヘテロダインコンポーネントであり、前記フィルタリングコンポーネント(404)は第1フィルタリングコンポーネントであり、前記システムは第2ヘテロダインコンポーネントおよび第2フィルタリングコンポーネントを含み、前記第1ヘテロダインコンポーネントおよび前記第1フィルタリングコンポーネントは第1経路に沿って前記電力制御装置(100)を通じて流れる信号を処理するように構成され、前記第2ヘテロダインコンポーネントおよび前記第2フィルタリングコンポーネントは前記第1経路とは概して逆方向の第2経路に沿って前記電力制御装置(100)を通じて流れる信号を処理するように構成されている、ことを特徴とする請求項6から8のいずれか一項に記載の配電ネットワーク。
【請求項10】
前記ヘテロダインコンポーネント(402)は第1ヘテロダインコンポーネントであり、前記フィルタリングコンポーネント(404)は第1フィルタリングコンポーネントであり、前記電力制御装置(100)は、第2ヘテロダインコンポーネントおよび第2フィルタリングコンポーネントを有し、前記ヘテロダインコンポーネントおよび前記フィルタリングコンポーネントは、前記システムにより受信された前記第1信号が、前記少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器(200)への入力として与えられる前に、前記第1ヘテロダインコンポーネントおよび前記第1フィルタリングコンポーネントによってより高い周波数へアップコンバートされ、前記少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器(200)の対応する出力が、前記第2ヘテロダインコンポーネントおよび前記第2フィルタリングコンポーネントによって前記ターゲット周波数にダウンコンバートされ、より高い周波数の使用が前記少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器(200)の効率を改善する、ことを特徴とする請求項6から8のいずれか一項に記載の配電ネットワーク。
【請求項11】
前記少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器(200)は、エネルギーを格納するように構成された少なくともひとつのループによって直列に接続された2つの仮想エアギャップ変圧器を含む、ことを特徴とする請求項3から10のいずれか一項に記載の配電ネットワーク。
【請求項12】
請求項1から11のいずれか一項に記載の電力制御装置(100)の各々によって実行される配電処理方法であって、
対応する第1基本周波数および対応する第1特性電圧を有する対応する第1信号の形式の電力を受信する工程であって、前記電力は、電力のひとつ以上のシンクおよび/またはソースによって変更されるに従い、少なくともひとつの他の前記電力制御装置の出力を表す、ところの工程と、
前記電力制御装置(100)が、電圧および周波数の対応するターゲット値を有する対応する出力信号の形式で、出力電気エネルギーを与えるように、ひとつ以上の信号変換コンポーネントを制御する工程と、
好適には、
前記電力制御装置(100)が、その出力において要求を上回る電力を受信したとき、ひとつ以上の対応するエネルギーストレージコンポーネント内に電気エネルギーを格納する工程と、
前記電力制御装置(100)が、その出力において要求を下回る電力を受信したとき、前記ひとつ以上の対応するエネルギーストレージコンポーネントから格納された電気エネルギーを解放する工程と、
ターゲット出力周波数およびターゲット出力電圧を有する対応する出力信号の形式で対応する出力電力を与える工程と
を備える方法。
【請求項13】
前記電力制御装置(100)の力率を改善するべく、前記ひとつ以上の信号変換コンポーネントを制御する工程をさらに備える請求項12に記載の方法。
【請求項14】
前記電力制御装置(100)の仮想エアギャップ変圧器(200)の二次巻き線(206)上の出力電圧を測定する工程と、
測定された電圧の直流および二次成分を生成するべく、測定された電圧にパーク変換を適用する工程と、
前記ターゲット値と前記直流成分とを比較する工程と、
制御信号を生成するべく比例積分制御ループを使用する工程と、
変換された制御信号を生成するべく、前記制御信号に対して逆パーク変換を適用する工程と、
前記変換された制御信号と、少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器(200)の制御巻き線(202)内の電流との比較に基づいて、前記電力制御装置(100)の前記力率を改善するべく前記制御巻き線(202)内の電流を調節する工程と
をさらに備える請求項12または13に記載の方法。
【請求項15】
前記ターゲット出力周波数および前記ターゲット出力電圧は、時間にわたって変化する、ことを特徴とする請求項12から14のいずれか一項に記載の方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、電気エネルギー供給に関し、特に、配電ネットワークおよび処理方法に関する。
続きを表示(約 11,000 文字)【背景技術】
【0002】
[地球エネルギー問題]
化石燃料の格納されたエネルギーを電気の形式で利用する能力は、我々の生活を驚くほど進歩させてきた。しかし、電気の連続して増加する世界的需要に従い、環境に対するインパクトは、最終的に人類の生存をおびやかす程度にまで達していることを我々に認識させた。したがって、維持できない環境との因果関係を有することなく、ユニバーサルなアクセスに対する制約を解決することは、社会および環境の最優先事項である。
【0003】
世界の人口および貧困問題を合法的に満足するため、米国エネルギー省は、2040年までに地球エネルギーの50%以上の増加を試算している(参照文献、国際エネルギー便覧2016)。同時に、環境へのインパクトおよびエネルギーコストの有意な減少が要求される。我々の伝統的な発電方法は、すべて有限な資源である化石燃料を使用する。現在、証明されたクリーン発電の方法は、水力、地熱、バイオマス、ソーラー、および風力である。このうち、ソーラーおよび風力は、未来のニーズに一致するベストな機会を与えるが、他は、特定の地理的インプットおよび要件を有する。
【0004】
政治家のグローバルコンセンサスは、最近のパリ協定またはCOP21合意によって明らかなように、クリーンエネルギー発電を劇的に増加させることが必要なことである。しかし、現在および将来のクリーンエネルギー発電技術の進歩によれば、電気ネットワークの設計は、義務的目標に達成可能なものではない。特に、インテグレーションは、周知かつ未解決な問題である。
【0005】
[電気システムの概要]
全給電チェーンは、概して3つの分野に分類可能である。それは、発電、配電、および消費である。信頼できる給電を維持するために、発電は、端末間ネットワークを通じて消費と一致するように制御される。
【0006】
配電ネットワークは、これまで作られた中で最も大きな人工物である。今日まで、それは、単一の設計回路図で、非常に特定の操作条件に対して、考案されかつ建設されてきた。設計回路図は、比較的シンプルである。過去の世代において、それは単純かつ適切に消費と釣り合っていた。少数のディスパッチャブルな発電ソースは、一連の分割またはグループ化された消費者に供給される。電気ネットワークのトポロジーはしばしば、放射線構造(消費者が、その回りにツリー構造をなすような単一の大きな発電機)、および、より複雑かつ冗長な経路ネットワークトポロジー(例えば、メッシュおよびリングトポロジー)の混合である。これらのトポロジーは、少数の大きな安定かつディスパッチャブルな発電機および多くの消費者のネットワーク要求に基づいた、信頼性およびコストの良好なバランスを与えるように設計されている。
【0007】
現在、大部分の発電機は、化石燃料から発電される際に、直接的に制御されている。以下に示す表は、米国および英国における現在の発電量の構成を略示したものである。
【0008】
可変再生可能エネルギー発電レベルが増加するに従い、需要と一致する給電の制御能力は、より複雑になる。この需要と供給のバランスが維持されなければ、電気の安定性および有用性は脅かされる。
【0009】
発電の構成が、より再生可能エネルギーの方向へ変更されるに従い、給電の特性は、ネットワークの物理的アーキテクチャーおよび発電レベルの制御能力の両方を変化させる。これは、安定性および効率の問題を増加させ、現在の電気ネットワークアーキテクチャーの閾値能力は、気候変動の目標に見合うのに必要なレベルをはるかに下回るものである。発電および/または消費のみの制御を通じて、状況を解決する試みは、許容不能な社会的、経済的および環境的効果を有する。給電チェーンが存続可能でかつ分配しつづけるように、社会的および環境的意味で、配電ネットワークの構造を適応させる必要がある。
【0010】
[電気システムバランス要求]
信頼できる給電を維持することは、グリッドの電圧および周波数を約+/−1%の狭い範囲内で維持することを要求する。現在利用な限定的なストレージオプション以外、電気は、発電された時に消費されなければならず、供給と需要の同時性は、必要な目標電圧および周波数を維持するために平衡でなければならない。これまで、これは、粗い高レベルでグリッドをモニターし、巨大な化石燃料、原子力または水力である制御可能な発電機の出力を調節することにより、達成されてきた。
【0011】
グリッドのバランスは、3つの応答時間に分類可能である。
長期 (日または週)
中期 (時)
短期 (ミリ秒から分)
国連レポート“Global Trends in Renewable Energy Investment 2016”は、現在、4つの潜在的なバランスオプションが存在し、世界的には許容できない第5のオプションも利用されていると言及している。
【0012】
需要が供給を超える場合、
i.速く応答する従来の発電、すなわち、ガス、石炭または重油の量を増加させるか、
ii.ひとつのグリッドから他のグリッドへ電気を電送する相互接続するか、
iii.供給が需要に届かないとき、大企業および商業的消費者に金を払って利用を制限させ、需要に応答する。
【0013】
供給が需要を超える場合、
iv.利用可能であるときに過剰電力を蓄電し、必要なときにグリッドへ開放する蓄電池を利用するか、
v.給電を直接減少させるべく再生可能エネルギー発電を削減する。
【0014】
これらの解決策の並列の組みあわせは、グリッドの長期および中期バランスを管理するのにはもっともらしい。現在、各オプションは、コストの増加、許容不能な結果、またはその両方を有する。
【0015】
グリッドの短期応答(ミリ秒から分)に対して、これらのオプションのいずれも、以下で議論する理由のために信頼できる給電を維持しつつ、再生可能エネルギーの増加する浸透および消費をうまく許容できない。
【0016】
[短期グリッドバランス問題]
以下に、再生可能エネルギーをグリッドに一体化することに関連する克服しなければならない問題の概要を示す。
【0017】
[システム周波数]
すべての発電機は、グリッドに交流電流(AC)として電力を投入し、それは、同じ周波数および位相で動作するように同期している。各発電機によって投入される電力量は、負荷を均一に分配するために、システム中に電力を投入する他のすべての発電機に対する、その定格電力出力の比率を通じてバランスされている。オペレータ制御によって修正されなければ、これは、自然に生じる。
【0018】
伝統的な化石燃料、原子力および水力発電は、この周波数を維持するのを補助するイナーシャを導入する全同期発電機であり、周波数応答および安定性を与えつつ、制御可能である。これらの相互接続の自己調整特性のために、これらは同期状態を維持する。もし、ひとつの発電機が同期速度から逸脱すれば、速度の逸脱を減少させるように、システム内の他の発電機から電力が伝送される。発電機の格納されたイナーシャエネルギーは、周波数変更に対して短期の逆反応を与え、数秒後にガバナーが引き継ぐ。
【0019】
対照的に、風力およびソーラー発電は、大きく異なる技術を使用して、直流(DC)電力を発電し、コンバータを通じて、ACグリッドへその電力を投入する。これは、それがグリッド周波数から外れることを意味し、イナーシャエネルギーの貢献がなく、非同期動作を生じさせる。ガバナーと同様の制御を有するコンバータに、周波数低下に応答させることは可能であるが、これは、グリッド安定性を適切に補償しかつ維持するのに十分に高速で生じさせることができない。また、それは、発電ソースが覆われた状態で動作しているときにのみ生じる。
【0020】
[グリッドアーキテクチャー]
電気グリッドは、発電所から長距離の伝送ネットワークを通じて分配ネットワーク上の負荷センターまで、信頼できる電力を供給するように特定的に設計されてきた。グリッドの全オントロジーは、再生可能エネルギー発電の局所的および分散的性質により変化する。現在のグリッドハードウエアは、これらの新しい電源を双方向に、および、ネットワークを通じて垂直方向および水平方向の両方に適切に分配することができない。その結果、ネットワークのキャパシティの削減を含む無数の電力エンジニアリングの問題が生じる。これらの問題を解決するための現在の方法は、不所望の効果を軽減するべく、主に、付加的なハードウエアおよびソフトウエアシステムを伴うものである。これらの技術は、概して、根源的問題を解決せずに、ネットワークの危険性およびコストを増加させると受け止められている。
【0021】
[コントロール]
風力およびソーラーのような再生可能エネルギーは、伝統的な化石燃料、原子力または水力発電のようにディスパッチャブルではない。エネルギー入力(すなわち、風または太陽)を制御できないので、システムを平衡要求に従い、増加または減少させることができず、または、出力の安定的な状態を維持することができない。我々は、ストレージソリューションを通じて、または、発電量を削減することにより、必要な電力レベルを維持するよう、出力をアクティブに管理することしかできない。しかし、削減は純粋に無駄である。
【0022】
[変動性]
風力およびソーラーのような再生可能エネルギーの電力出力が変化する速度は、従来の発電技術に比べ非常に速い。これにより、2つの大きな形式的問題が生じる。
・中断
再生可能エネルギーソースは、直接制御できない(すなわち、太陽光および風)入力条件のため、利用不可能な状態が長期にわたる。
・不安定性
再生可能エネルギー発電においては、常に、コンスタントな変動が生じている。2つの主な要因は、発電出力変化の大きな速度、および、出力信号に固有なノイズである。
【0023】
平均の法則は、広汎なソーラーおよび風力発電ソースによる不安定性の瞬間的な効果を緩和するのに部分的に効果がある。しかし、短期(ミリ秒から分)で電圧および周波数を維持することは、大きな未解決の問題を残している。現在有用な応答ディスパッチャブル発電技術は、不安定な再生可能エネルギーによって導入される変化速度より反応速度が有意に遅いものである。この問題を解決する手段は現在存在しない。
【0024】
[効率]
電気グリッドは、消費要求による操作の狭い帯域幅を有する、特定の操作ポイントにおいて動作するように設計されている。電圧または周波数が最適ポイントから逸脱したとき、グリッドおよびそのデバイスの効率は減少し、その結果、より大きなエネルギー損失が生じる。先進グリッドのエネルギー損失は、5%から10%であり、この損失の半分は、解決されない非効率的な損失によるものである。電圧または周波数が設定した動作境界を超えるとき、システムの保護操作が自動的に実行され、ハードウエアの保護および安全のために電圧降下および停電の両方の措置がとられる。
【0025】
[ネットワークハードウエア]
世界中の電力ネットワークは、圧倒的にAC(交流電流)伝送および配電を使用する。DC(直流電流)は、典型的に、離れたネットワーク間(例えば、海底ケーブル接続)の大容量および長距離相互接続に対してのみ使用されている。ネットワーク電圧(およびしばしば周波数)は、伝送および配電損失を最小化するために、および、電圧を管理可能なレベルで消費者に分配するために、異なる位置において変更されなければならない。これらの電圧および発電電力潮流は、需要および供給の最小の変動で、固定した最大容量において、最大効率で動作するように設計された以下のデバイスによって管理される。
【0026】
[回路遮断器]
サブステーションを伝送ネットワークから断絶するか、または、配電線を非接続とする。
【0027】
[変圧器]
これは、AC電力ネットワーク内で最大の電圧変換デューティに対して使用される。変圧器は、受動デバイスであり、アクティブな変調またはスイッチングスキーム無しで、単純な電磁気回路原理を使って動作する。単純なタップ切替器が、さまざまな需要に応じて、比較的狭いレンジ内で離散的なステップでネットワーク電圧を調整するべく、いくつかの変圧器において使用される。変圧器はまた、デバイスのそれぞれの方向において、発電と負荷のバランスに応じて双方向に電力を変換することもできる。
【0028】
[整流器]
これは、半導体ダイオードまたは類似デバイスを使って、ACからDC電力への直流変換を実行する。これもまた、設計に組み込まれた固有のスイッチングまたは制御能力が存在しないという意味で受動システムである。ラージスケールの整流器は、HV−DC伝送用に使用される。
【0029】
[周波数変換器]
これは、ネットワークの2つの異なる部分間で周波数変換を分配するために、メイン電源のアクティブな高速電子スイッチングを使用する、より洗練されたデバイスである。これは、小型の家庭内ネットワーク接続ソーラーパネルインバーターから、長距離HV−DCACコンバータまでサイズもさまざまである。
【0030】
[電力補正デバイス]
使用電力を安定的かつクリーンな状態に維持するために、システム中の電源に補正を施
すための多くのデバイスが存在する。この種のデバイスは、これに限定しないが、フィルタ、キャパシタ、およびインダクタを含む。
【0031】
[ネットワーク制限]
可変かつノンディスパッチャブルな発電ソース(すなわち、風力およびソーラーなどの再生可能エネルギーソース)の浸透の増加は、ネットワークの物理的アーキテクチャーおよび発電レベル制御能力の両方を変更する。これにより、現在の電気ネットワークアーキテクチャーの閾値能力が要求レベルよりはるかに低くなって、安定性および効率の問題が増加する。
【0032】
[既存の電気ネットワークに対する新しいアプローチ]
現在の電気伝送および配電ネットワークは、風力およびソーラーのクリーンエネルギーの浸透により、ある閾値を超える使用可能な電力を与えることが不可能であることは、明白である。この閾値ポイントは、物理的アーキテクチャー、発電および負荷プロファイル、および、他の無数の要因に基づいて、それぞれのネットワークごとに変化する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0033】
我々の電気ネットワークを使用する設計アーキテクチャーおよびテクノロジーは、過去120年間にわたって、コストおよび効率の点で有意に改善されてきた。しかし、いまだに、19世紀に建設されたものと同一の基本テクノロジーおよび設計アーキテクチャーが利用されている。
【0034】
全電気システムの基本的ファンダメンタルのひとつである変圧器は、その動作に課される可変性を効果的に扱うことができない受動デバイスである。例えば、変圧器は、設計された動作ポイントにおいては過度に効率的であるが、このポイントから離れると効率が急速に低下する。より広範囲で効率的な動作条件を受け入れる能力を有するデバイスが必要である。アクティブに動作を制御し、かつ、システムに流れる電力潮流に影響を与える付加的な能力により、さらなる安定性およびセキュリティが分配可能となる。この要件は、既存の堅固なシステムに付加される新規の可変再生可能エネルギー発電の地理的分布によってさらに悪化する。
【0035】
現在、提案されているネットワークをアップグレードするすべてのオプションは、既存の動作メソドロジー、テクノロジーおよびシステムに頼っている。エネルギーストレージの場合、経済的に実行可能な技術は、いまだに発明されていない。これらのすべてのオプションは有意なコスト、複雑さ、および、危険性をネットワークに付加し、かつ、その効率を減少させる。
【0036】
従来技術の上記ひとつ以上の問題を治癒するか、または、少なくとも有用な代替案を与えることが所望される。
【課題を解決するための手段】
【0037】
本願発明のいくつかの態様に従い、配電ネットワークが与えられ、当該配電ネットワークは、
複数の電力制御装置であって、その各々が、対応する第1基本周波数および対応する第1特性電圧を有する対応する第1信号の形式で電力を受信し、対応する第2基本周波数および対応する第2特性電圧を有する対応する第2信号を生成するひとつ以上の変換コンポーネントと、
電力制御装置の出力信号の出力周波数および出力電圧を決定するための信号変換コンポーネントの動作を制御するコントローラと、
を有する、ところの複数の電力制御装置と、
少なくともいくつかの電力制御装置への電源として作用する発電コンポーネントと、
少なくともいくつかの電力制御装置からの電力シンクとして作用する消費電力コンポーネントと、
を有し、
電力制御装置は、自主的に動作するが、電力制御装置の各々の出力は、対応する少なくともひとつの他の電力制御装置の入力に接続され、かつ、電力のひとつ以上のシンクおよび/またはソースに接続されるように相互接続され、その結果、電力制御装置は、電力のシンクおよび/またはソースでの変動を補償するように、配電ネットワークを通じて流れる電力信号の電圧および周波数を、ターゲット値に集合的に維持する、ことを特徴とする。
【0038】
いくつかの態様において、各電力制御装置は、電力を格納するひとつ以上のエネルギーストレージを有し、出力において要求される以上の電力を受信したとき、電力を格納するよう電力ストレージコンポーネントを使用し、出力において要求される以下の電力を受け取ったときに、エネルギーストレージコンポーネントから格納済みの電気エネルギーを解放し、かつ、ターゲット出力周波数およびターゲット出力電圧を有する対応する出力信号の形式で、対応する出力電力を与える。
【0039】
本願発明のいくつかの態様に従い、配電ネットワークが与えられ、当該配電ネットワークは、
複数の電力制御装置であって、各電力制御装置が、
対応する第1基本周波数および対応する第1特性電圧を有する対応する第1信号の形式の電力を受信し、かつ、対応する第2基本周波数および対応する第2特性電圧を有する対応する第2信号を生成する、ひとつ以上の信号変換コンポーネントと、
電気エネルギーを格納する一つ以上のエネルギーストレージと、
信号変換コンポーネントおよびエネルギーストレージコンポーネントの動作を制御するコントローラと
を有するところの複数の電力制御装置と、
少なくともいくつかの電力制御装置への電源として作用する発電コンポーネントと、
少なくともいくつかの電力制御装置からの電力シンクとして作用する消費電力コンポーネントと
を備え、
電力制御装置は、各電力制御装置が、出力において要求される以上の電力を受信したとき電力エネルギーを格納するべくエネルギーストレージコンポーネントを使用し、出力において要求される以下の電力を受信したときエネルギーストレージコンポーネントから格納済みの電気エネルギーを解放し、ターゲット出力周波数およびターゲット出力電圧を有する対応する出力信号の形式で対応する出力電力を与えるように、相互接続されかつ自主的に動作する、ことを特徴とする。
【0040】
ある態様において、各電力制御装置は、少なくともひとつの一次巻き線、少なくとも一つの二次巻き線、および、一次巻き線と二次巻き線との間の電磁結合を制御するための少なくともひとつの制御巻き線を含む、少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器と、
第1基本周波数を有する信号を受信し、かつ、第1基本周波数および基準周波数の和およびサーバーに対応する周波数成分を有する対応するヘテロダイン信号を生成するように構成されたヘテロダインコンポーネントと、
周波数成分の和および差のひとつをそれから除去し、対応するフィルタ済み信号を与えるべく、ヘテロダイン信号をフィルタリングするように構成されたフィルタリングコンポーネントと、
第1入力基本周波数および第1電圧を有する第1入力信号を受信するように構成された
入力ポートと、
コントローラであって、
(i)第1入力信号の少なくとも第1基本周波数を代表する信号を受信し、かつ、フィルタ済み信号がターゲット出力周波数を有するように、ヘテロダイン成分の基準周波数を決定するべく対応する周波数制御信号を生成し、
(ii)第1電圧を表す信号を受信し、ターゲット出力電圧が第2巻き線で生成されるように、少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器の制御巻き線中の電流を決定するよう対応する仮想エアギャップ制御信号を生成するように構成されたコントローラと、
を有する。
【0041】
ある態様において、制御コンポーネントは、電力制御装置の力率を改善するために、少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器の制御巻き線内の電流を制御するように構成される。
【0042】
ある態様において、制御コンポーネントは、フィールド・プログラマブル・アレイ(FPGA)または他の形式のプロセッサを有し、当該プロセッサは、
対応する第1信号の位相を決定するための位相同期回路(PLL)と、
PLLにより決定された位相に基づいて、第1信号の電圧および電流を表すパーク変換(Park transform)を生成するための少なくともひとつのパーク変換コンポーネントと、
無効電力の見積もり値を生成するために第1信号の電圧および電流を処理するように構成された無効電力見積もりコンポーネントと、
電力制御装置の力率を改善するべく、少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器の制御巻き線中の電流を制御するよう、無効電力の見積もり値を処理するように構成されたひとつ以上の力率制御コンポーネントと
を実装するように構成されている。
【0043】
ある態様において、各電力制御装置は、第2入力基本周波数および第2入力電圧を有する第2入力信号の形式で第2入力電気エネルギーを受信し、第2ターゲット周波数および第2ターゲット出力電圧に対応する第2出力信号の形式の対応する出力電気エネルギーを生成するように、双方向で使用するように構成されており、第2入力信号、または、第2入力信号から導出された対応信号は、仮想エアギャップ変圧器の一次巻き線における第2ターゲット出力電圧を有する対応する信号を生成するよう、少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器の二次巻き線に適応される、ことを特徴とする。
【0044】
ある態様において、第2入力信号、または、第2入力信号から導出された対応する信号は、第2基本周波数と基準周波数との和および差に対応する第2周波数コンポーネントを有する対応する第2ヘテロダイン信号を生成するべく、ヘテロダインコンポーネントによって受信され、フィルタリングコンポーネントは、そこから和および差の周波数成分のひとつを除去しかつ対応する第2フィルタ済み信号を与えるべく、第2ヘテロダイン信号をフィルタリングするように構成される。
【0045】
ある態様において、ヘテロダインコンポーネントは、第1ヘテロダインコンポーネントであり、フィルタリングコンポーネントは、第1フィルタリングコンポーネントであり、システムは、第2ヘテロダインコンポーネントおよび第2フィルタリングコンポーネントを有し、第1ヘテロダインコンポーネントおよび第1フィルタリングコンポーネントは、第1経路に沿って、装置を通じて流れる信号を処理するように構成され、第2ヘテロダインコンポーネントおよび第2フィルタリングコンポーネントは、第1経路とは概して反対方向の第2経路に沿って装置を通じて流れる信号を処理するように構成されている。
【0046】
ある態様において、ヘテロダインコンポーネントは、第1ヘテロダインコンポーネントであり、フィルタリングコンポーネントは、第1フィルタリングコンポーネントであり、装置は、第2ヘテロダインコンポーネントおよび第2フィルタングコンポーネントを有し、ヘテロダインコンポーネントおよびフィルタリングコンポーネントは、システムによって受信された第1信号が、少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器に入力されるように与えられる前に、第1ヘテロダインコンポーネントおよび第1フィルタリングコンポーネントによって、より高い周波数にアップコンバートされ、かつ、少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器の対応する出力は、第2ヘテロダインコンポーネントおよび第2フィルタリングコンポーネントによってターゲット周波数にダウンコンバートされる。より高い周波数の使用は、少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器の効率を改善する。
【0047】
ある態様において、少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器は、エネルギーを格納するように構成された少なくともひとつのループによって直列に接続された2つの仮想エアギャップ変圧器を有する。
【0048】
本願発明のある態様に従い、上記したいずれかの電力制御装置によって実行される配電処理方法が与えられ、当該配電処理方法は、
対応する第1基本周波数および対応する第1特性電圧を有する対応する第1信号の形式で電力を受信する工程であって、電力は、電力のひとつ以上のシンクおよび/またはソースによって変更されるような少なくともひとつの他の電力制御装置の出力を表す、ところの工程と、
電力制御装置が電圧および周波数の対応するターゲット値を有する対応する出力信号の形式で出力電気エネルギーを与えるように、ひとつ以上の信号変換コンポーネントを制御する工程と
を有する。
【0049】
ある態様において、配線処理方法は、
出力において要求される電力より大きい電力を電力制御装置が受信したとき、ひとつ以上の対応するエネルギーストレージコンポーネント内に電気エネルギーを格納する工程と、
出力において要求される電力より小さい電力を電力制御装置が受信したとき、ひとつ以上の対応するエネルギーストレージコンポーネントから格納済みの電気エネルギーを解放する工程と、
ターゲット出力周波数およびターゲット出力電圧を有する対応する出力信号の形式で、対応する出力電力を与える工程と
を有する。
【0050】
ある態様において、配電処理方法は、電力制御装置の力率を改善するためにひとつ以上の信号変換コンポーネントを制御する工程を含む。
(【0051】以降は省略されています)

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