(57)【要約】      （修正有）【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
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【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（Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，．．．，ＳＮ）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（Ｉ０，Ｉ１，Ｉ２，．．．，ＩＮ）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（Ｉ０，Ｉ１，Ｉ２，．．．，ＩＮ）および／またはひとつ以上の前記ソース（Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，．．．，ＳＮ）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。
【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。
【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。
【表１】
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【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】
ある態様において、配電処理方法は、
電力制御装置の可変エアギャップ変圧器の二次巻き線における出力電圧を測定する工程と、
測定電圧の順行成分および直交成分を生成するべく、測定電圧にパーク変換を適用する工程と、
順行成分をターゲット電圧値と比較する工程と、
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、制御信号に対して、逆パーク変換を適用する工程と、
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換器の制御巻き線内の電流との比較に基づいて、電力制御装置の力率を改善するべく、制御巻き線内の電流を調節する工程と、
を有する。
【００５２】
本願発明のいくつかの実施形態が、例示的に、添付する図面を参照して以下で詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】図１は、本願発明のいくつかの実施形態に従う配電システムのブロック図である。
【図２】図２は、本願発明のいくつかの実施形態に従う配電システムの仮想エアギャップ変圧器（ＶＡＧＴ）の略示図であり、本実施形態は、磁束経路内に仮想エアギャップを有し、エアギャップ内で主に磁場エネルギーとしてエネルギーが格納される単相コアタイプ変圧器を含む。
【図３】図３は、ＶＡＧＴ、および、配電システムの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を通じた電気エネルギーの双方向の潮流を示すブロック図である。
【図４】図４は、２つのヘテロダインコンポーネントおよび２つのフィルタリングコンポーネントを有する配線システムの実装を通じた電気エネルギーの双方向の潮流を示すブロック図である。
【図５】図５は、エネルギーを格納するのに使用される内部巻き線によって直列に相互接続された、図１の２つの単相ＶＡＧＴによって形成された合成仮想エアギャップ変圧器（ＶＡＧＴ）の略示図である。
【図６】図６は、エアギャップ内で主に磁場エネルギーの形式でエネルギーを格納することができる、磁束経路中に仮想エアギャップを有する単相コアを含む第２形式の仮想エアギャップ変圧器（ＶＡＧＴ）の略示図である。
【図７】図７は、直列に相互接続された図６の２つの単相ＶＡＧＴによって形成される合成仮想エアギャップ変圧器（ＶＡＧＴ）の略示図である。
【図８】図８は、磁束経路内に仮想エアギャップを有する単相シェルタイプの変圧器によって形成された、第３形式の仮想エアギャップ変圧器（ＶＡＧＴ）の略示図である。
【図９】図９は、直列に接続された図８の２つの単相ＶＡＧＴによって形成された合成仮想エアギャップ変圧器（ＶＡＧＴ）の略示図である。
【図１０】図１０は、磁束経路内に仮想エアギャップを有する３相シェルタイプの変圧器によって形成された第４形式の仮想エアギャップ変圧器（ＶＡＧＴ）の略示図である。
【図１１】図１１は、直列に接続された、図１０の２つの３相ＶＡＧＴによって形成された合成仮想エアギャップ変圧器（ＶＡＧＴ）の略示図である。
【図１２】図１２、磁束内に仮想エアギャップを有する、３つの３相シェルタイプ変圧器によって形成された第５形式の仮想エアギャップ変圧器（ＶＡＧＴ）の略示図である。
【図１３】図１３は、直列に接続された図１２の２つの３相ＶＡＧＴによって形成された合成仮想エアギャップ変圧器（ＶＡＧＴ）の略示図である。
【図１４】図１４は、ヘテロダインをサポートするように実装された配電システムのコンポーネント間の信号の流れを示す単純なブロック図である。
【図１５】図１５は、デバイスのコアに巻かれた制御巻き線を使った仮想エアギャップ変圧器のひとつの実装の略示図である。
【図１６】図１６は、デバイス内に複数の仮想エアギャップを形成するべく、デバイスのコアの回りに巻かれた複数の制御巻き線を有する仮想エアギャップ変圧器の代替実装の略示図である。
【図１７】図１７は、図１８に示す仮想エアギャップ変圧器の実装を形成するべく、制御巻き線と一緒に２つのコンポーネントを結合する前の、変換コアの２つのコンポーネントを示す略示図である。
【図１８】図１８は、図１７に示すコンポーネントおよび制御巻き線から形成された仮想エアギャップ変圧器の略示図である。
【図１９】図１９は、図１７および図１８の極コンポーネント間で使用される制御巻き線の、多数の可能な構成例のうちの３つを示す図である。
【図２０】図２０は、コアを貫通して形成される穴を通じてワイヤを結ぶことにより、変圧器の磁気コア内に埋め込まれた制御巻き線を使った、仮想エアギャップ変換器の実施形態の略示図である。
【図２１】図２１は、任意の方向（ｘ、ｙ、またはｚ軸線）の円柱状開口の間で巻かれた、コア内に埋め込まれた制御巻き線を使った仮想エアギャップの実装の略示図である。
【図２２】図２２は、コアを通過して形成された円形開口部を通じて送り込むことにより、コア内に埋め込まれた制御巻き線を使った仮想エアギャップの実装の略示図である。
【図２３】図２３は、従来の変圧器の変換効率と比較した、ここで説明する配電システムの変換効率のグラフである（配電システムは、デバイスを制御するのに電力を使用するためピーク効率がより低いが、デバイスは、より良いフレキシビリティを与えるよりワイドな効率帯域を有する）。
【図２４】図２４は、制御巻き線のパルス幅変調を与えるための、整流器、ＤＣリンクおよび２つのブリッジ回路を有する回路図である。
【図２５】図２５は、仮想エアギャップの制御を与えるための制御ループおよび関数ブロックの略示図である。
【図２６】図２６は、仮想エアギャップ内で使用するための位相同期回路の実装の略示図である。
【図２７】図２７は、一次巻き線および二次巻き線、コア磁気抵抗、および仮想エアギャップの制御巻き線の制御された磁気抵抗の略示図である。
【図２８】図２８は、コア磁束を測定するための磁束感知巻き線を有する、単相コイルタイプの仮想エアギャップ変圧器の略示図である。
【図２９】図２９は、制御巻き線中の電流および一次巻き線中の電流の間の関係、および、制御電流を最小にすることによる形状の変化の略示図である。
【図３０】図３０は、曲線のひとつのセクションから他のセクションへの短期シフトを表すべく、信号軸線上で２つを比較した、デバイスを通じた変調の前後での波形の略示図である。
【図３１】図３１は、２つのセクションが一次および二次巻き線を収容し、残りのセクションが３つのサブセクションを有し、中間セクションを異なる材料で作成した、４つのセクションから構成される単相コアタイプの変圧器の略示図である。
【図３２】図３２は、３つの個々の制御巻き線ループを有する、垂直方向の６つの穴からなる仮想エアギャップの略示図である。
【図３３】図３３は、いくつかのラミネートに破れがあり、スペーサの使用により、穴開けする必要がなく、コア内に制御巻き線用の穴を与える、変圧器用の標準的なラミネートスタックプロセスの略示図である。
【図３４】図３４は、制御巻き線へ適用される電流による磁気コア内の交替磁束経路の略示図である。
【図３５】図３５は、ＡＣからＤＣへの整流を可能にしつつ、二次巻き線を通じた磁束方向を変化させ、かつ、磁気コアを通じた磁束をリダイレクトするための複数の仮想エアギャップにより制御された複数磁束経路を有する合成仮想エアギャップ変圧器（ＶＡＧＴ）の略示図である。
【図３６】図３６は、磁気磁束が、異なる経路間を制御可能に分配し、それにより二次巻き線を通じて流れる磁束の量を変更することができるように、複数の仮想エアギャップによって制御される複数の磁束経路を有する合成仮想エアギャップ変圧器（ＶＡＧＴ）の略示図である。
【図３７】図３７は、ネットワークを通じて、電力潮流を変調しかつバランスを保つべく、配電ネットワーク内でデバイスがどのように配置されるかを示す単純化したブロック図である。
【図３８】図３８は、位相角度に応じて、二次巻き線の各々の間を流れる磁束を変更することにより、ＡＣからＤＣへの整流を可能にする、反対方向に巻かれた２つの二次巻き線を有する、ＶＡＧを介して直接制御可能な磁束が通る複数の経路を有する、単相仮想エアギャップ変圧器（ＶＡＧＴ）の略示図である。
【図３９】図３９は、ネットワークを通じて流れる電力を変調しかつバランスをとるべく、配線ネットワーク内でデバイスがどのように配置されるかを示す単純化したブロック図である。
【図４０】図４０は、本願発明のいくつかの実施形態に従う、配電ネットワークのブロック図である。
【図４１】図４１は、本願発明のいくつかの実施形態に従う、電力制御装置の実施形態の回路図である。
【図４２】図４２は、図４１の電力制御装置の電圧制御プロセスのフローチャートである。
【図４３】図４３は、図４１の電力制御装置の力率制御プロセスのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００５４】
本願発明の実施形態は、配電ネットワークおよび処理方法を有する。配電ネットワークは、例えば、風力およびソーラー発電のような再生可能エネルギーの変動性を有する、電力シンクおよび／またはソース内の変化を補償するべく、配電ネットワークを通じて流れる電力信号の対応する電圧および周波数を、対応するターゲット値に正しく維持するために、典型的にネットワークを通じて分布する電力制御装置を有する。この方法において、配電ネットワークおよび処理方法は、上記した従来の欠点を解決する。配電ネットワークに基づく電力制御装置が以下で説明され、続いて、ここで説明する配線ネットワークを形成するためにこれらの装置がどのように相互接続されるか、および、その多くの利点をどのように実現するかが説明される。
【００５５】
［電力制御装置］
本願発明の実施形態は、電力制御装置の例を含む。その各々は、ある周波数および電圧を有する入力信号の形式で入力電気エネルギーを受信し、その入力電気エネルギーを、対応する所望またはターゲット周波数、および対応する所望またはターゲット出力電圧を有する出力信号の形式の出力電気エネルギーへ変換する。入力電気エネルギーは、典型的に時間にわたって変化する（すなわち、その周波数および／または電圧は時間に依存する）。したがって、システムおよびプロセスは、変換を動的に制御するように動作し、その結果、出力電力は、所望のターゲット周波数およびターゲット電圧を有し、それ自身もまた時間とともに変化してよい。
【００５６】
電力制御装置は、改善された効率およびレギュレーションを分配するべく、電子回路スイッチングの代わりに高速電磁気経路スイッチングを使って（２つのシステムを電気的に分離して）力率補正を同時に与えながら、周波数および電圧変換を与えることができる。
【００５７】
本明細書において、特に断らない限り、用語の“信号”は、参照の便宜上使用され、電圧および少なくともひとつの基本周波数（ＤＣ電圧の場合にゼロである）によって特徴づけられる、電力形式を言及ものとして広く解釈されるべきであり、必ずしも、任意の形式の情報が、信号によって代表されるか、または運ばれるものではない。それにも関わらず、本願発明のいくつかの実施形態は、信号内で符号化情報の通信を含んでよい。
【００５８】
図１に示すように、電力制御装置１００は、周波数制御コンポーネント１０２、電圧制御コンポーネント１０４、および、コントローラ１０６を有する。上述したように、周波数制御コンポーネント１０２は、ある特性入力周波数の入力信号を受信し、入力周波数と
は無関係に、選択または所望の出力周波数を有する対応する出力信号を与える。同様に、電圧制御コンポーネント１０４は、ある特性入力電圧の入力信号を受信し、入力電圧と無関係に、選択されまたは所望の出力電圧を有する対応する出力信号を与える。組み合わせて、周波数制御コンポーネント１０２および電圧制御コンポーネント１０４は、協力して作用し、その結果、システム１００は、ある特性周波数ｆｉｎおよび電圧Ｖｉｎを有する入力信号（典型的に時間変化する）を受信し、選択された周波数ｆｏｕｔおよび選択された電圧Ｖｏｕｔを生成する。特に、電力制御装置１００は、メイン配電ネットワークの一部として使用され、装置１００は、出力周波数ｆｏｕｔが一定でかつ５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの適切な幹線電気周波数に一致し、かつ、出力電圧が装置１００上で電気負荷に一致するよう動的に調節されるように構成される。公称幹線周波数からの逸脱は、電気グリッド内での損失の主要なソースである。
【００５９】
コントローラ１０６は、入力周波数および電圧を監視し、かつ、周波数制御コンポーネント１０２および電圧制御コンポーネント１０４の動作を制御するのにそれぞれ使用される対応する周波数および電圧制御信号を生成するステップダウンデバイス（例えば、説明されるバックコンバーター）を使用する。
【００６０】
当業者に周知なように、変圧器は、相互インダクタンスを介してひとつの回路から他の回路へ電力を伝送する電磁気デバイスであり、典型的に一次巻き線、磁気コア、および、二次巻き線から形成されている。交流電圧が一次巻き線に印加されたとき、一次巻き線を通じて交流電流が流れる。磁気電流は、交流磁気磁束を生成する。磁束は、ほとんどが磁気コア内に制限され、リンクした二次巻き線内に電圧を誘導する。もし、それが電気負荷に接続されていれば、交流電流を生成する。この二次負荷電流は、それ自身交流磁気磁束を生成し、それは、一次巻き線によってリンクバックする。
【００６１】
二次電圧は、一次電圧と、二次巻き線内の巻数と一次巻き線内の巻数の比との積によって決定される。変圧器は、ハイおよびロー電圧の間で変換するのに通常使用されるが、それは、分配周波数の要求により、かさばる。それは、高効率、単純な設計、および、双方向電力伝送を提供する。しかし、その受動的性質は、不十分な力率制御および電圧調節の導入を要求する、伝送電力の制限された調節を与える。幹線供給周波数における動作の物理は、所与の電力定格に対して比較的大きくなり、材料、組立および分離管理のコストを増加させる。
【００６２】
［電圧変換］
電圧変換は、図２に示すような仮想エアギャップまたはＶＡＧＴとして言及する変圧器構成の形式で、電圧制御コンポーネント１０４を与えることにより達成される。そこでは、少なくともひとつの制御巻き線２０２が、変圧器の一次巻き線２０４と二次巻き線２０６との間の磁気磁束経路内に配置されており、磁気コアの局所領域２０８を制御可能に飽和し、それにより、一次巻き線２０４と二次巻き線２０６との間の電磁気結合を制御し、したがって、二次巻き線２０６を通じて生成される電圧が決定される。磁気磁束経路の局所領域２０８を飽和する効果は、磁気磁束経路内の物理的なエアギャップの効果と同等であり、任意の時刻における飽和領域２０８（したがって、同等（仮想）エアギャップ２０８）のサイズは、その時刻において制御巻き線２０２を通じて流れる電流によって決定される。この制御巻き線２０２を通じた制御電流は、各実装の特定の要求によって決定されるＤＣまたはＡＣのいずれかであり、各電流タイプは、異なる特性および複雑さを与える。例えば、ＤＣ電流は、制御を単純にするのに使用され、一方、ＡＣ電流は、より複雑な制御のために使用され、より低い漏電損失を与える。
【００６３】
さまざまな制御電流実装に加え、デバイスのいくつかの実装は、制御巻き線２０２に対して、または、複数の巻き線が実装されるとき、いくつかの制御巻き線に対して、短絡を
適用する。短絡を適用する間、制御巻き線は、そのポイントにおいてシステムの状態の任意の変化に対して抵抗するような方法で、磁気コア磁束に影響を与える。磁気コア、コア断面、および磁束経路内での局所的ポイントにおいて、この現象を利用することは、変更可能でありかつ飽和可能である。
【００６４】
一次巻き線２０４を通じて入力電圧を動的に監視することにより、かつ、制御巻き線２０２を通じて流れる電流の関数として、二次巻き線電圧および一次巻き線電圧の間の関係を知ることにより、制御巻き線２０２を通じて流れる電流は、二次巻き線２０６を通じて選択され、または所望の電圧を与えるよう、動的に調節可能である。
【００６５】
付加的に、デバイスのある実装において、電圧は、二次巻き線２０６をまたいで計測された電圧および一次巻き線２０４をまたぐ電圧である。デバイスのある実装において、電圧および周波数は、一次巻き線、二次巻き線またはその両方で計測される。
【００６６】
デバイスのある構成において、ＶＡＧＴのコアを通じる磁束が測定される。磁気磁束は、デバイスを通じて流れる電力に関連し、制御巻き線を使って磁気回路の磁気抵抗を変更することにより制御されるフォースである。実装の特定の要件に応じて、磁束は、ホール効果センサ（http://uk.rs-online.com/web/c/automation-control-gear/sensors-transducers/hall-effect-sensors/)、または、図２８に示すような磁気コアの回りの巻き線によって測定される。当業者に周知のように、この測定を実行するのに、多くの周知の構成および検知方法が使用可能である。
【００６７】
ＡＣ磁束ソースによって駆動される磁気回路において、メイン磁気磁束（Φｍ）は、駆動電圧によって決定される（Φｍ＝∫Ｖｄｔ）。コア内の磁束密度は、以下のように計算される磁気抵抗を有する。
【数１】
2020145921.tif 000004
ここで、ｌは磁気経路長であり、Ａｃはコア断面積、およびμ０μｒはコア透磁率である。
【００６８】
コア内の起磁力（ｍｍｆ）は、磁束および磁気抵抗の関数である。仮想エアギャップ内の変化によるコアの磁気抵抗の変化は、ｍｍｆ内の対応する変化を生成し、それは、次に、ＶＡＧＴ２００の一次インダクタンス内の変化を生成する。
【００６９】
コアは、磁束および磁気抵抗の関数である関連する全ｍｍｆを有し、以下の式に従う。
ｍｍｆ＝Φｍ（Ｒｍ＋Ｒｇ）
【００７０】
もしエアギャップが磁気回路内に挿入されれば、磁気抵抗は、エアギャップ磁気抵抗（Ｒｇ）の負荷により増加し、それにより、ｍｍｆが増加する。この単純な代表回路図は図２７で示される。標準的なＤＣ駆動電圧の場合は、磁束が磁気抵抗の変化で変動し、ｍｍｆおよび電流が一定であるため、これとは異なる。高調波により変調されるＤＣ駆動電圧は、ある動作条件の下で、高調波出力を減少させることができる。（http://ieeexplore.ieee.org/document/4595983/）。変調されたＡＣ駆動電圧はエネルギー使用を減少させ、正しく補正されたとき、デバイスおよび出力電力に対するエネルギー利用を改善する。図２９は、一次巻き線２０４内の電流がサイクルを通じて変化するに従い、制御巻き線２０２内で要求される電流の量が変化し、それにより、出力ターゲット信号を達成するのに必要な制御電流を減少させ（例えば、曲線２９０２から曲線２９０４へ）、デバイスの効率を改善させることを示している。
【００７１】
ＶＡＧＴを通じて流れる電力の制御を与えるために、仮想エアギャップ２０８が一次磁束経路内に与えられる。しかし、図２に示すように、第２の仮想エアギャップ２１０が、回帰磁束経路内に設けられてもよい。物理的な構造（ＶＡＧＴが単相かまたは３相かを含む）に応じて、ＶＡＧＴは、複数の仮想エアギャップを有してよく、各相に対して一次磁束経路が最小に直接制御されることが保証される。複数のエアギャップは、局所的飽和レベルを変更するいくつかの実施形態において利用可能である。
【００７２】
最低限でも、反対方向の磁束を生成するように配置された２つのＤＣまたはＡＣ巻き線によって仮想エアギャップが形成され、その結果、それらは、ＶＡＧＴ全体に関して互いをキャンセルするが、各対応する局所的領域においてコアを飽和させる。ＶＡＧＴの特定の構成（巻き線およびコアの材料および構成、ラミネーション、寸法、コアサイズおよび形状、相数および面構成、など）は、当業者にとって周知の標準的な変圧器設計方法を使って決定可能であり、仮想エアギャップの数および位置、および制御巻き線の構成は特定の応用の電気的要求によって決定される。
【００７３】
仮想エアギャップを含む変圧器の磁気コアは、その磁気抵抗が制御巻き線を通じて流れる電流によって制御可能である任意の材料（これに限定しないが、強磁性材料）から形成されてよい。コア自身は一体構造として形成されてよく、または、複数のコンポーネント部品から構成されてもよい。これは、磁気コアの異なる領域で、同じかまたは異なる材料から形成されてよい。これにより、仮想エアギャップが形成されるところのコアの局所的強磁性特性が、異なる磁化曲線（磁気ヒステリシス曲線として知られ、通常、Ｂ−Ｈ曲線と呼ばれ、ここでＢは磁束密度、Ｈは磁場の強度、μは透磁率であり、Ｂ＝μＨ）を有する磁気コアの他の領域と異なるようにすることができる。
【００７４】
ＶＡＧＴを通じて流れる電力潮流は、仮想エアギャップ２０８、２１０を制御することによって調整される。入力電力および出力電力の潮流が一定に変化している際、仮想エアギャップ２０８、２１０は、選択されたレベルの磁気抵抗を与えるよう、制御巻き線２０２内のＤＣまたはＡＣ制御電流を変化させることにより、対応して調節される。制御電流は、電流レベルが直接的に変化する直流アナログ信号であるか、または、同等な平均電流を与えるようパルス幅変調（ＰＷＭ）を使ったデジタル信号の形式を取ってもよい。ＰＷＭは、供給電力を制御するべく、負荷に影響を与えずに非常に高速でスイッチングするデジタル信号を使用する。適切なデューティサイクルを有する負荷へ電圧を切り替えることにより、所望の電圧へ近似される。同じ方法で、デューティサイクルは、デジタルソースを使ってアナログ波形の近似を分配するように変更される。近年の半導体は、マイクロ秒でこのスイッチングを与えることができる。これは、電力損失が非常に少ないが、不完全な波形が、ある応用において有意な高調波および損失を生じさせることを意味している。
【００７５】
制御巻き線２０２を通じて流れる電流のＰＷＭは、図２４に示すような、整流器、ＤＣリンク、および２つのブリッジからなる制御回路を通じて達成される。２つのブリッジは、４つのダイオードおよび４つの絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）から作成されている。４つのＩＧＢＴは、ターゲットの信号出力を分配するべく、制御巻き線２０２内で正しい電流レベルを与えるために、コントローラ１０６によってスイッチオンまたはスイッチオフされる。これは、多くのさまざまな回路トポロジーで達成可能であることは当業者の知るところである。ステップダウンコンバータ（バックコンバータ）を利用する制御回路トポロジーによって、大きく減少した使用電力量は、仮想エアギャップ制御の所望の規模および範囲を達成することを可能にする。
【００７６】
１０ｋＨｚの速度で、ＰＷＭを制御することにより、図３０に示すように、出力信号の波形は、高調波を取り除くべく、ＶＡＧを使って変調される。制御の速度は、任意の制御
周波数が使用可能であり、アッパーエンドでの技術の実装の実用性によって決定される。より速い制御速度は、より良い補償を与え、かつ、高調波を補正する。
【００７７】
制御ポイントとして、平均電力流が使用されるとき、時間にわたって、ＶＡＧＴを通じて、過剰電圧および過少電圧の両方に対して、電圧のほぼ等しい分散が存在する。ＶＡＧＴの内部の少量の内部電力ストレージが、過剰電圧のピークが切られた状態で、過少電圧時間を補償するのに利用可能である。この過剰電圧の電力損失は、過剰電圧を受動的に通過することにより生成される非効率および損失よりも有意に小さい。
【００７８】
内部電力ストレージ要求を減少させるために、ＶＡＧＴの電力レベルは、平均入力電圧より低くなるように制御される。これは、平均の過剰電圧時間の量を増加させ、対応する損失を増加させるが、それにもかかわらず、その損失は配電ネットワークの他の損失に比べて大きくはない。正確な制御電力レベルは、特定のアプリケーションの要求によって決定される。
【００７９】
図３６に示すように、いくつかの実施形態において、磁気コアは、磁気コアを通じて２つの経路間で磁束を分配するように二次磁束経路を有し、安定状態条件のもとで、二次巻き線を通じて流れる磁束を変化させる。デバイスの電圧変換比率は、一次巻き線の数および一次電流、および、二次巻き線の数および二次電流に正比例し、安定状態条件のもとでの磁気回路の磁気抵抗とは独立である。一次磁束経路を制御する仮想エアギャップと組み合わせて、第２の仮想エアギャップによって制御される第２の磁束経路は、２つの経路間で全磁束の相対的分配を与える。一次磁束経路上の二次巻き線は、一次経路を通じて流れる磁束に関して誘導される電流のみを有し、一次または二次巻き線の数を変更することなく変化可能である。
【００８０】
ある実施形態において、仮想エアギャップによってブロックされるか、または失われる過剰エネルギーを格納するべく、エネルギー回収回路が使用される。このエネルギーは、キャパシタ、インダクタ、または他のエネルギーストレージデバイス内に格納され、デバイスを通じて直接、または、キャパシティブ、インダクティブまたは他のストレージから直接メイン電力潮流に実質的に再投入される。
【００８１】
［周波数変換］
ここで説明するように、電力制御装置のいくつかの実装において、周波数制御コンポーネント１０２は、電圧変換と同じ方法で周波数変換を達成可能である。接続された電気システムの周波数は発電周波数に依存し、かつ、負荷によってバランスを取られるので、発電と負荷の間のバランスが変化するに従い、システムの周波数が変化する。電力制御装置１００の入力および出力周波数を測定することにより計測される差は不均衡を示す。したがって、制御巻き線電流、ひいては仮想エアギャップが変化し、回路の磁気抵抗が変化し、エネルギーが以下に説明するように電力潮流へ投入されるか、または、電力潮流から取得される。すなわち、同じＶＡＧＴが、電圧制御コンポーネント１０４および周波数制御コンポーネント１０２の両方を構成し、図１において、周波数制御コンポーネント１０２および電圧制御コンポーネント１０４を包囲する点線によって示すように、コントローラ１０６からＶＡＧＴへひとつの制御信号（代表電圧）のみが存在するが、その信号は上述したように周波数を制御するのにも使用される。
【００８２】
ＶＡＧは、局所化された領域内でコアを飽和し、磁束経路に影響を与えるのに使用される。図３５に示すコア構造を使って、出力信号の周波数は、二次巻き線を通過する磁束経路を変化させるべく複数のＶＡＧを使用することにより変換される。これにより、同じデバイスが、インバータおよび整流器の両方として機能することができ、すべてが、磁場中で切り替わり、磁気回路のナチュラルフィルタリングを利用することができる。
【００８３】
ここで説明する電力制御装置の多くの可能な構成は、当業者の知るところである。そのひとつの構成として、コアタイプの変圧器が標準コア切断およびスタック技術を使って製造される（例えば、http://sites.ieee.org/gms-pes/files/2014/11/Transformer-Manufacturing-Processes.pdf）。図３１に示すように、一次または二次巻き線を有しない２つのコアセクションが、強磁性材料の直列の３つのセクション（材料１、材料２、および材料１）から構成される。材料１および２は、異なるＢ−Ｈ曲線を有する。
【００８４】
図３１から３４に示すように、製造プロセス中に、コア断面を通じて垂直にアライメントされた等距離空間において、コアの材料２内に６個の穴が形成される。特定の例において、これらの穴は、図３３に示すように、単一の連続シートからではなく、別々の部材から製造されたコアレイヤーを有することにより形成されてもよい。これらの部材は、スタック処理中にスペーサを使ってアライメントされ、スタッキングが終了するとスペーサは除去される。
【００８５】
一次および二次巻き線は、適切なセクションの回りに巻かれる。制御巻き線は、図３２に示すように、コア製造プロセス中に作成された穴の間に巻き付けられる。垂直方向に符号１から６の穴を有し、巻き線は、穴１および２の間、その後穴３と４の間、その後穴５と６の間に、必要な数のループとして、それぞれ形成される。
【００８６】
制御巻き線は、図２４から２６に示すような、ＡＣ制御信号のパルス幅変調を使った電気回路スイッチング制御回路によって付勢される。ある実施形態において、高速マイクロプロセッサ（例えば、１００ＭＨｚのテキサス・インスツルメント社のデバイス  http://www.ti.com/product/TMS320F2808）が使用され、電圧および周波数を測定するべく、入力および出力（一次巻き線の直前で、かつ、二次巻き線の直後の回路）からのセンサ入力を有し、ホール効果磁束センサ（例えば、http://uk.rs-online.com/web/c/automation-control-gear/sensors-transducers/hall-effect-sensors/）が局所的磁束を測定するべく、コア内の６つの制御巻き線穴内に埋め込まれる。
【００８７】
マイクロプロセッサは、図２４に示すブリッジ回路において４つのＩＧＢＴデバイスをＰＷＭする制御プロセスを実行する。これは、各モニター位置において、磁束の正しいレベルを維持するために、制御コイルを通じた電流を変化させ、測定済みの電圧および電流入力および出力と組み合わせて、出力においてターゲットセットポイントを分配する。磁束制御フィードバックループは、１ＭＨｚで動作し、位相同期回路は１００ｋＨｚで動作する。
【００８８】
エネルギー回収回路は、仮想エアギャップの結果として分配されるエネルギーを捕捉しかつ格納する。この回収回路は、キャパシタを有し、それにより、電流潮流の短期ストレージおよびスムージングが可能になる。
【００８９】
［ヘテロダインを使った周波数変換］
上記の代替例として、ここで説明する電力制御装置のいくつかの実装において、周波数制御コンポーネント１０２は、通信理論から周波数ヘテロダイン原理を使って周波数変換を達成する。ここで説明するヘテロダインの使用は、エネルギー損失を不可避的に引き起こすが、例えば、飛行機、電車および宇宙船のようなＶＡＧＴのサイズおよび重量が制限されるところの応用において有用である。この応用において、得られる運動効率は、付加的な電気損失を上回る。
【００９０】
当業者によって理解されるように、周波数ヘテロダインは、２つの入力周波数を組み合わせるか混合することにより、新しい周波数を生成する方法である。周波数ｆ１およびｆ２の２つの信号は、ヘテロダインと呼ばれる２つの新しい信号を作成するのに混合または組み合わされる。ひとつは、２つの周波数の和ｆ１＋ｆ２であり、もうひとつは、差ｆ１−ｆ２である。典型的に、新しい周波数のうちひとつのみが所望され、他の信号はフィルタリングで除去される。
【００９１】
したがって、電力制御装置のこの実装において、周波数制御コンポーネント１０２は、可変周波数オシレータおよび可変周波数フィルタを有し、可変周波数フィルタの分離およびフィルタリング周波数は、コントローラ１０６によって生成される周波数制御信号によって決定され、それにより、混合信号は、出力信号が常に所望の出力周波数であることを保証するべく変更可能である。この周波数制御により、システム１００は、コンバータ（インバータまたは整流器）の代わりに使用されうる。
【００９２】
図１に戻って、図の左から右側へ流れる入力信号が示されており、対応する信号をＶＡＧＴ１０４へ与える前に、周波数が調節される。この構成により、ＶＡＧＴ１０４は既知の周波数の信号で動作することができるので、この構成は概して好適であるが、入力信号が反対方向に流れることも可能であり、その結果、入力信号は、周波数制御コンポーネント１０２によって周波数調節される前にＶＡＧＴ１０４を通じて流れる。
【００９３】
図１に示す配置は、いずれかの方向に流れる信号を処理するのに使用され、これは、局所的発電ソース（例えば、住宅地のソーラーパネル）が、配電ネットワークまたはグリッドから住宅地へ流れるエネルギーとは反対方向に、配電ネットワークまたはグリッドへ流れるエネルギーを発電するところの配電のようなアプリケーションに対して特に有用である。
【００９４】
例えば、図４は、図１に基づく電力制御装置４００を示すブロック図である。ここで、周波数制御コンポーネント１０２は、ヘテロダインコンポーネント４０２および周波数フィルタリングコンポーネント４０４を有し、信号は、適切な順序で、これらのコンポーネント４０２、４０４を通じて反対方向に流れる。
【００９５】
図５は、対向して配置されたＶＡＧＴ１０４の２つの周波数制御コンポーネントを有する、さらなる電力制御装置５００のブロック図である。それにより、システム５００を通じていずれかの方向に流れる入力信号は、ＶＡＧＴ１０４に与えられる前に、調節された周波数を有することができる。それは、ＶＡＧＴ１０４の効率を改善するために使用可能である。また、この構成により、入力信号の周波数は、ＶＡＧＴ１０４に適用される前に、ステップアップ（例えば、１ｋＨｚまで）可能であり、かつ、所望の出力周波数を与えるべく対応するＶＡＧＴ出力はステップダウン（例えば、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの適切な幹線供給周波数まで）可能である。より高い周波数で動作させることにより、周波数とともに所与の磁束密度で変圧器の起電力（ＥＭＦ）が増加するに従い、コアは飽和に達することなくより多くの電力を伝送することができるので、変圧器を物理的により小さくすることができ、同一のインピーダンスを達成するのに必要な巻数がより少なくて済む。
【００９６】
デバイスをより小さくすることで、主な非効率である変圧器のオーム抵抗による銅損失が減少する。一次巻き線の損失はＩ１２Ｒ１であり、二次巻き線の損失はＩ２２Ｒ２である。ここで、Ｉ１およびＩ２は、それぞれ一次巻き線および二次巻き線内の電流であり、Ｒ１およびＲ２は、それぞれ一次巻き線および二次巻き線の抵抗である。より小さいデバイスは、デバイスの重量も減少させ、電車、飛行機および宇宙船などのアプリケーションにおいて非常に有利であり、システム全体の効率は、運動エネルギーの増加によって大きく改善される。
【００９７】
しかし、鉄損失（エディー電流およびヒステリシス損失）は周波数に依存して増加する
。ヒステリシス損失（変圧器コア内の磁化の反転による）は以下のように計算される。
Ｗｈ＝ηＢｍａｘ１．６ｆＶ（ワット）
ここで、ηはシュタインメッツヒステリシス定数、Ｖは１立方メートルのコアの体積、および、ｆは周波数である。
【００９８】
上述したように、ここで説明する電力制御装置は、電力潮流を完全に制御し、かつ、負荷の電力要求に一致しつつシステムの供給側へ完璧な負荷のイメージを分配するべく、電圧、周波数および力率を双方向制御することができる。これは、デバイス自身の効率を直接増加させるだけでなく、他のデバイスへの電力の伝送および分配、および、他のデバイス自身の効率を増加させる。
【００９９】
上述したように、変調およびチャネルペアリングスキームにより、システムを通じて流れる電力潮流は、損失および歪みを減少させるべく、相互接続した発電システムおよびグリッド間の微細な制御およびマッチングが可能になる。
【０１００】
周波数変換および制御が周波数ヘテロダイン方法によって不十分である場合、任意の数の異なるＶＡＧＴ構成を使って、磁束を変調し、かつ、ＡＣをＤＣへ変換するのに、ＶＡＧ原理が使用可能である。図３５は、二次コイルを通じる磁束の方向を制御するためにＨブリッジを利用する構成を示す。レンツの法則から周知のように、誘導電流の方向は、回路またはそれを作成する磁場の変化に対抗するような方向である。したがって、巻き線を通じる磁束方向の変化は、電流位相を１８０°（すなわち、正／負の符号の変化）シフトさせる。サイン波に従いこの電流を変化させるべくＶＡＧを使用することにより、ＤＣ電流が生成される。
【０１０１】
図３８は、これを実行するための代替的方法を示す。ここでは、ＶＡＧは、反対方向に巻かれた２つの二次コイルのひとつを通じて磁束を方向付けるのに使用される。多くの代替的構成が同様の効果を達成するのに実装可能であることは当業者の知るところである。図３５および３８で与えられる単純な代表的スキームは、複数のＶＡＧを有する複数の磁束経路を与えるべく容易に変更および拡張可能である。適当な制御プロセスと組み合わされたとき、それは、スイッチングイベント、高調波などによる、より小さいエネルギー損失を周波数制御に分配することができる。
【０１０２】
［エネルギーストレージ］
ここで説明する電力制御装置は、付加的電力を要求される場所に投入することにより、電力潮流の調整を最適化できるように、３つの方法で瞬間的電力を格納する。キャパシタのような付加的なエネルギーストレージ方法を使って、磁場エネルギー（以下を参照）として、各仮想エアギャップ内に電力を格納可能である。また、瞬間的電力を保持するべく（特定の実装において要求されれば）、以下で説明するような各システム内に内部ループが設けられる。しかし、ＶＡＧＴデバイスは、ひとつ以上のキャパシタが含まれる実施形態の場合を除き、電力潮流を動作中に調節しながら、任意の時間間隔にわたって電力を格納することができる。
【０１０３】
インダクタンス（Ｌ）およびピーク電流（Ｉ）を有するインダクタの格納済みエネルギー（Ｗ）は、以下の計算により決定可能である。
Ｗ＝１／２ＬＩ２
【０１０４】
このエネルギーは、フェライトコア内で磁場エネルギーとして格納される。格納エネルギーへの要求が大きいほど、必要なコアはより大きくなる。インダクタのサイズは、格納されるエネルギーにほぼ比例する。
【０１０５】
エアギャップがインダクタに付加されると、インダクタの磁気抵抗は増加する。コアの透磁率は、エアギャップの透磁率より３桁のオーダーだけ大きい。これは、エアギャップ内に大部分のエネルギーが格納され、以下で示す格納エネルギーの量は、エアギャップのサイズに関連することを意味している。
【数２】
2020145921.tif 000005
ここで、Ｂは磁束密度、Ａは断面積、δはエアギャップの幅、μ０はエアギャップの透磁率である。
【０１０６】
レンツの法則は、誘導電流の方向は、常に、回路またはそれを生成する磁場の変化に対抗するような方向であることを示す。このように、格納された磁気エネルギーは、二次巻き線上の小さい電力変動をスムースにするのを助ける。ある実施形態において、二次磁束経路は、図４１に示す電力制御装置として与えられる。この磁束経路は、コアの外部シェルの回りを旋回し、磁気エネルギーを格納するのに使用可能である。
【０１０７】
ある実施形態において、電力制御装置は、直列に接続された仮想エアギャップを有する一対の変圧器からなる合成仮想エアギャップ変圧器（ＶＡＧＴ）、および、内部電流ループにより単一の合成ＶＡＧＴを生成するよう、ひとつの二次巻き線と他の一次巻き線との間のワイヤループを有する。ループの特性は、要求される内部エネルギーストレージ量によって決定される。仮想エアギャップを有する２つの変圧器は、単一のコントローラによって単一デバイスとして制御される。あるアプリケーションに対して、この内部ループは、少なくともひとつのキャパシタを含む。
【０１０８】
図２および図５から１３は、磁場の形式でエネルギーを格納することができる内部ループにより直列に相互接続されたＶＡＧＴによって形成される合成ＶＡＧＴを含む、さまざまな実施形態で使用可能な仮想エアギャップ変圧器（ＶＡＧＴ）の異なる形式の略示図である。例えば、ＶＡＧＴの最も単純な形式は、図２に示されている。それは、磁束経路内に仮想エアギャップを含む単相コアを有する。エネルギーはエアギャップ内に主に磁場エネルギーとして格納される。このタイプのＶＡＧＴは２つのＶＡＧＴを相互接続する内部巻き線によってエネルギーを格納することができる合成ＶＡＧＴを形成するよう、直列に相互接続されている。
【０１０９】
図６は、磁束経路内に仮想エアギャップを含む単相コアを有する仮想エアギャップ変圧器（ＶＡＧＴ）の第２の形式の略示図である。それは、主にエアギャップ内に、磁場エネルギーの形式でエネルギーを格納することができる。この形式のＶＡＧＴは変圧器の同じ側に、一次巻き線および二次巻き線の両方を有し、一方は他方の外側を包囲しており、２つの間には電気的シールドがある。図２のＶＡＧＴに対する第２の形式の２つのＶＡＧＴが、図７に示すように、合成仮想エアギャップ変圧器（ＶＡＧＴ）を形成するよう、直列に相互接続されている。
【０１１０】
第３の形式の仮想エアギャップ（ＶＡＧＴ）が図８に示されており、それは、磁束経路内に仮想エアギャップを有する単相シェルタイプの変圧器によって形成されている。再び図９に示すように、２つのＶＡＧＴが合成ＶＡＧＴを形成するべく、直列に相互接続されている。
【０１１１】
上述した単相ＶＡＧＴに加え、図１０に示すように、磁束経路内に仮想エアギャップを含む３相シェルタイプの変圧器によってＶＡＧＴが形成される。この形式の一対は、図１１に示すように合成ＶＡＧＴを与えるように相互接続される。
【０１１２】
図１２は、磁束経路内に仮想エアギャップを含む３相シェルタイプの変圧器によって形成された第５形式の仮想エアギャップ変圧器（ＶＡＧＴ）の略示図である。再び、この形式の一対のＶＡＧＴは、図１３に示すように、合成ＶＡＧＴを与えるべく直列に相互接続される。
【０１１３】
図１５から２２は、単相コアタイプ変圧器のコア上にある、仮想エアギャップ構成のさまざまな異なる形式を示す略示図である。これらのおよび他の構成が、複数ＶＡＧＴ、３相デバイス、シェルタイプコアに拡張可能であることは当業者の知るところである。
【０１１４】
図１５は、デバイスのコアの回りに制御巻き線を使用する仮想エアギャップ変圧器（ＶＡＧＴ）の実装の略示図である。図１６は、デバイス内に複数の仮想エアギャップを作成するべくデバイスのコアの回りで制御巻き線を使用する仮想エアギャップ変圧器の実装の略示図であり、これは、物理的に形成または製造可能な任意の数の仮想エアギャップに拡張可能である。図１８は、図１７に別々に示される２つの磁気コアコンポーネントの間で制御巻き線を使った仮想エアギャップの実装の略示図である。巻き線は、必要によりオリエンテーションおよびループの任意の組みあわせのワイヤから成り、それ自身によって、または、巻き線が周囲に、交差し、または内部で巻かれた材料により補強される。図１９は、図１８のさまざまな異なる実施形態のＶＡＧＴにおける磁気コアの２つのコンポーネント間で使用される制御巻き線のさまざまな構成を示す。この制御巻き線は、単独のアイテムとして、または、フレームワークの回りに巻かれて、任意の角度および構成の任意の巻数によって形成可能であることは当業者の知るところである。
【０１１５】
図２０は、磁気コア内に埋め込まれた制御巻き線を使った仮想エアギャップ変圧器の実装の略示図である。これは、任意の方向（ｘ、ｙ、ｚ軸線）に存在してよい。図２１は、コア内に埋め込まれた制御巻き線を使った仮想エアギャップの実装の略示図であり、コア内に形成されたカラム開口部を通じて任意の方向（ｘ、ｙ、ｚ軸線）に巻かれている。図２２は、コアを通じて形成された円形開口部を通じて供給することにより、コア内に埋め込まれた制御巻き線を使った仮想エアギャップ変圧器の実装の略示図である。
【０１１６】
［コントローラ］
上述したように、コントローラ１０６は、システムに印加される対応する入力信号の周波数および電圧を代表する信号を受信し、ヘテロダインが使用される実装において、対応する出力信号が所望のターゲット出力周波数および出力電圧を有することを保証するべく、これらのコンポーネントの各々の動作を制御するために、周波数制御コンポーネント１０２および電圧制御コンポーネント１０４にそれぞれ与えられる対応する周波数および電圧制御信号を生成する。
【０１１７】
上述した実施形態において、ホール効果磁束センサが使用され、かつ、制御巻き線が磁気コア内の磁束と反応しかつ影響するところの特定のポイントに配置される。これらの測定装置は、要求される制御信号を決定するべく、入力および出力電圧および周波数との関連で使用される。しかし、磁束に基づく誘導電流を有する磁気コアの回りの巻き線のような、磁束をモニターするのに他の測定センサおよび技術が使用可能であることは当業者の知るところである。
【０１１８】
コントローラ１０６の動作速度は、システムによって制御される電力潮流の周波数に依存する。周波数ヘテロダイニングの後に、この周波数がｋＨｚ（配電のアプリケーション用の５０Ｈｚまたは６０Ｈｚではなく）のレンジで与えられ、システム内での使用のアプリケーション要件によって要求されれば高速制御が利用される。５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの電気グリッド内では、ＭＨｚレンジの比較的低いクロック周波数を有するマイクロプロ
セッサで十分である。
【０１１９】
コントローラ１０６は、入力信号の電圧および周波数、ならびに、ある実施形態（通常、直列接続された２つのＶＡＧＴを有する実施形態）において、できるだけ１に近く力率を維持するために、制御信号の電圧および周波数制御信号によって、可変エアギャップおよび周波数ヘテロダイン（任意）を直接制御するべく、出力信号の電圧および周波数もコンスタントに測定する。
【０１２０】
その瞬間に、出力より大きい電力を与える入力を要求する状況において、コントローラは、ＶＡＧＴの磁気抵抗を増加させることにより、ＶＡＧＴを通じて流れる電力を減少させて、磁束を減少させる。ＶＡＧＴの磁気抵抗の増加は、付加的なパワーがＶＡＧＴの磁場内に格納されることを意味する。
【０１２１】
その瞬間に、出力より小さい電力を与える入力を要求する状況において、コントローラは、入力および出力信号をモニターすることによりこれを判断し、制御巻き線内の制御電流を減少させることにより、ＶＡＧＴを通じる電力潮流を増加させるよう、対応する制御信号を生成する。これは、ＶＡＧＴ内に格納された磁気エネルギーを出力へ放出しながら、磁気抵抗を減少させかつＶＡＧＴ内の磁束を増加させ、それにより、ＶＡＧＴへ入力される電力より大きい本質的に瞬間的な電力出力を分配する。ＶＡＧＴがすでに最小レベルの磁気抵抗にあれば（すなわち、ＤＣ制御電流がすでにゼロで、それ以上減少しない）、ある実施形態において、内部ループ（およびキャパシタまたは他の利用可能なエネルギーストレージ）内に格納されたエネルギーは、短期の電力のこの欠乏を補償するために使用可能である。
【０１２２】
電力制御装置の代替的制御方法は、遅れ制御（上述したような先行制御ではなく）である。この構成において、システムは、要求され、かつ、瞬間的な入力および出力レベルに基づいて、磁場からのエネルギーを投入しかつ吸収するよう、入力および出力と同期して動作する。その後、これは、磁気回路の磁気抵抗、および、一次巻き線と二次巻き線との間のエネルギー伝送効率のバランスを変更する。コントローラは、入力および出力をモニターし、その後、システムをバランス状態に戻すべく、このアンバランスの効果に反応する。
【０１２３】
ＶＡＧＴ巻き線、制御巻き線、および内部ループの比率およびキャパシタサイズは、過少電力状況を補償するべく、効率およびキャパシティの最適なバランスを与えるようにすべて選択可能である。
【０１２４】
所望の実施形態において、コントローラ１０６は、フィールド・プログラマブル・ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）として実装され、デバイスを通じて流れる電力から付勢される。給電プロセスは、不揮発性メモリ内に格納されたコンフィギュレーションデータとして実装される。しかし、コントローラ１０６は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、または、不揮発性メモリ内に格納されたインストラクションを実行するようにプログラムされたマイクロプロセッサとして実装可能であることは、当業者の知るところである。他の実施形態において、コントローラは、配電ボードからの局所制御電力のような、別個の局所電源によって付勢されてもよいことは、当業者の知るところである。
【０１２５】
上述したＰＷＭ制御実装を拡張して、図２５に示すように、ＦＰＧＡ（または他の利用可能なコントローラデバイス）を有するコントロール・フィードバック・ループに対して、測定済み磁束が使用される。この制御の基準信号は、測定済み磁束によって駆動される位相同期回路（ＰＬＬ）によって与えられる。位相同期回路は、図２６に示すように、互いに対して、入力および出力周波数をロックするべく、フィードバックループを有する電
圧制御オシレータ、位相検出器、およびフィルタを使用する。上述した実施形態において、位相同期回路は、１ｋＨｚの速度に制御されるが、異なる制御速度が他の実施形態において使用可能であることは当業者の知るところである。
【０１２６】
図１４の略示図を参照して、以下の表２は、上述したような電圧制御コンポーネントまたはＶＡＧＴ１０４の一方側に機能的に配置された２つの周波数制御コンポーネント１０２を有する電力制御装置の動作を制御するべく、コントローラ１０６によって使用される、入力、出力および内部変数を示す。
【表２】
2020145921.tif 000006
【０１２７】
［制御図］
ＰＤＦ、ＶＡＧＴおよびＳＨＦの各々は、アナログ信号形式で、コントローラ１０６から制御入力を受信する。コントローラシステム１０６は、その制御信号が何であるかを判定するために、入力および出力信号上で、標準的な位相および電圧測定デバイスを使って、デバイスを通じて流れる電力潮流からアナログ入力を受信する。適当なデバイスとして、以下に記載のものが挙げられる（http://www.ni.com/white-paper/8198/en/#toc3, https://www.pce-instruments.com/english/measuring-instruments/test-meters/3-phase-power-meter-kat_155415_1.htm,http://w3.siemens.com/powerdistribution/global/en/lv/portfolio/pages/7km-pac-measuring-devices.aspx,and http://www.schneider-electric.com/en/product-category/4100-power---energy-monitoring-system）。
【０１２８】
ここで説明した電力制御装置の一般的動作を説明するために、以下で、例示的な配電プロセスのステップを説明する。ここで、電力制御装置は、一次側にソース、および二次側に負荷を有し、一次側から二次側へ電力潮流を有する入力信号の形式で単相電力を受信する。
１．デバイスへの入力はＰＦおよびＰＶである
２．ＰＨＦへの入力としてＰＦおよびＰＶを測定する
３．ＶＡＧＴ用の要求された周波数入力を作成するべく、要求されたＰＯＦを計算する
４．ＰＨＦへＰＯＦを投入し、不所望のヘテロダインをフィルタリングし除去する
５．ＰＦより非常に高いレベルの周波数ＩＦおよび電圧ＰＶを有する電力をＰＨＦが出力する
６．ＰＶとともにＶＡＧＴへの入力としてＩＦを測定する
７．ＳＶＳを分配するべく、ＶＡＧＴ内へ投入するためにＰＶおよびＳＶに基づいて要求
されたＤＣＣを計算する
８．ＶＡＧＴの磁気抵抗を変更し、それにより、固定した巻き線比率を有する出力電圧に影響を与えることにより、ｍｍｆ（起磁力）を制御するべくＶＡＧＴ内にＤＣＣを投入する
９．ＶＡＧＴが電圧ＳＶＳおよび周波数ＩＦを有する電力を出力する
１０．ＳＦＳを作成するべく、要求されたＳＯＦを計算する
１１．ＳＨＦ内にＳＯＦを投入し、不所望のヘテロダインをフィルタリングし除去する
１２．ＳＨＦが、電圧ＳＶＳおよび周波数ＳＦＳを有する電力を出力する
１３．デバイスの出力は、ＳＶおよびＳＦと整合するＳＶＳおよびＳＦＳである
【０１２９】
一次および二次入力、出力およびセットポイントを交換することにより、逆パワーフローに対して同じプロセスが適用できる。同じプロセスを各相に適用することにより、３相に対しても使用できる。
【０１３０】
ここで説明した電力制御装置は、ターゲット電圧およびターゲット周波数を有する対応する出力エネルギーを生成するよう、システムによって受信される入力エネルギーの変化に動的かつ急速に応答することができるので、特に有利である。特に、この能力により、出力エネルギーをシステムの負荷によって要求されるエネルギーと一致させることが可能である。また、電力制御装置は双方向であり、それは、例えば一方向に流れるエネルギーグリッドから供給されるエネルギーに対して実行可能であり、反対方向にシステムを通じて流れる再生可能エネルギーソースから供給されるエネルギーに対しても実行可能である。例えば、風の変化および／または有効な太陽光の変化から生じる局所的発電の変化は、固定した負荷に対して相対的に一定の出力を与えるシステムおよびプロセスによって緩和される。同様に、負荷の変化は、対応する仮想エアギャップ変圧器の機能で補償される。もちろんそれは、ゼロの限界によって決定される電圧範囲内で動作し、かつ、各ＶＡＧＴの構成によって決定される個々のＶＡＧＴの磁気コア内の局所的飽和を完成させるように制約される。異なる仮想エアギャップ構成を有するＶＡＧＴの範囲は、所与のアプリケーションに対して、電圧および電力変動性のそれぞれの要求に一致するように製造可能である。
【０１３１】
ここで説明する電力制御装置は、異なるアプリケーションのさまざまなコンテキストで電力を与えるのに使用可能であるが、特に以下で説明するような新しいタイプの配電ネットワークまたはグリッドを効果的に形成するべく、配電ネットワークを通じて分配されるとき、特に有用である。
【０１３２】
［配電ネットワークおよびプロセス］
上述した電力制御装置は、配電ネットワークを形成するべく相互接続可能であり、ここで、電力制御装置の各々の出力は、他の電力制御装置の少なくともひとつの入力、および、電力のひとつ以上の対応するシンク（すなわち、負荷）および／または対応するソース（例えば、ソーラーパネル、ウィンドウファーム、オイルまたはガスタービン等）に接続される。この方法で相互接続される際、電力制御装置は自主的に動作するが、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、ターゲット値にまとめて維持し、電力のシンクおよび／またはソース内の変動を補償する。
【０１３３】
配電ネットワークは、広範囲の発電および消費性能条件のもとで、一つの位置から他の位置へ分配されるべき電力に対して、反応が早くかつ効率的なフレームワークを与える。このフレームワークは、自主的な分散制御のもとで動作し、それにより、配電ネットワークは自己管理され、電気イナーシャのレベルおよび短期負荷バランスが与えられる。
【０１３４】
これは、本質的に任意および未知または少なくとも可変周波数および電圧を有する入力
信号の形式で入力電力を受信するよう、および、所望またはターゲット周波数および所望またはターゲット出力電圧を有する出力信号の形式で出力電力へ入力電気エネルギーを変換するよう、ネットワークを通じて複数の電力制御装置を配置することにより達成される。入力電力は、典型的に時間にわたって変化（すなわち、その周波数および／または電圧特性は時間に依存）し、したがって各電力制御装置は、変換を動的に制御するように動作し、その結果、その出力電力は、所望のターゲット周波数およびターゲット電圧を有し、それ自身もまた時間にわたって変化してよい。
【０１３５】
これらの電力制御装置が伝送および配電ネットワーク（非常に単純なものから非常に複雑なものまで）を通じて、電圧または周波数に対して任意の修正が要求される戦略的位置に分配されるとき、各装置の出力は、給電チェーン内の次の装置への入力を与え、より安定かつより低ノイズの入力電力信号を与える。これにより、発電、消費、または他の理由によって生じたネットワーク撹乱が、配電ネットワークを通じて集まりかつ伝搬することが防止される。これは、続いて、ピークパフォーマンス特性の外側で動作するネットワークから生じる損失を最小化する。
【０１３６】
電力制御装置は、ネットワークからまたはネットワークへ電力を供給および消費するポイントにも配置される。電力がネットワークに投入されるところの位置において、電力制御装置は、有用な電力の最大量がネガティブに影響することのない効率でもって、ネットワークに投入されることを保証する。電力がネットワークから消費されるところの位置において、電力制御装置は、有用な電力の最大量が、無効電力およびネットワーク効率に対するその他のネガティブインパクトを最小化するために消費されることを保証するように動作する。
【０１３７】
本願発明の実施形態は、改善された効率およびレギュレーション（および２つのシステムの電気的絶縁）を分配するべく、電子回路スイッチングの代わりに、高速電磁気経路スイッチングを利用して、力率補正を同時に与えながら、周波数および電圧変換を与えることができる。
【０１３８】
電力制御装置の各々は、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、出力で要求されるよりも高い電気エネルギーを受信したとき、電気エネルギーを格納し、かつ、出力で要求されるよりも小さい電気エネルギー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するためにエネルギーストレージコンポーネントを使用する。
【０１３９】
エネルギーストレージコンポーネントの使用により、ネットワークを通じて異なる位置において、エネルギー要求の小さくかつ急激な変動補償を改善することによって、その位置での電圧および周波数を所望のターゲット値にできるだけ近く維持しつつ、ネットワークはより効率的となることができる。この変動性の低減は、ネットワーク全体を通じたノイズの削減を構成し、損失を減少させ、かつ、効率を改善する。
【０１４０】
本明細書において、特に断らない限り、用語“信号”は、便宜上使用されるものであり、電圧、および、少なくともひとつの基本周波数（ＤＣ電圧の場合にはゼロである）によって特徴づけられる電気エネルギーの形式を言及するものとして広義に解釈されるべきであり、任意の形式の情報が信号によって代表されるかまたは送信されることを必ずしも要求するものではない。それにも関わらず、本願発明のいくつかの実施形態は、符号化された情報の信号通信に関連してもよい。
【０１４１】
図３７に示すように、配電ネットワークまたはグリッドは、以下のネットワークコンポーネントを有する。
（ｉ）電源（システム中に電気エネルギーを投入する任意のもの）
（ｉｉ）負荷（システムからの電気エネルギーを消費する任意のもの）
（ｉｉｉ）それぞれの入力電圧およびそれぞれの入力周波数を有する入力信号の形式で、（直接的に、または、ひとつ以上の他のネットワークコンポーネントを介して）対応する電源から入力電力を受信するべく、かつ、所望またはターゲットの出力電圧および周波数の対応する出力電気エネルギーを生成するべく、ネットワークを通じて分配される、ここで説明するような電力制御回路
【０１４２】
ここで説明するネットワークは電源から負荷へ流れる最適な（または少なくとも改善された）電力を維持するように動作する。例えば、各電力制御装置は、対応するソースから少なくともひとつの対応する負荷へ流れる電力潮流の動的なバランスを保ち、その結果、電源からは常に完璧な負荷が見えており、負荷からは常に完璧なソースが見えている。これは、システムの力率が１であること、すなわち、供給されるエネルギーが使用されるエネルギーに等しい状態を意味する。上述したように、ここで説明した電力制御装置は、さまざまな条件のもとで、この効率を維持するよう、自主的に適応する。
【０１４３】
図３７に示すような複雑なシステムを形成するために、配電ネットワークは、任意の実際数の各ネットワークコンポーネントを有する。電力はソースから負荷に常に流れるが、ここで説明する電力制御装置は双方向であるため、それは、全体的に線形な方法で配置される必要はない。
【０１４４】
ここで説明する電力制御装置の特性は、ネットワーク内のソースおよび負荷が同じ電圧および周波数で動作する必要はないことを意味している（例として、配電ネットワークは、エンドユーザにとって管理可能なレベルで電力を分配しながら、抵抗損失を最小化するべくネットワークを通じて電圧を変化させるように構成可能である）。
【０１４５】
［コントロール］
配電ネットワークは、ネットワーク内に多くの個々に動作するノードを構成すると考えられる分散制御方法を利用する。この文脈において、ネットワーク内のノードは、電気波形がターゲット電圧および／または周波数を達成するよう修正されるところの任意のポイントである。ネットワーク内のこれらのノードの各々は、ここで説明するような対応する電力制御装置を構成する。それは、その出力の電圧、周波数、および力率を動的に変調することができる。
【０１４６】
各電力制御装置は、安定かつ効率的な電力潮流を維持するよう、すぐ近くのネットワークを管理するように自主的な方法で動作する。これは、その入力および出力波形を連続的にモニタリングすることによりなされ、かつ、最適を維持するべく電力潮流を動的に制御する。この制御は、電力制御回路の入力および出力に接続されたイクイップメントに独立なものである。これは、他のイクイップメントの知識または付加的情報入力が要求されないことを意味する。
【０１４７】
各電力制御装置は、システムのその領域内の入力および出力に対して、セットポイントに特有な物理的デザインおよびプログラム可能なオンボード制御システムを有する。複数の電力制御装置ノードがシステム内で組み合わされたとき、ひとつの電力制御装置の出力が他の電力制御装置への入力として、緊急命令が固有に形成される。これは、ネットワークを通じた需要と供給の安定したバランスを維持し、ミリ秒のレベルで電力変動に適応可能である。ネットワークは、付加的な制御システムを必要とすることなく、最適ポイントにおいて連続的に動作することができる。
【０１４８】
［ガバナンス］
ガバナンスは、システムの動作可能な制約内で、エージェント（消費し、生成しかつ分配する会社のエージェント）の意図を達成するためのシステムに対する手続きおよび規則のフレームワークである。
【０１４９】
任意のタイプの命令は、ガバナンスを要求し、分散した選択マシン（本文脈において、電力制御装置である）の緊急命令は、中央制御のもの（従来の配電ネットワークおよび／またはグリッドのようなもの）に対して、異なるオントロジーおよびアーキタイプのガバナンスを要求する。
【０１５０】
可能な最低コストおよび生成の特性および分布と独立して、消費者へのエネルギーの信頼できる供給を維持する意図とともに、ここで説明する配電ネットワークは、動的なバランスで、電圧、周波数、力率およびネットワーク高調波を調整する。配電ネットワークにより、会社は、新規な方法でシステムに対しその意図を達成することができる。既存のグリッドに対する同じ会社の振る舞いは、システムバランスを維持する必要性を有する非常に狭い範囲の動作パラメータ内の指示により中央管理される。電力伝送のキーアスペクトのアクティブマネージメントを管理するルールは、システム製造者および消費者を管理するルールは実質的に少ない制約を有するという結果として、システムエージェントに利用可能な動作パラメータを増加するという意図した結果をもたらす。
【０１５１】
配電ネットワークのガバナンスは、電力制御装置の任意の単一または組みあわせの制御から分離されている。配電ネットワーク内での各電力制御装置の動作および制御は自主的であり、それにより、配電ネットワークは、緊急命令で形成されかつ動作することができる。定義される緊急命令は適応可能であり、システム安定性および最適性の方向へ向かう。
【０１５２】
システムガバナンスは、ネットワーク内のすべてのエージェントおよび装置の共有目標を通じて、すなわち、配電ネットワークのルールのセット内で動作するように分配される。
【０１５３】
［通信］
［一次通信］
ネットワークは、システム内の電力制御装置を通じて制御および変調要求を通信し、かつ、同時使用するために電気波形自身に固有の情報を利用する。
【０１５４】
電気エネルギーは、位相、電圧、電流および周波数を含む多くの変数を有する複合信号である。ネットワーク内の各ノード（すなわち、ここで説明する電力制御装置）は、ネットワークの構成、状態、または、リマインダ要求を知る必要がない。各ノードは、入力および出力をリアルタイムでモニタリングし、かつ、既知の情報の特定のルールのセットに従うことにより、要求されるような制御可能な入力／出力で動作可能である。
【０１５５】
ネットワーク内で、各ノードの出力は、他の入力を形成する。各ノードがその出力を直接制御する場合、この出力は、次のノードに対する入力を与える。情報ソースとして電力波形自身を使用することは、付加的な通信および情報システムの必要性を排除する。すべての必要な情報は、それが要求される時点での入力として、それを要求する位置において利用可能である。
【０１５６】
［二次通信］
既存の技術は、動作電力ケーブルを通じて符号化データを送信することを可能にする。これは、電力波形よりも非常に高い周波数でデータを送信することにより実行される。電力配線がシールドされず、かつ、ねじられていない場合、配線それ自身がアンテナとして機能し、使用される周波数でラジオ波を放出することができる。制限電力広帯域信号がシールドされていない配線に投入されるところの管轄地域（例えば、米国）において、この技術は、電力制御装置間で情報を送信するのに使用される。データは、デバイスの健全性および統計などの状態情報を含むことができる。加えて、情報は電力配線を通じて直接接続されない電力制御装置間で通信可能である。
【０１５７】
［選択マシン］
配電ネットワーク内で動作する電力制御装置は、ネットワーク内の選択マシンとして動作する。アラン・チューリングによって定義された選択マシンの概念は、マシンの動作が構成によって部分的にのみ決定可能であるというものである。
【０１５８】
配電ネットワークは、外部要因がシステム状態、すなわち、システムの入力および出力における発電および消費に直接影響を与えるような複合オープンシステムである。システム内のこれらのポイントの各々は、外部エージェントとして機能し、システム状態に直接影響を与えるものを選択する。この選択は、人間の決定または環境変数を含む多くの形式をとる（発電に影響を及ぼす太陽光または風）。配電ネットワーク内で、この発電および消費エージェントの各々は、選択マシンとしてシステム内で動作する電力制御装置である。それは、ここで説明する他の電力制御装置に接続される。それはまた選択マシンとして作用し、互いに反応する。
【０１５９】
［電気ネットワーク実装］
［概要］
ここで説明するネットワークは、電気用にシステム化され、分配され、かつ、自発的なメタネットワークを構成する。これは、既存の電気ネットワークに一致する定義ではない。それは、分配ピア・ツー・ピア構成において以下のコンポーネントを有する。
・多くの電源
・ネットワークを通じて電力波形を変調するための多くの電力制御装置（またはノード）
・多くの負荷
・電力潮流を可能にするよう上記コンポーネントを接続する電気的導体
【０１６０】
ネットワークは、非効率的な動作および導入されたノイズ、不安定性およびイベントによる、エネルギー損失を最小化し、かつ、最適な力率を維持するために、電気グリッド内のシステム電圧および周波数の短期バランスを与える。ネットワークは、供給または需要のすべての変化に適応し、生成されるバランスは、既存のネットワークが従来の制御方法およびディスパッチャブルな発電を使ってバランスを取るよりも、速い速度でネットワークを通じて伝搬する。これは、ネットワークの非効率および損失の無いシステム内で、非常に高いレベルの分配、変動非同期発電に対するキャパシティを与える。
【０１６１】
［アーキテクチャー］
図４０は、本願発明に従う配電ネットワークの汎用部分のブロック図である。電力潮流が図面の右から左側に流れ、電力制御装置（図示せず）の対応するひとつから入力された電力が、以下の少なくともひとつに接続される。
（ｉ）ひとつ以上の対応するソースＳ０
（ｉｉ）ひとつ以上の対応する負荷ｌ０
（ｉｉｉ）ひとつ以上の対応する他の電力制御装置ＣＡ１，．．ＣＡＮ
すなわち、項目（ｉ）から（ｉｉｉ）の一つのみが一般的ケースにおいて与えられることが要求される。
【０１６２】
ひとつ以上の電力制御装置ＣＡ１，．．ＣＡＮの各々は、もし存在すれば、ここで説明する対応する出力を制御し、その出力は、ネットワークの最も右端に到達するまで、図４０に示す同じ一般的構成を有するネットワークの他の部分の対応する入力へ同様に接続され、その場合出力はひとつ以上の負荷および任意でおよび／またはひとつ以上のソースに接続される。同様に、ネットワークの最も左端には、左方向から入ってくる入力は存在せず、ひとつ以上の対応するソースＳ０が唯一の電源である。従って、図４０に示すネットワークの一般的部分は、ネットワークのビルディングブロックとして考慮され、任意の実際数のビルディングブロックが相互接続することによりネットワークを形成するように与えられ、その結果、右手側にはＮ個の出力が存在し、ビルディングブロックの他の例の対応する入力へ接続される。
【０１６３】
生成ネットワークは、自己管理ピア・ツー・ピア電気ネットワークである。それは、地理的制約、発電および消費プロファイルの任意の組みあわせを有する配電要件に一致する。
【０１６４】
ネットワークの振る舞いは、その内部の電力制御装置の振る舞いから導出され、ネットワークの物理的制約に晒される電気の効率的な双方向分配を与える。ネットワークがグリーンフィールドの位置で実装される場合、それは、要求される発電および供給分配プロファイルの性質に基づいて設計される。
【０１６５】
［動作効果］
［安定性］
ネットワークは、各ノード／電力制御装置において、システム周波数の動的変調を与える。これは、発電入力の性質に対してネットワークをより柔軟にし、従来のネットワークのように、負荷バランスの自己調節を通じて、周波数変化の短期緩和を与えるべく、格納内部エネルギーを導入するために、同期発電には頼らない。その代わり、ここで説明するネットワークは、周波数変化に対して自分自身のイナーシャを有する配電システムとして作用し、ネットワークを通じて分配される電力制御装置の直接ネットワークの効果は、システム周波数を変調し、効率を維持する。
【０１６６】
このイナーシャによって、ネットワークの短期（ミリ秒から秒）周波数安定性に影響がほとんどなく、ネットワークは、ソーラーおよび風力のような増加したレベルの非同期発電を扱うことができる。
【０１６７】
［効率］
ネットワークは、従来の電気ネットワークアーキテクチャーに比べ、より広いレンジの動作条件の下で、改善された効率を有する。この効率ゲインは、不安定（発電および／または消費の短期変動性）レベルが増加するに従い、有意に増加する。
【０１６８】
任意の電気ネットワークは、消費負荷の要求による狭い帯域での動作内で、電力潮流を維持する必要がある。ここで説明するネットワークは、ここで説明する電力制御装置の使用を通じて、電気波形を連続かつ動的に変調し、ピーク効率の近傍に波形を維持する。これは、他のネットワーク管理構成の下で生じる準最適な利用の期間を避けるだけでなく、補償されかつフィルタリングされなければならない電力ネットワーク中へのイベントの切替（補正動作を開始する前に所定の効率限界までネットワークが劣化するのを待つことから生じる）の導入を回避する。
【０１６９】
付加的に、改善された力率を維持することにより、ネットワークイクイップメントは、より狭い帯域の動作用にサイジング可能であり、それがより低い相対的伝送および分配損失を通じて改善された効率に導く。
【０１７０】
［グリーンフィールド実装］
ここで説明する新しい配電ネットワークを、統合および再利用するための既存のイクイップメント無しで実装する際、ネットワークは、電力制御装置および以下で説明するような標準的なネットワークインフラストラクチャーコンポーネントから成る。
【０１７１】
［電気インフラストラクチャーコンポーネント］
これらのコンポーネントは、要求されるようにポイントからポイントへ電力を伝送し、かつ、ネットワークがどのように動作するか、および、電力が消費されるところの対応する物理的位置における予想エネルギー使用の制御クライアント内で可能な最も効率的な配置で設計される。電力潮流が改善された過渡応答により維持されるので、導体イクイップメントは、ネットワーク内の抵抗損失を減少させるべく適切にサイジング可能である。
【０１７２】
電圧、周波数および力率に直接影響を与える以外の理由でネットワーク内で使用される既存の電気イクイップメント（すなわち、回路ブレーカー、アイソレータ等）もまた使用可能である。
【０１７３】
［電力制御装置］
これは、電圧および周波数安定性を維持し、典型的にネットワークを通じて分布する。電力制御装置の位置は、ネットワーク内で最も効率的かつ信頼できる電力潮流を維持するように選択される。特に、電力制御装置は、電力がグリッドに投入されるかまたはグリッドから引き出されるところの各ポイントに配置されるか、ネットワーク内で電力潮流の特性が変化（分配電圧の変化を含む）するところの他の任意のポイントに配置される。
【０１７４】
図４１は、電力制御装置のひとつの実施形態の回路図である。この実施形態において、電力制御装置は、単相シェルタイプの可変エアギャップ変圧器（ＶＡＧＴ）を有し、一次巻き線は中央レッグの回りをＮ１回旋回し、二次巻き線は変圧器の３つのレッグのすべての回りを旋回する。Ｎ２回旋回する二次巻き線の主要セクションは、中央レッグの回りを旋回し、左側レッグの付加的巻き線は中央レッグと同じ方向に巻かれ、右側レッグの巻き線は反対方向に巻かれている。左側および右側レッグの両方は、同数の巻数を有する。コアは対称的であるため、制御がない場合、磁束は２つ経路の間で等しく分割される。左側および右側レッグの巻き線は互いにキャンセルし合い、デバイスに対する効果はゼロである。Ｎ１およびＮ２の巻数比は、電圧変換の比率を与える。
【０１７５】
デバイスの制御は、２つの制御巻き線を使って達成される。これらの２つの巻き線は、それぞれＮｃ回で、かつ、反対方向に巻かれている。電流がこれらの制御巻き線を通過する際、主要磁束経路の二等分の磁気抵抗が対応して修正され、各々を通じて流れる磁束の形状を変化させる。２つの制御巻き線は反対方向に巻かれているので、回廊に対する全効果はゼロである。
【０１７６】
磁束が変圧器の両半分を通じて均等に流れない場合、左側および右側レッグの巻き線のバランスは変更され、それにより、Ｎ１およびＮ２の有効比率、ひいては電圧変換比率が修正される。左側レッグを通じてより多くの磁束が流れれば、Ｎ２は増加する。逆に、右側レッグを通じてより多くの磁束が流れれば、Ｎ２が減少する。この比率の変化は、Ｖ１（一次巻き線の電圧）と独立に、出力電圧Ｖ２（二次巻き線の電圧）を制御する能力を与える。
【０１７７】
この電力制御装置は、出力電圧、入力力率、および出力電圧のプロファイル（すなわち、波形）の３つを制御するのに使用される。説明する実施形態において、制御は、位相同期回路（ＰＬＬ）およびパーク変換を使って達成される。その両方は、当業者に周知の標準的な信号処理方法である。
【０１７８】
位相同期回路は、２つの信号を同じ周波数にロックするのに使用される標準的なエレクトロニクスビルディングブロックであり、例えば、http://www.radio-electronics.com/info/rf-technology-design/pll-synthesizers/phase-locked-loop-tutorial.phpに記載されている。ＰＬＬは、ハードウエアまたはソフトウエアで実装可能であり、ソフトウエアの実装は、http://www.ti.com/lit/an/sprabt3a/sprabt3a.pdfに記載され、ハードウエアの実装は、http://www.ti.com/product/lmx2594に記載されている。
【０１７９】
しかし、図４１に示す実施形態において、電力制御装置のＰＬＬおよび他の制御処理（ここで説明する力率および電圧制御処理を含む）は、https://www.xilinx.com/products/silicon-devices/fpga/kintex-7.htmlに記載されるようなフィールド・プログラマブル・ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）のコンフィギュレーションデータとして実装され、それは、電圧センサ（http://www.eaton.com/Eaton/ProductsServices/Electrical/ProductsandServices/AutomationandControl/SensorsLimitSwitches/PowerSensors/VoltageSensors/index.htm#tabs-1に記載されているようなもの）および電流センサ（http://uk.rs-online.com/web/p/current-transducers/7157970/に記載されているようなもの）に接続されている。
【０１８０】
パーク変換は、ＡＢＣ基準フレームのベクトルを、ＤＱＺ基準フレーム（直軸、二次軸、および、ゼロシーケンス）に変更するのに使用され、直径固定基準フレーム量を、回転基準フレーム量に変換する。パーク変換は概して以下の式のように表される。
Ｖｄ＝Ｖα＊ｃｏｓ（θ）＋Ｖβ＊ｓｉｎ（θ）
Ｖｑ＝Ｖβ＊ｃｏｓ（θ）−Ｖα＊ｓｉｎ（θ）
ここで、Ｖｄ、Ｖｑは、回転基準フレーム量、Ｖα、Ｖβは直交固定基準フレーム量、θは回転角度を表す。
【０１８１】
逆パーク変換は、回転基準フレーム内の量を、直交固定基準フレームに変換する。逆パーク変換は概して以下の式のように表される。
Ｖα＝Ｖｄ＊ｃｏｓ（θ）−Ｖｑ＊ｓｉｎ（θ）
Ｖβ＝Ｖｑ＊ｃｏｓ（θ）＋Ｖｄ＊ｓｉｎ（θ）
ここで、Ｖα、Ｖβは直交固定基準フレーム量、Ｖｄ、Ｖｑは回転基準フレーム量、θは回転角度を表す。
【０１８２】
これは、制御システムソフトウエア内で直接符号化される数学的関数であり、http://www.ti.com/lit/an/bpra048/bpra048.pdf、およびhttps://uk.mathworks.com/help/physmod/sps/powersys/ref/abctodq0dq0toabc.htmlに記載されるような、Ｍａｔｌａｂのようなソフトウエア開発パッケージ内の関数ブロックとして入手可能である。
【０１８３】
［出力電力制御］
電力制御装置は、図４２に示すような電圧制御プロセスを実行することにより、その出力電圧を制御する。プロセスは、二次巻き線上の出力電圧を計測するステップ４２０２で開始される。ステップ４２０４において、直流および二次成分を生成するべく、測定された電圧のパーク変換が実行される。ＰＬＬは、他のすべてとともに、制御システム内のパーク変換に対して、基準移動角度を与え、すべての計算が、同じ時間および位相値で実行されることを保証する。ＰＬＬは、一次コイル（供給電圧Ｖ１）で測定された電圧を基準に計算される。
【０１８４】
ステップ４２０６において、測定された電圧の直流（すなわち、ＤＣ）成分は、所望またはターゲット電圧セットポイントであるＶ２需要の基準電圧と比較される。ステップ４２０８において、ＰＩ（比例積分）制御ループが、Ｖ２需要（すなわち、ターゲット出力電圧）および二次巻き線上の測定された出力電圧（すなわち、負荷Ｖ２）との間のエラー
を使って制御信号を生成するために使用される。
【０１８５】
ステップ４２１０において、ＰＬＬの位相角度基準を使って、ＡＢＣフレームに戻すのに、制御信号の逆パーク変換が実行される。
【０１８６】
ステップ４２１２において、逆パーク変換の出力が制御巻き線内の電圧と比較され、差が、電圧制御ループ（この実施形態においてはＰＩ制御ループである）への入力として使用される。
【０１８７】
ステップ４２１４において、電圧制御ループの出力は、制御巻き線内の電流と比較され、差が、電流制御ループ（この実施形態はＰＩ制御ループである）への入力として使用される。
【０１８８】
ステップ４２１６において、電流制御ループの出力は、出力電圧を補正するべく、制御巻き線へ供給される電気エネルギーを生成するのに使用される。所望の実施形態において、これは、パルス幅変調（ＰＷＭ）コントローラへの入力信号として電流コントローラの出力を使用することにより達成される。このＰＷＭは、２つのチャネルフルブリッジインバータ回路内のＩＧＢＴに作用し、それは、２つの制御巻き線へ電力を与える。
【０１８９】
［力率（ＰＦ）コントロール］
電力制御装置は、図４３に示すような力率制御プロセスを実行することにより、その出力電圧を制御する。プロセスは、一次巻き線の電圧および電流の両方を測定するステップ４３０２で開始される。ステップ４３０４において、測定された電圧および電流のパーク変換が、それぞれの直流および二次成分を生成するべく実行される。この変換は、一次コイルの電圧（供給電圧Ｖ１）を使って測定されたＰＬＬを参照して実行される。
【０１９０】
ステップ４３０６において、力率（ＰＦ）が見積もられる。これは、多くの方法で実行可能であり、最も単純な方法は、電圧と電流との間の位相角度である。力率制御の目的は、一次巻き線上の無効電力をゼロに制御することである。皮相電力は、２つの成分、実効電力および無効電力を有する。装置の出力において分配される皮相電力の目的は、できるだけ実効電力に近づくことであり、それは、無効電力がゼロでありかつ力率が１であることを意味する。
【０１９１】
ステップ４３０８において、見積もった力率とターゲットＰＦ（すなわち、無効電力＝０）の間のエラーは、制御信号を生成するべくＰＩ制御ループによって使用される。
【０１９２】
ステップ４３１０において、ＰＬＬの位相角度基準を使って、ＡＢＣフレームへ戻すために、制御信号の逆パーク変換が実行される。
【０１９３】
ステップ４３１２において、逆パーク変換の出力は、制御巻き線内の電圧と比較され、その結果は、ＰＩ制御ループである電圧制御ループへの入力として使用される。
【０１９４】
ステップ４３１４において、電圧制御ループの出力は、制御巻き線内の電流と比較され、その結果は、ＰＩ制御ループである電流制御ループへの入力として使用される。
【０１９５】
ステップ４３１６において、電流制御ループの出力は、デバイスの力率を最適化するか、少なくとも改善するべく、制御巻き線へ供給される電気エネルギーを生成するのに使用される。説明した実施形態において、これは、パルス幅変調（ＰＷＭ）コントローラへの入力信号として、電流コントローラの出力を使って達成される。
【０１９６】
このＰＷＭは、２つのチャネルフルブリッジインバータ回路内のＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を作動させ、それは、２つの制御巻き線に対して電力を与える。
【０１９７】
［グリッドコントロール］
上述したような二次通信を使って、データは電力制御装置の間の電力配線を通じて送信され、そのデータによって代表される情報は、電力制御装置のチューニングおよびパフォーマンス特性を変更するのに使用される。これは、任意の信号の最適なパフォーマンスのためであり、電力制御装置のひとつは、全体としてネットワークの最適動作でなくてよい。例として、それは、ネットワーク内のいずれかの電力不足の緩和を補助するべく、電力制御装置から下流側の電力潮流を減少させるために要求され、または、その逆である（ネットワークのキャパシティを上昇させ、かつ、過剰電圧トリップの可能性を減少させるのを補助するべく下流側の電力潮流を上昇させる）。
【０１９８】
図４１に示す実施形態において、電力制御装置のパフォーマンスに影響を与える３つのパラメータは、以下のとおりである。
（ｉ）すべてのパーク変換に対して位相を与え、かつ、周波数を変更可能とするＰＬＬ
（ｉｉ）ＰＦ制御要求であるＱｒｅｆ
（ｉｉｉ）ターゲット出力電圧であるＶ２要求
【０１９９】
［ブラウンフィールドでの実装］
以下は、ここで説明するネットワークに対して既存の電気ネットワークを引き継ぐためのイクイップメントサマリの概要である。ネットワークの各ノード／電力制御装置が自主的であるので、個々のノードは、独立して既存の電気ネットワーク内で動作可能であり、付加的なインフラストラクチャーを必要とせず、段階的なロールアウトが可能である。それによりリスクを最小化でき、増加した利益を分配することができる。
【０２００】
各電力制御装置は、電気ネットワーク内の変圧器を直接交換する。同じ物理的電気ネットワークを使用し、ここで説明する付加的な機能に加え、変圧器のすべての機能を与えるため、それは、交換を減少させる。
【０２０１】
付加的な情報システム、ネットワークまたは、他の電気装置は要求されない。ネットワークは、電気を伝送する従来の導電体インフラストラクチャーを利用する。電気ネットワークを適応する際、既存の配線は再利用可能であり、インストールする必要がある新しいインフラストラクチャーの量を最小化する。
【０２０２】
ここで説明するネットワークは、調整および安定化のために、電気ネットワーク内で現在要求される多くの既存の技術を不要とする。これは、電圧、周波数および力率に対する付加的補正作用が要求されないような方法で、電力潮流を微細に制御する、ネットワーク内の電力制御装置によるものである。これは、周波数コンバータ、力率補償器、および高調波フィルタのようなネットワークコントローラを含む。これは、従来の電気ネットワークに比べ、よりロバストで（故障ポイントおよび故障モードの減少により）、建設および維持費が安く、かつ、より効率的なネットワークを与える。
【０２０３】
［使用例］
ここで説明するようなネットワーク内の各電力制御装置は、個別のレベルでそれ自身を通じて電力潮流を制御するように動作する。所望のターゲットレベルで電力を維持する個々の振る舞いを活用するべく、図３９を参照して、電力潮流がネットワークレベルでどのように制御されるかを以下で説明する。
【０２０４】
１．ネットワーク内の各装置は、瞬間的な電圧および電流を通じて、その入力および出力で電力を測定する。装置は、最適な生産性を維持するべくその動作を制御する。
ａ．出力電力が低下し入力電力以下になった場合、装置はその制御を使って補償し、かつ、過剰な電力は装置内に格納され、
ｂ．出力電力が増加し入力電力以上になった場合、装置はその制御を使って補償し、デバイス内に格納された過剰電力が存在すれば、これが補償の一次ソースとなり、補償の二次ソースはここで説明する装置制御によって与えられ、
２．各電源は、その位置においてネットワークの状態を監視し、それがネットワークに直接接続するような装置を有していれば、それがその情報に基づいてネットワーク内への入力を制御し、
３．ネットワーク内の各負荷は、所望どおりに動作する。
【０２０５】
ネットワークが安定状態のままであれば、以下は、動的応答がどのように生じるかの概要を示す。
１．負荷３が増加した場合
ａ．装置３は、その出力の増加を検出し、内部ストレージで補償し、
ｂ．内部ストレージが消耗すれば、装置３の入力側ローカルネットワークは、負荷の増加を見て、
ｃ．以下を平衡に生じさせ、
ｉ．装置２は負荷の増加を見て、内部ストレージにより補償し、
ｉｉ．電源２は、負荷の増加を見て、電力を利用可能かどうかに応答し、
ｉｉｉ．装置４は負荷の増加を見て、もし電源３の電力が負荷４より大きい場合には、装置４は電力で応答し、
ｄ．内部ストレージが消耗したとき、装置２の入力側のローカルネットワークは負荷の増加を見て、
ｅ．装置１は、負荷の増加を見て、内部ストレージによって補償し、
ｆ．内部ストレージが消耗したとき、装置１の入力側のローカルネットワークは、負荷の増加を見る。
【０２０６】
同じ論理アプローチを使って、ネットワークを通じたフローオン効果を含む、ネットワーク内の任意の電源または負荷の増加および減少の場合が説明可能である。
【０２０７】
ここで説明する配電ネットワークは電力潮流内の短期かつ比較的マイナーな変動のみを補償および解決することができることは、当業者にとって明確である。特に、給電の中断および他のメジャーな不具合は、このシステムを使用しても対応できない。
【０２０８】
本願発明の態様から離れることなく多くの修正が可能であることは、当業者の知るところである。
［発明の項目］
［項目１］
配電ネットワークであって、複数の電力制御装置を備え、各前記電力制御装置が、
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、
前記電力制御装置の出力信号の出力電圧および出力周波数を決定するべく、前記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、
少なくともいくつかの前記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、
少なくとも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
を有し、
前記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が、対応する少なくともひとつの他の電力制御装置の入力、および、電力のひとつ以上のシンクおよび／またはソースへ接続されるように相互接続し、その結果、前記電力制御装置は、前記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、ことを特徴とする配電ネットワーク。
［項目２］
各前記電力制御装置は、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される以上の電力を受信したとき、電力を格納し、かつ、その出力において要求される以下の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、ことを特徴とする項目１に記載の配電ネットワーク。
［項目３］
配電ネットワークであって、複数の電力制御装置を備え、各前記電力制御装置が、
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ひとつ以上のエネルギーストレージコンポーネントと、
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、
少なくともいくつかの電力制御装置に対する電源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電力制御装置からの電気エネルギーのシンクとして動作する電力消費コンポーネントと
を有し、
前記電力制御装置は、各前記電力制御装置が、その出力で要求されるよりも高い電力を受信したとき、電気エネルギーを格納し、その出力で要求されるよりも低い電力を受信したとき、そのエネルギーストレージから格納した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するように、相互に接続されかつ自主的に動作し、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形式で、対応する出力電気エネルギーを与える、ことを特徴とする配電ネットワーク。
［項目４］
各前記電力制御装置は、少なくともひとつの一次巻き線、少なくともひとつの二次巻き線、および、前記一次巻き線と前記二次巻き線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入力基本周波数および第１入力電圧を有する第１入力信号を受信するように構成された入力ポートと、
制御コンポーネントであって、前記第１入力信号の前記第１入力電圧および前記第１入力基本周波数を代表する信号を受信し、かつ、前記少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器の制御巻き線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、前記第２巻き線において、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で生成される、ところの制御コンポーネントと、
を有し、
前記電気エネルギー供給システムは、第１入力基本周波数および第１入力電圧を有する第１入力信号の形式の入力電気エネルギーを受信し、かつ、ターゲット周波数およびターゲット出力電圧の対応する第１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、ことを特徴とする項目１から３のいずれか一項に記載の配電ネットワーク。
［項目５］
前記制御コンポーネントは、前記電力制御装置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の前記制御巻き線内の前記電流を制御するように構成されている、ことを特徴とする項目４に記載の配電ネットワーク。
［項目６］
前記制御コンポーネントは、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、
対応する第１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、前記第１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、
前記電力制御装置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の前記制御巻き線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
を実装する項目５に記載の配電ネットワーク。
［項目７］
前記電力制御装置が、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の前記第２巻き線に適応され、前記仮想エアギャップ変圧器の前記一次巻き線において、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、ことを特徴とする項目４から６のいずれか一項に記載の配電ネットワーク。
［項目８］
各前記電力制御装置は、
少なくともひとつの一次巻き線、少なくともひとつの二次巻き線、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）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、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、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、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第２巻き線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の前記制御巻き線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た、コントローラと
を含むことを特徴とする項目１から３のいずれか一項に記載の配電ネットワーク。
［項目９］
各前記電力制御装置は、当該装置が、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入力電力を受信し、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の前記二次巻き線に適応され、前記仮想エアギャップ変圧器の前記一次巻き線において前記第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、ことを特徴とする項目８に記載の配電ネットワーク。
［項目１０］
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、ことを特徴とする項目８または９に記載の配電ネットワーク。
［項目１１］
前記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、前記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、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、ことを特徴とする項目８から１０のいずれか一項に記載の配電ネットワーク。
［項目１２］
前記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、前記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、前記電力制御装置は、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の効率を改善する、ことを特徴とする項目８から１０のいずれか一項に記載の配電ネットワーク。
［項目１３］
前記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含む、ことを特徴とする項目４から１２のいずれか一項に記載の配電ネットワーク。
［項目１４］
項目１から１３のいずれか一項に記載の電力制御装置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修正される際に、少なくともひとつの他の前記電力制御装置の出力を代表する、ところの工程と、
前記電力制御装置が、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
を備える方法。
［項目１５］
前記電力制御装置が、その出力において要求される以上の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、
前記電力制御装置が、その出力において要求される以下の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信号の形式で対応する出力電力を与える工程と
をさらに備える項目１４に記載の方法。
［項目１６］
前記電力制御装置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項目１４または１５に記載の方法。
［項目１７］
前記電力制御装置の仮想エアギャップ変圧器の二次巻き線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と、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との比較に基づいて、前記電力制御装置の前記力率を改善するべく前記制御巻き線内の電流を調節する工程と
をさらに備える項目１４から１６のいずれか一項に記載の方法。
【図１】
2020145921.tif 000007
【図２】
2020145921.tif 000008
【図３】
2020145921.tif 000009
【図４】
2020145921.tif 000010
【図５】
2020145921.tif 000011
【図６】
2020145921.tif 000012
【図７】
2020145921.tif 000013
【図８】
2020145921.tif 000014
【図９】
2020145921.tif 000015
【図１０】
2020145921.tif 000016
【図１１】
2020145921.tif 000017
【図１２】
2020145921.tif 000018
【図１３】
2020145921.tif 000019
【図１４】
2020145921.tif 000020
【図１５】
2020145921.tif 000021
【図１６】
2020145921.tif 000022
【図１７】
2020145921.tif 000023
【図１８】
2020145921.tif 000024
【図１９】
2020145921.tif 000025
【図２０】
2020145921.tif 000026
【図２１】
2020145921.tif 000027
【図２２】
2020145921.tif 000028
【図２３】
2020145921.tif 000029
【図２４】
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【図２５】
2020145921.tif 000031
【図２６】
2020145921.tif 000032
【図２７】
2020145921.tif 000033
【図２８】
2020145921.tif 000034
【図２９】
2020145921.tif 000035
【図３０】
2020145921.tif 000036
【図３１】
2020145921.tif 000037
【図３２】
2020145921.tif 000038
【図３３】
2020145921.tif 000039
【図３４】
2020145921.tif 000040
【図３５】
2020145921.tif 000041
【図３６】
2020145921.tif 000042
【図３７】
2020145921.tif 000043
【図３８】
2020145921.tif 000044
【図３９】
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【図４０】
2020145921.tif 000046
【図４１】
2020145921.tif 000047
【図４２】
2020145921.tif 000048
【図４３】
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【外国語明細書】
2020145921000001.pdf