(57)【要約】  現在のレガシー発電及び配電システムにおいて、多数の混乱を起こさせるテクノロジー及び立法上の影響によって、特に、低電圧（ＬＶ）配電ネットワークに渡る任意のポイントに接続されている、急速に増加している無数の、私的に所有され動作されている、家庭用及び商用分散エネルギー発生（ＤＥＧ）デバイスにより、最終消費者に送出される電力品質は、劣化している。分散エネルギー発生を有する配電システムは、顧客の電力使用ポイント（ＰＯＵ）に取り付けられている、エネルギー処理ユニット（ＥＰＵ）を有する解決を提供することにより、先行技術における、この増加する重大なＤＥＧ問題をバイパスする。また、ＥＰＵの厳密に制御された電圧調整された出力のために、ＣＶＲ効果を利用した動的な電圧制御、無効電力需要の減少、及びピーク需要課金の減少又は排除によって、顕著なエネルギー節約を達成することができる。【選択図】図６
2019536402.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分散エネルギー発生を有する配電システムであって、
配電ネットワークと、
１つ又は複数の使用ポイントのうちの１つにおいてそれぞれが直接取り付けられている、１つ又は複数のエネルギー処理ユニットと
を具備し、
エネルギー処理ユニットのそれぞれは、前記配電ネットワークに接続されている入力接続と、負荷のうちの１つ又は複数に接続されている出力接続と、前記エネルギー処理ユニットが取り付けられている前記使用ポイント中の分散エネルギー発生デバイスとを有し、
前記エネルギー処理ユニットのそれぞれは、前記エネルギー処理ユニット入力における前記配電ネットワーク中の調整されていない入力電圧から、その出力において、前記エネルギー処理ユニット入力において内部のプログラム可能な電圧参照値に基づき、調整された出力電圧を発生させ、
前記エネルギー処理ユニットのそれぞれは、直列電圧制御器を備え、直列電圧調整法を使用して、その調整された出力電圧を発生させ、
前記エネルギー処理ユニットのそれぞれは電気的に双方向であり、前記エネルギー処理ユニットが取り付けられている前記使用ポイント中の任意の分散エネルギー発生デバイスによって発生される過剰エネルギーのエネルギー回収したものを、前記エネルギー処理ユニット入力に、そして、前記配電ネットワーク上に戻すことを可能にし、
前記配電ネットワーク中の前記調整されていない入力電圧が、調整されている上限より上であるとき、前記エネルギー処理ユニットのそれぞれの前記出力接続における前記調整された出力電圧が、継続的なエネルギー回収を可能にし、
前記使用ポイントのそれぞれが、最終消費者の構内又は負荷と前記配電ネットワークの間の接続の単一の回路ポイントである、システム。
【請求項２】
前記エネルギー処理ユニットのそれぞれは、
調整された電圧をその出力で直接的に使用ポイントに供給し；
維持電圧低減（ＣＶＲ）効果によるＫＷエネルギー低減によってエネルギー節約を最適化するために、より正確性の低い出力電圧をセットするか又は動的に制御することを可能とし；
無効電力需要の低減及びピーク需要の課金の低減を最大化し、低負荷下でのエネルギー処理ユニットの効率低下を補償するために、最も遠い１つ又は複数の電源コンセントにおいて配線電圧降下を遠隔的に補償することによって、低出力電圧を可能とし；
各エネルギー処理ユニットの調整電圧出力をそれぞれ増減することによって負荷によって消費されるＫＷ若しくはＫＶＡＲでのグリッドからの総電力需要又はＫＶＡでの総見かけ電力を増減することによって、エネルギー処理ユニットの入力に接続されたグリッド電圧の制御を可能とし；
電力分配ネットワークに沿った個々のエネルギー処理ユニット出力電圧のアレイを遠隔的に増減することによって、負荷の各点においてエネルギー処理ユニットのそれぞれからリアルタイムの電力品質データを送信する双方向通信デジタルネットワークの使用を介して、電力分配ネットワークの全体又は１つ若しくは複数の部分に沿った細かい粒度でのグリッド電圧の制御を可能にする
ように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
各エネルギー処理ユニットは、ピーク需要課金料金を下げるためのＫＷピーク需要を低減又は排除するための再充電可能バッテリーを更に含み；
前記再充電可能バッテリーはバックアップ保存のためには使用されない
請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
エネルギー処理ユニットの各々は、直列電圧調整器を含み、１つ又は複数の電力品質機能のうちの少なくとも１つと組み合わされた直列電圧調整法を用いて、その調整された出力電圧を生成し；
前記１つ又は複数の電力品質機能は、電力ファクター制御と、負荷バランスと、電圧バランスと、高調波補正と、周波数制御とを含む
請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記配電ネットワーク中の調整されていない入力電圧は、公称電圧変化から±２５％、公称電圧アンバランスから±１０％、公称電圧高調波から±１０％、０．９８より多くに補正された低電力ファクター、公称電流アンバランスから±１０％、公称周波数偏差から±５％の許容範囲が許容されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記配電ネットワーク中の前記調整されていない入力電圧は、法定された電力品質標準許容範囲よりも高い許容範囲が許容されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記エネルギー処理ユニットは、発電機及び前記配電ネットワーク中の送電オペレータとのデータ通信のための双方向データ通信手段を装備している、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記エネルギー処理ユニットの各々における前記直列電圧調整器は、直列交流高周波電圧調整器であり、前記直列交流高周波電圧調整器は、
ＡＣ入力電源のＡＣ入力電圧を降圧するためのＡＣ高周波（ＨＦ）直列電圧バック電力調整器トポロジーであって、
第１及び第２の独立制御可能なＡＣ双方向スイッチと、
第１の電力インダクタと、
第１の電力インダクタ電流方向を示す第１の電力インダクタ電流方向データ信号を生成する第１の変流器と
を備えたＡＣ高周波（ＨＦ）直列電圧バック電力調整器トポロジーと；
ＡＣ入力電圧を昇圧するためのＡＣＨＦ直列電圧ブースト電力調整器トポロジーであって、
第３及び第４の独立制御可能なＡＣ双方向スイッチと、
第２の電力インダクタと、
第２の電力インダクタ電流方向を示す第２の電力インダクタ電流方向データ信号を生成する第２の変流器と
を備えたＡＣＨＦ直列電圧ブースト電力調整器トポロジーと；
前記ＡＣ入力電圧、ＡＣ基準電圧、ＡＣ出力電圧、第１の電力インダクタ電流方向データ信号、及び第２の電力インダクタ電流方向データ信号を受信し、前記ＡＣ双方向スイッチのためのスイッチ駆動信号を生成するための制御回路と
を具備している、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記エネルギー処理ユニットの各々における前記直列電圧調整器は、直列交流高周波電圧調整器であり、前記直列交流高周波電圧調整器は、
ＡＣ入力電源のＡＣ入力電圧を降圧するためのＡＣ高周波（ＨＦ）直列電圧バック電力調整器トポロジーであって、
第１の単極パスであって、
それぞれ第１及び第２の独立制御可能な単極スイッチと直列に接続された第１及び第２の整流器を備えた第１のハーフブリッジと、
第１の電力インダクタと
を備えた第１の単極パスと；
第２の単極パスであって、
それぞれ第３及び第４の独立制御可能な単極スイッチと直列に接続された第３及び第４の整流器を備えた第２のハーフブリッジと、
第２の電力インダクタと
を備えた第２の単極パスと
を備えたＡＣ高周波（ＨＦ）直列電圧バック電力調整器トポロジーと；
ＡＣ入力電圧を昇圧するためのＡＣＨＦ直列電圧ブースト電力調整器トポロジーであって、
第３の単極パスであって、
それぞれ第５及び第６の独立制御可能な単極スイッチと直列に接続された第５及び第６の整流器を備えた第３のハーフブリッジと、
第３の電力インダクタと
を備えた第３の単極パスと；
第４の単極パスであって、
それぞれ第７及び第８の独立制御可能な単極スイッチと直列に接続された第７及び第８の整流器を備えた第２のハーフブリッジと、
第４の電力インダクタと
を備えた第４の単極パスと
を備えたＡＣＨＦ直列電圧ブースト電力調整器トポロジーと；
前記ＡＣ入力電圧、ＡＣ基準電圧、及びＡＣ出力電圧を受信し、前記単極スイッチのためのスイッチ駆動信号を生成するための制御回路と
を具備し、
ＡＣ入力電圧の正及び負の半サイクルは、ＡＣＨＦ直列電圧ブースト電力調整器トポロジー又はＡＣＨＦ直列電圧バック電力調整器トポロジーの何れかにおいて、任意の一時点で、別々に且つ独立して処理され、それにより電力の「シュートスルー」を排除する、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記エネルギー処理ユニットの各々における前記直列電圧調整器は、直列交流高周波電圧調整器であり、前記直列交流高周波電圧調整器は、
ＡＣ入力電源のＡＣ入力電圧を降圧するためのＡＣ高周波（ＨＦ）直列電圧バック電力調整器トポロジーと；
バイパス接触器と；
前記バイパス接触器と並列に接続された双方向ＡＣ半導体デバイスと；
前記ＡＣ入力電圧、ＡＣ基準電圧、及びＡＣ出力電圧を受信し、前記バイパス接触器及び前記双方向ＡＣ半導体デバイスのためのスイッチ駆動信号を生成するための制御回路と
を具備し、
前記ＡＣ入力電圧が、選択された最適エネルギー節約設定レベルよりも低下する条件において、前記制御回路が前記条件を検出し、前記双方向ＡＣ半導体デバイスを活性化させ、且つ前記バイパス接触器を移行させる駆動信号を生成し、それによって、前記双方向ＡＣ半導体デバイスが先ず前記直列交流高周波電圧バック電力調整器トポロジーをバイパスし、次いで前記バイパス接触器が閉じて接触し、前記直列交流高周波電圧バック電力調整器トポロジー及び前記双方向ＡＣ半導体デバイスを完全にバイパスする、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記エネルギー処理ユニットの各々は、直列バイパス接触器を更に具備し且つ維持電圧低減法を用いてエネルギー節約を達成し；
前記維持電圧低減法は、
制御されていない入力電圧が制御された上限を上回るときには、直列電圧調整器を通じて、制御されていない入力電圧を通過させることと；
制御されていない入力電圧が制御された上限以下であるときには、前記直列バイパス接触器を通じて、制御されていない入力電圧を通過させることと
を含んでいる、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記エネルギー処理ユニットの各々における前記直列電圧調整器は、直列交流高周波電圧調整器であり、前記直列交流高周波電圧調整器は、
ＡＣ入力電源のＡＣ入力電圧を降圧するためのＡＣ高周波（ＨＦ）直列電圧バック電力調整器トポロジーであって、
第１及び第２の独立制御可能なＡＣ双方向スイッチと、
第１の電力インダクタと、
第１の電力インダクタ電流方向を示す第１の電力インダクタ電流方向データ信号を生成する第１の変流器と
を備えたＡＣ高周波（ＨＦ）直列電圧バック電力調整器トポロジーと；
ＡＣ入力電圧を昇圧するためのＡＣＨＦ直列電圧ブースト電力調整器トポロジーであって、
第３及び第４の独立制御可能なＡＣ双方向スイッチと、
第２の電力インダクタと、
第２の電力インダクタ電流方向を示す第２の電力インダクタ電流方向データ信号を生成する第２の変流器と
を備えたＡＣＨＦ直列電圧ブースト電力調整器トポロジーと；
前記ＡＣ入力電圧、ＡＣ基準電圧、ＡＣ出力電圧、第１の電力インダクタ電流方向データ信号、及び第２の電力インダクタ電流方向データ信号を受信し、前記ＡＣ双方向スイッチのためのスイッチ駆動信号を生成するための制御回路と
を具備している、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記エネルギー処理ユニットの各々における前記直列電圧調整器は、直列交流高周波電圧調整器であり、前記直列交流高周波電圧調整器は、
ＡＣ入力電源のＡＣ入力電圧を降圧するためのＡＣ高周波（ＨＦ）直列電圧バック電力調整器トポロジーであって、
第１の単極パスであって、
それぞれ第１及び第２の独立制御可能な単極スイッチと直列に接続された第１及び第２の整流器を備えた第１のハーフブリッジと、
第１の電力インダクタと
を備えた第１の単極パスと；
第２の単極パスであって、
それぞれ第３及び第４の独立制御可能な単極スイッチと直列に接続された第３及び第４の整流器を備えた第２のハーフブリッジと、
第２の電力インダクタと
を備えた第２の単極パスと
を備えたＡＣ高周波（ＨＦ）直列電圧バック電力調整器トポロジーと；
ＡＣ入力電圧を昇圧するためのＡＣＨＦ直列電圧ブースト電力調整器トポロジーであって、
第３の単極パスであって、
それぞれ第５及び第６の独立制御可能な単極スイッチと直列に接続された第５及び第６の整流器を備えた第３のハーフブリッジと、
第３の電力インダクタと
を備えた第３の単極パスと；
第４の単極パスであって、
それぞれ第７及び第８の独立制御可能な単極スイッチと直列に接続された第７及び第８の整流器を備えた第２のハーフブリッジと、
第４の電力インダクタと
を備えた第４の単極パスと
を備えたＡＣＨＦ直列電圧ブースト電力調整器トポロジーと；
前記ＡＣ入力電圧、ＡＣ基準電圧、及びＡＣ出力電圧を受信し、前記単極スイッチのためのスイッチ駆動信号を生成するための制御回路と
を具備し、
ＡＣ入力電圧の正及び負の半サイクルは、ＡＣＨＦ直列電圧ブースト電力調整器トポロジー又はＡＣＨＦ直列電圧バック電力調整器トポロジーの何れかにおいて、任意の一時点で、別々に且つ独立して処理され、それにより電力の「シュートスルー」を排除する、
請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記エネルギー処理ユニットの各々における前記直列電圧調整器は、直列交流高周波電圧調整器であり、前記直列交流高周波電圧調整器は、
ＡＣ入力電源のＡＣ入力電圧を降圧するためのＡＣ高周波（ＨＦ）直列電圧バック電力調整器トポロジーと；
バイパス接触器と；
前記バイパス接触器と並列に接続された双方向ＡＣ半導体デバイスと；
前記ＡＣ入力電圧、ＡＣ基準電圧、及びＡＣ出力電圧を受信し、前記バイパス接触器及び前記双方向ＡＣ半導体デバイスのためのスイッチ駆動信号を生成するための制御回路と
を具備し、
前記ＡＣ入力電圧が、選択された最適エネルギー節約設定レベルよりも低下する条件において、前記制御回路が前記条件を検出し、前記双方向ＡＣ半導体デバイスを活性化させ、且つ前記バイパス接触器を移行させる駆動信号を生成し、それによって、前記双方向ＡＣ半導体デバイスが先ず前記直列交流高周波電圧バック電力調整器トポロジーをバイパスし、次いで前記バイパス接触器が閉じて接触し、前記直列交流高周波電圧バック電力調整器トポロジー及び前記双方向ＡＣ半導体デバイスを完全にバイパスする、
請求項１１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記第１及び第３の独立制御可能な単極スイッチは、第１のパルス幅変調（ＰＷＭ）信号によって駆動され；
前記第２及び第４の独立制御可能な単極スイッチは、第２のＰＷＭ信号によって駆動され；
前記第１及び第３の整流器は、前記第１のＰＷＭ信号に由来する信号によって制御され；
前記第２及び第４の整流器は、前記第２のＰＷＭ信号に由来する信号によって制御され；
前記第１及び第２のＰＷＭ信号は互いに相補的であり；
前記第１及び第２のＰＷＭ信号は、第１及び第２のＰＷＭ信号の間の調節可能なデッドタイムとオーバーラップしないか、又は、第１及び第２のＰＷＭ信号の間の調節可能なオーバーラップタイムとオーバーラップするかの何れかであり；
前記デッドタイム及び前記オーバーラップタイムは、出力負荷レベルに基づいて動的に調節され；
前記第１及び第２のＰＷＭ信号は、サイクル毎の平均値フィードバック、又は、サイクル毎のＲＭＳ値フィードバックに基づいて制御される、
請求項９に記載のシステム。
【請求項１６】
前記第１及び第３の独立制御可能な単極スイッチは、第１のパルス幅変調（ＰＷＭ）信号によって駆動され；
前記第２及び第４の独立制御可能な単極スイッチは、第２のＰＷＭ信号によって駆動され；
前記第１及び第３の整流器は、前記第１のＰＷＭ信号に由来する信号によって制御され；
前記第２及び第４の整流器は、前記第２のＰＷＭ信号に由来する信号によって制御され；
前記第１及び第２のＰＷＭ信号は互いに相補的であり；
前記第１及び第２のＰＷＭ信号は、第１及び第２のＰＷＭ信号の間の調節可能なデッドタイムとオーバーラップしないか、又は、第１及び第２のＰＷＭ信号の間の調節可能なオーバーラップタイムとオーバーラップするかの何れかであり；
前記デッドタイム及び前記オーバーラップタイムは、出力負荷レベルに基づいて動的に調節され；
前記第１及び第２のＰＷＭ信号は、サイクル毎の平均値フィードバック、又は、サイクル毎のＲＭＳ値フィードバックに基づいて制御される、
請求項１３に記載のシステム。
【請求項１７】
分散エネルギー発生を有する配電システムであって、
各々が１つ又は複数の使用ポイントのひとつに直接設置されている１つ又は複数のエネルギー処理ユニットを具備し；
前記エネルギー処理ユニットの各々は、
ＡＣ入力電源のＡＣ入力電圧を降圧するためのＡＣ高周波（ＨＦ）直列電圧バック電力調整器トポロジーであって、
第１の単極パスであって、
それぞれ第１及び第２の独立制御可能な単極スイッチと直列に接続された第１及び第２の整流器を備えた第１のハーフブリッジと、
第１の電力インダクタと
を備えた第１の単極パスと；
第２の単極パスであって、
それぞれ第３及び第４の独立制御可能な単極スイッチと直列に接続された第３及び第４の整流器を備えた第２のハーフブリッジと、
第２の電力インダクタと
を備えた第２の単極パスと
を備えたＡＣ高周波（ＨＦ）直列電圧バック電力調整器トポロジーと；
ＡＣ入力電圧を昇圧するためのＡＣＨＦ直列電圧ブースト電力調整器トポロジーであって、
第３の単極パスであって、
それぞれ第５及び第６の独立制御可能な単極スイッチと直列に接続された第５及び第６の整流器を備えた第３のハーフブリッジと、
第３の電力インダクタと
を備えた第３の単極パスと；
第４の単極パスであって、
それぞれ第７及び第８の独立制御可能な単極スイッチと直列に接続された第７及び第８の整流器を備えた第２のハーフブリッジと、
第４の電力インダクタと
を備えた第４の単極パスと
を備えたＡＣＨＦ直列電圧ブースト電力調整器トポロジーと；
前記ＡＣ入力電圧、ＡＣ基準電圧、及びＡＣ出力電圧を受信し、前記単極スイッチのためのスイッチ駆動信号を生成するための制御回路と
を備えた直列交流高周波電圧調整器であり、
ＡＣ入力電圧の正及び負の半サイクルは、ＡＣＨＦ直列電圧ブースト電力調整器トポロジー又はＡＣＨＦ直列電圧バック電力調整器トポロジーの何れかにおいて、任意の一時点で、別々に且つ独立して処理され、それにより電力の「シュートスルー」を排除する、
システム。
【請求項１８】
前記第１及び第３の独立制御可能な単極スイッチは、第１のパルス幅変調（ＰＷＭ）信号によって駆動され；
前記第２及び第４の独立制御可能な単極スイッチは、第２のＰＷＭ信号によって駆動され；
前記第１及び第３の整流器は、前記第１のＰＷＭ信号に由来する信号によって制御され；
前記第２及び第４の整流器は、前記第２のＰＷＭ信号に由来する信号によって制御され；
前記第１及び第２のＰＷＭ信号は互いに相補的であり；
前記第１及び第２のＰＷＭ信号は、第１及び第２のＰＷＭ信号の間の調節可能なデッドタイムとオーバーラップしないか、又は、第１及び第２のＰＷＭ信号の間の調節可能なオーバーラップタイムとオーバーラップするかの何れかであり；
前記デッドタイム及び前記オーバーラップタイムは、出力負荷レベルに基づいて動的に調節され；
前記第１及び第２のＰＷＭ信号は、サイクル毎の平均値フィードバック、又は、サイクル毎のＲＭＳ値フィードバックに基づいて制御される、
請求項１７に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
著作権の表示
この特許文書の開示の一部は、著作権保護の対象となる資料を含んでいる。著作権所有者は、特許商標庁の特許ファイル又は記録に記載されている特許書類又は特許開示の何れかによるファクシミリ複製に対して異論はないが、それ以外の場合は、すべての著作権を留保する。
関連特許出願の相互参照
本出願は、２０１６年１０月１７日に出願された米国仮特許出願第１５／２９５，９６７号に対するパリ条約に基づく優先権を主張し、その開示全体を参照により本明細書に援用する。米国仮特許出願第１５／２９５，９６７号は、２０１４年１０月１０日に出願された米国特許出願第１４／５１１，１８７号の一部継続出願（ＣＩＰ）であり、その開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。本出願は、２０１５年９月２９日に発行された米国特許第９，１４８，０５８号、２０１４年１０月１０日に出願された米国特許出願第１４／５６５，４４４号、２０１５年１月１２日に出願されたＰＣＴ国際出願第ＰＣＴ／ＣＮ２０１５／０７０５３８号、及び２０１５年３月１日に出願されたＰＣＴ国際出願第ＰＣＴ／ＣＮ２０１６／０７５１４４号に関連しており、これらの開示の全体を参照により本明細書に援用する。
【０００２】
本発明は、一般的に発電及び配電に関連する。特に、本発明は、分散エネルギー発生（ＤＥＧ）などの、進化するテクノロジー及び立法上の影響による現在のレガシー電気システムの増加する電力品質劣化を解決するための方法及びシステムに関連する。
【背景技術】
【０００３】
多数の混乱を起こさせるテクノロジー及び立法上の影響によって、特に、低電圧ＬＶ配電ネットワークに亘る任意のポイントに接続されている、急速に増加している無数の、私的に所有され動作されている、家庭用及び商用分散エネルギー発生（ＤＥＧ）デバイスにより、現在のレガシー電気システム及びユーザに送出される電力品質は、劣化している。最終消費者に送出される電力品質、特に電圧揮発性、電流及び周波数異常におけるこの増加する劣化は、性能に悪影響し、又は、ユーザ構内の電力システムに接続されている、電気機器、アプライアンス、電子デバイスに損害を与えることさえあり、より広域のＬＶ配電ネットワーク、変電所保護機器、高電圧（ＨＶ）送電グリッド、さらに発電機を損い、混乱させることさえある。
【０００４】
図１を参照する。１８００年代末に開始したレガシー交流（ＡＣ）電力システムは、低電圧コンポーネントにより制限された送電能力を有し、短距離に対するものであった。したがって、中央発電機を有する無数の別々の独立した電力生産者（ＩＰＰ）が生じ、ローカルエリア又はローカル電力アイランドに電力を供給した。戻って、各ローカルエリア又はローカル電力アイランドに対して、電圧の範囲とさまざまな周波数があった。負荷は、主として白熱電気照明を含む単純なものであった。
【０００５】
図２を参照する。ＨＶ絶縁体、スイッチにより、電気テクノロジーが発展すると、送電電圧を増加できるようになり、したがって、長距離に亘って、より高い電力の送出を可能にした。エジソンの初期の２２０ＶＤＣローカルグリッドから、２．３ＫＶＡＣ（１９８３年）の最初のＡＣグリッドまで、電圧レベルは急速に増加し、数年ごとに７６５ＫＶＡＣ（１９６０年代末）まで上昇した。より長い送電グリッドにより、結果として、電力アイランドがオーバーラップし、ビジネスのエリアで競合が始まり、技術的標準規格を競争し、最終的に独占が出現した。増加する電力の使用、疑わしい信頼性、電気産業における増大する競合により、多くの国は、それらの電気産業に対して規制的な制御を制定するように移行した。
【０００６】
米国では、急速に成長する電気産業を規制して、高品質で信頼性のある電力を消費者に送出する目的で、複数のグリッド相互接続が、国に亘って安定性のある電力ネットワークを生成できるようにもするであろう、国の標準規格を生成させることが重要になった。１９９２年の議会で連邦政府は、連邦レベルでのエネルギー電力規制法案を通過させた。したがって、発電機、エンドツーエンドの送電及び配電ネットワークを所有している、中央電力ユーティリティからの電力品質を規制する責任をＦＥＲＣ（連邦エネルギー規制委員会）は負った。その後、１９９６年に、競争を増加させて電力のコストの最適化をするために、ＦＥＲＣは電気産業の規制を撤廃し、さらに、発電、電力の送電及び配電は、法的に別個のエンティティによって行わなければならないと規定した。これは、卸売電力を販売する発電者と送電会社から卸売電力を購入する配電者とによる、送電グリッド上で利用可能な卸売電力に対する競争的なマーケットを生成させた。
【０００７】
１９００年代に、多くの国は、類似した規制を撤廃した、競争的な電力構造を立法化した。米国では、１９６５年の北東の大きな停電の後、ＮＥＲＣ（北米信頼度協議会）を生成させて、システム標準規格及び電力品質信頼性を管理し、施行した。その後再び、２００３年８月１４日の北東及びカナダの別の大きな停電の後、２００７年６月に、連邦政府は、ＦＥＲＣとともに従事するＮＥＲＣによって法的に要求される、送電オペレータへのさらに厳格な規制法及び罰則を通過させた。
【０００８】
図３を参照する。今日に達すると、規制撤廃法案に付随したのはＤＥＧであり、ＤＥＧは、小さな発電機をＨＶ送電グリッドに接続する能力であった。資本コストの下落と結合して、ＣＨＰマイクロタービンや、燃料電池設備や、特に、光起電（ＰＶ）、太陽熱、風等の再生可能エネルギー源などの、発電におけるさらなるテクノロジーの進歩により、家庭用及び商用構内中の私的な所有者は、これらの小さなＤＥＧデバイスの購入及び取り付けを決めた。
【０００９】
これらの小さな、私的に所有され動作されている、家庭用及び商用ＤＥＧデバイスの取り付けは、ここ数年に渡り、フィードインタリフ（ＦＩＴ）制度政策の導入、その後の更新、修正により加速している。ＦＩＴは、送電オペレータがＤＥＧデバイスの所有者に、発生され、エネルギーグリッドに戻されて加えられる過剰電力に対して最低額を支払うように要求している。したがって、現在、無数の私的に所有され動作されている、家庭用及び商用ＤＥＧデバイスが増加した数でローカルＬＶ配電ネットワークに接続されることにより、最終消費者に対する電力品質に大きな影響を生成させるだけでなく、広域の大きなグリッド混乱の現実的な可能性も増加させる。特に、取り付けられるＤＥＧデバイス数が増大することによって発生される追加の電力による、大きな中央ユーティリティの負担軽減によるスピニングリザーブの低減により送電グリッドが損われる機会が増加する。配電ネットワーク及び送電グリッド上に重ねられる、これらの私的に所有され動作されている、家庭用及び商用ＤＥＧデバイスから結果として生じる電圧、電流、及び周波数の異常は、通常、厳しい許容範囲及び長く確立されたレガシー電力仕様に調節されている、システム損傷保護スイッチギアシステムをオフに設定する可能性を増加させる。
【００１０】
さらに、配電ネットワーク上のこれらの増加する電圧のために、調整された電圧制限を超えるとき、ＤＥＧインターフェース制御エレクトロニクスはＤＥＧインターフェースをディ節約ルし、ＤＥＧ設備からの何らかのＤＥＧエネルギー回収を止めるだけでなく、最終消費者に対する何らかのＦＩＴ回収もなくなる。したがって、より多くのＤＥＧインターフェースがローカル配電ネットワーク、例えば、家庭用ＰＶ設備の近隣に沿って接続し、ＤＥＧ設備により配電ネットワークに送出される過剰エネルギーの量のために配電ネットワーク電圧が増加するので、ＤＥＧインターフェース制御エレクトロニクスにより、より多くの数のこれらのＤＥＧインターフェースはディ節約ルされ、エネルギー回収又は最終消費者に対するＦＩＴがなくなるだろう。
【００１１】
電力品質は以下の仕様に基づき定義され、キーパラメータは、ユーザに送出される電力の、一貫し安定した電圧、高調波、及び周波数である。複雑な電気負荷である電気システムに接続されているより多くの電子デバイス及び機器の出現により、特に、米国におけるように、産業よりもむしろ、家庭用及び商用の増加する電力需要により、これらの電子デバイスはより多くの複雑な負荷を電気システムに提供することから、これらは電力不安定性をもたらすことがあり、ＬＶ配電ネットワークからの増加する電力需要により、これらの電子デバイスは一般的に家庭用及び商用構内に位置付けられ、配電ネットワークに亘る負荷や電力ファクターの変化による電圧不安定性を加える。
【００１２】
レガシー中央発電ユーティリティが、発電、エンドツーエンドへの送電及び配電の完全な均衡を所有しているとき、政府及び規制当局により指定され、施行された、立法上の厳しい電力品質にそれらは同意し、満たすことができた。多くの国における電力産業の更なる規制緩和の出現、及びＦＩＴの拡大により、増え続ける個人所有及び運転される家庭用及び商業用の無数のＤＥＧ装置をＬＶ配電網に接続することが可能となり、複雑な負荷を増加させ、電力要因を変化させることにより、電力品質の重大な劣化、特に電圧の不安定性及び顧客の構内に供給される過剰に高い電圧の可能性の増加が生じ、無駄なエネルギーの消費が増加する。
【００１３】
電気機器、電気器具、電子機器、及び特に電気モータはすべて、法制化された電圧及び周波数厳格に設定された従来の規格で最適に動作するように設計されている。これらの電圧及び周波数の異常を受ける電気及び電子デバイスは、設定された厳格な従来の許容範囲外で、誤動作し、性能を劣化させ、損傷し、さらにはエネルギーを浪費する可能性がある。
【００１４】
これらの電力品質標準規格は、特に国々の間の主要な送電グリッド接続の出現により、各国に渡る、さらに世界に渡る、規制標準化の長い歴史を有している。いくつかの国々による電気的ＬＶ配電電源標準規格の例は以下の通りであり、家庭用及び商用ユーザに対するＬＶ配電ネットワークのための公称電圧、電圧許容範囲、公称周波数、周波数許容範囲を参照している。
【００１５】
【表１】
2019536402.tif 000003
【００１６】
現在の標準規格である周波数５０Ｈｚ又は６０Ｈｚを有する、２２０／２３０／２４０ＶＡＣ（２３０ＶＡＣへのより高い配電ネットワーク電圧の傾向がある）のような類似した公称ＬＶ配電ＰＯＵ電圧と、一般的に１１０／１１５／１２０ＶＡＣであるより低い電圧を、多くの国々は有している。一般的に、より高い２２０／２３０／２４０ＶＡＣ電圧に対して５０Ｈｚ、より低い１１０／１１５／１２０ＶＡＣ電圧に対して６０Ｈｚであるが、いくつかの国では、その電力システムの歴史により、どちらかの周波数が使用されている。電圧許容範囲は、±５％／±６％／＋１０、−６％／±１０％で標準化されることがあり、いずれの国においても、最大許容範囲は±１０％に設定されている。
【００１７】
周波数許容範囲は、多くの国において、通常±１％に標準化されており、いくつかの国は、±２％を有しており、これは、許されている最大周波数許容範囲である。
【００１８】
電力品質問題は、特定の規制設定及び強制される制限の範囲外の逸脱した電圧又は周波数に関係する。電圧の大きな問題は以下のものであることがある。
１）急速な電圧変化
２）フリッカを生じさせる低周波数電圧変化
３）不足電圧下降（−１０％未満）
４）過電圧上昇（＋１０％超）
５）過電圧スパイク及びノイズ
６）３位相システムにおける電圧アンバランス
７）電圧及び電流高調波
８）電力ファクター（ＰＦ）−電力ファクターとして言及されるリアクタンス電力アンバランスにより、位相がずれている（ＰＦ＝１の場合、Ｖ及びＩは同位相、ＰＦ＝０の場合、Ｖ及びＩは１８０°位相がずれている）電圧及び電流の位相は、電圧及び電流高調波問題を生成させることがあるだけでなく、電気及び電子機器、特に電気モータにおいて、無駄な電力、不十分な性能、また可能性あるダメージも生成させることがある。
９）各位相が等しくない電流で負荷をかけられている、３位相システムにおける電流アンバランスは、送電及び配電機器問題を引き起こすことがあり、電力品質を劣化させる。
１０）周波数偏差も、電気及び電子デバイスと、トランスと、電気モータの性能及び動作に影響を与えることがある。
【００１９】
これらの電力品質問題のすべてが、ユーザに送出される電力品質を劣化させ、特に、ＰＯＵにおけるＬＶ配電ネットワークに亘る及び通る、電圧を不安定性化させ、現在さらに、無数の私的に所有され動作されている、家庭用及び商用ＤＥＧデバイスが接続され、これらのＤＥＧデバイスにより発生させた過剰電力がローカルＬＶ配電ネットワーク上に負荷をかけている。また、これらの私的に所有され動作されている、家庭用及び商用ＤＥＧデバイスは、性能テスト仕様ＩＥＣ６１２１５（Ｅｄ．２−２００５年）及びＩＥＣ６１６４６（Ｅｄ．２−２００８年）を満たさなければならないが、ＰＯＵにおけるローカルＬＶ配電ネットワーク上で、これらは依然として、広く変化する電圧、周波数、及び急速な電圧変動をセットアップすることがある。これらの家庭用及び商用ＤＥＧデバイスは、小型ＰＶ設備、マイクロ風力、マイクロ水力、ＣＨＰマイクロタービン、ＣＨＰ燃料電池、及び、ことによると将来ではハイブリット自動車である。また、これらの問題は、ＰＯＵにおける電気及び電子負荷中の電力使用の効率を低減させることもある。例えば、電気モータが最適な性能のために設計された電圧よりもより高い電圧で駆動するとき、電気モータは電力を無駄にする。また、ＰＦ方程式において、ＫＶＡＲは電圧の２乗に比例するので、電圧が高いほど、より無駄な無効電力がグリッドによって供給されなければならない。また、発電・配電業界では、使用ピークＫＷに基づいて需要ピークの料金を顧客に請求する動きがある。より高い電圧では、ＫＷピーク需要は増加し、顧客への料金も増加する。
【００２０】
大きな再生可能な、産業ＰＶ、太陽熱、風力及び水力設備は、人口中心、電力ユーザから離れた大規模な物理的エリアを必要とし、したがって、大きな産業設備は一般的に長距離に渡るエンドツーエンドＨＶ送電を必要とすることから、これらの大きな設備は、ユーティリティ発電者により所有され制御されることがあり、したがって、送電オペレータ規制電力品質標準規格を満たし、役割を果たすことができる。
【００２１】
多数の、小さな私的に所有され動作されている、家庭用及び商用ＤＥＧデバイスの利点は、ＬＶ配電ネットワークを通して、ユーザ又はＰＯＵの近くで電力がローカルに発生されることである。しかしながら、これらの私的に所有され動作されている、家庭用及び商用ＤＥＧデバイスの所有者は、これらのＤＥＧデバイスを購入し、取り付け、動作させるが、ローカルＬＶ配電ネットワーク電力品質への影響に対する責任を有していない。たいていのケースにおいて、これらのレガシーローカルＬＶ配電ネットワークは、接続されることになる、多数の家庭用及び商用ＤＥＧデバイスに対して当初は設計されていなかった。したがって、これらの私的に所有され動作されている、家庭用及び商用ＤＥＧデバイスの増加する浸透により、ユーザ電力品質を劣化させるだけでなく、ＬＶ配電ネットワーク上のローカル電力も不安定化させる、規制当局による現実の増加する懸念がある。これに加えられるのは、複雑な負荷の増加する接続、変化する電力ファクター、及び配電ネットワークに亘って変化する負荷である。これは結果として、電圧、電流、又は周波数電気システム安全保護デバイスを損い、電気的混乱及び停電を引き起こすことがある、厳しい許容範囲電気標準規格外の、電圧、電流、又は周波数異常により、大きなエリアに渡り、ＨＶ送電グリッドにまでも、サービスの混乱を増加させる。また、配電網の電圧が上昇し、場合によっては過剰になるため、負荷の効率が低下し、無効電力の吸収量が増加し、現在では顧客がＫＷピーク需要の増加を請求されているため、エネルギーの無駄が大きくなっている。
【００２２】
電力産業及び規制当局は、レガシー電気システムにおけるこの新しく混乱を起こさせる進展に取り組んでいる。この増加する現実問題に対して提案される解決法はすべて、レガシー及び歴史的送電及び配電ネットワーク構造と電力品質許容範囲とを維持することを目的としている。
【００２３】
私的に所有され動作されている、家庭用及び商用ＤＥＧデバイスの増加する浸透の浮上した問題のみを専門とする１つの重要な本は、「電力システムにおいて分散された発生の統合」と題され、マス・ボレン氏とファイナン・フッサン氏によって書かれた。この内容は、その全体が参照によってここに組み込まれている。この本は、ＩＥＥＥによって、ごく最近の２０１１年に出版され、１０年の期間を超える詳細で綿密な研究を表しており、すべてが、電力品質に関する、私的に所有され動作されている、家庭用及び商用ＤＥＧデバイスの混乱を起こさせる進展に関連している。
【００２４】
この本は、４７０の参考文献を有しており、全体的な電力システムにおけるＤＥＧデバイスの混乱を起こさせる影響の増加する重大な態様の詳細に関してその綿密なリサーチにおいて優れている。この問題を解決するために、多くの著者及び機関が類似した解決法を提示しており、この本でも詳細に同じ解決法を完全にカバーしており、すべて、ＨＶ送電グリッド及びＬＶ配電ネットワークを保護し、制御することにより、レガシー電気標準規格電力品質許容範囲を維持することを目的としている。しかしながら、提案されたこれらの解決法のすべては、これらの歴史的な、何十年に渡って長く確立された、厳しいレガシー許容範囲電気産業標準規格を維持するためのみのものであった。多数の私的に所有され動作されている、家庭用及び商用ＤＥＧデバイスの増加する接続の重大な問題を取り扱うために、この深くリサーチされ、詳述された本が、その勧告において最終的に結論付けているのは、デジタル通信ネットワークのレイヤをリンクに追加することにより、ＤＥＧデバイスはＨＶ送電グリッドの制御及び保護に戻り、あるいは、このデジタル通信ネットワークは、配電ネットワークフィーダー上の電圧保護中継器を損なうことを、又は、過電圧結果の場合、ＤＥＧデバイスを切断することを早めることがあるということである。本は、ストレージを追加するさまざまなスキームや、顧客又はＤＥＧデバイスにリザーブをシフトする、追加されたデジタル通信ネットワークのシフトに基づく、他の負荷シフトアクションも提案している。
【００２５】
本は、要求されるであろう、広範囲で精巧なデジタル通信ネットワーク及びソフトウェアアルゴリズムを追加することに伴う、多くのコスト、時間、複雑さの懸念により、別の可能性ある従来の解決法も結論付けており、本の４７０ページの最終パラグラフには「これらの発展した解決法に続き、より強い線又はケーブルを構築する古典的な解決法を忘れるべきではない。しかしながら、新たなタイプの生産の導入は、過去よりも多くのケースにおいて発展した解決法の使用を要求するだろう。古典的な解決法と発展した解決法を組み合わせることにより、電力システムは、分散発生の導入への無用な障壁にならないだろう」と記載されている。
【００２６】
したがって、本の４７０ページのこの最終パラグラフは、特に、ＬＶ配電ネットワーク上の私的に所有され動作されている、家庭用及び商用ＤＥＧデバイスの増加する浸透の懸念と、電気グリッド全体の安定性へのその潜在的で重大な影響とを要約している。彼らは発展したデジタル通信ネットワーク及びソフトウェア解決法（「スマートグリッド」）を提案するが、より多くの銅線を既存のＬＶ配電ネットワークに追加する、単純であるが高額な、従来の物理的解決法も提案しており、従来の物理的解決法は、これらのＤＥＧデバイスが、増加する及び揮発性電力をローカル配電ネットワークに追加するので、現在のＬＶ配電ネットワークにおける線の抵抗を減らすことにより、電力取り扱い能力を増加させ、電圧不安定性を低減するだろう。多数の私的に所有され動作されている、家庭用及び商用ＤＥＧデバイスの接続のこの最近の進展により、これらのＬＶ配電ネットワークは、当初は設計されておらず、確かにこの新たなＤＥＧ問題は、予期されていなかった。
【００２７】
この詳述する本の最終パラグラフは以下のことを明確に強調している。
１）提案するすべての解決法は、電力品質に対する歴史的なレガシーの規制され施行された電気標準規格の現在の厳しい許容範囲を目指し、さらに満たす。
２）ＬＶ配電ネットワークは当初この新たな、混乱を起こさせる電気的な進展を取り扱うように設計されていなかったことから、多数の私的に所有され動作されている、家庭用及び商用ＤＥＧデバイスのローカルＬＶ配電ネットワークへの接続は、重大な問題であり、したがって、これらのＬＶ配電ネットワークを物理的にアップグレードする提案は、この現実的で重大な問題の複雑さを強調している。
３）これの発展した複雑な「デジタル」解決法（「スマートグリッド」）の複雑性、コスト及び時間のために、単に追加の銅線を現在のＬＶ配電ネットワークに追加することが役に立つだろう、と本の最終行は提案している。しかしながら、これはまた、物理的にＬＶ配電ネットワークをアップグレードするためには、とても高額な解決法であり、完成させるのに多くの年数がかかるだろう。  
４）電力品質の劣化及び可能性ある普及した送電グリッドを損うこととともに、現在起こっているこれらの重要な問題により、取り付けが許可されている私的に所有され動作されている、家庭用及び商用ＤＥＧデバイスの数を制限するための立法上の動きがある。
５）本はまた、非常に大きなデジタル通信ソフトウェアネットワークのコストについて誰に責任があるか、ユーザに送出される電力品質について誰に最終的な責任があるかを提案していない。
６）さらに、及びこの最近の進展しているＤＥＧデバイス問題をとりまく、本及び産業におけるすべての提案は、歴史的な、レガシーの、調整された電力品質の厳しい仕様及びフレームワークを維持し、さらに、何十年もの古いレガシー電気システム電力品質の厳しい許容範囲標準規格を満たすことに関して、問題なく完全に受け入れられる基礎となるものである。
【発明の概要】
【００２８】
これまで、産業によって提案された解決法は、実際の成功なく、発電、ＨＶ送電、及び／又はＬＶ配電をターゲットにすることによるＤＥＧの導入に起因する、この増加する重要な問題を解決しようと試行している。しかしながら本発明は、高品質電力を直接各使用ポイント（ＰＯＵ）で直接復元できるように、電力ＰＯＵを直接ターゲット化することにより、問題に取り組む。このように本発明は、厳しく制定され、規制されたレガシー「電気グリッド」を、広い許容範囲を有する、一種の「オープンソース」エネルギーグリッドに変換する。この「オープンソース」エネルギーグリッドにおいて、個々のエネルギー処理ユニット（ＥＰＵ）デバイスは、各最終消費者のＰＯＵに取り付けられている。これらのＥＰＵデバイスは、具体的には、入力上の、電圧、電流、及び周波数バリエーションのとても広い範囲−「汚い電力」を許容するように設計されており、「汚い電力」の入力を処理して、ＰＯＵに直接送出された出力において、清潔な高品質電力を生成させる。本発明はその後、ＨＶ送電オペレータに課された、厳しく規制され、制定されたレガシー電気標準規格を満たすことができるようにしつつ、特にＬＶ配電ネットワークが、増加する数の、私的に所有され動作されている、家庭用及び商用ＤＥＧデバイスを取り扱いできるようにする。また、ＥＰＵ出力電圧を厳密に制御することにより、大幅なエネルギー節約も実現できる。
【００２９】
本文書中の使用ポイント（ＰＯＵ）の具体的な定義は、最終消費者とＬＶグリッドとの間の接続の単一の回路ポイントである。このように、ＥＰＵを、最終消費者ＰＯＵに取り付けることができるが、最終消費者の構内の配電盤、電力接続サービスポイント、交換機室に直接取り付けることに限定されず、最終消費者の構内の内部又は外部の隣接するロケーション中で、あるいは、電柱上で、単一の最終消費者の構内又は負荷への単一回路接続に、遠隔にも取り付けられる。本文書中で規定しているようなＰＯＵは、最終消費者の構内又は負荷とポイントツーポイント接続のためのＬＶグリッドとの間、あるいは、最終消費者による任意の単一の回路接続にあり得る、ＥＰＵが取り付けられている場所であると当業者はとらえるだろう。
【００３０】
最終消費者の具体的な定義は、エネルギーグリッド上のその従来の電力消費者、並びに、エネルギーグリッドに接続されているＤＥＧデバイスの所有者及び／又はオペレータを含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
以下の図を参照して、本発明の実施形態を以下でさらに詳細に説明する。
【００３２】
【図１】図１は、１８００年代末の間の発電及び配電ネットワークを図示している論理ダイヤグラムを描いている。
【００３３】
【図２】図２は、１９００年代の間の発電及び配電ネットワークを図示している論理ダイヤグラムを描いている。
【００３４】
【図３】図３は、ＤＥＧデバイスを有するが、本発明を有していない、今日の発電及び配電ネットワークを図示している論理ダイヤグラムを描いている。
【００３５】
【図４】図４は、本発明の１つの実施形態にしたがって、ＤＥＧデバイスとＥＰＵを有する、発電及び配電ネットワークを図示している論理ダイヤグラムを描いている。
【００３６】
【図５】図５は、本発明の１つの実施形態にしたがって、エネルギー処理ユニットの構成を図示しているブロックダイヤグラムを描いている。
【００３７】
【図６】図６は、グリッド、スマートメータ、電圧調整ＰＯＵ、ハウス配線、及び電気コンセントからの電気接続を示す、例示的な施設（住宅）の論理図を示す。
【００３８】
【図７】図７は、構内のＰＯＵ及び負荷電流に対する電圧を示す例示的なグラフを示す。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下の説明において、発電及び配電及びこれらに類するものの方法及びシステムを、好ましい例として述べる。本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、追加及び／又は置換を含む、改良がなされることは、当業者には明らかだろう。本発明を曖昧にしないようにするために、特定の詳細を省略するが、本開示は、当業者が必要以上の実験をすることなく、ここでの教示を実施できるようにしている。
【００４０】
これらの、私的に所有され動作されている、家庭用及び商用ＤＥＧデバイスがＬＶ配電ネットワークに接続されるようにする、規制撤廃の、電力品質への増加する否定的な影響により、特にＦＩＴに対するさらなる法案、及び多くの国における類似した許可により、これは、電力グリッド（「スマートグリッド」）に対して複雑なデジタル通信ネットワーク及び制御アルゴリズムを追加することで解決しようとされている、重要な産業問題となっている。しかしながら、このアプローチは、高価で、複雑であり、莫大な電力システムを結びつけるには多くの年数がかかるだろう。その間、増加する数の、私的に所有され動作されている、家庭用及び商用ＤＥＧデバイスの配電ネットワークへの接続を可能にする現在の状況を改善せず、増加する追加の複雑な負荷と、配電ネットワークにわたり変化する負荷及び電力ファクターも解決しないだろう。最後に、「スマートグリッド」計画を有する発電及び配電産業は、負荷維持電圧低減（ＣＶＲ）、無効電力ＫＶＡＲ吸収の低減、及びＫＷピーク需要顧客請求の低減を通じた最大のエネルギー節約のために、顧客の構内に非常に近い許容差（＜＝１％）の電圧を供給することができない。
【００４１】
電力産業の多くにより表明された主要な懸念は、増加する数の、私的に所有され動作されている、家庭用及び商用ＤＥＧデバイスが取り付けられているような、全体的な電力システムの安定性である。ＤＥＧデバイス及び一般的な増加する再生可能な設備からＬＶ配電ネットワーク上に発電され、負荷される増加するエネルギーにより、より中心の発電ユーティリティが容量及びスピニングリザーブを低減させるので、ＤＥＧデバイスは、ローカルＬＶ配電ネットワークを低下させるだけでなく、ＨＶ送電グリッドも脅かすことがあるだろう。低減された中心の発電機ユーティリティスピニングリザーブ、及び、広いアレイによりＬＶ配電ネットワークに送出されるより揮発性のあるエネルギーと、増加する数の、私的に所有され動作されている、家庭用及び商用ＤＥＧデバイスとにより、ネットワーク電圧及び周波数を損う増加する機会、ＨＶグリッド障害などの主要な停電の可能性もまた、不十分なスピニングリザーブにより急速に補償できない。
【００４２】
本発明の１つの態様は、無数のタイプの、私的に所有され動作されている、家庭用及び商用ＤＥＧデバイスの重要で増加する問題を完全にバイパスする配電システムである。これらのＤＥＧデバイスは、増加する追加の複雑な負荷、配電ネットワークに亘って変化する負荷及び電力ファクターに結合されている最近のＤＥＧ進化に対して、当初は設計されず、予期すらされていなかった、ＬＶ配電ネットワークに主に取り付けられ、接続されている。これにより、エネルギー消耗電圧が高くなり、消費電力のピーク時消費電力が高くなる。
【００４３】
１つの態様にしたがうと、本発明は、厳しく制定され、規制されたレガシー「電気グリッド」を、広い許容範囲を有する、一種の「オープンソース」エネルギーグリッドに変換する。この「オープンソース」エネルギーグリッドにおいて、個々のエネルギー処理統一（ＥＰＵ）デバイスは、各最終消費者のＰＯＵに取り付けられている。これらのＥＰＵデバイスは、具体的には、入力上の電圧、電流、及び周波数バリエーションのとても広い範囲−「汚い電力」を許容するように設計されており、「汚い電力」の入力を処理して、ＰＯＵに直接送出された出力において、高品質な「清潔な電力」を生成させる。
【００４４】
取り付けられ、接続されることができるＤＥＧデバイスの品質及び数の制限なく、ＬＶ配電ネットワークへのいかなる変化もなしで、各ＰＯＵにＥＰＵを単に取り付けることができる。したがって、ＥＰＵが「汚い電力」を処理して、ＰＯＵ及び顧客の施設において、直接「清潔な電力」を発生させることにより、本発明は、「エネルギーグリッド」への最近の進展が「オープンソースエネルギーグリッド」に進化できるようにする。
【００４５】
例えば、本発明の１つの実施形態にしたがう１つの構成において、＋−２５％の電圧許容範囲を受け入れるようにＥＰＵへの入力を設計することができ、その出力において、＋−２％のＰＯＵで、ＥＰＵに組み込まれている自動電圧調整（ＡＶＲ）により電圧を送出することができる。したがって、例えば、ＬＶ配電ネットワーク電圧許容範囲は＋−２５％まで、送電グリッドは＋−１０％まで、また、ＤＥＧデバイス出力電圧は＋−１０％を満たすまで緩和できる。したがって、ＥＰＵが取り付けられ、配電ネットワーク及びグリッド電力品質揮発性を許容するように電力品質許容範囲が広げられ、顧客ＰＯＵにおいてＥＰＵが厳密に調節された電圧（例：＋−１％の公差）を送出することにより、ＬＶ配電ネットワークに接続できるＤＥＧデバイスの数を制限することなく、増加した配電及びネットワーク安定性、ＰＯＵにおける高レベルな電力品質とともにＤＥＧの革命を継続できる。
【００４６】
また、ＰＯＵに取り付けられたＥＰＵと、増加する数の、私的に所有され動作されている、家庭用及び商用ＤＥＧデバイスの接続による配電ネットワークの増加した揮発性及び安定性の潜在的電力品質問題と、顧客ＰＯＵにおける広い電圧変動性及び広い許容範囲を、非常に厳しい電圧規制許容範囲（例：＋−１％）に修正するＥＰＵとともに、ＬＶ配電ネットワーク、特に、電圧、ＰＦ、高調波、及び電流アンバランスの広い電力品質異常にかかわらず、ＰＯＵにおいてＥＰＵの出力高電力品質は厳しく制御されるので、重要なエネルギー節約おいてさらに追加の利点があり、したがって、重要な電力節約も可能である。
【００４７】
本発明の１つの実施形態にしたがう別の構成において、直列電圧法（Ｓｅｒｉｅｓ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｍｅｔｈｏｄ）により、ＥＰＵの入力における高配電電圧にかかわらず、及び、ＥＰＵの入力における高配電電圧とは独立して、ＥＰＵの出力電圧は、厳しい公称電圧及び許容範囲に調整され、保たれる。また、ＥＰＵは双方向であることから、配電ネットワーク上の高電圧にかかわらず、ＥＰＵの出力に接続されている任意の過剰エネルギーは、その入力に、及び、ＨＶ配電ネットワーク上に戻される。しかしながら、ＤＥＧインターフェースがＥＰＵ出力に接続されているとき、ＤＥＧインターフェース制御エレクトロニクスは、通常の公称調整ＥＰＵ出力のみを知り、感知することから、ＤＥＧインターフェースエレクトロニクスは、十分なエネルギー回収により、通常の動作を継続し、ＤＥＧデバイスの過電圧ロックアウト（ＯＶＬＯ）を決してトリガーしないであろう。このように、本発明のＥＰＵは、ＬＶ配電ネットワーク上の、増加する数のＤＥＧ設備に関係付けられている問題を解決する。
【００４８】
図４は、実際の構内ＰＯＵにも接続されている、ＥＰＵ４０１の出力へのＤＥＧ４０２接続を示している。ＥＰＵ４０１は直列電圧制御器として動作することから、基本的にＤＥＧインターフェースを高配電電圧から「分離」し、ＤＥＧインターフェース及びエネルギー回収は、ＤＥＧ制御エレクトロニクスとして通常動作して、固定され、設定された公称ＥＰＵ調整出力電圧を知る、又は、感知するのみであり、任意の過剰ＤＥＧエネルギーは、配電ネットワーク上の高電圧に関わらず、双方向ＥＰＵを通して配電ネットワークに接続されているＥＰＵ入力に戻され、ユーザに対して通常のＦＩＴを可能にし、ＤＥＧデバイスはＥＰＵの厳密に調整された出力のみを認識するため、ＤＥＧデバイスがオフにされてＯＶＬＯへとトリガーすることはない。
【００４９】
本発明の好ましい実施形態にしたがう別の構成において、ＥＰＵ中に組み込まれる完全なＡＶＲの代わりに、維持電圧低減（ＣＶＲ）を利用して、最大エネルギー節約のために設計することができ、したがって、低電圧ＡＣ電源の条件のもとで、ＥＰＵを、より低コスト及び追加のエネルギー節約のための直列バイパス接触器と組み合わせた電圧減少ＡＣ電圧制御器のみで構成することができる。したがって、設定調整出力電圧までブーストするが、追加のエネルギー節約を失うであろう、完全なＡＶＲを利用するＥＰＵの代わりに、電圧減少ＡＣ電圧制御器を有するＥＰＵが、直列バイパス接触器とともに使用される。例えば、ＥＰＵのこのエネルギー節約最適化構成において、本発明は、ＥＰＵのエネルギー節約を最適化させることと、過電圧及び最適エネルギー節約レベルより上の高ＡＣ入力電圧エネルギー浪費から電気的負荷を保護することにも関連している。入力電源ＡＣ電圧が、選択された最適レベルを下回るケースにおいて、ＥＰＵにおいて完全なＡＶＲが利用されるかのように、完全なＡＶＲは、その内部パワーエレクトロニクスの使用を継続して、低入力ＡＣ電圧を設定し、調整した出力ＡＣ電圧までブーストするだけでなく、ＡＶＲは、入力ＡＣ電源電圧を設定した最適出力エネルギー節約電圧レベルまで増加させる又はブーストするだろう。その後、完全なＡＶＲが低電源入力ＡＣ電圧を増加させる又はブーストすると、入力電流、したがって、入力電力は、増加するので、エネルギー節約は、低入力電源ＡＣ電圧において最適化されないだろう。
【００５０】
本願のこの好ましい実施形態において、入力ＡＣ電源電圧が最適エネルギー節約電圧より下に、又は選択された電圧ポイントよりも低く、降下する場合、ＥＰＵ中の電圧減少パワーエレクトロニクスは、電圧減少ＡＣ電圧制御器内部パワーエレクトロニクス使用を節約するように切り替えられ、より低い電源電圧が直接電気的な負荷に送出されるように直列バイパス接触器はアクティブ化され、したがって、十分な電圧増加ＡＶＲが代替ＥＰＵ構成において使用される場合のケースよりも、さらに多くのエネルギー節約を達成する。本発明の原理は、単一の又は３位相電気システムのような、任意の多位相ＡＣシステムに容易に適用可能である。
【００５１】
例えば、ワールドワイド電気システムにおいて、究極的なＬＶ配電電圧は、一般的に、１１０／１２０ＶＡＣシステム、又は、２２０／２３０／２４０ＶＡＣシステムのいずれかであるが、世界の多くでは、ＬＶ配電電圧に対して公称１２０ＶＡＣ又は２３０ＶＡＣシステムに標準化されている。また、標準化され、立法上の電気システム仕様、特に、家庭用及び商用構内のスイッチボードに送出されることになる配電電圧レベル及び許容範囲がある。例えば、米国において、家庭用及び商用構内に対する標準配電電圧は（ＦＥＲＣ／ＮＥＲＣによって明示されている）１２０ＶＡＣであり、最大＋５％及び最低−５％の電圧許容範囲である。（ＡＳ６００３８によって明示されている）オーストラリア及び（ＥＮ５０１６０によって明示されている）ＵＫのようなより高い電圧２３０ＶＡＣシステムにおいて、許容されている電圧許容範囲は、最大＋１０％及び最低−６％と明示されている。過電圧レベルがより高くなることがあると産業では受け入れられているが、＋１０％の過電圧及び１０％の不足電圧を極限として、依然として受け入れ可能である。しかしながらこれらの極度の及び最大の電圧が電気機器及びアプライアンスに適用されるとき、特に、米国における１２０ＶＡＣ、オーストラリア及びＵＫにおける２３０ＶＡＣのような、公称指定標準電圧に設計されている、電気モータに適用されるとき、追加のより高い使用電圧のためにエネルギーを浪費するだけでなく、最適に実行せず、モータ及びトランスはオーバーヒートし、使用寿命をより短くすることがあり、電気システムに接続されている任意の機器に恒久的に損害を与えることがある。
【００５２】
したがって、米国について言うと、公称１２０ＶＡＣからの、＋５％の最大電圧に対する電圧範囲は１２６ＶＡＣであり、＋１０％の過電圧レベルは１３２ＶＡＣ、−５％の最低は１１４ＶＡＣ、−１０％の不足電圧は１０８ＶＡＣである。米国の送電及び配電オペレータは、１１４ＶＡＣの最低電圧を構内スイッチボードに送出し、家庭用構内におけるアプライアンスのような実際の負荷への、最低１１０ＶＡＣと推定される、別の３．５％の電圧降下を許容すると産業において一般的に受け入れられている。
【００５３】
１２０ＶＡＣの公称電圧から、許容されている電圧許容範囲内の指定範囲の電圧を、ローカル電力アイランド配電ネットワーク上の各家庭用又は商用構内に送出することは、ワイヤ及びシステム導線の電気的抵抗による、配電ネットワークの物理的ワイヤに沿って連続して起こる電圧降下のために、ローカル電力アイランド配電ネットワークへの入力において、より高い電圧を要求する。したがって、典型的に、配電ネットワークローカル電力アイランドの変電所に近い構内は、より高い最大電圧範囲を知り、さらに、ローカル電力アイランド配電ネットワークに沿って、範囲中のより低い電圧を知るだろう。したがって、米国では、公称１２０ＶＡＣローカル電力アイランド配電ネットワークに対して、電圧範囲は、１２６ＶＡＣ又はそれ以上から１１４ＶＡＣ又はそれ以下の範囲であることができる。
【００５４】
オーストラリアやＵＫのような、公称２３０ＶＡＣの国も類似して、公称２３０ＶＡＣローカル電力アイランド配電ネットワーク対して、電圧範囲は、ローカル電力アイランド変電所における２５３ＶＡＣ又はそれ以上から、配電ネットワークに沿って２１６ＶＡＣ又はそれ以下の範囲であることができる。これにより、内部施設又は住宅の配線間で最大５％の電圧降下が可能になる。
【００５５】
したがって、すべての家庭用及び商用構内に対する、送出された電源ＡＣ電圧の許容範囲を最小化するための、ローカル電力アイランド配電ネットワークになされた主要な投資があった。しかしながら、増加する使用及び複雑な電気負荷が、変化する負荷及び電力ファクターに結合されている家庭用及び商用構内に追加されることにより、これは、より難しくなっている。したがって、ＰＯＵにＥＰＵユニットを追加した場合にのみ、顧客のＰＯＵに直接ＥＰＵ出力上の狭い電圧許容差で厳密に調整された電圧により、最大のエネルギー節約のために真の利点を得ることができる。例えば、米国では、現在、家庭用及び産業使用である商用構内により使用される、より多くの電力がある。ＤＥＧに関係付けられている上述した問題により、電力システム複雑性、電圧範囲揮発性、及び特に、過電圧に関して、問題はより一層ひどくなる。
【００５６】
電気及び電子機器並びにアプライアンス、特に電気モータは、米国における１２０ＶＡＣ、他の１２０ＶＡＣの国、オーストラリア、ＵＫにおける２３０ＶＡＣ、及び他の２３０ＶＡＣの国のように、公称指定標準電圧において動作するように具体的に設計されている。公称設計標準電圧を超える電圧は、接続されている電気及び電子機器に損害を与えることがあるだけでなく、公称設計標準電圧を超える電圧は、必要とするより多くのエネルギーを消費し、モータ及びトランスはオーバーヒートすることがある。したがって、一般的に、性能を最適化し、最大エネルギー節約を送出する、最適電圧がある。したがって、例えば、ＣＶＲを利用する最大エネルギー節約に対して最適化されたＥＰＵにおいて、最適エネルギー節約電圧は、公称電源電圧−５％になるように選択され、通常の機器性能を達成し、エネルギー節約を最大化する。したがって、エネルギー節約設定電圧は、公称１２０ＶＡＣシステムに対しては１１４ＶＡＣ、公称２３０ＶＡＣシステムに対しては２２０ＶＡＣであってもよく、又は、他のより低いエネルギー節約電圧を選択でき、これは概念を明確に示すための例にすぎない。また、ＥＰＵの出力電圧は、国ごとの法規制に応じて、施設又は住宅配線で許容される電圧降下を含めて、最大３％から５％の電圧降下まで低く設定することができる。
【００５７】
したがって、本発明のこの好ましい実施形態において、直列バイパス制御器とともに使用する電圧減少ＡＣ制御器のみが必要とされ、電圧減少ＡＣ電圧制御器の出力電圧は、公称１２０ＶＡＣシステムに対する１１４ＶＡＣのエネルギー節約レベルに設定され、２３０ＶＡＣシステムに対しては、２２０ＶＡＣのエネルギー節約レベルに設定され、したがって、極度の又は過電圧の条件のもとで、電圧減少ＡＣ電圧制御器は、選択された設定エネルギー節約電圧における負荷への出力電圧を保つ。入力ＡＣ電源電圧がエネルギー節約設定電圧を下回る条件の下で（この例において、公称１２０ＶＡＣシステムに対して１１４ＶＡＣ、公称２３０ＶＡＣシステムに対して２２０ＶＡＣ）、完全なＡＶＲが使用される場合、その後、完全なＡＶＲは、入力電源電圧を増加又はブーストするために内部電力を使用するだけでなく、設定エネルギー節約電圧を下まわるような、本発明と同じくらい多くのエネルギーを節約せず、制御エレクトロニクスは、低入力ＡＣ電源電圧を感知し、電圧減少ＡＣ電圧制御器をオフにしてパワーエレクトロニクスは内部エネルギーを節約し、直列バイパス接触器をアクティブ化する。したがって、低電源ＡＣ入力電圧を直接負荷に適用し、電圧減少ＡＣ電圧制御器が回路中に接続されているままの場合、電圧降下を最小化し、直列バイパス接触器を通してこの低入力電源ＡＣ電圧が負荷に直接適用されることにより、追加のエネルギー節約が達成される。入力電源ＡＣ電圧が設定エネルギー節約電圧より上のときも、直列電圧接触器をオフにすると、配電ネットワーク上のより高い極度の過電圧に拘らず、電圧減少ＡＣ電圧制御器をアクティブ化して、エネルギー節約レベル別における負荷への出力ＡＣ電圧を調整する。
【００５８】
本発明の別の実施形態において、直列バイパス接触器とともに使用する電圧減少ＡＣ電圧制御器のみを有する特定のエネルギー節約ＥＰＵは、多くの「スマートメータ」において設計されているような標準デジタル通信を組み込んでいる。この方法で、ＣＶＲを利用するエネルギー節約ＥＰＵは、「スマートメータ」デジタル通信のさまざまな標準モードに関して通信する際に、「スマートメータ」として実行し報告するだけでなく、エネルギーを節約し、且つ正確な請求電力データを報告する、「エネルギー節約メーター」と呼ばれることがある。
【００５９】
１２０ＶＡＣシステムに対する１１４ＶＡＣ、２３０ＶＡＣ又は２４０ＶＡＣシステムに対する２２０ＶＡＣの例において、ＥＰＵ出力電圧の最適エネルギー節約レベルへの減少を説明すると、１０％から１５％の節約を達成することができ、完全なＡＶＲを利用するＥＰＵの代わりに、直列バイパス接触器とともに、電圧減少ＡＣ電圧制御器を使用して、この低コストとエネルギー節約ＥＰＵにおける、１２０ＶＡＣシステムにおいて１１４ＶＡＣ、あるいは、２３０ＶＡＣ又は２４０ＶＡＣシステムにおいて２２０ＶＡＣを下まわる低電圧条件のもとで、これらの節約は増加するだろう。本発明は、施設又は住宅配線にわたる内部配線電圧降下を動的に補償することによって、ＥＰＵ出力電圧を最小規定電圧よりも低く設定する能力に関連している。例えば、公称１２０ＶＡＣシステムの場合は１１４ＶＡＣ、公称２３０ＶＡＣシステムの場合は２２０ＶＡＣである。
【００６０】
ＥＰＵは、双方向デジタル通信ネットワークにおいて動作するように設計されていることがあり、これは、ＥＰＵデバイスとＬＶ配電ネットワークの状態を中央ロケーションに通信するように使用されることがある。この送信されるデータは、ＥＰＵデバイスの動作を修正して、ＬＶ配電ネットワーク問題を軽減するように使用されることがあり、また、ＥＰＵ電力アイランドは、そのローカル電力エリアにおいて、「マイクログリッド」（図４中の４０３）として動作するように分離されることがあり、ＬＶ配電ネットワーク上の緩和された電力品質許容範囲のために、ＬＶ配電ネットワーク又はマイクログリッドは、より広い電力品質揮発性で動作することができる一方で、ＰＯＵにおいて、ＥＰＵが「汚い電力」を処理して「清潔な電力」を送出する。より広い電力アイランドエリア上でデジタルデータも使用して、発電機、送電グリッド、ＤＥＧ、ＥＰＵの全体的な対話及び動作を修正し、電力システムの安定性を維持できるが、電力システム上のより広い電力品質許容範囲により、ＥＰＵの設備のために、増加した配電品質揮発性による、より容易な全体システム制御を可能にする一方で、ＥＰＵは依然としてＰＯＵにおいて、高電力品質の「清潔な電力」を送出する。
【００６１】
ＡＣ電源上で電圧を調整するための２つの方法がある。１つは、直列電圧調整によるものであり、調整されていない入力ＡＣ電圧と、パワーエレクトロニクスにより処理された、指定され、固定して調整された出力ＡＣ電圧との間の差動電圧のみにより、ＡＣ入力及びＡＣ出力が「切り離される」。他の方法は、分流調整によるものであり、分流器中に又は電源と並行して、指定された電流を注入することと、高電圧電解キャパシタのような内部記憶デバイスとインターフェースするパワーエレクトロニクスにより、注入された又は吸収された特定の電流のレベルを調節することとにより、ＡＣ電圧を変化させる。したがって、分流調整方法は、電源線インピーダンス又は抵抗にわたって内部記憶デバイスとインターフェースする指定された電流を、駆動又は吸収することによって、ＡＣ電源線電圧を制御する。
【００６２】
本発明の実施形態にしたがうＥＰＵ電圧調整は、米国特許第９１４８０５８号、米国特許出願第１４／５６５４４４号、ＰＣＴ国際特許出願第ＰＣＴ／ＣＮ２０１５／０７０５３８号において開示されている、直列ＡＣ高周波数電圧調整技術を含むがこれらに限定されない、直列電圧調整法による。直列電圧調整法は、分流制御方法に関して主要な利点を有している。分流制御方法は、ＡＣ線インピーダンスがとても低い条件下で電圧差動を変化させるために発電されることになる重要な電流を要求する。ＡＣ線インピータンスは、典型的に１ｏｈｍよりも少なく、多くのケースにおいて、０．１ｏｈｍより少ないこともあり、また、線条件に依存して変化する。したがって、分流調整方法は、十分な電流を低線インピーダンスに駆動し、広い範囲に亘って電圧を調整し、いくつかのケースでは、十分な電流を発電又は吸収できないとても低い線インピーダンスにより、要求された電圧に補正する、その能力において、非効率であり、限られている。本発明で使用するような、直列電圧調整法は、とても有効であり、分流器構成に対して必要な、信頼できない高電圧電界キャパシタのような、内部記憶デバイスを必要とせず、入力ＡＣ電圧のとても広い範囲に亘ってＡＣ出力電圧を調整でき、線インピーダンスとは独立しており、スタンドアローンＡＣ直列電圧調整ＡＶＲとして独立して動作できる。
【００６３】
一実施形態では、各エネルギー処理ユニット内の直列電圧制御器は、米国特許第９，１４８，０５８号、米国特許出願第１４／５６５，４４４号、又はＰＣＴ国際出願第ＰＣＴ／ＣＮ２０１５／０７０５３８号に定義されている直列交流高周波電圧制御器である。上述の直列電圧制御器の様々な実施形態は、以下によってさらに特徴付けられる：
１）第１及び第３の独立制御可能なスイッチは、第１のパルス幅変調（ＰＷＭ）信号によって駆動される；
２）第２及び第４の独立制御可能なスイッチは、第２のＰＷＭ信号によって駆動される；
３）第１及び第３の能動整流器は、第１のＰＷＭ信号から得られる信号によって制御される（該当する場合）；
４）第２及び第４の能動整流器は、第２のＰＷＭ信号から得られる信号によって制御される（該当する場合）；
５）ここで、前記第１及び第２のＰＷＭ信号は互いに相補的である；
６）ここで、前記第１及び第２のＰＷＭ信号は、第１及び第２のＰＷＭ信号の間の調節可能なデッドタイムとオーバーラップしないか、又は、第１及び第２のＰＷＭ信号の間の調節可能なオーバーラップタイムとオーバーラップするかの何れかである；
７）ここで、前記デッドタイム及び前記オーバーラップタイムは、出力負荷レベルに基づいて動的に調節することができる；
８）ここで、前記第１及び第２のＰＷＭ信号は、サイクル毎の平均値フィードバック、又は、サイクル毎のＲＭＳ値フィードバックに基づいて制御される。
【００６４】
図５は、本発明の１つの実施形態にしたがう、ＥＰＵの構成を示しており、以下の表は、前述の電力品質問題を取り扱う、その動作パラメータをリストアップしている。
【表２】
2019536402.tif 000004
【００６５】
別の実施形態では、顧客ＰＯＵに直接供給されるＥＰＵ出力において厳密に調節された電圧によるエネルギー節約、及び、ＥＰＵが非常に厳密に制御された電圧耐性（例えば＜１％）を供給できること（他のいかなる形態の配電電圧調整でも、極から顧客のＰＯＵにそのような厳しい許容電圧を供給することができない）により、ＥＰＵの出力において電圧を動的に制御することによって、更に大きなエネルギー節約を達成することができる。内部配線の間で許容される立法化された最大電圧降下（例えば、米国では最大３％、オーストラリアでは最大５％）が存在するので、ＥＰＵの出力における電圧を、遠隔通信手段（例えば、ＷｉＦｉ、Ｚｉｇｂｅｅ、ＬｏＲａ、Ｓｉｇｆｏｘ、その他の適切なホームエリアネットワーキング（ＨＡＮ）、電力線通信（ＰＬＣ）などに基づくワイヤレスモジュール）によって設備又は家の最も遠い１つ又は複数の電源コンセントに遠隔設定することができる場合（例えば図６参照）、１つ又は複数の電源レセプタクルにおける電圧は、家の配線の負荷が変化すると、ＥＰＵの出力電圧が動的に変化して家の配線の間で最小電圧を許容するように、その電圧読取り値を連続的に送信することができる。例えば、米国では、遠隔主電源コンセント電圧を例えば１１０ＶＡＣ以下に設定することができ、その電圧の遠隔感知及び通信は、最大のエネルギー節約のために主電源コンセントで１１０ＶＡＣ以下の電圧を維持するようにＥＰＵの出力を動的に変化させる。
【００６６】
更に別の実施形態では、顧客ＰＯＵに直接供給されるＥＰＵ出力において厳密に調節された電圧によるエネルギー節約、及び、ＥＰＵが非常に厳密に制御された電圧耐性（例えば＜１％）を供給できること（他のいかなる形態の配電電圧調整でも、極から顧客のＰＯＵにそのような厳しい許容電圧を供給することができない）により、ＥＰＵの出力において電圧を動的に制御することによって、更に大きなエネルギー節約を達成することができる。内部配線の間で許容される立法化された最大電圧降下（例えば、米国では最大３％、オーストラリアでは最大５％）が存在するので、この好ましい実施形態では、図７を参照すると、ＥＰＵの内部制御システムが、設備又は居住負荷電流を検出し、それにより、内部設備又は居住配線の電圧降下が増加するので、電流が増加するにつれて、ＥＰＵの出力も増加し、設備内の増加する電圧降下を補償する。図７は、２３０ＡＣ公称電圧システムの例として、負荷に対する線形の電圧変化（但し他のいかなる形であり得る）を示し、全負荷に対して最大３％及び５％の電圧調整を示す。当業者であれば、負荷電流を使用してＥＰＵの出力電圧を制御して内部配線電圧降下を補償するだけでなく、ＥＰＵの出力電圧を追加のエネルギー節約及び低負荷下でのＥＰＵの効率の低下に対する補償のために規定された最小電圧よりもさらに低い電圧に設定することを可能にする、顧客ＰＯＵにおけるＥＰＵの適応電圧制御である、本発明の中核原理を否定することなく、負荷に対して異なる電圧（線形又は非線形）及び耐性を使用することができる。
【００６７】
さらに別の実施形態では、顧客ＰＯＵに直接供給されるＥＰＵの出力における厳密に調整された電圧によるエネルギー節約は、負荷によるＫＷの減少、維持電圧低減（ＣＶＲ）効果によるエネルギー節約であるばかりでなく、無効電力が印加電圧の二乗に比例するのでＫＶＡＲも減少し、ＫＷピークにおける実電力も減少する。したがって、一部の国では顧客にピーク需要税として請求されているピーク需要も削減され、顧客への請求額は、負荷、アプリケーション、及び請求システムに応じて、典型的には最大７％削減される。さらに、この実施形態では、ピーク需要をさらに減少させるために、バックアップ記憶のためではなく、可能な限り小さく、かつピーク需要（即ち顧客への請求）をさらに減少させるだけの十分な容量だけに特別に設計された小型の再充電可能な電池が追加される。例えば、小さな家やコンドミニアムなどの多くの用途では、１ＫＷＨｒ又は２ＫＷＨｒ未満の小さな再充電可能な電池は、実際にストレージをバックアップするのに十分な大きさではなく、またそれを目的としていないが、容量は非常に限られており、ピーク需要を除去又は大幅に削減するためだけにＥＰＵに組み込まれ、顧客の請求ピーク需要料金を削減するのみである。
【００６８】
さらに別の実施形態では、顧客ＰＯＵに直接供給される各ＥＰＵの出力におけるより低い厳密に調整された電圧によるエネルギー節約は、負荷によるＫＷの低減によってエネルギー節約が達成されるだけでなく、維持電圧低減（ＣＶＲ）効果及び低減ＫＶＡＲによってもエネルギー節約が達成される。無効電力は印加電圧の２乗に比例するので、グリッドからの全見かけ電力ＫＶＡ需要は、ＥＰＵの低減された出力電圧において、ＫＷにおける実際の電力消費の負荷及びＫＶＡＲにおける無効電力の低減によって減少する。また、顧客ＰＯＵに直接供給される各ＥＰＵの出力におけるＥＰＵの厳密に調整された電圧を増加させることによって、逆の動作を達成することができる。このようにして、維持電圧低減（ＣＶＲ）効果の逆の負荷によるＫＷの増加によって負荷が消費するエネルギーが増加するだけでなく、無効電力が印加電圧の二乗に比例するので、グリッドからの全見かけ電力ＫＶＡ需要は、ＥＰＵの増加した出力電圧における実電力ＫＷの実電力消費の負荷及びＫＶＡＲの無効電力の増加によって増加する。したがって、ＥＰＵ出力電圧のデジタル通信及び制御システムに対するローカル又はリモート制御によって、又は好ましくは分配ネットワークを横切って又はそれに沿ってアレイ内の複数のＥＰＵとしての１つ又は複数のＥＰＵに対する制御によって、これらのＥＰＵの出力電圧を変化させることにより、グリッドからのＫＶＡにおける総電力需要を変化させ、それによってグリッド電圧を変化させる。
【００６９】
グリッド電圧は、より低いＫＷ及びＫＶＡＲ、又は各ＥＰＵの負荷出力点で接続された負荷によるより低い電力消費によるグリッドからの総ＫＶＡ要求に起因して、より低いＥＰＵ出力電圧で増加させることができる。或いは、グリッド電圧は、より高いＫＷ及びＫＶＡＲ、又はＥＰＵ出力の負荷点で接続された負荷によるグリッドからの総ＫＶＡ要求に起因して、より高いＥＰＵ出力電圧で減少させることができる。したがって、配電網を横切って又は配電網に沿って（デジタル通信網経由で）遠隔制御されたＥＰＵのアレイを用いて、ＥＰＵの出力電圧を変化させることによって、グリッドからの電力需要の変化に起因して、グリッド電圧を制御及び変化させることが可能である。また、双方向デジタル通信ネットワークを介して、各ＥＰＵから、負荷の各地点で監視され、ＳＣＡＤＡ又は配電制御室に送信される電力品質データのリアルタイムの高解像度及び微細粒度によって、双方向デジタル通信ネットワークを介してネットワークを横切って又はネットワークに沿って個々のＥＰＵ出力電圧を調整することにより、グリッド電圧を、すべての種類及びサイズの配電ネットワーク及びマイクログリッドを含み得るが、これに限定されない、配電ネットワークの全体又は部分に沿って、リアルタイムで微細に調整することもできる。
【００７０】
本明細書に開示される実施形態は、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラム可能なゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、及び本開示の教示に従って構成又はプログラムされた他のプログラム可能な論理デバイスを含むがこれらに限定されない、汎用又は特殊化されたコンピューティングデバイス、コンピュータプロセッサ、又は電子回路を使用して実施されてもよい。汎用又は特殊なコンピューティングデバイス、コンピュータプロセッサ、又はプログラム可能な論理デバイスで実行されるコンピュータ命令又はソフトウェアコードは、本開示の教示に基づいて、ソフトウェア又は電子技術分野の当業者によって容易に作成することができる。
【００７１】
いくつかの実施形態では、本発明は、コンピュータ又はマイクロプロセッサをプログラムして本発明の任意のプロセスを実行するために使用することができるコンピュータ命令又はソフトウェアコードを格納したコンピュータ記憶媒体を含む。記憶媒体は、フロッピーディスク、光ディスク、ブルーレイディスク、ＤＶＤ、ＣＤ−ＲＯＭ、及び光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリデバイス、又は命令、コード、及び／又はデータを記憶するのに適した任意のタイプの媒体又はデバイスを含むことができるが、これらに限定されない。
【００７２】
本発明の上述の説明は、実例及び説明の目的で提供されている。本開示を開示した正確な形態に網羅的にする又は限定することは意図していない。多くの改良及びバリエーションが当業者に明らかであろう。
【００７３】
本発明の原理及びその実用的な使用を最も説明し、それにより、さまざまな実施形態に対して、及び、企図されていない特定の使用に適したさまざまな改良について、当業者が本発明を理解できるようにするために、実施形態を選択し、説明した。本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲及びその均等物により規定されると意図されている。
【図１】
2019536402.tif 000005
【図２】
2019536402.tif 000006
【図３】
2019536402.tif 000007
【図４】
2019536402.tif 000008
【図５】
2019536402.tif 000009
【図６】
2019536402.tif 000010
【図７】
2019536402.tif 000011
【国際調査報告】
2019536402.tif 000012
2019536402.tif 000013
2019536402.tif 000014