(57)【要約】  電気分配システムまたはグリッドに供給されるべき電力の交流周波数を調整するための方法が特徴付けられる。そのような方法は、1つ以上のフライホイールエネルギー格納システムを含むエネルギー格納サブシステムを、電気分配ネットワークに電気的に結合することを含む。そのような方法論を実現する、または本発明のそのような方法論の実施に使用するためのデバイス、システム、および装置としても特徴付けられる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
1つ以上の電気的負荷および1つ以上の電源に接続される電力分配ネットワークに分配される電力の交流周波数を制御するための方法であって、前記周波数制御方法が、
1つ以上のフライホイールエネルギー格納システムを含むエネルギー格納サブシステムを、前記電気分配ネットワークに電気的に結合するステップと、
前記1つ以上の電源によって出力される全電力、および前記1つ以上の負荷によって課される全負荷に応答して、前記フライホイールエネルギー格納システムそれぞれの動作を制御するステップであって、前記電気格納サブシステムが、所望の交流周波数であるかまたはほぼ所望の交流周波数であるように、前記電気分配ネットワークに分配される前記電力の交流周波数を調整するように、前記電気分配ネットワークにある量の電気エネルギーを出力する、前記フライホイールエネルギー格納システムそれぞれの動作を制御するステップとを含む周波数を制御するための方法。
【請求項２】
前記制御するステップは、前記1つ以上の電源によって出力される前記全電力が、前記1つ以上の負荷によって課される前記全負荷を超えるとき、前記エネルギー格納サブシステムによって前記電気分配ネットワークに出力される電力量を、所定の量に低減するように、かつ、出力される前記全電力が前記全負荷未満であるとき、前記エネルギー格納サブシステムによって前記電気分配ネットワークに出力される電力量を、他の所定の量だけ増大することによって、前記フライホイールエネルギー格納システムそれぞれの動作を制御することを含み、前記所定の量および前記他の所定の量は、前記全電力と前記全負荷との間の差異を評価することによって決定される請求項1に記載の周波数を制御するための方法。
【請求項３】
前記全電力と前記全負荷との間の前記差異が、周期的に決定され、前記制御するステップは、前記周期的に決定された差異に応答して、前記1つ以上のフライホイールエネルギー格納システムそれぞれの動作を制御することを含む請求項2に記載の周波数を制御するための方法。
【請求項４】
前記1つ以上の電源によって出力される前記全電力と前記1つ以上の負荷によって課される前記全負荷との間の差異を決定するステップをさらに含み、
前記制御するステップが、
前記所定の差異が負の値であるときに、1つ以上のフライホイールエネルギー格納システムによって出力される電力を増大すること、または
前記所定の差異が正の値であるときに、1つ以上のFESSエネルギー格納サブシステムによって出力される電力を低減することの一方によって、
所望の値でまたはほぼ所望の値で交流周波数を維持するように、前記エネルギー格納サブシステムの各フライホイールエネルギー格納システムの動作を制御することを含む請求項1に記載の周波数を制御するための方法。
【請求項５】
前記電気的に結合するステップが、複数のエネルギー格納サブシステムを前記電気分配ネットワークに電気的に結合することを含み、前記複数のエネルギー格納サブシステムそれぞれは、複数またはより多くのフライホイールエネルギー格納システムを含む請求項1に記載の周波数を調整するための方法。
【請求項６】
前記エネルギー格納サブシステムは、10個またはより多くのフライホイールエネルギー格納システム、あるいは10個またはより少ないフライホイールエネルギー格納システムを含む請求項1に記載の周波数を調整するための方法。
【請求項７】
前記複数のエネルギー格納サブシステムそれぞれは、10個またはより多くのフライホイールエネルギー格納システム、あるいは10個またはより少ないフライホイールエネルギー格納システムを含む請求項5に記載の周波数を調整するための方法。
【請求項８】
前記エネルギー格納サブシステムは、さらに調節可能な負荷を含み、前記制御するステップは、前記電気格納サブシステムが、前記交流周波数を調整するために前記量の前記電気エネルギーを出力するように、出力される前記全電力および全負荷に応答して、前記フライホイールエネルギー格納システムそれぞれおよび前記調節可能な負荷の動作を制御することを含む請求項1に記載の周波数を調整するための方法。
【請求項９】
前記制御するステップは、前記交流周波数を調整するために、前記電気分配ネットワーク内に電力を注入すること、または前記電気分配ネットワークから電力を吸収することの一方を行うように、前記フライホイールエネルギー格納システムそれぞれおよび前記調節可能な負荷の動作を制御することを含む請求項8に記載の周波数を調整するための方法。
【請求項１０】
前記制御するステップは、決定された電力量が、前記電気分配ネットワークに対して前記システムによって出力されるように前記調整可能な負荷から逸らされるように、前記フライホイールエネルギー格納システムそれぞれおよび前記調節可能な負荷の動作を制御することを含む請求項9に記載の周波数を調整するための方法。
【請求項１１】
前記制御するステップは、決定された電力量が、また前記複数のフライホイールエネルギー格納システムから出力され、したがって前記電気分配ネットワークに対して前記システムによって出力されるように、前記フライホイールエネルギー格納システムそれぞれおよび前記調節可能な負荷の動作を制御することを含む請求項10に記載の周波数を調整するための方法。
【請求項１２】
前記制御するステップは、決定された電力量が、前記電気分配ネットワークから前記調節可能な負荷によって吸収されるように、前記フライホイールエネルギー格納システムそれぞれおよび前記調節可能な負荷の動作を制御することを含む請求項9に記載の周波数を調整するための方法。
【請求項１３】
前記制御するステップは、決定された電力量が、また前記電気分配ネットワークから前記複数のフライホイールエネルギー格納システムによって吸収されるように、前記フライホイールエネルギー格納システムそれぞれおよび前記調節可能な負荷の動作を調整することを含む請求項12に記載の周波数を制御するための方法。
【請求項１４】
1つ以上の電気的負荷および1つ以上の電源に接続される電力分配ネットワークに分配される電力の交流周波数を調整するための交流周波数調整システムであって、前記システムが、
前記電気分配ネットワークに電気的に結合される複数またはより多くのフライホイールエネルギー格納システムと、
前記フライホイールエネルギー格納システムそれぞれに動作可能に結合され、かつ前記システムに対して外部で生成された周波数調整信号に応答するコントローラとを備え、
前記コントローラが、前記周波数調整信号に応答して、前記複数またはより多くのフライホイールエネルギー格納システムそれぞれの動作を制御するように構成されかつ配置され、前記システムが、所望の交流周波数であるまたはほぼ所望の交流周波数であるように、前記電気分配ネットワークに分配される前記電力の交流周波数を調整するように、前記電気分配ネットワークにある量の電気エネルギーを出力すること、または前記電気分配ネットワークからある量の電気エネルギーを吸収することの一方を行う交流周波数調整システム。
【請求項１５】
前記複数またはより多くのフライホイールエネルギー格納システムは、アレイを形成するように配置され、前記複数またはより多くのフライホイールエネルギー格納システムの前記アレイは、前記アレイが、電力を出力することまたは電力を吸収することの一方を行うように、前記コントローラによって制御される請求項14に記載の交流周波数調整システム。
【請求項１６】
前記システムは、さらに前記コントローラに動作可能に結合された調節可能な負荷を備え、前記コントローラは、前記調節可能な負荷および前記複数またはより多くのフライホイールエネルギー格納システムの一方を制御するように構成されかつ配置され、前記システムは、前記周波数調整信号に応答して、選択的に電力を出力するかまたは電力を吸収する請求項14に記載の交流周波数調整システム。
【請求項１７】
前記システムは、さらに前記コントローラに動作可能に結合された調節可能な負荷を備え、前記コントローラは、前記調節可能な負荷および前記複数またはより多くのフライホイールエネルギー格納システムの前記アレイの一方を制御するように構成されかつ配置され、前記システムは、前記周波数調整信号に応答して、選択的に電力を出力するまたは電力を吸収する請求項15に記載の交流周波数調整システム。
【請求項１８】
前記コントローラは、決定された電力量が、前記電気分配ネットワークに対して前記システムによって出力されるように前記調整可能な負荷から逸らされるように、前記調節可能な負荷および前記複数またはより多くの前記フライホイールエネルギー格納システムを制御する請求項16に記載の交流周波数調整システム。
【請求項１９】
前記コントローラは、決定された電力量が、前記電気分配ネットワークに対して前記システムによって出力されるように前記調整可能な負荷から逸らされるように、前記調節可能な負荷および前記フライホイールエネルギー格納システムのアレイを制御する請求項17に記載の交流周波数調整システム。
【請求項２０】
前記コントローラは、決定された電力量が、また前記複数のフライホイールエネルギー格納システムから出力され、したがって前記電気分配ネットワークに対して前記システムによって出力されるように、前記調節可能な負荷および前記複数またはより多くの前記フライホイールエネルギー格納システムを制御する請求項18に記載の交流周波数調整システム。
【請求項２１】
前記コントローラは、決定された電力量が、また前記フライホイールエネルギー格納システムのアレイから出力され、したがって前記電気分配ネットワークに対して前記システムによって出力されるように、前記調節可能な負荷および前記フライホイールエネルギー格納システムのアレイを制御する請求項19に記載の交流周波数調整システム。
【請求項２２】
前記コントローラは、決定された電力量が、前記電気分配ネットワークから前記調節可能な負荷によって吸収されるように、前記調節可能な負荷および前記複数またはより多くのフライホイールエネルギー格納システムを制御する請求項16に記載の交流周波数調整システム。
【請求項２３】
前記コントローラは、決定された電力量が、前記電気分配ネットワークから前記調節可能な負荷によって吸収されるように、前記調節可能な負荷および前記フライホイールエネルギー格納システムのアレイを制御する請求項17に記載の交流周波数調整システム。
【請求項２４】
前記コントローラは、決定された電力量が、また前記電気分配ネットワークから前記複数のフライホイールエネルギー格納システムによって吸収されるように、前記調節可能な負荷および前記複数またはより多くのフライホイールエネルギー格納システムを制御する請求項22に記載の交流周波数調整システム。
【請求項２５】
前記コントローラは、決定された電力量が、また前記電気分配ネットワークから前記フライホイールエネルギー格納システムのアレイによって吸収されるように、前記調節可能な負荷および前記フライホイールエネルギー格納システムのアレイを制御する請求項23に記載の交流周波数調整システム。
【請求項２６】
1つ以上の電気的負荷および1つ以上の電源に接続される電力分配ネットワークに分配される電力の交流周波数を調整するための交流周波数調整システムであって、前記システムが、
前記電気分配ネットワークに電気的に結合され、アレイを形成するように配置された複数またはより多くのフライホイールエネルギー格納システムと、
調節可能な負荷と、
前記アレイの前記複数のフライホイールエネルギー格納システムそれぞれおよび前記調節可能な負荷に動作可能に結合され、かつ前記システムに対して外部で生成された周波数調整信号に応答するコントローラとを備え、
前記コントローラが、前記周波数調整信号に応答して、前記アレイの前記複数またはより多くのフライホイールエネルギー格納システムおよび前記調節可能な負荷それぞれの動作を制御するように構成されかつ配置され、前記システムが、所望の交流周波数であるかまたはほぼ所望の交流周波数であるように、前記電気分配ネットワークに分配される前記電力の交流周波数を調整するように、前記電気分配ネットワークにある量の電気エネルギーを出力すること、または前記電気分配ネットワークからある量の電気エネルギーを吸収することの一方を行う交流周波数調整システム。
【請求項２７】
前記コントローラは、決定された電力量が、前記電気分配ネットワークに対して前記システムによって出力されるように前記調整可能な負荷から逸らされるように、前記調節可能な負荷および前記複数またはより多くの前記アレイの前記フライホイールエネルギー格納システムを制御する請求項26に記載の交流周波数調整システム。
【請求項２８】
前記コントローラは、決定された電力量が、また前記複数のフライホイールエネルギー格納システムから出力され、したがって前記電気分配ネットワークに前記システムによって出力されるように、前記調節可能な負荷および前記アレイの前記複数またはより多くの前記フライホイールエネルギー格納システムを制御する請求項27に記載の交流周波数調整システム。
【請求項２９】
前記コントローラは、決定された電力量が、前記電気分配ネットワークから前記調節可能な負荷によって吸収されるように、前記調節可能な負荷および前記複数またはより多くの前記フライホイールエネルギー格納システムを制御する請求項26に記載の交流周波数調整システム。
【請求項３０】
前記コントローラは、決定された電力量が、また前記電気分配ネットワークから前記複数のフライホイールエネルギー格納システムによって吸収されるように、前記調節可能な負荷および前記アレイの前記複数またはより多くのフライホイールエネルギー格納システムを制御する請求項22に記載の交流周波数調整システム。
【請求項３１】
前記複数またはより多くのフライホイールエネルギー格納システムは、複数またはより多くのアレイを形成するように配置され、前記複数またはより多くのアレイそれぞれは、複数またはより多くのフライホイールエネルギー格納システムを含む請求項26に記載の交流周波数調整システム。
【請求項３２】
前記アレイは、4個以上のフライホイールエネルギー格納システムを備える請求項26に記載の交流周波数調整システム。
【請求項３３】
前記アレイは、7個以上のフライホイールエネルギー格納システムを備える請求項26に記載の交流周波数調整システム。
【請求項３４】
前記アレイは、10個以上のフライホイールエネルギー格納システムを備える請求項26に記載の交流周波数調整システム。
【請求項３５】
複数のアレイそれぞれは、4個以上のフライホイールエネルギー格納システム、7個以上のフライホイールエネルギー格納システム、または10個のフライホイールエネルギー格納システムを備える請求項26に記載の交流周波数調整システム。
【請求項３６】
前記システムは、40個のフライホイールエネルギー格納システムのアレイを備える請求項31に記載の交流周波数調整システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負荷および/または生成された電力が、時間の関数として変化を受けるときに、生成された電力の周波数を調整するための方法、システム、および装置に関し、特に、負荷および/または生成された電力が、時間の関数として変化するときに、生成された電力の周波数を調整するための方法、システム、および装置に関し、より詳細には、負荷および/または生成された電力が、1つ以上のフライホイールエネルギー格納システムを使用して時間の関数として変化するときに、生成された電力の周波数を調整するための方法、システム、および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
米国において、電力は、所望の電圧範囲および60Hzである所望の周波数で交流電圧を提供するように生成される。そのような電力は、多数の電力生成プラントの任意の1つによって生成され、または例えば化石燃料(例えば、天然ガス、石炭、または燃料油)あるいは電気を生成するための核エネルギーを使用する大きな固定電力生成設備、水力電力生成設備、およびポンプ給送される水力電力生成設備を含む電力生成方法によって生成される。任意の所定の時間で動作するべきである特定の電力生成設備の組合せが、価格、および所望の範囲内にあるようにグリッド電圧を調整すること、および所望の周波数であるかまたはほぼ所望の周波数であるように交流電圧の周波数を調整することを含む他の要因に応じて選択される。
【０００３】
図1Aに、電気的負荷の時間の関数としての変化を示す例示的な毎日の負荷曲線が示され、電気的負荷は、ユーザによって作られ、かつ電力生成設備と様々な電気的負荷源とを相互接続する、電気グリッドまたは電気生成および分配システムに課される。そのような電気的負荷源は、家庭、ビジネス、製造設備、コンピュータ設備、および輸送サービス(例えば、電気によって給電される大量運送システム)を含む。図1Aに示される曲線は、負荷変化が長い時間期間にわたって生じることを示唆するが、実際上、負荷変化は、様々な電力ユーザまたは消費者が、それらの個別の電力要件を調節するので非常に迅速(例えば1秒以下)である。深夜の時間と午前3時との間の図1Aに示される毎日の負荷における短期間の変動を示す、例示的な負荷曲線が図1Bに示される。
【０００４】
電気生成および分配システムに課される電気的負荷に生じるそのような短期間の変動のため、およびそのような負荷変動に追従する発電機の能力は、一般的に負荷変動の時間期間よりはるかに遅いため、電気生成および分配システムは、負荷と生成される電力との間のミスマッチが常に課題となっている。従来技術において知られているように、電気的負荷が生成される全電力を超えるとき、システムの交流周波数が低下する。代わりに、生成される全電力が電気的負荷要件を超えるとき、周波数は増大する。
【０００５】
24時間の時間期間にわたる時間の関数として交流周波数における変動を示す例示的な曲線が、図2に示される。示されるように、平均交流周波数は、60.002Hzであり、最大交流周波数は、60.063Hzであり、および最小交流周波数は、59.944Hzである。多数の用途において、交流周波数におけるそのような変化は、許容できず、それで、電力製造者または消費者は、電気出力生成および分配システムからの入力に相互接続され、かつ所望の範囲内または所望の値であるように、局所的に交流周波数を調整するシステムを実装しなければならない。
【０００６】
したがって、電気生成設備の電力出力は、送電および分配によって消費され、または送電および分配で損失され、あるいは顧客負荷によって消費される全電力に一致するように絶えず調節される。所望の限界および/または範囲内に電圧および交流周波数の両方を維持するために、負荷と生成される電力との間の差異は、周期的に決定され、この差異は、発電機/電力生成設備の出力を増大または低減するために使用される。これに関して、および当業者に知られているように、有効電力生成/吸収は周波数調整に関連付けられ、反無効電力生成/吸収は電圧調整に関連付けられる。
【０００７】
より詳細には、地域発送ロケーションまたはセンタは、負荷および電力生成、ならびに他の要因(例えば、周波数シフトまたは時間誤差に関する訂正)を監視する仕事が課され、そのような発電機/電力生成設備の電力出力を増大または低減するために、1つ以上の発電機/電力生成設備に制御/発送信号(例えば、時々エネルギー管理システム(EMS)信号と呼ばれる)を出力する。1つの技術によれば、多数の監視点またはノードは、所定の領域および発送ロケーションに対して画定され、またはセンタが、前の要因として各監視点を監視する。加えて、および本明細書にさらに記載されるように、そのような決定は、また結果として、電力生成および分配システムの全体生成容量を増大し、またはオフライン容量を生成するオンラインをとるように、さらなる生成容量がオンラインにされることを生じ、または電力生成および分配システムの全体生成容量を低減するように、それをスタンバイオンライン状況にすることを生じることができる。
【０００８】
例えば、決定は、負荷と電力生成との間の差異でなされ、制御/訂正信号は、発電機/電力生成設備に周期的に(例えば、2〜4秒毎に)出力される。しかしながら、所定の発電機により増大または低減する電力に関連する時間遅れのために、出力される信号による電力生成への効果は、時間において遅延される。可変負荷に対する化石燃料発電機(図3A)およびポンプ給送される水力発電機(図3B)の応答性を示す生成および負荷曲線が、図3A、3Bに示される。
【０００９】
ほとんどの電力グリッドで実装されるように、調整は、自動生成制御(AGC)を装備されるオンライン生成の使用を含み、顧客負荷における瞬間毎の変動を追跡しかつ生成における意図しない変動を訂正するために、迅速に出力を変更することができる(MW/分)関数またはパラメータである。そうすることで、調整は、相互接続周波数を維持し、制御領域間を流れる実際の電力とスケージュールされた電力との間の差異を管理し、かつ制御領域内の負荷に対する生成を一致させることを支援する。調整は、市場信号だけに応答するユニットから得ることができる応答よりも速い応答を要求する。発電機は、電力システムを平衡にするためにシステムオペレータのAGCシステムによって制御できる容量を提供する。
【００１０】
制御領域は、生成および負荷を完全に一致させることができず、かつ完全に一致させることを必要としない。北米電気信頼性協議会(NERC)は、信頼性目的のために許容される非平衡の量を決定するために制御性能基準(CPS)を確立した。CPS1は、制御領域の領域制御誤差(ACE)と1分間の平均に基づく相互接続周波数との間の関係を測定する。NERCは、制御領域を、15分間内で生成/負荷平衡を回復することを必要とする。リザーブサービス規定は、10分間内で完全なリザーブ応答を必要とする。あとの5分間は、状況および応答を評価するためにシステムオペレータに提供される。
【００１１】
CPS1値は、「良好」または「悪い」のいずれかでありうる。周波数が、その基準値より高いとき、生成不足は、周波数を低下することによって相互接続に奏し、かつ良好なCPS1値を導く。しかしながらそのようなとき生成過剰は、さらに周波数を増大し、かつ悪いCPS1値を導く。毎分記録されるが、CPS1は、年1回の基準で評価されかつ報告される。NERCは、各制御領域が毎年越えなければならない最小のCPS1要件を設定する。
【００１２】
毎月の性能基準であるCPS2は、10分の期間毎の最大平均ACEへの制御領域に特定の限界を設定する。制御領域は、CPS2限界を時間の10%以下を超えることを許容される。この90%の要件は、制御領域が、任意の月の間に、平均で1日毎に14.4CPS2未満の違反を有しうることを意味する。
【００１３】
一般に、公共設備グリッドまたは電気分配システムに送電され、かつ/または生成されかつ送られることができる電力のほぼ1パーセント(1%)が、分配される電力の交流周波数を微調整または調整するために確保される。そのような電力源は、一般的にそのような電力製造に対する要求の少なくとも所定の時間期間内で全容量で電力を供給することができるように、生成および分配システムに対してオンライン状態で一般に維持される。現在の用途において、所定の時間期間は、一般的に約5分間である。また、電力の生成に関する現在の規制基準(例えば、FERCまたはNERCによって設定された基準)は、分配システムが、少なくとも10分間毎に1回で平衡にされ、かつ時間にわたる生成過剰または生成不足が正味でゼロ(0)であることを必要とする。結果として訂正は、一般的に、1日に数百回交互に負荷を加え次に負荷を除くことを発電機に命令することができる。そのような動作モードは、いくつかのタイプの電力生成設備で達成可能であるが、そのような動作モードは、一般的な化石燃料発電機(例えば、ガスタービンで電力供給される発電機)の寿命および全体の故障に悪影響を有する。
【００１４】
いくつかの場合において、バッテリファームは、500kWのオーダから約40MWへの電気容量を有するように、確立されかつ構成された。バッテリは、無停電電源を形成するために使用されるが、微調整を実行するときに、交流周波数の調整を受けるなどのバッテリの周期的な動作は、動作寿命ならびにバッテリ格納容量への影響を含み、バッテリを劣化させることが分かっている。
【００１５】
さらに、電力発送者は、電力生成および分配システムの電力生成容量を増大するように、補足的なまたは置き換えリザーブ容量がオンラインにされるべきかどうかを決定するために、決定された電力の差異を使用することもできる。所望のまたは公称交流周波数(例えば、60Hz)からの主な逸脱に関して、発送者は、一般に電力までオンラインであるスピニングリザーブをもたらすために信号および/または要求を出力し、かつ/または補足的および/または置き換えリザーブ容量オンラインをもたらすために信号/要求を出力する。そのようなリザーブは、一般的に、交流周波数の微調整のために利用される電源に対する補足として、より大きな電力ブロックを提供することができるが、そのようなリザーブは、一般に、完全な容量に到達するためにより長い時間がかかり(例えば、10〜15分間または30〜60分間のオーダ)、したがって実際的に交流周波数の微調整に使用可能ではない。
【特許文献１】米国特許第6,262,505号
【特許文献２】米国特許出願第09/998,122号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
したがって、生成される電力の交流周波数を調整するための新規な方法、システム、および装置を提供することが望ましい。負荷変化が著しく変化しうるかまたは周期的である環境において、従来/先行技術の方法、システム、および装置に比べてより速い応答で交流周波数を調整できるそのような方法、システム、および装置を提供することが特に望ましい。交流周波数を調整するための機構として、1つ以上のフライホイールエネルギー格納システムを実現するそのような方法、システム、および装置を提供することも特に望ましい。交流周波数を調整するための機構として、切り替え可能な負荷と共に1つ以上のフライホイールエネルギー格納システムを実現するそのような方法、システム、および装置を提供することも特に望ましい。電力生成と負荷との間の差異を決定かつ/または訂正するために、既存の方法論、システム、および装置と共に使用するように構成された、そのような方法、システム、および装置も特に望ましい。既存の電力分配システムと共に使用するために、容易に統合または構成される、そのようなシステム、および装置も特に望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、電気分配システムまたはグリッドに供給される電力の交流周波数の調整、より詳細には微調整のための方法を特徴とする。また、そのような方法論を実現する、または本発明のそのような方法論の実現における使用のためのデバイス、システム、および装置が特徴付けられる。
【００１８】
本発明の一態様によれば、1つ以上の負荷および1つ以上の電源に接続される電力分配ネットワークに分配される電力の交流周波数を制御するための方法が特徴付けられる。そのような方法は、エネルギー格納サブシステムを電気分配ネットワークに電気的に結合することを含む。その場合、エネルギー格納サブシステムは1つ以上のフライホイールエネルギー格納システムと、1つ以上の電源によって出力される全電力、および送電および分配ネットワークに関連付けられる1つ以上の負荷およびライン損失によって課される全負荷に応答して、各フライホイールエネルギー格納システムの動作を制御することとを含み、電気格納サブシステムが、所望の交流周波数であるかまたはほぼ所望の交流周波数であるように、電気分配ネットワークに分配される電力の交流周波数を調整するように、電気分配ネットワークにある量の電気エネルギーを出力する。電気格納サブシステムは、伝送および分配ネットワーク中で1つ以上のロケーションに、負荷サイトに、および交流周波数を調整するように生成設備に配置されることができる。
【００１９】
より特定の実施形態において、電気格納サブシステムが、電気分配ネットワークに電気的に結合された、複数またはより多くのフライホイールエネルギー格納システム、多数またはより多くのフライホイールエネルギー格納システム、4個以上のフライホイールエネルギー格納システム、4個から10個のフライホイールエネルギー格納システム、10個のフライホイールエネルギー格納システム、10個以上のフライホイールエネルギー格納システムを含む。エネルギー格納サブシステムを形成しかつ電気分配ネットワークに電気的に結合されたフライホイールエネルギー格納システムの数は、エネルギー格納サブシステムをそのように構成するのに十分であり、即ちフライホイールエネルギー格納システムのアレイは、所望の時間量および所望の出力電圧に対する所望の電力出力を提供する必要がある。より特定の実施形態において、方法は、そのようなフライホイールエネルギー格納システムのアレイを形成するように、所定の位置にフライホイールエネルギー格納システムを配置することを含み、アレイは、電気分配ネットワークに電気的に結合される。
【００２０】
より特定の実施形態において、そのような周波数制御方法は、1つ以上の電源によって出力される全電力が、送電および分配ネットワークに関連付けられた1つ以上の負荷およびライン損失によって課される全負荷を超えるとき、エネルギー格納サブシステムによって電気分配ネットワークに出力される電力量を、所定の量だけ低減するように各フライホイールエネルギー格納システムの動作を制御することを含む。さらに、フライホイールエネルギー格納システムは、生成される余分な電力が存在するとき、分配ネットワークから電力を引き出すように動作することができる。このように、エネルギー格納サブシステムは、生成される余分な電気エネルギーの少なくとも一部を吸収することができる。
【００２１】
そのような周波数制御方法は、出力される全電力が全負荷より小さいとき、他の所定の量だけエネルギー格納サブシステムによって電気分配ネットワークに出力される電力量を増大することも含む。いいかえると、フライホイールエネルギー格納システムは、生成される電力が、ネットワークに接続されるすべての負荷に給電しかつライン損失の考慮に必要なものより少ないとき、分配ネットワークに電力を供給するように動作することができる。そのような場合、他の所定の量は、全電力と全負荷との間の差異を評価することによって決定される。フライホイールエネルギー格納システムの制御性のために、エネルギー格納サブシステムは、ネットワークに分配されまたはネットワークから引き出されるエネルギーの量を制御するように制御できる。
【００２２】
前述のように、所定の量および他の所定の量は、全電力と消費される全負荷(例えば、負荷にライン損失を加えたもの)との間の差異を評価することによって決定される。より特定の実施形態において、全電力と全負荷との間の差異は、周期的に決定され、前記制御することは、周期的に決定される差異に応答して1つ以上の各フライホイールエネルギー格納システムの動作を制御することを含む。
【００２３】
さらに他の実施形態において、周波数制御方法論は、1つ以上の電源によって出力される全電力と1つ以上の負荷によって課される全負荷との間の差異を決定することを含む。そのような方法論は、所定の差異が負の値であるときに1つ以上のフライホイールエネルギー格納システムによって出力される電力を増大すること、または所定の差異が正の値であるときに1つ以上のFESSエネルギー格納サブシステムによって出力される電力を低減することの一方によって、所望の値でまたはほぼ所望の値で交流周波数を維持するように、エネルギー格納サブシステムの各フライホイールエネルギー格納システムの動作を制御することも含む。
【００２４】
さらなる実施形態において、本発明による周波数制御方法論は、複数のエネルギー格納サブシステムを電気分配ネットワークに電気的に結合することと、電気分配ネットワークに電力を送達することまたは電気分配ネットワークから電力を吸収することの一方を行うように、各エネルギー格納サブシステムを別個に制御することを含む。さらなる実施形態において、そのような方法論は、電気分配ネットワークに電力を送達することおよび電気分配ネットワークから電力を吸収することを交互にするように、複数のエネルギー格納サブシステムそれぞれのフライホイールエネルギー格納システムを制御可能に動作することを含む。このように、生成される余分の電力を吸収するためのエネルギーシンクとして、電気分配ネットワークに対するエネルギーを止めたフライホイールエネルギー格納システムを使用することができる。
【００２５】
さらに他の実施形態において、エネルギー格納サブシステムは、複数またはより多くのフライホイールエネルギー格納システムを含み、本発明の方法論は、電気分配ネットワークに電気エネルギーを送達し、または電気分配ネットワークから電気エネルギーを吸収するために、複数のフライホイールエネルギー格納システムの1つを選択的に動作するように、複数のフライホイールエネルギー格納システムそれぞれを個別に動作することを含む。例えば、1つ以上の複数またはより多くのフライホイールエネルギー格納システムは、電気エネルギーを送達または吸収するように動作することができ、他の複数またはより多くのフライホイールエネルギー格納システムは、フリースピンまたはスタンバイ動作モードで動作でき、エネルギーは、他のフライホイールエネルギー格納システムによって送達されず、または吸収されない。
【００２６】
本発明の他の態様において、エネルギー格納サブシステムは、調節可能な負荷とフライホイールエネルギー格納システムとを備える。より特定の実施形態において、本発明の周波数調整方法論は、複数またはより多くのフライホイールエネルギー格納システムおよび調節可能な負荷の一方または両方が、電気分配ネットワークから電気エネルギーを吸収するように、複数またはより多くのフライホイールエネルギー格納システムおよび調節可能な負荷を構成することを含む。このように、生成される余分の電気エネルギーは、一時的に、所定のエネルギー格納サブシステムの1つ以上、または複数またはより多くのフライホイールエネルギー格納システムによって吸収され、かつ/または調節可能な負荷に提供される。
【００２７】
調節可能な負荷は、エネルギー格納サブシステムから比較的容易に負荷を取り除きかつ再び負荷を加えることができるシンクまたはソフトな負荷を備えることができる。例えば、シンクまたはソフトな負荷は、分配グリッドに別個に結合される抵抗加熱素子でもよい。したがって、吸収された電気エネルギーは、使用可能な熱エネルギーまたは熱シンク(例えば雰囲気)に排出される熱エネルギーを提供するように、抵抗加熱素子に別個にかつ制御可能に送達される。他の例において、ソフトな負荷は、ポンプまたはチラーユニットなどの他のデバイス、装置、またはシステムであり、他のデバイス、装置、またはシステムは、使用可能な電気エネルギーとして余分なエネルギーを使用することができる(例えば、氷を作る、流体を汲み取る)。調節可能な負荷は、フライホイールエネルギー格納システム、またはエネルギー格納サブシステムに関して事前確立された最大吸収容量によって、吸収できるものに等しい電気エネルギーを吸収できるように確立できる。より特定の実施形態において、調節可能な負荷は、エネルギー格納サブシステムに関して事前確立された最大吸収容量の約100%以下、より特定的には事前確立された最大吸収容量の約50%、40%、30%、20%、または10%に等しいエネルギー量を吸収するように設定される。
【００２８】
本発明のさらなる態様において、本発明の方法論は、電気エネルギーの所定の量に対応する設定点を確立することを含み、設定点は、電力を吸収または提供するために、エネルギー格納サブシステムの最大吸収容量の所定パーセンテージに対応する。所定のパーセンテージは、約20%、約30%、および約50%以下である。
【００２９】
さらなる実施形態において、本発明の方法論は、電力送達および吸収が設定点に基づいて決定されるように、エネルギー格納サブシステムを構成することを含む。より特定の実施形態において、方法論は、調節可能な負荷を使用する設定点に等しい分配ネットワークから電力を吸収することをさらに含む。
【００３０】
さらなる実施形態において、分配ネットワークにパワーを送達するとき、方法論は、調節可能な負荷からの電力を逸らすこと、およびさらなる電力要件に合うようにフライホイールエネルギー格納システムからの電力を使用して、分配ネットワークに対し設定点に等しい電力を送達することを含む。さらなる実施形態において、分配ネットワークから電力を吸収するとき、方法論は、調節可能な負荷およびフライホイールエネルギー格納システムの一方または両方から電力を吸収するように、エネルギー格納サブシステムを構成することを含む。いくつかの特定の実施形態において、方法論は、エネルギーを吸収するためにフライホイールエネルギー格納システムの容量を評価すること、およびフライホイールエネルギー格納システムの容量を補足するために調節可能な負荷を制御することを含む。
【００３１】
本発明の他の態様および実施形態は、以下に議論される。
【００３２】
本発明の性質および所望の目的をより完全に理解するために、添付の図面と共に以下の詳細な記載が参照され、同様の参照符号は、いくつかの図を通して対応する部品を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
同様の参照符号が類似部品について言及している様々な図面を以下に参照すると、多数のシステム負荷18、18'(例えば、顧客またはユーザによって課される負荷)の任意の1つに結合される例示的な電力生成および分配システム10のブロック図が図4aに示され、そのようなシステム内の本発明のFESSアレイ100の様々な配置が示される。例示的な電力生成および分配システム10は、1個以上の電力生成設備12、12'を含み、電力生成設備12、12'は、当業者に知られている任意の数の技術を使用して電力分配グリッド14に選択的にかつ電気的に結合される。そのような電力生成設備12、12'は、固定化石燃料または原子力電力生成設備、水力発電生成設備、バッテリファーム、ポンプ供送される流体電力生成設備、ディーゼル発電機、またはグリーン(例えば、風力かまたはソーラーパワー)電力生成設備などの固定サイトを含む。電力生成設備12、12'は、分配システムにおける任意の1つのノードまたは点に再配置可能でありかつ電気的に結合されるように、一般的に可動に構成できる。
【００３４】
本発明によるFESSアレイ100は、電力生成および分配システム10内の多数のロケーションのいずれかに配置されることができる。1つの例示的な実施形態において、FESSアレイ100は、電力生成設備12'に配置されまたは電力生成設備12'に近接して配置され、かつそのロケーションで電力分配グリッド14に結合される。他の実施形態において、複数またはより多くのFESSアレイ100を含むFESSアレイサブシステム200は、電力分配グリッド14内に配置され、かつそこに電気的に結合される。他の実施形態において、FESSアレイ100は、ノード16にまたはノード16に近接して配置され、あるいは1つ以上の負荷18に給電する電力分配システムの他の接続点に配置される。他の実施形態において、FESSアレイ100は、負荷18'のサイト(例えば、大量生産設備)にまたは負荷18'のサイトに近接して配置される。
【００３５】
前述には、FESSアレイ100またはFESSアレイサブシステム200が配置できる電力生成およびシステム10内のわずかな数の一般的なロケーションが示される。しかしながら、FESSアレイ100またはFESSアレイサブシステム200は、周波数調整が本明細書に教示されるよう達成可能な電力生成および分配システム内の任意の場所に配置されることについて検討されかつ本発明の範囲内であるので、FESSアレイ100またはFESSアレイサブシステム200を図示のロケーションに制限すると解釈されるべきではない。使用において、電力生成および分配システム10は、システム単独でまたは他の電力生成設備と組み合わせて送電される電力の交流周波数の調整を行うように、十分な電力容量を有する1個以上のFESSアレイ100または1個以上のFESSアレイサブシステム200で構成されかつ配置される。
【００３６】
図5を以下に参照すると、本発明による例示的なFESSアレイ100の一部切り取りの斜視図が示される。示された実施形態において、FESSアレイ100は、従来技術において知られているように、1個以上のフライホイールエネルギー格納システム(FESS)ユニット120を含み、より詳細には複数またはより多くのFESSユニット、およびより具体的には多数のFESSユニットを含む。示される実施形態において、FESSアレイ100は、FESSユニット120がハウジング150または構造に封入されることができるように構成される。そのようなハウジング150または構造は機構を備え、機構によって、FESSアレイ100は、遠隔ロケーションに構築されることができ、次にオンサイトで構築される代わりに使用のための所望のロケーションに移動されることができる。アレイの動作、電力状態、およびアレイおよび/または構造の動作に関連する他のシステム(例えばHVAC)に関連付けられた電子装置のキャビネットまたはモジュール125が、またハウジング150内に封入される。本発明によるFESSアレイ100は、固定構成でオンサイトに配置されることができるので、これは、本発明を制限するとして解釈されるべきではない。さらに、本発明のFESSアレイ100は、例えば半トラクタトレーラユニット(例えばボックス)などの可動ハウジング内に配置され、それによって可動ハウジングは、ロケーションからロケーションへ、トラックなどの自動車および/または列車によって移動されることができることも考えられる。
【００３７】
所定のFESSアレイを作るFESSユニット100の数は、FESSアレイによって展開されまたは送達されるべき全エネルギー、FESSアレイによって単位時間当たり送達されることができるエネルギー量、そのような電力がFESSアレイによって送達される時間期間、各FESSユニットによって送達されることができるエネルギーの全量、各FESSユニットによって単位時間当たり送達されることができるエネルギー量、アレイが可動である(例えば輸送可能)または非可動設計であるように構成されるかどうか、およびFESSアレイが配置されるべきサイトに利用可能な余地または空間などを含むが、これらに限定されない多数の要因に応じることが理解されよう。
【００３８】
示される実施形態において、本発明のFESSアレイでの使用が考えられるFESSユニット120それぞれは、約1kWから約250kWの範囲の電気的容量を有する。各FESSユニット120の電気的容量は、500kW以下または500kW以上を含むこれらに限定されない任意の値でもよく、例示の値に制限されると解釈されるべきではない。特定の例示的な図示の実施形態において、FESSアレイ100は、10個のFESSユニット120を含むように構成されかつ配置され、各FESSユニットは、約25kWhの電気エネルギーを提供できる。そのように構成されたFESSアレイ100は、15分間に約1MWの電力、または5分間に約2.5MWの電力を提供できる。FESSアレイ100が異なる電力製造容量を有するFESSユニット120から作られることが、考えられかつ本発明の範囲内である。
【００３９】
FESSアレイ100を作るFESSユニット120の数を制御することに加えて、本発明は、また図4に例示されるような所定の位置で、複数のより多くのFESSアレイから作られるFESSアレイサブシステム200を配置することが考えられる。本発明のFESSアレイサブシステムは、任意の数のFESSアレイを含むようにスケール変更可能であり、したがって所定の位置に40個のFESSアレイからなるFESSアレイサブシステムを含む任意の所望の電力量を提供するようスケール変更可能であるので、これは、任意の特定数のFESSアレイ100にFESSアレイサブシステム200を制限するとして解釈されるべきではない。上記の例示的な示された実施形態を使用して、2個のFESSアレイ100からなるFESSアレイサブシステム200は、15分間に約2MWの電力、または5分間に約5MWの電力を提供できる。FESSアレイサブシステム200が、FESSユニット120の異なる数および電力レベルタイプ等について異なる構成を有するFESSアレイ100から作られること、ならびにFESSアレイ100が異なる電力製造容量を有することが、また検討されかつ本発明の範囲内である。本明細書で示されるように、FESSアレイ100を作る個別のFESSユニットが、全体でまたは個別の基準で電力を提供されまたは吸収するように制御されることは、また本発明の範囲内である。本明細書で示されるように、FESSアレイサブシステム200の個別のFESSアレイ100は、全体でまたは別個に電力を提供されまたは吸収するように制御されることは、また本発明の範囲内である。
【００４０】
以下に図6を参照すると、4個のFESSユニット120およびアレイコントローラ130を有する例示的なFESSアレイ100aのブロック図が示されている。上記に示されるように、本発明によるFESSアレイは、1個以上のFESSユニット、複数またはより多くのFESSユニット、複数またはより多くのFESSユニット、4個以上のFESSユニット、4個から10個のFESSユニット、10個のFESSユニット、または10個以上のFESSユニットを含むことができ、FESSアレイを作るFESSユニットの数が、十分であり、そのように構成されたアレイが、所定の時間量に関しておよび所望の出力電圧で所望の電力出力を提供すべきである。本明細書に示されるように、多数のそのようなアレイ100aは、共通交流バスに接続されるサブステーションにまとめられまたは配置され、組み合わされたアレイは、単一のアレイが提供するより多くの電力を出力しかつ/または吸収できる。さらに、そのような複数のアレイは、電気エネルギーを吸収する容量を維持し、かつ電気分配グリッドに電気エネルギーを提供または注入するように、さらに本明細書に記載されるように配置されることもできる。
【００４１】
FESSユニット120は、当業者に知られている多数のフライホイールエネルギー格納システムのいずれかであり、一般に回転部材の使用によって運動エネルギーの形態で電気エネルギーを格納し、かつ必要に応じて格納された運動エネルギーを電気エネルギーに変換する各フライホイールエネルギー格納システムの能力によって一般に特徴付けられる。参照によって本明細書に組み込まれる米国特許第6,262,505号に記載されているような1つの従来のフライホイールエネルギー格納システムは、電子モジュールまたはフライホイールコントローラ122、およびフライホイールモジュール124を含む。フライホイールモジュールは、フライホイール/ロータアセンブリ126、およびフライホイール/ロータアセンブリに機械的に結合されるモータ/発電機128を含む。フライホイールモジュール120は、一般に永久磁石ブラシレス設計に基づく実際の機械的なモータ/発電機システムを構成し、この電気機械的システムは、一般にフライホイールコントローラ122によって制御されかつ監視される。機械的なモータ/発電機システムが、電気抵抗モータおよびインダクタンスモータを含むが、これらに制限されない多数の他のモータタイプ設計のいずれかを備えることが検討され、したがって本発明の範囲内である。そのようなフライホイールエネルギー格納システムも、フライホイールロータアセンブリへの遅延力を最小化するように、真空状態下で維持されるハウジング内に封入される。
【００４２】
そのようなフライホイールエネルギー格納システムは、充電モード、スタンバイモード、および電力生成または製造モードの3つの主要な動作モードの1つで動作されるが、以降により詳細に記載されるように、周波数調整のための他の動作モードまたは状態が検討され、したがって本発明の範囲内である。充電モードにおいて、フライホイールコントローラ122は、モータとして機能するようにモータ/発電機128を構成し、かつモータ/発電機を電力源に接続する。電力は、フライホイール/ロータアセンブリが回転するようにモータ/発電機128によって使用され、ロータまたはフライホイールは、所定の最小回転速度、即ち所望の範囲の回転速度内である回転速度に達する。このように、フライホイールエネルギー格納システムに送達される電力は、運動エネルギーに変換される。所定の初期回転速度または所望範囲の回転速度に達するかまたは達成すると、フライホイールコントローラ122は、モータ/発電機を電力源から分離する。
【００４３】
充電が完了した後、フライホイールは、スタンバイモードで動作され、フライホイール/ロータアセンブリ126は、一般に継続回転状態で維持される。フライホイール/ロータアセンブリ126は、真空状態下に維持されるハウジング(図示せず)内に一般に封入され、ロータ/フライホイールは、摩擦がないまたは最小の摩擦作用を有するとして一般に特徴付けられる軸受けを利用する。スタンバイモードのときに、フライホイール/ロータアセンブリのフライホイール/ロータに作用しうる遅延力は、それによって最小化される。
【００４４】
FESSユニット120が、その初期動作(すなわち回転)状態にされた後、フライホイールコントローラ122は、ロータ/フライホイールの回転速度を含むFESSユニットの動作状態を監視する。ロータ/フライホイールの回転速度が、所定の値より下に低下するとき、フライホイールコントローラ122は、電力源にモータ/発電機128を再接続または再結合し、一方、モータ/発電機128は、モータとして機能するように構成される。このように、フライホイール/ロータアセンブリ126のロータ/フライホイールの回転速度は、増大でき、所定の所望の回転速度に再び達するかまたは所望の回転速度の範囲になった後、電子モジュール122は、電力源からモータ/発電機を分離する。このように、フライホイールコントローラ122は、スタンバイモードのときに所望の範囲にあるように、FESSユニットの電力製造能力を自動的に維持する。
【００４５】
前述では、FESSユニット120のアレイ100aの通常の動作に関連する補助負荷の1つであることに留意されたい。フライホイールコントローラ122のための電力、FESSユニットのための潤滑および冷却システム、および加熱および冷却システム(FESSユニット120を含むハウジング150または構造のためのHVACシステム、ならびに任意の他の関連する制御および電力変換電子装置)を含むそのような他の負荷は、当業者には知られており、図6に関してさらに本明細書で特に詳細には示されていない、任意の数の方法で、電気分配グリッドから電力を得る。
【００４６】
FESSユニットが電力を製造するとき、フライホイールコントローラ122は、発電機として機能するようにモータ/発電機128を構成する。モータ/発電機128は、フライホイールまたはフライホイール/ロータアセンブリ126のロータに機械的に結合されるため、モータ/発電機は、電気エネルギーを生成するためにロータ/フライホイールの回転によって提供される回転運動エネルギーを使用する。一般的に、フライホイールコントローラ122は、また、電気的負荷にモータ/発電機126を電気的に結合する。
【００４７】
米国特許第6,262,505号に記載されるように、フライホイールコントローラ122は、また、多数の動作パラメータを監視するように構成され、FESSユニットの動作にわたる局所化された制御を提供する。特定の実施形態において、フライホイールコントローラ122は、速度状態にわたって検出された場合、またはフライホイール/ロータアセンブリの可能性のある回転の不安定性または潜在的な故障を示唆する指示が存在する場合に、フライホイール/ロータアセンブリのフライホイール/ロータの回転が、終了されまたは低減されるべきかどうかを決定するために、動作パラメータを監視する。フライホイールコントローラ122が、動作が行われるべきであると決定するなら、フライホイールコントローラは、FESSユニットを遮断させ(例えば、ロータ/フライホイールの回転を停止させる)、かつ一般的にそのような遮断などを指示する信号を出力する。
【００４８】
さらに、フライホイールコントローラ122は、また米国特許第6,262,505号に記載されるように構成され、かつ機構を含み、この機構によって、FESSユニットの動作状態または性能が遠隔で監視されることを可能にし、したがってFESSユニット利用可能性および容量に対する情報を提供するように、そのような動作パラメータおよび/または動作状態は、またFESSユニット120から遠隔の制御室などの遠隔監視位置に出力可能である。本発明において、そのような監視/報告信号が、FESSアレイ100の各FESSユニット120からアレイコントローラ130へ送信される。アレイコントローラ130は、これら信号を蓄積し、かつそのような信号を遠隔に配置されたモニタ140に通信する。代わりに、そのような監視および報告は、FESSアレイの各FESSユニット120から遠隔に配置されたモニタ140に監視/報告信号を送信することによって達成されることが意図される。
【００４９】
アレイコントローラ130は、メモリおよび格納装置134を有するCPU132を含む。本明細書に記載されるように、本発明は、CPU132における実行に関する1つ以上のアプリケーションプログラムも含む。アレイコントローラ130、より詳細には実行されるアプリケーションプログラムは、発送位置150間、および/または遠隔に配置されたモニタ140とアレイコントローラ130との間、ならびにFESSアレイ100を備えるFESSユニット120間およびFESSユニット120内の通信を制御するように構成されかつ配置される。アレイコントローラ130、より詳細にはそこで実行されるアプリケーションプログラムは、また発送位置150からの図10に示される調整信号などの信号に応答して、電力分配システムに電力を送達するように、または電力分配システムから電力を吸収するように、アレイの1つ以上のFESSユニット120の動作を制御するように構成されかつ配置される。
【００５０】
アレイコントローラ130のための格納装置134は、意図される使用に適した当業者によって知られている任意の数の揮発性または不揮発性の格納機構またはメモリである。そのような不揮発性の格納媒体は、例えばNVRAMならびにハードディスクを含むフラッシュまたはスピンドルタイプのメモリを含む。さらにそのような格納装置134は、フラッシュおよびスピンドルタイプのメモリなど様々な形態の格納媒体を含むことができる。格納装置134は、情報および/または1つ以上のアプリケーションプログラムを格納するために使用されることができる。より特定の実施形態において、格納装置134は、FESSアレイの各FESSユニット120に関する動作状態/パラメータを一時的に格納する。このように、CPU132は、遠隔モニタ140にそのような状態/パラメータのルーチンの周期的なバッチ送信、ならびに適切であれば他の時期にそのような情報の送信を実行することができる。CPU132および関連するメモリは、意図される使用およびアプリケーションに適した当業者によって知られている任意の多数のデバイスを含む。
【００５１】
FESSアレイ100は、また、電気分配システムにFESSアレイを結合しかつ分離する切り替え機構160も含む。切り替え機構160は、意図される使用に適した当業者によって知られている任意の数のスイッチまたは切り替え回路である。代わりに、FESSアレイ100は、切り替え機構が、FESSユニットを電気分配ネットワークに結合する各FESSユニット120からのラインに配置される、複数の切り替え機構160で構成されかつ配置される。さらなる実施形態において、切り替え機構160は、また図6に示されるように電気分配ネットワークへの共通ラインに配置される。
【００５２】
各FESSユニット120と電気分配ネットワークとの間の単一のラインが示されているが、複数またはより多くのラインが、分配ネットワークとFESSユニットとの間に提供されることができるので、これは制限されるべきではない。例えば、電力入力ラインは、FESSユニットに電力を送達するために各FESSユニット120に提供され、かつ出力ラインは、電力分配システムにFESSユニットから電力を送達するために各FESSユニットに提供される。
【００５３】
FESSアレイ100またはFESSアレイサブシステム200の動作、およびアレイコントローラ130内で実行するための1つ以上のアプリケーションプログラムで実施される方法論は、図7A、Bに示されるフロー図を参照する以下の議論から最も良く理解されることができる。また図4〜図6を参照し、FESSアレイ100またはFESSアレイサブシステム200の機能的構成要素に関する詳細についての関連する議論は、以下の議論で別の方法では提供されない。
【００５４】
図7Aを参照して、1つ以上のFESSアレイ100を使用して周波数を調整するための本発明の1つの態様による方法論を示す、高いレベルのフロー図が示される。初期的に、ユーザまたは電力生成供給者は、所望の電力生成容量を提供するために、各1つ以上のFESSアレイ100を構成する、ステップ500。
【００５５】
本明細書で示されるように、本発明によるFESSアレイ100は、1つ以上のFESSユニット120から構成され、フライホイール/ロータアセンブリ126のフライホイール/ロータが、所定の範囲の回転速度で回転されるとき、所定の電力生成容量を有するように、各FESSユニットが構成されかつ配置される。そのように、本発明のFESSアレイ100は、所望の電力生成容量を達成するために必要な数のFESSユニットで、所定のFESSアレイを適切に構成することによって、異なる電力生成容量を提供するためにスケール変更可能である。例えば、15分〜5分で1MW〜2.5MWの所望の電力生成容量を有するFESSアレイ100を生じさせるために、25kWh(5Kw)を生成できる10個のFESSユニット120からなるように、アレイを構成することができる。追加の容量が必要であれば、例えば15分〜5分で3MW〜7.5MWの電力生成容量を提供するなら、より多くのFESSユニット120を含むように、FESSアレイ100のスケールを増大することができる。
【００５６】
代わりに、ユーザまたは電力生成供給者は、FESSアレイサブシステム200を形成するために組み合わされる複数またはより多くのFESSアレイ100を提供する。そのような場合、各FESSアレイ100は、集合体に組み合わされたとき、所望の電力生成容量を有するFESSアレイサブシステム200を生じる電力生成容量で構成される。使用の容易性のために、電力生成供給者は、所定の時間期間に関して一組の電力生成容量を有し、かつ複数またはより多くのそのようなFESSアレイ100を提供することによって必要な容量のスケールを増大するように、FESSアレイ100を事前構成することができる。FESSアレイサブシステム200に関するそのような構成は、また構成を生じ、その構成によって、どれだけ多くの所定のサブシステムのFESSアレイ100が、電気分配ネットワークに電気的に結合されるかを制御することによって、電力の追加、削除、または吸収がさらに制御されることができる。
【００５７】
そのような構成において、また、1つ以上のFESSアレイ100が、固定サイトであるか、または輸送可能でありまたは移動可能であるFESSアレイからなるサイトであるかどうかを考慮することについて認識されるべきである。輸送可能でありまたは移動可能であるアレイの場合、FESSアレイのスケーラビリティは、FESSアレイが輸送される手段または機構によって課される制限を受ける。例えば、トラック分配FESSアレイは、高速道路を使用する車両に課される幅および長さ制限にさらされる。そのような構成は、また、どれだけ多くの1つ以上のFESSアレイ100が、電力分配ネットワーク内に分配されるべきか、および各1つ以上のFESSアレイが配置されるべき物理的位置に課される要件または制限を考慮する。
【００５８】
各1つ以上のFESSアレイは、また、1つ以上のアレイの動作を制御するために必要な制御回路で構成され、1つ以上のアレイは、電力分配ネットワークに電力を提供し(例えば電力を注入し)、または電力分配ネットワークから電力を吸収するために結合されるとき、選択的に電力分配ネットワークに結合されまたは分離する。前述において、電力生成供給者は、FESSアレイを構成するとき評価しまたは考慮する例示的な数の考慮事項であるが、前述では、本発明をこれらの考慮事項および/または状況のみに制限するものとして考慮されるべきでない。
【００５９】
電気分配ネットワークでの使用のための1つ以上のFESSアレイ100を構成した後、電力生成供給者は、FESSアレイおよび/またはFESSアレイサブシステムが、電気分配ネットワークに電気的に結合されるように、1つ以上のFESSアレイ100および/または1つ以上のFESSアレイサブシステム200を電気分配ネットワークに動作可能に結合する、ステップ502。図6に示されるように、FESSアレイ100および/またはアレイのFESSユニット120が、電気分配ネットワークに電気的に結合されることができるように、1つ以上の切り替え機構160を配置することは、本発明の範囲内である。
【００６０】
1つ以上のFESSアレイ100および/または1つ以上のFESSアレイサブシステム200を電気分配ネットワークに動作可能に結合した後、電力生成供給者は、電気分配ネットワークに電力を提供できるように、各FESSアレイまたは各FESSアレイサブシステムを電気的に初期化する、ステップ504。そのような初期化は、本明細書に記載されるように、電気分配ネットワークから電力を引き出すように、各FESSアレイ100および/または各FESSアレイのFESSユニット120を電気分配ネットワークに電気的に結合し、かつ各FESSユニットをその充電モードにすることによって達成される。このように、電気分配ネットワークから引き出された電力は、運動エネルギーに変換され、この運動エネルギーは、本明細書に記載されかつ当業者に知られているように、FESSユニット120内に格納される。分配ネットワークに余分な生成容量が存在し、かつこの余分なエネルギーが、所定のFESSアレイ100によって吸収できることが決定されたときに、そのような初期化が生じるように、FESSアレイが制御されることが検討されかつ本発明の範囲内である。このように、余分な電力は、格納され、その後分配ネットワークに再び分配されることができる。
【００６１】
1つ以上のFESSアレイ100および/またはFESSアレイサブシステム200を初期化した後、FESSアレイおよび/またはFESSアレイサブシステムの動作は、動作必要性および電力分配ネットワークの状況によって制御される。これは、所定の時間期間が経過した後、まず毎回周期的な決定を行うことによって達成される、ステップ506、508。ある知られた技術により、電力分配ネットワークの所有者またはエージェント、あるいは複数またはより多くの電力分配ネットワークの所有者またはエージェントは、基本的に、生成された全電力とネットワーク上の電気的負荷との周期的な比較(例えば、2秒または4秒毎)を行い、そのときに生成された電力と電力消費(すなわち、伝送および分配ネットワークに関するライン損失および顧客負荷)との間にどれだけの差があるか、および近い将来のあるときにこの差がどれだけであるかを決定する。
【００６２】
一般的に将来における「あるとき」は、反応するために(例えば、電力生成容量を追加または低減する)、所定の電力/周波数調整電力生成設備に必要なときに基づいて確立される。既存または従来の電力生成設備で、そのような反応時間期間は、電力生成設備のタイプに基づいて変化するが、微調整(すなわち、周波数の微調整)のために使用されるこれら電力生成設備に関するこれまでの経験上、約5分間の反応時間である。FESSユニット120は、有利に、例えば有害なそのような周期的な負荷を加えること/負荷の取り除くことに比べて、FESSユニットに対する不利な動作を生成することなく、そのような従来の電力生成設備が、バッテリファームのバッテリを作り出すことができるより速い速度で、電力分配ネットワークから負荷を加えかつ負荷を取り除くことができることを認識すべきである。当業者に知られているように、電力生成と電力消費との間の将来の差に関する決定は、誤差訂正信号を生じるために多数の他の検討事項を考慮することもできる。
【００６３】
さらなる決定は、電力分配ネットワークに生成されかつ送達される電力を調整するためにどの動作をとるべきかに関して出力される訂正信号に基づいて行われる、ステップ510。生成される電力が負荷に一致している(はい、ステップ510)ことが決定されるなら、プロセスは、次の時間期間が終了した後、前記決定プロセスを初期化または実行するために戻る。しかし、電力消費(顧客負荷にネットワーク/ライン損失を加えた)が、時間に応じて変化することがある所定の方法で、少なすぎるまたは多すぎる電力が電力消費に比べて生成されるので、そのような決定が、一致していないおよび一致しないであろうこと(いいえ、ステップ510)を決定することがより可能性がある。したがって、エージェントまたは発送者は、電力および周波数の調整のために使用される各電力生成設備に訂正信号を出力する、ステップ512。一般に、発送者/エージェントによって出力される訂正信号を含む、時間に応じる一般的な調整信号出力を示すグラフが、図10に示される。
【００６４】
1つ以上のFESSアレイ100および/または１つ以上のFESSアレイサブシステム200を含む電力分配ネットワークに関して、FESSアレイ/FESSアレイサブシステムは、それが、所定のFESSアレイ/FESSアレイサブシステムの動作を修正するための信号であることを決定するために、そのような訂正信号を評価する、ステップ514。訂正信号が、所定のFESSアレイ/FESSアレイサブシステムに出力されない場合(いいえ、ステップ514)、プロセスは、調整のための従来の技術として継続し、それによって電力生成容量は、追加されまたは削除され、および/または制御信号は、所定の電力生成設備の電力生成容量を調整(すなわち、増加または低減)するために使用される。
【００６５】
電力生成訂正信号が、所定のFESSアレイ100またはFESSアレイサブシステム200であることが決定されるなら(いいえ、ステップ514)、FESSアレイは、現在の動作状況およびFESSアレイまたはFESSアレイサブシステムの状態を変更するように制御される、ステップ516。より詳細には、アレイ/アレイサブシステム100/200は、送達される電力を調整するように、生成される余分な電力を吸収するように、電力送達の動作モードから電力生成の充電モードにFESSユニットを変更することによって、または電力生成ネットワークからこの電力生成容量を実際に取り除くまたは削除するように、FESSユニットをスタンバイモードにすることによって、現在送達される量を増大または低減するように制御される。
【００６６】
FESSアレイのタイムリーな応答性に加えて、知られている既存の技術および電力生成設備とは対照的に、FESSアレイ/FESSアレイサブシステム100/200は、また有利に電力を吸収するように構成できることが認識されるべきである。したがって従来技術とは対照的に、そのような微調整は、FESSアレイ/FESSアレイサブシステムによって達成されるので、他の電力生成設備によって生成された電力は、不一致の短い時間期間にわたってシステムの全体の負荷を微調整しかつ一致させるために、自動的に調整される(例えば低減される)または低下される必要はない。さらに、本発明の方法論、デバイス、およびシステムは、そのような電力の吸収が、ネットワークに電力を送達するFESSアレイ100が、ネットワークから電力を吸収するために最も最近に選択されたアレイであるように調和されるよう適合され得ることが考えられる。このように、余分な電力は、後の分配ネットワークへの送達のためにFESSアレイに実際に格納される。
【００６７】
図7Bを参照すると、FESSアレイ100を制御するための本発明による方法論、より詳細には、アレイコントローラ130内で実行するための1つ以上のアプリケーションプログラムで実施される方法論を示すフロー図が示される。FESSアレイ100が、構成され、動作可能に電力分配ネットワークに結合され、かつ初期化(図7A、ステップ502〜506)された後、FESSアレイ100およびFESSアレイを構成する各FESSユニット120の動作を制御するプロセスが開始される、ステップ600。所定のFESSユニット120のフライホイールコントローラ122が、対応するFESSユニットの動作、ならびに対応するFESSユニットの動作パラメータなどの監視にわたるローカル制御を提供することが、本発明で検討されることは認識されるべきである。FESSアレイコントローラ130が、また、1つ以上の制御を再現しかつ/または実行し、かつ/またはフライホイールコントローラ122の機能を監視することができるように構成されかつ配置されることも本発明の範囲内である。
【００６８】
開始後、FESSアレイコントローラ130が、通信リンクまたはネットワークを監視し、FESSアレイは、遠隔発送者150または遠隔位置からの電力訂正信号のために、遠隔発送者150または遠隔位置に動作可能に結合される、ステップ602。そのような制御信号が受信されたとき、FESSアレイコントローラ130が、次に、FESSアレイ100の各FESSユニット120に関して、FESSアレイ100の動作構成を決定する、ステップ604。そのような決定に応答してアレイコントローラ130は、アレイが決定された動作構成であるように、アレイのFESSユニット120に適切な制御信号を出力する、ステップ606、608。
【００６９】
したがって、電力が、電力分配ネットワークの交流周波数を調整する目的で電力分配ネットワークに送達されるなら、FESSアレイコントローラ130は、各FESSユニットのフライホイールコントローラ122を発電機としてモータ/発電機126を構成させる、アレイの各FESSユニット120に信号を出力する。代わりに、電力が吸収されるべきであるなら、FESSアレイコントローラ130は、各FESSユニットのフライホイールコントローラ122をモータとしてモータ/発電機126を構成させる、アレイの各FESSユニット120に信号を出力する。また、電力の現在の吸収または送達が終了されるべきなら、FESSアレイコントローラは、例えばフライホイールコントローラ122がFESSユニット120をスタンバイモードにすることによって、または代わりに電力分配ネットワークからFESSユニットをローカルに分離することによって、そのような動作を終了する信号を出力する。FESSアレイ100のFESSユニット120は、一体の様式で動作されることが予想されるが、本発明は、所定のFESSアレイの1つ以上のFESSユニットが、アレイの他のFESSユニットとは異なって動作されることができるように、それが個別にFESSユニットを制御するように構成されかつ配置されるFESSアレイコントローラ130を有することも考えられる。
【００７０】
FESSアレイ100のFESSユニット120が、スタンバイモードまたは状態にされる場合に(はい、ステップ610)、プロセスは、電力訂正/調整信号に関する通信リンクを監視することに戻る。FESSアレイ100が、電力を送達するかまたは吸収するように構成されるなら、FESSアレイコントローラ130は、アレイ構成が、意図されたような動作であるかどうかを決定するために、アレイの性能を監視する、ステップ612、614。FESSアレイ構成が、意図されたように実行しないことを決定されるなら(いいえ、ステップ614)、プロセスは、アレイ100の構成を決定することに戻り、前述のことを繰り返す。本質的に、FESSアレイコントローラ130は、アレイの他の構成を決定するためにアレイ100の構成を再評価する。FESSアレイ構成が、意図されたように実行することが決定されるなら(はい、ステップ614)、プロセスは、電力訂正/調整信号に関する通信リンクの監視に戻る(ステップ602)。
【００７１】
本明細書に示されるように、各FESSユニット120のフライホイールコントローラ122は、一般に動作パラメータおよび/または特徴を監視し、かつ監視されたパラメータ/特徴を現す出力信号を提供する。さらなる実施形態において、FESSアレイコントローラ130は、FESSユニットからのそのような監視/報告信号に関する、FESSアレイ100の各FESSユニット120との通信リンクを監視するように構成されかつ配置される、ステップ630。そのような信号を受信した後、FESSアレイコントローラ130は、受信した信号を遠隔に配置された監視サイト140に通信する、ステップ632。そのような信号が、当業者に知られているようにRS-232ポートまたは他の通信インターフェースを介して、アレイコントローラ130に電気的に結合された装置またはデバイス(例えばラップトップコンピュータ)に出力されることも考えられる。
【００７２】
特定の実施形態において、FESSアレイコントローラ130は、アレイコントローラ格納装置134におけるFESSアレイ100のすべてのFESSユニット120からのそのような信号を受信しかつ格納するように構成されかつ配置される。FESSアレイコントローラ130は、また、一般に周期的に1つ以上の所定の時期に、遠隔に配置された監視サイト140にそのように格納された情報を通信するように構成されかつ配置される。例えば、通信リンク/ネットワークにロードされる特定のときにそのような情報を通信することについて、低減されることが予想されまたは一般に低減される。より特定の実施形態において、FESSアレイコントローラは、所定のパラメータまたは特徴の評価を実行するように構成されかつ配置され、特定のFESSユニット120のパラメータまたは特徴が、確立された値の外側であり、または特定の傾向を示す場合には、FESSアレイコントローラは、通常の状況の外側である可能性を示すフラグまたは他のインジケータを有するまたは有さないで、遠隔に配置された監視サイト140に監視されたパラメータ/特徴を通信する。
【００７３】
図8Aを参照して、本発明によるFESSアレイ100bの他の実施形態の概略図が示される。共通の参照符号を有する任意の特徴または要素に関する詳細または配置についての図6のFESSアレイ100aの前述の議論を参照すべきである。本実施形態によるFESSアレイ100bは、本実施形態のモータ/発電機128bが、FESSユニット120bが直流出力(例えば、700ボルト直流出力)を提供するように構成されかつ配置される図6に示されるモータ/発電機とは異なる。図6のFESSアレイ100aにおいて、各個別のFESSユニット120は、交流出力を提供する。
【００７４】
そのように、各FESSユニット120は、当業者に知られているように両方向インバータ129をさらに含む。各FESSユニットの両方向インバータ129は、直流バス170に動作可能にかつ電気的に結合される。両方向インバータ129は、それが発電機として直流出力に対して動作されるとき、フライホイールモータ/発電機126からの交流出力を変換するように構成されかつ配置される。フライホイールモータ/発電機126が、FESSユニットを充電するためにモータとして動作されるとき、両方向インバータ129は、直流バス170上の直流電圧および電流を交流出力に変換する。
【００７５】
各FESSユニット120からの直流出力は、直流スイッチギアを含む直流バス170(例えば、共通直流バス)に入力される。直流バス170は、直流電流および電圧出力を電力調節モジュール172に導くために、当業者に知られている任意の数の電気回路および材料である。電力調節モジュールは、FESSユニット120を充電するとき、フライホイールエネルギー格納システムのアレイから直流出力を所望の交流出力に変換し、かつ応じて交流入力を直流出力に変換するために、当業者に知られている任意の数の両方向インバータである。図示の実施形態において、電力変換モジュール172は、700ボルト直流入力を480ボルト交流出力に、より特定的には480ボルト三相交流出力に変換する。図示の例示的な実施形態において、電力変換モジュール172は、IGBT電力電子機器を含み、DSP/FPGAベースの高速デジタルコントローラによって制御される。
【００７６】
本明細書に示されるように、各ホイールユニット120に関連する多数の補助構成要素、電力調節モジュール172、アレイコントローラ130、および電気分配グリッドから電力を受信するハウジング150に関連する他の構成要素が存在する。これらの補助的な負荷は、システムの付属的な負荷182と呼ばれる特徴として概略的に示される。
【００７７】
図8Bを同様に参照すると、より特定的に、FESSアレイ100bとグリッドインターフェース15との間の電気接続、または電気分配グリッドとのグリッド相互接続を示す他の概略図が示される。電気グリッドインターフェース15の電圧レベルが、一般的に、電力変換モジュール172からの交流電圧出力より高い電圧レベル(例えば、35、69、115KV)を動作する電気分配ラインに接続されるので、FESSアレイ100bは、さらにグリッドインターフェース15および電力調節モジュール172に動作可能にかつ電気的に結合されるステップ変換器174を含む。ステップアップ変換器174は、意図される使用および動作状態に適切である、当業者に知られている任意の数の変換器である。これは、図8AのFESSアレイを参照して示されるが、そのようなステップアップ変換器が、図6において示されるFESSアレイ100aを用いて使用されることが検討され、かつ本発明の範囲内である。
【００７８】
FESSアレイ100bの動作は、図7Aならびに図8A、図9A、図9Bの前述の議論、および以下の議論を参照すると理解される。これに関して、詳細についての図8A、図8B、および図6の前述の議論が参照されるべきであり、アレイの特徴はそうでなければ以下を含む。FESSアレイを配置するプロセス、使用のためのアレイの構成、および電力を吸収するモード、電力を提供するモード、およびスタンバイモードに関連する全体的なプロセスを全体的に記載する図7Aの前述の議論を参照すべきである。図9A、図9Bに関する以下の議論は、全体的なFESSアレイの動作および特にFESSユニットの動作を制御するために、アレイコントローラ130に実装される残りの方法論の特定のプロセスに関する。特に示した場合を除き同様の参照符号を有する、図9A、図9Bに示されるこれら方法ステップに関して、図7Bの議論を参照すべきである。
【００７９】
アレイコントローラ130は、図10に示される調整信号などの訂正信号を継続して監視する、ステップ602。一般に、調整信号は、次の時間ステップにわたって提供されることが要求される調整量を示す。提供される値は、FESSアレイ100bによって提供され/注入されることができる電力の最大量、またはFESSアレイによって吸収されることができる電力の最大量の(-)100%と(+)100%との間である。マイナス符号は、電力がグリッドから吸収されるべきである信号を示し、正符号は、電力がグリッドに送達されるべきである信号を示す。本発明に関して、最大量は、電力を送達または吸収するためにFESSの定格容量に類似し、必ずしも、どのFESSアレイ100bが、それが調整信号を受信したときに実際に行うことができるかの指示ではない。
【００８０】
より特定的な実施形態において、注入されまたは吸収される電力の量は、一般的に、電力調節モジュール172の下流側およびステップアップ変換器174の上流側で測定される。本明細書で示されるように、調整信号は、システムオペレータまたはエージェントによって周期的に更新され、より図示された実施形態において、調整信号は、ほぼ2〜4秒毎に更新される。また図10に示されるように、FESSアレイが、ゼロでないベース点または設定点を有するように動作されるとき、調整信号は、ベースまたは設定点に対して送達され/注入されまたは吸収される電力量を言及する。
【００８１】
設定点の場合に、図10に示されるような設定点は、FESSアレイによってグリッドから取り除かれる電力の公称電力レベルに対応する。設定点は、一般的に全体の調整信号または値のパーセンテージである。設定点は、例えば24時間に1回など時間の同意される時間にわたって一定値であるように、電力供給者/製造者で一般に確立される。
【００８２】
いったん、訂正または調整信号が受信されると、決定は、RS信号(以降RS)の値がゼロより大きいことを調べることで行われる、ステップ620。代わりに、プロセスは、決定は、RSがゼロ未満であるかを調べることで行われるように設定できる。調整信号の相対値を評価することと共に、アレイコントローラは、また、FESSアレイの状況および容量の指示を提供するシステム情報を獲得する、ステップ622。例えば、FESSアレイが電力を吸収するまたは提供することができるかどうかの指示、および吸収または送達されることができる電力量を提供する情報が得られる。
【００８３】
RSがゼロより大きいことが決定されるなら(はい、ステップ620)、調整信号は、FESSアレイ100bが、特定量の電力をグリッドに提供しまたは注入することを要求する。そのように、アレイコントローラ130は、獲得したシステムデータから、FESSアレイ100bが、グリッドに電力を送達するための十分な容量を有するかどうかを決定する。FESSアレイが、十分な容量を有することが決定されるなら(はい、ステップ624)、アレイコントローラ130は、FESSユニット120およびFESSアレイを、グリッドに電力を出力するように構成させる。さらなる実施形態において、アレイコントローラ130は、実際のFESSアレイの容量が十分であるかどうかを決定するために使用される最小レベルを含むように構成される。アレイをパワーが出力されることができるように構成した後、プロセスは、FESSアレイへの信号/メッセージを監視することに戻る。
【００８４】
FESSアレイが、十分な容量を有していないことが決定されるなら(いいえ、ステップ624)、アレイコントローラ130は、さらなる動作を何も行わず、プロセスは、FESSアレイへの信号/メッセージを監視することに戻る。最小レベルは、フライホイール内に格納された運動エネルギーが、電力を出力する前に所定値より下ではなく、または運動エネルギーが、電力の送達に続き所定値より下に低下しないように一般に確立される。
【００８５】
RSがゼロ未満であることが決定されるなら(いいえ、ステップ620)、調整信号は、FESSアレイ100bが、生成された特定量の電力をグリッドから吸収することを要求する。そのように、アレイコントローラ130は、獲得したシステムデータから、FESSアレイが、完全に充電されているかを決定し、ステップ660、または代わりにFESSアレイが、グリッドから電力を吸収するための十分な容量を有するかどうかを決定するために行われる。FESSアレイが、アレイがエネルギーを吸収することができないことを示す、十分に充電されたことが決定されるなら(はい、ステップ660)、プロセスは、FESSアレイへの信号/メッセージを監視することに戻る(ステップ600、図9A)。ESSアレイが、完全に充電されていないことが決定されるなら(いいえ、ステップ660)、アレイコントローラ130は、FESSユニット120およびFESSアレイを、グリッドから電力を吸収するように構成させる。本実施形態において、FESSユニット120は、グリッドから電気エネルギーを受けるように、かつ各FESSユニットに格納される運動エネルギーを増大するように配置される。電力が吸収されることができるようにアレイを構成した後、プロセスは、FESSアレイへの信号/メッセージを監視することに戻る、ステップ600、図9A。
【００８６】
図11を参照すると、本発明の他の態様によるFESSアレイ100cの概略図が示される。共通の参照符号を有する任意の特徴または要素に関する詳細または配置についての図6および図8A、図8BのFESSアレイ100a、100bの前述の議論を参照すべきである。本実施形態によるFESSアレイ100cは、FESSアレイ100cが、調節可能な負荷180を含むように構成されかつ配置されることが、図8Aに示されるアレイとは異なる。
【００８７】
調節可能な負荷180は、FESSアレイ100cから比較的容易に負荷を取り除かれかつ再び負荷が加えられることができる、負荷バンクまたはソフトな負荷などのシンクを備える。例えば、シンクまたはソフトな負荷は、グリッドインターフェース15に別個に結合される抵抗加熱要素であることができる。したがって、吸収される電気エネルギーは、使用可能な熱エネルギー、またはヒートシンク(例えば、雰囲気)に捨てられる熱エネルギーを提供するように、抵抗加熱要素に別個にかつ制御可能に送達される。他の例において、ソフトな負荷は、他のデバイス、装置、またはシステムが利用可能な電気エネルギーとして余分なエネルギーを使用することができる(例えば、氷を作る、水を純化する、流体を汲み取る)、ポンプまたはチラーユニットまたは塩分除去器などの他のデバイス、装置、またはシステムである。調節可能な負荷は、フライホイールエネルギー格納システム、またはエネルギー格納サブシステムに関して事前確立された最大吸収容量(すなわち100%調整信号値)によって、吸収されることができるものに等しい電気エネルギーを吸収できるように確立できる。より特定の実施形態において、調節可能な負荷は、エネルギー格納サブシステムに関する事前確立された最大吸収容量の約50%、より特定的には、約40%、30%、20%、または10%に等しいエネルギー量を吸収するように設定される。
【００８８】
図11のFESSアレイ100cの動作は、図7A、図8A、図9A、図9B、および図11の前述の議論、ならびに図12A〜図12Cおよび以下の議論を参照すると理解される。これに関して、詳細についての図6、図8A、図8B、および図11の回路に関する前述の議論が参照されるべきであり、アレイの特徴はそうでなければ以下を含む。使用に関するアレイの構成、および電力を吸収するモード、電力を提供するモード、およびスタンバイモードに関連する全体的なプロセス、ならびに図9A、図9bの方法論を制御するコントローラの議論を全体的に記載する図7Aの前述の議論を参照すべきである。図12A〜図12Cに関する以下の議論は、全体的なFESSアレイの動作および特にFESSユニットの動作を制御するために、アレイコントローラ130に実装される残りの方法論の特定のプロセスに関する。特に示した場合を除き同様の参照符号を有する、図12A〜図12Cに示されるこれら方法ステップに関して、図7Bおよび図9A、図9bの議論を参照すべきである。
【００８９】
アレイコントローラ130は、図10に示される調整信号などの訂正信号を継続して監視する、ステップ602。一般に、調整信号は、次の時間ステップにわたってFESSアレイ100cによって提供されることが要求される調整量を示す。提供される値は、FESSアレイ100bによって提供され/注入されることができる電力の最大量、またはFESSアレイによって吸収されることができる電力の最大量の(-)100%と(+)100%との間である。マイナス符号は、電力吸収を示し、正符号は、電力がグリッドに送達されるべきであることを示す。
【００９０】
また本明細書に示されかつ図10を参照すると、FESSアレイが、ゼロでないベース点または設定点を有するように動作されるとき、調整信号は、ベースまたは設定点に対して送達され/注入されまたは吸収される電力量を言及する。より特定の実施形態において、設定点は、FESSアレイ内に格納される(例えば、アレイコントローラ格納装置134)1つ以上のパラメータである。パラメータは、FESSアレイ100cが初期的に構成されるときに格納されることができ、またはローカルにまたは遠隔位置から遅れて更新されることができる。代わりに、設定点は、調整信号も送るシステムオペレータまたはエージェントによって送信されるパラメータであってもよい。
【００９１】
いったん、訂正または調整信号が受信されると、決定は、RS信号(以降RS)の値がゼロより大きいことを調べることで行われる、ステップ620。代わりに、プロセスは、RSがゼロ未満であるかを調べることで決定が行われるように設定できる。調整信号の相対値を評価すると共に、アレイコントローラ130は、また、FESSアレイの状況および容量の指示を提供するシステム情報を獲得する、ステップ622。
【００９２】
RSがゼロより大きいことが決定されるなら(はい、ステップ620)、評価は、RSが、補助電力レベル(AP)より大きいかどうかを決定する、ステップ700(図12B)。RSがAPより大きいなら、アレイコントローラ130は、獲得したシステムデータから、FESSアレイ100bが、グリッドに電力を送達するためにRS-APで十分な容量を有するかどうかを決定する、ステップ710。FESSアレイ100が、十分な容量を有することが決定されるなら(はい、ステップ710)、アレイコントローラ130は、FESSユニット120およびFESSアレイ100cを、グリッドに電力を出力するように構成させる。より特定の実施形態において、FESSアレイ100cは、FESSユニットが約RS-APに等しい電力出力を出力するように構成される。FESSアレイによって受けられる設定点(SP)に等しい電力が、調節可能な負荷180に分配されるなら、調節可能な負荷に対する電力のすべてまたは一部は、また調節可能な負荷から分配グリッドに戻るように逸らされる。
【００９３】
FESSユニットが、十分な容量を有していない(いいえ、ステップ710)なら、FESSアレイによって受けられるSPに等しい電力は、調節可能な負荷180に分配され、次にアレイコントローラ130は、調節可能な負荷への電力が、調節可能な負荷から分配グリッドに戻るように逸らされるように、FESSアレイ100cを構成する、ステップ711。アレイコントローラ130は、FESSユニット120の動作状況を変更しない。電力が送達されることができるように、アレイのそのような構成の後、ステップ711、712、プロセスは、FESSアレイへの信号/メッセージを監視することに戻る。ステップ600、図12A。
【００９４】
他方、RSがSPより小さいことが決定されるなら、アレイコントローラ130は、FESSアレイ100bが完全に充電されたかどうかについて獲得されたシステムデータから決定する、ステップ720。FESSアレイが運動エネルギーで完全に充電されたことが決定されるなら(はい、ステップ720)、アレイコントローラ130は、グリッドに電力を出力するようにFESSアレイ100cを構成させる、ステップ722。より特定の実施形態において、FESSアレイ100cは、FESSユニットが電力出力を提供しないように構成され、調節可能な負荷は、ほぼ実際の電力AP-RSに等しい電力が分配ネットワークに調節可能な負荷から戻るように逸らされるように構成される。
【００９５】
FESSアレイが運動エネルギーで完全に充電されることが決定されるなら(いいえ、ステップ720)、アレイコントローラ130は、NPを計算し、NPは、割り当てられた時間ステップにおいて完全にフライホイールを充電する必要がある電力量である、ステップ724。その後、アレイコントローラ130は、NPがAP-RSより大きいかどうかを決定する、ステップ730。
【００９６】
NPがAP-RSより大きいことが決定されるなら(はい、ステップ730)、アレイコントローラ130は、グリッドに電力を出力するようにFESSアレイ100cを構成させる、ステップ732。より特定の実施形態において、FESSアレイ100cは、FESSユニットがほぼAP-RSに等しい電力レベルでグリッドから電力を吸収するように構成され、調節可能な負荷180は、電力がFESSユニット120を充電するために調節可能な負荷から逸らされるように構成される。グリッドから取り出される電力量は、今や調整信号より小さい補助電力レベルであるので、この電力は、FESSユニット120の充電に利用可能である。
【００９７】
NPがAP-RSより大きくないことが決定されるなら(いいえ、ステップ730)、アレイコントローラ130は、グリッドに電力を出力するようにFESSアレイ100cを構成させる、ステップ734。より特定の実施形態において、FESSアレイ100cは、FESSユニットがほぼNPに等しい電力レベルでグリッドから電力を吸収するように構成され、調節可能な負荷180は、電力の一部がFESSユニット120を充電するために調節可能な負荷から逸らされるように構成され、ほぼAP-RS-SPの出力が、グリッドに出力される。このようにアレイを構成した後(ステップ732、734)、プロセスは、FESSアレイへの信号/メッセージを監視することに戻る。ステップ600、図12A。
【００９８】
RSがゼロ以下であることが決定されるなら(いいえ、ステップ620)、FESSアレイ100cが、余分の電力=abs(RS)を吸収する十分な容量を有するかどうかの評価が、獲得したシステムデータから決定するアレイコントローラ130によって行われる、ステップ800。FESSアレイが、電力を吸収するための十分な容量を有することが決定されるなら(はい、ステップ800)、アレイコントローラ130は、FESSユニット120がエネルギーを吸収するように、FESSユニット120およびFESSアレイ100cを構成させ、調節可能な負荷は、APに等しい負荷を吸収するように設定される、ステップ804。FESSアレイが、電力を吸収するための十分な容量を有さないことが決定されるなら(いいえ、ステップ800)、アレイコントローラ130は、FESSユニットがエネルギーを吸収しないようにFESSアレイ100cを構成させ、調節可能な負荷180は、AP+abs(RS)に等しい負荷を吸収するように設定される、ステップ802。このようにアレイを構成した後(ステップ802、804)、プロセスは、FESSアレイへの信号/メッセージを監視することに戻る。ステップ600、図12A。
【００９９】
本発明の他の態様によれば、各FESSアレイ100は、アレイのすべての電力製造FESSユニットからの電力生成を確実にするように、アレイを形成する各FESSユニット120の出力電圧を制御するために多数の様式の任意の1つの態様で構成されかつ配置される。各FESSユニットの出力電圧を制御するための様々な技術および/または回路が、図13A〜図13Dに示される。
【０１００】
図13Aを参照すると、従来のマスタスレーブ構成を示す、多数のフライホイールエネルギー格納システムのアレイの概略図が示される。従来のマスタスレーブ構成において、1つのFESSユニットは、マスタに指定され、すべてのFESSユニットに関する出力電圧を決定する。他のFESSユニットは、それらの出力電圧がマスタによって決定された電圧に制御されるように、マスタに対してスレーブされる(すなわち、制御される)。米国特許出願第09/998,122号(現在許可された)の図1〜図2に関する議論を参照すべきであり、その教示は、マスタスレーブ構成の機能および全般的な設計に関するさらなる詳細として、参照によって本明細書に組み込まれる。
【０１０１】
図13Bを参照すると、FESSアレイコントローラ130が出力電圧を制御する、本発明による方法論を示すフロー図が示される。FESSアレイ100、より詳細にはアレイのFESSユニット120が、電力を生成しかつ電気分配ネットワークにその電力を送達するとき(はい、ステップ900)、FESSアレイコントローラ130は、各FESSユニットの出力電圧を監視する、ステップ904。これは、例えばフライホイールコントローラ122によって出力される出力電圧動作パラメータを使用することによって達成されることができる。
【０１０２】
各FESSユニット120の出力電圧は、FESSユニット120の出力電圧が、同期されかつ本質的に同一であるかどうかを決定するために評価される。電圧が同期されないなら、アレイコントローラ130は、マスタスレーブタイプの構成におけるマスタによって行われる電圧に非常に近い、出力されるべき適切な訂正電圧を決定し、FESSアレイコントローラ130は、次に、訂正が必要な各FESSユニットに信号を出力する、ステップ908。各影響されるFESSユニット120の電気モジュール122は、FESSユニットが所望の値で出力電圧を提供するように、コントローラ130からの信号に応答してモータ/発電機126の動作を調節する。例示的な実施形態において、FESSアレイコントローラ130は、所定の値の1つを使用して、またはFESSユニットに関する最低の出力電圧に応答する電圧を制御することによって、そのような電圧調節を決定する。FESSアレイ100が電力を送達せず、またはFESSユニットの電圧が同期されることを決定されるなら、プロセスは終了する、ステップ902。
【０１０３】
図13C、図13Dを参照すると、FESSフライホイールコントローラ122に実施されるデジタル信号プロセッサの制御の下の電力調整回路(図13C)、およびデジタル信号プロセッサ(図9D)で実行されるアプリケーションプログラムのフロー図が示される。本発明の譲渡人に譲渡された、米国出願第09/998,122号(現在許可された)の図3〜図7に関する議論を参照すべきであり、その教示は、電力調整回路、その代替実施形態、およびフロー図の機能および設計に関するさらなる詳細として、その全体を参照によって本明細書に組み込まれる。
【０１０４】
本発明のさらなる態様において、FESSユニット120およびアレイコントローラ130を含むFESSアレイ100は、電圧の同期、および電圧と共にFESSアレイから出力される位相などの関連する特徴、ならびに電力分配ネットワーク上の電力の関連する特徴を確実にするように構成されかつ配置される。
【０１０５】
本発明の好ましい実施形態が、特定の用語を使用して記載されたが、そのような記載は、例示目的だけのためであり、変更および変化が、以下の特許請求項の精神または範囲から逸脱することなく行われることができることを理解されたい。
【０１０６】
参照による組み込み
本明細書に開示されたすべての特許、公開された特許出願、および他の引例は、参照によってその全体を参照によって明白に組み込まれることができる。
【０１０７】
均等物
当業者は、本明細書に記載される本発明の特定の実施形態の多くの均等物を、せいぜい慣例の経験を使用して認識しまたは確かめることを可能にする。そのような均等物は、特許請求の範囲によって包含されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１Ａ】電気的負荷の時間の関数として変動を示す例示的な毎日の負荷曲線である。
【図１Ｂ】深夜の時間と午前3時との間の図1Aに示される毎日の負荷における短期間の変動を示す、例示的な負荷曲線である。
【図２】24時間の時間期間にわたる時間の関数として交流周波数における変動を示す例示的な曲線である。
【図３Ａ】可変負荷を有する化石燃料発電機に関する生成および負荷曲線を含むグラフである。
【図３Ｂ】可変負荷を有するポンプ給送される水力発電機に関する生成および負荷曲線を含むグラフである。
【図４】本発明のFESSアレイの様々な配置を示す、例示的な電力生成および分配システムのブロック図である。
【図５】本発明の例示的なFESSアレイの斜視図である。
【図６】4個のFESSユニットを有する本発明の1つの態様による、例示的なFESSアレイのブロック図である。
【図７Ａ】本発明の態様による方法論を示す高レベルのフロー図である。
【図７Ｂ】FESSアレイを制御するための本発明による方法論を示すフロー図である。
【図８Ａ】本発明の一態様によるFESSアレイの他の実施形態の概略図である。
【図８Ｂ】電気分配グリッドに対する図8AのFESSアレイの接続をより詳細に示す概略図である。
【図９Ａ】図8A、図8BのFESSアレイを制御するための本発明による他の方法論を示す高レベルのフロー図である。
【図９Ｂ】図8A、図8BのFESSアレイを制御するための本発明による他の方法論を示す高レベルのフロー図である。
【図１０】調整信号および設定点を示すグラフ図である。
【図１１】本発明の他の態様によるFESSアレイの概略図である。
【図１２Ａ】図10のFESSアレイを制御するための本発明による他の方法論を示す高レベルのフロー図である。
【図１２Ｂ】図10のFESSアレイを制御するための本発明による他の方法論を示す高レベルのフロー図である。
【図１２Ｃ】図10のFESSアレイを制御するための本発明による他の方法論を示す高レベルのフロー図である。
【図１３Ａ】マスタスレーブ構成を示す複数のフライホイールエネルギー格納システムのアレイを示すフロー図である。
【図１３Ｂ】FESSアレイコントローラが出力電圧を制御する、本発明による方法論を示すフロー図である。
【図１３Ｃ】FESS電子モジュール122に実現されるデジタル信号プロセッサの制御下の電力調整回路である。
【図１３Ｄ】図9Cのデジタル信号プロセッサで実行されるアプリケーションプログラムのフロー図である。
【符号の説明】
【０１０９】
10  電力生成および分配システム
12、12'  電力生成設備
14  電力分配グリッド
15  グリッドインターフェース
18、18'  システム負荷
100  FESSアレイ
120  フライホイールエネルギー格納システム(FESS)ユニット
122  フライホイールコントローラ
124  フライホイールモジュール
125  モジュール
126  フライホイール/ロータアセンブリ
128  モータ/発電機
129  両方向インバータ
130  アレイコントローラ
132  CPU
134  メモリおよび格納装置
140  モニタ
150  ハウジング
160  切り替え機構
170  直流バス
172  電力調節モジュール
174  ステップアップ変換器
180  調節可能な負荷
182  システムの付属的な負荷
200  FESSアレイサブシステム
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【国際調査報告】
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