(57)【要約】  本発明は、分散型電力供給（ＤＧ）ユニットの制御計画を実行するための方法およびシステムを開示する。本発明の制御計画は、ＤＧユニットが同期発電機と同様な動作をするように実行される。本発明の方法は、管理制御手段を用いて、複数のＤＧユニットをグループ化して、一つの小規模電力系統を形成する方法を開示する。複数の小規模電力系統はさらに階層構造の中に配置される。【選択図】  図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
分散型電力供給を制御するシステムであって、
分散型電力供給（ＤＧ）源と、
短期間エネルギ貯蔵器と、
交流電流（ＡＣ）センサと、
前記分散型電力供給源と前記短期間エネルギ貯蔵器とから現在状態の情報を受け取る電力フロー制御器と、
前記電力フロー制御器と通信をし、ＡＣシステムからの電圧（Ｖａｃ）を検知する動作制御器と、
前記動作制御器と前記ＡＣセンサと通信をする電流フィードバック制御器と、
前記電流フィードバック制御器から受け取る信号に基づいて前記ＤＧ源に同期発電機と同様な動作をさせる電子式電力系統インタフェース（ＰＥＩ）と、を有する分散型電力供給を制御するシステム。
【請求項２】
前記ＰＥＩは、ハードウェア、ファームウェア、およびソフトウェアの組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記動作制御器が、ＡＣ電圧源（Ｖｓ）と予め定められたインピーダンスネットワークとを有する仮想電気回路ネットワーク（ＶＥＮ）を用いて導きだした出力基準電流（Ｉａｃ）を、前記動作制御器が前記電流フィードバック制御器に与えることによって、前記ＰＥＩが前記ＤＧ源に同期発電機と同様な動作をさせることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記ＶＥＮの複数のパラメータには、前記ＡＣ電圧（Ｖｓ）の振幅、前記ＡＣ電圧（Ｖｓ）の周波数、および前記ＡＣ電圧（Ｖｓ）の位相が少なくとも含まれ、前記ＶＥＮの複数のパラメータをリアルタイムで変化させて、前記ＤＧ源の有効電力および無効電力を制御することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記動作制御器は、前記ＡＣシステムからの前記電圧（Ｖａｃ）の即時測定と前記ＶＥＮの数学的モデルとを用いて、前記出力基準電流の即時値を算出し、前記ＶＥＮの所望動作を導き出し、それによって前記ＰＥＩが前記ＤＧ源に同期発電機と同様な動作させるようにすることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
前記電流フィードバック制御器から受け取る前記信号は、前記ＡＣセンサが検知する電流と前記出力基準電流（Ｉａｃ）との比較に基づくものであることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
【請求項７】
前記電力フロー制御器は、少なくとも一つの電力管理目的を達成するために連続的に負荷角を変化させることによって、前記ＤＧ源と前記短期間エネルギ貯蔵器との間のエネルギの流れを管理することを特徴とする請求項３に記載のシステム。
【請求項８】
前記少なくとも一つの電力管理目的には、前記ＤＧ源の平均有効電力出力と前記ＡＣシステムからの前記電圧（Ｖａｃ）の周波数との間に所定の出力降下関係を作り出すことが含まれ、前記負荷角は前記ＡＣシステムからの前記電圧（Ｖａｃ）と前記ＶＥＮのＡＣ電圧源（Ｖｓ）の間の位相差を利用することよって決められることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記少なくとも一つの電力管理目的には、前記短期間エネルギ貯蔵器が前記ＰＥＩにシステムの過渡現象に応答させるのに十分なレベルのエネルギを確実に維持することを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記ＶＥＮは仮想的な電気回路であり、前記ＡＣ電圧源（Ｖｓ）の値は前記電力フロー制御器によって決められることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【請求項１１】
前記ＡＣ電圧源（Ｖｓ）の値は常に変動することを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【請求項１２】
前記ＶＥＮは仮想的な電気回路であり、前記インピーダンスネットワークは所望の特性にしたがって設計された複数のインピーダンス値を含むことを特徴とする請求項３に記載のシステム。
【請求項１３】
前記複数のインピーダンス値は一定に保たれ、所望の出力特性に基づいて決められることを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記ＶＥＮの構成は、前記同期発電機と同様な前記動作を最適化するように運転中に変更されることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記ＶＥＮは、少なくとも一つの追加電圧源、少なくとも一つの追加電流源、少なくとも一つの線型抵抗素子、少なくとも一つの非線型抵抗素子、少なくとも一つの容量性素子と、および少なくとも一つの誘導性素子のうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項３に記載のシステム。
【請求項１６】
分散型電力供給を制御する方法であって、
即時測定された交流システム電圧（Ｖａｃ）を受け取り、
ＡＣシステムから受け取った前記即時測定された交流システム電圧（Ｖａｃ）と仮想電気回路ネットワーク（ＶＥＮ）の数学的モデルとに基づき、出力基準電流（Ｉａｃ）を算出し、
前記出力基準電流（Ｉａｃ）の前記算出された即時値と前記ＡＣシステムから検知されたＡＣ電流との比較に基づいて制御信号を作り、
前記作った制御信号に基づいて、同期発電機の特性を模倣し同等となるように分散型電力供給源の出力を調整することを含む分散型電力供給を制御する方法。
【請求項１７】
前記仮想電気回路ネットワーク（ＶＥＮ）の数学的モデルとに基づき、出力基準電流（Ｉａｃ）を算出することは、ＡＣ電圧源（Ｖｓ）と予め定められたインピーダンスネットワークとを有する前記仮想電気回路ネットワーク（ＶＥＮ）の前記数学的モデルに基づいて前記出力基準電流（Ｉａｃ）の前記即時値を算出することが含まれることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
分散型電力供給源の出力を調整することには、光発電システム、風車、蓄電池貯蔵、および燃料電池のうちの一つを含む前記分散型電力供給源の前記出力を調整することを含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
複数の分散型電力供給（ＤＧ）源と、複数の負荷と、複数の結合された制御器とをグループにしたシステムであって、
電力系統と、
電力系統制御器と、
制御計画にしたがって制御され、複数の電子式電力系統インタフェース（ＰＥＩ）を有する一つまたは複数のＤＧ源の組み合わせと、複数の同期機械システムと、スマートスイッチと、管理制御手段（ＳＣＡ）と、短波長帯通信ネットワーク（ＬＢＣＮ）と、負荷と、を含む小規模電力系統とを含むシステム。
【請求項２０】
前記ＳＣＡは、単一の物理モジュールを有しているか、または多くの離散型のシステムまたはサブシステムの中に組み込まれる一群の複数の特徴を有しているものであることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１１年１０月２１日にＰＣＴ出願として出願された。同ＰＣＴ出願の出願人は、アメリカ合衆国を除くすべての締約国を指定国においてはペトラ  ソーラ、インク．であり、また同ＰＣＴ出願の出願人は、指定国アメリカ合衆国においてはヨルダン国籍のハッサム  アラトラッシュと、アメリカ合衆国国籍ナッセル  クツクツである。また本出願は、２０１０年１０月２２日に出願された米国仮特許出願第６１／４５５、５５６号の優先権を主張するものであり、同仮特許出願の要旨は本願に援用される。
【０００２】
本発明は、概して電気エネルギ発生の分野に関するものである。具体的にいえば、本発明は、分散型電力供給源の電子式電力系統インタフェースの制御計画を容易にする方法およびシステム。
【背景技術】
【０００３】
今日の電力の大部分は、化石燃料、水力または原子力を利用する大規模集中型の発電所によって発電され、長距離送電されてエンドユーザーに送られている。このようなシステムでは、電力は複数の大規模集中型の発電所から、配電ネットワークを通って、消費者まで一方通行で送電される。しかしながら、大規模集中型の発電所による枠組みには、多くの不利な点がある。そのような不利な点には、温室効果ガスおよび他の汚染物質の環境への悪影響、送電ロスおよび非効率、供給不安に対する防衛手段の増大、システムの持続性の問題および送電および配電のインフラ構造の継続的な改善および交換が高コストになることが含まれる。
【０００４】
過去数年にわたって、技術革新、経済および規制の変化並びに環境および社会の優先順位のシフトによって、分散型電力供給（Distributed Generation、ＤＧ）システムへの関心が高まっている。分散型電力供給は、太陽光発電、風力発電、燃料電池新しい再生可能エネルギ技術に基づく中小型の複数の発電機を統合した電力系統に基づく発電システムの新しいモデルである。これらの発電機はすべて、完全に双方向性の自動制御配電網を通して互いに接続されている。この革新には精巧な制御と通信の技術が必要である。
【０００５】
大部分の分散型電力供給源は主として従来型の電力システムを補完するのに用いられる。例えば、これらの分散型電力供給源を組み合せれば、主電力系統が故障または停止した場合、所定区域内において近くにある負荷に対して継続的に電力を供給することが可能である。近くにある負荷による複数の分散型電力供給源のグループは、小規模電力系統と呼ばれる。小規模電力系統は、一般的に自給式電気エコシステムである。このような小規模電力系統システムにおいては、所定地域内で電力が発電され、送電され、消費され、監視され、管理される。多くの場合、このような小規模電力系統システムは統合されてより大きな配電系統、すなわち中央配電系統が形成される。ただし、小規模電力系統の特徴により、統合される小規模電力系統は、全体の配電系統から切り離された場合には独立した配電系統として機能する。
【０００６】
開発されている現在の分散型電力供給源のほとんどは、電流源として設計されているため、小規模電力系統の一部として採用することができない。このような電力システムが出力する電力は、あきらかに安定ではない。さらに、このような電力システムは、主電力系統から切り離された状態で所定の地域に電力を供給することはできない。主電力系統と切り離された状態の小規模電力系統を用いて所定の地域や場所に電力を供給するプロセスは、孤立化として知られている。さらに、分散型電力供給（ＤＧ）源が電圧源として設計されている場合であっても、その分散型電力供給源を小規模電力系統の一部として用いることはできない。その理由は、瞬間的な出力電圧のわずかな差があっても大きな循環電流が流れることになり、分散型電力供給源が損傷を受けるからである。現在使用されている小規模電力系統は、中程度の出力インピーダンス特性を有する同期発電機を用いているので、主電力系統と結合した状態で、並行して機能するし、また主電力系統と切り離された状態でも機能する。
【０００７】
前記した課題を踏まえると、電子式電力系統インターフェースを利用して、改善された特性を示すように複数の分散型電力供給源を制御するシステムが必要である。さらに、複数の分散型電力供給源を統合して一つの小規模電力系統を形成するシステムが必要である。このようにすれば、複数の分散型電力供給源を適切に制御して安定したＡＣ電力システムを維持できる。また、このシステムがより大きな電力系統と接続される場合（送電系統結合モードとして知られる）、動作できるはずであるし、電力系統と切り離された場合でも（孤立モードとして知られる）動作することができるはずである。さらに、このシステムは、送電系統結合モードと孤立モードの間の変換をスムースにすることが可能である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、複数の分散型電力供給源に基づき、安定したＡＣ電力を発電し配電するシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一つの実施形態は、電子式電力系統インタフェース（ＰＥＩ）を用いて所定の電気特性を有するように分散型電力供給源を制御することを容易にするシステムを提供する。このシステムによって分散型電力供給源が有する所定の電気特性は、同期発電機の電気特性と同様である。
【００１０】
本発明の別の実施形態は、複数の分散型電力供給ユニットをグループにして一つの小規模電力系統にする方法を提供する。この小規模電力系統の前記複数の分散型電力供給ユニットは、管理制御手段を用いることにより、グループ化する。前記管理制御手段は、短波長帯通信ネットワーク（ＬＢＣＮ）を介して、複数の分散型電力供給ユニットと通信する。前記小規模電力系統は、主電力供給系統と接続されると機能するし、また孤立モードでも機能する。
【００１１】
本発明のさらに別の実施形態は、複数の分散型電力供給源を統合して小規模電力系統の階層構造を作り出す方法を提供することである。この小規模電力系統の階層構造は、複数の小規模電力系統を編成して所定の階層構造とすることによって実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
以下、本発明の様々な実施形態を、本発明の代表例を表す添付図面を用いて説明する。前記添付図面は本発明を限定するものではない。また前記図面中で同一の符号は、同一の要素を示す。
【００１３】
【図１】本発明の様々な実施形態が実施可能な典型的な環境を示す。
【図２】一つの分散型電力供給ユニットの制御計画を実現させるブロックダイアグラムを示す。
【図３】本発明の一実施形態にしたがう仮想電気回路ネットワーク（ＶＥＮ）を表わす回路図を示す。
【図４】本発明の別の実施形態にしたがう仮想電気回路ネットワーク（ＶＥＮ）を表わす典型的な回路図である。
【図５】本発明のさらに別の実施形態にしたがう仮想電気回路ネットワーク（ＶＥＮ）を表わす別の典型的な回路図である。
【図６】本発明の一実施形態にしたがう、複数の分散型発電システム、複数の負荷およびこれらと結合されている複数の制御器をグループにして一つの小規模電力系統としたブロックダイアグラムを表わす。
【図７】本発明の一実施形態にしたがう、典型的な小規模電力系統の階層構造を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は、複数の分散型電力（ＤＧ）供給源の複数の電子式電力系統インタフェース（ＰＥＩ）に対する制御計画を容易にするシステムおよび方法を開示する。様々なタイプのＤＧ源が本発明に適用可能であり、そのようなＤＧ源には、例えば、光発電（ＰＶ）システム、風力タービン、蓄電池貯蔵、および燃料電池が含まれる。ただし、これらに限定されるものではない。本発明は特に、一つまたは複数のＰＥＩと交流（ＡＣ）電力送電システムの相互作用を重点的に扱うものである。
【００１５】
図１は本発明の様々な実施形態が実施可能な典型的な環境を示す。図１に含まれるのは、発電所１０２、一つまたは複数の送電ユニット１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ（これらをまとめて「送電ユニット１０４」という）、一つまたは複数の配電ユニット１０６ａ、１０６ｂ（これらをまとめて「配電ユニット１０６」という）、小規模電力系統１０８、一つまたは複数の負荷１１０ａ、１１０ｂ（これらをまとめて「負荷１１０」という）、および配電ネットワーク１１２である。さらに、小規模電力系統１０８は、一つまたは複数のＰＥＩ１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ（これらをまとめて「ＰＥＩ１１４」という）、一つまたは複数のＤＧ源１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ（これらをまとめて「ＤＧ源１１６」という）、および一つまたは複数のＤＧユニット１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃ（これらをまとめて「ＤＧユニット１１８」という）を含む。図１からわかるように、電子式電力系統インタフェース１１４とＤＧ源１１６とが組み合わされて、ＤＧユニット１１８を構成している。
【００１６】
本発明の一実施形態によれば、図１では一つまたは複数の電力系統制御センター（図示されていない）を含んでもよい。さらに、この電力系統制御センターは、発電、送電および配電を監視し制御するものである。
【００１７】
前記したように、発電所１０２は従来のエネルギ源と再生可能エネルギ源とに依存しており、これらのエネルギ源には、化石燃料、原子力、水力、風力、光発電、および地熱が含まれる。ただし、これらのエネルギ源に限定するものではない。前記に加えて、発電所１０２は大規模な電力を発電し、その発電した電力は配電ネットワーク１１２を介して負荷１１０に配電される。
【００１８】
本発明の一実施形態によれば、発電所１０２が発電する電力は送電ユニット１０４に供給された後、さらに配電ユニット１０６に送電される。
【００１９】
本発明の一実施形態によれば、小規模電力系統１０８は図１に示されるＤＧユニット１１８を含む。ＤＧユニット１１８は、光発電システム、風力タービン、蓄電池貯蔵、および燃料電池のようなエネルギ源に依存する。本発明の一実施形態によれば、小規模電力系統１０８は電力系統と接続されて、並行して機能する。本発明の別の実施形態によれば、小規模電力系統１０８は電力系統と切り離された状態で機能してもよい。
【００２０】
本発明の一実施形態によれば、発電所１０２、送電ユニット１０４、配電ユニット１０６、負荷１１０、および配電ユニット１１２まとめて電力系統という。
【００２１】
図２は一つの分散型電力供給ユニットの制御計画を実現させるブロックダイアグラムを示す。図２に記載されているように、このダイアグラムは分散型電力供給（ＤＧ）ユニット２０２を説明する。分散型電力供給ユニット２０２は分散型電力供給（ＤＧ）源２０４と電子式電力系統インタフェース（ＰＥＩ）ユニット２０６とＡＣ電流センサ２０８と動作制御器２１０と電流フィードバック制御器２１２と電力フロー制御器２１４と短期間エネルギ貯蔵器２１６とを含む。
【００２２】
分散型電力供給源２０４は光発電、風力、蓄電池貯蔵、および／または燃料電池のような一つまたは複数のエネルギ源を利用して、発電を行う。本発明の一実施形態によれば、制御の仕組みは、ＰＥＩユニット２０６を用いて所望の動作をするように分散型電力供給源２０４を制御することにより実現する。ＰＥＩユニット２０６の構造は、ＰＥＩユニット２０６と接続されるＤＧ源２０４の特性にしたがい異なったものになる。
【００２３】
本発明の一実施形態によれば、ＰＥＩユニット２０６は同期発電機と同様な電気特性を示すようにプログラムされている。ＰＥＩユニットは典型的にはハードウェアとソフトウェアとを組み合わせたものである。このＰＥＩユニットの特性は、仮想電気回路ネットワーク（ＶＥＮ）を用いてエミュレートされる。この仮想電気回路ネットワーク（ＶＥＮ）はＡＣ電圧源（Ｖｓ）と所定のインピーダンスネットワークとの組み合わせとして表わされる。ＡＣ電圧源（Ｖｓ）の振幅、周波数および位相のような様々なパラメータをリアルタイムで変化させて、ＤＧユニット２０２の有効／無効電力出力を制御する。このプロセスについては以下の段落で詳細に記載される。
【００２４】
ＰＥＩユニット２０６によって実現される制御計画は、電流フィードバックループを中心に構築される。電流センサ２０８と電流フィードバック制御器２１２とによって、電流フィードバックループが実現する。ＰＥＩユニット２０６の出力電流は電流センサ２０８を用いて検知した電流と基準出力電流（Ｉａｃ）との比較に基づき制御される。動作制御器２１０は、ＶＥＮの数学的モデルを用いて出力基準電流（Ｉａｃ）の即時値を算出するとともに、ＡＣシステム電圧（Ｖａｃ）を即時測定する。動作制御器２１０は、基準電流（Ｉａｃ）を操作して、ＶＥＮの動作を再現し、それによって同期発電機の動作を模倣し同等となるようにする。前記したＶＥＮについては、図３を用いて詳細に説明する。
【００２５】
電力フロー制御器２１４は、連続的に負荷角を変化させることによってＤＧ源２０４と短期間エネルギ貯蔵器２１６との間のエネルギのすべての流れを管理し、所定の電力管理目的を達成する。達成する電力管理目的の一つは、ＤＧユニット２０２の平均有効電力出力とＡＣシステム電圧（Ｖａｃ）の周波数との間に所定の出力降下関係を作り出すことである。負荷角はＡＣシステム電圧（Ｖａｃ）とＶＥＮの電圧（Ｖｓ）の間の位相差を利用することによって決められる。このことは後記される。さらに、電力フロー制御器２１４によって、短期間エネルギ貯蔵器２１６がＰＥＩに適切な機能を発揮させて、システムの過渡現象に応答させるのに十分なレベルのエネルギを確実に維持することができる。
【００２６】
図３は、本発明の一実施形態にしたがう仮想電気回路ネットワーク（ＶＥＮ）を表わす回路図を示す。図３に示すように、この回路図はＡＣ電圧源（Ｖｓ）３０２と複数のインピーダンス３０４、３０６（まとめて、「インピーダンス」という）とを含む。複数のインピーダンス３０４、３０６は、インピーダンスネットワークとも言ってもよい。
【００２７】
本発明の一実施形態によれば、図３に示す仮想電気回路は動作制御器２１０によって実現されるものでよい。
【００２８】
ＶＥＮのような仮想の回路は、インピーダンスネットワークと結びついたＡＣ電圧源（Ｖｓ）３０２を含むように設計されている。また、このインピーダンスネットワークを構成するすべてのインピーダンスは、ＡＣ電圧源（Ｖｓ）３０２の所望の特性と値にしたがって設計されている。ＡＣ電圧源（Ｖｓ）３０２の所望の値は、電力フロー制御器２１４によって決められる。
【００２９】
前記インピーダンスネットワークは、一つまたは複数の目的を満たすように設計されていることが、当業者ならばわかる。この設計によれば、ＤＧユニットが所定の負荷にのみ電力供給している場合、ＤＧユニットの出力電圧を許容可能な品質に維持できるはずである。さらに、この設計によれば、負荷電流に高調波成分があっても電圧の歪を最小にできるし、負荷の過渡的変動に応じて電圧を適当に減衰させ、負荷が大きい場合でも電圧降下を最小にできる。前記インピーダンスネットワークの別の目的は、電圧（Ｖａｃ）の振幅と位相に基づいて、好ましい出力降下特性を作り出すことである。この出力降下特性により、ＡＣシステム電圧の（Ｖａｃ）の振幅が減少する場合、ＤＧユニットの無効電力出力が増大することになる。出力降下特性が好ましい状態であれば、ＡＣシステム電圧（Ｖａｃ）に対するＶｓの位相角度が大きくなった場合、ＤＧユニットの有効電力出力が増大する。
【００３０】
本発明の一実施形態によれば、ＶＥＮのインピーダンスの値は一定に保たれる。その値はＶＥＮの出力の所望の特性によって定まる。さらに、システム電圧Ｖａｃに対するＶｓの振幅と位相がＤＧユニットの有効／無効電力出力に影響を与えるので、Ｖｓの値は変化できるようになっている。また、前記したように、Ｖｓの即時値は電力フロー制御器２１４によって決められる。
【００３１】
図４および図５は仮想電気回路ネットワーク（ＶＥＮ）を表わす典型的な回路図を示す。これらの回路図はそれぞれの実施形態にしたがう実際のＶＥＮの構成を表わすものである。
【００３２】
本発明の一実施形態によれば、図４に示される、ＶＥＮの一つの構成を表わす典型的な回路図が、同図中に記載されている。当業者ならば、図４に示される回路実装の詳細は、図３に示す回路と同様であることがわかる。
【００３３】
図４で図解するＶＥＮ回路図は、インピーダンスネットワークと結合しているＡＣ電圧源（Ｖｓ）を含む。結合しているインピーダンスネットワークは、図３に記載されている複数のインピーダンスＺ１、Ｚ２の組み合わせを含む。本実施形態における図４にしたがうＶＥＮ回路図は、インダクタンスＬｓと抵抗Ｒｄｃとの直列結合（図３中に定義されるＺ１と同等）を含む。さらに、図４はキャパシタンスＣｓ（図３中に定義するＺ２と同等）を含む。
【００３４】
本発明の別の実施形態によれば、図５に示される、ＶＥＮの一つの構成を表わす典型的な回路図が、同図中に記載されている。当業者ならば、図５に示される回路実装の詳細は、図３に示す回路と同様であることがわかる。
【００３５】
図５に示すＶＥＮ回路図は、インピーダンスネットワークと結合しているＡＣ電圧源（Ｖｓ）を含む。結合しているインピーダンスネットワークは、図３に記載されている複数のインピーダンスＺ１、Ｚ２の組み合わせを含む。本実施形態における図５にしたがうＶＥＮ回路図は、インダクタンスＬｓ１と、抵抗ＲｄｃとキャパシタンスＣｄｃとの並列結合と、からなる直列結合（図３中に定義されるＺ１と同等）を含む。さらに、図５はキャパシタンスＣｓと抵抗Ｒｄａｍｐの直列結合（図３中に定義するＺ２と同等）を含む。
【００３６】
本発明の一実施形態によれば、ＶＥＮ回路の構成は様々な動作条件に対して同期発電機の特性を最適化する際に変わる。 
【００３７】
当業者ならば、ＶＥＮが必要な特性によって変わることがわかる。ＶＥＮ回路に用いられる様々な素子には、一つまたは複数の電圧源、一つまたは複数の電流源、複数の線型または非線型抵抗素子、複数の容量素子、および複数の誘導素子が含まれる。ただし、これらに限定されるわけではない。
【００３８】
図６は、本発明の一実施形態にしたがう、複数の分散型電力供給システム、複数の負荷およびこれらと結合されている複数の制御器をグループにして一つの小規模電力系統としたブロックダイアグラムを表わす。
【００３９】
所定の制御方法をＤＧシステムに適用すると、同ＤＧシステムが多くのＤＧユニット、複数の負荷、およびこれらと結合している複数の制御器をグループにして、一つの小規模電力系統することができる。図６が示すブロックダイアグラムは、電力系統６２２、電力系統制御器６２８および小規模電力系統６０２を含む。一方、小規模電力系統６０２は、本実施形態が提案する前記した制御方法によって制御される一つまたは複数のＤＧユニット６０４、他の異なる制御方法によって制御される一つまたは複数のＤＧユニット６０６、複数の同期機械システム６０８、管理制御手段（ＳＣＡ）６１０、短波長帯通信ネットワーク（ＬＢＣＮ）６２４、および負荷６２６の組み合わせを含む。すべての構成要素はハードウェアのみとすることができるし、ソフトウェアのみとすることもできるし、またハードウェアとソフトウェアの組み合わせとすることもできる。負荷６２６はコンピュータ制御される負荷（スマート負荷）６３０と従来型負荷６３２のうちの一つまたは両方を含む。さらに、ＳＣＡ６１０は、スマートスイッチ６１２とエネルギ管理制御器６１４を含む。ＳＣＡ６１０はさらに「負荷スケジューリング制御器」を含んでもよい。本発明の一実施形態においては、負荷スケジューリング制御器６１６はスマート負荷６３０の一部を構成するもの、または従来型負荷６３２に接続されるものでもよい。スマートスイッチ６１２は、さらにスマート制御器６１８および複数のセンサ６２０を含む。本発明の様々な実施形態において、小規模電力系統６０２と電力系統６２２はスマートスイッチ６１２と直接に接続され、スマートスイッチ６１２が小規模電力系統６０２と電力系統６２２の間の切替インタフェースとして機能する。
【００４０】
本発明の一実施形態によれば、図６に示すすべての構成要素は、ハードウェアとソフトウェアの組み合わせとすることができる。本発明の別の実施形態によれば、同図に示されるすべての構成要素は、ハードウェア構成要素とすることもできる。
【００４１】
本発明の一実施形態によれば、ＳＣＡ６１０は単一の物理モジュールとすることができる。本発明の別の実施形態によれば、ＳＣＡ６１０は、多くの離散型システムまたはサブシステムに組み込まれる複数の機能を集めたものとすることができる。
【００４２】
本発明の一実施形態によれば、負荷６２６は、可変負荷、スケジュール可能な負荷、および固定負荷を含むものとすることができる。ただし、これらに限られるわけではない。負荷６２６は、さらに負荷スケジューリング制御器６１６および従来型負荷６３２と一体となった一つまたは複数のスマート負荷６３０を含んでもよい。従来型負荷６３２を稼働させるには、外部負荷制御器が望ましい。外部負荷制御器はＳＣＡ６１０の一部としてもよいし、または単独の構成要素としてもよい。
【００４３】
本発明の一実施形態によれば、スマートスイッチ６１２は、ＡＣ接続器として機能し、小規模電力系統６０２を電力系統６２２から隔離させる。スマートスイッチ６１２は、さらにスマート制御器６１８と複数のセンサ６２０を含む。スマート制御器６１８は、小規模電力系統の電圧、電力系統の電圧、および流れる電流の測定値を分析する役割を担っている。スマート制御器６１８は、分析した結果をエネルギ管理制御器６１４に短波長帯通信システム（ＬＢＣＮ）６２４を介して報告する。スマート制御器６１８は、小規模電力系統６０２を電力系統６２２から切断し、小規模電力系統６０２を電力系統６２２に同期させ、小規模電力系統６０２を電力系統６２２に相互接続させるのを補助する。さらに、スマート制御器６１８は、電力系統６２２への共通結合点における基準が守られるように管理する。このことには、無効電力の制限および／または高調波電流の主電力系統への流入の制限および／または意図しない孤立化の防止（節電および停電時において、小規模電力系統の外部にある負荷に電力供給する）が含まれる。
【００４４】
本発明の一実施形態によれば、エネルギ管理制御器６１４と負荷スケジューリング制御器６１６は、一つまたは複数の機能を果たす。これらの機能には、情報を集めてその情報を個別のＤＧユニット６０４、６０６、複数の同期機械システム６０８、スマートスイッチ６１２および負荷スケジューリング制御器６１６と共有すること、情報を集めてその情報を電力系統制御器６２８と共有すること、複数のＤＧ源の利用可否および電力系統の利用可否の予測、および電力価格の決定が含まれる。ただし、これらに限定されるものではない。余剰電力の予測は、現在の負荷および予測される負荷、天候条件、並びに地域で得られるまたは外部サービスから得られる他のデータに基づく。エネルギ管理制御器６１４と負荷スケジューリング制御器６１６には、さらに意図する孤立化モードの運転への移行および意図する孤立化モードの運転からの移行について決定すること、負荷を削減し優先スケジュールを供給すること、複数のＤＧ源の利用と充電の優先順位を決めること、リアルタイムでの価格決定に対する応答、およびエネルギ市場に参加することが含まれてもよい。
【００４５】
図６によれば、すべての複数のＤＧユニットのＰＥＩ間の通信は、ＬＢＣＮ６２４を介してなされている。短波長帯通信は比較的廉価でその設計が簡単なので、他のモードの通信よりも好ましい。本発明の一実施形態においては、ＬＢＣＮ６２４は，接続する複数のシステムに専用の独立したネットワークとして実装することができる。本発明の別の実施形態においては、ＬＢＣＮ６２４は，ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ），Ｗｉ−Ｆｉ，ＷＬＡＮ，電力線通信、およびＧＰＲＳネットワークのうちの一つまたは複数からなる組み合わせを用いて、実装してもよい。
【００４６】
本発明の一実施形態によれば、図６に記載されたシステムは、複数のＤＧユニット６０４、６０６を互いに並列で結合して統合し、単一のＡＣ負荷に電力供給することによって、孤立化モードで運転される。ＳＣＡ６１０は、ＤＧユニット６０４、６０６のすべてを制御して、孤立化モードでの運転プロセスを実行する。初めに、ＳＣＡ６１０の指示によって、一つまたは複数の小規模電力系統が電力系統６２２から切り離される。その後、ＤＧユニット６０４、６０６は、小規模電力系統の電圧を調整して許容限度内にする。さらに、本発明の一実施形態によれば、ＳＣＡ６１０はすべてのＤＧユニット６０４、６０６によって負荷を共有するように指示する。本発明の別の実施形態によれば、予め定めた負荷優先順位予定に基づいて、複数のＤＧユニット６０４、６０６の少なくとも２つのＤＧユニット間で、ＳＣＡ６１０によってエネルギのやりとりがなされる。このエネルギのやりとりの際に、該少なくとも２つのＤＧユニット間での直接的な通信は必要ない。さらに、ＳＣＡ６１０は適当な指令を、ＬＢＣＮ６２４を介して送信して、負荷の優先順位および負荷の配置を変更する。本発明の別の実施形態によれば、予め定めた負荷優先順位に基づき、負荷を共有し、エネルギのやりとりをすることは、ＳＣＡ６１０が関与することなくすべてのＤＧユニットによってなされる。
【００４７】
本発明の別の実施形態によれば、図６に記載したシステムは、すべてのＤＧユニット６０４、６０６を電力系統６２２と並列接続した状態での電力系統接続モードで運転することができる。図６で説明されるシステムは、以下に記載するように電力系統接続モードでの運転を実行する。ＳＣＡ６１０の指示によって、まず、すべてのＤＧユニット６０４、６０６を含む小規模電力系統６０２が電力系統６２２と接続される。接続されたＤＧユニット６０４、６０６は、予め定めた初期設定に基づいて、有効電力／無効電力を供給する。さらに、ＳＣＡ６１０は適当な指令を、ＬＢＣＮ６２４を介して送信して、小規模電力系統中の接続されたＤＧユニット６０４、６０６のそれぞれのＤＧユニットから供給される有効電力／無効電力を変更する。
【００４８】
本発明の別の実施形態によれば、ＤＧユニット６０４、６０６は電力系統接続モードと孤立化モードの間を、電力供給を遮断することなく切り替わる。さらに、孤立化モードから電力系統接続モードへの切り替えを、電力供給を遮断することなく行うプロセスでは、ＳＣＡ６１０からＤＧユニット６０４、６０６のそれぞれのＰＥＩユニットすべてにＬＢＣＮ６２４を介して発せられる指令によって、ＤＧユニット６０４、６０６の電圧、振幅、周波数および位相が変更される。したがって、ＤＧユニット６０４、６０６の電圧、振幅、周波数および位相が十分に同期されると、ＳＣＡ６１０は小規模電力系統６０２を電力系統６２２に接続する。
【００４９】
図７は、本発明の一実施形態にしたがう小規模電力系統の階層構造を表わす。図７は、システム７０２、一つまたは複数の子となる小規模電力系統７０４，７０６（まとめて「子小規模電力系統」という）、および親小規模電力系統７０８を含む。
【００５０】
小規模電力系統の階層構造は、複数の小規模電力系統が一つの予め定まった階層構造に配置された構造である。この小規模電力系統の階層構造は、互いに異なる複数の小規模電力系統のすべてのＳＣＡの間に前記した親子関係を決めることによって構築される。これらのＳＣＡ間の所定の親子関係はすべて、小規模電力系統の大きさ、トポロジ、およびシステム内の地理的位置を含む要因に基づいて決められる。ただし、これらの要因に限定されるわけではない。さらに、これらのＳＣＡ間の親子関係は、予め決められたものでもよいし、運転状態の変化に対応してリアルタイムで変更してもよい。
【００５１】
本発明の一実施形態によれば、前記小規模電力系統の階層構造中の異なる複数の小規模電力系統を子小規模電力系統または親小規模電力系統に組み入れることができる。これらの異なる複数の小規模電力系統のそれぞれは、一つの親小規模電力系統のメンバーに組み入れて、それによって、これらの異なる複数の小規模電力系統からなる、すべてのＳＣＡ間の親子関係を構築できる。以下の例で説明されるように、親小規模電力系統はそれよりも大きい小規模電力系統の子として動作してもよいことは、当業者ならわかることである。
【００５２】
図７に記載されているように、システム７０２は子小規模電力系統７０４、７０６に対する親小規模電力系統として動作する。しかし、同時にシステム７０２は親小規模電力系統７０８に対しては、子小規模電力系統として動作する。前記した親子関係により、親のＳＣＡは子小規模電力系統を一つの汎用的なＤＧ源として扱う。親ＳＣＡは、ＤＧ通信プロトコルとデータモデルとを用い、子小規模電力系統からデータを集め、その後子小規模電力系統の運転を管理するための指令を発する。さらに、子ＳＣＡはその複数の管理下システムからデータを収集し、集めたデータを親ＳＣＡに提供する責任を負っている。また子ＳＣＡは、その親ＳＣＡが発した指令を分析し、確実に親小規模電力系統に対して適切な応答をするように子小規模電力系統に指令を送る。
【００５３】
前記した小規模電力系統の階層構造を形成することによって、主電力系統を含む電力系統と小規模電力系統の階層構造との全体にわたって、情報を配布できる。この情報の配布により、大量のデータを集めて、大量のデータ処理および決定を行い、さらに同エネルギ管理制御器通信資源も必要とする単一の集中管理型のエネルギ管理制御器に依存する必要がなくなる。さらに、集中管理型のエネルギ管理制御器に依存する必要がなくなるため、一箇所の故障によりシステム全体が停止する可能性を排除できる。また、前記した小規模電力系統の階層構造を形成することによって、システムの分割化が可能になり、前記した小規模電力系統の階層構造の様々なレベルで意図的な小規模電力系統の孤立化が可能になる。
【００５４】
本発明に記載された分散型電力供給源の電子式電力系統インタフェースまたはその構成要素の制御計画を容易にする方法およびシステムは、組み込まれたコントローラの形で実現される。組み込まれたコントローラの代表的な例には、汎用のコンピュータ、プログラマブルマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、周辺集積回路素子、ＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）、ＰＬＣ（プログラマブルロジックコントローラ)、または本発明の方法を構成するすべてのステップを実行可能な他のデバイスまたはデバイスの組み合わせである。
【００５５】
組み込まれたコントローラは、一つまたは複数の記憶素子に記憶された複数の指令（またはプログラム命令）の集まりを実行し、入力されたデータを処理する。これらの記憶素子はデータ処理機中に存在する情報源または物理的記憶素子の形態のものでよい。前記した複数の指令の集まりは、前記した本発明の方法を構成するすべてのステップのような特殊な課題をデータ処理機に行わせる様々な命令を含むものでよい。また、前記した複数の指令の集まりは、ソフトウェアまたはファームウェアのプログラムの形態のものでよい。さらに、このようなソフトウェアまたはファームウェアのプログラムは、独立した複数のプログラムを集めたもの、一つの大きなプログラムを有するプログラムモジュール、または一つのプログラムモジュールの一部の形態のものでよい。
【００５６】
本発明の様々な実施形態を記載し、説明したが、本発明がこれらの実施形態に限定されないことは明白である。本発明の技術的範囲から逸脱しない、数多くの変形例、変更例、変化例、代用、および同等例があることは、当業者ならば当然わかる。
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図１】
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【国際調査報告】
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