(57)【要約】本願は、供給ネットワークの少なくとも一部を備える可能性があるシステムを開示する。システムは、予めプログラムされた負荷曲線に従って供給ネットワークの少なくとも一部から１つ又は複数負荷への電力を提供する負荷ネットワークの中へのＩ１の電流レベルを備えた電流フローを制御する負荷コントローラをさらに備えてもよい。本システムは、予めプログラムされた負荷曲線と不整合である電流パターンの検出に応答して、負荷コントローラから供給ネットワークの少なくとも一部を分離する保護システムをさらに備えてもよい。
2021510061.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給ネットワークの少なくとも一部と、
予めプログラムされた負荷曲線に従って上記供給ネットワークの少なくとも一部から１つ又は複数の負荷の電力を提供する負荷ネットワークへの電流フローをＩ１の電流レベルで制御する負荷コントローラと、
上記予めプログラムされた負荷曲線と不整合である電流パターンの検出に応答して、上記負荷コントローラから上記供給ネットワークの少なくとも一部を分離する保護システムとを備えた、
システム。
【請求項２】
上記供給ネットワークはＤＣネットワークである、
請求項１記載のシステム。
【請求項３】
上記供給ネットワークはＡＣネットワークである、
請求項１記載のシステム。
【請求項４】
上記供給ネットワークは、上記供給ネットワークの供給電圧を保持する供給コントローラを備える、
請求項１記載のシステム。
【請求項５】
上記供給ネットワークはエネルギー貯蔵器をさらに備え、
上記供給コントローラは、上記エネルギー貯蔵器を用いて上記供給電圧を保持する、
請求項４記載のシステム。
【請求項６】
上記供給コントローラは、上記供給電圧を変化させることで、通信パルスを予め決められた電圧又は波形で送るように構成される、
請求項４記載のシステム。
【請求項７】
上記負荷コントローラは、電圧センサ、プロセッサ、及びメモリを備え、
上記メモリは、上記プロセッサによって実行されたとき、上記電圧センサを用いて、上記供給ネットワークによって提供された電力信号から上記通信パルスを上記プロセッサに抽出させる命令を含む、
請求項６記載のシステム。
【請求項８】
上記メモリは、上記プロセッサによって実行されたとき、上記通信パルスを処理して、上記負荷コントローラに対して発行されたコマンドを決定する命令をさらに含む、
請求項７記載のシステム。
【請求項９】
上記プロセッサは、上記供給電圧が上記予め決められた電圧にとどまる時間長に基づいて上記コマンドを決定する、
請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
上記プロセッサは、上記供給電圧への又は上記供給電圧からの上記電力信号の波形に基づいて上記コマンドを決定する、
請求項８記載のシステム。
【請求項１１】
上記プロセッサは、上記電力信号が上記予め決められた電圧に遷移するレートに基づいて上記コマンドを決定する、
請求項８記載のシステム。
【請求項１２】
上記供給電圧を変化させることで上記通信パルスを送ることは、上記供給ネットワークにおける配電線の通常の一時性より遅いレートで、上記供給電圧を初期レベルから上記予め決められた電圧に変化させることを含む、
請求項６記載のシステム。
【請求項１３】
上記プロセッサは、設定されたレートで上記供給電圧における上記予め決められた電圧への変化を検出することに基づいて、上記通信パルスの開始を決定する、
請求項７記載のシステム。
【請求項１４】
上記通信パルスを送ることは、設定されたレートで上記供給電圧を上記予め決められた電圧から変化させることで、上記通信パルスを終了することをさらに含む、
請求項６記載のシステム。
【請求項１５】
上記プロセッサは、設定されたレートで上記供給電圧における上記予め決められた電圧への変化を検出することに基づいて、上記通信パルスの終了を決定する、
請求項７記載のシステム。
【請求項１６】
上記供給コントローラは、上記通信パルスによって伝達されたコマンドに対する予想される応答が所定の時間期間内に検出されない場合、上記通信パルスを再送信することで通信誤り訂正を実行するようにさらに構成される、
請求項６記載のシステム。
【請求項１７】
上記負荷コントローラは、電圧センサ、プロセッサ、及びメモリを備え、
上記メモリは、上記プロセッサによって実行されたとき、ソースコントローラによって設定された予想されるパターンに従わない上記供給ネットワークからの供給電圧を上記電圧センサが測定する場合に上記プロセッサに故障を検出させる命令を含む、
請求項４記載のシステム。
【請求項１８】
上記システムは、上記負荷ネットワークにおけるエネルギー貯蔵器をさらに備え、上記電流フローを制御する上記負荷コントローラは、上記エネルギー貯蔵器にエネルギーを貯蔵するか又は上記エネルギー貯蔵器からエネルギーを引き出して、上記予めプログラムされた負荷曲線に従って上記制御された電流フローを維持することを含む、
請求項１記載のシステム。
【請求項１９】
上記エネルギー貯蔵器は、貯蔵器コントローラ及びエネルギー貯蔵装置を備え、上記貯蔵器コントローラは、上記エネルギー貯蔵装置に対するエネルギーの貯蔵又は引き出しを制御する、
請求項１８記載のシステム。
【請求項２０】
上記貯蔵器コントローラは、上記負荷コントローラと通信して、上記エネルギー貯蔵装置に貯蔵されたエネルギーの量に基づいて上記予めプログラムされた負荷曲線における位置を調整する、
請求項１９記載のシステム。
【請求項２１】
上記エネルギー貯蔵装置はバッテリーを備える、
請求項１９記載のシステム。
【請求項２２】
上記負荷コントローラは、上記１つ又は複数の負荷の要求に応答して上記予めプログラムされた負荷曲線におけるレベルを変化させる、
請求項１記載のシステム。
【請求項２３】
上記１つ又は複数の負荷は建物を備える、
請求項１記載のシステム。
【請求項２４】
上記１つ又は複数の負荷はインバータを備える、
請求項１記載のシステム。
【請求項２５】
上記インバータは、
メモリと、
プロセッサと、
ＤＣ電力をＡＣ電力に変換する回路とを備え、
メモリ記憶装置は、上記プロセッサによって実行されたとき、
上記インバータの出力を受けることと、
複数の時点で上記インバータの出力を貯蔵することと、
上記インバータの出力を解析して上記複数の時点で１つ又は複数の故障を検出することと、
上記検出された故障のうちの１つ又は複数が、上記インバータが１つ又は複数の保護モードに入ることを必要とするか否かを決定すること、
上記決定に基づいて、上記インバータを上記１つ又は複数の保護モードのうちの１つに入らせるコマンドを発行することとを含む方法を実行する命令を含む、
請求項２４記載のシステム。
【請求項２６】
上記保護システムは、故障電流の変化率を制限する構成要素を備える、
請求項２記載のシステム。
【請求項２７】
上記構成要素はインダクタである、
請求項２６記載のシステム。
【請求項２８】
上記保護システムは保護装置を備え、
上記保護装置は、
電流を測定する電流検出装置と、
上記電流検出装置からの電流測定値を予め決められたパターンに対して比較するコントローラと、
上記コントローラから信号を受信して、上記測定された電流のパターンが上記予め決められたパターンと不整合である場合に動作する高速切断とを備える、
請求項１記載のシステム。
【請求項２９】
上記電流検出装置からの電流測定値を上記予め決められたパターンに対して比較することは、上記電流測定値のランプレートを予め決められたランプレートに対して比較することを含む、
請求項２８記載のシステム。
【請求項３０】
上記電流測定値のランプレートを上記予め決められたランプレートに対して比較することは、上記電流測定値の微分係数を計算することを含む、
請求項２９記載のシステム。
【請求項３１】
上記高速切断はソリッドステート装置を備える、
請求項２８記載のシステム。
【請求項３２】
上記予めプログラムされた負荷曲線と不整合である電流パターンを検出することは、観察されたランプレートに基づく、
請求項１記載のシステム。
【請求項３３】
上記予めプログラムされた負荷曲線と不整合である電流パターンを検出することは、上記電流パターンの波形に基づく、
請求項１記載のシステム。
【請求項３４】
上記予めプログラムされた負荷曲線と不整合である電流パターンを検出することは、上記電流パターンのレベルに基づく、
請求項１記載のシステム。
【請求項３５】
上記負荷コントローラは第１の負荷コントローラであり、上記負荷ネットワークへのＩ１の電流レベルは、第１の負荷ネットワークへのＩ１の第１の電流レベルであり、上記予めプログラムされた負荷曲線は第１の予めプログラムされた負荷曲線であり、
上記システムは、第２の予めプログラムされた負荷曲線に従って上記供給ネットワークの少なくとも一部から第２の負荷ネットワークへのＩ２の第２の電流レベルで電流フローを制御する第２の負荷コントローラをさらに備える、
請求項１記載のシステム。
【請求項３６】
上記第１の予めプログラムされた負荷曲線及び上記第２の予めプログラムされた負荷曲線は同じである、
請求項３５記載のシステム。
【請求項３７】
上記第１の予めプログラムされた負荷曲線及び上記第２の予めプログラムされた負荷曲線は異なる、
請求項３５記載のシステム。
【請求項３８】
上記予めプログラムされた負荷曲線と不整合である電流パターンを検出することは、上記電流パターンが上記第１の予めプログラムされた負荷曲線及び上記第２の予めプログラムされた負荷曲線の両方と不整合であることを検出することを含む、
請求項３５記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１８年１月５日に出願された米国仮特許出願第６２／６１３９９１号及び２０１８年１月２３日に出願された米国仮特許出願第６２／６２０９８１号への優先権の利益を主張する、２０１８年１２月２１日に出願された米国本出願第１６／２３０２０３号への優先権を主張し、これら全体は参照によってここに組み込まれる。
【０００２】
本開示は電力グリッドシステムに関する。特に、グリッドに接続されたシステムに提供される電流における遅い変化率を使用するように設計され、それらの遅い変化率を用いて迅速な故障検出を可能にするグリッドシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
集中化された電力生成方式において簡単かつ費用対効果の大きい方法であるので、電力は伝統的にＡＣとして顧客に分配される。従来の交流（ＡＣ）電力グリッドシステムは、ほぼ１００年間にわたって使用されてきた技術を用いる。従来のＡＣ電力グリッドシステムを実装するコストは、銅、鋼、アルミニウム、木材、及びオイルのような物資に基づき、これらが価格を増大させ続ける。
【０００４】
光起電力（photovoltaic：ＰＶ）技術、バッテリー技術、及び電力電子回路のコスト及び性能の急激な改善は、ＤＣ電力グリッドシステムの開発を促進する。ＤＣ電力グリッドシステムにより、ＡＣ電力グリッドシステムよりも良好な効率、信頼性、及び安全性を、より低コストで提供することができる。コスト改善は、より低コストの物資を用いる経済的な節約から、また、配備された機器のより能動的な使用から達成することができる。
【０００５】
しかしながら、ＤＣ電力グリッドシステムの発展は、ＤＣ電力グリッドの制御及び保護に関する課題に起因して遅かった。ＤＣ電力グリッドシステムは、ＡＣシステムに比較して迅速に負荷／供給変動及び故障状態に応答することができる。時間的に変化する供給及び負荷構成と組み合わせたこの特性は、安定性を保持するように特に設計されて複雑な制御アルゴリズムを含むＤＣ電力グリッドシステムをもたらす可能性がある。さらに、ＤＣ分配ネットワークにおける故障状態が安全の関心事となりうる。例えば、ＡＣ分配ネットワークと異なり、ＤＣシステム故障が生じたときに直接的に流れる一定電流は、コスト効率の良い手段を用いて中断することが困難である可能性がある。
【０００６】
遅い変化率で動作するシステムを設計することによって、システムにインダクタンスが追加されて電流のｄｉ／ｄｔを低下させる可能性がある。このことは、システムを、より安全で、より低い定格電流を有するハードウェア（例えばヒューズ）で動作できるようにする。遅い変化率は、また、システムの安定性を向上させ、システム電圧におけるランダム変動を有するシステムでは困難となる電圧信号方式技術の使用を可能にしうる。
【０００７】
電力分配の信頼性は、グリッド事業者にとって優先すべき事項である。分配システムにおける故障を迅速に検出し、分離し、かつ回復する能力は、システムの信頼性にとって重要である。分散型リソースの増殖は、分配システムの信頼性を保持して増大させるために取り組まれるべき追加の制約をシステム動作にもたらす。分配システムは、故障の場合、ヒューズ及び保護リレーを用いてシステムの異なるセクションを分離する。ヒューズが過電流のために切断される場合、ヒューズを交換して、停電によって影響を受けたものに電力サービスを戻すために、サービス担当者が現場に派遣されなければならない。
【０００８】
電流を測定すること及び故障の場合に切断することに基づいたより高度な電子保護が取り付けられ、ヒューズより早く応答するように、また、故障後に電力の容易な回復を可能にするように協調動作してもよい。これらの電子保護は、故障距離推定、ウェーブレット変換、及び差動電流を含んでもよい。高コストに起因して、高度な方法は主により大きな供給装置において使用され、ヒューズは、より小さな横部分及びサービス中断を保護する好ましい方法である。保護は、故障によって影響を受ける顧客数を最小化するように設けられる。さらに、ある場合には、停電によって影響を受ける顧客数を最小化ながら電力の迅速な回復のために、電力分配の冗長な経路が提供される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の故障検出方式は、電圧不均衡を示し、したがって電流不均衡を示す電圧変動による供給及び負荷の挙動間の不完全な一致に迅速にシステムを反応させる、平衡を保つ戦略を含む。従来のシステムは、故障状態においてさえ、電流が異常であり故障しているとシステムが決定するのに時間がかかるように、広範囲の動作電流を許容しなければならない。これらの従来のシステムは、保護動作を開始するために、故障への大きなエネルギーの流れに依存し、これにより、損傷及び安全の関心事について高い可能性が生じる。言いかえれば、従来の過電流保護は、任意の瞬間において負荷によって要求されている電流とは独立に、線電流の公称の値よりもずっと大きい電流によって起動される。これは、システムが突然の負荷変動を予想することができず、それらを故障電流から区別することができないからである。
【００１０】
これらの目標を達成するために、システムは、有線及び無線のいずれかの通信プラットフォームを介して、供給ネットワーク及び負荷ネットワークの間の通信を追加することができる。有線通信プラットフォームは、典型的には、通信のためだけに取り付けられた独立のハードウェアを必要とする。これらのプラットフォームは余分な機器を必要とし、システムのコストを増大させる。無線通信プラットフォームもまた、システムへ取り付けられた追加のハードウェアを必要とし、信頼できない可能性がある。新たなネットワークが生成又は追加されるごとに、両方のシステムは大幅な再設計を必要とし、電力ネットワークを提供又は更新するコストをさらに増大させる。
【００１１】
より分散型の発電及び貯蔵を有することにより電力インフラストラクチャが変化するとき、それらのリソースを利用するために、また、電気的分配システムの信頼性を増大するために新技術が必要とされる。このことは、異なる挙動が新規な保護方法の必要性をもたらすＤＣ分配システムにおいて、さらにいっそう重要である。例えば、ＤＣシステムにおける故障後の電流増大は、概して、ＡＣシステムの場合よりもずっと高速であり、これにより、保護の調整を複雑にするとともに、保護方法からより高速な応答を必要とする。さらに、再活性化中の大きな突入電流をもたらす大きなシステム容量であって、潜在的に機器の共振及び損傷をもたらす大きなシステム容量に起因して、ＤＣ分配システムにおける電力の回復は、より困難である。
【００１２】
ＤＣ分配システムからＡＣシステムに電力を供給するために、インバータが使用されてもよい。インバータは、ＤＣ供給をＡＣ供給に変換する装置である。インバータは、スイッチング動作を用いて電力を直接的な経路ではなく波状に流れさせることで、このことを達成する。スイッチング動作は、物理的スイッチから、スイッチを動作させるために半導体を利用する複雑な電気回路までの範囲にわたる。
【００１３】
インバータは、それらが形成するＡＣ供給の波形においても変化する。
これらのＡＣ供給は、正方形の波、正弦波、又はインバータの制御ソフトウェアによって指示された波の他の任意の形式の波になりうる。異なるアプリケーションは、異なるタイプの電力信号を許容しうる。例えば、複雑な電子回路は電力波形に非常に敏感であり、内部構成要素の損傷を防ぐために滑らかな正弦波を必要とする。冷蔵庫及びオーブンのような大型の電子装置は、それらの構成要素を破損することなく、より多くの矩形波を許容することができる。
【００１４】
電力グリッドは故障について心配しなければならない。故障は、心室性細動をもたらす可能性がある感電死を引き起こすことで故障のエリアにおいて人にとっての危険であることを含む、多数の理由で危険になりうる。接地故障、高インピーダンス故障、位相故障、極間故障、アーク故障、断続的なつつき動作（pecking）の故障、オープンニュートラル接続に起因した電圧不平衡を含む、いくつかのタイプの故障が存在する。
【００１５】
ＧＦＩ故障は、伝統的には、外部ＧＦＩ装置を備えたトランスにおいて検出される。この装置は、ＡＣ供給の２つの電流導体を、共通の変流器を介して通過させる。両方の電流は、変流器コアにおける磁界を誘導する。電流が平衡なフロー状態にある場合（又は故障状態はない場合）、対向した電流は、互いにキャンセルする磁界を誘導し、その結果、変流器の２次巻線においてゼロ出力電圧をもたらす。接地故障が生じる場合、少量の電流が接地に向かって流れ、変流器において不均衡として現れ、それにより二次電圧を発生させ、ＧＦＩ回路遮断器を迅速に動作させる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本願は、供給ネットワークの少なくとも一部を備える可能性があるシステムを開示する。本システムは、予めプログラムされた負荷曲線に従って供給ネットワークの少なくとも一部から１つ又は複数の負荷の電力を提供する負荷ネットワークへの電流フローをＩ１の電流レベルで制御する負荷コントローラをさらに備えてもよい。本システムは、予めプログラムされた負荷曲線と不整合である電流パターンの検出に応答して、負荷コントローラから供給ネットワークの少なくとも一部を分離する保護システムをさらに備えてもよい。
【００１７】
本願はまた、供給ネットワークがＤＣネットワークであるシステムを開示する。本願はまた、供給ネットワークがＡＣネットワークであるシステムを開示する。本システムはまた、供給ネットワークが、供給ネットワークの供給電圧を保持する供給コントローラを備えてもよいことを開示する。
【００１８】
本願はまた、供給ネットワークがエネルギー貯蔵器をさらに備えるシステムであって、供給コントローラがエネルギー貯蔵器を用いて供給電圧を保持するシステムを開示する。本システムはまた、供給電圧を変化させることで、通信パルスを予め決められた電圧又は波形で送るように構成された供給コントローラを備えてもよい。本願はまた、負荷コントローラが電圧センサ、プロセッサ、及びメモリを含むシステムであって、メモリが、プロセッサによって実行されたとき、電圧センサを用いて、供給ネットワークによって提供された電力信号から通信パルスをプロセッサに抽出させる命令を含むシステムを開示する。本願はまた、メモリが、プロセッサによって実行されたとき、通信パルスを処理して、負荷コントローラに対して発行されたコマンドを決定する命令をさらに含むシステムを開示する。
【００１９】
本システムはまた、供給電圧が予め決められた電圧にとどまる時間長に基づいてコマンドを決定するプロセッサを備えてもよい。本システムはまた、供給電圧への又は供給電圧からの電力信号の波形に基づいてコマンドを決定するプロセッサを備えてもよい。本システムはまた、電力信号が予め決められた電圧に遷移するレートに基づいてコマンドを決定するプロセッサを備えてもよい。
【００２０】
本システムによれば、供給電圧を変化させることで通信パルスを送ることが、供給ネットワークにおける配電線の通常の一時性より遅いレートで、供給電圧を初期レベルから予め決められた電圧に変化させることを含んでもよい。
【００２１】
本システムはまた、設定されたレートで供給電圧における予め決められた電圧への変化を検出することに基づいて、通信パルスの開始を決定するプロセッサを備えてもよい。
【００２２】
本システムによれば、通信パルスを送ることが、設定されたレートで供給電圧を予め決められた電圧から変化させることで、通信パルスを終了することをさらに含んでもよい。本システムはまた、設定されたレートで供給電圧における予め決められた電圧からの変化を検出することに基づいて、通信パルスの終了を決定するプロセッサを備えてもよい。
【００２３】
本システムはまた、通信パルスによって伝達されたコマンドに対する予想される応答が所定の時間期間内に検出されない場合、通信パルスを再送信することで通信誤り訂正を実行するようにさらに構成された供給コントローラを備えてもよい。
【００２４】
本願はまた、負荷コントローラが電圧センサ、プロセッサ、及びメモリを備えるシステムであって、メモリが、プロセッサによって実行されたとき、ソースコントローラによって設定された予想されるパターンに従わない供給ネットワークからの供給電圧を電圧センサが測定する場合にプロセッサに故障を検出させる命令を含むシステムを開示する。
【００２５】
本システムは、負荷ネットワークにおけるエネルギー貯蔵器を備えてもよく、電流フローを制御する負荷コントローラは、エネルギー貯蔵器にエネルギーを貯蔵するか又はエネルギー貯蔵器からエネルギーを引き出して、予めプログラムされた負荷曲線に従って制御された電流フローを維持することを含む。
【００２６】
本願はまた、エネルギー貯蔵器が、貯蔵器コントローラ及びエネルギー貯蔵装置を備え、貯蔵器コントローラが、エネルギー貯蔵装置に対するエネルギーの貯蔵又は引き出しを制御するシステムを開示する。本システムはまた、負荷コントローラと通信して、エネルギー貯蔵装置に貯蔵されたエネルギーの量に基づいて予めプログラムされた負荷曲線における位置を調整する貯蔵器コントローラを備えてもよい。本システムはまた、エネルギー貯蔵装置がバッテリーを備えるように構成されてもよい。
【００２７】
本システムはまた、１つ又は複数の負荷の要求に応答して予めプログラムされた負荷曲線におけるレベルを変化させる負荷コントローラを備えてもよい。
【００２８】
本願はまた、１つ又は複数の負荷が建物を備えるシステムを開示する。本願はまた、１つ又は複数の負荷がインバータを備えるシステムを開示する。
【００２９】
本システムはまた、メモリと、プロセッサと、ＤＣ電力をＡＣ電力に変換する回路とを備えるインバータを備えてもよい。メモリ記憶装置は、プロセッサによって実行されたとき、インバータの出力を受けることと、複数の時点でインバータの出力を貯蔵することと、インバータの出力を解析して複数の時点で１つ又は複数の故障を検出することと、検出された故障のうちの１つ又は複数が、インバータが１つ又は複数の保護モードに入ることを必要とするか否かを決定すること、決定に基づいて、インバータを１つ又は複数の保護モードのうちの１つに入らせるコマンドを発行することとを含む方法を実行する命令を含んでもよい。
【００３０】
本システムはまた、故障電流の変化率を制限する構成要素を備える保護システムを備えてもよい。
【００３１】
本願はまた、構成要素がインダクタであるシステムを開示する。
【００３２】
本願はまた、保護システムが保護装置を備えるシステムを開示し、保護装置は、電流を測定する電流検出装置と、電流検出装置からの電流測定値を予め決められたパターンに対して比較するコントローラと、コントローラから信号を受信して、測定された電流のパターンが予め決められたパターンと不整合である場合に動作する高速切断とを備える。
【００３３】
本システムによれば、電流検出装置からの電流測定値を予め決められたパターンに対して比較することが、電流測定値のランプレートを予め決められたランプレートに対して比較することを含んでもよい。本システムはまた、電流測定値のランプレートを予め決められたランプレートに対して比較することが、電流測定値の微分係数を計算することを含むように構成されてもよい。
【００３４】
本願はまた、高速切断がソリッドステート装置を備えるシステムを開示する。
【００３５】
本システムによれば、予めプログラムされた負荷曲線と不整合である電流パターンを検出することが、観察されたランプレートに基づいてもよい。本システムによれば、予めプログラムされた負荷曲線と不整合である電流パターンを検出することが、電流パターンの波形に基づいてもよい。本システムはまた、予めプログラムされた負荷曲線と不整合である電流パターンを検出することが、電流パターンのレベルに基づくように構成されてもよい。
【００３６】
本願はまた、負荷コントローラが第１の負荷コントローラであり、負荷ネットワークへのＩ１の電流レベルが、第１の負荷ネットワークへのＩ１の第１の電流レベルであり、予めプログラムされた負荷曲線が第１の予めプログラムされた負荷曲線であるシステムを開示する。本システムは、第２の予めプログラムされた負荷曲線に従って供給ネットワークの少なくとも一部から第２の負荷ネットワークへのＩ２の第２の電流レベルで電流フローを制御する第２の負荷コントローラをさらに備えてもよい。本願はまた、第１の予めプログラムされた負荷曲線及び第２の予めプログラムされた負荷曲線が同じであるシステムを開示する。本願はまた、第１の予めプログラムされた負荷曲線及び第２の予めプログラムされた負荷曲線が異なるシステムを開示する。本システムによれば、予めプログラムされた負荷曲線と不整合である電流パターンを検出することが、電流パターンが第１の予めプログラムされた負荷曲線及び第２の予めプログラムされた負荷曲線の両方と不整合であることを検出することを含んでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】電力グリッドシステムの例を示すブロック図である。
【図２】図１のＤＣ電力グリッドシステムの様々な供給コントローラ及び負荷コントローラのための予めプログラムされた負荷曲線である。
【図３】図１のＤＣ電力グリッドシステムの様々な供給コントローラ及び負荷コントローラのための予めプログラムされた負荷曲線である。
【図４】図１のＤＣ電力グリッドシステムの様々な供給コントローラ及び負荷コントローラのための予めプログラムされた負荷曲線である。
【図５】パルス通信制御方式の例である。
【図６】通信パルスの例である。
【図７】保護装置の例を示すブロック図である。
【図８】スマートインバータ故障検出システムの例を示す図である。
【図９】ソフトウェアの機能を示すフローチャートである。
【図１０】インバータ装置へ統合された制御装置を備えたスマートインバータ故障検出システムの例を示す図である。
【図１１】電力グリッドシステムの例を示すブロック図である。
【図１２】電力グリッドシステムの例を示すブロック図である。
【図１３】電力グリッドシステムの例を示すブロック図である。
【図１４】図１のＤＣ電力グリッドシステムの様々な供給コントローラ及び負荷コントローラのための予めプログラムされた負荷曲線である。
【図１５】図１のＤＣ電力グリッドシステムの様々な供給コントローラ及び負荷コントローラのための予めプログラムされた負荷曲線である。
【図１６】図１のＤＣ電力グリッドシステムの様々な供給コントローラ及び負荷コントローラのための予めプログラムされた負荷曲線である。
【図１７】通信パルスの例である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
本開示は、安定な動作を保持しながら、他の代替例よりも早く故障を検出して解消することができる電力グリッドシステムに関連するシステム及び技術について説明する。概して、電力グリッドシステムは、ローカルなエネルギー貯蔵器を利用して、負荷から要求におけるスパイクを制限することができる。このことは、グリッドにおいて負荷曲線にわたる安定した制御を可能にし、そして、このことは、予想される負荷曲線からの変動に基づく故障検出に使用されうる。この安定した制御は、エアコンディショナのコンプレッサのサイクル動作のような、負荷におけるスパイクによって引き起こされかねない厄介なトリップを防ぐ可能性がある。本技術は、システムのダイナミクスが故障検出及び中断のために追加の複雑化をもたらすＤＣグリッドにおいて、増大した価値を有する。しかしながら、ＡＣグリッドはまた、他の利点に加えて、故障の早期検出を提供し、ヒューズの切断又は回路遮断器のトリップを防ぎ、故障後に電力の迅速な回復を可能にして信頼性を増大させることで、利点をもたらしうる。
【００３９】
ＤＣグリッドについては、説明されたシステム及び技術は、以下の利点のうちの１つ又は複数を実現するように実装可能である。本明細書で説明されるＤＣ電力グリッドシステムの実施形態は、ＡＣ電力グリッドシステムよりも低コストであり、より信頼できる。ＡＣ電力グリッドシステムに比較して、本明細書で説明されるＤＣ電力グリッドシステムの実施形態は、ＰＶシステムのような再生可能なＤＣエネルギー源へのより容易なインターフェース又は接続を提供する。本明細書で説明されるＤＣ電力グリッドシステムの実施形態は、負荷点におけるＤＣ構成を提供し、それは、機器及び他の負荷をＤＣへ変換することを可能にする。ＤＣ電力グリッドシステムの効果的なモジュール式構成は、より容易な地下設置及びより低スキルの労働者を可能にすることができ、また、各アプリケーションのカスタム化の必要性を低減するか必要としない。本明細書で説明されるＤＣ電力グリッドシステムの実施形態は、ＤＣ電力グリッドの本質的により安全な動作を提供し、このことは、する分散型エネルギー貯蔵と組み合わせて、電力電子回路のスイッチング速度及びプログラム可能な負荷挙動に起因して達成することができる。ＤＣ電力グリッドシステム及び関連付けられたモジュール式フェイルセーフ設計の実施形態は、ＡＣ電力グリッドシステムの多数の構成要素の複雑性と、電力線周波数の変動とを除去することができ、このことは、国際的な一貫性を可能にしうる。
【００４０】
効果的な通信を促進するために、本発明はまた、パルス信号通信プラットフォームを含む。これは、パルスが通信信号であることを示すために、指定された通信電圧への電圧の緩やかな増大（ramp up）又は減少（ramp down）を用いて供給電力の電圧が通信電圧に設定されている場合、パルス信号を送信することによってネットワークが通信することを可能にする。
【００４１】
［ハードウェア］
概要．
図１は、安定な動作を保持して電力を負荷ネットワークへ供給しながら、故障を検出して解消することができる電力グリッドシステム１００の例を示すブロック図である。例えば、電力グリッドがＤＣ電力グリッドである場合、システム１００は、再生可能及び／又はバックアップの発電源及びエネルギー貯蔵装置によって電気的エネルギーが供給されている、スタンドアロン型の分配ネットワークとして実装されてもよい。ＤＣ電力グリッドシステム１００は、既存のＡＣ電力グリッドシステムを置き換えて、ピークＡＣシステム負荷を低減し、また、発電又は線路容量の追加を回避しながら、より良好な信頼性を提供するラストマイルのアプリケーションとして構成されてもよい。ＤＣ電力グリッドシステム１００は、長い距離にわたって電気的エネルギーを送る可能性があり、また、通常は建物に包囲又は包含されている典型的なＤＣアプリケーションよりも高いレベルで公共の場所に露出して電気的エネルギーを送る可能性がある。エネルギー貯蔵装置の使用及び電力コントローラのプログラム可能性を利用することによって、貯蔵及び制御されたフローを有するＤＣ電力グリッドシステム１００は、公共エリアの中及びその周辺において安全に動作する分配システムを提供しうる。エネルギー貯蔵装置、例えばバッテリー貯蔵器のインテリジェントな使用と、電力コントローラのプログラム可能性とは、システム安定性及び故障検出、故障の解消、及びシステム制御に関する従来のＤＣ分配システムの制限を克服しうる。
【００４２】
供給ネットワーク．
ＤＣ電力グリッドシステム１００は、供給ネットワーク１０２と、１つ又は複数の負荷ネットワーク、例えば負荷ネットワーク１２０及び１６０とを含む。供給ネットワーク１０２は、様々な可能な電圧及び構成を有するＤＣ分配回路（図示せず）により、負荷ネットワーク１２０及び１６０と接続される。供給ネットワーク１０２及び負荷ネットワーク１２０及び１６０の内部では、様々な構成を有してもよく、また、様々な供給及び負荷整形アルゴリズム及び予めプログラムされた曲線で動作しうる変換器が存在する。それは以下でさらに詳細に説明する。図１に示す実施形態において、供給ネットワーク１０２は、負荷ネットワークへのＩ１＋Ｉ２＋…＋Ｉｎの電流レベルで電気的エネルギーを送るように示される。説明の目的で１つの供給ネットワーク１０２及び２つの負荷ネットワーク１２０及び１６０を示すが、ＤＣ電力グリッドシステム１００は、１つよりも多くの供給ネットワーク及び／又は１つ又は複数の負荷ネットワークを含んでもよい。いくつかの実施形態では、負荷ネットワークは、供給ネットワークとして変形して動作してもよい。このことは、双方向変換器、ローカルのエネルギー源、及び／又はローカルのエネルギー貯蔵器を用いて可能にされる。いくつかの実施形態では、負荷ネットワークは、ソースネットワーク１０２における保護装置１１０に等価な保護システムを備えてもよく、これにより、ソースネットワークの完全な機能を与える。
【００４３】
供給ネットワーク１０２は、電力を生成する電源１０８を含んでもよい。電源１０８は、例えば、ＤＣ電力を発生するソーラーパネルアレイを用いるＰＶシステム、ＤＣ電力を発生する水力タービンを用いる水力発電システム、風力タービンを用いてＤＣ電力を発生するウインドファーム、分散型自然化石燃料発電システム、バッテリーソース、及び／又は整流器を介したＡＣグリッドを含んでもよい。電源１０８は、主電源（例えばＰＶシステム）と、バックアップ電源（例えば、水力発電システム、ウインドファーム、分散型自然化石燃料発電システム、他のＤＣグリッドシステム、及び／又は整流器を介したＡＣグリッド）とを含んでもよい。いくつかの実施例では、電源１０８は、適切なサイズの１つ又は複数のバッテリーも含む。
【００４４】
供給ネットワーク１０２は、ソースコントローラ１０６及び保護装置１１０を含んでもよい。これらは、独立した装置であってもよく、又は、供給コントローラのようなもう１つの装置の一部であってもよい。いくつかの実施例では、ソースコントローラ１０６は、電源１０８に対して電流が流入又は流出するレートを制御してネットワーク電圧を制御する充電コントローラを含む。ソースコントローラ１０６は、電源１０８内の電力源間の一致を最適化する最大電力点追従器（maximum power point tracker: MPPT）を含んでもよい。いくつかの実施例では、電源１０８は、十分なサイズのＡＣシステム又は追加のＤＣネットワーク（例えばＡＣ電力グリッドシステム）を備える。ソースコントローラ１０６は、負荷ネットワークにおける過剰なＤＣ電力を変換して、ＡＣ電力を十分なサイズのＡＣシステムに戻す逆変換装置を含んでもよい。そのような実施例では、システムは、十分なサイズのＡＣシステム以外に、供給における貯蔵器を用いて動作してもよい。ソースコントローラ１０６及び電源１０８は、単一の一体化された装置であってもよく、又は、２つ以上の別個の装置であってもよい。保護装置１１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータのような電力変換器であってもよい。保護装置１１０はソースコントローラと一体化されてもよく、それは独立していてもよく、又は、いくつかの保護装置がネットワークに沿って分散していてもよい。
【００４５】
供給ネットワーク１０２は、予測可能なレベルで電力を供給するために、電源１０８においてバックアップ電源を使用してもよい。供給ネットワークは、負荷ネットワーク１２０及び１６０への電圧源として動作してもよい。供給コントローラは、ネットワークにおける電圧が制御されることを保証してもよく、及び／又は、それは、一定の電圧又は次第に増大又は減少している電圧を保持するために必要とされ、また、予めプログラムされた負荷曲線に従って必要とされる任意のレベルの電流が供給されることを保証してもよい。この例では、負荷曲線は電圧曲線であってもよい。電圧プロファイルを保持するために必要とされる電流の量は予測可能であり、従って、電圧プロファイルを提供するために必要とされる電流の小さな変動はネットワーク故障を示す。同様に、保護装置１１０は、電流の変化率及び／又は電流のレベルをモニタリングして、ネットワーク故障がいつ生じたかを決定することができる。変化率は、多数の技術を用いて測定される。例えば、それは、電流信号の微分係数を計算するアルゴリズムを用いて測定されてもよい。代替として、それは、電流の変化率を測定するための１つ又は複数の回路を用いて測定されてもよい。
【００４６】
電源１０８は、独立した負荷ネットワークが、予めプログラムされた負荷曲線に従って供給ネットワーク１０２からＩｎのレベルで電流フローを制御することを可能にしうる。例えば、電源１０８は、ピーク電力消費期間、小電力発生期間、及び／又は予期しない電力需要の間に、保護装置１１０の少なくとも一部を介して流れる追加のＤＣ電力を提供してもよい。さらに、電源１０８は、大電力発生期間及び／又は小電力消費期間の間に供給ネットワーク１０２における他の要素によって提供された過剰なＤＣ電力を受けてもよく、また、電源１０８はまた、負荷ネットワーク１２０及び１６０から電力を受けてもよい。
【００４７】
図１１に示すもののような、いくつかの実施形態では、供給ネットワーク１１０２は、供給ネットワーク１１０２及び負荷ネットワークの間の保護装置１１１０を有するように一般化可能である。供給ネットワーク１１０２は、供給ネットワーク１０２について上述したものと類似した方法で動作してもよい。
【００４８】
図１２に示すもののような、いくつかの実施形態では、供給ネットワーク１２０２は、電源１２０４、貯蔵器コントローラ１２０６、エネルギー貯蔵器１２０８、及び供給コントローラ１２１０を含む。電源１２０４及びエネルギー貯蔵器１２０８は、電源１０８について上述したものと類似した方法で動作してもよい。同様に、貯蔵器コントローラ１２０６は、ソースコントローラ１０６について上述したものと類似した方法で動作してもよい。さらに、供給コントローラ１２１０は、エネルギー貯蔵器１２０８と協調動作することで、電源１２０４から電力を補い、供給電圧を所望のレベルに保持してもよい。供給コントローラ１２１０は、保護装置１１０及び７００についてここに説明したものと類似した方法で動作する保護装置を含んでもよい。供給コントローラ１２１０はまた、供給ネットワーク１２０２及び負荷ネットワーク１２２０及び１２６０の間に流れる電力、電圧、及び電流を制御するために、当該技術において既知である他の機能を実行してもよい。
【００４９】
負荷ネットワーク．
負荷ネットワーク１２０は、貯蔵器コントローラ１２６、エネルギー貯蔵装置１２８、及び負荷コントローラ１３０を含んでもよい。いくつかの実施例では、貯蔵器コントローラ１２６はオプションであってもよい。いくつかの実施例では、エネルギー貯蔵装置１２８は、適切なサイズの１つ又は複数のバッテリーを含む。また、貯蔵器コントローラ１２６は、エネルギー貯蔵装置１２８に対して電流が流入又は流出するレートを制御する充電コントローラを含む。貯蔵器コントローラ１２６は、システムの通常動作の間に生じる他の一時性から変化を区別できるように、負荷ネットワーク１２０における変化率を十分に遅く制限するために、負荷コントローラ１１３０によって用いられてもよい。使用される変化率は、システムの能力に依存しうる。貯蔵器コントローラ１２６及びエネルギー貯蔵装置１２８は、単一の一体化された装置であってもよく、又は、２つ以上の別個の装置であってもよい。負荷コントローラ１３０は、ＤＣ／ＤＣコンバータのような電力変換器であってもよい。貯蔵器コントローラ１２６はまた、負荷コントローラ１３０と通信することで、エネルギー貯蔵装置１２８に貯蔵されたエネルギー量に基づいて、予めプログラムされた負荷曲線における位置を調整してもよい。このように、貯蔵器コントローラ１２６は、エネルギー貯蔵装置１２８が完全に充電又は放電されることを防ぐように動作してもよい。それは、予めプログラムされた負荷曲線に従って負荷ネットワーク１２０によって電流が引き出されたままにすることを負荷コントローラ１３０の能力が妨げる。負荷コントローラ１３０はまた、光起電力電源、発電機などのような１つ又は複数の他の装置に接続されてもよい。
【００５０】
負荷ネットワーク１２０は、エネルギー貯蔵装置１２８及び負荷コントローラ１３０を用いて、電力フローを安定レベルに保持してもよい。エネルギー貯蔵装置１２８は、予めプログラムされた負荷曲線に基づいて、負荷コントローラ１３０からのコマンドに従って、負荷ネットワーク１２０へのＩ１の電流レベルを保持するように電流フローを補ってもよい。例えば、エネルギー貯蔵装置１２８は、ピーク電力消費期間、小電力供給期間、及び／又は予期しない電力需要の間に、負荷１４０に追加のＤＣ電力を提供してもよい。負荷１４０は、単一の負荷であってもよく、又は、複数の負荷であってもよい。エネルギー貯蔵装置１２８はまた、負荷１４０によって使用されない負荷ネットワーク１２０に提供された過剰なＤＣ電力を受けてもよい。いくつかの実施例では、負荷コントローラ１３０は、負荷１４０の要求を満たすことに加えて、エネルギー貯蔵装置１２８に充電するために一定の小電力フローを提供するために、供給ネットワーク１０２からの電力を要求する。例えば、トリクル充電又は他の適切な技術が使用されてもよい。概して、供給ネットワーク１０２の様々な能力（例えば、電源、コントローラ、及びエネルギー貯蔵装置）及び負荷ネットワーク１２０の様々な能力（例えば、コントローラ及びエネルギー貯蔵装置）は、できるだけ一定かつ小さい電流がシステムを介して流れることを可能にする。さらに他の実施例では、図１３に示すように、光起電力発電機又は従来の発電機のような他の電源１２３４及び１２７４が負荷ネットワークに接続されてもよい。図１３は図１２に類似しているが、負荷ネットワークに追加された電源１２３４及び１２７４を有する。
【００５１】
同様に、負荷ネットワーク１６０は、貯蔵器コントローラ１６６、エネルギー貯蔵装置１６８、及び負荷コントローラ１７０を含んでもよい。いくつかの実施例では、貯蔵器コントローラ１６６はオプションであってもよい。いくつかの実施例では、エネルギー貯蔵装置１６８は、適切なサイズの１つ又は複数のバッテリーを含む。また、貯蔵器コントローラ１６６は、エネルギー貯蔵装置１６８に対して電流が流入又は流出するレートを制限する充電コントローラを含む。貯蔵器コントローラ１６６は、装置が追加又はオンされたときなど、システムの通常動作の間に生じる他の一時性から変化を区別できるように、負荷ネットワーク１６０における変化率を十分に遅く制限する。使用される変化率は、システムの能力に依存する。貯蔵器コントローラ１６６及びエネルギー貯蔵装置１６８は、単一の一体化された装置であってもよく、又は、２つ以上の別個の装置であってもよい。負荷コントローラ１７０は、ＤＣ／ＤＣコンバータのような電力変換器であってもよい。負荷ネットワーク１６０はまた、光起電力電源、発電機などのような１つ又は複数の他の装置に接続されてもよい。
【００５２】
負荷ネットワーク１６０は、エネルギー貯蔵装置１６８を用いることで、電力フローを安定したレベルで保持してもよい。エネルギー貯蔵装置１６８は、バッテリー、又はエネルギーを貯蔵する他の手段であってもよい。エネルギー貯蔵装置１６８は、予めプログラムされた負荷曲線に基づいて、負荷コントローラ１７０からのコマンドに従って、負荷ネットワーク１６０へのＩ２の電流レベルを保持するように電流フローを補ってもよい。例えば、エネルギー貯蔵装置１６８は、ピーク電力消費期間、小電力供給期間、及び／又は予期しない電力需要の間に、負荷１８０に追加のＤＣ電力を提供してもよい。エネルギー貯蔵装置１６８はまた、負荷１８０によって使用されない負荷ネットワーク１６０に提供された過剰なＤＣ電力を受けてもよい。いくつかの実施例では、負荷コントローラ１７０は、負荷１８０の要求を満たすことに加えて、エネルギー貯蔵装置１６８にトリクル充電するために一定の小電力フローを提供するために、供給ネットワーク１０２からの電力を要求してもよい。さらに、いくつかの実施例では、エネルギー貯蔵装置１６８はまた、供給ネットワーク１０２に電力を供給してもよい。概して、供給ネットワーク１０２の様々な能力（例えば、電源、コントローラ、及びエネルギー貯蔵装置）及び負荷ネットワーク１６０の様々な能力（例えば、コントローラ及びエネルギー貯蔵装置）は、できるだけ一定かつ小さい電流がシステムを介して流れることを可能にしてもよい。
【００５３】
図１１に示すもののような、いくつかの実施形態では、負荷ネットワークは、分離装置１１３２及び１１７２、負荷コントローラ１１３０及び１１７０、エネルギー貯蔵器１１２８及び１１６８、及び負荷１１４０及び１１８０を有するように一般化可能である。これらの各々は、分離装置１３２及び１７２、負荷コントローラ１３０及び１７０、エネルギー貯蔵器１２８及び１６８、及び負荷１４０及び１８０についてそれぞれ上に説明したものと類似した方法で動作してもよい。図１１には、電力インバータ１２２及び１６２及び貯蔵器コントローラ１２６及び１６６の等価物は示さない。いくつかの実施形態では、負荷にはＤＣ電力が供給されてもよく、この場合、言及されたインバータ１２２及び１６２の代わりにＤＣ／ＤＣコンバータを必要とする。ここで説明するように、いくつかの実施形態はそれらの機能を含んでもよい一方、他のものは含まない。図１におけるこれらの機能に係る説明と同様に、図１１における負荷ネットワークに基づくいくつかの実施形態は、上述したものに類似した方法で動作する電力インバータ又は貯蔵器コントローラを含んでもよい。
【００５４】
図１２に示すもののような、いくつかの実施形態では、負荷ネットワーク１２２０及び１２６０は、分離装置１２３２及び１２７２、負荷コントローラ１２３０及び１２７０、電力インバータ１２２２及び１２６２、貯蔵器コントローラ１２２６及び１２６６、エネルギー貯蔵器１２２８及び１２６８、及び負荷１２４０及び１２８０を含む。これらの各々は、分離装置１３２及び１７２、負荷コントローラ１３０及び１７０、電力インバータ１２２及び１６２、貯蔵器コントローラ１２６及び１６６、エネルギー貯蔵器１２８及び１６８、及び負荷１４０及び１８０についてそれぞれ上述したものと類似した方法で動作してもよい。
【００５５】
供給ネットワーク及び負荷ネットワークの接続．
多数の負荷ネットワークを備えたシステムにおいて、各負荷ネットワークには、すべての負荷が同時に要求を増大又は減少させることがないように、供給ネットワークにアクセスする優先度が割り当てられてもよい。このネットワーク管理は例えば、供給ネットワーク及び負荷ネットワークを接続するトークンリング通信を用いて、及び／又は、システムにおける電圧変化を検出し、システムにおける活動をモニタリングして、起動するべき負荷ネットワークの順番を決定する、各負荷ネットワークにおける埋め込み型の検出及び起動方法を用いて達成されてもよい。負荷ネットワークが供給ネットワークにアクセスすることを待機しているときの間、負荷ネットワークはローカルのエネルギー貯蔵器にアクセスしてもよい。多数の供給ネットワークを備えたシステムにおいて、すべての供給が同時に電力を提供することがないように、供給ネットワークは同様に構成されてもよい。
【００５６】
図１に示す実施形態において、負荷ネットワーク１２０は負荷１４０にサービスを提供する。負荷１４０は、建物又は他の構造物の負荷を含んでもよい。それは、典型的には、例えば、照明、換気ファン、機器、及び他の電子装置を含む。負荷１４０は建物自体であってもよい。いくつかの実施例では、負荷１４０は電気自動車の充電器を含んでもよい。さらに、負荷１４０は、負荷点（例えば電気自動車の充電器）に配備されたバッテリーのようなＤＣ負荷を含んでもよく、又はオーブン又はヒートポンプを含んでもよい。負荷１４０がＡＣ負荷を含む場合、負荷ネットワーク１２０は、供給ネットワーク１０２によって提供されたＤＣ電力をＡＣ負荷のためにＡＣ電力へ変換する電力インバータ１２２を含んでもよい。ここで説明した制御されたフロー及び保護技術は、最終負荷が可変である、より高エネルギーのアプリケーションにも適用可能となりうる。特に、単一の機器にサービスを提供してランダムな負荷変動を除去するためにバッテリーが取り付けられている場合、住宅又は事業所の内部において、同様の制御されたＤＣ分配が使用されてもよく、これにより、システムは、説明したネットワーク１００のより小さなバージョンに類似したものになる。これにより、住宅又は事業所内におけるより高エネルギーのアプリケーションが、本明細書に説明したものと同様のＤＣ電力制御及び保護技術を用いることを可能にする。同様に、本明細書で説明されるパルス通信もまた、ネットワーク原理が単一の機器に適用される場合のような、これらのより小さな実装に含まれてもよい。
【００５７】
負荷ネットワーク１２０と同様に、負荷ネットワーク１６０は負荷１８０にサービスを提供する。負荷１８０は、建物又は他の構造物の負荷を含んでもよい。それは、典型的には、例えば、照明、換気ファン、機器、及び他の電子装置を含む。負荷１４０は建物自体であってもよい。いくつかの実施例では、負荷１８０は電気自動の車充電器を含んでもよい。さらに、負荷１８０は、負荷点（例えば電気自動車の充電器）に配備されたバッテリーのようなＤＣ負荷を含んでもよく、又はオーブン又はヒートポンプを含んでもよい。負荷１８０がＡＣ負荷を含む場合、負荷ネットワーク１６０は、供給ネットワーク１０２によって提供されたＤＣ電力をＡＣ負荷のためにＡＣ電力へ変換する電力インバータ１６２を含んでもよい。ここで説明した制御されたフロー及び保護技術は、最終負荷が可変である、より高エネルギーのアプリケーションにも適用可能となりうる。前述したように、ランダムな負荷変動を除去するためにバッテリーが機器レベルにおいて取り付けられる場合、住宅又は事業所の内部において、同様の制御されたＤＣ分配が使用されてもよい。これにより、住宅又は事業所内におけるより高エネルギーのアプリケーションが、本明細書に説明したものと同様のＤＣ電力制御及び保護技術を用いることを可能にする。
【００５８】
先に説明したように、供給コントローラ１０６は、予めプログラムされた負荷曲線２００によって指定された最大負荷レベル及びランプレートに従って負荷ネットワーク１２０及び１６０に電流を供給することでシステム電圧を保持するようにプログラムされてもよい。負荷コントローラ１３０及び１７０は、予めプログラムされた負荷曲線３００及び４００によって指定された各負荷レベル及びランプレートに従って供給ネットワーク１０２に電流を要求する定電流装置であってもよい。保護装置１１０は、負荷コントローラ１３０及び１７０においてプログラムされた累積的な負荷挙動に対して整形されて一致する供給挙動でプログラムされてもよく、これにより、２００に類似した制限負荷曲線をもたらす図２〜図４に示すように、特定の電流レベル、例えば３及び９アンペアの間における、予めプログラムされた最大負荷曲線２００の部分は、負荷ネットワーク１２０の負荷コントローラ１３０によって使用される電流Ｉ１を含む測定された負荷曲線であって、予めプログラムされた負荷曲線３００に追従する測定された負荷曲線に比較されて一致しうる。３及び９アンペアの値は例示であり、特定のアプリケーション及び状態に依存して他の値がより適切かもしれない。特定の負荷レベル０及び３の間における、最大の予めプログラムされた負荷曲線２００の部分は、負荷ネットワーク１６０の負荷コントローラ１７０によって使用される電流Ｉ２を含む測定された負荷曲線であって、予めプログラムされた負荷曲線４００を追従する測定された負荷曲線に比較されて一致してもよい。予めプログラムされた予想曲線２００は、Ｉ１及びＩ２の両方が同時に変化している状態を考慮してもよい。この戦略は、システムの性能を向上させ、故障状態により速く反応する保護システムを提供しうる。
【００５９】
負荷曲線．
負荷の制御は、負荷ネットワークにおけるエネルギー貯蔵器を用いて、負荷ネットワークに対する負荷又は供給の変動を管理するように設計される。これにより、負荷コントローラは、ネットワークへ予めプログラムされた負荷曲線として知られる電流レベル及びランプレートを介して、既知の電流を保持することが可能になる。これらの予めプログラムされた負荷曲線により、保護素子又は装置は、電流及び／又は電圧を介して、システムが許容できる動作状態内にあることを検出することが可能になる。例えば、ランプレート及び／又は電流レベルの最悪の場合のシナリオは、負荷ネットワークの各々からの予めプログラムされた負荷曲線に基づいて決定されてもよい。システムに対して制限又はランプ波形を課すことによって、システムは、比較的に小さな変化率を保証することができる。
【００６０】
供給ネットワークの（第１の）予めプログラムされた負荷曲線．
図２及び図１４は、予めプログラムされた最悪の場合の予想負荷曲線２００の実施例を示し、これは、供給ネットワーク１０２からの測定された電力フローに対して比較するために保護装置１１０によって使用されてもよい。予めプログラムされた負荷曲線２００は、故障なしの動作下では超過するべきでない、負荷ネットワーク１２０及び１６０によって予期される合計使用量を表す。予めプログラムされた負荷曲線２００は、負荷ネットワーク１２０及び１６０へ電流を提供するために、特定のランプレート及び戦略的な電流範囲（特定負荷レベルとも呼ぶ）に追従するプロトコルを指定する。予想される予めプログラムされた負荷曲線は、制御された電源１０８によって提供されるランダム電流からは独立している。供給ネットワークによって供給される電流は、負荷ネットワークによる要求における変動を補償することで、電源１０８によって部分的に管理されてもよい。負荷ネットワークへの電流及び負荷ネットワークからの電流は管理されて予測可能である場合、システム電圧は正確に保持することができ、変動を予め推定することができる。
【００６１】
ネットワークにおける電圧及び電流の変動を制御することにより、ネットワークは、いつ電圧又は電流が設計値よりも速く又は遅く変化したのかを迅速に決定することができる。これらの異常を検出することにより、従来の故障検出システムは検出できなかった、不良な接続又はアーク故障を含む、多数の問題をネットワークが検出できるようになる。例えば、保護装置１１０は、供給された電流を、１つ又は複数の指定された予想負荷曲線２００と比較することで、供給レベルにおける変化に応答するようにプログラムされてもよい。
【００６２】
負荷ネットワークの（第２の）予めプログラムされた負荷曲線．
図３及び図１５は、供給ネットワーク１０２から電流を取り出すために負荷コントローラ１３０によって使用されてもよい、予めプログラムされた負荷曲線３００の例を示す。予めプログラムされた負荷曲線３００は、負荷１４０による使用量と、特定のランプレートを有する特定のアンペア増分による変化とに基づく。予めプログラムされた負荷曲線３００は、特定のランプレートに追従するプロトコルを指定し、いくつかの場合には、供給ネットワーク１０２から電流を受けるための戦略的な電流セットポイント（特定負荷レベルとも呼ぶ）を指定する。後者は、電源１０８によって提供されて負荷１４０によって要求されるランダム電流からは独立であってもよい。負荷コントローラ１３０は定電流装置であってもよく、この場合、負荷が電力の変化を必要とするとき、エネルギー貯蔵装置１２８によって電力が提供又は吸収され、これにより、供給ネットワークが新たな適切なセットポイントまで増大又は減少することができる。貯蔵器コントローラと組み合わされたエネルギー貯蔵装置１２８は、負荷１４０によって要求された電力の変動を補償することで、負荷ネットワークによって要求された電流の変動を低減しうる。さらに、エネルギー貯蔵装置１２８は、負荷コントローラ１３０が供給ネットワーク１０２からの電流を要求していない期間である時刻ｔ１及びｔ２の間に、負荷１４０によって要求された電力を提供してもよい。供給ネットワーク１０２から負荷ネットワーク１２０への電流が管理されて予測可能である場合、システム電圧は、向上した安定性で正確に保持されうる。
【００６３】
負荷コントローラ１３０は、その様々なセットポイントにおいて定電流負荷として動作してもよい。例えば、負荷コントローラ１３０は、広範囲のＤＣネットワーク電圧にわたって供給ネットワーク１０２から６アンペアを要求するように構成されてもよい。他の負荷が次第に増大するとき、システムにおいて電圧が降下し、このことは典型的にはすべての負荷電流を増大させる。負荷への一定の電力を保持するために、負荷１４０への追加の電力がエネルギー貯蔵装置１２８から抽出されて電流は一定のままにされてもよい。このシステム設計において、負荷は、定電流として、又は、新たなセットポイントへの既知の増大又は減少する電流として見なされる。負荷コントローラ１３０によって供給ネットワーク１０２から引き出される実際の電流は、負荷１４０による引き出し、エネルギー貯蔵装置１２８の充電状態、及び時刻のような一組のパラメータを検出する処理によって決定されてもよい。ある場合には、負荷コントローラ１３０は、未来の時点でシステムが大きな電流を送れなくなる可能性があると予期して、負荷の要求を満たしてバッテリーの充電量をハイレベルまで回復させる戦略を行なって、供給ネットワーク１０２に大電流の供給を要求してもよい。
【００６４】
図４及び図１６は、負荷ネットワーク１６０への電力フローを管理するために負荷コントローラ１７０によって使用されてもよい、予めプログラムされた負荷曲線４００の例を示す。予めプログラムされた負荷曲線４００は、負荷１８０による使用量と、特定のランプレートを有する特定のアンペア増分による変化とに基づく。さらに、予めプログラムされた負荷曲線４００は、負荷１４０及び１８０のニーズに基づいて、予めプログラムされた負荷曲線３００と同じであってもよく、又は異なっていてもよい。予めプログラムされた負荷曲線４００は、特定のランプレートに追従するプロトコルを指定し、いくつかの場合には、供給ネットワーク１０２から電流を受けるための戦略的な電流セットポイント（特定負荷レベルとも呼ぶ）を指定する。後者は、電源１０８によって提供されて負荷１８０によって要求されるランダム電流からは独立である。負荷コントローラ１７０は定電流装置であってもよく、この場合、負荷が電力の変化を必要とするとき、エネルギー貯蔵装置１６８によって電力が提供又は吸収され、これにより、供給ネットワークが新たな適切なセットポイントまで増大又は減少することができる。エネルギー貯蔵装置１６８及び貯蔵器コントローラ１６６は、負荷１８０によって要求された電力の変動を補償することで、負荷ネットワーク１６０によって受け取られた電流の変動を管理しうる。さらに、エネルギー貯蔵装置１６８は、負荷コントローラ１７０が供給ネットワーク１０２からの電流を要求していない期間である時刻ｔ３及びｔ４の間に、負荷１８０によって要求された電力を提供してもよい。保護装置１１０から負荷ネットワーク１６０への電流が管理されて予測可能である場合、システム電圧は正確に保持されうる。
【００６５】
負荷コントローラ１７０は、その様々なセットポイントにおいて定電流負荷として動作してもよい。例えば、負荷コントローラ１７０は、広範囲のＤＣネットワーク電圧にわたって供給ネットワーク１０２から３アンペアを要求するように構成されてもよい。他の負荷が次第に増大するとき、システムにおいて電圧が降下し、このことは典型的にはすべての負荷電流を増大させる。このシステム設計において、負荷は、定電流として、又は、新たなセットポイントへの既知の増大又は減少する電流として見なされうる。負荷コントローラ１７０によって供給ネットワーク１０２から引き出される実際の電流は、負荷１８０による引き出し、エネルギー貯蔵装置１６８の充電状態、及び時刻のようなさまざまなパラメータを検出するアルゴリズムによって決定されてもよい。ある場合には、負荷コントローラ１７０は、未来の時点でシステムが大きな電流を送れなくなる可能性があると予期して、負荷の要求を満たしてバッテリーの充電量をハイレベルまで回復させる戦略を行なって、供給ネットワーク１０２に大電流の供給を要求してもよい。
【００６６】
パルス信号通信プラットフォーム．
供給ネットワーク及び負荷ネットワークの間で通信するために、供給ネットワークは、制御された電圧パルスを使用してもよく、これにより、その電圧のランプレート、レベル、又はこれら２つの組み合わせ（すなわち変化の波形）は、スイッチングハードウェアをオン又はオフすること、電力消費量を調整すること、又は電力発生を制限することのような、負荷ネットワークにおける特定のイベントをトリガするために使用される。パルスはまた、天候データ、システムセットポイント、及び他のメッセージのような他の情報を伝達することもできる。既存の電力線を利用することによって、パルス信号通信プラットフォームは、余分な機器の必要性を低減し、通信プラットフォームの信頼性を増大しうる。電力が送られている限り、システムは通信可能でありうる。１つの可能なプラグ及びプレー制御方式において、コマンドは、システムにおける特定の構成要素に向けてアドレス指定されるのではなく、すべての構成要素に向けてブロードキャストされ、各構成要素はブロードキャストされたメッセージに基づいて応答する。図５に、そのような制御方式の一例を示す。代替として、一連のパルスを用いて、装置に固有のコマンドが送られてもよい。例えば、第１のパルス又は一組のパルスが装置をアドレス指定し、それに続く１つ又は複数のパルスにより、識別された装置に向けられたコマンド又は情報を伝達する。通信を装置に固有のものとして、又は、ブロードキャスト通信として識別する最初のパルスが使用されてもよい。
【００６７】
パルスを送るために、供給ネットワークは、電力線における電圧を初期レベルから予め決められた電圧までゆっくり増大するために、供給コントローラ１０６のような制御構成要素を使用してもよく、又は、負荷ネットワークが知っている電圧を通信することで、電圧の変化がメッセージであることを示す。ここでの実施例が一例として電圧の増大を使用しているが、電圧の減少が使用されてもよい。次いで、負荷ネットワークは、非制御構成要素を用いて、通信電圧を受信して復号する。非制御構成要素は、保護装置１１０、負荷コントローラ１３０及び１７０、又は非制御構成要素が電圧変化を受信して測定することを可能にする電圧センサのようなディスクリートデバイスを含んでもよい。例えば、負荷コントローラ１３０及び１７０には、パルスを受信して復号するのに必要な電圧センサ、１つ又は複数のプロセッサ、及び１つ又は複数のメモリ装置が含まれてもよい。これらの変化を受信して測定した後で、非制御構成要素は、一組の予めプログラムされた命令を用いて信号を復号する。
【００６８】
一実施形態では、通信は、数百ミリ秒又は数秒の継続時間を有する遅いパルスを用いて送信されてもよい。高周波信号の代わりに遅いパルスを用いることによって、電力変換機器から到来する干渉と、共振と、長い伝送線路の影響によって生じる遅延とは除去される。さらに、低周波パルスの使用は、高周波パルスでは達成されない長距離にわたる情報の送信を可能にする。これらの遅いパルスは、装置をオンしたり、又は接続したりするような、システムの通常動作より遅い任意の値であってもよい。例えば、より遅いパルスは、負荷への供給の通常動作を確実に制御するシステムの能力に依存して、通常動作より１０倍遅くてもよく、又は１００倍遅くてもよい。
【００６９】
一実施形態では、信号を復号することは、電圧が通信電圧に設定されている時間長を測定することからなる。この実施形態では、システムが通信電圧にとどまる時間長が異なることは、異なるコマンド又はメッセージを示す。例えば、ある時間長は、装置をオン又はオフに切り換えることを意味してもよく、第２の時間長は、電力消費量を制限するように負荷ネットワークに命令してもよい。同様に、コマンド又はメッセージは、電圧又は電流におけるパルスの波形を介して、又は、電圧又は電流のランプレートを介して通信されてもよい。
【００７０】
故障など、他の状態は、電圧に通信電圧に到達せさせてもよい。非制御構成要素がこれらの変化をメッセージとして解釈することを防ぐために、供給ネットワークは、電圧の変化が通信であることを示すために、設定されたレートで電圧を次第に増大させてもよい。この処理は、緩やかに増大する電圧のランプとも呼ばれる。同様に、供給ネットワークは、メッセージが終了したことを示すために、電圧を通常レベルまで次第に減少させてもよい。この処理は、緩やかに減少するランプとも呼ばれる。図６は、緩やかに増大及び減少するランプを有する通信パルスの一例を示す。図１７は、緩やかに増大及び減少するランプを有する通信パルスのもう１つの例を示す。増大及び減少するランプのレート自体は、緩やかであっても、変更可能であり、パルス継続時間に加えて情報を通信するために使用可能である。
【００７１】
パルス通信プラットフォームはまた、誤り訂正を含んでもよい。例えば、検出における誤差は、期待される応答が通信から所定の時間期間内に発生しない場合に、供給コントローラのような、コマンドを再送する構成要素によって能動的に補正可能である。
【００７２】
上記では、供給ネットワークから負荷ネットワークに通信するパルス通信プラットフォームを説明したが、他の構成もまた可能である。例えば、負荷ネットワークは、Ｉ１〜Ｉｎに対して電流パルスを課すことで、供給ネットワークと通信することができ、パルス通信ネットワークは、システムが電力を送信している限り、電力線を介して接続された任意のネットワーク又は装置の間で通信するために使用可能である。
【００７３】
［故障検出］
故障の検出．
故障保護のために、供給ネットワーク１０２は保護装置１１０を含む。他の実施形態では、保護装置１１０は、負荷コントローラ１３０及び１７０の内部など、負荷ネットワーク内にあってもよい。保護装置は、供給コントローラの内部又は外部にあってもよい。複数の保護装置が配電線に沿って配置されてもよく、これにより、ラインを複数のセクションに分割することと、故障の協調された検出とを可能にする。保護装置１１０は、ソリッドステートリレー又は他のタイプの適切な電気的絶縁体を含んでもよい。保護装置１１０は、負荷ネットワーク１２０及び１６０を分離するように、配電線に貯蔵されたエネルギーを除去するように、他の変換器をシャットダウンするように、又は、故障状態が検出されたときに他のエネルギー源をシャットダウンするように動作する。
【００７４】
特に、平衡を保つ戦略は、指定された適切なしきい値を越えた電圧変動又は電流変動による供給及び予想負荷挙動の間の不完全な一致に対して、システム１００が迅速に反応することを可能にする。電圧変動は、電圧不均衡を示し、したがって電流不均衡を示す。従来のシステムは、故障状態においてさえ、電流が異常であり故障しているとシステムが決定するのに時間がかかるように、広範囲の動作電流を許容しなければならない。本明細書で説明したシステムのいくつかの実施形態は、電流レベル、変化、及び波形の予想される非常に狭い範囲とは異なる任意のものが故障を構成し、より迅速にトリップすることを仮定する。保護は、予めプログラムされた負荷曲線によって決定される電流レベル、波形、及び／又はランプレートの変動のしきい値に対する不整合に基づいてトリガされてもよい。変動のこのしきい値は、個々の独立した負荷曲線に基づいて決定されてもよく、又は、システムにおける負荷ネットワークの予めプログラムされた負荷曲線のうちの１つよりも多く又はすべてによって変動のしきい値が超過されたときに基づくことが可能である。このことが可能になるのは、システムがランダム電流変動を除去して電流レベルを制御し、これにより、絶対的な電流レベル保護のために適切な許容量が設定されることを可能にするからである。さらに、システムが、変化の波形（又はランプレート及び波形）と同様に変化率又は電流及び電圧を制御するので、これらの値、変化率、及び変化の波形は、故障を決定するために使用されてもよい。例えば、古典的保護システムは、時間遅延の後に負荷の上に１５０％の変動を検出したとき、故障をトリガするが、本システムは、負荷の上の５％のような、より小さな変動に対して故障保護方式をトリガ可能であってもよい。さらに、本システムは、故障を瞬間的にトリガ可能であってもよい。
【００７５】
故障の除去及び再活性化．
電力供給又は電力需要が対応する予めプログラムされた負荷曲線によって適合しないことを示す、指定された帯域外における任意の変動の場合、システムを非活性化するために保護装置１１０が起動されてもよい。代替として、保護装置１１０は、信号を他の装置に送ってトリップさせることによりシステムを非活性化させてもよい。保護装置１１０は、電流フローをイネーブル又はディセーブルする半導体スイッチ又はリレーを用いて実装されてもよい。所定の短い時間期間にわたって供給ネットワーク電圧を喪失したとき、負荷ネットワーク分離１３２及び１７２が開く。次いで、保護装置１１０は、負荷が接続されていないシステム１００を再び活性化してもよい。
【００７６】
電圧を検出したとき、負荷ネットワーク１２０及び１６０における分離装置１３２及び１７２は、制御信号によって、又は埋め込まれたアルゴリズムを介して、順に閉じてもよい。保護装置が閉じて、システム１００が不均衡を検出した場合、保護装置１１０がトリップさせられてもよく、また、保護装置閉シーケンスが再び開始してもよい。しかし、この場合、故障したセグメントは、埋め込まれたロジックによって分離されたままである。
【００７７】
一実施形態では、
負荷ネットワークにおける負荷コントローラ１３０及び１７０は、負荷ネットワーク及び供給ネットワークの間における電力交換の開始を遅延させるようにプログラムされてもよい。遅延は、前述したように、負荷がないラインの簡単かつ小電流の再活性化のために十分な時間を与えて、故障が解消されたか否かをシステムが容易に識別することを可能にする。保護装置１１０は、負荷ネットワークが再活性化の遅延中に電力を消費しない場合、故障が解消されたと検出してもよい。しかしながら、保護装置１１０は、負荷ネットワークが再活性化の遅延中に故障電流を消費する場合、故障が解消されていないと検出してもよい。
【００７８】
再活性化中に、システム１００の解消は、負荷ネットワークが切断される場合に電力を保持する電源１０８に起因した供給ネットワーク１０２への影響なしに行われてもよく、また、負荷ネットワーク１２０及び１６０の一方又は両方が供給ネットワーク１０２から切断される場合に各負荷１４０及び１８０へ電力を提供する各エネルギー貯蔵装置１２８及び１６８に起因した負荷ネットワーク１２０及び１６０への影響なしに行われてもよい。言いかえれば、電源は、他の要素にその電力を供給して動作し続けてもよく、また、負荷ネットワーク１２０及び１６０は、各エネルギー貯蔵装置１２８及び１６８に貯蔵された電力を各負荷１４０及び１８０に供給することで動作し続けてもよい。
【００７９】
保護装置．
図７は、主ライン７１２及び負荷ネットワーク７１４、又はプロシューマ（prosumers：生産者かつ消費者）に接続された保護装置７００のブロック図を示す。負荷ネットワーク１２０及び１６０は、保護装置を介して要求または提供される電流の変化が限定的かつ既知であるように、エネルギー貯蔵器を一体化し、また、多くの場合、再生可能発電を一体化する。
【００８０】
保護装置は、電流及び／又は電圧を検出して負荷ネットワーク１２０及び１６０への電流を高帯域幅で測定することができる検出装置７０２を組み込む。装置は、通常動作の間の周波数より高い周波数において電流又は電圧の過渡状態を当該装置が検出できるようにするために、高帯域幅を必要とする。電流測定値はコントローラ７０４に送られてもよく、コントローラ７０４は、プロセッサ及びメモリを含んでもよく、電流の変化率を表す電流の微分係数を計算する。コントローラ７０４は、通常動作を示す、ｄｉ／ｄｔリミッター７１８によってモニタリングされた最大電流ランプレートでプログラムされてもよい。コントローラ７０４は、測定値に基づく計算された電流変化率、又は電流変化の微分係数を、最大電流ランプレートと比較してもよい。測定された変化率が正常範囲外にある場合、コントローラ７０４は、半導体デバイス又はソリッドステートリレーに基づくもののような高速切断７０６を開き、電流フローを中断してもよい。コントローラ７０４はまた、活性化装置（例えばリレー又は半導体）７０８のような、小電流かつ低速で応答する活性化装置を起動し、以前に故障したラインを活性化してもよい。他の実施形態では、活性化リレー７０８は、代替として、半導体又は当該技術において既知である他の装置であってもよい。活性化リレー７０８を介して流れる電流は、電流制限装置７１０、例えば抵抗によって制限されてもよい。活性化装置７０８が起動されるときに電流センサ７０２を介して流れる電流に依存して、コントローラ７０４は、故障が解消されたか否かを決定することができる。
【００８１】
コントローラ７０４は、電流の正常及び異常な変化率の設定値を変化させることを可能にする外部コントローラとの通信プラットフォームを組み込んでもよい。ラインの再活性化は、自動的にプログラムされてもよく、手動で開始されてもよく、又は通信リンクを介して遠隔で開始されてもよい。故障電流ランプ制限装置７１０は、故障電流又は電圧の変化率を制限するために高速切断７０６に直列に挿入されてもよいインダクタであってもよい。インダクタをシステムに追加することは、変化率を制限するインダクタンスを除去しようとする現在のロジックとは逆に作用する。しかしながら、開示したシステムでは、システムは変化率を低く維持するように設計される。従って、典型的にはＤＣラインの故障中に生じる速い電流スパイクを遅くするためにインダクタが導入されてもよい。このことは、典型的にはより大電流の代替物よりも安価かつ安全である、ヒューズ及びより低い定格電流を有する他の保護機構が使用されることを可能にする。追加の保護のために、又は、保護が失敗したときに応答するために、古典的な過電流保護が含まれてもよい。
【００８２】
スマートインバータ．
もう１つの実施形態では、
ネットワークは、動作速度を向上させることにより、また、インバータを破損しなくとも外部機器への損傷又はユーザによって安全でない状態をもたらす可能性がある故障を含む、検出及び解消可能な故障の個数及びタイプを増大させることにより、インバータＡＣ出力から供給を受ける機器を保護するスマートインバータを含む。説明されるスマートインバータシステムは、インバータのＡＣ出力を検出及び／又は測定し、故障が発生したか否かを解析し、次いで、インバータ及び電力グリッドネットワークにおける他の装置を制御し、電力グリッド送電系統及びそれに接続された任意の装置を故障に起因する損傷から保護することができる。
【００８３】
一実施形態では、
スマートインバータは、電流を解析し、故障が生じたときにインバータをシャットダウンするために必要な分析を実行することができるプロセッサ及び記憶装置を含む。もう１つの実施形態では、インバータは、プロセッサ及び記憶装置を備えた制御装置に接続されてもよい。制御装置は、電流を解析してインバータをシャットダウンするために必要な分析を実行する。両方の実施形態は、回路遮断器又はヒューズボックスのような、電力グリッドネットワークにおける他の装置と通信し、故障が生じたとき、他の電力グリッド保護プロトコルをトリガしてもよい。
【００８４】
インバータ．
産業において、いくつかの形式のインバータが既知である。本発明は、インバータに追加された制御装置を利用して、インバータの出力をモニタリングし、かつ、故障が検出されたとき、インバータを制御することができる。
【００８５】
図８は、このシステムにおいて使用可能なインバータ８０２の例を示す図である。インバータの他の構成も既知であり、本発明を達成することができる。インバータ８０２は、ＤＣ供給を受ける入力８０４を含む。ＤＣ供給は、ＤＣエネルギーが流れる少なくとも２つの経路の間で交替するスイッチ８０６に流れる。これらの２つの経路は、磁気構成要素８０８に流れてＡＣ供給フローを誘導する。そのＡＣ供給フローは、インバータ８０２内で測定可能な電流及び電圧、又は、フローがインバータ８０２から出力されるときに測定可能な電流及び電圧のような、典型的なＡＣ供給特性を有するフィルタ８１０の出力である。
【００８６】
スイッチ８０６は、当該技術において既知であるいくつかの形式をとることができる。
例えば、電気機械的バージョンによれば、スイッチ８０６が２つの接点へ接続されることを可能にし、ここで、バネによってスイッチ８０６の１つの接点に向かってバイアスがかけられている。電磁石は、第１の接点に接続され、スイッチを第２の接点に向かって引く。スイッチ８０６が第２の接点に達したとき、電磁石への電流は中断され、電磁石はオフされ、これにより、バネは、スイッチ８０６を第１の接点に戻るように移動させる。このことは、スイッチ８０６が２つの接点間で急速に交替することを可能にし、２つの経路を介してフローを送ってＡＣ供給を生成する。当該技術において既知のであるスイッチ８０６のための他の構成も使用可能であり、例えば、半導体スイッチ、トランジスタスイッチ、サイリスタスイッチ、その他を含む。
【００８７】
上述の説明は矩形波を生成するが、いくつかの負荷ネットワークは滑らかな正弦波波形を必要とする。もう１つの実施形態では、インバータ８０２は、インバータが滑らかな正弦波又は当該技術において既知である他の波形としてＡＣ供給を生成することを可能にするハードウェアを含んでもよい。この滑らかな正弦波波形を生成するために、インバータは、キャパシタ、インダクタ、低域通過フィルタ、共振フィルタ、整流器、逆平行ダイオード、及び当該技術において既知である他の装置を含むことができる。この同じハードウェアは、当該技術において既知である変形された正弦波のような他の波形を生成するために使用されてもよい。
【００８８】
制御装置．
一実施形態では、制御装置８１２は、１つ又は複数のプロセッサ８１４及び１つ又は複数のメモリ記憶装置８１６を含む。１つ又は複数のメモリ記憶装置８１６は、１つ又は複数のプロセッサ８１４によって行なわれる命令と、電力グリッドの通常動作のためのパラメータ及び故障が生じたことを意味する条件のような、それらの命令を実行するのに必要なデータとを格納する。
【００８９】
１つ又は複数のプロセッサ８１４は、並列な処理を同時に実行することができる単一又は複数のコアプロセッサのような、開示された方法の機能を実行するように設計された１つ又は複数の既知又はカスタムの処理装置として実装されてもよい。例えば、１つ又は複数のプロセッサ８１４は仮想処理技術によって構成されてもよい。１つ又は複数のプロセッサ８１４は、Ｊａｖａ仮想マシンを含む仮想マシン技術を実装してもよく、又は、複数のソフトウェア処理、アプリケーション、プログラムなどを実行、制御、実施、格納などする能力を提供する他の既知の技術を実装してもよい。当業者は、ここに開示した能力を提供する他のタイプのプロセッサ装置が実施されてもよいことを理解するであろう。
【００９０】
１つ又は複数のメモリ記憶装置８１６は、１つ又は複数のオペレーティングシステム、サーバアプリケーション、通信処理、また、コンピュータシステムで利用可能であると知られている他の任意のタイプのアプリケーション又はソフトウェアのようなプログラムを１つ又は複数のプロセッサ８１４が実行することを可能にする命令を含んでもよい。１つ又は複数のメモリ記憶装置８１６は、揮発性又は不揮発性、磁気、半導体、テープ、光学、着脱可能、非着脱可能、又は、他のタイプの記憶装置又は有形物の（すなわち、非一時的な）コンピュータ可読媒体として実装されてもよい。
【００９１】
いくつかの実施形態では、１つ又は複数のメモリ記憶装置８１６は、１つ又は複数のプロセッサ８１４によって実行されたとき、ここに開示された機能と整合性のある１つ又は複数の処理を実行する命令を含む。開示した実施形態と整合性のある方法、システム、及び製造物は、専用タスクを実行するように構成された別個のプログラム又はコンピュータに制限されない。
【００９２】
図９は、開示された実施形態に従って１つ又は複数のプロセッサ８１４によって実行される例示的な故障検出処理９００のステップを示すフローチャートである。しかしながら、フローチャートによって示したステップは単なる例示であり、故障検出処理９００を実施するために１つ又は複数のステップが追加又は削除されてもよい。さらに、ステップは、システムが故障を検出できる任意の順序で実行することができる。
【００９３】
ステップ９１０において、制御装置８１２はインバータ８０２からの出力を受ける。この出力は電流又は電圧であってもよい。代替として、インバータからの出力は、インバータからの電流又は電圧の測定値であってもよい。
【００９４】
ステップ９２０において、１つ又は複数の記憶装置８１６は、複数の時点についてインバータ８０２からの出力を貯蔵する。これにより、１つ又は複数のプロセッサ８１４は、出力が時間的にどのように変化したか決定及び解析するのに十分なデータにアクセスすることが可能になる。例えば、１つ又は複数のプロセッサ８１４は、１分間にわたる電流の絶対値、電流が１分間にわたって変化するレート、又は異なる時点で測定された電流間の差を決定してもよい。
【００９５】
ステップ９３０において、１つ又は複数のプロセッサ８１４は、インバータ８０２からの出力を解析して、故障が生じたか否かを決定する。ＧＦＩ、過電流、不均衡な電圧（オープンニュートラル）、及びアーク故障を含む、このシステムによって検出することができる多数のタイプの故障がある。
【００９６】
一例として、ＧＦＩ故障は、電圧及び電流のいずれかを用いて、インバータ８０２から出力される電気のフローを解析することで検出可能である。ＧＦＩ故障は、インバータが負荷１４０又は１６０に接続する点において電気のフローを解析することで検出可能である。この例では、接地故障は、故障を介してインバータ８０２出力から接地に流れ込み、インバータ８０２の接地端子を介して戻る電流をもたらす。通常の、故障していない状態では、接地を流れる電流はゼロであり、端子を流れる電流の代数和はゼロになるはずである。しかしながら、接地故障が生じたとき、和はゼロから離れる。インバータ８０２が、図８に示すようなすべての電力線において電流センサを備える場合、測定された電流は加算されてもよく（Ｉｔｏｔａｌ＝ＩＡ＋Ｉｎ＋ＩＢ）、結果がゼロからドリフトする場合、システムは、出力ラインのどこかに接地故障が存在すると結論してもよい。代替として、インバータ８０２は、３つの電流の和を物理的に測定する残留電流センサによる電流測定値を受信してもよく、センサの出力は、接地故障があるか否かを決定するために使用されてもよい。
【００９７】
もう１つの実施例として、インバータハードウェアを用いて外部アーク故障を検出することができる。伝統的に、ＡＣアーク故障検出器は、インバータの外部において、インバータ電力制御に使用されるものとは別個のセンサを用いて提供される。インバータ８０２は、ここで説明するように、出力を通じて電力信号を測定することができる。次いで、制御装置８１２は、当該技術において既知の内部アルゴリズムを信号処理に適用し、電流測定値のようなそれらの測定値に基づいて外部アーク故障を識別してもよい。
【００９８】
もう１つの実施例として、インバータ８０２は、インバータ８０２及び負荷の間のオープンニュートラル故障を検出してもよい。いくつかの実施形態では、インバータ８０２は、１８０度異なる位相を有する２つの正弦波電圧を供給する、分離された位相電力信号を生成してもよい。これらは、何らか負荷が線間に接続されることを可能にする、共通点又は中性点（ニュートラル）を含んでもよく、これにより、それらは、位相電圧の２倍を受信するか、他方が接続されているときに位相電圧を受信する。これらのタイプのシステムは、住宅のアプリケーションにおいて一般的である。この実施形態において、インバータ８０２は、２つ位相の各々の電圧を独立して制御し、１８０度の位相シフトを保持して、分離された位相を生成する。分離された位相の構成を用いることは、時々、中性導体への損傷をもたらす可能性があり、位相及び中性点の間に接続された負荷のうちのいくつかにおいて過電圧を発生させる可能性があるオープンニュートラル故障を生じさせる。
【００９９】
いくつかの実施形態では、オープンニュートラル故障を検出するためにインバータが使用されてもよい。分離された位相システムに係る１つの特性は、２つのラインを介して流れる電流が典型的には同一又は平衡しているということにある。この場合、インバータ８０２の電流測定値は、中性点においてゼロ電流の読み出し値を有する可能性がある。しかしながら、中性点におけるゼロの読み出し値は、オープンニュートラル故障に起因している可能性もある。インバータが中性電流センサを備え、電流がゼロになる（Ｉｎ＝０）場合、制御装置８１２における１つ又は複数のプロセッサ８１４は、２つ位相間における電圧の大きさ又は位相の小さなずれ（例えばＶＡｎ＞ＶＢｎ）を生じさせることをインバータ８０２に指示してもよい。この例では、１つの位相における電圧は他の位相における電圧からわずかに異なり、又は、位相角はちょうど１８０度ではなく、これにより、以前に平衡であった負荷は不平衡になり、中性点を介する電流が生じる。次いで、制御装置８１２は、中性接続がなおそのままであることを確認してもよい。電圧のずれが測定可能な中性電流を生じさせない場合、制御装置は、オープンニュートラル故障が存在すると結論してもよい。
【０１００】
他の実施形態では、中性電流を測定する必要はない。中性電流は、代替として、２相電流の代数和（＝ＩＡ＋ＩＢで）として計算されてもよい。この実施形態において、ここで説明したインバータ８０２は、次いで、測定された値の代わりのこの計算値を用いて、オープンニュートラル故障を検出してもよい。
【０１０１】
ステップ９４０において、１つ又は複数のプロセッサ８１４は、１つ又は複数の記憶装置８１６に格納された保護モードのうちの１つに入るか否かを決定する。１つ又は複数の記憶装置８１６は、ネットワークを保護するために、１つ又は複数の保護モードを格納することができる。これらの保護モードのうちの１つは、インバータの８０２のスイッチング動作の停止であってもよく、これにより、ＡＣ電流のフローを停止する。他の保護モードは、回路遮断器をトリップさせてＡＣ電流のフローを停止すること、又は、ヒューズボックスにヒューズを切断させることを含んでもよい。
【０１０２】
ステップ９５０において、１つ又は複数のプロセッサ８１４は、電力グリッドシステム１００を保護するために選択された保護モードに入るために、適切な装置へのコマンドを発行する。例えば、これらのコマンドは、インバータ８０２、回路遮断器、又はヒューズボックスに送られてもよい。
【０１０３】
一実施形態では、制御装置は、インバータ８０２のＡＣ供給を測定するセンサを含む。
このセンサは、電流、電圧、及び／又はＡＣ供給の他の関連する特性を測定することができる。
【０１０４】
ともに組み込まれるインバータ及び制御装置．
図１０は、１つ又は複数のプロセッサ１００２、１つ又は複数のメモリ記憶装置１００４、及び通信プラットフォーム１００６を含む制御装置がインバータ１０００に組み込まれている、もう１つの実施形態を示すブロック図である。この実施形態において、インバータ１０００及び制御装置の両方は、上述のインバータ８０２及び制御装置８１２と同様の方法で動作する。
【０１０５】
利点／使用．
この技術は、保護動作を始めるために故障への大きなエネルギーフローに依存する従来のアプローチとは異なる。むしろ、この技術は、電流フローの予測性を用いて、マルチターミナルの差動電流保護方式を模倣する。予めプログラムされた負荷曲線から離れる任意の電流フローは、予想及び予測される電圧又は電流プロファイルに対応しないシステム電圧又は電流を示す。限られた電流を有するアクティブな電源は、ブレーカをトリップさせるか又はヒューズを切断する電流を提供しないので、高抵抗値故障及びライン中のアーク生成は、従来の電力グリッドシステムにでは発見されない可能性がある。故障状態は、本発明の実施形態における予想される電流及び電圧プロファイルと不整合であり、従って、システム１００はトリップして問題を隔離するであろう。この故障検出アプローチは、電力グリッドシステム１００の他の構成要素との通信を必要とすることなく、また、遠隔の端末における追加の電流測定装置による電流検出を必要とすることなく、従来の電力システム及び他のＤＣ電力技術に比例して、より良好な信頼性、より少ない損傷、及びより高い安全性を有して、故障状態に対するより高速な応答を提供する。
【０１０６】
システム１００の経済性及び安全性を全体として改善するように、負荷バッテリー及びその電力インバータは、負荷ネットワークにおける従来の測定及びメインパネル保護を置き換えるように構成可能である。本発明の実施形態は、従来のパネル回路遮断器を置き換える電流検出回路及びソリッドステートリレーを用いることで、電力インバータの高いスイッチング速度を促進する。故障状況が検出されたとき、電力インバータは即時にディセーブルにされ、リレーを開くことで適切な回路が分離され、したがって、電力インバータは安全にサービスに戻ることができる。そのような設計を用いて、完全なシステム接地故障保護の安全性を増大させることができる。
【０１０７】
機器レベルの電力制御から単一の建物の電力制御まで、電力グリッド全体の制御までの範囲にわたるシステムへ本発明の原理を適用する、追加の実施形態が存在する。貯蔵器又は追加の電源を用いてネットワークを介するランダムフローの必要性を除去するように構成された任意のシステムが、開示した原理を実装することができる。例えば、システムが住宅において実装され、負荷が完全にＤＣである場合、エネルギー貯蔵器は、家庭内において分散されてもよく、また、接地部品の必要性を除去するのに十分に低い電圧を用いてＤＣコントローラによって供給されてもよく、これにより、設置のコストを大幅に低下させる。パワー・オーバー・イーサネットの概念と、貯蔵器を備えた負荷ネットワークへの一定電力を供給する上述した技術とを基礎として、システムは、１００ワットを超えるピーク（又は他の標準的なレベル）を消費するすべての機器において小規模なエネルギー貯蔵器を組み込んでもよい。機器は、より小さな負荷で常に動作する場合（例えば、過度に大きなモータ及びコンプレッサを備え、周期的に、半分の時間だけ動作する冷蔵庫）、又は、専用のエネルギー貯蔵器が小さな一定の供給で充電され、機器の動作中に引き出される、より効率的となりうる。
【０１０８】
少数の実施例について詳細に上述したが、様々な変更が可能である。例えば、電源の特性が予測可能かつ整合性のある実施例では、供給ネットワークは、電力バッファとして、貯蔵器コントローラ及びエネルギー貯蔵装置を含まなくてもよい。同様に、負荷の特性が予測可能かつ整合性のある実施例では、負荷ネットワークは、電力バッファとして、貯蔵器コントローラ及びエネルギー貯蔵装置を含まなくてもよい。説明した実施例はＤＣシステムへ焦点をおいていたが、これらの実施例はＡＣシステムに適用されてもよい。
【０１０９】
本明細書が多数の詳細を含んでいるが、これらは、特許請求の範囲に記載されているかもしれない事項の範囲に対する限定としてではなく、特定の実施形態に特有のものかもしれない特徴の説明として解釈されるべきである。本明細書において別個の実施形態のコンテキストで説明した所定の特徴は、単一の実施形態における組み合わせとして実施されてもよい。逆に、単一の実施形態のコンテキストで説明した様々な特徴は、複数の実施形態において別々に又は任意の適切な部分的組み合わせとして実施されてもよい。さらに、機能は所定の組み合わせとして動作するように上述し、まず、そのように特許請求の範囲に記載しているかもしれないが、特許請求の範囲に記載した組み合わせのうちの１つ又は複数の特徴は、ある場合には組み合わせから除去されてもよく、また、特許請求の範囲に記載した組み合わせは、部分的組み合わせ又はその変形に関するものであってもよい。
【図１】
2021510061.tif 000003
【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８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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