(57)【要約】  システムは、主電源(106，202，302，401，602，1602)からの定電流ＤＣ入力電力を受け入れるように構成された複数のハイブリッドエネルギー貯蔵モジュール（ＨＥＳＭ）(114a-114d，206-210，402-406，1614-1616，1642-1644)を含む。各ＨＥＳＭが、定電流及び定電圧の双方の出力電力を複数の負荷(118a-118d，216-222，314-330，412，422，448-450，620，1422-1424，1448-1458，1662-1668)に順次に又は同時に供給するように構成された複数の出力(212-214)を有し、負荷は、定常負荷、脈動負荷、又は間欠負荷を有する。各ＨＥＳＭが、主電源からの定電力引き出し又は定電流引き出しを可能にするように、主電源から得られる第１の電力を増補又は誘導する第２の電力を生成するように構成された、結合型の回転式電気機械慣性貯蔵モジュール(306-308，452，516，612-616，800，1402-1404，1412-1414，1618-1620，1654-1656)及び電気化学貯蔵モジュール(120，322，446，1452-1454)を含み、出力電力は、第１の電力及び第２の電力を有する。
2021508225.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主電源からの定電流ＤＣ入力電力を受け入れるように構成された複数のハイブリッドエネルギー貯蔵モジュール（ＨＥＳＭ）を有し、各ＨＥＳＭが、定電流及び定電圧の双方の出力電力を複数の負荷に順次に又は同時に供給するように構成された複数の出力を有し、前記負荷は、定常負荷、脈動負荷、又は間欠負荷を有し、
各ＨＥＳＭが、前記主電源からの定電力引き出し又は定電流引き出しを可能にするように、前記主電源から得られる第１の電力を増補又は誘導する第２の電力を生成するように構成された、結合型の回転式電気機械慣性貯蔵モジュール及び電気化学貯蔵モジュールを含み、前記出力電力は、前記第１の電力及び前記第２の電力を有する、
システム。
【請求項２】
前記複数のＨＥＳＭを直列に接続し、前記主電源からの前記入力電力を各ＨＥＳＭに供給するように構成されたＤＣ送電線、を更に有する請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
各ＨＥＳＭが海中電力システムであり、前記主電源は陸上にある、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
各ＨＥＳＭが、定電流ＡＣ電力を受け入れるように構成された入力ステータ巻線と、負荷電力脈動の高い減衰を伴う定電流及び定電圧の双方の動作用に構成された複数のステータ出力とを有する二重給電誘導機（ＤＦＩＭ）を有する、請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
各電気機械が更に、フライホイール及びダイナモエレクトリックロータを有し、
前記フライホイールの速度が電力供給中に低下すると、前記電気機械の制御システムが、略一定の周波数出力を維持するために、前記ロータに送られる周波数を高めるように構成される、
請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記ＤＦＩＭは、低い出力巻線リアクタンスを持ち、前記入力巻線は、より高い電気リアクタンスを持つ、請求項４に記載のシステム。
【請求項７】
前記ＨＥＳＭはマスターマシンを有し、当該システムは更に、
複数のパイロットマシンであり、各パイロットマシンが、対応するマスターマシンとカスケード構成に配置され、且つ前記負荷のうちの１つに電力を供給するように構成される、複数のパイロットマシンと、
複数のＤＣ−ＡＣ電力変換器であり、各電力変換器が、対応するパイロットマシン及びマスターマシンと直列に接続され、且つ対応するパイロットマシンのステータ巻線に可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）電力を供給するように構成され、当該ＤＣ−ＡＣ電力変換器は、前記電源からパルス負荷をバッファするように構成される、複数のＤＣ−ＡＣ電力変換器と、
を有する、請求項４に記載のシステム。
【請求項８】
各ＨＥＳＭが、前記定電流ＤＣ入力電力を、前記複数の負荷のうちの１つ以上への送達のために低周波数又は中周波数のＡＣ電力に変換するように構成され、
各ＨＥＳＭが更に、双方向の電力の流れを提供するように構成される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
当該システムは、異なる負荷に異なるインピーダンス、異なる電圧、及び異なる電気時定数で同時に電力を供給するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
主電源と、
前記主電源からの定電流入力電力を受け入れるように構成された複数のハイブリッドエネルギー貯蔵モジュール（ＨＥＳＭ）と、
前記複数のＨＥＳＭを直列に接続し、前記主電源からの前記入力電力を各ＨＥＳＭに供給するように構成された送電線と、
を有し、
各ＨＥＳＭが、定電流及び定電圧の双方の出力電力を複数の負荷に順次に又は同時に供給するように構成された複数の出力を有し、前記負荷は、定常負荷、脈動負荷、又は間欠負荷を有し、
各ＨＥＳＭが、前記主電源からの定電力引き出し又は定電流引き出しを可能にするように、前記主電源から得られる第１の電力を増補又は誘導する第２の電力を生成するように構成された、結合型の回転式電気機械慣性貯蔵モジュール及び電気化学貯蔵モジュールを含み、前記出力電力は、それぞれ一次エネルギー源及び一次励磁源として機能する前記第１の電力及び前記第２の電力を有する、
システム。
【請求項１１】
各ＨＥＳＭが海中電力システムであり、前記主電源は陸上にあり、前記主電源は、ＤＣ電力を供給するように構成されたＤＣ電源を有する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
各ＨＥＳＭが海中電力システムであり、前記主電源は陸上にあり、前記主電源は、低周波数ＡＣ電力を供給するように構成されたＡＣ電源を有する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
各ＨＥＳＭが、定電流ＡＣ電力を受け入れるように構成された入力ステータ巻線と、電源波形に関する負荷電力脈動の高い減衰を伴う定電流及び定電圧の双方の動作用に構成された複数のステータＡＣ出力とを有する二重給電誘導機（ＤＦＩＭ）を有する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１４】
各電気機械が更に、フライホイール及びダイナモエレクトリックロータを有し、
前記フライホイールの速度が電力供給中に低下すると、前記電気機械の制御システムが、略一定の周波数出力を維持するために、前記ロータに送られる周波数を高めるように構成される、
請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記ＤＦＩＭは、低い出力巻線リアクタンスを持ち、前記入力巻線は、より高い電気リアクタンスを持つ、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１６】
前記ＨＥＳＭはマスターマシンを有し、当該システムは更に、
複数のパイロットマシンであり、各パイロットマシンが、対応するマスターマシンとカスケード構成に配置され、且つ前記負荷のうちの１つに電力を供給するように構成される、複数のパイロットマシンと、
複数のＡＣ−ＡＣ電力変換器であり、各電力変換器が、対応するパイロットマシン及びマスターマシンと直列に接続され、且つ対応するパイロットマシンのステータ巻線に可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）電力を供給するように構成され、当該ＡＣ−ＡＣ電力変換器は、前記電源からパルス負荷をバッファするように構成される、複数のＡＣ−ＡＣ電力変換器と、
を有する、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１７】
各ＨＥＳＭが、定電流ＡＣ低周波数入力電力を、前記複数の負荷のうちの１つ以上への送達のために高周波数又は中周波数のＡＣ電力に変換するように構成され、
各ＨＥＳＭが更に、双方向の電力の流れを提供するように構成される、
請求項１０に記載のシステム。
【請求項１８】
当該システムは、異なる負荷に異なるインピーダンス、異なる電圧、及び異なる電気時定数で同時に電力を供給するように構成され、前記異なる負荷は、定常負荷又は非周期負荷のいずれかを有する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１９】
前記主電源は、タービン駆動発電機、ソーラーアレイ、風力発電機、海洋波力発電機、及び海洋熱電発電機のうちの少なくとも１つである、請求項１０に記載のシステム。
【請求項２０】
陸上の主電源と、
前記主電源からの定電流ＤＣ又はＡＣ入力電力を受け入れるように構成された複数のハイブリッドエネルギー貯蔵モジュール（ＨＥＳＭ）であり、各ＨＥＳＭが海中の位置に配置される、複数のＨＥＳＭと、
前記複数のＨＥＳＭを直列に接続し、前記主電源からの前記入力電力を各ＨＥＳＭに供給するように構成されたＤＣ又は低周波数ＡＣ送電線と、
を有し、
各ＨＥＳＭが、定電流及び定電圧の双方のＤＣ又はＡＣ出力電力を複数の負荷に順次に又は同時に供給するように構成された複数の出力を有し、前記負荷は、定常負荷、脈動負荷、又は間欠負荷を有し、
各ＨＥＳＭが、前記主電源からの定電力引き出し又は定電流引き出しを可能にするように、前記主電源から得られる第１の電力を増補又は誘導する第２の電力を生成するように構成された、結合型の回転式電気機械慣性貯蔵モジュール及び電気化学貯蔵モジュールを含み、前記出力電力は、前記複数の負荷のうちの少なくとも１つに給電する、
システム。
【請求項２１】
各ＨＥＳＭが、定電流ＡＣ電力を受け入れるように構成された入力ステータ巻線と、定常負荷と並列に動作して、負荷電力脈動の高い減衰を伴う定電流及び定電圧の双方の動作用に構成された複数のステータ出力と、を有する二重給電誘導機（ＤＦＩＭ）を有する、請求項２０に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この開示は概して電力システムの制御に向けられる。より具体的には、この開示は、高電圧ＤＣ送電を利用して水中エネルギー貯蔵艇において高電力を変調するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
典型的なエネルギー貯蔵モジュール（energy  storage  module；ＥＳＭ）は、ＥＳＭの意図された位置に対してエネルギー源が比較的近く（例えば、１００メートル以下）且つ負荷が同様にＥＳＭに近接する陸上又は水上艦用途に焦点を合わせている。ＥＳＭ又はハイブリッドエネルギー貯蔵モジュール（ＨＥＳＭ）に関する電気パラメータは短い伝送距離に特有のものであり、典型的にこれらのシステムは、オプションの定電圧又は定電流出力を有する定電圧ＡＣ又はＤＣとして動作する。短い送電線距離は、低いシステム電気リアクタンスを可能にし、これは一般的に応答の高速化を促進する。しかしながら、このようなＥＳＭ方式は、エネルギー源又はサブシステムから数百メートル又は数千メートルに位置するエネルギー源によって供給されるときに、効率的に動作する能力が限られる。また、このようなシステムは、一般的に重く、且つ大きいボリューム空間を占有し、水中ステーションへの輸送又は設置に資するものではない。
【発明の概要】
【０００３】
本開示は、高電圧ＤＣ送電を利用して、水中エネルギー貯蔵艇において高電力を変調するシステム及び方法を提供する。
【０００４】
第１の実施形態において、システムは、主電源からの定電流ＤＣ入力電力を受け入れるように構成された複数のハイブリッドエネルギー貯蔵モジュール（ＨＥＳＭ）を含む。各ＨＥＳＭが、定電流及び定電圧の双方の出力電力を複数の負荷に順次に又は同時に供給するように構成された複数の出力を有し、負荷は、定常負荷、脈動負荷、又は間欠負荷を有する。各ＨＥＳＭが、主電源からの定電力引き出し又は定電流引き出しを可能にするように、主電源から得られる第１の電力を増補又は誘導する第２の電力を生成するように構成された、結合型の回転式電気機械慣性貯蔵モジュール及び電気化学貯蔵モジュールを含み、出力電力は、第１の電力及び第２の電力を有する。
【０００５】
第２の実施形態において、システムは主電源を含む。当該システムはまた、主電源からの定電流入力電力を受け入れるように構成された複数のハイブリッドエネルギー貯蔵モジュール（ＨＥＳＭ）を含む。当該システムはまた、上記複数のＨＥＳＭを直列に接続し且つ主電源からの入力電力を各ＨＥＳＭに供給するように構成された送電線を含む。各ＨＥＳＭが、定電流及び定電圧の双方の出力電力を複数の負荷に順次に又は同時に供給するように構成された複数の出力を有し、負荷は、定常負荷、脈動負荷、又は間欠負荷を有する。各ＨＥＳＭが、主電源からの定電力引き出し又は定電流引き出しを可能にするように、主電源から得られる第１の電力を増補する第２の電力を生成するように構成された、結合型の回転式電気機械慣性貯蔵モジュール及び電気化学貯蔵モジュールを含み、出力電力は、それぞれ一次エネルギー源及び一次励磁源として機能する第１の電力及び第２の電力を有する。
【０００６】
第３の実施形態において、システムは、陸上の主電源を含む。当該システムはまた、主電源からの定電流ＤＣ又はＡＣ入力電力を受け入れるように構成された複数のハイブリッドエネルギー貯蔵モジュール（ＨＥＳＭ）を含み、各ＨＥＳＭが海中の位置に配置される。当該システムはまた、上記複数のＨＥＳＭを直列に接続し且つ主電源からの入力電力を各ＨＥＳＭに供給するように構成されたＤＣ又は低周波数ＡＣ送電線を含む。各ＨＥＳＭが、定電流及び定電圧の双方のＤＣ又はＡＣ出力電力を複数の負荷に順次に又は同時に供給するように構成された複数の出力を有し、負荷は、定常負荷、脈動負荷、又は間欠負荷を有する。各ＨＥＳＭが、主電源からの定電力引き出し又は定電流引き出しを可能にするように、主電源から得られる第１の電力を増補又は誘導する第２の励磁電力を生成するように構成された、結合型の回転式電気機械慣性貯蔵モジュール及び電気化学貯蔵モジュールを含み、出力電力は、上記複数の負荷のうちの少なくとも１つに給電する。
【０００７】
その他の技術的特徴が、以下の図面、説明、及び請求項から、当業者には容易に明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
より完全なる本開示の理解のため、ここで、以下の図を含む添付図面とともに以下の説明を参照する。
【図１】この開示に従った高電圧ＤＣ（ＨＶＤＣ）電力変換装置を備えた水中パルスエネルギー貯蔵システムの一例のハイレベルアーキテクチャを例示している。
【図２】この開示に従ったＨＶＤＣ電力変換装置を備えた別の水中パルスエネルギー貯蔵システムのハイレベルアーキテクチャを例示している。
【図３】この開示に従ったＨＶＤＣ入力を有する水中ＥＳＭの一例の詳細構成を例示している。
【図４】この開示に従った水中ハイブリッドエネルギー貯蔵システムの他の一例を示している。
【図５】この開示に従った水中パルスエネルギー貯蔵システムで使用されるシステムの一例を示している。
【図６Ａ】図６Ａ及び６Ｂは、この開示に従ったＨＶＤＣ電力変換装置を備えた水中パルスエネルギー貯蔵システムの他の一例を示している。
【図６Ｂ】図６Ａ及び６Ｂは、この開示に従ったＨＶＤＣ電力変換装置を備えた水中パルスエネルギー貯蔵システムの他の一例を示している。
【図７】図６Ａ及び６Ｂのシステムの簡略図を例示している。
【図８Ａ】図８Ａ−８Ｃは、この開示に従った二重給電電気誘導機（ＤＦＩＭ）の巻線構成を例示している。
【図８Ｂ】図８Ａ−８Ｃは、この開示に従った二重給電電気誘導機（ＤＦＩＭ）の巻線構成を例示している。
【図８Ｃ】図８Ａ−８Ｃは、この開示に従った二重給電電気誘導機（ＤＦＩＭ）の巻線構成を例示している。
【図９】この開示に従ったカスケード構成の４段高電力パルス形成ネットワーク（ＰＦＮ）を例示している。
【図１０】この開示に従った別の４段高電力ＰＦＮを例示している。
【図１１】この開示の電力システムにおいて使用される同期変調器についての能力カーブを例示している。
【図１２】ＥＭエフェクタの典型的なチャージ電力シーケンスを例示している。
【図１３】この開示に従ったチャージ電力シーケンスの一例を示している。
【図１４】この開示に従った水中パルスエネルギー貯蔵システムの他の一例を示している。
【図１５Ａ】図１５Ａ−１５Ｄは、この開示に従ったエネルギー貯蔵システムによって経時的に実行される電力送達シーケンスの異なる例を示している。
【図１５Ｂ】図１５Ａ−１５Ｄは、この開示に従ったエネルギー貯蔵システムによって経時的に実行される電力送達シーケンスの異なる例を示している。
【図１５Ｃ】図１５Ａ−１５Ｄは、この開示に従ったエネルギー貯蔵システムによって経時的に実行される電力送達シーケンスの異なる例を示している。
【図１５Ｄ】図１５Ａ−１５Ｄは、この開示に従ったエネルギー貯蔵システムによって経時的に実行される電力送達シーケンスの異なる例を示している。
【図１６】この開示に従ったカスケードＨＥＳＭ構成を実装するシステムの一例を示している。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に説明される図１−１６、及び本特許文献にて本開示の原理を説明するために使用される様々な実施形態は、単に例示によるものであり、本開示の範囲を限定するように解釈されるべきでない。当業者が理解するように、本開示の原理は、あらゆる種類の好適に構成された装置又はシステムにて実装され得る。
【００１０】
単純さ及び明瞭さのために、一部の機構及びコンポーネントは、他の図と関連して図示されるものを含め、全ての図には明示的に示されない。理解されることには、図に示される機構は全て、記載される実施形態のいずれにおいても使用され得る。特定の図からの機構又はコンポーネントの省略は、単純さ及び明瞭さの目的でのものであり、その機構又はコンポーネントが、その図に関連して説明される実施形態では使用され得ないといったことを意味する意図はない。
【００１１】
この開示の実施形態は、エネルギー源（例えば、タービン発電機、太陽光発電機、風力発電機など）をエネルギー貯蔵装置（energy  storage  device；ＥＳＤ）から遠く離れた位置に配置することを可能にする、高電力（ハイパワー）の水中ソナーアレイ又は大型電磁（ＥＭ）エフェクタステーションのためのシステム及び方法を提供する。さらに、このＥＳＤは、高い効率をなおも提供しながら、最終的な負荷から遠く離して配置されることができる。このＥＳＤは、単一段のエネルギー貯蔵モジュールとしてもよいし、あるいは、各々が異なる時定数及び／又は電気インピーダンスを有した、２つの実質的に異なるタイプのエネルギー貯蔵素子を有するハイブリッド貯蔵モジュール（例えば、回転式のマシン−フライホイールのセットと組み合わされたウルトラキャパシタ）としてもよい。
【００１２】
開示される実施形態の重要な一態様は、エネルギー源とＥＳＤとの間のリンクが、定電圧ラインではなく定電流ループを含んでおり、それが、例えば海中などの環境における数百メートル又は数千メートルの距離にわたっての大きいブロックの電気エネルギーの伝送に有利なことである。一部の実施形態において、システムは、高電圧ＤＣ定電流ループによって給電される複数のＥＳＤステーションを有し、全てのＥＳＤステーションが、その入力電力に関して直列であるとともに、パルス電力負荷を含む多様な異なる負荷に適合するように定電圧ＤＣ又は定電流ＤＣのいずれかの出力を持つ。
【００１３】
開示される実施形態は、例えばソナー及び自律水中ビークル（autonomous  underwater  vehicle；ＡＵＶ）などの、パルス電力、推計電力、定常電力、又はこれら３つの組み合わせである負荷をサポートする。ＥＳＤの１つの目的は、例えば電磁エフェクタなどの大きい反復パルス電力負荷を受け入れるが、過負荷電流又はその加熱効果から発電機又はその送電線を物理的に損傷してしまわないように、電源電力からの瞬時電力引き出しを制限し、電源をバッファすることである。開示される実施形態の別の技術的利点は、送電系統上に現れる再起電圧（transient  recovery  voltage；ＴＲＶ）（これは、さもなければケーブル又は電源装置に対して損傷効果を持ち得るものである）を制限することができることである。
【００１４】
開示される実施形態の更なる技術的利点は、システムインピーダンスの変換である。電源からＥＳＤへの送電線は、比較的高いインピーダンスを持つが、ＥＳＤ出力及びそれの典型的にいっそう短い送電線は、より低いインピーダンスで動作し、従って、負荷要求と一致した、より高い電流レベルで動作する。また、効率的でコンパクトな性質でインピーダンス変換を生み出す電力調整（パワーコンディショニング）装置も開示される。
【００１５】
開示される実施形態はまた、有利なことに、入力ラインから出力ラインへの電気時定数における変化を含む。例えば、一部の実施態様において、高電圧ＤＣ入力定電流ラインは、出力定電流時定数又は出力定電圧時定数よりも少なくとも２倍長い時定数を持つイ。出力回路又はループのこのいっそう短い時定数は、例えばここに記載されるパルス形成ネットワーク（pulse  forming  network；ＰＦＮ）又はパルス整形ネットワーク（pulse  shaping  network；ＰＳＮ）などの、電磁エフェクタサブシステムへのパルス電力の迅速な送達を容易にする。開示される実施形態の態様は、入力から出力ラインへの時定数において１０：１の変化を可能にする。なお、典型的に、対応する電圧レベルの変化も存在する。
【００１６】
理解されることには、この開示の実施形態は、ここに記載される特徴のうちのいずれか１つ、２つ以上、又は全てを含み得る。また、この開示の実施形態は、追加的又は代替的に、ここには挙げられない他の特徴を含み得る。例えば、開示される実施形態は、米国特許第９，５３１，２４７号、第９，５３１，２８９号、第９，３７３，９６３号、及び９，６６７，２３２号に記載される１つ以上の特徴を含むことができ、それらの内容をここに援用する。開示される実施形態は、特定の用途における電力システムに関して説明されることがあるが、これらの実施形態は他の好適なシステム又は用途にも適用可能である。
【００１７】
図１は、この開示に従った高電圧ＤＣ（ＨＶＤＣ）電力変換装置を備えた水中パルスエネルギー貯蔵システム１００の一例のハイレベルアーキテクチャを例示している。図１に示すように、システム１００は、戦闘システム１０２、電力コントローラ１０４、タービン駆動発電機１０６、及びＡＣ／ＤＣコンバータ１０８を含む陸上コンポーネントを含んでいる。システム１００はまた、電力変換器１１２ａ−１１２ｄ、ハイブリッドエネルギー貯蔵モジュール（ＨＥＳＭ）１１４ａ−１１４ｄ、電力調整ブロック１１６ａ−１１６ｄ、負荷１１８ａ−１１８ｄ、及びバッテリー１２０を含む水中コンポーネントを含んでいる。水中コンポーネントは、水面下１０ｋｍまで、そして、海岸から約５０ｋｍに置かれ得る。高電圧ＤＣ送電線１１０が、水中コンポーネントを陸上コンポーネントに接続する。一部の実施形態において、送電線１１０は、１０−１００ｋｍ又はそれよりも長い長さとすることができる。
【００１８】
発電機１０６及びＡＣ／ＤＣコンバータ１０８は、定電流電源を送電線１１０に提供する。一部の実施形態において、発電機１０６は、約２０ｋＶの定電流電力を供給するように構成される。しかしながら、電力変換器１１２ａ−１１２ｄ及びＨＥＳＭ１１４ａ−１１４ｄが、負荷１１８ａ−１１８ｄへの定電力又は定電流のいずれかの入力を可能にする。
【００１９】
一部の実施態様において、ＨＥＳＭ１１４ａ−１１４ｃは、３ポートＤＣ／ＡＣ変換器に電気絶縁なしでシャント接続された貯蔵サブシステムである。対照的に、ＨＥＳＭ１１４ｄは好ましくは、より単純な２ポート変換器１１２ｄに電気絶縁して直列接続された貯蔵サブシステムとすることができ、ＨＥＳＭ１１４ｄは、パルス電力エフェクタに給電する。
【００２０】
図１には明示的に示していないが（例えば図２及び４など、後の図にいっそう明瞭に示す）、異なる電力変換器１１２ａ−１１２ｄへの入力が、送電線１１０を使用して１つのループにて直列にリンクされる。
【００２１】
システム１００は、高出力ソナー１１８ａ−１１８ｂ（例えば、パルス負荷）、無人水中ビークル（unmanned  underwater  vehicle；ＵＵＶ）１１８ｃ（例えば偵察ＵＵＶなど）、及び運動エネルギー兵器（kinetic  energy  weapon；ＫＥＷ）電磁（electromagnetic；ＥＭ）エフェクタ１１８ｄ（例えば誘導ランチャなど）を含む異なるタイプの負荷１１８ａ−１１８ｄに異なる電力レベルを供給することができる。各負荷１１８ａ−１１８ｄは、対応する電力変換器１１２ａ−１１２ｄ及びＨＥＳＭ１１４ａ−１１４ｄに結合される。特に、システム１００は、１００ｋｍ以上の距離にわたって１０メガワット（ＭＷ）以上を伝送することができる。ピークエネルギー範囲は３−１５０ＭＪとし得るが、より小さい又はより大きい量も可能である。システム１００の電圧範囲は、例えば８００−２０，０００ＶＤＣとし得るが、より小さい又はより大きい量も可能である。可能なスルーレートは数ＭＷ／ｓ程度である。
【００２２】
システム１００の１つの利点は、発電機１０６への送電線１１０が切断されたとしても、水中部分がそのエネルギー貯蔵を使用してしばらく動作し続けることができることである。システム１００の更なる詳細及び利点が、以下に記載される実施形態に鑑みて明らかになる。
【００２３】
図２は、この開示に従ったＨＶＤＣ電力変換装置を備えた水中パルスエネルギー貯蔵システム２００の別のハイレベル構成を例示している。図２に示すように、タービン発電機セット２０２からの入力電力が、変換器２０３によって中電圧又は高電圧の定電流ＤＣ電力に変換され、長距離送電線２０４上で複数のＨＥＳＭ２０６−２１０に伝送される。各ＨＥＳＭ２０６−２１０が、少なくとも２つの出力ライン２１２−２１４を有している。出力ライン２１２は定電流出力（constant-current  output；ＣＣＯ）であり、出力ライン２１４は定電圧出力（constant-voltage  output；ＣＶＯ）である。各出力ライン２１２−２１４が、それぞれ数百メートル又は数千メートルのオーダーとし得る異なる伝送距離ＴＤ２及びＴＤ３で、別々のＥＭエフェクタ又はＰＦＮ２２０−２２２に給電し、それらが代わってＥＭセンサ又はＥＭエフェクタ負荷２１６−２１８に給電する。メインループ電流Ｉｄｃは、ＨＥＳＭ２０６−２１０の入力において全てのＨＥＳＭ２０６−２１０に共通である。
【００２４】
一部の実施態様において、各ＨＥＳＭ２０６−２１０のＣＣＯポート（ＰＯＲＴ）（１ａ、２ａ、３ａなど）は、回転式ＡＣ電気マシンフライホイールセットＥＳＤ３００（図３に示す）の出力によって給電される。回転式ＡＣ電気マシンフライホイールセットＥＳＤ３００は、米国特許第９，５３１，２４７号に記載されるように、全体的なマシン設計とマシン用の励磁システムとの組み合わせによって定電流出力を生み出すものである。ＣＶＯポート（１ｂ、２ｂ、３ｂなど）は、電気時定数Ｔｃ２の負荷２１８に給電する高密度バッテリー又はウルトラキャパシタのいずれかの形態をとる補助エネルギー貯蔵サブシステムから導出される。定電流出力は負荷２１６に給電し、時定数Ｔｃ１を持つ。
【００２５】
図３は、この開示に従ったＨＶＤＣ入力を有する水中ＥＳＭとして構成されるときのＥＳＤ３００の典型的なレイアウトを示している。図３に示すように、ＥＳＤ３００は、タービン発電機３０２と、ＤＣ−ＡＣ定電流変換器３０４と、フライホイール３０６に結合されたＤＦＩＭ３０８と、励磁サブシステム３１０と、ＤＣ励磁源３１２と、ＡＣ−ＤＣ整流器及び定電流レギュレータ３１４と、直列に接続されたＥＭエフェクタ又はＰＦＮ３１６−３１８と、バッテリー充電器３２０と、バッテリー又はウルトラキャパシタ貯蔵サブシステム３２２と、多相ＡＣ−ＤＣ制御整流器３２４と、スイッチ３２６と、ＥＭセンサ３２８−３３０とを含んでいる。多くのこれらコンポーネントは、図１及び２に示したものと同様であり、ここで詳細な説明を繰り返すことはしない。
【００２６】
ＤＦＩＭ３０８は、ＤＣ−ＡＣ定電流変換器３０４に結合されたＨＶＤＣ定電流ラインから導出される定電流ＡＣ入力を有する。ＤＦＩＭ３０８は、複数の巻線Ｗｄｇ１及びＷｄｇ２を有する共通の電気マシンステータアセンブリからのＣＣＯ及びＣＶＯの同時又は別個の組み合わせを可能にする複数の出力巻線又はポートを有する。
【００２７】
表１は、各ＨＥＳＭ２０６−２１０の中心素子であって、ＣＣ及びＣＶポートの両方のインピーダンスレベルを制御するものである４巻線電気マシン（例えばＤＦＩＭ３０８など）に関する一実施形態のパラメータを記述している。
【００２８】
【表１】
2021508225.tif 000003
一部の動作モードにおいて、時定数及びインピーダンスレベルが、最適性能のために以下のように順序付けられる：
Ｚ４＜Ｚ３＜Ｚ１＜Ｚ２、且つ
Ｔｃ４＜Ｔｃ３＜Ｔｃ１＜Ｔｃ２
【００２９】
送電線インピーダンスは、ＨＥＳＭユニットと負荷との間の長い距離のために大きくなり得る。定電流送電線インピーダンスが（図３に示すように）ＺＬ１及びＺＬ２として規定される場合、システム２００は、ポート＃１  ＣＣＯモードでの動作を、
ＺＬ１＞Ｚ１、且つＺＬ２＞Ｚ１、且つＺＬ１＋ＺＬ２＞Ｚ１
として可能にし、ここで、Ｚ１は、整流及びレギュレータ動作後の相当たりのマシンの実効出力インピーダンスである。
【００３０】
逆に、マシンポート＃２では、ＥＭセンサ負荷が定電圧入力に並列に配置されており、明らかなことには、２つの対応する送電線インピーダンスが、
ＺＬ３〜Ｚ３、且つＺＬ４〜Ｚ３、且つ
（ＺＬ３＊ＺＬ４）／（ＺＬ３＋ＺＬ４）＜Ｚ３
のように制限されなければならず、ここで、Ｚ３は、電気マシンポート１ｂ若しくは２ｂの、又はマシン巻線のレギュレータ若しくは整流器の後のウルトラキャパシタ出力の、相当たりの実効インピーダンスである。
【００３１】
図４は、この開示に従った水中ハイブリッドエネルギー貯蔵システム４００の他の一例を示している。図４に示すように、システム４００は、主エネルギー源又はタービン発電機４０１からの共通の長距離ＨＶＤＣ又はＭＶＤＣ（中電圧ＤＣ）送電線４０８によって給電されて、３つの別個のＥＭエフェクタ４１２−４１６に定電流出力を提供する３つの水中ＥＳＭマシンセット４０２−４０６を含んでいる。ＥＭエフェクタ４１２−４１６は、ＥＳＭマシンセット４０２−４０６によって給電される異なるパルス電力負荷を表す。この回転式マシンは、定電流入力、定電流出力、及び定電流ロータ励磁サブシステムで動作する。個別のロータ励磁回路“Ｗ”を有する回転式マシンの使用は、最大限の動作融通性を提供するとともに、負荷故障の場合の全体的なシステム安全性を高める。例として、共通の定電流ライン上の３つのＥＳＭマシンセット４０２−４０６をリンクさせる９０００ｍ長さの送電線４０８が示されている。
【００３２】
システム４００はまた、ＥＳＭマシンセット４０２を横切る少なくとも１つのバイパス接続４１０（例えば、シャントバイパススイッチ）を含んでいる。ＥＳＭマシンセット４０２が正常に動作しない場合に、バイパス接続４１０を閉じることで、他の２つのセット４０４−４０６の正常動作を維持しながら、ＥＳＭマシンセット４０２のステーションを外すように短絡させ、それをバイパスすることができる。
【００３３】
一部の実施態様において、各ＥＳＭマシンセット４０２−４０６の二重給電電気誘導機（doubly-fed  electrical  induction  machine；ＤＦＩＭ）は、その出力に低いリアクタンスを持ち、負荷に近い（例えば、１０−２０フィート又はそれより少なく離れている）。これは、システム４００が、高スルーレートの電力及び高電流で動作することを可能にする。これは、システム４００の重要な特性であり、スルーレートを制限してしまうものである実質的な誘導降下及び抵抗降下を経験する定常システムからシステム４００を区別する。
【００３４】
陸上ステーションに高電圧定電流源を生み出すよう、ＡＣ−ＤＣ位相遅延制御整流器４４２及び高調波フィルタ／定電流レギュレータ４４４が電源４０１に接続される。出力電流レギュレータ及びＤＣ故障限流器４４８が、電流Ｉ２で動作するＤＦＩＭ出力ポート“Ｙ”に接続されたＡＣ−ＤＣ整流器４５０から給電される。
【００３５】
中電圧又は高電圧ＤＣ送電線電力を各マシン巻線用の多相ＡＣ入力へと変換するために、各ＥＳＭマシンセット４０２−４０６が可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）ＤＣ−ＡＣ変換器４４０を組み込んでいる。マシン巻線は、例えば、３相、６相、９相、１２相若しくは１５相、又は他の好適な巻線とし得る。この構成では、これら３つの巻線形電気マシンは全て同じの入力ＡＣ電流レベルで動作する。従って、ＰＦＮ４２２−４２６がサイズ及びエネルギー定格において等しいと想定されるので、３つの出力ＰＦＮ４２２−４２６は同じ充電速度にある。ＰＦＮ４２２−４２６又はエフェクタ４１２−４１６への出力充電速度が同時且つ電流において同じであることができない場合、以下のように、ポート＃４、巻線“Ｗ”（４３０に示される）の界磁電流Ｉ３レギュレータの作用を用いて差電流が提供される。
【００３６】
好適な電気マシンは、多相ロータ及びＶＶＶＦインバータからロータへの多相励磁供給を有する巻線形ロータ誘導機である。重要な基準は、
【００３７】
【数１】
2021508225.tif 000004
なるフェーザ（位相ベクトル）等式であり、ここでベクトルＩ１＝メイン入力電流ループのＭＭＦフェーザ、ベクトルＩ２＝ＰＦＮ４２２−４２６への負荷出力電流のＭＭＦフェーザ、そして、ベクトルＩ３＝界磁電流又はレギュレータ電流のＭＭＦフェーザである。
【００３８】
フェーザＩ３（ベクトルＩ３）は、任意の位相角でロータ回路に注入されることができ、故に、ベクトルＩ３は、フェーザＩ１（ベクトルＩ１）に対して同相又は位相ずれであることができる。界磁電流調整器からのベクトルＩ３電流（ＭＭＦ）は、メイン入力／出力電流とは異なる電圧／電流レベルに設定され、界磁電力の増幅が巻線形ロータ誘導機で発生する。この増幅は、１００のオーダーであり得る。従って、１ｋＷの界磁電力の変化が、出力電力を１００ｋＷスイングさせ得る。マシンの閉ループ制御が、安定なフィードバック制御システムを形成する。一般的な応答時間は１０ｍｓから１００ｍｓのオーダーである。
【００３９】
界磁レギュレータ４３２−４３６は、各ＥＳＭマシンセット４０２−４０６の出力電力の約２％を必要とする。この電力は、全てのＥＳＭセットで含められ、フライホイール４５２の主軸上のパイロット発電機によって充電されるＤＣバッテリー電源４４６から得られる。
【００４０】
主要な電気−力学変換装置には、次の３つのタイプの一般的な電気マシンが使用される：
タイプＡ：巻線形ロータ誘導機
タイプＢ：かご形ロータ誘導機
タイプＣ：永久磁石ロータ同期機
タイプＡマシンは、ＥＳＭ（又はＨＥＳＭ）について最大限の融通性を提供するとともに、システム４００にとって有利なものである双方向電力フローモードで動作することができる。多相励磁ロータ巻線の使用は、一体型フライホイールの運動エネルギーの減少による軸速度の広範囲の変動の下での電力電子装置の最小限の使用で、マシンの定電流出力を可能にする。例えば、システム４００は、ベースラインの５０％まで又はフル運動エネルギーの２５％までの軸速度の低下を提供し、それにより、ロータ励磁が電流にてブーストされるとともに電圧／周波数比が維持されて、マシン空隙内に略一定の磁束を生じる。
【００４１】
図５は、この開示に従った水中パルスエネルギー貯蔵システムで使用されるシステム５００の一例を示している。システム５００の全て又は一部が、ここに開示される電力システムのいずれかに組み込まれ得る。図５に示すように、システム５００は、例えばタービン発電機とし得る電源５０２を含んでいる。電源５０２は、ＡＣリンク入力変換器５０３に電力を供給する。ＡＣリンク入力変換器５０３は、高電圧（例えば、１０−２０ｋＶ）出力を有する定電流整流器源５１０を含んでいる。ＡＣリンク入力変換器５０３は、長い送電線を介してＡＣリンク出力変換器５０４に結合される。この送電線は、図５にＣ１として表される線路集中キャパシタンスを有する。この送電線はまた、図５にＬ１及びＬ２として表される線路集中インダクタンスを有する。システム５００は、必要に応じて、ＤＣ又は低周波数（≦５Ｈｚ）のＡＣ電流を生成することができる。
【００４２】
システム５００はまた、ＰＷＭ可変周波数高電圧インバータとし得る定電流インバータ５０４を含んでいる。定電流インバータ５０４は、図５ではＬｘ、Ｌｙ、及びＬｚとラベル付けされている高電圧可飽和リアクトル５１４に結合される。可飽和リアクトル５１４は、電気機械慣性貯蔵ＥＳＭ５１６に給電する。一部の実施態様において、ＥＳＭ５１６は、２５ＭＪ以上を貯蔵するように構成される。Ｙ結線されたキャパシタ５１２が、インバータ出力をフィルタリングし、出力電圧又は力率補正をブーストする。
【００４３】
図６Ａ及び６Ｂは、この開示に従ったＨＶＤＣ電力変換装置を備えた水中パルスエネルギー貯蔵システム６００の他の一例を示している。システム６００は、様々なタイプの負荷に電力を供給する際に、図５のシステム５００を使用する。
【００４４】
システム６００において、電力は電源６０２によって陸上で生成される。電源６０２は、例えば、タービン駆動発電機、ソーラーアレイ、風力発電機、海洋波力発電機、又は海洋多相発電機とし得る。電力は、次いで、ＤＣ又は低周波数ＡＣのいずれかに変換される。電力は、長距離送電線６１０上で海底に伝送され、直列に接続されてＤＦＩＭ６１２−６１６を個別に動作させるものである複数の電力変換モジュール６０４−６０８に電力供給する。各ＤＦＩＭ６１２−６１６が、一体型のフライホイールエネルギー貯蔵ユニット（ＥＳＵ）を備えている。また、各ＤＦＩＭ６１２−６１６は、バッテリー又はウルトラキャパシタＤＣ電源を通してより少量の貯蔵エネルギーを持つものであるロータ界磁電源６３４−６３８を使用する。
【００４５】
各ＤＦＩＭ６１２−６１６は、高圧送電線６１０から電力を受け取る別個の入力ステータ巻線と、例えばソナー、無人水中車両、及び運動エネルギー兵器などの複数の負荷６２０に給電するように設計される複数の出力ステータ巻線とを備えている。負荷６２０に給電するために、各ＤＦＩＭ６１２−６１６の出力巻線ポートが、位相遅延整流器６２１−６２６によって完全に又は部分的に整流され得る。システム６００においえ、位相遅延整流器６２１、６２３、６２５は、ソナー及びＵＵＶへの低電圧ＤＣ出力を生成し、位相遅延整流器６２２、６２４、６２６は、運動エネルギー兵器又は例えば誘導魚雷発射器などの電磁エフェクタの動作のための中電圧ＤＣパルス電力出力を生成する。
【００４６】
図６Ａ及び６Ｂのシステムの重要な一態様は、位相遅延整流器６２１、６２３、６２５に給電するＤＦＩＭ６１２−６１６のポートが、位相遅延整流器６２２、６２４、６２６に給電するＤＦＩＭポートとは異なる電気時定数及び異なるインピーダンスレベルを持つことである。しかしながら、全ての出力ポートが、フライホイールＥＳＵである各セット内の同じソースからパルスエネルギーを得る。そうする際に、出力ポートは、入ってくる高圧送電線上に大きいエネルギーサージ又は電力サージが現れることを回避する。
【００４７】
電力、電流、及び電圧の制御は、２つの異なる手段によって達成される。位相遅延整流器６２１−６２６は、ＤＦＩＭ出力電圧の大きさを低減させることに有効であるとともに、例えば回路短絡状態など、必要が生じた場合に電力を遮断するのにも有効である。電力、電流、及び電圧のより広い範囲の制御は、各ロータ界磁コントローラ６３４−６３８の作用を通じてであり、これは、メイン送電線６１０の入力から導出されるＤＣ入力を持つ可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）インバータ駆動である。コントローラ６３４−６３８は、低周波数多相入力をＤＦＩＭ６１２−６１６のダイナモエレクトリックロータへと駆動し、それが、放電イベント中のロータ−フライホイール速度の低下を部分的に補償し、ロータ周波数を上昇させる際に、（ロータ回路よりも遥かに高い周波数にもかかわらず）ステータ出力ポートが略一定の周波数出力を維持することを可能にする。
【００４８】
システム６００は、電源における好適なＡＣリンク入力変換器６０３と、３つのＡＣリンク出力変換器６０４−６０８とを含み、各出力変換器６０４−６０８が対応する電気マシンに給電する。システム６００は、同じ出力変換器の効率的な直列スタッキングを回路全体で提供するので、多くの技術的利点を提供する。各ＡＣリンク変換器６０４−６０８が、直列に挿入されてソース発電機６０２又はＤＦＩＭ６１２−６１６の入力端子のいずれかに接続され可飽和制御リアクトル６３１−６３２を含む。
【００４９】
システム６００は、高電圧ＤＣ又はＡＣ送電によく適しており、そこでは、電圧及び電流レギュレーションをソース変換器によって実行して、送電線６１０を定電流として動作させることが有利である。インダクタＬ１は送電線の主たるインダクタンスを表し、Ｃ１はシャントラインキャパシタンスである。電力がＡＣである場合、送電線６１０は単相ラインである。インダクタＬ２、Ｌ３、及びＬ４は、各水中ステーションの近くの送電線６１０の部分を表す。電力変換器６０４−６０８は、定電流入力電力を取り込んで、定電力モード又は定トルク加速のための定電流モードのいずれかで機械を加速する目的で、定電流又は定電圧のいずれかの出力モードで電気マシンを動作させる。
【００５０】
一実施形態において、ＤＦＩＭ６１２−６１６は、先ず、定電流入力としてゼロ速度から開始される。そして、ベース速度に達すると、変換器６０４−６０８が定電力モデルに戻る。ここで定義されるように、ベース速度は、フライホイールがその最大放電点で正常動作することになる最低速度である。速度がベース速度を超えて最高速度まで上昇するために、マシンは“弱め界磁（field  weakening）”モードにあり、それにより、磁束／磁極が低減されるが、出力電力は一定のままである。ロータ励磁回路への周波数ブーストはフライホイール軸速度に反比例する。これは、全体的な出力周波数が放電サイクル全体にわたって略一定であることを可能にする。ＤＦＩＭ６１２−６１６は、トルク、出力、速度レギュレーションのために“フィールド指向ベクトル（field  oriented  vector）”制御として知られているものを利用する。
【００５１】
各相の出力変換器可飽和リアクトル６３２は、変換器６０４−６０８によって提供される基本周波数及び電流レギュレーションに加えて、ＤＦＩＭ６１２−６１６の電流レギュレーションを提供するのを助けるために必要である。５０００ボルトＡＣ電力システム及び１ＭＷ定格用の実験的な可飽和リアクトルにおいて、制御のための１−１００アンペアＤＣ電源からＤＣ可飽和リアクトルを動作させて、６０：１の可変インダクタンス範囲を得た。例えば、送電線６１０が突然、３つの代わりに２つのみのステーションに電力供給することに復帰する場合、可飽和リアクトル６３２へのＤＣ励磁電流の制御によって、残る各可飽和リアクトル６３２を、数ミリ秒以内に３３％高いインダクタンス値に設定することができる。明らかなことには、入力印加電圧が、１．０ヘンリーを超える送電線インダクタンスを許容するのに及び３０％未満の伝送リアクタンス電圧降下が負荷動作に許容されるのに十分な高さであれば、水中ステーションの数は制限なく任意の数であることができる。
【００５２】
各電力変換器６０４−６０８は、壊滅的な装置故障の発生時に各変換器又はＤＦＩＭをシャントするものであるバイパススイッチＢＰ１、ＢＰ２、及びＢＰ３を備える。直列送電線６１０の高い直列インダクタンスに起因して、大きいブロックの電力を伝送する最も効率的な手法は、定電流システムを用いるものであり、それにおいては、１０−１００ｋｍの距離をカバーするインダクタンスがなおも実用的である。例えば、２５ｋＶの送電入力電圧で設計され、低周波数ＡＣ入力で動作されるシステムでは、ラインリアクティブ降下が３ｋＶ又すなわち１２％の降下であっても、これはなおも実用的なシステムを構成する。３つの水中ステーションが２５ｋＶライン上に直列接続されて３ｋＶのライン降下を有する場合、各ステーションは少なくとも７．２ｋＶを受け、これがＶＶＶＦインバータ入力電圧レベルとなる。
【００５３】
システム６００は、有利なことに、エネルギー貯蔵フライホイール及びＤＦＩＭ基本レギュレーション特性の組み合わされた作用による脈動負荷からの入力電源６０２のバッファリングを提供する。説明のための一例として、最終出力負荷が２０ＭＷ／ｓのスルーレートで脈動している場合、ソース電力を０．５ＭＷ／ｓのスルーレートに制限するようにソース発電機６０２をバッファすることができ、これは、入力電源の寿命を延ばすとともに、送電線６１０の“テザー”ケーブルのサイズ及びコストを最小限に低減させる。従って、メガワット電力レベルで４０：１のバッファ比が実用になる。システム６００は、陸上電源６０２とは基本的に独立に動作する広範囲の水中エネルギーモジュールに実用的である。
【００５４】
理解を容易にするために、図７は、図６Ａ及び６Ｂのシステムの簡略図を例示しており、ここでは、システム６００の複数のコンポーネントが単一ブロックに統合されている。
【００５５】
図８Ａ−８Ｃは、この開示に従ったＤＦＩＭ８００の巻線構成を例示している。ＤＦＩＭ８００は、ここに開示されるＤＦＩＭのいずれか（例えば、ＤＦＩＭ６１２−６１６）を表し得る（又は、によって表され得る）。ＤＦＩＭ８００は、定常負荷又はパルス負荷のいずれか用の定電流及び定電圧の双方の出力を持つＨＥＳＭに適した３つのステータ巻線及び１つのロータ巻線を有する６極巻線形ロータ誘導機である。図８Ａに示すように、ＤＦＩＭ８００は、１つのロータポート８０１及び３つのステータポート８０２−８０４を含む。ロータポート８０１は、ロータ励磁巻線“Ｗ”を含む。ステータポート８０２−８０４は、１つの入力多相巻線“Ｘ”と、定電流及び定電圧の電力制御のための２つのメイン出力巻線“Ｙ”及び“Ｚ”とを含む。各巻線の詳細を表２に示し、各巻線のより詳細な図を図８Ａ−８Ｃに示す。
【００５６】
【表２】
2021508225.tif 000005
【００５７】
各巻線は多相である。巻線“Ｗ”のベースラインは３相である。巻線“Ｘ”、“Ｙ”、“Ｚ”は、マシン高調波を低減させるために、例えば６相、９相、又は１２相など、より高次である。巻線“Ｘ”に与えられる周波数ｆは、式：
ｆ＝ｐ＊Ｎ／（６０（１−δ））
に従って、軸速度Ｎに関係付けられ、ここで、Ｎは軸ＲＰＭを表し、ｐは極対（pole  pairs）を表し、δは誘導機のユニット当たりのスリップ（per  unit  slip）である。
【００５８】
巻線“Ｙ”は、入力巻線“Ｘ”が定電流によって給電されるときに定電流を生じる直列接続されたＹ結線である。巻線“Ｘ”のインピーダンスレベルは、巻線“Ｙ”とは独立であり、特定の用途に適合することができる。各巻線のインピーダンスは、近似的に：
Ｚｙ＝ｋｙＮｙ２Ｐｙω
Ｚｘ＝ｋｘＮｘ２Ｐｘω
として計算されることができ、ここで、ｋｘ、ｋｙは設計定数であり、Ｎは直列巻数／相を表し、Ｐは各磁気回路の透磁率を表し、そして、ωはコア内の磁束の電気的周波数を表す。巻線“Ｙ”の負荷としてのパルス形成ネットワーク（ＰＦＮ）の構成を、以下の図９及び１０に示す。
【００５９】
定電圧巻線“Ｚ”は、相ごとに、当該巻線が広範囲の励磁磁気駆動力に対して略定電圧特性を届けることを確保する直列キャパシタを持つ。巻線“Ｚ”のキャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３は、共振回路を作り出して各マシン巻線の主リークリアクタンス成分をゼロ化するように各巻線にマッチングされる。巻線“Ｙ”及び“Ｚ”をＹ結線することは、各巻線内の循環電流を最小化する。デルタ結線の巻線“Ｘ”を持つことは、三次周波数高調波が打ち消されることを確実にする。
【００６０】
図９は、この開示に従ったカスケード構成の４段（４ステージ）高電力ＰＦＮ９００を例示している。図９に示すように、ＰＦＮ９００は、ＤＣ入力源９０２と、出力９０４と、出力電子スイッチＳ１−Ｓ４によって制御されるカスケード構成のステージスイッチングとを含んでおり、Ｓ４が最初に点けられ、続いてＳ３、次いでＳ２、そして最後にＳ１が点けられる。ＰＦＮ９００は、制御された急速立ち上がり時間で定電流出力を効果的に届ける。各スイッチＳ１−Ｓ４は、サイリスタ、ＭＯＳＦＥＴ、又はＩＧＢＴとすることができ、負荷電流が必要とされるときに点くように指示される。これらのスイッチによる出力パルスの逐次変調が行われる。ダイオードＤ１−Ｄ４は、高エネルギーＤＣキャパシタＣ１−Ｃ４を逆電圧から保護する。最初に、インダクタＬ０を通る定電流によってＰＦＮ９００が充電されるときに定電流充電サイクルの要件が満たされ、そして、特定のエネルギー充電が与えられた後に、充電サイクルの残りについて充電モードが定電力モードに変更される。
【００６１】
図１０は、この開示に従った別の４段高電力ＰＦＮ１０００を例示している。図１０に示すように、ＰＦＮ１０００は、故障を抑制するために、４つのサイリスタ出力スイッチＳ１−Ｓ４及び４つの結合された高インピーダンス閉ループ回路１００１−１００４を用いる並列放電モードを有する。ＰＦＮ１０００は、複数のステージを並列に持ち、シーケンシャルタイミングで制御される、非常に高い電流出力に対して効率的な回路を提供する。
【００６２】
図１１は、この開示の電力システムにおいて使用される電気マシンについての能力カーブ１１００を例示している。図１１に示すように、カーブ１１００は、縦軸に無効電力（メガバール）、横軸に有効電力（メガワット）をとってプロットされている。このカーブは、低周波数の閉ループロータ周波数制御を用いる二重給電誘導機の動作の動的限界及び定常状態限界の両方を示している。
【００６３】
図１２は、ＥＭエフェクタの典型的なチャージ電力シーケンスを例示している。図１２に示すように、ＥＳＭ１−ＥＳＭ３として識別される３つのＥＳＭに対して３つのパルスサイクルが順次に起こる。３つのパルスサイクルは、休止期間ｔｒに続かれる。各パルスサイクルが、定電流モード１２０１と、それに続く定電力モード１２０２とを含む。休止期間ｔｒの後、３つのパルスサイクルのシーケンスを繰り返すことができる。このシーケンス内で、各ＥＳＭに対するチャージが一度に１つずつ行われる。
【００６４】
図１３は、この開示に従ったチャージ電力シーケンスの一例を示している。図１３に示すように、定電流及び定電力組み合わせモード１３０１が、定電力モード１３０２に続かれる。ＥＳＭ１−ＥＳＭ３である３つのＥＳＭに対するチャージシーケンス同士が重なっており、それ故に、定電流及び定電力組み合わせモード１３０１の一部の間に、ＥＳＭ１−ＥＳＭ３である全てのＥＳＭが同時に再チャージされる。従って、ＥＳＭを一度に１つずつチャージする必要はない。後のモードで、限られた数のＥＳＭをチャージすることができる。
【００６５】
図１４は、この開示に従った水中パルスエネルギー貯蔵システム１４００の高度に特殊化された一例を示している。各マシンが、３つのステータポートと１つのロータポートとを有する。図１４に示すように、システム１４００は、伝送インダクタンス１４４６を持つ長距離ＤＣ定電流送電線１４１０と組み合わせて、独立フライホイール貯蔵ユニット１４１２−１４１４に直接接続された２つのＤＦＩＭ１４０２−１４０４を含んでいる。システム１４００では、一方のマシンが他方のマシンより先に放電されるときに、エネルギーがＤＦＩＭ１４０２からＤＦＩＭ１４０４に又はその逆に伝達され、貯蔵される運動エネルギーを複数のセットの間で等しくすることが望まれる。従って、ＡＣ−ＡＣ変換器１４２０（例えば、ＡＣリンク変換器）が、巻線インピーダンスＺ１及びＺ２を持つものであるＤＦＩＭ１４０２とＤＦＩＭ１４０４との間での双方向の電力の流れ、中間ＡＣ電流Ｉ２、及び真空“タイ”ブレーカ１４１８を提供する。電流Ｉ２は可変周波数多相電流である。ＤＦＩＭ１４０２の速度がＤＦＩＭ１４０４の速度よりも高い場合、変換器１４２０は、ＤＦＩＭ１４０４の巻線Ｚ２上のスリップ値を例えば１％から５％といった高効率範囲に維持するように、周波数ｆ１をより低い周波数ｆ２に変化させる。この周波数ｆ２は、ロータ軸速度を等しくし、ひいては、これら２つのセット間で慣性エネルギーを等しくするように、マシン速度が変わるにつれて絶えず調整されることができる。
【００６６】
ＤＦＩＭ１４０２−１４０４の出力巻線Ｙ１及びＹ２は、独立に制御されるものであるロータ電流Ｉｒ１及びＩｒ２の励磁モードに応じて、定電流及び定電力の双方の出力を提供する。ＰＦＮ１４２２−１４２４への定電流出力が必要とされる場合、ロータは、定電流モードで励磁され、フライホイール貯蔵ユニット１４１２−１４１４からエネルギーが取り出される。定電力が望まれる場合には、ロータは、インバータ１４３２−１４３４から定電力モードで励磁され、エネルギーは、やはりフライホイール貯蔵ユニット１４１２−１４１４からも、典型的に、より高いレートで取り出される。増幅率ＡＦは、これらのモードで以下のように異なる：
定電流モード  ＡＦ２ａ＝Ｎｙ＊Ｉｙ１／（Ｎｒ＊Ｉｒ１）
定電流モード  ＡＦ２ｂ＝Ｎｙ＊Ｉｙ２／（Ｎｒ＊Ｉｒ２）
ここで、Ｎｙは“Ｙ”ステータ巻線の直列巻数／相であり、Ｎｒはロータ回路の励磁巻線の直列巻数／相であり、
定電力モード  ＡＦ１ａ＝Ｐｙ１／Ｐｒ１
定電力モード  ＡＦ１ｂ＝Ｐｙ２／Ｐｒ２
ここで、Ｐｙ１＝ＥＳＭ１の出力電力、Ｐｒ１＝ＥＳＭ１の励磁電力、例えばベースラインの２％、Ｐｙ２＝ＥＳＭ２の出力電力、そして、Ｐｒ２＝ＥＳＭ２の励磁電力、例えばベースラインの２％である。ＤＦＩＭ１４０２がＤＦＩＭ１４０４と同じである場合、ＡＦ２ａ＝ＡＦ２ｂ及びＡＦ１ａ＝ＡＦ１ｂとなる。
【００６７】
チャージモードの間、ランプレートとは無関係に、電流Ｉｒ１＝Ｉｒ２である。何故なら、メイン駆動定電流ループ内の全てのマシンが、入力ＤＣ−ＡＣ変換器１４４２−１４４４の作用によって等しいＡＣ電流を持つからである。それぞれのフライホイール１４１２−１４１４が、チャージ開始時に異なるエネルギーレベルＥ１及びＥ２にある場合、電流Ｉｒ１及びＩｒ２を通じて励磁回路によってチャージエネルギーの差が供給され、出力サイクルの開始前に各フライホイールセットが等しい貯蔵エネルギー容量を達成することを可能にし得る。バッテリーエネルギー貯蔵サブシステムＢＥＳ１及びＢＥＳ２が、それぞれ励磁インバータＦ１及びＦ２を供給し、必要とされるフル励磁電力として、例えばベースライン出力の２−５％を提供することができる。所望の場合に全てのＥＳＭ慣性エネルギーレベルを等しくするために、Ｉｒ１及びＩｒ２のレギュレーションに加えて、ステータ巻線Ｚ１及びＺ２の相互接続も、セット間でのエネルギーの移送を可能にする。
【００６８】
セット間でのメインエネルギー移送は、２つの一般的モードで行われる。
【００６９】
１．  主電源からのチャージサイクルにおいて、バッテリー源１４５２−１４５４から、ＤＣ−ＡＣ変換を提供するインバータサブシステム１４３２−１４３４を介して送られるＩｒ１及びＩｒ２に対する励磁システムロータ−フィールド電流調節によって、各セットに送達されるエネルギーの小さな調整が行われる。Ｉｒ１及びＩｒ２電流の制御のための電流フィードバックは、ＰＦＮ１４２２−１４２４に給電するＤＣライン上に配置された電流センサからである。
【００７０】
２．  メインチャージサイクルが完了すると、メイン伝送変換器１４４２−１４４４はオフされ、そして、双方向変換器１４２０を通るＩ２電流を制御することによって、ＥＳＭ当たりの貯蔵エネルギーにおける大きな調整が行われる。このモードは、負荷へのＰＦＮ１４２２−１４２４の順次的又は非順次的な発射を可能にする。
【００７１】
図１４に示すように、システム１４００はまた、例えば、出力電流レギュレータ及びＤＣ故障限流器１４５２−１４５４に給電するＡＣ−ＤＣ整流器１４４８−１４５０、及びＥＳＭマシンセット１４０２−１４０４によって給電される様々な電力負荷を表すＥＭエフェクタ１４５６−１４５８などの、他のコンポーネントを含む。
【００７２】
図１５Ａ−１５Ｄは、この開示に従ったエネルギー貯蔵システムによって経時的に実行される電力送達シーケンスの異なる例を示しており、複数のタイプのパルス負荷が順次に電力供給されている。
【００７３】
図１５Ａは、最も基本的なケースにおいて、全てのＥＳＭが定電流ループにて同等のレートで同時にチャージされることを示している。同様に、全てのＥＳＭが、順次にではあるが、略同じ放電深さまで放電される。このモードでは、ソースからの全てのチャージ電力がフライホイールチャージ及び／又はバッテリー充電に参画する。
【００７４】
図１５Ｂは、ソースチャージ電力が、フライホイールをチャージすることと、電力を直接的にＰＦＮ蓄積キャパシタ及び最終的に出力エフェクタに供給するバッテリーサブシステムを充電することとの間で分割される混合使用のケースを示している。この混合構成では、主電力システム又はＤＦＩＭのいずれにも効率上の不利はないが、フライホイールが出力ＰＦＮにエネルギーを供給するのと比較して、ＰＦＮへのエネルギー送達の速さが低下する。
【００７５】
図１５Ｃは、最初のタイムブロックにおける、巻線ポート“Ｘ”を介しての複数のフライホイールのセットへの定エネルギー送達、及びそれと同時に、１つのＰＦＮに定エネルギー充電を供給することを示している。最初のタイムブロックにて、タービン発電機は、全ての組み合わせの負荷に一定のエネルギーを供給する。その後のＰＦＮ１及びＰＦＮ２へのエネルギー送達はランプアップ及びランプダウンされる。
【００７６】
図１５Ｄは、タイムブロック１において、初期チャージの一部が２つのＰＦＮ＃１及び＃２の間で分割される特殊なケースを示している。加えて、初期チャージは同時に、複数のフライホイールセットにチャージエネルギーを送達する。タイムブロック１の途中でＰＦＮ＃１が発射され、その時点で同じエネルギーがＰＦＮ＃２へとそらされる。ＰＦＮ＃２が放電されることに続いて、反復サイクルがタイムブロック２で開始し、ＰＦＮ＃１が、一定の時間でランプアップされてフルエネルギーを達成し、そしてタイムブロック２の終わりで枯渇する。ＰＦＮ＃１は、タイムブロック１の時間内の５０％後はゼロ状態充電のままである。ＰＦＮ＃２は、タイムブロック１の終わりで完全に放電される。休止期間ｔｒの後、タイムブロック３にて、制御されたランプアップサイクルがＰＦＮ＃２で進行してフル充電を達成し（ＰＦＮ＃１はゼロ充電状態に維持される）、そして最後に、ＰＦＮ＃２が制御されたランプダウンにて枯渇する。
【００７７】
図１６は、この開示に従ったカスケードＨＥＳＭ構成を実装するシステム１６００の一例を示している。図１６に示すように、システム１６００は、４マシンシステムにおけるカスケード構成の２つのマスターＥＳＭ及び２つのパイロットＥＳＭを含んでおり、これは、任意の偶数個のマシンに拡張されることができる。カスケード構成は、推計負荷で高速立ち上がり時間を達成することを可能にし、高価な電力調整装置を最小限にする。システム１６００は、複数セットの二重給電誘導機を、フライホイール及びバッテリーエネルギー貯蔵の両方とともに使用する。
【００７８】
一次電源は、定電流ＤＣ電源１６０２であり、長距離ＤＣ送電線が複数のパイロットマシンを直接的にメイン電流ループ内につなぐことを可能にする。メインＤＣ−ＡＣ変換器１６０４−１６０６が、パイロットマシン１６１４−１６１６のステータ巻線１６１０−１６１２にＶＶＶＦ電力（電力Ｐｘ、Ｐｙと呼ぶ）を供給する。更なるサブシステムのために、更なるＤＣ−ＡＣ電力変換器１６０８を変換器１６０４−１６０６と直列に接続することができる。
【００７９】
各パイロットマシン１６１４−１６１６は、小型のフライホイール１６１８−１６２０を有するとともに、そのステータ出力巻線１６２２−１６２４が、制御整流サブシステム１６２６−１６２８によって整流される。ステータ出力巻線１６２２−１６２４は、次いで、空気ＤＣ遮断器又はブレーカ１６３０−１６３２を介して各バッテリーエネルギー貯蔵サブシステムに給電する。各パイロットマシン１６１４−１６１６はまた、そのロータ多相巻線Ｒ１及びＲ２を介して、マスターマシン１６４２−１６４４のメイン入力ステータ巻線１６３８−１６４０に送られる有効電力１６３４−１６３６を生成する。
【００８０】
マスターマシン１６４２−１６４４の励磁は、有効電力及び無効電力１６５０−１６５２を有するＤＣ−ＡＣ  ＶＶＶＦ変換器１６４６−１６４８からであり、ソースは、バッテリー電力又はパイロットマシン１６１４−１６１６からの直接給電のいずれかである。各マスターマシン１６４２−１６４４が直接的にフライホイール１６５４−１６５６に結合される。マスターマシン１６４２−１６４４のメイン出力は、メインＡＣ−ＤＣ制御整流器１６５８−１６６０に給電するものであるステータ巻線１６３８−１６４０である。
【００８１】
整流器１６５８−１６６０は、一部の実施形態において、高電圧動作及び高電流動作のどちらも可能な位相遅延サイリスタ整流器であり、整流器１６５８−１６６０によって直接的に、ＰＦＮ又はエネルギー貯蔵キャパシタバンク１６６２−１６６４が充電される。ＰＦＮ１６６２−１６６４（又はその後の複数のステージ）は、負荷回路１６６６−１６６８に給電し、負荷回路１６６６−１６６８は、例えばＥＭエフェクタなどの推計負荷を表す抵抗誘導容量（resistive-inductive-capacitive）負荷又は誘導抵抗（inductive-resistive）負荷とし得る。全体として、システム１６００は、例えば時間依存する抵抗特性及び時間依存するインダクタンス特性の両方を持つ負荷といった、非線形ＥＭエフェクタ負荷を受け入れることができる。レールガンはそのような非線形負荷の一例である。
【００８２】
図１−１６は、高電圧ＤＣ送電を利用する水中エネルギー貯蔵艇において高電力を変調するシステムの例を示しているが、これらのシステムには様々な変更が為され得る。特に、開示されたシステムの構成及び配置は、単に例示のためのものである。具体的なニーズに従って、コンポーネントが追加され、省略され、組み合わされ、又は他の構成で配置され得る。
【００８３】
本特許文献の全体を通して使用される特定の単語及びフレーズの定義を説明しておくことが有益であるかもしれない。用語“含む”及び“有する”、並びにこれらの派生語は、限定なしでの包含を意味する。用語“又は”は、及び／又はを意味する包括的なものである。“〜と関連付けられる”なる言い回し、及びその派生語は、〜を含む、〜の中に含まれる、〜と相互接続される、〜を含有する、〜内に含有される、〜に又は〜と接続する、〜に又は〜と結合する、〜と通信可能である、〜と協働する、〜と交互である、〜隣り合う、〜に近接した、〜に又は〜と結合される、〜を有する、〜の特性を有する、〜に又は〜と関係を有する、又はこれらに類するものを意味する。“〜のうちの少なくとも１つ”なる言い回しは、アイテムのリストとともに使用されるとき、リストアップされたアイテムのうちの１つ以上の様々な組み合わせが使用され得ることを意味し、リスト内の１つのアイテムのみが必要とされることもある。例えば、“Ａ、Ｂ、及びＣのうちの少なくとも１つ”は、以下の組み合わせ：Ａ、Ｂ、Ｃ、ＡとＢ、ＡとＣ、ＢとＣ、及びＡとＢとＣ、のうちの何れをも含む。
【００８４】
本出願における記載は、特定の要素、ステップ、又は機能がクレーム範囲に含まれていなければならない必須又は重要な要素であることを意味するものとして読まれるべきでない。特許される事項の範囲は、許可クレームによってのみ定められる。また、クレームは何れも、その特定のクレーム中で“する手段”又は“するステップ”なるそのままの語が、機能を特定する特定の言い回しに続かれて、明示的に使用されない限り、添付のクレーム又はクレーム要素に関して３５ＵＳＣ第１１２節（ｆ）を行使することを意図していない。クレーム内での、例えば（以下に限られないが）“機構”、“モジュール”、“デバイス”、“ユニット”、“コンポーネント”、“要素”、“部材”、“装置”、“機械”、又は“システム”などの用語の使用は、クレームの特徴自体によって更に改良又は強化されるような、当業者に知られた構造を指すものと理解及び意図されるものであり、３５ＵＳＣ第１１２節（ｆ）を行使することを意図するものではない。
【００８５】
本開示は、特定の実施形態及び概して関連する方法を述べてきたが、これらの実施形態及び方法の改変及び並べ替えが当業者に明らかになる。従って、以上の実施形態例の説明は、本開示を定めたり制約したりするものではない。以下の請求項によって規定される本開示の精神及び範囲を逸脱することなく、その他の変形、代用、及び改変も可能である。
【図１】
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【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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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１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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