(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
建物のための直流電力サーバであって、
筐体と、
前記筐体内に配置された直流バスであって、前記直流バスは、少なくとも一つの分岐回路を有し、前記分岐回路は、前記筐体から延在し且つ前記建物の直流負荷に接続されて前記直流負荷に直流電力を供給する、直流バスと、
電力網に接続され、前記電力網から交流電力を受け取るように構成された電力網接続部と、
前記筐体内に配置されており、前記電力網接続部と前記直流バスとの間に接続された整流回路であって、前記整流回路は、前記電力網接続部からの前記交流電力を直流電力に変換することによって前記直流バスに直流電力を供給するように構成されている、整流回路と、
エネルギ源に接続され、前記エネルギ源から直流電力を受け取るように構成されたエネルギ源接続部であって、前記エネルギ源接続部は、前記直流バスに接続されており、前記エネルギ源からの前記直流電力を前記直流バスに供給する、エネルギ源接続部と、
前記電力網及び前記エネルギ源から前記直流バスへの電力潮流を制御するように構成されたシステム制御装置と、
無停電電源装置と、
エネルギ貯蔵器と、
を含み、
前記無停電電源装置は、前記直流バスに接続されており、前記システム制御装置に電力を供給するように構成されており、
前記無停電電源装置は、前記直流バスの電圧を前記システム制御装置の電圧に変換するように構成されたコンバータを有し、
前記エネルギ貯蔵器は、前記直流バスが前記無停電電源装置に電力を供給していない間、前記システム制御装置に継続的な電力を供給するように構成されている、
ことを特徴とする直流電力サーバ。
【請求項２】
前記直流電力サーバはさらに、エネルギ貯蔵器接続部を有し、
前記エネルギ貯蔵器接続部は、前記エネルギ貯蔵器に接続され、前記エネルギ貯蔵器から直流電力を受け取り、前記エネルギ貯蔵器に直流電力を送出するように構成されており、
前記エネルギ貯蔵器接続部は、前記直流バスに接続されており、前記エネルギ貯蔵器からの前記直流電力を前記直流バスに供給し、前記直流バスからの直流電力を前記エネルギ貯蔵器に供給し、
前記システム制御装置はさらに、前記エネルギ貯蔵器から前記直流バスへの電力潮流を制御するように構成されている、
請求項１に記載の直流電力サーバ。
【請求項３】
前記直流電力サーバはさらに、パワーエレクトロニクスを含み、
前記パワーエレクトロニクスは、前記筐体内に配置されており、前記エネルギ貯蔵器接続部と前記直流バスとの間に接続されており、
前記パワーエレクトロニクスは、前記エネルギ貯蔵器の充放電を制御するように構成されており、前記システム制御装置によって動作させられる、
請求項２に記載の直流電力サーバ。
【請求項４】
前記直流バスは、少なくとも一つの分岐回路を有し、
前記分岐回路は、前記筐体から延在し且つ前記建物の直流照明に接続されて前記直流照明に直流電力を供給する、
請求項１に記載の直流電力サーバ。
【請求項５】
前記システム制御装置は、前記直流電力サーバの動作状況に応じて、前記直流照明の減光及び点滅の少なくとも一方を実施するように、前記直流照明に接続された前記少なくとも一つの分岐回路を動作させるように構成されている、
請求項４に記載の直流電力サーバ。
【請求項６】
前記システム制御装置は、前記電力網の故障停止に応じて、前記エネルギ源接続部からの直流電力を前記直流バスに供給するために、前記直流電力サーバを動作させるように構成されている、
請求項１に記載の直流電力サーバ。
【請求項７】
前記システム制御装置は、前記直流負荷によって前記直流バスから電力が引き出されていないことに応じて、前記直流バスから前記エネルギ源接続部を切断するように構成されている、
請求項１に記載の直流電力サーバ。
【請求項８】
前記直流電力サーバはさらに、整流器制御装置を含み、
前記整流器制御装置は、前記筐体内に配置されており、前記整流回路に動作可能に接続されており、
前記整流器制御装置は、前記整流回路の直流出力電圧を制御するように構成されており、前記システム制御装置によって動作させられる、
請求項１に記載の直流電力サーバ。
【請求項９】
前記整流回路は、複数の整流器を含み、
前記整流器制御装置は、前記複数の整流器のうちの少なくとも一つの整流器の障害発生に応じて、前記整流回路を部分的な能力で動作させるように構成されている、
請求項８に記載の直流電力サーバ。
【請求項１０】
前記整流回路は、前記直流バスからの直流電力を交流電力に変換するように構成されたインバータ回路を含み、
前記システム制御装置は、前記直流負荷によって前記直流バスから電力が引き出されていないことに応じて、前記直流バスから前記電力網に電力を送出するように、前記整流器制御装置によって前記整流回路を動作させるように構成されている、
請求項１に記載の直流電力サーバ。
【請求項１１】
前記整流回路は、前記直流バスからの直流電力を交流電力に変換するように構成されたインバータ回路を含み、
前記システム制御装置は、前記エネルギ源が、前記直流負荷によって前記直流バスから引き出された電力よりも多くの電力を前記直流バスに供給したことに応じて、前記直流バスから前記電力網に電力を送出するように、前記整流器制御装置によって整流回路を動作させるように構成されている、
請求項１に記載の直流電力サーバ。
【請求項１２】
前記システム制御装置は、前記電力網及び前記エネルギ源から前記直流バスへの電力潮流を自律的に制御するように構成されている、
請求項１に記載の直流電力サーバ。
【請求項１３】
前記システム制御装置は、（ｉ）別の直流電力サーバのシステム制御装置、及び、（ｉｉ）エネルギ管理ゲートウェイの少なくとも一方からの命令に基づいて、前記電力網及び前記エネルギ源から前記直流バスへの電力潮流を制御するように構成されている、
請求項１に記載の直流電力サーバ。
【請求項１４】
前記直流電力サーバはさらに、前記筐体内に配置された補助直流バスを含み、
前記補助直流バスは、スイッチを介して前記直流バスに接続されており、少なくとも一つの分岐回路を有し、前記分岐回路は、前記筐体から延在し且つ前記建物の第１グループの直流負荷に接続されて前記第１グループの直流負荷に直流電力を供給し、
前記直流バスは、少なくとも一つの分岐回路を有し、前記分岐回路は、前記筐体から延在し且つ前記建物の第２グループの直流負荷に接続されて前記第２グループの直流負荷に直流電力を供給し、
前記第２グループの直流負荷は、前記第１グループの直流負荷とは異なっている、
請求項１に記載の直流電力サーバ。
【請求項１５】
前記システム制御装置は、前記電力網上での故障停止に応じて、前記直流バスから前記補助直流バスを切断するように、前記スイッチを動作させるように構成されている、
請求項１４に記載の直流電力サーバ。
【請求項１６】
前記直流電力サーバはさらに、電力サーバ接続部を含み、
前記電力サーバ接続部は、第２直流電力サーバに接続され、前記第２直流電力サーバから直流電力を受け取るように構成されており、
前記電力サーバ接続部は、前記直流バスに接続されており、前記第２直流電力サーバからの前記直流電力を前記直流バスに供給する、
請求項１に記載の直流電力サーバ。
【請求項１７】
建物のための電力分配システムであって、
第１エネルギ源と、
前記建物の、第１グループの直流負荷と、
前記第１エネルギ源と前記第１グループの直流負荷との間に接続された第１直流電力サーバとを含み、
前記第１直流電力サーバは、
筐体と、
前記筐体内に配置された直流バスであって、前記直流バスは、少なくとも一つの分岐回路を有し、前記分岐回路は、前記筐体から延在し且つ前記第１グループの直流負荷に接続されて前記第１グループの直流負荷に直流電力を供給する、直流バスと、
電力網に接続され、前記電力網から交流電力を受け取るように構成された電力網接続部と、
前記筐体内に配置されており、前記電力網接続部と前記直流バスとの間に接続された整流回路であって、前記整流回路は、前記電力網接続部からの前記交流電力を直流電力に変換することによって前記直流バスに直流電力を供給するように構成されている、整流回路と、
前記第１エネルギ源に接続され、前記第１エネルギ源から直流電力を受け取るように構成されたエネルギ源接続部であって、前記エネルギ源接続部は、前記直流バスに接続されており、前記第１エネルギ源からの前記直流電力を前記直流バスに供給する、エネルギ源接続部と、
前記電力網及び前記第１エネルギ源から前記直流バスへの電力潮流を制御するように構成されたシステム制御装置と、
無停電電源装置と、
エネルギ貯蔵器と、
を含み、
前記無停電電源装置は、前記直流バスに接続されており、前記システム制御装置に電力を供給するように構成されており、
前記無停電電源装置は、前記直流バスの電圧を前記システム制御装置の電圧に変換するように構成されたコンバータを有し、
前記エネルギ貯蔵器は、前記直流バスが前記無停電電源装置に電力を供給していない間、前記システム制御装置に継続的な電力を供給するように構成されている、
ことを特徴とする電力分配システム。
【請求項１８】
前記電力分配システムはさらに、
第２エネルギ源と、
前記建物の、第２グループの直流負荷と、
前記第２エネルギ源と前記第２グループの直流負荷との間に接続された第２直流電力サーバとを含み、
前記第２直流電力サーバは、
筐体と、
前記筐体内に配置された直流バスであって、前記直流バスは、少なくとも一つの分岐回路を有し、前記分岐回路は、前記筐体から延在し且つ前記第２グループの直流負荷に接続されて前記第２グループの直流負荷に直流電力を供給する、直流バスと、
前記電力網に接続され、前記電力網から交流電力を受け取るように構成された電力網接続部と、
前記筐体内に配置されており、前記電力網接続部と前記直流バスとの間に接続された整流回路であって、前記整流回路は、前記電力網接続部からの前記交流電力を直流電力に変換することによって前記直流バスに直流電力を供給するように構成されている、整流回路と、
前記第２エネルギ源に接続され、前記第２エネルギ源から直流電力を受け取るように構成されたエネルギ源接続部であって、前記エネルギ源接続部は、前記直流バスに接続されており、前記第２エネルギ源からの前記直流電力を前記直流バスに供給する、エネルギ源接続部と、
前記電力網及び前記第２エネルギ源から前記直流バスへの電力潮流を制御するように構成されたシステム制御装置と、
前記第１直流電力サーバの前記直流バスを、前記第２直流電力サーバの前記直流バスに選択的に接続するように構成された相互接続装置と、
を含む、
請求項１７に記載の電力分配システム。
【請求項１９】
前記相互接続装置は、前記第１直流電力サーバ及び前記第２直流電力サーバの一方の障害発生に応じて、前記第１直流電力サーバの前記直流バスを、前記第２直流電力サーバの前記直流バスに接続するように構成されている、
請求項１８に記載の電力分配システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権の主張
本出願は、「直流電力サーバ（DC Power Server）」なる名称の、２０１４年３月６日に出願された米国仮出願番号第６１／９４８９２７号（U. S. Provisional Application No. 61/948,927）の優先権を主張するものであり、同明細書の全内容は、参照によって本明細書に組み込まれる。
【０００２】
背景技術
本明細書で開示される装置は、直流小配電網に関し、特に、直流小配電網のための直流電力サーバ（direct-current power server）に関する。
【背景技術】
【０００３】
商業用建物における電力分配システムは、電力を建物全体に亘って負荷に安全に分配する役割を果たしている。典型的な電力分配システムは、計量装置、保護装置（過電流、過電圧、過電力等）、スイッチング装置、変圧器、制御装置及び導線のようなコンポーネントから構成されている。典型的な商業用建物内では、交流（ＡＣ）電力が、配電盤又は分電盤を介して負荷に分配される。分電盤は、米国電気工事基準（National Electric Code）で定義されているように、建物の負荷又はそれに関連する回路に電力を分配するバス及び分岐回路のための過電流保護装置用の筐体である。商業用建物内の照明への電力は、一般的に専用の分電盤を介して分配され、照明への電力潮流は、対応する分岐回路上の過電流保護装置によって制御されている。照明用の分電盤は、多くの場合、壁に取り付けられており、照明用の分電盤の物理的寸法及び定格容量は、業界内で標準化されている。
【０００４】
再生可能エネルギ技術の進歩に伴い、多くの商業用建物の所有者又は賃貸者は、再生可能エネルギ設備を発展させることを検討している。しかしながら、分散型の再生可能エネルギの大規模な発展は、再生可能エネルギ設備によって、その所有者に魅力的なリターンが提供される場合であって、且つ、その一方で、公益事業者及び電力網事業者が、電力分配用インフラストラクチャにおける断続性の影響を安全且つ確実に軽減することが可能となる場合にしか実現されない。再生可能エネルギ設備を利用するために商業用建物の電力分配システムを改造するための現在のシステムには、いくつかの欠点がある。
【０００５】
図１は、オンサイトの太陽光発電（ＰＶ）システムを建物の電力分配システムに組み込むための典型的なシステム１００を図示している。太陽電池（ＰＶ）アレイ１０４は、建物のための電力を生成するためにオンサイトに設けられている。太陽電池アレイ１０４は、例えば建物の屋根の上に位置していてもよい。太陽電池アレイ１０４は、時刻や天候に応じて異なる量の直流（ＤＣ）電力を生成する。太陽電池アレイ１０４は、直流電力を交流電力に変換するインバータ１０８に接続されている。インバータ１０８は、建物の配電盤又は分電盤を介して交流の電力網１１２に接続されている。建物の電力分配システムは、電力網１１２から交流電力を直接的に引き込む。建物の電力分配システムが直流負荷１１６に電力を供給するためには、電力網１１２から引き込まれた交流電力を直流電力に変換しなければならない。直流負荷１１６に直流電力を供給するためには、直流負荷１１６と建物の電力分配システムとの間に整流器１２０を接続しなければならない。
【０００６】
このシステム１００は非効率的であり、これによってこのシステム１００は、コスト効率が悪化し、それ故、建物の所有者にとってさほど魅力的ではなくなっている。インバータ１０８は、典型的には約３％乃至８％の変換損失を有している。これらの変換損失は、インバータ１０８の設計に応じて、また天候等の動作条件に応じて、さらに高くなることさえある。太陽電池アレイ１０４上に照射される太陽光が比較的少ない時刻に動作する場合のように、部分的な能力で動作する場合にも、インバータ１０８の損失は増加してしまう。さらには、商業用建物において直流負荷１１６が普及するにつれて、整流器１２０に関連する変換損失は、ますます問題となっている。商業用建物における一般的な直流負荷には、固体ＬＥＤ照明、蛍光灯、ＩＴ機器、電気車両用充電器、直流モータ、及び、可変周波数ドライブ（ＶＦＤ）を備えるモータが含まれる。これらの負荷に対する典型的な整流損失は、４％乃至２５％の範囲である。直流負荷に給電するために直流から交流に変換し、また交流から直流に変換し戻すことにより、建物によって実際に利用される太陽光エネルギの総量が大幅に減少する結果となる。これに加えて、システムの信頼性は、直流から交流への変換のため、及び、交流から直流へのエネルギ変換のために必要とされる追加的な電子機器によって低減する。
【０００７】
システム１００はまた、電力網１１２上での停電中には、太陽電池アレイ１０４から建物に如何なる電力も供給することは不可能である。太陽電池アレイ１０４は、建物の電力分配システムに直接的に接続されていないので、電力網１１２は事実上、太陽電池アレイ１０４と建物の負荷との間の経路内にある。電力網の故障停止中にオンサイトの再生可能エネルギを重要な負荷に供給できるようにするためには、自立運転モード（an islanded mode）で建物の電力分配システムを動作させて太陽電池アレイ１０４を利用するために、高性能の系統構成インバータ（grid-forming inverter）及び切換スイッチを有する定置型のエネルギ貯蔵装置を、交流ベースのシステム１００内に設ける必要がある。
【０００８】
システム１００の太陽電池アレイ１０４は、電力網１１２に直接的に結合されているので、このシステム１００は、特定の規制要件を受けることがあり、建物の所有者は、システム１００を動作させる前に、電力網１１２を運営する公益事業会社から許可を受けなければならない。一般的に、建物の所有者は、公益事業会社との相互接続協定を結ぶ必要があり、この相互接続協定は、建物の所有者に対して特定の手数料及びその他の費用を課すことがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
必要とされているのは、再生可能エネルギ設備を建物の電力分配システムに組み込む電力サーバ（power server）であり、この電力サーバにより、再生可能エネルギ設備が電力網とは別個の形態で建物に電力を供給可能となるように、電力網に直接的に接続させることなく、電源から負荷への最も効率的なエネルギ伝送を可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
概要
再生可能エネルギ設備を建物の直流小配電網に組み込むために、直流電力サーバが開発されてきた。直流電力サーバは、筐体と、前記筐体内に配置された直流バスであって、前記直流バスは、少なくとも一つの分岐回路を有し、前記分岐回路は、前記筐体から延在し且つ前記建物の直流負荷に接続されて前記直流負荷に直流電力を供給する、直流バスと、電力網に接続され、前記電力網から交流電力を受け取るように構成された電力網接続部と、前記筐体内に配置されており、前記電力網接続部と前記直流バスとの間に接続された整流回路であって、前記整流回路は、前記電力網接続部からの前記交流電力を直流電力に変換することによって前記直流バスに直流電力を供給するように構成されている、整流回路と、エネルギ源に接続され、前記エネルギ源から直流電力を受け取るように構成されたエネルギ源接続部であって、前記エネルギ源接続部は、前記直流バスに接続されており、前記エネルギ源からの前記直流電力を前記直流バスに供給する、エネルギ源接続部と、前記電力網及び前記エネルギ源から前記直流バスへの電力潮流を制御するように構成されたシステム制御装置と、を含む。
【００１１】
再生可能エネルギ設備を建物の直流小配電網に組み込むために、電力分配システムが開発されてきた。電力分配システムは、第１エネルギ源と、建物の、第１グループの直流負荷と、前記第１エネルギ源と、前記第１グループの直流負荷との間に接続された第１直流電力サーバとを含む。前記第１直流電力サーバは、筐体と、前記筐体内に配置された直流バスであって、前記直流バスは、少なくとも一つの分岐回路を有し、前記分岐回路は、前記筐体から延在し且つ前記第１グループの直流負荷に接続されて前記第１グループの直流負荷に直流電力を供給する、直流バスと、電力網に接続され、前記電力網から交流電力を受け取るように構成された電力網接続部と、前記筐体内に配置されており、前記電力網接続部と前記直流バスとの間に接続された整流回路であって、前記整流回路は、前記電力網接続部からの前記交流電力を直流電力に変換することによって前記直流バスに直流電力を供給するように構成されている、整流回路と、前記第１エネルギ源に接続され、前記第１エネルギ源から直流電力を受け取るように構成されたエネルギ源接続部であって、前記エネルギ源接続部は、前記直流バスに接続されており、前記第１エネルギ源からの前記直流電力を前記直流バスに供給する、エネルギ源接続部と、前記電力網及び前記第１エネルギ源から前記直流バスへの電力潮流を制御するように構成されたシステム制御装置と、を含む。
【００１２】
図面の簡単な説明
直流電力サーバの前述した態様及び他の特徴を、添付図面に関連して以下の記載において説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】オンサイトの太陽光システムを建物の電力分配システムに組み込むための典型的なシステムを示す図である。
【図２】直流電力サーバを有する電力分配システムを示す図である。
【図３】直流電力サーバの一つの実施形態を示す図である。
【図４】非常用の負荷を有する直流小配電網に給電するための直流電力サーバの別の一つの実施形態を示す図である。
【図５】複数の直流小配電網を有する電力分配システムを示す図である。
【図６】複数の直流小配電網を有する電力分配システムのための冗長構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
詳細な説明
本開示の原理の理解を促進するためにここからは実施例を参照することとする。これらの実施例は図面に示されており、以下に記載の明細書において説明される。これらの実施例によって本開示の範囲の限定が意図されているわけではないことを理解すべきである。本開示には、例示された実施形態に対する変更及び修正、並びに、本開示に関係する当業者が通常想到し得る、本開示の原理のさらなる応用が含まれることをさらに理解すべきである。
【００１５】
図２は、直流電力サーバ２０４を有する電力分配システム２００を図示している。直流電力サーバ２０４は、建物の複数の直流負荷に直流電力を分配するための直流小配電網２０８を構築するように構成されている。いくつかの実施形態では、直流負荷は、直流照明２１２と、直流換気扇２１６と、その他の直流負荷２２０とを含む。直流照明２１２は、固体ＬＥＤ照明、又は、直流電力で動作する他の任意の照明技術を含む。ある一つの実施形態では、直流換気扇２１６は、直流電力で動作する大型の工業用シーリングファンを含む。いくつかの実施形態では、その他の直流負荷２２０は、フォークリフト用充電器のような電動車両用充電器、直流モータ、及び、可変周波数ドライブ（ＶＦＤ）を備えるモータを含む。
【００１６】
直流小配電網２０８の直流バス２２４は、建物の直流照明２１２と、直流換気扇２１６と、その他の直流負荷２２０とを含む複数の直流負荷に、直流電力を分配する。いくつかの実施形態では、直流バス２２４は、３８０Ｖの公称電圧を有する。ある一つの実施形態では、直流バス２２４は、高抵抗中点接地（High Resistance Midpoint Ground，ＨＲＭＧ）で構成されている。接地故障が発生した場合には、故障が発生した装置を介して接地に流れ得る電流量を、中点接地抵抗が安全なレベルまで制限する。
【００１７】
いくつかの実施形態では、非常用の直流負荷が、直流バス２２４に直接的に接続されている。ある一つの実施形態では、直流照明２１２が、非常用の直流負荷である。非常用ではない他の直流負荷は、補助直流バスを介して接続されている。補助直流バスは、接触器のような接続手段を介して選択的に直流バス２２４に接続され、また、選択的に直流バス２２４から切断される。この実施形態は、図４に関連して後でより詳細に説明する。
【００１８】
直流電力サーバ２０４は、直流小配電網２０８に電力を供給するための複数のエネルギ源を結合するように構成されている。直流小配電網２０８に直流電力を供給するために、ローカルの再生可能エネルギ源２２８が、直流電力サーバ２０４に接続されている。いくつかの実施形態では、ローカルの再生可能エネルギ源２２８は、建物のために直流電力を生成するように構成されたオンサイトの太陽電池（ＰＶ）アレイである。別の実施形態では、ローカルの再生可能エネルギ源２２８は、直流電力を生成するように構成されたオンサイトの風力システム又は水力システムを含む。さらなる別の実施形態は、直流電力を生成するように構成された気体電池システム又は燃料電池システムのような、非再生可能エネルギ源を含む。直流電力サーバ２０４には、ローカルのエネルギ貯蔵器２３２も接続されており、このローカルのエネルギ貯蔵器２３２は、直流小配電網２０８に電力を供給し、また、直流小配電網２０８からのエネルギを貯蔵する。ある一つの実施形態では、ローカルのエネルギ貯蔵器２３２は、オンサイトのバッテリシステムである。別の一つの実施形態では、ローカルのエネルギ貯蔵器２３２は、直流電力サーバ２０４の筐体の内部に収容された小型のバッテリである。直流電力サーバ２０４はさらに、電力網２３６に接続されており、この電力網２３６から直流電力サーバ２０４は、交流電力を引き込む。直流電力サーバ２０４は、電力網から引き込まれた交流電力を、直流小配電網２０８のための直流電力に変換するように構成されている。いくつかの実施形態では、直流電力サーバ２０４は、任意の直流電力を交流電力に変換することによって電力網２３６に電力を送出するようにも構成されている。
【００１９】
システム２００はさらに、エネルギ管理ゲートウェイ２４０を含む。エネルギ管理ゲートウェイ２４０は、ローカルの再生可能エネルギ源２２８の発電の管理と、直流小配電網２０８上の直流負荷への電力分配の管理と、ローカルのエネルギ貯蔵器２３２の充放電の管理と、電力網２３６からの電力利用の管理とを担っている。ある一つの実施形態では、エネルギ管理ゲートウェイ２４０は、ローカルの再生可能エネルギ源２２８とローカルのエネルギ貯蔵器２３２とを利用して、ピーク負荷の削減、需要電力料金の削減、負荷シフト、及び、デマンドレスポンスへの参加を可能にするように構成されている。ある一つの実施形態では、エネルギ管理ゲートウェイ２４０は、直流バス２２４の最適な電圧を設定するために直流電力サーバ２０４と通信する。
【００２０】
典型的なシステム１００とは異なり、システム２００は、電力網２３６上で故障停止が発生した場合にも、ローカルの再生可能エネルギ源２２８によって生成された電力を利用するように構成されている。ローカルの再生可能エネルギ源２２８は、電力網２３６に直接的に接続されていないので、ローカルの再生可能エネルギ源２２８は、電力網２３６上での故障停止中にも動作可能なまま維持される。直流電力サーバは、このような故障停止の発生時に、電力網２３６からシステム２００を切り離すように構成されている。システム２００は、ローカルの再生可能エネルギ源２２８とローカルのエネルギ貯蔵器２３２とを利用して、自立運転モードで動作し、直流小配電網２０８上の一部又は全部の直流負荷に電力を供給し続ける。さらには、システム２００を電力網から切り離すことによって、作業員が故障停止を解決するために電力網２３６の所要の修理を行う際に、システム２００が作業員を負傷させる危険がなくなる。
【００２１】
電力網２３６上での故障停止中に動作する場合における、システム２００のエネルギ安全保障をさらに改善するため、電力サーバ２０４又はエネルギ管理ゲートウェイ２４０は、電力網２３６から交流電力を引き込むことなくシステム２００が動作可能な期間を最長にするために、直流負荷又は直流小配電網２０８の動作状態を指示することができる。ある一つの実施形態では、電力サーバ２０４は、電力網２３６上での故障停止中に自立運転モードで動作する場合に、直流小配電網２０８上の一つ又は二つ以上の直流負荷を、低減された動作レベルで動作させるように構成されている。ローカルの再生可能エネルギ源２２８から電力が入手可能である場合には、直流電力サーバ２０４は、ローカルの再生可能なエネルギ貯蔵器２３２からの電力よりも、ローカルの再生可能エネルギ源２２８からの電力の方を優先して使用するように構成されている。別の一つの実施形態では、上記の方法を、建物のための所要の非常用の照明を提供するために利用してもよい。
【００２２】
直流電力サーバ２０４は、電力網２３６から直流小配電網２０８を切り離しているので、直流小配電網２０８上の装置は、直流バス２２４を介して確実に通信することが可能である。いくつかの実施形態では、直流電力サーバ２０４は、電力線通信技術を使用して、直流バス２２４上の直流負荷、ローカルの再生可能エネルギ源２２８、ローカルのエネルギ貯蔵器２３２、又は、その他の直流電力サーバと通信するように構成されている。ある一つの実施形態では、直流電力サーバ２０４は、直流バス２２４上の直流負荷の動作状態を制御するように構成されている。さらなる別の実施形態では、直流電力サーバ２０４は、直流負荷に接続されたセンサ、又は、直流バス２２４に別の方法で取り付けられたセンサと通信することによって、直流バス２２４上の直流負荷を監視するように構成されている。ある一つの実施形態では、直流電力サーバ２０４は、例えば一つ又は二つ以上の照明が点滅又は減光するように直流照明２１２を制御する等、直流負荷の動作状態を制御することによって、建物内にいる人々に対してシステム障害又はその他の動作状態を視覚的に通知するように構成されている。さらには、いくつかの実施形態では、直流バス２２４上の複数の直流負荷が、互いに通信し合うように構成されている。直流バス２２４上で電力線通信技術を用いて通信することにより、追加的なネットワーク機器、制御線、無線インタフェースの必要性がなくなる。ある一つの実施形態では、その他の直流負荷２２０は、インターネットに接続されたネットワーク機器を含み、このネットワーク機器によって直流バス２２４上の直流負荷は、インターネットを介した通信が可能となる。特に、直流バス２２４上の直流負荷は、電力線通信技術を使用してネットワーク機器と通信し、ネットワーク機器は、インターネットとの通信をルーティングする。
【００２３】
システム２００は、建物の既存の電力分配システム内に簡単に後付けされる。既存の建物は、典型的には三相交流電力によって給電される。しかしながら、多くの商業用照明は、単相交流電力で動作する。いくつかの既存の建物では、建物の複数の異なるエリアに存在する交流照明に給電するために、複数の別個の回路分岐が存在する。単相の交流照明を交流の三つの相に亘って分配して平衡化するのが一般的である。この場合、平衡回路では殆ど又は全く電流が流れないので、典型的には三相回路間で１本の中性導線が共有されており、この中性導線に流れる最大電流は、他の２相がオフの場合には単相回路の電流だけである。既存の新しい建物が、比較的古くて非効率的な照明の最大電流引き込みに合わせて寸法設計された配線を有すること、又は、そうでない場合にも、比較的新しいエネルギ効率の高い照明に対して過大サイズの配線を有することもよくある。
【００２４】
ある一つの実施形態では、直流バス２２４のための導線として、交流照明用の既存の回路分岐のこの共有の中性導線が使用される。特に、この共有の中性導線は、直流照明２１２に対応する直流バス２２４の分岐のために使用される。この実施形態は、交流照明を有する既存の建物を、直流照明を利用するために簡単に改造することが可能となると同時に、最初から直流照明を有するように設計された新しい建物において、従来のコスト効率の高い交流配線技術の使用が可能となるという利点を有する。
【００２５】
図３は、直流電力サーバ２０４のより詳細な図を示す。直流電力サーバ２０４は、ローカルの再生可能エネルギ源２２８と、ローカルのエネルギ源２３２と、電力網２３６とからの接続を受け入れるように構成されている。いくつかの実施形態では、直流電力サーバ２０４は、さらなる別のエネルギ源からの接続を受け入れるように構成されている。直流電力サーバ２０４は、これらのエネルギ源を直流バス２２４に結合させる。いくつかの実施形態では、直流電力サーバ２０４は、直流バス２２４に沿って、それぞれ過電流保護のためのメインブレーカ３０４と、過電圧保護のためのサージ保護装置３０８とを含む。直流バス２２４は、複数の分岐回路３１２を有しており、これらの分岐回路３１２は、直流電力サーバ２０４から延在しており、直流小配電網２０８の直流照明２１２と、直流換気扇２１６と、その他の直流負荷２２０と含む複数の直流負荷に、電力を分配する。直流バス２２４から分岐回路３１２を選択的に切断するために、分岐回路３１２に沿って負荷接触器３１６が構成されている。いくつかの実施形態では、それぞれの分岐回路３１２に補助ブレーカ３２０が設けられており、これらの補助ブレーカ３２０は、それぞれの分岐回路３１２のために追加的な過電流保護を提供するように構成されている。いくつかの実施形態では、それぞれの分岐回路３１２は、アーク障害検出ユニット３１８を有し、これらのアーク障害検出ユニット３１８は、アーク障害が検出された場合に分岐回路３１２を遮断するように構成されている。
【００２６】
電力網２３６は、整流器３２４を介して直流バス２２４に組み込まれている。いくつかの実施形態では、整流器３２４は、所要の電力定格を実現するために並列で動作する複数の整流回路である。別の実施形態では、整流器３２４は、単一の整流回路である。さらなる別の実施形態では、整流器３２４は、複数の整流回路の一つに障害が発生した場合に使用するための冗長的な整流回路を含む。ある一つの実施形態では、整流器３２４は、一つの整流回路に障害が発生した場合に部分的な能力で動作するように構成されており、且つ、直流負荷は、必要に応じて部分的な能力で動作するように構成されている。さらなる別の実施形態では、整流器３２４のピーク効率を実現可能にするために、整流器３２４は、前記整流器３２４の一つ又は二つ以上の整流器段を無効にすることにより、電力網２３６から要求されるエネルギ量に応じて部分的な能力で動作するように構成されている。いくつかの実施形態では、電力網２３６からの供給電力に対する過電流保護のために、交流メインブレーカ３２８も設けられている。いくつかの実施形態では、直流電力サーバ２０４は、整流器３２４を動作させるための整流器制御装置３３２を含む。整流器３２４の直流出力部は、直流バス２２４に接続されている。ある一つの実施形態では、整流器３２４の直流出力部は、ブロッキングダイオード３３６を介して直流バス２２４に接続されている。ブロッキングダイオード３３６は、直流バス２２４から整流器３２４に電流が逆流するのを阻止するように構成されている。別の実施形態では、他の種類の逆電流保護が使用される。
【００２７】
ローカルの再生可能エネルギ源２２８は、直流バス２２４に直接的に組み込まれている。ある一つの実施形態では、ローカルの再生可能エネルギ源２２８は、ブロッキングダイオード３３６を介して直流バス２２４に組み込まれている。ブロッキングダイオード３３６は、直流バス２２４からローカルの再生可能エネルギ源２２８に電流が逆流するのを阻止する。
【００２８】
ローカルのエネルギ貯蔵器２３２は、直流バス２２４に直接的に組み込まれている。いくつかの実施形態では、ローカルのエネルギ貯蔵器２３２は、パワーエレクトロニクス３４０を介して直流バス２２４に組み込まれている。パワーエレクトロニクス３４０は、ローカルのエネルギ貯蔵器２３２の電圧を、直流バス２２４の公称電圧に変換するように構成されている。ある一つの実施形態では、パワーエレクトロニクス３４０は、電圧を降圧するための降圧型コンバータ、及び、電圧を昇圧するための昇圧型コンバータを含む。ある一つの実施形態では、パワーエレクトロニクスはさらに、ローカルのエネルギ貯蔵器２３２の充放電を制御するように構成されている。
【００２９】
直流電力サーバ２０４は、システム制御装置３４４を含む。システム制御装置３４４は、直流電力サーバ２０４の種々のコンポーネントと協働及び相互作用するように構成されている。システム制御装置は、パワーエレクトロニクス３４０と、整流器制御装置３３２と、負荷接触器３１６とを動作させるように構成されている。ある一つの実施形態では、システム制御装置３４４は、パワーエレクトロニクス３４０と、整流器制御装置３３２と、負荷接触器３１６とを自律的に動作させるように構成されている。ある一つの実施形態では、システム制御装置３４４は、一つ又は二つ以上の整流器３２４間のマスタ・スレーブ関係を制御し、この関係をリアルタイムで変更することが可能である。特に、システム制御装置３４４は、どの整流器がアクティブであり、どの整流器が冗長的であるかを制御する。ある一つの実施形態では、マスタは、電圧制御モードにあり、スレーブは、電流制御モードにある。さらなる別の実施形態では、システム制御装置３４４は、他の直流電力サーバのシステム制御装置からの命令、又は、エネルギ管理ゲートウェイ２４０からの命令を中継するように構成されている。特に、ある一つの実施形態では、システム制御装置３４４は、エネルギ管理ゲートウェイ２４０から整流器３２４への制御命令を中継するようにも構成されている。システム制御装置３４４は、他の直流電力サーバ及びエネルギ管理ゲートウェイ２４０と通信するためのネットワークインタフェースを含む。ある一つの実施形態では、ネットワークインタフェースは、イーサネットを介してエネルギ管理ゲートウェイ２４０と通信する。ある一つの実施形態では、ネットワークインタフェースは、無線通信装置である。
【００３０】
ある一つの実施形態では、システム制御装置３４４は、直流負荷が存在しない場合、又は、直流負荷が直流バス２２４から電力を引き出さないオフ状態である場合に、直流バス２２４からローカルの再生可能エネルギ源２２８を自動的に切断するように構成されている。このことにより、直流バス２２４のバス電圧が再生可能エネルギ源２２８の開回路電圧に到達して、これにより直流バス２２４上の他の装置が損傷してしまう可能性が阻止される。いくつかの実施形態では、整流器３２４はさらに、インバータ回路を含み、このインバータ回路によって整流器３２４は、交流から直流、及び、直流から交流の双方向の変換器として機能することが可能となる。整流器制御装置３３２は、直流バス２２４から電力網２３６に電力を送出するためにインバータとして整流器３２４を動作させるように構成されている。ある一つの実施形態では、システム制御装置３４４は、直流負荷が存在しない場合、又は、直流負荷が直流バス２２４から電力を引き出さないオフ状態である場合に、再生可能エネルギ源２２８から電力網２３６に電力を送出するように、整流器制御装置３３２を制御するように構成されている。さらなる別の実施形態では、システム制御装置３４４は、再生可能エネルギ源２２８が、直流バス２２４上の直流負荷によって引き出される電力よりも多くの電力を生成する場合に、再生可能エネルギ源２２８から電力網２３６に電力を送出するように、整流器制御装置３３２を制御するように構成されている。
【００３１】
直流電力サーバ２０４は、計量ユニット３４８を含む。これらの計量ユニット３４８は、分岐回路３１２に沿って、及び、直流バス２２４へのエネルギ源入力部に沿って、分岐回路３１２上の電圧と電流を監視するように構成されている。計量ユニット３４８は、システム制御装置３４４に動作可能に接続されている。システム制御装置３４４は、各計量ユニット３４８からの監視データを収集するように構成されている。ある一つの実施形態では、システム制御装置３４４は、監視データを、エネルギ管理ゲートウェイ２４０に、又は、他の直流電力サーバのシステム制御装置に送信するように構成されている。さらなる別の実施形態では、システム制御装置３４４は、汎用入力／出力モジュール（ＧＰＩＯ）３５２に接続されている。システム制御装置３４４は、監視データ又は他のデータを、ラップトップ又はタブレットコンピュータのようなＧＰＩＯ３５２を介して外部機器に送信するように構成されている。別の実施形態では、システム制御装置３４４の機能とＧＰＩＯ３５２の機能とが、単一の制御装置によって、又は、別の構成の複数の制御装置によって実現される。
【００３２】
いくつかの実施形態では、直流電力サーバ２０４は、無停電電源装置（ＵＰＳ）３５６を含み、この無停電電源装置（ＵＰＳ）３５６は、システム制御装置３４４と、整流器制御装置３３２と、ＧＰＩＯ３５２とを含む、直流電力サーバ２０４内の電子機器に給電するための補助電圧ＶＡＵＸを供給する。ＵＰＳ３５６は、直流バス２２４に直接的に接続されており、直流バス２２４の公称電圧を補助電圧ＶＡＵＸに変換するためのＤＣ／ＤＣコンバータを含む。ＵＰＳ３５６はさらに、直流バス２２４に電力が供給されなくなる障害が発生した場合に、直流電力サーバ２０４の電子機器に継続的な電力を供給するためのエネルギ貯蔵器を含む。いくつかの実施形態では、直流電力サーバ２０４は、外部機器に補助電圧ＶＡＵＸを供給するための補助電源出力部３６０を含む。
【００３３】
図４は、直流電力サーバ２０４に類似している直流電力サーバ４０４を図示している。直流電力サーバ４０４は、接触器４１２又は他の適切な装置を介して直流バス２２４に取り付けられた補助直流バス４０８を含む。非常用の直流負荷４１６は、直流バス２２４に直接的に接続されており、重要ではない直流負荷４２０は、補助直流バス４０８に接続されている。ある一つの実施形態では、非常用の直流負荷４１６は、非常用の直流照明を含むが、非常用の負荷と見なされる他の任意の直流負荷を含んでよい。非常用の直流照明は、通常動作において使用されるものと同じ直流照明システムであるか、又は、専用の非常用の照明システムである。補助直流バス４０８から延在する分岐回路３１２は、直流バス２２４から直接的に延在する分岐回路３１２と同様に、補助ブレーカ３２０と、計量ユニット３４８と、負荷接触器３１６とを介してルーティングされている。ある一つの実施形態では、システム制御装置３４４は、電力網２３６上で故障停止が発生した場合に、接触器４１２を開放するよう命令することによって補助直流バス４０８を切断するように構成されている。補助直流バス４０８が直流バス２２４から切断されると、非常用の直流負荷４１６だけに電力が供給されるようになる。別の実施形態では、システム制御装置３４４は、電力網２３６上での故障停止中に、ローカルの再生可能エネルギ源２２８及びローカルのエネルギ貯蔵器２３２から供給される電力が、非常用の負荷４１６と重要ではない直流負荷４２０との双方に電力を供給するために十分でない場合にのみ、補助直流バス４０８を切断するように構成されている。
【００３４】
いくつかの実施形態では、直流電力サーバ２０４又は４０４は、壁又は天井に取り付け可能な筐体として構成されている。筐体により、メインブレーカ３０４及び補助ブレーカ３２０へのアクセスが容易になる。筐体は、複数の入力部及び出力部を有し、ローカルの直流電源、直流負荷、交流電源、システム制御装置、計量装置、保護装置、及びスイッチング装置のための単一の接続点として機能する。いくつかの実施形態では、整流器３２４及びパワーエレクトロニクス３４０を冷却するために、筐体内に冷却装置が含まれている。別の実施形態では、筐体がヒートシンクとして機能するように、整流器３２４及びパワーエレクトロニクス３４０が、直流電力サーバ２０４又は４０４の表面に取り付けられている。
【００３５】
いくつかの実施形態では、直流電力サーバ２０４又は４０４は、別の直流電力サーバ２０４’に接続されるように構成されている。図５は、それぞれ直流小配電網２０８及び２０８’に給電する二つの直流電力サーバ２０４及び２０４’を有する電力分配システム５００を図示している。システム５００は、システム２００のコンポーネントに類似のコンポーネントを有し、これら類似のコンポーネントには、同様の参照符号が付されている。システム５００では、エネルギ管理ゲートウェイ２４０は、直流電力サーバ２０４及び２０４’の状態を監視するように構成されており、且つ、直流バス２２４を直流バス２２４’に選択的に接続するように相互接続管理装置５０４を動作させるように構成されている。
【００３６】
ある一つの実施形態では、エネルギ管理ゲートウェイ２４０は、直流電力サーバ２０４及び２０４’の一方の完全な又は部分的な障害が発生した場合に、直流バス２２４を直流バス２２４’に接続するように相互接続管理装置５０４を動作させるように構成されている。実際には、直流電力サーバ２０４又は２０４’は、障害が発生した直流電力サーバの直流バスに冗長電力を供給するように機能することができる。直流電力サーバに障害が発生した場合に冗長性を提供することにより、障害が発生した直流電力サーバに対応する直流小配電網の直流負荷は、少なくとも低電力状態で動作し続けることができる。ある一つの実施形態では、システム５００は、直流電力サーバの一方に障害が発生した場合に、障害が発生した直流電力サーバに対応する直流照明を低電力状態で動作させて減光を供給するように構成されている。
【００３７】
さらなる別の実施形態では、エネルギ管理ゲートウェイ２４０は、複数の直流バスに亘る負荷及び電源の平衡化のために、直流バス２２４を直流バス２２４’に選択的に接続するように、相互接続管理装置５０４を動作させるように構成されている。例えば、ある一つの実施形態では、ローカルの再生可能エネルギ源２２８又はローカルのエネルギ貯蔵器２３２からの余剰電力は、この余剰電力を直流バス２２４’上の直流負荷が特定の時間に利用することができるように、直流バス２２４’へとルーティングされ又はその逆にされる。
【００３８】
ある一つの実施形態では、相互接続管理装置５０４は、直流バス２２４を直流バス２２４’に選択的に相互接続するように構成された接触器を含む。別の実施形態では、相互接続管理装置５０４は、リレー、接触器、ＤＣ／ＤＣコンバータ、ダイオード、固体スイッチ、抵抗器、及び、直流バス２２４を直流バス２２４’に選択的に相互接続するように構成された類似の装置のような、他の構成のコンポーネントを含む。図５に図示された実施形態では、相互接続管理装置５０４は、直流電力サーバ２０４及び２０４’とは別個に存在する。しかしながら、いくつかの実施形態では、類似の相互接続管理装置は、直流電力サーバ２０４及び２０４’の筐体内に組み込まれている。さらなる別の実施形態では、類似の相互接続管理装置は、各直流電力サーバのエネルギ源入力部同士の間に構成されている。ある一つの実施形態では、ローカルの再生可能エネルギ源２２８又はローカルのエネルギ貯蔵器２３２からの余剰電力が、直流電力サーバ２０４’に直接的にルーティングされ又はその逆にされる。いくつかの実施形態では、相互接続管理装置を含むように建物を改造するために、建物内に冗長的に存在する交流配線を使用することができる。
【００３９】
複数の直流小配電網を有する電力分配システムでは、対応する直流電力サーバＡ乃至Ｇ同士を、図６に図示された種々の構成で相互接続することができる。いくつかの実施形態では、直流電力サーバＡ乃至Ｇは、以下のいずれかの構成で、すなわち、「サークル型」構成６０４、「チェーン型」構成６０８、「全チャネル型」構成６１２、「集中型」構成６１６、「ウェブ型」構成６２０、「ホイール型」構成６２４、「Ｙ型」構成６２８、及び、「分岐型」構成６３２のいずれかの構成で、相互接続されている。
【００４０】
いくつかの実施形態では、相互接続されたマルチ配電網電力分配システムにおける直流電力サーバの一つがマスタとして機能し、他の直流電力サーバはスレーブとして機能する。別の実施形態では、総ての直流電力サーバがスレーブとして機能し、ネットワーククラウド又はネットワークサーバがマスタとして機能して、スレーブである直流電力サーバに命令する。
【００４１】
マスタである直流電力サーバ又はネットワーククラウドは、システム全体の動作を最適化してエネルギの安全性を保証するように、スレーブである直流電力サーバの動作状態を命令するように構成されている。直流電力サーバは、スレーブとして機能する場合、どの動作モードを引き受けるべきかに関して自身のマスタから指示を受信する。しかしながら、直流電力サーバがマスタモードであっても、又は、スレーブモードであっても、それぞれの直流電力サーバは常に、自身にローカルに接続された直流負荷に対して動作状態を決定し、指示することができる。
【００４２】
いくつかの実施形態では、それぞれの直流電力サーバは、システム内の関係性をリアルタイムで変更し、必要に応じてマスタからスレーブに又はその逆に切り替わるように構成されている。ある一つの実施形態では、マスタである直流電力サーバが、コンポーネントの誤動作又は他の理由のために機能停止した場合に、スレーブである直流電力サーバのいずれかが、マスタとしての動作を引き受ける。
【００４３】
図面及び前述の説明において本開示を詳細に説明してきたが、これらの図面及び前述の説明は、例示的なものとしてみなすべきであり、限定する性質のものとみなすべきではない。好ましい実施形態だけが示されており、本開示の趣旨に含まれる総ての変更、修正及びさらなる応用に対して保護が望まれていることを理解すべきである。
【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６】
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