(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクティブモード及びアクティブスタンドバイモードを少なくとも含む複数の動作モードを有する電力システムであって、
電力供給を所望の出力に適合させるように構成された電力変換器と、
前記電力変換器を前記アクティブモード及び前記アクティブスタンドバイモードで制御する制御器と、
少なくとも一の電源と前記電力変換器との間に連結された電源側スイッチと、
前記少なくとも一の電源とグリッドとの間に連結されたグリッド側スイッチと、
を備え、
前記電力変換器は、前記電力変換器がゲーティング状態となるように当該電力システムが前記アクティブモードである際に、ゲート信号を受信する複数の半導体スイッチを有し、
前記制御器は、当該電力システムが前記グリッドと同期される間に、前記電力変換器が非ゲーティング状態である前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきかどうかを判断するように構成され、且つ、電力指令が不感帯内にある場合で当該電力システムが前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきであると判断されると、当該電力システムが前記アクティブスタンドバイモードとなるように前記電力変換器を非ゲーティング状態に制御するように構成されており、
前記電源側スイッチと前記グリッド側スイッチは、前記アクティブモード及び前記アクティブスタンドバイモードの両モードにおいて閉じられ、
前記電力変換器は、前記少なくとも一の電源と前記グリッドとの間に連結された電力インバータであり、
前記制御器は、前記電力インバータを初期化するように更に構成されており、
前記電力変換器を初期化するように構成された前記制御器は、前記少なくとも一の電源からＤＣバスを充電するように構成され、且つ、前記電源側スイッチを閉じるように構成され、且つ、前記電力変換器を前記グリッドと同期させるように構成され、且つ、前記電力変換器を前記ゲーティング状態にさせるように構成され、且つ、前記電力変換器と前記グリッドとの間に連結された前記グリッド側スイッチを閉じることにより、当該電力システムをグリッド・タイモードとするように構成され、且つ、アクティブスタンドバイモードを初期化してＯＦＦとするように構成されている
ことを特徴とする電力システム。
【請求項２】
アクティブモード及びアクティブスタンドバイモードを少なくとも含む複数の動作モードを有する電力システムであって、
電力供給を所望の出力に適合させるように構成された電力変換器と、
該電力変換器を前記アクティブモード及び前記アクティブスタンドバイモードで制御する制御器と、
を備え、
前記電力変換器は、前記電力変換器がゲーティング状態となるように当該電力システムが前記アクティブモードである際に、ゲート信号を受信する複数の半導体スイッチを有し、
前記制御器は、当該電力システムがグリッドと同期される間に、前記電力変換器が非ゲーティング状態である前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきかどうかを判断するように構成され、且つ、電力指令が不感帯内にある場合で当該電力システムが前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきであると判断されると、当該電力システムが前記アクティブスタンドバイモードとなるように前記電力変換器を非ゲーティング状態に制御するように構成されており、
当該電力システムが前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきかどうかを判断するように構成された前記制御器は、前記電力指令が正であるか又は負であるかを判断することにより、当該電力システムが充電状態又は放電状態であるかどうかを判断するように構成され、且つ、当該電力システムが前記充電状態であると判断された場合には前記電力指令を第１所定閾値と比較し、前記電力指令が前記第１所定閾値よりも高いと判断された場合には当該電力システムはアイドル状態であり前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきであると判断するように構成され、且つ、当該電力システムが前記放電状態であると判断された場合には前記電力指令を第２所定閾値と比較し、前記電力指令が前記第２所定閾値よりも低いと判断された場合には当該電力システムは前記アイドル状態であり前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきであると判断するように構成されている
ことを特徴とする電力システム。
【請求項３】
前記第１所定閾値は第１上限閾値と第１下限閾値とを含み、第２所定閾値は第２上限閾値と第２下限閾値とを含み、
当該電力システムが前記充電状態であると判断される際には、前記アクティブスタンドバイモードに進入するかどうかを判断するために前記電力指令は前記第１下限閾値と比較され、前記アクティブモードに進入するかどうかを判断するために前記電力指令は前記第１上限閾値と比較され、
当該電力システムが前記放電状態であると判断される際には、前記アクティブスタンドバイモードに進入するかどうかを判断するために前記電力指令は前記第２下限閾値と比較され、前記アクティブモードに進入するかどうかを判断するために前記電力指令は前記第２上限閾値と比較される
ことを特徴とする請求項２に記載の電力システム。
【請求項４】
電力変換器がグリッドと同期されておりゲーティング状態であるアクティブモードと、前記電力変換器が前記グリッドと同期されているがゲーティング状態ではないアクティブスタンドバイモードとを少なくとも含む複数の動作モードを有する電力システムを制御する方法であって、
電力指令を所定閾値と比較し、比較結果に基づき前記電力システムが前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきかを判断する工程と、
前記電力システムが前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきであると判断された場合に、非ゲーティング状態となるように前記電力変換器を制御する工程と、
を備え、
前記電力指令を前記所定閾値と比較し、前記比較結果に基づき前記電力システムが前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきかを判断する工程は、
前記電力指令が正であるか又は負であるかを判断することにより、前記電力システムが充電状態又は放電状態であるかどうかを判断する工程と、
前記電力システムが前記充電状態であると判断された場合には前記電力指令を第１所定閾値と比較し、前記電力指令が前記第１所定閾値よりも高いと判断された場合には前記電力システムはアイドル状態であり前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきであると判断する工程と、
前記電力システムが前記放電状態であると判断された場合には前記電力指令を第２所定閾値と比較し、前記電力指令が前記第２所定閾値よりも低いと判断された場合には前記電力システムは前記アイドル状態であり前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきであると判断する工程と、
を含む
ことを特徴とする方法。
【請求項５】
アクティブモード及びアクティブスタンドバイモードを少なくとも含む複数の動作モードで動作する電力インバータシステムであって、
電源とグリッドとの間で電力変換するための電力インバータと、
前記電力インバータを前記アクティブモード及び前記アクティブスタンドバイモードで制御する制御器と、
を備え、
前記電力インバータは、前記アクティブモードでの動作時に、前記電力インバータがゲーティング状態となるようにゲート信号を受信する複数の半導体スイッチを有し、
前記制御器は、前記電力インバータを前記グリッドと同期させるように構成され、且つ、前記複数の半導体スイッチが前記ゲート信号を受信するように、前記アクティブモードで非ゲーティング状態とするために前記電力インバータを制御するように構成され、且つ、前記電力インバータが非ゲーティング状態である場合に、前記電力インバータが前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきかどうかを判断するように構成され、且つ、前記アクティブスタンドバイモードである場合に、前記非ゲーティング状態とするために前記電力インバータを制御するように構成されており、
前記電力インバータが前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきかどうかを判断するように構成された前記制御器は、電力指令が正であるか又は負であるかを判断するように構成され、且つ、前記電力指令が負であると判断された場合には前記電力指令を第１所定閾値と比較し、前記電力指令が前記第１所定閾値よりも高いと判断された場合には前記電力インバータは前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきであると判断するように構成され、且つ、前記電力指令が正であると判断された場合には前記電力指令を第２所定閾値と比較し、前記電力指令が前記第２所定閾値よりも低いと判断された場合には前記電力インバータは前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきであると判断するように構成されている
ことを特徴とする電力インバータシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本特許出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）の下で、参照することにより本明細書に組み込まれる２０１５年７月２日に出願された米国特許仮出願番号第６２／１８８，２８２号の出願日の利益を主張する。
【０００２】
本発明は、一般的には、電源及びグリッド間の電力変換用電力変換器に関しており、より詳細には、アクティブスタンドバイモードを含む複数の動作モードを有する電力変換器と、それを制御する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
電力システムは、グリッド（例えば、局所的負荷及び／又はユーティリティグリッドを有するマイクログリッド）に電力を供給するために、複数の分散型電源（例えば、分散型発電機、バッテリーバンク）、及び／又は風力タービン又はソーラーパネル等の再生可能資源を含んでよい。電力システムは、電源とグリッドとの間の電力を変換する電力インバータ等の電力変換器を含んでよい。このような電力変換は、ＡＣ／ＤＣ、ＤＣ／ＤＣ、ＡＣ／ＡＣ及びＤＣ／ＡＣを含んでよい。
【０００４】
マイクログリッドシステムは、様々な連系分散型エネルギー資源（例えば、発電機や電力貯蔵装置）や負荷を含んでよい。マイクログリッドシステムは、遮断器等のスイッチ及び／又は接触器を介して、主要ユーティリティグリッドに連結されてよい。マイクログリッドシステムが主要ユーティリティグリッドに接続される場合には、主要ユーティリティグリッドは、マイクログリッドシステムの局所的負荷に電力を供給してよい。主要ユーティリティグリッド自体が局所的負荷に電力を供給してもよく、又は主要ユーティリティグリッドがマイクログリッドの電源と併用されて局所的負荷に電力を供給してもよい。
【０００５】
ハードウェア及びソフトウェアシステムを備える制御器は、マイクログリッドシステムを制御管理するために採用されてよい。更に、制御器は、スイッチのＯＮ／ＯＦＦ状態を制御可能であって、それに応じてマイクログリッドシステムは、主要グリッドに対して接続又は切断されてよい。マイクログリッドシステムの系統接続動作は、通常、「グリッド・タイ」モードと称され、系統切断動作は、通常、「単独運転」又は「独立」モードと称される。グリッド・タイモードのマイクログリッドシステムは、主要グリッドから遮断可能であり、停電等の異常な動作条件が主要ユーティリティグリッドで発生した場合に単独運転モードに移行可能とすべきである。
【０００６】
マイクログリッドがバッテリーバンクを含む際には、電池電力貯蔵システムを用いてマイクログリッドに対する給電又は受電が行われてよい。電池電力貯蔵システムは、スマートグリッドシステムにおいて電力貯蔵装置として用いることができる。太陽電池／ソーラーパネルや風力タービン等の再生可能エネルギー源は、予測不能で不都合な天気パターンに左右される断続的なエネルギー源である。発電源は、負荷のニーズをほとんど満たさず、従って電力貯蔵装置の提供が望まれる。電力貯蔵及び電力供給の両方が可能である電力貯蔵装置を用いると、マイクログリッドシステムは、局所的負荷に、信頼性が高く且つ安定した電力を供給することが可能となる。
【０００７】
電力貯蔵装置は、再生可能源（及び潜在的にはグリッド）からの過剰エネルギーを貯蔵することもできる。例えば、再生可能エネルギー発電は、マイクログリッドの負荷需要を超える可能性がある。電力貯蔵能力が無い場合には、余剰電力は失われてしまう。電力貯蔵装置がマイクログリッドで採用される場合には、余剰電力はバッテリー内に貯蔵されることでキャプチャできる。電力貯蔵装置は、この電力を局所的負荷や必要な場合には主要ユーティリティグリッドさえにも供給できる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の電池電力貯蔵システム等の電力システムでは、電源又は貯蔵装置が電力供給を常時行うわけではない。例えば、自動電圧応答等のグリッド安定性サービスを提供するバッテリーバンクの場合には、バッテリーは放電も充電も行わなくてもよい。上記の電池電力貯蔵システム等の電力システムは、「ＯＦＦ」状態と「ＯＮ」状態を有する。「ＯＦＦ」状態中は、スイッチは開かれており、インバータはグリッドと同期されていない。従って、バッテリーバンクが充電も放電も行っていない場合に「ＯＦＦ」状態を用いて節電できる。しかしながら、スイッチは、接触器等の機械的又は電気機械的スイッチである。よって、システムが動作する必要がある場合（例えば、バッテリーに対して給電又は受電が必要な場合）には、設定時間は、これら機械的スイッチの閉時間によって制限され、最大で数百ミリ秒又は数ユーティリティ電圧サイクルであろう。この規模の遅延は、電力システムのユーザには望ましくない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の実施形態は、インバータシステムの応答時間及び省エネルギーを向上させるアクティブスタンドバイモードを含む複数の動作モードを有する電力変換器、システム及び制御方法を含む。
【００１０】
一の態様では、アクティブモード及びアクティブスタンドバイモードを少なくとも含む複数の動作モードを有する電力システムは、電力変換器と制御器を含む。前記電力変換器は、電力供給を所望の出力に適合させるように構成されており、前記電力変換器は、該電力変換器がゲーティング状態となるように前記電力システムが前記アクティブモードである際に、ゲート信号を受信する複数の半導体スイッチを備える。前記制御器は、該電力変換器を前記アクティブモード及び前記アクティブスタンドバイモードで制御し、前記制御器は、前記電力変換器がグリッドと同期される間に、前記電力システムが、前記電力変換器が非ゲーティング状態である前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきかどうかを判断するように構成され、前記電力システムが前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきであると判断されると、前記電力システムが前記アクティブスタンドバイモードとなるように前記電力変換器を非ゲーティング状態に制御するように構成される。
【００１１】
前記電力変換器は、前記電源と電力インバータとの間に連結されてよく、前記制御器は、前記電力インバータがグリッドと同期される間に、前記電力システムが前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきかどうかを判断してよい。
【００１２】
前記電力変換器は、前記電源とグリッドとの間に連結された電力インバータであってよく、前記制御器は、前記電力インバータが前記グリッドと同期される間に、前記電力システムが前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきかどうかを判断してよい。
【００１３】
前記電力システムは、前記少なくとも一の電源と前記電力変換器との間に連結された電源側スイッチと、前記少なくとも一の電源とグリッドとの間に連結されたグリッド側スイッチと、を更に備えてよく、前記電源側スイッチと前記グリッド側スイッチは、前記アクティブモード及び前記アクティブスタンドバイモードの両モードにおいて閉じられてよい。
【００１４】
前記電力システムは、前記電源と前記グリッドとの間に連結された電力インバータを有してもよく、前記制御器は、前記電力インバータを初期化するように構成されてよい。前記電力変換器を初期化する際には、前記制御器は、前記少なくとも一の電源からＤＣバスを充電するように構成され、且つ前記電源側スイッチを閉じるように構成され、且つ前記電力変換器を前記グリッドと同期させるように構成され、且つ前記電力変換器を前記ゲーティング状態にさせるように構成され、且つ前記電力変換器と前記グリッドとの間に連結された前記グリッド側スイッチを閉じることにより、前記電力システムをグリッド・タイモードとするように構成され、且つアクティブスタンドバイモードを初期化してＯＦＦモードとするように構成されてよい。
【００１５】
前記少なくとも一の電源は、エネルギー貯蔵装置を含んでよく、前記電力システムは、放電状態と、充電状態と、アイドル状態とで動作してよい。放電及び充電状態内では、前記制御器は、前記電力変換器を制御して前記エネルギー貯蔵装置を放電及び充電させる。そして前記制御器は、前記電力システムがアイドル状態の際に、前記電力システムが前記アクティブモードに進入すべきかどうかを判断してよい。
【００１６】
前記制御器は、電力指令を所定閾値と比較し、且つ該比較に基づいて判断を行うことにより、前記電力システムが前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきかどうかを判断してよい。
【００１７】
前記所定閾値は上限閾値と下限閾値とを含んでよい。この場合、前記制御器は、アクティブスタンドバイモードに進入するかどうかを判断する際に前記電力指令を前記下限閾値と比較し、アクティブモードに進入するかどうかを判断する際に前記電力指令を前記上限閾値と比較してよい。
【００１８】
前記制御器は、前記電力指令を前記所定閾値と比較し続けることにより、前記電力システムが前記アクティブスタンドバイモードから退出して前記アクティブモードに進入すべきかどうかを判断してよく、前記電力指令が前記所定閾値を超過する場合に前記電力変換器を前記ゲーティング状態に制御してよい。
【００１９】
前記制御器は、前記電力システムが充電状態又は放電状態であるかどうか（例えば、電力指令が正であるか又は負であるか）を判断することにより、前記電力システムが前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきかどうかを判断するように構成されてよい。前記電力システムが前記充電状態であると判断される際には、前記制御器は、前記電力指令を第１所定閾値と比較し、前記電力指令が前記第１所定閾値よりも高いと判断される際には前記電力システムはアイドル状態であり前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきであると判断してよい。前記電力システムが前記放電状態であると判断される際には、前記制御器は、前記電力指令を第２所定閾値と比較し、前記電力指令が前記第２所定閾値よりも低いと判断される際には前記電力システムは前記アイドル状態であり前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきであると判断してよい。
【００２０】
前記第１所定閾値は第１上限閾値と第１下限閾値とを含んでよく、第２所定閾値は第２上限閾値と第２下限閾値とを含んでよい。前記電力システムが前記充電状態であると判断される際には、前記アクティブスタンドバイモードに進入するかどうかを判断するために前記電力指令は前記第１下限閾値と比較され、前記アクティブモードに進入するかどうかを判断するために前記電力指令は前記第１上限閾値と比較される。前記電力システムが前記放電状態であると判断される際には、前記アクティブスタンドバイモードに進入するかどうかを判断するために前記電力指令は前記第２下限閾値と比較され、前記アクティブモードに進入するかどうかを判断するために前記電力指令は前記第２上限閾値と比較される。
【００２１】
前記電力システムは、前記電力変換器と前記グリッドとの間に連結され、有効（real）電力及び無効電力を測定する一又は複数のセンサとを備えてもよく、前記電力指令は、前記一又は複数のセンサによって測定された前記有効電力及び無効電力に基づいて決定される。
【００２２】
前記電力システムは、一のマスタ制御器からスタンドバイモードに進入するためのユーザ指令を受信し、且つ前記ユーザ指令が受信されると前記電力システムが前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきであると判断するように更に構成された制御器を備えてもよい。
【００２３】
前記制御器は、前記ゲート信号と、前記電力システムが前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきかどうかに関する判断結果とに対して、ＡＮＤ動作を実行するように構成されてよい。
【００２４】
前記電力変換器は、少なくとも一の電源とユーティリティグリッドとの間に連結されてよく、前記電力変換器は、一又は複数の局所的負荷を有するマイクログリッドに電気的に連結されてよい。前記制御器は、グリッド事象が前記ユーティリティグリッドでいつ発生するかを判断するように更に構成され、前記グリッド事象が発生したと判断されると単独運転スイッチを開いて前記電力変換器を前記ユーティリティグリッドから切断するように更に構成され、前記電力システムが前記アクティブスタンドバイモードであり、前記グリッド事象が発生したと判断される場合には、前記電力変換器がゲーティングを行って前記一又は複数の局所的負荷に電力供給を行うように前記アクティブモードに進入するように更に構成されてよい。
【００２５】
前記制御器は、前記システムが前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきかどうかを判断するように構成され、グリッド周波数を所定閾値と比較するように構成され、前記比較に応じて、前記電力システムが前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきかどうかを判断するように構成されてよい。
【００２６】
他の態様では、電力変換器がグリッドと同期されておりゲーティング状態であるアクティブモードと、前記電力インバータが前記グリッドと同期されておりゲーティング状態ではないアクティブスタンドバイモードとを少なくとも含む複数の動作モードを有する電力システムを制御する方法は、電力指令を所定閾値と比較し、且つ該比較に基づき前記電力システムが前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきかを判断することと、前記電力システムが前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきであると判断される際に、前記電力変換器を制御して非ゲーティング状態とすることと、を含む。
【００２７】
前記電力指令を前記所定閾値と比較する前に、前記方法は、前記電力変換器を初期化することを更に備えてよく、前記初期化することは、前記電力変換器を前記グリッドと同期させることと、前記電力変換器を前記ゲーティング状態に進入させることと、前記電力システムがグリッド・タイモードとなるように前記電力変換器と前記グリッドとの間に連結されたスイッチを閉じることと、アクティブスタンドバイモードを初期化してＯＦＦとすることと、を備える。
【００２８】
前記方法は、前記電力システムが前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきであると判断した後に、前記電力システムが前記アクティブスタンドバイモードから退出して前記アクティブモードに進入すべきかを判断するために、前記電力指令を前記所定閾値と比較し続けることを更に備えてよい。
【００２９】
前記電力指令を所定閾値と比較し、且つ該比較に基づき前記電力システムが前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきかを判断することは、前記電力指令が正であるか又は負であるかを判断することにより、前記電力システムが充電状態又は放電状態であるかどうかを判断することと、前記電力システムが前記充電状態であると判断される際には前記電力指令を第１所定閾値と比較し、前記電力指令が前記第１所定閾値よりも高いと判断される際には前記電力システムはアイドル状態であり前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきであると判断することと、前記電力システムが前記放電状態であると判断される際には前記電力指令を第２所定閾値と比較し、前記電力指令が前記第２所定閾値よりも低いと判断される際には前記電力システムは前記アイドル状態であり前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきであると判断することと、を備えてよい。
【００３０】
前記方法は、一の個別マスタ制御器から前記電力指令を受信することを更に備えてよい。
【００３１】
前記方法は、グリッド事象がいつ発生するかを判断することと、前記グリッド事象が発生したと判断されると単独運転スイッチを開いて前記電力インバータを前記グリッドから切断することと、前記電力システムが前記アクティブスタンドバイモードであり、前記グリッド事象が発生したと判断される場合には、前記電力変換器がゲーティングを行って局所的負荷に電力供給を行うように前記アクティブモードに進入することと、を更に備えてよい。
【００３２】
他の態様では、アクティブモード及びアクティブスタンドバイモードを少なくとも含む複数の動作モードで動作する電力インバータシステムは、電力インバータと制御器とを備える。前記電力インバータは、電源とグリッドとの間で電力を変換する。前記電力インバータは、該電力インバータがゲーティング状態となるように前記アクティブモードで動作する際には、ゲート信号を受信する複数の半導体スイッチを備えてよい。前記制御器は、該電力インバータを前記アクティブモード及び前記アクティブスタンドバイモードで制御する。前記制御器は、前記電力インバータを前記グリッドと同期させるように構成され、前記複数の半導体スイッチが前記ゲート信号を受信するような前記アクティブモードで前記電力インバータを非ゲーティング状態に制御するように構成され、前記電力インバータが、前記電力インバータが非ゲーティング状態である前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきかどうかを判断するように構成され、前記アクティブスタンドモードの際に、前記インバータを非ゲーティング状態に制御するように構成されてよい。
【００３３】
前記複数の半導体スイッチは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、炭化珪素装置、及びＭＯＳＦＥＴのうちの少なくとも一つを備えてよい。
【００３４】
前記制御器は、電力指令を所定閾値と比較し、且つ該比較に応じて前記インバータが前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきかどうかを判断することにより、前記電力インバータが前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきかどうかを判断するように構成されてよい。
【００３５】
前記電力インバータが前記アクティブスタンドバイモードの間に、前記制御器は、前記電力指令を前記所定閾値と比較し、前記電力インバータが前記アクティブスタンドバイモードから退出して前記アクティブモードに進入すべきかどうかを判断してよい。
【００３６】
前記電力インバータが前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきかどうかを判断するように構成された前記制御器は、電力指令が正であるか又は負であるかを判断するように構成され、且つ前記電力指令が負であると判断される際には前記電力指令を第１所定閾値と比較し、前記電力指令が前記第１所定閾値よりも高いと判断される際には前記電力インバータは前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきであると判断するように構成され、且つ前記電力指令が正であると判断される際には前記電力指令を第２所定閾値と比較し、前記電力指令が前記第２所定閾値よりも低いと判断される際には前記電力インバータは前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきであると判断するように構成された前記制御器を含んでよい。
【００３７】
前記制御器は、一のマスタ制御器からスタンドバイモードに進入するためのユーザ指令を受信し、且つ前記ユーザ指令が受信されると前記電力インバータが前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきであると判断するように更に構成されてよい。
【００３８】
前記電力インバータシステムでは、前記制御器は、前記ゲート信号と、前記電力インバータが前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきかどうかに関する判断結果とに対して、ＡＮＤ動作を実行するように構成されてよい。
【００３９】
前記制御器は、グリッド事象がいつ発生するかを判断するように更に構成され、前記電力インバータが前記アクティブスタンドバイモードであり、前記グリッド事象が発生したと判断される場合には、前記電力インバータがゲーティングを行って局所的負荷に電力供給を行うように前記アクティブモードに進入するように更に構成されてよい。
【００４０】
前記制御器は、グリッド周波数を所定閾値と比較するように構成され、且つ前記比較に応じて、前記電力システムが前記アクティブスタンドバイモードに進入すべきかどうかを判断するように構成されてよい。
【００４１】
本発明の他の利得は、添付の図面に関連して考慮する際に次の詳細な説明を参照してより理解されるため、容易に明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１Ａは、本発明の実施形態に係る電力システムを示す電気接続図であり、図１Ｂは、図１Ａに示すフィルタのインダクタと電力変換器の回路を示す電気接続図である。
【図２】電力変換器がグリッドと同期される間に電力システムが複数の動作モードを実施する本発明の実施例に係る電力システムを制御する方法を示す図であり、図２Ａは電力変換器がグリッドと同期される間に電力変換器２００を初期化する方法を示す図であり、図２Ｂは複数の動作モードを実施する方法を示す図である。
【図３】電力システムが電力貯蔵装置に接続されており複数の動作モードを実施する本発明の実施例に係る電力システムを制御する方法を示す図である。
【図４】電力システムがグリッド・タイモードと単独運転モードとで動作する本発明の実施例に係る電力システムを制御する方法を示す図である。
【図５】図５Ａは、本発明の実施例に係る電力システムを示す電気接続図であり、図５Ｂは、図１Ａに示す電力変換器の回路を示す電気接続図である。
【図６】電力指令を不感帯と比較し、ゲーティング状態に進入／退出する制御スキームを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
ここで、添付の図面に例が示された詳細な実施形態を参照する。以下の詳細な説明では、本発明を熟知するために特定の詳細が多数述べられる。しかしながら、本発明がこれら特定の詳細無しに実施されることは当業者には明らかである。
【００４４】
以下の本発明の説明では、専門用語は参照のみに用いられており、限定するものではない。例えば、「第１」、「第２」等の文言が各種要素を説明するために本明細書で用いられるが、これらの要素はそれらの文言に限定されるべきではない。これらの文言は、一の要素を他の要素から区別するためのみに用いられる。本発明の説明や添付の請求項の範囲で用いられるように、単数形「一の（a）」、「一の（an）」、「前記（the）」は、文中で特に明らかに示されない限り、複数形を含むものである。また、本明細書で用いられる文言「及び／又は（and/or）」は、関連する列挙された文言のうちの一又は複数の文言の考えられる全ての組み合わせを言及且つ包含する。文言「備える（comprises）」及び／又は「備え（comprising）」は、本明細書で用いられる際には、記載された特徴、整数、ステップ、動作、要素、及び／又は構成要素の存在を特定するが、一又は複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、及び／又はそれらの群の存在又は追加を排除するものではないことも、更に理解されよう。
【００４５】
図１Ａは、本発明の実施形態に係る電力システム１００を示す電気接続図である。図１Ｂは、図１Ａに示すフィルタ１７４のインダクタと電力変換器２００の回路を示す電気接続図である。
【００４６】
図１Ａを参照すると、本発明の実施形態に係る電力システム１００は、電力変換器２００と、入力部１１０と、スイッチ１２０及び１３０と、センサ１４０及び１５０と、制御器３００とを含んでよい。入力部１１０は、電力システム１００に電力を供給する電源（例えば発電機又は電力貯蔵装置）と連結される。入力部１１０は、電源側スイッチ１２０と電気的に連結される。電力変換器２００は、入力部１１０に連結された電源と、グリッド接続部１６０で電力システム１００に連結されたグリッドとの間で電力を変換する。グリッド側では、電力変換器２００はグリッド側スイッチ１３０と連結され、グリッド側スイッチ１３０はグリッド接続部でグリッドと連結される。電力変換器２００による電力変換は、ＡＣ／ＤＣ、ＤＣ／ＤＣ、ＡＣ／ＡＣ及びＤＣ／ＡＣを含んでよい。
【００４７】
一の実施形態では、電力変換器２００は、ＤＣ及びＡＣ間で電力を変換する双方向電力インバータであってよい。インバータ２００は、ＤＣ及びＡＣ間で電力を変換してよく、異なるスキームで制御されてよい。例えば、グリッド・タイスキームでは、電力インバータは構築グリッド（例えば、ユーティリティグリッド）と接続しており、電流源モードで動作している。グリッド形成スキームでは、インバータはグリッドを設定又は生成しており、電圧源モードで動作している。
【００４８】
他の実施形態では、電力変換器は、電源１１０と、電力インバータ２００等の他の電力変換器２００との間に連結された電力変換器２０２であってよい。このような例は図５Ａ及び図５Ｂで示される。この例では、電力インバータ２００は入力部１１０とグリッド接続部１６０との間で連結され、電力変換器２０２は電力インバータ２００と入力部１１０との間で連結される。図５Ａ及び図５Ｂに示す例では、電力変換器２０２は、電圧源を電力インバータ２００に提供するＤＣ／ＤＣ電力変換器であってよい。ＤＣ／ＤＣ電力変換器２０２を介した電力（エネルギー）の流れは変調されてインバータ２００に対して適切な電圧源が維持される。他の実施形態では、電力変換器２０２は、入力部１１０でＡＣ源（例えば、風力タービン）に連結されたＡＣ−ＤＣ変換器２０２であってよい。そしてＡＣ−ＤＣ変換器２０２は、ＤＣ−ＤＣインバータ２００に連結されてよい。本実施形態では、ＡＣ−ＤＣ変換器２０２を介した電力（エネルギー）の流れは変調されてインバータ２００に対して適切な電圧源が維持され、インバータ２００は、電力をグリッド接続部１６０に適切なＡＣに変換する。
【００４９】
電力システム１００は、ヒューズ１７０、手動切断スイッチ１７２、プリチャージ回路１２２、ＬＣフィルタ１７４、及びグリッド回路ブレーカ１７６等の付加的要素を含んでもよい。ヒューズ１７０は、故障の場合に入力部１１０を電力変換器２００から切断するものである。手動切断スイッチ１７２は、電力システム１００の機器を保守点検するために手動で開くことができる。プリチャージ回路１２２はＤＣバスを事前充電するために用いられてよい。ＬＣ又は共振フィルタ１７４は、電力変換器２００のＡＣ出力をフィルタリングするように構成されてよい。電力変換器２００のＡＣ出力は、通常、他の周波数の高調波及び／又はノイズを含んでよい。出力ＬＣフィルタ２００は、これらの高調波及び／又はノイズをフィルタリング除去するように構成されてよい。回路ブレーカ１７６は、電力システム１００の機器を保守点検できるように手動で開くことができる。或いは回路ブレーカ１７６は、過電流時に、グリッド接続部１６０に接続されたグリッドから切断するために開いてよい。
【００５０】
グリッド接続部１６０は、マイクログリッド及び／又は主要（ユーティリティ）グリッドとの接続部であってよい。マイクログリッドは、一又は複数の分散型エネルギー資源（分散型発電機及び電力貯蔵装置）と、局所領域内の局所的負荷とを含んでよい。電力システム１００がグリッド接続部１６０を介してマイクログリッドに接続される際には、入力部１１０に接続された電源は、マイクログリッドの複数の分散型エネルギー資源のうちの一の分散型エネルギー資源（即ち、一の発電機又は一の電力貯蔵装置）である。負荷は、一のユーザ（例えば、ユーティリティ顧客）、一群のサイト、又は連携動作する分散型サイトであってよい。分散型発電機は、往復エンジン発電機、マイクロタービン、燃料電池、太陽電池／ソーラーパネル、風力タービン等を含んでよい。マイクログリッドの分散型エネルギー資源は、マスタ（又はユーザ）制御器４００によって調和されてよい。マスタ制御器４００は、電力システム１００の制御器３００から物理的に離れていてよく、若しくは同じ筐体に収められてよく、或いは制御器３００と一体に又は制御器３００の一部として含まれてよい。マイクログリッドの局所的負荷は、マイクログリッドの分散型エネルギー資源及び／又はマイクログリッドが接続されたユーティリティグリッドによって電力供給されてよい。
【００５１】
一の実施形態では、入力部１１０に接続された電源は、グリッドに対する蓄電及び給電を行うバッテリー（複数のバッテリーを含むバッテリーバンクであってよい）等の電力貯蔵装置であってよい。この場合、入力部１１０はＤＣ入力部であり、電力変換器２００は、ＤＣ側のＤＣ電力をグリッド側でＡＣ電力に変換し且つ逆も同様である、３相双方向電力インバータであってよい。
【００５２】
電力システム１００がマイクログリッドに接続される際には、入力部１１０に接続されたバッテリーは、マイクログリッドの一又は複数の他の分散型エネルギー源から局所的負荷に電力を供給するには不必要な過剰エネルギーを貯蔵してよい。バッテリーは主要ユーティリティグリッドからのエネルギーを貯蔵してもよい。入力部１１０に接続されたバッテリーに貯蔵されたエネルギーは、主要ユーティリティグリッドの停電の場合に局所的負荷に供給されてよい。バッテリーに貯蔵されたエネルギーは、マイクログリッドが太陽電池／ソーラーパネルや風力タービン等の予測不能なエネルギー資源を更に多く含む際に、信頼性がより高く且つより安定した電力を供給するために用いられてもよい。
【００５３】
電源側スイッチ１２０は、ＤＣ接触器等の電気機械的スイッチであってよく、グリッド側スイッチ１３０は、ＡＣ摂食器等の電気機械的スイッチであってよい。電力システム１００が「ＯＦＦ」状態の場合には、電気機械的スイッチ１２０を開いて、電力変換器２００を入力部１１０に接続された電源と、グリッド接続部１６０に接続されたグリッドとから切断する。一方、電力システム１００が「ＯＮ」状態の場合には、電気機械的スイッチ１２０を閉じる。
【００５４】
ＤＣ側スイッチ１２０は、例えば、入力部１１０に接続されたバッテリーのバッテリー容器内、又は電力変換器２００内に含まれてよい。或いは、スイッチ１２０は、バッテリー及び電力変換器２００の両方の外側にあるサイトの一部として設置されてよい。加えて、グリッド側スイッチ１３０は、電力変換器２００内に含まれてよく、又は電力変換器２００の外側にあるサイトの一部であってよい。
【００５５】
電力変換器２００及び制御器３００は、電源とグリッドとの間で電力を変換する電力変換システムとして連動する。一の実施形態では、制御器３００は、電力システム１００の制御、監視、及び測定を担当し、電力システム１００が、マスタ（又はユーザ）制御器によって調和されるマイクログリッドに接続される場合には、マスタ（又はユーザ）制御器４００と通信してよい。スイッチ１２０及び１３０は、制御器３００によって制御されてよい。スイッチ１２０及び１３０は、リレーロジックを介して制御器３００によって電気的に動作されてよい。制御器３００は、スイッチ１２０とグリッド接続部１６０との間の複数のセンサ１５０を用いて、グリッドの電圧振幅、周波数及び位相を監視する。また制御器３００は、フィルタ１７４と電力変換器２００との間の複数のセンサ１５０を用いて、電力変換器２００のＡＣ出力電流振幅、周波数及び位相を監視する。制御器は、複数のセンサ１４０を介してＤＣ入力電圧を監視してもよい。複数のセンサ１４０及び１５０に関して、「V」及び「I」は夫々電圧測定値及び電流測定値を表し、「P」及び「PF」は夫々計算による電力及び計算による力率を表し、「Hz」は周波数測定値を表す。複数のセンサ１５０は電圧変換器を含んでよく、複数のセンサ１４０は絶縁電圧モニタを含んでよい。
【００５６】
制御器３００は、電力変換器２００のキャビネット内に位置してよく、又は電力変換器２００の外側にある制御器であってよい。制御器３００は、互いに通信しあう複数の制御器を含んでもよい。制御器３００が電力変換器２００内に収容される際には、制御器３００は、電磁波ノイズの制御器３００の動作への干渉を軽減するために、電力変換器２００のパワーエレクトロニクスから保護される環境に配置されてよい。電力変換器２００のパワーエレクトロニクスは、強制空気及び／又は液体によって積極的に冷却されよく、光ファイバゲート信号又は電気ゲート（ゲーティング）信号を用いて制御器３００によって制御されてよい。
【００５７】
図１Ｂ及び図５Ｂは、電力編変換器２００のパワーエレクトロニクスの実施形態を示す。図１Ｂ及び図５Ｂは、ＬＣフィルタ１７４のインダクタも示す。図１Ｂの実施形態では、電力変換器２００は双方向電力インバータである。図５Ｂの実施形態では、電力変換器２０２はＤＣ／ＤＣ変換器であり、電力変換器２００は電力インバータである。図１Ｂ及び図５Ｂを参照すると、電力変換器２００、２０２、及び２０４は、複数の半導体スイッチ２１０を含んでよい。半導体スイッチ２１０のゲート２１２は、電力変換器２００、２０２、及び２０４がゲーティングしている（即ち、ゲーティング状態である）際には、ゲート（ゲーティング）信号を受信する。ゲート信号は、半導体スイッチ２１０を切り替える複数のスイッチングパルスにより構成される。制御器３００は、電力変換器２００の出力をグリッドの正弦波と同期させるようにスイッチングパターンを制御する。電力変換器２００の出力をグリッドの正弦波と同期させる際には、制御器は、インバータの位相、振幅及び／又は周波数をグリッドのそれと一致させるように半導体スイッチを制御してよい。半導体スイッチ２１０は、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）であってよい。半導体スイッチ２１０の付加的な例は、炭化珪素等のワイドバンドギャップ半導体装置や、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を含む。
【００５８】
電力システム１００は、必ずしも常時グリッドに対する給電又は受電を行っているわけではない。これは「アイドル」状態と称される（即ち、有効電力設定値＝０ｋＷ）。節電するために、電力システム１００は、スイッチ１２０及び１３０を開いて電力システム１００を電源及びグリッドから切断する「ＯＦＦ」状態に置かれてよい。「ＯＦＦ」状態では、電力変換器２００はグリッドと同期されない。しかしながら、アイドル状態から満充電又は放電状態に移行する際の電力システム１００の応答時間は、ユーザにとって非常に重要である。これらスイッチの機械的な閉時間は、最大数百ミリ秒であってよい。これらの閉時間は、電力システム１００の応答時間に関する制限として役立つ。更に、ＤＣ電源に接続されたインバータは、機械的スイッチを閉じる前にＤＣバスを事前充電する必要がある。この事前充電動作は、２秒ほど応答時間を更に制限できる。
【００５９】
スイッチ１２０及び１３０の閉時間によって課される制限に対する一つの解決法は、電源及びグリッドに接続された電力システム１００から離れることであり、よってスイッチ１２０及び１３０は閉じられたままとなる。そして電力変換器２００は、制御器３００によって設定値０ｋＷに制御される。これは、電力変換器２００が電力を出力しない（即ち、０ｋＷ及び０ｋＶＡＲ）ように制御されることを意味する。この場合、電力システム１００は、アイドル状態の場合でさえも要求に対して迅速に応答できる。入力部１１０がバッテリーに接続され、且つグリッド接続部１６０が、風力タービンがエネルギー資源であるマイクログリッドに接続される例をとると、電力システム１００は、バッテリーを充電（例えば、突風）又はバッテリーを放電（例えば、風力資源の低下）する指令に対して迅速に応答できる。
【００６０】
この解決法は、スイッチ１２０及び１３０の閉時間に関連する問題を解決するけれども、電力変換器２００が電力を出力しないように制御される際でさえも、電力変換器２００はゲーティングしている。ゲーティングの際、ゲート２１２はゲート（ゲーティング）信号を未だ受信中であり、よって半導体スイッチ２１２は未だ切替中である。従って、電力は処理されていないけれども、電力システム１００は未だ損失を受けており、これらの損失はバッテリーからのエネルギーによって供給される。加えて、電力変換器２００の冷却システムは、半導体スイッチ２１２からの損失を除去するために実行される必要があってよい。
【００６１】
図２Ａ及び図２Ｂは、電力変換器２００がグリッドと同期される間に電力システム１００が複数の動作モードを実施する本発明の実施形態に係る電力システム１００を制御する方法を示す図である。図２Ａは電力変換器２００がグリッドと同期される間に電力変換器２００を初期化する方法を示す図である。図２Ｂは複数の動作モードを実施する方法を示す図である。図２Ａ及び図２Ｂは、ＤＣ電源とＡＣグリッドとの間に連結された双方向電力インバータにおいて複数の動作モードを実施する方法を示す。しかしながら、入力部とグリッド接続部はＤＣ入力部とＡＣグリッド接続部に限定されないことが理解されよう。例えば、入力部１１０は、ＤＣ又はＡＣ入力部であってよく、出力部はＤＣ又はＡＣグリッド接続部であってよい。加えて、グリッド接続部の代わりに、電力変換器は、図４Ａに示す例のように、他の電力変換器２００に接続された電力変換器２０２であってよい。
【００６２】
図２Ａを参照すると、グリッドと同期する前に、制御器３００は、電力変換器２００が実行する準備が整っているかどうかを判断する分析を実行してよい（ステップ５００）。この分析は、電力システム１００内に故障がないことを調査して確認することを含んでよく、任意の安全パラメータを調査する。開始指令の受信時（ステップ５１０）に、制御器は、電力変換器２００をグリッドと同期させる（ステップ５２０）。開始指令は、ユーザにより入力された又は制御器３００により自律的に生成された、マスタ制御器４００から受信した指令であってよい。制御器をグリッドと同期させる際には、制御器３００は、電力変換器２００の出力をグリッドの正弦波と同期させるように電力変換器２００の半導体スイッチ２１０のスイッチングパターンを制御する。電力変換器２００が入力部１１０でＤＣ電源に連結される際には、制御器は、ＤＣバスを事前充電するように電力システムを制御してよい（ステップ５３０）。ＤＣバスを事前充電する際には、電力システム１００は、入力部１１０に電力変換器２００を接続するスイッチ１２０を閉じる前に、ＤＣ電源からＤＣ電圧を徐々に増加させる。そして制御器は、ＤＣポートでバッテリーに電圧を加えるように、ＤＣスイッチ１２０を閉じてよい。グリッド接続部１６０に電力変換器２００を接続するＡＣスイッチ１３０を閉じる際には（ステップ５５０）、電力変換器２００は、該電力変換器２００がゲーティングしており、ＡＣ電圧を出力できるアクティブモードに進入する準備を整える。
【００６３】
図２Ｂを参照すると、制御器３００は、電力変換器２００がアクティブモードであるべき（電力変換器２００がゲーティングしている）か、又はアクティブスタンドバイモードであるべき（電力変換器２００がゲーティングしていない）かを先ず判断してよい（ステップ５６０）。ステップ５６０は、電力システム１００がアクティブモードであるべきか、又はアクティブスタンドバイモードであるべきかに関して、制御器３００によって行われる初期判断であってよい。代替実施形態では、制御器３００は、電力システム１００をアクティブモードで初期化してよく、その場合、ステップ５６０は、アクティブモードのままにするか、又はアクティブスタンドバイモードに進入するかに関する判断となろう。
【００６４】
電力変換器２００がアクティブモードであるべきか、又はアクティブスタンドバイモードであるべきかを判断する際には、制御器３００は、電力指令を所定不感帯（又は閾値）と比較して、電力指令が不感帯内か又は不感帯外かを判断する。不感帯は様々な方法に従って設定されてよい。その様々な方法は、例えば、規制機関によって課せられる要求に基づきユーザによって設定されること、又はシステム衝撃研究の結果として設定されることを含んでおり、これは局所的グリッド／電力システムの工業分析である。
【００６５】
電力指令は、電力インバータ２００が電力を供給／吸収するための指令であってよく、電力指令は、アクティブモードに進入するか、又はアクティブスタンドバイモードに進入するかを判断するために不感帯と比較される値である。電力指令は、マスタ制御器４００から制御器３００によって受信された指令であってよく、又は例えばセンサからの測定値に基づき制御器３００によって自律的に生成された指令であってよい。更に、電力指令は、マスタ制御器４００から受信した値又は測定値に基づき制御器３００によって算出された値であってよい。電力指令は、好ましくは、グリッドに対して供給又は吸収するように電力変換器２００が命令された有効電力量「P」である。しかしながら、電力指令は有効電力に制限されないことが理解されよう。電力指令は、有効電力指令P、又は無効電力指令Q、又は皮相電力指令であってもよい。
【００６６】
制御器３００がマスタ制御器４００から指令を受信中の際には、制御器３００に対する指令は、独立的にも、またインバータの皮相電力定格を超えないように直交追加される際にも、インバータの定格内で有効電力（P）及び無効電力（Q）指令であることが好ましい。有効電力指令P及び無効電力指令Qは、マイクログリッドの各種エネルギー資源を調和させているマスタ制御器４００から制御器３００によって受信された指令であってよい。この場合、有効電力指令P及び無効電力指令Qは、局所的負荷のニーズ（必要量）やマイクログリッドのエネルギー資源の出力電力等の各種ファクタに基づき算出されてよい。或いは、有効電力指令P及び無効電力指令Qは、例えば、センサ１５０からの測定値に基づき有効及び無効電力のニーズを算出することにより、制御器３００によって自律的に生成されてよい。
【００６７】
電力指令が不感帯内である場合には、制御器３００は、ゲーティングしないように電力変換器２００を制御し、これにより電力システム１００がアクティブスタンドバイモードに進入する（ステップ５６０−ＮＯ）。電力システム１００がアクティブスタンドバイモードの間は、制御器３００は、電力指令が不感帯から外れたかどうかを判断するために、電力指令を不感帯と比較し続ける。電力指令が不感帯外である場合には、制御器３００は、ゲーティングするように電力変換器２００を制御してよく、これにより電力システム１００がアクティブモードに進入する（ステップ５７０）。電力システム１００が一旦アクティブモードに進入すると、制御器３００は、電力指令が不感帯内に収まったかどうかを判断するために、電力指令を監視し続ける（ステップ５８０）。アクティブモード中に電力指令が不感帯に収まる場合には、電力システム１００は、制御器３００がゲーティングしないように電力システム１００を制御するアクティブスタンドバイモードに進入する。電力システム１００は、アクティブモード及びアクティブスタンドバイモード間の高速切替を防止するためにヒステリシスを用いてもよい。
【００６８】
図６は電力指令を不感帯と比較し、ゲーティング状態に進入／退出する制御スキームを示す図である。半導体スイッチ２１２は、パルス幅変調器（ＰＷＭ）から出力されたパルス幅変調信号によって制御されてよい。図６に示すように、電力指令と不感帯とを比較する比較器６２０の結果は、ＡＮＤゲートの複数の入力部のうちの一の入力部に入力される。ＡＮＤゲートの他の入力部は、パルス幅変調器６００の複数の出力のうちの一の出力を受信する。電力指令が不感帯から外れる場合には、比較器６２０の出力は高論理値（又は１）であり、ＡＮＤゲート６１０の出力はＰＷＭ６００の出力に一致する。電力指令が不感帯内である場合には、比較器６２０の出力は低論理（又は０）値であるため、複数のＩＧＢＴ２１０は、ＰＷＭ６００により出力されたゲーティング信号を受信しない。図６の制御スキームは、制御器３００のファームウェア内で生じた比較であってよく、又は制御器３００によって実施される制御論理の一部であってよい。
【００６９】
図２Ｂを再び参照すると、本方法は、停止指令を受信するステップを含んでもよい（ステップ５９０）。これは、マスタ制御器４００からの指令、又はユーザにより入力された指令であってよい。停止指令が受信された場合には（ステップ１９０）、電力変換器２００は動作を停止する。
【００７０】
制御器３００は、電力変換器２００をグリッドと同期させ、且つ電力システム１００をアクティブモードとアクティブスタンドバイモードとの間で移行させるように、電力システム１００を制御する。制御器３００は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）であってよく、又はデジタル信号処理（ＤＳＰ）ベース制御器であってよい。しかしながら、制御器３００がこれら二種類の制御器に限定されないことは理解されよう。
【００７１】
次の制御論理は、電力システム１００が入力部１１０でＤＣ電源に連結される際に、制御器が電力システム１００の初期化を実行している実施形態を示す。
【００７２】
while(grid_ok = 1 and state = ready)
if (command = start)
state = starting
endif
endwhile
while(grid_ok = 1 and state = starting)
close dc_precharge;
wait(precharge_time);
if(Vdc>Vdc,min)
close dc_main;
endif
start grid_sync;
start gating;
close ac_contactor;
state = runPQ;
active_stdby = OFF;
endwhile
上記の制御論理では、while(grid_ok = 1 and state = ready)は、グリッド電圧及び周波数が限界値内であるかと、電力変換器がレディ状態であるかとを確認する。while(grid_ok = 1 and state = starting)は、電力システム１００の起動シーケンスである。close dc_prechargeは、リレーを閉じて電源からＤＣバスを徐々に充電する。if(Vdc>Vdc,min)は、ＤＣバスが充電されたことを確認する。close dc_mainは、ＤＣスイッチ１２０を閉じる。start grid_syncは、電力変換器の制御システムをグリッドと同期させる。start gatingは、半導体装置のスイッチングを開始して、グリッド電圧をエミュレートさせる。close ac_contactorは、グリッド側スイッチ１３０を閉じる。state = runPQは、制御システム１００がグリッド・タイモードで実行していることを示す。active_stdby = OFFは、アクティブスタンドバイモードをＯＦＦに初期化する。
【００７３】
以下の制御論理は、制御器が、電力指令を閾値と比較しており、且つ電力変換器２００をアクティブモード及びアクティブスタンドバイモードで動作させている例示的実施形態を示す。例示的な制御論理では、有効及び無効電力指令の両電力指令が、アクティブスタンドバイターンオフ閾値と比較される。しかしながら、代替実施形態では、有効及び無効電力指令のうちの一の電力指令が閾値と比較されてよく、又は有効及び無効電力指令を用いて算出された皮相電力指令が不感帯と比較されてよいことは理解されよう。加えて、以下の制御論理では、電力指令が比較されるアクティブスタンドバイターンオフ閾値は、上限値及び下限値を含む。アクティブスタンドバイモードに進入するかどうかを判断する際に、電力指令は下限閾値と比較され、またアクティブモードに進入するかどうかを判断する際に、電力指令は上限閾値と比較される。異なる上限閾値及び下限閾値を有すると、アクティブモード及びアクティブスタンドバイモード間の高速切替が防止される。
【００７４】
while(state=runPQ and grid_ok=1)
if(sqrt(Pcmd_usr^2+Qcmd_usr^2) <= InverterRating)
controlP(Pcmd_usr);
controlQ(Qcmd_usr);
else
controlQ(sqrt(InverterRating^2-Pcmd_user^2)) //this example P has priority over Q
endif
if (Pcmd_usr >= SupkW or Qcmd_usr >= SupkVAR)
active_stdby = OFF;
elseif (Pcmd_usr <= SlokW and Qcmd_usr <= SlokVAR)
active_stdby = ON;
endif
if (active_stdby = ON)
stop gating;
endif
if(active_stdby = OFF)
start gating;
endif
endwhile
上記の制御論理では、while(state=runPQ and grid_ok=1)は、グリッド・タイモードで実行している電力システム１００を言及する。sqrt(Pcmd_usr^2+Qcmd_usr^2)は、有効電力指令と無効電力指令とを用いた皮相電力指令の算出である（この例示的実施形態では、有効及び無効電力指令は、マスタ制御器４００から制御器３００によって受信されてよいユーザ電力指令である）。if(Pcmd_usr >= SupkW or Qcmd_usr >= SupkVAR)は、有効電力指令が有効アクティブスタンドバイターンオフ閾値の上限値よりも高いかどうか（電力指令が閾値よりも高い場合、電力指令は不感帯から外れている）、又は無効電力指令が無効アクティブスタンドバイターンオフ閾値の上限値よりも高いかどうかを確認する。‘if(Pcmd_usr <= SlokW and Qcmd_usr <= SlokVAR )は、有効電力指令Pが有効アクティブスタンドバイターンオフ閾値の下限値よりも低いかどうか、且つ無効電力指令Qが有効アクティブスタンドバイターンオフ閾値の下限値よりも低いかどうか（電力指令が閾値よりも低い場合、電力指令は不感帯内である）を確認する。if (active_stdby = ON)は、半導体スイッチゲーティングをＯＦＦする。if(active_stdby = OFF)は、半導体スイッチゲーティングをＯＮする。controlP(Pcmd_usr)及びcontrolQ(Qcmd_usr)は、電力変換器２００の有効及び無効電力を電力指令に制御するルーチンである。
【００７５】
上記の例示的実施形態では、電力指令が制御器３００によって不感帯又は閾値と比較される。他の実施形態では、個別マスタ制御器４００からスタンドバイ指令を受信できる。制御器３００は、マスタ制御器４００からスタンドバイ指令を受信し、且つ電力変換器２００をアクティブスタンドバイモードに制御する。本実施形態は、有利には、様々な分散型エネルギー資源をマスタ制御器４００が調和しているマイクログリッドで用いられてよい。このような場合、マスタ制御器が直接電力システム１００に対してアクティブスタンドバイモードに進入するように指示することが望ましい。制御器３００がマスタ制御器４００から直接スタンドバイ指令を受信する例示的な制御論理は、以下を含む。
【００７６】
while(state=runPQ and grid_ok=1)
start gating;
if (command = stdby)
state = standby
endif
controlP(Pcmd_usr);
controlQ(Qcmd_usr);
endwhile
while(state=standby and grid_ok=1)
stop gating;
Pcmd_usr = 0;
Qcmd_usr = 0;
if (command = runPQ)
state = runPQ;
endif
endwhile  
上記の制御論理では、start gatingは、命令されたアクティブスタンドバイモードからアクティブモードに戻る際のゲーティングの再開始を可能にする開始ゲーティングシーケンスである。if (command = stdby)は、ユーザがスタンドバイ指令を命令する場合にアクティブスタンドバイモードに切り替わる。if (command = runPQ)は、電力変換器２００がゲーティングを開始するようにユーザによって命令される場合にアクティブモードに切り替わる。
【００７７】
図３は、電力システム１００がバッテリー等の電力貯蔵装置に接続されており、電力変換器がグリッドと同期される間に複数の動作モードを実施する本発明の実施例に係る電力システム１００を制御する方法を示す図である。本実施形態における制御システムに対する初期化方法は、図２Ａに示したそれと同じであってよく、簡単のために省略される。
【００７８】
図３は、電力システム１００が入力部１１０でバッテリー等の電力貯蔵装置に連結される実施形態を言及する。電力システム１００が電力貯蔵装置に連結される際には、電力システム１００は、充電及び放電能力を備える。図３に示す実施形態では、異なる別の閾値が充電モードと放電モードに対して付与される。別の閾値は、不感帯の上限値及び下限値である。
【００７９】
制御器は、電力変換器２００がアクティブモードであるべき（電力変換器２００がゲーティングしている）か、又はアクティブスタンドバイモードであるべき（ステップ３００、３１０、３１２）かを先ず判断してよい。ステップ３００、３１０、３１２は、電力システム１００がアクティブモードであるべきか、又はアクティブスタンドバイモードであるべきかに関して、制御器３００によって行われる初期判断であってよい。代替実施形態では、制御器２００は、電力システム１００をアクティブモードで初期化してよく、その場合、ステップ３００、３１０、３１２は、アクティブモードのままにするか、又はアクティブスタンドバイモードに進入するかに関する判断となろう。
【００８０】
電力変換器２００がアクティブモードであるべきか、又はアクティブスタンドバイモードであるべきかを判断する際には、制御器は、電力指令が正であるか又は負であるかを判断する（ステップ３００）。正の電力指令は放電モードを示し、負の電力指令は充電モードを示す。電力指令が負（充電モード）である際には、電力指令は第１閾値と比較される（ステップ３１０）。電力指令が第１閾値よりも高い場合には、制御器３００は、電力システム１００が電力変換器２００がゲーティングしていないアクティブスタンドバイモードに進入すべきであると判断し（ステップ３１０−ＮＯ）、制御器３００は、電力指令が第１閾値よりも低くなるかどうかを判断するために、電力指令を監視し続ける。電力指令が第１閾値よりも低い場合には、制御器３００は、電力システム１００がアクティブモードであるべきであり、且つゲーティングが維持／開始されるべきであると判断する（ステップ３２０）。
【００８１】
電力システム１００が一旦アクティブモードに進入すると、制御器３００は、電力指令が閾値よりも高く、電力システム１００がアクティブスタンドバイモードに進入すべきかどうかを判断するために、電力指令を監視し続ける（ステップ３３０−ＮＯ）。本方法は、停止指令を受信するステップを含んでもよい（ステップ３４０）。これは、マスタ制御器４００からの指令、又はユーザにより入力された指令であってよい。停止指令が受信された場合には、電力変換器２００は動作を停止する。
【００８２】
電力指令が正（放電モード）である際には、電力指令は第２閾値と比較される（ステップ３１２）。電力指令が第２閾値よりも低い場合には、制御器３００は、電力システム１００が電力変換器２００がゲーティングしていないアクティブスタンドバイモードに進入すべきであると判断し（ステップ３１２−ＮＯ）、制御器３００は、電力指令が第２閾値よりも高くなるかどうかを判断するために、電力指令を監視し続ける。電力指令が第２閾値よりも高い場合には、制御器３００は、電力システム１００がアクティブモードであるべきであり、且つゲーティングが維持／開始されるべきであると判断する（ステップ３２２）。
【００８３】
電力システム１００が一旦アクティブモードに進入すると、制御器３００は、電力指令が閾値よりも低く、電力システム１００がアクティブスタンドバイモードに進入すべきかどうかを判断するために、電力指令を監視し続ける（ステップ３３２−ＮＯ）。本方法は、停止指令を受信するステップを含んでもよい（ステップ３４２）。これは、マスタ制御器４００からの指令、又はユーザにより入力された指令であってよい。停止指令が受信された場合には、電力変換器２００は動作を停止する。
【００８４】
次の制御論理は、制御器が、電力指令が充電指令であるか、又は放電指令であるかを判断しており、該判断に基づき、電力指令を第１（充電）閾値と第２（放電）閾値のうちの一方と比較している例示的実施形態を示す。上記の例示的実施形態と同様に、電力システム１００は、アクティブモードで初期化されてよい。以下の例示的実施形態では、第１及び第２閾値の各々は、アクティブモード及びアクティブスタンドバイモード間の高速切替を防止するために上限値及び下限値を含む。以下の例示的実施形態では、電力指令は有効電力（P）指令である。
【００８５】
while(state=runPQ and grid_ok=1)
if (Pcmd_usr <= 0)
if (Pcmd_usr < Pchg_up)
active_stdby = OFF;
elseif (Pcmd_usr > Pchg_lo)
active_stdby = ON;
endif
else
if (Pcmd_usr > Pdis_up)
active_stdby = OFF;
elseif (Pcmd_usr < Pdis_lo)
active_stdby = ON;
endif
endif
if (active_stdby = ON)
stop gating;
endif
if(active_stdby = OFF)
start gating;
endif
controlP(Pcmd_usr);
controlQ(Qcmd_usr);
endwhile
上記の制御論理では、while(state=runPQ and grid_ok=1)は、グリッド・タイモードで実行している電力システム１００を言及する。if(Pcmd_usr <= 0)は、電力指令が負であるかどうかを確認する。この場合、電力システム１００は充電モードである。if (Pcmd_usr < Pchg_up)は、充電モード時に、電力／充電指令が第１（充電）閾値の上限値よりも低いか（これは、充電変換が負電力であるので、更なる充電が命令（指示）されるという意味）を確認する。elseif (Pcmd_usr > Pchg_lo)は、充電モード時に、充電指令が第１閾値の下限値よりも高いか（これは、電力／充電指令が低く、不感帯内であるという意味）を確認する。elseは、電力指令が正である場合を言及する。この場合、システムは放電モードである。if (Pcmd_usr > Pdis_up)は、放電モード時に、電力／充電指令が第２閾値の上限値よりも高いかを確認する。elseif (Pcmd_usr < Pdis_lo)は、放電モード時に、電力／充電指令が第２閾値の下限値よりも低いかを確認する。
【００８６】
上記の制御論理では、制御器は、有効及び／又は無効電力指令を閾値と比較する。これらの指令は、マスタ制御器４００によって受信されてよく、又は制御器３００自体によって自律的に生成されてよい。次の制御論理は、有効電力指令が、制御器３００によって（例えば、Ｈｚ−Ｗａｔｔ関数を用いて）グリッド周波数の関数として設定される例示的実施形態を示す。無効電力指令は、Ｖｏｌｔ−ＶＡＲタイプの関数に基づいて制御器３００によって設定されてよい。以下の例示的な制御論理では、グリッド周波数は、アクティブモードに進入するか、又はアクティブスタンドバイモードに進入するかを判断するために、周波数閾値と比較される。周波数閾値は、上限値及び下限値を含み、これらは不感帯の上限値及び下限値を形成する。
【００８７】
while(state=runPQ and grid_ok=1)
grid_connect
if (GridFrequency <= minGridF or GridFrequency >=maxGridF)
controlP(FComp(GridFrequency)); 
active_stdby = OFF;
elseif (GridFrequency > minGridF AND GridFrequency< maxGridF)
active_stdby = ON;
endif
if (active_stdby = ON)
stop gating;
endif
if(active_stdby = OFF)
start gating;
endif
endWhile
上記の制御論理に対して、if (GridFrequency <= minGridF or GridFrequency >=maxGridF)は、グリッド周波数が閾値／不感帯の下限値及び上限値から外れる状況を言及する。この場合、アクティブスタンドバイモードはＯＦＦである。controlP(FComp(GridFrequency))は、グリッド周波数の関数として電力指令を設定する制御関数である。Fcompは、グリッド周波数（例えばＨｚ−Ｗａｔｔ関数）に基づき電力指令を戻す関数である。Fcompは、そのような電力指令を戻す任意の公知の関数であってよく、閉ループ又は開ループ関数であってよい。例えば、Fcompは、グリッドレベルがある周波数よりも上又は下である場合に、インバータが所定電力（例えば、１００％又は−１００％電力）で応答する関数であってよい。Fcompは、電力システム、又は電力システムのユーザによって有効とされるオプションであってよい。例えば、電力変換器２００は、Fcompが有効ではない限り、通常グリッド・タイモードで動作してよい。elseif (GridFrequency > minGridF AND GridFrequency< maxGridF)は、グリッド周波数が不感帯内に収まる状況を言及する。この場合、インバータは０ｋＷを出力するように設定され、アクティブスタンドバイがＯＮにされる。FCompの不感帯範囲の設定例は、minGridF = 59.7 Hz及びmaxGridF = 60.5 Hzである。
【００８８】
上記の例示的な制御論理では、不感帯／閾値は、周波数不感帯／閾値である。言い換えると、グリッド周波数は、アクティブスタンドバイモードに進入するかどうかを判断するために、不感帯／閾値の上限値及び下限値と比較される。他の実施形態では、この動作は、電力指令が電力不感帯と比較される上記の制御論理のうちのいずれかと同時に有効とされる。例えば、controlP(FComp(GridFrequency))を用いて設定された自律的に生成された電力指令は、グリッド周波数が周波数閾値／不感帯と比較されると同時に、電力閾値／不感帯と比較されてよい。
【００８９】
上記の制御論理では、制御器３００は、電力変換器２００がグリッドと同期される間に、電力変換器２００をアクティブ又はアクティブスタンドバイモードに制御する。マイクログリッド用途では、電力システム１００は、グリッド接続部１６０でマイクログリッド及びユーティリティグリッドに接続されてよい。ユーティリティグリッドは、停電等のグリッド事象を受けてよい。そこでは、電力システム１００はグリッドから切断し、独立（又は単独運転）モードに移行する必要があり、その間、電力システム１００の電源は、マイクログリッドの局所的負荷に電力を供給する必要がある。
【００９０】
図４を参照すると、制御器は、グリッド事象が発生したと先ず判断してよい（ステップ４００）。制御器は、センサ１５０よる測定値を用いてグリッド事象を検知することにより、グリッド事象が発生したと判断してよい。グリッド事象は、例えば停電であってよい。グリッド事象は、センサ１５０によって測定されてよいグリッド電圧又は周波数が、所定境界値から外れるかどうかに基づいてもよい。代替実施形態では、グリッド事象は、マイクログリッドの動作を調和しているマスタ制御器４００によって検知されてよい。そしてマスタ制御器４００は、グリッド事象が発生したことを示す制御信号を制御器３００に送信してよい。制御信号の受信時には、制御器３００は、グリッド事象が生じたと判断する。
【００９１】
一旦制御器３００が、グリッド事象が生じたと判断すると、制御器３００は、単独運転スイッチを開いて電力システム１００をグリッドから切断するように、制御信号を単独運転スイッチに送信する（ステップ４１０）。単独運転スイッチは、グリッド側スイッチ１３０とは別のスイッチである。グリッド側スイッチ１３０は、マイクログリッドとユーティリティグリッドとの両方に対する接続を含むグリッド接続部１６０から、電力変換器２００を切断する。或いは、単独運転スイッチは、電力システム１００をユーティリティグリッドからは切断するが、マイクログリッドからは切断しない。代替実施形態では、マスタ制御器４００は、制御信号を制御器３００によりはむしろ単独運転スイッチに送信してよい。
【００９２】
電力システム１００が一旦ユーティリティグリッドからは切断されると、マイクログリッドの局所的負荷に電力を供給をするためには電力システム１００が必要である。よって、電力システム１００がアクティブスタンドバイモードの場合には、制御器３００は、局所的負荷に電力を供給できるように、電力変換器を制御してゲーティングを開始する（ステップ４３０）。制御器３００がグリッドが利用可能であると一旦判断すると（ステップ４３０）、電力システム１００は、グリッドに再接続できる（ステップ４４０）。電力変換器がグリッドに一旦再接続及び同期されると、制御器３００は、例えば図２Ｂ又は図３に戻ることにより（ステップａ）、電力システム１００がアクティブモードであるべきか、又はアクティブスタンドバイモードであるべきかを、再度判断し始めてよい。
【００９３】
制御器３００が、単独運転モードで動作可能な電力システム１００においてアクティブモード及びアクティブスタンドバイモードで電力変換器２００を動作させる例示的な制御論理は、以下を含む。
【００９４】
while(state=runPQ and grid_ok=1)
grid_connect 
controlP(Pcmd_usr);
controlQ(Qcmd_usr);
if (Pcmd_usr >= SupkW or Qcmd_usr >= SupkVAR)
active_stdby = OFF;
elseif (Pcmd_usr <= SlokW and Qcmd_usr <= SlokVAR)
active_stdby = ON;
endif
if (active_stdby = ON)
stop gating;
endif
if(active_stdby = OFF)
start gating;
endif
endWhile
この例示的な制御論理は、grid_connectを電力制御器器の制御システムに追加する。grid_connectに対して、制御器３００は、電力システム１００をユーティリティグリッドに接続させる単独運転スイッチを閉じる。グリッド事象中に電力システム１００を切断するために、制御論理は、以下を含んでよい。
【００９５】
if (grid_ok=0 and auto_xfr=1)
state = runUF;
endif
endwhile
while(state=runUF)
grid_disconnect;
start gating;
controlU(Ucmd_usr);
controlF(fcmd_usr);
if (grid_ok = 1 and reconnect_time=0
state = runPQ;
endif
endwhile
上記の制御論理に対して、if (grid_ok=0 and auto_xfr=1)は、グリッド事象（停電等）があるかどうか、且つ自動移行がＯＮ（システムが、ユーザの介在無しに自動的にグリッド・タイモードからマイクログリッドモードに移行するという意味）かどうかに関する判断である。grid_disconnectは、単独運転スイッチを開いて電力システム１００を主要ユーティリティグリッドから切断する。start gatingは、ＯＮではない場合にゲーティングを再び始める（言いかえれば、システムがアクティブスタンドバイモードである場合には、アクティブスタンドバイモードを退出してアクティブモードに進入する）。controlU(Ucmd_usr)は、電力変換器の出力電圧を電圧指令に制御するルーチンである。controlF(fcmd_usr)は、出力周波数を周波数指令に制御するルーチンである。if (grid_ok = 1 and reconnect_time=0)に対しては、グリッドが利用可能になり再接続カウントダウンが過ぎた場合には、電力システムはグリッド・タイモードに戻る。
【００９６】
電圧指令及び周波数指令は、電力変換器２００の出力電圧及び周波数に対する指令である。上記の制御論理では、これらの指令は、マスタ制御器４００から制御器３００によって受信したユーザ指令である。電圧指令及び周波数指令は、制御器３００によって自律的に生成されてもよい。電圧指令及び周波数指令は、マイクログリッドに電力供給するためのものである。ユーザは、電圧源モード中に電圧変換器２００の出力電圧及び／又は周波数の変更を望む可能性がある。ユーザは、負荷での電圧が所望電圧よりも低いようなローカル伝送の電圧降下がある場合にそのような変化を望む可能性がある。
【００９７】
開示された実施形態は、電力変換器２００が、グリッドと同期される際に複数のモードで動作可能である電力システム及び方法を提供する。複数のモードは、アクティブスタンドバイモードを含み、その間、電力システムのスイッチ１２０及び１３０は閉じられ、電力変換器２００はグリッドと同期されるが、電力変換器２００の半導体スイッチはゲーティングしていない。電力システム１００の制御器３００は、不感帯／閾値を用いて電力指令を不感帯／閾値と比較することにより、アクティブスタンドバイモードとアクティブモードとの間の移行を効率的に制御する。本開示の実施形態と同様、開示された電力システム１００は、有利には、アイドル状態から満充電又は放電状態に移行する際に、応答時間が早い。本開示の実施形態と同様、開示された電力システム１００は、電力の非出力中に電力変換器２００をグリッドと同期させることに特有な損失を被ることのない高速な応答時間を提供する。開示された実施形態は、エネルギーを節約する応答時間が早い電力システムを提供する。
【００９８】
バッテリーは、図２から図４及び上記の制御論理と関連して説明された上記の実施形態における入力部に接続された例示的な電源として与えられるが、本発明は、電源としてバッテリーを使用することに限定されないことは理解されよう。例えば、本発明の実施形態は、風力タービンや太陽電池／ソーラーパネル等の、電力の需要又は生成が必ずしも常ではない任意の電源に適している。
【００９９】
本開示の範囲から逸脱することなく、開示された電力システムに対して各種の修正や変更が可能であることは当業者には明らかであろう。本開示の他の実施形態は、明細書を考慮して本開示を実施することによって当業者には明らかであろう。明細書及び実施例は例示としてのみ考慮され、また本開示の真の範囲は、以下の請求項の範囲とその同等物により示されることが意図される。
【図１】
0006419989.tif 000002
【図２】
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【図３】
0006419989.tif 000004
【図４】
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【図５】
0006419989.tif 000006
【図６】
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