(57)【要約】  本発明は、電力エネルギーを機械的回転エネルギーとして可逆的に貯蔵し、直流電圧中間回路（５）を有するエネルギー貯蔵モジュール（１）と、当該エネルギー貯蔵モジュールを制御する方法に関する。エネルギー貯蔵モジュール（１）は、複数のフライホイール貯蔵部（２）と、少なくとも１つの制御システム（３）と、少なくとも１つのモジュール制御部（４）とを有し、フライホイール貯蔵部（２）は共通の直流電圧中間回路（５）により並列に電気的に接続され、１つまたは複数の制御システム（５）は、出力側（３１）で共通の直流電圧中間回路（５）に接続され、入力側（３２）で少なくとも１つの外部電圧系統（ＬＳおよびＮＳ）に接続され、モジュール制御部（４）は、直流電圧中間回路（５）に対してエネルギーを供給（Ｅｐ）または回収（Ｅｎ）するフライホイール貯蔵部（２）に対して所定のトルク（ＤＶ）をフライホイール貯蔵部（２）に送信（Ｕ１）し、外部電圧系統またはシステム（ＬＳおよびＮＳ）に対しエネルギーが供給（Ｅｐ）された場合や、エネルギーが回収（Ｅｎ）された場合に、直流電圧中間回路（５）の直流電圧（ＤＣ）が上閾値（ＳＷ１）と下閾値（ＳＷ２）間で実質的に一定に保たれるよう、少なくとも１つの制御システム（３）が当該直流電圧（ＤＣ）を制御する。
2015534438.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力エネルギーを機械的回転エネルギーとして可逆的に貯蔵するエネルギー貯蔵モジュール（１）であって、
複数のフライホイール貯蔵部（２）と、
少なくとも１つの制御システム（３）と、
少なくとも１つのモジュール制御部（４）と、を有し、
前記フライホイール貯蔵部（２）は共通の直流電圧中間回路（５）により並列に電気的に接続され、
１つまたは複数の前記制御システム（３）は、出力側（３１）で共通の直流電圧中間回路（５）に接続され、入力側（３２）で少なくとも１つの外部電圧系統（ＬＳおよびＮＳ）に接続され、
前記モジュール制御部（４）は、前記直流電圧中間回路（５）に対してエネルギーを供給（Ｅｐ）または回収（Ｅｎ）する前記フライホイール貯蔵部（２）に対して所定のトルク（ＤＶ）を該フライホイール貯蔵部（２）に送信（Ｕ１）し、
外部電圧系統またはシステム（ＬＳおよびＮＳ）に対しエネルギーが供給（Ｅｐ）された場合や、エネルギーが回収（Ｅｎ）された場合に、前記直流電圧中間回路（５）の直流電圧（ＤＣ）が上閾値（ＳＷ１）と下閾値（ＳＷ２）間で実質的に一定に保たれるよう、少なくとも１つの前記制御システム（３）が当該直流電圧（ＤＣ）を制御することを特徴とするエネルギー貯蔵モジュール（１）。
【請求項２】
前記モジュール制御部（４）は、時間に応じて前記フライホイール貯蔵部（２）への所定のトルク（ＤＶ）を生成、送信（Ｕ１）し、該フライホイール貯蔵部（２）はその時間に応じた所定のトルク（ＤＶ）に応じて前記直流電圧中間回路に対し電力を供給（Ｓｐ）または回収（Ｓｎ）することを特徴とする、請求項１に記載のエネルギー貯蔵モジュール（１）。
【請求項３】
各フライホイール貯蔵部（２）は、前記モジュール制御部（４）からそれぞれ所定のトルク（ＤＶ）を受信することを特徴とする、請求項２に記載のエネルギー貯蔵モジュール（１）。
【請求項４】
各フライホイール貯蔵部（２）は、モータ制御部（２１）、好ましくは周波数変換器（２１）を介して前記直流電圧中間回路（５）に電気的に接続される電磁変換器（２３）を有することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵モジュール（１）。
【請求項５】
全フライホイール貯蔵部（２）の前記モータ制御部（２１）は、上閾値（ＳＷ１）に対する前記直流電圧中間回路（５）内の直流電圧（ＤＣ）を継続的に監視（Ｕ２）し、それぞれ独立的に、上閾値（ＳＷ１）を超えると同時に、前記フライホイール貯蔵部（２）から前記直流電圧中間回路（５）へのあらゆる電力流（ＬＦ）を遮断（Ｕ３）することを特徴とする、請求項４に記載のエネルギー貯蔵モジュール（１）。
【請求項６】
前記モジュール制御部（４）は、各フライホイール貯蔵部（２）の現回転数（ＤＺ）を対応する前記モータ制御部（２１）から取得し、取得した回転数（ＤＺ）から、各フライホイール貯蔵部（２）現在の受電状態を判定することを特徴とする、請求項４または５に記載のエネルギー貯蔵モジュール（１）。
【請求項７】
前記フライホイール貯蔵部（２）の前記モータ制御部（２１）において上限および／または下限回転数が設定され、好ましくはそれ専用の部材（２２）により設定されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵モジュール（１）。
【請求項８】
前記モジュール制御部（４）において、所定のトルク（ＤＶ）に対する上限および／または下限回転数が設定され、好ましくは指令としてコンピュータプログラムに設定されることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵モジュール（１）。
【請求項９】
外部電圧系統またはシステム（ＬＳおよびＮＳ）の電圧の質を継続的に測定する１つ以上の測定部（７）をさらに有することを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵モジュール（１）。
【請求項１０】
前記モジュール制御部（４）は、好ましくは物理的測定値、論理パラメータ、実時間制御コマンド、またはシーケンス制御用制御コマンドである外部データ（ＥＤ）を受信し、所定のトルク（ＤＶ）を受信した外部データ（ＥＤ）に合わせることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵モジュール（１）。
【請求項１１】
前記フライホイール貯蔵部（２）を動作させるための補助部（９１，９２）をさらに有し、
前記モジュール制御部（４）は、前記補助部（９１，９２）を、受信された内部動作データ（ＢＤ）または外部データ（ＥＤ）に応じてに制御するものであり、前記内部動作データ（ＢＤ）には、好ましくは、前記エネルギー貯蔵モジュール内の前記フライホイール貯蔵部（２）またはその他モジュール内部システムの熱負荷が含まれるものであることを特徴とする、
請求項１から１０のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵モジュール（１）。
【請求項１２】
前記補助部（９１および９２）に接続された１つ以上のパワーシンク（６）をさらに有することを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵モジュール（１）。
【請求項１３】
フライホイール貯蔵部（２）が、共通の直流電圧中間回路（５）により並列に電気的に接続され、１つまたは複数の制御システム（３）が、出力側（３１）で共通の前記直流電圧中間回路（５）に接続され、入力側（３２）で少なくとも１つの外部電圧系統（ＬＳおよびＮＳ）に接続され、前記直流電圧中間回路（５）の直流電圧（ＤＣ）が上閾値（ＳＷ１）と下閾値（ＳＷ２）間で実質的に一定に保たれるよう、少なくとも１つの制御システム（３）が当該直流電圧（ＤＣ）を制御することを特徴とする、請求項１に記載のエネルギー貯蔵モジュール（１）を制御する方法であって、
前記外部電圧系統（ＬＳおよびＮＳ）から前記直流電圧中間回路（５）へのエネルギー流（ＥＦｐ）に応じて、モジュール制御部（４）によりフライホイール部（３）に対しフライホイール制御部（２）を加速（Ｂ）するための所定のトルク（ＤＶ）を送信（Ｕ１）する工程と、
前記直流電圧中間回路（５）から外部電圧系統（ＬＳおよびＮＳ）へのエネルギー流（ＥＦｎ）に応じて、前記モジュール制御部（４）により前記フライホイール貯蔵部（２）に対し前記フライホイール貯蔵部（２）を減速（Ａ）するための所定のトルク（ＤＶ）を送信（Ｕ１）する工程と、
前記直流電圧中間回路（５）に対し、流入、流出するエネルギー流（ＥＦ）がなければ、前記フライホイール貯蔵部（２）に対する所定のトルク（ＤＶ）の送信（Ｕ１）が行われない工程とのいずれかが実施される方法。
【請求項１４】
各フライホイール貯蔵部（２）は、モータ制御部（２１）、好ましくは周波数変換器（２１）を介して前記直流電圧中間回路（５）に電気的に接続され、
前記全フライホイール貯蔵部（２）の前記モータ制御部（２１）が、上閾値（ＳＷ１）に対する前記直流電圧中間回路（５）内の直流電圧（ＤＣ）を継続的に監視（Ｕ２）する工程と、
前記全フライホイール貯蔵部（２）の前記モータ制御部（２１）が、それぞれ独立的に、前記直流電圧中間回路（５）内の直流電圧（ＤＣ）の上閾値（ＳＷ１）を超えると同時に、前記フライホイール貯蔵部（２）から前記直流電圧中間回路（５）へのあらゆる電力流（ＬＦ）を遮断（Ｕ３）する工程と、をさらに有する請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電圧中間回路を有するエネルギー貯蔵モジュール、および当該エネルギー貯蔵モジュールを制御する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
様々な種類の発電所が、電力系統を動作させるためのエネルギーを供給する。たとえば、原子力発電所、石炭・ガス火力発電所、風力発電所、バイオガス工場、太陽光発電所など、発電所の多くが非局地的電力系統にのみエネルギーを供給する。たとえばドイツでは、非局地的電力系統はＡｍｐｒｉｏｎ、５０Ｈｅｒｔｚ、Ｔｅｎｎｅｔ、およびＴｒａｎｓｎｅｔＥｎＢＷにより運営される送電網である。これら送電網はヨーロッパグリッドの一部である。上記の発電所は、純粋に発電のみを担うものであって、必要に応じて電力系統から余剰エネルギーを回収、貯蔵することはできない。一方、エネルギー貯蔵器は電力系統に対しエネルギーを回収、供給可能である。エネルギー貯蔵器は、たとえば揚水発電所のような集中型エネルギー貯蔵器か、電池式あるいはフライホイール貯蔵器のような分散型エネルギー貯蔵器である。揚水発電所は、天候に大きく作用されることはなく、原則常に利用可能なエネルギー貯蔵器である。集中型エネルギー貯蔵器は通常大容量用に設計されるため、非局地的電力系統への制御用エネルギー提供に適する。揚水発電所は、全体的規模にもよるが、数百ＭＷ以上の出力を提供可能である一方、通常全負荷で発電するよう設計されているため、効率よく揚水発電所の全出力を迅速に利用可能である。しかしこのような動作形態は、揚水発電所の容量に比較すると非常に小規模な電力需要に対する供給安定化、高品質化を図るには不向きである。
【０００３】
電力系統の（局地的）安定化タスク（エネルギー制御）のための試験運転を実現するべく集中利用型電池式貯蔵システムが設計されているが、現状では局地的タスクを何一つ解決するものではない。電池式貯蔵器は出力、容量、劣化の関係性を考慮すると一日に複数の負荷サイクルを伴う上記用途に原則的に相応しくなく、温度、システム故障や、誤作動により急速に劣化する。このため、電池式貯蔵器は高頻度のメンテナンスが不可欠である。さらに火災、化学物質リスクが高いため、蓄電池は保全に莫大な労力を要する環境、水の少なくとも一方に対して危害を及ぼし得るものである。
【０００４】
原則として、分散型エネルギー貯蔵器は局地的電力需要の安定化に最適であるが、非局地的電力系統に対する制御エネルギー供給用に設計されておらず、不適格である。従って、あらゆる電力系統に対する需要を満たすものではない。分散型エネルギー貯蔵器を組み合わせて、非局地、局地対応施設とすることは、現状行われていない。
【０００５】
従って、有効で、環境にやさしく、簡単に操作可能でかつ大容量でありながら、さらに必要に応じて局地的系統の高品質化と非局地的電力系統に対する安定供給の両立、即ち両目的の達成に十分寄与するエネルギー貯蔵システムの提供が望まれている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、有効で、環境にやさしく、簡単に操作可能でかつ大容量でありながら、さらに必要に応じて局地的系統の高品質化と非局地的電力系統に対する供給の保証を両立、即ち両目的の達成に十分寄与するエネルギー貯蔵システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的は、電力エネルギーを機械的回転エネルギーとして可逆的に貯蔵するエネルギー貯蔵モジュールであって、複数のフライホイール貯蔵部と、少なくとも１つの制御システムと、少なくとも１つのモジュール制御部とを有し、フライホイール貯蔵部は共通の直流電圧中間回路により並列に電気的に接続され、制御システムは、出力側で直流電圧中間回路に接続され、入力側で少なくとも１つの外部電圧系統に接続され、モジュール制御部は、直流電圧中間回路からのエネルギーを供給または回収するフライホイール貯蔵部に対して所定のトルクをフライホイール貯蔵部に送信し、外部電圧系統またはシステムに対しエネルギーが供給された場合や、エネルギーが回収された場合に、直流電圧中間回路の直流電圧が上閾値と下閾値間で実質的に一定に保たれるよう、少なくとも１つの制御システムが当該直流電圧を制御するエネルギー貯蔵モジュールにより達成される。
【０００８】
フライホイール貯蔵部を使用することで、電力は機械的回転エネルギーとして貯蔵される。このようなエネルギー貯蔵モジュールは、化学的および／または可燃性の高い物質を一切用いないため、環境や水に危害を及ぼすことはない。複数のフライホイール貯蔵部が並列に直流電圧中間回路に対して電気的に接続されているため、エネルギー貯蔵モジュールの共通モジュール貯蔵容量および共通モジュール出力は、各フライホイール貯蔵部の個別容量、エネルギー出力の合計として得られる。直流電圧中間回路に対し、フライホイール貯蔵部は原則的にいくつでも並列に電気的に接続可能であることから、需要に応じてモジュール容量やモジュール出力は設定可能であり、原則的に任意の規模とすることとできる。大容量のエネルギー貯蔵部により、局地的電力系統（たとえば交流系統）の高質化のみならず、非局地的電力系統（たとえば交流系統）に対する供給の安定化も達成可能である。共通直流電圧中間回路で直流電圧を使用することで、たとえば同期が不要となるため、制御関連作業は少なくてすむ。１つの大型電力供給インバータのみを制御システムとして使用することで、たとえば、全てのフライホイール貯蔵部が個別に電源インバータで電力系統に接続される場合のような、小型電力供給インバータを複数使用する場合と比較して、損失も小さくなる。さらに、１つの大型電力供給インバータのみを使用することは、小型電力供給インバータを複数使用する場合に比較してはるかに費用効率が高い。従って、本発明に係るエネルギー貯蔵モジュールは両方の目的に対し十分有効である。直流電圧中間回路に接続されるフライホイール貯蔵部の数を適切に選択することで、要求に応じてモジュール貯蔵容量およびモジュール出力を設定可能であり、未使用の余剰容量が発生しないという点で、エネルギー貯蔵モジュールは非常に効果的に動作可能である。直流電圧中間回路を制御して公称直流電圧にすることも容易であるため、エネルギー貯蔵モジュール全体の制御が簡潔なものとなる。さらに、フライホイール貯蔵部が並列に電気的に接続されることで、故障に対する冗長性も得られる。従って、フライホイール貯蔵部の故障に伴い、エネルギー貯蔵モジュールの制御およびシステムタスクの実行能力について外部電力系統（たとえば交流系統）に大きな悪影響を及ぼすことが防止される。公称直流電圧は接続された外部電力系統や、エネルギー貯蔵モジュールで使用される部材に依存する。システムを低電圧システムに接続する際、中間回路電圧の技術的に妥当な範囲はたとえば５５０Ｖ〜１０００Ｖである。範囲下限は低電圧システムの電圧レベルで定まり、範囲上限はエネルギー貯蔵モジュールで使用される部材の技術的特徴により実質的に定まる。技術的、経済的観点から、中間回路内の、中圧システムまたは直流電圧システム用公称直流電圧は、これらシステムにあわせて異なる値であってもよい。例示的実施形態において、直流電圧中間回路における公称直流電圧は７５０Ｖ±５Ｖである。
【０００９】
本発明のエネルギー貯蔵モジュールは任意の場所で迅速かつ容易に柔軟に使用可能なエネルギー貯蔵モジュールである。従って、エネルギー貯蔵モジュールは局地的または非局地的システムとしての外部電圧系統に接続されるよう構成される。または、制御システムの好適な実施形態にあわせて、制御システムを介して、たとえば１つ以上の局地的または非局地的システムである１つ以上の外部電圧系統に接続されるものであってもよい。モジュール制御部の外部電圧系統に対するエネルギーの供給、回収は所定のトルクにより実現される。これらのトルク条件は制御およびシステムタスクに基づくものである。従って、制御およびシステムタスクは、局地的電力系統用の局地的制御およびシステムタスクと、非局地的電力系統用の非局地的制御およびシステムタスクに分けられる。非局地的および局地的制御およびシステムタスクを実行するため、エネルギー貯蔵モジュールは直接的に非局地的電力系統および１つ以上の局地的電力系統に接続されるか、非局地的電力系統に接続された局地的電力系統を介して非局地的電力系統に間接的に接続可能である。
【００１０】
本発明に係るエネルギー貯蔵モジュールまたはフライホイール貯蔵部は、一次エネルギー供給が断たれた場合のみにエネルギーを負荷に供給する非常用電源ではない。接続された電力系統を制御するエネルギーは接続された電力系統から回収されるか（その他システム要素への一次供給用）、これらシステムに正確にエネルギーが供給される。本発明では、フライホイール貯蔵部によるエネルギー貯蔵モジュールの動作は、異なるシステム供給源がない期間に限定されるものではなく、永続的に局地的電力系統の高質化そして非限定電力系統に対する安定供給をもたらすものである。具体的には、中間回路電圧が特定値を下回った場合に、フライホイール貯蔵部はエネルギーを直流電圧供給中間回路に供給する。接続された電力系統が全一次供給源に接続されている場合にもこれは行われる。
【００１１】
モジュール制御部は、エネルギー貯蔵モジュールが、可能な範囲で、別々に接続された局地的および非局地的電力系統において異なる制御およびシステムタスクを実行可能とする。従って、モジュール制御部は局地的電力系統の高質化および非局地的電力系統における安定供給を両立できる。局地的制御およびシステムタスクは局地的電力系統（たとえば局地的交流系統）に関わるものであり、たとえば必要な商用電源電圧の確保、電圧信号の振幅および位相位置を制御することによる無効電力補償、接続されうる大口電力需要家用やピーク値に対する局地的電力貯蔵分の提供、局地的余剰エネルギー量の貯蔵である。非局地的制御およびシステムタスクは非局地的電力系統（非局地的交流系統）に関わるものであり、たとえば一次または二次制御電力の提供である。制御電力（または貯蔵電力）は、電力系統における不測事態の際にもシステム安定性を保証する。このため、制御可能発電所、高速起動発電所または本発明のエネルギー貯蔵モジュールのようなエネルギー貯蔵モジュールであれば、急速な電力調整が可能となる。非局地的制御およびシステムタスクはさらに、非局地的電力系統における停電の際の自立起動支援、ピーク電力用の貯蔵、そして余剰電力の削減である。局所的および非局地的電力系統における局所的および非局地的制御およびシステムタスクはさらに、エネルギー供給者と協働での電力供給に応じた冗長性（故障対策）の提供、無効電力管理を含む。
【００１２】
ここで非局地的電力系統は、非局地的制御およびシステムタスクが実行される、非常に広い範囲の全国的な交流系統である。非局地的電力系統は、たとえば電力または送電系統（公共電力系統）である。たとえばドイツにおける公共電力系統は、電力会社Ａｍｐｒｉｏｎ、５０Ｈｅｒｔｚ、Ｔｅｎｎｅｔ、ＴｒａｎｓｎｅｔｚＥｎＢＷにより運営される４つの送電網である。これら４つの電力系統はドイツの電力供給ネットワークを形成し、さらに地域的送電系統も含まれる。他国では、別の電力会社により対応した送電網が運営される。電力系統の周波数は、送電網で一定に保たれる（周波数制御）。各国の電力系統を含むヨーロッパグリッドも非局地的電力系統とされるものであるが、現状では、制御エネルギーが標準化されているのみである。各電力系統においても非局地的制御およびシステムタスクは実行される。たとえば、上記の局地的制御およびシステムタスクが実行される交流システムも、本発明では局地的電力系統とされる。原則として、局地的電力系統は空間的に限定されたものであり、たとえば産業設備における設備内電力供給システムや、家庭やビル群用の電力供給システムである。
【００１３】
従って、制御システムは接続された１つ以上の外部電圧システム（局地的電力系統および／または非局地的電力系統）と、エネルギー貯蔵モジュールのフライホイール貯蔵部との間のエネルギー流を制御する。そして制御システムは中間回路の直流電圧がたとえば７５０Ｖの実質的一定の公称直流電圧になるよう制御する。「実質的一定」とは、直流電圧に、たとえば±５Ｖの妥当な誤差が許容されているということである。従って、理想的には、制御システムは中間回路における現状の実際の直流電圧が常に公称直流電圧に対応するよう制御を行う。許容誤差範囲は上記値よりも大きくてもよい。制御システムは、電力流方向に応じて、１つ以上の外部電圧系統を再利用可能な電流源（フライホイール貯蔵部をエネルギーで充電）または直流電圧中間回路の余剰エネルギードレインとして使用する制御を行う。このため、適切な制御システムは１つ以上の電源インバータまたは昇圧／降圧コンバータを有する。
【００１４】
局地的および非局地的電力系統のみが、共通接続によりにエネルギー貯蔵モジュールに接続されるのであれば、エネルギー貯蔵モジュールから供給されたエネルギーは、単純により電力需要が大きい（内部抵抗の低い）外部電力系統に供給される。そのためタスクの配分によっては、局地的および非局地的制御およびシステムタスクが的確に行われない可能性もある。制御システムは、モジュール置制御部に指定された通りに接続された外部電圧系統へのエネルギー流を制御する。好適な実施形態では、必要に応じて制御システムがエネルギー貯蔵モジュールから、１つ以上の接続された外部電圧系統を切り離す。接続された外部電圧系統の内の１つが故障した場合、制御システムは当該外部電圧系統を数ミリ秒以内に、エネルギー貯蔵モジュールから切り離すことが可能である。従って、エネルギー貯蔵モジュールはその他外部電圧系統や内部電圧供給に対しそのまま動作可能となる。切り離されない場合、短絡や過負荷状態が生じうる。そのため、別の実施形態において、エネルギー貯蔵モジュールが制御ボックスを有する。制御ボックスは、少なくとも１つの制御要素および制御要素により制御される少なくとも１つの断路器を有する。断路器の数は制御部に接続された外部電圧系統の数により決定される。制御ボックスはデータ線を通じて、モジュール制御部に直接接続されるか、さらに制御システムを介して接続される。データ線を通じて、モジュール制御部は制御機能構成データを制御要素に送信可能である。
【００１５】
直流電圧中間回路における直流電圧を上下閾値間で一定に保つ制御システム（主制御システム）に加え、１つ以上の制御システム（補助制御システム）が実施形態の直流電圧中間回路に並列に接続される。たとえば、１つ以上の補助制御システムは、主制御システムと同様にして、外部電圧系統を更に直流電圧中間回路に接続可能とする。これにより、第２制御システムが異なる系統コード（他外部電圧系統）を実現可能でありながら、たとえば主制御システムが制限を受けることなく外部電圧系統に対する接続状況（系統コード）を維持実行できる。
【００１６】
以下フライホイール貯蔵部と称する機能部は、フライホイール体として回転子を含む。回転子の回転により、エネルギーは機械的回転エネルギーとして貯蔵される。さらに機能部は、特定の回転数に応じて回転子を加速、減速、回転させる軸受およびモータ部材を含む。さらに機能部は、電力と機械エネルギー間の変換を担う電磁変換器と、たとえば真空モジュールなどの他モジュール用の端子またはモジュール用の内部電源用の端子を有する。充電状態に応じて、フライホイール貯蔵部の回転子は５０００ｒｐｍの回転数で回転可能である。通常、ｒｐｍ範囲は１５０００ｒｐｍから最高回転数との間である。各フライホイール貯蔵部は、たとえば回転子の回転数や電磁変換器の構造などの動作条件に応じた個別容量と個別出力を有する。たとえば、個別容量は約５ｋＷｈであり、個別出力は２０〜２００ｋＷである。エネルギーを回転エネルギーとして貯蔵することで、出力も可能となる。即ち、フライホイール貯蔵部から回転エネルギーとしてエネルギーを繰り返し貯蔵可能であり、直流電圧中間回路および制御システムを介して電力エネルギーとして外部電力系統に供給可能となる。
【００１７】
フライホイールエネルギー貯蔵モジュールは、需要家に対し、非常に正確かつ可変的に回収または供給されるエネルギー量を提供可能であり、当該エネルギーを機械的エネルギーとして保存可能であるという利点がある。従って、大量の電池を集積して電池式電力貯蔵システムを形成する場合や、可燃性の水素という危険性が懸念される物質を含む水素タンクを有する水素貯蔵システムと比較して、フライホイールエネルギー貯蔵モジュールは火災の際のリスクが圧倒的に低い。従って、フライホイール貯蔵部は、その他貯蔵技術と比較してより環境にやさしいエネルギー供給技術である上に、あらゆる一日の充電サイクルに対応可能である。電力提供用にエネルギーを提供する際、電力が外部電圧系統および／または直流電圧中間回路から回収されて機械的回転エネルギーとしてフライホイール貯蔵部に貯蔵されることを、負エネルギー供給（流）または負電力供給（流）と称する。従って、機械的回転エネルギーとして貯蔵されたエネルギーまたは電力が、フライホイール（回転子）を減速することで外部電圧系統および／または直流電圧中間回路に供給されることを、正エネルギー供給（流）または正電力供給（流）と称する。フライホイール貯蔵部の数ミリ秒以内にエネルギーを供給可能な能力は、数分間にわたって特定の電力を供給できる能力と同程度有効である。たとえば、５００００ｒｐｍの回転数では、フライホイール貯蔵部は構成にもよるが、３０ｋＷ〜２００ｋＷの電力を回収、供給可能である。一実施形態では、３０秒以上の間、少なくとも非局地的交流系統（電力系統）に対し公称電力を供給可能な程度のモジュール貯蔵容量をエネルギー貯蔵モジュールに提供可能なように、フライホイールモジュール内のフライホイール貯蔵部の数は設定される。
【００１８】
モジュール制御部はエネルギー貯蔵モジュールの構成要素であり、エネルギー貯蔵モジュールを制御する。より具体的には、所望の動作状態や、動作パラメータを調整し、時間ごとの所望の動作状態を含む動作計画に基づきエネルギー貯蔵モジュールを制御する。動作計画は局地的および非局地的制御およびシステムタスクに基づく。エネルギー貯蔵モジュールを制御するため、モジュール制御部は、制御システムとフライホイール貯蔵部を有するエネルギー貯蔵モジュール内の構成要素に、適切なデータ線を介して接続される。データ線はたとえば、ＣＡＮバスや、プロフィバスや、イーサネットなどである。
【００１９】
一実施形態において、モジュール制御部はフライホイール貯蔵部用の所定のトルクを時間に応じて生成、送信する。そしてフライホイール貯蔵部は時間に応じた所定のトルクにより、直流電圧中間回路に対し電流を供給、回収する。従って、直流電圧制御と合わせて、エネルギー貯蔵モジュールに対する電力流入、流出が行われる。
【００２０】
一実施形態において、フライホイール貯蔵部は各所定のトルクをモジュール制御部から取得する。各トルクがあらかじめ決まっていれば、以下の通りフライホイール貯蔵部の各貯蔵状態を管理できる。具体的には、フル充電または実質的にフル充電のフライホイール貯蔵部にさらにエネルギーを貯蔵することがなくなり、過剰充電を防ぐことができる。一方、充電量の少ないフライホイール貯蔵部が、その動作に支障をきたす回転数になるほど放電を行うことを防ぐことができる。
【００２１】
一実施形態において、フライホイール貯蔵部は、直流電圧中間回路にモータ制御部を介して電気的に接続される電気機械変換器を有する。モータ制御部は周波数変換器であることが好ましい。電磁変換器は、本明細書においてモータとも称される。モータ制御部はモジュール制御部にデータ線を介して接続される。これにより、所定の所望値（たとえば所定のトルク）を取得でき、直流電圧中間回路から任意の電力入力が得られるか（充電、エネルギー回収）、直流電圧中間回路に対しエネルギーを供給できる（放電、エネルギー供給）。従って直流電圧中間回路の全構成要素は、たとえば直流電圧中間回路の短絡または急激な電圧変化のような相互作用が起きないよう設計される。
【００２２】
別実施形態では、全フライホイール貯蔵部のモータ制御部は上閾値に対する直流電圧中間回路内の直流電圧を継続的に監視し、それぞれ独立的に、上閾値を超えると同時に、フライホイール貯蔵部から直流電圧中間回路へのあらゆる電力流を遮断する。直流電圧中間回路における直流電圧の制御は可能な限り定常的に行われるが、たとえば特殊な外部システム状態（故障）により、交流系統に対しエネルギー貯蔵モジュール外の他電源から短期的に大量のエネルギーが供給されたり、直流電圧中間回路内の直流電圧が高くなりすぎる場合が生じうる。エネルギー貯蔵モジュールから外部電力系統に対しエネルギーが供給される制御およびシステムタスクが実行された直後に、以下のことが起こり得る。即ち、通常状態で接続された１つ以上の外部系統が当該エネルギーを回収できなければ、その外部系統自体もエネルギー源であるため、直流電圧中間回路内の直流電圧が臨界電圧を超えてしまう可能性がある。システムを保護するため、各フライホイール貯蔵部のモータ制御部は個別に現行の制御およびシステムタスクに係わらずエネルギー供給を中断（遮断）する。たとえば、直流電圧中間回路内の直流電圧と上閾値との差がモータ制御部で設定された臨界値より低下した場合など、直流電圧が上閾値に近づきすぎた場合に、上閾値を超えないように、フライホイール貯蔵部から直流電圧中間回路へのあらゆる電力流の遮断が行われてもよい。
【００２３】
別実施形態では、モジュール制御部は、各フライホイール貯蔵部の現回転数を対応するモータ制御部から取得し、取得した回転数から、各フライホイール貯蔵部現在の充電状態を判定する。当該回転数は、最高および最低回転数（極端な例では無回転）間で変化する。最高回転数ではフル充電された状態である。従って、現在の充電状態は現回転数に対応する。現在の充電状態を知ることで、モジュール制御部は、各（個別の）あらかじめ選択されたトルクに基づき、制御およびシステムタスクを実行するため外部電圧系統またはシステムから回収される追加のエネルギー量に関して外部電圧系統またはシステムに対して供給可能なエネルギーおよび電力量または空き貯蔵容量を正確な量で使用可能である。従って、あらかじめ選択されたトルクを、各フライホイール貯蔵部の充電状態に合わせることができる。たとえば１Ｈｚの周期で定期的に回転数が取得される。現回転数は、モジュール制御部が送信する、対応する能動的取得信号により送信されてよく、またはモータ制御部が独立的に送信するものであってよい（モジュール制御部による受動的取得）。モータ制御部は継続的に送信を行ってよいが、前回決定された回転数値の変化に応じてのみ行ってよい。たとえば、通常動作における典型的な回転数範囲は３００Ｈｚ〜８００Ｈｚの範囲であり±５％の許容誤差値を有する。
【００２４】
一実施形態において、フライホイール貯蔵部のモータ制御部において上限および／または下限回転数が設定される。この部分（フライホイール貯蔵部）における回転数制限は、フライホイール貯蔵部の過充電からモジュールを保護するものであり、また全放電を避けるためのものである。好ましい実施形態では、たとえばマイクロコントローラのような部材により、上限および／または下限回転数が設定される。回転数制限は、モータ制御部内のソフトウェアプログラムにより設定されてよい。いわゆる追加構成要素によるハードウェアインストールにより、モータ制御部の機能状態とは関わりなく、回転数制限に対する動作信頼性が保証される。適切な手段によりモータ制御部内において、直流電圧中間回路に対し入力、あるいはそこから出力される最大トルクまたは電流入力はハードウェア側でも同様に適切な方法で設定される。
【００２５】
さらなる実施形態では、モジュール制御部において、所定のトルクに対する上限および／または下限回転数が設定される。好ましい実施形態では、回転数制限は指令としてコンピュータプログラムに設定される。従って、変更された可能性のある回転数制限も迅速に反映可能となる。モジュール制御部内の回転数制限は、モータ制御部内の回転数制限と同一である必要はない。モータ制御部内の回転数制限は、モジュールを保護するためである一方、モジュール制御部内の回転数制限は、エネルギー貯蔵モジュールを特に有効な回転数範囲で制御するためのものである。従って、モジュール制御部内の上限および／または下限回転数は、モータ制御部内の上限および／または下限回転数を超えるものではない。本実施形態において、モジュール制御部は最大トルクに対する回転数制限およびモータ制御部内の電流を考慮に入れて、送信する所定のトルクを計算する。
【００２６】
さらなる実施形態では、外部電圧系統またはシステムの電圧の質を継続的に測定する１つ以上の測定部を有する。電圧系統を継続的に監視することで、外部電圧系統またはシステム内の特定の閾値を超過または下回ることに応じて、各外部電圧系統からエネルギー貯蔵モジュールを切り離すことができる。測定部は局地的および／または非局地的外部電圧系統内に一体化されてよく、局地的外部電圧供給網における少なくとも１か所に配置可能である。測定部はエネルギー貯蔵モジュールと局地的および／または非局地的外部電圧系統との接続点に設けられてよい。本発明における測定部は、接続された局地的電力系統の関連データの一例としての商用電源周波数や商用電源電圧を測定する測定用プローブである。さらに、測定値は、時間に対する電圧曲線、位相角、中性点、商用電源周波数、商用電源電流、その他変数を含む。本発明においては、当業者が適切な測定部や測定用プローブを選択し、それを適切な場所に配置可能である。たとえば、外部交流系統における所望の商用電源周波数が５０Ｈｚであり、測定部が商用電源周波数の低下を判定した場合、商用電源周波数が所望値に復帰するまで、モジュール制御部は測定された最新商用電源周波数（測定された関連データ）およびモジュール制御部に記憶された対応シーケンスに基づき、自動的に各外部交流系統にエネルギーを供給する。さらなる測定値の例として、無効電力補償のための局地的交流系統における位相角や、局地的外部電圧系統において電圧の質をたもつよう測定される、著しく負荷が増加または低下した場合の電圧が挙げられる。その他対応する対応シーケンスが、その他制御およびシステムタスク用制御にも記憶される。
【００２７】
さらなる実施形態では、モジュール制御部は外部データを受信し、所定のトルクを受信した外部データに合わせる。そのような外部データは好ましくは物理的測定値、論理パラメータ、リアルタイム制御コマンド、または順序制御用制御コマンドである。たとえば、動作計画は、局地的および非局地的制御およびシステムタスクに対応した外部データ（制御コマンド）に基づく。さらにモジュール制御部は、局地的外部電圧系統内の状況変化に応じて、エネルギー供給または回収を通じて局地的外部電圧系統の回線品質を向上または維持したり、局地的外部電圧系統内のインターフェースに合わせて再度回線品質を向上することもできる。以下の説明において、受信した外部データ（制御コマンド）は、モジュール制御部が実行するエネルギー貯蔵モジュールの局地的および／または非局地的制御およびシステムタスクに対応した指示とも称される。「実行する」とは、接続した電力系統の局地的および非局地的制御およびシステムタスク用の制御コマンド（外部データ）に対応するモジュール制御部によるエネルギー貯蔵モジュールの制御を指す。外部データは外部制御部により送信される。外部制御部は、たとえば非局地的交流電圧網（電力系統）の制御エネルギー需要を制御し当該需要を、非局地的制御およびシステムタスクとして、通信ネットワークを介して非局地的制御およびシステムタスクとしてエネルギー貯蔵モジュールに指示可能である。非局地的制御およびシステムタスクはエネルギー貯蔵モジュールの空き容量（局地的制御およびシステムタスクには不要）により実行可能である。エネルギー貯蔵モジュールが非局地的制御およびシステムタスクを受信可能な外部システムとして、たとえば好ましくは特定の動作時間中にエネルギー供給またはエネルギー減少を実現する電力補助群や、エネルギー交換部が挙げられる。さらなる非局地的制御およびシステムタスクの変数として、たとえば非局地的交流系統（電力系統）における無効電源要求、ピーク負荷補償、要求される局地的貯蔵が挙げられる。
【００２８】
「受信」とは、外部データのエネルギー貯蔵モジュールに対する送信を伴うあらゆる処理を指す。たとえば、外部データは制御コマンドである。モジュール制御部は制御コマンドに基づきエネルギー貯蔵モジュールを制御する。外部データはたとえば、局地的交流系統（電力系統）の制御システムや、より上位の制御または局地的測定点から送信される。制御コマンド（外部データ）は局地的および非局地的制御およびシステムタスクを含む。非局地的制御およびシステムタスクは、本発明に係るエネルギー貯蔵モジュールが、可能であれば実行する。外部データ（制御コマンド）は、対応するデータ媒体ドライブ（たとえばＣＤ−ＲＯＭ）またはデータ媒体インターフェース（たとえばＵＳＢデータスティック）内に読み込むことで、データインターフェースを介してデータ記憶媒体により受信可能である。別実施形態では、外部制御コマンドは介装するユーザインターフェース（画面およびキーボード）を介した直接入力により受信可能である。
【００２９】
一実施形態では、本発明に係るエネルギー貯蔵モジュールで生成される動作データを、インターフェースを有するエネルギー貯蔵モジュールが外部に送信する。その結果、受信される制御およびシステムタスクが外部システム内の動作データに基づく。送信とはさらに、データ接続が確立しているかを調べるための検査信号の送信であってもよい。
【００３０】
一実施形態において、制御およびシステムタスクを実行するため、モジュール制御部は各外部データ（制御手段）を実行するための優先順位管理部を有する。これにより、非局地的交流電圧系統（電力系統）における非局地的制御およびシステムタスクに関わる外部制御コマンドよりも、局地的交流電圧系統（電力系統）における局地的制御およびシステムタスクに関わる外部制御コマンドが優先的に実行される。優先順位管理部はデータ記憶部であってもよい。モジュール制御部は外部制御コマンドを実行する際、当該データ記憶部にアクセスし、設定された優先順位に応じて次の外部制御コマンドを実行する。優先順位は、外部アクセスにより変更不能なようにデータ記憶部に記憶されてよい。たとえば、優先順位は、エネルギー貯蔵モジュールにおける優先順位管理部を対応するデータ記憶部または対応するファイルと交換することで、変更可能である。
【００３１】
さらなる実施形態では、外部データ（制御コマンド）が受信不能となった場合に、モジュール制御部は再度外部データを受信可能となるまで、接続された局地的外部電圧系統またはシステム（電力系統）における局地的制御およびシステムタスクのみを実行できるだけのモジュール貯蔵容量およびモジュール出力を有してもよい。データ受信不能であることを判定するため、モジュール制御部は外部に検査信号を定期的に送信可能であり、そして対応する返信信号がなければ受信不能と判定してもよい。このような検査信号は、たとえば通信接続が確立されているかに関わるいわゆるデジタルハンドシェイクと呼ばれるものである。外部通信が不能となった後、モジュール制御部が非局地的外部電圧系統（電力系統）の現状に関わる返信メッセージを受信できなくなるため、局地的制御およびシステムタスクの優先順位を高くすることが有効である。モジュール制御部が、新たに外部データ（制御信号）を受信せずに、単純に現行のタスクを処理するのであれば、場合によっては過負荷状態となり、外部電圧系統（電力系統）の故障が生じ得る。従って、エネルギー貯蔵モジュールに割り当てられた、その有効性を測定部により判定可能な局地的制御およびシステムタスクのみを実行することは有効である。
【００３２】
さらなる実施形態では、モジュール制御部は回転数以外の動作データを検出、評価し、当該動作データを含む報告プロトコルをデータインターフェースの１つを介して外部に送信してよい。たとえば、エネルギー貯蔵モジュールが外部データを受信する対応する外部制御システムまたは外部制御部に送信される。これにより、少なくとも受信される外部データ（制御コマンド）用の動作データを外部制御システム（または制御部）において加味することが可能となる。たとえば、エネルギー貯蔵モジュールの動作データは、利用可能なモジュール貯蔵容量およびモジュール出力、エネルギー貯蔵モジュールが非局地的タスク用に抑えている空き非局地的容量（局地的非局地的に不要なモジュール貯蔵容量）および（現行の）空き非局地的電力（局地的制御およびシステムタスクに不要なモジュール出力）、今後予定される局地的制御およびシステムタスクの少なくともいずれかを指定する。従って、モジュール制御部自身が動作センサにより動作データを測定可能である。または動作データは対応するデータ線を介して他モジュールにより送信される。この通り検出された動作データは、モジュール制御部内の手順に従い、たとえば対応するソフトウェアプログラムによりモジュール制御部により評価される。そして動作データは所定の形式で上記データインターフェースを介して送信される。動作データは用途に応じて、たとえば毎秒送信されてよい。たとえば、モジュール制御部は各フライホイール貯蔵部の貯蔵状態、接続された電力系統の状態（たとえば電圧と電流）の実際の値を検出し、上記データを算出し、局地的および非局地的制御およびシステムタスクを実行する。動作データに加え、報告プロトコルはたとえば、特徴的な記載で示されるエネルギー貯蔵モジュールの識別情報を含んでよい。特徴的な記載とは、識別番号、さらに可能であれば地理的座標で示されるエネルギー貯蔵モジュールの設置位置を示す。従って、報告プロトコルは、所望の外部位置にて受信、処理可能となるよう、好ましいデータ形式を持ち、たとえば暗号化されている。このようにして、空きモジュール貯蔵容量および空きモジュール出力の実際の値、および計画データは、外部主制御を立てることが化可能となる。そしてその後、計画で特定された対応する非局地的または局地的制御およびシステムタスクを外部データ（制御コマンド）の形でエネルギー貯蔵モジュールに返信できる。
【００３３】
さらなる実施形態において、エネルギー貯蔵モジュールは、フライホイール貯蔵部を動作させるための補助部をさらに有する。モジュール制御部は受信した動作データまたは外部データに対し補助部による制御を適用する。好ましくは、内部動作データはフライホイール貯蔵部またはその他モジュール内部システムなどのエネルギー貯蔵モジュール内の熱負荷を含む。たとえば、その他のモジュール内部システムは、真空システム、加熱または冷却システム、またはその他供給システムである。これにより、エネルギー貯蔵モジュールの効率を向上できる。内部電気損失は、設備内外の最新測定値に対して、補助部の動作態様や動作点を細かく調整することで最小化できる。たとえば、補助部の一例である冷却部の流れ温度を最新の内部／外部負荷に応じて増加、または減少させてよい。たとえば、フライホイール貯蔵部の廃熱を減らすことで、冷却部の冷却能力を下げることができ、冷却部の動作エネルギーを減らすことができる。他の例では、フライホイールエネルギー貯蔵モジュールに動作真空を発生させるためのエネルギー貯蔵モジュールの内圧に応じて、真空モジュール内の真空ポンプの出力は時間に応じて動作させるか、完全に遮断される。これにより、動作エネルギーを引き下げることができ、効率を向上できるので、より効果的なエネルギー貯蔵モジュールを提供できる。
【００３４】
別の実施形態では、エネルギー貯蔵モジュールはさらに補助部に接続された１つ以上のパワーシンクをさらに有する。フライホイール貯蔵部がフル充電されている場合でも、パワーシンクによりさらにエネルギーの回収が可能となる。たとえば、エネルギー貯蔵モジュールの、外部電力（たとえば１つの交流電力系統からの一次または二次制御電力）を貯蔵するためのモジュール貯蔵容量は、一次および二次冷却回路を有する冷却システムにより的確に増加可能である。即ち、たとえば第１パワーシンクとしての冷却貯蔵容器における投入電熱器により、冷却システムの二次冷却回路を同時に冷却し電気的に加熱するのである。これにより、一次冷却回路の冷却効率が上昇する（第２パワーシンクとしての冷却器の電力消費の増加）。各フライホイール貯蔵部の各貯蔵容量の公称和を超えるモジュール貯蔵容量は、環境状況やシステム動作点に応じて、冷却システムと真空システムの少なくともいずれかの電力消費により意図的に増加可能である。上記のように利用可能に保持される冷媒の量や、任意で設定される公称真空未満の真空度はそれぞれ非動作の補助部や関連した省動作エネルギーにより、後に再現可能であり、頻繁に必要であれば記憶してもよい。
【００３５】
本発明の上記およびその他態様は以下の図に示される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１は本発明に係るエネルギー貯蔵モジュールの実施形態を示す。
【図２】図２は制御ボックスを有する制御システムの実施形態を示す。
【図３】図３は本発明に係る、エネルギー貯蔵モジュールを動作させる方法の実施形態を示す。
【図４】図４は本発明に係る、エネルギー貯蔵モジュールを動作させる方法のさらなる実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
図１は、電気エネルギーを機械的回転エネルギーとして、出力可能に保存する、本発明に係るエネルギー貯蔵モジュール１の実施形態を示す。エネルギー貯蔵モジュール１は４つのフライホイール貯蔵部２を有する。各フライホイール蓄電部２は個別容量ＥＫおよび個別出力ＥＬを有する。フライホイール貯蔵部２の数をこの様にあえて少なく記載しているのは図示簡略化のためである。実際には、エネルギー貯蔵モジュールはたとえば３０個のフライホイール貯蔵部２を有する。この構成では、上記各フライホイール貯蔵部の個別容量により、エネルギー貯蔵モジュールごとに最大容量１５０ｋＷｈと、最大出力０．６ＭＷが得られる。各フライホイール貯蔵部２は、モータ制御部２１を介して直流電圧中間回路５に電気的に接続される電磁変換器２３を有する。モータ制御部２１は好ましくは周波数変換器２１である。直流電圧中間回路５により、全フライホイール貯蔵部２の並列な電気的接続がなされる。その結果、個別容量ＥＫ、個別出力ＥＬの合計としてモジュール貯蔵容量ＭＳＫ、モジュール出力ＭＬが得られると同時に、１つのフライホイール貯蔵部が故障してもエネルギー貯蔵モジュール１全体の動作信頼性が損なわれることがない。直流電圧中間回路は、制御システム３の出力側３１に接続されている。制御システム３の入力側３２は、外部の局地的電圧系統ＬＳおよび非局地的電圧系統ＮＳに接続されている。モジュール制御部４は所定のトルクＤＶ（好ましくは時間に応じてあらかじめ定められたトルク）によりエネルギー貯蔵モジュール１を制御する。所定のトルクＤＶはモジュール制御部４により生成され、エネルギー貯蔵モジュール１の動作Ｕ１に応じてフライホイール貯蔵部２に送信Ｕ１される。所定のトルクＤＶによりフライホイール貯蔵部２はエネルギーを電力として直流電圧中間回路５に対し供給、回収する。制御システム３は、２つの外部の電圧系統ＬＳおよびＮＳの少なくとも一方に対し、エネルギーを供給（Ｅｐ）または回収Ｅｎすることで直流電圧中間回路５内の直流電圧ＤＣを制御する。ここで、エネルギーを上閾値ＳＷ１（公称直流電圧＋５Ｖ）と下閾値ＳＷ２（公称直流電圧−５Ｖ）との間とすることで、直流電圧ＤＣが一定の値、たとえば７５０Ｖに維持される。本実施形態では、直流電圧ＤＣを上下閾値ＳＷ１およびＳＷ２間で一定に保つ制御システム３（主制御システム）に加え、制御システム３’を補助制御システム３’として、主制御システム３と並列に直流電圧中間回路５に接続する。ここで、この補助制御システム３’はさらに局地的電圧系統ＬＳ’に接続される。局地的電力系統ＬＳ’は、たとえばビル用の電力系統などの、その他電力系統ＬＳおよびＮＳとは非接続の、独立したネットワークである。従って、補助制御システム３’は独立ネットワークＬＳ’を個別に動作（個別制御、個別供給）させる。これにより、たとえば補助制御システム３’が独立ネットワークＬＳ’に対し、主制御システム３が関連するものと異なるグリッドコードを実現可能でありながら、主制御システム３が特に制限を受けずに外部の電圧系統ＬＳおよびＮＳとの接続条件を維持、実現可能となるという利点がある。モジュール制御部４はデータ線１３（点線矢印）を介して補助制御システム３’に接続されているため、独立ネットワークＬＳ’に対する局地的制御およびシステムタスクＯＲＳを実行可能である。モジュール制御部４は制御として、各フライホイール貯蔵部２の回転数ＤＺを対応するモータ制御部２１から取得し、取得した回転数ＤＺから各フライホイール貯蔵部２の現在の充電状態を判断する。機器保護の観点から、フライホイール貯蔵部２の各モータ制御部２１には上限、下限回転数の少なくとも一方が設定される。ここでは、上記回転数制限は部品２２により実現される。これに代えて、または加えてモジュール制御部４で回転数制限が実現されてもよい。モジュール制御部４での回転数制限は、指示としてコンピュータプログラムに設けられることが好ましい。下限回転数の最低値は秒速０回転であるが、モータシステムが動作上必要最低限の出力を供給できるよう、より多い回転数とするのが技術的に妥当である。上限回転数は、モータ変換器の周波数、または回転子部品の安定性により定まる。たとえば通常、最高回転数は８００Ｈｚである。
【００３８】
モジュール制御部４は、局地的および非局地的交流系統ＬＳおよびＮＳでそれぞれ実行される局地的および非局地的制御並びにシステムタスクＯＲＳおよびＮＯＲＳに基づきエネルギー貯蔵モジュール１を制御する。モジュール制御部４はデータインターフェース１１を通じて、局地的および非局地的制御およびシステムタスクＯＲＳおよびＮＯＲＳを外部データＥＤの形で受信ＥＭする。フライホイール貯蔵部２に送信される所定のトルクＤＶは、モジュール制御部４により受信ＥＭした外部データＥＤに基づき生成されるものである。たとえば、外部データＥＤは、局地的および非局地的制御およびシステムタスク、物理的計測値、論理パラメータや、リアルタイム制御コマンドまたはシーケンス制御用制御コマンドである。モジュール制御部４はさらに外部データＥＤ、具体的には局地的および非局地的制御およびシステムタスクＯＲＳおよびＮＯＲＳ、を記憶する記憶部４１を有する。モジュール制御部４はさらに、優先順位管理部４２を有する。エネルギー貯蔵モジュール１を制御するに当たり、モジュール制御部４は接続された局地的および非局地的電圧系統ＬＳおよびＮＳにおいて局地的および非局地的制御およびシステムタスクＯＲＳおよびＮＯＲＳを実行するための動作計画ＢＰを立て、各フライホイール貯蔵部２に対応する所定のトルクＤＶを供給する。所定のトルクＤＶは各フライホイール貯蔵部２の充電状態に対応することが好ましい。モジュール制御部４は、エネルギー貯蔵モジュール１を制御するため、常に最新の外部データＥＤを受信する。そこで、本実施形態のモジュール制御部４は現行の外部接続の動作信頼性を、検査信号ＴＳの送信、そして外部システムからの対応する返信信号ＲＳの返送を通じて調査する。返送信号を受信ＥＭすると、たとえば外部データＥＤとして送信される、実行される局地的および非局地的制御およびシステムタスクＯＲＳおよびＮＯＲＳのエネルギー貯蔵モジュールに対する送信元である当該外部システムとの通信接続の動作信頼性が裏付けられる。このように外部データＥＤはエネルギー貯蔵モジュール１の現状を加味したものであるため、モジュール制御部４はたとえば定期的にエネルギー貯蔵モジュール１の動作データＢＤを外部システムに送る。従って、動作データＢＤはフライホイール貯蔵部２の充電状態、それに対応する原則的に利用可能な現在のモジュール貯蔵容量ＭＳＫおよびモジュール出力、エネルギー貯蔵モジュール１の識別情報、さらにはエネルギー貯蔵モジュール１のその他構成要素の状態を含む。
【００３９】
エネルギー貯蔵モジュール１が制御ボックス８を有することで、直流電圧中間回路５内を流れ、直流電圧中間回路５と交流系統との間でやり取りされるエネルギーおよび電力流ＥＦおよびＬＦが、局地的および非局地的交流系統ＬＮおよびＮＳに適切に分配される。その結果、局地的交流系統ＬＳの局地的制御およびシステムタスクＯＲＳと、非局地的交流系統ＮＳの非局地的制御およびシステムタスクＮＯＲＳが達成されるのである。具体的には制御ボックス８は、直流電圧内部回路５から流れる全エネルギーおよび電力流ＥＦおよびＬＦを、局地的交流系統ＬＳ用の局地的エネルギーおよび電力流ＥＦＩおよびＬＦＩと、非局地的交流系統ＮＳ用の非局地的エネルギーおよび電力流ＥＦｇおよびＬＦｇとに分流する。接続された交流電力系統ＬＳおよびＮＳで制御およびシステムタスクＯＲＳおよびＮＯＲＳを理想的に実行するため、エネルギー貯蔵モジュール１は測定部７を有する。測定部７は交流系統またはシステムＬＳおよびＮＳまたは電圧の質を継続的に測定し、交流系統ＬＳおよびＮＳの電圧値を評価するための関連データを測定する。別の実施形態では、複数の測定部７を使用してもよい。たとえば、関連データＲＤを受信するのに適した測定値は、時間に対する電圧曲線、位相角、中性点、商用電源周波数、商用電源電流である。本発明においては、当業者が適切な測定部や測定用プローブを選択し、それを適切な場所に配置可能である。従って、エネルギー貯蔵モジュール１は、交流系統またはシステムＬＳおよびＮＳにおいて所定の閾値を超えたことに応じて、交流電圧ネットワークＬＳ，ＮＳへの接続を能動的に切断可能である。
【００４０】
エネルギー貯蔵モジュール１はさらに、フライホイール貯蔵部２を動作させるための、たとえば真空システム９１や冷却部９２のような補助部９１および９２を有する。真空システム９１は、フライホイール貯蔵部２内の回転子（フライホイール体）用の回転子容器に、配管システム（簡略化のため不図示）を通じて接続され、回転子容器内が毎分４００００Ｕを超える高速となる場合に必要となる、たとえば１０−３ｍｂａｒ未満の真空を生成する。冷却部９２はエネルギー貯蔵モジュール１から動作熱を排出する。モジュール制御部４は受信した内部動作データＢＤまたは外部データＥＤに対し、補助部９１および９２の制御を適用するため、補助部９１および９２はデータ線１３を通じてモジュール制御部４に接続される。設備内外の現在の測定値に対して、補助部９１および９２の動作態様や動作点を詳細に調整することで内部電気損失を最小化できる。たとえば、補助部の一例である冷却部９２の流れ温度を現在の内部／外部負荷に応じて増加、または減少させてよい。たとえば、フライホイール貯蔵部２の廃熱を減らすことで、冷却部９２の冷却能力を下げることができ、冷却部９２の動作エネルギーを減らすことができる。他の例では、フライホイールエネルギー貯蔵モジュール２の回転子用の回転子容器内に動作真空を発生させるためのフライホイール体（回転子）のガス排出動作に応じて、真空モジュール９１内の真空ポンプの出力は時間に応じて動作させるか、完全に停止される。これにより、動作エネルギーを低くでき、１０％まで効率を引き上げることができるため、より効力の高いエネルギー貯蔵モジュール１を提供可能である。見易さのため、補助部９１および９２への電流供給は図１では省略している。
【００４１】
本実施形態において、エネルギー貯蔵モジュール１はさらに補助部９１および９２に接続（太線で示す）されたパワーシンク６を有する。フライホイール貯蔵部２がフル充電されている場合にも、パワーシンク６によりさらにエネルギーの回収が可能となる。たとえば、エネルギー貯蔵モジュール１の、外部電力（たとえば１つの交流系統ＮＳからの一次または二次制御電力）を貯蔵するためのモジュール貯蔵容量ＭＳＫは、一次および二次冷却回路を有する冷却システム９２により増加可能である。これは、たとえば第１パワーシンク６として４００ｌの容積を有する冷却貯蔵容器（たとえば水槽）における投入電熱器により二次冷却回路を有する冷却システム９２を電気的に加熱するという非常に直接的な方法で行われる。これにより、一次冷却回路の冷却効率が上昇する（第２パワーシンクとしての冷却器９２の電力消費の増加）。各フライホイール貯蔵部２の個別貯蔵容量ＥＫの公称和を超えるモジュール貯蔵容量ＭＳＫは、環境状況やシステム動作点に応じて、冷却システム９２と真空システム９１の少なくともいずれかの電力消費により意図的に増加可能である。需要が増えた際に、上記のように貯蔵される冷媒の量や、任意で設定される公称真空未満の真空レベルはそれぞれ非動作の補助部９１および９２や関連した省動作エネルギーにより後に再現可能であり、記憶可能である。
【００４２】
エネルギー貯蔵モジュール１を制御するため、モジュール制御部４やその他エネルギー貯蔵モジュール１の要素はたとえばデータバス１３のようなデータ線１３を通じて互いに接続される。モジュール制御部４は、制御ボックス８の制御機能に関わる構造データＫＤを制御システム３にデータ線１３を通じて送信する。
【００４３】
図２は制御ボックス８の実施形態を示す。制御およびシステムタスクＯＲＳおよびＮＯＲＳに応じて、接続された交流系統（電力系統）ＬＳおよびＮＳとエネルギー貯蔵部１との間のエネルギーおよび電力流ＥＦおよびＬＦを分流可能となるよう、本実施形態のエネルギー貯蔵モジュール１は制御要素８１と、各接続された交流系統（電力系統）ＬＳおよびＮＳにそれぞれ対応する断路器８２とを有する制御ボックス８を有する。モジュール制御部４は、データ線１３を介して制御ボックス８の制御要素８１に接続され、制御機能の対応する構成データＫＤを制御ボックス８、ここでは直接制御要素８１、に送信してエネルギーおよび電力流を制御する。制御機能構成データＫＤにより、制御要素８１は直流電圧中間回路５からのエネルギーおよび電力流ＥＦおよびＬＦの、接続された交流系統（電力系統）ＬＳおよびＮＳに対する、局地的交流系統（局地的電力系統）ＬＳへのエネルギー流ＥＦＩと、非局地的交流系統（非局地的電力系統）ＮＳへのエネルギー流ＥＦｇへの分配を制御する。本例示的実施形態では、エネルギー流ＥＦの分配は、接続された両交流系統（電力系統）ＬＳおよびＮＳへのエネルギー供給に対応して例示的目的のみで示される。制御ボックス８はさらに、接続された交流または直流ネットワーク（電力系統）ＬＳおよびＮＳの一方からからのエネルギー流が、接続された交流または直流ネットワーク（電力系統）ＬＳおよびＮＳの他方に流入するよう制御する。２つのエネルギー流の規模により、負エネルギーと正エネルギーとの差がエネルギー貯蔵システム１に提供される。エネルギー貯蔵システム１は詳述されるのではなく、対応する部材により概略的に示される。制御ボックス８は、２つの接続された電圧系統（電力系統）ＬＳおよびＮＳから同時に関連データＲＤを受信する。関連データＲＤにより、制御要素８１は、制御要素８１に保存された関連データＲＤの基準や閾値に応じて、２つの接続された電圧系統（電力系統）ＬＳおよびＮＳが通常状態にあるかを判定する。従って、停電により、接続された電圧系統（電力系統）ＬＳおよびＮＳの少なくとも一方が使用不能になると、それは対応する関連データＲＤにより明らかとなる。関連データＲＤは制御要素８１に送信され、それに応じて制御要素８１は自動的に、接続された交流系統またはシステム（電力系統）ＬＳまたはＮＳからエネルギー貯蔵システム１を切り離すための切断指示（点線矢印）を少なくとも１つの断路器８２に送信する。それに応じて少なくとも１つの断路器８２は、エネルギー貯蔵システムから、接続されていた交流電流電圧ネットワークまたはシステム（電力系統）ＬＳまたはＮＳを数ミリ秒以内に切り離す。交流電圧網の一方のみから切り離されたエネルギー貯蔵システム１は、接続が保たれている交流電圧網の他方を動作可能である、交流電圧網が故障した場合に、短絡や過負荷状態が効果的に防止される。ここでの、接続された局地的交流電圧網（局地的電力系統）ＬＳと、接続された非局地的交流電圧網（非局地的電力系統）ＮＳを有する例示的実施形態は、２つの接続された交流電圧網（電力系統）の一例を示すに過ぎない。別の実施形態では、制御ボックス８は２つ以上の交流電圧網（電力系統）に接続されてよい。２つ以上の接続された交流電圧網（電力系統）は、いずれも局地的交流電圧網（電力系統）であって、その少なくとも１つが、非局地的制御およびシステムタスクＮＯＲＳを実行するために非局地的交流電圧網（非局地的電力系統）に接続されてもよい。
【００４４】
図３に、本発明に係るエネルギー貯蔵モジュール１を動作させる方法の実施形態を示す。モジュール制御部４は外部データＥＤとして局地的および非局地的制御およびシステムタスクＯＲＳおよびＮＯＲＳを受信し、直流電圧中間回路５の直流電圧ＤＣが直流公称値ＤＣ−Ｓに対応するかを調べる。対応する（ＤＣ−Ｓ＝“Ｊ”ＳＷ２＜ＤＣ＜ＳＷ１）場合、接続された交流電圧網ＬＳおよびＮＳに対しエネルギーを供給、回収するタスクがないのであれば、モジュール制御部４は所定のトルクＤＶをフライホイール貯蔵部に送信する必要がない。直流電圧ＤＣが公称直流電圧（ＤＣ−Ｓ＝“Ｎ”）を超える場合、交流電圧網ＬＳおよびＮＳから直流電圧中間５へのエネルギー流ＥＦｐに応じて、モジュール制御部４からフライホイール貯蔵部２へフライホイール貯蔵部２を加速Ｂさせるための所定のトルクＤＶが送信Ｕ１される。直流電圧ＤＣが公称直流電圧（ＤＣ−Ｓ＝“Ｎ”）を下回れば、直流電圧中間回路５から交流電圧網ＬＳおよびＮＳに対するエネルギー流ＥＦｎに応じてモジュール制御部４からフライホイール貯蔵部２へフライホイール貯蔵部２を減速Ａさせるための所定のトルクＤＶが送信される。モジュール制御部４から受信する制御機能構成データＫＤに応じて、制御ボックス８は制御システム３から受信したエネルギーおよび電力流ＥＦおよびＬＦを、局地的および非局地的制御およびシステムタスクＯＲＳおよびＮＯＲＳのバランスに応じて、各交流電圧網ＬＳおよびＮＳに対するエネルギーおよび電力流ＥＦＩ，ＬＦＩ，ＥＦｇ，ＬＦｇになるよう制御する。
【００４５】
図４は、本発明に係るエネルギー貯蔵モジュール１を動作させる方法のさらなる実施形態を示す。モジュール制御部４は外部データＥＤとして局地的および非局地的制御およびシステムタスクＯＲＳおよびＮＯＲＳを受信ＥＭし、対応する所定のトルクＤＶをフライホイール貯蔵部２に送信する。同時に、各フライホイール貯蔵部２のモータ制御部２１は、実線矢印Ｕ２で示された、上閾値ＳＷ１に対する直流電圧中間回路５内の直流電圧ＤＣを常に監視Ｕ２する。上限閾値ＳＷ１（ＳＷ１＝“Ｊ”）を超過すると同時に、全フライホイール貯蔵部２のモータ制御部２１はエネルギー貯蔵部２から直流電圧中間回路５へのあらゆる電力流ＬＦｐを遮断Ｕ３する（ボックス“２”とボックス“５”との間の波線で示す）。別の実施形態では、上記調査を制御システム３が実行してもよい。閾値を超えた場合の動作は、先述のものと同一である。直流電圧中間回路５内の直流電圧ＤＣが公称範囲Ｓ−ＤＣ内である場合、または継続的に範囲内である場合、エネルギー貯蔵モジュール１が図３の制御工程に従って動作される。
【００４６】
上記実施系多はあくまで本発明の一例を示すものであって、限定的と解されるべきではない。当業者が想到した他実施形態も同様に本発明の保護範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４７】
１  本発明のエネルギー貯蔵モジュール
１１  データインターフェース
１２  測定部
１３  データ線、データバス
２  フライホイール貯蔵部
２１  モータ制御部
２２  部材
２３  電磁変換器
３，３’   制御システム
３１  出力側
３２  入力側
４  モジュール制御部
４１  記憶部
４２  優先順位管理部
５  直流電圧中間回路
６  パワーシンク
７  測定部
８  制御ボックス
８１  制御要素
８２  断路器
９１，９２  補助部
Ａ  フライホイール貯蔵部減速
Ｂ  フライホイール制御部加速
ＢＤ  動作データ
ＤＣ  直流電圧中間回路内の直流電圧
ＤＣ−Ｓ  直流電圧中間回路内の直流電圧の公称値
ＤＺ  回転数
ＤＶ  所定のトルク
ＥＤ  外部データ
ＥＦ  エネルギー流
ＥＦｇ  非局地的電圧系統へのエネルギー流
ＥＦｌ  局地的電圧系統へのエネルギー流
ＥＦｎ  エネルギー貯蔵モジュールまたはフライホイール貯蔵部に対するエネルギー流入（負エネルギー流）
ＥＦｐ  エネルギー貯蔵モジュールまたはフライホイール貯蔵部に対するエネルギー流出（正エネルギー流）
ＥＫ  個別容量
ＥＬ  個別出力
ＥＭ  データ受信
Ｅｎ  電圧系統からエネルギー回収
Ｅｐ  電圧系統へエネルギー放出
ＧＳＢ  直流電圧補助動作
ＫＤ  構成データ
ＭＳＫ  モジュール貯蔵容量
ＬＦ  電力流
ＬＦｎ  エネルギー貯蔵モジュールまたはフライホイール貯蔵部に対する電力流入（負エネルギー流）
ＬＦｐ  エネルギー貯蔵モジュールまたはフライホイール貯蔵部に対する電力流出（正エネルギー流）
ＬＳ，ＬＳ’   局地的電圧系統（局地的電力系統）
ＮＳ  非局地的電圧系統（非局地的電力系統）
ＲＤ  関連データ
Ｓｎ  直流電圧中間回路からエネルギー／電力回収
Ｓｐ  直流電圧中間回路からエネルギー／電力供給
ＳＷ１  直流電圧上閾値
ＳＷ２  直流電圧下閾値
ＲＳ  返信信号
ＴＳ  検査信号
Ｕ１  所定のトルク送信
Ｕ２  直流電圧中間回路における直流電圧の定常的監視
Ｕ３  フライホイール部から直流電圧中間回路へのあらゆる電力流の遮断
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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