(57)【要約】      （修正有）【課題】分散エネルギー発生を可能にする配電システムを提供する。【解決手段】シリーズ電圧方法により、ＥＰＵの入力における高配電電圧にかかわらず、および、ＥＰＵの入力における高配電電圧とは独立して、ＥＰＵの出力電圧は、厳しい公称電圧および許容範囲に調整され、保たれる。また、ＥＰＵは双方向であることから、配電ネットワーク上の高電圧にかかわらず、ＥＰＵの出力に接続されている任意の過剰エネルギーは、その入力に、および、ＨＶ配電ネットワーク上に戻される。しかしながら、ＤＥＧインターフェースがＥＰＵ出力に接続されているとき、ＤＥＧインターフェース制御エレクトロニクスは、通常の公称調整ＥＰＵ出力のみを知り、感知することから、ＤＥＧインターフェースエレクトロニクスは、十分なエネルギー回収により、通常の動作を継続する。【選択図】図４
0003220662.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
分散エネルギー発生を有する配電システムにおいて、
配電ネットワークと、
１つ以上の使用のポイントのうちの１つにおいてそれぞれが直接取り付けられている、
１つ以上のエネルギー処理ユニットとを具備し、
エネルギー処理ユニットのそれぞれは、前記配電ネットワークに接続されている入力接続と、負荷のうちの１つ以上に接続されている出力接続と、前記エネルギー処理ユニットが取り付けられている前記使用のポイント中の分散エネルギー発生デバイスとを有し、
前記エネルギー処理ユニットのそれぞれは、前記エネルギー処理ユニット入力における前記配電ネットワーク中の調整されていない入力電圧から、その出力において、前記エネルギー処理ユニット入力において内部のプログラム可能な電圧参照値に基づき、調整された出力電圧を発生させ、
前記エネルギー処理ユニットのそれぞれは、シリーズ電圧レギュレータを備え、１つ以上の電力品質機能のうちの少なくとも１つと組み合わせて、シリーズ電圧レギュレーション方法を使用して、その調整された出力電圧を発生させ、
前記エネルギー処理ユニットのそれぞれは電気的に双方向であり、前記エネルギー処理ユニットが取り付けられている前記使用のポイント中の任意の分散エネルギー発生デバイスによって発生される過剰エネルギーのエネルギー回収したものを、前記エネルギー処理ユニット入力に、そして、前記配電ネットワーク上に戻すことを可能にし、
前記配電ネットワーク中の前記調整されていない入力電圧が、調整されている上限より上であるとき、前記エネルギー処理ユニットのそれぞれの前記出力接続における前記調整された出力電圧が、継続的なエネルギー回収を可能にし、
前記使用のポイントのそれぞれが、最終消費者の構内または負荷と前記配電ネットワークの間の接続の単一の回路ポイントである、システム。
【請求項２】
前記１つ以上の電力品質機能は、電力ファクター制御と、負荷バランスと、電圧バランスと、高調波補正と、周波数制御とを含む請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記配電ネットワーク中の調整されていない入力電圧は、公称電圧変化から±２５％、公称電圧アンバランスから±１０％、公称電圧高調波から±１０％、０．９８より多くに補正された低電力ファクター、公称電流アンバランスから±１０％、公称周波数偏差から±５％の許容範囲が許容されている請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記配電ネットワーク中の前記調整されていない入力電圧は、制定された電力品質標準許容範囲よりもより高い許容範囲が許容されている請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記エネルギー処理ユニットは、発電機および前記配電ネットワーク中の送電オペレータとのデータ通信のための双方向データ通信手段を装備している請求項１記載のシステム。
【請求項６】
前記エネルギー処理ユニットのそれぞれは、シリーズバイパス接触器をさらに備え、節約電圧低減方法を使用して、エネルギーセーブを達成し、
前記節約電圧低減方法は、
前記調整されていない入力電圧が前記調整されている上限より上のとき、前記シリーズ電圧レギュレータを通るように前記調整されていない入力電圧を送ることと、
前記調整されていない入力電圧が前記調整されている上限より下のとき、前記シリーズバイパス接触器を通るように前記調整されていない入力電圧を送ることとを含む請求項１記載のシステム。
【請求項７】
前記エネルギー処理ユニットのそれぞれにおいて前記シリーズ電圧レギュレータは、
調節されていない入力電圧を降圧するためのシリーズ交流高周波数電圧の降圧レギュレータトポロジーであって、
第１および第２の独立に制御可能なユニポーラスイッチとそれぞれ直接に接続された第１および第２の整流器を含む第１ハーフブリッジと、第１のパワーインダクタと、を有する第１のユニポーラパス、および、
第３および第４の独立に制御可能なユニポーラスイッチとそれぞれ直接に接続された第３および第４の整流器を含む第２ハーフブリッジと、第２のパワーインダクタと、を有する第２のユニポーラパス、
を含む、前記降圧レギュレータトポロジーと、
調節されていない入力電圧を昇圧するためのシリーズ交流高周波数電圧の昇圧レギュレータトポロジーであって、
第５および第６の独立に制御可能なユニポーラスイッチとそれぞれ直接に接続された第５および第６の整流器を含む第１ハーフブリッジと、第３のパワーインダクタと、を有する第３のユニポーラパス、および、
第７および第８の独立に制御可能なユニポーラスイッチとそれぞれ直接に接続された第７および第８の整流器を含む第２ハーフブリッジと、第４のパワーインダクタと、を有する第４のユニポーラパス、
を含む、前記昇圧レギュレータトポロジーと、
前記調節されていない入力電圧、交流参照電圧、および、調節された出力電圧を受信し、前記ユニポーラスイッチに対するスイッチ駆動信号を生成する制御回路と、
を備え、
前記降圧レギュレータトポロジー又は前記昇圧レギュレータトポロジーのいずれかにおいて、分離して、かつ独立に、交流入力電圧の正負の半サイクルが処理され、どの時点においても電力のシュートスルー(shoot through)を排除する、
請求項１に記載されたシステム。
【請求項８】
前記エネルギー処理ユニットのそれぞれにおいて前記シリーズ電圧レギュレータは、
調節されていない入力電圧を降圧するためのシリーズ交流高周波数電圧の降圧レギュレータトポロジーであって、
第１および第２の独立に制御可能な交流双方向スイッチ、
第１のパワーインダクタ、および、
前記第１のパワーインダクタの電流の向きを示す第１のパワーインダクタ電流向きデータ信号を生成する第１の変流器、
を含む、前記降圧レギュレータトポロジーと、
調節されていない入力電圧を昇圧するためのシリーズ交流高周波数電圧の昇圧レギュレータトポロジーであって、
第３および第４の独立に制御可能な交流双方向スイッチ、
第２のパワーインダクタ、および、
前記第２のパワーインダクタの電流の向きを示す第２のパワーインダクタ電流向きデータ信号を生成する第２の変流器、
を含む、前記昇圧レギュレータトポロジーと、
前記調節されていない入力電圧、交流参照電圧、調節された出力電圧、前記第１のパワーインダクタ電流向きデータ信号、および、前記第２のパワーインダクタ電流向きデータ信号を受信し、前記交流双方向スイッチに対するスイッチ駆動信号を生成する制御回路と、を備えた、
請求項１に記載されたシステム。
【請求項９】
前記エネルギー処理ユニットのそれぞれにおいて前記シリーズ電圧レギュレータは、
調節されていない入力電圧を降圧するためのシリーズ交流高周波数電圧の降圧レギュレータトポロジーであって、
第１および第２の独立に制御可能な交流双方向スイッチ、
第１のパワーインダクタ、および、
前記第１のパワーインダクタの電流の向きを示す第１のパワーインダクタ電流向きデータ信号を生成する第１の変流器、
を含む、前記降圧レギュレータトポロジーと、
前記調節されていない入力電圧、交流参照電圧、調節された出力電圧、前記第１のパワーインダクタ電流向きデータ信号、および、前記第２のパワーインダクタ電流向きデータ信号を受信し、前記交流双方向スイッチに対するスイッチ駆動信号を生成する制御回路と、を備えた、
請求項１に記載されたシステム。
【請求項１０】
前記エネルギー処理ユニットのそれぞれにおいて前記シリーズ電圧レギュレータは、
調節されていない入力電圧を降圧するためのシリーズ交流高周波数電圧の降圧レギュレータトポロジーであって、
第１および第２の独立に制御可能なユニポーラスイッチとそれぞれ直接に接続された第１および第２の整流器を含む第１ハーフブリッジと、第１のパワーインダクタと、を有する第１のユニポーラパス、および、
第３および第４の独立に制御可能なユニポーラスイッチとそれぞれ直接に接続された第３および第４の整流器を含む第２ハーフブリッジと、第２のパワーインダクタと、を有する第２のユニポーラパス、
を含む、前記降圧レギュレータトポロジーと、
前記調節されていない入力電圧、交流参照電圧、および、調節された出力電圧を受信し、前記ユニポーラスイッチに対するスイッチ駆動信号を生成する制御回路と、
を備え、
前記降圧レギュレータトポロジーにおいて、分離して、かつ独立に、交流入力電圧の正負の半サイクルが処理され、どの時点においても電力のシュートスルー(shoot through)を排除する、
請求項６に記載されたシステム。
【請求項１１】
前記エネルギー処理ユニットのそれぞれにおいて前記シリーズ電圧レギュレータは、
調節されていない入力電圧を降圧するためのシリーズ交流高周波数電圧の降圧レギュレータトポロジーであって、
第１および第２の独立に制御可能な交流双方向スイッチ、
第１のパワーインダクタ、および、
前記第１のパワーインダクタの電流の向きを示す第１のパワーインダクタ電流向きデータ信号を生成する第１の変流器、
を含む、前記降圧レギュレータトポロジーと、
前記調節されていない入力電圧、交流参照電圧、調節された出力電圧、前記第１のパワーインダクタ電流向きデータ信号、および、前記第２のパワーインダクタ電流向きデータ信号を受信し、前記交流双方向スイッチに対するスイッチ駆動信号を生成する制御回路と、を備えた、
請求項６に記載されたシステム。
【請求項１２】
前記エネルギー処理ユニットのそれぞれにおいて前記シリーズ電圧レギュレータは、
調節されていない入力電圧を降圧するためのシリーズ交流高周波数電圧の降圧レギュレータトポロジーと、
バイパス接触器と、
前記バイパス接触器と並列に接続された双方向交流半導体デバイスと、
前記調節されていない入力電圧、交流参照電圧、および、調節された出力電圧を受信し、前記バイパス接触器と前記双方向交流半導体デバイスに対する駆動信号を生成する制御回路と、
を備え、
前記調節されていない入力電圧が、選択された最適エネルギーセービング設定レベルよりも低下する条件において、前記制御回路が前記条件を検出し、前記双方向交流半導体デバイスを活性化させ、かつ前記バイパス接触器を移行させる駆動信号を生成し、それによって、前記双方向交流半導体デバイスが先ず前記シリーズ交流高周波数電圧の降圧レギュレータトポロジーをバイパスし、次いで前記バイパス接触器が閉じて接触し、前記シリーズ交流高周波数電圧の降圧レギュレータトポロジーと前記双方向交流半導体デバイスを完全にバイパスする、
請求項６に記載されたシステム。
【考案の詳細な説明】
【著作権通知】
【０００１】
本特許文書の開示の一部は、著作権保護を受けるマテリアルを含んでいる。著作権の所有者は、特許商標庁の特許ファイルまたは記録において現れるように、誰かによる特許文書または特許開示のファクシミリ複製には異存ないが、そうでなければ、すべてのいかなる著作権も留保する。
【国内優先権の主張】
【０００２】
本願は、２０１３年１０月１１日に出願された米国仮特許出願第６１／８８９，５４３号、２０１３年１０月２８日に出願された米国仮特許出願第６１／８９６，６３５号、２０１３年１０月２８日に出願された米国仮特許出願第６１／８９６，６３９号、２０１３年１１月２６日に出願された米国仮特許出願第６１／９０８，７６３号、２０１３年１２月１０日に出願された米国仮特許出願第６１／９１３，９３２号、２０１３年１２月１０日に出願された米国仮特許出願第６１／９１３，９３４号、２０１３年１２月１０日に出願された米国仮特許出願第６１／９１３，９３５号に対する米国特許法第１１９条に基づく優先権を主張し、その開示は、参照によって全体がここに組み込まれている。
【技術分野】
【０００３】
本考案は、一般的に発電および配電に関連する。特に、本考案は、分散エネルギー発生（ＤＥＧ）のような、進化するテクノロジーおよび立法上の影響による現在のレガシー電気システムの増加する電力品質劣化を解決するための方法およびシステムに関連する。
【背景】
【０００４】
多数の混乱を起こさせるテクノロジーおよび立法上の影響によって、特に、低電圧ＬＶ配電ネットワークに渡る任意のポイントに接続されている、急速に増加している無数の、私的に所有され動作されている、家庭用および商用分散エネルギー発生（ＤＥＧ）デバイスにより、現在のレガシー電気システムおよびユーザに送出される電力品質は、劣化している。最終消費者に送出される電力品質、特に電圧揮発性、電流および周波数異常におけるこの増加する劣化は、性能に悪影響し、または、ユーザ構内の電力システムに接続されている、電気機器、アプライアンス、電子デバイスに損害を与えることさえあり、より広域のＬＶ配電ネットワーク、変電所保護機器、高電圧（ＨＶ）送電グリッド、さらに発電機を損い、混乱させることさえある。
【０００５】
図１を参照する。１８００年代末に開始したレガシー交流（ＡＣ）電力システムは、低電圧コンポーネントにより制限された送電能力を有し、短距離に対するものであった。したがって、中央発電機を有する無数の別々の独立した電力生産者（ＩＰＰ）が生じ、ローカルエリアまたはローカル電力アイランドに電力を供給した。戻って、各ローカルエリアまたはローカル電力アイランドに対して、電圧の範囲とさまざまな周波数があった。負荷は、主として白熱電気照明を含む単純なものであった。
【０００６】
図２を参照する。ＨＶ絶縁体、スイッチにより、電気テクノロジーが発展すると、送電電圧を増加できるようになり、したがって、長距離に渡って、より高い電力の送出を可能にした。エジソンの初期の２２０ＶＤＣローカルグリッドから、２．３ＫＶＡＣ（１９８３年）の最初のＡＣグリッドまで、電圧レベルは急速に増加し、数年ごとに７６５ＫＶＡＣ（１９６０年代末）まで上昇した。より長い送電グリッドにより、結果として、電力アイランドがオーバーラップし、ビジネスのエリアで競合が始まり、技術的標準規格を競争し、最終的に独占が出現した。増加する電力の使用、疑わしい信頼性、電気産業における増大する競合により、多くの国は、それらの電気産業に対して規制的な制御を制定するように移行した。
【０００７】
米国では、急速に成長する電気産業を規制して、高品質で信頼性のある電力を消費者に送出する目的で、複数のグリッド相互接続が、国に渡って安定性のある電力ネットワークを生成できるようにもするであろう、国の標準規格を生成させることが重要になった。１９９２年の議会で連邦政府は、連邦レベルでのエネルギー電力規制法案を通過させた。したがって、発電機、エンドツーエンドの送電および配電ネットワークを所有している、中央電力ユーティリティからの電力品質を規制する責任をＦＥＲＣ（連邦エネルギー規制委員会）は負った。その後、１９９６年に、競争を増加させて電力のコストの最適化するために、ＦＥＲＣは電気産業の規制を撤廃し、さらに、発電、電力の送電および配電は、法的に別個のエンティティによって行わなければならないと規定した。これは、卸売電力を販売する発電者と送電会社から卸売電力を購入する配電者とによる、送電グリッド上で利用可能な卸売電力に対する競争的なマーケットを生成させた。
【０００８】
１９００年代に、多くの国は、類似した規制を撤廃した、競争的な電力構造を立法化した。米国では、１９６５年の北東の大きな停電の後、ＮＥＲＣ（北米信頼度協議会）を生成させて、システム標準規格および電力品質信頼性を管理し、施行した。その後再び、２００３年８月１４日の北東およびカナダの別の大きな停電の後、２００７年６月に、連邦政府は、ＦＥＲＣとともに従事するＮＥＲＣによって法的に要求される、送電オペレータへのさらに厳格な規制法および罰則を通過させた。
【０００９】
図３を参照する。今日に達すると、規制撤廃法案に付随したのはＤＥＧであり、ＤＥＧは、小さな発電機をＨＶ送電グリッドに接続する能力であった。資本コストの下落と結合して、ＣＨＰマイクロタービンや、燃料電池設備や、特に、光起電（ＰＶ）、太陽熱、風のような再生可能エネルギー源のような、発電におけるさらなるテクノロジーの進歩により、家庭用および商用構内中の私的な所有者は、これらの小さなＤＥＧデバイスの購入および取り付けを決めた。
【００１０】
これらの小さな、私的に所有され動作されている、家庭用および商用ＤＥＧデバイスの取り付けは、ここ数年に渡り、フィードインタリフ（ＦＩＴ）制度政策の導入、その後の更新、修正により加速している。ＦＩＴは、送電オペレータがＤＥＧデバイスの所有者に、発生され、エネルギーグリッドに戻されて加えられる過剰電力に対して最低額を支払うように要求している。したがって、現在、無数の私的に所有され動作されている、家庭用および商用ＤＥＧデバイスが増加した数でローカルＬＶ配電ネットワークに接続されることにより、最終消費者に対する電力品質に大きな影響を生成させるだけでなく、広域の大きなグリッド混乱の現実的な可能性も増加させる。特に、取り付けられるＤＥＧデバイス数が増大することによって発生される追加の電力による、大きな中央ユーティリティの負担軽減によるスピニングリザーブの低減により送電グリッドが損われる機会が増加する。配電ネットワークおよび送電グリッド上に重ねられる、これらの私的に所有され動作されている、家庭用および商用ＤＥＧデバイスから結果として生じる電圧、電流、および周波数の異常は、通常、厳しい許容範囲および長く確立されたレガシー電力仕様に調節されている、システム損傷保護スイッチギアシステムをオフに設定する可能性を増加させる。
【００１１】
さらに、配電ネットワーク上のこれらの増加する電圧のために、調整された電圧制限を超えるとき、ＤＥＧインターフェース制御エレクトロニクスはＤＥＧインターフェースをディセーブルし、ＤＥＧ設備からの何らかのＤＥＧエネルギー回収を止めるだけでなく、最終消費者に対する何らかのＦＩＴ回収もなくなる。したがって、より多くのＤＥＧインターフェースがローカル配電ネットワーク、例えば、家庭用ＰＶ設備の近隣に沿って接続し、ＤＥＧ設備により配電ネットワークに送出される過剰エネルギーの量のために配電ネットワーク電圧が増加するので、ＤＥＧインターフェース制御エレクトロニクスにより、より多くの数のこれらのＤＥＧインターフェースはディセーブルされ、エネルギー回収または最終消費者に対するＦＩＴがなくなるだろう。
【００１２】
電力品質は以下の仕様に基づき定義され、キーパラメータは、ユーザに送出される電力の、一貫し安定した電圧、高調波、および周波数である。複雑な電気負荷である電気システムに接続されているより多くの電子デバイスおよび機器の出現により、特に、米国におけるように、産業よりもむしろ、家庭用および商用の増加する電力需要により、これらの電子デバイスはより多くの複雑な負荷を電気システムに提供することから、これらは電力不安定性をもたらすことがあり、ＬＶ配電ネットワークからの増加する電力需要により、これらの電子デバイスは一般的に家庭用および商用構内に位置付けられ、配電ネットワークに渡る負荷や電力ファクターの変化による電圧不安定性を加える。
【００１３】
レガシー中央発電ユーティリティが、発電、エンドツーエンドへの送電および配電の完全な均衡を所有しているとき、政府および規制当局により指定され、施行された、立法上の厳しい電力品質にそれらは同意し、満たすことができた。多くの国における電気産業のさらなる規制撤廃の出現およびＦＩＴの拡張により、増加する無数の私的に所有され動作されている、家庭用および商用ＤＥＧデバイスの、ＬＶ配電ネットワークへの接続、増加する複雑な負荷、および変化する電力ファクターを可能にし、電力品質、特に電圧不安定性の増加する重大な低下と、ローカルおよび広いエリアの主要な電力混乱の増加する可能性とがある。
【００１４】
電気機器、アプライアンス、エレクトロニクス、および、特に電気モーターはすべて、制定された電圧および周波数の厳しく設定されたレガシー標準規格で最適に実行するように設計されている。設定された厳しいレガシー許容範囲外の、これらの電圧および周波数異常をこうむりやすい電気および電子デバイスは、誤動作し、性能が低下し、さらには損害を受けることがある。
【００１５】
これらの電力品質標準規格は、特に国々の間の主要な送電グリッド接続の出現により、各国に渡る、さらに世界に渡る、規制標準化の長い歴史を有している。いくつかの国々による電気的ＬＶ配電メイン標準規格の例は以下の通りであり、家庭用および商用ユーザに対するＬＶ配電ネットワークのための公称電圧、電圧許容範囲、公称周波数、周波数許容範囲を参照している。
【００１６】
【表１】
0003220662.tif 000003
【００１７】
現在の標準規格である周波数５０Ｈｚまたは６０Ｈｚを有する、２２０／２３０／２４０ＶＡＣ（２３０ＶＡＣへのこのより高い配電ネットワーク電圧の傾向がある）のような類似した公称ＬＶ配電ＰＯＵ電圧と、一般的に１１０／１１５／１２０ＶＡＣであるより低い電圧を、多くの国々は有している。一般的に、より高い２２０／２３０／２４０ＶＡＣ電圧に対して５０Ｈｚ、より低い１１０／１１５／１２０ＶＡＣ電圧に対して６０Ｈｚであるが、いくつかの国では、その電力システムの歴史により、どちらかの周波数が使用されている。電圧許容範囲は、±５％／±６％／＋１０、−６％／±１０％で標準化されることがあり、いずれの国においても、最大許容範囲は±１０％に設定されている。
【００１８】
周波数許容範囲は、多くの国において、通常±１％に標準化されており、いくつかの国は、±２％を有しており、これは、許されている最大周波数許容範囲である。
【００１９】
電力品質問題は、特定の規制設定および強制される制限の範囲外の逸脱した電圧または周波数に関係する。電圧の大きな問題は以下のものであることがある。
１）急速な電圧変化
２）フリッカを生じさせる低周波数電圧変化
３）不足電圧下降（−１０％未満）
４）過電圧上昇（＋１０％超）
５）過電圧スパイクおよびノイズ
６）３位相システムにおける電圧アンバランス
７）電圧および電流高調波
８）電力ファクター（ＰＦ）−電力ファクターとして言及されるリアクタンス電力アンバランスにより、位相がずれている（ＰＦ＝１の場合、ＶおよびＩは同位相、ＰＦ＝０の場合、ＶおよびＩは１８０°位相がずれている）電圧および電流の位相は、電圧および電流高調波問題を生成させることがあるだけでなく、電気および電子機器、特に電気モーターにおいて、無駄な電力、不十分な性能、また可能性あるダメージも生成させることがある。
９）各位相が等しくない電流で負荷をかけられている、３位相システムにおける電流アンバランスは、送電および配電機器問題を引き起こすことがあり、電力品質を劣化させる。
１０）周波数偏差も、電気および電子デバイスと、トランスと、電気モーターの性能および動作に影響を与えることがある。
【００２０】
配電ネットワーク上のこれらの増加する電圧により、調整された電圧制限を超えるとき、ＤＥＧインターフェース制御エレクトロニクスはＤＥＧインターフェースをディセーブルし、したがって、ＤＥＧ設備からの何らかのＤＥＧエネルギー回収を止めるだけでなく、ユーザに対する何らかのＦＩＴ回収もなくなる。したがって、ローカル配電ネットワークに沿って、例えば家庭用ＰＶ設備の近隣に沿って、例えば家に、より多くのＤＥＧインターフェースが接続し、ＤＥＧ設備によって配電ネットワークに送出される過剰エネルギーの量のために、配電ネットワーク電圧が増加することから、ＤＥＧインターフェース制御エレクトロニクスにより、これらのＤＥＧインターフェースのかなりの数がディセーブルされ、エネルギー回収またはユーザに対するＦＩＴがなくなるだろう。
【００２１】
これらの電力品質問題のすべてが、ユーザに送出される電力品質を劣化させ、特に、ＰＯＵにおけるＬＶ配電ネットワークに渡るおよび通る、電圧を不安定性化させ、現在さらに、無数の私的に所有され動作されている、家庭用および商用ＤＥＧデバイスが接続され、これらのＤＥＧデバイスにより発生させた過剰電力がローカルＬＶ配電ネットワーク上に負荷をかけている。また、これらの私的に所有され動作されている、家庭用および商用ＤＥＧデバイスは、性能テスト仕様ＩＥＣ６１２１５（Ｅｄ．２−２００５年）およびＩＥＣ６１６４６（Ｅｄ．２−２００８年）を満たさなければならないが、ＰＯＵにおけるローカルＬＶ配電ネットワーク上で、これらは依然として、広く変化する電圧、周波数、および急速な電圧変動をセットアップすることがある。これらの家庭用および商用ＤＥＧデバイスは、小型ＰＶ設備、マイクロ風力、マイクロ水力、ＣＨＰマイクロタービン、ＣＨＰ燃料電池、および、ことによると将来ではハイブリット自動車である。また、これらの問題は、ＰＯＵにおける電気および電子負荷中の電力使用の効率を低減させることもある。例えば、電気モーターが最適な性能のために設計された電圧よりもより高い電圧で駆動するとき、電気モーターは電力を無駄にし、過剰ＰＦ、電圧および電流アンバランスおよび高調波は、効率を低減させるだけでなく、これらの敏感な電気および電子負荷にダメージを与えることもある。
【００２２】
大きな再生可能な、産業ＰＶ、太陽熱、風力および水力設備は、人口中心、電力ユーザから離れた大規模な物理的エリアを必要とし、したがって、大きな産業設備は一般的に長距離に渡るエンドツーエンドＨＶ送電を必要とすることから、これらの大きな設備は、ユーティリティ発電者により所有され制御されることがあり、したがって、送電オペレータ規制電力品質標準規格を満たし、役割を果たすことができる。
【００２３】
多数の、小さな私的に所有され動作されている、家庭用および商用ＤＥＧデバイスの利点は、ＬＶ配電ネットワークを通して、ユーザまたはＰＯＵの近くで電力がローカルに発生されることである。しかしながら、これらの私的に所有され動作されている、家庭用および商用ＤＥＧデバイスの所有者は、これらのＤＥＧデバイスを購入し、取り付け、動作させるが、ローカルＬＶ配電ネットワーク電力品質への影響に対する責任を有していない。たいていのケースにおいて、これらのレガシーローカルＬＶ配電ネットワークは、接続されることになる、多数の家庭用および商用ＤＥＧデバイスに対して当初は設計されていなかった。したがって、これらの私的に所有され動作されている、家庭用および商用ＤＥＧデバイスの増加する浸透により、ユーザ電力品質を劣化させるだけでなく、ＬＶ配電ネットワーク上のローカル電力も不安定化させる、規制当局による現実の増加する懸念がある。これに加えられるのは、複雑な負荷の増加する接続、変化する電力ファクター、および配電ネットワークに渡って変化する負荷である。これは結果として、電圧、電流、または周波数電気システム安全保護デバイスを損い、電気的混乱および停電を引き起こすことがある、厳しい許容範囲電気標準規格外の、電圧、電流、または周波数異常により、大きなエリアに渡り、ＨＶ送電グリッドにまでも、サービスの混乱を増加させる。また、配電ネットワーク上のこれらの増加する電圧のために、調整された電圧制限を超えるとき、ＤＥＧインターフェース制御エレクトロニクスはＤＥＧインターフェースをディセーブルする。したがって、ＤＥＧ設備からの何らかのＤＥＧエネルギー回収を止めるだけでなく、ユーザに対する何らかのＦＩＴ回収もなくなる。
【００２４】
電力産業および規制当局は、レガシー電気システムにおけるこの新しく混乱を起こさせる進展に取り組んでいる。この増加する現実問題に対して提案される解決法はすべて、レガシーおよび歴史的送電および配電ネットワーク構造と電力品質許容範囲とを維持することを目的としている。
【００２５】
私的に所有され動作されている、家庭用および商用ＤＥＧデバイスの増加する浸透の浮上した問題のみを専門とする１つの重要な本は、「電力システムにおいて分散された発生の統合」と題され、マス・ボレン氏とファイナン・フッサン氏によって書かれた。この内容は、その全体が参照によってここに組み込まれている。この本は、ＩＥＥＥによって、ごく最近の２０１１年に出版され、１０年の期間を超える詳細で綿密な研究を表しており、すべてが、電力品質に関する、私的に所有され動作されている、家庭用および商用ＤＥＧデバイスの混乱を起こさせる進展に関連している。
【００２６】
この本は、４７０の参考文献を有しており、全体的な電力システムにおけるＤＥＧデバイスの混乱を起こさせる影響の増加する重大な態様の詳細に関してその綿密なリサーチにおいて優れている。この問題を解決するために、多くの著者および機関が類似した解決法を提示しており、この本でも詳細に同じ解決法を完全にカバーしており、すべて、ＨＶ送電グリッドおよびＬＶ配電ネットワークを保護し、制御することにより、レガシー電気標準規格電力品質許容範囲を維持することを目的としている。しかしながら、提案されたこれらの解決法のすべては、これらの歴史的な、何十年に渡って長く確立された、厳しいレガシー許容範囲電気産業標準規格を維持するためのみのものであった。多数の私的に所有され動作されている、家庭用および商用ＤＥＧデバイスの増加する接続の重大な問題を取り扱うために、この深くリサーチされ、詳述された本が、その勧告において最終的に結論付けているのは、デジタル通信ネットワークのレイヤをリンクに追加することにより、ＤＥＧデバイスはＨＶ送電グリッドの制御および保護に戻り、あるいは、このデジタル通信ネットワークは、配電ネットワークフィーダー上の電圧保護中継器を損なうことを、または、過電圧結果の場合、ＤＥＧデバイスを切断することを早めることがあるということである。本は、ストレージを追加するさまざまなスキームや、顧客またはＤＥＧデバイスにリザーブをシフトする、追加されたデジタル通信ネットワークのシフトに基づく、他の負荷シフトアクションも提案している。
【００２７】
本は、要求されるであろう、広範囲で精巧なデジタル通信ネットワークおよびソフトウェアアルゴリズムを追加することに伴う、多くのコスト、時間、複雑さの懸念により、別の可能性ある従来の解決法も結論付けており、本の４７０ページの最終パラグラフには「これらの発展した解決法に続き、より強い線またはケーブルを構築する古典的な解決法を忘れるべきではない。しかしながら、新たなタイプの生産の導入は、過去よりも多くのケースにおいて発展した解決法の使用を要求するだろう。古典的な解決法と発展した解決法を組み合わせることにより、電力システムは、分散発生の導入への無用な障壁にならないだろう」と記載されている。
【００２８】
したがって、本の４７０ページのこの最終パラグラフは、特に、ＬＶ配電ネットワーク上の私的に所有され動作されている、家庭用および商用ＤＥＧデバイスの増加する浸透の懸念と、電気グリッド全体の安定性へのその潜在的で重大な影響とを要約している。彼らは発展したデジタル通信ネットワークおよびソフトウェア解決法（「スマートグリッド」）を提案するが、より多くの銅線を既存のＬＶ配電ネットワークに追加する、単純であるが高額な、従来の物理的解決法も提案しており、従来の物理的解決法は、これらのＤＥＧデバイスが、増加するおよび揮発性電力をローカル配電ネットワークに追加するので、現在のＬＶ配電ネットワークにおける線の抵抗を減らすことにより、電力取り扱い能力を増加させ、電圧不安定性を低減するだろう。多数の私的に所有され動作されている、家庭用および商用ＤＥＧデバイスの接続のこの最近の進展により、これらのＬＶ配電ネットワークは、当初は設計されておらず、確かにこの新たなＤＥＧ問題は、予期されていなかった。
【００２９】
この詳述する本の最終パラグラフは以下のことを明確に強調している。
１）提案するすべての解決法は、電力品質に対する歴史的なレガシーの規制され施行された電気標準規格の現在の厳しい許容範囲を目指し、さらに満たす。
２）ＬＶ配電ネットワークは当初この新たな、混乱を起こさせる電気的な進展を取り扱うように設計されていなかったことから、多数の私的に所有され動作されている、家庭用および商用ＤＥＧデバイスのローカルＬＶ配電ネットワークへの接続は、重大な問題であり、したがって、これらのＬＶ配電ネットワークを物理的にアップグレードする提案は、この現実的で重大な問題の複雑さを強調している。
３）これの発展した複雑な「デジタル」解決法（「スマートグリッド」）の複雑性、コストおよび時間のために、単に追加の銅線を現在のＬＶ配電ネットワークに追加することが役に立つだろう、と本の最終行は提案している。しかしながら、これはまた、物理的にＬＶ配電ネットワークをアップグレードするためには、とても高額な解決法であり、完成させるのに多くの年数がかかるだろう。  
４）電力品質の劣化および可能性ある普及した送電グリッドを損うこととともに、現在起こっているこれらの重要な問題により、取り付けが許可されている私的に所有され動作されている、家庭用および商用ＤＥＧデバイスの数を制限するための立法上の動きがある。
５）本はまた、非常に大きなデジタル通信ソフトウェアネットワークのコストについて誰に責任があるか、ユーザに送出される電力品質について誰に最終的な責任があるかを提案していない。
６）さらに、およびこの最近の進展しているＤＥＧデバイス問題をとりまく、本および産業におけるすべての提案は、歴史的な、レガシーの、調整された電力品質の厳しい仕様およびフレームワークを維持し、さらに、何十年もの古いレガシー電気システム電力品質の厳しい許容範囲標準規格を満たすことに関して、問題なく完全に受け入れられる基礎となるものである。
【概要】
【００３０】
これまで、産業によって提案された解決法は、実際の成功なく、発電、ＨＶ送電、および／またはＬＶ配電をターゲットにすることによるＤＥＧの導入に起因する、この増加する重要な問題を解決しようと試行している。しかしながら本考案は、高品質電力を直接各使用のポイント（ＰＯＵ）で直接復元できるように、電力ＰＯＵを直接ターゲット化することにより、問題に取り組む。このように本考案は、厳しく制定され、規制されたレガシー「電気グリッド」を、広い許容範囲を有する、一種の「オープンソース」エネルギーグリッドに変換する。この「オープンソース」エネルギーグリッドにおいて、個々のエネルギー処理ユニット（ＥＰＵ）デバイスは、各最終消費者のＰＯＵに取り付けられている。これらのＥＰＵデバイスは、具体的には、入力上の、電圧、電流、および周波数バリエーションのとても広い範囲−「汚い電力」を許容するように設計されており、「汚い電力」の入力を処理して、ＰＯＵに直接送出された出力において、清潔な高品質電力を生成させる。本考案はその後、ＨＶ送電オペレータに課された、厳しく規制され、制定されたレガシー電気標準規格を満たすことができるようにしつつ、特にＬＶ配電ネットワークが、増加する数の、私的に所有され動作されている、家庭用および商用ＤＥＧデバイスを取り扱いできるようにする。
【００３１】
本文書中の使用のポイント（ＰＯＵ）の具体的な定義は、最終消費者とＬＶグリッドとの間の接続の単一の回路ポイントである。このように、ＥＰＵを、最終消費者ＰＯＵに取り付けることができるが、最終消費者の構内の配電盤、電力接続サービスポイント、交換機室に直接取り付けることに限定されず、最終消費者の構内の内部または外部の隣接するロケーション中で、あるいは、電柱上で、単一の最終消費者の構内または負荷への単一回路接続に、遠隔にも取り付けられる。本文書中で規定しているようなＰＯＵは、最終消費者の構内または負荷とポイントツーポイント接続のためのＬＶグリッドとの間、あるいは、最終消費者による任意の単一の回路接続にあり得る、ＥＰＵが取り付けられている場所であると当業者はとらえるだろう。
【００３２】
最終消費者の具体的な定義は、エネルギーグリッド上のその従来の電力消費者、ならびに、エネルギーグリッドに接続されているＤＥＧデバイスの所有者および／またはオペレータを含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
以下の図を参照して、本考案の実施形態を以下でさらに詳細に説明する。
【図１】図１は、１８００年代末の間の発電および配電ネットワーク    を図示している論理ダイヤグラムを描いている。
【図２】図２は、１９００年代の間の発電および配電ネットワークを    図示している論理ダイヤグラムを描いている。
【図３】図３は、ＤＥＧデバイスを有するが、本考案を有していない、今日の発電および配電ネットワークを図示している論理ダイヤグラムを描いている。
【図４】図４は、本考案の１つの実施形態にしたがって、ＤＥＧデバ    イスとＥＰＵを有する、発電および配電ネットワークを図示している論理ダイヤグラムを描いている。
【図５】図５は、本考案の１つの実施形態にしたがって、エネルギー処理ユニットのコンフィギュレーションを図示しているブロックダイヤグラムを描いている。
【詳細な説明】
【００３４】
以下の説明において、発電および配電およびこれらに類するものの方法およびシステムを、好ましい例として述べる。本考案の範囲および精神から逸脱することなく、追加および／または置換を含む、改良がなされることは、当業者には明らかだろう。本考案を曖昧にしないようにするために、特定の詳細を省略するが、本開示は、当業者が必要以上の実験をすることなく、ここでの教示を実施できるようにしている。
【００３５】
これらの、私的に所有され動作されている、家庭用および商用ＤＥＧデバイスがＬＶ配電ネットワークに接続されるようにする、規制撤廃の、電力品質への増加する否定的な影響により、特にＦＩＴに対するさらなる法案、および多くの国における類似した許可により、これは、電力グリッド（「スマートグリッド」）に対して複雑なデジタル通信ネットワークおよび制御アルゴリズムを追加することで解決しようとされている、重要な産業問題となっている。しかしながら、このアプローチは、高価で、複雑であり、莫大な電力システムを結びつけるには多くの年数がかかるだろう。その間、増加する数の、私的に所有され動作されている、家庭用および商用ＤＥＧデバイスの配電ネットワークへの接続を可能にする現在の状況を改善せず、増加する追加の複雑な負荷と、配電ネットワークにわたり変化する負荷および電力ファクターも解決しないだろう。
【００３６】
電力産業の多くにより表明された主要な懸念は、増加する数の、私的に所有され動作されている、家庭用および商用ＤＥＧデバイスが取り付けられているような、全体的な電力システムの安定性である。ＤＥＧデバイスおよび一般的な増加する再生可能な設備からＬＶ配電ネットワーク上に発電され、負荷される増加するエネルギーにより、より中心の発電ユーティリティが容量およびスピニングリザーブを低減させるので、ＤＥＧデバイスは、ローカルＬＶ配電ネットワークを低下させるだけでなく、ＨＶ送電グリッドも脅かすことがあるだろう。低減された中心の発電機ユーティリティスピニングリザーブ、および、広いアレイによりＬＶ配電ネットワークに送出されるより揮発性のあるエネルギーと、増加する数の、私的に所有され動作されている、家庭用および商用ＤＥＧデバイスとにより、ネットワーク電圧および周波数を損う増加する機会、ＨＶグリッド障害のような主要な停電の可能性もまた、不十分なスピニングリザーブにより急速に補償できない。
【００３７】
本考案の１つの態様は、無数のタイプの、私的に所有され動作されている、家庭用および商用ＤＥＧデバイスの重要で増加する問題を完全にバイパスする配電システムである。これらのＤＥＧデバイスは、増加する追加の複雑な負荷、配電ネットワークに渡って変化する負荷および電力ファクターに結合されている最近のＤＥＧ進化に対して、当初は設計されず、予期すらされていなかった、ＬＶ配電ネットワークに主に取り付けられ、接続されている。
【００３８】
１つの態様にしたがうと、本考案は、厳しく制定され、規制されたレガシー「電気グリッド」を、広い許容範囲を有する、一種の「オープンソース」エネルギーグリッドに変換する。この「オープンソース」エネルギーグリッドにおいて、個々のエネルギー処理統一（ＥＰＵ）デバイスは、各最終消費者のＰＯＵに取り付けられている。これらのＥＰＵデバイスは、具体的には、入力上の電圧、電流、および周波数バリエーションのとても広い範囲−「汚い電力」を許容するように設計されており、「汚い電力」の入力を処理して、ＰＯＵに直接送出された出力において、高品質な「清潔な電力」を生成させる。
【００３９】
取り付けられ、接続されることができるＤＥＧデバイスの品質および数の制限なく、ＬＶ配電ネットワークへのいかなる変化もなしで、各ＰＯＵにＥＰＵを単に取り付けることができる。したがって、ＥＰＵが「汚い電力」を処理して、ＰＯＵにおいて、直接「清潔な電力」を発生させることにより、本考案は、「エネルギーグリッド」への最近の進展が「オープンソースエネルギーグリッド」に進化できるようにする。
【００４０】
例えば、本考案の１つの実施形態にしたがう１つのコンフィギュレーションにおいて、＋−２５％の電圧許容範囲を受け入れるようにＥＰＵへの入力を設計することができ、その出力において、＋−２％のＰＯＵで、ＥＰＵに組み込まれている自動電圧調整（ＡＶＲ）により電圧を送出することができる。したがって、例えば、ＬＶ配電ネットワーク電圧許容範囲は＋−２５％まで、送電グリッドは＋−１０％まで、また、ＤＥＧデバイス出力電圧は＋−１０％を満たすまで緩和できる。したがって、ＥＰＵが取り付けられ、配電ネットワークおよびグリッド電力品質揮発性を許容するように電力品質許容範囲が広げられ、ＰＯＵにおいてＥＰＵが高電力品質を送出することにより、ＬＶ配電ネットワークに接続できるＤＥＧデバイスの数を制限することなく、増加した配電およびネットワーク安定性、ＰＯＵにおける高レベルな電力品質とともにＤＥＧの革命を継続できる。
【００４１】
また、ＰＯＵに取り付けられたＥＰＵと、増加する数の、私的に所有され動作されている、家庭用および商用ＤＥＧデバイスの接続による配電ネットワークの増加した揮発性および安定性の潜在的電力品質問題と、これらの厳しいレガシー許容範囲のすべてまたはいくつかを補正するＰＯＵとともに、ＬＶ配電ネットワーク、特に、電圧、ＰＦ、高調波、および電流アンバランスの広い電力品質異常にかかわらず、ＰＯＵにおいてＥＰＵの出力高電力品質は厳しく制御されるので、重要なエネルギー保存においてさらに追加の利点があり、したがって、重要な電力セービングも可能である。
【００４２】
本考案の１つの実施形態にしたがう別のコンフィギュレーションにおいて、シリーズ電圧方法により、ＥＰＵの入力における高配電電圧にかかわらず、および、ＥＰＵの入力における高配電電圧とは独立して、ＥＰＵの出力電圧は、厳しい公称電圧および許容範囲に調整され、保たれる。また、ＥＰＵは双方向であることから、配電ネットワーク上の高電圧にかかわらず、ＥＰＵの出力に接続されている任意の過剰エネルギーは、その入力に、および、ＨＶ配電ネットワーク上に戻される。しかしながら、ＤＥＧインターフェースがＥＰＵ出力に接続されているとき、ＤＥＧインターフェース制御エレクトロニクスは、通常の公称調整ＥＰＵ出力のみを知り、感知することから、ＤＥＧインターフェースエレクトロニクスは、十分なエネルギー回収により、通常の動作を継続するだろう。このように、本考案のＥＰＵは、ＬＶ配電ネットワーク上の、増加する数のＤＥＧ設備に関係付けられている問題を解決する。
【００４３】
図４は、実際の構内ＰＯＵにも接続されている、ＥＰＵ４０１の出力へのＤＥＧ４０２接続を示している。ＥＰＵ４０１はシリーズ電圧レギュレータとして動作することから、基本的にＤＥＧインターフェースを高配電電圧から「分離」し、ＤＥＧインターフェースおよびエネルギー回収は、ＤＥＧ制御エレクトロニクスとして通常動作して、固定され、設定された公称ＥＰＵ調整出力電圧を知る、または、感知するのみであり、任意の過剰ＤＥＧエネルギーは、配電ネットワーク上の高電圧に関わらず、双方向ＥＰＵを通して配電ネットワークに接続されているＥＰＵ入力に戻され、ユーザに対して通常のＦＩＴを可能にする。
【００４４】
本考案の好ましい実施形態にしたがう別のコンフィギュレーションにおいて、ＥＰＵ中に組み込まれる十分なＡＶＲの代わりに、保守的電圧低減（ＣＶＲ）を利用して、最大エネルギセーブのために設計することができ、したがって、低電圧ＡＣメインの条件のもとで、より低コストおよび追加のエネルギーセーブのためのシリーズバイパス接触器とともに、ＥＰＵを、電圧減少ＡＣ電圧レギュレータのみとで構成することができる。したがって、設定調整出力電圧までブーストするが、追加のエネルギーセーブを失うであろう、十分なＡＶＲを利用するＥＰＵの代わりに、電圧減少ＡＣ電圧レギュレータを有するＥＰＵが、シリーズバイパス接触器とともに使用される。例えば、ＥＰＵのこのエネルギーセーブ最適化コンフィギュレーションにおいて、本考案は、ＥＰＵのエネルギーセーブを最適化させることと、過電圧および最適エネルギーセーブレベルより上の高ＡＣ入力電圧エネルギー浪費から電気的負荷を保護することにも関連している。入力メインＡＣ電圧が、選択された最適レベルを下回るケースにおいて、ＥＰＵにおいて十分なＡＶＲが利用されるかのように、十分なＡＶＲは、その内部パワーエレクトロニクスの使用を継続して、低入力ＡＣ電圧を設定し、調整した出力ＡＣ電圧までブーストするだけでなく、ＡＶＲは、入力ＡＣメイン電圧を設定した最適出力エネルギーセーブ電圧レベルまで増加させるまたはブーストするだろう。その後、十分なＡＶＲが低メイン入力ＡＣ電圧を増加させるまたはブーストすると、入力電流、したがって、入力電力は、増加するので、エネルギーセーブは、低入力メインＡＣ電圧より下に最適化されないだろう。
【００４５】
本願のこの好ましい実施形態において、入力ＡＣメイン電圧が最適エネルギーセーブ電圧より下に、または選択された電圧ポイントよりも低く、降下する場合、ＥＰＵ中の電圧減少パワーエレクトロニクスは、電圧減少ＡＣ電圧レギュレータ内部パワーエレクトロニクス使用をセーブするように切り替えられ、より低いメイン電圧が直接電気的な負荷に送出されるようにシリーズバイパス接触器はアクティブ化され、したがって、十分な電圧増加ＡＶＲが代替ＥＰＵコンフィギュレーションにおいて使用される場合のケースよりも、さらに多くのエネルギーセーブを達成する。本考案の原理は、単一のまたは３位相電気システムのような、任意の多位相ＡＣシステムに容易に適用可能である。
【００４６】
例えば、ワールドワイド電気システムにおいて、究極的なＬＶ配電電圧は、一般的に、１１０／１２０ＶＡＣシステム、または、２２０／２３０／２４０ＶＡＣシステムのいずれかであるが、世界の多くでは、ＬＶ配電電圧に対して公称１２０ＶＡＣまたは２３０ＶＡＣシステムに標準化されている。また、標準化され、立法上の電気システム仕様、特に、家庭用および商用構内のスイッチボードに送出されることになる配電電圧レベルおよび許容範囲がある。例えば、米国において、家庭用および商用構内に対する標準配電電圧は（ＦＥＲＣ／ＮＥＲＣによって明示されている）１２０ＶＡＣであり、最大＋５％および最低−５％の電圧許容範囲である。（ＡＳ６００３８によって明示されている）オーストラリアおよび（ＥＮ５０１６０によって明示されている）ＵＫのようなより高い電圧２３０ＶＡＣシステムにおいて、許容されている電圧許容範囲は、最大＋１０％および最低−６％と明示されている。過電圧レベルがより高くなることがあると産業では受け入れられているが、＋１０％の過電圧および−１０％の不足電圧を極限として、依然として受け入れ可能である。しかしながらこれらの極度のおよび最大の電圧が電気機器およびアプライアンスに適用されるとき、特に、米国における１２０ＶＡＣ、オーストラリアおよびＵＫにおける２３０ＶＡＣのような、公称指定標準電圧に設計されている、電気モーターに適用されるとき、追加のより高い使用電圧のためにエネルギーを浪費するだけでなく、最適に実行せず、モーターおよびトランスはオーバーヒートし、使用寿命をより短くすることがあり、電気システムに接続されている任意の機器に恒久的に損害を与えることがある。
【００４７】
したがって、米国について言うと、公称１２０ＶＡＣからの、＋５％の最大電圧に対する電圧範囲は１２６ＶＡＣであり、＋１０％の過電圧レベルは１３２ＶＡＣ、−５％の最低は１１４ＶＡＣ、−１０％の不足電圧は１０８ＶＡＣである。米国の送電および配電オペレータは、１１４ＶＡＣの最低電圧を構内スイッチボードに送出し、家庭用構内におけるアプライアンスのような実際の負荷への、最低１１０ＶＡＣと推定される、別の３．５％の電圧降下を許容すると産業において一般的に受け入れられている。
【００４８】
１２０ＶＡＣの公称電圧から、許容されている電圧許容範囲内の指定範囲の電圧を、ローカル電力アイランド配電ネットワーク上の各家庭用または商用構内に送出することは、ワイヤおよびシステム導線の電気的抵抗による、配電ネットワークの物理的ワイヤに沿って連続して起こる電圧降下のために、ローカル電力アイランド配電ネットワークへの入力において、より高い電圧を要求する。したがって、典型的に、配電ネットワークローカル電力アイランドの変電所に近い構内は、より高い最大電圧範囲を知り、さらに、ローカル電力アイランド配電ネットワークに沿って、範囲中のより低い電圧を知るだろう。したがって、米国では、公称１２０ＶＡＣローカル電力アイランド配電ネットワークに対して、電圧範囲は、１２６ＶＡＣまたはさらに高いから１１４ＶＡＣまたはさらに低い範囲であることができる。
【００４９】
オーストラリアやＵＫのような、公称２３０ＶＡＣの国も類似して、公称２３０ＶＡＣローカル電力アイランド配電ネットワーク対して、電圧範囲は、ローカル電力アイランド変電所における２５３ＶＡＣまたはさらに高いから、配電ネットワークに沿って、２１６ＶＡＣまたはさらに低い範囲であることができる。
【００５０】
したがって、すべての家庭用および商用構内に対する、送出されたメインＡＣ電圧の許容範囲を最小化するための、ローカル電力アイランド配電ネットワークになされた主要な投資があった。しかしながら、増加する使用および複雑な電気負荷が、変化する負荷および電力ファクタに結合されている家庭用および商用構内に追加されることにより、これは、より難しくなっている。例えば、米国では、現在、家庭用および産業使用である商用構内により使用される、より多くの電力がある。ＤＥＧに関係付けられている上述した問題により、電力システム複雑性、電圧範囲揮発性、および特に、過電圧に関して、問題はより一層ひどくなる。
【００５１】
電気および電子機器ならびにアプライアンス、特に電気モーターは、米国における１２０ＶＡＣ、他の１２０ＶＡＣの国、オーストラリア、ＵＫにおける２３０ＶＡＣ、および他の２３０ＶＡＣの国のように、公称指定標準電圧において動作するように具体的に設計されている。公称設計標準電圧を超える電圧は、接続されている電気および電子機器に損害を与えることがあるだけでなく、公称設計標準電圧を超える電圧は、必要とするより多くのエネルギ−を消費し、モータおよびトランスはオーバーヒートすることがある。したがって、一般的に、性能を最適化し、最大エネルギーセーブを送出する、最適電圧がある。したがって、例えば、ＣＶＲを利用する最大エネルギーセーブに対して最適化されたＥＰＵにおいて、最適エネルギーセーブ電圧は、公称メイン電圧−５％になるように選択され、通常の機器性能を達成し、エネルギーセーブを最大化する。したがって、エネルギーセーブ設定電圧は、公称１２０ＶＡＣシステムに対しては１１４ＶＡＣ、公称２３０ＶＡＣシステムに対しては２２０ＶＡＣであってもよく、または、他のより低いエネルギーセーブ電圧を選択でき、これは概念を明確に示すための例にすぎない。
【００５２】
したがって、本考案のこの好ましい実施形態において、シリーズバイパスレギュレータとともに使用する電圧減少ＡＣレギュレータのみが必要とされ、電圧減少ＡＣ電圧レギュレータの出力電圧は、公称１２０ＶＡＣシステムに対する１１４ＶＡＣのエネルギーセーブレベルに設定され、２３０ＶＡＣシステムに対しては、２２０ＶＡＣのエネルギーセーブレベルに設定され、したがって、極度のまたは過電圧の条件のもとで、電圧減少ＡＣ電圧レギュレータは、選択された設定エネルギーセーブ電圧における負荷への出力電圧を保つ。入力ＡＣメイン電圧がエネルギーセーブ設定電圧を下回る条件の下で（この例において、公称１２０ＶＡＣシステムに対して１１４ＶＡＣ、公称２３０ＶＡＣシステムに対して２２０ＶＡＣ）、十分なＡＶＲが使用される場合、その後、十分なＡＶＲは、入力メイン電圧を増加またはブーストするために内部電力を使用するだけでなく、設定エネルギーセーブ電圧を下まわるような、本考案と同じくらい多くのエネルギーをセーブせず、制御エレクトロニクスは、低入力ＡＣメイン電圧を感知し、電圧減少ＡＣ電圧レギュレータをオフにしてパワーエレクトロニクスは内部エネルギーをセーブし、シリーズバイパス接触器をアクティブ化する。したがって、低メインＡＣ入力電圧を直接負荷に適用し、電圧減少ＡＣ電圧レギュレータが回路中に接続されているままの場合、電圧降下を最小化し、シリーズバイパス接触器を通してこの低入力メインＡＣ電圧が負荷に直接適用されることにより、追加のエネルギーセーブが達成される。入力メインＡＣ電圧が設定エネルギーセーブ電圧より上のときも、シリーズ電圧接触器をオフにすると、配電ネットワーク上のより高い極度の過電圧に拘らず、電圧減少ＡＣ電圧レギュレータをアクティブ化して、エネルギーセーブレベル別における負荷への出力ＡＣ電圧を調整する。
【００５３】
本考案の別の実施形態において、シリーズバイパス接触器とともに使用する電圧減少ＡＣ電圧レギュレータのみを有する特定のエネルギーセーブＥＰＵは、多くの「スマートメーター」において設計されているような標準デジタル通信を組み込んでいる。この方法で、ＣＶＲを利用するエネルギーセーブＥＰＵは、「スマートメーター」デジタル通信のさまざまな標準モードに関して通信する際に、「スマートメーター」として実行し報告するだけでなく、エネルギーをセーブすることもできる、「エネルギーセーブメーター」と呼ばれることがある。
【００５４】
１２０ＶＡＣシステムに対する１１４ＶＡＣ、２３０ＶＡＣまたは２４０ＶＡＣシステムに対する２２０ＶＡＣの例において、ＥＰＵ出力電圧の最適エネルギーセーブレベルへの減少を説明すると、１０％から１５％のセーブを達成することができ、十分なＡＶＲを利用するＥＰＵの代わりに、シリーズバイパス接触器とともに、電圧減少ＡＣ電圧レギュレータを使用して、この低コストとエネルギーセーブＥＰＵにおける、１２０ＶＡＣシステムにおいて１１４ＶＡＣ、あるいは、２３０ＶＡＣまたは２４０ＶＡＣシステムにおいて２２０ＶＡＣを下まわる低電圧条件のもとで、これらのセーブは増加するだろう。
【００５５】
ＥＰＵは、双方向デジタル通信ネットワークにおいて動作するように設計されていることがあり、これは、ＥＰＵデバイスとＬＶ配電ネットワークの状態を中央ロケーションに通信するように使用されることがある。この送信されるデータは、ＥＰＵデバイスの動作を修正して、ＬＶ配電ネットワーク問題を軽減するように使用されることがあり、また、ＥＰＵ電力アイランドは、そのローカル電力エリアにおいて、「マイクログリッド」（図４中の４０３）として動作するように分離されることがあり、ＬＶ配電ネットワーク上の緩和された電力品質許容範囲のために、ＬＶ配電ネットワークまたはマイクログリッドは、より広い電力品質揮発性で動作することができる一方で、ＰＯＵにおいて、ＥＰＵが「汚い電力」を処理して「清潔な電力」を送出する。より広い電力アイランドエリア上でデジタルデータも使用して、発電機、送電グリッド、ＤＥＧ、ＥＰＵの全体的な対話および動作を修正し、電力システムの安定性を維持できるが、電力システム上のより広い電力品質許容範囲により、ＥＰＵの設備のために、増加した配電品質揮発性による、より容易な全体システム制御を可能にする一方で、ＥＰＵは依然としてＰＯＵにおいて、高電力品質の「清潔な電力」を送出する。
【００５６】
ＡＣメイン上で電圧を調整するための２つの方法がある。１つは、シリーズ電圧調整によるものであり、調整されていない入力ＡＣ電圧と、パワーエレクトロニクスにより処理された、指定され、固定して調整された出力ＡＣ電圧との間の差動電圧のみにより、ＡＣ入力およびＡＣ出力が「切り離される」。他の方法は、分流調整によるものであり、分流器中にまたはメインと並行して、指定された電流を注入することと、高電圧電解キャパシタのような内部記憶デバイスとインターフェースするパワーエレクトロニクスにより、注入されたまたは吸収された特定の電流のレベルを調節することとにより、ＡＣ電圧を変化させる。したがって、分流調整方法は、メイン線インピーダンスまたは抵抗にわたって内部記憶デバイスとインターフェースする指定された電流を、駆動または吸収することによって、ＡＣメイン線電圧を制御する。
【００５７】
本考案の実施形態にしたがうＥＰＵ電圧調整は、米国仮実用特許出願第６１／９１３，９３５号、米国仮実用特許出願第６１／９１３，９３４号、米国仮実用特許出願第６１／９０８，７６３号において開示されている、シリーズＡＣ高周波数電圧調整技術を含むがこれらに限定されない、シリーズ電圧調整方法による。シリーズ電圧調整方法は、分流制御方法に関して主要な利点を有している。分流制御方法は、ＡＣ線インピーダンスがとても低い条件下で電圧差動を変化させるために発電されることになる重要な電流を要求する。ＡＣ線インピータンスは、典型的に１ｏｈｍよりも少なく、多くのケースにおいて、０．１ｏｈｍより少ないこともあり、また、線条件に依存して変化する。したがって、分流調整方法は、十分な電流を低線インピーダンスに駆動し、広い範囲に渡って電圧を調整し、いくつかのケースでは、十分な電流を発電または吸収できないとても低い線インピーダンスにより、要求された電圧に補正する、その能力において、非効率であり、限られている。本考案で使用するような、シリーズ電圧調整方法は、とても有効であり、分流器コンフィギュレーションに対して必要な、信頼できない高電圧電界キャパシタのような、内部記憶デバイスを必要とせず、入力ＡＣ電圧のとても広い範囲に渡ってＡＣ出力電圧を調整でき、線インピーダンスとは独立しており、スタンドアローンＡＣシリーズ電圧調整ＡＶＲとして独立して動作できる。
【００５８】
図５は、本考案の１つの実施形態にしたがう、ＥＰＵのコンフィギュレーションを示しており、以下の表は、前述の電力品質問題を取り扱う、その動作パラメータをリストアップしている。
【００５９】
【表２】
0003220662.tif 000004
【００６０】
本考案の上述の説明は、実例および説明の目的で提供されている。本開示を開示した正確な形態に網羅的にするまたは限定することは意図していない。多くの改良およびバリエーションが当業者に明らかであろう。
【００６１】
本考案の原理およびその実用的な使用を最も説明し、それにより、さまざまな実施形態に対して、および、企図されていない特定の使用に適したさまざまな改良について、当業者が本考案を理解できるようにするために、実施形態を選択し、説明した。本考案の範囲は、以下の特許請求の範囲およびその均等物により規定されると意図されている。
【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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