JP2014515250A - 電気事業ネットワーク用のローカル需要側電力管理 - Google Patents

Abstract

需要側電力供給管理システムが開示される。本システムは、供給グリッドへの結合ポイントを有する自立電力システムを含む。その自立電力システムは、複数の電気負荷に供給し、その各々は、その負荷によって要求される最大電力を制御するための負荷コントローラに関連付けられている。結合ポイントに関連付けられた測定手段が、グリッドと自立システムとの間の総電力伝達を測定し、また、システムコントローラが、測定された電力伝達を設定値と比較して監視して、複数の負荷コントローラに制御信号を提供する。各負荷コントローラは、実質的に同一の制御信号を受信し、制御信号に含まれている情報に基づいて、その負荷コントローラに関連付けられたその負荷または各負荷が、自立電力システムから引き出すことを許可される最大電力を判断する。
【選択図】図３

Description

本発明は、電気事業ネットワーク（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｕｔｉｌｉｔｙ ｎｅｔｗｏｒｋ）における需要側電力管理のための方法およびシステムに関する。本発明の用途は、再生可能エネルギー生成源の効果的な使用および電気自動車の充電を含むが、それらに限定されない。

動的需要制御（ＤＤＣ：Ｄｙｎａｍｉｃ Ｄｅｍａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ）は、慣例的に、ユーティリティ供給（ｕｔｉｌｉｔｙ ｓｕｐｐｌｙ）の周波数、すなわち、グリッド周波数が、その瞬間に使用されている電力と比較して、生成されている電力における変動に応じて、小範囲にわたって変動することが許容される、需要側管理技術として知られている。利用可能な電力が高過ぎる場合、グリッド周波数は少量だけ増加され、利用可能な電力が少なすぎる場合、グリッド周波数は減少される。グリッドは、巨大な回転負荷（ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｌｏａｄ）と見なされ得、周波数におけるこれらの変化は、その負荷の回転速度における変化に対応し、大規模なエネルギー変動である。周波数が高過ぎる場合には、そのエネルギーの一部を吸収するために、非本質的な負荷のスイッチをオンにでき、低過ぎる場合には、より重要な用途のために回転電力を解放するために、非本質的な負荷のスイッチをオフにできる。コンテキストで明瞭に別に要求していない限り、本明細書では、「ＤＣＣ」への言及は、かかるシステムを指す。

実際的な状況では、各々がその独自のコントローラを有する、多数の小さいＤＤＣ可能な負荷が、ネットワークにわたって分散されている。ネットワーク周波数が変化するにつれて、各コントローラが何の負荷が要求されるかを判断し、その端数部分の負荷のスイッチをオンにする。図１に示すように、周波数が４９Ｈｚより少ない場合、切替えられた負荷はゼロ（Ｗ）であり、５１Ｈｚより多い場合には、負荷は完全な定格負荷であり、これら２つの極値の間で、負荷は直線的に変化する。従って、ネットワーク上に１００万のこれらの装置があった場合、印加された実際の負荷は、０〜２ＧＷまで変動する負荷抵抗であろう。これは、単なる例であり、実際のところ、４９〜５１Ｈｚの範囲はかなり小さく、全ての負荷が同じである必要はないことに留意すべきである。主要条件は、ＤＤＣ可能負荷が、４９〜５１Ｈｚの間で連続的に変化する方法で切り替えることができるか、または少なくともその範囲内でスイッチをオン／オフできることである。

ＤＤＣ対応にできる負荷のタイプに関して制限がある。一般に、湯沸器、バッテリー充電器、冷凍庫、冷蔵庫、およびエアコンなどの「エネルギー」負荷は、適しているが、かかる負荷がモーター、ポンプ、およびファンを含む場合には、これらの装置のオンおよびオフの素早い切替えがそれらの寿命に悪影響を及ぼし得るので、注意する必要がある。それにもかかわらず、ＤＤＣ対応のエネルギー負荷は、任意のグリッドシステム上の電気負荷のかなりの割合を占めて、ＤＤＣを実施するのに魅力的な技術にする。

ＤＤＣは、配電線の周波数が負荷に応じて変化できるようにすることにより、最も単純な可能な方法で実装される。概略的に、グリッド全体は、図２に示された、慣性Ｊおよび周波数に伴って変化する負荷を有する発電機と置き換えることができる。他のコントローラのない原動機は、グリッドを表す慣性Ｊを駆動し、その発電機に接続されたＤＤＣ対応の負荷（図示せず）は、フィードバック経路を介して、慣性Ｊを駆動する正味トルクを抑える。

上で概説したように、ＤＤＣは、適合した負荷が協調的な方法でスイッチオン／オフされ得るように、グリッド周波数が変化することを必要とする。ＤＤＣの実装に伴う困難は、グリッドは一定周波数での動作に対して設計されているので、ユーティリティオペレータ側で、グリッド周波数が変化するのを許容するのを嫌がることである。さらに、その実装は、幾人かの当事者からのかなりの投資を意味する、必然的に大規模であるに違いないので、ＤＤＣの実装を嫌がる。

本発明の目的は、改善された需要側制御の方法、システム、もしくはプロセスを提供すること、または少なくとも有用な選択肢を公衆に提供することである。

従って、本発明の一態様では、需要側電力供給管理システムが提供され、そのシステムは、供給グリッドへの結合ポイントを有する自立電力システム（ｉｓｌａｎｄｅｄ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ）であって、その自立電力システムが複数の消費者に供給し、各消費者が１つまたは複数の電気負荷を使用し、その負荷の各々が、制御信号に応答してその負荷によって要求される電力を制御するための負荷コントローラに関連付けられている、自立電力システム、グリッドと自立システムとの間の総電力伝達を測定するために結合ポイントに関連付けられた測定手段、および自立システムへの測定された電力伝達を設定値と比較して監視して、実質的にその設定値を超えている自立システムへの電力伝達を防ぐために、１つまたは複数の負荷コントローラに制御信号を提供するシステムコントローラを含む。

別の態様では、本発明は、需要側電力供給管理システムを提供し、そのシステムは、供給グリッドへの結合ポイントを有する自立電力システムであって、その自立電力システムが複数の電気負荷に供給し、各前記負荷が、その負荷によって要求される最大電力を制御するための負荷コントローラに関連付けられている、自立電力システム、グリッドと自立システムとの間の総電力伝達を測定するために結合ポイントに関連付けられた測定手段、および、供給グリッドから自立システムへの測定された電力伝達を設定値と比較して監視して、複数の負荷コントローラに制御信号を提供する、システムコントローラを含み、各負荷コントローラが、実質的に同一の制御信号を受信して、その負荷コントローラに関連付けられたその負荷または各負荷が、制御信号に含まれている情報に基づいて、自立電力システムから引き出すのを許容される最大電力を判断する。

負荷コントローラは、別の負荷または他の負荷に対してその負荷の優先順位を決め得、それにより、第１の優先度の負荷が、所与の制御信号に対して、第２の優先度の負荷に優先して電力を引き込むように制御される。例えば、第１の優先度の負荷は、需要を減らす必要があることを示す制御信号における変化に応答して、第２の優先度の負荷の後に、需要を減らすように制御される。負荷に割り当てられた優先度は、変更され得る。一実施形態では、優先度は、その負荷によって実行される機能に応じて変更され得る。

自立システムへの電力潮流は、実質的に設定値で維持され得る。

一実施形態では、設定値は、その自立システムに対する基本消費電力（ｂａｓｅ ｐｏｗｅｒ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ）を表す。基本消費電力は、消費者（複数）によって、および／または負荷コントローラもしくはグリッドシステムオペレータによって確立され得る。基本消費電力、および従って設定値は、変更され得る。これは、自立システムの消費電力、グリッドによって供給される電力に対するコスト構造、およびグリッドに関する全体的な電力需要、すなわち、自立システムで利用可能なグリッドからの電力などの要因によって決まり得る。

自立システムは、１つまたは複数の発電機を含み得る。一実施形態では、自立システム内での発電は、結果としてグリッドから伝達される電力を少なくし、それにより、制御信号に、負荷がより多くの電力を要求し得ることを示させる。一実施形態では、全ての負荷が十分に供給されている場合、自立システム内での余分な発電が、グリッドに伝達され得る。

一実施形態では、制御信号は、自立システムが設定値基準で連続的に動作していた場合に提供されていたであろうエネルギーと比較して、自立システムに供給された総エネルギーを測定することにより導出される。

本発明の第２の態様では、需要側電力供給管理システムが概して提供され、そのシステムは、供給グリッドへの結合ポイントを有する自立電力システムであって、その自立電力システムが複数の消費者に供給し、各消費者が少なくとも１つの負荷を使用し、各負荷が、低遅延通信システムによって負荷コントローラに配信される制御信号に応答して、その負荷によって要求される電力を制御するための負荷コントローラに関連付けられている、自立電力システムと、グリッドから自立システムへの電力伝達に対する設定値と比較して、自立システムへの電力伝達を監視し、それにより、差分電力伝達を確立して、その差分電力伝達が実質的に平均するとゼロになるように、１つまたは複数の負荷コントローラに制御信号を提供する、システムコントローラを含む。

負荷コントローラは、別の負荷または他の負荷に対してその負荷（複数）の優先順位を決め得、それにより、第１の優先度の負荷が、所与の制御信号に対して、第２の優先度の負荷に優先して電力を引き込むように制御される。例えば、第１の優先度の負荷は、需要を減らす必要があることを示す制御信号における変化に応答して、第２の優先度の負荷の後に、需要を減らすように制御される。負荷に割り当てられた優先度は、変更され得る。一実施形態では、優先度は、その負荷によって実行される機能に応じて変更され得る。

自立システムへの電力潮流は、実質的に設定値で維持され得る。

一実施形態では、設定値は、その自立システムに対する基本消費電力を表す。基本消費電力は、消費者（複数）によって、および／または負荷コントローラもしくはグリッドシステムオペレータによって確立され得る。基本消費電力、および従って設定値は、変更され得る。これは、自立システムの消費電力、グリッドによって供給される電力に対するコスト構造、およびグリッドに関する全体的な電力需要、すなわち、自立システムで利用可能なグリッドからの電力などの要因によって決まり得る。

自立システムは、１つまたは複数の発電機を含み得る。一実施形態では、自立システム内での発電は、結果としてグリッドから伝達される電力を少なくし、それにより、制御信号に、負荷がより多くの電力を要求し得ることを示させる。一実施形態では、全ての負荷が十分に供給されている場合、自立システム内での余分な発電が、グリッドに伝達され得る。

一実施形態では、制御信号は、自立システムが設定値基準で連続的に動作していた場合に提供されていたであろうエネルギーと比較して、自立システムに供給された総エネルギーを測定することにより導出される。

本発明の第３の実施形態では、需要側電力供給管理の方法が提供され、その方法は、
供給グリッドから、複数の負荷を有する自立電力システムへの電力伝達に対する設定値基準を確立するステップと、
グリッドから自立電力システムへの電力伝達を設定値基準と比較して監視し、それにより、差分電力伝達を確立するステップと、
差分電力伝達が実質的に平均するとゼロになるように、自立電力システム内に存在する負荷を制御するために、１つまたは複数の制御信号を生成するステップと、
１つまたは複数の制御信号を低遅延通信システムを通じて提供するステップと、
を含む。

本方法は、別の負荷または他の負荷に対して、１つまたは複数の負荷の優先順位を決め得、それにより、第１の優先度の負荷が、所与の制御信号に対して、第２の優先度の負荷に優先して電力を引き込むように制御される。例えば、第１の優先度の負荷は、需要を減らす必要があることを示す制御信号における変化に応答して、第２の優先度の負荷の後に、需要を減らすように制御される。負荷に割り当てられた優先度は、変更され得る。一実施形態では、優先度は、その負荷によって実行される機能に応じて変更され得る。

本方法は、自立システムへの電力潮流を、実質的に設定値で維持することを含み得る。

一実施形態では、設定値は、その自立システムに対する基本消費電力を表す。基本消費電力は、消費者（複数）によって、および／または負荷コントローラもしくはグリッドシステムオペレータによって確立され得る。基本消費電力、および従って設定値は、変更され得る。これは、自立システムの消費電力、グリッドによって供給される電力に対するコスト構造、およびグリッドに関する全体的な電力需要、すなわち、自立システムで利用可能なグリッドからの電力などの要因によって決まり得る。

自立システムは、１つまたは複数の発電機を含み得る。一実施形態では、自立システム内での発電は、結果としてグリッドから伝達される電力を少なくし、それにより、制御信号に、負荷がより多くの電力を要求し得ることを示させる。一実施形態では、全ての負荷が十分に供給されている場合、自立システム内での余分な発電が、グリッドに伝達され得る。

一実施形態では、制御信号は、自立システムが設定値基準で連続的に動作していた場合に提供されていたであろうエネルギーと比較して、自立システムに供給された総エネルギーを測定することにより導出される。

第４の実施形態では、本発明は、需要側電力供給管理システムコントローラを提供するが、そのコントローラは、
供給グリッドから、複数の負荷を有する自立電力システムへの電力伝達を監視するための手段と、
グリッドから自立電力システムへの電力伝達を、グリッドから自立システムへの電力伝達に対する設定値基準と比較して、それにより、自立システムへの差分電力伝達の電力潮流を確立するための手段と、
差分電力伝達が実質的に平均するとゼロになるように、自立システム内に存在する負荷を制御するために、低遅延通信システムを通じて送信する制御信号を生成する手段と
を有する。

負荷コントローラは、別の負荷または他の負荷に対して、その負荷の優先順位を決め得、それにより、第１の優先度の負荷が、所与の制御信号に対して、第２の優先度の負荷に優先して電力を引き込むように制御される。例えば、第１の優先度の負荷は、需要を減らす必要があることを示す制御信号における変化に応答して、第２の優先度の負荷の後に、需要を減らすように制御される。負荷に割り当てられた優先度は、変更され得る。一実施形態では、優先度は、その負荷によって実行される機能に応じて変更され得る。

自立システムへの電力潮流は、実質的に設定値で維持され得る。

一実施形態では、設定値は、その自立システムに対する基本消費電力を表す。基本消費電力は、消費者（複数）によって、および／または負荷コントローラもしくはグリッドシステムオペレータによって確立され得る。基本消費電力、および従って設定値は、変更され得る。これは、自立システムの消費電力、グリッドによって供給される電力に対するコスト構造、およびグリッドに関する全体的な電力需要、すなわち、自立システムで利用可能なグリッドからの電力などの要因によって決まり得る。

自立システムは、１つまたは複数の発電機を含み得る。一実施形態では、自立システム内での発電は、結果としてグリッドから伝達される電力を少なくし、それにより、制御信号に、負荷がより多くの電力を要求し得ることを示させる。一実施形態では、全ての負荷が十分に供給されている場合、自立システム内での余分な発電が、グリッドに伝達され得る。

一実施形態では、制御信号は、自立システムが設定値基準で連続的に動作していた場合に提供されていたであろうエネルギーと比較して、自立システムに供給された総エネルギーを測定することにより導出される。

第５の態様では、本発明は、需要側電力供給管理の方法を提供するが、その方法は、
電力システム内の複数の負荷の各々に対して優先度を割り当てるステップと、
その電力システムで利用可能な電力を示す制御信号を受信するステップと、
制御信号および各負荷に割り当てられた優先度に応じて負荷を制御し、それによって、第１の優先度の負荷が、制御信号からの所与の電力可用性指示に対して、第２の優先度の負荷に優先して電力を引き込むように制御されるステップと
を含む。

一実施形態では、電力システムは自立電力システムを含む。

制御信号は、低遅延通信システムを使用して提供され得る。制御信号は、電力システムの動作周波数を含み得る。

自立電力システムは、グリッド供給から電力を受信し得る。

第６の態様では、本発明は、需要側電力供給管理システム用の負荷コントローラを提供するが、そのコントローラは、
１つまたは複数の負荷に対する優先度指定を格納するための手段と、
制御信号を受信するための手段であって、その制御信号が、１つまたは複数の負荷に供給する、電力システムで利用可能な電力を示す、制御信号を受信するための手段と、
制御信号、およびその負荷に割り当てられた指定優先度に応じて、１つまたは複数の負荷を制御する手段と
を含む。

一実施形態では、負荷コントローラは、複数の負荷の各々に対する優先度指定を格納し、制御信号および指定優先度に応じて負荷を制御するが、それにより、第１の優先度の負荷が、制御信号からの所与の電力可用性指示に対して、第２の優先度の負荷に優先して電力を引き込むように制御される。

一実施形態では、電力システムは自立電力システムを含む。

制御信号は、低遅延通信システムを使用して提供され得る。制御信号は、電力システムの動作周波数を含み得る。

自立電力システムは、グリッド供給から電力を受信し得る。

第７の態様では、本発明は、概して需要側電力供給管理システムとともに使用するための器具を提供するが、その器具は、
優先度指定を格納するための手段と、
制御信号を受信するための手段であって、その制御信号が、その器具に供給する、電力システムで利用可能な電力を示す、制御信号を受信するための手段と、
制御信号および指定優先度に応じて、その器具の電力需要を制御するための手段と
を含む。

第８の態様では、本発明は、概して需要側電力供給管理システムを提供するが、そのシステムは、供給グリッドへの結合ポイントおよび自立システムに接続された発電機からの変動する電力供給を有する自立電力システムであって、その自立電力システムが複数の消費者に供給し、各消費者が少なくとも１つの負荷を使用し、各負荷が、低遅延通信システムによって負荷コントローラに配信される制御信号に応答して、その負荷によって要求される電力を制御するための負荷コントローラに関連付けられている、自立電力システムと、発電機からの電力がエネルギー負荷に優先的に供給されるように、制御信号を１つまたは複数の負荷コントローラに提供するシステムコントローラを含む。

第９の態様では、本発明は、概して電気自動車電力供給管理システムを提供するが、そのシステムは、電力を複数の電気自動車負荷に供給可能であり、かつ、供給グリッドへの結合ポイントを有する自立電力システムであって、各負荷が、低遅延通信システムによって負荷コントローラに配信される制御信号に応答して、その負荷によって要求される電力を制御するための負荷コントローラに関連付けられている、自立電力システムと、グリッドから自立システムへの電力伝達に対する設定値と比較して、自立システムへの電力伝達を監視して、それにより差分電力伝達を確立し、かつ、その差分電力伝達が実質的に平均するとゼロになるように、制御信号を１つまたは複数の負荷コントローラに提供する、システムコントローラを含む。

一実施形態では、電気自動車負荷が自立電力システムに誘導的に結合されている。

一実施形態では、自立システムが、電気自動車が、車庫床面、駐車場、または車道などの、車両搬送面上にある場合に、電力を誘導的に電気自動車負荷に供給するように配置されている。

第１０の態様では、本発明は、需要側電力供給管理の方法を提供するが、その方法は、
電力システム内の複数の負荷の各々に対して優先度を割り当てるステップと、
その電力システムで利用可能な電力を示す制御信号を受信するステップと、
少なくとも１つの負荷の特性を監視するステップと、
制御信号および監視される特性に応じて、１つまたは複数の負荷に対して優先度を再度割り当てるステップと
を含む。

監視される特性は、負荷によって現在要求されている電力、負荷の充電状態、負荷がユーザーによってスイッチをオフまたはオンにされているかどうか、のうちの１つまたは複数を含み得る。

一実施形態では、電力システムは自立電力システムを含む。

制御信号は、低遅延通信システムを使用して提供され得る。制御信号は、電力システムの動作周波数を含み得る。

自立電力システムは、グリッド供給から電力を受信し得る。

第１１の態様では、本発明は、需要側電力供給管理システムを提供するが、そのシステムは、供給グリッドへの少なくとも１つの結合ポイントを有する自立電力システムであって、その自立電力システムが複数の電気負荷に供給し、前記負荷の各々が、その負荷によって要求される最大電力を制御するための負荷コントローラに関連付けられている、自立電力システムを含み、そのシステムは、グリッドと自立システムとの間の総電力伝達を測定するために、その結合ポイントまたは各結合ポイントに関連付けられた測定手段をさらに含み、各負荷コントローラが、システムへの測定された電力伝達の、設定値との比較に基づいて、その負荷コントローラに関連付けられたその負荷または各負荷が、自立電力システムから引き出すのを許容される最大電力を判断する。

その全ての新規の態様において考慮されるべき、本発明のさらに態様は、以下の記述から明らかであろう。

本発明の１つまたは複数の実施形態は、付随の図を参照して、以下で説明される。

既知の１ｋＷのＤＤＣコントローラに対する電力対周波数のグラフである。 既知のＤＤＣコントローラのブロック図、および伝達関数である。 本発明に従った、ＬＤＣシステムの汎用概略図である。 既知のＤＤＣコントローラのブロック図、および伝達関数である。 誘導的に電力供給される電気自動車の概略図である。 誘導的に電力供給される自動車用の車道の図である。 測定された発電機周波数およびＤＤＣ制御されたＩＰＴバッテリー充電システムおよびランダムトルク入力を有する充電システム出力電力を示す一連のグラフである。 ＬＤＣコントローラでの、１時間の期間にわたる、風供給、グリッド供給および総消費のプロット例を示すグラフである。 一方はグリッドから消費される電力の、他方は風から消費される電力の、２つの確率分布を示す。 １時間の期間にわたる単一世帯の需要を示すグラフである。 風力における２０ｋＷステップに対応するシステムを示すグラフである。 変化する周波数制御信号の生成および使用を示す自立電力システムの図である。 図１２に示すシステムにおける制御信号の生成に関して、電圧に対する周波数の図である。 負荷制御装置の動作を示す図である。 本発明の一実施形態に従ったＬＤＣ島における情報の流れを示す図である。 ＤＤＣおよびＬＤＣを統合するハイブリッドシステムの一例を示す図である。 時間にわたる、風力および負荷電力のプロットを示す。 図１７に関連するシミュレーションについて、伝達遅延およびサンプル時間に対して、標準偏差対時間のプロットを示す。

動的需要側制御に対する新しいアプローチがここで記述される。一実施形態では、この新しいアプローチは、図３に示すように、配電線の周波数を一定にさせ、ローカルの分散型発電（ＤＧ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｇｅｎｅｔａｔｉｏｎ）も可能にする。本アプローチは、分散型発電需要制御の一種と見なされ得るが、便宜上、本アプローチは、本明細書ではローカル需要制御（ＬＤＣ：Ｌｏｃａｌ Ｄｅｍａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ）と呼ばれる。本質において、グリッドへの接続ポイントを有する自立システム内の負荷は、グリッドから自立システムに供給される電力が、実質的に設定値を超えるのを防ぐように制御される。「自立システム」という用語は、本文書では、発電を含むこともあれば含まないこともあり、かつ、ユーティリティ供給グリッドへの少なくとも１つの結合ポイントを有する、電力システムまたはサブシステムを指すために使用される。自立システムは、そのシステムに接続された、負荷（例えば、屋内電気器具）を使用するか、または場合によっては負荷を共有する、複数の消費者に電力を供給し得る。一例では、自立システムは、単一の世帯を含み得、また、別の例では、市を含み得る。別の例では、自立システムは、本発明を実施する目的で、自立システムを形成することを共同で同意している、必ずしも同一の近接した地理的地域に位置していない、いくつかの世帯によって定義できる。

以下で記載する実施態様の一例は、農場または小さい村などの小規模コミュニティを含む自立システムの例である。しかし、前述したように、システムは、個人の住居などの、さらに小さい規模にも適用可能である。同様に、本発明は、市などの大規模な自立システムに関して実施され得る。

例えば農場の場合、電力はグリッド１から入手可能であるが、それは、他の自立農場も駆動する長い給電線の終端であり得、そのため、それは弱くて極めて変化しやすい。この単一の、または時には三相の、給電線は、近隣への電力供給を中断することなく、大規模な負荷を駆動できないので、１つまたは複数の電気自動車を、例えば７ｋＷで、充電するという考えは、現実的でない。ここでの例では、自立システムは、発電機を含み、従って、ユーティリティ供給グリッドからの電力が、ローカルに発電された電力に加えて利用可能である。ローカルに風力タービン２が、単相誘導発電機３を駆動して、単相電力を生成する。三相電力も生成できる。農場で利用可能な電力は、その結果、ユーティリティ給電線（例えば、１５ｋＷ）からの電力、および小規模な用途での２０ｋＷのみであり得、かつ、風の強さが変わるにつれて大きく変化する、風力タービンからの電力である。

設定値基準は、ユーティリティ給電線から利用可能な電力に対して確立できる。従って、設定値は、自立システムに対する基本消費電力を表す。基本消費電力は、以下でさらに説明するように、消費者によって、および／または負荷コントローラもしくはグリッドシステムオペレータによって、確立され得る。基本消費電力、および従って設定値は、変更され得る。これは、自立システムの消費電力、グリッドによって供給される電力に対するコスト構造、およびグリッドに関する全体的な電力需要、すなわち、自立システムで利用可能なグリッドからの電力などの要因によって決まり得る。一例では、グリッドに関するシステム需要が監視でき、その結果、次のユーティリティ支払請求周期が始まるときに、設定値が、需要動向に基づいて調整できる。従って、ユーティリティが３０分間の期間で請求する場合、設定値は、次の３０分間の期間の開始と一致するように調整され得る。システムは、設定値における意図された変更を、その変更より前に、グリッドシステムオペレータに信号通知し得る。

利用可能な電力は、グリッドからの設定値電力、および任意の時点における自立システム内の発電の合計である。利用可能な電力を示す制御信号は、システムコントローラ５からのローカルシステムの全ての相電圧に共通して、追加され得る。自立システムに伝達される電力は、差分電力伝達を確立するために、設定値と比較して監視され得、この差分電力伝達は、平均するとゼロになるように適切な負荷制御によって制御され得る。一実施形態では、制御信号は、システムが設定値で連続的に動作していたら得られていたであろうエネルギーに加えて、グリッドから自立システムに伝達されるエネルギーを判断することによって導出される。この差は、電圧によって表され、以下でさらに記述するように、制御信号を生成するために使用され得る。

さらに詳細が図１２〜１４に示されている。システムコントローラ５は、制御信号が、周波数変換器２１への電圧を使用して生成される、電圧を生成し得る。この例では、制御信号は、図１３に示されるように、単純なトーン、例えば、２００Ｈｚ〜１ｋＨｚまで変化する１ボルトであり、例えば２０ｋＷに制限する「保証」下限電力に対応する。システムが実装されている、各器具３７または世帯９は、コントローラ３０などの負荷コントローラに関連付けられているが、それは、前述した共通の制御信号を受信し、それに応じて器具または複数の器具３７を制御する。図１４を参照すると、負荷コントローラ実装の一例が示されており、その図では、負荷コントローラ３０は、異なる負荷切替えまたは動作優先度に対応するフィルタ３１〜３４（および、場合によってはそれ以上）を有する。ドングル３６が、器具３７などの制御された負荷と、供給部（図１４では、電源コンセント３５によって表される）との間に接続されて提供される。ドングル３６は、オン／オフまたは可変制御を可能にするスイッチを含み、それが接続されている器具３７または他の負荷の需要を増加または減少させるために、負荷コントローラ３０からの命令に応答する。ドングル３６および負荷コントローラとの間の通信は、一実施形態では無線ネットワークを通じて生じ得る。代替として、コントローラの機能は、代わりにドングル３６に含まれ得て、別個のコントローラハードウェアが不必要になる。コントローラまたはドングル３６は、器具の一部として提供され得、そのため、別個のハードウェアが不必要になる。

従って、任意の関連器具または電気装置は、その結果、風速が変わるにつれ、また、他の負荷がオンまたはオフにされるにつれて、利用可能になる電力に多かれ少なかれ応答して、制御信号周波数が変わるにつれて、オン／オフされる（または、所与の負荷のタイプもしくはその負荷が実行する機能に対して可能であるか、もしくは適切である場合には、その需要が可変的に制御される）。制御信号は、農場またはコミュニティ全体にわたって、有線または無線で伝搬されるデジタル信号でもあり得る。全てのＬＤＣ対応の装置はそれを実質的に同時に取得して、適切にスイッチをオン／オフする。従って、制御信号は、低遅延システムによって送信される必要がある。図３では、制御信号は、ローカル変圧器で生成されているとして示されている。これは、かかるコントローラはこのポイントでグリッドから供給された電力を測定できるので、かかるコントローラにとって、便利で現実的な位置である。しかし、負荷コントローラは、別の物理的位置に配置でき、また、自立システムからリモートにさえ配置され得ることが理解されるであろう。制御信号は、前述した以外の手段によって提供され得る。例えば、無線通信システムまたはネットワークが使用され得る。従って、制御信号の通信は、例えば、システム周波数を変化させることにより、無線信号により、ＷｉＦｉもしくはＺｉｇｂｅｅにより、またはインターネットによって生じ得る。

前述したように、各負荷は、優先度を指定され得る。優先度の順位は、そのコミュニティ、またはそのコミュニティ内の個々の消費者が望むものであれば何でもよい。高出力端の装置は、比較的頻繁にスイッチをオンおよびオフされる可能性があり、いくつかの装置（例えば、冷蔵庫）は、素早い切替えに対して定格ではないので、優先度の設定は、注意深く考慮されるべきである。比較的低電力を消費する装置は、優先度リストの低電力端に置くことができる。頻繁なオン／オフ切換えが望ましくないものは、ある期間、切替え動作を防ぐ動作スケジュールを含むことができる。例えば、ある負荷（冷蔵庫など）に対するスケジュールは、その負荷のオン／オフを切り替える時はいつでも、少なくとも１０分間またはそれ自体をオフにするまで、オン／オフのままにしておく必要がある、スケジュールを含み得る。各器具に対する優先度は、その負荷によって実行される機能などのパラメータに応じて、ユーザーによって変更され得るか、または負荷コントローラによってインテリジェントに変更できるような方法で、各負荷コントローラに格納できる。自立電力システム内の消費者および／または「コミュニティ」が、負荷の優先順位付けを決定する。例えば、図３では、各世帯は、湯沸器負荷６および電気自動車（ＥＶ）充電負荷７とともに示されている。消費者が、ＥＶ負荷７を、通常、湯沸器負荷６より低い優先度をもつように選択している場合、負荷７は、通常、制御信号が、利用可能な電力供給が減少していることを示すとき、負荷６に優先してスイッチをオフにされるであろう。しかし、負荷コントローラは、例えば、ＥＶ充電が非常に低いか、もしくは水温が（たとえ、最適でなくても）十分であると判断する（またはそのことを示すフィードバックを受信する）場合か、または時刻に応じて（例えば、真夜中には、自動車の充電に優先して湯沸を切り、適切な時に湯沸を再開する）、優先度を変更し得る。負荷６および負荷７の両方は、連続的に変化するように制御できるタイプであり、負荷コントローラは、その機能を実行し得る。本明細書に記載する優先順位付けのシステムは、ＤＤＣ一般に適用可能であり、使用される制御信号は、電力システムの周波数であり得るので、自立電力システム内での使用に必ずしも制限されないことが分かるであろう。湯沸およびＥＶ充電などの、電力供給の変動に耐性がある、「エネルギー」負荷は、発電機３からの変動する発電がそれらの負荷に供給するために効果的に使用されるように、優先順位付けできることが分かるであろう。従って、本発明は、例えば、風力、太陽光、および潮力発電源を含む、再生可能エネルギーからなどの、変動する発電を有効に活用できる。

誘導発電機を駆動する風力タービンに関して前述した形式では、電圧および周波数の両方がグリッドによって設定される。電力が実際に使用されていない場合、すなわち、全ての負荷が必要に応じて供給されている場合には、グリッドから得られる電力はゼロまで削減でき、また、電力は、グリッドに戻すことさえできる。実際に、大規模な用途では、自立システムに対するシステムオペレータ（ＳＯ）は、可能であれば、グリッド電力を削減するように要求できるか、そうしなければ、より高い「時刻」価格設定スケジュールを被り得る。ＳＯによって必要とされない余剰がある場合、それは、湯沸に使用できるか、または放出できる。一実施形態では、設定値基準は、グリッド（前述した農場例における給電線）から自立システムに供給される電力に対して確立でき、コントローラは、自立システムに供給される電力が設定値を超えないか、または少なくとも実質的に超えないように、制御可能負荷に対して制御信号を提供できる。さらに、自立システムによって供給される負荷の本質および自立システム内の発電能力に応じて、グリッドから供給される電力が実質的に設定値で、少なくともある期間、維持されるように、自立システムが管理され得る。このように、グリッド上の需要がより予測可能になり、需要における予期しない変化が減るので、運転予備力を減らすことができるか、または少なくともグリッドオペレータによってより経済的に管理できる。

いくつかのシステムでは、例えば、比較的低電力使用および高発電能力のシステムでは、自立システムは、実質的に一定量の電力をグリッドに給電するように動作し得る。

顕著な特徴は、生成されている電力に変化を引き起こす風速における変動は基本的に、ＬＤＣコントローラによって取り除かれるので、電力がグリッドに送り返されるようにプログラムされている場合、それは、高い価値を有する、高品質で一定電圧のグリッド周波数の単相または三相であろう、ということである。しかし、利用可能な全ての電力を吸収する十分な負荷がないので、電力がグリッドに送り返される場合、それは低品質であり、その結果として、低価値であろう。万一、停電の場合には、誘導発電機は十分なＶＡＲ励起を有していないので、本システムは発電できない、すなわち、これは、断然、最低コストの実装であり、また、ローカル発電は、電力会社が何等かの目的でオフにしている回線を生かすことができないので、最も安全でもある。電力の連続性が絶対不可欠な場合（例えば、透析機）には、ＵＰＳが使用され得る。

このＬＤＣシステム用のコントローラが、図４に図式的に示されている。これは、フィードバック経路がここでは完全に誘導発電機内にあることを除いて、図２に示すコントローラと同様である。これらの状況では、出力Δωは、ここでは、

（式中、ω_soは誘導機の定格スリップ周波数であり、Ｔ₀は定格トルク）のトルクフィードバックを引き起こすマシンのスリップ周波数における変化である。これは、伝達関数

を与える。

この伝達関数は、期待されるシステム応答がオーバーシュートなしで高速になるように、短時定数をもつ１次システムに対応する。

従来型のＤＤＣコントローラとＬＤＣコントローラとの間の比較が表１に示されている。顕著な違いは、ＬＤＣシステムのいくつかの実施形態は、ＬＤＣ対応装置への余分の通信フィード（ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｆｅｅｄ）を必要とするが、電力がグリッドおよび風力タービンから同時に取得される、混合電力モードで実行できることである。従来型のＤＤＣシステムは、本質的に、同期発電機とともに最も良く実装されるスタンドアロンシステムであり、他方、ＬＤＣは、グリッドシステム内の島としてであるが、それ自身の内部コントローラと共に動作し、誘導発電機とともに最も良く実装される。従来型のＤＤＣは、それ自身の周波数および電圧制御に関与し、他方、ＬＤＣは、その電圧および周波数をグリッドから取得するが、電力はどちらの方向にも行くことができ、電力潮流の方向転換は単純でシームレスである。
表１：コントローラ間の比較

マシンとそれらのコントローラとの間の最も著しい違いは、おそらく、慣性要件（ｉｎｅｒｔｉａｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ）である。風力マシンは相対的に低慣性であり、ＬＤＣシステムは低慣性で動作できる。従来型のＤＤＣシステムは、各２極ｋＷに対して、約０．０２ｋｇ．ｍ²の慣性を必要とする。従って、１２極１ｋＷのマシンは０．７２ｋｇ．ｍを必要とし、１２極１００ｋＷマシンはそれ故、７２ｋｇ．ｍ²を必要とする。これらの慣性は、達成するのが極めて困難であり得るが、それらがなければ、従来型のＤＤＣコントローラの減衰は貧弱であり得る。ＬＤＣコントローラは、この点において役に立つ。

図３に関連して前述したように、本発明は、充電および車道消費電力の両方に対して、電気自動車（ＥＶ）に対する用途を有する。ＥＶ誘導充電および誘導車道使用（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ ｒｏａｄｗａｙ ｕｓｅ）の例が、我々の公開された係属中の出願ＷＯ００８／１４０３３３およびＷＯ２０１１／０１６７３６に記載されている。これらの公開は、主に車両の電力システムへの誘導結合に言及しているが、本発明は、誘導結合または非誘導結合機構のどちらかへの適用が見つかり得ることが理解されるであろう。

図５を参照すると、誘導的に充電されるＥＶが示されている。固定電力供給１０が、床または車道内もしくはその上でトラックまたはパッド１１に電力供給する。車両１２は、ピックアップコイル１３を有し、そのピックアップに伝達された電気エネルギーが、ＥＶの充電および／または運用での使用のため、ＤＣとして調整および供給される。

図６を参照すると、ＥＶが道路２０に沿って進行中の場合、それらは、車道に埋められた「エンドレス」に連続するパッド１１から誘導的に電力供給できる。これらのパッドは、例えば２００ｍ間隔で配置され、各方向に１００ｍの車道を駆動する、電力供給１０によって電力供給される。車両がこの道路２０に沿って移動すると、その下にあるパッド１１が、その運動に同調してエネルギー供給されて、車両を完全に充電された状態に維持する電力波を供給する。各パッドは、車両が移動するにつれて、パッドからパッドへ切り替える、車道を横切るアーチ型流束を生成する。車両は、１つのパッドまたは２つが連結流束を供給しているか、およびこの電力がその車両に十分に電力供給し、かつバッテリーが完全に充電された状態に維持されているかどうかに応じて、１０〜２０ｋＷで電力供給される。各１００ｍ区域は、その上に車両があることもあれば、ないこともあり得、車両がない場合には、この区域のスイッチをオフにする。逆に、各区域は、５台の車を２０ｋＷで、各々２０ｍの車両間隔で有し得る。もっと多くの車両がある場合、その区域は過負荷であり、システムが崩壊しないように、ＤＤＣシステムが、各車両への電力を削減するために使用される。電力供給１０は、２０ｋＨｚのＩＰＴ周波数を提供するが、この２０ｋＨｚは、１９．９〜２０．１ｋＨｚの間で変化して、その区域の負荷状態を示す―すなわち、２０．１ｋＨｚで車両は完全な電力を取得し、１９．９ｋＨｚでは、古典的なＤＤＣ状況で削減された電力を取得する。車道のこれらの区域は、幹線給電から、またはローカルの風力もしくは他の「グリーン」供給源から駆動され得る。従って、これらのシステムは、本発明が適用可能な自立電力システムを含み得る。過負荷の掛かった区域は、信号「混雑」―車両間隔を増やす、をドライバーに対してトリガーする。

もっと単純であるが、同様の用途が、駐車および充電を提供する駐車場ビル内に存在するであろう。ここでは、１つの電力供給１０が多数のパッド１１を駆動して、多数の車両を同時に充電でき、自宅の車庫または駐車スペース内におけるような、駐車スペースあたり１つの電力供給およびパッドよりも、単純な配置を与える。

〔測定およびシミュレーション〕
１．ＤＤＣおよびＩＰＴ結合でのバッテリー充電のシミュレーション
古典的なＤＤＣコントローラが、実験室条件下でコンピュータシミュレーションによって試験された。実験室では、トルク制御モードで制御されたＡＣ駆動が、毎秒変化する一連のランダムトルクを生成した。ＡＣ駆動（可変速誘導電動機）は、５０Ｈｚで発電する３相交流発電機に接続されていた。２つの相は、負荷抵抗上にあり、第３の相は、３００Ｖ ＤＣで電気自動車バッテリーを充電するようにセットアップされたＤＤＣコントローラに渡された。測定され、コンピュータシミュレーションされた出力が図７に示されている。システムは、４極誘導電動機および６極交流発電機を用い、１０００ｒｐｍでＤＤＣコントローラによって制御された。この実験的なセットアップの大きな利点は、全ての試験に対して同一のランダムシーケンスが使用できることである。

第１のグラフは、使用されたランダムトルク信号を示す。第２のグラフは、ＤＤＣ制御有りおよびＤＤＣ制御なしの発電機周波数（軸速度と同等）を示し、また、第３のグラフは、バッテリーへの電流（ＤＤＣ制御あり）を示す。グラフ２から、ＤＤＣ有りの速度は基本的に一定であるので、電力入力は、第１のグラフのスケーリングされたバージョンであり、また、定電圧バッテリーを備えた、電力出力は、バッテリー電流のスケーリングされたコピーである。従って、理想的には、グラフ１およびグラフ３は、同一のはずである―それらの間の相関関係は例外的に良好で、ＤＤＣコントローラの精度を示す。第４のグラフは、回路からの期待されるバッテリー電流に対するＳｉｍｕｌｉｎｋ ＴＭ上でのシミュレーションを示す。それは、同一の平均電流およびわずかに少ない変動をもつ測定されたデータに対するぴったりした適合であり、実験およびシミュレーションに対する慣性図形が全く同一ではないことを示す。

２．小規模コミュニティで使用される電力のシミュレーション
ＬＤＣシステムは、共通利益のコミュニティがあるところであれば、多くの状況で使用できる。おそらく、最も単純なものは、変圧器上の全ての消費者がＬＤＣシステムを形成する、４００／２３０Ｖ配電変圧器である。ここでは、風力はないが、全ての世帯の総合負荷が管理されるように、変圧器負荷が監視されて、接続された世帯がＬＤＣ対応負荷を切り替え得る。このように、この１１ｋＶ給電線への変圧器によって提示される負荷はほぼ一定である。変圧器は、より高い負荷要因で動作し、住居の充填の問題が大幅に減少される。また、電子機器は、供給周波数も監視でき、低過ぎる場合には、全ての非本質的な負荷をドロップすることができ、また、高過ぎる場合には、全ての可能な負荷のスイッチをオンにできる。

ここで、セクション５に記載されたわずかにより複雑な状況では、ＬＤＣ対応負荷およびＥＶ ＩＰＴ充電パッドを備えた、２０世帯を含む小規模なコミュニティに対する電力需要が実行されており、そこでは、２０ｋＷ（１ｋＷ／世帯）の公称最大量への配電線電力が含まれている。風力がランダムシーケンスとして追加され、７０ｋＷの平均値で、１０秒毎に変化する。各世帯によって取得される負荷は平均すると３．５ｋＷになるが、最高で７ｋＷまで達し得る。このシステムは、従って、７７％の風力を含み、それは非常に高い。

システムの中核をなすのは、ＬＤＣコントローラであり、それは、グリッドへの電力潮流を測定し、これを既知の制限または設定値基準と比較する。単純な積分調節器が、次いで、自立システムに供給されるエネルギーを、電力が設定値で供給されていた場合に伝達されていたであろうエネルギーと比較した差を判断するために使用され得、これを使用して、リアルタイムで０〜１０まで変動する電力優先度信号としてシステムに提供される、差分電力信号を生成する。最も重要な装置が優先度１であり、他方、最も重要でないものは優先度１０である。結果として、信号より低い優先度の装置は、オンのままに維持されるが、他方、信号より高い優先度のものはスイッチをオフにされるであろう。制御は、従って、差分電力、すなわち、グリッドから供給される電力と設定値電力基準との差分が、実質的に平均でゼロになるように、実装される。

各世帯がいくつかのＬＤＣ制御負荷を含む。これらは表２にリストされている。
表２：各世帯においてシミュレートされた負荷

ベース負荷を除く全ての負荷は、それらの所与の優先度範囲にわたって直線的に変動し、より低い優先度信号で最小限の電力を消費する。４つの２５０Ｗのベース負荷は、信号がそれらの所与の優先度を下回る場合、単純にスイッチがオフにされる。全ての世帯の同等の優先度のベース負荷が、ぴったり同時に切り替えられないように、わずかなランダムオフセットがこれらの各々に対して与えられる。

シミュレーション出力の一例が図８に示されている。風が著しく変化するが、システム上の負荷はこの変動する風に一致していることが分かる。グリッドから引き出された電力は２０ｋＷに調整される。グリッドから得た電力および風から生成された電力に対する確率密度関数が図９に示されている。左のグラフは、グリッドから供給された電力を示して、調整効率の概念を提示する。右のグラフは、風力タービンからの電力出力の範囲の概念を提示する。グリッド電力は、負荷のオンおよびオフの切替えによって生じた偏差とともに、２０ｋＷでほぼ一定であることに留意されたい。風力は、広い標準偏差をもつ、おおよそガウス分布であり―理想的な結果は、おそらく、ワイブル分布ｐ（ｘ）（ｘは風速）であるが、約１秒単位での電力出力需要を表すために、ｘ³に修正されている。

図１０は、単一の世帯に関して１時間にわたる電力使用を示す。ここでは、得られる電力は、極めて変動しやすいが、他の全ての世帯と組み合わせると、％変動は大幅に改善できる。冷蔵庫および貯湯槽は、需要を粗調整するように、それらの切替え時間を調節し、他方、ＥＶ充電器がそのギャップを埋めることが見られる。このように、連続的な可変制御を備えた大規模な負荷がコントローラ方式にとって重要であることが分かる。

風におけるステップに対するシステムの応答が図１１に示されている。システムは、オーバーシュートのない予測可能な１次応答において、約３秒間で２０ｋＷの需要を追加する。この応答は、負荷および時間の関数としてさらに連続して変動する負荷におけるステップから成り立っていることが認められる。より小規模な負荷は電力の可用性に応じて単純にスイッチがオンおよびオフされるが、他方、より大規模なＥＶおよび湯沸負荷は、連続的に変化し、利用可能な電力量に応じて電力を得て、全体の応答をより線形にする。

図１５は、発電、分配、および全てがＬＤＣコントローラを備えたいくつかの世帯を含む、完全なＬＤＣ島におけるレイアウトおよび情報の流れの別の例を示す。ここでは、各ＬＤＣコントローラは、親ノードからの信号およびローカルに測定された電力スループットの両方に基づいて信号を出力する、すなわち、その自立システムのシステムコントローラの「設定値」が、グリッド上の総合負荷を示すグリッドからの情報に基づいて、おそらくは連続して、変化できる。ＬＤＣをネットワーク全体で配備することはかなりのタスクであろうが、システムは孤立しても同様に動作する。ＤＤＣおよびＬＤＣのハイブリッドも、実装が非常に容易であり、図１６に示されている。

図１６では、システム周波数が、変圧器（図示せず）に組み込まれたＬＤＣコントローラへの信号として使用される。ＬＤＣコントローラは、次いで、その変圧器から外れている後続の装置に対する制御信号を計算する際に、これを考慮に入れる。このように、ＬＤＣシステムは、ＤＤＣで、全体の供給と需要の両方のバランスをとるのを支援し、ＬＤＣで、ローカルの制約を管理する。

一般に、ＤＤＣおよびＬＤＣの使用は、表３に示すように、主にサイズに基づいて、３つの主たる利用シナリオに分類できる。ＤＤＣは、周波数が変化できることを必要とするので、自立グリッド内で最も有用である。これらは、ニュージーランドの北島などの大規模なシステムまたは離村などの小規模な孤立したシステムであり得る。あるいは、ＬＤＣは、周波数が変化するのが許容されないか、またはグリッドの発電制約を表していない中規模のシステムに適している。ローカルの風力発電を備えたコミュニティは、この良い例である。
表３：ＤＤＣ利用シナリオ

制御信号を送信するために使用される送信方法に応じて、輸送遅延およびＬＤＣ制御信号のサンプリングが不可避である。これは、アナログフィルタリングまたはデジタル通信の使用によって取り込まれ得る。

遅延およびＬＤＣ制御信号のサンプリングの効果を定量化するため、前述したシミュレーションの修正バージョンが実行された。そのシミュレーションは、矩形波変調（ｓｑｕａｒｅ−ｗａｖｅ ｍｏｄｕｌａｔｅｄ）風力タービン出力で、１５分間実行された。タービン出力は、図１７に示すように、シミュレーション中４回、２０ｋＷと４０ｋＷとの間で変化する。２つの別個の試験が行われた。第１の試験では、０秒〜１秒の間で変化したアナログ遅延が取り込まれた。

第２の試験では、サンプルおよび保留が優先度信号に追加されて、サンプリング期間も０秒〜１秒の間で変化した。各々で、システム性能が、遅延またはサンプリングレートにおける各変化で測定された。

ＬＤＣコントローラは、グリッド相互接続電力を特定のレベルに調整しようとするので、変動は、ＬＤＣシステムがいかに良好に動作しているかを測る正しい尺度である。ＬＤＣコントローラから最高の性能を得るために、積分器利得が、遷移によって引き起こされるオーバーシュートまたは振動を回避するために、遅延またはサンプル時間における各変化で修正された。両方の試験の結果が図１８に示されている。

ＬＤＣシステムの電力消費を調整する能力が、システム内の任意の遅延またはサンプリングにほぼ線形的に関連していることが分かる。このため、ＬＤＣ信号は、最大限の性能を得るために、可能な限り速く送信される必要がある。０．１秒〜０．２秒の間の遅延は、現実的な目標であり、これは、さらに良好な性能をもたらす。サンプリングレートは、システム性能に関して、輸送遅延よりも影響を及ぼさないことも分かる。良好に実行するシステムに対して、１００ｍｓ未満のサンプリング期間（＞１０Ｈｚ）は十分である。これらの数字は、リアルタイムでＬＤＣコントローラによってサービスされ得るネットワークのサイズに制限を加える。ＤＤＣは、グリッドスケールへのレベルアップに適しているが、ＬＤＣは、そのＤＤＣグリッド内の小さい島に最も良く限定され得る。

ＬＤＣコントローラ機能に必要な基本回路は、一実施形態では、電力計および変調器、ドングル、ならびにハウスコントローラを含むシステムを参照して、説明できる。これらは、以下でさらに詳細に説明される。

１．電力計および変調器
数量：システムにつき１台
位置：理想的には（必ずしもではないが）グリッドへの共通の結合ポイントの近く。
消費電力：電源内蔵式
入力：３相３線の配電線供給
出力：出力３相４線システム上の中線に、その中線が接地される前に、結合する一巻

説明：
概念上は、この装置は、３相３線の配電線供給から得られた電力を測定して、分離出力を与える。実験的なバージョンについて、入力は３相、４００Ｖ、５０Ｈｚ、電流３〜４Ａである。０〜３ｋＷにスケーリングされた出力は０〜３ボルトに等しい。

装置とともに、例えば、０〜３ボルト＝０〜３ｋＷの設定値入力、および０〜１０Ｖにスケーリングされた出力をもつ、電力計と設定値との間の電圧差の積分をとることができる積分器が含まれるべきである。この０〜１０Ｖの信号は、０Ｖ＝６００Ｈｚ、１０Ｖ＝１，０００Ｈｚの範囲にわたって動作するＶからＦへの変換器を制御するために使用され、その信号は、次いで、３相システムの中線上に１Ｖ信号を生成するために使用される。その１Ｖ信号は、小さいインバータおよび１００：１変圧器を使用して、中線に投入されるであろう。理想的には、波形は、正弦波であるべきだが、矩形波も許容可能であり得る。

第１の実験室規模のプロトタイプでは、１Ｖ信号（変調器）の中線上への投入を除き、これら全ての機能が、プロトタイプのマイクロプロセッサ制御器具に含まれる。この装置は、３相（相あたり定格２３０Ｖ １０Ａ）の各々における電力を測定し、３つの出力を加算して、設定値と比較し、そして、中線上での変調のための正しい特性をもつ矩形波を出力する。この特定の実験室規模のシステムは、より大きな２５０ｋＷシステムへのスケールアップには適していない。

２．ドングル
数量：器具につき１台

本文書で前述したように、ドングルは、家の配電盤とその家の中の器具との間の送電線内に位置する装置である。理想的には、それらは器具（すなわち、負荷）に組み込まれるであろう。ドングルは、器具が要求された方法で動作できるように、その器具をＬＤＣ対応にする。原理上は、４つのタイプのドングルがある：

タイプＡ：単純なオン／オフのタイプ。ドングルは、中線上の制御信号を分離し、一定周波数でスイッチをオンにし、それより低い周波数でオフにする。例えば、ドングルは、７２０Ｈｚでスイッチをオンにし、６６０Ｈｚでオフにする。６６０Ｈｚ以下でドングルは常にオフにされ、７２０Ｈｚ以上では常にオンにされ、これら２つの周波数の間で双安定であり、その状態は実在の用途では過去の履歴によって決まる。

タイプＢ：最小限の切替え期間のあるオン／オフ。このタイプのドングルは、切替えイベントの数および／または頻度を制御する必要のある冷蔵庫または冷凍庫のようなモーターの付いた装置に適している。ここでは、装置は、タイプＡのドングルと同様に動作するが、その装置は、スイッチをオンにされると、何分かの最小限の期間−例えば、１０分間、オンのままにしておく必要があり、スイッチをオフにされると、最小限の期間−例えば、２０分間、オフのままにしておく必要がある。

タイプＣ：このドングルは、完全に比例的に制御される。制御周波数が６００Ｈｚ以下の場合、ドングルはオフにされ、１，０００Ｈｚ以上であればドングルはオンにされ、これら２つの極値の間で、許容される最大出力は、周波数に比例して線形に変化する。器具はこのタイプの用途に対して定格でなければならない。適した用途は、熱ポンプまたはＥＶバッテリー充電器である。

タイプＤ：このドングルはタイプＣに類似しているが、連続的に変化せず、例えば、８つの別個の状態を有する。制御周波数６００〜１，０００Ｈｚが８つの領域に分割され、これらは、動作状態に対応する。最も低い領域では、装置は全出力の１／８^thでオンにされ、次の領域では、全出力の２／８^thでオンにされ、以下同様に続く。これを達成するには、正しい電力出力を与えるために、ランダムシーケンスでの適合した負荷抵抗切替え積分サイクルを必要とする。

３．ドングル用途
ドングルが家で使用され得る方法に２つの代替手段がある。例えば、次のとおり。

３．１ 代替手段１：非インテリジェントドングル
この代替手段で、各機器は、それ自身の全ての情報を復号する、それ自身のドングルを有する。上で概説したように、電力の可用性は、配電線電圧に加えて、６００Ｈｚ（優先負荷に対して利用可能な電力はない）〜１，０００（利用可能な十分な電力）まで変動する１〜２Ｖの信号によって中線上にコード化される。ドングルは、この信号を除去し、それを使用して、装置をオンおよびオフするか、または、使用したドングルのタイプ―タイプＡ〜Ｄに従い、ゼロ交差の配電線上で切り替えることによりそれらを連続的に変化させる。ここでは、全ての器具／制御可能負荷が厳格な優先順位または順番にあり、制御信号によってアクティブされる際にスイッチをオンおよびオフにされる。例えば、本質的な負荷は、いつでもアクティブであって（スイッチをオフにされていなければ）、ドングルを持たず、高い優先度の負荷は、６００〜６６０Ｈｚの範囲の制御信号に対してアクティブに設定され得、また、低い優先度の負荷は、信号周波数が、例えば、９００〜１０００Ｈｚより高ければ、アクティブであろう。これらのトリップ点は、各ドングルとともに変動するが、インストレーション時に設定されるであろう。トリップ点は、いくつかのヒステリシスを有する―例えば、ドングルは、７２０Ｈｚでスイッチをオンにされ、６６０Ｈｚでスイッチをオフにされ得、これらのポイントの両方は、インストレーション時に設定される。タイプＣおよびＤのドングルも、いつもアクティブであり、制御周波数に比例して電力を得る。

電力：電源内蔵式
信号：１〜２Ｖ ６００〜１０００Ｈｚ、
ソフトウェアプログラミング：小
測定機能：なし
プログラム可能性：非常に制限されている

３．２ 代替手段２：インテリジェントドングル
この代替手段は電子回路―ハウスコントローラ（ＨＣ）を有する−すなわち、おそらくは、必ずしもではないが、メーターボックス内に配置される。それは、中線上の変調信号を復号して、どの装置がオン／オフであるかを知る機能を有し、また、それは、全てのドングルと通信できる。それは、家への電力潮流（基本的にアンペア）も測定できるが、ドングルおよび器具への電力の潮流は変更されない。ＨＣによる器具への通信は、例えば、２．４ＧＨｚまたは他でのＷＬＡＮによるものであり、また、従来のように、各器具はそれ自身のドングルを有するが、現在では各ドングルはそれ自身のＷＬＡＮ送受信機を有する。ＨＣは、あらゆる器具の優先順位が継続的に変化し、インストレーション時にデフォルト設定のみが設定されるように、ドングルをオンラインで再プログラムすることができる。各器具は、オン／オフ情報および負荷電流を家のドライバーに報告を返すことができる。ドングルは、前述のように４つ全てのタイプとして―遅延ありもしくは遅延なしのオン／オフモードで、または、ＨＣによって指示されたように制御モードに比例して、動作することができる。タイプ選択はリアルタイムで行うことができる。従来のように、小規模の装置は、ＲＦＩを削減するために、ゼロ交差上でのオン／オフ切換えを使用して制御されるが、他方、大規模な装置―温水ヒーター、熱ポンプ、電気衣類乾燥機、および電気自動車充電器は、継続的に変化する方法で動作して、タイプＣおよびＤのドングルに対して前述したように、連続的に可変制御を与える。ドングルは、利用可能な電力が常に最適な方法で使用されるように、実在の状況に応答して自分自身を持続的に更新する―例えば、高優先度装置が物理的にスイッチをオフにされると、それが―例えば、６６０〜７２０Ｈｚを取っていた電力スロットが動的に再割り当てされる、すなわち、その負荷に対する優先度が効果的に再割り当てされている。

インテリジェントドングルは、器具およびＨＣとＷＬＡＮネットワークを通じてインタラクティブに動作できる。例えば、それらは、供給されている負荷の消費電力などの特性を検知し得、それで、ＥＶバッテリー充電負荷を用いて、ＨＣは充電および動作の状態を知ることができ、バッテリーがある特定時間によって完全に充電されるようにする。同様に、乾燥機が使用されている場合、必要な場合にそれらが乾燥されるように、衣類の「乾燥度」が管理され得る。このような選択肢は、電気に関してさらなる高価格を招くが、多用途性を全システムに加えるであろう。

電力：２３０Ｖ ５０Ｈｚからの電源内蔵式
信号：２．４ＧＨｚ双方向ＷＬＡＮ、中線上で１〜２Ｖ ６００〜１，０００Ｈｚ
ソフトウェアプログラミング：完全なポテンシャルを達成するために重要
測定能力：包括的
傷害報告：包括的

本発明は、多数の世帯が自立システムに組み込まれて、個々の世帯が彼ら自身の優先度を設定するのを妨害することなく、負荷に優先順位を付けることを可能にするように実施され得る。これらの負荷がスイッチをオンにできる場合およびスイッチをオフにする必要がある場合を判断するために、直通信号方式（ｓｔｒａｉｇｈｔｆｏｒｗａｒｄ）コントローラが使用される。連続的に変化する出力とともに、最も大規模な負荷―ＥＶおよび湯沸し―を有する際に明らかな利点があり、それらが基本的に、他の負荷のスイッチオンとオフとの間の間隙を埋めるために、いつでも利用可能にする。従って、本発明は、ＥＶがＬＤＣ対応の負荷として充電できるようにして、これが、電流の流れている車道（ｅｌｅｃｔｒｉｆｉｅｄ ｒｏａｄｗａｙ）状況におけるそれらＥＶの動作にまで及ぶ。風力システムでは、コミュニティは、非常に大きな普及率の風力タービンを有することにより大きな利益を得ることができる。余分な電力は、グリッドにエクスポートすることができるが、グリッド上の総合負荷は、ほとんどの状況では、狭い制限内で管理できる。この同じ負荷管理も、市内の孤立した変圧器を有する利益団体にまで及ぶ。

本発明の別の実施形態では、システムコントローラは、連続的に信号を送信せず、代わりに、負荷コントローラが更新情報を求めてシステムコントローラを（または、測定手段を直接）ポーリングする。この事例では、例えば、情報を要求している１つの負荷コントローラとそれを行っている次のものとの間でグリッド上で引き出す電力に変更がある場合、またはシステムコントローラが、特定の負荷コントローラに送信されたデータに一意の識別子を追加する場合、１つの負荷コントローラによって受信された情報が、別のコントローラによって受信されたものと異なり得る。かかるシステムは、システムにさらなる遅延を取り込む可能性のために、前述したものよりも望ましくないことがある。

いくつかの実施形態では、自立システムはグリッドに対する２つ以上の結合ポイントを有し得、各結合ポイントは、その結合を通じてグリッドから引き出される電力を測定する手段に関連付けられている。自立システム内の負荷コントローラの制御は、電力測定の測定値の総計または平均に基づき得る。本実施形態の変形では、異なる結合ポイントが、別個の自立システムに関連付けられ得るが、その占有者は、それらの結合された電力使用が設定値と比較されるように、協働することに同意している。

コンテキストで明瞭に別に要求していない限り、本明細書全体で、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、および同様のものは、排他的または網羅的な意味、すなわち、「〜を含むが、それらに限定されない（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ， ｂｕｔ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」の意味とは対照的に、包括的な意味で解釈される。

本明細書に記載する現在好ましい実施形態に対する様々な変更および修正は、当業者には明らかであろうことに留意すべきである。かかる変更および修正は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、かつ付随する利点を損なうことなく、行われ得る。従って、かかる変更および修正は、本発明に含まれることが意図される。

Claims (32)

1. 需要側電力供給管理システムであって、
   供給グリッドへの結合ポイントを有する自立電力システムであって、前記自立電力システムが複数の電気負荷に供給し、各前記負荷が、前記負荷によって要求される最大電力を制御するために負荷コントローラに関連付けられている、自立電力システムと、
   前記グリッドと前記自立システムとの間の前記総電力伝達を測定するために前記結合ポイントに関連付けられた測定手段と、
   前記供給グリッドから前記自立システムへの前記測定された電力伝達を、設定値と比較して監視し、制御信号を複数の負荷コントローラに提供するシステムコントローラと
   を備え、
   各負荷コントローラが、実質的に前記同一の制御信号を受信して、前記負荷コントローラに関連付けられた前記負荷または各負荷が、前記制御信号に含まれている情報に基づいて、前記自立電力システムから引き出すことを許容される最大電力を判断する、
   需要側電力供給管理システム。
2. 各負荷が優先度ランキングを割り当てられ、かつ、前記負荷に関連付けられた前記それぞれの負荷コントローラが、前記優先度ランキングに基づいて、前記負荷が前記自立電力システムから引き出すことを許容される前記最大電力を判断する、請求項１に記載の需要側電力供給管理システム。
3. 前記負荷の少なくともいくつかに割り当てられた前記優先度ランキングが、変更できる、請求項２に記載の需要側電力供給管理システム。
4. 少なくとも１つの負荷コントローラが関連付けられた負荷からフィードバックを受信し、前記フィードバックに応答して前記負荷の前記優先度を変更できる、請求項３に記載の需要側電力供給管理システム。
5. 前記制御信号が、前記測定された電力伝達と前記設定値との間の差に比例して変化する特性を有する、請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の需要側電力供給管理システム。
6. 前記特性が周波数である、請求項５に記載の需要側電力供給管理システム。
7. 前記特性が振幅である、請求項５に記載の需要側電力供給管理システム。
8. 前記自立電力システムが、中線を含む分散ネットワークを含み、かつ、前記制御信号が前記中線を通じて送信される、請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の需要側電力供給管理システム。
9. 前記制御信号が、前記自立電力システムの相電圧上に重ねられる、請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の需要側電力供給管理システム。
10. 前記制御信号が、低遅延無線通信手段を通じて送信される、請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の需要側電力供給管理システム。
11. 少なくとも１つの負荷に対して、前記負荷が引き出すことを許容される前記最大電力に対する変化の間に、所定の最小時間がある、請求項１〜請求項１０のいずれか１つに記載の需要側電力供給管理システム。
12. 前記設定値が時間とともに変化する、請求項１〜請求項１１のいずれか１つに記載の需要側電力供給管理システム。
13. 前記設定値が、前記供給グリッドのオペレータから受信した情報に応答して、および／または前記供給グリッドによって供給される電力の特性に応答して、変化する、請求項１２に記載の需要側電力供給管理システム。
14. 前記情報が価格情報である、請求項１３に記載の需要側電力供給管理システム。
15. 前記情報が、前記供給グリッドオペレータによって保持される発電予備力に関連する、請求項１３に記載の需要側電力供給管理システム。
16. 前記総電力伝達が前記設定値を超えない、先行する請求項のいずれか１つに記載の需要側電力供給管理システム。
17. 前記総電力伝達が所定の範囲に維持されている、請求項１〜請求項１５のいずれか１つに記載の需要側電力供給管理システム。
18. 前記総電力伝達と前記設定値との間の時間加重平均差がゼロである、請求項１〜請求項１５のいずれか１つに記載の需要側電力供給管理システム。
19. 前記自立電力システムが、前記供給グリッド以外の追加の電源に接続されている、先行する請求項のいずれか１つに記載の需要側電力供給管理システム。
20. 前記追加の電源が、断続的に利用可能な電源である、請求項１９に記載の需要側電力供給管理システム。
21. 前記断続的に利用可能な電源が、１つまたは複数の風力タービンを含む、請求項２０に記載の需要側電力供給管理システム。
22. 請求項３または請求項４に従属する場合、電力供給の変動に耐性がある負荷に関連付けられた負荷コントローラが、前記断続的に利用可能な電源が電力を生成している場合に、前記断続的に利用可能な電源が電力を生成していない場合に前記負荷に割り当てられる前記優先度と比較して、より高い優先度を、前記電力供給変動耐性負荷に割り当てる、請求項２０または請求項２１に記載の需要側電力供給管理システム。
23. 前記電力供給変動耐性負荷が、湯沸器または電気自動車充電器を含む、請求項２２に記載の需要側電力供給管理システム。
24. 前記負荷コントローラが複数の消費者の間に分散されている、先行する請求項のいずれか１つに記載の需要側電力供給管理システム。
25. 需要側電力供給管理の方法であって、
    i．供給グリッドから、複数の負荷を有する自立電力システムへの電力伝達に対する設定値基準を確立するステップと、
    ii．前記グリッドから前記自立電力システムへの電力伝達を、前記設定値基準と比較して監視し、それにより、差分電力伝達を確立するステップと、
    iii．前記差分電力伝達が実質的に平均するとゼロになるように、前記自立電力システム内に存在する前記負荷を制御するために、１つまたは複数の制御信号を生成するステップと、
    iv．前記１つまたは複数の制御信号を、低遅延通信システムを通じて提供するステップと、
    を含む方法。
26. 需要側電力供給管理の方法であって、
    i．電力システム内の複数の負荷の各々に対して優先度を割り当てるステップと、
    ii．前記電力システムで利用可能な電力を示す制御信号を受信するステップと、
    iii．前記制御信号および各負荷に割り当てられた前記優先度に応じて前記負荷を制御し、それによって、第１の優先度の負荷が、前記制御信号からの所与の電力可用性指示に対して、第２の優先度の負荷に優先して電力を引き込むように制御されるステップと、
    を含む方法。
27. 需要側電力供給管理システムコントローラであって、
    −供給グリッドから、複数の負荷を有する自立電力システムへの電力伝達を監視するための手段と、
    −前記グリッドから前記自立電力システムへの電力伝達を、前記グリッドから前記自立システムへの電力伝達に対する設定値基準と比較して、それにより、前記自立システムへの差分電力伝達の電力潮流を確立するための手段と、
    −前記差分電力伝達が実質的に平均するとゼロになるように、前記自立電力システム内に存在する負荷を制御するために、低遅延通信システムを通じて送信する制御信号を生成するための手段と
    を有するコントローラ。
28. 需要側電力供給管理システムと共に使用するための器具であって、
    −優先度指定を格納するための手段と、
    −制御信号を受信するための手段であって、前記制御信号が、前記器具に供給する、電力システムで利用可能な電力を示す、制御信号を受信するための手段と、
    −前記制御信号および指定優先度に応じて、前記器具の前記電力需要を制御するための手段と
    を含む器具。
29. 需要側電力供給管理システム用の負荷コントローラであって、
    −１つまたは複数の負荷に対する優先度指定を格納するための手段と、
    −制御信号を受信するための手段であって、前記制御信号が、前記１つまたは複数の負荷に供給する、電力システムで利用可能な前記電力を示す、制御信号を受信するための手段と、
    −前記制御信号、および前記負荷に割り当てられた指定優先度に応じて、前記１つまたは複数の負荷を制御するための手段と
    を含む負荷コントローラ。
30. 電気自動車電力供給管理システムであって、
    電力を複数の電気自動車負荷に供給可能であり、かつ、供給グリッドへの結合ポイントを有する自立電力システムであって、前記負荷の各々が、低遅延通信システムによって前記負荷コントローラに配信される制御信号に応答して、前記負荷によって要求される前記電力を制御するための負荷コントローラに関連付けられている、自立電力システムと、
    前記グリッドから前記自立システムへの電力伝達に対する設定値と比較して、前記自立システムへの電力伝達を監視して、それにより差分電力伝達を確立し、かつ、時間加重平均差分電力伝達が実質的にゼロになるように、制御信号を前記１つまたは複数の負荷コントローラに提供する、システムコントローラと
    を備える、電気自動車電力供給管理システム。
31. 需要側電力供給管理の方法であって、
    i．電力システム内の複数の負荷の各々に対して優先度を割り当てるステップと、
    ii．前記電力システムで利用可能な前記電力を示す制御信号を受信するステップと、
    iii．少なくとも１つの前記負荷の特性を監視するステップと、
    iv．前記制御信号および前記監視される特性に応じて、１つまたは複数の前記負荷に対して前記優先度を再度割り当てるステップと、
    を含む方法。
32. 需要側電力供給管理システムであって、
    供給グリッドへの少なくとも１つの結合ポイントを有する自立電力システムであって、前記自立電力システムが複数の電気負荷に供給し、各前記負荷が、前記負荷によって要求される前記最大電力を制御するための負荷コントローラに関連付けられている、自立電力システムを備え、
    前記システムが、前記グリッドと前記自立システムとの間の前記総電力伝達を測定するために、前記結合ポイントまたは各結合ポイントに関連付けられた測定手段をさらに含み、
    各負荷コントローラが、前記システムへの前記測定された電力伝達の、設定値との比較に基づいて、前記負荷コントローラに関連付けられた前記負荷または各負荷が、前記自立電力システムから引き出すことを許容される最大電力を判断する、
    需要側電力供給管理システム。

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