JP2015534441A - メッシュ電力系統のための系統及び方法 - Google Patents

Abstract

複数の多相電力デバイスのうちの少なくとも３つの多相電力デバイスであって、各多相電力デバイスが各位相のための位相接続部を有し、各多相電力デバイスが、電力デバイスの二次元アレイを形成するために別の多相電力デバイスの少なくとも１つの位相接続部に結合される各位相接続部を有する、少なくとも３つの多相電力デバイスを備える電力メッシュ系統及び方法。【選択図】図８Ｂ

Description

[0001]本発明の実施形態は、一般に多相電力の生成、分配、及び／又は消費系統に関し、より詳細にはメッシュ三相電力の生成、分配、及び／又は消費系統に関する。

[0002]現代の電力系統においては、電力は、分散した方法で生成及び消費される。多相の系統が、電力の生成、分配、及び消費に使用される。具体的には、多相の系統は、三相電力の生成、三相分配網、及び三相負荷を備えることができる。

[0003]電力変換ユニットを使用して、発電機によって生成された直流電力を交流電力に変換し、交流電力グリッドに結合する。そうした系統の発電機は、タービン（例えば、ガス、石炭火力、又は水力発電機）、燃料電池、風力タービン、太陽電池パネルなどを含むことができる。典型的には、電力変換ユニットは、直列又は並列に結合される。ｎ個のデバイスが直列に接続された系統では、各ユニットの電圧はＶ／ｎ、電流はＩである。一方、ｎ個のデバイスが並列に接続された系統では、各ユニットの電圧はＶ、電流はＩ／ｎである。直列又は並列接続された系統のそうした相当量の電力を取り扱うためには、大電流又は大電圧のいずれかに対処しなければならない。高電圧又は高電流の部品が必要なため、系統コストが系統で取り扱わなければならない電流又は電圧の量とともに上昇する。

[0004]したがって、発電範囲内で電圧及び電流の取扱い要件を低減させるための多相接続トポロジーの改善、並びに堅牢な系統冗長性が当技術分野で必要である。

[0005]実質的に少なくとも１つの図に示され、及び／又は少なくとも１つの図に関して説明され、特許請求の範囲においてより完全に規定される、メッシュ電力系統。

[0006]一部の実施形態では、電力メッシュ系統は、複数の多相電力デバイスのうちの少なくとも３つの多相電力デバイスを備え、各多相電力デバイスは、各位相のための位相接続部を有し、各多相電力デバイスは、電力デバイスの二次元アレイを形成するために別の多相電力デバイスの少なくとも１つの位相接続部に結合される各位相接続部を有する。

[0007]一部の実施形態では、電力メッシュ系統のための方法は、複数の多相電力デバイスのうちの少なくとも３つの多相電力デバイスを接続するステップを含み、各多相電力デバイスは、各位相のための、少なくとも６つのスイッチ、少なくとも１つのキャパシタ、及び位相接続部を備える。本方法は、各位相接続部を別の多相電力デバイスの少なくとも１つの位相接続部に結合して多相電力デバイスの二次元アレイを形成するステップを含む。また、本方法は、位相接続部を介して二次元アレイを多相変圧器に相互接続するステップと、各多相電力デバイスのスイッチを制御して多相変圧器から電力を吸収する又は多相変圧器に電力を供給するステップとを含む。

[0008]本開示の様々な利点、態様、及び新規な特徴、並びに本発明の図示した実施形態の詳細は、以下の説明及び図面からより完全に理解されるであろう。

[0009]本発明の上記した特徴が詳細に理解され得るような方法で、簡潔に上で要約した本発明のより具体的な説明が、実施形態を参照することによって得られ、それらの一部が添付図面に示される。しかし、添付図面は、本発明の典型的な実施形態を示すに過ぎず、したがって、本発明の範囲を限定していると考えられるべきではなく、その理由は本発明が他の等しく実効的な実施形態を認めることができるからであることに留意されたい。

本発明の少なくとも１つの実施形態によるメッシュ電力系統図の説明図である。 本発明の少なくとも１つの実施形態による図１Ａのメッシュ電力系統の例示的な電力デバイスの詳細な図である。 本発明の少なくとも１つの実施形態による図１Ａのメッシュ電力系統の詳細な図である。 本発明の少なくとも１つの実施形態による三角形の疎なメッシュを示す図である。 本発明の少なくとも１つの実施形態による矩形の疎なメッシュを示す図である。 本発明の少なくとも１つの実施形態による矩形の密なメッシュを示す図である。 本発明の少なくとも１つの実施形態による境界線路変圧器を利用する疎なメッシュの電力系統を示す図である。 本発明の少なくとも１つの実施形態による境界線路変圧器を利用する図５Ａの詳細な疎なメッシュの電力系統を示す図である。 本発明の少なくとも１つの実施形態による代表的な三角形構造の例示的な実施形態を示す図である。 本発明の少なくとも１つの実施形態による代表的な三角形構造の例示的な実施形態を示す図である。 本発明の少なくとも１つの実施形態による代表的な三角形構造の例示的な実施形態を示す図である。 本発明の少なくとも１つの実施形態による密な構成での例示的な「ダビデの星」メッシュトポロジーを示す図である。 本発明の少なくとも１つの実施形態による疎な構成での例示的な「ダビデの星」メッシュトポロジーを示す図である。 本発明の少なくとも１つの実施形態による詳細なダビデの星メッシュトポロジーを示す図である。 本発明の少なくとも１つの実施形態による詳細なダビデの星メッシュトポロジーを示す図である。

[0021]本発明の実施形態は、疎なメッシュ構成に対する（ｎ＋１）（ｎ＋２）／２個の電力デバイス及び密なメッシュ構成に対する（ｎ＋１）（ｎ＋２）個の電力デバイスを有するメッシュ接続された電力系統を構成する。電力デバイスは、多相の電源（又は、一部の実施形態では、多相の受電回路又は電源と受電回路との組合せ）であってもよい。電力デバイスは、相互接続された電力デバイスの二次元アレイを形成するように接続される。以下、用語「電力デバイス」は、任意の多相の電源又は受電回路を意味するものとする。一部の実施形態では、「電力デバイス」は、電力コンバータであってもよい。メッシュ内では、キルヒホッフの法則がすべての場合に当てはまる。そのため、各電力デバイスの電圧はＶ／ｎ、電流はＩ／Ｎである。それゆえ、高電圧及び／又は高電流の部品を必要としない。

[0022]図１Ａは、本発明の少なくとも１つの実施形態によるメッシュ電力系統図の説明図である。このメッシュトポロジーは他の形態の多相デバイスに適用され得るが、図１Ａに示す例示的な実施形態は、複数の三相電力デバイス（ＰＤ）１０２_１．．．１０２_Ｎを備える。視覚的に説明するため、三相のメッシュトポロジーにおいて、電力デバイスは、三角形１０４の各頂点（１０６、１０８及び１１０）が電力デバイス１０２_Nの１つの位相接続部を表す三角形１０４として描かれている。しかし、他の形状も考えることができる（例えば、正方形ブロック）。さらに以下で論じるように、電力デバイスの三角形は、電力「ユニット」を形成し、この、電力「ユニット」を使用して正方形又は矩形、六角形などを含む様々な形状にメッシュを拡張することができる。

[0023]メッシュトポロジーは、物理的には有限であるが、各電力デバイスから見て電気的に無限に見えなければならない。そうするために、メッシュが電気的に無限に見えるようにする境界条件（例えば、共有される変圧器への相互接続）を確立することができる。さもなければ、有限のメッシュの境界エッジを「折りたたみ（ｗｒａｐｐｅｄ）」、相対するエッジ同士をメッシュトポロジーの境界で相互接続し、やはり電気的に無限に見えるようにすることができる。

[0024]三相電力デバイスを使用する場合、電力デバイス１０２_N内にエネルギーを貯蔵する必要はない。さらに、三相電力デバイス１０２_Nは、単相電力デバイスに対して２：１の電力活用の利点をもたらす。三相のメッシュトポロジーは、最大（ｎ＋１）（ｎ＋２）／２個又は（ｎ＋１）（ｎ＋２）個の電力デバイスを備える三角形と実質的に同等に見える。ここで、「ｎ」は所与の行における電力デバイスの最大数（例えば、３）を表す。

[0025]以下でさらに論じるように、電力デバイス１０２_Nは、トランジスタとして描かれたスイッチから成ってもよい。コントローラ１９０は、ＣＰＵ／プロセッサ１９２、サポート回路１９８、並びに命令及びアルゴリズムを含むメモリ１９５を備える。ＣＰＵ１９２は、トランジスタ／スイッチへの入力及び出力を処理する。他の実施形態は、外部通信手段１９６（すなわち、ゲートウエイ）及びグリッドインターフェース１９４を含んでもよい。代替の実施形態は、カスタムの特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）上で制御アルゴリズムを使用することができる。コントローラ１９０は、トランジスタのスイッチングを決定する。

[0026]ある実施形態では、メッシュトポロジーは、電力を単に送り出す（電源）又は電力を単に取り込む（受電回路又は負荷）電力デバイス１０２_Nを含む。したがって、他の実施形態では、メッシュトポロジーは、電力デバイス１０２_Nのある部分が電力を取り込み、電力デバイス１０２_Nのある部分が電力を送り出す電力デバイス１０２_Nを備えることができる。

[0027]コントローラ１９０は、メッシュ内の他の電力供給デバイスと無関係に電圧を生成するように、各電力デバイス１０２_Nを個々に制御することができる。そうした独立した制御を可能とすることによって「柔軟な」メッシュトポロジーが形成される。このように、各電力デバイス１０２_Nは、他の電力デバイスと無関係にその出力電力を制御することができる。加えて、各電力デバイスは、「柔軟な」メッシュトポロジー内の他の電力デバイスと無関係にその力率を制御することができる。他の実施形態は、「堅い」メッシュを含んでもよく、電力デバイスは、独立してそれらの出力電圧を変えることは許されない。むしろ、そうした実施形態では、すべての個々の電力モジュールの出力電圧は、トータルの系統電圧の一部であり、各電力デバイスの力率は、個々に制御され、異なるモジュール間の出力電力のいかなる違いにも対処し、全体的な系統の力率にも影響を及ぼす。

[0028]一実施形態において、メッシュトポロジー電力全体を制御して、（例えば、コントローラ１９０を介して）協調的な方法で個々の電力デバイスの電圧及び電流を変化させる。メッシュ全体にわたって電圧及び電流を独立して制御する実施形態では、メッシュ内の様々な電力デバイスに対する制御を緩和するため柔軟なメッシュトポロジーが必要である。いかなるトポロジーでも、トータルの系統の電圧は、すべての電力デバイスの電圧の和であり、トータルの系統の電流は、すべての電力デバイスの電流の和であり、トータルの系統の力率は、すべての電力デバイスの力率の平均である。

[0029]ある実施形態では、メッシュ内の電力デバイスの制御は、電力線通信（ＰＬＣ）によって行われてもよい。無線通信（例えば、ＷｉＦｉ又はＺｉｇｂｅｅ（登録商標））などの他の制御通信技法を使用してもよい。従来のメッシュ通信技法の適応物が使用されてもよい。一実施形態において、１つの電力デバイスが、トポロジー内の制御ノードとして使用され、メッシュトポロジー内の他の電力デバイスに制御信号を伝えることができる。

[0030]他の実施形態では、メッシュトポロジー内の複数の電力デバイスの制御を調整する手段として位相ロックループ（ＰＬＬ）が使用されてもよい。すべての個々の電力デバイスを流れる電流が全体的な系統電流と同相なので、ＰＬＬは、個々の電力デバイスの電流を検出し、制御回路に対する基準点を提供することができる。

[0031]メッシュトポロジー内の三相の電力デバイスの相互接続を容易にするある実施形態では、電力デバイスを互いに結合するために両性型トライアッドコネクタが使用されてもよい。多相の電力デバイスを有する実施形態では、両性型のｎ相コネクターを使用することができる。

[0032]本明細書に開示したメッシュトポロジーは、超大電力のコンバータを構築する手段として有用になり得る。一例は、大きなモータの駆動用である。この例では、境界条件の接続は、境界の単巻変圧器をなくすように、モータの巻線において行われる。

[0033]別の用途は、大電力インバータ、例えば「中圧」コンバータ用であり、このコンバータは、中電圧の電力会社ネットワークへ直接接続することが意図されている。従来、複数の単相コンバータは、数珠つなぎに一緒に接続され、「カスケードの」又は「マルチレベルのコンバータ」と同様に交流系統インターフェースへの接続点として最終的に使用されるより高い電圧を形成する。そうした回路では、３つの独立した数珠つなぎのこの形態が全体的な三相の中電圧解決策を構築する。本明細書に開示した「メッシュ電力」トポロジーの実施形態によって、結果として、最終的に交流系統インターフェースに接続する全体的な三相のコンバータを形成し、中電圧コンバータとして同様に応答するようにメッシュトポロジーで接続された数多くの小さな三相コンバータが得られる。

[0034]図１Ｂは、本発明の少なくとも１つの実施形態による図１Ａのメッシュ電力系統の例示的な電力デバイス１０２_Nの詳細な図である。図１Ｂは、この三相の電力メッシュのビルディングブロック（又は要素）を形成するために使用することができる三相電力コンバータ１０５として描かれた例示的な電力デバイス１０２_Nを構成する。他の三相コンバータを使用してもよいが、描かれたコンバータ１０５は、電圧源インバータ（ＶＳＩ）ベースのスタティック同期補償器（ＳＴＡＴＣＯＮ）として機能するトポロジーを構成する。ＶＳＩベースのＳＴＡＴＣＯＮは、（ＶＡｒの）無効電流を供給する又は吸収することによって無効電力潮流を補償するために電力会社ネットワークにおいて典型的に応用される。コンバータ１０５は、直流蓄積キャパシタ１１８、６つのスイッチングトランジスタ（１２０、１２４、１２６、１２８、１３０、１３２）、３つのインダクタ（１３４、１３６、１３８）、及び３つの線路フィルタ蓄積キャパシタ（１４０、１４２、１４４）を備える。スイッチングトランジスタ（１２０、１２４、１２６、１２８、１３０、１３２）は、電力スイッチング用の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）として描かれているが、コンバータ１０５は、多くの様々な半導体スイッチ技術、すなわち接合ゲート電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、金属酸化膜半導体制御サイリスタ（ＭＣＴ）、又はゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）を使用することもできる。

[0035]図１Ｂから、コンバータ１０５は、それぞれが位相Ａ、Ｂ、及びＣをそれぞれ表す３つの位相接続部（１１２、１１４、１１６）に基づく「三角形」として概念的に見ることができる。

[0036]３つの位相接続部がコンバータ１０５の入力部且つ出力部であるので、コンバータ１０５を「単一ポート」コンバータとして見ることができる。他の実施形態では、コンバータ１０５は、直流蓄積キャパシタ１１８上に接続部を配置することによる「２ポート」コンバータであってもよい。１つのポートが三相交流接続部（１１２、１１４、１１６）であり、第２のポートが直流蓄積キャパシタ１１８への直流接続部である。そうした実施形態では、２ポートコンバータは、エネルギーを交流から直流又は直流から交流のどちらの方向にも変換する動作を行うことができる。

[0037]図１Ｃは、本発明の少なくとも１つの実施形態による図１Ａのメッシュ電力系統１００の詳細な図である。図１Ｃは、図１Ａを考慮して図１Ｂの三相のＶＳＩ ＳＴＡＴＣＯＮ電力コンバータ１０５を含めて描いている。メッシュ電力系統１００の例示的な実施形態は、このように、系統の冗長性のために必要に応じて電力を供給する又は吸収する構成で相互に接続された６つのコンバータ１０５を有する。したがって、本明細書に開示した図において、電力デバイス側から見るとメッシュは電気的に無限である。一部の実施形態では、この見え方は、メッシュの境界エッジがメッシュの相対するエッジに相互接続する場合に達成される。他の実施形態では、メッシュの境界条件は、境界の変圧器によって満足される。

[0038]図２は、本発明の少なくとも１つの実施形態による三角形の疎なメッシュトポロジー２００を示す。疎なメッシュでは、各電力デバイスの各位相は、（境界以外は）２つの他の電力デバイスに接続する。例えば、三角形２０５として表される電力デバイスは、三角形２１０及び２１５としてそれぞれ表される電力デバイスに結合される。メッシュトポロジー２００は、したがって、境界の変圧器（図示せず）に接続された場合に電気的に無限に見えるように作られた、６つの相互に接続された電力デバイスを有する物理的に有限のメッシュである。

[0039]図３は、本発明の少なくとも１つの実施形態による矩形の疎なメッシュトポロジー３００を示す。図３は、電力デバイス（例えばコンバータ１０２_N）の三角形が、メッシュを実質的に矩形の四辺を有する多角形形状へと拡張するように電力ユニットを形成する例示的な実施形態を示す。メッシュトポロジー３００は、したがって、見かけ上電気的に無限のメッシュ内に９つの相互に接続された電力デバイスを有する。メッシュトポロジー３００は、各電力デバイスを物理的に折り重ねるか又は電気的に接続することによって線３０５に沿ってメッシュトポロジー３００自身の上に折り返されるように視覚化されたとき、メッシュの相対するエッジが接続され、したがって電力デバイスから見て電気的に無限となる。この折り重ねられた実施形態では、線３０５より上の６つの電力デバイスが一方向に動作し（例えば、メッシュ３００に電力を供給し）、線３０５より下の３つの電力デバイスが反対方向に動作する（例えば、メッシュ３００への電力を吸収する）ようにシーケンスの修正がある。

[0040]図４は、本発明の少なくとも１つの実施形態による矩形の密なメッシュトポロジー４００を示す。密なメッシュトポロジーでは、各電力デバイスの各位相は、５つの他の電力デバイスに接続する。本実施例のシーケンスは、三相ベクトルが時計回り又は反時計回りに回転しているかどうかを指す。（縞模様のある）上向きの三角形は、正のシーケンス（例えば、時計回り）を表し、（黒い）下向きの三角形は負のシーケンス（例えば、反時計回り）を表す。他の実施形態では、上向きの、及び下向きの三角形は、それぞれ負及び正のシーケンスであってもよい。メッシュトポロジー４００は、電力デバイスを物理的に折り重ねるか又は電気的に接続することによって線４１５に沿ってメッシュトポロジー４００自体の上に折り返されるように視覚化されたとき、２つのより大きな正三角形となる。したがって、メッシュ４００の相対するエッジが接続され、したがって電力デバイスから見て電気的に無限となる。

[0041]正のシーケンスの電力デバイス間のギャップは、負のシーケンスの電力デバイスで埋められる。正及び負のシーケンスは、対称的なバランスのとれた位相ベクトルトポロジーを形成する。メッシュトポロジーは、したがって電気的に無限のメッシュに１８個の相互に接続された電力デバイスを有する。そうした密なメッシュトポロジーは、より大きな系統冗長性の選択肢をもたらす。

[0042]図５Ａは、本発明の少なくとも１つの実施形態による境界変圧器５０２、５０４、及び５０８を利用する疎なメッシュ電力系統５００を示す。メッシュ電力系統５００は、疎なメッシュトポロジーで接続された６つの電力デバイス（ＰＤ）、並びに複数（例えば３つ）の境界変圧器５０２、５０４及び５０８を備える。境界変圧器５０２、５０４、５０８は、それぞれメッシュトポロジーの位相に結合される。

[0043]変圧器５０２、５０４、５０６は、複数のタップを有する（例えば、変圧器鉄心５０４がタップ５１０、５１２、５１４、５１５を有する）単巻変圧器であり、各タップがメッシュのエッジ頂点と結合する。そのため、変圧器５０２は、三角形メッシュの第１の辺に沿った４つの頂点と結合し、位相Ａを生成し、変圧器５０４は、三角形メッシュの第２の辺に沿った４つの頂点と結合し、位相Ｂを生成し、変圧器５０６は、三角形メッシュの第３の辺に沿った４つの頂点と結合し、位相Ｃを生成する。変圧器５０２、５０４、及び５０６は、メッシュトポロジーの機能性を支援するための必要な境界条件を与え、一方で６つの電力デバイスに対して電気的に無限に見える。

[0044]図５Ａのトポロジーは、例えば、（例えば、太陽電池パネルの１６×１６のアレイ、及び三相電力インバータを備える）４８０Ｖ交流を生成する、２５６個の電力供給デバイスを備える系統で使用されてもよい。そうした系統では、電力インバータを６０ＶのＭＯＳＦＥＴを用いて製造することができる。そうした低電圧部品によって電力及び制御電子回路を単一の集積回路上で完全に一体化することができる。境界条件は、以下でさらに論じるように、交流系統インターフェースの単相又は三相の変圧器を使用して満たすことができる。変圧器は、集中した又は分散した変圧器として実施されてもよい。加えて、系統は、２０８Ｖ交流又は４００Ｖ交流に対してより少数の電力デバイスを用いて設計することができる。そのため、トポロジーは、任意の電圧出力要求に適合させることができるモジュール式のビルディングブロックを形成する。

[0045]図５Ｂは、本発明の少なくとも１つの実施形態による境界線路変圧器を利用する図５Ａの疎なメッシュ電力系統５００の詳細を示す。一方で、図５Ａは、単巻変圧器を使用するが、系統５００の図示する実施形態は、説明を容易にするため、及び代替の実施形態として、三相のＶＳＩＳＴＡＴＣＯＮ電力コンバータ１０５のうちの６つを利用する。言いかえれば、系統５００は、「６ブロック」メッシュ、及び３つの別個の単相変圧器（５３２、５３６、５４２）として描かれた線路接続変圧器を備える。同様に、及びしたがって、他の実施形態においても３つの別個の単相変圧器を使用することができる。変圧器（５３２、５３６、５４２）は、三相のユーティリティ接続点を生成するために「Ｙ字」又は「デルタ」構成のいずれかで接続される３つのユーティリティ側巻線を有する。あるいは、線路接続変圧器は、単一の三相（三脚）変圧器から構成されてもよい。３つの単相変圧器（５３２、５３６、５４２）を、単一の三相変圧器の３つの個々の「脚」として見ることができる。このように、図５Ｂは、したがって３つの個々の単相又は単一の三相交流系統インターフェース変圧器を表す。各変圧器が異なる電力の位相（５３０、５３５、５４０）を吸収する又は供給することができる。

[0046]標準の電力系統に本系統５００を適用する場合、３つの単相変圧器ではなく単一の三相変圧器を使用することが好ましい。１つの理由は、単一の三相変圧器が使用する銅及び鉄が、３つの個々の単相変圧器を作るために必要な銅及び鉄の半分であるからである。

[0047]図６Ａ、６Ｂ、及び６Ｃは、本発明の少なくとも１つの実施形態による代表的な三角形構造の例示的な実施形態を示す。図６Ａ〜６Ｃを併せてみたとき、三角形内の数が、三角形によって表されるコンバータ１０５の数を表すことに留意されたい。本例では、コンバータ１０５は、一次メッシュビルディングブロックとして使用されるＶＳＩ ＳＴＡＴＣＯＭコンバータであってもよい。しかし、他の実施形態は、相互に接続されたメッシュトポロジーを形成するために他のタイプのコンバータを用いることがある。

[0048]図６Ａでは、第１の図６００は、内側に数「１」を有する上向きの正三角形６０２を描き、単一の電力コンバータ６０４があることを表す。図６Ｂでは、第２の図６０５は、上向きの三角形６０２と下向きの正三角形６０８のビルディングブロックとの差を示す。この差は、正三角形６０８の３つのコーナに対するコンバータ６０６の接続の詳細、より具体的にはコンバータの「シーケンス」と呼ばれるものに関連する。三相コンバータのシーケンスは、正であっても負であってもよく、これは、三相電圧基本ベクトルの時計回り又は反時計回りに相当する。

[0049]他の実施形態では他の回転が使用されてもよいが、例示的な第１の図６００では、電力コンバータ６０４に対する三相の接続は、上向きの三角形６０２に対しては時計回りの方向にＡ、Ｂ、及びＣとして割り当てられる。したがって、メッシュトポロジーの上向きの三角形はすべて、メッシュ全体に対して合成された大きな時計回りの回転電圧ベクトルを生成するために、やはりこの同じ時計回り方向に位相を回転させる。

[0050]さらに、前述の「疎な」メッシュ構成では、このメッシュに対して同じタイプの（上向きの又は下向きの）三角形だけである。そうした構成では、個々の電力コンバータそれぞれに対する回転方向（又は、シーケンスの順番）は、すべて、メッシュ全体の回転方向と同じになり、等しくなる。

[0051]しかし、「密な」メッシュ構成では、上向き及び下向き両方の三角形がある。異なる三角形に対して要求されるシーケンスの（正又は負の）順番である、同じラベル付けをする慣例を適用することによって、一方向に回転する全体的な合成されたメッシュ電圧が実現される。すべての上向きの三角形６０２が一方向（例えば、時計回り：Ａ、Ｂ、Ｃ、Ａ、Ｂ、Ｃ．．．）に回転する三相電圧を有し、一方で、すべての下向きの三角形６０８が反対方向（例えば、左回り：Ｃ、Ｂ、Ａ、Ｃ、Ｂ、Ａ．．．）に回転する三相電圧を有するため、そうした回転が可能である。

[0052]したがって、上向きの三角形６０２と下向きの三角形のビルディングブロック６０８との差には、関連性がある。上向きの三角形６０２及び下向きの三角形６０８は、「密な」メッシュ構成を形成するために一緒に接続された場合、反対のシーケンスの順番（位相回転方向）に従う。

[0053]図６Ｃの第３の図６１０は、内側に数「２」を有する三角形６１２のトポロジーとして表されるような、並列に接続された２つの同一の三相電力コンバータ（６１５及び６２０）を示す。各電力コンバータのビルディングブロックは、ある一定の量の電力を処理するように設計され、２つのコンバータを並列に接続することによって、組み合わされたペアが２倍の電力を処理することができる。言いかえれば、コンバータの２重のペア（６１５及び６２０）が単一のコンバータブロックとして２倍の出力電流を生成する。図示する図６１０の例は、図６００と同様の正のシーケンスを有する。しかし、さらなる実施形態では、例示的な図６０５によって描かれるような負のシーケンスの位相回転に対して回転してもよい。

[0054]このように、メッシュトポロジーは、並列に接続された任意の数（１、２、３など）のコンバータを用いて作られてもよく、「ｎ」個のコンバータを並列に組み合わせた出力電流が単一のコンバータの出力電流の「ｎ」倍になる。「ダビデの星」構成などのあるメッシュトポロジーは、以下で論じるように、並列の１つ、２つ、又は３つの電力コンバータに基づく基本ビルディングブロックを必要とする。これらの並列化されたコンバータメッシュトポロジーは、正のシーケンス（上向きの三角形）のビルディングブロック又は負のシーケンス（下向きの三角形）のビルディングブロックとして構成され得る。

[0055]また、電力コンバータの数「ｎ」は、ゼロに等しくてもよい（例えば、コンバータはなくてもよい）。したがって、密なメッシュ構成と疎なメッシュ構成との間の変形形態では、コンバータが疎なメッシュに存在しない負のシーケンスコンバータが挿入される。

[0056]図７Ａ及び７Ｂは、本発明の少なくとも１つの実施形態による、それぞれ、密及び疎な構成の例示的な「ダビデの星」メッシュトポロジーを示す。ダビデの星トポロジーは、図５Ａの５００のメッシュで前に説明したような２つの正三角形を重ねたものである。ダビデの星トポロジーによって、最も外側の６つの点がメッシュに対する唯一の接続部を有すること、及び回路が電気的に無限に見えるように境界条件を満たすことが可能となる。

[0057]図７Ａは、そうした、回路トポロジー内の「１」を有する三角形が単一の電力デバイス７１０を表し、及び「２」を有する三角形が２つの電力デバイス７０５を表し、合計１８の電力デバイスとなるように構成された「ダビデの星」の密なメッシュ７０１を有する系統７００を示す。一部の実施形態において、単一の電力デバイス７１０は、三相のコンバータ（例えば、ＶＳＩベースのＳＴＡＴＣＯＮ）である。そうした実施形態では、「２」を有する三角形は、１８個の個々の三相コンバータに対して、並列に（それぞれの３つの位相のポート上で）接続された２つの三相のコンバータ７０５を表す。密なメッシュ７０１は、図７Ｂ〜８Ｂに関して論じるように、六相変圧器に結合される。

[0058]図７Ｂは、本発明の少なくとも１つの実施形態による「ダビデの星」の疎なメッシュトポロジー７２０を有する系統７１５を示す。トポロジー７２０は、六相インターフェースを形成する９つの電力デバイス７２５を備える。各電力デバイス７２５は、系統電圧の３分の１及び系統電流の３分の１を取り扱うように設計される。メッシュトポロジー７２０では、「０」の三角形７３５は、電力デバイスがないことを表す。一部の実施形態では、電力デバイス７２５は、９つの個々の三相コンバータが六相変圧器７３０に接続されるような三相コンバータである。

[0059]六相変圧器７３０は、境界条件を満足し、六相出力を電力系統に結合する。したがって、ある実施形態における六相電源は、２つの同一の三相電力変圧器から成る。変圧器の１つ対して３つの一次巻線すべて又は３つの二次巻線すべてのいずれかの極性を逆にすることによって、変圧器の一方によって供給される電圧が、もう一方の変圧器に対して１８０度位相が異なるようになる。したがって、六相電源は、２つの変圧器から取り出すことができる（各変圧器から三相）。各メッシュネットに対する変圧器は、異なる電力定格を有する。言いかえれば、メッシュ７０１に対する六相変圧器（図示せず）は、メッシュ７２０に対する六相変圧器７３０の２倍の電力定格を有する。

[0060]六相変圧器を有するそうしたトポロジーは、（例えば、１メガワット以上の）高電力装置に有用である。このトポロジー（ユニット）は、複数ユニットの六相電力系統のビルディングブロックを形成することができる。他の実施形態では、ダビデの星トポロジーは、１８個の電力デバイスを使用して、密なメッシュとして形成されてもよい。図７Ｂ及び８Ａは、そうした密なメッシュを示す。

[0061]図８Ａ及び８Ｂは、本発明の少なくとも１つの実施形態による詳細なダビデの星メッシュトポロジーを示す。図８Ａは、「１」を有する三角形が単一の電力デバイス８０２を表し、「３」が３つの電力デバイス８０４を表し、合計１８個の電力デバイスとなるように構成されたダビデの星トポロジーの密なメッシュ８０１を示す。図８Ａは、単一の及び３つが並列に接続されたグループのコンバータを備える密なメッシュとしてのメッシュ構成８０１の実施形態を示す。そうした実施形態では、内側に「３」を有する三角形は、密なメッシュ８０１内の合計１８個の個々の三相コンバータに対して、（三相コンバータのそれぞれの三相ポート上で）並列に接続された３つの三相コンバータ８０４を表し、単一の三角形８０２に結合されている。密なメッシュ８０１は、六相変圧器８０６に結合される。

[0062]加えて、変圧器の脚は、サイズが異なってもよい。例えば、メッシュ８０１に対する六相変圧器８０６は、第２の三相変圧器８１０とは異なるサイズの第１の三相変圧器８０８を備える。例えば、第１の三相変圧器８０８は、六相変圧器８０６を備える三相変圧器と同じサイズであってもよく、一方、第２の三相変圧器８１０は、第１の三相変圧器８０８の３倍のサイズであってもよい。

[0063]図８Ｂは、メッシュ８５０に結合された六相変圧器８２８構成を備えた系統８１３を示す。電力業界における簡略化された三相変圧器の記号は、三相変圧器の１組の三相巻線を表すために使用される円を有する。変圧器８２８は、３組の三相巻線（一次、二次、及び三次巻線）を有する。三角形は、巻線が「デルタ」構成で構成されることを意味するように各円（８３０、８３５、８４０）内に描かれている。しかし、代替の実施形態は、「デルタ」又は「Ｙ字」構成で構成されてもよい。この変圧器は、デルタ巻き線構成又はＹ字巻き線構成のいずれか、あるいは代替としてデルタ巻線とＹ字巻線との組合せに基づくことができる。ダビデの星接続のメッシュ構成８５０については、このメッシュに接続する２組の巻線が、同じ構成（例えば、両方ともデルタ又は両方ともＹ字のいずれか）である必要がある。

[0064]六相変圧器８２８は、一次巻線８３０に対する三相の接続部（８１５、８２０、８２５）であるユーティリティ接続部８１４に結合される。二次及び三次の巻線の組（８３５及び８４０）は、互いに実質的に同一である。しかし、三次巻線８４０はすべて、二次巻線８３５に対して逆に（例えば、１８０度異なる位相で）一緒に接続される。この逆転は、所望の基準点に基づく（すなわち、二次巻線は、逆になっていないが、一方で三次巻線は、すべて逆になっている）。二次巻線８３５に対する三次巻線８４０の逆転は、円内の正三角形が反対方向を向いている（それぞれが、互いに１８０度だけ回転している）という事実によってこの変圧器の３つの円表現内に描かれている。ダビデの星メッシュ８５０は、例示的な構成が、例えば上記の図６〜８Ａに示すような相互に接続された任意の数の電力デバイスから作られてもよいため、数を含まない。

[0065]前記事項は、本発明の実施形態を対象としているが、本発明の他の及びさらなる実施形態が本発明の基本的な範囲から逸脱せずに考案されてもよく、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって決定される。

Claims (15)

1. 複数の多相電力デバイスのうちの少なくとも３つの多相電力デバイスを備え、各多相電力デバイスが各位相のための位相接続部を有し、各多相電力デバイスが、多相電力デバイスの二次元アレイを形成するために別の多相電力デバイスの少なくとも１つの位相接続部に結合される各位相接続部を有する、電力メッシュ系統。
2. 各多相電力デバイスが電源であり、三相電力を生成する、請求項１に記載の電力メッシュ系統。
3. 各多相電力デバイスが少なくとも２つのさらなる多相電力デバイスと実質的に三角形状に結合される、請求項２に記載の電力メッシュ系統。
4. 各多相電力デバイスが受電回路であり、各受電回路が三相電力を吸収する、請求項１に記載の電力メッシュ系統。
5. 各多相電力デバイスが同数の接続部を備える、請求項１に記載の電力メッシュ系統。
6. 多相電力デバイスの前記二次元アレイが三相変圧器に結合され、前記多相電力デバイスが少なくとも１つの三相電力コンバータである、請求項１に記載の電力メッシュ系統。
7. 複数の多相電力デバイスのうちの少なくとも３つの多相電力デバイスを接続するステップであって、各多相電力デバイスが、各位相のための、少なくとも６つのスイッチ、少なくとも１つのキャパシタ、及び位相接続部を備える、ステップと、
   各位相接続部を別の多相電力デバイスの少なくとも１つの位相接続部に結合して多相電力デバイスの二次元アレイを形成するステップと、
   位相接続部を介して前記二次元アレイを多相変圧器に相互接続するステップと、
   各多相電力デバイスの前記スイッチを制御して前記多相変圧器から電力を吸収する又は前記多相変圧器に電力を供給するステップと、
   を含む、電力メッシュ系統のための方法。
8. 各多相電力デバイスが三相電力コンバータであり、前記多相変圧器が三相変圧器である、請求項７に記載の方法。
9. 各多相電力デバイスが少なくとも２つのさらなる多相電力デバイスに実質的に三角形状に結合されてダビデの星構成を形成する、請求項７に記載の方法。
10. 前記多相電力デバイスの前記スイッチを制御して直流電力を交流電力に変換するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
11. 前記多相電力デバイスの前記スイッチを制御して交流電力を直流電力に変換するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
12. 前記多相電力デバイスが正のシーケンスの位相回転又は負のシーケンスの位相回転を有する、請求項７に記載の方法。
13. 前記正のシーケンスが時計回りの回転であり、前記負のシーケンスが反時計回りの位相回転である、請求項１２に記載の方法。
14. 前記二次元アレイにおいて１つの電力デバイスが別の電力デバイスを補うことができる、請求項７に記載の方法。
15. 多相電力デバイスの前記二次元アレイの相対する端部同士が、前記電力デバイスから見て前記二次元アレイが電気的に無限に見えるように一様に相互接続されている、請求項７に記載の方法。

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