JP2020518213A - エネルギーを統合し供給する装置および方法 - Google Patents

Abstract

エネルギーを統合し供給するための装置および方法は、逆変換したパワーを将来の使用のために貯蔵機器に送るため、または電気負荷に送るため、または地域もしくは中央のユーティリティグリッドに送るために、複数のパワー供給源から複数のパワーモジュールに供給される第一のタイプの電力をパワーモジュールの出力において第二のタイプの電力へと逆変換するための前記複数のパワーモジュールを含む。パワーマイクロコントローラがパワーモジュールそれぞれによって担持され、かつパワーモジュールそれぞれの中に組み込まれており、各パワーマイクロコントローラは、パワー逆変換動作を制御するように構成されている。パワーマイクロコントローラは、エネルギー貯蔵機器の貯蔵容量を増やすために、複数のパワーモジュールそれぞれから、制御された充放電のパルスを生成するように構成されている。制御マイクロコントローラが、少なくとも1つのエネルギー貯蔵機器内の電圧レベルをモニタし、エネルギー貯蔵機器内で電圧を再均衡させるように構成されている。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、それぞれが全体として参照により本明細書に組み入れられる、いずれも「METHOD AND APPARATUS OF AGGREGATING AND SUPPLYING ENERGY」と題する、2018年4月17日に出願された米国特許非仮出願第15/954,993号および2017年4月18日に出願された米国特許仮出願第62/486,654号の優先権を主張する国際特許出願である。

発明の分野
本発明は、概して、電気エネルギーを統合し、生成し、供給する分野に関する。より具体的には、本発明は、複数の異なる生成源からのそのようなエネルギーを統合し、生成されたエネルギーを調整および制御し、生成されたエネルギーを、独立したやり方で負荷に最適に供給する、またはユーティリティグリッドに供給する、または負荷およびユーティリティグリッドの両方に供給する装置および方法に関する。本発明の装置は、本明細書においては「エネルギーサーバ」または単に「サーバ」と呼ばれることもある。

背景
近年、気候変動および地球温暖化の悪影響が、クリーンで豊富なエネルギー源としての再生可能エネルギーへの関心の増大につながっている。化石燃料ベースの電気エネルギー生成から再生可能生成への移行のための全世界的な尽力が進行中である。しかし、この移行は、克服されなければならない重大な技術的、政治的および地政学的難題を抱えている。

再生可能エネルギーは世界中のどこででも豊富に利用可能である。しかし、再生可能エネルギーは間欠的かつ負荷配分不可能（すなわち、必要に応じてオンおよびオフに切り替えることができない）であり、地理および再生可能エネルギーのタイプに依存して、1日の限られた時間しか利用できない。

しかし、地域および世界全体のエネルギー要件は、1日24時間の安定な電気の連続供給である。

現在、1日24時間の安定な電気の連続供給を実現するための既存の電気ネットワークが数多く設計されている。しかし、これらの設計は、通常、予測可能なエネルギー源および1日24時間利用可能である負荷配分可能な生成に基づく。

グリッドネットワークは、1日24時間利用可能である予測可能かつ負荷配分可能な生成のために設計されているため、ネットワークを成長させるための大きな資本額の必要性およびインフラストラクチャを構築するための長いリードタイムをはじめとする制約があり、これらの相互依存性が、ネットワークの広大なエリアを同時並行的に故障させ、大きなメンテナンスおよび維持の必要性を生じさせる。

これらの制約、特に、大きな資本支出の必要性のせいで、未だに、電気へのいかなる、または適切なアクセスを有しない人々が世界に約13億人いる。

したがって、既存のグリッドインフラストラクチャの制約および再生可能生成に特有の制約を克服するために、電気が同じ場所で生成され、消費されることを可能にする分散エネルギー解決手段が開発されなければならない。これらの解決手段は、再生可能な生成技術、たとえば太陽光（「PV」）、風力、エネルギー貯蔵（バッテリ）ならびに1日24時間、連続的で安定な電気の生成、調整、制御および送達を可能にする制御システムからなるものでなければならない。

この課題への解決手段は、様々な生成源を統合し、生成されたエネルギーを調整および制御することにあると考えられる。そして、統合されたエネルギーは、非生成時での利用可能性のために、エネルギー貯蔵システムに供給されることができる。こうして負荷が管理される。

現在、他の生成システム、たとえばユーティリティグリッドを含む複数の再生可能エネルギー源、様々なタイプのエネルギー貯蔵装置を、ACおよび／またはDC出力を有する1つのシステムへと組み合わせることによってそのような解決手段を構築する試みが成されている。これは一般的に、各個々のエネルギー生成源を中央コントローラに接続すること、負荷プロフィールをモニタし、適切な供給源からのエネルギーを負荷配分する複雑なソフトウェアを設計すること、および様々なエネルギー供給源とコントローラと負荷との間で複数の通信プロトコルを管理することを要する。そのような統合は一般的に、各デプロイメントのためにカスタマイズされた複雑なソフトウェアを要する。そのようなデプロイメントは公開されているが、それらは、化石燃料から再生可能ベースのエネルギーネットワークへの適切な移行の必要性を満たすには不十分である。

化石燃料に代わるために、制御電子部品は、安定かつ連続的で弾力のあるパワーを実現するだけでなく、今のグリッドネットワークが実現するすべての機能を実現しなければならない。したがって、ネットワークを作動させるために必要なすべての機能を設計し、本発明のサーバ中で利用可能にし、そうしてそれらを互いとで最適に作動させるということが重要である。また、一般的には異なる製造業者から供給される複数のハードウェアシステムおよびソフトウェアコンポーネントを除くことにより、エネルギーサーバは、非互換性の危険をなくし、そうして、異なる製品で構成されている解決手段よりも安定で弾力のある解決手段を実現する。

前記と合致して、かつ、本明細書において具現化され、広く記載される発明にしたがって、複数の異なる生成源からのエネルギーを統合し、生成されたエネルギーを調整および制御し、生成されたエネルギーを、独立したやり方で負荷に最適に供給する、またはユーティリティグリッドに供給する、または負荷およびユーティリティグリッドの両方に供給する装置および方法が、当業者が本発明を実施し使用することを可能にするのに適当なほど詳細に記載される。

具体的に、本発明は、エネルギーを統合し供給するための装置および方法に関する。装置は、複数の異なるパワー供給源からパワーモジュールに供給される第一のタイプの電力（たとえばDC電力）を、将来の使用のための貯蔵のために、または電気負荷を駆動するために、または中央もしくは地域グリッドに伝送するために、各パワーモジュールの出力において第二のタイプの電力（たとえばAC電力）へと逆変換するための複数のパワーモジュールを含む。第一のタイプの電力を複数のパワーモジュールに提供するために、第一の母線（たとえばDC母線）が複数の異なるパワー供給源と接続され、また、複数のパワーモジュールとも接続されている。前記第二のタイプの電力を前記パワーモジュールから受け、前記第二のタイプの電力を出力先で使用可能にするための第二の母線（たとえばAC母線）が、複数のパワーモジュールそれぞれの出力と接続されている。パワーマイクロコントローラが前記パワーモジュールそれぞれによって担持され、かつ前記パワーモジュールそれぞれの中に組み込まれており、各パワーマイクロコントローラは、前記パワーモジュールのパワー逆変換動作を制御するように構成されている。放電マイクロコントローラはさらに、少なくとも1つのエネルギー貯蔵機器の貯蔵容量を増やすために、制御された充放電のパルスを生成するように構成されている。制御モジュールが前記複数のパワーモジュールと接続され、外部機器との通信を実施するためのインタフェースが制御モジュールと接続され得る。複数のパワーモジュールの出力から電気エネルギーを受けるために、サーバに対して外部にある少なくとも1つのエネルギー貯蔵機器が複数のパワーモジュールと連絡していることができる。少なくとも1つのエネルギー貯蔵機器はまた、パワーモジュールから出力されるエネルギーを受けて貯蔵するための複数のセルを有することができる。少なくとも1つのエネルギー貯蔵機器を絶えずモニタするために、充電モジュールおよび充電モジュールによって支持される放電マイクロコントローラがアルゴリズムベースのパルス幅変調器（「PWM」）によって構成されている。パワーマイクロコントローラは、エネルギー貯蔵機器の貯蔵容量を増やすために、前記複数のパワーモジュールから、制御された充放電のパルスを生成するように構成されている。制御マイクロコントローラが制御モジュールによって担持され、かつ制御モジュールの中に組み込まれ、かつ少なくとも1つのエネルギー貯蔵機器と接続されており、制御マイクロコントローラは、少なくとも1つのエネルギー貯蔵機器内の電圧レベルを決定しモニタするように、および前記少なくとも1つのエネルギー貯蔵機器内の電圧を再均衡させるように構成されている。センサ機器が前記少なくとも1つのエネルギー貯蔵機器と接触するよう配置されて、少なくとも1つのエネルギー貯蔵機器内の電圧レベルを絶えず感知し、前記センサは、感知したデータを制御マイクロコントローラに提供するために、制御マイクロコントローラと連絡している。通信・オートメーションモジュール（「CAM」）が制御モジュールによって支持され、制御マイクロコントローラと連絡している。CAMは、制御マイクロコントローラをモニタしかつそれとインタフェースし、センサによってモニタおよび検出されるサーバ内のイベントに応答するための、プログラム可能なドライ出力を有する。

本発明の方法は、第一のタイプの電力（たとえばDC電力）を複数の異なる供給源から第一の母線（たとえばDC母線）を通して受ける工程、前記第一のタイプの電力を複数のパワーモジュールの出力において第二のタイプの電力（たとえばAC電力）に逆変換するために、前記第一のタイプの電力を前記複数のパワーモジュールへ導く工程、前記第二のタイプの電力を、前記パワーモジュールから、複数のパワーモジュールと接続した第二の母線（たとえばAC母線）に送達する工程、および前記パワーモジュールからの第二のタイプの電力を、使用のための場所、たとえば電気負荷、貯蔵機器または全国もしくは地域のグリッドシステムまたはエネルギー貯蔵機器が利用できるようにする工程を含む。方法はまた、前記パワーモジュールそれぞれの中に組み込まれたパワーマイクロコントローラを通してパワーモジュールの様々な動作を制御する工程を含み、前記パワーマイクロコントローラは、前記制御を実施し、パワーモジュールと接続した制御モジュールを通して前記パワーモジュールを制御し作動させるように構成されている。制御モジュールは、前記制御モジュールによって前記制御モジュール内に担持された制御マイクロコントローラを有する。制御された充放電のパルスを生成する工程が前記パワーモジュールから実行され、それによって前記エネルギー貯蔵機器の貯蔵容量を増やす。方法はさらに、エネルギー貯蔵機器内の電圧レベルを感知し、感知した電圧レベルを、前記エネルギー貯蔵機器内の電圧を再均衡させるように構成されている制御マイクロコントローラに提供する工程および前記感知した電圧レベルを前記制御マイクロコントローラによってモニタする工程ならびに感知したデータに基づいて遅れ力率または進み力率を検出し、前記の進みまたは遅れを修正するために、必要に応じてキャパシタンスまたはインダクタンスを充電する工程を含み、制御マイクロコントローラは、前記エネルギー貯蔵機器と接続されており、前記モニタリングのために構成されている。そして、方法は、前記制御モジュールによって支持され、前記制御マイクロコントローラと連絡している通信・オートメーションモジュール（「CAM」）を通して、センサによってモニタされるサーバ内のイベントをモニタし、それに応答する工程を含む。

本発明の他の特徴、態様および局面が以下さらに説明される。

本発明の特徴および利点は、類似の符番が類似の部品を指す添付図面とともに考察される以下の好ましい態様の詳細な説明により、より十分に開示される、または明白になる。

本発明のシャシ支持要素およびモジュールの正面図である。 本発明の原理を具現化するシステムアーキテクチャ全体を示す回路図である。 図2のシステムの1つの局面を示す部分的回路図である。 図4（a）および4（b）は、中電圧線または高電圧線を有するシステムを使用するとき本発明に組み込まれる電圧変換トランスの回路図である。 本発明の制御モジュールと通信するためのユニバーサルコンバータとしての通信・オートメーションモジュール（「CAM」）を示す。 本発明に使用されるスタティックスイッチング回路の回路図である。 本発明に使用されるAC−DC整流器を示す回路図である。 図1に示すシャシのAC入力母線、AC出力母線、DC母線および通信母線を接続するために本発明において使用されるインバータ（パワー）モジュールの回路図である。 本発明のパワーモジュールのための配置および接続の回路図である。 図8に示すインバータモジュールが図1に示すシャシに嵌め込まれたときの始動シーケンスを示す流れ図である。 図8に示すインバータモジュールの回路図である。 遅れ力率または進み力率の修正を実施するための要素を示す回路図である。

発明の態様の説明
以下の開示は、本発明の様々な機能を実現するための態様または例を含む。本開示を簡単にするために構成部品および配置の具体例が記載される。これらは当然、単なる例であり、限定的であることを意図しない。電気的結合などに関する語、たとえば「結合された」、「接続された」および「相互接続された」は、別段の明示的記載がない限り、構造が直接的または介在する構造を介して間接的に互いと連絡する関係をいう。簡単に示すために、本明細書において説明および記載される、参照される機器、構造および要素の間のすべての接続および通信リンクは、実際には添付図面に示されない場合もあるし、図面に示すのに適さないために示されない場合もある。しかし、当業者は、本明細書における記載から、およびそれらが記載されている文脈から、そのような接続およびリンクの存在を理解し認識するであろう。加えて、本開示は、異なる例において符番および／または文字を繰り返し使用することがある。この繰り返しは、簡略化および明確化のためであり、記載される様々な態様および／または構成の間の関係をそれ自体が指図するものではない。

以下の詳細な説明が、添付図面とともに、様々なタイプの入力および貯蔵媒体からのエネルギーを統合し、管理し、変換し、逆変換し、制御するための本発明のエネルギーサーバ10の例を示し、説明する。サーバは、そのモジュラー設計のおかげで完全にフレキシブルかつスケーラブルであり、以下に記載されるユニークな特徴を組み入れる。

まず図1を参照すると、シャシ100が、本発明のエネルギーサーバ10のためのインフラストラクチャプラットフォームとして働き、本発明の様々なモジュールおよび要素を受けかつ支持するためのスロット102を有するケーシング（または「ラック」）101を含む。例示的である本発明の1つの態様においては、以下のシステムモジュールがラック101のスロット中に支持される：モニタモジュール103；充電モジュール104；およびパワーモジュール105（複数のパワーモジュール105が提供されてもよい）。また、防護のために、各モジュールへのパワーライン中にサージ防護機器106および107が提供されてもよい。さらなるシステム防護のために、入力、出力およびバイパスライン（以下に説明する）中にそれぞれ入力、出力およびバイパスサーキットブレーカ108、109および110が提供されてもよい。パワーモジュール105（本明細書においては「インバータモジュール」または「インバータ」とも呼ばれる）は、4分の1周期あたり16ビットで作動する既存のインバータとは違って、4分の1周期あたり1024ビットの非常に高い分解能で作動するように構成されている正弦波カーブを有する。電界効果トランジスタ（「FET」）デバイスのこの高速スイッチングは、ワイドバンドギャップ窒化ガリウムデバイス（GaN FETとも知られる）の使用を通して、GaNデバイスの使用が4分の1周期あたり1024ビットの非常に高い分解能を有する正弦波を生成することを可能にするようにパワーモジュール中のマイクロコントローラを構成することにより、達成される。

シリコン（Si）技術が、従来の低パワー熱イオン電気機械デバイスのほぼすべてに取って代わったが、根本的な材料制約が、より高パワーの用途におけるその使用を滞らせている。今ではGaNデバイスが高パワー用途に利用可能である。GaNデバイスの利点は、ヒートシンク要件の軽減；システム体積および重量の80％の削減；単極デバイスの場合の電圧降下の減少；出力増大；過渡特性およびスイッチング速度の改善；より小さなシステムパッケージからの電気ノイズの減少；および事実上ゼロの回復充電による電気ノイズの減少を含む。

パワーモジュールは、最大で250％を扱う電流インバータとは違い、無効負荷によって生成される最大1000％の非常に高いトルク負荷を扱う。すべての無効負荷によって生成される高トルク負荷は、高分解能正弦波（上記）の性質を組み合わせ、高い入力DC電圧（384VDC〜1200VDC）で作動させることによって扱われる。パワーモジュールDC−AC効率はきわめて高く、無効負荷の場合で96％を超え、抵抗負荷の場合では99％を超える。そのような高い効率は、高速度／低損失スイッチング（上記）と高い動作DC電圧（384VDC〜1200VDC）とを組み合わせることによって達成される。

パワーモジュール105は主にDC電力からAC電力へのインバータとして機能する。図9は、パワーモジュール105の配置および接続を概略的に示す。したがって、パワーモジュール105は、パワーモジュールの動作を制御するように構成されているマイクロコントローラユニット（「MCU」）903を含む。入力された動作電圧が電圧・検査要素902を通してMCU 903に供給され、電圧・検査要素は、三相主電気入力901から動作電圧を供給される。入力901はまた、電圧を整流器スイッチ904に供給し、この整流器スイッチが、整流された電圧を高調波フィルタ905に供給する。高調波フィルタ905は、電圧変動を制限し、パワーモジュールの動作を改善するように構成されている。このようなフィルタは公知であり、市販されている。そして、フィルタ905は、電圧信号を整流するために6または12パルス整流器906に供給する。MCU 903は、整流器スプリング回路907を介して整流器の動作を制御するように構成されている。そして、整流された電圧信号は、整流器906から、MCU 903に供給するためのバスフィルタ908と、パワーをバッテリ260（サーバに対して外部にある）およびオフグリッドインバータ911（負荷に直接接続されている）の両方に供給するDCバスフィルタ910とに供給される。DCバスフィルタ910からのパワーはまた、バッテリ電圧・回路制御バス防護ユニット912にパワーを供給する。そして、バッテリ電圧・回路制御バス防護ユニット912は逆にMCU 903に供給し、MCUが他方で充電電圧回路制御防護913および入力電圧デフォルト位相整流器914を作動させる。バッテリ260は、たとえばマルチセル化学バッテリをはじめとする多様なタイプであることができる。

正常動作中、グリッドネットワークからのAC電力がAC入力901に供給され、整流器スイッチ904、フィルタ905、整流器906および母線910を通過して、インバータ911および負荷280または外部バッテリ260に達する。この期間中、内部MPPTによって制御されるPVエネルギーがパワーを供給してバッテリ260を充電する。たとえばグリッドの停止のせいでグリッドが利用可能でないとき、システムは、途切れなく、供給を、太陽光920からソーラーコントローラを通してエネルギーを生成する外部PVパネルからバッテリおよびPVに移し、次いで負荷280に移すか、またはシステムは、途切れなく、供給をバッテリ260、次いで負荷に移し、それによって連続的なパワー供給を保証する。日照時間中、十分なPV入力があり、かつグリッドパワーが利用可能であるとき、パワーはソーラーパネルから提供され、ソーラーコントローラによって最大パワー供給状態へと調節されて負荷に供給され、グリッド入力が待機状態にあるとき、任意の余剰パワーで同時並行的にバッテリ260を充電する。

夜間には、同じくグリッドパワーが利用可能であるとき、パワーは、設定値まで放電する（緊急用の予備はある）外部バッテリ260（日照時間中にPVソーラーパネルから充電されている）から供給される。PVパネルが翌日に発電し始める前にバッテリ260が完全に放電するならば、システムは自動的にグリッドに切り替わり、PV入力が再び始まるまでパワーを負荷に供給する。曇天／雨天の日、バッテリを充電するのに十分な太陽光はないが、グリッドパワーが利用可能であるとき、パワーはまず、PVソーラーパネルによって供給され、同時並行に任意の余剰分がバッテリ260を充電する。PVパワーがもはや利用できなくなると、バッテリは、設定値まで放電されるまで（緊急用の予備を維持しつつ）パワーを負荷280に供給し、その後、システムは自動的にグリッドに切り替わってパワーを負荷に供給する。夜間、グリッドが利用可能でないときは、バッテリパワーが使用される。

メンテナンス期間中は、バイパススイッチを通してグリッドからのパワーを供給して負荷208に給電することができる。

図1には容易にはみえないが、図2に見てとれるように、シャシ100はまた、AC入力母線202、AC出力母線203、DC母線204および通信母線205ならびに制御モジュール201を含み、それらはケーシング（ラック）101によって支持されている。制御モジュール201は通信・オートメーションモジュール（CAM）205を含み、これは、本明細書中、以下さらに説明するように、ラック101中に別個の要素として取り付けられ得る。上記のように、実際には様々な機能モジュールが、シャシ100中の支持のためにスロット102に挿入され、安全ねじ（図示せず）を介して母線に接続され、制御モジュール201によって制御され作動される。

制御モジュール201は、異なるプロトコルを有する外部機器またはシステムとの通信を実施するために、インタフェース220（たとえばグラフィカルユーザインターフェース）と連絡している。インタフェース220は、機械通信における通信プロトコルのための周知の工業規格、たとえばUSB、RS232、RS485およびドライ接点を用いる。

各母線は、サーマルサーキットブレーカ108、109および110を通して入力または出力に接続されている。電流、電圧および温度センサ207、208および209がそれぞれ、これらの母線に接続されてデータを制御モジュール201に提供する。また、エネルギーサーバのタイプおよびサイズに依存して、一般的であるような他の機器（図示せず）、たとえば冷却ファンおよびエアコンディショナが冷却のためにシャシ100中に設置されてもよい。

また、1つまたは複数のパワーモジュール105（ソーラーパワーモジュール210、ウインドパワーモジュール211、グリッドパワーモジュール212およびディーゼル発電（「DG」）パワーモジュール213を含み得る）が、ケーシング101によって担持された状態でシャシ100中に支持されている。パワーモジュールは、作動すると（図9に関して示し、説明するように）、入力電圧を逆変換し、その供給パワーを少なくとも1つの外部バッテリ（たとえばバッテリ260）および負荷280が利用できるようにする。負荷280は、任意のタイプのAC負荷（無効負荷または抵抗負荷）であることができ、すべての異なる入力（AC/DC）エネルギー供給源から駆動される。標準的な最大電力力点追従（「MPPT」）機能に加えて、ソーラーモジュールおよびウインドモジュールは、標準的な鉛酸／AGM／ゲル／LiFePo4バッテリの貯蔵容量を40％増やし、サイクル寿命に影響を及ぼすことなくスーパーキャパシタ、鉛酸またはリチウムイオンバッテリの100％放電深度での動作を可能にする（現在のソーラー充電コントローラおよびウインド充電コントローラはそのような機能を有しない）。ソーラーモジュールまたはウインドパワーモジュールそれぞれによって担持されるマイクロコントローラは、制御された脈動性の充放電バーストのセットを短期間に駆動するようにアルゴリズムによって構成されている。ソーラーモジュールまたはウインドモジュール内のマイクロコントローラによってモニタされ制御されるこの活動は、化学バッテリ内の電解質のイオン密度の増大を生じさせ（ただし、鉛酸、AGMおよびゲルバッテリの場合のみ）、ひいては、その貯蔵容量を増大させる。貯蔵容量を増やすさらなる利益は、バッテリを、サイクル寿命に影響することなく、100％の放電深度で安全に作動させる能力である。

便宜上、図2には1つのバッテリ260しか示されないが、本明細書において「バッテリ260」または「バッテリ」を参照するとき、それは、編成された複数のバッテリまたはサーバ10に直列および並列に接続されているバッテリのアレイを含むことを意図することが容易に理解されよう。そのようなバッテリはまた、複数のセル262を有し得る。接続されたアレイ中の個々のバッテリは、製造許容差のせいで不均衡な充電状態を発生させることがあり、それが、時間とともに不均衡なバッテリが損傷する結果を招く可能性がある。バッテリを損傷から防護するために、サーバはアレイ中の各個々のセルの状態をセルセンサ261を通して絶えずモニタし、過充電状態のセルからは電荷を抜き取り、充電不足状態のセルには電荷を供給することにより、各セルを均衡させる。センサ261は、各セルの電圧、温度および内部抵抗をモニタし、そのデータを、たとえばセルの均衡を制御するために、RS484通信ライン265を介してバッテリモジュール214内のマイクロコントローラに伝達する。

セル電圧を絶えずモニタしそれをバッテリ中の他のセルと比べる、放電モジュール230によって支持され、かつアルゴリズムベースのパルス幅変調器（「PWM」）によって構成されている放電マイクロコントローラ231によって、各バッテリ260は制御される。過充電の不均衡が検出されると、放電コントローラは過充電のセルから電荷を抜き取り、それを、コントローラに接続された補助バッテリセルに供給し、その補助バッテリセルから電荷が最低充電のセルに戻される。このようにして、アクティブなバッテリ均衡化が達成される。

AC入力母線202（様々な構成または態様、たとえば三相440V 50Hz；三相220V 60Hz；単相220V 50Hz；または単相110V 60Hzのための）が1500V ACアイソレータ219を通してシャシ100に取り付けられ、モジュールスロット中のマイクロスイッチコネクタ113（図1を参照）を通して様々なモジュールおよび他のシステム要素に接続されている。したがって、AC入力母線202は分離され、様々なモジュールはホットスワップ可能である（本明細書において使用される表現「ホットスワップ可能」とは、シャシまたはシステムを動作的にシャットダウンすることなくモジュールを取り出す、または設置することができることを意味する）。AC入力母線202は、定負荷としてはその定格容量（kW単位）の2倍の入力を扱うことができ、2秒間の瞬間負荷としてはその定格容量（kW単位）の10倍の入力を扱うことができる。そのような母線は当技術分野において周知であり、電気電子技術分野の消費者に対して市販されている。

サーバ10に接続された様々な異なるパワー（ソーラー、ウインド、タービン、ディーゼル発電機、グリッド、地熱、バッテリまたは任意の他のACもしくはDC供給源）の入力を所定の割合でブレンドし、制御されたパワー品質出力で送り出すことができる。すべてのそのような入力エネルギー供給源（すなわちAC、DC、バッテリ）およびサーバの内部キャパシタ貯蔵装置は、インバータを駆動する一次供給源であるコモンDC母線204上で制御される。制御モジュールによって担持される中央制御マイクロコントローラ（「制御マイクロコントローラ」）201.1によって合図されるように、一方のエネルギー供給源を他方のエネルギー供給源に移す場合、供給源間の移行が完了するまで、バッテリおよび／またはキャパシタ貯蔵装置が暫定的エネルギーをDC母線に提供する。その結果、インバータは、移行中に十分にエネルギーを受ける状態に留まり、したがって、供給源間の切り替えは途切れず、事実上、瞬間的である。

制御モジュール201の制御マイクロコントローラ201.1はパワーモジュールの出力接続と連絡し、ひいては負荷208と連絡している。制御マイクロコントローラ201.1の制御論理が、回路負荷上の遅れ力率または進み力率を検出し、力率修正を実行するように構成されている。図12を参照すると、図12には端子記号201.1によって記号的に示されている制御マイクロコントローラ201.1はまた、サーバ中に埋め込まれた1つの大きなキャパシタC-1またはインダクタL-1を、遅れ／進みを修正するために必要なちょうどのキャパシタンスまたはインダクタンスで充電するように構成されている。キャパシタC-1またはインダクタL-1は次いで、遅れまたは進みを修正するためにちょうどのキャパシタンスまたはインダクタンスを供給する。キャパシタンスまたはインダクタンスの値は、マイクロコントローラ201.1によって決定され実現されるIGBT-1およびIGBT-2のスイッチングによって制御される。

制御マイクロコントローラ201.1の制御論理は、無効負荷によって生成される共振高調波周波数を絶えず検出し分析する。そして、R、L、C（抵抗器、インダクタ、キャパシタ）値を算出し、それらの値を回路（出力端子における負荷を通して作られる閉電流路によって形成されるような回路）に適用して不要な周波数を濾波して除く。

図1または2には示さないが、図3に示すように、入力過負荷安全性のために、適切な定格のサーマルサーキットブレーカ340がAC入力301とAC入力母線202との間に配置されている。同様に、サーキットブレーカ341、342、343、344および345が、それぞれ、AC出力302とAC出力母線203との間、バッテリ入力303とバッテリ／貯蔵モジュール214（同じくシャシ100中に支持されることができる）との間、バイパス入力304とバイパス／パワーモジュール215との間、PV入力305とソーラーモジュール210との間およびソーラー入力306とウインドモジュール211との間に配置されている。また、制御モジュール201によって電流および電圧をモニタするために、電圧およびホール効果電流センサが母線上に設置されている。

AC出力母線203（三相440V 50Hz／三相220V 60Hz／単相220V 50Hz／単相110V 60Hz）が、1500V ACアイソレータ219を通してシャシ100に取り付けられ、モジュールスロット102中のコネクタ、たとえば113を通して様々なモジュールおよび他のシステム要素に接続されている。AC出力母線203は分離され、モジュールはホットスワップ可能である。AC出力母線203は、定負荷としてはその定格容量（kW単位）の2倍の出力を扱うことができ、2秒間の瞬間負荷としては定格容量（kW単位）の10倍の出力を扱うことができる。図3に示す適切な定格のサーマルサーキットブレーカ341は、出力過負荷安全性のために、AC出力302とAC出力母線203との間に配置されている。また、制御モジュールによって電流および電圧をモニタするために、電圧、ホール効果電流および他のセンサ（たとえばセンサ207、208および209、図1を参照）が母線上に設置されている。

DC母線204もまた、1500V DCアイソレータ219を通してシャシ100に取り付けられ、モジュールスロット102中のコネクタ、たとえば113を通して様々なモジュールおよび他のシステム要素もしくは素子に接続されている。DC出力母線204は分離され、モジュールはホットスワップ可能である。DC母線204は、定負荷としてはその定格DC容量（kW単位）の2倍を扱うことができ、2秒間の瞬間負荷としてはその定格DC容量（kW単位）の10倍を扱うことができる。制御モジュールによって電流および電圧をモニタするために、電圧、ホール効果電流および他のセンサ（たとえばセンサ207、208および209、図1を参照）が母線上に設置されている。

4線式二重通信母線205がシャシ100のすべてのモジュールスロット102中でコネクタ113に接続され、様々なモジュールの間の通信のためのチャネルである。

以下が、シャシモジュール100中に設置された入力および出力コネクタである：AC入力301；AC出力302；バッテリ入力303：貯蔵入力（DC）；バイパス入力（AC）304；PV入力（DC）305；ウインドモジュール中のウインド入力（DC/AC）；および発電機入力（AC）（バイパス入力もまた発電機入力として使用される）。

すべての入力および出力は、過負荷防護のために、図3に示すようにサーキットブレーカ340〜345を通して設置される。

様々なシステムモジュールおよび他のシステム要素を受けて支持するための、シャシ100のラック101中の各スロットはマイクロスイッチコネクタ113を担持する。このマイクロスイッチ113は、挿入されたモジュール中の指定された安全ねじが締められるとき、押される。ひとたびマイクロスイッチ113が押されると、電気信号が制御モジュール201に送信され、挿入されたモジュールに関するデータを提供し、それにより、制御モジュールが、挿入されたモジュールの初期化プロセスを開始することを可能にし、それをシステム中の動作モジュールと同期化させる。モジュールをスロットに挿入し、スロットから取り出すことは、エネルギーサーバが動作中であるとき実行することができる、連続的な動作可能性を提供する途切れのない動作であり、したがって、パワーの途絶を防ぐ。

電圧変換シャシモジュール250がシャシ250の入力および出力においてそれぞれ電圧変換トランス251および252を含み、要件にしたがって入力および出力動作電圧を変換することができるようになっている。これは、中電圧線または高電圧線を有するシャシモジュール250を使用するとき、使用される。ひとたび接続されると、シャシモジュール250の入力および出力電圧を中電圧または高電圧に変換することができる。図4（a）および4（b）は、入力および出力電圧をそれぞれ変換するための電圧変換トランス251および252を概略的に示す。図4（a）に示す例においては、入力電圧変換トランス251によって11KVの一次入力電圧が400Vの二次電圧まで降圧される。図4（b）に示す例においては、400Vの一次出力電圧が出力電圧変換トランス252によって11KVの二次電圧まで昇圧される。本発明の態様において、電圧変換トランスはサーバの一体部分であり、したがって、外部または別個のシャシ、たとえばシャシ250は不要である。

図5に概略的に示す通信・オートメーションモジュール（「CAM」）205は、シリアルポート501（RS232）、502（RS485/RS422）および503（TCP/IP Ethernetポート）を埋め込まれたユニバーサルプロトコルコンバータである。CAMは、64ビットパラレルポート504を通して制御モジュール201と通信し、次いで、この通信を異なるプロトコルに変換する。CAM 205は、MODBUS、TCP/IP上のMODBUS、RS485上のMODBUS、CANBUS、PROFIBUSおよびS BUSをサポートする。

CAMはまた、ユーザプログラム可能である8ポートドライ接点出力505を有する。各ポートは、サーバを通して様々なセンサによって決定された特定のイベント、たとえば低バッテリアラーム、システム過負荷、バッテリ断線、インバータシャットダウン、スタティックバイパス、グリッド故障、モジュール故障などに応答するよう、またはシステム中の任意のイベントに応答するようにプログラムされている。

CAM 205はまた、システムに接続され得る外部機器と通信するためのプログラム可能なオートメーション機能を組み入れている。CAM 205のこのオートメーション機能は、同じく同じ64ビットポート505上にある制御モジュール201と通信する。

CAM 205はシャシ100中に別個のスロットを有するが、それは制御モジュール201の一体部分として作動し、アンプラグされるならば、制御モジュール201のシャットダウンを生じさせ、ひいてはサーバシステムをシャットダウンする。

グリッド／充電モジュール230は、（i）AC電圧をDC電圧に変換し；（ii）双方向DC−DCコンバータを使用してバッテリ260を充電し；（iii）インバータ故障およびインバータ再始動の場合にバイパスとインバータとの間でスタティックスイッチングするために作動する。

グリッド／充電モジュール230は、シャシ100中のそのスロットに嵌め込まれると、特殊なホットスワップ可能なコネクタを通して母線と接続するように作動する。

グリッド／充電モジュール230は、以下を実行するように構成されているマイクロコントローラ231を組み入れている：
（i）DC母線上に入力DC電圧が存在するかどうかを検出する；
（ii）安全ねじが配置されていることを検出する；
（iii）入力DC電圧が正しい範囲内にあるかどうかを確認する；
（iv）入力AC電圧が正しい範囲内にあるかどうかを確認する；
（v）通信母線205上にハンドシェイク信号が存在するかどうかをチェックする；
（vi）通信母線205を通して制御モジュール201と接続する；
（vii）制御モジュール201からそのモジュール番号割り当てを受ける；および
（viii）制御モジュールと通信して、以下のいずれかである、グリッド入力の使用に関する指示を受ける：
a.グリッド入力を出力において静的に切り替え、インバータをシャットダウンする（スタティックスイッチングモード）こと；または
b.AC−DC整流器をスイッチオンしたのち、グリッド入力をDCに変換し、このDC電力をDC母線204と併合すること。DC電力は、ユーザによってプログラムされたポリシーにしたがって併合され、制御モジュール201によってグリッド／充電モジュール230に送られる（AC−DC整流モード）；または
c.AC−DC整流器を電流制限モードでスイッチオンしたのち、グリッド入力をDCに変換し、このDC電力をDC母線と併合してインバータに供給すること（AC−DC整流および電流制限モード）。

グリッド／充電モジュール230は、ひとたび上記モードのいずれかで始動すると、制御モジュール201と連続的に通信して、電流制限値またはモード変更に関する動作指示を受ける。

スタティックスイッチングモードは、図6に示すように、PWMマイクロコントローラ231にも接続されている、フォワードおよびリバース接続の双方向シリコン制御整流器（「SCR」）のコンビネーションスイッチングを組み入れるスタティックスイッチ600を通して達成される。単極双投モードで作動する2つのSCR対がある（負荷に接続されたコモン601、インバータに接続されたNC602（常閉接点）、バイパス端子に接続されたNO603（常開接点））。PWMマイクロコントローラは、ひとたび制御モジュールから命令を受けると、NCモードからNOモードに切り替わる。NCモードからNOモードへの切り替え時間は5msで完了する。このバイパススイッチ配置は、インバータ故障または出力においてゼロパワーを生じ得るエネルギー供給源の任意の他の故障の場合に緊急パワー供給源を負荷280に接続するために使用される。このスタティックバイパスは、負荷280を、ユーザによって静的に事前に決められたエネルギー供給源に切り替える。切り替え時間は位相同期ループ（「PLL」）同期化で4msである。これは、半導体スタティックデバイス（SCR―シリコン制御整流器）を使用して達成される。電気機械的リレーは使用されない。マニュアルバイパスは、ユーザによって手動で操作される、サーバの端子に接続された電気機械的スイッチである。このマニュアルバイパスは、メンテナンスのために使用することができる。ひとたびマニュアルバイパスが作動すると、パワーは端子からバイパスされ、システム内のどこででもメンテナンスを実施することができる。出力負荷における過負荷または短絡の場合、サーバのオートバイパス機能がスタティックバイパススイッチを通して自動的に負荷をグリッドにバイパスする。グリッドが利用可能ではない、または過負荷／短絡がサーバ容量の200％よりも大きい場合、内部安全機能がサーバをシャットダウンする。この機能は、出力電流／負荷をモニタする制御モジュールマイクロコントローラ201.1を通して達成される。これは過負荷または短絡を検出し、スタティックバイパススイッチに対し、負荷をインバータから直接グリッドに移すよう、および、グリッドが利用可能ではないかまたは過負荷が200％よりも大きい場合はサーバをシャットダウンするよう、信号を送る。

切り替え応答時間、すなわち、故障の発生からバックアップパワーの回復までの時間は、5msである。出力負荷280における過負荷または短絡の場合、オートバイパス機能がスタティックバイパススイッチ600を通して自動的に負荷をグリッドにバイパスする。グリッドが利用可能ではない、または過負荷／短絡がサーバ容量の200％よりも大きい場合、（本明細書に記載される）内部安全機能がサーバをシャットダウンする。この機能は、出力電流／負荷をモニタするマイクロコントローラ201.1を通して達成される。これは過負荷または短絡を検出し、スタティックバイパススイッチ600に対し、負荷をインバータから直接グリッドに移すよう、および、グリッドが利用可能ではないかまたは過負荷が200％よりも大きい場合はサーバをシャットダウンするよう、信号を送る。

図7に示すAC−DC整流器モードは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT-7）を制御するように構成されたPWMマイクロコントローラ701によって制御される、図7に示すIGBT-7に接続されている、ブリッジモード整流器およびインダクタ−キャパシタ回路（「L−C回路」）フィルタを有するPWMモードスイッチング電源からなる。IGBT-7は、パワーインダクタのDC電力を切り替え、インダクタからの放電パワーを、ショートキー整流器および出力キャパシタに通して濾波したのち、DC母線204に移す。このプロセス全体は、PWMマイクロコントローラ701により、DC出力における電圧および電流センサからのフィードバックを受けながら調整される。L−C回路は、電気的共振子、すなわち音叉の電気的類似物として作用して、回路の共振周波数で共振するエネルギーを貯蔵することができる。IGBTは、開発されるにつれ高い効率と高速スイッチングとを併せ持つようになった、主に電子スイッチとして使用される3端子パワー半導体デバイスである。

AC−DC整流および電流制限モードにおいて、整流のプロセスは、充電モジュール230中のマイクロコントローラ231中の制御論理によってモニタされ、電流は、負荷およびバッテリ充電率（「SOC」）の最適化に基づいて制限される。制御論理は、負荷およびバッテリSOCを絶えずチェックし、負荷が安全に作動し、バッテリが過充電されないように電流を制限する。

整流プロセスは、PWMマイクロコントローラ231（パルス幅変調機能を作動させる）がAC入力電圧に関する情報およびAC入力電圧が正しい範囲（ユーザによってプログラムされる）内にあるかどうかを制御モジュール201の制御マイクロコントローラ201.1から受けたのち、開始し継続される。AC入力電圧が設定範囲外である場合、制御マイクロコントローラ201.1はプロセスをシャットダウンする。AC入力電圧が設定範囲に戻ると、制御マイクロコントローラ201.1はプロセスを再開する。

各モジュールの定格出力は20kWまたは50kWまたは100kWである。過負荷イベントにおいて、PWMマイクロコントローラ201.1はただちにプロセスをシャットダウンする。PWMマイクロコントローラ201.1は、60秒〜120秒（時間はユーザによってプログラムされる）後に負荷状況を分析する。過負荷が存続するならば、手動でリセットされない限り、シャットダウンされたままになる。

図8に示すパワーモジュール105（または、上記のように「インバータモジュール」）は、ホットスワップ可能なモジュールであり、以下の母線との接続を含む：AC入力母線202；AC出力母線203；DC母線204；および通信母線205。インバータモジュールの回路図が図11に示されている。パワーモジュールはまた、通信母線205との接触のための通信ポート81、出力パワーをAC出力母線203に提供するための出力ポート82、DC母線204との接触のためのDC入力ポート、AC入力母線202との接触のためのAC入力ポート84、バイパス入力304との接触のためのバイパス入力ポート85および構成ポート86を有する。

インバータモジュール201は、DC入力母線からのDC入力を既定の周波数（50Hzまたは60Hz）および出力電圧（位相あたり90Vまたは110Vまたは220V/240V）でAC出力に逆変換するように作動する。そして、インバータモジュール201は、シャシ100のAC出力母線においてAC出力を同期化する。

第一のインバータ（パワー）モジュールは、シャシ100中のそのスロットに嵌め込まれると、特殊なホットスワップ可能なコネクタを通して様々な母線に接続する。始動シーケンスプロセスが図10に示されている。

インバータ（パワー）モジュール201のMCU 903は、工程1001で第一のインバータモジュールがシャシ100に嵌め込まれたとき、インバータモジュール内のMCU 903が以下のさらなる工程を実行するように構成されている。工程1002は、入力DC電圧がDC母線上に存在するかどうかを検出する。存在するならば、1003で、安全ねじが配置されているかどうかを検出する。配置されてないならば、工程を繰り返す。配置されているならば、MCU 903は、工程1004で、入力DC電圧が正しい範囲内にあるかどうかを確認する。その後、1005で、ハンドシェイク信号が通信母線205上に存在するかどうかをチェックする。次に、1006で、通信母線205を通して制御モジュール201と接続し、制御モジュール201からそのモジュール番号割り当てを受ける。

第一のインバータモジュール（「モジュール1」）がそのモジュール番号割り当てを受けたのち、モジュール1は、1007で、位相が入力信号の位相に関連することを示す、制御モジュール201からの位相同期ループ（「PLL」）信号を待つ。1008で制御モジュールからPLL信号を受けると、MCU 903は、ステップ1009でこのインバータモジュールを開始し、ステップ1010で、DC過電圧、DC不足電圧、AC過電圧、AC不足電圧およびAC同期化失敗のためにMCU 903中にプログラムされた安全チェックの開始を可能にする。

次いで、モジュール2...nの場合、そのそれぞれのMCUが、1011で、AC母線上の同期化（ゼロ交差）検出を検出し；1012で、制御モジュール201からPLL信号を受け、次いで、1013で、このインバータモジュールを開始し；1014で、DC過電圧；DC不足電圧；AC過電圧；AC不足電圧；およびAC同期化失敗のため安全アルゴリズムを使用可能にする。

オフグリッドインバータ911が直接負荷に接続されている。したがって、負荷280のすべての属性はインバータによって直接扱われなければならない。負荷が無効負荷であるとき、この問題は長引く。インバータがこれらの問題を扱うことができる唯一の方法は、高分解能正弦波を用いる方法である。負荷の問題を効果的に扱うことができる最小分解能が4分の1周期あたり1024ビットであることが確立されている。

この分解能を達成するために、デジタル信号プロセッサ（「DSP」）マイクロコントローラ903が、正弦波周期の四半分ごとに構成されている。そして、この信号は、プラスおよびマイナスのDCラインの間で205kHz PWMデューティサイクルの周波数で切り替わる、ブリッジモードで接続されている窒化ガリウムパワートランジスタを含むパワードライブに送られる。これが、高分解能正弦波（4分の1周期あたり1024ビット）の出力を生じさせる。DC入力は以下のとおりである。
・20kW定格モジュール：300VDC〜420VDC、最適電圧384VDC
・50kW定格モジュール：500VDC〜725VDC、最適電圧600VDC
・100kW定格モジュール：1000VDC〜1450VDC、最適電圧1200VDC

生成される正弦波は、高分解能であるため、短期間、高いトルク負荷の扱いを可能にする。理由は、負荷によって発生する瞬間的な電流によって歪みを起こさないからである。インバータモジュールの回路図が以下の図9に示されている。

過電圧および不足電圧防護は、DC入力の電圧を絶えずモニタするように構成されている制御モジュールマイクロコントローラによって提供される。DC入力電圧が最大または最小の現在限界を超えるならば、制御モジュールマイクロコントローラは、それを防護するために、インバータ（パワー）モジュールをシャットダウンする。電子的なシャットダウンが働かない場合、高速ブロー安全ヒューズおよびサーキットブレーカ（図示せず。当技術分野において周知）がその役割を果たす。

過負荷防護はまた、出力ライン上のセンサからの出力負荷を絶えずモニタするように構成されている制御モジュールマイクロコントローラによって提供される。構成された防護は以下の過負荷条件を可能にする：
1000％の最大値で2秒間
次の8秒間、200％まで下げる

このプロフィールを超えて過負荷状態が継続するならば、制御モジュールマイクロコントローラは、それを防護するために、即座にインバータ（パワー）モジュールをシャットダウンする。

しかし、過負荷が200％以内にとどまるならば、マイクロコントローラの構成は、アラームを出しつつさらに30分間の動作を可能にする。この30分間、制御モジュールマイクロコントローラ201.1は、制御モジュールと通信することにより、バッテリ貯蔵の状態をモニタする。制御モジュールマイクロコントローラが、バッテリ貯蔵が過負荷を支えることができないと感知するならば、30分の期間内であるとしても、制御モジュールマイクロコントローラはインバータモジュールをシャットダウンする。

モジュールがシャシに挿入されたとき、それが第一のモジュールではないならば、制御マイクロコントローラは、AC出力母線の電圧をチェックしたのち、インバータをスイッチオンし、同期化する。電圧が設定範囲内でないならば、インバータはスイッチオンされず、同期化もされず、アラームが発される。この状態は制御モジュールにも送られる。

インバータモジュールは、AC出力母線と同期化するとき、電流センサを通してプラスおよびマイナスの電流状況を絶えずモニタする。同期失敗を意味する、逆方向に流れる、インバータの中にダンプするマイナスのエネルギーが検出される場合。この状況において、制御マイクロコントローラは、制御モジュールと通信して、1ms以内に適切なPLL同期信号を取得する。これが正されないならば、制御モジュールマイクロコントローラは、それを防護するために、インバータモジュールをシャットダウンする。

すべての入力および出力を防護するために、高速ブローヒューズがインバータモジュールのすべての入力および出力に接続される。電子的シャットダウンの故障の場合、上記安全機能、高速ブロー入力および出力ヒューズがモジュールを防護する。

前記のように、3つの異なるマイクロコントローラが共通の通信バスを通してサーバのすべてのコンポーネントおよび機能を同時に制御する。1つのマイクロコントローラが何らかの理由で応答しなくなる場合、監視機能が制御を同じマシンサイクル内の冗長マイクロコントローラに途切れなく移して、指示が失われず、制御が途切れないようにする。第三のマイクロコントローラが常にバックアップとして残り、様々な設定およびセンサデータの貯蔵を維持する。

本発明は、詳細に示され、記載された好ましい態様に関して例示され、説明されたが、本発明の精神をいかなるふうにも逸脱することなく様々な修飾および構造的変更を加え得るため、示された詳細に限定されることは意図されない。態様は、本発明の原理および実用化をもっともよく説明し、それにより、当業者が本発明および様々な態様を、考慮される特定の用途に見合うような様々な修飾を加えながら、最適に利用することを可能にするために選択され記載されたものである。

[本発明1001]
エネルギーを統合し供給するための装置であって、
複数の異なるパワー供給源から複数のパワーモジュールに供給される第一のタイプの電力を、前記パワーモジュールの出力において第二のタイプの電力へと逆変換するための、前記複数のパワーモジュール；
前記第一のタイプの電力を前記複数のパワーモジュールに提供するための、前記複数のパワー供給源と接続されかつ前記複数のパワーモジュールと接続された第一の母線；
前記第二のタイプの電力を前記複数のパワーモジュールから受けるため、および前記第二のタイプの電力を出力先で利用できるようにするための、前記パワーモジュールの出力と接続された第二の母線；
前記パワーモジュールのパワー逆変換動作を制御するようにそれぞれ構成された、前記パワーモジュールそれぞれによって担持されかつ前記パワーモジュールそれぞれの中に組み込まれたパワーマイクロコントローラ；
前記複数のパワーモジュールと接続された制御モジュール；
前記複数のパワーモジュールの出力から電気エネルギーを受けるための、前記装置に対して外部にあり、かつ前記装置と接続され前記複数のパワーモジュールと連絡している少なくとも1つのエネルギー貯蔵機器；
前記少なくとも1つのエネルギー貯蔵機器を絶えずモニタするための、アルゴリズムベースのパルス幅変調器（「PWM」）によって構成された充電モジュールおよび前記充電モジュールによって支持された放電マイクロコントローラであって、前記放電マイクロコントローラはさらに、前記少なくとも1つのエネルギー貯蔵機器の貯蔵容量を増やすために、制御された充放電のパルスを生成するように構成されている、充電モジュールおよび放電マイクロコントローラ；
前記制御モジュールによって担持され、かつ前記制御モジュールの中に組み込まれ、かつ前記少なくとも1つのエネルギー貯蔵機器と接続された制御マイクロコントローラ；
前記少なくとも1つのエネルギー貯蔵機器内の電圧レベルを絶えず感知し、感知したデータを前記制御マイクロコントローラに提供するために前記制御マイクロコントローラと連絡している、前記少なくとも1つのエネルギー貯蔵機器と接触するよう配置されたセンサ
を含み、
前記制御マイクロコントローラが、前記感知したデータに基づいて前記少なくとも1つのエネルギー貯蔵機器内の電圧レベルを決定およびモニタし、前記少なくとも1つのエネルギー貯蔵機器内の電圧を再均衡させるように構成されており、さらに、前記感知したデータに基づいて遅れ力率または進み力率を検出し、遅れ力率または進み力率を修正するために必要に応じてキャパシタンスまたはインダクタンスを充電するように構成されている、装置。
[本発明1002]
前記制御モジュールによって支持され、かつ前記制御マイクロコントローラと連絡している通信・オートメーションモジュール（「CAM」）をさらに含み、前記CAMが、前記制御マイクロコントローラをモニタしかつそれとインタフェースし、センサによってモニタおよび検出されるサーバ内のイベントに応答するための、プログラム可能なドライ出力を有する、本発明1001の装置。
[本発明1003]
前記パワーモジュールが、4分の1周期あたり1024ビットの高い分解能で作動するための正弦波カーブで作動するように構成されている、本発明1001の装置。
[本発明1004]
4分の1周期あたり1024ビットの前記高い分解能を可能にするために、前記パワーモジュールにおいてGaN FETが使用される、本発明1003の装置。
[本発明1005]
前記出力先が負荷またはユーティリティグリッドである、本発明1001の装置。
[本発明1006]
前記少なくとも1つの電気エネルギー貯蔵機器がバッテリである、本発明1001の装置。
[本発明1007]
前記バッテリが、前記パワーモジュールから出力されたエネルギーを受けて貯蔵するためのマルチセルバッテリである、本発明1006の装置。
[本発明1008]
前記電気エネルギー貯蔵機器がマルチセル化学バッテリである、本発明1006の装置。
[本発明1009]
前記電気エネルギー貯蔵機器がリチウムイオンバッテリである、本発明1006の装置。
[本発明1010]
外部機器と前記制御モジュールとの通信を実施するための、前記制御モジュールと接続したインタフェースをさらに含む、本発明1001の装置。
[本発明1011]
前記複数のパワーモジュールおよび前記制御モジュールの間の通信を実施するための、前記複数のパワーモジュールおよび前記制御モジュールと接触した通信母線をさらに含む、本発明1001の装置。
[本発明1012]
前記放電マイクロコントローラがさらに、セルセンサを通して前記少なくとも1つの貯蔵機器のセル電圧を絶えずモニタし、前記セルそれぞれのセル電圧を前記エネルギー貯蔵機器の他のセルのセル電圧と比較するように構成されており、かつ、1つのセルから電荷を抜き取り、前記電荷を充電不足のセルに提供し、それによってアクティブな貯蔵機器セル均衡を達成するように構成されている、本発明1001の装置。
[本発明1013]
前記制御マイクロコントローラがさらに、無効負荷によって生成される共振高調波周波数を絶えず検出し分析するように、ならびに、抵抗器、インダクタおよびキャパシタの値を算出し、前記値を、出力端子における前記負荷を通して作られる閉電流路によって形成される回路に適用し、それによって不要な周波数を濾波して除くように構成されている、本発明1001の装置。
[本発明1014]
前記パワーモジュールが、その動作を制御するように構成されたパワーマイクロコントローラと、前記パワーマイクロコントローラに動作電圧を提供するための入力と、前記入力から動作電圧を受け、前記動作電圧を高調波フィルタに通して整流器に供給するための整流器とを含み、前記整流器がさらに、整流された電圧をインバータおよび次いで負荷に供給する、本発明1001の装置。
[本発明1015]
前記整流された電圧が、バスフィルタに供給されて前記パワーマイクロコントローラに供給され、かつ前記整流された電圧が、前記電圧を前記バッテリおよびインバータに供給するDCバスフィルタに供給される、本発明1014の装置。
[本発明1016]
前記複数のパワーモジュール、前記第一および第二の母線、前記制御モジュール、前記充電モジュール、前記少なくとも1つのエネルギー貯蔵機器、前記放電マイクロコントローラ、前記センサならびに前記通信・オートメーションモジュールを中で支持する支持シャシ・ラックをさらに含む、本発明1001の装置。
[本発明1017]
前記複数のパワーモジュール、前記制御モジュール、前記充電モジュールおよび前記通信・オートメーションモジュールが前記支持シャシ・ラック内でホットスワップ可能である、本発明1016の装置。
[本発明1018]
必要に応じて入力動作電圧および出力動作電圧を変換するための、前記支持シャシ・ラックによって担持された電圧変換トランスをさらに含む、本発明1016の装置。
[本発明1019]
インバータまたは他のエネルギー供給源の故障の場合に緊急パワー供給源を負荷に接続するための、前記放電マイクロコントローラに接続されている、フォワードおよびリバース接続の双方向シリコン制御整流器（「SCR」）を有するスタティックスイッチをさらに含む、本発明1001の装置。
[本発明1020]
前記第一および第二のタイプの電力がそれぞれDC電力およびAC電力であり、前記第一および第二の母線がそれぞれDC母線およびAC母線である、本発明1001の装置。
[本発明1021]
前記複数の異なるパワー供給源から受けたパワーを前記出力先に選択的に供給するための手段をさらに含む、本発明1001の装置。
[本発明1022]
第一のタイプの電力を複数の異なる供給源から第一の母線を通して受ける工程；
前記第一のタイプの電力を複数のパワーモジュールの出力において第二のタイプの電力に逆変換するために、前記第一のタイプの電力を前記複数のパワーモジュールへ導く工程；
前記パワーモジュールからの前記第二のタイプの電力を、前記複数のパワーモジュールと接続した第二の母線に送る工程；
前記パワーモジュールからの前記第二のタイプの電力を、前記第二のタイプの電力の将来の使用のために、前記パワーのエネルギー貯蔵用のエネルギー貯蔵機器が利用できるようにする工程；
前記複数のモジュールからの前記第二のタイプの電力を、負荷を駆動するために、前記負荷が利用できるようにする工程、
前記パワーモジュールそれぞれの中に組み込まれたパワーマイクロコントローラを通して前記パワーモジュールの動作を制御する工程であって、前記パワーマイクロコントローラは、前記制御を実施するように構成されている、工程；
前記パワーモジュールと接続した制御モジュールを通して前記パワーモジュールを制御し作動させる工程であって、前記制御モジュールは、前記制御モジュールによって前記制御モジュール内に担持された制御マイクロコントローラを有する、工程；
前記パワーモジュールから制御された充放電のパルスを生成し、それによって前記エネルギー貯蔵機器の貯蔵容量を増やす工程；
前記エネルギー貯蔵機器内の電圧レベルを感知し、感知したデータを、前記エネルギー貯蔵機器内の電圧を再均衡させるために前記制御マイクロコントローラに提供する工程；
感知したデータに基づいて遅れ力率または進み力率を検出し、遅れ力率または進み力率を修正するために必要に応じてキャパシタンスまたはインダクタンスを充電する工程；
前記感知した電圧レベルを前記制御マイクロコントローラによってモニタする工程であって、前記制御マイクロコントローラは、前記エネルギー貯蔵機器と接続されており、かつ前記モニタリングのために構成されている、工程；および
前記制御モジュールによって支持されかつ前記制御マイクロコントローラと連絡している通信・オートメーションモジュール（「CAM」）を通して、センサによってモニタされるサーバ内のイベントをモニタし、それに応答する工程
を含む、エネルギーを統合し供給する方法。
[本発明1023]
前記パワーモジュールが、4分の1周期あたり1024ビットの高い分解能で作動するための正弦波カーブで作動するように構成されている、本発明1022の方法。
[本発明1024]
セルセンサを通して複数のセルのセル電圧を絶えずモニタし、各セルの前記セル電圧を前記エネルギー貯蔵機器の他のセルのセル電圧と比較し、1つのセルから電荷を抜き取り、前記電荷を充電不足のセルに提供し、それによってアクティブな貯蔵機器セル均衡を達成する工程をさらに含む、本発明1022の方法。
[本発明1025]
無効負荷によって生成される共振高調波周波数を絶えず検出および分析し、抵抗器、インダクタおよびキャパシタの値を算出し、前記値を、出力端子における前記負荷を通して作られる閉電流路によって形成される回路に適用し、それによって不要な周波数を濾波して除く工程をさらに含む、本発明1022の方法。
[本発明1026]
インバータまたは他のエネルギー供給源の故障の場合、フォワードおよびリバース接続の双方向シリコン制御整流器（「SCR」）を有するスタティックスイッチにより、緊急パワー供給源を前記負荷に接続する工程をさらに含む、本発明1022の方法。
[本発明1027]
前記第一および第二のタイプの電力がそれぞれDC電力およびAC電力であり、前記第一および第二の母線がそれぞれDC母線およびAC母線である、本発明1022の方法。
[本発明1028]
異なる電気エネルギー供給源から受けたパワーを前記負荷および／または前記エネルギー貯蔵機器に選択的に供給する工程をさらに含む、本発明1022の方法。
本発明の他の特徴、態様および局面が以下さらに説明される。

メンテナンス期間中は、バイパススイッチを通してグリッドからのパワーを供給して負荷280に給電することができる。

Claims (28)

1. エネルギーを統合し供給するための装置であって、
   複数の異なるパワー供給源から複数のパワーモジュールに供給される第一のタイプの電力を、前記パワーモジュールの出力において第二のタイプの電力へと逆変換するための、前記複数のパワーモジュール；
   前記第一のタイプの電力を前記複数のパワーモジュールに提供するための、前記複数のパワー供給源と接続されかつ前記複数のパワーモジュールと接続された第一の母線；
   前記第二のタイプの電力を前記複数のパワーモジュールから受けるため、および前記第二のタイプの電力を出力先で利用できるようにするための、前記パワーモジュールの出力と接続された第二の母線；
   前記パワーモジュールのパワー逆変換動作を制御するようにそれぞれ構成された、前記パワーモジュールそれぞれによって担持されかつ前記パワーモジュールそれぞれの中に組み込まれたパワーマイクロコントローラ；
   前記複数のパワーモジュールと接続された制御モジュール；
   前記複数のパワーモジュールの出力から電気エネルギーを受けるための、前記装置に対して外部にあり、かつ前記装置と接続され前記複数のパワーモジュールと連絡している少なくとも1つのエネルギー貯蔵機器；
   前記少なくとも1つのエネルギー貯蔵機器を絶えずモニタするための、アルゴリズムベースのパルス幅変調器（「PWM」）によって構成された充電モジュールおよび前記充電モジュールによって支持された放電マイクロコントローラであって、前記放電マイクロコントローラはさらに、前記少なくとも1つのエネルギー貯蔵機器の貯蔵容量を増やすために、制御された充放電のパルスを生成するように構成されている、充電モジュールおよび放電マイクロコントローラ；
   前記制御モジュールによって担持され、かつ前記制御モジュールの中に組み込まれ、かつ前記少なくとも1つのエネルギー貯蔵機器と接続された制御マイクロコントローラ；
   前記少なくとも1つのエネルギー貯蔵機器内の電圧レベルを絶えず感知し、感知したデータを前記制御マイクロコントローラに提供するために前記制御マイクロコントローラと連絡している、前記少なくとも1つのエネルギー貯蔵機器と接触するよう配置されたセンサ
   を含み、
   前記制御マイクロコントローラが、前記感知したデータに基づいて前記少なくとも1つのエネルギー貯蔵機器内の電圧レベルを決定およびモニタし、前記少なくとも1つのエネルギー貯蔵機器内の電圧を再均衡させるように構成されており、さらに、前記感知したデータに基づいて遅れ力率または進み力率を検出し、遅れ力率または進み力率を修正するために必要に応じてキャパシタンスまたはインダクタンスを充電するように構成されている、装置。
2. 前記制御モジュールによって支持され、かつ前記制御マイクロコントローラと連絡している通信・オートメーションモジュール（「CAM」）をさらに含み、前記CAMが、前記制御マイクロコントローラをモニタしかつそれとインタフェースし、センサによってモニタおよび検出されるサーバ内のイベントに応答するための、プログラム可能なドライ出力を有する、請求項1記載の装置。
3. 前記パワーモジュールが、4分の1周期あたり1024ビットの高い分解能で作動するための正弦波カーブで作動するように構成されている、請求項1記載の装置。
4. 4分の1周期あたり1024ビットの前記高い分解能を可能にするために、前記パワーモジュールにおいてGaN FETが使用される、請求項3記載の装置。
5. 前記出力先が負荷またはユーティリティグリッドである、請求項1記載の装置。
6. 前記少なくとも1つの電気エネルギー貯蔵機器がバッテリである、請求項1記載の装置。
7. 前記バッテリが、前記パワーモジュールから出力されたエネルギーを受けて貯蔵するためのマルチセルバッテリである、請求項6記載の装置。
8. 前記電気エネルギー貯蔵機器がマルチセル化学バッテリである、請求項6記載の装置。
9. 前記電気エネルギー貯蔵機器がリチウムイオンバッテリである、請求項6記載の装置。
10. 外部機器と前記制御モジュールとの通信を実施するための、前記制御モジュールと接続したインタフェースをさらに含む、請求項1記載の装置。
11. 前記複数のパワーモジュールおよび前記制御モジュールの間の通信を実施するための、前記複数のパワーモジュールおよび前記制御モジュールと接触した通信母線をさらに含む、請求項1記載の装置。
12. 前記放電マイクロコントローラがさらに、セルセンサを通して前記少なくとも1つの貯蔵機器のセル電圧を絶えずモニタし、前記セルそれぞれのセル電圧を前記エネルギー貯蔵機器の他のセルのセル電圧と比較するように構成されており、かつ、1つのセルから電荷を抜き取り、前記電荷を充電不足のセルに提供し、それによってアクティブな貯蔵機器セル均衡を達成するように構成されている、請求項1記載の装置。
13. 前記制御マイクロコントローラがさらに、無効負荷によって生成される共振高調波周波数を絶えず検出し分析するように、ならびに、抵抗器、インダクタおよびキャパシタの値を算出し、前記値を、出力端子における前記負荷を通して作られる閉電流路によって形成される回路に適用し、それによって不要な周波数を濾波して除くように構成されている、請求項1記載の装置。
14. 前記パワーモジュールが、その動作を制御するように構成されたパワーマイクロコントローラと、前記パワーマイクロコントローラに動作電圧を提供するための入力と、前記入力から動作電圧を受け、前記動作電圧を高調波フィルタに通して整流器に供給するための整流器とを含み、前記整流器がさらに、整流された電圧をインバータおよび次いで負荷に供給する、請求項1記載の装置。
15. 前記整流された電圧が、バスフィルタに供給されて前記パワーマイクロコントローラに供給され、かつ前記整流された電圧が、前記電圧を前記バッテリおよびインバータに供給するDCバスフィルタに供給される、請求項14記載の装置。
16. 前記複数のパワーモジュール、前記第一および第二の母線、前記制御モジュール、前記充電モジュール、前記少なくとも1つのエネルギー貯蔵機器、前記放電マイクロコントローラ、前記センサならびに前記通信・オートメーションモジュールを中で支持する支持シャシ・ラックをさらに含む、請求項1記載の装置。
17. 前記複数のパワーモジュール、前記制御モジュール、前記充電モジュールおよび前記通信・オートメーションモジュールが前記支持シャシ・ラック内でホットスワップ可能である、請求項16記載の装置。
18. 必要に応じて入力動作電圧および出力動作電圧を変換するための、前記支持シャシ・ラックによって担持された電圧変換トランスをさらに含む、請求項16記載の装置。
19. インバータまたは他のエネルギー供給源の故障の場合に緊急パワー供給源を負荷に接続するための、前記放電マイクロコントローラに接続されている、フォワードおよびリバース接続の双方向シリコン制御整流器（「SCR」）を有するスタティックスイッチをさらに含む、請求項1記載の装置。
20. 前記第一および第二のタイプの電力がそれぞれDC電力およびAC電力であり、前記第一および第二の母線がそれぞれDC母線およびAC母線である、請求項1記載の装置。
21. 前記複数の異なるパワー供給源から受けたパワーを前記出力先に選択的に供給するための手段をさらに含む、請求項1記載の装置。
22. 第一のタイプの電力を複数の異なる供給源から第一の母線を通して受ける工程；
    前記第一のタイプの電力を複数のパワーモジュールの出力において第二のタイプの電力に逆変換するために、前記第一のタイプの電力を前記複数のパワーモジュールへ導く工程；
    前記パワーモジュールからの前記第二のタイプの電力を、前記複数のパワーモジュールと接続した第二の母線に送る工程；
    前記パワーモジュールからの前記第二のタイプの電力を、前記第二のタイプの電力の将来の使用のために、前記パワーのエネルギー貯蔵用のエネルギー貯蔵機器が利用できるようにする工程；
    前記複数のモジュールからの前記第二のタイプの電力を、負荷を駆動するために、前記負荷が利用できるようにする工程、
    前記パワーモジュールそれぞれの中に組み込まれたパワーマイクロコントローラを通して前記パワーモジュールの動作を制御する工程であって、前記パワーマイクロコントローラは、前記制御を実施するように構成されている、工程；
    前記パワーモジュールと接続した制御モジュールを通して前記パワーモジュールを制御し作動させる工程であって、前記制御モジュールは、前記制御モジュールによって前記制御モジュール内に担持された制御マイクロコントローラを有する、工程；
    前記パワーモジュールから制御された充放電のパルスを生成し、それによって前記エネルギー貯蔵機器の貯蔵容量を増やす工程；
    前記エネルギー貯蔵機器内の電圧レベルを感知し、感知したデータを、前記エネルギー貯蔵機器内の電圧を再均衡させるために前記制御マイクロコントローラに提供する工程；
    感知したデータに基づいて遅れ力率または進み力率を検出し、遅れ力率または進み力率を修正するために必要に応じてキャパシタンスまたはインダクタンスを充電する工程；
    前記感知した電圧レベルを前記制御マイクロコントローラによってモニタする工程であって、前記制御マイクロコントローラは、前記エネルギー貯蔵機器と接続されており、かつ前記モニタリングのために構成されている、工程；および
    前記制御モジュールによって支持されかつ前記制御マイクロコントローラと連絡している通信・オートメーションモジュール（「CAM」）を通して、センサによってモニタされるサーバ内のイベントをモニタし、それに応答する工程
    を含む、エネルギーを統合し供給する方法。
23. 前記パワーモジュールが、4分の1周期あたり1024ビットの高い分解能で作動するための正弦波カーブで作動するように構成されている、請求項22記載の方法。
24. セルセンサを通して複数のセルのセル電圧を絶えずモニタし、各セルの前記セル電圧を前記エネルギー貯蔵機器の他のセルのセル電圧と比較し、1つのセルから電荷を抜き取り、前記電荷を充電不足のセルに提供し、それによってアクティブな貯蔵機器セル均衡を達成する工程をさらに含む、請求項22記載の方法。
25. 無効負荷によって生成される共振高調波周波数を絶えず検出および分析し、抵抗器、インダクタおよびキャパシタの値を算出し、前記値を、出力端子における前記負荷を通して作られる閉電流路によって形成される回路に適用し、それによって不要な周波数を濾波して除く工程をさらに含む、請求項22記載の方法。
26. インバータまたは他のエネルギー供給源の故障の場合、フォワードおよびリバース接続の双方向シリコン制御整流器（「SCR」）を有するスタティックスイッチにより、緊急パワー供給源を前記負荷に接続する工程をさらに含む、請求項22記載の方法。
27. 前記第一および第二のタイプの電力がそれぞれDC電力およびAC電力であり、前記第一および第二の母線がそれぞれDC母線およびAC母線である、請求項22記載の方法。
28. 異なる電気エネルギー供給源から受けたパワーを前記負荷および／または前記エネルギー貯蔵機器に選択的に供給する工程をさらに含む、請求項22記載の方法。

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