JP2020527022A - Ac電力及びdc電力用の電力分配システム - Google Patents

Ac電力及びdc電力用の電力分配システム Download PDF

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Abstract

電力分配システムが、AC電源10を受け、分配ネットワークを介して複数の電気負荷A1〜、...、J1〜J4に電力を供給する。システムは、AC電源が利用できないときに使用するための複数のDC電源13を有する。システムコントローラ14が、分配ネットワークの電力ラインW1、W2のRMS電流定格以下の時間平均されたDC電流を供給するように、複数のDC電源を制御する。

Description

本発明は、特にAC電力とDC電力の両方を負荷に分配するための、電力分配システムに関する。AC電力は、例えば、負荷を主電源駆動するためのものであり、DC電力はバックアップモードのためのものである。DC電力は、ローカルバッテリなどのローカルエネルギー貯蔵装置から導出される。
主電源電力及びDC電力を使用するネットワーク化されたシステムの一例は、照明ネットワークであり、主電源故障中に照明又は少なくとも緊急用照明を提供するためのバックアップモードを有する。この目的のために、システムはバッテリ予備電源を有する。米国特許出願公開第20160181807A1号は、高いピーク電力需要中に、AC電源に加えてDC電源が起動され得ることを開示している。
主電源の故障中、一体型バッテリを有するネットワーク化された照明器具がAC主電源グリッドから切り離され、ローカルDCグリッドが形成される。このように動作するシステムの例が、国際公開第2013/182927号に開示されている。
DCグリッド電圧はAC主電源グリッド信号の約10分の1であるので、同じインフラストラクチャを流れる電流は、同じ電力送配を達成するためにAC(RMS)電流の10倍になる。このことは、電力分配ラインの特定のセクションにおいて推奨レベルを上回る温度上昇を招く場合があり、当該温度上昇は、ケーブル絶縁体の劣化を招く場合があり、更に安全上の危険性及びDC/ACモードでの故障を招く場合がある。
ネットワーク化されたバッテリ一体型照明器具では、貯蔵されたエネルギーが、異なる照明器具間で共用される。ケーブルを流れる電流フローは、バッテリの充電状態(state of charge;SoC)及び個々のバッテリのランプ負荷に依存する。このことは、ネットワークの一部における所望の電流フローが、定格電流レベルを超える場合があることを意味する。この問題は、総貯蔵が総ピークエネルギー需要要件を下回ることを意味する、低い不等率(diversity factor;DF)で貯蔵容量が設計されている場合に、更に大きくなる。これは、貯蔵コストを低減するために望ましい。しかし、その結果として、少ないバッテリが多くの照明器具に電力を供給しなければならず、それらの対応する電流が重畳し、電力分配ライン上での過電流を招く。
問題は、負荷パターンの早期予測によって解決することができるが、これは、2つのソースから、すなわち、内部バッテリ及びグリッドの外部電力からの電流の複雑な共用を必要とする。そのような場合、バッテリ一体型照明器具用に設計された通常のLEDドライバを使用することができない。
したがって、分配ラインの様々な異なるセクションにおいて、電流が、分散した負荷の需要をリアルタイムで満たしながらも、関連する定格限度未満に留まるように、電力分配ネットワーク内の電流フローを制御する解決策が必要とされている。
本発明のコンセプトは、電力分配ネットワーク内の電気負荷への及び電気負荷からの電力供給を、ネットワークの電力ラインを流れる時間平均された電流が定格電流レベル未満に留まるように制御することである。より具体的には、全ての電気負荷への電流は、常に全てのDC電源から全ての電気負荷に電流を供給する代わりに、時間共用ベースで制御される。それゆえ、分配ネットワーク上のDC電流は、時分割方式で分割することができ、分配ネットワーク上の時間平均された電流は抑制される。このことは、ケーブルの過熱を回避し、よって、ケーブル損傷のリスクを回避し、また火災の危険性を生じるリスクを抑制する。
本発明は、請求項によって定義される。
本発明の一態様による例によれば、電力分配システムであって、
AC電源にアクセスするためのAC入力部と、
複数の電気負荷と、
AC電源から複数の電気負荷にAC電流を流すようになっており、RMS電流定格を有する分配ネットワークと、
AC電源が利用できない場合に、同じ分配ネットワークを使用してDC電流を電気負荷に供給することにより、電気負荷に給電するための複数のDC電源と、
RMS電流定格以下の時間平均されたDC電流を供給するように、複数のDC電源を制御するようになっているシステムコントローラと、を備える電力分配システムが提供される。
この電力分配システムは、負荷間でAC電流の分配を可能にするが、負荷間でDC電源からのDC電流の分配も可能にする。これは、例えば、中央に位置するか又は個々の負荷内にあるかのいずれかである、バックアップDC電力を含む、装置のネットワークを対象とする。このことは、余分な配線の必要性を軽減する。AC電流は典型的に、DC電流(例えば、バッテリ電圧)よりもはるかに高い電圧(例えば、主電源電圧)で供給されるため、等価な電力伝達の場合、より大きな電流がDC電力伝達中に必要とされる。これらの電流は、分配ネットワークの1つ以上のケーブルの定格電流を超える場合(ネットワーク内には、異なる定格を有する異なるケーブルが存在する場合がある)があり、本発明は、DC電源を時間共用ベースで供給する際に少なくともDC電源を能動的に制御することにより、この過負荷が回避されることを可能にする。ここで、「AC電源が利用できない場合に」という限定は、受動的な主電源故障と、ピーク時間における又は需要要求に応じた、主電源からの能動的な切離しとの両方の状況を含む。
本システムは、DC電力共用モード中、又は分散型バッテリと集中型バッテリの両方からの供給モード中の過電流による、ネットワーク分配ケーブルの絶縁体故障のリスクを軽減する。
一実施形態では、DC電源の少なくとも一部が、分配ネットワーク内の瞬間DC電流又は平均DC電流をRMS電流定格未満に維持するように、DC電流を時分割方式で供給するようになっていてもよい。
インテリジェント方式で電流供給時間を共用することにより、ネットワークを流れる電流が制御され得る。
別の実施形態では、電気負荷の少なくとも一部が、分配ネットワーク内の瞬間DC電流又は平均DC電流をRMS電流定格未満に維持するように、時分割方式でDC電流を受けるようになっていてもよい。
同様に、インテリジェント方式で負荷における電流需要時間を共用することにより、ネットワークを流れる電流が制御され得る。
DCエネルギー貯蔵装置が、電気負荷のそれぞれと関連付けられてもよく、コントローラは、
AC電源が利用できない持続時間の長さを取得することと、
電気負荷のそれぞれにおけるDCエネルギー貯蔵装置の充電状態情報を取得することと、
対応するDCエネルギー貯蔵装置からDC電流を供給するべき、電気負荷の少なくとも一部、及びDC電流を受けるべき、電気負荷の他の少なくとも一部を決定することと、
対応して、複数のDC電源の少なくとも一部と負荷の少なくとも一部との間で交換されるべきDC電流を設定することと、を更に行うようになっている。
ここで、電気負荷における時分割されたDC電流間のDC電流を含まないギャップが、少なくとも電気負荷内のDCエネルギー貯蔵によって満たされる。高充電状態のDCエネルギー貯蔵を有する電気負荷は、DC電流を殆ど又は全く必要としないか、又はDC電源として動作することができる一方、低充電状態のDCエネルギー貯蔵を有する電気負荷は、より多くのDC電流を必要とする。RMS電流定格を超えないという制約を伴って、異なるDC電流を時分割方式でスケジューリングすることにより、異なる電気負荷が、可能な限り十分に給電され得る。ネットワーク内のDC電流は、このようにして、ローカルバッテリの充電状態などの充電状態情報を考慮する。交換される電流は、ネットワークの異なる部分及びネットワークの異なるケーブルにおいて、電流レベルの異なる組み合わせをもたらすことになる。これらのケーブルは異なる電流定格を有してもよく、設定は、ネットワークの異なる部分における電流(よって、局所的な加熱)を考慮することができる。
更なる実施形態では、コントローラは、DC電流を供給するべき電気負荷の駆動設定、及び/又はDC電流を受けるべき電気負荷の駆動設定を制御し、それによって、DC電流を制御するために、電力消費を制御するように更になっていてもよい。
駆動設定は、例えば、照明器具の形態の電気負荷に関する調光レベルであってもよい。電気負荷では、低い駆動設定が、DCエネルギー貯蔵装置内に、他の電気負荷のためのより多くの電力をもたらす。他の電気負荷は、電流需要も調節され得るように異なる駆動設定を有してもよい。駆動設定を調整することにより、AC電源が利用できない持続時間をより良好にカバーするために、DC電流の送配が延長され得る。
個々の電気負荷がローカルDCエネルギー貯蔵装置と関連付けられる上記の実施形態に加えて又は代えて、複数のDC電源は、中央DCエネルギー貯蔵装置を備えてもよく、複数の電気負荷の少なくとも一部が、時分割方式でDC電流を受けるようになっている。
この場合、例えば中央電力キャビネット内に配置され、電気負荷に電流を分配する1つ以上の中央貯蔵装置が存在する。次いで、負荷は、ネットワークのケーブル内での電流過負荷を防止するために時分割方式で電流を受ける。
更なる実施形態では、本システムは、DC電流をAC電力に変換し、AC電源に供給するようになっているグリッド供給インバータを更に備えてもよく、複数の電気負荷の少なくとも一部が、時分割方式でDC電流をグリッド供給インバータに供給するようになっている。
それゆえ、DC電流は、余分な電力(例えば、ソーラー発電エネルギー)を電気グリッドに戻すために使用されてもよい。これは典型的に、DC電源の全体的な充電状態及び電気負荷の需要状態に応じて、AC供給が利用できるか又は利用できない場合に実行され得る追加のオプションである。代わりに、ローカルエネルギー貯蔵は、低価格点でグリッドから電力を引き込み、電力を使用するか又は高価格点でグリッドに電力を戻すための、時間シフトに使用されてもよい。ローカルエネルギー貯蔵の全てが長い持続時間にわたって同時に電力を放出する場合に、分配ラインがリスクに直面し得ることが理解され得る。それゆえ、この実施形態は、ローカルエネルギー貯蔵が、時分割方式でグリッド供給電力を供給することを提案する。
DC電源の少なくとも一部が、分配ネットワーク上の瞬間DC電流が第1の持続時間においてRMS電流定格を上回るように、第1の持続時間にわたって同時にDC電流を供給するようになっていてもよく、DC電源の少なくとも一部は、第1の持続時間の後の第2の持続時間にわたって、DC電流の供給を停止するか、又はRMS電流定格を下回るDC電流を供給するようになっていてもよい。
本システムは、電流を常に定格RMS電流未満に維持してもよい。しかし、この例では、電流は代わりに、短い時間にわたって定格電流を超えることを許容される。このことは、バースト動作モードを規定する。平均電流は、依然として定格電流未満に維持される。
RMS電流定格は、周囲温度に応じて可変である場合があり、コントローラは、周囲温度に基づいてRMS電流定格を決定するように更になっている。
定格電流を超えることによる問題は典型的に、局所的なケーブルの加熱である。それゆえ、局所的な加熱が問題となる電流は、実際には周囲温度に依存する。周囲温度は、ワイヤの放熱性に影響を及ぼし、よってワイヤによって達する温度に影響を及ぼす。周囲温度が高い場合、特定の電流限度によって発生した熱は、良好に消散することができず、ワイヤを加熱する。それゆえ、周囲温度を監視することにより、実際の電流限度が、より正確に評価され得る。
更なる実施形態では、周囲温度センサと、分散ネットワーク内の瞬間DC電流レベルに従って分配ネットワークの温度を推定するためのプロセッサと、を備える温度推定ユニットが設けられてもよい。
局所温度は、直接測定される必要はなく、少なくとも電流レベルに基づいて推定することができる。
それゆえ、本システムは、
分配ネットワークに熱的に結合され、分配ネットワークの温度を検知するようになっている温度センサ、又は分配ネットワークの温度を推定するための温度推定ユニットを更に備えてもよく、
コントローラは、分配ネットワークの温度に従ってDC電流を制御するように更になっている。
この温度は、全体的な周囲温度ではなく、分配ネットワークでの温度又は分配ネットワークの局所的な部分での温度に関連し得る。このことは、より正確な電流制御を可能にする。
本システムコントローラは、少なくとも2対のDC電源と電気負荷を選択するようになっていてもよく、分配ネットワークのうち少なくとも2対を接続する部分が重なり合わず、2対は、各対のDC電流が本質的に切り離されるように、DC電流を同時に交換する。それゆえ、ネットワークの異なる部分が、互いに切り離されてもよく、それぞれのDC電流を同時に流すことができる。
本発明は、照明システムであって、
照明器具の配列と、
上で定義された電力分配システムと、を備え、各照明器具が電力分配システムの電気負荷であり、システムコントローラが光管理システムを備える、照明システムも提供する。
本発明の別の態様による例は、電力分配方法であって、
AC電源にアクセスするステップと、
AC電源が利用できる場合に、
RMS電流定格を有する分配ネットワークを使用して、AC電源から複数の電気負荷にAC電流を流すステップと、
AC電源が利用できない場合に、
同じ分配ネットワークを使用して、複数のDC電源を使用して電気負荷にDC電流を流すように、電気負荷に給電するステップと、
RMS電流定格以下の時間平均されたDC電流を供給するように複数のDC電源を制御するステップと、を含む方法を提供する。
本方法は、
分配ネットワーク内の瞬間DC電流又は平均DC電流をRMS電流定格未満に維持するように、DC電源からDC電流を時分割方式で供給するステップ、及び/又は
分配ネットワーク内の瞬間DC電流又は平均DC電流をRMS電流定格未満に維持するように、電気負荷にて時分割方式でDC電流を受けるステップを含んでもよい。
本発明は、少なくとも部分的にソフトウェアにおいて実装されてもよい。
本発明の別の態様は、電気負荷のピーク電流需要がRMS電流限度を超える場合に、ケーブルのRMS電流限度を克服する解決策を提案する。より具体的には、
電力分配システムであって、
グリッド電源への入力部と、
各電気負荷がローカルDC電源を有する、複数の電気負荷と、
グリッド電源から複数の電気負荷にグリッド電流を流すようになっており、RMS電流定格を有する分配ネットワークと、
グリッド電源からのグリッド電流がRMS電流定格を超えないように、電気負荷の電力要件に従ってローカルDC電源から電力を取り出すべく、電気負荷の少なくとも一部を制御するようになっているシステムコントローラと、を備える電力分配システムが提供される。
この態様では、ローカルDC電源からの電力は、グリッド電源からの電流要件を、電流定格未満となることを確実にするように抑制する。それゆえ、電気負荷は、分配ネットワークが提供できるものよりも高い用途に対応することができる。これは、分配ネットワークを刷新することなくシステムの性能/容量を改良し、非常に便利/低コストである。
この態様は、スタジム、ステージなどでの光ショーにおける短いが強い光パルスのような、一時的な高電力要件を伴う用途にとって有用である。通常の又は低い電力要件の時点で、DC電源は、次の一時的な高電力要件のために充電され得る。
本システムコントローラは、DC電源に残されたエネルギーに従って電気負荷の出力電力を調節するように更になっている。これは、分配ネットワークとDC電源の両方が、電気負荷の電力要件に対応できない場合、電気負荷の出力電力が抑制され得ることを意味する。照明用途では、出力電力の抑制が、照明デバイスを減光することによって実施される。オプションは、電気負荷が照明デバイスである場合に、照明効果のソフト、コントラスト、色バランスなどに基づいてもよい。
更に、電気負荷は異なるグループとして優先順位を付けられることができ、システムコントローラは、優先順位の高いグループにおける電気負荷の電力要件を満たし、優先順位の低いグループにおける電気負荷の出力電力を調節するようになっている。優先順位は、優先順位の高いグループがレイアウトの主要/重要なトポロジーを形成できる一方、優先順位の低い地面が主要/重要なトポロジーに追加され、レイアウト全体を完成できるように、電気負荷のレイアウトに従って設定されることができる。
本発明のこれらの態様及び他の態様は、以降で説明される実施形態から明らかとなり、それらの実施形態を参照して解明されるであろう。
ここで、本発明の例が、添付図面を参照して詳細に説明される。
ローカル貯蔵要素にそれぞれ関連付けられた照明器具のセットを示す。 AC電源が切断されている動作用モードを示す。 不等率0.9の場合に異なるケーブルセクションを流れる電流の例を示す。 不等率0.8の場合に異なるケーブルセクションを流れる電流の例を示す。 本発明の例による制御スキームを不等率0.8の場合で示す。 ケーブル容量によって対応し得るよりも多くの照明器具が電流を要求し、温度プロファイリングによって対応されている状況を示す。 ケーブル容量によって対応し得るよりも多くの照明器具が電流を要求し、調光プロファイルによって管理されている状況を示す。 照明ネットワークが、グリッド供給インバータを介してAC主電源に接続し得ることを示す。 電力分配ネットワークの配線に接続する集中型バッテリが存在し得ることを示す。 電力分配方法を示す。
本発明は、AC電源を受け、分配ネットワークを介して複数の電気負荷に電力を供給する、電力分配システムを提供する。本システムは、AC電源が利用できないときに使用するための複数のDC電源を有する。システムコントローラが、分配ネットワークの電力ラインのRMS電流定格以下の時間平均されたDC電流を供給するように複数のDC電源を制御する。
以下の説明は、電気負荷がバッテリ一体型照明器具であり、それらの一部が、DC供給として使用される一方で、他の一部がDC電力を受ける、本発明の実施形態を最初に記述する。主電源電力の故障又はアクティブな需要要求の間、ネットワーク化されたバッテリ一体型照明器具が、主電源(又は他のACグリッド)から切り離され、ローカルDCグリッドが形成される。ネットワーク化されたバッテリ一体型照明器具では、当該バッテリ容量が当該終了に近づいている照明器具、又は、未使用、若しくは、調光などのより低い使用のいずれかに起因して、当該バッテリが利用されていない照明器具の間で、電力交換が起きる。
一般に、形成されたDC分配ラインは、DC供給電圧がAC電圧よりも低いことが多いため、同じ電力を供給する際にACネットワーク内の定格電流よりも大きな電流を流すことになる。しかし、適用の状況では、ACネットワークは、DC分配ラインとして再使用される。
本発明は、電流に対する複数の同時要求時に、分配ラインの温度上昇を限度内に保つために監視及び管理が必要とされる、という認識に基づいている。定格限度を上回る分配ケーブル内の電流は、温度上昇をもたらし、絶縁体の劣化及び最終的な破損を招く場合がある。これは、火災及び感電の危険性ももたらし得る。
分配ネットワークの低温セクションに沿って安全に通過する最大電流は、高温セクションに沿うよりもはるかに大きくてもよい。それゆえ、重要かつクリティカルな負荷を満たすために、特定のセクションでは、特定の時間にわたって、公称定格電流よりも大きな電流が許容され得る。
当該問題は、DCシステムがより低い不等率(DF)で設計され、総貯蔵が、総ピークエネルギー需要要件よりも少ない場合に生じやすい。DFの低下により、管理はよりクリティカルとなる。
本発明によれば、光管理システムLMSなどの中央コントローラが、ネットワーク内の異なる照明器具のエネルギーニーズの要件をマッピングするために使用される。マッピングに基づいて、各照明器具は、分配ネットワークの異なるセクションの電流が定格限度内であることを確実にするために、DCグリッドに対するそれらの入力電流又は出力電流(又は電力)を制御するように指示される。
図1は、(グループA〜Jに配置された)照明器具のセットを示す。グループ内の各照明器具は、1〜4に付番されており、各照明器具は、LED装置などの1つ以上の照明要素を備える。グループは、例えば建物の階又は部屋であってもよい。各照明器具は、例えば、ローカル貯蔵要素(例えば、バッテリ)と関連付けられ、各照明器具の一部として、バッテリ充電コントローラが存在する。
照明器具のセットは、絶縁スイッチ12を介してAC電源10によって給電される。図1は、10個の照明器具グループA〜Jのセットを有するシステムを示すが、6個(A〜F及びJ)のみが示されている。
図1は、照明器具が全てACグリッドによって電力供給され、通常動作モードで動作するときの構成を示す。照明器具は、複数の分岐ケーブルW2によって主ケーブルW1に接続される。例として、(RMS AC電流定格又はDC電流定格である)定格は、主ケーブルW1について10Aであり、分岐ケーブルW2について2Aである。
各照明器具は、ローカルバッテリ13(簡略化のために照明器具J4についてのみ示されている)を有する。
図1では、主ケーブルは、電源端で5Aの最大電流を伝え、照明器具の各グループは、0.5Aを引き込む。
図2は、AC電源10がスイッチ12によって切断され、照明器具がDCグリッドを形成する、動作用モードを示す。この場合、不等率DF>1であり、ローカルDCエネルギー貯蔵装置が、対応する/関連付けられた照明器具の電力ニーズを満たすことができることを意味するため、ある照明器具から別の照明器具へのいかなる電流フローも必要とされない。各照明器具の貯蔵容量は、需要側管理(demand side management;DSM)の最大可能要求を満たすように設計される。しかし、この理想的であるが高価な計画は、貯蔵容量の非効率的な使用をもたらす。
図3は、不等率0.9の場合に異なるケーブルセクションを流れる電流の例を示す。分配ネットワークの一部のセクションを流れる電流は、2Aの定格分岐電流を超える電流を示す。
外部電流を要求している照明器具が、「X」で記される。それらは全て、この入力電流により直接照明するように、2Aの電流フローを要求すると想定される。追加の需要を満たすことができるエネルギー貯蔵を有する照明器具が、「Y」で記される。それらは、5Aの電流フローを送ることができると想定される。
分かるように、分岐電流は、5Aを送る2つの照明器具が存在するため、分岐のD分岐で10Aである。この10Aの電流は、上述されたワイヤの10Aの定格に既に達し、上述された2Aの定格を超えている。
図4は、不等率0.8の場合に異なるケーブルセクションを流れる電流の例を示す。分配ネットワークの一部のセクションを流れる電流は、定格電流を超える電流を再び示す。
外部電流を要求している照明器具が、再び「X」で記される。それらは全て、この入力電流により直接照明するように、2Aの電流フローを要求すると想定される。需要を満たすことができるエネルギー貯蔵を有する照明器具が、「Y」で記される。それらは、5Aの電流フローを送ることができると想定される。
分かるように、分岐電流は、分岐の多くで2Aの定格を超えており、16Aの電流フローを有する1つのセクションがある箇所では、主電源分岐電流定格も超えている。
この問題は、本発明によって対処される。
本発明は、占有率、バッテリSoCなどの変化により、ネットワーク内の様々な照明器具のエネルギーニーズが動的に変化することになるので、電力分配マッピングを適宜変更する必要がある、との認識に基づいている。ネットワーク分配ライン内の電流は、常に変化しているので、最大許容電流も、異なるセクションにおけるケーブルの異なる温度上昇に起因して変化することになる。ACグリッド供給から移行後のDCグリッド形成中に、分配ラインの電力伝達容量の全てが完全に利用され得るように、より高度な負荷容量管理がもたらされる。加えて、不等率が低い場合ほど多くのインテリジェンス能力及び頻繁なマッピングがもたらされる。
本発明は、電力分配ネットワークの様々なラインにおいてRMS電流定格以下の時間平均されたDC電流を供給するように、複数のDC電源(バッテリ)を制御するシステムコントローラを使用する。
図5は、不等率0.8の場合の制御スキームを示す。
DCグリッドへの電流供給、又はDCグリッドからの電流引き込みのタイミングは、タイミング時点t0〜t4で4つの時間(すなわち、時間0〜1、1〜2、2〜3及び3〜4)に区分される。
照明器具間のエネルギー交換は、異なるセクションを流れる電流が定格限度内となるように制御される。照明器具の異なる組み合わせ間でのエネルギー交換が、異なるタイムスロットで起きる。
外部電流を要求している照明器具が、再び「X」で記される。それらは全て、照明するために2Aの電流フローを要求すると想定されるが、電流フローはもはや連続的ではなく、それらのローカルなDCエネルギー貯蔵が、不連続的な電流供給のギャップを埋めるために使用される。需要を満たすことができるエネルギー貯蔵を有する照明器具が、再び「Y」で記される。それらは、分岐ワイヤの定格電流を満たすために、2Aの電流フローを送るように制限されると想定される。図5は、電流が供給されるか又は引き込まれるときのタイムスロットを示す。表1は、異なるタイムスロットでの異なる分岐内の電流を示す。
Figure 2020527022
上記のマップからは、各分配分岐内の電流が、異なるタイムスロットで限度内、すなわち2A内であることが分かる。
緊急用電源が主電源切離しの持続時間にわたって有効に留まるように、ネットワーク全体で必要とされる電力伝達が依然として達成され得る場合、この時間共用は妥当である。これは、個別の状況によって、可能となる場合があり、又は可能とならない場合がある。
いかなる分岐でも、任意の時間で1つの照明器具のみが、2Aを引き込んでいるか又は2Aを送っている。代替案は、複数の電流が依然として定格電流を満たしながら流れ得るように、電流を小さくすることである。基本的なコンセプトは、定格電流レベルを超えることを防止する動的な方法で電流定格を考慮することである。
コントローラは加えて、温度プロファイリングを考慮することができる。
この場合、コントローラは、平均電流を依然として限度未満に維持しながら、電流レベルが特定の期間にわたって公称定格電流を上回ることを許容する。
例えば、図6では、照明器具A1が、t3までなど追加の量Δtだけ時間t2を超えて電流を引き込み続けてもよく、追加の照明器具C2も、t0からt2まで電力を要求する。そのような場合、Yで記された照明器具は、定格容量を超える電力、すなわち、E分岐及びF分枝それぞれから少なくとも3A、又は、(図6に示されるように)E分岐及びF分枝それぞれから4A、2Aを供給しなければならない。加えて、分岐Aでは、t2及びt3の間に定格容量を上回る電流が流れる。上記の例は、異なるセクションでより大きな電流を許容できる一方で、ケーブルの温度上昇が、当該追加の期間Δt、すなわちt3〜t4で抑制され得る。表1と同様に、表2は、異なるタイムスロットでの異なる分枝内の電流を示す。特定のタイムスロットで、1つ以上の分岐電流の電流が定格値を上回り、その後のタイムスロットでより小さくなることを観察することができる。これは、分配ラインケーブルの温度プロファイルに依存する。
Figure 2020527022
使用され得る追加の時間Δtは、ケーブルの定常状態温度定格及び最大過渡温度定格に依存する。例えば、摂氏65度が通常の温度限界であり、摂氏100度が緊急時の温度限界である場合、時間Δtは、ケーブルが摂氏100度の温度、すなわち摂氏35度の温度上昇に達するのに必要な時間であり、Δt1は、通常の運転温度に再び達するための時間である。
ΔT=(I−I rated(1−eαt
式中、ΔT=摂氏で表される温度上昇であり、Iはワイヤ内の電流であり、Iratedはケーブルの定格電流であり、Rはケーブルの抵抗であり、K=Cm/Wは温度係数であり、αは時定数である。
上記の式より、追加の時間Δtは、ケーブルの特性から導出することができる。経験則に基づくより簡単な式も存在し得る。
図7は、ケーブル容量によって対応できるよりも多くの照明器具が、電流を要求している(再び「X」で記される)状況を示す。電流を所望のレベルに抑制するための図5の時分割アプローチは、主電源切離しの全持続時間にわたって予備電力を供給できるようにネットワーク全体で必要とされる電力伝達を達成することと両立しない場合があり得る。
コントローラは、外部の電流(すなわち、電力)を要求している照明器具が、電流需要を抑制するために調光モードに入るべきであるとの決定を下すことができる。例えば、2AのDC動作電流を受ける代わりに、一部の照明器具が、1.5A又は1AのDC動作電流を受け得るが、調光レベルは、75%又は50%の調光に設定される。
更なる実施形態では、主電源切離しの全持続時間が長すぎると分かった場合、DC電流を供給する照明器具の調光レベルも、より多くのエネルギーを供給して主電源切離しの持続時間をより良好にカバーするように下げることができる。
各照明器具に対する入力電流又は出力電流も、バッテリの充電状態(SoC)、付近の周囲温度、及び個々の照明器具の電流需要に基づいて、動的に変更されてもよい。それゆえ、分配マッピングは、リアルタイムで動的に変化し得る。
中央コントローラでの演算の手間を抑えるために、各照明器具は、当該SoC、現行の照明負荷及び予測される照明負荷、並びに付近の周囲温度に基づいて、異なるタイムスロットでどの程度の最小電流がDCグリッドから必要とされるかを決定することができる。これは、中央コントローラと照明器具との間の通信が短時間にわたって中断されるときは常に、更に有用であろう。それゆえ、個々の各照明ノードは、DCグリッド分配ラインにおけるワーストケースシナリオを予測することによって、需要時間及び関連するバッテリのSoCに基づいて、当該電流需要を最小に制限し得る。
適用される電流限度は、稼働時間中に式を使用して計算することができ、又は前もって計算して表形式で予め記憶しておくことができる。
図8は、照明ネットワークが、グリッド供給インバータを介してAC主電源10に接続し得ることを示す。図は、全ての照明器具(すなわち、それらのローカルバッテリ)が、(タイミング時点t1〜t5を用いた)時分割多重方式でグリッドに電流を供給していることを示す。
上記の例は、分散型エネルギー貯蔵に基づいている。図9は、装置82から離れて電力分配ネットワークの配線に接続する集中型バッテリ80が存在し得ることを示す。これは、照明器具でのローカルDC電源に加えてもよく、又はそれに代えてもよい。集中型バッテリが、照明器具とグリッドの両方への供給のために、分配ライン内の電流を更に制限することを可能にする。例えば、図9の中央ブロックは、図5に示されたような照明器具グループA〜Dであり、それらは、集中型バッテリ80によって時分割方式で供給される4A DC電流を共用している。グリッド供給のための別の例では、図9の中央ボックは、図8に破線矢印で示されるように時分割方式で6A DC電流を供給する、図8に示されるような照明器具グループA〜Cであってもよく、10Aの合計電流が、図9に破線矢印で示されるようにグリッド供給インバータ70に入る。
システムコントローラは、少なくとも2対のDC電源と電気負荷を選択するようになっていてもよく、分配ネットワークのうち少なくとも2対を接続する部分が重なり合わず、2対は、各対のDC電流が本質的に切り離されるように、DC電流を同時に交換する。それゆえ、ネットワークの異なる部分が、互いに切り離されてもよく、それぞれのDC電流を同時に流すことができる。
図10は、電力分配方法を示す。本方法は、AC電源がアクセスされるステップ90で開始する。
ステップ92では、個々の照明器具のバッテリの充電状態、照明器具の負荷、及び各照明器具での周囲温度が記録され、中央コントローラに提供される。
ステップ94では、主電源故障、(ユーティリティ供給元からの負荷管理目的の要求であり得る)主電源グリッドからの切断のための需要要求(demand request;DR)、又は、例えば負荷シフトのための、他の需要側管理(DSM)要求があるかが判定される。そのような故障又は要求がない場合、ランプはステップ93でAC駆動され、方法は、ステップ92に戻って、継続的な更新及び監視を提供する。
それゆえ、ステップ93の間、AC電流が、(当該様々なRMS電流定格を有する)分配ネットワークを使用して、AC電源から複数の電気負荷に流される。
主電源故障、又は需要側管理(DSM)行動若しくはDR要求がある場合、主電源は、ステップ96で絶縁スイッチを使用して切り離され、全ての照明器具がDCグリッドを形成するように指示される。
ステップ98では、主電源切離しが必要とされる時間Tが決定される。これは、(例えば、DR要求の場合)ユーティリティ供給元から取得されてもよく、又は前もって予測されるか又は知られていてもよい。
ステップ100では、バッテリSoCが時間Tの間の照明需要を満たすのに十分であるかが判定される。そうであれば、負荷は、ステップ102でローカルバッテリによって満たされる。それゆえ、DCグリッドモードが有効にされるが、ネットワーク周辺で電力を伝達する必要はない。それゆえ、これは、設計によって定格電流要件を満たすデフォルト動作である。本方法は、ステップ92に戻って監視を継続する。
バッテリが需要を満たせない場合、ステップ104で、照明器具は、例えばDCグリッドからの、2Aの照明電流を必要とする最小時間Tminを決定し、中央コントローラに要求する。そのような要求は全て、中央コントローラで分配マップにマッピングされる。
ステップ106では、ネットワーク内の各電力ラインの総電流が、ネットワーク全体に電力を伝達するというニーズを依然として満たしながら、上で説明された時分割制御を使用することによってネットワークの定格電流未満に維持され得るかが判定される。そうである場合、ステップ108で、負荷は、時間共用によりDC分配グリッドによって満たされる。SoC、ランプ負荷及び周囲温度も、ステップ109で更新され、ステップ106での監視が繰り返される。
形成されたDCグリッドは、需要要件及び電流定格要件を満たすことができる。
電流定格の問題がある場合、ステップ110では、上述の時分割方式で、DCグリッドへの電流シンク及び/又は電流供給の時分割多重化(図10にΔDとして示される)が、残りの時間にわたって実施される。異なる分配セクション全体での電流の変化が、特定のセクションケーブルの電流定格に関して起きる。
次いで、この時分割方式を前提として、分配ラインの温度及び時間Tにわたる電力可用性を含む全ての制約が満たされるか否かのチェックがある。このチェックは、シミュレーションによって行うことができる。代わりに、本システムは、しばらくの間稼働することができ、データは、チェックのために収集され得る。肯定の場合、ステップ111で、SoC、ランプ負荷、及び周囲温度が更新される。否定の場合、複数の可能な時分割が存在し得るときに、時分割の変更(図10にΔDとして示される)が行われてもよく、これらの変更は、設定された回数で行われる。カウント(C)が維持され、ステップ112で、最大カウント(N)に達したかが判定される。
本プロセスは、カウントの閾値数に達していない限り、ステップ110にループバックして新たな時分割を見出す。カウントの限度に達すると、このDC電流レベルで全ての制約を満たすことができず、更なる措置を行う必要があると判定される。
カウントは、最適な時間で最適な解決策に到達するための、中央コントローラの処理速度及び照明器具の数に基づく任意の数(10、100又は1000など)とすることができる。タイムアウトカウンタが、許容可能な時分割に達することのない過大な計算を回避するために使用される。適切な時分割が見出せない場合、電流がワイヤレートを超えること、又は照明器具を更に減光することなどを許容する、他の対策を取る必要がある。
ステップ114で、本システムは、照明器具の所与の望ましい電流及びネットワークの定格電流の下で許容可能な時分割に達しない場合があり、それゆえ、本システムは、(図10に示されるようにΔImaxだけ増加する)シンク/供給電流が、表2を参照して上述された限定された期間にわたって特定の最大電流定格まで、ネットワークの定格電流を上回ることを許容する。
ステップ116では、流れることになる電流が変更された最大設定値を満たすかが判定される。それらが満たされる場合、形成され改変されたDCグリッドは、時分割アプローチと温度プロファイリングの両方を使用することによって、需要要件及び電流定格要件を満たすことができる。それゆえ、DCグリッド動作は、ステップ117で実行される。
SoC、ランプ負荷、及び周囲温度は、ステップ118で更新される。
温度プロファイリングが需要の充足をもたらさない場合、中央コントローラは、電流需要が改変され得るように、ステップ120で調光を実行するように照明器具に指示する。照明器具の選択は、最小数の照明器具が影響を受けるように最適化される。加えて、照明器具の選択は、例えば、建物レイアウトの全体にわたる。
プロセスは、ステップ122で終了し、開始に戻る。
上記の様々な措置は共に、ローカルDC電源が、電力分配ネットワーク全体でRMS電流定格以下の時間平均されたDC電流を供給することを確実にする。
温度センサが異なるセクションでケーブル温度を監視することは必要とされない。測定又は推定された室温と、分配ラインの異なるセクションを流れる電流との両方に基づいて、異なるセクションに関するケーブル温度の上昇が、中央コントローラによって推定され得、電流限度は最適化され得る。
異なるサイズ及び特性のケーブルが異なるセクションで使用される場合、電流及び周囲温度に加えて、中央コントローラは、ケーブルサイズ及び絶縁体情報をマッピングすることができる。
一部の照明器具に関する電流限度は、周囲温度又は室温が低下する可能性がある場合に増加されてもよい。
本発明は、特に分散型バッテリからのグリッド供給を対象とする。バッテリは、中央グリッド供給インバータによって、電圧調整なしに異なるタイムスロットでグリッドに電力を供給することができる。
本発明は、屋内用途におけるネットワーク化されたバッテリ一体型照明器具を対象とする。しかし、それは、ネットワーク化されたバッテリ一体型の屋外道路照明システムに使用することができる。
本発明は、照明負荷に限定されない。同じアプローチは、主電源故障時に緊急的な機能性をもたらすためのDC予備電源を使用する、主電源によって電力供給される負荷からなる任意のネットワークに使用されてもよい。例は、センサ又はアクチュエータのセーフティクリティカルネットワークである。分散型のユニバーサル電源も、DCモードでバッテリ電力を共用し得る。
要約すると、本発明は、ネットワーク内の異なる照明器具のエネルギーニーズの要件をマッピングするために、例えば光管理システムの、中央コントローラを使用しており、マッピングに基づいて、各照明器具は、グリッドに対する当該入力電力又は出力電流(又は電力)を制御するように指示され、分配ラインの異なるセクションにおける電流が定格限度内であることを確実にする。個々の照明ノードは、現在のDCグリッド分配ラインにおけるワーストケースシナリオを予測して、需要時間及びそれに関連付けられたバッテリの充電状態に基づいて、電流需要を最小に制限することができる。一例では、バッテリが、中央グリッド供給インバータによって、電圧調整なしに異なるタイムスロットでグリッドに電力を供給することができる。それは、集中型バッテリが、DCバス上の電流を制限することによって、グリッド及び当該照明器具に電力を供給することも可能にすることができる。
入力電力及び出力電流の設定値は、動的に変更されてもよく、本システムは、周囲温度も考慮してもよい。
本発明の別の態様では、スタジアム/ステージ照明に使用される照明器具にバッテリを追加することが提案される。これらのバッテリは、必要とされる電力がケーブル定格よりも大きい場合に、照明器具に電力を供給する。バッテリは、照明器具の電力がケーブル定格よりも小さいときに充電される。バッテリは、充電前のSoC推定によって動的な充電制御を伴う可変電力によって充電される。
大々的な照明プログラムは、ほとんどが前もって準備され、シミュレーション及び現実のスタジアムで試験される。提案された発明では、照明ショーのデータが、照明器具に伝達され、照明器具は、電力要件を限度内に保つためにバッテリへの又はバッテリからのエネルギーフローを最適化するように、個々に又はグループでのいずれかで自律的に適切な行動をとる。照明効果のための照明器具の電力要件に基づいて、異なるケーブルセクションを流れる電力が計算される。閾値限度を超えた場合、一体型バッテリに対するエネルギーの流出及び流出が計算される60。バッテリエネルギーの流入及び流出が照明器具のエネルギー要件に対応するのに適切でない場合、個々の照明器具又はグループのレベルでの照明効果プログラムが、照明効果が最も影響を受けない方法で、閾値を満たすように修正されてもよい。ケーブルレイアウト及びシステム仕様に基づいて、中央照明コンソールが、個々のレベル及びグループのレベルで、照明器具の電流限度情報データを更新することになる。これは、レイアウト又はインフラストラクチャが変更されない間、固定されることになる。照明データに基づいて、照明器具は、ピーク電流需要が、それを接続するケーブルのみに影響を及ぼしていること、又は複数の照明器具に接続されたケーブルに影響を及ぼしていることを見出すことになる。後者の場合、何人も、グループレベルで調光レベルを修正するための通信を開始することができる。
グループレベルでの調光の最適化は、複数のオプションによって可能となり得る。各オプションは、ソフト、コントラスト、色バランスなどの異なる色効果をもたらし得る。これらのオプションは、中央照明コンソールによってショーのマネージャに伝達される。選択されたオプションに基づいて、光のショーが実行される。そのようなオプションを実施するために、照明器具は、ソフトの場合には、照明器具の(閾値限度を上回る)ピーク電流が下げられる一方、コントラストの場合には、照明データが、ピークから低値に下げられるなど、照明データを修正することになる。
上述のように、実施形態はコントローラを使用する。コントローラは、必要とされる様々な機能を実行するように、ソフトウェア及び/又はハードウェアを用いて、数多くの方法で実装することができる。プロセッサは、必要とされる機能を実行するように、ソフトウェア(例えば、マイクロコード)を使用してプログラムされてもよい、1つ以上のマイクロプロセッサを採用する、コントローラの一例である。しかしながら、コントローラは、プロセッサを採用して、又はプロセッサを採用せずに実装されてもよく、また、一部の機能を実行するための専用ハードウェアと、他の機能を実行するためのプロセッサ(例えば、1つ以上のプログラムされたマイクロプロセッサ、及び関連回路)との組み合わせとして実装されてもよい。
本開示の様々な実施形態で採用されてもよいコントローラ構成要素の例としては、限定するものではないが、従来のマイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路(application specific integrated circuit;ASIC)、及びフィールドプログラマブルゲートアレイ(field-programmable gate array;FPGA)が挙げられる。
様々な実装形態では、プロセッサ又はコントローラは、RAM、PROM、EPROM、及びEEPROMなどの、揮発性及び不揮発性のコンピュータメモリなどの、1つ以上の記憶媒体と関連付けられてもよい。これらの記憶媒体は、1つ以上のプロセッサ及び/又はコントローラ上で実行されると、必要とされる機能を実行する、1つ以上のプログラムでエンコードされてもよい。様々な記憶媒体は、プロセッサ又はコントローラ内に固定されてもよく、あるいは、それらの記憶媒体上に記憶されている1つ以上のプログラムが、プロセッサ又はコントローラ内にロードされることができるように、可搬性であってもよい。
図面、本開示、及び添付の請求項の検討によって、開示される実施形態に対する他の変形形態が、当業者により理解されることができ、また、特許請求される発明を実施する際に実行されることができる。請求項では、単語「備える(comprising)」は、他の要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞「1つの(a)」又は「1つの(an)」は、複数を排除するものではない。特定の手段が、互いに異なる従属請求項内に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが、有利に使用され得ないことを示すものではない。請求項中のいかなる参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (15)

  1. 電力分配システムであって、
    グリッド電源にアクセスするための入力部と、
    複数の分岐又はセクションに配置された複数の電気負荷と、
    前記グリッド電源から前記複数の電気負荷にグリッド電流を伝導するようになっており、RMS電流定格を有する分配ネットワークと、
    前記グリッド電源が利用できないときに、同じ分配ネットワークを使用してDC電流を前記電気負荷に供給することにより、前記電気負荷に給電するための複数のDC電源と、
    前記RMS電流定格以下の時間平均DC電流を供給するように前記複数のDC電源を制御するようになっているシステムコントローラであって、前記DC電源の充電状態を考慮することと、各分岐又は各セクションの前記DC電流が前記RMS電流定格を超えないように、時分割方式又はタイムスロットで前記電気負荷の少なくとも一部に給電すべく、前記複数のDC電源の少なくとも一部を制御することとを行うようになっているシステムコントローラと、を備える電力分配システム。
  2. 前記グリッド電源は、AC主電源グリッド電源であり、前記DC電源は、各分岐又は各セクションと関連付けられており、前記システムコントローラは、
    或る分岐内のDC電源を、別の分岐内の前記電気負荷に給電するように制御すること、及び/又は
    少なくとも2つの分岐のそれぞれについて、或る分岐内のDC電源を、その分岐内の前記電気負荷に給電するように制御することを行うようになっている、請求項1に記載のシステム。
  3. 前記電気負荷の少なくとも一部が、前記分配ネットワーク内の瞬間DC電流又は平均DC電流を前記RMS電流定格未満に維持するように、時分割方式でDC電流を受けるようになっている、請求項1又は2に記載のシステム。
  4. 前記電気負荷のそれぞれと関連付けられたDCエネルギー貯蔵装置を備え、前記コントローラは、
    前記グリッド電源が利用できない持続時間の長さを取得することと、
    前記電気負荷のそれぞれにおける前記DCエネルギー貯蔵装置の充電状態情報を取得することと、
    対応するDCエネルギー貯蔵装置から前記DC電流を供給するべき、前記電気負荷の少なくとも一部、及び前記DC電流を受けるべき、前記電気負荷の他の少なくとも一部を決定することと、
    それに応じて、前記複数のDC電源の少なくとも一部と前記負荷の少なくとも一部との間で交換されるべき前記DC電流を設定することと、を行うように更になっている、請求項1乃至3のいずれか一項に記載のシステム。
  5. 前記コントローラは、前記DC電流を供給するべき前記電気負荷の駆動設定、及び/又は前記DC電流を受けるべき前記電気負荷の駆動設定を制御し、それによって、前記DC電流を制御するために、前記電気負荷の電力消費を制御するように更になっている、請求項4に記載のシステム。
  6. 前記複数のDC電源は、中央DCエネルギー貯蔵装置を備え、前記複数の電気負荷のうちの少なくとも一部が、時分割方式で前記DC電流を受けるようになっている、請求項1乃至3のいずれか一項に記載のシステム。
  7. 前記DC電流をグリッド電力に変換し、前記グリッド電力を前記グリッド電源に供給するようになっているグリッド供給インバータを更に備え、前記複数の電気負荷の少なくとも一部が、時分割方式で前記DC電流を前記グリッド供給インバータに供給するようになっている、請求項1乃至6のいずれか一項に記載のシステム。
  8. 前記DC電源の少なくとも一部が、前記分配ネットワーク上の瞬間DC電流が第1の持続時間において前記RMS電流定格を上回る/超えるように、前記第1の持続時間にわたって同時に前記DC電流を供給するようになっており、前記DC電源の前記少なくとも一部は、前記第1の持続時間の後の第2の持続時間にわたって、前記DC電流の供給を停止するか、又は前記RMS電流定格を下回るDC電流を供給するようになっている、請求項1乃至7のいずれか一項に記載のシステム。
  9. 前記RMS電流定格は、周囲温度に応じて可変であり、前記コントローラは、周囲温度に基づいて前記RMS電流定格を決定するように更になっている、請求項1乃至8のいずれか一項に記載のシステム。
  10. 前記分配ネットワークに熱的に結合され、前記分配ネットワークの温度を検知するようになっている温度センサ、又は前記分配ネットワークの前記温度を推定するための温度推定ユニットを更に備え、
    前記コントローラは、前記分配ネットワークの前記温度に従って前記DC電流を制御するように更になっている、請求項1又は9に記載のシステム。
  11. 周囲温度センサと、前記分配ネットワーク内の瞬間DC電流レベルに従って前記分配ネットワークの前記温度を推定するためのプロセッサと、を備える温度推定ユニットを備える、請求項10に記載のシステム。
  12. 照明器具の配列と、
    請求項1乃至11のいずれか一項に記載の電力分配システムと、を備える照明システムであって、
    各照明器具が前記電力分配システムの電気負荷であり、前記システムコントローラが光管理システムを備える、照明システム。
  13. 電力分配方法であって、
    グリッド電源にアクセスするステップと、
    前記グリッド電源が利用できる場合に、
    RMS電流定格を有する分配ネットワークを使用して、複数の分岐又はセクションに配置された複数の電気負荷に前記グリッド電源からグリッド電流を伝導するステップと、
    前記グリッド電源が利用できない場合に、
    同じ分配ネットワークを使用して、前記電気負荷にDC電流を伝導するように、複数のDC電源を使用して、前記電気負荷に給電するステップと、
    前記RMS電流定格以下の時間平均DC電流を供給するように前記複数のDC電源を制御するステップであって、各分岐又は各セクションの前記DC電流が前記RMS電流定格を超えないように、時分割方式又はタイムスロットで前記電気負荷の少なくとも一部に給電するように、前記複数のDC電源の少なくとも一部を制御するステップと、を含む方法。
  14. 前記グリッド電源はAC主電源グリッド電源であり、前記方法は、
    或る分岐内のDC電源を、別の分岐内の前記電気負荷に給電するように制御するステップ、及び/又は
    前記分配ネットワーク内の瞬間DC電流又は平均DC電流を前記RMS電流定格未満に維持するように、前記電気負荷にて時分割方式で前記DC電流を受けるステップを更に含む、請求項13に記載の方法。
  15. コンピュータプログラムであって、前記プログラムがコンピュータ上で実行されると、請求項13又は14に記載の方法を実施するようになっているコンピュータプログラムコード手段を含む、コンピュータプログラム。
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