JP2023545236A

JP2023545236A - 電力グリッド

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Publication number: JP2023545236A
Application number: JP2023514985A
Authority: JP
Inventors: シュタイマー，ペーター; ユアン，チュンミン; ティムブス，アドリアン; マイバッハ，フィリップ; シュタインク，ユルゲン; イスラー，ステファーヌ; ブルカルト，ラルフ
Original assignee: Hitachi Energy Switzerland AG
Current assignee: Hitachi Energy Ltd
Priority date: 2020-10-16
Filing date: 2021-10-15
Publication date: 2023-10-27
Anticipated expiration: 2041-10-15
Also published as: JP7550966B2; EP3985823A1; WO2022079289A1; US20230352934A1; CN112165083A; KR20230044018A

Abstract

本開示は、並列に接続された複数のＤＣ／ＤＣコンバータを備える変換段を備える、電力グリッドに関する。ＤＣ／ＤＣコンバータのうちの少なくとも１つは、それぞれのＤＣ／ＤＣコンバータの電圧を制御するように構成された電圧制御部を備える、単段絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータである。

Description

本開示は、電力グリッドに関する。特に、本開示は、並列接続されたコンバータに基づく、電力分配及び収集グリッド又は電力再分配グリッドを提案する。個別の負荷のための電力分配ユニットは、インフラストラクチャの効率的な使用、及び可用性の向上を可能にする。革新的な電力分配及び収集グリッドの全体的なエネルギー管理は、電気エネルギーコストの最高の効率及び制御を可能にする。

エネルギーソースのみならず、負荷も近年変化しており、電力グリッドの異なる要件につながっている。分配グリッドにおける典型的な新しい負荷及びソースは、例えば、ヒートポンプ、接続された主に交流の電流（ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔ：ＡＣ）、データセンタ及び通信インフラストラクチャ、グリッドエッジ及び電気運搬手段用の電気運搬手段ＤＣ充電器におけるバッテリ・エネルギー・システム、Ｅバス、Ｅトラック及びＥ列車、並びに光起電性（ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ：ＰＶ）ソーラシステムのような再生可能エネルギーソースである。

最新技術によれば、分配グリッドは、１つ又は複数の低周波変圧器、すなわち５０又は６０Ｈｚを使用する、高電圧（ｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅ：ＨＶ）又は中電圧（ｍｅｄｉｕｍｖｏｌｔａｇｅ：ＭＶ）グリッド接続に基づく。これによって、より低い電圧における異なる電力分配構想が可能になる。図１は、最新技術による例示的な構成を示す。それは、共通ＨＶ又はＭＶＡＣバス、変圧器段、並列接続されたＡＣ／ＤＣコンバータ、及び、接続された負荷又はソースに依存して、追加的なＤＣ／ＤＣコンバータを採用する。グリッドは、動的電力配分、バッテリ・エネルギー・ストレージ・システム（ｂａｔｔｅｒｙｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｓｙｓｔｅｍ：ＢＥＳＳ）、及びＰＶソーラソースを介して、ＤＣ負荷１～Ｎに供給してもよい。

図２に示すように、並列のＤＣ／ＤＣコンバータの上流に単一のＡＣ／ＤＣコンバータが接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータは共通ＤＣ接続を共有する。負荷及びソースは、図１の例に類似してもよい。電気運搬手段の充電にＡＣ／ＤＣを使用することは、典型的には、一方向の電力の流れを可能にするが、例えば運搬手段からグリッドに対する動作をサポートするために双方向型のものとすることもできる。図３では、並列のＡＣ／ＤＣコンバータと、負荷に供給する並列のＤＣ／ＤＣコンバータを有する１つの分岐とを有する例が与えられる。負荷及びソースは、従前の図のものに類似してもよい。追加的に、図４には、大きいデータセンタの従来のＡＣ電力分配が示されている。ＤＣ分配ソリューションは、実質的により高い効率及びより低いコストを提示することができる。

本開示は、並列接続されたコンバータに基づく、電力分配及び収集グリッドを提案する。接続された負荷の個別の電圧制御を達成するために、ＳｉＣＭＯＳＦＥＴに基づく、エネルギーストレージ素子及びエネルギー・ソース・コンバータが、好ましくは使用される。個別の負荷のための電力分配ユニットは、インフラストラクチャの効率的な使用、及び可用性の向上を可能にする。革新的な電力分配及び収集グリッドの全体的なエネルギー管理は、電気エネルギーコストの最高の効率及び制御を可能にする。

本開示は、独立請求項において定義される。従属請求項は、好ましい実施形態を記述する。

様々な実施形態は、好ましくは以下の特徴を実装し得る。
電力グリッドは、少なくとも１つのコンバータを備える他の変換段をさらに備えてもよく、他の変換段は、ＤＣ／ＤＣコンバータの並列接続部の上流に接続されてもよい。好ましくは、並列接続部はＤＣバスである。

好ましくは、他の変換段の少なくとも１つのコンバータのうちの少なくとも１つは、ダイオード若しくはサイリスタ整流器を備える一方向ＡＣ／ＤＣコンバータ、及び／又は２レベル若しくは３レベルトポロジ若しくはモジュラー・マルチ・レベル・コンバータ（ＭｏｄｕｌａｒＭｕｌｔｉ－ＬｅｖｅｌＣｏｎｖｅｒｔｅｒ）すなわちＭＭＣトポロジに基づく双方向ＡＣ／ＤＣコンバータである。

好ましくは、変換段のＤＣ／ＤＣコンバータのうちの少なくとも１つは、並列に接続された少なくとも２つのＤＣ／ＡＣコンバータと、ＤＣ出力を提供するように構成されたＡＣ／ＤＣコンバータとを備え、少なくとも２つのＤＣ／ＡＣコンバータ、及びＡＣ／ＤＣコンバータは、並列のＤＣ／ＡＣコンバータをＡＣ／ＤＣコンバータに結合するための、変圧器ユニットに接続されるように構成される。

好ましくは、ＤＣ／ＤＣコンバータのうちの少なくとも１つは、ＤＣ入力をＡＣに変換するように構成された直列スイッチを備えるＤＣ／ＡＣコンバータと、ＤＣ出力を提供するように構成されたＡＣ／ＤＣコンバータとを備える。ＤＣ／ＡＣコンバータ及びＡＣ／ＤＣコンバータは、好ましくは、変圧器ユニットに接続されるように構成される。好ましくは、変圧器ユニットは、ＤＣ／ＡＣコンバータをＡＣ／ＤＣコンバータに結合するように構成される。

好ましくは、電力グリッドは、少なくとも１つのＤＣ電流制限及び／又は遮断ユニットをさらに備える。

好ましくは、少なくとも１つのＤＣ電流制限又は遮断ユニットは、変換段のＤＣ／ＤＣコンバータのうちの少なくとも１つに位置付けられるか、又はＤＣ／ＤＣ変換段の変換段の上流に位置付けられる。

電力グリッドは、好ましくは、少なくとも１つの需要家負荷に電力を分配するように構成された、電力分配ユニットをさらに備える。電力分配ユニットは、好ましくは、変換段の少なくとも２つのＤＣ／ＤＣコンバータの出力を需要家負荷に対して接続又は断路するように構成された、変換段のＤＣ／ＤＣコンバータごとの少なくとも１つのスイッチを備える。

好ましくは、電力分配ユニットは、変換段の出力を接続又は断路するように構成された、コンバータごとの複数のスイッチを備え、スイッチの数は、負荷の数に対応する。

好ましくは、電力分配ユニットは、電力グリッドに接続された負荷及び／又はソースに応じて電力を分配するように少なくとも１つのスイッチを制御するように構成された、制御ユニットをさらに備える。好ましくは、制御ユニットは、電力グリッドに接続された負荷及び／又はソースに応じて、変換段の複数のコンバータの出力電圧の割当てを管理するように構成される。

好ましくは、電力グリッドは、可変速ヒートポンプシステム、ハイパースケールデータセンタ、分散バッテリ・エネルギー・ストレージ、物理的に分散若しくは配列されたＤＣ充電器、又は再生可能エネルギーソース若しくはそれらの任意の組合せのうちの、少なくとも１つに接続可能である。

本開示はさらに、好ましくは本明細書に記述される通りの、電力グリッドを制御するための方法に関する。方法は、並列に接続された単段絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータであって、それぞれのＤＣ／ＤＣコンバータの電圧を制御するように構成された電圧制御部を備える単段絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータを使用してＤＣ入力をＤＣ出力に変換することを含む。

本開示はさらに、好ましくは本明細書に記述される通りの、電力グリッドで使用するためのＤＣ／ＡＣコンバータに関する。コンバータは、ＤＣ入力接続部と、少なくとも２つのコンデンサと、直列に接続された複数のスイッチとを備える。スイッチは、ＤＣ入力電圧をＡＣ出力電圧に変換するように構成される。

本開示は、以下の項目によってさらに定義される。
１．電力グリッドであって、
並列に接続された複数のＤＣ／ＤＣコンバータを備える変換段を備え、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータのうちの少なくとも１つが、それぞれの前記ＤＣ／ＤＣコンバータの電圧を制御するように構成された電圧制御部を備える、単段絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータである、電力グリッド。

さらなる実施形態は、好ましくは以下の特徴を実装し得る。
２．少なくとも１つのコンバータを備える他の変換段をさらに備え、前記他の変換段が、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの並列接続部の上流に接続され、
好ましくは、前記並列接続部がＤＣバスである、項目１に記載の電力グリッド。

３．前記他の変換段の前記少なくとも１つのコンバータのうちの少なくとも１つが、ダイオード若しくはサイリスタ整流器を備える一方向ＡＣ／ＤＣコンバータであり、
及び／又は
２レベル若しくは３レベルトポロジ若しくはモジュラー・マルチ・レベル・コンバータすなわちＭＭＣトポロジに基づく双方向ＡＣ／ＤＣコンバータである、
項目２に記載の電力グリッド。

４．前記変換段の前記ＤＣ／ＤＣコンバータのうちの少なくとも１つが、並列に接続された少なくとも２つのＤＣ／ＡＣコンバータと、ＤＣ出力を提供するように構成されたＡＣ／ＤＣコンバータと、を備え、前記少なくとも２つのＤＣ／ＡＣコンバータ、及び前記ＡＣ／ＤＣコンバータが、並列の前記ＤＣ／ＡＣコンバータを前記ＡＣ／ＤＣコンバータに結合するための、変圧器ユニットに接続されるように構成される、先行する項目のいずれか１項目に記載の電力グリッド。

５．前記ＤＣ／ＤＣコンバータのうちの少なくとも１つが、ＤＣ入力をＡＣに変換するように構成された直列スイッチを備えるＤＣ／ＡＣコンバータと、
ＤＣ出力を提供するように構成されたＡＣ／ＤＣコンバータと、を備え、
前記ＤＣ／ＡＣコンバータ及び前記ＡＣ／ＤＣコンバータが、変圧器ユニットに接続されるように構成され、
前記変圧器ユニットが、前記ＤＣ／ＡＣコンバータを前記ＡＣ／ＤＣコンバータに結合するように構成される、先行する項目のいずれか１項目に記載の電力グリッド。

６．前記電力グリッドが、少なくとも１つのＤＣ電流制限及び／又は遮断ユニットをさらに備える、先行する項目のいずれか１項目に記載の電力グリッド。

７．前記少なくとも１つのＤＣ電流制限又は遮断ユニットが、前記変換段の前記ＤＣ／ＤＣコンバータのうちの少なくとも１つに位置付けられるか、又は
ＤＣ／ＤＣ変換段の前記変換段の上流に位置付けられる、項目６に記載の電力グリッド。

８．少なくとも１つの需要家負荷に電力を分配するように構成された、電力分配ユニットをさらに備え、
前記電力分配ユニットが、好ましくは、前記変換段の少なくとも２つのＤＣ／ＤＣコンバータの出力を前記需要家負荷に対して接続又は断路するように構成された、前記変換段のＤＣ／ＤＣコンバータごとの少なくとも１つのスイッチを備える、先行する項目のいずれか１項目に記載の電力グリッド。

９．前記電力分配ユニットが、前記変換段の出力を接続又は断路するように構成された、コンバータごとの複数のスイッチを備え、スイッチの数が、負荷の数に対応する、項目８に記載の電力グリッド。

１０．前記電力分配ユニットが、前記電力グリッドに接続された負荷及び／又はソースに応じて電力を分配するように前記少なくとも１つのスイッチを制御するように構成された、制御ユニットをさらに備え、
好ましくは、前記制御ユニットが、前記電力グリッドに接続された負荷及び／又はソースに応じて前記変換段の複数の前記コンバータの出力電圧の割当てを管理するように構成される、項目８又は９のいずれか１項目に記載の電力グリッド。

１１．前記電力グリッドが、可変速ヒートポンプシステム、ハイパースケールデータセンタ、分散バッテリ・エネルギー・ストレージ、物理的に分散若しくは配列されたＤＣ充電器、又は再生可能エネルギーソース若しくはそれらの任意の組合せのうちの、少なくとも１つに接続可能である、先行する項目のいずれか１項目に記載の電力グリッド。

１２．好ましくは先行する項目のいずれか１項目に記載の、電力グリッドを制御するための方法であって、前記方法が、
並列に接続された単段絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータであって、それぞれの前記ＤＣ／ＤＣコンバータの電圧を制御するように構成された電圧制御部を備える単段絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータを使用してＤＣ入力をＤＣ出力に変換することを含む、方法。

１３．好ましくは項目１～１１のいずれか１項目に記載の、電力グリッドで使用するためのＤＣ／ＡＣコンバータであって、前記コンバータが、ＤＣ入力接続部と、少なくとも２つのコンデンサと、直列に接続された複数のスイッチとを備え、前記スイッチが、ＤＣ入力電圧をＡＣ出力電圧に変換するように構成される、ＤＣ／ＡＣコンバータ。

本開示を、添付の図面を参照してさらに記述する。

従来技術による構成を示す図である。従来技術による構成を示す図である。従来技術による構成を示す図である。従来技術による構成を示す図である。本開示による例を示す図である。例による直列セルの接続を示す図である。例による直列スイッチの接続を示す図である。本開示の例による構成を示す図である。本開示による電力分配ユニットの例を示す図である。本開示による電力分配ユニットの例を示す図である。本開示による電力分配ユニットの例を示す図である。制御ユニットの例示的なフローチャートを示す図である。制御ユニットの例示的なフローチャートを示す図である。

別段指示されていない場合において、同じ参照符号又は記号を有する要素は、それぞれの図において同じ又は類似の要素を指す。

革新の、１つの主要な着想は、可変速ヒートポンプシステム、ハイパースケールデータセンタ、分散バッテリ・エネルギー・ストレージ、及び物理的に分散又は配列されたＥＶ充電器のような複数の用途に役立つことができる、柔軟で非常に効率的な電力分配及び収集グリッドを構築することである。さらに加えて、本開示によれば、再生可能エネルギーソースの統合も実行可能である。

特に、本開示は、並列に接続された、複数の絶縁された、実施形態によれば単段の、ＤＣ／ＤＣコンバータを採用する。並列接続部は、例えば、複数の絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータをＤＣバスに接続することによって実現されてもよい。それによって、グリッドの安定性に影響を与えることなく異なる負荷及びソースを取り扱う能力がある柔軟な電力グリッドを提供し得る。

図５は、本開示の例による電力グリッドの原理構造を示す。１つ以上の変圧器に接続され、１つ以上のＡＣ／ＤＣ電力変換ユニットが続く、１つ又は複数の中電圧又は高電圧（ＭＶ／ＨＶ）グリッド接続点を、図５による電力分配及び収集又は電力再分配グリッドとも呼ばれ得る電力グリッドは備える。少なくとも１つのＡＣ／ＤＣコンバータの出力は、（共通）ＤＣバス４とも呼ばれ得る、ローカル又は分散ＤＣ分配グリッドに接続される。代替的に、ＨＶＤＣ又はＭＶＤＣは、並列接続素子、例えばＤＣバスに直接サプライされてもよい。さらに加えて、ＤＣバス以外の接続部を使用してもよい。

以下の記述は、ＤＣバスに基づくが、制限的に理解されるべきではない。複数のＤＣ／ＤＣコンバータを並列に接続するのに適した任意の接続部は、本開示の範囲で使用され得、及び本開示の範囲に含まれ得る。

ＤＣバス４には、複数の分散単段絶縁ＤＣ／ＤＣ１コンバータが接続される。特に、絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ１の各々は、個別の電圧制御能力を有する。さらに加えて、各そのような絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ１は、個別のＤＣ電流制限及び／又は遮断機能を有してもよい。絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ１のうちのいくつかは、後述する電力分配ユニット２によって任意的に、ＤＣ負荷（ＤＣ負荷＿１＿～＿Ｌ）に供給してもよい。任意的に、絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ１のうちの１つ若しくはいくつかは、１つ以上の電気エネルギー・ストレージ・システム（ＤＣストレージ＿１＿Ｍ）に供給しており、並びに／又は絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ１のうちの１つ若しくはいくつかは、ＤＣソース（ＤＣソース＿１＿～＿Ｎ）若しくはＡＣ負荷及びソース（ＡＣ負荷若しくはソース＿１＿～＿Ｐ）に供給している。

物理的に分散されたシステムを達成するために、共通ＤＣバス電圧レベルは、必要な電力伝送に従って変えることができる。それは、低電圧ＤＣ（ｌｏｗｖｏｌｔａｇｅＤＣ：ＬＶＤＣ）又は中電圧ＤＣ（ｍｅｄｉｕｍｖｏｌｔａｇｅＤＣ：ＭＶＤＣ）型のものであってもよい。絶縁単段ＤＣ／ＤＣコンバータ１がＤＣバス４に並列に接続される構造は、グリッド安定性に影響を与えることなく様々な負荷及びソースの接続を可能にする、安定した柔軟なグリッドを保証する。

電圧入力の型、すなわちＡＣ又はＤＣに依存して、ＡＣ／ＤＣ変換ユニット５は、設けられないか又は少なくとも１つ設けられてもよい。さらにその上、ＡＣ／ＤＣ電力変換は、一方向又は双方向の流れを可能にしてもよい。特に、一方向ＡＣ／ＤＣ電力変換ユニット５は、並列又は直列マルチ・パルス・ダイオード又はサイリスタ整流器とすることができる。代替的に、双方向ＡＣ／ＤＣ電力変換ユニット５は、スイッチベースのコンバータ、すなわちＮＰＣ、又はセルベースのコンバータ、すなわちＭＭＣとすることができる。ＡＣ／ＤＣ電力変換ユニット５は、任意的に、図５においてバツ印で指示される、電流制限及び／又は遮断機能を有してもよい。

絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ１は、直列共振コンバータ又はデュアル・アクティブ・ブリッジ・トポロジに基づいてもよい。ＤＣバス４の上流の電流制限又は遮断機能に対して追加で又は代替的に、各ＤＣ／ＤＣコンバータ１は、個別のＤＣ電流制限及び／又は遮断機能を有してもよい。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１は、直列セル（例えば、ハーフブリッジ又はフルブリッジ）上の共通ＤＣバス４側に置かれてもよい。例によれば、直列セルは、ＤＣバス４に接続され、図６に示すように並列に接続された２つのＤＣ／ＡＣコンバータ１１を備える。ＡＣ／ＤＣコンバータ１３は、負荷にＤＣ出力を提供する。ＤＣ／ＡＣコンバータ１１及びＡＣ／ＤＣコンバータ１３は、ＤＣ／ＡＣコンバータ１１及びＡＣ／ＤＣコンバータ１３を結合するための、変圧器１２に接続されるように構成される。ＤＣ／ＡＣコンバータ１１と変圧器１２との間のコンデンサは、ＤＣブロックとして作用し得る。どちらの側にも、複数のＤＣ／ＡＣ又はＡＣ／ＤＣコンバータ１１、１３がそれぞれ設けられてもよい。図６の構造は、複数設けられてもよく、例えばＤＣバス４を介して、並列に接続されてもよい。

図７は、直列スイッチ１６に基づくＤＣ／ＤＣコンバータ１のさらなる例を示す。前に示したように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１は、ＤＣバス４に接続され、上記の直列スイッチ１６に基づく少なくとも１つのＤＣ／ＡＣコンバータ１１と、少なくとも１つのＡＣ／ＤＣコンバータ１３とを備え、コンバータ１１、１３は、それぞれのコンバータ１１、１３を結合するための変圧器１２に接続されるように構成される。直列スイッチ１６の各々は、図７に示すように並列にダイオードに接続されてもよい。任意的に、コンデンサも、各ダイオードに対して並列に設けられてもよい。ＤＣ／ＡＣコンバータ１１出力と変圧器１２との間のさらなるコンデンサは、ＤＣブロックとして作用し得る。

言い換えれば、コンバータは、例えばＤＣバス４に接続され得るＤＣ入力接続部と、少なくとも２つのコンデンサと、直列に接続された複数のスイッチ１６とを備える。ＤＣ入力電圧をＡＣ出力電圧に変換し、そのようにしてＤＣ／ＡＣコンバータ１１を形成するように、スイッチ１６は構成される。

実施形態によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ１、及び特に少なくとも１つのＤＣ／ＡＣコンバータ１１は、ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ又はＳｉＩＧＢＴ技術に基づいており、負荷、ストレージ又はソース側でガルバニック絶縁を達成するために中周波変圧器を使用する。

共通ＤＣバスに、及びそこからＡＣグリッドにＤＣ／ＤＣコンバータによって接続された、負荷及びソースのクラスタを制御するためにエネルギー管理システムは提供され得る。エネルギー管理システムはさらに負荷フローを最適化してＡＣグリッド接続の電気エネルギーの請求金額を最小化し得る。上記のエネルギー管理システムは、後述する電力分配ユニットに関連してもよい。

図８は、電流制限又はＤＣ遮断器回路を含む、本開示による例を示す。遮断器回路は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の一部を形成してもよく、又はＤＣ／ＤＣコンバータ１の外部に配置されてもよい。上記の例示的な遮断器回路６は、少なくとも１つのスイッチと、少なくとも１つのスイッチの各々に並列に接続されたダイオードと、ダイオードの各々に並列に接続された可変抵抗器とを備える。ＤＣ遮断器回路６は、グリッド内の位置付けに依存して、少なくとも１つのＤＣ／ＤＣコンバータ１及び／又は負荷及び／又はソースを断路し得る。遮断器回路６は特に、過負荷が検出されるか又はグリッドが不安定になりつつある場合、少なくとも１つのＤＣ／ＤＣコンバータ１及び／又は負荷及び／又はソースを断路し得る。

ＤＣ遮断器回路６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１内に、又はＤＣ／ＤＣコンバータ１の上流に、設けられてもよい。ＤＣ遮断器回路６は、少なくとも１つのＤＣ／ＤＣコンバータ１のために設けられてもよく、又は複数設けられてもよい。特に、ＤＣ遮断器回路６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１に若しくはその中に、及び／又はＤＣ／ＤＣコンバータ１の上流に、及び／又はＤＣ／ＤＣコンバータ１の並列接続部の上流に、例えばＤＣバス４に位置付けられてもよい。図８の例によるＤＣ／ＤＣコンバータ１は、前述した通りの機能を提供するために、ＤＣ／ＡＣコンバータ１１と、変圧器１２と、ＡＣ／ＤＣコンバータ１３とを備える。図８の回路遮断器は、本明細書に記述される実施形態のいずれにも適用され得る。

図５～図８を参照して記述した例の各々は、ＤＣ出力を負荷に接続又は断路するように構成された、電力分配ユニット２と組み合わされてもよい。

電力分配ユニットは、充電されるための運搬手段に接続されることができる負荷２２として充電ポールを使用する例示的な運搬手段充電システムを参照して、記述される。各充電ポール２２がそれ自体のバスを得て各ＤＣコンバータ１がこれらバスの各々に接続されることができる場合において、３個のポール及び３個の出力に必要な９個のスイッチ（３×３）、並びに１０個の出力及び１０個のポールについて１００個のスイッチがある。すなわち、出力の数に関連するスイッチの数について、２次の増加がある。スイッチを節約するための代替的な解決策は、各ＤＣ出力が断路器又はスイッチ２１によって２つの隣接する出力に接続可能であり各充電ポール２２が断路器２１を介してＤＣ出力のうちの１つに直接接続可能な、リング構造であり得る。これは、図９に示されており、参照符号１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ及びそれぞれのＤＣ出力を指し、参照符号２２は、前述の例による負荷又は充電ポールを指す。この配置は、２×ｎ個のスイッチ２１のみを使用することを可能にし、ここでｎは出力の数である。解放されているポール２２に運搬手段を接続するシーケンスのスマート管理を、利用可能な電力を最も効率的に使用するために採用してもよい。この管理の目標は、常に、２倍の電力での急速充電に利用可能な少なくとも１つのポール２２を有する大きな見込みを提供し、他方ではすべてのＤＣ出力に等しく負荷をかけることであり、当該大きな見込みは、スイッチ２１を介して隣り合うＤＣ出力を接続することによって達成することができる。

図１０は、電力分配ユニット２を含むか又はそれに接続された、電力分配及び収集グリッドのさらなる例示的な構成を示す。この例では、スイッチ２１はまた、リング型構成を形成する。

図１１は、マトリクス構成と呼ばれ得る、代替的な構成を描写する。各ＤＣ／ＤＣコンバータ１の各出力端子それぞれには、Ｎ個のＤＣ負荷とそれぞれ接続する、Ｎ個のスイッチ２１がある。スイッチの総数は、Ｎ＊ｎであり、ここでＮは、この場合において充電ポールである、負荷２２の数であり、ｎは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の数である。マトリクス型スイッチング群は、短絡電流を開放する必要がない用途において、使用することができる。スイッチが、通常動作の電流を開放する必要があるにすぎない場合、マトリクス型のスイッチング電流は、リング型による電流の（１／Ｎ）にすぎない。

言い換えれば、かつ前述の例を調べると、システムは、ＳＳＴトポロジに基づき得、トポロジにおける主要な構成要素は、数個の絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ１及びスイッチング群である。絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ１は、接続された直列の入力端子である。直列入力端子の、最も外側の２つの端子は、ＭＶＤＣバスに接続される。各絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ１の出力端子は、スイッチング群を介してすべての電気運搬手段（ｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅ：ＥＶ）充電器を接続する。スイッチング群は、それらのＤＣ／ＤＣコンバータ１を１つの指定されたＥＶ充電器に結びつくように制御する。ＭＶＤＣバスは、制御可能なＤＣソースによってサポートされる。

任意的に、グリッドは、制御ユニット２２及び／又はバイパス遮断器回路２３をさらに備えてもよい。制御ユニット２４は、（協調）コントローラとも呼ばれ得る。このコントローラ２４は、提案したＳＳＴトポロジの、動作を平滑化するために提案される。コントローラ２４は、ＤＣソースのための電流基準Ｉ_{ｄｃｒｅｆ}、ＤＣ／ＤＣコンバータ１電圧基準Ｕ_{ＰＭｊｒｅｆ}、及びスイッチング群制御指令Ｓ_{ＰＭｊ＿ＥＶｉ}を含む、システム動作基準及びスイッチング指令を生成する。

したがって、図１１は、原理構造、さらには制御ユニット２４、バイパス遮断器回路２３、及びスイッチ２１のマトリクス型構成などの任意的な特徴を示す、例示的な実施形態による電力グリッド及び分配ユニットの概略図である。

フローチャートを図１２に描写する。１つの制御期間において、すべての充電器電力の最も近い平均値、及び最小の電圧差の原理に従って、コントローラ２４は、各ＥＶ充電器２２のための電力モジュール（ＤＣ／ＤＣコンバータ１）の適した数をまず計算する。ｉ番目の充電器へスイッチングする電力モジュールの数が、ｉ番目の充電器の電力要求とすべての充電器の平均電力との除算結果の丸め数で計算されることとして、原理は、説明されることができる。計算は、以下の式（Ｆ１）を使用して例示的に行われてもよい。

それゆえに、選択される電力モジュール及びそれらの電圧基準は、例えば後に示す式（Ｆ２）及び（Ｆ３）を利用して、計算されることができる。特に、（Ｆ２）は、電力モジュールｊ、すなわちそれぞれのＤＣ／ＤＣコンバータ１の、電力基準Ｐ_ＰＭｊを計算するために使用される。（Ｆ３）を使用して、電力モジュールｊ、すなわちそれぞれのＤＣ／ＤＣコンバータ１の、電圧基準Ｕ_ＰＭｊが計算され、式中、Ｎは負荷の数であり、Ｕ_{ＰＭ＿ｎｏｍ}は公称電圧を指す。追加で、スイッチング群アクションを確認することができる。ＭＶＤＣバス電流基準も計算することができる。計算は、後に示す式（Ｆ４）で例示的に行われてもよい。

前に言及したように、システムはまた、任意的なバイパス遮断器回路２３を備えてもよい。バイパス遮断器回路２３は、図１１に示すように、各絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ１の入力端子内に例示的にレイアウトされる。各絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ１のバイパス遮断器２３を使用して、コンバータを一時的に非稼働中にして、低すぎる入力ＤＣ電圧を回避して、高効率での動作を保証する。いくつかの動作の場合において、絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ１の電力差は、非常に大きい。したがって、いくつかのコンバータは、低い入力ＤＣ電圧で動作し、それゆえに低い動作効率を有する。この状況を回避するために、ＤＣ／ＤＣコンバータ１のうちのいくつかは、それらのものであるバイパス遮断器２３を閉じることによって、停止される。動作しているＤＣ／ＤＣコンバータ１は、より均一な電力要求及び入力ＤＣ電圧を得ることになる。しかしながら、バイパス遮断器２３は、トポロジにおいて任意的である。バイパス遮断器２３はまた、協調コントローラ２４によって制御されてもよい。

図１３は、バイパス遮断器２３の機能を有するそれぞれのフローチャートを示す。それぞれの式（Ｆ１）～（Ｆ４）は、前述されている。最大電力モジュール電圧と最小電力モジュール電圧との差ｍａｘ（Ｕ_ＰＭｊ）－ｍｉｎ（Ｕ_ＰＭｊ）が閾値電圧Ｕ_ｔｒｉｇを超過しない限り、図１２による通常動作が行われる。しかしながら、Ｕ_ｔｒｉｇが超過される場合、バイパス遮断器回路２３は、それぞれの電力モジュール、すなわちＤＣ／ＤＣコンバータをバイパスするように活性化され、負荷の数Ｎは、減らされる。

さらに加えて、コントローラ２４、又はステーション制御部は、（電気運搬手段用のＤＣ充電器の場合における）充電ポール２２などの負荷の割当てを取り扱うために設けられてもよい。４つのポール（図１０、ポール２２を参照されたい）を有する例を考えると、ステーション制御部２４は、２つの隣接するＤＣフィード（ＤＣ／ＤＣコンバータ１）を、解放されているように維持することを試みる。すなわち、ポール１がＤＣ１出力に接続された後、次の運搬手段は、（例えば、ポール３の上方の、ポール３が占有されているか又は接続されないことを指示する赤色灯と、ポール２及び４の上方の、それらが利用可能であることを指示する緑色灯とを有する信号灯を介して）ポール２又は４のいずれかに接続される。このようにされる場合、第２の運搬手段を接続した後、２つの隣接するＤＣフィードは、急速充電に利用可能である。１つのＤＣ出力において無負荷である必要は、ない。すべての充電器が使用されるのではない状況では、タイスイッチを隣接するＤＣ出力に接続することができ、負荷を共有することができる。前の通りの４ポールシステムでは、充電ポール１及び２が動作中であるとき、ＤＣ１からＤＣ４へのタイスイッチは、閉じられることができ、ＤＣ２とＤＣ３との間のタイスイッチは、閉じられることができる。これによって、すべてのＤＣ出力が負荷される。ポール１及び３が活性であり、かつ新しい運搬手段が入ってくるのであり、その後にそれは１つのＤＣ出力の電力で充電されることができるだけであろうという、状況で運転している場合でも、関連するタイスイッチを閉じることによって、１又は３のうちのより高く負荷されるポールの負荷を、解放されている残りのＤＣ出力と共有することができるであろう。

電力分配ユニットはまた、前の例において提示されているように、他の電力分配グリッド及び他の負荷又はソースと組み合わされてもよい。

本開示によれば、複数の入力及び出力を最適な効率で取り扱う能力がある、改良された電力再分配グリッドが提供される。

本開示は、対応する方法も包含する。
したがって、本開示は、並列接続されたコンバータに基づく、柔軟で非常に効率的な電力グリッドを提供する。実施形態によれば、並列接続されたコンバータは、単段絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータである。接続された負荷の個別の電圧制御を達成するために、ＳｉＣＭＯＳＦＥＴに基づく、エネルギーストレージ素子及びエネルギー・ソース・コンバータが、実施形態に従って使用される。個別の負荷のための電力分配ユニットは、インフラストラクチャの効率的な使用、及び可用性の向上を可能にする。革新的な電力分配及び収集グリッドの全体的なエネルギー管理は、電気エネルギーコストの最高の効率及び制御を可能にする。したがって、グリッドは、接続されるソース及び負荷、並びに特に非対称的な負荷にかかわりなく、安定状態に維持されることができる。

他の態様、特徴、及び利点は、前の概要から、並びに図及び特許請求の範囲を含む以下の記述から、明らかであろう。

本開示は、図面及び上述の記述において詳細に例示及び記述されているが、そのような例示及び記述は、例示又は例示的であり、かつ制限的ではないと考えられるべきである。以下の特許請求の範囲の範囲内で、通常の知識を有する者によって変更及び修正がなされ得ることが理解されよう。特に、本開示は、前述及び後述の異なる実施形態からの特徴の任意の組合せを有するさらなる実施形態に及ぶ。

さらに加えて、特許請求の範囲において「備え（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という語は、他の要素又はステップを除外せず、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は、複数を除外しない。単一のユニットは、特許請求の範囲に記載された数個の特徴の、機能を果たしてもよい。属性又は値に関連する「本質的に」、「約」、「およそ」などの用語は、特にまた、それぞれ厳密に属性を又は厳密に値を規定する。特許請求の範囲における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てはならない。

Claims

電力グリッドであって、
並列に接続された複数のＤＣ／ＤＣコンバータを備える変換段を備え、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータのうちの少なくとも１つが、それぞれの前記ＤＣ／ＤＣコンバータの電圧を制御するように構成された電圧制御部を備える、単段絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータであり、
前記変換段の前記ＤＣ／ＤＣコンバータのうちの少なくとも１つが、並列に接続された少なくとも２つのＤＣ／ＡＣコンバータと、ＤＣ出力を提供するように構成されたＡＣ／ＤＣコンバータと、を備え、前記少なくとも２つのＤＣ／ＡＣコンバータ、及び前記ＡＣ／ＤＣコンバータが、並列の前記ＤＣ／ＡＣコンバータを前記ＡＣ／ＤＣコンバータに結合するための、変圧器ユニットに接続されるように構成される、電力グリッド。
少なくとも１つのコンバータを備える他の変換段をさらに備え、前記他の変換段が、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの並列接続部の上流に接続され、
特に、前記並列接続部がＤＣバスである、請求項１に記載の電力グリッド。
前記他の変換段の前記少なくとも１つのコンバータのうちの少なくとも１つが、ダイオード若しくはサイリスタ整流器を備える一方向ＡＣ／ＤＣコンバータであり、
及び／又は
２レベル若しくは３レベルトポロジ若しくはモジュラー・マルチ・レベル・コンバータすなわちＭＭＣトポロジに基づく双方向ＡＣ／ＤＣコンバータである、
請求項２に記載の電力グリッド。
前記ＤＣ／ＤＣコンバータのうちの少なくとも１つが、ＤＣ入力をＡＣに変換するように構成された直列スイッチを備えるＤＣ／ＡＣコンバータと、
ＤＣ出力を提供するように構成されたＡＣ／ＤＣコンバータと、を備え、
前記ＤＣ／ＡＣコンバータ及び前記ＡＣ／ＤＣコンバータが、変圧器ユニットに接続されるように構成され、
前記変圧器ユニットが、前記ＤＣ／ＡＣコンバータを前記ＡＣ／ＤＣコンバータに結合するように構成される、先行する請求項のいずれか１項に記載の電力グリッド。
前記電力グリッドが、少なくとも１つのＤＣ電流制限及び／又は遮断ユニットをさらに備える、先行する請求項のいずれか１項に記載の電力グリッド。
前記少なくとも１つのＤＣ電流制限又は遮断ユニットが、前記変換段の前記ＤＣ／ＤＣコンバータのうちの少なくとも１つに位置付けられるか、又は
ＤＣ／ＤＣ変換段の前記変換段の上流に位置付けられる、請求項５に記載の電力グリッド。
少なくとも１つの需要家負荷に電力を分配するように構成された、電力分配ユニットをさらに備え、
前記電力分配ユニットが、特に、前記変換段の少なくとも２つのＤＣ／ＤＣコンバータの出力を前記需要家負荷に対して接続又は断路するように構成された、前記変換段のＤＣ／ＤＣコンバータごとの少なくとも１つのスイッチを備える、先行する請求項のいずれか１項に記載の電力グリッド。
前記電力分配ユニットが、前記変換段の出力を接続又は断路するように構成された、コンバータごとの複数のスイッチを備え、スイッチの数が、負荷の数に対応する、請求項７に記載の電力グリッド。
前記電力分配ユニットが、前記電力グリッドに接続された負荷及び／又はソースに応じて電力を分配するように前記少なくとも１つのスイッチを制御するように構成された、制御ユニットをさらに備え、
特に、前記制御ユニットが、前記電力グリッドに接続された負荷及び／又はソースに応じて前記変換段の複数の前記コンバータの出力電圧の割当てを管理するように構成される、請求項７又は８のいずれか１項に記載の電力グリッド。
前記電力グリッドが、可変速ヒートポンプシステム、ハイパースケールデータセンタ、分散バッテリ・エネルギー・ストレージ、物理的に分散若しくは配列されたＤＣ充電器、又は再生可能エネルギーソース若しくはそれらの任意の組合せのうちの、少なくとも１つに接続可能である、先行する請求項のいずれか１項に記載の電力グリッド。
先行する請求項のいずれか１項に記載の電力グリッドを制御するための方法であって、前記方法が、
並列に接続された単段絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータであって、それぞれの前記ＤＣ／ＤＣコンバータの電圧を制御するように構成された電圧制御部を備える単段絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータを使用してＤＣ入力をＤＣ出力に変換することを含む、方法。
請求項１～１０のいずれか１項に記載の電力グリッドで使用するためのＤＣ／ＡＣコンバータであって、前記コンバータが、ＤＣ入力接続部と、少なくとも２つのコンデンサと、直列に接続された複数のスイッチとを備え、前記スイッチが、ＤＣ入力電圧をＡＣ出力電圧に変換するように構成される、ＤＣ／ＡＣコンバータ。