JP7189384B2 - 分散型発電装置を使用するためのユーティリティメータ - Google Patents

Description

本発明は、ユーティリティメータに関し、特に、分散型発電装置から資源配電網への電力の流れを制御する、統合されたユーティリティメータリング装置に関する。

関連出願
本出願は、２０１６年５月２６日に出願された、発明の名称「分散型発電装置と共に使用するためのユーティリティメータ」を有する米国仮特許出願第６２／３４２，００５号は参照により本明細書に組み込まれる。

電力会社は、顧客に電力を供給する配電網を管理する。典型的には、メータは、グリッドを介して建物に供給される電力を測定し制御する顧客の施設に位置する。メータは、他のメータやユーティリティと通信する通信モジュールと組み合わせられる。通信モジュールは、ＲＦ（高周波）、セルラー（携帯端末）、ＰＬＣ（電力線通信）、又は任意の他の適切な通信技術を介して通信する。

電力を供給することに加えて、グリッドは、集合的に本明細書では「分散型発電装置」と呼ばれる、風力発電機、水力発電機、及び発電機によって生成されるような、顧客施設の装置によって生成された電力を受け入れてもよい。現在、これらの分散型発電装置をグリッドに接続するために使用される装置は、顧客施設に設置された電力量計とは別個のものである。これらは追加の設置と配線が必要となり、グリッドへの接続の複雑さが増大する。このユーティリティは、分散型発電装置又はそれらのグリッドへの接続を制御する能力を有さない場合があり、グリッドの管理が難しくなる。

統合化されたメータリング装置は、インバータとレギュレータ装置、転送スイッチ、ユーティリティメータ、及び分散型発電メータの機能を、１つのデバイスに統合する。統合化されたメータリング装置は、通信モジュール、計測モジュール、インバータ及びレギュレータ装置、及び転送スイッチを備える。太陽電池パネル又は発電機のような、分散型発電装置の出力は、統合化されたメータリング装置の入力に接続される。インバータ及びレギュレータ装置は、グリッドの要件を満たすように、分散型発電装置からの出力を処理する。転送スイッチは、分散型発電装置によって発生されたエネルギーのユーティリティグリッドへの流れを制御する。

計測モジュールは、単一のメータリング装置又は複数のメータリング装置を備える。計測モジュールは、グリッドとの間のエネルギーの流れを監視し、分散型発電装置によって提供されるエネルギーの特性を監視し、転送スイッチを制御することができる。通信モジュールは、インバータ及びレギュレータ、転送スイッチ、又は計測モジュールを制御するための命令が含む通信をネットワークを介して通信する。通信モジュールは、統合計測装置の動作に関する情報と計測モジュールが計測した計測値を、ネットワーク又は中央システム上の他の装置に送信することができる。

これらの例示的な態様及び特徴は、本発明を限定又は定義するためではなく、本出願に開示された発明概念の理解を助けるための例を提供するために記載され、本発明の他の態様、利点、及び特徴は、出願全体を検討した後に明らかになるであろう。

統合化されたメータリング装置を含むメータリング装置の例示的なネットワークを示す。 分散型発電装置を接続するための例示的な統合化されたメータリング装置を示す。 分散型発電装置を接続するための従来技術のシステムを示す。 統合化されたメータリング装置への例示的な接続を示す。 従来のシステムメータの接続を示す。

詳細な説明
本発明は、リソースプロバイダが、リソース分配ネットワーク又はグリッド上に分散型生成デバイスの出力を制御する統合化されたメータリング装置を提供する。統合化されたメータリング装置は、通信モジュール及び計測モジュール、並びにインバータ及びレギュレータ装置及び転送スイッチを備える。リソースプロバイダは、通信モジュールを介して統合化されたメータリング装置と通信し、インバータ及びレギュレータ装置又は転送スイッチを制御する。計測モジュールは、分散型発電装置によってグリッドに供給されるエネルギーを監視し、生成されたエネルギーに関する情報を通信モジュールを介してリソースプロバイダに送信する。統合化されたメータリング装置は、現場での配線を簡素化し、安全性を高め、ユーティリティ通信と制御の一点を提供し、認可されていない分散型発電装置の不正な接続を防止する。

例示的な動作環境
図１は、統合化されたメータリング装置のための例示的な動作環境を示す。無線メッシュネットワークのようなネットワーク１００は、多数のノード１０２～１１６，１２０を備える。各ノード１０２～１１６は、顧客宅内でのリソース消費を測定するための計測モジュールを備える。ノードはまた、ＲＦ（高周波）、セルラー（携帯端末）、ＰＬＣ（電力線通信）又は任意の他の適切な通信技術を用いてネットワーク上で通信するための通信モジュールをまた含む。いくつかのノード１０８，１１２，１１６は、消費電力を測定し、ネットワーク上で通信することに加えて、分散型発電装置１３２，１３４，１３６によって生成されたリソースの入力をユーティリティグリッド（図示せず）上に制御する統合化されたメータリング装置と関連する。一例は、電気グリッドへの電気エネルギーの入力である。図１は、ノード１２０がネットワーク１４０を介して他のデバイスとさらに通信することができることを示す。一実施態様では、ノード１２０は、ヘッドエンドシステム１５０と通信する。

統合化されたメータリング装置
図２は、ユーティリティグリッドと共に使用する例示的な統合化されたメータリング装置２００を示す。統合化されたメータリング装置２００は、顧客の施設をグリッドに接続するとともに、太陽電池パネルアレイのような分散型発電装置２３０をグリッドに接続する。統合化されたメータリング装置は、インバータ及びレギュレータ装置、転送スイッチ、ユーティリティメータ、及び分散型発電メータの機能を１つのデバイスに統合する。

分散型発電装置２３０の出力は、統合化されたメータリング装置２００の入力に接続される。当該出力は、統合化されたメータリング装置に直接接続されてもよく、統合化メータが接続された電気メータソケットに設けられた別個のコネクタに接続されてもよい。例えば、分散型発電装置の出力は、ソーラーパネルのアレイからのＤＣインバータ出力又はＡＣ発電機からのＡＣ出力であってもよい。統合化メータは、統合化発電機が設置され、適切に固定された後に、分散型発電装置の出力を接続するように設計される。

図４は、分散型発電装置を接続するための端子４１２，４１６と、顧客施設又は負荷に接続するための端子４１０，４１４とを含む、例示的な統合化されたメータリング装置の一部を示す。端子４０２及び４０４は、ユーティリティグリッドに接続する。図４に示す統合化されたメータリング装置は、ＡＮＳＩ Ｆｏｒｍ ２Ｓメータに類似するが、図５に示すように、分散型発電装置に接続するための追加の端子及び回路を含む。図４は、統合化されたメータリング装置の全ての構成要素を示すものではないことに留意されたい。

統合化されたメータリング装置のインバータ及びレギュレータ装置２０８は、グリッドの要件を満たす分散型発電装置からの出力を処理する。例えば、インバータ及びレギュレータ装置は、ＤＣ出力をＡＣに変換し、出力の位相を調整し、グリッドの要件を満たすように出力電圧を調整したりする。インバータ及びレギュレータ装置２０８の出力は、転送スイッチ２１０に供給される。転送スイッチ２１０は、分散型発電装置の出力をユーティリティグリッドに接続する。また、転送スイッチは、停電の場合に、分散型発電装置からの送電電力が送電網に入ることを防止する。停電時には、バックフィード電力は、電力線の低下により電力を復旧する作業員にとって安全上の危険をもたらす可能性がある。図２は、転送スイッチがインバータ及びレギュレータ装置とグリッドの間に配置されることを示すが、分散型発電装置からグリッドへのエネルギーの流れを制御する限り、他の場所に配置することができる。

統合化されたメータリング装置は、計測又は計量（メータリング）機能を提供する計測モジュール２０４を備える。例示的な計量機能は、分散型発電装置によって供給されたエネルギーをユーティリティグリッドに監視するステップと、敷地内で使用されるエネルギーを監視するステップと、ユーティリティグリッドに送達される、又はユーティリティグリッドから受信される正味エネルギーを監視するステップとを含む。計測モジュールは、単一のメータリング装置又は複数のメータリング装置を含む。分散型発電装置によって生成されるエネルギーに関する情報を含む計量情報は、通信モジュールを介してユーティリティに提供されてもよいし、メータの出力装置に表示されてもよく、表示装置などの表示装置に表示される。計測モジュールはまた、分散型発電装置又はユーティリティグリッドによって提供されるエネルギーの特性を監視することができ、その特性はワット数、ＶＡＲ、又はＶＡ、高調波又は全高調波歪みを含むが、これらに限定されない。例えば、図２は、計測モジュールが転送スイッチ２１０の出力を監視することを示す。計測モジュールは、スイッチ制御装置２０６を介して転送スイッチを制御することができる。例えば、計測モジュールが商用電源の損失を検出した場合、計測モジュールは、分散型発電装置からの電力がグリッドに入ることを防止するために、転送スイッチを制御することができる。

計測モジュールは、インバータ及びレギュレータ装置の構成要素を制御することもできる。例示的なアクションには以下が含まれる。計測モジュールが過電圧又は過小電圧状態を感知した場合、計測モジュールは、電圧を制御するためにインバータからの出力電圧を上昇又は下降させることができる。計測モジュールが電圧が設定可能な限界を超えているか、もしくは下回っているときは、計測モジュールをグリッドから切断させてもよい。計測モジュールはまた、電圧が負荷の設定可能な限度を超えているか、又は設定可能な限度を超えているときは、顧客負荷を切断することもできる。計測モジュールは、分散型発電装置によって供給されるアンペア数に対して構成可能な限界を使用することができ、これにより、分散型発電装置によって供給されるアンペア数がグリッド又は負荷の供給限界を超える場合、計測装置は、アンペア数を制限してもよいし、分散型発電装置を停止してもよい。

統合化されたメータリング装置はまた、隣接するメータ又はコレクタなどの、ネットワーク上の他の装置と通信する通信モジュール２０２を含む。通信モジュールは、ユーティリティ発電機によって供給されるエネルギー、施設によって使用されるエネルギー、ユーティリティグリッドに送達される又はそれから受け取られる正味のエネルギー、装置の状態、又はユーティリティ又はネットワーク上の他の装置への他の情報を送信する。通信モジュールは、インバータ及びレギュレータ、転送スイッチ、又は計測モジュールを制御するための命令を含む、ネットワークを介してユーティリティからの通信を受信する。一例では、ヘッドエンドシステムは、命令を通信モジュールに送信し、通信モジュールは、インバータ、レギュレータ、分散型発電装置によってグリッドに供給される電力を制御するスイッチコンポーネントを制御する。

通信モジュールは、インバータ及びレギュレータ装置を制御することができる。場合によっては、制御は通信モジュールによって受信された命令に基づく。通信モジュールによって受信される例示的な命令は、以下を含む。
・レギュレータ設定の設定（レギュレータの最小及び最大出力電圧、最大出力電流制限、最小グリッド電圧及び、転送スイッチを開く前の継続時間を指定する）。
・レギュレータ設定の取得。
・レギュレータのステータスを取得する（レギュレータインバータ入力電圧、グリッド出力電圧、動作状態、電圧・電流制限状態、転送スイッチ状態）。
・レギュレータのイベント履歴を取得する。
・クリアレギュレータのイベント履歴。
・分散エネルギー応答（ＤＥＲ）イベント－電流をグリッド上に限定して、あらかじめ定義されたＤＥＲ制限に戻す。

通信モジュールは、レギュレータと通信、また施設のローカルインテリジェント負荷制御スイッチ又は負荷制御スイッチ及び他のインバータのグループと通信することで、所定のＤＥＲ限界内でエネルギーをグリッドに戻すように局所マイクログリッドを構成する。

統合化されたメータリング装置の通信モジュール及び計測モジュールは、１つ又は複数の処理装置及びメモリを備える。処理装置は、本明細書で説明される動作を実行するために、コンピュータ可読媒体に格納されたコンピュータ実行可能命令を実行してもよく、コンピュータ可読媒体上に格納された情報にアクセスしてもよい。通信モジュールと計測モジュールは図２では別々のモジュールとして示されるが、モジュールは、統合されてもよく、又は統合化されたメータリング装置の他の構成要素と組み合わされてもよい。統合化されたメータリング装置の他の実施形態は、図２に示されたものとは異なる、又は追加のモジュール及び構成要素を使用することができる。例えば、一実施例では、計測モジュールは３つのメータリング装置を含む。１つのメータリング装置がインバータ及びレギュレータ装置に関連付けられ、第２のメータリング装置が施設負荷に関連付けられ、第３のメータリング装置は、ユーティリティグリッドとの間で授受されるＮＥＴエネルギー（例えば、インバータ及びレギュレータ装置で測定されたエネルギーと施設負荷によって消費されたエネルギーとの間の差）を測定するＮＥＴメータリング装置に関連づけられる。各メータリング装置は、電圧、電流、ワット時、ボルトアンペア、ボルトアンペア又はその他の測定パラメータを提供することができる。いくつかの実施例では、インバータ及びレギュレータ装置は、分散型発電装置のタイプに応じて、インバータのみ又はレギュレータのみを含むことができる。

通信モジュール及び計測モジュールは、有線又は無線接続を介して統合化されたメータリング装置の他の構成要素を制御することができる。

統合されたメータリング装置のためのハウジングは、インバータ及びレギュレータの構成要素は、従来の電力メータの構成要素よりも多くの熱を放散し得るために、改善された熱管理を提供する。従来のユーティリティメータ用のハウジングは、典型的には、プラスチック又はガラスを使用し、これらは熱伝導率が低い。統合されたメータリング装置用のハウジングは、金属を含むことができ、追加の熱を処理するための金属フィンを含むことができる。一例では、ハウジングはアルミニウムフィンを含む。

施設に配置された構成要素を制御することによって、分散型発電装置によって提供される電力を遠隔制御する能力は、従来技術に対する改良である。図３は、２個のメータを含む従来技術のシステムを示す。ユーティリティメータ３００は、ユーティリティグリッドと顧客施設との間に接続され、分散型発電装置とユーティリティメータとの間に別個の分散型発電メータ３２０が接続される。

分散型発電装置３３０の出力は、インバータ及びレギュレータ装置３０８に接続される。インバータ及びレギュレータ装置３０８の出力は、転送スイッチ３１０に接続される。転送スイッチはまた、分散型生成メータ３２０にも接続される。インバータ及びレギュレータ装置３０８の制御は、有線又は無線で行われ、電圧及び電流の設定点及び限界を満たすように装置内の構成要素を制御することを含むことができる。分散型発電メータ３２０の出力は、ユーティリティメータ３００の施設側に接続される。ユーティリティメータ３００は、ユーティリティグリッド及び施設に接続される。

ヘッドエンドシステムは、図３のインバータ及びレギュレータ装置と通信することができない。ヘッドエンドシステムは、ユーティリティメータ３００内に位置する通信モジュールに命令を送信することができるが、通信モジュールは、インバータ及びレギュレータ装置又は転送スイッチを指示し、他の方法で制御したりすることができない。図３に示す構成では、より多くの物理的なスペースが必要で、より多くの設備と追加の労力の必要性のために一般に高価である。また、改ざんや不適切な配線のリスクが高くなる。

本発明の要旨は、その特定の態様に関して詳細に記載されるが、それは高く評価され、当業者であれば、前述のことを理解すると、このような態様に対する変更、変形、及び同等物を容易に生成することができる。したがって、本開示は、限定ではなく例として提示され、本主題に対するそのような変更、変形、及び／又は追加の包含を排除するものではなく、当業者には容易に明らかであろうことが理解されるべきである。

Claims (18)

1. 統合化されたメータリング装置を動作させるための方法であって、
   前記方法は、
   ユーティリティグリッドに接続するためのグリッドインターフェース、施設負荷に接続するための施設インターフェース、及び分散型発電装置に接続するための分散型発電装置インターフェースを提供することによって、前記統合化されたメータリング装置が、前記ユーティリティグリッド、前記施設負荷、及び前記分散型発電装置を接続するステップと、
   計測モジュールが、前記グリッドインターフェースから前記施設インターフェースに供給されるエネルギーを監視するステップと、
   前記分散型発電装置インターフェースが、前記分散型発電装置の出力を受信するステップと、
   インバータ及びレギュレータ装置が、前記分散型発電装置の出力を処理し、前記インバータ及びレギュレータ装置から転送スイッチに処理された出力を提供するステップと、
   前記計測モジュールが、前記転送スイッチを制御して、処理された出力を前記グリッドインターフェースに提供するステップと、
   前記計測モジュールが、前記転送スイッチから前記グリッドインターフェースに供給されるエネルギーを監視し、前記転送スイッチから前記グリッドインターフェースに供給されるエネルギーに関する情報を通信モジュールに提供するステップと、
   前記通信モジュールが、前記転送スイッチから前記グリッドインターフェースに配信されたエネルギーに関する情報を含む通信を、外部ネットワークを介して行うステップとを含み、
   前記インバータ及びレギュレータ装置、前記転送スイッチ、前記計測モジュール、及び前記通信モジュールは、前記統合化されたメータリング装置のハウジング内に配置される、
   方法。
2. 前記計測モジュールが、前記転送スイッチから前記グリッドインターフェースに供給されるエネルギーを監視するステップは、ワット数、ＶＡＲ、ＶＡ、高調波、又は全高調波歪みに関連するエネルギーの少なくとも１つの特性を監視することを含む、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記計測モジュールが、前記転送スイッチから前記グリッドインターフェースに供給されるエネルギーを監視するステップは、電圧を監視し、前記電圧に基づいて前記インバータ及びレギュレータ装置内のインバータ構成要素の出力電圧を制御することを含む、
   請求項１記載の方法。
4. 前記方法はさらに、
   前記通信モジュールが、前記外部ネットワークを介して命令を受信するステップと、
   前記通信モジュールが、前記命令に基づいて前記インバータ及びレギュレータ装置を制御するステップとを含む、
   請求項１に記載の方法。
5. 前記インバータ及びレギュレータ装置が、分散型発電装置の出力を処理するステップは、前記処理された出力の位相が前記分散型発電装置の出力の位相から調整されるように位相調整を行うことを含む、
   請求項１に記載の方法。
6. 前記方法はさらに、
   前記計測モジュールが、ユーティリティ電力の喪失を検出し、前記ユーティリティ電力の喪失を検出することに応答して、前記分散型発電装置からの電力が前記ユーティリティグリッドに入力されるのを防止するように、前記転送スイッチを制御するステップを含む、
   請求項１に記載の方法。
7. 前記計測モジュールが、前記インバータ及びレギュレータ装置に関連する第１のメータリング装置、施設負荷に関連する第２のメータリング装置、及びＮＥＴメータリング装置である第３のメータリング装置を含み、
   前記方法はさらに、
   前記ＮＥＴメータリング装置が、前記ユーティリティグリッドに供給される、又は前記ユーティリティグリッドから受け取られる正味のエネルギーを計測するステップを含む、
   請求項１に記載の方法。
8. 統合化されたメータリング装置を動作させる方法であって、
   前記方法は、
   ユーティリティグリッドに接続するためのグリッドインターフェース、施設負荷に接続するための施設インターフェース、及び分散型発電装置に接続するための分散型発電装置インターフェースを提供することによって、前記統合化されたメータリング装置が、前記ユーティリティグリッド、前記施設負荷、及び前記分散型発電装置を接続するステップと、
   計測モジュールが、前記グリッドインターフェースから前記施設インターフェースに供給されるエネルギーを監視するステップと、
   前記分散型発電装置インターフェースが、前記分散型発電装置の出力を受け取るステップと、
   インバータ及びレギュレータ装置が、前記分散型発電装置の出力を処理し、処理された出力を転送スイッチに提供するステップと、
   通信モジュールが、転送スイッチを制御して、前記インバータ及びレギュレータ装置から前記グリッドインターフェースに処理された出力を提供するステップと、
   前記計測モジュールが、前記グリッドインターフェースに供給されるエネルギーを監視し、前記グリッドインターフェースに供給されるエネルギーに関する情報を前記通信モジュールに提供するステップと、
   前記通信モジュールが、前記グリッドインターフェースに配信されたエネルギーに関する情報を含む通信を、外部ネットワークを介して行うステップとを含み、
   前記インバータ及びレギュレータ装置、前記転送スイッチ、前記計測モジュール、及び前記通信モジュールは、前記統合化されたメータリング装置のハウジング内に配置される、方法。
9. 前記計測モジュールが、前記グリッドインターフェースに供給されるエネルギーを監視するステップは、ワット数、ＶＡＲ、ＶＡ、高調波、又は全高調波歪みに関連するエネルギーの少なくとも１つの特性を監視することを含む、
   請求項８に記載の方法。
10. 前記計測モジュールが、前記グリッドインターフェースに供給されるエネルギーを監視するステップは、電圧を監視し、前記電圧に基づいて前記インバータ及びレギュレータ装置内のインバータの構成要素の出力電圧を制御することを含む、
    請求項８に記載の方法。
11. 前記方法はさらに、
    前記通信モジュールが、前記外部ネットワークを介して命令を受信するステップと、
    前記通信モジュールが、前記命令に基づいて前記インバータ及びレギュレータ装置を制御するステップとを含む、
    請求項８に記載の方法。
12. 前記インバータ及びレギュレータ装置が、前記分散型発電装置の出力を処理するステップは、前記処理された出力の位相が前記分散型発電装置の出力の位相から調整されるように位相調整を行うことを含む、
    請求項８に記載の方法。
13. 前記方法はさらに、
    ユーティリティ電力の喪失を検出するステップと、
    前記分散型発電装置からの電力が前記ユーティリティグリッドに入力されるのを防止するように、上記転送スイッチを制御するステップとを含む、
    請求項８に記載の方法。
14. 統合化されたメータリング装置であって、
    前記統合化されたメータリング装置は、
    ハウジングと、
    グリッドインターフェースが、前記統合化されたメータリング装置をユーティリティグリッドに接続するように構成された第１の複数の端子を含むグリッドインターフェースと、
    施設インターフェースが、統合化されたメータリング装置を施設負荷に接続するように構成された第２の複数の端子を含む施設インターフェースと、
    分散型発電装置インターフェースが、前記統合化されたメータリング装置を分散型発電装置に接続するように構成された第３の複数の端子を含む分散型発電装置インターフェースと、
    前記分散型発電装置インターフェースに接続されたレギュレータと、
    前記レギュレータの出力と前記グリッドインターフェースとに接続された転送スイッチと、
    前記分散型発電装置から前記グリッドインターフェースに供給されるエネルギー、及び前記グリッドインターフェースから前記施設インターフェースに供給されるエネルギーを測定するための計測モジュールと、
    外部ネットワークを介して前記レギュレータを制御するための命令を受信するように構成された通信モジュールとを備え、
    前記レギュレータ、前記転送スイッチ、前記計測モジュール、及び前記通信モジュールは、前記ハウジング内に配置される、
    統合化されたメータリング装置。
15. 前記統合化されたメータリング装置はさらに、
    前記分散型発電装置インターフェースと前記レギュレータとの間に接続されるインバータを備える、
    請求項１４に記載の統合化されたメータリング装置。
16. 前記計測モジュールは、前記レギュレータ及び前記インバータに関連する第１のメータリング装置と、前記施設負荷に関連する第２のメータリング装置と、前記ユーティリティグリッドに供給され又は前記ユーティリティグリッドから受け取る正味エネルギーを測定するように構成された第３のメータリング装置とを含む、
    請求項１５に記載の統合化されたメータリング装置。
17. 前記通信モジュールは、前記外部ネットワークを介して命令を受信し、前記命令に基づいて前記レギュレータを制御するようにさらに構成される、
    請求項１４に記載の統合化されたメータリング装置。
18. 前記通信モジュールは、前記外部ネットワークを介して命令を受信し、前記命令に基づいて前記転送スイッチを制御するようにさらに構成される、
    請求項１４に記載の統合化されたメータリング装置。

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