KR102379687B1 - 에너지를 집약 및 공급하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

에너지를 집약 및 공급하기 위한 장치 및 방법은 다수의 전력 소스들로부터 전력 모듈에 공급되는 제1 유형의 전기 전력을, 장래 사용을 위한 저장 디바이스에, 또는 전기 부하에, 또는 지역 또는 중앙 유틸리티 그리드에 반전된 전력을 전달하기위해 전력 모듈들의 출력에서 제2 유형의 전기 전력으로 반전시키기 위한 복수의 전력 모듈들을 포함한다. 전력 마이크로 컨트롤러는 각각의 전력 모듈들에 의해 수용 및 내장되며 각각은 전력 반전 동작들을 제어하도록 구성된다. 전력 마이크로 컨트롤러들은 에너지 저장 디바이스의 저장 용량을 증가시키기 위해 복수의 전력 모듈들 각각으로부터 제어된 충전 및 방전 펄스들을 생성하도록 구성된다. 제어 마이크로 컨트롤러는 적어도 하나의 에너지 저장 디바이스 내의 전압 레벨들을 모니터링하도록 그리고 에너지 저장 디바이스 내의 전압을 재밸런싱하도록 구성된다.

Description

에너지를 집약 및 공급하기 위한 장치 및 방법
관련 응용 프로그램에 대한 상호 참조
[0001] 본 출원은 둘 모두가 "에너지를 집약 및 공급하기 위한 방법 및 장치"라는 발명의 명칭으로 2018년 4월 17일자로 출원된 미국 특허 출원 제 15/954,993 호 및 2017년 4월 18일자로 출원된 미국 가출원 제 62/486,654 호를 우선권으로 주장하고 각각의 전체 내용이 본 명세서에 참조로 포함되는 국제 특허 출원이다.
[0002] 본 발명은 일반적으로 전기 에너지를 집약, 발전 및 공급하는 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 다수의 그리고 다양한 발전 소스들로부터의 이러한 에너지를 집약하고, 발전된 에너지를 조절 및 제어하며, 발전된 에너지를 독립적으로 부하에 최적으로 공급하거나, 또는 발전된 에너지를 유틸리티 그리드에 공급하거나 발전된 에너지를 부하 및 유틸리티 그리드 둘 모두에 공급하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 명세서에서는 본 발명의 장치를 때때로 "에너지 서버" 또는 간단히 "서버"로 지칭한다.
[0003] 최근에는, 기후 변화 및 지구 온난화의 악영향은 깨끗하고 풍부한 에너지 소스로서의 재생 가능 에너지에 대한 관심의 증대로 이어졌다. 화석 연료 기반의 전기 에너지 발전으로부터 재생 가능한 발전으로 전환하기 위한 세계적인 노력이 진행되고 있다. 그러나, 이러한 전환에는 극복할 필요가 있는 중대한 기술적, 정치적, 지정학적 난제들이 있다.
[0004] 재생 가능한 에너지는 전세계 어디에서나 풍부하게 이용 가능하다. 그러나, 재생 가능 에너지는 간헐적이고 디스패치 불가능(non-dispatchable)하고(이는, 필요에 따라 켜거나 끌 수 없음을 의미함) 지역 및 재생 가능 에너지 유형에 따라 하루 동안 제한된 양의 시간 동안만 이용 가능하다.
[0005] 그러나, 공동체들 및 세계의 에너지 요건들은 일반적으로 하루 24 시간 안정적인 전기를 지속적으로 공급하기 위한 것이다.
[0006] 여러 기존의 전기 네트워크들은 현재 하루 24 시간 안정적인 전기를 지속적으로 공급하도록 설계되어 있다. 그러나, 이들의 설계는 일반적으로 예측 가능한 에너지 소스들과 하루 24 시간 이용 가능한 디스패치 가능한 발전을 기반으로 한다.
[0007] 그리드 네트워크(grid network)는 하루 24 시간 이용 가능한, 예측 가능하고 디스패치 가능한 발전을 위해 설계되기 때문에, 네트워크를 확장하기 위해 많은 양의 자본이 필요하고 인프라를 구축하기 위해 오랜 리드 타임(lead time)이 필요하다는 제한들을 가지며, 이들의 상호 의존성은 네트워크의 광범위한 영역들이 동시에 실패하고 주요 유지보수 및 유지 요건들이 발생한다.
[0008] 이러한 제한들, 특히 요구되는 대규모 자본 지출의 필요성으로 인해, 세계에는 여전히 전기에 대한 어떠한 또는 적절한 접근도 할 수 없는 약 13 억 명의 사람들이 존재한다.
[0009] 따라서, 기존 그리드 인프라의 제한들 및 재생 가능한 발전의 고유성을 극복하기 위해, 전기가 동일한 위치에서 발전 및 소비되는 것을 가능하게 하는 분산 에너지 솔루션들이 개발되어야 한다. 이러한 솔루션들은 재생 가능한 발전 기술들, 이를테면, 태양광 발전("PV"), 풍력, 에너지 저장(배터리), 및 하루 24 시간 연속적인 안정된 전기의 발전, 조절, 제어 및 전송할 수 있는 제어 시스템으로 구성되어야 한다.
[0010] 이 문제에 대한 솔루션은 집약될 서로 다른 발전 소스들 및 조절되고 제어되는 발전된 에너지를 제공하는 데 있는 것으로 여겨진다. 그 다음, 집약된 에너지가 비발전(non-generation) 시간 동안의 가용성을 위해 에너지 저장 시스템에 공급될 수 있다. 따라서, 부하가 관리될 것이다.
[0011] 현재, 유틸리티 그리드와 같은 다른 발전 시스템들, 다양한 유형의 에너지 저장 장치들을 포함하는 다수의 재생 가능한 에너지 소스를 AC 및/또는 DC 출력을 갖는 단일 시스템에 결합시킴으로써 이러한 솔루션들을 구축하려는 시도들이 이루어지고 있다. 이를 위해서는 일반적으로 각각의 개별 에너지 발전 소스를 중앙 컨트롤러에 연결하고, 부하 프로파일을 모니터링하고 적절한 소스로부터의 에너지를 디스패치하는 복잡한 소프트웨어를 설계하고, 다양한 에너지 소스들, 컨트롤러 및 부하 사이의 다중 통신 프로토콜들을 관리하도록 요구하다. 이러한 통합에는 일반적으로 각각의 배치에 맞게 특화된 복잡한 소프트웨어가 필요하다. 이러한 배치들이 양산되고 있지만, 이러한 배치들은 화석 연료들로부터 재생 가능 기반 에너지 네트워크로의 적절한 전환에 대한 요구들을 충족시키기에는 부적절하다.
[0012] 화석 연료들을 대체하기 위해, 제어 전자 장치들은 그리드 네트워크가 현재 제공하는 모든 기능을 제공할 뿐만 아니라 안정적이고 연속적이며 탄력적인 전력을 제공해야 한다. 따라서, 네트워크를 동작시키는데 필요한 모든 특징들이 본 발명의 서버에서 설계되고 이용 가능하므로, 서로 최적으로 동작하게 된다는 것에 주목하는 것이 중요하다. 에너지 서버는 일반적으로 다른 제조업자들로부터 제공되는 여러 하드웨어 시스템들 및 소프트웨어 구성 요소들을 제거함으로써, 비호환성 위험을 제거하여 상이한 제품들로 구성된 솔루션보다 더 안정적이고 탄력적인 솔루션을 제공한다.
[0013] 위의 내용에 부합하고 본 명세서에 구현되고 광범위하게 설명되는 본 발명에 따르면, 다수의 다양한 발전 소스로부터 에너지를 집약하고, 발전된 에너지를 조절 및 제어하고, 발전된 에너지를 독립적으로 부하에 최적으로 공급하거나 유틸리티 그리드에 발전된 에너지를 공급하거나 또는 발전된 에너지를 부하 및 유틸리티 그리드 양쪽 모두에 공급하는 장치 및 방법이 당업자가 본 발명을 제조하고 이용할 수 있도록 적절히 상세하게 설명된다.
[0014] 구체적으로, 본 발명은 에너지를 집약하고 공급하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 장치는 장래 사용 용도로 저장하기 위한 전력 모듈들 각각의 출력에서 다수의 이종 전력 소스들로부터 상기 전력 모듈들에 공급되는 제1 유형의 전기 전력(예를 들어, DC 전력)을 제2 유형의 전기 전력(예를 들어, AC 전력)으로 반전시키기 위한 복수의 전력 모듈들 또는 전기 부하를 구동하거나 중앙 또는 지역 그리드로 전송하기 위한 복수의 전력 모듈들을 포함한다. 제1 버스 바(busbar)(예를 들어, DC 버스 바)는 다수의 이종 전력 소스들과 연결되고, 또한 제1 유형의 전기 전력을 제공하기 위한 복수의 전력 모듈들과 연결된다. 제2 버스 바(예를 들어, AC 버스 바)는 상기 전력 모듈들로부터 상기 제2 유형의 전기 전력을 수신하고 목적지에서의 사용을 위해 상기 제2 유형의 전기 전력을 이용 가능하게 하는 복수의 전력 모듈들 각각의 출력에 연결된다. 전력 마이크로 컨트롤러는 상기 전력 모듈들 각각에 의해 수용되고 내장되며, 각각의 전력 마이크로 컨트롤러는 상기 전력 모듈들의 전력 반전 동작들을 제어하도록 구성된다. 방전 마이크로 컨트롤러는 적어도 하나의 에너지 저장 디바이스의 저장 용량을 증가시키기 위한 제어된 충전 및 방전 펄스들을 생성하도록 추가로 구성된다. 제어 모듈은 상기 복수의 전력 모듈들과 연결되고, 인터페이스는 외부 디바이스들과의 통신을 수행하기 위해 제어 모듈과 연결될 수 있다. 서버 외부의 적어도 하나의 에너지 저장 디바이스는 그들의 출력으로부터의 전기 에너지를 수신하기 위한 복수의 전력 모듈들과 통신할 수 있다. 적어도 하나의 에너지 저장 디바이스는 전력 모듈로부터 출력된 에너지를 수신 및 저장하기 위한 복수의 셀을 또한 구비할 수 있다. 충전 모듈 및 충전 모듈에 의해 지원되는 방전 마이크로 컨트롤러는 적어도 하나의 에너지 저장 디바이스를 지속적으로 모니터링하기 위한 알고리즘 기반 펄스 폭 변조기("PWM")에 의해 구성된다. 전력 마이크로 컨트롤러들은 에너지 저장 디바이스의 저장 용량을 증가시키기 위한 제어된 충전 및 방전 펄스들을 상기 복수의 전력 모듈들로부터 생성하도록 구성된다. 제어 마이크로 컨트롤러는 제어 모듈에 의해 수용되고 제어 모듈 내에 통합되고 적어도 하나의 에너지 저장 디바이스와 연결되며, 제어 마이크로 컨트롤러는 적어도 하나의 에너지 저장 디바이스 내의 전압 레벨들을 결정 및 모니터링하기 위해 또한 상기 적어도 하나의 에너지 저장 디바이스 내의 전압을 재밸런싱하기 위해 구성된다. 센서 디바이스들은 상기 적어도 하나의 에너지 저장 디바이스와 접촉하는 위치에 있어 상기 적어도 하나의 에너지 저장 디바이스 내의 전압 레벨들을 지속적으로 감지하며, 상기 센서들은 감지된 데이터를 공급하기 위해 제어 마이크로 컨트롤러와 통신한다. 통신 및 자동화 모듈("CAM")은 제어 모듈에 의해 지원되며 제어 마이크로 컨트롤러와 통신한다. CAM은 제어 마이크로 컨트롤러의 모니터링 및 인터페이싱을 위한 또한 센서들에 의해 모니터링 및 검출되는 서버 내의 이벤트들에 응답하기 위한 프로그램 가능한 드라이 출력을 갖는다.
[0015] 본 발명의 방법은 제1 버스 바(예를 들어, DC 버스 바)를 통해 다수의 개별 소스들로부터 제1 유형의 전기 전력(예를 들어, DC 전력)을 수신하는 단계, 전력 모듈의 출력에서 상기 제1 유형의 전기 전력을 제2 유형의 전기 전력(예를 들어, AC 전력)으로 반전시키기 위해 복수의 전력 모듈들에 상기 제1 유형의 전기 전력을 지향시키는 단계, 상기 제2 유형의 전기 전력을 상기 전력 모듈들로부터 복수의 전력 모듈들과 연결된 제2 버스 바(예를 들어, AC 버스 바)에 전달하는 단계, 및 상기 전력 모듈로부터의 제2 유형의 전기 전력을 전기 부하, 저장 디바이스, 또는 국가 또는 지역 그리드 시스템과 같은 사용 가능한 위치 또는 에너지 저장 디바이스에 이용 가능하게 하는 단계를 포함한다. 본 방법은 각각의 상기 전력 모듈들 내에 내장된 전력 마이크로 컨트롤러를 통해 전력 모듈들의 다양한 동작들을 제어하는 단계를 또한 포함하고, 상기 전력 마이크로 컨트롤러는 제어를 수행하도록, 또한 전력 모듈들과 연결된 제어 모듈을 통해 상기 전력 모듈들을 제어 및 동작시키도록 구성된다. 제어 모듈은 상기 제어 모듈에 의해 그리고 상기 제어 모듈 내에 수용된 제어 마이크로 컨트롤러를 구비한다. 제어된 충전 및 방전 펄스들을 생성하는 단계는 상기 전력 모듈로부터 수행되어 상기 에너지 저장 디바이스의 저장 용량을 증가시킨다. 본 방법은 에너지 저장 디바이스 내의 전압 레벨을 감지하는 단계, 상기 에너지 저장 디바이스 내의 전압을 재밸런싱하도록 구성된 제어 마이크로 컨트롤러에 감지된 전압 레벨을 공급하는 단계, 상기 제어 마이크로 컨트롤러에 의해 상기 감지된 전압 레벨들을 모니터링하는 단계, 및 감지된 데이터에 기초하여 래깅 또는 리딩 파워 팩터를 검출하고 및 상기 리드 또는 래그를 보정하는데 요구되는 커패시턴스 또는 인덕턴스를 충전하는 단계를 더 포함하며, 제어 마이크로 컨트롤러는 상기 에너지 저장 디바이스에 연결되어 있고 상기 모니터링하는 단계를 위해 구성된다. 그리고 본 방법은 상기 제어 모듈에 의해 지원되고 상기 제어 마이크로 컨트롤러와 통신하는 통신 및 자동화 모듈("CAM")을 통해 센서들에 의해 모니터링되는 서버 내의 이벤트들을 모니터링하고 응답하는 단계를 포함한다.
[0016] 본 발명의 다른 특징들, 실시예들 및 양태들이 이하에 본원에서 추가로 설명된다.
[0017] 본 발명의 특징들 및 장점들은 첨부 도면들과 함께 고려될 바람직한 실시예들에 대한 다음의 상세한 설명에 의해 보다 완전하게 개시되거나 명백해질 것이며, 첨부 도면들 내에서 유사 번호들은 유사한 부품들을 지칭하며 추가로:
[0018] 도 1은 본 발명의 섀시(chassis) 지지 요소들 및 모듈들의 정면도이고;
[0019] 도 2는 본 발명의 원리들을 구현하는 전체 시스템 아키텍처를 도시한 개략도이고;
[0020] 도 3은 도 2의 시스템의 일 양태를 도시하는 부분 개략도이고;
[0021] 도 4(a) 및 도 4(b)는 중간 또는 고전압 라인들을 갖는 시스템을 사용할 때 본 발명에 포함된 전압 전환 변압기들의 개략도이고;
[0022] 도 5는 본 발명의 제어 모듈과 통신하기 위한 범용 전환기로서 통신 및 자동화 모듈("CAM(Communication and Automation module)")을 도시하고;
[0023] 도 6은 본 발명에서 사용되는 정적 스위칭 회로의 회로도이고;
[0024] 도 7은 본 발명에서 사용되는 AC-DC 정류기를 나타내는 회로도이고;
[0025] 도 8은 도 1에 도시된 섀시의 AC 입력 버스 바, AC 출력 버스 바, DC 버스 바 및 통신 버스 바를 연결하기 위해 본 발명에서 사용되는 인버터 (전력) 모듈의 개략도이고;
[0026] 도 9는 본 발명의 전력 모듈에 있어서의 배열 및 연결들의 개략도이고;
[0027] 도 10은 도 8에 도시된 인버터 모듈이 도 1에 도시된 섀시에 플러깅될 때의 기동 시퀀스를 나타내는 흐름도이고;
[0028] 도 11은 도 8에 도시된 인버터 모듈의 회로도이고; 그리고
[0029] 도 12는 래깅 또는 리딩 파워 팩터의 보정을 수행하기 위한 요소들을 도시하는 회로도이다.
[0030] 다음의 개시 내용은 본 발명의 상이한 특징들을 구현하기 위한 실시예들 또는 예들을 포함한다. 본 개시 내용을 단순화하기 위해 구성 요소들 및 배열체들에 대한 특정 예들이 아래에 설명된다. 이들은 물론 예들일 뿐이며 제한하려는 것은 아니다. "결합된", "연결된" 및 "상호 연결된"과 같은 전기적 커플링 등에 관한 용어는 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 개재된 구조물들을 통해 직접 또는 간접적으로 구조물들이 서로 통신하는 관계를 지칭한다. 간략화를 위해, 본 명세서에서 논의되고 설명된 참조된 디바이스들, 구조물들 및 요소들 사이 및 이들 사이의 모든 연결들 및 통신 링크들은 첨부 도면들에 실제로 나타내지 않거나 도시되지 않을 수 있거나, 이러한 연결들 또는 링크들이 도면들에 나타나도록 할 수 없기 때문에 도시되어 있지 않을 수 있다. 그러나, 당업자는 본 명세서에서의 설명 및 이들이 설명된 맥락으로부터 이러한 연결들 및 링크들의 존재를 이해하고 인식할 것이다. 또한, 본 개시 내용은 다양한 예들에서 참조 번호들 및/또는 문자들을 반복할 수 있다. 이 반복은 단순성 및 명확성을 위한 것이며, 그 자체가 논의된 다양한 실시예들 및/또는 구성들 간의 관계를 지시하지는 않는다.
[0031] 첨부 도면들과 함께 아래의 설명은 상이한 유형들의 입력들 및 저장 매체들로부터의 에너지를 집약, 관리, 전환, 반전 및 제어하기 위한 본 발명의 에너지 서버(10)의 예시적인 예를 도시하고 설명한다. 서버는 모듈식 설계로 인해 완전히 유연하고 확장 가능하며 아래 설명된 고유한 특징들을 포함한다.
[0032] 먼저 도 1을 참조하면, 섀시(100)는 본 발명의 에너지 서버(10)를 위한 인프라 플랫폼으로서 기능하고, 본 발명의 다양한 모듈들 및 요소들을 수용하고 지지하기 위한 슬롯들(102)을 갖는 케이싱(casing)(또는 "랙(rack)")(101)을 포함한다. 예시적인 본 발명의 일 실시예에서, 랙(101)의 슬롯들에는 다음의 시스템 모듈들: 모니터 모듈(103); 충전기 모듈(104); 및 전력 모듈들(105)(다수의 전력 모듈들(105)이 제공될 수 있음)이 지지되어 있다. 서지 보호 디바이스들(106 및 107)은 전력 라인들에서 보호를 위해 각각의 모듈들에 또한 제공될 수 있다. 추가적인 시스템 보호를 위해 입력, 출력 및 바이패스 회로 차단기들(108, 109 및 110)이 또한, 각각 입력, 출력 및 바이패스 라인들에 (아래에서 논의되는 바와 같이) 제공될 수 있다. 전력 모듈들(105)(때로는, 본 명세서에서는 "인버터 모듈들" 또는 "인버터"라고도 함)은 1/4 사이클 당 16 비트들에서 동작하는 기존 인버터들에 비해 1/4 사이클 당 1024 비트들의 매우 높은 분해능에서 동작하도록 구성된 사인파 곡선을 갖는다. 밴드갭 갈륨 질화물 디바이스들(GaN FET라고도 함)의 사용으을 통해 그리고 1/4 사이클 당 1024 비트의 매우 높은 분해능을 가진 사인파를 생성하도록 GaN 디바이스들의 사용을 가능하게 하기 위해 전력 모듈 내의 마이크로 컨트롤러를 구성함으로써 전계 효과 트랜지스터("FET") 디바이스들의 이러한 고속 스위칭이 이루어진다.
[0033] 실리콘(Si) 기술은 거의 모든 종래의 저전력 열전자 디바이스들 및 전자 기계 디바이스들을 대체했지만, 기본적인 재료 한계들은 고전력 애플리케이션들에서의 그의 사용을 중단시켰다. GaN 디바이스들이 현재 고전력 애플리케이션에 사용 가능하다. GaN 디바이스들의 장점들에는 히트 싱크 요건들의 감소; 시스템 부피 및 무게의 80 % 감소; 단극 디바이스들에 대한 낮은 전압 강하; 출력 전력의 증가; 과도 특성들 및 스위칭 속도의 개선; 더 작은 시스템 패키지로 인한 전기 소음의 감소; 거의 제로의 복원 비용으로 인한 전기 노이즈의 감소가 있다.
[0034] 전력 모듈은 최대 250 %를 처리하는 전류 인버터에 비해 반응성 부하들(reactive load)에 의해 발생되는 최대 1000 %의 매우 높은 토크 부하를 처리한다. 모든 반응성 부하들에 의해 생성된 높은 토크 부하들은 (위에서 설명한) 고분해능 사인파의 특성들을 결합하고 높은 입력 DC 전압들(384VDC - 1200VDC)에서 동작함으로써 처리된다. 전력 모듈 DC 대 AC 효율은 반응성 부하들에 있어서는 96 % 이상, 저항 부하들에 있어서는 99 % 이상으로 매우 높다. (위와 같은) 고속/저손실 스위칭과 높은 동작 DC 전압(384VDC - 1200VDC)을 결합함으로써 이러한 고효율들이 달성된다.
[0035] 전력 모듈(105)은 DC 전력 대 AC 전력의 인버터로서 주로 기능한다. 도 9는 전력 모듈(105)의 배열 및 연결들을 개략적으로 도시한다. 따라서, 전력 모듈(105)은 전력 모듈의 동작들을 제어하도록 구성된 마이크로 컨트롤러 유닛("MCU")(903)을 포함한다. 입력 동작 전압은 전압 및 검사 요소(902)를 통해 MCU(903)에 공급되며, 이는 3 상 메인 전기 입력(901)으로부터의 동작 전압과 함께 공급된다. 입력(901)은 정류된 전압을 고조파 필터(905)에 공급하는 정류기 스위치(904)에 전압을 또한 공급한다. 고조파 필터(905)는 전압 변동들을 제한하고 전력 모듈의 동작들을 개선하도록 구성된다. 이러한 필터들은 상업적으로 공지되어 있으며 이용 가능하다. 이어서, 필터(905)는 전압 신호를 정류하기 위한 6 또는 12 펄스 정류기(906)를 공급한다. MCU(903)는 정류기 스프링 회로(907)를 통해 정류기의 동작을 제어하도록 구성된다. 이어서, 정류된 전압 신호는 정류기(906)로부터, MCU(903)로 공급하기 위한 버스 필터(908)와, 서버 외부의 배터리들(260)과 부하에 직접 연결된 그리드 외부 인버터(911) 양쪽 모두에 전력을 공급하는 DC 버스 필터(910)로 공급된다. DC 버스 필터(910)로부터의 전력은 또한 배터리 전압 및 회로 제어 버스 보호 유닛(912)에 전력을 공급한다. 이어서, 배터리 전압 및 회로 제어 버스 보호 유닛(912)은 MCU(903)로 피드백하며, 이는 차례로, 충전 전압 회로 제어 보호부(913) 및 입력 전압 디폴트 위상 정류기(914)를 동작시킨다. 배터리들(260)은, 예를 들어, 멀티 셀 화학 배터리를 포함한 다양한 유형일 수 있다.
[0036] 정상 동작 동안에, 그리드 네트워크로부터의 AC 전력은 AC 입력(901)에 공급되고 정류기 스위치(904), 필터(905), 정류기(906), 이어서 버스 바(910)를 통해 인버터(911) 및 부하(280) 또는 외부 배터리(260)로 진행된다. 이 시간 동안에, 내부 MPPT에 의해 제어되는 PV 에너지는 배터리(260)를 충전하기 위해 전력을 공급한다. 예를 들어, 그리드의 정전으로 인해 그리드를 이용 가능하지 않은 경우에, 시스템은 태양광 컨트롤러(solar controller)를 통해 태양광(920)으로부터 에너지를 생산하는 외부 PV 패널로부터 배터리 및 PV로, 그 다음에 부하에 전력을 공급하기 위해 부하(280)로 공급을 끊김없이 이동시키거나, 또는 시스템은 공급을 배터리(260)로 그리고 그 다음에 부하로 끊김없이 이동시키므로, 지속적인 전력 공급을 보장한다. 충분한 PV 입력과 그리드 전력이 이용 가능한 일광 시간 동안에, 태양 전지 패널들로부터 전력이 공급될 것이고, 그리드 입력이 대기 상태에 있으면서, 임의의 잉여 전력으로 부하에 공급하기 위해 그리고 그 다음에 배터리(260)를 동시에 충전하기 위해 최대 전력 공급 조건으로 태양광 컨트롤러에 의해, 조정될 것이다.
[0037] 또한 그리드 전력이 이용 가능한 야간 시간 동안에, 외부 배터리(260)(일광 시간 동안 PV 태양 전지 패널들로부터 충전됨)로부터 전력이 공급될 것이며, 이는 미리 설정된 값(긴급 사용을 위한 예비력을 가짐)으로 방전된다. PV 패널이 다음 날 발전을 시작하기 전에 배터리(260)가 완전히 방전되면, 시스템은 그리드로 자동 전환되어 PV 입력이 다시 시작될 때까지 부하에 전력을 공급할 것이다. 배터리를 충전하기에는 햇빛이 충분하지 않지만, 그리드 전력이 이용 가능한 흐린 날/비오는 날에는, 먼저 PV 태양 전지 패널들에 의해 전력이 공급될 것이고, 임의의 잉여분은 동시에 배터리(260)를 충전할 것이다. PV 전력을 더 이상 사용할 수 없는 경우에, 배터리는 사전 설정된 값(긴급 사용을 위한 예비력을 유지함)으로 방전될 때까지 부하(280)에 전력을 공급할 것이고, 그 후에 시스템은 자동으로 그리드로 전환하여 부하에 전력을 공급할 것이다. 그리드를 사용 가능하지 않은 할 수 없는 밤에는, 배터리 전력이 사용될 것이다.
[0038] 유지보수 기간 동안에, 그리드로부터의 전력은 부하(208)에 전력을 공급하기 위해 바이패스 스위치를 통해 공급될 수 있다.
[0039] 도 1에서는 쉽게 보이지 않지만, 도 2에 도시된 바와 같이, 섀시(100)는 케이싱(랙)(101)에 의해 지지되는 제어 모듈(201)뿐만 아니라 AC 입력 버스 바(202), AC 출력 버스 바(203), DC 버스 바(204) 및 통신 버스 바(205)를 또한 포함한다. 제어 모듈(201)은, 아래의 본원에서 더 설명되는 바와 같이, 랙(101) 내에서의 별도의 요소로서 장착될 수 있는 통신 및 자동화 모듈(CAM)(205)을 포함한다. 상술한 바와 같이, 실제로, 다양한 기능 모듈들이 섀시(100)에서의 지지를 위해 슬롯들(102)에 삽입되고, 안전 나사(도시되지 않음)를 통해 버스 바들에 연결되고, 제어 모듈(201)에 의해 제어 및 동작된다.
[0040] 제어 모듈(201)은 상이한 프로토콜들을 갖는 외부 디바이스들 또는 시스템들과의 통신을 수행하기 위한 인터페이스(220)(예를 들어, 그래픽 사용자 인터페이스)와 통신한다. 인터페이스(220)는 USB, RS232, RS485 및 드라이 콘택트(dry contact)와 같은 기계 통신부들에서 통신 프로토콜들에 대한 공지의 산업 표준을 사용한다.
[0041] 각 버스 바는 열 회로 차단기들(108, 109 및 110)을 통해 입력 또는 출력에 연결된다. 전류, 전압 및 온도 센서들(207, 208 및 209)은 각각 이들 버스 바들 상에서 연결되어 데이터를 제어 모듈(201)에 제공한다. 통상적인 바와 같은 냉각 팬들 및 에어컨들과 같은 다른 디바이스들(도시되지 않음)은 또한, 에너지 서버의 유형 및 크기에 따라 냉각 용도로 섀시(100) 내에 설치될 수 있다.
[0042] 하나 이상의 전력 모듈들(105)(태양광 전력 모듈(210), 풍력 전력 모듈(211), 그리드 전력 모듈(212) 및 디젤 발전기("DG") 전력 모듈(213)을 포함할 수 있음)은 케이싱(101)에 의해 수용된 섀시(100)에서 또한 지지된다. 전력 모듈들은 (도 9와 관련하여 도시되고 설명된 바와 같이) 입력 전압을 반전시킨 다음 적어도 하나의 외부 배터리(예를 들어, 배터리(260)) 및 부하(280)가 그 공급 전력을 사용 가능하게 한다. 부하(280)는 반응성 또는 저항의 임의 유형의 AC 부하이며, 모든 개별 입력(AC/DC) 에너지 소스들로부터 구동된다. 태양광 및 풍력 모듈들은 표준 최대 전력 지점 추적("MPPT") 기능 외에도 표준 Lead Acid/AGM/Gel/LiFePo4 배터리들의 저장 용량을 40 % 증가시키고, 사이클 수명에 영향을 미치지 않으면서 100 % 방전 깊이(depth-of-discharge)에서 수퍼 커패시터, 납산 또는 리튬 이온 배터리의 동작을 가능하게 한다. (현재의 태양광 충전 컨트롤러들과 풍력 충전 컨트롤러들에는 이러한 기능을 갖지 않는다). 태양광 또는 풍력 모듈들 각각에 의해 수용된 마이크로 컨트롤러는 제어된 맥동 충전 및 방전 버스트 세트를 짧은 지속기간에 구동하는 알고리즘에 의해 구성된다. 태양광 또는 풍력 모듈들 내의 마이크로 컨트롤러에 의해 모니터링되고 제어되는 이러한 활동은 화학 배터리(그러나 납산, AGM 및 젤 배터리들의 경우에만) 내부의 전해질의 이온 밀도를 증가시켜, 그의 저장 용량이 증가시킨다. 저장 용량을 증대시킬 경우의 추가 이점은 사이클 수명에 영향을 미치지 않고 100 % 방전 깊이에서 배터리를 안전하게 동작시킬 수 있다는 것이다.
[0043] 편의상, 단 하나의 배터리(260)만이 도 2에 도시되어 있지만, 본 명세서에서 "배터리(260)" 또는 "배터리" 또는 "상기 배터리"를 언급하는 경우에, 함께 연결된 복수의 배터리들, 또는 서버(10)에 직렬 및 병렬로 연결된 배터리 어레이를 포함하는 것으로 의도된다는 것을 쉽게 이해할 수 있다. 이러한 배터리들은 복수의 셀들(262)을 또한 구비할 수 있다. 연결된 어레이에서의 개별 배터리들은 제조 공차로 인해 불균형 충전 상태로 발전하며, 이는 불균형 배터리들이 시간이 지남에 따라 손상되게 할 수 있다. 배터리의 손상을 방지하기 위해, 서버는 셀 센서들(261)을 통해 어레이 내의 각각의 개별 셀의 상태를 지속적으로 모니터링하고, 과충전 상태(overcharged state)인 셀들로부터 전하를 인출함으로써 그리고 충전 부족 상태(undercharged state)인 셀들에 전하를 공급함으로써 셀 각각에 대한 밸런싱을 행한다. 센서들(261)은 모든 셀의 전압, 온도 및 내부 저항을 모니터링하고 그 데이터를 RS484 통신 라인(265)을 통해 배터리 저장 모듈(214) 내의 마이크로 컨트롤러에 전달하여 셀들의 밸런싱을 제어한다.
[0044] 각 배터리(260)는 방전 마이크로 컨트롤러(231)에 의해 제어되고, 충전 모듈(230)에 의해 지지되며, 셀 전압을 지속적으로 모니터링하고 이를 배터리 내의 다른 셀들과 비교하는 알고리즘 기반 펄스 폭 변조기("PWM")에 의해 구성된다. 과충전의 불균형이 검출되면, 방전 컨트롤러는 과충전 셀로부터 전하를 인출하고 이를 가장 낮게 충전된 셀에 다시 공급되는 컨트롤러에 연결된 보조 배터리 셀에 공급한다. 이러한 방식으로 능동 배터리 밸런싱이 이루어진다.
[0045] (3 상 440V 50Hz; 3 상 220V 60Hz; 1 상 220V 50Hz; 또는 1 상 110V 60Hz와 같은 다양한 구성들 또는 실시예들에 있어서의) AC 입력 버스 바(202)는 1500V AC 아이솔레이터들(219)을 통해 섀시(100) 내에 장착되고, 모듈 슬롯들 내의 마이크로 스위치 커넥터들(113)을 통해 다양한 모듈들 및 다른 시스템 요소들에 연결된다(도 1 참조). 따라서 AC 입력 버스 바(202)는 격리되고 다양한 모듈들은 핫 스왑 가능(hot swappable)(본 명세서에서 사용되는 "핫 스왑 가능"이라는 표현은 섀시 또는 시스템을 동작적으로 셧다운하지 않고 모듈을 제거하거나 설치할 수 있음을 의미함)하다. AC 입력 버스 바(202)는 2 초 동안 정격 용량(kW)의 2 배의입력을 일정 부하로서 또한 정격 용량(kW)의 10 배의 입력을 순간 부하로서 처리할 수 있다. 이러한 버스 바들은 당업계에 잘 알려져 있으며 전기 및 전자 분야의 소비자들이 상업적으로 이용 가능하다.
[0046] 서버(10)에 연결된 다양한 이종 전력 입력들(태양, 풍력, 터빈, 디젤 발전기, 그리드, 지열, 배터리 또는 임의의 다른 AC 또는 DC 소스)은 미리 결정된 비율로 혼합되어, 조절된 전력 품질의 출력으로 전달될 수 있다. 서버의 내부 커패시터 저장부뿐만 아니라 이러한 모든 입력 에너지 소스들(예를 들어, AC, DC, 배터리)은 인버터들을 구동하는 1차 소스인 공통 DC 버스 바(204)에서 조절된다. 제어 모듈에 의해 수용되는 중앙 제어 마이크로 컨트롤러("제어 마이크로 컨트롤러") 201.1에 의해 시그널링되는 바와 같이, 하나의 에너지 소스를 다른 에너지 소스로 전송하는 경우, 배터리 및/또는 커패시터 저장부는 소스들 간의 전송이 완료될 때까지 DC 버스 바에 중간 에너지를 제공한다. 결과적으로, 전환하는 동안에 인버터가 완전히 통전 상태를 유지하므로 소스들 간의 스위칭은 끈김없이 그리고 사실상 즉각적이다.
[0047] 제어 모듈(201)의 제어 마이크로 컨트롤러 201.1는 전력 모듈들의 출력 연결들 및 이에 따라, 부하(208)와 통신한다. 제어 마이크로 컨트롤러 201.1의 제어 로직은 회로 부하 상의 래깅 또는 리딩 파워 팩터를 검출하고 파워 팩터 보정을 수행하도록 구성된다. 도 12를 참조하면, 터미널 표기법 201.1에 의해 도 12에 상징적으로 도시된 제어 마이크로 컨트롤러 201.1는 서버에서의 내장형 단일 대형 커패시터(C-1) 또는 인덕터(L-1)를 정확하게는 래그/리드를 보정하는 데 요구되는 커패시턴스 또는 인덕턴스로 충전하도록 또한 구성된다. 커패시터(C-1) 또는 인덕터(L-1)는 정확한 커패시턴스 또는 인덕턴스를 공급하여 래그 또는 리드를 보정한다. 커패시턴스 또는 인덕턴스 값은 제어 마이크로 컨트롤러 201.1에 의해 결정되고 구현된 IGBT-1 및 IGBT-2의 스위칭에 의해 제어된다.
[0048] 제어 마이크로 컨트롤러 201.1의 제어 로직은 반응성 부하들에 의해 생성되는 공진 고조파 주파수들을 지속적으로 검출 및 분석한다. 이어서, R, L, C(저항기, 인덕터, 커패시터) 값들을 계산하고 이들 값을 회로(출력 단자들의 부하를 통해 생성된 폐쇄 전류 경로에 의해 형성되는 이러한 회로)에 적용하여 원하지 않는 주파수들을 필터링한다.
[0049] 도 1 및 도 2에는 도시하지 않았지만 도 3에 도시된 바와 같이, 입력 과부하 안전을 위해 적절한 정격의 열 회로 차단기(340)가 AC 입력(301)과 AC 입력 버스 바(202)의 사이에 위치된다. 유사하게, 회로 차단기들(341, 342, 343, 344 및 345)은 AC 출력(302)과 AC 출력 버스 바(203)의 사이, 배터리 입력(303)과 배터리/저장 모듈(214)(섀시(100)에서도 지지될 수 있음)의 사이, 바이패스 입력(304)과 바이패스/전력 모듈(215)의 사이, PV 입력(305)과 태양광 모듈(210)의 사이 및 태양광 입력(306)과 풍력 모듈(211)의 사이에 각각 위치된다. 전압 및 홀 효과 전류 센서들이 또한 버스 바에 설치되어 제어 모듈(201)에 의한 전류 및 전압을 모니터링한다.
[0050] AC 출력 버스 바(203)(3 상 440V 50Hz / 3 상 220V 60Hz / 1 상 220V 50Hz / 1 상 110V 60Hz)는 1500V AC 아이솔레이터들(219)을 통해 섀시(100) 내에 장착되며 모듈 슬롯들(102) 내에서의 도면 부호 113과 같은 커넥터를 통해 다양한 모듈들 및 다른 시스템 요소들에 연결된다. AC 출력 버스 바(203)는 격리되고 모듈은 핫 스왑 가능하다. AC 출력 버스 바(203)는 2 초 동안에 정격 용량(kW)의 2 배의 출력을 일정 부하로서, 정격 용량(kW)의 10 배의 출력을 순간 부하로서 처리할 수 있다. 도 3에 도시된 적절한 정격의 열 회로 차단기(341)는 출력 과부하 안전을 위해 AC 출력(302)과 AC 출력 버스 바(203)의 사이에 위치된다. 전압, 홀 효과 전류 및 기타 센서들(예를 들어, 센서(207, 208 및 209), 도 1 참조)도 버스 바에 설치되어 제어 모듈에 의한 전류 및 전압을 모니터링한다.
[0051] DC 버스 바(204)는 또한 1,500V DC 아이솔레이터들(219)을 통해 섀시(100) 내에 장착되고 모듈 슬롯들(102) 내의 도면 부호 113과 같은 커넥터들을 통해 다양한 모듈들 및 다른 시스템 요소들 또는 디바이스들에 연결된다. DC 버스 바(204)는 격리되고 모듈은 핫 스왑 가능하다. DC 버스 바(204)는 2 초 동안에 정격 DC 용량(kW)의 2 배의 출력을 일정 부하로서, 정격 DC 용량(kW)의 10 배의 출력을 순간 부하로서 처리할 수 있다. 전압 홀 효과 전류 및 기타 센서들(예를 들어, 센서들(207, 208 및 209), 도 1 참조)는 버스 바에 위치되어 제어 모듈에 의한 전류 및 전압을 모니터링한다.
[0052] 4 와이어 이중 통신 버스 바(205)는 섀시(100)의 모든 모듈 슬롯(102) 내의 커넥터(113)에 연결되고 다양한 모듈들 간의 통신을 위한 채널이다.
[0053] 이하는 섀시 모듈(100)에 설치된 입력 및 출력 커넥터들이다: AC 입력(301); AC 출력(302); 배터리 입력(303); 저장 입력(DC); 바이패스 입력(AC)(304); PV 입력(DC)(305); 풍력 모듈에서의 풍력 입력(DC/AC); 및 발전기 입력(AC)(바이패스 입력이 발전기 입력으로도 사용됨).
[0054] 모든 입력 및 출력은, 도 3에 도시된 바와 같이, 과부하 보호를 위해 회로 차단기들(340-345)을 통해 설치된다.
[0055] 다양한 시스템 모듈들 및 다른 시스템 요소들을 수용 및 지지하기 위한 섀시(100)의 랙(101) 내의 각각의 슬롯들은 마이크로 스위치 커넥터(113)를 수용한다. 이 마이크로 스위치(113)는 삽입된 모듈 내의 특정 안전 나사가 조여지면 눌려진다. 마이크로 스위치(113)가 눌려지면, 전기 신호가 제어 모듈(201)에 전송되고 삽입된 모듈에 대한 데이터를 제공하고 이에 의해 제어 모듈이 삽입된 모듈의 초기화 프로세스를 개시할 수 있게 하고, 이를 시스템 내의 동작 모듈들과 동기화시킨다. 슬롯들에 모듈들을 삽입하고 슬롯들로부터 모듈들을 제거하는 것은 에너지 서버가 동작하는 동안에 수행할 수 있는 끈김없는 동작이며, 지속적인 동작성을 제공하므로 전원 차단을 방지한다.
[0056] 전압 변환 섀시 모듈(250)은 입력 및 출력 동작 전압들이 요구 사항들에 따라 변환될 수 있도록 섀시(250)의 입력 및 출력 각각에 전압 변환 변압기들(251 및 252)을 포함한다. 이는 중간 또는 고전압 라인이 있는 섀시 모듈(250)을 사용할 때 사용된다. 일단 연결되면, 섀시 모듈(250)의 입력 및 출력 전압들은 중간 또는 고전압들로 변환될 수 있다. 도 4(a) 및 도 4(b)는 입력 및 출력 전압들을 각각 변환하기 위한 전압 변환 변압기들(251 및 252)을 개략적으로 도시한다. 도 4(a)에 도시된 예에서, 11KV의 1 차 입력 전압은 입력 전압 변환 변압기(251)에 의해 400V의 2 차 전압으로 강하된다. 도 4(b)에 도시된 예에서, 400V의 1 차 출력 전압은 출력 전압 변환 변압기(252)에 의해 11KV의 2 차 전압으로 승압된다. 본 발명의 일 실시예에서, 전압 변환 변압기들은 서버의 필수 부분이므로, 섀시(250)와 같은 외부 또는 별도의 섀시가 필요하지 않을 것이다.
[0057] 도 5에 개략적으로 도시된 통신 및 자동화 모듈("CAM")(205)은 직렬 포트들(501(RS232), 502(RS485/RS422) 및 503(TCP/IP 이더넷 포트))이 내장된 범용 프로토콜 컨버터이다. CAM은 64 비트 병렬 포트(504)를 통해 제어 모듈(201)과 통신한 다음에 이 통신을 다른 프로토콜들로 전환한다. CAM(205)는 MODBUS, TCP/IP를 통한 MODBUS, RS485를 통한 MODBUS, CANBUS, PROFIBUS 및 S BUS를 지원한다.
[0058] CAM은 또한 사용자 프로그램 가능한 8-포트 드라이 접점 출력(505)을 갖는다. 각각의 포트는 배터리 부족 경보, 시스템 과부하, 배터리 분리, 인버터 셧다운, 정적 바이패스, 그리드 고장, 모듈 고장 등과 같은 서버 전체의 다양한 센서들에 의해 결정된 특정 이벤트에 응답하거나 시스템 내의 임의의 이벤트에 응답하도록 프로그램 가능하다.
[0059] CAM(205)은 또한 시스템에 연결될 수 있는 외부 디바이스들과 통신하기 위한 프로그램 가능한 자동화 기능을 포함한다. CAM(205)의 이 자동화 특징은 동일한 64 비트 포트(505) 상의 제어 모듈(201)과도 통신한다.
[0060] CAM(205)은 섀시(100)에 별도의 슬롯을 갖지만, 제어 모듈(201)의 필수 부분으로서 동작하고, 언플러그되면 제어 모듈(201)이 셧다운을 야기하여, 서버 시스템이 셧다운될 것이다.
[0061] 그리드/충전 모듈(230)은 (i) AC를 DC 전압으로 변환하고; (ii) 양방향 DC-DC 컨버터를 사용하여 배터리(260)를 충전하고; 그리고 (iii) 인버터 고장 및 인버터 재기동시에 바이패스와 인버터의 사이의 정적 스위칭을 행하도록 동작한다.
[0062] 그리드/충전 모듈(230)이 섀시(100) 내의 슬롯에 플러깅되면, 특수한 핫 스왑 가능 커넥터를 통해 버스 바들을 연결하도록 동작한다.
[0063] 그리드/충전 모듈(230)은 다음을 수행하도록 구성된 마이크로 컨트롤러(231)를 포함한다:
(i) DC 버스 바에 입력 DC 전압이 있는지를 검출;
(ii) 안전 나사가 제 위치에 있는지를 검출;
(iii) 입력 DC 전압이 올바른 범위 내에 있는지를 확인;
(iv) 입력 AC 전압이 올바른 범위 내에 있는지를 확인;
(v) 통신 버스 바(205)에 핸드셰이크 신호가 존재하는지를 확인;
(vi) 통신 버스 바(205)를 통해 제어 모듈(201)과 연결;
(vii) 제어 모듈(201)로부터 모듈 번호 할당을 수신; 및
(viii) 제어 모듈과 통신하여 다음 중 하나인 그리드 입력 사용에 대한 명령들을 수신.
a. 그리드 입력을 출력에서 정적으로 스위칭하고 인버터를 셧다운시키는 명령(정적 스위칭 모드); 또는
b. AC-DC 정류기를 스위치 온한 다음, 그리드 입력을 DC로 변환하고 이 DC 전력을 DC 버스 바(204)와 병합하는 명령. DC 전력은 사용자에 의해 프로그래밍된 정책에 따라 병합되고 제어 모듈(201)(AC-DC 정류 모드)에 의해 그리드/충전 모듈(230)과 통신된다; 또는
c. 전류 제한 모드에서 AC-DC 정류기를 스위치 온한 다음, 그리드 입력을 DC로 변환하고 이 DC 전력을 DC 버스 바와 병합하여 인버터(AC-DC 정류 및 전류 제한 모드)에 공급하는 명령.
[0064] 그리드/충전 모듈(230)은 상술한 모드들 중 임의의 모드에서 시작되면, 모드 변경 또는 전류 제한값에 관한 동작 명령들을 수신하기 위해 제어 모듈(201)과 지속적으로 통신한다. 각각의 모드의 동작은 아래에 설명되어 있다.
[0065] 정적 스위칭 모드는 도 6에 도시된 바와 같이, 정방향 및 역방향 연결의 양방향 실리콘 제어 정류기("SCR")의 조합 스위칭을 포함하는 정적 스위치(600)를 통해 달성되며, 이는 또한 PWM 마이크로 컨트롤러(231)에도 연결되어 있다. 단극 이중 통과 모드(부하에 연결된 공통 601, 인버터에 연결된 NC 602(정상 폐쇄 접점), 바이패스 단자에 연결된 NO 603(정상 개방 접점))에서 동작하는 2 개의 SCR 쌍들이 있다. PWM 마이크로 컨트롤러가 제어 모듈로부터 명령들을 수신하면, NC에서 NO 모드로 스위칭한다. NC에서 NO 모드로의 스위칭 시간은 5ms 내에 완료된다. 이 바이패스 스위치 배열은 인버터 고장이나 기타 에너지 소스 고장인 경우에 비상 전원을 부하(280)에 연결하는데 사용되며, 이는 출력에서 전력이 0이 될 수 있다. 정적 바이패스는 부하(280)를 사용자에 의해 정적으로 미리 정의된 에너지 소스로 스위칭한다. 위상 잠금 루프("PLL(Phase Locked Loop)") 동기화 시 스위칭 시간은 4ms이다. 이것은 반도체 정적 디바이스들(SCR ― 실리콘 제어 정류기(Silicon Controlled Rectifier))을 사용하여 이루어진다. 전기 기계식 릴레이는 사용되지 않는다. 수동 바이패스는 사용자가 수동으로 동작시키는 서버의 터미널 포스트 상에서 연결된 전기 기계식 스위치이다. 이 수동 바이패스는 유지보수를 위해 사용될 수 있다. 수동 바이패스가 활성화되면, 전력이 터미널 포스트들로부터 바이패스되고 시스템 내부 어디에서나 유지보수를 수행할 수 있다. 출력 부하에 과부하 또는 단락이 발생한 경우, 서버의 자동 바이패스 기능은 정적 바이패스 스위치를 통해 부하를 그리드로 자동으로 바이패스한다. 그리드가 사용 가능하지 않거나 과부하/단락이 서버 용량의 200 %를 초과하는 경우, 내부 안전 장치가 서버를 셧다운한다. 이 기능은 출력 전류/부하를 모니터링하는 제어 모듈 마이크로 컨트롤러 201.1을 통해 이루어지며, 이것은 과부하 또는 단락을 검출하고 정적 바이패스 스위치에 신호를 보내 인버터로부터 그리드로 직접 부하를 전달하고 그리드 가용성이 없거나 200 % 초과의 과부하의 경우에는 서버를 셧다운한다.
[0066] 스위칭 응답 시간은 5ms, 즉 고장 발생으로부터 백업 전력의 복원까지 카운트된 시간이다. 출력 부하(280)에 과부하 또는 단락이 발생한 경우에, 자동 바이패스 기능은 정적 바이패스 스위치(600)를 통해 부하를 자동적으로 그리드로 바이패스한다. 그리드가 사용 가능하지 않거나 과부하/단락이 서버 용량의 200 %를 초과한 경우에, 내부 안전 장치들(본 명세서에서 설명됨)은 서버를 셧다운시킨다. 이 기능은 출력 전류/부하를 모니터링하는 마이크로 컨트롤러 201.1을 통해 이루어지며, 이는 과부하 또는 단락을 검출하고 정적 바이패스 스위치(600)에 신호를 보내 부하를 인버터로부터 그리드로 직접 전달하고 그리드가 사용 가능하지 않거나 과부하가 200 %를 초과한 경우에 서버를 셧다운시킨다.
[0067] 도 7에 도시된 AC-DC 정류기 모드는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT-7)를 제어하도록 구성된 PWM 마이크로 컨트롤러(701)에 의해 제어되는 도 7에 도시된 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT-7)에 연결된 인덕터-캐패시터 회로("L-C 회로") 필터와 브리지 모드 정류기로 전원을 스위칭하는 PWM 모드로 구성된다. IGBT-7은 전력 인덕터의 DC 전력을 스위칭하고 쇼트 키 정류기(short key rectifier)와 출력 커패시터를 통해 필터링한 후 인덕터로부터 DC 버스 바(204)로 방전 전력을 전달한다. 이 전체 프로세스는 DC 출력에서 전압 및 전류 센서로부터의 피드백과 함께 PWM 마이크로 컨트롤러(701)에 의해 조절된다. L-C 회로는 전기 공진기, 튜닝 포크의 전기 아날로그로서 회로의 공진 주파수에서 진동하는 에너지를 저장하는 역할을 할 수 있다. IGBT는 개발 시에 고효율과 고속 스위칭을 결합한 전자 스위치로서 주로 사용된 3 단자 전력 반도체 디바이스이다.
[0068] AC-DC 정류 및 전류 제한 모드에서, 정류 프로세스는 충전 모듈(230) 내의 마이크로 컨트롤러(231)의 제어 로직에 의해 모니터링되고 전류는 부하 및 배터리 충전 상태("SOC")를 최적화하는 것에 기초하여 제한된다. 제어 로직은 지속적으로 부하 및 배터리 SOC를 체크하고 부하가 안전하게 동작하고 배터리가 과충전되지 않도록 전류를 제한한다.
[0069] 정류 프로세스는 PWM 마이크로 컨트롤러(231)(펄스 폭 변조 기능을 실행함)가 AC 입력 전압에 관한 정보와, AC 입력 전압이 올바른 범위(사용자가 프로그래밍해야 함) 내에 있는지 여부에 관한 정보를 제어 모듈(201)의 제어 마이크로 컨트롤러 201.1로부터 수신한 후에 시작하고 계속된다. AC 입력 전압이 설정 범위를 벗어나는 경우에, 제어 마이크로 컨트롤러 201.1는 프로세스를 셧다운시킨다. AC 입력 전압이 설정 범위로 복귀하면, 제어 마이크로 컨트롤러 201.1는 프로세스를 다시 시작한다.
[0070] 각각의 모듈의 정격 전력은 20kW 또는 50kW 또는 100kW이다. 과부하 이벤트에서는, PWM 마이크로 컨트롤러 201.1가 프로세스를 즉시 셧다운시킨다. PWM 마이크로 컨트롤러 201.1는 60 초 내지 120 초(시간은 사용자에 의해 프로그래밍됨) 이후의 부하 상황을 분석한다. 과부하가 지속되면 수동으로 재설정하지 않는 한 셧다운을 유지한다.
[0071] 도 8에 도시된 전력 모듈(105)(또는, 위에서 언급된 바와 같이 "인버터 모듈")은 핫 스왑 가능 모듈이며 이하의 버스 바들: AC 입력 버스 바(202); AC 출력 버스 바(203); DC 버스 바(204); 및 통신 버스 바(205)와의 접속을 포함한다. 인버터 모듈의 회로도가 도 11에 예시되어 있다. 전력 모듈은 통신 버스 바(205)와 접촉하기 위한 통신 포트(81), 출력 전력을 AC 출력 버스 바(203)에 제공하기 위한 출력 포트(82), DC 버스 바(204)와 접촉하기 위한 DC 입력 포트, AC 입력 버스 바(202)와 접촉하기 위한 AC 입력 포트(84), 바이패스 입력(304)과 접촉하기 위한 바이패스 입력 포트(85) 및 구성 포트(86)를 또한 구비한다.
[0072] 인버터 모듈(201)은 DC 입력 버스 바로부터의 DC 입력을 미리 정의된 주파수(50Hz 또는 60Hz) 및 출력 전압(1 상당(per phase) 90V 또는 110V 또는 220V/240V)의 AC 출력으로 반전시키도록 동작한다. 이어서, 인버터 모듈(201)은 섀시(100)의 AC 출력 버스 바에서 AC 출력을 동기화한다.
[0073] 제1 인버터 (전력) 모듈이 섀시(100)의 슬롯에 플러깅되면, 특수한 핫 스왑 가능 커넥터를 통해 다양한 버스 바들에 연결된다. 시작 시퀀스 프로세스는 도 10에 도시되어 있다.
[0074] 인버터 (전력) 모듈(201)의 MCU(903)는, 단계 1001에서 제1 인버터 모듈이 섀시(100)에 플러깅될 때, 인버터 모듈 내의 MCU(903)가 후속의 추가 단계들을 수행하도록 구성된다. 단계 1002는 DC 버스 바에 입력 DC 전압이 존재하는지 여부를 검출한다. 만약 그렇다면, 안전 나사가 제 위치에 있는지 여부를 단계 1003에서 검출한다. 그렇지 않으면 단계가 반복된다. 만약 그렇다면, MCU(903)는 단계 1004에서 입력 DC 전압이 올바른 범위 내에 있는지 여부를 확인한다. 그리고 나서, 핸드셰이크 신호가 통신 버스 바(205) 상에 존재하는지 여부를 단계 1005에서 확인한다. 다음으로, 단계 1006에서, 통신 버스 바(205)를 통해 제어 모듈(201)과 연결되고 제어 모듈(201)로부터 자신의 모듈 번호 할당을 수신한다.
[0075] 제1 인버터 모듈("모듈 1")이 자신의 모듈 번호 할당을 수신한 후, 모듈 1은 단계 1007에서 위상이 입력 신호의 위상과 관련이 있음을 나타내는 제어 모듈(201)로부터의 위상 잠금 루프("PLL") 신호의 수신을 대기한다. 단계 1008에서 제어 모듈로부터 PLL 신호를 수신하면, MCU(903)는 단계 1009에서 이 인버터 모듈을 기동하고, 단계 1010에서 DC 과전압, DC 부족 전압, AC 과전압, AC 부족 전압 및 AC 동기화 실패에 대해 MCU(903)에 프로그래밍된 안전 점검들에 대한 개시를 인에이블한다.
[0076] 모듈 2… n에 있어서, 그 각각의 MCU는 단계 1011에서 AC 버스 바에서의 동기화(제로 크로싱) 검출을 행하고; 단계 1012에서 제어 모듈(201)로부터 PLL 신호를 수신한 후, 단계 1013에서 이 인버터 모듈을 기동하고; 그리고 단계 1014에서 DC 과전압; DC 부족 전압; AC 과전압; AC 부족 전압; 및 AC 동기화 실패에 대한 안전 알고리즘들을 인에이블한다.
[0077] 오프-그리드 인버터(911)는 부하에 직접 연결된다. 따라서, 부하(280)의 모든 속성들은 인버터들에 의해 직접 처리되어야 한다. 부하가 반응성일 경우에는 이 문제는 장황해진다. 인버터가 이러한 문제들을 처리할 수 있는 유일한 방법은 고분해능 사인파를 사용하는 것이다. 부하의 문제들을 효과적으로 처리할 수 있는 최소 분해능은 1/4 사이클 당 1024 비트라는 것이 밝혀졌다.
[0078] 이 분해능을 달성하기 위해, 사인파 사이클의 모든 사분면에 대해 디지털 신호 프로세서("DSP") 마이크로 컨트롤러(903)가 구성된다. 이어서, 이 신호는 205kHz PWM 듀티 사이클의 주파수에서 양과 음의 DC 라인들 사이를 스위칭하는 브리지 모드로 연결된 질화 갈륨 전력 트랜지스터들이 포함된 파워 드라이브에 전달된다. 그 결과 고분해능 사인파(1/4 사이클 당 1024 비트)가 출력된다. DC 입력은 다음과 같습니다.
● 20kW 정격 모듈 : 300VDC - 420VDC, 최적 전압은 384VDC
● 50kW 정격 모듈 : 500VDC - 725VDC, 최적 전압은 600VDC
● 100kW 정격 모듈 : 1000VDC - 1450VDC, 최적 전압은 1200VDC
[0079] 생성된 사인파는 고분해능이므로, 부하에 의해 생성된 순간 전류들에 의해 왜곡되지 않기 때문에 짧은 지속기간에 높은 토크 부하를 처리할 수 있다. 인버터 모듈의 회로도는 아래의 도 9에 도시되어 있다.
[0080] 과전압 및 부족 전압 보호는 DC 입력의 전압을 지속적으로 모니터링하도록 구성되는 제어 모듈 마이크로 컨트롤러에 의해 제공된다. DC 입력 전압이 최대 또는 최소의 현재 제한값을 초과하면, 제어 모듈 마이크로 컨트롤러는 인버터 모듈을 보호하기 위해 인버터 (전력) 모듈을 셧다운시킨다. 전자식 셧다운이 작동하지 않는 경우에, 고속 블로우 안전 퓨즈 및 회로 차단기(공지되어 있어 미도시)는 그들의 작업을 행한다.
[0081] 과부하 보호는 또한 출력 라인들 상의 센서들로부터의 출력 부하를 지속적으로 모니터링하도록 구성됨으로써 제어 모듈 마이크로 컨트롤러에 의해 제공된다. 구성된 보호에 의해 다음과 같은 과부하 조건이 허용된다.
2 초 동안 최대 1,000 %
다음 8 초 동안 200 %로 감소
[0082] 과부하 상태가 이 프로파일을 넘어서 계속되면, 제어 모듈 마이크로 컨트롤러는 인버터 (전력) 모듈을 즉시 셧다운하여 이를 보호한다.
[0083] 그러나, 과부하가 200 % 이내로 유지되면, 마이크로 컨트롤러의 구성은 알람으로 추가 30 분 동안 동작할 수 있게 한다. 이러한 30 분 동안에, 제어 모듈 마이크로 컨트롤러 201.1는 제어 모듈과 통신함으로써 배터리 저장 상태를 모니터링한다. 배터리 저장 장치가 과부하를 지원할 수 없음을 제어 모듈 마이크로 컨트롤러가 감지하면, 30 분 지속기간 이내에 있더라도, 제어 모듈 마이크로 컨트롤러는 인버터 모듈을 셧다운시킨다.
[0084] 모듈이 섀시에 삽입된 경우에, 그리고 이것이 제1 모듈이 아닌 경우에, 인버터를 스위칭 온하고 동기화하기 전에 제어 마이크로 컨트롤러는 AC 출력 버스 바의 전압을 체크한다. 전압이 설정 제한값 내에 있지 않으면, 인버터가 스위치 온되지 않거나 동기화되지 않고 알람이 발생한다. 이 상태는 제어 모듈에 또한 통신된다.
[0085] 인버터 모듈이 AC 출력 버스 바와 동기화함에 따라, 전류 센서를 통해 양의 전류 상황과 음의 전류 상황을 지속적으로 모니터링한다. 음의 에너지가 역방향으로 흐르는 인버터에 덤핑하는 것이 검출되는 경우에, 동기 오류가 발생한다. 이 상황에서, 제어 마이크로 컨트롤러는 1ms 이내에 적절한 PLL 동기 신호를 얻기 위해 제어 모듈과 통신한다. 이것이 정류되지 않으면, 제어 모듈 마이크로 컨트롤러는 인버터 모듈을 셧다운시켜 인버터 모듈을 보호한다.
[0086] 모든 입력들 및 출력들을 보호하기 위해, 인버터 모듈의 모든 입력들 및 출력들에는 고속 블로우 퓨즈가 연결된다. 위에서 설명한 전자식 셧다운 안전 장치 고장의 경우에 고속 블로우 입력 및 출력 퓨즈들이 모듈을 보호한다.
[0087] 설명된 바와 같이, 3 개의 상이한 마이크로 컨트롤러들은 공통 통신 버스를 통해 서버의 모든 구성 요소들 및 기능들을 동시에 제어한다. 어떤 이유로 인해 하나의 마이크로 컨트롤러가 정지하는 경우에, 워치독(watchdog)은 동일한 머신 사이클 내에서 중복 마이크로 컨트롤러에 제어를 끊김없이 전송하므로 명령 손실이 없고 제어는 중단되지 않은 채로 유지된다. 제3 마이크로 컨트롤러는 항상 백업으로 유지되며 다른 설정들 및 센서들 데이터의 저장을 유지한다.
[0088] 본 발명이 상세하게 도시되고 설명된 현재 바람직한 실시예들과 관련하여 예시되고 설명되었지만, 다양한 변형들 및 구조적 변경들이 본 발명의 사상으로부터 임의의 방식으로 벗어나지 않고 이루어질 수 있기 때문에 도시된 세부 사항들로 제한되는 것은 아니다. 실시예들은 본 발명의 원리들 및 실제 적용을 가장 잘 설명하여 당업자가 고려되는 특정 용도에 적합한 다양한 변형들과 함께 본 발명 및 다양한 실시예들을 최대한 활용할 수 있게 하기 위해 선택되고 설명되었다.

Claims (28)

  1. 에너지를 집약(aggregating) 및 공급하기 위한 장치로서,
    제1 전력 소스로부터 적어도 하나의 전력 모듈에 공급되는 제1 소스 전기 전력을 상기 전력 모듈의 출력에서 제2 유형의 전기 전력으로 반전시키기 위한 적어도 하나의 전력 모듈;
    제1 이종 전력 소스들로부터의 전기 전력을 각각의 추가 전력 소스들의 출력에서 상기 제2 유형의 전기 전력으로 반전시키기 위한 상기 추가 전력 모듈들;
    제1 유형의 전기 전력을 제공하기 위해, 상기 제1 이종 전력 소스들에 연결되고 상기 적어도 하나의 전력 모듈 및 상기 추가 전력 모듈들과 연결된 제1 버스 바(first busbar);
    상기 적어도 하나의 전력 모듈 및 상기 추가 전력 모듈들로부터 상기 제2 유형의 전기 전력을 수신하기 위해 그리고 상기 제2 유형의 전기 전력을 목적지에서 제공하기 위해, 상기 적어도 하나의 전력 모듈 및 상기 추가 전력 모듈들의 출력에 연결된 제2 버스 바;
    상기 전력 모듈들 각각에 의해 수용(carried)되고 그 내에 내장된 전력 마이크로 컨트롤러 ― 상기 전력 마이크로 컨트롤러 각각은 상기 전력 모듈들의 전력 반전 동작들을 제어하도록 구성됨 ― ;
    상기 적어도 하나의 전력 모듈 및 상기 추가 전력 모듈들과 연결된 제어 모듈;
    상기 전력 모듈들의 출력으로부터 전기 에너지를 수신하기 위해 상기 전력 모듈들 각각과 통신하는 적어도 하나의 에너지 저장 디바이스;
    충전 모듈, 및 상기 적어도 하나의 에너지 저장 디바이스를 지속적으로 모니터링하기 위해 알고리즘 기반 펄스 폭 변조기("PWM")에 의해 구성된 상기 충전 모듈에 의해 지지되는 방전 마이크로 컨트롤러 ― 상기 방전 마이크로 컨트롤러는 상기 적어도 하나의 에너지 저장 디바이스의 저장 용량을 증가시키기 위해 제어된 충전 및 방전 펄스들을 생성하도록 추가로 구성됨 ―;
    상기 제어 모듈에 의해 수용되고 그 내에 내장되며, 그리고 상기 적어도 하나의 에너지 저장 디바이스와 연결된 제어 마이크로 컨트롤러; 및
    상기 적어도 하나의 에너지 저장 디바이스와 접촉하게 포지셔닝되고 상기 적어도 하나의 에너지 저장 디바이스 내의 전압 레벨들을 지속적으로 감지하는 전압 센서들
    을 포함하고,
    상기 전압 센서들은 감지된 전압 데이터를 공급하기 위해 상기 제어 마이크로 컨트롤러와 통신하고,
    상기 제어 마이크로 컨트롤러는, 상기 감지된 전압 데이터에 기초하여 상기 적어도 하나의 에너지 저장 디바이스 내의 전압 레벨들을 결정 및 모니터링하도록 그리고 상기 적어도 하나의 에너지 저장 디바이스 내의 상기 전압 레벨을 재밸런싱하도록 구성되고, 또한 감지된 데이터에 기초하여 래깅 또는 리딩 파워 팩터를 검출하도록 그리고 상기 래깅 또는 리딩 파워 팩터를 보정하는 데 필요한 만큼 커패시턴스 또는 인덕턴스를 충전하도록 추가로 구성되는,
    에너지를 집약 및 공급하기 위한 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제어 모듈에 의해 지지되고 상기 제어 마이크로 컨트롤러와 통신하는 통신 및 자동화 모듈("CAM")을 더 포함하고, 상기 CAM은 상기 제어 마이크로 컨트롤러를 모니터링 및 인터페이싱하기 위한 그리고 상기 센서들에 의해 모니터링되고 검출되는 장치 내의 이벤트들에 응답하기 위한 프로그램 가능한 드라이 출력을 갖는,
    에너지를 집약 및 공급하기 위한 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 전력 모듈들은 1/4 사이클 당 1,024 비트의 고분해능에서 동작하기 위해 사인파 곡선으로 동작하도록 구성되는,
    에너지를 집약 및 공급하기 위한 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    1/4 사이클 당 상기 1,024 비트의 고분해능을 인에이블하기 위해 상기 전력 모듈에서 GaN FET가 사용되는,
    에너지를 집약 및 공급하기 위한 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 목적지는 부하 또는 유틸리티 그리드인,
    에너지를 집약 및 공급하기 위한 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 에너지 저장 디바이스는 배터리인,
    에너지를 집약 및 공급하기 위한 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 배터리는 상기 전력 모듈들로부터 출력된 에너지를 수신 및 저장하기 위한 다중 셀 배터리(multi-cell battery)인,
    에너지를 집약 및 공급하기 위한 장치.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 에너지 저장 디바이스는 다중 셀 화학 배터리인,
    에너지를 집약 및 공급하기 위한 장치.
  9. 제6 항에 있어서,
    상기 에너지 저장 디바이스는 리튬 이온 배터리인,
    에너지를 집약 및 공급하기 위한 장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 제어 모듈과 외부 디바이스들의 통신을 수행하기 위해 상기 제어 모듈과 연결된 인터페이스를 더 포함하는,
    에너지를 집약 및 공급하기 위한 장치.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 전력 모듈들 및 상기 제어 모듈과 접촉하여 그들 사이의 통신을 수행하기 위한 통신 버스 바를 더 포함하는,
    에너지를 집약 및 공급하기 위한 장치.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 방전 마이크로 컨트롤러는 셀 센서들을 통해 상기 적어도 하나의 에너지 저장 디바이스의 셀 전압을 지속적으로 모니터링하고, 각각의 상기 셀의 셀 전압을 상기 에너지 저장 디바이스의 다른 셀들의 셀 전압과 비교하도록 추가로 구성되고 그리고 하나의 셀로부터 전하를 인출하여 상기 전하를 충전 부족 셀에 제공하도록 구성되는,
    에너지를 집약 및 공급하기 위한 장치.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 제어 마이크로 컨트롤러는 반응성 부하들에 의해 생성되는 공진 고조파 주파수들을 지속적으로 검출 및 분석하고 저항기, 인덕터 및 커패시터 값들을 계산하여 출력 단자들에서 상기 부하를 통해 생성된 폐쇄 전류 경로에 의해 형성된 회로에 상기 값들을 적용함으로써 원치않는 주파수들을 필터링하도록 추가로 구성되는,
    에너지를 집약 및 공급하기 위한 장치.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전력 모듈은 자신의 동작들을 제어하도록 구성된 전력 마이크로 컨트롤러, 상기 전력 마이크로 컨트롤러에 동작 전압을 제공하기 위한 입력, 상기 입력으로부터 동작 전압을 수신하고 고조파 필터를 통해 상기 동작 전압이 공급되는 정류기를 포함하고, 상기 정류기는 차례로, 정류된 전압을 인버터에 그리고 그 다음에 상기 목적지에 공급하는,
    에너지를 집약 및 공급하기 위한 장치.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 정류된 전압은 버스 필터에 공급되어 상기 전력 마이크로 컨트롤러에 공급되고, 상기 정류된 전압은 상기 전압을 상기 적어도 하나의 에너지 저장 디바이스 및 상기 인버터에 공급하는 DC 버스 필터에 공급되는,
    에너지를 집약 및 공급하기 위한 장치.
  16. 제2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전력 모듈 및 상기 추가 전력 모듈들, 상기 제1 및 제2 버스 바들, 상기 제어 모듈, 상기 충전 모듈, 상기 적어도 하나의 에너지 저장 디바이스, 상기 방전 마이크로 컨트롤러들, 상기 센서들 및 상기 통신 및 자동화 모듈을 내부에 지지하기 위한 지지 섀시(shassis) 및 랙(rack)을 더 포함하는,
    에너지를 집약 및 공급하기 위한 장치.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 전력 모듈들, 상기 제어 모듈, 상기 충전 모듈 및 상기 통신 및 자동화 모듈은 상기 지지 섀시 및 랙 내에서 핫 스왑 가능(hot swappable)한,
    에너지를 집약 및 공급하기 위한 장치.
  18. 제16 항에 있어서,
    입력 및 출력 동작 전압들을 변환하기 위해 상기 지지 섀시 및 랙에 의해 수용되는 전압 변환 변압기들을 더 포함하는,
    에너지를 집약 및 공급하기 위한 장치.
  19. 제5 항에 있어서,
    에너지 소스의 고장의 경우에, 상기 부하에 비상 전원을 연결하기 위해 상기 방전 마이크로 컨트롤러에 연결되는, 정방향 및 역방향 연결의 양방향 실리콘 제어 정류기("SCR")를 갖는 정적 스위치를 더 포함하는,
    에너지를 집약 및 공급하기 위한 장치.
  20. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 유형의 전기 전력은 각각 DC 전력 및 AC 전력이고,
    상기 제1 및 제2 버스 바들은 각각 DC 및 AC 버스 바들인,
    에너지를 집약 및 공급하기 위한 장치.
  21. 제1 항에 있어서,
    다수의 이종 전력 소스들로부터 수신된 전력을 상기 목적지에 선택적으로 공급하기 위한 수단을 더 포함하는,
    에너지를 집약 및 공급하기 위한 장치.
  22. 에너지를 집약 및 공급하기 위한 방법으로서,
    제1 버스 바를 통해 다수의 이종 소스들로부터 제1 유형의 전기 전력을 수신하는 단계;
    복수의 전력 모듈들의 출력에서 상기 제1 유형의 전기 전력을 제2 유형의 전기 전력으로 반전시키기 위해 상기 제1 유형의 전기 전력을 상기 전력 모듈들로 지향시키는 단계;
    상기 전력 모듈들로부터의 상기 제2 유형의 전기 전력을 상기 복수의 전력 모듈들과 연결된 제2 버스 바로 전달하는 단계;
    상기 제2 유형의 전기 전력의 추후 사용을 위한 상기 전력의 에너지 저장을 위해, 상기 전력 모듈들로부터의 상기 제2 유형의 전기 전력을 에너지 저장 디바이스에 제공하게 하는 단계;
    부하를 구동하기 위해, 상기 복수의 전력 모듈들로부터의 상기 제2 유형의 전기 전력을 상기 부하에 제공하는 단계;
    상기 전력 모듈들 각각에 내장된 전력 마이크로 컨트롤러를 통해 상기 전력 모듈들의 동작들을 제어하는 단계 ― 상기 전력 마이크로 컨트롤러는 상기 제어를 수행하도록 구성됨 ―;
    상기 전력 모듈들과 연결된 제어 모듈을 통해 상기 전력 모듈들을 제어 및 동작시키는 단계 ― 상기 제어 모듈은 상기 제어 모듈에 의해 그리고 상기 제어 모듈 내에 수용되는 제어 마이크로 컨트롤러를 가짐 ―;
    상기 전력 모듈들로부터 제어된 충전 및 방전 펄스들을 생성하여 상기 에너지 저장 디바이스의 저장 용량을 증가시키는 단계;
    상기 에너지 저장 디바이스 내의 전압 레벨들을 감지하고 상기 에너지 저장 디바이스 내의 상기 전압 레벨들을 재밸런싱하기 위해 감지된 전압 레벨 데이터를 상기 제어 마이크로 컨트롤러에 공급하는 단계;
    감지된 데이터에 기초하여 래깅 또는 리딩 파워 팩터를 검출하고 래깅 또는 리딩 파워 팩터를 보정하는 데 필요한 만큼 커패시턴스 또는 인덕턴스를 충전하는 단계;
    상기 제어 마이크로 컨트롤러에 의해 상기 감지된 전압 레벨들을 모니터링하는 단계 ― 상기 제어 마이크로 컨트롤러는 상기 에너지 저장 디바이스와 연결되고 상기 모니터링을 위해 구성됨 ― ; 및
    이벤트들을 모니터링 및 응답하는 단계
    를 포함하고, 상기 이벤트들은 통신 및 자동화 모듈("CAM")을 통해 센서들에 의해 모니터링되는,
    에너지를 집약 및 공급하기 위한 방법.
  23. 제22 항에 있어서,
    상기 전력 모듈들은 1/4 사이클 당 1024 비트의 고분해능에서 동작하기 위해 사인파 곡선으로 동작하도록 구성되는,
    에너지를 집약 및 공급하기 위한 방법.
  24. 제22 항에 있어서,
    셀 센서들을 통해 상기 에너지 저장 디바이스의 복수의 셀들의 셀 전압을 지속적으로 모니터링하고, 각각의 셀의 상기 셀 전압을 상기 에너지 저장 디바이스의 다른 셀들의 셀 전압과 비교하고 하나의 셀로부터 전하를 인출하고, 상기 전하를 충전 부족 셀에 제공함으로써, 능동 저장 디바이스 셀 밸런스를 달성하는 단계를 더 포함하는,
    에너지를 집약 및 공급하기 위한 방법.
  25. 제22 항에 있어서,
    반응성 부하들에 의해 생성되는 공진 고조파 주파수들을 지속적으로 검출 및 분석하고, 저항기, 인덕터 및 커패시터 값들을 계산하고, 출력 단자들에서 상기 부하를 통해 생성된 폐쇄 전류 경로에 의해 형성된 회로에 상기 값들을 적용함으로써 원치않는 주파수들을 필터링하는 단계를 더 포함하는,
    에너지를 집약 및 공급하기 위한 방법.
  26. 제22 항에 있어서,
    정방향 및 역방향 연결의 양방향 실리콘 제어 정류기("SCR")를 갖는 정적 스위치에 의해 에너지 소스의 고장의 경우에, 상기 부하에 비상 전원을 연결하는 단계를 더 포함하는,
    에너지를 집약 및 공급하기 위한 방법.
  27. 제22 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 유형의 전기 전력은 각각 DC 전력 및 AC 전력이고,
    상기 제1 및 제2 버스 바들은 각각 DC 및 AC 버스 바들인,
    에너지를 집약 및 공급하기 위한 방법.
  28. 제22 항에 있어서,
    상기 다수의 이종 소스들로부터 수신된 전력을 상기 부하 및/또는 상기 에너지 저장 디바이스에 선택적으로 공급하는 단계를 더 포함하는,
    에너지를 집약 및 공급하기 위한 방법.
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