特開 2022-136989 デュアルモードマイクログリッドインバータを含むマイクログリッド及び負荷管理方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022136989

(43)【公開日】2022-09-21

(54)【発明の名称】デュアルモードマイクログリッドインバータを含むマイクログリッド及び負荷管理方法

(51)【国際特許分類】

   H02J 9/06 20060101AFI20220913BHJP

   H02J 9/00 20060101ALI20220913BHJP

   H02J 3/38 20060101ALI20220913BHJP

【ＦＩ】

H02J9/06

H02J9/00 120

H02J3/38 170

H02J3/38 180

【審査請求】未請求

【請求項の数】20

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2022030610

(22)【出願日】2022-03-01

(31)【優先権主張番号】63/158,147

(32)【優先日】2021-03-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】514116578

【氏名又は名称】ブルーム エネルギー コーポレイション

(74)【代理人】

【識別番号】110002354

【氏名又は名称】弁理士法人平和国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ピムスヴィースヴィ，プラサド

(72)【発明者】

【氏名】イバド，メフディ

(72)【発明者】

【氏名】グルナサン，ランガナサン

(72)【発明者】

【氏名】ゴパラクリシュナン，ヴィシャル アナンド

(72)【発明者】

【氏名】モードリア，ジャヤンス

(72)【発明者】

【氏名】ナラヤナサミ，サラバナ

(72)【発明者】

【氏名】ロイ，ラケッシュ クマール

(72)【発明者】

【氏名】バラクリシュナン，ディーパック

【テーマコード（参考）】

5G015

5G066

【Ｆターム（参考）】

5G015GA01

5G015GA11

5G015GB01

5G015GB05

5G015JA05

5G015JA32

5G015JA48

5G066HA11

5G066HA24

5G066HB07

(57)【要約】      （修正有）

【課題】アイランドモード中、電力が非重要負荷に供給されないように、システム電力ライン、ＡＴＳ及び重要負荷ラインを介して、電力を重要負荷に供給するマイクログリッド及びその操作方法を提供する。
【解決手段】マイクログリッドは、システム電力を出力する電力システム４０と、自動切換えスイッチ（ＡＴＳ）３３０と、を含む。ＡＴＳは、電力ユーティリティ２０１から系統電力を受け入れる系統電力ライン３１６に電気的に接続された通常端子Ｎと、電力システムからシステム電力を受け入れるシステム電力ライン３１２電気的に接続された緊急用端子Ｅと、重要負荷２３に電力を供給する重要負荷ライン３１４に電気的に接続された負荷端子Ｌと、ＡＴＳを迂回するようにシステム電力ラインと重要負荷ラインとに電気的に接続されたバイパスライン３２２と、バイパスラインを通る電力流を制御する回路遮断器３２０と、を含む。
【選択図】図３Ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

システム電力を出力するように構成された電力システムと、
自動切換えスイッチ（ＡＴＳ）であって、
電力ユーティリティから系統電力を受け入れるように構成された系統電力ラインに電気的に接続された通常端子と、
前記電力システムからシステム電力を受け入れるように構成されたシステム電力ラインに電気的に接続された緊急用端子と、
重要負荷に電力を供給するように構成された重要負荷ラインに電気的に接続された負荷端子と、
を備える該自動切換えスイッチ（ＡＴＳ）と、
前記ＡＴＳを迂回するように、前記システム電力ラインと前記重要負荷ラインとに電気的に接続されたバイパスラインと、
前記バイパスラインを通る電力流を制御するように構成された回路遮断器と
を含むマイクログリッド。

【請求項2】

前記マイクログリッドが電力系統並行モードで動作しているとき、前記マイクログリッドは、
前記系統電力ライン、前記ＡＴＳ、及び前記重要負荷ラインを介して前記重要負荷に前記系統電力を供給し、
前記回路遮断器を閉じ、
前記バイパスラインを介して前記重要負荷に前記システム電力を供給する
ように構成されている、請求項１に記載のマイクログリッド。

【請求項3】

前記マイクログリッドが前記電力系統並行モードで動作しているとき、前記マイクログリッドは、前記系統電力ライン又は前記電力ユーティリティのうちの１つに電気的に接続された非重要負荷に、前記重要負荷の電力要求を超えるシステム電力を供給するように構成されている、請求項２に記載のマイクログリッド。

【請求項4】

前記マイクログリッドがアイランドモードで動作しているとき、前記マイクログリッドは、
前記回路遮断器を開き、
前記ＡＴＳを介して前記重要負荷に前記システム電力を供給する
ように構成されている、請求項１に記載のマイクログリッド。

【請求項5】

前記ＡＴＳは、
前記ＡＴＳが、前記系統電力は相互接続に適合すると判断した場合には、前記系統電力ラインを前記重要負荷ラインに電気的に接続し、
前記ＡＴＳが、前記系統電力は相互接続に適合せず、前記電力システムは前記システム電力を前記システム電力ラインに供給していると判断した場合には、前記システム電力ラインを前記重要負荷ラインに電気的に接続する
ように構成される、請求項１に記載のマイクログリッド。

【請求項6】

前記ＡＴＳは、前記緊急用端子を前記負荷端子に電気的に接続する前に、前記負荷端子を前記通常端子及び前記緊急用端子から遅延期間の間電気的に切断するように構成されている、請求項５に記載のマイクログリッド。

【請求項7】

前記ＡＴＳは、相互接続に適合する系統電力が前記系統電力ラインに回復されると前記ＡＴＳが判断した場合、前記負荷端子を前記通常端子に電気的に再接続するように構成されている、請求項６に記載のマイクログリッド。

【請求項8】

前記電力システムは、前記系統電力が相互接続に適合しないと前記電力システムが判断した場合、前記回路遮断器を開くように構成されている、請求項１に記載のマイクログリッド。

【請求項9】

前記電力システムは、前記系統電力が相互接続に適合すると前記電力システムが判断した場合、前記回路遮断器を閉じるように構成されている、請求項８に記載のマイクログリッド。

【請求項10】

前記電力システムは、
燃料電池スタックを含むパワーモジュールと、
前記ＡＴＳの接続状態、前記回路遮断器の接続状態、又は前記系統電力の相互接続についての適合性の少なくとも１つに基づいて、前記システム電力ラインに出力される前記システム電力と前記回路遮断器の動作とを制御するように構成されたコントローラとを含むインバータモジュールと
を含む、請求項１に記載のマイクログリッド。

【請求項11】

電力系統並行モード及びアイランドモードでマイクログリッドを順次操作する方法であって、
前記電力系統並行モード中に、
非重要負荷に電気的に接続された系統電力ラインを介して前記非重要負荷に、及び、前記系統電力ラインと、重要負荷に電気的に接続された重要負荷ラインと、前記系統電力ライン及び前記重要負荷ラインに電気的に接続された自動切換えスイッチ（ＡＴＳ）とを介して前記重要負荷に、系統電力を供給することと、
電力システムによって生成されたシステム電力を、システム電力ラインと、前記重要負荷ラインと、前記ＡＴＳと並列にシステム電力ライン及び前記重要負荷ラインに電気的に接続されるバイパスラインとを介して、前記重要負荷に供給することと、
前記アイランドモード中に、
前記システム電力が前記非重要負荷に供給されないように、前記システム電力ラインと、前記ＡＴＳと、前記重要負荷ラインとを介して、前記システム電力を前記重要負荷に供給することと
を含む方法。

【請求項12】

前記アイランドモード中に、前記ＡＴＳは、前記システム電力ラインを前記重要負荷ラインに電気的に接続し、前記バイパスライン上に配置された回路遮断器が開いて、前記システム電力が前記ＡＴＳを迂回するのを防ぎ、
前記電力系統並行モード中に、前記ＡＴＳは、前記系統電力ラインを前記重要負荷ラインに電気的に接続し、前記システム電力が前記ＡＴＳを迂回するように前記回路遮断器が閉じられる、
請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

前記系統電力が相互接続に適合しない場合に、前記回路遮断器が開かれ、前記系統電力が相互接続に適合する場合に、前記回路遮断器が閉じられる、請求項１２に記載の方法。

【請求項14】

前記電力系統並行モード中に、前記重要負荷の電力要求を超えるシステム電力が、前記非重要負荷の少なくとも１つに、又は、前記系統電力ラインに電気的に接続された電力ユーティリティに供給される、請求項１２に記載の方法。

【請求項15】

前記電力系統並行モードと前記アイランドモードとの間で起こる移行モード中に、前記系統電力の電圧又は周波数が相互接続に適合しないと判断される場合、前記システム電力は、前記システム電力ラインに出力されない、請求項１２に記載の方法。

【請求項16】

前記移行モード中に、前記システム電力が前記システム電力ラインに出力されない場合、前記回路遮断器が開かれる、請求項１５に記載の方法。

【請求項17】

前記系統電力が相互接続に適合する場合、前記ＡＴＳは前記系統電力ラインを前記重要負荷ラインに電気的に接続し、
前記系統電力が相互接続に適合せず、前記電力システムが前記システム電力を前記システム電力ラインに供給している場合、ＡＴＳは前記システム電力ラインを前記重要負荷ラインに電気的に接続する、
請求項１１に記載の方法。

【請求項18】

前記系統電力が相互接続に適合しない場合には、前記ＡＴＳは、前記システム電力ラインを前記重要負荷ラインに電気的に接続する前に、前記重要負荷ラインを前記系統電力ラインから電気的に切断することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。

【請求項19】

前記系統電力が相互接続に適合するようになり、前記系統電力ラインに回復される場合には、前記ＡＴＳは前記重要負荷ラインを前記系統電力ラインに電気的に再接続することをさらに含む、請求項１８に記載の方法。

【請求項20】

前記電力システムは、
燃料電池スタックを含むパワーモジュールと、
前記ＡＴＳの接続状態、前記回路遮断器の接続状態、又は前記系統電力の相互接続についての適合性の少なくとも１つに基づいて、前記システム電力ラインに出力される前記システム電力と、前記回路遮断器の動作とを制御するように構成されたコントローラを含むインバータモジュールと
を含む、請求項１２に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、一般にマイクログリッドを対象とし、特に、燃料電池システム及びデュアルモードインバータを含むマイクログリッド、及び、マイクログリッドを利用する負荷管理の方法を対象とする。

【背景技術】

【0002】

マイクログリッドは、主要な電力系統に対して単一の制御可能なエンティティとして機能する、明確に定義された電気的境界内で相互接続された負荷及び分散型エネルギー源のグループである。例えば、マイクログリッドは、ローカル発電機、負荷、負荷管理コントローラ、電力系統分離スイッチ、及びスイッチコントローラを含む。

【0003】

マイクログリッドは、主要な電力系統に電気的に接続される電力系統モードで動作でき、また、マイクログリッドが主要な電力系統から切断されて、マイクログリッドがローカル発電機のみによって電力供給されるアイランドモードで動作できる。電力系統モードでは、電力系統は、バッファ（スラック母線）として動作して、マイクログリッド内のローカル発電と負荷との間の電力差を供給又は吸収することができる。

【発明の概要】

【0004】

様々な実施形態によれば、マイクログリッドは、システム電力を出力するように構成された電力システムと、自動切換えスイッチ（ＡＴＳ）とを含む。ＡＴＳは、電力ユーティリティから系統電力を受け入れるように構成された系統電力ラインに電気的に接続された通常端子と、電力システムからシステム電力を受け入れるように構成されたシステム電力ラインに電気的に接続された緊急用端子と、重要負荷に電力を供給するように構成された重要負荷ラインに電気的に接続された負荷端子とを含む。マイクログリッドは、また、ＡＴＳを迂回するようにシステム電力ラインと重要負荷ラインとに電気的に接続されたバイパスラインと、バイパスラインを通る電力流を制御するように構成された回路遮断器とを含む。

【0005】

様々な実施形態によれば、方法は、電力系統並行モード及びアイランドモードでマイクログリッドを順次動作させることを含む。電力系統並行モード中、上記方法は、非重要負荷に電気的に接続された系統電力ラインを介して非重要負荷に、及び、系統電力ラインと、重要負荷に電気的に接続された重要負荷ラインと、系統電力ライン及び重要負荷ラインに電気的に接続された自動切換えスイッチ（ＡＴＳ）とを介して重要負荷に、系統電力を供給することと、電力システムによって生成されたシステム電力を、システム電力ラインと、重要負荷ラインと、ＡＴＳと並列にシステム電力ライン及び重要負荷ラインに電気的に接続されたバイパスラインとを介して重要負荷に供給することとを含む。アイランドモード中、上記方法は、システム電力が非重要負荷に供給されないように、システム電力ライン、ＡＴＳ、及び重要負荷ラインを介して、システム電力を重要負荷に供給することとを含む。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1A】図１Ａは、本開示の実施形態による、システム起動時の燃料電池システムの電気的アーキテクチャを通る電力流を示す概略図である。

【図1B】図１Ｂは、本開示の実施形態による、定常状態動作中の燃料電池システムの電気的アーキテクチャを通る電力流を示す概略図である。

【図2A】図２Ａは、本開示の他の実施形態による、燃料電池システムの電気的アーキテクチャを示す概略図である。

【図2B】図２Ｂは、本開示の他の実施形態による、燃料電池システムの電気的アーキテクチャを示す概略図である。

【図3A】図３Ａは、本開示の様々な実施形態による、マイクログリッドの概略図である。

【図3B】図３Ｂは、電力系統並行モードとアイランドモードとの間でマイクログリッドが移行するときの、図３Ａのマイクログリッドを通る電力流を示す概略図である。

【図3C】図３Ｃは、電力系統並行モードとアイランドモードとの間でマイクログリッドが移行するときの、図３Ａのマイクログリッドを通る電力流を示す概略図である。

【図3D】図３Ｄは、電力系統並行モードとアイランドモードとの間でマイクログリッドが移行するときの、図３Ａのマイクログリッドを通る電力流を示す概略図である。

【図3E】図３Ｅは、電力系統並行モードとアイランドモードとの間でマイクログリッドが移行するときの、図３Ａのマイクログリッドを通る電力流を示す概略図である。

【図3F】図３Ｆは、電力系統並行モードとアイランドモードとの間でマイクログリッドが移行するときの、図３Ａのマイクログリッドを通る電力流を示す概略図である。

【図3G】図３Ｇは、電力系統並行モードとアイランドモードとの間でマイクログリッドが移行するときの、図３Ａのマイクログリッドを通る電力流を示す概略図である。

【図3H】図３Ｈは、電力系統並行モードとアイランドモードとの間でマイクログリッドが移行するときの、図３Ａのマイクログリッドを通る電力流を示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

添付の図は、本出願に組み込まれ、この明細書の一部を構成するものであるが、開示の装置及び方法の実施例を例示し、上記の概括的な説明と以下の詳細な説明とともに、本発明の特徴を説明するためのものである。

【0008】

添付の図面を参照して、様々な実施例を詳細に説明する。可能な限り、同じ又は同様の部品への言及には図面全体を通して同じ参照番号を使用する。特定の実施例及び実装形態への言及は、例示を目的とするものであって、本発明の範囲又は特許請求の範囲を限定することを意図するものではない。また、図に示される実施例は互いに排他的ではないことが理解されよう。１つの実施例（例えば、１つの図）に示される特徴は、他の実施例（例えば、他の図）に含むことができる。

【0009】

燃料電池システムは、マイクログリッドの基本的及び非基本的な負荷等の、１つ又は複数の負荷に電力を供給するために利用され得る一種の分散型電源である。このようなマイクログリッドが主要な電力系統に接続される場合、マイクログリッド負荷に必要とされる電力を超える電力は、電力系統に供給することができる。加えて、電力系統からの電力を利用して、燃料電池システムの起動時に燃料電池システムのバランスオブプラント（ＢＯＰ）構成要素を稼働することができる。

【0010】

例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）系の分散型発電システム等の燃料電池発電システムは、定常状態発電モード中は比較的高い動作温度、例えばＳＯＦＣの場合は７５０℃以上の温度を有し得る。したがって、システム起動時には、このようなシステムは一般的に、ＢＯＰ構成要素（例えば、ファン、ブロワ、スイッチ等）及び／又は寄生負荷に電力を供給するために、接続されるユーティリティ又は他の外部ＡＣ発電機等の外部電源から電力が供給される。この外部起動電力は、外部的に供給されるＡＣ電圧を、コンバータにより使用可能なＤＣ電圧に変換することによって、ＢＯＰ構成要素及び他の寄生負荷に電力を供給することができる。

【0011】

図１Ａは、本開示の比較例による、システム起動時に燃料電池システム１０の電気的アーキテクチャを通る電力流を概略的に示し、図１Ｂは、本開示の比較例による、定常状態動作中の燃料電池システムの電気的アーキテクチャを通る電力流を概略的に示す。当業者には明らかであるように、以下に記載の構成要素の「接続」とは、別段の指定がない限り、「電気的接続」を意味するものとする。

【0012】

図１Ａ及び１Ｂを参照すると、システム１０は、インバータモジュール２００、及び、燃料電池１１０を含む少なくとも１つのパワーモジュール１００を含み得る。燃料電池１１０は、１つ又は複数のスタック又はカラムに配置され得る。燃料電池１１０は、導電性インターコネクトプレートによって隔てられたセラミック酸化物電解質を有する複数の固体酸化物形燃料電池を含み得る。プロトン交換膜（ＰＥＭ）形、溶融炭酸塩形、リン酸形等の他の燃料電池タイプを用いてもよい。パワーモジュール１００は、以下で説明するように、起動母線及び燃料電池（例えば定常状態）母線によってインバータモジュール２００に接続され得る。いくつかの実施形態において、システム１０は、複数のパワーモジュール１００にそれぞれ接続された複数のインバータモジュール２００を含み得る。

【0013】

システム１０は、インバータモジュール２００及び／又はパワーモジュール１００の動作を制御するように構成されたコントローラ５０を含むことができる。コントローラ５０は、インバータモジュール２００又はパワーモジュール１００内に配置され得るか、又はそれらに動作可能に接続され得る。コントローラ５０は、オペレーティングソフトウェアを格納するように構成されたメモリ及び／又は中央処理ユニットを含んでよい。いくつかの実施形態において、コントローラ５０は、オペレータがシステム１０を制御することを可能にするためのインターフェースを提供することができる。

【0014】

コントローラ５０は、特定の機能を実行するための命令を用いてプログラムされた、プロセッサ、メモリ、及び、他の構成要素を含むコンピューティングデバイス（コンピュータ等）を用いて実装されてもよいし、又は特定の機能を実行するように設計されたプロセッサに実装されてもよい。プロセッサは、任意のプログラム可能なマイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ若しくはマルチプロセッサチップ、又は、本明細書に記載の様々な実施形態の機能を含む様々な機能を実行するためのソフトウェア命令（アプリケーション）によって構成することができるチップであってよい。一部のコンピューティングデバイスでは、複数のプロセッサが提供され得る。通常、ソフトウェアアプリケーションは、アクセスされてプロセッサにロードされる前に、内部メモリに保存され得る。一部のコンピューティングデバイスでは、プロセッサは、アプリケーションソフトウェア命令を格納するのに十分な内部メモリを含むことができる。プロセッサは、汎用プロセッサ、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）又はその他のプログラマブルロジックデバイス、ディスクリートゲート又はトランジスタロジック、ディスクリートハードウェアコンポーネント、又は、本明細書に記載の機能を実行するように設計されたそれらの任意の組み合わせを含むことができる。汎用プロセッサはマイクロプロセッサであってよいが、代替として、プロセッサは、任意の従来のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、又はステートマシンであってよい。プロセッサはまた、コンピューティングデバイスの組み合わせ、例えば、ＤＳＰとマイクロプロセッサの組み合わせ、複数のマイクロプロセッサの組み合わせ、ＤＳＰコアと組み合わせた１つ又は複数のマイクロプロセッサの組み合わせ、又は任意の他のそのような構成として実装され得る。

【0015】

インバータモジュール２００は、外部電源母線２２６によって電力ユーティリティ２０１（例えば、電力系統又は外部発電機）などの外部電源に接続された定常状態変圧器２０２及び起動変圧器２０４を含むことができる。定常状態変圧器２０２は、ＡＣ／ＤＣインバータ２１２に接続され得る。インバータ２１２は、第１のバランスオブプラント負荷ＢＯＰ１に接続された定常状態ダイオード２１０に接続され得る。起動変圧器２０４は、整流器２０６に接続され得る。整流器２０６は、起動母線２２２を介して、負荷ＢＯＰ１に接続された起動ダイオード２０８に接続され得る。

【0016】

パワーモジュール１００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１８、起動ダイオード２１４、及び定常状態ダイオード２１６を含み得る。ＤＣ／ＤＣコンバータ２１８は、インバータ２１２とパワーモジュール１００の燃料電池１１０とに電気的に接続され得る。ＤＣ／ＤＣコンバータ２１８はまた、定常状態ダイオード２１６に接続され得る。ダイオード２１４，２１６は、第２のバランスオブプラント負荷ＢＯＰ２に接続され得る。起動ダイオード２１４はまた、整流器２０６に電気的に接続され得る。

【0017】

図１Ａを参照すると、システム１０の起動時には、燃料電池１１０が定常状態動作温度（例えば、ＳＯＦＣの場合は７５０℃から９００℃など少なくとも７５０℃）に達する前では、燃料電池１１０はＢＯＰ負荷に十分な電力量を生成できない可能性がある。したがって、起動時には、ユーティリティからの電力が、起動母線２２２を介して負荷ＢＯＰ１，ＢＯＰ２に供給される。特に、電力は、起動母線２２２を介して、起動変圧器２０４、整流器２０６、起動ダイオード２０８，２１４を通って、その後ＢＯＰ負荷ＢＯＰ１，ＢＯＰ２へと流れる。インバータ２１２、コンバータ２１８、及び定常状態母線２２０は、システム起動時には使用されない。

【0018】

図１Ｂを参照すると、一旦燃料電池が所望の定常状態動作温度（例えば、７５０℃以上）に達すると、システム１０の定常状態動作が始まり、電力が燃料電池１１０から負荷ＢＯＰ１，ＢＯＰ２に供給される。特に、電力は、燃料電池１１０から、定常状態母線２２０を介して、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１８、インバータ２１２を通り、定常状態変圧器２０２を通って、ユーティリティ及び／又は任意のローカル負荷に流れる。電力はまた、必要に応じて、定常状態ダイオード２１０，２１６を通って負荷ＢＯＰ１，ＢＯＰ２へと回すことができる。したがって、整流器２０６及び起動変圧器２０４は使用されない。定常状態モード動作は、燃料電池１１０が電力を生成するのに十分に高温であるときは常に継続し、これは燃料電池の動作寿命のほぼすべてを占める。これは、変圧器２０２，２０４がユーティリティ２０１（例えば、電力系統）から切断され、定常状態変圧器２０２が、燃料電池１１０からの電力を、電力系統ではなくローカル負荷「Ｌ」に供給する期間を含む。

【0019】

したがって、変圧器２０４、整流器２０６、ヒューズ（図示せず）、及び、起動時の電力変換に使用される配線は、システム１０のライフサイクルの大部分にあたる定常状態動作中には使用されない。したがって、このアーキテクチャはシステム１０のコストを増加させ、システム１０のエネルギー密度を減少させる。整流器２０６はまた、起動時に高調波電流を生成する可能性がある。

【0020】

図２Ａは、本開示の別の比較実施形態による燃料電池システム２０の電気的アーキテクチャを示す概略図である。システム２０の電気的アーキテクチャは、図１Ａ及び図１Ｂに示されるシステム１０の電気的アーキテクチャと類似であるので、両者の違いについてのみ詳細に説明する。

【0021】

図２Ａを参照すると、システム２０は、連結母線２２４によって電気的に接続されたパワーモジュール１００Ａとインバータモジュール２００Ａとを含む。インバータモジュール２００Ａは、連結母線２２４に電気的に接続されている双方向インバータ２４０を含む。双方向インバータ２４０は、システム起動時に、ユーティリティから供給されたＡＣ電力を、負荷ＢＯＰ１，ＢＯＰ２を駆動するのに適したＤＣ電力に変換でき、定常状態動作中に、燃料電池１１０からのＤＣ電力を、ユーティリティに供給され得るＡＣ電力へと変換することができる。換言すれば、連結母線２２４は、定常状態動作及び起動動作の間の両方で電力を伝送するために使用することができる。したがって、図１Ａ及び図１Ｂのシステム１０の起動母線２２２、起動変圧器２０４、整流器２０６、及び起動ダイオード２０８，２１４を、起動時の機能性を失うことなく、システム２０から省略することができる。

【0022】

図２Ｂは、本開示の様々な実施形態による、燃料電池システム３０の電気的アーキテクチャを示す概略図である。システム３０の電気的アーキテクチャは、図１Ａ及び図１Ｂに示されるシステム１０の電気的アーキテクチャに類似であるので、両者の違いについてのみ詳細に説明する。図２Ｂを参照すると、システム３０は、パワーモジュール１００及びインバータモジュール２００Ｂを含み、これらは定常状態母線２２０及び起動母線２２２によって電気的に接続されている。１つのパワーモジュール１００が示されているが、システム３０は、インバータモジュール２００Ｂに電気的に接続された複数のパワーモジュール１００を含むことができる。システム３０はまた、システム３０の定常状態動作及び起動動作を制御するように構成されたコントローラ５０を含み得る。

【0023】

インバータモジュール２００Ｂは、第１の双方向インバータ２４０、第２の双方向インバータ２４２、及び、少なくとも１つの一方向性の第３のインバータ２４４（例えば、１から１０個の一方向性インバータ）を含むことができ、これらは、外部電源母線２２６により、電力ユーティリティ（例えば、システム３０の外にある電源）及びシステム変圧器２０２に電気的に接続され得る。インバータモジュール２００Ｂは、図１Ａ及び１Ｂに示す２つの変圧器２０２，２０４の代わりに、起動モード及び定常状態モードの両方で動作する単一のシステム変圧器２０２を含む。インバータモジュール２００Ｂはまた、起動ダイオード２０８及び定常状態ダイオード２１０を含み得、これらは、第１のバランスオブプラント負荷ＢＯＰ１に電気的に接続されている。インバータモジュール２００Ｂはまた、障害ダイオード２３０及び任意選択の補助ダイオード２３２を含むことができる。

【0024】

パワーモジュール１００は、起動母線２２２に電気的に接続された起動ダイオード２１４、及び、定常状態母線２２０に電気的に接続された定常状態ダイオード２１６を含むことができる。両方のダイオード２１４，２１６は、第２のＢＯＰ負荷ＢＯＰ２への電流フローを制御する。

【0025】

起動モード中、外部電源母線２２６は、ユーティリティ２０１からの電力をシステム変圧器２０２と第１のインバータ２４０に順次供給することができる。変圧器２０２は、ユーティリティ電力の電圧を変更するように動作することができ、第１のインバータ２４０は、ＡＣユーティリティ電力（つまり、交流）をＤＣ電力（つまり、直流）に変換するように動作することができる。次に、起動母線２２２は、起動ダイオード２０８を介して、第１のＢＯＰ負荷ＢＯＰ１にユーティリティ電力を供給することができる。したがって、第１のインバータ２４０は、整流器として動作することができ、図１Ａに示される別個の整流器２０６及び起動変圧器２０４を省略して、システム３０のコストを削減することができる。したがって、システム３０は、追加の変圧器（単一のシステム変圧器２０２以外）及び整流器を除くことができる。起動母線２２２はまた、起動ダイオード２１４を介して第２のＢＯＰ負荷ＢＯＰ２にユーティリティ２０１電力を供給することができる。障害ダイオード２３０は、起動モード中に定常状態母線２２０を通って燃料電池１１０に電流が流入するのを防ぐ。第２のインバータ２４２は、電力が第２のインバータ２４２を通って定常状態母線２２０に流れないように、オフのままにすることができる。さらに、第３のインバータ２４４は一方向性であるため、第３のインバータ２４４もまた、起動時に、電力が定常状態母線２２０に供給されるのを防ぐことができる。したがって、システムの起動時に、インバータモジュール２００Ｂは、起動母線２２２を介して両方の負荷ＢＯＰ１，ＢＯＰ２にユーティリティ電力を供給するように構成することができる。

【0026】

マイクログリッドインバータと負荷管理

【0027】

電力系統障害によるマイクログリッドアイランドの形成は、通常、電力系統の電圧（Ｖ）と周波数（Ｆ）とを監視する、ＳＥＬ７５１やＢｅｃｋｗｉｔｈリレーなどの標準的な保護リレーを介して検出される。Ｖ及びＦの監視とは別に、これらの保護リレーは、電力系統とマイクログリッドとの間のいずれかの方向に追従する電力も監視して、単独運転を検出し、電力系統分離装置を開く。しかしながら、マイクログリッド内の過剰な発電による余剰電力を電力系統にエクスポートするように設計されたマイクログリッドの場合、単独運転検出の逆電力法は機能しない。したがって、マイクログリッド内のすべての発電機に、高価なＵＬ認定の能動型単独運転防止装置が必要となる可能性がある。

【0028】

マイクログリッドは通常、マイクログリッドの総負荷が利用可能な総発電よりも常に少なくなるように動作する負荷管理コントローラを含む。マイクログリッド内で十分な電力貯蔵バッファが利用できる場合、マイクログリッドコントローラは、貯蔵出力電力を監視することによって過剰な需要を検出し、それに応じて負荷を制限することができる。しかしながら、十分な電力貯蔵が利用できない場合は、電力系統障害後、ローカル発電がローカルマイクログリッド負荷のサポートを開始する前に、マイクログリッド負荷管理コントローラが作動して負荷を制限する必要がある。負荷制限には、いくつかの課題といくつかの単一障害点が伴い得る。

【0029】

図３Ａは、本開示の様々な実施形態による、マイクログリッド４００の概略図である。図３Ｂ－３Ｈは、マイクログリッド４００が電力系統モードとアイランドモードとの間で移行するときのマイクログリッド４００を通る電力流を示す概略図である。

【0030】

図３Ａを参照すると、マイクログリッド４００は、電力システム４０、配電システム（ＰＤＳ）３１０、回路遮断器３２０、及び自動切換えスイッチ（ＡＴＳ）３３０を含み得る。ＰＤＳ３１０は、追加の従来の回路遮断器を含み得る。回路遮断器３２０は、以下でより詳細に説明されるラップアラウンド型回路遮断器であってよい。電力システム４０は、少なくとも１つのパワーモジュール１００及びインバータモジュール３００を含み得る。一実施形態では、電力システム４０は、同じＰＤＳ３１０に接続された複数のパワーモジュール１００及び複数のインバータモジュール３００を含み得る。パワーモジュール１００は、ＳＯＦＣスタックなどの燃料電池スタックを含み得る。

【0031】

ＡＴＳ３３０は、通常端子Ｎ、緊急用端子Ｅ、負荷端子Ｌ、及び任意選択の浮遊中間端子若しくは位置Ｍを含むことができる。ＡＴＳ３３０は、通常の位置（ＡＴＳ３３０が通常端子Ｎを負荷端子Ｌに電気的に接続する位置）と、開位置（ＡＴＳ３３０が負荷端子Ｌを通常端子Ｎや緊急用端子Ｅに電気的に接続しない位置）と、緊急位置（ＡＴＳ３３０が緊急用端子Ｅを負荷端子Ｌに接続する位置）との間で切り換わることができる。あるいは、ＡＴＳ３３０は、３ポジションＡＴＳではなく２ポジションＡＴＳであってもよい。ＡＴＳ３３０は、システム要件に応じて、コンタクタベース、サーキットブレーカーベース、又はモールドケーススイッチベースのＡＴＳ３３０であってよい。

【0032】

パワーモジュール１００、インバータモジュール３００、及びＰＤＳ３１０は、システム電力ライン３１２（例えば、ローカル電力ライン）によって、ＡＴＳ３３０の緊急用端子Ｅに電気的に接続することができる。負荷端子Ｌは、重要負荷ライン３１４によって１つ又は複数の重要負荷２３を含む重要負荷パネル２２に接続され得る。通常のソース端子Ｎは、系統電力ライン３１６によってユーティリティ電力系統２０１に接続され得る。系統電力ライン３１６は、１つ又は複数の非重要負荷２５を含むメインパネル（すなわち、メイン負荷配電盤又はパネル）２４に電気的に接続され得る。

【0033】

バイパスライン３２２は、ＡＴＳ３３０を迂回しながら、システム電力ライン３１２と重要負荷ライン３１４とを電気的に接続することができる。回路遮断器３２０は、バイパスライン３２２上に配置され、バイパスライン３２２を通る電力流を制御するように構成され得る。回路遮断器３２０は、ＡＴＳ３３０の定格電流に応じて、電気的に作動される回路遮断器、接触器、リレー、又は半導体スイッチであってよい。いくつかの実施形態において、マイクログリッド４００は、無停電電源（ＵＰＳ）３２６、及び、回路遮断器３２０を作動させるための介在リレー３２４を含んでよい。

【0034】

インバータモジュール３００は、図１Ａ－２Ｂの、インバータモジュール２００、２００Ａ、又は２００Ｂのいずれかと同様であってよい。例えば、インバータモジュール３００は、コントローラ５０、システム電力ライン３１２に電気的に接続された変圧器２０２、変圧器２０２に電気的に接続された双方向の第１及び第２のインバータ２４０，２４２などの少なくとも１つのインバータ、第１のインバータ２４０に電気的に接続された障害ダイオード２３０、第１のバランスオブプラント（ＢＯＰ）負荷ＢＯＰ１、第１及び第２のインバータ２４０，２４２をパワーモジュール１００の第１のＢＯＰ負荷及び第２のＢＯＰ負荷ＢＯＰ２に電気的に接続している定常状態母線２２０、及び、第１及び第２のインバータ２４０，２４２を第１のＢＯＰ負荷ＢＯＰ１及び第２のＢＯＰ負荷ＢＯＰ２に電気的に接続している起動母線２２２を含むことができる。あるいは、上記少なくとも１つのインバータは、１つ又は複数の一方向性インバータを含み得る。

【0035】

インバータモジュール３００のコントローラ５０は、データ接続経路「ＣＢステータス」を介して回路遮断器３２０の接続状態を、データ接続経路「ＡＴＳステータス」を介してＡＴＳ３３０の接続状態を、及び、系統電力の状況（例えば、系統電力の電圧及び/又は周波数）を、監視するように構成され得る。データ接続は、有線接続又は無線接続であってよい。例えば、インバータモジュール３００は、回路遮断器３２０及び／又はＡＴＳ３３０を通る電流フローを監視するように電気的に接続及び／又は構成され得る。インバータモジュール３００はまた、電力系統２０１の状況、回路遮断器３２０の接続状態、及び／又はＡＴＳ３３０の接続状態に基づいて、システム電力ライン３１２に出力される電力、及び、（例えば、ＵＰＳ３２６によって作動される介在リレー３２４を介した）回路遮断器３２０の動作を制御するように構成され得る。

【0036】

図３Ａに示されるように、マイクログリッド４００が電力系統並行モードで動作しているとき、ＡＴＳ３３０は通常の位置にセットされて、系統電力ライン３１６を重要負荷ライン３１４に電気的に接続することができる。具体的には、ＡＴＳ３３０は、通常端子Ｎを負荷端子Ｌに接続することができる。バイパスライン３２２がシステム電力ライン３１２を重要負荷ライン３１４に電気的に接続するように、回路遮断器３２０を閉じることができる。パワーモジュール１００によって生成されたＤＣ電力は、電力系統モード電圧でインバータモジュール３００からＡＣ電力として出力され得、システム電力ライン３１２、バイパスライン３２２、及び重要負荷ライン３１４を介して、重要負荷２３に供給され得る。重要負荷２３によって必要とされない過剰に生成された電力は、ＡＴＳ３３０及び系統電力ライン３１６を介して非重要負荷２５及び／又は電力系統２０１に供給され得る。例えば、インバータモジュール３００によって出力される電圧は、重要負荷２３の電圧要件と同期させることができるか、及び／又は、電力系統２０１の電圧と同期させることができる。重要負荷２３の電力需要がパワーモジュール１００の電力出力を超える場合には、電力系統２０１からＡＴＳ３３０を通って重要負荷２３に追加の電力が供給されて、重要負荷２３の負荷需要を満たすことができる。非重要負荷２５の電力需要がパワーモジュール１００の電力出力を超える場合には、非重要負荷２５に電力系統２０１から系統電力ライン３１６を介して追加の電力が供給されて、非重要負荷２５の負荷需要を満たすことができる。

【0037】

インバータモジュール３００は、系統電力が電力システム４０との相互接続に適合するかどうかを判断するために、ＡＴＳ３３０の負荷側の系統電力を監視することができる。例えば、インバータモジュール３００は、系統電力を絶えず又は定期的に監視して、電力ユーティリティ、ＩＥＥＥ１５４７、及び／又はＵＬ１７４１規格に準拠しているかどうかを判断することができる。インバータモジュール３００は、接続状態を監視するために、回路遮断器３２０及び／又はＡＴＳ３３０を通る電流フローを絶えず又は定期的に監視することができる。さらに、ＡＴＳ３３０もまた、電力系統２０１の状態を絶えず又は定期的に監視することができる。

【0038】

図３Ｂを参照すると、インバータモジュール３００が、ＡＴＳ３３０が検出しない系統電力の不適合状態を検出した場合、インバータモジュール３００は、システム電力ライン３１２への電力のエクスポートを停止し、電力システム４０は無負荷状態で動作し、一方で、ＡＴＳ３３０は通常の位置に留まって、電力系統２０１から重要負荷２３に系統電力を供給する。インバータモジュール３００は、閉じた回路遮断器３２０を通る系統電力を監視し続けることができ、系統電力が電力ユーティリティ、ＩＥＥＥ１５４７、及び／又はＵＬ１７４１規格に準拠しているとインバータモジュール３００が判断した場合、インバータモジュール３００は、システム電力ライン３１２への燃料電池システム電力の供給を再開することができる。

【0039】

図３Ｃ－３Ｅを参照すると、マイクログリッド４００のアイランド移行モード中に、コントローラ５０（インバータモジュール３００及び／又はＡＴＳ３３０の状態を監視する）が、系統電力が相互接続に適合しないと判断した場合、例えば、電力系統２０１からの系統電力が止まるか、又は中断される場合、インバータモジュール３００は、システム電力ライン３１２への電力出力を停止し、電力システム４０は無負荷状態で動作する。図３Ｃに示すように、ＡＴＳ３３０は通常の位置に留まり、回路遮断器３２０は閉じたままである。したがって、インバータモジュール３００は、ユーティリティ、ＩＥＥＥ１５４７及び／又はＵＬ１７４１の制限に従って、一次の単独運転防止装置として機能し、電力系統（例えば、ユーティリティ）２０１が止まるとすぐにシャットダウンする（例えば、ＰＤＳ３１０でシステム電力ラインから切り離す）。

【0040】

図３Ｄを参照すると、インバータモジュール３００のコントローラ５０が、電力系統２０１からの系統電力が（経路ＡＴＳステータスを介して）ＡＴＳ３３０の負荷端子Ｌで利用できないことを検出し、（経路ＣＢステータスを介して）回路遮断器３２０に障害がないと判断した場合、インバータモジュール３００は、（図３Ｄの第３のデータ経路を介して）駆動信号を出力して、ＵＰＳ３２６からの電力を使用して介在リレー３２４に回路遮断器３２０を開かせる。

【0041】

次に、インバータモジュール３００のコントローラ５０は、データ経路ＣＢステータスを介して、回路遮断器３２０の補助接点を読み取ることによって、回路遮断器３２０が開いていることを確認することができる。開いた回路遮断器３２０の確認後、電力システム４０はアイランドモードを開始し、ＰＤＳ３１０が起動され、インバータモジュール３００は、４８０ＶのＡＣ電圧などのアイランドモード電圧を、ＰＤＳ３１０を介してシステム電力ライン３１２に出力する。ＡＴＳ３３０がアイランド電圧を検出した場合には、第１の遅延期間の満了後、ＡＴＳ３３０は中間位置Ｍに切り換わる。

【0042】

図３Ｅを参照すると、ＡＴＳ３３０がアイランド電圧を検出し続ける場合、コントローラ５０は、マイクログリッド４００を制御して、アイランドモード動作を開始する。特に、コントローラ５０は、（経路ＡＴＳステータスを介して）ＡＴＳ３３０を制御し、第２の遅延期間の満了後にＡＴＳ３３０をその緊急位置に切り換え、緊急用端子Ｅと負荷端子Ｌとを接続することによって、システム電力ライン３１２を重要負荷ライン３１４に電気的に接続する。したがって、アイランドモードでは、アイランドモード電圧が、システム電力ライン３１２、ＡＴＳ３３０及び重要負荷ライン３１４を介して、パワーモジュール１００から重要負荷パネル２２の重要負荷２３に供給され得る。したがって、電力システム４０からの電力は、重要負荷２３に供給され、非重要負荷２５には供給されない。インバータモジュール３００のコントローラ５０は、アイランドモード動作中のＡＴＳ３３０の接続状態を絶えず又は定期的に監視することができる。

【0043】

電力システム４０がアイランドモードにある間に、ＡＴＳ３３０が、系統電力が回復されたことを検出した場合（すなわち、系統電力が、データ経路ＡＴＳステータスを介してコントローラ５０によってＡＴＳ３３０で検出される場合）には、マイクログリッド４００は、図３Ｆ－３Ｈに示されるように、電力系統並行移行モードを開始することができる。特に、図３Ｆに示されるように、コントローラは、第３の遅延期間の満了後、重要負荷２３に電力が供給されないように、ＡＴＳ３３０をその中間位置に切り換えることができる。インバータモジュール３００のコントローラ５０が、ＡＴＳ３３０が中間位置Ｍにあると判断した場合、電力システム４０は、アイランドモード動作を停止し（例えば、ＰＤＳ３１０が開かれ、インバータモジュール３００からシステム電力ライン３１２に電力が流れない）、移行モード動作を開始することができる。移行モード動作中、電力システム４０は、モーター負荷などの回生負荷を減らし、システム電力ライン３１２への電力の出力を停止することができる。ＡＴＳ３３０は、第４の遅延期間の間、中間位置Ｍに留まることができる。

【0044】

図３Ｇに示されるように、第４の遅延期間の満了後、コントローラ５０は、ＡＴＳ３３０を通常端子Ｎに切り換えて、系統電力ライン３１６を負荷端子Ｌに電気的に接続し、系統電力を重要負荷２３に供給することができる。インバータモジュール３００は、第４の遅延期間中及び／又は第４の遅延期間後、システム電力ライン３１２へのすべての電力出力を停止することができる。したがって、非重要負荷２５及び重要負荷２３には、電力系統２０１からライン３１６及び３１４並びにＡＴＳ３３０を介して系統電力が供給される。

【0045】

図３Ｈに示されるように、インバータモジュール３００のコントローラ５０が、その後、系統電力が相互接続に適合すると判断した場合には、インバータモジュール３００のコントローラ５０は、回路遮断器３２０を閉じるための信号を送信する。具体的には、インバータモジュール３００のコントローラ５０が、システム電力ライン３１２に電圧が印加されておらず、ＡＴＳ３３０が通常端子Ｎを負荷端子Ｌに電気的に接続しており、系統電力がＡＴＳ３３０を通って利用可能であり、回路遮断器３２０に障害がないことを検出した場合、インバータモジュール３００のコントローラ５０は、回路遮断器３２０を閉じる。

【0046】

インバータモジュール３００のコントローラ５０が、ＡＴＳ３３０が通常の位置にあり、回路遮断器３２０が閉じられ、系統電力が相互接続に適合することを検出した場合、図３Ｂに示されるように、インバータモジュール３００のコントローラ５０は、電力系統モード電圧をＰＤＳ３１０を介してシステム電力ライン３１２に出力し、電力システム４０の電力系統並行モード動作が再開されるように、電力システム４０を制御する。

【0047】

本発明の実施形態は、電力系統が利用可能であるときに電力を電力系統にエクスポートすることを可能にしながら、マイクログリッド内の重要な負荷を確実にサポートするためのハードウェア構成及び制御方法を提供する。具体的には、電力系統並行モードとアイランドモードとを切り換えるときのリアルタイムの負荷管理を必要とせずに、１つ又は複数のインバータが電力系統並行モードとアイランドモードとで動作し、電力系統が利用可能なときは、最初に重要負荷に電力を埋め合わせ、次に余剰電力を非重要負荷にエクスポートし、その後、電力系統にエクスポートすることができる。

【0048】

一実施形態では、重要負荷、非重要負荷、及び電力系統は、標準のＡＴＳ３３０及び動作可能なスイッチとして機能するラップアラウンド型回路遮断器３２０を介して電気的に接続されている。ラップアラウンド型回路遮断器３２０は、電力系統及び非重要負荷を、重要負荷を有するマイクログリッドから分離するように、又は非重要負荷及び電力系統に余剰電力を与えるように制御される。回路遮断器３２０を操作可能なスイッチとして使用することにより、電圧ライドスルーを維持しながら、負荷制限制御を除去することができる。

【0049】

様々な実施例に示されている構造及び配置は例示にすぎない。本開示において詳細に説明されている実施例はごくわずかであるが、本明細書に記載の主題の新規な教示及び利点から実質的に逸脱することなく、多くの変更が可能である（例えば、様々な要素のサイズ、寸法、構造、形状及び比率、パラメータの値、取り付け配置、材料の使用、色、配向などの変更）。一体的に形成されたものとして示されるいくつかの要素は、複数の部品又は要素で構成されてもよく、要素の位置を逆にしたり、あるいは変えたりすることができ、個別の要素の性質又は数又は位置を、変える又は変更することができる。任意のプロセス、論理アルゴリズム、又は方法ステップの順又は順序は、代換の実施例に従って変更又は並べ直すことができる。本開示の範囲から逸脱することなく、様々な実施例の設計、動作条件、及び配置において、他の置換、修正、変更、及び省略を行うこともできる。任意の実施例の任意の１つ又は複数の特徴は、１つ又は複数の他の実施例の任意の１つ又は複数の他の特徴と任意の組み合わせで使用することができる。明細書及び実施例は例示としてのみ考慮されることが意図されており、真の範囲は以下の特許請求の範囲及びそれらの同等物によって示される。

【図1A】

【図1B】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図3D】

【図3E】

【図3F】

【図3G】

【図3H】

【外国語明細書】