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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-01-15
(45)【発行日】2024-01-23
(54)【発明の名称】消費者電力回路用電力の統合および制御の方法およびシステム
(51)【国際特許分類】
H02J 3/46 20060101AFI20240116BHJP
H02J 3/38 20060101ALI20240116BHJP
H02J 3/32 20060101ALI20240116BHJP
H02J 13/00 20060101ALI20240116BHJP
【ＦＩ】
H02J3/46
H02J3/38 120
H02J3/38 130
H02J3/38 160
H02J3/32
H02J13/00 301A
H02J13/00 311R
H02J13/00 311
【請求項の数】
26
(21)【出願番号】P 2022535200
(86)(22)【出願日】2020-12-22
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2023-03-10
(86)【国際出願番号】 US2020066719
(87)【国際公開番号】W WO2021146039
(87)【国際公開日】2021-07-22
【審査請求日】2022-07-29
(31)【優先権主張番号】16/746,500
(32)【優先日】2020-01-17
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】508041127
【氏名又は名称】シスコ テクノロジー，インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100079108
【弁理士】
【氏名又は名称】稲葉 良幸
(74)【代理人】
【識別番号】100109346
【弁理士】
【氏名又は名称】大貫 敏史
(74)【代理人】
【識別番号】100117189
【弁理士】
【氏名又は名称】江口 昭彦
(74)【代理人】
【識別番号】100134120
【弁理士】
【氏名又は名称】内藤 和彦
(74)【代理人】
【識別番号】100140431
【弁理士】
【氏名又は名称】大石 幸雄
(72)【発明者】
【氏名】ゲルゲン，ジョエル，リチャード
(72)【発明者】
【氏名】ジョーンズ，チャド，エム．
【審査官】後澤 瑞征
(56)【参考文献】
【文献】特表２０１５－５２５０５７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１１－２８５１６３（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１９／０３４２０１１（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２００７－０６６７２４（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｊ ３／４６
Ｈ０２Ｊ ３／３８
Ｈ０２Ｊ ３／３２
Ｈ０２Ｊ １３／００
Ｈ０２Ｊ １／００ － １／１６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
配電システムであって、再生可能エネルギー源からＤＣ電力を受信するための直流（ＤＣ）電力入力と、
ＡＣ電力を受信するための交流（ＡＣ）電力入力と、
多相パルス電力を送信するための多相パルス電力出力と、
ＡＣ電力を送信するためのＡＣ電力出力と、
電力を、前記多相パルス電力出力および前記ＡＣ電力出力に割り当てるためのコントローラと、を備える、配電システム。
【請求項2】
前記多相パルス電力および前記ＡＣ電力はエンドデバイスに給電するための建物内の電力回路に供給され、データは前記多相パルス電力とともに前記エンドデバイスの１つ以上に供給される、請求項１に記載の配電システム。
【請求項3】
前記多相パルス電力は、前記多相パルス電力またはＰｏＥ（パワーオーバーイーサネット）を供給するように動作可能なコンセントに供給される、請求項１または２に記載の配電システム。
【請求項4】
前記再生可能エネルギー源から、および前記ＡＣ電力入力でＡＣ－ＤＣコンバータから前記ＤＣ電力を受信するＤＣバスと通信するイーサネット電力コントローラをさらに備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の配電システム。
【請求項5】
エンドデバイスの負荷要件に基づいて、前記ＤＣ電力の出力を前記多相パルス電力出力に割り当てるように動作可能なコントローラをさらに備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の配電システム。
【請求項6】
電力使用量を監視し、電力負荷が利用可能な電力を超えるときに１つ以上の優先度の低い電力回路をオフにするように動作可能なコントローラをさらに備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の配電システム。
【請求項7】
前記電力負荷が前記再生可能エネルギー源から利用可能な電力を超える場合、前記コントローラは、前記１つ以上の優先度の低い電力回路をオフにするように動作可能である、請求項６に記載の配電システム。
【請求項8】
前記ＤＣ電力は３８０ＶＤＣバスに統合されている、請求項１から７のいずれか一項に記載の配電システム。
【請求項9】
前記多相パルス電力は、５６ボルトＤＣを超える電圧での３相パルス電力を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の配電システム。
【請求項10】
前記再生可能エネルギー源は、太陽光パネル、風力タービン、および充電式バッテリのうちの少なくとも１つを含む、請求項１から９のいずれか一項に記載の配電システム。
【請求項11】
装置であって、交流（ＡＣ）回路遮断器と、
再生可能エネルギー回路遮断器と、
多相パルス電力回路遮断器と、
前記多相パルス電力回路遮断器に結合され、回路遮断器制御を提供するように動作可能なスイッチと、を備える、装置。
【請求項12】
パルス電力回路遮断器およびＡＣ電力遮断器をさらに備える、請求項１１に記載の装置。
【請求項13】
組み合わせたＡＣおよび多相パルス電力回路遮断器をさらに備える、請求項１１または１２に記載の装置。
【請求項14】
前記スイッチは、電力コントローラと通信するＰｏＥ（パワーオーバーイーサネット）スイッチを含む、請求項１１から１３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項15】
前記ＰｏＥスイッチは、多相パルス電力回路およびＡＣ電力回路の電圧および電流情報を受信するように動作可能である、請求項１４に記載の装置。
【請求項16】
方法であって、交流（ＡＣ）電力を受信することと、
再生可能エネルギー源から直流（ＤＣ）電力を受信し、配電システムで前記ＡＣ電力と前記ＤＣ電力を統合し、利用可能な電力および電力負荷を監視することと、
前記ＡＣ電力を送信することと、
パルス電力の複数の相を含む多相パルス電力を送信することであって、前記パルス電力は、連続電力を提供するために相間でオフセットされたＤＣ電圧パルスを有する複数の前記ＤＣ電圧パルスを含むことと、を含む、方法。
【請求項17】
前記再生可能エネルギー源からのＤＣ電力と統合するために、前記受信したＡＣ電力を前記ＤＣ電力に変換することをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項18】
前記ＤＣ電圧パルスは５６ボルト以上の電圧である、請求項１６または１７に記載の方法。
【請求項19】
前記多相パルス電力は３８０ＶＤＣパルス電力の３つ以上の相を含む、請求項１６から１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項20】
前記ＡＣ電力または前記多相パルス電力の、１つ以上の電力回路への供給を優先することをさらに含む、請求項１６から１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項21】
前記多相パルス電力の前記ＤＣ電圧パルス間で故障検出を実行することをさらに含む、請求項１６から２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項22】
装置であって、再生可能エネルギー源から直流（ＤＣ）電力を受信するための入力と、
多相パルス電力およびＰｏＥ（パワーオーバーイーサネット）を送信するための出力と
利用可能な電力を監視し、１つ以上の優先度の低い電力回路を識別し、電力負荷が前記利用可能な電力を超えるときに前記１つ以上の優先度の低い電力回路を無効にするためのコントローラと、を備える、装置。
【請求項23】
交流（ＡＣ）電力を受信するための入力および前記ＡＣ電力を送信するための出力をさらに備え、前記１つ以上の優先度の低い回路は、前記多相パルス電力、前記ＰｏＥ、または前記ＡＣ電力を受信するために構成される、請求項２２に記載の装置。
【請求項24】
前記多相パルス電力は複数の相のパルス電力を含み、前記パルス電力は複数の高電圧パルスを含み、前記高電圧パルスは連続電力を提供するために相間でオフセットし、低電圧故障検出は、前記高電圧パルス間で実行される、請求項２２または２３に記載の装置。
【請求項25】
装置であって、交流（ＡＣ）電力を受信するための手段と、
再生可能エネルギー源から直流（ＤＣ）電力を受信するための手段と、
配電システムで前記ＡＣ電力と前記ＤＣ電力とを統合するための手段と、
利用可能な電力とおよび電力負荷を監視するための手段と、
前記ＡＣ電力を送信するための手段と、
パルス電力の複数の相を含む多相パルス電力を送信するための手段であって、前記パルス電力は複数のＤＣ電圧パルスを含み、前記ＤＣ電圧パルスは連続電力を提供するために相間でオフセットされる手段と、を含む、装置。
【請求項26】
請求項１７から２１のいずれか一項に記載の方法を実施するための手段をさらに含む、請求項２５に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、一般に電力システム、より具体的には、消費者電力回路のための電力回路の統合および制御に関する。
【背景技術】
【0002】
家庭や企業の従来の電力システムを更新する需要が高まっている。従来のＡＣ電力の安全性の問題は継続して存在する。カリフォルニアの新しい家はまもなく太陽光電力システムを含める必要があるが、住宅や建物の回路に再生可能エネルギーシステムを効率的に実装する上での重要な課題は残っている。再生可能エネルギーおよび新しいより安全な電力システムの統合および割り当て、ならびに従来のＡＣ電力は、多くの課題を生じる。
【図面の簡単な説明】
【0003】
【図1】一実施形態による、消費者電力パネルにおける再生可能エネルギー、ＡＣ電力、およびＤＣ電力の統合を示すブロック図である。
【図2】一実施形態による、消費者電力システムの詳細を示すブロック図である。
【図3】一実施形態による、消費者電力システム用の回路遮断器パネルを示すブロック図である。
【図4】一実施形態による、４相パルス電力回路遮断器を示す図である。
【図5】一実施形態による、回路間の優先順位付けを伴う配電の監視および制御を示すプロセスフローチャートである。
【図6A】一実施形態による、２相パルス電力システムの電圧および電流の簡略化された例を示す図である。
【図6B】一実施形態による、３相パルス電力システムの電圧および電流の簡略化された例を示す図である。
【図7】一実施形態による、電源を統合し、配電を制御するためのプロセスの概要を示すフローチャートである。 対応する参照文字は、図面のいくつかの図にわたって対応する部分を示す。
【発明の概要】
【0004】
本発明の態様は、独立請求項で提示され、好ましい特徴は、従属請求項で提示される。一態様の特徴は、単独で、または他の態様と組み合わせて、任意の態様に適用され得る。
【0005】
一実施形態では、配電システムは、再生可能エネルギー源からＤＣ電力を受信するためのＤＣ電力入力と、ＡＣ電力を受信するためのＡＣ電力入力と、多相パルス電力を送信するための多相パルス電力出力と、ＡＣ電力を送信するためのＡＣ電力出力と、多相パルス電力出力およびＡＣ電力出力に電力を割り当てるためのコントローラとを一般に備える。
【0006】
１つ以上の実施形態では、多相パルス電力およびＡＣ電力はエンドデバイスに給電するための建物内の電力回路に供給され、データは多相パルス電力とともにエンドデバイスの１つ以上に供給される。
【0007】
１つ以上の実施形態では、前記多相パルス電力は、前記多相パルス電力またはＰｏＥ（パワーオーバーイーサネット）を供給するように動作可能なコンセントに供給される。
【0008】
１つ以上の実施形態では、システムは、前記再生可能エネルギー源から、および前記ＡＣ電力入力でＡＣ－ＤＣコンバータから前記ＤＣ電力を受信するＤＣバスと通信するイーサネット電力コントローラをさらに備える。
【0009】
１つ以上の実施形態では、システムは、エンドデバイスの負荷要件に基づいて、前記ＤＣ電力の出力を前記多相パルス電力出力に割り当てるように動作可能なコントローラをさらに備える。
【0010】
１つ以上の実施形態では、システムは、電力使用量を監視し、電力負荷が利用可能な電力を超えるときに１つ以上の優先度の低い電力回路をオフにするように動作可能なコントローラをさらに備える。
【0011】
１つ以上の実施形態では、前記電力負荷が前記再生可能エネルギー源から利用可能な電力を超える場合、前記コントローラは、前記優先度の低い電力回路をオフにするように動作可能である。
【0012】
１つ以上の実施形態では、ＤＣ電力は３８０ＶＤＣバスに統合されている。
【0013】
１つ以上の実施形態では、多相パルス電力は、５６ボルトＤＣを超える電圧での３相パルス電力を含む。
【0014】
１つ以上の実施形態では、前記再生可能エネルギー源は、太陽光パネル、風力タービン、および充電式バッテリのうちの少なくとも１つを含む。
【0015】
別の実施形態では、装置は、一般に、ＡＣ回路遮断器と、再生可能エネルギー回路遮断器と、多相パルス電力回路遮断器と、多相パルス電力回路遮断器に結合され、回路遮断器制御を提供するように動作可能なスイッチと、を含む。
【0016】
別の実施形態では、方法は、一般に、ＡＣ電力を受信することと、再生可能エネルギー源から直流（ＤＣ）電力を受信し、配電システムで前記ＡＣ電力と前記ＤＣ電力を統合することと、利用可能な電力および電力負荷を監視することと、ＡＣ電力を送信することと、パルス電力の複数の相を含む多相パルス電力を送信することであって、前記パルス電力は、連続電力を提供するために相間でオフセットされたＤＣ電圧パルスを有する複数の前記ＤＣ電圧パルスを含む、ことと、を含む。
【0017】
さらに別の実施形態では、装置は、一般に、再生可能エネルギー源からＤＣ電力を受信するための入力と、多相パルス電力およびＰｏＥを送信するための出力と、利用可能な電力を監視し、優先度の低い電力回路を識別し、電力負荷が前記利用可能な電力を超えるときに前記１つ以上の優先度の低い電力回路を無効にするためのコントローラと、を備える。
【0018】
本明細書に記載の実施形態の特徴および利点のさらなる理解は、本明細書の残りの部分および添付の図面を参照することによって実現することができる。
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下の説明は、当業者が実施形態を作成および使用することを可能にするために提示される。特定の実施形態および用途の説明は、例としてのみ提供されており、様々な変更形態が当業者には容易に明らかになるであろう。本明細書に記載の一般原理は、実施形態の範囲から逸脱することなく、他の用途に適用することができる。したがって、実施形態は、示されているものに限定されるべきではなく、本明細書に記載されている原理および特徴と一致する最も広い範囲を与えられるべきである。明確にするために、実施形態に関連する技術分野で知られている技術資料に関連する詳細は、詳細には説明されていない。
【0020】
従来の消費者向け送電は、ＡＣ（交流）送電が主流であった。しかし、環境および保全の懸念とともにエネルギーの生および消費の要件は、電力供給および消費者電力の制御に変化をもたらしている。例えば、電力を生産するための再生可能エネルギー源を地元に追加する消費者が増えている。カリフォルニア州では、まもなく新しい家に太陽光電力システムを設置する必要があり、他の州もまもなく続く可能性がある。太陽光電力システムは、最大出力容量で電気グリッドに直接電力を供給する。電気グリッドが「オフ」状態になると、太陽光システムからの電力が失われる。場合によっては、バッテリのバックアップがあり、太陽光電力を使用してバッテリを充電することもあるが、このタイプのシステムは通常、非効率的であり、配置されることはめったにない。
【0021】
住宅用のほとんどの風力、太陽光、およびバッテリシステムは、３８０ＶＤＣ（直流ボルト）ベースのシステムで構成されている。家庭内の多くの電気デバイスは、２４０ＶＡＣ（交流ボルト）または３８０ＶＤＣで、最小限の労力で、または効率の変化をほとんど伴わずに実行できる。再生可能エネルギー技術は、適切な最終負荷に直接接続できる場合、ＡＣへの変換による損失を直接打ち消すＤＣ出力を生成するため、変換損失を削減する可能性がある。しかしながら、住宅に再生可能エネルギーソリューションを物理的に実装し、電力回路を構築する際の重要な課題は残っている。再生可能エネルギーシステムへの継続的な焦点は、電力割り当てとともに統合された有線データを備えた管理された主回路パネルの必要性を推進しており、その結果、優先回路は、風力、太陽光、およびバッテリの電力が２４時間にわたって減少または増加しても動作し続けることができ、供給された電力の不足のためにシステムをシャットダウンすることはない。
【0022】
再生可能エネルギー源の統合の必要性に加えて、従来のＡＣ電力システムは安全性の問題を引き起こし続けている。何年にもわたってＡＣ電力の供給をより安全にする改善がなされてきたが、住宅の従来のＡＣ電力には依然として安全上の懸念がある。
【0023】
本明細書に記載の実施形態は、再生可能エネルギー源および安全な高電力ＤＣシステムを従来のＡＣ電力と統合する消費者向け電力システムを、電力監視およびデータ制御を行って、再生可能エネルギー入力源とより安全で相互運用可能なシステムとともに提供する。１つ以上の実施形態では、電源は、電力割り当てとともに主電力パネルに統合され、その結果、電力需要が利用可能な電力を超える場合、電力が優先回路に提供され得る。電源には、例えば、再生可能エネルギー電源（例えば、太陽光パネル、風力タービン、充電式バッテリ）およびユーティリティグリッドからのＡＣ電力が含まれ得る。電力システムは、ＡＣ電力、ＰｏＥ（パワーオーバーイーサネット）、およびＥＳＰ（拡張安全電力）を分配する場合がある。ＰｏＥおよびＥＳＰは、イーサネットケーブルを介して電力およびデータを供給するために使用できる。電力は、データを伝送するのと同じ導体で伝送されてもよいか、または、電力は、同じケーブルまたは別のケーブル内の専用導体で伝送されることがある。ＰｏＥは一般に低電力用途（例えば、１００ワット（Ｗ）以下）に制限されているが、ＥＳＰは安全に構築されたより高い電力を提供する。
【0024】
本明細書で使用される「拡張安全電力」（「ＥＳＰ」）という用語は、ケーブル（例えば、イーサネットケーブル）内の１つ以上のワイヤまたはワイヤ対に供給されるパルス電力による高電力（例えば、１００ワット（Ｗ）超）、高電圧（例えば、５６ボルト（Ｖ）以上）動作を指す。１つ以上の実施形態では、ＥＳＰは、故障検出（例えば、初期化時および高電圧パルス間の故障検出）、およびパルス同期を含む。電力は、給電装置（ＰＳＥ）（例えば、消費者施設（例えば、住宅、ビジネス、またはその他の建物）の主電力パネルの電源）から受電デバイス（ＰＤ）（エンドデバイス、電気デバイス（例えば、コンピュータ、ラップトップ、タブレット、電話、セキュリティシステム、カメラ、消費者デバイス、携帯用電子機器、照明、照明システムなど））に供給され、建物内の消費者電力回路に電力が分配される。電力は、通信あり（例えば、双方向通信）または通信なしで送信することができる。
【0025】
本明細書で使用される用語「パルス電力」は、パルスオフ間隔中の非常に小さい電圧（例えば、０Ｖに近い、３ＶＤＣ）と、パルスオン間隔中のより大きな電圧（例えば、１２ＶＤＣ以上、２４ＶＤＣ以上）との間で変化する（低直流電圧状態と高直流電圧状態を交互に）一連のパルスで供給される電力を指す。例えば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、２０１９年１１月１日に出願された米国特許出願第１６／６７１，５０８（「Ｉｎｉｔｉａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｐｕｌｓｅ Ｐｏｗｅｒ ｉｎ ａ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｓｙｓｔｅｍ」）に記載されているように、高電圧パルス電力（例えば、５６ＶＤＣ以上、６０ＶＤＣ以上、３００ＶＤＣ以上、約１０８ＶＤＣ、約３８０ＶＤＣ）は、受電デバイスに電力を供給する際に使用するために、給電装置から受電デバイスに送信され得る。パルス電力送信は、例えば、ケーブル、送信線、バスバー、および配電システムを介して行うことができる。
【0026】
１つ以上の実施形態では、ＥＳＰは、図６Ａおよび６Ｂに関して以下に説明するように、ワイヤまたはワイヤ対間でパルスが互いにオフセットされて連続電力を提供する多相パルス電力システムにおいて複数相で送信されるパルス電力を含み得る。その全体が参照により本明細書に組み込まれる、２０１９年４月１０日に出願された米国特許出願第１６／３８０，９５４号（「Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｐｈａｓｅ Ｐｕｌｓｅ Ｐｏｗｅｒ ｉｎ ａ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｓｙｓｔｅｍ」）に記載されるように、１つ以上の実施形態は、受電デバイスへの相パルスのオーバーラップを伴う連続的な途切れのない電力で、より少ない損失を達成するための多相パルス電力を使用し得る。
【0027】
ここで図面を参照し、最初に図１を参照すると、一実施形態による、消費者電力回路の主電力パネルに統合された再生可能エネルギーを示す概略図が示されている。本明細書に記載の消費者電力システムは、任意のタイプの建物１０（例えば、住宅、ビジネス、工業、ホテル、アパート、学校など）に実装することができる。図１に示される単純化された例では、建物１０は、太陽光パネル１１、風力タービン１２、および充電式バッテリ１５を含む再生可能エネルギー源で構成されている。太陽光システム１１および風力システム１２は、インタフェース（例えば、再生可能エネルギー源電力コントローラ）１３を介して電力回路に結合されている。配電システム（電力インバータ／コンバータ）１４は、電力インタフェース１３から入力を受け取り、また、充電式バッテリ（または他のエネルギー貯蔵デバイス）１５に結合される。以下で詳細に説明するように、電力インバータ／コンバータ１４はまた、ユーティリティグリッドからＡＣ電力を受信する。配電システム１４は、ＡＣ電力および多相パルス電力を、ＡＣ電力遮断器１７およびパルス電力回路遮断器１８を含む主電力パネル１６に提供する。以下に説明するように、回路遮断器は、物理的に切断することも、電子的に制御することもできる。電力コントローラ１９は、配電システムに統合された有線データを用いて配電を監視および制御する。主電力パネル１６は、建物内の任意の適切な場所（例えば、ガレージ、地下室、電力入力の近くの外壁に隣接して）に配置することができる。主電力パネル１６は、建物全体の電力を、電力を消費する任意の数のコンセントまたはエンドポイントデバイス（負荷）（図示せず）に分配し、これらは、電力を消費する（例えば、照明、コンピュータ機器、娯楽デバイス、ＨＶＡＣ（暖房、換気、および空調）機器、家庭用および台所用電化製品、電気自動車充電器、または動作するために電気を必要とするその他のデバイス）。
【0028】
図１に示される消費者電力システムは単なる一例であり、システムは、実施形態の範囲から逸脱することなく、追加の構成要素、より少ない構成要素、または異なる構成要素を含み得ることが理解されるべきである。例えば、建物１０は、示されている再生可能エネルギー源のうちの１つのみで構成され得る。
【0029】
図２は、一実施形態による、図１に示される消費者電力システムの詳細を示す。図２に示される電力システム２０は、太陽光パネル２１、風力システム２２、およびバッテリシステム２５を含む再生可能エネルギー源を含む。１つ以上の実施形態では、配電システム２４は、１つ以上の再生可能エネルギー源（例えば、太陽光パネル２１、風力システム２２、バッテリシステム２５）からＤＣ電力を受信するための１つ以上のＤＣ電力入力２４ａと、ＡＣ電力を受信するためのＡＣ電力入力２４ｂと、多相パルス電力（または多相パルス電力およびＰｏＥ）を送信するための多相パルス電力出力２４ｃ、ＡＣ電力を送信するためのＡＣ電力出力２４ｄ、および多相パルス電力出力およびＡＣ電力出力に電力を割り当てるためのコントローラ３２とを含む。
【0030】
図２の例に示されるように、システムは、再生可能エネルギー源（太陽光パネル２１、風力システム２２、充電式バッテリシステム２５）およびＡＣ電源（例えば、ＡＣ電力モジュール３１でのユーティリティグリッド電力入力（ＡＣーＤＣコンバータ）から入力を受信するためのＤＣ電力モジュール（バス）２８と、ＤＣバス２８からＤＣ電力を受信し、多相ＤＣパルス電力を供給するための多相パルス電力システム（ＤＣパルス電力位相モジュール）２９と、ＡＣ電力モジュール３０（ＤＣ－ＡＣインバータ）（図２）とを含む。受信したＡＣ電力はモジュール３１でＤＣ電力に変換され、再生可能エネルギー源２１、２２、２５からのＤＣ電力と統合され、多相パルス電力として送信に割り当てられる。電気グリッドから受信されたＡＣ電力は２４ｂまた、建物内のＡＣエンドデバイスにＡＣ電力を供給するために、または、電力を電気グリッドに戻すために、変換せずにＡＣ電力出力２４ｄに直接送信することができる（例えば、電力モジュール３１から電力モジュール３０に直接）。前述のように、多相ＤＣパルス電力およびＡＣ電力は、建物内のエンドデバイス（電気デバイス）に電力を供給するために電力回路に供給される。
【0031】
太陽光パネル２１および風力システム２２は、ＤＣコントローラ２３に結合され、バッテリは、ＤＣコントローラ／充電器２６に結合される。バッテリシステム２５は、配電システム２４からＤＣ電力を受信してバッテリを充電し、必要に応じてＤＣ電力を配電システムに送信することができる。太陽光パネル２１、風力システム２２、およびバッテリシステム２５は、物理的切断（回路遮断器）２７を介して配電システム２４に結合され、また、データ駆動禁止信号（電気的切断）を含むデータを（ＤＣコントローラ２３、２６で）送信または受信するように構成され得る。
【0032】
図２に示す例では、バス２８は３８０ＶＤＣバスを含み、インバータ３０は３８０ＶＤＣを２４０ＶＡＣに変換するように構成され、コンバータ３１は２４０ＶＡＣを３８０ＶＤＣに変換するように構成され、パルス電力は３８０ＶＤＣの高電圧パルスで供給される。ＡＣ電力モジュール３０、３１は、ニュートラル（Ｎ）および接地（Ｇ）とともに、回路ＡおよびＢで構成される。図２に示される回路および電圧は例として提供され、実施形態の範囲から逸脱することなく、他の電圧を使用することができることを理解されたい。
【0033】
電力コントローラ３２は、電力供給を監視および制御するために、バス２８に結合されたイーサネット電力コントローラ、パルス電力位相モジュール２９、およびインバータ３０を備えることができる。電力コントローラ３２は、例えば、システムを制御して、全体的な電流またはエンドデバイスの予想される使用負荷レベルに基づいて、利用可能な給電を動的に統合または変換することができる。以下に説明するように、優先順位付けおよび制御アルゴリズムを使用して、再生可能エネルギー源２１、２２、２５からの低電力入力の時間中に優先順位の低い回路をオフにすることができる。
【0034】
建物は、例えば、エンドデバイスに可変または適切な電圧レベルを提供するように構成され得るＤＣコンセントとともに、従来のＡＣコンセントを含み得る。例えば、建物には、コンセントに接続されたエンドデバイスの電力要件または機能に基づいて、ＰｏＥ（例えば、９０Ｗ）とＥＳＰ（例えば、１００Ｗ超）との間で切り替えるためにスマート検出で構成される任意の数のコンセント３３（例えば、ＲＪ４５または、給電またはデータの送受信に適した他のイーサネットコネクタもしくはレセプタクル）を含み得る。
【0035】
前述のように、再生可能エネルギーシステムは、ＰｏＥ、パルス電力、および電力制御とともに、消費者向け電力の主回路遮断器に統合されている。回路遮断器 は、特定の回路要件に応じて、パルス電力またはＰｏＥに接続するように構成できる。１つ以上の実施形態では、回路遮断器システムは、ＡＣ回路遮断器３４と、再生可能エネルギー回路遮断器３５と、多相パルス電力回路遮断器３６と、多相パルス電力回路遮断器に結合されて回路遮断器制御を提供できるスイッチ４１を含む（図３）。
【0036】
図３の例に示されているシステムには、４つの回路遮断器が含まれており、２４０ＶＤＣ ＨＶＡＣ回路遮断器３４、再生可能エネルギー回路遮断器３５、多相パルス電力回路遮断器３６、およびＡＣ／多相パルス電力回路遮断器３７である。ＡＣグリッド電力遮断器３８は、ＡＣ回路ＡおよびＢに結合され、パルス電力回路遮断器３９は、相Ｐ１、Ｐ２、およびＰ３に結合される（例えば、図３のバスバーＡ、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｂにおいて）。インテリジェント電力制御４０は、ＰｏＥスイッチ４１への入力を提供し、これは、パルス電力回路遮断器３６および３７に電気回路遮断器制御を提供する。手動入力（物理的切断）は、回路遮断器３４、３５、および３７に提供され得るが、多相パルス電力回路遮断器３６は、電気的に制御された切断のみを有し得る。
【0037】
図３に示す回路遮断器システムは単なる一例であり、実施形態の範囲から逸脱することなく、構成要素、回路、回路遮断器が追加、削除、結合、または再配置され得ることが理解されるべきである。例えば、パルス電力の３つの相が図３に示されているが、任意の数の相を使用できる。一例では、システムにＰ４バスを追加して、４相のパルス電力を使用できる（例えば、４対のｃａｔ ５／６ケーブル上）。別の例では、１２０ＶＡＣ回路遮断器を３相のパルス電力を用いて使用できる。
【0038】
図４は、一実施形態による、電力監視および制御を備えた４相パルス電力回路遮断器の例を示している。図４に示される例では、電力コントローラ４０は、４つの相と通信しているＰｏＥスイッチ４１に入力を提供する。ＡＣ回路ＡおよびＢ（電流ｉＡ、ｉＢ）には手動遮断器が提供されており、ＡＣ回路には４つの相（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４（電流ｉ１、ｉ２、ｉ３、ｉ４））へのバスバー接続がある。データテレメトリは、ＰｏＥスイッチ４１で電力コントローラ４０に電流および対応する電圧を入力する電力監視および制御を提供する。４相の電力制御遮断器は、電気プルを使用する場合があり、例えば、パルス電力とＰｏＥの間のスイッチを備えたＦＥＴ（電界効果トランジスタ）制御を備えている場合がある。
【0039】
図５は、一実施形態による、電力監視および制御の例を示している。電力監視および制御５０（例えば、図３および４の電力コントローラ４０およびスイッチ４１から）は、利用可能なＰｏＥ５２、パルス電力５３、およびＡＣグリッド電力５４を決定する。十分な電力が利用できる場合、電力は５５ａ、５５ｂ、５５ｃで供給される。十分な電力が利用できない場合（電力＜必要な電力）、５６ａ、５６ｂ、または５６ｃにおいて優先順位リストでルックアップが実行される。優先順位は、優先順位リスト（ステップ５７）に基づいて回路間で決定され、１つ以上の優先順位の低い回路は、必要に応じて、５８ａ、５８ｂ、または５８ｃで切断される。ピークエネルギー要件は、例えば、ピーク時の使用のために追加の容量を組み込む必要を防ぐために、優先度が低いとして割り当てられたシステム（例えば、ＨＶＡＣ）をオフにすることによってバランスをとることができる。
【0040】
１つ以上の実施形態では、優先順位付けおよび制御アルゴリズムを実装して、再生可能エネルギー源が減少するにつれて（例えば、２４時間で）、選択された回路をアクティブに保ち、他の回路を抑制し得るように適切な優先順位付けを適用することができる。例えば、冷蔵庫および防犯カメラの電源を維持し、キッチンの照明および天井ファンの電源をオフにすることが重要な場合がある。例えば、太陽エネルギーや風力エネルギーの減少傾向の間に、電力の一部が無効になり、他の場所に再割り当てされる可能性があり、これにより、バッテリの寿命が大幅に維持される。
【0041】
前述のように、配電システムによって供給される電力は、高電圧パルス電力または高電圧多相パルス電力（高電圧ＤＣ電力）を含み得る。多相パルス電力は、パルス電力の複数の相を含み、パルス電力は、連続電力を提供するために相間でオフセットされたＤＣ電圧パルスを有する複数のＤＣ電圧パルスを含む。図６Ａと６Ｂは、それぞれ２相および３相パルス電力システムにおける電圧と電流の簡略化された例を概略的に示している。
【0042】
最初に図６Ａを参照すると、Ａ相の電圧は６２ａで示され、Ｂ相の電圧は６２ｂで示されている。連続相電流は６４で示されている。各相のパルス電力は、高電圧状態と低電圧状態を交互に定義する複数の電圧パルスで構成される。図６Ａに示すように、電圧はパルスオン時間（例えば、電圧 ２４ＶＤＣ超、電圧６０ＶＤＣ以上、電圧３８０以上）とパルスオフ時間（例えば、電圧１２Ｖ未満、２４Ｖ以下）の間で切り替えられる。パルスオン時間中に高電圧電力が供給され、高電圧電力がオフになっているパルスオフ時間中に、低電圧検知で使用するために各相に低電圧を印加して、ワイヤの完全性をチェックし、ケーブルの静電容量をテストするか、またはその他のテストまたは故障検出することができる。電圧パルスは相間でオフセットされ、連続電力を供給する。
【0043】
図６Ｂの３相システムでは、Ａ相の電圧は６５ａで示され、Ｂ相の電圧は６５ｂで示され、Ｃ相の電圧は６５ｃで示されている。連続相電流は６６で示されている。
【0044】
図６Ａおよび６Ｂに示される電圧、電流、およびデューティサイクルは、理想化された波形を備えた単純化された例を示していることが理解されるべきである。１つ以上の実施形態では、オフ時間中の電圧は、前述のように、故障検出で使用するためにゼロより大きい。例えば、パルスオフ時間中の電圧は、パルスオフ時間中の故障検知を提供するための低電圧を含み得る。故障検知には、例えば、ケーブルまたは受電デバイスの低電圧検知によるライン間故障検出、および中点接地によるライン－接地間故障検出が含まれ得る。これらの電力安全機能は、安全なシステム動作ならびにデバイスの設置および除去（切断）を提供する。
【0045】
１つ以上の実施形態では、パルスオン時間はパルスオフ時間よりも長い。例えば、高電圧は４ｍｓの間パルスオンされ、１ｍｓの間パルスオフにされる。別の例では、高電圧は、８ｍｓの間パルスオンされ、４ｍｓの間パルスオフされ得る。また、図６Ｂに示すように、電圧パルスオン時間は相間でオーバーラップする可能性があるため、常に少なくとも１つのワイヤがオンになる。多相システムでの相のオーバーラップ中、ケーブル電流の合計はすべてのＯＮワイヤで共有される。受電デバイスで相が組み合わされると、相電流６４および６６で示されるように、結果として連続ＤＣ電圧が発生する。上記で参照された米国特許出願第１６／３８０，９５４号に記載されているように、多相システムは、任意の相オフセットもしくはオーバーラップ、またはデューティサイクルを伴う任意の数の相を含むことができる。
【0046】
図７は、一実施形態による、電源を統合し、電力回路を構築する際に配電を制御するためのプロセスの概要を示すフローチャートである。ステップ７０で、ＡＣ電力がユーティリティグリッドから受信される。再生可能エネルギー源（例えば、太陽光パネル、風力システム、充電式バッテリ）からも電力を受信する（ステップ７１）。受信電力は統合される（ステップ７２）。例えば、前述のように、ＡＣ電力をＤＣ電力に変換し、ＤＣバスで入力することができる。利用可能な電力が監視され、電力が分配される（ステップ７３）。配電は、例えば、すべての電力需要を満たすのに十分な電力が利用できない場合に、１つ以上の優先度の低い回路をオフにすることによって制御できる。配電は、例えば、電力回路へのＡＣ電力の送信（ステップ７４）および多相ＤＣパルス電力の送信（ステップ７５）を含み得る。図６Ａおよび６Ｂに関して上で説明したように、故障検出は、高電圧パルス間の多相パルス電力に対して実行され得る。
【0047】
図７に示され、上記に記載されたプロセスは単なる一例であり、実施形態の範囲から逸脱することなく、ステップを追加、修正、または組み合わせることができることを理解されたい。
【0048】
要約すると、一実施形態では、配電システムは、再生可能エネルギー源からＤＣ電力を受信するためのＤＣ電力入力と、ＡＣ電力を受信するためのＡＣ電力入力と、多相パルス電力を送信するための多相パルス電力出力と、ＡＣ電力を送信するためのＡＣ電力出力と、多相パルス電力出力およびＡＣ電力出力に電力を割り当てるためのコントローラとを含む。
【0049】
本装置および方法は、示された実施形態に従って説明されてきたが、当業者であれば、実施形態の範囲から逸脱することなく、実施形態に変更を加えることができることを容易に認識するであろう。したがって、上記の説明に含まれ、添付の図面に示されているすべての事項は、限定的な意味ではなく、例示として解釈されるものとすることが意図されている。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図7】
