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技術 双方向ストレージ及び再生可能電力コンバータのための方法及び装置

出願人 ダイナパワーカンパニーエルエルシー
発明者 ジョンシー.パロンビーニアパーバソマニ
出願日 2018年8月13日 (2年6ヶ月経過) 出願番号 2019-500400
公開日 2020年10月29日 (3ヶ月経過) 公開番号 2020-530974
状態 未査定
技術分野 交流の給配電
主要キーワード エネルギ装置 PTモード 電流エネルギ ユーティリティグリッド 送電機 勾配率 下降勾配 バッテリバンク
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (6)

課題・解決手段

再生可能エネルギアプリケーションエネルギストレージシステムは、再生可能エネルギ源ACバス及びDCバスに接続された双方向インバータ、双方向DC/DCコンバータに接続されたエネルギストレージユニット、及び、双方向インバータ及び双方向DC/DCコンバータに結合された一以上のコントローラを有する制御システムを含む。双方向インバータは、再生可能エネルギ源及び双方向DC/DCコンバータに、DCバスを介して接続されている。制御システムは、双方向DC/DCコンバータ及び双方向インバータの動作を容易にするように構成されている。エネルギストレージシステムは、再生可能エネルギ源及びユーティリティグリッドからのエネルギ両方を貯蔵し、ユーティリティグリッドに電力を供給もする。エネルギストレージシステムは、ユーティリティグリッドの周波数調整支援する方法、予備、再生可能エネルギストレージシステムの出力電力勾配率を制御する方法に用いられる。

概要

背景

電力変換システム及び関連する制御システムは、様々なエネルギ資源を連結するために用いられてよい。例えば、電力システムは、相互に連結された分散型エネルギ資源(例えば、発電機及びエネルギストレージユニット)及び負荷を含むことができる。電力システムは、マイクログリッドシステムとして参照されてよく、ユーティリティグリッド又はマイクログリッドシステムに連結することもできる。電力システムは、これらのエネルギ資源間での電力を変換するために、電力変換を使用する(例えば、AC/DC、DC/DC、AC/AC、及び、DC/AC)。

概要

再生可能エネルギアプリケーションエネルギストレージシステムは、再生可能エネルギ源ACバス及びDCバスに接続された双方向インバータ、双方向DC/DCコンバータに接続されたエネルギストレージユニット、及び、双方向インバータ及び双方向DC/DCコンバータに結合された一以上のコントローラを有する制御システムを含む。双方向インバータは、再生可能エネルギ源及び双方向DC/DCコンバータに、DCバスを介して接続されている。制御システムは、双方向DC/DCコンバータ及び双方向インバータの動作を容易にするように構成されている。エネルギストレージシステムは、再生可能エネルギ源及びユーティリティグリッドからのエネルギ両方を貯蔵し、ユーティリティグリッドに電力を供給もする。エネルギストレージシステムは、ユーティリティグリッドの周波数調整支援する方法、予備、再生可能エネルギストレージシステムの出力電力勾配率を制御する方法に用いられる。

目的

本発明は、一般的にはエネルギストレージシステムに関し、より具体的には、再生可能エネルギ装置の制御モードを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

再生可能エネルギアプリケーションエネルギストレージシステムであって、再生可能エネルギ源と、ACバス及びDCバスに接続されるとともに、前記再生可能エネルギ源及び双方向DC/DCコンバータに前記DCバスを介して接続された双方向インバータと、前記双方向DC/DCコンバータに接続されたエネルギストレージユニットと、前記双方向インバータ及び前記双方向DC/DCコンバータに結合された一以上のコントローラを有する制御システムであって、前記双方向DC/DCコンバータ及び前記双方向インバータの動作を容易にする制御システムと、を備えることを特徴とするエネルギストレージシステム。

請求項2

前記再生可能エネルギ源は、フォトボルタイク(PVアレイ風力発電源及び水力発電源のうち少なくとも一つであることを特徴とする請求項1に記載のエネルギストレージシステム。

請求項3

前記双方向インバータは、前記ACバスを介して、ユーティリティグリッドローカル負荷及びマクログリッドの少なくとも一つに接続されていることを特徴とする請求項1に記載のエネルギストレージシステム。

請求項4

前記制御システムは、電圧の大きさ、周波数及び位相の少なくとも一つを検出するように構成された一以上のセンサを更に有することを特徴とする請求項1に記載のエネルギストレージシステム。

請求項5

前記制御システムは、ユーティリティグリッド、ローカル負荷及びマイクログリッドの少なくとも一つに電力が供給されているときに、電圧の周波数、位相及び大きさの少なくとも一つ、又は、前記双方向インバータの電流を同期するように構成されていることを特徴とする請求項4に記載のエネルギストレージシステム。

請求項6

前記エネルギストレージユニットは、バッテリバッテリバンク及びフライホイールエネルギストレージユニットの少なくとも一つであることを特徴とする請求項1に記載のエネルギストレージシステム。

請求項7

前記制御システムは、前記双方向インバータを、最大電力点追跡(MaximumPowerPointTracking:MPPT)モード又はグリッドストレージモードで動作するように制御し、前記制御ユニットは、MPPTモードとグリッドストレージモードと間のオンザフライ遷移を制御することを特徴とする請求項1に記載のエネルギストレージシステム。

請求項8

前記制御システムは、前記再生可能エネルギ源により発電された電力をグリッドに出力する、グリッドから前記エネルギストレージユニットを充電する、又は、前記エネルギストレージユニットを前記グリッドに放電するために、前記双方向インバータ及び前記双方向DC/DCコンバータの動作を選択的に可能にすることを特徴とする請求項7に記載のエネルギストレージシステム。

請求項9

前記再生エネルギ源は、フォトボルタイク(PV)アレイであり、前記制御システムは、前記PVアレイからの出力電力サンプリングして、最大電力を得るための電圧を選択的に適用することを特徴とする請求項7に記載のエネルギストレージシステム。

請求項10

前記双方向インバータは、前記ACバスでの単一のAC出力のために、前記DCバスでの複数のDC接続を含み、前記双方向インバータは、前記複数のDC接続各々の最大電力を最適化するように構成されていることを特徴とする請求項9に記載のエネルギストレージシステム。

請求項11

MPPTモードとグリッドストレージモードとの間の前記オンザフライ遷移は、前記PVアレイの出力電力が所定閾電力未満の場合に、前記制御ユニットにより制御されることを特徴とする請求項9に記載のエネルギストレージシステム。

請求項12

前記双方向インバータは、双方向PVインバータであり、前記再生可能エネルギ源はPVアレイであり、前記双方向PVインバータは、一以上の半導体スイッチを有しており、前記半導体スイッチのゲートは、前記PVアレイから受電したDC電力をAC電力に変換するための、又は、前記ACバスから受電したAC電力をDC電力に変換するための、前記制御システムから複数のスイッチングパルスを受信することを特徴とする請求項1に記載のエネルギストレージシステム。

請求項13

前記エネルギストレージユニットは、前記再生可能エネルギ源及びグリッドの両方からのエネルギを貯蔵するように構成されていることを特徴とする請求項1に記載のエネルギストレージシステム。

請求項14

エネルギストレージシステムによりユーティリティグリッド電圧の周波数調整支援する方法であって、電力コマンドを受信し、前記電力コマンドが正の電力コマンドである場合に、周波数調整のために、前記ユーティリティグリッドに電力を供給し、前記電力コマンドが負の電力コマンドである場合に、前記ユーティリティグリッドから電力を吸収し、第2電力コマンドを受信して、前記第2電力コマンドに応じて、ユーティリティグリッドに電力を供給し、又は、前記ユーティリティグリッドから電力を吸収することを特徴とする方法。

請求項15

前記エネルギストレージシステムは、再生可能エネルギ源と、ACバス及びDCバスに接続されるとともに、前記再生可能エネルギ源及び双方向DC/DCコンバータに前記DCバスを介して接続された双方向インバータと、前記双方向DC/DCコンバータに接続されたエネルギストレージユニットと、前記双方向インバータ及び前記双方向DC/DCコンバータに結合された一以上のコントローラを有する制御システムであって、前記双方向DC/DCコンバータ及び前記双方向インバータの動作を容易にする制御システムと、を備えることを特徴とする請求項14に記載の方法。

請求項16

前記ユーティリティグリッドに電力を供給することは、前記再生可能エネルギ源により発電された電力を前記ユーティリティグリッドに供給する、又は、前記ユーティリティグリッドに前記エネルギストレージユニットを放電するための、前記双方向インバータ及び前記双方向DC/DCコンバータの動作を、前記制御システムにより選択的に可能にすることを含み、前記ユーティリティグリッドから電力を吸収することは、前記グリッドから前記エネルギストレージユニットを充電することを含むことを特徴とする請求項15に記載の方法。

請求項17

前記制御ユニットにより、前記双方向インバータを、最大電力点追跡(MaximumPowerPointTracking:MPPT)モード又はグリッドストレージモードで動作するように制御することを更に含み、前記MPPTモードと前記グリッドストレージモードとの間のオンザフライ遷移を、周波数調整ディスパッチ信号により要求されるように、前記制御ユニットにより制御することを特徴とする請求項15に記載の方法。

請求項18

前記双方向インバータは、双方向PVインバータであり、前記再生可能エネルギ源はPVアレイであり、前記双方向PVインバータは、一以上の半導体スイッチを有しており、前記半導体スイッチのゲートは、前記PVアレイから受電したDC電力をAC電力に変換するための、又は、前記ACバスから受電したAC電力をDC電力に変換するための、前記制御システムから複数のスイッチングパルスを受信することを特徴とする請求項15に記載の方法。

請求項19

エネルギストレージシステムの出力電力勾配率制御方法であって、グリッドからの電力及び再生可能エネルギ源からの電力の一以上を貯蔵するように、エネルギストレージユニットを充電する場合に、双方向インバータを制御し、前記再生可能エネルギ源の前記グリッドへの出力電力を、一以上のセンサにより監視し、前記出力電力の変化率が、所定の勾配率から所定量だけ異なっているか否かを判定し、前記出力電力の変化率を、予め決められた勾配率の所定量内に戻すために、前記エネルギストレージユニットの充電又は放電を変更することを特徴とする方法。

請求項20

前記エネルギストレージシステムは、再生可能エネルギ源と、ACバス及びDCバスに接続されるとともに、前記再生可能エネルギ源及び双方向DC/DCコンバータに前記DCバスを介して接続された双方向インバータと、前記双方向DC/DCコンバータに接続されたエネルギストレージユニットと、前記双方向インバータ及び前記双方向DC/DCコンバータに結合された一以上のコントローラを有する制御システムであって、前記双方向DC/DCコンバータ及び前記双方向インバータの動作を容易にする制御システムと、を備えることを特徴とする請求項19に記載の方法。

請求項21

前記双方向インバータは、双方向PVインバータであり、前記再生可能エネルギ源はPVアレイであり、前記双方向PVインバータは、一以上の半導体スイッチを有しており、前記半導体スイッチのゲートは、前記PVアレイから受電したDC電力をAC電力に変換するための、又は、前記ACバスから受電したAC電力をDC電力に変換するための、前記制御システムから複数のスイッチングパルスを受信することを特徴とする請求項20に記載の方法。

技術分野

0001

本発明は、一般的にはエネルギストレージシステムに関し、より具体的には、再生可能エネルギ装置の制御モードを提供するエネルギストレージシステム及び方法に関する。

背景技術

0002

電力変換システム及び関連する制御システムは、様々なエネルギ資源を連結するために用いられてよい。例えば、電力システムは、相互に連結された分散型エネルギ資源(例えば、発電機及びエネルギストレージユニット)及び負荷を含むことができる。電力システムは、マイクログリッドシステムとして参照されてよく、ユーティリティグリッド又はマイクログリッドシステムに連結することもできる。電力システムは、これらのエネルギ資源間での電力を変換するために、電力変換を使用する(例えば、AC/DC、DC/DC、AC/AC、及び、DC/AC)。

発明が解決しようとする課題

0003

電力システムは、電力を供給し、電力を調整し、及び、一の電源から、負荷に電力を継続して供給する目的の他の電源に電力を転送するように設計されていてよい。可能な限り最大のエネルギ生成量が使用されるように、可能な限り最も効率の用方法で電力が供給されることが望ましい。しかしながら、トポロジー制限及び設計要求は、最終的に用いられるエネルギ生成の制限になる可能性がある。

0004

エネルギストレージシステムは、エネルギ資源の少なくとも一つがエネルギストレージユニット(例えば、バッテリエネルギストレージ又はフライホイールエネルギストレージ)である電力システムである。しばしば、エネルギストレージシステムでは、エネルギストレージユニットは、例えばソーラパネル又は風等の、再生可能エネルギ源からのエネルギを貯蔵する。しかしながら、例えばユーティリティグリッド又は他のマイクログリッド等のグリッドからのエネルギは、しばしば、エネルギストレージユニットへの貯蔵に利用可能である。

0005

エネルギストレージシステムは、様々な内部接続エネルギ源を含むマイクログリッドであってよい。電流エネルギストレージシステムは、再生可能源からの電力がエネルギストレージシステムに貯蔵される、或いは、グリッドからの電力がエネルギストレージシステムに貯蔵されるシステムを含むけれども、このエネルギストレージシステムは、エネルギが貯蔵される方法及び方向から制限される。

課題を解決するための手段

0006

本発明の実施形態は、再生可能エネルギ装置のためのエネルギストレージシステム、ユーティリティグリッドの周波数調整支援する方法、及び、再生可能エネルギ源の出力電力勾配率を制御する方法を含む。

0007

一の態様では、再生可能エネルギ装置のためのエネルギストレージシステムは、再生可能エネルギ源と、ACバス及びDCバスに接続された双方向インバータとを含む。双方向インバータは、再生可能エネルギ源及び双方向DC/DCコンバータにDCバスを介して接続されている。エネルギストレージユニットは双方向DC/DCコンバータに接続されており、制御システムは、双方向インバータ及び双方向DC/DCコンバータに接続された一以上のコントローラを含んでおり、制御システムは、双方向DC/DCコンバータ及び双方向インバータの動作を容易にするように構成されている。

0008

再生可能エネルギ源は、PVアレイ風力エネルギ源及び水力エネルギ源の少なくとも一つであってよい。

0009

双方向インバータは、ユーティリティグリッド、ローカル負荷及びマイクログリッドの少なくとも一つに、ACバスを介して接続されていてよい。

0010

制御システムは一以上のセンサも含んでよく、一以上のセンサは、電圧の大きさ、周波数及び位相の少なくとも一つを検出するように構成されている。

0011

制御システムは、電力を、ユーティリティグリッド、ローカル負荷及びマイクログリッドの少なくとも一つに供給するときに、インバータの電圧又は電流の周波数、位相及び大きさの少なくとも一つを同期するように構成されていてよい。

0012

エネルギストレージユニットは、バッテリバッテリバンク及びフライホイールエネルギストレージユニットの少なくとも一つであってよい。

0013

制御システムは、最大電力点追跡(Maximum Power Point Tracking:MPPT)モードで動作するように、双方向インバータを制御してよい。

0014

制御システムは、再生可能エネルギ源により生成された電力のグリッドへ出力するために、グリッドからエネルギストレージユニットを充電するために、又は、エネルギストレージユニットをグリッドへ放電するために、双方向インバータ及び双方向DC/DCコンバータの動作を選択的に可能にしてよい。

0015

再生可能エネルギ源は、フォトボルタイク(PVアレイであってよく、制御システムは、PVアレイからの出力電力をサンプリングして、最大電力を得るためのインピーダンスを選択的に適用するように構成されてよい。

0016

双方向インバータは、ACバスでの単一のAC出力のためのDCバスでの複数のDC接続を含んでいてよく、双方向インバータは、複数のDC接続各々の最大電力を最適化するように構成されてよい。

0017

双方向インバータは、双方向PVインバータであってよく、再生可能エネルギ源はPVアレイであってよい。双方向PVインバータは、一以上の半導体スイッチを含んでよく、ここで、半導体スイッチのゲートは、PVアレイから受電したDC電力をAC電力に変換するための、又は、ACバスを介して受電したAC電力をDC電力に変換するための、制御システムからの複数のスイッチングパルスを受信する。

0018

エネルギストレージユニットは、再生可能エネルギ源及びグリッドの両方からのエネルギを貯蔵するように構成されてよい。

0019

一の態様では、エネルギストレージシステムによるユーティリティグリッド電圧の周波数を調整する方法は、電力コマンドを受信すること、電力コマンドがポジティブ電力コマンドである場合に、周波数調整のために、ユーティリティグリッドに電力を供給すること、電力コマンドがネガティブ電力コマンドである場合に、ユーティリティグリッドから電力を吸収すること、次回の電力コマンドを受信すること、該次回の電力コマンドに従って、電力をユーティリティグリッドに供給する又はユーティリティグリッドから電力を吸収すること、を含む。

0020

エネルギストレージシステムは、再生可能エネルギ源と、ACバス及びDCバスに接続された双方向インバータとを含んでよい。ここで、双方向インバータは、再生可能エネルギ源及び双方向DC/DCコンバータにDCバスを介して接続されてよく、双方向インバータは、ユーティリティグリッドにACバスを介して接続されてよく、エネルギストレージユニットは、双方向DC/DCコンバータに接続されてよく、制御システムは、双方向インバータ及び双方向DC/DCコンバータに結合された一以上のコントローラを含んでよく、制御システムは、双方向DC/DCコンバータ及び双方向インバータの動作を容易にするように構成されてよい。

0021

ユーティリティグリッドに電力を供給することは、再生可能エネルギ源により生成された電力をユーティリティグリッドに供給するために、又は、電力ストレージユニットをグリッドに放電するために、制御システムにより、双方向インバータ及び双方向DC/DCコンバータの動作を選択的に可能にすることを含んでよく、ユーティリティグリッドからの電力を吸収することは、グリッドからエネルギストレージユニットを充電することを含んでよい。

0022

制御ユニットは、最大電力点追跡(MPPT)モードで動作するように、双方向インバータを制御してよい。

0023

一の態様では、エネルギストレージシステムのための勾配率制御方法は、グリッドからの電力及び再生可能エネルギ源からの電力の一以上を貯蔵するようにエネルギストレージユニットを充電するときに双方向インバータを制御すること、一以上のセンサにより、グリッドへの再生可能エネルギ源の出力電力を監視すること、出力電力の変化率が予め規定された勾配率から所定量だけ異なっているか否かを判定すること、出力電力の変化率が、予め規定された勾配率の所定量以内に戻るように、エネルギストレージユニットの充電又は放電を変更することを含む。

0024

エネルギストレージシステムは、再生可能エネルギ源と、ACバス及びDCバスに接続された双方向インバータとを含んでよく、ここで、双方向インバータは、再生可能エネルギ源及び双方向DC/DCコンバータにDCバスを介して接続されており、双方向インバータは、ACバスを介してグリッドに接続されており、エネルギストレージユニットは双方向DC/DCコンバータに接続されており、制御システムは、双方向インバータ及び双方向DC/DCコンバータに結合された一以上のコントローラを含んでおり、制御システムは、双方向DC/DCコンバータ及び双方向インバータの動作を容易にするように構成されている。

0025

双方向インバータは双方向PVインバータであってよく、再生可能エネルギ源はPVアレイであってよい。双方向PVインバータは、一以上の半導体スイッチを含んでよい。ここで、半導体スイッチのゲートは、PVアレイから受電したDC電力をAC電力に変換する、又は、ACバスを介して受電したAC電力をDC電力に変換するための、制御システムからの複数のスイッチングパルスを受信する。

図面の簡単な説明

0026

図1は、本発明の実施形態によるフォトボルタイクエネルギのためのエネルギストレージシステムを示している。
図2は、本発明の実施形態による例示的な双方向PVインバータを示している。
図3は、例示的なPVセルの電流−電圧カーブである。
図4は、本発明の実施形態によるエネルギストレージシステムにより実施される周波数調整方法を示すフローチャートである。
図5は、本発明の実施形態によるエネルギストレージシステムにより実施される勾配率制御方法を示すフローチャートである。

実施例

0027

本明細書の一部を形成し、具体的な実施例を図示する添付図面を参照する。しかしながら、本明細書に記載の原理は、多数の異なる形態で実施されてよい。図中の構成要素は必ずしも縮尺どおりではなく、代わりに本発明の原理を説明することに重点がおかれている。さらに、図面において、異なる視点を通じて対応する部品を指定するために、同様の参照番号が付されてよい。

0028

本発明の以下の説明において、特定の用語は、参照のみを目的として用いられ、限定を意図するものではない。例えば、様々な要素を記述するために本明細書において、第1、第2等の用語が用いられるかもしれないが、これらの要素は、これらの用語により限定されるものではない。これらの用語は、一の要素を他から区別するためだけに用いられる。本発明の説明及び添付の特許請求の範囲で使用されるように、単数形「a」、「an」及び「the」は、文脈がそうでないことを明確に示さない限り、複数形も含むことを意図している。本明細書で使用される「及び/又は」という用語は、関連する列挙された用語の1つ又は複数のありとあらゆる可能な組み合わせを指し、包含することも理解されるであろう。用語「comprises」及び/又は「comprising」は、本明細書で用いられる場合、述べられた特徴、整数、ステップ、操作、要素、及び/又は構成要素の存在を明記すると理解されるだろうが、一つ以上の他の機能、整数、ステップ操作、要素、コンポーネント、及び/又はそのグループの存在又は追加を排除しない。

0029

本発明の実施形態は、フォトボルタイク(PV)アレイと、グリッドに接続されたバッテリとを有するエネルギストレージシステムが、グリッドのみならず、例えばフォトボルタイク(PV)(例えばPVアレイ)や風力(例えば風力タービン)等の再生可能エネルギ源からのエネルギを双方向に貯蔵可能であるシステム及び方法を含む。

0030

図1を参照して、実施形態において、エネルギストレージシステム100は、再生可能エネルギ源2、双方向PVインバータ31、エネルギストレージ11、双方向DC/DCコンバータ3、コントローラ110、DCバス130及びACバス120を含む。ACバス120は、ユーティリティグリッド、ローカル負荷及び/又は他のマイクログリッドに接続されてよい。本実施形態では図1に示すように、再生可能エネルギ源2はPVアレイである。しかしながら、再生可能エネルギ源2はPVアレイに限定される必要はなく、例えば風力エネルギ源等の他の再生可能源でありうると理解すべきである。

0031

実施形態において、再生可能プラスストレージ発電システム100のための制御システム110は、エネルギストレージユニット11、コンバータ3及び双方向インバータ31の動作を調整する一以上のコントローラを含んでよい。制御システムは、コントローラに接続して、任意の必要な同期を実行するための、並びに、ACバス120に接続されたグリッドへの/からの電力流れ、及び、エネルギストレージユニット11への/からの電力流れを制御するための、必要な情報を、コントローラに提供するセンサも含まれる。センサは、DCバス130、ACバス120及びエネルギストレージユニット11の入力/出力に位置してよい。様々なタイプのセンサが、例えば市販のトランスデューサを含む、電圧の大きさ、電流の大きさ、周波数、及び位相の一以上を検出することに用いられてよい。

0032

図1は、エネルギストレージユニット11、コンバータ3及び双方向インバータ31各々を制御する単一のコントローラを含む制御システム110の場合を示している。しかしながら、エネルギストレージシステム100は、この特定の制御システムのレイアウトに限定されないと理解すべきである。他の実施形態では、再生可能プラスストレージ発電システム100のための制御システム110は、DC/DCコンバータ3及び双方向インバータ31各々のための分離した複数のコントローラを含んでよい。DC/DCコンバータ3及びインバータ31のための分離した複数のコントローラが存在する場合、制御システム110は、コンバータ3及びインバータ31の分離した複数のコントローラを調整するマスタコントローラを含んでよい。

0033

図2は、再生可能エネルギ源がPVアレイである実施形態において用いられ得る例示的な双方向PVインバータ31を示している。PVインバータ31は、図2に示す特定のトポロジーに限定されないと理解すべきである。PVインバータ31は、PVインバータ31が双方向である限りにおいて、他の適したトポロジーであってよい。図2に示す例示的な双方向PVインバータ31は、複数の半導体スイッチ214及び複数のインダクタ174を含む。半導体スイッチ214のゲート212は、半導体スイッチ214をスイッチングするための複数のスイッチングパルスからなるゲート信号を受信する。半導体スイッチ214の接続された対は、インバータレッグとして構成される。インダクタ174は、半導体スイッチ214の接続された対の間の各インバータレッグに接続される。制御システム110は、PVアレイ2から受電したDC電力からAC電力に、又は、ACバス120を介してグリッドから受電したAC電力をDC電力に電力変換するために、半導体スイッチ214のスイッチングパターンを制御する。制御システム110は、また、ACバス120を介してグリッドに電力を供給するときに、インバータ31をグリッドと同期させる(即ち、電圧/電流の周波数、位相及び大きさを同期させる)ようにスイッチングを制御する。

0034

インバータ31は、インバータのAC側でACバス120に接続されている。ACバス120は、ユーティリティグリッド、マイクログリッド、負荷及び/又は他のACコネクションに結合可能である。望ましくは、インバータ31のDC側は、DCバス130において、コンバータ3及び再生可能エネルギ源2の両方に接続されている。簡潔にするために、図1に示す実施形態では、アレイは単一の接続として示されているが、本発明の実施形態では、パネルが、再結合器ボックス内で、インバータの前に接続されるストリングを伴うストリングで接続可能であると理解すべきである。更に、再生可能エネルギ源2は、風力等のPV以外の電源であってよい。

0035

望ましくは、コンバータ3は、PVインバータ31のDC入力に加えて、DCバス130でエネルギストレージ11に接続されている。エネルギストレージユニット11は、例えばバッテリ、バッテリバンク、フライホイールエネルギストレージ等を含んでいてよい。

0036

実施形態では、制御システム110が、グリッドに電力を供給するように双方向インバータ31を制御している場合、制御システム110は、最大電力点追跡(MPPT)モードで動作するようにインバータ31を制御する。再生可能エネルギ源2がPVアレイである場合、MPPTモードは、PVアレイの電力抽出最大化するために用いられる。PVアレイによって生成される電力量は、入射する電磁エネルギ太陽光)の強度と、アレイが給電する負荷のインピーダンスによって異なる。電磁強度、負荷インピーダンス及び出力電力の間の関係は、電流−電圧曲線に基づいて分析することができる(例えば図3参照)。PVセルが最大電力点で動作しているとき、効率が最大になる。図3において、曲線208は、PVセルの最大電力点を表している。

0037

制御システム110は、最大電力点又はその近くで動作するようにPVインバータを制御する。そうすることで、制御システム110は、PVアレイ2からの出力電力をサンプリングして、最大電力を得るために適切なインピーダンスを適用する。制御システム110は、PVアレイ2の出力電圧の大きさ及び電流の大きさを検出する一以上のセンサを含んでよい。これらの読取値は、PVアレイ2の出力電力を計算できる制御システムのコントローラに提供され、最大電力点で動作するようにPVインバータ31を制御する。

0038

実施形態では、制御システムは、MPPTモードで動作するときに、摂動を実施するとともに、MPPT方法を観察してよい。摂動及び観察方法では、制御システムはPVインバータ31を制御してPVアレイ電圧を調整し、電力出力を測定し、そして、電力が増加するか否かに応じてさらに調整する。摂動及び観察方法は一例であり、他のMPPT法が使用されてよいと理解すべきである。

0039

実施形態では、PVインバータ31が、ACバス120としての単一のAC出力のためのDCバス130における複数のDCコネクションを有する一以上の最大電力点追跡(MPPT)入力をPVインバータ31が可能であってよい。この場合、インバータ31は各DC入力の最大電力点を最適化可能である。この実施形態は、例えば製造公差、部分シェーディング等のために、PVアレイが異なる電流−電圧曲線を有する複数のPVモジュールを含む状況、又は、PVアレイが広い地理的領域カバーする大規模PVシステムにおいて有利であろう。

0040

図1に示す実施形態では、PVアレイ2のみならず、ACバス120を介してグリッドからもエネルギを貯蔵可能とするために、制御システム110は双方向インバータ31と組み合わされる。即ち、バッテリは、PVアレイ2(例えば、エネルギストレージシステム110がグリッドから切り離された場合、又は、PVアレイ2及び双方向インバータ31がMPPTモードで動作し、PVアレイ2が過剰電力を生成している場合)のみならず、グリッド(例えば、PVアレイ2が十分な電力を生成していない、又は、ユーティリティグリッドからバッテリを充電するためのコマンドが送信された場合)からのエネルギも貯蔵できるように、制御システム110は、双方向インバータ31及びコンバータ3を調整する。

0041

加えて、実施形態では、制御システムは、MPPTモードの動作を有効/無効にするために、そして、例えば、インバータ31がMPPTを介してPV電力をグリッドに出力できる、又は、グリッドに/から、バッテリを充電及び/又は放電できるユースケースにより必要とされるAC電力コマンド、DC電流コマンド又はDC電圧コマンドを有効にする又は無効にするために、PVインバータを制御する。例えば、制御システムは、バッテリの充電及び/又は放電が必要な場合に、MPPTモードを無効にするとともに、AC電力コマンド/DC電流又は電圧コマンドを有効にすることができる。従って、制御システム110は、双方向インバータがACバス120を介してグリッドに電力を供給するように制御されるMPPTモードから、双方向インバータ31が、グリッドからのエネルギを用いて、エネルギストレージユニット11を充電する(即ち、エネルギストレージユニットにエネルギを貯蔵する)ように制御されるグリッドストレージモードに、オンザフライで切り替えるように双方向インバータ31を制御できる。そうすることで、制御システム110は、PVインバータ31がもはやACバス120を介してグリッドに電力を供給しないようにMPPTモードを無効にし、その後、PVコンバータがグリッドからの電力を、コンバータ3経由でエネルギストレージユニット11に供給するようにグリッドストレージモードを有効にする。

0042

MPPTモード及びグリッドストレージモードを有効化/無効化する能力は、様々なユースケースを可能とする。実施形態では、MPPTモードからグリッドストレージモードに切り替える決定は、PVアレイ2の出力電力に基づいてなされてよい。例えば、PVアレイが電力を生成していない、又は、生成された電力量が所定閾値より少ない場合、グリッドからのエネルギをエネルギストレージユニット11に貯蔵することが有利であると判定されてよく、制御システム110は、グリッドから電力を供給するようにPVインバータ31を制御するとともに、PVインバータ31からエネルギストレージユニット11に電力を供給するようにコンバータ3に指示してよい。この実施形態は、需要が低い夜間に卸売電力価格が非常に低い(そして、時にはマイナスになる)ことを考えると有利である可能性がある。

0043

グリッドからACバス120を介してエネルギストレージユニット11に電力を供給することは、制御システム110が、PVインバータ31及びコンバータ3を調整することを要求する。上述したように、制御システム110は、PVインバータ31及びコンバータ3の両方を制御する単一のコントローラ、又は、コンバータ3及びPVインバータ31の個々のコントローラにコマンドを送信するマスタコントローラを含んでよい。制御システム110は、グリッドから電力を吸収するためにPVインバータを制御するとともに、PVインバータ31からの電力出力をエネルギストレージユニット11に供給するためにコンバータ3を制御することにより、MPPTモードを無効にするとともに、グリッドストレージモードを有効にする。コントローラは、MPPTモード及びグリッドストレージモードの両方を無効にしてからPVストレージモードを有効にしてもよい。そうする際に、コントローラは、PVインバータの入力及び/又は出力に位置するスイッチを介して、PVインバータ31をPVアレイから切断してよい。コントローラは、その後、PVアレイ2からエネルギストレージユニット11に電力を供給するようにコンバータ3を制御してよい。

0044

望ましくは、バッテリ11、コンバータ3、制御システム110及びインバータ31は、ケーブルの長さを短くすることによりコストを最小化するために互いに近接して配置され、例えばアレイの北側等のソーラパネルの影を最小に抑える位置に配置される。しかしながら、本発明はそのように限定されないと理解すべきである。更に、ストレージ11、コンバータ3及びコントローラ110を含む本発明の実施形態は、新たな構成で設置されてもよく、既存の太陽光発電設備改造されてもよい。

0045

本発明の実施形態では、制御システム110は、例えば銅又はファイバを介したModbusTCP、短距離無線通信無線ローカルエリアネットワークを介した無線、等の通信手段を介して、コンバータ、バッテリ及びインバータに接続可能である。システムの動作及びパフォーマンスを監視するために、オーナオペレータ又はサードパーティデータ収集サービスによって、電力システムの資産のいずれかに、追加的な通信接続を行うことが可能である。これらのリモート接続は、例えばセルラ、衛星、ハードワイヤ接続等を介して行うことができる。

0046

実施形態では、図1のエネルギストレージシステムは、グリッドでのユーティリティグリッド電圧の周波数調整を行うために用いることができる。図4は、本発明の実施形態による図1に示すエネルギストレージシステム等のエネルギストレージシステムにより実施される周波数調整方法を示すフローチャートである。

0047

図4を参照して、ステップ410において、制御システム110は、周波数調整に参加するためのユーティリティからの要求を受信する。この要求は、例えば、周波数調整ディスパッチ信号に応じて電力を供給又は吸収するために、ネットワークオペレーションセンタを介した経路の地域送電機関(Regional Transmission Organization:RTO)からの呼び出しであってよい。周波数調整ディスパッチ信号は、周波数調整のためにグリッドに電力を供給するよう電力システム110に指示するポジティブ電力コマンド、又は、グリッドから電力を吸収するよう電力システム110に指示するネガティブ電力コマンドを含んでよい。ポジティブ又はネガティブ電力コマンドは、周波数調整への参加要求に含まれるのではなく、分離されたコマンドであってよい。

0048

ステップ420及び430は、電力コマンドがポジティブであるかネガティブであるかに依存する。電力コマンドが、周波数調整のためにグリッドに電力を供給するポジティブ電力コマンドである場合、ステップ420が実行され、制御システム110は、ACバス120を介してグリッドに電力を供給するようにPVインバータを制御する。グリッドに電力が供給されているとき、PVインバータ31は、MPPTモードで動作してよい。電力コマンドが、グリッドから電力を吸収するためのネガティブ電力コマンドである場合、ステップ430が実行される。ステップ430では、制御システムは、グリッドから電力を吸収するようにPVインバータ31を制御するとともに、制御システムは、PVインバータ31からの電力を供給し、それをエネルギストレージユニット11に貯蔵するようにコンバータ3を制御する。

0049

ユーティリティからのポジティブ又はネガティブ電力信号は、例えば2秒毎に繰り返される周期信号であってよい。従って、ステップ440では、制御システムは、ポジティブ又はネガティブ電力信号を受信する。前回の信号がポジティブ電力コマンドであり、今回の信号がネガティブ電力コマンドである場合、制御システム110は、MPPTモードを無効にするとともに、グリッドストレージモードを有効にして、エネルギがグリッドから吸収され、エネルギストレージユニットに貯蔵されるようにPVインバータ31を制御する。前回の信号がネガティブ電力コマンドであり、今回の信号がポジティブ電力コマンドである場合、制御システム110は、グリッドストレージモードを無効にするとともに、MPPTモードを有効にするようにPVインバータを制御する。前回及び今回の電力コマンドがポジティブである場合、制御システム110は、MPPTモードでの動作を継続し、ポジティブ電力コマンドにより命令された電力の大きさを供給する。前回及び今回の電力コマンドがネガティブである場合、制御システムは、グリッドストレージモードでの動作を継続し、ネガティブ電力コマンドにより命令された電力の大きさを吸収する。

0050

別の実施形態では、図1のエネルギストレージシステムは、勾配率制御の実施に用いることができる。図5は、本発明の実施形態による図1に示すエネルギストレージシステム等のエネルギストレージシステムにより実施される勾配率制御方法を示すスローチャートである。

0051

PV生成物は太陽光に依存している、それ故、PV電力生成物は、の通過や他のシェーディングイベントで変動する可能性がある。これらのシェーディングイベントが発生すると下降勾配が生じ、太陽光が戻ると上昇勾配が生じる。急な上昇勾配又は下降勾配がある場合、電力システム又は電力システムに接続された他のシステムに損傷が生じる可能性がある(例えば、高い勾配率は、システム障害を引き起こす周波数超過不足イベントを引き起こす)。例えば、ソーラファームがフルパワーであるときに、相当な雲に覆われると、PVアレイからの出力電力が、最大パワーから非常に低い大きさになるおそれがあり、グリッド及び負荷は、非常に速い電力変化率を処理するための十分な用意がない。実施形態では、制御システム110及びコンバータは、予め規定された勾配率(時間に関する電力の変化率)が維持されるように、上昇勾配イベント中に部分的に充電し、下降勾配イベント中に部分的に放電することによって、シェーディングにより生じる上昇勾配及び下降勾配イベントの両方を緩和する。

0052

制御システム110は、システム100が予め規定された勾配率を維持するための勾配率制御で動作するように、コンバータ3及びインバータ31の動作を制御する。図5参照して、ステップ510では、エネルギストレージユニット11は充電される。エネルギストレージユニット11を充電するとき、コントローラ110は、PVインバータがグリッドから電力を供給するグリッドストレージモードで動作するようにPVインバータを制御してよい。制御システム110は、PVインバータ31からの電力をエネルギストレージユニット11に貯蔵するように電力コンバータ3を制御する。或いは、制御システム110は、PVアレイからの電力に加えて又は代えてグリッドからの任意の吸収電力をエネルギストレージユニット11に貯蔵するように電力コンバータ3を制御してよい。

0053

ステップ520において、勾配制御が開始されると、制御システム110は、グリッドへのPVインバータ31の出力電力を監視する。このような監視は、インバータ31により出力される電圧の大きさを検出するセンサの使用を通じて行われてよい。

0054

ステップ530において:コントローラは、電力の変化率が、予め規定された勾配率から設定量だけ異なるか否かを判定する。ステップ540において:率が設定量だけ異なると判定された場合、制御システム110は、勾配上昇又は勾配下降を緩やかにするためにバッテリを放電又は充電するようにコンバータ3を制御する(例えば、出力電力の勾配率を緩やかに下降させるために、失われたソーラ生成物を補う)。

0055

他の実施形態では、図1のエネルギストレージシステム100は、PVインバータがグリッドを形成するグリッド形成モードで動作可能であるマイクログリッド100であってよい。PVインバータは、エネルギストレージシステムがユーティリティグリッドに通常接続されるときに、グリッド形成モードで動作してよいが、グリッドイベント(例えば停電)により、又は、グリッドからシステム100を切断することが望ましくなることにより、切断されてよい。グリッド形成モードで動作しているとき、制御システム110は、「グリッドを作る」ようにPVインバータを制御する。PVアレイは、任意のローカル負荷に適切な電力条件を供給するために、エネルギストレージユニットを結合してよい。更に、実施形態では、マイクログリッド100は、追加のAC結合電力源を含んでよい。この実施形態では、再生可能源2及びに似のAC結合電源からの発電の合計が不可需要を越える場合、制御システム100は、過剰な発電をエネルギストレージユニット11に貯蔵するようにインバータ31及びコンバータ3を制御してよい。

0056

本開示の範囲から逸脱することなく、開示された電力システムに様々な修正及び変更を行うことができることは、当業者には明らかであろう。本開示の他の実施形態は、本開示の明細書及び実施の考慮から当業者には明らかであろう。本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、本開示の真の範囲は以下の特許請求の範囲及びそれらの均等物によって示される。

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