(57)【要約】  再生可能エネルギアプリケーションの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を支援する方法、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。【選択図】図１
2020530974.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
再生可能エネルギアプリケーションの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（Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｐｏｗｅｒ  Ｐｏｉｎｔ  Ｔｒａｃｋｉｎｇ：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をサンプリングして、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を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（Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｐｏｗｅｒ  Ｐｏｉｎｔ  Ｔｒａｃｋｉｎｇ：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。
【発明の詳細な説明】
【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）。
【発明の概要】
【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を支援する方法、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】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】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】図３は、例示的なＰＶセルの電流−電圧カーブである。
【図４】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】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。
【発明を実施するための形態】
【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アレイの電力抽出を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をカバーする大規模な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に改造されてもよい。
【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の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、雲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。
【図１】
2020530974.tif 000003
【図２】
2020530974.tif 000004
【図３】
2020530974.tif 000005
【図４】
2020530974.tif 000006
【図５】
2020530974.tif 000007
【国際調査報告】
2020530974.tif 000008
2020530974.tif 000009
2020530974.tif 000010