JP2011109901A - 電力管理システム及びこれを備える系統連係型電力保存システム - Google Patents

Abstract

【課題】保存装置と商用系統または負荷との間の双方向に電力変換が可能であり、発電システムで発電した電力を負荷、系統または保存装置に供給できる電力管理システムを備える系統連係型電力保存システムを提供する。
【解決手段】発電システムから第１電力を受け取るように構成された第１インターフェースと、発電システム、商用系統、及び保存装置に接続されるように構成され、発電システムから第１電力、商用系統から第２電力、または保存装置から第３電力のうち少なくとも一つを受け取るように構成され、商用系統または負荷のうち少なくとも一つに第４電力を供給するように構成された第２インターフェースと、保存装置から第３電力を受け取るように構成され、保存のために保存装置に第５電力を供給するように構成された第３インターフェースと、を備える電力管理システム。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は電力管理システムに係り、さらに詳細には、電力管理システムを備える系統連係型電力保存システムに関する。

最近、再生可能なまたはグリーンエネルギー資源を動力源として利用することについての関心が高まりつつある。多様な形態の再生可能なエネルギー源、例えば、太陽、風力、または地熱が電気エネルギーを作るのに利用されている。生成された電気エネルギーは一般家庭と企業に提供されるように系統に供給される。電力系統に供給される前に、生成された電気エネルギーは保存装置に保存されてもよい。また、電気エネルギー或いは電力を供給するシステムは再生可能なエネルギー源からの電力供給中断に対応する必要がある。また、電力を保存または商用化に適した形態に変換する必要もある。

本発明の一実施形態は、保存装置と商用系統または負荷との間で双方向に電力変換が可能であり、発電システムで発電した電力を負荷、系統または保存装置に供給できる電力管理システム或いはエネルギー管理システムを備える系統連係型電力保存システムを提供することである。

前記技術的課題を達成するための、本発明の一実施形態による電力管理システム（エネルギー管理システム）は、発電システムから第１電力を受け取るように構成された第１インターフェースと、前記発電システム、商用系統、及び保存装置に接続されるように構成され、前記発電システムから前記第１電力、前記商用系統から第２電力、または前記保存装置から第３電力のうち少なくとも一つを受け取るように構成され、前記商用系統または負荷のうち少なくとも一つに第４電力を供給するように構成された第２インターフェースと、前記保存装置から前記第３電力を受け取るように構成され、保存のために前記保存装置に第５電力を供給するように構成された第３インターフェースと、を備えることを特徴とする。

前記他の技術的課題を達成するための、本発明の他の実施形態による電力保存システムは、前記電力管理システム及び前記保存装置を備えてなされる。

本発明の一実施形態による電力管理システムは、保存装置と商用系統または負荷との間で双方向に電力変換が可能であり、発電システムで発電した電力を負荷、系統または保存装置に供給できる。

本発明の一実施形態による系統連係型電力保存システム１００のブロック図である。 図１に図示された系統連係型電力保存システム１００の具体的なブロック図である。 本発明の他の実施形態による系統連係型電力保存システム３００のブロック図である。 図３に図示された系統連係型電力保存システム３００の電力及び制御信号のフローチャートである。 本発明のさらに他の実施形態による系統連係型電力保存システムの動作方法を説明するためのフローチャートである。 本発明のさらに他の実施形態による系統連係型電力保存システムの動作方法を説明するためのフローチャートである。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。下記の説明では、本発明の実施形態による動作を理解するのに必要な部分のみ説明され、それ以外の部分の説明は、本発明の趣旨を外れないように省略できる。

また、以下で説明される本明細書及び特許請求の範囲に使われた用語や単語は、通例的または辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、本発明を最も適切に表現できるように、本発明の技術的思想に合う意味及び概念に解釈されねばならない。

図１は、本発明の一実施形態による系統連係型電力(エネルギー)保存システム(a grid-connected energy storage system)１００のブロック図である。

図１を参照すれば、系統連係型電力保存システム１００は、電力管理システム１１０と保存装置１２０とを備えて構成され、発電システム１３０、商用系統１４０及び負荷１５０と接続される。

電力管理システム１１０は、発電システム１３０が発電した電力を入力されて、これを商用系統１４０に伝達するか、保存装置１２０に保存するか、または負荷１５０に供給する。ここで、発電電力は直流電力または交流電力でありうる。

電力管理システム１１０は、発電システム１３０からの発電電力を保存装置１２０に保存し、その発電電力を商用系統１４０に送ってもよく、負荷１５０に供給してもよい。また電力管理システム１１０は、保存装置１２０に保存された電力を商用系統１４０に伝達するか、または負荷１５０に供給できる。さらに、電力管理システム１１０は、商用系統１４０から供給された電力を保存装置１２０に保存することができる。また、電力管理システム１１０は、異常状況、例えば、商用系統１４０の停電発生時には、無停電電源供給（Uninterruptible Power Supply：ＵＰＳ）動作を行って負荷１５０に電力を供給でき、商用系統１４０が正常な状態でも、発電システム１３０が発電した電力や保存装置１２０に保存されている電力を負荷１５０に供給できる。

電力管理システム１１０は、発電した電力を保存装置１２０に保存するための電力変換、商用系統１４０または負荷１５０に供給するための電力変換、及び商用系統１４０の電力を保存装置１２０に保存するための電力変換機能を実行し、さらに保存装置１２０に保存された電力を商用系統１４０または負荷１５０に供給するための電力変換機能を共に実行できる。また、保存装置１２０、商用系統１４０、負荷１５０の状態を監視して、発電システム１３０から発電された電力または商用系統１４０から供給された電力、保存装置１２０に保存された電力を分配できる。

言い換えると、電力管理システム１１０は、発電システム１３０が発電した第１電力を受け取る第１インターフェースと、発電システム１３０からの前記第１電力、商用系統１４０からの第２電力、又は保存装置１２０からの第３電力のうちの少なくとも一つを受け取り、さらに商用系統１４０又は負荷１５０に第４電力を供給する第２インターフェースとを備える。また、電力管理システム１１０は、保存装置１２０から第３電力を受け取る一方で保存装置１２０に第５電力を供給する。

保存装置１２０は、電力管理システム１１０から供給された電力を保存する大容量保存装置である。ここで、供給電力は、発電システム１３０が発電した電力を変換した電力であるか、または商用系統１４０が供給した商用電力を変換した電力である。保存装置１２０に保存された電力は、電力管理システム１１０の制御によって商用系統１４０に供給され、或いは負荷１５０に供給されてもよい。保存装置１２０は充放電の可能な２次電池を備える。このような２次電池は、ニッケル−カドミウム電池、鉛蓄電池、ニッケル−水素電池（ＮｉＭＨ：nickel metal hydride battery）、リチウム−イオン電池、リチウムポリマー電池でありうる。

本発明の一実施形態では、電力管理システム１１０と保存装置１２０とを備えて系統連係型電力保存システム１００を構成したが、ここで使われた用語に限定されず、電力管理システム１１０と保存装置１２０とが一体型に構成された電力管理システムまたは系統連係型電力保存システムであってもよい。

発電システム１３０は、新再生可能エネルギー、例えば、太陽光、風力、潮力などのエネルギー源を用いて電気エネルギーを生成するシステムを備える。例えば、発電システム１３０が太陽光発電システムの場合、太陽電池アレイが太陽光を電気エネルギーに変換する。ここで、太陽光発電システムは、直列及び並列に連結された複数のモジュールと支持台とで構成される。

電力管理システム１１０及びこれを備える系統連係型電力保存システム１００の具体的な構成は、図２を参照して説明する。

図２は、図１に図示された系統連係型電力保存システム１００の具体的なブロック図である。

図２を参照すれば、電力管理システム１１０は、第１電力変換部１１１、第２電力変換部１１２、第３電力変換部１１３、制御部１１４、第１スイッチ１１６、第２スイッチ１１７及びＤＣリンク部１１８を備えて構成される。電力管理システム１１０は、発電システム１３０、保存装置１２０、商用系統１４０及び負荷１５０と接続されている。図２に図示されたそれぞれの構成要素間の電力フローは実線で、制御信号は点線で図示されている。

第１電力変換部１１１は、発電システム１３０と第１ノードＮ１との間に接続され、発電システム１３０で発電した電力に対して後述のような整流変換機能又はコンバータ機能を実行して第１ノードＮ１に伝達する。ここで、発電システム１３０の発電電力は直流電力または交流電力である。第１電力変換部１１１は、交流電力または直流電力を直流電力または他の大きさの直流電力に変換する。ここで、第１電力変換部１１１は、交流電力を直流電力に変換する整流変換機能を実行するか、または直流電力を他の大きさの直流電力に変換するコンバータ機能を実行することができる。また、第１電力変換部１１１は、制御部１１４の制御によって、太陽光発電システム１３１、風力発電システム１３２または潮力発電システム１３３の発電電力を最大に得られるように、最大電力点追跡（Maximum Power Point Tracking、以下‘ＭＰＰＴ’という）制御を行う。

この第１電力変換部１１１は、前記第１インターフェースを構成してなり、発電システム１３０からのＤＣまたはＡＣ電力を、ＤＣ電力としての前記第１電力に変換する。

第２電力変換部１１２は、第１ノードＮ１と商用系統１４０との間に接続され、第１電力変換部１１１からの変換直流電力を商用系統１４０の交流電力に変換するか、または第３電力変換部１１３からの後述する変換直流電力を商用系統１４０の交流電力に変換するインバータ機能を実行する。また、商用系統１４０から供給された商用交流電力を直流電力に変換して、第１ノードＮ１に伝達する整流機能を実行する。また、第２電力変換部１１２は、制御部１１４の制御によって変換効率を制御する。

この第２電力変換部１１２は、前記第２インターフェースを構成してなり、商用系統１４０からのＡＣ電力である第２電力を受け取り、ＤＣ電力に整流する。また、第２電力変換部１１２は、前記第１インターフェースである第１電力変換部１１１からの前記第１電力を受け取り、他の大きさのＤＣ電力にする。この際、第２電力変換部１１２は、前記第２電力及び前記第１電力を同時に、又は異なる時刻に受け取る。

第３電力変換部１１３は、第１ノードＮ１と保存装置１２０との間に接続され、第１ノードＮ１を通じて供給された直流電力を、他の大きさの直流電力に変換して保存装置１２０に伝達する。また、保存装置１２０に保存された直流電力を他の大きさの直流電力に変換して第１ノードＮ１に伝達する。第３電力変換部１１３は、直流電力を他の大きさの直流電力に変換するコンバータ機能を実行する。また、第３電力変換部１１３は、制御部１１４の制御によって変換効率を制御する。

この第３電力変換部１１３は、前記第３インターフェースを構成し、前記第１インターフェースで変換された第１電力、及び前記第２インターフェースで変換された第２電力のうちの少なくとも一つを受け取る。また、前記第３インターフェースは、保存装置１２０からの第３電力、前記第１インターフェースからの変換された第１電力、及び前記第２インターフェースからの変換された第２電力を同時に又は異なる時刻に受信する。

第１スイッチ１１６及び第２スイッチ１１７は、第２電力変換部１１２、商用系統１４０及び負荷１５０の間に接続され、制御部１１４の制御によって第２電力変換部１１２、商用系統１４０及び負荷１５０の間の電力フローを遮断する機能を実行する。第１スイッチ１１６及び第２スイッチ１１７は開閉器を使用しており、これら第１スイッチ１１６と第２スイッチ１１７とのスイッチング動作は制御部１１４により制御される。

ＤＣリンク部１１８は、第１ノードＮ１のＤＣ電圧レベルをＤＣリンクレベルに維持させる。第１ノードＮ１は、発電システム１３０または商用系統１４０の瞬時電圧降下、負荷１５０でのピーク負荷発生などによってその電圧レベルが不安定になりうる。しかし、第１ノードＮ１の電圧は、第２電力変換部１１２及び第３電力変換部１１３の正常動作のために安定化せねばならない。したがって、ＤＣリンク部１１８は、第１ノードＮ１のＤＣ電圧レベルを一定のＤＣリンク電圧に維持する機能を実行する。

制御部１１４は、系統連係型電力保存システム１１０の全般的な動作を制御する。制御部１１４は、第１電力変換部１１１、第２電力変換部１１２、第３電力変換部１１４からセンシングされた電圧、電流、温度センシング信号が入力されて、第１ないし第３電力変換部１１３のスイッチング素子にパルス幅変調（Pulse Width Modulation：ＰＷＭ）制御信号を出力して、それぞれの変換効率を制御する。また、制御部１１４は、保存装置１２０、商用系統１４０及び負荷１５０の状態を監視して、これによる運転モード、例えば、発電システム１３０で発電された電力を商用系統１４０に供給するモード、保存装置１２０に電力を保存するモード、負荷１４０に電力を供給モードを決定する。さらに制御部１１４は、運転モード決定によって、第１ないし第３変換部１１１ないし１１３の変換動作及び効率、第１及び第２スイッチ１１６及び１１７のオン／オフ動作を制御する。

発電システム１３０は、電気エネルギーである電力を発電して、発電電力を電力管理システム１１０に出力する。発電システム１３０は、太陽光発電システム１３１、風力発電システム１３２、潮力発電システム１３３である。その外に、発電システム１３０は、太陽熱、地熱などの新再生可能エネルギーを用いて電気エネルギーを生成する発電システムをいずれも含んでもよい。特に、太陽光を用いて電気エネルギーを生成する太陽電池は、各家庭または工場などに容易に設けることができて、各家庭に分散された系統連係型エネルギー保存装置１００に適用するのに適している。

商用系統１４０は、発電所、変電所、送電線などを備える。この商用系統１４０は正常状態の時、第１スイッチ１１６及び第２スイッチ１１７のオン／オフによって保存装置１２０または負荷１５０に電力を供給する。また、商用系統１４０には、発電システム１３０や保存装置１２０からの供給電力が入力される。特に、商用系統１４０が異常状態、例えば、停電、電気工事などによる非正常状態の場合、商用系統１４０から保存装置１２０または負荷１５０への電力供給は中断され、発電システム１３０や保存装置１２０から商用系統１４０への電力供給も中断される。

負荷１５０は、発電システム１３０からの発電電力、保存装置１２０からの保存電力、または商用系統１４０からの供給電力を消費するものであって、例えば、各家庭、企業、工場などでありうる。

図３は、本発明の他の実施形態による系統連係型電力保存システム２００のブロック図である。

図３を参照すれば、電力管理システム２１０は、ＭＰＰＴコンバータ２１１、双方向インバータ２１２、双方向コンバータ２１３、統合制御器２１４、バッテリー管理システム（Battery Management System，ＢＭＳ）２１５、第１スイッチ２１６、第２スイッチ２１７及びＤＣリンク用キャパシタ２１８を備えて構成される。電力管理システム２１０は、バッテリー２２０、太陽電池２３１を備える太陽光発電システム（Photovoltaic、以下‘ＰＶ’という）２３０、商用系統２４０及び負荷２５０に接続される。

ここで、ＭＰＰＴコンバータ２１１は、第１インターフェースを構成する。双方向インバータ２１２は第２インターフェースを構成する。双方向コンバータ２１３は第３インターフェースを構成する。

言い換えると、電力管理システム２１０は、発電システム２３０が発電した第１電力を受け取る第１インターフェースと、発電システム２３０からの前記第１電力、商用系統２４０からの第２電力、又はバッテリー２２０からの第３電力のうちの少なくとも一つを受け取り、さらに商用系統２４０又は負荷２５０に第４電力を供給する第２インターフェースとを備える。また、電力管理システム１１０は、バッテリー２２０から第３電力を受け取る一方でバッテリー２２０に第５電力を供給する。

ＭＰＰＴコンバータ２１１は、太陽電池２３１から出力されたＤＣ電圧を第１ノードＮ１のＤＣ電圧に変換する際に、太陽電池２３１の出力が日射量及び温度による気候変化と負荷条件とによって特性が変わるため、その出力が太陽電池２３１により最大に電力生産されるように制御する。すなわち、ＭＰＰＴコンバータ２１１は、太陽電池２３１の出力ＤＣ電圧を昇圧させてＤＣ電圧を出力するブーズトＤＣ−ＤＣコンバータ機能と、ＭＰＰＴ制御器能とを共に行う。例えば、ＭＰＰＴ出力ＤＣ電圧範囲は３００ないし６００Ｖでありうる。また、日射量、温度などの変化によって太陽電池２３１の最大電力出力電圧を追従するＭＰＰＴ制御を行う。例えば、Ｐ＆Ｏ（Perturbation and Observation）制御、ＩｎｃＣｏｎｄ（Incremental Conductance）、電力対電圧制御などを使用できる。Ｐ＆Ｏ制御は、太陽電池の電力と電圧とを測定して指令電圧を増加または減少させるものであり、ＩｎｃＣｏｎｄ制御は、太陽電池の出力コンダクタンスと増分コンダクタンスとを比較して制御するものであり、電力対電圧制御は、電力対電圧の傾斜を用いて制御するものである。前記説明したＭＰＰＴ制御以外に他のＭＰＰＴ制御技法を適用できるということはいうまでもない。

ＤＣリンク用キャパシタ２１８は、第１ノードＮ１と双方向インバータ２１２との間に並列に接続される。ＤＣリンク用キャパシタ２１８は、ＭＰＰＴコンバータ２１１から出力されたＤＣ電圧を、ＤＣリンク電圧、例えば、ＤＣ ３８０Ｖ電圧に維持して、双方向インバータ２１２や双方向コンバータ２１３に供給する。ここで、ＤＣリンク用キャパシタ２１８は、アルミニウム電解キャパシタ、高圧用フィルムキャパシタ、高圧大電流用の積層チップキャパシタ（Multi Layer Ceramic Capacitor、ＭＬＣＣ）を使用できる。第１ノードＮ１は、太陽電池２３１のＤＣ出力電圧変動または商用系統２４０の瞬時電圧降下、負荷２５０でのピーク負荷発生などによってその電圧レベルが不安定になりうる。したがって、ＤＣリンク用キャパシタ２１８は、双方向コンバータ２１３及び双方向インバータ２１２の正常動作のために安定化したＤＣリンク電圧を提供する。図３に図示された実施形態では、ＤＣリンク用キャパシタ２１８が別途に備えられた実施形態を図示したが、双方向コンバータ２１３、双方向インバータ２１２、またはＭＰＰＴコンバータ２１１内に備えられて具現されることもある。

双方向インバータ２１２は、第１ノードＮ１と商用系統２４０との間に接続される。双方向インバータ２１２は、ＭＰＰＴコンバータ２１１の出力ＤＣ電圧、及び双方向コンバータ２１３の出力ＤＣ電圧を商用系統２４０または負荷２５０のＡＣ電圧に変換し、商用系統２４０から供給されたＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換して第１ノードＮ１に伝達する。すなわち、双方向インバータ２１２は、ＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換するインバータ機能と、ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換する整流機能とを共に実行する。

双方向インバータ２１２は、商用系統２４０から第１スイッチ２１６及び第２スイッチ２１７を通じて入力されるＡＣ電圧を、バッテリー２２０に保存するためのＤＣ電圧に整流して出力し、太陽光発電システム２３０またはバッテリー２２０から出力されたＤＣ電圧を、商用系統２４０へＡＣ電圧に変換して出力する。この時、電力系統２４０に出力されるＡＣ電圧は、商用系統２４０の電力品質基準、例えば、力率０．９以上、全高調波歪み（total harmonic distortion,ＴＨＤ）５％以内に整合させねばならず、このために双方向インバータ２１２は、出力ＡＣ電圧の位相を商用系統２４０の位相と同期化させて無効電力発生を抑制し、ＡＣ電圧レベルを調節せねばならない。また双方向インバータ２１２は、商用系統２４０に出力されるＡＣ電圧から高調波を除去するためのフィルタを備えることができ、電圧変動範囲の制限、力率改善、直流成分の除去、過渡現象（transient phenomena）の保護などの機能を行える。本発明の一実施形態による双方向インバータ２１２は、発電システム２３０またはバッテリー２２０の直流電力を、商用系統２４０または負荷２５０に供給するための交流電力に変換するインバータ機能と、商用系統２４０から供給される交流電力を、バッテリー２２０に供給するための直流電力に変換する整流機能とを共に実行する。

双方向コンバータ２１３は、第１ノードＮ１とバッテリー２２０との間に接続され、第１ノードのＤＣ電圧を、バッテリー２２０に保存するためのＤＣ電圧に変換する。また、バッテリー２２０に保存されたＤＣ電圧を、第１ノードＮ１に伝達するためのＤＣ電圧レベルに変換する。例えば、双方向コンバータ２１３は、太陽光発電システム２３０で発電された直流電力をバッテリー２２０に充電する場合、または商用系統２４０から供給された交流電力をバッテリー２２０に充電する場合、すなわち、バッテリー充電モードの時、第１ノードＮ１のＤＣ電圧レベルまたはＤＣリンク用キャパシタ２１８で維持されるＤＣリンク電圧レベル、例えば、ＤＣ ３８０Ｖの電圧をバッテリー保存電圧、例えば、ＤＣ １００Ｖに減圧するコンバータとして動作する。また、双方向コンバータ２１３は、バッテリー２２０に充電された電力を商用系統２４０に供給するか、または負荷２５０に供給する場合、すなわち、バッテリー放電モードの時、バッテリー保存電圧、例えば、ＤＣ １００Ｖ電圧を第１ノードＮ１のＤＣ電圧レベルまたはＤＣリンク電圧レベル、例えば、ＤＣ ３８０Ｖ電圧に昇圧するコンバータとして動作する。本発明の一実施形態による双方向コンバータ２１３は、太陽光発電システム２３０で発電された直流電力、または商用系統２４０から供給された交流電力を変換した直流電力を、バッテリー２２０に保存するための直流電力に変換し、バッテリー２２０に保存された直流電力を商用系統２４０または負荷２５０に供給するために、双方向インバータ２１２に入力する直流電力に変換する。

バッテリー２２０は、太陽光発電システム２３０または商用系統２４０から供給された電力を保存する。バッテリー２２０は、複数のバッテリーセルが直列または並列に連結されて容量及び出力を増大させるように構成され、バッテリー２２０の充電または放電動作は、ＢＭＳ ２１５や統合制御器２１４により制御される。バッテリー２２０は、多様な種類のバッテリーセルで具現でき、例えば、ニッケル−カドミウム電池、鉛蓄電池、ニッケル−水素電池（ＮｉＭＨ）、リチウム−イオン電池、リチウムポリマー電池などでありうる。バッテリー２２０を構成するバッテリーセルの数は、系統連係型電力保存システム２００で求められる電力容量、設計条件などによって決定されうる。

ＢＭＳ ２１５はバッテリー２２０に連結され、統合制御器２１４の制御によってバッテリー２２０の充放電動作を制御する。バッテリー２２０から双方向コンバータ２１３への放電電力、及び双方向コンバータ２１３からバッテリー２２０への充電電力は、ＢＭＳ ２１５を通じて伝えられる。また、ＢＭＳ ２１５はバッテリー２２０を保護するために、過充電保護機能、過放電保護機能、過電流保護機能、過熱保護機能、セルバランス機能などを実行できる。このために、ＢＭＳ ２１５は、バッテリー２２０の電圧、電流、温度を検出してＳＯＣ（State of Charge）及びＳＯＨ（State of Health）を計算し、これによる残余電力量、寿命などをモニタリングできる。

ＢＭＳ ２１５はバッテリー２２０の電圧、電流、温度を検出するセンシング機能と、これによる過充電、過放電、過電流、セルバランス如何、ＳＯＣ、ＳＯＨを判断するマイクロコンピュータ、マイクロコンピュータの制御信号によって充放電禁止、ヒューズ溶断、冷却などの機能を実行する保護回路を備えることができる。図３に図示されたように、ＢＭＳ ２１５は電力管理システム２１０に備えられ、バッテリー２２０と分離して構成したが、ＢＭＳ ２１５とバッテリー２２０とが一体に構成されたバッテリーパックで構成できるということはいうまでもない。また、ＢＭＳ ２１５は、統合制御器２１４の制御によってバッテリー２２０の充電または放電動作を制御し、バッテリー２２０の状態情報、例えば、ＳＯＣを通じて算出された充電電力量に関する情報を統合制御器２１４に伝送する。

第１スイッチ２１６は、双方向インバータ２１２と第２ノードＮ２との間に接続される。第２スイッチ２１７は、第２ノードＮ２と商用系統２４０との間に接続される。第１スイッチ２１６と第２スイッチ２１７とは、統合制御器２１４の制御によりオンまたはオフされて、太陽光発電システム２３０またはバッテリー２２０の電力を商用系統２４０または負荷２５０へ供給または遮断、商用系統２４０から負荷２５０またはバッテリー２２０へ電力を供給または遮断する機能を実行する。例えば、太陽光発電システム２３０で発電した電力またはバッテリー２２０に保存された電力を商用系統２４０に供給する場合、統合制御器２１４は第１及び第２スイッチ２１６及び２１７をターンオンさせ、負荷２５０のみに供給する場合には、第１スイッチ２１６をターンオンさせ、第２スイッチ２１７をターンオフさせる。また、商用系統２４０の電力を負荷２５０のみに供給する場合には、第１スイッチ２１６をターンオフさせ、第２スイッチ２１７をターンオンさせる。

第２スイッチ２１７は、商用系統２４０に異常状況が発生した場合で、例えば、停電、配電線の修理が必要な場合に、統合制御器２１４の制御によって商用系統２４０への電力供給を遮断し、電力保存システムの単独運転を具現する。この時、統合制御器２１４は、電力管理システム２１０を商用系統２４０と分離させて、商用系統２４０で線路のメンテナンス作業をする人の感電など近距離接近事故の発生を防止し、商用系統２４０が非正常状態で動作して電気設備に悪影響を与えることを防止する。また、商用系統２４０が非正常状態の時の単独運転状況、すなわち、太陽光発電システム２３０で発電された電力、またはバッテリー２２０の保存された電力で負荷２５０に電力を供給している途中で、商用系統２４０が復旧された状況になれば、商用系統２４０の電圧と単独運転状態のバッテリー２２０の出力電圧との間に位相誤差が発生して、電力管理システム２１０に損傷が発生しうるが、統合制御器２１４はこのような問題点を防止するために単独運転防止制御を行う。

統合制御器２１４は、電力管理システム２１０の全般的な動作を制御する。統合制御器２１４の具体的な制御動作は、図４を参照して説明する。

図４は、図３に図示された系統連係型電力保存システム２００の電力及び制御信号のフローチャートである。

図４を参照すれば、図３に図示された系統連係型電力保存システム２００の内部構成要素間の電力フローと、統合制御器２１４の制御フローとが図示されている。図４に図示されたように、ＭＰＰＴコンバータ２１１で変換されたＤＣレベルの電圧が双方向インバータ２１２と双方向コンバータ２１３とに供給され、供給されたＤＣレベルの電圧が、双方向インバータ２１２からＡＣ電圧に変換されて商用系統２４０に供給されるか、双方向コンバータ２１３でバッテリー２２０に保存するＤＣ電圧に変換されて、ＢＭＳ ２１５を通じてバッテリー２２０に充電される。バッテリー２２０に充電されたＤＣ電圧は、双方向コンバータ２１３で双方向インバータ２１２に入力ＤＣ電圧レベルに変換され、再び双方向インバータ２１２で商用系統の基準に合うＡＣ電圧に変換されて、商用系統２４０に供給される。

統合制御器２１４は、系統連係型電力保存システム２００の全体的な動作を制御し、システムの運転モード、例えば、発電された電力を系統に供給するか、または負荷に供給するか、またはバッテリーに保存するか、または系統から供給された電力をバッテリーに保存するかを決定する。

統合制御器２１４は、ＭＰＰＴコンバータ２１１、双方向インバータ２１２、双方向コンバータ２１３それぞれのスイッチング動作を制御する制御信号を伝送する。ここで、制御信号は、それぞれのコンバータまたはインバータの入力電圧によるデューティー比最適の制御を通じて、コンバータまたはインバータの電力変換による損失を最小化する。このために、統合制御器２１４は、ＭＰＰＴコンバータ２１１、双方向インバータ２１２、双方向コンバータ２１３のそれぞれの入力端で電圧、電流、温度を感知した信号を提供されて、このような感知信号に基づいて、コンバータ制御信号とインバータ制御信号とを伝送する。

統合制御器２１４は、商用系統２４０から系統状況による情報、系統の電圧、電流、温度などを含む系統情報を提供される。統合制御器２１４は、このような系統情報によって商用系統２４０の異常状況発生如何、復電如何などを判断し、商用系統２４０への電力供給の遮断制御及び復電後、系統連係時に双方向インバータ２１２の出力と商用系統２４０の供給電力とのマッチング制御を通じて、単独運転防止制御を行う。

統合制御器２１４は、ＢＭＳ ２１５との通信を通じて、バッテリー状態信号、すなわち、バッテリーの充放電状態信号を伝送されて、これに基づいて全体システムの運転モードを判断する。また、運転モードによってバッテリーの充放電制御信号をＢＭＳ ２１５に伝送し、ＢＭＳ ２１５は、これによりバッテリー２２０の充放電を制御する。

図５は、本発明のさらに他の実施形態による系統連係型電力保存システムの動作方法を説明するためのフローチャートである。

図５を参照すれば、段階５００では、新再生可能エネルギー発電システムから電力を発電する。ここで、新再生可能エネルギー発電システムは太陽光発電システム、風力発電システム、または潮力発電システムなどを含み、発電電力は、直流電力または交流電力でありうる。段階５０２では、発電された電力の電圧をＤＣリンク電圧に変換する。ここで、ＤＣリンク電圧は、段階５００での発電された電力の電圧レベルが不安定な状態であるため、これをインバータまたはコンバータに入力するための一定のＤＣ電圧レベルを維持させて安定化させうるＤＣ電圧を意味する。

段階５０４では、段階５００で発電された電力を系統または負荷に供給するか、またはバッテリーに保存するかを判断する。ここで、判断基準は、系統に電力を販売する現在の売電コスト、発電電力量、必要な負荷電力量、バッテリー充電電力量などを考慮したものである。段階５０６及び５０８では、段階５０４での判断結果である、バッテリーに保存する場合を受けて、段階５０２で変換されたＤＣリンク電圧をバッテリー充電電圧に変換し、バッテリーに充電する。

段階５１０では、段階５０４での判断結果である、系統または負荷に供給する場合を受けて、段階５０２で変換されたＤＣリンク電圧を系統または負荷のＡＣ電圧基準に相応するＡＣ電圧に変換する。段階５１２では、変換したＡＣ電圧を系統または負荷に供給するかどうかを判断する。段階５１４では、変換したＡＣ電圧を系統に供給する売電を行い、段階５１６で、変換したＡＣ電圧を負荷に供給する。

図６は、本発明のさらに他の実施形態による系統連係型電力保存システムの動作方法を説明するためのフローチャートである。

図６を参照すれば、段階６００では、系統状況をモニタリングする。ここで、系統状況は、電力系統の停電如何、復電如何、線路メンテナンス如何、電圧、電流、温度などを含む電力状態如何を含む。段階６０２では、系統に異常状況が発生したことを感知する。段階６０４では、系統の電力供給を遮断する。系統の電力供給を遮断することで、電力保存システムの単独運転を安定的に行う。段階６０６では、バッテリー放電モードに進める。この場合、新再生可能エネルギー発電システムで発電電力が十分な場合には、新再生可能エネルギー発電システムの発電電力を使用して負荷に電力を供給してもよい。段階６０８では、バッテリーに保存された電力を負荷に供給する。段階６１０では、系統の異常状況が終了したかどうかを判断する。系統の異常状況が終了したと判断した場合には、段階６１２に進めて系統遮断を解除する。ここで、系統遮断を解除する前に、現在系統の電力状態を検査し、系統の電圧と電力保存システムの系統連係電圧、すなわち、系統に供給する電力がマッチングされたかを検査できる。段階６１４では、バッテリー充電モードに進入し、段階６１６で、新再生可能エネルギー発電システムで発電された電力または系統の電力をバッテリーに保存する。この時、バッテリーが、前述した異常状況の発生時に十分な電力供給の可能なレベルまで充電を行い、以後には状況によりバッテリー、負荷または系統に新再生発電システムの発電電力を供給する。

本発明は図面に図示された実施形態を参考までに説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想によって定められねばならない。

本発明は、電力管理システムを備える系統連係型電力保存システム関連の技術分野に好適に用いられる。

１００、２００ 系統連係型電力保存システム
１１０、２１０ 電力管理システム
１２０ 保存装置
１３０、２３０ 発電システム
１４０、２４０ 電力系統
１５０、２５０ 負荷
１１１ 第１電力変換部
１１２ 第２電力変換部
１１３ 第３電力変換部
１１４ 制御部
１１６、２１６ 第１スイッチ
１１７、２１７ 第２スイッチ
１１８ ＤＣリンク部
２１１ ＭＰＰＴコンバータ
２１２ 双方向インバータ
２１３ 双方向コンバータ
２１４ 統合制御器
２１５ ＢＭＳ
２２０ バッテリー

Claims (25)

1. 発電システムから第１電力を受け取るように構成された第１インターフェースと、
   前記発電システム、商用系統、及び保存装置に接続されるように構成され、前記発電システムから前記第１電力、前記商用系統から第２電力、または前記保存装置から第３電力のうち少なくとも一つを受け取るように構成され、前記商用系統または負荷のうち少なくとも一つに第４電力を供給するように構成された第２インターフェースと、
   前記保存装置から前記第３電力を受け取るように構成され、保存のために前記保存装置に第５電力を供給するように構成された第３インターフェースと、を備えることを特徴とする電力管理システム。
2. 前記第２インターフェースは、
   前記第２電力及び前記第１インターフェースから変換された第１電力を同時にまたは異なる時刻に受け取るように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の電力管理システム。
3. 前記第３インターフェースは、
   前記第１インターフェースから変換された第１電力、または前記第２インターフェースから変換された第２電力のうち少なくとも一つを受け取るように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の電力管理システム。
4. 前記第３インターフェースは、
   前記第３電力、前記第１インターフェースから変換された第１電力、及び前記第２インターフェースから変換された第２電力を同時にまたは異なる時刻に受け取るように構成されたことを特徴とする請求項３に記載の電力管理システム。
5. 前記システムは、
   前記第３インターフェースを通じて、前記第５電力として前記保存装置に前記第１電力を保存するか、前記系統または前記負荷のうち少なくとも一つに第４電力として伝達するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の電力管理システム。
6. 前記システムは、
   前記商用系統が正常動作状態である場合にも、前記第４電力として前記第１電力または前記第３電力を供給するように構成されたことを特徴とする請求項５に記載の電力管理システム。
7. 前記システムは、
   前記第５電力として、前記第２及び第３インターフェースを通じて前記商用系統からの第２電力を前記保存装置に保存するか、または前記負荷に第２電力を供給するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の電力管理システム。
8. 前記システムは、
   前記第４電力として、前記保存装置からの第３電力を、前記第２インターフェースを通じて前記商用系統または前記負荷に供給するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の電力管理システム。
9. 前記第１インターフェースは、
   ＤＣまたはＡＣ電力を第６ ＤＣ電力としての前記第１電力に変換するように構成された第１電力変換器を備えることを特徴とする請求項１に記載の電力管理システム。
10. 前記第１電力変換器は、
    前記発電システムにより生成された最大電力を獲得するために、最大電力点追跡制御を行うように構成されたことを特徴とする請求項９に記載の電力管理システム。
11. 前記第２インターフェースは第２電力変換器を備え、
    前記第３インターフェースは第３電力変換器を備え、
    前記第２電力変換器は、
    前記第６ ＤＣ電力をＡＣ電力となる前記第４電力に変換し、前記第３電力変換器からのＤＣ電力である第７電力を前記第４電力に変換し、さらにＡＣ電力である第２電力をＤＣ電力である第８電力に変換するように構成され、
    前記第３電力変換器は、
    前記第６電力または前記第８電力を前記第５電力に変換し、前記第３電力を前記第７電力に変換するように構成されたことを特徴とする請求項９に記載の電力管理システム。
12. 前記第２電力変換器は、
    電力変換効率を制御するように構成されたことを特徴とする請求項１１に記載の電力管理システム。
13. 前記第３電力変換器は、
    電力変換効率を制御するように構成されたことを特徴とする請求項１１に記載の電力管理システム。
14. 前記第２電力変換器と、前記商用系統と前記負荷との間の第１スイッチと、
    前記第１スイッチと前記商用系統との間の第２スイッチと、をさらに備え、
    前記第１及び第２スイッチは、制御器からの制御信号によって制御されるように構成されたことを特徴とする請求項１１に記載の電力管理システム。
15. 前記制御器は、
    前記第４電力を前記負荷に供給するために前記第１スイッチをオンさせ、かつ前記第２スイッチをオフさせるように構成されたことを特徴とする請求項１４に記載の電力管理システム。
16. 前記第１、第２及び第３電力変換器から電圧感知信号、電流感知信号または温度感知信号のうち少なくとも一つを受信し、
    前記第１、第２及び第３電力変換器のうち少なくとも一つにパルス幅変調制御信号を出力し、
    前記保存装置、前記商用系統または前記負荷のうち少なくとも一つの状態をモニタリングし、
    駆動モードを決定し、
    前記第１、第２、及び第３コンバータまたは前記第１及び第２スイッチのうち少なくとも一つの変換動作及び／または効率を制御するように構成された制御器をさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載の電力管理システム。
17. 第１及び第３電力変換器と前記第２電力変換器間にＤＣ安定化部をさらに備え、前記ＤＣ安定化部は、前記第２電力変換器の入力及び前記第３電力変換器の入力における一定のＤＣ電圧レベルを維持するように構成されたことを特徴とする請求項１１に記載の電力管理システム。
18. 前記ＤＣ安定化部は、
    キャパシタであることを特徴とする請求項１７に記載の電力管理システム。
19. 前記第１インターフェースはＭＰＰＴコンバータを備え、
    前記ＭＰＰＴコンバータは、
    ＡＣまたはＤＣの第１電力をＤＣ電力の第６電力に変換し、前記発電システムから最大出力電圧を追跡するように、最大電力点追跡制御を行うように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の電力管理システム。
20. 前記第２インターフェースは双方向インバータを備え、
    前記第３インターフェースは双方向コンバータを備え、
    前記双方向インバータは、
    第６ ＤＣ電力をＡＣ電力である第４電力に変換し、前記双方向コンバータからのＤＣ電力である第７電力を前記第４電力に変換し、ＡＣ電力である前記第７電力をＤＣ電力である第８電力に変換するように構成され、
    前記双方向コンバータは、
    前記第６電力または前記第８電力を前記第５電力に変換し、前記第３電力を前記第７電力に変換するように構成されたことを特徴とする請求項１９に記載の電力管理システム。
21. 前記双方向インバータと、前記ＭＰＰＴコンバータと前記双方向コンバータとの間のＤＣリンクキャパシタをさらに備え、
    前記ＤＣリンクキャパシタは、
    前記第６電力を前記双方向インバータまたは前記双方向コンバータに供給し、前記双方向コンバータの入力及び前記双方向コンバータの入力におけるＤＣ電力レベルを安定化させるように構成されたことを特徴とする請求項２０に記載の電力管理システム。
22. 前記第３インターフェースと前記保存装置との間のバッテリー管理システムをさらに備え、前記バッテリー管理システムは、前記保存装置の充電及び放電動作を制御するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の電力管理システム。
23. 前記バッテリー管理システムは、
    前記保存装置の電圧、電流及び温度を判断することによって、過充電保護機能、過放電保護機能、過電流保護機能、過熱保護機能、またはセルバランス動作のうち少なくとも一つを行うように構成されたことを特徴とする請求項２２に記載の電力管理システム。
24. 前記保存装置は、
    バッテリーであることを特徴とする請求項１に記載の電力管理システム
25. 請求項１に記載の電力管理システム及び前記保存装置を備える電力保存システム。

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