JP2011135763A - エネルギー保存システム及びその制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】停電発生時にも、バッテリに保存された電力をより安定して使用できるエネルギー保存システム及びその制御方法を提供する。
【解決手段】系統連繋型エネルギー保存システム及びその制御方法に係り、該エネルギー保存システムは、負荷に優先順位を付与し、停電発生時にも、バッテリに保存された電力を安定して使用でき、バッテリ残量によって負荷に選択的に電力を供給し、エネルギーをユーザの要求によって安定して使用できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、エネルギー保存システム及びその制御方法に係り、さらに詳細には、新再生可能発電システムを含んだ系統連繋型エネルギー保存システム並びにその制御方法に関する。
環境破壊、資源枯渇などの問題のために、電力を保存し、さらに保存された電力を効率的に活用できるシステムへの関心が高まっている。また、太陽光発電などの新再生可能エネルギーの重要性が増大している。特に、新再生可能エネルギーは、太陽光、風力、潮力のような無限に供給される天然資源を利用しており、発電過程で公害を誘発しないので、その活用方案に係わる研究が活発に進められている。
最近では、既存の電力系統に情報技術を接続し、電力供給者と消費者とが双方向に情報を交換することによって、エネルギー効率を最適化するシステムとして、スマートグリッド（smart grid）システムに注目が集まっている。本明細書にて用いる系統又は電力系統という用語は、電力配電網とその配電網に接続される電力消費装置及び電力発生装置を含む。
また、太陽光発電と無停電電源供給装置（ＵＰＳ：uninterruptible power supply）とを連繋した形態の太陽光発電システムも近年、導入されるようになった。
本発明は、系統での異常状況、例えば、停電発生時にあっても、ＵＰＳ機能を遂行し、バッテリの保存電力を安定して使用できるエネルギー保存システム及びバッテリに保存された電力を使用するためのエネルギー保存システムの制御方法を提供するものである。
本発明の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エネルギー保存システムは、新再生可能エネルギー発電システムによって発電された電力を変換して第１ノードに出力するＭＰＰＴ（maximum power point tracking）コンバータと；前記第１ノードと、商用系統及び負荷が接続された第２ノードとの間に接続され、前記第１ノードを介して入力された第１電力を第２電力に変換して前記第２ノードに出力し、前記商用系統から供給された電力を前記第１電力に変換し、前記第１ノードに出力する双方向インバータと；第３電力を保存するバッテリと；前記バッテリと前記第１ノードとの間に接続され、前記バッテリから出力される前記第３電力を前記第１電力に変換し、前記第１ノードを介して前記双方向インバータに出力し、前記双方向インバータから前記第１ノードを介して出力された前記第１電力を前記第３電力に変換し、前記バッテリに保存する双方向コンバータと；前記負荷の優先順位によって前記第３電力を前記負荷に供給する統合制御器と；を含んでなる。
前記統合制御器は、前記バッテリに保存された第３電力量と前記負荷の優先順位とによって、選択的に第３電力を供給することを特徴とする。
前記統合制御器は、前記商用系統から停電信号を受信した場合、前記負荷の優先順位によって、前記第３電力を前記負荷に選択的に供給することを特徴とする。
前記エネルギー保存システムは、前記双方向インバータと前記負荷との間に接続された第１スイッチと、前記第２ノードと前記商用系統との間に接続された第２スイッチとをさらに含むことを特徴とする。
前記統合制御器は、前記停電信号を受信した場合、前記第２スイッチをオフにすることを特徴とする。
前記エネルギー保存システムは、前記第２ノードと、少なくとも２以上の負荷との間に接続され、それぞれの負荷への電力供給を制御する少なくとも２以上のスイッチを含み、前記統合制御器は、前記バッテリに保存された電力量及び前記少なくとも２以上の負荷の優先順位によって、前記少なくとも２以上のスイッチのオン／オフ動作を制御することを特徴とする。
前記統合制御器は、前記バッテリに保存された電力量をモニタリングするモニタリング部と、前記負荷の優先順位を設定するユーザ設定部と、前記保存された電力量と前記負荷の優先順位とを判断するマイクロコンピュータと、及び前記マイクロコンピュータの制御によって、前記バッテリに保存された電力を前記負荷に選択的に供給するための制御信号を生成する制御信号生成部とを含むことを特徴とする。
前記エネルギー保存システムは、前記統合制御器の制御によって、前記バッテリに保存された第３電力の充放電を管理するバッテリ管理部をさらに含み、前記統合制御器は、前記バッテリ管理部を制御するＢＭＳ（battery management system）制御部をさらに含むことを特徴する。
前記エネルギー保存システムは、前記第１ノードのＤＣ電圧レベルをＤＣリンクレベルに維持するＤＣリンク部をさらに含むことを特徴とする。
前記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であ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エネルギー保存システムは、新再生可能エネルギー発電システムで発電した電力を第１電力に変換する第１電力変換部と、前記第１電力を第２電力に変換してバッテリに保存し、前記バッテリに保存された第２電力を前記第１電力に変換する第２電力変換部と、前記第１電力を変換し、前記負荷または商用系統に出力し、前記商用系統から供給された電力を第１電力に変換する第３電力変換部と、及び前記第１電力変換部ないし第３電力変換部を制御し、前記バッテリに保存された第２電力量と前記負荷の優先順位とによって、前記負荷への電力供給を選択的に行うように制御する統合制御器とを含んでなる。
前記さらに他の技術的課題を達成するための、本発明のさらに他の実施形態は、新再生可能エネルギー発電システム、負荷及び商用系統とそれぞれ接続され、前記新再生可能エネルギー発電システムで発電した電力を変換して第１ノードに出力するＭＰＰＴコンバータと、前記新再生可能エネルギー発電システムで発電した電力、または前記商用系統から供給された電力を保存するバッテリと、前記第１ノードの電力を変換し、前記負荷または商用系統に出力し、前記商用系統から供給された電力を変換し、前記第１ノードに出力する双方向インバータと、前記第１ノードの電力を変換し、前記バッテリに保存し、前記バッテリに保存された電力を変換し、前記第１ノードに出力する双方向コンバータと、及び統合制御器とを含むエネルギー保存システムの制御方法であり、前記負荷の優先順位によって、選択的に電力を供給するために前記バッテリに保存された電力が第１臨界電力以上であるか否かを判断する段階と、前記保存された電力が前記第１臨界電力以上である場合に、前記負荷の優先順位にかかわらず保存された電力を供給し、前記保存された電力が前記第１臨界電力より小さい場合に、前記負荷の優先順位を判断する段階と、及び前記判断した優先順位によって、前記負荷に選択的に電力を供給する段階とを含んでなる。
前記エネルギー保存システムの制御方法は、前記負荷が第１優先順位乃至第３優先順位を有するように、優先順位を設定する段階をさらに含むことを特徴とする。
前記選択的電力供給段階は、前記第１優先順位及び第２優先順位の負荷に電力を供給することを特徴とする。
前記エネルギー保存システムの制御方法は、前記商用系統の停電信号を受信する段階をさらに含み、前記停電信号を受信した場合、前記バッテリに保存された電力量を判断することを特徴とする。
前記エネルギー保存システムの制御方法は、前記バッテリに保存された電力が第２臨界電力以上であるか否かを判断する段階をさらに含み、前記バッテリに保存された電力が前記第２臨界電力より小さい場合、前記１順位負荷にのみ電力を供給することを特徴とする。
前記エネルギー保存システムの制御方法は、前記バッテリに保存された電力が第３臨界電力以上であるか否かを判断する段階をさらに含み、前記バッテリに保存された電力が前記第３臨界電力より小さい場合、前記負荷への電力供給を中断することを特徴とする。
前記エネルギー保存システムの制御方法は、前記停電信号を受信した場合、前記商用系統と接続されたスイッチをオフにする段階をさらに含むことを特徴とする。
前記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であることを特徴とする。
前記エネルギー保存システムの制御方法は、前記第１ノードの電圧レベルをＤＣリンクレベルに安定化させる段階をさらに含むことを特徴とする。
本発明によるエネルギー保存システムは、停電発生時にも、バッテリに保存された電力をより安定して使用できる。
本発明の一実施形態による系統連繋型エネルギー保存システムのブロック図である。 図１に図示された系統連繋型エネルギー保存システムの電力及び制御信号のフローチャートである。 図１に図示された統合制御器で、負荷の優先順位によって、選択的に電力を供給することを説明するための図面である。 図３に図示された統合制御器の概略的なブロック図である。 本発明の他の実施形態によるエネルギー保存システムの制御方法について説明するためのフローチャートである。
以下、添付された図面を参照しつつ、本発明の実施形態に係わる系統連繋型エネルギー保存システム１００について詳細に説明する。本明細書に添付された図面において、事実上同じ機能を行う部材については、同じ図面符号を使用する。
前述したように、以下に、添付した図面を参照しつつ、本発明の実施形態について詳細に説明するが、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を説明し、それ以外の部分についての説明は、本発明の要旨を不明瞭にしないように省略してあることもある。
また、以下で説明す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、一般的であり、かつ辞典的な意味に限定して解釈されるものではなく、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見合う意味と概念と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繋型エネルギー保存システム１００のブロック図である。
図１を参照すれば、電力管理システム１１０は、ＭＰＰＴ（maximum power point tracking）コンバータ１１１、双方向インバータ１１２、双方向コンバータ１１３、統合制御器１１４、ＢＭＳ（battery management system）１１５、第１スイッチ１１６、第２スイッチ１１７及びＤＣ（direct current）リンク部１１８を含んでなる。電力管理システム１１０は、バッテリ１２０、新再生可能電力発電システム（new and renewable power generation system）（特に、太陽電池１３１を含む太陽光発電システム（photovoltaic power generation system））１３０、商用系統１４０及び負荷１５０に接続される。本発明の一実施形態で、電力管理システム１１０とバッテリ１２０とを含め、系統連繋型エネルギー保存システム１００を構成したが、使われた用語に限定されずに、電力管理システム１１０とバッテリ１２０とが一体型に構成された電力管理システム、または系統連繋型エネルギー保存システムでもありうる。
新再生可能電力発電システム１３０は、電気エネルギーを発電して電力管理システム１１０に出力する。この実施形態にあっては、新再生可能電力発電システム１３０としては、太陽電池１３１が図示されているが、風力発電システム、潮力発電システムでもあり、それ以外に、太陽熱、地熱のような新再生可能エネルギー（new and renewable energy）を利用して電気エネルギーを生成する発電システムのうちのいずれを含んでもよい。特に、太陽光を利用し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設置が容易であり、各家庭に分散された系統連繋型エネルギー保存システム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、送電線などを具備している。この商用系統１４０は、正常状態であるとき、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（バッテリ）１２０または負荷１５０に電力を供給し、さらに新再生可能電力発電システム１３０やバッテリ１２０から供給された電力が入力される。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である場合、商用系統１４０からバッテリ１２０または負荷１５０への電力供給は中断され、新再生可能電力発電システム１３０やバッテリ１２０から商用系統１４０への電力供給も中断される。
負荷１５０は、新再生可能電力発電システム１３０により発電された電力、バッテリ１２０に保存された電力、または商用系統１４０から供給された電力を消費するものであり、例えば、家庭、工場に取り付けられた装置、システム等でありうる。
ＭＰＰＴコンバータ１１１は、太陽電池１３１から出力されたＤＣ電圧を第１ノードＮ１に伝送されるようにＤＣ電圧に変換する。また、太陽電池１３１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に、ＭＰＰＴコンバータ１１１は、太陽電池１３１が最大に電力を生産するように太陽電池１３１を制御する。すなわち、ＭＰＰＴコンバータ１１１は、太陽電池１３１の出力ＤＣ電圧を昇圧させてＤＣ電圧を出力するブーストＤＣ−ＤＣコンバータの機能とＭＰＰＴ制御の機能とを共に遂行する。例えば、ＭＰＰＴ出力ＤＣ電圧の範囲は、３００乃至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１３１の最大電力出力電圧に追従する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、指令電圧を上昇または低下させるものである。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る。電力対電圧制御は、電力対電圧の勾配を利用して制御するものである。前述のＭＰＰＴ制御以外に、他のＭＰＰＴ制御技法を適用できることは、言うまでもない。
ＤＣリンク部１１８は、第１ノードＮ１と双方向インバータ１１２との間に並列に接続される。ＤＣリンク部１１８は、ＭＰＰＴコンバータ１１１から出力されたＤＣ電圧を、ＤＣリンク電圧、例えば、ＤＣ ３８０Ｖ電圧に維持させ、双方向インバータ１１２や双方向コンバータ１１３に供給する。ここで、ＤＣリンク部１１８は、アルミニウム電解キャパシタ（electrolytic capacitor）、高圧用フィルムキャパシタ（polymer capacitor）、高圧大電流用積層チップキャパシタ（ＭＬＣＣ：multi layer ceramic capacitor）を使用できる。第１ノードＮ１は、太陽電池１３１のＤＣ出力電圧変動、商用系統１４０の瞬時電圧降下、または負荷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。従って、ＤＣリンク部１１８は、双方向コンバータ１１３及び双方向インバータ１１２の正常動作のために、安定化されたＤＣリンク電圧を提供する。図１に図示された実施形態では、ＤＣリンク部１１８が別途に備わった実施形態を図示してあるが、双方向コンバータ１１３、双方向インバータ１１２、またはＭＰＰＴコンバータ１１１の中に含まれて具現されてもよい。
双方向インバータ１１２は、第１ノードＮ１と商用系統１４０との間に接続される。双方向インバータ１１２は、ＭＰＰＴコンバータ１１１の出力ＤＣ電圧と、双方向コンバータ１１３の出力ＤＣ電圧とを、商用系統１４０または負荷１５０のＡＣ（alternating current）電圧に変換し、商用系統１４０から供給されたＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換し、第１ノードＮ１に伝達する。すなわち、双方向インバータ１１２は、ＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換するインバータの機能と、ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換する整流の機能とを共に行う。
双方向インバータ１１２は、商用系統１４０から第２スイッチ１１７及び第１スイッチ１１６を介して入力されるＡＣ電圧を、バッテリ１２０に保存するためのＤＣ電圧に整流して出力すると共に、新再生可能電力発電システム１３０またはバッテリ１２０によって出力されたＤＣ電圧を、商用系統１４０のＡＣ電圧に変換して出力する。このとき、商用系統１４０に出力されるＡＣ電圧は、商用系統１４０の電力品質基準、例えば、力率０．９以上、ＴＨＤ（total harmonic distortion）５％以内に合わせなければならず、このために、双方向インバータ１１２は、出力ＡＣ電圧の位相を商用系統１４０の位相と同期化させ、無効電力発生を抑制し、ＡＣ電圧レベルを調節しなければならない。また、双方向インバータ１１２は、商用系統１４０に出力されるＡＣ電圧から高調波（harmonic）を除去するためのフィルタを含むことができ、電圧変動範囲制限、力率改善、ＤＣ成分除去、過度現象（transient phenomena）保護のような機能を行うことができる。つまり、本発明の一実施形態による双方向インバータ１１２は、新再生可能電力発電システム１３０またはバッテリ１２０のＤＣ電力を、商用系統１４０または負荷１５０に供給するためのＡＣ電力に変換するインバータ機能と、商用系統１４０から供給されるＡＣ電力を、バッテリ１２０に供給するためのＤＣ電力に変換する整流の機能とを共に行う。
双方向コンバータ１１３は、第１ノードＮ１とバッテリ１２０との間に接続され、第１ノードのＤＣ電圧をバッテリ１２０に保存するためのＤＣ電圧に変換する。また、バッテリ１２０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１１３は、新再生可能電力発電システム１３０で発電されたＤＣ電力をバッテリ１２０に充電する場合、または商用系統１４０から供給されたＡＣ電力をバッテリ１２０に充電する場合、すなわち、バッテリ充電モードであるとき、第１ノードＮ１のＤＣ電圧レベル、またはＤＣリンク部１１８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１１３は、バッテリ１２０に充電された電力を商用系統１４０に供給したり、または負荷１５０に供給する場合、すなわち、バッテリ放電モードであるとき、バッテリ保存電圧、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。つまり、本発明の一実施形態による双方向コンバータ１１３は、新再生可能電力発電システム１３０で発電されたＤＣ電力、または商用系統１４０から供給されたＡＣ電力を変換したＤＣ電力を、バッテリ１２０に保存するためのＤＣ電力に変換すると共に、バッテリ１２０に保存されたＤＣ電力を、商用系統１４０または負荷１５０に供給するために、双方向インバータ１１２に入力するＤＣ電力に変換する。
バッテリ１２０は、新再生可能電力発電システム１３０または商用系統１４０から供給された電力を保存する。バッテリ１２０は、複数のバッテリ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ことができるように構成され、バッテリ１２０の充電または放電の動作は、ＢＭＳ １１５や統合制御器１１４によって制御される。バッテリ１２０は、多種のバッテリセルから具現され、例えば、ニッケル−カドミウム電池（nickel-cadmium battery）、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（lithium ion battery）、リチウムポリマー電池（lithium polymer battery）などでありうる。バッテリ１２０を構成するバッテリセルの個数は、系統連繋型エネルギー保存システム１００で要求される電力容量、設計条件などによって決定されうる。
ＢＭＳ １１５は、バッテリ１２０に連結され、統合制御器１１４の制御によって、バッテリ１２０の充放電動作を制御する。バッテリ１２０から双方向コンバータ１１３への放電電力、及び双方向コンバータ１１３からバッテリ１２０への充電電力は、ＢＭＳ １１５を介して伝えられる。また、ＢＭＳ １１５は、バッテリ１２０を保護するために、過充電保護の機能、過放電保護の機能、過電流保護の機能、過熱保護の機能、セル・バランシング（cell balancing）機能などを行うことができる。このためにＢＭＳ １１５は、バッテリ１２０の電圧，電流，温度を検出し、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 １１５は、バッテリ１２０の電圧，電流，温度を検出するセンサと；センサによる過充電、過放電、過電流、セル・バランシング、ＳＯＣ及びＳＯＨを判断するマイクロコンピュータと；マイクロコンピュータの制御信号によって、充放電禁止、ヒューズ溶断及び冷却などの機能を行う保護回路を含むことができる。図１に図示されているように、ＢＭＳ １１５は、電力管理システム１１０に含まれ、バッテリ１２０と分離して構成されているが、ＢＭＳ １１５とバッテリ１２０とが一体に構成されたバッテリパックとして構成可能であることは、言うまでもない。また、ＢＭＳ １１５は、統合制御器１１４の制御によって、バッテリ１２０の充電または放電の動作を制御し、バッテリ１２０の状態情報、例えば、ＳＯＣを介して算出された充電電力量に係わる情報を統合制御器１１４に伝送する。
第１スイッチ１１６は、双方向インバータ１１２と第２ノードＮ２との間に接続される。第２スイッチ１１７は、第２ノードＮ２と商用系統１４０との間に接続される。第１スイッチ１１６と第２スイッチ１１７は、統合制御器１１４の制御によってオン（on）またはオフ（off）にされる開閉器を使用できる。第１スイッチ１１６と第２スイッチ１１７は、新再生可能電力発電システム１３０またはバッテリ１２０の電力の商用系統１４０または負荷１５０への供給または遮断、商用系統１４０からの負荷１５０またはバッテリ１２０への電力供給または遮断を行う機能を果たす。例えば、新再生可能電力発電システム１３０で発電した電力、またはバッテリ１２０に保存された電力を商用系統１４０に供給する場合、統合制御器１１４は、第１スイッチ１１６及び第２スイッチ１１７をターンオンさせるが、負荷１５０にのみ供給する場合には、第１スイッチ１１６をターンオンさせ、第２スイッチ１１７をターンオフさせる。また、商用系統１４０の電力を負荷１５０にのみ供給する場合には、第１スイッチ１１６をターンオフさせ、第２スイッチ１１７をターンオンさせる。
第２スイッチ１１７は、統合制御器１１４の制御によって、商用系統１４０に異常状況が発生した場合にあって、例えば、停電、配電線修理が必要な場合、商用系統１４０への電力供給を遮断し、エネルギー保存システムの単独運転を行う。このとき、統合制御器１１４は、電力管理システム１１０を商用系統１４０と分離させ、商用系統１４０での線路維持を行い、または補修者の感電のような近距離接近事故が発生することを防止し、商用系統１４０が非正常状態で動作し、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１４０が非正常状態であるときの単独運転状況、すなわち、新再生可能電力発電システム１３０で発電された電力、またはバッテリ１２０に保存された電力を負荷１５０に供給している状況にて、商用系統１４０が復旧されると、商用系統１４０の電圧と、単独運転状態のバッテリ１２０の出力電圧との間に位相誤差が発生し、電力管理システム１１０に損傷が発生する虞があるが、統合制御器１１４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１１４は、電力管理システム１１０、またはエネルギー保存システム１００の全般的な動作を制御する。本発明の一実施形態で、統合制御器１１４は、商用系統１４０の停電信号を感知し、その停電信号を受信した場合、バッテリ１２０に保存されたＤＣ電力を負荷１５０に伝達するための制御動作を行う。ここで、バッテリ１２０に保存された電力を負荷１５０に供給するために、統合制御器１１４は、双方向インバータ１１２とＭＰＰＴコンバータ１１１とをオフにし、他方で双方向コンバータ１１３をオンにし、バッテリ１２０に保存された電力を介して、第１ノードＮ１の電圧を定電圧制御した後、双方向インバータ１１２をオンにして負荷１５０に電力を供給する。また選択的に、新再生可能電力発電システム１３０が動作可能である場合には、ＭＰＰＴコンバータ１１１を徐々に動作させ、発電電力をバッテリ１２０に保存された電力と共に負荷１５０に供給するように、制御することもできる。
本発明の一実施形態で、統合制御器１１４は、停電発生時に、バッテリ１２０に充電された電力量と負荷１５０の優先順位とによって、選択的に電力を供給する。例えば、バッテリ１２０に充電された電力量が十分である場合には、全ての負荷に電力を供給し、中間程度であるならば、１順位(優先度１の順位)及び２順位（優先度が１より低い優先度２）の負荷にのみ電力を供給し、少ないならば、１順位負荷にのみ電力を供給し、非常に少ないならば、負荷１５０への電力供給を中断する。例えば、１順位負荷は、家庭内に常に電力を供給しなければならない家電機器であり、冷蔵庫または冷暖房機具であり、２順位負荷は、テレビジョン（ＴＶ）、照明であり、３順位(優先度が２順位より低い)負荷は、オーディオでありうる。かような負荷の優先順位は、ユーザが任意に設定できる。
図２は、図１に図示された系統連繋型エネルギー保存システム１００の電力及び制御信号のフローチャートである。
図２を参照すれば、図１に図示された系統連繋型エネルギー保存システム１００の内部構成要素間の電力フローと、統合制御器１１４の制御フローとが図示されている。図２に図示されているように、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でＡＣ電圧に変換されて商用系統２４０に供給されたり、双方向コンバータ２１３で、バッテリ２２０に保存するＤＣ電圧に変換され、ＢＭＳ ２１５を介してバッテリ２２０に充電される。バッテリ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への入力ＤＣ電圧レベルに変換され、さらに双方向インバータ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、系統連繋型エネルギー保存システム１００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否か、負荷に供給するか否か、バッテリに保存するか否か、系統から供給された電力をバッテリに保存するか否かなどを決定する。
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比最適制御を介して、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（Ｖ．Ｉ．Ｔ．）を感知した信号を提供され、かような感知信号を基に、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、かような系統情報によって、商用系統１４０の異常状況発生の有無、復電可否などを判断し、商用系統２４０への電力供給の遮断制御、復電後の系統連繋時の双方向インバータ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介して、単独運転防止制御を行う。
統合制御器２１４は、ＢＭＳ ２１５との通信を介して、バッテリ状態信号、すなわち、バッテリの充放電状態信号を伝送され、これを基に、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、バッテリの充放電制御信号をＢＭＳ ２１５に伝送し、ＢＭＳ ２１５は、これによって、バッテリ１２０の充放電を制御する。
本発明の一実施形態で、統合制御器２１４は、負荷２５０に設定された優先順位及びバッテリ１２０に保存された電力量によって、負荷に選択的に電力を供給できる。従って、バッテリ２２０に保存された電力が全て放電される前に、優先順位の高い負荷を分離し、優先的に電力を供給できる。
図３は、図１に図示された統合制御器１１４で、負荷１５０の優先順位によって、選択的に電力を供給することについて説明するための図面である。
図３を参照すれば、第２ノードＮ２に接続されている負荷１５０が図示されており、負荷１５０は、１順位負荷１５１、２順位負荷１５２及び３順位負荷１５３によって構成されている。ここで、１順位負荷１５１は、停電時または電力供給不足時にも、持続的に電力が供給されねばならない機器であり、例えば、冷蔵庫を含む必須家電機器であり、２順位負荷１５２は、ＴＶまたは照明機器であり、３順位負荷１５３は、オーディオのような選択的家電機器であり、かような負荷の優先順位による分類は、これに限定されるものではなく、ユーザが任意に設定できる。第２ノードＮ２とそれぞれの負荷１５１，１５２及び１５３との間には、スイッチ１５４，１５５及び１５６が接続され、統合制御器１１４の制御によって、１順位負荷１５１，２順位負荷１５２及び３順位負荷１５３に、選択的電力供給を行う。すなわち、統合制御器１１４の制御信号によってオン／オフを行い、１順位負荷１５１，２順位負荷１５２及び３順位負荷１５３への電力供給を調節する。
図４は、図１に図示された統合制御器１１４の概略的なブロック図である。
図４を参照すれば、統合制御器１１４は、マイクロコンピュータ４００、モニタリング部４１０、ＢＭＳ制御部４２０、制御信号生成部４３０及びユーザ設定部４４０を含む。
マイクロコンピュータ４００は、統合制御器１１４の全般的な動作を制御する。モニタリング部４１０は、バッテリ１２０に保存された電力量をモニタリングする。また、モニタリング部４１０は、商用系統１４０の状態を感知して停電信号を入手する。モニタリング部４１０は、系統の状態だけではなく、ＭＰＰＴコンバータ１１１、双方向インバータ１１２及び双方向コンバータ１１３の電圧，電流，温度などを感知し、ＢＭＳ １１５を介して、バッテリ１２０の状態、例えば、電圧、電流、充放電状態、寿命などをモニタリングする。
ＢＭＳ制御部４２０は、ＢＭＳ １１５と通信し、バッテリ１２０の充放電動作を制御する。本発明の一実施形態で、停電発生時に、バッテリ１２０に保存された電力を放電させる制御を行う。
制御信号生成部４３０は、マイクロコンピュータ４００の制御によって、負荷１５０の優先順位による電力供給を制御する制御信号を生成する。すなわち、それぞれの負荷に連結されているスイッチ１５４，１５５，１５６のオン／オフ動作を制御する制御信号を生成する。また、ＭＰＰＴコンバータ１１１、双方向インバータ１１２及び双方向コンバータ１１３のオンオフ動作を制御する制御信号を生成する。
ユーザ設定部４４０は、ユーザの選択によって、負荷１５０に優先順位を付与する。すなわち、１順位負荷１５１、２順位負荷１５２及び３順位負荷１５３の優先順位を設定する。
図５は、本発明の他の実施形態によるエネルギー保存システムの制御方法について説明するためのフローチャートである。図４に構成を示した統合制御器１１４が図１に示した各部を制御しながら行う各段階を示す。
図５を参照すれば、段階５００で、負荷の優先順位を設定する。ここで、優先順位は、ユーザが任意に設定できる。段階５０２で、バッテリに充電されている電力量が、第１臨界電力量以上であるか否かを判断する。充電された電力量が、第１臨界電力量以上である場合、段階５０４で、優先順位にかかわらず、全ての負荷に電力を供給する。段階５０２の判断結果、バッテリに充電されている電力量が第１臨界電力量より少ない場合には、１順位負荷及び２順位負荷にのみ電力を供給し、３順位負荷への電力供給を中断する。例えば、バッテリに充電された電力量がバッテリ全体容量の９０％以上であるならば、全ての負荷に電力を供給するように、スイッチ１５４，１５５及び１５６をオンにし、９０％未満であるならば、スイッチ１５４及び１５５のみオンにし、スイッチ１５６をオフにし、３順位負荷には電力供給を遮断する。
段階５０８で、バッテリに充電された電力量が第２臨界電力量以上であるか否かを判断する。バッテリに充電された電力量が第２臨界電力量以上であるならば、段階５０６と同様に、１順位負荷及び２順位負荷にのみ電力を供給し（段階５１２）、第２臨界電力量より少なければ、段階５１０で、１順位負荷にのみ電力を供給する。例えば、充電電力量が５０％より少なければ、１順位負荷にのみ電力を供給し、２順位負荷及び３順位負荷には、電力供給を遮断する。
段階５１４で、バッテリに充電された電力量が第３臨界電力量以上であるか否かを判断する。段階５１４の判断結果、バッテリに充電された電力量が第３臨界電力量以上である場合には、段階５１８で、１順位負荷にのみ電力を供給し、第３臨界電力量より少なければ、段階５１６で全ての負荷への電力供給を中断する。例えば、バッテリに充電された電力量が１０％未満であるならば、全ての負荷への電力供給を中断することによって、バッテリの完全放電を防止し、システムの安定した運用を保証する。従って、負荷に優先順位をつけ、バッテリ残量によって、選択的に電力供給を行うことにより、ユーザが優先的に所望する負荷に、さらに長時間の電力供給を行え、エネルギーをさらに効率的に使用できる。
本発明は、図面に図示された実施形態を参考にして説明したが、それらは例示的なものに過ぎず、本技術分野の当業者であるならば、それら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するであろう。従って、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決まるものである。
１００ エネルギー保存システム
１１０ 電力管理システム
１１１，２１１ ＭＰＰＴコンバータ
１１２，２１２ 双方向インバータ
１１３，２１３ 双方向コンバータ
１１４，２１４ 統合制御器
１１５，２１５ ＢＭＳ
１１６ 第１スイッチ
１１７ 第２スイッチ
１１８ ＤＣリンク部
１２０，２２０ バッテリ
１３０ 新・再生発電システム
１３１ 太陽電池
１４０，２４０ 商用系統
１５０ 負荷
１５１ １順位負荷
１５２ ２順位負荷
１５３ ３順位負荷
１５４，１５５，１５６ スイッチ
４００ マイクロコンピュータ
４１０ モニタリング部
４２０ ＢＭＳ制御部
４３０ 制御信号生成部
４４０ ユーザ設定部
Ｎ１ 第１ノード
Ｎ２ 第２ノード

Claims (20)

  1. 新再生可能電力発電システムから発電された電力を変換して第１ノードに出力するＭＰＰＴコンバータと、
    前記第１ノードと、商用系統及び負荷が接続された第２ノードとの間に接続され、前記第１ノードを介して入力された第１電力を第２電力に変換して前記第２ノードに出力し、前記商用系統から供給された電力を前記第１電力に変換し、前記第１ノードに出力する双方向インバータと、
    第３電力を保存するバッテリと、
    前記バッテリと前記第１ノードとの間に接続され、前記バッテリから出力される前記第３電力を前記第１電力に変換し、前記第１ノードを介して前記双方向インバータに出力し、前記双方向インバータから前記第１ノードを介して出力された前記第１電力を前記第３電力に変換し、前記バッテリに保存する双方向コンバータと、
    前記負荷の優先順位によって、前記第３電力を前記負荷に供給する統合制御器と、を含むエネルギー保存システム。
  2. 前記統合制御器は、
    前記バッテリに保存された第３電力量と前記負荷の優先順位とによって、選択的に第３電力を前記負荷に供給することを特徴とする請求項１に記載のエネルギー保存システム。
  3. 前記統合制御器は、
    前記商用系統から停電信号を受信した場合、前記負荷の優先順位によって、前記第３電力を前記負荷に選択的に供給することを特徴とする請求項１に記載のエネルギー保存システム。
  4. 前記双方向インバータと前記負荷との間に接続された第１スイッチと、
    前記第２ノードと前記商用系統との間に接続された第２スイッチと、をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のエネルギー保存システム。
  5. 前記統合制御器は、
    前記停電信号を受信した場合、前記第２スイッチをオフにすることを特徴とする請求項４に記載のエネルギー保存システム。
  6. 前記第２ノードと、少なくとも２以上の負荷との間に接続され、それぞれの負荷への電力供給を制御する少なくとも２以上のスイッチを含み、
    前記統合制御器は、
    前記バッテリに保存された電力量及び前記少なくとも２以上の負荷の優先順位によって、前記少なくとも２以上のスイッチのオン／オフ動作を制御することを特徴とする請求項１に記載のエネルギー保存システム。
  7. 前記統合制御器は、
    前記バッテリに保存された電力量をモニタリングするモニタリング部と、
    前記負荷の優先順位を設定するユーザ設定部と、
    前記保存された電力量と前記負荷の優先順位とを判断するマイクロコンピュータと、
    前記マイクロコンピュータの制御によって、前記バッテリに保存された電力を前記負荷に選択的に供給するための制御信号を生成する制御信号生成部と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のエネルギー保存システム。
  8. 前記統合制御器の制御によって、前記バッテリに保存された第３電力の充放電を管理するバッテリ管理部をさらに含み、
    前記統合制御器は、
    前記バッテリ管理部を制御するバッテリ管理部制御部をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載のエネルギー保存システム。
  9. 前記第１ノードのＤＣ電圧レベルをＤＣリンクレベルに維持するＤＣリンク部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のエネルギー保存システム。
  10. 前記新再生可能電力発電システムは、
    太陽光発電システムであることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー保存システム。
  11. 新再生可能電力発電システムで発電した電力を第１電力に変換する第１電力変換部と、
    前記第１電力を第２電力に変換してバッテリに保存し、前記バッテリに保存された第２電力を前記第１電力に変換する第２電力変換部と、
    前記第１電力を変換し、前記負荷または商用系統に出力し、前記商用系統から供給された電力を第１電力に変換する第３電力変換部と、
    前記第１電力変換部ないし第３電力変換部を制御し、前記バッテリに保存された第２電力量と前記負荷の優先順位とによって、前記負荷への電力供給を選択的に行うように制御する統合制御器を含むエネルギー保存システム。
  12. 新再生可能電力発電システム、負荷、商用系統とそれぞれ接続され、
    前記新再生可能電力発電システムで発電した電力を変換して第１ノードに出力するＭＰＰＴコンバータと；前記新再生可能電力発電システムで発電した電力、または前記商用系統から供給された電力を保存するバッテリと；前記第１ノードの電力を変換し、前記負荷または商用系統に出力し、前記商用系統から供給された電力を変換し、前記第１ノードに出力する双方向インバータと；前記第１ノードの電力を変換し、前記バッテリに保存し、前記バッテリに保存された電力を変換し、前記第１ノードに出力する双方向コンバータと；統合制御器と；を含むエネルギー保存システムを用いて、前記負荷の優先順位によって、選択的に電力を供給するためのエネルギー保存システムの制御方法であって、
    前記バッテリに保存された電力が第１臨界電力以上であるか否かを判断する段階と、
    前記保存された電力が前記第１臨界電力以上である場合、前記負荷の優先順位にかかわらず保存された電力を供給し、前記保存された電力が前記第１臨界電力より小さい場合、前記負荷の優先順位を判断する段階と、
    前記判断した優先順位によって、前記負荷に選択的に電力を供給する段階と、を含むエネルギー保存システムの制御方法。
  13. 前記負荷が第１優先順位ないし第３優先順位を有するように、優先順位を設定する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載のエネルギー保存システムの制御方法。
  14. 前記選択的電力供給段階は、
    前記第１優先順位及び第２優先順位の負荷に電力を供給することを特徴とする請求項１３に記載のエネルギー保存システムの制御方法。
  15. 前記商用系統の停電信号を受信する段階をさらに含み、
    前記停電信号を受信した場合、前記バッテリに保存された電力量を判断することを特徴とする請求項１３に記載のエネルギー保存システムの制御方法。
  16. 前記バッテリに保存された電力が第２臨界電力以上であるか否かを判断する段階をさらに含み、
    前記バッテリに保存された電力が前記第２臨界電力より小さい場合、前記１順位負荷にのみ電力を供給することを特徴とする請求項１３に記載のエネルギー保存システムの制御方法。
  17. 前記バッテリに保存された電力が第３臨界電力以上であるか否かを判断する段階をさらに含み、
    前記バッテリに保存された電力が前記第３臨界電力より小さい場合、前記負荷への電力供給を中断することを特徴とする請求項１３に記載のエネルギー保存システムの制御方法。
  18. 前記停電信号を受信した場合、前記商用系統と接続されたスイッチをオフにする段階をさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載のエネルギー保存システムの制御方法。
  19. 前記新再生可能電力発電システムは、
    太陽光発電システムであることを特徴とする請求項１２に記載のエネルギー保存システムの制御方法。
  20. 前記第１ノードの電圧レベルをＤＣリンクレベルに安定化させる段階をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載のエネルギー保存システムの制御方法。
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