JP2013034372A - 電力ネットワーク内での出力抑制のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電力ネットワーク内での出力抑制のためのシステムおよび方法を提供する。
【解決手段】出力抑制システム１８が、電力変換装置１４に電気的に結合され、出力抑制要求条件に応答して、電力変換装置１４を制御し、電力変換装置１４の出力電力を調整させるように構成される。出力抑制システム１８は、電力変換装置１４の環境内の少なくとも１つの環境要因を経時的に測定するように構成された少なくとも１つのセンサを含む。出力抑制システム１８は、少なくとも１つの環境要因に基づいて経時的に出力曲線を調整し、出力抑制要求条件に応じて、出力曲線からのデータおよび出力抑制要求条件に基づいて、電力変換装置１４を制御し、調整済み出力電力を供給させるように構成されたコントローラをさらに含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に出力抑制（ｐｏｗｅｒ ｃｕｒｔａｉｌｍｅｎｔ）に関し、より詳細には、太陽光電力ネットワークにおける出力抑制に関する。

従来のエネルギー源のコストや希少性、および環境に関する懸念の高まりと共に、ソーラパワーや風力など、代替エネルギー源に対する関心が著しく高まっている。太陽光発電は、光起電力源を使用し、太陽から発電する。複数の光起電力源が、そのようなシステム内で、発電するために互いに電気的に結合される。光起電力源からの発電量は、放射照度および周囲温度など、自然に生じる要因によって決まる。放射照度および環境温度は、本質的に動的であり、絶えず変化する。状況によっては、高い放射照度および低い周囲温度により、光起電力源によって生成される電力が、インバータで吸収することができる電力より高いレベルに上昇することになり、インバータを損傷する。さらに、光起電力源は、電力グリッドに接続され、一般に、可変電力をユーティリティ／負荷に供給するように制御される。しかし、ユーティリティでの負荷が供給電力より小さい状況では、ユーティリティ電力グリッドの周波数が上昇することが望ましくない。

上述の問題は、電力を選択的に抑制する出力抑制システムを使用することによって克服することができる。しかし、現行の出力抑制技法は、応答回復時間が、望ましいであろう時間より遅い。

米国特許第７９３００７０号明細書

したがって、上述の問題に対処する改良されたシステムが求められている。

一実施形態では、出力抑制システムが、電力変換装置に電気的に結合可能であり、出力抑制要求条件に応答して、電力変換装置を制御し、電力変換装置の出力電力を調整させるように構成される。出力抑制システムは、電力変換装置の環境内の少なくとも１つの環境要因を経時的に測定するように構成された少なくとも１つのセンサを含む。出力抑制システムは、少なくとも１つの環境要因に基づいて経時的に出力曲線を調整し、出力抑制要求条件が発生したとき、出力曲線からのデータおよび出力抑制要求条件に基づいて、電力変換装置を制御し、調整済み出力電力を供給させるように構成されたコントローラをさらに含む。

他の実施形態では、電力ネットワーク内の出力抑制のための方法が提供される。この方法は、環境内の少なくとも１つの環境要因に関するデータを経時的に取得するステップを含む。また、この方法は、少なくとも１つの環境要因に基づいて経時的に出力曲線を生成するステップを含む。さらにこの方法は、出力抑制要求条件が発生したとき、出力曲線および出力抑制要求条件に基づいて、調整済み出力電力を供給させるように電力変換装置を制御するステップを含む。

さらに他の実施形態では、非一時的なコンピュータ可読媒体が、プロセッサによって実行されたときプロセッサに方法を実施させる、コンピュータプログラムのコンピュータ可読命令を含み、これらの方法は、環境内の少なくとも１つの環境要因に関するデータを経時的に取得するステップと、少なくとも１つの環境要因に基づいて経時的に出力曲線を生成するステップと、出力抑制要求条件が発生したとき、出力曲線に基づいて、調整済み出力電力を供給させるように電力変換装置を制御するステップとを含む。

本発明のこれらの、および他の特徴、態様、および利点は、同様の符号が図面を通して同様の部分を表す添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読めば、よりよく理解される。

本発明の一実施形態による出力抑制システムを含む例示的な電力変換システムのブロック図である。 本発明の一実施形態によるセンサおよびコントローラを含む出力抑制システムのブロック図である。 本発明の一実施形態によるコントローラによって生成される出力曲線の例示的なグラフである。 本発明の一実施形態による電力ネットワーク内で電力を抑制するための方法に含まれるステップを表す流れ図である。

本発明の実施形態は、電力ネットワーク内での発電システムの出力抑制のためのシステムおよび方法を含む。特定の一実施形態では、発電システムは、１つまたは複数の光起電力源に電気的に結合可能であり出力電力を供給するように構成された電力変換装置を含む。出力抑制システムが、電力変換装置に電気的に結合され、出力抑制要求条件に応答して、電力変換装置を制御し、出力電力を調整させるように構成される。出力抑制システムは、電力変換装置の環境内の少なくとも１つの環境要因を経時的に測定するように構成された少なくとも１つのセンサを含む。出力抑制システムは、少なくとも１つの環境要因に基づいて経時的に出力曲線を調整し、出力抑制要求条件が発生したとき、出力曲線からのデータおよび出力抑制要求条件に基づいて、電力変換装置を制御し、調整済み出力電力を供給させるように構成されたコントローラをさらに含む。

図１は、本発明の一実施形態による出力抑制システムを含む例示的な電力変換システム１０のブロック図である。システム１０は、太陽エネルギーから直流（ＤＣ）電力を生成する複数の光起電力源１２を含む。このＤＣ電力は、電力変換装置１４に転送される。電力変換装置１４は、ＤＣ電力を受け取り、そのＤＣ電力を、電力グリッド１６に供給される出力電力に変換する。一実施形態では、出力電力は、交流（ＡＣ）電力である。電力変換装置１４は、電力変換装置１４によって生成された出力電力を制御する出力抑制システム１８に結合される。出力抑制システム１８は、出力抑制要求条件に応答して出力電力を調整する。出力抑制要求条件は、電力グリッドに接続された負荷／ユーティリティに配電するために必要とされる出力電力に基づくものである。一実施形態では、出力抑制要求条件は、グリッドが負荷不足状態かそれとも過負荷状態かに応じて、それぞれ抑制要求または復元要求をもたらす。出力抑制要求条件に起因するコマンドを、コントローラによって電力変換装置に送ることも、グリッドオペレータが電力変換装置に送ることもでき、監視中のグリッド条件に応じて、電力を抑制または復元する。負荷が小さく、供給される出力電力が、必要とされるより高い状況では、ユーティリティに送られる出力電力の量を削減するために、抑制要求が生成される。例示的な一実施形態では、抑制要求は、出力電力を元の出力電力の６０パーセント、３０パーセント、または０パーセントに抑制するための要求を含む。さらに、抑制が先に行われており、負荷に送られる出力電力が、電力グリッドに接続された負荷に配電するために必要とされる出力電力より小さくなった状況で、復元要求が生成される。一実施形態では、復元要求は、出力電力を、先に抑制された電力レベルより高い電力レベルに復元するための要求を含む。いくつかの実施形態（図示せず）では、電力変換装置１４は、複数の電力変換装置を含むことができ、一例は、ＤＣ−ＤＣコンバータがＤＣ−ＡＣインバータに結合されたものであり、出力抑制システム１８がこのＤＣ−ＡＣインバータを制御するように動作可能である。

図２は、本発明の一実施形態によるセンサおよびコントローラを含む出力抑制システム１８のブロック図である。出力抑制システム１８は、出力抑制要求条件に従って、電力変換装置１４（図１）を制御し、調整済み出力電力を供給する。出力抑制システム１８は、調整済み出力電力を生成するために制御信号２２を電力変換装置１４に送信するコントローラ２０を含む。一実施形態では、制御信号２２は、調整済み出力電力を生成するように電力変換装置１４を動作させるために電圧レベルを制御するためのものである。この電圧レベルは、少なくとも１つの環境要因および出力抑制要求条件に基づいて、コントローラ２０によって生成される出力曲線から、コントローラ２０によって特定される。一実施形態では、この出力曲線は、出力抑制システム１８内に設けられたデータ記憶装置２４内に記憶され、電力ルックアップテーブルの形態とすることができる。コントローラ２０は、電力ルックアップテーブルから電圧レベルを特定し、調整済み出力電力を供給するように電力変換装置１４の動作を制御する。代替の実施形態では、コントローラ２０はまた、電力変換装置を動作させるために、出力曲線から特定される電流レベルを制御してもよい。

図３は、本発明の一実施形態によるコントローラ２０によって生成される出力曲線３０の例示的なグラフである。コントローラ２０は、少なくとも１つの環境センサ２６によって測定される少なくとも１つの環境要因に基づいて、出力曲線３０を生成する。一実施形態では、この少なくとも１つの環境要因は、温度および放射照度を含み、温度センサおよび放射照度センサによって測定される。コントローラ２０は、少なくとも１つの環境要因の値２８を含み、その情報を使用し、出力曲線３０を計算する。図のように、出力曲線３０は、ボルト単位で電圧を表すＸ軸３２を含む。出力曲線３０は、アンペア単位で電流を、またワット単位で電力を表すＹ軸３４を含む。コントローラ２０は、少なくとも１つの環境要因の値２８を取得し、コントローラ２０によって数学的モデルから計算される予測電圧および予測電流から出力曲線３０を生成する。一実施形態では、コントローラ２０は、光起電力源１２によって生成される、予測電圧および予測電流を計算するための行列形態にある光起電力アレイモデルを含む。環境要因の動的な性質により、コントローラ２０は、値２８を経時的に取得し、それに応じて出力曲線３０を調整する。したがって、コントローラ２０は、出力抑制要求条件が発生したとき、電圧レベルまたは電流レベルをリアルタイムに特定し、電力変換装置１４を、最も新しい計算された出力曲線３０に基づいて動作させ、その出力抑制要求条件によって必要とされる調整済み出力電力を生成するための準備ができている。

図では、曲線３６は、通常の動作条件で生成された電力を表す。曲線３８は、異常動作条件で生成された電力を表す。曲線４０は、通常の動作条件における電圧−電流特性を表す。曲線４２は、異常動作条件における電圧−電流特性を表す。本明細書では、「通常の動作条件」および「異常動作条件」という用語は、電力グリッドでの特定の負荷、および特定の光起電力アレイに対する相対的なものであり、様々な所与の状況によって変わることがある。曲線４４は、電力変換装置１４（図１）の電力源界を表す。曲線４４は、点４６および点４８によって表された２つの異なる電圧で、同じ電力を送達することができることを示す。点４６は、電力変換装置１４を動作させるための高電圧低電流点（たとえば、約８５０ボルトと１０７０アンペア）を表し、点４８は、電力変換装置１４を動作させるための低電圧高電流点（たとえば、約３９０ボルトと２３５０アンペア）を表す。一例では、異常動作条件の場合、電力変換装置１４によって生成される電力は、出力曲線における電圧を点４６で制御することによって制御される。あるいは、点４６の電圧より低い電圧を有する点４８に示されているような出力曲線における電圧を制御することによって、電力を制御することができる。温度が低く放射照度が高い状況では、点４６での電圧が非常に高く、点４６で動作させることによりインバータが損傷するおそれがある。そのような状況では、点４８での抑制が推奨される。他の状況では、点４８で動作させたとき、より高い電流によって引き起こされるより高い損失のため、点４６が望ましい。したがって、いつ一方の点を他方の点より優先して選ぶか判断する必要がある。光起電力アレイの数学的モデルを使用し、温度センサおよび放射照度センサによって提供されるデータを使用して点４６での電圧を予め計算することによって、この判断を行うことができる。一例では、コントローラ２０は、点４６でのモデルによって計算された電圧が、インバータに損傷を引き起こすおそれがある閾値電圧より低い限り、点４６で電力を抑制することになる。

図４は、本発明の一実施形態による電力ネットワーク内で電力を抑制するための方法５０に含まれるステップを表す流れ図である。方法５０は、ステップ５２で、環境内の少なくとも１つの環境要因に関するデータを経時的に取得するステップを含む。少なくとも１つの環境要因に関して取得されるデータは、その環境内の放射照度および温度の測定値を含む。少なくとも１つの環境要因に関して取得されるデータは、ステップ５４で計算され、出力曲線を生成する。また、方法５０は、ステップ５６で、出力抑制要求条件に応じて、出力曲線に基づいて、調整済み出力電力を供給させるように電力変換装置を制御するステップを含む。一実施形態では、調整済み出力電力を供給するように電力変換装置を動作させるために、出力曲線から電圧レベルを特定することによって、電力変換装置が制御される。他の実施形態では、出力抑制要求条件に応じて、６０パーセント能力、３０パーセント能力、または０パーセント能力で動作するように、電力変換装置が制御される。例示的な実施形態では、出力抑制要求条件に応じて、先に抑制された電力レベルより高い電力レベルで電力変換装置を動作させるように、電力変換装置が制御される。

上述の電力ネットワーク内の出力抑制のためのシステムの様々な実施形態は、出力抑制要求条件に基づいて出力電力を調整することを可能にする、電力変換装置に電気的に結合された出力抑制システムを含む。出力抑制システムは、調整済み出力電力を生成するように電力変換装置を動作させるために、出力抑制要求条件に基づいて出力曲線から電圧レベルまたは電流レベルを特定するコントローラを含む。これは、出力抑制要求条件に従って出力電力を調整するための時間を削減し、効率をより改善する。

当業者なら相異なる実施形態から様々な特徴の交換可能性を理解すること、また、記載の様々な特徴、ならびに各特徴の他の既知の等価物を当業者が組み合わせ（ｍｉｘｅｄ ａｎｄ ｍａｔｃｈｅｄ）、本開示の原理に従って追加のシステムおよび技法を構築することができることを理解されたい。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の精神に入るそのような修正および変更すべてを包含することを意図していることを理解されたい。

本明細書には、本発明のいくつかの特徴だけが例示および記載されているが、多数の修正および変更が当業者には思い付くであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の精神に入るそのような修正および変更すべてを包含することを意図していることを理解されたい。

１０ 電力変換システム
１２ 光起電力電源
１４ 電力変換装置
１６ 電力グリッド
１８ 出力抑制システム
２０ コントローラ
２２ 制御信号
２４ 記憶装置
２６ センサ
２８ センサによって測定された値
３０ 出力曲線
３２ ボルト単位で電圧を表すＸ軸
３４ アンペア単位で電流を表すＹ軸
３６ 通常の動作条件下で生成された電力を表す曲線
３８ 異常動作条件下で生成された電力を表す曲線
４０ 通常の動作条件下で生成された電流を表す曲線
４２ 異常動作条件下で生成された電流を表す曲線
４４ 電力変換装置の電力源界を表す曲線
４６ 高電圧低電流点
４８ 高電流低電圧点
５０ 電力ネットワーク内で電力を抑制するための方法
５２ 環境内の少なくとも１つの環境要因に関するデータを経時的に取得するステップ
５４ 少なくとも１つの環境要因に基づいて経時的に出力曲線を生成するステップ
５６ 出力抑制要求条件が発生したとき、出力曲線および出力抑制要求条件に基づいて、調整済み出力電力を供給させるように電力変換装置を制御するステップ

Claims (10)

1. 電力変換装置（１４）に電気的に結合可能であり、出力抑制要求条件の発生に応答して、前記電力変換装置（１４）を制御し、前記電力変換装置（１４）の出力電力を調整させるように構成された出力抑制システム（１８）であって、
   前記電力変換装置（１４）の環境内の少なくとも１つの環境要因を経時的に測定するように構成された少なくとも１つのセンサ（２６）と、
   前記少なくとも１つの環境要因に基づいて経時的に出力曲線（３０）を調整し、前記出力抑制要求条件が発生したとき、前記出力曲線（３０）からのデータおよび前記出力抑制要求条件に基づいて、前記電力変換装置（１４）を制御し、調整済み出力電力を供給させるように構成されたコントローラ（２０）と
   を備えるシステム（１８）。
2. 前記コントローラ（２０）が、前記出力抑制要求条件に基づいて、前記調整済み出力電力を供給するように前記電力変換装置（１４）を動作させるために、前記出力曲線（３０）から電圧レベルを特定する、請求項１記載のシステム（１８）。
3. 前記コントローラ（２０）が、前記出力曲線（３０）に基づいて生成されたルックアップテーブルから前記電圧レベルを特定する、請求項２記載のシステム（１８）。
4. 環境内の少なくとも１つの環境要因に関するデータを経時的に取得するステップと、
   前記少なくとも１つの環境要因に基づいて経時的に出力曲線（３０）を生成するステップと、
   出力抑制要求条件が発生したとき、前記出力曲線（３０）および前記出力抑制要求条件に基づいて、調整済み出力電力を供給させるように電力変換装置（１４）を制御するステップと
   を含む方法。
5. 前記出力抑制要求条件が発生したとき前記電力変換装置（１４）を制御するステップが、前記電力変換装置（１４）を６０パーセント能力、３０パーセント能力、または０パーセント能力で動作させることを含む、請求項４記載の方法。
6. プロセッサによって実行されたとき前記プロセッサに方法を実施させる、コンピュータプログラムのコンピュータ可読命令を含む非一時的なコンピュータ可読媒体であって、前記方法が、
   環境内の少なくとも１つの環境要因に関するデータを経時的に取得するステップと、
   前記少なくとも１つの環境要因に基づいて経時的に出力曲線（３０）を生成するステップと、
   出力抑制要求条件に応じて、前記出力曲線（３０）および前記出力抑制要求条件に基づいて、調整済み出力電力を供給させるように電力変換装置（１４）を制御するステップと
   を含む、コンピュータ可読媒体。
7. 少なくとも１つの光起電力電源（１２）と、
   前記少なくとも１つの光起電力電源（１２）に電気的に結合され、出力電力を供給するように構成された電力変換装置（１４）と、
   前記電力変換装置（１４）に電気的に結合され、出力抑制要求条件に応答して、前記電力変換装置（１４）を制御し、前記出力電力を調整させるように構成された出力抑制システム（１８）と、
   前記電力変換装置（１４）の環境内の少なくとも１つの環境要因を経時的に測定するように構成された少なくとも１つのセンサ（２６）と、
   前記少なくとも１つの環境要因に基づいて経時的に出力曲線（３０）を調整し、前記出力抑制要求条件が発生したとき、前記出力曲線（３０）からのデータおよび前記出力抑制要求条件に基づいて、前記電力変換装置（１４）を制御し、調整済み出力電力を供給させるように構成されたコントローラ（２０）と
   を備える電力変換システム（１０）。
8. 前記少なくとも１つのセンサ（２６）が、放射照度センサおよび温度センサを含む、請求項７記載のシステム（１０）。
9. 前記出力抑制要求条件の発生が、抑制要求または復元要求をもたらす、請求項７記載のシステム（１０）。
10. 前記抑制要求が、前記出力電力を低下させるための要求を含み、前記復元要求が、前記出力電力を、先に抑制された電力レベルより高い電力レベルに復元するための要求を含む、請求項７記載のシステム（１０）。