JP6095774B2 - 太陽光発電の出力を平滑化するためのハイブリッド型のウルトラキャパシタ電池貯蔵システムの適応制御 - Google Patents
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Description
本発明は、一般的には、エネルギーシステムに関し、より具体的には、太陽光発電によるPV出力を平滑化するためのハイブリッド型のウルトラキャパシタ電池貯蔵システムの適応制御に関する
PVの電力出力を平滑化するハイブリッド型のESS制御のための電力管理システムは、2つの主要な層を有する。第1の層は、エネルギー貯蔵装置間のフィルタベースの電力調節である。第2は、給電を調整したり、パラメータ設定を制御したりするファジィ論理ベースの調整層である。電力管理システムPMSは、図3に示されている。太陽光発電(PV)システムからのPV信号PPVは、平滑化されたPPVとウルトラキャパシタ(UC)および電池エネルギー電力(BE)信号PUCおよびPBEとのそれぞれのためのローパスフィルタLPF1、LPF2とフィードバックループを含むフィルタベースの電力調節に接続される。ファジィ論理ベースの制御システム調整は、PUCおよびPBEの入力に応答して、ファジィ制御装置1にBEおよびUC状態信号を供給する電池およびウルトラキャパシタのための電力制御装置2、3を使用する。
フィルタベースの電力調節のアプローチは、ハイブリッド型の貯蔵システムの動作のための基本的な段階として働く。これは、電池が平滑化電力プロファイルをカバーしながら、ウルトラキャパシタ貯蔵装置が急速に変動するPVの出力電力の突然の変化を補償することを保証する。通常の動作期間中には、異なるエネルギー貯蔵装置のためのリファレンスは、ある程度機能する。しかしながら、システム全体の効率を改善するために、特定の条件の下でリファレンスを変更する必要がある。そこで、別の制御層(C1.3)が追加され、C1.2からの入力を受け付ける。
エネルギー貯蔵要素の異なる種類は、それに特有の動特性と動作関係を有する。システム動作中では、エネルギー貯蔵装置は異なる動作モード間で切り替えられ、異なるダイナミクスを提供する。各動作モードの滑らかな変更を成し遂げるとともに一貫性のあるシステム性能を維持するために、その変更に伴って制御スキームをチューニングすることが不可欠である。ファジィ論理は、非線形システム制御におけるユニークな利点を有しており、ほとんどの場合、正確な数学的モデルまたは高度な計算を必要としない。ファジィ論理ベースの制御システム調整層は、3つの主要なファジィ論理制御装置(すなわち、ファジィ論理ベースの平滑化制御、ファジィ論理ベースの電池電力制御、ファジィ論理ベースのUC電力制御)を備える。
図3のローパスフィルタ(LPF1)は平滑化電力プロファイルを決定する。PPV,smoothと実際のPV電力(PPV)との差異は、ハイブリッド型のESSを放電または充電することによってまかなわれる。パタメータT1は、平滑化の性能を大きく左右し、T1が大きいほど、ハイブリッド型のESSによって補償される必要のある変動が大きくなり、それにより、より多くのエネルギーおよび電力がエネルギー貯蔵装置に要求されることとなる。貯蔵装置の限られたエネルギー容量では、システム動作は、貯蔵装置のエネルギー容量が枯渇または飽和されてしまい、長時間維持することができないかもしれない。
1)SoCucがNBまたはSoCbeがNBの場合、ΔT1はNB,
2)SoCucがPBまたはSoCbeがPBの場合、ΔT1はNB,
3)SoCucがNSまたはSoCbeがNSの場合、ΔT1はNS,
4)SoCucがPSまたはSoCbeがPSの場合、ΔT1はNS,
5)SoCucがZOかつSoCbeがZOの場合、ΔT1はPBまたはZO。
図6は、ファジィ論理ベースのUC電力制御を示す。入力変数および出力変数のスケーリング係数はそれぞれK2およびK3である。K2は、単にUC動作電流の最大値を取る。入力変数および出力変数のメンバーシップは図7(a)および図7(b)に示されている。
1)SoCucがNBの場合、ΔIucはNB,
2)SoCucがNSかつIuc,simがPBの場合、ΔIucはNM,
3)SoCucがNSかつIuc,simがPMの場合、ΔIucはNS,
4)SoCucがNSかつIuc,simがPSの場合、ΔIucはZO,
5)SoCucがZOかつIuc,simがNB(PB)の場合、ΔIucはPS(NS),
6)SoCucがPBの場合、ΔIucはPB,
7)SoCucがPSかつIuc,simがNBの場合、ΔIucはPM,
8)SoCucがPSかつIuc,simがNMの場合、ΔIucはPS,
9)SoCucがPSかつIuc,simがNSの場合、ΔIucはZO,
電池部は、電池容量の過剰使用や早い充放電速度が回避されると、良好に保護される。また、UCシステムと比較して電池の応答速度が相対的に遅いことを考慮すると、比較的安定した(変動が少ない)充放電電流を受けることが好ましい。
1)SoCbeがNBの場合、ΔIbeはNB,
2)SoCbeがNSかつIbe,simがPBの場合、ΔIucはNM,
3)SoCbeがNSかつIbe,simがPMの場合、ΔIucはNS,
4)SoCbeがNSかつIbe,simがPSの場合、ΔIucはZO,
5)SoCbeがZOかつIbe,simがNB(PB)の場合、ΔIucはPS(NS),
6)SoCbeがPBの場合、ΔIbeはPB,
7)SoCbeがPSかつIbe,simがNBの場合、ΔIucはPM,
8)SoCbeがPSかつIbe,simがNMの場合、ΔIucはPS,
9)SoCbeがPSかつIbe,simがNSの場合、ΔIucはZO,
Claims (18)
- システムであって、
ファジィ論理ベースの適応電力管理システムと、
太陽光発電システムと、
キャパシタベースの第1のエネルギー貯蔵システムと、
電池エネルギーベースの第2の貯蔵システムと、
当該システム内の装置に関連するエネルギー貯蔵の動作とシステム動作の知識の記憶装置と、を含み、
前記ファジィ論理ベースの適応電力管理システムは、パワーエレクトロニクス装置の詳細な制御ループより前にエネルギー変動に影響を与えるために、前記太陽光発電システム、前記キャパシタベースの第1のエネルギー貯蔵システム、前記電池エネルギーベースの第2の貯蔵システム、および、知識の記憶装置と通信し、前記ファジィ論理ベースの適応電力管理システムは、前記キャパシタベースの第1のエネルギー貯蔵システムと前記電池エネルギーベースの第2の貯蔵システムとの間の電力調整のためのフィルタベースの電力調整層であって、前記太陽光発電システムの出力電力を平滑化し、前記平滑化された電力と前記太陽光発電システムの実際の出力電力との差異を前記第1のエネルギー貯蔵システムおよび前記第2の貯蔵システムの放電または充電によってまかなうためのローパスフィルタを備えるフィルタベースの電力調整層と、全てのエネルギー貯蔵システムの動作状態を監視し続け、それらの動特性を考慮し、当該システムの制御設定としての前記ローパスフィルタのパラメータと当該システム内の最適な電力またはエネルギー分布の影響とを適応的に微調整するファジィ論理ベースの制御調整と、を含む、システム。 - 請求項1に記載のシステムにおいて、
前記フィルタベースの電力調整は、電池が平滑化電力プロファイルをカバーしている間、前記キャパシタベースの第1のエネルギー貯蔵システムが、急速に変動している太陽光発電の出力電力の突然の変化を補償し、通常の動作期間時には、前記キャパシタベースの第1のエネルギー貯蔵システムまたは電池エネルギーベースの第2の貯蔵システムのためのリファレンスが、全体的なシステム効率を改善するために、変更可能なリファレンスとして十分に機能することを特定の条件の下で保証する、システム。 - 請求項2に記載のシステムにおいて、
前記ファジィ論理ベースの制御調整は、システムの動作の間、エネルギー貯蔵システムが、異なる動作モード間の切り替えを継続して異なるダイナミクスを提供し、各動作モードの滑らかな変更を成し遂げるとともに、それらの変更に応じて制御のチューニングを含む一貫性のあるシステム性能を維持し、特定の状況において正確な数学的モデルまたは高度な計算を要求せずに、線形システム制御の利点を提供してなる、システム。 - 請求項1に記載のシステムにおいて、
前記ファジィ論理ベースの制御調整は、ファジィ論理ベースの平滑化制御、ファジィ論理ベースの電池電力制御およびファジィ論理ベースのウルトラキャパシタ電力制御を有する、システム。 - 請求項1に記載のシステムにおいて、
前記ファジィ論理ベースの制御調整は、平滑化電力プロファイルに影響を及ぼすローパスフィルタリングを含み、平滑化された前記太陽光発電システムの出力電力と実際の前記太陽光発電システムの出力電力との差異はハイブリッド型の電気エネルギーシステムの放電または充電によってまかなわれ、平滑化制御のパラメータは、当該パラメータが大きくなるほど、エネルギー貯蔵から要求されるエネルギーおよび電力が多くなる、つまり、ハイブリッド型の電気エネルギーシステムによって補償される必要がある変動電力が大きくなるように平滑化制御を左右する、システム。 - 請求項1に記載のシステムにおいて、
前記ファジィ論理ベースの制御調整は、エネルギー容量の飽和または枯渇を防ぐことと、異なる太陽光発電能力が前記太陽光発電システムに適用されたときに更新され得る電池エネルギーおよびウルトラキャパシタの容量に対する充電率で維持可能なシステム動作を保証することとを有し、電力集約ストレージを用いて、ウルトラキャパシタは、エネルギーが枯渇および飽和する傾向がある比較的変動する充電率プロフィールを提供するため、正に大きい範囲および負に大きい範囲は当該システムの電池よりも大きな範囲を占める、システム。 - 請求項1に記載のシステムにおいて、
前記ファジィ論理ベースの制御調整は、偏差値を加えることによって、シミュレートされたウルトラキャパシタ基準電流を調整するファジィ論理ベースのウルトラキャパシタ電流制御と、コンバータ電流制御ループに直接適用できるウルトラキャパシタの基準電流の出力と、および前記ウルトラキャパシタをエネルギーが枯渇または飽和しないようにするためのファジィ規則とを有する、システム。 - 請求項1に記載のシステムにおいて、
前記ファジィ論理ベースの制御調整は、偏差値を加えることによって、シミュレートされた電池の基準電流を調整するファジィ論理ベースの電池電力制御と、コンバータ電流制御ループに直接適用できる電池の基準電流の出力と、を有する、システム。 - 請求項1に記載のシステムにおいて、
前記ファジィ論理ベースの適応電力管理システム内のファジィ制御は、前記知識の記憶装置内のシステム動作の発見的知識から構成され、前記ファジィ制御は、持続可能な動作状態でシステムを維持し、かつ、エネルギー貯蔵システムの許容可能なライフサイクルを維持することで、システムのシミュレーションおよび前記適応電力管理システムの構成を介して前記ファジィ制御をチューニングする、システム。 - システムが行う方法であって、
電気エネルギーシステム内のファジィ論理ベースの適応電力管理システムを使用し、
太陽光発電システムを前記電力管理システムに接続し、
キャパシタベースの第1のエネルギー貯蔵システムを前記電力管理システムに接続し、
電池エネルギーベースの第2の貯蔵システムを前記電力管理システムに接続し、
前記電気エネルギーシステム内の装置に関連するエネルギー貯蔵の動作とシステム動作の知識の記憶装置を前記電力管理システムに接続し、
前記ファジィ論理ベースの適応電力管理システムは、パワーエレクトロニクス装置の詳細な制御ループより前にエネルギー変動に影響を与えるために、前記太陽光発電システム、前記キャパシタベースの第1のエネルギー貯蔵システム、前記電池エネルギーベースの第2の貯蔵システム、および、知識の記憶装置と通信し、前記ファジィ論理ベースの適応電力管理システムは、前記キャパシタベースの第1のエネルギー貯蔵システムと前記電池エネルギーベースの第2の貯蔵システムとの間の電力調整のためのフィルタベースの電力調整層であって、前記太陽光発電システムの出力電力を平滑化し、前記平滑化された電力と前記太陽光発電システムの実際の出力電力との差異を前記第1のエネルギー貯蔵システムおよび前記第2の貯蔵システムの放電または充電によってまかなうためのローパスフィルタを備えるフィルタベースの電力調整層と、全てのエネルギー貯蔵システムの動作状態を監視し続け、それらの動特性を考慮し、当該システムの制御設定としての前記ローパスフィルタのパラメータと当該システム内の最適な電力またはエネルギー分布の影響とを適応的に微調整するファジィ論理ベースの制御調整と、を含む、方法。 - 請求項10に記載の方法であって、
前記フィルタベースの電力調整は、電池が平滑化電力プロファイルをカバーしている間、前記キャパシタベースの第1のエネルギー貯蔵システムが、急速に変動している太陽光発電の出力電力の突然の変化を補償し、通常の動作期間時には、前記キャパシタベースの第1のエネルギー貯蔵システムまたは電池エネルギーベースの第2の貯蔵システムのためのリファレンスが、全体的なシステム効率を改善するために、変更可能なリファレンスとして十分に機能することを特定の条件の下で保証する、方法。 - 請求項11に記載の方法であって、
前記ファジィ論理ベースの制御調整は、システムの動作の間、エネルギー貯蔵システムが、異なる動作モード間の切り替えを継続して異なるダイナミクスを提供し、各動作モードの滑らかな変更を成し遂げるとともに、それらの変更に応じて制御のチューニングを含む一貫性のあるシステム性能を維持し、特定の状況において正確な数学的モデルまたは高度な計算を要求せずに、線形システム制御の利点を提供してなる、方法。 - 請求項10に記載の方法において、
前記ファジィ論理ベースの制御調整は、ファジィ論理ベースの平滑化制御、ファジィ論理ベースの電池電力制御およびファジィ論理ベースのウルトラキャパシタ電力制御を有する、方法。 - 請求項10に記載の方法であって、
前記ファジィ論理ベースの制御調整は、平滑化電力プロファイルに影響を及ぼすローパスフィルタリングを含み、平滑化された前記太陽光発電システムの出力電力と実際の前記太陽光発電システムの出力電力との差異はハイブリッド型の電気エネルギーシステムの放電または充電によってまかなわれ、平滑化制御のパラメータは、当該パラメータが大きくなるほど、エネルギー貯蔵から要求されるエネルギーおよび電力が多くなる、つまり、ハイブリッド型の電気エネルギーシステムによって補償される必要がある変動電力が大きくなるように平滑化制御を左右する、方法。 - 請求項10に記載の方法であって、
前記ファジィ論理ベースの制御調整は、エネルギー容量の飽和または枯渇を防ぐことと、異なる太陽光発電能力が前記太陽光発電システムに適用されたときに更新され得る電池エネルギーおよびウルトラキャパシタの容量に対する充電率で維持可能なシステム動作を保証することとを有し、電力集約ストレージを用いて、ウルトラキャパシタは、エネルギーが枯渇および飽和する傾向がある比較的変動する充電率プロフィールを提供するため、正に大きい範囲および負に大きい範囲は当該システムの電池よりも大きな範囲を占める、方法 - 請求項10に記載の方法であって、
前記ファジィ論理ベースの制御調整は、偏差値を加えることによって、シミュレートされたウルトラキャパシタ基準電流を調整するファジィ論理ベースのウルトラキャパシタ電流制御と、コンバータ電流制御ループに直接適用できるウルトラキャパシタ基準電流の出力と、および前記ウルトラキャパシタをエネルギーが枯渇または飽和しないようにするためのファジィ規則とを有する、方法。 - 請求項10に記載の方法において、
前記ファジィ論理ベースの制御調整は、偏差値を加えることによって、シミュレートされた電池の基準電流を調整するファジィ論理ベースの電池電力制御と、コンバータ電流制御ループに直接適用できる電池の基準電流の出力と、を有する、方法。 - 請求項10に記載の方法において、
前記ファジィ論理ベースの適応電力管理システム内のファジィ制御は、知識の記憶装置内のシステム動作の発見的知識から構成されることと、持続可能な動作状態でシステムを維持し、かつ、エネルギー貯蔵システムの許容可能なライフサイクルを維持している間、システムのシミュレーションおよび前記適応電力管理システムの構成を介して前記ファジィ制御をチューニングすること、を含む、方法。
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