JP6254622B2 - エネルギー貯蔵装置の制御方法及び電力管理システム - Google Patents

エネルギー貯蔵装置の制御方法及び電力管理システム Download PDF

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Description

本実施例は電力系統における補助サービスを提供するものであり、特に周波数調整と電気貯蔵システムを使用する統合されたエネルギー貯蔵に関するものである。
ある一定時間の間、例えば、一日の間、電気系統オペレーターは秒単位、分単位、時間単位で必要とするエネルギー量を評価する。
電気供給者は、このような評価されたエネルギー量を発電所を介して供給する。一般的に実際のロードの平均は評価された量に近い。しかし、要求されるエネルギー量が急激に変動する場合があり、予想より高かったり、逆に予想より低かったりする場合ともに、エネルギー量の急激な変化によって実質的な負担は増加する。
このような変動に備えて電気供給者は発電所からの電気出力を変化させ、要求されるロードに合わせることができる。発電所の出力が変化することを「負荷追従(load following)」という。伝達される電力より負荷が大きい場合に、電気装置の動作を完全に維持させるためには伝達する電力が増加すべきことは当然のことである。
図1は、発電所の実際のロード110と負荷追従120を示す図面である。示されたように、発電所が実際の負荷の変動に正確にマッチングすることは困難である。供給された電力が電力負荷と異なる場合、家庭や工場に供給されたAC電流の周波数は基準値と言える50Hzまたは60Hzでないはずである。周波数のこのような違いは、家電製品、照明などの電子機器が非効率的に動作するようにし、更には安全ではない動作をさせる原因となる。
AC電流の要求される動作周波数を維持するために、電力システムのオペレーターは、発電所が周波数調整という付加的な動作を行うようにする。図1を参照すると、図面符号130は好ましい動作範囲内で周波数を維持するために、瞬間毎にどれだけ多くの周波数調整が行われているのかを示す。
負荷(要求量)が供給された電力より小さければ、出力周波数が60Hz以上に増加し、逆にロードが供給された電力より大きければ、発電機のエネルギー生産が減少するため周波数が減少する。
系統の周波数と同期化される速い応答の発電所が設けられたり、電力供給における失敗イベントや他の問題に対して非常に速くエネルギー供給を開始できる速い応答の発電所が設けられることが想像できるが、このような発電所を構成することは、現在のところ非常に困難である。
周波数調整と同期化された貯蔵所のようなサービスは、一般的に電力系統の補助的なサービスに区分される。このようなサービスは電力提供と消費のためのエネルギーの要求を満たす必要がある。
周波数調整、同期化された貯蔵所及び他の補助サービスは発電所によって提供される。しかし、バッテリ、フライホイール、キャパシタまたは他の装置のようなエネルギー貯蔵技術は電気電力系統にエネルギーを供給するのに使用される。そして、このようなエネルギー貯蔵技術は、系統から超過されたエネルギーに対しては次回の使用のために貯蔵させ、または系統にエネルギーを放電させるなどの動作を行う。
周波数調整は、瞬間毎(図1の図面符号130)にシステムで全体のエネルギーを一定に維持するためにエネルギーを足したり引いたりするなどの調整が行わなければならず、エネルギー貯蔵技術はこのような要求を満たす必要がある。
エネルギー貯蔵技術は自ら新しいエネルギーを生産することではなく、発電所から生産されたエネルギーの使用に対してより良い効率を与えられる技術である。このような効率性は、電力システムの動作においてより安い費用とより少ないエネルギー放出を意味する。
本実施例では、電力システムをより効率的に動作させ、系統とバッテリの間の安定的なエネルギー伝達が行われるようにする方案を提案する。
実施例のエネルギー貯蔵装置の制御方法は、系統と連結されるエネルギー貯蔵装置によって前記系統の動作周波数の変化に応じて前記エネルギー貯蔵装置の充電量を制御する方法であって、前記系統の動作周波数が予め設定された周波数範囲に該当するベッドバンド範囲内に属するか否かを判断するステップと、前記動作周波数が前記デッドバンド範囲内に属する場合、前記エネルギー貯蔵装置の充電量を示すSOCレベルが予め設定された維持範囲内に属するか否かを判断するステップと、前記系統の動作周波数がデッドバンド範囲内に属し、前記SOCレベルが予め設定された維持範囲を逸脱する場合、前記SOCレベルを前記維持範囲内に属するように前記SOCレベルを調整するステップと、を含むが、前記維持範囲は予め設定された下限値と上限値の間の範囲を示し、前記SOCレベルを調整するステップは、前記SOCレベルが前記下限値より小さい場合と前記上限値より大きい場合のそれぞれに対して異なる調整を行う。
また、実施例の電力管理システムは、発電装置とバッテリと系統を連携して負荷に電力を供給するか、前記発電装置またはバッテリから直流電力を供給されて変換する電力変換システムと、前記バッテリのSOCレベル情報を読み取り、前記バッテリの充電または放電によるSOC変化量を監視する充電制御部と、を含むが、前記充電制御部は前記電力変換部を介して前記系統の周波数を読み取り、前記充電制御部は前記系統の周波数が予め設定された周波数範囲に該当するデッドバンド範囲内に属するか否かを判断し、前記周波数が前記デッドバンド範囲内に属し、前記SOCレベルが予め設定された維持範囲を逸脱する場合に、前記SOCレベルを前記維持範囲内に属するように前記SOCレベルを調整する。
提案される本実施例によって、系統周波数が予め設定されたデッドバンドの上限値と下限値の近くで変動される場合にも、安定的にバッテリの充電と放電が行われるようにする。
これを介し、系統周波数を安定化させることが容易になる長所がある。
発電所の実際のロードと負荷追従を示す図である。 本実施例の電力管理システムの構成を示す図である。 本実施例によってバッテリで充電の特定範囲を維持させる方法を説明するフローチャートである。 本実施例によってSOCレベルに従って適用される調整グラフである。 本実施例によってSOCレベルに従って適用される調整グラフである。 本実施例の調整グラフと比較するためにヒステリシス曲線が適用されない場合を示すグラフである。
本明細書及び特許請求の範囲に用いられた用語及び単語は、通常または辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者は自分の発明を最善の方法を用いて説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に基づき、本発明の技術的思想に符合する意味と概念として解釈されなければならない。
したがって、本明細書に記載された実施例と図面に示す構成は、本発明の最も好ましい一実施例に過ぎず、本実施例の技術的思想を全て代弁するものではないため、本出願が行われた時点においてこれらを代替できる様々な均等物と変形例があり得るということが理解されるべきである。
以下、本発明の実施例について添付した図面を参照して詳細に説明する。
図2は、本発明の一実施例による発電電力管理システムのブロック図である。
本発明の一実施例による電力供給システム100は、発電装置101、直流/交流コンバータ103、交流フィルタ105、交流/交流コンバータ107、系統109、充電制御部111、バッテリエネルギー貯蔵システム113、システム制御部115、負荷117及び直流/直流コンバータ121を含む。
発電装置101は電気エネルギーを生産する。発電装置が太陽光発電装置であれば、発電装置101は太陽電池アレイである。太陽電池アレイは複数の太陽電池モジュールを結合したものである。太陽電池モジュールは複数の太陽電池セルを直列または並列に連結し、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換して所定の電圧と電流を発生する装置である。よって、太陽電池アレイは太陽エネルギーを吸収して電気エネルギーに変換する。また、発電システムが風力発電システムであれば、発電装置101は風力エネルギーを電気エネルギーに変換するファンである。しかし、前記記載のように電力供給システム100は発電装置101がなくてもバッテリエネルギー貯蔵システム113のみを介して電力を供給することができる。この場合、電力供給システム100は発電装置101を含まなくてもよい。
直流/交流コンバータ103は直流電力を交流電力にコンバーティングする。発電装置101が供給した直流電力またはバッテリエネルギー貯蔵システム113が放電した直流電力を供給されて交流電力にコンバーティングする。
交流フィルタ105は交流電力にコンバーティングされた電力のノイズをフィルタリングする。詳細な実施例において交流フィルタ105は省略されてもよい。
交流/交流コンバータ107は交流電力を系統109または負荷117に供給するようにノイズがフィルタリングされた交流電力の電圧の大きさをコンバーティングして電力を系統109または独立した負荷に供給する。詳細な実施例によって交流/交流コンバータ107は省略されてもよい。
系統109とは、多くの発電所、変電所、送配電線及び負荷が一体になって電力の発生及び利用が行われるシステムである。
負荷117は発電システムから電気エネルギーを供給されて電力を消耗する。バッテリエネルギー貯蔵システム113は発電装置101から電気エネルギーを供給されて充電し、系統109または負荷117の電力需給状況に応じて充電された電気エネルギーを放電する。
詳しくは、系統109または負荷117が軽負荷であれば、バッテリエネルギー貯蔵システム113は発電装置101から遊休電力を供給されて充電する。系統109または負荷117が過負荷であれば、バッテリエネルギー貯蔵システム113は充電された電力を放電して系統109または負荷117に電力を供給する。系統109または負荷117の電力需給状況は時間帯別に大きい差を示す。
よって、電力供給システム100が発電装置101が供給する電力を系統109または負荷117の電力需給状況を考慮せずに一律的に供給することは非効率である。よって、発電供給システム100はバッテリエネルギー貯蔵システム113を使用して系統109または負荷117の電力需給状況に応じて電力供給量を調節する。それによって、電力供給システム100は系統109または負荷117に効率的に電力を供給することができる。
直流/直流コンバータ121はバッテリエネルギー貯蔵システム113が供給するか供給される直流電力の大きさをコンバーティングする。詳細な実施例において直流/直流コンバータ121は省略されてもよい。
システム制御部115は直流/交流コンバータ103及び交流/交流コンバータ107の動作を制御する。また、システム制御部115はバッテリエネルギー貯蔵システム113の充電と放電を制御する充電制御部111を含む。
充電制御部111はバッテリエネルギー貯蔵システム113の充電及び放電を制御する。系統109または負荷117が過負荷であれば、充電制御部111はバッテリエネルギー貯蔵システム113が電力を供給して系統109または負荷117に電力を伝達するように制御する。系統109または負荷117が軽負荷であれば、充電制御部111は外部の電力供給源または発電装置101が電力を供給し、バッテリエネルギー貯蔵システム113に伝達するように制御する。
一方、系統に供給されるAC電流の周波数は一定に維持されなければならず、このような周波数調整の間に、バッテリのSOCは上がったり下がったりする変化が多く発生する。例えば、バッテリは系統に大量のエネルギーを伝達すると、バッテリには非常に少ない充電量(約20%のSOC)だけが残る。他の例として、バッテリは系統から大量のエネルギーを受けると、バッテリには非常に多い充電量(約85%のSOC)が残る。このような二つの例で、バッテリの放電量または充電量が多い場合、系統周波数を引き続き調整するためバッテリは劣悪な状況に置かれる。よって、より信頼できるシステムを提供するために実施例では好ましい範囲内でバッテリの充電が変更される。
本実施例によると、バッテリの充電を増加させたり減少させたりする動作が行われ、このような動作は電力分配システムの全体的な要求に応じて適当なSOCを合わせるために行われる。特に、系統周波数の変動を抑制するためバッテリのSOCレベルを一定に維持する方法として、バッテリのSOCレベルと瞬間系統周波数の値によって互いに異なる周波数調整のアルゴリズムが適用されることで、より安定的な系統の安定化を図る方法を提案する。
図3は、本実施例によってバッテリで充電の特定範囲を維持する方法を説明するフローチャートである。システムが周波数調整を提供するため、電力を足したり、吸収しない時間の間に電気系統の動作周波数を調整する方法である。
まず、充電制御部115は現在のSOCレベルを獲得する(S310)。例えば、充電制御部115はバッテリエネルギー貯蔵システム113からSOCレベルを読み取り、前記SOCレベルは周期的にモニタリングされる値である。
次に、前記充電制御部115は系統周波数値を獲得する(S320)。例えば、充電制御部115は周期的に電力変換部110から測定された系統周波数情報を獲得する。そして、前記充電制御部115は受信した周波数が予め設定されたデッドバンド内に属するか否かを判断する(S330)。例えば、予め設定されたデッドバンドである60Hz±0.05Hz内の範囲に属するか否かが判断される。このような範囲は周波数調整のためにシステムに予め設定された周波数範囲になる。例えば、60Hz±0.05Hz範囲が予め設定されたデッドバンド(または基準周波数範囲)になり、瞬間系統周波数が設定された基準周波数範囲を逸脱する際にのみ、調整の要請が行われる。この場合、60Hzは基準周波数になる。そして、60.05Hzは最大基準周波数になり、59.95Hzは最小基準周波数になる。
瞬間系統周波数がデッドバンド範囲内に属しない場合(デッドバンド範囲を逸脱する場合)には、SOCレベルの調整は行われない。それは、周波数が高い時の系統へのエネルギー伝達や周波数が低い時の系統からのエネルギー伝達は、それ自体で調整に対する必要を起こすためである。即ち、系統周波数はデッドバンド範囲を逸脱する場合には、系統とバッテリ相互間のエネルギー伝達によって系統周波数の調整が自然に行われるためである。
しかし、系統周波数がデッドバンド内に属する場合は、前記充電制御部115は予め設定された上限値L2と下限値L1の範囲内に該当SOCレベルが属するか否かを判断する(S340)。一実施例では、L1は全体バッテリ容量の45%になり、L2は全体バッテリ容量の55%になる。
もし、SOC値が維持範囲L1<SOC<L2を逸脱するが、系統周波数がデッドバンド内に属する場合には、SOCレベルの調整過程が行われる(S350)。SOCレベルの調整過程は添付した図4及び図5を参照して以下で詳細に説明する。本実施例では、系統周波数がデッドバンド内に属し、SOCレベルが下限値より小さい場合とSOCレベルが上限値より大きい場合にSOCレベルの調整過程が行われ、特にSOCの現在のレベルが下限値より小さい場合と上限値より大きい場合に、それぞれ別途の調整グラフに沿って調整過程が行われる。
一方、SOCレベルが維持範囲(デッドバンド)内に属する場合(S330)には、系統とバッテリセルの間のエネルギー伝達は行われない。
そして、バッテリのSOCレベルの修正が行われる間には、系統周波数がデッドバンドを逸脱するか否かが継続してモニタリングされる(S360)。もし、系統周波数がデッドバンドを逸脱する場合には、システムはバッテリの充電またはバッテリの放電を中断する。しかし、系統周波数がデッドバンド内に属すれば、追加的にSOC値を確認するステップ(S370)を行う。
S370で、SOCレベルが目標として設定したレベル(目標値)に戻ったかどうかを確認する。例えば、SOCレベルがS330で行われた維持範囲内に再び属するか否かが確認される。実施例によっては、その値が変更されることは勿論のこと、SOCが50%になったり、その値に近づくまで行われる。
一方、SOC値が設定された上限または下限値に近づく値である場合、充電修正を繰り返す必要がある。SOC値が維持範囲内に属しない場合には、S350乃至S370が繰り返されて行われる。SOC値が段階S370で要求される値になった場合には、システムは充電プロセスを中断する。
実施例では、充電制御部115が自ら系統電力の周波数を前記インバータ130または電力変換部110を介してモニタリングし、系統周波数が何時予め設定されたデッドバンド内に入るのかを早く決定することができる。
即ち、系統周波数がデッドバンド内に入ると、前記充電制御部115はバッテリセルのSOCレベルが修正される必要があるのかを判断する。
系統の周波数調整に対する説明と、バッテリセルのSOCレベルを調節することに対する説明を図4及び図5に開示する。
図4及び図5は、本実施例によってSOCレベルによって適用される調整グラフである。まず、SOCレベルが予め設定された維持範囲を逸脱し、瞬間系統周波数がデッドバンド内に属する場合にも図4または図5に示された調整グラフが適用される。
測定されたSOCレベルが下限値より小さい場合(例えば、SOCレベルが45より小さい場合)は、図4に示された調整グラフが適用され、SOCレベルを上昇させるために充電区間が更に与えられた調整値を反映している。
図4及び図5は、系統の周波数調整のためにシステムの動作を説明するためのグラフである。垂直軸は検出された系統周波数のHz単位を示し、水平軸はバッテリセルと系統の間に伝達されるエネルギー量のMW(メガワット)単位を示す。
図4を参照すると、基準系統周波数として60Hzが使用され、点線の間の領域はデッドバンド(維持範囲)の区間として、系統周波数の調節が要らない系統周波数の許容範囲内の変動に該当する区間である。示された例では、デッドバンドが60Hz±0.05Hzに設定されている。
また、本実施例ではデッドバンド内でも上限変曲点と下限変曲点が設定される。例えば、基準周波数が60Hzで、デッドバンド範囲が60Hz±0.05Hzである場合、上限変曲点は60Hz+0.025Hz地点となり、下限変曲点は60Hz−0.025Hz地点にそれぞれ設定される。
上限変曲点と下限変曲点は、系統周波数がデッドバンドの上限値と下限値の近くに位置する場合に、バッテリの充電と放電が急激に変わらないようにするために設定される値である。
系統周波数がデッドバンド内に属し、上限変曲点とデッドバンドの上限値の間に属する場合には、バッテリの急激な充電と放電が交差することを防ぐためヒステリシス曲線に沿って充電から放電に緩やかに変更されるか、または逆にバッテリ放電から充電に緩やかに変更される。
また、系統周波数がデッドバンド内に属し、下限変曲点とデッドバンドの下限値の間に属する場合にも、ヒステリシス曲線に沿って放電から充電に緩やかに変更されるか、または逆にバッテリ充電から放電に緩やかに変更される。
このように、本実施例ではデッドバンド内に上限値と上限変曲点の間の上限変曲区間4Aが形成され、デッドバンドの下限値と下限変曲点の間の下限変曲区間4Bが形成される。そして、それらの変曲区間ではヒステリシス曲線に沿ってバッテリの充電または放電状態への遷移が緩やかに行われる。
もし、図6に示されたように瞬間系統周波数がデッドバンドに属するか否かによって充電中の状態から突然充電が中断6A,6Bされるか、バッテリ放電によって系統に電力を供給する途中にバッテリの放電が突然中断6C、6Dされる場合であれば、系統周波数のデッドバンドの上限値と下限値の近くで流動する場合にバッテリの充電及び放電が急激に変動される。
このような場合には、バッテリの寿命を更に短くするだけでなく、系統周波数の安定化を更に損ねる結果をもたらす。
一方、図5を参照すると、測定されたSOCレベルが上限値より小さい場合(例えば、SOCレベルがS5より大きい場合)は、図5に示された調整グラフが適用され、SOCレベルを減少させるため放電区間(例えば、2MWへの放電設定)が更に与えられた調整値を反映している。
図5の場合も同様に、基準系統周波数として60Hzが使用され、点線の間の領域はデッドバンド(維持範囲)の区間として、系統周波数の調節が要らない系統周波数の許容範囲内の変動に該当する区間と言える。示された例では、デッドバンドが60Hz±0.05Hzに設定されている。
また、本実施例では、デッドバンド内でも上限変曲点と下限変曲点が設定される。例えば、基準周波数が60Hzで、デッドバンド範囲が60Hz±0.05Hzである場合、上限変曲点は60Hz+0.025Hz地点となり、下限変曲点は60Hz−0.025Hz地点にそれぞれ設定される。
系統周波数がデッドバンド内に属し、上限変曲点とデッドバンドの上限値の間に属する場合には、バッテリの急激な充電と放電が交差することを防ぐためヒステリシス曲線に沿って充電から放電に緩やかに変更されるか、または逆にバッテリ放電から充電に緩やかに変更される。
また、系統周波数がデッドバンド内に属し、下限変曲点とデッドバンドの下限値の間に属する場合にも、ヒステリシス曲線に沿って放電から充電に緩やかに変更されるか、または逆にバッテリ充電から放電に緩やかに変更される。
このように、本実施例ではデッドバンド内に上限値と上限変曲点の間の上限変曲区間5Aが形成され、デッドバンドの下限値と下限変曲点の間の下限変曲区間5Bが形成される。そして、それらの変曲区間ではヒステリシス曲線に沿ってバッテリの充電または放電状態への遷移が緩やかに行われる。
これまで本発明の好ましい実施例を中心に説明したが、これは単なる例示であって本発明を限定するものではなく、本発明が属する分野の通常の知識を有する者であれば本発明の本質的な特性を逸脱しない範囲内で前記に例示されていない様々な変形と応用が可能であることが分かる。例えば、実施例に具体的に示した各構成要素は変形して実施してもよい。そして、このような変形と応用に関する差は、添付した特許請求の範囲で規定する本発明の範囲に含まれると解析すべきである。
100 電力供給システム
101 発電装置
103 直流/交流コンバータ
105 交流フィルタ
107 交流/交流コンバータ
109 系統
111 充電制御部
113 バッテリエネルギー貯蔵システム
115 システム制御部
117 負荷
121 直流/直流コンバータ

Claims (4)

  1. 系統と連結されるエネルギー貯蔵装置によって前記系統の動作周波数の変化に応じて前記エネルギー貯蔵装置の充電量を制御する方法であって、
    前記系統の動作周波数が予め設定された周波数範囲に該当するデッドバンド範囲内に属するか否かを判断するステップと、
    前記系統の動作周波数が前記デッドバンド範囲内に属する場合、前記エネルギー貯蔵装置の充電量を示すSOCレベルが予め設定された維持範囲内に属するか否かを判断するステップと、
    前記系統の動作周波数が前記デッドバンド範囲内に属し、前記SOCレベルが予め設定された維持範囲を逸脱する場合に、前記SOCレベルを前記維持範囲内に属するように前記SOCレベルを調整するステップと、を含み、
    前記維持範囲は、予め設定された下限値と上限値との間の範囲を示し、
    前記SOCレベルを調整するステップは、前記SOCレベルが前記下限値より小さい場合及び前記上限値より大きい場合のそれぞれに対して異なる調整を行い、
    前記デッドバンド範囲内に属する周波数に対し、前記系統と前記エネルギー貯蔵装置との間のエネルギー伝達の変化を緩やかにするため、曲線に沿って前記エネルギー伝達が行われるようにし、
    前記デッドバンド範囲は、予め設定された最大基準周波数と最小基準周波数との間の範囲に設定され、
    前記デッドバンド範囲内には、前記最大基準周波数より小さい値の上限変曲点と、前記最小基準周波数より大きい値の下限変曲点とが形成され、
    前記系統の動作周波数が前記上限変曲点と前記下限変曲点との間に該当する場合には、前記系統の動作周波数の変動に関係なく前記系統と前記エネルギー貯蔵装置との間に伝達されるエネルギー量は一定に維持するようにする、エネルギー貯蔵装置の制御方法。
  2. 前記系統の動作周波数が前記最大基準周波数と前記上限変曲点との間に該当する場合には、前記系統から前記エネルギー貯蔵装置に伝達されるエネルギー量が前記曲線に沿うように制御する、請求項1に記載のエネルギー貯蔵装置の制御方法。
  3. 前記系統と前記エネルギー貯蔵装置との間に一定に伝達されるエネルギー量は、前記SOCレベルが前記下限値より小さい場合と前記上限値より大きい場合とがそれぞれ互いに異なる、請求項1又は2に記載のエネルギー貯蔵装置の制御方法。
  4. 前記系統の動作周波数が前記最小基準周波数と前記下限変曲点との間に該当する場合には、前記エネルギー貯蔵装置から前記系統に伝達されるエネルギー量が前記曲線に沿うように制御する、請求項1〜3のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵装置の制御方法。
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