JP6653014B2 - 太陽光発電設備のネットワークフィードバックを最小化するための方法、インバータおよび太陽光発電設備 - Google Patents

Description

本発明は、太陽光発電設備のグリッドフィードバックを最小化するための方法、ならびに本方法を実行するように構成されたインバータおよび対応する太陽光発電（ＰＶ）設備に関する。

送電グリッドから電気エネルギーを供給することは、再生可能エネルギー、例えば、太陽光発電によって、ますます確実になっている。従来の電力発電所とは対照的に、このような再生可能エネルギー発電所は、これらが一元的にではなく多数の場所においてグリッドに組み込まれることを１つの特徴としている。このように、給電する発電所を多数組み込む場合、十分なグリッド品質をさらに提供可能とするためには、このような給電のグリッドフィードバックに関する配慮が必要となる。その結果、分散した供給装置がグリッド品質の確保に十分に寄与するために、分散した供給装置に関してさらなる要請が生じる。例えば、無効電力の提供が必要となり、無効電力は、固定値または特性曲線によって決まる変数の値を含み得る。別の手法には、分散した供給装置が、有効電力を送り込むのに加えて無効電力の一部を供給して、上記供給装置の共通結合点において電圧などのグリッドパラメータに対する給電の影響を最小化することがある。この場合、これをグリッドフィードバックフリーエネルギー発電所と呼ぶ。この場合、既知のインバータがそれらの給電パラメータを形成して、太陽光発電設備の共通結合点において、対応するインバータが上記共通結合点から離れて接続されている場合でも、既定の電圧比を満たし得るようにできる。

夜間に太陽光発電設備から有効電力を出力することはできないが、太陽光発電設備は、無効電力の交換を通してかなりのグリッドフィードバックを呈し得ることから、従来技術では、太陽光発電設備は夜間にエネルギー供給グリッドから切り離される、または交換される無効電力を補償する追加的な無効電力源が太陽光発電設備に設けられる。

この検討を踏まえ、本発明の目的は、装置に費用をかけることなく、分散した供給装置、特に、多数のインバータを有する太陽光発電設備を形成して、昼間運転および夜間運転の両方において上記供給装置のグリッドフィードバックを最小化するように、換言すると、特に、グリッド品質への影響を排除するために夜間に太陽光発電設備を切り離さなくてもよいようにすることである。

本発明によれば、この目的を達成するために、独立請求項１に記載の方法が提供される。本発明による本方法の有利な実施形態は、従属請求項に記載されている。従属請求項８に対応する本発明によるインバータと、従属請求項９に対応する本発明による太陽光発電設備とは、上述の目的を達成するためにさらに働く。

本発明による方法は、共通結合点に接続されたエネルギー供給グリッドへの太陽光発電設備のグリッドフィードバックを最小化するように働き、太陽光発電設備は、グループに分けられた多数のインバータを備える。本方法によれば、各グループのうちの少なくとも１つの第１のインバータについて、インバータと共通結合点との間の第１の結合インピーダンスを表す第１のパラメータと、インバータを含むグループと共通結合点との間の第２の結合インピーダンスを表す第２のパラメータと、が判定される。次いで、上記パラメータは、それぞれのインバータの運転制御ユニットに格納される。太陽光発電設備の昼間運転では、第１のインバータは、第１のパラメータに応じて無効電力を送り込み、上記無効電力は、基礎となる第１の結合インピーダンスによって引き出される無効電力の大きさに対応する。この結果、第１のインバータが送り込む無効電力によって、エネルギー供給グリッドとの無効電力の交換に到らない状況となる。その結果、太陽光発電設備は、太陽光発電設備全体として、上記太陽光発電設備がエネルギー供給グリッドと無効電力を交換しないように、昼間運転に設定され得る。あるいは、昼間運転では、エネルギー供給グリッドと交換される無効電力の所定の目標値もまた求めることができる。この場合、第１のインバータは、第１のパラメータに応じて無効電力を送り込み、上記無効電力は、基礎となる第１の結合インピーダンスおよび目標値によって引き出される無効電力の大きさに対応する。

夜間運転では、第１のインバータを除いて、グループのすべてのインバータが停止され、無効電力は、第２のパラメータに応じてただ１つのインバータによって送り込まれ、上記無効電力は、それぞれの基礎となる第２の結合インピーダンスによって引き出される無効電力の大きさに対応する。従って、夜間運転においても、インバータグループによって引き起こされた、共通結合点を介する、エネルギー供給グリッドとの不要な無効電力交換は、最小化され得る、または完全に防止され得る。その結果、太陽光発電設備のグリッドフィードバックは、昼間運転および夜間運転の両方において最小化される。その結果、グリッドから停止されたインバータを絶縁することが不要となり、対応する絶縁装置を省略したり、スイッチング処理を減らし、ひいてはより費用効率のよい方式で設計したりできる。

本発明の１つの好ましい実施形態では、夜間運転において、各グループにおける第１のインバータのみが、無効電力を送り込むように構成される。しかしながら、夜間運転において、グループ内における複数のインバータが無効電力を送り込むように構成されることも同様に想定され得る。次いで、夜間運転で無効電力を送り込むタスクは、例えば、夜ごとに、または異なる交代頻度で、複数のインバータ間に伝えられ得る。このようにして、インバータの個別の負荷を減らすことができ、従って、インバータの寿命を延ばすことができる。無効電力を送り込むように構成されたインバータの交代は、例えば、所定のアルゴリズムに基づいて、または運転制御ユニットによって、制御して達成され得る。ここで、運転制御ユニットは、太陽光発電設備の独立な構成部品またはインバータの一部として実現され得る。しかしながら、必要とされる無効電力が個々のインバータの無効電力の能力を超えた場合、夜間運転において、無効電力を送り込むために複数のインバータを同時に使用することもできる。

本発明による本方法のさらなる有利な実施形態では、送り込まれる無効電力は、インバータに接続された太陽光発電機上の日射強度またはこの日射強度の結果として得られる有効電力の関数として判定される。このようにして、インバータと共通結合点との間の第１の結合インピーダンスに関連する無効電力成分は、目標を定めてバランスを取ることができる。この目標を定めた補償の精度は、太陽光発電設備のインバータに接続された他の太陽光発電機のすべての日射強度が同じであると仮定される場合に上がり、このことは、一般的に、正しく設計された太陽光発電設備では当てはまる。この場合、設備内に複雑に分散したグリッドインピーダンスを有し、第１の結合インピーダンスのための適切で簡素な値を有する、太陽光発電設備はまた、太陽光発電設備の共通結合点を介する無効電力の流れを完全または事実上完全に防止できる。

以下の文章では、図面を用いて本発明を説明する。

図１は、太陽光発電設備の例示的な構造の概略図である。 図２は、本発明による昼間運転におけるパラメータ判定のための太陽光発電設備の等価回路図である。 図３は、本発明による夜間運転におけるパラメータ判定のための太陽光発電設備の等価回路図である。 図４は、本発明による方法の流れ図である。

図１は、多数のインバータ１〜８を備えた太陽光発電設備１０の概略図を示す。インバータは、上記インバータに接続された太陽光発電機（明確にするために別個の要素としては図示せず）によって生み出された直流を交流に変換し、設備内部のグリッドによって、変圧器１１を介して共通結合点ＮＡＰに接続され、上記共通結合点は、エネルギー供給グリッドＥＶＮへの設備の共通接続点を形成する。設備内部のグリッドのインピーダンスを、個別のグリッドセクションのグリッドインピーダンスＺ_Ａ，．．．Ｚ_Ｍとして示す。インバータの一部のみ、この場合、例えば、インバータ２、３および７のみが、夜間に、つまり、太陽光発電機が電力を生み出さない、またはわずかな電力しか生み出さない間に、無効電力を供給するように構成される。このことは、図１において、インバータの太い枠線によって表されている。太陽光発電設備は、インバータの第１のグループ１２と第２のグループ１３とに分けられ、各グループは、夜間に無効電力を供給するように構成された少なくとも１つのインバータを備える。考慮すべき、設備内部のグリッドのさらなるグリッドインピーダンスを表す変圧器１１は、ここでは任意選択である。上記変圧器に代えて、設備内部のグリッドはまた、共通結合点によって、ＥＶＮに直接接続され得る。個別のグリッドセクションのグリッドインピーダンスＺ_Ａ，．．．Ｚ_Ｍは、据え付けられた構成部品の抵抗、キャパシタンスおよびインダクタンスの知識から得ることができる、あるいは、当業者に周知の方式で測定することによって得ることができる。特に、グリッドインピーダンスのリアクタンス成分は、容量性リアクタンスと誘導性リアクタンスとに従って別個に検出され得る。設備内部のインピーダンスの分散は、太陽光発電設備の簡単化した等価回路図によって近似される。太陽光発電設備の昼間運転を図２に示し、夜間運転を図３に示す。

昼間、インバータのすべてが、上記インバータの太陽光発電機によって生み出されたエネルギーを送り込む場合、等価回路図において、各インバータｎは、上記インバータに関連する昼間の等価インピーダンスＺ^Ｔ _ｎによって、共通結合点ＮＡＰに直接接続される。昼間の等価インピーダンスＺ^Ｔ _ｎの値は、この場合、太陽光発電設備のすべての考え得る運転条件において、共通結合点を介する無効電力の流れが、現実の太陽光発電設備の無効電力の流れを、そのグリッドインピーダンスのより複雑な分散と共に、等価回路図によって可能な限り正確に記述するように、周知の数学的処理によって判定される。上記方法の１つの変形では、所与の運転条件における個別のグリッドセクションのグリッドインピーダンスＺ_Ａ，．．．Ｚ_Ｍにおいて引き出される無効電力が、イニシエータに関連する成分として、個別のインバータにおいて分析される。次いで、昼間の等価インピーダンスＺ^Ｔ _ｎは、同じ運転条件において上記昼間の等価インピーダンスにおいて引き出される無効電力が、対応するインバータｎにイニシエータとして関連する成分のすべての和に対応するように選択される。この場合、昼間の等価インピーダンスＺ^Ｔ _ｎはまた、容量性リアクタンス成分と誘導性リアクタンス成分とに分離でき、これらの値は、インバータにおいて別々に格納および使用され得る。

これらの具体的な昼間の等価インピーダンスＺ^Ｔ _ｎは、太陽光発電設備をその現時点での状態において説明でき、少なくとも設備がその内部の構造において変わらない限り使用できる。１つの有利な実施形態では、昼間の等価インピーダンスＺ^Ｔ _ｎは、太陽光発電設備のすべての太陽光発電機上の日射強度が同一であると仮定して判定される。この場合、運転条件は、個別のインバータの無効電力および有効電力の値、ならびに共通結合点におけるグリッド電圧を含む。太陽光発電設備の各インバータは、上記インバータに関連する昼間のインピーダンスＺ^Ｔ _ｎの等価な値を格納するように構成され、上記の値を使用して、その給電パラメータを制御して、特に、その現在の無効電力を固定できる。

夜間、夜間無効電力を供給するように構成されたインバータのみであるが、各グループからの少なくとも１つのそのようなインバータがグリッドに接続される。そのため、太陽光発電設備のための等価回路図は、グリッドに依然として接続されているインバータ、すなわち、第１のグループ１２のインバータ７と、第２のグループ１３のインバータ２および／またはインバータ３と、に限られる。上記インバータは、上記インバータに関連する夜間の等価インピーダンスＺ^Ｎ _{２、３、７}によって共通結合点に直接接続される。昼間運転の場合と同様に、夜間の等価インピーダンスＺ^Ｎ _{２、３、７}は、この場合、太陽光発電設備のすべての考え得る運転条件において、共通結合点を介する無効電力の流れが、現実の太陽光発電設備の無効電力の流れを、そのグリッドインピーダンスのより複雑な分散と共に、等価回路図によって可能な限り正確に記述するように、既に上で述べた数学的処理によって判定される。上記方法の１つの変形では、夜間、所与の運転条件における個別のグリッドセクションのグリッドインピーダンスＺ_Ａ，．．．Ｚ_Ｍにおいて引き出される無効電力が、イニシエータに関連する成分として、個別のグループにおいて分析される。次いで、夜間の等価インピーダンスＺ^Ｎ _ｎは、上記インピーダンスにおいて引き出される無効電力が、第１のインバータをイニシエータとして含むグループに関連する成分のすべての和に対応するように選択される。夜間は、インバータの一部が停止されることから、従って、夜間のインピーダンスは、一般的に、昼間のインピーダンスとは異なり、そのグリッドセクションのグリッドインピーダンスＺ_Ａ，．．．Ｚ_Ｍは、設備内部のグリッドの一部に留まり、夜間に作動するインバータの夜間の等価インピーダンスによってのみ考慮される。この場合、夜間の等価インピーダンスＺ^Ｎ _ｎはまた、容量性リアクタンス成分と誘導性リアクタンス成分とに分離でき、これらの値は、インバータにおいて別々に格納および使用され得る。

夜間無効電力を供給するように構成されたインバータのそれぞれは、上記インバータに関連する夜間のインピーダンスＺ^Ｎ _ｎの等価な値を格納するようにも構成され、上記の値を使用して、夜間運転の間、その現在の無効電力を制御できる。

上記説明において、共通結合点を介する無効電力の流れを最小、理想的にはゼロに等しくして、エネルギー供給グリッドへの太陽光発電設備のフィードバックを最小化するように、昼間運転および／または夜間運転においてインバータの制御を設定するのは、特別な場合である。この目標は、各インバータによる少なくとも十分な供給の下で達成され得る。各インバータは、上記インバータに関連する等価グリッドインピーダンスＺ^Ｔ _ｎ、Ｚ^Ｎ _ｎにおいて、設備内部のグリッドにグリッドから引き出されるのと同じだけ無効電力を送り込む。インバータは、グリッドインピーダンスの対応する値と、上記インバータの接続端末における電圧と、が与えられれば、無効電力の上記目標値を自ら容易に判定できる。

１つの好ましい例示的な実施形態では、太陽光発電設備がグリッド品質の維持に動的に寄与できるように、太陽光発電設備内のインバータの共通目標を調整して、共通結合点における太陽光発電設備の全無効電力の目標値を提供できる。目標値は、例えばＥＶＮのオペレータによる、所定の、適切な通信チャネルによって太陽光発電設備または個別のインバータに知らされた、離散値とすることもできるし、ＥＶＮの現在の状態に依存する変数、特に、共通結合点におけるグリッド電圧Ｕ_ＮＡＰに依存する無効電力値Ｑ（Ｕ_ＮＡＰ）とすることもできる。この共通目標を実現するために、各インバータは、上記インバータに関連する全無効電力目標値Ｑ（Ｕ_ＮＡＰ）の一部だけ、上記インバータに関連するグリッドの等価インピーダンスＺ^Ｔ _ｎ、Ｚ^Ｎ _ｎによって引き出される無効電力の値を超える無効電力値を寄与しなければならない。この場合、上記インバータの接続端末におけるグリッド電圧に基づいて必要とされる無効電力Ｑ（Ｕ_ＮＡＰ）を判定するために、インバータは、共通結合点における電圧とインバータの接続端末における電圧との間の電圧降下、つまり、グリッドの等価インピーダンスＺ^Ｔ _ｎ、Ｚ^Ｎ _ｎにおける電圧降下を追加的に考慮できる。

あるグループの複数のインバータが、夜間運転において無効電力を供給するように構成される場合、本発明の１つの好ましい実施形態では、夜間作動するインバータの役割を上記インバータ間で交換できる。例えば、毎晩、夜間運転において、異なるインバータが無効電力を提供することが想定され得る。この場合、予め定義されたスキーマに従って役割を交代できる、または太陽光発電設備の上位の運転制御ユニットによって役割を調整できる。同様に、上記インバータ間の通信チャネルによって適切なインバータを互いに調整することが想定され得る。それにより、関与するインバータの構成部品の負荷、ひいては太陽光発電設備の維持管理費用が低減される。

特に夜間運転では、観測時間において、作動中のインバータに必要とされる無効電力が、インバータが生み出し得る最大無効電力よりも大きいという状況が生じ得る。対応するグループが少なくとも１つのさらなるインバータを備え、上記グループは、無効電力を供給するように構成される場合、作動中のインバータによって、または太陽光発電設備の上位の制御ユニットによって、上記インバータを追加的に作動させて、上記２つのインバータが一緒に生み出すべき無効電力を生み出すようにすることが想定され得る。特に、考慮すべきグリッドインピーダンスが後に関与するインバータに分散されることから、２つ（またはそれ以上）のインバータによって無効電力を共同して供給する場合、関与するインバータは、通信プロトコルによって互いに調整し合うことが好ましい。その後、必要とされる無効電力が、夜の間に、単一のインバータによって供給され得る程度まで再び永続的に低下することがあれば、追加的に作動されたインバータを再び停止できる。原則として、当然のことながら、この場合、別のグループのインバータを一時的に作動することも可能である。

図４は、本発明による方法の好ましい実施形態を流れ図として示したものである。第１のステップ４０では、太陽光発電設備の各グループのうちの少なくとも１つの第１のインバータについて、第１のインバータと共通結合点との間の結合インピーダンスを表す第１のパラメータ、例えば、上述の昼間の等価インピーダンスＺ^Ｔ _１が判定される。第１のパラメータは、第１のインバータの運転制御ユニットに格納される。

第２のステップ４１では、各グループの第１のインバータについて、第１のインバータを含むグループと共通結合点との間の第２の結合インピーダンスを表す第２のパラメータ、例えば、上述の夜間の等価インピーダンスＺ^Ｎ _１も判定される。第２のパラメータはまた、第１のインバータの運転制御ユニットに格納される。第１のステップ４０および第２のステップ４１は、太陽光発電設備の最初の開始手順の前に実行されることが意図され、次いで、第１のステップ４０および第２のステップ４１は、第１および第２のパラメータの値を更新するために、再び定期的に実行されてもよい。

第３のステップ４２によって開始される太陽光発電設備の昼間運転によれば、第４のステップ４３において、第１のインバータは、第１のパラメータに応じて無効電力を送り込む。第１のインバータは、第１のパラメータを使用して上記無効電力を判定して、無効電力が、基礎となる昼間の等価インピーダンスＺ^Ｔ _１によって引き出される無効電力の大きさに対応するようにする。この種の無効電力の送り込みはまた、昼間運転中に作動する他のインバータによって同様に並行して実行され得る。

第５のステップ４４において、太陽光発電設備が夜間運転に変化した後、第６のステップ４５において、夜間には無効電力を供給しないように意図されるインバータが停止される。従って、本例では、第１のインバータのみが、作動状態にある、上記インバータに関連するグループの唯一のインバータとして残る。第７のステップ４６では、上記インバータは、第２のパラメータに応じて無効電力を送り込み、送り込まれる無効電力が、基礎となる夜間の等価インピーダンスＺ^Ｎ _１によって引き出される無効電力の大きさに対応するようにする。

従って、本発明の本実施形態では、すべてのインバータは、上記インバータに関連する等価結合インピーダンスＺ^Ｔ _ｎ、Ｚ^Ｎ _ｎにおいて引き出される無効電力の一部のみを送り込む。この結果、送り込まれる無効電力は、太陽光発電設備に引き出される無効電力に少なくとも略対応することから、共通結合点において無効電力の流れが全く無いまたは少なくとも無視できる状況となる。この目標は、共通結合点において無効電力の流れを動的に測定する必要なしに、かつ第１のインバータへ測定値を伝える必要なしに、達成される。これにより、無効電力の流れのバランスを動的に取るための追加的な構成部品を必要とすることなく、太陽光発電設備の無効電力は、本質的に最小化され、従って、接続されたエネルギー供給グリッドへのフィードバックが事実上ない。

太陽光発電設備の運転の目標が、共通結合点における無効電力の流れを最小化することにはないが、所定の無効電力目標値に到達することにある、本発明のさらなる実施形態では、作動するインバータによって、特に、第１のインバータによって、無効電力成分が追加的に送り込まれ、上記無効電力成分は、第１のインバータに関連する無効電力目標値の一部に対応する。この場合も、無効電力の流れのバランスを動的に取るための追加的な構成部品を使用することなく、太陽光発電設備の運転の目標は達成される。

夜間運転の終了後、インバータは、ステップ４２によって昼間運転に再び切り替わり得る。

１．．．８ インバータ
１０ 太陽光発電設備
１１ 変圧器
１２、１３ グループ
４１．．．４６ ステップ
Ｚ_Ａ．．．Ｚ_Ｎ 設備インピーダンス
Ｚ^Ｔ _１．．．Ｚ^Ｔ _８ 昼間の等価インピーダンス
Ｚ^Ｎ _２、Ｚ^Ｎ _３、Ｚ^Ｎ _７ 夜間の等価インピーダンス
ＮＡＰ 共通結合点
ＥＶＮ エネルギー供給グリッド

Claims (10)

1. 共通結合点に接続されたエネルギー供給グリッドへの太陽光発電設備（１０）のグリッドフィードバックを最小化するための方法において、前記太陽光発電設備（１０）は、グループ（１２、１３）に分けられた複数のインバータ（１〜８）を有し、前記方法は、
   −各グループ（１２、１３）のうちの少なくとも１つの第１のインバータ（２、３、７）について、前記第１のインバータ（２、３、７）と前記共通結合点との間の第１の結合インピーダンス（Ｚ^Ｔ _２、Ｚ^Ｔ _３、Ｚ^Ｔ _７）を表す第１のパラメータを判定し、かつ前記第１のインバータ（２、３、７）を含む前記グループ（１２、１３）と前記共通結合点との間の第２の結合インピーダンス（Ｚ^Ｎ _２、Ｚ^Ｎ _３、Ｚ^Ｎ _７）を表す第２のパラメータを判定する、ステップと、
   −前記第１のインバータ（２、３、７）の運転制御ユニットに前記第１のパラメータおよび前記第２のパラメータを格納するステップと、
   −前記太陽光発電設備（１０）の昼間運転において、前記第１のインバータ（２、３、７）によって、前記第１のパラメータに応じて無効電力を送り込むステップにおいて、前記無効電力は、それぞれの基礎となる前記第１の結合インピーダンス（Ｚ^Ｔ _２、Ｚ^Ｔ _３、Ｚ^Ｔ _７）によって引き出される無効電力の大きさに対応する、ステップと、
   −夜間運転において、前記第１のインバータ（２、３、７）を除いて、グループ（１２、１３）のすべての前記インバータを前記エネルギー供給グリッドに接続させたまま停止し、前記第２のパラメータに応じて前記第１のインバータ（２、３、７）によって無効電力を送り込む、ステップにおいて、送り込まれる前記無効電力は、それぞれの基礎となる前記第２の結合インピーダンス（Ｚ^Ｎ _２、Ｚ^Ｎ _３、Ｚ^Ｎ _７）によって引き出される無効電力の大きさに対応する、ステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、夜間運転において、グループ（１２、１３）内において、前記第１のインバータ（２、３、７）のみが無効電力を送り込むように構成されることを特徴とする方法。
3. 請求項１に記載の方法において、夜間運転において、グループ（１２、１３）内において、２つ以上のインバータが無効電力を送り込むように構成され、夜間運転中の無効電力の前記送り込みは、無効電力を送り込むように構成された前記インバータ間で交代することを特徴とする方法。
4. 請求項３に記載の方法において、無効電力を送り込むように構成された前記インバータ間における前記交代は、所定のアルゴリズムに基づいて制御される、または運転制御ユニットによって制御されることを特徴とする方法。
5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載の方法において、送り込まれる前記無効電力は、前記インバータに接続された太陽光発電機上への日射強度の関数として判定されることを特徴とする方法。
6. 請求項５に記載の方法において、送り込まれる前記無効電力は、前記太陽光発電設備（１０）のすべての他のインバータに接続された前記太陽光発電機が同じ日射強度を有すると仮定して判定されることを特徴とする方法。
7. 請求項１乃至６の何れか一項に記載の方法において、送り込まれる前記無効電力の前記判定において、前記インバータはまた、前記太陽光発電設備（１０）のための前記エネルギー供給グリッドのオペレータの無効電力目標を、それらの前記共通結合点において考慮することを特徴とする方法。
8. 請求項１乃至７の何れか一項に記載の方法において、送り込まれた前記無効電力は、それぞれの前記インバータの接続端末におけるグリッド電圧の関数として判定されることを特徴とする方法。
9. 前記第１および第２のパラメータを格納し、かつ請求項１から８のいずれか一項に記載の方法の昼間運転および夜間運転を行うために構成されたことを特徴とするインバータ（２、３、７）。
10. 請求項１から８のいずれか一項に記載の方法を実行するために構成されたことを特徴とする太陽光発電設備（１０）。

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