JP7093761B2 - 光起電性エネルギのためのエネルギストレージシステム及び光起電性エネルギのストレージ方法 - Google Patents

光起電性エネルギのためのエネルギストレージシステム及び光起電性エネルギのストレージ方法 Download PDF

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本発明は、エネルギストレージにフォトボルタイク（ＰＶ）エネルギを捕捉するためのエネルギストレージシステム及び方法に関する。
電力変換システム及び関連する制御システムは、様々なエネルギ資源を連結するために用いられてよい。例えば、電力システムは、相互に連結された分散型エネルギ資源（例えば、発電機及びエネルギストレージユニット）及び負荷を含むことができる。電力システムは、ユーティリティグリッド又はマイクログリッドシステムに連結することもできる。電力システムは、これらのエネルギ資源間での電力を変換するために、電力変換を使用する（例えば、ＡＣ／ＤＣ、ＤＣ／ＤＣ、ＡＣ／ＡＣ、及び、ＤＣ／ＡＣ）。
電力システムは、電力を供給し、電力を調整し、及び、一の電源から、負荷に電力を継続して供給する目的の他の電源に電力を転送するように設計されていてよい。可能な限り最大のエネルギ生成量が使用されるように、可能な限り最も効率の用方法で電力が供給されることが望ましい。しかしながら、トポロジー制限及び設計要求は、最終的に用いられるエネルギ生成の制限になる可能性がある。従来のＰＶ設備は、ＰＶアレイ電圧がインバータの起動電圧より低い場合、ＰＶアレイにより生成された低電圧エネルギを捕捉することに失敗することにより、「クリップされた」エネルギを捕捉することに失敗することにより、及び、削減又はエネルギ価格を考慮してグリッドにエネルギを供給することに失敗することにより、ＰＶアレイにより生成された電力を十分に利用できない。
本発明の実施形態は、ＰＶアレイにより生成された電力を使用するための装置及び方法を含む。
一の態様では、電力源からの低電圧エネルギを捕捉する電力システムは、ＤＣバスに結合された前記電力源と、前記ＤＣバス及びエネルギストレージデバイスに結合されたＤＣ／ＤＣ電力コンバータと、前記ＤＣバス及びＡＣバスに結合された電力インバータと、制御システムとを含む。前記制御システムは、前記電力源により生成された電圧を監視し、前記電力源が第１所定閾値より大きい電圧を生成しているか否かを判定し、前記電力源が前記第１所定閾値より大きい電圧を生成していると判定された場合に、前記電力源が第２所定閾値より小さい電圧を生成しているか否かを判定し、前記電力源が前記第１所定閾値と前記第２所定閾値との間の電圧を生成していると判定された場合に、ＭＰＰＴモードで動作するように前記ＤＣ／ＤＣ電力コンバータを制御するとともに、前記電力源により生成されたエネルギを前記エネルギストレージデバイスに貯蔵し、更に、ＭＰＰＴモードで動作しないように前記電力インバータを制御し、前記電力源が前記第２所定閾値以上の電圧を生成していると判定された場合に、ＭＰＰＴモードで動作するように前記電力インバータを制御するとともに、前記電力源により生成されたエネルギを前記ＡＣバスを介して電力グリッドに供給し、更に、ＭＰＰＴモードで動作しないように前記ＤＣ／ＤＣ電力コンバータを制御するように構成された一以上のコントローラを含んでよい。
前記第１所定閾値は、前記ＤＣ／ＤＣ電力コンバータにおける予測損失に等しくてよい。
前記電力インバータは、前記電力インバータを動作させるために前記ＤＣバスが到達しなければならない電圧の大きさである起動電圧を有し、前記第２所定閾値は、前記電力インバータの前記起動電圧に等しい。
前記電力源により生成された電圧は、継続的に監視されてよく、前記制御システムは、ＭＰＰＴモードでの動作と、ＭＰＰＴモードでない動作との間で遷移するように、前記ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ及び電力インバータを継続的に制御してよい。
前記電力源が前記第２所定閾値より小さい電圧を生成していると判定された場合、前記制御システムは、更に、前記ＤＣバスでの電圧を監視するように構成されていてよい。
前記ＤＣバスでの電圧を検出して、検出された電圧を前記電力システムに転送するセンサも含まれていてよい。
他の態様では、電力源からのクリップエネルギを捕捉する電力システムは、ＤＣバスに結合された前記電力源と、前記ＤＣバス及びエネルギストレージデバイスに結合されたＤＣ／ＤＣ電力コンバータと、前記ＤＣバス及びＡＣバスに結合された電力インバータと、制御システムとを含んでよい。前記制御システムは、前記電力インバータの出力電力を監視し、前記電力インバータの前記出力電力と所定閾値とを比較し、前記電力インバータの前記出力電力が前記所定閾値より大きい場合に、前記所定閾値を越える前記電力源の出力電力を前記エネルギストレージデバイスに貯蔵するように前記ＤＣ／ＤＣ電力コンバータを制御するように構成された一以上のコントローラを含んでよい。
前記所定閾値は、前記電力インバータの最大定格電力であってよい。
前記電力インバータの前記出力電力は継続的に監視されてよく、前記制御システムは、
前記電力源の出力電力を前記エネルギストレージデバイスに貯蔵することと、貯蔵しないこととの間で遷移するように、前記ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ及び電力インバータを継続的に制御してよい。
一の態様では、電力源からのエネルギを選択的にディスパッチする電力システムは、ＤＣバスに結合された前記電力源と、前記ＤＣバス及びエネルギストレージデバイスに結合されたＤＣ／ＤＣ電力コンバータと、前記ＤＣバス及びＡＣバスに結合された電力インバータと、制御システムとを含んでよい。前記制御システムは、前記電力システムの外部のパラメータを監視し、前記電力源により生成された電力を、前記監視されたパラメータに応じて、前記エネルギストレージデバイスに貯蔵するように前記ＤＣ／ＤＣ電力コンバータを選択的に制御するように構成された一以上のコントローラを含んでよい。
前記電力システムの外部のパラメータは、前記ＡＣバスを介して、電力グリッドに供給されるエネルギのＰＶエネルギ価格信号と、前記電力グリッドに供給されるエネルギ量を停止又は削減する削減信号とを含んでよい。
前記ＤＣ／ＤＣ電力コンバータは、ＰＶエネルギ価格信号における価格が所定閾値より小さい場合、前記電力源により生成された電力を前記エネルギストレージデバイスに貯蔵してよい。
前記ＤＣ／ＤＣ電力コンバータは、ＰＶエネルギ価格信号における係るが前記所定閾値以上である場合、前記エネルギストレージデバイスに貯蔵されたエネルギを、前記電力インバータを介して、前記電力グリッドに供給してよい。
前記電力システムの外部のパラメータは継続的に監視されてよく、前記制御システムは、前記電力源の出力電力を前記エネルギストレージデバイスに貯蔵することと、貯蔵しないこととの間で遷移するように、前記ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ及び前記電力インバータを継続的に制御してよい。
一の態様では、勾配率制御する電力システムは、ＤＣバスに結合された電力源と、前記ＤＣバス及びエネルギストレージデバイスに結合されたＤＣ／ＤＣ電力コンバータと、前記ＤＣバス及びＡＣバスに結合された電力インバータと、制御システムとを含んでよい。前記制御システムは、前記電力インバータの出力電力と前記電力インバータの前記出力電力の変化率とを監視し、前記電力インバータの前記出力電力の前記変化率を予め規定された勾配率と比較し、前記電力インバータの前記出力電力の前記変化率が、前記予め規定された勾配率から所定量より大きく異なる場合に、前記エネルギストレージデバイスを充電又は放電するように前記ＤＣ／ＤＣ電力コンバータを制御するように構成された一以上のコントローラを含んでよい。
前記電力インバータの前記出力電力と、前記電力インバータの前記出力電力の変化率とは継続的に監視されてよく、前記制御システムは、前記電力インバータの前記出力電力の前記変化率が、前記予め規定された勾配率から所定量より大きく異ならなくなるまで、前記エネルギストレージデバイスを充電又は放電するように、前記ＤＣ／ＤＣ電力コンバータを継続的に制御してよい。
前記ＤＣ／ＤＣ電力コンバータは、前記電力インバータの前記出力電力の前記変化率が、前記予め規定された勾配率を前記所定量より大きく超えている場合、電力を前記エネルギストレージデバイスに供給してよい。
前記ＤＣ／ＤＣ電力コンバータは、前記電力インバータの前記出力電力の前記変化率が、前記予め規定された勾配率を前記所定量より下回っている場合、前記エネルギストレージデバイスから、前記電力インバータを介して、電力グリッドに電力を放電してよい。
図１は、本発明の実施形態による光起電性エネルギのためのエネルギストレージシステムを使用する電力システムである。 図２は、光起電性（ＰＶ）インバータ動作の過程で、ソーラレイからのソーラレイＤＣ電圧及び電流を示している。 図３は、インバータのクリッピング中に潜在的に失われるエネルギの補足を示している。 図４は、本発明の実施形態による例示的なＤＣ／ＤＣコンバータの概略図である。 図５は、本発明の実施形態によるＤＣ／ＤＣコンバータのための制御構成である。 図６は、本発明の実施形態によるエネルギストレージシステムにより実行される低電圧エネルギ捕捉方法を示すフローチャートである。 図７は、本発明の実施形態によるエネルギストレージシステムにより実行されるインバータクリッピング捕捉方法を示すフローチャートである。 図８は、本発明の実施形態によるエネルギストレージシステムにより実行されるディスパッチ可能なＰＶ電力を提供する方法を示すフローチャートである。 図９は、本発明の実施形態によるエネルギストレージシステムにより実行される勾配率制御方法を示すフローチャートである。
本明細書の一部を形成し、具体的な実施例を図示する添付図面を参照する。しかしながら、本明細書に記載の原理は、多数の異なる形態で実施されてよい。図中の構成要素は必ずしも縮尺どおりではなく、代わりに本発明の原理を説明することに重点がおかれている。さらに、図面において、異なる視点を通じて対応する部品を指定するために、同様の参照番号が付されてよい。
本発明の以下の説明において、特定の用語は、参照のみを目的として用いられ、限定を意図するものではない。例えば、様々な要素を記述するために本明細書において、第１、第２等の用語が用いられるかもしれないが、これらの要素は、これらの用語により限定されるものではない。これらの用語は、一の要素を他から区別するためだけに用いられる。本発明の説明及び添付の特許請求の範囲で使用されるように、単数形「a」、「an」及び「the」は、文脈がそうでないことを明確に示さない限り、複数形も含むことを意図している。本明細書で使用される「及び／又は」という用語は、関連する列挙された用語の１つ又は複数のありとあらゆる可能な組み合わせを指し、包含することも理解されるであろう。用語「comprises」及び／又は「comprising」は、本明細書で用いられる場合、述べられた特徴、整数、ステップ、操作、要素、及び／又は構成要素の存在を明記すると理解されるだろうが、一つ以上の他の機能、整数、ステップ操作、要素、コンポーネント、及び／又はそのグループの存在又は追加を排除しない。
本発明の実施形態は、典型的に劣化する太陽光発電（ｓｏｌａｒ ＰＶ）設備からの付加的エネルギを捕捉するためのシステム及び方法を含む。本発明の実施形態は、ＰＶアレイの低電圧エネルギを捕捉するための、ＰＶ発電機を伴うインターフェイスストレージを含む。本発明の他の実施形態は、インバータクリッピングからのエネルギ損失を捕捉するための、ＰＶ発電機を伴うインターフェイスストレージを含む。本発明の他の実施形態は、ディスパッチ可能なＰＶ電力を提供する、ＰＶ発電機を伴うインターフェイスストレージを含む。本は爪生の他の実施形態は、勾配率制御を提供するための、ＰＶ発電機を伴うインターフェイスストレージを含む。
図１を参照して、ＰＶプラスストレージ発電システム１００は、ＰＶアレイ２、ＰＶインバータ３１、エネルギストレージ１１、ＤＣ／ＤＣコンバータ３、コントローラ１１０、ＤＣバス１３０、及び、ユーティリティグリッド、ローカル負荷及び／又はマイクログリッドに結合されてよいＡＣバス１２０を含む。
実施形態において、ＰＶプラスストレージ発電システム１００の制御システム１１０は、コンバータ３及びインバータ３１の動作を調整するコントローラ１１０を含んでよい。他の実施形態では、ＰＶプラスストレージ発電システム１００の制御システム１１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３及びＰＶインバータ３１各々の分離した複数のコントローラを含んでよい。ＤＣ／ＤＣコンバータ３及びＰＶインバータ３１各々の分離した複数のコントローラがある場合では、制御システム１１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３及びＰＶインバータ３１の複数のコントローラを調整するマスタコントローラを含んでよい。
ＰＶインバータ３１は、インバータのＡＣ側でＡＣバス１２０に結合されている。ＡＣバス１２０は、ユーティリティグリッド、マイクログリッド、ローカル負荷及び／又は他のＡＣコネクションに結合可能である。望ましくは、インバータ３１のＤＣ側は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３及びＰＶアレイ２の両方に結合されている。簡潔のために、アレイは、単一のコネクションとして図示されているが、本発明の実施形態では、パネルは、インバータの前の再結合ボックスにおいて結合されるストリングを伴うストリングで結合可能であると、理解されるべきである。更に、実施形態では、ＰＶインバータ３１は、使用されるケースマルチコンバータ３における一以上の最大電力点追跡（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ：ＭＰＰＴ）入力が可能であってよい。
望ましくは、ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、ＰＶインバータ３１のＤＣ入力、更には、エネルギストレージ１１に結合されている。エネルギストレージは、例えば、バッテリ、バッテリバンク等を包含してよい。
実施形態では、ＰＶインバータ３１は、例えば、集中型又はストリング型であってよい。
望ましくは、バッテリ１１、ＤＣ／ＤＣコンバータ３、制御システム１１０及びＰＶインバータ３１は、ケーブルの長さを短くしてコストを最小化するために互いに近接して配置され、アレイの北側等、ソーラパネルの影を最小限に抑える位置にある。しかしながら、本発明はそのように限定されないと理解すべきである。更に、ストレージ１１、ＤＣ／ＤＣコンバータ３、及びコントローラ１１０を含む本発明の実施形態は、新しい構造で設置するか、既存の太陽光発電設備に後付けすることができる。
本発明の実施形態では、制御システム１１０は、銅又はファイバを介したＭｏｄｂｕｓ ＴＣＰなどの通信手段を介して又は無線によりＤＣ／ＤＣコンバータ３、エネルギストレージ１１及びＰＶインバータ３１に接続することができる。システムの動作とパフォーマンスを監視するために、所有者、オペレータ又はサードパーティのデータ収集サービスによって、電力システムの資産のいずれかに追加の通信接続を行うことができる。これらのリモート接続は、例えば、セルラー、衛星、有線接続等を介して行うことができる。
図４及び図５は、図１に示す双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３として使用できる、例示的な双方向ＤＣ／ＤＣコンバータのトポロジー及び制御構造を示す。ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、図４及び５に示すものに限定されず、コンバータが双方向の電力フローが可能な限り、別のＤＣ／ＤＣコンバータトポロジーであってよいと理解すべきである。図４及び５のＤＣ／ＤＣコンバータは、その全体が参照により組み込まれる、米国特許出願第１５／８９５，５６５号に詳細に記載されている。
図４を参照すると、本発明の実施形態によるＤＣ／ＤＣコンバータ４００は、互いに連結された第１変換ステージ４１０と第２変換ステージ４２０を含んでよい。第１及び第２変換ステージ４１０、４２０は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを形成する（即ち、電力の流れは双方向である）。第１変換ステージ４１０の電圧の大きさは、第２変換ステージの電圧の大きさよりも高くても低くても又はほぼ等しくてもよい。従って、ＤＣ／ＤＣコンバータ４００のいずれかの側は、バックコンバータ又はブーストコンバータとして使用可能である。
実施形態では、バッテリに対応する入出力電圧の大きさが、ＰＶアレイの電圧に対応する入出力電圧の大きさよりも高い場合、第１変換ステージ４１０は、バッテリに対応する入出力電圧を、ＰＶアレイに対応する入出力電圧の所望の大きさに変換するように動作する。ＰＶアレイに対応する入出力電圧の大きさが、バッテリに対応する入出力電圧の大きさよりも高い場合、第２変換ステージ４２０は、ＰＶアレイに対応する入出力電圧を、バッテリに対応する入出力電圧の所望の大きさに変換するように動作する。
実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ４００は、直列Ｈブリッジのカスケード接続を含む。第１変換ステージ４１０は、直列に接続された第１ハーフブリッジ４１２及び第２ハーフブリッジ４１４を含む。第１ハーフブリッジ４１２及び第２ハーフブリッジ４１４各々は、一対のスイッチＱ１、Ｑ２及びＱ３、Ｑ４を備えてよい。第２変換ステージ４２０は、直列に接続された第３ハーフブリッジ４２２及び第４ハーフブリッジ４２４を含む。第３ハーフブリッジ４２２及び第４ハーフブリッジ４２４各々は、それぞれ一対のスイッチＱ５、Ｑ６及びＱ７、Ｑ８を備えてよい。
実施形態では、第１変換ステージ４１０及び第２変換ステージ４２０は、インダクタＬ１及びＬ２を使用して連結される。他の実施形態では、図５に示すように、第１及び第２インダクタＬ１及びＬ２が、絶縁変圧器Ｔ１に置き換えられてよい。
第１及び第２変換ステージ４１０及び４２０がインダクタＬ１及びＬ２によって連結される実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ４００は、任意の中心点接合部をさらに含んでよい。中心点接合部４５０は、例えば、入出力が、エネルギストレージ（例えば、バッテリ／複数のバッテリ）に接続され、バッテリ端子のノイズが中立中心点によって低減されるというシナリオにおいて、有利であり得る。しかしながら、リップル性能（つまり、バッテリとＰＶポートのリップル電流と電圧）がある程度損なわれるという点で、中心点接合部４５０には設計上のトレードオフがある。
実施形態では、ハーフブリッジ４１２、４１４、４２２、４２４各々は、フィルタリング及び半導体電圧オーバーシュート低減のために、ＤＣバスキャパシタＣ１－Ｃ４に密接に結合されてよい。例えば、キャパシタＣ１は、Ｑ１及びＱ２によって形成されるハーフブリッジのためのフィルタキャパシタであってよい。これらのキャパシタＣ１－Ｃ４各々は、個別のキャパシタであっても、適切な定格に到達するために直列及び並列に組み合わされた複数のディスクリートキャパシタであってもよい。
実施形態では、スイッチＱ１－Ｑ８は、バックボディダイオードを備えた半導体スイッチである。Ｑ１－Ｑ８に使用されてよい半導体スイッチの例には、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等が含まれるが、これらに限定されない。
図５は、本発明の実施形態によるＤＣ／ＤＣコンバータの制御構造を示す。
図５を参照すると、制御構造６００は、外部制御ループ６１０及び内部制御ループ６２０を含む。外部制御ループ６１０は、インターフェースインダクタ電流（例えば、Ｉｍ１）の一つを制御し、内部制御ループ６２０は、電池／ＰＶ電流の大きさ又はバッテリ／ＰＶ電圧の大きさを制御する。
図５に示す実施形態では、コントローラパラメータ（例えば、２つのＰＩパラメータ）は、ハードウェアパラメータに適合するように調整されてよい。チューニングは、いくつかの要因に依存する。即ち、例えば（１）要求応答速度――システムの制御帯域幅――例えば、１ミリ秒又は１００ミリ秒で定格電流に達することが、コンバータにとって望ましいか否か、及び（２）システムのハードウェアパラメータ――例えばインダクタンス、キャパシタンス、スイッチング周波数値等。
外側制御ループ６１０は、入力として、バッテリ電流又はＰＶ電圧のコマンド、及び、バッテリ電流又はＰＶ電圧のフィードバックを受信する。バッテリ電流又はＰＶ電圧のコマンド、及び、バッテリ電流又はＰＶ電圧のフィードバックは、バッテリ電流の望ましい大きさ又はＰＶ電圧の望ましい大きさであってよい。バッテリ電流又はＰＶ電圧のフィードバックは、バッテリ電流の実際の大きさ又はＰＶ電圧の実際の大きさである。例えば、所望の大きさと実際の大きさとの差をとることにより、所望の大きさが実際の大きさと比較される。この差は、インダクタの１つを介して、インターフェースインダクタ電流の１つを制御するためのコントローラ６１２に入力される。次に、コントローラ６１２は、インターフェースインダクタ電流の電流コマンドＩｍ＿ｃｍｄを内部制御ループ６２０に出力する。ここで、電流コマンドＩｍ＿ｃｍｄは、インターフェースインダクタ電流の実際の大きさと比較されるインターフェースインダクタ電流の所望の大きさとされてよい。
図５に示す実施形態では、コントローラ６１２及び６２２は、比例－積分（ＰＩ）コントローラである。しかしながら、これらのコントローラはＰＩコントローラに限定されず、実際には、コントローラは、例えば比例－積分－微分（ＰＩＤ）コントローラ及び比例（Ｐ）コントローラを含む任意の閉ループコントローラであってもよい、と理解すべきである。
内部制御ループ６２０は、入力として、インダクタ電流コマンドＩｍ＿ｃｍｄ及びインダクタ電流Ｉｍ１の実際の大きさを受信する。例えば、インダクタ電流コマンドＩｍ＿ｃｍｄとインダクタ電流Ｉｍ１との差を取ることにより、インダクタ電流コマンドＩｍ＿ｃｍｄがインダクタ電流Ｉｍ１と比較される。次に、スイッチＱ１－Ｑ８に入力されるスイッチング信号のデューティ値を計算するために、この差はコントローラ６２２に入力される。コントローラ６２２は、スイッチング信号のデューティ値をＤＣ／ＤＣコンバータに出力する。デューティ値は、スイッチへの信号のデューティサイクルに影響し、ＤＣ／ＤＣコンバータ４００のステップアップ／ステップダウンの大きさに影響する。デューティ比は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４００の両側の電圧の比に依存する。
制御構造６００は、デジタル信号プロセッサ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ：ＤＳＰ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ：ＦＰＧＡ）等のコントローラ上で具現化されてよい。しかしながら、コントローラはこれらに限定されず、あらゆるタイプのプロセッサを採り得ると理解すべきである。加えて、制御構造６００は、単一のコントローラ又は複数のコントローラ（例えば、外側及び内側ループで異なるコントローラ）で具現化されてよい。
上述のように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、この特定の構成に限定されず、双方向電力フローが可能な任意のＤＣ／ＤＣコンバータであってもよい。
低電圧エネルギ
図２は、ＰＶインバータ３１の動作中のＰＶアレイ２からのソーラレイＤＣ電圧及び電流を示している。図２は、特定の閾値（即ち、「起動」電圧）より低い低電圧エネルギを貯蔵するために、ＰＶプラスストレージ発電システム１００がＤＣ／ＤＣコンバータ３を実装する本発明の実施形態の説明を助けるために提供される。
従来のＰＶインバータトポロジーでは、ＰＶインバータは、電力の生成を開始するために、ソーラ場（例えば、ソーラレイ２）によって生成される最小ＤＣ電圧を待たなければならない。これは「起動」電圧と呼ばれることがある。図１及び図２を参照して示される実施形態において、ＤＣ／ＤＣコンバータの追加により、ＰＶアレイ電圧がインバータの起動電圧より低く、インバータが動作しない（即ち、ＰＶアレイ２、ＤＣ／ＤＣコンバータ３及びインバータ３１のＤＣ側が接続されている）場合に、システムは、ＰＶアレイからのエネルギを抽出することができる。
図２は、典型的なＰＶインバータ動作を示しており、傾向を示す黒い線（即ち、上側の傾向を示す線）はソーラレイのＤＣ電圧であり、傾向を示す灰色の線（即ち、下側の傾向を示す線）はソーラレイからの電流である。トポロジーの制限により、一般的なＰＶインバータは、ＰＶアレイが起動電圧に達するまで、ソーラレイからのエネルギをグリッドエネルギに変換しようとはしない。図２に示されるように、アレイ電圧が起動電圧、この場合は約７００ＶＤＣに達するまで、インバータはアレイから電力を生成できないことに留意したほうがよい。従って、太陽光がソーラレイ２のソーラパネルに入射する点から、ソーラレイが起動電圧に達する点まで、パネルから利用可能なエネルギがある。従来の設備では、起動電圧の閾値未満で利用可能なエネルギ／電力を捕捉することはできない。
実施形態では、低電圧捕捉のために、ＤＣ／ＤＣコンバータ３は最大電力点追跡モードで動作し、ＰＶ生成エネルギをエネルギストレージ１１に貯蔵する。捕捉されたエネルギは様々な方法で使用可能である。例えば、低電圧で捕捉されたエネルギは、後でインバータ３１を介してグリッド１２０に放電されてよく、又は後でローカル負荷に電力を供給するために使用されてもよい。
制御システム１１０は、システム１００が低電圧エネルギを捕捉するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３及びＰＶインバータ３１の動作を制御する。例えば、図６に示すように、実施形態では、起動時に、制御システムは：
２１０：ＰＶアレイにより生成された電力を監視する。
２２０：ＰＶアレイ２が、第１所定閾値より大きい電圧を生成しているか否かを判定する。実施形態によれば、第１所定閾値は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３における予測損失と等しくなるように設定されている。制御システム１１０は、ＤＣバス１３０上で検出された電圧及び付加的な日射センサを用いることにより、ＰＶ２アレイが、十分利用可能な電力を有しているか否かを判定する。これは、ＰＶアレイ２で利用可能な電力が、動作中のＤＣ／ＤＣコンバータ３で失われる電力よりも大きいことを保証するために行われます。ＤＣ／ＤＣコンバータ３が、低電圧動作中にＰＶアレイ２で利用可能な電力よりも多くの電力を失うと、エネルギストレージ１１は最終的に放電してしまうかもしれない。
２３０：制御システム１１０が、ＰＶアレイ２が第１所定閾値より大きい電圧を生成していると判定した場合、制御システム１１０は、その後、ＰＶアレイ２が、第２所定閾値より小さい電圧を生成しているか否かを判定する。実施形態において、電圧についての第２所定閾値は、ＰＶインバータ３１の起動電圧と等しくなるように設定されている。ＤＣバス１３０電圧が起動電圧より小さいか否かを判定するために、ＤＣバス１３０上の電圧を監視することにより、制御システム１１０は、ＰＶアレイ２が第２所定閾値より小さい電圧を生成しているか否かを判定する。このような監視は、ＤＣバス１３０上野電圧の大きさを検出するセンサの使用を通じて行われてよい。
２４０：制御システム１１０が、ＰＶアレイ２が第１所定閾値より大きな利用可能電力を有し、且つ、第２所定閾値より小さい電圧を生成していると判定した場合、制御システム１１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３をＭＰＰＴモードで動作するように制御するとともに、ＰＶ生成エネルギをエネルギストレージ１１に貯蔵し、更に、制御システム１１０は、ＰＶインバータ３１をＭＰＰＴモードで動作しないように制御する。
制御システム１１０が、ＭＰＰＴモードで動作するようにＤＣ／ＤＣコンバータ３を制御している間、制御システム１１０は、ＰＶアレイ電圧が第２所定閾値（例えば、起動電圧）に達したか否かを判定するために、ＰＶアレイ電圧を継続的に監視する。
２５０：ＰＶアレイ電圧が第２所定閾値に達したと判定された場合、制御システム１１０は、ＰＶアレイにより生成されたエネルギがグリッド１２０に提供されるように、ＭＰＰＴモードで動作するようにＰＶインバータ３１を制御する。コントローラ１１０が、インバータ３１をＭＰＰＴモードにした場合、制御システム１１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３のＭＰＰＴモードを停止する。
いったんＰＶアレイ電圧が第２所定閾値に達する又は超えると、制御システム１１０は、ＰＶアレイ電圧が第２所定閾値未満に低下したか否かを判定するために、ＰＶアレイ電圧の監視を継続する。これは、雲、ほこり、その他の物体が、ＰＶアレイ２に入射する太陽光を妨げるときや、太陽が沈むときに起こり得る。ＰＶアレイ電圧が第２所定閾値未満に低下した場合、制御システム１１０は、エネルギをエネルギストレージ１１に貯蔵するために、ＭＰＰＴモードで動作するようにＤＣ／ＤＣコンバータ３を再度制御し、ＰＶインバータ３１のＭＰＰＴモードを停止する。
いったんＰＶアレイ電圧が第２所定閾値未満に低下すると、制御システム１１０は、ＰＶアレイ電圧の大きさが再度第２所定閾値――制御システムが、ＰＶアレイ２により生成されたエネルギをグリッド１２０に提供するために、ＭＰＰＴモードで動作するようにＰＶインバータ３１を再度制御し、ＤＣ／ＤＣコンバータ３のＭＰＰＴモードを停止するだろう点――に達したか否かを判定するために、ＰＶアレイ電圧の監視を継続する。
上述した方法は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３がエネルギストレージ１１に接続されている場合について記載しているが、本発明は、この具体的な場合に限定されないと理解すべきである。例えば、他の実施形態でぇあ、同様の制御方法が、制御システム１１０により、ＰＶアレイ２に結合された一端と、ＰＶインバータ３１に結合された他端とを有するＤＣ／ＤＣコンバータ３に適用される。この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、貯蔵されたエネルギは使用しないが、ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、低電圧アレイＰＶ出力状況において、ＰＶインバータ３１の起動電圧を上回るために、電圧をブーストする。それ故、制御システムが、ＰＶで夏が第２閾値より小さいと判定した場合、制御システムは、ＰＶインバータ３１の起動電圧より大きい電圧にブーストするように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を制御する。
インバータクリッピング捕捉
図３は、インバータクリッピング時に潜在的に失われるエネルギの補足を示している。
インバータ負荷比（Ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｌｏａｄｉｎｇ ｒａｔｉｏ：ＩＬＲ）は、
設置されたＤＣＰＶ電力とＡＣインバータ（例えば、インバータ３１）定格との比として定義される。ＩＬＲが１の場合、日中の――雲量やその他の変動がない理想的な放射照度を想定している――ソーラシステムの出力をグラフ化するときに連続放物線が生成される。ＩＬＲが高いほど、システムは出力電力定格にすばやく到達する。例えばＩＬＲが１の場合、大きなＩＬＲに比べて、インバータの最大出力電力定格までのゆっくり上昇する。対照的に、高いＩＬＲは、急勾配を生成し、インバータの最大出力電力定格に達するまでの時間を短縮する。
太陽光発電設備からのエネルギ生産を最大化するために、１を超えるＩＬＲ――１．２から１．３のＩＬＲ値が一般的であり、２を超えるＩＬＲも珍しくない――が展開される。しかしながら、より高いＩＬＲ値を使用する場合、電力出力はより早くインバータ定格に到達するけれども、インバータのクリッピングが発生する。図３に示す例では、ＰＶパネルの約１．３ＭＷ且つ１ＭＷＰＶインバータ（ＩＬＲ＝１．３）がある。この構成は、ＰＶ出力電力を１ＭＷに制限し、濃い灰色の網掛け部分のエネルギを収集する。しかしながら、この構成では、明るい灰色の領域として示されている１ＭＷを超える利用可能なエネルギの全てを捕捉することはできない。図１に示される実施形態では、変換器及び制御システムは、その後ディスパッチされることが可能な「クリッピングされた」エネルギをエネルギストレージ１１に貯蔵する。
制御システム１１０は、システム１００がクリッピングされたエネルギを捕捉するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３及びＰＶインバータ３１の動作を制御する。例えば、図７に示すように、実施形態では、制御システムは：
３１０：ＰＶインバータ３１の出力電力を監視する。実施形態では、制御システム１１０は、ＡＣバス１２０上の電圧を監視してよい。このような監視は、電圧の大きさを検出するセンサの使用及びＰＶインバータ３１による電流出力を通じて行われてよい。このようなセンサは、例えば、ＰＶインバータ３１の出力に又はＰＶインバータのケース内に配置されてよい。実施形態では、センサは、ＰＶインバータに組み込まれていてよい。
３２０：ＰＶアレイ電力が所定閾値に到達したか否かを判定する。実施形態では、制御システム１１０は、その内部にＰＶインバータ３１定格を格納し、ＰＶインバータ３１定格を所定閾値として設定する。例えば、１ＭＷソーラインバータ及び１．５ＭＷのソーラパネルがある場合、制御システムは、ソーラインバータ３１の出力電力の大きさを監視し、いったんソーラインバータが、１ＭＷの電力制限になると、制御システム１１０は、利用可能な余剰電力をエネルギストレージ１１に貯蔵するようにＤＣ／ＤＣコンバータ３を制御する。
３３０：出力電力が所定閾値を越えた後、制御システム１１０は、出力電力が所定閾値未満に低下するか否か――貯蔵すべき余剰電力がもはやないこと――を判定するために、ＰＶインバータ３１の出力電力を継続的に監視する。
ディスパッチ可能なＰＶ
実施形態では、制御システム１１０は、ＰＶアレイ２により生成されたエネルギを、エネルギストレージ１１に貯蔵して、該エネルギが後でディスパッチされることを可能にする。エネルギは、ソーラ設備が削減されないとき、又は、オフテイク（例えば、電力会社、大規模産業工場、街等）がエネルギに対してプレミアムを支払うだろうとき、に利用可能である。
例えば、実施形態では、図８に示すように、制御システム１１０は：
７１０：ＰＶエネルギをグリッドに送る代わりに、ＰＶエネルギを用いてエネルギストレージ１１を充電することが利益であるか否かを判定するために、グリッドパラメータ及びエネルギ価格付けを監視する。例えば、制御システム１１０は、ユーティリティ又は他のエンティティからグリッドへのソーラ発電の送信を削減する又は停止する信号を受信してよい。
７２０：ソーラ発電エネルギをグリッドへ供給すべきでないと判定し、制御システム１１０は、ＰＶアレイ２からの電力をエネルギストレージ１１に貯蔵するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を制御する。制御システム１１０は、その後、例えば、所定時間が経過したことにより、又は、エンティティ（例えばユーティリティ）から信号を受信したことにより削減が終了したと、或いは、エネルギ価格が上昇したことが、電力をグリッドに供給することの収益性を高めた、と判定してよい。
７３０：いったん削減が終了する、又は、エネルギ価格が上昇すると、制御システム１１０は、ローカル負荷、ユーティリティ、大規模産業工場、街等を含んでよいグリッド１２０に電力を供給するように、ＰＶインバータ３１を制御してよい。
本実施形態は、ソーラ設備のソーラレイ２が削減された（削減が１日であっても）場合、全損失に代えて、可能な限りエネルギがエネルギストレージに貯蔵されるという利点がある。太陽光がないためにソーラ設備がオフラインであるより遅い点（例えば夜間）で、設備は、エネルギストレージ１１をグリッドに放電することができる。
勾配率制御
ＰＶ電力生産物は日照に依存しており、それ故、ＰＶ電力生産物は、雲の通過や他の陰り事象で揺らぐことがある。これらの陰り事象が起こると、下降勾配が生じる。太陽光が戻ると、上昇勾配が生じる。急な上昇勾配又は下降勾配があると、電力システム、又は、電力システムに接続された他のシステムにダメージが生じる可能性がある（例えば、高い勾配率は、システム障害の原因となる過不足事象を引き起こす可能性がある）。例えば、ソーラファームがフルパワーのときに、かなりの雲で覆われた場合、ソーラファームからの出力電力は、最大電力又は最大電力近くから非常に低い値になり、グリッド及び負荷は、電力の非常に速い変化率を処理するための十分な設備がない。実施形態では、制御システム１１０及びＤＣ／ＤＣコンバータ３は、予め規定された勾配率（時間に対する電力の変化率）を維持するために、上昇勾配事象時に部分的に充電し、下降勾配事象時に部分的に放電することにより、シェーディングにより引き起こされる上昇勾配及び下降勾配事象の両方を軽減する。
システム１００が、予め規定された勾配率を維持するための勾配制御で動作するように、制御システム１１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３及びＰＶインバータ３１を制御する。例えば、実施形態では、図９に示すように、制御システム１１０は、以下のように構成されている。即ち、
５１０：勾配制御が初期化された場合、制御システム１１０は、ＰＶインバータ２１のグリッドへの出力電力を監視する。このような監視は、ＰＶインバータ３１により出力される電圧の大きさを検出するセンサの使用を通じて行われてよい。
５２０：制御システム１１０は、電力の変化率が、予め規定された勾配率から設定量だけ異なるか否かを判定する。
５３０：率が設定量だけ異なると判定された場合、制御システム１１０は、上昇又は下降がゆるやかになるように、エネルギストレージ１１を放電又は充電するようにＤＣ／ＤＣコンバータ３を制御する（例えば、失われたソーラ生産物を補完して、出力電力の勾配率を遅くする）。
本発明の実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、ＰＶアレイ２の低電圧エネルギの捕捉を容易にし、インバータクリッピング、ディスパッチ可能なＰＶ及び勾配率制御に損失エネルギの捕捉を促進する。実施形態において、ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、エネルギストレージ１１とＰＶアレイ２との間で使用される。ＰＶアレイ２は、商用ＡＣグリッドに接続されたインバータを有してよい。従って、コンバータの電力フローは双方向である必要がある（ＰＶから充電されるバッテリ、ＰＶインバータを介してグリッドに放電するバッテリ）。バッテリ（エネルギストレージ）電圧は、両方向の電力の流れで、ＰＶ電圧よりも高いか低いか、又ははほぼ等しい可能性がある。そのため、コンバータのどちらの側も降圧または昇圧として使用できる。
実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、異なる化学物質の複数のバッテリを単一のインバータに並列に接続するためにも使用されてよく、また、既存のバッテリ設備の容量をアップグレードするために新たなバッテリが追加されたときに、バッテリの電力共有を促進するためにも使用されてよい。
このシステムは、ユーティリティ接合部がないマイクログリッドにおいても使用することができる。
このシステムは、ＡＣインバータを必要としないＤＣ負荷にサービスを提供するためにも使用することができる。
本発明の実施形態は、所有者の投資収益率（ＲＯＩ）を改善する太陽光発電設備から追加のエネルギを捕捉することを可能にする。加えて、本発明の実施形態は、時刻（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｄａｙ：ＴＯＤ）レートに基づいて、ピークに対処するとともに、エネルギをディスパッチするために、太陽光発電エネルギ生産物のディスパッチをタイムシフトすることを可能にする。
本発明の実施形態により、ユーザは、いったんストレージ及びコンバータが追加されたら、インバータクリッピング又は低電圧アレイ時間中に失われるエネルギを決定し、修正ＲＯＩを計算するための、履歴データ又は何らかのシミュレーションソフトウェア（例えばＰＶＳｙｓｔ）に基づいて、ＰＶシステムの生産を評価することもできる。
上述の特定の例示的な実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ４００は、エネルギストレージとＰＶアレイ／インバータとの間に結合されるものとして説明されているが、本発明はこの用途に限定されないと理解すべきである。当業者には、本発明の実施形態が、第１及び第２の入力／出力側で電圧が重複するＤＣ／ＤＣ変換が必要な用途等の追加の用途に適していることが容易に理解されよう。その他の例には、可変周波数ドライブ（ＶＦＤ）アプリケーションでのバックアップ電源が含まれる。ＤＣ／ＤＣコンバータは、ＶＦＤのＤＣバスと接続可能である。グリッド電圧が存在する場合、ＤＣバス電圧がグリッドによって確立され、ＶＦＤがモータに給電する。グリッドがなくなると（例えば停電等）、ＤＣ／ＤＣコンバータはバッテリをＶＦＤに放電することでＤＣバスを維持し、ＶＦＤを中断なく実行できる。
本開示の範囲から逸脱することなく、開示された電力システムに様々な修正及び変更を行うことができることは、当業者には明らかであろう。本開示の他の実施形態は、本開示の明細書及び実施の考慮から当業者には明らかであろう。本明細書及び実施例は例示としてのみ考慮されることが意図されており、本開示の真の範囲は以下の特許請求の範囲及びそれらの均等物によって示される。

Claims (6)

  1. 電力源からの低電圧エネルギを捕捉する電力システムであって、
    ＤＣバスに結合された前記電力源と、
    前記ＤＣバス及びエネルギストレージデバイスに結合されたＤＣ／ＤＣ電力コンバータと、
    前記ＤＣバス及びＡＣバスに結合された電力インバータと、
    制御システムと、
    を備え、
    前記制御システムは、
    前記電力源により生成される電圧を監視し、
    前記電力源が第１所定閾値より大きい電圧を生成しているか否かを判定し、
    前記電力源が前記第１所定閾値より大きい電圧を生成していると判定された場合に、前記電力源が第２所定閾値より小さい電圧を生成しているか否かを判定し、
    前記電力源が前記第１所定閾値と前記第２所定閾値との間の電圧を生成していると判定された場合に、ＭＰＰＴモードで動作するように前記ＤＣ／ＤＣ電力コンバータを制御するとともに、前記電力源により生成されたエネルギを前記エネルギストレージデバイスにストレージし、更に、ＭＰＰＴモードで動作しないように前記電力インバータ制御し
    前記電力源が前記第２所定閾値以上の電圧を生成していると判定された場合に、ＭＰＰＴモードで動作するように前記電力インバータを制御するとともに、前記電力源により生成されたエネルギを、前記ＡＣバスを介して、電力グリッドに供給し、更に、ＭＰＰＴモードで動作しないように前記ＤＣ／ＤＣ電力コンバータを制御する
    ように構成された一以上のコントローラを有する
    ことを特徴とする電力システム。
  2. 前記第１所定閾値は、前記ＤＣ／ＤＣ電力コンバータにおける予測損失に等しいことを特徴とする請求項１に記載の電力システム。
  3. 前記電力インバータは、前記電力インバータを動作させるために前記ＤＣバスが到達しなければならない電圧の大きさである起動電圧を有し、
    前記第２所定閾値は、前記電力インバータの前記起動電圧と等しい
    ことを特徴とする請求項１に記載の電力システム。
  4. 前記電力源により生成された電圧は継続的に監視され、
    前記制御システムは、ＭＰＰＴモードでの動作と、ＭＰＰＴモードではない動作との間で遷移させるために、前記ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ及び前記電力インバータを継続敵意制御する
    ことを特徴とする請求項１に記載の電力システム。
  5. 前記電力源が、前記第２所定閾値より小さい電圧を生成しているか否かを判定する際に、前記制御システムは、更に、前記ＤＣバスでの電圧を監視するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電力システム。
  6. 前記ＤＣバスでの電圧を検知して、前記検知された電圧を前記電力システムに送信するセンサを更に備えることを特徴とする請求項５に記載の電力システム。
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