JP7111792B2 - 交流負荷電力供給システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力供給分配の分野に関し、特に交流負荷電力供給システム及び方法に関する。

電力供給圧力を緩和するために、太陽光発電、風力発電、エネルギー貯蔵装置などで構成される直流マイクログリッドシステムが徐々に注目されている。負荷変動のランダム性、及び太陽光発電、風力発電などの再生可能エネルギー源の間欠的で分散した特徴を考慮すると、直流マイクログリッドの安定性に大きな挑戦をもたらし、エネルギー貯蔵装置はエネルギーバランス、電気エネルギー品質、及び安定したシステム動作を確保する面で重要な役割を担っている。

電気自動車充電スタンド、交流非同期機などの高電力交流負荷に必要な電気エネルギーは、長期定常電気エネルギー及び瞬間動的電気エネルギーに分けられ、単一のエネルギー貯蔵装置により高周波急変負荷需要及び低周波長期負荷需要を同時に処理すると、電池の性能を犠牲にし、電池のコストを増加させる。

グリッド容量が限られているか、グリッドが故障している場合、高電力交流負荷は、電気エネルギーの供給のシームレスな切り替えを要求するが、現在採用されている外付け無停電電源（ＵＰＳ：Ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ）方式によれば、シームレスな切り替えを実現できず、負荷の停電が発生する。

本開示の実施例は、交流負荷電力供給システム及び方法を提供し、それにより、従来技術の制限及び欠陥によって引き起こされる１つ又は複数の問題を少なくともある程度克服する。

本開示の他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明を通じて明らかになるか、本発明の実施を通じて部分的に学習されるであろう。

本開示の実施例の第１の態様によれば、電力供給装置及びＤＣ／ＡＣコンバータを含み、前記ＤＣ／ＡＣコンバータの交流側は、交流バスを介して交流グリッド及び交流負荷に結合され、前記電力供給装置は、直流電気エネルギーを出力し、直流バスを介して前記ＤＣ／ＡＣコンバータの直流側に結合され、前記電力供給装置は、エネルギー貯蔵モジュール及びコントローラを含み、前記エネルギー貯蔵モジュールは、少なくとも第１のエネルギー貯蔵ユニット及び第２のエネルギー貯蔵ユニットを含み、前記コントローラは、前記第１のエネルギー貯蔵ユニットの変換動作を制御して低周波成分を前記直流バスに出力するように構成され、前記コントローラはさらに、前記第２のエネルギー貯蔵ユニットの変換動作を制御して高周波電力を前記直流バスに出力するように構成される、交流負荷電力供給システムが提案される。

本開示の一例示的な実施例では、前記コントローラは、電流源モードで動作して前記低周波成分を出力するように前記第１のエネルギー貯蔵ユニットを制御するように構成され、前記コントローラはさらに、電圧源モードで動作して前記高周波電力を出力するように前記第２のエネルギー貯蔵ユニットを制御するように構成される。

本開示の一例示的な実施例では、前記第１のエネルギー貯蔵ユニットは、低電力密度エネルギー貯蔵素子及び第１のＤＣ／ＤＣコンバータを含み、前記コントローラは、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流を制御するように構成される。

本開示の一例示的な実施例では、前記第２のエネルギー貯蔵ユニットは、高電力密度エネルギー貯蔵素子及び第２のＤＣ／ＤＣコンバータを含み、前記コントローラは、前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を制御するように構成される。

本開示の一例示的な実施例では、前記第１のエネルギー貯蔵ユニット又は第２のエネルギー貯蔵ユニットは、フライホイールエネルギー貯蔵装置及びＡＣ／ＤＣコンバータを含み、前記コントローラは、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの出力電流又は出力電圧を制御するように構成される。

本開示の一例示的な実施例では、前記エネルギー貯蔵モジュールは、前記直流バスに結合された出力ポートを有し、前記エネルギー貯蔵モジュールは、複数のエネルギー貯蔵ユニットを含み、前記複数のエネルギー貯蔵ユニットの出力端は、並列した後に前記出力ポートに結合され、前記エネルギー貯蔵モジュールの総変換電気エネルギーは、前記出力ポートを介して前記直流バスに送信される。

本開示の一例示的な実施例では、前記電力供給装置は、直流マイクログリッドシステムであり、前記直流マイクログリッドシステムはさらに、太陽光発電モジュール、風力発電モジュール、及びディーゼル発電機のうちの１つ以上を含む。

本開示の一例示的な実施例では、前記コントローラは、前記直流バスの電圧信号及び前記エネルギー貯蔵モジュールの電流信号に従って前記エネルギー貯蔵モジュールの出力電力を計算するための計算ユニットと、前記計算ユニットに結合され、前記出力電力中の低周波成分を抽出するための電力抽出ユニットと、前記電力抽出ユニットに結合され、前記低周波成分に従って前記第１のエネルギー貯蔵ユニットの出力電力を調整するための電流源制御ユニットと、前記直流バスの電圧基準値に従って前記第２のエネルギー貯蔵ユニットの出力電圧を調整して、前記直流バスの電圧を安定させ、同時に、前記第２のエネルギー貯蔵ユニットが前記高周波電力を自動的に出力するようにするための電圧源制御ユニットと、を含む。

本開示の一例示的な実施例では、前記第１のエネルギー貯蔵ユニットは低電力密度電池を含み、前記第２のエネルギー貯蔵ユニットは高電力密度電池を含み、前記計算ユニットはさらに、前記高電力密度電池の第１の充電状態、及び前記低電力密度電池の第２の充電状態を計算するために使用される。

本開示の一例示的な実施例では、前記電力抽出ユニットは、前記出力電力に従ってその平均電力変化率を計算するための第１の計算モジュールと、前記平均電力変化率が電力変動閾値より大きい場合に、前記出力電力をフィルタリングして前記出力電力中の前記低周波成分を取得するためのフィルタリングモジュールと、を含む。

本開示の一例示的な実施例では、前記電力抽出ユニットは、前記第１の充電状態及び前記第２の充電状態に従って、第１の充放電バランス及び第２の充放電バランスをそれぞれ計算して取得するための第２の計算モジュールと、前記第２の充放電バランス、前記出力電力、及び前記平均電力変化率に従ってウィンドウ関数を決定して前記フィルタリングモジュールに送信することで、前記ウィンドウ関数に従って前記フィルタリングモジュールのウィンドウ幅及びウィンドウ形状を調整するための第１の調整モジュールと、前記第１の充放電バランスに従って前記フィルタリングモジュールのカットオフ周波数を調整し、時間領域での前記カットオフ周波数の応答関数を計算して前記フィルタリングモジュールに送信するための第２の調整モジュールと、をさらに含む。

本開示の一例示的な実施例では、前記フィルタリングモジュールは、前記ウィンドウ関数、前記応答関数、及び前記出力電力に従ってフィルタリング関数を計算し、前記フィルタリング関数に従って前記低周波成分を抽出する。

本開示の一例示的な実施例では、前記平均電力変化率が電力変動閾値以下である場合、前記出力電力が前記低周波成分となり、前記電流源制御ユニットに出力される。

本開示の一例示的な実施例では、前記交流負荷は交流非同期モータであり、前記第２のエネルギー貯蔵ユニットは、前記交流非同期モータの起動時の電力を提供するために使用され、前記第１のエネルギー貯蔵ユニットは、前記交流非同期モータが安定して動作しているときの電力を提供するために使用される。

本開示の一例示的な実施例では、前記交流負荷は電気自動車充電スタンドである。

本開示の実施例の第２の態様によれば、交流負荷電力供給システムに用いられる交流負荷電力供給方法が提案され、前記交流負荷電力供給システムは、電力供給装置及びＤＣ／ＡＣコンバータを含み、前記ＤＣ／ＡＣコンバータの交流側は、交流バスを介して交流グリッド及び交流負荷に結合され、前記電力供給装置は、直流電気エネルギーを出力し、直流バスを介して前記ＤＣ／ＡＣコンバータの直流側に結合され、前記電力供給装置は、エネルギー貯蔵モジュール及びコントローラを含み、前記エネルギー貯蔵モジュールは、少なくとも第１のエネルギー貯蔵ユニット及び第２のエネルギー貯蔵ユニットを含み、前記コントローラは、前記第１のエネルギー貯蔵ユニットの変換動作を制御して低周波成分を前記直流バスに出力するように構成され、前記コントローラはさらに、前記第２のエネルギー貯蔵ユニットの変換動作を制御して高周波電力を前記直流バスに出力するように構成され、前記電力供給方法は、
前記直流バスの電圧及びエネルギー貯蔵モジュールの出力電流を収集して、前記エネルギー貯蔵モジュールの出力電力を計算するステップ１と、
前記出力電力を抽出して低周波成分を取得するステップ２と、
第１のエネルギー貯蔵ユニットが前記交流負荷に必要な低周波成分を出力するように、前記低周波成分に従って前記第１のエネルギー貯蔵ユニットの出力電力を調整するステップ３と、
第２のエネルギー貯蔵ユニットが前記交流負荷に必要な高周波電力を出力するように、前記直流バスの電圧基準値に従って前記第２のエネルギー貯蔵ユニットの出力電圧を調整して前記直流バスの電圧を安定させるステップ４と、を含むことを特徴とする。

本開示の一例示的な実施例では、前記方法は、前記高電力エネルギー貯蔵装置における第２のエネルギー貯蔵ユニットの第１の充電状態を計算することと、前記低電力エネルギー貯蔵装置における第１のエネルギー貯蔵ユニットの第２の充電状態を計算することと、をさらに含む。

本開示の一例示的な実施例では、前記ステップ２は、
前記出力電力に従ってその平均電力変化率を計算するステップ２１を含み、
前記平均電力変化率が電力変動閾値より大きい場合、前記出力電力をフィルタリングして前記出力電力中の低周波成分を取得し、前記平均電力変化率が電力変動閾値以下である場合、前記出力電力が前記低周波成分となる。

本開示の一例示的な実施例では、前記ステップ２は、
前記第１の充電状態及び前記第２の充電状態に従って、第１の充放電バランス及び第２の充放電バランスをそれぞれ計算するステップ２２と、
前記第２の充放電バランス、前記出力電力、及び前記電力変化率に従ってウィンドウ関数を決定し、前記ウィンドウ関数に従って前記フィルタリングモジュールのウィンドウ幅及びウィンドウ形状を調整するステップ２３と、
前記第１の充放電バランスに従って予定のカットオフ周波数を調整して、最終的なカットオフ周波数を取得し、時間領域での最終的なカットオフ周波数の応答関数を計算するステップ２４と、
前記ウィンドウ関数、前記応答関数、及び前記出力電力に従ってフィルタリング関数を計算するステップ２５と、をさらに含む。

本開示に提供される交流負荷電力供給システム及び方法は、分周制御メカニズムを採用する。例えば、低電力密度エネルギー貯蔵ユニットは、電流源モードで動作して低周波電力を提供し、高電力密度エネルギー貯蔵ユニットは、電圧源モードで動作して高周波電力を自動的に提供し、即ち、電力差を自動的に提供する。電力供給システムは、オングリッドモードで動作すると同時に、グリッド及び交流負荷に電力を供給することができ、このとき、ＤＣ／ＡＣコンバータは、交流電流源又は仮想同期機で動作することができる。電力供給システムは、オフグリッドモードで動作し、単独で交流負荷に電力を供給するバックアップ電源として使用されてもよく、このとき、ＤＣ／ＡＣコンバータは、交流電圧源又は仮想同期機で動作することができる。本開示の交流負荷電力供給システムは、オングリッドとオフグリッドとの間のシームレスな切り替えを実現することができる。交流負荷が充電スタンドである場合、本開示の交流負荷電力供給システムは、従来の充電スタンドの構造を変更することなく、充電スタンドへのオングリッド及びオフグリッド電力供給を実現することができる。

幾つかの実施例では、直流バスの電圧及びエネルギー貯蔵モジュールの出力電流に従ってその出力電力を決定することで、通信に依存せずに電力供給システムの他のノード及び交流負荷の電力信号を取得することができる。

幾つかの実施例では、高電力密度エネルギー貯蔵素子の充電状態、低電力密度エネルギー貯蔵素子の充電状態、及びエネルギー貯蔵モジュールの出力電力に従ってフィルタリングモジュールのパラメーターを適応的に調整することで、ハイブリッドエネルギー貯蔵モジュールが出力する必要がある低周波成分をタイムリー且つ正確に検出し、制御効果を満たすことを前提としてハイブリッドエネルギー貯蔵モジュールができるだけ長く働けるように確保し、電池の過充電又は過放電によるシステム停止を回避することができる。

なお、前記一般的な記載及び後述の詳細な記載は、単なる例示的な記載であり、本開示を限定しない。

ここの図面は、明細書に組み入れて本明細書の一部分を構成し、本発明に該当する実施例を例示するとともに、明細書とともに本発明の原理を解釈する。なお、以下の記載における図面はただ本発明の一部の実施例に過ぎず、当業者にとって、創造的な労働を付与しない前提で、これらの図面によって他の図面を取得することもできる。

本発明の一例示的な実施形態に係る交流負荷電力供給システムの概略図を示す。 本発明の別の例示的な実施形態に係る交流負荷電力供給システムの概略図を示す。 本発明のさらに別の例示的な実施形態に係る交流負荷電力供給システムの概略図をそれぞれ示す。 本発明のさらに別の例示的な実施形態に係る交流負荷電力供給システムの概略図をそれぞれ示す。 図１の交流負荷電力供給システムの回路概略図を示す。 図４における電流源制御ユニット１１２３の制御ブロック図を示す。 図４における電圧源制御ユニット１１２４の制御ブロック図を示す。 本発明の一例示的な実施形態に係る電力抽出ユニットの概略図である。 本発明の一例示的な実施形態に係る交流負荷が電気自動車充電スタンドである概略図を示す。 本発明の一例示的な実施形態に係る交流負荷が交流非同期モータである概略図を示す。 本発明の一例示的な実施形態に係る交流負荷電力供給方法のフローチャートを示す。 図１０のステップ２に係る一例示的な実施形態におけるフローチャートを示す。

次に、図面を参照して、例示的な実施形態をより完全に説明する。しかしながら、例示的な実施形態は、様々な形態で実装することができ、本明細書に記載の実施形態に限定されると解釈されるべきではない。逆に、これらの実施形態は、本発明が包括的且つ完全になるように提供され、例示的な実施形態の概念が当業者に完全に伝達される。図面において、同一の参照符号は同一又は類似の部分を示すので、それらの繰り返しの説明は省略される。

説明された特徴、構造、又は特性は、任意の適切な方法で１つ又は複数の実施形態で組み合わせることができる。以下の説明では、本発明の実施形態を完全に理解するために、多くの特定の詳細が提供されている。しかしながら、当業者は、本発明の技術的解決策が特定の詳細の１つ以上を省略して実施できるか、又は他のシステム、コンポーネント、方法、ステップなどを使用できることを理解するであろう。他の例では、本発明の各態様を不明瞭にすることを避けるために、よく知られているシステム、方法、実装、又は動作は、詳細に示されていないか、又は記載されていない。

図面は、本発明の概略図にすぎず、図中の同じ参照符号は、同じ又は類似の部分を示し、したがって、それらの繰り返しの説明は省略される。図面に示されているブロック図のいくつかは、必ずしも物理的又は論理的に独立したエンティティに対応しているとは限らない。これらの機能エンティティは、ソフトウェアの形で実装されるか、１つ又は複数のハードウェアモジュール又は集積回路で実装されるか、異なるネットワーク及び／又はプロセッサメソッド及び／又はマイクロコントローラメソッドで実装される。

図面に示されるフローチャートは、例示的な説明にすぎず、全ての内容及びステップを含む必要はなく、記載された順序で実行される必要もない。例えば、一部のステップは分解することもでき、一部のステップはマージ又は部分的にマージすることができるため、実際の実行順序は実際の状況に応じて変わる可能性がある。

図１は、本発明の一例示的な実施形態に係る交流負荷電力供給システムの概略図を示す。図１に示すように、交流負荷電力供給システム１は、電力供給装置１１及びＤＣ／ＡＣコンバータ１２を含む。ＤＣ／ＡＣコンバータ１２の交流側は、交流バス８を介して交流グリッド９及び交流負荷１０に結合され、電力供給装置１１は、直流電気エネルギーを出力し、直流バス１３を介してＤＣ／ＡＣコンバータ１２の直流側に結合される。電力供給装置１１は、エネルギー貯蔵モジュール１１１及びコントローラ１１２を含み、ここで、エネルギー貯蔵モジュール１１１は、少なくとも第１のエネルギー貯蔵ユニット１１１１及び第２のエネルギー貯蔵ユニット１１１２を含む。コントローラ１１２は、第１のエネルギー貯蔵ユニット１１１１の変換動作を制御して低周波電力を直流バス１３に出力するように構成され、コントローラ１１２はさらに、第２のエネルギー貯蔵ユニット１１１２の変換動作を制御して高周波電力を直流バス１３に出力するように構成される。

交流負荷１０に必要な電力は、高周波電力及び低周波電力を含み、コントローラ１１２は、交流負荷の電力信号を分解して、低周波成分を抽出し、この低周波成分に従って第１のエネルギー貯蔵ユニット１１１１を制御して低周波電力を提供し、及び、第２のエネルギー貯蔵ユニット１１１２の出力電圧を制御することによって、第２のエネルギー貯蔵ユニットが必要な高周波電力を自動的に提供するようにすることができる。

本発明の交流負荷電力供給システムは、交流バスを介して交流グリッド及び交流負荷に同時に接続され、交流グリッドが故障してグリッドホッピングするか、スケジューリング指令を受け取ってアイランド動作に切り替える場合、電力供給システム１は、シームレスな切り替えを実現して交流負荷に継続的に電力を供給することができる。交流グリッド容量が不足すると、交流負荷の電力供給需要を満たすことができず、電力供給システム１が交流グリッドにエネルギーを出力し、或いは、交流グリッドの開閉容量の制限により、グリッドは交流負荷の電力供給需要を満たすことができず、電力供給システム１は交流グリッドと協働して負荷に電力を供給する。したがって、元のグリッドの構造及び構成を変更することなく、バックアップの電力供給システム１を追加するだけで、オフグリッド及びオングリッド電力供給を実現することができ、同時に、交流負荷の電力供給需要の変化に効果的に対応することができる。

ＤＣ／ＡＣコンバータ１２は、電力供給装置から出力された直流電気エネルギーを受け取り、それを交流電気エネルギーに変換して交流グリッド又は交流負荷に供給する。好ましくは、ＤＣ／ＡＣコンバータ１２は、双方向のエネルギーの流れを実現する双方向のＤＣ／ＡＣコンバータであり、電力供給装置から出力された電気エネルギーをグリッドに供給できるだけでなく、グリッド内の余分な電気エネルギーを変換して、エネルギー貯蔵モジュールに貯蔵することもできる。幾つかの実施例では、ＤＣ／ＡＣコンバータ１２は、電気エネルギーを変換して電気エネルギー品質を調整する中央電力調整器（ＰＣＳ）であり、中央ＰＣＳは、複数の制御戦略を採用することができる。例えば、オングリッドの場合、高電力ＰＣＳは、交流電流源モードで動作するか、ＰＣＳに対して仮想同期機制御を行うことができ、オフグリッドの場合、高電力ＰＣＳは、交流電圧源モードで動作するか、ＰＣＳに対して仮想同期機制御を行うことができる。本発明におけるエネルギー貯蔵モジュールと電力調整器は、完全なエネルギー貯蔵システムに統合されることもでき、高信頼性、高電力出力、及び迅速反応の特性を有し、グリッドで負荷移行、ピーク電力調整、需要調整の機能を果たすことができる。

さらに、ＤＣ／ＡＣコンバータと交流グリッドとの間に変圧装置が設けられ、同様に、ＤＣ／ＡＣコンバータと交流負荷との間に変圧装置が設けられる。交流バス８には、交流遮断器などの保護装置がさらに設けられ、ここでは詳細な説明を省略する。

コントローラ１１２は、第１のエネルギー貯蔵ユニット１１１１を電流源モードで動作して必要な低周波電力を出力するように制御する。具体的に、コントローラ１１２は、エネルギー貯蔵モジュールの出力電力Ｐ_ＥＳＳを計算して取得し、出力電力中の低周波成分Ｐ_Ｌを抽出し、前記低周波成分Ｐ_Ｌが指令値として使用される。コントローラ１１２は、Ｐ_Ｌに従って第１のエネルギー貯蔵ユニット１１１１の出力電流を調整することで、必要な低周波電力を提供する。コントローラ１１２はさらに、第２のエネルギー貯蔵ユニット１１１２を電圧源モードで動作して必要な高周波電力を出力するように制御する。具体的に、コントローラ１１２は、直流バス１３の電圧基準値Ｕ_ｒｅｆを指令値として取得し、Ｕ_ｒｅｆに従って第２のエネルギー貯蔵ユニット１１１２の出力電圧Ｕ_ｄｃを調整して、直流バス１３の電圧を安定させると同時に、必要な高周波電力を自動的に出力する。

第１のエネルギー貯蔵ユニット１１１１は、低電力密度エネルギー貯蔵素子及び第１のＤＣ／ＤＣコンバータを含み、コントローラ１１２は、第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流を制御するように構成される。第２のエネルギー貯蔵ユニット１１１２は、高電力密度エネルギー貯蔵素子及び第２のＤＣ／ＤＣコンバータを含み、コントローラ１１２は、第２のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を制御するように構成される。好ましくは、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ及び第２のＤＣ／ＤＣコンバータは、双方向のＤＣ／ＤＣコンバータである。

エネルギー貯蔵素子は、出力特性に応じて高電力密度と低電力密度の２つに分類できる。低電力密度エネルギー貯蔵素子は、エネルギー密度が高いが、電力密度が小さく、応答時間が長いため、低周波出力に適しており、高電力密度エネルギー貯蔵素子は、電力密度が高く、応答時間が短いが、エネルギー密度が小さいため、高周波出力に適している。交流負荷電力の変動に対処し、直流バス電圧を安定させるために、エネルギー貯蔵モジュールは高電力を頻繁に吸収又は放出する必要があり、頻繁な高電力充放電は電池の寿命に深刻な影響を及ぼし、単一のエネルギー貯蔵装置により電力とエネルギーの両方の需要を同時に満たすことは困難である。本発明の第１のエネルギー貯蔵ユニット１１１１は低電力密度エネルギー貯蔵ユニットであり、低電力密度エネルギー貯蔵素子を採用しており、第２のエネルギー貯蔵ユニット１１１２は高電力密度エネルギー貯蔵ユニットであり、高電力密度エネルギー貯蔵素子を採用しており、これにより、ハイブリッドエネルギー貯蔵モジュール１１１を構成する。低電力密度エネルギー貯蔵素子と高電力密度エネルギー貯蔵素子は協働して出力し、利点が互いに補完され、負荷電力スケジューリング曲線を満たすだけでなく、ハイブリッドエネルギー貯蔵モジュール１１１の動的性能を向上させ、各エネルギー貯蔵素子の使用寿命を延ばす。

本実施例のハイブリッドエネルギー貯蔵モジュールにおいて、第１のエネルギー貯蔵ユニットは電流源モードで動作して低周波電力を提供し、第２のエネルギー貯蔵ユニットは電圧源モードで動作して直流バス１３での電圧を安定させると同時に、電力不足を自動的に提供する。第１のエネルギー貯蔵ユニットと第２のエネルギー貯蔵ユニットが全て電流源モードで動作する方案と比較して、直流バス電圧変動をより速く抑制し、直流バス電圧の安定性、及び良好な動的応答を確保し、エネルギー貯蔵素子の使用寿命を延ばすことができる。第１のエネルギー貯蔵ユニットは電流源モードで動作し、第２のエネルギー貯蔵ユニットは電圧源モードで動作し、第１のエネルギー貯蔵ユニットは必要な低周波電力を提供し、第２のエネルギー貯蔵ユニットは、電力差を自動的に提供し、必要な高周波電力を出力し、したがって、両者により与えられる電力は周波数分割して差を求めることにより取得する必要がなく、高周波電力の追跡性能が優れている。

図１に示すように、エネルギー貯蔵モジュール１１１は、出力ポート１１１３をさらに有し、出力ポート１１１３は、直流バス１３に結合され、第１のエネルギー貯蔵ユニット１１１１及び第２のエネルギー貯蔵ユニット１１１２の出力端は、並列してから出力ポート１１１３に結合され、エネルギー貯蔵モジュール１１１の総出力電気エネルギーは、出力ポート１１１３を介して直流バス１３に送られる。

別の幾つかの実施例では、エネルギー貯蔵モジュール１１１は、複数のエネルギー貯蔵ユニットを含み、ここで、複数のエネルギー貯蔵ユニットの一部は低電力密度エネルギー貯蔵素子を含み、複数のエネルギー貯蔵ユニットの別の部分は高電力密度エネルギー貯蔵素子を含む。さらに、低電力密度エネルギー貯蔵素子を含むこれらのエネルギー貯蔵ユニットは低周波電力を提供し、これらのエネルギー貯蔵ユニットは第１のエネルギー貯蔵ユニットである。同様に、高電力密度エネルギー貯蔵素子を含むこれらのエネルギー貯蔵ユニットは高周波電力を提供し、これらのエネルギー貯蔵ユニットは第２のエネルギー貯蔵ユニットである。コントローラ１１２は、直流バスの電圧Ｕ_ｄｃ、及びハイブリッドエネルギー貯蔵モジュールの出力ポート１１１３における電流Ｉ_ｄｃを収集し、ハイブリッドエネルギー貯蔵モジュールの出力電力Ｐ_ＥＳＳ、即ち交流負荷に必要な電力を計算する。一般的に、電力供給装置と交流負荷との間の距離は遠く、コントローラは通信システムに依存して交流負荷に必要な電力信号を取得するため、高周波電力の追跡性能が低下される。本発明において、コントローラは出力ポート１１１３における直流電圧及び直流電流を収集し、エネルギー貯蔵モジュールの出力電力、即ち交流負荷に必要な電力を計算して取得し、コントローラは通信に依存せずに交流負荷の電力信号を直接に取得する。

図２は、本発明の別の例示的な実施形態に係る交流負荷電力供給システムの概略図を示す。本実施例では、交流負荷電力供給システム２は、図１に示す電力供給システム１と同様であり、且つ同じ構成要素番号は、同じ構成要素、構造、及び機能を表し、ここでは詳細な説明を省略する。本実施例では、交流負荷電力供給システム２は、電力供給装置２１及びＤＣ／ＡＣコンバータ２２を含む。ＤＣ／ＡＣコンバータ２２の交流側は、交流バス８を介して交流グリッド９及び交流負荷１０に結合され、電力供給装置２１は、直流電気エネルギーを出力し、直流バス２３を介してＤＣ／ＡＣコンバータの直流側に結合される。電力供給装置２１は、エネルギー貯蔵モジュール２１１及びコントローラ２１２を含み、ここで、エネルギー貯蔵モジュール２１１は、少なくとも第１のエネルギー貯蔵ユニット２１１１及び第２のエネルギー貯蔵ユニット２１１２を含む。第１のエネルギー貯蔵ユニット２１１１は低電力密度エネルギー貯蔵素子を含み、第２のエネルギー貯蔵ユニット２１１２は高電力密度エネルギー貯蔵素子を含む。第１の実施例における電力供給システム１との違いは、第１のエネルギー貯蔵ユニット２１１１又は第２のエネルギー貯蔵ユニット２１１２のいずれかがフライホイールエネルギー貯蔵装置及びＡＣ／ＤＣコンバータを含むことである。フライホイールエネルギー貯蔵装置は、ＡＣ／ＤＣコンバータの交流側に接続され、ＡＣ／ＤＣコンバータの直流側は、出力ポート２１１３に結合される。

フライホイールエネルギー貯蔵技術は新たな電気エネルギー貯蔵技術であり、フライホイールエネルギー貯蔵装置は、高エネルギー貯蔵密度、高電力密度、長寿命、広い動作温度範囲、低損失、環境保護、無公害、及び低メンテナンスコストなどの特徴を有し、電力品質の向上、及び負荷変更への適応などの面で極めて高い優位性を有する。フライホイールエネルギー貯蔵装置は、低電力密度エネルギー貯蔵素子として使用されるだけでなく、高電力密度エネルギー貯蔵素子として使用されることもできる。図２に示すように、エネルギー貯蔵モジュール２１１は、高電力密度エネルギー貯蔵素子としてフライホイールエネルギー貯蔵装置を採用し、低電力密度エネルギー貯蔵素子として蓄電池を採用しており、蓄電池とフライホイールエネルギー貯蔵装置が互いに協働してハイブリッドエネルギー貯蔵モジュール２１１を構成する。蓄電池は低周波電力を提供し、フライホイールエネルギー貯蔵装置は、高周波電力を提供すると同時に、直流バス電圧の安定性を維持する。

図３Ａ及び図３Ｂは、本発明のさらに別の例示的な実施形態に係る交流負荷電力供給システムの概略図をそれぞれ示す。図３Ａに示すように、交流負荷電力供給システム３は、電力供給装置３１Ａ及びＤＣ／ＡＣコンバータ３２を含む。電力供給装置は、エネルギー貯蔵モジュール３１１、コントローラ３１２、及び太陽光発電モジュール３１３を含み、ここで、エネルギー貯蔵モジュール３１１は、少なくとも第１のエネルギー貯蔵ユニット３１１１及び第２のエネルギー貯蔵ユニット３１１２を含む。本実施例において、コントローラにより計算される出力電力Ｐ_ＥＳＳは、太陽光発電モジュールと交流負荷の総電力である。図３Ｂに示すように、電力供給装置３１Ｂは、太陽光発電モジュール、ガスタービン発電モジュール、エネルギー貯蔵モジュールを含み、直流バスを介してエネルギーを外部に搬送して、直流マイクログリッドシステムを形成し、ここで、ガスタービンにより放出される電気エネルギーは、ＡＣ／ＤＣコンバータにより直流電気エネルギーに変換されて直流バスに搬送される。

幾つかの実施例では、電力供給装置は直流マイクログリッドであり、直流マイクログリッド内の電源には多くの種類があり、例えば、太陽光発電モジュール、風力発電モジュール、ハイブリッドエネルギー貯蔵モジュール、マイクロガスタービン又はディーゼル発電機などを含むが、これらに限定されない。直流マイクログリッドと中央ＰＣＳは、オングリッドとアイランドの２つのモードで動作可能な交流負荷電力供給システムを構成する。交流グリッドが故障した場合、交流負荷電力供給システムは迅速に交流グリッドから切り離れて、独立して交流負荷に電力を供給し、交流グリッドの故障が解消して正常に戻ると、交流負荷電力供給システムはオングリッド制御によって交流グリッドに再び接続され、オングリッド動作に再び入る。直流マイクログリッド内の各マイクロソース間の協調制御により、電力供給システムの電力バランスを維持し、直流バス電圧を安定させる。

図４は、図１の交流負荷電力供給システムの回路概略図を示す。図４に示すように、第１のエネルギー貯蔵ユニット１１１１は、低電力密度エネルギー貯蔵素子及び第１のＤＣ／ＤＣコンバータを含み、第２のエネルギー貯蔵ユニット１１１２は、高電力密度エネルギー貯蔵素子及び第２のＤＣ／ＤＣコンバータを含む。コントローラ１１２は、計算ユニット１１２１、電力抽出ユニット１１２２、電流源制御ユニット１１２３、及び電圧源制御ユニット１１２４を含む。

計算ユニット１１２１は、直流バス１３の電圧信号Ｕ_ｄｃ及びエネルギー貯蔵モジュールの出力ポート１１１３の電流信号Ｉ_ｄｃに従ってエネルギー貯蔵モジュール１１１の出力電力Ｐ_ＥＳＳを計算するために使用される。電力抽出ユニット１１２２は、計算ユニット１１２１に結合され、出力電力Ｐ_ＥＳＳ中の低周波成分Ｐ_Ｌを抽出するために使用される。電流源制御ユニット１１２３は、電力抽出ユニット１１２２に結合され、低周波成分Ｐ_Ｌに従って第１のエネルギー貯蔵ユニットの出力電力を調整するために使用される。電圧源制御ユニット１１２４は、直流バス１３の電圧基準値に従って第２のエネルギー貯蔵ユニットの出力電圧を調整して、直流バス１３の電圧Ｕ_ｄｃを安定させ、同時に、第２のエネルギー貯蔵ユニット１１１２は、高周波電力を自動的に出力し、電力不足を提供する。

本実施例において、交流負荷電力供給システム４が独立して交流負荷に電力を供給する場合、エネルギー貯蔵モジュール１１１の出力電力は、負荷に必要な電力であり、通信に依存せずに交流負荷１０の電力信号を取得することができる。幾つかの実施例では、電力供給装置１１は、太陽光発電モジュールをさらに含み、交流負荷電力供給システム４が独立して交流負荷１０に電力を供給する場合、エネルギー貯蔵モジュール１１１の出力電力は、太陽光発電モジュールと交流負荷１０の総電力であり、太陽光発電モジュールの電力信号及び交流負荷の電力信号をそれぞれ収集する必要がなく、通信に依存せずに交流負荷の電力信号を直接に取得する。別の幾つかの実施例では、交流負荷電力供給システム４は、複数の発電モジュールを含み、エネルギー貯蔵モジュールの出力電力を計算することによって、発電モジュールと交流負荷１０の総電力を直接に取得する。

本発明の一例示的な実施形態によれば、第１のエネルギー貯蔵ユニット１１１１は低電力密度電池を含み、第２のエネルギー貯蔵ユニット１１１２は高電力密度電池を含み、計算ユニット１１２１はさらに、高電力密度電池の充電状態を計算して第１の充電状態ＳＯＣ１として記録し、且つ、低電力密度電池の充電状態を計算して第２の充電状態ＳＯＣ２として記録するために使用される。

本発明の一例示的な実施形態によれば、電流源制御ユニット１１２３は、電力抽出ユニット１１２２から出力された低周波成分Ｐ_Ｌ、低電力密度エネルギー貯蔵素子の充放電電流Ｉ_１、及び直流バス電圧Ｕ_ｄｃを受け取り、スイッチング信号を出力して、第１のＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング素子を制御するために使用される。電圧源制御ユニット１１２４は、直流バス１３の電圧基準値Ｕ_ｒｅｆ、直流バス電圧Ｕ_ｄｃ、及び高電力密度エネルギー貯蔵素子の充放電電流Ｉ_２を受け取り、スイッチング信号を出力して、第２のＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング素子を制御するために使用される。

図５は、図４の電流源制御ユニット１１２３の制御ブロック図を示す。図５に示すように、第１のＤＣ／ＤＣコンバータにより低電力密度エネルギー貯蔵素子の充放電電流を制御し、これにより、第１のエネルギー貯蔵ユニットの出力電力を調整する。具体的に、電流源制御ユニット１１２３は、低周波成分Ｐ_Ｌを電力指令として受け取り、それを直流バス電圧Ｕ_ｄｃで割って充放電電流の基準値Ｉ_１ｒを取得し、実際の充放電電流Ｉ_１と基準値Ｉ_１ｒとを比較した後、ＰＩレギュレータを通じて制御信号を生成し、ＰＷＭ変調後、駆動信号を出力して第１のＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング素子を駆動し、低電力密度エネルギー貯蔵素子に対する充放電制御を実現し、これにより、第１のエネルギー貯蔵ユニットの出力電力を調整して、必要な低周波電力を提供する。

図６は、図４の電圧源制御ユニット１１２４の制御ブロック図を示す。図６に示すように、第２のＤＣ／ＤＣコンバータにより高電力密度エネルギー貯蔵素子の充放電電流を制御し、これにより、第２のエネルギー貯蔵ユニットの出力電圧を調整して、直流バス電圧を安定させ、高周波電力を自動的に提供する。電圧源制御ユニット１１２４は、直流バス１３の電圧基準値Ｕ_ｒｅｆを電圧指令として受け取り、実際のバス電圧Ｕ_ｄｃと基準値Ｕ_ｒｅｆとを比較した後、ＰＩレギュレータを通じて充放電電流の基準値Ｉ_２ｒを生成し、実際の充放電電流Ｉ_２と基準値Ｉ_２ｒとを比較した後、ＰＩレギュレータを通じて制御信号を生成し、ＰＷＭ変調後、駆動信号を出力して第２のＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング素子を駆動し、高電力密度エネルギー貯蔵素子に対する充放電制御を実現して、直流バス電圧を安定させ、電力不足を自動的に提供する。

図７は、本発明の一例示的な実施形態に係る電力抽出ユニットの概略図である。図７に示すように、電力抽出ユニットは、出力電力Ｐ_ＥＳＳを受け取り、出力電力Ｐ_ＥＳＳに従って期間ｔ内の平均電力変化率Ｆ_ｔを計算するための第１の計算モジュールと、平均電力変化率Ｆ_ｔが電力変動閾値より大きい場合に、出力電力Ｐ_ＥＳＳを受け取ってフィルタリングして、出力電力Ｐ_ＥＳＳ中の低周波成分Ｐ_Ｌを取得し、分周制御メカニズムを起動するためのフィルタリングモジュールと、を含む。本実施例において、電力変動閾値は１である。ここで、平均電力変化率Ｆ_ｔの計算式は、次のとおりである。

ここで、ΔＰ_ｔは、期間ｔ内の電力変化、即ち期間ｔ内の電力最大値から電力最小値を引いたものを表し、ｔの値は小さく、Ｐ_ｎは定格電力を表す。

フィルタリングモジュールは、ＦＩＲフィルタリングアルゴリズムを通じて出力電力Ｐ_ＥＳＳをフィルタリングして、出力電力Ｐ_ＥＳＳ中の低周波成分Ｐ_Ｌを取得する。

本発明の一例示的な実施形態によれば、電力抽出ユニットは、第１の充電状態ＳＯＣ１及び第２の充電状態ＳＯＣ２に従って、第１の充放電バランスＲ_Ｈ及び第２の充放電バランスＲ_Ｌをそれぞれ計算して取得するための第２の計算モジュールと、第２の充放電バランスＲ_Ｌ、出力電力Ｐ_ＥＳＳ、及び平均電力変化率Ｆ_ｔに従ってウィンドウ関数Ｇ（ｎ）を決定し、それをフィルタリングモジュールに送信して、ウィンドウ関数Ｇ（ｎ）に従ってフィルタリングモジュールのウィンドウ幅及びウィンドウ形状を調整するための第１の調整モジュールと、第１の充放電バランスＲ_Ｈに従ってフィルタリングモジュールの予定のカットオフ周波数ω_０を調整して、最終的なカットオフ周波数ω_ｃを取得し、時間領域での最終的なカットオフ周波数ω_ｃの応答関数Ｈ_ｆ（ｎ）を計算し、それをフィルタリングモジュールに送信するための第２の調整モジュールと、をさらに含む。ここで、第２の計算モジュールは、下式により第１の充放電バランスＲ_Ｈを計算する。

第２の充放電バランスＲ_Ｌの計算方法は、第１の充放電バランスＲ_Ｈと似ている。式（２）によれば、充放電バランスの値の範囲は、［－１，１］である。ここで、充放電バランスが０に近いほど、充放電能力が適度であることを意味し、充放電バランスが－１に近いほど、充電能力が強く、放電能力が弱いことを意味し、充放電バランスが１に近いほど、放電能力が強く、充電能力が弱いことを意味する。したがって、充放電バランスの期待値は０である。

ここで、第１の調整モジュールは、第２の充放電バランスＲ_Ｌに従って、低電力密度エネルギー貯蔵素子が過充電又は過放電に近いかどうかを判断し、そうであれば、フィルタリングモジュールにおけるウィンドウ関数Ｇ（ｎ）のウィンドウ幅を増やす。さらに、第１の調整モジュールは、下式に従ってウィンドウ関数Ｇ（ｎ）のウィンドウ幅Ｎ（ｔ）を調整することができる。

ここで、Ｎ_０は予定のサンプル最小幅であり、Ｆ_０は予定の目標電力変動率であり、Ｒ（ｔ－１）は時刻ｔ－１での充放電バランスである。充電能力が弱いか、又は放電能力が弱い場合、ハイブリッドエネルギー貯蔵システムは、変動が滑らかな場合に出力が制限されるため、フィルタリング効果を弱化する必要があり、電力変動が大きい場合にはフィルタリング効果を強化する必要がある。

さらに、フィルタリングモジュールの重み調整方法は、下式のとおりである。

ここで、ｋは重み係数であり、サンプルデータに従って選択され、ｋが大きいほど、最近の出力電力を重視し、出力電力が早いほどその影響が小さいことを表す。

さらに、出力電力Ｐ_ＥＳＳに従って重みα（ｎ）を調整することができ、具体的に、下式のとおりである。

ここで、Ｐ_Ｎは設定値であり、出力電力の離散シーケンスにおけるＰ_ＥＳＳ（ｎ）とＰ_ＥＳＳ（ｎ－１）の差が大きい場合、出力電力が急激に変化したことを表し、フィルタリングされたデータがより滑らかになるように、このビットのデータの重みα（ｎ）を減らす。

第１の調整モジュールは、ウィンドウ関数Ｇ（ｎ）の式を決定し、次のとおりである。

第２の調整モジュールは、下式に従ってフィルタリングモジュールのカットオフ周波数ω_ｃを調整する。

ここで、ω_０は予定のカットオフ周波数であり、Ｄ_Ｂはカットオフ周波数の適応調整を起動する必要がある場合の、現在の充放電バランスと±１の間の距離であり、ω_Ｈは重ね合わせた基準周波数である。

第１の充放電バランスＲ_Ｈの絶対値が１－Ｄ_Ｂより大きい場合、高電力密度エネルギー貯蔵素子が過充電又は過放電に近いことを意味し、フィルタリング効果を弱化して、高電力エネルギー貯蔵素子の出力が小さくなるように、カットオフ周波数の増加計算を起動する必要があり、第１の充放電バランスＲ_Ｈの絶対値がＤ_Ｂより小さい場合、高電力密度エネルギー貯蔵素子の充電状態が適度であることを意味し、フィルタリング効果を強化して、高電力エネルギー貯蔵素子の出力が大きくなるように、カットオフ周波数の低減計算を起動する必要があり、第１の充放電バランスＲ_Ｈの絶対値がＤ_Ｂ＜｜Ｒ_Ｈ｜≦（１－Ｄ_Ｂ）にある場合、予定のカットオフ周波数ω_０を維持する。

第２の調整モジュールは、下式に従って応答関数Ｈ_ｆ（ｎ）を取得する。

本発明の一例示的な実施形態によれば、フィルタリングモジュールは、ウィンドウ関数Ｇ（ｎ）、応答関数Ｈ_ｆ（ｎ）、及び出力電力Ｐ_ＥＳＳに従って、フィルタリング関数を計算する。ここで、フィルタリング関数の計算方法は、次のとおりである。

本発明の一例示的な実施形態によれば、平均電力変化率Ｆ_ｔが電力変動閾値以下である場合、出力電力Ｐ_ＥＳＳが低周波成分Ｐ_Ｌとなる。このとき、分周制御メカニズムを起動する必要はなく、出力電力Ｐ_ＥＳＳが低周波電力として電流源制御ユニットに入力されて、低電力密度エネルギー貯蔵素子の充放電動作を制御するために使用される。

上記の実施例におけるフィルタリング方法は、開ループ制御戦略を採用しており、フィルタリングモジュールにより取得された低周波成分は、電流源制御ユニットに入力される。本発明のフィルタリング方法は、閉ループ制御戦略を採用してもよく、フィルタリングモジュールにより取得された低周波成分Ｐ_Ｌを介して、Ｐ_Ｌの電力変動率を計算し、設定値より大きい場合、フィルタリングパラメーターを調整する。例えば、Ｐ_Ｌの電力変動率に従ってフィルタリングパラメーターを調整し、フィルタリング後の低周波成分が設定値より小さくなるまで、Ｐ_Ｌをフィルタリングモジュールに入力してフィルタリングし、新たな低周波成分を取得する。

関連技術において、フィルタは通常、１次又は２次デジタルローパスフィルタを採用して信号をフィルタリングして分周処理を実現するものであり、電力信号が通信の相互作用に基づいて分周され、フィルタ遅延及びフィルタ減衰比の両立が困難であり、高周波及び低周波成分の結合をもたらして、分周効果が非常に悪くなり、エネルギー貯蔵モジュールの動作に影響し、エネルギー貯蔵素子の充電状態を分周方法に合理的に導入できなくて、エネルギー貯蔵モジュールの動作時間が短くなり、動作モードの最適化が不十分な欠点がある。本開示の実施例に係る交流負荷電力供給システムは、エネルギー貯蔵素子の充電状態を導入したＦＩＲ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）フィルタ分周方法に基づいており、ハイブリッドエネルギー貯蔵システムが出力する必要がある低周波電力をタイムリー且つ正確に検出し、低電力密度エネルギー貯蔵ユニットの動作を制御することができ、高周波電力は、高電力密度エネルギー貯蔵ユニットにより自動的に処理される。ハイブリッドエネルギー貯蔵システムの充電状態、出力電力の変動の大きさ、最近の出力電力などの変数をフィルタのパラメーター設計に導入し、リアルタイムでフィルタのパラメーターを適応的に調整し、構成を最適化することで、制御効果を満たすことを前提としてハイブリッドエネルギー貯蔵モジュールができるだけ長く働けるようになり、電池の過充電又は過放電による電力供給システムの停止を回避することができる。

図８は、本発明の一例示的な実施形態に係る交流負荷が電気自動車充電スタンドである概略図を示す。本実施例では、交流負荷電力供給システム４は、図１に示す電力供給システム１と類似し、且つ同じ構成要素番号は、同じ構成要素、構造、及び機能を表し、ここでは詳細な説明を省略する。本実施例では、交流負荷電力供給システム４は、電力供給装置４１及びＤＣ／ＡＣコンバータ４２を含む。ＤＣ／ＡＣコンバータ４２の交流側は、交流バス８を介して交流グリッド９及び交流負荷１０に結合される。電力供給装置４１は、直流電気エネルギーを出力し、直流バス４３を介してＤＣ／ＡＣコンバータの直流側に結合される。電力供給装置４１は、太陽光発電モジュール、エネルギー貯蔵モジュール４１１、及びコントローラ４１２を含み、ここで、エネルギー貯蔵モジュール４１１は、少なくとも第１のエネルギー貯蔵ユニット４１１１及び第２のエネルギー貯蔵ユニット４１１２を含む。第１のエネルギー貯蔵ユニット４１１１は低電力密度エネルギー貯蔵素子を含み、第２のエネルギー貯蔵ユニット４１１２は高電力密度エネルギー貯蔵素子を含む。一具体的な実施形態では、第１のエネルギー貯蔵ユニット４１１１又は第２のエネルギー貯蔵ユニット４１１２のいずれかは、フライホイールエネルギー貯蔵装置及びＡＣ／ＤＣコンバータを含んでもよい。本実施例において、交流負荷１０は、電気自動車充電スタンド１～電気自動車充電スタンドｎを含む。

一般的に、電気自動車充電スタンドには、日平均の安定した自動車の流れ及び変動する自動車の流れが含まれるため、充電車両の数の影響を受けて、電気自動車充電スタンドに必要な電気エネルギーは、長期定常電気エネルギー及び瞬間動的電気エネルギーに分けられる。電力供給システム４が電気自動車充電スタンドに電力を供給する場合、エネルギー貯蔵モジュールにより提供する必要がある電力は、太陽光発電モジュールと交流負荷の総電力であり、低周波成分及び高周波成分を含む。ここで、高周波成分は、高電力密度エネルギー貯蔵ユニットにより提供され、且つ高電力密度エネルギー貯蔵ユニットは電圧源モードで動作し、低周波成分は低電力密度エネルギー貯蔵ユニットにより提供され、且つ低電力密度エネルギー貯蔵ユニットは電流源モードで動作する。交流電力供給システム４は、高電力中央ＰＣＳ及び交流バスを介してグリッドに吊り下げられ、交流グリッドが故障した場合に電気自動車充電スタンドに電力を供給するバックアップ電源として使用されてもよく、エネルギー調整システムを構成し、例えば、グリッド容量が限られた場合にグリッドと協働して電気自動車充電スタンドに電力を供給してもよい。本発明の電力供給システムは、従来の充電スタンドの構造を変更することなく、充電スタンドへのオングリッド又はオフグリッド電力供給を実現し、且つＤＣ／ＡＣコンバータ４２によりオングリッドとオフグリッドとの間のシームレスな切り替えを実現する。

本発明の一例示的な実施形態によれば、交流負荷は交流非同期モータであってもよく、図９に示すように、交流負荷１０は交流非同期モータである。高電力非同期モータの負荷を適用するシナリオでは、高電力交流非同期モータは、起動時に非常に大きな起動電流を必要とし、定格電流の６～７倍に達することが多く、グリッドからの電力の取得は、遮断器容量、変圧器容量により制限され、従来の配電網容量によっては提供できない。本実施例の交流負荷電力供給システムは、高電力非同期モータの起動時に起動電流を提供することができ、例えば、高電力密度エネルギー貯蔵ユニットにより、交流非同期モータの起動時に電力を提供し、低電力密度エネルギー貯蔵ユニットにより、交流非同期モータが安定して動作しているときに電力を提供する。

幾つかの実施例では、電力供給装置は直流マイクログリッドであり、直流マイクログリッド内の電源には多くの種類があり、例えば、太陽光発電モジュール、風力発電モジュール、ハイブリッドエネルギー貯蔵モジュール、マイクロガスタービン又はディーゼル発電機などを含むが、これらに限定されない。直流マイクログリッドと中央ＰＣＳは交流負荷電力供給システムを構成し、グリッドに接続すると、交流電流源又は仮想同期機で動作して、グリッド及び充電スタンドに電力を供給するか、交流非同期モータに電力を供給することができ、グリッドから切断されると、交流電圧源又は仮想同期機で動作して、充電スタンド又は交流非同期機に電力を供給することができる。交流負荷電力供給システムとグリッドは遮断器を介して接続され、グリッドが故障してグリッドホッピングするか、スケジューリング指令を受け取ってアイランド動作に切り替えると、シームレスに切り替えて負荷に継続的に電力を供給することができる。

本発明の電力供給システムにおいて、エネルギー貯蔵モジュールにより提供する必要がある電力は発電モジュール（例えば、太陽光発電モジュール、風力発電モジュールなど）と交流負荷の総電力であり、即ち、エネルギー貯蔵モジュールは、電力スケジューリング曲線を有し、ハイブリッドエネルギー貯蔵モジュールは、この電力スケジューリング曲線に従って出力する。一般的に、電力スケジューリング曲線は高周波電力及び低周波電力を含み、ここで、低周波電力は低周波の長期的な負荷需要に対応し、高周波電力は高周波急変の負荷需要に対応する。例えば、高周波電力は、交流非同期モータの起動時に必要な電力、交流充電スタンドに大量の充電車両が短期間接続されたときに発生する電力需要、又は電気自動車充電スタンドの変動する自動車の流れに対応し、低周波電力は、交流非同期モータが安定して動作しているときの電力、又は電気自動車充電スタンドに必要な長期的定常電気エネルギーに対応し、電気自動車充電スタンドの日平均の安定した自動車の流れによって决定される。コントローラは、高電力密度エネルギー貯蔵ユニットの出力電圧を調整して、必要な高周波電力を自動的に提供する。コントローラは、低電力密度エネルギー貯蔵ユニットの出力電力を調整して、必要な低周波電力を提供する。

コントローラは、出力電力Ｐ_ＥＳＳ中の低周波成分を抽出するための電力抽出ユニットを含み、分周方法は、充電状態を導入したＦＩＲフィルタを採用して実現され、フィルタ減衰比が大きく、カットオフ周波数付近の位相遅延が小さな利点があり、フィルタリング後の低周波成分は、高周波成分からの切り離しを理想的に実現し、充電状態に従ってバランスの取れた充放電制御を行うことができ、ハイブリッドエネルギー貯蔵モジュールの動作時間を延長し、エネルギー貯蔵素子の過充電又は過放電を回避することができる。

交流負荷電力供給システムは、分周制御メカニズムを採用しており、コントローラは、低電力密度エネルギー貯蔵ユニットを電流源モードで動作して低周波電力を提供するように制御し、コントローラは、高電力密度エネルギー貯蔵ユニットを電圧源モードで動作して高周波電力、即ち電力不足を自動的に提供するように制御する。電力供給装置がエネルギー貯蔵モジュールのみ含む場合、エネルギー貯蔵モジュールの出力電力は交流負荷に必要な電力に等しく、電力供給装置がエネルギー貯蔵モジュール及び発電モジュールを含む場合、エネルギー貯蔵モジュールの出力電力は交流負荷と発電モジュールの総電力に等しい。

電力供給装置及びＤＣ／ＡＣコンバータは、交流負荷電力供給システムを構成して、交流バスに結合される。オングリッドの場合、ＤＣ／ＡＣコンバータは、交流電流源又は仮想同期機で動作することができ、電力供給システムは、グリッド及び交流負荷に電力を供給し、オフグリッドの場合、ＤＣ／ＡＣコンバータは、交流電圧源又は仮想同期機で動作することができ、電力供給システムは、交流負荷に電力を供給する。交流負荷が充電スタンドである場合、本開示の交流負荷電力供給システムは、従来の充電スタンドの構造を変更することなく、充電スタンドへのオングリッド及びオフグリッド電力供給を実現することができる。

幾つかの実施形態において、直流バスの電圧及びハイブリッドエネルギー貯蔵システムの出力電流に従って、その出力電力を決定することで、通信に依存せずに直流マイクログリッドの他のノード及び交流負荷の電力信号を取得することができる。

幾つかの実施形態において、高電力密度エネルギー貯蔵素子の充電状態、低電力密度エネルギー貯蔵素子の充電状態、及びハイブリッドエネルギー貯蔵モジュールの出力電力に従ってフィルタリングモジュールのパラメーターを適応的に調整することで、ハイブリッドエネルギー貯蔵モジュールの出力すべき低周波成分をタイムリー且つ正確に検出でき、制御効果を満たすことを前提としてハイブリッドエネルギー貯蔵モジュールができるだけ長く働けるように確保し、電池の過充電又は過放電によるシステム停止を回避することができる。

図１０は、本発明の一例示的な実施形態に係る交流負荷電力供給方法のフローチャートを示す。図１０に示すように、交流負荷電力供給方法は、図１、図４、図８又は図９に示す交流負荷電力供給システムに用いられ、交流負荷電力供給方法は、少なくともステップ１～ステップ４を含む。

ステップ１において、直流バスの電圧及びエネルギー貯蔵モジュールの出力電流に従ってエネルギー貯蔵モジュールの出力電力Ｐ_ＥＳＳを計算する。

ステップ２において、出力電力Ｐ_ＥＳＳ中の低周波成分Ｐ_Ｌを抽出する。

ステップ３において、第１のエネルギー貯蔵ユニットが低周波成分を出力するように、第１のエネルギー貯蔵ユニットの出力電力を調整する。

ステップ４において、第２のエネルギー貯蔵ユニットが出力電力中の電力不足を能動的に出力するように、第２のエネルギー貯蔵ユニットの出力電圧を調整する。

ここで、ＦＩＲフィルタにより出力電力Ｐ_ＥＳＳ中の低周波成分Ｐ_Ｌを取得し、それはエネルギー貯蔵モジュールの提供すべき低周波出力に対応し、電力不足とは、出力電力から低周波成分をフィルタリングして除去した後の残りの電力成分であり、エネルギー貯蔵モジュールの提供すべき高周波出力に対応する。

本発明の一例示的な実施形態によれば、第１のエネルギー貯蔵ユニットは低電力密度電池を含み、第２のエネルギー貯蔵ユニットは高電力密度電池を含み、交流負荷電力供給方法は、高電力密度電池充電状態を計算し、それを第１の充電状態ＳＯＣ１として記録することと、低電力密度電池の充電状態を計算し、それを第２の充電状態ＳＯＣ２として記録することと、をさらに含む。

図１１は、図１０のステップ２に係る一例示的な実施形態におけるフローチャートを示す。図１１に示すように、上記のステップ２はさらに、ステップ２１～２５を含む。

ステップ２１において、出力電力Ｐ_ＥＳＳに従って期間ｔ内の平均電力変化率Ｆ_ｔを計算する。ここで、式（１）に従って平均電力変化率Ｆ_ｔを計算することができる。平均電力変化率Ｆ_ｔが電力変動閾値より大きい場合、出力電力Ｐ_ＥＳＳをフィルタリングして、出力電力Ｐ_ＥＳＳ中の低周波成分Ｐ_Ｌを取得し、それを第１のエネルギー貯蔵ユニットの電力指令として第１のエネルギー貯蔵ユニットに出力し、平均電力変化率Ｆ_ｔが電力変動閾値以下である場合、出力電力Ｐ_ＥＳＳには低周波電力変動のみが含まれるため、出力電力Ｐ_ＥＳＳをフィルタリングせず、第１のエネルギー貯蔵ユニットの電力指令として第１のエネルギー貯蔵ユニットに直接出力する。

ステップ２２において、第１の充電状態ＳＯＣ１及び第２の充電状態ＳＯＣ２に従って、第１の充放電バランスＲ_Ｈ及び第２の充放電バランスＲ_Ｌをそれぞれ計算する。ここで、式（２）に従って充放電バランスを計算することができる。

ステップ２３において、第２の充放電バランスＲ_Ｌ、出力電力Ｐ_ＥＳＳ、及び電力変化率Ｆ_ｔに従ってウィンドウ関数Ｇ（ｎ）を決定して、ウィンドウ関数Ｇ（ｎ）に従ってフィルタリングモジュールのウィンドウ幅及びウィンドウ形状を調整する。ここで、式（３）に従ってウィンドウ幅を調整し、式（４）及び式（５）に従って重み値を調整してウィンドウ形状を調整することができる。ウィンドウ関数の式は式（６）に従って計算することで取得することができる。

ステップ２４において、第１の充放電バランスＲ_Ｈに従って予定のカットオフ周波数ω_０を調整することで最終的なカットオフ周波数ω_ｃを取得し、時間領域での最終的なカットオフ周波数ω_ｃの応答関数Ｈ_ｆ（ｎ）を計算する。ここで、式（７）に従ってカットオフ周波数ω_ｃを計算し、式（８）に従って応答関数Ｈ_ｆ（ｎ）を計算することができる。

ステップ２５において、ウィンドウ関数Ｇ（ｎ）、応答関数Ｈ_ｆ（ｎ）、及び出力電力Ｐ_ＥＳＳに従ってフィルタリング関数を計算し、フィルタリング関数に従って低周波成分を抽出する。ここで、式（９）に従ってフィルタリング関数を計算することができる。

当業者は、上記の実施形態を実装するためのステップの全て又は一部が、中央処理装置（ＣＰＵ：Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）によって実行されるコンピュータプログラムとして実現されることを理解するであろう。コンピュータプログラムが中央処理装置ＣＰＵによって実行されると、本開示によって提供される上記のシステムによって定義される上記の機能が実行される。前記プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に格納されてもよく、この記憶媒体は、読み取り専用メモリ、磁気ディスク、又は光ディスクなどであってもよい。

また、上記の図面は、本開示の一実施形態に係るシステムに含まれる処理の概略図に過ぎず、限定する目的ではないことに留意されたい。上記の図面に示されているプロセスがこれらのプロセスの時間的順序を示したり制限したりしないことは容易に理解できる。また、これらの処理が例えば、複数のモジュールにおいて同期又は非同期で行われる場合があることも容易に理解できる。

当業者は、上述のモジュールが、実施形態の説明による方法で分散されてもよく、又はこの実施形態とは異なる１つ以上の方法で対応して変更されてもよいことを理解するであろう。上記の実施形態におけるモジュールは、１つのモジュールに組み合わされてもよく、又は複数のサブモジュールにさらに分割されてもよい。

上記の実施形態の説明を通じて、当業者は、本明細書で説明される例示的な実施形態がソフトウェアによって実装できるか、又は必要なハードウェアと組み合わせたソフトウェアによって実装できることを容易に理解できる。したがって、本開示の実施形態による技術的解決策は、不揮発性記憶媒体（ＣＤ－ＲＯＭ、Ｕディスク、モバイルハードディスクなどであり得る）又はネットワーク上に記憶され得るソフトウェア製品の形態で具現化され得る。コンピューティングデバイス（パーソナルコンピュータ、サーバ、モバイル端末、又はネットワークデバイスなどであり得る）に、本開示の実施形態に係るシステムを実行させるいくつかの命令を含む。

本開示の例示的な実施形態は、具体的に示され、上で説明されている。本開示は、本明細書に記載される詳細な構造、配置、又は実装システムに限定されず、むしろ、本開示は、添付の特許請求の範囲の精神及び範囲内に含まれる様々な修正及び同等の配置をカバーすることが意図される。

８ 交流バス
９ 交流グリッド
１０ 交流負荷
１１ 電力供給装置
１２ ＤＣ／ＡＣコンバータ
１３ 直流バス
２１ 電力供給装置
２２ ＤＣ／ＡＣコンバータ
２３ 直流バス
３１Ａ 電力供給装置
３１Ｂ 電力供給装置
３２ ＤＣ／ＡＣコンバータ
４１ 電力供給装置
４２ ＤＣ／ＡＣコンバータ
４３ 直流バス
１１１ エネルギー貯蔵モジュール
１１２ コントローラ
２１１ エネルギー貯蔵モジュール
２１２ コントローラ
３１１ エネルギー貯蔵モジュール
３１２ コントローラ
３１３ 太陽光発電モジュール
４１１ エネルギー貯蔵モジュール
４１２ コントローラ
１１１１ 第１のエネルギー貯蔵ユニット
１１１２ 第２のエネルギー貯蔵ユニット
１１１３ 出力ポート
１１２１ 計算ユニット
１１２２ 電力抽出ユニット
１１２３ 電流源制御ユニット
１１２４ 電圧源制御ユニット
２１１１ 第１のエネルギー貯蔵ユニット
２１１２ 第２のエネルギー貯蔵ユニット
２１１３ 出力ポート
３１１１ 第１のエネルギー貯蔵ユニット
３１１２ 第２のエネルギー貯蔵ユニット
４１１１ 第１のエネルギー貯蔵ユニット
４１１２ 第２のエネルギー貯蔵ユニット

Claims (9)

1. 電力供給装置及びＤＣ／ＡＣコンバータを含み、
   前記ＤＣ／ＡＣコンバータの交流側は、交流バスを介して交流グリッド及び交流負荷に結合され、
   前記電力供給装置は、直流電気エネルギーを出力し、直流バスを介して前記ＤＣ／ＡＣコンバータの直流側に結合され、
   前記電力供給装置は、エネルギー貯蔵モジュール及びコントローラを含み、
   前記エネルギー貯蔵モジュールは、第１のエネルギー貯蔵ユニット及び第２のエネルギー貯蔵ユニットを含み、前記第１のエネルギー貯蔵ユニットは第１の電池を含み、前記第２のエネルギー貯蔵ユニットは第２の電池を含み、
   前記コントローラは、前記第１の電池の第１の充電状態及び前記第２の電池の第２の充電状態を計算し、前記第１の充電状態及び前記第２の充電状態に従ってフィルタリングパラメーターを調整することで、前記エネルギー貯蔵モジュールの出力電力中の低周波成分を抽出するように構成され、
   前記コントローラは、前記低周波成分に従って前記第１のエネルギー貯蔵ユニットの変換動作を制御して低周波電力を前記直流バスに出力するようにさらに構成され、前記コントローラはさらに、前記第２のエネルギー貯蔵ユニットの変換動作を制御して高周波電力を前記直流バスに出力するように構成される
   ことを特徴とする交流負荷電力供給システム。
2. 前記コントローラは、電流源モードで動作して前記低周波電力を出力するように前記第１のエネルギー貯蔵ユニットを制御するように構成され、前記コントローラはさらに、電圧源モードで動作して前記高周波電力を出力するように前記第２のエネルギー貯蔵ユニットを制御するように構成される
   ことを特徴とする請求項１に記載の交流負荷電力供給システム。
3. 前記第１のエネルギー貯蔵ユニットは、低電力密度エネルギー電池及び第１のＤＣ／ＤＣコンバータを含み、前記コントローラは、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流を制御するように構成され、
   前記第２のエネルギー貯蔵ユニットは、高電力密度エネルギー電池及び第２のＤＣ／ＤＣコンバータを含み、前記コントローラは、前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を制御するように構成される
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の交流負荷電力供給システム。
4. 前記エネルギー貯蔵モジュールは、前記直流バスに結合された出力ポートを有し、前記エネルギー貯蔵モジュールは、複数のエネルギー貯蔵ユニットを含み、前記複数のエネルギー貯蔵ユニットの出力端は、並列に接続された後に前記出力ポートに結合され、前記エネルギー貯蔵モジュールの総出力電気エネルギーは、前記出力ポートを介して前記直流バスに送信される
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の交流負荷電力供給システム。
5. 前記コントローラは、
   直流バスの電圧信号及びエネルギー貯蔵モジュールの電流信号に従ってエネルギー貯蔵モジュールの前記出力電力を計算するための計算ユニットと、
   前記計算ユニットに結合され、前記出力電力中の前記低周波成分を抽出するための電力抽出ユニットと、
   前記電力抽出ユニットに結合され、前記低周波成分に従って第１のエネルギー貯蔵ユニットの出力電力を調整するための電流源制御ユニットと、
   直流バスの電圧基準値に従って前記第２のエネルギー貯蔵ユニットの出力電圧を調整し、同時に、前記第２のエネルギー貯蔵ユニットが前記高周波電力を自動的に出力するようにするための電圧源制御ユニットと、を含む
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の交流負荷電力供給システム。
6. 前記電力抽出ユニットは、
   前記出力電力に従って一定期間内の平均電力変化率を計算するための第１の計算モジュールと、
   前記平均電力変化率が電力変動閾値より大きい場合に、前記出力電力をフィルタリングして前記出力電力中の前記低周波成分を取得するためのフィルタリングモジュールと、
   前記第１の充電状態及び前記第２の充電状態に従って、第１の充放電バランス及び第２の充放電バランスをそれぞれ計算して取得するための第２の計算モジュールと、
   前記第２の充放電バランス、前記出力電力、及び前記平均電力変化率に従ってウィンドウ関数を決定して前記フィルタリングモジュールに送信することで、前記ウィンドウ関数に従って前記フィルタリングモジュールのウィンドウ幅及びウィンドウ形状を調整するための第１の調整モジュールと、
   前記第１の充放電バランスに従って前記フィルタリングモジュールのカットオフ周波数を調整し、時間領域での前記カットオフ周波数の応答関数を計算して前記フィルタリングモジュールに送信するための第２の調整モジュールと、を含む
   ことを特徴とする請求項５に記載の交流負荷電力供給システム。
7. 前記フィルタリングモジュールは、前記ウィンドウ関数、前記応答関数、及び前記出力電力に従ってフィルタリング関数を計算し、前記フィルタリング関数に従って前記低周波成分を抽出する
   ことを特徴とする請求項６に記載の交流負荷電力供給システム。
8. 前記平均電力変化率が電力変動閾値以下である場合、前記出力電力が前記低周波成分となり、前記電流源制御ユニットに出力される
   ことを特徴とする請求項６に記載の交流負荷電力供給システム。
9. 交流負荷電力供給システムに用いられる交流負荷電力供給方法であって、前記交流負荷電力供給システムは、電力供給装置及びＤＣ／ＡＣコンバータを含み、前記ＤＣ／ＡＣコンバータの交流側は、交流バスを介して交流グリッド及び交流負荷に結合され、前記電力供給装置は、直流電気エネルギーを出力し、直流バスを介して前記ＤＣ／ＡＣコンバータの直流側に結合され、前記電力供給装置は、エネルギー貯蔵モジュール及びコントローラを含み、前記エネルギー貯蔵モジュールは、第１のエネルギー貯蔵ユニット及び第２のエネルギー貯蔵ユニットを含み、前記第１のエネルギー貯蔵ユニットは第１の電池を含み、前記第２のエネルギー貯蔵ユニットは第２の電池を含み、
   前記交流負荷電力供給方法は、
   直流バスの電圧及びエネルギー貯蔵モジュールの出力電流に従ってエネルギー貯蔵モジュールの出力電力を計算し、前記第１の電池の第１の充電状態及び前記第２の電池の第２の充電状態を計算するステップ１と、
   前記第１の充電状態及び前記第２の充電状態に従ってフィルタリングパラメーターを調整することで、前記出力電力中の低周波成分を抽出するステップ２と、
   第１のエネルギー貯蔵ユニットが前記低周波成分を出力するように、第１のエネルギー貯蔵ユニットの出力電力を調整するステップ３と、
   第２のエネルギー貯蔵ユニットが高周波電力を出力するように、第２のエネルギー貯蔵ユニットの出力電圧を調整するステップ４と、を含む
   ことを特徴とする交流負荷電力供給方法。

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