JP6929385B2 - ハイブリッドエネルギー貯蔵システム - Google Patents

Description

本発明は、ハイブリッドエネルギー貯蔵システムに関する。

最近、浮かび上がっているＤＣ配電システムは、デジタル負荷に直接にＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）電力を供給することができるため、変換損失を顕著に低減することができ、新再生エネルギー源から直接に電力を供給されて使用することができるところ、経済的効果も大きいという長所がある。

かかるＤＣ配電システムの電力を管理するために、エネルギー貯蔵システム（Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ）が使用されている。

エネルギー貯蔵システム（Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ）は、生産した電力を発電所、変電所及び送電線等を含む各々の連携システムに貯蔵した後、電力を要する時期に選択的、かつ効率的に使用してエネルギー効率を高めるシステムである。

エネルギー貯蔵システムは、時間帯及び季節別の変動の大きい電気負荷を平準化して、全般的な負荷率を向上させる場合、発電単価を低くすることができ、電力設備の増設に要する投資費と運転費等を節減することができて、電気料を引き下げてエネルギーを節約することができる。

かかるエネルギー貯蔵システムは、電力系統における発電、送配電、需用家に設置されて利用されており、周波数調整（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ）、新再生エネルギーを利用した発電機の出力安定化、尖頭負荷の低減（Ｐｅａｋ Ｓｈａｖｉｎｇ）、負荷平準化（Ｌｏａｄ Ｌｅｖｅｌｉｎｇ）、非常電源等の機能として使用されている。

また、エネルギー貯蔵システムは、貯蔵方式によって大きく物理的エネルギー貯蔵と化学的エネルギー貯蔵とに区分される。物理的エネルギー貯蔵としては、揚水発電、圧縮空気貯蔵、弾み車等を利用した方法があり、化学的エネルギー貯蔵としては、リチウムイオンバッテリ、鉛蓄電池、Ｎａｓ電池等を利用した方法がある。

具体的には、図１には、従来のエネルギー貯蔵システムが示されている。

図１は、従来のエネルギー貯蔵システムを説明する概略図である。

図１を参照すれば、従来のエネルギー貯蔵システム１は、バッテリ１００を用いており、バッテリ１００は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１０によってＤＣ配電網（３０；すなわち、ＤＣ系統）に設置され、バッテリ１００の電力は、連携したＤＣ−ＤＣコンバータ１１０によって制御される。

参考に、系統１０とＤＣ配電網３０の間には、系統１０のＡＣ（Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ Ｃｕｒｒｅｎｔ；交流）電圧をＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ；直流）電圧に変換してＤＣ配電網３０に伝達するＡＣ−ＤＣコンバータ２０が配置され、ＤＣ配電網３０は、負荷３６と分散電源システム３３を含んでいてもよい。

もちろん、ＡＣ−ＤＣコンバータ２０は、ＤＣ配電網３０のＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換して系統１０に伝達することもできる。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１０は、バッテリ１００のＤＣ電圧をＤＣ電圧に変換してＤＣ配電網３０に伝達するか、ＤＣ配電網３０のＤＣ電圧をＤＣ電圧に変換してバッテリ１００に伝達することができる。

ここで、負荷３６と分散電源システム３３は、複数存在し得る。

従来のエネルギー貯蔵システム１は、分散電源システム３３と連携して電力を運用する上位運用システム６０（例えば、ＥＭＳ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）を含むところ、上位運用システム６０は、分散電源システム３３の出力（ＤＧ ｏｕｔｐｕｔ）の安定化のためファジィ論理方式又はフィルタリング方式を使用する。

具体的には、上位運用システム６０は、分散電源システム３３の出力（ＤＧ ｏｕｔｐｕｔ）の安定化のためスムージング制御を用いてエネルギー貯蔵システム指令（Ｐｅｓｓ ｒｅｆ．）を生成し、分散電源システム３３の出力（ＤＧ ｏｕｔｐｕｔ）をリアルタイムでフィルタリングして、分散電源システム３３から系統１０へ流入する電力の変化をＤＣ成分で測定し、測定した電力の変化を介してバッテリ１００の充放電を制御する。

ただし、従来のエネルギー貯蔵システム１では、バッテリ１００として高いリチウム系列のバッテリを使用しなければならないし、ＤＣ配電網３０に対する電力管理と電力品質補償を同時に行うことができないという問題がある。

これにより、最近、ＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）配電システムを運用するにおいて発生し得る電力品質の問題を分析し、該問題を解決するためハイブリッドエネルギー貯蔵システムに対する開発が活発に行われている。

図２には、従来のハイブリッドエネルギー貯蔵システムの一例が示されている。

図２は、従来のハイブリッドエネルギー貯蔵システムの一例を説明する概略図である。

図２を参照すれば、従来のハイブリッドエネルギー貯蔵システムの一例２は、バッテリ１００が直接にＤＣ配電網３０に連結され、スーパーキャパシタ７０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ８０を介してＤＣ配電網３０に連結される構造を有している。

ただし、図２のハイブリッドエネルギー貯蔵システムの一例２では、バッテリ１００の電力管理が直接に行われないし、分散電源システム３３の電力、系統１０から供給される電力、スーパーキャパシタ７０の充放電電力の和によって自動でバッテリ１００の電力が決定されるようになる。

すなわち、バッテリ１００を直接にＤＣ配電網３０に連携し、スーパーキャパシタ７０をＤＣ−ＤＣコンバータ８０を介してＤＣ配電網３０に連携する場合、上位運用システム６０は、分散電源システム３３の出力（ＤＧ ｏｕｔｐｕｔ）に対してスムージング制御を行って、エネルギー貯蔵システム指令値を計算し、エネルギー貯蔵システム指令をフィルタリングして系統電力指令（Ｐｇｒｉｄ ｒｅｆ．）を生成する。

また、上位運用システム６０は、生成された系統電力指令（Ｐｇｒｉｄ ｒｅｆ．）をＤＣ配電網３０の電圧制御を行うＡＣ−ＤＣコンバータ２０に伝達し、エネルギー貯蔵システム指令と系統電力指令（Ｐｇｒｉｄ ｒｅｆ．）の差に基づいて、スーパーキャパシタの電圧を制御するためのスーパーキャパシタ電力指令（Ｐｓｃ ｒｅｆ．）を生成してＤＣ−ＤＣコンバータ８０に伝達する。

ここで、スーパーキャパシタ電力指令（Ｐｓｃ ｒｅｆ．）は、エネルギー貯蔵システム指令と系統電力指令（Ｐｇｒｉｄ ｒｅｆ．）の差だけの非常に小さな電力成分を制御するための指令である。

結果的に、従来のハイブリッドエネルギー貯蔵システムの一例２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ８０を１つのみ使用するという長所があるが、ＤＣ配電網３０の電圧がバッテリ１００を保護するために一定範囲内で必ず制御されなければならないし、ＤＣ配電網３０の定格電圧が高い場合、バッテリ１００の電圧も高くなければならないため、費用に負担があるという短所がある。

次いで、図３及び図４には、従来のハイブリッドエネルギー貯蔵システムの他の例が示されている。

図３及び図４は、従来のハイブリッドエネルギー貯蔵システムの他の例を説明する概略図である。

図３及び図４を参照すれば、従来のハイブリッドエネルギー貯蔵システムの他の例３は、スーパーキャパシタ７０とバッテリ１００をそれぞれＤＣ−ＤＣコンバータ８０、１１０を介してＤＣ配電網３０に連結する構造を有している。

参考に、この構造では、スーパーキャパシタ７０とバッテリ１００の電力が互いに独立して第１のＤＣ−ＤＣコンバータ８０及び第２のＤＣ−ＤＣコンバータ１１０によって制御されてもよく、上位運用システム６０により各電力指令（Ｐｓｃ ｒｅｆ．、Ｐｂａｔｔ ｒｅｆ．）が制御されてもよいという長所がある。また、バッテリ１００のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）及びスーパーキャパシタ７０のＳＯＣが個別に管理されてもよく、バッテリ１００とスーパーキャパシタ７０が互いに異なる電圧レベルを有し得るところ、所望の容量と電圧で連携構成が可能であるという長所もある。

また、上位運用システム６０は、分散電源システム３３の出力（ＤＧ ｏｕｔｐｕｔ）に対してスムージング制御を行って、エネルギー貯蔵システム指令値を計算し、エネルギー貯蔵システム指令をフィルタリングして、バッテリ電力指令（Ｐｂａｔｔ ｒｅｆ．）を生成する。

また、上位運用システムは、エネルギー貯蔵システム指令とバッテリ電力指令（Ｐｂａｔｔ ｒｅｆ．）の差に基づいて、スーパーキャパシタの電圧を制御するためのスーパーキャパシタ電力指令（Ｐｓｃ ｒｅｆ．）を生成する。

ここで、スーパーキャパシタ電力指令（Ｐｓｃ ｒｅｆ．）は、エネルギー貯蔵システム指令とバッテリ電力指令（Ｐｂａｔｔ ｒｅｆ．）の差だけの非常に小さな電力成分を制御するための指令である。

従って、ＤＣ配電網３０の電力変化において、急激かつ小さな電力の変化は、スーパーキャパシタ７０が担い、長期間の膨大な電力の変化は、バッテリ１００で管理することになる。

結果的に、従来のハイブリッドエネルギー貯蔵システムの他の例３は、ＤＣ配電網３０の電力管理のみ行えるだけであり、ＤＣ配電網３０の電力品質補償は、行えないという短所がある。

参考に、前述したように、ＤＣ配電網３０には、複数の分散電源システム及び負荷を含んでいてもよいところ、ＤＣ配電網３０内のコンバータ（すなわち、電力変換器）で発生するスイッチング高調波成分によりＤＣ配電網３０の電圧（すなわち、ＤＣ系統電圧）が非線形的特性を有するようになり得る。

具体的には、図５を参照すれば、この際の等価回路及び流入する高調波成分によりＤＣ配電網の電圧（Ｖｃ）が２００％近く変動を表し得ることが分かる。

このような大幅の電圧変動は、ＤＣ配電網３０に連携する機器の制御性能を低減し、寿命を短縮し得るという問題がある。

もちろん、従来のハイブリッドエネルギー貯蔵システムにおいても、ＤＣ配電網の線路の長さが長くなり、容量が増加するほど、線路に抵抗を追加するか、コンバータの出力キャパシタ値を増加させることで、系統のダンピング（ｄａｍｐｉｎｇ）を増加させることができるが、これは、抵抗の発熱問題及びキャパシタの費用問題により現実的に不可能であるという問題がある。

本発明は、ＤＣ配電網の電力を管理すると共に、電力品質も安定化させるハイブリッドエネルギー貯蔵システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明のハイブリッドエネルギー貯蔵システムは、系統及び系統に連携したＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）配電網の電力を管理するハイブリッドエネルギー貯蔵システムにおいて、ＤＣ配電網に連結された第１のＤＣ−ＤＣコンバータ、第１のＤＣ−ＤＣコンバータに連結され、第１のＤＣ−ＤＣコンバータによって充放電が制御されるスーパーキャパシタ、ＤＣ配電網に連結された第２のＤＣ−ＤＣコンバータ、及び第２のＤＣ−ＤＣコンバータに連結され、第２のＤＣ−ＤＣコンバータによって充放電が制御されるバッテリ、とを含むものの、第１のＤＣ−ＤＣコンバータは、ＤＣ配電網に印加された系統電圧のノイズをフィルタリングした後、ダンピング電流を生成して、ＤＣ配電網を安定化するＤＣ配電網安定化制御器を含む。

前記ＤＣ配電網安定化制御器は、ＤＣ配電網に印加された系統電圧のノイズをフィルタリングするフィルターと、系統電圧とノイズがフィルタリングされた系統電圧間の電圧差及びダンピング電流に基づいて、等価ダンピング抵抗を生成する等価ダンピング抵抗部、とを含む。

前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータ及び第２のＤＣ−ＤＣコンバータを制御する上位運用システムをさらに含むものの、上位運用システムは、第１のＤＣ−ＤＣコンバータにスーパーキャパシタの充放電に係る電力指令を提供し、第２のＤＣ−ＤＣコンバータにバッテリの充放電に係る電力指令を提供する。

前記ＤＣ配電網は、負荷と分散電源システムを含み、系統とＤＣ配電網の間には、系統のＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換してＤＣ配電網に伝達するＡＣ−ＤＣコンバータが配置される。

前記上位運用システムは、分散電源システムの出力に対するスムージング（ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ）制御を介してエネルギー貯蔵システム指令値を計算し、計算されたエネルギー貯蔵システムの指令値をフィルタリングして、バッテリの充放電に係る電力指令値を算出し、エネルギー貯蔵システム指令値とバッテリの充放電に係る電力指令値との差に基づいて、スーパーキャパシタの充放電に係る電力指令値を計算する。

前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータは、系統を分離する際、ＤＣ配電網の電圧を制御するＤＣ配電網電圧制御器と、スーパーキャパシタの電圧を制御するスーパーキャパシタ電圧制御器と、ＤＣ配電網安定化制御器から提供された電流指令に基づいて、第１のゲートパルスを生成する第１の電流制御器をさらに含む。

前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータは、系統とＤＣ配電網の連携有無を判別し、系統とＤＣ配電網の連携有無が判別されると、スーパーキャパシタの電圧が予め定めた電圧範囲内で維持されるか否かを判別し、スーパーキャパシタの電圧が予め定めた電圧範囲の上限値又は下限値に到逹すると、スーパーキャパシタ電圧制御器を介してスーパーキャパシタの電圧制御を行って、電流指令を生成し、生成された電流指令をＤＣ配電網安定化制御器における生成された電流指令と合わせて、最終電流指令を生成し、最終電流指令に基づいて、第１の電流制御器を介して第１のゲートパルスを生成する。

前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータは、系統とＤＣ配電網が連携した場合、上位運用システムからスーパーキャパシタの充放電に係る電力指令を提供され、系統とＤＣ配電網が分離された場合、ＤＣ配電網電圧制御器を介してＤＣ配電網電圧制御モードを開始する。

前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータは、第１の電流制御器から第１のゲートパルスを提供される第１のゲートドライバと、第１のゲートドライバにより制御される第１の半導体素子をさらに含む。

前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータは、上位運用システムからバッテリの充放電に係る電力指令を提供されて、バッテリの電圧を制御するバッテリ電圧制御器と、バッテリ電圧制御器から提供された電流指令に基づいて、第２のゲートパルスを生成する第２の電流制御器と、第２の電流制御器から第２のゲートパルスを提供される第２のゲートドライバと、第２のゲートドライバにより制御される第２の半導体素子、とを含む。

前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータは、バッテリのＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）が予め定めた安定範囲内で維持されるか否かを判別し、バッテリのＳＯＣが予め定めた安定範囲を外れると、バッテリ電圧制御器を介してバッテリのＳＯＣを補償するための修正要求値を上位運用システムに伝達する。

前記バッテリは、鉛蓄電池を含む。

前述したように、本発明によれば、安い鉛蓄電池とスーパーキャパシタを用いて高いリチウム系列のバッテリを取り替えると共に、ＤＣ配電網の電力品質の問題を解決することにより、電圧安定度を改善できるだけでなく、効率的なエネルギー管理も可能である長所がある。

上述した効果とともに本発明の具体的な効果は、以下の発明を実施するための具体的な事項を説明しながら共に記述する。

従来のエネルギー貯蔵システムを説明する概略図。 従来のハイブリッドエネルギー貯蔵システムの一例を説明する概略図。 従来のハイブリッドエネルギー貯蔵システムの他の例を説明する概略図。 従来のハイブリッドエネルギー貯蔵システムの他の例を説明する概略図。 従来のＤＣ配電網の電圧及び電流の変動を説明するグラフ。 本発明の実施形態によるハイブリッドエネルギー貯蔵システムの第１のＤＣ−ＤＣコンバータの制御流れを説明する図面。 図６のＤＣ配電網安定化制御器の制御流れを説明する図面。 図６の第１の電流制御器の制御流れを説明する図面。 本発明の実施形態によるハイブリッドエネルギー貯蔵システムにより制御されたＤＣ配電網の電圧及び電流の変動を説明するグラフ。 本発明の実施形態によるハイブリッドエネルギー貯蔵システムの第２のＤＣ−ＤＣコンバータの制御流れを説明する図面。

前述した目的、特徴及び長所は、添付の図面を参照して詳細に後述され、これによって本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明の技術的思想を容易に実施することができる。本発明を説明するにおいて、本発明に係る公知技術に対する具体的な説明が本発明の要旨を曖昧にすると判断される場合には詳細な説明を省略する。以下では、添付の図面を参照して本発明による好ましい実施形態を詳説する。図面における同じ参照符号は、同一又は類似の構成要素を示すことに使われる。

以下では、図６〜図１０を参照して、本発明の実施形態によるハイブリッドエネルギー貯蔵システムを説明する。

図６は、本発明の実施形態によるハイブリッドエネルギー貯蔵システムの第１のＤＣ−ＤＣコンバータの制御流れを説明する図面である。図７は、図６のＤＣ配電網安定化制御器の制御流れを説明する図面である。図８は、図６の第１の電流制御器の制御流れを説明する図面である。図９は、本発明の実施形態によるハイブリッドエネルギー貯蔵システムにより制御されたＤＣ配電網の電圧及び電流の変動を説明するグラフである。図１０は、本発明の実施形態によるハイブリッドエネルギー貯蔵システムの第２のＤＣ−ＤＣコンバータの制御流れを説明する図面である。

参考に、本発明の実施形態によるハイブリッドエネルギー貯蔵システムは、図３に示した従来のハイブリッドエネルギー貯蔵システムの他の例３と同じ構造からなっている。

すなわち、図３に示したように、本発明の実施形態によるハイブリッドエネルギー貯蔵システムは、ＤＣ配電網３０に連結された第１のＤＣ−ＤＣコンバータ８０、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ８０に連結され、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ８０によって充放電が制御されるスーパーキャパシタ７０、ＤＣ配電網３０に連結された第２のＤＣ−ＤＣコンバータ１１０、第２のＤＣ−ＤＣコンバータ１１０に連結され、第２のＤＣ−ＤＣコンバータ１１０によって充放電が制御されるバッテリ１００、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ８０、及び第２のＤＣ−ＤＣコンバータ１１０を制御する上位運用システム６０、とを含んでいてもよい。

ここで、バッテリ１００は、例えば、鉛蓄電池を含んでいてもよい。

また、図４に示したように、通常、上位運用システム６０は、分散電源システム３３の出力に対するスムージング（ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ）制御を介してエネルギー貯蔵システム指令（Ｐｅｓｓ ｒｅｆ．）値（すなわち、エネルギー貯蔵システム指令値）を計算し、計算されたエネルギー貯蔵システム指令値をフィルタリングして、バッテリ電力指令（Ｐｂａｔｔ ｒｅｆ．）値（すなわち、バッテリ１００の充放電に係る電力指令値）を算出し、エネルギー貯蔵システム指令値と、バッテリ１００の充放電に係る電力指令値との差に基づいて、スーパーキャパシタ指令（Ｐｓｃ ｒｅｆ．）値（すなわち、スーパーキャパシタ７０の充放電に係る電力指令値）を計算することができる。

また、上位運用システム６０は、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ８０にスーパーキャパシタ７０の充放電に係る電力指令（すなわち、スーパーキャパシタ電力指令（Ｐｓｃ ｒｅｆ．））を提供し、第２のＤＣ−ＤＣコンバータ１１０には、バッテリ１００の充放電に係る電力指令（すなわち、バッテリ電力指令（Ｐｂａｔｔ ｒｅｆ．））を提供することができる。

参考に、上位運用システム６０は、分散電源システム３３と連携して電力を運用することができ、例えば、ＥＭＳ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）を含んでいてもよい。

ただし、本発明の実施形態によるハイブリッドエネルギー貯蔵システムは、図３と違って、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ８０にノイズフィルタリング技法及び等価ポジティブ抵抗成分を生成し、系統１０のダンピングを増加させることを目的とする安定化技法がさらに適用される点で相違するところ、相違点を中心に説明する。

図３及び図６〜図８を参照すれば、本発明の実施形態によるハイブリッドエネルギー貯蔵システムの第１のＤＣ−ＤＣコンバータ８０は、ＤＣ配電網電圧制御器８３、スーパーキャパシタ電圧制御器８６、ＤＣ配電網安定化制御器９０、第１の電流制御器９５、第１のゲートドライバ９７、第１の半導体素子９８、とを含んでいてもよい。

具体的には、ＤＣ配電網電圧制御器８３は、系統１０を分離（例えば、系統１０の事故又は停電）する際、ＤＣ配電網３０の電圧を制御することができ、スーパーキャパシタ電圧制御器８６は、スーパーキャパシタ７０の電圧を制御することができる。

また、ＤＣ配電網安定化制御器９０は、ＤＣ配電網３０に印加された系統電圧のノイズをフィルタリングした後、ダンピング電流を生成して、ＤＣ配電網３０を安定化させることができ、第１の電流制御器９５は、ＤＣ配電網安定化制御器９０から提供された電流指令に基づいて、第１のゲートパルス（Ｓ）を生成することができる。

また、第１のゲートドライバ９７は、第１の電流制御器９５から第１のゲートパルス（Ｓ）を提供されて、第１の半導体素子９８を制御することができる。すなわち、第１の半導体素子９８は、第１のゲートドライバ９７により制御されてもよい。

参考に、第１の半導体素子９８は、例えば、ＩＧＢＴ（ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｍｏｄｅ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を含んでいてもよいが、これに限定されるものではない。

かかる構成を含む第１のＤＣ−ＤＣコンバータ８０は、次のような制御流れを有し得る。

具体的には、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ８０は、先に系統１０とＤＣ配電網３０の連携有無を判別することができる。

すなわち、系統連携モード（Ｇｒｉｄ−ｔｉｅｄ Ｍｏｄｅ；すなわち、系統１０がＤＣ配電網３０と連携）の際には、基本的に、上位運用システム６０からスーパーキャパシタ７０の充放電に係る電力指令（Ｐｓｃ ｒｅｆ．）を提供され、系統分離モード（Ｉｓｌａｎｄｅｄ Ｍｏｄｅ；すなわち、系統１０がＤＣ配電網３０と分離）の際には、ＤＣ配電網電圧制御器８３を介してＤＣ配電網電圧制御モードを開始することができる。

すなわち、ＤＣ配電網電圧制御器８３は、ＤＣ配電網電圧指令（Ｖｄｃ ｒｅｆ．）に基づいて、ＤＣ配電網電圧制御モードを開始することができる。

系統１０とＤＣ配電網３０の連携有無が判別されると、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ８０は、スーパーキャパシタ７０の電圧が予め定めた電圧範囲内で維持されるか否かを判別することができる。

具体的には、スーパーキャパシタ７０の電圧が予め定めた電圧範囲の上限値（Ｖｈｉｇｈ）又は下限値（Ｖｌｏｗ）に到逹すると、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ８０は、スーパーキャパシタ電圧制御器８６を介してスーパーキャパシタ７０の電圧制御を行って、電流指令（Ｉｓｃ_ｒｅｆ１；第１のスーパーキャパシタ電流指令）を生成することができる。

すなわち、スーパーキャパシタ電圧制御器８６は、スーパーキャパシタ電圧指令（Ｖｓｃ ｒｅｆ．）に基づいて、スーパーキャパシタ７０の電圧制御を行うことができる。

スーパーキャパシタ電圧制御器８６のスーパーキャパシタ７０に対する電圧を制御した後、現在のスーパーキャパシタ７０の電圧（Ｖｓｃ）が入力される素子８７を経て生成された第１のスーパーキャパシタ電流指令（Ｉｓｃ_ｒｅｆ１）と、ＤＣ配電網安定化制御器９０における生成された電流指令（Ｉｓｃ_ｒｅｆ２；第２のスーパーキャパシタ電流指令）が合算されて、最終電流指令（Ｉｓｃ_ｒｅｆ３；第３のスーパーキャパシタ電流指令）を生成することができる。

ここで、素子８７は、例えば、割り算、すなわち、割る機能を有する素子であってもよい。

生成された第３のスーパーキャパシタ電流指令（Ｉｓｃ_ｒｅｆ３）は、第１の電流制御器９５へ提供され、第１の電流制御器９５は、第３のスーパーキャパシタ電流指令（Ｉｓｃ_ｒｅｆ３）に基づいて、第１のゲートパルス（Ｓ）を生成して、第１のゲートドライバ９７に提供することができる。

第１のゲートドライバ９７は、提供された第１のゲートパルス（Ｓ）に基づいて、第１の半導体素子９８を制御することができる。

ここで、図７を参照すれば、ＤＣ配電網安定化制御器９０は、ＤＣ配電網３０に印加された系統電圧（Ｖｅｎｄ）のノイズをフィルタリングするフィルター９１と、系統電圧（Ｖｅｎｄ）とノイズがフィルタリングされた系統電圧間の電圧差（Ｖｅｎｄ_ｌｐｆ）及びダンピング電流に基づいて、等価ダンピング抵抗（Ｒｄａｍｐ）を生成する等価ダンピング抵抗部９２、とを含むことが分かる。

すなわち、ＤＣ配電網安定化制御器９０は、フィルター９１（例えば、低域通過フィルター）を介してＤＣ配電網３０に印加された系統電圧（Ｖｅｎｄ；すなわち、ＤＣ配電網３０の末端電圧）のノイズをフィルタリングすることができる。

また、ＤＣ配電網安定化制御器９０は、系統電圧（Ｖｅｎｄ）とノイズがフィルタリングされた系統電圧間の電圧差（Ｖｅｎｄ_ｌｐｆ）を計算した後、等価ダンピング抵抗部９２を介して生成されたダンピング電流及び前記電圧差（Ｖｅｎｄ_ｌｐｆ）に基づいて、等価ダンピング抵抗（Ｒｄａｍｐ）を生成することで、第２のスーパーキャパシタ電流指令（Ｉｓｃ_ｒｅｆ２）を生成することができる。

次いで、図８を参照すれば、第１の電流制御器９５は、ＰＩ制御器９５ａ、素子９５ｂ、リミッター９５ｃ、スイッチングキャリア９５ｄ、比較器９５ｅ、とを含んでいてもよい。

すなわち、第３のスーパーキャパシタ電流指令（Ｉｓｃ_ｒｅｆ３）とスーパーキャパシタ電流（Ｉｓｃ）との差がＰＩ制御器９５ａに入力として提供され、ＰＩ制御器９５ａの出力とスーパーキャパシタ電圧（Ｖｓｃ）の和及びＤＣ配電網３０の末端電圧（Ｖｅｎｄ）が素子９５ｂに提供され、素子９５ｂの出力がリミッター９５ｃに提供され、リミッター９５ｃの出力とスイッチングキャリア９５ｄの出力が比較器９５ｅに入力として提供されると、比較器９５ｅにおけるゲートパルス（Ｓ；Ｓｐ、Ｓｎ（Ｓｐの反転信号））を生成することができる。

結果的に、前述した構造及び制御方法を介して第１のＤＣ−ＤＣコンバータ８０は、図９に示したように、ＤＣ配電網３０の末端電圧（Ｖｅｎｄ）の変動を１０％以内に低減することができる。

すなわち、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ８０がＤＣ配電網３０の電圧変動を１０％未満に維持させることで、ＤＣ配電網３０に複数の機器が連携し、線路が長くなるとしても、電圧の変動を低減させることが分かる。

図３及び図１０を参照すれば、本発明の実施形態によるハイブリッドエネルギー貯蔵システムの第２のＤＣ−ＤＣコンバータ１１０は、バッテリ電圧制御器１１５、第２の電流制御器１１８、第２のゲートドライバ１１９、第２の半導体素子１２０、とを含んでいてもよい。

具体的には、バッテリ電圧制御器１１５は、上位運用システム６０からバッテリ１００の充放電に係る電力指令（Ｐｂａｔｔ ｒｅｆ．）を提供されて、バッテリ１００の電圧を制御することができ、第２の電流制御器１１８は、バッテリ電圧制御器１１５から提供された電流指令（Ｉｂａｔｔ_ｒｅｆ）に基づいて、第２のゲートパルス（Ｓ’）を生成することができる。

また、第２のゲートドライバ１１９は、第２の電流制御器１１８から第２のゲートパルス（Ｓ’）を提供されて、第２の半導体素子１２０を制御することができる。すなわち、第２の半導体素子１２０は、第２のゲートドライバ１１９により制御されてもよい。

参考に、第２の半導体素子１２０は、例えば、ＩＧＢＴ（ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｍｏｄｅ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を含んでいてもよいが、これに限定されるものではない。

かかる構成を含む第２のＤＣ−ＤＣコンバータ１１０は、次のような制御流れを有し得る。

具体的には、第２のＤＣ−ＤＣコンバータ１１０は、先にバッテリ１００のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）が予め定めた安定範囲内で維持されるか否かを判別することができる。

すなわち、第２のＤＣ−ＤＣコンバータ１１０は、基本的に、系統連携モード（Ｇｒｉｄ−ｔｉｅｄ Ｍｏｄｅ）及び系統分離モード（Ｉｓｌａｎｄｅｄ Ｍｏｄｅ）両方における上位運用システム６０からバッテリ電力指令（Ｐｂａｔｔ ｒｅｆ．）を提供されて、バッテリ１００のＳＯＣが予め定めた安定範囲内にあるとき、上位運用システム６０から提供されたバッテリ電力指令（Ｐｂａｔｔ ｒｅｆ．）に基づいて、バッテリ１００の充放電を制御することができる。

ただし、バッテリ１００のＳＯＣが予め定めた安定範囲を外れると（ＳＯＣ Ｌｉｍｉｔ）、バッテリ電圧制御器１１５を介してバッテリ１００のＳＯＣを補償するための修正要求値（Ａｄｊ ｒｅｆ．）を上位運用システム６０に伝達することができる。

また、バッテリ電圧制御器１１５から提供されたバッテリ電力指令（Ｐｂａｔｔ ｒｅｆ．）及び現在のバッテリ１００の電圧（Ｖｂａｔｔ）が素子（１１７）に入力されると、バッテリ電流指令（Ｉｂａｔｔ_ｒｅｆ．）を生成することができる。

ここで、素子１１７は例えば、割り算、すなわち、割る機能を有する素子であってもよい。

生成されたバッテリ電流指令（Ｉｂａｔｔ_ｒｅｆ．）は、第２の電流制御器１１８に提供され、第２の電流制御器１１８は、バッテリ電流指令（Ｉｂａｔｔ_ｒｅｆ．）に基づいて、第２のゲートパルス（Ｓ’）を生成して、第２のゲートドライバ１１９に提供することができる。

第２のゲートドライバ１１９は、提供された第２のゲートパルス（Ｓ’）に基づいて、第２の半導体素子１２０を制御することができる。

前述したように、本発明の実施形態によるハイブリッドエネルギー貯蔵システムは、安い鉛蓄電池（すなわち、バッテリ１００）とスーパーキャパシタ７０を用いて高いリチウム系列のバッテリを取り替えると共に、ＤＣ配電網３０の電力品質の問題を解決することにより、電圧安定度を改善するだけでなく、効率的なエネルギー管理も可能である長所がある。

前述した本発明は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者にとって、本発明の技術的思想を脱しない範囲内で様々な置換、変形及び変更が可能であるため、前述した実施形態及び添付の図面によって限定されるものではない。

Claims (9)

1. 系統及び前記系統に連携したＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）配電網の電力を管理するハイブリッドエネルギー貯蔵システムにおいて、
   前記ＤＣ配電網に連結された第１のＤＣ−ＤＣコンバータ；
   前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータに連結され、前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータによって充放電が制御されるスーパーキャパシタ；
   前記ＤＣ配電網に連結された第２のＤＣ−ＤＣコンバータ；及び、
   前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータに連結され、前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータによって充放電が制御されるバッテリを含むものの、
   前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータは、前記ＤＣ配電網に印加された系統電圧のノイズをフィルタリングした後、ダンピング電流を生成して、前記ＤＣ配電網を安定化させるＤＣ配電網安定化制御器を含み、
   前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータ及び前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータを制御する上位運用システムをさらに含むものの、
   前記上位運用システムは、
   前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータに前記スーパーキャパシタの充放電に係る電力指令を提供し、
   前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータに前記バッテリの充放電に係る電力指令を提供し、
   前記ＤＣ配電網は、負荷と分散電源システムを含み、
   前記系統と前記ＤＣ配電網の間には、前記系統のＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換して、前記ＤＣ配電網に伝達するＡＣ−ＤＣコンバータが配置され、
   前記上位運用システムは、
   前記分散電源システムの出力に対するスムージング（ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ）制御を介してエネルギー貯蔵システム指令値を計算し、
   前記計算されたエネルギー貯蔵システムの指令値をフィルタリングして、前記バッテリの充放電に係る電力指令値を算出し、
   前記エネルギー貯蔵システム指令値と、前記バッテリの充放電に係る電力指令値との差に基づいて、前記スーパーキャパシタの充放電に係る電力指令値を計算する、
   ハイブリッドエネルギー貯蔵システム。
2. 前記ＤＣ配電網安定化制御器は、
   前記ＤＣ配電網に印加された前記系統電圧のノイズをフィルタリングするフィルターと、
   前記系統電圧と前記ノイズがフィルタリングされた系統電圧間の電圧差に基づいて、前記ダンピング電流の関数として決定される等価ダンピング抵抗を生成する等価ダンピング抵抗部、とを含む、
   請求項１に記載のハイブリッドエネルギー貯蔵システム。
3. 前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータは、
   前記系統を分離する際、前記ＤＣ配電網の電圧を制御するＤＣ配電網電圧制御器と、
   前記スーパーキャパシタの電圧を制御するスーパーキャパシタ電圧制御器と、
   前記ＤＣ配電網安定化制御器から提供された電流指令に基づいて、第１のゲートパルスを生成する第１の電流制御器をさらに含む、
   請求項１に記載のハイブリッドエネルギー貯蔵システム。
4. 前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータは、
   前記系統と前記ＤＣ配電網の連携有無を判別し、
   前記系統と前記ＤＣ配電網の連携有無が判別されると、前記スーパーキャパシタの電圧が予め定めた電圧範囲内で維持されるか否かを判別し、
   前記スーパーキャパシタの電圧が前記予め定めた電圧範囲の上限値又は下限値に到逹すると、前記スーパーキャパシタ電圧制御器を介して前記スーパーキャパシタの電圧制御を行って、電流指令を生成し、
   前記生成された電流指令を前記ＤＣ配電網安定化制御器における生成された電流指令と合わせて最終電流指令を生成し、
   前記最終電流指令に基づいて、前記第１の電流制御器を介して前記第１のゲートパルスを生成する、
   請求項３に記載のハイブリッドエネルギー貯蔵システム。
5. 前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータは、
   前記系統と前記ＤＣ配電網が連携した場合、前記上位運用システムから前記スーパーキャパシタの充放電に係る電力指令を提供され、
   前記系統と前記ＤＣ配電網が分離された場合、前記ＤＣ配電網電圧制御器を介してＤＣ配電網電圧制御モードを開始する、
   請求項４に記載のハイブリッドエネルギー貯蔵システム。
6. 前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータは、
   前記第１の電流制御器から前記第１のゲートパルスを提供される第１のゲートドライバと、
   前記第１のゲートドライバにより制御される第１の半導体素子をさらに含む、
   請求項３に記載のハイブリッドエネルギー貯蔵システム。
7. 前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータは、
   前記上位運用システムから前記バッテリの充放電に係る電力指令を提供されて、前記バッテリの電圧を制御するバッテリ電圧制御器と、
   前記バッテリ電圧制御器から提供された電流指令に基づいて、第２のゲートパルスを生成する第２の電流制御器と、
   前記第２の電流制御器から前記第２のゲートパルスを提供される第２のゲートドライバと、
   前記第２のゲートドライバにより制御される第２の半導体素子を含む、
   請求項１に記載のハイブリッドエネルギー貯蔵システム。
8. 前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータは、
   前記バッテリのＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）が予め定めた安定範囲内で維持されるか否かを判別し、
   前記バッテリのＳＯＣが前記予め定めた安定範囲を外れると、前記バッテリ電圧制御器を介して前記バッテリのＳＯＣを補償するための修正要求値を前記上位運用システムに伝達する、
   請求項７に記載のハイブリッドエネルギー貯蔵システム。
9. 前記バッテリは、鉛蓄電池を含む、
   請求項１に記載のハイブリッドエネルギー貯蔵システム。

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