JP7159444B2

JP7159444B2 - 太陽光発電システムおよびその制御方法

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Publication number: JP7159444B2
Application number: JP2021505973A
Authority: JP
Inventors: イム、ジュホ
Original assignee: LS Electric Co Ltd
Current assignee: LS Electric Co Ltd
Priority date: 2018-08-09
Filing date: 2019-07-24
Publication date: 2022-10-24
Anticipated expiration: 2039-07-24
Also published as: KR20200017747A; US20210351591A1; US11336099B2; WO2020032433A1; KR102427090B1; JP2021532722A; KR20210148968A

Description

本発明は太陽光発電システムおよびその制御方法に関し、より具体的には、有効電力指令時にマージンを除去して充電と放電効率を最大化できる、太陽光発電システムおよびその制御方法に関する。

石油などの化石エネルギーの枯渇と環境汚染の恐れのため、代替エネルギーに対する関心が高まっている。その中でも太陽電池を付着したパネルを大規模に広げて、太陽光エネルギーを利用して電気を大規模に生産する発電である太陽光発電が脚光を浴びている。太陽光発電は無制限、無公害の太陽光エネルギーを利用するため、燃料費が不要であり、大気汚染や廃棄物の発生がないという長所がある。

太陽光発電システムは独立型システム（ＳｔａｎｄＡｌｏｎｅＳｙｓｔｅｍ）と系統連係型システム（Ｇｒｉｄ－ＣｏｎｎｅｃｔｅｄＳｙｓｔｅｍ）がある。系統連係型システムは太陽光発電によって得た電気と電力会社で供給する電気を共に使うシステムである。

連係型太陽光発電システムは、太陽光発電が可能な時には負荷に発電で得られた電気エネルギーを供給し、深夜や雨天時などの太陽光発電が不可能な時には電力会社の電力網である外部電力網から供給される電気エネルギーを負荷に供給する。

連係型太陽光発電システムは独立型システムとは異なって畜電池を省略することができ、太陽光発電で得られた電気エネルギーの余剰分を外部電力網に送電することもできる。

系統連係型太陽光発電システムは蓄電池、大容量のＥＳＳ（ＥｎｅｒｇｙＳｔｏｒａｇｅＳｙｓｔｅｍ）等のエネルギー貯蔵装置を含むことができる。

軽負荷時には遊休電力をエネルギー貯蔵装置に貯蔵し、過負荷時には太陽光発電で得られた電力だけでなく、エネルギー貯蔵装置に貯蔵された電力を共に外部電力網に供給して効率を上げることができる。

図１は従来の太陽光発電システムを図示した図面である。

従来の太陽光エネルギー貯蔵システム１００は、太陽光発電を通じて生産された電気エネルギーを貯蔵しておいてから外部電力網に供給するシステムである。

太陽光エネルギー貯蔵システム１００は、発電可能時間（例えば、午前１０時から午後４時の間）には太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換してエネルギー貯蔵装置１４０に貯蔵し、発電可能時間以外の時間であるエネルギー供給時間にはバッテリーに充電された電気エネルギーを放電させて外部電力網に供給する。

運用的な側面を詳しく説明すると、太陽電池アレイ１２０で発電された電気エネルギーは計測器１６０で検出され、計測器１６０で検出された電力量は電力管理装置１１０でモニタリングされる。

電力管理装置１１０が発電量に一定部分マージン（Ｍａｒｇｉｎ）を付与して電力制御装置１３０に有効電力指令を出すと、電力制御装置１３０は受信された有効電力指令にしたがってエネルギー貯蔵装置１４０に電力を供給して充電することになる。

ここで、マージン（Ｍａｒｇｉｎ）を付与して有効電力指令を出す理由は、太陽電池アレイ１２０で実際に生産された電気エネルギー量よりも有効電力指令値が大きい場合、外部電力網の電気エネルギーがバッテリーの充電に使われ得るため、費用的な損失を発生させ得るためである。

一方、マージン（Ｍａｒｇｉｎ）を付与する時に過度に大きなマージン（Ｍａｒｇｉｎ）を付与する場合、エネルギー貯蔵装置１４０に充電される電気エネルギーまたは外部電力網１５０に供給できる電気エネルギー量が少なくなるため、充電と放電エネルギー効率性が低下し得る。

このように、マージン（Ｍａｒｇｉｎ）が過度に小さいと費用的な損失を発生させ得、過度に余裕を与えて設定すると充電と放電エネルギー効率性が低下する問題点があった。

したがって、費用的な損失を減少させつつも、充電と放電エネルギー効率性を向上させ得るシステムとその制御方法が要求される。

本発明は前述した問題点を解決するためのものであって、本発明の目的は、有効電力指令時にマージンを制御して費用損失の発生を防止するとともに充電と放電効率を最大化できる太陽光エネルギー貯蔵システムを提供することにある。

本発明の一実施例に係る太陽光発電システムは、太陽エネルギーを電力に変換する太陽電池アレイと、前記太陽電池アレイの発電量および外部電力網からの逆電力をモニタリングする電力管理装置と、前記太陽電池アレイで生産された電力または外部電力網の電力を供給されて充電するエネルギー貯蔵装置と、前記太陽電池アレイで生成された電力または外部電力網の電力を有効電力指令に対応して前記エネルギー貯蔵装置に供給する電力制御装置を含み、前記電力管理装置は、前記外部電力網の逆電力の発生の有無によって互いに異なる値の有効電力指令を生成する。

一方、太陽光発電システムは、前記太陽電池アレイの発電量を検出する第１計測器と、前記外部電力網の逆電力を検出する第２計測器をさらに含むことができる。

この場合、前記電力管理装置は、逆電力が発生しなかった場合に前記太陽電池アレイの発電量を前記有効電力指令値として決定することができる。

一方、前記電力管理装置は、逆電力が発生した場合、前記太陽電池アレイの発電量から前記逆電力を差し引いた値を前記有効電力指令値として決定することができる。

一方、前記電力管理装置は、設定された時間周期で、前記外部電力網の逆電力および前記太陽電池アレイの発電量に基づいて前記有効電力指令を決定し、前記決定された有効電力指令を前記電力制御装置に伝送することができる。

一方、本発明の実施例に係る太陽光発電システムの制御方法は、電力管理装置が太陽エネルギーを吸収して電力に変換された発電量をモニタリングし、系統からの逆電力をモニタリングする段階、前記電力管理装置が前記系統の逆電力および前記発電量に基づいて、電力管理装置に電力指令を伝送する段階、前記電力制御装置が前記太陽光発電装置で生成された電力を前記電力指令に対応してエネルギー貯蔵装置に供給する段階、および、前記エネルギー貯蔵装置が前記供給される電力を充電する段階を含む。

この場合、前記電力指令を伝送する段階は、前記発電量にマージンを付与することなく前記電力指令を生成する段階を含むことができる。

一方、前記電力指令を伝送する段階は、前記逆電力の発生の有無を決定し、前記逆電力の発生の有無に基づいて前記電力指令を決定する段階を含むことができる。

この場合、前記電力指令を伝送する段階は、前記逆電力が発生しなかった場合、前記発電量を前記電力指令値として決定する段階をさらに含むことができる。

一方、前記電力指令を伝送する段階は、前記逆電力が発生した場合、前記発電量から前記逆電力を差し引いた値を前記電力指令値として決定する段階をさらに含むことができる。

一方、前記電力管理装置が既設定された時間周期で、前記系統の逆電力および前記発電量に基づいて前記電力指令を決定し、前記決定された電力指令を前記電力制御装置に伝送する段階をさらに含むことができる。

本発明は、逆電力が存在しない場合には太陽光発電装置の発電量を電力指令値として設定して充電を遂行するため、充電／放電効率を最大化することができる。また、逆電力が存在する場合には太陽光発電装置の発電量から逆電力を差し引いた値を電力指令値として設定して充電を遂行するため、逆電力がそれ以上発生することを防止して費用損失を最小化することができる。

したがって、本発明は充電／放電効率を最大化しながらも費用損失を減らして、利益を最大化できる長所がある。

本発明は、既設定された周期で逆電力をモニタリングし有効電力指令を修正するため、特定周期が終わった後に逆電力が発生しても、その次の周期には発生した逆電力を反映して有効電力をすぐに修正することができる。

従来の太陽光発電システムを図示した図面である。

本発明の実施例に係る太陽光発電システムのブロック構成図である。

本発明の実施例に係る太陽光エネルギー発電システムの制御方法を示したフローチャートである。

１１：電力管理装置
１２：太陽電池アレイ

１３：電力制御装置
１４：エネルギー貯蔵装置

１５：外部電力網
１６：第１計測器

１７：第２計測器

以下では、添付した図面を参照して本発明の実施例について、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。しかし、本発明は多様な異なる形態で具現され得、ここで説明する実施例に限定されない。そして、図面で本発明を明確に説明するために説明に関わっていない部分は省略し、明細書全体を通じて類似する部分については類似する図面符号を付した。

また、ある部分がある構成要素を含むとする時、これは特に反対の記載がない限り他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。

図２は、本発明の実施例に係る太陽光発電システムのブロック構成図である。

本発明の太陽光発電システム１０は、電力管理装置１１，太陽電池アレイ１２，電力制御装置１３，エネルギー貯蔵装置１４，第１計測器１６および第２計測器１７を含むことができる。

一方、本発明の太陽光発電システム１０は系統連係型システムであり、太陽電池アレイ１２で生産されたりエネルギー貯蔵装置１４に貯蔵された電力を外部電力網１５に供給することができる。

太陽電池アレイ１２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で連結して、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させる装置である。

したがって、太陽電池アレイ１２０は太陽エネルギーを吸収して電気エネルギー、すなわち電力に変換することができる。

電力制御装置１３は電力制御システム（ＰｏｗｅｒＣｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ，ＰＣＳ）という用語と混用されて使われ得る。

電力制御装置１３は、太陽電池アレイ１２およびエネルギー貯蔵装置１４と連結されて太陽電池アレイ１２で生産された電力をエネルギー貯蔵装置１４に供給することができる。

この場合、電力制御装置１３は電力管理装置１１で生成された電力指令に対応してエネルギー貯蔵装置に電力を供給することができる。

また、電力制御装置１３は外部電力網１５と連結されてエネルギー貯蔵装置１４から電力を供給されて外部電力網１５に伝達することができる。

また、電力制御装置１３は太陽電池アレイ１２から電力を供給されて外部電力網１５に供給することができる。

一方、電力制御装置１３は、入力電力の電気的特性を変換して伝達することができる。

例えば、電力制御装置１３はＤＣ電力をＡＣ電力に変換したり、電力の周波数を変更するなど、受信された電力の電気的特性を変換することができる。

エネルギー貯蔵装置１４は、エネルギー貯蔵システム（ＥｎｅｒｇｙＳｔｏｒａｇｅＳｙｓｔｅｍ，ＥＳＳ）という用語と混用されて使われ得る。

エネルギー貯蔵装置４００は畜電池を含むことができる。

そして、エネルギー貯蔵装置１４は電力制御装置から供給された電力を充電することができる。

また、エネルギー貯蔵装置１４は充電された電力を放電することができる。この場合、放電された電力は電力制御装置１３を通じて外部電力網１５に供給され得る。

第１計測器１６は、太陽電池アレイ１２の発電量、すなわち太陽電池アレイ１２で生成される電力量を感知し、感知結果を電力管理装置１１に伝送することができる。

一方、第２計測器１７は外部電力網１５との連結部分に設置されて逆電力を感知することができる。

ここで、逆電力とは、外部電力網１５から本発明の太陽光発電システム１０に供給される電力を意味し得る。

具体的には、太陽光発電システム１０は外部電力網１５に電力を供給してもよく、外部電力網１５から電力を供給されてエネルギー貯蔵装置１４に貯蔵してもよい。

外部電力網１５から電力制御装置１３に供給される電力を逆電力と指称し得る。

電力管理装置１１は電力管理システム（ＰｏｗｅｒＭａｎａｇｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍ，ＰＭＳ）という用語と混用されて使われ得る。

電力管理装置１１は太陽光発電システム１０の全般的な動作を制御することができる。

この場合、電力管理装置１１は上位システムであるエネルギー管理システム（ＥｎｅｒｇｙＭａｎａｇｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍ，ＥＭＳ）から指令を受信し、受信した指令にしたがって太陽光発電システム１０の動作を制御することができる。

また、電力管理装置１１は、自体および下位システムである太陽電池アレイ１２，電力制御装置１３，エネルギー貯蔵装置１４の状態情報を収集してエネルギー管理システム（ＥｎｅｒｇｙＭａｎａｇｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍ，ＥＭＳ）に伝送することができる。

また、電力管理装置１１は第１計測器１６から受信される感知結果を利用して太陽電池アレイ１２の発電量をモニタリングすることができる。

また、電力管理装置１１は第２計測器１７から受信される感知結果を利用して外部電力網１５からの逆電力をモニタリングすることができる。

また、電力管理装置１１は電力制御装置１３に制御命令を伝送することができる。

ここで制御命令は電力指令を含むことができる。

電力指令は有効電力指令という用語と混用されて使われ得、エネルギー貯蔵装置１４に貯蔵される有効電力値を示し得る。

一方、太陽電池アレイ１２で生産された電気エネルギーの全部または一部はエネルギー貯蔵装置１４に貯蔵され得、また、全部または一部は外部電力網１５に送電され得る。

電力管理装置１３は第１計測器１６で検出された太陽電池アレイ１２の発電量に基づいて有効電力指令を生成する。

この時、検出された発電量にマージン（Ｍａｒｇｉｎ）を一定部分付与し、生成された電力の一部をエネルギー貯蔵装置１４に充電し、他の一部は外部電力網１５に送電する。

マージン（Ｍａｒｇｉｎ）を付与する理由は、実際に検出された発電量よりも少ない有効電力指令を出さないと、外部電力網１５の電力を利用してエネルギー貯蔵装置１４を充電することを防止できないためである。

すなわち、エネルギー貯蔵装置１４は有効電力指令値だけ充電を遂行しなければならないが、太陽電池アレイ１２の発電量が有効電力指令に比べて小さい場合には外部電力網１５の電力を受信してエネルギー貯蔵装置１４を充電する。

したがって、費用的な損失が発生し得、これを防止するためにマージン（Ｍａｒｇｉｎ）を付与することになる。

また、マージンを過度に大きくする場合には、エネルギー貯蔵装置に充電される電力量が小さくなるため充電と放電効率が低下する問題が発生し得、これに伴い、外部電力網１５に供給できるエネルギー量が小さくなることになる。

太陽光発電で生産されたエネルギーをエネルギー貯蔵装置１４に貯蔵しておいてから非発電時間（例えば、午前１０時以前、午後４時以降）に外部電力網１５に売電すると、大韓民国法令上新再生エネルギー供給証明書（ＲＥＣ，ＲｅｎｅｗａｂｌｅＥｎｅｒｇｙＣｅｒｔｉｆｉｃａｔｅ）加重値である５倍の費用で売電できるため、非常に有利である。

したがって、午前１０時から午後４時以外の時間には、太陽光発電システム１０で生産されて貯蔵された電力を外部電力網１５に送電することになるが、マージンを大きくする場合には外部電力網１５に売電できるエネルギー量が小さくなるため収益を最大化できない問題が発生し得る。

本発明は有効電力指令を制御して、費用損失を防止するとともに充電と放電効率を上げることができる。

このような本発明の制御方法を図３のフローチャートを参照して具体的に説明する。

図３は、本発明の実施例に係る太陽光発電システムの制御方法を説明するための図面である。

従来には電力管理装置が太陽電池アレイの発電量に基づいてのみ有効電力指令を生成したが、本発明は外部電力網１５の逆電力および太陽電池アレイ１２の発電量をすべて考慮して有効電力指令を生成することができる。

具体的には、第２計測器１７は電力制御装置１３と外部電力網１５を連結する電力線の逆電力を感知する（Ｓ３１０）。

そして、第２計測器１７で感知された逆電力値は電力管理装置１１に伝送される。

また、第１計測器１６は太陽電池アレイ１２の発電量を検出する（Ｓ３２０）。

第１計測器１６は検出された発電量情報を電力管理装置１１に伝送する。

その後、電力管理装置１１は第２計測器１７から受信された感知結果に基づいて、逆電力の発生の有無を判断する（Ｓ３３０）。

そして、電力管理装置１１は逆電力の発生の有無によって有効電力指令を決定することができる。

具体的には、逆電力が発生しなかった場合、電力管理装置１１は第１計測器１６で検出された太陽電池アレイ１２の発電量を有効電力指令値として決定する（Ｓ３４０）。

さらに具体的には、逆電力が発生しなかった場合、電力管理装置１１は有効電力指令値のセッティングにおいて太陽電池アレイ１２の発電量をそのまま代入することができる。

一方、第２計測器１７で逆電力が検出された場合、電力管理装置１１は第１計測器１６で検出された太陽電池アレイ１２の発電量から第２計測器１７で検出された逆電力値を差し引いた値を有効電力指令値として決定することができる（Ｓ３５０）。

具体的には、第２計測器１７の検出結果、逆電力が発生した場合、電力管理装置１１は有効電力指令値のセッティングにおいて第１計測器１６で検出された太陽電池アレイ１２の発電量から第２計測器１７で検出された外部電力網１５で電力制御装置１３に供給される逆電力を差し引いた値をそのまま反映することができる。

一方、有効電力指令が生成された場合、電力管理装置１１は電力制御装置１３に電力指令を伝送する（Ｓ３６０）。

この場合、電力制御装置１３は受信された有効電力指令に対応してエネルギー貯蔵装置１４に電力を供給する。

具体的には、電力制御装置１３はエネルギー貯蔵装置１４が有効電力指令に設定された電力量だけ充電されるように、エネルギー貯蔵装置１４に電力を供給することができる。

すなわち、本発明は逆電力が存在しない場合には太陽電池アレイ１２の発電量を有効電力指令値として設定して充電を遂行するため、充電と放電効率を最大化することができる。

また、逆電力が存在する場合には太陽電池アレイ１２の発電量から逆電力を差し引いた値を有効電力指令値として設定して充電を遂行するため、逆転力がそれ以上発生することを防止して費用損失を最小化することができる。

したがって、本発明は充電と放電効率を最大化しながらも費用損失を減らして、利益を最大化できる長所がある。

一方、外部電力網１５の逆電力および太陽電池アレイ１２の発電量に基づいて有効電力指令を伝送する過程は、太陽光発電システム１０の起動中に継続的に繰り返され得る。

また、電力管理装置１１は既設定された時間周期で、外部電力網１５の逆電力および太陽電池アレイ１２の発電量に基づいて電力指令を決定し、決定された電力指令を電力制御装置１３に伝送することができる。

例えば、電力管理装置１１は５００ｍｓごとに有効電力指令を生成して伝送することができる。

また、第１計測器１６および第２計測器１７は一定の周期で検出結果を出力することができ、電力管理装置１１は既設定された時間周期で外部電力網１５の逆電力および太陽電池アレイ１２の発電量に基づいて電力指令を決定し、決定された有効電力指令を電力制御装置１３に伝送することができる。

例えば、第１計測器１６および第２計測器１７は５００ｍｓごとに感知結果を出力することができ、電力管理装置１１は第１計測器１６と第２計測器１７の検出結果にしたがって１秒ごとに有効電力指令を生成して伝送することができる。

すなわち、本発明は既設定された周期で逆電力をモニタリングし有効電力指令を修正するため、特定周期が終わった後に逆電力が発生しても、その次の周期には発生した逆電力を反映して有効電力指令をすぐに修正することができる。

例えば、５００ｍｓごとに有効電力指令を生成する場合には、５００ｍｓごとに逆電力が発生する現象を除去できるため、費用的な損失を最小化できる長所がある。

以上で実施例に説明された特徴、構造、効果などは本発明の少なくとも一つの実施例に含まれ、必ずしも一つの実施例にのみ限定されるものではない。

さらに、各実施例で例示された特徴、構造、効果などは、実施例が属する分野の通常の知識を有する者によって他の実施例に対しても組み合わせまたは変形されて実施可能である。したがって、このような組み合わせと変形に関係した内容は本発明の範囲に含まれるものと解釈されるべきである。

以上、実施例を中心に説明したがこれは単に例示に過ぎず、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、本実施例の本質的な特性を逸脱しない範囲で以上に例示されていない多様な変形と応用が可能であることが分かるであろう。例えば、実施例に具体的に示された各構成要素は変形して実施できるものである。そして、このような変形と応用に関係した差異点は添付された特許請求の範囲で規定する本発明の範囲に含まれるものと解釈されるべきである。

本発明は、自然法則を利用して太陽エネルギーを電気エネルギーに変換および貯蔵し電力供給を制御する技術であって、産業上の利用可能性がある。

Claims

太陽エネルギーを電力に変換する太陽電池アレイ；
前記太陽電池アレイの発電量を検出する第１計測器；
前記太陽電池アレイで生産された電力または外部電力網の電力の供給を受けて充電するエネルギー貯蔵装置；
有効電力指令に対応して前記太陽電池アレイで生成された電力又は外部電力網の逆電力を前記エネルギー貯蔵装置に供給するように構成される電力制御装置；
前記外部電力網の逆電力を検出する第２計測器；および
前記第１計測器により検出される前記太陽電池アレイの発電量および前記第２計測器により検出される外部電力網からの逆電力を使用して前記エネルギー貯蔵装置に充電される電力を示す有効電力指令値を生成するように構成される電力管理装置を含み、
前記外部電力網から前記電力制御装置へ供給される前記逆電力が発生した場合、前記電力管理装置は、前記太陽電池アレイの発電量から前記逆電力を差し引くことにより得られる値を前記有効電力指令値にリセットする、太陽光発電システム。
前記電力管理装置は、
逆電力が発生しなかった場合、前記太陽電池アレイの発電量を前記有効電力指令値として決定する、請求項１に記載の太陽光発電システム。
前記電力管理装置は、
設定された時間周期で、前記外部電力網の逆電力および前記太陽電池アレイの発電量に基づいて前記有効電力指令を決定し、前記決定された有効電力指令を前記電力制御装置に伝送する、請求項１に記載の太陽光発電システム。
電力管理装置が太陽エネルギーを電力に変換した太陽電池アレイの発電量をモニタリングし、外部電力網の逆電力をモニタリングする段階；
前記電力管理装置が前記外部電力網の逆電力の有無によって前記太陽電池アレイの発電量に基づいて生成した有効電力指令を伝送するものであって、前記逆電力がある場合は、前記太陽電池アレイの発電量から前記逆電力を差し引くことにより得られる値として前記有効電力指令を伝送する段階；
前記外部電力網から供給される電力である逆電力を使用しないように制御するため、電力制御装置が前記太陽電池アレイで生成された電力を前記有効電力指令に対応してエネルギー貯蔵装置に供給する段階；および
前記エネルギー貯蔵装置が供給された電力を充電する段階；を含む、太陽光発電システムの制御方法。
前記有効電力指令は、
前記逆電力が発生しなかった場合、前記太陽電池アレイの発電量を前記有効電力指令として決定する、請求項４に記載の太陽光発電システムの制御方法。
前記有効電力指令は、
電力管理装置で既設定された時間周期で、前記外部電力網の逆電力および前記太陽電池アレイの発電量に基づいて決定し、
決定された前記有効電力指令は前記電力制御装置に伝送される、請求項４に記載の太陽光発電システムの制御方法。