家庭用PV-ESSエネルギー管理シミュレーション研究

Dyson

フィールド: 電気規格

China

世界的エネルギー危機が悪化し、環境汚染が深刻化する中、世界中の政府は新エネルギー発電の研究開発に対する支援を強化しています。家庭用太陽光分散発電は、PV業界の次世代の重要な方向性として、ますます注目を集めています。しかし、PV部品の出力変動やエネルギーストッレージユニットの統合の合理性といった問題が、家庭での電力使用に大きな影響を与える可能性があります。そのため、システム単位間の安定したエネルギー流動を調整し、スムーズな運転を確保するためには、需給バランスを取るためのエネルギーマネジメント戦略が必要です。本論文では、家庭用PV-エネルギーストッレージシステムに基づいて、安定運転を可能にするエネルギーマネジメントについて研究し、実際のクリーンエネルギー応用のための理論的根拠を提供します。

1 システム構造とエネルギーマネジメントアルゴリズムの分析

研究対象の家庭用PV-エネルギーストッレージシステム（図1）のトポロジーは、PVモジュール、リチウムイオン蓄電池、パワーコンバータ、電力網、およびユーザー負荷で構成されています。PVモジュールの出力は、ブーストコンバータを通じて一般的なDCバス電圧を形成します。リチウムイオン蓄電池は、バックブーストコンバータを通じてこのバスに接続されます。DCバスは、単相電力網に電力を供給するか、またはフルブリッジインバータを通じて独立して負荷に電力を供給します。

システムは「自発自消」を優先します。PVモジュールの出力は、主電源としてユーザー負荷を最初に満たします。PV出力の余剰/不足は、リチウム蓄電池（二次電源）によって補完され、PVと蓄電池が限界に達した場合、電力網（三次電源）が安定供給を確保します。

PV出力、バッテリーSOC、および充放電電力について： $P PV < P PV -min}$ の場合、ブーストコンバータは停止します（電力出力なし）。それ以外の場合、動作します。SOC > 90%のときバッテリーの充電は停止し、SOC < 10%のとき放電は停止します。 $P bat$ は $P PV$ と $P load$ に合わせて動的に調整され、最大バッテリー充電電力までの範囲で変動します。頻繁な充放電振動を避けるために、次のサイクルの状態は前のサイクルのバッテリー状態に依存し、システムモードの頻繁な切り替えを防ぎます。

これを基に、家庭用PV-ストレージシステム向けのエネルギーマネジメントアルゴリズムが提案され、図2に示されています。

2 システム動作モードとエネルギーフローの分析

エネルギーマネジメントアルゴリズムに基づき、システムの動作は独立モードと並列接続モードに分かれ、それぞれさらに以下の通りに細分化されます：

2.1 独立動作（主電源による）

DCバスを制御する電源により、2つのサブモードが存在します：

PV駆動モード

PVが主電源；ブーストコンバータはCVモードでDCバスを安定させます。
インバータは独立逆変換で負荷に電力を供給します。
PV出力 > 負荷 + バッテリー充電電力の場合、バックブーストコンバータはバックモードでバッテリーを充電します。それ以外の場合、バックブーストコンバータはアイドル状態です。
トリガー：PV出力 > 負荷、バッテリーが満充電ではない。
論理：

バッテリー駆動モード

バッテリーが主電源；バックブーストコンバータはブーストモードでDCバスを安定させます。
インバータは独立逆変換で負荷に電力を供給します。
PV出力が弱い場合、ブーストコンバータはMPPTモードで動作します。PV出力がない場合、ブーストコンバータはアイドル状態です。
トリガー：PV出力 < 負荷、バッテリーに残容量がある。
論理：

2.2 並列接続動作（インバータの状態による）

インバータが逆変換または整流であるかどうかにより、以下のように細分化されます：

並列接続逆変換

インバータは並列接続逆変換でDCバスを安定させ、余剰エネルギーを電力網に送ります。
ブーストコンバータはMPPTモードで最大出力を得ます。
バックブーストコンバータはアイドル状態です。
トリガー：PV出力 > 負荷、バッテリーが満充電。
論理：

並列接続整流

インバータは並列接続整流でDCバスを安定させます。
バックブーストコンバータはバックモードでバッテリーを充電し、SOC > 90%まで充電します。
PV出力が弱い場合、ブーストコンバータはMPPTモードで動作します。PV出力がない場合、ブーストコンバータはアイドル状態です。
トリガー：PV出力 < 負荷、バッテリーが不十分（一次・二次電源が限界に達している）。
論理：

2.3 モード境界と調整

4つのサブモードのトリガ条件と装置の調整は、表1（追加予定）に詳細に記載されています。PV-バッテリー-電力網の動的な切り替えとブースト/バックブーストコンバータおよびインバータの適応制御を通じて、システムは「発電-貯蔵-消費」における効率的なエネルギーフローを可能にし、すべての家庭用電力需要（オフグリッド、並列接続、緊急時など）をカバーします。

図3(a)はモード1の波形を示しています：PV出力 = 4.8 kW、負荷 = 3 kW。PVモジュールは240 Vdcを出力し、ブーストコンバータはDCバスを480 Vdcに安定させます。インバータは独立逆変換（負荷用220 Vac）で動作し、バックブーストコンバータはバックモードでバッテリーを1.8 kWで充電します。波形（上から下）：PV出力電流、DCバス電圧、インバータ出力電圧、バッテリー充電電流。

図3(b)はモード2に対応しています：PV出力 = 5 kW（バッテリーが満充電なのでバックブーストコンバータはオフ）。負荷 = 3 kW；インバータは並列接続逆変換でDCバスを480 Vdcに安定させ、余剰エネルギーを電力網に送ります（9 A、電力網電圧と同期）。波形：PV出力電流、DCバス電圧、インバータ出力電圧、並列接続電流。

図3(c)はモード3を示しています：PVモジュールが限界に達し（出力なし、ブーストコンバータはオフ）。エネルギーストレージユニットがシステムを駆動し、バックブーストコンバータはブーストモードで動作し（DCバス = 480 Vdc）。インバータは独立逆変換で動作し（3 kW負荷用220 Vac）。波形：バッテリー放電電流、DCバス電圧、インバータ出力電圧。図3(d)はモード4を示しています：PVとエネルギーストレージが両方とも限界に達し（出力なし）。電力網が負荷（3 kW）に電力を供給し、バッテリーを充電します；インバータは並列接続整流で動作し（DCバス = 480 Vdc）。