JP6492174B2 - 充電ステーションの操作方法 - Google Patents

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Description

本発明は、電気グリッド、特にアイランドグリッドを操作する方法に関し、そこに接続された少なくとも1つの風力エネルギー設備およびグリッドに接続された充電ステーションの操作に関するする。さらに、本発明は、そのようなグリッド、対応する充電ステーション、対応する風力エネルギー設備、およびグリッドに接続されたそのような風力エネルギー設備を備えた風力発電所に関する。
電気アイランドグリッドは、この点において、欧州の相互接続グリッドのような大型のグリッドとは分離され、例えば、自立的に動作する電気グリッドと理解されるべきである。このようなアイランドグリッドは、通常、地理的な意味において、島または島群に実際に位置している。しかし、特に、遠隔地においては、分離され自立的に動作するグリッドであってもよい。
アイランドグリッドの操作は、公知であって、特にアイランドグリッドの風力エネルギー設備から可能な限り多くの電力を供給することが開示された2つの米国特許出願(US10/380,786およびUS10/506,944)に記載されている。上記風力エネルギー設備が十分なエネルギーを供給しない場合には、エネルギーはエネルギー貯蔵所から補充されるとともに、それでも十分でない場合には、ディーゼル発電機が補助的に接続される。
米国特許出願第10/380,786号明細書 米国特許出願第10/506,944号明細書
ここで不利になることは、バッテリのエネルギーの一次消費が短くなり、時々、著しくそのバッテリの寿命が短くなることである。アイランドグリッドの場合には、バッテリを交換するために発生するであろうコストに加えて、不必要なメンテナンスや修復措置を実施しなくてはならないことも望ましくない。特に、アイランドグリッドの操作がそれにより時折危険にさらされる場合には、それは不適当である。
ディーゼル発電機の厳密な需要依存運転は、長期的に期待される寿命やメンテナンスサイクルを短くするも可能な後者の不適当な装荷(inexpedient loading)を構成することもできる。付加的な要因としては、特にわずかな摩耗だけでなく、特に経済的な特定の回転速度で、ディーゼル発電機が頻繁に動作していることである。言い換えれば、もし、アイランドグリッドの動作中に、その特性が付随して考慮される場合には、ディーゼル発電機にも有利である。
従って、本発明は、上述した問題の少なくとも1つに対処する目的に基づく。特に、本発明は、アイランドグリッドにおけるバッテリとディーゼル発電機とが最大限の注意を持って動作される解決策を提案することを意図している。少なくとも、本発明は、以前の解決策に対して代替の解決策を提案することを意図している。
従って、本発明によれば、請求項1に係る発明、すなわち、電気的負荷の側に、特に風力エネルギー設備や風力発電地所等の少なくとも1つの回生エネルギー発生部と、特にディーゼル発電機等の化石燃料によって作動される少なくとも1つの発電機と、電力を蓄えて再放出する少なくとも1つの充電ステーションと、を備え、以下のようなステップを備えた電気グリッド、特にアイランドグリッドにおける充電ステーションの操作方法が提案されている。
−少なくとも1つの風力エネルギー設備を用いて電力を発生させて、アイランドグリッドに電力を供給する、
−充電ステーションにおいて、負荷によって消費されない電力を蓄える、
−もし、負荷が、少なくとも1つの回生発電機および少なくとも1つの従来の発電機を用いてグリッドに一緒に供給される電力よりも多くの電力を消費する場合、充電ステーションを用いて電力を送り込む、
ここで、グリッドの第1の構成では、グリッドに供給される引取り電力(feed-in power)は、
−少なくとも1つの再生エネルギーの電力と、
−充電ステーションの電力と、さらに付加的に、
−充電ステーションに割り当てられた少なくとも1つのさらなる発電機の電力
の和である。
あるいは、グリッドの第2の構成では、
グリッドに供給される引取り電力(feed-in power)は、少なくとも1つの従来の発電機によって生成される電力であって、
充電ステーションは、引取り電力(feed-in power)がその経年変化の観点から制限されるように制御される。
ここで、充電ステーションは、充放電可能な1または複数のバッテリを備えたシステムである。充電および放電は、電気的アイランドグリッドへの接続を介して行われる。従って、バッテリは、それによりグリッドに電力を供給するために、グリッド内の余剰電力がある場合には充電され、反対の場合には放電される。この場合、放電は、バッテリが一部だけ、適切な場合には小さい部分にもだけ、放電されるプロセスも示している。電気的アイランドグリッドは、簡略化のために、ここでは単に、グリッドとする。このようなアイランドグリッドは、交流電圧グリッドとしても動作され、充電ステーションは、対応するように電気的交流電流をグリッドに供給するように準備もされる。本発明は、特に、アイランドグリッドのために提供されるものであるが、原則として、異なる給電グリッドにも適用が可能である。
少なくとも1つの回生発電機、特に、風力エネルギー設備または風力発電所を用いて、電力は、回生エネルギー源から生成され、他のグリッドを代表してここで言及されるアイランドグリッドに供給される。この場合、電力の生成は、機械的または例えば太陽光エネルギー等の他のパワーの電力への変換について単純化して示す。これに対応して、ここでは、機械的または他のエネルギーが電気的エネルギーへ変換される。電力が蓄えられると、充電ステーションによって瞬間的な電力がグリッドから引き出され、結果としてエネルギーが蓄えられるように、充電ステーション、特に、バッテリに蓄えられる。
ここでは、回生エネルギーをアイランドグリッドへ供給するために、複数の風力エネルギー設備を備えた少なくとも1つの風力発電所が設けられていることが好ましい。例外として、アイランドグリッドが対応して小さい、または風力エネルギー設備が対応して大きい場合には、例えば、ただ1つの風力エネルギー設備の使用だけでも十分である。
さらに、ここで化石燃料によって動作される他の可能性のある発電機の代表でもあるディーゼル発電機が存在する。これらは、例えば、オイルやガスによって動作される発電機である。他に明示的に示されていない限り、ディーゼル発電機に関する後述する説明は、原則として、化石燃料によって動作または駆動される他の可能性のある発電機にも適用される。
従って、本発明の目的は、充電ステーションおよびそれに付随するバッテリを、最大限の注意または少なくとも従来よりも多くの注意を払って操作するとともに、これに関連して、可能な限り連続的にグリッドへの電力供給を実行することである。この目的のために、特に関連するバッテリの充電状態を考慮する必要がある。原則として、そのようなバッテリが完全に放電され、特に、いわゆる重放電(deep discharge)を避けるべきであれば、それは不適当である。また、100%までのバッテリの完全な充電も不適当である。付加的な要因は、いわゆるほぼ完全に充電、ほぼ完全に放電等の充電の極端な状態が、充電ステーションの取扱いのしやすさを制限してしまうことである。一例として、ほぼ完全な放電された充電ステーションは、給電を調整するための電力を提供できない。
本発明は、充電ステーション、いわゆる最終的にバッテリまたは充電ステーションの複数のバッテリの充電または放電のために、例示的に最大エッジとしても示される最大勾配を予め定義する、すなわち勾配を制限することを、今、提案する。
従って、充電ステーションによってグリッドに供給される電力が最大限に増加することが意図されるエッジが、予め定義される。これは、上昇制限勾配(rise limiting gradient)としても示される。さらに、充電ステーションによってグリッドから引き出され、次にバッテリが最大に増加するように意図された値が、予め定義される。従って、換言すれば、ここでは、変化のダイナミックレンジが予め定義される。驚くべきことに、これは、ここでは充電状態としても示される充電ステーションまたはそのバッテリの絶対的な充電レベルに影響を与えることが可能になった。これらの2つの最大値を適切に選択することで、充電レベルがむしろ上向きに変化するか、下向きに変化するか、あるいは平均値になる傾向の状況を、より長い期間、達成することができる。これにより、充電レベルは、上限、下限あるいは異なるレンジで制御される。
このような上限および下限は、バッテリの完全な充電または完全な放電を防ぐために、予め定義される。もし充電レベルが下限に向かいやすい場合には、例えば、充電ステーションを用いて引取り電力(feed-in power)のための勾配の減少によって達成され得るものは、充電レベルがもはや上記下限値に向かいやすくならない、あるいはより少ない程度に後者に向かう傾向がないことである。従って、それは、充電ステーションを用いて、グリッドに電力を供給するための最大エッジの平坦化によって達成され得る。
これにより、制御目的のために直接的に充電状態が評価されることなく、充電状態がこれらの2つの予め定義された限界値の間に留まるようにすることで、充電ステーションを調整することができる。もちろん、低い充電レベル限界値がアンダーシュートする、あるいは高い充電レベル限界値が超えることを防止する安全な質問(safety interrogation)を提供することも可能である。しかしながら、これは、例外的な緊急対策であるべきであって、この場合には毎回これらの制限を直接監視することなく、一定の規制は、むしろそれを不要にし、アイランドグリッドの通常の動作中に、所望の限界の範囲内で充電レベルを導くことができる。
この場合には、提案された方法は、原則として、2つの構成に対して使用される。第1の構成の場合には、引取り電力(feed-in power)は、少なくとも1つの回生発電機の電力と、充電ステーションの電力とから構成される。これらの回生発電機および充電ステーションは、この点において組み合わされている。一例として、充電ステーションは。複数の風力エネルギー設備を備えた風力発電所の一部であってもよい。もし、この例において、風力エネルギーが過度な変動に影響する場合には、充電ステーションは対応する対策を採ることができる。供給される引取り電力(feed-in power)は、上記風力エネルギー設備および充電ステーションの電力から構成される。従って、もし風力が大幅に低下した場合には、引取り電力(feed-in power)の合計が充電ステーションの放出電力が対応して上昇することで、予め定義された所望の変化の限界に適応することができる。
その結果、回生発電機と充電ステーションの組合せは、グリッドへのその変化に関して制限された電力を共同で供給する。この場合、特に、グリッドは、この組み合わせられた引取り電力(feed-in power)を、ほとんど変動を示さないと知覚し、従って、過度に大きな変動を補償する必要はない。
このような回生発電機と充電ステーションの組合せ、すなわち、例えば、充電ステーションを備えた風力発電所は、従来のまたは他のさらなる発電機によって補充されることもできる。このような発電機は、その後、上記充電スタンドに割り当てられる。これは、特に、対応する回生エネルギー発電機の電力、充電ステーションの電力、および上記付加的な発電機の電力が、共通のグリッド接続ポイントを介して、グリッドに共同して供給されることを意味する。
別の構成では、少なくとも1つの従来の発電機によってグリッドに供給される電力は、引取り電力(feed-in power)とみなされ、その変化は小さく保たれる。この構成では、この少なくとも1つの従来の発電機の引取り電力(feed-in power)は考慮される。従来の発電機は、原則として、安定して均一に永続的に動作する。しかし、その引取り電力(feed-in power)の変動は、もし、それが、例えば、ディーゼル発電機またはガス燃料発電所である場合には、グリッド内の変動に対抗する。アイランドグリッドは、ここでは特に制限されないが、特にここでは基礎として考慮される。もし、例えば、グリッドの負荷が共同して、一瞬前より多くの電力を取り出す場合には、従来の発電機は、対策を講じ、この増加した消費を補うために、その引取り電力(feed-in power)を増加させる。
そして、充電ステーションはこの場合に使用され、グリッドにおけるこれらの電力変動の少なくとも一部を補償するように、上記充電ステーションは、グリッドに多くの電力を供給する。この結果、少なくとも1つの従来の発電機は、ほとんど変化することなく動作されることができる。
この結果、特に、上記少なくとも1つの従来の発電機は、より小さな負荷を受ける。この場合、このような従来の発電機は、このような複数の発電機を備えた発電機ステーションの代表でもある。給電されるべき電力、すなわち引取り電力(feed-in power)における電力の大幅な上昇は、さらなる発電機がこのような発電機ステーションに補助的に接続されるという効果を定期的に有する。対応する放出される電力が低下する場合には、少なくとも1つの発電機が対応して切断される。特に、この第2の構成では、従来の発電機の補助的接続や切断が頻繁に繰り返されることを回避できる。
しかしながら、全ての事象において、充電ステーションによる負荷緩和動作は、引取り電力(feed-in power)がその経時変化、すなわち過度に上昇も下降もしない観点から制限されるように、実行される。
好ましくは、引取り電力(feed-in power)の経時変化を制限するために、少なくとも1つの制限勾配が予め定義される。後者は、単位時間当たりの引取り電力(feed-in power)の変化が意図して最大になるものを用いて決定する上昇制限勾配であってもよい。第2の制限勾配として、単位時間当たりの引取り電力(feed-in power)の変化が意図して最大に減少するものを用いて決定される、減少制限勾配(decrease limiting gradient)が提案される。本出願によれば、これら2つの制限勾配の1つのみが予め定義されているが、好ましくは、上記制限勾配の両方が予め定義されていることが好ましい。
この結果、電力変化の制限を制御することができると同時に、これらの制限勾配の選択が充電ステーションによるサポートを提供するこの寄与に影響する可能性をもたらす。特に、制限勾配の選択は、充電ステーションの充電状態のプロフィールに影響する。
好ましくは、上昇制限勾配と減少制限勾配とは、互いに異なる。それにより、とりわけ時間の経過とともに確立される充電ステーションの充電の平均状態に影響を及ぼすことができる。これに関連して、時間の経過とともに、特に1日の時間セグメントが示される。
一実施形態によれば、充電ステーションは、引取り電力(feed-in power)の変化が上昇制限勾配と減少制限勾配との範囲内に導かれ、もし充電ステーションが予め定義された目標充電状態を有する場合に引取り電力(feed-in power)の変化がプラスになるように、あるいはもし充電ステーションが予め定義された目標充電状態を下回る場合に供給電力の変化がマイナスになるように制御される。ここでは、もちろんこの点では、減少制限勾配はマイナスの値である。従って、例示的に、限界として、上昇制限勾配は、立ち上がりエッジを予め定義して、減少制限勾配は立ち下がりエッジを予め定義する。よって、引取り電力(feed-in power)の変化は、プラスとマイナスの限界の範囲内に維持される。
引取り電力(feed-in power)がこれらの2つの限界の範囲内に維持または誘導される間、充電ステーションは、具体的なガイダンスにおいて、依然として寛容性を有する。ここで、充電ステーションがうまく充電される場合には、それを単純化するために、引取り電力(feed-in power)の変化がむしろプラスになるように、この自由度(latitude)を利用することが提案される。この状況では、充電ステーションは、大量の蓄積エネルギーを利用することができ、結果として、いくらかより多くの電力を引き取る(feed-in)ようにすることができ、それにより、充電の目標状態の方向において、さらにその充電状態を低下させる。
そうしないと、充電状態が比較的低い場合、充電ステーションは、むしろより少ない電力を引き取り(feed-in)、もちろん、グリッドにより多くの電力を消費して(take up)それを蓄える方法によって、その自由度(latitude)を利用することができる。その結果、充電状態は、充電の目標状態に向かう方向において導かれる。
それにもかかわらず、充電ステーションによって相殺されなくてはならない特に大きな電力低下の場合、最大の変化に従うことが最も重要であるため、電力が少なくとも予め定義された充電の目標状態を下回るが、充電状態が比較的低いにもかかわらず、充電ステーションによって電力がグリッドに供給されることを考慮すべきである。
しかし、根本的な洞察は、比較的長い動作、すなわち特に1日以上にわたるものであり、実質的に予め定義された充電の目標状態に向かう充電ステーションの充電の状態の開発に影響することができる。統計的に平均して、上記充電の目標状態は、すなわち、例えば満充電の50%は、原則として、常に達成することができる。しかし、それにもかかわらず、風力エネルギー設備の場合に連続的に正確に生じる変動は、充電の目標状態に向かうことなく、むしろ最大または最小の充電状態に向かう変動であることが分かる。それに対抗するための1つの可能性として、制限勾配または少なくとも1つの制限勾配、すなわち上昇制限勾配または減少制限勾配を変更することが提案される。
好ましくは、制限勾配のうちの少なくとも1つが適合的に設定される。制限勾配または複数の制限勾配は、換言すれば、例えば、充電の状態に依存する動作の間に変更されることができる。従って、もし、例えば、一般的に、充電状態、すなわち充電の目標状態よりも高い場合、ただ1つの例を挙げると、充電ステーションが安定化電力の量と比較して安定化電力をもっと多く引き取る(feed-in)傾向があって、それがグリッドから引き出されて蓄えるために、上昇制限勾配が増加する、あるいは減少制限勾配が減少する。
好ましくは、制限勾配または複数の制限勾配は、充電ステーションの充電の平均状態に応じて設定される。よって、例えば、フィルタまたは積分の助けを借りて、比較的長い時間、例えば、数時間または1日にわたって、充電の平均状態を得るために、充電状態の変化が観察されて平均化される。それに応じて、制限勾配またはそれらの少なくとも1つを設定することができる。
同様に、超過しないように意図された充電の最大状態は、好ましくは、予め定義される。同様のことは、所定の充電の最小状態の事前定義にも当てはまる。設定は、充電の目標状態としても示される充電の平均状態が所定の充電設定値をとる傾向があるように、実行されることができる。
この場合、制限勾配の具体的な設定は、例えば、シミュレーションによって、事前にテストすることができる。それに加えて、またはそれに代えて、例えば、1日ずつ徐々に限界値を変化させること、充電ステーションの充電状態の変化を観察すること、そして、対応する制限勾配または複数の制限勾配を選択すること、も想定される。
一実施形態によれば、制限勾配の少なくとも1つが少なくとも1つの重み付け係数を掛けた予め定義された基礎制限勾配から計算されることが提案される。ここでは、特に、基礎制限勾配として、制限勾配、すなわち上昇制限勾配または減少制限勾配は、絶対に従わなくてはならない制限として予め定義される。重み付け係数、または複数の重み付け係数の積は、ともに最大に仮定して1になるように選択される。この結果、基礎制限勾配は、超えられない、あるいは減少制限勾配がマイナス値である場合は、アンダーシュートすることはない。したがって、両方の場合において、絶対値はもはや増加することはなく、せいぜい1未満の係数によって減少する。
好ましくは、重み付け係数の少なくとも1つは、充電ステーションの充電状態に依存する。それに加えてまたはそれの代わりに、重み付け係数の少なくとも1つは、0〜1の範囲で変化してもよい。よって、その場合には、絶対値の基礎制限勾配を大きくすることができない。
好ましくは、さらなる重み付け係数は、少なくとも1の値、特に、1〜10の範囲を有するように選択されてもよい。好ましくは、一方が0〜1の範囲であって、他方が1以上、特に、1〜10の範囲にある2つの重み付け係数を組み合わせてもよい。もし基礎制限勾配によって掛け合わされ、上記基礎制限勾配が上昇しないことが意図されている場合には、これらの2つの重み付け係数の選択は、それらの積が1よりも大きくならないようにされていることが分かる。
一実施形態は、
−充電ステーションは、絶対値に関して、回生エネルギー発生器の電力が予め定義された減少制限勾配よりも大きい勾配で減少する場合には、少なくとも1つの回生エネルギー発生器の電力とともにグリッドに供給される電力を放出する、あるいは、
−充電ステーションは、グリッドに電力を供給する少なくとも1つの回生エネルギー発生器の電力を減少させるために、絶対値に関して、予め定義された上昇制限勾配よりも大きい勾配で増加する場合には、電力を消費する、
ことを提案する。
したがって、充電ステーションは、回生エネルギー発生器、特に、風力エネルギー設備または風力発電所の設備の電力が過度に大きくまたは急激に減少しすぎる場合、電力を放出する。これにより、充電ステーションは、対策を講ずることができる。逆に、ここでは、回生エネルギー発生器の電力が過度に大きくまたは急速に増加しすぎる場合には、充電ステーションが電力を消費する。両方の場合において、全体として供給される引取り電力(feed-in power)は、結果として所望の限界内に維持される。
好ましくは、現在の第2時点とより早い第1時点との間の時間差は、充電ステーションの制御のために考慮されるとともに、より早い第1時点においてより早い引取り勾配(feed-in gradient)として、少なくとも1つの回生エネルギー発生器と充電ステーションと、もし適切であれば少なくとも1つのさらなる発電機によって共同で、第1時点においてグリッドに供給された電力の勾配が考慮されること、を追加的に提案する。
よって、充電ステーションを制御するために、これらの時点の間の時間差を含む2つの時点における測定値が、基準として採用される。以前の時点での電力の勾配は、ここで基準として採用される。特に、このより早い時点では、勾配は、この目的のために使用される時間差なしで使用される。
好ましくは、第2の時点において充電ステーションによって放出されまたは消費される電力は、これらの2つの測定時点、時間差およびより早い引取り勾配(feed-in gradient)から進めると、計算される。これは、充電ステーションの充電の状態に基づいて実行されることがより好ましい。この目的のために、第2の時点において放出されまたは消費されるこの電力は、以下から構成される積から計算されることが提案される。
−時間差、および
−上昇制限勾配の絶対値と、充電ステーションが予め定義された充電の目標状態よりも上である充電状態を持つ場合のより早い引取り勾配(feed-in gradient)と、の間の差、あるいは、マイナスの時間差と、減少制限勾配とより早い引取り勾配(feed-in gradient)との合計の積
従って、充電ステーションが、例示的に表現される、比較的高い充電状態を有する場合には上昇制限勾配が使用されるとともに、比較的低い充電状態を有する場合には、減少制限勾配が使用される。
この計算によって、制限勾配、すなわち上昇制限勾配と減少制限勾配とは遵守され、同時に、放出されまたは消費される充電ステーションの電力が、充電ステーションの充電状態に基づいて計算される。よって、同時に、状況によって許される限りにおいて、充電ステーションの充電状態の変化が、可能な限り所望の範囲でそれを制御するために影響を受ける。
好ましくは、異なる測定位置も異なる測定時点における基準として採用されてもよい。第1の時点における第1の測定点の測定値を選択し、第2の測定時における第2の測定地点の測定値を使用することを提案する。従って、動作中に、第1の時点のそれぞれの測定値、すなわちより早い測定値が第1の測定地点によって使用され、第2の測定時点の測定値、すなわち現在の測定値が第2の測定地点において使用されるが、第1および第2の測定地点または測定場所において、測定が同時に実行される、このため、より早い測定値と第1の測定地点とは、より早い引取り勾配(feed-in gradient)に関連する。後者は、グリッドへの引取りポイント(feed-in point)、あるいは同じ電力が伝達される近傍の場所において、対応して測定される。
この場合、第1の測定地点および第1の測定時点では、それに基づいて、充電ステーションによって放出されまたは消費される新たに計算された電力が設定されるために、充電ステーションの現在の電力放出または取り込みが測定される。この点において、第1の測定地点および第1の測定時点における測定は、特に、充電ステーションの出力によって供給されるために、電力の具体的な設定に影響する。従って、第2の測定地点が充電ステーションの出力に配置されることも提案される。このような異なる地点での異なる時間における測定は、もし適切であれば、上記測定値に直接的に影響する計算における測定値の即座に使用した結果として生じる不安定さを防止する。
さらなる実施形態によれば、充電ステーションによって放出または消費される電力が、現在の充電状態を予め定義された充電の目標状態に近づけるために、充電状態に応じた補正値によって変更されることが提案される。このように、制限勾配が遵守されるように、充電ステーションの制御とは別に、充電ステーションをわずかな程度、充電または放電することが提案される。例えば、後者が回生発電機を形成するなら風力発電所において風がない場合、とにかく制御のために全くアクティブではないが、例えば、充電ステーションが低い電力で充電される。これにより、充電状態が、所望の充電の目標状態からさらに遠ざかるような状況に対処することができる。それはまた、例えば、1日にのみ生じる現象であってもよい。
一実施形態によれば、
−少なくとも1つの従来の発電機によってグリッドへ供給される電力が、絶対値の観点から、予め定義された上昇制限勾配よりも大きい勾配で増加する場合には、充電ステーションがグリッドに電力を供給する、あるいは、
−少なくとも1つの従来の発電機によってグリッドへ供給される電力が、絶対値の観点から、予め定義された減少制限勾配よりも大きい勾配で減少する場合には、充電ステーションがグリッドから電力を消費する、
ことが提案される。
この実施形態は、少なくとも1つの従来の発電機と充電ステーションとは共通の引取りポイント(feed-in point)を介してグリッドに供給しない場合に、特に提案される。換言すれば、充電ステーションは、従来の発電機では過度に大きな電力変化の要求がもはや発生しないような方法で、グリッド内の電力の変動の少なくとも一部を補償するような方法で、グリッドに給電する。
一実施形態は、少なくとも1つの回生発電機、特に、風力エネルギー設備が、
−その時点で風から最大限に利用可能な電力を超えるその供給電力を一時的に増加させ、
−瞬間的に供給電力を超えるその供給電力を一時的に増加させ、
−その時点で風から最大限に利用可能な電力を下回るその供給電力を一時的に減少させ、
−瞬時に供給される電力を下回るその供給電力が一時的に減少させる、
ことを、これによって、充電ステーションまたは少なくとも1つの従来の発電機によって補償されるべきパワースパイク(power spike)を減少させるために、提案する。
本発明は、充電ステーションの対応する制御によって供給電力の電力変化を有利に制限することを提案する。しかしながら、これは、回生発電機、特に、一または複数の風力エネルギー設備の制御を用いて相乗的に関連しうることが認識されている。回生発電機、特に風力エネルギー設備は、現在の状況に基づいて可能な限り多くの電力を発生させることが好ましい。よって、風力エネルギー設備は、現時点での風から引き出される可能な限り多くのエネルギーを生成する。結果的な変化は、充電ステーションの使用によって制限される。それにもかかわらず、制御のために風力エネルギー設備を使用することも有用である。特に、もし充電ステーションの充電状態が悪い場合には、風力エネルギー設備によって一時的に引き継がれたり補充されたりすることに、制御が有用である。この場合、風力エネルギー設備は、その電力を、増加したり減少させたりすることができる。それは、現在の値を上回るまたは下回る電力を増加させたり減少させたりすることができる、または、風から利用可能な電力を上回るまたは下回る電力を増加させたり減少させたりすることができる。このような増加は、風力エネルギー設備の回転体(rotor)の運動エネルギーの使用によって、特に短期間に可能となる。
結果的に、とりわけ、充電ステーションがより小さく、よりコスト効率よく実装されることが達成される。充電ステーションは、例えば、その年の全日の95%にそのタスクを満たすことができるように、寸法を決めることができる。この年の最後の5%をカバーするために、それはかなり大きくなるように設計されなくてはならない。この場合、もし風力エネルギー設備または例外としての設置が充電ステーションのタスクを引き継いだり補充したりする場合には、それは不要となる。
本発明は、単に、電気グリッドとも示される電気供給グリッドをさらに提案する。特に、電気アイランドグリッドが提案される。このグリッドは、上記実施形態のいずれかに従う方法によって動作されるように準備される。
本発明は、提案されたグリッドにおいて動作されるよう準備される充電ステーションをさらに提案する。
本発明は、上記電気グリッドにおいて動作されるように準備される風力エネルギー設備をさらに提案する。
本発明は、上述したように、電気グリッドにおいて回生発電機として使用されるように準備される風力発電所もさらに提案する。
本発明は、添付図面を参照して、例示的な実施形態に基づいて、以下の実施例によって、より詳細に説明される。
風力エネルギー設備を概略的に示す斜視図。 複数の風力エネルギー設備を備えた風力発電所の模式的に示す図。 第1の構成において、風力エネルギー設備、充電ステーション、従来の発電機および負荷を備えた電気グリッドを示す図。 一実施形態による予め定義された制限勾配に関する異なる状態または境界条件のための充電ステーションの制御および図3に示す構成を示す図。 一実施形態による予め定義された制限勾配に関する異なる状態または境界条件のための充電ステーションの制御および図3に示す構成を示す図。 一実施形態による予め定義された制限勾配に関する異なる状態または境界条件のための充電ステーションの制御および図3に示す構成を示す図。 一実施形態による予め定義された制限勾配に関する異なる状態または境界条件のための充電ステーションの制御および図3に示す構成を示す図。 一実施形態による予め定義された制限勾配に関する異なる状態または境界条件のための充電ステーションの制御および図3に示す構成を示す図。 一実施形態による予め定義された制限勾配に関する異なる状態または境界条件のための充電ステーションの制御および図3に示す構成を示す図。 充電ステーションの制御の異なるパラメータ設定のためのいくつかの電力の時間的プロファイルを示す図。 図10の基準として採用された制御に関して、それぞれの場合における制御される充電ステーションの充電状態の時間的プロファイルを示す図。 第2の構成において、風力エネルギー設備、充電ステーション、従来の発電機および負荷を備えた電気グリッドを示す図。
図1は、タワー102とナセル(nacelle)104とを備えた風力エネルギー設備100を示している。ナセル104には、3つの回転ブレード108とスピナ(spinner)110とを備えたロータ106が配置されている。ロータ106は、運転中に風によって回転運動を起こさせられ、それにより、ナセル104内の発電機を駆動する。
図2は、例えば、同一であってもよいし異なっていてもよい3つの風力エネルギー設備100を備えた風力発電所112を示している。よって、3つの風力エネルギー設備100は、根本的に、風力発電所112の任意の所望の数の風力エネルギー設備の代表である。風力エネルギー設備100は、発電所グリッド114を介して、それらの電力、特に、生成された電流を供給する。この場合、個々の風力エネルギー設備100のそれぞれ生成された電流や電力が加えられ、一般的にPCCとしても示される引取りポイント(feed-in point)118において、供給グリッド120にそれを供給するために、発電所内において電圧を上昇させる、通常、変圧器116が設けられている。図2は、もちろん、例えば、制御が存在する場合でも、単に、制御を示さない単純化された風力発電所112の図である。さらに、一例として、発電所グリッド114は、他の1つの例示的な実施形態に言及すると、それぞれの風力エネルギー設備100の出力にも存在する変圧器によって、異なるように設計されてもよい。
よって、本発明は、グリッドに結合されたエネルギー貯蔵部を充電および放電するための戦略に関し、その戦略とは、例えば、風力エネルギー設備や太陽光発電設備のような再生可能なエネルギー発生器の結果として生じる電力勾配を制限することを可能とする。
エネルギー貯蔵部は、また、ここでは充電ステーションや単にバッテリとして設計されていてもよい。しかし、この場合には、エネルギー貯蔵部または充電ステーションは、充電および放電を制御するための制御手段を備えていてもよい。
風力エネルギー設備、充電ステーション、あるいはバッテリおよび従来の発電機の相互接続によって特徴づけられる様々なグリッドの構成が基本として採用される。図3に示されたグリッドの構成は、本発明の例示的な説明のために基本として以下に採用される。
負荷2に電流を供給することを意図した電気供給グリッド1が、図3に従って概略的に示されている。エネルギー発生器として、従来の発電機4がグリッド1に接続されている。さらに、少なくとも1つの風力エネルギー設備6と充電ステーション8とが、グリッド引取りポイント(grid feed-in point)10を介してグリッドに接続されている。グリッド1の模式的に示されたグリッド1の部分の全て、すなわち、負荷2、従来の発電機4、風力エネルギー設備6および充電ステーション8は、それぞれの場合において、それらのタイプの複数のそのような要素を含むか、あるいはその代表であってもよい。特に、風力エネルギー設備6は、風力発電所6の代表でもある。
風力エネルギー設備6は、電力Pwec(t)を供給し、簡略化のためにバッテリ8と呼ばれる充電ステーション8は、電力Pbat(t)を供給する。よって、これらの電力は、経時的に変化することができ、それらの合計は、グリッド引取りポイント10においてグリッド1に引き取られる。風力エネルギー設備の電力Pwec(t)と充電ステーションの電力Pbat(t)の両方は、グリッドに供給され、グリッドから引き出される。グリッドから引き出される場合には、それは、充電ステーションや充電ステーション内のバッテリがそれによって充電される充電ステーション8の電力Pbat(t)であることを意味する。風力エネルギー設備6は、実質的に電力を供給するが、グリッドサポートのために必要、あるいは有用である場合には、例えば、チョッパ抵抗器やバッファ貯蔵部を介して、取り出すこともできるし、それによってグリッドからの電力を消費するか、あるいはそれを蓄えることができる。さらに、図3は、グリッドから個々の要素を隔離することが可能な様々なスイッチSを象徴的に示している。図3に従ったこの構成の場合、グリッド1に引き込まれる引取り電力は、風力エネルギー設備6の電力Pwecと充電ステーション8の電力Pbatとの合計である。この合計は、Pgridとして指定されてもよい。よって、それは、グリッドに供給される電力、または、グリッド引取りポイント10において、マイナスサインの場合に、そこから引き出される電力である。従来の発電機4も電力を供給しているが、後者は、図3が基礎となる考察には言及していない。
付加的に、風力エネルギー設備6および充電ステーション8は、さらに従来の発電機に割り当てられ、その電力は、グリッド引取りポイント10において引き取られる引取り電力Pgridの一部となってもよい。そのような従来の発電機、すなわち特にディーゼル発電機は、一例を挙げれば、風があまり強くなかった場合には、補助的に接続することができる。
この構成の場合、引取り電力Pgridが経時的な点で制限されることが提案される。よって、グリッド引取りポイント10において電力が変化し、それにより、引き取られる電力の電力勾配が制限内に維持されることが提案される。それは、充電ステーション8の対応する制御によって本発明に従って実行される。
図3によれば、充電ステーションとしても呼ばれる1または複数の風力エネルギー設備6およびバッテリシステム8が、共通のグリッド引取りポイント10を介して電気グリッド1に供給し、上記電気グリッドは、さらに従来の発電機4および様々な負荷を備えている。
グリッド引取りポイント10において引き取られる時点tにおける電力勾配
Figure 0006492174
は、以下のような定義することができる。
(1)
Figure 0006492174
wec(t2)は、時点tにおいて計測された風力発電電力であって、Pgrid(t1)は、時点tにおけるグリッド引取りポイントにおいて計測された引取り電力である。この場合、tは、tに続く現在の時点である。Δtは、電力勾配を決定するために選択され、tとtとの差から生じる時間ステップである。
グリッド引取りポイントにおいて引き取られるアクティブ電力勾配が、最大値、それぞれの最小制限値
Figure 0006492174

まで制限され、そのような制限値の範囲内に維持される場合、特定の有効電力(Pbat)は、タイプ(プラスまたはマイナス)および勾配(制限値より上または下)の絶対値によって、グリッドへ供給され、またはグリッドから引き出されなくてはならない。そのような電力のために、この出願では、充電ステーション8と同義に指定され、例えば、バッテリとして具体化され、またはバッテリを含む後者が、消費され、あるいはエネルギー貯蔵システムによって放出されたりすることが提案される。
図4は、風力エネルギー設備電力Pwecと、連続する時点t1とt2におけるグリッド引取りポイントにおける電力Pgridとの両方を示している。この場合、Pgridは、PwecとPbatとの和で構成される。
グリッド引取りポイントにおける電力Pgrid(t1)と風力エネルギー設備電力Pwec(t1)とは、図4および図5から図9にも示される時点tにおいて同一であると仮定される。風力エネルギー設備電力Pwec(t2)は、時点tにおいても現れるものとする。そして、方程式(1)から、電力勾配
Figure 0006492174
は、図4に従う例において、上限値として付与された上限値
Figure 0006492174
よりも大きい、すなわち、上限勾配として得られる。
グリッド引取りポイントにおける
Figure 0006492174
の電力勾配を保障するために、バッテリは時点tにおける電力Pbat(t2)を消費しなければならない。上記電力は、上述の場合にはマイナスであって、以下のように計算される。
(2)
Figure 0006492174
バッテリ電力Pbatが供給されることを可能にするエネルギー貯蔵部の容量は限られている。バッテリ電力Pbatの利用可能性は、バッテリの充電状態に依存し、これは、SoCとして指定される。貯蔵部が充電されていない場合(SoC=0%)、追加の電力は供給されない。貯蔵部が完全に充電されている場合(SoC=100%)、追加の電力は消費されない。
よって、2つの極端な充電状態の間で可能な限り一定の充電状態SoCで動作中に貯蔵部を動作させることが提案される。そのような充電の目標状態は、セットポイント値SoCtargetとして予め規定することができる。充電状態SoCの時間的プロファイルがセットポイント充電状態SoCtargetからできるだけ逸脱するために、充電および放電電力は、時間経過の平均について、互いに対応することが提案される。
減少制限勾配
Figure 0006492174
および上昇制限勾配
Figure 0006492174
のそれぞれとして予め定義された制限勾配
Figure 0006492174
および
Figure 0006492174
の絶対値は、それぞれバッテリの動作に以下のような影響を及ぼすことが認識されている。
・バッテリの充電または放電の可能性に影響する。
・バッテリによって供給または消費される電力に影響する。
そして、制限勾配の対応する選択によって、バッテリの充電状態に影響を与えることを提案する。
すなわち、電力勾配の下限値または上限値(
Figure 0006492174
または
Figure 0006492174
)は、充電状態SoCと充電のセットポイント状態SoCtargetとの差に応じて選択される。その結果、電池が最大/最小電力で充電されるか、最大/最小電力で放電されるかを制御することができる。
図4から図9は、いわゆる引取り電力Pgridのために、提案された方法によって達成され、バッテリ電力Pbat(t)を結果として得る電力勾配
Figure 0006492174
の3つの例示的状況を示す。例示の基本的なタイプは、図4に関して既に上段にて一部説明されており、他の図5から図9にも同様に適用可能である。
これら3つの例示的な状況は、原則として、電力勾配の3つの可能性のある状況を代表するものでもあって、それらは、
1、電力勾配
Figure 0006492174
が上限勾配
Figure 0006492174
よりも大きい、
2、電力勾配
Figure 0006492174
が下限勾配
Figure 0006492174
よりも小さい、
3、電力勾配
Figure 0006492174
が上限勾配
Figure 0006492174
よりも小さく、下限勾配
Figure 0006492174
よりも大きい。
上限勾配
Figure 0006492174
は、上昇制限勾配と同義にも指定され、下限勾配
Figure 0006492174
は減少制限勾配と同義にも指定される。
上述した電力勾配の可能性のある状況に加えて、充電ステーションまたはそのバッテリあるいは複数のバッテリの充電状態が影響を与える。説明するために、簡略化のため、電池についても簡単に言及する。充電状態は、図中ではSoCと指定され、SoCtargetとして指定された充電の目標状態と関連して考慮される。
バッテリは、以下のような2つの充電状態になりえる。
1.SoC>SoCtarget
2.SoC<=SoCtarget
充電状態が正確に目標充電(SoC=SoCtarget)に対応する理論的な状態は、ここでは、第2の変形例に割り当てられるが、これは本質的ではない。
このため、表1および図4から図9に示されている、電力勾配と充電状態に関して6つの可能性のあるケースを組み合わせることもできる。
表1は、これら6つのケースについて、充電状態SoCを充電の目標状態SoCtargetに可能な限り収束させるために、バッテリ電力Pbat(t)が決定される一実施形態による式を示す。表は、また、これらの6つの異なるケースのために対応する電力勾配を示す図を指す。
Figure 0006492174
表1に示されたケースは、バッテリによって供給される電力Pbat(t)が以下のように計算されるように要約される。
(3)
Figure 0006492174
(4)
Figure 0006492174
目標値SoCtargetを中心とするバッテリ充電量SoC(t)の時間的偏差は、予想外の電力変化、よって電力勾配につながり、風力がどのように変化するかに依存する。換言すれば、上記時間的偏差は、マイナスまたはプラスの電力勾配の確率的なシーケンスに依存する。後者は、バッテリ動作によって制限されることを意図している。 マイナスの勾配が補償されることが多いほど、蓄え(store)が流出する可能性が高くなり、その逆もまた同様である。
図4から図9は、引取り電力の勾配が、上昇制限勾配および減少制限勾配によって規定される範囲内にもたらされるように、充電ステーションが制御されることを示している。この場合、勾配を上昇制限勾配または減少制限勾配のいずれかに変更しようと試みられる。それらの間の決定は、充電状態に依存する。後者は、目標値を上回っている場合には、上昇制限勾配が選択され、そうでなければ減少制限勾配が選択される。
更に、供給電力Pgridを風力発電所
Figure 0006492174
の時間平均電力プロファイルに近似することが提案される。これは、バッテリが平均電力
Figure 0006492174
で充電または放電される場合に達成できます。この電力は、図4から図9に従って、バッテリによって放出または取り込まれるダイナミック電力に重畳される。それは、
Figure 0006492174

とPgridの差に比例しており、重みFの使用によって、以下のように設定される。
(5)
Figure 0006492174
よって、重み付けFは、選択される適切な比例係数である。
特に、図4から図9に関連して説明したように、電池の助けによって制限電力勾配を用いて遵守することを確実にすると同時に、安定した充電状態で記憶媒体の動作を保証するために、以下のように、Pbat(t)と
Figure 0006492174
との重ね合わせから生じるセットポイント電力Pbat_total(t)を、記憶媒体に対して、予め定義することが提案される。
(6)
Figure 0006492174
風力エネルギー設備の引取り動作を電池と共に改善するために、充電状態SoCに応じて、式(3)および(4)における制限勾配
Figure 0006492174
および
Figure 0006492174
を適応させることも提案される。少なくとも、充電ステーションが図4から図9に関連して説明したように制御される場合には、充電状態、特に平均充電状態は、どのような速度でも影響され得ることが認識されている。
図10は、図3に従う構成の例として、すなわち、少なくとも1つの風力エネルギー設備の電力Pwecと、風力エネルギー設備および充電ステーションまたはバッテリのトータルの引取り電力Pgridとの2つの時間的電力プロファイルを一緒に示している。原則として、2つのパラメータ化が考慮される。第1のパラメータ化は、上述の重み付け係数Fをゼロに設定し、上昇制限勾配および減少制限勾配の2つの同一かつ一定の値も基礎として採用される。この構成は、以下の「パラメータ化1」として数学的に定義される。
しかし好ましくは、図10および図11における簡略化のために、「風力+バッテリ(最適化)」と指定された「パラメータ2」と指定されたパラメータ化が使用される。この好ましい形態では、重み付け係数Fはゼロに設定されておらず、上昇制限勾配および減少制限勾配のための異なる可変の値が基礎として取り入れられる。図10および図11は、この第2パラメータ化の結果のみを示している。
図11は、電力取込みの制御の第2の構成のためのバッテリの充電状態のプロファイルを示す。この図では、50%の充電の目標状態が示され、「SoC target」と示され、指定される。
・パラメータ化1
Figure 0006492174
・パラメータ化2
Figure 0006492174
よって、Fは、第2のパラメータ化において、時間とともに変化し、以下に依存する。
○充電の瞬時の状況SoC、
○目標充電状態「SoC target」、および/または
○風力発電所
Figure 0006492174
の時間平均電力プロファイル。
無次元のプラスの係数Fは、アプリケーションに応じて、時間の経過とともに0と1(またはそれ以上)の値の間で変化します。現在の充電状態SoCと目標充電状態SoC_targetとの間の差が大きいほど、いずれか1つの好ましい実施形態によれば、係数Fが選択される。この場合、係数Fは充電状態に応じて変更または設定される。
パラメータ化2の
Figure 0006492174

は、同様に、時間とともに変化し、現在の充電状態SoCと充電目標状態SoC_targetとの間の差に依存する。
図10の結果は、充電ステーション8の提案された制御、すなわちパラメータ化2に基づく制御によって、バッテリのない風力エネルギー設備の供給と比較して、大幅に安定された引取り電力が達成されことを示している
図11は、図10による風力エネルギー設置および充電ステーションからのトータルの引取り電力Pgridのプロファイルに関する充電状態SoCの関連プロファイルを示す。図11は、パラメータ化2、すなわち好ましくは提案された制御が、比較的安定した充電状態でバッテリを動作させることを可能にすることを示している。例えば、
Figure 0006492174
のような風力エネルギーの設置電力の瞬間的な低下によって電池の充電状態が低下した場合には、充電状態は、短時間の後で、再び目標値SoCtargetに向かって収束する。
図12は、図3とは対照的に、基本的または考えられるグリッド201の第2の構成を示す。このグリッド201は、基本的には、図3で説明した要素または参加者、すなわち負荷202、風力発電所を代表することもできる風力エネルギー設備206、ここでも充電スタンドの代表でもあるバッテリ208、および少なくとも1つの従来の発電機204を含む。
この構成のために、発電機204によってグリッドに供給される電力PGenがその経時変化の観点から制限されるように、充電ステーション208またはバッテリ208を制御することが提案される。発電機によってグリッドに供給されるこの電力PGenは、この点において、その経時変化の点において制限された引取り電力を形成する。ここでは、負荷202の変動と、充電ステーション208またはバッテリ208なしの風力エネルギー設備206の送電電力Pwecの変動が、これらの変動が発電機によって供給される電力PGenによって補償されることに影響する。これらの経時変化が大きすぎる場合、従来の発電機は、その負荷を過度に急速に変化させるか、あるいは発電機の場合には積み上げ、それは、発電機が補助的に過度に高速で接続・切断されなくてはならないことを意味する。特に、化石燃料に基づくモータ、特にディーゼルモータでは、その寿命のために非常に不経済である。充電ステーションまたはバッテリ208は、それを補償することを意図している。この目的のために、投入電力PGenの変化が検出され、それに応じて充電ステーションまたはバッテリ208が制御される。
負荷202が実質的にそれらの電力を一定の方法で取り出す場合には、この構成およびバッテリ208または充電ステーション208の対応する制御は、図3に従う構成の場合には、それに非常に類似した結果をもたらしてもよい。これは、この場合、言及した電力変動は、単に風力エネルギー設備206の電力変動の結果として生じるためである。したがって、この場合にも、バッテリ208または充電ステーション208は、風力エネルギー設備206の過大な電力変化を防止する。
しかし、負荷が変動する場合には、バッテリ208は、負荷202および風力エネルギー設備206の結果として生じるトータルの電力変動を検出して考慮する。
さらに詳細には、上記第2の構成に関する特徴および実施形態を記載する一般的な説明に、上記テキストが参照される。

Claims (3)

  1. 電気グリッド(1)における電気充電ステーションを操作する方法であって、前記電気グリッド(1)は、電気的負荷(2)と、少なくとも1つの回生エネルギー発生器(6)と、化石燃料によって操作されるすくなくとも1つの従来の発電機(4)と、電力を蓄えて放出する少なくとも1つの電気充電ステーション(8)とを備えており、
    少なくとも1つの前記回生エネルギー発生器(6)によって電力を発生させ、電力を前記グリッド(1)に供給するステップと、
    前記充電ステーション(8)内の負荷(2)によって消費されない電力を蓄えるステップと、
    少なくとも1つの前記回生エネルギー発生器(6)および少なくとも1つの前記従来の発電機によって共同して前記グリッド(1)に供給されるよりも前記負荷(2)が多くの電力を消費する場合には、前記充電ステーション(8)によって前記グリッド(1)に電力を供給するステップと、
    を備え、
    前記グリッド(1)の第1の構成において、前記グリッド(1)に供給される引取り電力は、少なくとも1つの前記回生エネルギー発生器(6)の電力、前記充電ステーション(8)の電力、さらに付加的に、前記充電ステーション(8)に割り当てられた少なくとも1つのさらなる発電機の電力の合計である、
    あるいは、
    前記グリッド(1)の第2の構成において、前記グリッド(1)に供給される引取り電力は、少なくとも1つの従来の発電機(4)によって生成される電力であって、前記充電ステーション(8)は、その経時変化の観点から引取り電力を制限するように制御されるとともに、
    前記引取り電力の経時変化を制限するために、少なくとも1つの制限勾配が予め定義され、前記充電ステーションによって放出、または、取り込まれる電力は、現在の充電状態を予め定義された目標充電状態に近づけるために、充電状態に応じて補償値によって変更される、
    電気グリッド(1)における充電ステーションの操作方法。
  2. −前記引取り電力が最大に増加することが意図されている単位時間当たりの変化を用いて決定する上昇制限勾配と、
    −前記引取り電力が最大に減少することが意図される単位時間当たりの変化を用いて決定する減少制限勾配と、
    を備えたリストから、前記制限勾配が予め定義されること、
    を特徴とする請求項1に係る方法。
  3. 前記上昇制限勾配と前記減少制限勾配とは、絶対値に関して互いに異なっている、
    ことを特徴とする請求項2に係る方法。
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