Main Content

このページは前リリースの情報です。該当の英語のページはこのリリースで削除されています。

バッテリー バックアップ付きのスタンドアロンのソーラー PV DC 電力システム

この例では、バッテリー バックアップ付きのスタンドアロンの PV AC 電力システムの設計を説明します。この例は次の場合に役立ちます。

  • 接続負荷のプロファイルおよび利用可能な太陽光エネルギーに基づいて必要なバッテリー定格を選択。

  • 直列接続のストリング数とストリングあたりのパネル数の観点から、パネルの配置方法を決定。

  • PI コントローラーの適切な比例ゲイン $(K_v)$ と位相進み定数 $(T_v)$ を選択。

ソーラー PV とバッテリー ストレージはいずれもスタンドアロンの負荷をサポートします。負荷は一定の DC 出力に接続されます。ソーラー PV システムは、最大電力点追従モードと軽減電圧制御モードの両方で動作します。バッテリー管理システムは、双方向の DC-DC コンバーターを使用します。

スタンドアロンの PV システムには、太陽放射照度、太陽光発電量、接続負荷、バッテリーの充電状態、バッテリーの最大充電量、および放電時の電流の制限に基づいて、6 つの標準動作モードが必要です。

ソーラー PV の最大電力点 (MPP) に追従するには、次の 2 つの最大電力点追従 (MPPT) 手法から選択できます。

  • Incremental Conductance (INC)

  • 摂動と観測 (P&O)

毎日の平均接続負荷プロファイル、領域の 1 日あたりの利用可能な平均太陽エネルギー (kWhr)、ソーラー PV システムの動作温度、自律運転日、バッテリー再充電時間、出力 DC 電圧、およびソーラー パネルの仕様を指定できます。ソーラー パネル メーカーのデータを使用して、指定した発電容量の提供に必要な PV パネルの数を決定します。

ソーラー PV とバッテリー管理システム (BMS) を制御するために、$\frac{K_v (sT_v+1)}{sT_v}$ という形式の PI コントローラーが選択されています。

この例では、以下を使用します。

  • スタンドアロンの PV システム全体を設計する MATLAB® ライブ スクリプト。

  • システムの制御ロジックを設計/シミュレートする Simulink®。

  • 電源回路をシミュレートする Simscape™。

  • 監視制御ロジックを実装する Stateflow™。

スタンドアロンの PV DC 電力システム モデル

スタンドアロンの PV DC 電力システムを設計するスクリプトを開くには、MATLAB® コマンド ラインで edit 'ee_solar_standalone_dcsystem_withbatterybackup_data' と入力します。

選択されているバッテリーおよびソーラー PV プラントのパラメーターは次のとおりです。

***********************************************************************************************
****          For the Given Stand-Alone PV System, Battery Sizing Parameters           ****
***********************************************************************************************
*** Calculated amphr of the battery  =  542.91 Ahr 
*** Battery nominal voltage  =  78 V
*** Battery voltage at 80% discharge  =  70.20 V 
*** Number of required battery cell  =  39.00 
*** Average discharge current  =  4.28 A
***********************************************************************************************
***********************************************************************************************
****          For the Given Solar Panel, PV Plant Parameters           ****
***********************************************************************************************
*** Required PV Power rating  =  9.36 kW 
*** Minimum number of panels required per string  =  8 
*** Maximum number of panels connected per string without reaching maximum voltage  =  10 
*** Minimum power rating of the solar PV plant  =  1.80 kW 
*** Maximum power possible per string without reaching maximum DC voltage  =  2.25 kW 
*** Actual number of panels per string  =  8 
*** Number of strings connected in parallel  =  5 
*** Actual solar PV plant power  =  9.01 kW
***********************************************************************************************
***********************************************************************************************
****                   Battery Charging/Discharging Parameters                             ****
***********************************************************************************************
Reference battery charging current = 45.24 A
Maximum battery charging current = 128.29 A
Maximum battery discharging current = 64.14 A
Maximum battery charging Power = 10.01 kW
Maximum battery discharging Power = 5.00 kW
***********************************************************************************************

スタンドアロンのソーラー PV DC 電力システムの監視パネル

この例では、Simulink® Dashboard 機能を使用して、すべてのリアルタイム システム パラメーターを表示します。シミュレーション中は、監視パネルのダッシュボード ノブを回して、太陽放射照度と負荷を変更します。これらのパラメーターを変更することにより、PV システムで動作モードがどのように切り替わるかを観察できます。

Solar Plant サブシステム

Solar Plant サブシステムは、ソーラー パネルを並列接続したストリングを含むソーラー プラントをモデル化します。ソーラー パネルは、Simscape™ Electrical™ ライブラリの Solar Cell ブロックを使用してモデル化されます。この例では、DC 母線からの出力電圧、すなわち温度と放射照度に依存する開回路電圧を使用して、直列接続するソーラー パネル ストリングの数を推定し、プラントの電力定格を使用して並列接続するソーラー パネル ストリングの数を推定します。複数のパネルを接続すると、モデル内の要素数が増えるため、シミュレーション速度が遅くなる可能性があります。すべてのソーラー パネルで放射照度と温度が一定であると仮定すると、Solar Panel サブシステムで示されている制御された電流源と電力源を使用して、ソーラー要素の数を減少できます。

最大電力点追従 (MPPT)

バリアント サブシステムを使用して 2 つの MPPT 手法が実装されます。摂動と観測 (P&O) の MPPT を選択するには、バリアント変数 MPPT を 0 に設定します。Incremental Conductance (INC) を選択するには、変数 MPPT を 1 に設定します。

中間昇圧 DC-DC コンバーター

昇圧 DC-DC コンバーターは、ソーラー PV 電力を制御するために使用します。バッテリーがフル充電されていない場合、ソーラー PV プラントは最大電力点で動作します。バッテリーがフル充電されていて、負荷が PV 電力より小さい場合、ソーラー PV は定出力の DC 母線電圧制御モードで動作します。

バッテリー管理システム (BMS)

バッテリー管理システムでは双方向の DC-DC コンバーターを使用します。バッテリーは降圧コンバーター構成によって充電され、昇圧コンバーター構成を使用して放電されます。バッテリーの性能と寿命を向上させるために、バッテリー バックアップ付きのシステムにはバッテリーの充電時と放電時の電流に上限があります。この例では、バッテリーが負荷に対して供給し、ソーラー PV 源から吸収することのできる最大電力量に制限を設定します。ここでは、最大充電電力は、標準的なテスト条件におけるソーラー プラントの容量と等しくなります。選択される最大充電電力では、ユーザーが指定したバッテリー再充電時間よりも短時間でバッテリーを再充電できるはずです。

ここでは、充電操作と放電操作に別々のコントローラーを使用します。BMS コントローラーには、外側の電圧ループと内側の電流ループの 2 つのループがあります。

監視制御 (モード制御) パラメーター

この例のスタンドアロンの PV システムは 7 つの動作モードで構成されています。これらのモードは、DC 母線電圧、太陽放射照度、およびバッテリーの充電状態に基づいて選択されます。DC 母線電圧レベルは、負荷の不均衡を検出するための判断基準として使用されます。DC 母線電圧が $V_{dc-max}$ より大きい場合、システムは負荷が必要としているよりも多くの電力を生成しています。DC 母線電圧が $V_{dc-min}$ より小さい場合、負荷はシステムが生成しているよりも多くの電力を必要としています。

DC 母線電圧レベル $(V_{dc})$、太陽放射照度 $(Irrad)$、およびバッテリーの充電状態 $(SoC)$ を使用して、適切な動作モードが決定されます。

スタンドアロンの PV DC システムの動作モードは次のとおりです。

  • モード 0 - 開始モード (既定のシミュレーション開始モード)

  • モード 1 - PV は出力電圧制御、バッテリーはフル充電で絶縁

  • モード 2 - PV は最大電力点、バッテリーは充電中

  • モード 3 - PV は最大電力点、バッテリーは放電中

  • モード 4 - 夜間モード、PV はシャットダウン、バッテリーは放電中

  • モード 5 - システム全体がシャットダウン

  • モード 6 - PV は最大電力点、バッテリーは充電中、負荷は切断

Stateflow のモード制御ブロック線図

シミュレーション出力