既存の PV アレイへのバッテリー エネルギー貯蔵装置の設置から学んだ教訓

既存の PV アレイにバッテリーエネルギーを改造することがなぜ理にかなっているのか、またその際に克服すべき課題について、実際にそれを実行した大手電力会社が説明しています。

記事の投稿元 | アランソンシステムズ

ソーラープラスストレージ。 代替エネルギー事業に限らず、エネルギー事業に携わっている人であれば、おそらく毎日耳にする言葉でしょう。 場合によっては1日に複数回も。 バッテリーと太陽光発電を組み合わせるための論理的な目標の 1 つは、目に見えないところに隠れています。それは、すでに設置されている数ギガワットの PV リソースです。 ノースカロライナ州に本拠を置く米国最大の電力会社の 1 つであるデューク・エナジー社は、この機会を活用しようとしています。 デューク社は、将来的にさらに多くのことを行うことを目的として、既存の PV アレイの一部にエネルギー貯蔵装置を設置しました。

この記事では、ノースカロライナ州シャーロットの Duke Energy の事業開発担当である Tom Fenimore 氏とのこれらの取り組みから得られた教訓を明らかにします。 フェニモアは、デューク社のこれらの取り組みの多くを主導しており、業界のより広範な利益のためにそのようなプロジェクトを実行した経験を共有することを選択しました。 その知識には、既存の太陽光発電所にストレージを設置するインセンティブと、その際に注意すべき実際的な技術的課題 (それらの課題に対するいくつかの解決策も!) が含まれます。

同社のウェブサイトによると、デューク・エナジーは2020年末までに自社の発電ポートフォリオに15GWを超える再生可能エネルギーを導入する予定で、その大部分にはもちろん太陽光発電も含まれる。

「より多くの再生可能エネルギーが回路に導入されるにつれて、電圧と周波数の安定化を提供する必要性から回路を最適化する必要性が増大するでしょう。それを行う最も簡単な方法の 1 つは、エネルギー貯蔵を利用し、その貯蔵が相互作用できるようにすることです」フェニモア氏は、「電力網の安定性を提供することは、規制された電力会社としての私たちの憲章の明示的な部分です。」と説明します。

Duke Energy の規制サービス地域の大部分はノースカロライナ州にあります。 ノースカロライナ州は、太陽光発電の設置数でカリフォルニア州に次いで全米第 2 位です。 ノースカロライナ州とカリフォルニア州の大きな違いの 1 つは、ノースカロライナ州の太陽光発電設備の中で屋上太陽光発電がごく一部であることです。つまり、太陽光発電所は通常、より大型の地上設置システムであることを意味します。 この事実は、各 PV 設備が特定の配電または送電回路の電力に大きく寄与していることを意味します。

既存の PV 資産にストレージを追加しようとする場合、Duke Energy のようなシステム所有者には、AC 結合または DC 結合という 2 つの選択肢があります。 ソーラーパネルとバッテリーがインバーターの AC 側、つまり「インバーターの後ろ」に接続されている場合、ソーラーとエネルギー貯蔵の AC 結合が実現されます。 対照的に、DC 結合トポロジーでは、太陽光発電と蓄電装置がインバーターの DC 側、つまり「インバーターの前」に接続されます。

さまざまな太陽光発電と蓄電アプリケーションに AC または DC 結合アプローチを使用する実行可能な理由はありますが、既存の PV システムに蓄電装置を設置する場合、DC 結合には AC 結合よりも非常に説得力のある利点があるとフェニモア氏は考えています。

既存の PV プラントにストレージを統合する技術として DC カップリングが提供する主な利点の 1 つは、DC:AC 比が増加し続ける傾向を利用できることです。 DC:AC 比は、インバータの AC 銘板に対する設置された PV パネルの量を指し、配電網への AC 相互接続のサイズによって決まります。

近年、PV パネルの価格低下とインバーター技術の向上により、DC:AC 比が増加する傾向にあります。 数年前、太陽光発電プラントは、通常 1.05 ～ 1.1 の適度な DC:AC 比で設計されました。 今説明した要因に基づいて、近年、大規模太陽光発電所の DC:AC 比は 1.5 ～ 1.8 DC:AC の間に増加しました。 太陽光発電インバータの中には、プラントの定格 AC 容量に対して PV の 2 倍の DC オーバービルドを処理できるものもあります。 DC:AC 比の考慮事項について詳しくは、この最近の記事をご覧ください。

このような PV の過剰建設は、大量の潜在的なクリップされたエネルギー、つまり PV 発電量がインバータの定格電力を超えたときにインバータによって PV 発電量が削減される可能性をもたらします。 太陽光発電と蓄電器を組み合わせた DC 結合技術により、過剰生産期間中に余剰発電をバッテリーに転用することができます。 この捕捉された発電は、その日の後半または夕方に放出されて、太陽​​光発電プラントからの生産を平滑化し、太陽光のような断続的なエネルギー資源を真に供給可能なものに変えることができます。 家庭や会社のスイッチを入れるたびに確実に照明が点灯するように何百万ものエンド ユーザーと契約している規制対象の電力会社の場合、発電容量の供給を正確に制御できることが重要です。 太陽光発電と蓄電器の DC カップリングは、Duke Energy にこの利点を提供するのに役立ちます。

DC カップリングは、他の方法ではクリップされる (つまり、捨てられる) エネルギーを捕捉する機会に加えて、システム所有者にいくつかのユニークな経済的利点も提供します。 現在の政府規制によれば、エネルギー貯蔵は、太陽光発電から直接充電される場合にのみ、投資税額控除 (ITC) に基づいて申請できます。

「エネルギー貯蔵装置の導入を成功させる鍵は、優遇税制やその他の経済的恩恵を受けて設置することです。業界として定期的にそれを行う方法を見つけたら、実際に針が動くのが分かるでしょう」とフェニモア氏は説明する。 「ストレージに関して私たちが抱えている課題の 1 つは、投資税額控除を活用することです。DC 結合では、太陽光からしかバッテリーを充電できないため、AC 結合よりも簡単にそれを実現できます。そうすることで、それが明確になります。」バッテリーを充電するキロワット時がどこから来ているのか、財務的な観点から見てみましょう。」

多くの新しい取り組みと同様、DC 結合を使用して既存の PV アレイにバッテリーを取り付けることは非常に理にかなっていますが、「紙の上では常に簡単に見えます」とフェニモア氏は述べています。

「既存の太陽光発電所に DC 結合されたストレージの改修を実行する際の課題の 1 つは、既存のサイトとすべての物理インフラストラクチャの配線方法を理解し、それに対処することです。ブロック図を作成すると、いつでも簡単になります。一度理解すれば、この分野では、すべてをうまく機能させるのがより困難になる可能性があります」とフェニモア氏は説明します。

そのような予期せぬ課題の 1 つである、浮遊バッテリーを接地型 PV アレイに組み込む問題は、2019 年にデューク・エナジーが同社のマカルパイン・ソーラー工場で実施した蓄電改修工事で生じました。

「私たちは、プラス接地されたソーラーパネルを備えた DC カップリングストレージの問題に遭遇しました。その課題を克服するには、Alencon Systems の電気的に絶縁された DC オプティマイザを設置して、PV システムとバッテリーの間にフローティンググランドを作成する必要がありました。これは、私たちが始めたときはまったく予想外でした。 」とフェニモアは説明します。

「この予期せぬニーズがパネルに必要でした。当初、私たちはインバーターレベルで変更を加えるだけでこの問題を克服できると考えていました。しかし、唯一の解決策は、PV アレイとバッテリーの間に絶縁を設けることであることが判明しました。太陽光発電の時代モジュールの製造により、既存の PV アレイへのストレージの設置が複雑になる可能性があります。」

図 1 2019 年、Duke Energy は DC 結合ソーラー プラス ストレージを導入し、既存の PV アレイにバッテリー エネルギー貯蔵システムを設置しました。 そうするための技術的鍵の 1 つは、Alencon の電気的に絶縁された DC-DC オプティマイザを設置して、プラス接地の PV システムを共通の DC バス上のフローティング バッテリーから絶縁することでした。

前述したように、Duke Energy が既存の PV プラントに DC 結合型のレトロフィットストレージを最後に導入した際に得た技術的教訓の 1 つは、新しく設置したバッテリーから PV システムの接地を分離する必要があるということです。 PV とバッテリーの背後にある個々のインバーターがこの接地絶縁を自動的に作成するため、AC 結合された太陽光発電と蓄電システムでは通常、これは問題になりません。

この課題をさらに詳しく説明すると、設置された PV システム、特に中央のインバータに接続されているシステムは通常、接地されています。 多くの場合、設置された太陽光発電システムはマイナス接地されています。 Duke Energy の最近の McAlpine プロジェクトの場合、既存の太陽光発電所には、プラスの接地要件を持つ古いヴィンテージの SunPower パネルが使用されていました。 PV パネルは、20 ～ 25 年間にわたって性能を維持し、潜在的な誘導劣化 (PID) などの状態を防ぐ必要性など、さまざまな理由で接地する必要がある場合があります。

図 2 SunPower パネルを備えた古い設置済み PV システムの構築図としてよく見られるコールアウト。 このような注意書きは、アレイをプラスの接地構成に維持することの重要性を示しています。 逆に、バッテリーは安全のために浮かせることが一般的に要求されます。

逆に、バッテリーエネルギー貯蔵システムにはフローティンググラウンドが必要です。 浮遊接地の必要性は、バッテリーの重要な安全要件です。 特に、浮遊接地があると 2 つの故障が発生して重大な安全状況が発生する可能性があるため、この要件は大型バッテリー システムに必要です。 2 つの障害を許容することで、最初の障害がオンボード障害検出システムによって検出され、問題が発生する前にバッテリーを安全に切断できます。 韓国、アリゾナ州などで最近起きた事故を受けてESS火災に注目が集まっているため、バッテリーメーカーの安全指針に留意することが当然重要である。

図 3 ガルバニック絶縁は、2 つ以上の電気回路が通信する必要があるが、それらのグランドが異なる電位になる場合に使用されます。 Alencon Systems の DC-DC コンバータは、インバータと整流器セクションで構成され、入力と出力間の完全なガルバニック絶縁を実現するためにそれらの間に絶縁トランスが配置されています。 炭化ケイ素パワーエレクトロニクスの応用により、Alencon のデバイスは非常に効率的かつ小型になります。

ガルバニック絶縁は、2 つ以上の電気回路が通信する必要があるが、それらのグランドが異なる電位になる場合に使用されます。 ガルバニック絶縁は、接地導体を共有する 2 つのユニット間で不要な電流が流れるのを防ぎ、接地ループを遮断する効果的な方法です。 太陽光発電と蓄電器を DC 結合する場合、PV システムとバッテリー間の電圧差をマッピングするために DC-DC コンバータが必要です。 Alencon Systems 製などのガルバニック絶縁 DC-DC コンバータは、存在する可能性のある差動接地方式を分離しながら、PV 電圧をバッテリ電圧にマッピングするという 2 つの目的を果たします。 アレンソンの製品の場合、最先端の炭化ケイ素パワーエレクトロニクスの適用により、非常にコンパクトで効率的なパッケージでこの利点を実現できます。

図 4 Alencon の DC-DC コンバータは、同じ DC バス上に配置された PV システムとバッテリ間の差動電圧をマッピングする役割を果たします。 このマッピングは上で説明されています。

より多くの太陽光発電が電力網に導入されるにつれて、電力網の信頼性の高い運用を保証し、クリーンな発電源の実行可能性を維持して電力網との戦いに勝つために、すでに設置されている太陽光発電リソースとバッテリーを組み合わせる必要性と動機がさらに高まるでしょう。気候変動。 ただし、これらの利点をどのように実現するかには技術的な課題がないわけではありません。 幸いなことに、これらの問題を解決するために、商業化されたスケーラブルな技術ソリューションが存在します。 それらの課題の 1 つは、接地された PV システムと浮遊バッテリーを組み合わせる必要があることですが、これは Alencon Systems のガルバニック絶縁 DC-DC コンバーターを適用することで克服できます。 ありがたいことに、Duke Energy のようなイノベーターは、これらの課題を克服するための経験を共有することに積極的です。

Alencon Systems は、太陽光発電、バッテリーエネルギー貯蔵、マイクログリッド、燃料電池、電気自動車の充電などの代替エネルギー用途向けの高出力、高電圧 DC:DC オプティマイザーのトップメーカーです。 Alencon の DC:DC コンバータ製品には、SPOT、BOSS、および CUBE シリーズ DC:DC コンバータが含まれます。

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