成果報告書詳細
管理番号20130000001027
タイトル平成22年度-平成23年度成果報告書 新エネルギーベンチャー技術革新事業 新エネルギーベンチャー技術革新事業(燃料電池・蓄電池) リチウムイオンキャパシタを適用した太陽光発電の出力安定化に関する技術開発
公開日2014/3/8
報告書年度2010 - 2011
委託先名アドバンスト・キャパシタ・テクノロジーズ株式会社 学校法人早稲田大学
プロジェクト番号P10020
部署名技術開発推進部
和文要約件名:平成22年度-平成23年度成果報告書 新エネルギーベンチャー技術革新事業 新エネルギーベンチャー技術革新事業(燃料電池・蓄電池) リチウムイオンキャパシタを適用した太陽光発電の出力安定化に関する技術開発

(1) 太陽光発電用新型PCSの設計に関する研究開発 (a)リチウムイオンキャパシタ装置を備え、仮想同期発電機の概念に基づいて充放電制御を行う新型PCSを設計した。新型PCSは日射量変動にともなう出力の平滑化を実現するとともに、小規模独立系統への適用を想定して系統周波数の変化により出力を調整して系統の安定運用に寄与する。 (b)MATLAB/Simulinkツールを用いて数学モデルを構築し、設計した新型PCSの動作及び効果をシミュレーションした。このシミュレーション結果に基づいて、キャパシタ充放電制御のアルゴリズム開発と最適なパラメータ値を選択することが出来た。 (2)LICモジュールの設計、試作及び性能評価 使用する蓄電器は、約400Wh、約200Vmaxという必要条件から、当社リチウム・イオン・キャパシタ・セル、A5000を14セル直列に用い、53.2V/93.3Whのモジュールを4直列にして合計、実測約360Whの蓄電容量を実現した。 (3)太陽光発電PCSの試作及びフィールド試験評価 (a)試作した新型PCSは既存のPVパネルとPCSの間にリチウムイオンキャパシタとその充放電制御装置を追加することにより実現でき、DSPで仮想同期発電アリコリズムを処理させることにより、PV出力の平滑化と系統電力の平準化を行うことが可能である。 (b)新型PCSを試作し、出力特性を計測し実用上問題ないことを確認した。 (c)試作した充放電制御装置では現在は2組の昇降圧チョッパにより実現されているが、今後の研究により双方向の降圧・昇圧チョッパで実現可能と考えられる。これにより、さらに小型、低コストの充放電制御装置が実現でき、系統の安定運用に貢献できるものと考えられる。 (d)早稲田大学・本庄キャンパスに4kW太陽光発電パネルを敷設し、試作したキャパシタ充放電装置とPCS、及び計測システムから成るフィールド試験設備を整備した。キャパシタ充放電装置の自動運転を実現するDSP向け制御プログラムを開発した。 (e)日射量変動にともなう出力の平滑化試験、及び系統周波数変化の模擬信号による出力制御を行い、開発した新型PCSがMATLAB/Simulinkによるシミュレーションとほぼ同じように有効に動作することを確認した。 (f)必要なキャパシタ容量について検討し、制御対象として系統の負荷周波数制御の動作より速い短時間領域として5-10分の変動周期と考え、PVパネル出力変動を20%まで低減目標とした場合の最大蓄積エネルギーE(Wh)を検討すると、定格4kW機に対してE=220(Wh)-380(Wh)ほどであった。単位出力(kW)あたりに換算すると55-95(Wh)/kWと把握できる。 (4)ビジネスプランの策定 今般開発した平準化機能は各社のPCSを改造することなく付加機能に出来る仕様とした。今後は平準化機能の必要性が高まっていくと予測される2014年度に向けて、低コストバージョンの開発を進めると同時に、PCSメーカー各社との接触を強めていく方針。また蓄電機能の要求も高まってきており二次電池とのハイブリッド化も視野に入れて、家庭用蓄電池や中規模スマートグリッドにおける平準化機能付蓄電池なども開発していく。
英文要約Title: New Energy Venture Bussiness Technology Innovation Program/ New Energy Venture Bussiness Technology Innovation Program(Fuel Cells and Batteries)/ Development of an Innovative Photovoltaic Generation System with Lithiun-ion Capacitor for Stabilizing the Power Output(FY2010-FY2011) Final Report

(1)Design of an advanced photovoltaic generation system (a)An advanced photovoltaic generation system was designed which has Lithiun-ion capacitor storage. The charge/discharge of capacitor can be controlled based on concept of Virtual Synchronous Generator. The designed photovoltaic generation system is capable to smooth fluctuation of power output of PV array due to rapid change of solar radiation. It is also capable to control the PV output power according to the frequency deviation for stable operation of the grid which has small capacity with large penetration of PV systems. (b)The dynamic behavior and its effects of the designed new PV system in a small model power system were simulated using MATLAB/Simulink for evaluation of control algorithm and better choice of control parameters. (2)Design, test production and evaluation of Lithiun-ion capacitor module A package of Lithiun-ion capacitor of rating 400Wh and 200V was developed which has four series modules of 53.2V/93.3Wh which has a series of 14 cells of "A5000". The total measured capacity of the package was about 360Wh. (3)Development of proto-type photovoltaic generation system and the field tests (a)The advanced PV system was developed so as to have configurations that Lithiun-ion capacitor and its charge/discharge controller with DSP is inserted between the PV array and the power conditioning system(PCS). The DSP in the controller works to realize dynamic behavior of synchronous generator. (b)The performance of the prototype PV system was tested in factory in advance of field tests to check the control characteristics. (c)The DC/DC converters employed in the prototype charge/discharge controller were a couple of one-way step-up/step-down choppers. However, the use of single dual-directional step-up/step-down chopper may improve cost and installation space compared to the first proto-type one. (d)The field tests were carried out in Honjo campus of Waseda University with installation of 4kW PV generation system and on-line measurement system. The control software for DSP in charge/discharge controller was developed with C language. (e)The smoothing effects of the proto-type PV system for rapid change of solar radiation were tested. The PV response of power output were also tested for frequency deviation of the grid where the deviation of frequency was simulated in DSP program because the power system(TEPCO) is so large compared the PV system and the real frequency is always maintained constant(50Hz). The results of field tests indicated the proto-type PV system can work well as was designed. (f)The required energy(Wh) of the Lithiun-ion capacitor package was estimated 220-380Wh as amount of energy storage for 4kW residential PV system. (4)Bussiness Planning The newly developed PV system has an advantage that it can be installed present conventional PV system without any alternations. Then, the PV system will become widely applied being independent with respect to PCS manufactures. For the future, the low-price version of the new PV system is required to be developed for spread period around year 2014. It is also on the menu to contact PCS manufactures.
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