双方向電源のアプリケーション：EV充電から電力系統安定化まで
2024/08/09
世界が化石燃料から再生可能エネルギーへと移行するにつれ、電力網もそれに追いつくために変化しています。大規模な石炭、ガス、原子力発電所が独占的に消費者に電力を供給するという従来のやり方は、公共および民間の供給業者による、従来のエネルギー源と再生可能エネルギー源を組み合わせたスマートグリッドに取って代わられつつあります。それに伴い、さまざまなスマートグリッド要素間での効率的な送電を保証するための双方向電源の必要性も高まっています。このブログでは、双方向電源、そのアプリケーション、そしてお客様がこれらの新しい需要に対応することを、RECOMがどのように支援しているかについて説明します。
変化する電力網
従来の電力網の基礎は1935年に遡ります。これは、発電所から配電網を経由して消費者に電力が流れる一方向の流れを特徴としています。発電能力は比較的静的であり、需要の急増に対応できる余剰能力はほとんどありません。
その結果、従来の電力網では、システムが急激な負荷の変動に対応するのに苦労し、電力の不安定化に悩まされます。古い電気機械制御技術に依存しているため、制御能力や使用パターンに関する最新情報はほとんど得られません。一方向の電力フローでは、風力や太陽光などの再生可能エネルギー源の恩恵を受けることが難しくなります。
電力会社は電力網のアップグレードに積極的に取り組んでいます。スマートグリッドは、リアルタイムの監視と制御を提供し、風力と太陽光発電源を統合し、エネルギー供給と負荷需要のバランスをとることを目的としています。
その結果、従来の電力網では、システムが急激な負荷の変動に対応するのに苦労し、電力の不安定化に悩まされます。古い電気機械制御技術に依存しているため、制御能力や使用パターンに関する最新情報はほとんど得られません。一方向の電力フローでは、風力や太陽光などの再生可能エネルギー源の恩恵を受けることが難しくなります。
電力会社は電力網のアップグレードに積極的に取り組んでいます。スマートグリッドは、リアルタイムの監視と制御を提供し、風力と太陽光発電源を統合し、エネルギー供給と負荷需要のバランスをとることを目的としています。
エネルギー貯蔵：パズルの欠けたピース
風力と太陽光から供給される電力の割合が増えると、発電能力の不確実性も高まります。風力や太陽から得られるエネルギーの量は予測できない方法で変化するため、再生可能エネルギー源からの電力は、化石燃料や原子力発電所からの電力よりも変動が大きくなります。一般的な太陽光発電設備からの供給は、1年間で理論上可能な最大出力（容量係数、CF）の25%未満となります。風力タービンの場合は40%未満です。原子力発電所の90%以上のCFとは対照的です。それに加えて、再生可能エネルギーの利用可能な容量は、分単位の電力需要を満たすために増強することができません。
エネルギー貯蔵は、需要と供給のバランスをとる方法を提供します。需要が供給を上回ると、蓄電システムは電力網を安定させ、電圧低下やシャットダウンを回避するために必要な追加電力を供給します。電力供給が需要を上回る場合、余剰の発電能力が蓄電システムの充電に使用されます。
エネルギー貯蔵は、需要と供給のバランスをとる方法を提供します。需要が供給を上回ると、蓄電システムは電力網を安定させ、電圧低下やシャットダウンを回避するために必要な追加電力を供給します。電力供給が需要を上回る場合、余剰の発電能力が蓄電システムの充電に使用されます。
エネルギー貯蔵と再生可能エネルギー
揚水式水力発電は現在最も広く使用されているエネルギー貯蔵システム（ESS）技術ですが、バッテリーベースの設計は最も拡張性の高い技術であり、最も高い成長を示しています。
図2：ESS機能ブロック（出典：SAFTバッテリー
図2は、バッテリーを使用してエネルギーを蓄えるグリッドスケールESSの主な機能ブロックを示しています。双方向電源装置 は、グリッドから蓄電システムにAC電力を転送し、その逆も行います。グリッドからのAC電力は、蓄電システムを充電するためにバッテリーへのDC電力に変換されます。蓄電システムがグリッドの安定化を支援する際は、DC電力はAC電力に変換され、グリッドに送り返されます。
多くの場合、ESSは再生可能エネルギー源と組み合わせられます。この場合、風力タービン（AC電源）またはPVアレイ （DC電源）からのグリーンエネルギーは、必要に応じてバッテリーアレイに送ったり、グリッドに戻したりできます。商業ビルや住宅ビルに設置されたソーラーパネルは、ESSに電力を供給したり、グリッドに電力を戻したりすることもできます。
このエネルギーの流れはすべて制御、調整、監視される必要があります。RECOMは、信頼性が高く安全なバッテリーエネルギー貯蔵システムの構築に必要なバッテリーマネジメントシステム、通信ネットワーク、さまざまな電圧、電流、温度、火災、圧力センサー向けに、低電力で高絶縁のDC/DCコンバータ（最大20kVDCの絶縁電圧）を数多く提供しています。
図2：ESS機能ブロック（出典：SAFTバッテリー
図2は、バッテリーを使用してエネルギーを蓄えるグリッドスケールESSの主な機能ブロックを示しています。双方向電源装置 は、グリッドから蓄電システムにAC電力を転送し、その逆も行います。グリッドからのAC電力は、蓄電システムを充電するためにバッテリーへのDC電力に変換されます。蓄電システムがグリッドの安定化を支援する際は、DC電力はAC電力に変換され、グリッドに送り返されます。
多くの場合、ESSは再生可能エネルギー源と組み合わせられます。この場合、風力タービン（AC電源）またはPVアレイ （DC電源）からのグリーンエネルギーは、必要に応じてバッテリーアレイに送ったり、グリッドに戻したりできます。商業ビルや住宅ビルに設置されたソーラーパネルは、ESSに電力を供給したり、グリッドに電力を戻したりすることもできます。
このエネルギーの流れはすべて制御、調整、監視される必要があります。RECOMは、信頼性が高く安全なバッテリーエネルギー貯蔵システムの構築に必要なバッテリーマネジメントシステム、通信ネットワーク、さまざまな電圧、電流、温度、火災、圧力センサー向けに、低電力で高絶縁のDC/DCコンバータ（最大20kVDCの絶縁電圧）を数多く提供しています。
EV充電
電気自動車は、双方向電源のもう一つの成長分野です。バッテリー電力のみで稼働するEVの市場シェアが拡大するにつれ、車両1台あたりの搭載バッテリー容量も増加しています。消費者は、大容量バッテリーの充電時間が短縮されることを求めています。こうした需要により、高性能車をはじめとして、バッテリーの動作電圧は400Vから800Vへ引き上げられています。
十分なバッテリー容量を備えたEVは、ESSとして機能する可能性があり、車両から家庭への（V2H）発電、車両からグリッドへの（V2G）、車両間（V2V）充電、または別のEVのジャンプスタートなど、さまざまなケースでの使用が可能になります。現在EV充電ステーションとEVオンボード充電器（OBC）は一方向システムですが、これらの新しい使用ケースにより双方向インフラストラクチャへの移行が推進されています。
EVおよびEV充電ステーションで双方向電源が必要となるシナリオには、次のようなものがあります。
十分なバッテリー容量を備えたEVは、ESSとして機能する可能性があり、車両から家庭への（V2H）発電、車両からグリッドへの（V2G）、車両間（V2V）充電、または別のEVのジャンプスタートなど、さまざまなケースでの使用が可能になります。現在EV充電ステーションとEVオンボード充電器（OBC）は一方向システムですが、これらの新しい使用ケースにより双方向インフラストラクチャへの移行が推進されています。
EVおよびEV充電ステーションで双方向電源が必要となるシナリオには、次のようなものがあります。
- EVがグリッドまたは家庭内のマイクログリッドに電力を供給する。
- EV充電ステーションが、相対的な電気料金に応じてグリッドまたは蓄電エネルギーからEVに電力を供給する。
- EV充電ステーションがその場のバッテリー設備を再充電する。
一方向と双方向の電源アーキテクチャ
双方向電源 では、同等の一方向電源とは異なる設計アプローチが必要です。高効率を実現するように設計された一方向AC/DC電源は、LLC共振コンバータなどのDC/DCトポロジーを駆動するトーテムポール力率補正（PFC）フロントエンドを備えたワイドバンドギャップ（WBG）SiCまたはGaNパワーデバイスを使用します。
トーテムポールPFCトポロジーは双方向ですが、共振LLCは双方向ではありません。双方向アプリケーションの場合、充電モードと放電モードの両方で高い効率と広い出力電圧範囲を兼ね備えているため、DC/DCステージにはCLLC共振コンバータが適しています。CLLCは、効率を最大化するために、一次側ではゼロ電圧スイッチング（ZVS）、二次側ではゼロ電流スイッチング（ZCS）と組み合わせたZVSというスイッチングを頻繁に行います。SiCトランジスタは、このような高出力アプリケーションにおいて急速に主流技術になりつつあります。
図3は、三相充電アプリケーション用の双方向電力ステージの例を示しています。この設計には14個のパワートランジスタが必要です。これは絶縁されたトポロジーのため、パワートランジスタは絶縁ゲートドライバおよび絶縁型DC/DC電源と組み合わされます。
トーテムポールPFCトポロジーは双方向ですが、共振LLCは双方向ではありません。双方向アプリケーションの場合、充電モードと放電モードの両方で高い効率と広い出力電圧範囲を兼ね備えているため、DC/DCステージにはCLLC共振コンバータが適しています。CLLCは、効率を最大化するために、一次側ではゼロ電圧スイッチング（ZVS）、二次側ではゼロ電流スイッチング（ZCS）と組み合わせたZVSというスイッチングを頻繁に行います。SiCトランジスタは、このような高出力アプリケーションにおいて急速に主流技術になりつつあります。
図3は、三相充電アプリケーション用の双方向電力ステージの例を示しています。この設計には14個のパワートランジスタが必要です。これは絶縁されたトポロジーのため、パワートランジスタは絶縁ゲートドライバおよび絶縁型DC/DC電源と組み合わされます。
RECOMの双方向電源リソース
RECOMは、複数のユニットを並列に接続することで最大30kWまたはそれ以上の定格電力を持つ三相AC電源の実績のあるプラットフォーム設計に基づいた、信頼性の高いカスタムバッテリー充電器、コンディショナー、双方向インバーター を供給できます。
RECOMには、短納期、高出力、フルカスタムソリューションを専門とする姉妹会社 PCSを通じて、プラットフォーム設計の広範なライブラリも提供しています。これらの実績のある設計は、必ずしも大規模な開発コストや認証コストをかけずに、他のアプリケーションに容易に適合させることができます。
RECOMには、短納期、高出力、フルカスタムソリューションを専門とする姉妹会社 PCSを通じて、プラットフォーム設計の広範なライブラリも提供しています。これらの実績のある設計は、必ずしも大規模な開発コストや認証コストをかけずに、他のアプリケーションに容易に適合させることができます。
まとめ
スマートグリッドの出現と再生可能エネルギーの増加により、エネルギー源、エネルギー消費者、および蓄電システム間でACまたはDC電力を転送する双方向電源 の需要が高まっています。RECOMは、バッテリーマネジメントシステム や風力タービンコントローラーの絶縁に使用される低電力DC/DCインバータから、スマートメーター、EV充電器、PVインバータに電力を供給する低スタンバイ消費AC/DCモジュール 、オフグリッド、ESS、その他のアプリケーション用のキロワット規模のコンバータまで、スマートグリッドのあらゆる要素に関わっています。次の設計を始める準備はできていますか？今すぐお問い合わせください。