JP2019187103A - 蓄電池制御システム及び蓄電池制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電力ピークカット制御や電力平準化などに使用した際に、同一の蓄電池の充放電が頻繁に繰り返される事による劣化を防止し、蓄電池の寿命を延ばす蓄電池制御システム及び蓄電池制御方法を提供する。【解決手段】商用電力系統１０の電力線１１に対して分散配置される複数の蓄電池１２−１〜１２−４を設ける。コントローラ１７−１〜１７−４は、複数の蓄電池１２−１〜１２−４のそれぞれの累積サイクル数に応じた優先順に、複数の蓄電池１２−１〜１２−４の中から必要とされる蓄電池を選択して出力制御を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電池制御システム及び蓄電池制御方法に関する。

施設における定置型蓄電池は、電力ピークカット制御や電力平準化などに使用する場合、用途や規模に応じた蓄電池容量や充放電頻度などの要件を満たす単一の蓄電池設備の形態で導入される事例が多い。単一の蓄電池設備の形態では、電力ピークカット制御や電力平準化などが行われる毎に同一の蓄電池が充放電される。蓄電池には放電回数に限界があり、これはサイクル寿命と呼ばれている。サイクル寿命は、電池種別毎に異なっており、例えば鉛蓄電池では３１５０回、リチウムイオン電池では３５００回、ニッケル水素電池では２０００回、ＮＡＳ電池では４５００回である。また、電池の劣化状態の推定については、例えば特許文献１及び特許文献２に記載されている。

国際公開第２０１６／０７９９６４号 特開２０１７−１５６２７２号公報

単一の蓄電池設備を電力ピークカット制御や電力平準化などに使用すると、同一の蓄電池の充放電が頻繁に繰り返されるため、サイクル寿命により蓄電池が早期に寿命を迎えてしまう。このため、電池の更新時期が早まり、結果として運用コストが増大してしまう。

上述の課題を鑑み、本発明は、電力ピークカット制御や電力平準化などに使用した際に、蓄電池の寿命を延ばすことができる蓄電池制御システム及び蓄電池制御方法を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するために、本発明の一態様に係る蓄電池制御システムは、商用電力系統の電力線に対して分散配置される複数の蓄電池と、前記複数の蓄電池のそれぞれの累積サイクル数に応じた優先順に、前記複数の蓄電池の中から必要とされる蓄電池を選択して出力制御を行う充放電制御部とを備えることを特徴とする。

本発明の一態様に係る蓄電池制御方法は、商用電力系統の電力線に対して複数の蓄電池を分散配置し、前記複数の蓄電池のそれぞれの累積サイクル数に応じた優先順に、前記複数の蓄電池の中から必要とされる蓄電池を選択して出力制御を行うことを特徴とする。

本発明によれば、商用電力系統の電力線に対して分散配置される複数の蓄電池の充放電の累積サイクル数を均一化することができ、全体としての蓄電池の寿命を延ばすことができる。

本発明の実施形態に係る蓄電池制御システムの概要を示すブロック図である。 各蓄電池の属性データの説明図である。 電力ピークカット制御の説明図である。 予想デマンド値の算出の説明図である。 本発明の実施形態に係る蓄電池制御システムで電力ピークカット制御を行う場合の処理を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態に係る蓄電池制御システム１の概要を示すブロック図である。図１に示すように、本発明の実施形態に係る蓄電池制御システム１は、商用電力系統１０の電力線１１に、分散配置された複数の蓄電池１２−１〜１２−４と、太陽光発電機１３と、建物負荷１４とを配設して構成される。電力線１１の入り口には、電力メータ１５が設置されている。

蓄電池１２−１〜１２−４は、充放電可能な二次電池である。蓄電池１２−１〜１２−４としては、鉛蓄電池、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、ＮＡＳ（ナトリウム・硫黄）電池等、何れを用いてもよい。また、制御簡略化の観点で好ましくは、蓄電池１２−１〜１２−４としては、全て同一の定格容量及び定格出力のものが用いられる。

各蓄電池１２−１〜１２−４に対して、それぞれ、パワーコンディショナ（ＰＣＳ：Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）１６−１〜１６−４と、コントローラ（充放電制御部）１７−１〜１７−４とが設けられる。各パワーコンディショナ１６−１〜１６−４は、電力線１１からの交流電源を直流電源に変換して各蓄電池１２−１〜１２−４に供給するＡＣ−ＤＣコンバータと、各蓄電池１２−１〜１２−４から放電された直流電源を交流電源に変換して電力線１１に供給するＤＣ−ＡＣインバータとを含む。

コントローラ１７−１〜１７−４は、各蓄電池１２−１〜１２−４の充放電制御を自律的に行う。各コントローラ１７−１〜１７−４は、信号線２０を介して、互いにデータ通信を行うことができる。また、各コントローラ１７−１〜１７−４は、信号線２０を介して、電力メータ１５の計測値を取得できる。

太陽光発電機１３は、太陽光により発電を行う。太陽光発電機１３には、パワーコンディショナ１８が設けられる。パワーコンディショナ１８は、太陽光発電機１３で発電した直流電源を交流電源に変換して電力線１１に出力するＤＣ−ＡＣインバータを含む。

建物負荷１４は、電力を消費する建物の設備である。建物負荷１４としては、照明機器、空調機器、各種情報処理機器、各種電気・電子機器等が想定される。

電力メータ１５は、例えば１分毎に、商用電力系統１０から供給される受電電力を計測する。電力メータ１５の計測値は、信号線２０を介して、各コントローラ１７−１〜１７−４に送られる。

このように、本発明の実施形態に係る蓄電池制御システム１は、商用電力系統１０の電力線１１に、複数台の蓄電池１２−１〜１２−４を分散配置している。なお、この例では、蓄電池１２−１〜１２−４は４台であるが、蓄電池の数は任意である。すなわち、電力線１１には、Ｎ台（Ｎは任意の整数）に分散化した蓄電池１２−１〜１２−Ｎを接続できる。

Ｎ台に分散化した蓄電池１２−１〜１２−Ｎからなる構成では、状況に応じて１台からＮ台の蓄電池１２−１〜１２−Ｎを用いて、電力ピークカットや負荷平準化制御を行うことができる。このように、状況に応じて１台からＮ台の蓄電池１２−１〜１２−Ｎを用いると、各蓄電池１２−１〜１２−Ｎの充放電の累積サイクル数を均一化することができ、全体としての蓄電池１２−１〜１２−Ｎの寿命を延ばすことができる。

図２は、各蓄電池１２−１〜１２−４の属性データを示すものである。属性データは、充電率（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅｓ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）と、定格容量と、定格出力と、累積サイクル数とからなる。各蓄電池１２−１〜１２−４の属性データは、信号線２０を介して、各コントローラ１７−１〜１７−４で共有されている。

充電率は、満充電時を１００％とし、完全放電時を０％として示される。定格容量は、蓄電池に充電できる電力量を示し、電力と時間との積（ｋＷｈ）で示される。定格出力は、蓄電池から出力できる最大電力（ｋＷ）を示す。累積サイクル数は、充電率（ＳＯＣ）０％から１００％までの充電と、１００％から０％までの放電とを１サイクルとする充放電の回数で示される。すなわち、サイクル数Ｘｓは、蓄電池の定格容量をＭ、放電容量をＱｏ、充電容量をＱｃとすると、以下のように求めることができる。

Ｘｓ＝（Ｑｏ／Ｍ＋Ｑｃ／Ｍ）／２ … （１）

例えば、定格容量が１００ｋＷｈの蓄電池を用いて、８０％から２０％まで放電した後、２０％から８０％まで充電を行った場合、放電容量は６０ｋＷｈ、充電容量は６０ｋＷｈとなり、サイクル数Ｘｓは、以下のように求められる。

Ｘｓ＝（６０／１００＋６０／１００）／２＝０．６

次に、本発明の実施形態に係る蓄電池制御システム１における電力ピークカット制御について説明する。ここで、電力ピークカット制御では、電力を予め蓄電池に蓄積し、建物の需要電力が制御目標値を超える場合に、蓄電池からの放電を行うことで電力需要の山（ピーク）をカットするものである。すなわち、図３は、電力ピークカット制御の説明図である。図３において、横軸は時間であり、縦軸は需要電力である。需要電力が時間と共に増加し、時点ｔ１において、時点ｔ２での需要電力が制御目標値を越えると予測された場合、蓄電池が電力超過分を補うよう放電制御を行うことで受電電力を制御目標値以下に抑制できる。

本発明の実施形態に係る蓄電池制御システム１では、電力ピークカット制御を行う場合に、電力メータ１５の計測値から、所定時限での需要電力の予想値を予想デマンド値として算出する。図４は、予想デマンド値の算出の説明図である。図４において、微小時間Δｔに対する受電電力の変化をΔｐとし、時刻ｔでの受電電力をＰとすると、３０分時限での予想デマンド値Ｒは、以下のように計算することができる。

Ｒ＝（Δｐ／Δｔ）×３０−ｂ … （２）
ｂ＝ｐ−（Δｐ／Δｔ）×ｔ

より具体的には、図４に示すように、予想デマンド値の算出では、電力メータ１５から、例えば１分毎に、現在の受電電力（現在デマンド）を電力メータ１５から取得し、このときの微小時間Δｔに対する受電電力の変化Δｐと、３０分を時限とする残り時間とから、（２）式に示すように、予想デマンド値を計算する。

予想デマンド値Ｒが計算されたら、この予想デマンド値Ｒが制御目標値Ｔｈを越えているか否かにより、電力ピークカット制御が必要になるか否かが判定できる。予想デマンド値Ｒが制御目標値Ｔｈを越えていれば、電力ピークカット制御が必要になる。

電力ピークカット制御が必要になる場合には、予想デマンド値Ｒと制御目標値Ｔｈとの減算値から、需要電力の超過分が計算できる。そして、この予想デマンド値Ｒと制御目標値Ｔｈとの減算値（Ｒ−Ｔｈ）を、蓄電池の定格出力Ｗで割り算することで、需要電力の超過分が蓄電池の定格出力の何個分に相当するかを示す値が計算できる。

（Ｒ−Ｔｈ）／Ｗ … （３）

本実施形態では、（３）式で求められる需要電力の超過分が何個分の蓄電池に相当するかに応じて、４台の蓄電池１２−１〜１２−Ｎうちの出力制御を行う蓄電池の個数を決定する。ここで、電力ピークカット制御の際に、蓄電池１２−１〜１２−４の内のどの蓄電池の出力制御を行うかは、累積サイクル数に基づく優先順により決定される。すなわち、図２に示したように、各コントローラ１７−１〜１７−４は、累積サイクル数の情報を共有している。この例では、蓄電池１２−１の累積サイクル数は「１５０」、蓄電池１２−２の累積サイクル数は「１００」、蓄電池１２−３の累積サイクル数は「１５９」、蓄電池１２−４の累積サイクル数は「１２９」である。したがって、蓄電池１２−２が優先順位「１」、蓄電池１２−４が優先順位「２」、蓄電池１２−１が優先順位「３」、蓄電池１２−３が優先順位「４」となる。

以上のことから、本実施形態では、（３）式で示すように、予想デマンド値Ｒと制御目標値Ｔｈとの減算値を蓄電池の定格出力Ｗで割り算することで必要とされる蓄電池の数を決定し、累積サイクル数に応じた優先順に従って、出力制御を行う蓄電池を選択する。すなわち、各コントローラ１７−１〜１７−４は、需要電力の超過分が蓄電池１個分以下なら、優先順位「１」の蓄電池１２−２の出力制御を行い、需要電力の超過分が蓄電池１〜２個分なら、優先順位「１」の蓄電池１２−２と優先順位「２」の蓄電池１２−４との２台の蓄電池の出力制御を行い、需要電力の超過分が蓄電池２〜３個分なら、優先順位「１」の蓄電池１２−２と、優先順位「２」の蓄電池１２−４と、優先順位「３」の蓄電池１２−１との３台の蓄電池の出力制御を行い、需要電力の超過分が蓄電池３個分以上なら、４台の全ての蓄電池１２−１〜１２−４の出力制御を行う。

図５は、本発明の実施形態に係る蓄電池制御システム１で電力ピークカット制御を行う場合の処理を示すフローチャートである。

（ステップＳ１）コントローラ１７−１〜１７−４は、予想デマンド値Ｒを計算するとともに、制御目標値Ｔｈを取得する。予想デマンド値Ｒは、電力メータ１５の計測値から、（２）式に基づいて計算することができる。

（ステップＳ２）コントローラ１７−１〜１７−４は、予想デマンド値Ｒと制御目標値Ｔｈとを減算し（Ｒ−Ｔｈ）、処理をステップＳ３に進める。

（ステップＳ３）コントローラ１７−１〜１７−４は、予想デマンド値Ｒと制御目標値Ｔｈとの減算値が「０」を越えているか否かを判定する（（Ｒ−Ｔｈ）＞０）。予想デマンド値Ｒと制御目標値Ｔｈとの減算値が「０」を越えていなければ（ステップＳ３：Ｎｏ）、処理をステップＳ１に戻す。予想デマンド値Ｒと制御目標値Ｔｈとの減算値が「０」を越えていれば（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、処理をステップＳ４に進める。

（ステップＳ４）コントローラ１７−１〜１７−４は、予想デマンド値Ｒと制御目標値Ｔｈとの減算値を１台の蓄電池の定格出力Ｗで割り算し（（Ｒ−Ｔｈ）／Ｗ）、ピークカット制御に必要とされる蓄電池の台数を判定する。

（ステップＳ５）コントローラ１７−１〜１７−４は、予想デマンド値Ｒと制御目標値Ｔｈとの減算値を蓄電池の定格出力Ｗで割り算した値が「１」より小さいか否かを判定する（（Ｒ−Ｔｈ）／Ｗ）≦１）。この値が「１」より小さければ（ステップＳ５：Ｙｅｓ）、処理をステップＳ６に進め、「１」より小さくなければ（ステップＳ５：Ｎｏ）、処理をステップＳ７に進める。

（ステップＳ６）コントローラ１７−１〜１７−４は、電力ピークカット制御の際に、優先順位「１」の蓄電池を選択して出力制御を行い、処理をステップＳ１に戻す。

（ステップＳ７）コントローラ１７−１〜１７−４は、予想デマンド値Ｒと制御目標値Ｔｈとの減算値を蓄電池の定格出力Ｗで割り算した値が「１」と「２」との間か否かを判定する（１＜（Ｒ−Ｔｈ）／Ｗ）≦２）。この値が「１」と「２」との間なら（ステップＳ７：Ｙｅｓ）、処理をステップＳ８に進め、この値が「１」と「２」との間でなければ（ステップＳ７：Ｎｏ）、処理をステップＳ９に進める。

（ステップＳ８）コントローラ１７−１〜１７−４は、電力ピークカット制御の際に、優先順位「１」と優先順位「２」の２台の蓄電池を選択して出力制御を行い、処理をステップＳ１に戻す。

（ステップＳ９）コントローラ１７−１〜１７−４は、予想デマンド値Ｒと制御目標値Ｔｈとの減算値を蓄電池の定格出力Ｗで割り算した値が「２」と「３」との間か否かを判定する（２＜（Ｒ−Ｔｈ）／Ｗ）≦３）。この値が「２」と「３」との間なら（ステップＳ９：Ｙｅｓ）、処理をステップＳ１０に進め、「２」と「３」との間でなければ（ステップＳ９：Ｎｏ）、処理をステップＳ１１に進める。

（ステップＳ１０）コントローラ１７−１〜１７−４は、電力ピークカット制御の際に、優先順位「１」〜「３」の３台の蓄電池を選択して出力制御を行い、処理をステップＳ１に戻す。

（ステップＳ１１）予想デマンド値Ｒと制御目標値Ｔｈとの減算値を蓄電池の定格出力で割り算した値が「３」より大きいか否かを判定する。この値が「３」より大きい場合には（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、処理をステップＳ１２に進め、この値が「３」より大きくない場合には（ステップＳ１１：Ｎｏ）、処理をステップＳ１に戻す。

（ステップＳ１２）コントローラ１７−１〜１７−４は、電力ピークカット制御の際に、優先順位「１」〜「４」の４台の蓄電池を全て選択して出力制御を行い、処理をステップＳ１に戻す。

以上説明したように、本実施形態では、複数台の分散化蓄電池１２−１〜１２−４の構成とし、各コントローラ１７−１〜１７−４で予想デマンド値を計算し、予想デマンド値と制御目標値との減算値を蓄電池１２−１〜１２−４の定格出力で割り算することで、必要とされる蓄電池の数を判定している。そして、この必要とされる蓄電池の数に応じて、優先順位に従って、各蓄電池１２−１〜１２−４を出力制御して、電力ピークカット制御を行っている。これにより、各蓄電池１２−１〜１２−４の充放電の累積サイクル数を均等化することができ、全体として蓄電池１２−１〜１２−Ｎの寿命を延ばすことができる。

また、本実施形態では、各蓄電池１２−１〜１２−４に対してコントローラ１７−１〜１７−４が設けられ、各コントローラ１７−１〜１７−４が自律的に充放電処理を行っている。このため、ＢＥＭＳ（Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）等の高価な上位システムが不要になり、初期導入コストを削減できる。また、各蓄電池１２−１〜１２−４を部分的に停止できるので、保守、メンテナンスが容易になる。更に、蓄電池の増設が容易で、拡張性が高い。

なお、上述の説明では、分散配置される蓄電池１２−１〜１２−４の優先順位を累積サイクル数のみによって決定しているが、充電率（ＳＯＣ）などの機器状態に対する条件を事前に定め、その条件に合致するものを優先順位の付けの対象としても良い。例えば、充電率４０％以下の蓄電池は、出力制御の対象から除外するようにしても良い。また、故障や保守の対象となる蓄電池は、出力制御の対象から除外するようにしても良い。

上述した実施形態における蓄電池制御システム１の全部または一部をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、ＦＰＧＡ等のプログラマブルロジックデバイスを用いて実現されるものであってもよい。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

１０：商用電力系統、１１：電力線、１２−１〜１２−４：蓄電池、１３：太陽光発電機、１４：建物負荷、１５：電力メータ、１６：パワーコンディショナ、１７：コントローラ、１８：パワーコンディショナ

Claims (5)

1. 商用電力系統の電力線に対して分散配置される複数の蓄電池と、
   前記複数の蓄電池のそれぞれの累積サイクル数に応じた優先順に、前記複数の蓄電池の中から必要とされる蓄電池を選択して出力制御を行う充放電制御部と
   を備える蓄電池制御システム。
2. 前記充放電制御部は、電力メータから取得される受電電力の計測値から予想デマンド値を算出し、当該算出された予想デマンド値と制御目標値との減算値を基に、必要とされる蓄電池の数を決定する
   請求項１に記載の蓄電池制御システム。
3. 前記充放電制御部は、前記決定された蓄電池の数だけ、前記累積サイクル数に応じた優先順に、前記複数の蓄電池の中から必要とされる蓄電池を選択する
   請求項２に記載の蓄電池制御システム。
4. 前記充放電制御部は、前記複数の蓄電池のそれぞれに対して設けられ、充放電制御を自律的に行う
   請求項１から請求項３の何れか一項に記載の蓄電池制御システム。
5. 商用電力系統の電力線に対して複数の蓄電池を分散配置し、
   前記複数の蓄電池のそれぞれの累積サイクル数に応じた優先順に、前記複数の蓄電池の中から必要とされる蓄電池を選択して出力制御を行う
   蓄電池制御方法。

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