JP5543355B2 - 連系システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電装置等の出力が変動する発電装置と、ナトリウム−硫黄電池を有する電力貯蔵補償装置と、を組み合わせて電力系統へ電力を供給する連系システムの制御方法に関する。

近年、風力、太陽光、地熱等から電力を作り出す自然エネルギー発電装置が注目を集め、実用化されている。自然エネルギー発電装置は、石油等の限りある資源を使用せず、自然に無尽蔵に存在するエネルギー源を用いるクリーンな発電装置であり、二酸化炭素の排出を抑制し得るので、地球温暖化防止の観点から、導入する企業、自治体等は増加しつつある。

但し、自然界からもたらされるエネルギーは刻一刻と変動することから、自然エネルギー発電装置には、出力する電力の変動が避けられない、という普及に向けての障害がある。従って、この障害を取り除くため、自然エネルギー発電装置を採用する場合には、その自然エネルギー発電装置と、複数の二次電池を主構成機器とする電力貯蔵補償装置と、を組み合わせた連系（発電）システムを構築することが好ましい。

二次電池のうち、とりわけナトリウム−硫黄電池は、エネルギー密度が高く、短時間で高出力が可能であり、且つ、高速応答性に優れることから、充電及び放電を制御する双方向変換器を併設することによって、数百ｍ秒〜数秒オーダーで起き得る自然エネルギー発電装置の出力の変動を補償する用途に好適である。換言すれば、自然エネルギー発電装置に、複数のナトリウム−硫黄電池を構成機器とする電力貯蔵補償装置を組み合わせた連系システムは、望ましい発電システムであるといえる。

自然エネルギー発電装置は、発電電力が変動するため、電力貯蔵及び補償装置においては電力の入力又は出力が頻繁に繰り返される。つまり、電力貯蔵及び補償装置を構成するナトリウム−硫黄電池が、連続的に充放電を繰り返すことを意味する。その結果、ナトリウム−硫黄電池の電池放電容量を精度よく管理出来なくなってしまい、突然、充電末になり充電が継続出来なくなったり、突然、放電末になり放電が継続出来なくなり、自然エネルギー発電装置の出力変動を補償している最中に停止してしまう、という問題が顕在化していた。そこで、電力貯蔵補償装置を構成するナトリウム−硫黄電池の様々な制御方法が開示されている（例えば、特開２００３−３１７８０８号公報参照）。

連系システムの電力貯蔵補償装置を構成するナトリウム−硫黄電池は、自然エネルギー発電の動揺、人的または計算機などによって指定された発電計画を抑制または完全にフラットにするために、機能するためのものである。連系システムでは、自然エネルギーの発電電力予測と電池残量から発電計画を立案し、発電計画に従って連系システムから電力系統へ電力を供給する。そして、自然エネルギーによる発電が長期間期待できない（例えば風力ならば、風が無い）場合、通常発電計画において発電計画値を０ｋＷにするが（すなわち、電力系統に電力を供給しないことを意味する）、この場合であっても連系システム内の構内負荷分の電力が必要であり、ナトリウム−硫黄電池は構内負荷分の電力を放電することになり、電池残量が減少していくことになる。

例えば図１に示すような、風力発電装置７（自然エネルギー発電装置）と、電力貯蔵補償装置５と、構内負荷１１を有する連系システム８において、図４に示すように、発電計画値を０ｋＷとすると（すなわち、電力計４８によって測定される電力Ｐ_Ｔ（図４の太い実線）が０ｋＷとなるように設定する）、電力Ｐ_Ａ＋電力Ｐ_Ｃ（図４の破線）が０ｋＷを上回った場合には、ナトリウム−硫黄電池３が充電される。一方、電力Ｐ_Ａ＋電力Ｐ_Ｃが０ｋＷ未満の場合には、ナトリウム−硫黄電池３が不足分の電力を補償するため放電することになり、電池残量が減少する。

そこで、このように発電が期待できない場合には、図５に示すように、発電計画値を電力系統１から電力を供給される受電方向側に設定すると、放電電力量を低減でき、電池残量の低下を抑制することができるが、この場合、電力系統１から充電することになる。つまり、電力系統１へ電力を供給すべき連系システム８が、電力系統１から電力の供給を受けることとなり、好ましくない。

このように、発電計画値を受電方向とすると（すなわち、電力Ｐ_Ｔをマイナスに設定する）、電力Ｐ_Ａ＋電力Ｐ_Ｃが発電計画値を上回った場合には、ナトリウム−硫黄電池が充電されることになるが、電力Ｐ_Ａ＋電力Ｐ_Ｃが発電計画値を上回っているが０ｋＷ未満である場合、電力系統１から充電することになる。一方、電力Ｐ_Ａ＋電力Ｐ_Ｃが発電計画値未満の場合には、ナトリウム−硫黄電池３は、放電することになり、電池残量が減少する。

或いは、図６に示すように、自然エネルギー発電電力と構内負荷電力を監視して、発電計画を変化させて電力系統からの充電をさせないようにすることもできるが、人的負担となる。

本発明は、このような従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、自然エネルギーによる発電が長期間期待できない場合にナトリウム−硫黄電池の残存容量の低下を抑制できる連系システムの制御方法を提供することにある。

本発明者らは上記目的を達成すべく鋭意検討した結果、発電が長期間期待できない場合に、ナトリウム−硫黄電池の運転を停止させ、または、当該連系システムの発電計画を発電装置の発電電力と連系システム内の構内負荷電力との合計とすることによって、上記課題を達成することが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。即ち、本発明によれば、以下に示される連系システムの制御方法が提供される。

［１］ 出力が変動する発電装置と電力貯蔵補償装置とを組み合わせて電力系統へ電力を供給する連系システムにおいて、発電計画値が０ｋＷ以下の場合に前記発電装置の発電電力と前記連系システム内の構内負荷電力との合計が前記電力系統から電力を供給される受電方向となったとき、前記電力貯蔵補償装置を構成し前記発電装置の出力の変動を補償する前記ナトリウム−硫黄電池の運転を停止させ、または、当該連系システムの発電計画における発電計画値を前記発電装置の発電電力と前記連系システム内の構内負荷電力との合計とする非送電モードとする連系システムの制御方法。

［２］ 前記非送電モード時に、前記発電装置の発電電力と前記連系システム内の構内負荷電力との合計が前記電力系統へ電力を供給する送電方向となった場合に、前記発電計画値を０ｋＷとする前記［１］に記載の連系システムの制御方法。

本発明の連系システムの制御方法は、ナトリウム−硫黄電池の運転を停止させ、または、当該連系システムの発電計画を発電装置の発電電力と連系システム内の構内負荷電力との合計とする非送電モードとすることにより、自然エネルギーによる発電が長期間期待できない場合に残存容量の低下を抑制でき、自然エネルギー発電電力を有効に利用できる。

出力が変動する発電装置と電力貯蔵補償装置とを有する連系システムの一例を表すシステム構成図である。 本発明の連系システムの制御方法の一例を模式的に示すグラフである。 出力が変動する発電装置と電力貯蔵補償装置とを有する連系システムの他の一例を表すシステム構成図である。 比較例の連系システムの制御方法の一例を模式的に示すグラフである。 他の比較例の連系システムの制御方法の一例を模式的に示すグラフである。 さらに他の比較例の連系システムの制御方法の一例を模式的に示すグラフである。

以下、本発明の実施の最良の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜、設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。

先ず、連系システムについて説明する。図１に示されるシステム構成図は、出力が変動する発電装置と電力貯蔵補償装置とを有する連系システムの一例を表している。図１に示される連系システム８は、自然エネルギー発電装置７（風力発電装置や太陽光発電装置）と、電力貯蔵補償装置５と、構内負荷１１を有する。そして、電力貯蔵補償装置５は、電力を貯蔵し入出力することが可能な二次電池であるナトリウム−硫黄電池３、直流／交流変換機能を有する双方向変換器４、及び変圧器９を備える。双方向変換器４は、例えばチョッパとインバータ、あるいはインバータから構成することが出来る。

連系システム８には、自然エネルギー発電装置７及びナトリウム−硫黄電池３（電力貯蔵補償装置５）が備わっている。１基の電力貯蔵補償装置５に含まれるナトリウム−硫黄電池３は、全体として１基のナトリウム−硫黄電池３として取り扱う。又、一般に、連系システム８では、構内負荷１１としてナトリウム−硫黄電池３のヒータやその他の補機（コンピュータ、照明等）が存在する。

図１に示すように、連系システム８は、自然エネルギー発電装置７の電力Ｐ_Ａを測定する電力計４１を有する。また、構内負荷の電力Ｐ_Ｃを測定する電力計４３と、電力Ｐ_Ａ＋Ｐ_Ｂ＋Ｐ_Ｃ（＝Ｐ_Ｔ）を測定する電力計４８を有する（なお、Ｐ_Ｂは、電力貯蔵補償装置５の電力）。連系システム８から電力系統１への電力方向を＋として考える。

連系システム８は、自然エネルギーの発電電力予測と電池残量から発電計画を立案し、発電計画に従って連系システム８から電力系統１へ電力を供給する。すなわち、電力計４８の電力Ｐ_Ｔが、発電計画によって設定された発電計画値となるように制御される。

このため、連系システム８においては、電力貯蔵補償装置５においてナトリウム−硫黄電池３の充電・放電を行い、電力貯蔵補償装置５の電力Ｐ_Ｂが、自然エネルギー発電装置７により発電された電力（電力計４１で測定される電力Ｐ_Ａ）及び構内負荷１１により消費される電力（電力計４３で測定される電力Ｐ_Ｃ）の出力変動を補償する。このため、電力計４８よって測定される電力Ｐ_Ｔ、及び電力計４１によって測定される電力Ｐ_Ａの値は、電力貯蔵補償装置５に入力され、ナトリウム−硫黄電池３の充電・放電が制御される構成となっている。そして、具体的には、連系システム８全体として出力する電力（電力計４８で測定される電力Ｐ_Ｔ）が、Ｐ_Ｔ＝Ｐ_Ａ＋Ｐ_Ｂ＋Ｐ_Ｃ＝発電計画値を満たすように、ナトリウム−硫黄電池３の充放電（即ち電力Ｐ_Ｂ）を制御することによって、連系システム８全体として出力する電力Ｐ_Ｔ（総電力Ｐ_Ｔともいう）を安定した品質のよい電力にして電力系統１に供給する。尚、構内負荷１１には、ナトリウム−硫黄電池３のヒータ、制御用電源等が含まれる。

連系システム８では、自然エネルギー発電装置７により発電された電力Ｐ_Ａの出力変動に合わせて、電力貯蔵補償装置５においてナトリウム−硫黄電池３の充電を行う。具体的には、電力Ｐ_Ｂが、Ｐ_Ｂ＝Ｐ_Ｔ−（Ｐ_Ａ＋Ｐ_Ｃ）となるように、ナトリウム−硫黄電池３の充放電（即ち電力Ｐ_Ｂ）を制御することによって、変動する電力Ｐ_Ａを補償して、連系システム８全体として出力する電力Ｐ_Ｔを発電計画値にすることが可能となる。

ナトリウム−硫黄電池３を放電する場合、充電する場合の何れの場合も、電力貯蔵補償装置５において、自然エネルギー発電装置７からの出力（電力Ｐ_Ａ）に基づき、その出力を補償する電力を入力又は出力させるように、双方向変換器４の制御量（制御目標値）を変更することによってナトリウム−硫黄電池３を充電又は放電させて、自然エネルギー発電装置７の出力変動を吸収する。二酸化炭素を殆ど排出しない自然エネルギー発電装置７及びナトリウム−硫黄電池３（電力貯蔵補償装置５）を用いて、安定した品質のよい電力を供給出来ることから、連系システム８は好ましい発電システムであるといえる。

次に、図２を参照して、図１に示される連系システム８において、系統との取引電力を発電計画値（設定値）にした場合における、ナトリウム−硫黄電池３の電力制御方法について説明する。図２の横軸は、時間、縦軸は、電力を示す。また、電力Ｐ_Ｔは太い実線、Ｐ_Ａ＋Ｐ_Ｃは破線である。図２は右上の拡大図に示すように、発電計画値＝０ｋＷおよびＰ_Ａ＋Ｐ_Ｃ＜０となったときに非送電モードに変更した場合を示す。領域Ｒ１は、ナトリウム−硫黄電池３が放電している領域（Ｐ_Ｂ＞０）、領域Ｒ２は、ナトリウム−硫黄電池３が充電している領域（Ｐ_Ｂ＜０）である。

連系システム８では、電力計４８で測定される電力Ｐ_Ｔが発電計画値となるようにナトリウム−硫黄電池３が充電・放電される。本発明の連系システムの制御方法においては、図２に示すように、発電計画値が０ｋＷ以下（０ｋＷを含む）となり、発電装置の発電電力Ｐ_Ａと連系システム内の構内負荷電力Ｐ_Ｃとの合計が電力系統から電力を供給される受電方向（Ｐ_Ａ＋Ｐ_Ｃ＜０ｋＷ）となった場合に、電力貯蔵補償装置５を構成し発電装置の出力の変動を補償するナトリウム−硫黄電池３の運転を停止させる。または、当該連系システムの発電計画値を発電装置の発電電力Ｐ_Ａと連系システム内の構内負荷電力Ｐ_Ｃとの合計（Ｐ_Ａ＋Ｐ_Ｃ）とする。非送電モードとするのは、特に自然エネルギーによる発電が長期間期待できない場合が好ましい。このように非送電モードとして、連系システム８を制御することにより、電力計４８で測定される電力Ｐ_ＴはＰ_Ａ＋Ｐ_Ｃとなり、ナトリウム−硫黄電池３が、放電することがなくなり、電池残量が減少しなくなる。

図２においては、当初、発電計画値が、０ｋＷより大きい所定の値とされており、領域Ｒ１では、電力Ｐ_Ａ＋Ｐ_Ｃを上回っているため、ナトリウム−硫黄電池３が放電している領域である（非送電モードとする前）。一方、自然エネルギーによる発電が長期間期待できない場合に、発電計画値が０ｋＷ以下のときに連系システム８を非送電モードとすると、発電計画値がＰ_Ａ＋Ｐ_Ｃとなるように制御され、つまり、電力Ｐ_ＴがＰ_Ａ＋Ｐ_Ｃとなるように制御されるため（太い実線と破線が一致）、ナトリウム−硫黄電池３は充放電しない。また、非送電モード時に、発電装置の発電電力と連系システム内の構内負荷電力との合計が一時的に電力系統へ電力を供給する送電方向となった場合には、発電計画値を０ｋＷとする。つまり、Ｐ_Ａ＋Ｐ_Ｃが０ｋＷを超えた場合には、発電計画値を０ｋＷとすることにより（ナトリウム−硫黄電池３の運転が停止されていた場合には、運転を再開する）、領域Ｒ２のように、ナトリウム−硫黄電池３が充電されることになる。

図３に、出力が変動する発電装置と電力貯蔵補償装置とを有する連系システムの他の一例を表すシステム構成図を示す。図３に示される連系システム８も、図１の場合と同様に、自然エネルギー発電装置７と、電力貯蔵補償装置５と、構内負荷１１を有する。

図３に示すように、連系システム８は、電力Ｐ_Ａ＋Ｐ_Ｃ（＝Ｐ_ＡＣ）を測定する電力計４６を有する（Ｐ_Ａは、自然エネルギー発電装置７の電力、Ｐ_Ｃは、構内負荷１１の電力）。また、電力Ｐ_Ａ＋Ｐ_Ｂ＋Ｐ_Ｃ（＝Ｐ_Ｔ）を測定する電力計４８を有する（Ｐ_Ｂは、電力貯蔵補償装置５の電力）。

本実施形態においても、図１及び図２を用いて説明した前述の実施形態のように、電力計４８の電力Ｐ_Ｔが、発電計画によって設定された発電計画値となるように、つまり、Ｐ_Ｔ＝Ｐ_Ａ＋Ｐ_Ｂ＋Ｐ_Ｃ＝発電計画値を満たすように、ナトリウム−硫黄電池３の放電（即ち電力Ｐ_Ｂ）を制御する。そして、発電計画値が０ｋＷ以下のときに発電装置の発電電力Ｐ_Ａと連系システム内の構内負荷電力Ｐ_Ｃとの合計が電力系統から電力を供給される受電方向となった場合に、つまり、Ｐ_Ａ＋Ｐ_Ｃが０ｋＷ未満となった場合に、電力貯蔵補償装置５を構成し発電装置の出力の変動を補償するナトリウム−硫黄電池３の運転を停止させる。または、当該連系システムの発電計画の発電計画値を発電装置の発電電力Ｐ_Ａと連系システム内の構内負荷電力Ｐ_Ｃとの合計とする（非送電モード）。

以上のように、本発明の連系システムの制御方法では、自然エネルギーによる発電が長期間期待できない場合に、発電計画値が０ｋＷ以下のときにナトリウム−硫黄電池の運転を停止させ、または、当該連系システムの発電計画における発電計画値を発電装置の発電電力と連系システム内の構内負荷電力との合計とする非送電モードとする。非送電モードとすることにより、ナトリウム−硫黄電池の残存容量の低下を抑制できる。

本発明に係る二次電池の電力制御方法は、風力、太陽光、地熱等の自然エネルギーを用いた、出力が変動する発電装置と、電力貯蔵補償装置と、を組み合わせて電力系統へ電力を供給する連系システムにおいて、上記電力貯蔵補償装置を構成する複数のナトリウム−硫黄電池を備える連系システムの制御方法として利用することができる。

１：電力系統、３：ナトリウム−硫黄電池、４：双方向変換器、５：電力貯蔵補償装置、７：風力発電装置、８：連系システム、９：変圧器、１１：構内負荷、４１，４３，４６、４８：電力計。

Claims (2)

1. 出力が変動する発電装置と電力貯蔵補償装置とを組み合わせて電力系統へ電力を供給する連系システムにおいて、
   発電計画値が０ｋＷ以下の場合に前記発電装置の発電電力と前記連系システム内の構内負荷電力との合計が前記電力系統から電力を供給される受電方向となったとき、
   前記電力貯蔵補償装置を構成し前記発電装置の出力の変動を補償する前記ナトリウム−硫黄電池の運転を停止させ、または、当該連系システムの発電計画における発電計画値を前記発電装置の発電電力と前記連系システム内の構内負荷電力との合計とする非送電モードとする連系システムの制御方法。
2. 前記非送電モード時に、前記発電装置の発電電力と前記連系システム内の構内負荷電力との合計が、一時的に前記電力系統へ電力を供給する送電方向となった場合に、前記発電計画値を０ｋＷとする請求項１に記載の連系システムの制御方法。

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