JP5599714B2 - 二次電池の電力制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力系統へ電力を供給する、風力発電装置等の出力電力が変動する発電装置と、二次電池を有する電力貯蔵補償装置とを備えた連系システムの二次電池の電力制御方法に関する。

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。

図３は、風力発電装置と電力貯蔵保障装置を組み合わせた連系システムを用いた場合における、時間進行に対する、風力発電装置による電力変化、及び運転計画値の変化の一例を示すグラフである。図３に示すように、電力系統に電力を供給しない（１）の時間帯（例えば夜間）には、風力発電装置により発電した電力を電力貯蔵保障装置に充電する。一方、電力系統に電力を供給する（２）の時間帯（例えば昼間）には、風力発電装置により発電した電力を電力系統に供給するとともに、運転計画値に達しない電力の不足分を、電力貯蔵保障装置から放電して電力系統に供給する。但し、風力発電装置と電力貯蔵保障装置を組み合わせた連系システムにおいては、図３に示すように風力発電装置からの出力電力が常時変動する。このため、この出力電力の変動を吸収すべく、電力貯蔵保障装置を構成する二次電池の充放電パターンは一定しないのが実情である。

なお、後述する本発明と、その課題を同じくする先行技術は存在しないようであるが、技術内容が関連するものとして、例えば、特許文献１及び２を挙げることができる。

特開２００３−３１７８０８号公報 特開２００８−８４６７７号公報

前述のように、出力電力が常時変動する風力発電装置等の発電装置と電力貯蔵保障装置を組み合わせた連系システムにおいては、電力貯蔵保障装置を構成する二次電池の充放電パターンは一定とはならず、風力発電装置の発電状況によっては大電力の放電が継続する場合がある。

二次電池としてナトリウム−硫黄電池を用いた場合を例に挙げると、大電力の放電が継続すると、内部温度が上昇することとなる。ナトリウム−硫黄電池は、通常、ヒータ等の加熱手段によって約３００℃に保温されている。但し、内部温度が更に上昇し、ある一定の温度（例えば、約３７０℃）を超えた場合には、電池を保護すべく強制的に放電を停止する必要がある。しかしながら、発電装置と電力貯蔵保障装置を組み合わせた連系システムは、運転計画値に達しない発電装置からの電力の不足分を電力貯蔵保障装置から放電することで補うシステムである以上、強制的な放電停止は好ましい事象であるとはいえない。

また、強制的な放電停止に至るまでの温度上昇が生じていない場合であっても、ある程度の高温条件下で運転（ナトリウム−硫黄電池からの放電）を継続すると、ナトリウム−硫黄電池の劣化が促進されるといった懸念がある。このため、連系システムから電力系統へと、長期間にわたって安定した電力を供給することが困難になる場合が想定される。

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、二次電池の劣化を抑制し、長期間にわたって安定した電力を電力系統へと供給可能な連系システムを効率的に運転することのできる二次電池の電力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、その温度を検知する温度検知部を二次電池に付設し、この温度検知部で検知した二次電池の温度が、予め設定した設定温度を超えた場合に二次電池の最大放電電力を制限することによって、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、以下に示す二次電池の電力制御方法が提供される。

［１］出力電力が変動する発電装置と、前記発電装置の出力電力の変動を補償する、二次電池、及び前記二次電池の充放電を制御する双方向変換器を有する電力貯蔵補償装置とを備えた、電力系統へ電力を供給する連系システムの前記二次電池の電力を制御する方法であって、前記二次電池には、前記二次電池の温度を直接検知する温度検知部が付設されており、前記温度検知部で検知した前記二次電池の温度が、予め設定した設定温度を超えた場合に、前記双方向変換器により前記二次電池の最大放電電力を制限し、前記二次電池が、複数の単電池を有する複数台のモジュール電池で構成されたものであり、前記温度検知部が、複数台の前記モジュール電池のそれぞれに直接付設されているとともに、検知した温度のうちの最高温度を、前記二次電池の温度として抽出し、前記設定温度が、制限する前記二次電池の最大放電電力を、高温になるに従って１０℃刻みで段階的に２０％ずつ低下させるように複数段階に設定されている二次電池の電力制御方法。

［２］前記二次電池の最大放電電力を制限するリミッタ条件を、デジタル情報として、前記温度検知部から前記双方向変換器へと送る前記［１］に記載の二次電池の電力制御方法。

［３］前記二次電池の最大放電電力を制限するリミッタ条件を、アナログ情報として、前記温度検知部から前記双方向変換器へと送る前記［１］に記載の二次電池の電力制御方法。

［４］抽出した前記最高温度のアナログ値を、前記温度検知部から前記双方向変換器へと送り、送られた前記最高温度のアナログ値に応じて、前記双方向変換器により前記二次電池の最大放電電力を制限する前記［１］〜［３］のいずれかに記載の二次電池の電力制御方法。

［５］前記二次電池が、ナトリウム−硫黄電池である前記［１］〜［４］のいずれかに記載の二次電池の電力制御方法。

［６］前記発電装置が、風力、太陽光、及び地熱からなる群より選択される少なくとも一種の自然エネルギーを用いた自然エネルギー発電装置である前記［１］〜［５］のいずれかに記載の二次電池の電力制御方法。

本発明の二次電池の電力制御方法では、温度検知部で検知した二次電池の温度が、予め設定した設定温度を超えた場合に、双方向変換器により二次電池の最大放電電力を制限する。このため、本発明の二次電池の電力制御方法によれば、高温条件下における二次電池のフル出力による運転が継続されることがない。従って、二次電池の劣化を抑制し、長期間にわたって安定した電力を電力系統へと供給することができる。また、本発明の二次電池の電力制御方法によれば、強制的な放電停止に至る可能性が極めて低くなるため、連系システムを効率的に運転して電力を電力系統へと供給することができる。

出力が変動する発電装置及び電力貯蔵補償装置を備えた連系システムの一例を示すシステム構成図である。 連系システムにおける、ナトリウム−硫黄電池（電力貯蔵補償装置）全体に対する電力基準制御量を決定するロジックを示すブロック線図である。 風力発電装置と電力貯蔵保障装置を組み合わせた連系システムを用いた場合における、時間進行に対する、風力発電装置による電力変化、及び運転計画値の変化の一例を示すグラフである。 本発明の二次電池の電力制御方法に用いる連系システムの一例を示すシステム構成図である。 本発明の二次電池の電力制御方法に用いる連系システムの他の例を示すシステム構成図である。

以下、本発明の実施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、以下の実施の形態に対し適宜変更、改良等が加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。

本発明の二次電池の電力制御方法は、出力電力が変動する発電装置と、この発電装置の出力電力の変動を補償する、二次電池を有する電力貯蔵補償装置とを備えた、電力系統へ電力を供給する連系システムの二次電池の電力を制御する方法である。本明細書中、「二次電池」とは、制御の単位で他と区画される二次電池のことをいい、単電池の数、モジュール電池の数、出力の大きさ等で定まるものではない。例えば、二次電池がナトリウム−硫黄電池であり、このナトリウム−硫黄電池で電力貯蔵補償装置を構成する場合において、１基の双方向変換器の制御下におかれるナトリウム−硫黄電池を、１基のナトリウム−硫黄電池として取り扱う。二次電池（ナトリウム−硫黄電池）は、全て同一の定格容量であることが望ましいが、必ずしも同一である必要はない。

本明細書において、「出力電力」を、単に「出力」とも表現する。

先ず、電力系統へ電力を供給する連系システムについて説明する。図１は、出力が変動する発電装置及び電力貯蔵補償装置を備えた連系システムの一例を示すシステム構成図である。図１に示すように、連系システム８は、風の力を風車の回転に変え発電機を回す風力発電装置７（自然エネルギー発電装置）と、電力貯蔵補償装置５と、を備えている。電力貯蔵補償装置５は、電力を貯蔵して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を備えている。双方向変換器４は、例えば、チョッパとインバータ、又はインバータから構成することができる。

連系システム８は、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．ｍ（ｍは１より大きい整数）のｍ系列の風力発電装置７、及びＮｏ．１〜Ｎｏ．ｎ（ｎは１より大きい整数）のｎ系列のナトリウム−硫黄電池３（電力貯蔵補償装置５）を備えている。

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（又はモジュール電池）として取り扱う。また、一般的な連系システムには、発電装置として自家発電装置が加わり、負荷としてナトリウム−硫黄電池のヒータやその他の補機が存在するが、図１に示す連系システム８においては省略している。これらの補機等は、本発明の二次電池の電力制御方法においては、出力が変動する発電装置（風力発電装置７）の発電する電力に含まれるもの（加え又は減じたもの）として考えればよい。

連系システム８では、電力貯蔵補償装置５においてナトリウム−硫黄電池３の放電を行い、電力計１４２で測定される電力Ｐ_Ｎが、風力発電装置７により発電された電力（電力計１４３で測定される電力Ｐ_ｗ、但し電力計１４５で測定される補機６の電力Ｐ_Ｈを含む）の出力変動を補償する。より具体的には、連系システム８全体として出力する電力（電力計１４１で測定される電力Ｐ_Ｔ）が、Ｐ_Ｔ＝Ｐ_ｗ＋Ｐ_Ｎ＝一定（Ｐ_Ｎ＝Ｐ_Ｔ−Ｐ_ｗ）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_Ｎ）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、例えば配電変電所と電力需要家間の電力系統１に供給する。なお、補機６には、ナトリウム−硫黄電池３のヒータや制御用電源等が含まれる。

連系システム８では、風力発電装置７により発電された電力Ｐｗ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。より具体的には、電力計１４２で測定される電力Ｐ_Ｎが、Ｐ_Ｎ＝−Ｐ_ｗとなるように、ナトリウム−硫黄電池３の充電（即ち電力−Ｐ_Ｎ）を制御することによって、変動する電力Ｐ_ｗを消費して、連系システム８全体として出力する電力Ｐ_Ｔを０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、及び充電する場合のいずれの場合も、電力貯蔵補償装置５において、風力発電装置７からの出力（電力Ｐｗ）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。これにより、ナトリウム−硫黄電池３を充電又は放電させ、風力発電装置７の出力変動を吸収する。この連系システム８は、二酸化炭素を殆ど排出しない自然エネルギー発電装置（風力発電装置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、好ましい発電システムであるといえる。

図３は、連系システムにおける、ナトリウム−硫黄電池（電力貯蔵補償装置）全体に対する電力基準制御量を決定するロジックを示すブロック線図である。図３に示すように、運転計画値Ｐ_ｐから風力発電装置により発電された電力Ｐ_ｗ分を減じた値を基に比例制御器３２による比例動作及びリミッタ３４による設定値以上の値のカットを施した値と、運転計画値Ｐ_ｐから（電力基準制御量Ｐ_ｓを求めようとする）現時点における総電力Ｐ_Ｔを減じた値を基に比例積分制御器３１による比例動作及び積分動作を施した値と、を加算することで、電力基準制御量Ｐ_ｓを求めることができる。この電力基準制御量Ｐ_ｓは、風力発電装置の出力の変動を補償するために、全てのナトリウム−硫黄電池に対して与えられる入出力すべき電力に相当する。

次に、本発明の二次電池の電力制御方法の一実施形態について、図面を参照しつつ具体的に説明する。図４は、本発明の二次電池の電力制御方法に用いる連系システムの一例を示すシステム構成図である。図４に示す連系システムは、風力発電装置１７と、風力発電装置１７の出力電力の変動を補償する電力貯蔵補償装置１５とを備えている。この電力貯蔵補償装置１５は、ナトリウム−硫黄電池３（モジュール電池２１）、及びナトリウム−硫黄電池３の充放電を制御する双方向変換器４を備えている。なお、ナトリウム−硫黄電池３（モジュール電池２１）は、複数の単電池１３が直並列に接続されることによって構成されている。

ナトリウム−硫黄電池１３には、ナトリウム−硫黄電池１３の温度を検知する温度検知部１０が付設されている。この温度検知部１０が付設される箇所は、ナトリウム−硫黄電池１３の温度及びその変化を実質的に検知できる箇所であればよく、また、付設箇所数は特に制限されない。

連系システムの運転に際しては、温度検知部１０で検知したナトリウム−硫黄電池１３の温度が、予め設定した設定温度を超えた場合に、双方向変換器４によりナトリウム−硫黄電池１３の最大放電電力を制限する。より具体的には、温度検知部１０で検知されたナトリウム−硫黄電池１３の温度に関する情報が、電池制御部３０へと送られる。電池制御部３０では、ナトリウム−硫黄電池１３の最大放電電力を制限するリミッタ条件４５を決定する。決定されたリミッタ条件４５は、温度検知部１０及び電池制御部３０から、双方向変換器制御部１４に送られる。そして、送られたリミッタ条件４５に基づき、双方向変換器４が作動してナトリウム−硫黄電池１３の最大放電電力が制限されることとなる。

なお、温度検知部１０（電池制御部３０）から双方向変換器４（双方向変換器制御部１４）へと送るリミッタ条件４５は、「リミッタ１、リミッタ２、・・・、リミッタｎ」等の設定温度に対応して予め決められたデジタル情報であってもよく、単にアナログ情報であってもよい。

表１に、ナトリウム−硫黄電池の温度（検知温度）に対する、最大放電電力のリミッタの設定例を示す。ナトリウム−硫黄電池１３は、通常、約３００℃に保温されている。従って、電池温度が３００℃を超えた場合に、最大放電電力を制限する必要性が生ずる。表１においては、ナトリウム−硫黄電池１３の温度が３２０℃以下の場合には、定格電力＝１００％に対して最大放電電力を１２０％（即ち、フル出力）としている。そして、検知温度が３２０℃を超えた後は、１０℃刻みで段階的に最大放電電力を２０％ずつ減ずる。最終的に、検知温度が３６０℃を超えた場合には、ナトリウム−硫黄電池１３を保護すべく放電を停止する。

表１に示すように、設定温度を、制限するナトリウム−硫黄電池１３の最大放電電力を、検知温度が高温になるに従って段階的に低下させるように複数段階に設定することで、ナトリウム−硫黄電池１３の劣化を効果的に抑制することができるとともに、フル出力の状態から突然の強制的な放電停止のような急激な変化が起こり難く、より安定した電力系統１への電力供給が可能であるといった利点がある。

図５は、本発明の二次電池の電力制御方法に用いる連系システムの他の例を示すシステム構成図である。図５に示す連系システムは、風力発電装置１７と、電力貯蔵補償装置２５とを備えている。この電力貯蔵補償装置２５は、ナトリウム−硫黄電池２３、及びナトリウム−硫黄電池２３の充放電を制御する双方向変換器４を備えている。そして、ナトリウム−硫黄電池２３は、複数台のモジュール電池２１で構成されたものである。なお、これら複数台のモジュール電池２１は、特に図示しないが、直並列に接続された複数の単電池をそれぞれ備えている。

複数台のモジュール電池２１のそれぞれには、温度検知部２０が付設されている。そして、連系システムの運転に際しては、温度検知部２０で検知した温度（Ｔ_１、Ｔ_２、…、Ｔ_ｎ）のうちの最高温度（Ｔ_ｍａｘ）を、ナトリウム−硫黄電池２３の温度として抽出し、抽出した最高温度（Ｔ_ｍａｘ）が、予め設定した設定温度を超えた場合に、双方向変換器４によりナトリウム−硫黄電池２３の最大放電電力を制限する。

ナトリウム−硫黄電池２３が複数台のモジュール電池２１で構成されている場合には、モジュール電池２１の配置状況及び運転状況、及びそれぞれのモジュール電池を構成する単電池の配置状況及び運転状況等により、温度分布が生ずる場合がある。このため、上述のように、ナトリウム−硫黄電池２３の温度として最高温度（Ｔ_ｍａｘ）を抽出して最大放電電力を制限することで、ナトリウム−硫黄電池２３の実際の温度状況に応じた細かな運用が可能となる。

なお、温度検知部２０で検知されたモジュール電池２１の温度に関する情報（Ｔ_１、Ｔ_２、…、Ｔ_ｎ）は、電池制御部４０へと送られる。電池制御部４０では、検知した温度（Ｔ_１、Ｔ_２、…、Ｔ_ｎ）のうちの最高温度（Ｔ_ｍａｘ）を抽出する。そして、抽出された最高温度（Ｔ_ｍａｘ）のアナログ値５０を、電池制御部４０から双方向変換器制御部１４へと送り、送られた最高温度（Ｔ_ｍａｘ）のアナログ値５０に応じて、双方向変換器４によりナトリウム−硫黄電池２３の最大放電電力を制限することが好ましい。即ち、双方向変換器４の側でナトリウム−硫黄電池２３の最大放電電力を制限する条件（リミッタ条件）を設定する構成とすることにより、出力電力が刻一刻と変動する自然エネルギーを用いた発電装置による発電状況に応じた細かな運用が可能となる。

より具体的には、発電装置の発電状況に応じて、例えばリミッタ条件を一時的に緩和し（最大放電電力を上昇させ）たり、最大放電電力のリミッタ条件の設定まで許容できる遅れを必要に応じて加味したりする等の、双方向変換器４の側でフレキシブルな対応が可能となるといった利点がある。

本発明の二次電池の電力制御方法が好適に採用される連系システムを構成する発電装置としては、これまで述べてきた風力を用いた自然エネルギー発電装置の他、太陽光を用いた自然エネルギー発電装置、地熱を用いた自然エネルギー発電装置等を挙げることができる。なお、風力、太陽光、及び地熱のうちの二種以上の自然エネルギーを組み合わせた発電装置であってもよい。

本発明の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備えた電力系統へ電力を供給する連系システムにおいて、電力貯蔵補償装置を構成するナトリウム−硫黄電池等の二次電池を制御する方法として利用することができる。

１：電力系統、３，２３：ナトリウム−硫黄電池、４：双方向変換器、５，１５，２５：電力貯蔵補償装置、６：補機、７，１７：風力発電装置、８：連系システム、９：変圧器、１０，２０：温度検知部、１３：単電池、１４：双方向変換器制御部、２１：モジュール電池、３０，４０：電池制御部、３１：比例積分制御器、３２：比例制御器、３４：リミッタ、３５，３６：フィルタ、４５：リミッタ条件、５０：最高温度（Ｔ_ｍａｘ）のアナログ値、１４１，１４２，１４３，１４５：電力計

Claims (6)

1. 出力電力が変動する発電装置と、前記発電装置の出力電力の変動を補償する、二次電池、及び前記二次電池の充放電を制御する双方向変換器を有する電力貯蔵補償装置とを備えた、電力系統へ電力を供給する連系システムの前記二次電池の電力を制御する方法であって、
   前記二次電池には、前記二次電池の温度を直接検知する温度検知部が付設されており、
   前記温度検知部で検知した前記二次電池の温度が、予め設定した設定温度を超えた場合に、前記双方向変換器により前記二次電池の最大放電電力を制限し、
   前記二次電池が、複数の単電池を有する複数台のモジュール電池で構成されたものであり、
   前記温度検知部が、複数台の前記モジュール電池のそれぞれに直接付設されているとともに、検知した温度のうちの最高温度を、前記二次電池の温度として抽出し、
   前記設定温度が、制限する前記二次電池の最大放電電力を、高温になるに従って１０℃刻みで段階的に２０％ずつ低下させるように複数段階に設定されている二次電池の電力制御方法。
2. 前記二次電池の最大放電電力を制限するリミッタ条件を、デジタル情報として、前記温度検知部から前記双方向変換器へと送る請求項１に記載の二次電池の電力制御方法。
3. 前記二次電池の最大放電電力を制限するリミッタ条件を、アナログ情報として、前記温度検知部から前記双方向変換器へと送る請求項１に記載の二次電池の電力制御方法。
4. 抽出した前記最高温度のアナログ値を、前記温度検知部から前記双方向変換器へと送り、
   送られた前記最高温度のアナログ値に応じて、前記双方向変換器により前記二次電池の最大放電電力を制限する請求項１〜３のいずれか一項に記載の二次電池の電力制御方法。
5. 前記二次電池が、ナトリウム−硫黄電池である請求項１〜４のいずれか一項に記載の二次電池の電力制御方法。
6. 前記発電装置が、風力、太陽光、及び地熱からなる群より選択される少なくとも一種の自然エネルギーを用いた自然エネルギー発電装置である請求項１〜５のいずれか一項に記載の二次電池の電力制御方法。

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