JP5638436B2 - 電力貯蔵システム - Google Patents

Description

本発明は、二次電池を具備する電力貯蔵システムに関する。

太陽光発電設備や風力発電設備など自然エネルギーを利用した発電設備を導入するに際し、リチウムイオン電池等の二次電池を用いて蓄電システムを構成し、供給電力を平滑化する方法が知られている。特に、メガソーラー（大規模太陽光発電所）やウィンドファーム（大規模風力発電所）など、出力の大きい発電設備に対応するため、列電池（直列接続された二次電池）を並列に接続し、容量の大きい蓄電システムを構成する方法が知られている。

このような、列電池が並列接続された蓄電システムにおいて、列電池（に接続された電力変換器）をオン／オフすることにより、運転効率を高める方法が提案されている。
例えば、非特許文献１に記載の風力併設蓄電実証システムは、インバータに蓄電池（直列接続された鉛蓄電池）が接続されてユニットを構成し、５台の当該ユニットが並列接続されて構成される蓄電システムと、当該蓄電システムを制御するシステムコントローラとを具備する。そして、放電方向では、ＳＯＣ（State Of Charge、充電率）が高い順にユニットを放電させ、充電方向では、ＳＯＣが低い順にユニットを充電させるインバータ台数制御を行う。例えば、ユニット５台中ＳＯＣの高い順に３台のユニットのみで必要電力を放電できる場合、残りの２台のユニットは待機状態とする。

川添 裕成、外６名、「風力発電出力安定化用蓄電システムの並列運転制御方式の検討」、平成２１年電気学会産業応用部門大会、２００９年、ｐ．Ｉ−６６３〜Ｉ−６６４

しかしながら、非特許文献１に記載のインバータ運転台数制御では、ＳＯＣの推定精度が低くなり、適切な制御を行えないおそれがある。
ここで、ＳＯＣをより正確に推定するためには、二次電池の充放電を行わない静定時間を設けて二次電池の電圧値を測定する必要がある。ところが、非特許文献１に記載の風力併設蓄電実証システムにおいて風力発電機に接続された蓄電システムのように、蓄電システムの充放電が瞬間的に切り替わる場合、静定時間を確保できず、ＳＯＣの推定精度が低下してしまうおそれがある。

例えば、非特許文献１に記載の風力併設蓄電実証システムでは、風が吹いて風力発電機が発電を行い、蓄電池が充電状態となると、ＳＯＣの高いユニットが待機状態となる。この場合、待機状態にあるユニットについて、ＳＯＣの推定を行うことが考えられる。ところが、その後間もなく風が止んで風力発電機が発電を停止し、蓄電池が放電状態となると、ＳＯＣの高いユニットが放電状態となり、ＳＯＣの低いユニットが待機状態となる。この場合、ＳＯＣの高いユニットが放電を開始することから、静定状態を維持できず、ＳＯＣを正確に推定できないおそれがある。このようにして、待機状態のユニットが頻繁に切り替わると、静定時間を確保できず、ＳＯＣの推定精度が低下し、その結果、ＳＯＣに基づくインバータ運転台数制御を適切に行えなくなってしまう。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、より正確にＳＯＣの推定を行うことができ、かつ、より適切に電力変換器（インバータ等）の運転台数制御を行うことのできる電力貯蔵システムを提供することにある。

この発明は上述した課題を解決するためになされたもので、本発明の一態様による電力貯蔵システムは、二次電池を含む組電池であって、互いに並列に接続される複数の組電池と、前記組電池の各々と電源および負荷とを接続するインバータと、前記組電池に障害が発生した際に、当該組電池を前記電源および前記負荷に接続されない状態にするために用いられる信号である縮退信号を出力する縮退信号生成部とを具備し、前記縮退信号生成部は、目標電力を達成するために必要なインバータの数と、運転中のインバータの数との比較により、前記インバータを減数可能と判断すると、充放電の推移の統計データにおいて充電積算量が放電積算量よりも多い条件下では、充電率が比較的高い組電池が接続されたインバータを、切り離すインバータとして選択し、放電積算量が充電積算量よりも多い条件下では、充電率が比較的低い組電池が接続されたインバータを、切り離すインバータとして選択し、選択したインバータに接続している前記組電池を、前記電源および前記負荷に接続されない状態にする信号として、前記縮退信号を出力し、また、前記縮退信号生成部は、前記組電池の充電率を測定するために当該組電池を前記電源および前記負荷に接続されない状態にする信号として、前記縮退信号を出力する、ことを特徴とする。

また、本発明の一態様による電力貯蔵システムは、上述の電力貯蔵システムであって、前記縮退信号生成部は、前記組電池の充放電状況に基づいて、前記縮退信号を出力する組電池の数を決定することを特徴とする。

本発明によれば、より正確にＳＯＣの推定を行うことができ、かつ、より適切に電力変換器の運転台数制御を行うことができる。

本発明の一実施形態における電力貯蔵システムの概略構成を示す構成図である。 同実施形態において、電力貯蔵システムが組電池の縮退を行う処理手順を示すフローチャートである。 同実施形態の、太陽光発電設備に接続される電力貯蔵システム１における充放電の推移の統計データの例を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態における電力貯蔵システム１の概略構成を示す構成図である。同図において、電力貯蔵システム１は、組電池１１−１〜１１−４と、チョッパ１２−１〜１２−４と、インバータ１３−１〜１３−２と、縮退信号生成部１４とを具備する。

組電池１１−１〜１１−４は、それぞれチョッパ１２−１〜１２−４に直列に接続される。また、チョッパ１２−１と１２−２とが並列に接続され、この並列に接続されたチョッパ１２−１および１２−２と、インバータ１３−１とが接続される。同様に、チョッパ１２−３と１２−４とが並列に接続され、この並列に接続されたチョッパ１２−３および１２−４と、インバータ１３−２とが、直列に接続される。さらにインバータ１３−１と１３−２とが並列に接続され、この並列に接続されたインバータ１３−１および１３−２と、電力系統Ｃ１とが接続されている。
このように、組電池１１−１〜１１−４は、チョッパ１２−１〜１２−４およびインバータ１３−１〜１３−２を介して互いに並列に接続されている。

電力貯蔵システム１は、電力系統Ｃ１に接続されて、電力系統Ｃ１の電力に余剰が生じると、余剰電力を蓄電し、蓄電した電力を、電力系統Ｃ１の電力に不足が生じたときに出力（放電）する。
組電池１１−１〜１１−４は、それぞれ、チョッパ１２−１〜１２−４に直列接続される二次電池であり、電力系統Ｃ１における余剰電力を、その接続されるチョッパを介して取得して蓄電し、また、電力系統Ｃ１の電力に不足が生じると、蓄電した電力を、その接続されるチョッパを介して電力系統Ｃ１に供給する。なお、以下では、組電池１１−１〜１１−４を総称して「組電池１１」と表記する。

チョッパ１２−１〜１２−４は、直流−直流変換を行う電力変換器である。なお、以下では、チョッパ１２−１〜１２−４を総称して「チョッパ１２」と表示する。
１つのチョッパ１２に１つの組電池１１が接続され、チョッパ１２は、組電池１１の直流電圧を、チョッパ１２の接続される直流バスの電圧（直流バス電圧）に変換する。

インバータ１３−１〜１３−２は、直流−交流変換を行う電力変換器である。なお、以下では、インバータ１３−１〜１３−２を総称して「インバータ１３」と表記する。
１つのインバータ１３と１つ以上のチョッパ１２とが直流バスにて接続され、インバータ１３は、入力される電圧（直流バス電圧）を、電力系統Ｃ１の交流電圧に変換する。

縮退信号生成部１４は、予め設定された条件に基づいて、縮退信号を生成してチョッパ１２に出力する。
ここでいう「縮退信号」は、直列接続されるチョッパ１２および組電池１１の何れかに障害が発生した際に、当該チョッパ１２および組電池１１を、電力系統Ｃ１に接続される回路から切り離す（以下、「縮退」すると称する）ための信号である。さらに、本実施形態では、障害発生時に限らず、インバータ１３の台数制御のためや、組電池１１の静定時間（充放電を行わない時間）を設けてＳＯＣ（State Of Charge、充電率）を測定するために、直列接続されるチョッパ１２および組電池１１の何れかを、電力系統Ｃ１に接続される回路から切り離す際にも、縮退信号生成部１４が、縮退信号を生成し、出力する。
組電池１１は、縮退信号に基づいて、電力系統Ｃ１に接続される回路から切り離されることにより、電力系統Ｃ１に接続される電源および負荷に接続されない状態となる。これにより、組電池１１は、蓄電や放電を行わない静定状態となる。

次に電力貯蔵システム１の動作について説明する。
図２は、電力貯蔵システム１が組電池１１の縮退を行う処理手順を示すフローチャートである。電力貯蔵システム１は、例えば定期的に（１時間毎など）同図の処理を開始する。

まず、縮退信号生成部１４は、給電指令部など上位の設備から出力される、電力貯蔵システム１の出力ないし蓄電すべき目標電力値を取得して、当該目標電力を達成するために必要なインバータ１３の数を求める（ステップＳ１０１）。
次に、縮退信号生成部１４は、インバータ１３の必要数と、運転中のインバータ１３の数（インバータ１３に接続された組電池１１の充放電状況）との比較により、インバータ１３を減数可能か否か判定する（ステップＳ１０２）。減数不可と判定した場合（ステップＳ１０２：ＮＯ）、同図の処理を終了する。

一方、ステップＳ１０２において減数可能と判定した場合（ステップＳ１０２：ＹＥＳ）、縮退信号生成部１４は、インバータ１３（および当該インバータ１３に接続されたチョッパ１２）について、最後に縮退を終了してからの経過時間を取得し、経過時間の最も長いインバータ１３（および当該インバータ１３に接続されたチョッパ１２）を選択する（ステップＳ１１１）。
そして、縮退信号生成部１４は、選択したインバータ１３に直列接続されたチョッパ１２を縮退させる縮退信号を送信する（ステップＳ１１２）。
縮退信号生成部１４からの縮退信号を受信したチョッパ１２は、当該チョッパ１２および直列接続された組電池１１を縮退させる（ステップＳ１１３）。そして、インバータ１３に接続される全てのチョッパ１２が縮退することにより、当該インバータ１３も縮退する。
その後、同図の処理を終了する。

以上のように、電力貯蔵システム１は、インバータ１３および当該インバータ１３に接続された組電池１１を縮退させるので、残りのインバータ１３を高出力にて運転させることができる。一般に、電力変換器は、定格出力付近において運転効率が高くなる。従って、電力貯蔵システム１が、インバータ１３を高出力にて運転させることによりインバータ１３の運転効率を高めることができる。
また、電力貯蔵システム１が、組電池１１を縮退させることにより、組電池１１の静定状態を維持して、ＳＯＣを高精度で推定することができる。

なお、電力貯蔵システム１が、各組電池１１の充電率や、電源供給と負荷出力との比の統計データに基づいて、縮退させるインバータ１３（および当該インバータ１３に接続されたチョッパ１２）を選択するようにしてもよい。例えば、太陽光発電設備に接続される電力貯蔵システム１が、充電の見込まれる午前においては充電率の高い組電池１１が接続されたインバータ１３を縮退させ、放電の見込まれる午後においては充電率の低い組電池１１が接続されたインバータ１３を縮退させるようにしてもよい。

ここで、図３は、太陽光発電設備に接続される電力貯蔵システム１における充放電の推移の統計データの例を示すグラフである。同図を参照すると、午前において、充電積算量（電源から供給される電力）が放電積算量（負荷への出力）よりも多くなっており、充電が行われる可能性が高い。また、午後においては、放電積算量が充電積算量よりも多くなっており、放電が行われる可能性が高い。
そこで、太陽光発電設備に接続される電力貯蔵システム１が、図２のステップＳ１１１において、縮退信号生成部１４が、最後の縮退終了から所定時間以上経過している組電池１１が接続されたインバータ１３のうち、充電の見込まれる午前においては、充電率の最も高い組電池１１が接続されたインバータ１３を選択し、放電の見込まれる午後においては、充電率の最も低い組電池１１が接続されたインバータ１３を選択するようにする。これにより、電力貯蔵システム１が、午前においては充電率の比較的低い組電池１１に対して充電を行い、午後においては充電率の比較的高い組電池１１に放電させるようにでき、組電池１１間における充電率のバランスを取ることができる。

なお、電力貯蔵システム１が縮退させる組電池１１の数は１つに限らず、２つ以上のインバータ１３を縮退可能としてもよい。
例えば、図２のステップＳ１１１において、縮退信号生成部１４が、式（１）に基づいて縮退可能なインバータ１３の数を求め、当該台数分のインバータ１３（および当該インバータ１３に接続されたチョッパ１２）を選択するようにする。

そして、縮退信号生成部１４は、選択したチョッパ１２に対して縮退信号を出力する。
このように、電力貯蔵システム１において、２つ以上のインバータ１３（および当該インバータ１３に接続されたチョッパ１２）を縮退可能とすることにより、インバータ１３が、より高出力で運転するようにして、運転効率をさらに高めることができる。

なお、縮退信号生成部１４の全部または一部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、実行することにより各部の処理を行ってもよい。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、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。
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むものとする。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良く、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い。

以上、本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。

１ 電力貯蔵システム
１１−１〜１１−４ 組電池
１２−１〜１２−４ チョッパ
１３−１〜１３−２ インバータ
１４ 縮退信号生成部

Claims (1)

1. 二次電池を含む組電池であって、互いに並列に接続される複数の組電池と、
   前記組電池の各々と電源および負荷とを接続するインバータと、
   前記組電池に障害が発生した際に、当該組電池を前記電源および前記負荷に接続されない状態にするために用いられる信号である縮退信号を出力する縮退信号生成部とを具備し、
   前記縮退信号生成部は、目標電力を達成するために必要なインバータの数と、運転中のインバータの数との比較により、前記インバータを減数可能と判断すると、充放電の推移の統計データにおいて充電積算量が放電積算量よりも多い条件下では、充電率が比較的高い組電池が接続されたインバータを、切り離すインバータとして選択し、放電積算量が充電積算量よりも多い条件下では、充電率が比較的低い組電池が接続されたインバータを、切り離すインバータとして選択し、選択したインバータに接続している前記組電池を、前記電源および前記負荷に接続されない状態にする信号として、前記縮退信号を出力し、また、前記縮退信号生成部は、前記組電池の充電率を測定するために当該組電池を前記電源および前記負荷に接続されない状態にする信号として、前記縮退信号を出力する、
   ことを特徴とする電力貯蔵システム。

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