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JP6200086B2 - 蓄電池制御装置 - Google Patents
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Description

本発明の実施形態は、複数の蓄電池の充放電を制御する蓄電池制御装置に関する。
近年、太陽光発電所、風力発電所、地熱発電所等に設置される分散型の電源装置が、広く普及している。これらの電源装置は自然エネルギーを用いるため、発電量の変動が大きい。したがって、電源装置と電力系統とを繋ぐ給電線には、電圧や周波数の変動抑制を目的として、蓄電池が設置されている。
電源装置の発電量が所定量よりも多くなれば、蓄電池は、多くなった電力を充電し、これを貯蔵する。反対に、電源装置の発電量が少なければ、蓄電池が放電して給電線に電力を送る。このように蓄電池が充放電を行うことにより、分散型の電源装置の発電量が変動しても、給電線から電力系統に流れる電力量を安定化させて、電圧や周波数の変動を抑えることが可能になる。
上記の蓄電池には、蓄電池の充放電を制御するための蓄電池制御装置が設けられている。蓄電池制御装置は、電源装置から給電線に流れる電力を測定する電力測定部と、電力測定部の測定結果に基づいて電力指令値を算出する算出部と、蓄電池の充放電を行う充放電器を備えている。充放電器は電力指令値に従って給電線および蓄電池間の電力のやり取りを行い、電圧や周波数の変動抑制を実現する。
現在、分散型の電源装置は大規模化しており、それに応じて発電量の変動幅も増大傾向にある。そのため、給電線に接続される蓄電池の数も多くなり、複数の蓄電池で充放電量を分担する技術が提案されている。例えば非特許文献1には、複数の蓄電池で充放電量を分担する際、特性の異なる蓄電池の組合せが効果的であることが記載されている。
蓄電池を組み合わせる場合、特性の異なる蓄電池を利用する場合がある。特性の異なる蓄電池としては、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池、鉛蓄電池、コンデンサ等がある。例えば特許文献1では、充放電の電力を短周期分と長周期分とに分け、リチウムイオン電池とナトリウム硫黄電池を利用して充放電を行っている。
リチウムイオン電池はエネルギー密度、セル起電力、充放電効率がいずれも高いため、短時間で高出力を要する使用に適している。一方、ナトリウム硫黄電池は高温で動作するため長いサイクル寿命を持ち、長時間にわたり大量の充放電を行う場合に適している。
そこで、リチウムイオン電池の充放電によって短周期分の電力変動を補償し、ナトリウム硫黄電池の充放電によって長周期分の電力変動を補償する。これにより、リチウムイオン電池の特性とナトリウム硫黄電池の特性を両方とも活かすことができ、分散型発電装置から電力系統へ供給される電力(kW)と電力量(kWh)のバランスが向上する。
特開2011−205824号公報
平成24年電気学会電力エネルギー部門大会予稿集(統合型スマートグリッド評価システムの拡張(4)-ハイブリッド電池システムにおける寿命延伸制御の検討― 株式会社 東芝)
ところで、複数の蓄電池が充放電量を分担するとき、蓄電池制御装置は充放電器ごとに電力指令値を算出して、各充放電器に電力指令値を分配する必要がある。この場合、全ての充放電器に対して充電指令値あるいは放電指令値を送るのであれば、問題はない。例えば、一対の蓄電池が充放電量を分担する場合に、蓄電池に接続される2台の充放電器に対して、両方とも充電指令値あるいは両方とも放電指令値を送るのであれば、問題はない。
しかしながら、2台の充放電器に電力指令値を分配する蓄電池制御装置において、一方の充放電器には充電指令値を送り、他方の充放電器には放電指令値を送る場合がある。このように、充電指令値と放電指令値が同時に出されると、電力指令値が互いに打ち消し合う相殺状態となる。
以下、電力指令値の相殺状態について図5を用いて具体的に説明する。図5の例では、電力指令値を高周波指令値と低周波指令値とに分けて、一方の充放電器に高周波指令値を送り、他方の充放電器に低周波指令値を送る場合を示している。このとき、低周波指令値は電力指令値の周期が長く、反対に高周波指令値は電力指令値の周期が短くなる。
したがって、低周波指令値を受け取る充放電器が、充電動作あるいは放電動作を継続している期間内に、高周波指令値を受け取る充放電器は、充電動作と放電動作を頻繁に切り替えることになる。その結果、低周波指令値側の充放電器が充電動作を行っているときに、高周波指令値側の充放電器が放電動作を行うことがある。また、低周波指令値側の充放電器が放電動作を行っているときに、高周波指令値側の充放電器が充電動作を行うことがある。
このように、電力指令値を高周波指令値と低周波指令値とに分けると、2台の充放電器が互いに充放電を相殺するような動作を行うことがあり、充電区間と放電区間とが同時に発生する。このため、蓄電池制御装置全体から見ると、蓄電池が余分な充放電を行うことになり、蓄電池の損失が発生する。また、蓄電池を動作させる充放電器も損失を余儀なくされる。したがって、蓄電池制御装置におけるエネルギー損失が大きくなり、経済性が低下してしまう。
本発明の実施形態は、このような課題を解決するために提案されたものであり、複数の充放電器に対し電力指令値を分配する蓄電池制御装置において、充放電器への電力指令値として充電指令値と放電指令値の両方が同時に存在するとき、蓄電池が余分な充放電を行うことを防ぎ、エネルギー損失を抑制して経済性の向上を図った蓄電池制御装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の実施形態は、給電線に接続された第1および第2の蓄電池を制御する蓄電池制御装置において、次の構成要素(a)〜(e)を備えている。
(a)前記給電線に接続された電力測定部。
(b)前記第1および第2の蓄電池の充放電を行う第1および第2の充放電器。
(c)前記電力測定部の測定結果に基づいて前記第1の充放電器に送る第1の電力指令値および前記第2の充放電器に送る第2の電力指令値を算出する指令値算出部。
(d)前記第1および第2の電力指令値が充電指令値なのか、放電指令値なのかを判定する指令値判定部。
(e)前記第1および第2の電力指令値のうち一方が充電指令値で他方が放電指令値であると前記指令値判定部が判定すれば、一方の前記充放電器を停止させ他方の前記充放電器のみを動作させる充放電器制御部。
本発明の第1の実施形態のシステム構成を示すブロック図。 第1の実施形態における蓄電池制御処理を示すフローチャート。 本発明の第2の実施形態のシステム構成を示すブロック図。 第2の実施形態における蓄電池制御処理を示すフローチャート。 充放電の電力指令値を高周波指令値と低周波指令値とに分けた場合の波形図。
(1)第1の実施形態
(構成)
以下、本発明に係る第1の実施形態の構成について図1、図2を参照して説明する。図1に示すように、1は太陽光発電所、風力発電所、地熱発電所等の分散型電源である発電装置、7は発電所や負荷から構成される電力系統、2は発電装置1が発電した電力を電力系統7に給電する給電線である。
3,5は給電線2に接続される第1および第2の蓄電池である。第1の蓄電池3と第2の蓄電池5は、特性の異なる蓄電池もしくは直並列数の異なる蓄電池とする。特性の異なる蓄電池とは例えば、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池、鉛蓄電池、コンデンサ等のいずれかの組み合わせの蓄電装置を表す。
第1の実施形態は、これら第1および第2の蓄電池3,5を制御する蓄電池制御装置である。第1の実施形態には、第1の蓄電池3の充放電を行う第1の充放電器4と、第2の蓄電池5の充放電を行う第2の充放電器6と、給電線2に接続された電力測定部8が設けられている。また、電力測定部8には指令値算出部9が接続されており、指令値算出部9には指令値判定部10および充放電器制御部11が接続されている。
[充放電器]
第1および第2の充放電器4,6は第1および第2の蓄電池3,5に接続されている。第1および第2の充放電器4,6は充放電器制御部11が出力した電力指令値を受け取る。
第1および第2の充放電器4,6は受け取った電力指令値に従って第1および第2の蓄電池3,5を充放電し、給電線2と蓄電池3,5間の電力のやり取りを行う。これらの充放電器4,6は内部に半導体スイッチをもち、スイッチングタイミングを変化させることで出力電力や電流を変化させる。
[電力測定部]
電力測定部8は発電装置1が出力した給電線2の電力を取得し、その大きさを測定する。電力測定部8は測定結果を指令値算出部9に出力する。
[指令値算出部]
指令値算出部9は電力測定部8が測定した給電線2の電圧に基づき、第1の充放電器4を制御するための電力指令値Pref1と、第2の充放電器6を制御するための電力指令値Pref2を算出する。これら電力指令値Pref1,Pref2はプラスであれば充電指令値、マイナスであれば放電指令値である。
また、指令値算出部9は、後述する指令値判定部10の判定結果を受けて、電力指令値Pref1,Pref2が充電指令値と放電指令値との組合せであるとき、実質指令値P3を算出する。実質指令値P3とは、充電指令値と放電指令値の和であり、互いに相反する電力指令値Pref1,Pref2を相殺して得る指令値である。
例えば、電力指令値Pref1が充電指令値+2、電力指令値Pref2が放電指令値−1であれば、実質指令値は充電指令値+1となる。指令値算出部9は、算出した電力指令値Pref1,Pref2および実質指令値P3を、指令値判定部10および充放電器制御部11に出力する。また、指令値算出部9は停止指令値P0を充放電器制御部11に出力するようになっている。
[指令値判定部]
指令値判定部10は、指令値算出部9が算出した電力指令値Pref1,Pref2に関して、指令値が充電指令値なのか、あるいは放電指令値なのかを判定する。また、指令値判定部10は、電力指令値Pref1,Pref2および実質指令値P3が予め設定された充放電動作の禁止閾値Aを超えるか否かを判定する。
充放電動作の禁止閾値Aとは、電力指令値の値が極端に低く、充放電器4,6の出力に対して損失の割合が大きくなるような閾値である。具体的には、前回の電力指令値に対する変化率が±5%の範囲以内となるような閾値などが挙げられる。指令値判定部10は、電力指令値Pref1,Pref2および実質指令値P3についての判定結果を、充放電器制御部11に出力する。
[充放電器制御部]
充放電器制御部11は、指令値判定部10からの判定結果を受けて、指令値算出部9から入力した電力指令値Pref1,Pref2、実質指令値P3、並びに停止指令値P0のいずれかを、充放電器4,6のいずれかに出力して、充放電器4,6の動作を制御する。停止指令値P0とは、充放電器4,6の動作を停止させる指令値である。
指令値判定部10の判定結果と、充放電器制御部11が出力する指令値および出力先の充放電器との対応関係は次の通りである。
電力指令値Pref1,Pref2が共に充電指令値あるいは放電指令値で、且つそれらの値が充放電動作の禁止閾値Aを超えるとき、充放電器制御部11は、第1の充放電器4に電力指令値Pref1を出力し、第2の充放電器6に電力指令値Pref2を出力する。
電力指令値Pref1,Pref2および実質指令値P3が充放電動作の禁止閾値A以内であるとき、充放電器制御部11は各指令値が送られるべき充放電器4,6へ停止指令値P0を出力する。
電力指令値Pref1が放電指令値で、電力指令値Pref2が充電指令値であるとき、充放電器制御部11は第2の充放電器6に実質指令値P3を出力し、第1の充放電器4に停止指令値P0を出力する。
反対に電力指令値Pref1が充電指令値で、電力指令値Pref2が放電指令値であるとき、充放電器制御部11は第1の充放電器4に実質指令値P3を出力し、第2の充放電器6に停止指令値P0を出力する。つまり、実質指令値P3はそれ自体が充電指令値であるか放電指令値であるかに関係なく、もともと充電指令値が送られる充放電器側に出力されることになる。
(充放電処理)
第1の実施形態による第1および第2の蓄電池3,5の充放電処理について、図2のフローチャートを参照して説明する。電源装置1が発電した電力が給電線2に流れると、S1で電力測定部8が給電線2の電圧を取得、測定する。S2では指令値算出部9が2種類の電力指令値Pref1,Pref2を算出し、S3では指令値判定部10が電力指令値Pref1,Pref2の積が0以下か否かを判定する。
S3で、電力指令値Pref1,Pref2の積がマイナスであれば(S3のYes)、つまり電力指令値Pref1,Pref2はどちらか一方が充電指令値で他方が放電指令値であれば、S4に進む。S4では、相反状態にある電力指令値Pref1,Pref2の和である実質指令値P3が、予め設定された充放電動作の禁止閾値Aよりも大きいと(S4のNo)、S5へ進む。
S5では、指令値判定部10が電力指令値Pref1,Pref2の差の符号を判定し、電力指令値Pref1,Pref2のうち、どちらが充電指令値でどちらが放電指令値かを判断する。電力指令値Pref2が充電指令値で、電力指令値Pref1が放電指令値であれば(S5のYes)、S6に進み、反対に電力指令値Pref1が充電指令値で、電力指令値Pref2が放電指令値であれば(S5のNo)、S8に進む。
S6では、充放電器制御部11が停止指令値P0を第1の充放電器4へ送り、実質指令値P3を第2の充放電器6へ送る。続くS7では、第2の充放電器6は実質指令値P3に従って動作し第2の蓄電池5の充放電を行う。一方、停止指令値P0を受けた第1の充放電器4は動作を停止し、第1の蓄電池3は充放電を行うことはない。
S8では、充放電器制御部11が停止指令値P0を第2の充放電器6へ送り、実質指令値P3を第1の充放電器4へ送る。続くS9では、第1の充放電器4は実質指令値P3に従って動作し第1の蓄電池3の充放電を行う。一方、停止指令値P0を受けた第2の充放電器6は動作を停止し、第2の蓄電池5は充放電を行うことはない。
S3で、電力指令値Pref1,Pref2の積がプラスであれば(S3のNo)、電力指令値Pref1,Pref2は両方とも充電指令値同士あるいは放電指令値同士なので、S10にて電力指令値Pref1が充放電動作の禁止閾値A以下であることを判定し、S13にて電力指令値Pref2が充放電動作の禁止閾値A以下であることを判定する。
電力指令値Pref1,Pref2が充放電動作の禁止閾値A以下であれば(S10のYes,S13のYes)、S11へ進む。また、S4において、実質指令値P3が充放電動作の禁止閾値A以下であれば(S4のYes)、やはりS11へ進む。S11では、充放電器制御部11が停止指令値P0を第1および第2の充放電器4,6へ送る。続くS12では、停止指令値P0を受けた第1および第2の充放電器4,6は動作を停止し、第1および第2の蓄電池3,5は充放電を行うことはない。
電力指令値Pref1,Pref2が充放電動作の禁止閾値Aを超えていれば(S10のNo,S13のNo)、S14へ進む。S14では、充放電器制御部11が電力指令値Pref1,Pref2を第1および第2の充放電器4,6へ送る。さらに、S15では、第1の充放電器4は電力指令値Pref1に従って動作し第1の蓄電池3の充放電を行う。また、第2の充放電器6は電力指令値Pref2に従って動作し第2の蓄電池5の充放電を行う。
(作用および効果)
以上のような第1の実施形態では、2台の充放電器4,6が同時に、充放電の電力を相殺する動作を実施することがない。そのため、充放電器4,6の損失が大幅に低減する。
また、充放電器4,6のいずれか一方で充電を行い、もう片方で放電を行うと、各充放電器4,6に接続された蓄電池3,5の両方に電流が流れて蓄電池3,5の損失が発生することになるが、本実施形態では充放電器4,6の片方のみを動作させるので蓄電池3,5の損失も同時に低減できる。したがって、充放電器4,6への電力指令値として充電指令値と放電指令値の両方が同時に生じても、蓄電池4,6が余分な充放電を行うことがない。これにより、エネルギー損失を抑制して経済性の向上を図ることが可能である。
さらに、第1の実施形態では、電力指令値Pref1,Pref2および実質指令値P3が充放電動作の禁止閾値A以下であれば、充放電器制御部11は充放電器4,6に停止指令値P0を出力して充放電器4,6を停止させる。そのため、電力指令値が極端に低く、充放電器4,6の出力に対する損失の割合が大きくなる場合には、充放電器4,6を停止させて、蓄電池3,5による充放電を無駄に行う心配がない。これにより充放電器4,6及び蓄電池3,5の損失を、より確実に抑制することができる。
(2)第2の実施形態
(構成)
以下、本発明に係る第2の実施形態の構成について図3、図4を参照して説明する。図3に示すように、第2の実施形態は、前記第1の実施形態が持つ構成要素に加えて、SOC計測部12及びSOC判定部13を備えた点に特徴がある。また、第2の実施形態における指令値判定部10は、実質指令値P3がプラスである充電指令値なのか、マイナスである放電指令値なのかを判定するようになっている。
[SOC計測部]
SOC計測部12は第1および第2の蓄電池3,5に設置されている。SOC計測部12は蓄電池3,5の残量(以下、SOCとする)を計測する。
[SOC判定部]
SOC判定部13はSOC計測部12に接続されている。SOC判定部13は、SOC計測部12が計測した蓄電池3,5のSOCに基づいて、蓄電池3,5のSOCの多寡を判定する。SOC判定部13には充放電器制御部11が接続されている。充放電器制御部11はSOC判定部13の判定結果を受けて、SOCが少ない方の蓄電池3,5を優先的に充電し、SOCが多い方の蓄電池3,5を優先的に放電させる。
(充放電処理)
第2の実施形態による第1および第2の蓄電池3,5の充放電処理について、図4のフローチャートを参照して説明する。なお、S1〜S3、S14、S15については、図2に示したフローチャートと同様なので、説明は省略する。
図4に示すように、S3にて、電力指令値Pref1,Pref2の積がマイナスであれば(S3のYes)、S20に進む。S20では、実質指令値P3が充電指令値なのか、放電指令値なのかを判定し、実質指令値P3が充電指令値であれば(S20のYes)、S21へ進み、放電指令値であれば(S20のNo)、S24に進む。
S21では、蓄電池3,5のSOCの多寡を判定し、第1の蓄電池3の方が第2の蓄電池5よりもSOCが少ないのであれば(S21のYes)、充電指令値である実質指令値P3を第1の充放電器4へ送り、停止指令値P0を第2の充放電器6へ送る(S22)。続くS23では、第1の充放電器4は充電指令値である実質指令値P3に従って動作し、第1の蓄電池3の充電を行う。一方、停止指令値P0を受けた第2の充放電器6は動作を停止し、第2の蓄電池5は充放電を行うことはない。
反対に、第2の蓄電池5の方が第1の蓄電池3よりもSOCが少ないのであれば(S21のNo)、実質指令値P3を第2の充放電器6へ送り、停止指令値P0を第1の充放電器4へ送る(S25)。S26では、第2の充放電器6は放電指令値である実質指令値P3に従って動作し第2の蓄電池5の充電を行う。一方、停止指令値P0を受けた第1の充放電器4は動作を停止し、第1の蓄電池3は充放電を行うことはない。
S24でも、蓄電池3,5のSOCの多寡を判定する。そして、第2の蓄電池5の方が第1の蓄電池3よりもSOCが多いのであれば(S24のYes)、放電指令値である実質指令値P3を第2の充放電器6へ送り、停止指令値P0を第1の充放電器6へ送る(S25)。S27では、第2の充放電器6は放電指令値である実質指令値P3に従って動作し、第2の蓄電池5の放電を行う。一方、停止指令値P0を受けた第1の充放電器4は動作を停止し、第1の蓄電池3は充放電を行うことはない。
反対に、第1の蓄電池3の方が第2の蓄電池5よりもSOCが多いのであれば(S24のNo)、実質指令値P3を第1の充放電器4へ送り、停止指令値P0を第2の充放電器6へ送る(S28)。S29では、第1の充放電器4は放電指令値である実質指令値P3に従って動作し第1の蓄電池3の充電を行う。一方、停止指令値P0を受けた第2の充放電器6は動作を停止し、第2の蓄電池5は充放電を行うことはない。
(作用および効果)
以上のような第2の実施形態では、上記第1の実施形態が持つ作用および効果に加えて、次のような独自の作用および効果がある。すなわち、SOCが低下している方の蓄電池3,5を優先的に充電し、SOCが高い蓄電池3,5を優先的に放電することができる。これにより、二つの蓄電池3,5のSOCが等しくなるように動作し、蓄電池3,5の利用率が向上する。
(3)他の実施形態
なお、上記の実施形態は、本明細書において一例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図するものではない。すなわち、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことが可能である。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
例えば、指令値判定部10が、電力指令値Pref1,Pref2の絶対値のうち、どちらの方が大きいかを判定して、電力指令値Pref1の絶対値の方が電力指令値Pref2の絶対値よりも大きければ、充放電器制御部11は、第1の充放電器4側へ実質指令値P3を出力し、第2の充放電器6側へ停止指令値P0を出力する。
反対に、電力指令値Pref2の絶対値の方が電力指令値Pref1の絶対値よりも大きければ、充放電器制御部11は、第2の充放電器6側へ実質指令値P3を出力し、第1の充放電器4側へ停止指令値P0を出力する。つまり、電力指令値Pref1,Pref2が相反するとき、絶対値が大きい方の指令値を受け取る充放電器4,6だけを動作させるようにしてもよい。これにより、もともとの電力指令値の大きさを充放電器4,6の動作に反映させることができ、蓄電池3,5の特性を活かすことが可能である。
1…発電装置
2…給電線
3…第1の蓄電池
4…第1の充放電器
5…第2の蓄電池
6…第2の充放電器
7…電力系統
8…電力測定部
9…指令値算出部
10…指令値判定部
11…充放電器制御部
12…SOC計測部
13…SOC判定部

Claims (6)

  1. 給電線に接続された第1および第2の蓄電池を制御する蓄電池制御装置において、
    前記給電線に接続された電力測定部と、
    前記第1および第2の蓄電池の充放電を行う第1および第2の充放電器と、
    前記電力測定部の測定結果に基づいて前記第1の充放電器に送る第1の電力指令値および前記第2の充放電器に送る第2の電力指令値を算出する指令値算出部と、
    前記第1および第2の電力指令値が充電指令値なのか、放電指令値なのかを判定する指令値判定部と、
    前記第1および第2の電力指令値のうち一方が充電指令値で他方が放電指令値であると前記指令値判定部が判定すれば、一方の前記充放電器を停止させ他方の前記充放電器のみを動作させる充放電器制御部を備えたことを特徴とする蓄電池制御装置。
  2. 前記第1および第2の電力指令値のうち一方が充電指令値で他方が放電指令値であるとき、前記指令値算出部は、前記第1および第2の電力指令値を相殺して実質指令値を算出し、
    前記充放電器制御部は、前記実質指令値を前記第1および第2の充放電器のいずれか一方に出力することを特徴とする請求項1に記載の蓄電池制御装置。
  3. 前記充放電器制御部は、放電指令値を受け取る側の前記充放電器を停止させ、充電指令値を受け取る側の前記充放電器を動作させることを特徴とする請求項1又は2に記載の蓄電池制御装置。
  4. 前記指令値判定部は、前記第1の電力指令値および前記第2の電力指令値の絶対値のうち、どちらが大きいかを判定し、
    前記第1および第2の電力指令値のうち一方が充電指令値で他方が放電指令値であると前記指令値判定部が判定すれば、前記充放電器制御部は、前記指令値判定部にて絶対値が小さいと判断された方の電力指令値を受け取る側の前記充放電器を停止させ、前記指令値判定部にて絶対値が大きいと判断された方の電力指令値を受け取る側の前記充放電器を動作させることを特徴とする請求項1又は2に記載の蓄電池制御装置。
  5. 前記第1および第2の蓄電池の残量を計測する残量計測部と、
    前記残量計測部の計測結果に基づいて前記第1および第2の蓄電池における残量の多寡を判定する残量判定部と、
    前記充放電器制御部は、前記残量判定部により残量が少ないと判定された前記蓄電池を優先的に充電し、前記残量判定部により残量が多いと判定された前記蓄電池を優先的に放電するように前記充放電器を動作させることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の蓄電池制御装置。
  6. 前記充放電器制御部は、前記電力指令値が予め設定された閾値に達しなければ前記充放電器を停止させることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の蓄電池制御装置。
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