JP2004129412A - Power storing device - Google Patents
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- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、商用電源あるいは自家発設備と負荷からなる交流回路に設けられ、二次電池の充放電により負荷平準化および負荷変動や分散電源の出力変動による電力の品質低下を抑制する電力貯蔵装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば風力発電システムなどの分散電源を系統電源に連系させた電力系統においては、前記風力発電機が、風速などの自然条件に応じて時々刻々と出力変動するものであり、例えば僻地や離島などに設置されることから、電力系統の末端、つまり、ディーゼル発電機を系統電源として持つ小規模な、いわゆる弱い電力系統となるのが一般的である。この種の弱い電力系統では、風力発電出力のような負荷変動が頻繁に現出すると、その負荷変動により電力系統に電圧または周波数変動を招く影響が大きいことから、負荷変動を抑えて電力系統の電圧または周波数変動を抑制するために電力貯蔵装置を設置するようにしている。
【0003】
図4は電力系統に設置された電力貯蔵装置3の回路構成を示す。この電力貯蔵装置3は、例えば風力発電システムである分散電源1と系統電源2との間に設置され、その連系点Aに連系用変圧器8を介して電力貯蔵装置3を接続した概略構成を有する。電力貯蔵装置3は、電力変換器4とその直流側に接続された充放電可能な鉛蓄電池などの二次電池5とで構成されている。なお、図中、6,7は系統母線に設けられた計器用変圧器(VT)と変流器(CT)である。
【0004】
前記電力変換器4は、放電機能と充電機能を有する双方向形交直変換器で、系統母線からの交流電力を直流変換して二次電池5に充電するコンバータ運転と、二次電池5に充電された直流電力を交流変換して系統母線に供給するインバータ運転とに切り換え制御される。
【0005】
そのため、電力貯蔵装置3では、前述した分散電源1の出力変動を計器用変圧器6及び変流器7により検出し、その分散電源1の出力変動を打ち消すように電力貯蔵装置3の電力変換器4をコンバータ運転またはインバータ運転させることにより二次電池5を充放電させ、この電力変換器4のコンバータ運転またはインバータ運転による電力系統との電力のやり取りでもって、分散電源1の出力変動を抑えて電力系統の電圧または周波数変動を抑制するように電力の変動補償動作を行っている。
【0006】
この電力貯蔵装置3における電力の変動補償動作は、前述した分散電源1の出力変動に対してばかりでなく、例えば一般家庭や工場などの電力需要家における電力パターンに基づく場合についても行われる。
【0007】
この電力需要家における1日の電力パターンは、例えばPM1〜4時頃の重負荷時間帯に電力ピークとなるような特性を有する。そのため、電力貯蔵装置3では、深夜ならびに軽負荷時間帯(例えばAM8時〜PM1時、PM5時〜10時頃)に電力変換器4のコンバータ運転により二次電池5を充電し、その二次電池5の充電電力を重負荷時間帯(例えばPM1時〜4時頃)に電力変換器4のインバータ運転により放電して、その二次電池5の放電電力を負荷に供給する。このように二次電池5の放電電力をピークシフトすることでピーク電力を低減することにより、負荷平準化を実現している(例えば、特許文献1参照)。
【0008】
【特許文献1】
特開2002−171669号公報
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述した電力貯蔵装置3では、分散電源1の出力が風速などの自然条件に応じて時々刻々と変動するために頻繁に現出する出力変動に対して、電力変換器4の運転による電力系統との電力のやり取りでもって、常時、分散電源1の出力変動を抑えて電力系統の電圧または周波数変動を抑制する電力の変動補償動作と、電力需要家における1日の電力パターンに基づいて電力変換器4のコンバータ運転またはインバータ運転により二次電池の放電電力をピークシフトすることでピーク電力を低減する負荷平準化の両者について、電力変換器4の直流側に設けられた二次電池5の充放電により達成している。
【0010】
しかしながら、前述した二次電池5では、その電池容量の全てを、例えば秒オーダーの短時間で現出する出力変動に対応させることが非常に困難であり、二次電池5の特性上、分散電源を連系させた電力系統において変動対応としては余裕が大きい二次電池5を選択しているのが現状であった。
【0011】
また、その二次電池5の使用に当たっては、出力変動に相当する充放電電流で過電圧の不具合が発生しないように、二次電池5の充電状態(SOC)を例えば60〜70%程度にしておく必要があり、ピークシフトによる負荷平準化時には二次電池5の電池能力を100%使用することが困難であった。また、この二次電池5では、60〜70%の充電状態(SOC)を維持するためには、例えば週一回程度の頻度で電池劣化を防止する充放電作業を必要としていた。
【0012】
そこで、本発明は、前述した問題点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、適正な電池容量を持つ二次電池を選定することができ、あるいは二次電池の長寿命化を図り、環境負荷の低減化に貢献し得る電力貯蔵装置を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための技術的手段として、本発明は、商用電源あるいは自家発設備と負荷からなる交流回路に連系された電力変換器の直流側に充放電可能な二次電池を設けた電力貯蔵装置において、前記二次電池の充放電を補完するキャパシタを二次電池に並設したことを特徴とする。
【0014】
本発明では、キャパシタにより二次電池の充放電を補完するが、その補完手段としては、▲1▼ピーク電力を低減する負荷平準化時に前記二次電池を充放電させ、かつ、前記交流回路における負荷変動や分散電源の出力変動を抑制する変動補償動作時に前記キャパシタを充放電させること、▲2▼二次電池の定電流充電から定電圧充電への移行が必要な充電領域で、前記二次電池の充電と並行してキャパシタを充電開始させることがある。
【0015】
なお、交流回路における負荷変動は、電力系統に連系された大容量のアーク炉、電鉄負荷、鉄鋼圧延負荷などの変動負荷が引き起こす系統電圧変動を意味し、また、交流回路における分散電源の出力変動は、風力発電システムや太陽光発電システムなどにおいて秒オーダーの短時間で現出する出力変動を意味する。
【0016】
このように二次電池とキャパシタを併用することにり、電力変換器の直流側に設けられたエネルギー貯蔵を二次電池とキャパシタとで分担する。この二次電池とキャパシタとの分担により二次電池にかかる負担を軽減し、必要最小限の容量を有する二次電池を選定することができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明に係る電力貯蔵装置の実施形態を以下に詳述する。図1は自然エネルギーを利用したクリーンな電力供給源として、例えば風力発電システムを分散電源1として連系させた交流回路である電力系統に設置された電力貯蔵装置13の回路構成を示す。なお、図4と同一部分には同一参照符号を付す。分散電源1としては、風力発電システム以外にも太陽光発電システムなどにも適用可能である。
【0018】
この実施形態の電力貯蔵装置13は、例えば風力発電システムである分散電源1と系統電源2との間に設置され、その連系点Aに連系用変圧器8を介して電力貯蔵装置13を接続した概略構成を有する。この電力貯蔵装置13は、電力変換器4とその直流側に接続された鉛蓄電池などの二次電池5およびその二次電池5に並列に接続されたキャパシタ9とで構成されている。前述したキャパシタ9としては、比較的大容量の電解コンデンサや電気二重層コンデンサなどを使用することが望ましい。なお、図中、6,7は系統母線に設けられた計器用変圧器(VT)と変流器(CT)である。
【0019】
前記電力変換器4は、放電機能と充電機能を有する双方向形交直変換器で、系統母線からの交流電力を直流変換して二次電池5に充電するコンバータ運転と、二次電池5に充電された直流電力を交流変換して系統母線に供給するインバータ運転とに切り換え制御される。
【0020】
ここで、図2は電池工業会指針で規定されたMSE形(JIS規格)鉛蓄電池の標準特性で、二次電池の一般的な特性の一例を示す。この標準特性は、二次電池5の放電時間(分)設定に対する容量換算時間(時)の関係を10HR容量換算で例示したもので、最小単位(セル)2Vの二次電池5における許容最低電圧が1.6〜1.9V/セル(蓄電池温度25℃)についてプロットしている。二次電池5は、例えばこの図の標準特性に基づいて二次電池5の容量が選定される。
【0021】
この標準特性では、要求される電池電流と放電時間に基づいて、許容最低電圧1.6〜1.9V/セルのいずれかについて、二次電池の放電時間に対応する容量換算係数Kを決定して、要求する電池電流と容量換算係数Kとの積で二次電池5の最低限容量を選定することになる。
【0022】
標準特性では、要求される放電時間の長短の変化に対して、容量換算係数Kの変化が緩やかな区間と、逆に顕著な区間がある。これは、同一容量(Ah)の電池の特性を反映している。通電時間が短くなるほど通電電流は大きくとれるが、通電電流値には上限があり、図2の二次電池特性では10分以内の短時間通電使用では、通電電流の上限があまり変化しない(通電限界に近づいている)ことを意味する。
【0023】
そこで、この電力貯蔵装置13では、電力変換器4の直流側にエネルギー貯蔵部として、二次電池5の充放電を補完するキャパシタ9を二次電池5に並列接続する。このエネルギー貯蔵部の構成要素である二次電池5とキャパシタ9のうち、二次電池5は、ピーク電力を低減して負荷平準化したり、あるいは電力変換器4の損失分を供給したりする動作を行い、キャパシタ9は、分散電源1の出力変動を抑制する変動補償動作を行う。二次電池5とキャパシタ9は共に内部インピーダンスを有するが、キャパシタ9のインピーダンスを低く設定することにより、秒オーダーの短時間の出力変動に対してはキャパシタ9が優先して応答する。
【0024】
前述した二次電池5の標準特性から、ピークシフトによる負荷平準化と分散電源の出力変動に対する変動補償動作での二次電池の使用を考える。放電時間が時間オーダーの長時間では、二次電池5のみの充放電によりピーク電力を低減して負荷平準化する動作とし、放電時間が秒オーダーのような10分以内の短時間では、電池選択で決まる充放電各々の電流限界までは二次電池5のみで対応し、電池の充放電各々の電流限界を超える部分はキャパシタ9の充放電により分散電源1の出力変動に対する変動補償動作とする。このようにすると、二次電池5はその許容能力範囲内一杯で使用することになり、必要最低限の容量を有する適正な二次電池5を選定できることになる。
【0025】
電力貯蔵装置13では、前述した分散電源1の出力変動を計器用変圧器6及び変流器7により検出し、その検出された電力量(または電力変動量)に基づいて電力変換器4をコンバータ運転またはインバータ運転させることにより二次電池5およびキャパシタ9を充放電させ、例えば僻地や離島などの電力系統の末端に設置された分散電源1の出力が風速などの自然条件に応じて時々刻々と変動する場合であっても、前記キャパシタ9の充放電により分散電源1の出力変動を打ち消すように電力変換器4を制御することで分散電源1の出力変動を抑えて電力系統の電圧または周波数変動を抑制する。
【0026】
つまり、電力貯蔵装置13では、分散電源1の出力が大きい時に電力変換器4のコンバータ運転により二次電池5およびキャパシタ9を充電し、前述した分散電源1の出力が小さい時に前記二次電池5およびキャパシタ9の貯蔵電力を電力変換器4のインバータ運転により電力系統へ放電し、この電力変換器4の運転による電力系統との電力のやり取りでもって、分散電源1の出力変動を抑えて電力系統の電圧または周波数変動を抑制するように電力の変動補償動作を行っている。
【0027】
前述した二次電池5では、その電池容量の全てを、例えば秒オーダーの短時間で現出する出力変動に対応させることが非常に困難であったのに対して、その短周期の出力変動に対してはキャパシタ9の充放電で変動補償機能を補完することにより、負荷に対して必要最小限の最適な容量を有する二次電池5を選択することができる。
【0028】
また、例えば一般家庭や工場などの電力需要家における1日の電力パターンに基づく負荷平準化について、電力貯蔵装置13では、深夜ならびに軽負荷時間帯(例えばAM8時〜PM1時、PM5時〜10時頃)に電力変換器4のコンバータ運転により二次電池5を充電し、その二次電池5の充電電力を重負荷時間帯(例えばPM1時〜4時頃)に電力変換器4のインバータ運転により放電して、その二次電池5の放電電力を負荷に供給する。このように二次電池5の放電電力をピークシフトすることでピーク電力を低減することにより、負荷平準化を実現する。
【0029】
このような電力需要家における電力パターンに基づいてピーク電力を低減する負荷平準化のなかで、本装置による二次電池5の充放電で変動補償機能を発揮させる場合、前述の短時間の出力変動はキャパシタ9で補完されるため、その出力変動に対応する充放電電流で過電圧の不具合が発生することや変動補償相当の電池容量を考慮する必要がないことから、二次電池5の充電状態(SOC)を60〜70%程度に低くしておく必要がなく、ピークシフトによる負荷平準化のみに二次電池5を使用する理想に近づき、二次電池5の電池能力を100%使用することに近づけることができる。なお、このピークシフト対応のみで使用する二次電池5では、60〜70%の充電状態(SOC)にしておくために、例えば週一回程度の頻度で電池の劣化を防止する充放電作業も不要となる。
【0030】
以上のようにこの電力貯蔵装置13では、前述した分散電源1の出力変動に対する電力の変動補償動作を二次電池5およびキャパシタ9で、また、負荷の電力需要量に基づく昼夜間の負荷平準化を二次電池5が負担するようにしたことから、適正な電池容量を持つ二次電池5を選定できて二次電池5の長寿命化が図れ、環境負荷の低減化に貢献できる。
【0031】
ここで、一般的に鉛蓄電池などの二次電池5を充電する場合、電解液との反応速度との関係から、定格放電電流と同じ電流値でもって連続的に充電することが困難である。従って、図3に示すように定格放電電流を1C(A)とした場合、例えば0.1C(A)程度の定電流で充電を開始し、二次電池5の充電量が80%程度の充電状態(SOC)に達すると、定電圧充電に移行させて最終的に満充電状態になった時点で充電を完了する。この二次電池5の充電量の特性において、その充電量が80%まではほぼ直線的に増加するが、80%以上になると、充電量効率が低下するためにその充電量の増加率が低下してなだらかなカーブを描きながら最終的に100%の満充電状態に達する。
【0032】
この実施形態の電力貯蔵装置13では、前述した二次電池5の充電量が80%の充電状態(SOC)以降に発生する充電量効率の低下を補償するため、その80%の充電状態以降でキャパシタ9に充電する(図中破線mで示す)。二次電池5とキャパシタ9は共に内部インピーダンスを有するが、キャパシタ9のインピーダンスを低く設定することにより、定電流充電から定電圧充電へ移行する充電時の過渡期にはキャパシタ9が優先して応答する。この充電が終了すると、内部インピーダンス×キャパシタ容量相当の時間をかけてキャパシタ9と二次電池5の電圧が均衡して最終的に充電を完了する。
【0033】
なお、放電時も同様の動作となり、二次電池5とキャパシタ9の内部インピーダンスの差により過渡的にはキャパシタ9が優先して応答し、その後、内部インピーダンスとキャパシタ容量相当の時間をかけて電圧均衡に向かう。
【0034】
【発明の効果】
本発明によれば、商用電源あるいは自家発設備と負荷からなる交流回路に連系した電力変換器の直流側に充放電可能な二次電池を設けた電力貯蔵装置において、前記二次電池の充放電を補完するキャパシタを二次電池に並設したことにより、電力変換器の直流側に設けるエネルギー貯蔵を二次電池とキャパシタとで分担する。この二次電池とキャパシタとの分担により二次電池にかかる負担を軽減し、必要最小限の容量を有する二次電池を選定することができ、あるいは二次電池の長寿命化、環境負荷の低減化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る電力貯蔵装置の実施形態を示す回路構成図である。
【図2】鉛蓄電池の標準特性の一例を示す特性図である。
【図3】二次電池の充電特性を示す特性図である。
【図4】従来の電力貯蔵装置を示す回路構成図である。
【符号の説明】
1 分散電源(風力発電機)
2 系統電源
4 電力変換器
5 二次電池
8 連系用変圧器
9 キャパシタ
13 電力貯蔵装置[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a power storage device provided in an AC circuit including a commercial power supply or a self-powered facility and a load, and for suppressing load leveling due to charging and discharging of a secondary battery and suppressing power quality deterioration due to load fluctuation and output fluctuation of a distributed power supply. About.
[0002]
[Prior art]
For example, in a power system in which a distributed power supply such as a wind power generation system is connected to a system power supply, the wind power generator fluctuates every moment in accordance with natural conditions such as wind speed, such as a remote place or a remote island. In general, it is a small-sized, so-called weak power system having a diesel generator as a system power supply. In this type of weak power system, if load fluctuations such as wind power output appear frequently, the load fluctuations will have a large effect on the power system in voltage or frequency fluctuations. A power storage device is installed to suppress voltage or frequency fluctuations.
[0003]
FIG. 4 shows a circuit configuration of the
[0004]
The
[0005]
Therefore, in the
[0006]
The power fluctuation compensation operation in the
[0007]
The daily power pattern of the power consumer has a characteristic such that the power peaks during a heavy load time period, for example, around 1 to 4 PM. Therefore, in the
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-171669
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the above-described
[0010]
However, in the above-described
[0011]
In using the
[0012]
Therefore, the present invention has been proposed in view of the above-mentioned problems, and its purpose is to select a secondary battery having an appropriate battery capacity, or to extend the life of the secondary battery. Accordingly, an object of the present invention is to provide a power storage device that can contribute to reduction of environmental load.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
As a technical means for achieving the object, the present invention provides a chargeable / dischargeable secondary battery on the DC side of a power converter connected to an AC circuit including a commercial power supply or a self-propelled facility and a load. The power storage device is characterized in that a capacitor that complements the charging and discharging of the secondary battery is provided in parallel with the secondary battery.
[0014]
In the present invention, the charging and discharging of the secondary battery is complemented by the capacitor. As a complementing means, (1) the secondary battery is charged and discharged at the time of load leveling to reduce the peak power, and in the AC circuit, Charging and discharging the capacitor during a fluctuation compensation operation for suppressing load fluctuations and output fluctuations of the distributed power source; (2) in the charging region where the transition from constant current charging to constant voltage charging of the secondary battery is required, The capacitor may be started to charge in parallel with the charging of the battery.
[0015]
The load fluctuation in the AC circuit means a system voltage fluctuation caused by a variable load such as a large-capacity arc furnace connected to an electric power system, a railway load, a steel rolling load, and the like. The fluctuation means an output fluctuation that appears in a short time on the order of seconds in a wind power generation system, a solar power generation system, or the like.
[0016]
Thus, by using the secondary battery and the capacitor together, energy storage provided on the DC side of the power converter is shared between the secondary battery and the capacitor. The burden on the secondary battery can be reduced by the sharing of the secondary battery and the capacitor, and a secondary battery having a necessary minimum capacity can be selected.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of a power storage device according to the present invention will be described in detail below. FIG. 1 shows a circuit configuration of a
[0018]
The
[0019]
The
[0020]
Here, FIG. 2 shows standard characteristics of an MSE type (JIS standard) lead storage battery specified by the guidelines of the Battery Association of Japan, and shows an example of general characteristics of a secondary battery. The standard characteristics exemplify the relationship of the capacity conversion time (hour) to the discharge time (minute) setting of the
[0021]
In this standard characteristic, the capacity conversion coefficient K corresponding to the discharge time of the secondary battery is determined for any of the allowable minimum voltages of 1.6 to 1.9 V / cell based on the required battery current and discharge time. Thus, the minimum capacity of the
[0022]
In the standard characteristics, there are a section in which the change of the capacity conversion coefficient K is gentle and a section in which the change is remarkable with respect to a change in the required discharge time. This reflects the characteristics of batteries having the same capacity (Ah). As the energizing time becomes shorter, the energizing current can be increased. However, the energizing current value has an upper limit, and in the rechargeable battery characteristics shown in FIG. Approaching).
[0023]
Therefore, in the
[0024]
From the standard characteristics of the
[0025]
In the
[0026]
That is, the
[0027]
In the above-described
[0028]
In addition, for example, regarding load leveling based on a daily power pattern in a power consumer such as a general household or a factory, the
[0029]
In such load leveling for reducing peak power based on the power pattern in the power consumer, when the fluctuation compensation function is exhibited by charging and discharging the
[0030]
As described above, in the
[0031]
Here, in general, when charging a
[0032]
In the
[0033]
Note that the same operation is performed at the time of discharging, and the
[0034]
【The invention's effect】
According to the present invention, in a power storage device provided with a chargeable / dischargeable secondary battery on the DC side of a power converter connected to an AC circuit including a commercial power supply or an autonomous facility and a load, the charging of the secondary battery is performed. By arranging the capacitor complementing the discharge in parallel with the secondary battery, energy storage provided on the DC side of the power converter is shared between the secondary battery and the capacitor. By sharing the rechargeable battery and the capacitor, the burden on the rechargeable battery can be reduced, and a rechargeable battery having the minimum necessary capacity can be selected. Can be achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit configuration diagram showing an embodiment of a power storage device according to the present invention.
FIG. 2 is a characteristic diagram showing an example of standard characteristics of a lead storage battery.
FIG. 3 is a characteristic diagram showing charging characteristics of a secondary battery.
FIG. 4 is a circuit configuration diagram showing a conventional power storage device.
[Explanation of symbols]
1 distributed power source (wind generator)
2
Claims (3)
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