JP2005245185A

JP2005245185A - 電力貯蔵システム

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Publication number: JP2005245185A
Application number: JP2004055591A
Authority: JP
Inventors: Takamitsu Nakamura; 貴光中村; Nobuyuki Ezaki; 信行江崎
Original assignee: Seiko Electric Co Ltd
Current assignee: Seiko Electric Co Ltd
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2004-02-27
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2024-02-27
Also published as: JP3827676B2

Abstract

【課題】負荷から出力容量以上の電力要求があった場合でも、夜間電力の有効利用と、デイタイム電力の使用を抑制することのできる電力貯蔵システムを提供する。
【解決手段】蓄電池３０への充電時はコンバータとして、放電時はインバータとして機能する双方向電力変換器２と、商用電力と双方向電力変換器２と負荷４０との間に設けられて電力の選択を行う電力選択手段１と、その電力選択手段１の制御を行う制御手段４とを有し、夜間料金適用時間帯は商用電力から蓄電池３０に充電を行うとともに負荷４０に電力を供給する夜間運転モードと、デイタイムは、負荷４０の消費電力に応じて蓄電池３０からのみの電力供給を行う放電運転モードと、負荷の消費電力が所定の値以上のときは、その値までは蓄電池３０から電力供給し、不足分は商用電原から電力供給する系統補充運転モードの各モードに応じて電力選択手段１を制御する電力貯蔵システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力会社の時間帯別契約メニューを利用し、夜間電力を蓄電し、夜間電力の供給時間帯以外の時間帯に放電することによって、電気料金の削減および負荷平準化を図ることができ、また太陽光発電、風力発電等を蓄電でき、ＣＯ_２削減に寄与できる電力貯蔵システムに関する。

電力会社においては、デイタイムや特定の時期の時間帯に消費されるピーク電力に対応できるように、原子力、水力、火力発電等による発電能力を設定し、電力需要量を予測しながら給電を制御している。電力の需要は、都市部においてはますます増加傾向にあり、ピーク電力の増加は、新たな発電設備の建設などの負担の増加につながっている。一方、夜間は、工場やオフィス等の電力利用が少なくなるため、電力の利用率が低下する。このようなデイタイムと夜間の電力需要量の大きな格差を平準化することを目的とした夜間電力利用促進割引制度が実施されている。夜間電力は、昼間電力に比べ安価で、化石燃料の使用割合が低いため二酸化炭素排出量が少なく、地球環境保全にも好都合である。

夜間電力の利用技術としては、電力そのものを貯蔵する方法と、給湯設備や氷蓄熱のような熱エネルギーに変換して貯蔵する方法、あるいは揚水発電のように、位置のエネルギーとして貯蔵する方法等が考えられている。この中で、電力を貯蔵する方法の代表的なものは、夜間電力を蓄電池に貯蔵しておき、電力負荷の大きなデイタイムに蓄電池からの電力を消費する電力貯蔵システムである。この電力貯蔵システムによれば、需要者にとっての電力使用料金の低減効果があると共に、電力系統の夜間時のボトムアップ、デイタイムのピーク電力抑制による平準化が可能になる。

しかし、蓄電池の容量以上にデイタイムの電力消費が大きいことが当然起きる。
このような、蓄電容量以上の電力供給を負荷に行う場合の対策としては、例えば特開２０００−３０８２８２号公報（特許文献１）や特開２０００−２９５７８４号公報（特許文献２）に開示されているように系統切替手段を設け、負荷が蓄電池の容量を超えると、負荷への電力供給を蓄電池から商用電力に切り替えるものがある。

他の対策としては、例えば特開２００１−００８３８５号公報（特許文献３）に開示されているように、一日の蓄電池放電パターンを予め数種類記憶しておいて、使用者がそのパターンを適宜選択することにより、蓄電池に充電される夜間電力を有効に、無駄なく使用するようにした電力貯蔵システムがある。

また、特開平１０−２０１１２９号公報（特許文献４）や特開平１０−２０１１３０号公報（特許文献５）には、蓄電池への昼間の充電に太陽電池を用いることが開示されている。

特開２０００−３０８２８２号公報特開２０００−２９５７８４号公報特開２００１−００８３８５号公報特開平１０−２０１１２９号公報特開平１０−２０１１３０号公報

以上のように、特許文献１〜５において提案された電力貯蔵システムにおいては、負荷に接続した蓄電池の蓄電電力が低下した場合、負荷の電力要求に応じられなくなるため、商用電力等に切り替えて負荷に電力を供給している。しかしながら、割安な夜間電気料金帯で蓄電した電力を有効に使い切らない事態が発生すると共にデイタイムの電気料金の電力を使用することとなり、電力貯蔵システムの目的が充分に達成されていなかった。

そこで本発明は、負荷から出力容量以上の電力要求があった場合でも、蓄電手段に蓄電された電力を有効に使い切ることにより、夜間電力の有効利用と、デイタイム電力の使用を抑制することのできる電力貯蔵システムを提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明の電力貯蔵システムは、商用電力を直流電力に変換する整流手段と、整流された直流電力を貯蔵する蓄電手段と、前記蓄電手段に蓄電された直流電力を前記商用電力の電圧および周波数にほぼ等しい交流電力に変換する電力変換手段と、前記商用電力と前記電力変換手段により変換された交流電力を複数のスイッチを切り替えて選択的に負荷に供給する電力選択手段と、前記電力選択手段の複数のスイッチの制御を行う制御手段とを有し、前記制御手段は、夜間料金適用時間帯は前記商用電力から前記整流手段を介して前記蓄電手段に電力を供給するとともに前記負荷に電力を供給する夜間運転モードと、前記夜間料金適用時間帯以外の時間帯においては、前記負荷の消費電力が所定の値未満のときは前記蓄電手段からのみの前記負荷への電力供給を行う放電運転モードと、前記負荷の消費電力が前記所定の値以上のときは、前記所定の値までの消費電力は前記蓄電手段から電力供給し、前記所定の値以上の消費電力は前記商用電力から電力供給する系統補充運転モードの各モードに応じて前記複数のスイッチを制御するものである。

本発明においては、夜間料金適用時間帯以外の蓄電手段からの放電を行うときに、負荷から出力容量以上の電力要求があった場合でも、蓄電手段に蓄電された電力を有効に使い切ることにより、夜間電力の有効利用と、デイタイム電力の使用を抑制することができる。

前記整流手段および前記電力変換手段を、両者の機能を備えた双方向電力変換器とすることにより、蓄電手段に対する充電動作時はコンバータとして動作するように、また、蓄電手段から負荷へ電力を放電動作時はインバータとして動作するように制御される。

前記電力選択手段は、商用電力と前記電力変換手段との間に接続される第１のスイッチと、商用電力と負荷との間に接続される第２のスイッチと、前記電力変換手段と前記第１のスイッチとの間に設けられる電子スイッチ手段とからなり、前記電力変換手段は前記負荷に常時接続され、かつ前記制御手段により、前記各スイッチおよび電子スイッチ手段を前記各モードにしたがって切り替えるようにしたことにより、２つの電源からの電力を負荷に並列供給することができる。

また、前記蓄電手段の出力部と商用電力との接続点の商用電力側に電力変換手段と商用電力を遮断する電子スイッチ手段を設けることにより、商用電力の給電中は蓄電手段の出力と商用電力で電流を分担しながら、所定の負荷に給電し、商用電力の停電を検出し直ちに前記電子スイッチ手段を開路するとともに蓄電手段の出力制御を自立運転可能とし、自立運転開始後に所定の負荷の全負荷電流を前記蓄電手段で給電するように制御することができる。これにより、蓄電手段で自立運転をした場合に起こる商用系統への逆潮流を防止することができる。

前記電力変換手段と蓄電手段との間にブレーカーを設けて短絡防止を行い、さらに地絡保護のための地絡検出手段を設けることにより、災害を防止することができる。また、トランスと前記電力変換手段の間にヒューズを設け短絡防止を行う。
温度センサを設けたことにより、前記蓄電手段の温度管理を行い、異常時には本電力貯蔵システムの動作を停止させることで、前記蓄電手段を保護する。また、この温度管理は充放電の電圧管理にも使用することができる。
前記蓄電手段に、太陽光発電、風力発電等の外部発電手段からの電力を供給する構成とすることができ、これにより、ＣＯ_２の発生を抑制して地球環境の改善を図ることができる。

以上のように、本発明によれば、夜間料金適用時間帯以外の時間帯において、負荷の消費電力が前記所定の値以上のときは前記商用電力と前記蓄電手段からの前記負荷への電力供給を並行して行う機能を備えたことにより、負荷から出力容量以上の電力要求があった場合でも、蓄電手段に蓄電された電力を有効に使い切ることにより、夜間電力の有効利用と、デイタイム電力の使用を抑制することができる。

整流手段および電力変換手段を、両者の機能を備えた双方向電力変換器とすることにより、蓄電手段に対する充電動作時はコンバータとして動作するように、また、蓄電手段から負荷へ電力を放電動作時はインバータとして動作するように制御される。

電力選択手段を、第１および第２のスイッチ並びに電子スイッチ手段で構成することにより、２つの電源からの電力を負荷に並列供給することができる。

商用電力との間に商用電力を遮断する電子スイッチ手段を設け、前記の商用電力側に停電検出手段を設けることにより、商用電力側で停電が発生した場合、電子スイッチ手段をオープンすることで、蓄電手段で自立運転をした場合に起こる商用系統への逆潮流を防止することができる。

以下、本発明の電力貯蔵システムの実施の形態を、図１から図１２を用いて説明する。

図１は、本発明に係る電力貯蔵システムの実施の形態の構成を示すブロック図（単線図）である。同図において、本実施の形態の電力貯蔵システムは、商用電力から受電する分電盤１０と蓄電手段３を構成する蓄電池３０から負荷４０への電力供給を切り替える電力選択手段１と、分電盤１０からの交流電力（商用電力）を蓄電池３０への充電のための直流電力に変換するコンバータと蓄電池３０に蓄電された直流電力を交流電力に変換するインバータの両方の機能を有する双方向電力変換器２と、蓄電池３０からなる蓄電手段３と、電力選択手段１と双方向電力変換器２を制御する制御手段４を備えている。図中１１は過負荷時及び電路漏電時に遮断する漏電ブレーカー、１２は双方向電力変換器２からの低次のスイッチングノイズ等を除去するノイズフィルタ、１６はヒートシンクの温度センサ、１７は平滑コンデンサ、１８はバッテリー電圧検出器、１９は蓄電手段３の故障時や点検時等に開放するブレーカー、２２は地絡保護を行い、地絡時の漏電による災害を防止するための直流地絡検出器である。温度センサ１６は、ヒートシンクの温度情報を制御手段４へ伝達し、制御手段４は温度異常時には双方向電力変換器２を停止させ、双方向電力変換器２を保護する。

電力選択手段１は、２系統の切替スイッチＭＳ１およびＭＳ２と、サイリスタ等のスイッチング素子で構成される電子スイッチＱ５，６とを備えている。切替スイッチＭＳ１とＭＳ２は、マグネットスイッチ５により開閉制御される。マグネットスイッチ５と電子スイッチＱ５，６は、制御手段４により制御される。

双方向電力変換器２の主変換部は、スイッチング素子１５より構成され、蓄電池３０に対する充電動作時はコンバータとして動作するように、また、蓄電池３０から負荷４０へ電力を放電動作で供給する時はインバータとして動作するように、制御手段４およびスイッチング駆動部６により制御される。このようにスイッチング素子１５を制御することによって、双方向電力変換器２の交流電流波形を商用電圧の正弦波に一致させるように制御し、充電および放電ができる双方向電力変換を可能にする。

具体的には、次のようなスイッチング制御を行う。
（１）スイッチング素子１５に入り切り指令を与えてスイッチング動作を行い、入力電圧をパルス状にする。
（２）このパルスが任意区間において正弦波になるように制御を行う。
（３）この正弦波は充電時にはスイッチングにより発生した波形をコンデンサ１７で平滑することで直流電流とし、放電時には出力電圧を正弦波にする。
（４）この制御により双方向電力変換器２において双方向の電力変換を可能にする。

また、スイッチング制御時のパルス幅を大きくすると電流、電圧は大きくなり、パルス幅を小さくすると電流、電圧は小さくなる。蓄電手段３には、任意の電流で定電流充電を行う。充電電気量に近くなるとパルス幅を小さくして充電電流を小さくし、充電電気量完了まで充電を行う。このように段階的に充電電流値を制御して蓄電池３０への最適蓄電量を制御する。放電電力及び負荷電力を監視しパルス幅を変化させてインバータ出力電圧を変化させて蓄電手段３の放電を制御することができる。

（１）スイッチング素子１５に入り切り指令を与えてスイッチング動作を行い入力電圧をパルス状にする。
（２）任意の区間（本構成では６７μＳ）においてオン・オフ動作を行う。素子がオン状態では電流を増加し、オフ状態では電流が減少する事を利用して任意区間における電流値を決定する。この電流値は任意区間のオン状態のパルス幅を広げると大きくなり、反対に狭めると小さくなる。これを利用して任意の区間全体において電流値が正弦波になるようにパルス幅の制御を行う。
（３）このパルス状の波形を充電時には平滑コンデンサ１７で平滑して直流電流として畜電池に充電を行う。放電時には商用周波数と同じ周波数にして負荷へ供給を行う。さらに、商用からの系統補充運転を行う場合は商用周波数と同期を合せてインバータ出力を行う。
（４）これらの制御により双方向電力変換器２において双方向の電力変換を可能にする。

双方向電力変換器２には、平滑コンデンサ１７が設けられており、充電電流を平滑して蓄電池３０へ充電を行う。また、電力選択手段１と双方向電力変換器２との間には、蓄電池３０への充電時には降圧し、蓄電池３０からの放電時には昇圧するトランス１４が設けられている。また、このトランスの漏れリアクタスを利用してコンデンサ１３とフィルタ構成し、双方向電力変換器２による電力変換時に発生する高次の高調波を低減させる。

蓄電手段３には、蓄電池３０の温度を検出する温度センサ２１が設けられている。この温度センサ２１は蓄電池３０の温度情報を制御手段４へ伝達する。温度異常の時は双方向電力変換器２を停止させ、電池を保護する。また、温度情報は充放電時に制御手段４が行う電圧制御値に利用する。
蓄電池３０には、また、太陽光発電、風力発電、水素電池等の外部発電手段２０を接続することもできる。これにより、自然エネルギーである太陽光発電電力、風力発電電力等を蓄電でき、またクリーンエネルギーである水素電池等を使用することにより、ＣＯ_２削減に寄与することができる。

制御手段４は、本実施の形態ではＣＰＵにより構成され、商用電力の電圧と電流、出力の電圧と電流および蓄電池の電圧と、内部タイマーの時刻情報に基づいて電力選択手段１の各スイッチを制御し、また双方向電力変換器２のインバータ機能およびコンバータ機能を制御する。

各運転モードにおける電力選択手段１のスイッチの動作状況を図２に示す。商用運転、充電運転モードの場合は、切替スイッチＭＳ１と電子スイッチ手段Ｑ５，６は閉じている。商用運転モードでは双方向電力変換装置２を動作させないので、電力は負荷側へと供給されるだけとなる。充電運転モードでは双方向電力変換装置２をコンバータとして動作させ、充電を行うので蓄電池３０と負荷へ電力が供給される。放電運転モードの場合は、電子スイッチ手段Ｑ５，６が開放するので、双方向変換器装置２からのみの給電となる。

系統補充運転モードでは、切替スイッチＭＳ１と電子スイッチ手段Ｑ５，６は閉じているが、制御手段４により、ある一定の値までの消費電力（例えば１．５ｋＶＡ）は蓄電池３０から電力供給し、それ以上の不足分の消費電力は商用電力から電力供給するように制御を行う。この制御は、負荷４０への出力電圧、出力電流、双方向変換器２からのインバータ電流を監視することにより制御手段４が行う。

次に、本実施の形態における動作について、図３〜図７のフローチャートおよび図８〜図１２の系統接続図を用いて説明する。

１．定常運転
図３に示すステップ１００において、放電開始時間帯、すなわち夜間料金時間帯以外の時間帯かどうかを判断する。これは、制御装置４のＣＰＵ内部のタイマー（図示せず）を用いて計時を行うことで可能である。放電開始時間帯であれば、ステップ１１０において、放電開始条件を満たしているかどうかを判断する。放電開始条件は、本例では蓄電池電力残量、蓄電池温度、放電時間帯である。

条件が成立しているときは、ステップ１２０で負荷電力が設定値（本例では１．５ｋＶＡ）以上かどうかを判定する。設定値未満であれば、ステップ１３０で電力選択手段１の切替スイッチＭＳ１と電子スイッチＱ５，６を開放し、蓄電池３０からのみの放電運転モードとする（図１０）。負荷電力が設定値（本例では１．５ｋＶＡ）以上であれば、ステップ１４０で電力選択手段１の切替スイッチＭＳ１と電子スイッチＱ５，６を全て投入し、放電運転に対し商用電力を供給する系統補充運転モードとする（図１１）。運転モードが決まると、ステップ１５０の放電運転出力制御を行う。

ステップ１６０では、蓄電池残量、蓄電池温度、放電時間帯などの放電運転継続条件を監視する。不成立になると、ステップ１７０で放電運転停止および放電量記録処理を行う。これには、ステップ１８０の放電量監視処理を常時行っておく。ステップ１９０では、電力選択手段１の切替スイッチＭＳ１を閉じ、電子スイッチＱ５，６を閉じることにより電力分配切替を商用運転とする（図８）。

２．非定常運転
図４に示すステップ２００において、停電が発生すると、ステップ２１０で現在の運転状況を判定する。充電モードであれば、ステップ２２０で充電運転時非定常処理を行う。放電モード（系統補充運転モードも含む）であれば、ステップ２３０で放電運転時非定常処理を行う。商用運転モードであれば、ステップ２４０で商用運転時非定常処理を行う。ステップ２５０では、放電深度を判断する。放電深度が超過であれば、ステップ２６０で均等充電要求フラグをセットする。

すなわち、
（１）非定常運転において、蓄電池より負荷へ電力供給することで蓄電容量が減り、放電深度まで達するとステップ２６０の動作を実行する。この間、商用は停電中である。
（２）商用電力が停電から復帰した場合、本システムは非定常運転から定常運転（商用運転）へ移行する。この時フラグがセットされている場合、充電時間帯に充電を行う。
ステップ２７０では、停電発生記録を行う。（図１２）

３．充電制御（１）
図５に示すステップ３００において、充電時間帯かどうかを判定する。充電時間帯であれば、ステップ３１０で充電の要否を判定し、充電要であればステップ３１０で電力選択手段１の切替スイッチＭＳ１、電子スイッチＱ５，６を投入して双方向電力変換器２を介して商用電力からの充電を行う（図９）。

４．電池温度監視
図６のステップ４００において、充電開始時の温度を記録する。ステップ４１０において、温度センサ２１で計測した電池温度現在値と充電開始時の温度とを比較する。
ステップ４２０では充電終了かどうかを判断し、充電未終了の場合は、６℃以上の温度上昇があったかどうかを判定し、温度上昇があれば、ステップ４４０で充電停止フラグをセットし、充電を停止する。

５．充電制御（２）
図７のステップ５００において、電池電圧検出、電池温度検出処理を行う。ステップ５１０で充電諸量をセットする。
ここで、充電諸量とは、充電運転を行う場合、充電電気量に達するまでに段階的に充電電流値を減らして充電を行うときの電流値設定のことをいう。
次いで、ステップ５２０で定電流充電を行う。ステップ５３０では充電電気量に到達したかどうかを判定し、到達したら、ステップ５４０で電池電圧判定処理を行う。

本発明は、夜間電力を蓄電し、夜間電力の供給時間帯以外の時間帯に放電することによって、電気料金の削減および負荷平準化を図ることができ、さらに蓄電手段に太陽光発電、風力発電その他の外部発電手段による電源をそのまま充電或いは直流に変換して充電することができる電力貯蔵システムとして利用することができる。

本発明に係る電力貯蔵システムの実施の形態の構成を示すブロック図（単線図）である。本発明の実施の形態における各運転モードにおける電力選択手段のスイッチの動作状況を示すテーブルである。本発明の実施の形態における制御手段の動作を示すフローチャートである。本発明の実施の形態における制御手段の動作を示すフローチャートである。本発明の実施の形態における制御手段の動作を示すフローチャートである。本発明の実施の形態における制御手段の動作を示すフローチャートである。本発明の実施の形態における制御手段の動作を示すフローチャートである。本発明の実施の形態における各運転モードの説明図である。本発明の実施の形態における各運転モードの説明図である。本発明の実施の形態における各運転モードの説明図である。本発明の実施の形態における各運転モードの説明図である。本発明の実施の形態における各運転モードの説明図である。

符号の説明

１電力選択手段
２双方向電力変換器
３蓄電手段
４制御手段
５マグネットスイッチ
６スイッチング駆動部
１０分電盤
１１漏電ブレーカー
１２ノイズフィルタ
１３コンデンサ
１４トランス
１５スイッチング素子
１６温度センサ
１７平滑コンデンサ
１８バッテリー電圧検出器
１９ブレーカー
２０外部発電手段
２１温度センサ
２２直流地絡検出器
２３ヒューズ
３０蓄電池
４０負荷

Claims

商用電力を直流電力に変換する整流手段と、整流された直流電力を貯蔵する蓄電手段と、前記蓄電手段に蓄電された直流電力を前記商用電力の電圧および周波数にほぼ等しい交流電力に変換する電力変換手段と、前記商用電力と前記電力変換手段により変換された交流電力を複数のスイッチを切り替えて選択的に負荷に供給する電力選択手段と、前記電力選択手段の複数のスイッチの制御を行う制御手段とを有し、
前記制御手段は、夜間料金適用時間帯は前記商用電力から前記整流手段を介して前記蓄電手段に電力を供給するとともに前記負荷に電力を供給する夜間運転モードと、前記夜間料金適用時間帯以外の時間帯においては、前記負荷の消費電力が所定の値未満のときは前記蓄電手段からのみの前記負荷への電力供給を行う放電運転モードと、前記負荷の消費電力が前記所定の値以上のときは、前記所定の値までの消費電力は前記蓄電手段から電力供給し、前記所定の値以上の消費電力は前記商用電力から電力供給する系統補充運転モードの各モードに応じて前記複数のスイッチを制御するものであることを特徴とする電力貯蔵システム。
前記整流手段および前記電力変換手段は、両者の機能を備えた双方向電力変換器である請求項１記載の電力貯蔵システム。
前記電力選択手段は、商用電力と前記電力変換手段との間に接続される第１のスイッチと、商用電力と負荷との間に接続される第２のスイッチと、前記電力変換手段と前記第１のスイッチとの間に設けられる電子スイッチ手段とからなり、前記電力変換手段は前記負荷に常時接続され、かつ前記制御手段により、前記各スイッチおよび電子スイッチ手段を前記各モードにしたがって切り替えるようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の電力貯蔵システム。
前記蓄電手段の出力部と商用電力との接続点の商用電力側に電力変換手段と商用電力を遮断する電子スイッチ手段を設けたことを特徴とする請求項１から３のいずれかの項に記載の電力貯蔵システム。
前記電力変換手段と前記蓄電手段との間に、地絡保護のための地絡検出手段を設けたことを特徴とする請求項１から４のいずれかの項に記載の電力貯蔵システム。
温度センサを設けたことにより、前記蓄電手段の温度管理を行い、異常時には本電力貯蔵システムの動作を停止させることで、前記蓄電手段を保護することを特徴とする請求項１から５のいずれかの項に記載の電力貯蔵システム。
前記蓄電手段に、太陽光発電、風力発電等の外部発電手段からの電力を供給する構成としたことを特徴とする請求項１から６のいずれかの項に記載の電力貯蔵システム。