JP2006050763A

JP2006050763A - 電力負荷平準化システム

Info

Publication number: JP2006050763A
Application number: JP2004227536A
Authority: JP
Inventors: Kenya Takiwaki; 賢也滝脇; Yasuo Takagi; 康夫高木; Tetsuya Funatsu; 徹也船津; Haruhiko Hirata; 東彦平田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-08-04
Filing date: 2004-08-04
Publication date: 2006-02-16

Abstract

【課題】軽量で寿命が長くメンテンナンスが容易でしかも低価格の電力負荷平準化システムを提供することである。
【解決手段】電力貯蔵装置１４は、複数の小型電池１５を直列接続して形成された複数の電池アセンブリ１６を並列接続して構成された電池モジュール１７を備え、制御装置１８は、電力系統の交流電力及び電力貯蔵装置１４の直流電力を双方向に変換する電力変換装置１３で変換される電力量を所定のスケジュールに従って制御する。これにより、軽量で寿命が長くメンテンナンスが容易でしかも低価格の電力負荷平準化システムが提供できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力系統の低負荷時に電力を電力貯蔵装置に充電し、電力系統の高負荷時に電力貯蔵装置の電力を放電する電力負荷平準化システムに関する。

一般に、電池を用いた電力貯蔵システムには２つの種類のタイプが存在している。一つは無停電電源装置ＵＰＳといわれるもので、商用系統の停電時にバックアップ電源として広く電池が用いられている。無停電電源装置ＵＰＳは、停電させることのできない系統を持つ病院や半導体工場などで広く採用されている。無停電電源装置ＵＰＳには、一般に鉛電池が用いられており、停電を検出後に即座に電池に切り替え、停電の影響を防ぐ操作がインバーターを用いて実現されている。停電の回数は概して少ないこと、また、無停電電源装置ＵＰＳが必要な施設では、一般に非常用発電装置も併設されていることから、電池によるバックアップは、短時間、例えば２〜３分程度で十分なので、大きな容量を必要としない場合が多い。このことから、安価な鉛電池が使われてきている。ここで使われている鉛電池は、バッテリー液が常に必要であることから常時適切なメンテナンスが必要である。また、単位電力充電量に対して重いのが特徴である。

他のもう一つは、電力負荷平準化のために開発されたＮａＳ電池やレドックスフロー電池を用いた大型の電力貯蔵電池である。これらのシステムは数百ｋＷｈから数千ｋＷｈの大容量を持ち夜間電力を蓄えて昼間の電力負荷を賄う。常時電力負荷を賄うために、大容量化に特に注意が払われており、鉛電池と比べて数倍の単位重さ当たりの電力貯蔵量を持ち、充放電サイクル寿命も大きく伸延している。

二次電池電力貯蔵システムとして、昼間の所定時間帯を通じて一定電力を平均的に放電するロードレベリング運転（ＬＬ運転）と、所定時間帯内の特定時間に高電力を集中的に放電するピークカット運転とを使い分けて運転する際に、運転モードの選択を自動的に行うようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。また、一般の需要家において、低料金の夜間電力を多く受電し、昼間にピークとなる電力需要を満足させるようにした電力供給システムがある（例えば、特許文献２参照）。
特開平８−２８７９５８号公報特開２００３−６１２５１号公報

ところが、特許文献１のものでは二次電池電力貯蔵システムの電池として、大型であることからＮａＳ電池等が用いられていると推察されるので、高コストで負荷平準化による電力コスト削減では初期投資を賄うことが難しい。また、特許文献２のものでは二次電池として燃料電池が用いられており、水素の製造や水素の貯蔵等の管理が難しい。

前述したように、現状では無停電電源ＵＰＳとしては鉛電池が用いられ、電力負荷平準化にはＮａＳ電池が用いられているが、前者は低コストではあるが重く寿命が短く、後者は高コストで負荷平準化による電力コスト削減では初期投資を賄うことが難しい。ＮａＳ電池は、鉛電池と比べると飛躍的に性能は向上しているものの、数百度にも達する温度を常時保持する必要があり、メンテナンスがさらに難しくなっており、また高価格である。

本発明の目的は、軽量で寿命が長くメンテンナンスが容易でしかも低価格の電力負荷平準化システムを提供することである。

本発明の電力負荷標準化システムは、電力系統の低負荷時に電力を電力貯蔵装置に充電し、電力系統の高負荷時に電力貯蔵装置の電力を放電する電力負荷平準化システムにおいて、複数の小型電池を直列接続して形成された複数の電池アセンブリを並列接続して構成された電池モジュールを備えた電力貯蔵装置と、電力系統の交流電力及び電力貯蔵装置の直流電力を双方向に変換する電力変換装置と、前記電力変換装置で変換される電力量を所定のスケジュールに従って制御する制御装置とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、複数の小型電池を組み合わせて電池モジュールを形成して、電力貯蔵装置を構成するので、軽量で寿命が長くメンテンナンスが容易な電力負荷平準化システムとすることができ、しかも、安価な電力負荷平準化システムを実現できる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係わる電力負荷標準化システムの構成図である。電力貯蔵装置１４は電力系統に対して、遮断器１１、トランス１２、および電力変換装置１３を通して連系される。電力変換装置１３は制御装置１８により制御され、電力系統の交流電力及び電力貯蔵装置１４の直流電力を双方向に変換する。その際、制御装置１８は、電力変換装置１３で変換される電力量を所定のスケジュールに従って制御する。

電力貯蔵装置１４は、低コストかつ大容量の電池として、小型ではあるがＬｉ電池またはＮｉＨ電池を複数用いて構成される。すなわち、複数の小型電池を直列接続して複数の電池アセンブリを形成し、その複数の電池アセンブリを並列接続して電池モジュールを形成して構成される。

図２は、電力貯蔵装置１４の内部構成図である。図２では電力貯蔵装置１４の内部構成を模式的に表している。図２に示すように、複数の小型電池１５を束ねて直列接続して棒状の電池アセンブリ１６を形成する。そして、複数の電池アセンブリ１６を並列接続して電池モジュール１７を形成する。そして、耐震性を考慮して各々の小型電池１５間の機械的接続及び電池モジュール１７の機械的配置を維持し、また、各小型電池１５の接触を確実にするために保持部材１９により一定圧で押し付ける構造としている。

図３は、電力貯蔵装置１４における電池モジュール１７の他の一例を示す内部構成図である。棒状の電池アセンブリ１６の間には冷却のための適切な隙間２０が形成されており、図示省略のファンより送られる空気によって冷却できるようになっている。小型電池としてＬｉ電池を使用するので、鉛蓄電池と異なり電解液がない。従って、環境変化に強く風で冷却するだけであるので低コストかつ故障が少ない。

本発明の第１の実施の形態によれば、電力貯蔵装置１４として、複数の小型電池を直列接続して棒状の電池アセンブリ１６を形成し、電池アセンブリ１６を束にまとめた電池モジュール１７を構成するので、長寿命かつ安全性の高い電力貯蔵システムを構成できる。また、必要に応じて、棒状の電池アセンブリ１６の間には隙間２０を形成し冷媒が通過できる構造とするので、冷却も適正に行える。このように、安価で小型のＬｉ電池またはＮｉＨ電池を複数用いて電力貯蔵装置１４を構成したので、Ｌｉ電池またはＮｉＨ電池を大型化する必要がなくコストアップを抑制できる。

次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。図４は本発明の第２の実施の形態に係わる電力負荷標準化システムの構成図である。この第２の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、電池アセンブリ１６の小型電池１５の異常を検出する電池異常検出装置２１を追加して設けたものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図４に示すように、電池異常検出装置は電池アセンブリ１６の運転電流を測定する運転電流測定手段２２と、運転電流測定手段２２で測定された運転電流に基づいて電池アセンブリ１６の異常を検出する異常検出手段２３とから構成される。

図５は、第２の実施の形態における運転電流測定手段２２の取り付けの説明図である。運転電流測定手段２２は各々の電流アセンブリ１６に設けられ、電流アセンブリ１６に流れる運転電流を検出する。すなわち、電池アセンブリ１６の運転電流を電流測定手段２２により測定することにより、電池アセンブリ１６を形成する小型電池１５の性能のばらつきを判定する。異常検出手段４２は、各々の電流アセンブリ１６の電流の中で、特に電流の少ない電池アセンブリ１６や電流が逆流している電池アセンブリ１６を判定し、その場合には、電池アセンブリ１６は異常であるとして検出する。

電流が少ない電池アセンブリ１６は他の正常な電池アセンブリ１６と比べて、同じ条件下での起電力が小さいことを意味し、劣化した小型電池１５を含むと判定できる。これを放置すると劣化した小型電池１５が加熱したり、並列接続された他の電池アセンブリ１６に電流が集中して、その部分の小型電池１５が過熱する恐れがある。そこで、このような事故を防ぐために劣化した小型電池１５を含む電池アセンブリ１６を検出する。

図６は、第２の実施の形態に係わる電力負荷平準化システムの他の一例を示す構成図である。図６では、電池異常検出装置２１として、運転電流測定手段２２に変えて運転温度測定手段２４を設け、電池アセンブリ１６の小型電池１５の運転温度に基づいて電池アセンブリ１６の異常を検出するようにしたものである。

各々の小型電池１５に運転温度測定手段２４を取り付け、電池異常検出装置２１で小型電池１５の温度を監視する。これにより、故障した小型電池１５を特定する。劣化した小型電池１５は同じ電池アセンブリ１６に並んだ他の小型電池１５に対して、電圧損失が大きいので発熱も大きい。発熱の大きさは電圧損失の大きさに比例するので、運転温度測定手段２４が測定した小型電池１５の温度により劣化した小型電池１５の検出を行う。

第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果に加え、故障した電池アセンブリ１６や故障した小型電池１５を検出できるので、信頼性が向上する。

次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。図７は本発明の第３の実施の形態に係わる電力負荷平準化システムの構成図である。この第３の実施の形態は、第２の実施の形態に対し、電池異常検出装置２１が電池アセンブリ１６または小型電池１５の異常を検出したときは、異常が検出された電池アセンブリ１６または異常が検出された小型電池１５を含む電池アセンブリ１６を除去する除去装置２５を設けたものである。

除去装置２５は、電池異常検出装置２１の異常検出信号を受けて、故障した小型電池１５を含む電池アセンブリ１６の除去を行う。また、他の正常な電池アセンブリ１６に過大な電流が流れないような出力制限を行う。故障した小型電池１５は最終的には交換する必要があるが、運転中においては故障した小型電池１５があってもその数が小数である場合には正常な小型電池１５のみで運転を継続できる。この場合、故障した小型電池１５を外して、正常な小型電池１５のみで運転を継続するのが望ましい。そこで、除去装置２５は、電池異常検出装置２１が電池アセンブリ１６または小型電池１５の異常を検出したときは、異常が検出された電池アセンブリ１６または異常が検出された小型電池１５を含む電池アセンブリ１６を除去する。

図８は、第３の実施の形態における除去機能付き電池アセンブリ１６の説明図である。図８に示すように、各々の電池アセンブリ１６には電池アセンブリ１６の並列接続を入切するためのサイリスタスイッチ２６が取り付けられており、電池異常検出装置２１が電池アセンブリ１６または小型電池１５の異常を検出したときは、除去装置２５は故障の除去のために、サイリスタスイッチ２６を切り状態にし、故障した小型電池１５を含む電池アセンブリ１６を電気的に絶縁する。これにより、故障した小型電池１５の過熱を防ぎ事故を防止する。同時に、他の正常な電池アセンブリ１６に過大な電流が流れないような出力制限を行う。

第３の実施の形態によれば、第２の実施の形態の効果に加え、運転中であっても、故障した電池アセンブリ１６や故障した小型電池１５を除去することができ安全に運転を継続できる。

次に、本発明の第４の実施の形態を説明する。図９は本発明の第４の実施の形態に係わる電力負荷平準化システムの構成図である。この第４の実施の形態は、第２の実施の形態に対し、電池アセンブリ１６の小型電池１５の正常および異常を監視者に知らせるための連絡装置２７を設けたものである。

第４の実施の形態によれば、電池異常検出装置２１で検出された電池アセンブリ１６や小型電池１５の異常判定を連絡装置２７により運用者に連絡することで、劣化した小型電池１５の加熱等による事故を防ぐことができる。

次に、本発明の第５の実施の形態を説明する。図１０は本発明の第５の実施の形態に係わる電力負荷平準化システムの構成図である。この第５の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、制御装置１８は、予め定められた評価関数に基づいてスケジュールを演算すると共に最大受電電力量指示値を演算する最適化演算手段２８を備えたものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

制御装置１８の最適化演算手段２８は、データ入力手段２９を介して、電池の寿命データＤ１、年間の１日毎最大電力需要データＤ２、１日の時刻別電力需要データＤ３、時間帯別季節別電力料金と基本料金データ等の電力料金データＤ４を入力しデータ保存部３０に保存する。最適化演算手段２８は、年間コスト最小化演算を行う評価関数と、年間ＣＯ_２発生量最小化演算を行う評価関数とを有し、これら最適化計算に使用するデータをデータ保存部３０から受け取って最適化演算を行う。

最適化演算手段２８は、運用者が与えた評価関数を最小にするように運用計画を電力変換装置１３に対して指示する。評価関数が運用コストであれば、以下のコスト関数を年間通じて最小にするような運用スケジュール及び最大受電電力を出力する。

評価関数＝年間買電量＊時間帯別季節別単価＋契約料金
また、評価関数が運用コスト＋設備コストであれば、以下のコスト関数を年間通じて最小にするような運転スケジュール、メンテナンススケジュール及び最大受電電力を出力する。

評価関数＝年間買電量＊時間帯別季節別単価＋契約料金＋設備導償却費
＋設備メンテナンス費
また、評価関数がＣＯ_２発生量であれば、以下の関数に対して最適スケジュールを指示する。

評価関数＝年間の時間帯別消費電力＊時間帯別ＣＯ_２発生源単位
スケジュール及び最大受電電力は運用者にも示され運用のガイダンスとなる。なお、最適化演算は第４の実施の形態では逐次２次計画法によった。

第５の実施の形態によれば、制御装置１８の最適化演算手段２８により、運用者が与えた評価関数を最小にするように運用計画を電力変換装置１３に対して指示することができる。例えば、評価関数がコストであれば、コスト関数を年間を通じて最小にするようなスケジュールを出力し、ＣＯ_２排出量最小であれば、ＣＯ_２排出評価関数を最小化する運用スケジュールを生成するので、評価関数に従って適正に電力を制御できる。

次に、本発明の第６の実施の形態を説明する。図１１は本発明の第６の実施の形態に係わる電力負荷平準化システムの構成図である。この第６の実施の形態は、図１０に示した第５の実施の形態に対し、制御装置１８の最適化演算手段２８に代えて、その最適化演算手段２８を実施する別置きの計算装置３１を設け、制御装置１８は計算装置３１からスケジュールＤ５と最大受電電力量指示値Ｄ６とを入力するようにしたものである。図１０と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図１１において、最適化演算手段２８を別置きの計算装置３１に設けられている。計算装置３１は情報ネットワークを介して離れた場所におくことも可能である。制御装置１８はスケジュールＤ５と最大受電電力量指示値Ｄ６とを最適化演算手段２８により受け取り、スケジュールＤ５と最大受電電力量指示値Ｄ６とに従って制御を行う。

第６の実施の形態によれば、第４の実施の形態に効果に加え、最適化演算手段２８を別置きの計算装置３１に設けるので、制御装置１８とは別の場所に設置することができ、また、最適化演算の保守が容易に行える。

本発明の第１の実施の形態に係わる電力負荷標準化システムの構成図。本発明の第１の実施の形態における電力貯蔵装置の内部構成図。本発明の第１の実施の形態における電力貯蔵装置の他の一例を示す内部構成図。本発明の第２の実施の形態に係わる電力負荷標準化システムの構成図。本発明の第２の実施の形態における運転電流測定手段の取り付けの説明図。本発明の第２の実施の形態に係わる電力負荷平準化システムの他の一例を示す構成図。本発明の第３の実施の形態に係わる電力負荷平準化システムの構成図。本発明の第３の実施の形態における除去機能付き電池アセンブリの説明図。本発明の本発明の第４の実施の形態に係わる電力負荷平準化システムの構成図。本発明の本発明の第５の実施の形態に係わる電力負荷平準化システムの構成図。本発明の第６の実施の形態に係わる電力負荷平準化システムの構成図。

符号の説明

１１…遮断器、１２…トランス、１３…電力変換装置、１４…電力貯蔵装置、１５…小型電池、１６…電池アセンブリ、１７…電池モジュール、１８…制御装置、１９…サポート部材、２０…隙間、２１…電池異常検出装置、２２…運転電流測定手段、２３…異常検出手段、２４…運転温度測定手段、２５…除去装置、２６…サイリスタスイッチ、２７…連絡装置、２８…最適化演算手段、２９…データ入力手段、３０…データ保存部、３１…計算装置

Claims

電力系統の低負荷時に電力を電力貯蔵装置に充電し、電力系統の高負荷時に電力貯蔵装置の電力を放電する電力負荷平準化システムにおいて、複数の小型電池を直列接続して形成された複数の電池アセンブリを並列接続して構成された電池モジュールを備えた電力貯蔵装置と、電力系統の交流電力及び電力貯蔵装置の直流電力を双方向に変換する電力変換装置と、前記電力変換装置で変換される電力量を所定のスケジュールに従って制御する制御装置とを備えたことを特徴とする電力負荷平準化システム。
前記電池アセンブリの小型電池は、Ｌｉ電池またはＮｉＨ電池であることを特徴とする請求項１記載の電力負荷平準化システム。
前記電力貯蔵装置は、前記電池アセンブリの間に適切な隙間が保持されて構成されたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の電力負荷平準化システム。
前記電池アセンブリまたは小型電池の異常を検出する電池異常検出装置を備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一記載の電力負荷平準化システム。
前記電池異常検出装置は前記電池アセンブリの運転電流または前記小型電流の運転温度に基づいて異常を検出することを特徴とする請求項４記載の電力負荷平準化システム。
前記電池異常検出装置が前記電池アセンブリまたは小型電池の異常を検出したときは、異常が検出された電池アセンブルまたは異常が検出された小型電池を含む電池アセンブルを除去する除去装置を設けたことを特徴とする請求項４または請求項５のいずれか一記載の電力負荷平準化システム。
前記電池アセンブリの小型電池の正常および異常を監視者に知らせるための連絡装置を備えたことを特徴とする請求項４ないし６のいずれか一記載の電力負荷平準化システム。
前記制御装置は、予め定められた評価関数に基づいて前記スケジュールを演算すると共に最大受電電力量指示値を演算する最適化演算手段を備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一記載の電力負荷平準化システム。
前記最適化演算手段は、年間の１日毎最大電力需要データ、１日の時刻別電力需要データ、時間帯別季節別電力料金と基本料金データ、電池の寿命データを入力して保存し、これらデータに基づいて、年間コスト最小化演算を行う評価関数と、年間ＣＯ_２発生量最小化演算を行う評価関数とを備えたことを特徴とする請求項８記載の電力負荷平準化システム。
前記制御装置の最適化演算手段に代えて、その最適化演算手段を実施する別置きの計算装置を設け、前記制御装置は前記計算装置から前記スケジュールと最大受電電力量指示値とを入力することを特徴とする請求項８記載の電力負荷平準化システム。