JP2011141969A - ナトリウム−硫黄電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】配電系統に太陽光発電設備が大量に連系した場合に、配電系統の安定化をナトリウム−硫黄電池システムにより実現する。
【解決手段】配電用変電所の一次母線又は二次母線と連系するナトリウム−硫黄電池システム（ＮａＳ電池システム）であり、ＮａＳ電池システムのヒータへは、配電用変電所の構内電源から電力供給し、配電用変電所の電力系統との連系点に設置した計測装置からの計測値をＮａＳ電池システムの交直変換装置の制御装置に伝送し、この計測値を基に充放電を制御することを特徴とするものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ナトリウム−硫黄電池システムを電力系統の安定化、特に、配電系統の安定化のために使用する場合の制御に関するものである。

ナトリウム−硫黄電池（以下、元素記号を用いて「ＮａＳ電池」と称することもある）は、３００℃程度以上で動作する高温動作型蓄電池であり、高いエネルギー密度と長いサイクル寿命から普及が進んでいる。ＮａＳ電池は、当初は、電力需要の平準化のために電気事業者（電力会社）の設備として設置することを目的に開発されたが、現在は、需要家の負荷平準化対策や瞬時電圧低下対策としての設置が主流であり、また、出力変動抑制用途として風力発電設備に併設されることも多くなっている。

一方、低炭素社会の実現が望まれるようになり、発電時に二酸化炭素を排出しない太陽光発電設備（太陽電池）の設置が期待されている。しかし、太陽光発電は日光の照射状況により出力が変動するため、太陽光発電設備の大量設置により、太陽光発電設備が連系される電力系統、特に、配電系統に、周波数や電圧の変動等の悪影響が発生することが懸念されている。

そのため、太陽光発電設備と蓄電池を組み合わせて太陽光発電の出力の不安定さを補償することが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。これは、需要家側の対策であるが、電力系統を維持管理する電気事業者側としても、何らかの対策を検討しておく必要がある。

そこで、ＮａＳ電池システムの持つ充放電の即応性を活かし、所与の条件で系統電力を充放電することにより、特に、太陽光発電設備が直接連系される配電系統の安定化を図ることが考えられる。

特開平１１−１７１１０７号公報

そのため、配電系統の安定化のためのＮａＳ電池システムの具体的な構成と制御方法の具体化が問題となる。

ＮａＳ電池システムを配電系統の安定化のために電気事業者の設備として設置する場合は、配電用変電所に連系するのが基本になるものと考えられる。また、配電用変電所の容量は殆どの場合で６〜９万ｋＶＡであり、需要家での太陽光発電設備の大量設置が進展した場合を考えると、連系するＮａＳ電池システムの容量は１万ｋＷ程度のものとなることが予想される。そして、系統安定化のための大容量なＮａＳ電池システムの設置においては、ヒータ稼働の集中による系統安定化の阻害を防止することが必要となる。

以下、ヒータ稼働の集中が問題となることを説明する。
ＮａＳ電池システム１は、図４に示すように、直流で入出力するＮａＳ電池本体３と交流の電力系統に連系するための交直変換装置４が主要な構成要素であるが、これらの制御装置（６、８）は別々に設置されており、それらの駆動用電力の供給も別々になされる。

つまり、交直変換装置の制御装置８への電力供給は交直変換装置４からなされる。一方、ＮａＳ電池本体は、多数の単電池（セル）を断熱容器内部で直並列に接続してモジュール電池となし、そのモジュール電池を更に直並列に接続して構成される。ＮａＳ電池は３００℃程度以上に昇温するため、モジュール電池の断熱容器の内部に電気式のヒータ７を内蔵し、ヒータ７により昇温し、又は、高温に保持する。そして、ＮａＳ電池の制御装置６及びヒータ７への電力供給は交直変換装置の制御装置８への電力供給ルートとは別になっている。

現在市販のモジュール電池は出力５０ｋＷであるが、この一つのモジュール電池には出力８ｋＷのヒータが内蔵されており、ヒータは、モジュール電池の断熱容器内部が３００℃〜３６０℃程度の温度範囲に収まるように図５に示すように間欠的に稼働される（温度は、ヒータ稼働がＯＮの時間とＯＦＦの時間で調整し、ヒータ出力を連続的に変化させるなどの調整は行わない。このため、モジュール電池を幾つか組み合わせたＮａＳ電池システムでは、場合によっては各モジュール電池のヒータ稼働のＯＮの時間帯が重なってしまい、ヒータの消費電力（の合計値）が大きくなる場合がある。

しかし、電気化学的な性質から、ＮａＳ電池は放電時（ナトリウムと硫黄が結合し、多硫化ナトリウムが生成されるとき）に発熱し、充電時（多硫化ナトリウムがナトリウムと硫黄に分離されるとき）に吸熱する。このため、需要家の昼夜間の需要（負荷）平準化用途でＮａＳ電池を充放電した場合は、ヒータの動作は図６に示したようになる。つまり、昼間の放電が主体となる時間帯では、放電に伴う発熱がモジュール電池の断熱容器内に蓄積されることで断熱容器内の温度は上昇し、ヒータは稼働しない。また、夜間の充電が主体となる時間帯においても、放電により上昇したモジュール電池の断熱容器内部の温度は徐々に降下していくことから、その時間帯の末期（つまり、朝方）および充電も放電もしない待機時間帯にヒータが稼働することになる。つまり、一日でヒータが稼働する時間帯は限られている。また、確率的に考えても、各ヒータの稼働はばらつくので、精々数百から数千ｋＷ規模の小中容量のＮａＳ電池システムでは、ヒータ稼働の集中によるヒータ消費電力の増大が問題となることはなかった。

しかし、需要（負荷）平準化ではなく系統安定化用として運用すると（つまり、充電と放電を頻繁に切り換えるように運用すると）、モジュール内部での発熱と吸熱の差が小さくなることから、ヒータ稼働も頻繁になり、需要（負荷）平準化の用途の場合よりもヒータ稼働の時間帯が格段に長くなる。また、大容量なＮａＳ電池システムの場合は、モジュール電池の数が多くなることから、ヒータ稼働が集中してしまった場合の消費電力も小中容量の場合より大きくなり、確率的には大きくはないものの、ヒータ消費電力が系統安定化を阻害することも考慮しなければならない（例えば、１００００ｋＷのＮａＳ電池システムの場合、全ヒータが稼働すると容量の８／５０＝１６％の１６００ｋＷの消費電力となる）。

このため、系統安定化のための大容量なＮａＳ電池システムの設置においては、ヒータ稼働の集中による系統安定化の阻害を防止することが必要となる。

そこで、発明者は、この課題を解決すべく、次の構成のＮａＳ電池システム、つまり、
ＮａＳ電池本体、前記ＮａＳ電池本体を昇温するヒータ、交直変換装置、前記交直変換装置の制御装置を備え、
配電用変電所の一次母線又は二次母線と連系し、
前記ヒータへは、前記配電用変電所の構内電源から電力供給されるＮａＳ電池システムであり、
前記配電用変電所が電力系統と連系する点に計測装置を設置し、
前記計測装置の計測値を前記交直変換装置の制御装置に伝送し、これらの計測値を基に充放電を制御することを特徴とするＮａＳ電池システム、
を発明した。

本発明により、配電系統に太陽光発電設備が大量に連系され、その系統安定を確保するために大容量ＮａＳ電力システムが設置された場合に、配電系統での消費電力（配電用変電所への流入電力）が急変しても（つまり、太陽光発電設備からの出力やＮａＳ電池システムのヒータ消費電力が急変しても）、この急変に対応してＮａＳ電池システムを充放電できることから、配電系統の安定化を図ることができる。

本発明の実施形態であり、配電用変電所へ連系するＮａＳ電池システム及び配電用変電所の概略構成を示す図面である。 本発明の実施形態での動作を説明する図面である。 （Ａ）は、配電用変電所から配電系統へ流入する電力の変動ΔＰの補償の概念を示している。 （Ｂ）は、１日における変動ΔＰの補償状況を示している。 変化率により電力急変を補償する動作を説明する図面である。 従来からのＮａＳ電池システムの構成を示す図面である。 ヒータ稼働（出力）の概念を示す図面である。 需要（負荷）平準化時のヒータ稼働の概念を説明する図面である。 （Ａ）は、ＮａＳ電池の充放電の変化を示している。 （Ｂ）は、ＮａＳ電池のモジュール電池の断熱容器内の温度変化を示している。 （Ｃ）は、ヒータ出力の変化を示している。 時刻軸は（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）いずれも同一にしている。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
なお、以下の実施形態は、本発明の具体例であり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

（実施例の説明）
図１は、発明の構成を示すものである。
図１では、ＮａＳ電池システム１を、特別高圧で２回線受電する電気事業者の配電用変電所２に連系線２２により連系した場合のものであり、配電用変電所２においては２次母線１１に高圧（殆どの場合６６００Ｖ）で連系している。
ＮａＳ電池システム１はＮａＳ電池本体３、交直変換装置４、変圧器５、ＮａＳ電池制御装置６、及び交直変換装置の制御装置８を主たる構成要素とする。ＮａＳ電池システム１は、配電用変電所２の２次母線１１に連系され、充電する場合は、変圧器５で降圧し、交直変換装置４にて直流に変換し、ＮａＳ電池本体３に蓄電される（放電の場合は逆のプロセスとなる）。ＮａＳ電池は高温動作型蓄電池であり、３００℃程度以上で動作するため、ＮａＳ電池本体３の各モジュール電池に内蔵されたヒータ７にて昇温し、又は、高温を保持する。

ＮａＳ電池システム１の容量がより大きい場合には、配電用変電所２の１次母線１０に特別高圧で連系してもよい。また、変圧器５以下、又は、交直変換装置４以下は、容量により複数個を並列に設置してもよい。なお、配電用変電所２の受電電圧は、多くの場合７７ｋＶ又は６６ｋＶであるが、それ以外にも１５４ｋＶ、３３ｋＶ、２２ｋＶ等であってもよい。
連系線２２は、電力損失を少なくするために短くした方がよく、ＮａＳ電池システム１は配電用変電所２に隣接するのが望ましい。しかし、ＮａＳ電池システム１の設置スペースが確保できない場合は、離れた場所に設置せざるを得ない。

図１に示すとおり、配電用変電所２の電力系統（特別高圧線）との連系点１００の近傍に計測装置９ａ、９ｂを設置する。これは、配電用変電所２に流入する電力、電力系統の電圧や周波数等を計測するためのものであり、ＰＴ、ＣＴ等を構成要素とする。そして、計測装置９ａ、９ｂでの計測値を交直変換装置の制御装置８に伝送するよう制御線２０ｅ、２０ｆが配設される。連系点１００で配電用変電所２への流入電力を計測すると、この計測値には配電用変電所２のフィーダー１３からの配電線（図１には図示せず）に連系される太陽光発電設備（図１には図示せず）の出力およびＮａＳ電池システム１のヒータ７の消費電力をも含むものになり、後述のとおり、この計測値によりＮａＳ電池システム１の系統安定化運転を行うことになる。

更に、この二つの制御装置（６、８）とヒータ７を駆動させるため、低圧電力線２１が配設されており、これを介して、それぞれに駆動電力が供給される。図１では、ＮａＳ電池制御装置６とヒータ７には、配電用変電所２の主変圧器１２の三次巻線を源とする低圧電力線２１ａ、２１ｂにより駆動電力を供給するように記載されているが、実際は、ヒータ７で用いられる電力は後述のとおり大きいことから、ＮａＳ電池制御装置６への駆動電力を送る低圧電力線の電圧（１００Ｖ程度）は、途中で変圧器（図１には図示せず）を置き、降圧している。

ＮａＳ電池本体３の各モジュール電池の断熱容器内部には、熱電対による温度計（図１には図示せず）が設置されており、その温度計にて計測した温度データが制御線２０ｂを介してＮａＳ電池の制御装置６に伝送される。そして、その計測温度を基にして、ＮａＳ電池の電池制御装置６から各モジュール電池のヒータ７に稼働、停止の信号が制御線２０ｃを介して伝送される。つまり、温度がある基準温度（例えば、295℃）になった場合に、ヒータ稼働（ＯＮ）の信号が出され、また、温度が別のある基準温度（例えば、315℃）になった場合に、ヒータ停止（ＯＦＦ）の信号が出される。

また、交直変換装置の制御装置８の駆動電力は、交直変換装置４から（その内部に設置された図１に図示しない変圧器を介し、低圧の電力線２１ｃにより）供給される。

ＮａＳ電池本体３及びヒータ７を制御するＮａＳ電池制御装置６と交直変換装置の制御装置８は制御線２０ａにて連携され、協調制御をなすように各々プログラムが内蔵されている。ＮａＳ電池システム１は、その外部からの制御信号に基づいて、又は、交直変換装置の制御装置８に収納されたプログラムに基づいて、充放電が行われる。

ＮａＳ電池システム１による系統安定の方法を、まずは概念的に述べる。
まず、有効電力の変動に対応する方法がある。つまり、電力系統のある一部分の有効電力Ｐの変動分ΔＰを計測し、そのΔＰを補償すべくＮａＳ電池システム１の充放電を行うものである。ΔＰは、季節別、月別、時刻別等により予め設定しておく基準電力Ｐｏと有効電力Ｐの差分ΔＰ＝Ｐ−Ｐ０として表される。ＮａＳ電池システム１は、ΔＰ＞０の場合には充電し、ΔＰ＜０の場合には放電する。
また、系統周波数の変動に対応する方法もある。系統周波数の計測値ｆと基準周波数ｆ０（東日本では５０ヘルツ、西日本では６０ヘルツ）の偏差Δｆ＝ｆ−ｆ０に基づき、Δｆ＞０の場合には、ＮａＳ電池システム１の充電を行い、Δｆ＜０の場合には、放電を行う。
更に、太陽光発電設備の出力変動は、無効電力の変動も伴うこともあり、系統電圧を不安定にすることもある。そのため、系統の無効電力Ｑの変動分ΔＱを計測し、交直変換装置４の機能を用いてΔＰとともにΔＱの補償を行ってもよい（ただし、ΔＰとΔＱの両方を補償する場合、それぞれの補償範囲が狭まってしまう）。
なお、ΔＰ、ΔＱ及びΔｆに閾値を設け、その値以上となった場合のみに充放電させてもよい。

また更に、有効電力Ｐ等の変化率に着目した方法もある。つまり、有効電力Ｐに着目した場合、変化率ｄＰ／ｄｔがある正の定数以上（又は、負の定数以下）になった時点で、変化率ｄＰ／ｄｔを一定にするようにＮａＳ電池システム１による充電（又は、放電）を行い、系統における有効電力Ｐの急変を抑制するものである。

次に、具体的な充放電制御を図２にて説明する。
図２（Ａ）において、実線は配電用変電所２へ流入する電力（つまり、ＮａＳ電池システム１にて安定化運転しない場合の電力）を表し、点線は基準電力曲線を表す。基準電力曲線は、前述のとおり、過去の配電用変電所２の運用実績から、季節別、月別、時刻別等により予め設定し、交直変換装置の制御装置８に入力しておく（このようにするため、実質は、曲線ではなく、折線ないしは階段関数状のものとなる）。計測装置９ａ、９ｂにて流入電力を計測し、その計測値が、交直変換装置の制御装置８に伝送され、流入電力と基準電力曲線の設定値が比較される。この比較の結果、流入電力が基準電力曲線の設定値を上回った場合は（例えば、太陽光発電設備からの出力が減少した、又は、ＮａＳ電池システム１のヒータ消費電力が増加した等の場合は）、交直変換装置の制御装置８はＮａＳ電池システム１を放電するよう信号を出す。また、下回った場合は（例えば、太陽光発電設備からの出力が増加した、又は、ＮａＳ電池システム１のヒータ消費電力が減少した等の場合は）、充電するよう信号を出す。そして、刻々変化する流入電力を補償すべく前述のように充放電を制御し、流入電力を基準電力曲線に沿ったものに維持する。これにより、配電用変電所２により構成される配電系統においては、基準電力曲線に沿った形で有効電力を安定的に推移させることができる。また、配電用変電所２に供給する特別高圧の送電線の変動も抑制され、この送電線と連系する他の配電用変電所により構成される配電系統に擾乱を波及させなくてもすむ。

これを一日行った場合は、配電用変電所２への流入電力と基準電力曲線の変化は図２（Ｂ）に示すようになる。日中の比較的大きな変動は、主には太陽光発電発電設備の出力変動に起因するものであり、夜間から朝方にかけての小さな変動は（希に大変動もあり得るが）、主にＮａＳ電池システム１のヒータ７の消費電力に起因するものである。

また、図３は、変化率に着目した場合の説明図である。実線は図２と同様に実際の配電用変電所２へ流入する電力（つまり、ＮａＳ電池システム１にて安定化運転しない場合の電力）を表している。
流入電力Ｐを、計測装置９ａ、９ｂにて、定められたサンプリング間隔で計測し、その計測値が、交直変換装置の制御装置８に伝送され、流入電力Ｐとサンプリング間隔から変化率ｄＰ／ｄｔが導出される。

そして、変化率ｄＰ／ｄｔが予め定められた正の定数α０以上となったのがＡ時点だとすると、Ａ時点以後は予め定められた正の定数α１（α０＞α１）にて流入電力が直線的に緩やかに増加するよう、交直変換装置の制御装置８からＮａＳ電池システム１を放電させるべく信号が出される（この放電による修正された流入電力直線を点線で表す）。そして、放電が再びゼロとなるＢ時点にて、流入電力の曲線（実線）と電力の急変を回避させるために補正された流入電力直線（点線）が交わり、それ以降は、ＮａＳ電池システム１は動作しない。
さらに、変化率ｄＰ／ｄｔが予め定められた負の定数β０以下となったのがＣ時点だとすると、Ｃ時点以後は予め定められた負の定数β１（β０＜β１）にて流入電力が直線的に緩やかに増加するよう、交直変換装置の制御装置８からＮａＳ電池システム１を充電させるべく信号が出される（前述のとおり点線で表す）。そして、放電が再びゼロとなるＤ時点にて、流入電力の曲線と電力の急変を回避させるために緩やかに減少させるように補正された流入電力直線（点線）が交わり、それ以降は、ＮａＳ電池システム１は動作しない。

また、ＮａＳ電池システム１は、太陽光発電設備の出力が小さい、又は、その変動が小さい場合は、需要平準化（日中なので放電）運転をしつつ、系統安定化も行えることができる（ただし、日中、ＮａＳ電池システム１を最大出力では運転できず、変動を補償できる余地を残しての運転となる）。

１ ＮａＳ電池システム（ナトリウム−硫黄電池システム）
２ 配電用変電所
３ ＮａＳ電池本体（ナトリウム−硫黄電池本体）
４ 交直変換装置
７ ＮａＳ電池ヒータ（ナトリウム−硫黄電池ヒータ）
８ 交直変換装置の制御装置
９ 計測装置
３１ 遮断器
３２ 開閉器

Claims (1)

1. ナトリウム−硫黄電池本体、前記ナトリウム−硫黄電池本体を昇温するヒータ、交直変換装置、前記交直変換装置の制御装置を備え、
   配電用変電所の一次母線又は二次母線と連系し、
   前記ヒータへは、前記配電用変電所の構内電源から電力供給されるナトリウム−硫黄電池システムであり、
   前記配電用変電所が電力系統と連系する点に計測装置を設置し、
   前記計測装置の計測値を前記交直変換装置の制御装置に伝送し、これらの計測値を基に充放電を制御することを特徴とするナトリウム−硫黄電池システム。

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