JP2011141970A - ナトリウム−硫黄電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】ヒータ消費電力の集中により、ＮａＳ電池システムに要求される充放電パターンを極力乱さないように迅速に制御する方式の提案。
【解決手段】ＮａＳ電池本体、ＮａＳ電池本体を昇温するヒータ、ＮａＳ電池の制御装置、交直変換装置及び交直変換装置の制御装置を備え、ヒータの稼働データをＮａＳ電池の制御装置から交直変換装置の制御装置に伝送し、この伝送されたヒータの稼働データ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。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ナトリウム−硫黄電池システムのヒータ出力の補償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、最近は、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となり、また、風力発電での出力変動抑制用途として併設されることも多くなっている。

図１〜図３に示すように、ＮａＳ電池システム１は、直流で入出力するＮａＳ電池本体２と交流の電力系統に連系するための交直変換装置３が主要な構成要素である。そして、これらの制御装置（４、６）は別々に設置されており、これらへの電力供給も別々になされている。

つまり、交直変換装置の制御装置６への電力供給は交直変換装置３からなされる。
他方、ＮａＳ電池本体２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さら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内部に電気式のヒータ５を内蔵し、このヒータ５により昇温し、又は、保温している。そして、ＮａＳ電池の制御装置４及びヒータ５への電力供給は交直変換装置の制御装置６への電力供給ルートとは別になっている。

この様に電力供給ルートが別となっているのは、ＮａＳ電池システム１の充放電制御は交直変換装置の制御装置６にて指令するが、ＮａＳ電池部分の制御まで一括して交直変換装置の制御装置６にて行うと、ＮａＳ電池システム１の全体（一括しての制御装置も含む）が停電となった場合、ヒータ５も停止してしまい、停電が長時間に及ぶとＮａＳ電池本体２の断熱容器内部の温度が低下し、停電が復旧した後に、ＮａＳ電池システム１を直ぐに充放電できなくなること等から、交直変換装置の系統と、ＮａＳ電池の系統で、制御装置等への電力供給は別ルートとしている。

そして、制御装置（４，６）やヒータ５への電力の供給の形態は様々である。
図１は、需要家の構内母線１０１にＮａＳ電池システム１を連系する、現在、最も一般的な構成である。この場合の制御装置等への電力供給は、負荷１０２への供給線から分岐線２１ｂを配設し、これにより供給される。
図２は、配電用変電所１００の２次母線３４にＮａＳ電池システム１を連系するものであり、需要平準化および配電系統の系統安定のために用いられ得る構成である。この場合の制御装置等への電力供給は、配電用変電所１００の主変圧器３２の三次巻線から供給される配電用変電所１００の構内電源からなされる。
図３は、需要家の構内母線１０１にＮａＳ電池システム１を連系する構成であり、図１に類するものである。しかし、この場合の制御装置等への電力供給は、負荷１０２への供給線からの分岐線からはできず、ＮａＳ電池システム１の構内母線１０１との連系点の後段から分岐して供給される。

現在市販されている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４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。

そして、これまでは、ヒータ電力の総体的な低減のため、需要平準化運転において、ＮａＳ電池システムの放電終了から充電終了までのヒータの設定温度に対して、充電終了から放電開始までのヒータ設定温度を下げるようにすること（特許文献１参照）や、ＮａＳ電池の保温時のヒータ出力を昇温時のヒータ出力よりも低く抑えるよう出力切替を行うこと（特許文献２参照）等が提案されているが、ヒータ出力の集中を如何に回避するかについては、提案されていない。

特開２００４−１１１１２３号公報 特開２０００−０２１４４０号公報

しかしながら、図１の構成では、電力系統からの需要家への流入電力（ヒータ５での消費電力も含まれる）を計測装置７で計測し、この計測値を基に、ＮａＳ電池システム１の充放電によりヒータ消費電力を補償することが可能である。また、図２の構成でも、計測装置７により、電力系統からの配電用変電所１００への流入電力（ヒータ５での消費電力も含まれる）を計測し、この計測値を基に、ヒータ消費電力を補償するＮａＳ電池システム１の充放電が可能である。

一方、図３の構成では、ヒータ消費電力をＮａＳ電池システム１の需要家構内での（負荷平準化等を目的とした）充放電に反映させることができず、ヒータの消費電力が大きくなる場合は、所要の充放電ができないこととなる（例えば、１０００ｋＷのＮａＳ電池システムで、ヒータ消費電力が８０ｋＷで、８００ｋＷの放電指令が出ている場合、実際には７２０ｋＷしか構内母線１０１に放電していないこととなる）。

このため、ＮａＳ電池システムによりヒータの消費電力を補償するよう、ＮａＳ電池システムの充放電を制御する必要がある。

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電池本体を昇温及び保温するヒータ、前記ＮａＳ電池の制御装置、交直変換装置及び前記交直変換装置の制御装置を備え、
前記ヒータの稼働データを前記ＮａＳ電池の制御装置から前記交直変換装置の制御装置に伝送し、このヒータの稼働データ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、ＮａＳ電池システムのヒータ稼働が集中したときでも、ＮａＳ電池システムがヒータ消費電力分を自己補償することで、所要の充放電を行うことができる。

需要家に設置したＮａＳ電池システムの構成の一例である。構内母線から構内負荷への供給線から分岐してヒータ稼働の電力を供給するものである。 配電用変電所の２次母線に連系したＮａＳ電池システムの構成の一例である。配電用変電所の主変圧器の三次巻線からヒータ稼働の電力を供給するものである。 需要家に設置したＮａＳ電池システムの構成の一例である。自システムからヒータ稼働の電力を供給するものである。 ヒータ稼働（出力）の概念を示す図面である。 本発明の動作を説明する図面である。 （Ａ）は、ＮａＳ電池システムが求められる充放電の変化を例示している。 （Ｂ）は、ＮａＳ電池システムのヒータの出力の変化を例示している。 （Ｃ）は、（Ａ）と（Ｂ）により、ヒータ出力をＮａＳ電池システムにて自己補償するために求められる充放電の変化を示している。 時間軸を（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）いずれも同一にしている。また、縦軸のスケールが、（Ａ）及び（Ｃ）と（Ｂ）で異なることに注意を要する。

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）
発明の構成を図３にて説明する。
図３は、ＮａＳ電池システム１を高圧で受電している需要家の構内に設置した場合の構成図である。ＮａＳ電池本体２は直流で入出力し、交直変換装置３を介して、需要家の構内母線１０１（交流）に連系している。充電する場合は、変圧器８にて系統電圧（交流６６００Ｖ）を降圧し、交直変換装置３にて直流に変換し、ＮａＳ電池本体２に充電される（放電する場合は逆のプロセスによるが、放電された電力は主には構内母線１０１を介して構内負荷に送電され、場合によっては、配電系統に出力（逆潮流）されることもあり得る）。
ＮａＳ電池は３００℃程度以上で動作するため、ＮａＳ電池本体２の各モジュール電池に内蔵されたヒータ５にて昇温し、又は、保温する。

また、この二つの制御装置（４、６）とヒータ５を駆動させるため、ＮａＳ電池システム１の構内母線１０１との連系点近傍から低圧の電力線２１が配設されており、これを通じて、それぞれに駆動電力が供給される（ヒータ５に供給される電力は大きくなり得ることから、ヒータ５への駆動電力を送る電力線を高い電圧のままとし（つまり、変圧器９ａを設置せず）、ＮＡＳ電池制御装置４へは変圧器９ｂにより降圧して供給してもよい）。

ＮａＳ電池本体２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４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４から各モジュール電池のヒータ５に稼働、停止の信号を制御線２０ｃを介して伝送する。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６の駆動電力は、交直変換装置３から（その内部に設置された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。なお、現時点では、このような構成としているが、ＮａＳ電池の系統と同様に低圧の電力線２１から電力供給することも可能である。

ＮａＳ電池本体２及びヒータ５を制御するＮａＳ電池制御装置４と交直変換装置の制御装置６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、その外部から有線若しくは無線にて伝送される制御信号に基づいて、又は、交直変換装置の制御装置６に収納されたプログラムに基づいて、充放電が行われる。

この各モジュール電池のヒータ５の稼働、停止の信号をＮａＳ電池制御装置４にて整理し、全てのヒータ消費電力を計算し、その計算値を制御線２０ａで交直変換装置の制御装置６に伝送する。そして、この計算値を基にして、ヒータ５の消費電力をＮａＳ電池システム１の充放電電力の制御により、自己補償する。

その場合の充放電制御を、図５を用いて説明する。
図５において、（Ａ）はＮａＳ電池システム１が求められる充放電の変化を例示している（プラスは放電、マイナスは充電を示している）。（Ｂ）は、ヒータ５の出力変化を例示している。ヒータ５は間欠的に稼働し、その消費電力の総和は確率的にばらつくこととなり、殆どの時間帯において、ヒータ５の消費電力が極端に大きくなることはないが、希に大きくなり、例えば１０００ｋＷのＮａＳ電池システムの場合に、全ヒータが稼働すると容量の８／５０＝１６％の１６０ｋＷの消費電力となり、この様な場合は、ＮａＳ電池システム１の充放電の値に大きな影響を与えることになる。（Ｃ）は、ヒータ出力をＮａＳ電池システム１にて自己補償するために求められている充放電の変化を示している。
ＮａＳ電池システム１が放電状態の場合、構内母線１０１への電力注入が必要になるが、ヒータ５の消費電力分だけ注入量が減るので、その分を増して放電を行うこととなる（例えば、ヒータ消費電力が８０ｋＷで、８００ｋＷの放電が必要な場合、何も補償しないと７２０ｋＷしか構内母線１０１へ電力注入しないため、８０ｋＷだけ放電を増加させ、８８０ｋＷ放電させる）。
また、ＮａＳ電池システム１が充電状態の場合、構内母線１０１からの電力吸収が必要になるが、ヒータ５の消費電力分だけ吸収量が増えるので、その分を減らして充電を行うことになる（例えば、ヒータ消費電力が８０ｋＷで、８００ｋＷの充電が必要な場合、何も補償しないと８８０ｋＷも構内母線１０１から電力吸収することになるため、８０ｋＷだけ充電を減少させ、７２０ｋＷ充電させる）。

この実施例においては、計測装置７による計測値に基づく帰還制御（フィードバック制御）ではなく、直接制御（フィードフォワード制御）となるため、制御の即応性が格段に向上することになる。

なお、ＮａＳ電池システム１において充放電を行うと、ＮａＳ電池の内部抵抗によるジュール損や交直変換損などの損失が発生する。そのため、ヒータ５の消費電力が少ない場合、特に、充電も放電もしない待機状態のとき、上記で述べた自己補償機能を発揮させない（又は、ある閾値を設け、それを超えた場合に自己補償機能を発揮させる）ようにして、損失を少なくしてもよい。また、ＮａＳ電池システム１が充電状態の場合は、ヒータ出力分だけ充電電力が減らせるので、充電状態の場合のみ閾値によらずに自己補償機能を発揮させてもよい（充電損失が減少するため）。

１ ＮａＳ電池システム（ナトリウム−硫黄電池システム）
２ ＮａＳ電池本体（ナトリウム−硫黄電池本体）
３ 交直変換装置
４ ＮａＳ電池制御装置（ナトリウム−硫黄電池制御装置）
５ ＮａＳ電池ヒータ（ナトリウム−硫黄電池ヒータ）
６ 交直変換装置の制御装置
９ 変圧器
３０ 遮断器
３１ 開閉器
３３ １次母線

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、前記ナトリウム−硫黄電池の制御装置、交直変換装置及び前記交直変換装置の制御装置を備え、
   前記ヒータの稼働データを前記ナトリウム−硫黄電池の制御装置から前記交直変換装置の制御装置に伝送し、このヒータの稼働データ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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