JP2011205824A - 蓄電システム - Google Patents

Abstract

【課題】リチウムイオン電池とナトリウム−硫黄電池の特長を同時に引き出すべく、これらの電池を複合的に利用した系統安定化に資する蓄電システムの提案。
【解決手段】リチウムイオン電池、及びナトリウム−硫黄電池を接続したチョッパを並列にして、配電用変電所の二次母線に連系したインバータに接続して構成されることを特徴とする蓄電システム。
【選択図】 図１

Description

本発明は、リチウムイオン電池（又は、キャパシタ）及びナトリウム−硫黄電池を複合的に用いた蓄電システムに関するものである。

近年、地球温暖化の防止のため、低炭素社会の実現が強く求められている。そして、その方策として、運転時に二酸化炭素を排出しない太陽光発電設備（太陽電池。以下、「ＰＶ」（Photovoltaics）ということもある）の普及が望まれている。一方、ＰＶの出力は日射強度により変動することから、大量のＰＶが電力系統に連系されると、電力系統の安定性を阻害しかねない。

この電力系統の安定性を阻害する様を、一つの配電線を例に図４にて説明する。
図４（Ａ）において、配電線２５に流れる電力をＰａ、需要家の負荷３０での消費電力をＰｂ、太陽電池（ＰＶ）３１からの出力電力をＰｃとすると、これら３変数の関係はＰｂ＝Ｐａ＋Ｐｃ、つまり、Ｐａ＝Ｐｂ−Ｐｃが成り立つ。ここで、図４（Ａ）には負荷３０とＰＶ３１が各１つしか表示されていないが、これは便宜上のものであり、配電線に連系されている複数の負荷、複数のＰＶを代表して図示しているものである。このため、Ｐｂはこれらの複数の負荷の総和、Ｐｃはこれら複数のＰＶの総和を意味する（つまり、ｉを負荷の番号、ｊをＰＶの番号とすると、Ｐｂ＝ΣＰｂｉ、Ｐｃ＝ΣＰｃｊとなる）。

ここで、需要家の負荷３０での消費電力Ｐｂは、短時間では余り変化しないため、図４（Ｂ）の様にほぼ水平として表されるものとする。他方、ＰＶ３１からの出力電力Ｐｃは、日射により変動するため、図４（Ｃ）の様に大きな変動を有するギザギザ状の曲線となることがある。そして、Ｐａ＝Ｐｂ−Ｐｃだから、Ｐｂに−Ｐｃ（時間軸を対称軸としてＰｃを反転させたものであり、図４（Ｃ）にて点線で示す）を加えればＰａが表される。これを図４（Ｄ）に示す。
このように、配電線２５に流れる電力Ｐａの曲線は、ＰＶ３１の出力電力Ｐｃにより大きな変動を有するものとなり、電力系統の周波数変動等を引き起こしかねない。

そのため、蓄電池を用いてＰＶ出力の変動を補償しようとする先行技術が既に幾つか提案されている。例えば、ナトリウム−硫黄電池（以下、元素記号を用いて「ＮａＳ電池」ということもある）とキャパシタを接続し、自然エネルギー発電設備の出力変動をＮａＳ電池で平滑化し、ＮａＳ電池で吸収できない変動分はキャパシタで吸収する考えが提案されている（特許文献１「系統安定化装置」）。また、二次電池（蓄電池）及びキャパシタをＤＣ／ＤＣコンバータを介して需要家構内の直流母線で連系し、バッファ用途として瞬発力が必要な場合にはキャパシタを用い、持続力が必要な場合には二次電池を用いることが提案されている（特許文献２「電力バッファ装置システム」）。

電力系統の安定化に用いることができそうな蓄電池としては、現状、リチウムイオン電池（以下、元素記号等を用いて「ＬｉＩ電池」と称することもある）及びＮａＳ電池などの蓄電池、並びに、蓄電池ではないがキャパシタ（電気二重層キャパシタなど）が挙げられる。
ＬｉＩ電池は、高いエネルギー密度、高いセルの起電力、高い充放電効率などから携帯電話その他の家電製品に広く用いられており、更に、電気自動車の駆動電源としても実用化され、普及が期待されている。また、ＮａＳ電池は、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、需要平準化や瞬時電圧低下対策などで導入が図られている。

ＬｉＩ電池とＮａＳ電池は、各々優れた特長を有するが、利用方法には制約があり、それは、設備コストに起因する。つまり、出力当たりの価格（万円／ｋＷ）で比較すると、ＮａＳ電池はＬｉＩ電池より２〜３倍程度高価であるが、出力量当たりの価格（円／ｋＷｈ）で比較すると、ＬｉＩ電池はＮａＳ電池より５〜１０倍程度高価になるためである。そのため、ＬｉＩ電池は、短時間で高出力を要する使用には適しているが、長時間に亘っての大量の電力の充放電には適さず、逆に、ＮａＳ電池は、短時間で高出力を要する使用には適さないが、長時間に亘っての大量の電力の充放電には適する（キャパシタもＬｉＩ電池と特長をほぼ共通にしているため、以下においてはＬｉＩ電池のみで記述する）。

しかし、上記の二つの特許文献には、二つの蓄電媒体を用いることは記載されているが、特許文献１では、具体的なシステム構成が全く開示されておらず、また、特許文献２は、需要家構内におけるバッファ用途に特化した発明であり、電力系統における安定化には言及していない。

特開２００７−１３５３５５号公報 特開２００７−０６０７９６号公報

そのため、ＬｉＩ電池とＮａＳ電池の特長を同時に引き出すべく、これらの電池を複合的に利用した系統安定化に資する蓄電システムの提案が望まれる。

そこで、発明者は、この課題を解決すべく、次の構成の発明を考えた（図１にその構成を示す）。
ナトリウム−硫黄電池２を接続したチョッパ（ＤＣ／ＤＣコンバータ）３、リチウムイオン電池４及びインバータ５からなる蓄電システム１であり、
インバータ５の交流側を配電用変電所２０の二次母線２３に連系し、直流側にチョッパ３及びリチウムイオン電池４を並列に接続して構成されることを特徴とする蓄電システム１。

また、上記構成の蓄電システム１において、
前記配電用変電所２０のフィーダ群２４に流れるフィーダ群電力Ｐｄを計測するとともに、
フィーダ群電力Ｐｄの計測値Ｐｄ＊から目標フィーダ群電力Ｐｄ０を差し引いた値（Ｐｄ＊−Ｐｄ０）の移動平均値を算出し、これをチョッパ３の電力指令値Ｐ１ｒｅｆとし、更に、前記（Ｐｄ＊−Ｐｄ０）をインバータ５の電力指令値Ｐｉｒｅｆとすることを特徴とする蓄電システム１、を発明した。

本発明により、ＰＶ等が導入された結果、電力系統（配電系統）に電力変動が発生しても、その電力変動の短周期分の補償は主にＬｉＩ電池にて、長周期分の補償は主にＮａＳ電池にて、それぞれ行うことにより、どちらかの電池のみ利用するシステムに比較して電力（ｋＷ）と電力量（ｋＷｈ）のバランスがとれた、低コストの電力系統安定化のための蓄電システムを実現できる。

蓄電システムの物的な構成を示す図面である。 蓄電システムによる電力変動補償の方法を説明する図面である。 蓄電システムによる電力変動補償の制御ブロックを説明する図面である。 電力系統でのＰＶによる電力変動の発生を説明する図面である。

以下、図面を用いて、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、蓄電システム１の物的な構成を示すものであり、ＮａＳ電池２、チョッパ（ＤＣ／ＤＣコンバータ）３、ＬｉＩ電池４、インバータ５を主たる要素として構成される。チョッパ３とインバータ５は、共にトランジスタ（ＩＧＢＴ）を基本素子としてなり、インバータ５は三相ブリッジ回路で構成される。リアクトル６は、連系変圧器７で代替されることもある。

ＮａＳ電池２は、複数の単電池を直並列に組み合わせて、それを昇温・保温用ヒータと共に断熱容器に収納してモジュール電池（市販品は５０ｋＷ）とし、更に、複数のモジュール電池を直並列に組み合わせて使用する。
また、ＬｉＩ電池４は、全直列として構成する（並列化はしない）。これは、リチウムイオン電池の単電池は、故障時に短絡モードとなることから、並列化による横流発生を回避するためである（ナトリウム−硫黄電池の単電池は、故障時に開放モードとなることから、横流の問題は発生しない）。

ＮａＳ電池２はチョッパ３に接続され、また、そのチョッパ３とＬｉＩ電池４はインバータ５に対して並列回路を構成する。この並列回路は、直流母線８を介してインバータ５の直流側に接続される。そして、この二つの蓄電池から放電される直流出力を交流に変換して、交流系統に交流出力することができる（逆に、交流系統の交流入力を直流に変換して、この二つの蓄電池に直流入力として充電させることもできる）。

また、上記構成の蓄電システム１において、帰還制御を行うために、チョッパ３の出力電力Ｐ１を計測するために計測装置１０を、更に、蓄電システム１の出力電力Ｐｉｎｖを計測するために計測装置１１を設置する。

この二つの蓄電池の放電及び充電は、例えば、ＮａＳ電池２は、チョッパ３をＮａＳ電池２からみて昇圧チョッパ動作させることにより放電し、降圧チョッパ動作させることにより充電される。インバータ５の交流出力に比較し、ＮａＳ電池２の放電電力の方が大きい場合には、ＬｉＩ電池４は充電され、ＮａＳ電池２の放電電力の方が小さい場合にはＬｉＩ電池４は放電する。また、インバータ５の交流入力に比較し、ＮａＳ電池２の充電電力が大きい場合には、ＬｉＩ電池４は放電し、ＮａＳ電池２の充電電力の方が小さい場合にはＬｉＩ電池４は充電される。

また、この蓄電システム１は、配電用変電所２０の二次母線２３に連系される。そして、配電用変電所２０のフィーダ群２４ａ、２４ｂ、２４ｃに流れる各フィーダ群電力Ｐｄａ、Ｐｄｂ、Ｐｄｃを計測する計測装置４０ａ、４０ｂ、４０ｃを設ける。
なお、フィーダ群電力の和をＰｄ（＝Ｐｄａ＋Ｐｄｂ＋Ｐｄｃ）とし、加算機４１により加算する。

この蓄電システム１による電力変動の補償の考え方を、図２にて説明する。
太線にて示しているフィーダ群電力の和Ｐｄは、何らの電力変動補償もしない場合の配電用変電所２０から全配電線に流れる電力である。これに対して、点線で示している目標フィーダ群電力和Ｐｄ０は、蓄電システム１が電力変動補償を行った結果として、配電用変電所２０から全配電線に実際に流れる電力を示す。そして、Ｐｄ０を殆ど変動しないように蓄電システム１を充放電することで、電力系統の安定を図るものである。

このＰｄ０の設定の仕方は、例えば、過去の配電用変電所２０の実績を基に、予め、３０分刻みで階段状に数値を決めておくか、又は、滑らかな曲線として蓄電システム１に入力できるようにする。また、計測装置４０等で計測するＰｄの値を用いて、Ｐｄの移動平均値を算定し、この値をＰｄ０としてもよい（Ｐｄ０をそのままＰｄの移動平均値とすると、後に述べる蓄電システム１の動作ロジックから、電力変動の補償の大部分をＬｉＩ電池４の充放電で行う虞が出てくる。そのため、ＮａＳ電池２の放電も合わせて電力変動補償を行うには、配電線に連系しているＰＶ３１の容量やＬｉＩ電池４とＮａＳ電池２の容量比等に依存するが、Ｐｄ０をＰｄの移動平均値の５０〜９５％程度にするのがよい）。

また、図２において、一点鎖線にて示しているものは、（Ｐｄ−Ｐｄ０）の移動平均値にＰｄ０を加えたもの、つまり、一点鎖線とＰｄ０曲線（点線）の間の出力Ｐ１は、（Ｐｄ−Ｐｄ０）の移動平均値を示している。そして、この出力Ｐ１は、チョッパ３（つまり、ＮａＳ電池２）からの放電にて担うことになる（この場合の電力変動補償を行うに当たっては、ＮａＳ電池２が長時間における充放電に適していることから、ＮａＳ電池２の運転は放電を基調として行うのがよいが、Ｐｄの変動が大きい場合には、充電を行わせる場面もあり得る）。

更に、図２において、Ｐｄ曲線（太線）からＰｄ０曲線（点線）の間の出力は、インバータ５の出力Ｐｉｎｖにより担うことになる。つまり、結果として、Ｐｄ曲線（太線）と一点鎖線の間の出力Ｐ２は、ＬｉＩ電池４からの充放電により担うことになる（図２においては、ＬｉＩ電池４は放電しているが、Ｐｄが一点鎖線を下回っている場合はＬｉＩ電池４は充電することになる）。

そして、（Ｐｄ−Ｐｄ０）の移動平均値は、１０分程度以上の平均値として算出することから、電力変動の長周期分についてはＮａＳ電池２の出力Ｐ１にて補償し、また、電力変動の短周期分（秒単位での変動分）についてはＬｉＩ電池４の出力Ｐ２にて補償しようというものである。

以上の電力変動の補償の考え方を実現すべく、図３にて制御の概要を説明する。
まず、計測装置４０等によるＰｄの計測値Ｐｄ＊（計測値には、後ろに又は右肩に「＊」を付けることにする）から、上記のとおり予め決めた値又はＰｄ＊の移動平均値に基づく値であるＰｄ０を差し引き、（Ｐｄ＊−Ｐｄ０）の値を求める。

そして、この（Ｐｄ＊−Ｐｄ０）の値を移動平均算出部１３に伝送する。移動平均算出部１３は演算部１４と記憶部１５を備え、記憶部１５では、定められたサンプリング間隔で伝送された（Ｐｄ＊−Ｐｄ０）の値を記憶する。そして、蓄積された（Ｐｄ＊−Ｐｄ０）の値を基にして、移動平均値Ｐ１ｒｅｆを算出する。
また、Ｐ１ｒｅｆを出力するのはチョッパ３であるが、チョッパ３の出力は直流であり、この直流出力をインバータ５にて交流に変換して配電用変電所２０の二次母線２３に送出することから、インバータ５の交直変換効率による損失分を控除した移動平均値としてもよい。

そして、このＰ１ｒｅｆとＰ１＊との偏差を、チョッパ３のＡＰＲ（自動電力調整装置）１６ｂの指令値としてチョッパ３の制御部（図示せず）に伝送する。なお、計測装置１０でＰ１を計測し、この計測値Ｐ１＊を用いて帰還制御を行っている。

また、この（Ｐｄ＊−Ｐｄ０）の値とＰｉｎｖ＊との偏差を、インバータ５のＡＰＲ１６ａの指令値としてインバータ５の制御部（図示せず）に伝送する。なお、ここでも計測装置１１でＰｉｎｖを計測し、この計測値Ｐｉｎｖ＊を用いて帰還制御を行っている。

１ 蓄電システム、２ ナトリウム−硫黄電池（ＮａＳ電池）、
３ チョッパ（ＤＣ／ＤＣコンバータ）、４ リチウムイオン電池（ＬｉＩ電池）、
５ インバータ、６ リアクトル、７ 連系変圧器、８ 直流母線、
１０ Ｐ１の計測装置、１１ Ｐｉｎｖの計測装置、１３ 移動平均算出部、
１４ 演算部、１５ 記憶部、１６ ＡＰＲ、２０ 配電用変電所、
２１ 一次母線、２２ 主変圧器、２３ 二次母線、２４ フィーダ群、
２５ 配電線、３０ 需要家の負荷、３１ 太陽電池（ＰＶ）、
４０ Ｐｄの計測装置、４１ 加算機、
Ｐ１ チョッパの出力電力、Ｐ１ｒｅｆ チョッパへの電力指令値、
Ｐｉｎｖ インバータの出力電力、Ｐｉｒｅｆ インバータへの電力指令値、
Ｐｄ フィーダ群を流れる電力

Claims (3)

1. ナトリウム−硫黄電池（２）を接続したチョッパ（３）、リチウムイオン電池（４）及びインバータ（５）からなる蓄電システム（１）であり、
   前記インバータ（５）の交流側を配電用変電所（２０）の二次母線（２３）に連系し、直流側に前記チョッパ（３）及び前記リチウムイオン電池（４）を並列に接続して構成されること、
   を特徴とする蓄電システム（１）。
2. 請求項１に記載の蓄電システム（１）であって、
   前記配電用変電所（２０）のフィーダ群（２４）に流れるフィーダ群電力（Ｐｄ）を計測するとともに、
   前記フィーダ群電力（Ｐｄ）の計測値（Ｐｄ＊）から目標フィーダ群電力（Ｐｄ０）を差し引いた差分値（Ｐｄ＊−Ｐｄ０）の移動平均値を算出し、これを前記チョッパ（３）の出力電力（Ｐ１）とし、更に、前記差分値（Ｐｄ＊−Ｐｄ０）を前記インバータ（５）の出力電力（Ｐｉｒｅｆ）とすること、
   を特徴とする蓄電システム（１）。
3. 請求項１又は請求項２に記載の蓄電システム（１）であって、
   前記リチウムイオン電池（４）の代わりにキャパシタを用いたこと、
   を特徴とする蓄電システム。

Images