JP2013074758A - 電力管理システム及び電力管理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 コスト上昇を抑制しながら、燃料電池ユニットから負荷に供給される電力の不足を抑制することを可能とする電力管理システム及び電力管理装置を提供する。
【解決手段】 電力管理システム１は、ＳＯＦＣユニット１００及び負荷４００に接続されたＨＥＭＳ５００を備える。電力管理システムは、負荷の消費電力を取得する受信部５１０と、受信部５１０によって取得された消費電力に対して所定オフセットが加算された疑似消費電力をＳＯＦＣユニット１００に通知する送信部５２０とを備える。ＳＯＦＣユニット１００は、疑似消費電力に追従するように、ＳＯＦＣユニット１００から出力される電力を制御する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池ユニット及び負荷を備える電力管理システム及び電力管理装置に関する。
近年、需要家毎に設けられる電力管理装置（例えば、ＨＥＭＳ；Ｈｏｍｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）によって、需要家に設けられる負荷や需要家に設けられる分散電源などを制御する技術が知られている。
分散電源としては、ＳＯＦＣ（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）などの燃料電池を含む燃料電池ユニットが考えられる。或いは、分散電源としては、太陽光、風力、地熱などのクリーンなエネルギーを利用する発電装置が考えられる。
ここで、燃料電池ユニットから出力される電力は、一般的に、需要家に設けられる負荷の消費電力に追従するように制御される（例えば、特許文献１）。しかしながら、需要家に設けられる負荷の消費電力が急激に増大する場合には、燃料電池ユニットから出力される電力が負荷の消費電力に追従することができないケースが存在する。
このようなケースに対する対策として、大容量のバッテリやキャパシタを設けることによって、需要家に設けられる負荷の消費電力が急激に増大しても、負荷に供給される電力が不足する事態を回避することが提案されている。
特開２０１０−１５７８３号公報
しかしながら、上述した技術では、大容量のバッテリやキャパシタを設ける必要があり、燃料電池ユニットを含むシステム全体のコストが上昇する。
そこで、本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、コスト上昇を抑制しながら、燃料電池ユニットから負荷に供給される電力の不足を抑制することを可能とする電力管理システム及び電力管理装置を提供することを目的とする。
第１の特徴に係る電力管理システムは、燃料電池ユニット及び負荷を備える。電力管理システムは、前記負荷の消費電力を取得する取得部と、前記取得部によって取得された消費電力に対して所定オフセットが加算された疑似消費電力を前記燃料電池ユニットに通知する通知部とを備える。前記燃料電池ユニットは、前記疑似消費電力に追従するように、前記燃料電池ユニットから出力される電力を制御する。
第１特徴において、電力管理システムは、前記負荷の消費電力を予測して、予測された消費電力に基づいて前記所定オフセットを算出する制御部をさらに備える。
第１特徴において、電力管理システムは、前記負荷の消費電力を予測して、予測された消費電力に前記燃料電池ユニットから出力される電力が追従できない場合に、前記負荷の消費電力を減少する制御部をさらに備える。
第１の特徴において、前記負荷として、複数の負荷が設けられる。電力管理システムは、前記複数の負荷の消費電力に前記燃料電池ユニットから出力される電力が追従できない場合に、前記複数の負荷の中から選択された負荷の消費電力を減少する制御部を備える。前記制御部は、前記複数の負荷のそれぞれの特性に応じて、消費電力を減少すべき負荷を選択する。
第２の特徴に係る電力管理装置は、燃料電池ユニット及び負荷に接続される。電力管理装置は、前記負荷の消費電力を取得する取得部と、前記取得部によって取得された消費電力に対して所定オフセットが加算された疑似消費電力を前記燃料電池ユニットに通知する通知部とを備える。
本発明によれば、コスト上昇を抑制しながら、燃料電池ユニットから負荷に供給される電力の不足を抑制することを可能とする電力管理システム及び電力管理装置を提供することができる。
図１は、第１実施形態に係る電力管理システム１を示す図である。 図２は、第１実施形態に係るＨＥＭＳ５００を示すブロック図である。 図３は、第１実施形態に係る電力管理方法を示すシーケンス図である。
以下において、本発明の実施形態に係る電力管理システムについて、図面を参照しながら説明する。なお、以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。
ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法などは以下の説明を参酌して判断すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
［実施形態の概要］
実施形態に係る電力管理システムは、燃料電池ユニット及び負荷に接続された電力管理装置を備える。電力管理システムは、前記負荷の消費電力を取得する取得部と、前記取得部によって取得された消費電力に対して所定オフセットが加算された疑似消費電力を前記燃料電池ユニットに通知する通知部とを備える。前記燃料電池ユニットは、前記疑似消費電力に追従するように、前記燃料電池ユニットから出力される電力を制御する。
実施形態によれば、通知部は、負荷の消費電力に対して所定オフセットが加算された疑似消費電力を燃料電池ユニットに通知する。燃料電池ユニットは、疑似消費電力に追従するように、燃料電池ユニットから出力される電力を制御する。言い換えると、燃料電池ユニットは、所定オフセットだけマージンを持って、燃料電池ユニットから出力される電力を制御する。
従って、大容量のバッテリやキャパシタを設けずに、所定オフセットだけ負荷追従性が向上する。すなわち、燃料電池ユニットを含むシステム全体のコスト上昇を抑制しながら、燃料電池ユニットから負荷に供給される電力の不足を抑制することができる。
［第１実施形態］
（電力管理システム）
以下において、第１実施形態に係る電力管理システムについて説明する。図１は、第１実施形態に係る電力管理システム１を示す図である。
図１に示すように、電力管理システム１は、ＳＯＦＣユニット１００と、分電盤３００と、負荷４００と、ＨＥＭＳ５００とを有する。
ＳＯＦＣユニット１００は、天然ガスなどから取り出した水素と空気中の酸素との化学反応によって、電力（例えば、ＤＣ電力）を出力する装置（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）を含むユニットである。ＳＯＦＣユニット１００は、燃料電池ユニットの一例である。
詳細には、ＳＯＦＣユニット１００は、ＳＯＦＣ１１０と、ＳＯＦＣ ＰＣＳ１２０と、ＳＯＦＣコントローラ１３０とを有する。
ＳＯＦＣ１１０は、ガスなどから取り出した水素と空気中の酸素との化学反応によって、電力（例えば、ＤＣ電力）を発電する装置（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）である。ＳＯＦＣ１１０は、燃料電池の一例である。なお、ＳＯＦＣ１１０の発電量は、ＳＯＦＣ１１０に供給されるガス及び空気の量に応じて変化する。なお、ＳＯＦＣ１１０に供給されるガス及び空気の量は、ＳＯＦＣコントローラ１３０によって制御される。
ＳＯＦＣ ＰＣＳ１２０は、ＳＯＦＣ１１０から出力されるＤＣ電力をＡＣ電力に変換する。ＳＯＦＣ ＰＣＳ１２０は、電力ライン１２を介してＡＣ電力を分電盤３００に出力する。
ＳＯＦＣコントローラ１３０は、負荷追従運転を行うための制御を行う。具体的には、ＳＯＦＣコントローラ１３０は、ＳＯＦＣユニット１００（ＳＯＦＣ１１０）から出力される電力が負荷４００の消費電力に追従するように、ＳＯＦＣ１１０を制御する。
ＳＯＦＣコントローラ１３０は、系統１０から供給される電力が所定値（例えばゼロ）となるように、ＳＯＦＣユニット１００（ＳＯＦＣ１１０）の目標出力電力値を決定する。ＳＯＦＣコントローラ１３０は、ＳＯＦＣユニット１００（ＳＯＦＣ１１０）の出力電力が目標出力電力値となるように、ＳＯＦＣ１１０を制御する。
第１実施形態では、系統１０から供給される電力は、例えば、後述する計測部３１０によって計測される。しかしながら、ＳＯＦＣコントローラ１３０は、後述するＨＥＭＳ５００から通知される疑似消費電力を参照して、系統１０から供給される電力が所定値（例えばゼロ）となるように、ＳＯＦＣユニット１００（ＳＯＦＣ１１０）の目標出力電力値を決定することに留意すべきである。
なお、系統１０から供給される電力は、負荷４００の消費電力に応じて変化する。従って、系統１０から供給される電力に応じて目標出力電力値を決定するケースであっても、ＳＯＦＣユニット１００（ＳＯＦＣ１１０）の出力電力は、負荷４００の消費電力に追従することに留意すべきである。
或いは、ＳＯＦＣコントローラ１３０は、負荷４００の消費電力と等しい目標出力電力値を決定する。ＳＯＦＣコントローラ１３０は、ＳＯＦＣユニット１００（ＳＯＦＣ１１０）の出力電力が目標出力電力値となるように、ＳＯＦＣ１１０を制御する。
第１実施形態では、負荷４００の消費電力は、例えば、後述する計測部３１０によって計測される。しかしながら、ＳＯＦＣコントローラ１３０は、後述するＨＥＭＳ５００から通知される疑似消費電力と等しい目標電力値を決定することに留意すべきである。
分電盤３００は、電力ライン１１を介して系統１０と接続されており、電力ライン１２を介してＳＯＦＣユニット１００と接続されており、電力ライン１３を介して負荷４００と接続される。分電盤３００は、電力ライン１１を介して系統１０から供給される電力及び電力ライン１２を介してＳＯＦＣユニット１００か供給される電力を、電力ライン１３を介して負荷４００に分配する。
第１実施形態では、分電盤３００は、計測部３１０を有する。計測部３１０は、系統１０から供給される電力を計測する。また、計測部３１０は、負荷４００の消費電力を計測する。ここで、計測部３１０は、系統１０から供給される電力を計測するものと、負荷４００の消費電力を計測するものとで別個であっても構わない。
なお、複数の負荷４００が設けられている場合には、計測部３１０は、複数の負荷４００の消費電力の合計を計測してもよく、各負荷４００の消費電力を個別に計測してもよい。
ここで、計測部３１０は、ＳＯＦＣユニット１００及びＨＥＭＳ５００に信号線を介して接続されており、ＳＯＦＣユニット１００及びＨＥＭＳ５００に計測値を送信する。
負荷４００は、電力ライン１３を介して供給される電力を消費する装置である。例えば、負荷４００は、冷蔵庫、照明、エアコン、テレビなどの装置を含む。なお、負荷４００は、単数の装置であってもよく、複数の装置を含んでもよい。
ＨＥＭＳ５００は、需要家の電力を管理する装置（ＨＥＭＳ；Ｈｏｍｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）である。ＨＥＭＳ５００は、ＳＯＦＣユニット１００、分電盤３００（計測部３１０）及び負荷４００に信号線を介して接続される。ＨＥＭＳ５００は、負荷４００の動作モードを制御する機能を有する。ＨＥＭＳ５００は、電力管理装置の一例である。
詳細には、ＨＥＭＳ５００は、図２に示すように、受信部５１０と、送信部５２０と、制御部５３０とを有する。
受信部５１０は、分電盤３００（計測部３１０）及び負荷４００から各種情報を受信する。第１に、受信部５１０は、系統１０から供給される電力（計測値）を計測部３１０から受信する。或いは、受信部５１０は、負荷４００の消費電力（計測値）を計測部３１０から受信する。
なお、系統１０から供給される電力は、負荷４００の消費電力に応じて変化する。従って、系統１０から供給される電力（計測値）を計測部３１０から受信するケースにおいて、受信部５１０は、負荷４００の消費電力を間接的に取得していることに留意すべきである。すなわち、第１実施形態において、受信部５１０は、負荷４００の消費電力を取得する取得部を構成する。
第２に、受信部５１０は、負荷４００の状態（電源ＯＮ／ＯＦＦ、動作モード）を示す負荷状態情報を負荷４００から受信する。
送信部５２０は、ＳＯＦＣユニット１００及び負荷４００に各種情報を送信する。第１に、送信部５２０は、負荷４００の消費電力に所定オフセットが加算された疑似消費電力をＳＯＦＣユニット１００に送信する。
第１実施形態において、送信部５２０は、疑似消費電力をＳＯＦＣユニット１００に通知する通知部を構成する。
第２に、送信部５２０は、制御部５３０の指示に応じて、負荷４００の消費電力の減少を指示する負荷制御情報を負荷４００に送信する。ここで、負荷制御情報は、例えば、負荷４００の動作停止を指示する情報であってもよい。或いは、負荷制御情報は、負荷４００の動作モードの変更を指示する情報であってもよい。
制御部５３０は、ＨＥＭＳ５００を制御する。第１に、制御部５３０は、受信部５１０によって受信される負荷４００の消費電力に所定オフセットが加算された疑似消費電力を決定して、決定された疑似消費電力の送信を送信部５２０に指示する。
ここで、制御部５３０は、負荷４００の消費電力の履歴に基づいて、負荷４００の消費電力を予測してもよい。このようなケースでは、制御部５３０は、予測された消費電力に基づいて所定オフセットを算出する。例えば、制御部５３０は、予測された消費電力が大きいほど、所定オフセットとして大きなオフセットを算出する。但し、所定オフセットは、予め定められた値であってもよい。
第２に、制御部５３０は、負荷４００の消費電力にＳＯＦＣユニット１００から出力される電力が追従できない場合に、負荷４００の消費電力の減少を指示する負荷制御情報の送信を送信部５２０に指示する。すなわち、制御部５３０は、所定オフセットをマージンとして加味しても、ＳＯＦＣユニット１００から出力される電力が不足する場合に、負荷４００の消費電力の減少を指示する。
ここで、制御部５３０は、負荷状態情報に基づいて、負荷４００の消費電力を予測してもよい。或いは、制御部５３０は、負荷４００の消費電力の履歴に基づいて、負荷４００の消費電力を予測してもよい。このようなケースでは、制御部５３０は、予測された消費電力にＳＯＦＣユニット１００から出力される電力が追従できない場合に、負荷４００の消費電力の減少を指示する。
また、複数の負荷４００が設けられるケースでは、制御部５３０は、複数の負荷４００の中から、消費電力を減少すべき負荷４００を選択する。具体的には、制御部５３０は、複数の負荷４００のそれぞれの特性に応じて、消費電力を減少すべき負荷４００を選択する。
例えば、制御部５３０は、負荷４００が複数の動作モードを有しているケースにおいて、消費電力が小さい動作モードへの変更が許容される負荷４００を選択する。例えば、負荷４００がエアコンであり、急速冷房モードから通常冷房モードへの変更が許容される場合に、制御部５３０は、エアコンを選択する。また、本発明における「消費電力の減少」には、上述した低消費電力モードに変更する以外に停止することも含まるものとする。
（電力管理方法）
以下において、第１実施形態に係る電力管理方法について説明する。図３は、第１実施形態に係る電力管理方法を示すシーケンス図である。
図３に示すように、ステップ１０において、計測部３１０は、負荷４００の消費電力を計測する。ここでは、系統１０から供給される電力を計測するケースが例示されている。
ステップ２０において、計測部３１０は、系統１０から供給される電力（計測値）をＨＥＭＳ５００に送信する。
ステップ３０において、ＨＥＭＳ５００は、所定オフセットを決定する。所定オフセットは、負荷４００の消費電力の履歴に基づいて決定さえてもよい。或いは、所定オフセットは、予め定められた値であってもよい。
ステップ４０において、ＨＥＭＳ５００は、負荷４００の消費電力に所定オフセットが加算された疑似消費電力をＳＯＦＣユニット１００に送信する。
ステップ５０において、ＳＯＦＣユニット１００は、疑似消費電力に基づいて、負荷追従制御を行う。すなわち、ＳＯＦＣユニット１００は、疑似消費電力に追従するように、ＳＯＦＣユニット１００から出力される電力を制御する。
ステップ６０において、ユーザは、負荷４００に対して何らかの操作を行う。操作は、負荷４００の電源ＯＮ／ＯＦＦの切り替えであってもよい。或いは、操作は、負荷４００の動作モードの切り替えであってもよい。
ステップ７０において、負荷４００は、負荷４００の状態（電源ＯＮ／ＯＦＦ、動作モード）を示す負荷状態情報をＨＥＭＳ５００に送信する。或いは、ＨＥＭＳ５００が負荷４００の状態を取得しに行く。
ステップ８０において、ＨＥＭＳ５００は、負荷状態情報に基づいて、負荷４００の消費電力を予測する。
ステップ９０において、ＨＥＭＳ５００は、予測された消費電力にＳＯＦＣユニット１００から出力される電力が追従できるか否かを判定する。ＨＥＭＳ５００は、判定結果が“ＹＥＳ”である場合には、一連の処理を終了する。一方で、ＨＥＭＳ５００は、判定結果が“ＮＯ”である場合には、ステップ１００の処理に移る。
ステップ１００において、ＨＥＭＳ５００は、複数の負荷４００の中から、消費電力を減少すべき負荷４００を選択する。
ステップ１１０において、ＨＥＭＳ５００は、負荷４００の消費電力の減少を指示する負荷制御情報をステップ１００で選択された負荷４００に送信する。
ステップ１２０において、ＨＥＭＳ５００は、ステップ３０と同様に所定オフセットを決定する。
ステップ１３０において、ＨＥＭＳ５００は、ステップ４０と同様に負荷４００の消費電力に所定オフセットが加算された疑似消費電力をＳＯＦＣユニット１００に送信する。ここで、負荷４００の消費電力はステップ８０から１１０を考慮して決定される値である。
（作用及び効果）
第１実施形態によれば、ＨＥＭＳ５００は、負荷４００の消費電力に対して所定オフセットが加算された疑似消費電力をＳＯＦＣユニット１００に通知する。ＳＯＦＣユニット１００は、疑似消費電力に追従するように、ＳＯＦＣユニット１００から出力される電力を制御する。言い換えると、ＳＯＦＣユニット１００は、所定オフセットだけマージンを持って、ＳＯＦＣユニット１００から出力される電力を制御する。
従って、大容量のバッテリやキャパシタを設けずに、所定オフセットだけ負荷追従性が向上する。すなわち、ＳＯＦＣユニット１００を含むシステム全体のコスト上昇を抑制しながら、ＳＯＦＣユニット１００から負荷に供給される電力の不足を抑制することができる。
［その他の実施形態］
本発明は上述した実施形態によって説明したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
実施形態では特に触れていないが、制御部５３０は、ＳＯＦＣユニット１００の定格出力と現在の出力との差異に基づいて、負荷４００の消費電力を減少するか否かを判定してもよい。例えば、制御部５３０は、ＳＯＦＣユニット１００の定格出力と現在の出力との差異が所定閾値以下である場合に、負荷４００の消費電力を減少すると判定する。
実施形態では特に触れていないが、制御部５３０は、太陽電池が設けられているか否かに基づいて、負荷４００の消費電力を減少するか否かを判定してもよい。例えば、制御部５３０は、太陽電池が設けられていない場合に、負荷４００の消費電力を減少すると判定する。
実施形態では特に触れていないが、制御部５３０は、太陽電池が設けられているケースにおいて、太陽電池の出力量に基づいて、負荷４００の消費電力を減少するか否かを判定してもよい。例えば、制御部５３０は、太陽電池の出力量が所定閾値以下である場合に、負荷４００の消費電力を減少すると判定する。
実施形態では特に触れていないが、受信部５１０によって取得される負荷４００の消費電力は、太陽電池から供給される電力を考慮した値であってもよい。例えば、負荷４００の消費電力は、実際の負荷４００の消費電力から太陽電池から供給される電力を差し引いた値であってもよい。
また、制御部５３０によって予測される負荷４００の消費電力は、太陽電池から供給される電力の予測値を考慮した値であってもよい。予測される負荷４００の消費電力は、負荷４００の消費電力の予測値から太陽電池から供給される電力の予測値を差し引いた値であってもよい。
実施形態では特に触れていないが、制御部５３０は、優先順位が定められたカテゴリ毎に複数の負荷４００を管理していてもよい。
例えば、負荷４００は、３つのカテゴリ（カテゴリＡ〜Ｃ）に分類される。カテゴリＡは、例えば、生活に必要不可欠な負荷が属するカテゴリ（例えば、冷蔵庫）である。カテゴリＢは、カテゴリＡに属さない負荷のうち、生活に直結する負荷（例えば、照明、エアコン）である。カテゴリＣは、カテゴリＡ及びカテゴリＢのいずれにも属さない負荷（例えば、テレビ）などである。ここで、カテゴリＡの優先順位が最も高く、カテゴリＣの優先順位が最も低い。
このようなケースにおいて、制御部５３０は、消費電力を減少すべき負荷４００として、優先順位が低いカテゴリに属する負荷４００を選択する。
実施形態では、電力管理装置として、ＨＥＭＳ５００を例示した。しかしながら、電力管理装置は、例えば、ＢＥＭＳ（Ｂｕｉｌｄｉｎｇ ａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎｅｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）であってもよく、ＦＥＭＳ（Ｆａｃｔｏｒｙ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎｅｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）であってもよい。
実施形態では特に触れていないが、制御部５３０の機能は、ＨＥＭＳ５００以外の装置が有していてもよい。例えば、ＳＯＦＣコントローラ１３０又は分電盤３００が制御部５３０の機能を有していてもよい。
１…電力管理システム、１０…系統、１１…電力ライン、１２…電力ライン、１３…電力ライン、１００…ＳＯＦＣユニット、１１０…ＳＯＦＣ、１２０…ＳＯＦＣ ＰＣＳ、１３０…ＳＯＦＣコントローラ、３００…分電盤、３１０…計測部、４００…負荷、５００…ＨＥＭＳ、５１０…受信部、５２０…送信部、５３０…制御部

Claims (5)

  1. 燃料電池ユニット及び負荷を備える電力管理システムであって、
    前記負荷の消費電力を取得する取得部と、
    前記取得部によって取得された消費電力に対して所定オフセットが加算された疑似消費電力を前記燃料電池ユニットに通知する通知部とを備え、
    前記燃料電池ユニットは、前記疑似消費電力に追従するように、前記燃料電池ユニットから出力される電力を制御することを特徴とする電力管理システム。
  2. 前記負荷の消費電力を予測して、予測された消費電力に基づいて前記所定オフセットを算出する制御部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電力管理システム。
  3. 前記負荷の消費電力を予測して、予測された消費電力に前記燃料電池ユニットから出力される電力が追従できない場合に、前記負荷の消費電力を減少する制御部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電力管理システム。
  4. 前記負荷として、複数の負荷が設けられており、
    前記複数の負荷の消費電力に前記燃料電池ユニットから出力される電力が追従できない場合に、前記複数の負荷の中から選択された負荷の消費電力を減少する制御部を備え、
    前記制御部は、前記複数の負荷のそれぞれの特性に応じて、消費電力を減少すべき負荷を選択することを特徴とする請求項１に記載の電力管理システム。
  5. 燃料電池ユニット及び負荷に接続された電力管理装置であって、
    前記負荷の消費電力を取得する取得部と、
    前記取得部によって取得された消費電力に対して所定オフセットが加算された疑似消費電力を前記燃料電池ユニットに通知する通知部とを備えることを特徴とする電力管理装置。
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