JP2013176195A - 二次電池の充電深度管理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ニッケル水素電池は充電状態によらず電圧の変動が少なく、ＳＯＣの全域に渡り二次電池を有効に利用できる。しかしこの反面、ＳＯＣ変動に対して電圧の変動が少ないので、ＳＯＣの計算誤差が大きく、充電状態の正確な把握が困難である。
【解決手段】一日に一度、所定の時間に電池モジュールを構成する単位電池の端子電圧を調べて、電圧のばらつきが一定値以上あるときに、夜間電力を利用して１００％充電することにより、ＳＯＣ計算の誤差を解消する。
【選択図】図５

Description

本発明は、充放電が可能な二次電池の充電状態を管理する方法に関し、詳しくは複数の二次電池から構成される組電池の充電状態を管理する方法に関する。

近年、風力発電や太陽光発電等の自然エネルギーを利用した発電装置がサステイナブル社会の要望を受けて開発され、実用化に供される状況にある。自然エネルギーを利用した発電装置の増加に対応し、電源周波数調整能力の確保を図るために電力貯蔵設備の設置が有力視されている。二次電池を利用した電力貯蔵設備は、半導体制御装置であるインバータを利用しており、その応答性において優れており、自然エネルギーを利用した発電装置の発電量の需給の調整用に好適である。そして、このような電力貯蔵設備には、リチウム二次電池、ニッケル水素電池、鉛電池および電気二重層キャパシタなどの蓄電手段が用いられている。

二次電池は過放電、過充電を行なうと電池性能を劣化させることになるため、二次電池の充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を把握して、充放電を制御する必要がある。特に、電力系統において電力平準化や電源品質の確保を行う場合においては、二次電池が、余剰電力を受け入れられるように、また要求があれば直ちに系統に電力を供給できるようにするために、その充電状態は満充電の状態（１００％）と、全く充電されていない状態（０％）のおおよそ中間付近（５０〜６０％）に維持されることが多い。このため、二次電池の充電状態（ＳＯＣ）をより正確に把握する必要がある。

このような二次電池の充電状態を把握する方法としては、二次電池の端子電圧に基づいて計算する方法が周知である。また、端子電圧は電流値によって変化することから、電流センサにより測定された充放電電流値を積算して充電状態を推定する方法も行なわれている。

特許文献１には、二次電池の残存容量を算出する方法が開示されている。この方法によれば、電圧値から第１の推定ＳＯＣを算出し、電流値から電流積算値を算出して、電流積算値を加算して第２の推定ＳＯＣを算出して、電圧値から第１の補正係数Ｒ１を算出し、電流値から第２の補正係数Ｒ２を算出するとともに、第１の推定ＳＯＣと第２の推定ＳＯＣとの差にＲ１とＲ２とを乗算した補正項により補正してＳＯＣを算出する。

特許文献２には、過充電および過放電をより安定的に回避しつつ、二次電池の残存容量を推定する残存容量推定装置が開示されている。この装置によれば、ＳＯＣ推定値依存ゲイン選択部は、推定ＳＯＣに対するＳＯＣの前回推定値の偏差に補正ゲインを乗じて補正値を算出する。そして、ＳＯＣ推定値依存ゲイン選択部は、ＳＯＣの前回推定値が過充電に近い領域に存在し、かつ、ＳＯＣの前回推定値をより小さい値に補正する場合、ならびに、ＳＯＣの前回推定値が過放電に近い領域に存在し、かつ、ＳＯＣの前回推定値をより大きい値に補正する場合において、相対的に小さい補正ゲインを選択する。

特許文献３には、最適なタイミングで均等充電等を実施可能にする技術が開示されている。すなわち、直列接続された複数の電池を充電又は放電する際、いずれか１個の電池の電圧が所定値に至った時点で電圧値と平均電圧とを比較する。両者の差が大きい場合には残存容量に顕著なばらつきが生じていると見なし均等充電を実施すべき旨又は電池を交換すべき旨警告する。通常充電又は放電の際の判定を電圧値と平均電圧により行い、均等充電直後の充電又は放電の際の判定を時刻及び平均時刻により行う。

特開２００５−１１４６４６号公報 特開２００７−２１２２９８号公報 特開平８−７９９７８号公報 国際公開２００９／１０７７１５号公報

風力発電等の自然エネルギーを利用した発電装置は、その性格上、発電量の調整が難しく、また電源品質としても優れたものとはいえない。例えば、ウインドファームにおける個々の風力発電機の出力変動は互いに重畳する傾向があり、風力発電設備の系統への連系量が増大するにつれて、電力系統の周波数に大きな影響を及ぼすことになる。自然エネルギーを用いた発電設備を系統に連系するにあたっては、発電設備の発電量に起因する出力変動を緩和する必要がある。

このような自然エネルギーを利用した発電装置による出力変動の緩和に対応するため、電力貯蔵設備を自然エネルギーを用いた発電設備に付随させることがある。更には、電力貯蔵設備を電力系統に連系することにより、電力に余裕があるときに蓄電手段（具体的には二次電池）を充電することにより蓄電し、電力を必要とするときに蓄電された電力を利用することが考えられている。しかし、大きな電力量の調整を行うためには、大容量の二次電池等を必要とし、設備が大型化し、費用も多大となる。限られた設備規模で電力量の調整を行わなければならないという問題点がある。

更に、電源周波数調整能力の確保に支障を来たさないためには、十分な蓄電量を必要とし、この意味において、二次電池の充電状態（ＳＯＣ；充電深度）を正確に把握する必要がある。ニッケル水素電池は充電状態によらずその出力電圧の変動が小さく、ＳＯＣの全域に渡り二次電池を有効に利用できる反面、充電状態を正確に把握することが難しい。

これに比べて、他のタイプの蓄電手段は、ＳＯＣの変動に対して電圧の変動が大きい。すなわち、ＳＯＣの変動に対する電圧変化（ΔＶ／ΔＳＯＣ）は、ニッケル水素電池で約０．１、鉛蓄電池で約１．５、リチウムイオン電池で約２、電気二重層キャパシタで約３になっている。つまり、同じＳＯＣ変化に対するニッケル水素電池の電圧の変化は、鉛蓄電の１／１５、リチウムイオン電池の１／２０に、電気二重層キャパシタの１／３０と小さい（例えば、特許文献４）。一般に、充放電した電流量と電池電圧等を組合せてＳＯＣの推定を行っているが、長期間充放電を繰り返すと推定ＳＯＣ（充電深度）と真値に誤差が生じ、正確なＳＯＣの推定は難しい。蓄電手段（二次電池）に蓄電されている電力量が不正確であると、電力貯蔵装置の適正な運用に支障を来たす。

特許文献１に開示の技術は、電池電圧と充放電の積算で充電深度を推定するが、電池電圧と電流値により補正係数を変えるものであり、特許文献２は、充放電電流の積算により充電深度を推定し、電池電圧により補正するが安全側に補正するものであり、特許文献３は、セル電圧を監視し、平均電圧との差が大きくなると均等充電する方法であるが、それぞれ次のような課題がある。すなわち、特許文献１，２に開示の技術は常時充電深度の中間域で運用していると適正な補正ができず、特許文献３に開示の技術は電池電圧が短い周期でばらつくと均等充電の回数が多くなり、電池を劣化させるおそれがある。

一般に電力貯蔵設備等産業用に用いられる二次電池は、単位電池を複数個直列に接続して電池モジュールとして構成されたものが多い(例えば、特許文献４)。このような電池モジュールにおいては、その構成要素である単位電池の充電状況のばらつきが問題となる。これは単位電池が直列に接続されている関係上、電池モジュールの性能は充電状態の最も悪い単位電池の影響を受けて、電池モジュールの運用範囲（ＳＯＣ）が制限される。また、電池電圧がばらつけば一部の単位電池が過充電になるので、ばらつきの巾を判断して均等充電する必要があるが、均等充電は電池の劣化を促進するおそれがある。

以上まとめると、大量の二次電池を用いることなく、適切な規模の二次電池を電力系統に接続して、電源品質の維持を図るためには適切なＳＯＣの把握が必要となるところ、充放電を繰り返す過程でＳＯＣの推定精度が悪くなるという課題がある。一方、過充電（均等充電）するとＳＯＣの推定誤差がなくなるが、均等充電は電池の劣化を促進するおそれがある。

本発明の目的は、上記の課題を解決するために、正確なＳＯＣの管理方法を提供するものであり、併せて電池モジュールを構成する単位電池の充電状態のばらつきを防止して、二次電池をＳＯＣの全領域において有効に利用するとともに、電池の劣化を防止する充電深度の管理方法を提供するものである。これにより、限られた設備容量で適正な電源周波数調整能力の確保を図るとともに、自然エネルギーを用いた発電設備における出力変動を緩和する。

前記した目的を達成するために、本発明に係る二次電池の充電深度管理方法は、二次電池からなる蓄電設備が充放電制御装置を介して電力系統に接続されてなる蓄電システムにおいて、前記電力系統の周波数を測定する周波数計測ステップと、前記周波数計測ステップで求めた実周波数とあらかじめ定めた目標周波数の偏差から必要有効電力を計算する電力需給制御ステップと、前記二次電池のＳＯＣの計算するＳＯＣ計算ステップと、前記ＳＯＣ計算ステップで求めた実ＳＯＣとあらかじめ定めた目標ＳＯＣの偏差から必要充放電量を計算するＳＯＣ制御ステップと、電力需給制御ステップにおける制御偏差が所定の値より大きいときに前記電力需給制御ステップで求めた計算結果を選択し、そうでないときは、前記ＳＯＣ制御ステップで求めた計算結果を選択するオーバーライドステップを有し、当該オーバーライドステップにおいて選択した計算結果に基づき前記二次電池の充放電制御を行う。（ＣＬ１、ＣＬ２）

この方法によれば、二次電池は充放電が可能な単位電池を直列に接続して構成される電池モジュールであってよく、当該電池モジュールを更に直列ならびに並列に接続してなる電池バンクであってもよい。これら電池モジュールもしくは電池バンクは蓄電システムを構成する。

また、この方法によれば、蓄電システムはＳＯＣを目標値に維持管理するＳＯＣ制御と、電力系統からの要求に応じて充放電を行う電力需給制御の２つの制御が協働して動作しているといえる。通常はＳＯＣ制御が働き、電力系統において多大な電力の出入りがあったときは、ＳＯＣ制御をオーバーライドする形で電力需給制御が働く。電力需給制御とＳＯＣ制御によるカスケード制御が行われているということもできる。

電力需給制御は電力系統の周波数が低下して、発電量を増やす必要が生じたときに、二次電池から必要電力の供給を行い、周波数が上昇して発電量が過剰になったときに、二次電池を充電することにより余剰電力の吸収を図る。なお、ＳＯＣ制御ステップにおける制御出力となる必要充放電量において、値が正のとき二次電池は充電され、負のときは放電されることとなる。

本発明に係る二次電池の充電深度管理方法は、自然エネルギーを用いた発電機が前記蓄電設備の充放電制御装置を介して前記電力系統に接続されていて、前記充放電制御装置の平均出力の変動が所定の範囲内になるように、前記充放電制御装置の充放電量を計算する出力変動緩和制御ステップと、出力変動緩和制御ステップにおける制御偏差が所定の値より大きいときに前記出力変動緩和制御ステップで求めた計算結果を選択し、そうでないときは、前記ＳＯＣ制御ステップで求めた計算結果を選択するオーバーライドステップと、を有し、当該オーバーライドステップにおいて選択した計算結果に基づき前記二次電池の充放電制御を行う。（ＣＬ３）

この方法によれば、太陽光発電機や風力発電機からの出力が、系統に出力する目標値より大きいときは蓄電設備は充電され、小さければ放電されて発電機の出力変動は緩和される。

本発明に係る二次電池の充電深度管理方法は、前記二次電池の充放電状態を計測する運用状況計測ステップと、時刻を計時して所定の時刻に前記運用状況計測ステップを起動する計時ステップとを有し、前記計時ステップにより起動された運用状況計測ステップにおいて、二次電池の充放電電力が所定の範囲内にあり、かつ、二次電池の充放電電力が所定の範囲内にある時間が所定時間以上継続し、かつ、ＳＯＣが所定の値で所定の期間が経過しているときに前記目標ＳＯＣに所定の加算を行う（ＣＬ４）。そして、本発明に係る二次電池の充電深度管理方法は、前記二次電池の電圧値を検出する電圧検出ステップと、 前記二次電池の電圧値のばらつきを検出する第１ばらつき検出ステップを有し、前記計時ステップにより起動された運用状況計測ステップにおいて、二次電池の充放電電力が所定の範囲内にあり、かつ、二次電池の充放電電力が所定の範囲内にある時間が所定時間以上継続し、かつ、第１ばらつき検出ステップにおいて検出された二次電池のばらつきが所定の第１の値以上であるときに前記目標ＳＯＣに所定加算を行う（ＣＬ５）。

蓄電システムを構成する二次電池において、電圧検出ステップは複数の単位電池の個々の電圧を検出するものであってもよい。運用状況計測ステップは、二次電池の充放電状態を計測するものであって、二次電池の入力および出力電力を計測するものであってもよい。さらに、計時ステップはＧＰＳ信号から時刻を受信して、所定の時刻にスケジュールされたプログラムによって実行されてもよい。ここにいう「所定」の値は、例えば、計算機内部に蓄えられた定数であってよく、好ましくは、マンマシンインタフェースにより適宜変更可能である。

本発明に係る二次電池の充電深度管理方法は、前記第１ばらつき検出ステップが、前記蓄電システムを構成する全ての二次電池の電圧の平均値と当該二次電池の電圧の偏差をもって検出する（ＣＬ６）。また、前記目標ＳＯＣが５０％近傍である（ＣＬ７）。更に、目標ＳＯＣに所定の加算を行った結果、前記ＳＯＣ制御ステップにおいてＳＯＣの目標値が９０％近傍である（ＣＬ８）。

この方法によれば、二次電池を構成する単位電池毎に検出されたセル電圧値について、これらの平均値からの偏差を持って当該セル（単位電池）のばらつきを判断する。平均値のかわりに中値を用いてもよい。

本発明に係る二次電池の充電深度管理方法は、前記二次電池の充放電状態を計測する運用状況計測ステップと、時刻を計時して所定の時刻に前記運用状況計測ステップを起動する計時ステップと、前記二次電池を過充電する均等充電ステップとを有し、前記計時ステップにより起動された運用状況計測ステップにおいて、二次電池の充放電電力が所定の範囲内にあり、かつ、二次電池の充放電電力が所定の範囲内にある時間が所定時間以上継続し、かつ、所定の期間均等充電されていないときに二次電池の均等充電を行う（ＣＬ９）。そして、本発明に係る二次電池の充電深度管理方法は、前記二次電池の電圧値を検出する電圧検出ステップと、 前記二次電池の電圧値のばらつきを検出する第２ばらつき検出ステップを有し、前記計時ステップにより起動された運用状況計測ステップにおいて、二次電池の充放電電力が所定の範囲内にあり、かつ、二次電池の充放電電力が所定の範囲内にある時間が所定時間以上継続し、かつ、第２ばらつき検出ステップにおいて検出された二次電池のばらつきが所定の第２の値以上であるときに二次電池の均等充電を行う（ＣＬ１０）。

この方法によれば、第２ばらつき検出ステップにおける所定の第２の値（Ａ）は、第１ばらつき検出ステップにおける所定の第１の値（Ｂ）よりも大きい（Ａ＞Ｂ）。

この方法にいう均等充電とは、二次電池の１００％ＳＯＣに対応する電圧より高い電圧で充電することを意味する。均等充電は過充電であって、二次電池を構成する単位電池に充電のばらつきがある場合、そのばらつきを是正する効果がある。

本発明に係る二次電池の充電深度管理方法は、前記第２ばらつき検出ステップが、前記蓄電システムを構成する全ての二次電池の電圧の平均値と当該二次電池の電圧の偏差をもって検出する（ＣＬ１１）。更に、前記第２ばらつき検出ステップにおける前記第２の値が、第１検出ステップにおける前記第１の値よりも小さい（ＣＬ１２）。また、前記均等充電が、前記二次電池をＳＯＣ１００％まで定電流で充電して、その後、過電圧で充電する（ＣＬ１３）。更に、前記均等充電が一定電流で行われる（ＣＬ１４）。本発明に係る二次電池の充電深度管理方法は、前記二次電池がニッケル水素電池である（ＣＬ１５）。

この方法によれば、均等充電によりＳＯＣが１００％にセットされるので、誤差が累積されることはなく、電圧変動の小さいニッケル水素電池においても、正確に充電深度を管理することが可能となる。

本発明の充電深度管理方法によれば、正確なＳＯＣの管理方法を提供するものであり、併せて電池システムを構成する単位電池の充電状態のばらつきを防止して、二次電池をその全領域において有効に利用するとともに、電池の劣化を防止する充電深度の管理方法を提供する。

二次電池を用いた電力需給制御システムのイメージを示す図面である。 本発明に係る二次電池のＳＯＣ特性曲線の例を示すグラフである。 本発明に係る二次電池のＳＯＣの算出方法を説明するためのＳＯＣ推定アルゴリズム図である。 本発明に係る充電深度管理方法を用いた場合の電力の需給状況のイメージを示す図面である。 本発明に係る充電深度管理方法の実行手順を示すフローチャートである。

以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。

＜第一の実施形態＞
電力貯蔵設備に二次電池を用いた電力需給システムのイメージを図１に示す。中央制御室（図示せず）に設置された需給制御システム１１には、各種の発電設備（発電所）が接続されていて、各発電設備からは現在の出力（発電量）が中央の需給制御システム１１に送られてくる。このような発電設備（発電所）として、水力発電所１２、火力発電所１３、風力発電所１４、太陽光発電所１５等がある。需給制御システム１１は、刻々変わる電力需要（デマンド）に対して、電力の供給がバランスするよう各発電所１２，１３に対して、伝送網１９を通じて出力指令を送信する。各発電所１２，１３は需給制御システム１１からの出力指令に基づき、発電所の発電電力を調節して、電力網１８に電力を供給する。もっとも、風力発電所１４や太陽光発電所１５のような自然エネルギーを利用した発電所の場合は、電力の調節が難しく、電力系統に対して外乱として作用する。

変電所１６に設置された蓄電設備１７（電力貯蔵設備）は、二次電池とインバータにより構成されていて、電力需給調整においてピークカットを行い電力の平準化に寄与する。すなわち、電力の平準化を行うことにより、発電設備の効率的な運用を可能にしている。更に二次電池は、発生電力の調節が難しい自然エネルギーを利用した発電設備に対してバッファーとして作用することにより電力品質の維持に貢献する。

本発明は、変電所に設置され、電力貯蔵設備として機能する二次電池に関するものであり、より詳しくは、二次電池の充電深度を管理することにより、二次電池の効率的な運用を可能にする。

二次電池の充電状態を表すＳＯＣ特性曲線を図２に示す。縦軸は電池電圧（Ｖ）であり、横軸は充電深度（％）である。充電深度が高い領域では電池電圧の変動は大きいが、通常の使用域（２０〜８０％）では、電圧の変動は小さい。ニッケル水素電池においてはこの傾向は顕著である。しかしながら、ＳＯＣ１００％の近傍では、電圧変動が大きくなっている。このため、ＳＯＣ１００％近傍ではＳＯＣの推定誤差は小さくなる。ＳＯＣ１００％を超える領域は過充電領域となる。

本実施形態において、二次電池は、１０個の単位電池からなる電池モジュールを４８直列したもの１並列から構成されている。この結果二次電池は、定格電圧５７６Ｖ、定格出力２５０ｋＷ、電池容量１００ｋＷｈの能力を有する。

通常の運用状態においては、電力需要が高いときは、需給制御システム１１からの指令を受けて、蓄電設備１７が放電することにより電力の需要を満たすように作用する。二次電池の充電は、原則として、電力需要が低い時間帯に行なわれ、好ましくはＳＯＣが４０〜６０％で運用される。

二次電池のＳＯＣを算出するにあたり、図３に示すアルゴリズムを用いている。図３を用いて、ＳＯＣの算出方法を説明する。本実施形態においては二次電池としてニッケル水素電池が用いられていて、ニッケル水素電池には、電圧計（図示せず）、電流計（図示せず）および温度計（図示せず）等が取り付けられており、二次電池の状態が常時監視されている。

電圧、電流、温度等の瞬時値から推定される瞬時ＳＯＣをニッケル水素電池の電流積算を用いて補正することによりＳＯＣの推定を行うもので、短期間の計測精度向上と電流センサのゼロ点ドリフトの累積誤差の補正ができ、長期間の運用でも手動による縮正が不要であり、均等充電によるリセット処理回数も大幅に低滅できることを特徴としている。

ニッケル水素電池の充放電特性はＳＯＣの中間域では電圧変化が小さく、瞬時ＳＯＣの算出精度には誤差が大きいため、電圧変化が大きい過充電領域で補正をかけることで、電流センサのゼロ点ドリフトの累積誤差等に影響されない正確なＳＯＣの算出を可能としている。また併せて電池の内部圧力のモニタを行うことで、過充電領域で異常充電が起こらないように制御している。

具体的には、図３はＳＯＣ推定アルゴリズムにおいて、図中の「充放電効率計算」ブロックは、「補正ＳＯＣ」と「電池温度」とから充放電効率を計算して、次段の「充放電効率補正」ブロックに出力する。「充放電効率補正」ブロックは、「電池電流」に充放電効率の補正を行う。図中の「瞬時ＳＯＣ」は、電圧計から読み取られた電圧値から図２のＳＯＣ特性を利用して求められたＳＯＣの値である。この「瞬時ＳＯＣ」と「補正ＳＯＣ」の差が取られて、「Ｔ」で除されて、「充放電効率補正」ブロックの出力と加算されて、「１／ｓ」で示される積分器で積算されて、新しい「補正ＳＯＣ」となる。

図４は、本発明に係る充電深度管理方法を用いた場合の電力の需給状況のイメージを示す図面である。一般的に、電力需給のピークは日中にあり、工場が活動を休止する正午ごろは一時的に需要が低下するが、１３時頃から１５時にピークを迎え、その後漸減する。１８時頃を過ぎる夜間の時間帯になると電力の需要は底を迎える。翌朝の６時を過ぎ経済活動が活発になると電力需要が伸びて日中のピークを迎える。

二次電池は必要電力の供給を行い、余剰電力の吸収を行う必要があるので、周波数変動に耐えられるように、二次電池の充電深度（ＳＯＣ）は５０％近辺が望ましい。図４において、充電深度が５０％を中心に増減しているのは前述した理由による。本発明に係る充電深度の管理においては、電力需要の少ない夜間に、二次電池を満充電することにより、二次電池の充電深度（ＳＯＣ）の計算誤差を解消する。すなわち、二次電池を満充電すれば、ＳＯＣが１００％になるので、図３に示すＳＯＣの計算における誤差がゼロとなる。図２に示すように、二次電池が満充電（ＳＯＣ１００％）に近づけば、ＳＯＣに対する電圧変化が大きくなり、計算誤差は小さくなる。

更には、二次電池を満充電することにより、二次電池モジュールを構成する単位電池の充電状態のばらつきを防止することが可能となる。特に、図４に示すように、例えば１２０％電圧で充電すれば、単位電池の充電状態のばらつきは完全に解消することができ、充電深度も誤差なく１００％となる。なお、図４において、波線で示されるグラフは、本発明に係る充電深度の管理方法により、夜間電力を利用して二次電池を充電した場合のＳＯＣの変化を示す。

本発明の充電深度管理方法に係る蓄電システムの制御方法について説明する。
電力系統に接続され計測器から系統周波数を読み込む。読み込んだ実周波数とあらかじめ定めた目標周波数の偏差を求めて、ここ制御偏差に制御演算を施す。本実施形態においては制御演算としては比例制御を用いた。制御出力は蓄電システムに対する要求電力となる。すなわち、実周波数が既定値（目標周波数）より小さければ有効電力を出力するように作用する。反対に、実周波数が既定値より大きければ二次電池を充電して有効電力を吸収するように作用する。この制御を電力需給制御と称している。電力需給制御により、系統における周波数調整機能が実現されることとなる。

一方、二次電池の方から考えてみると、その充電状態はＳＯＣ５０％であることが望ましい。二次電池により構成される蓄電システムは、電力の供給にも、吸収にも対応する必要があるため、その両方にとり均等な余裕となるＳＯＣ５０％であることが好ましいからである。したがって、通常時はＳＯＣ５０％となるように二次電池は制御されているのが好ましくこれをＳＯＣ制御で実現している。

しかし、電力需給制御とＳＯＣ制御が存在するため制御のコンフリクトを避ける必要がある。本実施形態においては、通常時はＳＯＣ制御が動作し、実周波数と目標周波数の偏差が所定の値より大きいときに電力需給制御が働くオーバーライド制御を採用している。オーバーライド制御の代わりに、一次ループとして電力需給制御が働き、その外側の二次ループとしてＳＯＣ制御が働くような、いわゆるカスケード制御としてもよい。

電力系統の需給調整を発電機で担っているが、風力発電や太陽光発電等の新エネルギーの大量導入により、需給調整能力が不足するおそれがある。応答性のよい二次電池を導入することにより、需給調整能力が確保できる。

本発明に係る充電深度管理方法の実行手順を、図５のフローチャートで示す。ステップ１００において（以下、ステップをＳと略す）、誤差補正時間帯か否かが判断される。これは、一日において所定の時間帯に充電深度の管理プログラムが起動される。本実施形態においては、この時間帯として午後１１時から翌朝の午前６時と定められているが、この時間帯は電力需給制御時におけるものであり、適宜変更可能である。例えば後述する第２の実施例の出力変動緩和制御においては、太陽光発電所の場合は午後８時から翌朝４時とし、また、風力発電所では凪の時間帯とすることができる。誤差補正時間帯でなければＳ１０９に進み、充電深度管理プログラムは終了する。蓄電設備は通常の運用処理が行なわれる。

Ｓ１００でＹＥＳと判断された場合は、Ｓ１０１に進む。Ｓ１０１では、二次電池の電力変動幅が規定値以内か否かが判断される。すなわち、所定のサンプリング期間内に（本実施形態では１分）、二次電池（蓄電設備１７）の出力電力の変動が調べられて、規定値以上の電力の変動があれば、Ｓ１０９に進み充電深度管理プログラムは終了する。本実施形態においては、電力変動の規定値として片側１ｋＷ（±１ｋＷ）とした。

Ｓ１０１でＹＥＳと判断された場合は、Ｓ１０２に進む。Ｓ１０２では、規定値以上の電力変動が規定時間継続したか否かが判断される。本実施形態においては、この継続時間は３０分としたが、この値は適宜変更可能である。すなわち、１ｋＷ以上の電力変動が３０分以上継続すれば、次のＳ１０３に進み、そうでなければＳ１０９に進み充電深度管理プログラムは終了する。

Ｓ１０３において、指定期間が経過しているか否かが判断される。本実施形態において、経過期間は６ヶ月としているが、この期間は適宜変更可能である。過去６月以内に二次電池が本充電深度管理方法により充電が行われておらなければ、Ｓ１０４に進み均等充電が行なわれる。均等充電においては、過充電が行われる。具体的には、ＳＯＣ１００％まで０．２Ｃの定電流で充電して、その後、１．４Ｖの一定電圧で充電する。均等充電後Ｓ１０９に進み、充電深度管理プログラムは終了する。

Ｓ１０３でＮＯと判断された場合は、Ｓ１０５に進む。Ｓ１０５では、単位電池（セル）毎の端子電圧のばらつきが規定値（Ａ）以上か否かが判断される。すなわち、各単位電池の端子電圧が、電池モジュールを構成する全単位電池の端子電圧の平均値よりどの程度ずれているかが調べられる。ばらつきがＡ（規定値）以上である単位電池が一つもなければ、Ｓ１０６に進み、そうでなければＳ１０４に進み、均等充電が行なわれる。本実施形態においてこの規定値（Ａ）は、片側１０％（±１０％）とした。平均値の代わりに中央値を用いてもよく、また規定値に１０％以外の値を用いてもよい。

Ｓ１０５でＮＯと判断された場合は、Ｓ１０６に進む。Ｓ１０６では、規定ＳＯＣ範囲内運用期間が所定の設定値以上かどうか判断される。具体的には、ＳＯＣが５０±２０％（３０〜７０％）の範囲内で運用されている時間が３０分以上経過しておれば、Ｓ１０６に進み、ＳＯＣ１００％近辺制御が実行される。ここに、ＳＯＣ１００％近辺制御において、通常時にＳＯＣの目標値が５０％であるところ、４０％の加算を行い、ＳＯＣの目標値を９０％とする制御を行う。

Ｓ１０６でＮＯと判断された場合は、Ｓ１０８に進む。Ｓ１０８では、再度、単位電池（セル）毎の端子電圧のばらつきが規定値（Ｂ）以上か否かが判断される。Ｓ１０８における規定値（Ｂ）は、Ｓ１０５における規定値（Ａ）より大きい（Ａ＞Ｂ）。本実施形態においては、片側５％が規定値として選ばれている。セルの端子電圧のばらつきが規定値以上であれば、Ｓ１０６に進み、ＳＯＣ１００％近辺制御が実行される。規定値以内であれば、Ｓ１０９に進み充電深度管理プログラムは終了する。

＜第２の実施形態＞
自然エネルギーを用いた発電所に二次電池を設置して、これらの発電電力量の変動を緩和して、電力系統の周波数変動に対する影響を小さくする。すなわち、自然エルギーを用いた発電機（以下、単に発電機と称する）を二次電池を介して系統に連系する。そして、発電機の発生電力を二次電池に蓄電して、二次電池の出力を制御することにより、日射量や風力等の自然条件に起因する出力変動を緩和する。

発電機の発電量の変動分を二次電池が吸収する（補う）ので、二次電池の出力を発電所の合成出力と称することがある。合成出力の目標値に対して発電機の出力が大きければ二次電池は充電制御し、合成出力の目標値に対して発電機の出力が小さければ二次電池は放電制御を行う。この運用を二次電池ＳＯＣ２０％−８０％の範囲内で行う。連続運転を可能とするための余裕度を考慮してＳＯＣ５０％目標値として、バイアスをかける制御を行う。例えば、低ＳＯＣ領域（２０−５０％ＳＯＣ）においては、合成出力の目標値の範囲内であることを条件に充電バイアスをかけ、ＳＯＣ５０％となるような制御を行う。一方、高ＳＯＣ領域（５０−８０％ＳＯＣ）においては、合成出力の目標値の範囲内であることを条件に、放電バイアスをかけ、ＳＯＣ５０％となるような制御を行う。すなわち、充電深度管理を行わない平時においては、任意の時刻から始まる２０分間において、発電所の合成出力（１分間平均値）の「最大値−最小値」が発電所の定格出力の１０％以下となるように充放電制御を行う。

風力発電機を例に取り、その作用を説明する。
定格２０００ｋＷの風車の、ある１分間の平均出力が２０００ｋＷだった場合、以降１９分間の最小出力が１８００ｋＷ以上であれば、風車に併設されている二次電池は充放電を行なう必要はなく（２０００ｋＷ×１０％＝２００ｋＷであるため）、逆に、上記１９分間の間は、風車＋二次電池の合成出力を１８００ｋＷ〜２０００ｋＷの範囲で変動させることが可能なので、この範囲で二次電池にバイアスをかけることが可能となる。

例えば、ある１分間の平均出力が２０００ｋＷで、その出力が継続している場合、合成出力の目標値を１８００ｋＷに設定すれば、風車から蓄電池へ充電を行なうこととなる。風車が定格で発電している場合は、今後風車出力が低下する可能性が高いため、蓄電池のＳＯＣを高めに持っていくことで、風車出力低下時の変動抑制のための放電に備える。

合成出力の目標値は、電力需給調整の技術用件を満たす範囲で、通常は二次電池のＳＯＣを５０％に戻すバイアスをかける。例えば、風車定格出力時であれば、将来の風車出力低下時に備えて、二次電池のＳＯＣを高め（８０％）に戻すバイアス制御を行う。以上の条件に基づき、合成出力の目標値を随時（１ｓｅｃ）設定し、その合成出力となるよう二次電池に充放電指令を送る。

以上のとおり、本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

本発明の二次電池の充電深度管理方法によれば、二次電池の充電状態を適正に保持でき、電力系統の需給調整や電力の平準化に有用である。

１１ 需給制御システム
１２ 水力発電所
１３ 火力発電所
１４ 風力発電所
１５ 太陽光発電所
１６ 変電所
１７ 蓄電設備
１８ 電力網
１９ 伝送網

Claims (15)

1. 二次電池からなる蓄電設備が充放電制御装置を介して電力系統に接続されてなる蓄電システムにおいて、
   前記二次電池のＳＯＣの計算するＳＯＣ計算ステップと、
   前記ＳＯＣ計算ステップで求めた実ＳＯＣとあらかじめ定めた目標ＳＯＣの偏差から必要充放電量を計算するＳＯＣ制御ステップと、
   前記ＳＯＣ制御ステップにおいて選択した計算結果に基づき前記二次電池の充放電制御を行う二次電池の充電深度管理方法。
2. 前記電力系統の周波数を測定する周波数計測ステップと、
   前記周波数計測ステップで求めた実周波数とあらかじめ定めた目標周波数の偏差から必要有効電力を計算する電力需給制御ステップと、
   電力需給制御ステップにおける制御偏差が所定の値より大きいときに前記電力需給制御ステップで求めた計算結果を選択し、そうでないときは、前記ＳＯＣ制御ステップで求めた計算結果を選択するオーバーライドステップと、を有し、
   当該オーバーライドステップにおいて選択した計算結果に基づき前記二次電池の充放電制御を行う請求項１に記載の二次電池の充電深度管理方法。
3. 自然エネルギーを用いた発電機が前記蓄電設備の充放電制御装置を介して前記電力系統に接続されていて、
   前記充放電制御装置の平均出力の変動が所定の範囲内になるように、前記充放電制御装置の充放電量を計算する出力変動緩和制御ステップと、
   出力変動緩和制御ステップにおける制御偏差が所定の値より大きいときに前記出力変動緩和制御ステップで求めた計算結果を選択し、そうでないときは、前記ＳＯＣ制御ステップで求めた計算結果を選択するオーバーライドステップと、を有し、
   当該オーバーライドステップにおいて選択した計算結果に基づき前記二次電池の充放電制御を行う請求項１に記載の二次電池の充電深度管理方法。
4. 前記二次電池の充放電状態を計測する運用状況計測ステップと、
   時刻を計時して所定の時刻に前記運用状況計測ステップを起動する計時ステップと、を有し、
   前記計時ステップにより起動された運用状況計測ステップにおいて、二次電池の充放電電力が所定の範囲内にあり、かつ、二次電池の充放電電力が所定の範囲内にある時間が所定時間以上継続し、かつ、ＳＯＣが所定の値で所定の期間が経過しているときに前記目標ＳＯＣに所定の加算を行う請求項２または３に記載の二次電池の充電深度管理方法。
5. 前記二次電池の電圧値を検出する電圧検出ステップと、
   前記二次電池の電圧値のばらつきを検出する第１ばらつき検出ステップを有し、
   前記計時ステップにより起動された運用状況計測ステップにおいて、二次電池の充放電電力が所定の範囲内にあり、かつ、二次電池の充放電電力が所定の範囲内にある時間が所定時間以上継続し、かつ、第１ばらつき検出ステップにおいて検出された二次電池のばらつきが所定の第１の値以上であるときに前記目標ＳＯＣに所定加算を行う請求項２または３に記載の二次電池の充電深度管理方法。
6. 前記第１ばらつき検出ステップが、前記蓄電システムを構成する全ての二次電池の電圧の平均値と当該二次電池の電圧の偏差をもって検出する請求項５に記載の二次電池の充電深度管理方法。
7. 前記目標ＳＯＣが５０％近傍である請求項１〜６のいずれか一項に記載の二次電池の充電深度管理方法。
8. 請求項２または３において、目標ＳＯＣに所定の加算を行った結果、前記ＳＯＣ制御ステップにおいてＳＯＣの目標値が９０％近傍である請求項７に記載の二次電池の充電深度管理方法。
9. 前記二次電池の充放電状態を計測する運用状況計測ステップと、
   時刻を計時して所定の時刻に前記運用状況計測ステップを起動する計時ステップと、
   前記二次電池を過充電する均等充電ステップとを有し、
   前記計時ステップにより起動された運用状況計測ステップにおいて、二次電池の充放電電力が所定の範囲内にあり、かつ、二次電池の充放電電力が所定の範囲内にある時間が所定時間以上継続し、かつ、所定の期間均等充電されていないときに二次電池の均等充電を行う請求項２または３に記載の二次電池の充電深度管理方法。
10. 前記二次電池の電圧値を検出する電圧検出ステップと、
    前記二次電池の電圧値のばらつきを検出する第２ばらつき検出ステップを有し、
    前記計時ステップにより起動された運用状況計測ステップにおいて、二次電池の充放電電力が所定の範囲内にあり、かつ、二次電池の充放電電力が所定の範囲内にある時間が所定時間以上継続し、かつ、第２ばらつき検出ステップにおいて検出された二次電池のばらつきが所定の第２の値以上であるときに二次電池の均等充電を行う請求項２または３に記載の二次電池の充電深度管理方法。
11. 前記第２ばらつき検出ステップが、前記蓄電システムを構成する全ての二次電池の電圧の平均値と当該二次電池の電圧の偏差をもって検出する請求項１０に記載の二次電池の充電深度管理方法。
12. 前記第２ばらつき検出ステップにおける前記第２の値が、第１検出ステップにおける前記第１の値よりも小さい請求項５、１０、１１のいずれか一項に記載の二次電池の充電深度管理方法。
13. 前記均等充電が、前記二次電池をＳＯＣ１００％まで定電流で充電して、その後、過電圧で充電する請求項９〜１２のいずれか一項に記載の二次電池の充電深度管理方法。
14. 前記均等充電が一定電流で行われる請求項９〜１２のいずれか一項に記載の二次電池の充電深度管理方法。
15. 前記二次電池がニッケル水素電池である請求項１〜１４のいずれか一項に記載の二次電池の充電深度管理方法。

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