JP2013207932A

JP2013207932A - 制御装置、電力供給システム、及び制御方法

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Publication number: JP2013207932A
Application number: JP2012075127A
Authority: JP
Inventors: Masaomi Satake; 正臣佐竹
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-03-28
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2013-10-07
Anticipated expiration: 2032-03-28
Also published as: JP5877747B2

Abstract

【課題】確実に経済的利益が得られるように、蓄電池からの電力供給を制御する。
【解決手段】系統から取得した電力を蓄電池に充電する充電制御部と、前記蓄電池に充電された充電電力の取得に要した第１の取得コストと、当該充電電力を変換器にて直流から交流に変換して電力負荷に供給するための供給電力を得るときの変換効率とに基づき求められる当該供給電力の実質コストが、当該供給電力を系統から取得するために必要な第２の取得コスト以下のときには、前記蓄電池に前記充電電力を放電させ、前記実質コストが前記第２の取得コストより大きいときには前記蓄電池に前記充電電力を放電させない放電制御部とを有する制御装置により、確実に経済的利益が得られるような充放電制御を可能にする。
【選択図】図４

Description

本発明は、系統から取得した電力を蓄電池に充電して充電電力を放電させる制御装置、電力供給システム、及び充放電の制御方法に関し、特に、放電の実行・不実行を制御する制御装置、電力供給システム、及び充放電の制御方法に関する。

社会全体としての電力供給のピークシフト（負荷分散）の要請や、電力利用者の経済性への要求を背景として、商用電源系統（以下、系統という）の電力を蓄電してから使用するための系統連係型の蓄電池を備えた電力供給システムが提案されている。かかるシステムは、各家庭や商工業施設などに設置され、電力コストが比較的安価な深夜などの時間帯に系統からの電力を購入して蓄電池に蓄電し、電力コストが比較的高価な日中などの時間帯には、蓄電池を放電させて家庭内や構内の電力負荷に電力を供給する。特許文献１、２には、かかる電力供給システムの例が記載されている。

特開２００８−２５３０３３号公報特開２００２−３５９０８７号公報

上記のような電力供給システムでは、蓄電池から電力を取り出して電力負荷に供給するとき、蓄電池の直流電力を交流電力に変換する必要がある。これは、多くの電力負荷が、系統から直接電力供給を受けて動作することを前提としていることによる。そして、直流電力が交流電力に変換されるとき、たとえば、変換器の抵抗により電力の一部が熱などとして損失される。すると、蓄電池から供給する電力のコストが系統の電力のコストより安価でなければ、コストの差額分の利益を得ることができない。また、変換後の電力量を取得するためコストの方が安ければ、経済的に損失となる。

そこで、上記に鑑みてなされた本発明の目的は、確実に経済的利益が得られるように、蓄電池からの電力供給を制御する、制御装置、電力供給システム、及び電力供給方法を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る制御装置は、系統から取得した電力を蓄電池に充電する充電制御部と、前記蓄電池に充電された充電電力の取得に要した第１の取得コストと、当該充電電力を変換器にて直流から交流に変換して電力負荷に供給するための供給電力を得るときの変換効率とに基づき求められる当該供給電力の実質コストが、当該供給電力を系統から取得するために必要な第２の取得コスト以下のときには、前記蓄電池に前記充電電力を放電させ、前記実質コストが前記第２の取得コストより大きいときには前記蓄電池に前記充電電力を放電させない放電制御部とを有する。

好ましい態様では、前記放電制御部は、前記実質コストが前記第２の取得コスト以下の場合であっても、前記供給電力を発電装置により発電するための発電コストが前記実質コストより小さいときには、前記蓄電池に放電させず、前記発電装置に前記供給電力を発電させる。

本発明の別の好ましい態様は、上記の蓄電池及び変換器の両方またはいずれか一方、ならびに制御装置を有する電力供給システムに関する。

また、上述したように本発明の解決手段を装置として説明してきたが、本発明はこれらに実質的に相当する方法、プログラム、プログラムを記録した記憶媒体としても実現し得るものであり、本発明の範囲にはこれらも包含されるものと理解されたい。なお、方法やプログラムの各ステップは、データの処理においては必要に応じて、ＣＰＵ、ＤＳＰなどの演算処理装置を使用するものであり、入力したデータや加工・生成したデータなどをＨＤＤ、メモリなどの記憶装置に格納するものである。

例えば、本発明を方法として実現した蓄電池の充放電の制御方法は、系統から取得した電力を蓄電池に充電する工程と、前記蓄電池に充電された充電電力の取得に要した第１の取得コストと、当該充電電力を変換器にて直流から交流に変換して電力負荷に供給するための供給電力を得るときの変換効率とに基づき当該供給電力の実質コストを求める工程と、当該供給電力を系統から取得するために必要な第２の取得コスト以下のときには、前記蓄電池に前記充電電力を放電させ、前記実質コストが前記第２の取得コストより大きいときには前記蓄電池に前記充電電力を放電させない工程とを有する。

以下に説明する実施形態によれば、確実に経済的利益が得られるように蓄電池からの電力供給を制御できる。

本発明の実施形態における電力供給システムのブロック図である。電力料金の例を示す図である。直流・交流変換における電力損失について説明する図である。充放電制御の具体的な動作手順例を示すフローチャート図である。変換効率テーブルの例を示す図である。供給電力の時間推移の例を示す図である。変形例における電力供給システムを示す図である。変形例における充放電制御の動作手順例を示すフローチャート図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

図１は本発明の実施形態における電力供給システムのブロック図である。この電力供給システム１０は、たとえば、各家庭や各種商工業施設に設置される。電力供給システム１０は、蓄電池１００と、蓄電池１００の充放電を制御する蓄電制御装置１０２とを有する。蓄電制御装置１０２は、系統１０４と連系して系統１０４から電力供給を受け、その電力で蓄電池１００を充電する。そして、蓄電制御装置１０２は、蓄電池１００を放電させて、電力負荷１０８に電力を供給する。

蓄電池１００は、たとえば、複数のセルが直列接続されたリチウムイオン電池や、ニッケル水素電池である。蓄電池１００の電圧を検知する電圧センサ１０１は、その検知結果を蓄電制御装置１０２に送信する。

蓄電制御装置１０２は、交流電力と直流電力の双方向の変換を行う変換器１２２と、これを制御する充放電制御部１２０とを有する。この蓄電制御装置１０２が、本実施形態における「制御装置」の例である。

変換器１２２は、系統１０４から供給される交流電力を直流電力に変換して蓄電池１００へ出力し、また、蓄電池１００から取り出した直流電力を交流電力に変換して電力負荷１０８へ出力する。変換器１２２は、直流から交流、または交流から直流の変換を行う、公知の回路構成のインバータ回路を有する。また、変換器１２２は、インバータ回路から電力負荷１０８に出力される電力を検知するセンサを有する。変換器１２２は、検知結果を充放電制御部１２０に送る。さらに、変換器１２２は、たとえば、蓄電池１００への出力電圧を減圧したり、蓄電池１００からの入力電圧を昇圧したりするコンバータ回路を備えてもよい。または、かかるコンバータ回路は、変換器１２２の外部に設けてもよい。

充放電制御部１２０は、変換器１２２を通過する電流を制御し、蓄電池１００の充放電を制御する。または、変換器１２２外部にコンバータ回路が設けられる場合、コンバータ回路を通過する電流を制御してもよい。充放電制御部１２０は、たとえば内部のメモリに、系統１０４から電力を取得するときの取得単価等のデータを有する。このデータは、後述する蓄電池１００の充放電制御に用いられる。また、充放電制御部１２０は、電圧センサ１０１から送信される蓄電池１００の電圧から、充電量を検出する。さらに、充放電制御部１２０は、変換器１２２から送られる出力電力から、電力負荷１０８への供給電力を検出する。こうした充電量や供給電力は、後述する蓄電池１００の充放電制御に用いられる。充放電制御部１２０は、本実施形態における「充電制御部」及び「放電制御部」に対応する。充放電制御部１２０は、たとえば、マイクロコンピュータであり、制御プログラムを格納する記憶媒体や、制御プログラムにしたがって制御手順を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）を有する。

系統１０４と、蓄電制御装置１０２及び電力負荷１０８との間には、電流センサ１０６が設けられる。充放電制御部１２０は、蓄電池１００の放電中は、電流センサ１０６取得した電流値に基づいて負荷追従制御を行う。

電力負荷１０８は、系統１０４もしくは変換器１２２から出力される交流電力消費する、たとえば家庭内で使用されるエアコン、電子レンジ、テレビ等の各種電器製品や、商工業施設で使用される空調機や照明器具などの機械、照明設備等である。

上記の電力供給システム１０が系統１０４から電力を取得するとき、たとえば電力会社により、各家庭や商工業施設に電力料金が課金される。電力料金は、時間帯に応じて異なる場合がある。たとえば、図２に示すように、株式会社東京電力が提供する料金体系の一例によれば、７時から１０時までと１７時から２３時までの「朝晩」の時間帯、１０時から１７時までの「昼間」の時間帯、及び２３時から７時までの「深夜」の時間帯で、異なる料金が設定されている。具体的には、料金が高い順に、「昼間」が２８．２８円／ｋＷｈ、「朝晩」が２３．１３円／ｋＷｈ、「深夜」が９．１７円／ｋＷｈというようにｋＷｈごとの単価が設定されている。

電力供給システム１０は、上記のような料金体系を利用して、たとえば最も取得コストが安価な「深夜」の時間帯に系統１０４から電力を取得して蓄電池１００を充電しておき、取得コストが高価な「昼間」や「朝晩」の時間帯には、系統１０４から電力を取得せず、蓄電池１００を放電させて電力負荷１０８に電力を供給する。このようにすれば、「昼間」や「朝晩」の時間帯に系統１０４から電力を取得する場合と比較して、「深夜」時間帯での取得コストと「昼間」または「朝晩」の時間帯での取得コストとの差額分の経済的利益をユーザに提供できる。ただし、蓄電池１００から取り出す直流電力を変換器１２２で交流電力に変換する際、電力の一部が熱などとして損失される。

図３は、直流・交流変換における電力損失について説明する図である。図３では、縦軸に、公知の変換器による変換効率が示される。変換効率は、変換する前の電力に対する損失分を差し引いた変換後の電力の割合（％）である。よって、変換効率が高いほど、電力損失が少ない。また、図３では、横軸に変換後の出力電力が、変換器の定格に対する割合（％）で示される。図３に示すように、一般に、変換効率は、電力が大きくなるほど高くなる。

上記のような変換効率を考慮し、電力供給システム１０では、充放電制御部１２０が、「深夜」の時間帯に蓄電池１００を充電するときに充電電力の取得に要した取得コストと、その充電電力を変換器１２２にて直流から交流に変換して電力負荷１０８への供給電力を得るときの変換器１２２の変換効率とに基づいて、供給電力の実質コストを求める。実質コストは、変換時の損失により目減りした供給電力の単位電力あたりに要した、充電電力の取得コストである。ここで、変換する電力量に応じて変換効率が異なる。よって、供給電力の電力量が大きいほど変換効率は高くなるので、系統１０４からの充電電力の取得コストと供給電力の実質コストの差は小さくなり、反対に、供給電力の電力が小さいほど変換効率は低くなるので、充電電力の取得コストと供給電力の実質コストの差は大きくなる。

そして、充放電制御部１２０は、求めた実質コストと、たとえば「朝晩」や「昼間」の時間帯に同じ量の供給電力を系統１０４から取得するための取得コスト（以下、仮想取得コスト）とを比較する。そして、実質コストの方が仮想取得コストより小さいとき、つまり差額分の経済的利益があるときには、充放電制御部１２０は、蓄電池１００に充電電力を放電させる。そして、交流に変換された供給電力が電力負荷１０８に供給される。一方、実質コストの方が仮想取得コストより大きいとき、つまり蓄電池１００の電力を使用すると差額分の経済的不利益が生じるようなときには、充放電制御部１２０は、蓄電池１００の放電を行わず、または放電中であれば放電を中止する。これにより、ユーザが経済的不利益を蒙ることを防止する。なお、その場合、電力負荷１０８が、蓄電池１００の代わりに系統１０４から電力を取得して動作する。

図４は、充放電制御部１２０の具体的な動作手順例を示すフローチャート図である。図４の手順は、たとえば、数分から数十分の一定時間ごとに実行される。

まず、充放電制御部１２０は、電流センサ１０６からの電流値に基づき電力負荷１０８への供給電力を検出する（Ｓ４００）。また、充放電制御部１２０は、変換器１２２から送られる電力負荷１０８への出力電力に基づいて、供給電力を検出する。次いで、充放電制御部１２０は、蓄電池１００の充電電力を検出する（Ｓ４０１）。たとえば、充放電制御部１２０は、電圧センサ１０１から送られる蓄電池１００の電圧に基づいて、充電量を検出する。

次いで、充放電制御部１２０は、充電電力の取得時の単価と現在の単価、及び変換器１２２にて充電電力を供給電力に変換するときの変換効率を取得する（Ｓ４０２）。充放電制御部１２０は、たとえば、内部のメモリから、時間帯ごとの電力単価や供給電力に応じた変換効率を取得する。かかるデータは、予めメモリに格納される。

ここで、図５に、メモリに格納される変換効率テーブルの例を示す。図５には、変換器１２２の定格電力に対する出力電力（％）ごとに変換効率（％）が対応付けられた、変換効率テーブルＴＢＬの例が示される。

次いで、充放電制御部１２０は、充電電力の取得コストと変換効率とに基づいて、供給電力の実質コストを算出する（Ｓ４０４）。以下では、充電電力の取得コスト、供給電力の実質コスト、及び、供給電力の仮想取得コストは、それぞれ１ｋＷあたりのコストとして示される。たとえば、次のような式Ｆ１を計算することで、充電電力の取得コストが算出される。
式Ｆ１：充電電力の取得コスト＝充電電力×充電時の単価／充電電力に応じた変換効率
さらに、次のような式Ｆ２を計算することで、供給電力の実質コストが算出される。
式Ｆ２：実質コスト＝充電電力の取得コスト／供給電力に応じた変換効率

そして、充放電制御部１２０は、供給電力の実質コストが仮想取得コスト（すなわち現在の単価）以下のとき（Ｓ４０６のＹＥＳ）、蓄電池１００の放電を実行し（Ｓ４０８）、処理を終了する。一方、実質コストが仮想取得コストより大きいとき（Ｓ４０６のＮＯ）、充放電制御部１２０は、蓄電池１００の放電をせずに、または放電中であればこれを中止し（Ｓ４１０）、処理を終了する。

[実施例]
ここで、本実施形態における具体的な実施例を示す。
図６は、供給電力の時間推移の例を示す。図６には、横軸に時間、縦軸に供給電力が示され、供給電力の推移６０が示される。ここで、「深夜」の時間帯で蓄電池１００を満充電状態まで充電し、「朝晩」時間帯の時点Ｔ１、Ｔ２における２つの具体例を示す。具体例の共通の前提条件は、蓄電池１００の容量（満充電状態の充電電力）が４ｋＷであって、時点Ｔ１、Ｔ２における蓄電池１００の充電電力が３ｋＷｈ（すなわち、すでに１ｋＷｈ放電済み）ということである。

＜時点Ｔ１：供給電力：０．１ｋＷの場合＞
充放電制御部１２０は、図５の変換効率テーブルＴＢＬから、供給電力０．１ｋＷ（定格の「１０％」）に対応する変換効率「４０％」を読み出す。また、充放電制御部１２０は、「深夜」の時間帯の単価「９．１７円／ｋＷｈ」と、「朝晩」の時間帯の単価「２３．１３円／ｋＷｈ」を、メモリから読み出す。そして、充放電制御部１２０は、次のような式Ｆ３〜Ｆ５を計算して、供給電力の実質コストを求める。なお、ここでは、定電流・定電圧（ＣＶＣＣ）方式で充電される場合が示される。たとえば、蓄電池１００の容量４ｋＷのうち３ｋＷまでが定格電流に対し１００％の電流で充電され、残りの１ｋＷが漸減する電流で充電される。ここで示す具体例においては、充電時に交流から直流に変換するときの変換効率をも勘案して、充電電力の取得コストが求められる。
Ｆ３：定格電流の１００％の電流で充電される３ｋＷ分の取得コストＰ１
＝3(kWh)×9.17(円/kWh)/95(%)×（3（kW）／4（kW））
Ｆ４：漸減する電流で充電される１ｋＷ分の取得コストＰ２
＝1(kWh)×9.17(円/kWh)/79．5(%)×（3（kW）／4（kW））
（ここで、変換効率「79.5%」は、充電電流が定格電流の95%から45%まで漸減するときの変換効率の平均に対応する。）
Ｆ５：実質コストＰ＝充電電力の取得コスト／供給電力に応じた変換効率
＝｛（取得コストＰ１＋取得コストＰ２）／3（kW）｝／40（％）
＝30.37／3／0.4（円／kWh）
＝25.31（円／kWh）

このとき、実質コストＰは、時点Ｔ１が含まれる「朝晩」の時間帯の単価「２３．１３円／ｋＷｈ」、すなわち供給電力の仮想取得コストより高い。よって、充放電制御部１２０は、蓄電池１００の放電を行わないか、または中止する。

＜時点Ｔ２：供給電力：１ｋＷの場合＞
充放電制御部１２０は、図５の変換効率テーブルＴＢＬから、供給電力１ｋＷ（定格の「１００％」）に対応する変換効率「９５％」を読み出す。また、充放電制御部１２０は、「深夜」の時間帯の単価「９．１７円／ｋＷｈ」と、「朝晩」の時間帯の単価「２３．１３円／ｋＷｈ」を、メモリから読み出す。そして、充放電制御部１２０は、上記の式Ｆ３、Ｆ４と、次のような式Ｆ６を計算して、実質コストを求める。
Ｆ６：実質コストＰ＝充電電力の取得コスト／供給電力に応じた変換効率
＝｛（取得コストＰ１＋取得コストＰ２）／3（kW）｝／95（％）
＝30.37／3／0.95（円／kWh）
＝13.95（円／kWh）

このとき、実質コストＰは、時点Ｔ２が含まれる「朝晩」の時間帯の単価「２３．１３円／ｋＷｈ」、すなわち供給電力の仮想取得コストより安い。よって、充放電制御部１２０は、蓄電池１００の放電を実行する。

上述したように、本実施形態によれば、確実に経済的利益が得られるように蓄電池からの電力供給を制御できる。

[変形例]
図７は、変形例における電力供給システム１０を示す。変形例では、電力供給システム１０は、電力負荷１０８に電力供給可能に接続される、燃料電池１３０を有する。燃料電池１３０は、たとえば、固体高分子形燃料電池、固体酸化物型燃料電池、またはリン酸系燃料電池など、発電コストがかかるものである。燃料電池１３０が、変形例における「発電装置」に対応する。図１と重複する構成の説明は適宜省略する。

充放電制御部１２０は、供給電力の実質コストが現在の取得コスト以下の場合であっても、同じ量の電力を燃料電池１３０により発電するための発電コストが実質コストよりさらに小さいときには、蓄電池１００に放電させず、燃料電池１３０に供給電力を発電させる。たとえば、充放電制御部１２０は、燃料電池１３０に制御信号を無線または有線で送信する通信部１３２により、燃料電池１３０の動作を制御する。そうすることで、より確実に経済的利益をユーザに提供することができる。

図８は、変形例における充放電制御部１２０の動作手順例を示すフローチャート図である。図８の手順は、図４のフローチャート図において、手順Ｓ４０６を手順Ｓ４０６´で置換し、さらに手順Ｓ８００とＳ８０２を追加したものである。手順Ｓ４００〜Ｓ４０４については、図４での説明と重複するので省略する。

充放電制御部１２０は、手順Ｓ４０６´において、実質コストが最小のとき（Ｓ４０６´のＹＥＳ）、蓄電池１００に放電させる（Ｓ４０８）。実質コストが最小でないとき（Ｓ４０６´のＮＯ）、放電を中止して（Ｓ４１０）手順Ｓ８００に進む。そして、発電コストが最小のとき（Ｓ８００のＹＥＳ）充放電制御部１２０は、燃料電池１３０に発電を開始させる（Ｓ８０２）。一方、発電コストが最小ではないとき（Ｓ８００のＮＯ）、すなわち、現在のコストが最小のとき、充放電制御部１２０は、燃料電池１３０の発電をせずに、または発電中であればこれを中止し（Ｓ４１０）、処理を終了する。この場合、系統１０４から電力負荷１０８への供給電力が取得される。

このように、変形例によれば、最も安価なコストで電力負荷１０８に電力を供給でき、経済的利益をユーザに提供することができる。

本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各手段、各ステップ等に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段やステップ等を１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

１０：電力供給システム
１００：蓄電池
１０４：系統
１０２：蓄電制御装置
１２０：充放電制御部
１２２：変換器
１０８：電力負荷
１３０：燃料電池

Claims

系統から取得した電力を蓄電池に充電する充電制御部と、
前記蓄電池に充電された充電電力の取得に要した第１の取得コストと、当該充電電力を変換器にて直流から交流に変換して電力負荷に供給するための供給電力を得るときの変換効率とに基づき求められる当該供給電力の実質コストが、当該供給電力を系統から取得するために必要な第２の取得コスト以下のときには、前記蓄電池に前記充電電力を放電させ、前記実質コストが前記第２の取得コストより大きいときには前記蓄電池に前記充電電力を放電させない放電制御部と
を有する制御装置。
請求項１において、
前記放電制御部は、前記実質コストが前記第２の取得コスト以下の場合であっても、前記供給電力を発電装置により発電するための発電コストが前記実質コストより小さいときには、前記蓄電池に放電させず、前記発電装置に前記供給電力を発電させる
制御装置。
請求項１に記載の、蓄電池及び変換器の両方またはいずれか一方、ならびに制御装置を有する電力供給システム。
系統から取得した電力を蓄電池に充電する工程と、
前記蓄電池に充電された充電電力の取得に要した第１の取得コストと、当該充電電力を変換器にて直流から交流に変換して電力負荷に供給するための供給電力を得るときの変換効率とに基づき当該供給電力の実質コストを求める工程と、
当該供給電力を系統から取得するために必要な第２の取得コスト以下のときには、前記蓄電池に前記充電電力を放電させ、前記実質コストが前記第２の取得コストより大きいときには前記蓄電池に前記充電電力を放電させない工程と
を有する、蓄電池の充放電の制御方法。