JP2013541309A - 電力管理システム - Google Patents

Abstract

電力管理システムにおいて、取り扱う電力の規模が大きくなっても、負荷の必要電力状況に応じて蓄電池の充放電を制御することを可能にする。システムコントローラは、負荷の必要電力状況を含む負荷側情報データと、複数の蓄電池を含む蓄電池集合体の状態を含む蓄電池側情報データを受け取り、前記負荷側情報データ及び蓄電池側情報データ基づいて、電力管理システム全体に対する１つの充放電制御指令である全体充放電制御指令を生成する。階層的充放電制御装置は、前記システムコントローラから前記全体充放電制御指令を受けとり、複数の階層に分けられた前記複数の蓄電池に対し、前記全体充放電制御指令に基づいて、前記階層毎に充放電制御を行う。

【選択図】図１

Description

本発明は、電力管理システムに係り、特に負荷の必要電力状況に応じて蓄電池の充放電を制御する電力管理システムに関する。

電力管理において、負荷の電力消費に合わせて、発電や送電を効率的に行うことが好ましい。特開２００８−１３６２５９号公報には、ネットワークシステムのための電源システムが示されている。この電源システムには通信回線に接続された複数の太陽光発電電源システムと、日射量等の気象情報を測定し、太陽光発電電源システムに送信する情報源装置とを含む構成が述べられている。これによって、高精度に予測された発電量に基づいて負荷装置の駆動を効率よく行うことができると開示される。

負荷の電力消費が変動する場合、ピーク電力が過大となって電力需要過多になることがあり、また、電力供給がそれに対応しきれないことも生じ得る。蓄電装置はこの電力需給を平均化するために用いることができる。蓄電装置としては、リチウムイオン電池のような２次電池を用いることができる。特開２００６−１４００９４号公報には、リチウムイオン電池の管理装置として、リチウムイオン電池の充放電電流の測定値、温度の測定値、商用電源の給電の情報に基づいて、リチウムイオン電池の充放電の状態を判断し、リチウムイオン電池の残存容量を算出すると開示される。

特開２００８−１３６２５９号公報 特開２００６−１４００９４号公報

蓄電装置を用いることで、負荷の電力消費に関する電力需給を平均化することが可能であるが、リチウムイオン電池等の２次電池は、単位セルと呼ばれる単位蓄電池の端子間電圧が１Ｖから４Ｖ程度で、その充放電電流容量も小さい。そこで、単位セルを複数個用いる組電池が用いられるが、負荷の電力消費によっては、その組電池を多数組み合わせて用いることが必要になる。例えば、工場規模で電力平均化を行うために１ＭＷｈ程度の蓄電池容量が必要とすると、リチウムイオン電池の単位セルを数百個組み合わせた組電池パックを用いるとして、その組電池パックが数百個必要である。

このように、取り扱う電力の規模が大きくなるにつれて、必要な蓄電池の数が増加し、その充放電制御などの電力管理が複雑化する。

本発明の一観点は、電力管理システムであって、負荷の必要電力状況に関する負荷側情報データと、複数の蓄電池を含む蓄電池集合体の状態データを含む蓄電池側情報データに基づいて、電力管理システム全体に対する１つの充放電制御指令である全体充放電制御指令を生成するシステムコントローラと、前記蓄電池集合体を構成する前記複数の蓄電池を予め定めた複数の階層に分け、前記システムコントローラから前記全体充放電制御指令を受けて、前記蓄電池集合体の前記階層のそれぞれに応じた充放電制御を行う階層的充放電制御装置と、を備える。

図１は、実施の形態における電力管理システムの構成を説明する図である。 図２は、実施の形態における電力管理システムを構成する各ブロックの関連を説明する図である。 図３は、実施の形態における電力管理システムの蓄電池集合体の階層構造を説明する図である。 図４は、実施の形態における蓄電池集合体の単位蓄電池と蓄電池パックと蓄電池ユニットの関係を説明する図である。 図５は、実施の形態における電力管理システムの蓄電池集合体の機能を説明するため、蓄電池集合体を用いず、外部商用電力と太陽光発電電力とで負荷要求電力に対応する場合を説明する図である。 図６は、蓄電池集合体を用いて適切な充放電制御を行い、外部商用電力と太陽光発電電力とで負荷要求電力に対応する場合を説明する図である。 図７は、係る実施の形態における電力管理システムのマスタコントローラに不具合があるときの代替処理を説明する図である。 図８は、図７についての代替手順を説明するフローチャートである。 図９は、図７についての別の代替手順の前半を説明するフローチャートである。 図１０は、図９に引き続く代替手順の後半を説明するフローチャートである。 図１１は、実施の形態において、蓄電池パック列を構成する各蓄電池パックのパック電圧の様子を説明する図である。 図１２は、実施の形態において、蓄電池ユニットを構成する各蓄電池パックのパック電圧の様子を説明する図である。 図１３は、実施の形態において、蓄電池パックの開放電圧と充電度の関係を説明する図である。 図１４は、実施の形態において、劣化した蓄電池パックを区別する様子を説明する図である。 図１５は、実施の形態において、蓄電池電力管理装置に故障が生じたときに送信できていないデータの整理の様子を説明する図である。

以下に図面を用いて、実施の形態を詳細に説明する。以下では、蓄電池としてリチウムイオン電池を説明するが、これ以外の例えばニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等の２次電池であってもよい。蓄電池集合体とするのは、負荷の必要電力に対応するための電圧と電流とを得るためである。従って、蓄電池集合体を構成する単位蓄電池の数、単位蓄電池を組み合わせた蓄電池パックの数、蓄電池パックを組み合わせた蓄電池ユニットの数等は、電力管理システムの仕様に応じ適宜選択して実施可能である。

また、以下では電力源として、太陽光発電電力と外部商用電力を用いて説明する。しかし、これ以外の電力源、例えば風力発電電力等でも実施可能である。また、以下で述べる個数、電圧、電力等は、説明のための例示であり、電力管理システムの電力仕様等に応じ適宜選択して実施が可能である。例えば、電力源として、外部商用電力のみを用いるものとしてもよい。

また、以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。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。

図１は、電力管理システム２０が設けられる施設の実施形態として、太陽光発電システム１４と蓄電池集合体５０を備える工場施設１０の構成を示す図である。実施形態では工場施設について説明する。しかし、工場施設に限られず電力の管理が必要な施設において広く実施が可能である。この工場施設１０は、電力源１２として数ＭＷの太陽光発電システム１４と外部商用電源１６を用い、工場の負荷１８として、一般照明、一般空調、厨房器具、サーバやＰＣ等の事務機器、工場内空調等が含まれる。電力源１２はこれらの負荷１８の必要電力をまかなうものである。この工場の負荷１８の変動と、太陽光発電システム１４の発電電力の変動等に対応するため、この工場施設１０は、数ＭＷｈの蓄電池集合体５０を備える。電力管理システム２０は、負荷１８の必要電力状況、蓄電池集合体５０の状態に基づいて、蓄電池集合体５０の最適な充放電制御を行う機能を有する。

電力管理システム２０は、蓄電池集合体５０と、電力管理装置１７と、システムコントローラ２２と、階層的充放電制御装置３０を含む。電力管理装置１７は、負荷側の電力を管理する負荷電力管理装置１９と、蓄電池集合体側の電力を管理する蓄電池電力管理装置４２と、総合電力監視装置２１を含む。

図２は、システムコントローラ２２と階層的充放電制御装置３０の内部構成の詳細を説明する図である。図２において太い実線は電力の流れを示し、細い実線でその横に矢印が付されているのは信号の流れを示す。なお、Ｓ１からＳ９は、信号の種類を示す。

上記のように、電力源１２は、外部商用電源１６と太陽光発電システム１４を含む。外部商用電源１６は、単相または三相の交流電力源であり、電力需給の変動に合わせて、水力発電、原子力発電、火力発電等の様々な発電方式で発電された電力を組み合わせて、外部の電力会社から供給される。太陽光発電システム１４は、上記のように、ここでは、数ＭＷの大規模なシステムである。

蓄電池集合体５０は、リチウムイオン蓄電池を多数組み合わせて、上記のように、数ＭＷｈの規模としたものである。蓄電池集合体５０は、後述するように、蓄電池集合体−８つのユニット群−１ユニット群当り５つの合計４０個の蓄電池ユニット−１蓄電池ユニット当り２０個の合計８００個の蓄電池パック−１蓄電池パック当り約３００個の合計約２４０、０００個の単位蓄電池の階層構造を有するが、その詳細な内容については、図３、図４を用いて後述する。

負荷電力管理装置１９は、負荷１８の必要電力状況に関する負荷側情報データを取得する機能を有する装置である。図1のように工場施設１０の負荷１８が４系統に区分されるときは、内部的に４系統の負荷電力管理装置の集合体とすることができる。

システムコントローラ２２は、電力管理装置１７から電力管理情報Ｓ８の送信を受け、階層的充放電制御装置３０に対し、電力管理システム２０の全体に対する１つの充放電制御指令である全体充放電制御指令Ｓ１を送信する機能を有する制御装置である。具体的には、マスタコントローラ３２に、全体充放電制御指令Ｓ１が送信される。なお、電力管理情報Ｓ８は、図１で説明した総合電力監視装置２１が、負荷電力管理装置１９から負荷側情報データＳ９を入手し、蓄電池電力管理装置４２から蓄電池集合体５０の状態データを含む蓄電池側情報データを入手し、これらの情報のうち、充放電制御に必要なデータを抽出する。抽出されたデータが、電力管理情報Ｓ８として、電力管理装置１７の総合電力監視装置２１からシステムコントローラに送信される。

負荷側情報データＳ９は、システムコントローラ２２が全体充放電制御指令を設定するために必要とされ、負荷１８の全体の必要電力要求量に関する。電力管理情報Ｓ８を構成する蓄電池側情報データは、蓄電池ユニット５４の充放電制御に必要な蓄電池ユニット５４の情報が含まれる。このような状態情報として、例えば、蓄電池ユニット５４を構成する蓄電池パックの電圧、温度、電流、充電度であるＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）等が含まれる。また、蓄電池側情報データには、全体充放電制御指令の設定に関係する不具合に関する情報が含まれる。例えば、蓄電池集合体５０の８つのユニット群に対応する８つの電力変換器３６のいずれかに故障等の不具合がある場合、あるいは、蓄電池集合体５０の各ユニット群を構成する５つの蓄電池ユニット５４のいずれかに不具合がある場合には、これらの蓄電池側情報データが送信される。この蓄電池側情報データを含む電力管理情報Ｓ８の送信は、例えば１秒に１回の周期で行われる。

システムコントローラ２２は、負荷側情報データＳ９と蓄電池側情報データとに基づく電力管理情報Ｓ８を用いて、全体充放電制御指令Ｓ１を生成する。具体的には、システムコントローラ２２は、蓄電池ユニット５４、スイッチ基板４０および電力変換器３６の状態を考慮して、蓄電池集合体５０の充放電容量から負荷１８の全体の必要電力要求量を満たす充放電の状態を求めて、これを全体充放電制御指令Ｓ１としてマスタコントローラ３２に送信する。また、好ましくは、システムコントローラ２２は、不具合が生じている電力変換器３６に接続されている蓄電池ユニット５４の充放電の容量、および不具合が生じている蓄電池ユニット５４の充放電の容量に関する情報も考慮して、蓄電池集合体５０の充放電容量から負荷１８の全体の必要電力要求量を満たす充放電の状態を求めて、これを全体充放電制御指令Ｓ１としてマスタコントローラ３２に送信する。

マスタコントローラ３２に送信される全体充放電制御指令Ｓ１は、例えば「ＸＸｋＷでＹＹ秒間充電すること」等のように、充放電条件が電力量と時間とで示される。これは例示であって、この他に、充電上限電圧を指定して「電圧がＺＺＶになるまでＸＸｋＷ充電すること」としてもよく、放電下限電圧を指定してＺＺＶまで放電することとしてもよく、ＳＯＣを指定して充放電を指令するものとしてもよい。ここで、ＳＯＣとは、電力を最大に貯蔵した状態におけるＳＯＣ（充電度）を１００とし、それを基準にして電力の各貯蔵状態での充電度を百分率で表したものである。

全体充放電制御指令Ｓ１は、必要なときにのみ不定期に送信されるので、場合によってはかなりの長時間の間、全体充放電制御指令Ｓ１が送信されないことが生じ得る。そのような場合に、全体充放電制御指令Ｓ１を受け取るマスタコントローラ３２としては、システムコントローラ２２がアクティブで動作中なのか、非アクティブで非動作状態なのか不明のことがある。

そこで、システムコントローラ２２が動作中であるか否かを確認するための信号として死活確認信号Ｓ２が、マスタコントローラ３２からシステムコントローラ２２に適当な周期で送信される。システムコントローラ２２は、動作中のときは応答信号で返答する。適当な周期としては、例えば１０分とすることができる。これによって、マスタコントローラ３２は、システムコントローラ２２の状態を確認できる。

なお、システムコントローラ２２は、ここでは、太陽光発電システム１４等の電力源１２、蓄電池集合体５０、負荷としての各種の省エネルギ設備機器を最適に使いこなすシステム制御を念頭においたものである。

階層的充放電制御装置３０は、システムコントローラ２２からの１つの全体充放電制御指令を受けて、上記のように約２４万個の単位蓄電池から構成される蓄電池集合体５０の全体を１つとして、充放電制御するための制御装置である。階層的充放電制御装置３０は、マスタコントローラ３２と、後述する電力変換器３６を管理する電力変換器管理部３４と、蓄電池集合体５０を蓄電池ユニット５４単位で管理するサブコントローラ３８を含んで構成される。

マスタコントローラ３２は、システムコントローラ２２から受け取った１つの全体充放電制御指令に基づいて、それぞれの電力変換器３６に対する集合体充放電制御指令Ｓ５を電力変換器管理部３４に送信する機能を有する制御装置である。

また、マスタコントローラ３２は、電力変換器管理部３４から、電力変換器３６の状態データである電力変換器管理データＳ４を受け取り、サブコントローラ３８から蓄電池ユニット５４のそれぞれの状態データであるユニット状態データＳ３を受け取り、受け取った電力変換器管理データＳ４とユニット状態データＳ３とに基づいて、システムコントローラ２２から送信された全体充放電制御指令Ｓ１をそのまま実行できるか否か判断し、判断の結果に基づいて、集合体充放電制御指令Ｓ５を電力変換器管理部３４に送信する。判断は、例えば、ユニット状態データ等を予め定めた条件式に当てはめて行うものとできる。集合体充放電制御指令Ｓ５は、１００ミリ秒の周期で送受信が行われ、電力変換器管理データＳ４、ユニット状態データＳ３は、例えば１秒周期で送受信が行われる。

全体充放電制御指令Ｓ１は、マスタコントローラ３２に対する単一の指令値であるが、集合体充放電制御指令Ｓ５は、それぞれの電力変換器３６ごとに分解した指令値となる。例えば、一の電力変換器管理部３４に対して８の電力変換器３６が設けられている場合、全体充放電制御指令Ｓ１が「３２０ｋＷで１８００秒間放電」という内容であったとすると、集合体充放電制御指令Ｓ５は、「第１の電力変換器３６は４０ｋＷで放電、第２の電力変換器３６は４０ｋＷで放電・・・第８の電力変換器３６は４０ｋＷで放電」という内容になる。なお、この具体例では、集合体充放電制御指令Ｓ５の個別の指令値は、全体充放電制御指令Ｓ１の指令値を電力変換器３６の台数で均等に割ったときの値となっているが、これ以外の個別の指令値とすることもできる。また、電力変換器管理データＳ４によって、電力変換器管理部３４が管轄する８つの電力変換器３６のいずれかに不具合があることが送信されているときは、全体充放電制御指令Ｓ１の一部の充放電が制限された内容の集合体充放電制御指令Ｓ５が電力変換器管理部３４に送信される。

具体的には、後述するように、電力変換器管理データＳ４には電力変換器３６の不具合を示す情報が含まれており、ユニット状態データＳ３には、蓄電池ユニット５４の不具合を示す情報が含まれているので、マスタコントローラ３２は、不具合が生じた電力変換器３６を除いた他の電力変換器３６について、それに接続された蓄電池ユニット５４の中で不具合が生じた蓄電池ユニット５４を除いた他の蓄電池ユニットによって、全体充放電制御指令Ｓ１で要求される充放電状態が満たされるように、各電力変換器３６を制御する集合体充放電制御指令Ｓ５を生成して、電力変換器管理部３４へ出力する。

なお、マスタコントローラ３２は、電力変換器管理部３４から受け取った電力変換器管理データＳ４と同じ内容のデータを同じ送信周期で、マスタコントローラ３２経由の電力変換器管理データＳ７として、蓄電池電力管理装置４２に送信する。また、サブコントローラ３８は、マスタコントローラ３２へ送信したユニット状態データＳ３と同じ内容のデータを所定の送信周期で、蓄電池電力管理装置４２用のユニット状態データＳ６として、蓄電池電力管理装置４２に送信する。ここで、所定の送信周期について具体的に説明すると、ユニット状態データＳ３が１秒ごとに送信されるとすると、ユニット状態データＳ６は１０秒ごとに送信される。この場合、ユニット状態データＳ６には、ユニット状態データＳ３の１０回分の情報が含まれる。勿論、これ以外の送信周期としてもよく、ユニット状態データＳ３とユニット状態データＳ６の送信周期を同じとしてもよい。

蓄電池電力管理装置４２は、電力変換器管理データＳ７およびユニット状態データＳ６を受け、Ｓ７およびＳ６データの情報から充放電制御指令を出力するのに必要な情報を抽出する。蓄電池電力管理装置４２は、これを電力管理情報Ｓ８に含める蓄電池側情報データとして、システムコントローラ２２へ出力する。

図２では、マスタコントローラ３２はサブコントローラ３８に対比させて示されてある。すなわち、サブコントローラ３８は、２０個の蓄電池パック５６をまとめた蓄電池ユニット５４の充放電制御を行うもので、マスタコントローラ３２は、この充放電制御の単位であるサブコントローラ３８の全体をまとめて１つに管理している観点から、このように呼ぶことにしたものである。

電力変換器管理部３４は、マスタコントローラ３２から集合体充放電制御指令Ｓ５を受け、８つの電力変換器３６の動作を管理する機能を有する。なお、電力変換器３６の数は８でなくてもよく、簡単なシステムの場合には、１つの電力変換器３６を管理する電力変換器管理部３４とすることもできる。

ここで、電力変換器３６は、外部商用電源１６の交流電力と蓄電池の直流電力との間の電力変換、あるいは太陽光発電システム１４の電圧と蓄電池の電圧との間の電圧変換、あるいは蓄電池の電圧と負荷１８の電圧との間の電圧変換を行う機能を有し、双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ等のコンバータである。具体的には、実際に行われる変換の内容に応じて、用いられるコンバータの種類が選択される。

電力変換器管理部３４は、集合体充放電制御指令Ｓ５に従って、この電力変換器３６の動作を制御し、電力源１２の電力を蓄電池集合体５０に一旦蓄電させ、また、蓄電した電力を負荷１８に放電させる電力管理を行う機能を有する。また、８つの電力変換器３６のいずれかに不具合がある場合や、マスタコントローラ３２からの充放電の禁止指令、または待機指令が出力されている場合には、その不具合の電力変換器３６の動作を待機状態にさせて、電力変換器３６の不具合を示す情報を電力変換器管理データＳ４としてマスタコントローラ３２に知らせる機能を有する。

図３は、電力管理システム２０の蓄電池集合体５０の階層構造を説明する図である。ここでは、電力線を太い実線で、信号線が破線で示されている。ここに示されるように、電力変換器管理部３４においては、蓄電池集合体５０の全体を８つに分けて、その８つのそれぞれに１つの電力変換器３６を割り当てて電力管理を行う。そこで、蓄電池集合体５０の全体を８つに分けたそれぞれをユニット群５２と呼ぶことにすると、１つのユニット群５２は、上記のように、５個の蓄電池ユニット５４から構成される。

換言すれば、全体で４０個の蓄電池ユニット５４を、８つに分けて、５個の蓄電池ユニット５４を１まとめにして、それぞれをユニット群５２とする。図３では、１つの電力変換器３６に５つの蓄電池ユニット５４が接続されている様子が示されているが、この５つの蓄電池ユニット５４が、この１つの電力変換器３６に対応するユニット群５２である。電力変換器管理部３４は、この各ユニット群５２を各電力変換器３６にそれぞれ対応付けて１組とし、合計８組の電力変換器３６とユニット群５２の組を、全体として統括して制御する機能を有する。

サブコントローラ３８は、蓄電池集合体５０を構成する各蓄電池ユニット５４の状態を判断し、不具合があるときは、その不具合に応じてその蓄電池ユニット５４を電力変換器３６から切り離す等の制御指令をスイッチ基板４０に送り、蓄電池ユニット５４の不具合を示す情報をユニット状態データＳ３、Ｓ６としてマスタコントローラ３２および蓄電池電力管理装置４２に送信する。なお、ここでは、不具合があるときには、その不具合に応じてその蓄電池ユニット５４を電力変換器３６から切り離す例を示したが、蓄電池ユニット５４の一部のみを切り離してもよい。蓄電池ユニット５４の一部としては、電流検出器６０に直列接続された一列の蓄電池パック５６の全てとすることができる。

図４は、図３における１つの蓄電池ユニット５４の構成を詳細に示す図である。１つの蓄電池ユニット５４は、予め定められた個数の蓄電池パック５６を直列接続した蓄電池パック列を、予め定めた列数で並列に接続して構成される。図４の例では、５個の蓄電池パック５６を直列接続して１つの蓄電池パック列を形成し、その蓄電池パック列を４列並列接続して、１つの蓄電池ユニット５４が構成される。すなわち、１つの蓄電池ユニット５４は、２０個の蓄電池パック５６から構成される。

図４には、１つの蓄電池パック５６の内部構成の拡大図が含まれている。１つの蓄電池パック５６は、単位蓄電池５８であるリチウムイオン蓄電池単位セルを２４個並列に接続して各１組を形成し、１３組を直列に接続して構成される。つまり、各蓄電池パック５６は、３１２個（＝２４×１３）の単位蓄電池５８から構成される。

蓄電池パック５６の直列に接続される１３組のそれぞれの端子間電圧はセル電圧として、電圧検出器６２によって検出される。また、蓄電池パック５６の温度はパック温度として温度検出器６４によって検出される。これらのデータが、蓄電池パック５６の状態を示すパック状態データである。また、蓄電池ユニット５４の各蓄電池パック列の電流は電流検出器６０によってパック列電流データとして検出される。ここで、好ましくは、一の蓄電池パック５６に複数の温度検出器６４を設けるとよい。この場合、一の温度検出器６４が蓄電池パック５６の局所温度の異常状態を検出すると、一の蓄電池パック５６が異常状態として判定される。

各々の蓄電池パック５６には、それぞれ１つのサブコントローラ３８と、１つのスイッチ基板４０とが設けられる。スイッチ基板４０には、上記の蓄電池パック列ごとに１つのスイッチが設けられている。合計４つのスイッチのそれぞれは、その蓄電池ユニット５４に対応する電力変換器３６と、各蓄電池パック列との間に配置される。スイッチは、サブコントローラ３８の制御の下で接続または開放の状態とされる。

サブコントローラ３８は、パック状態データとパック列電流データとを取得する。サブコントローラ３８は、不具合のある蓄電池パック５６を含む蓄電池パック列を電力変換器３６から切り離す処理を行う。その不具合のあったことを、必要に応じてパック状態データとパック列電流データとともにまとめて、ユニット状態データＳ３、Ｓ６として、上記のようにマスタコントローラ３２と蓄電池電力管理装置４２に送信する。不具合の判断は、予め定めた条件と比較することによって次のように行なわれる。すなわち、電流検出器６０によって検出されるパック列電流が予め定めた条件式で算出した閾値を超えるとき、電圧検出器６２によって検出されるセル電圧が予め定めた閾値範囲以内でないとき、温度検出器６４によって検出されるパック温度が予め定めた閾値を超えるときに、蓄電池パック５６に不具合があると判定される。

このように、システムコントローラ２２は、負荷側情報データＳ９および蓄電池側情報データを含む電力管理情報Ｓ８に基づいて、不具合が生じている電力変換器３６および蓄電池ユニット５４の充放電の容量を考慮して負荷１８の全体の必要電力要求量を満たす充放電の状態を算出して全体充放電制御指令Ｓ１とする。マスタコントローラ３２では、電力変換器管理データＳ４およびユニット状態データＳ３に基づいて全体充放電制御指令Ｓ１での充放電制御指令を満たすように不具合が生じている電力変換器３６および蓄電池ユニット５４を考慮した具体的な各電力変換器３６の制御のための集合体充放電制御指令Ｓ５を生成する。このようなマスタコントローラ３２などの階層的充放電制御装置３０による制御によって、電力変換器３６、蓄電池ユニット５４に不具合が生じても、システムコントローラ２２から見て、蓄電池集合体５０と階層的充放電制御装置３０の機能をあたかも１つの電池のように扱うことができる。

また、電力変換器管理部３４は、上位のシステムコントローラ２２およびマスタコントローラ３２による制御によらずに不具合が生じた電力変換器３６およびそれに接続される蓄電池ユニット５４を他から切り離す処理を行う。サブコントローラ３８は、上位のシステムコントローラ２２およびマスタコントローラ３２による制御によらずに不具合が生じた蓄電池ユニット５４を他から切り離す処理を行う。このように、上位の制御系によらずに階層的に各部の制御を行うことによって、より上位の制御系の処理の負担を軽減し、システム構成の変更に柔軟に対応することを可能としている。

また、システムコントローラ２２が必要に応じて１つの全体充放電制御指令を送信した後は、このマスタコントローラ３２が、全体を１つとして、こまめに充放電監視とその監視に基づく充放電制御を行うことを可能としている。

図５と図６は、上記構成の電力管理システム２０の作用の１つの例として、蓄電池集合体５０を用いたときの効果を説明するための図である。ここでは、電力管理システム２０の電力源１２として、上記のように太陽光発電システム１４と外部商用電源１６を含む。負荷１８は、上記のように一般照明、一般空調、厨房器具、事務機器、工場内空調等である。図５は、蓄電池集合体５０を用いずに、太陽光発電システム１４の太陽光発電電力と外部商用電源１６外部商用電力とで負荷要求電力に対応する場合を説明する図である。それに対し図６は、蓄電池集合体５０を用いて適切な充放電制御を行い、外部商用電力と太陽光発電電力とで負荷要求電力に対応する場合を説明する図である。

各図の横軸は一日における時刻を示し、縦軸は電力を示す。実線は、負荷電力特性線１００を示す。図４において、一点鎖線は太陽光発電電力特性線１０２であり、破線は、外部商用電力特性線１１０である。ここでは、負荷電力を太陽光発電電力と外部商用電力でまかなうものとしているので、各時刻において、外部商用電力値＝（負荷電力値−太陽光発電電力値）となる。太陽光発電電力値は、日照によって変動するので、図５の例では外部商用電力値の最大値１１２は、ほとんど負荷電力値の最大値と変わらない。

例えば、外部商用電力の基本料金が最大電力値で定まる場合には、図５の場合、太陽光発電システム１４を用いることだけでは、外部商用電力の基本料金を削減することにはあまり寄与しないことになる。

蓄電池集合体５０を利用する図６においては、太陽光発電電力の時刻による変動が蓄電池集合体５０の適切な充放電制御によって抑制されるので、一点鎖線の太陽光発電電力特性線１０４は時刻に対し滑らかな特性を示す。これによって破線の外部商用電力特性線１１１も滑らかな特性となり、その最大値１１３は、図５の最大値１１２に比較し、大幅に小さい値となる。このように、蓄電池集合体５０を利用し、その充放電制御を適切に行うことで、太陽光発電システム１４の太陽光発電電力によって外部商用電力の最大値を大幅に低下させ、例えば外部商用電力の基本料金を削減することができる。

上記の電力管理システム２０によれば、大規模な太陽光発電システム１４に対応して大規模な蓄電池集合体５０を設けても、１つの全体充放電制御指令によって制御を行うので、負荷１８の必要電力状況に応じて蓄電池集合体５０の充放電を容易に制御することができる。

上記では、システムコントローラ２２から送信される全体充放電制御指令Ｓ１に基づいて、マスタコントローラ３２がその後の充放電制御を行なう。ここで、マスタコントローラ３２に障害が生じると、電力管理システム２０の全体の充放電制御が行えなくなる。

マスタコントローラ３２は、全体充放電制御指令Ｓ１に基づいてその後の充放電制御を処理できるだけの高性能を有する。サブコントローラ３８は、マスタコントローラ３２ほどの高性能を有しないが、制御処理間隔を広げることにすれば、マスタコントローラ３２に代替して充放電制御を行うことが可能である。

そこで、最初に、１つのサブコントローラが昇格してマスタコントローラ３２に代替するときの概略について説明する。図７は図２に対応する図である。図７は、電力変換器−スイッチ基板−サブコントローラ−蓄電池ユニットを１つのまとまりとしてのグループとして、グループごとに区別した図である。このグループは、蓄電池ユニット群５２に対応している。

具体的には、代替コントローラ１３８が含まれるグループをＧ１とし、それ以外のサブコントローラ３９が含まれるグループをＧ２として区別した。電力変換器管理部３４が管理する電力変換器は、図３で説明したように８つである。代替コントローラ１３８以外のサブコントローラ３９が含まれるグループの数は７あるが、図７ではこれをＧ２のグループに代表させてある。また、１つの電力変換器に接続される蓄電池ユニットは、図３で説明したように５つであるが、図７では、１つの蓄電池ユニットで代表させてある。したがって、図７では、模式的に、電力変換器が２つ、各電力変換器にそれぞれ１つの蓄電池ユニットが接続されるものとして示されている。図７中の省略はあくまで説明のためである。

Ｇ１のグループは、電力変換器（Ｇ１）３６−代替コントローラ１３８となるサブコントローラ（Ｇ１−Ｕ１）３８−スイッチ基板（Ｇ１−Ｕ１）４０−蓄電池ユニット（Ｇ１−Ｕ１）５４を含んで構成される。

Ｇ２のグループも同様に、電力変換器（Ｇ２）３７−代替コントローラ１３８とはならないサブコントローラ（Ｇ２−Ｕ１）３９−スイッチ基板（Ｇ２−Ｕ１）４１−蓄電池ユニット（Ｇ２−Ｕ１）５５を含んで構成される。

そして、ここで、Ｇ１のサブコントローラ（Ｇ１−Ｕ１）が代替コントローラ１３８に昇格するものとする。なお、複数のサブコントローラの内から１つのサブコントローラが代替コントローラ１３８に昇格する基準については後述する。

１つのサブコントローラ（Ｇ１−Ｕ１）が代替コントローラ１３８に昇格すると、このサブコントローラ（Ｇ１−Ｕ１）が含まれていたグループＧ１では、サブコントローラが１つ欠けることになる。したがって、そのサブコントローラ（Ｇ１−Ｕ１）が管理する蓄電池ユニット（Ｇ１−Ｕ１）は、充放電制御の対象から外される。電力変換器（Ｇ１）に接続される蓄電池ユニットの数は７となる。

このように、１つのサブコントローラを代替コントローラ１３８に昇格させるには、そのサブコントローラが含まれる蓄電池ユニットが充放電制御の対象から外す処理が行われる。この処理が行われると、代替コントローラ１３８は、マスタコントローラ３２に代わって、システムコントローラ２２から全体充放電制御指令Ｓ１を受け取る。その後、制御間隔は代替コントローラ１３８の処理能力に合わせて、広く取られ、代替コントローラ１３８は集合体充放電制御指令Ｓ５を電力変換器管理部３４に送信する。以下の制御は、制御間隔が広くなることに対応して、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７についての通信間隔が相違するが、その他の内容は、図２に関連して説明したものと同じである。

マスタコントローラ３２に不具合があるか否かの判断、不具合があるときに代替コントローラ１３８に切り替える処理は、システムコントローラ２２が実行する。図７に示されるように、システムコントローラ２２は、マスタコントローラ通信状態判断部７０と、代替コントローラ切替部７２を含む。

以下に、システムコントローラ２２の上記の機能を中心に、上記構成の作用を図８を用いて説明する。図８は、マスタコントローラ３２に不具合があるときに、１つのサブコントローラが代替コントローラ１３８に昇格して、マスタコントローラ３２に代わって充放電制御を行えるようにする手順を示すフローチャートである。

手順の最初として、マスタコントローラ３２の管理情報を取得して保存する（Ｓ１０）。具体的には、電力変換器管理部３４と各サブコントローラ３８の通信上の識別情報、各サブコントローラ３８と電力変換器３６の接続関係等を取得して保存する。この手順は、システムコントローラ２２が通常行っている処理であるが、特に、マスタコントローラ３２を代替コントローラ１３８に切り替えるときに、必要な情報取得処理となる。

システムコントローラ２２は、マスタコントローラ３２に全体充放電制御指令Ｓ１を送信する（Ｓ１２）。この手順も、通常的にシステムコントローラ２２が行っているものである。ここでは、次のマスタコントローラの通信が正常か異常か（Ｓ１４）の判断を行うために手段の１つとして、Ｓ１２の応答が用いられる。

Ｓ１４は、マスタコントローラ３２が行っている通信の送受信について正常か異常かが判断される。その処理手順は、システムコントローラ２２のマスタコントローラ通信状態判断部７０の機能によって実行される。

Ｓ１２で送信した全体充放電制御指令Ｓ１が正常に受信されていれば、マスタコントローラ３２は電力変換器管理部３４に集合体充放電制御指令Ｓ５を１００ミリ秒間隔で送信する。マスタコントローラ３２は、電力変換器管理部３４から電力変換器管理データＳ４を１秒間隔で受信し、それと同じ内容の電力変換器管理データＳ７を１秒間隔で電力管理装置１７に送信する。これに応じて、電力管理装置１７は、電力管理情報Ｓ８を１秒間隔でシステムコントローラ２２に送信する。したがって、全体充放電制御指令Ｓ１を送信してから、数秒の後には、その送信に対応する電力管理情報Ｓ８をシステムコントローラ２２が受信する。これを監視することで、マスタコントローラ３２が行っている通信の送受信が正常に行なわれたかどうかが判断できる。

Ｓ１２とＳ１４は、マスタコントローラ３２が行っている通信の送受信が正常に行なわれたかどうかを判断する手順の一例である。これに加えて、マスタコントローラ３２が行っている通信の送受信は、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ７がある。従って、これらの１つまたはいくつかを利用して、マスタコントローラ３２に不具合の発生の有無を判断することができる。あるいは、図２で説明したものの以外に、マスタコントローラ３２の通信異常を判断できる信号の送受信を行うものとしてもよい。

Ｓ１４の判断は、予め定めた閾値余裕期間を用い、マスタコントローラ３２が行っている通信の送受信がこの閾値余裕期間を超えて異常のままであるか否かで行うことが好ましい。閾値余裕期間は、判断に用いる通信の送受信間隔等を考慮して設定することができる。マスタコントローラ３２が行っている通信の送受信がこの閾値余裕期間を超えて異常のままであるときは、マスタコントローラ３２に不具合が発生していると判断される。その意味で、マスタコントローラ通信状態判断部７０は、マスタコントローラ不具合判断ユニットが含まれる。

Ｓ１４で、マスタコントローラ３２の通信が正常と判断されると、マスタコントローラ３２には不具合がないので、適当なサンプリング間隔で、Ｓ１４の判断が再度行われる。Ｓ１４で、マスタコントローラ３２の通信が正常と判断されると、マスタコントローラ３２には不具合があるので、Ｓ１６に進む。

Ｓ１６では、システムコントローラ２２は代替コントローラ１３８の基準に合う最適のサブコントローラの情報を取得する。サブコントローラの情報とは、その識別情報である。代替コントローラ１３８の基準とは、代替コントローラ１３８を特定する基準で、代替特定基準とも呼ばれる。例えば、蓄電池ユニット５４の充電度であるＳＯＣを用い、管理する蓄電池ユニット５４のＳＯＣが最も高いサブコントローラをマスタコントローラ３２に代替させるものとすることができる。

上記のように、代替コントローラ１３８に昇格したグループＧ１に属する蓄電池ユニット５４は、充放電制御の対象から外れる。そのため、自然放電による過放電の危険性が少ない方が好ましい。蓄電池ユニット５４のＳＯＣが高いときは、そのまま何もしなくて自然放電したとしても過放電になる危険性が少ない。このことから、管理する蓄電池ユニット５４のＳＯＣが最も高いサブコントローラをマスタコントローラ３２に代替させる。図７の例では、代替コントローラ１３８の基準に合う最適のサブコントローラの情報が（Ｇ１−Ｕ１）として取得されたことになる。

このように、代替コントローラ１３８として最適である特定のサブコントローラ（Ｇ１−Ｕ１）がみつかると、そのサブコントローラ（Ｇ１−Ｕ１）にマスタコントローラ３２の管理情報が引き渡される（Ｓ１８）。引き渡される管理情報はＳ１０で取得した管理情報である。

そして、最適のサブコントローラ（Ｇ１−Ｕ１）が管理していた蓄電池ユニット（Ｇ１−Ｕ１）の接続を遮断する（Ｓ２０）。具体的には、電力変換器（Ｇ１）から蓄電池ユニット（Ｇ１−Ｕ１）の接続を外す。電力変換器（Ｇ１）に接続される蓄電池ユニットの数は７となる。

Ｓ２０の処理が終ると、最適のサブコントローラ（Ｇ１−Ｕ１）が不具合のあるマスタコントローラ３２に代わる代替コントローラ１３８となる（Ｓ２２）。そして、代替されたことが電力管理装置１７に通知される（Ｓ２４）。Ｓ１６からＳ２４までの処理手順は、システムコントローラ２２の代替コントローラ切替部７２の機能によって実行される。このようにして、マスタコントローラ３２が代替コントローラ１３８に切り替わると、システムコントローラ２２は、代替コントローラ１３８に全体充放電制御指令Ｓ１を送信する（Ｓ２６）。その後は、制御間隔を延ばして、代替コントローラ１３８によって充放電制御が行われる。

図８では、代替特定基準は、サブコントローラが管理する蓄電池ユニットの充電度ＳＯＣである。別の代替特定基準として、予め定めた所定交代順序を用うことができる。予め定めた所定代替期間ごとに、所定交代順序に従って、複数のサブコントローラのうちの１つを不具合のあるマスタコントローラ３２に代替させるものとしてもよい。図９と図１０は、そのような代替特定基準に基づいて、代替コントローラ１３８の切り替えを行う手順を示すフローチャートである

この場合も、まず、システムコントローラ２２はマスタコントローラ３２の管理情報を取得して保存する（Ｓ３０）。この処理手順は、図８のＳ１０と同じである。そして、代替コントローラ１３８を順次交代させるために、ユニット群番号と蓄電池ユニット番号を初期化する（Ｓ３２）。具体的には、ユニット群番号を１とし、蓄電池ユニット番号を１−１とする。図７では、ユニット番号がＧ１で、蓄電池ユニット番号がＧ１−Ｕ１である。

システムコントローラ２２は、マスタコントローラ３２に全体充放電制御指令Ｓ１を送信し（Ｓ３４）、マスタコントローラ３２の通信が正常か否かを判断する（Ｓ３６）。この処理手順は、図８のＳ１２、Ｓ１４と同じである。Ｓ３６の判断の結果、マスタコントローラ３２に不具合の発生があると判断されるとＳ３８に進む。

そして、各サブコントローラの情報を取得し（Ｓ３８）、電力変換器ごとにユニット群を作る（Ｓ４０）。図７では、サブコントローラはユニット群によって区別される、あるいはどのグループにどのサブコントローラが属するかによって区別される。図７の例では、サブコントローラ（Ｇ１−Ｕ１）およびサブコントローラ（Ｇ２−Ｕ１）はそれぞれＧ１のグループおよびＧ２のグループに属するものと区別される。

このようにユニット群の形成、すなわちグループ化が行われると、Ｓ３２で初期化された、ユニット群番号１と蓄電池ユニット番号１−１と一致するサブコントローラが特定される（Ｓ４２）。図７の例では、ユニット群番号１はＧ１で、蓄電池ユニット番号１−１はＧ１−Ｕ１である。従って、これに対応するサブコントローラは、サブコントローラＧ１−Ｕ１である。つまり、最初は、ユニット群番号が一番若く、蓄電池ユニット番号が一番若い蓄電池ユニットを管理するサブコントローラが特定サブコントローラとされる。これが、図９の場合の最初の代替コントローラ１３８を特定するための代替特定基準である。

このように特定サブコントローラが定まると、システムコントローラ２２はこの特定サブコントローラに、マスタコントローラ３２の管理情報を引き渡す（Ｓ４４）。この処理手順は、図８のＳ１８と同じである。そして、特定サブコントローラが管理していた蓄電池ユニットの接続を遮断する（Ｓ４６）。この処理手順も、図８のＳ２０と同じである。

Ｓ４６の処理が終ると、特定サブコントローラ（Ｇ１−Ｕ１）が不具合のあるマスタコントローラ３２に代わる代替コントローラ１３８となる（Ｓ４８）。そして、代替されたことが電力管理装置１７に通知される（Ｓ５０）。Ｓ３８からＳ５０までの処理手順は、システムコントローラ２２の代替コントローラ切替部７２の機能によって実行される。マスタコントローラ３２が代替コントローラ１３８に切り替わると、システムコントローラ２２は、代替コントローラ１３８に全体充放電制御指令Ｓ１を送信する（Ｓ５２）。その後は、制御間隔を延ばして、代替コントローラ１３８によって充放電制御が行われる。

そして、予め定めた所定時間が経過したか否かが判断される（Ｓ５４）。この所定時間は、代替コントローラ１３８を順次交代するための所定代替期間である。所定時間が経過するまでは、代替コントローラ１３８は交代しない。所定時間が経過すると、ユニット群番号を＋１する（Ｓ５６）。＋１は、交代順序を決めるためである。つまり、現在の代替コントローラ１３８は、グループＧ１に属するものであるが、次にグループＧ２に属するサブコントローラに交代するようにする。

ユニット群番号を＋１したときに、ユニット群番号が最大値か否かが判断される（Ｓ５８）。今の場合、ユニット群番号は２であるので、Ｓ５８の判断は否定され、Ｓ６６に進む。Ｓ６６では、現在の代替コントローラ１３８の管理していた蓄電池ユニットを再接続する。図７の例では、現在の代替コントローラ１３８はＧ１−Ｕ１である。よって、Ｓ４６において接続遮断された蓄電池ユニットＧ１−Ｕ１が元に戻って、電力変換器（Ｇ１）に接続されることになる。

Ｓ６６で、今まで接続が遮断されて充放電制御の対象となっていない蓄電池ユニットが元の接続関係に戻されると、手続きはＳ４２に戻る。Ｓ４２では、Ｓ５６で交代順序としてユニット群番号を＋１したものに対応するサブコントローラ（Ｇ２−Ｕ１）が次の特定サブコントローラとされる。このようにして、特定サブコントローラが交代される。

そして、次の特定サブコントローラ（Ｇ２−Ｕ１）について、Ｓ４４、Ｓ４６、Ｓ４８、Ｓ５０の処理が行われて、この特定サブコントローラ（Ｇ２−Ｕ１）が次の代替コントローラ１３８となる。そして、この代替コントローラ１３８にシステムコントローラ２２から全体充放電制御指令Ｓ１が送信される（Ｓ５２）。

そして、２つ目の代替コントローラ１３８について所定時間が経過する（Ｓ５４）と、ユニット群番号がさらに＋１される（Ｓ５６）。図７ではグループがＧ２までしか示していないが、実際にはグループはＧ８まであるので、Ｓ５６によって、Ｇ３となることになる。そして、ユニット群番号が最大値か否かの判断（Ｓ５８）は否定されるので、手続きはＳ６６に飛ぶ。これによって、３つ目の代替コントローラ１３８としての特定サブコントローラが定まる。

これを繰り返すと、８つ目の代替コントローラ１３８の次の段階でＳ５８の判断が肯定される。Ｓ５８の判断が肯定されると、ユニット群番号を１に戻し、蓄電池ユニット番号を＋１進める（Ｓ６０）。図７の表記を用いると、マスタコントローラ３２に代替する代替コントローラ１３８は、サブコントローラ(Ｇ１−Ｕ１）、（Ｇ２−Ｕ１）、（Ｇ３−Ｕ１）、（Ｇ４−Ｕ１）、（Ｇ５−Ｕ１）、（Ｇ６−Ｕ１）、（Ｇ７−Ｕ１）（Ｇ８−Ｕ１）と進み、その次からはサブコントローラ（Ｇ１−Ｕ２）、（Ｇ２−Ｕ２）、（Ｇ３−Ｕ２）・・と順次交代する。そしてサブコントローラ（Ｇ８−Ｕ２）まで進むと、次からは代替コントローラ１３８は、サブコントローラ（Ｇ１−Ｕ３）、（Ｇ２−Ｕ３）、（Ｇ３−Ｕ３）・・と順次交代する。これを繰り返して（Ｇ８−Ｕ５）まで来ると、４０のサブコントローラの全部が一通り交代して一巡が終る。その後は代替コントローラ１３８が、サブコントローラＧ１−Ｕ１に戻って、交代が繰り返される。

このようにして、電力管理システム２０において、マスタコントローラ３２に不具合が発生した場合には、複数のサブコントローラ３８の１つが代替コントローラ１３８に昇格して、マスタコントローラ３２に代わって充放電制御を継続することができる。

上記では、全体充放電制御指令Ｓ１から集合体充放電制御指令Ｓ５を生成する際に、不具合がある蓄電池ユニット５４がある場合には、そのことを考慮して、集合体充放電制御指令Ｓ５を生成するものとして説明した。

例えば、全体充放電制御指令Ｓ１が「３２０ｋＷで１８００秒充電」という内容であったとする。この場合、８つの電力変換器３６に接続される全ての蓄電池ユニット５４に不具合がないときには、３２０ｋＷ／８＝４０ｋＷとなるので、集合体充放電制御指令Ｓ５は、各電力変換器３６のそれぞれに対し「４０ｋＷで１８００秒充電」という内容になる。

ここで、７つの電力変換器３６に接続される蓄電池ユニット５４には不具合がないが、８つ目の電力変換器３６に接続される５つの蓄電池ユニット５４の内の１つに不具合が発生したとする。８つ目の電力変換器３６は、他の電力変換器３６に比べて、電力変換能力が４／５になっている。換言すれば、８つの電力変換器３６の全体としては、電力変換能力が８から７．８に低下している。そこで、電力変換器３６の電力変換能力に合わせて集合体充放電制御指令Ｓ５を、７つの電力変換器３６のそれぞれについては「４０ｋＷで１８００秒充電」のままとする。８つ目の電力変換器３６については、４０ｋＷ×０．８＝３２ｋｗであるので、「３２ｋＷで１８００秒充電」とする。

電力変換器３６の電力変換能力が４０ｋＷ以上あるときは、全体充放電制御指令Ｓ１の内容を変更しないで次のようにすることができる。上記の例では、８つの電力変換器３６の全体としては、８の電力変換能力が７．８となっている。そこで、３２０ｋＷ／７．８＝４１ｋＷとなるので、７つの電力変換器３６のそれぞれに対する集合体充放電制御指令Ｓ５は、「４１ｋＷで１８００秒充電」という内容である。８つ目の電力変換器３６に対する集合体充放電制御指令Ｓ５は、「３３ｋＷで１８００秒充電」という内容になる。４１ｋＷ×７＋３３ｋＷ＝３２０ｋＷであるので、全体充放電制御指令Ｓ１の内容はそのままとなる。

さらに、蓄電池ユニット５４の充放電能力に余力のあるときは、次のようにしても全体充放電制御指令Ｓ１の内容を変更しないで済む。すなわち、不具合のある蓄電池ユニット５４があっても、各電力変換器３６に割り当てた内容を変更しないようにする。上記の例では、８つ目の電力変換器３６への割当を、他の電力変換器３６と同じ「４０ｋＷで１８００秒充電」とする。７つの電力変換器３６は、それぞれ５つの蓄電池ユニット５４が正常であるので、各蓄電池ユニット５４が負担するのは「８ｋＷで１８００秒充電」となる。８つ目の電力変換器３６は、４つの蓄電池ユニット５４が正常であるので、４０ｋＷ／４＝１０ｋＷとなって、各蓄電池ユニット５４の負担が「１０ｋＷで１８００秒充電」となる。

このように、電力変換器３６、蓄電池ユニット５４の電力変換能力、充放電能力を予め把握しておくことで、全体充放電制御指令Ｓ１の内容を変更しないで済む集合体充放電制御指令Ｓ５を生成できる。

このように、蓄電池集合体５０を構成する蓄電池に不具合があると、集合体充放電制御指令Ｓ５を生成する必要がある。したがって、蓄電池の不具合を早期に確実に検出することが必要である。図１１と図１２は、蓄電池ユニット５４を運転中に、蓄電池ユニット５４を構成する蓄電池パック５６の異常を検出する方法を説明する図である。

図１１は、蓄電池集合体５０を所定の充放電制御指令の下で運転中の状態において、１つの蓄電池パック列を構成する５つの蓄電池パック５６について、それぞれの電圧の時間経過を見た図である。横軸には時間、縦軸には蓄電池パック５６の電圧であるパック電圧がとられている。図１１から、直列接続される各蓄電池パック５６は、運転中において、パック電圧がほとんど同じであることが分かる。これは、所定の充放電制御指令の下では、直列接続の各蓄電池パック５６に流れる充放電電流が同じであるためと考えられる。

次に、蓄電池集合体５０を所定の充放電制御指令の下で運転中の状態において、１つの蓄電池ユニット５４を構成する２０の蓄電池パック５６について、それぞれの電圧の時間経過を調べてみた。結果は、図１１とほぼ同様で、ほとんどのパック電圧の時間経過はそろっているが、異常の時間経過を示すパック電圧が１つ見られた。図１２はその様子を示す図である。図１２では、図１１と同様に、横軸には時間、縦軸には蓄電池パック５６の電圧であるパック電圧がとられている。２０のデータを全て示すとかえって見にくいので、ここでは、上限のパック電圧を示すものと下限のパック電圧を示すものを図示してある。図１２によるとＮｏ．２０として示されているデータが、他と異なる時間経過データとなっていることが分かる。

図１２には、一部を拡大して、２０の蓄電池パック５６のデータを示した。この拡大図から分かるように、充放電経過時間ｔに対するパック電圧Ｖの変化である電圧変化率ΔＶ／Δｔが、Ｎｏ．２０の蓄電池パック５６については、他と異なる値を示す。このことから、所定の充放電制御指令の下の運転中において、各蓄電池パック５６の電圧変化率を比較すれば、異常な蓄電池パック５６を検出することができることが分かる。

具体的には、複数の蓄電池パック５６についての電圧変化率の平均値と、それぞれの蓄電池パック５６の電圧変化率とを比較する。そして、予め定めた異常閾値変化率差を超える電圧変化率を有する蓄電池パック５６を異常の蓄電池パック５６とすることができる。個々では、蓄電池パック５６の電圧について述べたが、蓄電池ユニット５４の電圧、蓄電池パック列の電圧、単位セルの電圧としてもよい。一般的には、各交換単位蓄電池の電圧について、充放電経過時間に対する電圧変化率を用いるものとできる。このようにして、異常の蓄電池を検出することができる。

図１３は、蓄電池パックの開放電圧と充電度との関係を示す図である。この図に示されるように、オープン電圧とも呼ばれる開放電圧は、充電度に応じて、略線形的に変化する。このような充電度と開放電圧との関係を利用して、充電度は、蓄電池の電圧、内部抵抗、および充放電電流のデータに基づいて算出される。

図１４は、予め定めた検査用充放電制御指令を用いて定期的に検査することで、劣化した蓄電池の検出を行う様子を説明する図である。蓄電池は、初期状態から充放電を繰り返すうちに、満充電容量が小さくなってくる。これを劣化と呼ぶことにすると、劣化は、充電度の変化で検出することができる。具体的には、所定の範囲の充放電電流の下で、充電度が変化する時間を測定する。蓄電池が劣化すると、所定の充電度の範囲の変化に要する時間が短くなる。

図１４は、蓄電池の初期状態の特性と、充放電を繰り返した運転後の特性が異なることを示している。ここでは横軸に経過時間をとり、縦軸にＳＯＣを示す。横軸の充放電電流の単位は、１時間で満充電とできる電流、すなわち充電度であるＳＯＣが１００％となる電流を１Ｃとしてある（ＣはＣａｐａｃｉｔｙの略である）。所定の充電度変化時間としては、例えば、ＳＯＣ＝４０％からＳＯＣ＝６０％に増加する時間とすることができる。図１４に示されるように、同じ充放電電流が流れるとき、初期状態の方が短時間でＳＯＣが変化し、充放電を繰り返した後の運転後の方がＳＯＣの変化に要する時間が短くなる。

このことから、所定の充放電電流を流す検査用充放電制御指令を用いて、各蓄電池パック５６について、所定の充電度範囲を経過する時間である充電度変化時間を調べることで、各蓄電池パックの劣化程度を判断できる。具体的には、各蓄電池パック５６の充電度変化時間を、予め定めた劣化閾値変化時間と比較する。劣化閾値変化時間よりも小さくなる充電度変化時間を有する蓄電池パック５６を劣化蓄電池パックとする。蓄電池パック５６の充電度に代えて、各蓄電池ユニット５４の充電度、各蓄電池パック列の充電度、各単位セルの充電度としてもよい。一般的には、交換単位蓄電池の充電度を用いて、交換単位蓄電池の劣化を検出できる。このようにして、劣化した蓄電池を検出することができる。

上記では、図２に関連して説明したように、電力管理装置１７には、マスタコントローラ３２から電力変換器管理データＳ７が１秒ごとに送信される。また、サブコントローラ３８からユニット状態データＳ６が１０秒ごとに電力管理装置１７に送信される。ここで、電力管理装置１７が何かの原因でシャットダウンし、送受信を行えなくなると、マスタコントローラ３２には送信されない電力変換器管理データが溜まり、サブコントローラ３８には送信されないユニット状態データが溜まる。電力管理装置１７の機能が復旧すると、溜まっていたデータが送信されることになる。

マスタコントローラ３２についても、サブコントローラ３８についても、それぞれのデータ蓄積容量には限度がある。また、電力管理装置１７の機能が復旧しても、溜まっていたデータを一度に送信すると、送受信能力を超えることが生じる。これらのことから、送信されないデータが溜まりすぎると、そのデータの整理をする必要が生じる。データ整理につき、図１５に示す。ここでは、サブコントローラ３８を例として、そのデータ蓄積容量１２０の大きさを矩形マスで示し、未送信のデータ量１２２を横線領域の広さで示してある。なお、マスタコントローラ３２の場合も以下の説明が同様に適用できる。

サブコントローラ３８と電力管理装置１７との間の送受信が正常のときは、図１５の上段(ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示されるように、未送信のデータ量１２２は増減を繰り返し、データ蓄積容量１２０を超えることはない。ここで、電力管理装置１７が行っているデータの受信が異常となると、図１５の下段（ｂ）、（ｄ）、（ｅ）に示されるように、未送信のデータ量１２２が増加し、データ蓄積容量１２０に達する。さらにデータの送信ができないことが継続すると、（ｆ）に示されるように、データ蓄積容量１２０を超える。このときには、データ蓄積容量１２０までの未送信のデータ量１２４は蓄積できるが、これを超える未送信のデータ量１２６は蓄積ができない。

そこで、データ蓄積容量限度を超える未送信のデータ量１２６について、その整理が必要になる。その処理手順は、次のようにして行うことができる。サブコントローラ３８は、電力管理装置１７が行っているデータの受信が正常か否かに基づいて電力管理装置１７の故障の有無を判断する。そして、電力管理装置１７に故障が発生したと判断されるときに、その故障期間について、予め定められているデータ処理基準に従い、電力管理装置１７に送信されていないデータの整理を行う。

データ処理基準としては、次のように用いられる。すなわち、予め定められているデータ蓄積容量１２０の限度まで、電力管理装置１７に送信されていないデータを蓄積する。電力管理装置１７に送信できていないデータの量がデータ蓄積容量１２０の限度を超えるときは、古いデータから先に消去する。

別のデータ処理基準として、電力管理装置１７に送信されていないデータの量がデータ蓄積容量１２０の限度を超えるときは、予め定めたデータ重要度順に従い、データ重要度の低いデータから先に消去することができる。重要度順としては、パック電圧、パック列電流、電池温度、セル電圧の順とすることができる。さらに、同じ重要度順のデータが複数あるときは、代表データに絞ることもできる。

さらに別のデータ処理基準として、電力管理装置１７に送信されていないデータの量がデータ蓄積容量１２０の限度を超えるときは、古いデータの順に、新たに設ける予備の記憶装置に蓄積するものとする基準を用いることもできる。この場合には、データネームを変更することが好ましい。そのようにすることで、古いデータであることの識別が容易になる。

また、これらとは別のデータ処理基準として、電力管理装置１７に送信されていないデータの量がデータ蓄積容量１２０の限度を超えるときは、古いデータの順に、システムコントローラ２２の記憶装置に送信して蓄積する。システムコントローラ２２は、マスタコントローラ３２、サブコントローラ３８に比べて高性能であり、その記憶容量も大きい。従って、システムコントローラ２２を一時的なデータ蓄積に利用することができる。

このようにして、電力管理装置１７に故障が生じても、充放電制御に必要なデータを確保しながら、マスタコントローラ３２、サブコントローラ３８に溜まるデータ量を低減することができる。これにより、電力管理装置１７の機能が復旧したときに送受信能力を超過するような大量のデータ送信を回避することができる。

上記構成により、システムコントローラは、電力管理システム全体に対する１つの充放電制御指令を生成して階層的充放電制御装置に送信する。そのため、取り扱う電力の規模が大きくなっても、１つの全体充放電制御指令によって、負荷の必要電力状況に応じて蓄電池の充放電を制御することができる。

以上説明したとおり、上記の実施形態によれば、取り扱う電力の規模が大きくなっても、負荷の必要電力状況に応じて蓄電池の充放電を制御することを可能にする電力管理システムを提供することができる。

発明は実施形態に記載された以外にも趣旨を逸脱しない他の実施形態をも包含する。実施形態は発明の説明をするものであって、その範囲を限定するものではない。発明の範囲は、クレームの記載によって示されるものであって、明細書の記載によって示されるものではない。従って、発明は、クレームの均等の範囲内における意味や範囲を含む総ての形態を包含する。本出願は、２０１０年８月２３日に出願された日本特許２０１０−１８０６２２６号「電力管理システム」及び２０１１年３月２５日に出願された日本特許２０１１−０６７３７９号「電力管理システム」の総ての内容を包含する。

本発明に係る電力管理システムは、蓄電池集合体が設けられる施設の電力管理に利用できる。

１０ 工場施設
１２ 電力源
１４ 太陽光発電システム
１６ 外部商用電源
１７ 電力管理装置
１８ 負荷
１９ 負荷電力管理装置
２０ 電力管理システム
２１ 総合電力監視装置
２２ システムコントローラ
３０ 階層的充放電制御装置
３２ マスタコントローラ
３４ 電力変換器管理部
３６ 電力変換器
３８ サブコントローラ
４０ スイッチ基板
４２ 蓄電池電力管理装置
５０ 蓄電池集合体
５２ ユニット群
５４ 蓄電池ユニット
５６ 蓄電池パック
５８ 単位蓄電池
６０ 電流検出器
６２ 電圧検出器
６４ 温度検出器
１００ 負荷電力特性線
１０２、１０４ 太陽光発電電力特性線
１１０、１１１ 外部商用電力特性線
１１２、１１３ 最大値

Claims (21)

1. 負荷の必要電力状況を含む負荷側情報データと、複数の蓄電池を含む蓄電池集合体の状態を含む蓄電池側情報データを受け取り、前記負荷側情報データ及び蓄電池側情報データ基づいて、電力管理システム全体に対する１つの充放電制御指令である全体充放電制御指令を生成するシステムコントローラと、
   前記システムコントローラから前記全体充放電制御指令を受けとり、複数の階層に分けられた前記複数の蓄電池に対し、前記全体充放電制御指令に基づいて、前記階層毎に充放電制御を行う階層的充放電制御装置と、を備える電力管理システム。
2. 前記電力管理システムに電気的に接続可能な電力源と、前記蓄電池集合体と、前記負荷との相互間で電力変換を行う複数の電力変換器を備え、
   前記蓄電池集合体の階層は、単位蓄電池を複数含む蓄電池パックを予め定めた個数で整列配置させた蓄電池ユニットの階層と、前記蓄電池ユニットを予め定めた個数で配置され複数の各変換器に接続されたユニット群であって、ユニット群は前記複数の電力変換器のそれぞれに対応して割り当てられるユニット群の階層と、を備え、前記階層的充放電制御装置は、前記システムコントローラからの全体充放電制御指令を受け取り前記全体充放電制御指令に基づいて前記蓄電池集合体の集合体充放電制御指令を生成するマスタコントローラと、前記集合体充放電制御指令を受け取り、前記複数の電力変換器を構成する電力変換器ごとに、当該電力変換器に対応する前記ユニット群に属する複数の前記蓄電池ユニットについての充放電制御を行う電力変換器管理部と、を備える請求項１記載の電力管理システム。
3. 前記電力変換器管理部によって制御される前記当該電力変換器に接続される前記蓄電池ユニットのそれぞれについて充放電制御を行うサブコントローラを備える請求項２記載の電力管理システム。
4. 前記マスタコントローラは、前記電力変換器管理部から前記電力変換器の状態データとして電力変換器管理データを受け取り、前記サブコントローラから前記蓄電池ユニットのそれぞれの状態データとしてユニット状態データを受け取り、受け取った前記電力変換器管理データと前記ユニット状態データとに基づいて、前記全体充放電制御指令を実行できるか否か判断し、前記判断の結果に基づいて、前記集合体充放電制御指令を前記電力変換器管理部に送信する請求項３記載の電力管理システム。
5. 前記マスタコントローラは、前記システムコントローラに対し、前記システムコントローラが動作中であるか否かを確認する死活確認信号を予め定めた周期で送信する請求項４記載の電力管理システム。
6. 前記蓄電池ユニットのそれぞれは、予め定められた個数の前記蓄電池パックを直列接続した蓄電池パック列を、予め定めた列数で互いに並列に接続して構成され、前記サブコントローラは、前記対応する電力変換器と前記各蓄電池ユニットを構成する前記各蓄電池パック列のうち一つとの間にそれぞれ接続配置される複数のスイッチを備え、前記蓄電池ユニットを構成する前記蓄電池パックのそれぞれの状態データとしてパック状態データを取得し、取得した前記パック状態データに基づいて、前記複数のスイッチの動作を制御する請求項５記載の電力管理システム。
7. 前記蓄電池集合体の状態データを含む前記蓄電池側情報データを取得する蓄電池電力管理装置と、前記負荷の前記必要電力状況に関する前記負荷側情報データを取得する負荷電力管理装置と、を備える請求項６記載の電力管理システム。
8. 前記サブコントローラは、取得した前記パック状態データに基づく前記蓄電池ユニットごとの前記ユニット状態データを前記マスタコントローラと前記蓄電池管理装置とに送信する請求項７記載の電力管理システム。。
9. 前記蓄電池電力管理装置は、前記マスタコントローラから、前記電圧変換器管理データとしての前記電力変換器状態データを受信し、前記サブコントローラから送信される前記ユニット状態データとともに、前記蓄電池側情報データとして前記受信した電力変換器状態データを前記システムコントローラに送信する請求項７記載の電力管理システム。
10. 複数の蓄電池を含む蓄電池集合体を備える請求項１記載の電力管理システム。
11. 前記マスタコントローラが行う通信が予め定めた閾値余裕期間を超えて異常か否かに基づいて前記マスタコントローラの不具合の発生の有無を判断する不具合判断ユニットと、前記不具合判断ユニットによって前記マスタコントローラに不具合が発生したと判断されるときに、予め定めた代替特定基準に従って、複数の前記サブコントローラのうちの１つを前記マスタコントローラに代替させる代替ユニットと、を備える請求項３記載の電力管理システム。
12. 前記代替ユニットは、前記代替特定基準として、前記サブコントローラが管理するそれぞれの蓄電池ユニットの充電度を用い、前記複数の蓄電池ユニットうち前記充電度が最も高い１つを管理する前記サブコントローラを前記マスタコントローラに代替させる請求項１１記載の電力管理システム。
13. 前記代替ユニットは、前記代替特定基準として予め定めた所定交代順序を用い、予め定めた所定代替期間ごとに、前記所定交代順序に従って、複数の前記サブコントローラのうちの１つを前記マスタコントローラに代替させる請求項１１記載の電力管理システム。
14. 前記マスタコントローラは、前記複数の電力変換器の状態データに応じて、前記全体充放電制御指令の内容を変えずに前記集合体充放電制御指令を変更し、前記集合体充放電制御指令を前記電力変換器管理部に送信する請求項４記載の電力管理システム。
15. 前記マスタコントローラは、所定の前記集合体充放電制御指令の下で、前記サブコントローラから送信される前記ユニット状態データに基づき、交換単位蓄電池の電圧である交換単位蓄電池電圧を算出し、前記交換単位蓄電池電圧についての充放電経過時間に対する電圧変化である電圧変化率を算出するユニットと、複数の前記交換単位蓄電池についての前記電圧変化率の平均値と、それぞれの前記交換単位蓄電池の前記電圧変化率とを比較し、予め定めた異常閾値変化率差を超える前記電圧変化率を有する交換単位蓄電池を異常交換単位蓄電池とする異常蓄電池検出ユニットと、を備える請求項７記載の電力管理システム。
16. 前記マスタコントローラは、前記集合体充放電制御指令を予め定めた検査用充放電制御指令として用い、前記検査用充放電制御指令の下で、前記サブコントローラから送信される前記ユニット状態データに基づき交換単位蓄電池の充電度を算出し、前記充電度について予め定めた充電度範囲を経過する時間である充電度変化時間を算出するユニットと、予め設定された基準充電度変化時間と前記交換単位蓄電池それぞれの前記充電度変化時間を比較し、予め定めた劣化閾値変化時間よりも小さくなる前記充電度変化時間を有する交換単位蓄電池を劣化交換単位蓄電池とする劣化蓄電池検出ユニットと、を備える請求項７記載の電力管理システム。
17. 前記マスタコントローラと前記サブコントローラは、それぞれは、前記蓄電池電力管理装置が行っているデータの受信が正常か否かに基づいて前記蓄電池電力管理装置の故障の有無を判断する故障判断ユニットと、前記故障判断ユニットによって前記蓄電池電力管理装置に前記故障が発生したと判断されるときに、その故障期間について、予め定められているデータ処理基準に従い、前記蓄電池電力管理装置に送信されていないデータの整理を行うデータ整理ユニットと、を備える請求項８記載の電力管理システム。
18. 前記データ整理ユニットは、前記データ処理基準として、予め定められているデータ蓄積容量限度まで前記蓄電池電力管理装置に送信されていないデータを蓄積し、前記蓄電池電力管理装置に前記送信されていないデータの量が前記データ蓄積容量限度を超えるときは、古いデータから先に消去する基準を用いて前記データの整理を行う請求項１７記載の電力管理システム。
19. 前記データ整理ユニットは、前記データ処理基準として、前記蓄電池電力管理装置に前記送信されていないデータの量が前記データ蓄積容量限度を超えるときは、予め定めたデータ重要度順に従い、データ重要度の低いデータから先に消去する基準を用いて前記データの整理を行う請求項１７記載の電力管理システム。
20. 前記データ整理ユニットは、前記データ処理基準として、前記蓄電池電力管理装置に前記送信されていないデータの量が前記データ蓄積容量限度を超えるときは、古いデータの順に、新たに設ける予備の記憶装置に蓄積する基準を用いて前記データの整理を行う請求項１７記載の電力管理システム。
21. 前記データ整理ユニットは、前記データ処理基準として、前記蓄電池電力管理装置に前記送信されていないデータの量が前記データ蓄積容量限度を超えるときは、古いデータの順に、前記システムコントローラの記憶装置に送信して蓄積する基準を用いて前記データの整理を行う請求項１７記載の電力管理システム。

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