JP2014011811A - 電力管理システム - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電池から負荷に対して電力を供給するにあたり、負荷電力が小さいときのインバータの効率低下を防止する。
【解決手段】商用交流電源に代えて蓄電池に蓄積した電力を実負荷に供給可能な電力管理システムにおいて、実負荷とは個別に疑似負荷を設ける。また、電力管理システムは、蓄電池から出力される直流の電力を交流に変換して実負荷に供給するために、インバータを備える。電力管理システムの制御部は、蓄電池が出力する電力により実負荷を稼働させるにあたり、インバータの効率が一定以上で維持されるように、疑似負荷の電力を制御する。
【選択図】図３

Description

本発明は、電力管理システムに関する。

家庭などにおいて太陽電池などの電力発生装置や蓄電池を設置し、電力需要の状況に応じて、これらの電力発生装置や蓄電池などの運転を制御する電力管理システムが知られている。
このような電力管理システムとして、ピークカット時間帯において商用電源からの電力供給を停止する代わりに蓄電池により電力供給を行うにあたり、予め求めた平均供給電力量により電気製品などの負荷への電力供給を行うというものが知られている(例えば、特許文献１参照)。
また、蓄電池の放電により出力される電力は直流であるのに対して、電気製品などの負荷が入力する電力は交流である。このために、特許文献１にも示されているように、蓄電池の電力を負荷に供給するにあたっては、蓄電池と負荷との間にインバータを介在させることにより、蓄電池から出力される直流の電力を交流に変換することが行われている。

特開２０００−２３３５９号公報

インバータは、電力が一定以下になると著しく効率が低下するという特性を有している。このために、例えば商用電源に代えて蓄電池により電力供給を行っているときの負荷電力が非常に小さいような状態ではインバータにおける効率が相当に低下してしまい、例えば消費電力の点で不利になる。
しかし、特許文献１では、負荷電力が小さい状態におけるインバータの効率低下については考慮されておらず、これを防止するための構成は示されていない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、蓄電池から負荷に対して電力を供給するにあたり、負荷電力が小さいときのインバータの効率低下を防止することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明の一態様としての電力管理システムは、蓄電池と、実負荷とは個別に設けられるとともに、供給された電力を前記実負荷とは異なる他の実負荷に対して供給する疑似負荷と、放電により前記蓄電池から出力される直流の電力を交流に変換するとともに、前記交流に変換した電力が前記実負荷と前記疑似負荷とに分岐して供給されるように設けられるインバータと、前記インバータの効率が一定以上となるように、前記疑似負荷の負荷電力を制御する制御部とを備える。

また、本発明の電力管理システムにおいて、前記疑似負荷は、前記他の実負荷としての前記蓄電池に対する充電のために電力を供給してもよい。

また、本発明の電力管理システムにおいて、前記蓄電池は複数が備えられ、前記制御部は、前記複数の蓄電池のうちの少なくとも１つを、放電による電力を前記インバータに対して出力する第１の蓄電池として機能させ、前記第１の蓄電池として機能させていない他の蓄電池のうちの少なくとも１つを、前記疑似負荷から供給される電力により充電が行われる第２の蓄電池として機能させてもよい。

また、本発明の電力管理システムにおいて、前記制御部は、前記複数の蓄電池において、前記第１の蓄電池として機能させる蓄電池と、前記第２の蓄電池として機能させる蓄電池とを変更してもよい。

また、本発明の電力管理システムにおいて、前記疑似負荷は、前記他の実負荷が交流入力である場合に対応して設けられ、前記インバータから供給された交流の電力を直流に変換して前記他の実負荷に供給するコンバータであってもよい。

また、本発明の電力管理システムにおいて、前記疑似負荷は、前記実負荷が対応する需要家とは異なる他の需要家が対応する前記他の実負荷に電力を供給してもよい。

以上説明したように、本発明によれば、負荷に対して蓄電池から電力を供給するにあたり、負荷電力が小さいときのインバータの効率低下が防止されるという効果が得られる。

本発明の第１の実施形態における電力管理システムの構成例を示す図である。 インバータの効率特性を示す図である。 第１の実施形態における制御部が実行する処理手順例を示す図である。 第１の実施形態における制御テーブルの構造例を示す図である。 第２の実施形態における電力管理システムの構成例を示す図である。 第３の実施形態における電力管理システムの構成例を示す図である。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態における電力管理システムの構成例を示している。なお、本実施形態においては家庭向けの電力管理システムを例に挙げる。

図１に示す家屋１は、１つの家庭に対応する施設である。この家屋１には、太陽電池１０、パワーコンディショナ（ＰＣＳ；Power Conditioning System）２０、蓄電池ユニット３０、インバータ４０、分電盤５０、コンバータ６０、制御部７０、実負荷ＬＤ１および疑似負荷ＬＤ２を備える。

太陽電池１０は、光起電力効果により光エネルギーを電力に変換する電力発生装置である。太陽電池１０は、例えば家屋１の屋根などのように太陽光を効率的に受けられる場所に設置されることで、太陽光を電力に変換する。
パワーコンディショナ２０は、太陽電池１０から出力される直流の電力を交流に変換する。

蓄電池ユニット３０は、蓄電池３１と充放電回路３２とを備えた定置型のユニットであある。なお、この場合の蓄電池ユニット３０は、蓄電池３１として複数を備える。

蓄電池３１は、充電のために入力される電力を蓄積し、また、蓄積した電力を放電して出力する。この蓄電池３１には、例えばリチウムイオン電池などを採用することができる。また、これらの蓄電池３１については、可搬型ではなく、一定以上のサイズ、重量を有する定置型である場合を例としている。

充放電回路３２は、蓄電池３１に対する充電または放電のための充放電経路を切り替える。なお、充放電回路３２は、複数の蓄電池３１ごとに独立して充電または放電が行われるように充放電経路を切り替えることができる。また、充放電回路３２は、制御部７０の制御に応じて充放電経路を切り替える。
具体的に、充放電回路３２は、蓄電池３１に対する充電を行うにあたっては、インバータ４０を介してパワーコンディショナ２０または商用電源２から供給される電力を入力する。そして、充放電回路３２は、入力した電力を制御部７０の制御に応じて選択した蓄電池３１に対して充電電力として供給する。
また、充放電回路３２は、蓄電池３１から電力を出力させるにあたっては、制御部７０の制御に応じて選択した蓄電池３１からの電力をインバータ４０に出力する。これにより、選択された蓄電池３１から放電される電力がインバータ４０を介して分電盤５０に入力される。

ここで、商用電源２から供給される電力とパワーコンディショナ２０から供給される電力は交流である。一方、蓄電池３１が充電に際して入力する電力は直流である。このために、パワーコンディショナ２０または商用電源２の電力を蓄電池３１に充電するには、これらの交流の電力を直流に変換する必要がある。
また、放電により蓄電池３１から出力される電力は直流である。一方、蓄電池３１から出力された電力により稼働する実負荷ＬＤ１は交流入力である。このために、蓄電池３１から出力された電力は、実負荷ＬＤ１への供給にあたって直流から交流に変換する必要がある。
インバータ４０は、蓄電池３１に対応して備えられるもので、蓄電池３１が入出する電力の双方向変換を行う。
つまり、インバータ４０は、商用電源２またはパワーコンディショナ２０から充電のために蓄電池３１に供給される交流の電力を直流に変換し、充放電回路３２経由で蓄電池３１に供給する。また、インバータ４０は、放電により蓄電池３１から出力される直流の電力を交流に変換して実負荷ＬＤ１に供給する。なお、この際にインバータ４０は、蓄電池３１から出力される直流の電力を、蓄電池ユニット３０の充放電回路３２を介して入力する。
また、インバータ４０における交流から直流への変換動作と直流から交流への変換動作との間での切り替えは、例えば制御部７０が、充放電回路３２における電力経路の切り替えとともに制御すればよい。

分電盤５０は、商用電源２から供給される電力と、パワーコンディショナ２０から供給される太陽電池１０により発電された電力と、インバータ４０から供給される蓄電池３１からの電力とを入力する。そして、分電盤５０は、入力した電力を、実負荷ＬＤ１と疑似負荷ＬＤ２とに分配する。

実負荷ＬＤ１は、家電製品などのように、その動作のために電力を必要とする負荷である。
疑似負荷ＬＤ２は、インバータ４０の効率を一定以上とするために擬似的に設けられる負荷である。この疑似負荷ＬＤ２は、実負荷ＬＤ１とは個別に設けられるとともに、供給された電力を実負荷ＬＤ１とは異なる他の実負荷に対して供給する。
第１の実施形態において、この疑似負荷ＬＤ２には、例えば電子負荷装置などを採用できる。

また、第１の実施形態において、疑似負荷ＬＤ２が電力を供給する他の実負荷は、蓄電池３１である。つまり、疑似負荷ＬＤ２は、入力した電力を、蓄電池３１に対して充電電力として供給する。複数の蓄電池３１が蓄積する電力を総合してみた場合、蓄電池３１が実負荷ＬＤ１を駆動するために出力した電力は、疑似負荷ＬＤ２から充電されるように回生されているとみることができる。

また、インバータ４０に着目すると、インバータ４０から出力された電力は、分電盤５０により実負荷ＬＤ１と疑似負荷ＬＤ２とに分岐して供給されている。換言すれば、インバータ４０は、自己が交流に変換した電力が実負荷ＬＤ１と疑似負荷ＬＤ２とに分岐して供給されるように設けられる。

疑似負荷ＬＤ２が蓄電池３１に充電するために出力する電力は交流である。これに対して、前述のように、蓄電池３１に対する充電電力は交流である。
コンバータ６０は、疑似負荷ＬＤ２が出力する交流の電力を、蓄電池３１への充電のために直流に変換する。コンバータ６０により直流に変換された電力は、充放電回路３２が充電対象として選択した蓄電池３１に対して供給される。

制御部７０は、本実施形態の電力管理システムとしての動作が実現されるように各種制御および処理を実行する。この制御部７０は、例えばＨＥＭＳ（Home Energy Management System）などといわれる家庭内の電力管理システムに対応するものである。

そのうえで、本実施形態における、制御部７０は、インバータ４０の効率が一定以上となるように、疑似負荷ＬＤ２の負荷電力を制御する。このために、制御部７０は、制御テーブル７１を記憶する。制御テーブル７１の構造例については後述する。

制御部７０は、家屋１における電力管理の一態様として、例えば商用電源２から実負荷ＬＤ１への電力供給を停止させたうえで、この商用電源２に代えて、蓄電池３１から出力させた電力を実負荷ＬＤ１に供給するように制御することができる。
なお、この制御にあたっては、制御部７０は、例えば分電盤５０において商用電源２の電力を遮断するとともに、放電用に選択した蓄電池３１の電力がインバータ４０から分電盤５０を介して実負荷ＬＤ１側に供給されるように充放電回路３２を制御する。

上記のように、制御部７０が、商用電源２に代えて蓄電池３１から出力させた電力を実負荷ＬＤ１に供給する場合とは、例えば実負荷ＬＤ１が必要とする電力が蓄電池３１に蓄積された電力のみでまかなえる状態のときである。具体的に、このような状態は、例えば深夜であったり、家屋１の居住者が不在であったりするなどして、家電機器の多くが稼働されていないような場合に生じる可能性が高い。そして、このようなときに商用電源２を使用せずに蓄電池３１の電力を使用することで、商用電源２の電力使用量が削減され、節電および電気料金の節約などを図ることができる。

ここで、図２は、インバータ４０の特性を示している。この図に示すように、インバータ４０は、有効電力が一定以上の状態では高効率を維持するが、図において示す区間aのように有効電力が一定未満の状態では効率の低下が顕著になるという特性を有している。

前述のように、蓄電池３１から出力させた電力を実負荷ＬＤ１に供給する場合においては、実負荷ＬＤ１が必要とする電力が小さい傾向にある。例えば、実負荷ＬＤ１に含まれる家電機器のほとんどが稼働していないか待機電力のみを消費しているような状況となった場合には、実負荷ＬＤ１が必要とする電力は著しく小さくなる。
上記のような状態においては、インバータ４０が変換する電力量も相当に小さくなる。これに伴って、インバータ４０は、図２の区間ａで動作するような状態になり、著しい効率の低下が生じてしまう。
このような不具合を解消するには、例えば、インバータ４０について小電力対応のものを選択するということが考えられる。しかし、蓄電池３１は、例えば停電時などにおいて家屋１における実負荷ＬＤ１を不足無く駆動できるように、ある程度大きな容量が求められる。インバータ４０は、このような容量に対応する必要があるため、小電力対応のものにすることは難しいという事情がある。

そこで、本実施形態の制御部７０は、例えば以下のように、インバータ４０の効率が一定以上となるように制御を実行する。
図３は、制御部７０がインバータ４０の効率を一定以上に維持するために実行する処理手順例を示している。
まず、制御部７０は、実負荷ＬＤ１の負荷電力（実負荷ＬＤ１が必要とする電力）を検出する(ステップＳ１０１)。

次に、制御部７０は、制御テーブル７１を参照する（ステップＳ１０２)。
図４は、制御テーブル７１の構造例を示している。制御テーブル７１は、この図４に示すように、実負荷ＬＤ１の負荷電力ごとに疑似負荷ＬＤ２の負荷電力を対応付けた構造である。このような構造の制御テーブル７１は、制御部７０がステップＳ１０１により検出した実負荷ＬＤ１の負荷電力に応じて疑似負荷ＬＤ２に設定すべき負荷電力を示している。

制御テーブル７１における実負荷ＬＤ１の負荷電力は、インバータ４０の効率に対応している。つまり、蓄電池３１の電力を実負荷ＬＤ１に供給している状態においては、実負荷ＬＤ１の負荷電力が小さくなるのに応じてインバータ４０の電力も小さくなるために、図２の特性にしたがってインバータ４０の効率が低下する。これに対して、実負荷ＬＤ１の負荷電力が大きいほど、インバータ４０が変換する電力が大きくなってインバータ４０の効率も高くなる。このように、実負荷ＬＤ１の負荷電力とインバータ４０の効率は一意に対応する。

上記のように実負荷ＬＤ１の負荷電力とインバータ４０の効率が対応していることに基づき、インバータ４０の効率が一定未満の状態のときには、インバータ４０の効率を一定以上に引き上げるための負荷電力の増加分も予め求めることができる。制御テーブル７１における疑似負荷ＬＤ２の負荷電力は、この負荷電力の増加分を実負荷ＬＤ１の負荷電力ごとに対応付けて示したものである。

制御部７０は、ステップＳ１０２により参照した制御テーブル７１から、ステップＳ１０１により検出した実負荷ＬＤ１の負荷電力の値に対応付けられている疑似負荷ＬＤ２の負荷電力を読み出す。制御部７０は、読み出した負荷電力を、疑似負荷ＬＤ２に設定すべき負荷電力として決定する(ステップＳ１０３)。
そして、制御部７０は、ステップＳ１０３により決定した負荷電力となるように疑似負荷ＬＤ２を制御する(ステップＳ１０４)。

上記のように制御部７０が疑似負荷ＬＤ２の負荷電力を制御することにより、蓄電池３１から実負荷ＬＤ１と疑似負荷ＬＤ２に供給する電力の合計は、常に一定以上に維持される。これにより、本実施形態においては、実負荷ＬＤ１の負荷電力が小さい状態であっても、インバータ４０の効率を一定以上とすることができる。

そのうえで、前述もしたように、疑似負荷ＬＤ２は、供給された電力を熱に変換するのではなく、蓄電池３１に対する充電電力として回生させている。この結果、疑似負荷ＬＤ２自体の電力損失が低減され、家屋１の電力管理システム全体における電力効率の向上も計られる。

また、制御部７０は、複数の蓄電池３１における少なくとも各１つについて、それぞれ、放電による電力をインバータ４０に対して出力する第１の蓄電池と、疑似負荷ＬＤ２から供給される電力により充電が行われる第２の蓄電池として機能させる。
そのうえで、制御部７０は、複数の蓄電池において、第１の蓄電池として機能させるものと、第２の蓄電池として機能させるものとを変更する。
具体的に、上記のような蓄電池３１の充放電制御にあたり、制御部７０は、２つの蓄電池３１の一方を第１の蓄電池として機能させ、他方を第２の蓄電池として機能させる。そのうえで、制御部７０は、所定の規則にしたがったタイミングで、これら２つの蓄電池３１について、第１の蓄電池と第２の蓄電池の機能を交替させる。
一例として、制御部７０は、所定時間ごとに、２つの蓄電池３１の間で第１の蓄電池と第２の蓄電池の機能を交替させればよい。
あるいは、制御部７０は、例えばＳＯＣ（State Of Charge）が高いほうの蓄電池３１を第１の蓄電池として機能させ、ＳＯＣ（State Of Charge）が低いほうの蓄電池３１を第２の蓄電池として機能させるようにしてもよい。そして、例えば時間経過により、第１の蓄電池として機能させていた蓄電池３１のＳＯＣのほうが低くなった場合、制御部７０は、以下のように、制御を行う。つまり、これまで第１の蓄電池として機能させていた蓄電池３１を第２の蓄電池として機能させ、これまで第２の蓄電池として機能させていた蓄電池３１を第１の蓄電池として機能させるように変更するものである。
また、蓄電池３１が３以上の場合にも、制御部７０は、これらの蓄電池３１のうちから、所定規則にしたがって、第１の蓄電池としての１以上の蓄電池３１を選択し、第１の蓄電池として選択されなかった蓄電池３１のうちから、１以上の第２の蓄電池を選択すればよい。

［第２の実施形態］
図５は、第２の実施形態における電力管理システムの構成例を示している。なお、この図において、図１と同一部分には、同一符号を付して説明を省略する。
図５においては、図１の疑似負荷ＬＤ２に代えて疑似負荷ＬＤ３が備えられる。また、図５においては、疑似負荷ＬＤ３の出力が充放電回路３２に対して直接入力されている。
第２の実施形態における疑似負荷ＬＤ３は、図１のコンバータ６０をそのまま疑似負荷ＬＤ３としたものである。このような構成とした場合には、例えば、図１の疑似負荷ＬＤ２としての電子負荷装置などを省略することが可能となり、電力管理システムの構成をより簡易なものとすることができる。

なお、疑似負荷ＬＤ３としては、例えばスイッチング電源や、定置型ではない小型の蓄電池などであってもよい。

［第３の実施形態］
図６は、第３の実施形態における電力管理システムの構成例を示している。なお、この図において、図１と同一部分は、同一符号を付して説明を省略する。
第１の実施形態における疑似負荷ＬＤ２と第２の実施形態における疑似負荷ＬＤ３は、いずれも蓄電池ユニット３０における蓄電池３１に電力を供給していた。これに対して、第３の実施形態における疑似負荷ＬＤ２は、家屋１に対応する需要家以外の需要家の実負荷ＬＤ１１に対して電力を供給する。このような構成により、例えば家屋１を含む所定のエリア内にて、疑似負荷ＬＤ２に供給された電力を無駄にすることなく有効活用することができる。

なお、蓄電池３１に対する充電は、多くの場合が商用電源２の電力により行われることが想定されるが、この場合には、商用電源２から一定以上の電力供給を受けた状態で蓄電池３１への充電が行われる。このとき、インバータ４０は例えば図２の区間ａよりも大きい有効電力で動作するので一定以上の効率を保つことができる。

また、本実施形態における電力管理システムにおける装置構成は、図１、図５および図６などに示した例に限定されない。
例えば、これまでの説明では、実負荷ＬＤ１の負荷電力とインバータ４０の効率が対応していることに基づき、実負荷ＬＤ１の負荷電力を検出して、この検出した負荷電力に応じて疑似負荷ＬＤ２、ＬＤ３の負荷電力を制御するようにしていた。これに代えて、例えば実負荷ＬＤ１の負荷電力に代えてインバータ４０の効率（入力電力と出力電力の比）を検出し、検出したインバータ４０の効率が一定となるように疑似負荷ＬＤ２、ＬＤ３の負荷電力を制御するようにしてもよい。また、太陽電池１０に代えて、風力発電装置などの他の電力発生装置を備えてもよいし、複数の電力発生装置を備えてもよい。

また、これまでの説明においては、ＨＥＭＳなどともいわれる家庭向けの電力管理システムを例に挙げている。しかし、これまでに説明した本実施形態の構成は、例えば、ＢＥＭＳ（Building and Energy Management System）などともいわれる業務用のビルディング、工場などの施設向けの電力管理システムにも適用できる。さらに、所定の地域範囲における複数の家屋、施設などの負荷を管理するような地域対応の電力管理システムにも本実施形態を適用することができる。

また、図１、図５および図６における制御部７０としての機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより本実施形態における電力管理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。

また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（ＲＡＭ）のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

１ 家屋
２ 商用電源
１０ 太陽電池
２０ パワーコンディショナ
３０ 蓄電池ユニット
３１ 蓄電池
３２ 充放電回路
４０ インバータ
５０ 分電盤
６０ コンバータ
７０ 制御部
７１ 制御テーブル
ＬＤ１ 実負荷
ＬＤ１１ 実負荷
ＬＤ２、ＬＤ３ 疑似負荷

Claims (6)

1. 蓄電池と、
   実負荷とは個別に設けられるとともに、供給された電力を前記実負荷とは異なる他の実負荷に対して供給する疑似負荷と、
   放電により前記蓄電池から出力される直流の電力を交流に変換するとともに、前記交流に変換した電力が前記実負荷と前記疑似負荷とに分岐して供給されるように設けられるインバータと、
   前記インバータの効率が一定以上となるように、前記疑似負荷の負荷電力を制御する制御部と、
   を備える電力管理システム。
2. 前記疑似負荷は、
   前記他の実負荷としての前記蓄電池に対する充電のために電力を供給する、
   請求項１に記載の電力管理システム。
3. 前記蓄電池は複数が備えられ、
   前記制御部は、前記複数の蓄電池のうちの少なくとも１つを、放電による電力を前記インバータに対して出力する第１の蓄電池として機能させ、前記第１の蓄電池として機能させていない他の蓄電池のうちの少なくとも１つを、前記疑似負荷から供給される電力により充電が行われる第２の蓄電池として機能させる、
   請求項２に記載の電力管理システム。
4. 前記制御部は、
   前記複数の蓄電池において、前記第１の蓄電池として機能させる蓄電池と、前記第２の蓄電池として機能させる蓄電池とを変更する、
   請求項３に記載の電力管理システム。
5. 前記疑似負荷は、
   前記他の実負荷が交流入力である場合に対応して設けられ、前記インバータから供給された交流の電力を直流に変換して前記他の実負荷に供給するコンバータである、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の電力管理システム。
6. 前記疑似負荷は、
   前記実負荷が対応する需要家とは異なる他の需要家が対応する前記他の実負荷に電力を供給する、
   請求項１に記載の電力管理システム。

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