JP2014131369A - 電力制御システム - Google Patents

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Abstract

【課題】鉛蓄電池等の低出力電池及びニッケル水素電池のそれぞれの特長を活かした最適の電力制御システムを提供すること。
【解決手段】電力制御システム1は、ニッケル水素電池4と、ニッケル水素電池4に対して並列に接続され、ニッケル水素電池4よりも出力の小さい低出力二次電池5と、ニッケル水素電池4及び低出力二次電池5からの直流電力を交流電力に変換するインバータ6と、ニッケル水素電池4及び低出力二次電池5の少なくとも一方と、インバータ6との間に設けられたDC/DCコンバータ7,8と、外部のコントローラ9からの指令に基づいてDC/DCコンバータ7,8及びインバータ6を制御するシステムコントローラ10と、を備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、鉛蓄電池等の二次電池を備えた電力制御システムに関する。
東日本大震災以降、電力系統からの電力供給を補完するものとして、分散型電源、マイクログリッド、再生可能エネルギー、非常用電源への関心が高まっている。特に、風力発電、太陽光発電といった再生可能エネルギーは、今後、固定価格買取制度の効果等により、より一層の普及が予想される。
ところが、再生可能エネルギーの出力は、実際の風や日照量の変化に応じて変動するため、将来の出力を予測することは困難である。従って、電力系統への再生可能エネルギーの導入量が増加するにつれて、予測困難な出力変動量も増加することになる。
このため、既存の電力系統の許容変動量を超える再生可能エネルギーが導入された場合には、系統電力の需給バランスが崩壊し、周波数変動等を生じさせる可能性があり、電力品質の低下が懸念される。
再生可能エネルギーの出力安定化対策として、蓄電池やインバータ等による電力制御があるが、大容量の蓄電池に関しては、開発途上の面が多く、価格が高止まりしているのが現状である。
また、系統停電の際の非常用電源に関しては、蓄電池、非常用ガスタービン等が良く用いられる。しかしながら、非常用ガスタービン又は蓄電池のみを用いた場合、追従可能な負荷変動幅又は速度に限界があり、この限界を超える負荷変動が生じた場合は、電力品質(周波数の安定性)が低下することが問題となっている。
ところで、鉛蓄電池は150年以上前に実用化され、自動車用等の様々な分野に導入されており、既に数多くの実績がある。他の電池と比較して安価で、安定性に優れるという利点がある。その反面、充放電電流が小さく、急速充放電用途には適さないという欠点がある。
そのため、鉛蓄電池は、特定負荷の非常用電源のように負荷変動が小さく、長時間運転するような用途には向いているが、太陽光発電や風力発電の短周期の出力安定化等、急速充放電が必要で、大深度での充放電を連続的に繰り返す用途に使用する場合は、充放電電流が小さいため、鉛蓄電池の容量を大幅に増やす必要があり、広大な設置スペースや高コストが必要になってしまう。
一方、ニッケル水素電池は、充放電電流が大きく、急速充放電に適しているので、太陽光発電や風力発電の短周期の出力安定化等、急速充放電が必要な用途に向いている。
しかしながら、太陽光発電においては、雲間による短周期出力変動だけにとどまらず、1日スパンの長周期出力変動にも対応する必要がある。 このような長周期出力変動にも対応するためには、ニッケル水素電池の必要容量が大きくなる。
ところが、ニッケル水素電池は、鉛電池と比較して単位容量(kWh)当たりのコストが割高である。このため、長周期出力変動にも対応すべく、大容量のニッケル水素電池を設置すると、そのコストが多大なものとなってしまう。
一方、特許文献1には、リチウムイオン電池とナトリウム−硫黄電池とを組み合わせた蓄電システムが記載されている。リチウムイオン電池は、急速充放電に優れている点、単位容量(kWh)当たりのコストが割高である点等、ニッケル水素電池と似た性質を持っている。
しかしながら、水系の電解液を使用するニッケル水素電池とは異なり、リチウムイオン電池の電解液には有機溶媒を使用しているため、潜在的な発火の可能性を孕んでいる。このため、一部のセルの短絡、又は過充電等が起こった場合は非常に危険である。
また、再生可能エネルギーの補助電源として蓄電池を活用する場合、通常は昼間の太陽光発電や風力発電の余剰電力又は夜間電力を用いて蓄電池の充電を行う。しかしながら、昼間の発電電力が小さい場合や負荷が大きくなった場合は、蓄電池の充電量が日中で低下し、放電ができなくなることがある。
そのような場合には、昼間の電力を用いて優先的に充電する必要があるため、出力安定化に必要な放電を十分に行うことができず、太陽光発電や風力発電の運転を停止しなければならないことになる。
特開2011−205824号公報
上述したように、鉛蓄電池及びニッケル水素電池は、それぞれが固有の問題点を有しており、これらの蓄電池を利用して電力制御システムを構築して、再生可能エネルギーの大量導入を図ろうとしても限界があった。
図9は、従来の二次電池式の電力制御システム50を非常用電源設備に適用した場合の一例を示している。この電力制御システム50は、鉛蓄電池51と、この鉛蓄電池51からの直流電力を交流電力に変換するインバータ52を備えている。このインバータ52は、電力系統53に接続されると共に、バックアップ対象の所定の負荷54にも接続されている。
そして、電力系統53から十分な電力供給を受けられない場合(停電発生時)には、鉛蓄電池51からの電力を、インバータ52を介して負荷に供給してバックアップするようになっている。
ところが、上述したように鉛蓄電池51は、追従可能な負荷変動の制限幅が小さいため、この制限幅を超える変動が発生した場合には、需給バランスが崩れ、周波数が変動し、電力品質が低下してしまう。
図10は、従来の二次電池式の電力制御システム60を、風力発電設備55や太陽光発電設備56などの再生可能エネルギーを利用した発電設備の補助電源に適用した場合を示している。
従来の二次電池式の電力制御システム60においては、ニッケル水素電池61がインバータ62に接続されている。そして、グリッドコントローラ63から指令を受けたシステムコントローラ64が、インバータ62に指令を送り、これを制御する。
上述したように風力発電や太陽光発電は、自然条件の変化等により出力が変動しやすいため、このような出力変動に対応するために、電力制御システム60のニッケル水素電池61からインバータ62を介して放電し、或いは充電され、電力系統53に供給する電力の平滑化を図っている(図11参照)。
ところが、ニッケル水素電池61が過放電になった場合には、充電量が低下して、出力安定化のための放電が不可能となり(図12)、一方、過充電になった場合には、出力安定化のための充電が不可能となる。
本発明は、従来技術の上記問題点に鑑みて成されたものであって、鉛蓄電池等の低出力電池及びニッケル水素電池のそれぞれの特長を活かした最適の電力制御システムを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明による電力制御システムは、ニッケル水素電池と、前記ニッケル水素電池に対して並列に接続され、前記ニッケル水素電池よりも出力の小さい低出力二次電池と、前記ニッケル水素電池及び前記低出力二次電池からの直流電力を交流電力に変換するためのインバータと、前記ニッケル水素電池及び前記低出力二次電池の少なくとも一方と、前記インバータとの間に設けられたDC/DCコンバータと、外部のコントローラからの指令に基づいて前記DC/DCコンバータ及び前記インバータを制御するためのシステムコントローラと、を備えたことを特徴とする。
また、好ましくは、前記低出力二次電池は、鉛蓄電池及びナトリウム・硫黄電池の少なくとも一方を含む。
また、好ましくは、複数の前記ニッケル水素電池が並列に接続されている。
また、好ましくは、前記DC/DCコンバータは、前記ニッケル水素電池及び前記低出力二次電池のそれぞれと、前記インバータとの間にそれぞれ設けられている。
また、好ましくは、前記インバータは、所定の負荷に接続されており、前記システムコントローラは、前記ニッケル水素電池及び前記低出力二次電池が前記所定の負荷に対する非常用電源として機能するように前記DC/DCコンバータ及び前記インバータを制御する。
また、好ましくは、前記インバータは、再生可能エネルギーを利用する発電設備に接続されており、前記システムコントローラは、前記ニッケル水素電池及び前記低出力二次電池が前記発電設備の負荷変動を補償するように前記DC/DCコンバータ及び前記インバータを制御する。
また、好ましくは、前記発電設備は、太陽光発電及び風力発電の少なくとも一方の発電方式を採用したものである。
また、好ましくは、前記システムコントローラは、前記ニッケル水素電池と前記低出力二次電池との間で電力を融通し合うように前記DC/DCコンバータを制御する機能を有する。
また、好ましくは、前記ニッケル水素電池、前記低出力二次電池、前記インバータ、前記DC/DCコンバータ、及び前記システムコントローラが、全体として1つのユニットとして構成されており、前記ユニットを電力系統側に接続するための接続手段を有する。
また、好ましくは、前記システムコントローラは、前記外部のコントローラからの出力電力指令を低出力成分と高出力成分とに分けて個別制御する機能を有する。
また、好ましくは、前記外部のコントローラは、グリッドコントローラである。
本発明による二次電池式の電力制御システムによれば、鉛蓄電池等の安価な低出力二次電池と、急速充放電に適したニッケル水素電池とを組み合わせたので、要求される低出力から高出力までの再生可能エネルギーの出力変動を安定化させることが可能で、コストを抑制した電力システムが構築できる。
本発明の一実施形態による電力制御システムを非常用電源に適用した場合の概略系統図。 図1に示した電力制御システムのニッケル水素電池の部分を示した部分系統図。 本発明の他の実施形態による電力制御システムを、再生可能エネルギーを利用した発電設備の補助電源に適用した場合の概略系統図。 図3に示した電力制御システムの通常時の充放電状態を示したグラフ。 図3に示した電力制御システムの過放電時の充放電状態を示したグラフ。 図3に示した電力制御システムにおける運転モードの一例を説明するための系統図。 図3に示した電力制御システムにおける運転モードの他の例を説明するための系統図。 図3に示した電力制御システムによる風力発電設備の出力制御の一例を示したグラフ。 従来の二次電池式の電力制御システムを非常用電源に適用した場合の概略系統図。 従来の二次電池式の電力制御システムを、再生可能エネルギーを利用した発電設備の補助電源に適用した場合の概略系統図。 図9に示した従来の電力制御システムの通常時の充放電状態を示したグラフ。 図9に示した従来の電力制御システムの過放電時の充放電状態を示したグラフ。
以下、本発明の一実施形態による電力制御システムについて、図1及び図2を参照して説明する。
図1に示したように、本実施形態による電力制御システム1は、外部電力系統2と、グリッド内の所定の負荷3とに接続されている。そして、この電力制御システム1は、外部電力系統2からの電力供給が停止(停電)した場合等において、負荷3に対する非常用電源として機能するものである。
電力制御システム1は、ニッケル水素電池4と、このニッケル水素電池4に対して並列にDCリンクで接続された鉛蓄電池5とを備えている。鉛蓄電池5は、ニッケル水素電池4よりも出力の小さい低出力二次電池である。
なお、鉛蓄電池5以外の低出力二次電池としては、ナトリウム・硫黄電池があり、本実施形態及び後述する他の実施形態における鉛蓄電池5を、ナトリウム・硫黄電池に置き換える、或いは両者を併用することができる。
また、電力制御システム1は、ニッケル水素電池4及び鉛蓄電池5からの直流電力を交流電力に変換するためのインバータ6を有する。このインバータ6に対して、外部電力系統2及び所定の負荷3が接続されている。
インバータ6とニッケル水素電池4との間には、DC/DCコンバータ7が設けられている。また、インバータ6と鉛蓄電池5との間にも、DC/DCコンバータ8が設けられている。このようにDC/DCコンバータ7、8により昇圧させることで、蓄電池4、5の直列数を低減することができる。
さらに、電力制御システム1は、グリッドコントローラ(外部のコントローラ)9からの指令に基づいてDC/DCコンバータ7、8及びインバータ6を制御するためのシステムコントローラ10を備えている。
上述したインバータ6、DC/DCコンバータ7、8、及びシステムコントローラ10によって、電力調整システム(PCS)が構成されている。
システムコントローラ10は、外部電力系統2からの電力供給が停止された際に、グリッドコントローラ9からの指令を受けて、DC/DCコンバータ7、8及びインバータ6を制御して、負荷3に対して安定的に電力を供給するように機能する。
このとき、従来の二次電池式の電力制御システム50(図9)の場合、鉛蓄電池51しか備えていないので、バックアップ先の負荷54が急激に変動すると、その変動に追従することができず、需給バランスが崩れ、周波数が変動し、電力品質が低下してしまう。
これに対して、本実施形態による電力制御システム1においては、鉛蓄電池5に加えて、ニッケル水素電池4を備えており、このニッケル水素電池4は、高出力二次電池であり、負荷変動に対する許容範囲が鉛蓄電池5よりも広い。
このため、バックアップ先の負荷3が急激に変動した場合には、システムコントローラ10によってDC/DCコンバータ7、8及びインバータ6を制御して、ニッケル水素電池4からの電力供給を開始し、或いはニッケル水素電池4から既に供給されている電力量を増加させて、急激な負荷変動に対して適切に対応することができる。
なお、特定負荷3の非常用電源においては、通常は負荷変動が小さいため、長時間運転しても問題が生じないが、何らかの原因で負荷3が急激に変動した場合には、鉛蓄電池のみを備えた従来の電力制御システム50(図9)では対応できない。もし仮に鉛蓄電池のみで対応しようとすると、多量の鉛蓄電池が必要となる。
また、本実施形態による電力制御システム1においては、ニッケル水素電池4、鉛蓄電池5、インバータ6、DC/DCコンバータ7、8、及びシステムコントローラ10を、全体として1つのユニットとして構成している。そして、このユニットは、ユニット接続手段11によって電力系統2側に接続されている。
また、図2に示したように、本実施形態による電力制御システム1においては、複数のニッケル水素電池4を並列に設置して、それぞれのニッケル水素電池4に対して遮断器12が設けられている。
このように本実施形態による電力制御システム1においては、複数のニッケル水素電池4を並列に設置できるので、必要に応じて電池容量を増やすことが可能である。
なお、ニッケル水素電池4は、故障時に短絡モードにならないので、複数のニッケル水素電池4を並列にしても、故障時の横流発生の問題は生じ得ない。
また、ニッケル水素電池4を列ごとに回路から切り離すことで、全体としての運転状態を維持したまま、個別に交換・メンテナンスを行うことができる。さらに、複数のニッケル水素電池4のいずれかにおいて故障が発生した場合には、その発生個所を特定することが容易である。
以上述べたように、本実施形態による電力制御システム1によれば、高出力の充放電に対応できるニッケル水素電池4と、安価な鉛蓄電池5とを組み合わせて、低出力の負荷変動のみならず、高出力の負荷変動にも追従できるようにしたので、急激な負荷変動が生じた場合でも、需給バランスを維持して、電力品質を安定化させることができると共に、システム全体のコストを抑制することができる。
このように本実施形態による電力制御システム1は、ニッケル水素電池4と鉛蓄電池5とを組み合わせることにより、両者の特長を活かして最適な電力制御システムを実現している。
次に、本発明の他の実施形態による二次電池式の電力制御システムについて、図3乃至図8を参照して説明する。
図3に示したように、本実施形態による電力制御システム20は、外部電力系統21に接続されると共に、風力発電設備22及び太陽光発電設備23に接続されている。
この電力制御システム20は、ニッケル水素電池24と、このニッケル水素電池24に対して並列にDCリンクで接続された鉛蓄電池25とを備えている。
また、電力制御システム20は、ニッケル水素電池24及び鉛蓄電池25からの直流電力を交流電力に変換するためのインバータ26を有する。このインバータ26に対して、風力発電設備22及び太陽光発電設備23が接続されている。
インバータ26とニッケル水素電池24との間には、DC/DCコンバータ27が設けられている。一方、鉛蓄電池25は、インバータ26に直接接続されている。
さらに、電力制御システム20は、グリッドコントローラ28からの指令に基づいてDC/DCコンバータ27及びインバータ26を制御するためのシステムコントローラ29を備えている。
このシステムコントローラ29は、ニッケル水素電池24及び鉛蓄電池25が、風力発電設備22及び太陽光発電設備23の負荷変動を補償するように、DC/DCコンバータ27及びインバータ26を制御する。
また、このシステムコントローラ29は、DCリンクを通じてニッケル水素蓄電24と鉛蓄電池25との間で電力を融通させる機能を有している。
上述したインバータ26、DC/DCコンバータ27、及びシステムコントローラ29によって、電力調整システム(PCS)が構成されている。
そして、本実施形態による電力制御システム20は、鉛蓄電池25に加えて、出力の許容範囲が鉛蓄電池25よりも広いニッケル水素電池24を備えているので、風力発電設備22及び太陽光発電設備23の出力安定化の用途で使用する場合には、高出力の変動にはニッケル水素電池24で対応し、低出力の変動には鉛蓄電池25で対応することができる。
このため、低出力の変動のみならず、高出力の変動に対しても適切に対応できると共に、低出力の変動は安価な鉛蓄電池25で対応することにより、システム全体としてのコストを抑制することができる。
また、鉛蓄電池25のみで高出力の変動に対応する場合は、多量の鉛蓄電池が必要となり、広いスペースが必要になるが、ニッケル水素電池24を導入することにより、省スペース化を実現できる。
また、例えば昼間の発電電力が小さい時や負荷が大きい時に、ニッケル水素電池24の充電量が日中で低下した場合であっても、鉛蓄電池25から電力を融通することで、夜間電力の有効活用ができるようになる。
以下、本実施形態による電力制御システム20の運転方法の一例について、図10に示した従来の電力制御システム60と対比して説明する。
上述したように図10に示した従来の電力制御システム60は、蓄電池としてニッケル水素電池61を備えているが、このニッケル水素電池61は、コスト面から必要最低限の構成となっている。このため、放電と充電とのバランスが取れている状態(図11)では特に問題はないが、例えば過放電になった場合には、出力・周波数の安定化のための放電が不可能となり(図12)、一方、過充電になった場合には出力安定化のための充電が不可能となる。
一方、本実施形態による電力制御システム20においては、図4に示したような充電と放電のバランスが取れている状態から、充放電のバランスが崩れて、一方の蓄電池(例えばニッケル水素電池24)が過放電又は過充電しそうな場合には、他方の蓄電池(例えば鉛蓄電池25)との間で電力を融通することができる。
例えば、図5に示したようにニッケル水素電池24が過放電しそうな場合には、図6に示したように、出力安定化に支障のない範囲で、グリッドコントローラ28からの指令を受けたシステムコントローラ29が、DC/DCコンバータ27及びインバータ26に指令を送り、このシステムコントローラ29からの指令により、鉛蓄電池25の電力を、DC/DCコンバータ27を介してニッケル水素電池24に充電する。これにより、電力制御システム20による出力安定化運転を継続させることができる。
また、ニッケル水素電池24が過充電しそうな場合には、出力安定化に支障のない範囲で、システムコントローラ29からの指令により、ニッケル水素電池24から鉛蓄電池25に対して放電し、これにより、電力制御システム20による出力安定化運転を継続させることができる。
このように本実施形態による電力制御システム20は、出力安定化運転を継続しながら、ニッケル水素電池24及び鉛蓄電池25に対する充電、或いはこれらの蓄電池24、25からの放電を行うことができる。これにより、出力安定化運転を確実に継続させることが可能となる。
また、図7に示したように、本実施形態による電力制御システム20においては、外部電力系統21から、ニッケル水素電池24及び鉛蓄電池25に充電する際に、グリッドコントローラ28からの指令を受けたシステムコントローラ29が、DC/DCコンバータ27及びインバータ26に指令を送り、このシステムコントローラ29からの指令により、それぞれの蓄電池24、25への充電量の配分を調整することができる。
なお、本実施形態による電力制御システム20においても、図1に示した電力制御システム1と同様に、複数のニッケル水素電池24を並列に接続することができる(図2参照)。
また、本実施形態による電力制御システム20においても、図1に示した電力制御システム1と同様に、ニッケル水素電池24、鉛蓄電池25、インバータ26、DC/DCコンバータ27、及びシステムコントローラ29を、全体として1つのユニットとして構成し、このユニットをユニット接続手段によって電力系統に接続するように構成しても良い。
図8は、本実施形態による電力制御システム20による風力発電設備22の出力制御の一例を示している。
図8に示したように、大きく変動する風力発電設備22の出力に対して、変動幅が小さい領域については、鉛蓄電池25からの放電又は充電によって対応し、変動幅が大きい領域については、ニッケル水素電池24からの放電又は充電によって対応することにより、出力安定化を図ることができる。
上記の通り、本発明の各実施形態によれば、鉛蓄電池5、25とニッケル水素電池4、24を組み合わせ、前者の特長である単価の安さと、後者の特長である急速充放電性能を活かすことができる電力制御システム1、20を提供することが可能である。
また、このような電力制御システム1、20を、風力発電設備22や太陽光発電23等の再生可能エネルギーを使用した発電設備と組み合わせることにより、再生可能エネルギーの大量導入を促進することができる。
1、20 電力制御システム
2、21 外部電力系統
3 所定の負荷
4、24 ニッケル水素電池
5、25 鉛蓄電池
6、26 インバータ
7、8、27 DC/DCコンバータ
9、28 グリッドコントローラ
10、29 システムコントローラ
11 ユニット接続手段
12 遮断器
22 風力発電設備
23 太陽光発電設備

Claims (11)

  1. ニッケル水素電池と、
    前記ニッケル水素電池に対して並列に接続され、前記ニッケル水素電池よりも出力の小さい低出力二次電池と、
    前記ニッケル水素電池及び前記低出力二次電池からの直流電力を交流電力に変換するためのインバータと、
    前記ニッケル水素電池及び前記低出力二次電池の少なくとも一方と、前記インバータとの間に設けられたDC/DCコンバータと、
    外部のコントローラからの指令に基づいて前記DC/DCコンバータ及び前記インバータを制御するためのシステムコントローラと、
    を備えた電力制御システム。
  2. 前記低出力二次電池は、鉛蓄電池及びナトリウム・硫黄電池の少なくとも一方を含む、請求項1記載の電力制御システム。
  3. 複数の前記ニッケル水素電池が並列に接続されている、請求項1又は2に記載の電力制御システム。
  4. 前記DC/DCコンバータは、前記ニッケル水素電池及び前記低出力二次電池のそれぞれと、前記インバータとの間にそれぞれ設けられている、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の電力制御システム。
  5. 前記インバータは、所定の負荷に接続されており、
    前記システムコントローラは、前記ニッケル水素電池及び前記低出力二次電池が前記所定の負荷に対する非常用電源として機能するように前記DC/DCコンバータ及び前記インバータを制御する、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の電力制御システム。
  6. 前記インバータは、再生可能エネルギーを利用する発電設備に接続されており、
    前記システムコントローラは、前記ニッケル水素電池及び前記低出力二次電池が前記発電設備の負荷変動を補償するように前記DC/DCコンバータ及び前記インバータを制御する、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の電力制御システム。
  7. 前記発電設備は、太陽光発電及び風力発電の少なくとも一方の発電方式を採用したものである、請求項6記載の電力制御システム。
  8. 前記システムコントローラは、前記ニッケル水素電池と前記低出力二次電池との間で電力を融通し合うように前記DC/DCコンバータを制御する機能を有する、請求項1乃至7のいずれか一項に記載の電力制御システム。
  9. 前記ニッケル水素電池、前記低出力二次電池、前記インバータ、前記DC/DCコンバータ、及び前記システムコントローラが、全体として1つのユニットとして構成されており、前記ユニットを電力系統側に接続するための接続手段を有する、請求項1乃至8のいずれか一項に記載の電力制御システム。
  10. 前記システムコントローラは、前記外部のコントローラからの出力電力指令を低出力成分と高出力成分とに分けて個別制御する機能を有する、請求項1乃至9のいずれか一項に記載の電力制御システム。
  11. 前記外部のコントローラは、グリッドコントローラである、請求項1乃至10のいずれか一項に記載の電力制御システム。
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