JP2016100934A

JP2016100934A - 電力貯蔵システム

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Publication number: JP2016100934A
Application number: JP2014234423A
Authority: JP
Inventors: 門田　行生; Yukio Kadota; 行生門田; 麻美水谷; Asami Mizutani
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-11-19
Filing date: 2014-11-19
Publication date: 2016-05-30
Anticipated expiration: 2034-11-19
Also published as: JP6412777B2; WO2016080055A1

Abstract

【課題】入力側と出力側で電力変動の特性が異なる場合でも、蓄電部を共通化した電力貯蔵システムを提供することである。【解決手段】本実施形態によるプラント監視装置は、第１の変換器と、エネルギー蓄積部と、発電部と、蓄電部と、第２の変換器と、第３の変換器とを備える。第１の変換器は、外部の電力系統との間に接続され、電力を変換する。エネルギー蓄積部は、第１の変換器及び再生可能エネルギー発電部の出力部から入力される入力電力を用いてエネルギーを蓄積する。発電部は、発電した出力電力を、外部の電力系統が接続される負荷部に出力する。蓄電部は、入力電力に対するエネルギー蓄積部の制御応答及び負荷部に対する発電部の制御応答よりも制御応答が速い。第２の変換器は、蓄電部とエネルギー蓄積部との間に接続され、電力を変換する。第３の変換器は、蓄電部と記発電部との間に接続され、電力を変換する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電力貯蔵システムに関する。

電力出力の平準化や需要の調整を行うため、電力貯蔵システムの大規模化が検討されている。電力貯蔵システムの大規模化によれば、体積低減効果やコストメリットが得られる。このような電力貯蔵システムの一例として、再生可能エネルギーを用いた電力貯蔵システムがある。

ところが、再生可能エネルギーとして太陽光エネルギーを用いる太陽光発電システムは、日射量の変化で発電電力が変化する。また、再生可能エネルギーとして風力エネルギーを用いる風力発電システムは、風力の変化で発電電力が変化する。このように、一般に再生可能エネルギーを用いた発電電力は変動する。このため、外部の電力系統と連系して発電電力を、電力貯蔵システムに供給する場合、外部の電力系統から見ると再生可能エネルギーを用いた発電電力の変動は外乱要因になり得る。また、入力電力を用いて水を分解して水素と酸素を得る水分解部を有する電力貯蔵システムの場合、水電解部は一般に、遅い周期の電力変動は吸収できるが、太陽光発電システムや風力発電システムで生じる速い発電電力の変動を吸収することはできない。また、分解した水素を用いて発電する燃料電池が負荷に電力を供給する場合、燃料電池の発電電力は負荷の速い電力変動に追従できない。このように、電力貯蔵システムには、充電と放電の制御応答が遅い場合がある。

そこで、リチウムイオン電池等の制御応答が速い蓄電部とのハイブリッド運転が検討されている。例えば、再生可能エネルギーを用いて発電する発電部の出力部に制御応答が速い二次電池等の蓄電部を接続する。これにより、水電解部等が応答できない速い電力変動を補う方法がある。また、負荷への電力供給は外部の電力系統から並列で送電する方法や、燃料電池の出力に制御応答が速い蓄電部を接続して負荷の速い電力変動を補う方法がある。

しかしながら、再生可能エネルギーを用いてエネルギーの蓄積及び発電をする場合、電力貯蔵システムへの電力の入力側と、電力貯蔵システムからの電力の出力側とで電力変動の特性が異なる。このため、個別の高速な制御応答が可能な蓄電部がそれぞれ入力側と出力側に接続され用いられていた。ただし、蓄電部の部品点数の増加やコストが大きくなるため、部品点数の削減やコスト削減をする工夫が望まれている。

特開２０１４−１２２３９９号公報

入力側と出力側で電力変動の特性が異なる場合でも、蓄電部を共通化した電力貯蔵システムを提供することである。

本実施形態によるプラント監視装置は、第１の変換器と、エネルギー蓄積部と、発電部と、蓄電部と、第２の変換器と、第３の変換器とを備える。第１の変換器は、外部の電力系統との間に接続され、電力を変換する。エネルギー蓄積部は、第１の変換器及び再生可能エネルギーを用いて発電する再生可能エネルギー発電部の出力部から入力される入力電力を用いてエネルギーを蓄積する。発電部は、エネルギー蓄積部のエネルギーを用いて発電した出力電力を、外部の電力系統が接続される負荷部に出力する。蓄電部は、入力電力に対するエネルギー蓄積部の制御応答及び負荷部に対する発電部の制御応答よりも制御応答が速い。第２の変換器は、蓄電部とエネルギー蓄積部との間に接続され、電力を変換する。第３の変換器は、蓄電部と記発電部との間に接続され、電力を変換する。

第１の実施形態の電力貯蔵システム１００の構成例を示すブロック図。第１の変換器３および第３の変換器１４の構成例を示す図。第２の変換器１３の構成例を示す図。第２の実施形態の電力貯蔵システム１００の構成例を示すブロック図。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の電力貯蔵システム１００の構成例を示すブロック図である。図２は、第１の変換器３および第３の変換器１４の構成例を示す図である。図３は、第２の変換器１３の構成例を示す図である。

以下、図１を参照して、本実施形態の電力貯蔵システム１００の構成を説明する。この説明の中で、図２及び図３も適宜参照する。

図１中の再生可能エネルギー発電部１は、再生可能エネルギーを用いて発電した電力を第１接続部５０を介してエネルギー蓄積部４０に出力する。再生可能エネルギー発電部１は、再生可能エネルギーとして、例えば、太陽光、又は風力等を用いる。

（第１の変換器３）
図１中の第１の変換器３は、例えば、交流である外部の電力系統２と、第１接続部５０との間に接続され電力を変換する。

第１の変換器３は、図２に例示する様に、例えば、半導体スイッチと直流コンデンサと連系リアクトルで構成され、交流電力と直流電力とを変換する。外部の電力系統２から第１接続部５０に電力を供給する場合、交流電力を直流電力に変換する。一方、第１接続部５０側から外部の電力系統２に電力を供給する場合、直流電力を交流電力に変換する。図２に例示される構成例は、電力系統２が単相系統を想定して単相変換器を記載したが、電力系統２が三相系統の場合は半導体素子で構成した三相変換器を用いればよい。

また、再生可能エネルギー発電部１の出力は第１接続部５０を介してエネルギー蓄積部４０に接続する。これにより、再生可能エネルギー発電部１の発電電力は水電解部４での水素製造に使うこができる。また、再生可能エネルギー発電部１の発電電力は、電力系統２へと逆潮流するができる。

（エネルギー蓄積部４０）
図１中のエネルギー蓄積部４０は、第１の変換器3及び再生可能エネルギーを用いて発電する再生可能エネルギー発電部1の出力部から入力される入力電力を用いてエネルギーを蓄積する。例えば、エネルギー蓄積部４０は、第１接続部５０から入力される電力を用いてエネルギーを蓄積する。

エネルギー蓄積部４０は、第１の変換器3及び再生可能エネルギー発電部1の出力部から入力された電力を用いて水供給部５から供給される水を水素と酸素に分解する水分解部４を有する。例えば、第１接続部５０から入力された電力を用いて水供給部５から供給される水を水素と酸素に分解する水分解部４を有する。また、水分解部４で分解された水素を貯蔵する水素貯蔵部６と、水分解部４で分解された酸素を貯蔵する酸素貯蔵部７と、を有する。

このように、水電解部４は、第１接続部５０を介して入力される再生可能エネルギー発電部１の発電電力で水素製造を行ってもよい。また、電力系統２から第１の変換器３を介して第１接続部５０から入力された電力を用いて水素製造を行ってもよい。

（燃料電池８）
発電部としての燃料電池８は、エネルギー蓄積部４０のエネルギーを用いて、発電した電力を第２出力部６０から負荷部１０に出力する。ここで、水素貯蔵部６と酸素貯蔵部７は、燃料電池８に接続される。この場合、燃料電池８が発電する場合のエネルギーとして、水素貯蔵部６に貯蔵される水素と、酸素貯蔵部７に貯蔵される酸素とが利用される。また、燃料電池８は空気からも酸素を得ることができるので、酸素貯蔵部と必ずしも接続していなくてもよい。水回収部９は、燃料電池８が発生する水を回収すると共に熱も回収して給湯等で利用する。

（スイッチ部１１）
スイッチ部１１は、外部の電力系統２と負荷部１０との間に接続されるスイッチである。例えば、スイッチ部１１は、外部の電力系統２と第２接続部６０の間に接続されるスイッチである。また、スイッチ部１１は、外部の電力系統２が停電した場合、外部の電力系統２と第２接続部６０の間を遮断する。

また、負荷部１０は燃料電池８の発電電力と電力系統２からの電力を供給され、例えば、動作する。この場合、電力系統で停電が生じた際にはスイッチ部１１をオフすることで燃料電池８から負荷１０に電力を供給することができる。

（蓄電部１２）
再生可能エネルギー発電部１の発電電力は、太陽光発電システムの場合は日射量、風力発電システムの場合は風力の変化で出力が大きく変化する。また、水電解部４の制御応答は分のオーダー以上でしか制御できないため、秒やミリ秒での再生可能エネルギー発電部１の発電電力変化は電力系統２に対して外乱となる。そこで、再生可能エネルギー発電部１の出力部が接続される第１接続部５０に第２の変換器１３を介して蓄電部１２を接続する。

蓄電部１２は、電力を充放電する。例えば、蓄電部１２はリチウムイオン電池や電気二重層キャパシタ等で構成する。この場合、リチウムイオン電池や電気二重層キャパシタは、ミリ秒での電力変動でも充放電できる。このため、再生可能エネルギー発電部１の電力変動を抑制することができる。

また、蓄電部１２は第３の変換器１４を介して燃料電池８の出力部が接続される第２接続部６０とも接続する。燃料電池８の出力制御応答は秒のオーダー以上でしか制御できない。このため、ミリ秒での負荷１０による消費電力の変化は、電力系統２に対して外乱となる。この場合、蓄電部１２はミリ秒での電力変動でも充放電できることから、第２接続部６０における電力変動を抑制することができる。

このように、蓄電部１２は、入力電力に対する記エネルギー蓄積部４０の制御応答及び負荷部１０に対する発電部としての燃料電池８の制御応答よりも制御応答が速い。

また、蓄電部１２は、第１接続５０と第２接続６０とを第２の変換器１３及び第３の変換器１４を介して接続する。これにより、電力貯蔵システム１００の入力側と出力側とで電力変動の特性が異なる場合でも、蓄電部１２を共通化した電力貯蔵システムを提供することができる。

（第２の変換器１３）
第２の変換器１３は、蓄電部１２と第１接続部５０の間に接続され電力を変換する。第２の変換器１３は、図３に例示するように、直流電圧を異なる値の直流電圧に変換する変換器である。第２の変換器１３は、図３に例示するように、半導体スイッチと、直流コンデンサと、直流リアクトルで構成される。この場合、直流コンデンサ側の直流電圧が直流リアクトル側の直流電圧よりも大きくなる。このように、異なる直流電圧間で電力を変換することができる。

（第３の変換器１４）
第３の変換器１４は、直流電力と交流電力とを変換する変換器である。その構成は上述の図２と同様である。第３の変換器１４は、蓄電部１２から負荷部１０に電力を供給する場合、直流電力を交流電力に変換する。例えば、第３の変換器１４は、蓄電部１２から第２接続部６０に電力を供給する場合、直流電力を交流電力に変換する。

このように、第２の変換器１３と、第３の変換器１４の電力変換特性が異なる。このため、エネルギー蓄積部４０の入力側である出力部５０と、燃料電池８の出力側である第２出力部６０の電力変動の特性が異なる場合でも、蓄電部１２を共通化することができる。

（１）第２及び第３の変換器１３、１４の構成
次に、第２の変換器１３及び第３の変換器１４の構成について詳細に説明する。

まず、図２に例示する第３の変換器１４は、ダイオードとトランジスタとを並列接続した第１素子を４つ有する。第３の変換器１４は、一方の直列接続した２つの第１素子と、他方の直列接続した２つの第１素子と、コンデンサとを並列接続する。また、コンデンサの一方の端子は直流側の一方の端子に接続される。また、コンデンサの他方の端子は直流側の他方の端子に接続される。また、一方の直列接続した２つの第１素子の間の接続子と交流側の一方の端子とを接続するコイルを有する。また、他方の直列接続した２つの第１素子の間の接続子と交流側の他方の端子とを接続するコイルを有する。
次に、図３に例示する第２の変換器１３は、ダイオードとトランジスタとを並列接続した第１素子を２つ有する。第２の変換器１３は、直列接続した２つの第１素子と、コンデンサとを並列接続する。また、直列接続した２つの第１素子の間の接続子と第１の直流側の一方の端子とを接続するコイルを有する。また、第１の直流側の他方の端子と直列接続した２つの第１素子の一方の端子とが接続される。また、コンデンサの一方の端子は第２の直流側の一方の端子に接続される。また、コンデンサの他方の端子は第２の直流側の他方の端子に接続される。

（２）蓄電部１２の放電
次に、第２の変換器１３及び第３の変換器１４を介した蓄電部１２の放電について詳細に説明する。

例えば、再生可能エネルギー発電部１の定格発電電力を２００ｋＷ、負荷部１０の定格消費電力を１００ｋＷとする。この場合、例えば、再生可能エネルギー発電部１の電力変動を抑制する第２の変換器１３の容量が２００ｋＷ、その下に２００ｋＷを充放電できる蓄電部が必要である。また、この場合、例えば、負荷１０の電力変動を抑制する第３の変換器１４の容量が１００ｋＷ、その下に１００ｋＷを充放電できる蓄電部が必要である。このため、従来の蓄電部の容量は、それぞれを合計して、例えば３００ｋＷであった。

ところが、提案の接続構成においては再生可能エネルギー発電部１が最大発電から発電電力ゼロに落ちる瞬間と、負荷部１０が最大電力で起動するため蓄電部１２から負荷部１０に１００ｋＷを放電する瞬間が一致した場合のみ３００ｋＷの出力が蓄電部１２に要求される。

しかし、この両者の放電が一致する瞬間はほとんど無い。このため、再生可能エネルギー発電部１の変動抑制用に必要な蓄電部１２の容量２００ｋＷを用いて、負荷部１０の変動抑制を行うことができる。このため、蓄電部を共通化することで出力の合計を、例えば、従来の３００ｋＷから２／３の２００ｋＷに低減してもほぼ同等の効果を得ることができる。また、両者の放電が一致する瞬間の際、電力系統２から不足する電力を得ることで、負荷部１０の、例えば、動作を止めることはない。このように、蓄電部１２を共通化することで、全体の蓄電部の容量を低減できる。これにより、蓄電部の部品点数の削減やコスト削減をすることができる。

（３）電力供給できない場合の動作
次に、電力系統２、再生可能エネルギー発生部１、燃料電池８の少なくともいずれかが電力供給できない場合の動作について説明する。

電力系統２が停電時の場合、スイッチ部１１をオフし、第１の変換器３を停止する。本実施の形態では、第１出力部５０と第２出力部６０を第２の変換器１３及び第３の変換器１４を介して接続している。このため、電力系統２が停電時の場合、再生可能エネルギー発電部１の発電電力を第２の変換器１３から第３の変換器１４を経由して負荷部１０に電力を供給することができる。

また、電力系統２が停電し、且つ燃料電池８から電力供給できない場合でも、再生可能エネルギー発電部１の発電電力を第２の変換器１３から第３の変換器１４を経由して負荷部１０に電力を供給することができる。
また、燃料電池８は出力部（第２接続部６０）から交流電力を入力されることで、制御電源を確保できる構造になっている。例えば、蓄電部１２のエネルギーが枯渇することで燃料電池８の制御電源が電力供給を失う場合がある。この場合、再生可能エネルギー発電部１が発電を行ない第２の変換器１３から第３の変換器１４を経由して燃料電池８の出力部から交流電力を入力できる。このため、燃料電池８の制御電源が電力供給を失った場合でも、燃料電池８の制御電源を確保できる。

図１中の電力貯蔵システム１００全体がブラックアウトすると、制御電源の電力供給を失い、再起動できなくなる。このため、本実施形態では、再起動をするため、単独で起動できる蓄電部１２の電力供給を利用して徐々に大型の発電機を起動する。蓄電部１２のエネルギーを用いて第３の変換器１４を起動する。次に、第３の変換器１４を経由して燃料電池８の出力部（第２接続部６０）から交流電力を供給する。燃料電池８は交流電力の供給を受けると制御電源が立ち上がるので、水素エネルギーでの発電が可能となる。これにより、燃料電池８は、負荷部１０へ電力供給が可能となる。

本実施形態の電力貯蔵システム１００によれば、入力側と出力側とで電力変動の特性が異なる場合でも、蓄電部１２を共通化した電力貯蔵システムを提供することができる。

（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態の電力貯蔵システム１００の構成例を示すブロック図である。

図４において、１５はダイオードである。第１の実施形態と同様の構成には同一の番号を付してその説明を省略する。

現在の系統連系の規程では、蓄電部１２の電力を電力系統２に出力することは認められていない。このため、再生可能エネルギー発電部１の発電電力を売電するには、再生可能エネルギー発電部１の発電電力のみを電力系統２に出力する必要がある。これには、蓄電部１２の放電電力と再生可能エネルギー発電部１の発電電力と物理的に分離する必要がある。

そこで、第２の実施形態の電力貯蔵システム１００において、例えば、第１接続部５０と蓄電部１２の間にダイオード１５は接続される。ダイオード１５は第１接続部５０と第２の変換器１３の間に接続してもよく。ダイオード１５は第２の変換器１３と蓄電部１２の間に接続してもよい。この場合、再生可能エネルギー発電部１の発電電力が第２の変換器１３に向かって流れる方向で接続する。これにより、蓄電部１２の電力が第２の変換器１３から再生可能エネルギー発電部１の出力側には流れない。このため、第１の変換器３から電力系統２に流れる電力は再生可能エネルギー発電部１の発電電力のみとなる。
これにより、例えば、再生可能エネルギー発電部１の売電が可能となる。

第２の実施形態のその他の動作は、第１の実施形態と同様である。したがって、第２の実施形態は、第１の実施形態の効果をも得ることができる。

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規なシステムは、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明したシステムの形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。

１再生可能エネルギー発電部、２電力系統、３第１の変換器、４水電解部、５水供給部、６水素貯蔵部、７酸素貯蔵部、８燃料電池（発電部）、９水回収部、１０負荷部、１１スイッチ部、１２蓄電部、１３第２の変換器、１４第３の変換器、１５ダイオード、４０エネルギー蓄積部、５０第１接続部、６０第２接続部、１００電力貯蔵システム

Claims

外部の電力系統との間に接続され、電力を変換する第１の変換器と、
前記第１の変換器及び再生可能エネルギーを用いて発電する再生可能エネルギー発電部の出力部から入力される入力電力を用いてエネルギーを蓄積するエネルギー蓄積部と、
前記エネルギー蓄積部のエネルギーを用いて発電した出力電力を、前記外部の電力系統が接続される負荷部に出力する発電部と、
前記入力電力に対する前記エネルギー蓄積部の制御応答、及び前記負荷部に対する前記発電部の制御応答よりも制御応答が速い蓄電部と、
前記蓄電部と前記エネルギー蓄積部との間に接続され、電力を変換する第２の変換器と、
前記蓄電部と前記発電部との間に接続され、電力を変換する第３の変換器と、
を備えることを特徴とする電力貯蔵システム。
前記外部の電力系統と前記負荷部との間に接続され、前記外部の電力系統が停電した場合に前記外部の電力系統と前記負荷部との間を遮断するスイッチ部、を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の電力貯蔵システム。
前記第１の変換器は、交流電力と直流電力とを変換する変換器であって、前記外部の電力系統から前記エネルギー蓄積部に電力を供給する場合は交流電力を直流電力に変換し、前記再生可能エネルギー発電部側から前記外部の電力系統に電力を供給する場合は直流電力を交流電力に変換することを特徴とする請求項１又は２に記載の電力貯蔵システム。
前記第２の変換器は、直流電圧を異なる値の直流電圧に変換する変換器であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電力貯蔵システム。
前記第３の変換器は、直流電力と交流電力とを変換する変換器であって、前記蓄電部から前記負荷部及び前記発電部の少なくともいずれか一方に電力を供給する場合は直流電力を交流電力に変換することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電力貯蔵システム。
前記再生可能エネルギー発電部は、前記再生可能エネルギーとして太陽光、又は風力を用いることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電力貯蔵システム。
前記エネルギー蓄積部は、
前記第１出力部から入力された電力を用いて水供給部から供給される水を水素と酸素に分解する水分解部と、
前記水分解部で分解された前記水素を貯蔵する水素貯蔵部と、
を少なくとも備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の電力貯蔵システム。
前記再生可能エネルギー発電部から前記第２の変換器へ電流を流すダイオード、を更に備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の電力貯蔵システム。
前記第１の変換器、前記再生可能エネルギー発電部の出力部、及び前記第２の変換器は第１接続部を介して前記エネルギー蓄積部に電力を入力し、前記発電部、前記外部の電力系統、及び前記第３の変換器は第２接続部を介して前記負荷部に電力を出力ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の電力貯蔵システム。