JP2016103900A - 蓄電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、太陽光発電の発電電力による出力変動のカバー率を保ちつつ、蓄電池容量の低減が可能な蓄電池システムを提供することにある。【解決手段】太陽光で発電する太陽光パネルと、太陽光パネルから出力される直流電力を交流電力に変換して電力系統に供給する太陽光用パワーコンディショナ(PCS)と、二次電池と、二次電池から充放電される直流電力を交流電力に変換して電力系統に充放電する二次電池用PCSと、太陽光パネルと二次電池とが電力系統へ供給する電力の合成値について目標値を計算し、目標値に従って二次電池用PCSへ充放電指令を与える平滑化手段を備える、蓄電池システムであって、平滑化手段はサンプル数演算部と移動平均計算部と日射量データを備え、前記サンプル数演算部では、所定のサンプル数を用いて前記太陽光パネルの発電量の移動平均を計算し、日射量データの増減に対応してサンプル数を増減させることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば太陽光発電の変動抑制に好適な蓄電池システムに関する。

近年、環境問題等から太陽光発電システムの導入が促進されている。しかし、太陽光発電による発電出力は天候による変動が大きいため、連系する電力系統の電圧変動や周波数変動を引き起こす。この対策として、太陽光発電システムに変動抑制用の蓄電池システムを併設し、蓄電池システムを充放電させることで、電力系統の出力を平滑化している。

電力系統の出力変動の平滑化には移動平均法が知られており、太陽光発電の発電出力の移動平均値を太陽光発電システムと蓄電池システムが電力系統に供給する電力の合成値とする。この従来技術として、特許文献１に移動平均法を用いる技術が開示されている。

特開２０１０−２２１２２号公報

電力系統に供給する電力の合成値の変動率がグリッドコードに納まる時間割合を表すカバー率は平滑化の評価指標であり、移動平均に用いるサンプル数(移動平均時間)を増加させるとカバー率も向上できる。一方、太陽光発電の発電電力と合成出力の差分で表される蓄電池システムの充放電電力を貯蔵する蓄電池容量は、サンプル数の増加に伴って双方の乖離が大きくなるため増加する。したがって、カバー率向上と蓄電池容量削減の両立は難しいという課題がある。

本発明の目的は、太陽光発電の発電電力による出力変動のカバー率を保ちつつ、蓄電池容量の低減が可能な蓄電池システムを提供することにある。

太陽光で発電する太陽光パネルと、
前記太陽光パネルから出力される直流電力を交流電力に変換して電力系統に供給する太陽光用パワーコンディショナ(PCS)と、
二次電池と、
前記二次電池から充放電される直流電力を交流電力に変換して電力系統に充放電する二次電池用PCSと、
前記太陽光パネルと前記二次電池とが前記電力系統へ供給する電力の合成値について目標値を計算し、前記目標値に従って前記二次電池用PCSへ充放電指令を与える平滑化手段を備える、蓄電池システムであって、
前記平滑化手段はサンプル数演算部と移動平均計算部と日射量データを備え、前記サンプル数演算部では、所定のサンプル数を用いて前記太陽光パネルの発電量の移動平均を計算し、前記日射量データの増減に対応して前記サンプル数を増減させることを特徴とする、蓄電池システム。

本発明によれば、太陽光発電の発電電力による出力変動のカバー率を保ちつつ、蓄電池容量の低減が可能な蓄電池システムを提供することが可能となる。

実施例１における変動抑制向け蓄電池システムを示す図。 実施例１における統括コントローラの詳細を示す図。 時間と変動率の関係を示す図。 実施例１におけるサンプル数演算部の詳細を示す図。 サンプル数演算のフローチャートを示す図。 規格化日射量とサンプル数の関係を示す図。 時刻とサンプル数の関係を示す図。 実施例１における日射量計を含むサンプル数演算部の詳細を示す図。 太陽光発電出力と平滑化出力の時間変化を示す図。 実施例２における統括コントローラの詳細を示す図。 実施例３における統括コントローラの詳細を示す図。 実施例５におけるサンプル数演算部の詳細を示す図。 可変サンプル数が固定サンプル数よりも大きい場合のサンプル数時間変化を示す図。 図１３の効果を示す図。 固定サンプル数が可変サンプル数よりも大きい場合のサンプル数時間変化を示す図。 図１５の効果を示す図。 日の出直後からのサンプル数と出力波形の関係を示す図。 日の出前からのサンプル数と出力波形の関係を示す図。

以下、図面を用いて、本発明の実施形態について説明する。本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

図１は本発明対象の太陽光変動抑制向け蓄電池システムの構成を示したものであり、太陽光パネル１、太陽光用ＰＣＳ２、電力系統３、蓄電池４、蓄電池用ＰＣＳ５、統括コントローラ６、日射量データ７から構成されている。太陽光パネル１は太陽光によって発電し、その発電電力は太陽光用ＰＣＳ２を介して直流から交流に変換され電力系統３へ供給される。蓄電池４は蓄電池用ＰＣＳ５を介して電力系統３に充放電する。また、平滑化手段としての統括コントローラ６は、天候により変動する太陽光パネル１の発電電力が原因で生じる電力系統３の変動を抑制した平滑化出力Ｐ_sysを計算する。太陽光用ＰＣＳ２から出力された太陽光パネル１の発電電力Ｐ_pと日射量Ｈを入力して得られた平滑化出力Ｐ_sysと太陽光パネル１の発電電力Ｐ_pの差分を、蓄電池４の出力Ｐ_bとして、蓄電池用ＰＣＳ５に充放電指令を与える。

図２は統括コントローラ６の詳細を示し、サンプル数演算部１０と移動平均計算部２０から成る。サンプル数演算部１０は日射量Ｈを用いてサンプル数Ｎを演算し、移動平均計算部２０へ入力する。移動平均計算部２０は、太陽光パネル１の発電電力Ｐ_pとサンプル数Ｎを用いて平滑化出力Ｐ_sysを計算する。太陽光パネル１の発電電力Ｐ_pと平滑化出力Ｐ_sysの差分を蓄電池４の出力Ｐ_bとする。移動平均計算部２０は(１)式を用いて平滑化出力Ｐ_sysを求める。
ここで、tは現在の時間、t₀は積分区間、である。Ｔ_sはサンプル周期とする。また、サンプル数演算部１０の詳細は後述する。

図３は平滑化出力の変動率を説明する図である。横軸を時間、縦軸を変動率とし、波形は平滑化出力の変動率を示し、変動率は（２）式とする。

また、破線はグリッドコードである。ここで、Ｔは時間、ｔ_uはグリッドコードの上限を超えた時間、ｔ_dはグリッドコードの下限を超えた時間である。

平滑化出力の変動率がグリッドコードに納まる時間割合をカバー率Ｃと定義すると、カバー率Ｃは（３）式で表される。

図４はサンプル数演算部１０の詳細を示したものであり、サンプル数演算部１０は、日射量データ蓄積部１１、最大日射量計算部１２、最適サンプル数計算部１３、ゲイン決定部１４から構成されている。日射量データ蓄積部１１は、日射量計や気象庁から取得した日射量Ｈを蓄積しておくものであり、蓄積日射量Ｈ_sを最適サンプル数計算部１３および最大日射量計算部１２へ入力する。最大日射量計算部１２は、蓄積日射量Ｈ_sからある１日の最大日射量Ｈ_maxを算出し、最大日射量Ｈ_maxを最適サンプル数計算部１３に入力する。さらに、ゲイン決定部１４では、蓄電池容量やカバー率を基にゲインｇを決め、最適サンプル数計算部１３へ入力する。最適サンプル数計算部１３は、(４)、(５)式を用いてサンプル数Ｎを決定する。
ここで、αは規格化日射量である。

図５は図４での処理をフローチャートで表したものである。まず、ステップＳ１で日射量Ｈを日射量データ蓄積部１１に蓄積し、ステップＳ２で蓄積日射量Ｈ_sの最大値Ｈ_maxを算出する。そして、ステップＳ３で蓄積日射量Ｈ_sと最大日射量Ｈ_maxから規格化日射量αを算出する。最後に、ステップＳ４で規格化日射量αにゲインｇを掛けてサンプル数Ｎを算出する。

図６に規格化日射量αとサンプル数Ｎの関係を示す。規格化日射量αの増減に対応して、サンプル数Ｎも増減するように想定する。また、図７は時刻とサンプル数Ｎの関係を示したものである。日射量Ｈの増減に合わせてサンプル数Ｎも増減させるため、日射量Ｈが多い昼間に多く、日射量Ｈが少ない朝や夕方は少なくなる。サンプル数を可変にすることで、太陽光発電出力Ｐ_Pと平滑化出力Ｐ_sysの乖離が小さくなるため、蓄電池容量の低減が可能となる。

また、平滑化出力Ｐ_sysの変動率とカバー率Ｃのどちらかあるいは両方の変化に対応して、ゲインｇを増減させ、サンプル数Ｎを変化させることで、変動率やカバー率を目標値内に納めることが可能となる。

さらに、サンプル数Ｎの算出に使用する日射量Ｈは蓄積日射量Ｈ_sだけでなく、日射量計の計測データＨ_rを使用することも可能である。図８はサンプル演算部１０に日射量計を加えた場合のサンプル演算部１６の詳細を示したものである。

サンプル演算部１６のように、最大日射量計算部１２は日射量データ蓄積部１１の蓄積データＨｓを用い、最適サンプル数計算部１３は日射量計１５による計測データＨｒを用いてサンプル数Ｎを計算することが可能である。日射量計で取得したデータを用いて、蓄積日射量Ｈｓから予測した予測発電量を補正することができ、予測精度を向上させることができる。また、ＰＣＳ容量が太陽光発電の最大発電量よりも小さい場合にも日射量を予測することが可能となる。

図９は太陽光パネル１の発電電力Ｐ_pと平滑化出力Ｐ_sysを示し、太陽光発電出力Ｐ_pと平滑化出力Ｐ_sysの差分が蓄電池システムの充放電電力となり、差分の面積が蓄電池容量を表す。平滑化出力Ｐ_sysはサンプル数Ｎが多いほど平滑化の精度が上がるが、平滑化出力Ｐ_sysと太陽光パネル１の発電電力Ｐ_pが大きく乖離するため蓄電池容量が増加する。そのため、本実施例によれば、日射量の増減に対応してサンプル数Ｎも増減させることで、蓄電池容量を減少させることが可能となる。

続いて実施例２について説明する。実施例１と異なる点は、実施例１の統括コントローラ６に太陽光パネル１上空の空画像を撮影する撮影装置３０と、取得した空画像を基に日射量を予測する日射量予測部４０を備える点である。図１０に本実施例の統括コントローラ８の構成を示す。なお、本実施例では、実施例１で説明した構成については、実施例１で用いた図面番号と同様の番号を用いて説明する。

太陽光パネル１の発電出力が変動する要因の1つは、雲による太陽光の遮蔽である。撮影装置３０を用いて太陽光パネル１上空の空画像を撮影し、得られた空画像を日射量予測部４０へ入力する。日射量予測部４０は、撮影装置３０で得られた空画像から太陽と雲の位置関係や雲の移動方向ｘ、移動速度ｖを求めることで数秒後の雲の位置を計算して日射量を予測する。得られた日射量を規格化日射量αに代入し、サンプル数を演算する。

したがって、本実施例によれば、空画像から取得した気象データを元に日射量を予測するため、急な天候の変化による変動にも対応することができ、カバー率を保つことが可能となる。

実施例３について説明する。実施例１および実施例２と異なる点は、実施例１の統括コントローラ６に日射量計５０と温度計６０を備える点である。図１１に本実施例の統括コントローラ９の構成を示す。なお、本実施例では、実施例１および実施例２で説明した構成については、実施例１あるいは実施例２で用いた図面番号と同様の番号を用いて説明する。

太陽光パネル１の発電効率は温度に依存することが分かっている。また、日射量から発電電力を予測することができる。そこで、日射量計と温度計を設置し、日射量計５０で取得できる日射量データと、温度計６０で取得できる温度データを基に、日射量予測部４０で日射量を予測し規格化日射量αに代入してサンプル数を演算する。

したがって、本実施例によれば、温度効率も考慮して日射量を予測できることから高精度な予測日射量を取得することが可能となる。

図１２はサンプル数演算部１０において、ある条件下で可変サンプル数と固定サンプル数を選択する場合のブロック図を示す。例えば、図１３に示すように、太陽光パネルの発電量が最大となる時間帯に、可変サンプル数が固定サンプル数よりも大きくなった場合、固定サンプル数を選択する。その結果、図１４に示すように、サンプル数が減少することから蓄電池容量の低減が可能となる。

また、図１５に示すように、太陽光パネルの発電量が最大となる時間帯に、固定サンプル数が可変サンプル数よりも大きくなった場合、固定サンプル数を選択する。その結果、図１６に示すように発電量が多い昼間に変動が大きくなった場合も、カバー率を確保することが可能となる。

実施例１で述べたように，サンプル数Ｎは規格化日射量αとゲインｇから算出され，サンプル数が増加すると太陽光発電出力Ｐ_Pと平滑化出力Ｐ_sysの乖離が大きくなる。特に，日の出および日の入付近では，サンプル数Ｎによって平滑化出力Ｐ_sysの値がジャンプすると，カバー率Ｃが低下する原因となるため，特に注意する必要がある。

図１７はサンプル数Ｎが日の出後から増加し，日の入付近で０になる場合の太陽光発電出力Ｐ_Pと平滑化出力Ｐ_sysの関係を示した図である。日の出付近でサンプル数Ｎが急増すると，平滑化出力Ｐ_sysが急激に増加してカバー率を低下させるため，日の出付近ではサンプル数を緩やかに増加させる必要がある。また，図１８はサンプル数Ｎが日の出前から増加し始める場合を示した図である。日の出前はサンプル数Ｎが急増しても平滑化出力Ｐ_sysに影響はなくカバー率Ｃが低下しないため，階段状に増加しても問題はない。一方，日の入付近のカバー率Ｃを保つためには，サンプル数Ｎは緩やかに減少させる必要がある。そのため，図１７および図１８のどちらも，日の入付近のサンプル数Ｎは緩やかに減少している。

したがって，本実施例によれば，日の出付近および日の入付近のサンプル数Ｎを緩やかに増減させること，あるいは日の出前からサンプル数Ｎを増加させ，日の入付近で緩やかに減少させることにより，太陽光発電出力Ｐ_Pと平滑化出力Ｐ_sysの乖離を小さくし，カバー率Ｃを保つことができる。

１ 太陽光パネル
２ 太陽光用パワーコンディショナ(ＰＣＳ)
３ 電力系統
４ 蓄電池
５ 蓄電池用パワーコンディショナ(ＰＣＳ)
６ 実施例１の統括コントローラ
７ 日射量データ
８ 実施例２の統括コントローラ
９ 実施例３の統括コントローラ
１０ サンプル数演算部
１１ 日射量データ蓄積部
１２ 最大日射量計算部
１３ 最適サンプル数計算部
１４ ゲイン決定部
１５ 日射量計
１６ 日射量計を含むサンプル数演算部
２０ 移動平均計算部
３０ 撮影装置
４０ 日射量予測部
５０ 日射量予測用の日射量計
６０ 温度計

Claims (10)

1. 太陽光で発電する太陽光パネルと、前記太陽光パネルから出力される直流電力を交流電力に変換して電力系統に供給する太陽光用パワーコンディショナ(PCS)と、二次電池と、前記二次電池から充放電される直流電力を交流電力に変換して電力系統に充放電する二次電池用PCSと、前記太陽光パネルと前記二次電池とが前記電力系統へ供給する電力の合成値について目標値を計算し、前記目標値に従って前記二次電池用PCSへ充放電指令を与える平滑化手段を備える蓄電池システムであって、
   前記平滑化手段はサンプル数演算部と移動平均計算部と日射量データを備え、前記サンプル数演算部では、所定のサンプル数を用いて前記太陽光パネルの発電量の移動平均を計算し、前記日射量データの増減に対応してサンプル数を増減させることを特徴とする蓄電池システム。
2. 請求項１において、前記平滑化手段は前記日射量データを蓄積する日射量データ蓄積部を備え、前記日射量データ蓄積部に蓄積した過去の日射量データを用いてサンプル数を演算することを特徴とする蓄電池システム。
3. 請求項１または２において、前記平滑化手段は空画像を撮影する撮影装置と、前記撮影装置で取得した前記空画像から、太陽と雲の位置関係および雲の移動速度を含む気象データを取得し、前記気象データから前記太陽光パネルの発電量を予測する発電量予測部を備え、前記発電量予測部の前記太陽光パネルの予測発電量の増減に対応してサンプル数を増減させることを特徴とする蓄電池システム。
4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、日射量計と温度計を備え、前記日射量計の計測データと前記温度計の温度データを用いて前記太陽光パネルの発電量を予測し、前記太陽光パネルの前記予測発電量の増減に対応してサンプル数を増減させることを特徴とする蓄電池システム。
5. 請求項１乃至４のいずれかにおいて、前記太陽光用PCSの容量が前記太陽光パネルの最大発電量よりも小さい場合に、日射量計を備えることを特徴とする蓄電池システム。
6. 請求項１乃至５のいずれかにおいて、前記平滑化手段は日射量計を備え、蓄積した過去の日射量データから算出したサンプル数を前記日射量計の計測データで補正することを特徴とする蓄電池システム。
7. 請求項１乃至６のいずれかにおいて、前記サンプル数演算部は前記太陽光パネルの規格化日射量を算出し、前記規格化日射量にゲインをかけて前記サンプル数を演算し、合成値の変動率を求める変動率計算装置と、前記変動率に対する抑制目標値を設定する変動抑制設定手段と、前記変動率が前記抑制目標値に納まる時間割合を求めるカバー率計算手段と、カバー率の達成目標値を設定するカバー率設定手段とを備え、前記抑制目標値および前記カバー率の少なくとも一方に対応して、前記ゲインを増減させることを特徴とする蓄電池システム。
8. 請求項１乃至７のいずれかにおいて、前記太陽光パネルの最大発電量付近でサンプル数演算部を切り替えることを特徴とする蓄電池システム。
9. 請求項１乃至８のいずれかにおいて、前記平滑化手段は、サンプル数演算部と、固定サンプル数演算部の両方を備え、前記太陽光パネルの発電量の変動に対応して選択し、前記サンプル数演算部で得られた可変サンプル数が前記固定サンプル数演算部で得られた固定サンプル数を超えた場合、前記固定サンプル数を採用することを特徴とする蓄電池システム。
10. 請求項１乃至９のいずれかにおいて、前記太陽光パネルの発電量の変動が大きい場合、固定サンプル数を採用することを特徴とする蓄電池システム。