JP2018121479A - 蓄電池と電力変換装置の連携システムの制御方法、およびパワーコンディショニングシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＶと蓄電池の連携システムにおいて、他の蓄電池—ＰＣＳとともに自立運転並列制御を実施しなおかつ各蓄電池の充電率を均等にするＰＣＳの構成、制御方法を提供する。【課題を解決するための手段】蓄電池と電力変換装置が１対１で接続され、それらの組が交流側で複数接続された蓄電池と電力変換装置の連携システムの制御方法である。この方法において、電力変換装置の其々は、対応する蓄電池の充電率に応じて蓄電池の充放電速度を決定し、充放電速度に応じて電力変換装置の其々での充放電電力を割り当てることで、蓄電池の充電率が均等になるように制御する。【選択図】図２

Description

本発明はインバータやパワーコンディショニングシステムなどの、電力変換装置およびその制御方法に関わる。

昨今の再生可能エネルギへの関心の高まりや政府による電力買い取り制度の導入に伴い、太陽電池（ＰＶ：Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ）を利用した太陽光発電システムが急速に普及している。同システムは日射があれば容易に電力を得られる反面、日射条件により電力の変動を受けやすく夜間は発電できない。そこで電力を蓄積できる蓄電池と太陽電池を接続して、太陽電池で発する電力の変動分を蓄電池への充放電でまかなう太陽電池−蓄電池連携システムが提案されている。

特に離島や沿岸の発電所から遠方にある内陸部などの系統が脆弱な地域、また事故や災害時など系統が失われた場合において、この連携システムは重要負荷に対して常に電源を確保できる手段として期待されている。

太陽電池−蓄電池連携システムの構成でキーとなるのは、電力変換装置の一種であるパワーコンディショニングシステム（ＰＣＳ：Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ）装置である。ＰＣＳは太陽電池と交流電力線の間、蓄電池と交流電力線の間にそれぞれ接続され、発電条件の最適化や充放電動作などを実施する。ＰＣＳ同士は交流側で接続され、ＰＣＳ間での電力授受や重要負荷へ電力を供給する。連携システムの規模に応じて、複数のＰＶ−ＰＣＳや複数の蓄電池−ＰＣＳが交流側に接続される。

系統が存在しない場合に複数のＰＣＳを連携する方法には、一台のＰＣＳをマスタとして自立運転させ、残りのＰＣＳをスレーブとして連系運転させるマスタ−スレーブ方式や、すべてのＰＣＳを協調して自立運転させる並列運転方式がある。

前者において、マスタＰＣＳはシステム全体にわたり電圧と周波数を確立する。残りのスレーブＰＣＳは拠出電力を指定できるため、ＰＶ−ＰＣＳは最大電力を追及でき、蓄電池ＰＣＳもおのおのの充電率に応じた充放電動作が可能となる。しかし、マスタＰＣＳを停止すると残りのスレーブＰＣＳを含めてシステム全体を停止せざるを得なくなる。マスタＰＣＳやその直流電源（おもに蓄電池）のメンテナンスが困難になり、システムの信頼性は低下する。

一方、後者の並列運転を実現する技術として、垂下制御という技術が非特許文献１や特許文献１に記載されている。個々のＰＣＳにおいて、拠出する有効電力と無効電力に応じてそれぞれ周波数と電圧を垂下させる特性をＰＣＳに作りこむ。垂下特性を持たせたＰＣＳをマスタとして複数台並列に駆動させ、垂下した周波数や電圧を各ＰＣＳで共有することで公平に負荷電力を分担する。メンテナスのためにシステムを止めることなく、任意のＰＣＳを解列させ再度並列させることができるため、システムの信頼性は永く維持される。

ＷＯ２０１４−０９８１０４号公報 特開２０１４−２０７７９０号公報

Ｊ．Ｍ．Ｇｕｅｒｒｏｒ，ｅｔ．ａｌ．，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ｖｏｌ．５５，Ｎｏ．８，Ａｕｇ ２００８．Ｐ．２４８５−２８５９．

複数の蓄電池とＰＣＳが接続されたシステムにおいて、充放電を繰り返してくると、各ＰＣＳの蓄電池の充電率にばらつきが生じてくる。その理由として、蓄電池そのものの特性のばらつきに起因するもの、蓄電池のメンテナスで電池モジュールを交換する場合またはＰＣＳのメンテナンスで充放電動作を一時停止した場合に生じる充電率の相違があげられる。

もっとも蓄電池には電池コントローラが付いている場合があり、蓄電池の故障監視や充電率の把握を行っているものもある。その場合、蓄電池を構成する蓄電セル間のばらつきはこのコントローラで修正される。しかし、ＰＣＳごとに見ると蓄電池間のばらつきは解消できない。

先に説明した垂下制御はＰＣＳの定格に応じて垂下率が決まっており、同じ規格のＰＣＳに対して均等に電力を拠出する。逆に充電の際も同様である。複数の蓄電池とＰＣＳが接続されたシステムにおいて、それぞれの蓄電池の充電率が異なる状態で同じ電力によって充電を実施すると、充電率の最も高い蓄電池−ＰＣＳを停止せざるを得なくなる。放電の場合は、もっとも充電率の低い蓄電池−ＰＣＳを停止せざるを得なくなる。このため運転可能なＰＣＳが減ることになり、並列運転の利点であった信頼性が低下する。

垂下制御に限らなければ、各蓄電池の充電率の情報を集中制御装置に送り、１つに集約し比較してそれぞれのＰＣＳの充放電制御にフィードバックして各蓄電池を均等運用する方法も特許文献２で公開されている。しかし、これらで用いられているＰＣＳ（インバータ）は蓄電池の充放電電力の加減が制御可能な状態である必要がある。さらに、すべての充電率を集約する必要があるため、専用の制御装置が必要で、接続するＰＣＳの数でその構成も変える必要があった。つまり信頼性の維持と柔軟なＰＣＳ構成の実現という観点で難点があった。

したがって本発明の目的は、系統のないＰＶと蓄電池の連携システムにおいて、複数の蓄電池―ＰＣＳとともに並列制御を実施しつつ、なおかつ複数ＰＣＳ間で蓄電池の充電率を均等に制御する蓄電池−ＰＣＳの構成、制御方法を提供し、可能な限りＰＣＳを運転可能な状態にしてシステムの信頼性を向上させることにある。

本発明の一側面は、蓄電池と電力変換装置が１対１で接続され、それらの組が交流側で複数接続された蓄電池と電力変換装置の連携システムの制御方法である。この方法において、電力変換装置の其々は、対応する蓄電池の充電率に応じて蓄電池の充放電速度を決定し、充放電速度に応じて電力変換装置の其々での充放電電力を割り当てることで、蓄電池の充電率が均等になるように制御する。

本発明の他の一側面は、蓄電池ブロックと、蓄電池ブロックに１対１で接続するパワーコンディショニングシステムとで、蓄電池―ＰＣＳの組を構成し、この組が交流側で複数接続された連携システムにおける、パワーコンディショニングシステムである。このパワーコンディショニングシステムは、蓄電池ブロックと交流側の間で直流と交流の変換を行うスイッチング素子と、交流側の交流電圧と交流電流から、有効電力を計算する電力計算部と、対応する蓄電池ブロックの充電率と有効電力とを反映して、目標周波数を生成する発振器と、発振器の出力をスイッチング素子にフィードバックするフィードバック制御部と、を備える。

複数の蓄電池−ＰＣＳを並列制御する際、各々の蓄電池の充電率に応じて充放電電力の按分率を変えるため、充電率のばらつきを修正することができ、より多くの電力を連携システムに充電できるとともに、より多くの電力をシステムから放電できるようになる。

ＰＣＳを介した蓄電池ブロックとＰＶパネルの連携システムの構成図。 第１の実施例におけるＰＣＳの運転方法を示す表図。 第１の実施例における蓄電池ブロックの構成ブロック図。 第１の実施例におけるＰＣＳの構成ブロック図。 第１の実施例における垂下率計算部の構成ブロック図。 第１の実施例における垂下関数の特性を説明するグラフ図。 第１の実施例における垂下関数の特性を説明するグラフ図。 垂下特性を固定にした並列制御でのＰＣＳの垂下特性を示すグラフ図。 垂下特性を固定にした並列制御でのＰＣＳの垂下特性を示すグラフ図。 第１の実施例における垂下率に対する電力特性を説明するグラフ図。 第１の実施例における垂下率に対する電力特性を説明するグラフ図。 第１の実施例における垂下率に対する電力特性を説明するグラフ図。 固定的な垂下率制御を行った場合の充電率の時間変化を説明するグラフ図。 第１の実施例における充電率の時間変化を説明するグラフ図。 第２の実施例におけるＰＣＳの構成ブロック図。 第２の実施例における定格値修正計算部の構成ブロック図。 第２の実施例における定格値修正の特性を説明するグラフ図。 第２の実施例における定格値修正の特性を説明するグラフ図。 第２の実施例における定格値修正に対する電力特性を説明するグラフ図。 第２の実施例における定格値修正に対する電力特性を説明するグラフ図。 第２の実施例における定格値修正に対する電力特性を説明するグラフ図。 第３の実施例におけるＰＣＳの構成ブロック図。 第４の実施例における垂下率計算部の構成ブロック図。

以下に本願発明を実施例により説明する。この実施例は本願発明を用いた一例であり、本願発明は本例により限定されない。以下では、蓄電池とＰＣＳが一対一で接続され、それらが複数並列に接続された系統の並列制御において、各ＰＣＳは対応する蓄電池の充電率に応じて垂下率を決定し、その垂下率に基づいて充放電制御する例を主に説明する。より具体的な例では、蓄電池−ＰＣＳにおいて垂下特性をもつ自立運転制御を行い、その有効電力に対する周波数の垂下率は、蓄電池の充電率に対して充電の場合は単調増加、放電の場合は単調減少の関数で設定される。

以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、重複する説明は省略することがある。

図１Ａは、太陽電池と蓄電池が連携するシステム構成の一例を示す。太陽電池（ＰＶ）パネル１０１、蓄電池ブロック１０２のそれぞれは、ＰＣＳ１００を介して重要負荷１０３や、系統（例えば２００Ｖ，５０Ｈｚ）１０４と接続されている。ＰＣＳ１００は、直流側と交流側のインターフェースとなり電力の方向と量を制御する。またＰＣＳは、系統と周波数、電圧を一致して同期する。ＰＣＳ１００は、電力の方向により蓄電池ブロック１０２の充放電を制御する。また、ＰＣＳ１００は、ＰＶパネル１０１で発電した電力を、例えば最大電力追従（ＭＰＰＴ：Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ）等の制御により交流側に供給する。

図１ＢはＰＣＳ１００の運転方法の例を、本実施例とマスタースレーブ方式を比較して示す表図である。図１Ｂに示すようにマスタースレーブ方式であれば蓄電池ブロック１０２−ＰＣＳ１００のうち一台がマスタＰＣＳとして自立運転し、ＰＶパネル１０１−ＰＣＳ１００が連系運転する。本実施例では複数の蓄電池ブロック１０２−ＰＣＳ１００がすべて自立運転を実施し、複数ＰＣＳ間で並列制御を実施する。したがって、マスタースレーブ方式のように、マスターが停止することで、システム全体が影響をうけることはない。ＰＶパネル１０１−ＰＣＳ１００が自立運転で並列運転に参加するかどうかは、本実施例では限定しない。

図１Ｃは蓄電池ブロック１０２の構成例を示す。図１Ｃに示すように、蓄電池ブロック１０２は一つあるいは複数の組電池１０７とそれを監視する電池コントローラ１０６で構成される。組電池１０７は、蓄電池の最小単位である蓄電池セル１０５を直列接続、並列接続もしくはその組み合わせで得られる構成である。図１Ｃでは直列接続のみでの構成を示す。

電池コントローラ１０６は各蓄電池セル１０５の状態（電圧、電流および温度）を監視し、組電池１０７が正常か劣化かを判定する。同時に、各蓄電池セル１０５の充電率を、監視した状態量から推定する。簡易なコントローラであれば、各蓄電池セル１０５の充電率の平均値を組電池１０７の充電率とする。多機能なコントローラでは、蓄電池セル１０５間で充電率のばらつきがある場合に、特定の蓄電池セル１０５だけ部分的に放電や充電させる機構を用いて、組電池１０７内のばらつきを低減してその平均値を組電池の充電率とする。推定した充電率は、蓄電池ブロック１０２から出力される。また、蓄電された電力はＰＣＳを経由して供給される。

図２は、本発明の第１の実施例における、蓄電池ブロック１０２に接続されるＰＣＳ１００の構成を示す。ＰＣＳ１００は主回路２１０と制御ブロック２２０から構成される。主回路２１０は、制御ブロック２２０の制御により、交流側と直流側（ＰＶパネル１０１や蓄電池ブロック１０２側）の間で所望の直交流変換を行う。制御ブロック２２０は、制御のための各種計算や処理を行うブロックであり、入力装置、出力装置、処理装置、記憶装置を備える情報処理装置の形態を取ることができる。情報処理装置は記憶装置に格納されたプログラムを処理装置が実行することで、入力装置から入力されるデータを処理する各ブロックを実現し、処理結果を出力装置から出力する。また、同等の機能は、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ）のようなハードウェアで構成することもできる。

直流は主回路２１０の半導体素子２１１のスイッチング作用でパルス幅変調され、リアクトル２１２で高調波を除去し、たとえば５０Ｈｚ／６０Ｈｚの交流となる。その後トランス２１３を介して交流側にいたる。

制御ブロック２２０は、自立運転制御を実施するための構成として、電圧フィードバック制御部２２１と電圧補償制御部２２２を備える。ここでは、定格電圧（たとえば２００Ｖ）と定格周波数（たとえば５０Ｈｚ）を基準にして交流電圧を生成するように、主回路２１０を制御する。交流電圧センサ２１４にて交流側の電圧を監視し、定格電圧になるように電圧フィードバック制御部２２１にて制御する。リアクトル２１２に流れる電流で電圧が低下することがあるので、電流センサ２１５で監視し、交流電圧と交流電流の値を電圧補償部２２２に入力し、電圧低下の補償を電圧補償部２２２にて実施する。また、定格周波数と定格電圧を垂下させる仕組みとして、発振器２２３に交流側電圧を入力し、発振器２２３の出力位相がＰＣＳ側の交流と位相を合うように制御される。

さらに定格周波数と定格電圧を垂下させる仕組みとして、垂下制御部２２５がある。電力計算部２２４にて測定した交流側の電圧と電流から、その内積および外積を求めることで、ＰＣＳが負荷側（ローカルな系）に供給する電力量（有効電力および無効電力）を算出できる。これらの量に応じて、垂下制御部２２５では定格周波数および定格電圧値から、所定の垂下率になるように、それぞれ低減させる。このとき、定格値からある垂下率になるように、固定値をかけて低減する固定的な垂下制御については、例えば非特許文献１の並列制御の構成と同様に構成が可能である。

本実施例の制御ブロック２２０も基本的には並列制御の構成をほぼ踏襲する。しかし本実施例では、垂下特性は固定ではなく、蓄電池の充電率と有効電力に基づいて制御されている。すなわち、図２に示すように周波数垂下率については、蓄電池ブロック１０２から出力される充電率の大きさと、電力計算部２２４にて計算される有効電力の符号に基づき、垂下率計算部２２６にて決定する。

図３に垂下率計算部２２６の構成を示す。電力計算部２２４から出力された有効電力は符号抽出部３０１にて、その符号情報を抽出される。これは、現在のＰＣＳ１００の動作が充電動作か放電動作かの判定に用いる。一方、蓄電池ブロック１０２からの充電率情報は、放電用垂下関数部３０２もしくは充電用垂下関数部３０３に入力される。それぞれ垂下率に変換され、さきに説明した符号情報に基づき、充放電動作に応じた垂下率が選択部３０４により選択される。

図４に垂下関数の例を示す。本実施例では、充電用関数には図４Ａに示すような単調増加関数、放電用垂下関数には図４Ｂに示すような単調減少関数を用いる。横軸は蓄電池の充電率を示し、縦軸が垂下率を示す。充電用関数では充電率が大きいほど垂下率を大きくし、出力を低下させる。放電用関数ではその逆となる。いずれも、充電率において蓄電池の運用範囲を定めておき、最大の垂下率Ｍ_ＭＡＸと最小の垂下率Ｍ_ＭＩＮを決定しその範囲内のＭ，Ｍ’等で動作させる。

本実施例の可変する垂下率を使った並列制御を説明する上にも、まずは固定の垂下率を使った並列制御を説明する。

図５Ａは、並列制御におけるＰＣＳ１台分の垂下特性を説明する図である。垂下させる物理量としては、同期発電機の特性を模擬して、有効電力Ｐに対し周波数ｆ、無効電力Ｑに対し交流電圧Ｖを選択する。図５Ａでは有効電力に対する周波数の変化を示した図を示す。以下では、主に有効電力と周波数を例に説明するが、無効電力に対する交流電圧の変化も同様に説明することができる。出力する有効電力に対して、ある割合で周波数を低下させる。この割合を垂下率という。垂下率は電力あたりの低下量であり、傾きθに相当する。通常は、ＰＣＳの定格（仕様上の最大）電力値に対して許容する範囲で周波数の低下（垂下量）が収まるように設定される。

図５Ｂはこの垂下特性をもつ２台のＰＣＳを交流側で接続して、負荷に有効電力を供給する場合の挙動を示す。双方で周波数が一致するように個々のＰＣＳの有効電力と周波数の関係が移動し、有効電力の分担が自動的に行われる。双方の垂下率が同じ場合は、有効電力が均等に分担される。定格が異なる場合は垂下特性の直線の傾きが異なるため、それに応じた分担比率になる。このため、個々のＰＣＳの定格有効電力に応じた電力分担が可能となる。無効電力の分担も交流電圧を垂下させることで同様に説明できる。

本実施例ではこの有効電力の垂下率を蓄電池ブロックの充電率に応じて可変にすることでＰＣＳごとに電力配分を変える特徴を持つ。具体的には、図５Ａ、図５Ｂに示す固定的な垂下特性を、図３に示した有効電力と充電率に基づく垂下率制御により可変とする。

図６Ａは垂下率を可変した場合のＰＣＳ１台分の垂下特性を示す。初期垂下率Ｍ_０および定格（使用上の最大）電力値Ｐ_Ｎに対し許容する範囲で周波数の低下が収まるように設定した定格垂下率Ｍ_Ｎを有し、その範囲内で垂下率は可変とし、充電率の増減に応じて垂下率Ｍを決定する。定格周波数をｆ_Ｎとし、許容範囲の周波数の低下を定格垂下量（Δｆ）_Ｎとする。

より具体的には、図４Ａの充電率と垂下率特性に従い充電時には、充電率が大きいほど垂下率を上げる方向に設定する。一方、図４Ｂの充電率と垂下率特性に従い、放電時には、充電率が大きいほど垂下率を下げる方向に設定する。以下、この状態で２台のＰＣＳを並列運転する場合を考える。

図６Ｂは、この垂下特性をもつ蓄電池ブロック１−ＰＣＳ１と同じくこの垂下特性をもつ蓄電池ブロック２−ＰＣＳ２を交流側で接続して、別の手段で得た電力（充電電力）を両ＰＣＳが受け取る場合の挙動を示す図である。両蓄電池ブロックの充電率が同じ時は、図５ＢのようにＰＣＳ１とＰＣＳ２の間で垂下率は同じであり、均等な電力配分が行われ、均等な充電が行われる。

しかし、図６Ｂに示すように、蓄電池ブロック１の充電率が蓄電池ブロック２の充電率より小さい場合は、ＰＣＳ１の垂下率Ｍ１はＰＣＳ２の垂下率Ｍ２より小さく設定される。このため、充電電力のうちＰＣＳ１に配分される電力はＰＣＳ２に配分される電力より多くなるため、蓄電池ブロック１の充電は蓄電池ブロック２より進む。この電力配分が異なる状態は、両蓄電池の充電率の差異がなくなるまで継続されるため、最終的には両蓄電池の充電率は同じとなる。このため、蓄電池ブロックの均等充電が実現できる。

図６Ｃは、一方、この垂下特性をもつ蓄電池ブロック１−ＰＣＳ１と同じくこの垂下特性をもつ蓄電池ブロック２−ＰＣＳ２を交流側で接続して、蓄電池に蓄えた電力（放電電力）を両ＰＣＳが負荷へ出力する場合の挙動を示す図である。両蓄電池ブロックの充電率が同じ時は、図５ＢのようにＰＣＳ１とＰＣＳ２の間で垂下率は同じであり、均等な電力配分が行われ、均等な放電が行われる。

しかし、図６Ｃに示すように、蓄電池ブロック１の充電率が蓄電池ブロック２の充電率より大きい場合は、ＰＣＳ１の垂下率はＰＣＳ２より小さく設定される。このため、放電電力のうちＰＣＳ１に配分される電力はＰＣＳ２に配分される電力より多くなるため、蓄電池ブロック１の放電は蓄電池ブロック２より進む。この電力配分が異なる状態は、両蓄電池の充電率の差異がなくなるまで継続されるため、最終的には両蓄電池の充電率は同じとなる。このため、蓄電池ブロックの均等放電が実現できる。

上記で説明したような充電率に応じて電力配分を変える機構をもつことで各ＰＣＳに接続された蓄電池ブロックの充電率を均等にすることができる。図２に戻ると、有効電力により周波数を垂下させる、電力計算部２２４から発振部２２３に至る系統に、充電率に応じて電力配分を変えるための垂下率計算部２２６が関与している。有効電力は、交流側と蓄電池ブロック１０２間での電力やり取りで発生する。一方、無効電力は、交流側とＰＣＳ１００を構成するリアクタンスやキャパシタンス間で発生する。蓄電池ブロック１０２の充放電に関与するのは有効電力であるため、有効電力側だけの対応でよく、無効電力側は従来の固定的な垂下制御でもよい。

図７Ａは蓄電池ブロック１０２の充電動作における、充電率の時間変化のイメージである。充電電力が均等であるため、初期に発生した充電率のばらつきがそのまま時間発展するため、解消できない。先に満充電に達した蓄電池ブロックは停止せざるを得ない。

図７Ｂは、本実施例での充電動作における、充電率の時間変化のイメージである。初期に発生した充電率のばらつきに応じて電力配分が変わる。充電率が小さい蓄電池ブロックのＰＣＳはより多くの電力を充電し、充電率の大きい蓄電池ブロックのＰＣＳはよりすくない電力を充電するため、その動作は充電率が一致するまで続く。このため両ＰＣＳが満充電になるまで並列運転を継続することができる。

さらに充電率に応じて電力配分を連続に変化させることには以下のメリットが期待できる。リチウムイオン電池など電池の種類によっては長寿命化が期待できる。並列運転に限らなければ、従来技術でも充電率を見ながらＰＣＳをＯＮ／ＯＦＦさせることで充電率を均等にすることもできる。しかし、充放電動作をＯＮ／ＯＦＦする動作は、Ｌｉイオン電池のような充放電動作において電極構造が変わる電池に対して、その電池電極に負担をかけることになる。本例のように連続的に充放電電力を変化させることでその負担を軽減できる。結果として電池の劣化を防ぐことになり、電池の長寿命化につながる。

さらに他の垂下特性を持ったＰＣＳや電源と本例の蓄電池ブロック−ＰＣＳとを組み合わせることで以下の動作が期待できる。蓄電池ブロックが満充電になった場合に同ＰＣＳの動作維持に必要な最低限の電力を要求するような垂下率に設定することで、ＰＣＳの動作を継続しつつ充電電力をほぼ０に抑えることができる。このため、従来技術では蓄電池ブロックが満充電になった場合にＰＣＳを止めざるを得なかったのが、充電を抑制しつつ運転を継続させることができる。このためＰＣＳを停止する必要がなくなり、並列動作での信頼性を維持できる。

図８は、本発明の第２の実施例における蓄電池ブロック１０２に接続されるＰＣＳ１００−２の構成を示す。このＰＣＳでは、充電率に対して周波数垂下率を可変とするのではなく、定格周波数値を可変とする。主回路２１０まわりおよびその制御は、実施例１と同様であり、本例の制御ブロック２２０も実施例１の自立運転の構成をほぼ踏襲する。さらに並列制御を実施するための機構として、垂下特性を先に述べた自立運転制御に付加する。

本実施例の垂下制御ブロック２２５も図２で示した並列制御の構成をほぼ踏襲する。ただし本実施例では、図２のように周波数の定格値が固定ではなく、図８に示すように定格値修正計算部８２６から出力される修正値を加算される。この修正値については、充電率の大きさと有効電力の符号に基づき決定される。

図９に定格値修正計算部８２６の構成を示す。電力計算部２２４から出力された有効電力は符号抽出部９０１にて、その符号情報を抽出される。これは、現在のＰＣＳ１００−２の動作が充電動作か放電動作かの判定に用いる。一方、蓄電池ブロック１０２からの充電率情報は、放電用修正関数部９０２もしくは充電用修正関数部９０３に入力される。それぞれ周波数修正値に変換され、さきに説明した符号情報に基づき、充放電動作に応じた修正値が選択部９０４により選択される。

図１０に修正関数の例を示す。本例では、放電用修正関数には図１０Ａに示すような単調増加関数、充電用修正関数には図１０Ｂに示すような単調減少関数を用いる。横軸は蓄電池の充電率を示し、縦軸が周波数を示す。放電用修正関数では充電率が大きいほど定格周波数に加算する周波数を増やし、出力を増加させる。充電用修正関数ではその逆となる。いずれも、充電率において蓄電池の運用範囲を定めておき、対応する最大の周波数f_ＭＡＸと最小の周波数f_ＭＩＮを決定しその範囲内のｆ，ｆ’等で動作させる。以上のように、本実施例では周波数の定格値を蓄電池ブロックの充電率に応じて修正する特徴を持つ。

図１１Ａは周波数定格値（定格周波数）を可変した場合のＰＣＳ１台分の垂下特性を示す。実施例１の図６と比較すると、垂下率Ｍ_Ｎの傾きが固定となっている一方で、定格周波数が変更される構成となっている。初期周波数定格値ｆ_Ｎ、および定格（使用上の最大）電力値Ｐ_Ｎに対し許容する範囲で周波数の低下が収まるように、定格垂下量（Δｆ）_Ｎを設定した最低周波数定格値を有し、その範囲内で周波数定格値ｆ_０は可変とし、充電率の増減に応じて周波数定格値を決定する。より具体的には、図１０Ａの充電率と周波数定格値特性に従い放電時には、充電率が大きいほど周波数定格値を上げる方向に設定する。一方、図１０Ｂの充電率と周波数定格値特性に従い、充電時には、充電率が大きいほど周波数定格値を下げる方向に設定する。

図１１Ｂを参照して、２台のＰＣＳを並列運転する場合を考える。図１１Ｂは、この垂下特性をもつ蓄電池ブロック１−ＰＣＳ１と同じくこの垂下特性をもつ蓄電池ブロック２−ＰＣＳ２を交流側で接続して、別の手段で得た電力（充電電力）を両ＰＣＳが受け取る場合の挙動を示す図である。両蓄電池ブロックの充電率が同じ時は、図５ＢのようにＰＣＳ１とＰＣＳ２の間で垂下率は同じであり、均等な電力配分が行われ、均等な充電が行われる。

しかし、図１１Ｂに示すように、蓄電池ブロック１の充電率が蓄電池ブロック２の充電率より小さい場合は、ＰＣＳ１の垂下量はＰＣＳ２より小さくしなければならない。このため、ＰＣＳ１の周波数定格値ｆ１をＰＣＳ２の周波数定格値ｆ２より大きくする。こうすると、垂下率Ｍ_Ｎを固定としていても、充電電力のうちＰＣＳ１に配分される電力はＰＣＳ２に配分される電力より多くなるため、蓄電池ブロック１の充電は蓄電池ブロック２より進む。この電力配分が異なる状態は、両蓄電池の充電率の差異がなくなるまで継続されるため、最終的には両蓄電池の充電率は同じとなる。このため、蓄電池ブロックの均等充電が実現できる。

図１１Ｃは、この垂下特性をもつ蓄電池ブロック１−ＰＣＳ１と同じくこの垂下特性をもつ蓄電池ブロック２−ＰＣＳ２を交流側で接続して、蓄電池に蓄えた電力（放電電力）を両ＰＣＳが受け取る場合の挙動を示す図である。両蓄電池ブロックの充電率が同じ時は、図５ＢのようにＰＣＳ１とＰＣＳ２の間で垂下率は同じであり、均等な電力配分が行われ、均等な放電が行われる。

しかし、図７Ａに示すように、蓄電池ブロック１の充電率が蓄電池ブロック２の充電率より大きい場合は、ＰＣＳ１の垂下量はＰＣＳ２より小さく設定されなければならない。このため、ＰＣＳ１の周波数定格値ｆ１をＰＣＳ２の周波数定格値ｆ２より大きくする。こうすると、垂下率Ｍ_Ｎを固定としていても、放電電力のうちＰＣＳ１に配分される電力はＰＣＳ２に配分される電力より多くなるため、蓄電池ブロック１の放電は蓄電池ブロック２より進む。この電力配分が異なる状態は、両蓄電池の充電率の差異がなくなるまで継続されるため、最終的には両蓄電池の充電率は同じことになる。このため、蓄電池ブロックの均等充電が実現できる。

本実施例の制御による蓄電池ブロック間の充電率のばらつきが修正されるイメージは、実施例１の図７Ｂと同様である。また実施例1で述べた、蓄電池の長寿命化や蓄電池ブロックの満充電時の並列運転継続の利点は本例にても同様に期待できる。

図１２は、本発明の第３の実施例における蓄電池ブロック１０２に接続されるＰＣＳ１００−３の構成を示す。本例は実施例１と同様に充電率の変化に応じて、周波数垂下率を変化させる方式である。しかし、本実施例は、蓄電池ブロック１０２から充電率を入力されるのではなく、直流側の電圧を電圧センサ１２１６で取得し、充電率推定部１２１７で充電率に変換し、その充電率を垂下率計算部１２２６に入力する。充電率推定部１２１７は、使用する電池の直流電圧とその充電率の関係を示すテーブルを予め用意する。そのテーブルを介して電圧から充電率を推定する。

本実施例は、蓄電池ブロック１０２に電池コントローラが搭載されていないような、低予算な簡易型ブロックの場合に適用される。この場合、蓄電池ブロック―ＰＣＳのシステム構成は、蓄電池セル１０５を接続した組電池１０７とＰＣＳ１００およびその間の直流配線のみである。それ以外の動作は実施例１と同様である。また同じ充電率推定方法は、実施例２の定格値修正の場合も適用できる。

図１３は、本発明の第４の実施例における垂下率計算部１３２６の構成を示す。この垂下率計算部１３２６は、例えば図２の垂下率計算部２２６に置き換えて用いることができる。本例は実施例１等と同様に充電率の変化に応じて、周波数垂下率を変化させる方式である。実施例１では、各ＰＣＳ１００の垂下率計算部２２６のアルゴリズムは、同一のものを想定していた。しかし、本実施例は、接続される蓄電池ブロック１０２の電池の種類に応じて、垂下関数を選択できる。電池の種類や本数に応じて、充電用および放電用垂下関数のセット１２２６_１〜１２２６_Ｎを用意する。蓄電池の電池情報（種類や本数）をもとに、適切な垂下関数セットを選択部１２０１から得て、垂下率とする。

電池情報は充電率とともに、蓄電池ブロック１０２から取得する。あるいは、別途データとして持っていても良い。この構成にすることで、蓄電池ブロック１０２に依存した部分は蓄電池ブロックにあつめ、ＰＣＳ１００は同じものを適用できるメリットがある。それ以外の動作は実施例１と同様である。また同じ構成は、実施例２の定格値修正の場合も適用できる。

本発明の第５の実施例では、充電率に応じて垂下率を計算する部分を制御ブロックではなく、ＰＬＣ（Ｐｒｏｇｒａｍ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）に実装する例を示す。一般にＰＣＳは運転制御する機構としてＰＬＣを備えている。そこで、本実施例をＰＬＣに組み込むことで、ＰＣＳに改造を加えることなく均等充放電を実現できる。

以上の実施例で説明したように、蓄電池−ＰＣＳを並列制御する際、各々の蓄電池の充電率に応じて充放電電力の按分率を変えるため、充電率のばらつきを修正することができる。具体的には充電の際は、より充電率の低い蓄電池−ＰＣＳに多くの電力を配分する。放電の際は、より充電率の高い蓄電池−ＰＣＳから多くの電力を拠出させる。この動作によって、各蓄電池の充電率のばらつきは小さくなる。このため、より多くの電力を連携システムに充電できるとともに、より多くの電力をシステムから放電できるようになる。

このように、蓄電池−ＰＣＳが複数並列に接続された系統の並列制御において、ＰＣＳで決定された充放電速度に応じて系統の充放電される電力が分配される。これにより、並列制御であっても、一つの蓄電池の充電が枯渇して全体系統が停止するということを防ぎ、安定して制御することができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることが可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の実施例の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１００：ＰＣＳ，１０１：ＰＶパネル、１０２：蓄電池ブロック、１０３：重要負荷、１０４：系統、１０５：畜電セル、１０６：電池コントローラ、１０７：組電池、２１０：主回路、２１１：スイッチ素子、２１２：リアクトル、２１３：トランス、２１４：交流電圧センサ、２１５：交流電流センサ、２２０：制御ブロック、２２１：電圧フィードバック制御、２２２：電圧補償制御、２２３：発振部、２２４：電力計算部、２２５：垂下制御ブロック、２２６：垂下率計算部、３０１：符号抽出部、３０２：放電用垂下関数部、３０３：充電用垂下関数部、３０４：垂下率切り替え部、７２６：定格値修正計算部、８０２：充電用修正関数、８０３：放電用修正関数、９０１：充電率推定部、１２２６：充放電用垂下関数セット、１２０１：関数セット切り替え部

Claims (12)

1. 蓄電池と電力変換装置が１対１で接続され、それらの組が交流側で複数接続された蓄電池と電力変換装置の連携システムの制御方法において、
   前記電力変換装置の其々は、対応する前記蓄電池の充電率に応じて前記蓄電池の充放電速度を決定し、
   該充放電速度に応じて前記電力変換装置の其々での充放電電力を割り当てることで、
   前記蓄電池の充電率が均等になるように制御する、
   ことを特徴とする蓄電池と電力変換装置の連携システムの制御方法。
2. 前記蓄電池と電力変換装置の連携システムは、系統がない状態で前記電力変換装置の其々が自立的に並列運転で制御されるものであって、
   前記並列運転の制御に用いる垂下特性に、各電力変換装置に接続されている前記蓄電池の充電率を反映させる、
   ことを特徴とする請求項１記載の蓄電池と電力変換装置の連携システムの制御方法。
3. 前記垂下特性は垂下率であり、前記垂下率の決定方法は前記蓄電池の充電時と放電時で異なり、
   前記充電率の大きさと前記垂下率の関係は、
   前記充電時は、前記充電率に対して前記垂下率が単調増加、
   前記放電時は、前記充電率に対して前記垂下率が単調減少である、
   ことを特徴とする請求項２記載の蓄電池と電力変換装置の連携システムの制御方法。
4. 前記垂下特性は周波数定格値を修正する修正値であり、前記修正値の決定方法は前記蓄電池の充電時と放電時で異なり、
   前記充電率の大きさと前記修正値で修正された前記周波数定格値の関係は、
   前記充電時は、前記充電率に対して前記周波数定格値が単調減少、
   前記放電時は、前記充電率に対して前記周波数定格値が単調増加である、
   ことを特徴とする請求項２記載の蓄電池と電力変換装置の連携システムの制御方法。
5. 前記充電率は、前記蓄電池に付随しており、前記蓄電池の電圧、電流および温度を監視する電池コントローラの出力を利用する、
   ことを特徴とする請求項１記載の蓄電池と電力変換装置の連携システムの制御方法。
6. 前記充電率は前記蓄電池の電圧から推定する、
   ことを特徴とする請求項１記載の蓄電池と電力変換装置の連携システムの制御方法。
7. 蓄電池ブロックと、該蓄電池ブロックに１対１で接続するパワーコンディショニングシステムとで、蓄電池―ＰＣＳの組を構成し、前記組が交流側で複数接続された連携システムにおける、前記パワーコンディショニングシステムであって、
   前記蓄電池ブロックと前記交流側の間で直流と交流の変換を行うスイッチング素子と、
   前記交流側の交流電圧と交流電流から、有効電力を計算する電力計算部と、
   対応する前記蓄電池ブロックの充電率と前記有効電力とを反映して、目標周波数を生成する発振器と、
   前記発振器の出力を前記スイッチング素子にフィードバックするフィードバック制御部と、
   を備えるパワーコンディショニングシステム。
8. 前記充電率と前記有効電力を入力とする垂下率計算部を備え、
   前記垂下率計算部は、
   前記有効電力の符号情報を抽出し、現在の動作が充電動作か放電動作かの判定を行う符号抽出部と、
   前記充電率に対応した充電用垂下率を出力する、充電用垂下関数部と、
   前記充電率に対応した放電用垂下率を出力する、放電用垂下関数部と、
   前記符号情報に基づいて、前記充電用垂下率あるいは放電用垂下率の一方を出力する選択部と、を備え、
   前記垂下率計算部の出力に基づいて、定格周波数を垂下して前記目標周波数を生成する、
   請求項７記載のパワーコンディショニングシステム。
9. 前記充電率と前記有効電力を入力とする定格値修正計算部を備え、
   前記定格値修正計算部は、
   前記有効電力の符号情報を抽出し、現在の動作が充電動作か放電動作かの判定を行う符号抽出部と、
   前記充電率に対応した充電用修正値を出力する、充電用修正関数部と、
   前記充電率に対応した放電用修正値を出力する、放電用修正関数部と、
   前記符号情報に基づいて、前記充電用修正値あるいは放電用修正値の一方を出力する選択部と、を備え、
   前記定格値修正計算部の出力に基づいて、定格周波数を修正して前記目標周波数を生成する、
   請求項７記載のパワーコンディショニングシステム。
10. 前記充電率と前記有効電力を入力とする制御部を備え、
    前記制御部は、前記充電率と前記有効電力とに基づいて制御値を決定し、
    前記制御値に基づいて定格周波数を調整して前記目標周波数を生成する、
    請求項７記載のパワーコンディショニングシステム。
11. 前記制御部は、
    前記有効電力の符号を検出し、
    検出した前記符号に基づいて、異なる前記制御値を決定する、
    請求項１０記載のパワーコンディショニングシステム。
12. 前記電力計算部は、前記交流側の交流電圧と交流電流から、無効電力を計算し、
    前記無効電力を用いて電圧垂下量を決定し、前記電圧垂下量に基づく電圧指令値を生成する電圧指令値生成回路を備え、
    前記フィードバック制御部は、前記電圧指令値を、前記スイッチング素子にフィードバックする、
    請求項１１記載のパワーコンディショニングシステム。

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