JP2019075849A

JP2019075849A - 給電装置

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Publication number: JP2019075849A
Application number: JP2017198551A
Authority: JP
Inventors: 美喜植嶋; Miki Uejima; 一史湯淺; Kazufumi Yuasa; 忠利馬場▲崎▼; Tadatoshi Babasaki
Original assignee: NTT Facilities Inc
Current assignee: NTT Facilities Inc
Priority date: 2017-10-12
Filing date: 2017-10-12
Publication date: 2019-05-16
Anticipated expiration: 2037-10-12
Also published as: JP7283858B2

Abstract

【課題】蓄電池に求められる容量を低減し、コスト削減を容易にすることができる給電装置を提供する。
【解決手段】電力を発電する発電部１０と、商用系統６０および発電部１０から供給された電力を充電可能であり、負荷５０に対して蓄えた電力を放電可能な蓄電部２０と、蓄電部２０における充電および放電を制御するとともに、発電部１０における所定期間の計画発電量と、負荷５０における所定期間の需要電力量とに基づいて、商用系統６０および発電部１０による電力の供給が制限された場合に、当該制限されている間、負荷５０への電力の供給を可能とする蓄電部２０のバックアップ用容量を求める制御部３０，４０と、が設けられていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、給電装置に関する。

発電装置と蓄電池を有する給電システムであって、蓄電池を停電時のバックアップに用いるものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１では、充放電時間を考慮して蓄電池の劣化状態を判定する技術が提案されている。

特開２０１１−０８９９３８号公報

その一方で、蓄電池を停電時のバックアップだけでなく自家消費にも用いる技術が知られている。この場合、停電が発生し、かつ、発電装置による発電がない最悪のケースでも所定の電力が供給できるように、蓄電池のバックアップ用容量が決定されていた。このようにバックアップ用容量を決めると、自家消費に使える蓄電池の容量が限定されてしまい、蓄電池の容量を有効に活用することが難しいという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、蓄電池に求められる容量を低減し、コスト削減を容易にすることができる給電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の給電装置は、電力を発電する発電部と、商用系統および前記発電部から供給された電力を充電可能であり、負荷に対して蓄えた電力を放電可能な蓄電部と、前記蓄電部における充電および放電を制御するとともに、前記発電部における所定期間の計画発電量と、前記負荷における前記所定期間の需要電力量とに基づいて、前記商用系統および前記発電部による電力の供給が制限された場合に、当該制限されている間、前記負荷への電力の供給を可能とする前記蓄電部のバックアップ用容量を求める制御部と、が設けられていることを特徴とする。

本発明の給電装置によれば、所定期間における計画発電量および需要電力量に基づいてバックアップ用容量を求めるため、予めバックアップ用容量を定めている場合と比較して、バックアップ用容量が過大になることを防止しやすい。そのため、発電部で発電した電力を蓄電部に蓄えた後に負荷で消費する自家消費に使われる蓄電部の容量を確保しやすくなる。言い換えると、蓄電部の容量を増やすことなく、バックアップ電源としての信頼性確保と自家消費率の向上の両立を図りやすくなる。

上記発明において前記制御部は、前記発電部における発電効率、および、前記蓄電部における充電効率の少なくとも一方に基づいて前記バックアップ用容量を求めることが好ましい。このように発電効率および充電効率の少なくとも一方に基づいてバックアップ用容量を求めることにより、バックアップ用容量が過大になることを更に防止しやすくなる。

上記発明において前記制御部は、前記負荷に関する情報に基づいて、前記バックアップ用容量を求めることが好ましい。
このように負荷に関する情報に基づいてバックアップ用容量を求めることにより、バックアップ用容量が過大になることを更に防止しやすくなる。ここで、負荷に関する情報としては、当該負荷が、電力供給の停止が許容されない重要設備である場合に、停電が許容される所定期間の長さ等の情報を例示することができる。

上記発明において前記発電部は太陽光発電設備であり、気象予測情報に基づいて前記所定期間の前記計画発電量を求めることが好ましい。このように発電部が太陽光発電設備である場合、気象予測情報に基づいて計画発電量を求めることにより、バックアップ用容量が過大になることを更に防止しやすくなる。

本発明の給電装置よれば、所定期間における計画発電量および需要電力量に基づいてバックアップ用容量を求めることにより、蓄電池に求められる容量を低減し、コスト削減が容易になるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る給電装置の構成を説明する模式図である。図１の蓄電池におけるバックアップ用容量および自家消費用容量を説明する模式図である。図１の制御用コンピュータの構成を説明する模式図である。天気予報および発電実績データの蓄積を行う演算処理を説明するフローチャートである。図５（ａ）〜（ｃ）は、予報情報、天気情報および発電実績データの紐付け状態を説明する概念図である。バックアップ用容量を設定する演算処理を説明するフローチャートである。図７（a）〜（ｂ）は、発電予測値および信頼区間を説明する図である。発電電力、需要電力、充放電電力およびＳＯＣの時間変化を説明する図で得ある。

この発明の一実施形態に係る給電装置について、図１から図８を参照しながら説明する。図１に示す本実施形態の給電装置１は、発電部１０で発電された電力を需要部（負荷）５０に供給可能とするとともに、商用系統６０に停電が発生した際にも需要部５０に電力を継続して供給可能にするものである。

給電装置１には、図１に示すように発電を行う発電部１０と、電力を蓄える蓄電部２０と、蓄電部２０における充放電を制御する制御部３０と、が主に設けられている。また、給電装置１には、外部の商用系統６０から商用電力が供給可能に接続されている。

発電部１０は、発電した電力を蓄電部２０や需要部５０に供給するものである。本実施形態では発電部１０が太陽光を用いて発電を行う太陽光発電である例に適用して説明する。

発電部１０には、太陽光により発電を行う太陽光パネルなどを備える太陽光発電設備１１と、太陽光発電設備１１により発電された直流電力を所望の電力に変換するＰＣＳ部１２と、が主に設けられている。

なお、太陽光発電設備１１としては公知の太陽光発電に関連する技術を用いて構築されたものを用いることができ、その形式などを特に限定するものではない。ＰＣＳ部１２としては、公知の形式のパワーコンディショナを用いることができる。本実施形態では、ＰＣＳ部１２は太陽光発電設備１１により発電された直流電力を交流電力に変換する例に適用して説明する。

なお、ＰＣＳ部１２により変換される電力は、需要部５０に供給する電力の形式に合わせることができ、例えば交流電力であってもよいし直流電力であってもよい。更には、供給される電圧も需要部５０に基づいて定められる所望の電圧とすることができる。

蓄電部２０は、商用系統６０や太陽光発電設備１１から供給される電力を充電するものであり、また、充電された電力を需要部５０に供給する蓄電池でもある。蓄電部２０としては公知の充電および放電が可能な二次電池であればよく、その形式を特に限定するものではない。

本実施形態では、図２に示すように、蓄電部２０における充電可能な電力量である容量は、バックアップ用容量２１および自家消費用容量２２に分けて扱われる。バックアップ用容量２１は、商用系統６０において停電が発生した際に需要部５０に供給する電力を確保するための容量である。自家消費用容量２２は、発電部１０により発電された電力を需要部５０に供給する際に一時的に蓄電部２０に蓄えるために用いられる容量である。言い換えると、発電部１０により発電される電力の変動と、需要部５０における電力需要の変動との差を埋めるために用いられる容量である。

制御部３０は、蓄電部２０に対する充電および放電の制御を行うものである。制御部３０は、商用系統６０から需要部５０に延びる電力供給線６１上であって、蓄電部２０へ分岐する分岐線６２が電力供給線６１と交わる位置に配置されている。

制御部３０には、交流電力から直流電力へ、直流電力から交流電力へ変換する変換部３１と、蓄電部２０における充電および放電を制御する充放電部３２および制御用コンピュータ（制御部）４０と、が主に設けられている。なお、制御用コンピュータ４０は、制御部３０と一体に設けられていてもよいし、制御部３０とは分離して設けられていてもよい。

変換部３１は、商用系統６０または発電部１０から蓄電部２０へ充電する電力を供給する場合には、交流電力を直流電力へ変換し、逆に蓄電部２０から放電された電力を需要部５０に供給する場合には、直流電力から交流電力へ変換するものである。変換部３１の構成としては、公知の構成を用いることができる。なお、需要部５０へ直流電力を供給する場合には、変換部３１は商用系統６０から供給される交流電力を直流電力に変換するものである。

充放電部３２は、制御用コンピュータ４０から入力される制御信号に基づいて、蓄電部２０における充電および放電を制御するものである。充放電部３２の形式や構成としては公知の形式や構成を用いることができ、特に限定するものではない。

制御用コンピュータ４０は、充放電部３２による充放電を制御する制御信号を出力するものであり、蓄電部２０のバックアップ用容量２１を求めるものでもある。制御用コンピュータ４０は、ＣＰＵ（中央演算処理ユニット）、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インタフェース等を有するコンピュータである。

上述のＲＯＭ等の記憶装置に記憶されているプログラムは、図３に示すように、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インタフェースを協働させて、入出力部４１、演算部４２、および、記憶部４３として機能させるものである。

入出力部４１は、外部の気象情報を提供する気象会社４６から天気予報の情報（気象予測情報）を取得するものである。なお、気象会社４６には、気象庁などの気象情報を提供する公的な組織や、民間の組織が含まれる。気象情報には、晴れ、曇り、雨、晴れのち曇り、曇りのち雨、晴れ時々曇り、曇り時々雨などの翌日以降の天気予報の情報や、日射量や雲量等の情報が含まれる。

また、入出力部４１は充放電を制御する制御信号を充放電部３２へ出力するものでもある。入出力部４１は、情報通信網を介して外部の気象情報を提供する気象会社４６と情報通信が可能に接続されている。さらに、充放電部３２とも情報通信可能に接続されている。

演算部４２は、蓄電部２０のバックアップ用容量２１を求める演算を行うものである。また、充放電部３２による充放電を制御する制御信号を生成するものでもある。演算部４２によるバックアップ用容量２１を求める演算の内容などについては後述する。

記憶部４３は、演算部４２によるバックアップ用容量２１を求める演算に用いられる情報が記憶されるものである。記憶部４３に記憶される情報の内容については、演算部４２の演算内容の説明とともに後述する。

次に、上記の構成からなる給電装置１における制御内容について説明する。給電装置１の制御には、気象会社４６が提供する天気予報および発電部１０が発電した電力である発電実績データを蓄積する演算処理と、蓄電部２０のバックアップ用容量２１を求めて蓄電部２０に蓄電されている電力量を調整する制御と、が含まれる。

まず、図４および図５を参照しながら天気予報および発電実績データの蓄積を行う演算処理について説明する。なお、本実施形態では、天気予報および発電実績データの蓄積を行う例に適用して説明するが、日射量や雲量等と、発電実績データの蓄積を行ってもよい。

給電装置１の制御用コンピュータ４０は、例えば、一日のうちの予め定められた所定の時刻になると、気予報および発電実績データの蓄積を行う演算処理を開始する。本実施形態では、一日に一回の頻度で当該演算処理を行う例に適用して説明する。

演算処理が開始されると制御用コンピュータ４０の演算部４２は、図４に示すように、入出力部４１を介して気象会社４６から天気予報の情報を取得する処理を行う（Ｓ１１）。具体的には、気象会社４６に対して翌日の天気予報と前日の天気情報の出力を要求する信号を出力し、気象会社４６から送信されてきた翌日の天気予報と前日の天気情報を取得する処理を行う。なお、前日の天気情報とは、前日の実際の天気を表す情報である。

翌日の天気予報と前日の天気情報を取得すると、演算部４２は翌日の天気予報に翌日の日付情報を紐付けて記憶部４３に記憶させる処理を行う（Ｓ１２）。さらに演算部４２は、前日の日付情報と一致する天気予報に、前日の天気情報を紐付けて記憶部４３に記憶させる処理を行う。言い換えると、所定の日における天気予報と、その結果である天気情報とを紐付けして記憶する処理を行う。

次いで演算部４２は、前日の発電実績データを取得する処理を行う（Ｓ１３）。前日の発電実績データは、発電部１０において蓄積されている例を挙げることができる。この場合、演算部４２は、発電部１０から発電実績データを取得する処理を行う。なお、発電実績データが蓄積される場所は、発電部１０であってもよいし、発電部１０の状態を監視する監視センターなど他の場所であってもよい。

発電実績データを取得すると、演算部４２は発電実績データを記憶部４３に記憶させる処理を行う（Ｓ１４）。発電実績データは、データを取得した日付情報と一致する天気予報および天気情報と紐付けして記憶部４３に記憶される。言い換えると、所定の日における天気予報と、その結果である天気情報と、発電結果である発電実績データを紐付けして記憶する処理を行う。

例えば、天気予報が晴れ、当日の天気情報が晴れ、その場合の発電実績データが紐付けされたものを図５（ａ）に示す。また、天気予報が晴れ、当日の天気情報が曇り、その場合の発電実績データが紐付けされたものを図５（ｂ）に示す。さらに、天気予報が晴れ、当日の天気情報が雨、その場合の発電実績データが紐付けされたものを図５（ｃ）に示す。

発電実績データの記憶処理が行われると、その日における制御用コンピュータ４０の演算処理は終了する。制御用コンピュータ４０は、次の日の演算処理を開始する時刻まで待機する。

次に蓄電部２０のバックアップ用容量２１を求めて蓄電部２０に蓄電されている電力量を調整する制御について図６を参照しながら説明する。本実施形態では、商用系統６０が１日停電する場合を想定して制御する例に適用して説明する。なお、商用系統６０が停電する期間は上述の１日であってもよいし、１日よりも短い期間であってもよいし、１日よりも長い期間であってもよい。

給電装置１の制御用コンピュータ４０は、例えば、予め定められた所定の時刻になると、バックアップ用容量２１を求めて蓄電部２０に蓄電されている電力量を調整する制御を開始する。予め定められた所定の時刻としては、１時間ごとに定められる所定の時刻（例えば、０時３０分、１時３０分、２時３０分のような時刻）であってもよいし、１分ごとに定められる所定の時刻（例えば、１２時１分３０秒、１２時２分３０秒、１２時３分３０秒のような時刻）であってもよい。

制御が開始されると制御用コンピュータ４０の演算部４２は、図６に示すように、入出力部４１を介して気象会社４６から翌日の天気予報の情報を取得する処理を行う（Ｓ２１）。天気予報の情報を取得する具体的な処理は、Ｓ１１で行われる処理と同様である。

なお、本実施形態では、翌日の天気予報の情報に基づいてバックアップ用容量２１を求める例に適用して説明するが、翌日の日射量や雲量等などの情報に基づいてバックアップ用容量２１を求めてもよい。

翌日の天気予報の情報を取得すると、演算部４２は、翌日の発電量（所定期間の計画発電量）を予測する演算処理を行う（Ｓ２２）。翌日の発電量は、記憶部４３に記憶されている天気予報と発電実績データに基づいて予測される。

また、予測される発電量には、発電予測値ＰＲと、発電量の変動幅を表す信頼区間ＲＥと、が含まれる。図７（ａ）は、天気予報が晴れの場合の発電予測値ＰＲと、信頼区間ＲＥの例を示すものであり、図７（ｂ）は、天気予報が雨の場合の発電予測値ＰＲと、信頼区間ＲＥの例を示すものである。本実施形態では、信頼区間ＲＥの上限と発電予測値ＰＲとの差の値、および、信頼区間ＲＥの下限と発電予測値ＰＲとの差の値が等しい例に適用して説明するが、両者の値が異なっていてもよい。

演算部４２は、記憶部４３に記憶されている天気予報および天気情報に基づいて、天気予報が当たる確率および外れる確率を求める。求められたこれら確率と、発電実績データに基づいて発電予測値ＰＲおよび信頼区間ＲＥを求める演算処理を行う。

信頼区間ＲＥの範囲は、需要部５０に関連して定められる情報に応じて定められてもよい。予め定められている電力需要の情報としては、停電が許容される予め定められた所定期間（本実施形態では１日）の長さ等を例示することができる。例えば、需要部５０の重要度、言い換えると停止が許容される所定期間の長さに応じて上述の設定が定められる。需所定期間の長さが長い場合には、信頼区間ＲＥの範囲が広く、または、信頼区間ＲＥの下限値が低くなるように定められる。なお、需要部５０に関連して定められる情報は予め定められており、当該情報は、例えば記憶部４３に記憶されている。

次いで演算部４２は、需要部５０における翌日の電力需要（所定期間の需要電力量）を設定する演算処理を行う（Ｓ２３）。例えば、需要部５０の重要度（負荷に関する情報）が低い場合、言い換えると、需要部５０の停止が許容される程度が高い場合には、演算部４２は、予め定められている電力需要の情報を取得する処理を行う。予め定められている電力需要の情報は、記憶部４３に記憶されていてもよいし、入出力部４１を介して外部から取得してもよい。

また、需要部５０の重要度が高い場合、言い換えると、需要部５０の停止が許容される程度が低い場合には、需要部５０における電力需要の実績値を取得し、取得した実績値に基づいて翌日の電力需要を作成する処理が行われる。翌日の電力需要の作成に際しては、翌日の曜日や、予め設定されているイベントなどのカレンダ情報が参照されてもよい。電力需要の実績値は、需要部５０において測定され記憶されている例や、制御用コンピュータ４０が需要部５０の消費電力量を取得して記憶している例などを挙げることができる。

翌日の電力需要が設定されると演算部４２は、バックアップ用容量２１を設定する演算処理を行う（Ｓ２４）。具体的には、Ｓ２２において予測した翌日の発電量、および、Ｓ２３において設定した翌日の電力需要に基づいてバックアップ用容量２１を設定する演算処理を行う。

具体的には、演算部４２は、翌日の電力需要から翌日の発電量を除くことにより、蓄電部２０に蓄える電力量を求める演算処理を行う。求められた電力量に基づいてバックアップ用容量２１を設定する演算処理を行う。

演算部４２は、発電部１０の発電効率、および、蓄電部２０の充電効率の少なくとも一方にも基づいてバックアップ用容量２１を設定する演算処理を行う。発電部１０は定格の発電量において発電効率が高くなり、発電量が低下すると発電効率も低下する。この発電効率の低下を考慮してバックアップ用容量２１を設定する演算処理を行う。また、蓄電部２０の充電効率も、充電されている容量に応じて充電効率が変動する。この充電効率の変動を考慮してバックアップ用容量２１を設定する演算処理を行う。

バックアップ用容量２１の設定が行われると、制御用コンピュータ４０は、設定されたバックアップ用容量２１に基づいて充放電部３２を制御する処理を行う（Ｓ２５）。充放電部３２は、制御用コンピュータ４０の制御に従い、蓄電部２０の充放電を行う。

上述の制御により蓄電部２０のバックアップ用容量２１が確保されている際に、１日停電が発生した場合について、図８を参照しながら説明する。図８には、発電部１０による発電電力１０Ａと、需要部５０における需要電力５０Ａと、蓄電部２０の充放電電力２０Ａと、蓄電部２０に蓄えられている電力量を示すＳＯＣ（ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇｅ）２０Ｂとが示されている。横軸は、停電が起きた時点を起点とした経過時間を示している。また、図８では午前０時に停電が起きた場合を示している。

停電が発生した時点において蓄電部２０にはバックアップ用容量２１が確保されている。図８ではＳＯＣで約５０％のバックアップ用容量２１が確保されている。停電が発生してから３６０分が経過するまでは、需要部５０に対して蓄電部２０から電力が供給されている。図８では蓄電部２０の充放電電力２０Ａが負の値となっており、蓄電部２０が放電していることが示されている。蓄電部２０のＳＯＣは、放電に伴い値が小さくなる。

なお、需要部５０における需要電力５０Ａは、停電が開始してから約５４０分までは一定の値、約５４０分を超えて約１０２０分までは需要電力５０Ａが増加し、約１０２０分を超えると元の一定の値に戻ると仮定している。

停電開始から３６０分が経過すると朝となり発電部１０による発電が始まる。発電部１０により発電された電力は需要部５０に供給される。これに伴い、蓄電部２０から放電される電力は減少する。発電部１０により発電される電力が需要部５０の需要電力を超えると、余った電力は蓄電部２０に蓄電される。蓄電部２０のＳＯＣは、充電および放電に伴い値が変化するが、変動幅は小さい。

停電が開始してから約１０２０分で日が沈み発電部１０による発電が終わる。これにより、蓄電部２０の放電によって需要部５０へ電力供給が供給される。停電が開始してから１日（１４４０分）経過した時点においても、図８に示すように、蓄電部２０の放電によって需要部５０へ電力供給が維持されている。

上記の構成の給電装置１によれば、翌日の発電量および翌日の電力需要に基づいてバックアップ用容量２１を求めるため、予めバックアップ用容量２１を定めている場合と比較して、バックアップ用容量２１が過大になることを防止しやすい。そのため、発電部１０で発電した電力を蓄電部２０に蓄えた後に需要部５０で消費する自家消費に使われる蓄電部２０の容量を確保しやすくなる。言い換えると、蓄電部２０の容量を増やすことなく、バックアップ電源としての信頼性確保と自家消費率の向上の両立を図りやすくなる。

更に、発電効率および充電効率の少なくとも一方に基づいてバックアップ用容量２１を求めることにより、バックアップ用容量２１が過大になることを更に防止しやすくなる。

需要部５０に関する情報に基づいてバックアップ用容量２１を求めることにより、バックアップ用容量２１が過大になることを更に防止しやすくなる。ここで、需要部５０に関する情報としては、需要部５０が、電力供給の停止が許容されない重要設備である場合に、停電が許容される予め定められた所定期間（本実施形態では１日）の長さ等の情報を例示することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上記の実施の形態においては、発電部１０が太陽光を用いて発電を行う太陽光発電である例に適用して説明したが、その他に、風により発電を行う風力発電であってもよい。更には、水素等により発電を行う燃料電池や、発動機により発電を行うもののように、計画性を持って発電を行うものであってもよく、発電の形式を限定するものではない。その他に、力を供給できる他の蓄電池であってもよい。

給電装置…１、発電部…１０、太陽光発電設備…１１、蓄電部…２０、バックアップ用容量…２１、制御部…３０、制御用コンピュータ（制御部）…４０、需要部（負荷）…５０、商用系統…６０

Claims

電力を発電する発電部と、
商用系統および前記発電部から供給された電力を充電可能であり、負荷に対して蓄えた電力を放電可能な蓄電部と、
前記蓄電部における充電および放電を制御するとともに、前記発電部における所定期間の計画発電量と、前記負荷における前記所定期間の需要電力量とに基づいて、前記商用系統および前記発電部による電力の供給が制限された場合に、当該制限されている間、前記負荷への電力の供給を可能とする前記蓄電部のバックアップ用容量を求める制御部と、が設けられていることを特徴とする給電装置。
前記制御部は、前記発電部における発電効率、および、前記蓄電部における充電効率の少なくとも一方に基づいて前記バックアップ用容量を求めることを特徴とする請求項１記載の給電装置。
前記制御部は、前記負荷に関する情報に基づいて、前記バックアップ用容量を求めることを特徴とする請求項１または２に記載の給電装置。
前記発電部は太陽光発電設備であり、気象予測情報に基づいて前記所定期間の前記計画発電量を求めることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の給電装置。