JP2020202735A - 蓄電池利用システム - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電池を利用して電力使用を制御し契約電力を下げ基本料金を低減できる蓄電池利用システムを提供する。【解決手段】蓄電池利用システム１は、系統１０側に設けられ契約値以内の電流が入力されるＡＣ／ＤＣコンバータ部１６と、負荷２９側に設けられ契約値より大きい電流を出力可能なＤＣ／ＡＣインバータ部２３と、ＡＣ／ＤＣコンバータ部からＤＣ／ＡＣインバータ部の間に設けられ、ＡＣ／ＤＣコンバータ部からの電流を充電し、ＤＣ／ＡＣインバータ部を介して負荷に放電する蓄電池２１と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電池を利用した電力使用についての蓄電池利用システムに関する。

電気料金は、基本料金と電力量料金とで構成される。基本料金は、電力会社と結ぶ契約電力を基に算定され、月額固定のものである。電力量料金は、毎月の使用量に単価を掛け合わせて算定される。電気料金を下げる策として、例えば特許文献１に記載の電力使用システムが開示されている。特許文献１の電力使用システムは、太陽光が多い日中帯では、太陽光発電装置からの出力電力により負荷装置を動作させ、発電量が負荷を上回る場合に余剰電力を蓄電池に充電し、太陽光発電装置で発電することができない夜間帯では、蓄電池または整流器からの出力電力により負荷装置を動作させる。これにより、蓄電池を利用して商用電力の使用量を減らし、電力量料金を低減することができる。

特開２０１７−２０４９９２号公報

一方、基本料金は、利用できる電力の上限として設定される契約電力の大きさで定まり、契約電力が上がれば当然高額となる。
しかし、従来、太陽光発電の余剰電力を蓄電池に蓄えてその電力を使用することにより商用電力の使用量を減らすことはできても、契約電力を下げるために蓄電池を利用して電力使用を制御するシステムはなかった。

そこで、本発明は、蓄電池を利用して電力使用を制御し契約電力を下げ基本料金を低減できる蓄電池利用システムの提供を課題とするものである。

請求項１の蓄電池利用システムは、系統側に設けられ契約値以内の電流が入力されるＡＣ／ＤＣコンバータ部と、負荷側に設けられ前記契約値より大きい電流を出力可能なＤＣ／ＡＣインバータ部と、前記ＡＣ／ＤＣコンバータ部から前記ＤＣ／ＡＣインバータ部の間に設けられ、前記ＡＣ／ＤＣコンバータ部からの電流を充電し、前記ＤＣ／ＡＣインバータ部を介して前記負荷に放電する蓄電池と、を備えている。

請求項２の蓄電池利用システムは、前記蓄電池よりも前記系統側に設けられ、前記系統側との接続を開閉するスイッチ要素と、当該スイッチ要素の開閉を制御する制御機器と、を更に備えている。
請求項３の蓄電池利用システムは、前記ＡＣ／ＤＣコンバータ部よりも前記系統側に、当該系統に系統連系可能な系統連系自家発電設備を更に備えている。
請求項４の蓄電池利用システムは、前記ＡＣ／ＤＣコンバータ部よりも前記負荷側に、前記蓄電池または前記ＤＣ／ＡＣインバータ部に自家消費専用の電力を供給する自家消費専用自家発電設備を更に備えている。

本発明は、系統側から負荷に流れる電力の一部がＡＣ／ＤＣコンバータ部を介して蓄電池に充電され、蓄電池に蓄えられた電力がＤＣ／ＡＣインバータ部を介して負荷に供給されることにより、系統側からＡＣ／ＤＣコンバータ部に入力される電力より大きな電力を負荷に供給することができる。これにより、従来、大きな電力が負荷に使用されるとき、それに応じて契約電力を大きくする必要があったが、本発明は、蓄電池の電力を負荷に回すことによってその分系統から直接負荷に使用する電力を低減できるので、契約電力を上げることなく大きな電力を負荷に使用することができる。言い換えれば、通常の量の電力を負荷に使用しているときは、蓄電池から回される電力分に対応して契約電力を下げることが可能となり、基本料金を低減できる。

本発明の実施形態の蓄電池利用システムを示す電気回路図であり、ＡＣ／ＤＣコンバータ部の切換開閉器がＯＮの状態を示す。 図１の蓄電池利用システムを示す電気回路図であり、ＡＣ／ＤＣコンバータ部の切換開閉器がＯＦＦの状態を示す。 本発明の別の実施形態の蓄電池利用システムを示す電気回路図であり、蓄電池に充電される状態を示す。 図３の蓄電池利用システムを示す電気回路図であり、蓄電池から放電される状態を示す。

以下、本発明の実施形態の蓄電池利用システムを図に基づいて説明する。本実施形態では、契約電力が５０ｋＷ以下である一般家庭などで使用される低圧の区分を対象として構築される蓄電池利用システムを例示する。

図１及び図２に示す蓄電池利用システム１において、系統１０側には、系統１０からの契約値以内の電流が入力されるＡＣ／ＤＣコンバータ部１６が設けられ、負荷２９側には、契約値より大きい電流を出力可能なＤＣ／ＡＣインバータ部２３が設けられている。なお、一般家庭向けの契約電力は、通常「アンペア(Ａ)」を単位として定められており、基本料金はそれに対応した金額が設定され、契約電力が大きい程高額である。本実施形態では、契約電力は３０Ａに設定され、負荷２９側の保安ブレーカ２４は契約電力以上の電力を使用可能とするために６０Ａに設定されている。

ＡＣ／ＤＣコンバータ部１６からＤＣ／ＡＣインバータ部２３に至る間には、ＡＣ／ＤＣコンバータ部１６からの電流を充電し、ＤＣ／ＡＣインバータ部２３を介して負荷２９に放電する蓄電池２１が設けられている。更に、ＡＣ／ＤＣコンバータ部１６よりも系統１０側には、系統１０に系統連系可能な系統連系自家発電設備１２が設置されている。また、ＡＣ／ＤＣコンバータ部１６よりも負荷２９側には、蓄電池２１及びＤＣ／ＡＣインバータ部２３に自家消費専用の電力を供給する自家消費専用自家発電設備１９が設置されている。

系統１０からの電力は、電力計１１によって計測された後、契約ブレーカ１４及び保安ブレーカ１５を経てＡＣ／ＤＣコンバータ部１６に入力される。契約ブレーカ１４は契約値以上の電流が流れると、ブレーカが落ちて通電が遮断される。保安ブレーカ１５は、漏電を防止し、安全を確保するためのものであり、設定値以上の電流が流れると、ブレーカが落ちて通電が遮断される。

ＡＣ／ＤＣコンバータ部１６は、交流を直流に変換するとともに、系統１０側と負荷２９側との接続を開閉するスイッチ要素としての切換開閉器１７を一体に備えており、系統１０からの交流の入力をＯＮ（接続状態）とＯＦＦ（遮断状態）とに切り換える。切換開閉器１７がＯＮの状態では、系統１０側から入力された交流が直流に変換され、負荷２９側に出力される。ＡＣ／ＤＣコンバータ部１６は、別途に設けられた制御機器１８により切換開閉器１７の開閉が制御される。ここで、ＡＣ／ＤＣコンバータ部１６の定格は、契約値より大きくてもよいし、契約値と同一あるいはそれより小さくてもよい。なお、契約電力は３０Ａであり、また、一般家庭では１００Ｖの電圧が使用されることが多いので、ＡＣ／ＤＣコンバータ部１６の入力される電力は３ｋＷが上限値となる。

制御機器１８は、後述するＢＭＵ（バッテリモニタリングユニット）２０で取得される蓄電池２１の残容量、温度、電力量計２５〜２８で計測された電力量ＣＴ１〜４などの情報に基づいてＡＣ／ＤＣコンバータ部１６の挙動を制御し、系統１０側と負荷２９側との接続の開閉制御を行なう。具体的には、蓄電池２１の残容量が下限値である２０％になったとき、ＡＣ／ＤＣコンバータ部１６の切換開閉器１７はＯＮの接続状態に切り換えられ、系統１０側からの電力は負荷２９及び蓄電池２１に供給され、蓄電池２１は充電を開始する。切換開閉器１７でＯＮに切り換えられる前記下限値は任意に変更することができる。また、系統連系自家発電設備１２の発電量ＣＴ３が負荷２９の使用量ＣＴ４より大きいときも、ＡＣ／ＤＣコンバータ部１６の切換開閉器１７はＯＮの接続状態に切り換えられる。なお、発電量ＣＴ３と使用量ＣＴ４は、３０秒間隔で計測され比較される。但し、その間隔は任意に変更できる。

一方、蓄電池２１の残容量が上限値まで充電されると、ＡＣ／ＤＣコンバータ部１６の切換開閉器１７はＯＦＦの遮断状態に切り換えられ、系統１０側からの供給は行なわれず、負荷２９への電力は蓄電池２１のみから供給されることになる。なお、蓄電池２１の残容量の上限値も任意に設定することができる。

ＤＣ／ＡＣインバータ部２３は、ＡＣ／ＤＣコンバータ部１６から流れてきた直流及び蓄電池２１から放電された直流を交流に変換して負荷２９に流す。ＤＣ／ＡＣインバータ部２３には、ＡＣ／ＤＣコンバータ部１６を通流した電力に、蓄電池２１で放電された電力が合流するので、系統１０側から入力された電力は増幅されて負荷２９に入力される。したがって、系統１０側の契約ブレーカ１４及び保安ブレーカ１５は３０Ａが設定されているのに対し、負荷２９側の保安ブレーカ２４はそれを超えて６０Ａに設定されている。交流に変換された電力は、保安ブレーカ２４、電力量計２８を通って負荷２９の電灯などに供給される。なお、ＤＣ／ＡＣインバータ部２３から流出する電流は単相３線式の電線により負荷２９に流される。

蓄電池２１は、ＡＣ／ＤＣコンバータ部１６を流れた電流の一部が充電されるのであるが、その割合は特別に制御されることなく、負荷２９側がより必要な状態にあれば、それに対応した電流が自然に放電されて負荷２９に供給される。なお、必要に応じて二点鎖線で示すように適宜台数の蓄電池２２を増設することもできる。

蓄電池２１の前方にはＢＭＵ（バッテリモニタリングユニット）２０が設けられ、これに蓄電池２１の残容量、温度等の情報が取得され、その情報が表示されるとともに、蓄電池２１の管理が行なわれる。

系統連系自家発電設備１２は、ソーラーパネルを備えた太陽光発電設備であり、発生した電力はパワーコンディショナ１３で交流に変換され、電圧、周波数を調整されて安定化された後、ＡＣ／ＤＣコンバータ部１６に流れて自家消費に使用されたり、系統１０に系統連系されて電力会社に売電される。

自家消費専用自家発電設備１９は、出力された電力を自家消費専用に使用するために増設したものであり、同じくソーラーパネルを備えた太陽光発電設備であり、蓄電池２１の残容量が不足したときや負荷２９に多大な電力を供給する必要が生じたときに蓄電池２１あるいはＤＣ／ＡＣインバータ部２３に電力を供給する。

回路の各箇所には電力量計２５〜２８が設置されており、各箇所における電力量が計測される。電力量計２５は系統連系自家発電設備１２で発電して系統１０に系統連系される電力量ＣＴ１を計測し、電力量計２６は電力会社から買い取られた買電量ＣＴ２を、電力量計２７は系統連系自家発電設備１２で発電された発電量ＣＴ３を、電力量計２８は負荷２９で使用される使用量ＣＴ４を計測する。これらの電力量計で計測された情報は制御機器１８に送信される。

次に、このように構成された本実施形態の蓄電池利用システム１による電力の流れについて説明する。
図１に示すように、ＡＣ／ＤＣコンバータ部１６の切換開閉器１７がＯＮの状態にあるとき、系統１０からの電力はＡＣ／ＤＣコンバータ部１６に送られる。また、系統連系自家発電設備１２で発生した電力は、パワーコンディショナ１３に送られて交流に変換され電圧、周波数を調整された後、系統１０に系統連系され、負荷２９に必要な分だけ自家消費に回されてＡＣ／ＤＣコンバータ部１６に流れ、その余剰分は系統１０側に流れて電力会社に売電される。

これら系統１０側から送出された電力は、ＡＣ／ＤＣコンバータ部１６に至るまで負荷２９の使用状態に応じて３０Ａ以下の交流が流れ、ＡＣ／ＤＣコンバータ部１６で直流に変換される。その後、直流電力は負荷２９に送出され、一部は蓄電池２１に送られる。蓄電池２１に蓄えられた電力は、必要に応じて負荷２９側に放電される。

ここで、ＡＣ／ＤＣコンバータ部１６から送出された直流が蓄電池２１に送られる割合は、負荷２９で使用される電力量や蓄電池２１の残容量によって変化する。また、蓄電池２１に蓄えられて放電される量も同様に、負荷２９で使用される電力量や蓄電池２１の残容量によって変化する。これら蓄電池２１の充放電量は、負荷２９での使用量や蓄電池２１の残容量に応じて常に変動するとともに、特別の制御手段を介することなく、一連の電力の流れにおいて自然に変化する。

ＡＣ／ＤＣコンバータ部１６で変換されて直接負荷２９側に流れる電流及び蓄電池２１から放電された電流は、ＤＣ／ＡＣインバータ部２３に入力されて交流に戻され、保安ブレーカ２４、電力量計２８を通って電灯などの負荷２９に入力される。

このようにして使用される電力においては、蓄電池２１に蓄えられた電力も負荷２９に使用されることによって、ＡＣ／ＤＣコンバータ部１６に入力される系統１０側の電流より大きな電流をＤＣ／ＡＣインバータ部２３を介して負荷２９に送出することができる。

電力の使用中は、制御機器１８は、ＢＭＵ（バッテリモニタリングユニット）２０で取得される蓄電池２１の残容量、温度等の情報や、各箇所の電力量計２５〜２８で計測された電力量ＣＴ１〜４等を監視し、ＡＣ／ＤＣコンバータ部１６の切換開閉器１７の切り換えを制御している。

一方、この制御機器１８の監視により、蓄電池２１の残容量が上限値になると、制御機器１８の制御によりＡＣ／ＤＣコンバータ部１６の切換開閉器１７は、図２に示すように、ＯＦＦに切り換えられる。ＯＦＦに切り換えられると、系統１０側からの電流はＡＣ／ＤＣコンバータ部１６において遮断され、以後、負荷２９への電力は蓄電池２１から放電される電力のみによって賄われる。また、系統連系自家発電設備１２で発生した電力は、パワーコンディショナ１３に送られて交流に変換され電圧、周波数を調整された後、全て系統１０側に流れて電力会社に売電される。

その後、蓄電池２１の残容量が下限値の２０％になったとき、あるいは、上限値以下であって電力量計２７で計測された発電量ＣＴ３が電力量計２８で計測された使用量ＣＴ４より大きいときには、ＡＣ／ＤＣコンバータ部１６の切換開閉器１７はＯＮに切り換えられ、系統１０側からの電流は導通される。

自家消費専用自家発電設備１９は、蓄電池２１の蓄電量が不足するときや負荷２９に多大な電力を供給する必要が生じたときに蓄電池２１及びＤＣ／ＡＣインバータ部２３に電力を供給する。なお、自家消費専用自家発電設備１９は、蓄電池２１及びＤＣ／ＡＣインバータ部２３のいずれか一方のみに電力を供給するものであってもよい。

次に、本実施形態の蓄電池利用システム１の作用を説明する。
蓄電池利用システム１は、系統１０とこの系統１０から交流電力が供給される負荷２９との間に、ＡＣ／ＤＣコンバータ部１６とＤＣ／ＡＣインバータ部２３とが設けられているとともに、ＡＣ／ＤＣコンバータ部１６とＤＣ／ＡＣインバータ部２３との間に、ＡＣ／ＤＣコンバータ部１６からの電流を充電する蓄電池２１が設けられ、蓄電池２１からは放電によりＤＣ／ＡＣインバータ部２３に電力が出力されるように構築されている。

これにより、系統１０側からの交流は一旦ＡＣ／ＤＣコンバータ部１６で直流に変換された後、この電流の一部は負荷２９での電力使用量等に応じて蓄電池２１に流されて一旦蓄電され、必要時に放電されてＤＣ／ＡＣインバータ部２３により再度交流に変換されて負荷２９に流される。したがって、系統１０側からの電力に、蓄電池２１から放電された電力が加わることによって、ＡＣ／ＤＣコンバータ部１６に入力される系統１０側の契約値以内の電流より大きな電流を負荷２９に流すことができる。本実施形態では、契約値３０Ａ以内の電流に対して６０Ａ以内の電流に増幅して負荷２９に供給することができる。例えば、系統１０側から供給される電流が２０Ａであるのに対し、負荷２９には４０Ａの電流を供給することが可能である。

したがって、電力の使用において、一度に大きな電力が負荷２９に使用されるときには、従来は、それに対応して契約電力も大きく設定する必要があったが、本実施形態の蓄電池利用システム１は、系統１０側からの電流を一旦蓄電池２１に蓄え、必要時に蓄電池２１からの放電を利用することにより、契約電力を上げることなく大きな電力を負荷２９に使用することが可能となる。言い換えれば、通常の量の電力を負荷２９に使用しているときは、契約電力を下げることが可能となり、それにより、基本料金を低減できることになる。

すなわち、３０Ａの契約電力に関し、例えば、従来の、蓄電池２１を利用していない電力システムにおいては、負荷２９で２０Ａの電流を使用するときには、系統１０側からは２０Ａの電流が流されるが、本実施形態の蓄電池利用システム１においては、負荷２９に２０Ａの電流を出力するときに、系統１０側からは１０Ａとか１５Ａなどの小さな電流を出力すれば足りることも多い。このため、契約電力としては２０Ａを設定すれば足りることも可能となり、１０Ａ分だけ契約電力を下げることが可能となる。

ところで、上記実施形態において、ＡＣ／ＤＣコンバータ部１６は、制御機器１８によって制御される切換開閉器１７による開閉機能も一体に組み込まれたコンバータで構成されているが、本発明を実施する場合には、コンバータと開閉機能とが一体化されておらず切換開閉器１７は別体の機器により構成したものとしてもよい。

また、上記実施形態においては、系統１０側との接続を開閉する切替開閉器１７を設け、これに付随して、ＡＣ／ＤＣコンバータ部１６の挙動を制御して系統１０側と負荷２９との接続の開閉制御を行なう制御機器１８、及び蓄電池２１の残容量、温度等の情報が取得されるＢＭＵ（バッテリモニタリングユニット）２０を設けている。そして、系統１０に系統連系可能な系統連系自家発電設備１２及びパワーコンディショナ１３、蓄電池２１及びＤＣ／ＡＣインバータ部２３に自家消費専用の電力を供給する自家消費専用自家発電設備１９を設けている。しかし、本発明を実施する場合には、これらの機器は設けないものとすることもできる。これらの機器が設けられていない基本的な蓄電池利用システ１を図３及び図４に示す。

図３に示す蓄電池利用システ１においては、切替開閉器１７等は設けられていないが、負荷２９側が大きな電力を必要としないときあるいは蓄電池２１の残容量が少ないときは、図３に示すように、系統１０から買電された電流は自然と蓄電池２１に入力されて充電される。また、負荷２９側が大きな電力を必要としたときあるいは蓄電池２１の残容量が充分にあるときは、図４に示すように、系統１０から電流が供給されるとともに蓄電池２１から余力に応じた電流が自然と負荷２９側に放出される。このようにして、図３及び図４に示す蓄電池利用システ１においても、必要時に蓄電池２１からの放電を利用することにより、契約電力を上げることなく大きな電力を負荷２９に使用することが可能である。言い換えれば、通常の量の電力を負荷２９に使用しているときは、契約電力を下げることが可能となり、基本料金を低減できる。
系統連系自家発電設備１２及び自家消費専用自家発電設備１９は、蓄電池利用システ１において常に蓄電池２１に充電できる電力を確保できれば特に設置する必要はないものである。

更に、上記実施形態の蓄電池利用システム１は、一般家庭用のものであって電灯などの負荷２９への電力供給として使用されるものであるが、本発明はこれに限られるものではなく、店舗、小規模な事務所あるいは工場などを対象とする低圧の契約の場合や、工場、ビルなどを対象とする高圧の契約の場合にも適用することができる。高圧の契約の場合は、契約電力は、実際に使用した電力の最大値であるデマンド値であり、３０分単位での平均電力を算出し、そのうち月間での最大値がその月の最大需要電力であって、各月の契約電力は、過去１年間の最大需要電力のうちの最大値である。

なお、上記実施形態では、系統１０側の契約ブレーカ１４及び保安ブレーカ１５の上限値として３０Ａが設定され、負荷２９側の保安ブレーカ２４の上限値として６０Ａが設定されているが、各ブレーカの設定値はこれらの電流値に限られないことは言うまでもない。

また、本実施形態では、系統連系自家発電設備１２及び自家消費専用自家発電設備１９として、太陽光発電装置が設置されているが、これらの自家発電設備は、風力発電装置など他の発電設備であってもよい。

１ 蓄電池利用システム １９ 自家消費専用自家発電設備
１０ 系統 ２１ 蓄電池
１２ 系統連系自家発電設備 ２２ 増設の蓄電池
１６ ＡＣ／ＤＣコンバータ部 ２３ ＤＣ／ＡＣインバータ部
１７ 切換開閉器（スイッチ要素） ２９ 負荷
１８ 制御機器

Claims (4)

1. 系統側に設けられ契約値以内の電流が入力されるＡＣ／ＤＣコンバータ部と、
   負荷側に設けられ前記契約値より大きい電流を出力可能なＤＣ／ＡＣインバータ部と、
   前記ＡＣ／ＤＣコンバータ部から前記ＤＣ／ＡＣインバータ部の間に設けられ、前記ＡＣ／ＤＣコンバータ部からの電流を充電し、前記ＤＣ／ＡＣインバータ部を介して前記負荷に放電する蓄電池と、
   を備えたことを特徴とする蓄電池利用システム。
2. 前記蓄電池よりも前記系統側に設けられ、前記系統側との接続を開閉するスイッチ要素と、
   当該スイッチ要素の開閉を制御する制御機器と、
   を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の蓄電池利用システム。
3. 前記ＡＣ／ＤＣコンバータ部よりも前記系統側に、当該系統に系統連系可能な系統連系自家発電設備を更に備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蓄電池利用システム。
4. 前記ＡＣ／ＤＣコンバータ部よりも前記負荷側に、前記蓄電池及び前記ＤＣ／ＡＣインバータ部の少なくとも一方に自家消費専用の電力を供給する自家消費専用自家発電設備を更に備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の蓄電池利用システム。

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