JP2022178941A - 蓄電システムの充放電制御方法、および、充放電制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パワーコンディショナシステムにおいて、蓄電システムに、ＤＣリンクの電圧を安定させるための充放電制御を実現させる。【解決手段】蓄電池１１を有する蓄電システム１は、ＤＣリンク２１を介してインバータ２２と接続される。充放電コントローラ１２は、ＤＣリンク２１の電圧ＶDCを測定し、測定した電圧ＶDCと、ＤＣリンク２１の電圧ＶDCの指令値とを基にして、蓄電池１１の充放電動作の制御を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電システムについて、充放電を制御するための技術に関する。

太陽光発電システム、風力発電システム等のような分散電源装置の普及拡大に伴い、系統の安定化や需給調整力として、また災害による長期停電に備えて、蓄電池を併設したパワーコンディショナシステムの普及拡大が進んでいる。

特許文献１では、発電装置に蓄電池を併設して出力電力の変動を抑制する分散型電源システムにおける制御が開示されている。この制御では、蓄電池から放電している状態と蓄電池に充電している状態が切り換えられる頻度を低減することによって、蓄電池への負担を低減しており、これにより蓄電池の寿命をより長くすることが可能になっている。

特許第６３１８７３４号公報

従来のパワーコンディショナシステムでは、インバータが、分散型電源が接続されるＤＣリンクの電圧が安定するよう、制御を行っている。ところが、例えば、商用電力系統側から電力制限の指示を受けた場合や、負荷の消費電力が急に変動した場合等では、インバータによるＤＣリンクの電圧の制御が困難になる場合がある。

本発明では、蓄電システムを含むパワーコンディショナシステムにおいて、蓄電システムが、ＤＣリンクの電圧を安定させるための充放電動作を実行可能にすることを目的とする。

本発明の第１態様は、蓄電池を有し、ＤＣリンクを介してインバータと接続される蓄電システムにおいて、前記蓄電池の充放電を制御する方法であって、前記ＤＣリンクの電圧を測定し、測定した前記ＤＣリンクの電圧と、前記ＤＣリンクの電圧の指令値とを基にして、前記蓄電池の充放電動作の制御を行うものである。

この構成によると、ＤＣリンクを介してインバータと接続される蓄電システムにおいて、ＤＣリンクの電圧が測定され、測定したＤＣリンクの電圧と、ＤＣリンクの電圧の指令値とを基にして、蓄電池の充放電動作の制御が行われる。これにより、蓄電システムは、ＤＣリンクの電圧を安定させるための充放電動作を、自動的に実行することができる。そして、インバータから蓄電システムに、通信によって、ＤＣリンクの電圧を安定させるための充放電動作を指示する信号を送る必要がない。したがって、ＤＣリンクの電圧の急な変動に対応することが容易になる。

そして、本態様では、前記指令値よりも高い上限値と、前記指令値よりも低い下限値とを設定し、測定した前記ＤＣリンクの電圧が前記上限値よりも高いときは、前記蓄電池に充電動作を実行させ、測定した前記ＤＣリンクの電圧が前記下限値よりも低いときは、前記蓄電池に放電動作を実行させる、としてもよい。

これにより、蓄電池は、ＤＣリンクの電圧が上限値よりも高いときは、ＤＣリンクの電圧が低下するよう充電動作を実行し、ＤＣリンクの電圧が下限値よりも低いときは、ＤＣリンクの電圧が上昇するよう放電動作を実行する。したがって、ＤＣリンクの電圧を安定させるための充放電動作が、自動的にかつ適切に行われる。

さらに、本態様では、測定した前記ＤＣリンクの電圧が前記上限値と前記下限値との間にあるとき、前記蓄電システムの外部から送信された充放電電流指令値に従って、前記蓄電池に充放電動作を実行させる、としてもよい。

これにより、ＤＣリンクの電圧が安定しているとき、蓄電池は、蓄電システムの外部から送信された充放電電流指令値に従って、充放電動作を実行することができる。

本発明の第２態様では、蓄電池を有し、ＤＣリンクを介してインバータと接続される蓄電システムにおいて、前記蓄電池の充放電を制御する装置であって、前記ＤＣリンクの電圧を測定し、測定した前記ＤＣリンクの電圧と、前記ＤＣリンクの電圧の指令値とを基にして、前記蓄電池の充放電動作を行う。

これにより、ＤＣリンクを介してインバータと接続される蓄電システムにおいて、ＤＣリンクの電圧が測定され、測定したＤＣリンクの電圧と、ＤＣリンクの電圧の指令値とを基にして、蓄電池の充放電動作の制御が行われる。これにより、蓄電システムは、ＤＣリンクの電圧を安定させるための充放電動作を、自動的に実行することができる。そして、インバータから蓄電システムに、通信によって、ＤＣリンクの電圧を安定させるための充放電動作を指示する信号を送る必要がない。したがって、ＤＣリンクの電圧の急な変動に対応することが容易になる。

本発明によると、蓄電システムを含むパワーコンディショナシステムにおいて、蓄電システムが、ＤＣリンク電圧を安定させるための充放電動作を実行可能になる。

蓄電システムを含むパワーコンディショナシステムの全体構成例 電力決定ブロックを含むインバータの制御スキーム インバータのレベル制限機能を説明する図 インバータの変動率制限機能を説明する図 インバータの決定電力制御機能を説明する図 蓄電システムの充放電コントローラの制御スキームの例 ＤＣリンク電圧の指令値およびデッドバンドのイメージ図 図６の制御スキームにおいて、ＤＣリンク電圧が上昇した場合の動作 図６の制御スキームにおいて、ＤＣリンク電圧が低下した場合の動作 図６の制御スキームにおいて、ＤＣリンク電圧が通常範囲内の場合の動作 実施形態に係る制御を用いた実験結果を示すグラフ

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用範囲あるいはその用途を制限することを意図するものではない。

（実施形態）
図１は蓄電システムを含むパワーコンディショナシステムの全体構成例である。図１において、蓄電システム１は、充放電可能な蓄電池１１と、充放電コントローラ１２とを備える。図１では、４個の蓄電池１１に対して、単一の充放電コントローラ１２が設けられている。ただし、各蓄電池１１に対してそれぞれユニットコンローラが設けられていてもよい。パワーコンディショナ２は、蓄電システム１と接続されるＤＣリンク２１と、ＤＣリンク２１の直流電力を交流電力に変換するインバータ２２と、蓄電システム１の充放電コントローラ１２に充放電指令値等を送信するコントローラ２３とを備える。コントローラ２３は、例えば、プロセッサとメモリを備えたマイクロコンピュータによって実現される。蓄電システム１の充放電コントローラ１２は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ（図示せず）を含み、コントローラ２３から送信された信号に従って、蓄電池１１の充放電を実行する。また、蓄電システム１の充放電コントローラ１２は、ＤＣリンク２１の電圧ＶDCを測定する電圧センサ（図示せず）を備えている。

分散電源４は、例えば、太陽光発電システム、水力発電システム、風力発電システム等である。分散電源４は、ＤＣリンク２１に接続され、電力ＰDERを出力する。パワーコンディショナ２の出力電力ＰACは、商用電力系統や負荷に供給される。

通常の状態では、パワーコンディショナ２のインバータ２２は、ＤＣリンク２１の電力バランスを維持するために、系統と電力をやりとりする。すなわち、インバータ２２は、ＤＣリンク２１の電圧ＶDCを一定レベルに制御することにより、電力ＰINVを高速かつ正確に調整する。

パワーコンディショナ２のコントローラ２３は、所定のサイクル毎に、蓄電システム１の充放電電力ＰESを演算する。演算した充放電電力ＰESの値は、蓄電システム１の充放電コントローラ１２に送信される。例えば、分散電源４の出力電力ＰDERが、パワーコンディショナ２の出力電力ＰINVよりも大きいときは、その余剰電力を蓄電システム１の充電電力ＰESとする。また、分散電源４の出力電力ＰDERが気象条件等の影響により低下し、パワーコンディショナ２の出力電力ＰINVに対して不足するときは、その不足電力を蓄電システム１の放電電力ＰESとする。

ところが、例えば、商用電力系統側から電力制限の指示を受けた場合や、負荷の消費電力が急に変動した場合等では、インバータ２２が、ＤＣリンク２１の電力バランスを維持することが困難になる場合がある。

図２はインバータ２２の制御スキームの例である。図２の制御スキームは、電力制御ブロック２２２を備えている。ここでは、電力制御ブロック２２２は、レベル制限機能２２２ａ、変動率制限機能２２２ｂ、および、決定電力制御機能２２２ｃを有している。この電力制御ブロック２２２が動作した場合は、ＤＣリンク２１の電圧ＶDCを制御するための電流指令値にかかわらず、電力制御ブロック２２２によって、インバータ２２の出力電圧ＰINVが制御される。

図３はレベル制限機能２２２ａを示す。インバータ２２は、インバータ２２自体の制限、または、系統側の要件により、限られた量の電力しかやり取りができない。このため、レベル制限機能２２２ａは、インバータ電力ＰINVに対してそのレベルに制限をかける。レベル制限機能２２２ａが動作したとき、分散電源４の発電電力ＰDERとインバータ電力ＰINVとの間に電力差が生じる。

図４は変動率制限機能２２２ｂを示す。分散電源４の発電電力ＰDERが変動したとき、インバータ電力ＰINVが変動する。ところが、インバータ電力ＰINVの変動が激しいとき系統側で問題が発生するおそれがある。このため、変動率制限機能２２２ｂは、インバータ電力ＰINVに対してその変動率に制限をかける。変動率制限機能２２２ｂにより、発電電力ＰDERが急に増加したときは余剰電力が発生し、発電電力ＰDERが急に減少したときは電力が不足する。

図５は決定電力制御機能２２２ｃを示す。決定電力制御機能２２２ｃは、系統側から決定された電力の指令値を受けたとき、その指令値に従ったインバータ電力ＰINVを出力する。決定電力制御機能２２２ｃが動作したとき、たとえ発電電力ＰDERが安定していたとしても、発電電力ＰDERとインバータ電力ＰINVとの間に電力差が生じる。

図３～図５の場合、インバータ２２単独では、ＤＣリンク２１の電圧ＶDCを一定レベルに制御することが困難になる。すなわち、余剰電力が発生したときは、ＤＣリンク２１の電圧ＶDCは上昇し、電力が不足したときは、ＤＣリンク２１の電圧ＶDCは低下する。ＤＣリンク２１の電圧ＶDCを一定レベルに制御するためには、電力制御ブロック２２の動作によって生じた発電電力ＰDERとインバータ電力ＰINVとの電力差を、蓄電システム１が速やかにかつ精度よく吸収することが好ましい。すなわち、余剰電力が発生したときは、蓄電システム１は速やかに充電動作を行い、電力が不足したときは、蓄電システム１は速やかに放電動作を行うことが好ましい。

本実施形態では、蓄電システム１の充放電コントローラ１２は、ＤＣリンク２１の電圧ＶDCをモニターして、自動的に、蓄電池１１の充放電を制御するものである。これにより、蓄電システム１は、他の構成要素からの信号を必要とせずに、ＤＣリンク２１の電圧ＶDCを安定させることができる。

図６は蓄電システム１の充放電コントローラ１２の制御スキームの例である。図７は図６の制御スキームで利用する、ＤＣリンク電圧ＶDCのデッドバンドの設定を示す。図７に示すように、ＤＣリンク電圧ＶDCに対して、指令値の高電圧側および低電圧側にデッドバンド（不感帯）が設定されている。なお、デッドバンドの大きさは、高電圧側と低電圧側とで同じであってもよいし、異なっていてもよい。

図６の制御スキームは、電流決定部１２１ａ，１２１ｂと、電流制限部１２２ａ，１２２ｂと、電流制御部１２３とを備えている。電流決定部１２１ａは、ＤＣリンク電圧ＶDCの指令値にデッドバンドを加えた値と、ＤＣリンク電圧ＶDCの測定値とを比較する。そして、偏差（＝指令値＋デッドバンド－測定値）に従って、電流値を決定する。偏差が正のときは電流値を上昇させ、偏差が負のときは電流値を低下させ、偏差がゼロのときは電流値を変化させない。電流制限部１２２ａは、電流決定部１２１ａが決定した電流値に制限をかける。ここでは、上限を０．５×ＩDとし、下限を（最大充電電流－０．５×ＩD）とする。なお、ＩDは充放電電流の指令値であり、コントローラ２３から送信される。放電電流は正の値で表され、充電電流は負の値で表される。

電流決定部１２１ｂは、ＤＣリンク電圧ＶDCの指令値からデッドバンドを減じた値と、ＤＣリンク電圧ＶDCの測定値とを比較する。そして、偏差（＝指令値－デッドバンド－測定値）に従って、電流値を決定する。偏差が正のときは電流値を上昇させ、偏差が負のときは電流値を低下させ、偏差がゼロのときは電流値を変化させない。電流制限部１２２ｂは、電流決定部１２１ｂが決定した電流値に制限をかける。ここでは、上限を（最大放電電流－０．５×ＩD）とし、下限を０．５×ＩDとする。

図８はＤＣリンク電圧ＶDCが上昇した場合の図６の制御スキームの動作を示す。ＤＣリンク電圧ＶDCが上昇し、指令値にデッドバンドを加えた値を超えたとき、電流決定部１２１ａにおける偏差（＝指令値＋デッドバンド－測定値）が正から負の値に変わる。これにより、電流決定部１２１ａが決定する電流値は低下する。電流制限部１２２ａにより、電流値は最終的に（最大充電電流－０．５×ＩD）となる。一方、電流決定部１２１ｂにおける偏差（＝指令値－デッドバンド－測定値）は負の値であり、電流制限部１２２ｂにより、電流値は０．５×ＩDとなる。この結果、電流制御部１２３に与えられる電流値は、最大充電電流となる。したがって、蓄電システム１は、最大充電電流による充電動作を実行する。

図９はＤＣリンク電圧ＶDCが低下した場合の図６の制御スキームの動作を示す。ＤＣリンク電圧ＶDCが低下し、指令値からデッドバンドを減じた値を下回ったとき、電流決定部１２１ｂにおける偏差（＝指令値－デッドバンド－測定値）が負から正の値に変わる。これにより、電流決定部１２１ｂが決定する電流値は上昇する。電流制限部１２２ｂにより、電流値は最終的に（最大放電電流－０．５×ＩD）となる。一方、電流決定部１２１ａにおける偏差（＝指令値＋デッドバンド－測定値）は正の値であり、電流制限部１２２ａにより、電流値は０．５×ＩDとなる。この結果、電流制御部１２３に与えられる電流値は、最大放電電流となる。したがって、蓄電システム１は、最大放電電流による放電動作を実行する。

図１０はＤＣリンク電圧ＶDCが通常範囲内にある場合の制御スキームの動作を示す。ここでの通常範囲とは、指令値からデッドバンドを減じた値から、指令値にデッドバンドを加えた値までの範囲のことをいう。この場合、電流決定部１２１ａにおける偏差（＝指令値＋デッドバンド－測定値）は正の値であり、電流決定部１２１ａが決定する電流値は上昇し、電流制限部１２２ａにより、電流値は最終的に０．５×ＩDとなる。一方、電流決定部１２１ｂにおける偏差（＝指令値－デッドバンド－測定値）は負の値であり、電流決定部１２１ｂが決定する電流値は低下し、電流制限部１２２ｂにより、電流値は最終的に０．５×ＩDとなる。この結果、電流制御部１２３に与えられる電流値は、ＩDすなわち充放電電流の指令値となる。したがって、蓄電システム１は、コントローラ２３から送信された充放電電流指令値ＩDに従って、充放電動作を実行する。

図１１は本実施形態に係る手法を用いた実験の結果を示すグラフである。この実験では、インバータ２は、変動率制限機能２２ｂが動作しているものとしている。すなわち、分散電源４の出力電力ＰDERが急激に変化したとき、インバータ２の電力ＰINVは急激には変化せず、徐々に変化している。このため、電力ＰDERが急激に低下したとき、不足する電力を補うために、蓄電システム１が放電動作を行っており、電力ＰESがゼロから速やかに上昇している。一方、電力ＰDERが急激に上昇したとき、余剰の電力を補うために、蓄電システム１が充電動作を行っており、電力ＰESがゼロからシミやかに低下している。この結果、ＤＣリンク２の電圧ＶDCに関して、大幅な変動が抑制されている。

以上のように本実施形態によると、ＤＣリンク２を介してインバータ２２と接続される蓄電システム１において、ＤＣリンク２の電圧ＶDCの電圧が測定され、測定した電圧ＶDCと、その指令値とを基にして、蓄電池１１の充放電動作の制御が行われる。これにより、蓄電システム１は、ＤＣリンク２１の電圧ＶDCを安定させるための充放電動作を、自動的に実行することができる。そして、インバータ２２から蓄電システム１に、通信によって、ＤＣリンク２１の電圧ＶDCを安定させるための充放電動作を指示する信号を送る必要がない。したがって、ＤＣリンク２１の電圧ＶDCの急な変動に対応することが容易になる。

また、本実施形態によると、ＤＣリンク２１の電圧ＶDCに対して、指令値の高電圧側および低電圧側に、不感帯を設けている。そして、測定したＤＣリンク２１の電圧ＶDCが（指令値＋デッドバンド）よりも高いときは、蓄電池１１は、電圧ＶDCが低下するよう充電動作を実行する。測定したＤＣリンク２１の電圧ＶDCが（指令値－デッドバンド）よりも低いときは、蓄電池１１は、電圧ＶDCが上昇するよう放電動作を実行する。これにより、蓄電システム１によって、ＤＣリンク２１の電圧ＶDCを安定させるための充放電動作が、自動的にかつ適切に行われる。

そして、ＤＣリンク２１の電圧ＶDCが不感帯にあるときは、蓄電池１１は、蓄電システム１の外部から送信された充放電電流指令値に従って、充放電動作を実行する。これにより、ＤＣリンク２１の電圧ＶDCが安定しているとき、蓄電池１１は、充放電電流指令値に従った充放電動作を実行することができる。

なお、蓄電システム１の充放電コントローラ１２の制御スキームは、図６に示すものに限られない。例えば、指令値に対してデッドバンドを設けない制御としてもよいし、指令値の高電圧側と低電圧側のいずれか一方のみにデッドバンドを設ける制御としてもよい。

なお、ＤＣリンク２１の電圧ＶDCの制御を行うために充放電動作を行うバッテリーユニット１０は、１個に限られるものではなく、２個またはそれ以上であってもかまわない。

本発明は、蓄電システムを含むパワーコンディショナシステムにおいて、ＤＣリンク電圧を安定させるのに有用である。

１ 蓄電システム
１１ 蓄電池
１２ 充放電コントローラ（充放電制御装置）
２１ ＤＣリンク
２２ インバータ

Claims (4)

1. 蓄電池を有し、ＤＣリンクを介してインバータと接続される蓄電システムにおいて、前記蓄電池の充放電を制御する方法であって、
   前記ＤＣリンクの電圧を測定し、
   測定した前記ＤＣリンクの電圧と、前記ＤＣリンクの電圧の指令値とを基にして、前記蓄電池の充放電動作の制御を行う
   ことを特徴とする蓄電システムの充放電制御方法。
2. 請求項１記載の蓄電システムの充放電制御方法において、
   前記指令値よりも高い上限値と、前記指令値よりも低い下限値とを設定し、
   測定した前記ＤＣリンクの電圧が前記上限値よりも高いときは、前記蓄電池に充電動作を実行させ、
   測定した前記ＤＣリンクの電圧が前記下限値よりも低いときは、前記蓄電池に放電動作を実行させる
   ことを特徴とする蓄電システムの充放電制御方法。
3. 請求項２記載の蓄電システムの充放電制御方法において、
   測定した前記ＤＣリンクの電圧が前記上限値と前記下限値との間にあるとき、前記蓄電システムの外部から送信された充放電電流指令値に従って、前記蓄電池に充放電動作を実行させる
   ことを特徴とする蓄電システムの充放電制御方法。
4. 蓄電池を有し、ＤＣリンクを介してインバータと接続される蓄電システムにおいて、前記蓄電池の充放電を制御する装置であって、
   前記ＤＣリンクの電圧を測定し、
   測定した前記ＤＣリンクの電圧と、前記ＤＣリンクの電圧の指令値とを基にして、前記蓄電池の充放電動作を行う
   ことを特徴とする充放電制御装置。

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