JP3786922B2 - 電力貯蔵システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力会社の時間帯別契約メニューを利用し、夜間電力を蓄電し、夜間電力の供給時間帯以外の時間帯に放電することによって、電気料金の削減および負荷平準化を図る電力貯蔵システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力会社においては、デイタイムや特定の時期の時間帯に消費されるピーク電力に対応できるように、原子力、水力、火力発電等による発電能力を設定し、電力需要量を予測しながら給電を制御している。電力の需要は、都市部においてはますます増加傾向にあり、ピーク電力の増加は、新たな発電設備の建設などの負担の増加につながっている。一方、夜間は、工場やオフィス等の電力利用が少なくなるため、電力の利用率が低下する。このようなデイタイムと夜間の電力需要量の大きな格差を平準化することを目的とした夜間電力利用促進割引制度が実施されている。夜間電力は、昼間電力に比べ安価で、化石燃料の使用割合が低いため二酸化炭素排出量が少なく、地球環境保全にも好都合である。
【０００３】
夜間電力の利用技術としては、電力そのものを貯蔵する方法と、給湯設備や氷蓄熱のような熱エネルギーに変換して貯蔵する方法、あるいは揚水発電のように、位置のエネルギーとして貯蔵する方法等が考えられている。この中で、電力を貯蔵する方法の代表的なものは、夜間電力を蓄電池に貯蔵しておき、電力負荷の大きなデイタイムに蓄電池からの電力を消費する電力貯蔵システムである。この電力貯蔵システムによれば、需用者にとっての電力使用料金の低減効果があると共に、電力系統のボトムアップ、デイタイムのピーク電力抑制による平準化が可能になる。
【０００４】
しかし、蓄電池の容量以上にデイタイムの電力消費が大きいことが当然起きる。
このような、蓄電容量以上の電力供給を負荷に行う場合の対策としては、例えば特開２０００−３０８２８２号公報（特許文献１）や特開２０００−２９５７８４号公報（特許文献２）に開示されているように系統切替手段を設け、負荷が蓄電池の容量を超えると、負荷への電力供給を蓄電池から商用電力に切り替えるものがある。
【０００５】
他の対策としては、例えば特開２００１−００８３８５号公報（特許文献３）に開示されているように、一日の蓄電池放電パターンを予め数種類記憶しておいて、使用者がそのパターンを適宜選択することにより、蓄電池に充電される夜間電力を有効に、無駄なく使用するようにした電力貯蔵システムがある。
【０００６】
また、特開平１０−２０１１２９号公報（特許文献４）や特開平１０−２０１１３０号公報（特許文献５）には、蓄電池への昼間の充電に太陽電池を用いることが開示されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−３０８２８２号公報
【特許文献２】
特開２０００−２９５７８４号公報
【特許文献３】
特開２００１−００８３８５号公報
【特許文献４】
特開平１０−２０１１２９号公報
【特許文献５】
特開平１０−２０１１３０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、特許文献１〜５において提案された電力貯蔵システムにおいては、負荷に接続した蓄電池の蓄電電力が低下した場合、負荷の電力要求に応じられなくなるため、商用電力等に切り替えて負荷に電力を供給している。しかしながら、割安な夜間電気料金帯で蓄電した電力を有効に使い切らない事態が発生すると共にデイタイムの電気料金の電力を使用することとなり、電力貯蔵システムの目的が充分に達成されていなかった。
【０００９】
そこで本発明は、負荷から出力容量以上の電力要求があった場合でも、蓄電手段に蓄電された電力を有効に使い切ることにより、夜間電力の有効利用と、デイタイム電力の使用を抑制することのできる電力貯蔵システムを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明の電力貯蔵システムは、商用電力を直流電力に変換する整流手段と、整流された直流電力を貯蔵する蓄電手段と、前記蓄電手段に蓄電された直流電力を前記商用電力の電圧および周波数にほぼ等しい交流電力に変換する電力変換手段と、前記商用電力と前記電力変換手段により変換された交流電力を複数のスイッチを切り替えて選択的に負荷に供給する電力選択手段と、前記電力選択手段の複数のスイッチの制御を行う制御手段とを有し、前記制御手段は、夜間料金適用時間帯は前記商用電力から前記整流手段を介して前記蓄電手段に電力を供給するとともに前記負荷に電力を供給する夜間運転モードと、前記夜間料金適用時間帯以外の時間帯においては、前記負荷の消費電力が所定の値未満のときは前記蓄電手段からのみの前記負荷への電力供給を行う放電運転モードと、前記負荷の消費電力が前記所定の値以上のときは前記商用電力と前記蓄電手段からの前記負荷への電力供給を並行して行う系統補充運転モードの各モードに応じて前記複数のスイッチを制御するものである。
【００１１】
本発明においては、夜間料金適用時間帯以外の蓄電手段からの放電を行うときに、負荷から出力容量以上の電力要求があった場合でも、蓄電手段に蓄電された電力を有効に使い切ることにより、夜間電力の有効利用と、デイタイム電力の使用を抑制することができる。
【００１２】
前記整流手段および前記電力変換手段を、両者の機能を備えた双方向電力変換器とすることにより、蓄電手段に対する充電動作時はコンバータとして動作するように、また、蓄電手段から負荷へ電力を放電動作時はインバータとして動作するように制御される。
【００１３】
前記電力選択手段は、第１入力端子側が第１のスイッチを介して商用電力に接続され、第２入力端子側が第２のスイッチを介して前記電力変換手段に接続され、前記第１入力端子と前記第２の入力端子間の所定の中間タップが前記負荷に接続され、前記第１入力端子と前記第２の入力端子間に第３のスイッチが接続された単巻変成器とすることにより、複雑な電力調整回路を組み合わせることなく、２つの交流電源からの電力をバランスして負荷に並列供給することができる。
【００１４】
また、前記蓄電手段の出力部と商用電力との接続点の商用電力側に停電検出手段と商用電源を遮断する遮断器を設けることにより、商用電源の給電中は蓄電手段の出力と商用電源で電流バランスしながら、所定の負荷に給電し、商用電源の停電を検出したら直ちに前記遮断器を開路するとともに蓄電手段の出力制御を自立運転可能とし、自立運転開始後に所定の負荷の全負荷電流を前記蓄電手段で給電するように制御することができる。これにより、蓄電手段で自立運転をした場合に起こる商用系統への逆潮流を防止することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の電力貯蔵システムの実施の形態を、図１から図１２を用いて説明する。
【００１６】
図１は、本発明に係る電力貯蔵システムの実施の形態の構成を示すブロック図（単線図）である。同図において、本実施の形態の電力貯蔵システムは、商用電源１０と蓄電手段３を構成する蓄電池３０から負荷２０への電力供給を切り替える電力選択手段１と、商用電源１０からの交流電力を蓄電池３０への充電のための直流電力に変換するコンバータと蓄電池３０に蓄電された直流電力を交流電力に変換するインバータの両方の機能を有する双方向電力変換器２と、蓄電池３０からなる蓄電手段３と、電力選択手段１と双方向電力変換器２を制御する制御手段４を備えている。さらに、商用電源の停電発生時にはその停電を検出し、本システムから商用電源側へ電力の逆潮流を防止する開閉手段を設けている。
【００１７】
電力選択手段１は、３つの切替スイッチＭＳ１，ＭＳ２，ＭＳ３と単巻変成器（バランストランスとも言われる）１１とを備えている。
【００１８】
双方向電力変換器２の主変換部は、スイッチング素子１２より構成され、蓄電池３０に対する充電動作時はコンバータとして動作するように、また、蓄電池３０から負荷２０へ電力を放電動作で供給する時はインバータとして動作するように、スイッチング制御部１３により制御される。このようにスイッチング素子１２を制御することによって、双方向電力変換器２の交流電流波形を基準正弦波に一致させるように制御し、充電および放電ができる双方向電力変換を可能にする。
【００１９】
具体的には、次のようなスイッチング制御を行う。
（１）スイッチ素子１２に入り切り指令を与えてスイッチング動作を行い入力電圧をパルス状にする。
（２）このパルスが任意区間において正弦波になるように制御を行う。
（３）この正弦波は充電時には充電電流を正弦波にし、放電時には出力電圧を正弦波にする。
（４）この制御により双方向電力変換器２において双方向の電力変換を可能にする。
【００２０】
また、スイッチング制御時のパルス幅を大きくすると電流、電圧は大きくなり、パルス幅を小さくすると電流、電圧は小さくなる。蓄電手段３には、任意の電流で定電流充電を行う。充電電気量に近くなるとパルス幅を小さくして充電電流を小さくし、充電電気量完了まで充電を行う。放電動作時はパルス幅を変化させてインバータ出力電圧を変化させて蓄電手段３の放電を制御することができる。
【００２１】
（１）スイッチ素子１２に入り切り指令を与えてスイッチング動作を行い入力電圧をパルス状にする。
（２）任意の区間（本構成では１００μＳ）においてオン・オフ動作を行う。素子がオン状態では電流を増加し、オフ状態では電流が減少する事を利用して任意区間における電流値を決定する。この電流値は任意区間のオン状態のパルス幅を広げると大きくなり、反対に狭めると小さくなる。これを利用して任意の区間全体（ここでは８ｍＳ）において電流値が正弦波になるようにパルス幅の制御を行う。
（３）この正弦波を充電時にはコンデンサＣで平滑して直流電流として畜電池に充電を行う。放電時には商用周波数と同じ周波数にして負荷へ供給を行う。さらに、商用からの系統補充運転を行う場合は商用周波数と同期を合せてインバータ出力を行う。
（４）これらの制御により双方向電力変換器２において双方向の電力変換を可能にする。
【００２２】
双方向電力変換器２には、リアクトルＬと平滑コンデンサＣが設けられており、蓄電池３０への充電電流を平滑する。また、電力選択手段１と双方向電力変換器２との間には、蓄電池３０への充電時には降圧し、蓄電池３０からの放電時には昇圧するトランス１５が設けられている。
【００２３】
蓄電手段３には、蓄電池３０の温度を検出する温度センサ１４が設けられている。
【００２４】
制御手段４は、本実施の形態ではＣＰＵにより構成され、商用電源の電圧と電流、出力の電圧と電流および蓄電池の電圧と、内部タイマーの時刻情報に基づいて電力選択手段１の各スイッチを制御し、また双方向電力変換器２のインバータ機能およびコンバータ機能を制御する。
【００２５】
単巻変成器１１の動作原理を図２に示す。単巻変成器１１の入力１側の巻数をｎ１、入力２側の巻数をｎ２とすると、出力側に流れる入力１側からの電流Ｉ１と入力２側からの電流Ｉ２との関係は、等アンペアターンの法則により、
Ｉ１＊ｎ１＝Ｉ２＊ｎ２
で表される。出力が単巻変成器１１の中間タップである場合はｎ１＝ｎ２となるためＩ１＝Ｉ２となる。この原理を利用して商用電源１０と蓄電池３０からの系統補充運転を行う。
【００２６】
なお、中間引出し端子の巻線比をｎ１：ｎ２（ｎ１≠ｎ２）にすると、単巻変成器１１を用いることでｎ２／ｎ１倍のインバータ出力が可能となる。巻線比はスライダック、タップ切替およびその他の切替手段を用いることができる。
このように蓄電池出力が低下した場合でも巻線比を変えて商用電力を補充することにより、蓄電池の放電限界までいかようにも負荷に電力を供給できる。
【００２７】
次に、本実施の形態における動作について、図３〜図７のフローチャートおよび図８〜図１２の系統接続図を用いて説明する。
【００２８】
１．定常運転
図３に示すステップ１００において、放電開始時間帯、すなわち夜間料金時間帯以外の時間帯かどうかを判断する。これは、制御装置４のＣＰＵ内部のタイマー（図示せず）を用いて計時を行うことで可能である。放電開始時間帯であれば、ステップ１１０において、放電開始条件を満たしているかどうかを判断する。放電開始条件は、本例では蓄電池電力残量、蓄電池温度、放電時間帯である。
【００２９】
条件が成立しているときは、ステップ１２０で負荷電力が設定値（本例では３ｋＶＡ）以上かどうかを判定する。設定値未満であれば、ステップ１３０で電力選択手段１のスイッチＭＳ２とＭＳ３を投入し、蓄電池３０からのみの“電池”自立運転モードとする（図１０）。負荷電力が設定値以上であれば、ステップ１４０で電力選択手段１のスイッチＭＳ１，ＭＳ２，ＭＳ３を全て投入し、“電池”自立運転に対し商用電力を供給する系統補充運転モードとする（図１１）。運転モードが決まると、ステップ１５０の放電運転出力制御を行う。
【００３０】
ステップ１６０では、蓄電池残量、蓄電池温度、放電時間帯などの放電運転継続条件を監視する。不成立になると、ステップ１７０で放電運転停止および放電量記録処理を行う。これには、ステップ１８０の放電量監視処理を常時行っておく。ステップ１９０では、電力選択手段１のスイッチＭＳ２を開き、スイッチＭＳ１とＭＳ３を閉じることにより電力分配切替を商用運転とする（図８）。
【００３１】
２．非定常運転
図４に示すステップ２００において、停電が発生すると、ステップ２１０で現在の運転状況を判定する。充電モードであれば、ステップ２２０で充電運転時非定常処理を行う。放電モード（系統補充運転モードも含む）であれば、ステップ２３０で放電運転時非定常処理を行う。商用運転モードであれば、ステップ２４０で商用運転時非定常処理を行う。ステップ２５０では、放電深度を判断する。放電深度が超過であれば、ステップ２６０で均等充電要求フラグをセットする。
【００３２】
すなわち、
（１）非定常運転において、蓄電池より負荷へ電力供給することで蓄電容量が減り、放電深度まで達するとステップ２６０動作。この間、商用は停電中。
（２）商用電力が停電から復帰した場合、本システムは非定常運転から定常運転（商用運転）へ移行する。この時フラグがセットされている場合、充電時間帯に充電を行う。
ステップ２７０では、停電発生記録を行う。（図１２）
【００３３】
３．充電制御（１）
図５に示すステップ３００において、充電時間帯かどうかを判定する。充電時間帯であれば、ステップ３１０で充電の要否を判定し、充電要であればステップ３１０で電力選択手段１のスイッチＭＳ１，ＭＳ２，ＭＳ３を投入して双方向電力変換器２を介して商用電源からの充電を行う（図９）。
【００３４】
４．電池温度監視
図６のステップ４００において、充電開始時の温度を記録する。ステップ４１０において、温度センサ１４で計測した電池温度現在値と充電開始時の温度とを比較する。
ステップ４２０では充電終了かどうかを判断し、充電未終了の場合は、６℃以上の温度上昇があったかどうかを判定し、温度上昇があれば、ステップ４４０で充電停止フラグをセットし、充電を停止する。
【００３５】
５．充電制御（２）
図７のステップ５００において、電池電圧検出、電池温度検出処理を行う。ステップ５１０で充電諸量をセットする。
ここで、充電諸量とは、充電運転を行う場合、充電電気量に達するまでに段階的に充電電流値を減らして充電を行うときの電流値設定のことをいう。
次いで、ステップ５２０で低電流充電を行う。ステップ５３０では充電電気量に到達したかどうかを判定し、到達したら、ステップ５４０で電池電圧判定処理を行う。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、夜間料金適用時間帯以外の時間帯において、負荷の消費電力が前記所定の値以上のときは前記商用電力と前記蓄電手段からの前記負荷への電力供給を並行して行う機能を備えたことにより、負荷から出力容量以上の電力要求があった場合でも、蓄電手段に蓄電された電力を有効に使い切ることにより、夜間電力の有効利用と、デイタイム電力の使用を抑制することができる。
【００３７】
整流手段および電力変換手段を、両者の機能を備えた双方向電力変換器とすることにより、蓄電手段に対する充電動作時はコンバータとして動作するように、また、蓄電手段から負荷へ電力を放電動作時はインバータとして動作するように制御される。
【００３８】
電力選択手段を、３つのスイッチと単巻変成器で構成することにより、複雑な電力調整回路を組み合わせることなく、２つの交流電源からの電力をバランスして負荷に並列供給することができる。
【００３９】
商用電力との間に商用電源を遮断する開閉器を設け、前記開閉器の商用電力側に停電検出手段を設けることにより、商用電力側で停電が発生した場合、開閉器をオープンすることで、蓄電手段で自立運転をした場合に起こる商用系統への逆潮流を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る電力貯蔵システムの実施の形態の構成を示すブロック図（単線図）である。
【図２】 本発明の実施の形態における単巻変成器の動作を示す説明図である。
【図３】 本発明の実施の形態における制御手段の動作を示すフローチャートである。
【図４】 本発明の実施の形態における制御手段の動作を示すフローチャートである。
【図５】 本発明の実施の形態における制御手段の動作を示すフローチャートである。
【図６】 本発明の実施の形態における制御手段の動作を示すフローチャートである。
【図７】 本発明の実施の形態における制御手段の動作を示すフローチャートである。
【図８】 本発明の実施の形態における各運転モードの説明図である。
【図９】 本発明の実施の形態における各運転モードの説明図である。
【図１０】 本発明の実施の形態における各運転モードの説明図である。
【図１１】 本発明の実施の形態における各運転モードの説明図である。
【図１２】 本発明の実施の形態における各運転モードの説明図である。
【符号の説明】
１ 電力選択手段
２ 双方向電力変換器
３ 蓄電手段
４ 制御手段
１０ 商用電源
１１ 単巻変成器
１２ スイッチング素子
１３ スイッチング制御部
１４ 温度センサ
１５ トランス
２０ 負荷
３０ 蓄電池

Claims (3)

1. 商用電力を直流電力に変換する整流手段と、整流された直流電力を貯蔵する蓄電手段と、前記蓄電手段に蓄電された直流電力を前記商用電力の電圧および周波数にほぼ等しい交流電力に変換する電力変換手段と、前記商用電力と前記電力変換手段により変換された交流電力を複数のスイッチを切り替えて選択的に負荷に供給する電力選択手段と、前記電力選択手段の複数のスイッチの制御を行う制御手段とを有し、
   前記制御手段は、夜間料金適用時間帯は前記商用電力から前記整流手段を介して前記蓄電手段に電力を供給するとともに前記負荷に電力を供給する夜間運転モードと、前記夜間料金適用時間帯以外の時間帯においては、前記負荷の消費電力が所定の値未満のときは前記蓄電手段からのみの前記負荷への電力供給を行う放電運転モードと、前記負荷の消費電力が前記所定の値以上のときは前記商用電力と前記蓄電手段からの前記負荷への電力供給を並行して行う系統補充運転モードの各モードに応じて前記複数のスイッチを制御するものであり、
   前記電力選択手段は、第１入力端子側が第１のスイッチを介して商用電力に接続され、第２入力端子側が第２のスイッチを介して前記電力変換手段に接続され、前記第１入力端子と前記第２入力端子間の所定の中間タップが前記負荷に接続され、前記第１入力端子と前記第２入力端子間に第３のスイッチが接続された単巻変成器であることを特徴とする電力貯蔵システム。
2. 前記整流手段および前記電力変換手段は、両者の機能を備えた双方向電力変換器である請求項１記載の電力貯蔵システム。
3. 前記蓄電手段の出力部と商用電力との接続点の商用電力側に停電検出手段と商用電源を遮断する遮断器を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の電力貯蔵システム。

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