JP3980794B2 - 電力貯蔵システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、設置時に電圧が０Ｖで初期充電が必要な二次電池、定期的な完全放電や定期点検時に完全放電が必要な二次電池を用いた電力貯蔵システムに係り、特にそのシステムに用いられる電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
設置時に鉛蓄電池のように電圧が確立しておらず、電圧が０Ｖである二次電池、例えばレドックスフロー電池、亜鉛臭素電池、亜鉛塩素電池等は、通常の電圧形自励電力変換装置で放電可能な動作電圧まで二次電池を充電するための初期充電が必要である。また、充電時電極に亜鉛が蓄積される二次電池、例えば亜鉛臭素電池、亜鉛塩素電池等は、亜鉛の積層の不均一により発生するデンドライトによる電池の破壊を防止するため、二次電池の電圧を０Ｖまで放電し亜鉛を完全に除去するための完全放電が定期的に必要である。
【０００３】
電力変換装置は電流形他励インバータ、電圧形自励インバータのどちらで構成することも可能であるが、電流形他励インバータでは二次電池の充電と放電時で直流回路の極性を切り換える装置が必要で、有効電力、無効電力をそれぞれ独立に任意に調整できない問題がある。また、電力貯蔵システムを非常時の電源として活用する用途も考えられるため、系統電源の有無に関係なく独立運転も可能で上記のような問題もない電圧形自励インバータが一般に用いられる。
【０００４】
しかし、電圧形自励インバータは逆方向導通性の自己消弧素子、例えばＩＧＢＴを使用する必要があり、このように逆方向導通性の自己消弧素子を用いるため、その直流側電圧は交流入力電圧を整流した電圧以下にすることができないため、二次電池の電圧が整流電圧より低い時は、電圧形自励インバータでは電池の充電電流、放電電流の制御が行えないので、初期充電、完全放電のための手段が別途必要となる。
【０００５】
そのため従来の電力貯蔵システムには、通常の充放電動作を行う通常動作用電力変換装置とは別に初期充電／完全放電用電力変換装置が設けられる。
【０００６】
図２は従来の電力貯蔵システムを示す回路図であり、電力貯蔵システムは二次電池１と、通常動作用電力変換装置Ａと、初期充電／完全放電用電力変換装置Ｂと、電力変換装置Ａの制御を行う変換器Ａ制御装置１４と、電力変換装置Ｂの制御を行う変換器Ｂ制御装置２１とから構成されている。通常動作用電力変換装置Ａは、電力変換装置Ａとの接続、切り離しを行う直流遮断器２と、電力変換装置の直流側電圧を平滑する平滑用コンデンサ４と、電力変換装置の運転初期に平滑用コンデンサ４への電力系統１３からの突入電流を制限する限流用抵抗５と、通常運転時に限流用抵抗の両端を短絡する抵抗短絡用スイッチ６と、ＩＧＢＴ等の自己消弧形の半導体スイッチからなる電力変換器７と、電力系統１３に流出する高調波電流を抑制するための三相用ＬＣフィルタを構成するフィルタ用リアクトル８及びフィルタ用コンデンサ１０と、電力系統１３の電圧と電力変換器７の出力電圧を合わせる連系用トランス１１と、系統と電力変換装置Ａの接続、遮断を行う交流遮断器１２とから構成されている。初期充電／完全放電用電力変換装置Ｂは、電力系統１３と電力変換装置Ｂの接続、遮断を行う交流遮断器１５と、電力系統１３の電圧を電力変換装置Ｂが必要とする電圧に変換するトランス１６と、二次電池１を０Ｖから充電するためのサイリスタ等の半導体スイッチからなる初期充電用変換器１７と、二次電池の電圧を０Ｖまで放電するためのサイリスタ等の半導体スイッチからなる完全放電用変換器１８と、初期充電／完全放電時の直流電流を平滑する直流リアクトル１９と、二次電池１と電力変換装置Ｂの接続、切り離しを行う直流遮断器２０とから構成されている。
【０００７】
上記構成において、二次電池１の初期充電時は電力変換装置Ａの直流遮断器２及び交流遮断器１２を遮断し電力変換装置Ａを停止状態とし、電力変換装置Ｂの交流遮断器１５及び直流遮断器２０を投入し、初期充電用電力変換器１７を変換器Ｂ制御装置２１により制御して二次電池１の電圧を所定の電圧まで充電する。
【０００８】
初期充電により二次電池１の電圧が設定値以上になれば電力変換装置Ｂを停止し、電力変換装置Ｂの交流遮断器１５及び直流遮断器２０を遮断する。抵抗短絡用スイッチ６を開放状態にし、交流遮断器１２を閉じて平滑用コンデンサ４を電力変換器７の半導体素子の環流用ダイオードを通して充電する。平滑用コンデンサ４が設定電圧以上に充電された後、抵抗短絡用スイッチ６を短絡すると共に、電力変換器７を変換器Ａ制御装置１４で制御して電力変換装置Ａを充電時には電圧形三相自励高力率コンバータ、放電時には電圧形三相自励インバータとして動作するように制御を行い、二次電池１と電力系統１３との充電／放電の双方向運転を行い、通常の電力貯蔵システムの運転モードを実現する。この電力変換装置Ａは二次電池１の電力系統１３との充電と放電を行う双方向性を持ち、電力系統１３への有効電力のみだけではなく無効電力も同時に制御できる。
【０００９】
次に電力変換装置Ａの二次電池１の放電運転により二次電池１の電圧が低下し、これ以上電力変換装置Ａでは電力系統１３への放電が不可能となると電力変換装置Ａを停止し、電力変換装置Ａの直流遮断器２及び交流遮断器１２を遮断する。
【００１０】
この状態から二次電池１を完全放電するために、電力変換装置Ｂの交流遮断器１５及び直流遮断器２０を接続状態にし、完全放電用電力変換器１８を変換器Ｂ制御装置２１により制御して二次電池１の電圧を０Ｖまで放電する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従来の電力貯蔵システムにおいて、通常の電力充放電のための電力変換装置Ａの他に、初期充電と完全放電のための初期充電／完全放電用電力変換装置Ｂを必要とすることから設備構成が複雑で高価となり、設置スペースを大きくし、さらには部品点数が多く信頼性を低下させる問題があった。
【００１２】
本発明の目的は、二次電池の初期充電、完全放電及び通常動作である電力系統との充放電のための電力変換装置のコストダウン、コンパクト化及び信頼性向上を図った電力貯蔵システムを提供することを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載の発明は、初期充電、完全放電が必要な二次電池と、平滑用コンデンサと、自己消弧素子を用いた三相ブリッジ交直電力変換器と、フィルタ用リアクトル及びフィルタ用コンデンサからなる三相用ＬＣフィルタとを備えて電力系統と連系させる電力貯蔵システムにおいて、二次電池の正極と平滑用コンデンサの正極との間にあって、二次電池の正極をフィルタ用リアクトルのうち任意の１つのリアクトルの一端に接続されるように設けられた端子または平滑用コンデンサの正極に接続される端子と接続するために切り換える直流切換手段と、任意の１つのリアクトルとフィルタ用コンデンサとの間にあって、任意の１つのリアクトルの一端を二次電池の正極に接続されるように設けられた端子またはコンデンサの一端に接続される端子と接続するために切り換える交直切換手段とを有し、二次電池の初期充電または完全放電時に、直流切換手段により任意の１つのリアクトルの一端に接続されるように設けられた端子側へ、かつ交直切換手段により二次電池の正極に接続されるように設けられた端子側へ各々切り換えることにより、三相ブリッジ交直電力変換器を構成する３つの電力変換器アームのうち、任意の１つのリアクトルの他端と接続される電力変換器アームを用いて昇降圧コンバータを構成し、かつ残る２つの電力変換器アームを用いて単相ブリッジ回路を構成し、初期充電時に単相ブリッジ回路を交直電力変換器として、かつ昇降圧コンバータを降圧コンバータとして動作するように制御し、完全放電時に単相ブリッジ回路を単相インバータとして、かつ昇降圧コンバータを昇圧コンバータとして制御することを特徴とする電力貯蔵システムである。
【００１４】
これにより次のような作用を有する。すなわち、二次電池の初期充電または完全放電時に交直切換手段及び直流切換手段により、電圧形三相ブリッジ交直電力変換器を構成する自己消弧素子を用いて単相ブリッジ回路と昇降圧コンバータを簡単に構成することが可能となり、それらを制御することにより初期充電、完全放電のように二次電池の電圧が低いときでも同じ一台の電力変換装置で電力系統との電力の融通が行える。
【００１５】
本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電力貯蔵システムであって、二次電池の初期充電時に単相ブリッジ回路を単相高力率コンバータとして動作するように制御することを特徴とする電力貯蔵システムである。
【００１６】
これにより次のような作用を有する。すなわち、高力率コンバータは昇圧動作のため平滑用コンデンサの電圧を整流電圧より高い一定電圧に制御できるため、系統電圧の変動に拘わらず二次電池を整流電圧より高い所定の電圧まで初期充電できる。また、二次電池の初期充電時においても電力系統側の電流波形を正弦波に保てるため、電力系統への高調波電流による悪影響を防げる。
【００１７】
本発明の請求項３に記載の発明は、請求項１または２のいずれか１つに記載の電力貯蔵システムであって、二次電池の初期充電または完全放電時における昇降圧コンバータとして用いる自己消弧形素子のスイッチング周波数を他の自己消弧形素子のスイッチング周波数より高くすることを特徴とする電力貯蔵システムである。
【００１８】
これにより次のような作用を有する。すなわち、連系用リアクトルのリアクタンスが小さいときでも昇降圧コンバータのスイッチング周波数を上げることにより二次電池の初期充電及び完全放電時の充放電電流のリップルを小さく抑えることが可能となる。
【００１９】
本発明の請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の電力貯蔵システムであって、交直切換手段及び直流切換手段が自動または手動の切換スイッチによるか、またはボルト等によるブスバー、ケーブルの繋ぎ換えによることを特徴とする電力貯蔵システムである。
【００２０】
これにより次のような作用を有する。すなわち、初期充電、完全放電の頻度の多い二次電池において、切換手段を自動または手動のスイッチで構成すれば、切り換えの取扱いが容易であり、また、初期充電、完全放電の頻度のきわめて少ない二次電池においては、切換スイッチを用いる代わりに安価なブスバーやケーブルでその都度繋ぎ換えることも可能であり、初期充電、完全放電の頻度により最適な切換手段が選べる。
【００２１】
本発明の請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の電力貯蔵システムであって、初期充電または完全放電時の交直電力変換器の運転容量を連系する電力系統の状態にあわせて設定することを特徴とする電力貯蔵システムである。
【００２２】
これにより次のような作用を有する。すなわち、初期充電または完全放電でこの電力貯蔵システムを運転する場合、三相の電力系統に単相接続するため電力系統の不平衡負荷になるので問題となることがある、連系する電力系統の容量やその電力系統に接続された他の負荷の状態に応じて初期充電、完全放電時の運転容量を設定できれば、連系する系統の不平衡を問題ないレベルに抑えることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る電力貯蔵システムの一実施の形態を示す回路図であり、電力貯蔵システムは二次電池１と、電力変換装置Ａ’、電力変換装置Ａ’の制御を行う制御装置１４’とから構成されている。本実施の形態は一台の電力変換装置Ａ’により、初期充電、完全放電が必要な上記二次電池を用いた電力貯蔵システムを電力系統に連系して、初期充電、完全放電及び通常動作である電力系統との充放電を行うものである。
【００２４】
電力変換装置Ａ’は、二次電池１との接続、切り離しを行う直流遮断器２と、二次電池１の正極を後述する端子３ａまたは３ｂと接続するために切り換える直流切換スイッチ３と、二次電池に加わる直流電圧を平滑する平滑用コンデンサ４と、電力変換装置Ａ’の運転初期に平滑用コンデンサ４へ電力系統１３から流入する突入電流を制限する限流用抵抗５と、通常運転時に限流用抵抗５の両端を短絡する抵抗短絡用スイッチ６と、ＩＧＢＴ等の自己消弧形の半導体スイッチからなる電力変換器７とから構成される。さらに、電力系統１３に流出する高調波電流を抑制するための三相用ＬＣフィルタを構成するフィルタ用リアクトル８及びフィルタ用コンデンサ１０と、フィルタ用リアクトル８を構成するリアクトル８ａ，８ｂ，８ｃのうち任意の１つ、例えばリアクトル８ｃとコンデンサ１０との間に設けられ、リアクトル８ｃの一端を二次電池１の正極に接続されるように設けられた端子９ｂまたはコンデンサ１０の一端に接続される端子９ａと接続するために切り換える交直切換スイッチ９と、連系する電力系統１３の電圧と電力変換器７の出力電圧を合わせる連系用トランス１１と、電力系統１３との接続、遮断を行う交流遮断器１２とから構成される。前述した直流切換スイッチ３は、二次電池１の正極と平滑用コンデンサ４の正極との間に設けられ、二次電池１の正極をリアクトル８ｃに接続されるように設けられた端子３ｂまたは平滑用コンデンサ４の正極に接続される端子３ａと接続するために切り換えられる。なお、フィルタ用リアクトル８は電力系統１３と連系するための連系リアクトルを兼ねているが、別途連系用リアクトルを設けても良い。
【００２５】
次に電力変換装置Ａ’の動作を初期充電時、通常充放電時及び完全放電時に分けて説明する。
【００２６】
＜初期充電時＞
二次電池１の電圧が０Ｖの状態から初期充電するときは、直流切換スイッチ３をリアクトル８ｃに接続されるように設けられた端子３ｂ側に、交直切換スイッチ９を二次電池１の正極に接続されるように設けられた端子９ｂ側に切り換え、抵抗短絡用スイッチ６を開放状態にし、交流遮断器１２を閉じて平滑用コンデンサ４を、電力変換器７を構成する３つの電力変換器アーム７ａ，７ｂ，７ｃのうちアーム７ａ，７ｂの半導体素子の環流用ダイオードを通して電力系統１３から充電する。平滑用コンデンサ４が突流電流が問題とならないように設定された電圧値以上に充電された後、抵抗短絡用スイッチ６を短絡すると共に、リアクトル８ｃの他端に接続されたアーム７ｃの上側のＩＧＢＴをスイッチングして平滑用コンデンサ４を直流電圧源とする降圧コンバータ動作で運転することにより、二次電池１の電圧を電力変換装置Ａ’が通常運転可能な電圧まで設定した電流値で充電し初期充電が完了する。
【００２７】
本実施の形態では、電力変換器アーム７ａ，７ｂの半導体素子の環流用ダイオードを整流器として用いたが、アーム７ａ，７ｂの半導体素子をスイッチングして、電力変換装置Ａ’の入力電流波形が正弦波でかつ力率が１になる単相高力率コンバータとして動作するように制御すれば、単相高力率コンバータは昇圧動作となるため平滑用コンデンサ４の電圧は電力系統１３の電圧の変動の影響を受けずに、連系用トランス１１の二次電圧の整流電圧よりも高い一定電圧に制御することができると共に、電力系統側への高調波電流の流出も防げる。
【００２８】
＜通常充放電時＞
初期充電により二次電池１の電圧が、平滑用コンデンサ４、電力変換器７、フィルタ用リアクトル８及びフィルタ用コンデンサ１０から構成される電圧形三相自励インバータで運転可能な値に設定された電圧値以上になれば、電力変換装置Ａ’を一端停止し、直流切換スイッチ３を平滑用コンデンサ４の正極に接続される端子３ａ側に、交直切換スイッチ９をコンデンサ１０の一端に接続される端子９ａ側に切り換えた後、電力変換器７を変換器Ａ’制御装置１４’で制御して電力変換装置Ａ’を充電時には電圧形三相自励高力率コンバータ、放電時には電圧形三相自励インバータとして動作するように制御を行う。これにより電力系統１３から二次電池１への充電と二次電池１から電力系統１３への放電という双方向の運転が行われ、電力貯蔵システムの通常の充放電運転を実現する。
【００２９】
＜完全放電時＞
放電が進み、二次電池１の電圧が、電圧形三相自励インバータでは対応できない電圧まで低下したとき、放電動作を一旦停止し、直流切換スイッチ３をリアクトル８ｃに接続されるように設けられた端子３ｂ側に、交直切換スイッチ９を二次電池１の正極に接続されるように設けられた端子９ｂ側に切り換え、リアクトル８ｃの他端に接続された電力変換器アーム７ｃの下側のＩＧＢＴをスイッチングして二次電池１を直流電圧源とする昇圧コンバータ動作で運転することにより、平滑用コンデンサ４の電圧を電力変換装置Ａ’が通常運転可能な電圧まで昇圧し、アーム７ａ，７ｂを単相インバータとして動作するように制御して二次電池１の電圧が０Ｖになるまで二次電池１を放電する。
【００３０】
以上のように、電力変換装置１台で二次電池１の初期充電と通常の充放電と完全放電の三つのモードの運転を行うことができる。
【００３１】
ここで、交直切換スイッチ９をリアクトル８ｃとコンデンサ１０との間に設けた例で説明したが、リアクトル８ａまたは８ｂとコンデンサ１０との間に設けてもよい。リアクトル８ａの一端に交直切換スイッチ９を設けた場合は、アーム７ａを昇降圧コンバータとして動作させ、アーム７ｂ，７ｃを整流器または単相コンバータ、単相インバータとして動作するように制御する。同様にリアクトル８ｂの一端に交直切換スイッチ９を設けた場合はアーム７ｂを昇降圧コンバータとして動作させ、アーム７ａ，７ｃを整流器または単相コンバータ、単相インバータとして動作するように制御すればよい。
【００３２】
また、初期充電時または完全放電時において電力変換器アーム７ａ，７ｂ，７ｃのうち昇降圧コンバータとして用いるアーム７ｃのＩＧＢＴのスイッチング周波数は他のアームのＩＧＢＴのスイッチング周波数より高くしても良い。こうすれば比較的リアクタンスの小さな連系リアクトルでも二次電池１へのリップル電流を低減することができる。
【００３３】
また、直流切換スイッチ３と交直切換スイッチ９は自動または手動で切り換える構成のもの使用しても良いし、また、機械式でも半導体を用いたスイッチであってもよい。初期充電、完全放電の必要頻度の少ない二次電池、例えばレドックスフロー電池を使用した電力貯蔵システムであれば、２台の切換スイッチの代わりにボルト等によるブスバーまたはケーブルの繋ぎ換えで行っても良く、そうすればより一層のコスト低減が図れる。
【００３４】
また、初期充電または完全放電でこの電力貯蔵システムを運転する場合、三相の電力系統１３に単相接続するため、電力系統が不平衡負荷になるという問題がある。そのため、連系する電力系統の容量や他の接続された負荷の状態に応じて初期充電、完全放電時の運転容量を設定できることが好ましい。また、大容量の電力貯蔵システムの場合、容量を３分割して図１と同様な構成の３つのシステムとし、系統の各相に平等に単相接続することが好ましい。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように本発明の請求項１によれば、１台の電力変換装置を運転モードによって回路の繋ぎ換えと電力変換器の制御の変更により、二次電池の初期充電、完全放電及び通常の電力系統との充放電という３つの運転モードで動作させることができるため、初期充電、完全放電のために別途電力変換装置やDCリアクトル等初期充電や完全放電だけに使用する回路構成部品を設ける必要がなく、装置構成が簡単で部品点数も削減できることから、大幅なコストダウンが図れ、かつ信頼性の向上も期待できる。また、従来に比べて小型化できることから設置スペースの小面積化も図ることができる。
【００３６】
また請求項２によれば、高力率コンバータは昇圧動作のため平滑用コンデンサの電圧を整流電圧より高い一定電圧に制御できるため、系統電圧が変動したときでも二次電池を整流電圧より高い所定の電圧まで初期充電できる。また、二次電池の初期充電時においても電力系統側の電流波形を正弦波に保てるため、電力系統への高調波電流による悪影響を防ぐことができる。
【００３７】
また請求項３によれば、連系用リアクトルのリアクタンスが小さいときでも昇降圧コンバータのスイッチング周波数を上げることにより二次電池の初期充電及び完全放電時の充放電電流のリップルを小さく抑えることができる。
【００３８】
また請求項４によれば、初期充電、完全放電の頻度の多い二次電池において、切換手段を自動または手動のスイッチで構成すれば、切り換えの取扱いを容易にすることができ、また、初期充電、完全放電の頻度のきわめて少ない二次電池においては、切換スイッチを用いる代わりにブスバーやケーブルでその都度繋ぎ換えることにより、安価にすることができる。
【００３９】
また請求項５によれば、初期充電または完全放電でこの電力貯蔵システムを運転する場合、三相の電力系統に単相接続するため電力系統の不平衡負荷になるので問題となることがある、連系する電力系統の容量やその電力系統に接続された他の負荷の状態に応じて初期充電、完全放電時の運転容量を設定できれば、連系する系統の不平衡を問題ないレベルに抑えることができる。
【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一実施の形態を示す回路図である。
【図２】従来の電力貯蔵システムの回路図である。
【符号の説明】
１ 二次電池
２ 直流遮断器
３ 直流切換スイッチ
４ 平滑用コンデンサ
５ 限流用抵抗
６ 抵抗短絡用スイッチ
７ 三相ブリッジ交直電力変換器
７ａ，７ｂ，７ｃ 電力変換器アーム
８ フィルタ用リアクトル
９ 交直切換スイッチ
１０ フィルタ用コンデンサ
１１ 連系用トランス
１２ 交流遮断器
１３ 電力系統
１４ 変換器Ａ制御装置
１４’ 変換器Ａ’制御装置
１５ 交流遮断器
１７ 初期充電用電力変換器
１８ 完全放電用電力変換器
１９ 直流リアクトル
２０ 直流遮断器
２１ 変換器Ｂ制御装置
Ａ 通常充放電用電力変換装置
Ａ’ 電力変換装置
Ｂ 初期充電／完全放電用電力変換装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、設置時に電圧が０Ｖで初期充電が必要な二次電池、定期的な完全放電や定期点検時に完全放電が必要な二次電池を用いた電力貯蔵システムに係り、特にそのシステムに用いられる電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
設置時に鉛蓄電池のように電圧が確立しておらず、電圧が０Ｖである二次電池、例えばレドックスフロー電池、亜鉛臭素電池、亜鉛塩素電池等は、通常の電圧形自励電力変換装置で放電可能な動作電圧まで二次電池を充電するための初期充電が必要である。また、充電時電極に亜鉛が蓄積される二次電池、例えば亜鉛臭素電池、亜鉛塩素電池等は、亜鉛の積層の不均一により発生するデンドライトによる電池の破壊を防止するため、二次電池の電圧を０Ｖまで放電し亜鉛を完全に除去するための完全放電が定期的に必要である。
【０００３】
電力変換装置は電流形他励インバータ、電圧形自励インバータのどちらで構成することも可能であるが、電流形他励インバータでは二次電池の充電と放電時で直流回路の極性を切り換える装置が必要で、有効電力、無効電力をそれぞれ独立に任意に調整できない問題がある。また、電力貯蔵システムを非常時の電源として活用する用途も考えられるため、系統電源の有無に関係なく独立運転も可能で上記のような問題もない電圧形自励インバータが一般に用いられる。
【０００４】
しかし、電圧形自励インバータは逆方向導通性の自己消弧素子、例えばＩＧＢＴを使用する必要があり、このように逆方向導通性の自己消弧素子を用いるため、その直流側電圧は交流入力電圧を整流した電圧以下にすることができないため、二次電池の電圧が整流電圧より低い時は、電圧形自励インバータでは電池の充電電流、放電電流の制御が行えないので、初期充電、完全放電のための手段が別途必要となる。
【０００５】
そのため従来の電力貯蔵システムには、通常の充放電動作を行う通常動作用電力変換装置とは別に初期充電／完全放電用電力変換装置が設けられる。
【０００６】
図２は従来の電力貯蔵システムを示す回路図であり、電力貯蔵システムは二次電池１と、通常動作用電力変換装置Ａと、初期充電／完全放電用電力変換装置Ｂと、電力変換装置Ａの制御を行う変換器Ａ制御装置１４と、電力変換装置Ｂの制御を行う変換器Ｂ制御装置２１とから構成されている。通常動作用電力変換装置Ａは、電力変換装置Ａとの接続、切り離しを行う直流遮断器２と、電力変換装置の直流側電圧を平滑する平滑用コンデンサ４と、電力変換装置の運転初期に平滑用コンデンサ４への電力系統１３からの突入電流を制限する限流用抵抗５と、通常運転時に限流用抵抗の両端を短絡する抵抗短絡用スイッチ６と、ＩＧＢＴ等の自己消弧形の半導体スイッチからなる電力変換器７と、電力系統１３に流出する高調波電流を抑制するための三相用ＬＣフィルタを構成するフィルタ用リアクトル８及びフィルタ用コンデンサ１０と、電力系統１３の電圧と電力変換器７の出力電圧を合わせる連系用トランス１１と、系統と電力変換装置Ａの接続、遮断を行う交流遮断器１２とから構成されている。初期充電／完全放電用電力変換装置Ｂは、電力系統１３と電力変換装置Ｂの接続、遮断を行う交流遮断器１５と、電力系統１３の電圧を電力変換装置Ｂが必要とする電圧に変換するトランス１６と、二次電池１を０Ｖから充電するためのサイリスタ等の半導体スイッチからなる初期充電用変換器１７と、二次電池の電圧を０Ｖまで放電するためのサイリスタ等の半導体スイッチからなる完全放電用変換器１８と、初期充電／完全放電時の直流電流を平滑する直流リアクトル１９と、二次電池１と電力変換装置Ｂの接続、切り離しを行う直流遮断器２０とから構成されている。
【０００７】
上記構成において、二次電池１の初期充電時は電力変換装置Ａの直流遮断器２及び交流遮断器１２を遮断し電力変換装置Ａを停止状態とし、電力変換装置Ｂの交流遮断器１５及び直流遮断器２０を投入し、初期充電用電力変換器１７を変換器Ｂ制御装置２１により制御して二次電池１の電圧を所定の電圧まで充電する。
【０００８】
初期充電により二次電池１の電圧が設定値以上になれば電力変換装置Ｂを停止し、電力変換装置Ｂの交流遮断器１５及び直流遮断器２０を遮断する。抵抗短絡用スイッチ６を開放状態にし、交流遮断器１２を閉じて平滑用コンデンサ４を電力変換器７の半導体素子の環流用ダイオードを通して充電する。平滑用コンデンサ４が設定電圧以上に充電された後、抵抗短絡用スイッチ６を短絡すると共に、電力変換器７を変換器Ａ制御装置１４で制御して電力変換装置Ａを充電時には電圧形三相自励高力率コンバータ、放電時には電圧形三相自励インバータとして動作するように制御を行い、二次電池１と電力系統１３との充電／放電の双方向運転を行い、通常の電力貯蔵システムの運転モードを実現する。この電力変換装置Ａは二次電池１の電力系統１３との充電と放電を行う双方向性を持ち、電力系統１３への有効電力のみだけではなく無効電力も同時に制御できる。
【０００９】
次に電力変換装置Ａの二次電池１の放電運転により二次電池１の電圧が低下し、これ以上電力変換装置Ａでは電力系統１３への放電が不可能となると電力変換装置Ａを停止し、電力変換装置Ａの直流遮断器２及び交流遮断器１２を遮断する。
【００１０】
この状態から二次電池１を完全放電するために、電力変換装置Ｂの交流遮断器１５及び直流遮断器２０を接続状態にし、完全放電用電力変換器１８を変換器Ｂ制御装置２１により制御して二次電池１の電圧を０Ｖまで放電する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従来の電力貯蔵システムにおいて、通常の電力充放電のための電力変換装置Ａの他に、初期充電と完全放電のための初期充電／完全放電用電力変換装置Ｂを必要とすることから設備構成が複雑で高価となり、設置スペースを大きくし、さらには部品点数が多く信頼性を低下させる問題があった。
【００１２】
本発明の目的は、二次電池の初期充電、完全放電及び通常動作である電力系統との充放電のための電力変換装置のコストダウン、コンパクト化及び信頼性向上を図った電力貯蔵システムを提供することを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載の発明は、初期充電、完全放電が必要な二次電池と、平滑用コンデンサと、自己消弧素子を用いた三相ブリッジ交直電力変換器と、フィルタ用リアクトル及びフィルタ用コンデンサからなる三相用ＬＣフィルタとを備えて電力系統と連系させる電力貯蔵システムにおいて、二次電池の正極と平滑用コンデンサの正極との間にあって、二次電池の正極をフィルタ用リアクトルのうち任意の１つのリアクトルの一端に接続されるように設けられた端子または平滑用コンデンサの正極に接続される端子と接続するために切り換える直流切換手段と、任意の１つのリアクトルとフィルタ用コンデンサとの間にあって、任意の１つのリアクトルの一端を二次電池の正極に接続されるように設けられた端子またはコンデンサの一端に接続される端子と接続するために切り換える交直切換手段とを有し、二次電池の初期充電または完全放電時に、直流切換手段により任意の１つのリアクトルの一端に接続されるように設けられた端子側へ、かつ交直切換手段により二次電池の正極に接続されるように設けられた端子側へ各々切り換えることにより、三相ブリッジ交直電力変換器を構成する３つの電力変換器アームのうち、任意の１つのリアクトルの他端と接続される電力変換器アームを用いて昇降圧コンバータを構成し、かつ残る２つの電力変換器アームを用いて単相ブリッジ回路を構成し、初期充電時に単相ブリッジ回路を交直電力変換器として、かつ昇降圧コンバータを降圧コンバータとして動作するように制御し、完全放電時に単相ブリッジ回路を単相インバータとして、かつ昇降圧コンバータを昇圧コンバータとして制御することを特徴とする電力貯蔵システムである。
【００１４】
これにより次のような作用を有する。すなわち、二次電池の初期充電または完全放電時に交直切換手段及び直流切換手段により、電圧形三相ブリッジ交直電力変換器を構成する自己消弧素子を用いて単相ブリッジ回路と昇降圧コンバータを簡単に構成することが可能となり、それらを制御することにより初期充電、完全放電のように二次電池の電圧が低いときでも同じ一台の電力変換装置で電力系統との電力の融通が行える。
【００１５】
本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電力貯蔵システムであって、二次電池の初期充電時に単相ブリッジ回路を単相高力率コンバータとして動作するように制御することを特徴とする電力貯蔵システムである。
【００１６】
これにより次のような作用を有する。すなわち、高力率コンバータは昇圧動作のため平滑用コンデンサの電圧を整流電圧より高い一定電圧に制御できるため、系統電圧の変動に拘わらず二次電池を整流電圧より高い所定の電圧まで初期充電できる。また、二次電池の初期充電時においても電力系統側の電流波形を正弦波に保てるため、電力系統への高調波電流による悪影響を防げる。
【００１７】
本発明の請求項３に記載の発明は、請求項１または２のいずれか１つに記載の電力貯蔵システムであって、二次電池の初期充電または完全放電時における昇降圧コンバータとして用いる自己消弧形素子のスイッチング周波数を他の自己消弧形素子のスイッチング周波数より高くすることを特徴とする電力貯蔵システムである。
【００１８】
これにより次のような作用を有する。すなわち、連系用リアクトルのリアクタンスが小さいときでも昇降圧コンバータのスイッチング周波数を上げることにより二次電池の初期充電及び完全放電時の充放電電流のリップルを小さく抑えることが可能となる。
【００１９】
本発明の請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の電力貯蔵システムであって、交直切換手段及び直流切換手段が自動または手動の切換スイッチによるか、またはボルト等によるブスバー、ケーブルの繋ぎ換えによることを特徴とする電力貯蔵システムである。
【００２０】
これにより次のような作用を有する。すなわち、初期充電、完全放電の頻度の多い二次電池において、切換手段を自動または手動のスイッチで構成すれば、切り換えの取扱いが容易であり、また、初期充電、完全放電の頻度のきわめて少ない二次電池においては、切換スイッチを用いる代わりに安価なブスバーやケーブルでその都度繋ぎ換えることも可能であり、初期充電、完全放電の頻度により最適な切換手段が選べる。
【００２１】
本発明の請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の電力貯蔵システムであって、初期充電または完全放電時の交直電力変換器の運転容量を連系する電力系統の状態にあわせて設定することを特徴とする電力貯蔵システムである。
【００２２】
これにより次のような作用を有する。すなわち、初期充電または完全放電でこの電力貯蔵システムを運転する場合、三相の電力系統に単相接続するため電力系統の不平衡負荷になるので問題となることがある、連系する電力系統の容量やその電力系統に接続された他の負荷の状態に応じて初期充電、完全放電時の運転容量を設定できれば、連系する系統の不平衡を問題ないレベルに抑えることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る電力貯蔵システムの一実施の形態を示す回路図であり、電力貯蔵システムは二次電池１と、電力変換装置Ａ’、電力変換装置Ａ’の制御を行う制御装置１４’とから構成されている。本実施の形態は一台の電力変換装置Ａ’により、初期充電、完全放電が必要な上記二次電池を用いた電力貯蔵システムを電力系統に連系して、初期充電、完全放電及び通常動作である電力系統との充放電を行うものである。
【００２４】
電力変換装置Ａ’は、二次電池１との接続、切り離しを行う直流遮断器２と、二次電池１の正極を後述する端子３ａまたは３ｂと接続するために切り換える直流切換スイッチ３と、二次電池に加わる直流電圧を平滑する平滑用コンデンサ４と、電力変換装置Ａ’の運転初期に平滑用コンデンサ４へ電力系統１３から流入する突入電流を制限する限流用抵抗５と、通常運転時に限流用抵抗５の両端を短絡する抵抗短絡用スイッチ６と、ＩＧＢＴ等の自己消弧形の半導体スイッチからなる電力変換器７とから構成される。さらに、電力系統１３に流出する高調波電流を抑制するための三相用ＬＣフィルタを構成するフィルタ用リアクトル８及びフィルタ用コンデンサ１０と、フィルタ用リアクトル８を構成するリアクトル８ａ，８ｂ，８ｃのうち任意の１つ、例えばリアクトル８ｃとコンデンサ１０との間に設けられ、リアクトル８ｃの一端を二次電池１の正極に接続されるように設けられた端子９ｂまたはコンデンサ１０の一端に接続される端子９ａと接続するために切り換える交直切換スイッチ９と、連系する電力系統１３の電圧と電力変換器７の出力電圧を合わせる連系用トランス１１と、電力系統１３との接続、遮断を行う交流遮断器１２とから構成される。前述した直流切換スイッチ３は、二次電池１の正極と平滑用コンデンサ４の正極との間に設けられ、二次電池１の正極をリアクトル８ｃに接続されるように設けられた端子３ｂまたは平滑用コンデンサ４の正極に接続される端子３ａと接続するために切り換えられる。なお、フィルタ用リアクトル８は電力系統１３と連系するための連系リアクトルを兼ねているが、別途連系用リアクトルを設けても良い。
【００２５】
次に電力変換装置Ａ’の動作を初期充電時、通常充放電時及び完全放電時に分けて説明する。
【００２６】
＜初期充電時＞
二次電池１の電圧が０Ｖの状態から初期充電するときは、直流切換スイッチ３をリアクトル８ｃに接続されるように設けられた端子３ｂ側に、交直切換スイッチ９を二次電池１の正極に接続されるように設けられた端子９ｂ側に切り換え、抵抗短絡用スイッチ６を開放状態にし、交流遮断器１２を閉じて平滑用コンデンサ４を、電力変換器７を構成する３つの電力変換器アーム７ａ，７ｂ，７ｃのうちアーム７ａ，７ｂの半導体素子の環流用ダイオードを通して電力系統１３から充電する。平滑用コンデンサ４が突流電流が問題とならないように設定された電圧値以上に充電された後、抵抗短絡用スイッチ６を短絡すると共に、リアクトル８ｃの他端に接続されたアーム７ｃの上側のＩＧＢＴをスイッチングして平滑用コンデンサ４を直流電圧源とする降圧コンバータ動作で運転することにより、二次電池１の電圧を電力変換装置Ａ’が通常運転可能な電圧まで設定した電流値で充電し初期充電が完了する。
【００２７】
本実施の形態では、電力変換器アーム７ａ，７ｂの半導体素子の環流用ダイオードを整流器として用いたが、アーム７ａ，７ｂの半導体素子をスイッチングして、電力変換装置Ａ’の入力電流波形が正弦波でかつ力率が１になる単相高力率コンバータとして動作するように制御すれば、単相高力率コンバータは昇圧動作となるため平滑用コンデンサ４の電圧は電力系統１３の電圧の変動の影響を受けずに、連系用トランス１１の二次電圧の整流電圧よりも高い一定電圧に制御することができると共に、電力系統側への高調波電流の流出も防げる。
【００２８】
＜通常充放電時＞
初期充電により二次電池１の電圧が、平滑用コンデンサ４、電力変換器７、フィルタ用リアクトル８及びフィルタ用コンデンサ１０から構成される電圧形三相自励インバータで運転可能な値に設定された電圧値以上になれば、電力変換装置Ａ’を一端停止し、直流切換スイッチ３を平滑用コンデンサ４の正極に接続される端子３ａ側に、交直切換スイッチ９をコンデンサ１０の一端に接続される端子９ａ側に切り換えた後、電力変換器７を変換器Ａ’制御装置１４’で制御して電力変換装置Ａ’を充電時には電圧形三相自励高力率コンバータ、放電時には電圧形三相自励インバータとして動作するように制御を行う。これにより電力系統１３から二次電池１への充電と二次電池１から電力系統１３への放電という双方向の運転が行われ、電力貯蔵システムの通常の充放電運転を実現する。
【００２９】
＜完全放電時＞
放電が進み、二次電池１の電圧が、電圧形三相自励インバータでは対応できない電圧まで低下したとき、放電動作を一旦停止し、直流切換スイッチ３をリアクトル８ｃに接続されるように設けられた端子３ｂ側に、交直切換スイッチ９を二次電池１の正極に接続されるように設けられた端子９ｂ側に切り換え、リアクトル８ｃの他端に接続された電力変換器アーム７ｃの下側のＩＧＢＴをスイッチングして二次電池１を直流電圧源とする昇圧コンバータ動作で運転することにより、平滑用コンデンサ４の電圧を電力変換装置Ａ’が通常運転可能な電圧まで昇圧し、アーム７ａ，７ｂを単相インバータとして動作するように制御して二次電池１の電圧が０Ｖになるまで二次電池１を放電する。
【００３０】
以上のように、電力変換装置１台で二次電池１の初期充電と通常の充放電と完全放電の三つのモードの運転を行うことができる。
【００３１】
ここで、交直切換スイッチ９をリアクトル８ｃとコンデンサ１０との間に設けた例で説明したが、リアクトル８ａまたは８ｂとコンデンサ１０との間に設けてもよい。リアクトル８ａの一端に交直切換スイッチ９を設けた場合は、アーム７ａを昇降圧コンバータとして動作させ、アーム７ｂ，７ｃを整流器または単相コンバータ、単相インバータとして動作するように制御する。同様にリアクトル８ｂの一端に交直切換スイッチ９を設けた場合はアーム７ｂを昇降圧コンバータとして動作させ、アーム７ａ，７ｃを整流器または単相コンバータ、単相インバータとして動作するように制御すればよい。
【００３２】
また、初期充電時または完全放電時において電力変換器アーム７ａ，７ｂ，７ｃのうち昇降圧コンバータとして用いるアーム７ｃのＩＧＢＴのスイッチング周波数は他のアームのＩＧＢＴのスイッチング周波数より高くしても良い。こうすれば比較的リアクタンスの小さな連系リアクトルでも二次電池１へのリップル電流を低減することができる。
【００３３】
また、直流切換スイッチ３と交直切換スイッチ９は自動または手動で切り換える構成のもの使用しても良いし、また、機械式でも半導体を用いたスイッチであってもよい。初期充電、完全放電の必要頻度の少ない二次電池、例えばレドックスフロー電池を使用した電力貯蔵システムであれば、２台の切換スイッチの代わりにボルト等によるブスバーまたはケーブルの繋ぎ換えで行っても良く、そうすればより一層のコスト低減が図れる。
【００３４】
また、初期充電または完全放電でこの電力貯蔵システムを運転する場合、三相の電力系統１３に単相接続するため、電力系統が不平衡負荷になるという問題がある。そのため、連系する電力系統の容量や他の接続された負荷の状態に応じて初期充電、完全放電時の運転容量を設定できることが好ましい。また、大容量の電力貯蔵システムの場合、容量を３分割して図１と同様な構成の３つのシステムとし、系統の各相に平等に単相接続することが好ましい。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように本発明の請求項１によれば、１台の電力変換装置を運転モードによって回路の繋ぎ換えと電力変換器の制御の変更により、二次電池の初期充電、完全放電及び通常の電力系統との充放電という３つの運転モードで動作させることができるため、初期充電、完全放電のために別途電力変換装置やDCリアクトル等初期充電や完全放電だけに使用する回路構成部品を設ける必要がなく、装置構成が簡単で部品点数も削減できることから、大幅なコストダウンが図れ、かつ信頼性の向上も期待できる。また、従来に比べて小型化できることから設置スペースの小面積化も図ることができる。
【００３６】
また請求項２によれば、高力率コンバータは昇圧動作のため平滑用コンデンサの電圧を整流電圧より高い一定電圧に制御できるため、系統電圧が変動したときでも二次電池を整流電圧より高い所定の電圧まで初期充電できる。また、二次電池の初期充電時においても電力系統側の電流波形を正弦波に保てるため、電力系統への高調波電流による悪影響を防ぐことができる。
【００３７】
また請求項３によれば、連系用リアクトルのリアクタンスが小さいときでも昇降圧コンバータのスイッチング周波数を上げることにより二次電池の初期充電及び完全放電時の充放電電流のリップルを小さく抑えることができる。
【００３８】
また請求項４によれば、初期充電、完全放電の頻度の多い二次電池において、切換手段を自動または手動のスイッチで構成すれば、切り換えの取扱いを容易にすることができ、また、初期充電、完全放電の頻度のきわめて少ない二次電池においては、切換スイッチを用いる代わりにブスバーやケーブルでその都度繋ぎ換えることにより、安価にすることができる。
【００３９】
また請求項５によれば、初期充電または完全放電でこの電力貯蔵システムを運転する場合、三相の電力系統に単相接続するため電力系統の不平衡負荷になるので問題となることがある、連系する電力系統の容量やその電力系統に接続された他の負荷の状態に応じて初期充電、完全放電時の運転容量を設定できれば、連系する系統の不平衡を問題ないレベルに抑えることができる。
【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一実施の形態を示す回路図である。
【図２】従来の電力貯蔵システムの回路図である。
【符号の説明】
１ 二次電池
２ 直流遮断器
３ 直流切換スイッチ
４ 平滑用コンデンサ
５ 限流用抵抗
６ 抵抗短絡用スイッチ
７ 三相ブリッジ交直電力変換器
７ａ，７ｂ，７ｃ 電力変換器アーム
８ フィルタ用リアクトル
９ 交直切換スイッチ
１０ フィルタ用コンデンサ
１１ 連系用トランス
１２ 交流遮断器
１３ 電力系統
１４ 変換器Ａ制御装置
１４’ 変換器Ａ’制御装置
１５ 交流遮断器
１７ 初期充電用電力変換器
１８ 完全放電用電力変換器
１９ 直流リアクトル
２０ 直流遮断器
２１ 変換器Ｂ制御装置
Ａ 通常充放電用電力変換装置
Ａ’ 電力変換装置
Ｂ 初期充電／完全放電用電力変換装置
Claims (5)
- 初期充電、完全放電が必要な二次電池と、平滑用コンデンサと、自己消弧素子を用いた三相ブリッジ交直電力変換器と、フィルタ用リアクトル及びフィルタ用コンデンサからなる三相用ＬＣフィルタとを備えて電力系統と連系させる電力貯蔵システムにおいて、
前記二次電池の正極と前記平滑用コンデンサの正極との間にあって、前記二次電池の正極を前記フィルタ用リアクトルのうち任意の１つのリアクトルの一端に接続されるように設けられた端子または前記平滑用コンデンサの正極に接続される端子と接続するために切り換える直流切換手段と、前記任意の１つのリアクトルと前記フィルタ用コンデンサとの間にあって、前記任意の１つのリアクトルの一端を前記二次電池の正極に接続されるように設けられた端子または前記コンデンサの一端に接続される端子と接続するために切り換える交直切換手段とを有し、
前記二次電池の初期充電または完全放電時に、前記直流切換手段により前記任意の１つのリアクトルの一端に接続されるように設けられた端子側へ、かつ前記交直切換手段により前記二次電池の正極に接続されるように設けられた端子側へ各々切り換えることにより、前記三相ブリッジ交直電力変換器を構成する３つの電力変換器アームのうち、前記任意の１つのリアクトルの他端と接続される前記電力変換器アームを用いて昇降圧コンバータを構成し、かつ残る２つの前記電力変換器アームを用いて単相ブリッジ回路を構成し、
初期充電時に前記単相ブリッジ回路を交直電力変換器として、かつ前記昇降圧コンバータを降圧コンバータとして動作するように制御し、
完全放電時に前記単相ブリッジ回路を単相インバータとして、かつ前記昇降圧コンバータを昇圧コンバータとして制御することを特徴とする電力貯蔵システム。 - 請求項１に記載の電力貯蔵システムであって、前記二次電池の初期充電時に前記単相ブリッジ回路を単相高力率コンバータとして動作するように制御することを特徴とする電力貯蔵システム。
- 請求項１または２のいずれか１つに記載の電力貯蔵システムであって、前記二次電池の初期充電または完全放電時に前記昇降圧コンバータとして用いる自己消弧形素子のスイッチング周波数を他の自己消弧形素子のスイッチング周波数より高くすることを特徴とする電力貯蔵システム。
- 請求項１ないし３のいずれか１つに記載の電力貯蔵システムであって、前記交直切換手段及び前記直流切換手段が自動または手動の切換スイッチによるか、またはブスバー、ケーブルの繋ぎ換えによることを特徴とする電力貯蔵システム。
- 請求項１ないし４のいずれか１つに記載の電力貯蔵システムであって、初期充電または完全放電時の前記交直電力変換器の運転容量を連系する前記電力系統の状態にあわせて設定することを特徴とする電力貯蔵システム。
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