JP4660181B2

JP4660181B2 - 電力供給システム

Info

Publication number: JP4660181B2
Application number: JP2004365536A
Authority: JP
Inventors: 正和佐々木; 昭仁岡崎
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2004-12-17
Filing date: 2004-12-17
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2024-12-17
Also published as: JP2006174635A

Description

この発明は、自然エネルギを利用する発電設備を系統電源に連系する電力系統において、発電設備の出力変動に伴う電圧系統の周波数および電圧の変動を抑える系統安定化装置を備える電力供給システムの改良に関する。

自然エネルギを利用する発電設備（例えば、風力発電装置や太陽発電装置）を系統電源に連系する電力系統においては、発電設備の出力が自然条件の変化に応じて時々刻々と変動する。とくに数秒から数十秒サイクルの短周期の変動は、電力系統の周波数や電圧の乱れ等に繋がり、自然エネルギを利用する発電設備の普及拡大の妨げになっている。そのため、発電設備の出力変動を抑える系統安定化装置が備えられるのである（特許文献１〜特許文献６）。

系統安定化装置は、発電設備と系統電源との間に接続され、発電設備の出力（電力）が目標値を上回る差分の電力を蓄電装置へ供給する一方、発電設備の出力が目標値を下回る差分の電力を蓄電装置から供給する。つまり、発電設備の出力変動を打ち消すように蓄電装置の充放電を制御する構成になっている。
特開２００１−２８６０７６特開２００１−２９８８７２特開２００１−３２７０８０特開２００２−０１７０４４特開２００２−１０１５５７特開２００３−０８７９９３

このような電力供給システムにおいて、蓄電装置は多くの場合、２次電池から構成される。２次電池は、発電設備の出力変動に伴う短周期サイクルの充放電が長期間に及ぶと劣化が早いため、大量の２次電池を使用するか、短期間に交換する必要があり、費用負担が嵩みやすい。そのため、電気二重層コンデンサを用いることも考えられるが、電気二重層コンデンサは、エネルギ密度が小さく、単に２次電池と置換するのみでは、有効な活用が図れない。なお、特許文献４においては、蓄電要素の例のひとつに電気二重層コンデンサが挙げられるが、電気二重層コンデンサの仕様等について、何の記載も見られない。

この発明は、このような課題に注目してなされたものであり、発電設備の出力変動を抑える充放電の制御対象となる蓄電装置を電気二重層キャパシタから構成すると共に電気二重層キャパシタの耐電圧を有効に活用しえる制御機能を設定することにより、耐久性に優れ、費用負担の小さい、電圧系統の短周期サイクルの電圧および周波数の変動を効率よく良好に安定化しえる、電力供給システムの提供を目的とする。

この発明は、自然エネルギを利用する発電設備と、その発電設備を系統電源に連系する系統母線と、系統母線の発電設備と系統電源との間に接続される系統安定化装置と、を備える電力供給システムにおいて、系統安定化装置は、複数の電気二重層キャパシタから構成される蓄電装置と、発電設備の出力が目標レベルを上回ると系統母線からその差分の電力を蓄電装置へ供給する一方で発電設備の出力が目標レベルを下回ると蓄電装置からその差分の電力を系統母線へ供給するように制御する手段と、蓄電装置の各電気二重層キャパシタの端子電圧を均等化するべく充電電流のバイパスを制御する手段と、を備えるものであって、前記電気二重層キャパシタの端子電圧を均等化するべく充電電流のバイパスを制御する手段は、複数の電気二重層キャパシタに１個ずつ並列に設けられる充電電流のバイパス回路と、各電気二重層キャパシタの端子電圧Ｖｉを検出しつつこれらの内の最高電圧Ｖｍａｘおよび最低電圧Ｖｍｉｎを検出する手段と、最高電圧Ｖｍａｘおよび最低電圧Ｖｍｉｎから電圧差△Ｖ＝Ｖｍａｘ−Ｖｍｉｎを算出する手段と、この電圧差△Ｖが規定値Ｖｋ以上かどうかを判定する手段と、その判定結果に基づいて△Ｖ≧Ｖｋのときに蓄電装置の総電圧Ｖｔおよび電気二重層キャパシタの個数ｎから平均電圧Ｖｍｅａｎ＝Ｖｔ／ｎを算出する手段と、平均電圧Ｖｍｅａｎおよび規定値Ｖｋから判定基準電圧Ｖａ＝Ｖｍｅａｎ＋（Ｖｋ／２）を算出する手段と、各電気二重層キャパシタの端子電圧Ｖｉを検出しつつ端子電圧Ｖｉが判定基準電圧Ｖａ以上の電気二重層キャパシタについて対応するバイパス回路を一定の間隔を空けて一定時間Ｔｂを閉成とするバイパス指令を出力する手段と、外部電源に接続する充電器と、発電設備の出力変動が規定値以下または発電設備の出力が規定値以下のときに充電器の出力を電源に電気二重層キャパシタの端子電圧の均等化処理が実行されるように制御する手段と、を備えることを特徴とする。

この発明においては、発電設備の出力が目標レベルを上回ると、その差分の電力は蓄電装置に供給され、発電設備の出力が目標レベルを下回ると、その差分の電力は蓄電装置から供給される。つまり、蓄電装置は、発電設備の出力変動を打ち消すように充放電が制御されるのである。この場合、蓄電装置は、急速充放電が可能な電気二重層キャパシタから構成されるので、発電設備の出力変動に伴う電圧系統の短周期サイクルの電圧および周波数の変動を効率よく良好に安定化しえる。また、電気二重層キャパシタは、充放電サイクル寿命が長く、２次電池の場合に較べると、耐久性が格段に優れ、ライニングコストも大幅に低減できる。各電気二重層キャパシタの端子電圧（分担電圧）を均等化するべく充電電流のバイパスを制御することにより、分担電圧のばらつきが補正され、蓄電装置を許容最大電圧に初期化する際においては、各電気二重層キャパシタの端子電圧が耐電圧付近へ同時に達するようになり、電気二重層キャパシタの一部が過充電となるのを避けられるほか、蓄電装置の許容最大電圧の設定に加味される値引き（マージン）の低減が可能となり、蓄電装置の蓄電能力（容量）を十分に活用しえるのである。

図に基づいて、この発明の実施形態を説明する。図１は、電力供給システムの概要構成を表すものであり、風力発電装置１０（自然エネルギを利用する発電設備）と、風力発電装置１０を系統電源１５に連系する系統母線１６と、系統母線１６の風力発電装置１０と系統電源１５との間に接続される系統安定化装置５０と、を備える。１１は風力発電装置１０の電力変換装置であり、風力発電装置１０の出力（交流電力）を系統電源１５の交流電力に変換する。

系統安定化装置５０は、所定数の電気二重層キャパシタから構成される蓄電装置３０と、系統安定化処理を行う電力変換装置２０と、電気二重層キャパシタの端子電圧（分担電圧）を均等化するべく充電電流のバイパスを制御する充電制御装置４０と、外部電源に接続する充電器４１と、が備えられる。

蓄電装置３０は、所要数の電気二重層キャパシタ（以下、キャパシタセルと称する）からこれらを直列に接続することにより構成される（図２、参照）。なお、所要数のキャパシタセルは、これらを直並列に接続することも考えられる。

電力変換装置２０は、風力発電装置１０の出力および出力変動を検出する手段が設けられ、風力発電装置１０の出力変動が規定値以上になり、風力発電装置１０の出力が目標レベルを上回ると、インバータが充電モードに切り替わり、系統母線１６からその差分の電力を蓄電装置３０へ供給する一方、風力発電装置１０の出力が目標レベルを下回ると、インバータが放電モードに切り替わり、蓄電装置３０からその差分の電力を系統母線１６へ供給するようになっている。インバータ（図示しない）は、充電モードにおいて、風力発電装置１０の出力（交流電力）を蓄電装置３０への直流電力に変換する一方、放電モードにおいて、蓄電装置３０の出力（直流電力）を系統電源１５への交流電力に変換する。

充電制御装置４０は、キャパシタセルにバイパス回路が並列に接続され、キャパシタセルの端子電圧を均等化するべくバイパス回路の開閉（充電電流のバイパス）を制御する手段が備えられる。充電制御装置４０と電力変換装置２０との間に通信ネットワークが構築され、充電制御装置４０は、電力変換装置２０からの情報（風力発電装置の出力および出力変動の検出信号）に基づいて、風力発電装置１０の出力が規定値以下または出力変動が規定値以下のときは、端子電圧の均等化に必要な電源を確保するべく、充電器４１を制御する手段が設けられる。

充電器４１は、手動操作用のスイッチ（図示しない）が備えられ、風力発電装置１０の非稼働状態において、手動操作用のスイッチをONすると、充電器４１から供給される電力により、蓄電装置３０を許容最大電圧に初期化することも可能となっている。

図２において、蓄電装置３０のキャパシタセル３５（Ｃ１〜Ｃｎ）の端子間にバイパス回路５０が並列に接続される。充電制御装置４０は、バイパス回路５０、ＯＲ回路４３、コンパレータ４４、バイパス基準電圧発生手段４５、端子電圧（セル電圧）検出切り替え回路４６、絶縁アンプ４７、ＡＤ変換器４８、バイパス切り替え回路４９、切り替え信号出力回路５１、通信処理回路５２、中央演算処理回路（ＣＰＵ）５３、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）５４、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）５５、を備える。２１は電圧変換装置２０との間を結ぶ通信ネットワークである。

バイパス回路５０は、電流制限抵抗４１とトランジスタ４２とから構成される。ＯＲ回路４３は、コンパレータ４４からの入力およびバイパス切り替え回路４９からの入力に基づいて、これら入力の何れか一方がハイレベル信号（バイパス指令）になると、トランジスタ４２にON（バイパス作動）信号を出力する。トランジスタ４２は、ＯＲ回路４３からのON信号により、ベース電圧が印加されると、バイパス回路５０を閉成する一方、ＯＲ回路４３の出力がOFFすると、ベース電圧の印加が解除され、バイパス回路５０を開成する。

コンパレータ４４は、端子電圧検出切り替え回路４６の出力（端子電圧の検出信号）とバイパス基準電圧発生手段４５の出力（バイパス基準電圧Ｖ０）との比較により、端子電圧の検出信号がバイパス基準電圧Ｖ０以上になると、バイパス指令を出力する。端子電圧検出切り替え回路４６は、検出対象のキャパシタセル３５を切り替え信号出力回路の信号（切り替え指示）に基づいて切り替えながらキャパシタセルＣ１〜Ｃｎの端子電圧を順次に検出するものであり、その検出信号は絶縁アンプ４７およびＡＤ変換器４８を介してＣＰＵ５３に入力される。

ＣＰＵ５３は、キャパシタセル３５（Ｃ１〜Ｃｎ）の端子電圧のばらつきが大きくなるとキャパシタセル３５の端子電圧を任意の電圧Ｖａに均等化するべくバイパス回路５０の閉成（充電電流のバイパス）が必要かどうか、端子電圧が任意の電圧Ｖａ以上かどうか、を判定する一方、電圧変換装置２０からの情報（風力発電装置１０の出力および出力変動の検出信号）に基づいて充電器４１を制御する。また、ＣＰＵ５３は、バイパス切り替え回路４９に対し、切り替え信号出力回路５１から切り替え指示と共に充電電力のバイパスが必要かどうかの判定信号を送出する。バイパス切り替え回路４９は、キャパシタセルＣ１〜Ｃｎを順次に切り替えながら、バイパスが必要なキャパシタセル３５について、バイパス指令を出力する。

風力発電装置１０の稼働状態においては、風力など自然条件の変化により、風力発電装置１０の出力変動が規定値以上になると、風力発電装置１０の出力が目標レベルを上回るときは、電力変換装置２０のインバータが充電モードに切り替わり、系統母線１６からその差分の交流電力を直流電力に変換して蓄電装置３０へ供給する一方、風力発電装置１０の出力が目標レベルを下回るときは、電力変換装置２０のインバータが放電モードに切り替わり、蓄電装置３０からその差分の直流電力を交流電力に変換して系統母線１６へ供給する。蓄電装置３０は、風力発電装置１０の出力変動を打ち消すように充放電が制御されるのである（図７、参照）。

蓄電装置３０は、急速充放電が可能な電気二重層キャパシタ３５から構成されるので、風力発電装置１０の出力変動に伴う電圧系統の短周期サイクルの電圧および周波数の変動も効率よく良好に安定化しえる。また、電気二重層キャパシタ３５は、充放電サイクル寿命が長く、２次電池の場合に較べると、耐久性が格段に優れ、ランニングコストも大幅に低減できる。

蓄電装置３０の充電時は、キャパシタセル３５の端子電圧が上昇する。充電制御装置４０においては、端子電圧がバイパス基準電圧Ｖ０以上になると、キャパシタセル３５のバイパス回路５０が閉成され、充電電流がバイパス回路５０を流れるため、端子電圧がバイパス基準電圧Ｖ０を超えて過充電状態となるのが避けられる。また、キャパシタセルＣ１〜Ｃｎの端子電圧のばらつきが大きくなると、これらの端子電圧を任意の電圧に均等化するべく端子電圧が任意の電圧Ｖａ以上かどうかの判定が行われ、端子電圧が任意の電圧Ｖａ以上のキャパシタセル３５について、バイパス回路５０が閉成される。バイパス回路５０を充電電流が流れるキャパシタセル３５は、端子電圧の上昇が抑えられ、バイパス回路５０が開成するキャパシタセル３５は、充電に伴って端子電圧が上昇するため、キャパシタセルＣ１〜Ｃｎの分担電圧のばらつきが補正される（図８、参照）。

蓄電装置３０を許容最大電圧に初期化する際においては、キャパシタセルＣ１〜Ｃｎの端子電圧が耐電圧付近へ同時に達するようになり、一部のキャパシタセル３５が過充電となるのを避けられるばかりでなく、蓄電装置３０の許容最大電圧の設定に加味される値引き（マージン）の低減が可能となり、蓄電装置３０の蓄電能力（容量）を十分に活用しえるのである。

風力発電装置１０の出力が規定値以下または出力変動が規定値以下のときは、端子電圧の均等化に必要な電源が不足がちになるが、充電制御装置４０においては、充電器４１を制御する手段が備えられるため、充電器４１の出力（定電流）により、キャパシタセル３５の端子電圧を任意な電圧Ｖａに効率よく早期に均等化することができる。

図３は、系統安定化装置５０の制御内容を説明するメインルーチンであり、風力発電装置１０が稼働状態のときに所定の実行周期で起動される。S11〜S15において、風力発電装置１０の出力Ｐが規定値以下または風力発電装置１０の出力変動△Ｐが規定値以下のときは、充電器４１の出力を電源に均等化処理が実行される。S16においては、S12の判定およびS14の判定に関係なく、系統安定化処理が実行される。

図４は、S16（図３）の系統安定化処理を説明するサブルーチンであり、風力発電装置１０が稼働状態のときに所定の実行周期で起動される。S21〜S22においては、風力発電装置１０の出力変動△Ｐが規定値以上かどうかを判定する。S22の判定がyesのときは、S23へ進む一方、S22の判定がnoのときは、S22の判定に戻る。S23においては、系統安定化要求が充電かどうか（つまり、風力発電装置１０の出力Ｐが目標レベル以上かどうか）を判定する。

S23の判定がyesのときは、S24およびS25へ進み、必要な充電量（風力発電装置１０の出力Ｐが目標レベルを上回る差分の電力）を求め、インバータが充電モードに切り替わり、必要な充電量を系統母線１６から蓄電装置３０へ供給するように制御する。S32の判定がnoのときは、S26およびS27へ進み、必要な放電量（風力発電装置１０の出力Ｐが目標レベルを下回る差分の電力）を求め、インバータが放電モードに切り替わり、必要な放電量を蓄電装置３０から系統母線１６へ供給するように制御する。

S28においては、風力発電装置１０の出力変動△Ｐが規定値以下かどうかを判定する。S27の判定がyesのときは、RETURNに至る一方、S27の判定がnoのときは、S21へ戻るのである。S25において、充電制御装置４０は、電圧変換装置２０と共に稼働され、電力変換装置２０の出力を電源に均等化処理を実行するのである。

図５は、S13，S15（図３）およびS25（図４）の均等化処理を説明するサブルーチンであり、所定の実行周期で起動される。S31〜S34においては、キャパシタセルＣ１〜Ｃｎの端子電圧について、最低電圧Ｖｍｉｎおよび最高電圧Ｖｍａｘを確定する。検出対象ｉのキャパシタセル３５の端子電圧をメモリの最低電圧Ｖｍｉｎと比較し、最低電圧Ｖｍｉｎを下回るときは、メモリの最低電圧Ｖｍｉｎを検出対象ｉの端子電圧に更新する一方、最低電圧Ｖｍｉｎ以上のときは、メモリの最低電圧Ｖｍｉｎを保存する。また、検出対象ｉの端子電圧をメモリの最高電圧Ｖｍａｘと比較し、最高電圧Ｖｍａｘを上回るときは、メモリの最高電圧Ｖｍａｘを検出対象ｉの端子電圧に更新する一方、最高電圧Ｖｍａｘ以下のときは、メモリの最高電圧Ｖｍａｘを保存する。検出対象ｉ＝１のキャパシタセルＣ１から検出対象ｉ＝ｎのキャパシタセルＣｎの全部について、端子電圧とメモリの最低電圧Ｖｍｉｎおよび最高電圧Ｖｍａｘとの比較に基づくメモリの更新または保存の処理が終了すると、S35へ進み、メモリの最低電圧Ｖｍｉｎおよび最高電圧Ｖｍａｘから電圧差△Ｖ＝Ｖｍａｘ−Ｖｍｉｎを計算する。

S36においては、電圧差△Ｖが規定値Ｖｋ以上かどうか（キャパシタセルＣ１〜Ｃｎの端子電圧のばらつきが所定レベル以上かどうか）を判定する。S36の判定がyesのときは、S37〜S39へ進む一方、S36の判定がnoのときは、RETURNへ至る。S37においては、蓄電装置３０の総電圧ＶｔをキャパシタセルＣ１〜Ｃｎの端子電圧から計算する。S38においては、総電圧Ｖｔおよびキャパシタセル３５の個数ｎからキャパシタセルＣ１〜Ｃｎの平均電圧Ｖｍｅａｎ＝Ｖｔ／ｎを計算する。S39においては、バイパスが必要なキャパシタセル３５を判定するための基準電圧Ｖａ＝Ｖｍｅａｎ＋（Ｖｋ／２）を確定する。

図６のS41において、バイパスが必要なキャパシタセル３５を判定するための基準電圧Ｖａ（任意の電圧）が確定されると、S42において、判定対象を示す変数ｉを１に設定する。S43においては、判定対象ｉ＝１のキャパシタセルＣ１について、端子電圧Ｖ（ｉ）が基準電圧Ｖａ以上かどうかを判定する。S43の判定がnoのときは、S47へ飛び、バイパス指令の出力をOFFする。

S43の判定がyesのときは、S44において、バイパス終了から所定時間が経過かどうかを判定する。S44の判定がyesのときは、S45において、バイパス指令を出力（ON）する一方、S44の判定がnoのときは、S47において、バイパス指令の出力をOFFする。S43〜S45においては、バイパスを行うのに間隔（所定時間）が空けられるので、バイパス回路５０の電流制限抵抗４１およびトランジスタ４２の発熱による温度の上昇を抑えられるのである。

S46においては、バイパス指令の出力が一定時間に達するかどうか（一定時間のバイパス処理が終了かどうか）を判定する。S46の判定がyesのときは、S47において、バイパス指令の出力をOFFする。S48においては、判定対象ｉ＝ｎのキャパシタセルＣｎについて、S43〜s47の処理が終了かどうかを判定する。S48の判定がyesのときは、RETURNへ至る一方、S48の判定がnoのときは、S49において、判定対象を示す変数ｉ＝ｉ＋１のセット後、S43へ戻る。S46の判定がnoのときは、S48へ飛ぶ（S47をパスする）のである。

図９は、別の実施形態を説明するものであり、自然エネルギを利用する発電設備として太陽発電装置６０（太陽電池）が用いられ、これを系統電源１５に連系する系統母線１６が備えられる。電力変換装置６１は、太陽発電装置１０の出力（直流電力）を系統電源１５の交流電力に変換する。系統安定化装置５０（電力変換装置２０，蓄電装置３０，充電制御装置４０，充電器４１）については、図１〜図６と実質的に同一構成のため、重複説明は省略する。

この発明の実施形態に係る電力供給システムの概要構成図である。同じく充電制御装置の構成図である。同じく系統安定化装置の制御内容を説明するフローチャートである。同じく系統安定化装置の制御内容を説明するフローチャートである。同じく充電制御装置の制御内容を説明するフローチャートである。同じく充電制御装置の制御内容を説明するフローチャートである。同じく系統安定化処理の特性を例示する説明図である。同じく均等化処理の特性を例示する説明図である。別の実施形態に係る電力供給システムの概要構成図である。

符号の説明

１０風力発電装置
１１電力変換装置
１５系統電源
１６系統母線
２０電力変換装置
３０蓄電装置
３５（Ｃ１〜Ｃｎ）電気二重層キャパシタ（キャパシタセル）
４０充電制御装置
４１充電器
６０太陽発電装置（太陽電池）
６１電力変換装置

Claims

自然エネルギを利用する発電設備と、その発電設備を系統電源に連系する系統母線と、系統母線の発電設備と系統電源との間に接続される系統安定化装置と、を備える電力供給システムにおいて、系統安定化装置は、複数の電気二重層キャパシタから構成される蓄電装置と、発電設備の出力が目標レベルを上回ると系統母線からその差分の電力を蓄電装置へ供給する一方で発電設備の出力が目標レベルを下回ると蓄電装置からその差分の電力を系統母線へ供給するように制御する手段と、蓄電装置の各電気二重層キャパシタの端子電圧を均等化するべく充電電流のバイパスを制御する手段と、を備えるものであって、前記電気二重層キャパシタの端子電圧を均等化するべく充電電流のバイパスを制御する手段は、複数の電気二重層キャパシタに１個ずつ並列に設けられる充電電流のバイパス回路と、各電気二重層キャパシタの端子電圧Ｖｉを検出しつつこれらの内の最高電圧Ｖｍａｘおよび最低電圧Ｖｍｉｎを検出する手段と、最高電圧Ｖｍａｘおよび最低電圧Ｖｍｉｎから電圧差△Ｖ＝Ｖｍａｘ−Ｖｍｉｎを算出する手段と、この電圧差△Ｖが規定値Ｖｋ以上かどうかを判定する手段と、その判定結果に基づいて△Ｖ≧Ｖｋのときに蓄電装置の総電圧Ｖｔおよび電気二重層キャパシタの個数ｎから平均電圧Ｖｍｅａｎ＝Ｖｔ／ｎを算出する手段と、平均電圧Ｖｍｅａｎおよび規定値Ｖｋから判定基準電圧Ｖａ＝Ｖｍｅａｎ＋（Ｖｋ／２）を算出する手段と、各電気二重層キャパシタの端子電圧Ｖｉを検出しつつ端子電圧Ｖｉが判定基準電圧Ｖａ以上の電気二重層キャパシタについて対応するバイパス回路を一定の間隔を空けて一定時間Ｔｂを閉成とするバイパス指令を出力する手段と、外部電源に接続する充電器と、発電設備の出力変動が規定値以下または発電設備の出力が規定値以下のときに充電器の出力を電源に電気二重層キャパシタの端子電圧の均等化処理が実行されるように制御する手段と、を備えることを特徴とする電力供給システム。
自然エネルギを利用する発電設備は、風力発電装置であることを特徴とする請求項１の記載に係る電力供給システム。
自然エネルギを利用する発電設備は、太陽発電装置であることを特徴とする請求項１の記載に係る電力供給システム。
発電設備の出力が目標レベルを上回ると系統母線からその差分の電力を蓄電装置へ供給する一方で発電設備の出力が目標レベルを下回ると蓄電装置からその差分の電力を系統母線へ供給するように制御する手段は、発電設備の出力変動が規定値以上かつ発電設備の出力が目標レベルを上回るときは、インバータが充電モードに切り替わり、発電設備の出力が目標レベルを上回る差分の電力を系統母線から蓄電装置へ供給するように制御する一方、発電設備の出力変動が規定値以上かつ発電設備の出力が目標レベルを下回るときは、インバータが放電モードに切り替わり、発電設備の出力が目標レベルを下回る差分の電力を蓄電装置から系統母線へ供給するように制御する手段であることを特徴とする請求項１の記載に係る電力供給システム。