JP4949902B2 - 二次電池の電力制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、風力発電装置等の出力電力が変動する発電装置と、複数の二次電池を有する電力貯蔵補償装置と、を組み合わせて電力系統へ電力を供給する連系システムにおける、二次電池の電力制御方法に関する。

近年、風力、太陽光、地熱等から電力を作り出す自然エネルギー発電装置が注目を集め、実用化されている。自然エネルギー発電装置は、石油等の限りある資源を使用せず、自然に無尽蔵に存在するエネルギー源を用いるクリーンな発電装置であり、二酸化炭素の排出を抑制し得るので、地球温暖化防止の観点から、導入する企業、自治体等は増加しつつある。

但し、自然界からもたらされるエネルギーは刻一刻と変動することから、自然エネルギー発電装置には、出力する電力の変動が避けられない、という普及に向けての障害がある。従って、この障害を取り除くため、自然エネルギー発電装置を採用する場合には、その自然エネルギー発電装置と、複数の二次電池を主構成機器とする電力貯蔵補償装置と、を組み合わせた連系(発電)システムを構築することが好ましい。

二次電池のうち、とりわけナトリウム−硫黄電池は、エネルギー密度が高く、短時間で高出力が可能であり、且つ、高速応答性に優れることから、充電及び放電を制御する双方向変換器を併設することによって、数百m秒〜数秒オーダーで起き得る自然エネルギー発電装置の出力の変動を補償する用途に好適である。換言すれば、自然エネルギー発電装置に、複数のナトリウム−硫黄電池を構成機器とする電力貯蔵補償装置を組み合わせた連系システムは、望ましい発電システムであるといえる。

尚、後述する本発明の課題と課題を同じくする先行技術は存在しないようである。

しかしながら、自然エネルギー発電装置と、複数の二次電池を主構成機器とする電力貯蔵補償装置と、を組み合わせた連系(発電)システムにおいては、以下のような課題があった。

先ず、各二次電池において実際の残存容量と管理値との間に生じたズレを、解消する、ないしは、小さくすることである。一般に、二次電池の残存容量は、初期に設定された残存容量から、充電、放電にかかる電流値をシーケンサ等の制御装置に取り込み加減し(例えば充電なら加算、放電なら減算等)積算することにより求め、管理することが出来る。このとき、電流値のアナログ/デジタル変換が行なわれ、これに伴って僅かながら誤差が生じる。そして、この誤差は、加減し積算する回数が多い程、大きくなり易い。一方、自然エネルギー発電装置と組み合わされて連系システムを構築する二次電池は、頻繁に変動する自然エネルギー発電装置の出力電力を補償して、連系システムとしての総発電電力をフラット化する(一定にする)役割を担っている。そのため、個々の二次電池の入出力電力の変動が頻繁になり、それが故に、加減し積算する回数が増加して、上記誤差が大きくなり、実際の残存容量と管理値との間に大きなズレが生じ易い。二次電池において実際の残存容量と管理値との間にズレが生じていると、突然、充電末になり充電が継続出来なくなったり、突然、放電末になり放電が継続出来なくなり、自然エネルギー発電装置の出力変動を補償している最中に停止してしまう、という問題が起り得る。このような事情から、各二次電池において実際の残存容量と管理値との間に生じたズレを解消する、ないしは、小さくすることは、重要な課題である。

又、連系システムにおいて、電力貯蔵補償装置を構成する複数の二次電池のそれぞれの残存容量を精度よく管理するためには、例えば、定期的に放電末を迎えさせ、充電を行い、必要に応じ充電末を迎えさせて、放電末又は充電末において、残存容量の管理値を補正ないし再設定する必要がある。ところが、放電末を迎えた二次電池は、その後、一定量の充電をするまでは、放電方向の変動電力の補償に使えなくなるし、同様に、充電末を迎えた二次電池は、その後、一定量の放電をするまでは、充電方向の変動電力の補償に使えなくなる。よって、少なくとも全ての二次電池を同時に、放電末又は充電末を迎えさせることは出来ない。このような事情から、各二次電池を、如何にして放電末又は充電末を迎えさせ、残存容量の管理値を補正ないし再設定するか、が課題の1つとなる。

別の観点から、特に二次電池がナトリウム−硫黄電池である場合には、自然エネルギー発電装置の出力電力の状況によらず、ナトリウム−硫黄電池を効率よく運転し得る手段を提供することが、課題として挙げられる。例えば、自然エネルギー発電装置の出力電力が大きく、その値が、連系システムとしての総発電電力の運転計画値との間の差が小さい場合には、各ナトリウム−硫黄電池の出力電力が下がる。そうすると、発電時の放熱による熱が得られないので、補機(ヒータ)損失が増加し、ナトリウム−硫黄電池としては非効率な運転になり得る。自然エネルギー発電装置の出力電力が大きいことは、連系システムとして好ましいことであるから、この場合でも、ナトリウム−硫黄電池を効率よく運転可能な手段が望まれているのである。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものである。研究が重ねられた結果、以下の手段によって、上記課題を解決出来ることが見出された。

即ち、本発明によれば、出力電力が変動する発電装置と電力貯蔵補償装置とを組み合わせて電力系統へ電力を供給する連系システムにおいて電力貯蔵補償装置を構成し発電装置の出力電力の変動を補償する、複数の二次電池の電力制御方法であって、複数の二次電池を、定電力制御群と、随時応答群と、に組分けし、発電装置の出力電力の変動を補償するために全ての二次電池に対して与えられた入出力すべき電力のうち、予め定めた一定の入出力電力を定電力制御群へ分配し、残りの入出力電力を随時応答群へ分配して、各群(定電力制御群及び随時応答群)に属する二次電池の入出力電力を制御する二次電池の電力制御方法が提供される。

本発明に係る二次電池の電力制御方法においては、定電力制御群と、随時応答群と、に組分けした複数の二次電池を、入れ替えることが好ましい。

定電力制御群と随時応答群との間の二次電池の入れ替えは、一定時間毎等の規則を定めて行ってもよく、二次電池の状態に応じて行ってもよい。例えば、二次電池を、1週間程度で、定電力制御群と随時応答群との間でローテーションさせることが出来る。二次電池の入れ替えを行うことによって、残存容量の誤差拡大までの許容時間と特定二次電池群のみの使用状態偏りを防ぐことが可能となる。入れ替えを行うに際しては、一方の群に属する全ての二次電池を、他方の群に移してもよく、個々の二次電池に優先順位を付けたり、二次電池を、群とは異なるグルーピングをしており、グループ毎に、一方の群から他方の群へ移してもよい。

本発明に係る二次電池の電力制御方法においては、定電力制御群と、随時応答群と、に属する二次電池の数を、変更することが好ましい。

本発明に係る二次電池の電力制御方法においては、上記随時応答群を、更に、遅延応答群と、瞬時応答群と、に組分けし、随時応答群に与えられた入出力すべき電力のうち、一次遅れフィルタ処理を施した入出力電力を遅延応答群へ分配し、残りの入出力電力を瞬時応答群へ分配して、各群(遅延応答群及び瞬時応答群)に属する二次電池の入出力電力を制御することが好ましい。

遅延応答群は、瞬時応答群を求めるために必要な制御群である。ある時定数での遅れを持った制御量を差し引くことで瞬時応答群の制御量を抽出することが出来る。

本発明に係る二次電池の電力制御方法においては、上記遅延応答群を、更に、複数の群(例えば遅延応答群A、遅延応答群B、遅延応答群C、・・・)に組分けし、時定数を変えて一次遅れフィルタ処理を施した複数の入出力電力を、各群(上記の遅延応答群A、遅延応答群B、遅延応答群C、・・・)へ分配して、各群(上記の遅延応答群A、遅延応答群B、遅延応答群C、・・・)に属する二次電池の入出力電力を制御することが好ましい。

本明細書において、一次遅れフィルタ処理を施す(又は一次遅れ処理を施す)ことは、一次遅れフィルタ処理を施す前の状態に比して変動を抑制し鈍くすることを意味し、一次遅れフィルタ処理として、例えば二次電池に分配される制御量の前回値と今回値の差に時定数を乗じ累積する処理を挙げることが出来る。自然エネルギー発電装置と組み合わされて連系システムを構築する二次電池は、刻一刻変動する自然エネルギー発電装置の出力電力を補償して、連系システムとしての総発電電力をフラット化する(一定にする)役割を担っているので、個々の二次電池の入出力電力の変動は頻繁になり易いが、自然エネルギー発電装置の出力電力の変動を補償するために二次電池に対して与えられる入出力すべき電力に対して、一次遅れフィルタ処理を施せば、実際の自然エネルギー発電装置の出力電力より(又は補償すべき電力より)、変動が抑制され鈍くなった電力が得られる。その電力を遅延応答群へ分配するのである。一方、瞬時応答群には、自然エネルギー発電装置の出力電力の変動を補償するために、二次電池に対して与えられる入出力すべき電力から遅延応答群の補償量を差し引くことで、速く変動する補償電力が分配される。

本発明に係る二次電池の電力制御方法においては、各二次電池の入出力電力に上限値を設け、各二次電池に与えられた入出力すべき電力の値と上限値との差を合計し、得られた総不足電力を各二次電池へ再分配することが好ましい。

本発明に係る二次電池の電力制御方法は、二次電池がナトリウム−硫黄電池である場合に好適に使用される。

本発明に係る二次電池の電力制御方法は、出力が変動する発電装置が、風力、太陽光、地熱のうち1又は2以上の自然エネルギーを用いた自然エネルギー発電装置である場合に、好適に使用される。

本発明に係る二次電池の電力制御方法は、出力が変動する発電装置と電力貯蔵補償装置とを組み合わせて電力系統へ電力を供給する連系システムにおいて電力貯蔵補償装置を構成する複数の二次電池を制御する方法である。本明細書において、複数の二次電池を構成する1基の二次電池とは、制御の単位で他と区画される二次電池のことをいう。単電池の数、モジュール電池の数、出力の大きさ等で定まるものではない。例えば、二次電池がナトリウム−硫黄電池であり、そのナトリウム−硫黄電池が電力貯蔵補償装置を構成する場合において、1基の双方向変換器の制御下におかれるナトリウム−硫黄電池を、1基のナトリウム−硫黄電池として取り扱う。二次電池(ナトリウム−硫黄電池)は、全て同一の定格容量であることが望ましいが、必ずしも同一である必要はない。

本明細書において、出力電力を、単に出力とも表現する。

本発明に係る二次電池の電力制御方法は、複数の二次電池を、定電力制御群と、随時応答群と、に組分けし、発電装置の出力電力の変動を補償するために全ての二次電池に対して与えられた入出力すべき電力のうち、予め定めた一定の電力を定電力制御群へ分配し、残りの電力を随時応答群へ分配して、各群に属する二次電池の入出力電力を制御するので、定電力制御群に属する二次電池は、常に一定の電力を入出力する(充放電する)ように割り当てられる。よって、少なくとも定電力制御群に属する二次電池については、定期的に放電末又は充電末を迎えさせることが出来、そこにおいて(放電末又は充電末において)、残存容量の管理値を補正ないし再設定することが可能である。そのため、各二次電池において実際の残存容量と管理値との間に生じたズレは、少なくとも定期的に解消される。その結果、大きなズレが放置されることはない。従って、二次電池が、突然、充電末になり充電が継続出来なくなったり、突然、放電末になり放電が継続出来なくなり、自然エネルギー発電装置の出力変動を補償している最中に停止してしまう、という問題は生じ難い。

本発明に係る二次電池の電力制御方法は、その好ましい態様において、定電力制御群と、随時応答群と、に組分けした複数の二次電池を、入れ替えるので、全ての二次電池に対して、残存容量の管理値を補正ないし再設定することが可能である。又、複数の二次電池の利用率の均等化を図ることが出来る。

本発明に係る二次電池の電力制御方法は、その好ましい態様において、定電力制御群と、随時応答群と、に属する二次電池の数を、変更するので、発電装置の出力変動量に応じて、二次電池の持つエネルギー量を効率よく入出力することが出来る。

本発明に係る二次電池の電力制御方法は、その好ましい態様において、随時応答群を、更に、遅延応答群と、瞬時応答群と、に組分けし、随時応答群に与えられた入出力すべき電力のうち、一次遅れフィルタ処理を施した電力を遅延応答群へ分配し、残りの電力を瞬時応答群へ分配して、各群(遅延応答群及び瞬時応答群)に属する二次電池の入出力電力を制御するので、遅延応答群に属する二次電池は、一次遅れフィルタ処理が施されて(平滑化されて)、自然エネルギー発電装置の出力変動に比して変動が抑制された(鈍くなった)電力を入出力する(充放電する)ように割り当てられる。よって、遅延応答群に属する二次電池については、残存容量の算出における、充電、放電にかかる電流値を加減し積算する回数が少なくなり、これに伴う誤差が小さくなり、二次電池の実際の残存容量と管理値との間に生じるズレは小さくなる。従って、二次電池が、突然、充電末になり充電が継続出来なくなったり、突然、放電末になり放電が継続出来なくなり、自然エネルギー発電装置の出力変動を補償している最中に停止してしまう、という問題は生じ難い。

本発明に係る二次電池の電力制御方法は、その好ましい態様において、遅延応答群を、更に、複数の群に組分けし、時定数を変えて一次遅れフィルタ処理を施した複数の電力を、各群へ分配して、各群に属する二次電池の入出力電力を制御するので、自然エネルギー発電装置の出力変動を補償しつつ、より多くの二次電池に対して、自然エネルギー発電装置の大きな出力変動に比べれば変動が抑制された(鈍くなった)電力を、入出力する(充放電する)ように、割り当てることが出来る。そして、このことによって、より多くの二次電池に対して、残存容量の算出における、充電、放電にかかる電流値を加減し積算する回数を、より少なくすることが可能となり、これに伴う誤差を、より小さくすることが出来る。そして、より多くの二次電池において、実際の残存容量と管理値との間に生じるズレを小さくすることが出来、より多くの二次電池を、突然、充電末になり充電が継続出来なくなったり、突然、放電末になり放電が継続出来なくなり、自然エネルギー発電装置の出力変動を補償している最中に停止してしまう、という問題から回避させることが可能となる。

本発明に係る二次電池の電力制御方法は、各二次電池の入出力電力に上限値を設け、各二次電池に与えられた入出力すべき電力の値と上限値との差を合計し、得られた総不足電力を各二次電池へ再分配するので、各二次電池の状態(残存容量の値等)に応じて入出力電力を制御することが出来、その上で、電力貯蔵補償装置を構成する二次電池全体として、自然エネルギー発電装置の出力変動を補償するという役割を果たし、連系システムとしての総発電電力をフラット化する(一定にする)ことを可能とする。そのため、分担した特定の二次電池又は群の上限値で左右されない補償が可能である。

本発明に係る二次電池の電力制御方法によれば、特に二次電池がナトリウム−硫黄電池である場合には、連系システムとしての総発電電力の運転計画値との間の差に応じて、定電力制御群に属するナトリウム−硫黄電池の数を変更することが出来る。少なくとも定電力制御群に属するナトリウム−硫黄電池の出力電力は下がらないから、定電力制御群に属するナトリウム−硫黄電池では発電時の放熱による熱が得られ、補機(ヒータ)損失が抑制される。従って、全てのナトリウム−硫黄電池に同じ制御量を分配する場合に比して、より効率のよい運転を行うことが出来る。

本発明に係る二次電池の電力制御方法で制御された、二次電池として例えばナトリウム−硫黄電池を用いた電力貯蔵補償装置によって、長期間継続して自然エネルギー発電装置の出力変動を補償することが可能である。従って、連系システムの長期運転にかかる信頼性は著しく向上する。

本発明に係る二次電池の電力制御方法によれば、二次電池を含む電力貯蔵補償装置全体で自然エネルギー発電装置の変動補償をしつつ、エネルギー量(kWh)に寄与しない瞬時応答群の設定が可能であるため、二次電池の故障による容量劣化が生じても、劣化した二次電池を瞬時応答群に割り付けることによって、装置全体への影響を抑制することが可能である。このことから、より廉価な電力貯蔵補償装置を構築することが出来、自然エネルギー発電装置の連系システムとして冗長性(冗長機の数)を抑制することが出来る。

以下、本発明について、適宜、図面を参酌しながら、実施の形態を説明するが、本発明はこれらに限定されて解釈されるべきものではない。本発明の要旨を損なわない範囲で、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良、置換を加え得るものである。例えば、図面は、好適な本発明の実施の形態を表すものであるが、本発明は図面に表される態様や図面に示される情報により制限されない。本発明を実施し又は検証する上では、本明細書中に記述されたものと同様の手段若しくは均等な手段が適用され得るが、好適な手段は、以下に記述される手段である。

先ず、連系システムについて説明する。図1に示されるシステム構成図は、出力が変動する発電装置と電力貯蔵補償装置とを有する連系システムの一例を表している。図1に示される連系システム8は、風の力を風車の回転に変え発電機を回す風力発電装置7(自然エネルギー発電装置)と、電力貯蔵補償装置5と、を有する。そして、電力貯蔵補償装置5は、電力を貯蔵し入出力することが可能な二次電池であるナトリウム−硫黄電池3、直流/交流変換機能を有する双方向変換器4、及び変圧器9を備える。双方向変換器4は、例えばチョッパとインバータあるいはインバータから構成することが出来る。

連系システム8には、風力発電装置7が、No.1〜No.m(mは1より大きい整数)のm系列備わり、ナトリウム−硫黄電池3(電力貯蔵補償装置5)が、No.1〜No.n(nは1より大きい整数)のn系列備わっている。ナトリウム−硫黄電池3(電力貯蔵補償装置5)は、定電力制御群(基数z)と随時応答群(基数y+x)とに組分けされ、随時応答群に組分けされたナトリウム−硫黄電池3は、更に遅延応答群(基数y)と瞬時応答群(基数x)とに組分けされる。

1基の電力貯蔵補償装置5に含まれるナトリウム−硫黄電池3は、全体として1基のナトリウム−硫黄電池3として取り扱う。又、一般に、連系システムでは、発電装置として自家発電装置が加わり、負荷としてナトリウム−硫黄電池のヒータやその他の補機が存在するが、連系システム8では省略している。これらは、本発明に係る二次電池の電力制御方法においては、出力が変動する発電装置(風力発電装置7)の発電する電力に含まれるもの(加え又は減じたもの)として考えればよい。

連系システム8においては、電力貯蔵補償装置5においてナトリウム−硫黄電池3の放電を行い、電力計142で測定される電力Pが、風力発電装置7により発電された電力(電力計143で測定される電力Pw、但し電力計145で測定される補機6の電力Pを含む)の出力変動を補償する。具体的には、連系システム8全体として出力する電力(電力計141で測定される電力P)が、P=Pw+P=一定(P=P−Pw)を満たすように、ナトリウム−硫黄電池3の放電(即ち電力P)を制御することによって、連系システム8全体として出力する電力P(総電力Pともいう)を安定した品質のよい電力にして、例えば配電変電所と電力需要家間の電力系統1に供給する。尚、補機6には、ナトリウム−硫黄電池3のヒータ、制御用電源等が含まれる。

連系システム8では、風力発電装置7により発電された電力Pwの出力変動に合わせて、電力貯蔵補償装置5においてナトリウム−硫黄電池3の充電を行う。具体的には、電力計142で測定される電力Pが、P=−Pwとなるように、ナトリウム−硫黄電池3の充電(即ち電力−P)を制御することによって、変動する電力Pwを消費して、連系システム8全体として出力する電力Pを0にすることが可能となる。

ナトリウム−硫黄電池3を放電する場合、充電する場合の何れの場合も、電力貯蔵補償装置5において、風力発電装置7からの出力(電力Pw)に基づき、その出力を補償する電力を入力又は出力させるように、双方向変換器4の制御量(制御目標値)を変更することによってナトリウム−硫黄電池3を充電又は放電させて、風力発電装置7の出力変動を吸収する。二酸化炭素を殆ど排出しない自然エネルギー発電装置(風力発電装置7)及びナトリウム−硫黄電池3(電力貯蔵補償装置5)を用いて、安定した品質のよい電力を供給出来ることから、連系システム8は好ましい発電システムであるといえる。

次に、図3及び図4を参照して、図1に示される連系システム8において、系統との取引電力を運転計画値Pp(設定値)にした場合における、ナトリウム−硫黄電池3の電力制御方法について説明する。図3は、連系システム8におけるナトリウム−硫黄電池3(電力貯蔵補償装置5)全体に対する電力基準制御量Psを決定するロジックを表すブロック線図である。又、図4は、その電力基準制御量Psを、各ナトリウム−硫黄電池3に分配するロジックを示すブロック線図である。

図3に示されるように、運転計画値Ppから風力発電装置7により発電された電力Pw分を減じた値を基に比例制御器32による比例動作及びリミッタ34による設定値以上の値のカットを施した値と、運転計画値Ppから(電力基準制御量Psを求めようとする)現時点における総電力Pを減じた値を基に比例積分制御器31による比例動作及び積分動作を施した値と、を加算することで、電力基準制御量Psを求めることが出来る。この電力基準制御量Psは、風力発電装置7の出力の変動を補償するために、全てのナトリウム−硫黄電池3に対して与えられる入出力すべき電力に相当する。

図4に示される定電力制御量Pcは、予め設定しておいた一定の値である。この定電力制御量Pcが、定電力制御群に属するz基のナトリウム−硫黄電池3全体に対して分配される。そして、更に定電力制御量Pcは、除算器48によって1/zに分配され、リミッタ45による設定値以上の値のカットが施された後の電池制御量PM3が、定電力制御群に属する各ナトリウム−硫黄電池3へ(厳密にはそれを制御する双方向変換器4へ)割り当てられる。リミッタ45の設定値(上限値)は、除算器48によって1/zに分配された後の制御量毎に、個別に設定することが出来る。

一方、(y+x)基の随時応答群(遅延応答群及び瞬時応答群)に属するナトリウム−硫黄電池3全体に対しては、電力基準制御量Psから定電力制御量Pcを減じた値(制御量)が分配される。尚、電力基準制御量Psから減ずるにあたり、定電力制御量Pcは、予め、リミッタ42による設定値以上の値のカットを施しておく。リミッタ42を設ける意義は、定電力制御量Pcは、電力貯蔵補償装置5の運転者による(ユーザー)設定値となるので、定電力制御群に属するz基のナトリウム−硫黄電池3に対して、定電力制御量Pcの設定量がオーバーする場合(懸念)があるので、これを制限するところにある。オーバーした場合に、その定電力制御量Pc(設定値)を、そのまま全補償量(電力基準制御量Ps)から差し引くと補償量が狂うため、予め定電力制御群に属するz基のナトリウム−硫黄電池3に対し分配された定電力制御量Pcの上限値で制限するようにする。

随時応答群に分配された制御量は、その一部に、フィルタ41(例えば時定数60秒)により一次遅れ処理が施され、遅延応答群に属するy基のナトリウム−硫黄電池3全体に対して分配される。そして、更に遅延応答群に分配された制御量は、除算器47によって1/yに分配され、リミッタ44による設定値以上の値のカットが施された後に、電池制御量PM2として、遅延応答群に属する各ナトリウム−硫黄電池3へ(厳密にはそれを制御する双方向変換器4へ)割り当てられる。リミッタ44の設定値(上限値)は、除算器47によって1/yに分配された後の制御量毎に、個別に設定することが出来る。

随時応答群に分配された制御量のうち、遅延応答群に属するy基のナトリウム−硫黄電池3全体に対して分配された制御量を減じた値が、瞬時応答群に属するx基のナトリウム−硫黄電池3全体に対して分配される。そして、更に瞬時応答群に分配された制御量は、除算器46によって1/xに分配され、リミッタ43による設定値以上の値のカットが施された後に、電池制御量PM1として、瞬時応答群に属する各ナトリウム−硫黄電池3へ(厳密にはそれを制御する双方向変換器4へ)割り当てられる。リミッタ43の設定値(上限値)は、除算器46によって1/xに分配された後の制御量毎に、個別に設定することが出来る。

遅延応答群と瞬時応答群の制御量の分配の決定は、風力発電装置7の変動量が大きいとき、具体的には例えば変動が数秒周期で4000kW変動するときは、瞬時応答群に4000kWを分担させるように分配する。このような分配によって、定電力制御群、及び随時応答群(遅延応答群)の入出力電力は、安定して制御出来るようになる。

定電力制御群向けの電池制御量PM3の算出において、リミッタ45が設けられているので、定電力制御群に属するz基のナトリウム−硫黄電池3全体に対して分配された制御量を除算器48によって1/zに分配した値(即ち、リミッタ45の入力値)より、リミッタ45を通した後の実際に各ナトリウム−硫黄電池3へ割り当てられる電池制御量PM3(即ち、リミッタ45の出力値)が、小さい場合がある。これは、遅延応答群(リミッタ44)、瞬時応答群(リミッタ43)においても同様である。そこで、各リミッタ43,44,45の入力値と出力値の差の合計値を算出し、これを再分配する。この合計値(制御量)は、本来、何れかのナトリウム−硫黄電池3に分配されるべき制御量の不足分に相当する。再分配は、具体的には、合計値を、補正量分配器49によって各リミッタ43,44,45の入力値に加算することで行う。この再分配は、(図4には表現されていないが)補正量分配器49において、個別のリミッタ毎に入力値、出力値、及び設定値(上限値)を管理し、入力値に対し設定値が大きいリミッタの入力側に割り当てる(入力値に加算する)ことが好ましい。

再分配は、以下のように行う。即ち、定電力制御群、及び随時応答群のうち遅延応答群、に属するナトリウム−硫黄電池3の入出力電力は、全補償量(補償すべき電力量、電力基準制御量Ps)に対し不足することがあり、当然、随時応答群のうち瞬時応答群に、その不足した制御量が負担されることになる。しかし、瞬時応答群に属する各ナトリウム−硫黄電池3にも上限値があるので、再配分をしないと全補償量(電力基準制御量Ps)を制御することが出来ない。そこで、各群に分担させた初段制御量に不足補償量を合計し、各ユニットの上限値と初段制御量尤度の比率で不足補償量を再配分する。

上記のようにして電池制御量PM1、電池制御量PM2、電池制御量PM3を求めて、各群に属するナトリウム−硫黄電池3を制御すると、定電力制御群に属するナトリウム−硫黄電池3は、風力発電装置7により発電された電力Pwの変動とは無関係に、充電、放電を行うこととなる。従って、定電力制御群に属するナトリウム−硫黄電池3に対しては、定電力制御量Pcの設定によって、充電末又は放電末を迎えさせるように制御することが可能である。例えば、充電末に近づくと、電池電圧が上昇するから、この現象を検知して、定電力制御群に属するナトリウム−硫黄電池3の残存容量管理値の補正又は再設定をすることが可能である。

図2は、ナトリウム−硫黄電池3における残存容量率(%)と電圧(V)との相関を示すグラフである。図2の相関曲線21から明らかなように、ナトリウム−硫黄電池の(一般的)特性として、残存容量率が概ね40〜90%において残存容量率によらず電圧は一定に維持される。そして、充電が進み、残存容量率が概ね95%になると、電圧が上昇する。従って、電圧が上昇したところにおける電圧の値と残存容量との関係を予め設定しておけば、充電が進んで、その電圧になったときに、残存容量管理値を補正(再設定)することが可能である。尚、図2より、放電末においても電圧が変化する(下降する)から、同様に、放電末において残存容量管理値を補正(又は再設定)することが可能である。

一方、随時応答群(遅延応答群及び瞬時応答群)に属するナトリウム−硫黄電池3は、風力発電装置7により発電された電力Pwの変動に対応して、それを補償するように、充電、放電を行うこととなる。従って、通常、随時応答群に属するナトリウム−硫黄電池3は、充電末又は放電末を迎えないように制御されることになる。

随時応答群のうち遅延応答群に属するナトリウム−硫黄電池3には、フィルタ41によって一次遅れ処理が施された制御量が分配されるから、風力発電装置7により発電された電力Pwの頻繁な変動に対し、遅延応答群に属するナトリウム−硫黄電池3は抑制的に(鈍く対応した)充電、放電を行う。そのため、入出力電力の変動回数は、風力発電装置7により発電された電力Pwの増加、減少の回数に比して少ない。

随時応答群のうち瞬時応答群に属するナトリウム−硫黄電池3には、刻一刻変動する風力発電装置7により発電された電力Pwから、一定の制御量(定電力制御群に分配される定電力制御量Pc)及び一次遅れ処理が施された制御量(遅延応答群に分配される制御量)を差し引いた制御量が分配されるから、刻一刻変動する風力発電装置7により発電された電力Pwに対し、瞬時応答群に属するナトリウム−硫黄電池3は、瞬時に充電、放電を行う。そのため、充電、放電の切替回数は、風力発電装置7により発電された電力Pwの増加、減少の回数と概ね等しい。

定電力制御群に属するナトリウム−硫黄電池3と、随時応答群に属するナトリウム−硫黄電池3と、を定期的に入れ替えれば、全てのナトリウム−硫黄電池3の残存容量管理値を補正(再設定)することが出来る。具体的には、全てのナトリウム−硫黄電池3が、定電力制御群、遅延応答群、瞬時応答群に、順次、属するように、ローテーションを組むことも好ましい。この際、定電力制御群から移るときは、充電、放電の自由度を確保するため、充電末又は放電末の近傍ではないようにすることが望ましい。

(実施例1)図1に示される連系システム8に準じた連系システムを構築して、本発明に係る二次電池の電力制御方法のシミュレーションを行った。ナトリウム−硫黄電池は定格電力2MWのものを15基(合計30MW)、風力発電装置は、合計の定格電力が51MWの条件とした。

運転計画値Ppは、時間(区間)毎に変更し、表1のように設定した。15基のナトリウム−硫黄電池は、表2のように組分けし、定電力制御群に属するナトリウム−硫黄電池6基に対しては、時間(区間)毎に、表2の通り、定電力制御量を分配することとした。

遅延応答群に属するナトリウム−硫黄電池7基に対して分配される制御量に施される一次遅れ処理(図4のフィルタ41が行う処理に相当)の時定数は60秒(表2を参照)とした。又、総電力Pに施す一次遅れ処理(図3のフィルタ36が行う処理に相当)の時定数は1秒、風力発電装置全体の電力Pwに施す一次遅れ処理(図3のフィルタ35が行う処理に相当)の時定数は0.1秒、運転計画値Ppから風力発電装置により発電された電力Pw分を減じた値に施す比例制御器(図3の比例制御器32に相当)の比例帯は40%、運転計画値Ppから総電力Pを減じた値に施す比例積分制御器(図3の比例積分制御器31に相当)の比例帯は75%、積分時間は100秒とした。尚、本シミュレーションでは、各リミッタには上限値を設定せず、全てのリミッタは機能させなかった。

シミュレーションの結果を、図5〜図8に示す。図5は、時間(区間)毎の、運転計画値Pp、総電力P、ナトリウム−硫黄電池全体の電力P、風力発電装置全体の電力Pw、補機の電力PH、の変化を示すグラフである。又、図7は、運転計画値Ppが45000kWで一定の時間(区間)における(表2を参照)、運転計画値Ppと総電力Pとの差を、図5より拡大して示すグラフである。更に、図8は、サンプリング周期1秒での1分間の区間平均とし、運転計画値Ppと総電力Pとの差(偏差)を評価したグラフである。図5、図7及び図8によれば、運転計画値Ppと総電力Pとの差は極小さく、概ね運転計画値Ppの通りに総電力Pが得られていることが確認出来る。

図6は、時間(区間)毎の、定電力制御群、遅延応答群、瞬時応答群のそれぞれに属するナトリウム−硫黄電池の電力の変化を示すグラフである。図6によれば、定電力制御群に属するナトリウム−硫黄電池の電力は一定、瞬時応答群に属するナトリウム−硫黄電池の電力は風力発電装置全体の電力Pwの変化(図5を参照)に呼応して、頻繁に変動していることがわかる。

本シミュレーションによれば、全15基のナトリウム−硫黄電池のうち、6基を定電力制御群に属させ、7基を(図6に示されるように瞬時応答群よりかなり変動が小さい)遅延応答群に属させて、制御を行うことで、既述のように、運転計画値Ppの通りの総電力Pが得られている。このことから、15基中の6基という多数(4割)のナトリウム−硫黄電池について、実際の残存容量と管理値との間に生じたズレを定期的に解消することが可能なことがわかる。又、15基中の13基(6基+7基)という大多数のナトリウム−硫黄電池の出力電力を殆ど下げずに運転することが出来ているから、発電時の放熱による熱を十分に確保することが可能である。従って、補機(ヒータ)損失が抑制され、効率のよい運転を実現可能なことがわかる。

本発明に係る二次電池の電力制御方法は、風力、太陽光、地熱等の自然エネルギーを用いた、出力が変動する発電装置と、電力貯蔵補償装置と、を組み合わせて電力系統へ電力を供給する連系システムにおいて、上記電力貯蔵補償装置を構成する複数のナトリウム−硫黄電池を制御する方法として利用することが出来る。

出力が変動する発電装置と電力貯蔵補償装置とを有する連系システムの一例を表すシステム構成図である。 ナトリウム−硫黄電池の残存容量率(%)と電圧(V)との相関を示すグラフである。 連系システムにおけるナトリウム−硫黄電池(電力貯蔵補償装置)全体に対する電力基準制御量を決定するロジックを表すブロック線図である。 電力基準制御量を、各ナトリウム−硫黄電池3に分配するロジックを示すブロック線図である。 実施例におけるシミュレーション結果を示すグラフであり、時間(区間)毎の、運転計画値、総電力、ナトリウム−硫黄電池全体の電力、風力発電装置全体の電力、補機の電力の変化を示すものである。 実施例におけるシミュレーション結果を示すグラフであり、時間(区間)毎の、定電力制御群、遅延応答群、瞬時応答群のそれぞれに属するナトリウム−硫黄電池の電力の変化を示すものである。 実施例におけるシミュレーション結果を示すグラフであり、運転計画値が一定の時間(区間)における、運転計画値と総電力との差を示すものである。 実施例におけるシミュレーション結果を示すグラフであり、サンプリング周期1秒として、運転計画値と総電力との差(偏差)を評価したものである。

符号の説明

1 電力系統
3 ナトリウム−硫黄電池
4 双方向変換器
5 電力貯蔵補償装置
6 補機
7 風力発電装置
8 連系システム
9 変圧器
31 比例積分制御器
32 比例制御器
34 リミッタ
35 フィルタ
36 フィルタ
41 フィルタ
42 リミッタ
43,44,45 リミッタ
46,47,48 除算器
49 補正量分配器
141,142,143,145 電力計

Claims (6)

  1. 出力電力が変動する発電装置と電力貯蔵補償装置とを組み合わせて電力系統へ電力を供給する連系システムにおいて前記電力貯蔵補償装置を構成し前記発電装置の出力電力の変動を補償する、複数の二次電池の電力制御方法であって、
    複数の二次電池を、定電力制御群と、随時応答群と、に組分けし、
    前記発電装置の出力電力の変動を補償するために全ての二次電池に対して与えられた入出力すべき電力のうち、予め定めた一定の入出力電力を前記定電力制御群へ分配し、残りの入出力電力を随時応答群へ分配するとともに、
    前記随時応答群を、更に、遅延応答群と、瞬時応答群と、に組分けし、
    前記随時応答群に与えられた入出力すべき電力のうち、一次遅れフィルタ処理を施した入出力電力を前記遅延応答群へ分配し、残りの入出力電力を瞬時応答群へ分配して、
    各群に属する二次電池の入出力電力を制御し、併せて、
    各二次電池の入出力電力に上限値を設け、各二次電池に与えられた入出力すべき電力の値と前記上限値との差を合計し、得られた総不足電力を各二次電池へ再分配する二次電池の電力制御方法。
  2. 定電力制御群と、随時応答群と、に組分けした前記複数の二次電池を、入れ替える請求項1に記載の二次電池の電力制御方法。
  3. 定電力制御群と、随時応答群と、に属する二次電池の数を、変更する請求項1又は2に記載の二次電池の電力制御方法。
  4. 前記遅延応答群を、更に、複数の群に組分けし、時定数を変えて一次遅れフィルタ処理を施した複数の入出力電力を、各群へ分配して、各群に属する二次電池の入出力電力を制御する請求項1〜3の何れか一項に記載の二次電池の電力制御方法。
  5. 前記二次電池が、ナトリウム−硫黄電池である請求項1〜の何れか一項に記載の二次電池の電力制御方法。
  6. 前記出力が変動する発電装置が、風力、太陽光、地熱のうち1又は2以上の自然エネルギーを用いた自然エネルギー発電装置である請求項1〜の何れか一項に記載の二次電池の電力制御方法。
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