JP5327407B2

JP5327407B2 - 蓄電池システム及びその制御方法

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Publication number: JP5327407B2
Application number: JP2013506968A
Authority: JP
Inventors: 洋二郎野村
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2011-07-15
Filing date: 2012-06-05
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2032-06-05
Also published as: EP2605359A4; JP2015159726A; JP2013179836A; JP6156919B2; EP2605359A1; US8810202B2; US20140319914A1; EP2605359B1; BR112013006740A2; JPWO2013011758A1; WO2013011758A1; CN103168404A; US20130154570A1; EP3151331A1

Description

本発明は配電系統（商用電力）に連系して運転可能な蓄電池システム及びその制御方法に関する。

低炭素社会の実現のために太陽光発電（Photo Voltaic generation）や風力発電（Wind Farm）等の再生可能電源の導入が不可欠になり、さらに再生可能電源や炭素排出量が比較的少ない安定した硬直電源（例えば原子力発電所）で発電された電力を効率よく利用するために蓄電池システムの導入が進められている。

特に再生可能電源は、気象条件に依存して出力電力が変動する、発電量が不安定な機器であるため、需要家に比較的安定して所定の電力を供給するためにも蓄電池システムと併用することが好ましい。

なお、再生可能電源や燃料電池等の分散型電源と蓄電池とを備えた一般家庭用の発電システムについては、例えば特許文献１にも記載されている。

上述した再生可能電源や蓄電池システムの普及を促進するには、電力使用時における経済的効果が高いことが望まれる。例えば再生可能電源で発電された電力や蓄電池システムに蓄積された電力を需要家が備える負荷（電気機器）へ優先的に供給することで、配電系統の電力料金を抑制できることが好ましい。また、再生可能電源で発電した電力のうち、需要家の負荷で使用されない余剰電力については、電力会社へ売電できることが好ましい。但し、需要家によっては、経済的効果を重視するのではなく、自然エネルギーから発電した電力（グリーン電力）を優先して使用することを重視する場合もある。そのため、再生可能電源や蓄電池システムは、需要家毎に最適な動作モードで運転できることが望ましい。

一方、再生可能電源や蓄電池システムは未だ高価であり、これらを同時に設置できるとは限らない。そのため、配電系統へ独立に連系させて運転できる構成であることが望ましい。

特開２０１１−００３４４９号公報

そこで本発明は、配電系統へ独立に連系させて運転させることが可能であり、需要家毎に最適な動作モードで運転させることが可能な蓄電池システム及びその制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明の蓄電池システムは、配電系統に連系して運転可能な蓄電池システムであって、
電力を蓄積または放出する電池と、
前記配電系統から供給される電力による前記電池に対する充電動作及び前記電池から前記配電系統へ電力を放出する放電動作を制御する制御部と、
前記制御部を制御することで、予め設定された、前記配電系統に連系された分散型電源で発電された電力を需要家の負荷へ優先して供給させる第１モード、または前記電池に蓄積された電力を前記需要家の負荷へ優先して供給させる第２モードで動作させるシステムコントローラと、
を有し、
前記システムコントローラは、
前記第１モード時、前記制御部を制御することで、予め設定された、前記分散型電源で発生した余剰電力を優先的に売電に利用する第３モード、または前記分散型電源で発生した余剰電力を優先的に前記電池の充電に利用する第４モードで動作させる構成である。

一方、本発明の蓄電池システムの制御方法は、電力を蓄積または放出する電池と、
前記配電系統から供給される電力による前記電池に対する充電動作及び前記電池から前記配電系統へ電力を放出する放電動作を制御する制御部と、
を備え、配電系統に連系して運転可能な蓄電池システムの制御方法であって、
コンピュータが、
前記制御部を制御することで、予め設定された、前記配電系統に連系された分散型電源で発電された電力を需要家の負荷へ優先して供給させる第１モード、または前記電池に蓄積された電力を前記需要家の負荷へ優先して供給させる第２モードで動作させ、
前記第１モード時、前記制御部を制御することで、予め設定された、前記分散型電源で発生した余剰電力を優先的に売電に利用する第３モード、または前記分散型電源で発生した余剰電力を優先的に前記電池の充電に利用する第４モードで動作させる方法である。

図１は、本発明の蓄電池システムの一構成例を示すブロック図である。図２は、図１に示した蓄電池システムの要部の構成を示すブロック図である。図３は、図２に示した蓄電池システムのＰＶ優先モード時における処理の一例を示すフローチャートである。

次に本発明について図面を用いて説明する。

図１は、本発明の蓄電池システムの一構成例を示すブロック図である。

図１に示すように、蓄電池システムは、電力を蓄積または放出する電池パック１０と、電池パック１０を過充電、過放電、過電流等から保護するＢＭＵ（Battery Management Unit）２０と、電池パック１０と配電系統とを連系可能にするための電力変換を行うと共に、電池パック１０に対する充電または電池パックからの放電を制御するパワーコンディショナ（ＰＣＳ）３０と、ＢＭＵ２０及びパワーコンディショナ３０を含む蓄電池システム全体の動作を制御するシステムコントローラ４０とを有する。図１は２つの電池パック１０が並列に接続された構成例を示しているが、電池パック１０は１つでもよく、３つ以上であってもよい。

配電系統には、例えば太陽光から発電するＰＶ（Photo Voltaic）パネル５１と、ＰＶパネル５１で発電された直流電力を配電系統に連系可能な交流電力に変換するＰＶ用パワーコンディショナ（ＰＶＰＣＳ）５２とを備えたＰＶシステム５０が連系されて蓄電池システムと併用される。ＰＶシステム５０は、蓄電池システムから独立した分散型電源（小規模発電設備）であり、蓄電池システム及びＰＶシステム５０は、需要家の宅内に備える分電盤６０で配電系統と連系される。

パワーコンディショナ３０は、配電系統から供給される交流電力を電池パック１０に蓄電可能な直流電力に変換すると共に、電池パック１０から放電された直流電力を負荷や配電系統へ供給可能な交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ双方向インバータ３１と、システムコントローラ４０からの指示にしたがってＤＣ／ＡＣ双方向インバータ３１を含むパワーコンディショナ３０の動作を制御すると共に、ＢＭＵ２０の動作を監視する制御部３２とを備えている。図１に示すパワーコンディショナ３０は、需要家の負荷へ電力を供給するための電力線３３を介して配電系統と連系される。

電池パック１０は、例えば電力の蓄積及び放出が可能な、リチウムイオン充電池、ニカド（Ｎｉ−Ｃｄ）電池、ニッケル水素（Ｎｉ−ＭＨ）電池等の蓄電池（二次電池）を備えている。電池パック１０は、所要の出力電圧に応じて、１つまたは複数の蓄電池が直列に接続されることで構成される。蓄電池システムは、所要の蓄電量に応じて、１つまたは複数の電池パック１０が並列に接続される。なお、本発明の蓄電システムは、電池パック１０に代えて、例えば金属缶型の電池（二次電池）を備えていてもよい。本発明の蓄電システムは、金属缶型等の電池（二次電池）を備える構成にも適用可能であることは言うまでもない。

ＢＭＵ２０は、電池パック１０の蓄電池に対応した周知の保護ＩＣ（Integrated Circuit）及び各種の電子デバイスを含む電子回路で実現される。

ＤＣ／ＡＣ双方向インバータ３１は、周知のＤＣ／ＡＣインバータ回路、ＡＣ／ＤＣコンバータ回路、ＤＣ／ＤＣコンバータ、電路を切り換えるためのリレー（スイッチ）等で実現される。

制御部３２は、システムコントローラ４０と情報を送受信するための周知の通信回路、後述する電流センサ７０で検出された電流値を受信して電力値に変換する周知の電流電力変換回路、並びにシステムコントローラ４０からの指示にしたがってＢＭＵ２０、ＤＣ／ＡＣ双方向インバータ３１等の動作を切り換えるための制御信号を出力する周知の論理回路等を組み合わせた電子回路で実現できる。なお、図１では、制御部３２がパワーコンディショナ３０内に設けられた構成例を示しているが、制御部３２は、パワーコンディショナ３０から独立した装置でもよく、システムコントローラ４０内に備える構成でもよい。

システムコントローラ４０は、ＣＰＵ、記憶装置、各種論理回路、並びに制御部３２、ＢＭＵ２０、ＤＣ／ＡＣ双方向インバータ３１と情報を送受信するための通信手段を備えた情報処理装置（コンピュータ）で実現できる。システムコントローラ４０は、記憶装置に格納されたプログラムにしたがって処理を実行することで、後述する蓄電池システムとしての動作を実現する。

分電盤６０は、配電系統から供給される電力を需要家の負荷へ分配するための複数の分岐電路（不図示）が設けられ、配電系統及び分岐電路毎にそれぞれ開閉器を備えている。

本実施形態の蓄電池システムでは、配電系統から負荷へ電力を供給するための電路、並びにＰＶシステム５０の出力電路にそれぞれ電流センサ７０が設けられ、電流センサ７０で検出された電流値に基づき、配電系統から需要家の負荷へ供給される電力、並びにＰＶシステム５０の出力電力がそれぞれ測定される。配電系統から需要家の負荷へ供給される電力はパワーコンディショナ３０の制御部３２で測定され、ＰＶシステム５０の出力電力はシステムコントローラ４０で測定される。但し、配電系統から需要家の負荷へ供給される電力については、ＰＶシステム５０の連系点から見て配電系統側（図１のノードａ）と需要家の負荷側（図１のノードｂ）との２点で測定される。そのため、パワーコンディショナ３０は、ノードａの電流センサ７０またはノードｂの電流センサ７０と、制御部３２との接続を切り換えるためのスイッチ３６を備えている。スイッチ３６はシステムコントローラ４０によって切り換えられる。

なお、図１では、蓄電池システムをＰＶシステム５０と併用する構成例を示しているが、本発明の蓄電池システムは、ＰＶシステム５０に限らず、風力発電システム、燃料電池、あるいは化石エネルギーを利用する各種の自家発電機等の分散型電源と併用する場合でも同様の制御が可能である。

このような構成において、ＰＶシステム５０は、需要家の負荷の総消費電力に関係なく、基本的に気象条件に依存して発電し、発電した電力を出力する。したがって、負荷の総消費電力が少なくなれば、負荷で使用されない余剰電力が発生する。発生した余剰電力は、配電系統に逆潮流される、またはシステムコントローラ４０の制御によりＤＣ／ＡＣ双方向インバータ３１を介して電池パック１０に充電される。

電池パック１０は、制御部３２の制御信号にしたがって蓄積した電力を放電し、ＤＣ／ＡＣ双方向インバータ３１を介して需要家の負荷に電力を供給する。現在、日本では電池パック１０からの放電電力を配電系統へ逆潮流させることが認められていないため、負荷の総消費電力が少ないときは電池パック１０からの放電量が抑制される。

電池パック１０に対する充電は、上記ＰＶシステム５０による余剰電力、または配電系統から供給される電力を利用して実施される。電池パック１０に対する充放電はユーザの操作により任意の時間に実施可能にしてもよい。なお、配電系統から電池パック１０に充電する場合は、比較的電力料金が安い夜間電力を利用すればよい。

本実施形態の蓄電池システムは、需要家の負荷へ電力を供給する運転モードとして、ＰＶシステム５０で発電された電力を優先するＰＶ優先モード（第１モード）と、電池パック１０に蓄積された電力を優先する蓄電優先モード（第２モード）とを備える。

ＰＶ優先モードでは、配電系統から負荷へ供給する電力Ｐ_ＧＲＩＤとして、図１に示したノードａの測定値を用い、蓄電優先モードでは、配電系統から負荷へ供給する電力Ｐ_ＧＲＩＤとして、図１に示したノードｂの測定値を用いる。

ここで、需要家の負荷の総消費電力（負荷電力）をＰ_ＬＯＡＤとし、電池パック１０からパワーコンディショナ３０を介して配電系統へ供給する電力をＰ_ＩＮＶとし、ＰＶシステム５０から配電系統へ供給する電力をＰ_ＰＶとした場合、ＰＶ優先モードでは、Ｐ_ＬＯＡＤ＝Ｐ_ＧＲＩＤ＋Ｐ_ＰＶ＋Ｐ_ＩＮＶとなる。また、蓄電優先モードでは、Ｐ_ＬＯＡＤ＝Ｐ_ＧＲＩＤ＋Ｐ_ＩＮＶとなる。つまり、ＰＶ優先モードでは、Ｐ_ＧＲＩＤ＝Ｐ_ＬＯＡＤ−（Ｐ_ＰＶ＋Ｐ_ＩＮＶ）を測定し、蓄電優先モードでは、Ｐ_ＧＲＩＤ＝Ｐ_ＬＯＡＤ−Ｐ_ＩＮＶを測定する。

ＰＶ優先モード時、システムコントローラ４０は、ＰＶシステム５０から出力される電力を負荷に優先的に供給させ、ＰＶシステム５０の発電量だけでは負荷へ供給する電力が不足する場合（Ｐ_ＬＯＡＤ−Ｐ_ＰＶ＞０）、パワーコンディショナ３０を介して電池パック１０に蓄積された電力を放電させ、負荷へ供給させる。ＰＶシステム５０の発電量が負荷に対する供給電力以上である場合（Ｐ_ＬＯＡＤ−Ｐ_ＰＶ＜０）、負荷で使用されない余剰電力は配電系統へ逆潮流される、または電池パック１０の充電に利用される。

蓄電優先モード時、システムコントローラ４０は、電池パック１０に蓄積された電力を負荷に優先的に供給させ、電池パック１０の放電電力だけでは負荷へ供給する電力が不足する場合（Ｐ_ＬＯＡＤ−Ｐ_ＩＮＶ＞０）、ＰＶシステム５０で発電された電力を負荷へ供給させる。電池パック１０の放電電力が負荷に対する供給電力以上である場合、またはＰＶシステム５０で発電された電力の全てを負荷へ供給する必要が無い場合、負荷で使用されない余剰電力は配電系統へ逆潮流される、または電池パック１０の充電に利用される。

さらに、本実施形態の蓄電池システムでは、蓄電優先モード及びＰＶ優先モード毎に、経済性を優先する経済モード（第３モード）と、蓄電池への充電を優先するグリーンモード（第４モード）とを設ける。

経済モード時、システムコントローラ４０は、ＰＶシステム５０で発生した余剰電力を電力会社に対する売電に優先的に利用し、グリーンモード時、システムコントローラ４０は、ＰＶシステム５０で発生した余剰電力を電池パック１０の充電に優先的に利用する。ＰＶ優先モード、蓄電優先モード、経済モード、グリーンモードは、不図示の操作パネルに備えるスイッチ等を用いて予めユーザ（需要家）によって設定され、システムコントローラ４０が備える記憶装置に格納される。

次に、図１に示した蓄電池システムの動作について図面を用いて説明する。

図２は、図１に示した蓄電池システムの要部の構成を示すブロック図である。

図３は、図２に示した蓄電池システムのＰＶ優先モード時における処理の一例を示すフローチャートである。

図２は、図１に示した蓄電池システム及びＰＶシステム５０のうち、ＰＶ優先モード及び蓄電優先モードによる動作に関連する要部を抜き出して示したものである。また、図２に示すＰ_ＧＲＩＤ、Ｐ_ＬＯＡＤ、Ｐ_ＩＮＶ、Ｐ_ＰＶの矢印は、電流が正方向に流れる向きを示している。

なお、図１及び図２では、ノードａ及びノードｂにそれぞれ電流センサ７０を備える構成例を示しているが、上述したようにノードａとノードｂとでは測定結果にＰ_ＰＶが含まれているか否かの差でしかない。一方、ＰＶシステム５０の出力電路には電流センサ７０が設けられており、Ｐ_ＰＶの値はシステムコントローラ４０によって別途測定される。したがって、ノードａまたはノードｂのいずれか一方にのみ電流センサ７０を備える構成でも、本実施形態の蓄電池システムは制御可能である。

図３に示す処理はシステムコントローラ４０で実行される。配電系統から負荷へ供給する電力Ｐ_GRIDは、パワーコンディショナが備える制御部３２で測定され、制御部３２からシステムコントローラ４０へ送信される。

図３に示すように、蓄電池システムが放電を開始すると、システムコントローラ４０は、蓄電池システムがＰＶ優先モードであるか蓄電優先モードであるかを確認する（ステップＳ１）。

蓄電池システムがＰＶ優先モードである場合、システムコントローラ４０は、蓄電池システムがグリーンモードであるか経済モードであるかを判定する（ステップＳ１１）。

蓄電池システムがグリーンモードである場合、システムコントローラ４０は負荷による総消費電力（負荷電力Ｐ_ＬＯＡＤ）がＰＶシステム５０の発電量（ＰＶ電力Ｐ_ＰＶ）よりも大きいか否か、すなわち配電系統から負荷へ供給する電力Ｐ_ＧＲＩＤが０よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１２）。

Ｐ_ＧＲＩＤが０よりも大きい場合、システムコントローラ４０は、パワーコンディショナ３０を制御することで負荷電力Ｐ_ＬＯＡＤに合わせて電池パック１０から電力を放電させ、不足電力（Ｐ_ＬＯＡＤ−Ｐ_ＰＶ）を負荷に供給させる（ステップＳ１３）。

Ｐ_ＧＲＩＤが０以下である場合、システムコントローラ４０は、ＰＶシステム５０で発電された電力のうち、負荷で使用されない余剰電力（Ｐ_ＰＶ−Ｐ_ＬＯＡＤ＝−Ｐ_ＧＲＩＤ）を電池パック１０に蓄電させる（ステップＳ１４）。但し、電池パック１０が既に満充電である場合は、余剰電力を配電系統へ逆潮流させて電力会社等へ売電する。

蓄電池システムが経済モードである場合、システムコントローラ４０は、負荷による総消費電力（負荷電力Ｐ_ＬＯＡＤ）がＰＶシステム５０の発電量（ＰＶ電力Ｐ_ＰＶ）よりも大きいか否か、すなわち配電系統から負荷へ供給する電力Ｐ_ＧＲＩＤが０よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１５）。

Ｐ_ＧＲＩＤが０よりも大きい場合、システムコントローラ４０は、パワーコンディショナ３０を制御することで負荷電力Ｐ_ＬＯＡＤに合わせて電池パック１０から電力を放電させ、不足電力（Ｐ_ＬＯＡＤ−Ｐ_ＰＶ）を負荷に供給させる（ステップＳ１６）。

Ｐ_ＧＲＩＤが０以下である場合、システムコントローラ４０は、電池パック１０からの放電を停止させる（ステップＳ１７）。この場合、ＰＶシステム５０で発電された電力のうち、負荷で使用されない余剰電力（Ｐ_ＰＶ−Ｐ_ＬＯＡＤ＝−Ｐ_ＧＲＩＤ）は、配電系統へ逆潮流されて電力会社等へ売電される。

本実施形態によれば、電池パック１０及び該電池パック１０に対する充放電を制御するパワーコンディショナ３０を、ＰＶシステム５０等の分散型電源から独立して配電系統に連系できるため、分散型電源が既に設置されている場合でも、蓄電池システムを配電系統に連系させて運転させることができる。

また、本実施形態の蓄電池システムでは、例えば比較的安価な夜間電力を利用して電池パックを充電し、昼間に蓄電優先モードまたはＰＶ優先モードで運転すれば、昼間に配電系統から供給される電力が抑制されるため、電力料金を削減できる。このとき、蓄電優先モードで運転すれば、ＰＶシステム等で発生する余剰電力が比較的多くなるため、売電量が増大する。また、ＰＶ優先モードで運転すれば、ＰＶシステムで発電された電力で需要家の負荷に必要な電力の多くが賄える。そのため、経済的効果が高い蓄電池システムが得られる。

蓄電優先モードまたはＰＶ優先モードのどちらで運転した方がより経済的効果が高いかは、需要家毎の使用電力量や電力使用パターン、並びに需要家が住む地域の気象条件（日照時間や風力等）等によって異なる。また、需要家によっては、経済的効果を重視するのではなく、自然エネルギーを利用して発電した電力（グリーン電力）を優先して使用することを重視する場合もある。

本実施形態の蓄電池システムは、上記蓄電優先モードまたはＰＶ優先モードに切り換え可能であると共に、さらに経済モードまたはグリーンモードに切り換え可能であるため、需要家は運転実績等に基づき自身にとって最適な運転モードを選択できる。

そのため、配電系統へ独立に連系させて運転させることが可能であり、需要家毎に最適な動作モードで運転させることが可能な蓄電池システムが得られる。

以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されものではない。本願発明の構成や詳細は本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更が可能である。

この出願は、２０１１年７月１５日に出願された特願２０１１−１５６５６１号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims

配電系統に連系して運転可能な蓄電池システムであって、
電力を蓄積または放出する電池と、
前記配電系統から供給される電力による前記電池に対する充電動作及び前記電池から前記配電系統へ電力を放出する放電動作を制御する制御部と、
前記制御部を制御することで、予め設定された、前記配電系統に連系された分散型電源で発電された電力を需要家の負荷へ優先して供給させる第１モード、または前記電池に蓄積された電力を前記需要家の負荷へ優先して供給させる第２モードで動作させるシステムコントローラと、
を有し、
前記システムコントローラは、
前記第１モード時、前記制御部を制御することで、予め設定された、前記分散型電源で発生した余剰電力を優先的に売電に利用する第３モード、または前記分散型電源で発生した余剰電力を優先的に前記電池の充電に利用する第４モードで動作させる蓄電池システム。
前記需要家の負荷に供給する電力する電力を、前記分散型電源の連系点よりも配電系統側で測定するための第１電力測定手段を有し、
前記システムコントローラは、
前記第１モード時、前記第１電力測定手段で測定された電力が０よりも大きい場合、前記制御部を制御して前記電池から前記配電系統へ電力を放出させる請求項１記載の蓄電池システム。
電力を蓄積または放出する電池と、
前記配電系統から供給される電力による前記電池に対する充電動作及び前記電池から前記配電系統へ電力を放出する放電動作を制御する制御部と、
を備え、配電系統に連系して運転可能な蓄電池システムの制御方法であって、
コンピュータが、
前記制御部を制御することで、予め設定された、前記配電系統に連系された分散型電源で発電された電力を需要家の負荷へ優先して供給させる第１モード、または前記電池に蓄積された電力を前記需要家の負荷へ優先して供給させる第２モードで動作させ、
前記第１モード時、前記制御部を制御することで、予め設定された、前記分散型電源で発生した余剰電力を優先的に売電に利用する第３モード、または前記分散型電源で発生した余剰電力を優先的に前記電池の充電に利用する第４モードで動作させる蓄電池システムの制御方法。
前記需要家の負荷に供給する電力する電力を、前記分散型電源の連系点よりも配電系統側で測定するための第１電力測定手段を有し、
前記コンピュータが、
前記第１モード時、前記第１電力測定手段で測定された電力が０よりも大きい場合、前記制御部を制御して前記電池から前記配電系統へ電力を放出させる請求項３記載の蓄電池システムの制御方法。