JP5387694B2 - 住宅用蓄電システム - Google Patents

Description

この発明は、住宅用蓄電システムに関し、特に、蓄電装置からの放電量の制御に関する。

電力は昼間の需要に対して深夜の需要が少ないが、発電機は連続運転をさせたほうが効率がよい。発電した電力は貯蔵が難しいので発電設備は電力需要のピークにあわせて発電能力が設定されている。このような事情から深夜電力が昼間の電力よりも料金が安いことは良く知られている。家庭、会社および工場等の電力消費先では、深夜電力を貯蔵型蓄電池に蓄えておき昼間に使用することにより電気料金の低減と負荷の平準化をはかることができれば望ましい。

特開２００１−８３８０号公報（特許文献１）には、電気自動車と住宅の間で相互に電力伝達可能なシステムが開示され、電力需要を平準化することが述べられている。

特開２００１−８３８０号公報 特開２００７−３１２５９７号公報 特開平１１−１７８２３７号公報 特開平５−２９２６７２号公報 特開平５−２９２６７４号公報 特開平８−３３１７７６号公報 特開平１１−４６４５８号公報 特開平１１−１３６８６６号公報

近年、電気自動車、ハイブリッド自動車や系統連系型太陽光発電システムなどの普及により、蓄電装置（各種のバッテリなど）のコストダウンも進みつつあり、家庭など小容量の需要家では蓄電装置を導入した電力の平準化も実用段階に入りつつある。

しかしながら、蓄電装置のコストはまだ安価とは言い難い。住宅用蓄電システムは、１０年以上の長期間にわたって使用されるものである。したがって、いくら深夜電力が昼間電力よりも料金が安くても、蓄電装置の寿命が短く交換にコストがかかってしまうと、経済的なメリットが無くなってしまう。

ところで、蓄電装置は使い方によって寿命が異なる。
図１２は、放電電流と期待寿命サイクル数との関係を示した図である。

図１２を参照して、縦軸には期待寿命サイクル数（回）、横軸には蓄電装置からの放電電流（ＣＡ）が示されている。なおＣＡは、充電電流（Ａ）／電池容量（Ａｈ）で計算される値であり、ＣＡ＝１の場合には１時間で電池容量全てを放電してしまうような放電電流である。図１２に示すように、放電電流が大きくなると、次第に期待寿命サイクル数が減少していくことが分かる。したがって、放電電流を無制限に大きくすると、蓄電装置の寿命が短くなってしまう。特開２００１−８３８０号公報では、蓄電装置の寿命については検討されていない。

この発明の目的は、蓄電装置の寿命を考慮しつつ設置される住宅ごとに適した放電量の制限値を決定することができる住宅用蓄電システムを提供することである。

この発明は、要約すると、住宅用蓄電システムであって、住宅に電力の供給が可能に構成された蓄電装置と、制限値に基づいて蓄電装置から住宅への放電量を制限する電力制限部と、制限値を決定するとともに、電力制限部の制御を行なう制御装置とを備える。制御装置は、住宅での電力消費量のデータを取得し、取得したデータを蓄積するデータ蓄積部と、データ蓄積部に蓄積されたデータに基づいて、蓄電装置の放電期間における充電状態の変化の代表的なパターンを作成する代表パターン作成部と、パターンに対応させて、制限値を決定する制限値決定部とを含む。

好ましくは、代表パターン作成部は、複数のパターンを作成する。制限値決定部は、複数のパターンにそれぞれ対応する複数の制限値を決定する。制御装置は、選択情報に基づいて複数のパターンのいずれかを選択し制限値決定部から選択したパターンに対応する制限値を取得し、放電期間における蓄電装置の充電状態の目標値の推移を示す計画を作成する計画作成部をさらに含む。

より好ましくは、計画作成部は、蓄電装置の充電状態下限値を超えて充電された蓄電量が放電期間内に放電されるように計画を作成する。

より好ましくは、制御装置は、計画と住宅での実際の電力消費量に基づいて変化する蓄電装置の充電状態の実際の推移とを比較する比較部と、比較部が比較した結果に基づいて、計画を補正する補正部とをさらに含む。

好ましくは、蓄電装置は、商用電源系統から電力を受けて蓄電可能に構成される。蓄電装置への充電期間は、放電期間よりも電力料金が安く設定された期間である。

この発明によれば、住宅用蓄電システムを設置すれば、設置された住宅に適した放電が、蓄電装置からなされ、蓄電装置の長寿命化が図られる。

住宅用蓄電システムの概要を説明するための図である。 蓄電システム４の構成を説明するためのブロック図である。 図２のコントローラ４６の詳細を示す機能ブロック図である。 コントローラ４６が実行する処理の制御構造を示すフローチャートである。 蓄積される電力負荷データの例を示した図である。 代表パターンの第１例（パターンＡ）を示した図である。 代表パターンの第２例（パターンＢ）を示した図である。 ＳＯＣ計画の一例を示した図である。 ＳＯＣ計画の修正を実行する制御を説明するためのフローチャートである。 ＳＯＣ＊（ｔ）とＳＯＣ（ｔ）との乖離について説明するための図である。 重み係数αを説明するための図である。 放電電流と期待寿命サイクル数との関係を示した図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、住宅用蓄電システムの概要を説明するための図である。
図１を参照して、蓄電システム４は、住宅６に設けられる。蓄電システム４は、商用電源２と太陽電池ＰＶと家庭内電気負荷１０（照明１０−１、コンセント１０−２、エアコン１０−３などを含む）と電気温水器８と車両１６とが接続される。車両１６は、外部から充電可能なバッテリ等を搭載するプラグインハイブリッド自動車である。なお、車両１６は、たとえば電気自動車や燃料電池自動車であっても良い。

図２は、蓄電システム４の構成を説明するためのブロック図である。
図１、図２を参照して、蓄電システム４は、住宅６に電力の供給が可能に構成された蓄電装置４８と、制限値に基づいて蓄電装置４８から住宅への放電量を制限するパワーコンバータ４４と、制限値を決定するとともに、パワーコンバータ４４の制御を行なうコントローラ４６とを備える。

蓄電システム４は、パワーコンディショナー４２をさらに含んでも良い。パワーコンディショナー４２は、太陽電池ＰＶが搭載された屋根に設置される太陽光発電パネルとは別に屋内に設置される。パワーコンディショナー４２は一般的な太陽光発電システムに用いられるものであり、太陽電池から取り出した直流電力を交流電力に変換する。

図３は、図２のコントローラ４６の詳細を示す機能ブロック図である。なお、このコントローラ４６は、ソフトウエアでもハードウエアでも実現が可能である。

図２、図３を参照して、コントローラ４６は、住宅６での電力消費量のデータを取得し、取得したデータを蓄積するデータ蓄積部６２と、データ蓄積部６２に蓄積されたデータに基づいて、蓄電装置４８の放電期間における充電状態の変化の代表的なパターンを作成する代表パターン作成部６４と、パターンに対応させて、制限値を決定する制限値決定部６６とを含む。

代表パターン作成部６４は、複数のパターンを作成する。制限値決定部６６は、複数のパターンにそれぞれ対応する複数の制限値を決定する。コントローラ４６は、選択情報（例えば日付、曜日、季節など）に基づいて複数のパターンのいずれかを選択し制限値決定部６６から選択したパターンに対応する制限値を取得し、放電期間における蓄電装置４８の充電状態の目標値ＳＯＣ＊の推移を示す計画を作成するＳＯＣ計画作成部６８をさらに含む。

ＳＯＣ計画作成部６８は、蓄電装置４８の充電状態ＳＯＣの下限値を超えて充電された蓄電量が放電期間内に放電されるように計画を作成する。放電期間は、たとえば午前９時から午後１７時の間である。

コントローラ４６は、ＳＯＣ計画上の目標値ＳＯＣ＊と住宅での実際の電力消費量に基づいて変化する蓄電装置４８の充電状態ＳＯＣの実際の推移とを比較する比較部７０と、比較部７０が比較した結果に基づいて、ＳＯＣ計画を補正する補正部７２とをさらに含む。

蓄電装置４８は、商用電源系統２からＡＣ１００Ｖまたは２００Ｖ（電圧は国によって異なっていても良い）の電力を受けて蓄電可能に構成される。蓄電装置４８への充電期間は、放電期間よりも電力料金が安く設定された期間である。充電期間は、たとえば、電力会社によって決められている深夜電力料金期間とすることができる。

以上図３で説明したコントローラ４６は、コンピュータを用いてソフトウエアで実現することも可能である。コンピュータは、一般的な構成でよく、たとえば、ＣＰＵと、Ａ／Ｄ変換器と、ＲＯＭと、ＲＡＭと、インターフェース部等を含んで構成される。

インターフェース部は、たとえば他のＥＣＵとの通信を行なったり、ＲＯＭとして電気的に書換可能なフラッシュメモリ等を使用した場合の書換データの入力などを行なったり、メモリカードやＣＤ−ＲＯＭ等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体からのデータ信号の読込みを行なったりする。

なお、コントローラ４６は、このような構成に限られるものでなく、複数のＣＰＵを含んで実現されるものであっても良い。

図４は、コントローラ４６が実行する処理の制御構造を示すフローチャートである。
図４を参照して、まずステップＳ１において、電力負荷データの蓄積が実行される。住宅に蓄電システム４が設置されると、最初は標準的な計画に基づいて蓄電装置４８からの充放電が実行される。設置後しばらくの期間、住宅で消費される電力のモニタが実行され、これが電力負荷データとして蓄積される。

図５は、蓄積される電力負荷データの例を示した図である。
図５を参照して、時刻ｔ１は放電開始時刻であり、例えば午前９時とすることができる。時刻ｔ２は放電終了時刻であり、たとえば午後５時とすることができる。このような住宅の電力負荷（消費電力）のデータが数日〜数ヶ月にわたって蓄積される。

データは、与えられたデータを外的基準なしに自動的に分類するクラスタリングによって、幾種類かのパターンに分類される。クラスタリングではデータの集合を部分集合（クラスタ）に切り分けて、それぞれの部分集合に含まれるデータがある共通の特徴を持つようにする。

そして、ステップＳ２において分類された集合ごとに平均化処理が実行され、ステップＳ３において分類された集合ごとに１つの代表パターンが作成される。

図６は、代表パターンの第１例（パターンＡ）を示した図である。
図７は、代表パターンの第２例（パターンＢ）を示した図である。

図６のパターンＡは、たとえば平日に対応したパターンである。図７のパターンＢは例えば休日に対応したパターンである。パターンＡとＢとを比較すると、休日の方が家にいる人数が増えるので電力消費が多くなっていることが分かる。なお、分類は、このように平日か休日かの分類以外にも季節や曜日などを考慮してさらに細分化されるものであっても良い。

再び図４を参照して、ステップＳ３の代表パターン作成が完了すると、ステップＳ４において予測パターンの選定が実行される。予測パターンの選定は、たとえば日付などによって、どの分類に属するのかが判断され対応する代表パターンを選定することができる。

そして、ステップＳ５において電池出力制限値Ｗｏｕｔが決定される。図６では、電力負荷パターンＰ（Ａ）に対して電力出力制限値Ｗｏｕｔ（Ａ）が設定される。この場合、蓄電装置から放電される電力量はハッチングで示された領域Ｅ（Ａ）となる。また、図７では、電力負荷パターンＰ（Ｂ）に対して電力出力制限値Ｗｏｕｔ（Ｂ）が設定される。この場合、蓄電装置から放電される電力量はハッチングで示された領域Ｅ（Ｂ）となる。

電力出力制限値Ｗｏｕｔは、ハッチングで示される領域Ｅ（Ａ）、Ｅ（Ｂ）が蓄電装置４８の放電可能な電池容量と略等しくなるように決定される。図６において、Ｐ（Ａ）＞Ｗｏｕｔ（Ａ）の部分は領域Ｅ（Ａ）に属していないが、この部分については蓄電装置４８からの放電ではなく、商用電源２や太陽電池ＰＶからの電力でまかなわれる。また、Ｗｏｕｔ（Ａ）＞Ｐ（Ａ）の部分については、蓄電装置４８から放電される電力はＰ（Ａ）になる。図７についても同様なことがいえる。

続いて、ステップＳ６においてＳＯＣ計画が作成される。ＳＯＣ計画とは、蓄電装置４８の充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）がどのように変化していくかを予め決めておくことである。ＳＯＣ計画に定められたＳＯＣの変化が実現するように蓄電装置４８からの放電量を制御することによって、蓄電装置４８から寿命に悪影響を与えるような過大な放電（ピーク値）となることが防止され、その家庭においてできるだけ蓄電装置４８の寿命を長くすることができる。これは、図１２で示すように放電電流が大きい時間が長いほどバッテリの寿命が短くなるためである。

図８は、ＳＯＣ計画の一例を示した図である。
図８を参照して、図６のパターンＡに対応するＳＯＣ計画の例が示されている。ＳＯＣの目標値ＳＯＣ＊（ｔ）は、満充電の状態から図６のハッチングで示した領域の面積を、時間が進むごとに時間経過前の目標値ＳＯＣ＊から減算していくことで算出される。

そして、図４のステップＳ６においてＳＯＣ計画が作成され、その後現在時刻が放電開始時刻ｔ１になると、ステップＳ７で蓄電装置４８からの放電が開始される。

しかし、代表パターンどおりに必ずしも放電がおこるわけではない。ＳＯＣ目標値ＳＯＣ＊（ｔ）と実際のＳＯＣの変化とが乖離してしまう場合もある。そのような場合には一日のうちでもＳＯＣ計画を修正して、一日において適切な放電量が蓄電装置４８から放電されるように放電の制御が行なわれる。

図９は、ＳＯＣ計画の修正を実行する制御を説明するためのフローチャートである。
図９を参照して、まずステップＳ１１において、現在のＳＯＣの演算が実行される。ＳＯＣの演算については、電流を積算して行なう方法や電流および電圧に基づいて電池の開放電圧を推定して行なう方法など、公知の方法を用いればよいので、ここでは詳細は説明しない。

続いてステップＳ１２において、現在時刻ｔにおけるＳＯＣ目標値ＳＯＣ(t)とステップＳ１１で演算されたＳＯＣ(t)との乖離が演算される。

図１０は、ＳＯＣ＊（ｔ）とＳＯＣ（ｔ）との乖離について説明するための図である。
図１０に示すように乖離量Ｋ（ｔ）は｜ＳＯＣ（ｔ）−ＳＯＣ＊（ｔ）｜で演算される。図１０に示す場合は、時刻ｔまでの電力消費量が予測よりも少なかったため、ＳＯＣ（ｔ）があまり低下しなかった状態が示されている。このような場合には、放電終了時刻ｔ２までに計画量よりも多く放電しなければ、夜間に蓄積しておいた電力を使い切らずに残してしまう。したがってこのような場合には電池出力の制限値Ｗｏｕtを増加させるとともに、ＳＯＣ計画が最終的に当初の計画通りのＳＯＣ＊（ｔ）に一致するようにＳＯＣ計画を再作成する。

再び図９を参照して、ステップＳ１２において乖離量Ｋ（ｔ)が演算されると、ステップＳ１３において乖離量Ｋ（ｔ）が所定量（しきい値Ａとする）以上であるか否かが判断される。

ステップＳ１３においてＫ（ｔ）≧Ａであった場合にはステップＳ１４に処理が進む。この場合には、制限値Ｗｏｕｔが次式に基づいて修正される。なおα（ｔ）は重み係数である。
Ｗｏｕｔ（ｔ＋１）＝Ｗｏｕｔ（ｔ）＋（ＳＯＣ（ｔ）−ＳＯＣ＊（ｔ））×α（ｔ）
図１１は、重み係数αを説明するための図である。

図１１を参照して、重み係数α（ｔ）は時間の関数であるとともに、ＳＯＣをパラメータとして設定される関数である。ＳＯＣ６０はＳＯＣ５０よりも乖離量が大きい場合を示している。α（ｔ）が時間の経過とともに増加しているのは、放電終了時刻（たとえば夕方１７時）が迫るにつれて、乖離量が同じであってもより多くの放電量を蓄電装置４８から放電させなければ、夜間に充電しておいた電力を放電終了時刻までに使い切ることができなくなるからである。

また、乖離量が大きいほど重み係数αを大きくするのは、やはり乖離量が大きいほどより多くの放電量を放電させなければ、夜間に充電しておいた電力を放電終了時刻までに使い切ることができなくなるからである。

続いて、図９のステップＳ１５において実際のＳＯＣ（ｔ）を当初の計画した目標値ＳＯＣ＊（ｔ）のラインにどのように一致させるかというＳＯＣ計画が作成される。このときには時刻ｔ以降の目標値ＳＯＣ＊が修正される。たとえば、修正は次式に基づいて実行される。
ＳＯＣ＊（ｔ）＝ＳＯＣ−∫Ｗｏｕｔｄｔ
つまり現在のＳＯＣから修正後の制限値Ｗｏｕtで放電終了時刻まで放電が実行され続けるとして、目標値ＳＯＣ＊（ｔ）を算出しなおす。そしてステップＳ１６に処理が進み、制御はメインルーチンに戻される。

一方ステップＳ１３において乖離量Ｋ（ｔ）がしきい値以上でなかった場合には、ステップＳ１４、Ｓ１５の処理は実行されず、ステップＳ１６に処理が進み、制御はメインルーチンに戻される。この場合には、今まで通りのＳＯＣ計画と制限値Ｗｏｕｔが継続して用いられる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、出力制限値Ｗｏｕｔをなるべく大きくしないように設定し、放電を開始する。そしてＳＯＣの実際の変化に合わせて放電終了時刻までに夜間に蓄電しておいた電力が使い切れない場合には、出力制限値Ｗｏｕｔを臨時的に増加させ蓄電電力を使い切るようにする。このようにすることによって、蓄電装置の劣化を防止しつつ、蓄電電力をなるべく使い切ることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

４ 蓄電システム、８ 温水器、１０ 家庭内電気負荷、１０−３ エアコン、１０−２ コンセント、１０−１ 照明、１６ 車両、４２ パワーコンディショナー、４４ パワーコンバータ、４６ コントローラ、４８ 蓄電装置、６２ データ蓄積部、６４ 代表パターン作成部、６６ 制限値決定部、６８ ＳＯＣ計画作成部、７０ 比較部、７２ 補正部、ＰＶ 太陽電池。

Claims (5)

1. 住宅に電力の供給が可能に構成された蓄電装置（４８）と、
   制限値に基づいて前記蓄電装置（４８）から住宅への放電量を制限する電力制限部（４４）と、
   前記制限値を決定するとともに、前記電力制限部（４４）の制御を行なう制御装置（４６）とを備え、
   前記制御装置（４６）は、
   前記住宅での電力消費量のデータを取得し、取得したデータを蓄積するデータ蓄積部（６２）と、
   前記データ蓄積部（６２）に蓄積されたデータに基づいて、前記蓄電装置（４８）の放電期間における前記住宅の電力消費量の代表的なパターンを作成する代表パターン作成部（６４）と、
   前記パターンで決定される電力と前記制限値で決定される電力との小さいほうの電力を前記放電期間において積算した値が前記蓄電装置（４８）の放電可能な容量と等しくなるように前記制限値を決定する制限値決定部（６６）とを含む、住宅用蓄電システム。
2. 前記代表パターン作成部（６４）は、複数のパターンを作成し、
   前記制限値決定部（６６）は、前記複数のパターンにそれぞれ対応する複数の制限値を決定し、
   前記制御装置（４６）は、選択情報に基づいて前記複数のパターンのいずれかを選択し、選択したパターンに対応する制限値を前記制限値決定部（６６）から取得し、前記放電期間における前記蓄電装置（４８）の充電状態の目標値の推移を示す計画を作成する計画作成部（６８）をさらに含む、請求の範囲第１項に記載の住宅用蓄電システム。
3. 前記計画作成部（６８）は、前記蓄電装置（４８）の充電状態下限値を超えて充電された蓄電量が前記放電期間内に放電されるように前記計画を作成する、請求の範囲第２項に記載の住宅用蓄電システム。
4. 前記制御装置（４６）は、
   前記計画と前記住宅での実際の電力消費量に基づいて変化する前記蓄電装置（４８）の充電状態の実際の推移とを比較する比較部（７０）と、
   前記比較部（７０）が比較した結果に基づいて、前記計画を補正する補正部（７２）とをさらに含む、請求の範囲第２項または第３項に記載の住宅用蓄電システム。
5. 前記蓄電装置（４８）は、商用電源系統（２）から電力を受けて蓄電可能に構成され、
   前記蓄電装置（４８）への充電期間は、前記放電期間よりも電力料金が安く設定された期間である、請求の範囲第１項に記載の住宅用蓄電システム。

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