JP5392357B2 - 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５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５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。

また、系統連系型太陽光発電システムとこのような蓄電装置とを並存させる場合については、あまり十分な検討がなされていなかった。このため、全体の稼働率を上げてコストメリットを得るためにはどうすればよいかについては、まだまだ検討の余地が残されている。

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の電力状況に適した制御方法によって蓄電装置の充放電を実行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、商用電源系統からの引込線に接続される発電装置と、引込線に接続され住宅の電気負荷に電力を供給するための配電線と、電気負荷に電力の供給が可能に構成された蓄電装置と、引込線の電圧を検出する電圧センサと、配電線から蓄電装置に充電される電流を検出する電流センサと、蓄電装置と配電線との間に設けられ配電線から蓄電装置に充電される電力を調整する電力調整部と、電力調整部の制御を行なう制御装置とを備える。制御装置は、引込線の電圧がしきい値電圧より小さい場合には蓄電装置に充電される電流を指令値に一致させるように電力調整部を制御する電流制御を実行し、引込線の電圧がしきい値電圧より大きい場合には引込線の電圧を指令値に一致させるように電力調整部を制御する電圧制御を実行する。

好ましくは、配電線は、自動車に搭載される蓄電池に充電電力を供給可能に構成され、制御装置は、引込線の電圧がしきい値より大きい場合において、電流センサで検出される電流がしきい値電流よりも大きくかつ蓄電池が充電可能な状態であるときには、電圧制御を実行して蓄電装置に充電を行なうと共に蓄電池に対しても充電を行なう。

好ましくは、制御装置は、電圧制御を実行することにより発電装置が発電を強制的に停止しなければならない停止電圧に引込線の電圧が至るのを防止する。

この発明によれば、住宅用蓄電システムを設置すれば、設置された住宅の電力事情に適した制御方法で蓄電装置から放電がなされ、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。 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、商用電源系統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と自動車１６とが接続される。自動車１６は、外部から充電可能なバッテリ１７を搭載するプラグインハイブリッド自動車である。なお、自動車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、住宅用蓄電システム４は、発電装置３が接続される商用電源系統２からの引込線５と、引込線５に接続され住宅６の電気負荷１０に電力を供給するための配電線７と、電気負荷１０に電力の供給が可能に構成された蓄電装置４８と、引込線５の電圧を検出する電圧センサ４２と、配電線７から蓄電装置４８に充電される電流を検出する電流センサ４３と、蓄電装置４８と配電線７との間に設けられ配電線７から蓄電装置４８に充電される電力を調整するパワーコンバータ４４と、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。コントローラ４６は、引込線５の電圧がしきい値電圧より小さい場合には蓄電装置４８に充電される電流を指令値に一致させるようにパワーコンバータ４４を制御する電流制御を実行し、引込線５の電圧がしきい値電圧より大きい場合には引込線５の電圧を指令値に一致させるようにパワーコンバータ４４を制御する電圧制御を実行する。なお、電圧制御から電流制御に切替える場合のしきい値と電流制御から電圧制御に切替える場合のしきい値とは異なる値に設定しておいても良い。

発電装置３は、太陽電池ＰＶと、パワーコンディショナー４１とを含む。パワーコンディショナー４１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４１は一般的な太陽光発電システムに用いられているものであり、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。なお、蓄電システム４は、パワーコンディショナー４１をさらに含むように構成されても良い。

好ましくは、配電線７は、自動車１６に搭載されるバッテリ１７に充電電力を供給可能に構成されている。すなわち、配電線７に充電ケーブルを接続するためのコンセントなどが設けられている。または、配電線７に接続されたパワーコンバータ４４に充電ケーブルを接続するためのコンセントが設けられている。コントローラ４６は、引込線５の電圧がしきい値より大きい場合において、電流センサ４３で検出される電流がしきい値電流よりも大きくかつ自動車１６のバッテリ１７が充電可能な状態であるとき（ＳＯＣが管理上の上限値に対して余裕があるとき）には、電圧制御を実行して蓄電装置４８に充電を行なうと共に自動車１６のバッテリ１７に対しても充電を行なう。この場合、自動車１６は、コントローラ４６からの指示に基づいて充電を実行し、パワーコンバータ４４、蓄電装置４８とともに配電線７および引込線５の電圧を所定電圧に維持する働きをする。

なお、好ましくは、パワーコンバータ４４が、蓄電装置４８とともに自動車１６に搭載されるバッテリ１７にも充電電力を供給可能に構成されていても良い。そのような構成でも、コントローラ４６は、引込線５の電圧がしきい値より大きい場合において、電流センサ４３で検出される電流がしきい値電流よりも大きくかつ自動車１６のバッテリ１７が充電可能な状態であるときには、パワーコンバータ４４を制御して電圧制御を実行して蓄電装置４８に充電を行なうと共に自動車１６のバッテリ１７に対しても充電を行なう。

パワーコンディショナー４１は、引込線５の電圧が規定電圧よりも高くなることを防止するために、日射量が大きくても強制的に発電を停止する機能を通常備えている。

好ましくは、コントローラ４６は、電圧制御を実行することにより発電装置３が発電を強制的に停止しなければならない停止電圧に引込線５の電圧が至るのを防止する。これにより、パワーコンディショナー４１が強制的に発電を停止することが少なくなり、住宅の発電装置３によって発電された電力が商用電源系統に潮流される頻度が増し、より多くの電力を電力会社に売ることができるようになる。

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し、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し、パターンに対応させて、放電電流Ｉの制限値を決定する。

コントローラ４６は、複数のパターンを作成し、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の放電電流の制限値を決定する。放電期間は、たとえば午前９時から午後１７時の間である。

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時間帯とすることができる。

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、電圧目標値Ｖａｃ＊と電圧センサ４２で検出された検出値Ｖａｃとに基づいて電圧制御を行なう電圧制御ブロック６２と、電流目標値Ｉ＊と電流センサ４３で検出された検出値Ｉとに基づいて電流制御を行なう電流制御ブロック６４と、検出値Ｖａｃおよび検出値Ｉに基づいて電流制御、電圧制御のいずれを実行するか選択する選択制御部６８と、電圧制御ブロック６２の出力するデューティー指令値Ｄｕｔｙ１と電流制御ブロック６４の出力するデューティー指令値Ｄｕｔｙ２とのいずれか一方を選択してパワーコンバータ４４にデューティー指令値Ｄｕｔｙとして出力する選択切換部６６とを含む。

電圧制御ブロック６２は、目標値Ｖａｃ＊と検出値Ｖａｃとの差分を演算する減算部７２と、減算部７２の出力する差分値に対して比例積分制御を行なうＰＩ制御部７４とを含む。

電流制御ブロック６４は、目標値Ｉ＊と検出値Ｉとの差分を演算する減算部７６と、減算部７６の出力する差分値に対して比例積分制御を行なうＰＩ制御部７８とを含む。

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。このフローチャートの処理は、所定のメインルーチンから一定時間ごとまたは所定の条件が成立するごとに呼び出されて実行される。

図２、図４を参照して、まずステップＳ１において、電流センサ４３および電圧センサ４２において電流および電圧がそれぞれ計測される。ステップＳ２においては、電圧の検出値Ｖａｃが所定のしきい値以下であるか否かが判断される。このしきい値は、電力会社が電圧を維持すべき範囲に応じて設定される。

たとえば日本では、標準電圧１００Ｖである場合、１０１Ｖ±６Ｖの範囲内の供給電圧となるように電力会社が管理を行なっている。このような場合、たとえば、検出値Ｖａｃが１０７Ｖであったとする。このときに、商用電源系統２に対して太陽電池ＰＶで発電した電力を逆潮流させると、供給電圧が１０７Ｖを超えてしまう恐れがある。このような場合は日射量が多い場合でもパワーコンディショナー４１が太陽電池ＰＶでの発電を停止させる。

そこで、ステップＳ２において検出値Ｖａｃがしきい値を超えていなければ、ステップＳ３に処理がすすみ、通常の計画に基づいた放電電流が蓄電装置４８から放電されるように電流制御が行なわれる。この計画は、夜間に蓄電装置４８に蓄積された電力エネルギーが放電時間帯に使い切られるように、放電電流が定められている。これにより、放電レートが適切に抑えられているので、蓄電装置の長寿命化を図ることができる。

一方、ステップＳ２において検出値Ｖａｃがしきい値を超えていれば、通常の計画に基づいた放電電流が蓄電装置４８から放電されると、供給電圧を規定値以上に押し上げてしまう可能性がありこれを防止するために太陽電池ＰＶでの発電が停止される恐れがある。これではせっかくの太陽電池ＰＶを生かすことができないので、蓄電システム４で供給電圧の上昇を防止するように制御が行なわれる。このため、ステップＳ２からステップＳ４に処理が進む。

ステップＳ４では、電流センサ４３の検出値Ｉがしきい値以下であるか否かが判断される。ここで検出値Ｉがしきい値以下であるということは、蓄電装置４８にさらに充電を行なうことができ、これにより、引込み線５の電圧の上昇を抑えることができることを示す。したがって、検出値Ｉがしきい値以下であった場合にはステップＳ５に処理が進み、電圧制御が実行される。電圧制御では、目標電圧Ｖａｃ＊に検出値Ｖａｃが一致するようにパワーコンバータ４４が制御される。このような制御によって、太陽電池ＰＶで発電されたうちの余剰電力は蓄電装置４８に充電される。

一方、ステップＳ４において、検出値Ｉがしきい値以下でなかった場合にはステップＳ６に処理が進む。ステップＳ６ではプラグインハイブリッド自動車１６の充電ケーブルが配電線７（またはパワーコンバータ４４）に接続されているか、および自動車１６との通信によって、バッテリ１７の充電状態（ＳＯＣ）がバッテリ１７に空き容量があることを示しているか、が判断される。

ステップＳ６において、自動車１６の充電ケーブルの接続があり、かつバッテリ１７に空き容量がある場合には、ステップＳ７に処理が進む。ステップＳ７では、コントローラ４６は、電圧制御によってパワーコンバータ４４を制御し、かつ自動車に対して充電指令を出力する。このように制御することによって、自動車のバッテリに充電を行なわせることで引込線５の電圧上昇を抑制できるので、太陽電池ＰＶで発電を行なうことができる可能性が高まる。

一方、ステップＳ６において、自動車の充電ケーブルが接続されていなかったり、充電ケーブルの接続があったとしても自動車のバッテリに空き容量が無かったりした場合には、ステップＳ８に処理が進む。ステップＳ８では電流制御が行なわれ、当初計画どおりの蓄電装置４８への充電が実行される。このときは、引込線５の電圧が上限値に近くなって、パワーコンディショナー４１によって太陽電池ＰＶにおける発電量が制限されることもある。

ステップＳ３、Ｓ５，Ｓ７，Ｓ８のいずれかにおいて制御方式が決定されると、ステップＳ９に処理が進み制御はメインルーチンに戻される。

以上説明したように、本実施の形態においては、太陽光発電の出力端（引込線５）の電圧とパワーコンバータ４４の出力端電流とを計測し、電圧条件および電流条件に基づいて、電圧制御と電流制御を切替える。基本的には電流制御によって放電レートを抑えつつ放電が実行されるので蓄電装置４８の長寿命化が図られる。そして放電レートは蓄電装置４８に夜間に蓄電された電力を使い切るように設定されるのでエネルギー効率も良くなる。さらに、太陽光発電で引込線５の電圧が上昇し太陽光発電がパワーコンディショナー４１で制限されそうになると、蓄電装置４８または自動車のバッテリ１７に余剰電力を充電することで、コストメリットの最大化が実現される。

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。

２ 商用電源系統、３ 発電装置、４ 住宅用蓄電システム、５ 引込線、６ 住宅、７ 配電線、８ 電気温水器、１０ 電気負荷、１０−１ 照明、１０−２ コンセント、１０−３ エアコン、１６ プラグインハイブリッド自動車、１７ バッテリ、４１ パワーコンディショナー、４２ 電圧センサ、４３ 電流センサ、４４ パワーコンバータ、４６ コントローラ、４８ 蓄電装置、６２ 電圧制御ブロック、６４ 電流制御ブロック、６６ 選択切換部、６８ 選択制御部、７２，７６ 減算部、７４，７８ ＰＩ制御部。

Claims (3)

1. 発電装置（３）が接続される商用電源系統（２）からの引込線（５）と、
   前記引込線（５）に接続され住宅（６）の電気負荷（１０）に電力を供給するための配電線（７）と、
   前記電気負荷（１０）に電力の供給が可能に構成された蓄電装置（４８）と、
   前記引込線（５）の電圧を検出する電圧センサ（４２）と、
   前記配電線（７）から前記蓄電装置（４８）に充電される電流を検出する電流センサ（４３）と、
   前記蓄電装置（４８）と前記配電線（７）との間に設けられ前記配電線（７）から前記蓄電装置（４８）に充電される電力を調整する電力調整部（４４）と、
   前記電力調整部（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、
   前記引込線（５）の電圧がしきい値電圧より小さい場合には前記蓄電装置（４８）に充電される電流を指令値に一致させるように前記電力調整部（４４）を制御する電流制御を実行し、前記引込線（５）の電圧が前記しきい値電圧より大きい場合には前記引込線（５）の電圧を指令値に一致させるように前記電力調整部（４４）を制御する電圧制御を実行する、住宅用蓄電システム。
2. 前記配電線（４４）は、自動車（１６）に搭載される蓄電池（１７）に充電電力を供給可能に構成され、
   前記制御装置（４６）は、前記引込線（５）の電圧がしきい値より大きい場合において、前記電流センサ（４３）で検出される電流がしきい値電流よりも大きくかつ前記蓄電池（１７）が充電可能な状態であるときには、前記電圧制御を実行して前記蓄電装置（４８）に充電を行なうと共に前記蓄電池（１７）に対しても充電を行なう、請求の範囲第１項に記載の住宅用蓄電システム。
3. 前記制御装置（４６）は、前記電圧制御を実行することにより前記発電装置（３）が発電を強制的に停止しなければならない停止電圧に前記引込線（５）の電圧が至るのを防止する、請求の範囲第１項または第２項に記載の住宅用蓄電システム。

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