JP5423423B2 - フライホイール蓄電システム - Google Patents

Description

本発明は、複数のフライホイール蓄電装置を備えるフライホイール蓄電システムに関する。

フライホイール蓄電装置は、ローターに設けられたフライホイールと、ローターに取り付けられたモータ／発電機と、ローターを支持する軸受部と、これらを収容する容器とを備えており、電力エネルギーをフライホイールの回転エネルギーに変換することによって蓄電するものである。フライホイール蓄電システムは、必要となる電力貯蔵量に応じて上記のフライホイール蓄電装置を複数備えており、例えば主電源からの電力が不足した場合に複数のフライホイール蓄電装置の各々の運転状態を統括して制御することにより系統負荷に電力を供給する。

以下の特許文献１には、複数のフライホイール蓄電装置を備えるフライホイール蓄電システムにおいて、電源停止時におけるフライホイール蓄電装置の運転方法として、以下に示す２つの運転方法が開示されている。
（１）全てのフライホイール蓄電装置を同時に運転させ、系統負荷で必要となる電力を全てのフライホイール蓄電装置で常時負担する運転方法
（２）複数のフライホイール蓄電装置のうちの運転させるべきフライホイール蓄電装置を順次切り替え、系統負荷に対する電力供給を常に１台のみで行う運転方法

特開２０００−１５２５２１号公報

ところで、フライホイール蓄電装置においてフライホイールの回転エネルギーとして蓄えられているエネルギーを電力エネルギーに変換する場合には、蓄えられたエネルギーの一部がフライホイール蓄電装置の内部で消費されてしまう。例えば、ローターに取り付けられたモータ／発電機を励磁するための電力や、モータ／発電機で発電された電力を変換する電力変換器の駆動のための電力が固定損失として消費される。

このため、上述した（１）の運転方法のように、電源停止時に全てのフライホイール蓄電装置を同時に運転させてしまうと、フライホイール蓄電装置の台数分の固定損失が生じてしまい非効率であるという問題がある。また、上述した（１）の運転方法は、系統負荷で必要となる電力を全てのフライホイール蓄電装置で負担するものであるため、その制御が複雑であるという問題もある。

また、上述した（２）の運転方法は、複数のフライホイール蓄電装置のうちのある１つのフライホイール蓄電装置のみを一時に運転させ、そのフライホイール蓄電装置の残存電力量が供給限界に達したときに、次の新たなフライホイール蓄電装置を運転させるものである。このため、新たなフライホイール蓄電装置の運転開始に失敗してしまうと、系統負荷に対する電力供給が行われなくなる虞が考えられ、フライホイール蓄電装置の運転切り替え時の信頼性に課題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、電力の固定損失を低減しつつ系統負荷に対する電力供給の信頼性を高めることができるフライホイール蓄電システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のフライホイール蓄電システムは、複数のフライホイール蓄電装置（１０ａ〜１０ｄ）と、当該フライホイール蓄電装置の運転を制御する制御装置（２２）とを備えるフライホイール蓄電システム（１）において、前記制御装置は、前記複数のフライホイール蓄電装置のうちの運転状態にある一のフライホイール蓄電装置の充電状態が予め設定された中間充電状態になった場合に、前記複数のフライホイール蓄電装置のうちの運転がされていない他のフライホイール蓄電装置の１つを新たに運転させる制御を行うことを特徴としている。
また、本発明のフライホイール蓄電システムは、前記中間充電状態が、前記一のフライホイール蓄電装置の充電量が最大充電量の５０％になる充電状態であることを特徴としている。
また、本発明のフライホイール蓄電システムは、前記フライホイール蓄電装置の運転が、前記フライホイール蓄電装置に蓄電された電力を出力させる第１運転と、前記フライホイール蓄電装置に電力を蓄電させる第２運転とを含むことを特徴としている。
また、本発明のフライホイール蓄電システムは、前記制御装置が、前記フライホイール蓄電装置に前記第１運転をさせる場合には、運転状態にあるフライホイール蓄電装置から出力される電力の和が一定になるように制御し、前記フライホイール蓄電装置に前記第２運転をさせる場合には、運転状態にあるフライホイール蓄電装置に入力される電力の和が一定になるように制御することを特徴としている。
また、本発明のフライホイール蓄電システムは、前記フライホイール蓄電装置が、フライホイールの回転数を検出する検出器（１４）をそれぞれ備えており、前記制御装置は、前記一のフライホイール蓄電装置に設けられた検出器の検出結果に基づいて前記一のフライホイール蓄電装置の充電状態を求め、当該充電状態に応じて前記他のフライホイール蓄電装置の１つの運転を制御することを特徴としている。
また、本発明のフライホイール蓄電システムは、前記複数のフライホイール蓄電装置が並列接続される補助系統（ＳＬ）と、前記制御装置の制御の下で、系統負荷に対して前記補助系統からの電力供給を行うか否かを切り替える切替部（２１ｂ）とを備えることを特徴としている。

本発明によれば、複数のフライホイール蓄電装置のうちの運転状態にある一のフライホイール蓄電装置の充電状態が予め設定された中間充電状態になった場合に、運転がされていない他のフライホイール蓄電装置の１つを新たに運転させる制御を行うことによって、異なるタイミングで運転が開始された２台のフライホイール蓄電装置が運転している状態にすることができるため、電力の固定損失を低減しつつ系統負荷に対する電力供給の信頼性を高めることができるという効果がある。

本発明の一実施形態によるフライホイール蓄電システムの要部構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態によるフライホイール蓄電システムの動作を説明するグラフである。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態によるフライホイール蓄電システムについて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態によるフライホイール蓄電システムの要部構成を示すブロック図である。図１に示す通り、フライホイール蓄電システム１は、複数のフライホイール蓄電装置１０ａ〜１０ｄと、系統側と負荷側との間に設けられた切替制御装置２０とを備えており、系統負荷の二次電源として活用されるものである。

つまり、図中の系統側から負荷側に供給される電力を用いて予めフライホイール蓄電装置１０ａ〜１０ｄを充電しておき、例えば１秒程度以下の瞬低（瞬時電圧低下）や２０分程度以下の停電が生じて系統側から負荷側に供給される電力が不足した場合にフライホイール蓄電装置１０ａ〜１０ｄに蓄電された電力を負荷側に供給するものである。尚、フライホイール蓄電装置１０ａ〜１０ｄの各々の出力は、例えば２００ｋＷ〜数ＧＷ程度であり、複数台を順次用いることとしている。

フライホイール蓄電装置１０ａ〜１０ｄは、フライホイールチャンバ内に、フライホイール１１、モータ／発電機１２、インバータ１３、及び回転センサ１４（検出器）を収容した構成であり、外部から供給される電力をフライホイール１１の回転エネルギーに変換して蓄電する。これらフライホイール蓄電装置１０ａ〜１０ｄは、切替制御装置２０に接続された補助系統ＳＬに並列接続されている。

フライホイール１１は、モータ／発電機１２と同心に誘導回転する円盤である。このフライホイール１１は、モータ／発電機１２の回転駆動によって回転し、モータ／発電機１２による回転駆動が停止しても慣性によって回転し続ける。モータ／発電機１２は、インバータ１３から供給される交流の駆動電力によってモータとしてフライホイール１１を回転駆動する。また、慣性によって回転するフライホイール１１の回転速度を減速させることによって回転エネルギーを電気エネルギーへ変換する発電機として機能する。尚、フライホイール１１及びモータ／発電機１２を収容するフライホイールチャンバは、これらの動作を妨げる空気抵抗を低減するためにその内部が真空にされている。

インバータ１３は、切替制御装置２０から補助系統ＳＬに供給される直流電力をモータ／発電機１２の駆動に適した電圧を有する交流電力に変換し、変換した交流電力によってモータ／発電機１２をモータとして駆動する。また、モータ／発電機１２から供給される交流電力を補助系統ＳＬの電圧に等しい電圧（例えば、６００［Ｖ］）を有する直流電力に変換して補助系統ＳＬに出力する。このインバータ１３の動作の切り替えは、切替制御装置２０に設けられたコントローラ２２によって制御される。

回転センサ１４は、フライホイール１１の回転数を検出する。上述した通り、フライホイール蓄電装置１０ａ〜１０ｄは、外部から供給される電力をフライホイール１１の回転エネルギーに変換して蓄電するものであるため、フライホイール１１が停止している場合の充電量は零であり、フライホイール１１の回転速度が速くなるにつれて充電量が多くなる。回転センサ１４は、フライホイール蓄電装置１０ａ〜１０ｄの充電量を求めるために設けられており、その検出結果は切替制御装置２０に設けられたコントローラ２２に出力される。

切替制御装置２０は、電源供給系統切替回路２１、コントローラ２２（制御装置）、交流電圧計２３、及び直流電圧計２４を備えており、電力の供給系統の切り替え制御、及びフライホイール蓄電装置１０ａ〜１０ｄの運転状態の制御を行う。電源供給系統切替回路２１は、交流スイッチ２１ａとインバータ／コンバータ２１ｂ（切替部）とを備える。交流スイッチ２１ａは、系統側と負荷側との間に設けられ、コントローラ２２の制御によって開状態又は閉状態になる半導体スイッチである。

交流スイッチ２１ａが閉状態になると系統側と負荷側とが電気的に導通状態になり、例えば４００［Ｖ］の電圧を有する交流電力が系統側から負荷側に供給される。これに対し、交流スイッチ２１ａが開状態になると系統側と負荷側とが電気的に絶縁状態になり、系統側から負荷側への電力供給が遮断される。このように、交流スイッチ２１ａの開閉状態を制御することにより、系統側から負荷側への電力供給が制御される。

インバータ／コンバータ２１ｂは、負荷側と補助系統ＳＬとの間に設けられ、コントローラ２２の制御の下で直流／交流変換を行うインバータ、又は交流／直流変換を行うコンバータとして動作する。具体的には、コンバータとして動作する場合には、系統側から負荷側に供給される電圧が４００［Ｖ］の交流電力の一部を、電圧が６００［Ｖ］の直流電流に変換して補助系統ＳＬに出力する。また、インバータとして動作する場合には、フライホイール蓄電装置１０ａ〜１０ｄから補助系統ＳＬを介して供給される電圧が６００［Ｖ］の直流電力を、電圧が４００［Ｖ］の交流電力に変換して負荷側に出力する。

コントローラ２２は、交流スイッチ２１ａの開閉状態の制御、インバータ／コンバータ２１ｂの動作の切り替え制御、及びフライホイール蓄電装置１０ａ〜１０ｄの運転状態の制御を行う。具体的には、交流電圧計２３の検出結果を参照して瞬低や停電が生じたと判断した場合には、交流スイッチ２１ａを開状態にするとともにインバータ／コンバータ２１ｂをインバータとして動作させ、フライホイール蓄電装置１０ａ〜１０ｄのうちの１つ又は２つを運転（第１運転）させて蓄電された電力を出力させる制御を行う。

ここで、コントローラ２２は、フライホイール蓄電装置１０ａ〜１０ｄを運転（第１運転）させる場合には、極力これらのうちの２台が運転状態にあるように制御する。かかる制御を行うのは、同時に運転させるフライホイール蓄電装置の数を２台にすることで、固定損失を抑えつつ運転開始の失敗による信頼性低下を防止するためである。但し、２台のフライホイール蓄電装置の運転を同時に開始させる訳ではなく、運転開始のタイミングを以下の通りに制御している。

つまり、運転状態にある１つのフライホイール蓄電装置（例えば、フライホイール蓄電装置１０ａ）の充電状態が予め設定された中間充電状態になった場合に、運転がされていない他のフライホイール蓄電装置の１つ（例えば、フライホイール蓄電装置１０ｂ）を運転させる制御を行うことにより、２台のフライホイール蓄電装置１０ａ，１０ｂを運転状態にする。ここで、中間充電状態とは、フライホイール蓄電装置が未充電である状態（残存電力量が供給限界に達した状態）及び満充電の状態以外の状態をいい、例えば最大充電量の５０％になる充電状態をいう。

また、コントローラ２２は、直流電圧計２４の検出結果を参照して補助系統ＳＬの電圧が一定（例えば、６００［Ｖ］）になるように、且つ運転状態にあるフライホイール蓄電装置から出力される電力の和が一定になるように制御する。例えば、フライホイール蓄電装置１０ａのみが運転状態にある場合のフライホイール蓄電装置１０ａから出力される電力と、フライホイール蓄電装置１０ａ，１０ｂが運転状態にある場合のフライホイール蓄電装置１０ａ，１０ｂの各々から出力される電力の和とが同じになるように制御する。尚、コントローラ２２は、フライホイール蓄電装置１０ａ〜１０ｄの各々に設けられた回転センサ１４の検出結果を用いて、フライホイール蓄電装置１０ａ〜１０ｄの充電量をそれぞれ求めて上記の制御を行う。

また、コントローラ２２は、回転センサ１４の検出結果を参照してフライホイール蓄電装置１０ａ〜１０ｄを充電する必要がある場合には、交流スイッチ２１ａを閉状態にするとともにインバータ／コンバータ２１ｂをコンバータとして動作させ、フライホイール蓄電装置１０ａ〜１０ｄのうちの１つ又は２つを運転（第２運転）させて充電させる制御を行う。ここで、コントローラ２２は、フライホイール蓄電装置１０ａ〜１０ｄを充電する場合にも上述した放電時に行われる制御と同様の制御を行う。

但し、充電時には、運転状態にあるフライホイール蓄電装置に入力される電力の和が一定になるように制御する。例えば、フライホイール蓄電装置１０ａのみが運転状態にある場合のフライホイール蓄電装置１０ａに入力される電力と、フライホイール蓄電装置１０ａ，１０ｂが運転状態にある場合のフライホイール蓄電装置１０ａ，１０ｂの各々に入力される電力の和とが同じになるように制御する。尚、交流電圧計２３は系統側に接続されて系統側に現れる電圧を検出し、直流電圧計２４は補助系統ＳＬに接続されて補助系統ＳＬに現れる電圧を検出する。

次に、上記構成におけるフライホイール蓄電システム１の動作について説明する。尚、以下では、交流スイッチ２１ａが閉状態にされて系統側から負荷側に電力が供給されている状態で停電が生じた場合の動作を例に挙げて説明する。尚、停電が生ずる前には、インバータ／コンバータ２１ｂがコンバータとして動作してフライホイール蓄電装置１０ａ〜１０ｄに対する充電が行われており、フライホイール蓄電装置１０ａ〜１０ｄの全てが満充電の状態であるとする。また、以下では説明を簡単にするために、フライホイール蓄電システム１が４台のフライホイール蓄電装置を備えるとする。

図２は、本発明の一実施形態によるフライホイール蓄電システムの動作を説明するグラフである。尚、図２では、時間を横軸にとり、フライホイール蓄電システム１が備えるフライホイール蓄電装置１０ａ〜１０ｄの放電量を縦軸にとっている。いま、図２中の時刻ｔ１で停電が生じたとすると、コントローラ２２は、交流電圧計２３の検出結果を参照して停電が生じたと判断する。

すると、コントローラ２２は、電源供給系統切替回路２１に対して制御信号を出力し、交流スイッチ２１ａを開状態にするとともにインバータ／コンバータ２１ｂをインバータとして動作させる。また、これと同時に、フライホイール蓄電装置１０ａに制御信号を出力し、フライホイール蓄電装置１０ａに蓄電された電力を出力させる。フライホイール蓄電装置１０ａから出力された電力（直流電力）は、補助系統ＳＬを介して切替制御装置２０に入力され、インバータ／コンバータ２１ｂで電圧が４００［Ｖ］の交流電力に変換されて負荷側に供給される。これにより、図２中の折れ線Ｌ１で示す通り、フライホイール蓄電装置１０ａの放電量は時間が経過するにつれて徐々に増加する。

コントローラ２２は、フライホイール蓄電装置１０ａからの放電が行われている間は、フライホイール蓄電装置１０ａに設けられた回転センサ１４の検出結果を用いてフライホイール蓄電装置１０ａの充電量を常時求めている。いま、時刻ｔ２においてフライホイール蓄電装置１０ａの放電量（充電量）が５０％になったとすると、コントローラ２２は、フライホイール蓄電装置１０ｂに制御信号を出力してフライホイール蓄電装置１０ｂに蓄電された電力を出力させる。

このとき、コントローラ２２は、フライホイール蓄電装置１０ａのみが運転状態にある場合のフライホイール蓄電装置１０ａから出力される電力と、フライホイール蓄電装置１０ａ，１０ｂが運転状態にある場合のフライホイール蓄電装置１０ａ，１０ｂの各々から出力される電力の和とが同じになるように制御する。つまり、時刻ｔ１〜ｔ２の間は負荷側に供給すべき電力をフライホイール蓄電装置１０ａのみで賄っていたが、時刻ｔ２からは２台のフライホイール蓄電装置１０ａ，１０ｂで賄うことができるため、フライホイール蓄電装置１０ａ，１０ｂの各々から出力される電力を下げる制御を行う。かかる制御を行うことで、図２に示す通り、時刻ｔ１〜ｔ２の間の折れ線Ｌ１の傾きよりも、時刻ｔ２以後の折れ線Ｌ１，Ｌ２の傾きが小さくなる。

フライホイール蓄電装置１０ａ，１０ｂからの放電が行われている間は、コントローラ２２は、フライホイール蓄電装置１０ａ，１０ｂに設けられた回転センサ１４の検出結果を用いてフライホイール蓄電装置１０ａ，１０ｂの充電量の各々を常時求めている。いま、時刻ｔ３においてフライホイール蓄電装置１０ａの放電量が１００％になり、且つフライホイール蓄電装置１０ｂの放電量（充電量）が５０％になったとすると、コントローラ２２は、フライホイール蓄電装置１０ａの運転を停止させるとともに、フライホイール蓄電装置１０ｃに制御信号を出力してフライホイール蓄電装置１０ｃに蓄電された電力を出力させる。

これにより、フライホイール蓄電装置１０ａ，１０ｂの同時運転からフライホイール蓄電装置１０ｂ，１０ｃの同時運転に切り替わる。但し、時刻ｔ３の前後において運転状態にあるフライホイール蓄電装置の台数は変化しないため、コントローラ２２は、フライホイール蓄電装置１０ｃに対して、運転を停止させたフライホイール蓄電装置１０ａから時刻ｔ２〜ｔ３の間に出力されていた電力と同じ電力を出力させる制御を行う。

同様に、時刻ｔ４でフライホイール蓄電装置１０ｂの放電量が１００％になり、且つフライホイール蓄電装置１０ｃの放電量（充電量）が５０％になったとすると、コントローラ２２は、フライホイール蓄電装置１０ｂの運転を停止させるとともに、フライホイール蓄電装置１０ｄに制御信号を出力してフライホイール蓄電装置１０ｄに蓄電された電力を出力させる。そして、時刻ｔ５でフライホイール蓄電装置１０ｃの放電量が１００％になり、且つフライホイール蓄電装置１０ｄの放電量（充電量）が５０％になったとすると、コントローラ２２は、フライホイール蓄電装置１０ｃの運転を停止させる。すると、運転可能なフライホイール蓄電装置がフライホイール蓄電装置１０ｄのみになるため、コントローラ２２は、フライホイール蓄電装置１０ｄから出力される電力が、時刻ｔ１〜ｔ２でフライホイール蓄電装置１０ａから出力されていた電力と同じになるように制御する。

以上説明した通り、本実施形態では、フライホイール蓄電装置１０ａ〜１０ｄのうちの運転状態にある一のフライホイール蓄電装置（例えば、フライホイール蓄電装置１０ａ）の充電状態が予め設定された中間充電状態になった場合に、フライホイール蓄電装置１０ａ〜１０ｄのうちの運転がされていない他のフライホイール蓄電装置の１つ（例えば、フライホイール蓄電装置１０ｂ）を新たに運転させる制御を行っている。これにより、フライホイール蓄電装置１０ａ〜１０ｄの全てを同時に運転させる場合に比べて電力の固定損失を低減することができる。また、仮にフライホイール蓄電装置の運転開始に失敗したとしても系統負荷に対する電力供給が即座に停止されることがないため、系統負荷に対する電力供給の信頼性を高めることができる。

以上、本発明の一実施形態によるフライホイール蓄電システムについて説明したが、本発明は上記実施形態に制限されず、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、運転状態にあるフライホイール蓄電装置の充電量が５０％になった場合に、運転されていない他のフライホイール蓄電装置の１つの運転を開始させていた。しかしながら、運転状態にあるフライホイール蓄電装置の充電量が５０％に達する前に次に運転させるべきフライホイール蓄電装置の運転を開始させて準備状態（電力の出力が可能な状態）にし、５０％に達した時点で蓄電された電力の出力を開始させるように制御しても良い。これにより、仮に運転開始に失敗したとしても、再度運転開始を行う時間を確保することができるため、信頼性をより高めることができる。

また、上記実施形態では、中間充電状態がフライホイール蓄電装置の充電量が最大充電量の５０％になる充電状態である場合を一例として挙げた。しかしながら、本発明はこれに限られず、フライホイール蓄電装置が未充電である状態（残存電力量が供給限界に達した状態）及び満充電の状態以外の状態であれば良い。このたため、例えば最大充電量の４０％や６０％を中間充電状態としても良い。

更に、上記実施形態では、フライホイール蓄電装置１０ａ〜１０ｄに蓄電された電力を放電させる場合の動作について説明したが、フライホイール蓄電装置１０ａ〜１０ｄを充電する場合にも同様の動作が行われる。つまり、フライホイール蓄電装置１０ａ〜１０ｄのうちの２台を運転状態にして充電させる動作が行われる。

１ フライホイール蓄電システム
１０ａ〜１０ｄ フライホイール蓄電装置
１４ 回転センサ
２１ｂ インバータ／コンバータ
２２ コントローラ
ＳＬ 補助系統

Claims (6)

1. 複数のフライホイール蓄電装置と、当該フライホイール蓄電装置の運転を制御する制御装置とを備えるフライホイール蓄電システムにおいて、
   前記制御装置は、前記複数のフライホイール蓄電装置のうちの運転状態にある一のフライホイール蓄電装置の充電状態が予め設定された中間充電状態になった場合に、前記複数のフライホイール蓄電装置のうちの運転がされていない他のフライホイール蓄電装置の１つを新たに運転させる制御を行うことを特徴とするフライホイール蓄電システム。
2. 前記中間充電状態は、前記一のフライホイール蓄電装置の充電量が最大充電量の５０％になる充電状態であることを特徴とする請求項１記載のフライホイール蓄電システム。
3. 前記フライホイール蓄電装置の運転は、前記フライホイール蓄電装置に蓄電された電力を出力させる第１運転と、前記フライホイール蓄電装置に電力を蓄電させる第２運転とを含むことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のフライホイール蓄電システム。
4. 前記制御装置は、前記フライホイール蓄電装置に前記第１運転をさせる場合には、運転状態にあるフライホイール蓄電装置から出力される電力の和が一定になるように制御し、
   前記フライホイール蓄電装置に前記第２運転をさせる場合には、運転状態にあるフライホイール蓄電装置に入力される電力の和が一定になるように制御する
   ことを特徴とする請求項３記載のフライホイール蓄電システム。
5. 前記フライホイール蓄電装置は、フライホイールの回転数を検出する検出器をそれぞれ備えており、
   前記制御装置は、前記一のフライホイール蓄電装置に設けられた検出器の検出結果に基づいて前記一のフライホイール蓄電装置の充電状態を求め、当該充電状態に応じて前記他のフライホイール蓄電装置の１つの運転を制御する
   ことを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載のフライホイール蓄電システム。
6. 前記複数のフライホイール蓄電装置が並列接続される補助系統と、
   前記制御装置の制御の下で、系統負荷に対して前記補助系統からの電力供給を行うか否かを切り替える切替部と
   を備えることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一項に記載のフライホイール蓄電システム。

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