JP5453288B2 - ナトリウム−硫黄電池の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電装置等の出力が変動する発電装置と、複数のナトリウム−硫黄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、ナトリウム−硫黄電池の制御方法に関する。

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、複数のナトリウム−硫黄電池（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。

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、補償することが出来るという長所を有する。それが故に、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。

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は、負荷平準化用途では、全てのナトリウム−硫黄電池が、放電を連続して行って放電末に到達し、その後、充電を連続して行なって充電末になる（満充電とする）、といった運転がなされる。そのため、ナトリウム−硫黄電池相互間で、利用率のばらつきは生じ難い。

これに対し、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、自然エネルギー発電装置の変動を補償し、人的に又は計算機等によって指定された運転計画（発電計画）に合わせて、スムーズな又は完全にフラットな（連系システムとしての）出力を実現するために機能するものであるから、ナトリウム−硫黄電池は、頻繁に充電及び放電を繰り返して行なう、といった運転がなされ、充電末、放電末に行き着かないように制御される。

複数の電力貯蔵補償装置で発電計画を維持する場合、計画値と自然エネルギー発電装置による偏差が大きい場合（計画値と自然エネルギーによる発電電力が離れている状態）は、複数の電力貯蔵補償装置の内、全てを稼動させるが、偏差が小さい場合（計画値と自然エネルギーによる発電電力が接近している状態）は、複数の電力貯蔵補償装置のうち、無駄なユニット（ナトリウム−硫黄電池を含む電力貯蔵補償装置）は稼動させず、僅か数台を稼動させることや、複数の電力貯蔵補償装置のうち、あるユニットは制御量を多く、あるユニットは制御量を少なくして全体のバランスを図る、等が考えられる。そのため、結果的に、個々のナトリウム−硫黄電池の利用率が、相互に異なって、ばらつく場合がある。

ナトリウム−硫黄電池の利用率がばらついた場合、利用率の高いナトリウム−硫黄電池のみの劣化が促進されることになり、実質的に、ナトリウム−硫黄電池を運転年数で品質管理（劣化予測）することが困難になる。劣化の進行によって、ナトリウム−硫黄電池の残留容量（電池深度）が想定外に低下してしまうおそれもあり、これは、連系システムの長期的運用を考えると好ましいとはいえない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その課題は、出力が変動する自然エネルギー発電装置と、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と、を組み合わせた連系システムにおいて、ナトリウム−硫黄電池の利用率を均一化する手段を提供することである。研究が重ねられた結果、複数のナトリウム−硫黄電池を、予め、組分けをしておき、一定の期間で、自動的にローテーションすることによって、上記課題を解決出来ることが見出された。具体的には、本発明によれば、以下の手段が提供される。

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、複数のナトリウム−硫黄電池の制御方法であって、複数のナトリウム−硫黄電池を、複数のグループに組分けし、発電装置の出力電力の変動を補償するために全てのナトリウム−硫黄電池に対して与えられた入出力すべき電力を、各グループに分配するとともに、各グループに組分けした複数のナトリウム−硫黄電池を、定期的にローテーションするナトリウム−硫黄電池の制御方法が提供される。

ローテーションとは、複数のナトリウム−硫黄電池を構成する個々のナトリウム−硫黄電池を、順繰りに、各グループに組分けしていくということである。具体的には、一定の長期の間では（例えば１年間の単位では）、特定のグループに組分けされている時間が、複数のナトリウム−硫黄電池を構成する個々のナトリウム−硫黄電池において相互に同一になるように、組分けを変更する、あるいは、ナトリウム−硫黄電池を入れ替える、ということである。

上記定期的なローテーションは、１月以内で行なうことが望ましい。例えば、１週間毎、１０日間毎、２週間毎、１月毎等で行なうことが出来る。本発明に係るナトリウム−硫黄電池の制御方法においては、上記ローテーションを、１０日間毎に行なうことが好ましい。

本発明に係るナトリウム−硫黄電池の制御方法においては、各グループに属するナトリウム−硫黄電池の数を、変更することが好ましい。

本発明に係るナトリウム−硫黄電池の制御方法は、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、特に好適に利用される。

本発明に係るナトリウム−硫黄電池の制御方法は、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ナトリウム−硫黄電池を制御する方法である。本明細書において、複数のナトリウム−硫黄電池を構成する個々の（１基の）ナトリウム−硫黄電池とは、制御の単位で他と区画されるナトリウム−硫黄電池のことをいう。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。具体的には、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ものとする（後述する図１においてＮｏ．１〜Ｎｏ．ｎ毎にそれぞれ複数のナトリウム−硫黄電池３が描かれているが(例えば) Ｎｏ．１ナトリウム−硫黄電池３というときは描かれた複数のナトリウム−硫黄電池３を１つのＮｏ．１ナトリウム−硫黄電池３と表現する）。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。

本発明に係るナトリウム−硫黄電池の制御方法は、複数のナトリウム−硫黄電池を、複数のグループに組分けし、発電装置の出力電力の変動を補償するために全てのナトリウム−硫黄電池に対して与えられた入出力すべき電力を、各グループへ分配するとともに、組分けした複数のナトリウム−硫黄電池を、定期的にローテーションするので、特定のナトリウム−硫黄電池の利用率のみの上昇が抑制され、利用率の均一化が図れる。

本明細書にいうナトリウム−硫黄電池の利用率とは、複数のナトリウム−硫黄電池の中で、そのナトリウム−硫黄電池が利用されている程度を意味する。具体的には、サイクル数の比較で、ナトリウム−硫黄電池の利用率を、相互に判断する。サイクル数とは、例えば放電を基準とすれば、運転開始以来、そのナトリウム−硫黄電池が放電してきた延べ電気量（積算量）を、定格電気量（容量）で除した数である。

本発明に係るナトリウム−硫黄電池の制御方法によって、複数のナトリウム−硫黄電池の全てにおいて利用率が均一化されれば、特定のナトリウム−硫黄電池の残留容量（充電しても充電不可能なゾーン（容量））が想定外に増加してしまうおそれがなくなり、自然エネルギー発電装置の出力変動を補償するナトリウム−硫黄電池（電力貯蔵補償装置）としての運転範囲を狭めてしまうという問題は、起き難くなる。即ち、本発明に係るナトリウム−硫黄電池の制御方法で制御されたナトリウム−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。

本発明に係るナトリウム−硫黄電池の制御方法は、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。 連系システムにおける全てのナトリウム−硫黄電池に与えられる総制御量を各ナトリウム−硫黄電池に分配するロジックを表すブロック線図である。 組分けした複数のナトリウム−硫黄電池を、定期的にローテーションする態様を表す説明図である。

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（ＮＡＳ電池とも記す）、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。

尚、既述のように、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、本発明に係るナトリウム−硫黄電池の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４２で測定される電力Ｐ_Ｎが、風力発電装置７により発電された電力（電力計４３で測定される電力Ｐ_Ｗ）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４１で測定される電力Ｐ_Ｔ）が、Ｐ_Ｔ＝Ｐ_Ｗ＋Ｐ_Ｎ＝一定（Ｐ_Ｎ＝Ｐ_Ｔ−Ｐ_Ｗ）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_Ｎ）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_Ｔ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。

又、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Ｐ_Ｗ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４２で測定される電力Ｐ_Ｎが、Ｐ_Ｎ＝−Ｐ_Ｗとなるように、ナトリウム−硫黄電池３の充電（即ち電力−Ｐ_Ｎ）を制御することによって、変動する電力Ｐ_Ｗを消費して、連系システム８全体として出力する電力Ｐ_Ｔ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Ｐ_Ｗ）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２及び図３を参照して、図１に示される連系システム８において、複数のナトリウム−硫黄電池３を、１〜ｘのグループに組分けし、入出力電力を分配する方法、及び組分けした複数のナトリウム−硫黄電池を定期的にローテーションする方法について説明する。

連系システム８において、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．ｎの複数のナトリウム−硫黄電池３は、１〜ｘのグループに組分けされる。そして、図２に示されるように、連系システム８における全てのナトリウム−硫黄電池３に与えられる総制御量は、それぞれの分配ロジックによって、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．ｎのナトリウム−硫黄電池３のための制御量（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．ｎＮＡＳ電池（ユニット）制御量）に分配される。

分配ロジックとして、入出力すべき電力の強弱や制御態様によってナトリウム−硫黄電池３に与えられる総制御量を分配するロジック、を挙げることが出来る。例えば、風力発電装置７の出力変動によらずナトリウム−硫黄電池３を定電力で制御する、風力発電装置７の出力変動に追従してナトリウム−硫黄電池３を制御する、又は、ナトリウム−硫黄電池３を休止する、といった制御方法の違いによって、総制御量からＮｏ．１〜Ｎｏ．ｎのそれぞれのナトリウム−硫黄電池３へ与えられる制御量を分配することが出来る。図２にいう制御グループ１、２、〜ｎとは、そのような(例えば)制御方法の違いによるグループであって、複数のナトリウム−硫黄電池３を組分けするグループとは意味が異なる。上記の例でいえば、図２において、例えば、制御グループ１は風力発電装置７の出力変動によらずナトリウム−硫黄電池３(例えばＮｏ．１ナトリウム−硫黄電池３)を定電力で制御すること（そのような制御になるように制御量を分配すること）、制御グループ２は風力発電装置７の出力変動に追従してナトリウム−硫黄電池３(例えばＮｏ．２ナトリウム−硫黄電池３)を制御すること（同じくそのような制御になるように制御量を分配すること）、制御グループ３はナトリウム−硫黄電池３(例えばＮｏ．３ナトリウム−硫黄電池３)を休止すること（同じくそのような制御になるように制御量を分配すること、休止であれば制御量ゼロ）、となる。

図３は、１〜ｘのグループに組分けされたＮｏ．１〜Ｎｏ．ｎのナトリウム−硫黄電池３を、１０日毎に定期的にローテーションする態様を表す説明図である。図３に示される態様では、１０日経過後に、元のグループｘを元のグループ１の属性に変更し、元のグループ１を元のグループ２の属性に変更し、以下、順次、繰り下げ、これを１０日間毎に行なっている。即ち、グループの属性が変わっていき、それに伴って、分配される制御量が変わっていく、ということである。

例えば、Ｎｏ．１ナトリウム−硫黄電池３に対しては風力発電装置７の出力変動によらず定電力で制御し（そのような制御になるように制御量を分配し）、Ｎｏ．２ナトリウム−硫黄電池３に対しては風力発電装置７の出力変動に追従して制御し（そのような制御になるように制御量を分配し）、Ｎｏ．３ナトリウム−硫黄電池３は休止し、というような各制御を固定して行っていると、ナトリウム−硫黄電池３の利用率がばらついてしまい、利用率の高いナトリウム−硫黄電池３のみの劣化が促進されることになるが、グループに組分けしたナトリウム−硫黄電池３を、定期的にローテーションすれば、特定のナトリウム−硫黄電池３の利用率のみが上昇することはなく、利用率の均一化が図れ、その結果、特定のナトリウム−硫黄電池３のみの劣化が促進されることはない。

尚、図２及び図３の例では、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．ｎのナトリウム−硫黄電池３を、それぞれ１つのグループとして取り扱い、分配する制御量とナトリウム−硫黄電池３とを１対１で対応させ、ナトリウム−硫黄電池３と(組分け)グループとを１対１で対応させているが、制御単位の異なる複数のナトリウム−硫黄電池３を１つのグループとして取り扱ってもよい。例えばＮｏ．１、Ｎｏ．２、Ｎｏ．３の３つのナトリウム−硫黄電池３を１つのグループとして取扱い、これに一の制御量を分配するとともに、(例えば)グループ１の属性を与えることが可能である。

本発明は、風力発電装置等の出力が変動する発電装置と、複数のナトリウム−硫黄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、ナトリウム−硫黄電池の制御方法として、好適に利用される。

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
７ 風力発電装置
８ 連系システム
９ 変圧器
４１，４２，４３，４４ 電力計

Claims (4)

1. 出力電力が変動する発電装置と電力貯蔵補償装置と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、複数のナトリウム−硫黄電池の制御方法であって、
   複数のナトリウム−硫黄電池を、３以上のグループに組分けし、
   各グループの制御方法を、定電力制御、追従制御、及び休止に設定し、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ナトリウム−硫黄電池に対して与えられた入出力すべき電力を、前記制御方法に基づいて、各グループに分配するとともに、
   各グループに組分けした前記複数のナトリウム−硫黄電池を、定期的にローテーションして、ナトリウム−硫黄電池の利用率の均一化を図るナトリウム−硫黄電池の制御方法。
2. 前記ローテーションを、１０日間毎に行なう請求項１に記載のナトリウム−硫黄電池の制御方法。
3. 各グループに属するナトリウム−硫黄電池の数を、変更する請求項１又は２に記載のナトリウム−硫黄電池の制御方法。
4. 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１〜３の何れか一項に記載のナトリウム−硫黄電池の制御方法。

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