JP5600066B2 - 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、電池残量（放電可能な電気量の残量、（Ａｈ））のばらつきは生じ難いとともに、複数の電力貯蔵補償装置の全てが、ほぼ同じ電池残量である。

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、電力貯蔵補償装置（ナトリウム−硫黄電池）が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−硫黄電池の電池残量は、相互に異なり、ばらつくこととなる。

ナトリウム−硫黄電池の電池残量がばらついていると、管理者ないし運転員の運用が煩雑になる場合がある。例えば、自然環境によって、自然エネルギー発電装置の発電が期待出来ない事態（例えば風力発電装置であれば風が無い場合）が予想されるとき、管理者等は、事前にナトリウム−硫黄電池を、極力、満充電状態とするべく、運用を計画するが、個々のナトリウム−硫黄電池で電池残量がばらついている状態では、人的に強制停止や稼動を繰り返し、電池残量を加味した運用を強いられることになり、管理者等は、かなりの負担を負うことになる。これは、連系システムの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−硫黄電池の電池残量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、個々のナトリウム−硫黄電池の電池残量を把握するとともに、その電池残量を因子として、充電又は放電にかかりナトリウム−硫黄電池に与えられる電力の分配量を調節することによって、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−硫黄電池を構成する個々のナトリウム−硫黄電池の電池残量を管理するとともに、全てのナトリウム−硫黄電池に共通する電池残量の目標値を設定し、その目標値と、個々のナトリウム−硫黄電池の電池残量と、の差に基づいて、個々のナトリウム−硫黄電池に分配する入出力電力を制御するナトリウム−硫黄電池の制御方法が提供される。

例えば、個々のナトリウム−硫黄電池の電池残量をリアルタイムに参照することによって、目標値から離れているナトリウム−硫黄電池は多く充電し、目標値に近づいているナトリウム−硫黄電池は少なく充電する、という倍率を設定し、その倍率を、連系システムの発電電力計画値と、出力電力が変動する発電装置（自然エネルギー発電装置）と、の偏差から求めた制御量に乗ずることによって、各ナトリウム−硫黄電池に分配する入出力電力の量を決定すればよい。

個々のナトリウム−硫黄電池の電池残量は、電流値の加減によって管理することが出来る。具体的には、ナトリウム−硫黄電池の充電、放電にかかる電流値をシーケンサ等の制御装置に取り込み、初期に設定された電池容量（Ａｈ）から、その電流値を加減し（例えば充電なら加算、放電なら減算、あるいはその反対等）積算することによって、個々のナトリウム−硫黄電池の電池残量（Ａｈ）を管理することが可能である。尚、電池残量を正確に管理出来れば、電池深度（放電深度、（％））もわかるから、本明細書において、電池残量は、電池深度に置き換えることが出来る。

全てのナトリウム−硫黄電池に共通する電池残量の目標値の設定、及び、その目標値と、個々のナトリウム−硫黄電池の電池残量と、の差に基づく、個々のナトリウム−硫黄電池に分配する入出力電力の調節は、個々のナトリウム−硫黄電池を制御するシーケンサ等の制御装置と通信可能な、上位の制御（監視）装置によって行なわれる。

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−硫黄電池を構成する個々のナトリウム−硫黄電池の電池残量を管理するとともに、全てのナトリウム−硫黄電池に共通する電池残量の目標値を設定し、その目標値と、個々のナトリウム−硫黄電池の電池残量と、の差に基づいて、個々のナトリウム−硫黄電池に分配する入出力電力を制御するので、電力貯蔵補償装置（ナトリウム−硫黄電池）が、出力が変動する発電装置（自然エネルギー発電装置）の変動を補償し、連系システムの発電計画に合わせて、その出力をスムーズにし又はフラット化しつつ、自動的に、ナトリウム−硫黄電池の電池残量が目標値に向けて調節され、電池残量の均一化が図れる。

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電池残量が均一化されれば、自然エネルギー発電装置の発電が期待出来ない事態が予想され、管理者等が事前にナトリウム−硫黄電池を満充電状態とするべく運用を計画するときに、個々のナトリウム−硫黄電池の電池残量を考慮することなく、運用を計画し行なうことが出来、管理者等の負担は軽減される。

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。

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を参照して、図１に示される連系システム８において、個々のナトリウム−硫黄電池３の電池残量を管理し、その電池残量（図２において残量）と、全てのナトリウム−硫黄電池３に共通する電池残量の目標値（図２において目標残量）と、の差に基づいて、個々のナトリウム−硫黄電池３に分配する入出力電力を制御する方法について説明する。

図２は、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。総制御量は、１／ｎに分配され、（目標残量−残量）をパラメータとした重み付けがなされ（図２の例では（目標残量−残量）を目標残量で除した値（絶対値）を乗じている）、その後、リミッタによる設定値以上の値のカットが施された後の制御量が、連系システム８を構成するＮｏ．１〜Ｎｏ．ｎのナトリウム−硫黄電池３（ユニット）へ、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．ｎＮＡＳ電池制御量として、割り当てられる。リミッタの設定値（上限値）は、１／ｎに分配された後の制御量毎に、個別に設定することが出来る。

Ｎｏ．１〜Ｎｏ．ｎのナトリウム−硫黄電池３（ユニット）に割り当てられる制御量の算出において、リミッタが設けられているので、総制御量を１／ｎに分配した値（即ち、リミッタの入力値）より、リミッタを通した後の実際に各ナトリウム−硫黄電池３へ割り当てられる制御量（即ち、リミッタの出力値）が、小さい場合がある。そこで、（リミッタ不足補正量算出ロジックにおいて）各リミッタの入力値と出力値の差の合計値（リミッタ不足補正量）を算出し、これを再分配する。このリミッタ不足補正量（制御量）は、本来、何れかのナトリウム−硫黄電池３に分配されるべき制御量の不足分に相当する。再分配は、具体的には、合計値を、各リミッタの入力値に加算することで行う。

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 (7)

1. 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、
   ナトリウム−硫黄電池の充電、放電にかかる電流値を制御装置に取りこみ、初期に設定された電池容量から、その電流値を加減し、積算することによって、個々のナトリウム−硫黄電池の電池残量を管理するステップと、
   全てのナトリウム−硫黄電池に共通する電池残量の目標値を設定するステップと、
   個々のナトリウム−硫黄電池の電池残量をリアルタイムに参照することによって、前記目標値から離れているナトリウム−硫黄電池は多く充電し、前記目標値に近づいているナトリウム−硫黄電池は少なく充電する、という倍率を設定し、その倍率を、連系システムの発電電力計画値と、出力電力が変動する発電装置による発電電力と、の偏差から求めた制御量に乗ずることによって、各ナトリウム−硫黄電池に分配する入力電力の量を決定するステップと、
   を含むナトリウム−硫黄電池の制御方法。
2. 複数の前記ナトリウム−硫黄電池をｎ系列とした場合において（ｎは１より大きい整数）、複数の前記ナトリウム−硫黄電池全体に与えられる入力電力の総制御量に１／ｎを乗じた値を算出し、前記電池残量の目標値と個々の前記ナトリウム−硫黄電池の電池残量の差を算出し、この算出した差をパラメータとして前記総制御量に１／ｎを乗じた値に対して重み付けを行い、その重み付け後の値に基づいて、個々の前記ナトリウム−硫黄電池に分配する入力電力を制御する請求項１に記載のナトリウム−硫黄電池の制御方法。
3. 前記電池残量の目標値と個々の前記ナトリウム−硫黄電池の電池残量の差を前記電池残量の目標値で除し、且つ、その除した値の絶対値を求め、前記総制御量に１／ｎを乗じた値に、その絶対値を乗じることにより、前記重み付けを行う請求項２に記載のナトリウム−硫黄電池の制御方法。
4. 前記重み付け後の値を個々の前記ナトリウム−硫黄電池に対応して設置されたリミッタに入力し、その入力値について、そのリミッタにより設定値以上の値をカットしてその出力値を得て、その出力値により個々の前記ナトリウム−硫黄電池の入力電力を制御する請求項３に記載のナトリウム−硫黄電池の制御方法。
5. リミッタ不足補正量を算出し、それぞれの前記リミッタの入力値及び出力値の差の合計値である前記リミッタ不足補正量を前記各リミッタに再分配する請求項４に記載のナトリウム−硫黄電池の制御方法。
6. 前記リミッタの上限の設定値を、１／ｎに分配された後の制御量毎に個別に設定する請求項４又は５に記載のナトリウム−硫黄電池の制御方法。
7. 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１〜６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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