JP5767895B2 - 分散電源の出力変動抑制装置および分散電源の出力変動抑制方法 - Google Patents

分散電源の出力変動抑制装置および分散電源の出力変動抑制方法 Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、分散電源の出力変動抑制装置および分散電源の出力変動抑制方法に関する。
今後、自然エネルギーを利用した発電設備等の分散電源の普及に伴い、分散電源の出力変動抑制のニーズが高まることが予想され、分散電源の出力変動を抑制するために複数の蓄電装置を自然エネルギーの充放電装置として使用することが提案されている。
従来の出力変動抑制装置は、例えば、変圧器と、電力変換器および電池を含むユニットを複数備えたグループと、統括コントローラ、グループコントローラ、および、電力変換器コントローラから構成された充放電制御装置とを備える。
電力変換器コントローラは、対応する電力変換器に接続された電池の充放電制御を行う。統括コントローラは、自然エネルギー発電装置の出力の変動を抑制する。
グループコントローラは、対象となるグループに属する各電池のSOC(State of Charge:充電状態)に基づき、SOCの大きい順に電池の放電を行い、SOCの小さい順に電池の充電を行う。
特開2010−233287号公報
例えば、上述した出力変動抑制装置においては、グループ毎にグループコントローラが必要となり、蓄電装置の容量が大きくなると複数のグループコントローラが使用されるため、システムが高価となると共に信頼性が低下することがあった。
本発明は上記事情を鑑みてなされたものであり、低価格で信頼性の高い分散電源の出力変動抑制装置および分散電源の出力変動抑制方法を提供することを目的とする。
実施形態による分散電源の出力変動抑制装置は、電力系統に対して分散電源と並列に接続された一台以上の電池設備と、前記電池設備のSOCが入力され、複数のSOCの合計を出力する加算器と、前記加算器から出力された複数のSOCの合計を前記電池設備の台数で除してSOCの平均値を出力する第2除算器と、前記電池設備のSOCの平均値と各電池設備のSOCの目標値との差分を算出する第2減算器と、前記第2減算器から出力された差分の絶対値が所定値以上である場合に、前記差分に対応する値を出力する不感帯と、前記不感帯から出力された値に前記電池設備の台数を乗じた値を前記第1減算器へ出力する第1比例要素と、前記分散電源の出力電力が入力され、前記分散電源の出力電力の高調波成分を除去して出力する高調波フィルタと、前記分散電源の出力電力から、前記高調波フィルタの出力と前記第1比例要素の出力とを引いた値を出力する第1減算器と、前記第1減算器の出力の最大値と最小値とを制限する飽和要素と、前記飽和要素の出力を前記電池設備の台数で除する除算器と、を備え、前記電池設備は、前記除算器から出力された値に基づいて、前記分散電源から前記電池設備への充電電力および前記電池設備の放電電力を制御する電池設備制御装置備えることを特徴とする。
一実施形態の分散電源の出力変動抑制装置の一構成例を概略的に示す図である。 第1実施形態の分散電源の出力変動抑制装置の制御装置の一構成例を概略的に示す図である。 分散電源である太陽光発電設備20の出力電力Pの時間変化の一例を示す図である。 出力電力Pの変動を補償する電力Pの時間変化の一例を示す図である。 電力Pにより出力電力Pを補償した後の出力電力Pの時間変化の一例を示す図である。 第2実施形態の分散電源の出力変動抑制装置の制御装置の一構成例を概略的に示す図である。 第3実施形態の分散電源の出力変動抑制装置の制御装置の一構成例を概略的に示す図である。 第4実施形態の分散電源の出力変動抑制装置の制御装置の一構成例を概略的に示す図である。
以下、実施形態の分散電源の出力変動抑制装置および分散電源の出力変動抑制方法について、図面を参照して説明する。
図1に、分散電源としての太陽光発電設備20と、第1実施形態の分散電源の出力変動抑制装置1との一構成例を示す。
太陽光発電設備20は、一台または互いに並列接続された太陽光発電装置23を備えている。各太陽光発電装置23は、太陽電池24と、電力変換器25と、制御装置26と、を備えている。
太陽電池24から出力された直流電力は、電力変換器25で交流電力に変換されて出力される。制御装置26は、電力変換器25から出力される交流電力の大きさを制御する。
太陽光発電設備20の出力ラインには、電力検出器21が取り付けられている。電力検出器21は、太陽光発電設備20から出力された交流電圧と交流電流とを検出し、これらの検出値に基づき太陽光発電設備20が出力する交流電力を算出し、出力変動抑制装置1に対して出力する。
本実施形態の分散電源の出力変動抑制装置1は、一台以上の電池設備2と、一台の制御装置3と、情報伝送装置9とを備えている。各電池設備2は、蓄電池システム4と、電力変換器5と、電池設備制御装置6とを備えている。
蓄電池システム4は、複数の蓄電池セルを含む蓄電池と、蓄電池のSOCを算出する手段と、を備えている。蓄電池システム4は、蓄電池から放電された直流電力を電力変換器5により交流電力に変換し電力系統に対して出力、または、電力変換器5により交流電力を直流電力に変換し蓄電池を充電するとともに、周期的に蓄電池のSOCを算出して算出結果7を電池設備制御装置6へ出力する。
電池設備制御装置6は、蓄電池システム4から蓄電池のSOCを入力し、情報伝送装置9を介して制御装置3へ送信する。また電池設備制御装置6は、情報伝送装置9を介して制御装置3から入力された電池設備2の一台当りのSOC補償用充放電電力指令49に基づき対応する電力変換器5にゲート信号8を出力する。
電力変換器5は、一台当りのSOC補償用充放電電力指令49に基づき交流電力を直流電力に変換し蓄電システム4を充電、または、蓄電システム4が出力する直流電力を交流電力に変換し電力系統に出力する、双方向の電力変換器である。
図2に、図1に示す制御装置3の一構成例を概略的に示す。
制御装置3は、高調波フィルタ30と、減算器(第1減算器)31と、飽和要素32と、複数の加算器34と、加算器35と、除算器36と、減算器37と、比例要素38と、減算器39と、不感帯40と、比例要素41と、を備えている。
最初に、制御装置3において電池設備2の充放電指令を算出する手段および方法について説明する。
高調波フィルタ30には、電力検出器21で計測された分散電源の出力電力の検出信号22が入力される。高調波フィルタ30は、例えば一次遅れ回路であり、入力された検出信号22の高調波成分を除去して減算器31へ出力する。なお、高調波フィルタ30は一次遅れ回路に限定されるものではない。減算器31は、高調波フィルタ30から出力された一次遅れ出力42と、検出信号22と、後述する電池設備2のSOC補償用充放電指令43とを入力し、検出信号22から一次遅れ出力42とSOC補償用充放電指令とを差し引いた充放電指令44を飽和要素32へ出力する。
飽和要素32は、充放電指令44を入力し、予め設定された最小値または最大値を超えないように制限された充放電指令44の飽和要素出力45を除算器33へ出力する。ここで、充放電指令44の最小値および最大値は、電池設備2の容量により制限される。
除算器33は、飽和要素出力45を入力する。飽和要素出力45は、一台以上の電池設備2分の充放電指令である。従って、除算器33は、一台以上の電池設備2の台数46で飽和要素出力45を除した値である一台当りの充放電指令47を加算器34へ出力する。
加算器34は、一台当りの充放電指令47に、後述する一台当りのSOC補償量48を加算して、一台当りのSOC補償を含む充放電電力指令49を算出し、情報伝送装置9を介して電池設備2に対して出力する。
次に、制御装置3において電池設備2のSOC補償量を算出する手段および方法について説明する。
加算器35は、各電池設備2の電池設備制御装置6から情報伝送装置9経由で送られた一台以上の電池設備2のSOCを入力し、一台以上の電池設備2のSOCの合計値51を算出し、算出した結果を除算器36へ出力する。
除算器36は、一台以上の電池設備2のSOCの合計値51を、電池設備2の台数46で除算し、電池設備2、一台当りのSOCの平均値52を算出して、算出した平均値52を複数の減算器37および減算器39へ出力する。ここで複数の減算器37は、電池設備2の台数分である。
減算器39は、電池設備2、一台当りのSOCの平均値52を入力して、平均値52から電池設備2の一台当りのSOCの目標値53を減算することにより、電池設備2の一台当りのSOCの偏差54を算出して偏差54を不感帯40へ出力する。
不感帯40は、電池設備2の一台当りのSOCの偏差54を入力し、偏差54が所定の範囲を超えた場合は、電池設備2の一台当りのSOCの有効偏差55を比例要素41へ出力する。すなわち、不感帯40は、偏差54の絶対値が所定値以下である場合には出力をゼロとし、偏差54の絶対値が所定値よりも大きくなると、所定値と偏差との差に比例する値を比例要素41へ出力する。
比例要素41は、電池設備2の一台当りのSOCの有効偏差55を入力し、有効偏差55に比例ゲインKを乗算し、一台以上の電池設備2のSOC補償用充放電指令43を減算器31へ出力する。したがって、比例ゲインKは一台以上の電池設備2の台数に対応する値である。
複数の減算器37は、電池設備2の一台当りのSOCの平均値52と、各電池設備2のSOC50とを入力して、平均値52からSOC50を減算し、各電池設備2のSOC偏差56を算出する。複数の減算器37は算出したSOC偏差56を比例要素38へ出力する。
比例要素38は、各電池設備のSOC偏差56を入力し、SOC偏差56に比例ゲインKを乗算することにより、電池設備2の一台当りのSOC補償量を算出する。比例要素38は、算出したSOC補償量を加算器34へ出力する。
加算器34から出力される充放電電力指令49は、太陽光発電設備20からの出力電力の変動を抑制するための電池設備2の充放電指令値に対して、比例要素41および比例要素38から出力された電池設備2のSOC補償値を考慮したものである。
したがって、充放電電力指令49を入力した電池設備2の電池設備制御装置6は、充放電電力指令49の値に従って、電池設備2のSOCを補償するとともに太陽光発電設備20の出力変動を抑制するように、電力変換器5を制御して蓄電池システム4を充放電する。
図3A乃至図3Cに本実施形態の出力変動抑制装置1による、分散電源の出力変動抑制制御状態の一例を示す。
図3Aには、分散電源である太陽光発電設備20の出力電力Pの時間変化の一例を示す。図3Bには、出力電力Pの変動を補償する電力Pの時間変化の一例を示す。図3Cには、電力Pにより出力電力Pを補償した後の出力電力Pの時間変化の一例を示す。
太陽光発電設備20の出力電力Pの変動が比較的大きい場合、本実施形態の出力変動抑制装置1は、上述した制御装置3において出力電力Pの変動を抑制するように充放電電力指令49の値が算出される。この場合、出力電力Pの変動を補償する電力Pが電池設備2に充電または電池設備2から放電される。この結果、太陽光発電設備20から電力系統10には、出力電力Pの変動が抑制された出力電力Pが供給される。
さらに、この充放電電力指令49の値には、一台以上の電池設備2のSOCを補償する値が含まれている。本実施形態では、電池設備2のSOCをSOCの平均値に制御している。
すなわち、本実施形態の出力変動抑制装置1によれば、一台の制御装置3により一台以上の電池設備2を制御することが可能となるので、システムの価格を低減すると共に信頼性の高い分散電源の出力変動抑制装置および分散電源の出力変動抑制方法を提供することができる。
次に、第2実施形態の分散電源の出力変動抑制装置1について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において上述の第1実施形態の分散電源の出力変動抑制装置と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
図4に本実施形態の分散電源の出力変動抑制装置1の制御装置3のブロック図の一例を示す。本実施形態の分散電源の出力変動抑制装置1は制御装置3の構成が上記第1実施形態と異なり、他の構成は同様である。
本実施形態では、制御装置3は、各電池設備2に対する充放電電力指令71を個別に生成する機能を有する充放電指令制御部70を備え、各電池設備2のSOCを補償するための比例要素38の比例ゲインKi(i=1、2、3、…N;N=電池設備の台数)を電池容量に基づいた値としている。
充放電指令制御部70は、飽和要素32から充放電指令の飽和要素出力45(P)を入力し、各電池設備2の充放電電力指令71を出力する。充放電指令制御部70は、全ての蓄電池システム4の定格容量Si[kVA](i=1、2、3、…N;N=電池設備の台数)を保持しており、次式1により各電池設備2に対する充放電電力指令71(PREF(i)(i=1、2、3、…N;N=電池設備の台数))を算出し、出力する。
Figure 0005767895
ここで
REF(i):i番目の電池設備に対する充放電指令[kW]
S(i) :i番目の電池設備の電池の定格容量[kVA]
S(j) :j番目の電池設備の電池の定格容量[kVA]
:充放電指令[kW]の飽和要素出力[kW]
N :電池設備の台数
比例要素38の比例ゲインKiの値は、全ての蓄電池システム4の定格容量S(i)[kVA](i=1、2、3、…N;N=電池設備の台数)に対して、次式2により各電池設備に対する比例ゲインKiを算出し、各比例要素38に設定する。
Figure 0005767895
ここで
:i番目の電池設備に対する比例ゲイン
S(i):i番目の電池設備の電池の定格容量[kVA]
S(j):j番目の電池設備の電池の定格容量[kVA]
:定格容量の電池に対する比例ゲイン
N :電池設備の台数
上記のように、充放電電力指令71を電池設備2毎に個別に生成すると、様々な容量の蓄電池システム4を用いることが可能となり、ユーザが蓄電池システム4を選択する幅を広げることができる。このことにより、例えば蓄電池システム4として再利用の電池を採用することも容易になり、利便性を向上させることができる。
すなわち、本実施形態の出力変動抑制装置1によれば、一台の制御装置3により一台以上の電池設備2を制御することが可能となるので、システムの価格を低減すると共に信頼性の高い分散電源の出力変動抑制装置および分散電源の出力変動抑制方法を提供することができる。
次に、第3実施形態の分散電源の出力変動抑制装置1および分散電源の出力変動抑制方法について図面を参照して説明する。
図5に本実施形態の分散電源の出力変動抑制装置1の制御装置3のブロック図の一例を示す。本実施形態では、各電池設備2に対してSOCが個別に設定可能な所定値になるように制御している点が上述の第1実施形態と異なっている。
制御装置3は、SOC指令値80に対し各電池設備2のSOC算出値をフィードバックし、SOC指令値80とSOC算出値との偏差をゼロにするように比例積分(PI)制御部81によりフィードバック制御を行う。SOC指令値80は、予め設定された所定のSOC値であり、複数の電池設備2毎に共通の値であってもよく、異なる値であってもよい。このようにPI制御を行うことにより、各電池設備2のSOCを個別に制御することが可能となる。
比例積分制御部81には、各電池設備2に対するSOC指令値80と、各電池設備2のSOCとの偏差が入力される。比例積分制御部81は、入力された偏差がゼロとなるようにSOC補償量を出力する。
加算器34は、各電池設備2の充放電電力指令47と、SOC補償量48とを加算することにより、電池設備2、一台当りのSOC補償を含む充放電電力指令49を出力する。
本実施形態によれば、各電池設備でSOCを所定値に制御することが可能となるので、SOCのばらつきを抑制することができ、信頼性の高い分散電源の出力変動抑制装置を構成することができる。また電池設備2個別にSOCの制御が可能となるので、柔軟な構成の分散電源の出力抑制装置を構成することができる。
すなわち、本実施形態の出力変動抑制装置1によれば、一台の制御装置3により一台以上の電池設備2を制御することが可能となるので、システムの価格を低減すると共に信頼性の高い分散電源の出力変動抑制装置および分散電源の出力変動抑制方法を提供することができる。
なお上記の出力変動抑制装置1において、加算器35、除算器36、減算器39、不感帯40、比例要素41から構成されるSOCの補償制御系は省略してもかまわない。その場合であっても、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。
次に、第4実施形態の分散電源の出力変動抑制装置1および分散電源の出力変動抑制方法について図面を参照して説明する。
図6に、本実施形態の分散電源の出力変動抑制装置1の制御装置3のブロック図の一例を示す。本実施形態では、各電池設備2のSOCを個別に設定可能な所定値に制御すると共に、各電池設備2の出力を個別に制御している。
制御装置3は、第2実施形態の出力変動抑制装置と同様に充放電指令制御部70を有し、第3実施形態の出力変動抑制装置と同様に各電池設備2の充放電電力指令71を各電池設備2に対して出力する。
比例積分制御部81には、各電池設備2に対するSOC指令値80と、各電池設備2のSOC50との偏差が入力される。比例積分制御部81は、入力された偏差がゼロとなるようにSOC補償量48を出力する。
充放電指令制御部70は、飽和要素32から充放電指令の飽和要素出力45(P)を入力し、各電池設備2の充放電電力指令71を出力する。充放電指令制御部70は、全ての蓄電池システム4の定格容量Si[kVA](i=1、2、3、…N;N=電池設備の台数)を保持しており、上記式1により各電池設備2に対する充放電電力指令71(PREF(i)(i=1、2、3、…N;N=電池設備の台数))を出力する。
加算器34は、各電池設備2の充放電電力指令71と、SOC補償量48とを加算することにより、電池設備2の一台当りのSOC補償を含む充放電電力指令49を出力する。
本実施の形態によれば、各電池設備2でSOCを所定値に制御することが可能となるとともに、各電池設備2の出力を電池容量に比例して制御することも可能となるので、信頼性と拡張性の高い分散電源の出力変動抑制装置を構成することができる。
すなわち、本実施形態の出力変動抑制装置1によれば、一台の制御装置3により一台以上の電池設備2を制御することが可能となるので、システムの価格を低減すると共に信頼性の高い分散電源の出力変動抑制装置および分散電源の出力変動抑制方法を提供することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
なお、上記の第1乃至第4実施形態では、分散電源の出力変動抑制制御と、一台以上の電池設備2に対するSOC補償制御との両方を行う出力変動抑制装置1について説明したが、これらの両方の制御を行う必要はなく、出力変動抑制装置は少なくとも出力変動抑制制御を行うものであればよい。出力変動抑制制御のみを行う場合、制御装置3は、少なくとも高調波フィルタ30と検出信号22から一次遅れ出力42を引いて充放電指令44を算出する差分器33と、飽和要素32と、除算器33あるいは充放電指令制御部70と、を備えていればよい。この場合であっても、上述の第1乃至第4実施形態と同様に、システムの価格を低減するとともに信頼性を向上することができる。
K、Ki…比例ゲイン、Si…定格容量、1…出力変動抑制装置、2…電池設備、3…制御装置、4…蓄電池システム、5…電力変換器、6…電池設備制御装置、9…情報伝送装置、10…電力系統、20…太陽光発電設備、21…電力検出器、23…太陽光発電装置、30…高調波フィルタ、31…減算器(第1減算器)、32…飽和要素、33…除算器、34…加算器、35…加算器、36…除算器、37…減算器(第3減算器)、38…比例要素(第2比例要素)、39…減算器(第2減算器)、40…不感帯、41…比例要素(第1比例要素)、70…充放電指令制御部、81…比例積分制御部。

Claims (7)

  1. 電力系統に対して分散電源と並列に接続された一台以上の電池設備と、
    前記電池設備のSOCが入力され、複数のSOCの合計を出力する加算器と、
    前記加算器から出力された複数のSOCの合計を前記電池設備の台数で除してSOCの平均値を出力する第2除算器と、
    前記電池設備のSOCの平均値と前記電池設備それぞれのSOCの目標値との差分を算出する第2減算器と、
    前記第2減算器から出力された差分の絶対値が所定値以上である場合に、前記差分に対応する値を出力する不感帯と、
    前記不感帯から出力された値に前記電池設備の台数を乗じた値を出力する第1比例要素と、
    前記分散電源の出力電力が入力され、前記分散電源の出力電力の高調波成分を除去して出力する高調波フィルタと、
    前記分散電源の出力電力から、前記高調波フィルタの出力と前記第1比例要素の出力とを引いた値を出力する第1減算器と、
    前記第1減算器の出力の最大値と最小値とを制限する飽和要素と、
    前記飽和要素の出力を前記電池設備の台数で除する除算器と、を備え、
    前記電池設備は、前記除算器から出力された値に基づいて、前記分散電源から前記電池設備への充電電力および前記電池設備の放電電力を制御する電池設備制御装置備えることを特徴とする分散電源の出力変動抑制装置。
  2. 電力系統に対して分散電源と並列に接続された一台以上の電池設備と、
    前記電池設備のSOCが入力され、複数のSOCの合計を出力する加算器と、
    前記加算器から出力された複数のSOCの合計を前記電池設備の台数で除してSOCの平均値を出力する第2除算器と、
    前記電池設備のSOCの平均値と前記電池設備それぞれのSOCの目標値との差分を算出する第2減算器と、
    前記第2減算器から出力された差分の絶対値が所定値以上である場合に、前記差分に対応する値を出力する不感帯と、
    前記不感帯から出力された値に前記電池設備の台数を乗じた値を出力する第1比例要素と、
    前記分散電源の出力電力が入力され、前記分散電源の出力電力の高調波成分を除去して出力する高調波フィルタと、
    前記分散電源の出力電力から、前記高調波フィルタの出力と前記第1比例要素の出力とを引いた値を出力する第1減算器と、
    前記第1減算器の出力の最大値と最小値とを制限する飽和要素と、
    前記飽和要素の出力に各電池容量の全電池容量に対する比率を乗じた値を出力する充放電指令制御部と、を備え、
    前記電池設備は、複数の蓄電池セルを含む蓄電池システムと、前記充放電指令制御部から出力された値に基づいて、前記分散電源から前記蓄電池システムへの充電電力および前記電池設備の放電電力を制御する電池設備制御装置を備えることを特徴とする分散電源の出力変動抑制装置。
  3. 所定のSOC値と前記電池設備のSOCとの差分を算出する第3減算器と、
    前記第3減算器から出力された差分に所定のゲインを乗算してSOC補償量を算出する第2比例要素と、
    前記除算器から出力された値に前記SOC補償量を加算する加算器と、をさらに備えることを特徴とする請求項1記載の分散電源の出力変動抑制装置。
  4. 所定のSOC値と前記電池設備のSOCとの差分を算出する第3減算器と、
    前記第3減算器から出力された前記差分に所定のゲインを乗算してSOC補償量を算出する第2比例要素と、
    前記充放電指令制御部から出力された値に前記SOC補償量を加算する加算器と、をさらに備えることを特徴とする請求項2記載の分散電源の出力変動抑制装置。
  5. 前記所定のゲインは、定格容量の電池に対する比例ゲインに各電池容量の全電池容量に対する比率を乗じた値であることを特徴とする請求項3又は請求項4記載の分散電源の出力変動抑制装置。
  6. 前記所定のSOC値は、前記電池設備のSOCの合計を前記電池設備の台数で除した平均値であることを特徴とする請求項3乃至請求項5の何れか1項記載の分散電源の出力変動抑制装置。
  7. 電力系統に対して分散電源と並列に接続された一台以上の電池設備と、前記分散電源から前記電池設備への充電電力および前記電池設備の放電電力を制御する制御装置と、を備えた出力変動抑制装置の出力変動抑制方法であって、
    前記電池設備のSOCの合計を算出し、
    前記SOCの合計を前記電池設備の台数で除してSOCの平均値を算出し、
    前記SOCの平均値と前記電池設備それぞれのSOCの目標値との差分を算出し、
    前記目標値との差分の絶対値が所定値以上であるときに、前記目標値との差分に対応する値に前記電池設備の台数を乗じた値を算出し、
    前記分散電源の出力電力の高調波成分を除去し、
    前記分散電源の出力電力から、前記分散電源の出力電力の高調波成分を除去した値と、前記前記目標値との差分に対応する値に前記電池設備の台数を乗じた値とを引いた減算結果を演算し、
    前記減算結果の最大値と最小値とを制限し、
    最大値と最小値とが制限された前記減算結果を前記電池設備の台数で除して充放電指令を算出し、
    前記充放電指令の値に基づいて、前記分散電源から前記電池設備への充電電力および前記電池設備の放電電力を制御することを特徴とする分散電源の出力変動抑制方法。
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