JP6156667B1

JP6156667B1 - 電力貯蔵装置の充放電制御装置、及び電力貯蔵システム

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Publication number: JP6156667B1
Application number: JP2016252279A
Authority: JP
Inventors: 智希佐藤
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2016-12-27
Filing date: 2016-12-27
Publication date: 2017-07-05
Anticipated expiration: 2036-12-27
Also published as: JP2018107912A

Abstract

【課題】直流電力系統に電圧変動が発生しても、回生電力を有効に活用すると共に不要な充放電を回避して省エネ効果を高め、コストを低減させた電力貯蔵装置の充放電制御装置及び電力貯蔵システムを提供する。【解決手段】直流電力系統（き電線）３に電力変換器２を介して接続された電力貯蔵装置１の充放電制御装置２２において、直流電力系統３の電圧を検出する電圧検出部４と、その電圧検出値から任意の点数の電圧データを保存する電圧データ保存部５と、これらの電圧データのうちの最大値，最小値を検出する最大値検出部６，最小値検出部１７と、これらの最大値，最小値を平滑する最大値平滑部７，最小値平滑部１８と、最大値平滑部７及び最小値平滑部１８の出力に基づいて充電開始電圧設定値、放電開始電圧設定値を生成する手段と、を備える。【選択図】図８

Description

本発明は、電力変換器を介して電力貯蔵装置が接続される直流電力系統において、電力変換器により電力貯蔵装置の充放電動作を制御するための充放電制御装置、及び、これらの電力変換器並びに電力貯蔵装置を含む電力貯蔵システムに関するものである。

電力変換器を介して電力貯蔵装置が接続される直流電力系統の一例として、国内外の直流電気鉄道のき電系統がある。このような直流電力系統では、き電線に接続された電力変換器を用いて電力貯蔵装置の充放電を制御することにより、電気車の制動時に発生する回生電力を電力貯蔵装置に貯蔵して有効活用すると共に、電力貯蔵装置の直流電力をき電線に供給してき電電圧の低下を抑えることが行われている。
図１０は、この種のき電系統の概略的な全体構成図であり、５１はき電線、５２はレール、６１は電力変換器、６２は二次電池等からなる電力貯蔵装置である。
ここで、き電線５１の電圧（き電電圧）、及び電力変換器６１の出力電流の挙動を例示すると、図１１のようになる。

図１１の時刻ｔ_１において、電気車の制動により回生電力が発生すると、き電電圧が定格値から上昇する。この際、き電電圧が、電力貯蔵装置６２の充電を開始する電圧設定値（充電開始電圧設定値）を上回ると、電力変換器６１の出力電流は電力貯蔵装置６２を充電する方向に流れて電力貯蔵装置６２が回生電力を吸収する。これにより、き電電圧の上昇が抑制されることになる。

また、図１１の時刻ｔ_２において、電気車の力行により力行電力が消費されると、き電電圧が定格値から低下する。そして、き電電圧が電力貯蔵装置６２の放電を開始する電圧設定値（放電開始電圧設定値）を下回ると、電力変換器６１の出力電流は電力貯蔵装置６２を放電させる方向に流れて電力貯蔵装置６２の貯蔵電力を放出させ、き電電圧の低下を抑制する。

このため、電力変換器６２の出力電流は、図１２に示すように、充放電開始電圧設定値を逸脱した値に比例するように算出される。すなわち、制動運転によるき電電圧の上昇及び力行運転によるき電電圧の低下等を抑制するために、電力変換器６１が制御する電力貯蔵装置６２の充放電電流は充放電開始電圧設定値を基準として算出されている。

ところで、き電電圧は、交流電力系統の電圧変動、曜日、時間帯、場所等によって、定常的に変動している。このため、電力貯蔵装置に対する充電開始電圧を高めに設定し、放電開始電圧を低めに設定すると、充電頻度が少なくなって回生電力を十分に活用することができず、電力貯蔵装置の利用率が悪化するおそれがある。
一方、充電開始電圧を低めに設定し、放電開始電圧を高めに設定すると、定常的に発生するき電線の電圧変動に対応できず、充電頻度が増加することにより電力貯蔵装置の必要容量が増大し、コストの増加を招く等の問題が発生する。
これらの問題に対処するために、設置場所や時間帯等の特性を考慮したチューニングを行う場合には、現在の運行状況が計画時とは異なるような場合に対応できない等の問題がある。

このため、例えば特許文献１には、き電電圧平均値を算出し、このき電電圧平均値にマージンを加算して充電開始電圧を設定すると共に、き電電圧平均値からマージンを減算して放電開始電圧を設定することにより、長周期にわたって時々刻々変動するき電電圧に応じて適切な充放電開始電圧を設定する技術が開示されている。

特許第４５８３１５４号公報（段落[００１１]〜[００１６]、図３〜図５等）

特許文献１に記載された技術によれば、例えば、数十分以上にわたるようなき電電圧の変動に対しては、充放電開始電圧を適切に設定することにより、き電電圧の安定化を図ることができる。
しかしながら、この従来技術では、定常的に発生するき電電圧の変動要素を考慮していないため、マージンを小さく設定すると充放電動作が頻発し、必要な電力貯蔵容量が増加して電力貯蔵装置の高コスト化を招いてしまう。また、マージンを大きく設定すると、マージンの範囲内の回生電力については電力貯蔵装置の充電に使用することができなくなり、電力貯蔵装置の利用率が低下する。

このように、き電電圧平均値を基準としてマージンを設定することにより充放電開始電圧を調整するだけでは、き電電圧の変動に対して柔軟に対応することができないため、回生電力を有効に活用することができず、また、システム全体が高コスト化する等の問題がある。

そこで、本発明の解決課題は、直流電力系統の電圧変動に対応させて電力貯蔵装置に対する充放電開始電圧設定値を調整することにより、直流電力系統に供給される電力を有効に活用し、不要な充放電を回避して省エネ効果を高めると共にコストの低減を可能にした電力貯蔵装置の充放電制御装置、及び電力貯蔵システムを提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の一の局面による電力貯蔵装置の充放電制御装置は、直流電力系統に電力変換器を介して接続された電力貯蔵装置の充放電動作を制御するための充放電制御装置であって、
前記充放電制御装置は、
前記直流電力系統の電圧が上昇したとき、前記電力変換器が前記直流電力系統の電力を前記電力貯蔵装置に充電する動作を開始するための充電開始電圧設定値を生成する充電開始電圧設定手段と、
前記直流電力系統の電圧が低下したとき、前記電力変換器が前記電力貯蔵装置の電力を前記直流電力系統に放電する動作を開始するための放電開始電圧設定値を生成する放電開始電圧設定手段と、
を備え、
前記充電開始電圧設定手段は、前記直流電力系統の所定期間毎における最大電圧値に対して時間遅れをもって追従する第１の電圧値を前記充電開始電圧設定値とし、
前記放電開始電圧設定手段は、前記直流電力系統の所定期間毎における最小電圧値に対して時間遅れをもって追従する第２の電圧値を前記放電開始電圧設定値とする、ことを特徴とする。

本発明によれば、直流電力系統の電圧変動に対応させて電力貯蔵装置に対する充放電開始電圧設定値を適切に調整可能であるため、直流電力系統に供給される電力を有効に活用し、不要な充放電を回避して省エネ効果を高めることができる。
特に、直流電気鉄道の直流電力系統に本発明を適用すれば、電気車の制動時に発生する回生電力に起因したき電電圧の上昇と力行運転時に発生するき電電圧の低下を抑制し、しかも回生電力を有効に活用して省エネ効果を向上させることができる。
また、電力貯蔵装置には必要以上の貯蔵容量が求められないため、コストの低減も可能である。

本発明の第１実施形態に係る充放電制御装置の構成を、直流電気鉄道のき電系統と共に示したブロック図である。き電電圧の変動を示す説明図である。高めの充放電開始電圧設定値のもとにおける、き電電圧及び電力変換器出力電流の変動を示す説明図である。低めの充放電開始電圧設定値のもとにおける、き電電圧及び電力変換器出力電流の変動を示す説明図である。本発明の第１実施形態の動作を説明するための、き電電圧、充放電開始電圧設定値及び電力変換器出力電流の変動を示す説明図である。本発明の第２実施形態に係る充放電制御装置の構成を、直流電気鉄道のき電系統と共に示したブロック図である。本発明の第２実施形態の動作を説明するための、き電電圧、充放電開始電圧設定値及び電力変換器出力電流の変動を示す説明図である。本発明の第３実施形態に係る充放電制御装置の構成を、直流電気鉄道のき電系統と共に示したブロック図である。本発明の第３実施形態の動作を説明するための、き電電圧、充放電開始電圧設定値及び電力変換器出力電流の変動を示す説明図である。き電系統の概略的な全体構成図である。図１０におけるき電電圧の変動を抑制するための基本動作の説明図である。図１１におけるき電電圧と電力変換器出力電流との関係を示す図である。

以下、直流電気鉄道の直流電力系統に接続される電力貯蔵装置の充放電制御装置を例にとって、本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は、本発明の第１実施形態に係る充放電制御装置の構成を、直流電気鉄道のき電系統と共に示したブロック図である。

図１において、電力貯蔵装置１は、電力変換器２を介してき電線３に接続されている。電力変換器２は、充放電制御装置２０から出力される充電開始電圧設定値及び放電開始電圧設定値に基づいて、内蔵する半導体スイッチング素子をオンオフ動作させることにより、電力貯蔵装置１の貯蔵電力を充放電させる。電力貯蔵装置１としては、鉛電池、リチウムイオン電池等の二次電池、キャパシタ、フライホイール等の何れであっても良い。

充放電制御装置２０は、き電電圧の最大値に基づいて時々刻々変化する充電開始電圧設定値と、時間に対して一定値を維持する放電開始電圧設定値とからなる充放電特性を備える。以下、充放電制御装置２０の構成及び動作について説明する。

き電線３には、き電電圧を検出する電圧検出部４が接続されている。電圧検出部４には電圧データ保存部５が接続され、電圧検出部４によって検出されたき電電圧を一定周期にてサンプリングし、任意の点数の電圧データとして一時的に保存可能となっている。
電圧データ保存部５に保存される電圧データはサンプリング周期ごとに更新されるが、最も古いデータを最新のデータに上書きすることで、過去から現在までの一定期間の電圧データを常に保持している。例えば、電圧データＤ_１，Ｄ_２，Ｄ_３，Ｄ_４，Ｄ_５が一定周期でサンプリングされ、その保存点数が３である場合には、始めにＤ_１，Ｄ_２，Ｄ_３、次にＤ_２，Ｄ_３，Ｄ_４、更にＤ_３，Ｄ_４，Ｄ_５というように、直近の３点のデータが更新されつつ保持されている。

電圧データ保存部５の出力側には、最大値検出部６が接続されている。最大値検出部６は、電圧データ保存部５に保存されている電圧データのうち最大値を検出して出力する。
また、最大値検出部６の出力側には、最大値平滑部７が接続されている。最大値平滑部７は、最大値検出部６から出力される最大値を、例えば一次遅れフィルタにより平滑し、最大値平滑値とする。この最大値平滑部７には、一次遅れフィルタだけでなく、移動平均フィルタや単位時間当たりの変化量を制限するレートリミッタを用いても良い。

加減算器８は、最大値平滑値と補正値９とを加算して、第１充電開始電圧指令値を出力する。この第１充電開始電圧指令値は、最大値選択部５に入力される。ここで、補正値９は任意の固定値に設定されている。

放電開始電圧指令部１０は、電力貯蔵装置１の放電を開始する放電開始電圧指令値を発生する。
放電開始電圧指令部１０の出力側には、上下限リミッタ１２が接続されている。この上下限リミッタ１２は、放電開始電圧指令値を所定の上下限値により制限し、放電開始電圧設定値として出力する。ここで、放電開始電圧指令値は、任意の値だけでなく、き電電圧や電力貯蔵装置１のＳＯＣ（State of Charge；残容量）に応じて変化する値でも良い。

また、加減算器１４は、上記の放電開始電圧設定値と電圧幅設定値１３とを加算して、第２充電開始電圧指令値を出力する。この第２充電開始電圧指令値は、最大値選択部１５に入力される。電圧幅設定値１３は任意の固定値であり、後述する如く一種のリミッタとして作用するものである。

最大値選択部１５では、第１充電開始電圧指令値と第２充電開始電圧指令値との二つの値のうち大きい方を選択し、出力する。最大値選択部１５の出力側には上下限リミッタ１６が設けられている。上下限リミッタ１６は、最大値選択部１５から出力される値を所定の上下限値により制限し、充電開始電圧設定値として出力する。

上下限リミッタ１６から出力される充電開始電圧設定値と、上下限リミッタ１２から出力される放電開始電圧設定値とは、電力変換器２に入力される。
電力変換器２は、き電電圧が充電開始電圧設定値よりも高くなると、き電系統の余剰電力を電力貯蔵装置１に充電して、き電電圧の上昇を抑制するように動作する。また、電力変換器２は、き電電圧が放電開始電圧設定値よりも低くなると、電力貯蔵装置１からき電系統に放電して、き電電圧の低下を抑制するように動作する。

次に、図２〜図５を参照しつつ、本実施形態による電力貯蔵装置１の充放電動作を具体的に説明する。
まず、き電電圧が図２のように変動する場合、すなわち、時刻ｔ_０以前は電気車の回生運転によるき電電圧の急峻な上昇と力行運転によるき電電圧の急峻な低下が間隔をおいて発生し、時刻ｔ_０以後はき電系統の定常的な電圧変動が大きくなる場合を想定する。なお、図２において、時刻ｔ_０以前における符号Ｖ_ａ，Ｖ_ｂは上昇時または低下時のき電電圧である。

始めに、図３は比較例１を示しており、き電電圧定格値を基準として、充電開始電圧を高めの一定値に設定し、放電開始電圧を低めの一定値に設定した場合の特性図である。なお、図３の時刻ｔ_０以前における符号Ｖ_ａ，Ｖ_ｂは、充電または放電によって抑制される前のき電電圧を示している。
図３では、き電電圧定格値に対する充電開始電圧設定値と放電開始電圧設定値との差がき電電圧の定常的な変動の最大値よりも大きくなるように設定されている。従って、時刻ｔ_０以後の定常的な電圧変動に対して電力変換器２は動作せず、電力貯蔵装置１に対して不要な充放電は行われない。しかし、時刻ｔ_０以前の回生電力を用いた電力貯蔵装置１への充電量が小さいため、回生電力を最大限活用する観点からは好ましくない。

一方、図４は比較例２を示しており、比較例１よりも充電開始電圧を低めの一定値に設定し、放電開始電圧を高めの一定値に設定した場合の特性図である。
図４では、き電電圧定格値に対する充電開始電圧設定値と放電開始電圧設定値との差をそれぞれ小さく設定している。そのため、時刻ｔ_０以前では回生電力を十分に利用して電力貯蔵装置１を充電できる反面、き電電圧の定常的な変動によって充放電が行われている。これは、電力変換器２等の稼働効率の観点からは好ましいものではない。

これに対し、図５は、図２に示すき電電圧の変動に対して、本実施形態による充放電制御装置２０を適用した場合の特性図を示している。
本実施形態では、既に説明したように、時々刻々変化するき電電圧の最大値に対して時間遅れをもって追従するように充電開始電圧設定値が生成される。

すなわち、図５に示す如く、き電電圧最大値Ｖ_ｍａｘは、所定時間におけるき電電圧の最大値であって、時間の経過とともに新たな期間におけるき電電圧の最大値に更新される。従って、所定の期間内でより高いき電電圧が検出されないときは、各期間で検出された最大値が、き電電圧最大値Ｖ_ｍａｘとして、一定期間継続することになる。

充電開始電圧設定値は、き電電圧最大値Ｖ_ｍａｘを平滑した値に補正値９を加算して得られる値であり、き電電圧最大値Ｖ_ｍａｘに対して時間遅れをもって追従する。
また、放電開始電圧設定値は、充電開始電圧設定値及びき電電圧定格値よりも低い値に設定され、時間に対して一定の値を維持している。充電開始電圧設定値と放電開始電圧設定値との間には、少なくとも電圧幅設定値１３に相当する電圧差が存在する。

このため、図５における時刻ｔ_０以前では、電気車の回生電力によってき電電圧が急峻に上昇した場合は、充電開始電圧設定値に従って電力貯蔵装置１に対する充電動作が適切に行われる。また、力行運転時にき電電圧が急峻に低下した場合は、放電開始電圧設定値に従って電力貯蔵装置１からの放電動作が適切に行われる。
一方、時刻ｔ_０以後に発生するき電電圧の定常的な電圧変動に対しては、き電電圧が充電開始電圧設定値及び放電開始電圧設定値を超えることがない。従って、電力貯蔵装置１に対する不要な充放電動作が行われることはない。
すなわち、本実施形態によれば、き電電圧の変動に応じて充電開始電圧設定値を柔軟に変更しているため、回生電力の有効利用と不要な充放電動作の回避による省エネ効果の向上を期待することができる。

この第１実施形態では、以下の効果が得られる。

電圧データ保存部５に保存された所定期間の電圧データから、最大値検出部６がき電電圧の最大値を検出することにより、電気車の回生電力などに起因するき電電圧の上昇分を充電開始電圧設定値に反映させることができる。更に、検出された最大値を最大値平滑部８により平滑してその変動を緩慢にすることにより、電力変換器２の充電動作が、き電電圧の定常的な上昇に対して即応しないようにすることができる。その結果、き電電圧の定常的な上昇に応じて電力貯蔵装置１を充電する頻度を少なくすることができる。

また、最大値平滑値と補正値９とを加算して第１充電開始電圧指令値を生成することにより、定常的に上昇したき電電圧よりも補正値９だけ高い充電開始電圧設定値が得られる。これにより、き電電圧の定常的な上昇に応じて電力貯蔵装置１を充電する頻度を少なくすることができる。

また、第１充電開始電圧指令値と、放電開始電圧指令値に電圧幅設定値１３を加えた第２充電開始電圧指令値とを比較し、大きい方の値を充電開始電圧設定値としているので、充電開始電圧設定値と放電開始電圧設定値との間に、電圧幅設定値１３以上の偏差を確実に設けることができる。これにより、き電電圧が充電開始電圧設定値と放電開始電圧設定値との間にあるときは電力変換器２が動作しないので、電力貯蔵装置１の不要な充放電を抑制することができる。

以上述べたように、本実施形態によれば、時々刻々と変動するき電電圧に応じた充放電開始電圧設定値を生成することができるので、き電電圧が変動しても、電力貯蔵装置１の不要な充放電を抑制することができる。

次に、本発明の第２実施形態を説明する。
図６は、本発明の第２実施形態に係る充放電制御装置２１の構成を、直流電気鉄道のき電系統と共に示したブロック図である。図６において、第１実施形態と同一の部分については同一符号を付して説明を省略し、以下では第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。

第２実施形態は、時間に対して一定値を維持する充電開始電圧設定値と、き電電圧の最小値に基づいて時々刻々変化する放電開始電圧設定値とからなる充放電特性を備える充放電制御装置２１が、電力貯蔵装置１の充放電を制御する点で、第１実施形態と異なる。

充放電制御装置２１では、充電開始電圧指令部１９が、電力貯蔵装置１の充電を開始する第１充電開始電圧指令値を発生する。この第１充電開始電圧指令値は、最大値選択部１５に入力される。第１充電開始電圧指令値は、任意の値だけでなく、き電電圧や電力貯蔵装置１のＳＯＣに応じて変化する値でも良い。

また、充放電制御装置２１では、電圧データ保存部５の出力側に、最小値検出部１７が接続されている。最小値検出部１７は、電圧データ保存部５に保存されている電圧データのうち最小値を検出して出力する。

最小値検出部１７の出力側には最小値平滑部１８が接続されている。最小値平滑部１８は、最小値検出部１７から出力される最小値を、例えば一次遅れフィルタにより平滑し、最小値平滑値として出力する。この最小値平滑部１８には、一次遅れフィルタだけでなく、移動平均フィルタや単位時間あたりの変化量を制限するためのレートリミッタを用いても良い。

加減算器１１は、最小値平滑値から補正値９を減算して、放電開始電圧指令値を出力する。加減算器１１の出力側には上下限リミッタ１２が接続されている。この上下限リミッタ１２は、放電開始電圧指令値を所定の上下限値により制限し、放電開始電圧設定値として出力する。

加減算器１４は、上記の放電開始電圧設定値と電圧幅設定値１３とを加算して、第２充電開始電圧指令値を出力する。この第２充電開始電圧指令値は、最大値選択部１５に入力される。電圧幅設定値１３は任意の固定値であり、一種のリミッタとして作用するものである。

上下限リミッタ１６から出力される充電開始電圧設定値と、上下限リミッタ１２から出力される放電開始電圧設定値とは、電力変換器２に入力される。電力変換器２は、き電電圧が充電開始電圧設定値よりも高くなると、き電系統の余剰電力を電力貯蔵装置１に充電して、き電電圧の上昇を抑制するように動作する。また、電力変換器２は、き電電圧が放電開始電圧設定値よりも低くなると、電力貯蔵装置１からき電系統に放電して、き電電圧の低下を抑制するように動作する。

次に、図７を参照しつつ、本実施形態による電力貯蔵装置１の充放電動作を具体的に説明する。

図７は、図２に示すき電電圧の変動に対して、本実施形態による充放電制御装置２１を適用した場合の特性図を示している。
本実施形態では、既に説明したように、時々刻々変化するき電電圧の最小値に対して時間遅れをもって追従するように放電開始電圧設定値が生成される。

すなわち、図７に示す如く、き電電圧最小値Ｖ_ｍｉｎは、所定期間におけるき電電圧の最小値であって、時間の経過とともに新たな期間におけるき電電圧の最小値に更新される。従って、所定の期間内でより低いき電電圧が検出されないときには、各期間で検出された最小値が、き電電圧最小値Ｖ_ｍｉｎとして一定期間継続することになる。

放電開始電圧設定値は、き電電圧最小値Ｖ_ｍｉｎを平滑した値から補正値９を減算して得られる値であり、き電電圧最小値Ｖ_ｍｉｎに対して時間遅れをもって追従する。
また、充電開始電圧設定値は、放電開始電圧設定値及びき電電圧定格値よりも高い値に設定され、時間に対して一定の値を維持している。充電開始電圧設定値と放電開始電圧設定値との間には、少なくとも電圧幅設定値１３に相当する電圧差が存在する。

このため、図７における時刻ｔ_０以前では、電気車の力行電力によってき電電圧が急峻に低下した場合であっても、電力貯蔵装置１からき電系統への放電動作が適切に行われる。また、時刻ｔ_０以後に発生するき電電圧の定常的な電圧変動に対しては、き電電圧が充電開始電圧設定値及び放電開始電圧設定値を超えることがないため、電力貯蔵装置１に対する不要な充放電動作が行われることはない。
すなわち、本実施形態によれば、き電電圧の変動に応じて放電開始電圧設定値を柔軟に変更しているため、回生電力の有効利用と不要な充放電動作の回避による省エネ効果の向上を期待することができる。

この第２実施形態では、以下の効果が得られる。

電圧データ保存部５に保存された所定期間の電圧データから、最小値検出部１７がき電電圧の最小値を検出することにより、電気車の力行電力などに起因するき電電圧の低下分を放電開始電圧設定値に反映させることができる。更に、検出された最小値を最小値平滑部１８により平滑してその変動を緩慢にすることにより、電力変換器２の放電動作が、き電電圧の定常的な低下に対して即応しないようにすることができる。その結果、き電電圧の定常的な低下に応じて電力貯蔵装置１が放電する頻度を少なくすることができる。

また、最小値平滑値から補正値９を減算して放電開始電圧指令値を生成することにより、定常的に低下したき電電圧よりも補正値９だけ低い充電開始電圧設定値が得られる。これにより、き電電圧の定常的な低下に応じて電力貯蔵装置１が放電する頻度を少なくすることができる。

また、第１充電開始電圧指令値と、放電開始電圧設定値に電圧幅設定値１３を加えた第２充電開始電圧指令値とを比較し、大きい方の値を充電開始電圧設定値としているので、充電開始電圧設定値と放電開始電圧設定値との間に、電圧幅設定値１３以上の偏差を確実に設けることができる。これにより、き電電圧が充電開始電圧設定値と放電開始電圧設定値との間にあるときは電力変換器２が動作しないので、電力貯蔵装置１の不要な充放電を抑制することができる。

次に、本発明の第３実施形態を説明する。
図８は、本発明の第３実施形態に係る充放電制御装置２２の構成を、直流電気鉄道のき電系統とともに示したブロック図である。図８において、第１実施形態、第２実施形態と同一の部分については同一符号を付している。以下では第１実施形態、第２実施形態と異なる部分を中心に説明する。

第３実施形態は、き電電圧の最大値に基づいて時々刻々変化する充電開始電圧設定値と、き電電圧の最小値に基づいて時々刻々変化する放電開始電圧設定値とからなる充放電特性とを備える充放電制御装置２２が、電力貯蔵装置１の充放電を制御する点で、第１実施形態、第２実施形態と異なる。

電圧データ保存部５の出力側には、最大値検出部６と最小値検出部１７とが接続されている。最大値検出部６は、電圧データ保存部５に保存されている電圧データのうち最大値を検出して出力する。最小値検出部１７は、電圧データ保存部５に保存されている電圧データのうち最小値を検出して出力する。

最大値検出部６の出力側には、最大値平滑部７が接続されている。最大値平滑部７は、最大値検出部６から出力される最大値を、例えば一次遅れフィルタにより平滑し、最大値平滑値として出力する。また、最小値検出部１７の出力側には最小値平滑部１８が接続されている。最小値平滑部１８は、最初値検出部１７から出力される最小値を、例えば一次遅れフィルタにより平滑し、最小値平滑値として出力する。

最大値平滑部７及び最小値平滑部１８は、一次遅れフィルタだけでなく、移動平均フィルタや単位時間あたりの変化量を制限するためのレートリミッタで構成されていても良い。

加減算器８は、最大値平滑値と補正値９とを加算して、第１充電開始電圧指令値を出力する。この第１充電開始電圧指令値は、最大値選択部１５に入力される。

加減算器１１は、最小値平滑値から補正値９を減算して、放電開始電圧指令値を出力する。加減算器１１の出力側には上下限リミッタ１２が接続されている。この上下限リミッタ１２は、放電開始電圧指令値を所定の上下限値により制限し、放電開始電圧設定値として出力する。ここで、補正値９は任意の固定値に設定されている。

上下限リミッタ１６から出力される充電開始電圧設定値と上下限リミッタ１２から出力される放電開始電圧設定値とは、電力変換器２に入力される。電力変換器２は、き電電圧が充電開始電圧設定値よりも高くなると、き電系統の余剰電力を電力貯蔵装置１に充電してき電電圧の上昇を抑制するように動作する。また、電力変換器２は、き電電圧が放電開始電圧設定値よりも低くなると、電力貯蔵装置１からき電系統に電力を放電して、き電電圧の低下を抑制するように動作する。

次に、図９を参照しつつ、本実施形態による電力貯蔵装置１の充放電動作を具体的に説明する。

図９は、図２に示すき電電圧の変動に対して、本実施形態による充放電制御装置２２を適用した場合の特性図を示している。
本実施形態では、既に説明したように、時々刻々変化するき電電圧の最大値及び最小値に対して時間遅れをもって追従するように充電開始電圧設定値及び放電開始電圧設定値が生成される。

すなわち、図９に示す如く、き電電圧最大値Ｖ_ｍａｘは、所定期間におけるき電電圧の最大値であって、時間の経過とともに新たな期間におけるき電電圧の最大値に更新される。また、き電電圧最小値Ｖ_ｍｉｎは、所定期間におけるき電電圧の最小値であって、時間の経過とともに新たな期間におけるき電電圧の最小値に更新される。
従って、所定の期間内で、より高いき電電圧、及び、より低いき電電圧が検出されないときは、各期間で検出された最大値及び最小値が、き電電圧の最大値Ｖ_ｍａｘ及び最小値Ｖ_ｍｉｎとして、一定期間継続することになる。

充電開始電圧設定値は、き電電圧最大値Ｖ_ｍａｘを平滑した値に補正値９を加算して得られる値であり、き電電圧最大値Ｖ_ｍａｘに対して時間遅れを持って追従する。また、放電開始電圧設定値は、き電電圧最小値Ｖ_ｍｉｎを平滑した値から補正値９を減算して得られる値であり、き電電圧最小値Ｖ_ｍｉｎに対して時間遅れをもって追従する。
充電開始電圧設定値は、放電開始電圧設定値及びき電電圧定格値よりも高い値に設定される。放電開始電圧設定値は、充電開始電圧設定値及びき電電圧定格値よりも低い値に設定される。充電開始電圧設定値と放電開始電圧設定値との間には、少なくとも電圧幅設定値１３に相当する電圧差が存在する。

このため、図９における時刻ｔ_０以前では、電気車の力行電力によってき電電圧が急峻に低下した場合に、電力貯蔵装置１からき電系統に電力を放電する動作が適切に行われる。また、電気車の回生電力によってき電電圧が急峻に上昇した場合には、き電系統の電力を電力貯蔵装置１に充電する動作が適切に行われる。
また、時刻ｔ_０以後に発生するき電電圧の定常的な電圧変動に対しては、き電電圧が充電開始電圧設定値及び放電開始電圧設定値を超えることがない。従って、電力貯蔵装置１に対する不要な充放電動作が行われることはない。
すなわち、本実施形態によれば、き電電圧の変動に応じて充電開始電圧設定値を柔軟に変更しているため、回生電力の有効利用と不要な充放電動作の回避による省エネ効果の向上を期待することができる。

この第３実施形態では、以下の効果が得られる。

電圧データ保存部５に保存された所定期間の電圧データから、最大値検出部６がき電電圧の最大値を検出することにより、電気車の回生電力などに起因するき電電圧の上昇分を充電開始電圧設定値に反映させることができる。また、電圧データ保存部５に保存された所定期間の電圧データから、最小値検出部１７がき電電圧の最小値を検出することにより、電気車の力行電力などに起因するき電電圧の低下分を放電開始電圧設定値に反映させることができる。更に、最大値検出部６で検出された最大値を最大値平滑部７により平滑してその変動を緩慢にするとともに、最小値検出部１７で検出された最小値を最小値平滑部１８により平滑してその変動を緩慢にすることにより、き電電圧の定常的な上昇及び低下に対して、電力変換器２の充放電動作が即応しないようにすることができる。その結果、き電電圧の定常的な上昇及び低下に応じて電力貯蔵装置１が充放電する頻度を少なくすることができる。

また、最大値平滑値と補正値９とを加算して第１充電開始電圧指令値を生成することにより、定常的に上昇したき電電圧よりも補正値９だけ高い充電開始電圧設定値が得られる。これにより、き電電圧の定常的な上昇に応じて電力貯蔵装置１を充電する頻度を少なくすることができる。
同様に、最小値平滑値から補正値９を減算して放電開始電圧指令値を生成することにより、定常的に低下したき電電圧よりも補正値９だけ低い放電開始電圧設定値が得られる。これにより、き電電圧の定常的な低下に応じて電力貯蔵装置１が放電する頻度を少なくすることができる。

なお、本発明は、電力貯蔵装置１の充放電開始電圧設定値を最適値に制御するための充放電制御装置２０または２１または２２、及び、これらの充放電制御装置、電力変換器２並びに電力貯蔵装置１を含む電力貯蔵システムに適用可能である。

また、上記では、直流電気鉄道のき電線に電力変換器を介して接続された電力貯蔵装置及びその充放電動作を制御するための充放電制御装置を例にとって、本発明の実施形態を説明した。しかし、本発明は上記で説明した実施形態に限定されるものではない。すなわち、本発明に係る電力貯蔵装置は直流電気鉄道のき電系統を含む直流電力系統に接続されていれば良く、充放電制御装置にはこのような電力貯蔵装置の充放電を制御する装置が含まれる。

１：電力貯蔵装置
２：電力変換器
３：き電線
４：電圧検出部
５：電圧データ保存部
６：最大値検出部
７：最大値平滑部
８，１１，１４：加減算器
９：補正値
１０：放電開始電圧指令部
１２，１６：上下限リミッタ
１３：電圧幅設定値
１５：最大値選択部
１７：最小値検出部
１８：最小値平滑部
１９：充電開始電圧指令部
２０，２１，２２：充放電制御装置

Claims

直流電力系統に電力変換器を介して接続された電力貯蔵装置の充放電動作を制御するための充放電制御装置であって、
前記充放電制御装置は、
前記直流電力系統の電圧が上昇したとき、前記電力変換器が前記直流電力系統の電力を前記電力貯蔵装置に充電する動作を開始するための充電開始電圧設定値を生成する充電開始電圧設定手段と、
前記直流電力系統の電圧が低下したとき、前記電力変換器が前記電力貯蔵装置の電力を前記直流電力系統に放電する動作を開始するための放電開始電圧設定値を生成する放電開始電圧設定手段と、
を備え、
前記充電開始電圧設定手段は、前記直流電力系統の所定期間毎における最大電圧値に対して時間遅れをもって追従する第１の電圧値を前記充電開始電圧設定値とし、
前記放電開始電圧設定手段は、前記直流電力系統の所定期間毎における最小電圧値に対して時間遅れをもって追従する第２の電圧値を前記放電開始電圧設定値とする、
ことを特徴とする電力貯蔵装置の充放電制御装置。
前記放電開始電圧設定手段は、前記第２の電圧値に代えて、前記直流電力系統の定格電圧値よりも低い第３の電圧値を前記放電開始電圧設定値とすることを特徴とする請求項１に記載の電力貯蔵装置の充放電制御装置。
前記充電開始電圧設定手段は、前記第１の電圧値に代えて、前記直流電力系統の定格電圧値よりも高い第４の電圧値を前記充電開始電圧設定値とすることを特徴とする請求項１に記載の電力貯蔵装置の充放電制御装置。
前記充放電制御装置は、
前記直流電力系統の電圧を検出する第１電圧検出部と、
所定期間に検出された前記電圧のうちの最大値を出力する第２電圧検出部と、
前記第２電圧検出部から出力される前記最大値の変動を緩慢にした第１指令値を出力する第１平滑部と、
前記第１指令値を用いて前記第１の電圧値を生成する前記充電開始電圧設定手段と、
を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力貯蔵装置の充放電制御装置。
前記充放電制御装置は、
前記直流電力系統の電圧を検出する第１の電圧検出部と、
所定期間に検出された前記電圧のうちの最小値を出力する第３電圧検出部と、
前記第３電圧検出部から出力される前記最小値の変動を緩慢にした第２指令値を出力する第２平滑部と、
前記第２指令値を用いて前記第２の電圧値を生成する前記放電開始電圧設定手段と、
を備えることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の電力貯蔵装置の充放電制御装置。
前記充電開始電圧設定手段は、前記第１指令値と所定の補正値とを加算して前記第１の電圧値を生成することを特徴とする請求項４に記載の電力貯蔵装置の充放電制御装置。
前記放電開始電圧設定手段は、前記第２指令値と所定の補正値とを加算して前記第２の電圧値を生成することを特徴とする請求項５に記載の電力貯蔵装置の充放電制御装置。
前記充電開始電圧設定値と前記放電開始電圧設定値との間に所定の電圧幅を保有させる手段を備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の電力貯蔵装置の充放電制御装置。
請求項１〜８のいずれか１項に記載の電力貯蔵装置の充放電制御装置により前記電力変換器を制御して、前記直流電力系統と前記電力貯蔵装置との間で電力の充放電を行うことを特徴とする電力貯蔵システム。