JP6189230B2 - 蓄電池装置および蓄電池装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、蓄電池装置および蓄電池装置の制御方法に関する。

列車からの回生電力により充電される蓄電池の電力は、列車の力行だけでなく、駅等に設置された負荷等、列車以外の外部負荷に供給される。一般的に、高電圧の列車への電力供給および列車からの回生電力による蓄電池の充電を行うためのき電系統（第１系統の一例）に接続された蓄電池を、外部負荷に電力を供給するための高圧配電系統（第２系統の一例）に接続する場合、保護機器を設置するか、若しくは蓄電池がき電系統および高圧配電系統の両方に同時に接続されないように制御する必要がある。

特開２００６−６２４２７号公報

しかしながら、蓄電池がき電系統および高圧配電系統の両方に同時に接続されないように制御する場合、蓄電池は、列車への電力供給および列車からの回生電力による蓄電池の充電と、外部負荷への電力の供給と、の両方を同時に行うことができない。

実施形態の蓄電池装置は、複数の蓄電池と、スイッチと、制御部と、を備える。複数の蓄電池は、第１系統と第２系統との間で並列接続されている。スイッチは、複数の蓄電池それぞれに設けられ、蓄電池を第１系統または第２系統に接続可能である。制御部は、予め設定された時間帯毎の第１系統および第２系統それぞれの予測電力供給量に基づいて、蓄電池の充電状態が所定の使用可能充電状態の範囲内となるように設定された制御計画に従って、前記第１系統および前記第２系統のそれぞれに少なくとも１つの前記蓄電池が接続されるように、スイッチを制御する。

図１は、本実施形態にかかる蓄電池装置を有する蓄電池システムの構成を示す図である。 図２は、本実施形態にかかる蓄電池装置におけるスイッチの制御処理の流れを示すフローチャートである。 図３は、本実施形態にかかる蓄電池装置における接続案の選択処理を説明するための図である。 図４は、本実施形態にかかる蓄電池装置において蓄電池のき電系統または高圧配電系統への接続を禁止する処理を説明するための図である。

以下、添付の図面を用いて、本実施形態にかかる蓄電池装置および蓄電池装置の制御方法について説明する。

図１は、本実施形態にかかる蓄電池装置を有する蓄電池システムの構成を示す図である。本実施形態にかかる蓄電池システム１は、図１に示すように、複数の蓄電池Ｂ１，Ｂ２，．．．，Ｂｎを有する蓄電池装置１０と、当該蓄電池装置１０が有する蓄電池Ｂ１，Ｂ２，．．．，Ｂｎに対して列車２０からの回生電力を供給可能なき電系統３０（第１系統の一例）と、蓄電池装置１０が有する蓄電池Ｂ１，Ｂ２，．．．，Ｂｎに充電された電力を、列車２０以外の外部負荷５０（本実施形態では、エスカレータ５１，照明５２，空調機器５３などの駅付帯設備）に対して供給可能な高圧配電系統４０（第２系統の一例）と、を有している。本実施形態では、き電系統３０は、列車２０の力行に必要な電力を、蓄電池装置１０が有する蓄電池Ｂ１，Ｂ２，．．．，Ｂｎから列車２０に供給可能である。

蓄電池装置１０は、図１に示すように、き電系統３０と高圧配電系統４０との間で並列接続された複数の蓄電池Ｂ１，Ｂ２，．．．，Ｂｎ（以下、蓄電池Ｂ１，Ｂ２，．．．，Ｂｎそれぞれを区別する必要がない場合には、蓄電池Ｂと言う）と、複数の蓄電池Ｂ毎に設けられ当該蓄電池Ｂをき電系統３０または高圧配電系統４０に接続可能なスイッチＳＷ１，ＳＷ２，．．．，ＳＷｎ（以下、スイッチＳＷ１，ＳＷ２，．．．，ＳＷｎそれぞれを区別する必要がない場合には、スイッチＳＷと言う）と、複数の蓄電池Ｂそれぞれの充電状態が所定の使用可能ＳＯＣ（State Of Charge）の範囲内となるように、スイッチＳＷを制御する制御部１１と、を備えている。ここで、所定の使用可能ＳＯＣの範囲は、蓄電池Ｂの使用が許可される充電状態の範囲である。本実施の形態では、使用可能ＳＯＣの範囲は、２０〜８０％である。制御部１１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＲＯＭ（Read Only Memory）等を有し、ＣＰＵがＲＯＭからプログラムを読み出して実行することにより、スイッチＳＷを制御する。

ここで、本実施形態にかかる蓄電池装置１０におけるスイッチＳＷの制御処理について簡単に説明する。本実施形態では、制御部１１は、き電系統３０および高圧配電系統４０それぞれに少なくとも１つの蓄電池Ｂが接続されるように、スイッチＳＷを制御する。例えば、蓄電池装置１０が蓄電池Ｂ１および蓄電池Ｂ２を有する場合、制御部１１は、図１に示すように、蓄電池Ｂ１がき電系統３０に接続されるようにスイッチＳＷ１を制御する場合には、蓄電池Ｂ２が高圧配電系統４０に接続されるようにスイッチＳＷ２を制御する。

これにより、蓄電池Ｂ１および蓄電池Ｂ２それぞれはき電系統３０または高圧配電系統４０のいずれかのみに接続されている状態となっているが、蓄電池Ｂの集合である蓄電池群としてはき電系統３０および高圧配電系統４０の両方に接続されている状態とすることができるので、蓄電池Ｂ１および蓄電池Ｂ２について保護機器を設置することなく、蓄電池群としてき電系統３０および高圧配電系統４０の両方に接続することができる。

次に、図２を用いて、本実施形態にかかる蓄電池装置１０におけるスイッチＳＷの制御処理について説明する。図２は、本実施形態にかかる蓄電池装置におけるスイッチの制御処理の流れを示すフローチャートである。

制御部１１は、予め設定された時間帯毎のき電系統３０および高圧配電系統４０それぞれの予測電力供給量に基づいて、蓄電池Ｂの充電状態が使用可能ＳＯＣの範囲内となるように設定された計画である制御計画（以下、切替スケジュールと言う）に従って、スイッチＳＷを制御する（ステップＳ２０１）。本実施形態では、制御部１１は、まず、予め設定された時間帯毎に、き電系統３０における予測電力供給量（本実施形態では、列車２０から供給される回生電力の供給量）および高圧配電系統４０における予測電力供給量（本実施形態では、外部負荷５０における電力の消費量）を算出する。本実施形態では、制御部１１は、各時間帯における、き電系統３０における電力の供給履歴および高圧配電系統４０における電力の供給履歴に基づいて、き電系統３０および高圧配電系統４０それぞれの予測電力供給量を算出する。次いで、制御部１１は、算出したき電系統３０および高圧配電系統４０それぞれの予測電力供給量に基づいて、蓄電池Ｂの充電状態が使用可能ＳＯＣの範囲内となる切替スケジュールを生成する。そして、制御部１１は、生成した切替スケジュールに従って、スイッチＳＷを制御する。

例えば、１０〜１６時（予め設定された時間帯の一例）において列車２０からの回生電力の供給量（き電系統３０における電力の供給履歴）が多く、６〜９，１７〜１９時（予め設定された時間帯の一例）において外部負荷５０における電力の消費量（高圧配電系統４０における電力の供給履歴）が多い場合、制御部１１は、１０〜１６時においては、き電系統３０に接続する蓄電池Ｂの数（例えば、２式）を高圧配電系統４０に接続する蓄電池Ｂの数（例えば、１式）よりも多くし、６〜９，１７〜１９時においては、高圧配電系統４０に接続する蓄電池Ｂの数（例えば、２式）をき電系統３０に接続する蓄電池Ｂの数（１式）よりも多くする切替スケジュールを生成する。

次いで、制御部１１は、切替スケジュールに従うスイッチＳＷを制御するタイミング（以下、切替タイミングと言う）において、蓄電池Ｂの充電状態が、現在接続されている系統から他の系統への切り替えを許可する所定の制御（切替）許可ＳＯＣの範囲外となっている場合、当該切替タイミングを変更する（ステップＳ２０２）。ここで、所定の切替許可ＳＯＣの範囲は、スイッチＳＷの制御が許可される充電状態の範囲であり、使用可能ＳＯＣの範囲（本実施形態では、２０〜８０％）内とする。本実施形態では、所定の切替許可ＳＯＣの範囲は、蓄電池Ｂが接続されている系統毎に異なり、き電系統３０の切替許可ＳＯＣの範囲は５０％以上であり、高圧配電系統４０の切替許可ＳＯＣの範囲は５０％以下である。

具体的には、制御部１１は、切替タイミング（例えば、１０時）において、各蓄電池Ｂの充電状態を取得する。次いで、制御部１１は、取得した各蓄電池Ｂの充電状態が、当該各蓄電池Ｂが現在接続されている系統（き電系統３０または高圧配電系統４０）毎に設定された切替許可ＳＯＣの範囲内となっているか否かを判断する。

例えば、切替タイミング（スイッチＳＷの制御前）において、高圧配電系統４０に現在接続されている蓄電池Ｂ１，Ｂ２の充電状態が７０％と６５％であり、き電系統３０に現在接続されている蓄電池Ｂ３の充電状態が４０％である場合、制御部１１は、蓄電池Ｂ１，Ｂ２の充電状態（７０％，６５％）が高圧配電系統４０の切替許可ＳＯＣの範囲（５０％以下）外であり、蓄電池Ｂ３の充電状態（４０％）がき電系統３０の切替許可ＳＯＣの範囲（５０％以上）外であるため、切替タイミングを変更する（言い換えると、切替タイミングを延期する）。本実施形態では、制御部１１は、蓄電池Ｂの充電状態が切替許可ＳＯＣの範囲外であると判断して切替タイミングを変更する場合、切替タイミングを所定時間（例えば、３０分、１時間など）延期する。そして、制御部１１は、延期した切替タイミングにおいて、再度、蓄電池Ｂの充電状態が切替許可ＳＯＣの範囲内となっているか否かを判断する。

一方、切替タイミングにおいて、高圧配電系統４０に現在接続されている蓄電池Ｂ１，Ｂ２の充電状態が４５％と４０％であり、き電系統３０に現在接続されている蓄電池Ｂ３の充電状態が６０％である場合、制御部１１は、蓄電池Ｂ１，Ｂ２の充電状態（４５％，４０％）が高圧配電系統４０の切替許可ＳＯＣの範囲（５０％）内であり、蓄電池Ｂ３の充電状態（６０％）がき電系統３０の切替許可ＳＯＣの範囲（５０％以上）内であるため、切替タイミングを変更しない（言い換えると、スイッチＳＷの制御を行うまたは蓄電池Ｂの接続先を変更する）。

また、制御部１１は、所定時間（本実施形態では、切替タイミング（例えば、１日に２〜３回）の間隔よりも短い時間であり、例えば、３０分，１時間など）毎に、蓄電池Ｂの充電状態が、蓄電池Ｂを使用可能ＳＯＣの範囲内となっているか否かを判断する（ステップＳ２０３）。そして、制御部１１は、蓄電池Ｂの充電状態が、蓄電池Ｂを使用可能ＳＯＣの範囲外となっている場合、蓄電池Ｂの充電状態が使用可能ＳＯＣの範囲内となるように、スイッチＳＷを制御する。例えば、制御部１１は、蓄電池Ｂ１の充電状態が使用可能ＳＯＣの範囲の下限より大きく、蓄電池Ｂ２の充電状態が使用可能ＳＯＣの範囲の下限以下となっている場合、スイッチＳＷ１，ＳＷ２を制御して、蓄電池Ｂ１を高圧配電系統４０に接続しかつ蓄電池Ｂ２をき電系統３０に接続する。

これにより、蓄電池Ｂの充電状態が満充電で充電できない状態または蓄電池Ｂの充電状態が必要なレベルまで充電されておらず放電できない状態である場合に、満充電の蓄電池Ｂに充電が行われたり、充電状態が低い蓄電地Ｂから放電が行われたりすることを防止できるので、蓄電池Ｂを効果的に活用することができる。

さらに、制御部１１は、複数の蓄電池Ｂそれぞれの接続先（本実施形態では、き電系統３０または高圧配電系統４０）の組合せ（以下、接続案と言う）のうち、スイッチＳＷを制御可能な単位時間後の蓄電池Ｂの予測充電状態が使用可能ＳＯＣの範囲内でありかつ予測充電状態の平均に対する当該各蓄電池Ｂの予測充電状態の差のバラツキが最小の接続案に従って、単位時間毎に、スイッチＳＷを制御する（ステップＳ２０４）。上述したステップＳ２０３に示す処理によれば、蓄電池Ｂの充電状態が使用可能ＳＯＣの範囲内に入るようにスイッチＳＷが制御されるが、その後、き電系統３０または高圧配電系統４０における電力の供給状況が変化して、充電状態が高い蓄電池Ｂに対する充電や充電状態が低い蓄電池Ｂの放電が必要となる可能性がある。そこで、本実施形態では、制御部１１は、蓄電池Ｂの予測充電状態に従って、スイッチＳＷを制御する。

具体的には、制御部１１は、現時点から単位時間（本実施形態では、所定時間より短い時間）後までのき電系統３０における電力の供給量（予測電力供給量）と、現時点から単位時間後までの高圧配電系統４０における電力の供給量（予測電力供給量）と、複数の蓄電池Ｂそれぞれの現在の充電状態と、を算出する。

次いで、制御部１１は、き電系統３０における予測電力供給量と、高圧配電系統４０における予測電力供給量と、蓄電池Ｂそれぞれの現在の充電状態とに基づいて、全ての接続案における、現在から単位時間後の複数の蓄電池Ｂそれぞれの予測充電状態を算出する。さらに、制御部１１は、接続案毎に、複数の蓄電池Ｂそれぞれの予測充電状態の平均を算出する。次いで、制御部１１は、複数の接続案のうち、単位時間後の蓄電池Ｂの予測充電状態が使用可能ＳＯＣの範囲内でありかつ当該算出した平均に対する各蓄電池Ｂの予測充電状態の差のバラツキが最小となる接続案を選択する。そして、制御部１１は、選択した接続案に従って、スイッチＳＷを制御する。

図３は、本実施形態にかかる蓄電池装置における接続案の選択処理を説明するための図である。制御部１１は、図３に示すように、蓄電池装置１０が４つの蓄電池Ｂ１〜Ｂ４を有する場合、き電系統３０の予測電力供給量を、蓄電池Ｂの充電状態に換算した値である第１予測充放電率（例えば、３０％）と、高圧配電系統４０の予測電力供給量を、蓄電池Ｂの充電状態に換算した値である第２予測充放電率（例えば、−２４％）と、を算出する。さらに、制御部１１は、図３に示すように、蓄電池Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４それぞれの充電状態（蓄電池Ｂ１の充電状態：３０％、蓄電池Ｂ２の充電状態：４０％、蓄電池Ｂ３の充電状態：５０％、蓄電池Ｂ４の充電状態：６０％）を算出する。使用可能ＳＯＣの範囲は、図３に示すように、２０〜８０％であるものとする。

次いで、制御部１１は、図３に示すように、第１予測充放電率と、第２予測充放電率と、蓄電池Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４それぞれの充電状態と、に基づいて、接続案毎に、蓄電池Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４の予測充電状態および当該予測充電状態の平均を算出する。例えば、蓄電池Ｂ１のみがき電系統３０に接続されかつ蓄電池Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４が高圧配電系統４０に接続される接続案１については、制御部１１は、図３に示すように、蓄電池Ｂ１の予測充電状態：６０％、蓄電池Ｂ２の予測充電状態：３２％、蓄電池Ｂ３の予測充電状態：４２％、蓄電池Ｂ４の予測充電状態：５２％、予測充電状態の平均：４６．５％を算出する。制御部１１は、図３に示すように、他の接続案２〜５についても同様にして、蓄電池Ｂの予測充電状態および当該予測充電状態の平均を算出する。

次に、制御部１１は、接続案１〜５のうち、蓄電池Ｂの予測充電状態が使用可能ＳＯＣの範囲内でありかつ予測充電状態の平均に対する各蓄電池Ｂの予測充電状態の差のバラツキが最小となる接続案を選択する。例えば、接続案４は、図３に示すように、蓄電池Ｂ４の予測充電状態：９０％が使用可能ＳＯＣの範囲：２０〜８０％外となっている。そのため、制御部１１は、接続案４を選択候補から除外する。次に、制御部１１は、接続案１〜３のうち、予測充電状態の平均に対する各蓄電池Ｂの予測充電状態の差のバラツキが最小の接続案である接続案２を選択する。そして、制御部１１は、選択した接続案２に従って、スイッチＳＷを制御して、蓄電池Ｂ１，Ｂ２をき電系統３０に接続しかつ蓄電池Ｂ３，Ｂ４を高圧配電系統４０に接続する。

本実施形態では、制御部１１は、スイッチＳＷを制御して、複数の蓄電池Ｂをき電系統３０および高圧配電系統４０のいずれかに接続しているが、これに限定するものではなく、例えば、蓄電池Ｂにおいて充放電される予測電力量が所定の電力量以下である場合、複数の蓄電池Ｂのうち少なくとも１つの蓄電池Ｂのき電系統３０または高圧配電系統４０への接続を禁止しても良い。これにより、蓄電池Ｂが使用されない期間を設けることができるので、蓄電池Ｂの寿命の向上を図ることができる。

例えば、制御部１１は、２０〜５時までに、き電系統３０から蓄電池Ｂに供給される回生電力の予測電力量（言い換えると、き電系統３０により蓄電池Ｂに充電される予測電力量）および高圧配電系統４０から外部負荷５０に供給される予測電力量（言い換えると、高圧配電系統４０により蓄電池Ｂから放電される予測電力量）が所定の電力量以下である場合、スイッチＳＷを制御して、４つの蓄電池Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４のうち、１式の蓄電池Ｂをき電系統３０に接続し、１式の蓄電池Ｂを高圧配電系統４０に接続し、残りの２式の蓄電池Ｂをき電系統３０および高圧配電系統４０のいずれにも接続しない。

図４は、本実施形態にかかる蓄電池装置において蓄電池のき電系統または高圧配電系統への接続を禁止する処理を説明するための図である。制御部１１は、図４に示すように、蓄電池装置１０が４つの蓄電池Ｂ１〜Ｂ４を有する場合、少なくとも１つの蓄電池Ｂがき電系統３０および高圧配電系統４０のいずれにも接続されていない接続案（例えば、蓄電池Ｂ２，Ｂ３がき電系統３０および高圧配電系統４０のいずれにも接続されていない接続案５）を含む複数の接続案から、き電系統３０および高圧配電系統４０のいずれにも接続されない蓄電池Ｂの数が最も多く、蓄電池Ｂの予測充電状態が使用可能ＳＯＣの範囲内であり、かつ予測充電状態の平均に対する各蓄電池Ｂの予測充電状態の差のバラツキが最小の接続案である接続案５を選択する。そして、制御部１１は、選択した接続案５に従って、スイッチＳＷを制御して、蓄電池Ｂ１をき電系統３０に接続し、蓄電池Ｂ２，Ｂ３をき電系統３０および高圧配電系統４０のいずれにも接続せず、蓄電池Ｂ４を高圧配電系統４０に接続する。

本実施形態では、蓄電池装置１０は、図２に示すように、ステップＳ２０１，Ｓ２０２に示すスイッチＳＷの制御、ステップＳ２０３に示すスイッチＳＷの制御、およびステップＳ２０４に示すスイッチＳＷの制御の全てを用いてスイッチＳＷを制御しているが、ステップＳ２０１，Ｓ２０２に示すスイッチＳＷの制御、ステップＳ２０３に示すスイッチＳＷの制御、およびステップＳ２０４の少なくともいずれか１つを用いて、複数の蓄電池Ｂそれぞれの充電状態が使用可能ＳＯＣの範囲内となるように、スイッチＳＷを制御しても良い。

このように、本実施形態の蓄電池装置１０によれば、蓄電池Ｂの集合である蓄電池群としてはき電系統３０および高圧配電系統４０の両方に接続されている状態とすることができるので、蓄電池Ｂについて保護機器を設置することなく、蓄電池群をき電系統３０および高圧配電系統４０の両方に接続することができる。

本実施形態の蓄電池装置１０で実行されるプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録して提供するように構成しても良い。

さらに、本実施形態の蓄電池装置１０で実行されるプログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成しても良い。また、本実施形態の蓄電池装置１０で実行されるプログラムをインターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成しても良い。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、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。この新規な実施形態は、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。この実施形態は、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。

１ 蓄電池システム
１０ 蓄電池装置
１１ 制御部
２０ 列車
３０ き電系統
４０ 高圧配電系統
５０ 駅付帯設備
５１ エスカレータ
５２ 照明
５３ 空調機器
Ｂ 蓄電池
ＳＷ スイッチ

Claims (6)

1. 第１系統と第２系統との間で並列接続された複数の蓄電池と、
   前記複数の蓄電池それぞれに設けられ、前記蓄電池を前記第１系統または前記第２系統に接続可能なスイッチと、
   予め設定された時間帯毎の前記第１系統および前記第２系統それぞれの予測電力供給量に基づいて、前記蓄電池の充電状態が所定の使用可能充電状態の範囲内となるように設定された制御計画に従って、前記第１系統および前記第２系統のそれぞれに少なくとも１つの前記蓄電池が接続されるように、前記スイッチを制御する制御部と、
   を備えた蓄電池装置。
2. 前記第１系統は、前記蓄電池に対して、列車からの回生電力を供給可能であり、
   前記第２系統は、前記蓄電池に充電された電力を、前記列車以外の外部負荷に対して供給可能である請求項１に記載の蓄電池装置。
3. 前記制御部は、前記蓄電池の充電状態が、前記蓄電池の使用が許可されている充電状態の範囲である使用可能充電状態の範囲内であり、現在接続されている系統から他の系統への切り替えを許可する所定の制御許可充電状態の範囲外となっている場合、前記制御計画に従って前記スイッチを切り替えるタイミングを変更する請求項１に記載の蓄電池装置。
4. 前記制御部は、前記複数の蓄電池それぞれの接続先の組合せのうち、単位時間後の前記蓄電池の予測充電状態が前記使用可能充電状態の範囲内でありかつ前記予測充電状態の平均値に対する前記各蓄電池の前記予測充電状態の差のバラツキが最小の前記組合せに従って、前記単位時間毎に、前記スイッチを制御する請求項１から３のいずれか一に記載の蓄電池装置。
5. 前記制御部は、前記蓄電池において充放電される電力量が所定の電力量以下である場合、前記複数の蓄電池のうち少なくとも１つの前記蓄電池の前記第１系統または前記第２系統への接続を禁止する請求項１から４のいずれか一に記載の蓄電池装置。
6. 第１系統と第２系統との間で並列接続された複数の蓄電池と、前記複数の蓄電池それぞれに設けられ、前記蓄電池を前記第１系統または前記第２系統に接続可能なスイッチと、備えた蓄電池装置で実行される制御方法であって、
   前記蓄電池の充電状態を取得する工程と、
   予め設定された時間帯毎の前記第１系統および前記第２系統それぞれの予測電力供給量に基づいて、前記蓄電池の充電状態が所定の使用可能充電状態の範囲内となるように設定された制御計画に従って、前記第１系統および前記第２系統のそれぞれに少なくとも１つの前記蓄電池が接続されるように、前記スイッチを制御する工程と、
   を含む制御方法。

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