JP6327356B2 - 蓄電池システム - Google Patents

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Description

この発明は、電力系統に接続される蓄電池システムに関する。
電力系統は、発電設備と負荷設備とを送配電設備によって接続することで構築されている。電力系統には、複数の大規模発電所と多数の工場や商業施設及び家庭とを接続する大規模なシステムから、特定の施設内で構築される小規模なシステムまで様々な規模のものが存在する。いずれの規模の電力系統においても、電力系統全体の電力需給を管理するエネルギーマネジメントシステム(EMS)が備えられ、EMSによって発電設備による電力の供給と負荷設備による電力の需要とをバランスさせることが行われている。
蓄電池システムは、上記のような電力系統に接続されて、電力需給をバランスさせるための1つの手段として用いられる。かつては、大量の電力の貯蔵は困難であるとされていたが、リチウムイオン電池やナトリウム硫黄電池のような大容量の蓄電池が実用化されたことによって、大量の電力の貯蔵が可能になった。このような蓄電池を備えた蓄電池システムを電力系統に接続することにより、電力の需要に対して供給が過大なときには、過剰な電力を蓄電池に充電し、電力の需要に対して供給が不足するときには、蓄電池からの放電により電力の不足を補填するといった運用をとることができる。
このような蓄電池システムの好適な用途の一例が、太陽光や風力等の自然エネルギーを利用した発電設備との組み合わせである。自然エネルギーを利用した発電設備は、昨今のエネルギー問題あるいは環境問題に対する意識の高まりをうけて広く導入されつつある。しかし、自然エネルギーを利用した発電設備には、季節や天候等の自然的要因によって発電電力が左右されやすいために安定した電力供給を行えないという短所がある。蓄電池システムは、この短所を補うことのできるシステムであり、自然エネルギーを利用した発電設備に蓄電池システムを組み合わせることで安定した電力供給を行うことが可能になる。
蓄電池システムを電力系統に接続する場合、蓄電池システムの動作は前述のEMSによって管理される。蓄電池システムは、蓄電池に接続された交直変換装置(PCS)を備える。PCSは、電力系統の交流電力を直流電力に変換して蓄電池に充電する機能と、蓄電池の直流電力を交流電力に変換して電力系統に放電する機能とを有している。EMSからPCSに対して充放電要求が供給され、PCSが充放電要求に従って動作することで、電力系統から蓄電池への受電、あるいは、蓄電池から電力系統への放電が達成される。なお、EMSからPCSに供給される充放電要求は、電力系統全体において電力の需給をバランスさせるように決定される。
なお、出願人は、本発明に関連するものとして、以下に記載する文献を認識している。日本特開2014−124063号公報の図1には、電力系統に接続された複数のPCSを備える蓄電池システムの一例が描かれている。
日本特開2014−124063号公報
蓄電池は、保持されるSOC(State Of Charge)により寿命が変化する。複数の蓄電池の劣化具合を均一にするため、蓄電池システムでは、各蓄電池のSOCが均一に保って運用する必要がある。従来、複数台のPCSを備えた蓄電池システムにおいて、各PCSに接続される蓄電池が同一メーカーの同一種類の蓄電池である場合には、充放電要求に応じた総充放電量を複数台のPCSで按分して充放電制御を実行する。
しかしながら、蓄電池システムの大規模化・多様化により、異なるメーカーの蓄電池を接続したPCSを組み合わせて蓄電池システムが構成されることもある。このような蓄電池システムでは、PCS間で蓄電池の最大蓄電容量が異なることとなる。このような蓄電池システムにおいて、上述のように充放電要求に応じた総充放電量を単純に複数台のPCSで按分したのでは、充放電によるSOCへの影響は、最大蓄電容量が小さい蓄電池の方が大きいため、PCS間で蓄電池のSOCにバラツキが生じてしまう。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、PCS間で蓄電池の最大蓄電容量が異なる蓄電池システムにおいて、PCS間で蓄電池のSOCが均一になるように制御できる蓄電池システムを提供することを目的とする。
上記目的の達成のため、本発明に係る蓄電池システムは以下のように構成される。
本発明に係る蓄電池システムは電力系統に接続され、電力系統の電力需給を管理するEMSからの充放電要求に基づいて動作するように構成される。本発明に係る蓄電池システムが接続される電力系統の規模や構成には限定はない。
本発明に係る蓄電池システムは、複数の蓄電池モジュール群、複数の蓄電池監視装置、複数のPCS、および、少なくとも1つの制御装置を備える。
本発明に係る蓄電池システムは、N台(N≧2)のPCSを備える。N台のPCSはそれぞれ、個別の蓄電池モジュール群に接続される。蓄電池モジュール群は、1以上の蓄電池モジュールが並列接続されてなる。少なくとも1つの蓄電池モジュール群を構成する蓄電池モジュールの最大蓄電容量は、他の蓄電池モジュール群を構成する蓄電池モジュールの最大蓄電容量と異なる。
蓄電池モジュールは単一の蓄電池セルで構成されていてもよいし、複数の蓄電池セルの集合体として構成されていてもよい。蓄電池の種類としては、リチウムイオン電池やナトリウム硫黄電池やニッケル水素電池等の大容量の蓄電池が好ましい。
蓄電池監視装置は、蓄電池モジュール群の状態を監視する装置である。蓄電池監視装置は、蓄電池モジュール群に対して1つ設けられてもよいし、各蓄電池モジュールそれぞれに設けられてもよい。蓄電池監視装置による監視項目としては、例えば、電流、電圧、温度等の状態量を挙げることができる。蓄電池監視装置は、監視項目である状態量をセンサによって常時或いは所定の周期で計測し、得られたデータの一部或いは全部を蓄電池情報として外部に出力する。蓄電池情報には、蓄電池モジュールの最大蓄電容量、蓄電池モジュール数、後述する蓄電池容量比が含まれる。
PCSは、電力系統に蓄電池を接続する装置であり、電力系統の交流電力を直流電力に変換して蓄電池モジュール群に充電する機能と、蓄電池モジュール群の直流電力を交流電力に変換して電力系統に放電する機能とを有している。PCSはパワーコンディショナーとも呼ばれ、蓄電池モジュール群への充電電力量、及び蓄電池モジュール群からの放電電力量は、PCSによって調整される。
制御装置は、EMSとN台のPCSとの間に介在する装置である。EMSから蓄電池システムに供給される充放電要求は、この制御装置が受信する。制御装置は、充放電要求とともに蓄電池監視装置から供給される蓄電池情報を受信し、充放電要求と蓄電池情報とに基づいてN台のPCSを制御するように構成される。
制御装置は充放電指令部を備える。充放電指令部は、以下の関係式(1)を満たすようにN台のPCSそれぞれの充放電量を決定する。
Figure 0006327356
ここで、
は、第iPCS(1≦i≦N)の充放電量、
Preqは、充放電要求、
Bnumは、第iPCSに接続された蓄電池モジュール数、
Cratioは、蓄電池容量比である。蓄電池容量比は、基準蓄電容量に対する第iPCSに接続された蓄電池モジュールの最大蓄電容量の容量比を意味する。基準蓄電容量は、例えば、所定の蓄電池モジュールの最大蓄電容量とする。
この発明によれば、PCS間で蓄電池の最大蓄電容量が異なる蓄電池システムにおいて、PCS間で蓄電池のSOCが均一になるように制御することができる。
本発明の実施の形態1に係るシステム構成を説明するための概念構成図である。 本発明の実施の形態1に係るシステムのブロック図である。 本発明の実施の形態1において充放電指令部7による具体的な計算例を説明するための図である。 EMS3からの充放電要求に基づく充放電制御を実現するために、蓄電池システム1が実行する制御ルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態1に係るシステム構成の変形例について説明するための概念構成図である。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
実施の形態1.
[実施の形態1のシステム構成]
図1は、本発明の実施の形態1に係るシステム構成を説明するための概念構成図である。図1に示す蓄電池システム1は、電力系統の送電設備2に接続される。電力系統には、送電設備2の他、送電設備2に発電設備(図示省略)や負荷設備(図示省略)が接続されてもよい。蓄電池システム1は、コンピュータネットワーク51により遠方のエネルギーマネジメントシステム(以下、EMS)3に接続される。EMS3は、発電設備の発電量、蓄電池システム1の充放電量、負荷設備の受電量など、電力系統の電力需給を管理する。
蓄電池システム1は、複数の交直変換装置(以下、PCS)11〜1n、複数の蓄電池モジュール群21〜2n、複数の蓄電池監視装置(以下、BMU:Battery Management Unit)31〜3n、および、制御装置4を備える。
蓄電池システム1は、第1〜第NまでのN台(N≧2)のPCSを備える。以下説明容易のため、1つのPCSとそのPCSに接続される蓄電池モジュール群およびBMUとから構成されるグループを「PCSグループ」と称する。各PCSグループの基本構成は同様であるため、ここでは、第1のPCSグループを例示して説明する。
第1のPCSグループは、PCS11を備える。PCS11は、蓄電池モジュール群21に接続される。蓄電池モジュール群21は、蓄電池モジュール211〜213が並列接続されてなる。図1では、蓄電池モジュールは3列であるが、これは単なる一例である。蓄電池モジュールの並列数はPCS11の仕様に基づいて定められる。よって、蓄電池モジュールの並列数が1列になることもあり得る。
各蓄電池モジュール211〜213は、複数のセルが直列に接続されたモジュールである。各セルは、リチウムイオン電池(LiB)である。なお、1つの蓄電池モジュール群21内において、蓄電池モジュール211〜213の最大蓄電容量は同じである。
蓄電池モジュール211〜213は、信号線によりBMU31に接続される。BMU31は、コンピュータネットワーク53により制御装置4に接続される。図1では、1つの蓄電池モジュールに対して1つのBMUが接続されているが、これは単なる一例である。蓄電池モジュール群21に対して1つのBMUが接続されてもよい。
BMU31は、蓄電池モジュール群21の状態を監視する。具体的には、BMU31は、蓄電池モジュール211〜213の状態量を計測する手段として電流センサ、電圧センサ、及び温度センサを備える。電流センサによって蓄電池モジュール211〜213に流れる電流が計測される。電圧センサによって蓄電池モジュール211〜213の電圧が計測される。そして、温度センサによって蓄電池モジュール211〜213の温度が計測される。BMU31による蓄電池モジュール211〜213の監視は常時行われる。ただし、本実施の形態でいう常時監視とは、センサから絶え間のない連続した信号を取り込む動作だけでなく、所定の短い周期でセンサの信号を取り込む動作を含む概念である。BMU31は、各センサによる計測で得られた情報を含む蓄電池情報を制御装置4に送信する。また、蓄電池情報には、蓄電池モジュールの最大蓄電容量、蓄電池モジュール数、蓄電池容量比も含まれ得る。なお、これらの情報は、制御装置4に予め記憶されていてもよい。
以上、PCS11に接続された蓄電池モジュール群21およびBMU31について説明したが、上述した基本構成は、PCS12〜1nに接続された蓄電池モジュール群22〜2nおよびBMU32〜3nについても同様である。重要な相違点は、蓄電池モジュール群21〜2nのうち、少なくとも1つの蓄電池モジュール群を構成する蓄電池モジュールの最大蓄電容量は、他の蓄電池モジュール群を構成する蓄電池モジュールの最大蓄電容量と異なることである。例えば、蓄電池モジュール211〜213それぞれの最大蓄電容量は100[kWh]であり、蓄電池モジュール221〜223それぞれの最大蓄電容量は50[kWh]である。
制御装置4は、例えばROM、RAM等を含むメモリ、各種情報を入出力する入出力インタフェース、各種情報に基づいて各種演算処理を実行可能なプロセッサを備える。制御装置4は、コンピュータネットワーク51によりEMS3に、コンピュータネットワーク53によりBMU31〜3nに、コンピュータネットワーク52によりPCS11〜1nに接続される。
制御装置4は、PCS11〜1nに対して充放電指令を出す司令塔の役割を担う。一例として、制御装置4は、EMS3から送信された充放電要求と、BMU31〜3nから送信された蓄電池情報を受信する。充放電要求は、PCS11〜1nに充放電させる有効電力と無効電力に関する要求を含む。制御装置4は、充放電要求と蓄電池情報とに基づいてPCS11〜1nに対する充放電指令(充放電量[kW]に相当する)を決定し、PCS11〜1nに送信する。また、制御装置4は、PCS11〜1nに対してトリップ指令を出力する機能等も備える。
PCS11は、変圧器を介して送電線により送電設備2に接続される。PCS11は、電力系統の交流電力を直流電力に変換して蓄電池モジュール群21に充電する充電機能と、蓄電池モジュール群21の直流電力を交流電力に変換して電力系統に放電する放電機能とを備える。蓄電池モジュール群21への充電電力量、および、蓄電池モジュール群21からの放電電力量は、PCS11によって調整される。PCS11による充放電電力量の調整は、制御装置4から供給される充放電指示に従って行われる。PCS12〜1nもPCS11と同様の機能を有する。
[実施の形態1の特徴的構成]
図2は、本発明の実施の形態1に係るシステムのブロック図である。図2における制御装置4を示すブロック内には、制御装置4が備える種々の機能のうちの一部がブロックで表されている。ブロックに演算資源が割り当てられている。制御装置4にはブロックに対応するプログラムが用意され、それらがプロセッサによって実行されることでブロックの機能が制御装置4において実現される。
(充放電指令機能)
制御装置4は充放電指令機能を有し、その機能は充放電指令部7が受け持つ。制御装置4は、EMS3から充放電要求を受信し、BMU31〜3nから蓄電池情報を受信する。充放電指令部7は、充放電要求と蓄電池情報とに基づいて充放電指令を決定し、充放電指令をPCS11〜1nに送信する。
具体的には、充放電指令部7は、蓄電池情報に含まれる各蓄電池モジュール群の電圧から充放電可能電力を計算する。本実施の形態でいう電圧とは、蓄電池モジュールの両端にかかる電圧を意味する。また、SOCは満充電に対する充電率を意味する。リチウムイオン電池は、満タンに充電されているほど電圧が高く、空に近いほど電圧が低くなるという特性を有している。この電圧−SOC特性を利用することにより、電圧の計測値からSOCを計算し、SOCから充放電可能電力を計算することができる。なお、SOCは、蓄電池情報に含まれる電流の積算値から算出することも可能である。なお、充放電指令部7が計算する充放電可能電力は、蓄電池モジュール群に接続された全ての蓄電池モジュールの放電可能電力の和を意味する。これは、蓄電池モジュールの電圧と並列数とから計算することができる。充放電指令部7は、充放電可能電力を制約条件として、EMS3からの充放電要求に基づきPCS11〜1nに対する充放電指令を決定する。ただし、制約条件としての充放電可能電力は、充放電指令の決定において満たすのが望ましい条件ではあるが、絶対に外してはならない条件ではない。
上述したように、蓄電池システム1はN台(N≧2)のPCSを備える。N台のPCSはそれぞれ、個別の蓄電池モジュール群に接続される。蓄電池モジュール群は、1以上の蓄電池モジュールが並列接続されてなる。少なくとも1つの蓄電池モジュール群を構成する蓄電池モジュールの最大蓄電容量は、他の蓄電池モジュール群を構成する蓄電池モジュールの最大蓄電容量と異なる。このような構成において、充放電指令部7は、以下の関係式(1)を満たすようにN台のPCSそれぞれの充放電量を決定する。
Figure 0006327356
ここで、
は、第iPCS(1≦i≦N)の充放電量、
Preqは、充放電要求、
Bnumは、第iPCSに接続された蓄電池モジュール数、
Cratioは、蓄電池容量比である。蓄電池容量比は、基準蓄電容量に対する第iPCSに接続された蓄電池モジュールの最大蓄電容量の容量比を意味する。基準蓄電容量は、例えば、所定の蓄電池モジュールの最大蓄電容量とする。
図3を用いて、充放電指令部7による具体的な計算の一例について説明する。
図3は、本発明の実施の形態1において充放電指令部7による具体的な計算例を説明するための図である。図3に示す蓄電池システムは2台のPCSを備える。PCS11の最大出力は100[kW]、PCS12の最大出力は100[kW]である。PCS11に接続されている蓄電池モジュールの並列数は2、PCS12に接続されている蓄電池モジュールの並列数は2である。蓄電池モジュール211および212ぞれぞれの最大蓄電容量は100[kWh]、蓄電池モジュール221および222ぞれぞれの最大蓄電容量は50[kWh]である。すなわち、1並列あたりの最大蓄電容量は、PCS11はPCS12の2倍である。そのため、蓄電池容量比(式(1)のCratio)は、PCS11側が1.0、PCS12側が0.5である。
以上の構成において、充放電要求として120kWの放電要求があった場合、充放電指令部7は、関係式(1)に上記条件を入力して、各PCSの出力を以下のように算出する。
PCS11の出力=120[kW]×2×1.0/(2×1.0+2×0.5)
=80[kW]
PCS12の出力=120[kW]×2×0.5/(2×1.0+2×0.5)
=40[kW]
充放電指令部7は、放電量80[kW]を示すPCS11への充放電指令と、放電量40[kW]を示すPCS12への充放電指令とを決定する。
(フローチャート)
図4は、EMS3からの充放電要求に基づく充放電制御を実現するために、蓄電池システム1が実行する制御ルーチンのフローチャートである。このフローチャートに示す制御装置4の処理は、充放電指令部7の機能によって実現される処理である。制御装置4のメモリには、図4に示すフローチャートの処理を実行するプログラムが記憶されており、制御装置4のプロセッサがプログラムを読み出して、実行することにより図4に示す処理が実現される。
図4に示すルーチンでは、まず、EMS3は、電力系統における電力の需要と供給とをバランスさせるように蓄電池システム1に対する充放電要求を決定する(ステップS101)。EMS3は、決定した充放電要求を制御装置4に送信する(ステップS102)。
第1のPCSグループでは、BMU31が各種センサを用いて蓄電池情報を常時取得する(ステップS301)。その後、BMU31は、取得した蓄電池情報を制御装置4に送信する(ステップS302)。
第2〜第nのPCSグループについてもステップS301、S302と同様の処理を実行する。例えば、第nのPCSグループでは、BMU3nが各種センサを用いて蓄電池情報を常時取得する(ステップS401)。第nのPCSグループは、PCS1n、蓄電池モジュール群2n、BMU3nを含むグループである。その後、BMU3nは、取得した蓄電池情報を制御装置4に送信する(ステップS402)。
制御装置4は、EMS3から送信された充放電要求を受信する(ステップS201)。また、制御装置4は、第1のPCSグループのBMU31から送信された蓄電池情報を受信する(ステップS202)。同様に、制御装置4は、第2〜第nのPCSグループのBMU32〜3nから送信された蓄電池情報を受信する(ステップS203)。
制御装置4は、ステップS204において受信した充放電要求と、ステップS202、S203において受信した蓄電池情報に基づいて、PCS11〜1nの充放電量を算出し、これらの充放電量を示す充放電指令を決定する(ステップS204)。ステップS204で実行される充放電指令の決定の方法は、充放電指令機能の説明において述べたとおりである。その後、制御装置4は、第1のPCSグループに対する充放電指令をPCS11に送信する(ステップS205)。同様に、制御装置4は、第2〜第nのPCSグループに対する充放電指令をPCS12〜1nに送信する(ステップS206)。
第1のPCSグループでは、PCS11が制御装置4から送信された充放電指令を受信する(ステップS303)。PCS11は、充放電指令に従って充放電操作を実行する(ステップS304)。
同様に、第2〜第nのPCSグループでは、PCS12〜1nが制御装置4から送信された充放電指令を受信する(ステップS403)。PCS12〜1nは、充放電指令に従って充放電操作を実行する(ステップS404)。
以上説明したように、本実施の形態の蓄電池システム1によれば、PCS間で蓄電池の最大蓄電容量が異なる蓄電池システムにおいても、PCS間で蓄電池のSOCが均一になるように制御することができる。
(変形例)
ところで、図1のシステム構成においては、制御装置4を蓄電池システムに1つ配置することとしているが、その配置はこれに限定されるものではない。図5は、本発明の実施の形態1に係るシステム構成の変形例について説明するための概念構成図である。図5に示すように、1つのPCSグループに1つの制御装置を配置することとしてもよい。図5に示す主制御装置41は、EMS3から充放電要求を受信し、BMU31から蓄電池情報を受信し、従制御装置4nからBMU3nが送信した蓄電池情報を受信する。主制御装置41は、各PCSの充放電量を算出し、これらの充放電量を示す充放電指令を決定する。充放電指令の決定の方法は、充放電指令機能の説明において述べたとおりである。主制御装置41は、PCS11に対する充放電指令をPCS11に送信すると共に、PCS1nに対する充放電指令を従制御装置4nに送信する。従制御装置4nは、PCS1nに対する充放電指令をPCS1nに出力する。
1 蓄電池システム
2 送電設備
3 エネルギーマネジメントシステム(EMS)
4 制御装置
7 充放電指令部
11、12、13、1n 交直変換装置(PCS)
21、22、23、2n 蓄電池モジュール群
31、32、33、3n 蓄電池監視装置(BMU)
211−213、221−223、231−233、2n1−2n3 蓄電池モジュール41 主制御装置
4n 従制御装置
51、52、53、531、53n コンピュータネットワーク

Claims (1)

  1. 電力系統にN台(N≧2)の交直変換装置が接続され、前記N台の交直変換装置それぞれに、1以上の蓄電池モジュールが並列接続されてなる蓄電池モジュール群が接続された蓄電池システムであって、前記電力系統の電力需給を管理するエネルギーマネジメントシステムからの充放電要求に基づいて動作する蓄電池システムにおいて、
    前記蓄電池モジュール群の状態を監視する蓄電池監視装置と、
    前記充放電要求と、前記蓄電池監視装置から供給される蓄電池情報とを受信し、前記充放電要求と前記蓄電池情報とに基づいて前記N台の交直変換装置を制御する制御装置を備え、
    前記交直変換装置は、前記電力系統の交流電力を直流電力に変換して前記蓄電池モジュール群に充電する機能と、前記蓄電池モジュール群の直流電力を交流電力に変換して前記電力系統に放電する機能とを有し、
    少なくとも1つの前記蓄電池モジュール群を構成する蓄電池モジュールの最大蓄電容量は、他の前記蓄電池モジュール群を構成する蓄電池モジュールの最大蓄電容量と異なり、
    前記制御装置は、以下の関係式(1)を満たすように前記N台の交直変換装置それぞれの充放電量を決定する充放電指令部を備えること、
    を特徴とする蓄電池システム。
    Figure 0006327356
    ここで、
    は、第i交直変換装置(1≦i≦N)の充放電量、
    Preqは、前記充放電要求、
    Bnumは、第i交直変換装置に接続された蓄電池モジュール数、
    Cratioは、基準蓄電容量に対する第i交直変換装置に接続された蓄電池モジュールの最大蓄電容量の容量比である。
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