JP6481938B2 - 蓄電システム - Google Patents

Description

本発明は、複数の蓄電モジュールを並列接続した蓄電システムに関する。

近年、蓄電システムが普及している。蓄電システムは停電時のバックアップやピークシフトに利用できる。大容量の蓄電システムでは、複数の蓄電モジュールを並列接続して容量を増加させている。各蓄電モジュールの充放電は通常、各蓄電モジュールに接続されたＤＣ−ＤＣコンバータにより制御される。当該ＤＣ−ＤＣコンバータの動作電源は、充放電制御している蓄電モジュールからとる構成が一般的である。

特許文献１は、複数の蓄電池盤、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ、双方向ＡＣ−ＤＣコンバータを備える蓄電池システムを開示する。

特開２０１３−２２６０１６号公報

並列に動作する複数のＤＣ−ＤＣコンバータの消費電力は均一になるとは限らず、ばらつくことが多い。複数のＤＣ−ＤＣコンバータの消費電力がばらつくと、複数の蓄電モジュール間の容量にもばらつきが発生する。これにより複数の蓄電モジュールの放電可能時間もばらつくことになる。蓄電システムでは１つの蓄電モジュールの放電が停止すると全体の放電が停止するため、複数の蓄電モジュール間の容量にばらつきが発生すると、結果として蓄電システム全体の定格出力での放電可能時間が短くなる。また複数の蓄電モジュール間の容量にばらつきが発生すると、ある蓄電モジュールから他の蓄電モジュールに電流が流れ、無駄な電流ロスが発生する。

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、並列接続された蓄電モジュール間の容量のばらつきを抑えることができる蓄電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に、本発明のある態様の蓄電システムは、交流側が系統に接続されるパワーコンディショナと、前記パワーコンディショナの直流側に並列に接続される複数の蓄電モジュールと、前記パワーコンディショナの直流側と、前記複数の蓄電モジュールとの間にそれぞれ挿入される複数のＤＣ−ＤＣコンバータと、を備える。前記複数のＤＣ−ＤＣコンバータの動作電源を無停電電源装置から供給する。

本発明によれば、並列接続された蓄電モジュール間の容量のばらつきを抑えることができる。

本発明の実施の形態に係る蓄電システムの構成を示す図である。 図２（ａ）−（ｂ）は、無停電電源装置の構成例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る蓄電システムにおける停電発生時の運転モード切替処理の流れを示すフローチャートである。

図１は、本発明の実施の形態に係る蓄電システム１の構成を示す図である。蓄電システム１は双方向パワーコンディショナ５０、複数のＤＣ−ＤＣコンバータ２０、複数の蓄電モジュール１０を基本構成として備える。双方向パワーコンディショナ５０のＡＣ端子は交流経路３を介して系統電源２に接続される。双方向パワーコンディショナ５０のＤＣ端子は直流経路５を介して複数の蓄電モジュール１０に並列に接続される。双方向パワーコンディショナ５０のＤＣ端子と、複数の蓄電モジュール１０の充放電端子との間には、複数のＤＣ−ＤＣコンバータ２０がそれぞれ挿入される。各ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、接続されている蓄電モジュール１０の充放電を制御する。図１では３並列の構成を描いているが、並列数は任意であり限定されない。

蓄電システム１はさらに、複数の蓄電モジュール１０をそれぞれ管理する複数の蓄電池管理装置３５と、蓄電システム１を統括的に管理する統括管理装置３０を備える。統括管理装置３０及び複数の蓄電池管理装置３５は、通信線によりデイジーチェーン接続される。

蓄電モジュール１０内には、直列または直並列接続された複数の蓄電池セルが設けられている。蓄電池セルにはリチウムイオン蓄電池、ニッケル水素蓄電池などを使用できる。蓄電モジュール１０内にはまた、当該複数の蓄電池の状態（例えば、電圧、電流、温度）を監視する制御回路が設けられている。当該制御回路は、蓄電モジュール１０内の複数の蓄電池の監視データを蓄電池管理装置３５に送信する。

双方向パワーコンディショナ５０は統括管理装置３０からの指示に応じて運転モードを切り替える。放電時のモードには系統連系モードと自立運転モードがある。系統連系モードでは、双方向パワーコンディショナ５０は、複数の蓄電モジュール１０から放電される直流電力を交流電力に変換して交流経路３に出力する。その際、双方向パワーコンディショナ５０内の双方向インバータを駆動制御する制御回路は、系統電源２から供給される交流波形の周波数および位相に同期した交流電流を当該双方向インバータから出力させる。

自立運転モードは系統電源２の停電時に選択されるべきモードである。自立運転モードにおいても当該双方向インバータは、複数の蓄電モジュール１０から放電される直流電力を交流電力に変換して交流経路３に出力する。その際、当該制御回路は、予め設定された周波数の交流電圧を当該双方向インバータから出力させる。従って停電時にも交流経路３に交流電圧を供給することができ、交流経路３に接続された負荷４に電力を供給できる。充電時には当該双方向インバータは、系統電源２から供給される交流電力を直流電力に変換して直流経路５に出力する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は蓄電池管理装置３５から放電指示を受けると、指定された放電レートで蓄電モジュール１０から双方向パワーコンディショナ５０に放電するよう制御する。またＤＣ−ＤＣコンバータ２０は蓄電池管理装置３５から充電指示を受けると、指定された充電レートで双方向パワーコンディショナ５０から蓄電モジュール１０に充電するよう制御する。複数の蓄電池管理装置３５には、統括管理装置３０から放電指示または充電指示が伝達される。

以下、本実施の形態ではＤＣ−ＤＣコンバータ２０の動作電源について注目する。従来、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の動作電源は、蓄電モジュール１０から供給される構成が一般的であった。これに対して本実施の形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の動作電源が無停電電源装置（ＵＰＳ：Uninterruptible Power Supply)６０から供給される構成を採用する。無停電電源装置６０は交流入力・交流出力の機器である。 無停電電源装置６０は交流経路３に接続され、交流経路３から交流電力が供給される。系統電源２が停電している場合でも、蓄電システム１が自立運転モードで動作していれば、双方向パワーコンディショナ５０から出力される交流電力の供給を受けることができる。無停電電源装置６０は蓄電装置（例えば、鉛蓄電池、電気二重層コンデンサ）を含み、交流経路３から供給される交流電力を直流電力に変換して当該蓄電装置に蓄電できる。

本実施の形態では無停電電源装置６０は、１００Ｖ／２００Ｖの交流電圧を複数のＡＣ−ＤＣコンバータ４０に出力する。複数のＡＣ−ＤＣコンバータ４０はそれぞれ、無停電電源装置６０から供給される交流電圧を直流電圧に変換する。各ＡＣ−ＤＣコンバータ４０は生成した直流電圧（例えば、ＤＣ２４Ｖ）を、各ＤＣ−ＤＣコンバータ２０及び各蓄電池管理装置３５に動作電源として供給する。なお図１では並列ブロックごとにＡＣ−ＤＣコンバータ４０を設ける構成を描いているが、複数の並列ブロックで１つのＡＣ−ＤＣコンバータ４０を共有する構成も可能である。

図２（ａ）−（ｂ）は、無停電電源装置６０の構成例を示す図である。図２（ａ）は、常時インバータ給電方式の構成例を示す。図２（ａ）に示す無停電電源装置６０において、ＡＣ−ＤＣコンバータ６１は、交流経路３から入力される交流電圧を直流電圧に変換する。ＡＣ−ＤＣコンバータ６１は整流器であってもよい。ＡＣ−ＤＣコンバータ６１は、変換した直流電圧をＤＣ−ＡＣコンバータ６４に出力する。ＤＣ−ＡＣコンバータ６４は入力される直流電圧を交流電圧に変換して、ＡＣ−ＤＣコンバータ４０に出力する。

ＡＣ−ＤＣコンバータ６１とＤＣ−ＡＣコンバータ６４間のプラス配線とマイナス配線の間に蓄電池６２が接続される。蓄電池６２の電圧がＡＣ−ＤＣコンバータ６１の出力電圧より低い間、ＡＣ−ＤＣコンバータ６１から蓄電池６２に充電される。蓄電池６２が設けられることにより、系統電源２の停電や断線などにより交流経路３からＡＣ−ＤＣコンバータ６１への給電が停止した場合でも、蓄電池６２からＤＣ−ＡＣコンバータ６４に直流電圧を出力できる。

図２（ａ）では、ＡＣ−ＤＣコンバータ６１とＤＣ−ＡＣコンバータ６４間のプラス配線と、蓄電池６２のプラス端子との間にスイッチ６３が挿入されている。このスイッチ６３は通常、オン状態に制御されるが、蓄電池６２からの放電を停止したい場合はオフ状態に制御される。なおスイッチ６３は必須ではなく省略可能である。

図２（ｂ）は、常時バイパス給電方式の構成例を示す。図２（ｂ）に示す無停電電源装置６０の構成は、図２（ｂ）に示す回路構成に、交流バイパス経路６５と経路切替スイッチ６６を追加した構成である。通常時、経路切替スイッチ６６は交流バイパス経路６５を選択している。この状態では交流経路３から無停電電源装置６０に入力された交流電圧がそのままＡＣ−ＤＣコンバータ４０に出力される。一方、系統電源２の停電や断線などにより交流経路３から無停電電源装置６０への給電が停止した場合、経路切替スイッチ６６は内部回路側を選択する。この状態では蓄電池６２からＤＣ−ＡＣコンバータ６４に直流電圧が出力され、ＤＣ−ＡＣコンバータ６４は当該直流電圧を交流電圧に変換してＡＣ−ＤＣコンバータ４０に出力する。

常時インバータ給電方式と常時バイパス給電方式を比較すると、後者の方がＡＣ−ＤＣコンバータ６１及びＤＣ−ＡＣコンバータ６４での変換ロスが発生しないため高効率である。しかしながら後者では停電発生時、経路切替スイッチ６６が交流バイパス経路６５側から内部回路側に切り替わる際、５〜１０ｍ秒程度の瞬断が発生する。一方、前者では給電経路に蓄電池６２が常時接続される回路構成であるため、瞬断が発生しない。本実施の形態では、瞬断が発生しない常時インバータ給電方式の無停電電源装置６０を使用する。なお、無停電電源装置６０から給電を受ける側の機器が全て瞬断に対応した機器であれば、常時バイパス給電方式の無停電電源装置６０を使用してもよい。

図１に戻る。双方向パワーコンディショナ５０の動作電源は、双方向パワーコンディショナ５０内に設けられるＡＣ−ＤＣコンバータから供給される。当該ＡＣ−ＤＣコンバータは交流経路３から入力される交流電圧を直流電圧に変換して、双方向パワーコンディショナ５０及び制御回路に供給する。統括管理装置３０の動作電源は、図示しない別の無停電電源装置から供給される。

操作部７０は、蓄電システム１を収納した筐体の表面に設けられる。タッチパネルディスプレイで構成されてもよい。操作部７０はユーザの操作を受け付け、当該操作に基づく指示信号を統括管理装置３０に出力する。なお当該指示信号を双方向パワーコンディショナ５０の制御回路に出力する構成であってもよい。

蓄電システム１では系統電源２が停電した際、自動的に自立運転モードに移行するモードと、ユーザの操作をトリガとして自立運転モードに移行するモードを選択可能である。本実施の形態では後者のモードが選択されていることを想定する。

図３は、本発明の実施の形態に係る蓄電システム１における停電発生時の運転モード切替処理の流れを示すフローチャートである。蓄電システム１は基本処理として、深夜に系統電源２から複数の蓄電モジュール１０に充電し、昼間に複数の蓄電モジュール１０から交流経路３に接続された負荷４に放電する。統括管理装置３０は放電開始時刻が到来すると、系統連系モードを起動し（Ｓ１０）、双方向パワーコンディショナ５０及び複数の蓄電池管理装置３５に系統連系による放電を指示する。放電指示を受けた蓄電池管理装置３５はＤＣ−ＤＣコンバータ２０に、設定された放電レートで放電するよう指示する。

統括管理装置３０は系統電源２の停電を検知すると（Ｓ１１のＹ）、双方向パワーコンディショナ５０および複数の蓄電池管理装置３５に休止モードへの移行指示を通知して、蓄電システム１を休止モードに移行させる（Ｓ１２）。統括管理装置３０は系統電源２の停電を例えば、図示しない不足電圧継電器からの信号を受けることにより検知する。

統括管理装置３０は停電検知時からカウントを開始し、ユーザからの自立運転モードの起動操作を待つ。停電検知時から設定期間（例えば、１５分）が経過する前に、ユーザからの自立運転モードの起動操作を受け付けた場合（Ｓ１３のＹ）、統括管理装置３０は自立運転モードへの移行指示を通知する（Ｓ１４）。具体的には双方向パワーコンディショナ５０及び複数の蓄電池管理装置３５に自立運転モードへの移行指示を通知し、当該移行指示を受けた蓄電池管理装置３５はＤＣ−ＤＣコンバータ２０に当該移行指示を通知する。

ユーザからの自立運転モードの起動操作がなく（Ｓ１３のＮ）、停電検知時から設定期間が経過すると（Ｓ１５のＹ）、統括管理装置３０はシャットダウン指示を通知する（Ｓ１６）。通知先は自立運転モードへの移行指示のときと同じである。シャットダウン指示を受けた双方向パワーコンディショナ５０、蓄電池管理装置３５及びＤＣ−ＤＣコンバータ２０は規定の手順に従いシャットダウンする。

停電検知時から設定期間が経過すると蓄電システム１の動作を終了させるのは主に、無停電電源装置６０の蓄電池６２の容量がなくなることを防止するためである。停電検知後に蓄電システム１が休止モードに移行しても、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０及び蓄電池管理装置３５で待機電力を消費している。また自立運転モードに移行していないため、双方向パワーコンディショナ５０から交流電圧は出力されておらず、無停電電源装置６０の蓄電池６２は充電されない。

この状態では無停電電源装置６０の蓄電池６２から、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０及び蓄電池管理装置３５に電源が供給されることになるが、いずれ蓄電池６２の容量がなくなる。蓄電池６２の容量がなくなると、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０及び蓄電池管理装置３５は突然、強制的にシャットダウンされることになる。その場合、使用していたデータの不揮発性メモリへの保存失敗などの不具合が発生する可能性がある。また、蓄電池６２の容量が空になってしまうと停電からの復旧時に、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０及び蓄電池管理装置３５の再起動に支障をきたす可能性がある。また蓄電池６２が過放電状態になると、蓄電池６２自体を劣化させてしまう。

そこで停電検知してから設定期間経過しても自立運転モードに移行しない場合、蓄電池６２の容量を確保するため、統括管理装置３０は蓄電システム１をシャットダウンする。従って当該設定期間は、蓄電池６２の容量が満充電容量から最低確保容量になるまでの放電時間より短い時間または当該放電時間と等しいに設定される必要がある。当該放電時間は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０及び蓄電池管理装置３５の待機消費電力をもとに算出できる。

なお統括管理装置３０は蓄電システム１をシャットダウンするとともに、無停電電源装置６０の動作を停止させてもよい。例えば図２（ａ）、（ｂ）のスイッチ６３をオフに制御して蓄電池６２の放電経路を遮断してもよい。

以上説明したように本実施の形態によれば、複数のＤＣ−ＤＣコンバータ２０の動作電源を無停電電源装置６０から供給することにより、並列接続された蓄電モジュール１０間の容量のばらつきを抑えることができる。容量のばらつきを抑えることにより、放電時間の短縮や無駄な電流ロスを抑制できる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

上記の実施の形態では系統電源２が停電した際、ユーザの操作をトリガとして自立運転モードに移行するモードが選択されていることを想定する。この点、本実施の形態に係る技術は系統電源２が停電した際、自動的に自立運転モードに移行するモードが選択されている場合にも適用可能である。例えば双方向パワーコンディショナ５０が、停電後のモード切替において、不具合により自立運転モードに移行できない場合が発生し得る。その場合も、停電検知時から設定期間が経過した時点で統括管理装置３０は蓄電システム１をシャシャットダウンする。

なお、実施の形態は、以下の項目によって特定されてもよい。

［項目１］
交流側が系統に接続されるパワーコンディショナ（５０）と、
前記パワーコンディショナ（５０）の直流側に並列に接続される複数の蓄電モジュール（１０）と、
前記パワーコンディショナ（５０）の直流側と、前記複数の蓄電モジュール（１０）との間にそれぞれ挿入される複数のＤＣ−ＤＣコンバータ（２０）と、を備え、
前記複数のＤＣ−ＤＣコンバータ（２０）の動作電源を無停電電源装置（６０）から供給することを特徴とする蓄電システム（１）。
これにより、複数のＤＣ−ＤＣコンバータ（２０）の動作電源を複数の蓄電モジュール（１０）から供給することにより発生する複数の蓄電モジュール（１０）間の容量のばらつきを抑制できる。
［項目２］
前記無停電電源装置（６０）は蓄電装置（６２）を含む、交流入力および交流出力の装置であり、
前記無停電電源装置（６０）は、前記系統（２）と前記パワーコンディショナ（５０）との間の経路（３）から交流電圧が入力され、
前記蓄電システム（１）は、
前記無停電電源装置（６０）から出力される交流電圧を直流電圧に変換し、前記複数のＤＣ−ＤＣコンバータ（２０）に供給する少なくとも１つのＡＣ−ＤＣコンバータ（４０）をさらに備えることを特徴とする項目１に記載の蓄電システム（１）。
これにより停電時も、無停電電源装置（６０）からＤＣ−ＤＣコンバータ（２０）に電源を供給できる。
［項目３］
前記パワーコンディショナ（５０）及び前記複数のＤＣ−ＤＣコンバータ（２０）に動作指示を通知する管理装置（３０、３５）をさらに備え、
前記管理装置（３０、３５）は、前記系統（２）が停電してから設定期間が経過しても、前記系統（２）と連系せずに自立的に運転する自立運転モードが起動していない場合、前記パワーコンディショナ（５０）及び前記複数のＤＣ−ＤＣコンバータ（２０）をシャットダウンさせることを特徴とする項目１または２に記載の蓄電システム（１）。
これにより、無停電電源装置（６０）内の蓄電池（６２）の容量がなくなることを回避できる。
［項目４］
前記管理装置（３０、３５）は、前記系統（２）が停電したとき、前記パワーコンディショナ（５０）及び前記複数のＤＣ−ＤＣコンバータ（２０）の動作を一時停止させ、ユーザから前記自立運転モードの起動操作を受け付けることを契機に前記自立運転モードを起動させることを特徴とする項目３に記載の蓄電システム（１）。
ユーザから自立運転モードの起動操作がない場合、パワーコンディショナ（５０）及び複数のＤＣ−ＤＣコンバータ（２０）をシャットダウンさせることにより、無停電電源装置（６０）の蓄電池（６２）の容量がなくなることを回避できる。

１ 蓄電システム、 ２ 系統電源、 ３ 交流経路、 ４ 負荷、 ５ 直流経路、 １０ 蓄電モジュール、 ２０ ＤＣ−ＤＣコンバータ、 ３０ 統括管理装置、 ３５ 蓄電池管理装置、 ４０ ＡＣ−ＤＣコンバータ、 ５０ 双方向パワーコンディショナ、 ６０ 無停電電源装置、 ６１ ＡＣ−ＤＣコンバータ、 ６２ 蓄電池、 ６３ スイッチ、 ６４ ＤＣ−ＡＣコンバータ、 ６５ 交流バイパス経路、 ６６ 経路切替スイッチ、 ７０ 操作部。

Claims (4)

1. 交流側が系統に接続されるパワーコンディショナと、
   前記パワーコンディショナの直流側に並列に接続される複数の蓄電モジュールと、
   前記パワーコンディショナの直流側と、前記複数の蓄電モジュールとの間にそれぞれ挿入される複数のＤＣ−ＤＣコンバータと、を備え、
   前記複数のＤＣ−ＤＣコンバータの動作電源を無停電電源装置から供給し、
   前記無停電電源装置には、前記系統と前記パワーコンディショナ間の交流経路から交流電力が供給され、前記複数の蓄電モジュールから直流経路を介して直流電力が供給されないことを特徴とする蓄電システム。
2. 前記無停電電源装置は蓄電装置を含む、交流入力および交流出力の装置であり、
   前記蓄電システムは、
   前記無停電電源装置から出力される交流電圧を直流電圧に変換し、前記複数のＤＣ−ＤＣコンバータに供給する少なくとも１つのＡＣ−ＤＣコンバータをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の蓄電システム。
3. 前記パワーコンディショナ及び前記複数のＤＣ−ＤＣコンバータに動作指示を通知する管理装置をさらに備え、
   前記管理装置は、前記系統が停電してから設定期間が経過しても、前記系統と連系せずに自立的に運転する自立運転モードが起動していない場合、前記パワーコンディショナ及び前記複数のＤＣ−ＤＣコンバータをシャットダウンさせることを特徴とする請求項１または２に記載の蓄電システム。
4. 前記管理装置は、前記系統が停電したとき、前記パワーコンディショナ及び前記複数のＤＣ−ＤＣコンバータの動作を一時停止させ、ユーザから前記自立運転モードの起動操作を受け付けることを契機に前記自立運転モードを起動させることを特徴とする請求項３に記載の蓄電システム。

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