JP6693545B2 - 電力管理システム、蓄電池搭載機器、emsコントローラ及び電力管理サーバ - Google Patents

電力管理システム、蓄電池搭載機器、emsコントローラ及び電力管理サーバ Download PDF

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Description

本明細書によって開示される発明は、電力管理システム及びこれと連携する蓄電池搭載機器に関する。
情報処理技術を駆使して電力需給を最適制御する電力管理システム(EMS:Energy Management System)が近年急速に発展している。この電力管理システムにおいて、リチウムイオン電池等の高性能蓄電池を搭載した蓄電池搭載機器は重要な役割を果たすことができる。蓄電池搭載機器として例えば無停電電源装置があり、これは電力系統の停電時に蓄電池から負荷装置に交流電力を供給するバックアップ電源として機能するよう設計されている。この無停電電源装置を、電力管理システム内に組み込んで連携させることができる。例えば、無停電電源装置が持つ特定の負荷装置のバックアップ時間分を除く蓄電池の余剰電力を、例えば昼間の電力使用量のピーク時に放電させることで、電力管理システムが管理する負荷装置群に対して電力系統から供給する電力ピークを平準化することができる。このような電力管理システムは、例えば特表2008−544735公報に開示されている。
一方、無停電電源装置の制御装置は、通常時に蓄電池に所定の電力容量を維持するように充電動作を行い、停電発生時には蓄電池から放電して負荷に交流電力を供給するという放電動作を行うための所定の充放電アルゴリズムを備えている。従来の無停電電源装置がネットワークに接続されるとしても、それは運用監視を主目的としていた。例えば、電流・電圧の計測情報、停電検出情報、蓄電池の充電情報等を無停電電源装置側に蓄積しておき、例えば管理者の管理コンピュータのウェブブラウザから、無停電電源装置の制御装置に設定されているウェブサーバーにアクセスして無停電電源装置の状態を確認したり、無停電電源装置の状態が変化したりしたときに電子メール機能によって管理者にメールを送信するのである。
このため、先の公報に記載の技術のように無停電電源装置を電力管理システムに連携させようとすると、電力管理システムのサーバ側から無停電電源装置の動作を制御する必要がある。
特表2008−544735号公報
電力管理システムのサーバがそれと連携する無停電電源装置等の蓄電池搭載機器の充放電アルゴリズムを決定するのは適切な面もある。電力管理システムのサーバは各負荷装置の状況や電力系統の状況を把握しているから、負荷装置の種類・容量、昼夜・季節等の使用条件或いは電力制御目的に応じて、各蓄電池搭載機器の充放電アルゴリズムをどのようにすれば電力管理システムの管理範囲の全体最適な制御となるかを決定できるからである。
しかしながら、EMSコントローラは本来的に空調や照明等の負荷装置をきめ細かく制御するタスクを実行しなくてはならないから、その中で蓄電池搭載機器の充放電制御が追加されると、電力管理システムのサーバの処理負担は極めて大きくなる。特に、電力管理システムが管理範囲内で多数の蓄電池搭載機器と連携している場合には顕著となる。
しかも、電力管理システムが蓄電池搭載機器の充放電を制御しているときに、万が一、ネットワークに障害が発生すると充放電制御に失敗し、その結果、電力制御が行われなくなる危険がある。
そこで本明細書は、電力管理システム側の処理負担をできるだけ軽減でき、通信障害の発生にも強い電力管理システムと連携する蓄電池搭載機器の制御装置に関する技術を開示する。
本明細書によって開示される技術は、電力系統に接続された負荷装置と、前記電力系統に接続された蓄電池及びその蓄電池の充放電を所定の充放電アルゴリズムに従って制御する充放電制御装置を備えた蓄電池搭載機器とをネットワークを介してEMSコントローラに接続した電力管理システムにおいて、前記電力管理システムは、工場全体の電力負荷を管理するFEMS、家庭内の電力機器を管理するHEMS、街や地域の電力機器を管理するCEMS、ビル全体や商業施設の電力機器を管理するBEMSの少なくともいずれかであり、前記EMSコントローラは前記蓄電池搭載機器の前記充放電アルゴリズムを、前記ネットワークを介して前記充放電制御装置に送信し、前記充放電制御装置は送信された前記充放電アルゴリズムを保持し、これに従って前記蓄電池の充放電動作を行う電力管理システムである。
また、電力系統に接続された蓄電池及びその蓄電池の充放電をアルゴリズム記憶部に記憶された充放電アルゴリズムに従って制御する充放電制御装置を備えた蓄電池搭載機器であって、深夜電力によって充電した電力を昼間に放電させて電力需要の平準化を図るピークシフト用の前記蓄電池搭載機器、及び、昼間に太陽電池出力によって充電し、夜間に放電する太陽電池用の前記蓄電池搭載機器のいずれかであり、前記電力系統に接続された複数の負荷装置を制御するための電力管理システムのネットワークに接続するためのネットワークインターフェースと、前記電力管理システムから前記ネットワークを介して送信された充放電アルゴリズムを前記アルゴリズム記憶部に記録するアルゴリズム更新部と、所定の条件が満たされない場合に、前記電力管理システムに対して前記充放電アルゴリズムを要求する信号を送信するアルゴリズム修正要求部と、を備える蓄電池搭載機器も本明細書に開示されている。
また、電力系統に接続された負荷装置と、前記電力系統に接続された蓄電池及びその蓄電池の充放電を所定の充放電アルゴリズムに従って制御する充放電制御装置を備えた蓄電池搭載機器とがネットワークを介して接続されるEMSコントローラにおいて、前記蓄電池搭載機器の前記充放電アルゴリズムを、前記ネットワークを介して前記充放電制御装置に送信し、前記充放電制御装置は送信された前記充放電アルゴリズムを保持し、これに従って前記蓄電池の充放電動作を行い、所定の条件が満たされない場合に、前記充放電制御装置により、前記充放電アルゴリズムを要求する信号が送信されるとともに、所定の条件が満たされた際に、前記充放電アルゴリズムを前記充放電制御装置に送信するEMSコントローラも本明細書に開示されている。
また、蓄電池の充放電を所定の充放電アルゴリズムに従って制御する充放電制御装置がネットワークを介してEMSコントローラに接続した電力管理システムにおいて、前記EMSコントローラは前記充放電アルゴリズムを、前記ネットワークを介して前記充放電制御装置に送信し、前記充放電制御装置は送信された前記充放電アルゴリズムに従って前記蓄電池の充放電動作を行い、前記充放電制御装置は、所定の条件を満たすか否かを判断する電力管理システムも本明細書に開示されている。
本明細書によって開示される技術によれば、電力管理システムのサーバ側の処理負担を軽減でき、通信障害の発生に対しても強くすることができる。
電力管理システムの構成を示すブロック図 無停電電源装置の構成を示すブロック図 ネットワークユニットの構成を示すブロック図 充放電アルゴリズムの配布ルーチンを示すフローチャート 充放電アルゴリズムの更新ルーチンを示すフローチャート
実施形態を図1ないし図5を参照して説明する。
交流の電力系統10に複数台の負荷装置11〜14が接続されている。負荷装置11,12としては電力系統10の停電に対して電力のバックアップを必要とするサーバ機器を例示でき、負荷装置13,14としては空調機器や照明機器等の一般的な負荷装置を例示できる。負荷装置11,12は、電力バックアップのためそれぞれ蓄電池搭載機器に相当する無停電電源装置20(以後、「UPS20」と称する)を介して電力系統10に連なる。
2台のUPS20及び負荷装置13,14は、ネットワーク30を介してEMSコントローラ31に接続され、後に詳述するように電力管理サーバ32による制御されるEMSコントローラ31によってそれらの動作が制御される。なお、電力管理サーバ32は、各負荷装置11〜14及びUPS20の動作に関する情報のデーターベースを有しており、それに基づいて実際の電力需給状態に応じて負荷装置の最適な運用態様を解析し、その解析結果に基づいてEMSコントローラ31がUPS20,負荷装置13,14に動作指令を出力する。
UPS20は、図2に示すように、電力系統10からの交流を整流器21によって整流し、双方向コンバーター22を介してリチウムイオン電池等の蓄電池23を充電する。蓄電池23に蓄えられた電力は、双方向コンバーター22を介してインバータ24に与えられ、交流電力に変換されてインバータバイパススイッチ25を介して負荷装置11,12に与えられる。
UPS20内の構成要素である整流器21、双方向コンバーター22、インバータ24及びインバータバイパススイッチ25はUPS制御回路26によって制御される。電力系統10が正常に電力を供給している場合には、蓄電池23が所定の容量を維持するように充電すると共にインバータ24からの交流電力を負荷装置11,12に供給する。蓄電池23の容量は、例えば蓄電池23の電圧・内部抵抗等の情報からUPS制御装置26が演算する。従って、このUPS制御装置26が蓄電池23の充電容量を取得する充電容量取得部として機能する。なお、UPS制御装置26では、蓄電池23を構成する全ての単位セルについて、所定時間毎に電圧、電流、温度を取得し、UPS20の動作状況と共に図示しないメモリーに記録するようになっている。
一方、電力系統10の停電が検出されると、UPS制御装置26は、蓄電池23に充電されている直流電力を、双方向コンバーター22を介してインバータ24に供給することで交流電力を負荷装置11,12に継続して供給する。このように、このUPS制御装置26は、蓄電池23の充放電を所定の充放電アルゴリズムに従って制御する機能を備える。その充放電アルゴリズムは、UPS制御装置26のメモリーと後述するネットワークユニット40に設けられているアルゴリズム記憶部に相当する記憶部41に記録されている。なお、インバータバイパススイッチ25は例えばUPS20の点検作業時にインバータ24を停止させる場合に、電力系統10の電力を負荷装置11,12に直接的に供給するように切り換えられる。
UPS20には、UPS20を前述のネットワーク30に接続するためのネットワークユニット40が備えられている。このネットワークユニット40は、詳細には図3に示す構成で、前述の記憶部41,ネットワークインターフェース42,主演算部43及び拡張インターフェース44を備える。ネットワークインターフェース42は、EMSコントローラ31がつながるネットワーク30に有線接続するためのコネクタ(図示せず)を有する。
拡張インターフェース44は無線LANであるWi−Fi(登録商標)又はブルートゥース(登録商標)等の無線通信回線及び/又はUSB、RS232C等の有線通信回線のためのインターフェースである。この拡張インターフェース44は例えば保守点検用の携帯情報端末50を接続するためのもので、ネットワーク30とは切り離された独立の通信回線を確立する。
記憶部41には、前述したUPS制御装置26の充放電アルゴリズムを記憶する領域だけでなく、主演算部43の各種機能を実行するプログラムが格納されている。例えば、UPS制御装置26において取得した蓄電池23のセル毎の動作状況を記憶部41に転送するプログラム、それらの情報を管理するログファイルプログラム、動作情報をHTTP/HTTPSベースのユーザインターフェースとして提供するためのWEBサーバープログラム、遠隔監視のためのSNMP(Simple Network Management Protocol)プログラム、拡張インターフェース44を介して携帯情報端末50との間で通信する通信制御プログラム、UPS20側で異常や停電を検出した場合に電子メールを送信するメール送信プログラム等が記憶部41に記録されている。
さて、UPS20では、予め記憶部41に記憶されている充放電アルゴリズムに従い、UPS制御装置26が蓄電池23の充電及び放電を制御する。
電力管理サーバ32は、図4に示す充放電アルゴリズムの配布ルーチンを実行し、まず、所定の条件(第二の所定の条件)を満たすか否かを検証する(S100)。所定の条件(第二の所定の条件)を満たすか否かは、例えば、季節の変化に起因して空調機の稼働変化により電力需要が変化したか否かによって判断される。例えば、電力需要が低下したり、電力需要に変化がなかったりして所定の条件を満たさない場合(No)には、所定の条件が満たされるか否かの検証に戻り、電力需要が増加して所定の条件を満たす場合(Yesの場合)には、電力管理サーバ32が新たな充放電アルゴリズムを生成する(S101)。新たな充放電アルゴリズムとしては、例えばUPS20の蓄電池23から取り出し可能な電力量(すなわち残容量)と、このUPS20につながる負荷装置11のバックアップに要する電力量との差分(余剰電力量)を負荷装置11に供給するための動作手順が例示される。
なお、所定の条件を満たすか否かは、電力需要が変化したか否かの検証だけではなく、例えば、新規にUPSを設置したか否か、電気料金など電力の料金体系が変更になることで現状よりも効率のよい電力制御条件が生じたか否か、計画停電など停電の要求があったか否か、使用電力の目標値を超えないように制御する、いわゆるデマンドコントロールの要求があったか否か、電力会社による電力の買い取り(ネガワット取引)の条件が変更されたか否かなど、種々の条件を満たすか否かで判断される。所定の条件を満たす場合(Yesの場合)には、例えば、管理サーバ32に予め格納されている新規UPS用の充放電アルゴリズム、新料金体系や計画停電などに合わせた充放電アルゴリズムなどが新たな充放電アルゴリズムとして生成される(S101)。
そして、電力管理サーバ32は生成した新たな充放電アルゴリズムをEMSコントローラ31に送信し(S102)、EMSコントローラ31からUPS20のネットワークユニット40にその充放電アルゴリズムを、ネットワーク30を介して送信する(S103)。
すると、ネットワークユニット40では、主演算部43が新しい充放電アルゴリズムを記憶部41に格納した上で、図5に示す充放電アルゴリズムの更新ルーチンを実行する。つまり、主演算部43が、充放電アルゴリズムを記憶部41に記録するアルゴリズム更新部としても機能する。まず、主演算部43において、所定の条件(第一の所定の条件)を満たすか否か判断することにより、新しい充放電アルゴリズムが実行可能であるか否かを検証する(S201)。所定の条件を満たすか否かは、例えば蓄電池23に充電されている上述の余剰電力量が、負荷装置11の運転継続に必要な電力量を上回るか否かで判断する。このように主演算部43は、電力管理システムであるEMSコントローラ31からネットワーク30を介して送信された新しい充放電アルゴリズムを、充電容量取得部によって取得されている蓄電池23の残容量を参照して実行すべきか否かを判断するアルゴリズム検証部としても機能する。
ステップS201において、蓄電池23の余剰電力量が、負荷装置11の運転継続に必要な電力量を上回ることで所定の条件が満たされ、新たな充放電アルゴリズムが実行可能と判断された場合には、ステップS202に移行して、その充放電アルゴリズムを実行する。
しかしながら、ステップS201において、例えば、蓄電池23の余剰電力量が、負荷装置11の運転継続に必要な電力量を下回るなど、所定の条件(第一の所定の条件)が満たされず、新たな充放電アルゴリズムが実行不能と判断された場合には、ステップS203に移行する。主演算部43は、EMSコントローラ31に対してネットワーク30を介して実行不能である理由を返すと共に充放電アルゴリズムの修正を要求する(S203)。つまり、主演算部43は、充放電アルゴリズムの修正を要求するアルゴリズム修正要求部としても機能する。そして、EMSコントローラ31は電力管理サーバ32に対してその信号を送信し(S204)、電力管理サーバ32における充放電アルゴリズムの配布ルーチン(図4)に戻る。
なお、充放電アルゴリズムの修正を要求するための所定の条件を満たすか否かの判断は、蓄電池23の余剰電力量が負荷装置11の運転継続に必要な電力量が上回るか否かの判断だけでなく、例えば、UPSの故障交換や増設など記憶部41の充放電アルゴリズムが更新されているか否か、サイクル放電回数が基準値を超えていないか否かなど、種々の条件によって判断される。そして、所定の条件が満たされない場合には、アルゴリズム修正要求部としての主演算部43が、EMSコントローラ31に対して充放電アルゴリズムの修正を要求する信号を送信する。
このため、電力管理サーバ32は実行不能である理由を参照して新たな充放電アルゴリズムを生成する(S101)。そして、ステップS102,S103を経由するから、生成された新たな充放電アルゴリズムがネットワークユニット40に送り込まれてネットワークユニット40においてアルゴリズムの更新ルーチンが再び実行される。この結果、UPS20は、電力管理サーバ32にて生成された実行可能な新たな充放電アルゴリズムに基づいて運転されることになる。
このように本実施形態によれば、電力管理サーバ32は各負荷装置11〜14の状況や電力系統10の状況を把握しているから、負荷装置11〜14の種類・容量、昼夜・季節、故障・更新等の使用条件や使用環境或いは電力制御目的に応じて、電力管理システムの管理範囲の全体最適となる充放電アルゴリズムを生成することができる。しかも、電力管理サーバ32はいったんその充放電アルゴリズムを生成すれば、ネットワーク30を介してUPS20を直接制御するのではなく、ネットワークユニット40の記憶部41に新しい充放電アルゴリズムを送り込んで、UPS20における独立制御に任せることができるから、EMSコントローラ31側の処理負担は極めて小さくなる。また、新しい充放電アルゴリズムをネットワークユニット40に送り込んだ後なら、万が一ネットワーク30に障害が発生したとしても、UPS20は引き続き電力管理システムによる電力制御を可能な態勢を維持できる。
さらに、本実施形態では、電力管理サーバ32において生成した新しい充放電アルゴリズムを、UPS20の運用状況を十分に把握しているネットワークユニット40においてその妥当性を検証し、その充放電アルゴリズムが実行不能である場合には、アルゴリズム修正要求部である主演算部43がEMSコントローラ31にアルゴリズムの修正要求を出力して新しい充放電アルゴリズムを再作成させるようにしているから、各UPS20の状況に適合した安全で安定した動作を実現することができる。
<他の実施形態>
(1)上記実施形態では、蓄電池搭載機器として無停電電源装置を例示したが、これに限られず、例えば深夜電力によって充電した電力を昼間に放電させて電力需要の平準化を図るピークシフト用の蓄電池搭載機器や、昼間に太陽電池出力によって充電し、夜間に放電する太陽電池用の蓄電池搭載機器であってもよい。
(2)上記実施形態では、蓄電池がリチウムイオン電池からなる例を示したが、これに限らず、鉛蓄電池やニッケル水素電池等の各種の二次電池が利用できることはもちろんである。鉛蓄電池を使用した場合には,例えば電池モジュール毎に電池の電圧、電流、温度等の管理情報を取得することもできる。
(3)上記実施形態では、説明の簡略化のために電力管理システムが4台の負荷装置11〜14を管理する構成を例示したが、これに限らず、電力管理システムが工場全体の電力負荷を管理するFEMS(Factory Energy Management System)、家庭内の電力機器を管理するHEMS(Home Energy Management System)、街や地域の電力機器を管理するCEMS(Community Energy Management System)、ビル全体や商業施設の電力機器を管理するBEMS(Building Energy Management System)に適用できることはもちろんである。
(4)上記実施形態では、EMSコントローラ31とは別に電力管理サーバ32を設けた構成例を示したが、これに限らず、EMSコントローラ31に電力管理サーバ32のデータ処理機能を与えて両者を一体化した構成としてもよい。或いは、複数のEMSコントローラを、ネットワークを介して電力管理サーバに接続した大規模な電力管理システムに適用しても良い。
(5)上記実施形態では、UPS20として、常時インバータ24から負荷装置に電力を供給するタイプのものを示したが、通常時は電力系統から負荷装置に電力を供給し、電力系統の停電時にインバータからの電力を負荷装置に供給するように切り換えるタイプのものも使用できることはもちろんである。
10:電力系統
11〜14:負荷装置
20:無停電電源装置(蓄電池搭載機器)
23:蓄電池
26:UPS制御装置(充電容量取得部)
30:ネットワーク
31:EMSコントローラ
32:電力管理サーバ
40:ネットワークユニット
41:記憶部(アルゴリズム記憶部)
42:ネットワークインターフェース
43:主演算部(アルゴリズム更新部、アルゴリズム検証部、アルゴリズム修正要求部)

Claims (9)

  1. 電力系統に接続された負荷装置と、前記電力系統に接続された蓄電池及びその蓄電池の充放電を所定の充放電アルゴリズムに従って制御する充放電制御装置を備えた蓄電池搭載機器とをネットワークを介してEMSコントローラに接続した電力管理システムにおいて、
    前記電力管理システムは、工場全体の電力負荷を管理するFEMS、家庭内の電力機器を管理するHEMS、街や地域の電力機器を管理するCEMS、及び、ビル全体や商業施設の電力機器を管理するBEMSのいずれかであり、
    前記EMSコントローラは前記蓄電池搭載機器の前記充放電アルゴリズムを、前記ネットワークを介して前記充放電制御装置に送信し、前記充放電制御装置は送信された前記充放電アルゴリズムを保持し、これに従って前記蓄電池の充放電動作を行い、
    前記充放電制御装置は、所定の条件が満たされない場合に、前記EMSコントローラに対して前記充放電アルゴリズムを要求する信号を送信する電力管理システム。
  2. 電力系統に接続された蓄電池及びその蓄電池の充放電をアルゴリズム記憶部に記憶された充放電アルゴリズムに従って制御する充放電制御装置を備えた蓄電池搭載機器であって、
    前記蓄電池搭載機器は、深夜電力によって充電した電力を昼間に放電させて電力需要の平準化を図るピークシフト用、又は、昼間に太陽電池出力によって充電し、夜間に放電する太陽電池用であり、
    前記電力系統に接続された複数の負荷装置を制御するための電力管理システムのネットワークに接続するためのネットワークインターフェースと、
    前記電力管理システムから前記ネットワークを介して送信された充放電アルゴリズムを前記アルゴリズム記憶部に記録するアルゴリズム更新部と、
    所定の条件が満たされない場合に、前記電力管理システムに対して前記充放電アルゴリズムを要求する信号を送信するアルゴリズム修正要求部と、を備える蓄電池搭載機器。
  3. 電力系統に接続された負荷装置と、前記電力系統に接続された蓄電池及びその蓄電池の充放電を所定の充放電アルゴリズムに従って制御する充放電制御装置を備えた蓄電池搭載機器とがネットワークを介して接続されるEMSコントローラにおいて、
    前記蓄電池搭載機器の前記充放電アルゴリズムを、前記ネットワークを介して前記充放電制御装置に送信し、
    所定の条件が満たされない場合に、前記充放電アルゴリズムを要求する信号を前記充放電制御装置より受信するEMSコントローラ。
  4. 請求項3に記載されたEMSコントローラを制御する電力管理サーバであって、
    前記充放電アルゴリズムを生成し、生成した前記充放電アルゴリズムを前記EMSコントローラに送信する電力管理サーバ。
  5. 請求項4に記載の電力管理サーバであって、所定の条件を満たすか否かを検証し、前記所定の条件を満たす場合には、前記充放電アルゴリズムを生成する電力管理サーバ。
  6. 蓄電池の充放電を所定の充放電アルゴリズムに従って制御する充放電制御装置がネットワークを介してEMSコントローラに接続される電力管理システムにおいて、
    前記EMSコントローラは前記充放電アルゴリズムを、前記ネットワークを介して前記充放電制御装置に送信し、
    前記充放電制御装置は、送信された前記充放電アルゴリズムが第一の所定の条件を満たすか否か判断し、
    前記第一の所定の条件を満たす場合に前記充放電制御装置は送信された前記充放電アルゴリズムに従って前記蓄電池の充放電動作を行う電力管理システム。
  7. 請求項6に記載の電力管理システムであって、前記充放電制御装置は、前記第一の所定の条件が満たされない場合に、前記EMSコントローラに対して前記充放電アルゴリズムを要求する電力管理システム。
  8. 請求項6又は請求項7に記載の電力管理システムであって、前記EMSコントローラは、第二の所定の条件が満たされた際に、前記充放電アルゴリズムを前記充放電制御装置に送信する電力管理システム。
  9. 請求項6から請求項8のいずれか一項に記載の電力管理システムであって、前記第一の所定の条件を満たすか否かは、前記蓄電池に充電されている余剰電力量が、負荷装置の運転継続に必要な電力量を上回るか否かを含む電力管理システム。
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