JP6792116B1 - 直流電力連系システム - Google Patents

Abstract

【課題】直流電力系統を有するパワーグリッドに用いる二次電池は、フローティング充電できることが望ましいが、フローティング充電を行うと、電池温度の上昇→電池内部抵抗の低下→充電電流の増加→電池温度のさらなる上昇、という悪循環を引き起こし、電池性能の劣化につながる。【解決手段】直流電力連系システムは、二次巻線を有するトランスと、前記二次巻線に接続された直流変換器および双方向インバータのいずれかと、前記直流変換器および双方向インバータのいずれかに接続され、水素ガスを封入し、水素を負極活物質とし、充電終了時の電圧と放電開始時の電圧が等しい水素電池とを備える。係る直流電力連系システムは、フローティング充電による電池性能の劣化が生じない。

Description

本発明は、二次電池を用いた直流のパワーグリッドに関し、詳しくは、直流電力により連系を行うことにより、系統の安定性を確保すると共に、電力の融通性を高め電力の需給調整を可能にする直流連系システムに関する。

再生可能エネルギーの導入を促進し、電力取引を活性化させる手段として、地域間での系統連系が提案されている。地域間で系統連系を行えば、電力の融通が行えるので、地域単位での電力不足が解消することが可能となる。交流電力による系統連系は、周波数が異なる地域間では、設備が複雑となるという問題がある。

交流電力は送電線が長くなると電力を安定して送ることが出来なくなるデメリットがある。交流送電における問題を解決する手段として直流連系が考えられる。すなわち、異なる電力系統を直流連系することにより、送電の安定性の問題を解決し、周波数の異なる電力系統を接続することが可能となる。

商用電源の電圧低下時に二次電池を用いて電圧低下を補償し、商用電源の発電量が十分に確保されているときに二次電池を充電して商用電源の不足に備える装置が提案されている（特許文献１）。すなわち、当該装置は商用電源の交流電力を直流に変換して二次電池を充電するインバータと、このインバータの交流出力端を交流負荷及び商用電源に接続するための系統連系保護装置とを有し、負荷がないときは交流出力端に印加される商用電源の交流電力をインバータによって直流に変換して二次電池を充電する。

直流連系に用いられる二次電池はフローティング充電が可能であることが望ましい。これは、電力不足が生じたときに二次電池が放電して電力を供給し、電力不足が解消したときに二次電池を充電して満充電状態を維持する必要があるからである。特許文献２に、複数のアルカリ二次電池を互いに接続した組電池の内部圧力を測定して、測定した電池の内部圧力に基づき充電制御を行うことにより、フローティング充電を可能にする充電方法が開示されている。

特許文献３には、二次電池に水素ガスを封入することにより、導電助剤が酸化することを防止して寿命特性の改善を図るとともに、フローティング充電が可能な二次電池が開示されている。

特開２０００−１６６１２４号公報 特開２０１０−４０２９７号公報 ＷＯ２０１５／１１８８９２号公報

電力の融通性を高め、資源の有効利用を図るために電力系統の連系を図ることが提案されている。交流電力の系統連系は、系統間での電力の需給を調整するために行われることが多い。例えば、大規模な太陽光発電所が運転停止をして電力不足が生じる場合、他の系統から電力の供給を受けることにより系統の大規模停電を防ぐことができる。しかし、単に連系線を接続するだけでは異なる系統間の連系をすることができない。系統連系をするには系統間の周波数調整が必要となるからであり、このため緊急時に対応することができない。

直流連系を行えば系統間の周波数調整の必要がなくなる。この様な場合に、フローティング充電が可能な二次電池は有効に利用することができる。すなわち、常時系統からの交流電力より二次電池を充電しておき、電力動揺等が生じた系統に速やかに二次電池から電力を供給して系統の安定性を確保する。このような場合において、二次電池は余剰電力を用いて満充電状態を維持しておけば、電力の有効利用を図ることが可能となる。

二次電池において、充電反応自体が発熱反応であるので、定電圧制御下で、微小な電流で継続的に充電することによって常に満充電の状態を保つ、いわゆるフローティング充電には適さないとされている。すなわち、二次電池でフローティング充電を行おうとすると、過充電による電池温度の上昇→電池内部抵抗の低下→充電電流の増加→電池温度のさらなる上昇、という悪循環を引き起こし、電池内部圧力の上昇や電池性能の劣化につながる。したがって、二次電池を、常に満充電状態に維持されることが要求される用途に適用するに際しては、過充電とならないよう十分な配慮が必要とされている。

自然エネルギーを利用した発電所、例えば太陽光発電所が天候の変化により発電量が低下して系統に電力不足が生じたとき、何らかの理由によりタイムリーに電力の供給がされないと、停電が発生することがある。自然エネルギーを利用した発電所を活用する上での課題といえる。

本発明が解決しようとする課題は、余剰電力の有効活用を図りつつ、周波数調整の必要がなく遅滞なく電力の融通が可能な電力連系システムおよび電力供給システムを提案することである。また、フローティング充電を行っても電池の性能の劣化しない二次電池を用いて直流連系を可能にすることである。

前記した目的を達成するために、本発明に係る直流電力連系システムは、複数の二次巻線を有するトランスと、前記二次巻線に接続され、水素ガスを封入し、水素を負極活物質とし、充電終了時の電圧と放電開始時の電圧が等しい二次電池を備えている。

この構成において、水素を封入した二次電池は、満充電に近づけば充電電流が減少し、ついには電池電位が充電電圧と等しくなるので、二次電池が損傷することなく満充電状態を維持することができる。さらには、フローティング充電には適さないとされている二次電池にあっても、水素を封入すればフローティング充電が可能となる。満充電状態を維持することが要求される用途に適用することが可能となる。

この構成の直流電力連系システムよれば、直流電力の需給を行うので周波数調整の必要がなく、不足電力が生じたときに即応できるので予期せぬ大規模停電を防ぐことができる。

本発明に係る直流電力連系システムは、複数の前記二次電池が直列に接続されている。この構成によれば、二次電池の仕様を選ぶことにより種々の電圧レベルの直流電源を得ることができる。

本発明に係る直流電力連系システムは、前記二次巻線と前記二次電池の間に電力変換器を更に備えている。また、本発明に係る直流電力連系システムは、前記電力変換器が双方向インバータおよび直流変換器のいずれかである。また、本発明に係る直流電力連系システムは、前記直流変換器がコンバータおよび整流器のいずれかである。

本発明に係る直流電力連系システムは、前記トランスは、前記二次巻線に共通の鉄心を有する。また、本発明に係る直流電力連系システムは、前記二次電池に、需要家および自然エネルギーを利用した発電所が接続されている。この構成によれば、自然エネルギーを利用した発電所の電力で二次電池を充電することができる。

本発明に係る直流電力連系システムは、前記二次電池の電圧が所定の値より大きいとき、前記双方向インバータを介して前記二次電池の電力を前記二次巻線に供給することができる。この構成によれば、放電余力のある二次電池で二次巻線を更に励磁して、他の二次巻線に接続された二次電池を充電することができる。

本発明に係る直流電力連系システムは、前記二次巻線と前記二次電池と前記電力変換器を備えた連系ユニットを複数有する連系ステーションが相互に結ばれている。また、この構成において、二次巻線と二次電池と電力変換器を備えた連系ユニットを複数有する２以上の連系ステーションが結ばれている。この構成によれば、異なる連系ステーションの二次電池間で電力の需給を行うことができる。

本発明に係る直流電力連系システムは、前記連系ステーションが前記二次電池を備えていない連系ユニットを含んでいる。

本発明に係る直流電力連系システムは、前記双方向インバータが自励式動作に変更可能となっている。この構成によれば、トランスの一次側の系統が遮断した場合、他励式で動作していた双方向インバータを自励式にすることにより一次側の系統に電力を供給することが可能になる。

本発明に係る直流電力系統は、交流電力系統からの交流電力を直流電力に変換する電力変換装置と、前記電力変換装置からの電流で充電され、水素ガスを封入し、水素を負極活物質とし、充電終了時の電圧と放電開始時の電圧が等しい二次電池を備えていて、前記交流電力系統の周波数が所定の値より大きいとき前記電力変換装置の出力電圧を大きくする。

上記の直流電力連系システムを用いたパワーグリッドによれば、電力系統の切替え時に周波数調整の必要がないので、電力不足に対して即応性のある対応ができる。また、自然エネルギーを利用した発電所の過発電に際して二次電池が充電して対応するのでエネルギーの有効利用を図ることができる。更に、逆潮が可能なので、系統の電力の需給バランスが崩れたとき、他エリアから電力の供給を容易に受けることができる。

水素電池の電圧特性と温度特性を示す図である。 水素電池のフローティング充電時の電圧特性を示す図である。 水素電池の放電時の電圧特性を示す図である。 水素電池のＳＯＣ特性図である。 直流電力連系システムの中核的要素の連系ステーションの第１実施形態を模式的に示す図である。 双方向インバータの制御特性の例を示す図である。 電力系統を直流連系したときの接続例を模式的に示す図である。 異なるエリア間における直流連系を模式的に示す図である。 ３以上の異なるエリア間における直流連系を模式的に示す図である。 連系ステーションの第２実施形態を模式的に示す図である。 連系ステーションの第３実施形態を模式的に示す図である。

以下、本発明に係る一実施形態を説明するが、本発明は下記実施形態に限定されるものではない。

本発明の各実施形態について説明するのに先立ち、本発明が適用される二次電池として水素電池を例に取り説明する。なお、二次電池のタイプは負極活物質が水素であればよく水素電池に限定されるものでない。

集電体は、電気伝導性が高く、保持した電極材料に通電し得る材料であれば特に限定されない。正極集電体は、電解液中の安定性と耐酸化性の観点からＮｉが好ましい。なお、鉄にニッケルを被覆したものを用いてもよい。負極集電体は、電解液中の安定性と耐還元性の観点からＮｉが好ましい。なお、鉄にニッケルやカーボンを被覆したものを用いてもよい。

集電体の形状としては、線状、棒状、板状、箔状、網状、織布、不織布、エキスパンド、多孔体、エンボス体又は発泡体があり、このうち充填密度を高めることができること、出力特性が良好なことから、エンボス体又は発泡体が好ましい。

正極材料は、酸化金属が好ましい。例えば、酸化銀、二酸化マンガン、オキシ水酸化ニッケルがあげられる。負極材料としては、水素吸蔵合金、白金、パラジウムがあげられる。このうち、水素貯蔵容量、充放電特性、自己放電特性およびサイクル寿命特性の観点から、ＡＢ５型の希土類−ニッケル合金である、ＭｍＮｉＣｏＭｎＡｌのミッシュメタルを含んだ５元系合金であることが好ましい。あるいは、超格子水素吸蔵合金といわれるＬａＭｇＮｉ系であることが好ましい。なお、これら合金は１種又は２種以上を用いてもよい。

導電助剤は、活物質に導電性を付与し、その利用率を高めるためのものである。導電助剤は、放電時に電解液に溶出することなく、かつ、水素で還元されにくい炭素材料であることが好ましい。正極に用いる導電助剤はグラファイト化したソフトカーボンがより好ましい。

正極材料、結着剤、および、導電性粉末を混合してペースト状に混練する。このペーストを、集電体に塗布または充填し、乾燥させる。その後、ローラープレスで集電体を圧延することにより、正極を作製する。同様に、負極材料、結着剤、および、導電性粉末を混合してペースト状に混練する。このペーストを、集電体に塗布または充填し、乾燥させる。その後、ローラープレスで集電体を圧延することにより、負極を作製する。

結着剤としては、例えば、ポリアクリル酸ソーダ、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）、エチレン−ビニルアルコール、エチレン酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、フッ素系樹脂、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレン共重合体（ＳＥＢＳ）を含むものが挙げられる。

また、結着剤としてポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を使用してもよい。ＰＴＦＥは、水素により還元されにくく、水素雰囲気中で長期間使用しても劣化が進みにくく、長寿命が期待できる。

負極材料、結着剤、および、導電助剤の合計を１００重量％とした場合、負極に配合される結着剤の重量比は、２０重量％以下に設定するのが好ましく、１０重量％以下に設定するのがより好ましく、５重量％以下に設定するのがさらに好ましい。結着剤は電子伝導性とイオン伝導性に乏しく、結着剤の割合が２０重量％を超えると高容量化を図ることが困難になる。正極材料、結着剤、および、導電助剤の合計を１００重量％とした場合、正極に配合される結着剤の重量比は、２０重量％以下に設定するのが好ましく、１０重量％以下に設定するのがより好ましく、５重量％以下に設定するのがさらに好ましい。

電解質は、水素を活物質とする電池で用いられるものであれば特に限定されないが、例えば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）などの塩を水に溶かしたものが好適である。電池の出力特性の観点から、電解液は水酸化ナトリウム水溶液であることが好ましい。

セパレータとしては、水素を活物質とする電池に用いられる公知のものが使用できる。セパレータの形状としては、微多孔膜、織布、不織布、圧粉体が挙げられ、このうち、出力特性と作製コストの観点から不織布が好ましい。セパレータの材質としては、特に限定されないが、耐アルカリ性、耐酸化性、耐還元性を有することが好ましい。具体的にはポリオレフィン系繊維が好ましく、例えば、ポリプロピレンもしくはポリエチレンが好ましい。この他に、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミド、ポリアミドイミド、アラミドの材料が挙げられる。また、これらのセパレータにセラミックスを被覆し、耐熱性、親液性、ガス透過性を向上させたセパレータであってもよい。

ポリオレフィン系繊維は疎水性であるので、親水処理する必要がある。水素ガス雰囲気中で使用する場合は、フッ素ガス処理を施したセパレータが好ましい。また、金属酸化物をセパレータの表面に塗布もしくは被覆したセパレータが好ましい。

フッ素ガス処理もしくは金属酸化物の塗布により、親水性を付与したセパレータは、水素ガス中で使用しても、水素により親水性が失われにくく、長寿命が期待できる。
フッ素ガス処理は、例えば、不活性ガスで希釈したフッ素ガスに、気密空間の中で不織布をさらすことにより不織布の繊維表面を親水化することができる。また、金属酸化物としては例えば、チタン酸化物、ジルコニア、酸化イットリウム、ハフニウム酸化物、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化スカンジウムが挙げられる。このうち、ジルコニア（ＺｒＯ_２）もしくは酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）が好ましい。金属酸化物は親水性を有しており、かつ、水素により劣化しにくいので長期にわたって親水性を保持し、電解液のドライアウトを抑制することが可能である。

負極と正極を、予め電解液を含浸させたセパレータを介して重ね合わせて電池の外装体に収納した後に、密閉して電池を組立てる。電池の組立完了後に、電解液および水素ガスの供給口から真空引きして、電池内部の空気を排除する。次に、４ＭＰａの水素ガスタンクを電池の供給口に接続して、電池内部に水素ガスを封入する。この時点で、負極は水素ガスにより化学的に充電されて満充電の状態となる。好ましくは、電池としては正極規制とされている。

電池に供給された水素ガスは、電池内部の隙間に保持されるので、水素貯蔵室のような特別な空間を必要としない。水素ガスを保持するために電池の寸法は大きくならない。そして、正極で発生する酸素は、直ちに正極の空隙に保持されている水素ガスと結合して水となるので、正極に含まれる導電剤が酸化されることはない。また、正極外に漏れだした酸素は、電池に封入された水素ガスおよび水素吸蔵合金に保持された水素と結合するので、水素吸蔵合金は酸化されることがない。

負極は満充電状態にあるので、充電を行えば負極から水素ガスが発生する。電池は密閉構造を採用しているので、充電が進むにつれて、電池に封入された水素ガスに発生水素ガスが加わり、電池内部の水素ガス濃度は上昇する。電池内部の水素ガス濃度の上昇につれて負極の電位は低下すること（負側に大きくなること）は、ネルンストの式に示す通りである。
ここにネルンストの式は、Ｖ＝Ｖ０+αlog(c1/c2)であって、Ｖ；電極電位、Ｖ０；標準電極電位、α；定数、c1/c2；濃度比である。
水素ガスの発生につれて電池の端子電圧は緩やかに上昇し、ついには直流電源の充電電圧と等しくなり、充電電流は流れなくなって、充電は停止する。すなわち充電電圧に対応した満充電状態となり、充電電流は流れなくなり、充電は停止する。

本発明の実施に用いた水素電池で組電池を構成して、フローティング充電後の放電特性と電池温度を測定し、その結果を図１に示す。図中曲線(1)は組電池の電圧である。良好な放電特性を示していることが分かる。図中曲線(2)は電池内部の各部の温度であり、曲線(3)は測定時の室温である。電池温度にばらつきが見られず、温度は室温とほぼ等しく、電池温度はほとんど上昇していないことが分かる。これは、電池内部で発生する熱が速やかに外部に放出されているからである。

本発明の実施に用いた水素電池について、充電電圧をパラメータにとり、フローティング充電を行ったときの充放電電圧の特性曲線を図２Ａ，２Ｂに示す。試験は所定の充電電圧で２４時間充電を行い、充電終了後に３Ｃ放電させて電池電圧が１Ｖになったときに測定を終了した。

図２Ａは充電特性であり、縦軸は電池電圧をＶ単位で示してあり、横軸はＳＯＣ（State of Charge）であり％単位で示してある。充電が進むにつれて、水素ガスが発生して電池内部の水素ガス濃度が上昇し、起電圧が上昇して、電池電圧は大きくなる。電池電圧が上昇して充電電圧と等しくなると充電電流は流れなくなる。これは水素電池の第１の特徴といえる。このことから水素ガスが封入された水素電池はフローティング充電による悪循環が生じることがないことが立証される。なお、曲線(1)(2)(3)(4)で示すいずれの電圧特性も充電開始後まもなく満充電となり、充電電圧に相当する電圧で充電を終えている。これは、水素電池の第１の特徴といえる。

図２Ｂは放電特性であり、縦軸は電池電圧をＶ単位で示してあり、横軸はＤＯＤ（Depth of Discharge）であり％単位で示してある。ＤＯＤが０％において充電終了状態から放電に切り替えたときの電池電圧の推移が充電時の電圧曲線と併せて表示されている。

水素電池の第２の特徴は、充電を終了した電圧から放電が開始していることである。すなわち、充電終了時の電圧から放電が開始していることは図２Ｂに示すとおりである。もっとも、充電から放電に切り替わる際に、酸化還元反応の切り替わりに起因する電圧の低下がみられることはあるがその程度はわずかである。なお、従来のニッケル水素電池では、放電開始電圧は充電終止電圧に等しくない。

ここに充電終了時とは正確には充電を単に停止した時のことでないことに留意しなければならない。充電終了時とは、寿命を犠牲にしない限度で出来るだけ多く充電をし終えた時である。本発明の水素電池では、理論的には充電電流が流れなくなって充電が終了する。実際には満充電に近づくにつれ微小電流が流れ続けるので充電電流がゼロになるには時間を要す。また、放電開始電圧とは、充電を終了した電池のそのままの状態における放電開始時の電圧である。したがって、その電池は、使用による放電や自然放電前の状態である。

図２Ａ、２Ｂに示す特性曲線は、正極材料にオキシ水酸化ニッケルを用いた場合における水素電池の例である。正極材料が酸化銀の場合の電極電位は、図２Ａに示す水素電池の電極電位より少し（０．２Ｖ程度）高くなり、二酸化マンガンの場合の電極電位は少し（０．２Ｖ程度）低くなる。

正極材料にオキシ水酸化ニッケルを用いた場合の電池のＳＯＣ特性線図を図３に示す。特性線図は横軸にフローティング電圧をＶ単位で、縦軸にＳＯＣを％単位で示してある。フローティング電圧とＳＯＣは、理論上、図３において破線で示すようなリニアな関係にある。ドットで示す点は測定結果であり、測定誤差の関係で若干理論値から外れている。この図から、電池の電圧を測定すれば、電池の充電状態（ＳＯＣ）を簡単に知ることができることが分かる。

電池のＳＯＣを測定する方法は従来より多く提案されているが、いずれも測定および計算方法が複雑であるものが多く、測定結果に誤差があるものが多い。しかし本発明で提案するフローティング充電が可能な電池においては、電池電位とＳＯＣの関係がリニアであり、理論的に求めることができるので、電池電位を測定することにより、容易に、かつ、正確に電池の充電状態（ＳＯＣ）を知ることができる。もっとも電位とＳＯＣの関係は正極材料に依存するので、正極材料に適合した理論値を準備しておく必要がある。

図４を用いて本発明に係る直流電力連系システムについて説明する。なお、以下の実施形態の説明において請求項の記載と合わせるために、特に断らない限り、水素電池を二次電池と称する。図４は直流電力連系システムの中核的要素をなす連系ステーションを模式的に表した図である。連系ステーション１０は、トランス１２、双方向インバータ１３および二次電池１４を主な構成要素としている。連系ステーション１０は、電力系統１１から交流電力の供給を受けて直流電力を出力する。トランス１２は、一次側に、高電圧の電力系統１１に接続されている一次巻線１２ａと、二次側に、複数の二次巻線１２ｂとを有している。また、トランス１２は、複数の二次巻線１２ｂに共通の鉄心１２ｃを有している。複数の二次巻線１２ｂにはそれぞれ双方向インバータ１３が接続されている。なお、電力系統１１は種々の発電所、変電所および需要家が送電線で結ばれた電力ネットワークを構成している。

双方向インバータ１３には二次電池１４が接続されており、双方向インバータ１３から出力される直流電流は二次電池１４の充電を可能にしている。二次巻線１２ｂ、双方向インバータ１３および二次電池１４が一つの連系ユニットを構成している。連系ステーション１０は多数の連系ユニットを有している。図４には３つの連系ユニットが具体的に示されているが、他の多数の連系ユニットも同様の構成を有している。

双方向インバータ１３の出力側に接続された二次電池１４は、互いに直列に接続されている。すなわち、一の双方向インバータ１３-１に接続された二次電池１４-１と、隣接する他の双方向インバータ１３-２に接続された二次電池１４-２とが直列接続されている。二次電池１４の電圧および電池容量は、それぞれ適宜選ぶことができるので、各連系ユニットは、種々の仕様に適合する直流電源とすることができる。

それぞれの連系ユニットの二次電池１４は、需要家１８に電力が供給可能となっている。また、２つの連系ユニットを接続した二次電池１４の両端には、自然エネルギーを利用した発電所である、太陽光発電所１６および風力発電所１７が接続されている（図４参照）。これら発電所からの直流電力は需要家１８に供給されると共に、二次電池１４を充電可能となっている。図４では単相交流を例に取り説明をしているが、三相交流にも容易に適用可能である。

二次電池１４は放電することにより需要家１８に電力を供給するが、太陽光発電所１６および風力発電所１７並びに電力系統１１からの電力により逐次充電され満充電状態を維持している。すなわち、二次電池１４は負荷である需要家１８に電力を供給しつつフローティング充電されている。

太陽光発電所１６および風力発電所１７が天候の影響を受けて発電電力が急減したとき、二次電池１４から電力を供給することにより発電電力の急減を緩和する。二次電池１４は応答性に優れており、かつ、交流連系のような周波数調整の必要がないので電力の需給調整に即応性があり、系統の電源品質を確保することができる。

太陽光発電所１６および風力発電所１７が所定の発電能力を上回る発電を行った場合、この余剰電力は二次電池１４に蓄えられたり、系統に戻されたりして有効に利用される。以下これらについて説明する。

一の二次電池１４-１が所定の電圧以上のとき、一の二次電池１４-１の電流は一の双方向インバータ１３-１で交流に変換されて一の二次巻線１２-１ｂに流れ、この電流により鉄心１２ｃはさらに励磁されて、他の二次巻線１２-２ｂの電圧は上昇し、これに接続されている他の二次電池１４-２は更に充電される。複数ある連系ユニットの一方の連系ユニットから、充電が十分でない連系ユニットの二次電池を充電することができ、連系ユニット間の充電状況のバランスが図られる。

太陽光発電所１６および風力発電所１７が発電過多となった場合、太陽光発電所１６および風力発電所１７からの直流電流は一の双方向インバータ１３-１で交流に変換されて一の二次巻線１２ｂ-１に流れ鉄心１２ｃはさらに励磁されて、一次巻線１２ａの電圧は上昇する。太陽光発電所１６および風力発電所１７からの余剰の電力を電力系統１１に逆潮流して電力系統１１に接続された需要家１８に電力を供給する。これにより、自然エネルギーを利用した発電所の電力を無駄にすることなく有効に利用することができる。

双方向インバータ１３は、例えば、図５に示すような制御特性を有していて、電力の向きが変更可能になっている。動作電圧が基準電圧Ｖ０より大きいとき順変換して交流電流から直流電流に変換して、基準電圧Ｖ０より小さいとき逆変換して直流電流から交流電流に変換する。基準電圧Ｖ０は変更可能な設定値であってもよく、別途定める制御変数を用いて調節してもよい。この制御変数として、例えば二次電池の電圧であってもよい。双方向インバータ１３の制御特性はパラメータを調節することにより変更することが可能である。例えば特性の傾きおよび基準電圧のパラメータは調節が可能である。独立変数（縦軸）は電圧であってもよく、周波数であってもよい。

図４において、連系ユニット数を増やすことにより種々の電圧の直流電源を得ることができる。例えば、４８Ｖ、１００Ｖ，７５０Ｖ，１０００Ｖおよび１５００Ｖの連系ユニットを設けることができる。４８Ｖの連系ユニットは通信設備の利用に供することができ、１００Ｖの連系ユニットは産業用、家庭用の利用に供することができる。７５０Ｖおよび１５００Ｖの連系ユニットは地下鉄や鉄道用に利用することができる。４８Ｖの連系ユニットを２０ユニット直列に接続すれば公称１０００Ｖの電源となり、太陽光発電の利用に用いることができる。全ユニットを直列に接続した最高電圧端と最低電圧端は、連系ステーション１０の出力端を構成し、連系線ＣＬを通じて他の系統と直接相互連系を図ることができる。

図６は２つの直流電力系統が連系線ＣＬにより連系している例を模式的に示す。すなわち、連系ステーション１０と連系ステーション２０は連系線ＣＬにより接続さているので、電力系統１１と電力系統２１とが連系線ＣＬを介して互いに連系している。

例えば、連系ステーション１０の双方向インバータ１３をコンバータとして作動させて、連系ステーション１０と連系線ＣＬにより結ばれた連系ステーション２０の双方向インバータ２３をインバータとして作動させれば電力系統１１から電力系統２１に送電することが可能となる。すなわち、電力系統１１と電力系統２１を連系させることが可能となる。

具体的には、電力系統１１の電圧が所定の値より大きく、電力系統２１の電圧が所定の値より小さいときに、双方向インバータ１３，２３の制御特性に従って自動的に電力系統１１と電力系統２１の間で電力の融通、調節を行うことが可能となる。電圧もしくは周波数が高い系統から低い系統に送電する。

電力系統１１が遮断されたとき、双方向インバータ１３を自励式に切り替えて、連系ステーション１０に接続された二次電池１４からの直流電力を交流電力に変換して、トランス１２を介して電力系統１１に送電することが可能である。なお、双方向インバータ１３は、通常時は、系統の周波数に同期する他励式で動作する。

電力系統１１の周波数を測定する周波数計がトランス１２の前段に設けられていて、電力系統１１の周波数が所定の値より大きくなると、それに応じて双方向インバータ１３の出力電圧を大きくする。つまり、電力系統に電力余剰が生じたときに二次電池１４の充電量を増やして電力の有効利用を図る。このときフローティング充電が可能な二次電池１４は有効に作用する。

直流電力連系システムを適用した交流の電力系統の連系の例を図７Ａ，７Ｂに示す。図７Ａは、２つの地域の電力系統が連系する様子を示す。図７Ａは、ある地域の交流電力系統１１ａと連系ステーション１０からなるＡエリア電力系統ＡＲと他の地域の交流電力系統２１ａと連系ステーション２０からなるＢエリア電力系統ＢＲとが連系線ＣＬで接続されて互いに連系している例である。例えば、Ａエリア電力系統ＡＲにおいて、連系ステーション１０の二次電池１４の電圧が低下すると、Ｂエリア電力系統ＢＲにある連系ステーション２０の双方向インバータ２３から出力される電流で連系ステーション１０の二次電池１４が充電される。

更に、消費電力と発電電力のアンバランスからＢエリア電力系統ＢＲにおける二次電池２４の電圧が所定の値よりも大きくなれば、Ａエリア電力系統ＡＲにある連系ステーション１０の双方向インバータ１３をコンバータ動作からインバータ動作に切り替えて、Ｂエリア電力系統ＢＲからＡエリア電力系統ＡＲに送電することができる。

図７Ｂは、複数の地域おける別の連系の例を示す図である。すなわち、電力系統３１ａと連系ステーション３０からなるＣエリア電力系統ＣＲ、電力系統４１ａと連系ステーション４０からなるＤエリア電力系統ＤＲおよびＡエリア電力系統ＡＲの３地域の電力系統が連系線ＣＬ１により結ばれて互いに連系している。なお、Ａエリア電力系統ＡＲとＢエリア電力系統ＢＲは連系線ＣＬ２により結ばれている。

日照が充分な地域（例えばＡエリア）の太陽光発電所の電力を日照が十分でない地域（例えばＢエリア）に送電すれば、電力の有効活用を図ることができる。すなわち、時刻と共に日照の状態が変化するに連れて、例えば、Ａエリア→Ｂエリア→Ｃエリア→Ｄエリアと切り替えて送電することが考えられる。

図７Ａは、例えば北海道と本州間の連系に適用可能である。この場合、北海道地域と本州地域間は電力の融通が可能となる。図７Ｂは、例えば北陸電力管内、東北電力管内および東京電力管内の連系に適用可能である。Ａエリアの電力、Ｃエリアの電力およびＤエリアの電力は互いに融通が可能である。Ａエリアについては別途他のエリアの電力と連系してもよい。

図８は、図４の第１実施形態と異なる第２実施形態を示す系統図である。図４の第１実施形態で用いていた双方向インバータ１３の代わりに交流を直流に変換するコンバータ４３が配置されているところが図４の第１実施形態と相違する。この構成によれば、ユニット間における電力の融通を行うことはできないが、設備費が安価となる。

図９は、第３実施形態を示す系統図である。図４の第１実施形態で用いていた双方向インバータ１３の代わりに整流器５３が配置されているところが図４の第１実施形態と相違する。整流器５３は二次電池から二次巻線への電流を阻止する方向に取付けられている。この構成によれば、ユニット間における電力の融通を図ることはできないが、図８の第２実施形態より更に設備費が安価となる。整流器５３はダイオードであってもよく、ダイオードを組み合わせたブリッジであってもよい。

図４、６に示した連系ステーション１０おいて、二次電池１４を有さない連系ユニットがあっても、直流電力による連系が可能である。もっともこのような連系ユニットは蓄電設備としての二次電池を有していないので、余剰電力の有効利用に欠けることになる。

通常、送電することができる最大電力は、その系統の発電総量を超えることはない。しかし、本発明の実施形態によれば、発電所の発電電力に加えて、二次電池に貯えられた電力を送電することができるので、発電所の発電能力を超えて他の電力系統に送電することができる。

発電過多時に二次電池に充電すると共に不足エリアに送電して、電力不足時に二次電池から放電すると共に、電力過多エリアから受電する。このようにすれば、負荷調整用発電所の発電端効率を上げることが可能となる。例えば、ＡエリアおよびＢエリアでそれぞれ５０％負荷で運転していたところ、一方を停止して他方を１００％負荷とすれば、トータルとして効率の向上が期待できる。

本発明の水素を封入した二次電池を用いた直流電力連系システムは、直流電力系統を連系するのに好適に利用することができる。

ＣＬ 連系線
１０ 連系ステーション
１１ 電力系統
１２ トランス
１３ 双方向インバータ
１４ 二次電池
１６ 太陽光発電所
１７ 風力発電所
１８ 需要家
２０ 連系ステーション
２１ 電力系統
３０ 連系ステーション
３１ 電力系統

Claims (12)

1. 複数の二次巻線を有するトランスと、
   前記二次巻線に接続され、水素ガスを封入し、水素を負極活物質とし、端子電圧が充電電圧と等しくなり充電電流が流れなくなるまで充電することにより充電終了時の電圧と放電開始時の電圧が等しくなる二次電池とを備えた、直流電力連系システム。
2. 複数の前記二次電池が直列に接続された請求項１に記載の直流電力連系システム。
3. 前記二次巻線と前記二次電池の間に配されている電力変換器を更に備えた請求項２に記載の直流電力連系システム。
4. 前記電力変換器が双方向インバータおよび直流変換器のいずれかである請求項３に記載の直流電力連系システム。
5. 前記直流変換器がコンバータおよび整流器のいずれかである請求項４に記載の直流電力連系システム。
6. 前記トランスは、前記二次巻線に共通の鉄心を有する請求項４に記載の直流電力連系システム。
7. 前記二次電池に、需要家および自然エネルギーを利用した発電所が接続された請求項６に記載の直流電力連系システム。
8. 前記二次電池の電圧が所定の値より大きいとき、前記双方向インバータを介して前記二次電池の電力を前記二次巻線に供給する請求項７に記載の直流電力連系システム。
9. 前記二次巻線と前記二次電池と前記電力変換器を備えた連系ユニットを複数有する連系ステーションが相互に結ばれた請求項６に記載の直流電力連系システム。
10. 前記連系ステーションが前記二次電池を備えていない連系ユニットを含む請求項９に記載の直流電力連系システム。
11. 前記双方向インバータが自励式動作に変更可能である請求項８に記載の直流電力連系システム。
12. 交流電力系統からの交流電力を直流電力に変換する電力変換装置と、
    前記電力変換装置からの電流で充電され、水素ガスを封入し、水素を負極活物質とし、端子電圧が充電電圧と等しくなり充電電流が流れなくなるまで充電することにより充電終了時の電圧と放電開始時の電圧が等しい二次電池とを備え、
    前記交流電力系統の周波数が所定の値より大きいとき前記電力変換装置の出力電圧を大きくする、直流電力系統。
    

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