JP7219819B2 - Power supply system and its control method and device - Google Patents
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Description
本発明は、発電機及び電力負荷と接続された低容量高出力型蓄電デバイスを備える電力供給システムに関する。 The present invention relates to a power supply system comprising a low-capacity, high-output power storage device connected to a generator and a power load.
従来、発電機から電力負荷へ電力を供給する電力供給システムにおいて、発電機及び電力負荷に接続された蓄電デバイスに余剰の電力を充電するとともに、電力負荷で電力が不足したときには蓄電デバイスに蓄えられた電力を放電して電力負荷へ供給するように構成されたものがある。特許文献1、2では、このような蓄電デバイスの充放電方法が開示されている。
Conventionally, in a power supply system that supplies power from a generator to a power load, surplus power is charged to a power storage device connected to the generator and the power load, and when the power load runs short of power, the power is stored in the power storage device. There are some that are configured to discharge the stored power and supply it to the power load.
特許文献1では、エンジンにより駆動される発電機と、発電機を制御する第1インバータと、電動機と、電動機を駆動する第2インバータと、第1及び第2インバータとコンバータを介して接続され、コンバータにより充放電制御される蓄電装置とを備えたハイブリット式建設機械が開示されている。この建設機械では、蓄電デバイスのSOC(充電率:State Of Charge)を所定範囲内に維持するように決定された目標SOCを考慮して、蓄電デバイスの出力上限値と出力下限値とを決定することによって、蓄電デバイスの過充電及び過放電を回避する。
In
特許文献2では、エンジンにより駆動される発電機と、発電機で発電された電力を蓄える蓄電装置と、蓄電装置に蓄電された電力を車両の外部へ供給するための外部給電部とを備えるプラグインハイブリッド車両が開示されている。この車両では、外部給電部から外部へ給電中に、蓄電装置のSOCが許容範囲の下限値に達したらエンジンを始動させ、蓄電装置のSOCが許容範囲の上限値に達したらエンジンを停止させる。蓄電装置のSOCは、発電された電力量に応じて増加する。
上記のような充放電が可能な蓄電デバイスの一つとして、リチウムイオンキャパシタ(以下、LICと略す)がある。LICは、電気二重層キャパシタ(以下、EDLCと略す)の正極とリチウムイオン電池(以下、LIBと略す)の負極とを組み合わせた蓄電デバイスである。LICは、高いエネルギー密度と高い出力密度を兼ね備え、大電流の急速充放電が可能であるという特性から、充電と放電とを頻繁に繰り返す用途に好適である。一方で、LICは、LIBと比較して、容量が小さく、充放電効率(=放電容量÷充電電気量×100)の影響を受けやすい。そのため、長時間の稼働を想定して決定されたLICの容量は著しく大きくなる。蓄電デバイスは、容量の増加に伴って、占有空間が大きくなり、イニシャルコスト及びランニングコストも嵩む。 A lithium ion capacitor (hereinafter abbreviated as LIC) is one of the chargeable/dischargeable power storage devices as described above. A LIC is an electricity storage device that combines a positive electrode of an electric double layer capacitor (hereinafter abbreviated as EDLC) and a negative electrode of a lithium ion battery (hereinafter abbreviated as LIB). A LIC has both high energy density and high output density, and is suitable for applications in which charging and discharging are frequently repeated because of its characteristics of being capable of rapid charging and discharging of a large current. On the other hand, the LIC has a smaller capacity than the LIB, and is easily affected by charge/discharge efficiency (=discharge capacity÷charged electricity amount×100). Therefore, the capacity of the LIC, which is determined assuming long-term operation, becomes significantly large. As the capacity of the power storage device increases, the space it occupies increases, and the initial cost and running cost also increase.
本発明は以上の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、発電機及び電力負荷と接続されて充放電を行う蓄電デバイスを備える電力供給システムにおいて、蓄電デバイスのシステムサイズ及び発電機体格(サイズ)を抑え得る技術を提案することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a power supply system that includes an electricity storage device that is connected to a generator and an electric power load to charge and discharge. It is to propose a technology that can suppress (size).
本発明の一態様に係る電力供給システムの制御装置は、
エンジンと、前記エンジンの動力を用いて発電する発電機と、前記発電機で発電された電力及び電力負荷からの回生電力の少なくとも一方を蓄電する蓄電デバイスと、前記蓄電デバイスに蓄電された電力及び前記発電機で発電された電力を電力負荷へ供給するための給電部とを備える電力供給システムの制御装置であって、
前記蓄電デバイスのSOCを計測し、前記SOCからSOC平均値を求め、前記SOC平均値に基づいて発電機出力目標値を決定し、前記発電機の出力を前記発電機出力目標値となるように制御するように構成されており、
前記発電機出力目標値は、前記SOC平均値が所定の許容上限値を超えれば0よりも大きい所定の基本値と決定され、前記SOC平均値が所定の許容下限値を下回れば前記基本値よりも大きい補正値と決定され、前記SOC平均値が前記許容下限値以上前記許容上限値以下であれば現在の前記発電機出力目標値と決定され、前記発電機出力目標値を前記基本値と前記補正値との2値の間で変化させることを特徴としている。
A control device for a power supply system according to one aspect of the present invention includes:
an engine, a generator that generates power using the motive power of the engine, a power storage device that stores at least one of the power generated by the power generator and regenerated power from the power load, and the power stored in the power storage device and A control device for a power supply system comprising a power supply unit for supplying power generated by the generator to a power load,
The SOC of the electricity storage device is measured, the SOC average value is obtained from the SOC, the generator output target value is determined based on the SOC average value, and the output of the generator is set to the generator output target value. configured to control
The generator output target value is determined to be a predetermined basic value greater than 0 if the SOC average value exceeds a predetermined allowable upper limit value, and if the SOC average value is lower than a predetermined allowable lower limit value, the generator output target value is determined to be higher than the basic value. is determined to be a large correction value, and if the SOC average value is equal to or greater than the allowable lower limit value and equal to or lower than the allowable upper limit value , the current generator output target value is determined, and the generator output target value is set to the basic value and the It is characterized by changing between two values with a correction value .
また、本発明の一態様に係る電力供給システムは、
エンジンと、
前記エンジンの動力を用いて発電する発電機と、
前記発電機で発電された電力及び電力負荷からの回生電力の少なくとも一方を蓄電する蓄電デバイスと、
前記蓄電デバイスに蓄電された電力及び前記発電機で発電された電力を電力負荷へ供給するための給電部と、
前記制御装置と、を備えることを特徴としている。Further, the power supply system according to one aspect of the present invention includes:
engine and
a generator that generates power using the power of the engine;
a power storage device that stores at least one of the power generated by the generator and the regenerated power from the power load;
a power supply unit for supplying power stored in the power storage device and power generated by the generator to a power load;
and the control device.
また、本発明の一態様に係る電力供給システムの制御方法は、
エンジンと、前記エンジンの動力を用いて発電する発電機と、前記発電機で発電された電力及び電力負荷からの回生電力の少なくとも一方を蓄電する蓄電デバイスと、前記蓄電デバイスに蓄電された電力及び前記発電機で発電された電力を電力負荷へ供給するための給電部とを備える電力供給システムの制御方法であって、
前記蓄電デバイスのSOCを計測すること、
前記SOCからSOC平均値を求めること、
前記SOC平均値に基づいて発電機出力目標値を決定すること、及び、
前記発電機出力目標値に対応して前記発電機の出力を制御すること、を含み、
前記発電機出力目標値は、前記SOC平均値が所定の許容上限値を超えれば0よりも大きい所定の基本値と決定され、前記SOC平均値が所定の許容下限値を下回れば前記基本値よりも大きい補正値と決定され、前記SOC平均値が前記許容下限値以上前記許容上限値以下であれば現在の前記発電機出力目標値と決定され、前記発電機出力目標値を前記基本値と前記補正値との2値の間で変化させることを特徴としている。
Further, a control method for a power supply system according to one aspect of the present invention includes:
an engine, a generator that generates power using the motive power of the engine, a power storage device that stores at least one of the power generated by the power generator and regenerated power from the power load, and the power stored in the power storage device and A control method for a power supply system comprising a power supply unit for supplying power generated by the generator to a power load,
measuring the SOC of the electricity storage device;
obtaining an SOC average value from the SOC;
determining a generator output target value based on the SOC average value; and
controlling the output of the generator in response to the generator output target value;
The generator output target value is determined to be a predetermined basic value greater than 0 if the SOC average value exceeds a predetermined allowable upper limit value, and if the SOC average value is lower than a predetermined allowable lower limit value, the generator output target value is determined to be higher than the basic value. is determined to be a large correction value, and if the SOC average value is equal to or greater than the allowable lower limit value and equal to or lower than the allowable upper limit value , the current generator output target value is determined, and the generator output target value is set to the basic value and the It is characterized by changing between two values with a correction value .
上記の電力供給システム並びにその制御方法及び装置によれば、SOC平均値が低下すれば、失われた蓄電量を補うように発電機から蓄電デバイス又は電力負荷へ電力が供給される。これにより、充放電のサイクル数に関わらず、SOC平均値が許容下限値以上許容上限値以下の許容範囲に維持される。つまり、発電機出力を2値の間で変化させるという単純な制御で、充放電の繰り返しに起因する充放電効率の影響が抑制される。これにより、蓄電デバイスは過放電及び過充電を回避しつつ充放電を繰り返すことができる。 According to the power supply system and its control method and apparatus described above, if the SOC average value decreases, power is supplied from the generator to the power storage device or the power load so as to compensate for the lost power storage amount. As a result, regardless of the number of charge/discharge cycles, the average SOC value is maintained within the allowable range between the allowable lower limit value and the allowable upper limit value. In other words, the simple control of changing the generator output between two values suppresses the effect of charge-discharge efficiency caused by repeated charge-discharge. As a result, the power storage device can repeat charging and discharging while avoiding over-discharging and over-charging.
蓄電デバイスは、稼働初期の充電量が概ね維持されるので、稼働初期の充放電プロファイル(即ち、要求される充放電量)を満足する容量及び出力を備えれば足り、その結果、蓄電デバイスのセル数(システムサイズ、容量)を抑えることができる。 Since the electric storage device generally maintains the amount of charge in the initial period of operation, it is sufficient to have a capacity and output that satisfy the charge/discharge profile (that is, the required amount of charge/discharge) in the initial period of operation. The number of cells (system size, capacity) can be suppressed.
また、発電機で生じた電力は主に蓄電デバイスの充放電効率を補うために用いられる。つまり、発電機で生じた電力のみで負荷変動を抑制する場合と比較して、電力供給システムが備える発電機の体格(サイズ)を抑えることができる。これにより、発電機のためのイニシャルコストや燃費の削減に寄与することができる。 Also, the electric power generated by the generator is mainly used to supplement the charge/discharge efficiency of the electric storage device. That is, compared to the case of suppressing load fluctuation only by the power generated by the generator, it is possible to reduce the size of the generator included in the power supply system. This can contribute to the reduction of initial cost and fuel consumption for the generator.
本発明によれば、発電機及び電力負荷と接続されて充放電を行う蓄電デバイスを備える電力供給システムにおいて、蓄電デバイスのシステムサイズ及び発電機体格を抑えることができる。 Advantageous Effects of Invention According to the present invention, in a power supply system that includes an electricity storage device that is connected to a generator and an electric power load to charge and discharge, the system size of the electricity storage device and the size of the generator can be reduced.
次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。ここでは、本発明の一態様に係る電力供給システム10を一般的な着水揚収システム(Launch and recovery system)13に適用して説明する。但し、電力供給システム10は、着水揚収システム13に限定されず、車両、建設機械などにも適用することができる。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Here, the
図1は、本発明の一実施形態に係る電力供給システム10が適用される着水揚収システム13の概略構成図である。図1に示す着水揚収システム13は、水上に浮遊しているプラットフォーム11から水中機器12を吊り下げ、水中機器12の着水、揚収、及び姿勢保持などを行うものである。プラットフォーム11は、例えば、母船、海洋基地などである。水中機器12は、例えば、水中ビークル、水中パイプ、及び観測機器などである。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a water landing pick-
着水揚収システム13は、プラットフォーム11に支持されたフレームクレーン21、フレームクレーン21の先端に吊り下げられたペンダントフレーム22、複数のシーブを用いてフレームクレーン21及びペンダントフレーム22に沿って這わされた吊揚索24、及び、吊揚索24を巻き上げるホイストウインチ25を備える。吊揚索24の先端は、水中機器12に設けられた吊揚金具23と結合されている。フレームクレーン21は、図示されない油圧シリンダによって俯仰する。
The water
ホイストウインチ25は、吊揚索24が巻き取られたウインチドラム27と、ウインチドラム27を回転させる電動機28とを備える。ホイストウインチ25は、後ほど詳細に説明する動揺補償(Heave Compensation)機能を備える。電動機28は、電力供給システム10から電力の供給を受ける。
The hoist
〔電力供給システム10の構成〕
図2は、電力供給システム10の構成を示すブロック図である。図2に示す電力供給システム10は、電力負荷Lとしての電動機28へ電力を供給し、また、当該電動機28からの回生電力を蓄電デバイス30に充電するものである。電力供給システム10は、エンジン32、ECU31、発電機35、蓄電デバイス30、第1インバータ29、第2インバータ34、コンバータ33、及び、制御装置40を備える。[Configuration of power supply system 10]
FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the
エンジン32は、発電機35を駆動する。発電機35により生成された電力は、第1インバータ29及びコンバータ33を介して蓄電デバイス30へ供給される。これにより、蓄電デバイス30が充電される。また、発電機35により生成された電力は、第1インバータ29及び第2インバータ34を介して電力負荷Lへ供給される。電力負荷Lへは、蓄電デバイス30からコンバータ33及び第2インバータ34を介して電力が供給される。これにより、蓄電デバイス30が放電される。
蓄電デバイス30は、充放電可能に構成された直流電源である。蓄電デバイス30には、低容量高出力型蓄電デバイスが採用される。低容量の蓄電デバイスとは、蓄電容量が数~10数Ah程度の蓄電デバイスと定義され得る。高出力型蓄電デバイスとは、出力密度が3000W/Kg以上、及び、充放電レートが5C以上のうち少なくとも一方を充足する蓄電デバイスと定義され得る。低容量高出力型蓄電デバイスとして、LIC、EDLCなどのキャパシタが例示される。また、低容量高出力型蓄電デバイスとして、高出力型リチウムイオン電池などの二次電池が例示される。
The
蓄電デバイス30は、図示されない電圧センサ及び電流センサ41を含む。電圧センサは、蓄電デバイス30の電圧を検出して、制御装置40に出力する。電流センサ41は、蓄電デバイス30の入出力電流を検出して、制御装置40に出力する。
The
エンジン32は、例えば、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン、ガスエンジン等の内燃機関である。発電機35は、エンジン32の動力を用いて発電する。エンジン32は、ECU31によって、発電機35の発電機出力(即ち、エンジン負荷)と対応するエンジン出力が得られるように制御される。なお、発電機35は、電動発電機であってもよい。この場合の電動発電機は、発電機35であり、電力負荷Lでもある。
The
制御装置40は、第1インバータ29、第2インバータ34、コンバータ33を制御して、発電機35から蓄電デバイス30への供給電力(即ち、蓄電デバイス30の充電量)や、蓄電デバイス30から電力負荷Lへの供給電力(即ち、蓄電デバイス30の放電量)を制御する。
The
図3は、制御装置40の機能ブロック図である。制御装置40は、演算制御部51と記憶部52とを含む。演算制御部51は、例えば、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、FPGA(field-programmable gate array)などのPLD(programmable logic device)、PLC(programmable logic controller)、及び、論理回路のうち少なくとも1つ、或いは、2つ以上の組み合わせで構成され得る。記憶部52には、演算制御部51が実行する基本プログラムやソフトウエアプログラム等が格納されている。
FIG. 3 is a functional block diagram of the
記憶部52は、SOC平均に関する許容下限値S1と許容上限値S2とが記憶されている。また、記憶部52には、発電機出力目標値Pに関する基準値P1と補正値P2とが記憶されている。これらの値は、シミュレーション等によって予め決定された値であって、記憶部52に格納される。
The
演算制御部51は、SOC演算部51a、SOC平均演算部51b、及び、発電機出力決定部51cの各機能部を有する。制御装置40では、演算制御部51が予め記憶されたプログラムを実行することによってこれらの機能部としての機能を実現する。但し、演算制御部51の各機能部は、プログラムではなく論路回路で実現されていてもよい。
The
SOC演算部51aは、電流センサ41の検出値に基づいて蓄電デバイス30のSOCを求め、それを記憶部52に記憶する。SOCは、蓄電デバイス30の充電容量に対する充電残量の比率として定義される。SOCは、蓄電デバイス30に流れ込む電流と蓄電デバイス30から流れ出す電流とを積算する、「クーロンカウント」と呼ばれる方法を使って表される。但し、SOC演算部51aは、電圧センサの検出値を利用して蓄電デバイス30のSOCを求めてもよい。
The
SOC平均演算部51bは、SOCの平均値(以下、SOC平均と称する)を求める。SOCの値は絶えず変動することから、SOCの代表値としてSOC平均を利用する。SOC平均演算部51bは、SOC平均としてSOCの所定期間(例えば1サイクル)の移動平均を求める移動平均フィルタであってよい。或いは、SOC平均演算部51bは、SOC平均としてSOCのローパスフィルタであってよい。
The SOC
発電機出力決定部51cは、SOC平均が許容下限値S1から許容上限値S2までの許容範囲に収まるように、発電機出力目標値Pを決定する。発電機出力目標値Pは、基準値P1と、基準値P1よりも大きな値である補正値P2のうちから決定される。
The generator
〔動揺補償機能〕
ここで、上記着水揚収システム13の動揺補償機能について説明する。動揺補償機能は、プラットフォーム11の動揺を検知して、吊揚索24に接続された水中機器12がプラットフォーム11の動揺の影響を受けて上下に揺さぶられてしまう動きをキャンセルするよう、ウインチドラム27を回転させるものである。具体的には、ウインチドラム27の電動機28は、吊揚索24の張力が略一定に保たれるように、巻取動作と繰出動作とを絶えず繰り返す。巻取動作時は、発電機35及び/又は蓄電デバイス30から電動機28へ電力が供給される。繰出動作時は、発電機35からの電力及び電動機28からの回生電力が蓄電デバイス30に蓄えられる。[Sway compensation function]
Here, the motion compensation function of the landing-on-water lifting-and-
図4は、1サイクル(60秒)の電力負荷プロファイルの一例である。この電力負荷プロファイルによれば、この電力負荷では、およそ約10秒周期で±8MW(回生時の最大電力量5.8MW、力行時の最大電力量7.4MW)の回生と力行とが繰り返される。このように回生と力行とを頻繁に繰り返す電力負荷の電力補償(例えば、本実施形態のような動揺補償)では、蓄電デバイス30が充電と放電とを頻繁に繰り返すから、蓄電デバイス30としてはLICが好適である。
FIG. 4 is an example of a power load profile for one cycle (60 seconds). According to this power load profile, in this power load, regeneration and power running of ±8 MW (maximum power amount during regeneration: 5.8 MW, maximum power amount during power running: 7.4 MW) are repeated at intervals of about 10 seconds. . In power compensation for a power load that frequently repeats regeneration and power running (for example, oscillation compensation as in this embodiment), the
LICは、LIBと比較して、蓄電容量が小さいという特徴がある。そのため、長時間の稼働を想定して決定されたLICの容量は著しく大きくなる。このことを検証するために、LICとLIBの各々について、次の1)~4)を条件として、図4の電力負荷プロファイルを実現するために蓄電デバイス30に必要な仕様を求めるシミュレーションを行った。
1)最大電圧約1100V、
2)環境温度25℃、
3)セルの飽和温度のライズ(ΔT)が約10℃以下、
4)稼働時間24000時間。
セルの飽和温度のライズ(ΔT)が約10℃以下という条件は、着水揚収システム13の動揺補償機能として、1日8時間、年間300日、10年稼働するのに、蓄電デバイスが耐用できる温度から想定している。但し、LICは36セルを1モジュールとし、LIBは24セルを1モジュールとし、それぞれモジュール単位でセル数を増加することとする。また、図4の電力負荷プロファイルにおいて、力行時の最大電力量は7.4011MWであり、LIBの場合、最初の1サイクルのCレート(蓄電容量に対する充電電流値の比)を3Cと想定して蓄電デバイス30には2.467MWhの容量が必要である。LIC is characterized by having a smaller power storage capacity than LIB. Therefore, the capacity of the LIC, which is determined assuming long-term operation, becomes significantly large. In order to verify this, a simulation was performed for each of LIC and LIB under the following conditions 1) to 4) to determine the specifications necessary for the
1) Maximum voltage about 1100V,
2) Environmental temperature of 25°C,
3) the rise (ΔT) of the saturation temperature of the cell is about 10° C. or less;
4) 24000 hours of operation time.
The condition that the rise (ΔT) of the saturation temperature of the cell is about 10° C. or less means that the power storage device can be used for 8 hours a day, 300 days a year, and 10 years as a vibration compensation function of the landing on water pick-up
上記のシミュレーションで得られた、電力負荷プロファイルに対応する1サイクルの充放電プロファイルを実現するために必要な蓄電デバイス30の仕様を、次の表1に示す。蓄電デバイス30の仕様の項目は、セル数、最高電圧、最低電圧、SOC初期値、SOC最終値、DOD、セル電流実効値、及び、セルの飽和温度のライズである。
Table 1 below shows the specifications of the
更に、1から10、100、200、300、400、480サイクル(1サイクル60秒として8時間)までの充放電プロファイルを実現するために必要な蓄電デバイス30のセル数と、電流実効値及びCレートとを、次の表2に示す。
Furthermore, the number of cells of the
表1及び表2から、セル数を抑える観点では、1サイクルではLICの必要セル数がLIBの必要セル数と比較して少ないため、LICが有利である。しかし、LICではサイクル数が増加するにしたがって、必要なセル数が増加し、その増加率がLIBと比較して大きい。LICでは、1~480サイクルにおいて1サイクルの約9倍ものセル数が必要となる。このような必要なセル数の変化の違いは、充放電による1サイクルのSOCの増減量(以下、ΔSOCと称する)の違いが原因の一つであると考えられる。ΔSOCは、1サイクルにおけるSOC初期値とSOC最終値との差である。 From Tables 1 and 2, from the viewpoint of suppressing the number of cells, the LIC is advantageous because the number of cells required for the LIC is smaller than the number of cells required for the LIB in one cycle. However, in LIC, the number of required cells increases as the number of cycles increases, and the rate of increase is greater than that in LIB. LIC requires about nine times as many cells as one cycle in 1 to 480 cycles. One of the reasons for such a difference in change in the required number of cells is considered to be a difference in the amount of increase/decrease in SOC (hereinafter referred to as ΔSOC) in one cycle due to charge/discharge. ΔSOC is the difference between the SOC initial value and the SOC final value in one cycle.
LIBの起電力は、SOCが10~90%の範囲でプラトーな特性を示す。このことから、LIBでは、SOC10~90%の範囲において略一定の充放電力量[W]に対して略同じ電流値となるので、ΔSOCはSOC初期値に依存しない。一方、LICは起電力を持たない。このことから、LICでは、充放電力量[W]が略一定であっても、SOC初期値によって電流値が異なり、ΔSOCもSOC初期値に依存する。 The electromotive force of LIB exhibits a plateau characteristic in the SOC range of 10 to 90%. Therefore, in the LIB, the current value is substantially the same for a substantially constant charge/discharge capacity [W] in the SOC range of 10% to 90%, so ΔSOC does not depend on the SOC initial value. On the other hand, LIC has no electromotive force. Therefore, in the LIC, even if the charge/discharge capacity [W] is substantially constant, the current value varies depending on the SOC initial value, and ΔSOC also depends on the SOC initial value.
以上から、1サイクルの充放電プロファイルを実現するために必要な蓄電デバイス30の仕様で、1サイクルから480サイクルまでの稼働を実現するためには、サイクルを繰り返すごとにSOC初期値を1サイクルのSOC初期値に戻せばよい。そのためには、1サイクルで失われた蓄電量(ΔSOCに相当)を発電機35からの電力で補償することが考えられる。
From the above, in order to realize the operation from 1 cycle to 480 cycles with the specifications of the
ここで、1サイクルで失われた蓄電量を発電機35からの電力で補償するための、制御装置40による処理の流れを説明する。図5は、制御装置40の処理の流れを示すフローチャートである。
Here, the flow of processing by the
図5に示すように、動揺補償中の制御装置40は、蓄電デバイス30に出入りする電流値を取得し、蓄電デバイス30のSOCを求めてそれを記憶する(ステップS1)。次に、制御装置40は、蓄積されたSOCから1サイクルのSOC平均を求める(ステップS2)。制御装置40は、求めたSOC平均と許容上限値S2とを比較し(ステップS3)、SOC平均が許容上限値S2を上回っていれば(ステップS3でYES)、発電機出力目標値Pを基準値P1とする(ステップS4)。制御装置40は、ステップS3でSOC平均が許容上限値S2以下であれば(ステップS3でNO)、SOC平均と許容下限値S1とを比較する(ステップS5)。制御装置40は、SOC平均と許容下限値S1を下回っていれば(ステップS5でYES)、出力目標値Pを補正値P2とする。制御装置40は、ステップS3でSOC平均が許容下限値S1を以上であれば(ステップS5でNO)、出力目標値Pの現在の値に維持する。この電力供給システム10の制御ロジックを次の表3に表示する。
As shown in FIG. 5,
制御装置40は、上記のように出力目標値Pを決定し、出力目標値Pに変更がある場合には発電機出力目標値Pを発電機35へ出力する(ステップS7)。なお、発電機35の出力は即ちエンジン32の負荷であり、この負荷に応答するエンジン32の出力の変化によって発電機出力が変化する。よって、発電機出力目標値PはECU31に出力されてもよい。これにより、発電機出力が基準値P1から、それよりも大きい補正値P2となる。発電機35の発電電力の増加分が蓄電デバイス30に充電され(又は、電力負荷に供給され)、1サイクルで失われた蓄電量が補償される。
The
〔実施例1〕
実施例1では、上記の電力供給システム10の制御方法を、具体的な数値を当てはめて詳細に説明する。実施例1においては、蓄電デバイス30としてLICを採用し、1サイクルの電力負荷プロファイル(図4、参照)と対応する充放電プロファイルを実現するために必要な蓄電デバイス30の仕様(4896セル)で、1サイクルから480サイクル(8時間)の稼働を実現することを検討する。本実施例で採用する1サイクルにおける蓄電デバイス30の充放電SOC(蓄電量)特性は、次の表4に示す通りである。[Example 1]
In Example 1, the control method of the
1サイクルのSOCの各種値から、1サイクルで失われる蓄電量を発電機で補償するための、発電機出力目標値Pの基準値P1と補正値P2とを求める。本実施例では、SOC平均を62.592%からΔSOCに相当する12.555%だけ増加させるための発電機負荷の目標値を求める。 From various SOC values for one cycle, a reference value P1 and a correction value P2 for the generator output target value P for compensating for the amount of electricity stored in the generator to be lost in one cycle are obtained. In this embodiment, a target generator load value for increasing the average SOC from 62.592% by 12.555% corresponding to ΔSOC is obtained.
次の表5では、LICの1セルにSOC初期値を与えて1サイクルのSOCの各種値で25W充電するシミュレーションを行い、当該シミュレーションで得られたSOC最終値、ΔSOC、及び、電流値の各値を示す。 In the following Table 5, one cell of LIC is given an initial SOC value, and a simulation is performed in which 25 W charging is performed at various values of SOC in one cycle. indicate a value.
表5から、SOC初期値が60%であるとき、60秒(1サイクル)で1セル当たり25Wの充電をすると、SOCはΔSOCに相当する12.5%だけ増加することがわかる。なお、ΔSOCのマイナス値はSOCの増加を表す。よって、SOCを62.592%(≒60%)から12.555%(≒12.5%)だけ増加させるための発電機出力目標値Pの補正値P2は、25W×4896セル≒125kWであると概算することができる。 From Table 5, it can be seen that when the initial SOC value is 60%, charging 25 W per cell for 60 seconds (one cycle) increases the SOC by 12.5% corresponding to ΔSOC. A negative value of ΔSOC indicates an increase in SOC. Therefore, the correction value P2 of the generator output target value P for increasing the SOC from 62.592% (≈60%) by 12.555% (≈12.5%) is 25W×4896 cells≈125kW. can be estimated as
SOC初期値とSOC最大値とを考慮して、発電機出力により蓄電デバイス30が過充電とならないように、補正値P2よりも小さい値を発電機出力目標値Pの基本値P1と決定する。本実施例では、補正値P2で得られる充電電力量よりも1セル当たり約2W少ない115kWを基本値P1とする。
Considering the SOC initial value and the SOC maximum value, a value smaller than the correction value P2 is determined as the basic value P1 of the generator output target value P so that the
発電機出力目標値Pは、SOC平均が許容下限値S1以下となったことをトリガとして、基本値P1から補正値P2へ切り替えられる。SOC最大値とSOC平均との差を平均値幅とする。本実施例では平均値幅は22.497%である。蓄電デバイス30の過充電を回避するために、SOC平均と平均値幅とを考慮して、SOC平均の許容上限値S2を70%とする。
The generator output target value P is switched from the basic value P1 to the correction value P2, triggered by the SOC average falling below the allowable lower limit value S1. The difference between the SOC maximum value and the SOC average is taken as the average price range. In this embodiment, the average price range is 22.497%. In order to avoid overcharging of the
SOC平均の許容上限値S2に対応する許容下限値S1を決定し、SOC平均の許容範囲(許容下限値S1以上許容上限値S2以下)を設定する。表4に示すように、同じ充放電量であっても電流値は異なる。電流実効値の変動を抑える観点から、SOC平均の許容範囲の幅は、5~10%が望ましい。本実施例では、SOC平均の許容上限値S2が70%であることから、許容下限値S1を65%とする。 The allowable lower limit value S1 corresponding to the allowable upper limit value S2 of the SOC average is determined, and the allowable range of the SOC average (not less than the allowable lower limit value S1 and not more than the allowable upper limit value S2) is set. As shown in Table 4, the current values are different even if the charge/discharge amount is the same. From the viewpoint of suppressing fluctuations in the current effective value, it is desirable that the allowable range of the SOC average is 5 to 10%. In this embodiment, since the allowable upper limit value S2 of the SOC average is 70%, the allowable lower limit value S1 is set to 65%.
電力供給システム10の制御ロジックを本実施例に当てはめると、SOC平均>70%で発電機出力目標値Pを115kWに切り替え、SOC平均<65%で発電機出力目標値Pを125kWに切り替え、65%≦SOC平均≦70%では発電機出力目標値Pを現状維持することとなる。この制御ロジックを採用して電力負荷Lの負荷変動(図4に示す電力負荷プロファイル)を蓄電デバイス30で補償する動揺補償のシミュレーションを行った。図6は、最初の1時間の動揺補償のシミュレーション結果を表すタイムチャートであり、図7は、最初の8時間の動揺補償のシミュレーション結果を表すタイムチャートである。図6及び図7において、縦軸はSOC、SOC平均、及び発電機出力目標値Pを表し、横軸は時間を表す。更に、動揺補償のシミュレーション結果から得られた蓄電デバイス30の充放電特性に関する値を次の表6に示す。
When the control logic of the
図6及び図7に示すシミュレーション結果では、発電機出力目標値Pは800~900秒周期で基本値P1から補正値P2へ(又はその逆へ)切り替わっている。なお、発電機出力目標値Pを変化させるに際し、ステップ状に変化させてもよいし、時間勾配をもって変化させてもよい。発電機出力目標値Pの変化が時間勾配を持つことにより、発電機35及びエンジン32の急激な負荷変動を抑制することができる。
In the simulation results shown in FIGS. 6 and 7, the generator output target value P is switched from the basic value P1 to the correction value P2 (or vice versa) at intervals of 800 to 900 seconds. When changing the generator output target value P, it may be changed stepwise or may be changed with a time gradient. Since the change in the generator output target value P has a time gradient, rapid load fluctuations of the
シミュレーション結果では、SOCの値に基づいて発電機出力目標値Pを基本値P1と補正値P2との2値の間で切り替えることにより、8時間稼働後も最初の1時間稼働時と同レベルのSOCが維持されている。更に、表6に示すように、8時間の稼働において安定して理想的な充放電特性が得られている。以上の実施例から、1サイクルの電力負荷プロファイルを実現する蓄電デバイス30の仕様で、8時間の稼働が可能であることが確認された。
According to the simulation results, by switching the generator output target value P between the basic value P1 and the correction value P2 based on the SOC value, even after 8 hours of operation, the same level as during the first hour of operation SOC is maintained. Furthermore, as shown in Table 6, stable and ideal charge/discharge characteristics were obtained during operation for 8 hours. From the above examples, it was confirmed that 8 hours of operation is possible with the specifications of the
また、シミュレーション結果から、±8MWで力行と回生とを繰り返す電力負荷プロファイル(図4、参照)に対応して電力負荷Lへ必要十分な電力を供給する際に、発電機35のみで電力を供給する場合には8MW以上の電力を発生させる発電機35が必要となるところ、本実施形態のように蓄電デバイス30を備えることによって、150kW程度の電力を発生させる発電機35で足りることが明らかとなった。つまり、電力負荷Lの±数MWの負荷変動に対して、数100kWの規模の発電機35で、蓄電デバイス30が過放電・過充電を回避しつつ充放電を繰り返すことができる。このように、電力供給システム10が備える発電機35の体格(サイズ)を抑えることができるので、発電機35のためのイニシャルコストや燃費の削減が期待できる。
Further, from the simulation results, when supplying the necessary and sufficient power to the power load L corresponding to the power load profile (see FIG. 4) in which power running and regeneration are repeated at ±8 MW, power is supplied only by the
以上に説明したように、本実施形態に係る電力供給システム10は、エンジン32と、エンジン32の動力を用いて発電する発電機35と、発電機35で発電された電力及び電力負荷Lからの回生電力の少なくとも一方を蓄電する蓄電デバイス30と、前記蓄電デバイスに蓄電された電力及び前記発電機で発電された電力を電力負荷Lへ供給するための給電部(第2インバータ34)と、制御装置40とを備える。制御装置40は、蓄電デバイス30のSOCを計測し、計測したSOCからSOC平均値を求め、SOC平均値に基づいて発電機出力目標値Pを決定し、発電機の出力を発電機出力目標値Pとなるように制御するように構成されている。ここで、発電機出力目標値Pは、SOC平均値が所定の許容上限値S2を超えれば0よりも大きい所定の基本値P1と決定され、SOC平均値が所定の許容下限値S1を下回れば基本値P1よりも大きい補正値P2と決定され、SOC平均値が許容下限値S1以上許容上限値S2以下であれば現在の発電機出力目標値Pを維持すると決定される。
As described above, the
また、上記構成の電力供給システム10の制御方法は、蓄電デバイス30のSOCを計測すること、計測したSOCからSOC平均値を求めること、SOC平均値に基づいて発電機出力目標値Pを決定すること、及び、発電機出力目標値Pに対応して発電機35の出力を制御すること、を含む。ここで、発電機出力目標値Pは、SOC平均値が所定の許容上限値S2を超えれば0よりも大きい所定の基本値P1と決定され、SOC平均値が所定の許容下限値S1を下回れば基本値P1よりも大きい補正値P2と決定され、SOC平均値が許容下限値S1以上許容上限値S2以下であれば現在の発電機出力目標値Pを維持すると決定される。
Further, the control method of the
上記の電力供給システム10及びその制御方法によれば、SOC平均値が低下すれば、失われた蓄電量を補うように発電機35から蓄電デバイス30へ電力が供給される。これにより、充放電のサイクル数に関わらず、SOC平均値が許容下限値S1以上許容上限値S2以下の許容範囲に維持される。発電機出力を基準値P1と補正値P2との2値の間で変化させるという単純な制御で、充放電の繰り返しに起因する充放電効率の影響を抑制することができる。これにより、蓄電デバイスは過放電及び過充電を回避しつつ充放電を繰り返すことができる。蓄電デバイス30は、稼働初期の充電量が概ね維持されるので、稼働初期の充放電プロファイル(即ち、要求される充放電量)を満足する容量及び出力を備えれば足り、その結果、蓄電デバイス30のセル数(システムサイズ、容量)を抑えることができる。
According to the
従来のハイブリッドシステムでは、まず、エンジン出力が決定され、エンジン出力を蓄電デバイスでアシストできるように蓄電デバイスの容量及び出力が決定される。つまり、主操作量がエンジン出力であり、補助操作量が発電デバイスの出力である。なお、エンジン出力は発電機出力と対応している。これに対し、本実施形態に係る電力供給システム10では、主操作量が蓄電デバイス30の出力であり、稼働初期の電力負荷プロファイルを満足する蓄電デバイス30のシステムサイズを決定し、そのシステムサイズで長時間稼働を実現するように発電機出力を操作している。このような発想の転換により、蓄電デバイス30のシステムサイズを抑えることができる。
In a conventional hybrid system, first, the engine output is determined, and then the capacity and output of the electrical storage device are determined so that the engine output can be assisted by the electrical storage device. That is, the main manipulated variable is the engine output, and the auxiliary manipulated variable is the output of the power generation device. The engine output corresponds to the generator output. On the other hand, in the
また、本実施形態では、発電機35で生じた電力は主に蓄電デバイス30の充放電効率を補うために用いられる。つまり、発電機35で生じた電力のみで電力負荷の負荷変動を抑制する場合と比較して、電力供給システム10が備える発電機35の体格(サイズ)を抑えることができる。このように、蓄電デバイス30の巨大化が抑制され、発電機35の体格(サイズ)の小型化が可能となることにより、蓄電デバイス30及び発電機35の占有スペースやイニシャルコスト及びランニングコストを削減すること可能となる。
Also, in this embodiment, the power generated by the
上記の電力供給システム10及びその制御方法において、蓄電デバイス30が、リチウムイオンキャパシタ及び電気二重層キャパシタ、高出力型リチウムイオン電池のうちいずれか1つ又は2つ以上の組み合わせであってよい。本実施形態に係る制御ロジックは、これらのような急速な充放電が可能であり、且つ、容量の比較的小さな低容量高出力型蓄電デバイス30に適している。
In the
また、上記の電力供給システム10及びその制御方法において、SOC平均値が、SOCの移動平均値又はローパスフィルタ出力値であってよい。SOCは絶えず変動することから、このようなSOC平均値を採用することが望ましい。
In the
以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、本発明の思想を逸脱しない範囲で、上記実施形態の具体的な構造及び/又は機能の詳細を変更したものも本発明に含まれ得る。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention may include modifications of the details of the specific structures and/or functions of the above embodiments without departing from the spirit of the present invention. .
10 :電力供給システム
11 :プラットフォーム
12 :水中機器
13 :着水揚収システム
21 :フレームクレーン
22 :ペンダントフレーム
23 :吊揚金具
24 :吊揚索
25 :ホイストウインチ
27 :ウインチドラム
28 :電動機(電力負荷の一例)
29 :第1インバータ
30 :蓄電デバイス
31 :ECU
32 :エンジン
33 :コンバータ
34 :第2インバータ(給電部の一例)
35 :発電機
40 :制御装置
41 :電流センサ
51 :演算制御部
51a :SOC演算部
51b :SOC平均演算部
51c :発電機出力決定部
52 :記憶部
80 :第4
L :電力負荷10: Power supply system 11: Platform 12: Underwater equipment 13: Landing on water lifting system 21: Frame crane 22: Pendant frame 23: Lifting hardware 24: Lifting rope 25: Hoist winch 27: Winch drum 28: Electric motor (electric power Example of load)
29: first inverter 30: power storage device 31: ECU
32: Engine 33: Converter 34: Second inverter (an example of a power supply unit)
35: Generator 40: Control device 41: Current sensor 51:
L : Power load
Claims (7)
前記蓄電デバイスのSOCを計測し、前記SOCからSOC平均値を求め、前記SOC平均値に基づいて発電機出力目標値を決定し、前記発電機の出力を前記発電機出力目標値となるように制御するように構成されており、
前記発電機出力目標値は、前記SOC平均値が所定の許容上限値を超えれば0よりも大きい所定の基本値と決定され、前記SOC平均値が所定の許容下限値を下回れば前記基本値よりも大きい補正値と決定され、前記SOC平均値が前記許容下限値以上前記許容上限値以下であれば現在の前記発電機出力目標値と決定され、前記発電機出力目標値を前記基本値と前記補正値との2値の間で変化させる、
電力供給システムの制御装置。 an engine, a generator that generates power using the motive power of the engine, a power storage device that stores at least one of the power generated by the power generator and regenerated power from the power load, and the power stored in the power storage device and A control device for a power supply system comprising a power supply unit for supplying power generated by the generator to a power load,
The SOC of the electricity storage device is measured, the SOC average value is obtained from the SOC, the generator output target value is determined based on the SOC average value, and the output of the generator is set to the generator output target value. configured to control
The generator output target value is determined to be a predetermined basic value greater than 0 if the SOC average value exceeds a predetermined allowable upper limit value, and if the SOC average value is lower than a predetermined allowable lower limit value, the generator output target value is determined to be higher than the basic value. is determined to be a large correction value, and if the SOC average value is equal to or greater than the allowable lower limit value and equal to or lower than the allowable upper limit value , the current generator output target value is determined, and the generator output target value is set to the basic value and the Change between two values with the correction value ,
Control device for the power supply system.
請求項1に記載の電力供給システムの制御装置。 The SOC average value is a moving average value or a low-pass filter output value of the SOC,
The power supply system control device according to claim 1 .
前記エンジンの動力を用いて発電する発電機と、
前記発電機で発電された電力及び電力負荷からの回生電力の少なくとも一方を蓄電する蓄電デバイスと、
前記蓄電デバイスに蓄電された電力及び前記発電機で発電された電力の少なくとも一方を電力負荷へ供給するための給電部と、
請求項1又は2に記載の制御装置と、を備える、
電力供給システム。 engine and
a generator that generates power using the power of the engine;
a power storage device that stores at least one of the power generated by the generator and the regenerated power from the power load;
a power supply unit for supplying at least one of the power stored in the power storage device and the power generated by the generator to a power load;
A control device according to claim 1 or 2,
power supply system.
請求項3に記載の電力供給システム。 The electricity storage device is any one or a combination of two or more of a lithium ion capacitor, an electric double layer capacitor, and a high power lithium ion battery,
The power supply system according to claim 3.
前記蓄電デバイスのSOCを計測すること、
前記SOCからSOC平均値を求めること、
前記SOC平均値に基づいて発電機出力目標値を決定すること、及び、
前記発電機出力目標値に対応して前記発電機の出力を制御すること、を含み、
前記発電機出力目標値は、前記SOC平均値が所定の許容上限値を超えれば0よりも大きい所定の基本値と決定され、前記SOC平均値が所定の許容下限値を下回れば前記基本値よりも大きい補正値と決定され、前記SOC平均値が前記許容下限値以上前記許容上限値以下であれば現在の前記発電機出力目標値と決定され、前記発電機出力目標値を前記基本値と前記補正値との2値の間で変化させる、
電力供給システムの制御方法。 an engine, a generator that generates power using the motive power of the engine, a power storage device that stores at least one of the power generated by the power generator and regenerated power from the power load, and the power stored in the power storage device and A control method for a power supply system comprising a power supply unit for supplying power generated by the generator to a power load,
measuring the SOC of the electricity storage device;
obtaining an SOC average value from the SOC;
determining a generator output target value based on the SOC average value; and
controlling the output of the generator in response to the generator output target value;
The generator output target value is determined to be a predetermined basic value greater than 0 if the SOC average value exceeds a predetermined allowable upper limit value, and if the SOC average value is lower than a predetermined allowable lower limit value, the generator output target value is determined to be higher than the basic value. is determined to be a large correction value, and if the SOC average value is equal to or greater than the allowable lower limit value and equal to or lower than the allowable upper limit value , the current generator output target value is determined, and the generator output target value is set to the basic value and the Change between two values with the correction value ,
A method of controlling a power supply system.
請求項5に記載の電力供給システムの制御方法。 The electricity storage device is any one or a combination of two or more of a lithium ion capacitor, an electric double layer capacitor, and a high power lithium ion battery,
The control method of the power supply system according to claim 5.
請求項5又は6に記載の電力供給システムの制御方法。
The SOC average value is a moving average value or a low-pass filter output value of the SOC,
A control method for a power supply system according to claim 5 or 6.
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