JP7461660B2 - Energy storage systems, new energy systems, power distribution systems, power transmission systems, transportation equipment, battery systems for electric vehicles, and battery systems for uninterruptible power supplies - Google Patents
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Description
本発明は、電力系統および/または負荷との間で電力の授受が可能な蓄電システムと、それを備える新エネシステム、配電システム、送電システム及び輸送機器とに関し、特に、内蔵する蓄電素子の試験または診断の実施に好適な蓄電システムと、それを備える新エネシステム、配電システム、送電システム、輸送機器、電気自動車のバッテリシステム及び無停電電源装置のバッテリシステムとに関する。The present invention relates to an energy storage system capable of receiving and transmitting electric power between a power grid and/or a load, and new energy systems, power distribution systems, power transmission systems, and transport equipment equipped with the same, and in particular to an energy storage system suitable for performing testing or diagnosis of built-in energy storage elements, and new energy systems, power distribution systems, power transmission systems, transport equipment, battery systems for electric vehicles, and battery systems for uninterruptible power supplies equipped with the same.
近年、発電システムや負荷との間で電力の授受を行ったり、電力系統と連系したりすることで電力需給の安定化を図る蓄電システムの需要が増大している。例えば、電力変換回路と蓄電器とを接続して構成した単位変換器が、複数、直列に接続されてなり、各単位変換器の電源回路の出力電圧を合成して出力する多重レベル変換器を備える蓄電システムが知られている(特許文献1参照)。In recent years, there has been an increasing demand for energy storage systems that stabilize the supply and demand of electricity by transferring power between power generation systems and loads and by connecting to the power grid. For example, there is a known energy storage system that includes a multilevel converter that combines and outputs the output voltages of the power supply circuits of the unit converters, each of which is configured by connecting a power conversion circuit and a capacitor, and is connected in series (see Patent Document 1).
このような蓄電システムを長期にわたって運転可能な状態に維持するには、バッテリの寿命診断を行い、残存寿命が短いバッテリを運転中に交換する必要が生じる。特許文献1および特許文献2では、単位変換器を構成するバッテリの劣化状態(劣化部位および劣化の程度)を運転中に診断し、蓄電システムの運転を止めずに劣化したバッテリを交換するための先行技術例が開示されている。例えば、特許文献2には、蓄電システムを停止させることなく、蓄電システムを検査することが可能な検査装置が開示されている。
To keep such a power storage system operable for a long period of time, it becomes necessary to diagnose the battery life and replace batteries with short remaining life while the system is in operation.
しかしながら、特許文献2に記載された発明では、蓄電システムの運転継続中にバッテリの劣化診断や交換が可能であるものの、バッテリの劣化診断を電気的に行う際に、蓄電システムと系統連系している外部の電力系統や負荷に対して電力の安定性を損なう影響を与える恐れがある。また、同様の問題は、バッテリの劣化診断に限らず、蓄電システム内のバッテリ特性の経時変化やバッテリ毎の特性のバラつきを計測するための電流を蓄電システム内で用いる状況においても生じる。However, while the invention described in
例えば、特許文献2に開示された電源装置では、サイリスタをゲート制御することで、蓄電素子とCR回路に入力される交流波形が制御され、CR回路を構成するコンデンサからの出力電流の直流成分と、蓄電素子への充電電流の交流成分との比に基づいて、整流回路、コンデンサ、制御装置に異常があるか否かの判定処理を実行する。For example, in the power supply device disclosed in
しかしながら、この電源装置では、蓄電素子の劣化診断時に、外部の電力系統からサイリスタに電流が直接流れ込むことで交流波形の制御や平滑化が行われる。そのため、蓄電素子の劣化診断時に電源装置内部に流れ込む電流により、電源装置と系統連系中の電力供給網や負荷における系統周波数および電流圧を変動させ、一時的に系統電力の安定性を損なう恐れがある。その結果、特許文献2記載の発明では、バッテリ試験時において蓄電システムと系統連系している電力系統や負荷に対して電力の安定性を損なう影響を抑制することは困難である。However, in this power supply device, when the deterioration of the storage element is diagnosed, current flows directly from the external power system into the thyristor to control and smooth the AC waveform. Therefore, the current flowing into the power supply device when the deterioration of the storage element is diagnosed may fluctuate the system frequency and current voltage in the power supply network and loads connected to the power supply device, temporarily impairing the stability of the system power. As a result, with the invention described in
上記のようにバッテリの試験中に外部の電力系統や負荷における電力の安定性が損なわれる主たる要因として、バッテリ試験に用いる電流が蓄電システム内部から外部に漏れることが考えられる。As mentioned above, the main cause of loss of power stability in external power systems and loads during battery testing is thought to be leakage of the current used in the battery testing from inside the energy storage system to the outside.
そこで、本発明に係る幾つかの実施形態では、以上の問題点に鑑み、バッテリを試験する際に、外部の設備における電力状態の安定性を損なうことを抑制できる蓄電システム、新エネシステム、配電システム、送電システム、輸送機器、電気自動車のバッテリシステム及び無停電電源装置のバッテリシステムを提供することを目的とする。 In view of the above problems, some embodiments of the present invention aim to provide a battery system, a new energy system, a power distribution system, a power transmission system, a battery system for transportation equipment, an electric vehicle, and a battery system for an uninterruptible power supply, which can suppress the loss of stability of the power state in external equipment when testing a battery.
本発明の蓄電システムは、充放電可能な蓄電素子を有する単位変換器を備えるアームを、三相交流における相間にそれぞれ対応して設けて環状電流路を形成する主回路部と、診断対象として指定された前記蓄電素子を前記環状電流路へ接続した状態で、前記環状電流路に任意の周波数の循環電流を流して、診断対象として指定された前記蓄電素子の劣化状態を試験する制御手段と、を備えることを特徴とする。The energy storage system of the present invention is characterized by comprising a main circuit section in which arms equipped with unit converters having chargeable and dischargeable energy storage elements are provided corresponding to each of the phases in a three-phase alternating current to form a ring-shaped current path, and a control means for testing the deterioration state of the energy storage element designated as the object of diagnosis by connecting the energy storage element designated as the object of diagnosis to the ring-shaped current path and passing a circulating current of any frequency through the ring-shaped current path.
本発明の蓄電システムは、充放電可能な蓄電素子を有する単位変換器を備えるアームを、三相交流における相間にそれぞれ対応して設けて環状電流路を形成する主回路部と、前記環状電流路を流れる異なる周波数の循環電流により、診断対象として指定された前記蓄電素子の端子間に生じた電圧と前記蓄電素子に通流した電流をそれぞれ検出する検出部と、を備えることを特徴とする。The energy storage system of the present invention is characterized by comprising a main circuit section in which arms equipped with unit converters having chargeable and dischargeable energy storage elements are provided corresponding to each of the phases in a three-phase alternating current to form a circular current path, and a detection section which detects the voltage generated between the terminals of the energy storage element designated as the diagnosis target and the current flowing through the energy storage element due to circulating currents of different frequencies flowing through the circular current path.
本発明の蓄電システムは、三相交流の相間にそれぞれ対応して一次巻線と二次巻線が設けられ、前記一次巻線を介して三相交流電源からの電力供給を受ける変圧器と、充放電可能な蓄電素子を有する単位変換器を備え、三相交流の相間にそれぞれ対応して設けられた複数の前記二次巻線とそれぞれ接続された複数のアームと、三相交流の相間にそれぞれ対応し、各々の前記アームと各々の前記二次巻線により形成された閉回路として個別に形成された複数の環状電流路と、前記単位変換器を制御し、複数の前記環状電流路の少なくとも1つに、異なる周波数の循環電流を流し、診断対象として指定された前記蓄電素子の劣化状態を試験する制御手段とを備えることを特徴とする。The energy storage system of the present invention is characterized in that it comprises a transformer having a primary winding and a secondary winding corresponding to each of the interphases of a three-phase AC power source and receiving power from the three-phase AC power source via the primary winding, a unit converter having a chargeable and dischargeable energy storage element, a plurality of arms respectively connected to a plurality of the secondary windings respectively corresponding to the interphases of the three-phase AC, a plurality of circular current paths respectively corresponding to the interphases of the three-phase AC and individually formed as closed circuits formed by each of the arms and each of the secondary windings, and a control means for controlling the unit converter, passing circulating currents of different frequencies through at least one of the plurality of circular current paths, and testing the deterioration state of the energy storage element designated as the diagnosis target.
本発明の蓄電システムは、蓄電素子を有し、接続された外部システムとの間で電力を授受可能な複数の単位変換器と、複数の前記単位変換器と前記外部システムの間で電力を授受している間に、複数の前記単位変換器から選択した1つの前記単位変換器の前記蓄電素子に、周波数の異なる交流電圧を順次印加し、前記蓄電素子の等価回路を推定する制御手段とを備えることを特徴とする。The energy storage system of the present invention is characterized in that it comprises a plurality of unit converters each having an energy storage element and capable of transmitting and receiving electric power between a connected external system, and a control means for sequentially applying AC voltages of different frequencies to the energy storage element of one of the unit converters selected from the plurality of unit converters while transmitting and receiving electric power between the plurality of unit converters and the external system, and estimating an equivalent circuit of the energy storage element.
本発明の蓄電システムは、充放電可能な蓄電素子を有する単位変換器を備えるアームを設けた主回路部を備え、交流システムに接続された蓄電システムであって、前記交流システムとの間で電力を授受しながら診断対象として指定された前記蓄電素子の劣化状態を試験する制御手段を備えることを特徴とする。The energy storage system of the present invention is characterized in that it is a energy storage system that is connected to an AC system and has a main circuit section provided with an arm equipped with a unit converter having a chargeable and dischargeable energy storage element, and that it is equipped with a control means that tests the deterioration state of the energy storage element designated as the diagnosis target while receiving and sending power between the AC system and the energy storage system.
本発明の新エネシステムは、上記のいずれかに記載の蓄電システムが接続されたことを特徴とする。The new energy system of the present invention is characterized in that it is connected to any of the storage systems described above.
本発明の配電システムは、上記のいずれかに記載の蓄電システムが連系されたことを特徴とする。The power distribution system of the present invention is characterized in that it is connected to any of the storage systems described above.
本発明の送電システムは、上記のいずれかに記載の蓄電システムが連系されたことを特徴とする。The power transmission system of the present invention is characterized in that it is connected to any of the storage systems described above.
本発明の輸送機器は、上記のいずれかに記載の蓄電システムが接続されたことを特徴とする。The transportation equipment of the present invention is characterized in that it is connected to any of the storage systems described above.
本発明の電気自動車のバッテリシステムは、上記のいずれかに記載の蓄電システムが連系されたことを特徴とする。The battery system of the electric vehicle of the present invention is characterized in that it is connected to any of the storage systems described above.
本発明の無停電電源装置のバッテリシステムは、上記のいずれかに記載の蓄電システムが連系されたことを特徴とする。The battery system of the uninterruptible power supply of the present invention is characterized in that it is connected to any of the storage systems described above.
以上より、本発明の実施形態によれば、バッテリを試験する際に、蓄電素子の劣化状態を試験するための電流が蓄電システムの内部で循環することにより、外部に漏れ出ないので、蓄電システムと接続された外部の設備における電力状態の安定性が損なわれることを抑制できる。その結果、本発明の幾つかの実施形態によれば、蓄電システムの運転を継続しながら、蓄電システムと接続された外部の設備に対して影響を与えずに蓄電システム内の各蓄電素子の診断または特性計測を行うことが可能となる。 As described above, according to embodiments of the present invention, when testing a battery, the current for testing the deterioration state of the storage elements circulates inside the storage system and does not leak to the outside, thereby preventing the stability of the power state in external equipment connected to the storage system from being impaired. As a result, according to some embodiments of the present invention, it is possible to diagnose or measure the characteristics of each storage element in the storage system while continuing to operate the storage system, without affecting the external equipment connected to the storage system.
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。Hereinafter, several embodiments of the present invention will be described with reference to the attached drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, etc. of the components described as embodiments or shown in the drawings are not intended to limit the scope of the present invention, but are merely illustrative examples. For example, expressions expressing that things are in an equal state, such as "same," "equal," and "homogeneous," not only express a strictly equal state, but also express a state in which there is a tolerance or a difference to the extent that the same function is obtained. On the other hand, expressions such as "comprise," "include," "have," "include," or "have" a component are not exclusive expressions that exclude the presence of other components.
最初に、本発明の第1の実施形態に係る蓄電システムの構成と動作について図1乃至図6を参照しながら以下のとおり説明する。First, the configuration and operation of the energy storage system relating to the first embodiment of the present invention will be described below with reference to Figures 1 to 6.
<第1の実施形態>
新エネシステムとしてのウインドファームをエネルギー源とする電力網システムに蓄電システムを接続した場合を例として、本発明の第1の実施形態の蓄電システムを説明する。まず、第1実施形態の蓄電システムを適用する電力網システムの構成について、図1を参照して説明する。図1は、発電設備から負荷に電力を供給する比較的低圧な配電システムとしての電力系統5と共に、この電力系統5との系統連系により電力系統5との間で電力の授受を行う蓄電システム10を含む電力網システム1を図示している。また、図1に示す電力網システム1には、発電設備の例として、風況91に応じて風力により発電する複数のタワー型風力発電機を備えるウインドファーム92が示されている。風力により発電された風力発電電力90Aは、ウインドファーム92から電力網を通じて負荷93の電力需要を賄うために電力変換設備94を経由して負荷93に供給される。
First Embodiment
The storage system of the first embodiment of the present invention will be described by taking as an example a case where a storage system is connected to a power grid system using a wind farm as an energy source as a new energy system. First, the configuration of a power grid system to which the storage system of the first embodiment is applied will be described with reference to FIG. 1. FIG. 1 illustrates a
自然エネルギーである風力で発電するウインドファーム92は、風況91により発電量が不規則に変化する不安定な発電設備である。電力系統5は電力需要と供給の関係によって周波数が変化するため、ウインドファーム92からの出力は安定していることが好ましい。
A
そこで、電力網システム1において、蓄電システム10は、電力系統5と負荷93の間の電力供給線に接続され、電力系統5との間で電力を授受することにより、電力系統の電力需要と供給の関係をバランスさせ、電力系統5における系統周波数や電流圧を安定化させる系統電力安定化装置として用いられている。すなわち、蓄電システム10は、発電設備から出力される電力が負荷93側の要求電力に対して不足状態にあるときには、電力系統5に不足分の電力を供給するための放電を行う。逆に、発電設備から出力される電力が負荷93側の要求電力に対して余剰状態となるときには、蓄電システム10は、電力系統5から余剰分の電力を回収し、蓄積しておくための充電を行う。Therefore, in the
図1に示す例では、風況91の変化に伴って発電設備であるウインドファーム92の発電量が上昇し、電力系統5における系統電力に余剰が生じた場合などには、蓄電システム10は系統電力の一部を充電して蓄えておく働きをする。これとは逆に、無風状態によりウインドファーム92の発電量が低下したり、負荷93の電力需要が急増したりして系統電力の不足が生じると、蓄電システム10は、放電により蓄えておいた電力を電力系統5に供給する。例えば、図1を参照すると、系統電力の不足時に、蓄電システム10は、蓄えておいた充放電電力90Cを電力系統5に放電するので、風力により発電された風力発電電力90Aと蓄電システム10から放電された充放電電力90Cが合成された合成電力90Bが負荷93に供給される。In the example shown in FIG. 1, when the amount of power generated by the
上述した充放電により電力系統5との間での電力の授受を実現するために、図1に示す蓄電システム10は、充放電が可能な複数の蓄電素子を接続して成る回路構成を含むと共に、電力系統5からの交流電力を蓄電素子に充電可能とするために直流に変換し、逆に、蓄電素子が放電する直流電力を電力系統5に出力可能とするために交流に変換する働きをする電力変換器としての回路構成をも有している。In order to realize the exchange of power with the
このような蓄電システムを構成する複数の蓄電素子は、蓄電システムの作動によって、その状態、例えば蓄電性能や寿命などが変化する。特に、電力系統との間で電力の授受を行う蓄電システムを長期にわたって運転可能な状態に維持するためには、蓄電システムの運転継続中に、蓄電システムを構成する各々の蓄電素子の寿命診断を行い、どの蓄電素子を新品と交換すべきかを識別する必要がある。しかしながら、従来の蓄電システムの運転中に蓄電素子の劣化診断を行うと、電力系統における系統周波数および電流圧を変動させ、一時的に系統電力の安定性を損なう恐れがある。 The state of the multiple storage elements that make up such a power storage system, such as their storage performance and lifespan, changes depending on the operation of the power storage system. In particular, to maintain a power storage system that receives and transmits power to and from a power grid in an operable state over the long term, it is necessary to perform a lifespan diagnosis of each storage element that makes up the power storage system while the power storage system is in operation and to identify which storage elements should be replaced with new ones. However, if a deterioration diagnosis of the storage elements is performed while a conventional power storage system is in operation, it may cause fluctuations in the system frequency and current voltage in the power grid, temporarily compromising the stability of the system power.
これに対して、本発明に係る幾つかの実施形態の蓄電システムは、図2乃至図5を用いて詳しく後述するように、蓄電システムを構成する多数の蓄電素子を個別に診断する際に外部の電力系統や負荷における電力の安定性が損なわれることを抑制できる。以下では、電力系統との系統連系により電力の授受を行う第1の実施形態の蓄電システムについて図2乃至図5を参照しながら詳細に説明する。In contrast, the energy storage system of some embodiments of the present invention can suppress the loss of stability of power in an external power system or load when individually diagnosing a large number of energy storage elements that make up the energy storage system, as will be described in detail later with reference to Figures 2 to 5. Below, a first embodiment of the energy storage system that exchanges power by interconnecting with the power system will be described in detail with reference to Figures 2 to 5.
まずは、電力網システム1の構成について説明する。図2に示すように、例示的な電力網システム1は、電力系統5に蓄電システム10が接続された構成をとる。電力系統5と蓄電システム10は端子57u、57v、57wで接続される。電力系統5は、三相交流電力を供給する発電設備50と負荷56が配電線53u、53v、53wで接続されている。図2では、図1のウインドファーム92を発電設備50として模式的に示している。また、負荷56は、図1の負荷93と同様であり、例えば、工場などの需要家又は需要家の有する機械や製造装置などである。図2中の52u、52v、52wと51u、51v、51wは、端子57u、57v、57wより発電設備50側の配電線53u、53v、53wのリアクタンス成分及び抵抗成分を模式的に表したものであり、54u、54v、54wと55u、55v、55wは、端子57u、57v、57wより負荷56側の配電線53u、53v、53wのリアクタンス成分及び抵抗成分を模式的に表したものである。第1の実施形態の蓄電システム10は、このような三相の交流システムである電力網システム1において、電力系統5を安定化させる電力系統安定化装置として用いられる。なお、本発明の幾つかの実施形態に係る蓄電システム10は、電力系統5に系統電力安定化装置として接続されるものに限定されず、外部システムとしての例えば電気自動車や鉄道車両、トラック、バスなどの輸送機器の負荷に電力を供給する交流電源等の他の用途にも利用することができる。First, the configuration of the
(1-1)蓄電システムの全体構成
次に、本発明の第1の実施形態に従い、図2に示す蓄電システム10の構成について説明する。一例においては、蓄電システム10は、主回路部10aと、インピーダンス特性測定部12と、制御部(制御手段)13と、を含んで構成される。蓄電システム10は、多段階に増減可能な直流電圧を三相交流における3つの相間電圧に電力変換して電力網システム1に出力可能な主回路部10aと、インピーダンス特性測定部12と、診断対象の蓄電素子35を指定して、指定された蓄電素子35(図5)のインピーダンスをインピーダンス特性測定部12により測定し、環状電流路71への蓄電素子の接続状態を制御する制御部13と、を備えている。以下では、蓄電システム10を構成する各部の内部構造を、主回路部10a、インピーダンス特性測定部12及び制御部13の順に説明する。
(1-1) Overall Configuration of Energy Storage System Next, the configuration of the
(1-2)主回路部の構成と動作
まず、図2を用いて、主回路部10aの構成について説明する。主回路部10aはいわゆるΔ結線MMCの構成をとっている。より具体的に説明すると、主回路部10aは、Δ結線の回路トポロジーを有する環状電流路71を含んで構成され、電力系統5と三相交流の電力線で接続されている。その上で、Δ結線トポロジーを有する環状電流路71の3辺の各々が、三相交流における3つの相間電圧にそれぞれ対応し、上記3辺の各々が、充電電力を三相交流の各波形として変換出力する多重レベル電力変換器として構成されている。
(1-2) Configuration and Operation of the Main Circuit First, the configuration of the
以下、図2に示す主回路部10a内において、Δ結線トポロジーを有する環状電流路71内部の詳細な構造について説明する。Δ結線トポロジーを有する環状電流路71の各辺は、3本のアーム11A、11B、11Cと、リアクトル14A、14B、14Cから構成される。環状電流路71は、リアクトル14A、アーム11A、リアクトル14B、アーム11B、リアクトル14C、アーム11C、リアクトル14Aがこの順に接続され、環状の電流路となっている。3本のアーム11A、11B、11Cの各々は、単位変換器Cx
(i)(1≦i≦K)(Kは任意の正の整数である)を複数個(K個)カスケード(直列)に接続した構成となっている。
The detailed structure of the inside of the looped
さらに、図2に示す例では、主回路部10aは、R相とS相の相間に多段階に増減可能な起電圧を供給するアーム11A、S相とT相の相間に多段階に増減可能な起電圧を供給するアーム11B、T相とR相の相間に多段階に増減可能な起電圧を供給するアーム11Cとを備えている。アーム11Aは、多段階に増減可能な直流電圧を出力するために、充放電可能な蓄電素子35を備える単位変換器CA
(i)(1≦i≦K)を複数個(K個)直列に接続して構成されている。同様に、アーム11Bは、単位変換器CB
(i)(1≦i≦K)を複数個(K個)直列に接続して構成され、アーム11Cは、単位変換器CC
(i)(1≦i≦K)を複数個(K個)直列に接続して構成される。なお、アーム11A、アーム11B及びアーム11Cの各々が備える単位変換器Cx
(i)の個数は、適宜設定でき、一つであってもよい。アーム11A、アーム11B及びアーム11Cの各々が備える単位変換器Cx
(i)の個数が多いと、蓄電システム10が出力する交流電圧の段数が多くなり、交流電圧の波形をより正弦波に近い波形にできる。
Further, in the example shown in Fig. 2, the
アーム11A、アーム11Bおよびアーム11Cの各々は、一端がリアクトル14A、14B、14Cを介して、電力系統5の配電線53u、53v、53wの端子57u、57v、57wにそれぞれ接続されている。具体的には、配電線53uは、端子57uを有し、端子57uは、主回路部10aのアーム11Aとアーム11Cの結合点と接続されている。配電線53vは、端子57vを有し、端子57vは、主回路部10aのアーム11Bとアーム11Cの結合点と接続されている。配電線53wは、端子57wを有し、端子57wは、主回路部10aのアーム11Cとアーム11Aの結合点と接続されている。このようにして、蓄電システム10の主回路部10aが電力系統5に接続されている。
One end of each of the
続いて、単位変換器Cx
(i)の構成について説明する。単位変換器Cx
(i)の構成を図3に示す。図3に示すように、単位変換器Cx
(i)は、第1スイッチ33Hと第2スイッチ33Lとが直列に接続された第1スイッチアーム33と、第3スイッチ34Hと第4スイッチ34Lとが直列に接続された第2スイッチアーム34と、充放電できる蓄電素子35とを備えている。蓄電素子35は、例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池及びニッケルカドミウム電池などの二次電池で構成されている。単位変換器Cx
(i)は、外部システムとしての電力網システム1に接続され、電力網システム1との間で電力を授受可能である。
Next, the configuration of the unit converter C x (i) will be described. The configuration of the unit converter C x (i) is shown in Fig. 3. As shown in Fig. 3, the unit converter C x (i) includes a
単位変換器Cx
(i)は、第1スイッチアーム33の第1スイッチ33H側端部と、第2スイッチアーム34の第3スイッチ34H側端部と蓄電素子35の一の端子(本実施形態ではプラス側)とが接続され、第1スイッチアーム33の第2スイッチ33L側端部と第2スイッチアーム34の第4スイッチ34L側端部と蓄電素子35の他の端子(本実施形態では、マイナス側)とが接続されている。このように、単位変換器Cx
(i)は、第1スイッチアーム33、第2スイッチアーム34及び蓄電素子35が並列に接続されたフルブリッジ回路構成をしている。本実施例では、フルブリッジ構成としたが、ハーフブリッジ構成でも構わない。
In the unit converter C x (i) , the
単位変換器Cx
(i)では、第1スイッチアーム33と第2スイッチアーム34とが並列に接続されていることから、第1端子FTと第2端子STとの間では、第1スイッチ33Hと第3スイッチ34Hが直列(逆直列)に接続され、第2スイッチ33Lと第4スイッチ34Lが直列に接続された構成になっている。ここで、第1端子FTと第2端子ST間で直列に接続されたスイッチの一方(第1スイッチ33H及び第3スイッチ34H)を第1スイッチ群36と称し、直列に接続されたスイッチの他方(第2スイッチ33L及び第4スイッチ34L)を第2スイッチ群37と称することとする。
In the unit converter C x (i) , the
単位変換器Cx
(i)には、後述の制御部13(図2)が接続されており、第1スイッチ33H、第2スイッチ33L、第3スイッチ34H及び第4スイッチ34Lに、各スイッチのオン・オフを制御する駆動電圧(例えば、FET(電界効果型トランジスタ)で構成されたスイッチング素子の場合はゲート電圧)が制御部13から供給される。
A control unit 13 (FIG. 2), which will be described later, is connected to the unit converter C x (i) , and a drive voltage (e.g., a gate voltage in the case of a switching element constituted by an FET (field effect transistor)) that controls the on/off of each switch is supplied from the
単位変換器Cx
(i)において、第1スイッチアーム33の第1スイッチ33Hと第2スイッチ33Lとの接続点30から第1端子FTが引き出され、第2スイッチアーム34の第3スイッチ34Hと第4スイッチ34Lとの接続点32から第2端子STが引き出されている。隣接する2つの単位変換器Cx
(i)は、一方の単位変換器Cx
(i)の第1端子FTと他方の単位変換器Cx
(i)の第2端子STとが接続されて、直列に接続されている。蓄電素子35の電圧をVとすると、図3に示す単位変換器Cx
(i)では、以下のようにして、出力端子間(第1端子FT及び第2端子ST間)の電圧を3段階に増減させられるようになっている。すなわち、単位変換器Cx
(i)では、第1スイッチ33H、第2スイッチ33L、第3スイッチ34H及び第4スイッチ34Lのオン・オフを切り替えることにより、第1端子FTと第2端子STとの間に、±V、ゼロの3レベルの電圧を出力できるようになっている。なお、第1の実施形態では、単位変換器Cx
(i)の各々が同じ電圧を出力するように構成しているが、単位変換器Cx
(i)の各々が備える蓄電素子35の構成(蓄電素子の容量など)を適宜変更することで異なる電圧を出力するように構成することも可能である。
In the unit converter C x (i) , a first terminal FT is drawn from a
図2に示す蓄電システム10では、一の単位変換器Cx
(i)の第1端子FTと、隣接する単位変換器Cx
(i+1)の第2端子STとが接続されて、複数(K個)の単位変換器Cx
(i)(1≦i≦K)が直列に接続されている。そのため、蓄電システム10は、R相とS相の相間に電圧を印加するアーム11A、S相とT相の相間に電圧印加するアーム11B及びT相とR相の相間に電圧を印加するアーム11Cにおいて、電圧を出力する単位変換器Cx
(i)の数をそれぞれ切り替えることで、単位変換器Cx
(i)の数に応じた多段階の電圧を各アームが出力できる。また蓄電システム10は、各単位変換器Cx
(i)が電力を充放電できる蓄電素子35を備えているので、電力系統5からの蓄電素子35を充電することで電気エネルギーを蓄えることもでき、電力貯蔵装置として用いることができる。
In the
(1-3)インピーダンス特性測定部と制御部の構成と動作
まず、インピーダンス特性測定部12の構成について具体的に説明する。図3に示すように、インピーダンス特性測定部12は、電圧測定部120と電流測定部121とを備えている。電圧測定部120は、各蓄電素子35の端子間に接続されており、端子間電圧を測定する。電流測定部121は、第1スイッチ33Hと第2スイッチ33Lとの接続点30と第1端子FTとの間に挿入されており、環状電流路71を流れる電流を測定する。なお、電流測定部121は、環状電流路71の任意の場所に挿入できる。
(1-3) Configuration and Operation of Impedance Characteristics Measurement Unit and Control Unit First, the configuration of the impedance
次いで、蓄電システム10を制御する制御部13の構成について説明する。制御部13は、環状電流路71に異なる周波数の循環電流が流れるように、制御を行う制御シーケンスを実行し、診断対象として指定された蓄電素子の劣化状態を試験するように構成されている。制御部13は、例えばプロセッサや、後述の制御動作を実行するために設計された専用のハードウェア、PCなどの汎用の演算装置上にソフトウェアで実現される。また、一例においては、制御部13は、演算回路および電気信号の入出力インターフェースを含む情報処理装置として構成されてもよく、当該演算回路は、以下の制御または指令を実行する演算ロジックを実装していてもよい。すなわち、制御部13内の演算回路は、(1)環状電流路71に沿って接続された複数の蓄電素子35の接続状態を制御する動作、(2)従来式のΔ結線MMCと同様の原理と回路動作により電力系統5への有効電力と無効電力の出力を制御するための出力制御、(3)複数の蓄電素子35の中から、診断対象となる蓄電素子35を指定する動作、(4)およびインピーダンス特性測定部12に対する動作指令をそれぞれ実行する演算ロジックなどを実装している。さらに、制御部13は、蓄電システム10が入出力する有効電力や無効電力も制御することができる。Next, the configuration of the
(1-3-1)電力系統への電圧出力動作
続いて、制御部13による電力系統5への電圧出力動作について説明する。制御部13は、各単位変換器の制御回路に、制御部13が各々の単位変換器Cx
(i)のスイッチのオン・オフを制御するための指令を送出し、アーム11A、アーム11B及びアーム11Cから多段階の三相交流電圧を生成し、R相とS相の相間、S相とT相の相間およびT相とR相の相間にそれぞれ出力させる。
(1-3-1) Operation of outputting voltage to power system Next, a description will be given of an operation of outputting voltage to
配電線53u、53v、53wの各端子57u、57v、57wの各端子間電圧と、異なる電圧をアーム11A、11B、11Cが出力することにより、配電システムとの間で有効電力や無効電力の授受を行うことができる。
By
なお、配電システムや送電システムの電圧は正弦波であるので、各アーム11A、11B、11Cも正弦波に近い電圧を出力することが好ましい。
In addition, since the voltage of the power distribution system and the power transmission system is a sine wave, it is preferable that each
以下、図4を参照しながら、図2に示す主回路部10aを構成する各アーム11A、11Bおよび11Cを制御部13により制御することで、アーム11A、11Bおよび11Cの各々から多段階に増減可能な出力電圧を正弦波に近い波形となるように出力させる原理について説明する。ここでは、当該原理について、各アーム11A、11B、11Cがそれぞれ6つの単位変換器Cx
(i)(1≦i≦6,x={A,B,C})を有している場合を例として説明する。具体的には、アーム11A、11Bおよび11Cの各々が備える6つの単位変換器Cx
(i)(1≦i≦6,x={A,B,C})のスイッチのオン・オフ制御を制御部13が実行することで、アーム11A、11Bおよび11Cの各々から三相交流における相間電圧を生成し、この相関電圧を各アーム11xの両端から正弦波に近い波形となるように出力する仕組みについて説明する。その仕組みは、各アーム11A、11B、11Cで同じであるので、以下、アーム11AからR相とS相の相間に出力される電圧を正弦波に近い波形となるように出力する場合を例にとって説明する。
Hereinafter, with reference to Fig. 4, a principle of outputting an output voltage that can be increased or decreased in multiple stages from each of the
図4は、縦軸にR相とS相の相間に生成される電圧(正または負、但し、各単位変換器の出力電圧の最大値を1として正規化された値)を、横軸に時間をとり、主回路部10aのアーム11Aから出力される目標電圧と、アーム11Aを構成する単位変換器CA
(1)~CA
(6)のそれぞれの出力端子間(FT-ST間)に発生する電圧との関係を交流波形の1サイクルにわたって示す。ここで、アーム11Aにおける目標電圧とは、R相とS相の相間電圧として出力される交流電圧の目標値であり、R相とS相の相間に正弦波として生成すべき交流電圧波形に沿って変化するように設定される。
4, with the vertical axis representing the voltage (positive or negative, but normalized with the maximum value of the output voltage of each unit converter set to 1) generated between the R and S phases and the horizontal axis representing time, shows the relationship between the target voltage output from
図4では、上から順に、蓄電システム10のR相とS相の相間においてアーム11Aの多段階に印加される増減可能な電圧Vout、アーム11Aを構成する単位変換器CA
(1)~CA
(6)のそれぞれの出力端子間(FT-ST間)に印加されるVA
(1)、VA
(2)、VA
(3)、VA
(4)、VA
(5)およびVA
(6)を示す。また、図4では、縦軸と横軸との交点を基準電位0として、基準電位0よりも上側を正、基準電位0よりも下側を負の電位としている。
4 shows, from the top, an increase/decrease voltage V out applied in multiple stages to
図4に示すように、主回路部10aでは、アーム11Aを構成する単位変換器CA
(1)~CA
(6)のそれぞれの出力端子間(FT-ST間)に、振幅の基準電位及び幅の異なる矩形波状の電圧パルスが発生する。その際、アーム11Aの両端に、目標電圧に対応した電圧が発生するように、単位変換器CA
(1)~CA
(6)のそれぞれの第1スイッチ群36及び第2スイッチ群37の開閉制御を行う。例えば、該パルスは、三角波PWM(Pulse-Width Modulation:パルス幅変調)制御の三角波の位相をずらしてパルス幅変調することにより得られる。これによって、アーム11Aを構成する単位変換器CA
(1)~CA
(6)のそれぞれの出力端子間(FT-ST間)において、振幅の基準電位及び幅が異なり、振幅の高さが同じとなる矩形波状の電圧パルスを発生させ、さらにこれらの電圧パルスを合成する。これにより、正弦波で表される目標電圧に対応して階段状に変化する電圧が主回路部10aのアーム11Aから三相交流の相間電圧として出力される。
As shown in FIG. 4, in the
このとき、蓄電システム10が備える制御部13は、正弦波で表される目標電圧波形に基づいて、単位変換器CA
(1)~CA
(6)のそれぞれの出力端子間(FT-ST間)に、該目標電圧波形を近似する上記矩形波状の電圧が発生するように、対応する第1スイッチ群36及び第2スイッチ群37を開閉制御するための駆動信号を生成する。例えば、駆動信号は、アーム11Aが電圧を出力するための電圧指令値を規格化し、規格化した電圧指令値を三角波と比較することで生成される。制御部13は、生成した駆動信号を、対応する第1スイッチ群36及び第2スイッチ群37を構成する半導体スイッチング素子のゲートに出力し、対応するスイッチング素子をスイッチング(オン,オフ)させる。以上のようにして、アーム11A、11Bおよび11Cの各々は、その内部において直列接続された蓄電素子の合成電圧を所望の周波数の交流波形に変換する多重レベル変換回路の電圧変換動作を実行することとなる。これは、環状電流路71に異なる周波数の循環電流が流れるようにする制御シーケンスの一例である。
At this time, the
以上のように、単位変換器Cx
(i)内のスイッチング素子の開閉タイミングを制御部13から制御することができる。そして、制御部13によるこの制御動作により、充放電可能な蓄電素子35を2つ以上直列接続して各々が構成される3本のアーム11A、11Bおよび11Cにおける電流圧が所望の交流波形と周波数で変化するよう制御することが可能となる。一例として、3本のアーム11A、11Bおよび11Cの各々の両端において、電力系統5に供給すべき三相交流電力における3つの相間電圧を生成可能となる。これと同時に、3本のアーム11A、11Bおよび11Cの各々に流れる電流の大きさ(瞬時値)を、三相交流電力における各相に対応した交流波形となるように変化させることができる。このとき、3本のアーム11A、11Bおよび11Cの各々に流れる電流波形とアーム両端に現れる相間電圧波形との間の位相差(力率)を制御部13が所望の力率となるように制御することができる。従って、3本のアーム11A、11Bおよび11Cの各々における交流電力の力率を制御することで、制御部13は、電力系統5への有効電力と無効電力の出力を制御するための出力制御を行うように構成されている。
As described above, the opening and closing timing of the switching elements in the unit converter C x (i) can be controlled by the
(1-3-2)インピーダンス特性測定動作
インピーダンス特性測定部12と制御部13によるインピーダンス特性測定動作ついて説明する。制御部13は、環状電流路71に異なる周波数の循環電流が流れるように、制御シーケンスを実行する。次いで、制御部13は、診断対象となる蓄電素子35を指定する信号および指定した蓄電素子35の診断を行うべき旨を指令する信号をインピーダンス特性測定部12に対して出力する。その際、制御部13は、診断対象となる蓄電素子35の指定を環状電流路71に沿って順次切り替えていくことで、環状電流路71に沿って配列された全ての蓄電素子35を診断することができる。
(1-3-2) Impedance characteristic measurement operation The impedance characteristic measurement operation by the impedance
一方、制御部13からの指令を受けたインピーダンス特性測定部12は、まず、制御部13による診断対象の指定に従い、環状電流路71に沿って配列された複数の蓄電素子35の中から診断対象となる蓄電素子35を識別する。続いて、インピーダンス特性測定部12は、診断対象となる蓄電素子35に通流させた試験用の電流について電流値を電流測定部121により計測する。続いて、インピーダンス特性測定部12は、電圧測定部120が蓄電素子35の端子間で測定した電圧値と当該電流値から蓄電素子35のインピーダンス特性を推定する。最後に、インピーダンス特性測定部12は、蓄電素子35について推定したインピーダンス特性を制御部13に出力する。以上より、インピーダンス特性測定部12は、環状電流路71を流れる異なる周波数の循環電流により、診断対象として指定された蓄電素子35の端子間に生じた電圧と蓄電素子に通流した電流をそれぞれ検出する検出部としての役割を果たす。On the other hand, the impedance
(1-3-3)蓄電素子の診断
本発明の実施形態に係る蓄電システム10において、ライフタイムコストを削減するには、蓄電素子35を寿命劣化させないような蓄電素子35の使い方をすることが重要である。例えば、蓄電素子35の劣化状況を確認すること、また、蓄電システム10の動作と蓄電素子35の劣化との間の関連性を把握し、これを踏まえた蓄電システム10の運転を行うことが重要である。また、蓄電素子35の劣化診断時に、蓄電システム10が接続されているシステムに影響を与えないことが重要である。当該システムに影響を与えずに蓄電素子35の診断をするために、本発明の実施形態に係る蓄電システム10は、電力系統5と有効電力や無効電力を授受するために正相電圧、もしくは、逆相電圧を出力するように制御部13が単位変換器を制御する。ここで、電力系統5が非接地系であれば、零相成分は有効電力や無効電力に影響しない。そこで、蓄電素子35の劣化診断を行うには、零相電流や零相電圧を用いるのが好ましい。具体的には、蓄電システム10は各相間を一巡する循環経路として構成された環状電流路71を持つので、環状電流路71に零相電圧を印加し、環状電流路71に零相電流を通流させて、任意の蓄電素子35の劣化診断を行えばよい。以下、循環電流の生成動作について説明する。
(1-3-3) Diagnosis of the Energy Storage Element In order to reduce the lifetime cost in the
(1-3-4)循環電流の生成動作
続いて、充放電可能な蓄電素子35を2つ以上直列接続して各々が構成される3本のアーム11A、11Bおよび11Cを環状に接続して主回路部10a内に形成した環状電流路71において、蓄電素子35の診断のために流す試験用の電流(以下、「循環電流Icir(図5)」と呼ぶ)を生成する動作を説明する。この場合、アーム11A、11Bおよび11Cの各々に、電力制御に必要な正相電圧・逆相電圧と、循環電流通流に必要な零相電圧の和電圧を出力させる。
(1-3-4) Operation of Generating Circulating Current Next, an operation of generating a test current (hereinafter referred to as "circulating current I cir (FIG. 5)") to be passed for diagnosing the
ここで、診断対象として指定された蓄電素子35の劣化状態を試験する際の制御部13の動作を説明する。制御部13は、まず、診断対象として指定された蓄電素子35を含む単位変換器Cx
(i)の動作状態を、電力系統5と電力を授受する通常動作状態から蓄電素子35のインピーダンス特性を測定する試験動作状態へと切り替える。このとき、制御部13は、試験動作状態への切り替えのために、蓄電素子35を含むフルブリッジ回路構成の単位変換器Cx
(i)において、以下のようにスイッチング素子を制御する。まず、蓄電素子35の正極と負極がフルブリッジ回路の出力端子対(FT端子とST端子の対)の一方と他方にそれぞれ接続された状態となるようにスイッチング素子を制御する。そして、蓄電素子35の正極と負極が上記出力端子対の一方と他方にそれぞれ接続されている状態のフルブリッジ回路内において、同時に導通状態となっている一対のスイッチング素子を指して“対角位置にあるスイッチング素子”と定義する。こうして、フルブリッジ回路内で対角位置にある一対のスイッチング素子を導通状態とすることで、診断対象として指定された蓄電素子35の劣化状態を試験する。なお、蓄電素子35を含むフルブリッジ回路が試験動作状態にあるとき、蓄電素子35の端子間が短絡されないように、短絡した一対の対角位置にあるスイッチング素子を除く他のスイッチング素子は、非導通状態としなくてはならない点に留意されたい。
Here, the operation of the
例えば、診断対象として指定された蓄電素子35を含む単位変換器Cx
(i)が、図3に示すフルブリッジ回路として構成される場合、以下のようにして対角位置にある一対のスイッチング素子を同時に導通状態とする。例えば、図3に示すフルブリッジ回路内で対角位置にあるスイッチのペアとして、第1スイッチ33Hと第4スイッチ34Lのペアまたは第2スイッチ33Lと第3スイッチ34Hのペアの何れか一方を選択し、オン状態のまま保持する。他方のペアはオフ状態とする。
For example, when the unit converter C x (i) including the
続いて、制御部13は、環状電流路71に異なる周波数の循環電流Icirが流れるように、前記制御を行う制御シーケンスを実行するように構成されている。こうして、充放電可能な蓄電素子35を有する単位変換器Cx
(i)(1≦i≦K、x={A,B,C})を備えるアーム11A、11Bおよび11Cを、三相交流における相間にそれぞれ対応して設けて環状電流路71を形成することで、蓄電素子35の劣化状態を試験するための循環電流Icirを、周波数を様々に異ならせながら流すことが可能となる。そして、循環電流Icirの周波数を変えながら、蓄電素子35の電流と電圧を測定する。その際、少なくとも周波数毎に、少なくとも一周期に相当する時間、電流値と電圧値を測定することが好ましい。その上で、上述した電圧と電流の測定結果からフーリエ変換などで抽出した循環電流Icirの周波数と同じ周波数成分の電圧値と電流値から、蓄電素子35の複素インピーダンスの周波数依存性を算出する。この複素インピーダンス成分から蓄電素子35の各部のインピーダンスを推定し、劣化状態を診断する。診断手法については後述する。
Next, the
複素インピーダンスの測定において、電力系統5に直流電流が流出することを防ぐ方法について説明する。連続した正弦波電流で、特定アームの特定セルの蓄電素子35を測定すると、該当する単位変換器Cx
(i)は直流電圧を出力する。このとき、該当アームの他の単位変換器Cx
(i)が、測定により生じた直流電圧を補償する電圧を出力することにより、複素インピーダンスを測定している蓄電素子35が属するアームが直流電圧を出力して、電力系統5に直流電流が流出することを防ぐことができる。電力系統5に直流電流が流出することを防ぐ他の手法としては、複素インピーダンスを測定している蓄電素子35が属するアーム以外の他の2つのアームが、測定により生じた直流電圧を補償する電圧を出力すればよい。この場合、直流電圧は零相となるので、直流電流は蓄電システム10の外部に流出しない。さらに、全ての相(アーム)が直流電圧を出力することを利用して、各相(アーム)の所定の蓄電素子35の電圧と電流を同時に測定することも可能である。
A method for preventing a DC current from flowing out to the
また、他の方法として、PWMパルスなどの電圧パルスを印加することで断続した正弦波零相電流を特定の蓄電素子35に通流させるようにし、断続電流が通流しているときのみ電圧と電流を測定して、離散フーリエ展開などで、当該周波数の複素インピーダンスを求めることも可能である。この場合も、各相(アーム)同時に所定の蓄電素子35の電圧と電流を測定することが可能である。このように、蓄電素子35の劣化状態を試験するための電流が蓄電システム10の内部で循環し、外部の電力系統5に漏れ出ないので、蓄電システム10と系統連系している外部の電力系統5や負荷56における電力状態の安定性を損なうことを防止できる。As another method, it is possible to apply a voltage pulse such as a PWM pulse to pass an intermittent sine wave zero-phase current through a
続いて、蓄電素子35に循環電流を通流させる際の制御手法について説明する。制御部13は、環状電流路71を形成する単位変換器Cx
(i)(1≦i≦K、x={A,B,C})のスイッチング素子を開閉制御する動作を所定の制御シーケンスに従って実行することにより、環状電流路71に異なる周波数の循環電流Icirが流れるようにすることが可能となる。
Next, a description will be given of a control method for passing a circulating current through the
これにより、蓄電素子35の劣化状態を試験するための循環電流Icirを生成するために、主回路部10aに接続可能な追加の電源が不要となり、主回路部10a自身が発生する電圧のみを用いて蓄電素子35の劣化状態を試験するための循環電流Icirを生成することが可能となる。一実施形態では、診断対象として指定された蓄電素子35を含む単位変換器Cx
(i)は、蓄電素子35のインピーダンス特性を測定する試験動作状態にある一方で、他の単位変換器Cx
(i)は、電力系統5と電力を授受する通常動作状態にある。従って、この場合には、診断対象として指定された蓄電素子35を除く他の蓄電素子35の充放電動作によって、電力系統5と電力を授受するだけでなく、循環電流Icirの生成を併せて行うようにしている。このように、制御部13は、複数の単位変換器Cx
(i)と電力網システム1(外部システム)の間で電力を授受している間に、複数の単位変換器Cx
(i)から選択した1つの単位変換器の蓄電素子35に、周波数の異なる交流電圧を順次印加し、蓄電素子35の等価回路を推定し、診断対象として指定された蓄電素子35の劣化状態を試験することができる。
This eliminates the need for an additional power source connectable to the
(1-3-5)複素インピーダンスを用いた蓄電素子の診断について
主回路部10aに対する制御部13の制御により、蓄電素子35の劣化状態を試験するための循環電流Icirを、周波数を様々に変化させながら環状電流路71に流している間、インピーダンス特性測定部12は、蓄電素子35のインピーダンス特性を測定する。具体的には、インピーダンス特性測定部12は、診断対象として指定された蓄電素子35に様々に異なる周波数の電流が流れている状態で、蓄電素子35の端子間電圧を電圧測定部120により測定すると共に、蓄電素子35を流れる電流を電流測定部121により測定する。当該周波数成分の交流電圧と交流電流からインピーダンスを演算できる。これにより、インピーダンス特性測定部12は、循環電流Icirの周波数の変化に応じて蓄電素子35のインピーダンスがどのように変化するかを調べる。
(1-3-5) Diagnosis of Energy Storage Element Using Complex Impedance Under the control of the
続いて、診断対象となる蓄電素子35(図5)に流れる循環電流Icirの周波数に応じた蓄電素子35のインピーダンスを把握した後に、インピーダンス特性測定部12がこのインピーダンスから診断対象となる蓄電素子35の劣化状態を推定する手法(所謂、Cole-Coleプロット)の具体例について図6を用いて説明する。この実施形態では、蓄電素子35の劣化状態は、循環電流Icirが流れている蓄電素子35が示す内部抵抗と等価キャパシタンスにより記述される複素インピーダンス特性に基づいて推定される。
Next, a specific example of a method (so- called Cole-Cole plot) in which the impedance
この実施形態では、上記の複素インピーダンス特性は、図6に示すように、実数軸Rおよび虚数軸Imを座標軸とする複素平面PLに、循環電流Icirの周波数変化に従い描く、複素インピーダンスの軌跡により、その等価回路を推定し、その値から蓄電素子の各部の劣化状態を推定することができる。 In this embodiment, as shown in FIG. 6 , the above complex impedance characteristic is estimated by a locus of complex impedance drawn in accordance with the frequency change of the circulating current I cir on a complex plane PL having a real axis R and an imaginary axis Im as coordinate axes, and the deterioration state of each part of the storage element can be estimated from the value of the equivalent circuit.
図6に示す複素平面PL上において、半円形の軌跡300aは、等価回路320aに対応し、蓄電素子35内を流れる試験用の電流の各周波数に応じて等価キャパシタンス321aと内部抵抗322aによって表される複素インピーダンスが複素平面PL上に描く軌跡に相当する。同様に、半円形の軌跡300bは、等価回路320bに対応し、半円形の軌跡300cは、等価回路320cに対応する。そして、半円形の軌跡300bは、蓄電素子35内を流れる試験用の電流の周波数変化に応じて等価キャパシタンス321bと内部抵抗322bによって表される複素インピーダンスが複素平面PL上に描く軌跡に相当し、半円形の軌跡300cは、蓄電素子35を流れる試験用の電流の各周波数に応じて等価キャパシタンス321cと内部抵抗322cによって表される複素インピーダンスが複素平面PL上に描く軌跡に相当する。6, the
具体的には、例えば、図6の上部に示すようなインピーダンス特性が得られた場合、診断対象の蓄電素子35の等価回路は通常、図6に示すように、等価キャパシタンス321と内部抵抗322の並列接続体が直列接続された形で表すことができる。蓄電素子35のインピーダンスは、等価キャパシタンスと内部抵抗を並列接続して成る並列接続体を一つ以上直列接続した回路で表されることから、実数成分と虚数成分を含む複素インピーダンスとして数値化され得ることが理解できる。このような複素インピーダンスを用いた分析を行うために、制御部13が、蓄電素子の劣化状態を、循環電流Icirが流れている蓄電素子35が示す内部抵抗と等価キャパシタンスにより記述される複素インピーダンス特性に基づいて判別する判別手段を備えるようにしてもよい。
Specifically, for example, when the impedance characteristic shown in the upper part of Fig. 6 is obtained, the equivalent circuit of the diagnosis target
複素平面PL上において、等価回路320aの内部抵抗322aの大きさは、実数軸Rに沿った幅方向において、半円形の軌跡300aの底辺部分の横幅(図6中に示す矢印380a)に対応する。また、等価回路320aの等価キャパシタンス321aの大きさは、軌跡300aが虚数軸Imに対して、ピークになるとき(図6中に示す頂点310a)の周波数をω1max、内部抵抗322aの大きさをRd1とすると、C1=1/(ω1max×Rd1)で求まる。同様に、等価回路320bの内部抵抗322bの大きさRd2は、半円形の軌跡300bの底辺部分の横幅(図6中に示す矢印380b)から求まる。また、等価回路320bの等価キャパシタンス321bの大きさは、軌跡300bの虚数成分がピークになるとき(図6中に示す頂点310b)の周波数ω2maxと、内部抵抗322bの大きさRd2とから、C2=1/(ω2max×Rd2)で求まる。等価回路320cについても同様であり、内部抵抗322cの大きさRd3は、半円形の軌跡300cの底辺部分の横幅(図6中に示す矢印380c)から求まる。また、等価回路320cの等価キャパシタンス321cの大きさは、軌跡300cの虚数成分がピークになるとき(図6中に示す頂点310c)の周波数ω3maxと、内部抵抗322cの大きさRd3とから、C3=1/(ω3max×Rd3)で求まる。判別手段は、等価回路を、例えば、正極部や負極部、電解質部など蓄電素子35内の各部に当てはめ、各等価回路の抵抗値及びキャパシタンス値を算出し、算出した抵抗値及びキャパシタンス値、その値の時間変化などから、蓄電素子35の劣化状態を判断する。On the complex plane PL, the magnitude of the
また、各部の内部抵抗の時間変化やキャパシタンスの時間的変化を調べることによって、どの部分がどの程度劣化したのか知ることができるので、図6に示すインピーダンス特性の測定履歴を時系列的に保存し、当該時系列データと、電力網システム1全体または蓄電システム10の運転状態の履歴を時系列的に記録したデータと紐付けて分析することで、蓄電素子35の交換時期や最適な使用方法など有用な情報を得ることができる。
In addition, by examining the changes in internal resistance and capacitance over time of each part, it is possible to know which parts have deteriorated to what extent. Therefore, by saving the measurement history of the impedance characteristics shown in Figure 6 in chronological order and linking and analyzing this time-series data with data that chronologically records the operating status history of the entire
例えば、電力網システム1全体および蓄電システム10の長寿命化のために、(a)どのようなバッテリ特性の蓄電池を用いて蓄電素子35を構成し、(b)蓄電システム10の内部でどのような配列方法で蓄電素子を配列し、(c)蓄電システム10を含む電力網全体のシステム構成をどのような構成とすれば最適であるかを知るための手がかりとなる分析結果が得られる。For example, in order to extend the life of the entire
より具体的には、例えば、蓄電システム10の各相が外部システムに出力する有効電流値や無効電流値など(入出力情報)の時系列データと、各蓄電素子35の等価回路情報を用いて、学習部にデータマイニング手段を設けてデータマイニングを行えば、蓄電システム10の出力が電池の劣化にどのような関わりを持つかについて有用な手がかりを得ることができる。また、各蓄電素子35の入出力電流や入出力電圧、SOC(State of charge)など(素子情報)の時系列データと、各蓄電素子35の等価回路情報を用いて、データマイニングを行えば、蓄電素子35が劣化しやすい蓄電素子35の状態等の知見を得ることができる。データマイニングによって得た劣化情報などを元に、強化学習を行い、蓄電システム10長寿命化の条件を知ることができる。上記のように、データマイニングや機械学習を代表とするAI技術によって行えば、最適な蓄電システム10の構成や運転方法を知る手がかりとなるだけでなく、それを用いた電力網の最適構成を知る上での大きな手がかりを効率的に得ることができる。More specifically, for example, by providing a data mining means in the learning section and performing data mining using time series data of active current values and reactive current values (input/output information) output by each phase of the
データマイニングの一例としては、各蓄電素子35の出力電圧値や出力電流値(単位変換器の出力電圧値や出力電流値)と各等価回路の抵抗値やキャパシタンス値(以下、インピーダンス値という)を組み合わせる。これにより、蓄電素子35をどのように使用すると、蓄電素子35のどの部分の劣化がどの程度進展するのかがわかる。また、データマイニングの他の例としては、蓄電システム10の出力電圧値・出力電流値や循環電流Icir値と各等価回路のインピーダンス値とを組み合わせることにより、蓄電システム10をどのように運転すると蓄電素子35のどの部分の劣化が進展しやすいかということを知ることができる。
As an example of data mining, the output voltage value and output current value (output voltage value and output current value of the unit converter) of each
蓄電素子35の劣化状態の変化、すなわち、各等価回路のインピーダンス値の変化(インピーダンス値の時系列データ)と、素子情報や入出力情報の時系列データなどとの関連付け(対応関係の導出、インピーダンス値変化への寄与度などのパラメータの導出)は、上記のようにデータマイニングや強化学習を代表とするAI技術で実施することにより、効率的に関連付けを行える。これにより、蓄電素子35の劣化を最小限にとどめた蓄電システム10の運転や蓄電素子35の正確な交換時期の推定ができる。さらに、この動作を制御部13に行わせ、制御部13が推定結果に基づいて自動的に蓄電システム10の制御動作を修正するようにすることで、より効率的な運転ができる。
The change in the deterioration state of the
制御部13にAIを用いた関連付けを行わせる場合、例えば、制御部13に、蓄電素子35の出力電圧及び出力電流と、蓄電素子35の劣化状態とを関連付ける学習手段を設け、学習手段が関連付けを行うようにする。学習手段による関連付けの一例を説明する。学習手段は、インピーダンス特性測定部12によって検出された蓄電素子35の素子情報を記憶していき、素子情報の時系列データを作成する。また、学習手段は、蓄電素子35の複素インピーダンスから推定した等価回路のインピーダンス値と、蓄電素子35の劣化状態とを記憶していき、等価回路のインピーダンス値の時系列データを作成する。学習手段は、作成した素子情報の時系列データと、作成した等価回路のインピーダンス値の時系列データとに基づいて、蓄電素子35の素子情報と、蓄電素子35の劣化状態とを関連付ける。このとき、蓄電素子35の素子情報と、蓄電素子35の劣化状態(等価回路のインピーダンス値)との関連付けの教師データを学習手段に与えて、学習させるようにしてもよい。When the
また、学習手段は、蓄電素子35の素子情報と、蓄電素子35の劣化状態との関連付けの学習結果を新たな教師データとして、再度、蓄電素子35の素子情報と、蓄電素子35の劣化状態とを関連付けるようにしてもよい。この作業を繰り返し行っていくことで、関連付けの精度が高まる。なお、学習手段は、蓄電素子35の素子情報のかわりに、蓄電システム10の入出力情報を蓄電素子35の劣化状態と関連付けるようにしてもよい。この場合、有効電流や無効電流を測定する検出器を設け、検出器からの電圧と電流の検出結果を学習手段が記憶する。
The learning means may also use the learning result of the association between the element information of the
学習手段は、制御部13と同様に、例えばプロセッサや、専用のハードウェア、PCなどの汎用の演算装置上にソフトウェアで実現される。また、学習手段は、その一部又は全部が制御部13とは別体に設けられていてもよく、蓄電システム10の外部装置として設けられていてもよい。The learning means, like the
さらに学習手段は、関連付け作業の少なくとも一部を、制御部13とは別体に構成された外部装置や蓄電システム10とは別体に構成された外部装置、すなわち、学習手段とは別体に構成され、学習手段に接続された外部装置に行わせるようにしてもよい。例えば、データマイニングのような計算の重い作業を、高性能のGPU(Graphics Processing Unit)や大容量のメモリなどを備えた専用のハードウェアに行わせるようにすることで、計算時間を短縮でき、より効率的に関連付け作業を行うことができる。
Furthermore, the learning means may cause at least a part of the association work to be performed by an external device configured separately from the
また、蓄電素子35の内部構造や化学組成情報、反応式と、インピーダンス値の変化とを関連付けることにより、どのような電池構造がそのシステムに適しているか分析できる。特に機械学習を代表とするAI技術で実施するとより効率的に関連付けを行うことができる。In addition, by correlating the internal structure, chemical composition information, and reaction formula of the
(1-4)第1の実施形態が奏する効果
以上より、上述した幾つかの実施形態によれば、電力系統5と電力を授受する主回路部10aの運転を止めずに、アーム11A、11Bおよび11Cの各々の内部で直列接続された各々の蓄電素子35の劣化診断を行うことができる。その結果、蓄電システム10を電力系統5と連系させたまま、蓄電システム10の運転を止めることなく、各アーム11xを構成する蓄電素子35の残存寿命をリアルタイムに把握することが可能となる。従って、蓄電素子35の特性がばらついていても、蓄電システム10の運転継続中の所与のタイミングで、どの蓄電素子35を新品と交換すべきかをリアルタイムに把握することが可能となる。
(1-4) Advantages of the First Embodiment As described above, according to some of the above-mentioned embodiments, it is possible to perform a deterioration diagnosis of each of the
また、この実施形態では、電力系統5と電力を授受するために主回路部10aの各アーム11A、11Bおよび11Cの各々の内部で直列接続された各々の蓄電素子35のインピーダンスが、蓄電素子35を流れる電流の周波数によってどのように変化するかを調べ、このインピーダンス変化から蓄電素子35の劣化診断を行っている。従って、蓄電システム10の運転履歴データとして、蓄電システム10からの出力周波数の変動履歴をそれぞれの蓄電素子35の劣化診断データと時系列的に関連付けて記録しておくことで、電力網の運用上の有用な情報が得られる。言い換えると、蓄電システム10の運転履歴と蓄電素子35を構成する蓄電素子の劣化箇所および劣化の程度との間の相関関係を明確化する情報を得ることができる。例えば、上記の運転履歴データを活用することで、電力系統5と連系させた状態の蓄電システム10をどのようなパターンに従って運転すれば蓄電素子35も含めた蓄電システム10の長寿命化を図れるかを知るための手がかりとなる情報を得ることができる。In addition, in this embodiment, the impedance of each
また、電力網に接続する蓄電システム10に最適な蓄電素子35の構造を知るための情報を得ることができる。
In addition, information can be obtained to determine the structure of the
<第2の実施形態>
続いて、本発明の第2の実施形態に従い、電力系統との系統連系により電力の授受を行う蓄電システムについて図7を参照しながら説明する。
Second Embodiment
Next, a power storage system that receives and transmits power through grid interconnection with a power grid according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
(2-1)蓄電システムの全体構成
図7に示す例示的な蓄電システム100は、特許第6212361号公報で開示された回路方式であり、各相に零相電圧を印加して、零相電流を通流させることが可能である。したがって、第1の実施形態と同様に、各相間を一巡する循環経路を有することで、個別の循環経路を有し、単位変換器151の直列体で構成される各アーム15rs、アーム15stおよびアーム15trに零相電圧を印加して、零相電流を通流させて、任意の蓄電素子35の劣化診断を行うことができる。以下、この実施形態に係る蓄電システム100について具体的に説明する。蓄電システム100は、R相、S相およびT相から成る三相交流電力を供給する電力系統5に接続され、電力系統5と連系している。蓄電システム100は、変圧器110と、R-S相間に電力供給するアーム15rsと、S-T相間に電力供給するアーム15stと、T-R相間に電力供給するアーム15trと、制御部(制御手段)13と、電圧計19rs,19st,19trとを備えている。
(2-1) Overall Configuration of the Energy Storage System The exemplary
図2に示した蓄電システム10と同様に、蓄電システム100は、三相交流用のMMCであるが、アーム15rs、アーム15stおよびアーム15trは、デルタ結線ではなく、3つの単相回路が磁気回路を介した電磁誘導結合で相互接続されている点が異なる。また、第2の実施形態に従い、図7に示す蓄電システム100は、図2に示した蓄電システム10とは異なりアーム15rs、アーム15stおよびアーム15trは、変圧器110の鉄心113により形成される磁気回路を介して電力系統5と電磁誘導結合されている。以下、変圧器110の接続に於いて、電力系統5などが接続されている方を「一次側」とし、各アーム15rs、15st、15trが接続されている方を「二次側」として説明する。第2の実施形態では、変圧器110の一次側がΔ結線され、各相間を一巡する循環経路となる。2, the
図7に示す蓄電システム100は、三相交流の相間にそれぞれ対応して一次巻線111(111rs,111st,111tr)と二次巻線112(112rs,112st,112tr)が設けられ、一次巻線111を介して三相交流電源からの電力供給を受ける変圧器110と、充放電可能な蓄電素子を有する単位変換器151を備え、三相交流の相間にそれぞれ対応して設けられた複数の二次巻線112(112rs,112st,112tr)とそれぞれ接続された複数のアーム15(15rs,15st,15tr)と、アーム15の内部における蓄電素子の接続状態を制御する制御部13と、を備えて構成されている。また、図7に示す蓄電システム100では、三相交流の相間にそれぞれ対応する複数の環状電流路が、各々のアーム15(15rs,15st,15tr)と各々の二次巻線112(112rs,112st,112tr)により形成された閉回路155(155rs,155st,155tr)として個別に形成され、制御部13は、複数の上記環状電流路の各々で、診断用の周波数、すなわち、電力系統の周波数とは異なる周波数の零相循環電流が流れるように、上記制御を行う制御シーケンスを実行し、診断対象として指定された蓄電素子の劣化状態を試験するように構成される。すなわち、この個別の循環経路は零相循環経路となる。また、零相循環電流は、一次側ではΔ結線を循環する電流となる。The
(2-2)系統側と磁気結合する変圧器と周辺回路の構成
以下、図7に示す電力系統5側と磁気結合する変圧器と周辺回路の構成について詳しく説明する。図7に示すように、変圧器110は、三相変圧器であり、三脚鉄心が使用されている。変圧器110は、脚113rs,113st,113trを備えている。脚113rsには、R-S相の一次巻線111rsと二次巻線112rsとが巻回されて磁気結合している。脚113stには、S-T相の一次巻線111stと二次巻線112stとが巻回されて磁気結合している。脚113trには、T-R相の一次巻線111trと二次巻線112trとが巻回されて磁気結合している。
(2-2) Configuration of the transformer and peripheral circuits magnetically coupled to the system side The configuration of the transformer and peripheral circuits magnetically coupled to the
R-S相間に電力供給するアーム15rsと、S-T相間に電力供給するアーム15stと、T-R相間に電力供給するアーム15trとは、それぞれ6個の単位変換器151が直列接続されている。変圧器110のR-S相の二次巻線112rsの両端は、uS相間のアーム15rsの両端と接続されている。変圧器110のS-T相間の二次巻線112stの両端は、S-T相間のアーム15stの両端と接続されている。変圧器110のT-R相間の二次巻線112trの両端は、T-R相間のアーム15trの両端と接続されている。
Six unit converters 151 are connected in series to each of arm 15rs, which supplies power between the R and S phases, arm 15st, which supplies power between the S and T phases, and arm 15tr, which supplies power between the T and R phases. Both ends of secondary winding 112rs of the R and S phases of
変圧器110のR-S相間の一次巻線111rsは、電力系統5のR相とS相との間に接続されている。変圧器110のS-T相間の一次巻線111stは、電力系統5のS相とT相との間に接続されている。変圧器110のT-R相間の一次巻線111trは、電力系統5のT相とR相との間に接続されている。すなわち、変圧器110の一次巻線111rs,111st,111trは、デルタ結線されて電力系統5に接続される。
The primary winding 111rs between the R-S phases of the
電圧計19rsは、電力系統5のR相とS相との間に接続されて、その線間電圧Vsrsを計測するものである。電圧計19stは、電力系統5のS相とT相との間に接続されて、その線間電圧Vsstを計測するものである。電圧計14trは、電力系統5のT相とR相との間に接続されて、その線間電圧Vstrを計測するものである。各電圧計19rs,19st,19trは更に、光ファイバ(不図示)によって制御部13に接続され、計測した電圧情報を送信する。
Voltmeter 19rs is connected between the R and S phases of
制御部13は、光ファイバ(不図示)によって電圧計19rs,19st,19trおよび各アーム15rs,15st,15trを構成する単位変換器151に接続されている。制御部13は、各電圧計19rs,19st,19trが計測した各線間電圧Vsrs,Vsst,Vstrに基づいて、各アーム電圧Vrs,Vst,Vtrを制御するものである。The
(2-3)蓄電システム内の回路動作について
ここで、各電圧と各電流とを以下のように定義する。R-S相間に供給されるアーム15rsの両端の電圧は、アーム電圧Vrsである。S-T相間に供給されるアーム15stの両端の電圧は、アーム電圧Vstである。T-R相間に供給されるアーム15trの両端の電圧は、アーム電圧Vtrである。
(2-3) Circuit Operation in the Energy Storage System Here, each voltage and current is defined as follows. The voltage across arm 15rs supplied between the R and S phases is arm voltage Vrs. The voltage across arm 15st supplied between the S and T phases is arm voltage Vst. The voltage across arm 15tr supplied between the T and R phases is arm voltage Vtr.
uS相間のアーム15rsと、変圧器110のR-S相間の二次巻線112rsとの間には、二次側電流Irs2が流れる。S-T相間のアーム15stと、変圧器110のvT相の二次巻線112stとの間には、二次側電流Ist2が流れる。wR相間のアーム15trと、変圧器110のT-R相の二次巻線112trとの間には、二次側電流Itr2が流れる。
A secondary current Irs2 flows between the arm 15rs between the u and S phases and the secondary winding 112rs between the R and S phases of the
変圧器110のR-S相の二次巻線112rsの両端には、二次側電圧Vrs2が印加され、二次側電圧Vrs2と、アーム電圧Vrsとは同一である。変圧器110のS-T相の二次巻線112stの両端には、二次側電圧Vst2が印加され、二次側電圧Vst2と、アーム電圧Vstとは同一である。変圧器110のT-R相の二次巻線112trの両端には、二次側電圧Vtr2が印加され、二次側電圧Vtr2と、アーム電圧Vtrとは同一である。また、変圧器110のR-S相の一次巻線111rsの両端の電圧は、一次側電圧Vrs1であり、変圧器110のS-T相の一次巻線111stの両端の電圧は、一次側電圧Vst1であり、変圧器110のT-R相の一次巻線111trの両端の電圧は、一次側電圧Vtr1である。A secondary voltage Vrs2 is applied across the R-S phase secondary winding 112rs of the
電力系統5のR相には、蓄電システム100から電力系統5への方向に、系統電流Isrが流れる。電力系統5のS相には、蓄電システム100から電力系統5への方向に、系統電流Issが流れる。電力系統5のT相には、蓄電システム100から電力系統5への方向に、系統電流Istが流れる。電力系統5のR相とS相との間の電圧は、線間電圧Vsrsである。線間電圧Vsrsは、電圧計14rsによって計測される。電力系統5のS相とT相との間の電圧は、線間電圧Vsstである。線間電圧Vsstは、電圧計14stによって計測される。電力系統5のT相とR相との間の電圧は、線間電圧Vstrである。線間電圧Vstrは、電圧計14trによって計測される。
A system current Isr flows in the R phase of the
また、アーム15rsを構成する単位変換器151rs
(j)(1≦j≦J)の各々は、図3を参照しながら第1の実施形態で上述したフルブリッジ回路と同様の回路構成を有する。また、単位変換器151rs
(j)(1≦j≦J)の各々は、図4を参照しながら第1の実施形態で上述した制御を制御部13からフルブリッジ回路内のスイッチング素子に対して行うことが可能である。その結果、単位変換器151rs
(j)(1≦j≦J)の各々は、第1の実施形態で上述した単位変換器Cx
(i)と同様の回路動作を実現することが可能となる。単位変換器151st
(j)(1≦j≦J)、単位変換器151tr
(j)(1≦j≦J)についても同様である。さらに、図示しないインピーダンス特性測定部を有しており、第1の実施形態と同様に、単位変換器151の有する蓄電素子の電圧と、後述の閉回路を流れる循環電流Icirとを検出する検出部として機能する。
Moreover, each of the unit converters 151rs (j) (1≦j≦J) constituting the arm 15rs has a circuit configuration similar to that of the full bridge circuit described above in the first embodiment with reference to FIG. 3. Moreover, each of the unit converters 151rs (j) (1≦j≦J) can perform the control described above in the first embodiment with reference to FIG. 4 on the switching elements in the full bridge circuit from the
(2-4)制御部による電流圧制御動作について
次に、アーム15rs、15stおよび15trのそれぞれのアーム電圧Vrs,Vst,Vtrについて説明する。説明を簡単にするために、以下、アーム15rsのアーム電圧Vrsのみについて説明するが、アーム15stおよび15trのアーム電圧VstおよびVtrについても同様である。
(2-4) Current and voltage control operation by the control unit Next, the arm voltages Vrs, Vst, and Vtr of the arms 15rs, 15st, and 15tr will be described. For simplicity, only the arm voltage Vrs of the arm 15rs will be described below, but the same applies to the arm voltages Vst and Vtr of the arms 15st and 15tr.
第2の実施形態の蓄電システム100の制御部13は、キャリア位相シフトPWMにより、単位変換器151rs
(1)(1≦j≦J)の各々に含まれる各スイッチング素子のオン・オフ制御を行う。その結果、アーム15rsを構成するJ個の単位変換器151rs
(j)(1≦j≦J)の各々に対してスイッチング素子の開閉制御を行うことで、アーム15rsからR相とS相の相間に出力される電圧を正弦波に近い波形となるように出力することが可能となる。同様に、アーム15stを構成するJ個の単位変換器151st
(j)(1≦j≦J)の各々に対してスイッチング素子の開閉制御を行うことで、アーム15stからS相とT相の相間に出力される電圧を正弦波に近い波形となるように出力することが可能となる。また、アーム15trを構成するJ個の単位変換器151tr
(j)(1≦j≦J)の各々に対してスイッチング素子の開閉制御を行うことで、アーム15trからT相とR相の相間に出力される電圧を正弦波に近い波形となるように出力することが可能となる。
The
つまり、図4を用いて上述した制御動作と同様に、制御部13は、アーム15st、15stおよび15trの各々を構成する単位変換器内のスイッチング素子を開閉制御する。これにより、アーム15st、15stおよび15trの各々の内部において直列接続された蓄電素子の合成電圧を所望の周波数の交流波形に変換するために、アーム15st、15stおよび15trの各々は、多重レベル変換器としての電圧変換動作を実行する。4, the
従って、この試験用の電流が流れる閉回路155rs、155stおよび155trは、第1の実施形態に関し、図5に示した主回路部10aにて形成される環状電流路71に対応するものであるが、3本のアーム15rs、15stおよび15trの各々に対応して3つの閉回路155rs、155stおよび155trが個別に形成される点が異なる。以上、図7を参照して説明したように、第2の実施形態に係る蓄電システム100では、変圧器110の一次側の回路がΔ結線で構成されている。このことから、アーム15st、15stおよび15trの各々が零相電圧を出力して、零相電流を流しても、変圧器110の一次側では、Δ結線に零相電流の循環電流が通流するのみで、蓄電システム100と電力系統5との間の有効電力や無効電力の授受などには影響しない。Therefore, the closed circuits 155rs, 155st, and 155tr through which the test current flows correspond to the annular
従って、制御部13は、R-S相のアーム15rsを構成する蓄電素子の劣化診断時には、閉回路155rsに異なる周波数の循環電流159rsが流れるように、単位変換器151rs
(j)(1≦j≦J)を制御する。同様に、S-T相のアーム15stを構成する蓄電素子の劣化診断時には、閉回路155stに異なる周波数の循環電流159stが流れるように、単位変換器151st
(j)(1≦j≦J)を制御する。また、T-R相のアーム15trを構成する蓄電素子の劣化診断時には、閉回路155trに異なる周波数の循環電流159trが流れるように、単位変換器151tr
(j)(1≦j≦J)の各々に制御を行う制御シーケンスを実行する。ここで、閉回路155rs、155stおよび155trを流れる試験用の電流は、第1の実施形態に関し、図5に示した循環電流Icirに対応するものである。このように制御部13は、単位変換器を制御し、複数の環状電流路の少なくとも1つに、異なる周波数の循環電流を流し、診断対象として指定された蓄電素子の劣化状態を試験する。
Therefore, when diagnosing the deterioration of the storage element constituting the R-S phase arm 15rs, the
(2-5)第2の実施形態が奏する効果
こうして、充放電可能な蓄電素子を有する単位変換器151rs
(j)(1≦j≦J)を備えるアーム15rsにより生成された循環電流159rsを閉回路155rs内で周波数を様々に異ならせながら流すことで、アーム15rsを構成する蓄電素子の劣化状態を電気的に試験することが可能となる。同様に、蓄電素子を有する単位変換器151st
(j)(1≦j≦J)を備えるアーム15stにより生成された循環電流159stを閉回路155st内で周波数を様々に異ならせながら流すことで、アーム15stを構成する蓄電素子の劣化状態を電気的に試験することが可能となる。また、蓄電素子を有する単位変換器151tr
(j)(1≦j≦J)を備えるアーム15trにより生成された循環電流159trを閉回路155tr内で周波数を様々に異ならせながら流すことで、アーム15trを構成する蓄電素子の劣化状態を電気的に試験することが可能となる。
(2-5) Advantages of the Second Embodiment In this way, by flowing the circulating current 159rs generated by the arm 15rs including the unit converter 151rs (j) (1≦j≦J) having a chargeable and dischargeable storage element at various different frequencies in the closed circuit 155rs, it is possible to electrically test the deterioration state of the storage element constituting the arm 15rs. Similarly, by flowing the circulating current 159st generated by the arm 15st including the unit converter 151st (j) (1≦j≦J) having a storage element at various different frequencies in the closed circuit 155st, it is possible to electrically test the deterioration state of the storage element constituting the arm 15st. In addition, by flowing a circulating current 159tr generated by an arm 15tr equipped with a unit converter 151tr (j) (1≦j≦J) having a storage element in a closed circuit 155tr at various different frequencies, it is possible to electrically test the deterioration state of the storage element constituting the arm 15tr.
以上より、図7に示す第2の実施形態では、蓄電素子の診断時に蓄電素子の劣化状態を試験するための電流を流すアーム15rs、15stおよび15trと外部の電力系統5との間を、変圧器110の磁気回路を介して電磁誘導結合する。これにより、第2の実施形態では、蓄電素子を直列接続して成るアーム15rs、15stおよび15trが電力系統5側と配線接続されていない状態で互いに電力の授受を行うことができる。その結果、第2の実施形態では、蓄電素子の劣化状態を試験するための電流が電力系統5に流れることを防止し、電力系統5での電力状態の安定性を損なうことを抑制することができる。7, the arms 15rs, 15st, and 15tr, which pass currents for testing the deterioration state of the storage element during diagnosis of the storage element, are electromagnetically inductively coupled to the
<追加の実施形態>
第1の実施形態および第2の実施形態のいずれにおいても、診断対象の蓄電素子35に複数の異なる周波数成分を含む電圧を一度に印加してもよい。この場合、当該電圧を印加しながら測定して得られたインピーダンス特性に対して、フーリエ解析などを行い、周波数成分毎に複素インピーダンスを求めるようにすることがより好ましい。このようにすることで、追加の実施形態では、第1の実施形態や第2の実施形態と比べて、多数の周波数成分にわたって複素インピーダンスを一括して測定することができる。その結果、この実施形態では、一定の周波数範囲にわたって複素インピーダンス特性の変動の軌跡を図7に例示するような曲線として得るのに要する所要時間を短くすることができるという技術的利点がある。
Additional Embodiments
In both the first and second embodiments, a voltage including a plurality of different frequency components may be applied to the
第1の実施形態では、一例として、蓄電システム10を新エネシステムとしてのウインドファーム(風力発電装置)に接続された配電システム(電力系統5)に連系した場合について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、新エネシステムとしてのバイオマス(動植物に由来する有機物)発電装置、地熱発電装置(バイナリー発電)、小型の水力発電装置及び太陽光発電装置などが接続された配電システムに連系して使用することもできる。さらに、比較的低圧の配電システムに限らず、例えば、従来の大出力発電所から変電所までの高圧の送電システムに連系して使用することもできる。送電システムに連系する場合は、高耐圧のスイッチング素子をスイッチに用いるようにする。In the first embodiment, as an example, the case where the
さらに、蓄電システム10は、データセンタ等で使用される無停電電源装置用のバッテリシステムとして、データセンタなどの重要負荷に接続して使用することもできる。
Furthermore, the
さらに、蓄電システム10は、電気自動車のバッテリシステムとしてモータに接続して使用することもできる。さらに、蓄電システム10を電気自動車用のバッテリシステムとして使用する場合は、電力系統に接続して電力系統からバッテリを充電するほか、電力系統の電力の過不足に合わせて、電気自動車のバッテリの電力を充放電できる。また、電力系統の電圧に応じて、電気自動車用のバッテリシステムから無効電力を出力して電力系統の電圧を制御してもよい。さらに、本電気自動車用のバッテリシステムを有する電気自動車をデータセンタなどの停電に対するリスクが高い重要負荷の近辺に駐車させて、重要負荷の無停電電源装置として機能させてもよい。この場合、複数の電気自動車や他の無停電電源装置と連携して、電力系統の電圧を制御させると好適である。
Furthermore, the
<実施例>
実施例では、第1の実施形態の蓄電システム10について回路シミュレーションを実施し、蓄電システム10の運転を継続しながら、蓄電システム10と接続された電力系統5に対して影響を与えずに、蓄電素子35の劣化診断に必要な電流を通流できることを確認した。
<Example>
In the examples, a circuit simulation was performed on the
本実施例の回路シミュレーションは、第1の実施形態の構成(図2)において、蓄電システム10を電力系統5から、配電線53u、53v、53wのリアクタンス成分54u、54v、54w及び抵抗成分55u、55v、55wと、負荷56を除いた回路で実施した。蓄電システム10の3本のアーム11A、11B、11Cの各々は、蓄電素子35を含む単位変換器Cx
(i)を2個直列接続した構成とした。アーム11A、11Bおよび11Cの各々に、循環電流Icirの通流に必要な零相電圧と、電力系統5の電力制御用の正相電圧との和電圧を出力させ、蓄電システム10の内部に流れる電流と、蓄電システム10から電力系統5に供給される電流をシミュレーションした。
The circuit simulation of this example was performed on a circuit in which the
上記のような構成で回路シミュレーションを実施した結果を、図8を参照して説明する。図8に示す全ての電流波形の横軸の単位は秒[sec]、縦軸の単位はアンペア[A]である。図8の8Aは循環電流成分Icirの電流波形、8Bは電力系統5の電力制御用の電流成分の波形である。図8の8Cは、8Aで示した循環電流成分Icirと8Bで示した電力制御用電流成分との和電流の波形であり、この和電流が、蓄電素子35の診断を実施している際に蓄電システム10の内部に流れる電流である。図8の8Dは、蓄電素子35から放電され、蓄電システム10から電力系統5に供給される電流の波形を示している。
The results of a circuit simulation performed with the above configuration will be described with reference to Fig. 8. The horizontal axis of all current waveforms shown in Fig. 8 is in seconds [sec], and the vertical axis is in amperes [A]. 8A in Fig. 8 is the current waveform of the circulating current component Icir , and 8B is the waveform of the current component for power control of the
図8に示すように、診断用電流である循環電流Icir(8A)が通流している状態において、蓄電システム10から電力系統5に供給される電流(8D)に変動は見られなかった。この結果は、蓄電システム10は、循環電流Icirを電力系統5に流出させることなく、すなわち、外部の電力系統および負荷における電力の安定性を損なうことなく、蓄電素子35の診断を実施できることを示している。
8, when the circulating current I cir (8 A) which is the diagnostic current was flowing, no fluctuation was observed in the current (8D) supplied from the
以上説明したように、蓄電システム10の制御部13は、外部の電力系統5との間で電力の授受をしている間に、すなわち、電力の授受と同時に、診断対象として指定された蓄電素子35の劣化状態を試験することができる。また、蓄電素子35の劣化状態の試験は、電力系統5に対して蓄電システム10が充放電している間に限られず、他の電気的な信号、例えば、電力系統5の電圧状態を監視または管理するための信号を送受信している間においても、同様に実行することができる。また、蓄電システム10は、外部の電力系統5との間で電力の授受及びその他の信号の授受をしていない状態においても、診断対象として指定された蓄電素子35の劣化状態を試験することができる。例えば、蓄電システム10は、電力系統5と電力及び信号の授受をしていない状態において蓄電素子35の該試験を開始し、その後の任意のタイミングで、例えば電力系統5の電力の過不足に応じて、電力系統5との間で電力または信号の授受を開始するようにしてもよい。As described above, the
1 電力網システム
5 電力系統
10 蓄電システム
10a 主回路部
11A アーム
11B アーム
11C アーム
12 インピーダンス特性測定部
13 制御部(制御手段)
15(15rs,15st,15tr) アーム
19(19rs,19st,19tr) 電圧計
33 第1スイッチアーム
33H 第1スイッチ
33L 第2スイッチ
34 第2スイッチアーム
34H 第3スイッチ
34L 第4スイッチ
35 蓄電素子
36 第1スイッチ群
37 第2スイッチ群
50 発電設備
53u 配電線
53v 配電線
53w 配電線
56 負荷
57u 端子
57v 端子
57w 端子
71 環状電流路
90A 風力発電電力
90B 合成電力
90C 充放電電力
91 風況
92 ウインドファーム
93 負荷
100 蓄電システム
110 変圧器
111(111rs,111st,111tr) 一次巻線
112(112rs,112st,112tr) 二次巻線
113 鉄心
113rs,113st,113tr 脚
120 電圧測定部
151 単位変換器
300a 軌跡
300b 軌跡
300c 軌跡
310a 頂点
320a 等価回路
320b 等価回路
320c 等価回路
321a 等価キャパシタンス
321b 等価キャパシタンス
321c 等価キャパシタンス
322a 内部抵抗
322b 内部抵抗
322c 内部抵抗
REFERENCE SIGNS
15 (15rs, 15st, 15tr) Arm 19 (19rs, 19st, 19tr)
Claims (26)
診断対象として指定された前記蓄電素子を前記環状電流路へ接続した状態で、前記環状電流路に任意の周波数の循環電流を流して、診断対象として指定された前記蓄電素子の劣化状態を試験する制御手段と、
を備える、
蓄電システム。 a main circuit section in which arms each having a unit converter having a chargeable/dischargeable storage element are provided corresponding to each of the phases of a three-phase alternating current to form a ring-shaped current path;
a control means for testing a deterioration state of the storage element designated as the diagnosis target by connecting the storage element designated as the diagnosis target to the ring-shaped current path and passing a circulating current of an arbitrary frequency through the ring-shaped current path;
Equipped with
Energy storage system.
前記環状電流路を流れる異なる周波数の循環電流により、診断対象として指定された前記蓄電素子の端子間に生じた電圧と前記蓄電素子に通流した電流をそれぞれ検出する検出部と、を備える、
蓄電システム。 a main circuit section in which arms each having a unit converter having a chargeable/dischargeable storage element are provided corresponding to each of the phases of a three-phase alternating current to form a ring-shaped current path;
and a detection unit that detects a voltage generated between the terminals of the storage element designated as a diagnosis target and a current flowing through the storage element due to circulating currents of different frequencies flowing through the ring-shaped current path.
Energy storage system.
前記フルブリッジ回路として構成された前記単位変換器において、対角位置にある一対のスイッチング素子が導通状態の時に、診断対象として指定された前記蓄電素子の劣化状態を試験する機能を有する、
請求項1又は2に記載の蓄電システム。 A part of the unit converter is configured as a full bridge circuit to which the storage element is connected,
a function of testing a deterioration state of the storage element designated as a diagnosis target when a pair of diagonally positioned switching elements in the unit converter configured as the full bridge circuit are in a conductive state;
The power storage system according to claim 1 or 2.
請求項1~3のいずれか1項に記載の蓄電システム。 a determination means for determining a deterioration state of the storage element based on an internal resistance and an equivalent capacitance of the storage element through which the circulating current flows, the internal resistance and the equivalent capacitance being obtained from a locus of the complex impedance of the storage element on a complex plane in accordance with a change in frequency of the circulating current;
The power storage system according to any one of claims 1 to 3.
請求項1~4のいずれか1項に記載の蓄電システム。 The circulating current is generated by charging and discharging the other storage elements except for the storage element designated as the diagnosis target.
The power storage system according to any one of claims 1 to 4.
充放電可能な蓄電素子を有する単位変換器を備え、三相交流の相間にそれぞれ対応して設けられた複数の前記二次巻線とそれぞれ接続された複数のアームと、
三相交流の相間にそれぞれ対応し、各々の前記アームと各々の前記二次巻線により形成された閉回路として個別に形成された複数の環状電流路と、
前記単位変換器を制御し、複数の前記環状電流路の少なくとも1つに、異なる周波数の循環電流を流し、診断対象として指定された前記蓄電素子の劣化状態を試験する制御手段とを備える、
蓄電システム。 a transformer having a primary winding and a secondary winding respectively corresponding to each of the three-phase AC power phases, the transformer receiving power from a three-phase AC power source via the primary winding;
a unit converter having a chargeable/dischargeable storage element, and a plurality of arms respectively connected to the plurality of secondary windings provided correspondingly between the phases of a three-phase AC;
a plurality of circular current paths each corresponding to one of the three-phase AC phases and each formed as a closed circuit by each of the arms and each of the secondary windings;
and a control means for controlling the unit converter to pass circulating currents of different frequencies through at least one of the plurality of annular current paths, thereby testing a deterioration state of the storage element designated as a diagnosis target.
Energy storage system.
請求項1又は6に記載の蓄電システム。 The power storage system according to claim 1 or 6, wherein the control means tests a deterioration state of the power storage elements while transmitting and receiving electric power to and from a connected external power system.
請求項1又は6に記載の蓄電システム。 7. The power storage system according to claim 1, wherein the control means exchanges power with a connected external power system by using a positive-phase current or a negative-phase current, and tests a deterioration state of the power storage elements by using a zero-phase current as the circulating current flowing through the ring-shaped current path.
複数の前記単位変換器と前記外部システムの間で電力を授受している間に、複数の前記単位変換器から選択した1つの前記単位変換器の前記蓄電素子に、周波数の異なる交流電圧を順次印加し、前記蓄電素子の等価回路を推定する制御手段とを備える、
蓄電システム。 A plurality of unit converters each having a power storage element and capable of transferring power to and from a connected external system;
and a control means for sequentially applying AC voltages having different frequencies to the storage element of one of the unit converters selected from the plurality of unit converters while power is being exchanged between the plurality of unit converters and the external system, and estimating an equivalent circuit of the storage element.
Energy storage system.
請求項9に記載の蓄電システム。 The other unit converter has a function of applying the AC voltage to one selected unit converter.
The power storage system according to claim 9 .
前記交流システムとの間で電力を授受しながら診断対象として指定された前記蓄電素子の劣化状態を試験する制御手段を備え、
前記制御手段が、前記交流システムの周波数とは異なる周波数の交流電圧を前記蓄電素子に印加することで診断対象として指定された前記蓄電素子の劣化を診断する機能を有する、
蓄電システム。 A power storage system including a main circuit section provided with an arm including a unit converter having a chargeable and dischargeable power storage element, and connected to an AC system,
a control means for testing a deterioration state of the energy storage element designated as a diagnosis target while transferring power between the energy storage element and the AC system;
The control means has a function of diagnosing deterioration of the storage element designated as a diagnosis target by applying an AC voltage having a frequency different from a frequency of the AC system to the storage element.
Energy storage system.
請求項11に記載の蓄電システム。 the AC system is a three-phase AC system;
The power storage system according to claim 11.
請求項1~12のいずれか1項に記載の蓄電システム。 a learning means for associating the element information of the energy storage element with a deterioration state of the energy storage element based on time series data of element information of the energy storage element and time series data of an impedance value of an equivalent circuit estimated from a complex impedance of the energy storage element,
The power storage system according to any one of claims 1 to 12.
請求項14に記載の蓄電システム。 the learning means includes a data mining means for associating the element information of the energy storage element with a deterioration state of the energy storage element by data mining;
The power storage system according to claim 14.
請求項1~12のいずれか1項に記載の蓄電システム。 a learning means for associating the input/output information with a deterioration state of the storage element based on time series data of the input/output information and time series data of an impedance value of an equivalent circuit estimated from a complex impedance of the storage element,
The power storage system according to any one of claims 1 to 12.
請求項16に記載の蓄電システム。 the learning means includes a data mining means for associating the input/output information with a deterioration state of the energy storage element by data mining;
The power storage system according to claim 16.
請求項14~17のいずれか1項に記載の蓄電システム。 The learning means is configured separately from the learning means and is connected to an external device that causes at least a part of the association to be performed.
The power storage system according to any one of claims 14 to 17.
前記交流システムとの間で電力を授受しながら診断対象として指定された前記蓄電素子の劣化状態を試験する制御手段を備え、
前記蓄電素子の素子情報の時系列データと、前記蓄電素子の複素インピーダンスから推定した等価回路のインピーダンス値の時系列データとに基づいて、前記蓄電素子の前記素子情報と、前記蓄電素子の劣化状態とを関連付ける学習手段を備える、
蓄電システム。 A power storage system including a main circuit section provided with an arm including a unit converter having a chargeable and dischargeable power storage element, and connected to an AC system,
a control means for testing a deterioration state of the energy storage element designated as a diagnosis target while transferring power between the energy storage element and the AC system;
a learning means for associating the element information of the energy storage element with a deterioration state of the energy storage element based on time series data of element information of the energy storage element and time series data of an impedance value of an equivalent circuit estimated from a complex impedance of the energy storage element,
Energy storage system.
前記交流システムとの間で電力を授受しながら診断対象として指定された前記蓄電素子の劣化状態を試験する制御手段を備え、
入出力情報の時系列データと、前記蓄電素子の複素インピーダンスから推定した等価回路のインピーダンス値の時系列データとに基づいて、前記入出力情報と、前記蓄電素子の劣化状態とを関連付ける学習手段を備える、
蓄電システム。 A power storage system including a main circuit section provided with an arm including a unit converter having a chargeable and dischargeable power storage element, and connected to an AC system,
a control means for testing a deterioration state of the energy storage element designated as a diagnosis target while transferring power between the energy storage element and the AC system;
a learning means for associating the input/output information with a deterioration state of the storage element based on time series data of the input/output information and time series data of an impedance value of an equivalent circuit estimated from a complex impedance of the storage element,
Energy storage system.
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