JPWO2014027527A1 - 電力供給システム及び電力供給システムの制御方法 - Google Patents

電力供給システム及び電力供給システムの制御方法 Download PDF

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Abstract

本発明の電力制御装置９は、負荷で現在消費されている電力を給電目標値として取得する給電目標値取得部２１と、給電目標値に対して燃料電池２で発電されている発電電力値を検出する発電電力検出部２２と、給電目標値と発電電力値との偏差を求めて蓄電池６から負荷へ供給される電力補償量を算出する電力補償量算出部２３と、蓄電池６の現在の過渡応答特性を求め、現在の過渡応答特性に基づいて蓄電池６の出力電力が電力補償量となるように制御する出力電力制御部２４とを備える。

Description

本発明は、発電装置と蓄電池を並列接続して負荷に電力を供給する電力供給システム及びその制御方法に関する。
近年、発電装置としての燃料電池に蓄電池を並列接続して燃料電池と蓄電池の両方から負荷へ電力を供給するハイブリッド電力供給システムが開発されている。このような電力供給システムでは、燃料電池の発電電力の応答特性（応答遅れ）によって負荷の消費電力に対して不足する電力を、蓄電池の出力電力で補償することが考えられている（特許文献１）。
特開２００３−２３５１６２号公報
しかしながら、上述した従来の電力供給システムでは、蓄電池から出力される電力の過渡応答特性を考慮していないため、正確に出力電力を補償することができないという問題点があった。例えば、負荷の消費電力に対して燃料電池の発電電力が不足した場合に、蓄電池の出力電力で補償しようとしても、蓄電池の出力電力の過渡応答特性によっては、十分な出力電力を得ることができず、負荷への供給電力に過不足が発生するという問題点があった。
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、正確に負荷への出力電力を補償することのできる電力供給システム及び電力供給システムの制御方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決するために、本発明は、発電装置と蓄電池が並列接続された電力供給システムであって、負荷において現在消費されている電力を給電目標値として取得し、給電目標値に対して発電装置によって発電されている発電電力値を検出する。そして、給電目標値と発電電力値との偏差を求めることによって蓄電池から負荷へ供給される電力補償量を算出し、蓄電池の現在の過渡応答特性を求め、この現在の過渡応答特性に基づいて蓄電池の出力電力が電力補償量となるように制御する。
図１は、本発明を適用した一実施形態に係る電力供給システムの構成を示すブロック図である。 図２は、本発明を適用した一実施形態に係る電力供給システムにおける電力制御装置の構成を示すブロック図である。 図３は、本発明を適用した一実施形態に係る電力供給システムの電力制御装置による電力制御処理の処理手順を示すフローチャートである。 図４は、本発明を適用した一実施形態に係る電力供給システムの電力制御装置によって記憶されている給電目標値に対する燃料電池の発電特性を示す図である。 図５は、本発明を適用した一実施形態に係る電力供給システムの電力制御装置によって記憶されている蓄電池の内部抵抗の経年による変化を示す図である。 図６は、本発明を適用した一実施形態に係る電力供給システムの電力制御装置による電力制御処理の効果を説明するための図である。 図７は、蓄電池において出力電流を１Ａ上昇させるための電圧値と内部抵抗との間の関係を示す図である。 図８は、本発明を適用した一実施形態に係る電力供給システムの電力制御装置による電力制御処理の効果を説明するための図である。
以下、本発明を適用した一実施形態について図面を参照して説明する。
［電力供給システムの構成］
図１は本実施形態に係る電力供給システムの構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係る電力供給システム１は、発電装置として電力を供給する燃料電池２と、燃料電池２による発電を制御する燃料電池制御装置３と、燃料電池２で発電された電力を負荷で要求されている電力に変換するＤＣＤＣコンバータ４と、ＤＣＤＣコンバータ４の出力電力を制御するコンバータ制御部５と、燃料電池２の発電電力が負荷の消費電力に対して過不足があった場合に電力を補償する蓄電池６と、蓄電池６の動作を制御するバッテリコントローラ７と、蓄電池６に対する充放電を制御するＤＣＤＣコンバータ８と、ＤＣＤＣコンバータ８の出力電力を制御する電力制御装置９と、燃料電池２と蓄電池６から供給された直流電力を交流電力に変換するＤＣＡＣコンバータ１０と、給電目標値を算出して出力する給電目標値算出部１１とを含んでいる。
ここで、本実施形態に係る電力供給システム１は、発電装置である燃料電池２と蓄電池４とを並列接続して負荷に電力を供給するためのシステムであり、負荷の消費電力に対して燃料電池２の発電電力が不足した場合に、不足した電力を蓄電池６の出力電力で補償する。
燃料電池２は、燃料電池制御装置３からの指令に基づいて酸素と燃料（水素ガスや改質ガス）の供給が制御されて発電する発電装置である。
燃料電池制御装置３は、燃料電池２の発電電力がコンバータ制御部５から入力される発電目標値となるように燃料電池２へ供給される酸素と燃料（水素ガスや改質ガス）を制御する。
ＤＣＤＣコンバータ４は、燃料電池２で発電された電力を給電目標値となるように変換してＤＣＡＣコンバータ１０へ出力する。
コンバータ制御部５は、ＤＣＤＣコンバータ４の出力電力が給電目標値となるように制御するとともに、ＤＣＤＣコンバータ４の出力電力が給電目標値を満たすための入力電力を算出し、算出した電力を発電目標値として燃料電池制御装置３へ出力する。
蓄電池６は、例えばリチウムイオン電池等の充放電可能な二次電池であり、放電して負荷に電力を供給するとともに余った電力を充電する。
バッテリコントローラ７は、蓄電池６の端子電圧と電流を検出して内部抵抗を算出するとともに蓄電池６に設けられた温度センサの値を検出し、これらの値を電力制御装置９へ出力する。
ＤＣＤＣコンバータ８は、負荷の消費電力に対して燃料電池２の発電電力が不足した場合に、蓄電池６の電力を変換して不足した分の電力として出力する。また、燃料電池２で発電された電力のうち余った電力を蓄電池６に入力して充電する。
電力制御装置９は、バッテリコントローラ７から入力される蓄電池６の内部抵抗や温度、給電目標値算出部１１から入力される給電目標値、ＤＣＤＣコンバータ４の端子電圧及び電流に基づいてＤＣＤＣコンバータ８の出力電力を算出し、放電または充電指令をＤＣＤＣコンバータ８に出力して制御する。具体的には、給電目標値からＤＣＤＣコンバータ４の出力電力を減算して電力補償量を算出し、ＤＣＤＣコンバータ８の出力電力が電力補償量と一致するようにＤＣＤＣコンバータ８を制御する。
ＤＣＡＣコンバータ１０は、燃料電池２と蓄電池６から供給された直流電力を、負荷の作動電圧である所定の電圧の交流電力（例えば１００Ｖ）に変換して負荷へ出力する。
給電目標値算出部１１は、負荷へ出力する交流電力の電圧を所定の電圧に維持するために必要な電力を給電目標値として算出し、コンバータ制御部５と電力制御装置９に出力している。
なお、本実施形態においては、負荷を交流電力によって作動する交流負荷としている為、燃料電池２と蓄電池６から供給される直流電力を交流電力に変換して出力するＤＣＡＣコンバータ１０を用いているが、これに限定されない。例えば、負荷が直流電力によって作動する直流負荷の場合はＤＣＡＣコンバータ１０に替えてＤＣＤＣコンバータが用いられる。
次に、図２を参照して、本実施形態に係る電力制御装置９の構成を説明する。図２に示すように、本実施形態に係る電力供給システム１の電力制御装置９は、負荷において現在消費されている電力を給電目標値として取得する給電目標値取得部２１と、給電目標値に対して燃料電池２によって発電されている発電電力値を検出する発電電力検出部２２と、給電目標値と発電電力値との偏差を求めることによって蓄電池６から負荷へ供給される電力補償量を算出する電力補償量算出部２３と、蓄電池６の現在の過渡応答特性を求め、この現在の過渡応答特性に基づいて蓄電池６の出力電力が電力補償量となるように制御する出力電力制御部２４とを備えている。
ここで、電力制御装置９は、マイクロコンピュータ、マイクロプロセッサ、ＣＰＵを含む汎用の電子回路と周辺機器から構成されている。そして、特定のプログラムを実行することにより、給電目標値取得部２１、発電電力検出部２２、電力補償量算出部２３及び出力電力制御部２４として動作する。
給電目標値取得部２１は、給電目標値算出部１１で算出されて出力された給電目標値を受信することによって取得する。
発電電力検出部２２は、ＤＣＤＣコンバータ４から出力される電圧と電流に基づいてＤＣＤＣコンバータ４の出力電力を算出し、この出力電力を燃料電池２の発電電力値として検出する。また、発電電力検出部２２は、給電目標値に対する燃料電池２の発電特性を予め記憶しておいてもよく、この場合には給電目標値に応じて発電電力値を検出する。
電力補償量算出部２３は、給電目標値から発電電力値を差し引くことによって偏差を求め、この偏差を蓄電池６による電力補償量として算出する。
出力電力制御部２４は、バッテリコントローラ７から出力される蓄電池６の内部抵抗を取得し、この内部抵抗に基づいて蓄電池６の現在の過渡応答特性を算出する。そして、この現在の過渡応答特性に基づいて蓄電池６の出力電力が電力補償量となるように制御ゲインを変更してＤＣＤＣコンバータ８を制御する。また、出力電力制御部２４は、蓄電池６の内部抵抗の経年変化を予め記憶しておいてもよく、この場合には初期設定されてから（蓄電池６がシステムに組み込まれた時点から）の期間に応じて、初期設定時の内部抵抗に初期設定時からの内部抵抗の経年変化を加算して、蓄電池６の内部抵抗を求める。
［蓄電池の電力制御処理の手順］
次に、本実施形態に係る電力供給システム１の電力制御装置９による電力制御処理の手順を図３のフローチャートを参照して説明する。
図３に示すように、まずステップＳ１０１において、給電目標値取得部２１が給電目標値算出部１１から出力された給電目標値を取得して、負荷で現在消費されている電力を認識する。
次に、ステップＳ１０２において、発電電力検出部２２は、ＤＣＤＣコンバータ４から出力される電圧値と電流値を取得し、これらに基づいて燃料電池２の発電電力値を検出する。また、発電電力検出部２２は、図４に示すように給電目標値に対する燃料電池２の発電特性を予め記憶しておいてもよい。この場合には発電電力検出部２２が給電目標値に応じて発電電力値を求めるので、フィードフォワード制御を行うことができ、処理の正確性と処理速度の向上を実現することができる。
次に、ステップＳ１０３において、電力補償量算出部２３は、給電目標値＝発電電力値であるか否かを判定し、給電目標値＝発電電力値である場合には蓄電池６からの電力供給は必要ないので、本実施形態に係る電力制御処理を終了する。
一方、ステップＳ１０３において給電目標値＝発電電力値でない場合には、ステップＳ１０４に進んで電力補償量算出部２３は燃料電池２の発電電力が不足（給電目標値＞発電電力値）しているか否かを判定する。そして、不足（給電目標値＞発電電力値）している場合には、ステップＳ１０５Ａに進んで電力補償量算出部２３が給電目標値から発電電力値を差し引くことによって偏差を求め、この偏差を蓄電池６による電力補償量として算出する。
次に、出力電力制御部２４は、ステップＳ１０６ＡにおいてＤＣＤＣコンバータ８から出力されている蓄電池６の現在の電圧値と電流値を取得し、ステップＳ１０７Ａにおいてバッテリコントローラ７から蓄電池６の内部抵抗を取得する。
ここで、蓄電池６の内部抵抗はリアルタイムで常にバッテリコントローラ７から取得してもよいし、システム起動時のみ取得するようにしてもよい。ただし、システムの起動時のみ取得する場合には、出力電力制御部２４はステップＳ１０８Ａにおいて蓄電池６の温度をバッテリコントローラ７から取得し、内部抵抗の値を、取得した蓄電池６の温度に応じて常に補正する。
さらに、出力電力制御部２４は、図５に示すように蓄電池６の内部抵抗の経年による変化を予め記憶しておき、初期設定されてからの期間に応じて蓄電池６の内部抵抗を求めるようにしてもよい。これにより、逐次計算をしなくても容易に内部抵抗の値を取得できるので、処理に要する時間を短縮することができる。
こうして内部抵抗の値を取得すると、出力電力制御部２４は、ステップＳ１０９Ａにおいて内部抵抗に基づいて蓄電池６の現在の過渡応答特性を算出する。過渡応答特性は、以下の式（１）に示すＬＣＲ回路の電圧方程式を解くことによって求めることができる。
Figure 2014027527
ここで、式（１）の電圧方程式を解くと、過渡応答特性は以下に示す式（２）、（３）となる。
Figure 2014027527
Figure 2014027527
ただし、ｉ（ｔ）は蓄電池６の過渡応答特性を示す出力電流、Ｖ０は蓄電池６の端子電圧のうちの電流応答成分の電圧値（すなわち、電流に応じて変化する電圧値であり、端子電圧から無負荷電圧を差し引いた電圧値）の電圧値、Ｌはシステム固有のコイル成分、Ｃはシステム固有の静電容量成分、Ｒは蓄電池６の内部抵抗である。Ｌ、Ｃは定数なので、内部抵抗Ｒを設定すれば、過渡応答特性を決定することができる。
ここで、過渡応答特性が初期設定時の内部抵抗を用いて設定され、修正されない場合には、経年変化によって内部抵抗が増大すると、過渡応答特性が低下するので、必要とされる電力を蓄電池６の電力で正確に補償することはできない。しかし、本実施形態では、現在の内部抵抗に基づいて現在の過渡応答特性を算出するので、経年変化によって過渡応答特性が変化したとしても正確に負荷への出力電力を補償することができる。
こうして現在の過渡応答特性が算出されると、出力電力制御部２４は、ステップＳ１１０Ａにおいて電力補償量を達成できる制御ゲインを算出し、ステップＳ１１１Ａにおいて制御ゲインに基づいて放電指令を出力してＤＣＤＣコンバータ８を制御する。
これにより、負荷の消費電力に対して燃料電池２の発電電力が不足していた場合に、不足分の電力を蓄電池６から放電して本実施形態に係る電力制御処理を終了する。
一方、ステップＳ１０４において燃料電池２の発電電力が不足していない場合（給電目標値＜発電電力値）、すなわち燃料電池２の発電電力が余っている場合には、ステップＳ１０５Ｂ〜ステップＳ１１０Ｂにおいて、ステップＳ１０５Ａ〜ステップＳ１１０Ａと同様の処理を行う。そして、ステップＳ１１１Ｂにおいて充電指令を出力してＤＣＤＣコンバータ８を制御することによって、負荷の消費電力に対して燃料電池２の発電電力が余っていた場合に余剰分の電力を蓄電池６に充電して本実施形態に係る電力制御処理を終了する。
［実施形態の効果］
上述した処理を行うことによって、本実施形態に係る電力供給システム１の電力制御装置９では、図６に示すように給電目標値が時刻ｔ０において急激に変化した場合に、燃料電池２の発電電力の不足分を蓄電池６の放電によって補償することができる。また、時刻ｔ１を過ぎて燃料電池２の発電電力が給電目標値を超えている場合には余った電力を蓄電池６に充電することができる。
さらに、本実施形態に係る電力供給システム１の電力制御装置９では、蓄電池６の現在の過渡応答特性を求め、現在の過渡応答特性に基づいて蓄電池６の出力電力が電力補償量となるように制御する。これにより、蓄電池６の過渡応答特性が経年変化等によって変化しても正確に負荷への出力電力を補償することができる。
例えば、蓄電池６において出力電流を１Ａ上昇させるための電圧値と内部抵抗との間の関係は、図７に示すようになる。すなわち、内部抵抗の値が１６０ｍΩから３２０ｍΩへ増大すると、蓄電池６の出力電流を１Ａ上げるために必要な電圧（増大させるべき電圧）が０．１７Ｖから０．３３Ｖへ増大する。すなわち出力電流を１Ａ上げるために蓄電池６で必要となる出力電力は０．１７ｗから０．３３ｗへ増大する。
これを過渡応答特性で説明すると、図８に示すように電力補償量がＣ［ｗ］である場合に、内部抵抗が１６０ｍΩのときには式（２）のｉ（ｔ）にＶ０を乗算した蓄電池６の過渡応答特性はＫ１となる。このとき時刻ｔ０において電力補償量Ｃ［ｗ］まで過渡応答特性を上昇させるためには０．１７ｗ必要となる。
一方、蓄電池６が経年変化により劣化して内部抵抗が３２０ｍΩになると、過渡応答特性はＫ２となり、時刻ｔ０において電力補償量Ｃ［ｗ］まで過渡応答特性を上昇させるためには０．３３ｗ必要となる。
例えば、初期設定時の内部抵抗のままで過渡応答特性を設定していた場合には、実際には経年変化により過渡応答特性がＫ１からＫ２に低下しているにもかかわらず考慮されず、したがって、蓄電池６の出力電力を正確に電力補償量に一致させることはできない。
これに対して、本実施形態に係る電力供給システム１の電力制御装置９では、内部抵抗が経年変化により劣化した場合でも現在の過渡応答特性Ｋ２を算出し、現在の過渡応答特性Ｋ２に基づいて蓄電池６の出力電力を制御する。したがって、蓄電池６の過渡応答特性が経年変化等によって変化しても正確に負荷への出力電力を補償することができる。
特に、本実施形態に係る電力供給システム１の電力制御装置９によれば、蓄電池６の内部抵抗に基づいて現在の過渡応答特性を算出しているので、蓄電池で一般に計測されている内部抵抗の値を利用して容易に現在の過渡応答特性を算出することができる。
また、本実施形態に係る電力供給システム１の電力制御装置９では、蓄電池６の内部抵抗の経年変化を記憶しておき、初期設定されてからの期間に応じて蓄電池６の内部抵抗を求めている。これにより、逐次計算をしなくても容易に内部抵抗の値を取得して処理に要する時間を短縮することができる。
さらに、本実施形態に係る電力供給システム１の電力制御装置９では、給電目標値に対する燃料電池２の発電特性を記憶しておき、給電目標値に応じて発電電力値を検出する。これにより、記憶しておいた燃料電池２の発電特性を利用してフィードフォワード制御を行い、処理の正確性と処理速度の向上を実現することができる。
また、本実施形態に係る電力供給システム１の電力制御装置９によれば、蓄電池６の現在の過渡応答特性に応じて制御ゲインを変更するので、蓄電池６の出力電力を素早く電力補償量に一致させることができる。
なお、上述の実施形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外の形態であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計などに応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
本出願は、２０１２年８月１６日に出願された日本国特許願第２０１２−１８０３２３号に基づく優先権を主張しており、この出願の内容が参照により本発明の明細書に組み込まれる。
本発明の一態様に係る電力供給システム及び電力供給システムの制御方法によれば、蓄電池の現在の過渡応答特性を求め、この過渡応答特性に基づいて蓄電池の出力電力が電力補償量となるように制御するので、正確に負荷への出力電力を補償することができる。したがって、本発明の一態様に係る電力供給システム及び電力供給システムの制御方法は、産業上利用可能である。
１ 電力供給システム
２ 燃料電池
３ 燃料電池制御装置
４ ＤＣＤＣコンバータ
５ コンバータ制御部
６ 蓄電池
７ バッテリコントローラ
８ ＤＣＤＣコンバータ
９ 電力制御装置
１０ ＤＣＡＣコンバータ
１１ 給電目標値算出部
ただし、ｉ（ｔ）は蓄電池６の過渡応答特性を示す出力電流、Ｖ０は蓄電池６の端子電圧のうちの電流応答成分の電圧値（すなわち、電流に応じて変化する電圧値であり、端子電圧から無負荷電圧を差し引いた電圧値）の電圧値、Ｌはシステム固有のインダクタンス成分、Ｃはシステム固有の静電容量成分、Ｒは蓄電池６の内部抵抗である。Ｌ、Ｃは定数なので、内部抵抗Ｒを設定すれば、過渡応答特性を決定することができる。

Claims (7)

  1. 発電装置に並列接続された蓄電池を備えて、負荷へ電力を供給する電力供給システムにおいて、
    前記負荷において現在消費されている電力を給電目標値として取得する給電目標値取得部と、
    前記給電目標値に対して前記発電装置によって発電されている発電電力値を検出する発電電力検出部と、
    前記給電目標値と前記発電電力値との偏差を求めることによって前記蓄電池から前記負荷へ供給される電力補償量を算出する電力補償量算出部と、
    前記蓄電池の出力電力における現在の過渡応答特性を求め、この現在の過渡応答特性に基づいて前記蓄電池の出力電力が前記電力補償量となるように制御する出力電力制御部と
    を備えたことを特徴とする電力供給システム。
  2. 前記出力電力制御部は、前記蓄電池の内部抵抗に基づいて前記蓄電池の出力電力における現在の過渡応答特性を算出することを特徴とする請求項１に記載の電力供給システム。
  3. 前記出力電力制御部は、前記蓄電池の内部抵抗の経年変化を記憶しており、初期設定されてからの期間に応じて前記蓄電池の内部抵抗を求めることを特徴とする請求項２に記載の電力供給システム。
  4. 前記発電電力検出部は、前記給電目標値に対する前記発電装置の発電特性を記憶しており、前記給電目標値に応じて前記発電電力値を検出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力供給システム。
  5. 前記出力電力制御部は、前記蓄電池の出力電力における現在の過渡応答特性に応じて制御ゲインを変更することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力供給システム。
  6. 発電装置に並列接続された蓄電池を備え、負荷に電力を供給する電力供給システムの制御方法であって、
    前記発電装置と前記蓄電池とから電力が供給される負荷において現在消費されている電力を給電目標値として取得し、
    前記給電目標値に対して前記発電装置によって発電されている発電電力値を検出し、
    前記給電目標値と前記発電電力値との偏差を求めることによって前記蓄電池から前記負荷へ供給される電力補償量を算出し、
    前記蓄電池の出力電力における現在の過渡応答特性を求め、この現在の過渡応答特性に基づいて前記蓄電池の出力電力が前記電力補償量となるように制御する
    ことを特徴とする電力供給システムの制御方法。
  7. 発電装置に並列接続された蓄電池を備えて、負荷へ電力を供給する電力供給システムにおいて、
    前記負荷において現在消費されている電力を給電目標値として取得する給電目標値取得手段と、
    前記給電目標値に対して前記発電装置によって発電されている発電電力値を検出する発電電力検出手段と、
    前記給電目標値と前記発電電力値との偏差を求めることによって前記蓄電池から前記負荷へ供給される電力補償量を算出する電力補償量算出手段と、
    前記蓄電池の出力電力における現在の過渡応答特性を求め、この現在の過渡応答特性に基づいて前記蓄電池の出力電力が前記電力補償量となるように制御する出力電力制御手段と
    を備えたことを特徴とする電力供給システム。
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