JPWO2016117236A1 - 発電システム、発電制御方法およびプログラム - Google Patents
発電システム、発電制御方法およびプログラム Download PDFInfo
- Publication number
- JPWO2016117236A1 JPWO2016117236A1 JP2016570508A JP2016570508A JPWO2016117236A1 JP WO2016117236 A1 JPWO2016117236 A1 JP WO2016117236A1 JP 2016570508 A JP2016570508 A JP 2016570508A JP 2016570508 A JP2016570508 A JP 2016570508A JP WO2016117236 A1 JPWO2016117236 A1 JP WO2016117236A1
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- generator
- secondary battery
- power generation
- load
- power
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
- H02J3/28—Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy
- H02J3/32—Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy using batteries with converting means
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
- H02J7/02—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from ac mains by converters
- H02J7/04—Regulation of charging current or voltage
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
- H02J7/32—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from a charging set comprising a non-electric prime mover rotating at constant speed
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
- H02J7/14—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from dynamo-electric generators driven at varying speed, e.g. on vehicle
- H02J7/1423—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from dynamo-electric generators driven at varying speed, e.g. on vehicle with multiple batteries
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
- H02J7/14—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from dynamo-electric generators driven at varying speed, e.g. on vehicle
- H02J7/143—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from dynamo-electric generators driven at varying speed, e.g. on vehicle with multiple generators
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
- H02J7/14—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from dynamo-electric generators driven at varying speed, e.g. on vehicle
- H02J7/1438—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from dynamo-electric generators driven at varying speed, e.g. on vehicle in combination with power supplies for loads other than batteries
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
- Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)
- Control Of Eletrric Generators (AREA)
Abstract
本発明の発電システムは、発電機(11)と、2次電池(12)と、制御部(13)とを有し、制御部(13)は、2次電池(12)の充電状態が上限容量に達していると、2次電池(12)を放電させて2次電池(12)による電力を負荷(20)に供給し、充電状態が下限容量まで低下すると、発電機(11)を動作させて発電機による電力の一部を負荷(20)に供給し、余剰電力で2次電池(12)を充電し、充電状態が上限容量に達すると、発電機(11)を停止し、負荷(20)に供給する電力の供給元を発電機(11)から2次電池(12)に切り替え、発電機(11)を動作させている状態において、発電機(11)に最大発電効率または定格出力に維持させる。
Description
本発明は、発電機および2次電池を含む発電システム、発電制御方法、およびその方法をコンピュータに実行させるためのプログラムに関する。
近年、エネルギーの安定供給や利用効率の向上のために、分散型発電システムに対する関心が高まっている。分散型発電システムでは、主にガスや軽油を燃料として発電し、系統電力に対して冗長性をもたせることが可能なので、特に系統電力途絶時においてエネルギーの安定供給に資する。バイオマスや下水汚泥処理の際に発生するメタンガスを燃料とする場合には、メタンガスが自前のエネルギー源となって、地域のエネルギー安定供給に有用である。また、分散型発電システムは需要地に近接して設置されるので、5%程度と見積もられている、集中型発電システムにおける送電時の電力損失を抑制できる。さらに、発電時の排熱を水から蒸気や温水を作ることに利用することで、電気だけでなく熱も活用する熱電併給により総合エネルギー効率を80%前後まで高めることも可能である。これにより一次エネルギー(燃料)の投入量を削減し、低炭素化にも貢献する。
太陽光発電や風力発電も重要な分散型発電技術である。ランニングコスト面では、太陽光発電や風力発電は、燃料費負担がないという点で有利である。しかし、これらの発電手段は天候に依存して変動的かつ間欠的なので、電力供給の安定性の観点では、燃料を用いる火力発電および燃料電池に優位性がある。特に、系統電力からの独立性を高めて地域や施設の電力供給の大半を自前で調達するマイクログリッドと呼ばれる形態においては、太陽光発電や風力発電を主体とするエネルギーシステムは巨大な二次電池の併設を前提としない限り困難である。
燃料を用いる発電システムでは導入コスト、維持費、燃料費に区分された全体コストにおいて燃料費の割合が8割前後を占めている(非特許文献1参照)。そこで、燃料消費量を削減することは経済価値が高く、低炭素化にも貢献するので重要である。
しかしながら、分散型発電システムにおける発電機の発電効率は、例えば、小規模発電機の効率は35%程度に過ぎず、燃料電池(発電効率40〜50%)を除けば、系統向けの大型発電機(発電効率40〜60%)に比べて相当に効率が低い。そのため、分散型発電システムにおける発電機は燃費が悪い。一般に発電機は定格出力時に最大効率を発揮するように設計されている。分散型発電システムにおいて電力需要を負荷としてそれに追従して発電機を運転する場合、発電機の出力が定格値から外れた低出力状態を持続するような状況では発電効率は大幅に低下することになる。
そこで、このような分散型発電システムを負荷追従モードで運転する場合、大出力の発電機1台で対応するのではなく、小出力の発電機複数台で対応することが行われている(非特許文献2参照)。
一方、電源システムの大型化を抑えることを目的とした技術の一例が特許文献1に開示されている。特許文献1には、燃料電池および2次電池を有する電源システムにおいて、負荷の電力需要が小さいとき、燃料電池の電力を負荷での消費と2次電池の充電に利用し、負荷の電力需要が大きいとき、燃料電池と2次電池の電力を負荷に供給することが開示されている。
"コジェネ基礎データ集"、[online]、平成24年9月、経済産業省資源エネルギー庁、[平成27年1月5日検索]、インターネット<URL:http://www.enecho.meti.go.jp/category/electricity_and_gas/other/cogeneration/pdf/1-1.pdf>
"複数台対応システム"、[online]、ヤンマー株式会社、[平成27年1月5日検索]、インターネット<URL:https://www.yanmar.com/jp/energy/ normal_generator/ cp/about/multiple.html>
しかし、非特許文献2に開示された方法では電力需要のパターンによってはピーク需要に対応して運転する発電機の稼働率が低くなる可能性があり、効率低下の要因となる。このような効率低下は、特に発電機の台数が比較的小さい場合に問題となる。この問題を、図1を参照して説明する。
図1は定格出力35kWの同一の発電機を最大6台運転した場合の発電効率の合計出力値に対する変化を示す。それぞれの発電機は、出力ゼロの極限で18%の発電効率となり、定格出力で最大効率34%まで出力値に対してリニアに効率が上昇するという設定になっている。負荷の電力需要に対応する発電出力が35kWの倍数の場合、各発電機は最大効率で発電するので全体の発電効率も最大となる。しかし、発電機を負荷追従モードで運転する場合、負荷の電力需要と発電機の定格出力が一致し続けることは考えられず、発電機が定格値から外れた部分負荷状態になるとき、その発電効率が低下する。図1を参照すると、その低下の度合いは稼動する発電機の台数が少ない状況において顕著になることがわかる。
なお、特許文献1に開示された発明は、上記の問題とは課題が異なる。
本発明の目的の一つは、負荷の電力需要が一定でなくても、発電機の発電効率を高い状態に維持可能な発電システムを提供することを目的とする。
本発明の一側面の発電システムは、負荷と接続される発電機と、発電機および負荷と接続される2次電池と、2次電池の充電状態が上限容量に達していると、2次電池を放電させて2次電池による電力を負荷に供給し、充電状態が下限容量まで低下すると、発電機を動作させて発電機による電力の一部を負荷に供給し、余剰電力で2次電池を充電し、充電状態が上限容量に達すると、発電機を停止し、負荷に供給する電力の供給元を発電機から2次電池に切り替える制御部と、を有し、制御部は、発電機を動作させている状態において、発電機に最大発電効率または定格出力に維持させる構成である。
本発明の一側面の発電制御方法は、負荷と接続される発電機と、発電機および負荷と接続される2次電池と、発電機および2次電池を制御する制御部とを有する発電システムによる発電制御方法であって、2次電池の充電状態が上限容量に達していると、2次電池を放電させて2次電池による電力を負荷に供給し、充電状態が下限容量まで低下すると、発電機を動作させて発電機による電力の一部を負荷に供給し、余剰電力で2次電池を充電し、充電状態が上限容量に達すると、発電機を停止し、負荷に対する電力供給元を発電機から2次電池に切り替え、発電機を動作させている状態において、発電機に最大発電効率または定格出力に維持させるものである。
本発明の一側面のプログラムは、負荷と接続される発電機と、発電機および負荷と接続される2次電池とを制御するコンピュータに、2次電池の充電状態が上限容量に達していると、2次電池を放電させて2次電池による電力を負荷に供給する手順と、充電状態が下限容量まで低下すると、発電機を動作させて発電機による電力の一部を負荷に供給し、余剰電力で2次電池を充電する手順と、充電状態が上限容量に達すると、発電機を停止し、負荷に対する電力供給元を発電機から2次電池に切り替える手順と、発電機を動作させている状態において、発電機に最大発電効率または定格出力に維持させる手順を実行させるものである。
本実施形態の発電システムの構成を説明する。図2は本実施形態の発電システムの一構成例を示すブロック図である。
図2に示すように、本実施形態の発電システム10は、発電機11と、2次電池12と、制御部13とを有する。発電機11の出力側は、接続先を2次電池12および負荷20と切り替え可能に、2次電池12および負荷20と接続されている。2次電池12の出力側は負荷20と接続されている。
制御部13は、プログラムを記憶するメモリ(不図示)と、プログラムにしたがって処理を実行するCPU(Central Processing Unit)(不図示)とを有する。制御部13内のメモリには、2次電池12の充電状態の上限容量と下限容量の値が予め登録されている。
制御部13は、2次電池12の充電状態を監視し、2次電池12の充電状態が上限容量に達している場合、2次電池12を放電させて2次電池12の電力を負荷20に供給する。また、制御部13は、2次電池12の充電状態が下限容量まで低下すると、発電機11を起動してその出力を定格出力に維持させ、発電機11が発生する電力の一部を負荷20に供給し、余剰電力を2次電池12の充電にあてる。さらに、制御部13は、2次電池12の充電状態が上限容量に達すると、発電機11を停止し、負荷20に供給する電力の供給元を発電機11から2次電池12に切り替える。
なお、制御部13は、発電機11を動作させる場合、最大発電効率で発電機11を動作させてもよい。
図3は本実施形態の発電システムの別の構成例を示すブロック図である。
図3に示す発電システム10は、図2に示した2次電池12および制御部13の他に、N(Nは2以上の整数)台の発電機11−1〜11−Nを有する構成である。この場合、発電機11−1〜11−(N−1)は定格出力で負荷20に電力を供給する。図3に示す発電システムにおいても、制御部13は、図2に示す発電システムと同様に、発電機11−Nおよび2次電池12を制御すればよい。
本実施形態の発電システムについて、図1に示した発電システムと対比して、詳細に説明する。以下では、図1に示した発電システムと対比するために、図3に示した発電システム(発電機11がN台)の場合で説明する。
図1を参照して説明した、複数の同一の発電機で構成される発電システムの運用形態は、次のように考えることができる。
負荷の電力需要に対応して、定格出力がqkWの発電機を複数台用いることで全体の出力がpkWとなる場合、int(p/q)台の発電機は定格出力qで発電させる。ここで、int(x)はxの整数部分を表す関数とする。さらに、1台を出力{p−q×int(p/q)}の部分負荷状態で運転させる。したがって、N=int(p/q)+1とすると、(N−1)台の発電機は最大発電効率で運転しているが、最後の1台は低効率な部分負荷状態で運転することになる。稼働数Nが十分に大きい場合、部分負荷状態にある最後の1台からの寄与は相対的に小さくなって、図1に示したように、比較的高い発電効率を期待できる。
しかし、Nがさほど大きくない場合は部分負荷状態にある発電機による効率低下が無視できなくなる。この場合、qを小さくして(すなわち、より小出力の発電機を用いて)Nを大きくすることも考えられる。現実的には発電機の最大発電効率emaxは定格出力qに依存しているため、qを小さな値に設定するとemax自体が低下するので全体の発電効率は必ずしも高くならない。したがって別の工夫が必要である。
N台の発電機からなる発電システムにおいては、上述したように、(N−1)台の発電機を定格出力に設定する、または発電機の数が電力需要に対して過剰なので一部の発電機を停止状態に設定することが可能なので、部分負荷状態にある発電機は1台のみである。そこで、以下では、この1台の部分負荷状態となる発電機に注目する。図3に示す構成例では、発電機11−Nがその対象となる。
この発電機を強制的に定格出力で運転させて、その時点での電力需要を超過した余剰電力を2次電池12の充電に利用することを考える。2次電池の充電状態(SOC:State Of Charge)が上限容量に達すると発電機を停止し、2次電池からの放電で電力需要を満たす。2次電池のSOCが下限容量に達すると、再び発電機を定格出力qで運転して、余剰電力で2次電池を充電する。以降、この操作を繰り返すように発電システムを運転する。この発電システムの動作を、図4のフローチャートに示す。
本実施形態の発電システムの動作を、図4を参照して説明する。
制御部13は、2次電池12の充電状態が下限容量の値以上か否かによって、2次電池12を充電するか、放電させるかを示す情報として「IFLAG」の値を制御部内のメモリ(不図示)に記録する。IFLAG=1は2次電池12を充電する場合に相当し、IFLAG=0は2次電池12に放電させる場合に相当する。制御部13は、定期的に2次電池12の充電状態を監視し、その結果を制御部内のメモリ(不図示)に記録する。
初期状態ではIFLAG=1がメモリ(不図示)に記録されている(ステップ101)。制御部13は、IFLAG=1が真であるか、偽であるかを判定し(ステップ102)、判定結果が真である場合、2次電池12の充電状態が上限容量より大きいか否かを判定する(ステップ103)。
ステップ103の判定結果が真である場合、制御部13は、IFLAGの値を1から0に書き直し、ステップ102に戻る。ステップ103の判定結果が偽である場合、制御部13は、発電機11−Nを定格出力qで運転させ、余剰電力で2次電池12を充電させる(ステップ105)。ステップ105の後、制御部13は、ステップ103の判定に戻る。
一方、ステップ102の判定結果が偽である場合、2次電池12の充電状態が下限容量より小さいか否かを判定する(ステップ106)。ステップ106の判定結果が真である場合、制御部13は、IFLAGの値を0から1に書き直し、ステップ102に戻る。ステップ106の判定結果が偽である場合、制御部13は、発電機11−Nを停止させ、2次電池12を放電させ、2次電池12から出力される電力で負荷20を駆動させる(ステップ108)。ステップ108の後、制御部13は、ステップ106の判定に戻る。
上述した方法により、本実施形態では、稼働する全ての発電機を定格出力で運転させることができる。本実施形態の発電システムで用いられる発電機の具体的なモデルの一例を図5に示す。本実施形態では、図5に示すように、定格出力qにおいて発電効率が最大値emaxとなり、出力ゼロの極限でeminに収束する発電機を考える。さらに、出力と発電効率の関係は、図5に示すように、一次関数で近似できるものとする。このとき、出力s(0 < s < q)での発電効率esは次式で与えられる。
本実施形態の発電システムの動作を、図6に示す模式図を参照して説明する。
図6に示す発電システムにおいて、発電機を定格出力qで運転させた場合、時間Δtの間に生じた電力量qΔtのうち、sΔtは負荷で消費され、(q−s)Δtは余剰電力量として2次電池に蓄えられる。ここでは、説明を簡単にするために、交流−直流間の変換および電池の充放電等におけるエネルギー変換に伴う損失をゼロとした。定格出力qで時間Δtに相当する電気量(qΔt)を発生させるのに必要な燃料をFqとすると、Fqは次式で与えられる。
定格出力qの場合と同様に、出力sで同じ電気量(qΔt)を発生させるのに必要な燃料をFsとすると、Fsは次式で与えられる。
式(2)および式(3)から、定格出力を維持することで削減できる燃料はFs−Fqとなる。これとFsの比は燃料の削減率(η)を表している。
本実施形態の発電システムは、これらの検討結果に基づいて発明されたものである。
発電機と2次電池を併用するシステムの問題点として、(i)「電池を経由することで、直流−交流の変換回数が増えてエネルギー損失が生じること」と(ii)「電池の充放電回数が増えて電池の短寿命化につながる可能性があること」が考えられる。
上記の(i)と(ii)のうち、はじめに(i)の問題について説明する。
図7は本実施形態の発電システムの一構成例におけるエネルギー変換過程を示す模式図である。図7では、発電機および2次電池の出力の「交流→直流」および「直流→交流」の変換における損失を考慮している。
図7に示すシステム構成例では、発電機11−Nと2次電池12の間に変換器31が設けられ、2次電池12と負荷20の間に変換器32が設けられている。変換器31は、発電機11−Nの出力を交流から直流に変換して2次電池12に出力する。また、変換器32は、2次電池12の出力を直流から交流に変換して負荷20に出力する。変換器31の変換効率をp1とし、変換器32の変換効率をp2とする。また、2次電池12における、充電と放電の効率をpbとする。
図7に示すシステム構成例では、負荷20は、直流電圧で動作するCPU等のデバイス25と、外部から供給される電力を交流から直流に変換してデバイス25に出力する変換器23とを有する。
発電機の出力は、通常、交流である。図7に示す経路1は、発電機11−Nの出力が交流のまま直接負荷20に供給される場合を示す。一方、図7に示す経路2は、発電機11−Nの出力が2次電池12を経由して負荷20に供給される場合を示す。経路1と比べて経路2は、交流→直流変換(変換効率はp1)、電池の充電と放電(効率はpb)、直流→交流変換(変換効率はp2)の3段階の変換により、eloss=1−pefのエネルギー損失率となる。ただし、pef=p1p2pbである。
この発電システムにおける燃料消費量の削減率ηは近似的に次式で表される。
式(5)において、eavは電池なしで、発電機を単独で動作させた場合の発電機の平均発電効率の推定値である。davは平均電力需要の推定値であり、pefはエネルギー変換効率の推定値である。エネルギー変換効率が低下してpefが小さくなると、ηは負値になる可能性がある。すなわち、このような状況では、発電機の電力を電池を経由して出力する場合の方が、発電機を直接負荷と接続する場合に比べて燃料消費量が増えてしまうので、上式でηが負にならないような状況でのみ、電池を経由することが適切な選択となる。したがって、制御部13は、式(5)で計算されるようなηの推定値をモニタしながらシステムの稼働中に運転モードを切り替えることが望ましい。
発電機の発電効率と出力の関係が一次関数で表される状況では、低出力状態s1の効率をe1とし、高出力状態s2の効率をe2とすると、電力需要がs1であった場合に余剰電力(s2−s1)を電池に充電するのではなく、抵抗等で損失させて高出力状態で運転することによって燃料消費量が減少することはない。なぜなら、高出力状態が低出力状態よりも燃料消費量が低下するためには次式が成立する必要がある。
発電効率と出力の関係が一次関数となる場合は式(6)の不等式から、s1 > s2となるが、高出力と低出力の定義上、s2 > s1が同時に成立しなければならないので、これは不合理であるから、電池に充電することなしに燃料消費量が減少することはない。逆に、発電効率と出力の関係が一次関数でない場合においては、電池を用いず抵抗等で余剰電力を損失しながら高出力運転することで、燃料消費量の抑制が可能となることが起こり得る。
次に、(ii)の問題について説明する。
(ii)の問題については、基本的に電池の容量を大きくすることで充放電サイクル数を減らすことが考えられる。後述の実施例3では、電池容量を適当に選択すれば4cycle/day程度にサイクル数を減少させることができる。ある程度大きな規模の電池は事業継続計画(BCP:Business Continuity Planning)用途にも兼用できるので有利な面もある。しかしながら、電池の容量を大きくすると高コストとなるので適当なコストとサイクル数についてバランスを取る必要がある。電池の劣化を抑制するという観点からは、劣化が進行しにくいSOCで小刻みに充電と放電を繰り返すことも考えられるが、この発電システムにおいて放電時は発電機を停止することになるので、頻繁に発電機を起動・停止することは起動損失や発電機自体の劣化を招くことにつながるので、このような運転形態は好ましくない。
(ii)の問題への根本的な対策としては、電池の直流出力で直接的に負荷のCPU等のデバイスを駆動させる経路3のような直流給電を利用することや、燃料電池など本来直流出力する経路4のような発電手段と組み合わせて変換ロスをなくすことが考えられる。
以下に、上述した発電システムについての具体例を説明する。
以下に、上述した発電システムについての具体例を説明する。
<本実施形態の発電システムによる燃料消費量の削減効果>
図8は電力需要の時間推移のサンプルパスと本実施形態の発電システムの運転モードの切り替えの関係を示す図である。本実施例では、1日の電力需要が図8の太い実線で表わされる場合において、本実施形態の発電システムによる燃料消費量の削減効果を調べた結果を説明する。
図8は電力需要の時間推移のサンプルパスと本実施形態の発電システムの運転モードの切り替えの関係を示す図である。本実施例では、1日の電力需要が図8の太い実線で表わされる場合において、本実施形態の発電システムによる燃料消費量の削減効果を調べた結果を説明する。
電力需要のピーク値は20kWhなので、発電機の定格出力qも20kWhに設定した。発電機の最大発電効率を34%とし、発電機の最小発電効率を18%とし、電池容量を24kWhとした。また、交流→直流の変換効率(p1)、電池の充放電効率(pb)および直流→交流の変換効率(p2)に相当する3つの値を全て0.95とした。
電池残量ゼロからシステムをスタートすると、開始から7.8時間は発電機が定格出力で運転して、発電から需要を引いた余剰電力(図中の縦点線部分)は電池に貯められる。電池が満充電に達すると発電機を停止して、電池からの放電により負荷の駆動に必要な電力需要(図中の横点線部分)を賄う。さらに、電池の放電が進んで残量容量がゼロとなると、再び発電機が定格出力で稼動して余剰電力を電池に供給して電池を充電する。このように、2次電池の充電と放電(および発電機の運転と停止)を繰り返すように、本実施形態の発電システムが運転される。図8に示す例では、発電機単独で同じ電力需要に対応する場合と比較して、本実施形態の発電システムによる燃料消費量の削減率ηは11.9%となった。
<燃料消費量削減効果の2次電池容量依存性>
本実施例では、本実施形態に基づく、燃料消費量の削減効果が2次電池の容量に依存しないことを説明する。図9は、実施例1と同じ条件において、電池容量のみを3〜72kWhの範囲で変化させた場合の燃料消費量の削減率ηを表わす。図9を参照すると、削減率ηは0.12前後であり、電池容量に強く依存しないことがわかる。この削減率ηは近似的に次式で表される。
本実施例では、本実施形態に基づく、燃料消費量の削減効果が2次電池の容量に依存しないことを説明する。図9は、実施例1と同じ条件において、電池容量のみを3〜72kWhの範囲で変化させた場合の燃料消費量の削減率ηを表わす。図9を参照すると、削減率ηは0.12前後であり、電池容量に強く依存しないことがわかる。この削減率ηは近似的に次式で表される。
式(7)において、eavは電池を使用せず、発電機単独で動作する場合の発電機の平均効率である。davは平均電力需要であり、pefはエネルギー変換効率である。例えば、交流出力の発電機による電力を2次電池に充電し、それを放電して交流に戻して負荷を駆動する場合、pefは交流→直流の変換効率、電池の充放電効率、直流→交流の変換効率の積で表される。
式(7)は2次電池の容量に関係する情報を含まないので、削減率は近似的に電池容量に依存しないことがわかる。今の例では、上式右辺によるηの近似値は0.146となって、図9の値に近い。
<電池容量と充放電サイクル数の関係>
本実施形態においては、実施例2で示したように、燃料消費量の削減効果は2次電池の容量に依存しない。大容量の電池は高価であるため、経済的には小規模な電池が望ましいが容量を小さくすると、充放電サイクル数が増大するので電池を短命化するおそれがある。
本実施形態においては、実施例2で示したように、燃料消費量の削減効果は2次電池の容量に依存しない。大容量の電池は高価であるため、経済的には小規模な電池が望ましいが容量を小さくすると、充放電サイクル数が増大するので電池を短命化するおそれがある。
図10は実施例1と同じ条件で電池容量を6kWh、12kWh、24kWhと変化させた場合の充電状態(SOC)の時間変化を表わしている。図10を参照すると、電池容量が6kWhの場合、充放電サイクル数は20cycle/dayである。一方、電池容量が12kWhおよび24kWhの場合、充放電サイクル数は、それぞれ8cycle/dayおよび4cycle/dayまで低下している。
基本的にサイクル数は容量と反比例関係にあると考えられるが、低容量の電池では、この関係から推定される値よりも多くのサイクル数を要しており、電池の短命化を加速する懸念がある。さらに、発電機にとっても運転と停止を頻繁に繰り返すことは起動損失などの弊害もあり問題が生じるので、発電機の運転と停止を短時間に繰り返す操作をできるだけ避ける必要がある。この例では一日あたりの消費電力量の1/10の容量を持つ電池を用いると、充放電サイクル数は4cycle/day程度となって適当と思われる。
本実施形態の発電システムでは、発電機を定格出力など高い発電効率が実現可能な状態で動作させて負荷の電力需要に対応させるとともに、そのときに発生する余剰電力を2次電池の充電に利用する。そして、2次電池の充電状態が上限容量に達すると発電機を停止する代わりに、2次電池を放電させることで2次電池による電力を負荷の電力需要に対応させる。さらに、放電の進行により2次電池の充電状態が下限容量に達すると、再び発電機を起動し、負荷に対する電力供給元を2次電池から発電機に切り替えるとともに、余剰電力で2次電池を充電する。
上述の動作を繰り返す制御を行うことで、発電機がその発電効率が低い部分負荷状態となる電力需要時でも、発電機の発電効率を高い状態に維持することが可能となり、燃料利用効率を改善することができる。その結果、燃料消費量を抑制することでユーザーの燃料コストを低下させると同時に二酸化炭素排出量の削減という地球環境改善にも貢献する。
さらに、複数の発電機を有する発電システムにおいて負荷追従モードのような運転により部分負荷状態が継続する状況においても、高い発電効率を維持できる。
本発明の効果の一例を説明する。本発明によれば、負荷の電力需要が一定でない状況下でも、発電機の発電効率を高い状態に維持することができる。
なお、本実施形態で説明した発電制御方法をコンピュータに実行させるためのプログラムを、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納してもよい。この場合、プログラムを記録媒体から他の情報処理装置にインストールすることで、他の情報処理装置にも上述した情報処理方法を実行させることが可能となる。
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
本発明を、電力需要が部分負荷状態にあって通常は低い発電効率で運転せざるを得ない発電システムに利用可能である。本発明を、例えば、大型の分散型発電システムの場合に限らず、比較的小規模な分散型発電システムにも利用することが可能である。
なお、この出願は、2015年1月21日に出願された日本出願の特願2015−009184の内容が全て取り込まれており、この日本出願を基礎として優先権を主張するものである。
10 発電システム
11、11−1〜11−N 発電機
12 2次電池
13 制御部
11、11−1〜11−N 発電機
12 2次電池
13 制御部
Claims (5)
- 負荷と接続される発電機と、
前記発電機および前記負荷と接続される2次電池と、
前記2次電池の充電状態が上限容量に達していると、該2次電池を放電させて該2次電池による電力を前記負荷に供給し、前記充電状態が下限容量まで低下すると、前記発電機を動作させて該発電機による電力の一部を前記負荷に供給し、余剰電力で前記2次電池を充電し、前記充電状態が前記上限容量に達すると、前記発電機を停止し、前記負荷に供給する電力の供給元を前記発電機から前記2次電池に切り替える制御部と、
を有し、
前記制御部は、前記発電機を動作させている状態において、該発電機に最大発電効率または定格出力に維持させる、発電システム。 - 請求項1記載の発電システムにおいて、
前記発電機および前記2次電池の間に設けられ、該発電機の出力を交流から直流に変換して該2次電池に出力する第1の変換器と、
前記2次電池と前記負荷の間に設けられ、該2次電池の出力を直流から交流に変換して該負荷に出力する第2の変換器と、をさらに有し、
前記制御部は、前記発電機の平均発電効率、前記負荷の平均電力需要、前記第1および第2の変換器の変換効率ならびに前記2次電池の充放電効率の推定値に基づいて、前記余剰電力を前記2次電池の充電に利用するか否かを判定する、発電システム。 - 請求項1または2記載の発電システムにおいて、
前記発電機は、発電出力に対して発電効率が、傾きが正の一次関数で表される、発電システム。 - 負荷と接続される発電機と、該発電機および前記負荷と接続される2次電池と、前記発電機および前記2次電池を制御する制御部とを有する発電システムによる発電制御方法であって、
前記2次電池の充電状態が上限容量に達していると、該2次電池を放電させて該2次電池による電力を前記負荷に供給し、
前記充電状態が下限容量まで低下すると、前記発電機を動作させて該発電機による電力の一部を前記負荷に供給し、余剰電力で前記2次電池を充電し、
前記充電状態が前記上限容量に達すると、前記発電機を停止し、前記負荷に対する電力供給元を前記発電機から前記2次電池に切り替え、
前記発電機を動作させている状態において、該発電機に最大発電効率または定格出力に維持させる、発電制御方法。 - 負荷と接続される発電機と、該発電機および前記負荷と接続される2次電池とを制御するコンピュータに、
前記2次電池の充電状態が上限容量に達していると、該2次電池を放電させて該2次電池による電力を前記負荷に供給する手順と、
前記充電状態が下限容量まで低下すると、前記発電機を動作させて該発電機による電力の一部を前記負荷に供給し、余剰電力で前記2次電池を充電する手順と、
前記充電状態が前記上限容量に達すると、前記発電機を停止し、前記負荷に対する電力供給元を前記発電機から前記2次電池に切り替える手順と、
前記発電機を動作させている状態において、該発電機に最大発電効率または定格出力に維持させる手順を実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2015009184 | 2015-01-21 | ||
JP2015009184 | 2015-01-21 | ||
PCT/JP2015/084630 WO2016117236A1 (ja) | 2015-01-21 | 2015-12-10 | 発電システム、発電制御方法およびプログラム |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPWO2016117236A1 true JPWO2016117236A1 (ja) | 2017-10-26 |
Family
ID=56416796
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2016570508A Pending JPWO2016117236A1 (ja) | 2015-01-21 | 2015-12-10 | 発電システム、発電制御方法およびプログラム |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20170373501A1 (ja) |
JP (1) | JPWO2016117236A1 (ja) |
WO (1) | WO2016117236A1 (ja) |
Families Citing this family (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11444464B1 (en) * | 2016-03-25 | 2022-09-13 | Goal Zero Llc | Portable hybrid generator |
KR101795301B1 (ko) * | 2016-09-13 | 2017-11-08 | 한국전력공사 | Pcs 효율을 고려한 마이크로그리드 운영장치 및 운영방법 |
KR101904846B1 (ko) * | 2016-12-09 | 2018-10-10 | 효성중공업 주식회사 | Ess 최적 효율 운영방법 |
JP6969329B2 (ja) * | 2017-12-01 | 2021-11-24 | 株式会社アイシン | コージェネレーションシステム適正台数決定装置および電力融通システム |
US20190237968A1 (en) * | 2018-01-29 | 2019-08-01 | S&C Electric Company | Energy storage enhanced generator block loading |
US10963423B2 (en) | 2018-02-06 | 2021-03-30 | Bank Of America Corporation | Generating and identifying distinct portions of a merged file |
Family Cites Families (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3013764B2 (ja) * | 1995-10-03 | 2000-02-28 | 三菱自動車工業株式会社 | ハイブリッド電気自動車の充放電制御装置 |
JP2001275205A (ja) * | 2000-03-24 | 2001-10-05 | Nissan Motor Co Ltd | 2次電池と発電機の併用システムの制御装置 |
JP2003009313A (ja) * | 2001-06-22 | 2003-01-10 | Nissan Motor Co Ltd | 電気自動車の制御装置 |
JP4341836B2 (ja) * | 2004-05-27 | 2009-10-14 | 本田技研工業株式会社 | 可搬型発電機 |
JP2007082311A (ja) * | 2005-09-13 | 2007-03-29 | Kawasaki Heavy Ind Ltd | 発電機運転効率向上方法と装置 |
DE202009019050U1 (de) * | 2008-04-18 | 2015-12-16 | Abb Research Ltd. | Vorrichtung zur Übertragungsleitungssteuerung |
JP5640387B2 (ja) * | 2010-01-21 | 2014-12-17 | 日本電気株式会社 | 電源装置 |
US9641022B2 (en) * | 2012-03-02 | 2017-05-02 | Jgc Corporation | Power supply apparatus, battery apparatus, and battery system |
-
2015
- 2015-12-10 US US15/544,500 patent/US20170373501A1/en not_active Abandoned
- 2015-12-10 WO PCT/JP2015/084630 patent/WO2016117236A1/ja active Application Filing
- 2015-12-10 JP JP2016570508A patent/JPWO2016117236A1/ja active Pending
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2016117236A1 (ja) | 2016-07-28 |
US20170373501A1 (en) | 2017-12-28 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
WO2016117236A1 (ja) | 発電システム、発電制御方法およびプログラム | |
CN102474104B (zh) | 电力供给系统、电力供给方法、程序、记录介质及电力供给控制装置 | |
JP5599714B2 (ja) | 二次電池の電力制御方法 | |
JP2007185008A (ja) | 電力供給システムおよびその制御方法 | |
JP6234530B2 (ja) | 電力管理システム | |
JP2015192566A (ja) | 電力システム及び直流送電方法 | |
KR101545136B1 (ko) | 독립형 마이크로 그리드의 발전기 출력 제어 방법 및 시스템 | |
US8574741B2 (en) | Method for controlling sodium-sulfur battery | |
KR101034271B1 (ko) | 전력 계통의 운전 예비력 공급시스템 및 그 제어방법 | |
KR100906993B1 (ko) | 연료전지 하이브리드 발전시스템의 전력제어시스템 및전력제어방법 | |
JP2015220889A (ja) | 電力供給システム | |
KR101556893B1 (ko) | 풍력 발전기용 에너지 저장 시스템 및 방법 | |
KR20150085227A (ko) | 에너지 저장 시스템 및 그의 제어 방법 | |
JP2017139834A (ja) | 電力変換装置、およびパワーコンディショナシステム | |
JP2016116428A (ja) | 分散型電源の自律運転システム | |
JP7130946B2 (ja) | 蓄電パワーコンディショナー | |
Jayalakshmi | Study of hybrid photovoltaic/fuel cell system for stand-alone applications | |
JP6584774B2 (ja) | 電力制御システム、電力制御装置及び電力制御方法 | |
KR101982123B1 (ko) | 양극성 직류배전시스템에서의 상호보완적인 전력 제어 시스템 및 그 방법 | |
EP3567691B1 (en) | Composite power storage system and power storage method | |
Ali et al. | Intelligent hybrid energy system and grid integration using microcontrollers | |
Sanjeev et al. | A novel configuration for PV-battery-DG integrated standalone DC microgrid | |
Soni et al. | Transients Analysis of Photovoltaic System with Supercapacitor Participation in Power Management in Dynamic Scenarios | |
Raju | Hybrid Energy Generation System with Brushless Generators | |
Mohammed et al. | Performance analysis of a DC stand-alone microgrid with an efficient energy management system |