JPWO2020230264A1 - 自立運転制御システム - Google Patents

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Abstract

自立運転制御システムは、上位遮断器(5)、下位遮断器(8)、インバータ(10)、バッテリー(12)、電線(7)、複数の開閉器(16)、複数の負荷(2)、コントローラ(3)を備える。コントローラ(3)は、バッテリー(12)のSOC相関値を継続的に受信する。コントローラ(3)は、自立運転を実行中であってSOC相関値が第1閾値より高い期間中は、複数の開閉器(16)へ第1パターンの開閉信号を送信する。コントローラ(3)は、自立運転を実行中であってSOC相関値が第1閾値以下かつ第1閾値よりも低い第2閾値より高い期間中は、複数の開閉器(16)へ第2パターンの開閉信号を送信する。第2パターンの開閉信号による負荷接続数は、第1パターンの開閉信号による負荷接続数よりも少なくかつ1以上である。

Description

この発明は、インバータ装置用の自立運転制御システムに関する。
特許文献1は、直流側がバッテリーに接続され、交流側が電力系統に連系する電力変換装置を開示する。当該電力変換装置は、電力系統に異常が発生した場合に、その運転状態を電力系統と連系された連系運転状態から電力系統と解列された自立運転状態へ切り替える。自立運転状態において、当該電力変換装置はバッテリーの電力を負荷へ供給する。
日本特開2019−041547号公報
しかしながら、特許文献1に記載の電力変換装置は、自立運転状態においてバッテリーの電力をすべての負荷へ供給する。そのため、バッテリーの残容量が十分でない場合は、重要な負荷への電力供給を長時間継続できなかった。
この発明は、上述の課題を解決するためになされた。この発明の目的は、自立運転状態において重要な負荷への電力供給を長時間継続できる自立運転制御システムを提供することである。
この発明に係る自立運転制御システムは、
電力系統に接続する上位遮断器と、
前記上位遮断器に接続する下位遮断器と、
前記下位遮断器に接続するインバータと、
前記インバータに接続するバッテリーと、
一端が前記上位遮断器と前記下位遮断器との間に接続する電線と、
前記電線の他端に並列に接続する複数の開閉器と、
前記複数の開閉器にそれぞれ接続する複数の負荷と、
前記上位遮断器へ開信号を前記下位遮断器へ閉信号を送信して、前記バッテリーから前記複数の負荷へ電力を供給する自立運転を実行可能なコントローラと、を備え、
前記コントローラは、
前記バッテリーのSOC相関値を継続的に受信し、
前記自立運転を実行中であって前記SOC相関値が第1閾値より高い期間中は、前記複数の開閉器へ第1パターンの開閉信号を送信して前記複数の負荷のうち2つ以上の負荷を前記インバータに電気的に接続し、
前記自立運転を実行中であって前記SOC相関値が前記第1閾値以下かつ前記第1閾値よりも低い第2閾値より高い期間中は、前記複数の開閉器に第2パターンの開閉信号を送信して前記複数の負荷のうち前記第1パターンの開閉信号による負荷接続数よりも少なくかつ1つ以上の負荷を前記インバータに電気的に接続すること、を特徴とする。
好ましくは、前記第1パターンの開閉信号は、前記複数の開閉器へ送信されて、前記複数の負荷のうち優先度の高い順に2つ以上の負荷を前記インバータと電気的に接続する。また、前記第2パターンの開閉信号は、前記複数の開閉器へ送信されて、前記複数の負荷のうち優先度の高い順に1つ以上の負荷を前記インバータと電気的に接続する。
この発明によれば、自立運転状態におけるバッテリーのSOC(State Of Charge)相関値に応じてインバータに接続する負荷数を変更できる。このため、自立運転状態において重要な負荷への電力供給を長時間継続できる。
この発明の実施の形態1における自立運転制御システムの構成を説明するための図である。 この発明の実施の形態1におけるサイトコントローラの有する機能について説明するための図である。 この発明の実施の形態1における開閉パターンテーブルの一例を示す図である。 この発明の実施の形態1における第1パターンが選択された場合の負荷接続状態を説明するための図である。 この発明の実施の形態1における第2パターンが選択された場合の負荷接続状態を説明するための図である。 この発明の実施の形態1における第3パターンが選択された場合の負荷接続状態を説明するための図である。 この発明の実施の形態1におけるサイトコントローラが実行する自立運転時の制御ルーチンを説明するためのフローチャートである。 この発明の実施の形態1におけるサイトコントローラが有する処理回路のハードウェア構成例を示す概念図である。
この発明を実施するための形態について添付の図面に従って説明する。なお、各図中、同一または相当する部分には同一の符号が付される。当該部分の重複説明は適宜に簡略化ないし省略される。
実施の形態1.
(全体構成)
図1は、この発明の実施の形態1における自立運転制御システムを説明するための図である。
図1において、自立運転制御システムは、パワーコンディショナーパッケージ1、複数の負荷2、サイトコントローラ3を備える。
インバータ装置を含むパワーコンディショナーパッケージ1は、電力系統4に接続する。上位遮断器5の一端は、電線6を介して電力系統4に接続する。下位遮断器8の一端は、電線7を介して上位遮断器5の他端に接続する。インバータ10の交流側は、電線9を介して下位遮断器8の他端に接続する。バッテリー12は、電線11を介してインバータ10の直流側に接続する。バッテリーの種類としては、リチウムイオン電池やナトリウム硫黄電池やニッケル水素電池などの大容量のバッテリーが好ましい。なお、「電線」とは、電気エネルギーを輸送することを役割とする電力用電線を意味する。
バッテリー12は、BMU(Battery Management Unit)13に接続する。BMU13はバッテリー12の状態を監視する。具体的には、BMU13は、バッテリー12の状態量を計測する手段として電流センサ(図示省略)、電圧センサ(図示省略)、及び温度センサ(図示省略)を備える。BMU13によるバッテリー12の監視は常時行われる。ただし、本実施の形態でいう常時監視とは、センサから絶え間のない連続した信号を取り込む動作だけでなく、所定の短い周期でセンサの信号を取り込む動作を含む概念である。BMU13は、各センサによる計測で得られた情報を含む蓄電池情報をサイトコントローラ3へ送信する。
電線14は、一端が上位遮断器5と前記下位遮断器8との間の電線7に接続する。電線14の他端は、並列に分岐した複数の電線15に接続する。複数の開閉器16は、分岐した複数の電線15にそれぞれ接続する。すなわち、複数の開閉器16は、電線14の他端に電気的に並列に接続する。図1に示す例では、複数の開閉器16は、第1開閉器16a、第2開閉器16b、第3開閉器16cを備える。
複数の負荷2は、複数の開閉器16にそれぞれ接続する。図1に示す例では、第1負荷2aは第1開閉器16aに接続する。第2負荷2bは第2開閉器16bに接続する。第3負荷2cは第3開閉器16cに接続する。
複数の負荷2は、優先度が異なる負荷を含む。第1負荷2aは、最も優先度の高い負荷である。第1負荷2aは、例えばサイトコントローラやBMUなどシステムの維持に必要な負荷である。第2負荷2bは、第1負荷2aの次に優先度の高い負荷である。第2負荷2bは、例えば工場内の汎用コンピュータなど業務に必要な負荷である。第3負荷2cは、第2負荷2bよりも優先度の低い負荷である。第3負荷2cは、例えば工場内の照明設備などである。
(サイトコントローラ)
次に、図2を参照して、本実施形態におけるサイトコントローラ3が有する機能について説明する。
サイトコントローラ3は、上位遮断器5と下位遮断器8とインバータ10とBMU13と複数の開閉器16とに信号線を介して接続する。
サイトコントローラ3は、上位遮断器5の開閉状態を監視する。また、サイトコントローラ3は、外部のエネルギーマネジメントシステム(図示省略)からの指令やオペレータの操作に応じて上位遮断器5へ開閉信号を送信する。開閉信号に応じて上位遮断器5は開閉状態を切り替える。
サイトコントローラ3は、下位遮断器8の開閉状態を監視する。また、サイトコントローラ3は、外部のエネルギーマネジメントシステムからの指令やオペレータの操作に応じて下位遮断器8へ開閉信号を送信する。開閉信号に応じて下位遮断器8は開閉状態を切り替える。
サイトコントローラ3は、インバータ10の運転状態を監視する。また、サイトコントローラ3は、インバータ10へ有効電力P[W]の指令値と無効電力Q[var]の指令値を送信する。
さらに、サイトコントローラ3は、SOC取得部31、運転切替指令部32、開閉パターン制御部33を備える。
SOC取得部31は、BMU13から蓄電池情報を継続的に受信する。蓄電池情報はSOC相関値を含む。SOC相関値は、例えば、推定されたSOC[%]、バッテリー残容量[Ah]、電圧値[V]である。本実施形態では、SOC相関値はSOC[%]であるとして説明する。
運転切替指令部32は、手動による切替指令、外部のEMSからの切替指令、または各種センサ値に基づく計算結果に基づいて、連系運転モードと自立運転モードとを切り替える。
電力系統4が正常である場合、パワーコンディショナーパッケージ1は連系運転モードで運転される。運転切替指令部32は、上位遮断器5および下位遮断器8の両方へ閉信号を送信する。また、運転切替指令部32は、インバータ10を連系運転モードで動作させる指令を送信する。また、運転切替指令部32は、複数の開閉器16へ閉信号を送信する。これによりパワーコンディショナーパッケージ1は、電力系統4と連系した連系運転状態となり、すべての負荷2に電力が供給される。
電力系統4が異常である場合、例えば電力系統4の電圧低下や周波数変動が検出された場合、パワーコンディショナーパッケージ1は自立運転モードで運転される。運転切替指令部32は、上位遮断器5へ開信号を送信し、下位遮断器8へ閉信号を送信する。また、運転切替指令部32は、インバータ10を自立運転モードで動作させる指令を送信する。これによりパワーコンディショナーパッケージ1は、電力系統4と解列した自立運転状態となり、バッテリー12から放電された電力が負荷2へ供給される。自立運転状態において、なお、複数の開閉器16の開閉状態は、後述する開閉パターン制御部33により制御される。
開閉パターン制御部33は、自立運転の実行中にSOC相関値が受信されるたびに又は周期的に、SOC相関値と複数の閾値とを比較し、その比較結果に応じて複数の開閉器16の開閉パターンを切り替える制御を担う。
開閉パターン制御部33は、SOC相関値が第1閾値より高い期間中は、複数の開閉器16へ第1パターンの開閉信号を送信して複数の負荷2のうち2つ以上の負荷をインバータ10に電気的に接続する。
開閉パターン制御部33は、SOC相関値が第1閾値以下かつ第2閾値より高い期間中は、複数の開閉器16へ第2パターンの開閉信号を送信して複数の負荷2のうち第1パターンの開閉信号による負荷接続数よりも少なくかつ1つ以上の負荷をインバータ10に電気的に接続する。ここで、第2閾値は第1閾値よりも低い。
具体的に説明する。開閉パターン制御部33は、開閉パターン選択部34と開閉信号送信部35と開閉パターンテーブル36とを備える。
開閉パターン選択部34は、SOC相関値を複数の閾値と比較する。以下の説明において、複数の閾値は、第1閾値と、第1閾値よりも低い第2閾値と、第2閾値よりも低い第3閾値を含む。一例として、第1閾値は75%、第2閾値は50%、第3閾値は25%である。
開閉パターンテーブル36には、複数の開閉器16について複数の開閉パターンが予め定義されている。図3には開閉パターンの定義例が示されている。
開閉パターン選択部34は、SOC相関値が75%(第1閾値)より高い期間中は、複数の開閉器16のすべてを閉状態とする第1パターンを選択する。
開閉パターン選択部34は、SOC相関値が75%(第1閾値)以下かつ50%(第2閾値)より高い期間中は、複数の開閉器16のうち第1開閉器16aおよび第2開閉器16bを閉状態とする第2パターンを選択する。
開閉パターン選択部34は、SOC相関値が50%(第2閾値)以下かつ25%(第3閾値)より高い期間中は、複数の開閉器16のうち第1開閉器16aのみを閉状態とする第3パターンを選択する。
開閉パターン選択部34は、SOCが25%以下の期間中は、複数の開閉器16のすべてを開状態とする第4パターンを選択する。
開閉信号送信部35は、開閉パターン選択部34により選択されたパターンに従って複数の開閉器16へ開閉信号を出力する。
図4は、第1パターンが選択された場合の負荷2とインバータ10との接続状態を示す図である。開閉信号送信部35は、第1開閉器16a、第2開閉器16b、第3開閉器16cのすべてへ閉信号を送信する。これにより、複数の負荷2のすべてがインバータ10に電気的に接続される。そのため、SOC相関値が75%より高い期間中、複数の負荷2のすべてはバッテリー12から電力が供給される。
図5は、第2パターンが選択された場合の負荷2とインバータ10との接続状態を示す図である。開閉信号送信部35は、第1開閉器16aおよび第2開閉器16bへ閉信号を送信し、第3開閉器16cへ開信号を送信する。これにより、複数の負荷2のうち優先度の高い第1負荷2aおよび第2負荷2bがインバータ10に電気的に接続される。そのため、SOC相関値が75%以下かつ50%より高い期間中、第1負荷2aおよび第2負荷2bはバッテリー12から電力が供給される。
図6は、第3パターンが選択された場合の負荷2とインバータ10との接続状態を示す図である。開閉信号送信部35は、第1開閉器16aへ閉信号を送信し、第2開閉器16bおよび第3開閉器16cへ開信号を送信する。これにより、複数の負荷2のうち優先度の最も高い第1負荷2aのみがインバータ10に電気的に接続される。そのため、SOC相関値が50%以下かつ25%より高い期間中、第1負荷2aはバッテリー12から電力が供給される。
また、第4パターンが選択された場合は、開閉信号送信部35は、第1開閉器16a、第2開閉器16b、第3開閉器16cのすべてへ開信号を送信する。これにより、複数の負荷2のいずれもインバータ10から電気的に切断される。そのため、SOC相関値が25%以下の期間中、複数の負荷2のいずれもバッテリー12から電力が供給されない。
(フローチャート)
次に、図7のフローチャートを参照して、自立運転モードにおいてサイトコントローラ3が実行する制御ルーチンについて説明する。本制御ルーチンは、電力系統4に異常が発生し、連系運転から自立運転へ切り替える場合に実行される。
まず、ステップS100において、サイトコントローラ3は、上位遮断器5へ開信号を送信する。上位遮断器5は、開信号を受信して開状態となる。これによりパワーコンディショナーパッケージ1は電力系統と解列される。
ステップS101において、サイトコントローラ3は、下位遮断器8へ閉信号を送信する。下位遮断器8は、閉信号を受信して閉状態となる。これによりバッテリー12から複数の負荷2へ電力を供給可能な状態となる。
ステップS102において、サイトコントローラ3は、インバータ10へ自立運転指令を送信する。インバータ10は、自立運転指令を受信して自立運転モード用の設定で運転を開始する。
次に、ステップS103において、サイトコントローラ3は、BMU13からSOC相関値を受信する。
次に、ステップS104において、サイトコントローラ3は、SOC相関値と第1閾値(75%)とを比較する。SOC相関値が第1閾値よりも高い場合は、ステップS105の処理へ進む。一方、SOC相関値が第1閾値よりも低い場合は、ステップS106の処理へ進む。
ステップS105において、サイトコントローラ3は、第1開閉器16aと第2開閉器16bと第3開閉器16cへ閉信号を送信する。これにより、複数の負荷2のすべてがインバータ10に電気的に接続される。そのため、SOC相関値が75%より高い期間中、複数の負荷2のすべてはバッテリー12から電力が供給される。
ステップS106において、サイトコントローラ3は、SOC相関値と第2閾値(50%)とを比較する。SOC相関値が第2閾値よりも高い場合は、ステップS107の処理へ進む。一方、SOC相関値が第2閾値よりも低い場合は、ステップS108の処理へ進む。
ステップS107において、サイトコントローラ3は、第1開閉器16aと第2開閉器16bへ閉信号を送信し、第3開閉器16cへ開信号を送信する。これにより、複数の負荷2のうち優先度の高い第1負荷2aおよび第2負荷2bがインバータ10に電気的に接続される。そのため、SOC相関値が75%以下かつ50%より高い期間中、第1負荷2aおよび第2負荷2bはバッテリー12から電力が供給される。
ステップS108において、サイトコントローラ3は、SOC相関値と第3閾値(25%)とを比較する。SOC相関値が第3閾値よりも高い場合は、ステップS109の処理へ進む。一方、SOC相関値が第3閾値よりも低い場合は、ステップS110の処理へ進む。
ステップS109において、サイトコントローラ3は、第1開閉器16aへ閉信号を送信し、第2開閉器16bおよび第3開閉器16cへ開信号を送信する。これにより、複数の負荷2のうち優先度の最も高い第1負荷2aのみがインバータ10に電気的に接続される。そのため、SOC相関値が50%以下かつ25%より高い期間中、第1負荷2aはバッテリー12から電力が供給される。
ステップS110において、サイトコントローラ3は、第1開閉器16aと第2開閉器16bと第3開閉器16cへ開信号を送信する。これにより、複数の負荷2のいずれもインバータ10から電気的に切断される。そのため、SOC相関値が25%以下の期間中、複数の負荷2のいずれもバッテリー12から電力が供給されない。
ステップS111において、自立運転モードか否かを判定する。自立運転モードである場合は、ステップS103に戻り処理を継続する。自立運転の実行中にSOC相関値が受信されるたびに、ステップS104以降の処理が実行される。これにより、SOC相関値の変化に応じて複数の開閉器16の開閉パターンを変更し、複数の負荷2のうち優先度の高い負荷への電力供給を長時間継続できる。ステップS111において、自立運転モードでない場合には本ルーチンを終了する。
(効果)
以上説明したように、本実施形態に係る自立運転制御システムによれば、自立運転状態におけるバッテリー12のSOC相関値に応じてインバータ10に接続する負荷数を変更できる。このため、自立運転状態において優先度の高い負荷への電力供給を長時間継続できる。逆に優先度の低い負荷について一切供給を行わない選択をすることも可能で、バッテリーの電力リソースを効率的に利用できる。さらに、開閉パターンテーブル36の定義を変更することで負荷構成の増設にも対応可能である。
ところで、上述した実施の形態1のシステムにおいては、第1閾値を75%、第2閾値を50%としているが、これに限定されるものではない。閾値は任意の値でよい。例えば、第1閾値を50%、第2閾値を25%としてもよい。
また、上述した実施の形態1のシステムにおいては、SOC相関値が第1負荷より高い期間中は、複数の負荷2のすべてをインバータ10に接続しているが、これに限定されるものではない。優先度の高い2つの負荷(第1負荷2aおよび第2負荷2b)をインバータ10に接続してもよい。同様に、SOC相関値が第1閾値以下かつ第2閾値より高い期間中は、優先度の最も高い負荷(第1負荷2a)のみをインバータ10に接続してもよい。
また、上述した実施の形態1のシステムにおいては、3つの開閉器16および3つの負荷2を備えた構成について説明したが、開閉器および負荷の数はこれに限定されるものではない。開閉器および負荷の数はそれぞれ2以上であればよい。
(ハードウェア構成例)
図8は、上述したサイトコントローラ3が有する処理回路のハードウェア構成例を示す概念図である。上述した各機能は処理回路により実現される。一態様として、処理回路は、少なくとも1つのプロセッサ91と少なくとも1つのメモリ92とを備える。他の態様として、処理回路は、少なくとも1つの専用のハードウェア93を備える。
処理回路がプロセッサ91とメモリ92とを備える場合、各機能は、ソフトウェア、ファームウェア、又はソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアおよびファームウェアの少なくとも一方は、プログラムとして記述される。ソフトウェアおよびファームウェアの少なくとも一方は、メモリ92に格納される。プロセッサ91は、メモリ92に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、各機能を実現する。
処理回路が専用のハードウェア93を備える場合、処理回路は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、又はこれらを組み合わせたものである。各機能は処理回路で実現される。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
1 パワーコンディショナーパッケージ
2、2a、2b、2c 複数の負荷、第1負荷、第2負荷、第3負荷
3 サイトコントローラ
4 電力系統
5 上位遮断器
6、7、9、11、14、15 電線
8 下位遮断器
10 インバータ
12 バッテリー
16、16a、16b、16c 複数の開閉器、第1開閉器、第2開閉器、第3開閉器
31 SOC取得部
32 運転切替指令部
33 開閉パターン制御部
34 開閉パターン選択部
35 開閉信号送信部
36 開閉パターンテーブル
91 プロセッサ
92 メモリ
93 ハードウェア
また、上述した実施の形態1のシステムにおいては、SOC相関値が第1閾値より高い期間中は、複数の負荷2のすべてをインバータ10に接続しているが、これに限定されるものではない。優先度の高い2つの負荷(第1負荷2aおよび第2負荷2b)をインバータ10に接続してもよい。同様に、SOC相関値が第1閾値以下かつ第2閾値より高い期間中は、優先度の最も高い負荷(第1負荷2a)のみをインバータ10に接続してもよい。

Claims (2)

  1. 電力系統に接続する上位遮断器と、
    前記上位遮断器に接続する下位遮断器と、
    前記下位遮断器に接続するインバータと、
    前記インバータに接続するバッテリーと、
    一端が前記上位遮断器と前記下位遮断器との間に接続する電線と、
    前記電線の他端に並列に接続する複数の開閉器と、
    前記複数の開閉器にそれぞれ接続する複数の負荷と、
    前記上位遮断器へ開信号を前記下位遮断器へ閉信号を送信して、前記バッテリーから前記複数の負荷へ電力を供給する自立運転を実行可能なコントローラと、を備え、
    前記コントローラは、
    前記バッテリーのSOC相関値を継続的に受信し、
    前記自立運転を実行中であって前記SOC相関値が第1閾値より高い期間中は、前記複数の開閉器へ第1パターンの開閉信号を送信して前記複数の負荷のうち2つ以上の負荷を前記インバータに電気的に接続し、
    前記自立運転を実行中であって前記SOC相関値が前記第1閾値以下かつ前記第1閾値よりも低い第2閾値より高い期間中は、前記複数の開閉器へ第2パターンの開閉信号を送信して前記複数の負荷のうち前記第1パターンの開閉信号による負荷接続数よりも少なくかつ1つ以上の負荷を前記インバータに電気的に接続すること、
    を特徴とする自立運転制御システム。
  2. 前記第1パターンの開閉信号は、前記複数の開閉器へ送信されて、前記複数の負荷のうち優先度の高い順に2つ以上の負荷を前記インバータに電気的に接続し、
    前記第2パターンの開閉信号は、前記複数の開閉器へ送信されて、前記複数の負荷のうち優先度の高い順に1つ以上の負荷を前記インバータに電気的に接続すること、
    を特徴とする請求項1記載の自立運転制御システム。
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