WO2013030952A1

WO2013030952A1 - 系統安定化システム

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Publication number: WO2013030952A1
Application number: PCT/JP2011/069611
Authority: WO
Inventors: 一幸角田; 純本澤; 難波　茂昭; 洋人武内
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2011-08-30
Filing date: 2011-08-30
Publication date: 2013-03-07
Also published as: US9618953B2; DK2752955T3; JPWO2013030952A1; PL2752955T3; US20140214223A1; JP5816288B2; EP2752955A1; EP2752955A4; EP2752955B1; SI2752955T1

Abstract

　系統安定化システムは、電力系統の電力の変動を抑制する系統安定化システムであって、制御に応じて充電あるいは放電を行うことにより、前記電力系統の電力の変動を抑制する蓄電装置と、前記蓄電装置よりも制御に対する充放電の応答が速く、制御に応じて充電あるいは放電を行うことにより、前記電力系統の電力の変動を抑制するキャパシタ装置と、前記蓄電装置の充電または放電が発生する回数を少なく抑えるように、前記蓄電装置および前記キャパシタ装置を制御する制御装置と、を有している。

Description

系統安定化システム

　本発明は、電力系統を安定化させるための系統安定化システムに関する。

　現在、エネルギー利用に関する安全保障の確保と地球温暖化への対策の観点から、太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギーの利用を拡大する取り組みが推進されている。しかし、太陽光発電や風力発電などでは電力需要量と無関係に発電が行われ、かつ発電量が変動する。そのため、それら再生可能エネルギーを電力系統に統合する場合、トータルで電力系統を安定化させるための対策が求められる。

　電力系統安定化の手法は、基本的には、充放電が可能な蓄電設備を電力系統に接続しておき、電力系統の電力が増大したときには電力系統から蓄電設備に電力を流して充電し、電力が低下したときには蓄電設備から電力系統へ電力を放電するというものである。具体的には、例えば特許文献１に、電力変動の中長期成分を平滑化する蓄電装置と、短期成分を吸収するキャパシタとを併用することにより、電力変動を低コストで効果的に抑制するシステムが開示されている。

特開２００７－１３５３５５号公報

　一般に系統安定化システムの蓄電設備として鉛蓄電池などの蓄電装置が用いられる。鉛蓄電池などの蓄電装置は充放電を繰り返すことにより劣化し、蓄電できる電力エネルギー量が低下する。系統安定化システムの蓄電装置が劣化すれば系統安定化システムが本来の機能を果たすことができなくなるので、蓄電装置の劣化を抑制することが系統安定化システムの長寿命化につながる。

　しかしながら、特許文献１に開示されたシステムは、蓄電装置の充放電の回数を低減することを意図したものではなく、電力変動の中長期成分に良好に追従するように遅れ時定数によって蓄電装置の応答を遅らすものであるため、蓄電装置の充放電の回数が低減されれるように、蓄電装置とキャパシタの充放電の相互の関係を適切に調整して制御することはできない。そのため、蓄電装置の充放電が多く繰り返され、早期に劣化してしまう可能性があった。

　本発明の目的は、蓄電装置とキャパシタを併用する系統安定化システムの長寿命化を図ることである。

　本発明の一つの実施態様による系統安定化システムは、電力系統の電力の変動を抑制する系統安定化システムであって、制御に応じて充電あるいは放電を行うことにより、前記電力系統の電力の変動を抑制する蓄電装置と、前記蓄電装置よりも制御に対する充放電の応答が速く、制御に応じて充電あるいは放電を行うことにより、前記電力系統の電力の変動を抑制するキャパシタ装置と、前記蓄電装置の充電または放電が発生する回数を少なく抑えるように、前記蓄電装置および前記キャパシタ装置を制御する制御装置と、を有している。

　また、前記制御装置は、前記電力系統の電力の変動が検出されると、前記キャパシタ装置に充電あるいは放電を開始させ、前記電力系統の電力の変動が所定の短期変動時間を超えて継続していることが検出されると、前記蓄電装置に充電あるいは放電を開始させることにしてもよい。

　また、前記キャパシタ装置は、前記短期変動時間が経過して充電あるいは放電を開始した前記蓄電装置が前記電力系統の電力の変動を抑制できるようになるまでの前記電力系統の前記電力の変動を吸収できる蓄電容量を有するものであってもよい。

　また、前記短期変動時間は、前記電力系統の電力の変動を生じさせる発電装置が発電する電力の変動の特性に基づいて決定されるものであってもよい。

　また、前記電力系統の周波数を検出する周波数検出器を更に有し、前記制御装置は、前記周波数検出器で検出される周波数と所定の周波数閾値とを比較し、前記周波数が前記周波数閾値に達すると、前記電力系統の前記電力の変動を検出し、前記キャパシタ装置の充電または放電を開始することにしてもよい。

　また、前記制御装置は、前記電力系統の電力の変動が検出されると、前記キャパシタ装置に充電あるいは放電を開始させ、前記キャパシタ装置の蓄電残量が所定の蓄電量閾値に達すると、前記蓄電装置に充電あるいは放電を開始させることにしてもよい。

　また、前記制御装置は、前記電力系統の電力の変動が検出されると、前記キャパシタ装置の充電あるいは放電を開始させ、前記キャパシタ装置の蓄電残量が所定の蓄電量閾値に達するまでの時間が、前記蓄電装置の充電あるいは放電を開始した場合に前記蓄電装置の充電あるいは放電する電力が前記電力系統の電力の変動を抑制できる電力に達するまでの時間以下になったら、前記蓄電装置の充電あるいは放電を開始させることにしてもよい。

　また、前記蓄電装置は、複数の蓄電池を有し、前記制御装置は、前記複数の蓄電池のそれぞれの充放電回数を計測し、充放電回数が最も少ない蓄電池を前記電力系統の電力の変動を抑制する系統変動抑制蓄電池とし、残りの蓄電池を負荷による前記電力系統の電力の使用を相殺する負荷使用相殺蓄電池とし、前記負荷による電力使用量が少ない時間帯に前記負荷使用相殺蓄電池に充電を行わせ、前記負荷による電力使用量が多い時間帯に前記負荷使用相殺蓄電池に放電を行わせることにしてもよい。

　また、前記キャパシタ装置はリチウムイオンキャパシタを有し、前記リチウムイオンキャパシタの充電および放電を行う装置であるとしてもよい。

本発明の実施形態の系統安定化システムの基本的な構成を示すブロック図である。実施例１の系統安定化システムの構成を示すブロック図である。電力系統１の短周期変動の様子を例示した図である。リチウムイオンキャパシタ１１用の電力変換部９の入出力電力と、鉛蓄電池１２用の電力変換部１０の入出力電力との関係を示すグラフである。実施例１における充放電制御部２１が鉛蓄電池１２の充放電を開始するタイミングを制御するフローチャートの一例である。実施例２における充放電制御部２１が鉛蓄電池１２の充放電を開始するタイミングを制御するフローチャートの一例である。実施例３における充放電制御部２１が鉛蓄電池１２の充放電を開始するタイミングを制御するフローチャートの一例である。実施例４の系統安定化システムの構成を示すブロック図である。電力系統１の短周期変動と負荷による電力消費の変動の様子を例示した図である。実施例４において、運用法制御部２２が鉛蓄電池１２ａ～１２ｃの電力の入出力先を決定する処理を示すフローチャートの一例である。

　本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

　図１は、本発明の実施形態の系統安定化システムの基本的な構成を示すブロック図である。

　本実施形態の系統安定化システム３は、再生可能エネルギー発電設備２が接続された電力系統１に接続され、電力系統１の電力の変動を抑制するシステムである。電力系統１には、再生可能エネルギー発電設備２からの電力と共に、水力発電所、火力発電所、原子力発電所など不図示の枯渇性エネルギー発電設備からの電力を利用するものであってもよい。また、電力系統１から電力が供給される商用電源には各家庭の電化製品などの負荷が接続され、電力を消費している。

　図１を参照すると、系統安定化システム３は、キャパシタ装置４、蓄電装置５、および制御装置６を有している。

　蓄電装置５は、一例として鉛蓄電池などの蓄電池を備えており、電力系統１の電力を蓄電池に充電したり、あるいは蓄電池から電力系統１に放電したりすることにより、電力系統１の電力の変動を抑制する装置である。蓄電装置５の充放電は制御装置６によって制御される。

　キャパシタ装置４は、一例としてリチウムイオンキャパシタを備えており、電力系統１の電力をリチウムイオンキャパシタに充電したり、あるいはリチウムイオンキャパシタから電力系統１に放電したりすることにより、電力系統１の電力の変動を吸収し、抑制する装置である。キャパシタ装置４の充放電は制御装置６によって制御される。

　制御装置６は、電力系統１の電力の変動を抑制するように、蓄電装置５およびキャパシタ装置４の充放電を制御する。その際、制御装置６は、蓄電装置５の充電または放電の発生回数を抑制するように、蓄電装置５とキャパシタ装置４の充放電の開始タイミングなど、蓄電装置５とキャパシタ装置４の充放電の相互の関係を調整する。本実施形態によれば、蓄電装置５とキャパシタ装置４の充放電の双方を調整し、蓄電装置５の充放電の回数を低減するように適切に制御するので、蓄電装置５の劣化を抑制し、系統安定化システム３の長寿命化を図ることができる。また、リチウムイオンキャパシタは、従来のキャパシタに比べて、大きな容量を確保しやすく、かつ安全性が高いので、電力系統１を安定化するシステムのような信頼性が要求される大規模なシステムに好適である。

　例えば、制御装置６は、電力系統１の電力の変動を検出すると、まずキャパシタ装置４の充電あるいは放電を開始し、所定の短期変動時間を超えて電力の変動が継続している場合に蓄電装置５の充電あるいは放電を開始する。これにより、短期変動時間以内の電力の変動についてはキャパシタ装置４だけで抑制し、蓄電装置５の充電あるいは放電が発生しないように制御することができる。再生可能エネルギー発電設備２では発電量に短期間の変動が生じやすい傾向がある。本実施形態によれば、そのような短期変動時間内の電力の変動であれば、蓄電装置５の充電あるいは放電が起こらないので、蓄電装置５の充放電の回数を低減することができる。

　電力系統１の電力の変動の主要因が再生可能エネルギー発電設備２の発電量の変化であれば、短期変動時間は、再生可能エネルギー発電設備２の発電量の変動の特性に合わせて設定するのが好ましい。再生可能エネルギー発電設備２の発電量の変動の特性は統計を採ることで取得することができる。短時間の変動をキャパシタ装置４で吸収するには、再生可能エネルギー発電設備２から短期変動としてどの程度の時間の電力変動が起こりやすいのかを考慮し、短期変動時間はその時間以上に設定するのがよい。また、キャパシタ装置４は、短期変動時間内の電力系統１の電力の変動を吸収できるだけの蓄電容量を持つのがよい。これによれば、再生可能エネルギー発電設備２で想定される短期間の電力の変動を吸収できるだけの蓄電容量をキャパシタ装置４に持たせておき、その短期間の電力の変動をキャパシタ装置４だけで吸収して蓄電装置５の充放電が起こらないように制御するので、使用されている再生可能エネルギー発電設備２に対して適切な電力変動の抑制が可能である。

　電力の変動の判断の一例として、電力系統１の電力を維持すべき所望の電力値よりも高い第１の電力閾値と、所望の電力値よりも低い第２の電力閾値とを設定し、電力系統１の電力値が第１の電力閾値を上回った場合、あるいは電力系統１の電力値が第２の電力閾値を下回った場合に、電力系統１の電力が変動したと判断すればよい。電力系統１の電力が第１の電力閾値を上回った場合は、電力が上昇しているので、電力系統１からキャパシタ装置４への充電を開始すればよい。電力系統１の電力が第２の電力閾値を下回った場合は、電力が低下しているので、キャパシタ装置４から電力系統１への放電を開始すればよい。

　あるいは、電力系統１の電力の変動に起因してその周波数が変動するので、判断の他の例として、電力系統１の所望の周波数値よりも高い第１の周波数閾値と、所望の周波数値よりも低い第２の周波数閾値とを設定し、電力系統１の周波数値が第１の周波数閾値を上回った場合、あるいは電力系統１の周波数値が第２の周波数閾値を下回った場合に、電力系統１の電力が変動したと判断すればよい。電力系統１の周波数値が第１の周波数閾値を上回った場合は、電力が上昇しているので、電力系統１からキャパシタ装置４への充電を開始すればよい。電力系統１の周波数値が第２の周波数閾値を下回った場合は、電力が低下しているので、キャパシタ装置４から電力系統１への放電を開始すればよい。

　また、制御装置６は、電力系統１の電力の変動が検出されると、キャパシタ装置４に充電あるいは放電を開始させ、キャパシタ装置４の蓄電量が所定の蓄電量閾値に達すると、蓄電装置５に充電あるいは放電を開始させることにしてもよい。この場合、短期変動時間を設定する必要はない。キャパシタ装置４の蓄電容量は、再生可能エネルギー発電設備２の発電量の変動の特性に合わせて設定するのが好ましい。短期間の変動をキャパシタ装置４で吸収するには、再生可能エネルギー発電設備２から短期変動（短周期の一時的な変動）としてどの程度の蓄電量に相当する電力の時間的変化が起こるのかを想定し、キャパシタ装置４の蓄電容量はその蓄電量以上に設定するのがよい。本例によれば、キャパシタ装置４で吸収できるだけの電力の変動はキャパシタ装置４で吸収するので、キャパシタ装置４の蓄電容量を制限として蓄電装置５の充放電の回数を可能なだけ低減することができる。また、再生可能エネルギー発電設備２で想定される短期間の電力の変動を吸収できるだけの蓄電容量をキャパシタ装置４に持たせておき、キャパシタ装置４で吸収できるだけの電力の変動はキャパシタ装置４で吸収するので、使用されている再生可能エネルギー発電設備２に対して適切な電力変動の抑制が可能である。

　また、制御装置６は、電力系統１の電力の変動を検出すると、まずキャパシタ装置４の充電あるいは放電を開始し、所定の短期変動時間を超えて電力の変動が継続している場合に蓄電装置５の充電あるいは放電を開始し、更に、電力系統１の電力の変動が短期変動時間を超える前にキャパシタ装置４の蓄電量が所定の蓄電量閾値（上限あるいは下限）に達した場合にも蓄電装置５に充電あるいは放電を開始させることにしてもよい。

　以下、より具体的な実施例について説明する。

　図２は、実施例１の系統安定化システムの構成を示すブロック図である。

　本実施例による系統安定化システム３は、キャパシタ装置４、蓄電装置５、制御装置６、周波数検出器７、および電力検出器８を有している。キャパシタ装置４はリチウムイオンキャパシタ１１および電力変換部９を有している。蓄電装置５は鉛蓄電池１２および電力変換部１０を有している。制御装置６は充放電制御部２１および記憶部２３を有している。

　系統安定化システム３は、太陽光発電や風力発電といった再生可能エネルギー発電設備２によって発電された電力を供給する電力系統１の送電路に直接又は間接的に接続されている。

　周波数検出器７は電力系統１に接続されている。周波数検出器７は電力系統１の状態を取得し（周波数を測定し）、制御装置６に通知する。周波数検出器７で取得された結果は、制御装置６にて、電力系統１と系統安定化システム３の間で電力の流通を行う充放電制御に用いられる。充放電制御には、電力変換部９に対する電圧、周波数、位相整合の制御が含まれる。

　電力変換部９、１０は電力系統１に接続されている。電力変換部９は充放電制御部２１からの制御に基づく電力変換によって、電力系統１の入出力する電力とリチウムイオンキャパシタ１１の充放電する電力とを整合させる。電力変換部１０は充放電制御部２１からの制御に基づく電力変換によって、電力系統１の入出力する電力と、鉛蓄電池１２の充放電する電力とを整合させる。

　リチウムイオンキャパシタ１１は、電力変換部９を介して電力系統１の電力を充電し、また電力変換部９を介して電力系統１に放電する。

　鉛蓄電池１２は、電力変換部９を介して電力系統１の電力を充電し、また電力変換部９を介して電力系統１に放電する。

　電力検出器８は電力変換部９の出力電力を検出し、検出結果を制御装置６に送る。

　図３は、電力系統１の短周期変動の様子を例示した図である。

　再生可能エネルギー発電設備２によって発電される電力によって電力系統１の電力Ｋ１には短時間に急激な電力変動ＫＪ１，ＫＪ２，ＫＨ１，ＫＨ２が発生することがある。その際、電力系統１の周波数も、電力の変動の影響を受けて、許容レベル以上に変動する場合がある。図３では、電力系統１の周波数Ｆ１に変動ＦＪ１、ＦＪ２、ＦＨ１、ＦＨ２が生じている。

　電力系統１を安定化させるためには、このような短周期変動を抑制する必要がある。本実施例では、周波数変動ＦＪ１、ＦＪ２のように周波数が急激に上昇した場合、まず電力系統１から電力を流してリチウムイオンキャパシタ１１を充電し、必要があれば更に鉛蓄電池１２を充電することで、周波数Ｆ１の上昇を抑制する。また、周波数変動ＦＨ１、ＦＨ２のように周波数が急激に下降した場合、まずリチウムイオンキャパシタ１１から電力系統１へ放電し、必要があれば更に鉛蓄電池１２から電力系統１へ放電することで、周波数Ｆ１の低下を抑制する。

　短周期変動を抑制するための制御は充放電制御部２１が行っている。なお、リチウムイオンキャパシタ１１および鉛蓄電池１２の充放電は必ずしも短周期変動を抑制するためだけに限定されるものではなく、広く電力系統１を安定化するための変動抑制局面で使用され得る。

　充放電制御部２１は、周波数検出器７から通知される電力系統１の周波数と、予め設定された周波数の上限値および下限値とを比較する。上限値と下限値の間が周波数の許容変動範囲である。電力系統１の周波数が上限値以上の場合には電力系統１からリチウムイオンキャパシタ１１への充電を開始し、充電開始時刻を記憶部２３へ記録する。また、電力系統１の周波数が下限値以下の場合にはリチウムイオンキャパシタ１１から電力系統１への放電を開始し、放電開始時刻を記憶部２３に記録する。

　充放電制御部２１は、周波数検出器７により検出される電力系統１の周波数が許容変動範囲内に戻ったら、リチウムイオンキャパシタ１１への充電あるいはリチウムイオンキャパシタ１１からの放電を停止させる。

　充放電制御部２１は、周波数検出器７により検出される電力系統１の周波数が許容範囲内に戻らないうちに所定時間ＴＢ（短期変動時間）が経過したら、鉛蓄電池１２の充電あるいは放電を開始する。

　図４は、リチウムイオンキャパシタ１１用の電力変換部９の入出力電力と、鉛蓄電池１２用の電力変換部１０の入出力電力との関係を示すグラフである。

　曲線Ｗ１はリチウムイオンキャパシタ１１の充放電電力を示しており、曲線Ｗ２は鉛蓄電池１２の充放電電力を示し、曲線Ｗ３はリチウムイオンキャパシタ１１と鉛蓄電池１２の充放電電力の合成電力を示している。

　充放電制御部２１は、まずリチウムイオンキャパシタ１１の充放電を先に開始し、鉛蓄電池１２の充放電を後から開始する。その際、充放電制御部２１は、キャパシタ装置４の容量を超えて蓄電装置５の充放電が必要になる時刻Ｔ１までに、鉛蓄電池１２の充電あるいは放電する電力が電力系統１の増加あるいは減少を抑制できる電力値になるように、鉛蓄電池１２の充放電を開始させる。その鉛蓄電池１２の充放電の開始時刻がＴＢである。

　また、充放電制御部２１は、リチウムイオンキャパシタ１１の充電あるいは放電を開始してから時間ＴＢが経過する前に、リチウムイオンキャパシタ１１の蓄電量が上限あるいは下限に達した場合にも、鉛蓄電池１２の充電あるいは放電を開始する。本実施例ではこの上限および下限が蓄電量閾値となる。

　本実施例によれば、鉛蓄電池１２の充放電を開始する前に電力系統１の電力変動が収まれば、つまり周波数が許容範囲に戻れば、鉛蓄電池１２の充放電は行われないので、鉛蓄電池１２のみの蓄電システムよりも鉛蓄電池１２の充放電の回数が少なくなり、鉛蓄電池の寿命が延びることになる。リチウムイオンキャパシタ１１は数万回程度の充放電が可能であるのに対して、鉛蓄電池１２は数百～数千回程度しか充放電できないため、リチウムイオンキャパシタ１１の充放電回数に対して鉛蓄電池１２の充放電回数が少なくなるように制御を行うことで系統安定化システム３を長寿命化することができる。

　図５は、実施例１における充放電制御部２１が鉛蓄電池１２の充放電を開始するタイミングを制御するフローチャートの一例である。

　充放電制御部２１は、まずステップＳ１で、リチウムイオンキャパシタ（ＬｉＣ）１１の充電あるいは放電を開始しているか否か判定する。充放電制御部２１は、リチウムイオンキャパシタ１１の充電あるいは放電を開始するとき、充電あるいは放電を開始したという状態ことを記憶部２３に記録するので、記憶部２３から状態を読み出すことにより、充電あるいは放電が開始されていることを判断することができる。

　充放電制御部２１は、リチウムイオンキャパシタ１１の充電あるいは放電が開始していればステップＳ２０へ進み、リチウムイオンキャパシタ１１の充放電が開始していなければステップＳ１へ進む。

　ステップＳ２０では、充放電制御部２１は、リチウムイオンキャパシタ１１が充電あるいは放電を開始してからの経過時間が、予め設定された時間ＴＢを超えたか否か判定する。なお、時間ＴＢは、例えば給電設備を統括管理する中央給電指令所１３から系統安定化システム３の充放電制御部２１に通知され、充放電制御部２１が記憶部２３に格納しておくことにすればよい。

　充放電制御部２１は、リチウムイオンキャパシタ１１の充電あるいは放電を開始してから時間ＴＢが経過していればステップＳ６に進み、リチウムイオンキャパシタ１１の充電あるいは放電を開始してから時間ＴＢが経過していなければステップＳ３に進む。

　ステップＳ６では、充放電制御部２１は鉛蓄電池１２の充電あるいは放電を開始する。

　ステップＳ３では、充放電制御部２１は、リチウムイオンキャパシタ１１の充電あるいは放電が停止しているのかを判定する。充放電制御部２１は、リチウムイオンキャパシタ１１の充放電が停止しているならばステップＳ１へ進み、リチウムイオンキャパシタ１１の充放電が停止していなければステップＳ４へ進む。

　ステップＳ４では、充放電制御部２１は、電力検出器８によりリチウムイオンキャパシタ１１の電圧を測定し、リチウムイオンキャパシタ１１に蓄積されている電力エネルギーの量（蓄電残量；ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｃｈａｒｇｅ））を算出し、ステップＳ５へ進む。リチウムイオンキャパシタ１１の蓄電残量の算出法としては、電力検出器８で検出される、リチウムイオンキャパシタ１１に流れた電力量を充放電制御部２１が積算してもよく、あるいはリチウムイオンキャパシタ１１または電力変換部９が蓄電残量を測定して充放電制御部２１に通知することにしてもよい。

　ステップＳ５では、充放電制御部２１は、リチウムイオンキャパシタ１１の蓄電残量がリチウムイオンキャパシタ１１の蓄電量の上限値または下限値に達しているかを判定する。ここでいう上限値はリチウムイオンキャパシタ１１がそこまで充電できるという蓄電量の上限であり、下限値はリチウムイオンキャパシタ１１がそこまで放電できるという蓄電量の下限値である。

　充放電制御部２１は、リチウムイオンキャパシタ１１の蓄電残量が上限値あるいは下限値に達していれば鉛蓄電池１２の充放電を開始し、上限値あるいは下限値に達していなければステップＳ２０へ進む。

　実施例２の系統安定化システム３の構成は、図２に示した実施例１のものと同じである。ただし、実施例２では充放電制御部２１の動作が実施例１と異なる。実施例２では、充放電制御部２１はリチウムイオンキャパシタ１１の蓄電残量が上方あるいは下方の設定値に達したら鉛蓄電池１２の充電あるいは放電を開始する。本実施例では、この上方あるいは下方の設定値が蓄電量閾値となる。

　図６は、実施例２における充放電制御部２１が鉛蓄電池１２の充放電を開始するタイミングを制御するフローチャートの一例である。

　充放電制御部２１は、まずステップＳ１で、リチウムイオンキャパシタ１１の充電あるいは放電を開始しているか否か判定する。

　充放電制御部２１は、リチウムイオンキャパシタ１１の充電あるいは放電が開始していればステップＳ２１へ進み、リチウムイオンキャパシタ１１の充電あるいは放電が開始していなければステップＳ１へ進む。

　ステップＳ２１では、充放電制御部２１は、リチウムイオンキャパシタ１１の蓄電残量が、予め設定された上方あるいは下方の設定値に達したか否か判定する。これらの設定値は例えば中央給電指令所１３から充放電制御部２１に通知され、充放電制御部２１が記憶部２３に予め格納しておくことにすればよい。

　充放電制御部２１は、リチウムイオンキャパシタ１１の蓄電残量が上方あるいは下方の設定値に達していたらステップＳ６に進み、蓄電残量が上方あるいは下方の設定値に達していなければステップＳ３へ進む。

　ステップＳ６では、充放電制御部２１は、鉛蓄電池１２の充電あるいは放電を開始する。

　ステップＳ３では、充放電制御部２１は、リチウムイオンキャパシタ１１が充電あるいは放電を停止しているか否か判定する。充放電制御部２１はリチウムイオンキャパシタ１１の充電あるいは放電が停止したならばステップＳ１へ進み、リチウムイオンキャパシタ１１の充電あるいは放電が停止していなければステップＳ２１へ進む。

　実施例３の系統安定化システム３の構成は、図２に示した実施例１のものと同じである。ただし、実施例３では充放電制御部２１の動作が実施例１と異なる。実施例３では、充放電制御部２１は、リチウムイオンキャパシタ１１の蓄電残量が上限値あるいは下限値に達するときに、鉛蓄電池１２の充放電する電力が電力系統１の電力変動を抑制できる電力に達するように、鉛蓄電池１２の充電あるいは放電を開始する。本実施例では、この上限値および下限値が蓄電量閾値となる。すなわち、充放電制御部２１は、リチウムイオンキャパシタ１１の蓄電残量が蓄電量閾値に達するまでの時間が、鉛蓄電池１２の充電あるいは放電を開始した場合にその充電あるいは放電する電力が電力系統１の電力の変動を抑制できる電力に達するまでの時間以下になったら、鉛蓄電池１２の充電あるいは放電を開始させる。

　電力系統１の電力変動を抑制できる電力の値は、予め設定された電力値としてもよく、あるいは電力系統１の電力の測定値から算出することにしてもよい。再生可能エネルギー発電設備２の発電特性から電力系統１の変動中の電力値が想定できる。電力系統１の変動しているときの電力のピーク値あるいは平均値を統計的に求めて、その所望電力からの変動量を、電力系統１の電力変動を抑制できる電力値として設定すればよい。あるいは、変動中の電力系統１の電力を測定し、当該変動中の電力の平均値、ピーク値、あるいは最新値を求め、その所望電力からの変動量を、電力系統１の電力変動を抑制できる電力量として設定してもよい。

　図７は、実施例３における充放電制御部２１が鉛蓄電池１２の充放電を開始するタイミングを制御するフローチャートの一例である。

　充放電制御部２１は、リチウムイオンキャパシタ１１の充電あるいは放電が開始していればステップＳ４へ進み、リチウムイオンキャパシタ１１の充電あるいは放電が開始していなければステップＳ１へ進む。

　ステップＳ４では、充放電制御部２１は、電力検出器８で測定されるリチウムイオンキャパシタ１１の電圧を利用して、リチウムイオンキャパシタ１１の蓄電残量（ＳＯＣ）を演算し、ステップＳ２２０へ進む。

　ステップＳ２２０では、充放電制御部２１は、ステップＳ４で算出したリチウムイオンキャパシタ１１の蓄電残量と、電力検出器８によって検出される、リチウムイオンキャパシタ１１が充放電している電力値とに基づいて、リチウムイオンキャパシタ１１の蓄電残量が、予め設定された上限値あるいは下限値に達するまでの時間（キャパシタ上下限値到達時間）ＴＬを算出し、ステップＳ２２１へ進む。

　例えば、算出された蓄電残量と、リチウムイオンキャパシタ１１が充放電している電力値とに基づいて、リチウムイオンキャパシタ１１の蓄電残量の変化を近似する近似関数を求め、その近似関数から蓄電残量が上限値あるいは下限値に達するまでの時間を算出すればよい。例えば、リチウムイオンキャパシタ１１が充放電している電力が一定であれば、蓄電残量の変化は一次関数で近似することができる。

　ステップＳ２２１では、充放電制御部２１は、ステップＳ２２０で算出したキャパシタ上下限値到達時間ＴＬと、鉛蓄電池１２の電力が電力系統１の電力変動を抑制できるようになるまでの時間（蓄電池立ち上がり時間）とを比較する。

　充放電制御部２１は、上下限値到達時間ＴＬが蓄電池立ち上がり時間以下であれば鉛蓄電池１２の充電あるいは放電を開始し、上下限値到達時間ＴＬが蓄電池立ち上がり時間以下でなければステップＳ３へ進む。

　ステップＳ３では、充放電制御部２１は、リチウムイオンキャパシタ１１が充放電が停止しているか否か判定する。充放電制御部２１は、リチウムイオンキャパシタ１１の充放電が停止していればステップＳ１に進み、リチウムイオンキャパシタ１１の充放電が停止していなければステップＳ４に進む。

　実施例４の系統安定化システムは、蓄電装置５および制御装置６の構成および動作が、図２に示した実施例１のものと異なる。本実施例では、鉛蓄電池が複数あり、それらが、上述の実施例と同様に電力系統１の電力変動を抑制する用途の蓄電池（系統変動抑制蓄電池）と、電力を貯蔵して負荷による電力消費を相殺する用途の蓄電池（負荷使用相殺蓄電池）とに使い分けられる。

　図８は、実施例４の系統安定化システムの構成を示すブロック図である。

　本実施例による系統安定化システム３は、キャパシタ装置４、蓄電装置５、制御装置６、周波数検出器７、および電力検出器８を有している。キャパシタ装置４はリチウムイオンキャパシタ１１および電力変換部９を有している。蓄電装置５は鉛蓄電池１２ａ～１２ｃ、切替器３２ａ～３２ｃ、および電力変換部１０，３１を有している。制御装置６は充放電制御部２１、運用法制御部２２、および記憶部２３を有している。

　上述のとおり、本実施例による系統安定化システム３では、蓄電装置５に電力変換部１０、３１が２つあり、鉛蓄電池１２ａ～１２ｃが３つある。鉛蓄電池１２ａ～１２ｃは切替器３２ａ～３２ｃにそれぞれ接続されている。電力変換部１０、３１は電力系統１に接続されている。電力変換部１０は、電力系統１の電力変動を抑制するための鉛蓄電池を充放電するために用いられる。電力変換部３１は、電力を貯蔵し、負荷による電力消費を相殺するための鉛蓄電池を充放電するのに用いられる。

　切替器３２ａ～３２ｃのスイッチングによって、鉛蓄電池１２ａ～１２ｃのそれぞれを電力変換部１０に接続するか電力変換部３１に接続するかを選択することができる。切替器３２ａ～３２ｃは制御装置６の運用法制御部２２によって制御される。本実施例では、運用法制御部２２は、鉛蓄電池１２ａ～１２ｃのうちいずれか一つを電力変換部１０に接続し、他の２つのを電力変換部３１に接続する。

　また、図８における、その他の各部は、図２に示した実施例１において同一の符号が付された各部と同様の機能を有する。

　図９は、電力系統１の短周期変動と負荷による電力消費の変動の様子を例示した図である。図９には、電力系統１の電力（曲線Ｋ１）と、負荷による消費電力（曲線Ｄ１）が示されている。

　電力系統に接続された負荷には、曲線Ｄ１に示すように、使用電力が下がる時間帯ＴＨ１と使用電力が上がる時間帯ＴＪ１とがある。本実施例の系統安定化システム３は、負荷による電力使用が下がる時間ＴＨ１帯に電力系統１から充電して鉛蓄電池に電力を貯蔵し、負荷による電力使用が上がる時間帯ＴＨ１に鉛蓄電池から電力系統１に放電することで、電力系統１のピークシフトを行う。

　電力系統１の電力変動（電力系統１の短周期の変動）を抑制するために用いられる電力変換部１０に接続された鉛蓄電池は、充放電制御部２１からの制御に従った充放電によって電力系統１の電力の変動を抑制する。一方、電力の貯蔵に用いられる電力変換部３１に接続された鉛蓄電池は、充放電制御部２１からの制御に従った充放電によって電力の貯蔵と放出を行い、電力系統１における負荷による電力消費を相殺する。

　充放電制御部２１の電力系統１の電力変動の抑制に関する制御は、上述した実施例１～３のいずれかと同様の制御でよい。一方、充放電制御部２１の負荷による電力消費を相殺する制御は、例えば、統計によって取得した負荷による電力消費の変動を示す消費電力推移データを予め記憶部２３に記録しておき、消費電力推移データが示す電力消費の変動を相殺するように鉛蓄電池を充放電すればよい。また、充放電制御部２１は、鉛蓄電池１２ａ～１２ｃの制御に伴い、鉛蓄電池１２ａ～１２ｃのそれぞれの充放電回数を記憶部２３に記録する。ここでは一例として充電回数と放電回数の和を充放電回数とする。また充電と放電を対として、充電と放電の対の発生回数を充放電回数としてもよい。

　運用法制御部２２は、充放電制御部２１が記憶部２３に記録した各鉛蓄電池１２ａ～１２ｃの充放電回数を読み出し、充放電回数が最も少ない鉛蓄電池を短周期変動抑制用として電力変換部１０に接続し、残りの鉛蓄電池を電力貯蔵用として電力変換部３１に接続するように、切替器３２ａ～３２ｃを制御する。運用法制御部２２は、例えば、この制御を定期的に行うことにしてもよい。

　本実施例によれば電力系統１の短周期変動の抑制と電力貯蔵の両方を行うことができる。また、その際に、短周期変動の抑制と電力貯蔵に用いられる鉛蓄電池１２ａ～１２ｃの充放電回数を平準化し、鉛蓄電池１２ａ～１２ｃを長寿命化し、その結果、系統安定化システム３を長寿命化することができる。

　図１０は、実施例４において、運用法制御部２２が鉛蓄電池１２ａ～１２ｃの電力の入出力先を決定する処理を示すフローチャートの一例である。

　運用法制御部２２は、まずステップＲ１において、鉛蓄電池１２ａ～１２ｃの中から充放電回数が最も少ない鉛蓄電池を決定し、ステップＲ２へ進む。

　ステップＲ２では、運用法制御部２２は、ステップＲ１で決定した、充放電回数が最小の鉛蓄電池を電力変換部１０に接続し、その他の鉛蓄電池を電力変換部３１に接続し、ステップＲ３へ進む。

　ステップＲ３では、運用法制御部２２は、ステップＲ１で充放電回数が最小として決定された鉛蓄電池（つまりステップＲ２で電力変換部１０に接続された鉛蓄電池）の充放電回数が、他の鉛蓄電池の充放電回数の最小値に、予め設定された設定値を加算した値を超えているか否か判定する。

　ステップＲ１で充放電回数が最小として決定された鉛蓄電池の充放電回数が、他の鉛蓄電池の充放電回数の最小値に、予め設定された設定値を加算した値を超えていれば、運用法制御部２２はステップＲ１へ進み、超えていなければステップＲ３へ進む。

　以上、本発明の各実施形態および実施例について説明したが、本発明はそれらに限定されるものではなく、様々な変形例を含む。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の一部として他の構成を追加したり、各実施例の一部の構成を削除したり、各実施例の一部を他の構成に置換したりすることが可能である。

　また、上記の各部の構成、機能、処理などは、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各部の構成、機能、処理などは、プロセッサがそれぞれの機能を実現するソフトウェアプログラムを解釈し、実行することにより実現してもよい。各機能を実現するソフトウェアプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｄｒｉｖｅ）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に格納することができる。

　また、各実施例の説明では制御線や情報線については説明上必要と考えられるものを図示している。必ずしも、本発明を適用した製品に設けられる全ての制御線や情報線を示すものではない。実際には殆ど全ての構成が制御線や情報線によって相互に接続されていると考えてもよい。

１　電力系統、１０　電力変換部、１１　リチウムイオンキャパシタ、１２，１２ａ～１２ｃ　鉛蓄電池、１３　中央給電指令所、２　再生可能エネルギー発電設備、２１　充放電制御部、２２　運用法制御部、２３　記憶部、３　系統安定化システム、３１　電力変換部、３２ａ　切替器、４　キャパシタ装置、５　蓄電装置、６　制御装置、７　周波数検出器、８　電力検出器、９　電力変換部

Claims

　電力系統の電力の変動を抑制する系統安定化システムであって、
　制御に応じて充電あるいは放電を行うことにより、前記電力系統の電力の変動を抑制する蓄電装置と、
　前記蓄電装置よりも制御に対する充放電の応答が速く、制御に応じて充電あるいは放電を行うことにより、前記電力系統の電力の変動を抑制するキャパシタ装置と、
　前記蓄電装置の充電または放電が発生する回数を少なく抑えるように、前記蓄電装置および前記キャパシタ装置を制御する制御装置と、を有する系統安定化システム。
　前記制御装置は、前記電力系統の電力の変動が検出されると、前記キャパシタ装置に充電あるいは放電を開始させ、前記電力系統の電力の変動が所定の短期変動時間を超えて継続していることが検出されると、前記蓄電装置に充電あるいは放電を開始させる、請求項１に記載の系統安定化システム。
　前記キャパシタ装置は、前記短期変動時間が経過して充電あるいは放電を開始した前記蓄電装置が前記電力系統の電力の変動を抑制できるようになるまでの前記電力系統の前記電力の変動を吸収できる蓄電容量を有する、
請求項２に記載の系統安定化システム。
　前記短期変動時間は、前記電力系統の電力の変動を生じさせる発電装置が発電する電力の変動の特性に基づいて決定される、
請求項２に記載の系統安定化システム。
　前記電力系統の周波数を検出する周波数検出器を更に有し、
　前記制御装置は、前記周波数検出器で検出される周波数と所定の周波数閾値とを比較し、前記周波数が前記周波数閾値に達すると、前記電力系統の前記電力の変動を検出し、前記キャパシタ装置の充電または放電を開始する、
請求項２に記載の系統安定化システム。
　前記制御装置は、前記電力系統の電力の変動が検出されると、前記キャパシタ装置に充電あるいは放電を開始させ、前記キャパシタ装置の蓄電残量が所定の蓄電量閾値に達すると、前記蓄電装置に充電あるいは放電を開始させる、請求項１に記載の系統安定化システム。
　前記制御装置は、前記電力系統の電力の変動が検出されると、前記キャパシタ装置の充電あるいは放電を開始させ、前記キャパシタ装置の蓄電残量が所定の蓄電量閾値に達するまでの時間が、前記蓄電装置の充電あるいは放電を開始した場合に前記蓄電装置の充電あるいは放電する電力が前記電力系統の電力の変動を抑制できる電力に達するまでの時間以下になったら、前記蓄電装置の充電あるいは放電を開始させる、請求項１に記載の系統安定化システム。
　前記蓄電装置は、複数の蓄電池を有し、
　前記制御装置は、前記複数の蓄電池のそれぞれの充放電回数を計測し、充放電回数が最も少ない蓄電池を前記電力系統の電力の変動を抑制する系統変動抑制蓄電池とし、残りの蓄電池を負荷による前記電力系統の電力の使用を相殺する負荷使用相殺蓄電池とし、前記負荷による電力使用量が少ない時間帯に前記負荷使用相殺蓄電池に充電を行わせ、前記負荷による電力使用量が多い時間帯に前記負荷使用相殺蓄電池に放電を行わせる、請求項１から７のいずれか一項に記載の系統安定化システム。
　前記キャパシタ装置はリチウムイオンキャパシタを有し、前記リチウムイオンキャパシタの充電および放電を行う装置である、請求項１から８のいずれか一項に記載の系統安定化システム。
　制御に応じて充電あるいは放電を行うことにより、電力系統の電力の変動を抑制する蓄電装置と、前記蓄電装置よりも制御に対する充放電の応答が速く、制御に応じて充電あるいは放電を行うことにより、前記電力系統の電力の変動を抑制するキャパシタ装置と、を有する系統安定化システムによって、前記電力系統の電力変動を抑制する系統安定化方法において、
　前記蓄電装置の充電または放電が発生する回数を少なく抑えるように、前記蓄電装置および前記キャパシタ装置を制御することを特徴とする系統安定化方法。
　前記電力系統の電力の変動が検出されると、前記キャパシタ装置に充電あるいは放電を開始させるステップと、
　前記電力系統の電力の変動が所定の短期変動時間を超えて継続していることが検出されると、前記蓄電装置に充電あるいは放電を開始させるステップとを有する、請求項１０に記載の系統安定化方法。
　前記電力系統の電力の変動が検出されると、前記キャパシタ装置に充電あるいは放電を開始させるステップと、
　前記キャパシタ装置の蓄電残量が所定の蓄電量閾値に達すると、前記蓄電装置に充電あるいは放電を開始させるステップとを有する、請求項１０に記載の系統安定化方法。
　前記電力系統の電力の変動が検出されると、前記キャパシタ装置の充電あるいは放電を開始させるステップと、
　前記キャパシタ装置の蓄電残量が所定の蓄電量閾値に達するまでの時間が、前記蓄電装置の充電あるいは放電を開始した場合に前記蓄電装置の充電あるいは放電する電力が前記電力系統の電力の変動を抑制できる電力に達するまでの時間以下になったら、前記蓄電装置の充電あるいは放電を開始させるステップとを有する、請求項１０に記載の系統安定化方法。
　前記蓄電装置は複数の蓄電池を有しており、
　前記複数の蓄電池のそれぞれの充放電回数を計測するステップと、
　充放電回数が最も少ない蓄電池を前記電力系統の電力の変動を抑制する系統変動抑制蓄電池とし、残りの蓄電池を負荷による前記電力系統の電力の使用を相殺する負荷使用相殺蓄電池とするステップと、
　前記負荷による電力使用量が少ない時間帯に前記負荷使用相殺蓄電池に充電を行わせるステップと、
　前記負荷による電力使用量が多い時間帯に前記負荷使用相殺蓄電池に放電を行わせるステップとを有する、請求項１０から１３のいずれか一項に記載の系統安定化方法。
　前記キャパシタ装置はリチウムイオンキャパシタを有し、前記リチウムイオンキャパシタによって充電および放電を行う装置である、請求項１０から１４のいずれか一項に記載の系統安定化方法。