JP2015159631A - 蓄電システム、蓄電システムの制御装置および制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】充放電効率を向上させた蓄電システム、蓄電システムの制御装置および制御方法を提供する。【解決手段】 充放電可能な複数の電池ユニットが接続され、複数の電力変換器２ａ、２ｂが電池ユニットに対して充放電を行うように構成される蓄電システムにおいて、複数の電池ユニットそれぞれに接続され、電池ユニットを複数の電力変換器２ａ、２ｂに対して切り替え可能とするスイッチ３ａ〜３ｅと、複数の電力変換器２ａ、２ｂおよびスイッチ３ａ〜３ｅを制御するコントローラ４と、を有し、コントローラ４は、充放電に使用する電池ユニットと電力変換器を決定する組み合わせ決定部４ｂと、組み合わせ決定部４ｂが決定した電池ユニットを、電力変換器に接続するようにスイッチの開閉状態を制御するスイッチ制御部４ｄと、組み合わせ決定部４ｂが決定した電力変換器に対して充放電指令を出力する電力変換器制御部４ｃと、を有する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電池ユニットと電力変換器とが接続される蓄電池システム、蓄電池システムの制御装置および制御方法に関する。

自然エネルギー（太陽光、風力等）を利用した発電の変動抑制、電力需要の変動抑制、およびピークシフト等の用途に、大規模な蓄電システムを利用することが期待されている。蓄電システムは、二次電池の単セルを並列および直列に接続して構成される電池ユニットを基本単位として構成されている。電池ユニットには、電池ユニットに対して充放電を行う電力変換器（以下、ＰＣＳと呼ぶ：Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）が接続される。

大規模な蓄電システムでは、この電池ユニットを複数台配置する構成が採用されている。複数台の電池ユニットとＰＣＳとを接続する形態としては、主に、個別制御型の並列方式とダイレクト並列方式が採用されている。個別制御型の並列方式は、図１１（ａ）に示すように、１つの電池ユニット１ａ〜１ｅに対して１台のＰＣＳ２ａ〜２ｅを組み合わせて並列に接続する方式である。ダイレクト並列方式は、図１１（ｂ）に示すように、各電池ユニット１ａ〜１ｅを直接並列に接続し、１台のＰＣＳ２ａに接続する方式である。

特開平１０−０７０８５３号公報 特開２０１３−０３１２８１号公報

個別制御型の並列方式を用いた場合、各電池ユニットを独立して充放電することが可能になる。従って、制御方法次第では高効率化が可能になる上に、冗長化されたシステムであるため信頼性が高い。しかし、電池ユニットと同数のＰＣＳが必要となるため、大規模化するほどＰＣＳの台数が増えることとなり、経済性の面で問題があった。

一方、ダイレクト並列方式では、複数の電池ユニットが１台のＰＣＳに接続されているため、ＰＣＳの台数を減らすことはできる。しかし、ＰＣＳに対して複数の電池ユニットを接続／切り離し可能な構成とする必要がある。電池ユニットの接続状態変更時に充放電を行うと、充電状態の異なる電池ユニット間の電圧差によりシステム内に大電流が流れて危険な状態となる。従って、電池ユニットの接続状態変更時には、一時的に充放電を行わない期間を設ける必要がある。

本発明の実施形態は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものである。その目的は、充放電効率を向上させた蓄電システム、蓄電システムの制御装置および制御方法を提供することである。

上記のような目的を達成するための実施形態の蓄電システムは、充放電可能な複数の電池ユニットが接続され、複数の電力変換器が前記電池ユニットに対して充放電を行うように構成される蓄電システムにおいて、前記複数の電池ユニットそれぞれに接続され、前記電池ユニットを前記複数の電力変換器に対して切り替え可能とするスイッチと、前記複数の電力変換器および前記スイッチを制御するコントローラと、を有し、前記コントローラは、充放電に使用する電池ユニットと電力変換器を決定する組み合わせ決定部と、前記組み合わせ決定部が決定した前記電池ユニットを、前記電力変換器に接続するように前記スイッチの開閉状態を制御するスイッチ制御部と、前記組み合わせ決定部が決定した前記電力変換器に対して充放電指令を出力する電力変換器制御部と、を有することを特徴とする。

また、および上記の各部の機能をコンピュータ又は電子回路により実現する蓄電システムの制御装置および制御方法も本発明の一態様である。

第一の実施形態の蓄電システムの構成の一例を示すブロック図である。 第一の実施形態の蓄電システムの処理の一例を示すフローチャートである。 第一の実施形態の蓄電システムの処理の一例を示すための説明図である。 図３の期間Ｔ３における蓄電システムの構成とＳＯＣを示す模式図である。 第一の実施形態の蓄電システムの処理の一例を示すための説明図である。 第一の実施形態の蓄電システムの処理の一例を示すための説明図である。 第一の実施形態の蓄電システムの処理の一例を示すための説明図である。 第一の実施形態の蓄電システムの処理の一例を示すための説明図である。 第一の実施形態の蓄電システムの処理の一例を示すための説明図である。 充放電に伴うＰＣＳや電池ユニットのエネルギー効率特性の代表例を示すグラフである。 従来の蓄電システムに置いて電池ユニットとＰＣＳとの接続方式を説明する図であり、（ａ）は個別制御型の並列方式のブロック図、（ｂ）はダイレクト型並列方式のブロック図である。

［第一の実施形態］
［１．構成］
（１）全体構成
以下、本発明の第一の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態の蓄電システムの構成の一例を示すブロック図である。本実施形態では、蓄電システムとして、充放電可能な複数の電池ユニット１ａ〜１ｅが接続され、複数のＰＣＳ２ａ、２ｂが電池ユニット１ａ〜１ｅに対して充放電を行うように構成されている例を示して説明する。複数のＰＣＳ２ａ、２ｂは、電力系統Ｅに連系している。

５つの電池ユニット１ａ〜１ｅのそれぞれには、スイッチ３ａ〜３ｅが接続されている。スイッチ３ａ〜３ｅは、電池ユニット１ａ〜１ｅが２つのＰＣＳ２ａ、２ｂに対して切り替え可能となるように構成されている。ＰＣＳ２ａ、２ｂは、接続されている電池ユニットに対して充放電を行うように構成されている。

ＰＣＳ２ａ、２ｂおよびスイッチ３ｂ〜３ｅには、コントローラ４が接続されている。コントローラ４は、上位のＥＭＳ５（Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）が接続されている。上位のＥＭＳは、コントローラ４に対して、定期的または随時、蓄電システム全体に対する充放電指令値を送信する。また、コントローラ４には電池ユニット１ａ〜１ｅが通信線を介して接続されており、電池ユニットの残量値（以下、ＳＯＣと呼ぶ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇ）を含む電池ユニット１ａ〜１ｅの状態が適宜入力される。

（２）スイッチ
スイッチ３ａ〜３ｅは、コモン端子Ｃ、Ａ接点端子Ａ、およびＢ接点端子Ｂを有する。図１においては、スイッチ３ａについてのみ各端子を符号で示すが、他のスイッチ３ｂ〜３ｅについても同様の構成を有している。コモン端子Ｃには、電池ユニット１ａ〜１ｅが接続されている。Ａ接点端子Ａには、ＰＣＳ２ａが接続されている。Ｂ接点端子Ｂには、ＰＣＳ２ｂが接続されている。コモン端子Ｃの接続状態を切り替えることで、電池ユニット１ａ〜１ｅは、２つのＰＣＳ２ａ、２ｂに対して切り替え可能となるように構成されている。

例えば、電池ユニット１ａは、スイッチ３ａにより、以下の３つの接続状態に切り替え可能に構成されている。
・コモン端子ＣがＡ接点端子Ａに接続されることにより、電池ユニット１ａがＰＣＳ２ａに接続されている状態
・コモン端子ＣがＢ接点端子Ｂに接続されることにより、電池ユニット１ａがＰＣＳ２ｂに接続されている状態
・コモン端子Ｃがいずれの接点端子にも接続されておらず、電池ユニット１ａがいずれのＰＣＳにも接続されていない状態
同様に、電池ユニット１ｂ〜１ｅも、スイッチ３ｂ〜３ｅにより以上のように接続状態を切り替えることができる。

（３）コントローラ
コントローラ４は、ＥＭＳ５から定期的又は随時に受信した、蓄電システム全体に対する充放電指令値に基づき、ＰＣＳ２ａ、２ｂおよびスイッチ３ａ〜３ｅを制御する制御装置である。コントローラ４は、指令値判断部４ａ、組み合わせ決定部４ｂ、電力変換器制御部４ｃ、およびスイッチ制御部４ｄを有する。

指令値判断部４ａは、ＥＭＳ５からの充放電指令値または電池ユニット１ａ〜１ｅの状態が所定の条件を満たした場合に、組み合わせ決定部４ｂに、充放電に使用する電池ユニット１ａ〜１ｅとＰＣＳ２ａ、２ｂを決定する旨の出力をする処理部である。所定の条件とは、例えば、充放電指令値に変化がある場合、ＳＯＣが充放電終止付近に到達した場合、又は電池ユニット１ａ〜１ｅのＳＯＣのバラツキ（最大ＳＯＣと最小ＳＯＣの差）が許容値を超えた場合などがあげられる。

組み合わせ決定部４ｂは、充放電に使用する電池ユニット１ａ〜１ｅとＰＣＳ２ａ、２ｂを決定する処理部である。組み合わせ決定部４ｂは、電池ユニット１ａ〜１ｅの状態と指令値判断部４ａからの指令に基づき、充放電に使用する電池ユニット１ａ〜１ｅとＰＣＳ２ａ、２ｂの組み合わせを決定する。組み合わせ決定部４ｂは、電池ユニット１ａ〜１ｅとＰＣＳ２ａ、２ｂの定格電力等を記憶する手段を有している。

組み合わせ決定部４ｂは、使用する電池ユニットを使用するＰＣＳに接続する旨の出力をスイッチ制御部４ｄに送出する。また、組み合わせ決定部４ｂは、使用するＰＣＳを決定し、当該ＰＣＳを電力変換器制御部４ｃに出力する。

電力変換器制御部４ｃは、ＥＭＳ５からの充放電指令値を、組み合わせ決定部４ｂが決定したＰＣＳに出力し、当該ＰＣＳを制御する処理部である。スイッチ制御部４ｄは、組み合わせ決定部４ｂが決定した電池ユニットとＰＣＳの組み合わせに基づいて、スイッチ３ａ〜３ｅの接続状態を制御する処理部である。

［２．処理フロー］
以上のような構成を有する本実施形態の蓄電システムの処理を、充放電時の動作として、図２および３を用いて具体的に説明する。図２のフローチャートは、コントローラ４による例えば１０秒周期等の定周期処理を示すものである。

処理が開始すると、指令値判断部４ａは、現在のＥＭＳからの充放電指令値Ｐ_ＥＭＳを読み込む（ステップＳ０１）。指令値判断部４ａは、現在の充放電指令値Ｐ_ＥＭＳと前回の充放電指令値を比較し、充放電指令値Ｐ_ＥＭＳに変化が有るか否かを判断する（ステップＳ０２）。充放電指令値Ｐ_ＥＭＳに変化がない場合（ステップＳ０２のＮｏ）には、電池ユニット１ａ〜１ｅの現在のＳＯＣａ〜ＳＯＣｅを読み込む（ステップＳ０３）。

指令値判断部４ａは、現在のＳＯＣａ〜ＳＯＣｅが充放電終止付近に到達したか、又はＳＯＣａ〜ＳＯＣｅのバラツキ（最大ＳＯＣと最小ＳＯＣの差）が許容値を超えたかを判断する（ステップＳ０４）。充放電終止付近に到達していない場合又は許容値を超えていない場合には（ステップＳ０４のＮｏ）、指令値判断部４ａは、充放電状態に変化がないものと判断し（ステップＳ０５）処理を終了する。この場合、前回の条件のままでの充放電を継続することとなる。

一方、充放電指令値Ｐ_ＥＭＳに変化があると判断した場合（ステップＳ０２のＹｅｓ）、又はＳＯＣが充放電終止付近に到達した場合又は許容値を超えた場合には（ステップＳ０４のＹｅｓ）、指令値判断部４ａは、組み合わせの変更が必要であると判断し、組み合わせ決定部４ｂに対して、充放電に使用する電池ユニット１ａ〜１ｅとＰＣＳ２ａ、２ｂを決定するように指示を出力をする。

組み合わせ決定部４ｂは、電池ユニット１ａ〜１ｅのＳＯＣと充放電指令値Ｐ_ＥＭＳに基づき、充放電に使用する電池ユニット１ａ〜１ｅとＰＣＳ２ａ、２ｂの組み合わせを決定する（ステップＳ０６）。具体的には、充放電指令値Ｐ_ＥＭＳ、電池ユニット１ａ〜１ｅの現在のＳＯＣ、および各電池ユニットの定格電力とから、エネルギー効率、充放電予備力、電池寿命等を考慮して、新たな充放電に使用する電池ユニットとＰＣＳの組み合わせと電力配分とを決定する。組み合わせ決定部４ｂは、使用する電池ユニットを使用するＰＣＳに接続する旨の出力をスイッチ制御部４ｄに送出する。また、組み合わせ決定部４ｂは、使用するＰＣＳを決定し、当該ＰＣＳを電力変換器制御部４ｃに出力する。

スイッチ制御部４ｄは、組み合わせ決定部４ｂが決定した電池ユニットとＰＣＳの組み合わせに基づいて、スイッチ３ａ〜３ｅの接続状態を制御する。電力変換器制御部４ｃは、ＥＭＳ５からの充放電指令値を、組み合わせ決定部４ｂが決定したＰＣＳに出力し、当該ＰＣＳを制御する（ステップＳ０７）。この制御により、新たなＰＣＳと電池ユニットの組み合わせで充放電が行われる。

［３．処理パターン］
以上のような処理を有する本実施形態における処理のパターンを、図３〜９を用いて以下に説明する。

（１）処理例
まず、図３を用いて具体的な制御の一例を説明する。図３は、電池ユニット１ａ〜１ｅと、ＰＣＳ２ａ、２ｂの接続構成および充放電電力配分の時間的な変化を示す説明図であり、（ａ）は電池ユニット１ａ〜１ｅのＳＯＣを示すグラフであり、（ｂ）は電池ユニット１ａ〜１ｅとＰＣＳ２ａ、２ｂの接続状態を示す表である。図３の例では、期間Ｔ１〜Ｔ７に対応してＥＭＳ５からの新たな充放電指令値Ｐ_ＥＭＳが送出されていると仮定し、接続構成および電力配分を切り替える例を説明する。

まず、期間Ｔ１では、電池ユニット１ａ〜１ｅに対する充放電は行われていない状態である。期間Ｔ２では、電池ユニット１ａ、１ｂがＰＣＳ２ａに接続されて指令値に対応した充電が行われる。期間Ｔ３では、新たに電池ユニット１ｃ、１ｄがＰＣＳ２ｂに接続されて、電池ユニット１ａ、１ｂと並行して充電されている。図４に、期間Ｔ３に対応したシステムの構成例とＳＯＣの模式図を示す。

期間Ｔ３においては、図４に示す通り、電池ユニット１ａ、１ｂのコモン端子ＣがＡ接点端子Ａに接続されることにより、電池ユニット１ａ、１ｂがＰＣＳ２ａに接続されて充電されている。また、電池ユニット１ｃ、１ｄのコモン端子ＣがＢ接点端子Ｂに接続されることにより、電池ユニット１ｃ、１ｄがＰＣＳ２ｂに接続されて充電されている。電池ユニット１ｅのコモン端子Ｃはいずれの接点端子にも接続されていない。このように、ＰＣＳ２ａ、２ｂを両方とも使用することにより、ＰＣＳを切り替えずに複数の電池ユニットについて同時に充放電が行われる。

期間Ｔ４では、電池ユニット１ｃ、１ｄが充電される。また、期間Ｔ５では電池ユニット１ｃ、１ｄに加え、電池ユニット１ｅが充電される。期間Ｔ５では、電池ユニット１ｅが充電される。このように充電される電池ユニットが切り替えられているのは、電池ユニット１ａ〜１ｅのＳＯＣのバラツキが許容範囲を超えないように、指令値判断部４ａが組み合わせ決定部４ｂに適宜組み合わせを決定する旨の出力を行っているためである。なお、各期間においてＰＣＳに接続されていない電池ユニットは、低電力消費モードに切り替えられている。

次に、充放電指令値Ｐ_ＥＭＳに対応したより具体的な処理例を以下に説明する。
（２）一定の比較的小さい電力で充電する場合の処理
図５に示す例では、初期の電各電池ユニットのＳＯＣは、電池ユニット１ａ、１ｂ、電池ユニット１ｃ、１ｄ、電池ユニット１ｅの順に高くなっている。この状況において、比較的小さい電力の充電指令値が期間Ｔ２からＴ８まで継続している。この充電指令値は、電池ユニット１ａ・１ｂの組だけ、電池ユニット１ｃ・１ｄの組だけ、電池ユニット１ｅ単独のいずれの充電でも満たすことができるものとする。以上の条件の場合、コントローラ４は以下のように処理を行う。なお、各部の詳細な処理は、上記の処理フローおよび処理例と同様のため、その記載は省略する。

期間Ｔ２では、電池ユニット１ａ、１ｂがＰＣＳ２ａに接続されて充電され、ＳＯＣが電池ユニット１ｃ、１ｄのＳＯＣと同じ値に到達する。すると、新たな期間Ｔ３が開始され、構成および充放電電力配分が変更される。すなわち、期間Ｔ３においては、電池ユニット１ｃ、１ｄがＰＣＳ２ｂに接続されて充電され、ＳＯＣが電池ユニット１ｅと同じ値に到達する。そして、期間Ｔ４では、電池ユニット１ｅがＰＣＳ２ａに接続されて充電される。以降同様に、電池ユニットとＰＣＳの接続構成及び電力配分を切り替えながら充電を行う。

以降図５の表に示す通り、各期間において構成および充放電電力配分が切り替えられながら充電が行われる。なお、充電されていない電池ユニットは、低消費電力モードに切り替えられ待機状態となっている。このように比較的小さい電力の充電指令値の場合には、一部の電池ユニットおよび一部のＰＣＳのみで充電を行い、他は低消費電力モードとする処理を行っている。また、電池ユニットを切り換えることにより、電池ユニット１ａ〜１ｅのＳＯＣのバラツキが抑制され、一部の電池ユニットのみ満充電／満放電の状態に至ることが防止される。

以上の処理では、期間Ｔ２〜期間Ｔ８において、期間ごとに使用されるＰＣＳが変更されている。この時、例えばＰＣＳ２ａのオフ動作と、ＰＣＳ２ｂのオン動作は、同じタイミングで行われるようにスイッチ制御部４ｄにより制御されているため、接続状態変更時において充放電ができない期間が存在しない。また、ＰＣＳを変更するため、変更前後の電池ユニットが接続されることがないため、変更前後の電池ユニット間で電流が流れることがない。複数のＰＣＳを経時的に順番に切り換えることにより、電池ユニットの切り換え時に充放電不可能な期間が存在せず、蓄電システム全体としての出力変動が防止される。

（３）一定の比較的小さい電力で充電し、その後放電に反転する場合の処理
図６に示す例では、期間Ｔ４までは上記（２）と同一条件で同様に動作している。そして、期間Ｔ５では、充放電電力指令値がゼロとなり、全てのＰＣＳから電池ユニット１ａ〜１ｅが切り離され待機状態となる。次に、期間Ｔ６において、期間Ｔ２〜Ｔ４までの充電指令値と同一の電力値で放電指令値が出力され、期間Ｔ８まで継続している。

この放電指令値に対して、期間Ｔ６では、期間Ｔ４と同一の接続構成である、電池ユニット１ｅとＰＣＳ２ａの接続構成で放電する。この結果、各電池ユニット１ａ〜１ｅのＳＯＣが、期間Ｔ４の開始時点と同等となった時点で、期間Ｔ７として、期間Ｔ３と同一の接続構成である、電池ユニット１ｃ、１ｄがＰＣＳ２ｂの接続構成で放電する。以降同様に、電池ユニットとＰＣＳの接続構成及び電力配分を切り替えながら放電を行う。このように同一の接続構成を用いて、充放電を反転させた動作を行う。

このように比較的小さい電力の放電指令値の場合には、一部の電池ユニットおよび一部のＰＣＳのみで放電を行い、他は低消費電力モードとする処理を行っている。また、電池ユニットを切り換えることにより、電池ユニット１ａ〜１ｅのＳＯＣのバラツキが抑制される。また、期間ごとに使用されるＰＣＳを変更することにより、変更前後の電池ユニットが接続されることがないため、変更前後の電池ユニット間で電流が流れることがない。

（４）一定の比較的大きな電力で充電し、その後放電に転ずる場合
図７に示す例では、期間Ｔ１の電池ユニット１ａ〜１ｅのＳＯＣは、上記（２）と同一である。その後、期間Ｔ２、Ｔ３で比較的大電力での充電指令値が出力され、休止期間Ｔ４を挟み、期間Ｔ５で比較的大電力での放電指令値が出力される。その後、期間Ｔ６で再び充放電電力指令値がゼロとなり、待機状態となる。期間Ｔ２、Ｔ３、およびＴ５における充放電指令値は、ＰＣＳ２ａおよび２ｂを並列に動作させることが必要となる値とする。以上の条件の場合、コントローラ４は以下のように処理を行う。

この例では、電池ユニット１ａ〜１ｅを以下のグループに別けて制御を行う。
第１グループ：ＰＣＳ２ａ、電池ユニット１ａ、１ｂ、１ｃ
第２グループ：ＰＣＳ２ｂ、電池ユニット１ｄ、１ｅ
上記のようにグループ別けを行った場合、各グループにおいて、電池ユニットの初期ＳＯＣが異なっている。

そこで、まずは各グループ内において、電池ユニットのＳＯＣを同程度とするように制御を行う。すなわち、期間Ｔ２においては、ＰＣＳ２ａに第１グループ内で初期ＳＯＣが低い電池ユニット１ａおよび１ｂが接続され、充電される。また、ＰＣＳ２ｂに第２グループ内で初期ＳＯＣが低い電池ユニット１ｄが接続され、充電される。そして、電池ユニット１ａおよび１ｂのＳＯＣが電池ユニット１ｃと揃い、電池ユニット１ｄのＳＯＣが電池ユニット１ｅと揃うと、新たな期間Ｔ３が開始される。なお、ここで用いるＳＯＣは厳密には閉路電圧（ＣＣＶ：Ｃｌｏｓｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）とすることが好ましい。

期間Ｔ２の充電により、各グループの電池ユニットのＳＯＣは同等となる。同等とは、先に接続されている電池ユニットと、追加接続される電池ユニットのＳＯＣの差が同一または所定の範囲内にあることをいう。所定の範囲内とは、後述する電池ユニット間を流れる電流が生じない程度のＳＯＣの差とすればよい。各電池ユニットのＳＯＣが同等となると、期間Ｔ３では、ＰＣＳ２ａにさらに電池ユニット１ｃが接続され、充電される。また、ＰＣＳ２ｂにさらに電池ユニット１ｅが接続され、充電される。

図７の例では、これらの追加接続のタイミングは期間Ｔ２の終了時点である。そして、期間Ｔ３では、２つのグループについて、充電が継続して実施される。休止期間Ｔ４を経た後、期間Ｔ５では期間Ｔ３と同一の構成にて放電が行われる。なお、電池ユニット１ａ〜１ｅの初期ＳＯＣが揃っている場合において上記と同様の充放電指令値が出力された場合には、図８に示すように各グループの電池ユニットについて一斉に充放電を行う制御を行うことができる。

このように比較的大きい電力の充放電指令値の場合には、電池ユニット１ａ〜１ｅ全てを用いた処理を行う必要が生じる。このような場合には、上記のように各グループの電池ユニットのＳＯＣを揃えるための充放電を行い、ＳＯＣが揃ってから全ての電池ユニットを接続する。そのため、同じＰＣＳに接続される電池ユニット間で電流が流れることがない。

（５）一定の比較的大きな電力で充電し、その後小電力の充電に切り替わる場合
図９に示す例では、電池ユニット１ａ〜１ｅの初期のＳＯＣが同一である。従って、期間Ｔ２〜Ｔ４において、比較的大きな電力での充電指令値がある場合には、上記（４）と同じ２つのグループが同時に充電を開始する。

その後、期間Ｔ５〜Ｔ７では、小電力での充放電指令値に切り替わる。そこでＰＣＳと電池ユニットの新たな組み合わせを決定し、期間Ｔ５では、ＰＣＳ２ａと電池ユニット１ａ、１ｂの組み合わせ、期間Ｔ６ではＰＣＳ２ｂと電池ユニット１ｄ、１ｅの組み合わせ、期間Ｔ７ではＰＣＳ２ａと電池ユニット１ｅの組み合わせで充電を行うように制御する。この動作は上記（２）と同様であるため、説明を省略する。

このように充放電指令値の電力の大きさが変更された場合でも、ＰＣＳと電池ユニットの組み合わせを変更して充放電を行う。そのため、充放電指令値の大きさに対応した制御を行うことができる。

［４．作用効果］
以上のような本実施形態の作用効果を以下に説明する。
（１）低出力時の充放電エネルギー効率向上
図１０は、充放電に伴うＰＣＳや電池ユニットのエネルギー効率特性の代表例を示す。エネルギー効率特性とは、入力されたエネルギーのうち何％を充電し、充電したエネルギーのうち何％を放電できるかという特性である。すなわち、充放電に伴う損失は、電池ユニットの監視や制御を行う回路等により消費される基本的に出力に依存しない自己消費電力分と、電流の二乗に比例するジュール損とからなる。これら両者を考慮したエネルギー効率は充放電電力が定格電力値に対してある一定の値（０％と１００％の中間の位置）において最大値をとる。

従って、充放電電力指令値が蓄電システム全体の定格電力に対して小さい場合、全電池ユニット、全ＰＣＳが同じ負荷率で充放電を行うと、各電池ユニットにおいて自己消費分等のエネルギー損失が発生するためエネルギー効率が低下する。そこで、充放電するＰＣＳや電池ユニットの台数を削減することで、電池ユニットの定格電力の割合を増やすことができる。また、充放電しないＰＣＳや電池ユニットを待機状態として低消費電力モードに移行させることで、システム全体としてのエネルギー効率を向上できる。

上記の処理例（２）および（３）、さらに（５）の後半期間の処理は、充放電するＰＣＳや電池ユニットの台数を削減してエネルギー効率を向上させた例である。以上の通り、本実施形態によれば、電池ユニットでの対応が必要ない場合には、一部の電池ユニットおよび一部のＰＣＳのみで充放電を行い他は低消費電力待機とすることで、低出力時の充放電エネルギー効率を向上させることができる。

（２）各組電ユニットのＳＯＣのバラツキ抑制
また、上記の処理例（１）、（２）、さらに（５）の後半のケースでは充放電を行う組み合わせ（ＰＣＳ及び電池ユニット）を固定せずに経時的にローテーションを行っている。この結果、電池ユニット間の最大ＳＯＣと最少ＳＯＣとの差である、ＳＯＣのバラツキは、ある一定の限度以内（例えば５％以内）に保たれる。従って、蓄電システム全体としては充電或いは放電可能な容量に余力があるのに、実際には一部の電池ユニットしか充放電できず、結果として充放電可能な出力が提供できない、というような事態が起こることを防止できる。

また、電池ユニットは、満充電或いは満放電付近に至ると劣化が早なることになる。しかし、本実施形態では適切なタイミングで充放電対象ユニットをローテーションすることによって、一部の電池ユニットのみが満充電或いは満放電付近に至ることを防止できるので、一部の電池ユニットのみ著しく劣化するといった事態を防ぐことができる。

（３）充放電対象ユニット切換え時の出力維持
ＰＣＳが１台しかない場合には、充放電動作を一部の電池ユニットを切り換えて行う場合、接続される電池ユニットを切り換える際に充放電不可能な期間が発生する。すなわち、切換え前に接続されていた電池ユニットと、切換え後に接続する電池ユニットのＳＯＣは一般に異なることが多く、瞬時でも両者を並列に接続した場合、電池ユニット間に直接的に電流が流れる。よって、１台のＰＣＳを用いる場合、どの電池ユニットも接続されない“共通オフ期間”を設ける必要が生じる。

これに対して、複数台のＰＣＳを備えた本実施形態によれば、１台のＰＣＳの“共通オフ期間”には他のＰＣＳの充放電でカバーすることが可能となる。上記の処理例（２）および（３）、さらに（５）の後半期間の処理ではこうした動作を示している。以上の通り、本実施形態によれば、複数台のＰＣＳをローテーションしながら活用することによって電池ユニット切り換え時の蓄電システム全体としての出力変動を防止し、より確実に充放電指令値に追従することができる。

（４）電池ユニット間の横流の防止
ＰＣＳと電池ユニットの接続構成を変更する場合において、ＰＣＳに新たに電池ユニットを接続する際、既にＰＣＳに接続されている電池ユニットの電圧と新たに接続する電池ユニットの電圧とに大きな差があると、接続時に電池ユニット間の電流が流れ切換えスイッチへの悪影響（溶着、損傷等）を招く恐れがある。そこで、充電時にはまず電圧が低い方の電池ユニットを接続して充電開始し、電圧が高い方の電池ユニットの電圧と等しくなった時点で電圧が高い方の電池を追加並列接続する。上記の処理例（４）の処理ではこうした動作を示している。このように充放電を行うことで、同じＰＣＳに接続される電池ユニット間の横流を防止することができる。

（５）冗長化による信頼性向上
本実施形態では、電池ユニットおよびＰＣＳの両方が複数台が並列接続された構成であり、どの１台がダウンしてもシステム全体のダウンに至らない。蓄電システムの性能として出力（ｋＷ）と容量（ｋＷｈ）があるが、例えば同一性能のＰＣＳ２台と同一性能の電池ユニット１０台を用いた場合、ＰＣＳ１台が故障するとシステムの出力は５０％となるが、容量は１００％維持される。従って、故障発生時のシステム性能を維持することができる。

［５．他の実施形態］
（１）上記の実施形態は、複数台のＰＣＳおよび電池ユニットの性能について特に限定するものではない。ただし、システム定格出力に比べて極端に少ない電力での充放電を行う処理が多く想定される場合には、少なくとも１台のＰＣＳの定格出力をこうした処理に見合う値とし、他のＰＣＳの最大の定格出力より小さい値（例えば１／２以下）とすることできる。この構成とすると、低出力時のエネルギー効率を向上することができる。すなわち、小さい出力のＰＣＳは自己消費電力も小さいため、システムとして低出力時の損失を大電力のＰＣＳよりもさらに抑制することができる。

（２）上記の実施形態では、指令値判断部４ａは、充放電指令値に変化がある場合、ＳＯＣが充放電終止付近に到達した場合、又は電池ユニット１ａ〜１ｅのＳＯＣのバラツキ（最大ＳＯＣと最小ＳＯＣの差）が許容値を超えた場合に、組み合わせ決定部４ｂに充放電に使用する電池ユニット１ａ〜１ｅとＰＣＳ２ａ、２ｂを決定する旨の出力をするとした。組み合わせを決定する旨の出力を行う条件としては、ＥＭＳ５からの充放電指令値の大きさが、蓄電システム全体の定格電力の１／２以下である場合とすることもできる。

充放電指令値の大きさが、蓄電システム全体の定格電力の１／２以下であるような低出力時には、前述の通り、全電池ユニット、全ＰＣＳが同じ負荷率で充放電を行うと、エネルギー効率が低下する。従って、充放電指令値の大きさが蓄電システム全体の定格電力の１／２以下である場合に、指令値判断部４ａが組み合わせ決定する旨の出力を行う構成とし、充放電するＰＣＳや電池ユニットの台数を削減することで、電池ユニットの自己消費電力分による影響を増加させることなく、エネルギー効率を向上させることができる。

（３）上記のコントローラ４は、ＣＰＵを含むコンピュータを所定のプログラムで制御することによって実現できる。この場合のプログラムは、コンピュータのハードウェアを物理的に活用することで、上記のような処理を実現するものである。このため、上記の処理を実行する方法、プログラム及びプログラムを記録した記録媒体も、実施形態の一態様である。

また、ハードウェアで処理する範囲、プログラムを含むソフトウェアで処理する範囲をどのように設定するかは、特定の態様には限定されない。たとえば、上記の各部のいずれかを、それぞれの処理を実現する回路として構成することも可能である。

（４）本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ａ〜１ｅ…電池ユニット
２ａ、２ｂ…電力変換器
３ａ〜３ｅ…スイッチ
４…コントローラ
４ａ…指令値判断部
４ｂ…組み合わせ決定部
４ｃ…電力変換器制御部
４ｄ…スイッチ制御部
５…ＥＭＳ
Ａ…Ａ接点端子
Ｂ…Ｂ接点端子
Ｃ…コモン端子
Ｅ…電力系統

Claims (9)

1. 充放電可能な複数の電池ユニットが接続され、複数の電力変換器が前記電池ユニットに対して充放電を行うように構成される蓄電システムにおいて、
   前記複数の電池ユニットそれぞれに接続され、前記電池ユニットを前記複数の電力変換器に対して切り替え可能とするスイッチと、
   前記複数の電力変換器および前記スイッチを制御するコントローラと、を有し、
   前記コントローラは、
   充放電に使用する電池ユニットと電力変換器を決定する組み合わせ決定部と、
   前記組み合わせ決定部が決定した前記電池ユニットを、前記電力変換器に接続するように前記スイッチの開閉状態を制御するスイッチ制御部と、
   前記組み合わせ決定部が決定した前記電力変換器に対して充放電指令を出力する電力変換器制御部と、を有することを特徴とする蓄電システム。
2. 前記複数の電力変換器のうち、少なくとも１つの電力変換器の定格出力を、他の電力変換器の最大の定格出力よりも小さい値とすることを特徴とする請求項１記載の蓄電システム。
3. 前記電力変換器に少なくとも１つの前記電池ユニットが接続されている状態において、当該電力変換器にさらに電池ユニットが追加接続される場合に、
   前記少なくとも１つの電池ユニットと前記追加接続される電池ユニットのＳＯＣの差が所定の範囲内となるように、前記少なくとも１つの前記電池ユニットの充放電を行ってから、前記追加接続される電池ユニットを接続することを特徴とする請求項１または２記載の蓄電システム。
4. 前記組み合わせ決定部は、蓄電システム全体としての充放電指令値が、蓄電システム全体としての定格電力の１／２以下である場合に、前記複数の電池ユニットと前記複数の電力変換器を２以上のグループに別け、充放電の際に各グループが経時的に順番に切り替わるように組み合わせを決定することを特徴とする請求項１〜３いずれか一項記載の蓄電システム。
5. 前記組み合わせ決定部は、前記複数の電池ユニットのＳＯＣのうち、最大のＳＯＣと最小のＳＯＣの差が、規定値以下となるように組み合わせを決定することを特徴とする請求項４記載の蓄電システム。
6. 前記組み合わせ決定部は、前記複数の電池ユニットの電圧のうち、最大の電圧と最小の電圧の差が、規定値以下となるように組み合わせを決定することを特徴とする請求項４記載の蓄電システム。
7. 前記コントローラは、前記２以上のグループを経時的に順番に切り換える際に、一のグループの電力変換器の充放電を停止するタイミングと、次のグループの電力変換器の充放電を開始するタイミグが同時となるように前記スイッチを制御することを特徴とする請求項４〜６いずれか一項記載の蓄電システム。
8. 充放電可能な複数の電池ユニットが接続され、複数の電力変換器が前記電池ユニットに対して充放電を行うように構成される蓄電システムの制御装置において、
   前記蓄電システムは、
   前記複数の電池ユニットそれぞれに接続され、前記電池ユニットを前記複数の電力変換器に対して切り替え可能とするスイッチと、を有し、
   前記制御装置は、
   充放電に使用する電池ユニットと電力変換器を決定する組み合わせ決定部と、
   前記組み合わせ決定部が決定した前記電池ユニットを、前記電力変換器に接続するように前記スイッチの開閉状態を制御するスイッチ制御部と、
   前記組み合わせ決定部が決定した前記電力変換器に対して充放電指令を出力する電力変換器制御部と、を有することを特徴とする蓄電システムの制御装置。
9. 充放電可能な複数の電池ユニットが接続され、複数の電力変換器が前記電池ユニットに対して充放電を行うように構成される蓄電システムの制御方法において、
   前記蓄電システムは、前記複数の電池ユニットそれぞれに接続され、前記電池ユニットを前記複数の電力変換器に対して切り替え可能とするスイッチと、
   前記複数の電力変換器および前記スイッチを制御するコントローラと、を有し、
   前記コントローラは、
   充放電に使用する電池ユニットと電力変換器を決定する組み合わせ決定ステップと、
   前記組み合わせ決定部が決定した前記電池ユニットを、前記電力変換器に接続するように前記スイッチの開閉状態を制御するスイッチ制御ステップと、
   前記組み合わせ決定部が決定した前記電力変換器に対して充放電指令を出力する電力変換器制御ステップと、を実行することを特徴とする蓄電システムの制御方法。