本発明は、気象の影響を受ける風力発電等の再生可能エネルギの変動緩和に用いる蓄電池システムの保守に関する。
本発明の蓄電池システムは、タイマやセル間のバラツキの増加等に基づき保守充電の起動を要求する手段と、独立に充放電制御可能な複数の蓄電池バンクと、蓄電池のバンク数やバンク毎の出力若しくは容量等の諸元を保持する手段と、保守充電の必要な蓄電池バンク数等の諸元を保持する手段と、蓄電池のSOCを算出する手段と、変動緩和動作を継続しつつ複数の蓄電池バンクのうち一部の蓄電池バンクに対し保守充電を行った場合に保守充電を行わない残りの蓄電池バンクにて変動緩和動作を破綻せずに保守充電を完遂できる確率(以下、保守充電成功率と表記)を保守充電開始時のSOC値毎に求めたデータ(以下、保守充電成功率データと記載)と、複数の蓄電池バンクに対して充放電の動作を指令する充放電制御部と、保守充電起動要求を受け現在のSOC値と蓄電池バンク構成等の蓄電池の諸元と保守充電を必要としている蓄電池バンク数及び保守充電成功率データから実際に保守充電を開始するか否かの判定を行う保守充電開始判定部とを有することを特徴とする。
尚、保守充電成功率のデータは、バンク総数nバンク中でmバンクに対して保守充電を行う場合等、蓄電池のバンク構成、バンク毎の性能等の諸元、保守充電の様態毎に保持しても良い。
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
図1は、蓄電池システムの全体構成を示したものである。本図においては、再生可能エネルギ源として風力発電機を示しているが、再生可能エネルギ源はこれに限定されるものではない。
本図において、風力発電機110は、母線109を介し、適宜変圧器等を介して送電線等の外部系統108に接続されている。風力発電機110により発電した電力は、外部系統108に供給される。図示しないものの、発電機の形式(誘導か同期か)に依存し、例えば同期発電機ではコンバータ−DCバス−インバータのリンクを経て外部系統108に連系する構成のものでも本発明は同様に適用できる。
風力発電機110は、コンバータ102を介して蓄電池バンク101に接続されている。これは、風力発電機110により発電される電力が時間的に大きく変化することに対応し、この電力が多いときは蓄電池バンク101に充電する一方、電力が少ないときは蓄電池バンク101から放電することにより、外部系統108に送られる電力を平準化するためである。蓄電池バンク101の容量は、例えば、風力発電機の発電量を所定の平滑特性となるよう処理した値を外部系統108に出力する風力発電システムの合成出力とし、左記合成出力に対する過不足を蓄電池への充放電にて補う一般的な変動緩和動作を行った場合に過不足の生じない容量とする。
ここで、一般的な変動緩和動作の一例を示す。
発電機出力電流をIG、外部系統108に出力する電流をIOとすると、蓄電池の充放電電流IBは、下記数式(1)で表される。
尚、ここでは簡略化のため、電圧がおよそ一定と仮定し、電流の変化分のみで示す。また、電流の符号は、正が蓄電池からみて放電、負が蓄電池からみて充電とする。また、外部系統108に出力する電流IOは、発電機出力電流IGを平滑した値であり、一例としては下記数式(2)で表される。
ここで、Fl1stoは、一次遅れによる平滑演算で、簡易的な例として、下記数式(3)で表される演算が挙げられる。
式中、Tconstは、平滑化の時定数である。Fl1sto(t−1)は、一時刻前の平滑値である。尚、上記数式(3)は、単位時間のサンプリング間隔の場合(例1[s]など)を示している。
平滑特性の例としては、例えば風力発電システムの合成出力の変動幅を、任意の時刻断面より開始する20分間につき風力発電所定格出力の10%以下とする特性が挙げられる。平滑アルゴリズムの例としては、一次遅れ演算以外に移動平均や、積和演算を用いたローパスフィルタ演算があるが、時定数を適切に定めることで、本実施例の用途においては、どのフィルタもほぼ同様に使用することができる。変動緩和の方式としては、上記以外にも、所定の時間、風力発電システムの合成出力を一定値に保つ方式もある。電力系統の安定化に寄与する目的で今後新たな平滑化の基準や方式が設定された場合はその都度、後述する保守充電成功率演算部114に対して、その平滑化方式を追加することで、本発明の一連の処理を同様に適用することができる。
蓄電池バンク101は、風力発電機110にて発電した変動を伴う発電量に対し概ね逆位相となる充放電を行うことにより、風力発電機110からの電力の変動を緩和し、外部系統108に連系する。蓄電池バンク101は、本発明では2つ以上で変動緩和動作に使用すると仮定する。蓄電池バンクはそれぞれ、1つ以上の蓄電池で構成されている。一例として、風力発電機の出力電圧と概ね一致する程度の電圧である場合、200〜300個程度の直列接続である。蓄電池バンクはそれぞれ、独立のコンバータ102で独立に充放電制御することが可能となっている。
蓄電池バンク101を含む蓄電池システムは、平準化制御部103と、保守充電成功率演算部114と、風況/発電量/充放電量データ保持部115とを備えている。尚、保守充電成功率のデータを保守充電成功率データ保持部113に格納後に更新しない場合は、保守充電成功率演算部114と、風況/発電量/充放電量データ保持部115は、設計時のみに使用し、必ずしも平準化制御部103と連結させておく必要はない。
平準化制御部103は、充電状態(SOC)を算出するSOC算出部104(充電状態算出部)と、充放電制御部105と、保守充電要求起動部106と、保守充電開始判定部107と、保守充電必要バンク情報保持部111と、蓄電池諸元保持部112と、保守充電成功率データ保持部113と、保守充電猶予時間保持部116とを含む。
平準化制御部103は、ある時間における風況の変動に対応して、外部系統108に供給する電力の変動幅を所定の範囲内とする機能を有する。例えば、風速変化を伴う20分間の風に対し、風力発電所が外部系統108に出力する電力の変動幅を風力発電所の定格出力の10%以内とするといった制御である。
SOC算出部104は、蓄電池バンク101の電流、電圧、温度、電流の積算値、開回路電圧(OCV:Open Circuit Voltage)等の各種計測データからSOCを算出する。
保守充電要求起動部106は、鉛蓄電池の運用における均等充電やリチウムイオン蓄電池のOCV取得動作(両者を含め、保守充電)の開始要求を起動する。保守充電要求の起動としては、定期的(例えば2週間毎)、鉛蓄電池のセル間のバラツキが所定値を超過した場合や、電流積算値から算出するSOCと他の指標から算出するSOCとの乖離が所定値を超過した場合、操作員の手動操作による起動、より多くのシステムを統合的に制御している上位系等からの遠隔による起動などがある。
保守充電要求起動部106は、外部入力117からの信号(発信源は操作卓あるいは近接/遠隔に設置された装置内でのSCADA等のソフトウェア)を受けるようになっている。保守充電開始判定部107は、外部出力118を介して操作卓(あるいは近接/遠隔に設置された装置内でのSCADA等のソフトウェア)に信号を送ることができるようになっている。尚、117、118とも操作卓の入力装置や出力装置に限らず、遠隔との通信を含む汎用の入出力であり、平準化制御部103における全般的な外部との信号の送受を担うものとする。
保守充電必要バンク情報保持部111は、ある時点において保守充電が必要な蓄電池バンク101がどの程度あるか、といった情報を保持する。保持する情報の例としては、6バンク構成のうち2つのバンクでばらつきが所定値を超過し保守充電が必要になっている等の情報である。蓄電池諸元保持部112は、蓄電池バンク101の各々の容量、最大充放電電流値等、変動緩和動作に関係する各種諸元を保持する。
保守充電成功率データ保持部113は、複数ある蓄電池バンクのうち全バンク数より少なくかつ1つ以上の蓄電池バンクに対し、保守充電を行う。そして、保守充電成功率データ保持部113は、保守充電を行わない蓄電池バンク(残余バンク)のみにて変動緩和動作を継続した場合、該残余バンクの動作条件を超過せずに保守充電を完遂できる確率を、保守充電を開始するSOC値毎に求める。尚、ここで、保守充電を開始するSOC値とは、保守充電を開始する直前の変動緩和動作中のSOC値を意味する。
全てのバンクの蓄電池容量を合計した容量が、前述の如く、風力発電機出力の平滑値が合成出力となるよう蓄電池にて充放電を行う変動緩和動作のために過不足無い容量の場合、蓄電池の全バンクが連動して同じSOC値を保ちながら推移する方式とすると、理想状態でSOCの範囲超過等の破綻が生じないほか、内部の状態量の相対関係が一意に決定できる。
本発明の計算例では、上記理想的な条件での計算例を示した。一方、一定の破綻率を許容し、SOCをある値に追従させる等の制御を入れた場合でも、追加した制御の係数毎にパラメトリックに保守充電成功率を求めることで、本発明は同様に適用できる。ここで、破綻率とは、変動緩和動作を継続しつつ複数の蓄電池バンクのうち一部の蓄電池バンクに対し保守充電を行った場合に保守充電を行わない残りの蓄電池バンクにて変動緩和動作が破綻する確率をいう。保守充電成功率データ保持部113にて使用する保守充電の成功率は、風力発電機の設置サイトの建設に先立ち観測した風況データ、又は、隣接する風力発電所の発電量データ等の運用開始前に取得したデータ、若しくはその風力発電所の運用開始後に変動緩和動作を実施しつつ取得したデータに基づいて作成される。
保守充電成功率データは、同データの作成時の条件にあわせ、条件毎に複数の保守充電成功率曲線を備えても良い。日本付近の風の状況は、季節毎に大きく異なることが知られており、一般に冬季の方が季節風の影響を大きく受け、風力が大きい傾向をもつことが知られている。
例えば、分析に用いる風力発電機の発電量が、冬季のデータの場合、冬季の保守充電成功率曲線の算出に用いられる。風力発電所の運用開始後、実際に保守充電を行う際、季節毎に保持した保守充電成功率曲線は、外部入力117や平準化制御部103の保持する図示しないRTC(リアルタイムクロック、カレンダー、時刻等を保持する手段)等から取得した季節に関する情報に応じ、切り換えられる。上記の保守充電成功率データ作成時の条件に応じた、複数の保守充電成功率曲線の選択は、保守充電成功率作成時と、運用開始後に実際に保守充電を行う際の保守充電成功率曲線選択時の条件が(およそ)一致する方式とすれば、季節以外の他の条件に関しても拡張可能である。
例えば、時刻によって変わる(海陸風のような)風速の傾向、若しくは天候による風速の傾向、風向による風速の傾向(周囲の地形、隣接風力発電機との相互の影響など)、気象データ若しくは気象予測データの値に依存した風速の傾向など、風速の状況と相関を生じうる条件で、かつ保守充電成功率曲線の算出時と、運用開始後に実際に保守充電開始判定時に対応する保守充電成功率曲線の選択に用いるデータを外部入力117や平準化制御部103内部の情報源から入力できるものであれば、種類は問わない。
風況/発電量/充放電量データ保持部115は、保守充電成功率を算出するための各種データを保持する。いずれも年単位、月単位など長期のデータが望ましい。また、サイトの運用開始後に測定したデータを用いても良く、更に前述の運用開始前のデータ及び運用開始後のデータの双方を用い、保守充電成功率データを継続的に更新しても良い。
保守充電成功率演算部114は、風況/発電量/充放電量データ115に保持したデータを用い、一部バンクに対し保守充電を開始したと仮定し、保守充電を完遂するまで、保守充電を行わない残余バンクのみで残余バンクの容量を超過せず変動緩和動作を継続できる確率を、保守充電開始時のSOC毎に求める。上記計算によれば、バンク構成等の諸条件を変えた複数のケースに対し行うことで、例えば蓄電池の全5バンク中の3バンクで変動緩和動作を継続しつつ、2バンクに対し保守充電を行う場合に保守充電を完遂できる確率を事前に知ることができる。
保守充電成功率は、保守充電を開始するSOCの値に依存し大きく変化するため、より成功率の高いSOCから保守充電を開始することで、風力サイトの稼働率を向上できる。保守充電開始判定部107は、保守充電要求起動部106により保守充電の要求を受けた場合に、SOC算出部104からの蓄電池のSOCの値、保守充電必要バンク情報保持部111からの保守充電が必要となっているバンクの数の情報、当該保守充電の必要な蓄電池バンク及び変動緩和動作を継続する蓄電池バンクの最大充放電電流値や容量等の蓄電池諸元(蓄電池諸元保持部112からの情報)に基づいて、保守充電の開始を判定する。
充放電制御部105は、保守充電開始の指令を受けた場合、例えば1つの蓄電池バンクで変動緩和動作を継続しつつ他方の蓄電池バンクに対して所定の手順で保守充電を行う。
保守充電開始判定部107は、保守充電要求起動部106からの保守充電要求を受信した際、もし、現状のSOC値、保守充電必要蓄電池バンク数等の情報に基づいた保守充電成功率が所定値より低い場合は、保守充電要求の受信後直ちに保守充電の開始指令を出力せず、保守充電成功率がより高い状態に移行するまで、一時的に保守充電の開始指令を保留する。例えば、蓄電池バンクが2つの場合で、SOCが50%前後の場合、一方の蓄電池に対し保守充電を開始した場合の成功率はほとんど0%であるが、十数時間の経過で保守充電成功率は35%以上に向上する。これは、後述の図6のとおりである。
保守充電の開始を保留できるのは、多くの場合で、保守充電を開始するまでの猶予時間が比較的長いためである。例えば、従来、鉛蓄電池の保守充電(均等充電)は、二週間の一定間隔で行う場合があるが、この二週間の間隔が十数時間延びた場合の影響は軽微と考えられる。
しかし、一方で、リチウムイオン電池のSOCの指示値の誤差が明らかに大きく、直ちに保守充電(休止による正確なOCVの取得)を行わなければ運用に支障をきたす等、猶予時間が比較的短いケースも存在しうる。そこで、保守充電猶予時間保持部116にて、保守充電開始判定部107が保守充電の開始を保留できる最大の猶予時間を保持し、当該時間の経過で、現状の保守充電成功率の如何によらず保守充電開始判定部107が、保守充電の開始指令を出力するようにしても良い。或いは、外部出力118経由で操作卓にメッセージを表示し、運転員の指示を仰ぐようにしても良い。尚、保守充電猶予時間保持部116に格納する猶予時間は、必ずしも固定ではなく、保守充電の切迫の度合い(例えばセル間のばらつきの大きさ、SOC誤差の拡大の程度等)に応じ、可変としても良い。
なお、平準化制御部103、保守充電成功率演算部114及び風況/発電量/充放電量データ保持部115の配置、構成等は、上述の例に限定されるものではなく、これらの機能を発揮する構成であればどのようなものであってもよい。また、保守充電成功率演算部114は、平準化制御部103に含まれていてもよく、保守充電成功率の演算を平準化制御部103にて行ってもよい。
(図2の説明)
図2は、保守充電開始時のSOCに対する保守充電成功率曲線の例を示したものである。横軸は保守充電開始時のSOCであり、縦軸は保守充電成功率である。尚、蓄電池容量は必要最低限の構成であり、全バンクのSOCが連動して変動緩和していると仮定している。縦軸の保守充電成功率は、一部の蓄電池バンクに対し保守充電を行う場合に、変動緩和動作を継続する蓄電池バンクの容量を超過せず、保守充電を完遂できる確率である。
本図において、曲線130は、同一電流容量、同一Ah容量の蓄電池バンクを2個設けた構成の変動緩和システムにおいて、1個の蓄電池バンクにより変動緩和動作を継続しながら他の1個の蓄電池バンクに保守充電を行う場合の成功率を示したものである。同様に、曲線131は、同一電流容量、同一Ah容量の蓄電池バンクを6個設けた構成において、5個の蓄電池バンクにより変動緩和動作を継続しながら1個の蓄電池バンクに保守充電を行う場合の成功率を示したものである。さらに、曲線132は、電流容量の比及びAh容量の比をともに2:1とした2個の蓄電池バンクで構成した変動緩和システム(容量の比を図中のバンクを表す長方形の面積で表現している。)において、容量が小さいほうの1個の蓄電池バンクにより変動緩和動作を継続しながら容量の大きいほうの1個の蓄電池バンクに保守充電を行う場合の成功率を示したものである。
尚、保守充電の時間は10時間とした。また、曲線130は、例えば同一容量の2個の蓄電池バンクのうち1個の蓄電池バンクに対して保守充電を行うケース以外に、例えば同一容量の6個の蓄電池バンクで3個の蓄電池バンクに対して同時に保守充電を行う場合にも適用できる。同様に、曲線132は、例えば同一容量の3個の蓄電池バンクで2個の蓄電池バンクに対して同時に保守充電を行う場合にも適用できる。
以下、適宜、電流容量や充放電容量の比が同一或いは近似する他のケースにも同様に適用できる。バンク構成単位でなく、容量の比を整数比以外に拡大し、パラメトリックに本図の曲線を求めれば、より一般のケースに対して対応可能となり、多種多様な蓄電池の組み合わせに対し、同一の手順を適用できるようになる。
本図の曲線からわかるように、保守充電を開始するSOCの値及び全バンクにおける保守充電を行うバンクの割合に応じ、変動緩和動作中に一部のバンクに対して保守充電を行う場合の成功率は大きく変動する。したがって、この特性を有効に活用することで、保守充電成功率の高い、より有利な条件下で保守充電を開始することが可能となり、発電所の稼働率を向上できる。
ここでは、例として、変動緩和用の蓄電池が同一容量の蓄電池バンク2個の構成の場合に、SOCが55%のときに保守充電要求起動部106から保守充電開始判定部107へ保守充電要求がなされたと考える。
同一容量の蓄電池バンク2個の構成の場合の保守充電の曲線は、図2の曲線130に相当する。本図からわかるように、曲線130の横軸のSOC55%に対応する保守充電成功率は、ほぼ0%である。したがって、保守充電開始判定部107は、保守充電が直ちに必要な切迫した状況以外の場合、充放電制御部105への保守充電開始の指令の出力を留保する。
その後、時間の経過とともに、より高い保守充電成功率に対応するSOCに移行したことを見計らって、保守充電開始判定部107が充放電制御部105へ保守充電開始の指令を出力する。
次に、保守充電成功率曲線の作成手順を説明する。
図3は、保守充電成功率曲線の作成工程の例を示すフロー図である。
保守充電成功率曲線の作成は、図1の保守充電成功率演算部114で行う。まず、保守充電成功率算出の基礎となる測定データを風況/発電量/充放電量データ保持部115から入手する(S501)。これは、例えば風力発電の場合、建設に先立ち、建設予定地の風況を相当期間(1年以上など)にわたり、測定をしている場合がある。また、近隣で既に稼働中の風力発電所がある場合は、その発電量データなどを可能な限り入手する。後者の場合、同一形式の風力発電機の発電量の時系列データであれば更に好ましい。
入手した測定データは、その形式により、例えば風速データであれば、発電量の風速の三乗則など公知の手法で発電量の時系列データに変換する。本実施例では、風力発電所の運用開始前の事前データに基づく保守充電成功率曲線作成の例を示したが、運用開始後の実測データに基づいても、同様に保守充電成功率曲線を作成/或いは事前データと合算し累積的に更新することができる。運用開始後のデータを用いた場合、事前シミュレーションの場合と比較し、各種仮定による誤差が生じない点が有利である。一方、データの蓄積量が、特に運用開始直後では少ないため、運用開始前の事前データあるいはワイブル係数を用いた統計的な風況データを加えることで統計的偏りが回避される。
つぎに、S502にて、発電量の一次遅れによる平滑値を出力の追従目標とする等の、一般的な公知の変動緩和アルゴリズムにて蓄電池に対し充放電を行った場合の挙動を分析する。変動緩和の例は、上記数式(1)〜(3)に示すものを用いることができる。また分析の方法は、後述の図4にて詳細に説明する。分析結果に基づいて保守充電成功率マップを作成する。
得られた分析結果のデータは、図1の平準化制御部103の保守充電成功率データ保持部113に格納する(S503)。
その後、上記のデータを用いて保守充電開始決定タスクを開始する(S504)。これについては図5を用いて後述する。
以下、分析の方法について図4を用いて説明する。
図4は、保守充電成功を判定する過程の例を示すグラフである。
図中、右上のグラフは、風力発電機により発生した電流の経時変化を示したものである。ここで、電流として示した値は、風力発電機により発生した電力を所定の電圧に調整し、必要に応じ規格化した場合の電流の値である。
右下のグラフは、変動緩和システムを構成する複数個の蓄電池バンクのうちの1個について充電状態(SOC)の経時変化を示したものである。保守充電の時間は10時間としている。
同図左側のグラフは、ある充電状態(SOC)において保守充電が成功する確率を示したものである。これは、図2と同じものである。
分析は、変動緩和動作を継続する保守充電を行わない側の蓄電池バンクの電流制限値及びSOC範囲の双方の超過の有無について、全ての開始時刻から保守充電を開始したと仮定して行う。ここで、保守充電は、簡略化のため、変動緩和対象の風力発電機以外の別電源を用いるとする。
図4の右上及び右下のグラフは、例として、図2の曲線130に示す、同一電流容量、同一Ah容量の蓄電池バンクを2個設けた構成の変動緩和システムにおいて、1個の蓄電池バンクにより変動緩和動作を継続しながら他の1個の蓄電池バンクに保守充電を行う場合である。図4のグラフにおいて、時刻t1から保守充電を開始し、他方のバンクで変動緩和動作を継続すると仮定する。この場合、変動緩和システムを構成する蓄電池の容量が半分となるため、充放電電流の制限値は、図中のIdmaxからIdmax/2(放電)、IcmaxからIcmax/2(充電)と半分になる。
この条件において、保守充電を継続する10時間の間に上記制限値を超えずに経過すれば、電流制限値に関する超過はないもの(符号143)と判定する。
同様に、変動緩和動作を継続する蓄電池バンクのSOCは、他方のバンクが保守充電をしている場合、右下のグラフ中の点線で示すように従来の2倍の傾きで変化するが、この場合でも、保守充電の継続時間中にSOCが制限範囲内で推移すれば、SOCに関する超過はないもの(符号142)と判定する。
この場合、符号143及び142から、電流及びSOCの双方の超過がないと判定されているため、保守充電開始の時刻t1に対応するSOC1に対して、保守充電成功率の「成功」の累積度数に1が加算される。
尚、ヒストグラムとして集計する関係上、実際にはSOC1を含むある幅をもった階級範囲に関し、度数を累積する。階級範囲の幅の一例としてSOCの5%が挙げられるが、統計処理するデータが多い場合は、より狭い幅を採用しても統計上有意な度数まで集計することができる。逆に処理すべきデータが少ない場合は、階級範囲を広めにとり累積される度数を統計的に有意とみなせる量まで確保する。度数が有意か否かの判断基準の一例として、ヒストグラムが滑らかに変化するかどうかがある。処理すべきデータが少ないにもかかわらず階級範囲を狭くした場合、隣接する階級の度数の変動が大きくなる。また、前記SOC1に対する成否のカウントを、ヒストグラム処理せず、そのまま保持することで異なる階級範囲の幅に対するヒストグラムの変化を確認してもよい。同様にヒストグラム処理しない上記SOC1に対する成否カウントを、後に追加の統計処理にて得られた成否カウントとあわせてヒストグラム処理する目的で保存しても良い。
同様に、時刻t2から保守充電を開始した場合には、SOCが下限を下回るため(符号146)、対応するSOC2は、保守充電成功率の「失敗」の累積度数に1が加算される。
さらに、t3からの保守充電開始の場合、最大放電電流値超過(符号149)のため、対応するSOC3は、保守充電成功率の「失敗」の累積度数に1が加算される。
時刻t2から保守充電を開始した場合のように、SOCの超過に関しては、たとえ電流制限値の超過が無い場合でも、SOCの超過が起こる可能性がある。
例えば、保守充電を行わず2つのバンクで変動緩和動作を行っていた場合にSOCが50%から80%に増加(30%増)する局面に対応したタイミングで、1つのバンクの保守充電を行った場合、変動緩和動作を継続する他方のバンクは、50%から110%(60%増)となり、明らかにSOCの制限範囲を超過する。SOC運用範囲のうち、中間のSOCから開始した場合、SOCの変化幅の観点から、変動緩和動作を継続する側の蓄電池バンクでのSOCの超過が生じやすい。
加えて、風の強弱分布の基本的性質から、発電機出力の一次遅れによる平滑値を出力の追従目標とする等の、一般的な公知の変動緩和アルゴリズムを適用すると、中間のSOCでの滞留時間は、比較的短く、長い時間の経過を待たずして、どちらかのSOC(特に、低い方のSOC)に移行する性質もある。したがって、変動緩和動作に保守充電を行う場合、中間のSOCから開始することは、非常に不利となる。
以上の手順は、図3のS502にて行う保守充電成功率の計算を示したものであるが、この場合、種々のバンク構成、バンク毎の電流制限値、容量、保守充電時間(例えばOCV状態に保つ時間や均等充電時の押し込み充電時間等、設定に任意性をもつ時間)、蓄電池の種類、季節毎の風況の変化、発電機毎の特性の違い、複数発電機のうち休止する発電機が存在する場合の違いなど、統計処理をするに十分にデータがある場合には、種々の条件下での保守充電成功率を算出すると、運用時の状態により合致させた保守充電成功率を作成することができる。
次に、図3のS503で算出結果を、保守充電成功率データ保持部113に格納する。この格納作業は、風力発電所建設前の風況データを元にする場合、風力発電所運用開始前に一度だけ行っても良い。運用開始後の実績データに基づき、実際に用いる風力発電機に関する測定データを用い、随時更新しても良い。したがって、風況/発電量/充放電量データ保持部115及び保守充電成功率演算部114は、運用開始前のみの段階で用いても、運用開始後に引き続き用いても良い。保守充電成功率データを格納した後、実際に保守充電成功率データに基づいた変動緩和動作中の保守充電の適用を開始する。もちろん、変動緩和動作中の保守充電を、発電所運用開始時には適用せず、実績データを十分に蓄積した後に、適用を開始しても良い。
風況データの例としては、風速の出現率分布を表すワイブル分布がある。ワイブル分布は、一般に下記数式(4)で表される。
式中、f(V)は風速Vの出現率であり、cは尺度係数であり、kは形状係数である。
次に、保守充電開始の決定に関するタスクのフローを説明する。これらのフローは、図1の平準化制御部103内の複数の機能ブロックが関連して動作する。
図5は、保守充電開始決定タスクの例を示すフロー図である。
まず、S510で保守充電要求起動部106が保守充電開始要求のトリガを発生させる。トリガ発生の要因としては、例えば2週間毎等の定期的な保守充電の期限の到来、バンク中の複数の蓄電池間での電圧のばらつき(SOCのばらつき)が所定値を超過した場合、運転員の手動操作による保守充電指令の入力、他の発電サイトも含め統括的に管理する上位系からの遠隔による保守充電指令などがある。
運転員の操作や遠隔からの指令は、外部入力117より入力される。その他、2週間等の一定周期のトリガは、外部入力117より入力しても、平準化制御部103内部の図示しないリアルタイムクロックからトリガをかけても良い。また、セル間のばらつきは、平準化制御部103に入力される計測データから算出される。
但し、S510で保守充電開始要求トリガが発生した時点では、保守充電の開始要求に過ぎず、実際に保守充電を開始するか否かの判定は、保守充電開始判定部107が他の要因を勘案して判定する。そのステップの1つがS511である。
ここでは、SOCの現在値、バンク構成、及び保守充電必要バンク数や希望する保守充電時間等の諸条件から、対応する保守充電成功率データを参照し、その時点での保守充電成功率を算出する。保守充電成功率データの参照にあたっては、季節や天候等の状態を外部入力117より入力し、例えば季節毎や天候毎に、対応する保守充電成功率のデータを参照することで、より精度の高い保守充電成功率のデータを得ることができる。
実際に日本付近では、季節毎に変わる気候により、季節風の影響が顕著に現れ、冬季と夏季では風況が大幅に異なる地点が多いことが知られている。同様に天候の大まかな傾向により風況が異なるため、保守充電成功率の特性も変わる。よって、天候に応じ、適用する保守充電成功率のデータを対応する天候のものに切り換えることで、保守充電成功率の高精度化が図れる。
一般に、気象予測データを用い、数時間後までの風速そのものを予測し、変動緩和動作に役立てることは、現在の予測精度の関係で困難である。一方、本実施例のように、気象との関連を統計処理したデータ群の切り換えに、気象の現況データを用いる場合は平均化により効果が見込める。
例えば、曇天の場合、晴天と比較し日射の影響が小さく、風力の変動が小さいと予想される。山と海に面した風力発電機の場合、気象データの一例として、例えば風向を用いれば、海からの風に対しては変動が少ないことが予想され、逆に山からの風に対しては、地形による乱流で変動が大きな風況となることが予想される。その他、時間帯による保守充電成功率の切り換えを行っても良い。これは、早朝や夕方は海陸風等の効果で風速が小さい等の傾向を利用するものである。
その算出結果をもって、S512にて、成功率が閾値以上かを判定する。成功率が閾値以上の場合、十分に高い確率で変動緩和動作中の保守充電が可能と判定し、S518で保守充電開始判定部107が充放電制御部105に対して、保守充電の開始を指令する。充放電制御部105は、指定された保守充電の方式に従い、変動緩和システム中の保守充電対象の蓄電池バンク101に対し保守充電を行うようコンバータ102に指令値を送る。保守充電の方式に関し、鉛蓄電池ではセル間のバラツキ防止のための均等充電、若しくは電流積算値のリセットのための充電がある。
リチウムイオン蓄電池では、開放電圧(OCV)取得のための充放電の休止若しくはSOCに対する閉路電圧勾配平坦部(CCV電圧勾配平坦部)を回避するための充電等が挙げられる。電圧勾配平坦部の回避は、例えばSOCを高い箇所若しくは低い箇所に移行させることで、SOC変化に対する閉路電圧(CCV)の変化の大きな状態とし、SOCのズレを修正する(SOCゲージのリセット)ためのものである。OCVの取得は、リチウムイオン蓄電池に限らず鉛蓄電池を含む他の蓄電池に対しておこなっても良い。本実施例では、保守充電に伴う均等充電やSOC調整時の電源は、図1に図示しない別電源を用いることを前提とした。
加えて、別電源を用いずに変動緩和システムの母線109を電源とする方式で、保守充電成功率演算部114にて保守充電成功率を演算し、該成功率を保守充電成功率データ保持部113に保持することで、別電源を用いない保守充電にも対応できる。保守充電に別電源を用いる方式と用いない方式の双方の保守充電成功率を保守充電成功率データ保持部113に保持し、実際におこなう保守充電の方式にあわせて切り換える方式としてもよい。
尚、母線109を電源とする保守充電の方式では、保守充電のための電力は、風力発電機110から供給(吸収)されるようにしてもよい。また、保守充電のための電力は、保守充電対象とならない他の蓄電池バンク101から供給されるようにしてもよい。さらに、他の蓄電池バンクのみが当該電源から電力を吸収するようにしてもよい。さらにまた、保守充電のための電力は、図示しない他の電源から母線109経由で供給(吸収)されるようにしてもよい。
S513〜S515は、オプションであるため、必ずしも適用する必要はないが、利便性が向上する。
S513は、前のステップのS512で保守充電の成功率が閾値未満の場合、SOCの現在値、バンク構成、保守充電必要バンク数その他測定値や情報に基づき、保守充電成功率が所定の閾値を上回るまでの予想待ち時間を算出する。待ち時間の算出方法は後述する。
S514では、予想待ち時間の閾値判定を行う。
もし予想待ち時間が閾値以上であった場合、S515に進む。変動緩和動作を継続しつつ保守充電を行う場合、希望する待ち時間内で、成功率の高い保守充電を行えない可能性がある旨を表示し、又は遠隔に送信し、以後の動作の選択に関する運転員の指示を仰ぐ他、例外処理1の実行に移る。
上記の移行の動作の選択の例として、強制的に保守充電を開始するか、或いは稼働率を重視し、確率的には低いが、SOCの状況が好転するまで限界まで待ち、その後、変動緩和動作を継続し、又は休止して保守充電を行うか等の選択がある。
上記例外処理1の例としては、操作員の選択結果の入力を待たずに、若しくは選択結果の入力のタイムアウトした際に、保守充電の実行を即時に実行し、若しくは最大待ち時間まで待った後に実行し、その際、変動緩和動作を休止するか否か等の選択を予め定められた手順で自動実行する。この際、操作員の入力指示待ち時には提示しない、より複雑な手順を組み込んでも良い。
例えば、蓄電池の全6バンク中、3バンクが保守充電必要となった場合、保守充電必要なバンクのうち1バンクの保守充電までの待ち時間を長く取れ、他の2バンクの待ち時間が短く、かつ2バンクまでの保守充電であれば、保守充電成功率が閾値以上となる場合、当該2バンクのみに保守充電を適用する等がある。
予想待ち時間の閾値は、状況により異なる。例えば2週間毎の定期的な保守充電の開始を行う場合、数日程度まで保守充電の間隔が延びた場合の影響は小さいと仮定し、閾値を数日程度に設定できる。一方、電流積算によるSOC値と他の指標によるSOC値の指示の差が拡大し、制御に支障が出る場合などは、短期間の閾値を設定する。もちろん操作員の入力による保守充電開始の即実行指令の場合は、閾値は0である。
S516は、保守充電成功率が閾値以下であるために保守充電を保留している場合の最大待ち時間超過の判定である。同様に、S516にて、待ち時間以外に絶対遵守要件の超過の切迫の有無を判定基準としても良い。例えば、ばらつき等、S510での保守充電開始要求を発生させる閾値ではなく、より要件が厳しい絶対に遵守すべき閾値(S516中では絶対遵守要件と記載。例えばその値を超えると永久故障となる確率が急激に高くなる条件、例えば電気/電子部品における絶対最大定格値など)を、保守充電の開始を保留している間に超過してしまわないように、S516のステップにて、更新された測定値その他の情報に基づき判定する。
もし最大待ち時間を超過した場合、或いは絶対最大要件の超過が切迫した場合、S517で例外処理2を行う。これは例外処理1と類似であるが、最大待ち時間終了まで状況の好転を待つという動作は除く。また、図示はしないが、保守充電を即時実行する際、保守充電を行わない蓄電池バンクにて変動緩和動作を継続するか否かの選択を操作員に求めるために提示しても良い。最大待ち時間を超過していない場合、S511に再び戻り、更新され続けるSOC現在値等の情報に基づき、再び以降のフローを実行する。
もちろん、操作員の入力による保守充電開始の即実行指令の処理は、図5のフローを実行せず、保守充電開始判定部107が充放電制御部105に対して、即保守充電開始指令を指示しても良い。
図6は、保守充電成功率の時間推移の例を示したものである。横軸は保守充電を開始するまでの待ち時間を、縦軸は保守充電成功率を示している。
本図は、保守充電成功率が低いSOCの場合には、保守充電の開始を遅らせればよいことを説明するものである。言い換えると、保守充電の開始の留保をすることにより、保守充電成功率が向上することを示している。
具体的には、本図においては、SOCが55%〜60%の範囲にあるとき、すぐには保守充電を実施せず、横軸に表示した時間だけ待った後、保守充電を開始した場合の保守充電成功率の推移を示している。蓄電池のバンク構成としては、同一容量の全2バンクのうち1バンクに関し保守充電を行い、残りの1バンクで変動緩和動作を継続するケースのデータを示している。
本図からわかるように、待ち時間が0か非常に短い間は、保守充電成功率は低いものの、その後、時間の経過とほぼ比例し、保守充電成功率が増加する。待ち時間が約13時間で保守充電成功率はほぼ飽和に達する。よって、例えば2週間毎の保守充電を開始しようとした場合、その時点のSOCが55%前後であった場合、約半日待つことで、変動緩和動作を行いながら保守充電を行った際の成功率が高い条件に移行することが判る。
尚、本図において、縦軸の保守充電成功率の最大値が40%とあまり大きな値とならないのは、保守充電開始要求を受けた時点のSOCが55%〜60%の範囲にある多くのケースをサンプルとして用いているためであり、成功率の高いものと低いものとが平均化されていることによる。例えば、約半日の待ち時間の間で、より高い保守充電成功率に達しているサンプルもあれば、より短い時間で高い保守充電成功率に達した後、逆に小さな保守充電成功率に移動しているサンプルも含めている。
したがって、一つ一つのサンプルに関し、保守充電成功率の閾値に達した場合に、即座に保留を中止し、保守充電を開始するなどした場合は、より短い待ち時間となる可能性がある。図6を用いると、保守充電開始要求を受けた時点のSOCに基づき、所定の保守充電成功率に達するまでの平均的待ち時間を算出できる。いま、保守充電に着手してよい保守充電成功率を閾値170に設定した場合、閾値170に対応する時間は、平均待ち時間171のように決定できる。保守充電に着手してよい閾値の定め方としては、風力発電サイトの目標の稼働率を勘案して決定する方法、図6のように保守充電成功率が飽和状態或いは振動状態に移行するまでの時間等から定める。もちろん閾値は固定とは限らず、例えば季節毎に変わる風況によってSOCが動きやすい状況になった場合、短時間のうちに保守充電成功率の高いSOCに移行する可能性が高まるため、対応して保守充電成功率の閾値も高い値とすることができる。
本発明では、より高い保守充電成功率の条件になるまで保守充電の開始を保留する。したがって、保守充電の開始要求が発生してから、実際に保守充電を開始するまでに待ち時間が生じる。この待ち時間の平均値をtavwとすると、例えば2週間などの一定周期で保守充電を行う従来の方式と比較した場合、tavwだけ保守充電の間隔が延長されることになる。保守充電の間隔が延長されても問題ないケースも多いものの、推奨運用条件等で保守充電間隔が指定されている等、目標の保守充電間隔に近づける必要がある場合は、保守充電の実施間隔tmに対し、tavw/2だけ予めオフセットした時間を保守充電の要求間隔とするなどの補正を行うと従来の運用との乖離を少なくできる。図7は、一定周期の保守充電の平均待ち時間の半分(tavw/2)オフセットさせる例である。前記オフセットの結果、保守充電要求起動部106が保守充電の開始要求を保守充電開始判定部107宛に出力するタイミングが、図7の逆三角形で囲まれたA点から同B点に移行する。
本図において、網掛け部分180は、ある蓄電池バンクに関する保守充電の箇所を表し、白マスキング部181は、同一の蓄電池バンクに関する変動緩和動作の運用箇所を表している。
本図において、符号182は、前回の保守充電及びそれに続く変動緩和動作の運用、同様に中から下よりの符号183は、符号182と同一の蓄電池バンクに関する次の保守充電とそれに続く変動緩和動作の運用の箇所に対応している。
また、風況等によりタイムアウトでの保守充電の確率が高い場合、tavw期間中の発生密度に偏りが生じるため、オフセットはtavw/2とは限らず、待ち時間の出現頻度を考慮したオフセットとしても良い。
上述の例は、一定の時間間隔で保守充電開始要求を行う場合のものであるが、時間ではなく、別の指標に関しても、同様にオフセットをかけることにより保守充電待ち時間による各種誤差を低減できる。例えば、同一蓄電池バンク内のセル間のばらつきの度合いにより保守充電の開始要求を発生させる場合、ばらつきの増大の傾向が予め外挿等により予測できるとすると、ばらつきが閾値に達する時間から、tavw/2もしくは、tavw若しくはtavw+3σ相当等の時間に対応するばらつきを減じた値を閾値とすることで、目標のばらつきの閾値を超過する確率を低減できる。
この方法においては、tavw/2以外に、tavw若しくはtavw+3σ(一般にはtavw+nσであり、nは条件により加減する。)に相当する時間を閾値から減じてもよい。これは、最大待ち時間の場合でも、ばらつきの最大値が絶対に遵守すべき範囲を超過しないようにするためである。同種の閾値判定は、前述のとおり、S516で行っても良い。
以上の実施例では、風力発電の例を示したが、太陽光発電その他の発電において発電量が変動し、その変動が予見しにくい発電手段に関し、同様に適用可能である。蓄電池は、鉛蓄電池及びリチウムイオン二次電池に限らず、他の種類の蓄電池を適用しても良い。また、均等充電、OCV取得のための休止以外に、点検等の目的で一時的に解列する場合にも同じ手法が適用できる。
本発明によれば、余剰な蓄電池容量をもたない構成で、変動緩和動作中に保守充電を行う場合、変動緩和動作を継続する他方の蓄電池バンクの容量(充放電可能電荷量、最大充放電電流値)を超過せずに保守充電を完遂できる確率は、保守充電を開始するSOC値及び蓄電池のバンク構成によって大幅に異なる。例えばあるバンク構成における、あるSOC値から保守充電を開始する場合、保守充電を行わない残りのバンクの容量を超過せずに保守充電を完遂できる確率はほとんど0である。よって、上記条件を予め知っていれば、その条件を避けて保守充電を開始することで、変動緩和動作を継続しつつ保守充電を行え、発電設備の稼働率を向上できる。
上記全ての実施例において、変動緩和の対象となる発電装置は、再生可能なものに限定されず、保守充電成功率曲線を作成可能な出力変動の統計的性質を有する全ての電源に対して、同様に適用可能である。