JP2017221082A - 蓄電システム - Google Patents

Abstract

【課題】既存の発電装置に簡単に後付けでき、設置スペースがコンパクトで導入コストも比較的安価な蓄電システムを提供する。【解決手段】受電点Ｐと需要家の負荷６とを互いに繋ぐ幹線電路３に発電装置４が接続されている既存の電源システムに対して取り付けられる蓄電システム１０であって、発電電流検出部１２と、受電点電流検出部１１と、系統電圧検出部と、蓄電池１４と、蓄電池１４を充放電させる電力変換部１５と、発電電流検出部１２が電流を検出することによって発電装置４が運転されていることを検出した場合、受電点電流検出部１１によって検出された電流及び系統電圧検出部によって検出された電圧に基づいて求める受電点電力が、商用電力系統１への逆電力とならないように、電力変換部１５を通過する充放電電流を制御する制御部１６と、を備えている。【選択図】図３

Description

本発明は、蓄電システムに関する。

近年、ガスエンジン発電機、燃料電池等の発電装置が、分散型電源として需要家に設置されるようになってきた。これらの発電装置は、出力によって発電効率が変化するので、発電効率が最も高くなる一定出力で運転したい。ところが、需要家の負荷による消費電力は時間帯によって変化し、消費電力が相対的に小さくなる時期に一定出力で運転したとすると、余剰電力が発生することになる。これらの発電装置は、太陽光発電装置と異なり、商用電力系統への売電（逆潮）は認められていない。

そこで、消費電力が小さくなる時期には、発電装置の出力を絞る必要がある。しかし、そうすると、発電効率が相対的に低い状態で使用することになる。
かかる不利益を解消する一案として、発電装置に蓄電池を内蔵させた発電システムが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この発電システムでは、発電装置が一定出力で運転し、余剰電力は蓄電池に蓄え、逆に、一定出力では負荷消費電力を賄えない場合には蓄電池を放電させる。

特開２００３−１５３４４８号公報

しかしながら、蓄電池を内蔵した発電システムは、発電装置の他に蓄電池を一体に装備するハイブリッドシステムであるので、設備が大型化する。そのため、設置スペースに余裕が無い需要家には、設置が困難である。
仮に設置スペースの問題は無いとしても、近時の現実的な問題がある。それは、既に発電装置を設置している需要家に対して、上記のような発電システムをどのように適用するか、である。

例えば、まだ使える発電装置を廃棄して新たな発電システムに一新するとなれば、経済的な無駄が生じ、高額な導入費用がかかる。また、既存の発電装置に手を加えて蓄電池を備えたシステムに改造しようとすれば、ハードウェア及び制御内容の両面から大がかりな改造が必要となる。この場合も、高額の改造等費用がかかることは避けられない。

かかる課題に鑑み、本発明は、既存の発電装置に簡単に後付けでき、設置スペースがコンパクトで導入コストも比較的安価な蓄電システムを提供することを目的とする。

本発明は、一つの表現としては、商用電力系統からの受電点と需要家の負荷とを互いに繋ぐ幹線電路に発電装置が接続されている既存の電源システムに対して、取り付けられる蓄電システムであって、前記発電装置と前記幹線電路とを互いに繋ぐ分岐電路上に設けられ、前記発電装置のみによる電流を検出する発電電流検出部と、前記受電点に流れる電流を検出する受電点電流検出部と、前記商用電力系統の電圧を検出する系統電圧検出部と、蓄電池と、前記蓄電池と前記幹線電路との間に設けられ、直流／交流の双方向変換を行うことにより前記蓄電池を充放電させる電力変換部と、前記発電電流検出部が電流を検出することによって前記発電装置が運転されていることを検出した場合、前記受電点電流検出部によって検出された電流及び前記系統電圧検出部によって検出された電圧に基づいて求める受電点電力が、前記商用電力系統への逆電力とならないように、前記電力変換部を通過する充放電電流を制御する制御部と、を備えている。

本発明の蓄電システムは、既存の電源システムに簡単に後付けすることができ、しかも、発電装置とは独立した存在とすることができるので、設置スペースがコンパクトで導入コストも比較的安価となる。

蓄電システムを取り付ける前の、電源システムの既存の状態の一例を示す単線接続図である。 図１に示した既存の電源システムに、蓄電システムを後付けで取り付けた状態を示す単線接続図である。 図２の単線接続図を複線図で書いた回路図である。 図３における蓄電装置の部分のみを抽出した図である。 電力Ｗ_ＲとＷ_ｒｅｖとの相互関係を示す数直線図である。 電源システムに、第２例の蓄電システムを後付けで取り付けた状態を示す単線接続図である。 電源システムに、第３例の蓄電システムを後付けで取り付けた状態を示す単線接続図である。

［実施形態の要旨］
本発明の実施形態の要旨としては、少なくとも以下のものが含まれる。

（１）これは、商用電力系統からの受電点と需要家の負荷とを互いに繋ぐ幹線電路に発電装置が接続されている既存の電源システムに対して、取り付けられる蓄電システムであって、前記発電装置と前記幹線電路とを互いに繋ぐ分岐電路上に設けられ、前記発電装置のみによる電流を検出する発電電流検出部と、前記受電点に流れる電流を検出する受電点電流検出部と、前記商用電力系統の電圧を検出する系統電圧検出部と、蓄電池と、前記蓄電池と前記幹線電路との間に設けられ、直流／交流の双方向変換を行うことにより前記蓄電池を充放電させる電力変換部と、前記発電電流検出部が電流を検出することによって前記発電装置が運転されていることを検出した場合、前記受電点電流検出部によって検出された電流及び前記系統電圧検出部によって検出された電圧に基づいて求める受電点電力が、前記商用電力系統への逆電力とならないように、前記電力変換部を通過する充放電電流を制御する制御部と、を備えている。

上記の蓄電システムは、既存の電源システムの制御は原則として行わず、外部から電力の流れを見て、蓄電池に電力の出し入れ役を担わせる。具体的には、制御部が、蓄電システムの充放電電流を制御することで、負荷の消費電力の増減に対応して蓄電池が充放電を行う。従って、発電装置は一定出力を保った状態で、電力需給を需要家内で少なくとも供給過多にならないようバランスさせ、受電点電力が逆電力となるのを防止することができる。このような蓄電システムは、既存の電源システムに簡単に後付けすることができ、しかも、発電装置とは独立した存在とすることができるので、設置スペースがコンパクトで導入コストも比較的安価となる。

（２）また、（１）の蓄電システムにおいて、前記制御部は、前記発電装置の逆電力防止機能が作動する閾値を超えないように前記蓄電池の充放電電流を制御するものであってもよい。
この場合、発電装置の逆電力防止機能が作動して発電効率が低下する出力での運転となることを、充放電制御によって抑制することができる。

（３）また、（１）又は（２）の蓄電システムにおいて、前記制御部は、前記受電点電力が０になるように前記蓄電池の充放電電流を制御するものであってもよい。
この場合、発電装置の発電電力、蓄電池の充放電電力、及び、負荷の消費電力の３つの電力についての電力需給が完全に均衡し、需要家内で、電力の自給自足の状態とすることができる。

（４）また、（１）又は（２）の蓄電システムにおいて、太陽光発電パネルの出力制御機能を前記制御部によって実現するようにしてもよい。
この場合、太陽光発電のパワーコンディショナ機能も含めた蓄電システムとすることができる。

（５）また、（１）〜（４）のいずれかの蓄電システムにおいて、前記充放電電流の制御によって逆電力となるのを防止できない場合は、前記制御部は、前記発電装置を停止させる信号を出力してもよい。
この場合、発電装置は、高い発電効率の一定出力で運転するか、停止するかの、択一的な使用形態となり、発電効率の低下する出力での運転を回避することができる。

［実施形態の詳細］
以下、本発明の一実施形態に係る蓄電システムについて、図面を参照して説明する。

《蓄電システム取付前》
図１は、蓄電システムを取り付ける前の、電源システム１００の既存の状態の一例を示す単線接続図である。図において、商用電力系統１から需要家の分電盤２に幹線電路３が引き込まれている。分電盤２には、発電装置４の出力が、分岐電路５を介して、取り込まれている。発電装置４は、例えばガスエンジン発電機や燃料電池であり、蓄電機能は有していない。また、分電盤２には、需要家の負荷６が、接続されている。

発電装置４は、逆電力防止機能を有しており、搭載する逆電力防止リレー（図示せず）の一部としての電流センサ７が、幹線電路３に流れる電流を検出している。発電装置４は、電流センサ７に流れる電流位相と、自己の出力する電圧位相とに基づいて、商用電力系統１に電力が逆潮しているか否かを常に監視し、閾値を超える逆潮電力を検出すれば、発電装置４の出力を低下させる。

図１の構成では、通常、発電装置４から定格出力（例えば７００Ｗ程度）が負荷６に提供される。発電装置４では足りない電力は、商用電力系統１から負荷６に提供することができる。負荷６での消費電力が発電装置４の定格出力未満になれば、発電装置４は、出力を低下させる。発電装置４は、定格出力で運転する状態が最も発電効率が高く、出力を絞ると発電効率が下がる。

《蓄電システムの第１例》
図２は、図１に示した既存の電源システム１００に、蓄電システム１０を後付けで取り付けた状態を示す単線接続図である。図において、蓄電システム１０は、受電点電流検出部１１と、発電電流検出部１２と、蓄電装置１３とを備えている。受電点電流検出部１１は、商用電力系統１の受電点をＰとすると、この受電点Ｐに流れる電流を検出する。なお、受電点Ｐは、図示の位置に限らず、幹線電路３上と考えることができる。但し、受電点電流検出部１１は、蓄電装置１３より上流側（商用電力系統側）にある。受電点電流検出部１１及び発電電流検出部１２は、いずれも、例えばクランプ型のＣＴ（Current Transformer）であり、既存の電路に簡単に取り付けることができる。

図３は、図２の単線接続図を複線図で書いた回路図である。商用電力系統１は、単相３線式であり、電圧線がｕ，ｖ、中性線がｏである。商用電力系統１から分電盤２までは、３線の幹線電路３（３ｕ，３ｏ，３ｖ）が敷設されている。電流センサ７（７ｕ，７ｖ）及び受電点電流検出部１１（電流センサ１１ｕ，１１ｖ）は、それぞれ、幹線電路３ｕ及び３ｖに設けられている。

なお、単相２線式の場合は、２線のうち、いずれか一方に電流センサを設ければよい。また、分電盤２内には実際には多数の回路遮断器が設けられているが、ここでは、図示を省略し、回路接続のみを簡略に表現している。
発電装置４は、発電部４１及び、これを制御する制御部４２を備えている。発電装置４は、幹線電路３ｕ−３ｖ間に接続されている。

蓄電装置１３は、例えばリチウムイオン電池である蓄電池１４、直流／交流の双方向変換を行う電力変換部１５と、電力変換部１５を制御する制御部１６とを備えている。電力変換部１５は、例えば双方向インバータである。制御部１６は例えば、コンピュータを含み、ソフトウェア（コンピュータプログラム）をコンピュータが実行することで、必要な制御機能を実現する。ソフトウェアは、制御部１６の記憶装置（図示せず。）に格納される。但し、コンピュータを含まないハードウェアのみの回路で制御部１６を構成することも可能ではある。

電力変換部１５の交流側端部は、幹線電路３ｕ，３ｏ，３ｖと接続されている。負荷６は、例えば図示のように、幹線電路３ｕ−３ｖ間（２００Ｖ）の負荷、幹線電路３ｕ−３ｏ間（１００Ｖ）の負荷、幹線電路３ｖ−３ｏ間（１００Ｖ）の負荷によって構成されている。

図４は、図３における蓄電装置１３の部分のみを抽出した図である。図において、例えば、電力変換部１５は内部に、電圧センサを内蔵している。そこで、これを商用電力系統１の電圧を検出する系統電圧検出部１７（電圧センサ１７ｕ，１７ｖ）として用いることができる。電圧センサ１７ｕは、幹線電路３ｕ−３ｏ間電圧を検出する。電圧センサ１７ｖは、幹線電路３ｖ−３ｏ間電圧を検出する。なお、系統電圧検出部１７は、電力変換部１５とは別に設けてもよい。

《第１例の蓄電システムにおける充放電電力制御》
次に、蓄電システム１０の具体的な制御について説明する。
図２を参照して、発電装置４の出力する発電電力をＷ_Ｇとする。発電電力Ｗ_Ｇは、発電電流検出部１２の検出値及び、蓄電装置１３内で把握できる系統電圧に基づいて求めることができる。また、発電装置４が発電しているかどうかの見極めの閾値（電力）をＷ_Ｓとする。負荷６の消費電力はＷ_Ｌとする。受電点Ｐにおける受電点電力はＷ_Ｒとする。受電点電力Ｗ_Ｒは、受電点電流検出部１１の検出値及び、蓄電装置１３内で把握できる系統電圧に基づいて求めることができる。また、発電装置４の有する逆電力防止機能として、電流センサ７の検出値及び発電装置４の出力する電圧に基づいて、発電装置４の逆電力リレーが動作するであろう閾値（電力）をＷ_ｒｅｖとする。また、蓄電装置１３内の蓄電池を充放電させる際の電力をＷ_Ｂとする。

ここで、例えば、商用電力系統１の方へ出て行く電力の方向を「正」とし、その逆を「負」とすると、以下の式は常に成り立つ。
Ｗ_Ｒ＋Ｗ_Ｇ＋Ｗ_Ｌ＋Ｗ_Ｂ＝０ ・・・（１）
ここで、蓄電システム１０が直接的に制御できるのは、充放電電力Ｗ_Ｂである。

また、式（１）に登場しないＷ_ｒｅｖは、受電点電力Ｗ_Ｒと以下の関係にある。
図５は、Ｗ_ＲとＷ_ｒｅｖとの相互関係を示す数直線図である。図において、受電点電力Ｗ_Ｒは、０又は０に近い値である。但し、発電装置４の逆電力防止機能が動作する閾値の電力Ｗ_ｒｅｖより小さいことが必要である。閾値の電力Ｗ_ｒｅｖは、０よりごく僅かにプラス（逆潮）の位置にある。言い換えれば、ごく僅かの逆潮は、無視できるレベルとして事実上許容される。受電点電力Ｗ_Ｒが、図５の関係を維持する限り、発電装置４の逆電力防止機能は動作しない。

従って、Ｗ_Ｒに図５に示す制限をかけながら、電力変換部１５に流れる充放電電流を式（１）の関係で制御すれば、商用電力系統１への逆電力にはならない。
すなわち、制御部１６は、受電点電流検出部１１によって検出された電流及び系統電圧検出部１７によって検出された電圧に基づいて求める受電点電力Ｗ_Ｒが、商用電力系統１への逆電力とならないように、電力変換部１５を通過する充放電電流を制御する。

このような蓄電システム１０は、既存の電源システム１００の制御は原則として行わず、外部から電力の流れを見て、蓄電池１４に電力の出し入れ役を担わせる。具体的には、制御部１６が、蓄電システム１０の充放電電流を制御することで、負荷６の消費電力の増減に対応して蓄電池１４が充放電を行う。従って、発電装置４は一定出力を保った状態で、電力需給を需要家内で少なくとも供給過多にならないようバランスさせ、受電点電力Ｗ_Ｒが逆電力となるのを防止することができる。このような蓄電システム１０は、既存の電源システム１００に簡単に後付けすることができ、しかも、発電装置４とは独立した存在とすることができるので、設置スペースがコンパクトで導入コストも比較的安価となる。

また、制御部１６は、発電装置４の逆電力防止機能が作動する閾値Ｗ_ｒｅｆを超えないように蓄電池１４の充放電電流を制御することで、発電装置４の逆電力防止機能が作動することを、充放電制御によって抑制することができる。

また、例えば、式（１）において、Ｗ_Ｒ＝０とすると、
Ｗ_Ｇ＋Ｗ_Ｌ＋Ｗ_Ｂ＝０ ・・・（２）
となる。このような関係が成り立つように、すなわちＷ_Ｒ＝０となるようにフィードバック制御しながら制御部１６が充放電電力Ｗ_Ｂを制御することにより、負荷６の消費電力Ｗ_Ｌが変化しても、蓄電システム１０の充放電電力Ｗ_Ｂ（放電が正、充電が負）が消費電力Ｗ_Ｌの変化分を相殺するように出力を調整する。従って、発電装置４は一定の出力で運転することができる。この場合、発電装置４の発電電力、蓄電池１４の充放電電力、及び、負荷６の消費電力の３つの電力についての電力需給が完全に均衡し、需要家内で、電力の自給自足の状態となる。

《蓄電システムの第２例》
図６は、電源システム１００に、第２例の蓄電システム１０を後付けで取り付けた状態を示す単線接続図である。図２，図３との違いは、蓄電装置１３内の電力変換部（以下、双方向インバータとも言う。）１５と蓄電池１４との間に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８を設けた点である。蓄電池１４の電圧が、出力したい交流電圧ピークの絶対値に比べて、低い場合には、このようにＤＣ／ＤＣコンバータ１８を設けることが好ましい。蓄電システム１０としての、充放電電力制御については、第１例と同様である。

なお、第１例、第２例、さらには後述の第３例でも同様であるが、蓄電池１４は、蓄電装置１３として共通の筐体に組み込まれていなくてもよい。すなわち、蓄電池１４を、電力変換部１５等とは別に外部に設けてもよい。例えば、狭い設置スペースが複数箇所あって分散設置が好適な場合等は、蓄電池１４が別体となっている方が好都合な場合もある。

《蓄電システムの第３例》
図７は、電源システム１００に、第３例の蓄電システム１０を後付けで取り付けた状態を示す単線接続図である。図において、この蓄電装置１３は、図６の蓄電装置１３に太陽光発電の入力系統を付加したものであり、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９を備えている。太陽光発電パネル２１の出力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９及び双方向インバータ１５を経て需要家へ提供する電力とすることができる。太陽光発電パネル２１及びその出力制御機能は、制御部１６によって実現することができる。すなわち、この場合、太陽光発電のパワーコンディショナ機能も含めた蓄電システム１０とすることができる。

また、第１例、第２例の蓄電システム１０との違いとして、制御部１６から発電装置４に対して停止信号を送ることができる。発電装置４は一般に、外部からの指令（例えば接点信号）を受けて運転を停止する機能を備えている。そこで、この機能を利用して、必要な場合には蓄電システム１０から発電装置４を停止させることを可能とする。

《第３例の蓄電システムにおける充放電電力制御》
図７を参照して、発電装置４の出力する発電電力をＷ_Ｇとする。発電電力Ｗ_Ｇは、発電電流検出部１２の検出値及び、蓄電装置１３内で把握できる系統電圧に基づいて求めることができる。また、発電装置４が発電しているかどうかの見極めの閾値（電力）をＷ_Ｓとする。負荷６の消費電力はＷ_Ｌとする。受電点Ｐにおける受電点電力はＷ_Ｒとする（図５と同様の関係）。受電点電力Ｗ_Ｒは、受電点電流検出部１１の検出値及び、蓄電装置１３内で把握できる系統電圧に基づいて求めることができる。また、発電装置４の有する逆電力防止機能として、電流センサ７の検出値及び発電装置４の出力する電圧に基づいて、発電装置４の逆電力リレーが動作するであろう閾値（電力）をＷ_ｒｅｖとする。また、蓄電装置１３内の蓄電池を充放電させる際の電力をＷ_Ｂとする。

一方、太陽光発電パネル２１から送られてくる電力はＷ_Ｐとする。この電力Ｗ_Ｐについては、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９内に設けられる電流センサ及び電圧センサ（図示せず。）により、制御部１６がこれを把握している。

ここで、商用電力系統１の方へ出て行く電力の方向を「正」とし、その逆を「負」とすると、以下の式は常に成り立つ。
Ｗ_Ｒ＋Ｗ_Ｇ＋Ｗ_Ｌ＋Ｗ_Ｂ＋Ｗ_Ｐ＝０ ・・・（３）
また、例えば、式（１）において、Ｗ_Ｒ＝０とすると、
Ｗ_Ｇ＋Ｗ_Ｌ＋Ｗ_Ｂ＋Ｗ_Ｐ＝０ ・・・（４）
となる。このような関係が成り立つように、すなわちＷ_Ｒ＝０となるようにフィードバック制御しながら制御部１６がＷ_Ｂを制御することにより、負荷６の消費電力Ｗ_Ｌが変化しても、蓄電システム１０の充放電電力Ｗ_Ｂ（放電が正、充電が負）が消費電力Ｗ_Ｌの変化分を相殺するように出力を調整する。従って、発電装置４は一定の出力で運転することができる。

また、太陽光発電の出力が十分にあるとき、又は、蓄電池１４が満充電になり、さらに充電はできないとき等には、
Ｗ_Ｌ＋Ｗ_Ｂ＋Ｗ_Ｐ＞０ ・・・（５）
となる場合がある。この場合には、制御部１６は、発電装置４に停止信号を送り、発電装置４を停止させる。これにより、発電装置４は、中途半端に出力低減など行わず、一定出力で運転するか、あるいは停止するか、の択一的な使用形態となるため、発電効率の低下する出力での運転を回避することができる。

なお、蓄電システム１０における上述の第１例〜第３例については、その少なくとも一部を、相互に任意に組み合わせてもよい。
また、上述の第１例〜第３例に、発電電力を売電するための発電装置（図示せず。）を組み合わせる場合には、電流センサ７及び受電点電流検出部１１と商用電力系統１との間から分岐する分岐電路を設け、この分岐電路に当該発電装置を接続することができる。この場合、当該発電装置（例えば太陽光発電装置）で得られる発電電力は全て売電することができる。

なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１ 商用電力系統
２ 分電盤
３ 幹線電路
３ｕ，３ｖ，３ｏ 幹線電路
４ 発電装置
５ 分岐電路
６ 負荷
７ 電流センサ
７ｕ，７ｖ 電流センサ
１０ 蓄電システム
１１ 受電点電流検出部
１１ｕ，１１ｖ 電流センサ
１２ 発電電流検出部
１３ 蓄電装置
１４ 蓄電池
１５ 電力変換部（双方向インバータ）
１６ 制御部
１７ 系統電圧検出部
１７ｕ，１７ｖ 電圧センサ
１８ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１９ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２１ 太陽光発電パネル
４１ 発電部
４２ 制御部
１００ 電源システム
Ｐ 受電点

Claims (5)

1. 商用電力系統からの受電点と需要家の負荷とを互いに繋ぐ幹線電路に発電装置が接続されている既存の電源システムに対して、取り付けられる蓄電システムであって、
   前記発電装置と前記幹線電路とを互いに繋ぐ分岐電路上に設けられ、前記発電装置のみによる電流を検出する発電電流検出部と、
   前記受電点に流れる電流を検出する受電点電流検出部と、
   前記商用電力系統の電圧を検出する系統電圧検出部と、
   蓄電池と、
   前記蓄電池と前記幹線電路との間に設けられ、直流／交流の双方向変換を行うことにより前記蓄電池を充放電させる電力変換部と、
   前記発電電流検出部が電流を検出することによって前記発電装置が運転されていることを検出した場合、前記受電点電流検出部によって検出された電流及び前記系統電圧検出部によって検出された電圧に基づいて求める受電点電力が、前記商用電力系統への逆電力とならないように、前記電力変換部を通過する充放電電流を制御する制御部と、
   を備えている蓄電システム。
2. 前記制御部は、前記発電装置の逆電力防止機能が作動する閾値を超えないように前記蓄電池の充放電電流を制御する、請求項１に記載の蓄電システム。
3. 前記制御部は、前記受電点電力が０になるように前記蓄電池の充放電電流を制御する請求項１又は請求項２に記載の蓄電システム。
4. 太陽光発電パネルの出力制御機能を前記制御部によって実現する請求項１又は請求項２に記載の蓄電システム。
5. 前記充放電電流の制御によって逆電力となるのを防止できない場合は、前記制御部は、前記発電装置を停止させる信号を出力する、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の蓄電システム。