JP2018121450A

JP2018121450A - 充放電装置

Info

Publication number: JP2018121450A
Application number: JP2017011622A
Authority: JP
Inventors: 義之白崎; Yoshiyuki Shirasaki
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-01-25
Filing date: 2017-01-25
Publication date: 2018-08-02
Anticipated expiration: 2037-01-25
Also published as: JP6818566B2

Abstract

【課題】夜間電力時間帯の低負荷運転時において蓄電池の残容量の低下を抑制して充放電効率を向上させる充放電装置を得ること。【解決手段】充放電装置１は、電力変換器が蓄電池を充放電する際の目標電力値を指定する目標充放電電力指令値を生成して電力変換器へ出力する制御部１８を備え、制御部１８は、第１から第３の電力検出器のそれぞれで検出された電力量と、商用系統からの買電電力量が１日の中で最も安い夜間電力時間帯を示す夜間電力時間帯データと、現在時刻データと、気象データとに基づき、買電電力量の目標値である買電電力指令値を設定する買電電力指令値設定部２３と、買電電力指令値と、第１の電力検出器で検出された買電時の買電電力値との差分に基づき、目標充放電電力指令値を生成することにより、買電時の電力変換器を制御する買電電力制御部２２とを備えたことを特徴とする。【選択図】図１

Description

この発明は、自動車に搭載される蓄電池に接続される充放電装置に関する。

近年では電気自動車の駆動用車載電池を宅内負荷に利用するＶ２Ｈシステム（ＶｅｈｉｃｌｅｔｏＨｏｍｅ）と呼ばれる電力供給システムが普及しつつある。以下では「電気自動車」を単に「ＥＶ（ＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ）」と称し、「電気自動車の駆動用車載電池」を単に「ＥＶ電池」と称する場合がある。このような電力供給システムに用いられる充放電装置は、昼間晴れの日に太陽光発電システムで発電された電力から宅内負荷電力を差し引いた電力が余剰状態になった場合、ＥＶ電池に余剰電力を充電する。また充放電装置は、曇りの日又は夜間に太陽光発電システムで発電された電力から宅内負荷電力を差し引いた電力が不足状態になった場合、ＥＶ電池に蓄えられた電力を宅内負荷に給電することにより、電力の不足分を補う。また充放電装置は、電気代が安い夜間の時間帯に買電してＥＶ電池に充電し、電気代が高い昼間の時間帯にＥＶ電池に蓄えられた電力を宅内負荷に給電して電力の不足分を補う。

このように、太陽光発電システムで発電された電力と電気代が安い夜間の時間帯の買電電力とを、ＥＶ電池に充電させておき、必要な時に宅内負荷に電力を給電することにより、商用系統からの買電を最小に抑えた自給自足の生活と経済性の向上とが今後ますます期待される。このような商用系統からの買電を最小に抑えた自給自足の生活と経済性の向上とを実現するためには、太陽光発電システムの発電能力と天候とに左右されるものの、宅内負荷に供給可能な電力が太陽光発電システムから十分に得られることが必要であり、さらに、太陽光発電システムで発電された電力の内、余剰となった余剰電力を、売電に回さずに余すことなく蓄えられる電池容量が必要となる。ＥＶ電池は一般的に電池容量が大きく、ＥＶが充放電装置に接続されていることが前提ではあるが、ＥＶ電池は自給自足の生活を実現させるシステムに適している。

特許文献１に開示される充放電装置は、気象センサから取得した気象データに基づいて日照に関するパラメータの予測値を取得する天候予測部と、予測値に基づいて蓄電池の充放電制御の指示頻度を決定する指示頻度決定部と、指示頻度を表す時間間隔毎に充放電量の指示値を持つ蓄電池の初期運転計画を作成し、予め定義した評価関数に基づいて初期運転計画を評価して最適運転計画を作成する最適化部と、コントローラに最適運転計画を送信する通信部とを備える。

特開２０１４−２３６５４１号公報

商用系統からの買電を最小に抑えた自給自足の生活と経済性の向上とを実現する際、１日の充放電サイクルの中で、ＥＶ電池の電池残容量を極力減らさない工夫が必要である。一般的に、電池残容量は、昼間の余剰電力の充電により増加し、夜間の給電により減少していく。ところが、翌日の余剰電力による充電が開始されるまでに、ＥＶ電池に蓄えられた電力が無くなった場合、充放電装置の充放電運転が停止し、宅内負荷には買電電力で供給される。またＥＶ電池に蓄えられた電力が無くなった場合、電池残容量を一定の残容量レベルに戻すためには多くの余剰電力が必要となる。

夜間の時間帯に動作する宅内負荷は、一般的に低負荷状態で運転する傾向にある。このような低負荷状態で運転する宅内負荷へ電力へ蓄電電力を供給する場合、電池残容量の減少は小さいと考えられがちであるが、実際には、充放電装置が備える電力変換器の夜間の時間帯における変換効率は、日中の時間帯の変換効率に比べて低くなる。そのため、変換効率が低下した分だけ、電池残容量の減少が大きくなる。また、夜間の時間帯に買電してＥＶ電池に強制的に充電する強制充電運転により、ＥＶ電池は通常、満充電状態になっている。そのため、翌日に太陽光発電で発生した余剰電力は、ＥＶ電池に蓄えられずに、系統側に売電せざるを得なくなる。

特許文献１に開示される技術では、気象データに基づいて最適運転計画をコントローラに送信しているが、夜間の時間帯の低負荷運転時に電力変換器の変換効率を加味したものではない。そのため、夜間電力時間帯の低負荷運転時において蓄電池の残容量が低下した状態で蓄電池の充放電が行われると、蓄電池の残容量が高い状態で蓄電池の充放電が行われる場合に比べて、充放電効率が低下すると共に、翌日の余剰電力が蓄電池に充電されたときに、蓄電池を充電するための余剰電力を買電することができず、電力供給システム全体の更なるエネルギー効率の向上が望まれていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、夜間電力時間帯の低負荷運転時において蓄電池の残容量の低下を抑制して充放電効率を向上させる充放電装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る充放電装置は、蓄電池から供給される直流電力を交流電力に変換し、交流電力を直流電力に変換して蓄電池へ供給する電力変換器と、商用系統から供給される交流電力と商用系統から供給される交流電力との電力値を検出する第１の電力検出器と、発電電力を検出する第２の電力検出器と、電力変換器から出力される交流電力を検出する第３の電力検出器と、第１から第３の電力検出器のそれぞれで検出された電力量に基づき、電力変換器が蓄電池を充放電する際の目標電力値を指定する目標充放電電力指令値を生成して電力変換器へ出力する制御部とを備え、制御部は、第１から第３の電力検出器のそれぞれで検出された電力量と、商用系統からの買電電力量が１日の中で最も安い夜間電力時間帯を示す夜間電力時間帯データと、現在時刻データと、気象データとに基づき、買電電力量の目標値である買電電力指令値を設定する買電電力指令値設定部と、買電電力指令値と、第１の電力検出器で検出された買電時の買電電力値との差分に基づき、目標充放電電力指令値を生成することにより、買電時の電力変換器を制御する買電電力制御部と、を備えたことを特徴とする。

本発明に係る充放電装置は、夜間電力時間帯の低負荷運転時において蓄電池の残容量の低下を抑制して充放電効率を向上させることができる、という効果を奏する。

実施の形態に係る充放電装置の構成図余剰電力が生じているときの買電最小運転の動作を説明するための図不足電力が生じているときの買電最小運転の動作を説明するための図低負荷時において不足電力が生じているときの買電最小運転の動作を説明するための図買電最小運転が１日継続的に行われた場合における余剰電力の変化と電池残容量の変化とを示す図買電最小運転と強制充電運転とが１日の中で組み合わせて行われた場合における余剰電力の変化と電池残容量の変化とを示す図実施の形態に係る充放電装置で実行される買電最小運転の１日の動作一例を示す図実施の形態に係る充放電装置で実行される買電最小運転及び強制充電運転の１日の動作一例を示す図実施の形態に係る充放電装置における充放電運転の制御動作を示すフローチャート

以下に、本発明の実施の形態に係る充放電装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は実施の形態に係る充放電装置の構成図である。図１に示される電力供給システム１００は、実施の形態に係る充放電装置１と、太陽電池アレイ６と、太陽光発電システム７とを備える。充放電装置１には太陽光発電システム７が接続され、太陽光発電システム７には太陽電池アレイ６が接続される。

太陽光発電システム７は、太陽電池アレイ６で発電された電力を交流電力に変換して出力するパワーコンディショナであり、交流電力を、充放電装置１に接続された商用系統５と、宅内負荷４と、充放電装置１が備える電力変換器１７との少なくとも１つへ供給する。宅内負荷４には、冷蔵庫、照明、調理機器、電話、テレビ又はオーディオを例示できる。

ＥＶ２は、充放電コネクタケーブル２ａを介して充放電装置１に接続される。ＥＶ２にはＥＶ２を駆動する直流電源である蓄電池３が搭載される。なお本実施の形態では、蓄電池３を搭載する自動車の一例としてＥＶ２を例示しているが、蓄電池３を搭載する自動車は、電気自動車に限定されず、プラグインハイブリット車又はプラグインハイブリット電気自動車といった二次電池を搭載した自動車でもよい。

充放電装置１は、第１の電力検出器である受電電力検出器１１、第２の電力検出器である太陽光発電電力検出器１２、逆潮電力検出器１３、自立解列器１４、第３の電力検出器である充放電電力検出器１５、連系解列器１６、電力変換器１７及び制御部１８を備える。制御部１８は、受電電力検出器１１、太陽光発電電力検出器１２及び充放電電力検出器１５のそれぞれで検出された電力量に基づき、電力変換器１７が蓄電池３を充放電する際の目標電力値を指定する目標充放電電力指令値２２ａを生成して電力変換器１７へ出力する。制御部１８の構成の詳細は後述する。

受電電力検出器１１は第３の電路４３に配置される。第３の電路４３は、商用系統５から電力変換器１７へ供給される交流電力と、太陽光発電システム７から商用系統５へ供給される交流電力とが流れる電路である。受電電力検出器１１は、商用系統５への売電時、又は商用系統５からの買電時に、第３の電路４３に流れる交流電力を検出し、検出した電力値を買電電力値１１ａとして、制御部１８へ出力する。

自立解列器１４は、第３の電路４３上に配置され、第３の電路４３に流れる交流電力を開閉する開閉器であり、制御部１８により制御される。

太陽光発電電力検出器１２は、第２の電路４２に配置される。第２の電路４２は、太陽光発電システム７から商用系統５へ供給される交流電力と、太陽光発電システム７から宅内負荷４へ供給される電力と、太陽光発電システム７から電力変換器１７へ供給される電力との少なくとも１つの電力とが流れる電路である。

太陽光発電電力検出器１２は、第２の電路４２に流れる交流電力を検出し、検出した電力値を制御部１８へ出力する。

逆潮電力検出器１３、連系解列器１６及び充放電電力検出器１５は、第１の電路４１に配置される。第１の電路４１は、太陽光発電システム７から宅内負荷４又は電力変換器１７へ供給される交流電力と、電力変換器１７から宅内負荷４へ供給される交流電力とが流れる電路である。

逆潮電力検出器１３は、電力変換器１７から商用系統５へ逆潮電力が流出しないよう監視するための交流電力検出器であり、検出した電力値を制御部１８へ出力する。

連系解列器１６は、第１の電路４１に流れる交流電力を開閉する開閉器であり、制御部１８により制御される。

充放電電力検出器１５は、充放電電力検出器１５が充放電運転した際に第１の電路４１に流れる交流電力を検出し、検出した電力値を制御部１８へ出力する。

受電電力検出器１１、逆潮電力検出器１３及び充放電電力検出器１５のそれぞれで検出された電力値は、制御部１８の買電電力指令値設定部２３に入力される。

電力変換器１７は双方向電力変換手段である。電力変換器１７は、制御部１８が備える買電電力指令値設定部２３から出力される買電電力指令値２３ａにより動作する。買電電力指令値２３ａは買電電力量の目標値である。電力変換器１７は、買電電力指令値２３ａに基づき商用系統５又は太陽光発電システム７から供給される交流電力を直流電力に変換して出力する第１の電力変換機能と、買電電力指令値２３ａに基づきＥＶ２から供給される直流電力を交流電力に変換して出力する第２の電力変換機能とを有する。以下では、電力変換器１７を第１の電力変換機能で動作させる運転モードは「第１の運転モード」と称し、電力変換器１７を第２の電力変換機能で動作させる運転モードは「第２の運転モード」と称する場合がある。電力変換器１７の双方向電力変換機能の構成は公知であるため、説明を割愛する。

制御部１８は、差分器２０、逆潮電力制御部２１、買電電力制御部２２、買電電力指令値設定部２３、差分器２４及び記憶部２８を備える。

記憶部２８には、電力会社の電気代が安い夜間電力時間帯を示す夜間電力時間帯データ２５と、現在時刻を示す現在時刻データ２６と、強制充電運転時の充電電力値を決めるための重み係数である気象データ２７とが格納される。夜間電力時間帯データ２５、現在時刻データ２６及び気象データ２７は、買電電力指令値設定部２３が買電電力のターゲット電力値を選択する際に用いられるデータ群である。買電電力指令値設定部２３の動作に関しては後述する。

これらのデータ群は、充放電装置１の近くに配置されるリモートコントロータである表示操作リモコン３０から送信され、又はクラウドサーバ３１から送信される。特に気象データ２７は、刻々と変化する情報であるため、クラウドサーバ３１からインターネットを介して送信される最新データであることが望ましい。表示操作リモコン３０は、ユーザーインターフェースであり、ユーザーからの運転指令を充放電装置１へ送信し、また充放電装置１から出力される運転状態情報、電池残容量情報及び車両接続状態情報を受信し、不図示の液晶画面にこれらの情報を表示する。

以下では、制御部１８の動作を詳細に説明する。なお以下では、太陽光発電システム７から電力の供給はあるが商用系統５から電力の供給がない状態を「停電時」と称する。また商用系統５から電力の供給がある状態を「非停電時」と称する。また太陽光発電システム７と商用系統５との双方から電力の供給が無いためＥＶ２の蓄電池３に蓄えられた電力を宅内負荷４へ供給する状態を「自立運転時」と称する。また太陽光発電システム７又は商用系統５から供給される交流電力を用いて電力変換器１７がＥＶ２の蓄電池３を充電する状態を「充電時」と称する。またＥＶ２の蓄電池３に蓄えられた電力を用いて宅内負荷４を駆動するために蓄電池３を放電させる状態を「放電時」と称する。

制御部１８は、非停電時、又は停電しているが自立運転をしないときには、自立解列器１４をオンさせることにより、充放電装置１を商用系統５と連系される。また制御部１８は、自立運転時には、自立解列器１４をオフさせることにより、充放電装置１を商用系統５から解列させるように動作する。また制御部１８は、充電時には、電力変換器１７に目標充放電電力指令値２２ａを出力し、連系解列器１６をオンさせるように動作する。また制御部１８は、電力変換器１７の運転を停止するときには、連系解列器１６をオフさせるように動作する。

制御部１８は、受電電力検出器１１、太陽光発電電力検出器１２及び逆潮電力検出器１３のそれぞれに検出された電力値を用いて、太陽光発電システム７の発電電力から宅内負荷４の消費電力を差し引いた差分電力を演算する。

差分電力がマイナスの値を示す場合、すなわち太陽光発電システム７から供給される電力が宅内負荷４の消費電力よりも低くなり、宅内負荷４へ供給される電力が不足する不足電力状態になった場合、制御部１８は、商用系統５から買電せずに、電力変換器１７を前述した第２の運転モードで動作させることにより、不足電力分を宅内負荷４に給電させる。

差分電力がプラスの値を示す場合、すなわち太陽光発電システム７から供給される電力が宅内負荷４の消費電力よりも高くなり、宅内負荷４へ供給される電力が余剰となり余剰電力が発生した場合、制御部１８は、商用系統５へ売電せずに、電力変換器１７を第１の運転モードで動作させることにより、余剰電力で蓄電池３を充電させる。

このように制御部１８は、商用系統５への売電と商用系統５からの買電とを抑えるための買電最小運転モードを備える。買電最小運転モードでは、売電電力及び買電電力が０［ｋＷ］になるように制御するには、まず買電電力指令値設定部２３の買電電力指令値２３ａであるターゲット値を０［ｋＷ］とする。差分器２０では、受電電力検出器１１で検出された買電電力値１１ａと、買電電力指令値設定部２３から出力された買電電力指令値２３ａとの差分が求められる。買電電力制御部２２は、差分器２０から出力される差分を入力とし、買電電力値１１ａが買電電力指令値２３ａになるように、電力変換器１７に対して目標充放電電力指令値２２ａを出力してフィードバック制御を行う。

なお電力変換器１７から出力される交流電力により商用系統５への逆潮が発生した場合、逆潮電力検出器１３で検出された電力値により、逆潮電力制御部２１が補正値を出力する。差分器２４は逆潮電力制御部２１から出力された補正値で目標充放電電力指令値２２ａを補正する。これにより充放電装置１では、逆潮を抑えるフィードバック制御がかかる。

買電電力指令値設定部２３は、記憶部２８に格納された夜間電力時間帯データ２５、現在時刻データ２６及び気象データ２７を用いて、余剰電力又は不足電力を求め、買電電力のターゲット電力値である買電電力指令値２３ａを変化させるように動作する。

図２は余剰電力が生じているときの買電最小運転の動作を説明するための図である。図２の上側には、電力変換器１７が運転停止時に、太陽光発電システム７から供給される電力と商用系統５へ売電される電力と宅内負荷４へ供給される電力とが示される。矢印の向きはそれぞれの電力が流れる方向を表し、矢印の大きさはそれぞれの電力の大きさを表す。図２の下側には、電力変換器１７が買電最小運転時に、太陽光発電システム７から供給される電力と蓄電池３に充電される電力と宅内負荷４へ供給される電力とが示される。矢印の向きは電力が流れる方向を表し、矢印の大きさは電力の大きさを表す。図２の右側のグラフは、余剰電力と買電電力指令値との関係を示すものである。

太陽光発電システム７から供給される電力が宅内負荷４の消費電力よりも高くなり、宅内負荷４へ供給される電力が余剰となり余剰電力が発生した場合、充放電装置１は、運転停止時には商用系統５への売電を行い、買電最小運転時には商用系統５からの買電を行う。電力変換器１７の運転停止時の余剰電力は、商用系統５に売電され、図２の右側に示されるグラフ上では○印の位置に存在する。

電力変換器１７が買電最小運転時を開始すると、買電電力指令値２３ａのターゲット電力が０［ｋＷ］に設定され、商用系統５に売電していた分の余剰電力が、電力変換器１７により蓄電池３へ充電され、余剰電力は、図２の右側に示されるグラフ上では○印から△印に移動する。

図３は不足電力が生じているときの買電最小運転の動作を説明するための図である。図３の上側には、電力変換器１７が運転停止時に、太陽光発電システム７から供給される電力と商用系統５から買電される電力と宅内負荷４へ供給される電力とが示される。矢印の向きはそれぞれの電力が流れる方向を表し、矢印の大きさはそれぞれの電力の大きさを表す。図３の下側には、電力変換器１７が買電最小運転時に、太陽光発電システム７から供給される電力と蓄電池３から放電される電力と宅内負荷４へ供給される電力とが示される。矢印の向きは電力が流れる方向を表し、矢印の大きさは電力の大きさを表す。図３の右側のグラフは、不足電力と買電電力指令値との関係を示すものである。

太陽光発電システム７から供給される電力が宅内負荷４の消費電力よりも低くなり、宅内負荷４へ供給される電力が不足する不足電力状態になった場合、充放電装置１は、運転停止時には、太陽光発電システム７から宅内負荷４への給電に加えて商用系統５からの買電を行う。電力変換器１７の運転停止時の不足電力は、商用系統５から買電され、図３の右側に示されるグラフ上では○印の位置に存在する。

また、不足電力状態になった場合、充放電装置１は、買電最小運転時には、太陽光発電システム７から宅内負荷４への給電に加えて電力変換器１７から宅内負荷４への給電を行う。電力変換器１７が買電最小運転時を開始すると、買電電力指令値２３ａのターゲット電力が０［ｋＷ］に設定され、商用系統５から買電した電力に相当する不足電力が、蓄電池３から放電される電力により賄われ、不足電力は、図３の右側に示されるグラフ上では○印から△印に移動する。

図４は低負荷時において不足電力が生じているときの買電最小運転の動作を説明するための図である。図４の左側には、上から順に、電力変換器１７が運転停止時の電力の流れを示す図と、電力変換器１７が買電最小運転時の電力の流れを示す図と、電力変換器１７が買電最小運転時の電力の流れを示す別例を示す図とが示される。３つの図のそれぞれに示される矢印の向きは、電力が流れる方向を表し、矢印の大きさは電力の大きさを表す。

図４の右側には、上から順に、電力変換器１７が不足電力と買電電力指令値との関係を示すグラフと、電力変換器１７の出力電力に対する電力変換効率の特性を示すグラフとが示される。右下のグラフの横軸は、電力変換器１７の交流の出力電力の値を示す。右下のグラフの縦軸は、電力変換器１７が直流電力を交流電力に変換するときの電力変換効率、すなわち電力変換器１７が第２の運転モードで動作するときの電力変換効率を示す。電力変換器１７の電力変換効率は、一般的に、電力変換器１７の交流の出力電力の値が、特定の電力値α［ｋＷ］以下となる領域において急激に低下する。電力変換器１７の交流の出力電力の内、特定の電力値α［ｋＷ］以下の領域を「低負荷領域」と称する。

不足電力状態であり、且つ、宅内負荷４の運転状態が低負荷である場合、電力変換器１７の運転停止時の不足電力は、商用系統５から買電され、図４の右上に示されるグラフ上では○印の位置に存在する。

買電最小運転時を開始すると、買電電力指令値２３ａのターゲット電力が０［ｋＷ］に設定され、商用系統５から買電した電力に相当する不足電力が、蓄電池３から放電される電力により賄われ、不足電力は、図４の右上に示されるグラフ上では○印から△印に移動する。

図４の右下のグラフに示すように、宅内負荷４の運転状態が電力値α［ｋＷ］以下の低負荷領域にあるときの電力変換器１７の変換効率は、宅内負荷４の運転状態が低負荷領域よりも高い負荷領域にあるときの電力変換効率よりも低い値を示す。従って、電力変換器１７の交流側への出力電力が小さな値であっても、電力変換器１７の直流側の入力電力が相対的に大きくなるため、交流の出力電力が小さくなるに従って、蓄電池３の電池残容量の減りが小さくなるわけではない。

なお、図４の買電最小運転時の別例でも示しているように、宅内負荷４の消費電力が大きくても、太陽光発電システム７の発電電力が大きいため、発電電力から宅内負荷４の消費電力を差し引いた電力の絶対値が特定の電力値α［ｋＷ］以下の場合にも、電力変換器１７から出力される交流の出力電力は低負荷領域の値となる。

図５は買電最小運転が１日継続的に行われた場合における余剰電力の変化と電池残容量の変化とを示す図である。図５の上側には電力変換器１７が運転停止時の余剰電力と買電電力指令値との関係が示される。また図５の上側には買電最小運転時の余剰電力と買電電力指令値との関係が示される。図５の下側には買電最小運転が１日継続的に行われた場合における電池残容量の変化が示される。

電力変換器１７が運転停止時の余剰電力又は不足電力は、実線と丸「○」の組合せで示される。買電電力指令値２３ａのターゲット電力が０［ｋＷ］に設定されときの余剰電力又は不足電力は、点線と三角「△」の組合せで示される。

図５によれば、昼間に太陽光発電が多くなる余剰電力状態では、余剰充電により蓄電池３の電池残容量が増加し、夜間の不足電力状態では、蓄電池３が放電することにより、蓄電池３の電池残容量が減少する。電力会社の電気代が安い夜間電力時間帯では、宅内負荷４の消費電力が小さいにも関わらず、低負荷出力の場合、すなわち不足電力が０〜α［ｋＷ］の範囲内にある場合、前述したように電力変換器１７の電力変換効率が低い。そのため、夜間電力時間帯では、電力変換器１７に供給される直流電力が相対的に大きくなり、蓄電池３に蓄えられた電力の消費量が大きくなる。従って、夜間電力時間帯の電池残容量は、昼間の時間帯の電池残容量よりも減少している。

図６は買電最小運転と強制充電運転とが１日の中で組み合わせて行われた場合における余剰電力の変化と電池残容量の変化とを示す図である。図６の上側には、買電最小運転が夜間電力時間帯以外の時間で行われた場合における余剰電力と買電電力指令値との関係が示される。また図６の上側には、強制充電運転と買電最小運転がとが夜間電力時間帯に行われた場合における余剰電力と買電電力指令値との関係が示される。図６の下側には図６の上側に示される買電最小運転及び強制充電運転が行われた場合における電池残容量の変化が示される。

電力変換器１７が運転停止時の余剰電力又は不足電力は、実線と丸「○」の組合せで示される。買電電力指令値２３ａのターゲット電力が０［ｋＷ］に設定されときの余剰電力又は不足電力は、点線と三角「△」の組合せで示される。買電電力指令値２３ａのターゲット電力が１０［ｋＷ］に設定されときの強制充電運転における余剰電力又は不足電力は、点線と四角「□」の組合せで示される。

図６では、タイマー設定により、昼間では買電最小運転が行われ、夜間電力時間帯には強制充電運転が行われ、満充電時には電力変換器１７の運転が停止された場合を想定している。また図６では、買電最小運転時の買電電力指令値２３ａのターゲット電力は０［ｋＷ］に設定され、強制充電運転時の買電電力指令値２３ａのターゲット電力は、一例として１０［ｋＷ］に設定される。

買電最小運転時は、昼間に太陽光発電が多くなる余剰電力状態では、余剰充電により蓄電池３の電池残容量が増加し、夜間の不足電力状態では、蓄電池３が放電することにより、蓄電池３の電池残容量が減少する。

電力会社の電気代が安い夜間電力時間帯においては、タイマー設定により、強制充電運転が開始される。これにより蓄電池３は、買電電力指令値２３ａのターゲット電力に近づくよう強制充電される。ただし、電力変換器１７の出力可能な充電値がターゲット電力以下の場合、出力可能充電値でリミットされる。

強制充電により蓄電池３の電池残容量が満充電になると、タイマー設定により、次の買電最小運転が開始されるまで電力変換器１７の運転が停止される。その結果、夜間電力時間帯の電池残容量は、昼間の時間帯の電池残容量よりも増加し、１００％になっている。この状態で、翌日に買電最小運転が開始された場合、太陽光発電による余剰電力状態になっても、余剰電力を蓄電池３に蓄えることができず、系統側に売電せざるを得なくなる。

本実施の形態に係る充放電装置１は、図５及び図６で説明したような問題を解決するために成されたものである。充放電装置１は、一般的に低負荷電力状態にある夜間時間帯の宅内負荷４へ蓄電池３の電力を供給する場合、電池残容量を使い切らないように電力変換器１７を動作させ、また夜間時間帯の買電電力によって蓄電池３が満充電状態にされることによって、翌日に発生する余剰電力を蓄電池３へ充電できなくなることがないように、電力変換器１７を動作させる。

図７は実施の形態に係る充放電装置で実行される買電最小運転の１日の動作一例を示す図である。図７の上側には電力変換器１７が運転停止時の余剰電力と買電電力指令値との関係が示される。また図７の上側には買電最小運転時の余剰電力と買電電力指令値との関係が示される。図７の下側には買電最小運転が１日継続的に行われた場合における電池残容量の変化が示される。

電力変換器１７が運転停止時の余剰電力又は不足電力は、実線と丸「○」の組合せで示される。買電電力指令値２３ａのターゲット電力が買電電力指令値設定部２３で選択された値に動的に設定されたときの余剰電力又は不足電力は、点線と三角「△」の組合せで示される。

実施の形態に係る充放電装置１では、買電電力指令値２３ａのターゲット電力が常時０［ｋＷ］に設定されるのではなく、図１に示す夜間電力時間帯データ２５と現在時刻データ２６とにより、買電電力指令値設定部２３で選択された値に動的に設定される。設定方法の具体例を説明する。買電電力指令値設定部２３には予め設定テーブルが記録されている。当該設定テーブルには、夜間電力時間帯データ２５における複数の時刻と、この複数の時刻に対応するターゲット電力の値に相当する買電電力指令値２３ａとを対応付けられており、買電電力指令値設定部２３に夜間電力時間帯データ２５及び現在時刻データ２６が入力されると、買電電力指令値設定部２３は、夜間電力時間帯における各時刻に対応するターゲット電力を、買電電力指令値２３ａとして出力する。

図７において買電電力指令値２３ａは設定条件は以下の通りである。
（１）夜間電力時間帯以外の時間外では、充放電装置１は、０［ｋＷ］をターゲット値とする買電電力指令値２３ａを出力する。
（２）夜間電力時間帯であり、且つ、低負荷出力（０〜α［ｋＷ］）の場合、買電電力指令値設定部２３は、蓄電池３の放電を抑制しながら宅内負荷４への電力を買電で賄うために、運転停止時の余剰電力又は不足電力の状態と同じになるようなターゲット値とする買電電力指令値２３ａを出力する。すなわち、買電電力指令値設定部２３は、運転停止時のターゲット値に追従するような買電電力指令値２３ａを出力する。
（３）夜間電力時間帯であり、且つ、通常負荷出力（α［ｋＷ］以上）の場合、充放電装置１は、出力電力が０［ｋＷ］となるようなターゲット値とする買電電力指令値２３ａを出力する。

昼間に太陽光発電が多くなる余剰電力状態では、余剰充電により蓄電池３の電池残容量が増加し、夜間の不足電力状態では、蓄電池３が放電することにより、蓄電池３の電池残容量が減少する。

電力会社の電気代が安い夜間電力時間帯においては、宅内負荷４の消費電力が低負荷出力の場合、前述したように電力変換器１７の電力変換効率が低くなり、蓄電池３に蓄えられた電力の消費量が大きくなる。そのため充放電装置１は、蓄電池３による宅内負荷４への給電は行わず、余剰電力又は不足電力へ追従させる。すなわち充放電装置１は、買電した電力を宅内負荷４へ供給する。

宅内負荷４の消費電力が通常負荷出力（α［ｋＷ］以上）の場合、電力変換効率が高いため、充放電装置１は、蓄電池３による宅内負荷４への給電を行うことで、電池残容量を使い切らないよう動作する。その結果、図７の夜間電力時間帯における電池残容量は５０％に近い値が維持される。

図８は実施の形態に係る充放電装置で実行される買電最小運転及び強制充電運転の１日の動作一例を示す図である。図８の上側には、買電最小運転が夜間電力時間帯以外の時間で行われた場合における余剰電力と買電電力指令値との関係が示される。また図８の上側には、強制充電運転と買電最小運転がとが夜間電力時間帯に行われた場合における余剰電力と買電電力指令値との関係が示される。図８の下側には図８の上側に示される買電最小運転及び強制充電運転が行われた場合における電池残容量の変化が示される。

図８では、タイマー設定により、昼間では買電最小運転が行われ、夜間電力時間帯には買電最小運転と強制充電運転とが行われる。買電最小運転時の動作は図７で説明した動作と同じである。強制充電運転は、電気代が安い夜間に設定される。この場合の買電電力指令値２３ａのターゲット電力は、図１の買電電力指令値設定部２３により選択され、ターゲット電力には、１０［ｋＷ］（Ｍａｘ．）に気象データの重み係数が乗算された値であるβ［ｋＷ］が設定される。

買電電力指令値設定部２３は、表示操作リモコン３０又はクラウドサーバ３１から送信された気象データ２７を受信する。気象データ２７は翌日の天候を予測する情報である。具体的には、気象データ２７は、翌日の日射量を示す日射量予測値を含むデータである。このデータにより、翌日の天候が悪い場合には数値が低く、天候が良い場合には数値が高くなるような重み係数が設定される。例えば、重み係数が「０」〜「１」という小さい値である場合、翌日の天候が悪い場合、太陽光発電システム７による余剰電力を蓄電池３への充電することが期待できないため、電池残容量が通常よりも高くなるように「１」付近の値となる。また翌日の天候が良い場合、太陽光発電システム７による余剰電力を蓄電池３への充電することが期待できるため、電池残容量が通常よりも低くなるように「０」付近の値となる。ただし、低負荷充電では電力変換器１７の効率が低下するため、α［ｋＷ］でリミットがかかるように動作する。図８の右下のグラフは、このように設定された重み係数と、買電電力指令値２３ａのターゲット電力との関係をし示すものである。

図９は実施の形態に係る充放電装置における充放電運転の制御動作を示すフローチャートである。充放電運転とは、前述した買電最小運転（充放電）、又は強制充電運転（充電のみ）である。充放電装置１は、受電電力検出器１１、太陽光発電電力検出器１２及び充放電電力検出器１５のそれぞれで検出された電力を合算し、その総和から宅内負荷４の消費電力を求める（Ｓ１）。太陽光発電電力から宅内負荷へ供給される電力を差し引いた差分電力により、充放電装置１は、余剰電力（プラス）又は不足電力（マイナス）を求める（Ｓ２）。

次に買電電力指令値設定部２３により買電電力指令値２３ａが求められる（Ｓ３）。買電最小運転時の選択条件は、図７に記載した通り、夜間電力時間帯以外であれば０［ｋＷ］がターゲット値となる。また、夜間電力時間帯で、且つ、低負荷出力（不足電力が０〜α［ｋＷ］）の場合、余剰電力又は不足電力へ追従させるような電力がターゲット値となる。また、夜間電力時間帯で、且つ、通常負荷出力（α［ｋＷ］以上）の場合、０［ｋＷ］がターゲット値となる。

強制充電運転時の選択条件は、図８に記載した通り、夜間電力時間帯以外であれば、１０［ｋＷ］（Ｍａｘ．）がターゲット値となり、夜間電力時間帯であれば１０［ｋＷ］（Ｍａｘ．）に気象データの重み係数が乗算された値であるβ［ｋＷ］がターゲット値となる。

次に、差分器２０により、受電電力検出器１１で検出された買電電力又は売電電力と買電電力指令値２３ａとの差分が求められる（Ｓ４）。買電電力制御部２２は、この差分に応じた目標充放電電力指令値２２ａを求め（Ｓ５）、買電電力制御部２２は、差分が０になるように電力変換器１７の充放電電流出力をフィードバック制御する（Ｓ７）。逆潮電力検出器１３より逆潮電力が商用系統５側へ流出しないよう監視され、逆潮する場合、逆潮しないよう逆潮電力制御部２１が目標充放電電力指令値２２ａに補正をかける（Ｓ６）。Ｓ７の充放電電流制御の結果、電力変換器１７の運転を停止させない場合（ステップＳ８，Ｎｏ）、制御部１８はＳ１の処理に戻り、電力変換器１７の運転を停止させる場合（ステップＳ８，Ｙｅｓ）、制御部１８は処理を終了する。

以上説明したように、実施の形態に係る充放電装置１によれば、電力会社の電気代が安い夜間電力時間帯において買電最小運転する場合は、宅内負荷の消費電力が低負荷出力（不足電力が０〜α［ｋＷ］）の場合は、電力変換効率が悪く、電池残容量の減少が大きくなる。そのため、低負荷出力時は、給電は行わず、余剰（不足）電力追従、すなわち、買電により宅内負荷を賄うように動作する。また、宅内負荷の消費電力が通常負荷出力（α［ｋＷ］以上）の場合は、電力変換効率が良いため、給電により宅内負荷を賄うように動作する。１日の電池残容量は、元の電池残容量に対して使い切らないよう動作するので、過放電により買電最小運転が止まらずに電池容量の範囲内で効率的な充放電ができるという効果がある。

また、電力会社の電気代が安い夜間電力時間帯において強制充電運転する場合は、買電電力指令値のターゲット電力は、気象データの重み係数が乗算された値が設定されるように動作する。翌日の天候が悪い場合は、太陽光発電システムによる余剰電力を駆動用車載電池への充電することが期待できないため、電池残容量が通常よりも高くなるように動作し、また、翌日の天候が良い場合は、太陽光発電システムによる余剰電力を駆動用車載電池への充電することが期待できるため、電池残容量が通常よりも低くなるように動作する。そのため、翌日において、余剰電力をより多く充電できるという効果がある。

なお本実施の形態の説明ではＥＶ２に搭載される蓄電池３を用いた例を説明したが、蓄電池３は定置型の蓄電池を用いても同様の効果がある。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１充放電装置、２ａ充放電コネクタケーブル、３蓄電池、４宅内負荷、５商用系統、６太陽電池アレイ、７太陽光発電システム、１１受電電力検出器、１１ａ買電電力値、１２太陽光発電電力検出器、１３逆潮電力検出器、１４自立解列器、１５充放電電力検出器、１６連系解列器、１７電力変換器、１８制御部、２０差分器、２１逆潮電力制御部、２２買電電力制御部、２２ａ目標充放電電力指令値、２３買電電力指令値設定部、２３ａ買電電力指令値、２４差分器、２５夜間電力時間帯データ、２６現在時刻データ、２７気象データ、２８記憶部、３０表示操作リモコン、３１クラウドサーバ、４１第１の電路、４２第２の電路、４３第３の電路、１００電力供給システム。

Claims

蓄電池から供給される直流電力を交流電力に変換し、交流電力を直流電力に変換して前記蓄電池へ供給する電力変換器と、
商用系統から供給される交流電力と商用系統から供給される交流電力との電力値を検出する第１の電力検出器と、
発電電力を検出する第２の電力検出器と、
前記電力変換器から出力される交流電力を検出する第３の電力検出器と、
前記第１から第３の電力検出器のそれぞれで検出された電力量に基づき、前記電力変換器が前記蓄電池を充放電する際の目標電力値を指定する目標充放電電力指令値を生成して前記電力変換器へ出力する制御部と
を備え、
前記制御部は、
前記第１から第３の電力検出器のそれぞれで検出された電力量と、商用系統からの買電電力量が１日の中で最も安い夜間電力時間帯を示す夜間電力時間帯データと、現在時刻データと、気象データとに基づき、買電電力量の目標値である買電電力指令値を設定する買電電力指令値設定部と、
前記買電電力指令値と、前記第１の電力検出器で検出された買電時の買電電力値との差分に基づき、前記目標充放電電力指令値を生成することにより、買電時の前記電力変換器を制御する買電電力制御部と、
を備えたことを特徴とする充放電装置。
前記買電電力指令値設定部は、充放電装置の外部に設けられるサーバ又はリモートコントロータから送信される前記夜間電力時間帯データと前記現在時刻データと前記気象データとに基づき、前記買電電力指令値を設定することを特徴とする請求項１に記載の充放電装置。
前記買電電力指令値設定部には、前記夜間電力時間帯において、前記電力変換器の出力電力値が特定の電力値以下となるときに、宅内負荷が低消費電力状態であることが設定され、
前記買電電力指令値設定部は、前記低消費電力状態で前記電力変換器が動作するとき、前記蓄電池からの放電を抑えるよう前記買電電力指令値を設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の充放電装置。
前記特定の電力値は、前記電力変換器の変換効率により決定される電力値であることを特徴とする請求項３に記載の充放電装置。
前記買電電力指令値設定部は、夜間電力時間帯に前記蓄電池を充電する強制充電において、前記気象データから得られた日射量予測値を用いて、前記買電電力指令値を設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の充放電装置。
前記買電電力指令値設定部は、翌日の日射量を示す前記日射量予測値を用いることを特徴とする請求項５に記載の充放電装置。