JP5887426B2 - 蓄電システム - Google Patents

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Description

本発明は、蓄電池の充放電を行う蓄電システムに関する。
近年、地球環境保護やエネルギ資源の有効利用を目的として、風力発電や太陽光発電など、自然エネルギを利用した発電装置の開発が進められている。また、自然エネルギを利用して得た発電電力を、電力会社が民間企業から買い取るといった方策も進められている。
風力発電や太陽光発電を行う際、季節や天候などの自然条件によって発電電力が大きく変動する。したがって、大型の蓄電システムを発電装置に併設し、前記した発電電力の変動を吸収することによって電力系統に対し安定的に電力供給することが行われている。また、需要側の負荷が軽い夜間に蓄電池を充電し、需要側の負荷が重い昼間に蓄電池から放電することによって、電力負荷の平準化が図られている。
例えば、特許文献1には、持続性蓄電池と瞬発性蓄電池とを設け、各蓄電池に関して共通の制御部、及び共通の双方向インバータを用いて電力供給を切換制御する電力貯蔵システムについて開示されている。
特開2000−295784号公報
近年、蓄電システムにリチウムイオン蓄電池が用いられつつあるが、蓄電池の製品群について過去の歴史を振り返ると、大容量の蓄電システムには投資対効果の観点から専ら鉛蓄電池が用いられてきた経緯がある。したがって、鉛蓄電池を備えた既存の蓄電システムに異種類の蓄電池(例えば、リチウムイオン蓄電池)を後付けし、信頼性や応答性を向上させたいという要請がある。
しかしながら、特許文献1に記載の電力貯蔵システムは、1つの制御部によって2種類の蓄電池(持続性蓄電池及び瞬発性蓄電池)の充放電を制御する構成となっている。そうすると、例えば、持続性蓄電池を備えた既存の電力貯蔵システムに瞬発性蓄電池を後付けする際、回路全体の構成や制御部のアルゴリズムを修正する必要があり、手間やコストがかかるという問題がある。
そこで、本発明は、蓄電池を備える既存のシステムに対し、他の蓄電池を容易に後付け可能な蓄電システムを提供することを課題する。
前記課題を解決するために、本発明は、電力系統に接続される別の蓄電システムの充放電電流又は充放電電力を、直接又は間接に検出する状態検出手段と、前記電力系統との間で自身が管理する蓄電池の充放電を行う際、電力変換を行う双方向インバータと、前記状態検出手段によって検出される充放電電流又は充放電電力に応じて、前記別の蓄電システムでの充放電を補うように前記双方向インバータの駆動を制御する制御手段と、を備え、前記状態検出手段は、前記電力系統との間で電力を発電又は消費する外部負荷と、前記別の蓄電システムと、の接続箇所よりも前記電力系統側の配線に設けられ、前記制御手段は、前記状態検出手段によって検出される電流又は電力から、所定周期ごとに平均値を算出し、前記平均値と、前記状態検出手段によって検出される前記電流又は電力との差の絶対値が所定閾値を超える場合、前記差を打ち消すように前記双方向インバータの駆動を制御することを特徴とする。
なお、詳細については、発明を実施するための形態において説明する。
本発明により、蓄電池を備える既存のシステムに対し、他の蓄電池を容易に後付け可能な蓄電システムを提供できる。
本発明の第1実施形態に係る蓄電システムの概要を示す全体構成図である。 第2蓄電システムの詳細な構成図である。 第2双方向インバータが有する電力指令値算出部の構成図である。 (a)は電力系統に供給される電力の総量の時間的変化と、外部負荷から出力される電力の時間的変化と、を示す波形図であり、(b)は第1蓄電池の充放電電力の時間的変化と、第2蓄電池の充放電電力の時間的変化と、を示す波形図である。 本発明の第2実施形態に係る蓄電システムの概要を示す全体構成図である。 本発明の第3実施形態に係る蓄電システムの概要を示す全体構成図である。 本発明の第4実施形態に係る蓄電システムの概要を示す全体構成図である。 第2双方向インバータが有する電力指令値算出部の構成図である。 (a)は電力系統に供給される電力の総量の時間的変化と、外部負荷から出力される電力の時間的変化と、を示す波形図であり、(b)は第1蓄電池の充放電電力の時間的変化と、第2蓄電池の充放電電力の時間的変化と、を示す波形図である。 本発明の第5実施形態に係る蓄電システムの概要を示す全体構成図である。
本発明を実施するための形態(以下、実施形態という)について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
≪第1実施形態≫
図1は、本実施形態に係る蓄電システムの概要を示す全体構成図である。本実施形態では、一例として、電力系統30に接続される既存の第1蓄電システム10に、新たに第2蓄電システム20を後付けする場合について説明する。
なお、図1では、第1双方向インバータ12と電力系統30とが、一本の配線a2を介して接続されるように図示しているが、実際には、U相、V相、W相の三相交流電力に対応する配線で接続されている。第2双方向インバータ23と電力系統30とを接続する配線b2、外部負荷15と電力系統30とを接続する配線a3についても同様である。
また、図1では、第1蓄電池11と第1双方向インバータ12とが、一本の配線a1を介して接続されるように図示しているが、実際には、第1蓄電池11の正極端子P(図2参照)及び負極端子N(図2参照)に第1双方向インバータ12が並列接続されている。第2蓄電池21と第2双方向インバータ23とを接続する配線b1についても同様である。
以下では、一例として、外部負荷15が、自然エネルギを利用した発電機(風力発電機など)である場合について説明する。
<蓄電システムの構成>
蓄電システム1は、第1蓄電池11及び第2蓄電池21を充放電させることによって、外部負荷15から電力系統30に供給される発電電力の変動を吸収するシステムである。
図1に示すように、蓄電システム1は、電力系統30に接続される既存の第1蓄電システム10と、この第1蓄電システム10に後付けされる第2蓄電システム20と、を備えている。
(第1蓄電システム)
第1蓄電システム10(別の蓄電システム)は、第1蓄電池11と、第1双方向インバータ12と、システム電力計13と、コントローラ14と、外部負荷15と、を有している。
第1蓄電池11は、例えば、直列接続された複数の鉛蓄電池であり、配線a1を介して第1双方向インバータ12に接続されている。鉛蓄電池は、後記するリチウムイオン蓄電池と比較して応答性の点で劣るものの、持続性の点で優れるとともに低価格である。
第1双方向インバータ12は、例えば、スイッチング素子であるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を用いた三相双方向インバータであり、配線a2を介して電力系統30に接続されている。なお、第1双方向インバータ12は、コントローラ14からの指令に従い、PWM制御(Pulse Width Modulation)によって駆動する。
第1蓄電池11を充電する場合、第1双方向インバータ12は、配線a2を介して電力系統30から供給される三相交流電力を直流電力に変換し、配線a1を介して第1蓄電池11に出力する。この場合、第1双方向インバータ12はコンバータとして機能する。
一方、第1蓄電池11を放電させる場合、第1双方向インバータ12は、配線a1を介して第1蓄電池11から放電される直流電力を三相交流電力に変換し、配線a2を介して電力系統30に出力する。この場合、第1双方向インバータ12はインバータとして機能する。
システム電力計13は、発電機である外部負荷15と、外部負荷15の発電電力の変動を吸収する第1蓄電池11及び第2蓄電池21と、から電力系統30に供給される電力を検出する電力計である。図1に示すように、システム電力計13は、配線a3との接続箇所よりも電力系統30側の配線a2に設置されている。
コントローラ14は、システム電力計13によって検出される電力に基づいて、第1双方向インバータ12の駆動を制御する装置であり、CPU、RAM、ROMなどの各種電子回路を有している。
コントローラ14は、システム電力計13から入力される情報を用いて潮流計算を行い、予め設定されたプログラムに従って第1蓄電池11の充放電を制御する。
前記したように、外部負荷15(例えば、風力発電機)の発電電力は、天候などの自然条件に応じて変動する。したがって、コントローラ14は、電力系統30に供給される電力(システム電力計13の検出値)が時間的に略一定となるように、第1双方向インバータ12の駆動を制御する。すなわち、コントローラ14は、発電機である外部負荷15の電力変動分を相殺するように、第1蓄電池11の充放電を制御する。
このように、第1蓄電池11と、第1双方向インバータ12と、システム電力計13と、コントローラ14と、によって、一つの閉じた制御系が構成されている。
外部負荷15は、例えば、自然エネルギを利用した発電機であり、配線a3,a2を介して電力系統30に接続されている。ちなみに、コントローラ14との間で各種情報のやり取りをする制御手段(図示せず)によって外部負荷15を制御してもよいし、コントローラ14が第1双方向インバータ12及び外部負荷15の駆動を統括制御してもよい。
(第2蓄電システム)
第2蓄電システム20(蓄電システム)は、第2蓄電池21と、電流検出器22と、第2双方向インバータ23と、を有している。
第2蓄電池21(蓄電池)は、例えば、直列接続された複数のリチウムイオン蓄電池であり、配線b1を介して第2双方向インバータ23に接続されている。リチウムイオン蓄電池は、鉛蓄電池よりもエネルギ密度が高く、応答性の点で鉛蓄電池よりも優れている。すなわち、リチウムイオン蓄電池は、鉛蓄電池よりも出力/容量比が高い。
なお、第2蓄電池21には、セルコントローラK(図2参照)が接続され、各単電池S(図2参照)の電圧、電流、温度などを監視するとともに、各単電池Sの電圧を均等化している。
電流検出器22(状態検出手段)は、第1蓄電池11と第1双方向インバータ12とを接続する配線a1に設置されている。電流検出器22は、配線a1を介して第1蓄電池11に入力される充電電流、又は、配線a1を介して第1蓄電池11から出力される放電電流を検出し、第2双方向インバータ23の電力指令値算出部23e(図2参照)に出力する機能を有している。
第2双方向インバータ23(双方向インバータ)は、例えば、スイッチング素子であるIGBTを用いた三相の双方向PWMインバータであり、配線b2,a2を介して電力系統30に接続されている。第2双方向インバータ23は、電流検出器22によって検出される電流値に基づき、第1蓄電池11の充放電をアシストするように第2蓄電池21の充放電を制御する。
すなわち、第2双方向インバータ23は、電流検出器22によって検出される充電電流(>0)が閾値Lim_cを上回る場合、当該上回った分の電流を第2蓄電池21に充電する機能を有している。また、第2双方向インバータ23は、電流検出器22によって検出される放電電流(<0)が閾値Lim_dを下回る場合、当該下回った分の電流を第2蓄電池21から放電させる機能を有している。
なお、図1では図示を省略しているが、第2双方向インバータ23には、各スイッチング素子のオン/オフを制御する「制御手段」が内蔵されている。
図2は、第2蓄電システムの詳細な構成図である。第2双方向インバータ23は、直流側が端子P,Nを介して第2蓄電池21の正極及び負極に接続され、交流側が端子U,V,Wを介して電力系統30に接続されている。
以下では、第2双方向インバータ23をインバータとして機能させ、第2蓄電池21から電力系統30側に放電する場合について説明する。
第2双方向インバータ23は、インバータ回路23a、電力指令値算出部23e、充放電電力算出部23h、交流電圧情報抽出部23k、有効電流算出部23n、三相PWM演算部23tなどの「制御手段」を有している。
インバータ回路23aは、三相PWM演算部23tから入力されるPWM信号に従って駆動し、フィルタ素子であるコイル23b及び直流コンデンサ23cを介して入力される直流電力を三相交流電力に変換し、電力系統30側に出力する(つまり、第2蓄電池21を放電させる)。
インバータ回路23aは、いわゆる3相フルブリッジインバータ回路であり、スイッチング素子Qを2直列した上下アームを直流側に対して並列接続した構成となっている。それぞれの上下アームの3つの中間電位は、連携リアクトル23dを介して交流端子UVWに接続されている。
電力指令値算出部23eは、電流検出器22から入力される電流値Idcに応じて、第2蓄電池21が充放電すべき電力指令値Pdc*を算出する。これは、後付けした第2蓄電池21によって第1蓄電池11の充放電をアシストするためである。電力指令値算出部23eは、第2蓄電池の充放電電流(つまり、電流値Idc)が、後記する閾値Lim_cと閾値Lim_dとで挟まれる領域から外れる場合、これに対応する電力指令値Pdc*をPI制御に基づいて算出する機能を有している。
なお、以下では、第2蓄電池21の充電電流及び充電電力を正の値で表し、第2蓄電池21の放電電流及び放電電力を負の値で表す。
図3は、第2双方向インバータが有する電力指令値算出部の構成図である。電力指令値算出部23eは、加算器e1,e5,e9と、比較器e2,e6と、PI制御器e3,e7と、乗算器e4,e8と、を有している。
加算器e1は、電流検出器22から入力される電流値Idcから閾値Lim_c(>0)を減算し、比較器e2及びPI制御器e3に出力する。なお、閾値Lim_cは、第1蓄電池11の充電を第2蓄電池12によってアシストするか否かの判定基準となる値であり、予め設定されて記憶手段(図示せず)に格納されている。
比較器e2は、加算器e1から入力される電流差分(Idc−Lim_c)が0よりも大きい場合、PI制御器e3及び乗算器e4に‘1’を出力する。一方、電流差分(Idc−Lim_c)が0以下である場合、比較器e2はPI制御器e3及び乗算器e4に‘0’を出力する。
PI制御器e3は、いわゆる比例積分制御を用いて、時々刻々と変化する電流値Idcを閾値Lim_cに近づけるように、第2蓄電池21に充電すべき電力指令値Pdc*を算出する。なお、PI制御器e3は、比較器e1から‘0’が入力された時点(つまり、第1蓄電池11の充電をアシストする必要がなくなった時点)において、積分演算をリセットする機能を有している。
乗算器e4は、比較器e2から入力される値(‘1’又は‘0’)と、PI制御器e3から入力される電力指令値とを乗算し、加算器e9に出力する。つまり、電流検出器22から入力される電流値Idcが閾値Lim_c以下である場合、乗算器e4は0を加算器e9に出力する。一方、電流検出器22から入力される電流値Idcが閾値Lim_cよりも大きい場合、乗算器e4はPI制御に基づいた電力指令値を加算器e9に出力する。
加算器e5は、閾値Lim_d(<0)から電流値Idcを減算し、比較器e6及びPI制御器e7に出力する。なお、閾値Lim_dは、第1蓄電池11の放電を第2蓄電池12によってアシストするか否かの判定基準となる値であり、予め設定されて記憶手段(図示せず)に格納されている。
ちなみに、閾値Lim_c,Lim_dの絶対値を小さくするほど、第2蓄電池21が第1蓄電池11の充放電をアシストする程度が大きくなる。
比較器e6、PI制御器e7、及び乗算器e8は、前記した比較器e2、PI制御器e3、及び乗算器e4と同様の機能を有するため、説明を省略する。
加算器e9は、乗算器e4から入力される値と、乗算器e8から入力される値と、を加算し、加算器23i(図2参照)に出力する。つまり、第1蓄電池11の充電電流が閾値Lim_c以下である場合(比較器e2の出力:‘0’)、かつ、第1蓄電池11の放電電流閾値Lim_d(<0)以上である場合(比較器e6の出力:‘0’)、加算器e9は電力指令値Pdc*として0を出力する。これは、第1蓄電池11によって第2蓄電池21の充放電をアシストする必要がない場合に相当する。
第1蓄電池11の充電電流が閾値Lim_cよりも大きい場合(比較器e2の出力:‘1’)、PI制御器e3によって算出される電力指令値Pdc*が加算器e9から出力される。これは、第1蓄電池11によって第2蓄電池21の充電をアシストする場合に相当する。
第1蓄電池11の充電電流が閾値Lim_d(<0)よりも小さい場合(比較器e6の出力:‘1’)、PI制御器e7によって算出される電力指令値Pdc*が加算器e9から出力される。これは、第1蓄電池11によって第2蓄電池21の放電をアシストする場合に相当する。
再び、図2に戻って説明を続ける。
充放電電力算出部23hは、電圧センサ23fによって検出される電圧値Vdcと、電流センサ23gによって検出される電流値Idcと、に基づいて、第2蓄電池21の実際の充放電電力Pdc(直流電力)を算出し、加算器23iに出力する。
なお、電圧センサ23fは、直流コンデンサ23cの両端にかかる電圧を検出するように設けられている。電流センサ23gは、配線a5のうち直流コンデンサ23cの接続箇所とコイル23bとの間に設置されている。
加算器23iは、電力指令値算出部23eから入力される電力指令値Pdc*と、充放電電力算出部23hから入力される充放電電力Pdcとの電力差分を算出し、PI制御器23jに出力する。
PI制御器23jは、加算器23iから入力される電力差分をゼロとするように、比例積分制御を用いて電流指令値Id*(インバータ回路23aから出力すべき電流値)を算出し、加算器23qに出力する。
交流電圧情報抽出部23kは、3つの電圧センサ23mによって検出される電圧値に基づいて交流側端子U,V,Wに印加される交流電圧Vu,Vv,Vwの振幅Vampを算出し、有効電流算出部23n及び加算器23sに出力する。また、交流電圧情報抽出部23kは、電圧センサ23mによって検出される電圧値に基づいて交流電圧Vu,Vv,Vwの位相θを抽出し、有効電流算出部23n及び三相PWM制御部23tに出力する。
なお、電圧センサ23mは、接地点(図示せず)に対する交流側端子U,V,Wの電圧を検出するセンサであり、連携リアクトル23dよりも電力系統30側に設置されている。
有効電流算出部23nは、交流電圧情報抽出部23kから入力される交流電圧Vu,Vv,Vwの振幅Vamp及び位相θと、3つの電流センサ23pから入力される交流電流Iu,Iv,Iwと、に基づいて有効電力を算出する。さらに、有効電流算出部23nは、前記した有効電力に対応する有効電流Idを算出し、直交座標系に換算して加算器23qに出力する。
加算器23qは、PI制御器23jから入力される電流指令値Id*と、有効電流算出部23nから入力される有効電流Idとの電流差分を算出し、PI制御器23rに出力する。
PI制御器23rは、加算器23qから入力される電力差分をゼロとするように、比例積分制御を用いて電圧指令値Vd*を算出し、加算器23sに出力する。
加算器23sは、PI制御器23rから入力される交流電圧Vu,Vv,Vwの振幅Vampと、PI制御器23rから入力される電圧指令値Vd*と、を加算し、三相PWM制御部23tに出力する。
三相PWM制御部23tは、交流電圧情報抽出部23kから入力される位相θに基づいて、加算器23sから入力される電圧値を三相交流信号に変換する。さらに、三相PWM制御部23tは、前記した三相交流信号を所定の搬送波(キャリア)と比較することによって高周波のパルス(矩形波電圧)を生成し、当該パルスに応じて各スイッチング素子Qのオン/オフを制御する。これによって、第2蓄電池21の充放電電力Pdcを電力指令値Pdc*に一致させるようにインバータ回路23aの動作が制御される。
なお、第2双方向インバータ23をコンバータとして機能させ、第2蓄電池21を充電する場合については、説明を省略する。
<蓄電システムの動作>
図4(a)は、電力系統に供給される電力の総量の時間的変化と、外部負荷から出力される電力の時間的変化と、を示す波形図である。前記したように、外部負荷15が自然エネルギを利用した発電機(例えば、風力発電機)である場合、外部負荷15の発電電力は天候などの自然条件に応じて変動する。
外部負荷15の発電電力は、実際には、天候などに応じて不規則的に変化するが、図4(a)では、模式的に正弦波状に変動するものとして図示している(一点鎖線)。なお、図4(a)に示す一点鎖線の波形は、交流電力の瞬時値(例えば、60Hzの正弦波)を意味するものではない。
また、電力系統30に供給される電力の総量(実線)は時間的に略一定であり、目標電力Ptと等しくなっている。これは、第1蓄電池11(及び第2蓄電池21)の充放電によって、外部負荷15の発電電力の変動分を相殺しているためである。
ちなみに、電力系統30側の潮流状態によって電力系統30に供給する目標電力の値も変動し得るが、本実施形態では目標電力が時間的に略一定である場合を例示している。
コントローラ14(図1参照)は、システム電力計13によって検出される電力に応じて、第1蓄電池11を充放電させる。すなわち、コントローラ14は、目標電力Ptに対する不足分を第1蓄電池11から放電させ(例えば、時刻t1〜t4)、目標電力Ptに対する余剰分を第1蓄電池11に充電するように(例えば、時刻t4〜t7)、第1双方向インバータ12の駆動を制御する。
図4(b)は、第1蓄電池の充放電電力の時間的変化と、第2蓄電池の充放電電力の時間的変化と、を示す波形図である。なお、図4(a)、図4(b)に示す時刻t1以前は第1蓄電システム10のみで充放電を行い、時刻t1に第2蓄電システム20を後付けして第1蓄電池11及び第2蓄電池21の双方で充放電を行う場合を示した。
時刻t1以前において、図4(b)に示す第1蓄電池11の充放電電力(破線)は、図4(a)に示す目標電力Pt(実線)に対する発電電力(一点鎖線)の過不足分を補うように変化している。
また、時刻t1以後では、後付けした第2蓄電システム20の動作に従い、前記した過不足分のうち閾値Lim_Dを下回る分の電力が第2蓄電池21から放電され(例えば、時刻t2〜t3)、閾値Lim_Cを超える分の電力が第2蓄電池21に充電されている(例えば、時刻t5〜t6)。
なお、電力の閾値Lim_C,Lim_Dの値は、前記した電力指令値算出部23e(図2参照)で用いられる電流の閾値Lim_c,Lim_dに対応している。
図4(b)に示すように、第1蓄電システム10から電力系統30に供給される電力は、閾値Lim_D以上かつ閾値Lim_C以下の範囲に制限される。これは、第2蓄電池21の充放電に応じてシステム電力計13の検出値が微小に変化し、当該変化を打ち消すようにコントローラ14が第1双方向インバータ12の駆動を制御するためである。
<効果>
本実施形態に係る蓄電システム1によれば、第2双方向インバータ23は、閾値Lim_Cを上回る分の電力を第2蓄電池21に充電し、閾値Lim_Dを下回る分の電力を第2蓄電池21から放電させるように設定されている。第2蓄電池21が充放電するとシステム電力計13の検出値が微小に変化するため、コントローラ14は当該変化を打ち消して電力系統30に目標電力Ptを過不足なく供給し続けるように第1双方向インバータ12の駆動を制御する。
そうすると、後付けされた第2蓄電システム20によって第1蓄電池11の充放電電力を閾値Lim_D以上かつ閾値Lim_C以下の範囲に制限され(図4(b)の破線を参照)、その過不足分を第1蓄電システム10によって適切にアシストできる。すなわち、既存の第1蓄電システム10と、後付けされた第2蓄電システム20と、によって電力系統30に所定の目標電力Ptを供給し続けることができる(図4(a)の実線を参照)。
なお、閾値Lim_c,Lim_dの値を適宜設定することによって、第1蓄電システム10による充放電と、第2蓄電システム20による充放電と、の負担割合を変更することができる。
また、本実施形態によれば、第2蓄電システム20を後付けする際にコントローラ14の制御アルゴリズムを修正したり、第1蓄電システム10の回路構成を変更したりする必要がない。したがって、第2蓄電システム20を後付けする際の着脱作業を簡素化できる。また、第1蓄電システム10の駆動を停止することなく第2蓄電システム20を増設し、電力系統30に所定の目標電力Ptを安定的に供給し続けることができる。
また、第1蓄電池10が、例えば鉛蓄電池などの低応答(自給性)電池であった場合、後付けした第2蓄電システム20によって出力電力のピークを抑制できるため、第1蓄電池10の劣化を抑制することができる。このように、鉛蓄電池を備えた既存のシステムに対し、より高応答な(瞬発性の高い)蓄電池を後付けすることによって、既存の蓄電システムを含めて信頼性を向上させ、長寿命とすることができる。
≪第2実施形態≫
第2実施形態は、第1蓄電システム10A(図5参照)が複数の第1蓄電池111,112及び第1双方向インバータ121,122を有する点で第1実施形態と異なるが、その他の点は第1実施形態と同様である。したがって、当該異なる部分について説明し、第1実施形態と重複する部分については説明を省略する。
図5は、本実施形態に係る蓄電システムの概要を示す全体構成図である。図5に示すように、第1蓄電システム10Aは、第1蓄電池111,112と、第1双方向インバータ121,122と、システム電力計13と、コントローラ14と、外部負荷15と、を備えている。
第1双方向インバータ121は、直流側が配線a1を介して第1蓄電池111に接続され、交流側が配線a2,c1を介して電力系統30に接続されている。第1双方向インバータ122は、直流側が配線a4を介して第1蓄電池112に接続され、交流側が配線a5,c1を介して電力系統30に接続されている。コントローラ14は、システム電力計13によって検出される電力が、所定の目標電力に近づくように第1双方向インバータ121,122を駆動し、第1蓄電池111,112の充放電を制御する。
第2蓄電システム20は、第2蓄電池21と、電流検出器22と、第2双方向インバータ23と、を備えている。電流検出器22は、第1蓄電池112と第1双方向インバータ122とを接続する配線a4に設けられ、検出した充放電電流の値を第2双方向インバータ23に出力する。第2双方向インバータ23は、電流検出器22から入力される充放電電流の値に応じて駆動し、第2蓄電池21の充放電を制御する。なお、第2蓄電システム20の動作については第1実施形態と同様であるから、説明を省略する。
<効果>
本実施形態に係る蓄電システム1Aによれば、既存の第1蓄電システム10Aに第2蓄電システム20を後付けすることによって、第1蓄電池の充放電電流Idcが所定の閾値を超えないように(つまり、Lim_d<Idc<Lim_cとなるように)、第2蓄電池21を充放電させることができる。
したがって、第1蓄電システム10Aが複数の第1蓄電池111,112及び第1双方向インバータ121,122を備える場合でも、第1蓄電システム10Aの回路構成やコントローラ14の制御アルゴリズムを変更することなく、第2蓄電システム21を容易に後付けすることができる。
≪第3実施形態≫
第3実施形態は、第2蓄電システム20B(図6参照)が複数の第2蓄電池211〜213、電流検出器221〜223、及び第2双方向インバータ231〜233を有する点で第1実施形態と異なるが、その他の点は第1実施形態と同様である。したがって、当該異なる部分について説明し、第1実施形態と重複する部分については説明を省略する。
図6は、本実施形態に係る蓄電システムの概要を示す全体構成図である。図6に示すように、第2蓄電システムは、第2蓄電池211〜213と、電流検出器221〜223と、第2双方向インバータ231〜233と、を備えている。
第2双方向インバータ231は、直流側が配線b1を介して第2蓄電池211に接続され、交流側が配線b2,a2を介して電力系統30に接続されている。なお、第2双方向インバータ231,232,233は、第1実施形態で説明した第2双方向インバータ23と同様の構成を備えている(図2参照)。
電流検出器221(状態検出手段)は、第1蓄電池11と第1双方向インバータ12とを接続する配線a1に設けられ、第1蓄電池11の充放電電流を検出して第2双方向インバータ231に出力する。第2双方向インバータ231は、電流検出器221から入力される充放電電流に応じて第2蓄電池の充放電を制御する。なお、第2双方向インバータ231の動作は、第1実施形態で説明した第2双方向インバータ23と同様である。
第2双方向インバータ232は、電流検出器222(下位状態検出手段)によって検出される第2蓄電池211の充放電電流に基づいて、第2蓄電池212の充放電を制御する。同様に、第2双方向インバータ233は、電流検出器223(下位状態検出手段)によって検出される第2蓄電池212の充放電電流に基づいて、第2蓄電池213の充放電を制御する。
なお、第2双方向インバータ232,233の構成及び動作は、第1実施形態で説明した第2双方向インバータ23(図2参照)と同様である。
このように、本実施形態では、第2蓄電池211及び第2双方向インバータ231を最上位として複数組の第2蓄電池及び第2双方向インバータ(制御手段を含む)が互いに順序付けられた階層構造をなしている。
最上位の組に属する第2双方向インバータ231は、電流検出器221によって検出される第1蓄電池11の充放電電流に応じて駆動する。
また、二位以下の組に属する第2双方向インバータ232(233)は、電流検出器222(223)から入力される当該組よりも一つ上位の組に属する第2蓄電池211(212)の充放電電流に応じて駆動する。
なお、第2双方向インバータ231,232,233が有する電力指令値算出部(図2に示す電力指令値算出部23eに相当)で用いる充電時の閾値Lim_cは、外部負荷15の発電電力の変動分を第1蓄電池11及び第2蓄電池211,212,213で分担できるように、適宜設定する。
<効果>
本実施形態に係る蓄電システム1Bによれば、第1蓄電システム20の回路構成やコントローラ14の制御アルゴリズムを変更することなく、複数の第2蓄電池などを容易に後付けすることができる。また、外部負荷15による発電電力に関して、目標電流に対する過不足分を第1蓄電システムと、3つの第2蓄電システム211,212,213と、によって分担して補うことができる。
したがって、各蓄電池の負担を軽減しつつ、電力系統30に対して安定的に電力を供給し続けることができる。
≪第4実施形態≫
第4実施形態では、第2蓄電システム20C(図7参照)が有する電流検出器24の設置箇所と、第2双方向インバータ23の構成と、が第1実施形態とは異なるが、その他の点は第1実施形態と同様である。したがって、当該異なる部分について説明し、第1実施形態と重複する部分については説明を省略する。
図7は、本実施形態に係る蓄電システムの概要を示す全体構成図である。図7に示すように、電力系統30と第1双方向インバータ12とを接続する配線a2において、配線a3との接続箇所よりも電力系統30側に電流検出器24(状態検出手段)が設けられている。第2双方向インバータ23Cは、電流検出器24から入力される電流値に応じて第2蓄電池21の充放電を制御する。
なお、第2双方向インバータ23Cの構成は、電流指令値算出部23e(図8参照)を除いて第1実施形態で説明した構成(図2参照)と同様である。
図8は、第2双方向インバータが有する電流指令値算出部の構成図である。電流指令値算出部23eは、電流平均値算出部e11と、加算器e9,e12〜e15と、比較器e2,e6と、PI制御器e3,e7と、乗算器e4,d8と、を有している。
電流平均値算出部e11は、電流検出器22から入力される電流Idcの平均値IAVEを算出する処理を所定周期で実行し、加算器e12,e14に出力する。
加算器e12は、電流平均値算出部e11から入力される電流平均値IAVEに所定値ΔI(>0)を加算し、加算器e13に出力する。なお、所定値ΔIの値は、予め設定されて記憶手段(図示せず)に格納されている。
加算器e13は、電流検出器22によって検出されるIdcから加算器e12の出力値を減算し、比較器e2及びPI制御器e3に出力する。すなわち、加算器e13は、電流の変動分(Idc−IAVE)に所定値ΔIを加算した値を比較器e2及びPI制御器e3に出力する。
加算器e14は、電流平均値算出部e11から入力される電流平均値IAVEから所定値ΔI(>0)を減算し、加算器e15に出力する。加算器e15は、加算器e14の出力値から電流検出器22による検出値Idcを減算し、比較器e6及びPI制御器e7に出力する。すなわち、加算器e15は、電流値の変動分(IAVE−Idc)に所定値(−ΔI)を加算した値を比較器e6及びPI制御器e7に出力する。
なお、図8に示す比較器e2,e6、PI制御器e3,e7、乗算器e4,e8、及び加算器e9の動作は、第1実施形態で説明したもの(図3参照)と同様であるから説明を省略する。
つまり、電力指令値算出部23eは、電流差分(Idc−IAVE)の値が(−ΔI)以上かつΔI以下の領域から外れる場合、これに応じた電力指令値Pdc*を算出して加算器23i(図2参照)に出力する。
このように本実施形態では、外部負荷15による発電電力の変動分に関して、第1蓄電システム10のみでは補えない分を第2蓄電システム20Cによってアシストする構成となっている。
ちなみに、電流検出値Idcが閾値(−ΔI)以上かつ閾値ΔI以下である場合、比較器e2,e6双方の出力がゼロになるため、加算器e9から出力される電流指令値Pdc*もゼロとなる。すなわち、閾値ΔIは、第2蓄電池21の充放電が頻繁に起こり過ぎないようにする(つまり、不感帯を設ける)ために設定されている。
図9(a)は、電力系統に供給される電力の総量の時間的変化と、外部負荷から出力される電力の時間的変化と、を示す波形図である。なお、図9(a)、図9(b)に示す時刻t1以前では時刻t1以前は第1蓄電システム10のみで充放電を行っている状態であり、時刻t1に第2蓄電システム20Cを後付けして第1蓄電池11及び第2蓄電池21の双方を充放電させる場合を示した。
時刻t1以前において、第1蓄電池11の充放電のみでは外部負荷15からの発電電力の変動分を補いきれず(図9(b)の破線を参照)、充放電電力の値が電力P5,P6で頭打ちになっている。例えば、外部負荷15の発電電力の変動分(P1−Pt)のうち(図9(a)参照)、電力P5よりも大きい範囲が第1蓄電池11のみの充電では補いきれず、電力系統30への供給電力の値が、電力P4以上かつP3以下の範囲で変動している(図9(a)の実線を参照)。
図9(b)に示す時刻t1以後において第2蓄電システム20Cが後付けされると、電流検出器24から入力される電流値の変動(つまり、第1蓄電池21では補い切れない変動分)を打ち消すように第2双方向インバータ23Cが駆動し、第2蓄電池21の充放電を制御する。
その結果、例えば、時刻t2〜t3において、第1蓄電システム10のみでは足りない分の電力が第2蓄電池21から放電される(図9(b)の実線を参照)。また、時刻t5〜t6において第2蓄電システム10のみでは余る分の電力が第2蓄電池21に充電される。
なお、前記したように、電流検出器24から入力される電流値Pが閾値(−ΔI)以上かつ閾値(ΔI)以下である場合、第2双方向インバータ34Cは電力指令値Pdc*をゼロとする。このような不感帯が設けられているため、図9(a)に示す時刻t1以後では、ΔIに対応する微小な変動ΔPを繰り返しつつ、電力系統30に対して目標電力Ptに略一致した電力が供給される。
<効果>
本実施形態に係る蓄電システム1Cによれば、既存の第1蓄電池11の劣化などに伴い、第1蓄電システム10による充放電のみでは外部負荷15の電力変動を補えない場合、第2蓄電システム20Cを後付けすることで、電力系統30に対して安定的に電力供給することができる。
また、電流検出値Idcが閾値(−ΔI)以上かつ閾値(ΔI)以下である場合、電力指令値算出部23eは電力指令値Pdc*をゼロに設定する。このような不感帯を設けることによって、微小な電力変動で第2蓄電池21が充放電を繰り返すことを防止し、第2蓄電池21を長期間に亘って使用することができる。
≪第5実施形態≫
第5実施形態は、第2蓄電システム20D(図10参照)が複数の第2蓄電池215〜217、第2双方向インバータ235〜237と、電力系統30側の電流を検出する複数の電流検出器245〜247と、を有する点が第1実施形態とは異なるが、その他の点は第4実施形態と同様である。したがって、当該異なる部分について説明し、第4実施形態と重複する部分については説明を省略する。
図10は、本実施形態に係る蓄電システムの概要を示す全体構成図である。図10に示すように、第2蓄電システム20Dは、第2蓄電池215〜217と、第2双方向インバータ235〜237と、電流検出器245〜247と、を備えている。
電流検出器245(状態検出手段)は、第1双方向インバータ12と電力系統30とを接続する配線a2と、一端が外部負荷15に接続される配線a3と、の接続箇所よりも電力系統30側に設けられている。
第2双方向インバータ235は、直流側が配線d1を介して第2蓄電池215に接続され、交流側が、電流検出器245よりも電力系統30側の配線a2に配線d2を介して接続されている。第2双方向インバータ235は、電流検出器245から入力される電流の変動分を打ち消すように第2蓄電池215の充放電を制御する。なお、第2双方向インバータ235,236,237の構成及び動作は、第4実施形態で説明した第2双方向インバータ23C(図8参照)と同様である。
電流検出器246(下位状態検出手段)は、第2双方向インバータ235と配線a2との接続箇所よりも電力系統30側の配線a2に設けられている。第2双方向インバータ236は、直流側が配線d3を介して第2蓄電池216に接続され、交流側が、電流検出器246よりも電力系統30側の配線a2に配線d4を介して接続されている。
電流検出器247(下位状態検出手段)は、第2双方向インバータ236と配線a2との接続箇所よりも電力系統30側の配線a2に設けられている。第2双方向インバータ237は、直流側が配線d5を介して第2蓄電池217に接続され、交流側が、電流検出器247よりも電力系統30側の配線a2に配線d6を介して接続されている。
それぞれの第2双方向インバータ235〜237は、外部負荷15による発電電力の変動のうち、第1蓄電システム10では補えない分を第2蓄電池215〜217の充放電で分担して補い、電力系統30への供給電力を平準化するようになっている。
なお、第2双方向インバータ235〜237が有する電力指令値算出部(図8に示す電力指令値算出部23eに相当)で設定されている閾値ΔIの値は、前記した充放電が第2蓄電池215〜217で適切に分担して行われるように適宜設定することができる。
このように、本実施形態では、第2蓄電池215及び第2双方向インバータ235を最上位として複数組の第2蓄電池及び第2双方向インバータ(制御手段を含む)が互いに順序付けられた階層構造をなしている。
また、電流検出器245(状態検出手段)によって第1蓄電池11の充放電電流が間接的に検出され、例えば、電流検出器246(下位状態検出手段)によって第2蓄電池215の充放電電流が間接的に検出される。
最上位の組に属する第2双方向インバータ235は、電流検出器245によって検出される第1蓄電池11の充放電電流に応じて駆動する。また、二位以下の組に属する第2双方向インバータ236(237)は、電流検出器246(247)から入力される電流値に応じて駆動する。
<効果>
本実施形態に係る蓄電システム1Dによれば、既存の第1蓄電池11の劣化などに伴い、第1蓄電システム10による充放電のみでは外部負荷15の電力変動を補えない場合、複数の第2蓄電池215〜217などを有する第2蓄電システム20Dを後付けすることで、電力系統30に対して安定的に電力を供給することができる。
また、外部負荷15による発電電力の変動分を第1蓄電池11と、3つの第2蓄電池215〜217と、によって分担して補う。したがって、各蓄電池の負担を軽減し、長期間に亘って使用することができる。
≪変形例≫
以上、本発明に係る蓄電システム1などについて、図面を参照して詳細に説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
例えば、第1実施形態では、配線a1に設けられた電流検出器22によって検出される電流値に基づいて第2双方向インバータ23が第2蓄電池21の充放電を制御する場合について説明したが、これに限らない。すなわち、電流検出器に代えて配線a1に電力検出器を設け、この電力検出器によって検出される電力に基づいて第2双方向インバータ23が第2蓄電池21の充放電を制御してもよい。この場合でも、第1実施形態と同様の効果が得られる。
また、前記と同様のことが、第2〜第5実施形態についてもいえる。
また、前記各実施形態では、外部負荷15が発電機である場合について説明したが、これに限らない。すなわち、外部負荷15は、電力系統30から供給される電力を消費する電気機器であってもよい。
また、外部負荷15を省略してもよい。この場合において、例えば、需要側の負荷が小さい時間帯(夜間)には各双方向インバータ12,23をコンバータとして機能させて電力系統30からの電力を各蓄電池11,21に充電し、需要側の負荷が大きい時間帯(昼間)には各双方向インバータ12,23をインバータとして機能させて各蓄電池11,21を放電させるようにしてもよい。
また、前記各実施形態では、既存の第1蓄電池11が鉛蓄電池であり、後付けされる第2蓄電池21がリチウムイオン蓄電池である場合について説明したが、これに限らない。例えば、第1蓄電池11及び第2蓄電池21の双方がリチウムイオン蓄電池であってもよい。また、ニッケル・カドミウム蓄電池、レドックスフロー電池など様々な蓄電池を、第1蓄電池11又は第2蓄電池21として使用できる。
また、第2双方向インバータ23が備える電力指令値算出部23eが実行する処理は、図3に示す構成に限定されない。すなわち、電力指令値算出部23eは、電流検出値Idcの絶対値が予め設定された閾値を上回る場合、第2蓄電池を充放電させることで前記上回る分を補うものであれば、他の構成であってもよい。
また、前記各実施形態では、複数の単セルを直列接続して第1蓄電池11及び第2蓄電池21を構成する場合について説明したが、これに限らない。例えば、多数個の単セルを直並列接続して第1蓄電池11及び/又は第2蓄電池21を構成し、各単セルの状態を電池管理装置によって階層的に管理してもよい。この場合において、電池管理装置が取得する電池情報(第2蓄電池の電圧値、電流値、温度、充電状態など)を第2双方向インバータ23に出力するように構成し、閾値Lim_c,Lim_dの値を前記した電池情報に応じて調整してもよい。
また、電流検出器22,24(図1、図7参照)として分割コアを備えたホール素子などの直流電流センサを用いてもよい。分割コアであれば配線に対して非接触で着脱可能であるとともに、第2蓄電池21の電流を非接触で計測できる。したがって、第2蓄電システム20を後付けする際の作業を、安全かつ容易に行うことができる。
1,1A,1B,1C,1D 蓄電システム
10 第1蓄電システム(別の蓄電システム)
11,111,112 第1蓄電池
12,121,122 第1双方向インバータ
13 システム電力計
14 コントローラ
15 外部負荷15
20,20B,20C,20D 第2蓄電システム(蓄電システム)
21,211,212,213,215,216,217 第2蓄電池(蓄電池)
22,221,24,245, 電流検出器(状態検出手段)
222,223,246,247 電流検出器(下位状態検出手段)
23,231,232,233,23C,235,236,237 第2双方向インバータ(双方向インバータ)
23a インバータ回路(双方向インバータ)
23e 電力指令値算出部(制御手段)
23h 充放電電力算出部(制御手段)
23j PI制御器(制御手段)
23k 交流電圧情報抽出部(制御手段)
23n 有効電流算出部(制御手段)
23r PI制御器(制御手段)
23t 三相PWM制御器(制御手段)
30 電力系統

Claims (4)

  1. 電力系統に接続される別の蓄電システムの充放電電流又は充放電電力を、直接又は間接に検出する状態検出手段と、
    前記電力系統との間で自身が管理する蓄電池の充放電を行う際、電力変換を行う双方向インバータと、
    前記状態検出手段によって検出される充放電電流又は充放電電力に応じて、前記別の蓄電システムでの充放電を補うように前記双方向インバータの駆動を制御する制御手段と、を備え、
    前記状態検出手段は、
    前記電力系統との間で電力を発電又は消費する外部負荷と、前記別の蓄電システムと、の接続箇所よりも前記電力系統側の配線に設けられ、
    前記制御手段は、
    前記状態検出手段によって検出される電流又は電力から、所定周期ごとに平均値を算出し、前記平均値と、前記状態検出手段によって検出される前記電流又は電力との差の絶対値が所定閾値を超える場合、前記差を打ち消すように前記双方向インバータの駆動を制御すること
    を特徴とする蓄電システム。
  2. 複数組の前記蓄電池、前記双方向インバータ、及び前記制御手段が互いに順序付けられ、
    隣り合う組同士の二つの前記双方向インバータと前記電力系統との接続箇所の間に設けられるとともに、当該設けられた箇所の電流又は電力を検出して前記隣り合う組のうち下位の組に属する前記制御手段に出力する下位状態検出手段を備え、
    前記状態検出手段は、最上位の組の前記双方向インバータと前記電力系統との接続箇所と、前記別の蓄電システムと前記電力系統との接続箇所と、の間に設けられ、
    最上位の組に属する前記制御手段は、前記状態検出手段によって検出される電流又は電力に応じて、当該組に属する前記双方向インバータの駆動を制御し、
    二位以下の組に属する前記制御手段は、前記下位状態検出手段から入力される電流又は電力に応じて、当該組に属する前記双方向インバータの駆動を制御すること
    を特徴とする請求項1に記載の蓄電システム。
  3. 自身が管理する前記蓄電池は、前記別の蓄電システムが管理する蓄電池よりも、容量に対する出力の比が高いこと
    を特徴とする請求項1又は請求項に記載の蓄電システム。
  4. 前記状態検出手段は、配線に対して非接触で着脱可能であること
    を特徴とする請求項1又は請求項に記載の蓄電システム。
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