(57)【要約】  実施形態の蓄電池システムの電池ユニットは、蓄電池を有し、直列に接続された複数の電池モジュールを備えている。バイパス回路は、複数の電池モジュールのうち、いずれかの電池モジュールをバイパスして、他の電池モジュールを直列に接続した状態とすることが可能とされている。電圧補償用電力変換器は、バイパス回路によりいずれかの電池モジュールがバイパスされた状態で、電池ユニットに直列に接続されて、バイパスされた電池モジュールの電圧低下分を補償するので、直列接続数が大きい大規模な蓄電池システムにおいて、縮退運転時の蓄電池モジュールの利用率を向上させることができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄電池を有し、直列に接続された複数の電池モジュールと、前記複数の電池モジュールのうち、いずれかの前記電池モジュールをバイパスして、他の電池モジュールを直列に接続した状態とすることが可能なバイパス回路と、を備えた電池ユニットと、
前記バイパス回路によりいずれかの前記電池モジュールがバイパスされた状態で、前記電池ユニットに直列に接続されて、前記バイパスされた電池モジュールの電圧低下分を補償する電圧補償用電力変換器と、
を備えた蓄電池システム。
【請求項２】
前記電池ユニットが複数並列に接続され、
複数の前記電池ユニットのうち、前記バイパス回路によりいずれかの前記電池モジュールがバイパスされた電池モジュールを含む電池ユニットを前記電圧補償用電力変換器に直列に接続する電池ユニット選択回路を備えた、
請求項１記載の蓄電池システム。
【請求項３】
前記複数の電池ユニットが接続され、電力変換を行って系統側との間で電力調整を行う電力調整装置を備え、
前記電池ユニット選択回路は、前記電池ユニットを前記電圧補償用電力変換器に直列に接続するに際し、当該電池ユニットを前記電力調整装置との接続を解除する、
請求項２記載の蓄電池システム。
【請求項４】
前記電圧補償用電力変換器は、一端が前記系統側に接続されて、前記補償を行う、
請求項３記載の蓄電池システム。
【請求項５】
前記系統側は、三相交流系統、単相交流系統あるいは直流系統である、
請求項３又は請求項４記載の蓄電池システム。
【請求項６】
前記バイパス回路は、前記電池モジュールとそれぞれ並列に接続された複数の直列接続されたスイッチを備えている、
請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の蓄電池システム。
【請求項７】
前記電池モジュールは、複数の蓄電池を有し、
前記複数の蓄電池は、直列接続されている、
請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の蓄電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、蓄電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、太陽光発電や風力発電などをはじめとした安全かつクリーンな自然エネルギーの導入が進んでいる。しかしながら、自然エネルギーの出力は不安定であり、大量導入が進むと電力系統における電圧や周波数に悪影響を及ぼすことが懸念される。また、電力需要に対してこれら自然エネルギーの供給量が大幅に上回ると、自然エネルギーの発電システムを停止しなければならず、発電設備の利用率が低下してしまう。【０００３】
これらの問題を解決するために、二次電池を用いた大規模蓄電池システムを発電システムに併設し、蓄電池からの充放電電力により自然エネルギーの出力変動を抑制したり、電力余剰分を蓄電池に貯蔵するなどの用途が期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１３０８２７号公報
【特許文献２】特許第４９９３６７９号公報
【特許文献３】特開２０１４−０６４３６２号公報
【特許文献４】特開２０１２−２５３８６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、蓄電池システムを大規模化する場合には、電池モジュールの並列数あるいは直列数を増加させることで対応するが、並列数の増加のみでの対応では電池盤を流れる電流が膨大になり配線の抵抗成分での損失が増加するため、直列数も増加させることが必要となる。また、一般的に蓄電池は電力変換装置(Power  Conditioning  System:  ＰＣＳ)を介して直流の電力を交流に変換して電力系統に接続されるが、高出力の蓄電池システムを実現するためには、ＰＣＳの直流側の電圧を高い値で運用することが求められ、やはり蓄電池モジュールの直列接続数を増加させることが求められている。【０００６】
一般的に大規模定置型蓄電池システムは、異常やメンテナンス等を理由に一部の蓄電池モジュールを停止する場合でも、残りの健全な範囲で運転を継続できること(縮退運転できること)が望ましい。しかし、蓄電池システムにおいてモジュールの直列接続数が増加した場合には縮退運転時に利用できるモジュール数の割合が大きく低下する。【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、直列接続数が大きい大規模な蓄電池システムにおいて、縮退運転時の蓄電池モジュールの利用率を向上させることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態の蓄電池システムの電池ユニットは、蓄電池を有し、直列に接続された複数の電池モジュールを備えている。バイパス回路は、複数の電池モジュールのうち、いずれかの電池モジュールをバイパスして、他の電池モジュールを直列に接続した状態とすることが可能とされている。電圧補償用電力変換器は、バイパス回路によりいずれかの電池モジュールがバイパスされた状態で、電池ユニットに直列に接続されて、バイパスされた電池モジュールの電圧低下分を補償する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、再生可能エネルギー発電システムの概要構成ブロック図である。
【図２】図２は、蓄電池装置の詳細構成ブロック図である。
【図３】図３は、セルモジュール、ＣＭＵ及びＢＭＵの詳細構成説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
次に図面を参照して実施形態について詳細に説明する。
［１］実施形態
図１は、再生可能エネルギー発電システムの概要構成ブロック図である。
再生可能エネルギー発電システム１００は、太陽光、水力、風力、バイオマス、地熱等の自然エネルギー（再生可能エネルギー）を利用し、系統電力として出力可能な自然エネルギー発電ユニット１と、自然エネルギー発電ユニット１の発電電力を測定する電力計２と、風力、電力計２の測定結果に基づいて自然エネルギー発電ユニット１の余剰電力を充電し、不足電力を放電して自然エネルギー発電ユニット１の発電電力に重畳して出力する蓄電池システム３と、自然エネルギー発電ユニット１の出力電力（蓄電池システム３の出力電力が重畳されている場合も含む）の電圧変換を行う変圧器４と、蓄電池システム３のローカルな制御を行う蓄電池制御コントローラ５と、蓄電池制御コントローラ５を遠隔制御するための上位制御装置６と、自然エネルギー発電ユニット１又は蓄電池システム３からの電力供給を受けて動作する補機７と、を備えている。
【００１１】
上記構成において、蓄電池システム３は、大別すると、電力を蓄える蓄電池装置１１と、蓄電池装置１１から供給された直流電力を所望の電力品質を有する交流電力に変換して負荷に供給する電力変換装置（ＰＣＳ：Power  Conditioning  System）１２と、縮退運転を行っている後述する電池ユニットが存在する場合に当該電池ユニットの出力電圧を昇圧して出力する電圧補償用電力変換器１３と、を備えている。
【００１２】
図２は、蓄電池装置の詳細構成ブロック図である。
蓄電池装置１１は、大別すると、互いに並列に接続された複数の電池ユニット２１−１〜２１−Ｍ（Ｍは自然数）と、電圧補償対象の電池ユニット（アーム）を選択する電池ユニット（アーム）選択回路２２と、を備えている。
【００１３】
ここで、電池ユニットの構成について説明する。
電池ユニット２１−１〜２１−Ｍは、それぞれ、高電位側電源供給ライン（高電位側電源供給線）ＬＨ及び低電位側電源供給ライン（低電位側電源供給線）ＬＬを介して、ＰＣＳ１２、電池ユニット選択回路２１あるいは電圧補償用電力変換器１３に接続されている。
【００１４】
電池ユニット２１−１〜２１−Ｍは、同一構成であるので、電池ユニット２１−１を例として説明する。
電池ユニット２１−１は、大別すると、複数（図１では、２４個）のセルモジュール３１−１〜３１−２４と、セルモジュール３１−１〜３１−２４にそれぞれ設けられた所定数（１個以上。図１では、２４個）のＣＭＵ３２−１〜３２−２４と、セルモジュール３１−１〜３１−２４にそれぞれ並列に接続されたバイパススイッチ３３−１〜３３−２４を備えたバイパス回路３４と、電池ユニット２１−１全体を制御するＢＭＵ３６と、を備えている。
【００１５】
なお、実際の電池ユニット２１−１〜２１−Ｍには、中間電位に相当する二つのセルモジュール間（図２の例の場合、セルモジュール３１−１２とセルモジュール３１−１３との間）に図示しないサービスディスコネクトが設けられ、高電位側電源供給ラインＬＨには、直列接続された図示しない電流センサ及び図示しないコンタクタが介挿されている。
【００１６】
ここで、セルモジュール３１−１〜３１−２４は、電池セルを複数、直並列に接続されて組電池を構成している。そして、複数の直列接続されたセルモジュール３１−１〜３１−２４で組電池群を構成している。
【００１７】
さらに電池ユニット２１−１は、ＢＭＵ３６を備え、各ＣＭＵ３２−１〜３２−２４の図示しない通信ライン、図示しない電流センサの出力ラインは、ＢＭＵ３６に接続されている。
【００１８】
ＢＭＵ３６は、蓄電池制御コントローラ５の制御下で、電池ユニット２３−１全体を制御し、各ＣＭＵ３２−１〜３２−２４との通信結果（電圧データ及び温度データ）及び図示しない電流センサの検出結果に基づいて図示しないコンタクタ及びバイパス回路３４を構成するバイパススイッチ３３−１〜３３−２４の開閉制御を行う。
【００１９】
次に電池ユニット選択回路２２について説明する。
電池ユニット選択回路２２は、電池ユニット２１−１〜２１−Ｍのそれぞれに対応する高電位側電源供給ラインＬＨに介挿された通常選択スイッチ４１−１〜４１−Ｍと、電池ユニット２１−１〜２１−Ｍのそれぞれに対応し、対応する電池ユニットを電圧補償用電力変換器１３に接続する電圧補償用高電位側スイッチ４２−１１〜４２−Ｍ１及び電圧補償用低電位側スイッチ４２−１２〜４２−Ｍ２とを備えている。
【００２０】
ここで、セルモジュール３１−１〜３１−２４、ＣＭＵ３２−１〜３２−２４およびＢＭＵ３６の詳細構成について説明する。
【００２１】
図３は、セルモジュール、ＣＭＵ及びＢＭＵの詳細構成説明図である。
セルモジュール３１−１〜３１−２４は、それぞれ、直列接続された所定数（１個以上。図３では、１０個）の電池セル６１−１〜６１−１０を備えている。
【００２２】
ＣＭＵ３２−１〜３２−２４は、対応するセルモジュール３１−１〜３１−２４を構成している電池セルの電圧及び所定箇所の温度を測定するための電圧温度計測ＩＣ（Analog  Front  End  IC:AFE-IC）６２と、それぞれが対応するＣＭＵ３２−１〜３２−２４全体の制御を行うＭＰＵ６３と、ＢＭＵ３６との間でＣＡＮ通信を行うためのＣＡＮ（Controller  Area  Network）規格に則った通信コントローラ６４と、セル毎の電圧に相当する電圧データ及び温度データを格納するメモリ６５と、を備えている。
【００２３】
以下の説明において、セルモジュール３１−１〜３１−２４のそれぞれと、対応するＣＭＵ３２−１〜３２−２４と、を合わせた構成については、電池モジュール３７−１〜３７−２４と呼ぶものとする。例えば、セルモジュール３１−１と対応するＣＭＵ３２−１を合わせた構成を電池モジュール３７−１と呼ぶものとする。
【００２４】
また、ＢＭＵ３６は、ＢＭＵ３６全体を制御するＭＰＵ７１と、ＣＭＵ３２−１〜３２−２４との間でＣＡＮ通信を行うためのＣＡＮ規格に則った通信コントローラ７２と、ＣＭＵ３２−１〜３２−２４から送信された電圧データ及び温度データを格納するメモリ７３と、を備えている。
【００２５】
蓄電池制御コントローラ５は、自然エネルギー発電ユニット１の発電電力を検出し、この発電電力が電力系統へ及ぼす影響を緩和するために、蓄電池装置１１を用いて発電電力の出力変動抑制を行なっている。ここで、蓄電池装置１１に対する変動抑制量は当該蓄電池制御コントローラ５あるいはその上位制御装置６が算出し、蓄電池装置１１に対応するＰＣＳ（Power  Conditioning  System）１２に充放電指令として与えられる。
【００２６】
次に実施形態の動作を説明する。
図２に示した蓄電池装置１１は、電池ユニット２１−１を構成している電池モジュール３７−２が故障している、すなわち、電池ユニット２１−１が故障しており、他の電池ユニット２１−２〜２１−Ｍは正常な場合である。
【００２７】
まず、電池ユニットが正常な場合の動作を、電池ユニット２１−２を例として説明する。
電池ユニットが正常な場合には、電池ユニットは、ＰＣＳ１２に直接接続される。
【００２８】
したがって、電池ユニット２１−２に対応するバイパス回路３４内のバイパススイッチ３３−１〜３３−２４は、全て開状態（オフ状態）となっており、電池ユニット選択回路２２内の通常選択スイッチ４１−２は閉状態（オン状態）とされ、電圧補償用高電位側スイッチ４２−２１及び電圧補償用低電位側スイッチ４２−２２は開状態（オフ状態）とされる。
【００２９】
この結果、正常な電池ユニットである電池ユニット２１−２は、電圧補償用電力変換器１３に接続されない状態となり、電圧補償動作は行われない。
【００３０】
したがって、全ての電池ユニット２１−１〜２１−Ｍが正常な状態であれば、電圧補償用電力変換器１３にはいずれの電池ユニットト２１−１〜２１−Ｍも接続されず、この状態では、電池ユニット２１−１〜２１−Ｍに印可される直流電圧はいずれの電池ユニット２１−１〜２１−Ｍでも同一となり、電池モジュール３７−１〜３７−２４間の電池特性が全て同一であると仮定した場合、全ての電池モジュール３７−１〜３７−２４の充放電電流は均等になる。
【００３１】
次に電池ユニットが故障している場合の動作を、電池ユニット２１−１を例として説明する。
ここで、電池ユニット２１−１を構成している電池モジュール３７−２を構成しているセルモジュール３１−２が内部断線等により故障した場合を例として説明する。
【００３２】
この場合には、ＣＭＵ３２−２の故障通知を受けた電池ユニット２１−１のＢＭＵ３６あるいはさらにＢＭＵ３６の故障通知を受けた蓄電池制御コントローラ５は、セルモジュール３１−２を電流流路から外してバイパスするように、バイパス回路３４内のバイパススイッチ３３−２を閉状態（オン状態）とする。
【００３３】
この状態では、電池ユニット２１−１を構成しているセルモジュール３１−１〜３１−２４のうち、電気的に接続されているのは、セルモジュール３１−１、セルモジュール３１−３〜３１−２４となり、セルモジュール３１−２分の電圧低下が起きている。
【００３４】
このままでは電池ユニット２１−１は、他の電池ユニット２１−２〜２１−Ｍと異なる充放電電流が流れることとなり、蓄電池システム３の運用に支障を来すこととなる。
そこで、蓄電池制御コントローラ５は、電池ユニット選択回路２２内の通常選択スイッチ４１−２は開状態（オフ状態）とし、電圧補償用高電位側スイッチ４２−２１及び電圧補償用低電位側スイッチ４２−２２は閉状態（オン状態）とする。
【００３５】
これにより、電池ユニット２１−１は、電圧補償用電力変換器１３に直列に接続された状態となる。このため、電圧補償用電力変換器１３の出力がセルモジュール３１−２の出力に相当するように電圧補償用電力変換器１３を制御することで、電池ユニット２１−１〜２１−Ｍの充放電電流を実効的に均等化することができる。
【００３６】
図２中、矢印は蓄電池システム３が放電を行っている場合の直流電流の流れを示している。
すなわち、蓄電池システム３全体が放電状態の場合、電圧補償用電力変換器１３は交流側（変圧器４側）から直流側（蓄電池システム３側）に電力を流すような電力変換を行う。
【００３７】
これに対し、蓄電池システム３全体が充電状態の場合、電圧補償用電力変換器１３は直流側（蓄電池システム３側）から交流側（変圧器４側）に電力を流すような電力変換を行う。即ち、電圧補償用電力変換器１３は、ＰＣＳ１２と逆の動作（たとえば、ＰＣＳ１２が放電動作の場合には、充電動作）の充放電動作を行う。
【００３８】
以上の説明のように、本実施形態によれば、電池ユニット２１−１を構成している異常が発生した電池モジュール３７−２に流れる電流をバイパスさせ、電圧補償用電力変換器１３を介挿することで他の電池ユニット（アーム）２１−２〜２１−Ｍとの電圧差を補償することで、異常な電池モジュール３７−２を含む電池ユニット２１−１を構成している正常な電池モジュール３７−１、３７−３〜３７−２４を解列することなく蓄電池システム３の運転継続が可能となる。
【００３９】
さらに電圧補償用電力変換器１３は、電力系統側（変圧器４側）に対して充放電を行うため、充放電が行える期間に制限は無い。そのため、電池ユニット２１−１を構成している正常な電池モジュール３７−１、３７−３〜３７−２４は、その蓄電容量を全て利用することが可能である。
【００４０】
［２］実施形態の変形例
以上の説明においては、異常発生に伴い異常が発生した電池モジュールを停止する場合についてのみ説明したが、劣化した電池モジュールの交換や電池モジュール間の電圧バランス維持のためのバランス制御を実行するなどのメンテナンス作業によるモジュール停止時にも適用することが可能である。
【００４１】
なお、メンテナンス等、あらかじめ停止することが分かっている場合のみに適用するのであれば、バイパス回路を電池ユニット（アーム）に着脱可能な形態とし、モジュールを停止させる必要がある場合にのみ、停止させる電池モジュールが含まれる電池ユニットにバイパス回路を取り付けるように構成することも可能である。
【００４２】
このような態様によれば、用意するバイパス回路の数を最大で一組に削減でき、全ての電池モジュールにバイパス回路を設ける場合と比較して、必要なスイッチ、配線の量を削減することが可能である。
【００４３】
また、バイパス回路を着脱可能とする態様において、異常による電池モジュール停止が発生した場合でも、一旦、電池ユニット（アーム）単位の解列を行い、バイパス回路の取り付け後に当該電池ユニット（アーム）の運転を再開することで、蓄電池システムの利用率向上を図ることができる。
【００４４】
以上の説明では、同一の電池ユニット（アーム）内で一つの電池モジュールが故障（あるいは停止）した場合について説明したが、同一の電池ユニット（アーム）内で複数の電池モジュールが故障（あるいは停止）した場合についても、停止させるモジュールに並列なバイパス回路内のスイッチを閉じ、電圧補償用電力変換器の出力電圧を停止させるモジュール台数分の電圧とすることで、対応可能である。
【００４５】
さらに、複数の電池ユニット（アーム）で同時に電池モジュールが故障（あるいは停止）した場合でも、停止させる電池モジュールの台数が各電池ユニット（アーム）で同数であり、電圧補償用電力変換器の電流容量が複数の各電池ユニット（アーム）を流れる充放電電流を賄える大きさであれば、各電池ユニット（アーム）内の健全モジュールの運転を継続させることができる。
【００４６】
さらに、電池ユニット（アーム）選択回路と電圧補償用電力変換器を複数台並列に接続することで、複数の電池ユニット（アーム）で異なる台数の電池モジュールを停止させる場合にも対応することが可能である。
【００４７】
以上の説明では、蓄電池システムは、１台のＰＣＳを備えている構成としたが、ＰＣＳ及び蓄電池システムの組合せが複数並列に接続された大規模蓄電池システムにおいても、各々のＰＣＳに対応する蓄電池システムを同様の構成とすることで、適用が可能である。
【００４８】
以上の説明においては、蓄電池システムが充放電を行う対象の系統として三相交流系統を想定しているが、単相交流や直流の系統であっても適用が可能である。この場合、ＰＣＳ及び電圧補償用電力変換器は、単相交流−直流変換器、あるいは、直流−直流変換器を用いることとなる。
【００４９】
以上の説明においては、各セルモジュールは、直列接続された複数の電池セルを備えていたが、直並列接続された複数の電池セルを備えるようにしてもよい。
【００５０】
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。これら新規な実施形態は、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ともに、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。
【図１】
2016147323.tif 000003
【図２】
2016147323.tif 000004
【図３】
2016147323.tif 000005
【国際調査報告】
2016147323.tif 000006
2016147323.tif 000007
2016147323.tif 000008
2016147323.tif 000009