(57)【要約】【課題】適正な電池容量を持つ二次電池を選定することにより二次電池の長寿命化、環境負荷の低減化を図ることにある。【解決手段】分散電源１を連系させた電力系統の系統電源２と負荷との間に連系用変圧器８を介して接続された電力変換器４の直流側に充放電可能な二次電池５を設けた電力貯蔵装置１３において、ピーク電力を低減する負荷平準化時に前記二次電池５を充放電させ、かつ、前記分散電源１の出力変動を抑制する変動補償動作時に前記キャパシタ９を充放電させることにより、前記二次電池５の充放電を補完するキャパシタ９を二次電池５に並設する。【選択図】　　図１
2004129412.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用電源あるいは自家発設備と負荷からなる交流回路に連系された電力変換器の直流側に充放電可能な二次電池を設けた電力貯蔵装置において、前記二次電池の充放電を補完するキャパシタを二次電池に並設したことを特徴とする電力貯蔵装置。
【請求項２】
ピーク電力を低減して負荷平準化時に前記二次電池を充放電させ、かつ、前記交流回路における負荷変動や分散電源の出力変動を抑制する変動補償動作時に前記キャパシタを充放電させることを特徴とする請求項１に記載の電力貯蔵装置。
【請求項３】
前記二次電池の定電流充電から定電圧充電への移行が必要な充電領域で、前記二次電池の充電と並行してキャパシタを充電開始させることを特徴とする請求項１に記載の電力貯蔵装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、商用電源あるいは自家発設備と負荷からなる交流回路に設けられ、二次電池の充放電により負荷平準化および負荷変動や分散電源の出力変動による電力の品質低下を抑制する電力貯蔵装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば風力発電システムなどの分散電源を系統電源に連系させた電力系統においては、前記風力発電機が、風速などの自然条件に応じて時々刻々と出力変動するものであり、例えば僻地や離島などに設置されることから、電力系統の末端、つまり、ディーゼル発電機を系統電源として持つ小規模な、いわゆる弱い電力系統となるのが一般的である。この種の弱い電力系統では、風力発電出力のような負荷変動が頻繁に現出すると、その負荷変動により電力系統に電圧または周波数変動を招く影響が大きいことから、負荷変動を抑えて電力系統の電圧または周波数変動を抑制するために電力貯蔵装置を設置するようにしている。
【０００３】
図４は電力系統に設置された電力貯蔵装置３の回路構成を示す。この電力貯蔵装置３は、例えば風力発電システムである分散電源１と系統電源２との間に設置され、その連系点Ａに連系用変圧器８を介して電力貯蔵装置３を接続した概略構成を有する。電力貯蔵装置３は、電力変換器４とその直流側に接続された充放電可能な鉛蓄電池などの二次電池５とで構成されている。なお、図中、６，７は系統母線に設けられた計器用変圧器（ＶＴ）と変流器（ＣＴ）である。
【０００４】
前記電力変換器４は、放電機能と充電機能を有する双方向形交直変換器で、系統母線からの交流電力を直流変換して二次電池５に充電するコンバータ運転と、二次電池５に充電された直流電力を交流変換して系統母線に供給するインバータ運転とに切り換え制御される。
【０００５】
そのため、電力貯蔵装置３では、前述した分散電源１の出力変動を計器用変圧器６及び変流器７により検出し、その分散電源１の出力変動を打ち消すように電力貯蔵装置３の電力変換器４をコンバータ運転またはインバータ運転させることにより二次電池５を充放電させ、この電力変換器４のコンバータ運転またはインバータ運転による電力系統との電力のやり取りでもって、分散電源１の出力変動を抑えて電力系統の電圧または周波数変動を抑制するように電力の変動補償動作を行っている。
【０００６】
この電力貯蔵装置３における電力の変動補償動作は、前述した分散電源１の出力変動に対してばかりでなく、例えば一般家庭や工場などの電力需要家における電力パターンに基づく場合についても行われる。
【０００７】
この電力需要家における１日の電力パターンは、例えばＰＭ１〜４時頃の重負荷時間帯に電力ピークとなるような特性を有する。そのため、電力貯蔵装置３では、深夜ならびに軽負荷時間帯（例えばＡＭ８時〜ＰＭ１時、ＰＭ５時〜１０時頃）に電力変換器４のコンバータ運転により二次電池５を充電し、その二次電池５の充電電力を重負荷時間帯（例えばＰＭ１時〜４時頃）に電力変換器４のインバータ運転により放電して、その二次電池５の放電電力を負荷に供給する。このように二次電池５の放電電力をピークシフトすることでピーク電力を低減することにより、負荷平準化を実現している（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−１７１６６９号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述した電力貯蔵装置３では、分散電源１の出力が風速などの自然条件に応じて時々刻々と変動するために頻繁に現出する出力変動に対して、電力変換器４の運転による電力系統との電力のやり取りでもって、常時、分散電源１の出力変動を抑えて電力系統の電圧または周波数変動を抑制する電力の変動補償動作と、電力需要家における１日の電力パターンに基づいて電力変換器４のコンバータ運転またはインバータ運転により二次電池の放電電力をピークシフトすることでピーク電力を低減する負荷平準化の両者について、電力変換器４の直流側に設けられた二次電池５の充放電により達成している。
【００１０】
しかしながら、前述した二次電池５では、その電池容量の全てを、例えば秒オーダーの短時間で現出する出力変動に対応させることが非常に困難であり、二次電池５の特性上、分散電源を連系させた電力系統において変動対応としては余裕が大きい二次電池５を選択しているのが現状であった。
【００１１】
また、その二次電池５の使用に当たっては、出力変動に相当する充放電電流で過電圧の不具合が発生しないように、二次電池５の充電状態（ＳＯＣ）を例えば６０〜７０％程度にしておく必要があり、ピークシフトによる負荷平準化時には二次電池５の電池能力を１００％使用することが困難であった。また、この二次電池５では、６０〜７０％の充電状態（ＳＯＣ）を維持するためには、例えば週一回程度の頻度で電池劣化を防止する充放電作業を必要としていた。
【００１２】
そこで、本発明は、前述した問題点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、適正な電池容量を持つ二次電池を選定することができ、あるいは二次電池の長寿命化を図り、環境負荷の低減化に貢献し得る電力貯蔵装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための技術的手段として、本発明は、商用電源あるいは自家発設備と負荷からなる交流回路に連系された電力変換器の直流側に充放電可能な二次電池を設けた電力貯蔵装置において、前記二次電池の充放電を補完するキャパシタを二次電池に並設したことを特徴とする。
【００１４】
本発明では、キャパシタにより二次電池の充放電を補完するが、その補完手段としては、▲１▼ピーク電力を低減する負荷平準化時に前記二次電池を充放電させ、かつ、前記交流回路における負荷変動や分散電源の出力変動を抑制する変動補償動作時に前記キャパシタを充放電させること、▲２▼二次電池の定電流充電から定電圧充電への移行が必要な充電領域で、前記二次電池の充電と並行してキャパシタを充電開始させることがある。
【００１５】
なお、交流回路における負荷変動は、電力系統に連系された大容量のアーク炉、電鉄負荷、鉄鋼圧延負荷などの変動負荷が引き起こす系統電圧変動を意味し、また、交流回路における分散電源の出力変動は、風力発電システムや太陽光発電システムなどにおいて秒オーダーの短時間で現出する出力変動を意味する。
【００１６】
このように二次電池とキャパシタを併用することにり、電力変換器の直流側に設けられたエネルギー貯蔵を二次電池とキャパシタとで分担する。この二次電池とキャパシタとの分担により二次電池にかかる負担を軽減し、必要最小限の容量を有する二次電池を選定することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明に係る電力貯蔵装置の実施形態を以下に詳述する。図１は自然エネルギーを利用したクリーンな電力供給源として、例えば風力発電システムを分散電源１として連系させた交流回路である電力系統に設置された電力貯蔵装置１３の回路構成を示す。なお、図４と同一部分には同一参照符号を付す。分散電源１としては、風力発電システム以外にも太陽光発電システムなどにも適用可能である。
【００１８】
この実施形態の電力貯蔵装置１３は、例えば風力発電システムである分散電源１と系統電源２との間に設置され、その連系点Ａに連系用変圧器８を介して電力貯蔵装置１３を接続した概略構成を有する。この電力貯蔵装置１３は、電力変換器４とその直流側に接続された鉛蓄電池などの二次電池５およびその二次電池５に並列に接続されたキャパシタ９とで構成されている。前述したキャパシタ９としては、比較的大容量の電解コンデンサや電気二重層コンデンサなどを使用することが望ましい。なお、図中、６，７は系統母線に設けられた計器用変圧器（ＶＴ）と変流器（ＣＴ）である。
【００１９】
前記電力変換器４は、放電機能と充電機能を有する双方向形交直変換器で、系統母線からの交流電力を直流変換して二次電池５に充電するコンバータ運転と、二次電池５に充電された直流電力を交流変換して系統母線に供給するインバータ運転とに切り換え制御される。
【００２０】
ここで、図２は電池工業会指針で規定されたＭＳＥ形（ＪＩＳ規格）鉛蓄電池の標準特性で、二次電池の一般的な特性の一例を示す。この標準特性は、二次電池５の放電時間（分）設定に対する容量換算時間（時）の関係を１０ＨＲ容量換算で例示したもので、最小単位（セル）２Ｖの二次電池５における許容最低電圧が１．６〜１．９Ｖ／セル（蓄電池温度２５℃）についてプロットしている。二次電池５は、例えばこの図の標準特性に基づいて二次電池５の容量が選定される。
【００２１】
この標準特性では、要求される電池電流と放電時間に基づいて、許容最低電圧１．６〜１．９Ｖ／セルのいずれかについて、二次電池の放電時間に対応する容量換算係数Ｋを決定して、要求する電池電流と容量換算係数Ｋとの積で二次電池５の最低限容量を選定することになる。
【００２２】
標準特性では、要求される放電時間の長短の変化に対して、容量換算係数Ｋの変化が緩やかな区間と、逆に顕著な区間がある。これは、同一容量（Ａｈ）の電池の特性を反映している。通電時間が短くなるほど通電電流は大きくとれるが、通電電流値には上限があり、図２の二次電池特性では１０分以内の短時間通電使用では、通電電流の上限があまり変化しない（通電限界に近づいている）ことを意味する。
【００２３】
そこで、この電力貯蔵装置１３では、電力変換器４の直流側にエネルギー貯蔵部として、二次電池５の充放電を補完するキャパシタ９を二次電池５に並列接続する。このエネルギー貯蔵部の構成要素である二次電池５とキャパシタ９のうち、二次電池５は、ピーク電力を低減して負荷平準化したり、あるいは電力変換器４の損失分を供給したりする動作を行い、キャパシタ９は、分散電源１の出力変動を抑制する変動補償動作を行う。二次電池５とキャパシタ９は共に内部インピーダンスを有するが、キャパシタ９のインピーダンスを低く設定することにより、秒オーダーの短時間の出力変動に対してはキャパシタ９が優先して応答する。
【００２４】
前述した二次電池５の標準特性から、ピークシフトによる負荷平準化と分散電源の出力変動に対する変動補償動作での二次電池の使用を考える。放電時間が時間オーダーの長時間では、二次電池５のみの充放電によりピーク電力を低減して負荷平準化する動作とし、放電時間が秒オーダーのような１０分以内の短時間では、電池選択で決まる充放電各々の電流限界までは二次電池５のみで対応し、電池の充放電各々の電流限界を超える部分はキャパシタ９の充放電により分散電源１の出力変動に対する変動補償動作とする。このようにすると、二次電池５はその許容能力範囲内一杯で使用することになり、必要最低限の容量を有する適正な二次電池５を選定できることになる。
【００２５】
電力貯蔵装置１３では、前述した分散電源１の出力変動を計器用変圧器６及び変流器７により検出し、その検出された電力量（または電力変動量）に基づいて電力変換器４をコンバータ運転またはインバータ運転させることにより二次電池５およびキャパシタ９を充放電させ、例えば僻地や離島などの電力系統の末端に設置された分散電源１の出力が風速などの自然条件に応じて時々刻々と変動する場合であっても、前記キャパシタ９の充放電により分散電源１の出力変動を打ち消すように電力変換器４を制御することで分散電源１の出力変動を抑えて電力系統の電圧または周波数変動を抑制する。
【００２６】
つまり、電力貯蔵装置１３では、分散電源１の出力が大きい時に電力変換器４のコンバータ運転により二次電池５およびキャパシタ９を充電し、前述した分散電源１の出力が小さい時に前記二次電池５およびキャパシタ９の貯蔵電力を電力変換器４のインバータ運転により電力系統へ放電し、この電力変換器４の運転による電力系統との電力のやり取りでもって、分散電源１の出力変動を抑えて電力系統の電圧または周波数変動を抑制するように電力の変動補償動作を行っている。
【００２７】
前述した二次電池５では、その電池容量の全てを、例えば秒オーダーの短時間で現出する出力変動に対応させることが非常に困難であったのに対して、その短周期の出力変動に対してはキャパシタ９の充放電で変動補償機能を補完することにより、負荷に対して必要最小限の最適な容量を有する二次電池５を選択することができる。
【００２８】
また、例えば一般家庭や工場などの電力需要家における１日の電力パターンに基づく負荷平準化について、電力貯蔵装置１３では、深夜ならびに軽負荷時間帯（例えばＡＭ８時〜ＰＭ１時、ＰＭ５時〜１０時頃）に電力変換器４のコンバータ運転により二次電池５を充電し、その二次電池５の充電電力を重負荷時間帯（例えばＰＭ１時〜４時頃）に電力変換器４のインバータ運転により放電して、その二次電池５の放電電力を負荷に供給する。このように二次電池５の放電電力をピークシフトすることでピーク電力を低減することにより、負荷平準化を実現する。
【００２９】
このような電力需要家における電力パターンに基づいてピーク電力を低減する負荷平準化のなかで、本装置による二次電池５の充放電で変動補償機能を発揮させる場合、前述の短時間の出力変動はキャパシタ９で補完されるため、その出力変動に対応する充放電電流で過電圧の不具合が発生することや変動補償相当の電池容量を考慮する必要がないことから、二次電池５の充電状態（ＳＯＣ）を６０〜７０％程度に低くしておく必要がなく、ピークシフトによる負荷平準化のみに二次電池５を使用する理想に近づき、二次電池５の電池能力を１００％使用することに近づけることができる。なお、このピークシフト対応のみで使用する二次電池５では、６０〜７０％の充電状態（ＳＯＣ）にしておくために、例えば週一回程度の頻度で電池の劣化を防止する充放電作業も不要となる。
【００３０】
以上のようにこの電力貯蔵装置１３では、前述した分散電源１の出力変動に対する電力の変動補償動作を二次電池５およびキャパシタ９で、また、負荷の電力需要量に基づく昼夜間の負荷平準化を二次電池５が負担するようにしたことから、適正な電池容量を持つ二次電池５を選定できて二次電池５の長寿命化が図れ、環境負荷の低減化に貢献できる。
【００３１】
ここで、一般的に鉛蓄電池などの二次電池５を充電する場合、電解液との反応速度との関係から、定格放電電流と同じ電流値でもって連続的に充電することが困難である。従って、図３に示すように定格放電電流を１Ｃ（Ａ）とした場合、例えば０．１Ｃ（Ａ）程度の定電流で充電を開始し、二次電池５の充電量が８０％程度の充電状態（ＳＯＣ）に達すると、定電圧充電に移行させて最終的に満充電状態になった時点で充電を完了する。この二次電池５の充電量の特性において、その充電量が８０％まではほぼ直線的に増加するが、８０％以上になると、充電量効率が低下するためにその充電量の増加率が低下してなだらかなカーブを描きながら最終的に１００％の満充電状態に達する。
【００３２】
この実施形態の電力貯蔵装置１３では、前述した二次電池５の充電量が８０％の充電状態（ＳＯＣ）以降に発生する充電量効率の低下を補償するため、その８０％の充電状態以降でキャパシタ９に充電する（図中破線ｍで示す）。二次電池５とキャパシタ９は共に内部インピーダンスを有するが、キャパシタ９のインピーダンスを低く設定することにより、定電流充電から定電圧充電へ移行する充電時の過渡期にはキャパシタ９が優先して応答する。この充電が終了すると、内部インピーダンス×キャパシタ容量相当の時間をかけてキャパシタ９と二次電池５の電圧が均衡して最終的に充電を完了する。
【００３３】
なお、放電時も同様の動作となり、二次電池５とキャパシタ９の内部インピーダンスの差により過渡的にはキャパシタ９が優先して応答し、その後、内部インピーダンスとキャパシタ容量相当の時間をかけて電圧均衡に向かう。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、商用電源あるいは自家発設備と負荷からなる交流回路に連系した電力変換器の直流側に充放電可能な二次電池を設けた電力貯蔵装置において、前記二次電池の充放電を補完するキャパシタを二次電池に並設したことにより、電力変換器の直流側に設けるエネルギー貯蔵を二次電池とキャパシタとで分担する。この二次電池とキャパシタとの分担により二次電池にかかる負担を軽減し、必要最小限の容量を有する二次電池を選定することができ、あるいは二次電池の長寿命化、環境負荷の低減化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電力貯蔵装置の実施形態を示す回路構成図である。
【図２】鉛蓄電池の標準特性の一例を示す特性図である。
【図３】二次電池の充電特性を示す特性図である。
【図４】従来の電力貯蔵装置を示す回路構成図である。
【符号の説明】
１　分散電源（風力発電機）
２　系統電源
４　電力変換器
５　二次電池
８　連系用変圧器
９　キャパシタ
１３　電力貯蔵装置
【図１】
2004129412.tif 000003
【図２】
2004129412.tif 000004
【図３】
2004129412.tif 000005
【図４】
2004129412.tif 000006