蓄電システム
【課題】制御系を複雑にせず拡張性を損なわず非常時でも蓄電電力を有効活用できる蓄電システム。
【解決手段】蓄電ユニット1a,1bはバッテリパック15,16,17、配電系統3の交流ラインへ交流電流を出力し配電系統の交流ラインから取得した交流電流を直流電流に変換して出力するＡＣ/ＤＣ変換器11a,11b、ＡＣ／ＤＣ変換器からの直流ライン5,6の直流電流を所定値の直流電流に変換してバッテリパックへ出力しバッテリパックからの直流電流を所定値の直流電流に変換してＡＣ／ＤＣ変換器の直流ラインへ出力するＤＣ／ＤＣ変換器12a,12b、ＡＣ/ＤＣ変換器及びＤＣ／ＤＣ変換器を制御する統括制御装置20a,20bを備え、複数の蓄電ユニットから選択される２つの蓄電ユニット間に設けられ通常時に２つの蓄電ユニット内の直流ライン同士の接続を切り離し、非常時に２つの蓄電ユニット内の直流ライン同士を接続する蓄電ユニット間ＤＣ接続回路4を設ける。
【解決手段】蓄電ユニット1a,1bはバッテリパック15,16,17、配電系統3の交流ラインへ交流電流を出力し配電系統の交流ラインから取得した交流電流を直流電流に変換して出力するＡＣ/ＤＣ変換器11a,11b、ＡＣ／ＤＣ変換器からの直流ライン5,6の直流電流を所定値の直流電流に変換してバッテリパックへ出力しバッテリパックからの直流電流を所定値の直流電流に変換してＡＣ／ＤＣ変換器の直流ラインへ出力するＤＣ／ＤＣ変換器12a,12b、ＡＣ/ＤＣ変換器及びＤＣ／ＤＣ変換器を制御する統括制御装置20a,20bを備え、複数の蓄電ユニットから選択される２つの蓄電ユニット間に設けられ通常時に２つの蓄電ユニット内の直流ライン同士の接続を切り離し、非常時に２つの蓄電ユニット内の直流ライン同士を接続する蓄電ユニット間ＤＣ接続回路4を設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、系統安定化や負荷変動抑制などを目的として需要家側に設置される蓄電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、発電時に温室効果ガスを排出しない再生可能エネルギーを利用した発電設備を設置し、電力供給システムの低炭素化が検討されている。再生可能エネルギーを利用した発電は、電力供給量の制御が困難であり、安定した電力供給を実現することが困難である。 将来、このような再生可能エネルギーを利用した発電設備の設置数が拡大すると、短期的な電力需給バランスが崩れ、電力の周波数が適正値を逸脱する等のおそれがある。また、電力の安定供給が困難となり、電力の品質が悪化するおそれがある。
【０００３】
そこで、再生可能エネルギーを利用した発電設備での余剰電力を蓄電する二次電池を配電系に設置するほか、需要家等に設置されている蓄電設備を活用して、蓄電や配電を行うことも検討されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−８６９２７号公報
【特許文献２】特開平８−６５８９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような系統安定化や、負荷平準化・ピークカット・非常用電源などを目的として需要家側に設置される蓄電設備においては、バッテリパックとその充放電制御を行うＤＣ／ＤＣ変換器及び系統連携ＡＣ／ＤＣ変換器との組（以後、蓄電ユニット、と呼ぶ）を複数個用意し、これらを系統ＡＣラインに並列接続させた蓄電システムを構成することにより、需要家の規模に合わせた仕様の最適化が容易になる利点がある。
【０００６】
しかし、例えば配電系統が停電し、バッテリパックの蓄電電力を用いてＤＣライン経由で非常用回路に電力供給を行いたい場合でも、非常用回路にＤＣ接続されている特定の蓄電ユニットからしか非常用回路に電力を供給することができないという問題がある。
【０００７】
これに対して、ＤＣラインで全ての蓄電ユニットを常時接続する構成も考えられる。しかし、各蓄電ユニット間でＤＣラインの電圧を合わせる必要があり、システムの制御・通信が複雑になり、システム規模の拡張性を阻害することが懸念される。
【０００８】
また、単一の蓄電ユニットとして構成した場合には、ＡＣ／ＤＣ変換器が一つになってしまうため、その変換器の仕様でシステム全体の出力容量が決まってしまうため、システムの拡張性に乏しい。また、ＤＣラインが長く、電圧安定性に問題がある。
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、制御系を複雑にすることなく、かつ拡張性を損なうことなく、非常時においても蓄電電力を有効に活用できる蓄電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、実施形態に係る蓄電システムによれば、複数の蓄電ユニットを備えた蓄電システムであって、各々の蓄電ユニットは、複数のセルモジュールを収容するバッテリパックと、配電系統の交流ラインへ交流電流を出力し且つ前記配電系統の交流ラインから取得した交流電流を直流電流に変換して出力するＡＣ/ＤＣ変換器と、前記ＡＣ／ＤＣ変換器から出力された直流ラインの直流電流を所定値の直流電流に変換して前記バッテリパックへ出力し且つ前記バッテリパックから出力された直流電流を所定値の直流電流に変換して前記ＡＣ／ＤＣ変換器の直流ラインへ出力するＤＣ／ＤＣ変換器と、前記ＡＣ/ＤＣ変換器及び前記ＤＣ／ＤＣ変換器を制御する統括制御装置とを備え、前記複数の蓄電ユニットから選択される２つの蓄電ユニット間に設けられ、通常時には、前記２つの蓄電ユニット内の前記直流ライン同士の接続を切り離し、非常時には、前記２つの蓄電ユニット内の前記直流ライン同士を接続する蓄電ユニット間接続回路を設けたことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る蓄電システムの構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す第１の実施形態に係る蓄電システム内の各々の蓄電ユニットの構成を示すブロック図である。
【図３】図１に示す第１の実施形態に係る蓄電システムにおいて配電系統が停電した場合の動作を示す図である。
【図４】図１に示す第１の実施形態に係る蓄電システム内のＡ／Ｄ変換器が停電した場合の動作を示す図である。
【図５】図１に示す第１の実施形態に係る蓄電システムの複数の蓄電ユニットを複数のスイッチで接続する場合の構成を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る蓄電システムの構成を示すブロック図である。
【図７】図６に示す第２の実施形態に係る蓄電システムにおいて配電系統が停電した場合の動作を示す図である。
【図８】図６に示す第２の実施形態に係る蓄電システムの複数の蓄電ユニットを複数のダイオードで接続する場合の構成を示す図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る蓄電システムの構成を示すブロック図である。
【図１０】図９に示す第３の実施形態に係る蓄電システムにおいて配電系統が停電した場合の動作を示す図である。
【図１１】図９に示す第３の実施形態に係る蓄電システム内のＡ／Ｄ変換器が停電した場合の動作を示す図である。
【図１２】図９に示す第３の実施形態に係る蓄電システムの複数の蓄電ユニットを複数のサイリスタで接続する場合の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態に係る蓄電システムについて、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１３】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る蓄電システムの構成を示すブロック図である。図２は、図１に示す第１の実施形態に係る蓄電システム内の各々の蓄電ユニットの構成を示すブロック図である。
【００１４】
この蓄電システムは、建物内の電力系統である配電系統３に接続されるシステムであり、
配電系統３に接続される２つの蓄電ユニット１ａ，１ｂから構成されている。２つの蓄電ユニット１ａ，１ｂは、検出装置２、システム全体の統括制御を行なう統括制御装置２０ａ，２０ｂ、ＡＣ／ＤＣ変換器１１ａ，１１ｂ、ＤＣ／ＤＣ変換器１２ａ，１３ａ，１２ｂ，１３ｂ，１４ｂ、非常用回路１３ａ、バッテリパック１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１７ｂを備える。検出装置２は、例えば配電系統３の電流を検出する電流センサ、あるいは、ＥＭＳ(Energy Management system)受信端末である。ＥＭＳとは、システムの外部に設けられるエネルギー管理システムである。
【００１５】
統括制御装置２０（２０ａ，２０ｂ）は、管理部２２、通信部２１を有する。管理部２２は、各バッテリパック１５ａ〜１７ｂの電池情報に基づいて各バッテリパック１５ａ〜１７ｂに対する充放電量を制御する負荷配分制御機能を有する。また、配電系統３の状態やシステム全体の稼働状況をモニタリングし、必要に応じてＡＣ／ＤＣ変換器１１（１１ａ，１１ｂ）やＤＣ／ＤＣ変換器１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ，１４ｂに指令を行う。
【００１６】
通信部２１は、各バッテリパック１５ａ〜１７ｂの電池情報をＡＣ／ＤＣ変換器１１（１１ａ，１１ｂ）やＤＣ／ＤＣ変換器１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ，１４ｂを介した通信によって取得したり、各変換器の稼働情報を受信したり、各変換器への制御指令情報の送信を行う。
【００１７】
ＡＣ／ＤＣ変換器１１（１１ａ，１１ｂ）は、双方向インバータ１１１、制御部１１２、通信部１１３を有する。
双方向インバータ１１１は、パルス幅変調ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御可能なスイッチング素子を有し、配電系統３からの交流電力を直流電力に変換してＤＣ／ＤＣ変換器１２，１３の直流ライン（ＤＣライン）へ出力したり、ＤＣ／ＤＣ変換器１２，１３からのＤＣラインの直流電力を交流電力に変換して配電系統３に出力する。
制御部１１２は、統括制御装置２０からの通信指令に基づいて双方向インバータ１１１の動作を制御する。通信部１１２は、ＤＣ／ＤＣ変換器１２，１３との間での情報の送受信を行なう。通信部１１３は、統括制御装置２０との間での情報の送受信を行なう。
【００１８】
ＤＣ／ＤＣ変換器１２は、電圧昇降圧部１２１、制御部１２２、通信部１２３を有する。電圧昇降圧部１２１は、ＰＷＭ制御可能なスイッチング素子を有し、ＡＣ／ＤＣ変換器１１からの直流電力の電圧変換を行なってバッテリパック１５ａ〜１７ｂの二次電池に充電したり、この二次電池に蓄えられていた電力の電圧変換を行なってＡＣ／ＤＣ変換器１１に放電する。
制御部１２２は、統括制御装置２０やＡＣ／ＤＣ変換器１１からの通信指令に基づいて電圧昇降圧部１２１を制御する。通信部１２３は、統括制御装置２０、ＡＣ／ＤＣ変換器１１、バッテリパック１５ａ〜１７ｂとの間での情報の送受信を行なう。
【００１９】
バッテリパック１５ａ〜１７ｂは、複数のセルモジュールを収容する二次電池列、バッテリ管理装置ＢＭＵ(Battery Management Unit)１５２を有し、このＢＭＵ１５２は、制御部１５３、通信部１５４、管理部１５５を有する。
二次電池列は、例えばリチウムイオン、ＮｉＭＨ、鉛などの二次電池を直並列に接続したものである。ＢＭＵ１５２の制御部は、ＤＣ／ＤＣ変換器１２，１３からの通信指令に基づいて二次電池列を制御し、電池の充放電を行なう。通信部１５４は、ＤＣ／ＤＣ変換器１２，１３との間での情報の送受信を行なう。管理部１５５は、二次電池列の電圧、電流、温度、ＳＯＣ(State Of Charge：充電状態)の値、内部抵抗、充放電積算電流などの電池情報を管理して、二次電池列の異常や充放電回数の残り寿命の検知を行なう。
【００２０】
また、第１の実施形態では、ＤＣ／ＤＣ変換器１２，１３は、バッテリパック２つに対して１つずつ設けられる。具体的には、ＡＣ／ＤＣ変換器１１と２つのバッテリパックの間にＤＣ／ＤＣ変換器１２，１３が設けられる。もちろん、制御可能な範囲でＤＣ／ＤＣ変換器１２，１３に接続されるバッテリパックの数を変更してもよい。
【００２１】
さらに、ＡＣ／ＤＣ変換器１１とＤＣ／ＤＣ変換器１２，１３の間のＤＣラインには、別のＤＣ／ＤＣ変換器とバッテリパックの組を接続することも可能である。また、非常時にバッテリからＤＣラインを通じて電力を供給できるように非常用回路１４ａを接続することもできる。このような非常用回路１４ａには、例えばビル内のエレベータや非常灯、データセンタなどの重要機器が繋がっているものとする。
【００２２】
このようなシステムを構成することで、例えば太陽光発電による余剰電力があることを検出装置２で検出した際には、バッテリパック１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ，１７ｂに充電を行い、逆に夏の昼間など電力使用量が多い際には、バッテリパック１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ，１７ｂから放電を行うことで、電力系統の安定化や負荷変動の平準化が実現可能になる。
【００２３】
また、蓄電システムを配置する需要家の規模に応じてバッテリパック１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ，１７ｂの蓄電容量を変えることができ、複数システムに拡張性を持たせることが可能となる。
【００２４】
さらに図１に示すように、複数の蓄電ユニット１ａ，１ｂをＡＣラインで並列接続し統括制御装置２０ａ，２０ｂも通信線で接続して連携することで、システムの出力容量を変えることができ、やはりシステムの拡張性を持たせることが可能となる。
【００２５】
次に、図１に示す蓄電ユニット間ＤＣ接続回路４を説明する。蓄電ユニット間ＤＣ接続回路４は、蓄電ユニット１ａのＤＣライン５と蓄電ユニット１ｂのＤＣライン６の間に、スイッチ４１、制御部４２及び通信部４３を有する。スイッチ４１の一端はコネクタＣＮ１を介して第１蓄電ユニット１ａ内のＤＣライン５に接続され、スイッチ４１の他端はコネクタＣＮ２を介して第２蓄電ユニット１ｂ内のＤＣライン６に接続されている。
【００２６】
通信部４２は、統括制御装置２０ａ，２０ｂからの情報を受信する。制御部４３は、統括制御装置２０ａ，２０ｂからの通信指令に基づいてスイッチ４１の開閉を制御する。スイッチ４１は、切片ＳＷを有し、この切片ＳＷにより制御部４３からの制御指令に基づきＤＣラインの開閉を行う。蓄電ユニット１ａ，１ｂからＤＣライン５，６を外部に出力する際には、遮断器等の回路保護器を設けてもよい。
【００２７】
通常の稼働時にはスイッチ４１の切片ＳＷを開とすることで、各蓄電ユニット１ａ，１ｂ間のＤＣライン５，６は、電気的に接続されない状態となる。このように制御することで、ＡＣ／ＤＣ変換器１１ａとＤＣ／ＤＣ変換器１２ａ，１３ａの間のＤＣライン５は、蓄電ユニット１ａ内で閉じ、ＡＣ／ＤＣ変換器１１ｂとＤＣ／ＤＣ変換器１２ｂ，１３ｂの間のＤＣライン６は、蓄電ユニット１ｂ内で閉じるため、ＤＣライン５，６の電圧制御等が行いやすいという利点がある。
【００２８】
次に、配電系統３に停電が発生した場合のスイッチ４１の開閉制御を説明する。図３に示すように配電系統３が停電した時には、まず蓄電ユニット１ａ，１ｂ内の検出装置２は、配電系統３が停電したことを検出し、検出した情報を統括制御装置２０ａ，２０ｂに送信する。
【００２９】
統括制御装置２０ａ，２０ｂは、検出した情報に基づき、蓄電ユニット間ＤＣ接続回路４内の通信部４２にスイッチ４１を閉じる制御指令を送信する。制御部４３は、通信部４２から指令を受け取り、スイッチ４１を閉じる制御を行う。
【００３０】
このようにスイッチ４１を閉とすることで、各蓄電ユニット１ａ，１ｂ間のＤＣライン５，６は、電気的に接続された状態となる。このように制御することで、蓄電ユニット１ａ，１ｂ間の電力の融通が可能となる。このため、例えば図３において第１蓄電ユニット１ａ側に接続されている非常用回路１４ａに対して、第２蓄電ユニット１ｂのバッテリパック１５ｂ，１６ｂ，１７ｂに蓄えられた電力を供給でき、非常時の蓄電電力の有効活用を図ることができる。
【００３１】
ただし、各蓄電ユニット１ａ，１ｂのＤＣ電圧を均等化制御する必要があるため、蓄電ユニット１ａ，１ｂ間で統括制御装置２０ａ，２０ｂを介した通信を行い、ＤＣライン５，６の安定化を図る制御を行うのが良い。
【００３２】
また、第１の実施形態の蓄電システムは、ＡＣ／ＤＣ変換器１１ａ，１１ｂが故障した際も有効である。図４に示すように、例えば第２蓄電ユニット１ｂのＡＣ／ＤＣ変換器１１ｂが故障すると、第２蓄電ユニット１ｂの蓄電電力はＡＣラインを介して別のユニットに電力を供給することができなくなる。このため、系統安定化制御を行う上で、蓄電池の容量が足りない恐れがあり、システム全体を停止しなければならないこともありうる。
【００３３】
しかし、ＤＣライン５，６のスイッチ４１を閉じてＤＣライン５とＤＣライン６とを接続することで、第２蓄電ユニット１ｂから第１蓄電ユニット１ａへＤＣライン５，６を介して電力を供給することで、継続して蓄電システムを稼働することができる。
【００３４】
ただし、故障した第２蓄電ユニット１ｂの方向へ電力が供給されるのは好ましくないため、第２蓄電ユニット１ｂ側のＤＣ電圧を第１電ユニット１ａ側のＤＣ電圧より少し高めに設定するように、統括制御装置２０ａ，２０ｂを介した通信制御を行うのが良い。
【００３５】
また、第１の実施形態は、２つの蓄電ユニット１ａ，１ｂ間のＤＣラインの接続のみでなく、図５に示すように複数の蓄電ユニット１ａ〜１ｄ間のＤＣラインの接続にも拡張できる。図５に示す変形例では、蓄電ユニットの数をｎ個とすると、ｎＣ２の数だけスイッチ４１を用意し、図５に示すように各ＤＣライン間に配置すればよい。図５に示す例では、４Ｃ２の数、即ち６つのスイッチ４１ａ〜４１ｆを用意すれば良い。
【００３６】
そして、６つのスイッチ４１ａ〜４１ｆを各ＤＣラインに対してマトリックス状に配置することで、任意の２つの蓄電ユニットを選び出して接続させることができる。もちろん、スイッチを複数閉じて３つ以上の蓄電ユニットのＤＣラインを接続しても良い。各スイッチ４１ａ〜４１ｆの開閉については、各蓄電ユニットと情報を送受信する通信部４２と、その指令を受け各スイッチに制御信号を送信する制御部４３とで構成し、制御部４３により一括で制御すればよい。
【００３７】
このように第１の実施形態に係る蓄電システムによれば、通常稼働時は蓄電ユニット１ａ，１ｂ間のＤＣライン５，６を電気的に切り離すことでＤＣライン５，６をユニット単位で管理・制御しつつ、非常時においてはスイッチ41により蓄電ユニット１ａ，１ｂ間のＤＣライン５，６を電気的に接続して、複雑な制御を行うことなく蓄電ユニット１ａ，１ｂ間の電力融通が可能となる。
【００３８】
（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態に係る蓄電システムの構成を示すブロック図である。図６に示す第２の実施形態の蓄電システムは、図１に示す第１の実施形態の蓄電システムの構成に対して、蓄電ユニット間ＤＣ接続回路４ａの構成が異なる。蓄電ユニット間ＤＣ接続回路４ａは、ダイオードＤ１のみからなる。
【００３９】
ダイオードＤ１は、第２蓄電ユニット１ｂから第１蓄電ユニット１ａの方向へのみ電流を流すように、アノードを第２蓄電ユニット１ｂ側、カソードを第１蓄電ユニット１ａ側に接続している。
【００４０】
ここで、通常の稼働時には第２蓄電ユニット１ｂのＤＣ電圧Ｖ２よりも第１蓄電ユニット１ａのＤＣ電圧Ｖ１が高い状態を維持するように制御することで、各蓄電ユニット１ａ，１ｂ間のＤＣライン５，６には電流が流れない状態とする。例えば、ＤＣライン５，６の電圧許容範囲が±５%の場合、Ｖ１は＋５％〜±０％の範囲とし、Ｖ２は±０％〜−５％との範囲とすればよい。
【００４１】
これにより、ダイオードＤ１は逆バイアス状態となるため、ＡＣ／ＤＣ変換器１１ａとＤＣ／ＤＣ変換器１２ａ，１３ａの間のＤＣライン５は第１蓄電ユニット１ａ内で閉じ、ＡＣ／ＤＣ変換器１１ｂとＤＣ／ＤＣ変換器１２ｂ，１３ｂ，１４ｂの間のＤＣライン６は第１蓄電ユニット１ｂ内で閉じるため、ＤＣライン５，６の電圧制御等が行いやすいという利点がある。
【００４２】
次に、配電系統３に停電が発生した場合の動作を説明する。図７に示すように配電系統３が停電した時には、最初は、Ｖ１＞Ｖ２の関係により第２蓄電ユニット１ｂから第１蓄電ユニット１ａへは電流が流れない。このため、第１蓄電ユニット１ａの非常用回路１４ａへは第１蓄電ユニット１ａのバッテリパック１５ａ，１６ａの蓄電電力が供給される。しかし、第１蓄電ユニット１ａの蓄電容量が減ってくると、徐々に電圧Ｖ１が下がってくるが、Ｖ１＜Ｖ２となるとダイオードＤ１が順方向となり、順方向電流が流れる。このため、今度は第２蓄電ユニット１ｂのバッテリパック１５ｂ，１６ｂ，１７ｂから電力を非常用回路１４ａへ供給することができる。
【００４３】
このように非常時に蓄電電力の有効活用を図ることができる。また、第１の実施形態の蓄電システムは、第１の実施形態の蓄電システムとは異なり、スイッチ４１の開閉に必要となる面倒な制御・通信系を必要とせず、かつ蓄電ユニット１ａ，１ｂ間のＤＣライン電圧調整を厳密に行う必要が無いという利点がある。ただし、第２の実施形態においては非常用回路１４ａが接続されている蓄電ユニットを決め、ダイオードＤ１の向きを予め設定しておく必要がある。
【００４４】
また、蓄電ユニット１ａ，１ｂ間の双方向の電力供給はできないため、第２の実施形態の蓄電システムは、第１の実施形態のようなＡＣ／ＤＣ変換器１１ａ，１１ｂの故障への対策としては適さない。
【００４５】
第２の実施形態の蓄電システムにおいても、図８に示すように複数の蓄電ユニット１ａ〜１ｄ間のＤＣライン接続へ拡張できる。例えば第１蓄電ユニット１ａと第２蓄電ユニット１ｂとにそれぞれ非常用回路１４ａが設置されていたとすると、第３蓄電ユニット１ｃ及び第４蓄電ユニット１ｄから第１蓄電ユニット１ａ及び第２蓄電ユニット１ｂに電流が流れる方向になるように、ダイオードＤ１〜Ｄ４を設置すれば良い。
【００４６】
（第３の実施形態）
図９は、本発明の第３の実施形態に係る蓄電システムの構成を示すブロック図である。図９に示す第３の実施形態の蓄電システムは、図１に示す第１の実施形態の蓄電システムの構成に対して、蓄電ユニット間ＤＣ接続回路４ｂの構成が異なる。蓄電ユニット間ＤＣ接続回路４ｂは、逆方向並列接続された２つのサイリスタＴｈ１，Ｔｈ２と、通信部４１と、制御部４３とを有している。
【００４７】
ここで、通常の稼働時にはサイリスタＴｈ１，Ｔｈ２のゲートＧ１，Ｇ２に制御部４３から信号を印加しないようにすることで、各蓄電ユニット１ａ，１ｂ間のＤＣライン５，６には電流が流れない状態とする。これにより、ＡＣ／ＤＣ変換器１１ａとＤＣ／ＤＣ変換器１２ａ，１３ａの間のＤＣライン５は第１蓄電ユニット１ａ内で閉じ、ＡＣ／ＤＣ変換器１１ｂとＤＣ／ＤＣ変換器１２ｂ，１３ｂ，１４ｂの間のＤＣライン６は第２蓄電ユニット１ｂ内で閉じるため、ＤＣライン５，６の電圧制御等が行いやすいという利点がある。
【００４８】
次に、配電系統３に停電が発生した場合の動作を説明する。図１０に示すように配電系統３が停電したことを検出装置２が検出した際には、統括制御装置２０ａ，２０ｂの指令により、最初は非常用回路１４ａを有する第１蓄電ユニット１ａ側のＤＣ電圧Ｖ１をＶ２より高くするように制御を行う。さらに、サイリスタＴｈ１のゲートに制御部４３からパルス状の信号を継続的に与えるが、このときは逆電圧のためサイリスタＴｈ１は導通せず、第１蓄電ユニット１ａの非常用回路１４ａへは、まず、第１蓄電ユニット１ａの蓄電電力が供給される。
【００４９】
しかし、第１蓄電ユニット１ａの蓄電容量が減ってくると、徐々にＶ１の電圧が下がってくるため、Ｖ１＜Ｖ２となったとき順電圧となり、ゲートへのパルス状信号によりサイリスタＴｈ１がターンオンする。すると、第２蓄電ユニット１ｂから第１蓄電ユニット１ａへ向けて電流が流れるため、今度は第２蓄電ユニット１ｂのバッテリパック１５ｂ，１６ｂ，１７ｂから電力を供給することができる。
【００５０】
このように非常時に蓄電電力の有効活用を図ることができる。また、Ｖ１とＶ２の電圧関係を利用して緩やかにＤＣライン５，６の接続を行うことができるため、第１の実施形態のような厳密なＤＣライン電圧の調整が不要である利点もある。もし、システムの都合上ＤＣラインの接続を切断したい場合には、一時的にＶ１＞Ｖ２と逆電圧が印加されるように、ＤＣ／ＤＣ変換器で電圧調整を行うことで、サイリスタＴｈ１，Ｔｈ２をターンオフすれば良い。
【００５１】
さらに、第３の実施形態の構成は、第２の実施形態の構成とは異なり、ＡＣ／ＤＣ変換器１１ａ，１１ｂが故障した際にも有効である。図１１に示すように第２蓄電ユニット１ｂのＡＣ／ＤＣ変換器１１ｂが故障すると、第２蓄電ユニット１ｂの蓄電電力はＡＣラインを介して別のユニットに電力を供給することができなくなる。このため、系統安定化制御を行う上で蓄電池の容量が足りない恐れがあり、システム全体を停止しなければならない状況もありうる。
【００５２】
しかし、ＤＣラインのスイッチを閉じて接続することで、第２蓄電ユニット１ｂから第１蓄電ユニット１ａへＤＣライン５，６を通じて電力を供給することで、継続してシステムを稼働することができる。具体的には配電系統停電の時と同様にＶ１とＶ２を制御した上でサイリスタＴｈ１をターンオンさせれば良い。この時、サイリスタＴｈ２はオフしたままなので、故障した第２蓄電ユニット１ｂの方向へ電力が供給されることはない。
【００５３】
また、仮に、第２蓄電ユニット１ａのＡＣ／ＤＣ変換器１１ａが故障すると、第１蓄電ユニット１ａの蓄電電力はＡＣラインを介して別のユニットに電力を供給することができなくなる。このため、系統安定化制御を行う上で蓄電池の容量が足りない恐れがあり、システム全体を停止しなければならない状況もありうる。
【００５４】
しかし、ＤＣラインのサイリスタＴｈ２をターンオンさせて接続することで、第１蓄電ユニット１ａから第２蓄電ユニット１ｂへＤＣライン５，６を通じて電力を供給することで、継続してシステムを稼働することができる。この時、サイリスタＴｈ１はオフしたままなので、故障した第１蓄電ユニット１ａの方向へ電力が供給されることはない。
【００５５】
第３の実施形態においても、図１２に示すように複数の蓄電ユニット１ａ〜１ｄ間のＤＣ接続への拡張も可能である。このように各ＤＣラインに対してマトリックス状にサイリスタを配置することで、任意の２つの蓄電ユニットを選び出し接続させることが可能となる。もちろん、サイリスタを複数閉じて３つ以上の蓄電ユニットのＤＣラインを接続しても良い。
【００５６】
各サイリスタの開閉については各蓄電ユニット１ａ〜１ｄと情報を送受信する通信部４２と、その指令を受け各スイッチに制御信号を送信する制御部４３とにより構成し、制御部４３により一括で制御すれば良い。
【００５７】
第３の実施形態では、厳密なＤＣ電圧調整が不要であることと、ＡＣ／ＤＣ変換器故障にも対応できる点で、第１の実施形態及び第２の実施形態よりも利点があるが、サイリスタのゲート制御回路を必要とするため、装置が大きくなったり、制御が若干複雑になる面もある。
【００５８】
以上、第１の実施形態乃至第３の実施形態の蓄電システムを説明したが、それぞれメリットとデメリットがあるため、必要とされる非常時対策の内容や、制御性などを鑑み、必要に応じて選択すれば良い。
【００５９】
このように、第１の実施形態乃至第３の実施形態の蓄電システムによれば、制御系を複雑にすることなく、かつ拡張性を損なうことなく、非常時においても蓄電電力を有効活用可能な蓄電システムを提供することができる。
【００６０】
以上のように、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、特許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。
【符号の説明】
【００６１】
１ａ 第１蓄電ユニット
１ｂ 第２蓄電ユニット
２ 検出装置
３ 配電系統
４ 蓄電ユニット間ＤＣ接続回路
５，６ ＤＣライン
１１ａ，１１ｂ ＡＣ／ＤＣ変換器
１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ ＤＣ／ＤＣ変換器
１４ａ 非常用回路
１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ，１７ｂ バッテリパック
２２，１５５ 管理部
４１，４１ａ〜４１ｆ スイッチ
２１，４２，１１３，１２３，１５４ 通信部
４３，１１２，１２２，１５３ 制御部
Ｄ１〜Ｄ４ ダイオード
Ｔｈ１〜Ｔｈ１２ サイリスタ
１１１ 双方向インバータ
１２１ 電圧昇降圧部
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、系統安定化や負荷変動抑制などを目的として需要家側に設置される蓄電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、発電時に温室効果ガスを排出しない再生可能エネルギーを利用した発電設備を設置し、電力供給システムの低炭素化が検討されている。再生可能エネルギーを利用した発電は、電力供給量の制御が困難であり、安定した電力供給を実現することが困難である。 将来、このような再生可能エネルギーを利用した発電設備の設置数が拡大すると、短期的な電力需給バランスが崩れ、電力の周波数が適正値を逸脱する等のおそれがある。また、電力の安定供給が困難となり、電力の品質が悪化するおそれがある。
【０００３】
そこで、再生可能エネルギーを利用した発電設備での余剰電力を蓄電する二次電池を配電系に設置するほか、需要家等に設置されている蓄電設備を活用して、蓄電や配電を行うことも検討されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−８６９２７号公報
【特許文献２】特開平８−６５８９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような系統安定化や、負荷平準化・ピークカット・非常用電源などを目的として需要家側に設置される蓄電設備においては、バッテリパックとその充放電制御を行うＤＣ／ＤＣ変換器及び系統連携ＡＣ／ＤＣ変換器との組（以後、蓄電ユニット、と呼ぶ）を複数個用意し、これらを系統ＡＣラインに並列接続させた蓄電システムを構成することにより、需要家の規模に合わせた仕様の最適化が容易になる利点がある。
【０００６】
しかし、例えば配電系統が停電し、バッテリパックの蓄電電力を用いてＤＣライン経由で非常用回路に電力供給を行いたい場合でも、非常用回路にＤＣ接続されている特定の蓄電ユニットからしか非常用回路に電力を供給することができないという問題がある。
【０００７】
これに対して、ＤＣラインで全ての蓄電ユニットを常時接続する構成も考えられる。しかし、各蓄電ユニット間でＤＣラインの電圧を合わせる必要があり、システムの制御・通信が複雑になり、システム規模の拡張性を阻害することが懸念される。
【０００８】
また、単一の蓄電ユニットとして構成した場合には、ＡＣ／ＤＣ変換器が一つになってしまうため、その変換器の仕様でシステム全体の出力容量が決まってしまうため、システムの拡張性に乏しい。また、ＤＣラインが長く、電圧安定性に問題がある。
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、制御系を複雑にすることなく、かつ拡張性を損なうことなく、非常時においても蓄電電力を有効に活用できる蓄電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、実施形態に係る蓄電システムによれば、複数の蓄電ユニットを備えた蓄電システムであって、各々の蓄電ユニットは、複数のセルモジュールを収容するバッテリパックと、配電系統の交流ラインへ交流電流を出力し且つ前記配電系統の交流ラインから取得した交流電流を直流電流に変換して出力するＡＣ/ＤＣ変換器と、前記ＡＣ／ＤＣ変換器から出力された直流ラインの直流電流を所定値の直流電流に変換して前記バッテリパックへ出力し且つ前記バッテリパックから出力された直流電流を所定値の直流電流に変換して前記ＡＣ／ＤＣ変換器の直流ラインへ出力するＤＣ／ＤＣ変換器と、前記ＡＣ/ＤＣ変換器及び前記ＤＣ／ＤＣ変換器を制御する統括制御装置とを備え、前記複数の蓄電ユニットから選択される２つの蓄電ユニット間に設けられ、通常時には、前記２つの蓄電ユニット内の前記直流ライン同士の接続を切り離し、非常時には、前記２つの蓄電ユニット内の前記直流ライン同士を接続する蓄電ユニット間接続回路を設けたことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る蓄電システムの構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す第１の実施形態に係る蓄電システム内の各々の蓄電ユニットの構成を示すブロック図である。
【図３】図１に示す第１の実施形態に係る蓄電システムにおいて配電系統が停電した場合の動作を示す図である。
【図４】図１に示す第１の実施形態に係る蓄電システム内のＡ／Ｄ変換器が停電した場合の動作を示す図である。
【図５】図１に示す第１の実施形態に係る蓄電システムの複数の蓄電ユニットを複数のスイッチで接続する場合の構成を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る蓄電システムの構成を示すブロック図である。
【図７】図６に示す第２の実施形態に係る蓄電システムにおいて配電系統が停電した場合の動作を示す図である。
【図８】図６に示す第２の実施形態に係る蓄電システムの複数の蓄電ユニットを複数のダイオードで接続する場合の構成を示す図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る蓄電システムの構成を示すブロック図である。
【図１０】図９に示す第３の実施形態に係る蓄電システムにおいて配電系統が停電した場合の動作を示す図である。
【図１１】図９に示す第３の実施形態に係る蓄電システム内のＡ／Ｄ変換器が停電した場合の動作を示す図である。
【図１２】図９に示す第３の実施形態に係る蓄電システムの複数の蓄電ユニットを複数のサイリスタで接続する場合の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態に係る蓄電システムについて、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１３】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る蓄電システムの構成を示すブロック図である。図２は、図１に示す第１の実施形態に係る蓄電システム内の各々の蓄電ユニットの構成を示すブロック図である。
【００１４】
この蓄電システムは、建物内の電力系統である配電系統３に接続されるシステムであり、
配電系統３に接続される２つの蓄電ユニット１ａ，１ｂから構成されている。２つの蓄電ユニット１ａ，１ｂは、検出装置２、システム全体の統括制御を行なう統括制御装置２０ａ，２０ｂ、ＡＣ／ＤＣ変換器１１ａ，１１ｂ、ＤＣ／ＤＣ変換器１２ａ，１３ａ，１２ｂ，１３ｂ，１４ｂ、非常用回路１３ａ、バッテリパック１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１７ｂを備える。検出装置２は、例えば配電系統３の電流を検出する電流センサ、あるいは、ＥＭＳ(Energy Management system)受信端末である。ＥＭＳとは、システムの外部に設けられるエネルギー管理システムである。
【００１５】
統括制御装置２０（２０ａ，２０ｂ）は、管理部２２、通信部２１を有する。管理部２２は、各バッテリパック１５ａ〜１７ｂの電池情報に基づいて各バッテリパック１５ａ〜１７ｂに対する充放電量を制御する負荷配分制御機能を有する。また、配電系統３の状態やシステム全体の稼働状況をモニタリングし、必要に応じてＡＣ／ＤＣ変換器１１（１１ａ，１１ｂ）やＤＣ／ＤＣ変換器１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ，１４ｂに指令を行う。
【００１６】
通信部２１は、各バッテリパック１５ａ〜１７ｂの電池情報をＡＣ／ＤＣ変換器１１（１１ａ，１１ｂ）やＤＣ／ＤＣ変換器１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ，１４ｂを介した通信によって取得したり、各変換器の稼働情報を受信したり、各変換器への制御指令情報の送信を行う。
【００１７】
ＡＣ／ＤＣ変換器１１（１１ａ，１１ｂ）は、双方向インバータ１１１、制御部１１２、通信部１１３を有する。
双方向インバータ１１１は、パルス幅変調ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御可能なスイッチング素子を有し、配電系統３からの交流電力を直流電力に変換してＤＣ／ＤＣ変換器１２，１３の直流ライン（ＤＣライン）へ出力したり、ＤＣ／ＤＣ変換器１２，１３からのＤＣラインの直流電力を交流電力に変換して配電系統３に出力する。
制御部１１２は、統括制御装置２０からの通信指令に基づいて双方向インバータ１１１の動作を制御する。通信部１１２は、ＤＣ／ＤＣ変換器１２，１３との間での情報の送受信を行なう。通信部１１３は、統括制御装置２０との間での情報の送受信を行なう。
【００１８】
ＤＣ／ＤＣ変換器１２は、電圧昇降圧部１２１、制御部１２２、通信部１２３を有する。電圧昇降圧部１２１は、ＰＷＭ制御可能なスイッチング素子を有し、ＡＣ／ＤＣ変換器１１からの直流電力の電圧変換を行なってバッテリパック１５ａ〜１７ｂの二次電池に充電したり、この二次電池に蓄えられていた電力の電圧変換を行なってＡＣ／ＤＣ変換器１１に放電する。
制御部１２２は、統括制御装置２０やＡＣ／ＤＣ変換器１１からの通信指令に基づいて電圧昇降圧部１２１を制御する。通信部１２３は、統括制御装置２０、ＡＣ／ＤＣ変換器１１、バッテリパック１５ａ〜１７ｂとの間での情報の送受信を行なう。
【００１９】
バッテリパック１５ａ〜１７ｂは、複数のセルモジュールを収容する二次電池列、バッテリ管理装置ＢＭＵ(Battery Management Unit)１５２を有し、このＢＭＵ１５２は、制御部１５３、通信部１５４、管理部１５５を有する。
二次電池列は、例えばリチウムイオン、ＮｉＭＨ、鉛などの二次電池を直並列に接続したものである。ＢＭＵ１５２の制御部は、ＤＣ／ＤＣ変換器１２，１３からの通信指令に基づいて二次電池列を制御し、電池の充放電を行なう。通信部１５４は、ＤＣ／ＤＣ変換器１２，１３との間での情報の送受信を行なう。管理部１５５は、二次電池列の電圧、電流、温度、ＳＯＣ(State Of Charge：充電状態)の値、内部抵抗、充放電積算電流などの電池情報を管理して、二次電池列の異常や充放電回数の残り寿命の検知を行なう。
【００２０】
また、第１の実施形態では、ＤＣ／ＤＣ変換器１２，１３は、バッテリパック２つに対して１つずつ設けられる。具体的には、ＡＣ／ＤＣ変換器１１と２つのバッテリパックの間にＤＣ／ＤＣ変換器１２，１３が設けられる。もちろん、制御可能な範囲でＤＣ／ＤＣ変換器１２，１３に接続されるバッテリパックの数を変更してもよい。
【００２１】
さらに、ＡＣ／ＤＣ変換器１１とＤＣ／ＤＣ変換器１２，１３の間のＤＣラインには、別のＤＣ／ＤＣ変換器とバッテリパックの組を接続することも可能である。また、非常時にバッテリからＤＣラインを通じて電力を供給できるように非常用回路１４ａを接続することもできる。このような非常用回路１４ａには、例えばビル内のエレベータや非常灯、データセンタなどの重要機器が繋がっているものとする。
【００２２】
このようなシステムを構成することで、例えば太陽光発電による余剰電力があることを検出装置２で検出した際には、バッテリパック１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ，１７ｂに充電を行い、逆に夏の昼間など電力使用量が多い際には、バッテリパック１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ，１７ｂから放電を行うことで、電力系統の安定化や負荷変動の平準化が実現可能になる。
【００２３】
また、蓄電システムを配置する需要家の規模に応じてバッテリパック１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ，１７ｂの蓄電容量を変えることができ、複数システムに拡張性を持たせることが可能となる。
【００２４】
さらに図１に示すように、複数の蓄電ユニット１ａ，１ｂをＡＣラインで並列接続し統括制御装置２０ａ，２０ｂも通信線で接続して連携することで、システムの出力容量を変えることができ、やはりシステムの拡張性を持たせることが可能となる。
【００２５】
次に、図１に示す蓄電ユニット間ＤＣ接続回路４を説明する。蓄電ユニット間ＤＣ接続回路４は、蓄電ユニット１ａのＤＣライン５と蓄電ユニット１ｂのＤＣライン６の間に、スイッチ４１、制御部４２及び通信部４３を有する。スイッチ４１の一端はコネクタＣＮ１を介して第１蓄電ユニット１ａ内のＤＣライン５に接続され、スイッチ４１の他端はコネクタＣＮ２を介して第２蓄電ユニット１ｂ内のＤＣライン６に接続されている。
【００２６】
通信部４２は、統括制御装置２０ａ，２０ｂからの情報を受信する。制御部４３は、統括制御装置２０ａ，２０ｂからの通信指令に基づいてスイッチ４１の開閉を制御する。スイッチ４１は、切片ＳＷを有し、この切片ＳＷにより制御部４３からの制御指令に基づきＤＣラインの開閉を行う。蓄電ユニット１ａ，１ｂからＤＣライン５，６を外部に出力する際には、遮断器等の回路保護器を設けてもよい。
【００２７】
通常の稼働時にはスイッチ４１の切片ＳＷを開とすることで、各蓄電ユニット１ａ，１ｂ間のＤＣライン５，６は、電気的に接続されない状態となる。このように制御することで、ＡＣ／ＤＣ変換器１１ａとＤＣ／ＤＣ変換器１２ａ，１３ａの間のＤＣライン５は、蓄電ユニット１ａ内で閉じ、ＡＣ／ＤＣ変換器１１ｂとＤＣ／ＤＣ変換器１２ｂ，１３ｂの間のＤＣライン６は、蓄電ユニット１ｂ内で閉じるため、ＤＣライン５，６の電圧制御等が行いやすいという利点がある。
【００２８】
次に、配電系統３に停電が発生した場合のスイッチ４１の開閉制御を説明する。図３に示すように配電系統３が停電した時には、まず蓄電ユニット１ａ，１ｂ内の検出装置２は、配電系統３が停電したことを検出し、検出した情報を統括制御装置２０ａ，２０ｂに送信する。
【００２９】
統括制御装置２０ａ，２０ｂは、検出した情報に基づき、蓄電ユニット間ＤＣ接続回路４内の通信部４２にスイッチ４１を閉じる制御指令を送信する。制御部４３は、通信部４２から指令を受け取り、スイッチ４１を閉じる制御を行う。
【００３０】
このようにスイッチ４１を閉とすることで、各蓄電ユニット１ａ，１ｂ間のＤＣライン５，６は、電気的に接続された状態となる。このように制御することで、蓄電ユニット１ａ，１ｂ間の電力の融通が可能となる。このため、例えば図３において第１蓄電ユニット１ａ側に接続されている非常用回路１４ａに対して、第２蓄電ユニット１ｂのバッテリパック１５ｂ，１６ｂ，１７ｂに蓄えられた電力を供給でき、非常時の蓄電電力の有効活用を図ることができる。
【００３１】
ただし、各蓄電ユニット１ａ，１ｂのＤＣ電圧を均等化制御する必要があるため、蓄電ユニット１ａ，１ｂ間で統括制御装置２０ａ，２０ｂを介した通信を行い、ＤＣライン５，６の安定化を図る制御を行うのが良い。
【００３２】
また、第１の実施形態の蓄電システムは、ＡＣ／ＤＣ変換器１１ａ，１１ｂが故障した際も有効である。図４に示すように、例えば第２蓄電ユニット１ｂのＡＣ／ＤＣ変換器１１ｂが故障すると、第２蓄電ユニット１ｂの蓄電電力はＡＣラインを介して別のユニットに電力を供給することができなくなる。このため、系統安定化制御を行う上で、蓄電池の容量が足りない恐れがあり、システム全体を停止しなければならないこともありうる。
【００３３】
しかし、ＤＣライン５，６のスイッチ４１を閉じてＤＣライン５とＤＣライン６とを接続することで、第２蓄電ユニット１ｂから第１蓄電ユニット１ａへＤＣライン５，６を介して電力を供給することで、継続して蓄電システムを稼働することができる。
【００３４】
ただし、故障した第２蓄電ユニット１ｂの方向へ電力が供給されるのは好ましくないため、第２蓄電ユニット１ｂ側のＤＣ電圧を第１電ユニット１ａ側のＤＣ電圧より少し高めに設定するように、統括制御装置２０ａ，２０ｂを介した通信制御を行うのが良い。
【００３５】
また、第１の実施形態は、２つの蓄電ユニット１ａ，１ｂ間のＤＣラインの接続のみでなく、図５に示すように複数の蓄電ユニット１ａ〜１ｄ間のＤＣラインの接続にも拡張できる。図５に示す変形例では、蓄電ユニットの数をｎ個とすると、ｎＣ２の数だけスイッチ４１を用意し、図５に示すように各ＤＣライン間に配置すればよい。図５に示す例では、４Ｃ２の数、即ち６つのスイッチ４１ａ〜４１ｆを用意すれば良い。
【００３６】
そして、６つのスイッチ４１ａ〜４１ｆを各ＤＣラインに対してマトリックス状に配置することで、任意の２つの蓄電ユニットを選び出して接続させることができる。もちろん、スイッチを複数閉じて３つ以上の蓄電ユニットのＤＣラインを接続しても良い。各スイッチ４１ａ〜４１ｆの開閉については、各蓄電ユニットと情報を送受信する通信部４２と、その指令を受け各スイッチに制御信号を送信する制御部４３とで構成し、制御部４３により一括で制御すればよい。
【００３７】
このように第１の実施形態に係る蓄電システムによれば、通常稼働時は蓄電ユニット１ａ，１ｂ間のＤＣライン５，６を電気的に切り離すことでＤＣライン５，６をユニット単位で管理・制御しつつ、非常時においてはスイッチ41により蓄電ユニット１ａ，１ｂ間のＤＣライン５，６を電気的に接続して、複雑な制御を行うことなく蓄電ユニット１ａ，１ｂ間の電力融通が可能となる。
【００３８】
（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態に係る蓄電システムの構成を示すブロック図である。図６に示す第２の実施形態の蓄電システムは、図１に示す第１の実施形態の蓄電システムの構成に対して、蓄電ユニット間ＤＣ接続回路４ａの構成が異なる。蓄電ユニット間ＤＣ接続回路４ａは、ダイオードＤ１のみからなる。
【００３９】
ダイオードＤ１は、第２蓄電ユニット１ｂから第１蓄電ユニット１ａの方向へのみ電流を流すように、アノードを第２蓄電ユニット１ｂ側、カソードを第１蓄電ユニット１ａ側に接続している。
【００４０】
ここで、通常の稼働時には第２蓄電ユニット１ｂのＤＣ電圧Ｖ２よりも第１蓄電ユニット１ａのＤＣ電圧Ｖ１が高い状態を維持するように制御することで、各蓄電ユニット１ａ，１ｂ間のＤＣライン５，６には電流が流れない状態とする。例えば、ＤＣライン５，６の電圧許容範囲が±５%の場合、Ｖ１は＋５％〜±０％の範囲とし、Ｖ２は±０％〜−５％との範囲とすればよい。
【００４１】
これにより、ダイオードＤ１は逆バイアス状態となるため、ＡＣ／ＤＣ変換器１１ａとＤＣ／ＤＣ変換器１２ａ，１３ａの間のＤＣライン５は第１蓄電ユニット１ａ内で閉じ、ＡＣ／ＤＣ変換器１１ｂとＤＣ／ＤＣ変換器１２ｂ，１３ｂ，１４ｂの間のＤＣライン６は第１蓄電ユニット１ｂ内で閉じるため、ＤＣライン５，６の電圧制御等が行いやすいという利点がある。
【００４２】
次に、配電系統３に停電が発生した場合の動作を説明する。図７に示すように配電系統３が停電した時には、最初は、Ｖ１＞Ｖ２の関係により第２蓄電ユニット１ｂから第１蓄電ユニット１ａへは電流が流れない。このため、第１蓄電ユニット１ａの非常用回路１４ａへは第１蓄電ユニット１ａのバッテリパック１５ａ，１６ａの蓄電電力が供給される。しかし、第１蓄電ユニット１ａの蓄電容量が減ってくると、徐々に電圧Ｖ１が下がってくるが、Ｖ１＜Ｖ２となるとダイオードＤ１が順方向となり、順方向電流が流れる。このため、今度は第２蓄電ユニット１ｂのバッテリパック１５ｂ，１６ｂ，１７ｂから電力を非常用回路１４ａへ供給することができる。
【００４３】
このように非常時に蓄電電力の有効活用を図ることができる。また、第１の実施形態の蓄電システムは、第１の実施形態の蓄電システムとは異なり、スイッチ４１の開閉に必要となる面倒な制御・通信系を必要とせず、かつ蓄電ユニット１ａ，１ｂ間のＤＣライン電圧調整を厳密に行う必要が無いという利点がある。ただし、第２の実施形態においては非常用回路１４ａが接続されている蓄電ユニットを決め、ダイオードＤ１の向きを予め設定しておく必要がある。
【００４４】
また、蓄電ユニット１ａ，１ｂ間の双方向の電力供給はできないため、第２の実施形態の蓄電システムは、第１の実施形態のようなＡＣ／ＤＣ変換器１１ａ，１１ｂの故障への対策としては適さない。
【００４５】
第２の実施形態の蓄電システムにおいても、図８に示すように複数の蓄電ユニット１ａ〜１ｄ間のＤＣライン接続へ拡張できる。例えば第１蓄電ユニット１ａと第２蓄電ユニット１ｂとにそれぞれ非常用回路１４ａが設置されていたとすると、第３蓄電ユニット１ｃ及び第４蓄電ユニット１ｄから第１蓄電ユニット１ａ及び第２蓄電ユニット１ｂに電流が流れる方向になるように、ダイオードＤ１〜Ｄ４を設置すれば良い。
【００４６】
（第３の実施形態）
図９は、本発明の第３の実施形態に係る蓄電システムの構成を示すブロック図である。図９に示す第３の実施形態の蓄電システムは、図１に示す第１の実施形態の蓄電システムの構成に対して、蓄電ユニット間ＤＣ接続回路４ｂの構成が異なる。蓄電ユニット間ＤＣ接続回路４ｂは、逆方向並列接続された２つのサイリスタＴｈ１，Ｔｈ２と、通信部４１と、制御部４３とを有している。
【００４７】
ここで、通常の稼働時にはサイリスタＴｈ１，Ｔｈ２のゲートＧ１，Ｇ２に制御部４３から信号を印加しないようにすることで、各蓄電ユニット１ａ，１ｂ間のＤＣライン５，６には電流が流れない状態とする。これにより、ＡＣ／ＤＣ変換器１１ａとＤＣ／ＤＣ変換器１２ａ，１３ａの間のＤＣライン５は第１蓄電ユニット１ａ内で閉じ、ＡＣ／ＤＣ変換器１１ｂとＤＣ／ＤＣ変換器１２ｂ，１３ｂ，１４ｂの間のＤＣライン６は第２蓄電ユニット１ｂ内で閉じるため、ＤＣライン５，６の電圧制御等が行いやすいという利点がある。
【００４８】
次に、配電系統３に停電が発生した場合の動作を説明する。図１０に示すように配電系統３が停電したことを検出装置２が検出した際には、統括制御装置２０ａ，２０ｂの指令により、最初は非常用回路１４ａを有する第１蓄電ユニット１ａ側のＤＣ電圧Ｖ１をＶ２より高くするように制御を行う。さらに、サイリスタＴｈ１のゲートに制御部４３からパルス状の信号を継続的に与えるが、このときは逆電圧のためサイリスタＴｈ１は導通せず、第１蓄電ユニット１ａの非常用回路１４ａへは、まず、第１蓄電ユニット１ａの蓄電電力が供給される。
【００４９】
しかし、第１蓄電ユニット１ａの蓄電容量が減ってくると、徐々にＶ１の電圧が下がってくるため、Ｖ１＜Ｖ２となったとき順電圧となり、ゲートへのパルス状信号によりサイリスタＴｈ１がターンオンする。すると、第２蓄電ユニット１ｂから第１蓄電ユニット１ａへ向けて電流が流れるため、今度は第２蓄電ユニット１ｂのバッテリパック１５ｂ，１６ｂ，１７ｂから電力を供給することができる。
【００５０】
このように非常時に蓄電電力の有効活用を図ることができる。また、Ｖ１とＶ２の電圧関係を利用して緩やかにＤＣライン５，６の接続を行うことができるため、第１の実施形態のような厳密なＤＣライン電圧の調整が不要である利点もある。もし、システムの都合上ＤＣラインの接続を切断したい場合には、一時的にＶ１＞Ｖ２と逆電圧が印加されるように、ＤＣ／ＤＣ変換器で電圧調整を行うことで、サイリスタＴｈ１，Ｔｈ２をターンオフすれば良い。
【００５１】
さらに、第３の実施形態の構成は、第２の実施形態の構成とは異なり、ＡＣ／ＤＣ変換器１１ａ，１１ｂが故障した際にも有効である。図１１に示すように第２蓄電ユニット１ｂのＡＣ／ＤＣ変換器１１ｂが故障すると、第２蓄電ユニット１ｂの蓄電電力はＡＣラインを介して別のユニットに電力を供給することができなくなる。このため、系統安定化制御を行う上で蓄電池の容量が足りない恐れがあり、システム全体を停止しなければならない状況もありうる。
【００５２】
しかし、ＤＣラインのスイッチを閉じて接続することで、第２蓄電ユニット１ｂから第１蓄電ユニット１ａへＤＣライン５，６を通じて電力を供給することで、継続してシステムを稼働することができる。具体的には配電系統停電の時と同様にＶ１とＶ２を制御した上でサイリスタＴｈ１をターンオンさせれば良い。この時、サイリスタＴｈ２はオフしたままなので、故障した第２蓄電ユニット１ｂの方向へ電力が供給されることはない。
【００５３】
また、仮に、第２蓄電ユニット１ａのＡＣ／ＤＣ変換器１１ａが故障すると、第１蓄電ユニット１ａの蓄電電力はＡＣラインを介して別のユニットに電力を供給することができなくなる。このため、系統安定化制御を行う上で蓄電池の容量が足りない恐れがあり、システム全体を停止しなければならない状況もありうる。
【００５４】
しかし、ＤＣラインのサイリスタＴｈ２をターンオンさせて接続することで、第１蓄電ユニット１ａから第２蓄電ユニット１ｂへＤＣライン５，６を通じて電力を供給することで、継続してシステムを稼働することができる。この時、サイリスタＴｈ１はオフしたままなので、故障した第１蓄電ユニット１ａの方向へ電力が供給されることはない。
【００５５】
第３の実施形態においても、図１２に示すように複数の蓄電ユニット１ａ〜１ｄ間のＤＣ接続への拡張も可能である。このように各ＤＣラインに対してマトリックス状にサイリスタを配置することで、任意の２つの蓄電ユニットを選び出し接続させることが可能となる。もちろん、サイリスタを複数閉じて３つ以上の蓄電ユニットのＤＣラインを接続しても良い。
【００５６】
各サイリスタの開閉については各蓄電ユニット１ａ〜１ｄと情報を送受信する通信部４２と、その指令を受け各スイッチに制御信号を送信する制御部４３とにより構成し、制御部４３により一括で制御すれば良い。
【００５７】
第３の実施形態では、厳密なＤＣ電圧調整が不要であることと、ＡＣ／ＤＣ変換器故障にも対応できる点で、第１の実施形態及び第２の実施形態よりも利点があるが、サイリスタのゲート制御回路を必要とするため、装置が大きくなったり、制御が若干複雑になる面もある。
【００５８】
以上、第１の実施形態乃至第３の実施形態の蓄電システムを説明したが、それぞれメリットとデメリットがあるため、必要とされる非常時対策の内容や、制御性などを鑑み、必要に応じて選択すれば良い。
【００５９】
このように、第１の実施形態乃至第３の実施形態の蓄電システムによれば、制御系を複雑にすることなく、かつ拡張性を損なうことなく、非常時においても蓄電電力を有効活用可能な蓄電システムを提供することができる。
【００６０】
以上のように、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、特許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。
【符号の説明】
【００６１】
１ａ 第１蓄電ユニット
１ｂ 第２蓄電ユニット
２ 検出装置
３ 配電系統
４ 蓄電ユニット間ＤＣ接続回路
５，６ ＤＣライン
１１ａ，１１ｂ ＡＣ／ＤＣ変換器
１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ ＤＣ／ＤＣ変換器
１４ａ 非常用回路
１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ，１７ｂ バッテリパック
２２，１５５ 管理部
４１，４１ａ〜４１ｆ スイッチ
２１，４２，１１３，１２３，１５４ 通信部
４３，１１２，１２２，１５３ 制御部
Ｄ１〜Ｄ４ ダイオード
Ｔｈ１〜Ｔｈ１２ サイリスタ
１１１ 双方向インバータ
１２１ 電圧昇降圧部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の蓄電ユニットを備えた蓄電システムであって、
各々の蓄電ユニットは、
複数のセルモジュールを収容するバッテリパックと、
配電系統の交流ラインへ交流電流を出力し且つ前記配電系統の交流ラインから取得した交流電流を直流電流に変換して出力するＡＣ/ＤＣ変換器と、
前記ＡＣ／ＤＣ変換器から出力された直流ラインの直流電流を所定値の直流電流に変換して前記バッテリパックへ出力し且つ前記バッテリパックから出力された直流電流を所定値の直流電流に変換して前記ＡＣ／ＤＣ変換器の直流ラインへ出力するＤＣ／ＤＣ変換器と、
前記ＡＣ/ＤＣ変換器及び前記ＤＣ／ＤＣ変換器を制御する統括制御装置とを備え、
前記複数の蓄電ユニットから選択される２つの蓄電ユニット間に設けられ、通常時には、前記２つの蓄電ユニット内の前記直流ライン同士の接続を切り離し、非常時には、前記２つの蓄電ユニット内の前記直流ライン同士を接続する蓄電ユニット間接続回路を設けたことを特徴とする蓄電システム。
【請求項２】
前記蓄電ユニット間接続回路は、前記統括制御装置から非常信号を受信する通信部と、スイッチと、前記通信部からの前記非常信号に基づき非常時に前記２つの蓄電ユニット内の前記直流ライン同士を接続するように前記スイッチを閉じる制御部とを有することを特徴とする請求項１記載の蓄電システム。
【請求項３】
前記スイッチは、各々の直流ラインに対してマトリックス状に配置されることを特徴とする請求項２記載の蓄電システム。
【請求項４】
前記蓄電ユニット間接続回路は、通常時に、前記２つの蓄電ユニット内の一方の蓄電ユニットの前記直流ラインの電位が他方の蓄電ユニットの前記直流ラインの電位よりも高く設定されている場合に、カソードが前記一方の蓄電ユニットの前記直流ラインに接続され、アノードが前記他方の蓄電ユニットの前記直流ラインに接続されたダイオードを有することを特徴とする請求項１記載の蓄電システム。
【請求項５】
前記ダイオードは、各々の直流ラインに対してマトリックス状に配置されることを特徴とする請求項４記載の蓄電システム。
【請求項６】
前記蓄電ユニット間接続回路は、前記統括制御装置から非常信号を受信する通信部と、逆方向並列接続された第１サイリスタ及び第２サイリスタと、前記通信部からの前記非常信号に基づき前記第１サイリスタと第２サイリスタのいずれかをターンオンさせる制御部とを有することを特徴とする請求項１記載の蓄電システム。
【請求項７】
前記第１サイリスタ及び前記第２サイリスタは、前記各々の直流ラインに対してマトリックス状に配置されることを特徴とする請求項６記載の蓄電システム。
【請求項１】
複数の蓄電ユニットを備えた蓄電システムであって、
各々の蓄電ユニットは、
複数のセルモジュールを収容するバッテリパックと、
配電系統の交流ラインへ交流電流を出力し且つ前記配電系統の交流ラインから取得した交流電流を直流電流に変換して出力するＡＣ/ＤＣ変換器と、
前記ＡＣ／ＤＣ変換器から出力された直流ラインの直流電流を所定値の直流電流に変換して前記バッテリパックへ出力し且つ前記バッテリパックから出力された直流電流を所定値の直流電流に変換して前記ＡＣ／ＤＣ変換器の直流ラインへ出力するＤＣ／ＤＣ変換器と、
前記ＡＣ/ＤＣ変換器及び前記ＤＣ／ＤＣ変換器を制御する統括制御装置とを備え、
前記複数の蓄電ユニットから選択される２つの蓄電ユニット間に設けられ、通常時には、前記２つの蓄電ユニット内の前記直流ライン同士の接続を切り離し、非常時には、前記２つの蓄電ユニット内の前記直流ライン同士を接続する蓄電ユニット間接続回路を設けたことを特徴とする蓄電システム。
【請求項２】
前記蓄電ユニット間接続回路は、前記統括制御装置から非常信号を受信する通信部と、スイッチと、前記通信部からの前記非常信号に基づき非常時に前記２つの蓄電ユニット内の前記直流ライン同士を接続するように前記スイッチを閉じる制御部とを有することを特徴とする請求項１記載の蓄電システム。
【請求項３】
前記スイッチは、各々の直流ラインに対してマトリックス状に配置されることを特徴とする請求項２記載の蓄電システム。
【請求項４】
前記蓄電ユニット間接続回路は、通常時に、前記２つの蓄電ユニット内の一方の蓄電ユニットの前記直流ラインの電位が他方の蓄電ユニットの前記直流ラインの電位よりも高く設定されている場合に、カソードが前記一方の蓄電ユニットの前記直流ラインに接続され、アノードが前記他方の蓄電ユニットの前記直流ラインに接続されたダイオードを有することを特徴とする請求項１記載の蓄電システム。
【請求項５】
前記ダイオードは、各々の直流ラインに対してマトリックス状に配置されることを特徴とする請求項４記載の蓄電システム。
【請求項６】
前記蓄電ユニット間接続回路は、前記統括制御装置から非常信号を受信する通信部と、逆方向並列接続された第１サイリスタ及び第２サイリスタと、前記通信部からの前記非常信号に基づき前記第１サイリスタと第２サイリスタのいずれかをターンオンさせる制御部とを有することを特徴とする請求項１記載の蓄電システム。
【請求項７】
前記第１サイリスタ及び前記第２サイリスタは、前記各々の直流ラインに対してマトリックス状に配置されることを特徴とする請求項６記載の蓄電システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−１９１７３７（Ｐ２０１２−１９１７３７Ａ）
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５２６３６（Ｐ２０１１−５２６３６）
【出願日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]