JP2016046997A - 分散型電源システムおよびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電池システムの内部インピーダンスを考慮した場合に最も蓄電池の発熱を抑える周波数帯でＰＣＳを運転し、かつ連系系統への高調波電流の漏出を防ぐ。
【解決手段】蓄電池を含む分散型電源と連系するパワーコンディショナを複数備える分散型電源システムにおいて、第一のパワーコンディショナは、その直流端に接続した前記蓄電池の内部インピーダンス中の抵抗成分がより小さくなるように電池電流中の交流電流成分を制御する電池優先モード機能を備え、第二のパワーコンディショナは、前記電池優先モード機能で制御した場合に生ずる交流電流歪みを補償する高調波補償機能を備えることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、リチウムイオン電池などの蓄電池を含む分散型電源の制御を行う分散型電源システムおよびその制御方法に関する。

現在、大型の蓄電池システムを用いた電力貯蔵装置が開発されている。例えば電力貯蔵装置は、太陽光や風力といった再生可能エネルギーの発電端における電力の変動吸収や、電力系統運用におけるアンシラリーサービスの一環である周波数変動抑制を行うシステムとして導入が見込まれている。電力貯蔵装置としての蓄電池システムは、多数個の蓄電池セルを直列または並列に接続した蓄電池ブロックを、系統連系インバータ装置（パワーコンディショナ）を介して電力系統に接続することで、電力系統に対して所望の充放電運転を行う。特許文献１では、パワーコンディショナを用いた蓄電池システムの例が示されている。

特開２０１２−１８２９１１号公報

文献１の方式の場合、インバータの直流側は系統連系インバータのパルス幅変調により概ね直流形状の電流となり、重畳された高周波電流はインバータ内部の平滑コンデンサ等により平滑される。ただし一部の高周波成分は平滑コンデンサで吸収しきれずに蓄電池ブロックに流出する可能性があり、高周波電流が蓄電池の内部発熱に影響し温度上昇または特性劣化に影響を与えるという課題がある。

本課題は平滑コンデンサの容量を増す、または系統連系インバータと蓄電池ブロックの間に別途インダクタンス等によるローパスフィルタ回路を追加するなどによって低減が可能であるが、いずれの手段もコスト増または寸法の大型化などの影響を及ぼす可能性がある。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、フィルタ回路等を別途設けることなく高周波電流による蓄電池ブロックの劣化を防止できるシステムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明は蓄電池を含む分散型電源と連系するパワーコンディショナを複数備える分散型電源システムにおいて、第一のパワーコンディショナは、その直流端に接続した前記蓄電池の内部インピーダンス中の抵抗成分がより小さくなるように電池電流中の交流電流成分を制御する電池優先モード機能を備え、第二のパワーコンディショナは、前記電池優先モード機能で制御した場合に生ずる交流電流歪みを補償する高調波補償機能を備えることを特徴とする。

本発明は、第一のパワーコンディショナに接続された蓄電池ブロックを第一のパワーコンディショナの劣化低減運転により劣化を低減する一方、第一のパワーコンディショナの劣化低減運転に起因して生じる交流側の電流歪みを第二のパワーコンディショナが低減するよう歪み補償を加えることにより、他のシステムに影響を与えることなく蓄電池ブロックの劣化を低減することが可能となる。

本願の分散型電源システムの構成図の例である。 PCS1の詳細ブロック図の例である。 蓄電池の内部インピーダンスの周波数特性の例である。 モード別の蓄電池電流波形および周波数分布の例である。 モード切替のための位相情報の例である。 実施例２に関する、分散型電源システムの構成図の例である。 実施例３に関する、分散型電源システムの構成図の例である。 実施例４に関する、蓄電池の内部インピーダンスの周波数特性の例である。

以下、本発明の実施形態に係る電池システムについて、図面を参照して詳細に説明する。 尚、下記はあくまでも実施の例に過ぎず、下記具体的内容に発明自体が限定されることを意図する趣旨ではない。

分散型電源ユニットS1、S2にはそれぞれパワーコンディショナPCS1、PCS2が接続されている。PCSの交流出力端子は電力系統Gridに対して並列接続され、電力系統Gridに対し電力を充電または放電可能な構成となっている。電力系統Gridと各PCSの間には変圧器を備えてもよく、例えば図１ではPCS1およびPCS2に対し変圧器Tr1、Tr2を備える例を示している。各PCSの系が並列される点から電力系統Gridに向かう線上には制御用電力計M1を設ける。システムの統括コントローラC1は、制御用電力計M1の情報を監視し、PCS1、PCS2に対し充電または放電の電力指令を与え、さらに後述する運転モード指示を与える。また、図１ではPCS1、PCS2の２並列構成を例に示しているが、本発明の分散型電源の並列数はこの限りでなく２以上であればよい。

PCS1、PCS2はそれぞれ同等の内部構成であるとして、ここでは代表としてPCS1の内部の詳細について図２を用いて説明する。直流側が端子Ｐ、Ｎを介して分散型電源ユニットS1の正極及び負極に接続され、交流側が端子Ｕ、Ｖ、Ｗを介して変圧器Tr1または電力系統Gridに接続されている。

インバータ回路８３は、三相ＰＷＭ演算部８ｆから入力されるパルス幅変調（ＰＷＭ）信号に従って駆動し、フィルタ素子である直流コンデンサ８４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Grid側に出力する（つまり分散型電源ユニットS1を放電させる）。

インバータ回路８３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、連系リアクトル８１を介して交流端子ＵＶＷに接続されている。なお、以下では、分散型電源ユニットS1の充電電流及び充電電力を正の値で表し、分散型電源ユニットS1の放電電流及び放電電力を負の値で表す。

充放電電力算出部８ｃは、直流コンデンサ８４の両端にかかる電圧を検出した電圧値Ｖdcと、直流電流センサ８５によって検出される電流値Ｉdcと、に基づいて分散型電源ユニットS1の実際の充放電電力Ｐdc（直流電力）を算出する。直流電流センサ８５は、端子PまたはNと直流コンデンサ８４のとの間に設置されている。

加算器は、電力指令値Ｐdc*と、充放電電力算出部８ｃ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８ｄに出力する。電力指令値Ｐdc*は外部または内部で設定可能とし、例えば統括コントローラC1から送信される電力指令に基づくものであってもよい。ＰＩ制御器８ｄは、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８３から出力すべき有効電流値）を算出する。

交流電圧情報抽出部８aは、３相電圧センサが検出す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Ｖacを算出し、有効電流算出部８ｂに出力する。また、交流電圧情報抽出部８aは、３相電圧センサが検出す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８ｂに出力する。
なお、３相電圧センサは、連系リアクトル８１と交流出力端子U、V、Wとの間に設置されている。

有効電流算出部８ｂは、交流電圧情報抽出部８aから入力される振幅Ｖac及び位相θと、３つの交流電流センサ８２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８ｂは、前記した有効電力に対応する有効電流Ｉdを算出し、直交座標系に換算する。ＰＩ制御器８ｄから入力される電流指令値Ｉd*と、有効電流算出部８ｂ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８eに出力する。ＰＩ制御器８e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、振幅Ｖacと加算された後、三相ＰＷＭ制御部８ｆに出力する。

三相ＰＷＭ制御部８ｆは、交流電圧情報抽出部８aから入力される位相θに基づいて、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８ｆ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インバータ回路８３の各スイッチング素子のオン／オフを制御する。これによって、直流端子P、Nに接続された分散型電源の充放電電力Ｐdcを電力指令値Ｐdc*に一致させるようにインバータ回路８３の動作が制御される。なお、三相ＰＷＭ制御部８ｆは、制御切換設定手段８ｇ、および外部からのモード切替信号MODEの入力信号によってスイッチング制御を通常モードと蓄電池優先モードに切換可能なように構成されている。例えば制御切換設定手段８ｇでは、位相情報や変調信号に対するゲイン値情報、オフセット値情報を入力可能とする。

インバータ回路８３の各スイッチング素子のオン／オフ制御はスイッチング動作に起因する高周波ノイズを伝播するため、直流コンデンサ８４はこれを吸収する目的で設けられているが、高周波ノイズ成分は直流コンデンサ８４と蓄電池システムのインピーダンス比に応じて分流するため、蓄電池システムに通流する充放電電流にも高周波ノイズ成分が重畳することになる。

図３は分散型電源の例としてリチウムイオン蓄電池システムを用いた場合の蓄電池のインピーダンス特性を示したものである。低周波から高周波に変化するにつれ、抵抗成分とリアクタンス成分がそれぞれ変化し、例えば抵抗成分には周波数ｆ_B点で示すような最小抵抗R_Bができる。蓄電池システムの充放電電流に重畳した高周波ノイズ成分は抵抗成分によって損失を生じ発熱に変化する。蓄電池システムの充放電の主機能は化学反応によるものであるため、アレニウス則などの劣化経験則が適用でき、発熱による温度上昇は充放電の機能の寿命に影響を与えることになる。

そこで、例えばPCS１のスイッチング素子のオン／オフ制御において、スイッチング周波数をｆA、ｆBの様に数通りの周波数を選択可能なように構成し、かつ統括コントローラC1の指示に従いこれを選択するように構成する。これにより相対的に蓄電池システムの発熱を軽減することができるため、蓄電池システムの寿命延長の効果を得ることが可能となる。なお、ここでスイッチング周波数を変化の対象としたが、ほかにも３相の変調率に対して等量のオフセット値を加算させる方式など、直流電流に重畳する高周波電流成分の周波数および/または振幅を変化させればよい。図４は周波数および変調方式を変化させた場合の直流側瞬時電流およびその周波数スペクトルを細線太線で比較したもので、その周波数成分はスイッチングの操作により変化可能であることが分かる。

一方、分散型電源システムはPCSの交流側が接続する電力系統Gridに対してもいわゆる高調波歪みなどの指標で伝播ノイズに制限がある。そのため、蓄電池システムの寿命延長の効果を得ることができる周波数ｆ_Bを選択した場合に、交流側の伝導ノイズが規制値を超えるため周波数ｆ_Bを選択できない場合がある。そこで本実施例では当該PCS１に並列接続されているPCS2が、PCS1の高調波歪みを相殺するような電流を電力系統Gridに注入するよう制御することで、PCS1における蓄電池システムの寿命延長と、電力系統Gridに対する高調波抑制を両立することができる。

図５は高調波歪みを相殺するために必要となるPCS1とPCS2の同期機能の１手法を示している。PCS1およびPCS2は図２で示すように、電力系統Gridの交流電圧Vu、Vv、Vwを検出してその位相成分θを抽出することで電力系統Gridに連系するため、同一の電力系統Gridに接続されるPCSで検出したθは概ね一致した値となる。そこでθについて通常モード帯と、蓄電池優先モード帯を設け、それぞれの領域でスイッチング制御を切り替えるよう予めそれぞれのPCSに機能を搭載することで、歪み相殺のための同期が可能となる。なお、通常モード帯と蓄電池優先モード帯を区別する境界値情報は制御切換設定手段８ｇによって入力される。さらに、位相θの基準と成る50Hzや60Hz に相当する基本波周波数の倍数をスイッチング周波数ｆ_A、ｆ_B に割り当てることで位相θに同期したスイッチング動作が可能となる。さらにPCS2は三相ＰＷＭ制御部８ｆの内部にPCS1の高調波予測演算機能を備えるものとする。高調波予測演算とは、蓄電池優先モードにおけるPCS1の演算機能をPCS2上で模擬演算することによって、PCS1で発生する高調波を予測するものである。PCS2はPCS1と同等の位相θ、振幅Vac、およびスイッチングの搬送波を情報として備えておりPCS1の発生するスイッチングパターンを予測可能であり、スイッチングによる電力系統Gridの歪みを補償するよう制御が可能となる。

このように、分散型電源システムがその一部に蓄電池優先モードを有し、蓄電池優先モードにおいて生じる交流側の高調波を対向するPCS2で補償するシステムであれば、蓄電池の発熱を抑制することでシステム全体の寿命を延長する効果を得ることができる。

なお、PCS2の高調波補償機能の有無をモード切替信号MODEで外部から操作可能とし、さらに統括コントローラC1が制御用電力計M1の電流信号に基づき高調波を演算するよう構成すれば、電力系統Gridに対しシステムが出力する高調波が規制値を超える場合にのみPCS2を高調波補償モードに切り替えるなどの構成であっても構わない。

図６は図１に示した分散型電源システムにおいて、PCS1と変圧器Tr1の接続回路上に高調波モニタＭ２を設け、検出した高調波情報をPCS2に入力する構成となっている。本構成においてPCS2の制御周期がPCS1に対し十分に短い場合は、検出した高調波を抑制するようPCS2の出力を調整することによって、蓄電池システムの寿命延長を歪みなく実現できる。ここでPCS2の制御周期はPCS1に比べ5倍以上であれば十分な高調波抑制効果が得られる。また本方式であれば、蓄電池優先モードは図５で述べたような位相によって限定される動作でなく任意のタイミングで切換が可能である。

図７は図１に示した分散型電源システムにおいて、PCS1とPCS2との並列点よりも電力系統Grid側の回路上に高調波モニタＭ３を設け、検出した高調波情報をPCS2に入力する構成となっている。本構成においてPCS2の制御周期がPCS1に対し十分に短い場合は、検出した高調波を抑制するようPCS2の出力を調整することによって、蓄電池システムの寿命延長を歪みなく実現できる。ここでPCS2の制御周期はPCS1に比べ5倍以上であれば十分な高調波抑制効果が得られる。また本方式であれば、蓄電池優先モードは図５で述べたような位相によって限定される動作でなく任意のタイミングで切換が可能である。

図８は図３に替わり鉛蓄電池を例に蓄電池の内部インピーダンスを示したものである。図３に比べ、PCSの動作周波数領域においてｆCからｆDに周波数を変化させた場合、抵抗成分はRcからRDへ変化した。ここで、分散型電源システムにおいてPCS1およびPCS2に特性の異なる蓄電池システムがそれぞれ接続されている場合には、より抵抗の低減効果が大きい蓄電池システムをPCS1に接続し蓄電池優先モードで運用することで、システム全体での寿命低減効果を高めることができる。

S1、S2 分散型電源ユニット
PCS1、PCS2 パワーコンディショナ
Grid 電力系統
Tr1、Tr2 変圧器
M1 制御用電力計
C1 統括コントローラ
Ｕ、Ｖ、Ｗ 端子
８１ 連系リアクトル
８２ 交流電流センサ
８３ インバータ回路
８４ 直流コンデンサ
８５ 直流電流センサ
８ｆ 三相ＰＷＭ制御部

Claims (7)

1. 蓄電池を含む分散型電源と連系するパワーコンディショナを複数備える分散型電源システムにおいて、
   第一のパワーコンディショナは、その直流端に接続した前記蓄電池の内部インピーダンス中の抵抗成分がより小さくなるように電池電流中の交流電流成分を制御する電池優先モード機能を備え、
   第二のパワーコンディショナは、前記電池優先モード機能で制御した場合に生ずる交流電流歪みを補償する高調波補償機能を備えることを特徴とする分散型電源システム。
2. 請求項１に記載の分散型電源システムであって、
   前記第一のパワーコンディショナ及び前記第二のパワーコンディショナは、接続する交流系統の電圧情報に基づき、前記電池優先モード機能及び前記高調波補償機能を同期させる同期手段を更に備えることを特徴とする分散型電源システム。
3. 請求項1又は２に記載の分散型電源システムにおいて、
   前記第二のパワーコンディショナは、前記第一のパワーコンディショナが前記電池優先モード機能により発生させる高調波電流を予測する高調波予測演算機能と、前記高調波予測演算機能の予測電流分を自身の出力から減らすよう補償する高調波補償演算機能と備えることを特徴とする分散型電源システム。
4. 請求項１に記載の分散型電源システムであって
   前記第二のパワーコンディショナは、前記第一のパワーコンディショナの発生する高調波電流を直に計測する高調波計測機能と、前記高調波計測機能の検出高調波を自身の出力から減らすよう補償する高調波補償演算機能とを備えることを特徴とする分散型電源システム。
5. 請求項１乃至４の何れかに記載の分散型電源システムであって、
   前記第一のパワーコンディショナは前記高調波補償機能を備え、
   前記第二のパワーコンディショナは前記電池優先モード機能を備え、
   前記第一のパワーコンディショナ及び前記第二のパワーコンディショナに特性が異なる蓄電池がそれぞれ接続されている場合、前記第一のパワーコンディショナに接続された蓄電池の内部インピーダンス中の抵抗成分による損失と前記第二のパワーコンディショナに接続された蓄電池の内部インピーダンス中の抵抗成分による損失とを比べ、当該損失が大きい方のパワーコンディショナに対して前記電池優先モード機能で制御することを特徴とする分散型電源システム。
6. 請求項１乃至５の何れかに記載の分散型電源システムであって、
   前記蓄電池にはリチウムイオン電池、鉛蓄電池が含まれることを特徴とする分散型電源システム。
7. 蓄電池を含む分散型電源と連系するパワーコンディショナを複数備える分散型電源システムの制御方法において、
   第一のパワーコンディショナは、その直流端に接続した前記蓄電池の内部インピーダンス中の抵抗成分がより小さくなるように電池電流中の交流電流成分を制御し、第二のパワーコンディショナは、前記制御した場合に生ずる交流電流歪みの補償制御をすることを特徴とする分散型電源システムの制御方法。