特開 2023-40552 系統電力出力制御システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023040552

(43)【公開日】2023-03-23

(54)【発明の名称】系統電力出力制御システム

(51)【国際特許分類】

   H02J 3/32 20060101AFI20230315BHJP

   H02J 3/38 20060101ALI20230315BHJP

   H02J 9/06 20060101ALI20230315BHJP

【ＦＩ】

H02J3/32

H02J3/38 160

H02J3/38 170

H02J3/38 130

H02J9/06 120

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021147609

(22)【出願日】2021-09-10

(71)【出願人】

【識別番号】519406809

【氏名又は名称】株式会社堤水素研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100151046

【弁理士】

【氏名又は名称】鹿嶌 宗

(74)【代理人】

【識別番号】100166899

【弁理士】

【氏名又は名称】鳥巣 慶太

(72)【発明者】

【氏名】堤 香津雄

【テーマコード（参考）】

5G015

5G066

【Ｆターム（参考）】

5G015FA12

5G015GA04

5G015HA15

5G015JA04

5G015JA21

5G015JA52

5G066AD14

5G066HB06

5G066HB07

5G066HB09

5G066JA01

5G066JB03

(57)【要約】

【課題】電力系統の需給バランスを保持するために直流の電源系統から給電をして需給バランスを保ち電力系統の崩壊を防ぐ場合、インバータの起動の時間遅れにより、電源の瞬断や切り替え変動が発生する。
【解決手段】電力系統からの交流電力を直流に変換する交直変換器を備え、二次電池と交直変換器との間に配された遮断器とを備え、遮断器を投入することにより電力系統からの電力により満充電状態でフローティング充電が可能な二次電池の電力を遮断器を断路することによりインバータの作動遅れなしに電力系統に送電を可能とする。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

インバータと、
電力系統と、
前記インバータを介して前記電力系統に接続され満充電状態でフローティング充電が可能な二次電池と、
前記電力系統からの交流電力を直流に変換する交直変換器と、
前記二次電池と前記交直変換器との間に配された遮断器、又は、前記電力系統と前記交直変換器との間に配された交流遮断器を備え、
前記遮断器を投入するか、又は、前記交流遮断器を投入することにより前記電力系統からの電力で前記二次電池が充電可能になっている、系統電力出力制御システム。

【請求項2】

前記インバータが前記二次電池からの所定の電力を前記電力系統に送電しているときに前記遮断器又は前記交流遮断器を断路することにより引き続き所定の電力を前記インバータを介して前記電力系統に送電可能な請求項１に記載の系統電力出力制御システム。

【請求項3】

前記インバータを介して前記電力系統に接続されると共に前記二次電池を充電可能に接続した直流発電所とを備えた請求項１もしくは２に記載の系統電力出力制御システム。

【請求項4】

前記直流発電所が太陽電池、風力発電、燃料電池および潮流発電のいずれか１以上である請求項３に記載の系統電力出力制御システム。

【請求項5】

水電解装置が前記発電所の電力により作動するように接続されていて、前記水電解装置で製造された水素ガスにより前記燃料電池が発電する請求項４に記載の系統電力出力制御システム。

【請求項6】

前記交直変換器の出力電圧が前記二次電池の満充電電圧より高い請求項１または２のいずれかに記載の系統電力出力制御システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電力系統の制御システムに関し、詳しくは電力系統に対して電力の出力を行うことにより、電力系統の安定化を図る系統電力出力制御システムに関する。

【背景技術】

【0002】

電力系統において、電力負荷の変動に対して発電所の発電量を追従させて需給調整を行うことにより電力系統の質の維持を図っている。蒸気タービン発電機は、蒸気タービンの回転運動エネルギーを利用してモーメンタムバランスを図っているが回転数が変化して周波数が変化するという欠点がある。またタービン入口蒸気量を変えることによって負荷に追従させるとボイラの過熱蒸気圧力が変化して、損失が発生すると共に時間遅れが数十ミリ秒発生するという問題がある。

【0003】

停電などによって電力系統の電源が断たれた場合にこれを補う装置として無停電電源装置が広く使用されている。商用電源を整流器で直流に変換して、二次電池を充電すると共にインバータを介して負荷に電力を供給する方式であり、商用電源が停電したときは二次電池の電力をインバータを介して機器および設備等に電力を供給する。

【0004】

特許文献１には、インバータにより電力系統に無効電力を注入して三相または二相短絡事故等による系統電圧の瞬時低下を補償する無効電力補償装置の制御方法及び制御回路において、系統電圧が所定値以下に低下したことを判定すると共に、一次遅れ特性を有するフィルタとその出力を所定期間有効にするオフディレーとの作用により、瞬低期間内で、無効電流指令を所定値から徐々に零まで減少させることにより、電力系統の擾乱を抑制して系統全体の電圧や周波数を所定値に維持を図る技術が開示されている。

【0005】

再生可能エネルギーとして太陽光、風力、バイオマス及び潮流・潮力等の自然エネルギーを用いた発電設備が種々計画されている。これら自然エネルギーを利用した発電設備の最大の特徴は環境に対する負荷が少ない点であり、最大の弱点は発生電力の調節が困難であることである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０２０－１８８６１４号公報

【特許文献2】特開２０１３－１１８７６８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

機器もしくは設備に対して、途切れることなく電力を安定に供給するための装置として無停電電源装置がある。電力系統の停電や瞬低対策として広く用いられている。しかし、電力系統はその規模が大きく複雑であるので電力系統に対して従来の無停電電源装置を用いることはできない。

【0008】

電力系統は電力の使用量（負荷）と発電量とが常にバランスするよう調節・制御されている。電力系統において、負荷と発電量のアンバランスにより電源周波数が変化するが、その変動幅が小さいときもしくは緩やかなときは電力系統の調整機能が作動して電力系統を正常に維持する。

【0009】

しかし、変動幅が大きいときもしくは変化が急激なときは発電所からの電力が各負荷に送電できなくなり電力系統の崩壊を起こす。三相短絡事故が発生したときも発電所から電力を送ることができず系統全体が停電につながることがある。

【0010】

電力系統の需給バランスが崩れもしくは崩れることが予想されるときに、例えば、直流の電源系統から給電をして需給バランスを保ち電力系統の崩壊を防ぐことを考えたとき、インバータの起動の若干の時間遅れにより、電源の瞬断や切り替え変動が発生する。電源の瞬断もしくは瞬低が許されない化学プラン等においては致命的な問題となる。

【課題を解決するための手段】

【0011】

前記した目的を達成するために、本発明に係る系統電力出力制御システムは、インバータと、電力系統と、前記インバータを介して前記電力系統に接続され満充電状態でフローティング充電が可能な二次電池と、前記電力系統からの交流電力を直流に変換する交直変換器と、前記二次電池と前記交直変換器との間に配された遮断器、又は、前記電力系統と前記交直変換器との間に配された交流遮断器を備え、前記遮断器を投入するか、又は、前記交流遮断器を投入することにより前記電力系統からの電力で前記二次電池が充電可能になっている。

【0012】

この構成において、二次電池は電力系統からの電力により満充電状態でフローティング充電が可能である。

【0013】

本発明に係る系統電力出力制御システムは、前記インバータが前記二次電池からの所定の電力を前記電力系統に送電しているときに前記遮断器又は前記交流遮断器を断路することにより引き続き所定の電力を前記インバータを介して前記電力系統に送電可能である。

【0014】

この構成において、インバータを介して電力系統に送られていた二次電池と直流発電所の電力はその大きさを変えることなく電力系統に引き続き送電される。

【0015】

本発明に係る系統電力出力制御システムは、前記インバータを介して前記電力系統に接続されると共に、前記二次電池を充電可能に接続した直流発電所とを備えている。

【0016】

本発明に係る系統電力出力制御システムは、前記直流発電所が太陽電池、風力発電、燃料電池および潮流発電のいずれか１以上である。また、本発明に係る系統電力出力制御システムは、水電解装置が前記発電所の電力により作動するように接続されていて、前記水電解装置で製造された水素ガスにより前記燃料電池が発電する。

【0017】

本発明に係る系統電力出力制御システムは、前記交直変換器の出力電圧が前記二次電池の満充電電圧より高い。この構成によれば、自然放電により低下した二次電池の充電量は交直変換器からの電力でフローティング充電される。

【発明の効果】

【0018】

二次電池の直流電力を瞬時に電力系統に送電できるので、電力系統の負荷が増加したときに電力系統の発電量を即座に増やすことができる。電力系統における需給バランスの調整を図ると共に電力系統の品質の維持を図ることができる。また、負荷が減少して系統の発電量に余裕ができたとき、二次電池を充電することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】系統電力出力制御システムの基本的構成を示す系統図である。

【図2】系統電力出力制御システムの第２の実施形態を示す系統図である。

【図3】系統電力出力制御システムの第３の実施形態を示す系統図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

＜各実施形態に共通な事項＞
以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。以下、本発明に関して共通する背景等について説明をする。

【0021】

一般に、二次電池は満充電して使用されない。満充電するとサイクル寿命が短くなり、まして過充電すれば著しく寿命を短くするからである。二次電池の容量一杯まで充電すれば、二次電池への負担が大きく、二次電池の寿命を縮めることになってしまうので、二次電池の充電上限値と放電下限値を定めこの範囲で充電制御を行うことが通常行われている（例えば、特許文献２）。このようにすれば容量一杯まで充電する構成に比べて、二次電池に負担をかけることなく充電を行いつつ二次電池の寿命を伸ばすことができる。

【0022】

結局、二次電池の充電において、電池寿命を考慮して、満充電の手前で充電を停止することが一般的に広く行われる。したがって、フローティング充電して利用される二次電池においても、特許文献２に記載のような充電制御を行うことにより、電池の寿命特性に支障がない範囲で充電状態を維持しながら二次電池を使用をしている。しかし、このような充電方法は二次電池の有する充電容量を十分に利用しないという課題がある。

【0023】

フローティング充電とは、充電状態にある電池が、放電により消費した電気をその都度充電により補うことをいう。すなわち、二次電池には負荷となる機器もしくは設備と、充電を行う電源が接続されていて、二次電池の使用により減少した電気量分を電源からの充電により補充する。これにより、二次電池は、充電状態を維持することができ、負荷からの要求に即応することができる。本発明の二次電池は特別な制御装置を必要とせずに満充電が可能であり、満充電状態でフローティングが充電可能である。

【0024】

二次電池において、充電反応自体が発熱反応であるので、定電圧制御下で継続的に充電して満充電の状態を保とうとすると、過充電による電池温度の上昇→電池内部抵抗の低下→充電電流の増加→電池温度のさらなる上昇、という悪循環を引き起こし、電池内部圧力の上昇や電池性能の劣化につながる。したがって、二次電池を、常に満充電状態に維持されることが要求される用途に適用するに際しては、過充電とならないよう十分な配慮をするか、もしくは、過充電とならないように充電制御を行うことが必要とされる。

【0025】

しかし、水素ガスを封入した二次電池であれば自然放電等で減少した電気量をフローティング充電して常に満充電状態を維持することができる。

【0026】

＜第１の実施形態＞
図１は系統電力出力制御システムの基本的構成を説明するための系統図である。直流発電所１０の出力は整流器１１を介してインバータ１２および第１遮断器１３に接続されている。第１遮断器１３はその下流に事故が生じたときにいち早く作動して、事故の影響がその上流側に波及するのを防ぐ。第１遮断器１３には二次電池１４が接続されていて、直流発電所１０からの直流電力により充電可能となっている。

【0027】

直流発電所１０は、例えば、太陽光電池を有する太陽光発電所、風力発電所、潮流発電機および潮力発電機を備えた発電所並びに燃料電池を備えた発電所等が挙げられる。直流電力を発生する発電所であればこれ以外であってもよい。

【0028】

直流発電所１０の直流電力はインバータ１２で交流電力に変換されて電力系統１７に供給される。電力系統１７に接続された交直変換器１６は電力系統１７からの交流電力を直流電力に変換する。交直変換器１６と二次電池１４は第２遮断器１５を介して接続されていて電力系統１７の電力により二次電池１４が充電可能となっている。

【0029】

直流発電所１０が高出力運転状態である場合、インバータ制御装置１８はインバータ１２に対して１００％の電力を変換する指令を出して直流発電所１０の電力を電力系統１７に供給する。同時に直流発電所１０からの電力で二次電池１４がフローティング充電され二次電池１４は満充電状態を維持する。

【0030】

気象条件の変動等により直流発電所１０からの発電がなくなるか発電量が低下しているときに電力系統１７から１００％出力が要求されると、直流発電所１０からの電力に二次電池１４からの電力を合わせて１００％にしてインバータ１２を介して電力系統１７に送電する。このとき二次電池１４からの電力分だけインバータ１２の入力電力が増加することになるが、この増加分に対してインバータ１２の応答の遅れにより１００％出力までに時間を要す。

【0031】

インバータは直流電流を高速でスイッチングすることにより交流電流に変換している。このため、インバータが停止状態から交流電力を出力するまでに数十ミリ秒の時間を必要とする。この結果、電源の瞬断の発生や切り替え変動が生じるという問題がある。電源の瞬断もしくは瞬低が許されない設備においては問題となる。

【0032】

電力系統１７からの交流電力は交直変換器１６を介して二次電池１４を充電する。交直変換器１６の出力電圧は二次電池１４の満充電電圧より少し高く設定されているので、自然放電により減少した二次電池１４の充電量は電力系統１７からの電力でフローティング充電されることになる。

【0033】

二次電池１４の電力はインバータ１２を介して電力系統１７に送られるが二次電池１４は電力系統の電力によりフローティング充電されているので、電力系統１７にとり多少のロスは生じるが交直変換器１６に送る電力とインバータ１２を介して得られる電力で電力系統１７の収支は±０となる。

【0034】

直流発電所１０の出力が低下もしくは停止、乃至、低下もしくは停止が予想されるとき、交直変換器１６と二次電池１４の間の第２遮断器１５を投入しておく。不足する電力は二次電池１４からの電力で補いインバータ１８は１００％負荷で運転することになる。このとき電力系統への送電はゼロである。

【0035】

このような状態で第２遮断器１５をＯＦＦとすれば電力系統１７には１００％の電力を送ることできる。このときインバータは１００％負荷で運転しているので、インバータ１２の作動遅れは存在せずインバータ１２の作動遅れに起因する電源変動も生じない。

【0036】

＜第２の実施形態＞
第２の実施形態に係る系統電力出力制御システムについて図２を用いて説明する。主として、第１の実施形態と異なる部分について説明する。

【0037】

交流遮断器１９が電力系統１７と交直変換器１６の間に配置されている。交直変換器１６の出力側には二次電池１４が接続されていて電力系統１７の電力により二次電池１４が充電可能となっている。

【0038】

直流発電所１０の出力が低下したとき不足分の電力を二次電池１４からの電力で補いインバータ１２は１００％負荷で運転する。このとき交流遮断器１９を投入しておく。電力系統１７の交流電力は交直変換器１６を介して二次電池１４をフローティング充電する。フローティング充電している電力はインバータ１２を介して電力系統１７に送られるので、交直変換器１６を介して送られてきた交流電力とインバータ１２からの電力で電力系統１７の収支は±０となる。

【0039】

このような状態で交流遮断器１９をＯＦＦとすれば電力系統１７には１００％の電力を送ることできる。このときインバータは１００％負荷で運転しているので、インバータ１２の作動遅れは存在せずインバータ１２の作動遅れに起因する電源変動も生じない。

【0040】

第１の実施形態と第２の実施形態の相違点は、一方が直流の遮断器を動作させるの対して、他方は交流の遮断器を動作させる点である。ゼロクロスの交流遮断器であれば、５０Ｈｚ電源周波数に対して遮断に最大１０ｍｓの作動時間を要す。一方、発明者の知る直流の遮断器で高速のものは遮断に１２ｍｓを要す。電力系統において緊急に電力を供給する必要が生じたときより高速に作動する交流遮断器が有利であるといえる。

【0041】

＜第３の実施形態＞
第３の実施形態に係る系統電力出力制御システムの基本的構成を図３の系統図を用いて説明する。本実施形態において直流発電所が太陽電池である場合について説明するが他の形式の直流発電所であってもよい。

【0042】

太陽電池３０の出力は整流器３１を介して第１遮断器３３に接続されている。第１遮断器３３はその下流に事故が生じたときにいち早く作動して、事故の影響がその上流側に波及するのを防ぐ。第１遮断器３３の下流には二次電池３４、水電解装置３５および燃料電池３７が並列に接続されている。水電解装置３５で製造された水素ガスは水素タンク３６に蓄えられる。水電解装置３５の作動に必要な電力は第１遮断器３３を経由して太陽電池３０から供給される。水電解装置３５には水タンク（図示せず）から水が供給される。

【0043】

水素タンク３６の水素ガスは燃料電池３７に供給されて発電に資する。燃料電池３７からの直流電力はインバータ１２で交流の電力に変換されて電力系統１７に送電することができる。

【0044】

二次電池３４は、水素を活物質とする二次電池であって、太陽電池３０からの電力で充電可能である。また、二次電池３４が放電することによりインバータ１２介して電力系統１７に電力を供給することができる。

【0045】

電力系統１７の電圧が低下するなどして、電力系統に電力の不足が生じたときは、燃料電池３７を作動させて電力系統１７に電力を供給することができる。燃料電池３７に供給する水素ガスは電力に余裕のある時に水電解して蓄えた水素を使用する。余剰電力は二次電池３４に充電することができる。

【0046】

太陽電池３０からの出力が大きく、その電圧が高いときは太陽電池３０からの電流は水電解装置３５に流れて水素ガスと酸素ガスが生産される。このとき、通常二次電池３４は満充電状態にある。太陽電池３０からの出力が減少して、その出力電圧が小さいときは太陽電池の出力が大きいときに貯めた水素ガスと酸素ガスを用いて燃料電池３７で発電して電力系統に送電する。

【0047】

電力系統の負荷が大きく発電量が小さい、発電量が不足しているとき、系統の周波数に遅れが生じて無効電力が大きくなり、電流と電圧の位相差が広がる。負荷遮断を行い電力の需給バランスを図るが位相差が大きいときは短絡状態となり遮断できなくなる。全発電所がダウンして電力系統の崩落が生じる。本発明は電力系統が崩落しそうなときに瞬時に電力を送ることにより全停電を防ぐことができる。

【産業上の利用可能性】

【0048】

本発明に係る系統電力出力制御システムは、電力系統の安定化を図ると共に電力系統の瞬低を防止するシステムとして好適に用いることができる。

【符号の説明】

【0049】

１０ 直流電力発電所
１１ 整流器
１２ インバータ
１３ 第1遮断器
１４ 畜電池
１５ 第２遮断器
１６ 交直変換器
１７ 電力系統
１８ インバータ制御装置
１９ 交流遮断器
３０ 太陽電池
３１ 整流器
３３ 第1遮断器
３４ 畜電池
３５ 水電解装置
３６ 水素タンク
３７ 燃料電池

【図1】

【図2】

【図3】