(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-04-10
(45)【発行日】2023-04-18
(54)【発明の名称】フライホイール蓄電システム
(51)【国際特許分類】
H02J 9/00 20060101AFI20230411BHJP
H02J 3/30 20060101ALI20230411BHJP
H02J 15/00 20060101ALI20230411BHJP
【ＦＩ】
H02J9/00 120
H02J3/30
H02J15/00 A
【請求項の数】
15
(21)【出願番号】P 2021504655
(86)(22)【出願日】2019-03-11
(86)【国際出願番号】 JP2019009783
(87)【国際公開番号】W WO2020183582
(87)【国際公開日】2020-09-17
【審査請求日】2021-09-21
(73)【特許権者】
【識別番号】000006622
【氏名又は名称】株式会社安川電機
(74)【代理人】
【識別番号】100088155
【弁理士】
【氏名又は名称】長谷川 芳樹
(74)【代理人】
【識別番号】100145012
【弁理士】
【氏名又は名称】石坂 泰紀
(74)【代理人】
【識別番号】100171099
【弁理士】
【氏名又は名称】松尾 茂樹
(72)【発明者】
【氏名】宮本 恭祐
(72)【発明者】
【氏名】夏山 亮介
(72)【発明者】
【氏名】八田 義伸
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 健生
(72)【発明者】
【氏名】上田 洋三
【審査官】坂東 博司
(56)【参考文献】
【文献】実開昭６０－０５５２４６（ＪＰ，Ｕ）
【文献】特開２００５－０２０９７８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１１－３４１７０８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－１３０２７８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭５６－００３３３８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－１２７１４５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０００－０４７７３９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１７－５１３４５０（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１５／０２８８２７１（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１５／０２４９３５２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１６／００００１７（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｊ ９／００
Ｈ０２Ｊ ３／３０
Ｈ０２Ｊ １５／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
慣性ロータの回転エネルギーとして電気エネルギーを蓄えるフライホイール蓄電装置と、
前記フライホイール蓄電装置に対する充電を行う電力変換装置と、前記フライホイール蓄電装置からの放電を行う電力変換装置と、を含む複数の電力変換装置と、を備え、
前記フライホイール蓄電装置は、前記慣性ロータの回転中心を囲むように並び前記慣性ロータに固定された複数の界磁部と、前記複数の電力変換装置にそれぞれ対応する複数の電機子部とを有し、
前記複数の電機子部のそれぞれは、前記複数の電力変換装置のうち対応する電力変換装置との間において、前記電気エネルギーから前記回転エネルギーへの変換又は前記回転エネルギーから前記電気エネルギーへの変換を行い、
前記複数の電力変換装置のそれぞれは前記フライホイール蓄電装置の電機子部側と、前記電機子部の逆側との間で電力変換を行い、
前記複数の界磁部は、前記回転中心を囲むように前記慣性ロータに固定された環状の界磁ディスクの外周に沿って並ぶ複数の外周側界磁部と、前記界磁ディスクの内周に沿って並ぶ複数の内周側界磁部とを含み、
前記複数の電機子部は、前記複数の外周側界磁部に対向する外周側電機子部と、前記複数の内周側界磁部に対向する内周側電機子部とを含む、フライホイール蓄電システム。
【請求項2】
前記フライホイール蓄電装置は、前記慣性ロータを磁気により浮上させた状態で回転させる磁気浮上型の蓄電装置である、請求項１記載のフライホイール蓄電システム。
【請求項3】
前記界磁部は、磁化方向が前記界磁ディスクに垂直となるように前記界磁ディスクに固定され、前記電機子部は前記界磁ディスクの少なくとも片面に対向している、請求項１又は２記載のフライホイール蓄電システム。
【請求項4】
前記界磁部は、前記界磁ディスクの両面を互いに逆極性にするように設けられ、前記電機子部は、前記界磁ディスクの両面にそれぞれ対向し前記界磁ディスクを貫通する磁界を発生させる少なくとも一組のコイルを有する、請求項３記載のフライホイール蓄電システム。
【請求項5】
前記コイルは空芯コイルである、請求項４記載のフライホイール蓄電システム。
【請求項6】
前記複数の電力変換装置の少なくとも一つは、前記電機子部の逆側の電圧が目標値に追従するように電力変換を行う、請求項１～５のいずれか一項記載のフライホイール蓄電システム。
【請求項7】
前記複数の電力変換装置の少なくとも一つは、前記電機子部の逆側の電力が交流電力である場合に、前記電機子部の逆側の電圧振幅及び位相が目標値に追従するように電力変換を行う、請求項６記載のフライホイール蓄電システム。
【請求項8】
前記複数の電力変換装置の少なくとも一つは、前記フライホイール蓄電装置に充放電を行う充放電モードの運転状態と、前記フライホイール蓄電装置に充放電を行わない非充放電モードの運転状態とを、前記フライホイール蓄電装置の逆側の電流振幅に基づいて切り替える、請求項６又は７記載のフライホイール蓄電システム。
【請求項9】
前記複数の電力変換装置の少なくとも一つは、前記フライホイール蓄電装置の電機子部と商用電源系統との間に介在する、請求項６～８のいずれか一項記載のフライホイール蓄電システム。
【請求項10】
前記フライホイール蓄電装置の電機子部と前記商用電源系統との間に介在する電力変換装置は、前記フライホイール蓄電装置に充放電を行う充放電モードの運転状態と、前記フライホイール蓄電装置に充放電を行わない非充放電モードの運転状態とを、前記慣性ロータの回転速度に関する情報に基づいて切り替える、請求項９記載のフライホイール蓄電システム。
【請求項11】
前記複数の電力変換装置の少なくとも一つは、前記電機子部側の電圧を前記慣性ロータの加速用の目標値に追従させる加速モードの電力変換を、前記慣性ロータの回転速度の上昇に応じて、前記電機子部の逆側の電圧を所定の目標値に追従させる定常モードの電力変換に切り替える、請求項６～１０のいずれか一項記載のフライホイール蓄電システム。
【請求項12】
請求項１～１１のいずれか一項記載のフライホイール蓄電システムである複数のフライホイール蓄電システムを備え、前記複数のフライホイール蓄電システムの前記フライホイール蓄電装置は、前記慣性ロータが同一の軸線まわりに回転するように重なって配置されている、請求項３～１１のいずれか一項記載のフライホイール蓄電システム。
【請求項13】
請求項１～１１のいずれか一項記載のフライホイール蓄電システムである第１蓄電システム及び第２蓄電システムと、前記第１蓄電システムの前記フライホイール蓄電装置と、前記第２蓄電システムの前記フライホイール蓄電装置との相互間で充放電を行う中継電力変換装置と、を備える、フライホイール蓄電システム。
【請求項14】
前記中継電力変換装置は、前記第１蓄電システム側の電圧と、前記第２蓄電システム側の電圧とのいずれかを所定の目標値に追従させるように電力変換を行う、請求項１３記載のフライホイール蓄電システム。
【請求項15】
前記中継電力変換装置は、前記第１蓄電システム側の電圧及び前記第２蓄電システム側の電圧のいずれを前記目標値に追従させるかを設定に応じて切り替える、請求項１４記載のフライホイール蓄電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、フライホイール蓄電システムに関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１にはフライホイール蓄電装置が開示されている。特許文献１のフライホイール蓄電装置では、エネルギー貯蔵の為の慣性体にカップリング、もしくは慣性体シャフトに発電機界磁部を固定し、これに対向する電機子部は、フライホイール蓄電装置匡体に固定し、これら界磁部、電機子部を駆動制御することにより、電力を慣性エネルギーとして貯蔵する際にはモータとして、また慣性エネルギーを電力変換する際には発電機として駆動制御することにより、電力平準化システムを実現する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１７－９６４３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本開示は、分散電源の活用に有効なフライホイール蓄電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本開示の一側面に係るフライホイール蓄電システムは、慣性ロータの回転エネルギーとして電気エネルギーを蓄えるフライホイール蓄電装置と、フライホイール蓄電装置に対する充放電を互いに独立して行う複数の電力変換装置と、を備える。
【発明の効果】
【0006】
本開示によれば、分散電源の活用に有効なフライホイール蓄電システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】第１実施形態に係るフライホイール蓄電装置の概略構成を示す断面図である。
【図3】界磁部及び電機子部の拡大図である。
【図4】界磁部及び電機子部の変形例を示す図である。
【図5】第１実施形態に係るフライホイール蓄電システムの概略構成を示す模式図である。
【図6】エリア電力マシンコントローラの機能上の構成を例示するブロック図である。
【図7】電力変換装置の機能上の構成を例示するブロック図である。
【図8】加速／定常切替部の機能上の構成を例示する模式図である。
【図9】出力電圧指令生成部の機能上の構成を例示するブロック図である。
【図10】フライホイール蓄電システムの変形例を示す模式図である。
【図11】第２実施形態に係るフライホイール蓄電システムの概略構成を示すブロック図である。
【図12】電力変換装置の機能上の構成を例示するブロック図である。
【図13】方向切替部の機能上の構成を例示するブロック図である。
【図14】より大規模な蓄電システムの構成例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下、実施形態について図を参照して説明する。なお、同一の構成又は同一機能を有する構成については同一の符号を付することにより、重複説明を適宜省略する。
【0009】
＜第１実施形態＞
まず、図１を参照しつつ、第１実施形態に係る多重電機子型フライホイール蓄電装置の機械的構成について説明する。図１は、第１実施形態に係るフライホイール蓄電装置の概略構成を示す断面図である。図２は、図１中のＩＩ－ＩＩ線による断面図である。
まず、図１を参照しつつ、第１実施形態に係る多重電機子型フライホイール蓄電装置の機械的構成について説明する。図１は、第１実施形態に係るフライホイール蓄電装置の概略構成を示す断面図である。図２は、図１中のＩＩ－ＩＩ線による断面図である。
【0010】
図１に示すフライホイール蓄電装置１００は、慣性ロータの回転エネルギーとして電気エネルギーを蓄える蓄電装置である。フライホイール蓄電装置１００は、装置匡体１０１と、その内部に、慣性エネルギーと電気エネルギーの双方向エネルギー変換を行う電動発電部１０２とを有する。装置匡体１０１は、匡体ベース１０７と、匡体カバー１０８とを有する。匡体ベース１０７は環状体（例えば円形環状体）であり、その中心が鉛直となるように水平に配置されている。匡体カバー１０８は、匡体ベース１０７の上部空間を覆い環状の収容空間を構成している。
【0011】
電動発電部１０２は、慣性ロータ１０３と、複数の界磁部１０４と、複数の電機子部１０６とを有する。慣性ロータ１０３は環状体であり、装置匡体１０１と実質的に同心となる配置で上記収容空間内に収容されている。慣性ロータ１０３は、上記収容空間内において、装置匡体１０１の中心まわりに回転自在となっている。複数の界磁部１０４は、慣性ロータ１０３の回転中心を囲むように並び慣性ロータ１０３に固定されている。なお、複数の界磁部１０４は、少なくとも慣性ロータ１０３の回転中心を囲む円周の一部に沿って並んでいればよく、必ずしも当該円周の全周に亘って並んでいなくてもよい。複数の電機子部１０６は、後述の複数の電力変換装置１６０にそれぞれ接続され複数の界磁部１０４に対向する。
【0012】
一例として、電動発電部１０２は、慣性ロータ１０３の回転中心に垂直となるように慣性ロータ１０３に固定された界磁ディスク１０５を更に有し、複数の界磁部１０４のそれぞれは、磁化方向が界磁ディスク１０５に垂直となるように界磁ディスク１０５に固定されている。電機子部１０６は界磁ディスク１０５の少なくとも片面に対向している。
【0013】
界磁ディスク１０５は、慣性ロータ１０３と実質的に同心の環状板であり、慣性ロータ１０３の上部に固定されている。界磁ディスク１０５は、慣性ロータ１０３と共に装置匡体１０１の上記収容空間に収容されている。複数の界磁部１０４は、界磁ディスク１０５の外周に沿って並ぶ複数の外側界磁部１１２（外周側界磁部）と、界磁ディスク１０５の内周に沿って並ぶ複数の内側界磁部１２２（内周側界磁部）とを含み、複数の電機子部１０６は、複数の外側界磁部１１２に対向する外側電機子部１１４（外周側電機子部）と、複数の内側界磁部１２２に対向する内側電機子部１２４（内周側電機子部）とを含む。界磁ディスク１０５の外周に沿って隣り合う外側界磁部１１２同士の磁化方向は互いに逆向きとなっている。すなわち、界磁ディスク１０５の外周においては、磁化方向が互いに逆向きの外側界磁部１１２が交互に並んでいる。同様に、界磁ディスク１０５の内周に沿って隣り合う内側界磁部１２２同士の磁化方向も互いに逆向きとなっている。
【0014】
外側電機子部１１４は、支柱１０９により匡体ベース１０７上に固定されており、支柱１０９の高さによって外側電機子部１１４の高さが調節可能となっている。同様に、内側電機子部１２４も支柱１０９により匡体ベース１０７上に固定されており、支柱１０９の高さによって内側電機子部１２４の高さが調節可能となっている。この電動発電部１０２の構成において、外側電機子部１１４に例えば三相交流を供給することにより複数の外側界磁部１１２に回転トルクを発生させ慣性ロータ１０３を回転駆動することで、電気エネルギーを慣性（機械）エネルギーに変換貯蔵させる。また、慣性ロータ１０３の回転に伴い複数の内側界磁部１２２により作り出される回転磁界が内側電機子部１２４に誘起電圧を発生させ、内側電機子部１２４に接続された外部回路に電流が流れることにより、貯蔵された慣性（機械）エネルギーを電気エネルギーへと変換させる機能をもつ。また、電動発電部１０２の外側及び内側の機能を逆にすることも可能である。
【0015】
外側電機子部１１４及び内側電機子部１２４は、慣性ロータ１０３の周方向に複数個設けることも可能である。こうして設けた複数の外側電機子部１１４及び内側電機子部１２４のそれぞれから給電線を出すことで、複数の電力系統（電力消費系統又は電力供給系統）に接続できるようにすることも可能である。
【0016】
フライホイール蓄電装置１００は、慣性ロータ１０３を磁気により浮上させた状態で回転させる磁気浮上型の蓄電装置であってもよい。一例として、フライホイール蓄電装置１００は、浮上用固定磁石１３１と、浮上用回転磁石１３２とを更に有する。浮上用固定磁石１３１は、装置匡体１０１の匡体ベース１０７上に設けられ、浮上用回転磁石１３２は、慣性ロータ１０３の下部に設けられている。浮上用固定磁石１３１及び浮上用回転磁石１３２の磁化方向は互いに逆向きとなっている。これにより、浮上用固定磁石１３１及び浮上用回転磁石１３２の間に生じる反発力が慣性ロータ１０３を匡体ベース１０７から浮上させる。浮上用固定磁石１３１及び浮上用回転磁石１３２は、永久磁石であってもよいし、電磁石であってもよい。
【0017】
磁気浮上支持構造の場合、界磁ディスク１０５と電機子部１０６との間のギャップを一定にする制御が必要となる。そこでフライホイール蓄電装置１００は、例えば磁性体リング１３３と、ギャップ調整用電磁石１３４，１３５と、ギャップコントローラ１３６とを更に有する。
【0018】
磁性体リング１３３は、例えば鉄等の軟質磁性材料により構成されており、ギャップ調整用電磁石１３４，１３５の磁束磁路をなす。磁性体リング１３３は、慣性ロータ１０３と実質的に同心となるように配置され、慣性ロータ１０３の内周に固定されている。磁性体リング１３３は、慣性ロータ１０３の剛性（強度）補強の役割も兼ねている。
【0019】
ギャップ調整用電磁石１３４は、ラジアル方向で磁性体リング１３３に対向する。ギャップ調整用電磁石１３４は、ラジアル方向におけるギャップ変量（磁性体リング１３３とギャップ調整用電磁石１３４との間のギャップ変量）を検出するギャップセンサを内蔵している。フライホイール蓄電装置１００は、慣性ロータ１０３の回転中心に対して対称配置された複数のギャップ調整用電磁石１３４を有してもよい。
【0020】
ギャップ調整用電磁石１３５は、重力方向で磁性体リング１３３に対向する。ギャップ調整用電磁石１３５は、重力方向におけるギャップ変量（磁性体リング１３３とギャップ調整用電磁石１３５との間のギャップ変量）を検出するギャップセンサを内蔵している。フライホイール蓄電装置１００は、慣性ロータ１０３の回転中心に対して対称配置された複数のギャップ調整用電磁石１３５を有してもよい。
【0021】
ギャップコントローラ１３６は、このギャップ調整用電磁石１３４，１３５の上記ギャップセンサの信号に基づいて、ギャップ調整用電磁石１３４，１３５が生じる磁束を調節し、上記ギャップ変量を目標値の近傍に維持する。 慣性ロータ１０３が大気中で回転すると、空気との粘性摩擦によりブレーキがかかることになる。これを低減させるため、装置本体は、以下のような手段が講じられていてもよい。
【0022】
装置匡体１０１は、匡体ベース１０７と匡体カバー１０８との接合面がシールされた密閉構造となっており、上記収容空間が真空状態とされている。これにより、慣性ロータ１０３回転時の風損（空気との表面摩擦損）が低減されている。
【0023】
図３は、界磁部及び電機子部の拡大図である。図３の構造によれば、界磁部１０４と電機子部１０６との間に作用する力が、慣性ロータ１０３のアキシアル方向及びラジアル方向のいずれにおいても小さくなる。これにより、ギャップ調整用電磁石１３４，１３５による、アキシアル方向及びラジアル方向のギャップ調整を容易にし、ギャップ調整用電磁石１３４，１３５で発生する損失を低減させることができる。
【0024】
図３において、界磁部１０４は、界磁ディスク１０５の両面側を互いに逆極性にするように設けられ、電機子部１０６は、界磁ディスク１０５の両面にそれぞれ対向する少なくとも一組のコイルを有する。例えば外側界磁部１１２は界磁ディスク１０５を貫通する外側界磁磁石１１３により構成されており、内側界磁部１２２も界磁ディスク１０５を貫通する内側界磁磁石１２３により構成されている。外側界磁磁石１１３及び内側界磁磁石１２３は、例えば永久磁石である。界磁ディスク１０５は非磁性材料により構成されている。この構造により、界磁ディスク１０５の薄型化が可能となっている。
【0025】
外側電機子部１１４は、外側電機子部ヨーク１１５と一組の外側電機子部コイル１１６（コイル）とを有する。外側電機子部ヨーク１１５は、界磁ディスク１０５の外周に沿うリング状部材であり、鉄等の軟質磁性材料により構成されている。外側電機子部ヨーク１１５の断面は界磁ディスク１０５の中心側に開いたＵ字状であり、外側電機子部ヨーク１１５の内面は界磁ディスク１０５の両面に対向している。一方の外側電機子部コイル１１６は、外側電機子部ヨーク１１５の上側内面に取り付けられており、界磁ディスク１０５の上面に対向する。他方の外側電機子部コイル１１６は、外側電機子部ヨーク１１５の下側内面に取り付けられており、界磁ディスク１０５の下面に対向する。上側及び下側の外側電機子部コイル１１６はいずれも空芯コイルである。
【0026】
内側電機子部１２４は、内側電機子部ヨーク１２５と一組の内側電機子部コイル１２６（コイル）とを有する。内側電機子部ヨーク１２５は、界磁ディスク１０５の内周に沿うリング状部材であり、鉄等の軟質磁性材料により構成されている。内側電機子部ヨーク１２５の断面は界磁ディスク１０５の外周側に開いたＵ字状であり、内側電機子部ヨーク１２５の内面は界磁ディスク１０５の両面に対向している。一方の内側電機子部コイル１２６は、内側電機子部ヨーク１２５の上側内面に取り付けられており、界磁ディスク１０５の上面に対向する。他方の内側電機子部コイル１２６は、内側電機子部ヨーク１２５の下側内面に取り付けられており、界磁ディスク１０５の下面に対向する。上側及び下側の内側電機子部コイル１２６はいずれも空芯コイルである。
【0027】
このように、電機子部１０６のコイルと界磁部１０４の磁石とがアキシアル方向で対向する構成によれば、ラジアル方向において電機子部１０６と界磁部１０４との間に生じる力が小さくなる。また、電機子部１０６に電流が流れることにより発生する磁界が界磁ディスク１０５を貫通する構成にすれば、アキシアル方向において界磁部１０４の両側に作用する力が打ち消し合う。更に、外側電機子部コイル１１６及び内側電機子部コイル１２６が空芯であるため、アキシアル方向において界磁部１０４の両側に生じる力がいずれも小さくなる。従って、アキシアル方向において界磁部１０４に作用する合力が小さくなる。
【0028】
図４は、界磁部及び電機子部の変形例を示す図である。図４に、フライホイール電動発電部変形例の詳細構造を示す。図４の構造によれば、界磁部１０４と電機子部１０６との間に作用する力が大きくなるので、電動発電部１０２の小型化に有効である。図３に示す構造と同様に、ラジアル方向及びアキシアル方向のギャップ調整はギャップ調整用電磁石１３４，１３５により行われる。
【0029】
具体的に、図４においては、外側電機子部コイル１１６及び内側電機子部コイル１２６が空芯でない。外側電機子部コイル１１６には外側電機子部ヨーク１１５の内面から突出した芯が挿入されている。換言すると、外側電機子部コイル１１６は、外側電機子部ヨーク１１５の内面から突出した芯の間に嵌め込まれている。内側電機子部コイル１２６には内側電機子部ヨーク１２５の内面から突出した芯が挿入されている。換言すると、内側電機子部コイル１２６は、内側電機子部ヨーク１２５の内面から突出した芯の間に嵌め込まれている。この構造により、界磁部１０４と電機子部１０６との間のギャップ磁界強度が、コイルが空芯である場合に比べて強くなる。つまりは機器内の磁気ポテンシャルエネルギー密度が高くなる。この分、電動発電部１０２の小型化が可能となる。
【0030】
なお、図４は、界磁ディスク１０５を貫通する磁石に代えて、界磁ディスク１０５の両面にそれぞれ配置される一対の磁石により構成される例を示している。例えば、外側界磁部１１２は、界磁ディスク１０５の上側の外側界磁磁石１４３と、界磁ディスク１０５の下側の外側界磁磁石１４４とにより構成される。内側界磁部１２２は、界磁ディスク１０５の上側の内側界磁磁石１５３と、界磁ディスク１０５の下側の内側界磁磁石１５４とにより構成される。
【0031】
この場合、界磁ディスク１０５は、外側ロータディスク１４５と、内側ロータディスク１５５と、マグネットホルダ１４６とを含む。外側ロータディスク１４５及び内側ロータディスク１５５は、慣性ロータ１０３と同心の環状板であり、鉄等の軟質磁性材料により構成されている。外側ロータディスク１４５は、外側界磁磁石１４３，１４４の間に介在する。内側ロータディスク１５５は、内側界磁磁石１５３，１５４の間に介在する。マグネットホルダ１４６は、非磁性材料により構成されており、外側界磁磁石１４３，１４４、外側ロータディスク１４５、内側界磁磁石１５３，１５４及び内側ロータディスク１５５を保持する。外側界磁磁石１４３，１４４の磁化方向は互いに逆向きとなっていてもよい。同様に、内側界磁磁石１５３，１５４の磁化方向も互いに逆向きとなっていてもよい。この場合、界磁ディスク１０５の両側が同極性となる（磁束対称構造）。外側界磁磁石１４３，１４４の磁化方向は互いに同じ向きとなっていてもよい。同様に、内側界磁磁石１５３，１５４の磁化方向も互いに同じ向きとなっていてもよい。この場合、界磁ディスク１０５の両側が逆極性となる（磁束貫通構造）。この構造の場合、外側ロータディスク１４５及び内側ロータディスク１５５は省略可能である。
【0032】
本実施形態に係るフライホイール蓄電システム１においては、フライホイール蓄電装置１００の外側電機子部１１４及び内側電機子部１２４のそれぞれには、電力変換装置１６０が接続されている。この電力変換装置１６０の機能としては、発電電力を慣性ロータ１０３にエネルギー貯蔵するエネルギーの流れと、貯蔵エネルギーを電力変換するエネルギーの流れの、双方向に電力変換が可能なものを用いる。
【0033】
【0034】
図５に示すように、フライホイール蓄電システム１は、上述したフライホイール蓄電装置１００と、フライホイール蓄電装置１００に対する充放電を互いに独立して行う複数の電力変換装置１６０とを備える。複数の電力変換装置１６０のそれぞれは、フライホイール蓄電装置１００の電機子部１０６と充放電系統との間に介在し、フライホイール蓄電装置１００の電機子部１０６側と、電機子部１０６の逆側（上記充放電系統側）との間で電力変換を行う。
【0035】
充放電系統は、主として余剰電力をフライホイール蓄電装置１００に充電する系統（以下、「電力供給系統１９１」という。）と、主としてフライホイール蓄電装置１００から放電された電力を消費する系統（以下、「電力消費系統１９２」という。）とのいずれであってもよい。一例として、フライホイール蓄電装置１００の外側電機子部１１４には、電力供給系統１９１が電力変換装置１６０を介して接続される。電力供給系統１９１の具体例としては、風力発電システム、太陽光発電システム等の分散電源が挙げられる。フライホイール蓄電装置１００の内側電機子部１２４には、電力消費系統１９２が電力変換装置１６０を介して接続される。電力消費系統１９２の具体例としては、工場、家屋等の需要家設備が挙げられる。なお、電力消費系統１９２という定義はあくまで便宜上のものであり、電力消費系統１９２が余剰電力をフライホイール蓄電装置１００に充電する場合もありうる。例えば、工場、家屋等が風力発電システム又は太陽光発電システム等の分散電源を有し、その余剰電力をフライホイール蓄電装置１００に充電する場合がある。より具体的に、電力消費系統１９２で電力のデマンドが生じた場合、慣性ロータ１０３の貯蔵エネルギーが界磁部１０４と電機子部１０６とによって電気エネルギーに変換され、電力変換装置１６０を介して電力消費系統１９２に供給される。一方、電力消費系統１９２で生じた余剰電力は電力変換装置１６０を介して電機子部１０６側に送られ、その電気エネルギーが電機子部１０６と界磁部１０４とによって回転エネルギーに変換されて慣性ロータ１０３に貯蔵される。このように、電力変換装置１６０を介したエネルギーの流れの方向は、双方向になる。
【0036】
電機子部１０６のいずれか（例えば外側電機子部１１４のいずれか）は、電力変換装置１６０を介して外部系統１９３（商用電源系統）に接続されていてもよい。換言すると、複数の電力変換装置１６０の少なくとも一つは、電機子部１０６と外部系統１９３との間に介在していてもよい。これにより、フライホイール蓄電システム１に余剰電力がある場合には、外部系統１９３側に売電を行い、フライホイール蓄電システム１の貯蔵エネルギーが不足する場合には、外部系統１９３から買電することができる。
【0037】
電力変換装置１６０は、フライホイール蓄電装置１００の電機子部１０６に対して充放電される電力と、電力供給系統及び電力消費系統から入出力される電力との間の電力変換を行うものである。例えば電力変換装置１６０は、交流交流電力変換器である。交流交流電力変換器は、順変換器とインバータを直流リンク回路で接続したものであってもよく、直流リンク回路を介さずに交流交流変換を行うマトリクスコンバータであってもよい。電力変換装置１６０は、入出力される電力の形態に応じて、例えば交流直流電力変換器、直流直流電力変換器であってもよい。
【0038】
複数の電力変換装置１６０の少なくとも一つは、電機子部１０６の逆側の電圧が目標値に追従するように電力変換を行ってもよい。例えば複数の電力変換装置１６０の少なくとも一つは、電機子部１０６の逆側の電力が交流電力である場合に、電機子部１０６の逆側の電圧振幅及び位相が目標値に追従するように電力変換を行ってもよい。複数の電力変換装置１６０の少なくとも一つは、電機子部１０６側の電圧を慣性ロータ１０３の加速用の目標値に追従させる加速モードの電力変換を、慣性ロータ１０３の回転速度の上昇に応じて、電機子部１０６の逆側の電圧を目標値に追従させる定常モードの電力変換に切り替えてもよい。これらのエネルギーの流れを制御するため、フライホイール蓄電システム１は、エリア電力マシンコントローラ５０１を更に備えてもよい。エリア電力マシンコントローラ５０１は図５に示すとおり、各電力変換装置１６０に接続され、そこで行う電力変換に関する指令を各電力変換装置１６０に送出する。
【0039】
エリア電力マシンコントローラ５０１は、プロセッサ、メモリ、ストレージ、入出力インターフェース回路で構成されるコンピュータシステムで、プロセッサはストレージからメモリにロードされたプログラムを実行することにより各制御機能を実現する。ストレージは、コンピュータによって読み取り可能な不揮発型の記憶媒体（例えばハードディスク又はフラッシュメモリ）である。ストレージは、後述の定常運転指令部５０２、起動運転指令部５０３及び指令切替部５０４を構成するためのプログラムの記憶領域を含む。入出力インターフェース回路は、プロセッサに入出力される信号外部回路とインターフェースする際に必要な信号変換を行う。なお、エリア電力マシンコントローラ５０１は必ずしもプログラムにより各機能を構成するものに限られない。例えば、専用の論理回路又はこれを集積したＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）により少なくとも一部の機能を構成してもよい。
【0040】
図６は、エリア電力マシンコントローラ５０１の機能上の構成を例示するブロック図である。図６において、エリア電力マシンコントローラ５０１は、定常運転指令部５０２、起動運転指令部５０３、指令切替部５０４を有する。
【0041】
定常運転指令部５０２は、外側電機子部１１４に接続される各電力供給系統１９１、外部系統１９３、及び内側電機子部１２４に接続される各電力消費系統１９２の定格電圧の大きさを出力電圧指令とし、出力電圧指令を電力変換装置１６０に送出する。
【0042】
定常運転指令部５０２より、出力電圧指令を取得した電力変換装置１６０は、対応する電機子部１０６の逆側の電圧を本出力電圧指令に追従させるように電力変換を行う。これにより、電機子部１０６の逆側の電圧が出力電圧指令の近傍に維持された状態で、フライホイール蓄電装置１００に対する充放電が行われる。この際電力変換装置１６０は、接続された電力供給系統１９１、外部系統１９３又は電力消費系統１９２の交流電圧の位相を検出し、検出した位相と、定常運転指令部５０２から取得した出力電圧指令とに基づき出力電圧指令を生成し、電機子部１０６の逆側の電圧を当該出力電圧指令に追従させる。これにより、各電機子部１０６にはそこに接続された電力供給系統１９１、外部系統１９３又は電力消費系統１９２の電力事情に応じた電流が、電力変換装置１６０を通して流れ、これら系統と慣性ロータ１０３の間で電力の授受が行われる。
【0043】
起動運転指令部５０３は、フライホイール蓄電装置１００を起動する際の起動回転数指令を生成する。かかる起動回転数指令は、慣性ロータ１０３に対する回転数指令であり、回転数ゼロから所定の回転数まで所定の加速時間で上昇する回転数指令である。ここで所定の回転数とは、例えば慣性ロータ１０３に対して機械仕様として定められた通常運転時の回転数である。また所定加速時間内の回転数指令の上昇については、直線パターンによるものであってもよいし、さらにＳ字時間を設定したＳ字パターンによるものであってもよい。
【0044】
起動運転指令部５０３にて生成された起動回転数指令は、電力供給系統１９１又は外部系統１９３の接続された電力変換装置１６０のうち、起動制御用として定められたものに対して送出される。起動回転数指令が送出される電力変換装置１６０は一つであっても複数であってもよい。フライホイール蓄電装置１００を起動する場合、エリア電力マシンコントローラ５０１より起動回転数指令を取得した電力変換装置１６０のみが起動し、他の電力変換装置１６０は停止状態である。起動回転数指令を所得した電力変換装置１６０は、起動回転数指令に従い慣性ロータ１０３を回転数ゼロから上記定常モード用の回転数まで上昇させる交流電圧を出力する。
【0045】
このとき電力変換装置１６０は、起動回転数指令をこの電力変換装置１６０が接続される外側電機子部１１４に対する起動周波数指令に変換する。この起動周波数指令は起動回転数指令による回転数で慣性ロータ１０３が回転したとき、外側電機子部１１４に発生する誘起電圧の周波数に相当する。電力変換装置１６０は起動周波数指令に基づき、例えばＶ／ｆ一定制御により出力電圧を決定し、外側電機子部１１４に対して出力する。これにより、慣性ロータ１０３は起動回転数指令に従い通常運転時の回転数まで起動・加速する。
【0046】
以上のようにして、慣性ロータ１０３が通常回転速度まで加速した後、フライホイール蓄電装置１００は定常運転に移行する。この時、エリア電力マシンコントローラ５０１はまず慣性ロータ１０３の起動・加速に使用された電力変換装置１６０を停止する。これにより、フライホイール蓄電装置１００は、電力供給系統１９１、電力消費系統１９２及び外部系統１９３の全てから切り離され、慣性ロータ１０３は自身が持つ慣性モーメントにより惰性で回転を続け、各電機子部１０６には、慣性ロータ１０３の回転数に応じた誘起電圧が発生する。この状態でエリア電力マシンコントローラ５０１は全電力変換装置１６０を起動し、定常運転指令部５０２から電力変換装置１６０への出力電圧指令の出力を開始する。
【0047】
慣性ロータ１０３の起動に使用された電力変換装置１６０に対する指令は、指令切替部５０４によって起動運転指令部５０３による指令から定常運転指令部５０２による指令に切り替えられる。指令切替部５０４は慣性ロータ１０３の起動・加速時は、起動・加速に使用される電力変換装置１６０に対して、起動運転指令部５０３による起動回転数指令を送出する。慣性ロータ１０３が定常モード用の回転速度まで加速完了後、起動・加速に使用された電力変換装置１６０が停止する時、指令切替部５０４は起動回転数指令の送出を停止する。その後全電力変換装置１６０が起動するタイミングに合わせて、指令切替部５０４は起動・加速に使用された電力変換装置１６０に対する指令を定常運転指令部５０２による出力電圧指令に切り替える。
【0048】
図７は、電力変換装置１６０の機能上の構成を例示するブロック図である。電力変換装置１６０は電力変換部１６１と、出力フィルタ１６２と、系統電圧検出部１６３と、入力フィルタ１６４と、フライホイール電圧検出部１６５と、電流センサ１６７と、制御部１６６とを有する。電力変換部１６１は半導体スイッチング素子で構成され、制御部１６６が出力するスイッチング指令により半導体スイッチング素子がスイッチングを行うことにより、入力電力および出力電力の間の電力変換を行う。なお、電力変換部１６１の半導体スイッチング素子の回路構成は、電力変換装置１６０が交流交流電力変換器であるか交流直流電力変換器であるか直流直流電力変換器であるかによって異なる。
【0049】
本実施形態においては、電力変換部１６１は交流交流電力変換器であり、その中でも順変換器の一形態であるＰＷＭコンバータと、インバータとを直流リンク回路で接続したものとしている。ＰＷＭコンバータとインバータは同じ回路構成となるが、ここでは便宜上、交流側が電機子部１０６に接続されたものをＰＷＭコンバータ、交流側が電力系統に接続されたものをインバータとする。
【0050】
また、本実施形態では、直流リンク回路に電流検出部があり、直流リンク回路の直流電流の大きさ及び方向を検出し、検出した情報を制御部１６６に入力する構成としている。直流電流の方向は例えばＰＷＭコンバータからインバータに流れる方向の電流の大きさを正の値、インバータからＰＷＭコンバータに流れる方向の電流の大きさを負の値とすることで、検出する。
【0051】
出力フィルタ１６２は電力変換部１６１から出力される電流に含まれるスイッチングノイズを除去するために設けられるもので、電力変換部のスイッチング周波数の２倍以上のカットオフ周波数をもち、例えばリアクトルＬやリアクトルＬとコンデンサＣで構成されるＬＣフィルタ、ＬＣＬフィルタである。
【0052】
系統電圧検出部１６３は、出力フィルタ１６２の系統接続側の電圧を検出するもので、例えば線間電圧、あるいは多相交流であれば中性点間の電圧を分圧抵抗で分圧した電圧の検出を行うものである。検出した電圧は制御部１６６に入力される。
【0053】
入力フィルタ１６４は電力変換部１６１と電機子部１０６との間に流れる電流に含まれる高調波成分を除去するために設けられるもので、例えばリアクトルＬ、あるいはＬＣフィルタ、ＬＣＬフィルタ等が使用される。
【0054】
フライホイール電圧検出部１６５は、電機子部１０６に発生する誘起電圧を検出するもので、系統電圧検出部１６３と同じく例えば線間電圧、あるいは多相交流であれば中性点間の電圧を分圧抵抗で分圧した電圧の検出を行うものである。検出した電圧は制御部１６６に入力される。
【0055】
電流センサ１６７は、出力フィルタ１６２と系統電圧検出部１６３との間に流れる電流を検出する。検出した電流は制御部１６６に入力される。
【0056】
制御部１６６は、プロセッサ、メモリ、ストレージ、入出力インターフェース回路で構成されるコンピュータシステムで、プロセッサはストレージからメモリにロードされたプログラムを実行することにより各制御機能を実現する。ストレージは、後述の電圧振幅算出部１７０、電圧位相周波数検出部１７１、出力電圧指令生成部１７２、電圧振幅算出部１７３、電圧位相周波数検出部１７４、直流電圧指令設定部１７５、入力電流指令部１７７、入力電圧指令生成部１７８、回転数周波数変換部１７９、Ｖ／ｆ指令部１８０、加速電圧指令生成部１８１、加速／定常切替部１８２及びスイッチング指令出力部１８３を構成するためのプログラムの記憶領域を含む。入出力インターフェース回路は、プロセッサに入出力される信号外部回路とインターフェースする際に必要な信号変換を行う。なお、制御部１６６は必ずしもプログラムにより各機能を構成するものに限られない。例えば、専用の論理回路又はこれを集積したＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）により少なくとも一部の機能を構成してもよい。
【0057】
図７に示すとおり、制御部１６６は電圧振幅算出部１７０と、電圧位相周波数検出部１７１と、出力電圧指令生成部１７２と、電圧振幅算出部１７３と、電圧位相周波数検出部１７４と、直流電圧指令設定部１７５と、乗算器１７６と、入力電流指令部１７７と、入力電圧指令生成部１７８と、回転数周波数変換部１７９と、Ｖ／ｆ指令部１８０と、加速電圧指令生成部１８１と、加速／定常切替部１８２と、スイッチング指令出力部１８３とを有する。
【0058】
制御部１６６では、上記加速モードと上記定常モードとで、電力変換装置１６０の制御の切替を実施する。この切替は加速／定常切替部１８２の切替動作により行われる。
【0059】
加速／定常切替部１８２は、電力変換部１６１のインバータに対する電圧指令、電力変換部１６１のＰＷＭコンバータに対する電圧指令、入力電圧指令生成部１７８に入力される周波数検出値、振幅算出値、位相検出値を加速モードと定常モードとで切り替える。
【0060】
加速モードにおいて、電力の流れは電力系統からフライホイール蓄電装置１００への方向となる。従って、電力変換部１６１のインバータが入力電力の制御を行い、ＰＷＭコンバータがフライホイール蓄電装置１００への出力電力の制御を行う。
【0061】
このため加速モードにおいて、インバータ指令は系統電圧検出部１６３の検出した電圧の周波数、振幅、位相及び直流リンク回路を流れる電流に基づき、入力電圧指令生成部１７８で生成される入力電圧指令となり、ＰＷＭコンバータ指令はエリア電力マシンコントローラ５０１から取得した起動時回転数指令に基づき加速電圧指令生成部１８１で生成される加速電圧指令となる。
【0062】
これに対し定常モードでは、電力の流れは電力系統側の電力需給状態により、電力系統とフライホイール蓄電装置１００との間で双方向の流れとなる。このため、電力変換装置１６０は電力変換部１６１のインバータより一定の大きさの交流電圧を出力し、この交流電圧と電力系統の実際の交流電圧との大小関係により、上記双方向の電力の流れが作り出される。電力変換装置１６０はフライホイール電圧検出部１６５の検出した電圧の周波数、振幅、位相及び直流リンク回路を流れる電流に応じた交流電圧を電力変換部１６１のＰＷＭコンバータから出力することで、電力変換部１６１のインバータでの電力の流れと同じ方向の流れを電力変換部１６１のＰＷＭコンバータでも作り出す。
【0063】
より具体的には定常モードにおいて、インバータ指令はエリア電力マシンコントローラ５０１から取得した出力電圧指令及び電力系統の実際の交流電圧の位相に基づき、出力電圧指令生成部１７２で生成される系統出力電圧指令となり、ＰＷＭコンバータ指令は電機子部１０６に発生する誘起電圧の周波数、振幅、位相及び直流リンク回路を流れる電流に基づき、入力電圧指令生成部１７８で生成される入力電圧指令となる。
【0064】
以上の加速モード、定常モードでの電力変換装置１６０の制御を切り替えるために、制御部１６６の加速／定常切替部１８２は、図８に示す定常モードに対応した状態Ａ及び加速モードに対応した状態Ｂを切り替える。
【0065】
状態Ａにおいては、インバータ指令が出力電圧指令生成部１７２の出力（出力電圧指令）に接続され、ＰＷＭコンバータ指令が入力電圧指令生成部１７８の出力（入力電圧指令）に接続され、入力電圧指令生成部１７８に入力される交流電圧周波数ｆ１、及び入力電流指令部１７７と入力電圧指令生成部１７８とに入力される入力電圧位相θ１が電圧位相周波数検出部１７４の出力（ｆＩＮ及びθＩＮ）に接続され、入力電圧指令生成部１７８に入力される入力電圧振幅Ｅ１が電圧振幅算出部１７３の出力（ＥＩＮ）に接続される。
【0066】
また状態Ｂにおいては、インバータ指令が入力電圧指令生成部１７８の出力（入力電圧指令）に接続され、ＰＷＭコンバータ指令が加速電圧指令生成部１８１の出力（加速電圧指令）に接続され、入力電圧指令生成部１７８に入力される交流電圧周波数ｆ１、及び入力電流指令部１７７と入力電圧指令生成部１７８とに入力される入力電圧位相θ１が電圧位相周波数検出部１７１の出力（ｆＯＵＴ及びθＯＵＴ）に接続され、入力電圧指令生成部１７８に入力される入力電圧振幅Ｅ１が電圧振幅算出部１７０の出力（ＥＯＵＴ）に接続される。
【0067】
以上の信号接続の切替が加速／定常切替部１８２で行われる。続いて、加速／定常切替部１８２以外の制御部１６６の各部の動作を説明する。
【0068】
電圧振幅算出部１７０は、系統電圧検出部１６３で検出された電圧の振幅を算出する。例えば電力系統が三相交流システムの場合、系統電圧検出部１６３で検出された三相それぞれの電圧値を三相二相変換し、得られた二相の各電圧値の二乗和平方根を演算することで、振幅を算出する。
【0069】
電圧位相周波数検出部１７１は例えばＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）であり、系統電圧検出部１６３で検出された電圧の位相と周波数を検出する。なお、位相の基準は例えば第一相電圧の負→正ゼロクロス時点とする。
【0070】
出力電圧指令生成部１７２は、エリア電力マシンコントローラ５０１より出力電圧指令Ｅ２を、また系統電圧位相周波数検出部１５１より系統電圧周波数ｆＯＵＴ及び系統電圧位相θＯＵＴを取得し、電流センサ１６７より系統電流ＩＯＵＴを取得し、これら取得した値に基づき出力電圧指令を生成する。出力電圧指令は、定常モードにおいて電力変換部１６１のインバータより電力系統側に出力する電圧の指令である。
【0071】
図９は、出力電圧指令生成部１７２の機能上の構成を例示するブロック図である。図９に示すように、出力電圧指令生成部１７２は、３相２相変換部１７２ａと、電流振幅算出部１７２ｂと、比例・積分演算部１７２ｃ，１７２ｄと、２相３相変換部１７２ｅとを有する。３相２相変換部１７２ａは、系統電圧位相θＯＵＴに基づいて系統電流ＩＯＵＴに３相２相変換を施し、系統電圧と同相の電流成分Ｉｄと、これに対して位相が９０度異なる電流成分Ｉｑとを算出する。電流振幅算出部１７２ｂは、電流成分Ｉｄと電流成分Ｉｑとの二乗和の平方根を電流振幅として算出する。比例・積分演算部１７２ｃは、電流振幅と電流成分Ｉｄとの偏差に比例・積分演算を行って出力電圧指令Ｅ２に対する加算成分を算出する。比例・積分演算部１７２ｄは、電流成分Ｉｑに比例・積分演算を行って出力電圧指令Ｅ２に対する減算成分を算出する。２相３相変換部１７２ｅは、出力電圧指令Ｅ２に上記加算成分の加算と上記減算成分の減算とを行って出力電圧指令の補正値を算出し、当該補正値に対して系統電圧位相θＯＵＴに基づく２相３相変換を施して出力電圧指令を算出する。
【0072】
上記電流成分Ｉｄは、フライホイール蓄電装置１００に対する充放電を生じさせる有効電流である。一方、上記電流成分Ｉｑは、フライホイール蓄電装置１００に対する充放電を生じさせない無効電流であり、主として出力フィルタ１６２に起因して発生する。比例・積分演算部１７２ｃ，１７２ｄによれば、電流成分Ｉｄを電流振幅に近付け、電流成分Ｉｑをゼロに近付けるように出力電圧指令が補正される。これにより、出力フィルタ１６２による影響を軽減し、フライホイール蓄電装置１００に対する充放電が実行される。
【0073】
以上のように、制御部１６６は、電圧振幅算出部１７０、電圧位相周波数検出部１７１、及び出力電圧指令生成部１７２により、エリア電力マシンコントローラ５０１にて設定された出力電圧指令Ｅ２に従って、電力変換装置１６０より電力系統に出力される交流電圧に対する指令を生成する。
【0074】
図７に戻り、電圧振幅算出部１７３は、フライホイール電圧検出部１６５で検出された電圧の振幅を算出する。例えばフライホイール蓄電装置１００の電機子部１０６から出力される電圧が三相交流電圧の場合、フライホイール電圧検出部１６５で検出された三相それぞれの電圧値を三相二相変換し、得られた二相の各電圧値の二乗和平方根を演算することで、振幅を算出する。
【0075】
電圧位相周波数検出部１７４は例えばＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）であり、フライホイール電圧検出部１６５で検出された電圧の位相と周波数を検出する。なお、位相の基準は例えば第一相電圧の負→正ゼロクロス時点とする。
【0076】
直流電圧指令設定部１７５は、電力変換部１６１の直流リンク回路の電圧指令値を設定する。この指令値は例えば、電力系統側の交流電圧の定格ピーク値と電機子部１０６から出力される交流電圧の定格ピーク値との間で大きい方の値に設定される。
【0077】
乗算器１７６は、電力変換部１６１の電流検出部で検出された直流リンク回路の直流電流値と直流電圧指令設定部１７５が出力する直流電圧指令とを乗算し、直流リンク回路の直流電力を算出する。
【0078】
入力電流指令部１７７は、乗算器１７６が出力する直流リンク回路の直流電力を加速／定常切替部１８２が出力する交流電圧振幅Ｅ１で除算し、除算結果を１／√３倍することで、入力電流指令Ｉａｃを算出し入力電圧指令生成部１７８に出力する。
【0079】
入力電圧指令生成部１７８は、入力側の力率が例えば以下となる入力電圧指令を生成する。すなわち電力変換装置１６０に入力側から電力が流れ込む場合力率は１、電力変換装置１６０に入力側から電力が流れ出す場合力率は－１とする。このため、入力電圧指令生成部１７８は、入力電流指令Ｉａｃ以外に、加速／定常切替部１８２から交流電圧周波数ｆ１、入力電圧位相θ１、入力電圧振幅Ｅ１を取得する。
【0080】
入力側の力率が上記のとおりである場合、出力フィルタ１６２及び入力フィルタ１６４のリアクトルＬの両端に発生する電圧は、それぞれ系統電圧検出部１６３及びフライホイール電圧検出部１６５で検出した交流電圧とは９０度の位相差を生じる。従って、入力側の力率を１とする入力電圧指令（入力側交流電圧の振幅指令）Ｅは次式で求まる。
【0081】
Ｅ＝√｛Ｅ１
２＋（２π・ｆ１・Ｌｆｉｌ・Ｉａｃ）２｝・・・（１）
ここでＬｆｉｌは、フィルタ内の１相当たりのリアクトルの合計インダクタンスである。
ここでＬｆｉｌは、フィルタ内の１相当たりのリアクトルの合計インダクタンスである。
【0082】
またこのとき、電力変換装置１６０が出力する電圧と、系統電圧検出部１６３又はフライホイール電圧検出部１６５で検出される電圧との位相差をδとすると、位相差δは次式で求まる。
【0083】
｜δ｜＝ｔａｎ－１（２・ｆ１・Ｌｆｉｌ・Ｉａｃ／Ｅ１）・・・（２）
ここで、δはフライホイール蓄電装置１００の運転状態と電力変換装置１６０内部の電力の流れに応じて正負の符号を定める。具体的には、定常モードにおいては電力変換部１６１の電流検出部で検出される直流リンク回路を流れる電流の方向が、電力変換部１６１のＰＷＭコンバータからインバータに向かう方向であればδは負の値とし、インバータからＰＷＭコンバータに向かう方向であれば正の値とする。逆に、加速運転時は電力変換部１６１の電流検出部で検出される直流リンク回路を流れる電流の方向が、電力変換部１６１のＰＷＭコンバータからインバータに向かう方向であればδは正の値とし、インバータからＰＷＭコンバータに向かう方向であれば負の値とする。
ここで、δはフライホイール蓄電装置１００の運転状態と電力変換装置１６０内部の電力の流れに応じて正負の符号を定める。具体的には、定常モードにおいては電力変換部１６１の電流検出部で検出される直流リンク回路を流れる電流の方向が、電力変換部１６１のＰＷＭコンバータからインバータに向かう方向であればδは負の値とし、インバータからＰＷＭコンバータに向かう方向であれば正の値とする。逆に、加速運転時は電力変換部１６１の電流検出部で検出される直流リンク回路を流れる電流の方向が、電力変換部１６１のＰＷＭコンバータからインバータに向かう方向であればδは正の値とし、インバータからＰＷＭコンバータに向かう方向であれば負の値とする。
【0084】
このように（１）式で定めた振幅Ｅ、（２）式で定めた位相差δにより、入力電圧指令生成部１７８は電力変換装置１６０から入力側に出力する電圧の指令である入力電圧指令を例えば次式により決定する。
【0085】
Ｖｒ＝Ｅ・ｓｉｎ（θ＋δ）
Ｖｓ＝Ｅ・ｓｉｎ（θ＋δ－２π／３）・・・（３）
Ｖｔ＝Ｅ・ｓｉｎ（θ＋δ－４π／３）
このように、制御部１６６は加速／定常切替部１８２、電圧振幅算出部１７３、電圧位相周波数検出部１７４、直流電圧指令設定部１７５、乗算器１７６、入力電流指令部１７７及び入力電圧指令生成部１７８により、電力変換装置１６０の入力側に、内部の電力の流れに応じた力率１又は－１の電流を流すために、入力側に出力する交流電圧指令を生成する。
Ｖｓ＝Ｅ・ｓｉｎ（θ＋δ－２π／３）・・・（３）
Ｖｔ＝Ｅ・ｓｉｎ（θ＋δ－４π／３）
このように、制御部１６６は加速／定常切替部１８２、電圧振幅算出部１７３、電圧位相周波数検出部１７４、直流電圧指令設定部１７５、乗算器１７６、入力電流指令部１７７及び入力電圧指令生成部１７８により、電力変換装置１６０の入力側に、内部の電力の流れに応じた力率１又は－１の電流を流すために、入力側に出力する交流電圧指令を生成する。
【0086】
回転数周波数変換部１７９は、エリア電力マシンコントローラ５０１より起動回転数指令を受け取り、起動回転数指令で指定された回転数で慣性ロータ１０３を回転させるために、当該起動回転数指令を起動周波数指令ｆに変換する。起動周波数ｆは、電力変換装置１６０から例えば外側電機子部１１４側に出力する交流電圧の周波数の指令である。
【0087】
Ｖ／ｆ指令部１８０は慣性ロータ１０３を回転させるために、例えば外側電機子部１１４に印加する交流電圧の周波数と振幅の関係を保持し、この関係に従い回転数周波数変換部１７９からの起動周波数指令ｆに対応した起動電圧振幅指令Ｖを得る。なお、この周波数と振幅の関係は式で表されるものであってもよいし、また周波数と電圧の組み合わせをいくつか設定したもので、起動周波数指令ｆによりこれらの設定組み合わせのうち二つを選び出して、補間により起動電圧振幅指令Ｖを定めるものであってもよい。
【0088】
加速電圧指令生成部１８１は、起動周波数指令ｆ及び電圧振幅指令Ｖを用いて、加速電圧指令を例えば次式により決定する。
【0089】
Ｖｕ＝Ｖ・ｓｉｎ（２π・ｆ・ｔ）
Ｖｖ＝Ｖ・ｓｉｎ（２π・ｆ・ｔ－２π／３）・・・（４）
Ｖｗ＝Ｖ・ｓｉｎ（２π・ｆ・ｔ－４π／３）
ここでｔは起動開始時をゼロとし、起動開始時からの経過時間である。
Ｖｖ＝Ｖ・ｓｉｎ（２π・ｆ・ｔ－２π／３）・・・（４）
Ｖｗ＝Ｖ・ｓｉｎ（２π・ｆ・ｔ－４π／３）
ここでｔは起動開始時をゼロとし、起動開始時からの経過時間である。
【0090】
このように制御部１６６は回転数周波数変換部１７９、Ｖ／ｆ指令部１８０及び加速電圧指令生成部１８１により、加速モードにおいてエリア電力マシンコントローラ５０１から指令される起動回転数指令に従って、フライホイール蓄電装置１００の慣性ロータ１０３を起動させるために電力変換装置１６０がフライホイール蓄電装置１００の例えば外側電機子部１１４側に出力すべき電圧を指令する交流電圧指令を生成する。
【0091】
以上のように、制御部１６６は出力電圧指令生成部１７２、入力電圧指令生成部１７８、加速電圧指令生成部１８１により、出力電圧指令、入力電圧指令及び加速電圧指令の３つの電圧指令をそれぞれ生成する。これら３つの電圧指令は加速／定常切替部１８２により、以下のとおり電力変換部１６１のインバータ及びＰＷＭコンバータに対する指令となる。すなわち定常モードにおいては
インバータ指令：系統出力電圧指令
ＰＷＭコンバータ指令：入力電圧指令
であり、加速運転時は
インバータ指令：入力電圧指令
ＰＷＭコンバータ指令：加速電圧指令
となる。加速／定常切替部１８２は以上のインバータ指令及びＰＷＭコンバータ指令をスイッチング指令出力部１８３に出力する。
インバータ指令：系統出力電圧指令
ＰＷＭコンバータ指令：入力電圧指令
であり、加速運転時は
インバータ指令：入力電圧指令
ＰＷＭコンバータ指令：加速電圧指令
となる。加速／定常切替部１８２は以上のインバータ指令及びＰＷＭコンバータ指令をスイッチング指令出力部１８３に出力する。
【0092】
スイッチング指令出力部１８３は加速／定常切替部１８２からインバータ指令ＣＩＮＶとＰＷＭコンバータ指令ＣＰＷＭを取得し、これらの指令に基づき電力変換部１６１のインバータとＰＷＭコンバータの半導体スイッチング素子をオン・オフするスイッチング指令を生成する。スイッチング指令出力部１８３は、例えば公知の三角波比較法により、インバータ指令ＣＩＮＶ及びＰＷＭコンバータ指令ＣＰＷＭのそれぞれと三角波との大小関係に基づきスイッチング指令を生成し、電力変換部１６１に出力する。
【0093】
なお、スイッチング指令出力部１８３によるスイッチング指令の生成手法は三角波比較法に限らない。例えば三相の電圧指令として与えられるインバータ指令及びＰＷＭコンバータ指令を空間ベクトルによる指令に変換し、公知の空間ベクトル法によりスイッチング指令を生成してもよい。また、上記の三相電圧指令を空間ベクトルに変換する方法としては、スイッチング指令出力部１８３で三相二相変換で三相電圧指令を二相電圧指令に変換し、この二相電圧指令から振幅と位相を求める方法等が挙げられる。
【0094】
以上の説明では、電力変換部１６１がインバータとＰＷＭコンバータを直流リンク回路で接続した構成である場合の制御部１６６の構成と動作を説明した。電力変換部１６１がマトリクスコンバータであった場合は、制御部１６６の入力電圧指令生成部１７８は不要となる。また、加速／定常切替部１８２は、スイッチング指令出力部１８３にＰＷＭコンバータ指令に代わって入力電圧位相θ１及び入力電圧振幅Ｅ１を入力すればよい。スイッチング指令出力部１８３は、入力電圧位相θ１及び入力電圧振幅Ｅ１から電圧を出力するために出力側に接続する入力電圧の相を選択し、インバータ指令により定まる出力電圧を出力するためのスイッチング指令を生成する公知のマトリクスコンバータのＰＷＭ方法により、スイッチング指令を生成すればよい。
【0095】
複数の電力変換装置１６０の少なくとも一つは、フライホイール蓄電装置１００に充放電を行う充放電モードの運転状態と、フライホイール蓄電装置１００に充放電を行わない非充放電モードの運転状態とを、フライホイール蓄電装置１００の逆側の電流振幅に基づいて切り替えるように構成されていてもよい。非充放電モードと充放電モードとの切り替えは、例えば出力電圧指令生成部１７２において実行可能である。電力変換部１６１が、出力電圧指令Ｅ２に従って電力系統の電圧と同位相の電圧を出力すると、出力フィルタ１６２のリアクトルＬには電力系統の電圧と電力変換部１６１の出力電圧の差電圧が印加される。その差電圧は電力系統の電圧と同相か逆相（１８０度位相差）となる。リアクトルＬに流れる電流はこの差電圧から９０度遅れるので、差電圧が同相、逆相いずれの場合においても電力系統の電圧と９０度ずれることとなり、電力系統への出力電流は無効電流となる。このため、比例・積分演算部１７２ｃによる加算成分及び比例・積分演算部１７２ｄによる減算成分をゼロにすれば、電力変換装置１６０の運転状態が実質的に非充放電モードとなる。一方、上述したように比例・積分演算部１７２ｃが加算成分を算出し、比例・積分演算部１７２ｄが減算成分を算出すれば、電力変換装置１６０の運転状態が充放電モードとなる。これを利用し、電力変換装置１６０は、電流振幅算出部１７２ｂにより算出される電流振幅が第１の電流閾値を超えると比例・積分演算部１７２ｃによる加算成分の算出及び比例・積分演算部１７２ｄによる減算成分の算出を開始するように構成されていてもよい。更に電力変換装置１６０は、電流振幅算出部１７２ｂにより算出される電流振幅が第２の電流閾値を下回ると比例・積分演算部１７２ｃによる加算成分の算出及び比例・積分演算部１７２ｄによる減算成分の算出を停止する（すなわち加算成分及び減算成分をゼロにする）ように構成されていてもよい。第１の電流閾値は、第２の電流閾値より大きい値に設定されていてもよい。
【0096】
なお、充放電モードと非充放電モードとの切り替え手法は、出力電圧指令生成部１７２を用いた上記手法に限られない。例えば電力変換装置１６０は、非充放電モードでは電力変換部１６１による電力変換を停止させるように構成されていてもよい。
【0097】
加速／定常切替部１８２により状態Ｂを選択して加速電圧指令を生成する電力変換装置１６０は例えば、外側電機子部１１４に接続される電力変換装置１６０のうちのいずれかであればよい。もし外部系統１９３に接続される電力変換装置１６０があれば、その電力変換装置１６０の制御部１６６の加速／定常切替部１８２が状態Ｂを選択し、外部系統１９３から慣性ロータ１０３の加速に必要な電力の供給を受けることができる。
【0098】
また、慣性ロータ１０３の加速が完了した後には、外部系統１９３に接続された電力変換装置１６０により定常モードの電力変換を継続すれば、フライホイール蓄電装置１００全体で余剰電力がある場合には外部系統１９３側に電力を送出し、フライホイール蓄電装置１００からのデマンドがある場合には外部系統１９３側から電力の供給を受けることができる。このため、一度慣性ロータ１０３の加速が完了すれば、外部系統１９３が停電状態とならない限り、加速モードの電力変換は不要となる。
【0099】
電機子部１０６と外部系統１９３との間に介在する電力変換装置１６０は、上記充放電モードの運転状態と、上記非充放電モードの運転状態とを、慣性ロータ１０３の回転速度に関する情報に基づいて切り替えるように構成されていてもよい。慣性ロータ１０３の回転速度に関する情報は、例えばセンサなどによる慣性ロータ１０３の回転速度の実測値であってもよいし、慣性ロータ１０３の回転速度に相関する値の検出値であってもよい。慣性ロータ１０３の回転速度に相関する値の具体例としては、電圧位相周波数検出部１７４の出力であるフライホイール電圧の周波数、電機子部１０６に生じる誘起電圧等が挙げられる。例えば電力変換装置１６０は、上記フライホイール電圧の周波数が第１の周波数閾値を超えると比例・積分演算部１７２ｃによる加算成分の算出及び比例・積分演算部１７２ｄによる減算成分の算出を開始するように構成されていてもよい。更に電力変換装置１６０は、電機子部１０６に生じる誘起電圧が第２の周波数閾値を下回ると比例・積分演算部１７２ｃによる加算成分の算出及び比例・積分演算部１７２ｄによる減算成分の算出を停止する（すなわち加算成分及び減算成分をゼロにする）ように構成されていてもよい。第１の周波数閾値は、第２の周波数閾値より大きい値に設定されていてもよい。
【0100】
この場合における充放電モードと非充放電モードとの切り替え手法も、出力電圧指令生成部１７２を用いた上記手法に限られない。例えば電力変換装置１６０は、非充放電モードでは電力変換部１６１による電力変換を停止させるように構成されていてもよい。また、慣性ロータ１０３の回転速度に関する情報をエリア電力マシンコントローラ５０１においてモニタし、エリア電力マシンコントローラ５０１が電力変換装置１６０の運転・停止を切り替えてもよい。
【0101】
＜第１実施形態変形例＞
上述した１つのフライホイール蓄電システム１がカバーできるエリアには限界がある。そこで、フライホイール蓄電システムは、複数のフライホイール蓄電システム１を備えていてもよい。この場合、図１０に示すように、複数のフライホイール蓄電システム１のフライホイール蓄電装置１００は、慣性ロータ１０３が同一の軸線まわりに回転するように重なって配置されていてもよい（タンデム重畳構造）。複数のフライホイール蓄電システム１のそれぞれがエリア電力マシンコントローラ５０１を備える必要はなく、１つのエリア電力マシンコントローラ５０１で複数のフライホイール蓄電システム１のデマンドコントロールを行ってもよい。本変形例により、装置を大型化することなく、より広いエリアをカバーできるフライホイール蓄電システムを提供することが可能となる。
上述した１つのフライホイール蓄電システム１がカバーできるエリアには限界がある。そこで、フライホイール蓄電システムは、複数のフライホイール蓄電システム１を備えていてもよい。この場合、図１０に示すように、複数のフライホイール蓄電システム１のフライホイール蓄電装置１００は、慣性ロータ１０３が同一の軸線まわりに回転するように重なって配置されていてもよい（タンデム重畳構造）。複数のフライホイール蓄電システム１のそれぞれがエリア電力マシンコントローラ５０１を備える必要はなく、１つのエリア電力マシンコントローラ５０１で複数のフライホイール蓄電システム１のデマンドコントロールを行ってもよい。本変形例により、装置を大型化することなく、より広いエリアをカバーできるフライホイール蓄電システムを提供することが可能となる。
【0102】
以上説明したように、本実施形態に係るフライホイール蓄電システム１は、フライホイール蓄電装置１００の慣性ロータ１０３と一体になった複数の界磁部１０４に、複数の電機子部１０６を有することにより、例えば複数の風力発電システム、又は太陽光発電システムからの発電電力を貯蔵するオペレーションと同時に、電力ユーザの電力デマンドに対応でき、あたかも本実施形態に係るフライホイール蓄電システム１を介して、スマートグリッドと同等の機能を得ることができる。
【0103】
また、複数の電機子部１０６の一つを、電力変換装置１６０を介して外部系統１９３に接続することで、フライホイール蓄電システム１全体で余剰がある場合には、外部系統１９３側に売電を行い、フライホイール蓄電システム１からのデマンドがある場合には、外部系統１９３から買電することができ、システム全体の電力授受の安定化が図れる。
【0104】
更に、フライホイール蓄電システム１の蓄電容量を増大させ、一日の電力取引裁定価格の中で、低価格の時間帯で外部系統１９３から電力需給を行い、これをフライホイール蓄電装置１００に電力貯蔵し、高価格時間帯に貯蔵電力を消費することで、本実施形態に係るフライホイール蓄電システム１に接続された電力ユーザの、電力料金を安くすることが可能となるような運用法も可能となる。
【0105】
なお、図１０に示すタンデム重畳構造においては、重畳配置された慣性ロータ１０３同士を連結して一体化してもよい。これにより、複数のフライホイール蓄電装置１００間で慣性ロータ１０３の回転エネルギーを共有させ、貯蔵エネルギーの安定化を図ることができる。
【0106】
＜第２実施形態＞
次に、図１１を参照しつつ、第２実施形態に係るフライホイール蓄電システム２について説明する。フライホイール蓄電システム２は、複数のフライホイール蓄電システム１と、中継用電力変換装置２６０（中継電力変換装置）とを有する。図１１は、二つのフライホイール蓄電システム１（以下、「第１蓄電システム１Ａ」及び「第２蓄電システム１Ｂ」という。）を示しているが、フライホイール蓄電システム１の数は２つに限られない。中継用電力変換装置２６０は、第１蓄電システム１Ａのフライホイール蓄電装置１００と第２蓄電システム１Ｂのフライホイール蓄電装置１００との相互間で充放電を行う。例えば中継用電力変換装置２６０は、第１蓄電システム１Ａ側の電圧と、第２蓄電システム１Ｂ側の電圧とのいずれかを目標値に追従させるように電力変換を行う。中継用電力変換装置２６０は、第１蓄電システム１Ａ側の電圧及び第２蓄電システム１Ｂ側の電圧のいずれを上記目標値に追従させるかを設定に応じて切り替えるように構成されていてもよい。
次に、図１１を参照しつつ、第２実施形態に係るフライホイール蓄電システム２について説明する。フライホイール蓄電システム２は、複数のフライホイール蓄電システム１と、中継用電力変換装置２６０（中継電力変換装置）とを有する。図１１は、二つのフライホイール蓄電システム１（以下、「第１蓄電システム１Ａ」及び「第２蓄電システム１Ｂ」という。）を示しているが、フライホイール蓄電システム１の数は２つに限られない。中継用電力変換装置２６０は、第１蓄電システム１Ａのフライホイール蓄電装置１００と第２蓄電システム１Ｂのフライホイール蓄電装置１００との相互間で充放電を行う。例えば中継用電力変換装置２６０は、第１蓄電システム１Ａ側の電圧と、第２蓄電システム１Ｂ側の電圧とのいずれかを目標値に追従させるように電力変換を行う。中継用電力変換装置２６０は、第１蓄電システム１Ａ側の電圧及び第２蓄電システム１Ｂ側の電圧のいずれを上記目標値に追従させるかを設定に応じて切り替えるように構成されていてもよい。
【0107】
図１１に示すように、各フライホイール蓄電装置１００における複数の電機子部１０６は、中継電機子部２０４を更に含んでおり、中継用電力変換装置２６０は中継電機子部２０４同士を接続する。
【0108】
中継電機子部２０４は、他の電機子部１０６と異なり、他のフライホイール蓄電システム１に接続されることとなる。その結果、第２実施形態によれば、各フライホイール蓄電システム１における電力の授受を、外部系統だけではなく、他の同様のフライホイール蓄電システム１との間で実施することで、電力デマンドの共有エリアを広げていくことができる。なお、中継電機子部２０４は慣性ロータ１０３の外側にあっても、内側にあってもよい。換言すると、中継電機子部２０４は外側電機子部１１４と内側電機子部１２４のいずれであってもよい。
【0109】
中継用電力変換装置２６０の構成は、電力変換装置１６０との共通部分を含んでいるので、以下では電力変換装置１６０との相違点を中心に中継用電力変換装置２６０の構成を説明する。
【0110】
図１２に示すように、中継用電力変換装置２６０は、電力変換部２６１と、フィルタ２６２と、電圧検出部２６３と、フィルタ２６４と、電圧検出部２６５と、電流センサ２６７，２６８と、制御部２６６とを有する。電圧検出部２６３は、その接続先が第１蓄電システム１Ａの中継電機子部２０４である点を除き、系統電圧検出部１６３と同じである。電圧検出部２６５は、その接続先が第２蓄電システム１Ｂの中継電機子部２０４である点を除き、フライホイール電圧検出部１６５と同じである。電力変換部２６１及びフィルタ２６２，２６４は、電力変換部１６１、出力フィルタ１６２及び入力フィルタ１６４とそれぞれ同じである。電流センサ２６７は、電流センサ１６７と同様に電圧検出部２６３とフィルタ２６２との間に流れる電流を検出する。電流センサ２６８は、電圧検出部２６５とフィルタ２６４との間に流れる電流を検出する。
【0111】
制御部２６６は、制御部１６６の電圧振幅算出部１７０，１７３、及び電圧位相周波数検出部１７１，１７４を電圧振幅算出部２７０，２７３、及び電圧位相周波数検出部２７１，２７４にそれぞれ置き換え、更に方向切替部２８４を付加したものである。
【0112】
電圧振幅算出部２７０は、電圧振幅算出部１７０と同様に、電圧検出部２６３で検出された電圧の振幅（電圧振幅Ｅ１２）を算出する。電圧位相周波数検出部２７１は、電圧位相周波数検出部１７１と同様に、電圧検出部２６３で検出された電圧の位相（電圧位相θ１２）と周波数（電圧周波数ｆ１２）とを検出する。電圧振幅算出部２７３は、電圧振幅算出部１７３と同様に、電圧検出部２６５で検出された電圧の振幅（電圧振幅Ｅ１１）を算出する。電圧位相周波数検出部２７４は、電圧位相周波数検出部１７４と同様に、電圧検出部２６３で検出された電圧の位相（電圧位相θ１１）と周波数（電圧周波数ｆ１１）とを検出する。
【0113】
図１３に示すように、方向切替部２８４は、第１蓄電システム１Ａ側を制御部１６６における電力系統側とし、第２蓄電システム１Ｂ側を制御部１６６におけるフライホイール蓄電装置１００側としたのに相当する状態Ｃと、第１蓄電システム１Ａ側を制御部１６６におけるフライホイール蓄電装置１００側とし、第２蓄電システム１Ｂ側を制御部１６６における電力系統側としたのに相当する状態Ｄとを切り替える。
【0114】
状態Ｃでは、電流センサ２６７により検出される電流Ｉ１２が上記電流ＩＯＵＴとされ、電圧振幅算出部２７０により算出される電圧振幅Ｅ１２が上記電圧振幅ＥＯＵＴとされ、電圧位相周波数検出部２７１により算出される電圧位相θ１２が上記電圧位相θＯＵＴとされ、電圧位相周波数検出部２７１により算出される電圧周波数ｆ１２が上記電圧周波数ｆＯＵＴとされる。また、電圧振幅算出部２７３により算出される電圧振幅Ｅ１１が上記電圧振幅ＥＩＮとされ、電圧位相周波数検出部２７４により算出される電圧位相θ１１が上記電圧位相θＩＮとされ、電圧位相周波数検出部２７４により算出される電圧周波数ｆ１１が上記電圧周波数ｆＩＮとされる。更に、上記インバータ指令ＣＩＮＶが第１蓄電システム１Ａ側への電力変換指令Ｃ１２とされ、上記ＰＷＭコンバータ指令ＣＰＷＭが第２蓄電システム１Ｂ側への電力変換指令Ｃ１１とされる。
【0115】
状態Ｄでは、電圧振幅算出部２７０により算出される電圧振幅Ｅ１２が上記電圧振幅ＥＩＮとされ、電圧位相周波数検出部２７１により算出される電圧位相θ１２が上記電圧位相θＩＮとされ、電圧位相周波数検出部２７１により算出される電圧周波数ｆ１２が上記電圧周波数ｆＩＮとされる。また、電流センサ２６８により検出される電流Ｉ１１が上記電流ＩＯＵＴとされ、電圧振幅算出部２７３により算出される電圧振幅Ｅ１１が上記電圧振幅ＥＯＵＴとされ、電圧位相周波数検出部２７４により算出される電圧位相θ１１が上記電圧位相θＯＵＴとされ、電圧位相周波数検出部２７４により算出される電圧周波数ｆ１１が上記電圧周波数ｆＯＵＴとされる。更に、上記インバータ指令ＣＩＮＶが第２蓄電システム１Ｂ側への電力変換指令Ｃ１１とされ、上記ＰＷＭコンバータ指令ＣＰＷＭが第１蓄電システム１Ａ側への電力変換指令Ｃ１２とされる。
【0116】
以上の方向切替部２８４の切替動作により、中継用電力変換装置２６０は二つの中継電機子部２０４の片方に対して、例えば（４）式で定まる電圧指令に応じて電圧を出力する。中継用電力変換装置２６０はエリア電力マシンコントローラ５０１から取得した出力電圧指令による所定の大きさの電圧を片方の中継電機子部２０４側に出力できる。
【0117】
また方向切替部２８４の切替動作により、中継用電力変換装置２６０は二つの中継電機子部２０４の片方に対して、その中継電機子部２０４を有するフライホイール蓄電装置１００を起動する電力を、もう片方の中継電機子部２０４から供給することも可能である。
【0118】
以上説明したように、本実施形態に係るフライホイール蓄電システム２は、
１） 電力の授受を、外部系統だけではなく、他の同様のフライホイール蓄電システムとの間で実施することができるので、電力デマンドの共有エリアを広げていくことができ、変動する自然エネルギーによる発電システムにおいて、発電電力を無駄にせず効率的で経済性もよく、蓄電システムエリアの電力授受の独自性を高めることができる。
１） 電力の授受を、外部系統だけではなく、他の同様のフライホイール蓄電システムとの間で実施することができるので、電力デマンドの共有エリアを広げていくことができ、変動する自然エネルギーによる発電システムにおいて、発電電力を無駄にせず効率的で経済性もよく、蓄電システムエリアの電力授受の独自性を高めることができる。
【0119】
２） このことは、外部系統への依存度が低下するため、災害時等、外部電力系統遮断の際でも、エリア内の電力需給が確保できるため、長時間の生活インフラを確保することが可能となる。
【0120】
＜第２実施形態変形例＞
第２実施形態における複数のフライホイール蓄電システム１を、第１実施形態変形例で示したタンデム重畳構造としてもよい。
第２実施形態における複数のフライホイール蓄電システム１を、第１実施形態変形例で示したタンデム重畳構造としてもよい。
【0121】
＜本実施形態の効果＞
以上に説明したように、フライホイール蓄電システム１は、慣性ロータ１０３の回転エネルギーとして電気エネルギーを蓄えるフライホイール蓄電装置１００と、フライホイール蓄電装置１００に対する充放電を互いに独立して行う複数の電力変換装置１６０と、を備える。
以上に説明したように、フライホイール蓄電システム１は、慣性ロータ１０３の回転エネルギーとして電気エネルギーを蓄えるフライホイール蓄電装置１００と、フライホイール蓄電装置１００に対する充放電を互いに独立して行う複数の電力変換装置１６０と、を備える。
【0122】
フライホイール蓄電装置１００においては、機械要素の劣化が生じない限り慣性ロータ１０３自体の蓄電性能は原理的に低下しない。このため、蓄電池に比較して高頻度の充放電に適応可能である。この性質を利用し、フライホイール蓄電システム１は、フライホイール蓄電装置１００に対する充放電を互いに独立して行う複数の電力変換装置１６０を備える。これにより、消費時間帯と供給時間帯とのずれを吸収しつつ、多様な電力消費系統１９２と多様な電力供給系統１９１とを接続することができる。多様な電力消費系統１９２と多様な電力供給系統１９１との間に介在することによって、フライホイール蓄電装置１００における電力の需給バランスが保たれ易くなる。このため、個々の系統による電力消費及び電力供給が不安定であっても、システム全体として電力の安定利用を図り易くなる。したがって、分散電源の更なる活用に有効である。
【0123】
フライホイール蓄電装置１００は、慣性ロータ１０３を磁気により浮上させた状態で回転させる磁気浮上型の蓄電装置であってもよい。この場合、慣性ロータ１０３におけるエネルギーロスを低減し、分散電源の更なる有効活用を図ることができる。また、慣性ロータ１０３を磁気により浮上させることにより、機械要素の劣化が抑制されるので、フライホイール蓄電装置１００の長寿命化も期待される。
【0124】
フライホイール蓄電装置１００は、慣性ロータ１０３の回転中心を囲むように並び慣性ロータ１０３に固定された複数の界磁部１０４と、複数の電力変換装置１６０にそれぞれ接続され複数の界磁部１０４に対向する複数の電機子部１０６とを有し、複数の電力変換装置１６０のそれぞれはフライホイール蓄電装置１００の電機子部１０６側と、電機子部１０６の逆側との間で電力変換を行ってもよい。
【0125】
フライホイール蓄電装置１００は、回転中心に垂直となるように慣性ロータ１０３に固定された界磁ディスク１０５を有し、界磁部１０４は、磁化方向が界磁ディスク１０５に垂直となるように界磁ディスク１０５に固定され、電機子部１０６は界磁ディスク１０５の少なくとも片面に対向していてもよい。この場合、ラジアル方向において電機子部１０６と界磁部１０４との間に生じる力が小さくなる。このため、互いに独立した充放電に関与する複数の電機子部１０６が界磁ディスク１０５に対向していても、ラジアル方向における界磁ディスク１０５の位置が安定し易い。
【0126】
界磁部１０４は、界磁ディスク１０５の両面を互いに逆極性にするように設けられ、電機子部１０６は、界磁ディスク１０５の両面にそれぞれ対向し界磁ディスク１０５を貫通する磁界を発生させる少なくとも一組のコイル（外側電機子部コイル１１６又は内側電機子部コイル１２６）を有していてもよい。この場合、界磁ディスク１０５のアキシアル方向において、界磁部１０４の両側に生じる力が打ち消し合うので、アキシアル方向における界磁ディスク１０５の位置が安定し易い。
【0127】
コイル（外側電機子部コイル１１６又は内側電機子部コイル１２６）は空芯コイルであってもよい。この場合、アキシアル方向において界磁部１０４の両側に生じる力が小さくなるので、アキシアル方向における界磁ディスク１０５の位置が更に安定し易い。
【0128】
界磁ディスク１０５は環状であり、複数の界磁部１０４は、界磁ディスク１０５の外周に沿って並ぶ複数の外側界磁部１１２と、界磁ディスクの内周に沿って並ぶ複数の内側界磁部１２２とを含み、複数の電機子部１０６は、複数の外側界磁部１１２に対向する外側電機子部１１４と、複数の内側界磁部１２２に対向する内側電機子部１２４とを含んでいてもよい。この場合、界磁ディスク１０５の内周及び外周の両方を利用することで、より多くの電機子部１０６を配置することができる。
【0129】
複数の電力変換装置１６０の少なくとも一つは、電機子部１０６の逆側の電圧が目標値に追従するように電力変換を行ってもよい。この場合、各電力変換装置１６０の制御が簡素化されるので、システムを容易に構築することが可能となる。また、システム構築後における電力変換装置１６０の追加・削除も容易となる。
【0130】
複数の電力変換装置１６０の少なくとも一つは、電機子部１０６の逆側の電力が交流電力である場合に、電機子部１０６の逆側の電圧振幅及び位相が目標値に追従するように電力変換を行ってもよい。
【0131】
複数の電力変換装置１６０の少なくとも一つは、フライホイール蓄電装置１００に充放電を行う充放電モードの運転状態と、フライホイール蓄電装置１００に充放電を行わない非充放電モードの運転状態とを、フライホイール蓄電装置１００の逆側の電流振幅に基づいて切り替えてもよい。この場合、例えば微小な充放電をカットすることで慣性ロータ１０３の加減速頻度を抑制し、蓄電状態の安定性を向上させることができる。
【0132】
複数の電力変換装置１６０の少なくとも一つは、フライホイール蓄電装置１００の電機子部１０６と外部系統１９３との間に介在してもよい。この場合、フライホイール蓄電装置１００の蓄電レベルの過不足が外部系統１９３により補われるので、蓄電状態の安定性を向上させることができる。
【0133】
フライホイール蓄電装置１００の電機子部１０６と外部系統１９３との間に介在する電力変換装置１６０は、フライホイール蓄電装置１００に充放電を行う充放電モードの運転状態と、フライホイール蓄電装置１００に充放電を行わない非充放電モードの運転状態とを、慣性ロータ１０３の回転速度に関する情報に基づいて切り替えてもよい。この場合、フライホイール蓄電装置１００と外部系統１９３との接続を制限することによって、蓄電電力のより有効な活用を図ることができる。
【0134】
複数の電力変換装置１６０の少なくとも一つは、電機子部１０６側の電圧を慣性ロータ１０３の加速用の目標値に追従させる加速モードの電力変換を、慣性ロータ１０３の回転速度の上昇に応じて、電機子部１０６の逆側の電圧を所定の目標値に追従させる定常モードの電力変換に切り替えてもよい。この場合、フライホイール蓄電装置１００を容易に起動させることができる。
【0135】
フライホイール蓄電システム１は、上記のフライホイール蓄電システム１である複数のフライホイール蓄電システム１を備え、複数のフライホイール蓄電システム１のフライホイール蓄電装置１００は、慣性ロータ１０３が同一の軸線まわりに回転するように重なって配置されていてもよい。この場合、限られたスペースにより多くのフライホイール蓄電システム１を設置することができる。
【0136】
フライホイール蓄電システム２は、上記のフライホイール蓄電システム１である第１蓄電システム１Ａ及び第２蓄電システム１Ｂと、第１蓄電システム１Ａのフライホイール蓄電装置１００と第２蓄電システム１Ｂのフライホイール蓄電装置１００との相互間で充放電を行う中継用電力変換装置２６０と、を備えていてもよい。この場合、二つのフライホイール蓄電システム１同士を電気的に接続することによって、より多くの電力消費系統１９２及び電力供給系統１９１を接続し、システム全体として電力の安定利用をより確実に図ることができる。
【0137】
中継用電力変換装置２６０は、第１蓄電システム１Ａ側の電圧と、第２蓄電システム１Ｂ側の電圧とのいずれかを所定の目標値に追従させるように電力変換を行ってもよい。
【0138】
中継用電力変換装置２６０は、第１蓄電システム１Ａ側の電圧及び第２蓄電システム１Ｂ側の電圧のいずれを目標値に追従させるかを設定に応じて切り替えてもよい。この場合、フライホイール蓄電システム１同士の関係を実情に合わせて柔軟に設定することができる。
【0139】
以上、本発明の実施形態について説明した。ただし、いわゆる当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、上記実施形態から適宜変更が可能であり、また、上記実施形態と変更例による手法を適宜組み合わせて利用することも可能である。すなわち、このような変更等が施された技術であっても、本発明の技術的範囲に含まれることは言うまでもない。
【0140】
例えば図１４に示すように、第２実施形態の手法により接続されるフライホイール蓄電システム１の数が多くなった場合に、これらを複数のグループに分けてグループごとにエリア電力マシンコントローラ５０１を配置し、更に複数のエリア電力マシンコントローラ５０１を統合するトータル電力マネジメントコントローラ５２０を設けてもよい。また、複数のエリア電力マシンコントローラ５０１を複数のグループに分けてグループごとにマスタコントローラ５０１Ａとスレーブコントローラ５０１Ｂとを設定し、トータル電力マネジメントコントローラ５２０によって複数のマスタコントローラ５０１Ａを統合してもよい。これらの構成によって、デマンドコントロールの処理を分散し、個別コントロールの効率向上と、データの一元化によるコントロールのスマート化（例えば機械学習の活用）との両立を図ることができる。
【符号の説明】
【0141】
１，２…フライホイール蓄電システム、１００…フライホイール蓄電装置、１０３…慣性ロータ、１０４…界磁部、１０５…界磁ディスク、１０６…電機子部、１１２…外側界磁部（外周側界磁部）、１１４…外側電機子部（外周側電機子部）、１１６…外側電機子部コイル（コイル）、１２２…内側界磁部（内周側界磁部）、１２４…内側電機子部（内周側電機子部）、１２６…内側電機子部コイル（コイル）、１６０…電力変換装置、１９３…外部系統（商用電源系統）、２６０…中継用電力変換装置（中継電力変換装置）。
【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13】
【図14】