特許 7387928 負荷平準化装置および負荷平準化方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-11-17

(45)【発行日】2023-11-28

(54)【発明の名称】負荷平準化装置および負荷平準化方法

(51)【国際特許分類】

   H02J 3/32 20060101AFI20231120BHJP

   H02J 3/46 20060101ALI20231120BHJP

【ＦＩ】

H02J3/32

H02J3/46

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2023022327

(22)【出願日】2023-02-16

【審査請求日】2023-02-17

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000203977

【氏名又は名称】日鉄テックスエンジ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100197642

【弁理士】

【氏名又は名称】南瀬 透

(74)【代理人】

【識別番号】100099508

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 久

(74)【代理人】

【識別番号】100219483

【弁理士】

【氏名又は名称】宇野 智也

(72)【発明者】

【氏名】細井 義郎

(72)【発明者】

【氏名】伊豆 恒宏

【審査官】辻丸 詔

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１２－１５１９７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１９４９３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１６３０１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－００８３８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１９６０２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１３／１２１５１４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００２－２４７７６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－０４１８３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２２８９２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０２４４７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１８７２９２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｊ ３／３２

Ｈ０２Ｊ ３／４６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

消費電力の変動が予測可能な電炉の負荷に併設される蓄電池と、
前記負荷への通電パターンが記憶される記憶手段と、
前記通電パターンに基づいて、前記蓄電池の充放電を制御する制御手段と
を含み、
前記制御手段は、前記電炉の溶解から出鋼までの１チャージにおける、前記負荷と前記蓄電池との合成電力が指定値となるように前記蓄電池の充放電を制御する
負荷平準化装置。

【請求項2】

前記記憶手段に、指定された期間における、前記負荷と前記蓄電池の合成電力が指定値となるように前記蓄電池を充放電させる充放電パターンが記憶され、
前記制御手段は、前記充放電パターンに基づいて、前記蓄電池の充放電を制御する
請求項１に記載の負荷平準化装置。

【請求項3】

消費電力の変動が予測可能な電炉の負荷に蓄電池を併設し、
制御手段が、前記蓄電池が前記負荷に対して充放電を行う通電パターンが記憶される記憶手段を参照し、
参照した前記通電パターンに基づいて、制御手段により、前記電炉の溶解から出鋼までの１チャージにおける、前記負荷と前記蓄電池との合成電力が指定値となるように前記蓄電池の充放電を制御する負荷平準化方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、消費電力の変動が予測可能な負荷において、負荷の消費電力を平準化し得る負荷平準化装置および負荷平準化方法に関する。

【背景技術】

【0002】

負荷の発電出力を平準化する技術として、特許文献１に記載の運転方法が知られている。特許文献１には、発電電力が不規則な（予測不可能な）発電設備に併設されるレドックスフロー電池を具え、発電設備の発電出力と電池の電池出力とを合成して不規則な発電出力を平滑化し、この平滑化した電力を負荷に供給するレドックスフロー電池システムの運転方法が記載されている。なお、この運転方法は、電池効率を向上するべく、発電設備の発電出力に基づいて目標合成値を決定し、電池の残存容量とこの目標合成値との差が設定範囲内になるように電池を充放電させるものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第５２８４５６０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

一方、電炉（電気炉）の負荷など消費電力の変動が予測可能な負荷が存在しているが、このような負荷において消費電力の変動が大きいと（例えば、ゼロ～数十ＭＷ）、それが電源系統の安定性を阻害する大きな要因になっている。このような問題に対して、特許文献１に記載の運転方法は、あくまで如何に効率の良い電池残量の範囲で運転させるかを目的とした運転方法であるため、前述した安定性に関する課題を解決し得る（安定性を担保し得る）ものではない。

【0005】

よって、本発明は、消費電力の変動が予測可能な負荷において、負荷の消費電力の平準化を図り、電源系統の安定化を実現し得る負荷平準化装置および負荷平準化方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に係る負荷平準化装置は、消費電力の変動が予測可能な負荷に併設される蓄電池と、負荷への通電パターンが記憶される記憶手段と、通電パターンに基づいて、蓄電池の充放電を制御する制御手段とを含む。
これにより、負荷の消費電力の変動は予測可能であるため、予め、負荷への通電パターンが記憶手段に記憶され、制御手段は記憶手段に記憶されている当該通電パターンを参照して、蓄電池の充放電を制御することができる。

【0007】

この時、制御手段は、指定された期間における、負荷と蓄電池との合成電力が指定値となるように蓄電池の充放電を制御することが望ましい。
これにより、制御手段は、負荷と蓄電池の合成電力（つまり、電源系統から見た負荷側の消費電力）が一定の値となるように、蓄電池の充放電を制御することができる。

【0008】

より具体的には、負荷が電炉の負荷である場合、制御手段は、電炉の溶解から出鋼までの１チャージにおける、負荷と蓄電池との合成電力が指定値となるように蓄電池の充放電を制御する。
これにより、制御手段は、電炉の溶解から出鋼までの１チャージにおける、負荷と蓄電池との合成電力が一定の値となるように、蓄電池の充放電を制御することができる。

【0009】

また、負荷平準化装置は、記憶手段に、指定された期間における、負荷と蓄電池の合成電力が指定値となるように蓄電池を充放電させる充放電パターンが記憶され、制御手段は、充放電パターンに基づいて、蓄電池の充放電を制御することもできる。
これにより、負荷の消費電力の変動は予測可能であるため、予め、負荷の消費電力の変動に対応し得る蓄電池の充放電パターン（負荷と蓄電池の合成電力が指定値となるように蓄電池を充放電させる充放電パターン）が記憶手段に記憶され、制御手段は記憶手段に記憶されている当該充放電パターンを参照して、蓄電池の充放電を制御することができる。

【0010】

なお、本発明に係る負荷平準化方法は、消費電力の変動が予測可能な負荷に蓄電池を併設し、制御手段が、蓄電池が負荷に対して充放電を行う通電パターンが記憶される記憶手段を参照し、参照した通電パターンに基づいて、制御手段により、蓄電池の充放電を制御する。

【発明の効果】

【0011】

本発明に係る負荷平準化装置は、かかる構成により、負荷の消費電力の変動は予測可能であるため、予め、負荷への通電パターンが記憶手段に記憶され、制御手段は記憶手段に記憶されている当該通電パターンを参照して、蓄電池の充放電を制御することができる。よって、負荷の消費電力が大きく変動する場合であっても、当該変動に応じた充放電制御を、当該通電パターンに示された期間分蓄電池に行うことができ、電源系統から見た負荷側（負荷と蓄電池）の消費電力を平準化することができる。

【0012】

また、制御手段は、指定された期間における、負荷と蓄電池との合成電力が指定値となるように蓄電池の充放電を制御したり、負荷が電炉の負荷である場合、制御手段は、電炉の溶解から出鋼までの１チャージにおける、負荷と蓄電池との合成電力が指定値となるように蓄電池の充放電を制御したりすることにより、制御手段は、指定された期間（溶解から出鋼までの１チャージ）において、負荷と蓄電池の合成電力が一定の値となるように、蓄電池の充放電を制御することができる。よって、電源系統から見た負荷側の合成電力を一定の値に制御することで、負荷側の消費電力を平準化することができる。

【0013】

また、記憶手段に充放電パターンが記憶される構成によれば、記憶手段に通電パターンが記憶される構成と同様の作用効果を奏することができる。

【0014】

なお、本発明に係る負荷平準化方法によれば、本発明に係る負荷平準化装置と同様の作用効果を奏することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の実施の形態に係る負荷平準化装置の概略構成図である。

【図2】負荷の消費電力の変動を説明するための図である。

【図3】負荷の消費電力の平準化を説明するための図である。

【図4】負荷の消費電力の平準化における蓄電池の残量を説明するための図である。

【図5】別パターンの負荷の消費電力の変動を説明するための図である。

【図6】別パターンの負荷の消費電力の平準化を説明するための図である。

【図7】別パターンの負荷の消費電力の平準化における蓄電池の残量を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下に本発明の実施の形態を詳細に説明するが、以下に記載する構成要件の説明は、本発明の実施の形態の一例（代表例）であり、本発明はその要旨を変更しない限り、以下の内容に限定されない。

【0017】

［負荷平準化装置］
図１は、本発明の実施の形態に係る負荷平準化装置の概略構成図である。負荷平準化装置１は、負荷２０に、蓄電池１０が併設されている。また、蓄電池１０は、直流／交流変換を行うパワーコンディショナー１１（ＰＣＳ１１）を介して電源系統４０と連携されている。蓄電池１０は、充放電サイクル数が寿命に影響しないレドックスフロー電池を採用することが好ましい。

【0018】

なお、蓄電池１０は、制御手段３０およびＰＣＳ１１によりその充放電が制御される。制御手段３０は、記憶手段３１に記憶されている負荷２０の通電パターンまたは蓄電池１０の充放電パターンを参照し、当該通電パターンまたは充放電パターンに基づいて、ＰＣＳ１１を介して蓄電池１０の充放電を制御する。具体的には、制御手段３０はＰＣＳ１１へ充放電の指令を出して、ＰＣＳ１１は当該指令に基づく充放電の制御を蓄電池１０に対して行う。

【0019】

ここで、記憶手段３１とは、メモリやデータベースなどの記憶領域である。
また、充放電パターンとは、例えば、蓄電池１０がある時間においてはどれだけの充電を行い、蓄電池１０が別のある時間においてはどれだけの放電を行うなど、充電する時間・電力および放電する時間・電力などの情報を含む蓄電池１０の動作パターンが定められているものである。

【0020】

図２は、負荷の消費電力の変動を説明するための図であり、具体的には、電炉の負荷の消費電力の変動を示す図である。本発明の負荷平準化装置に併設される負荷は、図２に示すように消費電力が規則的に変動するものも含め、規則的な変動ではなくても、その変動がある程度予測可能なものであればよい。
なお、以下、負荷は電炉の負荷として説明する。

【0021】

電炉は、鉄スクラップなどの原料を融解させ、不純物を除いて製鋼するものであるが、１回の作業において、溶解から精錬、停止、出鋼まで（以下「１チャージ」という）を行う。また、１回（または複数回）の作業において、電炉の通電はプログラム制御されており、予めプログラムされた通電パターンで通電される。

【0022】

ここで、炉内にスクラップが充満されている時間帯は、炉壁への熱影響が小さいため大電力で通電される（［Ａ］の時間帯）。一方、スクラップが溶け落ちた後は、炉壁が露出し高温のアークに曝されるため、炉壁を保護するために電力を落として通電される（［Ｂ］の時間帯）。そして、溶解が完了すると、出鋼のため電力は停止される（［Ｃ］の時間帯）。

【0023】

よって、図２に示すように、電炉の負荷は１ジャージ内において、時間（横軸）の経過と共に大電力で通電されたり、電力が落とされたり、ゼロになったりと、消費電力（縦軸）が大きく変動する。

【0024】

このように消費電力の変動が大きい負荷の場合、電源系統に擾乱を与え得ることになり、また、電源系統からの供給電力は安定しない。
そのため、図３は負荷の消費電力の平準化を説明するための図であるが、本発明の負荷平準化装置１は、負荷２０に併設した蓄電池１０を充放電させて、負荷２０と蓄電池１０の合成電力（電源系統４０から見た負荷側の消費電力）が一定となるようにして平準化を図る。

【0025】

具体的には、制御手段３０は図３に示すように、負荷２０と蓄電池１０の合成電力が指定値（平準化ラインに示す値）となるように、蓄電池１０を充放電させる。
例えば、大電力で通電される時間帯（図２の［Ａ］の時間帯）においては、負荷２０の消費電力が指定値を超えているため、蓄電池１０を放電させる。一方、電力が停止される時間帯（図２の［Ｃ］の時間帯）においては、負荷２０の消費電力は指定値に達していないため、蓄電池１０を充電させる。なお、電力を落として通電される時間帯（図２の［Ｂ］の時間帯）においては、負荷２０の消費電力はやや指定値に達していないため、蓄電池１０を充電させる。

【0026】

ここで、前述したように、電炉の通電はプログラム制御されており、予めプログラムされた通電パターンで通電される。つまり、予め１ジャージ内における負荷２０の消費電力の推移は分かっているため、負荷と蓄電池の合成電力が指定値となるように、蓄電池１０を充放電させるパターン（充放電パターン）を予め作成することができる。

【0027】

例えば、作業者が通電パターンに基づいて予め充放電パターンを作成し、記憶手段３１に記憶させておくことができる。そして、制御手段３０は、記憶手段３１に記憶されている当該充放電パターンに基づいて、蓄電池１０の充放電を制御する。

【0028】

一方、制御手段３０は、記憶手段３１に記憶されている通電パターンに基づいて、蓄電池１０の充放電を制御することもできる。例えば、制御手段３０は通電パターンを参照し、１ジャージ内において蓄電池１０が「放電する電力」と「充電する電力」が同じになるように指定値を算出して、負荷２０と蓄電池１０の合成電力が常に当該指定値になるように、蓄電池１０の充放電を制御する。

【0029】

この場合、制御手段３０は、記憶手段３１に記憶されている通電パターンに基づいて、蓄電池１０の充放電を制御する。

【0030】

［実施例］
図４は、負荷の消費電力の平準化における蓄電池の残量を説明するための図である。本実施例において、電炉の１チャージには１時間（６０分）かかるものとし、その時の消費電力の変動は以下である。
［Ａ］大電力で通電される時間帯：０～２０分（４０ＭＷ）
［Ｂ］電力を落として通電される時間帯：２０～５０分（２０ＭＷ）
［Ｃ］電力が停止される時間帯：５０～６０分（０ＭＷ）

【0031】

上記のような通電パターンの場合、指定値は、４０ＭＷ×２０／６０＋２０ＭＷ×３０／６０＋０ＭＷ×１０／６０＝約２３．３ＭＷと算出される。
そして、制御手段３０は、負荷２０と蓄電池１０の合成電力が約２３．３ＭＷとなるように蓄電池１０を制御する。その結果、蓄電池１０は、０～２０分の時間帯においては、１６．７ＭＷ×２０／６０ｈ＝約５．６ＭＷｈの放電を行い、２０～６０分の時間帯においては、同様に約５．６ＭＷｈの充電を行う。

【0032】

なお、図４において、点線（大）は時間の経過と共に変動する蓄電池の残量を示す折れ線グラフであるが、放電している時間帯（０～２０分）は残量が減っていき、充電している時間帯（２０～６０分）は残量が増えていく。そして、次の溶解（６０分～）が始まる前には十分に蓄電池１０の残量が復活している（充電されている）ため、繰り返して作業を行うことができる。

【0033】

このように、本発明の負荷平準化装置は、１チャージ内において充放電の１サイクルが完結され、かつどの程度の時間どの程度の容量で充放電すればよいか予め分かっているため、膨大な充電容量の蓄電池を用いる必要はなく、最小容量の蓄電池で平準化を実現することができる。

【0034】

以上のように、本発明の負荷平準化装置は、消費電力の変動が予測可能な負荷において、電源系統から見た負荷は経時的に一定の負荷となり（負荷の消費電力は平準化され）、電源系統への擾乱は解消されて、電源系統の安定化を実現し得るものである。また、この負荷平準化装置を用いた負荷平準化方法によれば、同様に電源系統の安定化を実現し得る。

【0035】

［別パターンの負荷の消費電力の変動］
図５は、別パターンの負荷の消費電力の変動を説明するための図である。前述したように、電炉の１チャージには１時間かかり、それが昼夜を問わず１日繰り返されるものとする。

【0036】

この時、蓄電池に、充放電サイクル数に限りがあるリチウムイオン電池やＮＡＳ電池を採用するとなると、頻繁に充放電することを回避するため、電力に余裕がある夜間は蓄電池の充電のみを繰り返し、昼間は放電のみを繰り返すことが考えられる。なお、電力に余裕があるとは、夜間は稼動していない設備があるためその分電力を消費することがなかったり、夜間は電気代が安くなったりすることを意味する。

【0037】

図６は、別パターンの負荷の消費電力の平準化を説明するための図であり、図７は、別パターンの負荷の消費電力の平準化における蓄電池の残量を説明するための図である。
前述したように、この平準化方法においては、昼間は蓄電池の放電のみを繰り返すため、蓄電池が放電することで、負荷と蓄電池の合成電力がほぼ一定（電力が停止される時間帯を除いて一定）となるような指定値を定める（図６の平準化ライン（昼）参照）。そして、蓄電池を放電させ、負荷と蓄電池の合成電力が当該指定値となるように制御する。

【0038】

一方、この平準化方法においては、夜間は蓄電池の充電のみを繰り返すため、蓄電池が充電することで、負荷と蓄電池の合成電力が一定となるような指定値を定める（図６の平準化ライン（夜）参照）。そして、蓄電池を充電させ、負荷と蓄電池の合成電力が当該指定値となるように制御する。

【0039】

このように、指定された期間（１日）において放電の繰り返しおよび充電の繰り返しを行う場合、蓄電池１０の残量は、図７に示すように昼間は減っていき、夜間は増えていく。

【0040】

しかし、この平準化方法では、図７に示すように、昼間は複数回の放電を繰り返し、夜間は複数回の充電の繰り返しを行うため、複数回の充電の繰り返しおよび複数回の放電の繰り返しを行うことができるように、十分な（膨大な）蓄電池の容量が必要となる。

【0041】

これに対して、本発明の負荷平準化装置は前述したように、１チャージ内において充放電の１サイクルが完結され、かつどの程度充放電すればよいかが予め分かっているため、膨大な充電容量の蓄電池を用いる必要はなく、最小容量の蓄電池で平準化を実現することができる。よって、本発明の負荷平準化装置は、１日またはそれ以上の指定された期間における通電パターンであっても、最小容量の蓄電池を用いて、平準化・安定化を実現することができる。

【0042】

以上のように説明した本実施の形態はあくまで一例であり、その構成は適宜設計変更可能である。例えば、蓄電池１０の選定においては、容量や充放電効率などを考慮して設計される。

【0043】

具体的には、上記実施例において、蓄電池１０はレドックスフロー電池を採用し、その容量は８ＭＷｈ、充放電効率は０．７である。その結果、前述したように電力ピーク（４０ＭＷ）から指定値（約２３．３ＭＷ）まで約１６．７ＭＷ（約４１．８％）の削減が達成でき、電力系統の安定化を実現することができた。

【0044】

また、以上の説明において、負荷は電炉の負荷としたが、消費電力の変動が予測可能な負荷であればこれに限られない。例えば、本発明の負荷平準化装置は、発電プラント、熱間圧延や冷間圧延などの圧延加工を行う圧延機などにも用いることができ、特に、消費電力の変動が大きいものであれば、その効果をより発揮することができる。

【0045】

その他、もちろん通電パターンは上記［Ａ］，［Ｂ］，［Ｃ］のように示される通電パターン（図２参照）以外であってもよく、本発明の負荷平準化装置において対応できる期間（１日、１週間、１ヶ月）にも制限はない。

【産業上の利用可能性】

【0046】

本発明は、消費電力の変動が予測可能な負荷において、負荷の消費電力を平準化し、電源系統の安定化を実現し得る負荷平準化装置および負荷平準化方法として、電炉、発電プラント、熱間圧延や冷間圧延などの圧延加工を行う圧延機などに利用することができる。よって、本発明は産業上有用である。

【符号の説明】

【0047】

１ 負荷平準化装置
１０ 蓄電池
１１ パワーコンディショナー
２０ 負荷
３０ 制御手段
３１ 記憶手段
４０ 電源系統

【要約】

【課題】電炉（電気炉）の負荷など、消費電力の変動が予測可能な負荷において、負荷の消費電力の平準化を図り、電源系統の安定化を実現し得る負荷平準化装置および負荷平準化方法を提供する。
【解決手段】負荷平準化装置１は、消費電力の変動が予測可能な負荷２０に併設される蓄電池１０と、負荷２０への通電パターンが記憶される記憶手段３１と、通電パターンに基づいて、蓄電池１０の充放電を制御する制御手段３０とを含む。制御手段３０は、指定された期間における、負荷２０と蓄電池１０との合成電力が指定値となるように蓄電池１０の充放電を制御する。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】