【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、二次電池とハイブリッド方式電力変換器を使って電力系統の電力変動の抑制や電力ピークを低減する電力平準化という電力補償動作を実行する電池電力貯蔵システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】変動負荷を有する電力系統の電力変動を抑制し、また、電力系統の夜間の余剰電力で二次電池を充電し、昼間の電力ピーク時に二次電池の電力を放電させて電力ピークを低減させる電力平準化という電力補償動作を行う電池電力貯蔵システムは、１台の双方向型インバータで二次電池を充放電させるのが基本である。

【０００３】この基本システムでは、１台のインバータの内部損失電力が増大する等してシステム効率が上げられない場合があるので、スイッチング周波数が大小異なる複数種類、通常は二種類の双方向型インバータを電力系統に多重接続したハイブリッド方式電力変換器で二次電池を充放電させるようにして、システム効率を改善した電池電力貯蔵システムが賞用されている。

【０００４】上記二種類のインバータは、高耐圧でスイッチング周波数の低いＧＴＯ等のスイッチング素子を使用した大容量矩形波インバータと、この大容量矩形波インバータのスイッチング素子よりスイッチング周波数の高いスイッチング素子を使用した小容量高周波ＰＷＭインバータが一般的である。

【０００５】また、電池電力貯蔵システムに使用される二次電池は、電気的化学的に独立した単セル（単電池、
素電池）の複数個を直並列接続することで高電圧化し、
必要容量を確保した鉛蓄電池が通常であるが、最近は鉛蓄電池に代わる二次電池として電解液循環型電池が注目されている。 この電解液循環型二次電池は、最小単位電池である単セルの複数を直並列接続した電池セルスタックの各セル間に正負二種類の電解液を循環させる構造で、レドックスフロー電池や亜鉛臭素電池等が知られている。

【０００６】例えば、レドックスフロー電池は、電池セルスタックの各単セルの一方の正電極側を並列接続して専用のタンクからポンプを介して正極のレドックスイオン電解液を循環させ、各単セルの他方の負極側を並列接続して別の専用タンクからポンプを介して負極のレドックスイオン電解液を循環させる構造で、その概要は図３
で後述する。 レドックスフロー電池を上記ハイブリッド方式電力変換器で充放電させるようにした電池電力貯蔵システムの従来例を図４に示す。

【０００７】図４に示す電池電力貯蔵システムは、系統電源１０に連系インピーダンス９を介して連系されるもので、レドックスフロー電池の電解液循環型二次電池１
とハイブリッド方式電力変換器２を備える。 電力変換器２は、小容量高周波ＰＷＭインバータ５及び小容量変圧器６を備えた小容量変換器３と、大容量矩形波インバータ７及び大容量連系変圧器８を備えた大容量変換器４で構成され、小容量高周波ＰＷＭインバータ５の交流側の連系変圧器６と、大容量矩形波インバータ７の交流側の連系変圧器８が連系インピーダンス９を介して電力系統に多重接続される。 二種類の各インバータ５，７の直流側が二次電池１の両端の正負電極端子に接続されて、両インバータ５，７の直流側に二次電池最大定格の二次電池電圧Ｖａが印加される。

【０００８】二種類の各インバータ５，７はインバータ機能とコンバータ機能を有する双方向交直変換器で、系統電源１０からの交流電力を直流変換して二次電池１に充電するコンバータ運転と、二次電池１に充電された直流電力を交流変換して電力系統に供給するインバータ運転が、例えば系統電圧の変動に応じて制御されて、電力系統の電力変動を抑制する。 また、各インバータ５，７
をコンバータ運転させることで夜間の余剰電力で二次電池１が充電され、インバータ運転させることで昼間の電力ピーク時に二次電池１の電力を放電させて電力ピークを低減させる電力平準化という電力補償動作を行う。

【０００９】例えば、大容量矩形波インバータ７は、系統電源１０の系統電圧とほぼ同等の矩形波電圧を発生させて位相制御することで二次電池１を充放電させる。 小容量高周波ＰＷＭインバータ４は、系統電圧の約１０〜
２０％の高周波ＰＷＭ電圧を発生してＰＷＭ制御（パルス幅変調制御）する。 例えば、各インバータ５，７による充放電ベクトル図を図５に示す。 同図は単相モデルの場合で、図４の連系インピーダンス９を定格容量ベースで２０％とすると、定格充放電時には大容量矩形波インバータ出力の大きさ１ＰＵに対して小容量高周波ＰＷＭ
インバータ出力は約０．０２ＰＵの大きさとなる。

【００１０】したがって、二種類のインバータ５，７を備えたハイブリッド方式電力変換器２の充放電方法としては、大容量矩形波インバータ出力を充放電ベクトルの位相と波高値を系統電圧に概ね追従させ、小容量高周波ＰＷＭインバータ出力で残りのベクトル分を補償するようにすれば、電力貯蔵システムとしての効率と精度が確保される。 この充放電方法は、定常時の小容量高周波Ｐ
ＷＭインバータ５の容量がシステム全体容量の数％でよいために、トータルのシステム効率が上がる。 また、小容量高周波ＰＷＭインバータ５の高周波スイッチングによる高速応答によって、ハイブリッド方式電力変換器２
から発生する高調波成分や、電力系統に存在する高調波歪み成分の高精度な補正が可能となり、トータルのシステム精度が良くなる。

【００１１】電解液循環型二次電池１の例えばレドックスフロー電池は、電池最小単位の単セル１ａの複数を電気的には直列に接続し、電解液（図示せず）の流れからは並列に接続して、複数の各単セル１ａ、…に２種類の正極電解液と負極電解液を循環させている。 最小単位の単セル１ａから取り出せる電圧は、通常において数Ｖ程度と低く、そこで、電力貯蔵システムとして適用する場合には、システム効率を上げるために単セル１ａの多数を直並列接続して、全体の二次電池電圧Ｖａを必要な数１００Ｖから数１０００Ｖまで高電圧化し、電力貯蔵用二次電池としての必要容量を確保している。 このような電解液循環型二次電池１は、電解液量を増やすことで容易に電力貯蔵量を増大させることができて、大容量の電力系統の電力貯蔵システム用二次電池として高い実用性を備える。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】図４に示す電池電力貯蔵システムにおいては、ハイブリッド方式電力変換器２
の各インバータ５，７の直流側に同じ二次電池１の二次電池電圧Ｖａを印加するようにして、各種の電力補償動作を実行させているため、小容量高周波ＰＷＭインバータ５のスイッチング素子の定格電圧を、二次電池電圧Ｖ
ａに対応させた大容量矩形波インバータ７のスイッチング素子の定格電圧と同程度にする必要があった。

【００１３】つまり、図５のベクトル図に示すように、
小容量高周波ＰＷＭインバータ５は大容量矩形波インバータ７の出力電圧１ＰＵに対して僅か約０．０２ＰＵの出力電圧だけで済む小容量インバータであるにもかかわらず、大容量矩形波インバータ７と電圧定格が同等のＧ
ＴＯやＩＧＢＴ等の高耐圧スイッチング素子を使用していた。 大容量矩形波インバータ７においては、そのスイッチング素子に高耐圧素子を使用することが必要であり有効であるが、僅かな出力電圧で済む小容量高周波ＰＷ
Ｍインバータ５のスイッチング素子は必ずしもＧＴＯ等の高電圧タイプのものを必要とせず、むしろ高電圧タイプになるほど大型高価となる問題が生じている。 また、
高周波高速応答が要求される小容量高周波ＰＷＭインバータ５のスイッチング素子は、高電圧タイプになるほどにスイッチング周波数の上限が低くなり、電力補償ができる周波数帯域が狭くなって、電池電力貯蔵システムのトータルのシステム精度を広周波数帯域で上げることが難しくなる。

【００１４】本発明の目的は、ハイブリッド方式電力変換器のコスト低減と精度向上を可能にした電解液循環型二次電池仕様タイプの電池電力貯蔵システムを提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成するため、小容量高周波ＰＷＭインバータと大容量矩形波インバータを電力系統に多重接続したハイブリッド方式電力変換器で電解液循環型二次電池を充放電させて電力系統の電力平準化等の電力補償動作を実行する電池電力貯蔵システムにおいて、二次電池を構成する複数の単セルの内の、この全単セル数より少数の任意の単セルの合計直流電圧を引き出す正負電極端子を小容量高周波Ｐ
ＷＭインバータの直流側に接続したことを特徴とする。

【００１６】ここで、電解液循環型二次電池はレドックスフロー電池、亜鉛臭素電池等であり、これの最小電池単位の単セルには正負一対の電極端子が設置され、この単セルの複数が直並列接続されて電池セルスタックを構成し、各単セルに正負の電解液が循環させてある。 このような電池セルスタックの電気的直列接続状態にある複数全ての単セルの合計直流電圧が二次電池電圧として大容量矩形波インバータの直流側に印加され、全単セルの内の任意の少数の直列状態にある単セルの合計直流電圧が小容量高周波ＰＷＭインバータの直流側に印加される。 したがって、小容量高周波ＰＷＭインバータのスイッチング素子は、少数の単セルの直流電圧に対応する低耐圧のものでよくなって、低電圧タイプのスイッチング素子が適用される。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図１乃至図３を参照して説明する。 なお、同図の実施形態は図４の電池電力貯蔵システムに適用したもので、図４と同一又は相当部分には同一符号を付して、説明の重複を避ける。

【００１８】図１に示される一実施形態の電池電力貯蔵システムの従来システム（図３参照）と相違するところは、電解液循環型二次電池１と小容量高周波ＰＷＭインバータ５の配線形態を変更したこと及びこの配線変更で小容量高周波ＰＷＭインバータ５の図示しないスイッチング素子を低電圧タイプに変更したことである。

【００１９】例えば電解液循環型二次電池１であるレドックスフロー電池の概略構造を図３に示し説明すると、
二次電池１は複数の単セル１ａ、…の集合体である電池セルスタック２０と、正負２種類の電解液を循環可能に貯蔵するタンク３０，４０を備える。 電池セルスタック２０の最小単位の単セル１ａは、内部にイオン選択性隔膜１１で仕切られた正電極室１２と負電極室１３を有し、各室内にカーボンフェルト等の正電極１４と負電極１５が設置され、各室外に正電極端子１６と負電極端子１７が導出される。 複数の全単セル１ａ、…の正負電極が電気的に直列接続される。

【００２０】全単セル１ａ、…の正電極室１２，…と一方のタンク３０が配管３１，３２で電解液流れに対して並列接続され、一方の配管３１に組み込んだポンプ３３
を駆動させることでタンク３０に貯蔵された正極電解液３４が各単セル１ａ、…の正電極室１２を循環する。 また、全単セル１ａ、…の負電極室１３，…と他方のタンク４０が配管４１，４２で電解液流れに対して並列接続され、一方の配管４１に組み込んだポンプ４３を駆動させることでタンク４０に貯蔵された負極電解液４４が各単セル１ａ、…の負電極室１３を循環する。

【００２１】正負の各電解液３４，４４は、パナジウムイオンを溶解させた硫酸水溶液等が用いられる。 単セル１ａの両電極室１２，１３に正負の電解液３４，４４が循環する間に、正負電解液間でレドックスイオン反応が行われて、正電荷と負電荷のエネルギーが各タンク３
０，４０の電解液３４，４４に蓄積され、各単セル１ａ
の正負一対の電極端子１６，１７に最小単位の数Ｖ程度の直流電圧が生起される。

【００２２】電池セルスタック２０における複数の全単セル１ａ、…の正負電極端子が直列接続され、この電池セルスタック２０の両端の正電極端子１６'と負電極端子１７の間の電圧が全単セル１ａ、…の合計直流電圧となり、この直流電圧が図４の場合と同様の定格二次電池電圧Ｖａとして大容量矩形波インバータ７に印加される。

【００２３】本発明においては、電池セルスタック２０
の全単セル１ａ、…の内の全セル数より少数の任意セル、例えば電池セルスタック２０の片端から連続する数個の単セル１ａ'、…の両端の正電極端子１６'と負電極端子１７'を小容量高周波ＰＷＭインバータ５の直流側に接続して、少数の直列接続状態の単セル１ａ'、…
の合計直流電圧Ｖｂを小容量高周波ＰＷＭインバータ５
に印加する。 この直流電圧Ｖｂは大容量矩形波インバータ７に印加される定格の直流電圧（二次電池電圧）Ｖａ
より十分に小さく、また、直流電圧Ｖｂは小容量高周波ＰＷＭインバータ５を図５の出力電圧約０．０２ＰＵが確保される数１００Ｖ程度の低電圧に選択される。

【００２４】以上のように高周波高速応答が要求される小容量高周波ＰＷＭインバータ５の直流側に二次電池１
の少数単セル１ａ'、…による低電圧の直流電圧Ｖｂを接続することで、小容量高周波ＰＷＭインバータ５に使用されるスイッチング素子に低電圧Ｖｂに対応した数１
００Ｖ耐圧程度の低電圧タイプのＭＯＳ−ＦＥＴ等が適用できる。 このように小容量高周波ＰＷＭインバータ５
のスイッチング素子に低電圧タイプのものを使用することで、スイッチング素子が小型かつ安価なものとなり、
ハイブリッド方式電力変換器２の小型低コスト化が実現される。 また、スイッチング素子は低電圧タイプになるほどにスイッチング周波数の上限や電力補償できる周波数帯域が拡大されて、電池電力貯蔵システムのトータルのシステム精度を広周波数帯域で向上させることが容易になる。

【００２５】なお、電解液循環型二次電池１においては、例えば図３の電池セルスタック２０の全単セル１
ａ、…に正負の電解液３４，４４を循環させて正負の電荷エネルギーをタンク３０，４０に貯蔵した状態で、大容量矩形波インバータ７に所定の二次電池電圧Ｖａを印加するようにしているので、全単セル１ａ、…の内の少数単セル１ａ'、…から直流電圧Ｖｂを取り出しても全体の二次電池電圧Ｖａに及ぼす影響はほとんど無くて、
両インバータ５，７は常に安定して動作する。

【００２６】また、電解液循環型二次電池１の電池セルスタック２０の全単セル１ａ、…の内の小容量高周波Ｐ
ＷＭインバータ５の直流側に接続される単セルの数、位置は任意でよく、例えば図２の実施形態に示すように電池セルスタック２０の直列接続状態にある全単セル１
ａ、…の内の中央部の少数単セル１ａ''、…を小容量高周波ＰＷＭインバータ５に接続するようにしてもよい。
このように電解液循環型二次電池１においては、その多数の単セルの任意の少数の単セルから直流電圧を引き出しても、全体の二次電池電圧に影響がほとんど及ばずに、本発明システムが実用上有利に実現される。 また、
電池セルスタック２０の全単セル１ａ、…の内の任意の少数単セルから低電圧が引き出せるように、各単セルから電極端子を導出しておくことが、引き出し低電圧の変更等に対処する上で望ましい。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、ハイブリッド方式電力変換器の高周波高速応答が要求される小容量高周波ＰＷ
Ｍインバータの直流側に電解液循環型二次電池の全セル数より少数の単セルによる低電圧の直流電圧を印加するようにしたので、小容量高周波ＰＷＭインバータに使用されるスイッチング素子に低電圧タイプのＭＯＳ−ＦＥ
Ｔ等が適用できるようになり、このようにスイッチング素子に低電圧タイプのものを使用することでスイッチング素子が小型で安価なものが使用できて、ハイブリッド方式電力変換器が小型化され、コストが低減される。 さらに、小容量高周波ＰＷＭインバータのスイッチング素子は、低電圧タイプになるほどにスイッチング周波数の上限や電力補償できる周波数帯域が拡大されるため、電力系統や電力変換器自体の高調波成分の補正精度が向上する等して、電池電力貯蔵システムのトータルの精度改善が可能となる。

【００２８】また、電力貯蔵用電池に電解液循環型二次電池を使用することで、この二次電池の複数の単セルの内の任意の少数セルから小容量高周波ＰＷＭインバータに直流電圧を引き出すことが容易にできて、容量の異なる複数種類の電力系統に対応できる汎用性と実用性に優れた電池電力貯蔵システムが提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す電池電力貯蔵システムの回路図である。

【図２】本発明の他の実施形態を示す電池電力貯蔵システムの回路図である。

【図３】図１で示される電池電力貯蔵システムの電解液循環型二次電池とハイブリッド方式電力変換器の概要を示す配電及び配液の回路図である。

【図４】従来の電池電力貯蔵システムの一例を示す回路図である。

【図５】図４の電池電力貯蔵システムにおけるハイブリッド方式電力変換器の二次電池充放電時のベクトル図である。

【符号の説明】

１ 電解液循環型二次電池 １ａ 単セル ２ ハイブリッド方式電力変換器 ５ 小容量高周波ＰＷＭインバータ ７ 大容量矩形波インバータ ９ 連系インピーダンス １０ 系統電源 １６，１７ 正負の電極端子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 菊岡 泰平 大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号 関西電力株式会社内 (72)発明者 多田 知史 京都府京都市右京区梅津高畝町47番地 日 新電機株式会社内 (72)発明者 川勝 健 京都府京都市右京区梅津高畝町47番地 日 新電機株式会社内 Ｆターム(参考） 5G003 AA01 BA03 DA07 DA15 FA01 GB06 5G066 AD14 BA03 CA09 DA08 HB09 JA05 JA13 JB03 5H030 AS03 BB21 FF41 FF44