JP2011210257A - １ヶ所以上の参加者からエネルギーサービスを集約する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】１ヶ所以上の参加者からエネルギーサービスを集約する方法を提供する。
【解決手段】エネルギーサービスに対する様々な位相角に対応する最初のプローブ価格を参加者に提供する（４１２）。参加者から反応を受信する（４１４）。この反応は、現在の位相角と参加者が提示することのできる有効電力及び無効電力低減とに応じた価格に対応する。受信した反応に基づいて、その参加者が提供することのできるエネルギーサービスに対し、その参加者に関する購入価格を計算する（４１６）。購入価格がプローブ価格と一致しない（４１８）場合には、購入価格が安定値に収束するまで、プローブ価格を提供し（４１２）、反応を受信し（４１４）、購入価格を再計算する（動作４１６）処理が繰り返されてもよい。
【選択図】図４

Description

本開示は、電力システムにおいて１ヶ所以上の参加者を集約してエネルギーサービスを提供する技法に関する。より詳細には、本開示は、１ヶ所以上の参加者に関する無効電力を管理して、より信頼性のある集約されたエネルギーサービスを提供することに関する。

電力市場の自由化と、電力システムにおける通信及び制御技術の一層の統合とに伴い、柔軟性のある電気消費者（例えば、個人住宅及び中小企業（以下、これらをまとめて「参加者（participants）」と呼ぶ））にとって、エネルギーサービスをエネルギー提供者（例えば、独立電力管理機構（ＩＳＯ：independent system operator））に供給することは、ますます魅力的である。例えば、住宅用電気消費者は、原則として、基本消費パターンに対して電気の消費を変えることにより、付随的サービスを提供することができる。これらの住宅及び小企業は、必要とする電力が比較的少ないため、電力システムにおける集約者（aggregators）は、複数の参加者の供給及び／又は需要を組み合わせて調整し、ＩＳＯのニーズを満たすのに十分なエネルギーサービスを集約したいと考えることが多い。

本発明の目的は、１ヶ所以上の参加者に関する無効電力を管理して、より信頼性のある集約されたエネルギーサービスを提供することにある。

本発明の第１の態様によれば、１ヶ所以上の参加者からエネルギーサービスを集約する方法であって、各々が電圧波形及び電流波形間における位相角の特定範囲に対応する複数の価格を、集約者によって参加者各々に送信することと、参加者が調整することに同意する位相角に対応する該参加者によって選択された価格を、前記集約者において受信することと、１ヶ所以上の参加者から、無効電力が低減されたエネルギーサービスを集約することと、を含む、前記方法が提供される。

前記価格を、電力システムにおける力率に基づいて決定することを更に含んでもよい。

前記参加者の負荷による所望の平均エネルギーサービス量に対する貢献度を、少なくとも前記エネルギーサービスに提示された価格及び前記負荷の無効電力レベルに基づいて計算することを更に含んでもよい。

前記計算後、購入価格が、所望のエネルギーサービス量の対応部分を提供する参加者に対して固定されてもよい。

本発明の一実施形態による電力集約システムを示す、ブロック図である。 （ａ）は、本発明の一実施形態による有効電力と無効電力と複素電力との関係を示す図であり、（ｂ）は、容量性負荷を有する電力システムにおける例としての電圧波形（ｖ（ｔ）で示す）及び電流波形（ｉ（ｔ）で示す）を示す図であり、（ｃ）は、誘導性負荷を有する電力システムにおける例としての電圧波形（ｖ（ｔ）で示す）及び電流波形（ｉ（ｔ）で示す）を示す図である。 （ａ）は、本発明の一実施形態による価格ベクトルを示す図であり、（ｂ）は、本発明の一実施形態による価格マトリックスを示す図である。 本発明の一実施形態による、無効電力負荷を集約する処理を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態による、無効電力需要反応を容易にするコンピュータシステムを示す、ブロック図である。 本発明の一実施形態による、無効電力需要反応を容易にするデータ構造を示すブロック図である。

図面を通して同様の参照番号は対応する部分を指す、ということに留意されたい。

本発明の実施形態は、電力網における無効電力需要に基づいて異なる価格に基づいた奨励策（incentives）をユーザに提供するエネルギーサービス集約システムを提供する。この集約は、参加者と電力システムの作業者との連絡役として機能する集約者によって行われ得る。詳細には、この集約者は、内蔵された需要反応メカニズムを用い、いつでも複数の価格を提示することによって無効電力を管理する。この変動価格は、電力システムにおける現在の電圧電流位相差によって決まる。このような集約技法は、反応装置を切ることによって電圧電流位相差を調整する電化製品の能力に基づいて無効電力負荷を最小限に抑える奨励策を提供する。１ヶ所以上の参加者からの無効電力を削減することによって、この集約者における需要反応メカニズムは、エネルギーサービスをより効率的に集約しやすくする。

更に、この集約技法は、（より大きなエネルギー提供者によって提供されるような）規模の経済を向上させると共に、サービスの品質と信頼性（例えば、電力システムの作業者に所望のエネルギー量を提供する能力）を高めることができる。

本開示において、「エネルギーサービス」とは、広く、参加者の少なくともいくらかがエネルギー需要の削減に同意する需要反応、参加者の少なくともいくらかによる発電、及び／又は、エネルギー負荷、供給、若しくはその両方を含む付随的サービスを指す。更に、電力供給若しくは負荷の値は、正であっても負であってもよい。負の需要反応（即ち、需要の減少）は正の発電に等しいということに留意されたい。同様に、正の需要反応（即ち、需要の増加）は負の発電に等しい。

電力システムにおいて、ＩＳＯは、エネルギーサービスを用いて、供給と負荷全体を動的に一致させ得る。一般的に、ＩＳＯは、エネルギー負荷を予測し、最適化及び市場メカニズムを用いて、必要とされる主要及び付随的サービスを調整することによって、電力システムをうまく作動させる。

既存の方法では、エネルギーサービスの提供者は、大きな発電所であるか、又は、需要反応に関し大きな工業負荷であることが多い。しかしながら、小さな再生可能資源と、参加者（例えば、家庭や小企業）が電力及び／又は需要反応を提供することができる可能性が出現したことにより、複数の参加者からの小さい、一般的には低品質のエネルギーサービスを集約して、電力システムに対するより大きくより良質なエネルギーサービスにする機会がある。図１に示されているように、集約システム１００は、集約者１１２（公益会社又は第三者であり得る）によって実施され得る。集約者１１２は、システム１００の１箇所以上に存在してもよい（従って、集約者１１２の機能は、システム１００において分散されてもよい）。集約者１１２は、エネルギー関連情報を、参加者１１４のところにある電子装置１１６を用いて収集するか、電子装置１１６から受信する。エネルギーサービスが集約されたら、集約者１１２は、それを直接ＩＳＯ１１０に売ってもよいし、他のエネルギー源（例えば、風力発電）と結び付けて電力システムにおけるサービス品質全体を高めてもよいし、他の負荷と組み合わせてエネルギーコスト全体を削減してもよい。

しかしながら、低品質のエネルギーサービスを集約して高品質のエネルギーサービスを提供することに関しては、問題があり得る。詳細には、低品質のエネルギーサービスにおける無効電力を管理して、高品質の集約エネルギーサービスをもたらすことは、困難且つ高価であり得る。

図２（ａ）は、電力ベクトルの三角形２００において有効電力と無効電力との関係を示す図である。有効電力値２０２と無効電力値２０４がこの三角形の２辺を形成している。最も長い辺２０６は複素電力を示している。位相角２０８は、電圧電流位相差を示し、有効電力２０２と複素電力２０６との関係を決定する。有効電力と皮相（総）電力（複素電力２０６の絶対値）との割合を力率と呼ぶ。この力率は、位相角が０の場合１であり、位相角が９０゜の場合０である。見掛け上、有効電力２０２が固定されると、力率の高い電力システムほど無効電力が少なくなるので、循環電流が減少し、送電効率が上昇する。

通常、無効電力は、負荷の実用特性によって生じる。容量性負荷によれば、電流波形が電圧波形よりも進む（図２（ｂ）に示されている例としての電圧及び電流波形を参照）のに対し、誘導性負荷によれば、電流波形が電圧波形よりも遅れる（図２（ｃ）に示されている例としての電圧及び電流波形を参照）。できるだけ１．０に近い力率を得るために、電力会社は、多数並んだインダクタ及びコンデンサを必要に応じて切り替えることによって、送電及び配電における無効電力量の削減に努めている。

一般的に、集約者１１２と参加者１１４との間における調整を助けるには、高速で作動する正確な内蔵式の経済的需要反応メカニズムが用いられる。各参加者は電子装置１１６によって管理される。ある実施形態では、集約者１１２は、例えば、ネットワーク１１８（例えば、インターネット）及び電子装置１１６を介して、最初のプローブ価格（probe price）を参加者１１４に提供し得る。これに応答して、所定の参加者（例えば、参加者１１４−１）は、供給関数に対する近似値（「供給関数近似値」と呼ばれることもある）を提供し得る。例えば、この供給関数にはエネルギーサービスの供給（又は需要）と価格関数との関係が含まれ得ると共に、所定の供給関数近似値はプローブ価格に近い供給関数全体に近似し得る。参加者１１４からの供給関数近似値を用いて、集約者１１２は、所望のエネルギーサービスを集約してＩＳＯ１１０に提供するのに必要な購入価格を計算することができる。更に、このように情報を交換することによって、集約者１１２と参加者１１４の少なくともサブセットとは、迅速に１つの解決策に収束し得る。従って、この集約技法は、集約エネルギーサービスの向上と電力システム性能の改善を容易にし得る。

ある実施形態では、参加者１１４は、所定の関数セットから現在の供給関数近似値を選択する。例えば、参加者のところにある電子装置１１６は、ディスプレイ上に所定の関数に対応するボタン又はアイコンを含み得ると共に、参加者１１４は、このボタンを押すか或いはアイコンを起動させることによって、現在の供給関数近似値を選択し得る。次に、電子装置１１６は、ネットワーク１１８を用いて、この選択された現在の供給関数近似値を集約者１１２に伝達し得る。更なる実施形態では、この選択処理は、ユーザの手動入力を必要とせずに自動化することができる。ユーザは、システムが所望の現在の供給関数近似値を自動的に選択できる高レベルの選好設定を行うことができる。

現在の時間間隔に関して最終購入価格が計算されると、集約者１１２と、集約エネルギーサービスの少なくとも一部を提供することにそれぞれが同意している参加者１１４の少なくともサブセットとの間には、拘束力のある合意が存在する。この拘束力のある合意には、少なくとも特定サブセットの参加者の次の行動に対する制限又は責任が含まれ得る。従って、これらの参加者は、固定された最終購入価格における補償と引き換えに、需要反応の調整を余儀なくされ得る。

この需要反応メカニズムは、供給関数近似値において変動価格を設定することにより、総電力負荷を軽減しやすくする。一方、既存の需要反応メカニズムでは、無効電力又は力率を直接的に測定又は操作しない。例えば、需要反応事象の結果、誘導性負荷である多数の電気モータが切られた場合、このような欠点によって、力率の低下が生じ得る。

本発明の実施形態は、需要反応構造において、無効電力及び総電力を管理しやすくする。いつでも、この無効電力需要反応システムは、１つの価格信号を送信（ブロードキャスト）するのではなく、複数の価格信号を送信（ブロードキャスト）する。各価格信号は、参加者１１４に関する電圧波形及び電流波形間の各位相角に対応する。例えば、ある参加者に関して電流波形が電圧波形よりも遅れている場合、この無効電力需要反応システムは、電源を切るべき誘導性負荷に対して、より大きな価格値の奨励策を提示する。同時に、この無効電力需要反応システムは、オフラインにするべき容量性負荷に対して、より低価格の奨励策を提示してもよいし、奨励策を提示しなくてもよい。参加者１１４における各制御論理部１２０は、複数の価格信号を受信すると、経済的利益を最大化すると共に所望の有効電力及び無効電力低減（real and reactive power reduction）を集約者にもたらすには、どの負荷成分の電源を切るべきか判定する。

複数の価格信号は、様々な方法で実施され得る。一実施形態では、価格信号は、価格の一次元アレイ（ベクトル）として送信（ブロードキャスト）され、各価格は、位相角の特定範囲に対応している。図３（ａ）は、このような価格ベクトル３００を示している。例えば、ベクトル３００における価格値がＰ＿５であるエレメント３０２は、５０゜〜６０゜の位相角範囲に対応している。別の実施形態では、価格信号は、価格の二次元アレイ（マトリックス）として送信（ブロードキャスト）され、所定の価格値の行位置は、無効電力の値又は範囲に対応し、価格値の列位置は、位相角の値又は範囲に対応している。図３（ｂ）は、このような価格マトリックス３２０を示している。マトリックス３２０における価格値がＰ＿ｉｊであるエレメント３２２は、８０゜〜９０゜の位相角範囲及び２ｋＷを超える無効電力範囲に対応している。更に別の実施形態では、価格信号は、線形関数又は非線形関数で送信（ブロードキャスト）され、各制御論理部１２０は、現在の位相角と集約者１１２に提示することのできる有効電力及び無効電力低減とを入力することにより、利益を計算し得る。

図４は、無効電力負荷に対する価格を提供する処理４００を示すフローチャートであって、この処理は、コンピュータシステム（例えば、図１の集約者１１２によって作動されるコンピュータシステム）によって行われ得る。作動中、このシステムは、エネルギーサービスに対する様々な位相角に対応する最初のプローブ価格を参加者に提供する（動作４１２）。次に、このシステムは、参加者から反応を受信する（動作４１４）。この反応は、現在の位相角と参加者が提示することのできる有効電力及び無効電力低減とに応じた価格に対応する。次に、このシステムは、受信した反応に基づいて、その参加者が提供することのできるエネルギーサービスに対し、その参加者に関する購入価格を計算する（動作４１６）。購入価格がプローブ価格と一致しない（動作４１８）（例えば、プローブ価格の範囲外である）場合には、購入価格が安定値に収束するまで、プローブ価格を提供し（動作４１２）（即ち、プローブ価格を更新し）、反応を受信し（動作４１４）、購入価格を再計算する（動作４１６）処理が繰り返されてもよい。更に、このシステムは、購入価格が十分にプローブ価格に近いかどうか、且つ／又は、参加者が反応に含めた制限を購入価格が満たしているかどうかを判定することができる。購入価格は価格範囲における最低価格であり得るということに留意されたい。更に、このシステムは、参加者との取引がまとまったら、必要に応じて、そのエネルギーサービスを、他の電源、他の電力負荷、又は他の無効電力管理機構と結び付け得る（動作４２０）。この処理４００はより多くの又はより少ない動作を含み得るということに留意されたい。これらの動作の順序は変更してもよいし、２つ以上の動作を組み合わせて１つの動作にしてもよい。

一例としての実施形態では、所望のエネルギーサービスが需要反応であり、簡潔化するため、集約者１１２は即時の需要減少（demand reduction）を導き出したいものと仮定する。集約者１１２は、所望の集約力率を導き出すように見積もられた最初のプローブ価格を設定し得る。これに応答して、参加者１１４はそれぞれ、この最初のプローブ価格に近似した反応を提供し得る。この反応は、参加者１１４がこの価格で送給する無効電力及び／又は有効電力需要反応の量を特定する。次に、集約者１１２は、参加者１１４から受信したこの反応に基づいて、更新購入価格を計算し得る。総無効電力需要減少が、集約者１１２のニーズを満たし、参加者のサブセットからの反応と一致する場合には、この更新価格が、参加者１１４の少なくともサブセットからの需要減少に用いられる決済若しくは購入価格となる。そうでない場合には、集約者１１２は、新しく見積もられたプローブ価格を参加者１１４に提案し得る。この処理は、集約者１１２が適切な価格を得るまで、必要に応じて１回以上繰り返されてもよい。

図５は、無効電力需要反応を容易にするコンピュータシステム５００を示すブロック図である。このコンピュータシステム５００は、１つ以上のプロセッサ５１０と、通信インタフェース５１２と、必要に応じてユーザインタフェース５１４と、これらの構成要素をつなぎ合わせる１つ以上の信号線５２２とを含む。更に、必要に応じたユーザインタフェース５１４は、ディスプレイ５１６、キーボード５１８、及び／又はポインタ５２０（例えば、マウス）を含み得る。

このコンピュータシステム５００におけるメモリ５２４は、揮発性メモリ及び／又は非揮発性メモリを含み得る。メモリ５２４は、オペレーティングシステム５２６と、通信モジュール５２８における通信手順とを記憶し得る。また、このメモリ５２４は、集約モジュール５３０を含む複数のプログラムモジュールも含み得る。集約モジュール５３０は、集約者５３２に代わって、参加者５３４からのエネルギーサービスを集約して、集約エネルギーサービス５４２を提供し得る。詳細には、この集約モジュール５３０は、プローブ価格を提供し得ると共に、参加者５３４からの価格関数５３６（例えば、参加者Ａからの反応５３８−１、又は参加者Ｂからの反応５３８−２）を受信し得る。ある実施形態では、参加者５３４は、所定の時間間隔で、プローブ価格に基づいて、必要に応じた所定の関数セット５４４から価格関数を選択する。

次に、集約モジュール５３０は、この選択された価格関数を用い、所定の時間間隔で或いは一連の時間間隔で、１つ以上の購入価格５４０を計算し得る。必要であれば、集約モジュール５３０は、購入価格５４０のうちの少なくとも１つがプローブ価格に収束するまで、この集約処理を繰り返してもよい。

コンピュータシステム５００は、いくつかの個別要素を備えるものとして示されているが、図５は、本明細書中に説明する実施形態の構造図というよりはむしろ、このコンピュータシステム５００内に存在し得る様々な機構の機能説明であることが意図されている。実際には、当業者には認められるように、このコンピュータシステム５００の機能は、多数の装置又はコンピュータにわたって分散されてもよく、これらの装置又はコンピュータの様々なグループが、機能の特定サブセットを行う。ある実施形態では、コンピュータシステム５００の機能のいくらか又は全ては、１つ以上の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）又はフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）で行われてもよい。

ある実施形態では、システム１００及び／又はコンピュータシステム５００は、より少ない又はより多くの構成要素を含む。更に、２つ以上の構成要素を組み合わせて１つの構成要素にしてもよいし、１つ以上の構成要素の位置を変更してもよい。更には、システム１００及び／又はコンピュータシステム５００の機能は、当業界では知られているように、ハードウェアでより多くソフトウェアでより少なく行われてもよいし、ハードウェアでより少なくソフトウェアでより多く行われてもよい。

図６は、無効電力需要反応を容易にするデータ構造６００を示すブロック図である。このデータ構造は、１ヶ所以上の参加者に関する複数の価格関数６１０を含む。例えば、価格関数６１０−１は、１組以上の価格とこれに対応する位相角（例えば、価格６１２−１及び位相角６１４−１）を含む。

ある実施形態では、データ構造６００は、より少ない又はより多くの構成要素を含む。更に、２つ以上の構成要素を組み合わせて１つの構成要素にしてもよいし、１つ以上の構成要素の位置を変更してもよい。

一実施形態は、１ヶ所以上の参加者からエネルギーサービスを集約するシステムを提供する。このシステムにおける集約者は、まず、それぞれが電圧波形及び電流波形間における位相角の特定範囲に対応する複数の価格を、それぞれの参加者に送信する。次に、この集約者は、参加者が調整することに同意する位相角に対応する、参加者によって選択された価格を受信する。次に、この集約者は、１ヶ所以上の参加者から、所望通り無効電力が低減されたエネルギーサービスを集約する。

ある実施形態では、このシステムは、更に、価格を電力システムにおける力率に基づいて決定する。力率とは、有効電力と複素電力の絶対値との比である。

ある実施形態では、このシステムは、更に、参加者の負荷による所望の平均エネルギーサービス量に対する貢献度を、少なくともエネルギーサービスに提示された価格及び負荷の無効電力レベルに基づいて計算する。計算後、購入価格が、所望のエネルギーサービス量の対応部分を余儀なく提供する参加者に対して固定される。

ある実施形態では、参加者に送信される複数の価格は、ベクトル、マトリックス、リスト、表、又は、所望の位相角若しくは位相角変化に関連付けられた一連の価格を含む関数のうちの１つである。

ある実施形態では、このシステムは、更に、エネルギーサービスを、他の電源、他の電力負荷、又は、他の無効電力管理機構と結び付ける。

上記説明は、当業者が誰でも本開示を行って使用することができるように提示されると共に、特定用途及びその要件に即して提供される。当業者には、ここに開示した実施形態に対する様々な変更点が容易に見つかるであろうし、本明細書中に定義した一般的原理は、本開示の精神及び範囲を逸脱しない限り、他の実施形態及び用途に適用してもよい。従って、本開示は、ここに示されている実施形態への限定が意図されるのではなく、本明細書中に開示した原理及び特徴と整合する最大範囲が与えられる。

上記実施形態は、本発明の集約技法を用いて集約エネルギーサービスを提供する方法を示しているが、別の実施形態では、この集約技法を多種多様な問題に用いて、市場ベースのメカニズム若しくは経済交流を提供してもよく、これにより、多数の異なる組織又は個人における価格と供給との局所平衡が迅速に決定される。

Claims (4)

1. １ヶ所以上の参加者からエネルギーサービスを集約する方法であって、
   各々が電圧波形及び電流波形間における位相角の特定範囲に対応する複数の価格を、集約者によって参加者各々に送信することと、
   参加者が調整することに同意する位相角に対応する該参加者によって選択された価格を、前記集約者において受信することと、
   １ヶ所以上の参加者から、無効電力が低減されたエネルギーサービスを集約することと、
   を含む、前記方法。
2. 前記価格を、電力システムにおける力率に基づいて決定することを更に含む
   請求項１に記載の方法。
3. 前記参加者の負荷による所望の平均エネルギーサービス量に対する貢献度を、少なくとも前記エネルギーサービスに提示された価格及び前記負荷の無効電力レベルに基づいて計算することを更に含む
   請求項１に記載の方法。
4. 前記計算後、購入価格が、所望のエネルギーサービス量の対応部分を提供する参加者に対して固定される
   請求項３に記載の方法。

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