JP2012044740A - 太陽光発電量予測方法および配電系統制御システム - Google Patents

太陽光発電量予測方法および配電系統制御システム Download PDF

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Abstract

【課題】 高精度で手間をかけずに、任意の配電区間に連系した複数の太陽光発電機の総発電量を予測可能な技術を提供する。
【解決手段】
本発明にかかる太陽光発電量予測方法の代表的な構成は、対象とする配電区間122において、センサ内蔵自動開閉器126a〜126hが計測した区間潮流と、日射計132a、132bが計測した日射量とを所定時間ごとに取得しデータテーブル104aに記憶させる情報取得ステップ134と、実負荷がほぼ一定な時間帯の区間潮流および日射量をデータテーブル104aから読み出し、次式「区間潮流=発電係数×日射量+補助係数」に基づき発電係数を回帰分析によって算出する発電係数算出ステップ138と、予測したい時点の日射量に発電係数を乗じ、配電区間122に連系した複数の太陽光発電機130a、130bの総発電量を予測する総発電量予測ステップ140とを含むことを特徴とする。
【選択図】図3

Description

本発明は、任意の配電区間に連系する複数の太陽光発電機の総発電量を予測する太陽光発電量予測方法、およびこれを利用した配電系統制御システムに関する。
無尽蔵な太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換して発電を行う太陽光発電機の導入が促進されている。太陽光発電機の導入価格の低下、環境保全意識の高まり、および石油価格の変動による代替エネルギーへの転換需要により、昨今では一般家庭等にも太陽光発電機が普及しつつある。
一般に、一般家庭等に取り付けられた太陽光発電機は、電気事業者の送電線(配電系統)に連系しており、太陽光発電機の発電量の余剰分は連系する配電系統に折り返されて(逆潮流して)所定の電気事業者に売却される。売却電気量は、各家庭に設置された売電メータに記録される。
太陽光発電機が連系した区間において、事故が発生して停電するとパワーコンディショナによって太陽光発電機の発電も停止させられる。これは、太陽光発電機が配電系統に折り返した電力により、停電の復旧作業を行っている作業員が感電することを防ぐためである。停止した太陽光発電機は、停電から復旧してもすぐに発電を再開することができず、数分程度遅れて再び配電系統に連系する。
上記より、停電から復旧する当初は、通常時には太陽光発電機の発電によって賄われる電力分を併せた地域全体の負荷(実負荷)を、電気事業者(変電所)から配電系統に送り出される電力で賄わなければならない。しかし、電気事業者からは、配電系統に送り出す送出電力しか把握することができず、太陽光発電機の発電によって賄われていた電力分を把握することはできない。そのため、停電から復旧した瞬間に過負荷に陥り、二次的な停電事故に連鎖しないか懸念される。
そこで、従来、電気事業者は、上記のような停電から復旧する際には、配電系統から送り出す送出電力に、配電系統に連系した複数の太陽光発電機の総定格発電容量(モジュール表面温度25度、分光分布AM(エアマス)1.5、放射照度1000W/mの状態の発電量の総和(JIS規格JIS C 8914))を加えて、配電系統の運用(配電線路の切替など)を行っていた。また、このときに配電系統に送り出す電力を想定して、その電力を流すのに充分な配電設備を構築していた。
一方、太陽光発電機が実際に発電し得るのは定格発電容量の7割〜8割程度とされている。また、太陽光発電機の発電量は日射量に依存するため、時間帯や天候等に応じて太陽光発電機が賄う電力分は増減する。したがって、上記のように単に総定格発電容量を加えることは、過負荷を防止したいあまり過剰な電力の確保となっていた。
今後、太陽光発電機のさらなる増加が予想されることから、配電系統では連系するこれらの総発電量延いては実負荷を正確に把握して、無駄のない配電系統の運用を行うことが求められる。太陽光発電機の発電量を予測する技術としては、例えば特許文献1に、これから設置する太陽光発電機の発電量を、その設計情報と、その近隣の太陽光発電機の設計情報および発電量から算出された日射量とを用いて予測する技術が開示されている。
特開2004−47875号公報
上記のように、無駄のない配電系統の運用を行うためには、任意の配電区間に連系する複数の太陽光発電機の総発電量延いては実負荷を正確に把握する必要がある。むろん、従来からも日射量を計算または測定して、太陽光発電機の発電効率等を考慮して発電量を予測するシステムは数多く提案されている。しかし、上記特許文献1のような個々の太陽光発電機の発電量を予測する技術を適用した場合、配電区間に連系する太陽光発電機の発電量を1つずつ予測して積算することとなるため、極めて手間がかかる。また、個々の太陽光発電機の予測値の誤差が重畳されるためか、充分な精度を確保し得ない問題もある。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、高精度で手間をかけずに、任意の配電区間に連系した複数の太陽光発電機の総発電量を予測可能な太陽光発電量予測方法、およびこれを適用した配電系統制御システムを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために本発明者らは鋭意検討し、太陽光発電機の発電量と比例関係がある日射量に着目し、さらに簡単かつ高精度に発電量を予測する方法について検討した。そして、研究を重ねることにより、実負荷(区間潮流と総発電量の和)が一定と見なせる時間帯については実負荷から区間潮流を引いた残りを総発電量と考えることができるから、区間潮流の変動と日射量の変動から日射量と総発電量の関係を発電係数として導くことができ、この発電係数は他の時間帯にも適用可能であることを見出し、本発明を完成するに到った。
すなわち、本発明にかかる太陽光発電量予測方法の代表的な構成は、対象とする配電区間において、この配電区間に備えられるセンサ内蔵自動開閉器が計測した区間潮流と、この配電区間に備えられる日射計が計測した日射量とを所定時間ごとに取得してデータテーブルに記憶させる情報取得ステップと、配電区間の実負荷をほぼ一定と見なせる時間帯の区間潮流および日射量をデータテーブルから読み出し、次式「区間潮流=発電係数×日射量+補助係数」に基づき発電係数を回帰分析によって算出する発電係数算出ステップと、予測したい時点の日射量に発電係数を乗じることにより、その時間帯の配電区間に連系した複数の太陽光発電機の総発電量を予測する総発電量予測ステップと、を含むことを特徴とする。
実負荷が一定であるなら、区間潮流と配電系統に連系した複数の太陽光発電機の総発電量との間には、一方が増えれば他方が減る関係が生じる。上記構成によれば、区間潮流と複数の太陽光発電機の総発電量に比例する日射量とを用いて回帰分析を行い、複数の太陽光発電機の総発電量と日射量との関係を示す発電係数を求めることができる。この発電係数は他の時間帯にも適用することができ、天候にも依存しないため、予測したい時点の日射量から、その時間帯における太陽光発電機の総発電量の予測値を算出することができる。
この方法では、配電区間に連系する太陽光発電機の発電量を個々として捉えず、複数の太陽光発電機の全体の総発電量として捉えている。そのため、個々の太陽光発電機の情報(定格発電容量、設置条件等)を必要とせず、複数の太陽光発電機の総発電量を高い精度で予測することができる。
上記センサ内蔵自動開閉器が計測した区間潮流の増減に対して、日射計が計測した日射量が一定の比率で増減しているかどうかに基づいて、配電区間の実負荷をほぼ一定と見なせる時間帯を決定するとよい。これにより、配電区間の実負荷をほぼ一定と見なせる時間帯を適切に決定することができる。
上記配電区間に複数の日射計が備えられており、上記情報取得ステップでは、この複数の日射計の計測値を平均化した日射量を取得するとよい。複数の地点で計測された日射量を平均化することで、日射量取得地点を局所的に雲が通過したりする影響を緩和することができる。よって、配電区間の日射量としてより適切(正確)な値を採用することができ、複数の太陽光発電機の総発電量をさらに高精度で予測することができる。
本発明にかかる配電系統制御システムの代表的な構成は、対象とする配電区間において、この配電区間に備えられるセンサ内蔵自動開閉器が計測した区間潮流と、この配電区間に備えられる日射計が計測した日射量とを所定時間ごとに取得する情報取得部と、取得した区間潮流および日射量が記憶されるデータテーブルを有する記憶部と、区間潮流の増減に対して日射量が一定の比率で増減している時間帯を、配電区間の実負荷がほぼ一定な時間帯と判定する時間帯判定部と、実負荷がほぼ一定と判定された時間帯の区間潮流および日射量をデータテーブルから読み出し、次式「区間潮流=発電係数×日射量+補助係数」に基づき発電係数を回帰分析によって算出する発電係数算出部と、予測したい時点の日射量に発電係数を乗じることにより、その時間帯の配電区間に連系した複数の太陽光発電機の総発電量を予測する総発電量予測部と、総発電量予測部が予測した総発電量に基づいて、配電系統の運用を行う切替制御部と、を備えることを特徴とする。
上記構成によれば、配電区間に連系する複数の太陽光発電機の総発電量を正確に把握(予測)して、無駄のない配電系統の運用を行うことができる。なお、上述した太陽光発電量予測方法における技術的思想に対応する構成要素やその説明は、当該配電系統制御システムにも適用可能である。
本発明によれば、高精度で手間をかけずに、任意の配電区間に連系した複数の太陽光発電機の総発電量を予測可能な太陽光発電量予測方法、およびこれを適用した配電系統制御システムを提供可能である。
本発明の実施形態にかかる配電系統制御システムが適用される配電系統を示す図である。 図1に示す配電系統制御システムの概略構成を示すブロック図である。 図1に示す配電系統制御システムの動作を説明するフローチャートである。 実負荷をほぼ一定と見なせる時間帯において、配電区間に連系する太陽光発電機の総発電量と日射量との関係を示す図である。 快晴日である平日の配電区間の実負荷の変動を例示する図である。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
[配電系統]
図1は、本発明の実施形態にかかる配電系統制御システム100が適用される配電系統120を示す図である。図1に示すように、変電所124a、124bから送り出された電力は、配電系統120によって、複数の一般家庭128a〜128c等に供給される。一般家庭128b、128cには、太陽光発電機130a、130bが備えられており、配電系統120に連系している。ここでは、太陽光発電機130a、130bに隣接して、日射量を計測可能な日射計132a、132bが備えられる。
配電系統120には、配電系統制御システム100によって制御される複数のセンサ内蔵自動開閉器126a〜126hが備えられる。センサ内蔵自動開閉器126a〜126hは、配電線路の開閉(ON/OFF)を行う区間開閉器であって、区間潮流(電流)を計測するセンサ機能を有している。なお、図1中、三角形で図示されるセンサ内蔵自動開閉器126a〜126fは区間自動開閉器であって、四角形で図示されるセンサ内蔵自動開閉器126g、126hは連系自動開閉器126g、126hである。
例えば、配電区間122で事故が発生すると、その近傍のセンサ内蔵自動開閉器126eおよびセンサ内蔵自動開閉器126fが閉じられ電力供給が停止する。事故発生前に、変電所124aから電力が供給されていた場合には、センサ内蔵自動開閉器126f下流側の電力供給も停止する。センサ内蔵自動開閉器126f下流側への電力供給は、センサ内蔵自動開閉器126hを切り替えて他の変電所124bから逆送電することで、早期に復旧し得る。
配電区間122の負荷(見かけ上の負荷)は、その上流側のセンサ内蔵自動開閉器126eの区間潮流の計測値から、下流側のセンサ内蔵自動開閉器126fの区間潮流の計測値を差し引いて送電電圧を乗じ、求めることができる。しかし、配電区間122には複数の太陽光発電機130a、130bが連系しているため、このような単純な計算では真の負荷(実負荷)を求めることができない。
そのため、配電系統制御システム100では、配電区間122に連系する複数の太陽光発電機130a、130bの総発電量を予測して、見かけ上の負荷にこれを足すことで実負荷を把握する。そして、この実負荷に基づき、センサ内蔵自動開閉器126a〜126hを制御して、配電系統120の運用(配電線路の切替など)を行う。
[配電系統制御システム]
図2は、配電系統制御システム100の概略構成を示すブロック図である。図3は、配電系統制御システム100の動作を説明するフローチャートである。図2に示すように、配電系統制御システム100は、システム制御部102および記憶部104を含んで構成されるコンピュータシステムである。
システム制御部102は、中央処理装置(CPU:Central Processing Unit)を含む半導体集積回路であって、配電系統制御システム100全体の管理、制御を行う。記憶部104は、ROM、RAM、EEPROM、不揮発性RAM、フラッシュメモリ、HDD等で構成され、システムで利用されるプログラムや各種データを記憶する。記憶部104に備えられたデータテーブル104aには、センサ内蔵自動開閉器126a〜126hが計測した区間潮流、および配電区間122の日射計132a、132bが計測した日射量が所定時間ごと(例えば、1分ごと)に記憶されている。
また、配電系統制御システム100には、入力部106および出力部108が備えられている。入力部106は、キーボードやマウス、タッチパネル、あるいはファイル入出力装置やネットワークを通じたデータ通信等により、外部からシステムへ所定の情報を取り込む。出力部108は、ディスプレイやプリンタ等で構成され、使用者に情報を表示したり、印刷を行ったりする。また、出力内容をデータとして記録媒体に保存したり、ネットワークを通じたデータ通信やウェブ表示などを行ったりすることも可能である。
以下、図3のフローチャートに則って、配電系統制御システム100の情報取得部110、時間帯判定部112、発電係数算出部114、総発電量予測部116および切替制御部118について説明する。図3に示すように、配電系統制御システム100は配電系統120の運用のために(配電系統運用ステップ142)、情報取得ステップ134、時間帯判定ステップ136および発電係数算出ステップ138によって、配電区間122に連系する太陽光発電機130a、130bの総発電量を予測する(総発電量予測ステップ140)。
情報取得ステップ134では、情報取得部110が、センサ内蔵自動開閉器126a〜126hが計測した区間潮流と、日射計132a、132bが計測した日射量とを所定時間毎に取得して、時刻(時間帯)に関連付けてデータテーブル104aに記憶させる。すなわち、所定時間ごとの対象配電区間122の区間潮流と日射量との変遷を記憶させる。
本実施形態では、情報取得部110が配電区間122に備えられた複数の日射計132a、132bの計測値を平均化し、その平均化した日射量をデータテーブル104aに記憶させる。複数の地点で計測された日射量を平均化することで、日射量取得地点を局所的に雲が通過したりする影響を緩和することができる。よって、配電区間122の日射量としてより適切(正確)な値を採用することができる。
時間帯判定ステップ136では、時間帯判定部112が、データテーブル104aに記憶された所定時間ごとの区間潮流と日射量とを読み出す。そして、区間潮流の増減に対して日射量が一定の比率で増減している時間帯を見つけ出し、配電区間122の実負荷がほぼ一定な時間帯を判定(決定)する。
図4は、実負荷をほぼ一定と見なせる時間帯において、配電区間122に連系する太陽光発電機130a、130bの総発電量と日射量との関係を示す図である。図4に示すように、実負荷がほぼ一定な時間帯では、区間潮流と日射量とが逆比例の関係にある。これは、実負荷が一定の場合には、区間潮流は日射量に比例する太陽光発電機130a、130bの総発電量を補うように増減するためである。
なお、図4では、「快晴日」である「平日」の「13時〜15時」の区間潮流および日射量をプロットしている。図5は、快晴日である平日の配電区間122の実負荷の変動を例示する図である。図5に例示するように、快晴日である平日の13時〜15時の実負荷は実際にほぼ一定となる。
図3のフローチャートに戻り、発電係数算出ステップ138では、発電係数算出部114が、配電区間122の実負荷をほぼ一定と見なせる時間帯の区間潮流および日射量をデータテーブル104aから読み出す。ここで、式1に示すように、実負荷は、区間潮流と太陽光発電機130a、130bの総発電量の和として考えることができる。
実負荷=区間潮流+太陽光発電機の総発電量 …(式1)
一方、太陽光発電機130a、130bの総発電量は日射量に依存して増減するため、式2のように表すことができる。
太陽光発電機の総発電量=未知の係数×日射量 …(式2)
式2を式1に代入し、また一定である実負荷を定数として、実負荷を包含する定数を補助係数と表現する。また、未知の係数を符号を逆転させて発電係数とする。すると、下記の式3のように表せる。そして、式3に基づいて、発電係数および補助係数を回帰分析によって算出する。すなわち、区間潮流と日射量との関係を示す1次近似式(図4参照)を導出する。
区間潮流=発電係数×日射量+補助係数 …(式3)
このとき、発電係数算出部114は、配電区間122に連系した太陽光発電機130a、130bの総発電量を予測する予測日に至近の日であって、時間帯判定部112が実負荷をほぼ一定と判定した時間帯の区間潮流および日射量を読み出すとよい。なるべく、至近の日の区間潮流および日射量を使用することで、精度を高めるためである。プロット数(データ数)が足りていればある一日のその時間帯の区間潮流および日射量のみでよいし、プロット数(データ数)が足りていなければ複数の日のその時間帯の区間潮流および日射量を使用するとよい。
なお、時間帯判定部112を設けずに、例えば、「快晴日」である「平日」の「13時〜15時」は実負荷がほぼ一定と仮定(決めうち)して、発電係数算出部114がこれらの条件を満たす区間潮流および日射量を読み出すように構成してもよい。このような場合、入力部106より気象情報(快晴か否か)や暦情報(平日、休日情報)がシステムに入力され、データテーブル104aに蓄積される区間潮流および日射量に、そのときの時刻(時間帯)に加え天候や暦も関連付けて格納される。
総発電量予測ステップ140では、総発電量予測部116が、予測したい時点の日射量に上記で求めた発電係数を乗じて、その時間帯の配電区間122に連系した複数の太陽光発電機130a、130bの総発電量を予測する(予測値を算出する)。予測したい時点の日射量とは、例えば、管理者が入力部106より指定した時点(任意の時点)について、情報取得部110が日射計132a、132bより取得した日射量とすることができる。発電係数は、そのときの日射量に対して、どれくらい太陽光発電機130a、130bが発電するかを示すものであるから、時間帯や天候に依存することなく使用することができる。
このようにして配電区間122に連系した複数の太陽光発電機130a、130bの総発電量を求めることで、非常に高い精度で総発電量を予測することができる。これは、配電区間122に連系する太陽光発電機130a、130bの発電量を個々として捉えず、複数の太陽光発電機130a、130bの全体の総発電量として捉えているためである。また、複数の日射計132a、132bの計測値の平均値を日射量として採用し、誤差を低減しているためでもある。このように、個々の太陽光発電機130a、130bの情報(定格発電容量、設置条件等)を必要とすることもなく、予測値算出までにかかる労力(必要な情報の収集等)や計算も軽減される。
表1の左側では、実負荷をほぼ一定と見なせる「快晴日」の「平日」の「13時〜15時」の区間潮流および日射量から発電係数を算出し、総発電量を求めた場合の予測精度を示している。表1の右側では、一年間の6時〜18時の区間潮流および日射量から発電係数を算出し、総発電量を求めた場合の予測精度を示している。表1に示すように、実負荷をほぼ一定と見なせる時間帯の区間潮流および日射量を用いて配電区間122に連系された太陽光発電機130a、130bの総発電量を予測することで、一年間の6時〜18時の区間潮流および日射量を用いて(一年間の平均値を取って)総発電量を求める場合よりも、大幅に予測精度が向上する。
Figure 2012044740
配電系統運用ステップ142では、切替制御部118が、高い精度で算出される太陽光発電機130a、130bの総発電量の予測値に基づき実負荷を算出する。そして、センサ内蔵自動開閉器126a〜126hを制御して、その実負荷に基づき無駄のない配電系統120の運用を行う。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明した。上記構成によれば、高精度で手間をかけずに、任意の配電区間122に連系した複数の太陽光発電機130a、130bの総発電量を予測することができる。なお、本発明は上述した例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
本発明は、任意の配電区間に連系する複数の太陽光発電機の総発電量を予測する太陽光発電量予測方法、およびこれを利用した配電系統制御システムとして利用することができる。
100…配電系統制御システム、102…システム制御部、104…記憶部、104a…データテーブル、106…入力部、108…出力部、110…情報取得部、112…時間帯判定部、114…発電係数算出部、116…総発電量予測部、118…切替制御部、120…配電系統、122…配電区間、124a、124b…変電所、126a〜126h…センサ内蔵自動開閉器、128a〜128c…一般家庭、130a、130b…太陽光発電機、132a、132b…日射計、134…情報取得ステップ、136…時間帯判定ステップ、138…発電係数算出ステップ、140…総発電量予測ステップ、142…配電系統運用ステップ

Claims (4)

  1. 対象とする配電区間において、該配電区間に備えられるセンサ内蔵自動開閉器が計測した区間潮流と、該配電区間に備えられる日射計が計測した日射量とを所定時間ごとに取得してデータテーブルに記憶させる情報取得ステップと、
    前記配電区間の実負荷をほぼ一定と見なせる時間帯の前記区間潮流および前記日射量を前記データテーブルから読み出し、次式「区間潮流=発電係数×日射量+補助係数」に基づき発電係数を回帰分析によって算出する発電係数算出ステップと、
    予測したい時点の日射量に前記発電係数を乗じることにより、その時間帯の前記配電区間に連系した複数の太陽光発電機の総発電量を予測する総発電量予測ステップと、
    を含むことを特徴とする太陽光発電量予測方法。
  2. 前記センサ内蔵自動開閉器が計測した区間潮流の増減に対して、前記日射計が計測した日射量が一定の比率で増減しているかどうかに基づいて、前記配電区間の実負荷をほぼ一定と見なせる時間帯を決定することを特徴とする請求項1に記載の太陽光発電量予測方法。
  3. 前記配電区間に複数の日射計が備えられており、前記情報取得ステップでは、該複数の日射計の計測値を平均化した日射量を取得することを特徴とする請求項1または2に記載の太陽光発電量予測方法。
  4. 対象とする配電区間において、該配電区間に備えられるセンサ内蔵自動開閉器が計測した区間潮流と、該配電区間に備えられる日射計が計測した日射量とを所定時間ごとに取得する情報取得部と、
    前記取得した区間潮流および日射量が記憶されるデータテーブルを有する記憶部と、
    前記区間潮流の増減に対して前記日射量が一定の比率で増減している時間帯を、前記配電区間の実負荷がほぼ一定な時間帯と判定する時間帯判定部と、
    前記実負荷がほぼ一定と判定された時間帯の前記区間潮流および前記日射量を前記データテーブルから読み出し、次式「区間潮流=発電係数×日射量+補助係数」に基づき発電係数を回帰分析によって算出する発電係数算出部と、
    予測したい時点の日射量に前記発電係数を乗じることにより、その時間帯の前記配電区間に連系した複数の太陽光発電機の総発電量を予測する総発電量予測部と、
    前記総発電量予測部が予測した総発電量に基づいて、配電系統の運用を行う切替制御部と、
    を備えることを特徴とする配電系統制御システム。
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