JP2015213389A - 蓄電池の運用方法および電力制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽光発電などの自家発電電力と蓄電池とを連携して、発電電力を有効に活用する。【解決手段】商用系統電力網と自家発電装置と蓄電池と負荷とに接続された電力制御装置における、蓄電池の運用方法であって、記憶部に格納された過去の自家発電装置の発電電力の予測誤差および負荷の消費電力の予測誤差を評価して、翌日の発電電力の予測値および消費電力の予測値を、それぞれ補正して、補正された発電電力の予測値と消費電力の予測値との差分電力に基づいて、夜間に充電する蓄電池の充電電力量を計算する。【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電池の運用方法および電力制御装置に関し、より詳細には、系統電力と自家発電電力とを利用する需要家において、発電電力を有効に活用するため蓄電池の運用方法および電力制御装置に関する。

従来、商用系統電力と自家発電電力とを利用する需要家において、例えば、太陽光発電と蓄電池とを連携して、負荷に電力を供給する方法が提案されてきた。例えば、商用系統との契約電力を削減して、基本料金を削減することを目的として、商用系統からの受電電力が一定値を超えないように蓄電池を運用する方法が知られている。また、商用系統の安価な夜間電力を蓄電池に蓄電し、日中の消費電力の内、太陽電池の発電電力で賄えない分を蓄電池からの放電により補う方法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。

町田定之、他、「太陽電池・蓄電池を利用した負荷平準化システムの導入効果」、電気学会論文誌Ｂ、123巻1号、pp.37-46、2003年 工藤満、他、「エネルギーネットワークにおける太陽光発電予測技術」、電気学会論文誌Ｂ、127巻7号、pp.847-853、2007年 石田隆張、他、「ニューラルネットを用いた翌日電力需要予測」、電気学会論文誌Ｂ、114巻11号、pp.1109-1115、1994年

しかしながら、従来の方法は、太陽光発電の発電電力が負荷の消費電力よりも小さいことを前提としている。そのため、太陽光発電の発電電力が負荷の消費電力よりも大きい時間帯がある場合、太陽電池が発電した余剰電力を効率的に蓄電池に充電することができないという問題があった。

本発明の目的は、太陽光発電などの自家発電電力と蓄電池とを連携して、発電電力を有効に活用するため蓄電池の運用方法および電力制御装置を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、商用系統電力網と自家発電装置と蓄電池と負荷とに接続された電力制御装置における、前記蓄電池の運用方法であって、前記自家発電装置の発電電力と前記負荷の消費電力とを予測して、発電電力の予測値と消費電力の予測値とを取得すること、予測された日の前記自家発電装置の発電電力と前記負荷の消費電力とを計測して、発電電力の実測値と消費電力の実測値とを取得すること、一定時間ごとに、前記発電電力の予測値と前記発電電力の実測値との予測誤差、および前記消費電力の予測値と前記消費電力の実測値との予測誤差を算出し、記憶部に格納すること、前記記憶部に格納された過去の発電電力の予測誤差および消費電力の予測誤差を評価して、翌日の発電電力の予測値および消費電力の予測値を、それぞれ補正すること、および補正された発電電力の予測値と消費電力の予測値との差分電力に基づいて、夜間に充電する前記蓄電池の充電電力量を計算することを備えたことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、夜間に充電する蓄電池の充電電力量を、より正確に計算することができ、昼間の余剰電力を充電できるだけの蓄電池の空き容量を確保する一方、負荷が増大しても蓄電池からの放電により賄うことができるので、太陽光発電などの自家発電電力と蓄電池とを連携して、発電電力を有効に活用することが可能となる。

本発明の一実施形態にかかる電力制御システムを示す構成図である。 本実施形態にかかる電力制御システムにおける蓄電池の運用方法を説明するための図である。 実施例１における発電電力予測部の平均予測誤差を示す図である。 発電電力および消費電力の推定値を補正して求めた差分電力を示す図である。 実施例２における発電電力予測部の平均予測誤差を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。ここでは、発電電力、消費電力など電力は瞬時電力（ｋＷ）を意味し、発電量、充電量などは電力量（ｋＷｈ）を意味する。本実施形態では、自家発電電力として、太陽光発電を例にして述べるが、風力発電、水力発電など他の再生可能エネルギーを利用した発電電力を利用することもできる。

図１に、本発明の一実施形態にかかる電力制御システムを示す。商用系統電力と自家発電電力とを利用する需要家において、商用系統電力網２に電力制御装置１と負荷３とが接続されている。電力制御装置１には、自家発電装置としての太陽電池４と蓄電池５とが接続されている。電力制御装置１は、太陽電池４と蓄電池５とを制御する電力変換装置１１、発電電力予測部１２および負荷電力予測部１３とを備えている。電力変換装置１１、発電電力予測部１２および負荷電力予測部１３は、ＣＰＵ、メモリを含む１つの制御装置として構成しても良いし、個々にＰＬＣ（Programmable Logic Controller）、パーソナルコンピュータ、サーバ・コンピュータ等により構成しても良い。さらに、発電電力予測部１２および負荷電力予測部１３を遠隔地のサーバ・コンピュータとし、電力変換装置１１と通信網を介して接続してもよい。

電力変換装置１１には、太陽電池４から出力される電力、負荷３の消費電力を測定するための電力センサ１４ａ，１４ｂが接続されている。電力変換装置１１の制御部は、太陽電池４の発電電力と負荷３の消費電力とを計測し、後述するように、それぞれの予測値、実測値および予測誤差を算出して、記憶部としての発電電力予測部１２および負荷電力予測部１３に格納しておく。

電力変換装置１１の制御部は、発電電力予測部１２および負荷電力予測部１３から取得した過去の予測誤差を評価する。制御部は、翌日の太陽電池４の発電電力の予測値と、負荷３の消費電力の予測値と、制御部が評価した予測誤差とを用いて、夜間に充電する蓄電池５の充電電力量を計算する。

例えば、夜間に蓄電池５の充電電力量を０にしておくと、翌日、太陽電池４で発電した余剰電力を確実に蓄電池５に充電することができる。しかし、太陽電池４の発電量が少なく余剰電力が発生しない場合には、蓄電池５から負荷３に放電することができず、商用系統電力網２から受電しなければならない。従って、夜間の安い電力を活用することができず、昼間の高い電力を購入しなければいけない。

一方、夜間に蓄電池５の充電電力量を満杯にしておくと、負荷３の消費電力量が太陽電池４の発電量よりも大きい場合に、確実に蓄電池５から負荷３に放電することができる。しかし、太陽電池４で発電した余剰電力を蓄電池５に充電することができない可能性があり、余剰電力を利用することができず、その分の電気料金を損してしまう。

図２を参照して、本実施形態にかかる電力制御システムにおける蓄電池の運用方法を説明する。電力変換装置１１の制御部において、翌日の負荷３の消費電力と（図２（ａ））、太陽電池４の発電電力と（図２（ｂ））を予測し、各時刻における蓄電池５への充電量または蓄電池５から放電量を計算する（図２（ｃ））。負荷３の消費電力と太陽電池４の発電電力との差分電力から、翌日の各時刻における蓄電池５の残量（図２（ｄ））を把握することができる。

このとき、太陽電池４で発電した余剰電力を蓄電池５に充電することができる（図２（ｄ）の符号Ａ）程度に、蓄電池５に充電のための余地を残しておく。一方、負荷３の消費電力が太陽電池４の発電電力よりも大きい際に、蓄電池５から電力を供給することができるように（図２（ｄ）の符号Ｂ）、蓄電池５の残量を残しておく。両者の兼ね合いから、夜間に蓄電池５に充電する（図２（ｄ）の０〜６時）充電量を決定して、蓄電池５の電池残量が所定の残量（図２（ｄ）の符号Ｃ）となるようにする。

夜間に充電する蓄電池５の充電電力量（図２（ｄ）の符号Ｃ）を適切に設定することにより、昼間の余剰電力を充電できるだけの蓄電池５の空き容量を確保する一方、負荷が増大しても蓄電池５からの放電により賄うことができる。これにより、夜間の安い電力、太陽電池４の発電電力を有効に活用することができ、電気料金を削減することができる。

発電電力予測部１２は、太陽電池４の翌日の一定時間ごとの発電電力を推定する。この推定方法には、例えば、非特許文献２に記載されているように、予測日射量を発電電力に変換する方法が知られている。負荷電力予測部１３は、負荷３の翌日の一定時間ごとの消費電力を推定する。この推定方法には、例えば、非特許文献３に記載されているように、ニューラルネットワークを応用する方法が知られている。

発電電力予測部１２および負荷電力予測部１３の予測値と、実際の値とには誤差がある。電力変換装置１１の制御部は、翌日に電力センサ１４ａ，１４ｂから計測した発電電力と消費電力とを取得し、一定時間ごとに、この予測値と実測値とから予測誤差を算出する。制御部は、過去の予測誤差を蓄積し、一定時間ごとに予測誤差の平均値を計算する。例えば、図３は、発電電力予測部１２の予測値から求めたる予測誤差の平均値を一定時間ごとに示した図である。

夜間に充電する蓄電池５の充電電力量の求め方について説明する。発電電力と消費電力を予測する一定の時間幅をＴとおき、時刻ｎＴ（０≦ｎ≦１２／Ｔ）における太陽電池４の発電電力の予測値をＰpv(nT)とし、負荷３の消費電力の予測値をＰload(nT)とする。また、発電電力予測部１２の時刻ｎＴにおける予測誤差をError_pv(nT)とし、負荷電力予測部１３の時刻ｎＴにおける予測誤差をError_load(nT)とする。発電電力予測部１２の予測値を補正した値Ｐpv’(nT)および負荷電力予測部１３の予測値を補正した値Ｐload’(nT)は、
Ｐpv’(nT)＝Ｐpv(nT)×(1+Error_pv(nT))
Ｐload’(nT)＝Ｐload(nT)×(1+Error_load(nT))
となる。電力変換装置１１の制御部は、Ｐpv’とＰload’から各時刻における差分電力
Ｐ’(nT)＝Ｐpv’(nT)−Ｐload’(nT)
を計算する。

図４に、発電電力および消費電力の予測値を補正して求めた差分電力を示す。制御部は、Ｐ’(nT)と蓄電池５の最大容量Ｅbat_fullから下式を満たす充電電力量Ｅbatを求める。差分電力が正、すなわち太陽電池４の発電電力量が負荷３の消費電力量を上回ると予想されるので、上回る分を蓄電池５に充電できる余地を確保するため、
Σ(Ｐ’(nT)×Ｔ)≧０のとき、Ｅbat_full−Ｅbat＞Σ(Ｐ’(nT)×Ｔ)
となる充電電力量Ｅbatを求める。差分電力が負、すなわち負荷３の消費電力量が太陽電池４の発電電力量を上回ると予想されるので、上回る分を蓄電池５から放電できる残量を確保するため、
Σ(Ｐ’(nT)×Ｔ)＜０のとき、Ｅbat＞｜Σ(Ｐ’(nT)×Ｔ)｜
となる充電電力量Ｅbatを求める。制御部は、このようにして求めた範囲のＥbat分の電力量を、夜間に蓄電池５に充電する。

制御部は、発電電力予測部１２および負荷電力予測部１３の誤差を評価し、求めた予測値を補正することにより、より正確な推定値を用いて、蓄電池の充電電力量を求めることができる。

電力変換装置１１の制御部は、翌日に電力センサ１４ａ，１４ｂから計測した発電電力と消費電力とを取得し、一定時間ごとに、この予測値と実測値とから予測誤差を算出する。制御部は、過去の予測誤差を蓄積し、実施例２においては、各時刻における予測誤差の最大値と最小値とを計算する。例えば、図５は、発電電力予測部１２の予測値から求めたる予測誤差の最大値と最小値とを一定時間ごとに示した図である。なお、予測誤差の最大値とは、予測誤差がプラス側の誤差に最大となる値であり、予測誤差の最小値とは、マイナス側の誤差が最大になる値をいう。

制御部は、発電電力の予測値の予測誤差が最小のときの値を、発電電力の最小推定値として算出し、消費電力の予測値の予測誤差が最大のときの値を、消費電力の最大推定値として算出する。例えば、発電電力の推定値が４ｋＷで、最小誤差が１０％であれば、最小推定値は３．６ｋＷとなる。制御部は、発電電力の最小推定値と消費電力の最大推定値との差から、差分電力ａを計算する。また、制御部は、発電電力の予測値の予測誤差が最大のときの値を、発電電力の最大推定値として算出し、消費電力の予測値の予測誤差が最小のときの値を、消費電力の最小推定値として算出する。制御部は、発電電力の最大推定値と消費電力の最小推定値との差から、差分電力ｂを計算する。

発電電力と消費電力を推定する一定の時間幅をＴとおき、時刻ｎＴ（０≦ｎ≦１２／Ｔ）における差分電力aをＰa(nT)、差分電力bをＰb(nT)とおく。また、蓄電池５の最大容量をＥbat_fullとおく。制御部は、Ｐa(nT) から、下式を満たす充電電力量Ｅbat_minを求める。

Σ(Ｐa(nT)×Ｔ)≧０のとき、Ｅbat_full−Ｅbat_max≧Σ(Ｐa(nT)×Ｔ)
また、制御部は、Ｐb(nT)から、下式を満たす充電電力量Ｅbat_maxを求める。

Σ(Ｐb(nT)×Ｔ)＜０のとき、Ｅbat_min≧｜Σ(Ｐb(nT)×Ｔ)｜
なお、Σ(Ｐa(nT)×Ｔ)＜０のとき、およびΣ(Ｐb(nT)×Ｔ)≧０のときは、何もしない。発電電力が少なく見積もられ消費電力が多く見積もられたときは、蓄電池への充電量を多くし、発電電力が多く見積もられ消費電力が少なく見積もられたときは、蓄電池への充電量を少なくする。

上式を満たすＥbat_maxの最大値をＥbat_max’とし、Ｅbat_minの最小値をＥbat_min’とする。制御部は、Ｅbat_min’からＥbat_max’の間のある値Ｅbat_tmpから、差分電力ａが実現された際の損失金額Ｍａと、差分電力ｂが実現された際の損失金額Ｍｂとを計算する。損失金額は、充電できなかった余剰電力量にその時間の電気料金を乗算した値、および蓄電池から放電できず系統から購入した電力にその時間の電気料金を乗算した値を合算して求める。

制御部は、Ｅbat_min’からＥbat_max’の間の全ての値に対して、損失金額Ｍaと損失金額Ｍbを計算し、その合算値が最も小さくなる、Ｅbatを求める。制御部は、求めたＥbatの電力量を、夜間に蓄電池５に充電する。このようにして、制御部は、最もリスク（損失金額）を抑えることができる充電電力量を計算することができる。

１ 電力制御装置
２ 商用系統電力網
３ 負荷
４ 太陽電池
５ 蓄電池
１１ 電力変換装置
１２ 発電電力予測部
１３ 負荷電力予測部
１４ 電力センサ

Claims (5)

1. 商用系統電力網と自家発電装置と蓄電池と負荷とに接続された電力制御装置における、前記蓄電池の運用方法であって、
   前記自家発電装置の発電電力と前記負荷の消費電力とを予測して、発電電力の予測値と消費電力の予測値とを取得すること、
   予測された日の前記自家発電装置の発電電力と前記負荷の消費電力とを計測して、発電電力の実測値と消費電力の実測値とを取得すること、
   一定時間ごとに、前記発電電力の予測値と前記発電電力の実測値との予測誤差、および前記消費電力の予測値と前記消費電力の実測値との予測誤差を算出し、記憶部に格納すること、
   前記記憶部に格納された過去の発電電力の予測誤差および消費電力の予測誤差を評価して、翌日の発電電力の予測値および消費電力の予測値を、それぞれ補正すること、および
   補正された発電電力の予測値と消費電力の予測値との差分電力に基づいて、夜間に充電する前記蓄電池の充電電力量を計算すること
   を備えたことを特徴とする蓄電池の運用方法。
2. 前記記憶部に格納された過去の発電電力の予測誤差および消費電力の予測誤差を評価することは、複数の過去の予測誤差に対して、前記一定時間ごとに平均値を算出し、該平均値に基づいて予測値を補正することを特徴とする請求項１に記載の蓄電池の運用方法。
3. 前記記憶部に格納された過去の発電電力の予測誤差および消費電力の予測誤差を評価することは、複数の過去の予測誤差に対して、前記一定時間ごとに最大値と最小値とを算出し、該最大値と最小値とに基づいて予測値を補正することを特徴とする請求項１に記載の蓄電池の運用方法。
4. 前記補正された発電電力の予測値と消費電力の予測値との差分電力に基づいて、発電電力が消費電力を上回る場合には、前記蓄電池に充電できる余地を確保し、消費電力が発電電力上回る場合には、前記蓄電池から放電できる残量を確保するように、前記蓄電池の充電電力量を計算することを特徴とする請求項１、２または３に記載の蓄電池の運用方法。
5. 商用系統電力網と自家発電装置と蓄電池と負荷とに接続された電力制御装置において、
   前記自家発電装置の発電電力と前記負荷の消費電力とを予測して、発電電力の予測値と消費電力の予測値とを取得し、予測された日の前記自家発電装置の発電電力と前記負荷の消費電力とを計測して、発電電力の実測値と消費電力の実測値とを取得し、一定時間ごとに、前記発電電力の予測値と前記発電電力の実測値との予測誤差、および前記消費電力の予測値と前記消費電力の実測値との予測誤差を算出する制御部と、
   前記発電電力の予測誤差および消費電力の予測誤差を格納する記憶部とを備え、
   前記制御部は、前記記憶部に格納された過去の発電電力の予測誤差および消費電力の予測誤差を評価して、翌日の発電電力の予測値および消費電力の予測値を、それぞれ補正して、補正された発電電力の予測値と消費電力の予測値との差分電力に基づいて、夜間に充電する前記蓄電池の充電電力量を計算することを特徴とする蓄電池の電力制御装置。

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