JP2016032336A - エネルギーマネジメントシステムおよび電力需給計画最適化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電力機器の出力変動を小さくすることができるエネルギーマネジメントシステムおよび電力需給計画最適化方法を提供する。
【解決手段】エネルギーマネジメントシステム２０は、最適化の指標であると共に凸関数である原目的関数ｆと、原目的関数ｆに加算され、出力制御可能な機器または外部電力系統２の出力に関する変数の時間変動が大きいほど値が大きくなる平滑化項と、を含む代替目的関数ｆ´の最適化問題を解くことにより、需給計画を計算する需給計画計算部を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、エネルギーマネジメントシステムおよび電力需給計画最適化方法に関する。

特許文献１に記載されるように、蓄電ユニットと、車載蓄電装置に充電するための充電スタンドと、太陽光発電機と、一般負荷とを備えた電力供給システムが知られている。これらの機器は住宅等に設けられており、統合電力制御装置を介して交流電力線に接続されている。統合電力制御装置は、消費電力量の予測データ、発電量の予測データおよび車載蓄電装置の使用スケジュールに基づいて、電力機器の充放電スケジュールを決定する。統合電力制御装置は、充放電スケジュールに従って、蓄電ユニットおよび車載蓄電装置へ充電する電力と、蓄電ユニットおよび車載蓄電装置から交流電力線に放電する電力とを制御する。

統合電力制御装置は、予め設定された評価指標が所定値となるように、充放電スケジュールを混合整数計画問題に定式化して算出する。混合整数計画問題では、論理変数を用いた線形不等式制約によって条件分岐が表現されている。このように条件分岐を表現することにより、最適化ツールを用いて解を求めている。

特開２０１３−２７２１４号公報

需給計画の最適化では、出力制御可能な機器の各時刻における出力（たとえば蓄電装置の充放電量等）が計算される。ここで、機器の健全な運転のためには、機器の出力変動をなるべく小さくすることが望ましい。また、外部電力系統からの受電電力の変動（出力変動）も、なるべく小さくすることが望ましい。しかしながら、上記した最適化手法では、最適化の初期値によっては出力変動の大きい解が生成される可能性がある。

本発明は、出力制御可能な機器または外部電力系統の出力変動を小さくすることができるエネルギーマネジメントシステムおよび電力需給計画最適化方法を提供することを目的とする。

本発明は、蓄電装置を含む出力制御可能な機器と再生可能エネルギーにより発電を行う発電機と負荷とを備えると共に外部電力系統に接続されたマイクログリッドにおける、エネルギーの需給計画を最適化するエネルギーマネジメントシステムであって、最適化の指標であると共に凸関数である原目的関数と、原目的関数に加算され、機器または外部電力系統の出力に関する変数の時間変動が大きいほど値が大きくなる平滑化項と、を含む代替目的関数の最適化問題を解くことにより、需給計画を計算する需給計画計算部を備える。

このエネルギーマネジメントシステムでは、需給計画計算部によって、最適化の指標である原目的関数に平滑化項が加算された代替目的関数の最適化問題が解かれる。代替目的関数に含まれる平滑化項の値は、出力制御可能な機器または外部電力系統の出力に関する変数の時間変動が大きいほど、大きくなる。このような平滑化項が付与されることにより、機器または外部電力系統の出力変動が大きいほど、それに応じたペナルティ値が付与される。よって、代替目的関数の最適化問題を解くことにより、機器または外部電力系統の出力変動が小さい解を取得しやすくなる。ここで得た代替目的関数の最適解を需給計画として採用することにより、出力制御可能な機器または外部電力系統の出力変動を小さくすることができる。

いくつかの態様において、代替目的関数は、連続する２点の評価時刻における変数の差の偶数乗和に平滑化係数を乗じた平滑化項を含む。この場合、機器または外部電力系統の出力に関する変数の時間変動が大きいほど、平滑化項の値を大きくできる。このように、簡易な数式によってペナルティ値を付与することができる。また、平滑化係数を適宜設定することにより、原目的関数に対するペナルティ値の重みを調整できる。

いくつかの態様において、機器は複数であり、代替目的関数は、複数の機器のそれぞれに対して設けられた平滑化項を含む。この場合、複数の機器のそれぞれにおいて、出力変動を小さくすることができる。

いくつかの態様において、機器は複数であり、代替目的関数は、複数の機器のそれぞれに対して設けられた平滑化項を含み、平滑化項における平滑化係数は、複数の機器のそれぞれに対して定められている。この場合、たとえば機器ごとに平滑化係数を異ならせることができるので、平滑化を重視する機器を選ぶことができる。

いくつかの態様において、代替目的関数は、連続する２点の評価時刻における変数の差の二乗和に平滑化係数を乗じた平滑化項を含む。この場合、平滑化項が二乗和で表されるので、より簡易な数式によってペナルティ値を付与することができ、計算の負荷が低減される。

いくつかの態様において、代替目的関数は、原目的関数に更に加算され、変数の偶数乗和に正則化係数を乗じた正則化項を含む。この場合、一意性を有する最適解を得ることができる。

いくつかの態様において、エネルギーマネジメントシステムは、代替目的関数に基づいた最適解を需給計画として採用し、採用した需給計画を機器の運転に反映する。

いくつかの態様において、需給計画は、蓄電装置の各時刻における充放電電力の出力値の最適解を含む。この場合、蓄電装置の充放電計画が計算されるので、蓄電装置の効率的な運転が可能になる。

いくつかの態様において、マイクログリッドは、化石燃料により発電を行う原動機を更に備えており、需給計画は、原動機の各時刻における発電電力の出力値の最適解を含む。この場合、原動機の発電計画が計算されるので、原動機の効率的な運転が可能になる。

本発明は、蓄電装置を含む出力制御可能な機器と再生可能エネルギーにより発電を行う発電機と負荷とを備えると共に外部電力系統に接続されたマイクログリッドにおける、エネルギーの需給計画を最適化する電力需給計画最適化方法であって、エネルギーマネジメントシステムが、最適化の指標であると共に凸関数である原目的関数と、原目的関数に加算され、機器または外部電力系統の出力に関する変数の時間変動が大きいほど値が大きくなる平滑化項と、を含む代替目的関数の最適化問題を解くことにより、需給計画を計算するステップを含む。この電力需給計画最適化方法によれば、上記したエネルギーマネジメントシステムと同様の作用効果が奏される。

本発明によれば、出力制御可能な機器または外部電力系統の出力変動を小さくすることができる。

本発明の一実施形態のエネルギーマネジメントシステムが適用された電力供給システムの概略構成を示すブロック図である。 図１中のエネルギーマネジメントシステムの機能ブロック図である。 図２のエネルギーマネジメントシステムにおいて実行される処理を示すフローチャートである。 原目的関数が代替目的関数に変換される場合の一意性を説明するための概念図である。 図２のエネルギーマネジメントシステムによって計算された需給計画における、蓄電池の充放電量の一例を示す図である。 原目的関数のみの最適化問題を解くことによって得られた需給計画における、蓄電池の充放電量の一例を示す図である。 原目的関数のみの最適化問題を解くことによって得られた需給計画における、蓄電池の充放電量の他の例を示す図である。 （ａ）は凸関数の概念図、（ｂ）は狭義凸関数の概念図である。 本発明の一実施形態の電力需給計画最適化プログラムが格納された記憶媒体を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１を参照して、本実施形態に係るエネルギーマネジメントシステムが適用された電力供給システム１について説明する。図１に示されるように、電力供給システム１は、複数種類の発電機と電力消費機器とを備えたマイクログリッドＧと、マイクログリッドＧにおける各機器の制御値を計算するエネルギーマネジメントシステム２０とを備える。以下の説明において、「エネルギーマネジメントシステム」を「ＥＭＳ」と略称する。図１において、実線の矢印は電気の流れを示しており、破線の矢印は情報の流れを示している。

電力供給システム１は、たとえばビルまたは工場等を所有する需要家によって利用され得る。電力供給システム１は、たとえば再生可能エネルギー発電機を所有する売電事業者によって利用され得る。ＥＭＳ２０は、このような需要家または売電事業者に対して、最適化されたエネルギーの需給計画を提供する。

マイクログリッドＧは、太陽光発電機３および風力発電機４を含む再生可能エネルギー発電機５と、化石燃料を用いて発電を行う原動機７とを備える。原動機７としては、たとえばガスタービンを用いることができる。また、原動機７として、コージェネレーション用ガスタービンを用いることもできる。マイクログリッドＧは、マイクログリッドＧ内の電力を消費する負荷６と、マイクログリッドＧ内の電力を用いて走行する電気自動車（蓄電装置）８とを更に備える。負荷６は、電力を消費する複数の機器を含み得る。電気自動車８は、図示しない蓄電池を含んでおり、電力を蓄電および放電可能である。電気自動車８は、たとえば充電スタンドを含み得る。マイクログリッドＧは、電力を蓄電および放電可能な蓄電池（蓄電装置）９を更に備える。蓄電池９としては、たとえばリチウムイオン電池を用いることができる。マイクログリッドＧは、上記した複数の電力機器が電気的に接続されたグリッド制御装置１０を備える。グリッド制御装置１０は、外部電力系統２に接続されている。言い換えれば、上記した複数の電力機器のそれぞれは、グリッド制御装置１０を介して外部電力系統２に接続されている。

マイクログリッドＧにおける使用電力は、再生可能エネルギー発電機５または原動機７または電気自動車８または蓄電池９によって賄われる。その他、マイクログリッドＧでは、外部電力系統２から電力を購入（すなわち買電）したり、外部電力系統２に対する逆潮流により電力を売却（すなわち売電）したりすることが可能である。一般的に、買電価格は電力会社との契約に依存するが、本実施形態では、買電価格は時間帯に依存して変化することを想定する。売電価格は、たとえば「電気事業者による再生可能エネルギー電気の調達に関する特別措置法」により規定される。なお、買電価格または売電価格は、上記の制度とは別に定められてもよい。

グリッド制御装置１０は、たとえばＣＰＵ（Central Processing Unit)、ＲＯＭ(Read Only Memory)、およびＲＡＭ(Random Access Memory)等のハードウェアと、ＲＯＭに記憶されたプログラム等のソフトウェアと、を備えている。グリッド制御装置１０は、グリッド制御装置１０に接続された電力機器を統括的に制御する。グリッド制御装置１０は、電気の流れを制御するための制御回路および蓄電池等を備える。グリッド制御装置１０は、外部電力系統２からの受電電力および外部電力系統２への逆潮流電力を制御する。グリッド制御装置１０と各電力機器とは、互いに情報通信を行うことができる。グリッド制御装置１０は、各電力機器の現在状態に関する情報等を取得する。グリッド制御装置１０は、各電力機器に制御値を出力する。グリッド制御装置１０は、取得した各電力機器に関する情報を記憶する。グリッド制御装置１０は、各電力機器に関する情報をＥＭＳ２０に送信する。

上記したグリッド制御装置１０の各電力機器のうち、原動機７、電気自動車８および蓄電池９は、グリッド制御装置１０によって出力制御可能な機器に相当する。

ＥＭＳ２０は、たとえばＣＰＵ、ＲＯＭ、およびＲＡＭ等のハードウェアと、ＲＯＭに記憶されたプログラム等のソフトウェアと、から構成されたコンピュータである。ＥＭＳ２０は、後述する電力需給計画最適化プログラム１２０を含んでいる。ＥＭＳ２０とグリッド制御装置１０とは、互いに情報通信を行うことができる。ＥＭＳ２０とグリッド制御装置１０とは、インターネットを介して通信可能であってもよいし、有線または無線のＬＡＮ等を介して通信可能であってもよい。ＥＭＳ２０は、マイクログリッドＧ内の各電力機器に対する制御値を計算する機能を有する。言い換えれば、ＥＭＳ２０は、グリッド制御装置１０に制御値を送信することにより、グリッド制御装置１０を通じて、マイクログリッドＧ内の各電力機器を制御する。

より詳細には、ＥＭＳ２０は、ある一定の指標を目的関数として、マイクログリッドＧにおける将来一定期間のエネルギーの需給計画を最適化する。最適化の指標すなわち目的関数としては、たとえば、グリッド運用コストすなわち計画期間（たとえば一日）を通しての電気料金の最小化、計画期間を通しての受電電力変動量の最小化、排出ＣＯ_２の最小化等が挙げられる。ＥＭＳ２０は、目的関数の最適化問題を解くことにより、需給計画を計算する。目的関数は、上記した３つの指標以外の指標であってもよい。目的関数とされる指標は、特に限定されない。また、目的関数は複数の目的関数の加重和で定義されていてもよい。最適化問題の定式化の詳細については、後述する。

目的関数の独立変数は、マイクログリッドＧ内において制御可能なものであれば、何であってもよい。たとえば、独立変数は、蓄電池９における各時刻の充放電電力であってもよい。独立変数は、電気自動車８における各時刻の充放電電力であってもよい。独立変数は、原動機７における各時刻の発電電力であってもよい。また、マイクログリッドＧ内の制御可能機器である原動機７、電気自動車８、蓄電池９の数は全体で１以上であればよく、任意個であってよい。原動機７、電気自動車８、蓄電池９は、機器ごとに異なる性能を有していてもよい。

一方で、電力供給システム１は、マイクログリッドＧにおける需要電力量および発電量の予測値を記憶する需要・発電量予測データベース１２を備える。ＥＭＳ２０と需要・発電量予測データベース１２とは、互いに情報通信を行うことができる。ＥＭＳ２０は、特定の日時における需要電力量および発電量の予測値を需要・発電量予測データベース１２から取得する。需要・発電量予測データベース１２に記憶される需要電力量および発電量の予測値は、定期的に更新される。

ＥＭＳ２０は、需給計画の計算において、所与の制約条件のもとで目的関数を最小化するような独立変数の値を求める。たとえば、ＥＭＳ２０は、目的関数の最適化問題を解くことにより、原動機７における各時刻の発電電力を計算する。ＥＭＳ２０は、電気自動車８における各時刻の充放電電力を計算する。ＥＭＳ２０は、蓄電池９における各時刻の充放電電力を計算する。ＥＭＳ２０は、原動機７の発電電力、電気自動車８の充放電電力、蓄電池９の充放電電力に従属するかたちで、外部電力系統２から購入する各時刻の受電電力を計算する。

図２を参照して、ＥＭＳ２０の機能構成について説明する。ＥＭＳ２０は、統括制御部２０ａと、通信部２１と、計算部２２と、記憶部２３と、表示部２４とを備える。統括制御部２０ａは、ＥＭＳ２０における処理を統括制御する。統括制御部２０aは、たとえば、需給計画計算時刻であるか否かを逐次判断する。通信部２１は、グリッド制御装置１０および需要・発電量予測データベース１２に対して情報通信を行う入出力部である。計算部２２は、需給計画を計算する。計算部２２は、需給計画計算部２２ａと、制約条件判断部２２ｂと、需給計画採否判断部２２ｃと、表示制御部２２ｄとを含む。需給計画計算部２２ａは、最適化問題を解くことにより、需給計画を計算する。制約条件判断部２２ｂは、需給計画計算部２２ａによって計算された需給計画（得られた解）が制約条件を満たすか否かを判断する。需給計画採否判断部２２ｃは、需給計画計算部２２ａによって計算された需給計画の採否を判断する。需給計画採否判断部２２ｃは、需給計画を採用する場合、その需給計画を需給計画記憶部２３ｂへ保存する。表示制御部２２ｄは、需給計画の計算結果に応じて表示部２４を制御する。

記憶部２３は、ハードディスク装置またはフラッシュメモリなどを有している。記憶部２３は、需給計画計算部２２ａによって解かれる最適化問題を記憶する問題記憶部２３ａと、需給計画計算部２２ａによって計算された需給計画を記憶する需給計画記憶部２３ｂとを含む。

表示部２４は、たとえばディスプレイであり、パラメータ、需給計画または修正需給計画等を表示する。表示部２４は、パラメータ、需給計画または修正需給計画等に含まれる詳細な情報を表示してもよい。たとえば、表示部２４は、タッチパネル等を備えており、マイクログリッドＧ内の電力機器が選択されることにより、当該電力機器の運転スケジュール（充放電スケジュールまたは発電スケジュール等）を表示してもよい。表示部２４は、計算部２２によって制御されて、ＥＭＳ２０のユーザに対して所定のメッセージ（たとえば案内メッセージまたは警告メッセージ等）を表示してもよい。

続いて、需給計画計算部２２ａによって解かれる最適化問題について説明する。本実施形態では、需給計画の計算結果として得られる独立変数の値（たとえば原動機７の発電電力、電気自動車８の充放電電力、蓄電池９の充放電電力、外部電力系統２からの受電電力）の時間変動（すなわち出力変動）が小さくなるように、最適化問題が定式化されている。より詳細には、出力制御可能な機器の出力変動または外部電力系統２の出力変動を小さくするように、原目的関数に平滑化項が加算されている。さらに、一意性を有する最適解が得られるように、原目的関数に正則化項が加算されている。

需給計画計算部２２ａによって解かれる最適化問題、すなわち、需給計画記憶部２３ｂに記憶されている最適化問題の目的関数の一例は、下記式（１）に示される。

ここで、
ｆ：原目的関数
ｆ´：代替目的関数
ｘ（ｋ）：時刻ｋにおける機器または外部電力系統２の出力
右辺第２項：平滑化項
γ：平滑化係数、γ＞０
右辺第３項：正則化項
β：正則化係数、β＞０
である。なお、右辺第２項および第３項の係数１／２は、数式を取り扱いやすくするために便宜的に設けられたものであり、物理的な意味を持たない。

上記式（１）の右辺第１項である原目的関数は、凸関数とされている。凸関数とは、下記式（２）の性質を満たす関数である。

図８（ａ）に示されるように、凸関数を目的関数とする無制約最適化問題では、局所的最適解と大域的最適解は一致する。ただし、一般的に、解の一意性は必ずしも保証されない。

上記式（１）の右辺第２項は、連続する２点の評価時刻における変数の差の二乗和に平滑化係数γを乗じた項であり、狭義凸関数ではない凸関数である。上記式（１）の右辺第２項の値は、機器または外部電力系統２の出力に関する変数の時間変動が大きいほど、大きくなる。上記式（１）の右辺第２項が原目的関数に加算されることにより、対応する機器または外部電力系統２の出力変動が大きいほど、それに応じたペナルティ値が加算されることになる。すなわち、上記式（１）の右辺第２項は、ペナルティ項ともいえる。上記式（１）の右辺第２項における平滑化係数γは、ペナルティ係数ともいえる。この平滑化係数は、平滑化項の値が原目的関数の値と比較して十分小さくなるように定められる。

上記式（１）の右辺第３項は、変数の二乗和に正則化係数を乗じた項であり、狭義凸関数である。狭義凸関数とは、下記式（３）の性質を満たす関数である。

図８（ｂ）に示されるように、狭義凸関数では、凸関数の性質に加え、最適解の一意性が保証される。よって、上記式（１）の右辺第３項が原目的関数に加算されることにより、代替目的関数ｆ´は狭義凸関数となり、唯一の解を有する。図４にも示されるように、代替目的関数ｆ´は、最適解が唯一となるように原目的関数ｆを変換したものである。上記式（１）の右辺第３項における正則化係数は、正則化項の値が原目的関数の値と比較して十分小さくなるように定められる。

平滑化項の値および正則化項の値の合計は、たとえば、原目的関数の値の１／１００以下であってもよい。平滑化項の値および正則化項の値の合計は、たとえば、原目的関数の値の１／５０以下であってもよく、１／２００以下であってもよい。

上記した代替目的関数ｆ´において、出力制御可能な複数の機器のそれぞれに対して、平滑化項および／または正則化項を設けてもよい。その場合、複数の機器のそれぞれに対して、平滑化係数および／または正則化係数が定められてもよい。たとえば、機器ごとに平滑化係数を異ならせることにより、平滑化を重視する機器を選ぶことができる。

図３を参照して、ＥＭＳ２０において実行される処理、すなわち本実施形態の電力需給計画最適化方法について説明する。以下の処理は、ＥＭＳ２０が起動している間、定期的に実行される。図３に示されるように、統括制御部２０ａは、需給計画計算時刻であるか否かを逐次判断する（ステップＳ０１）。統括制御部２０ａによって需給計画が計算される頻度は、たとえば３０分間隔とすることができる。ステップＳ０１において需給計画時間であると判断すると、統括制御部２０ａは、需給計画計算部２２ａに需給計画最適化計算の指令を与える。その指令を受けて、需給計画計算部２２ａは、最適化問題を解くことにより、需給計画を計算する（ステップＳ０２）。一方、ステップＳ０１において需給計画時間ではないと判断すると、統括制御部２０ａは、ステップＳ０１の判断を繰り返す。

ステップＳ０２の需給計画の計算（最適化）では、需給計画計算部２２ａは、再生可能エネルギー発電機５の発電量もしくは負荷６の需要量の予測値、または、原動機７、電気自動車８、蓄電池９等の機器の現在情報（実測値）に基づいて、需給計画を計算する。需給計画計算部２２ａは、グリッド制御装置１０および需要・発電量予測データベース１２から、最新の予測値および実測値を取得して、需給計画を計算する。制約条件判断部２２ｂは、需給計画計算部２２ａにより算出された解とその実行可能性、すなわちすべての制約条件を満足するか判断する。実行可能性の判断基準としては、たとえば各制約条件に対する制約逸脱量の二乗の総和を指標として、その値が一定値以下であれば実行可能解とみなし、それ以外の場合は実行不可能解と判断する方法が挙げられる。需給計画計算部２２ａは、制約条件判断部２２ｂの判断をもとに、得られた解とその実行可能性、また各制約条件に対する制約条件逸脱量を個別に出力する。

需給計画を計算する際、特定日の需給計画のみを考慮して需給計画を計算してもよい。たとえば、初回の需給計画計算時は０：００〜２４：００の計画を計算し、次回は０：３０分〜２４：００の計画を計算してもよい。また、日付を考慮せず、常に２４時間先までの需給計画を計算してもよい。たとえば、初回の需給計画計算時は０：００〜２４：００の計画を計算し、次回は０：３０分〜翌０：３０の計画を計算してもよい。

需給計画採否判断部２２ｃは、需給計画計算部２２ａによって得られた最適解すなわち需給計画を採用するか否かを判断する（ステップＳ０３）。このステップＳ０３において、需給計画採否判断部２２ｃは、ステップＳ０２で計算された需給計画を吟味して、需給計画として採用する場合は需給計画記憶部２３ｃに保存する。ステップＳ０２において、実行可能な解が得られた場合は、需給計画採否判断部２２ｃは無条件にその解を需給計画記憶部２３ｃに保存し、需給計画を更新する（ステップＳ０４）。

ステップＳ０２において実行不可能な解が得られた場合でも、その原因が将来の制約を満たせないことによるものである場合、現時刻に関する制約をすべて満たすことを条件として、需給計画採否判断部２２ｃは、その解を暫定的に需給計画として採用する（ステップＳ０５）。表示制御部２２ｄは、表示部２４に警告メッセージを表示する（ステップＳ０６）。需給計画採否判断部２２ｃは、その解を需給計画記憶部２３ｃに保存し、需給計画を更新する（ステップＳ０４）。

このようなケースとしては、需要ピーク時に蓄電池ＳＯＣ（充放電状態；Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）が不足する等が挙げられる。このようなケースにおいても、天候の変動にともなう再生可能エネルギー発電機５の発電量の増加により、将来的に実行可能解が得られる可能性があるため、必ずしも実行可能解を得るのに失敗した段階で図３の処理を終了する必要はない。ステップＳ０６において、表示部２４に表示される警告メッセージとしては、制約違反内容に応じて、たとえば「現状の予測では将来的にＳＯＣが不足する可能性があります」等が挙げられる。またステップＳ０２で計算された需給計画が現時刻時点で実行不可能な場合は（ステップＳ０５；ＮＯ）、需給計画採否判断部２２ｃはその解を棄却したうえで、図３に示される処理を終了する。

以上のように、ＥＭＳ２０は、代替目的関数ｆ´に基づいた最適解を需給計画として採用するか否かを判断する。ＥＭＳ２０は、需給計画を採用した場合、その需給計画を機器（原動機７、電気自動車８、蓄電池９等）の運転に反映する。

ＥＭＳ２０によれば、需給計画計算部２２ａによって、最適化の指標である原目的関数ｆに平滑化項が加算された代替目的関数ｆ´の最適化問題が解かれる。代替目的関数ｆ´に含まれる平滑化項の値は、出力制御可能な機器（原動機７、電気自動車８、蓄電池９等）または外部電力系統の出力に関する変数の時間変動が大きいほど、大きくなる。このような平滑化項が付与されることにより、機器または外部電力系統の出力変動が大きいほど、それに応じたペナルティ値が付与される。よって、代替目的関数ｆ´の最適化問題を解くことにより、機器または外部電力系統の出力変動が小さい解を取得しやすくなる。ここで得た代替目的関数ｆ´の最適解を需給計画として採用することにより、出力制御可能な機器または外部電力系統の出力変動を小さくすることができる。

平滑化項および正則化項が加算されない従来の最適化手法によれば、図６および図７に示されるように、たとえば受電電力や蓄電池９の充放電量に大きな変動が生じてしまう。なお、図６および図７は、探索初期値をそれぞれ変えた場合に得られた、電気料金最小化の需給計画の結果を示している。目的関数値（一日を通しての電気料金の最適値）はいずれの計算でも同じであったが、同じ目的関数値をとる解が多数存在するため、初期値の取り方によって得られる解が異なってしまう。図６および図７に示されるように、受電電力および蓄電池９の充放電量変動が激しい解が存在する。これでは、機器にとって健全な運転とは言えず、合理的な解ではない。平滑化項および正則化項が原目的関数ｆに加算された代替目的関数ｆ´を用いるＥＭＳ２０によれば、図５に示されるように、受電電力および蓄電池９の充放電量が平滑化されている。この場合の解は唯一であり、どのような初期値から最適化を開始しても図５の解に収束する。

なお、ＥＭＳ２０では、たとえばコストの最適化を目的としつつ、そのなかで出力変動が最小の解を選ぶということを念頭に置き、ペナルティ係数を小さくしている。これとは逆に、出力平滑化を主目的として最適化問題を構成することも可能である。その場合は、平滑化係数を十分に大きくとればよい。なお、この場合、正則化係数は小さいままでよい。

代替目的関数ｆ´の平滑化項は、連続する２点の評価時刻における変数の差の偶数乗和に平滑化係数を乗じた項である。このような平滑化項により、機器（原動機７、電気自動車８、蓄電池９等）または外部電力系統２の出力に関する変数の時間変動が大きいほど、平滑化項の値が大きくなる。よって、簡易な数式によってペナルティ値を付与することができる。また、平滑化係数を適宜設定することにより、原目的関数に対するペナルティ値の重みを調整できる。たとえば、平滑化係数を大きくすることにより、機器の出力変動をより小さくすることができる。平滑化係数が大きい機器ほど、平滑化が重視される。特に、本実施形態では、平滑化項は、連続する２点の評価時刻における変数の差の二乗和に平滑化係数を乗じた項である。よって、より簡易な数式によってペナルティ値を付与することができ、計算の負荷が低減される。

代替目的関数ｆ´は、複数の機器のそれぞれに対して設けられた平滑化項を含むので、複数の機器のそれぞれにおいて、出力変動を小さくすることができる。

平滑化項における平滑化係数は、複数の機器のそれぞれに対して定められているので、機器ごとに平滑化係数を異ならせることができる。よって、平滑化を重視する機器を選ぶことができる。たとえば、平滑化係数を大きくするほど、対応する機器の平滑化が重視される。

代替目的関数ｆ´では、変数の偶数乗和（具体的には二乗和）に正則化係数を乗じた正則化項が加算されている。よって、一意性を有する最適解を得ることができる。

需給計画計算部２２ａによって実行される需給計画処理において、需給計画は、蓄電池９の各時刻における充放電電力の出力値の最適解を含む。よって、蓄電池９の充放電計画が計算されるので、蓄電池９の効率的な運転が可能になる。

需給計画計算部２２ａによって実行される需給計画処理において、需給計画は、原動機７の各時刻における発電電力の出力値の最適解を含む。よって、原動機７の発電計画が計算されるので、原動機７の効率的な運転が可能になる。

引き続いて、上述した一連の処理をＥＭＳ２０に実行させるための電力需給計画最適化プログラムを説明する。図９に示されるように、電力需給計画最適化プログラム１２０は、コンピュータに挿入されてアクセスされる。あるいは、電力需給計画最適化プログラム１２０は、コンピュータが備える記憶媒体１００に形成されたプログラム格納領域１１０に格納される。

電力需給計画最適化プログラム１２０は、需給計画計算モジュール１２１と、制約条件判断モジュール１２２と、需給計画採否判断モジュール１２３と、表示制御モジュール１２４とを含んで構成される。需給計画計算モジュール１２１と、制約条件判断モジュール１２２と、需給計画採否判断モジュール１２３と、表示制御モジュール１２４とを実行させることにより実現される機能は、上述したＥＭＳ２０の需給計画計算部２２ａと、制約条件判断部２２ｂと、需給計画採否判断部２２ｃと、表示制御部２２ｄとの機能とそれぞれ同様である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られない。たとえば、原目的関数が狭義凸関数である場合等、解が一意に定まる原目的関数である場合には、正則化項を省略してもよい。また、上記式（１）では、平滑化項が、連続する２点の評価時刻における変数の差の二乗和に平滑化係数を乗じた項である場合について説明したが、二乗和である場合に限られず、四乗和または六乗和等の偶数乗和であってもよい。上記式（１）では、正則化項が、変数の二乗和に正則化係数を乗じた項である場合について説明したが、二乗和である場合に限られず、四乗和または六乗和等の偶数乗和であってもよい。平滑化項は、連続する２点の評価時刻における変数の差に基づく場合に限られない。平滑化項は、機器の出力に関する変数の時間変動が大きいほど、値が大きくなるような凸関数であれば何であってもよい。平滑化項は、１つの機器または外部電力系統２に対してのみ設定されてもよい。

上記実施形態では、ＥＭＳ２０がマイクログリッドＧとは別に設けられる場合について説明したが、マイクログリッドＧのグリッド制御装置１０が、ＥＭＳ２０と同様の機能を備えていてもよい。マイクログリッドＧは、たとえば燃料電池システムを備えていてもよい。

１ 電力供給システム
２ 外部電力系統
３ 太陽光発電機
４ 風力発電機
５ 再生可能エネルギー発電機
６ 負荷
７ 原動機
８ 電気自動車
９ 蓄電池
２０ エネルギーマネジメントシステム
２２ 計算部
２２ａ 需給計画計算部
２２ｂ 制約条件判断部
２２ｃ 需給計画採否判断部
２２ｄ 表示制御部
２３ａ 問題記憶部
２３ｂ 需給計画記憶部
Ｇ マイクログリッド

Claims (10)

1. 蓄電装置を含む出力制御可能な機器と再生可能エネルギーにより発電を行う発電機と負荷とを備えると共に外部電力系統に接続されたマイクログリッドにおける、エネルギーの需給計画を最適化するエネルギーマネジメントシステムであって、
   最適化の指標であると共に凸関数である原目的関数と、前記原目的関数に加算され、前記機器または前記外部電力系統の出力に関する変数の時間変動が大きいほど値が大きくなる平滑化項と、を含む代替目的関数の最適化問題を解くことにより、前記需給計画を計算する需給計画計算部を備える、エネルギーマネジメントシステム。
2. 前記代替目的関数は、連続する２点の評価時刻における前記変数の差の偶数乗和に平滑化係数を乗じた前記平滑化項を含む、請求項１に記載のエネルギーマネジメントシステム。
3. 前記機器は複数であり、
   前記代替目的関数は、複数の前記機器のそれぞれに対して設けられた前記平滑化項を含む、請求項１または２に記載のエネルギーマネジメントシステム。
4. 前記機器は複数であり、
   前記代替目的関数は、複数の前記機器のそれぞれに対して設けられた前記平滑化項を含み、前記平滑化項における前記平滑化係数は、複数の前記機器のそれぞれに対して定められている、請求項２に記載のエネルギーマネジメントシステム。
5. 前記代替目的関数は、連続する２点の評価時刻における前記変数の差の二乗和に平滑化係数を乗じた前記平滑化項を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載のエネルギーマネジメントシステム。
6. 前記代替目的関数は、前記原目的関数に更に加算され、前記変数の偶数乗和に正則化係数を乗じた正則化項を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載のエネルギーマネジメントシステム。
7. 前記代替目的関数に基づいた最適解を前記需給計画として採用し、採用した需給計画を前記機器の運転に反映する請求項１〜６のいずれか一項に記載のエネルギーマネジメントシステム。
8. 前記需給計画は、前記蓄電装置の各時刻における充放電電力の出力値の最適解を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載のエネルギーマネジメントシステム。
9. 前記マイクログリッドは、化石燃料により発電を行う原動機を更に備えており、
   前記需給計画は、前記原動機の各時刻における発電電力の出力値の最適解を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載のエネルギーマネジメントシステム。
10. 蓄電装置を含む出力制御可能な機器と再生可能エネルギーにより発電を行う発電機と負荷とを備えると共に外部電力系統に接続されたマイクログリッドにおける、エネルギーの需給計画を最適化する電力需給計画最適化方法であって、
    エネルギーマネジメントシステムが、最適化の指標であると共に凸関数である原目的関数と、前記原目的関数に加算され、前記機器または前記外部電力系統の出力に関する変数の時間変動が大きいほど値が大きくなる平滑化項と、を含む代替目的関数の最適化問題を解くことにより、前記需給計画を計算するステップを含む、電力需給計画最適化方法。

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