JP2016059135A

JP2016059135A - 電力管理システム及び電力管理方法

Info

Publication number: JP2016059135A
Application number: JP2014182354A
Authority: JP
Inventors: 貴之杉本; Takayuki Sugimoto
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 2014-09-08
Filing date: 2014-09-08
Publication date: 2016-04-21

Abstract

【課題】蓄電池の劣化を低減し、蓄電池の定格容量を増加させずに、電力逼迫時においても電力を蓄電池から安定して供給可能な電力管理システム及び電力管理方法を提供する。
【解決手段】発電装置が発電した発電電力と商用の電力系統から供給される買電電力とに基づいて蓄電池の出力を制御する電力管理システムであって、前記蓄電池を放電するか否かを判定する閾値を決定する閾値決定部と、取得した負荷電力が前記閾値以下である場合、前記蓄電池を放電しない蓄電池制御部と、を有する電力管理システムである。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力管理システム及び電力管理方法に関する。

一般的に蓄電池の充電状態は、蓄電池の充電池の充電レベルを示すＳＯＣ（State Of Charge）で表される。ＳＯＣは、満充電状態を１００％として、現在の電池残量をパーセンテージで表す。したがって、電力管理システムは、ＳＯＣにより蓄電池の充放電の使用範囲を決定し、その使用範囲に基づいて、蓄電池の充放電を制御する。このＳＯＣの使用範囲は、蓄電池の劣化を抑制するために設定される。例えば、蓄電池が過充電及び過放電に弱いリチウムイオン電池等の場合、ＳＯＣの使用範囲の上限値（以下、「設定上限値」という。）を９０％に設定する。このように、ＳＯＣの充電の設定上限値を満充電状態の１００％に比較して下げることで充電池の過充電を防ぎ、蓄電池の長寿命化に寄与する。

特開２０１３−２４７７９５号公報

しかしながら、電力需要が伸びる重負荷期の夏期及び冬期の電力逼迫時は、蓄電池の容量に余裕がない。そのため、蓄電池の劣化を低減するため、ＳＯＣの設定上限値を下げると、蓄電池の使用容量が少なくなる。したがって、電力使用量がピークとなる時間帯に充電池の容量が不十分で十分な電力を供給することができない場合がある。そのため、この問題を解決するためには、蓄電池の定格容量を電力のピークに合わせて増加させる必要がある。しかし、蓄電池は定格容量が大きいほど価格が高い。このため、設備の費用が増大する課題を有していた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、蓄電池の劣化を低減し、蓄電池の定格容量を増加させずに、電力逼迫時においても電力を蓄電池から安定して供給可能な電力管理システム及び電力管理方法を提供することである。

本発明の一態様は、発電装置が発電した発電電力と商用の電力系統から供給される買電電力とに基づいて蓄電池の出力を制御する電力管理システムであって、前記蓄電池を放電するか否かを判定する閾値を決定する閾値決定部と、取得した負荷電力が前記閾値以下である場合、前記蓄電池を放電しない蓄電池制御部と、を有する電力管理システムである。

また、本発明の一態様は、上述の電力管理システムであって、制御対象日の気象情報と類似した気象情報に対応付けられて記録されている負荷電力の過去実績データを取得する負荷電力取得部をさらに有し、前記閾値は、前記負荷電力取得部によって取得した過去実績データに基づいて決定される。

また、本発明の一態様は、上述の電力管理システムであって、前記負荷電力取得部によって取得した過去実績データに基づいて、前記蓄電池の補償周波数帯域を決定する蓄電池補償帯域決定部とをさらに有し、前記蓄電池制御部は、前記補償帯域決定部によって決定された前記蓄電池の補償周波数帯域と、前記買電電力、及び前記蓄電池の出力の合計とに基づいて負荷電力を推定し、取得した負荷電力が前記閾値を超える場合、推定した負荷電力に基づいて前記蓄電池の出力を制御する。

また、本発明の一態様は、上述の電力管理システムであって、前記蓄電池制御部は、前記蓄電池補償帯域決定部によって決定された前記蓄電池の補償周波数帯域に基づいて、前記買電電力と前記蓄電池の出力との合計値をフィルタリングすることで蓄電池出力値を算出し、算出した前記蓄電池出力値に基づいて前記蓄電池の出力を制御する蓄電池出力指令値を出力する。

また、本発明の一態様は、発電装置が発電した発電電力と商用の電力系統から供給される買電電力とに基づいて蓄電池の出力を制御する電力管理方法であって、閾値決定部が、前記蓄電池を放電するか否かを判定する閾値を決定する過程と、蓄電池制御部が、取得した負荷電力が前記閾値を以下である場合、前記蓄電池を放電しない過程と、を有する電力管理方法である。

以上説明したように、本発明によれば、蓄電池の劣化を低減し、蓄電池の定格容量を増加させずに、電力逼迫時においても電力を蓄電池から安定して供給可能な電力管理システム及び電力管理方法を提供することができる。

本実施形態の電力管理システム１の構成を示すブロック図である。本実施形態の蓄電池の使用容量の決定方法を説明するブロック図である。本実施形態の出力上限値及び出力下限値とＳＯＣの上限設定値及び下限設定値との関係を示す図である。本実施形態の第２出力リミッタ５３のブロック図である。本実施形態の本実施形態における蓄電池制御を説明する図である。本実施形態の冬期の代表的な負荷電力プロファイルの一例を示す図である。従来の電力管理システムのシミュレーション結果を示す図である。本実施形態の電力管理システム１のシミュレーション結果を示す図である。従来の電力管理システムにおいて、蓄電池の容量を１２０ｋＷｈである場合のシミュレーション結果を示す図である。

図１は、本実施形態の電力管理システム１の構成を示すブロック図である。図１において、電力管理システム１は、システム演算部１０、過去実績データＤＢ（データベース）１１、リアルタイムコントローラ１２及び定置用蓄電池部１３を有する。
システム演算部１０は、気象情報取得部２０、気象類似日負荷電力データ取得部２１、閾値決定部２２及び蓄電池補償帯域決定部２３を有する。リアルタイムコントローラ１２は、閾値格納部３０及び蓄電池出力指令値計算部３１を有する。

また、上記気象情報取得部２０、気象類似日負荷電力データ取得部２１及び過去実績データＤＢ１１を負荷電力取得部４０として構成することもできる。また、閾値決定部２２は、閾値決定機能部４１として構成することもできる。また、閾値格納部３０、蓄電池出力指令値計算部３１及び定置用蓄電池部１３を、蓄電池制御部４２として構成することもできる。

負荷電力取得部４０は、制御対象日の前日に翌日（制御対象日）の気象情報と類似した気象情報に対応付けられて記録されている負荷電力の過去実績データ（平日、土日・祝日に対応）を取得する（１日１回）。より具体的には、過去実績データＤＢ１１は、外部に設けられたシステムから、負荷電力の履歴、天気、温度、湿度等を含む気象情報とを対応づけて記憶する。なお、負荷電力は、太陽光発電装置によって発電された電力を表すＰＶ発電電力を含んでもよい。

気象情報取得部２０は、インターネット２を介して天気、温度、湿度等を含む気象情報を外部に接続された気象情報提供サーバ等から取得する。
気象類似日負荷電力データ取得部２１は、気象情報取得部２０によって取得した気象情報に類似する気象情報が対応づけられた負荷電力のデータを、過去実績データとして過去実績データＤＢ１１から取得する。気象情報が類似するか否かの判定は、例えば、天気（天候）が同じであり、お互いの温度と湿度とが、それぞれ所定の範囲内にあれば類似すると判定する。すなわち、天気が同じであっても、お互いの温度と湿度との少なくともいずれかが、所定の範囲外である場合には、類似しないと判定する。

閾値決定部２２は、蓄電池を放電するか否かを判定する放電閾値を計算する。例えば、閾値決定部２２は、負荷電力取得部４０が取得した負荷電力データ（過去実績データ）の平均値（以下、「平均負荷電力」）Ｐ_ＡＶＥを放電閾値として決定する。なお、例えば、平均負荷電力Ｐ_ＡＶＥを求める際に使用する負荷電力データは、電力管理システム１が備えられている事務所等における業務時間帯のデータである。業務時間帯とは、負荷に電力を供給するために蓄電池を放電する時間帯である。本実施形態では、放電閾値が平均負荷電力Ｐ_ＡＶＥである場合について説明する。

蓄電池補償帯域決定部２３は、負荷電力取得部４０が取得した過去実績データを用いて、高域・低域遮断周波数を決定する。例えば、蓄電池補償帯域決定部２３は、時刻の経過と負荷電力との関係を表す負荷電力プロファイルのうち、ある時刻の範囲における負荷電力プロファイルから、あるいは、過去の類似する電力プロファイルや、シミュレーション結果などを解析することで、その負荷電力プロファイルに対応する最適な蓄電池の補償周波数帯域（低域遮断周波数、及び高域遮断周波数）を求める。高域遮断周波数については、短周期の速い変動を補償してもピーク電力削減効果が小さいことから固定値として、低域遮断周波数を決定する。例えば、蓄電池補償帯域決定部２３は、負荷電力の過去実績データから離散フーリエ変換によって各周波数の振幅を算出する。蓄電池補償帯域決定部２３は、算出した振幅と周波数とに基づいて、低域遮断周波数と負荷変動補償に必要な蓄電池容量との関係を求める。そして、蓄電池補償帯域決定部２３は、２点の線形補間により、実効蓄電池容量で最も補償帯域を広くとれる低域遮断周波数を決定する。

蓄電池制御部４２は、例えば、蓄電池制御処理を制御周期１秒として実行する。蓄電池制御部４２は、放電閾値である平均負荷電力Ｐ_ＡＶＥを閾値格納部３０に格納する。蓄電池制御部４２は、所定の蓄電池制御のアルゴリズムに従って、リアルタイム制御で、様々な周波数成分を持つ負荷電力の変動（買電電力と蓄電池出力との合計）に基づいて負荷電力を推定する。蓄電池制御部４２は、蓄電池補償帯域決定部２３で決定した補償周波数帯域の変動を抽出し、蓄電池出力を解く。そして、蓄電池制御部４２は、求めた蓄電池出力とリアルタイム制御で取得した現在の負荷電力と閾値決定部２２の求めた放電閾値とに基づいて、蓄電池出力指令値を出力する。

以下に本実施形態の蓄電池制御処理について説明する。図２は、本実施形態における蓄電池制御（蓄電池出力指令値計算部３１の構成）を説明するブロック図である。閾値格納部３０は、閾値決定部２２で計算した放電閾値（平均負荷電力Ｐ_ＡＶＥ）を格納する。

蓄電池出力指令値計算部３１は、加算器５０、バンドパスフィルタ５１、第１出力リミッタ５２及び第２出力リミッタ５３を有する。加算器５０は、買電電力と蓄電池出力とを加算する。バンドパスフィルタ５１は、低域遮断周波数と高域遮断周波数に従って、加算器５０から供給される買電電力と蓄電池出力との合計値である負荷電力（ｘ_ｎ）を以下に示す式を用いてフィルタリングし、蓄電池出力（ｚ_ｎ）を算出する。

ここで、ｘ_ｎ−１は、バンドパスフィルタに入力するｘ_ｎの１ステップ前の負荷電力（ｋＷ）である。ｙ_ｎは、中間出力値（ｋＷ）である。ｙ_ｎ−１は、ｙ_ｎの1ステップ前の中間出力値（ｋＷ）である。ｙ_ｎは、以下に示す式で表すことができる。

Ｔは、制御周期であり、例えば１ｓである。ω_Ｌは、高域遮断角周波数である。ω_Ｈは、低域遮断角周波数である。ω_Ｌ及びω_Ｈは、以下で示す式で表すことができる。

ｆ_Ｌは、高域遮断周波数である。ｆ_Ｈは、低域遮断周波数である。なお、運転開始時のバンドパスフィルタの負荷電力の初期値ｘ_１は、運転開始時の負荷電力とする。運転開始時のバンドパスフィルタの中間出力値の初期値ｙ_１は、ｘ_１とする。運転開始時のバンドパスフィルタの蓄電池出力の初期値ｚ_１は、０とする。また、運転開始時の１ステップ目の電池指令値は、０ｋＷとする。なお、太陽光発電は、発電電力等を任意に制御できない電源であるので、本実施形態による制御では負の値をもつ負荷、すなわち、電力を出力する負荷として取り扱い、図２に示す制御系に組み込まない。

第１出力リミッタ５２は、バンドパスフィルタ５１から供給される蓄電池出力（ｚ_ｎ）に対して、振幅を出力上限値及び出力下限値により制限する。出力上限値及び出力下限値は、ＳＯＣの上限設定値及び下限設定値から設定される。図３は、出力上限値及び出力下限値とＳＯＣの上限設定値及び下限設定値との関係を示す図である。そして、第１出力リミッタ５２は、制限された蓄電池出力（ｚ_ｎ）をＸとして出力する。すなわち、蓄電池出力指令値計算部３１は、様々な周波数成分を持つ負荷電力の変動（加算器５０で加算した買電電力と蓄電池出力との合計）を、図２に示すバンドパスフィルタ５１に通す。そして、ＳＯＣの上限設定値及び下限設定値から設定される出力上限値及び出力下限値の範囲内の補償帯域の変動を抽出してＸを解く。

図４は、本実施形態における第２出力リミッタ５３のブロック図である。第２出力リミッタ５３は、現在の負荷電力Ｐ_loadをリアルタイム制御で取得する。第２出力リミッタ５３は、第１出力リミッタ５２からＸを取得する。また、第２出力リミッタ５３は、閾値格納部３０から放電閾値である平均負荷電力Ｐ_ＡＶＥを読み出す。第２出力リミッタ５３は、Ｘが０以上であり、かつ現在の負荷電力Ｐ_loadが放電閾値以下である場合、０ｋＷを蓄電池出力指令値として出力する。すなわち、第２出力リミッタ５３は、蓄電池の電力を放電しないように制御する。一方、第２出力リミッタ５３は、現在の負荷電力Ｐ_loadが放電閾値を超える場合、Ｘを蓄電池出力指令値として出力する。すなわち、第２出力リミッタ５３は、蓄電池の電力を放電するように制御する。
定置用蓄電池部１３は、上記蓄電池出力指令値計算部３１からの蓄電池出力指令値に従って、自身の内部に設けられた蓄電池の出力を制御する。

図５は、本実施形態における蓄電池制御を説明する図である。なお、図５に示す図の縦軸は、電力量を示し、横軸は、時間を示す。図５に示すように、現在の負荷電力Ｐ_loadが放電閾値を超える場合、蓄電池制御部４２は、超えた分の負荷電力Ｐ_loadをピーク電力とみなす。そして、蓄電池制御部４２は、ピーク電力を削減するために、買電電力を超えた分の負荷電力Ｐ_loadの電力、すなわちＸを蓄電池から放電することで、ピーク電力における買電電力を削減する。一方、現在の負荷電力Ｐ_loadが放電閾値以下である場合、蓄電池制御部４２は、買電電力を超えた分の負荷電力Ｐ_loadの電力を蓄電値から放電することを不要な放電とみなす。不要な放電とは、負荷電力のピーク電力ではないところで蓄電池の電力を放電することである。したがって、蓄電池制御部４２は、蓄電池の電力を放電しない。これにより、負荷電力のピーク電力の削減以外に、蓄電池の電力を使用しないようにする。

次に、本実施形態の電力管理システム１の効果について説明する。以下に、電力管理システム１のピーク電力削減量についてＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ(マトラボ（マットラブ）／シミュリンク)を用いてシミュレーションを行った。蓄電池は、定格出力が１００ｋＷであり、定格容量が８０ｋＷｈである。また、蓄電池の長寿命化を考慮して蓄電池のＳＯＣの使用範囲を１０％から８０％と設定しており、実効蓄電池容量は、５６ｋＷｈである。

図６は、冬期の代表的な負荷電力プロファイルの一例を示す図である。縦軸は電力（負荷電力）、横軸は時刻（業務時間帯８時〜１７時を対象）を表しており、この図に示すような負荷電力を気象類似日の実績データとして過去実績データＤＢ１１から取得したと仮定する。なお、閾値決定部２２により、図６に示す業務時間帯８時〜１７時までの負荷電力において、平均負荷電力Ｐ_ＡＶＥは、３０８．８ｋＷと計算された。

図７は、従来の電力管理システムのシミュレーション結果を示す図である。図７（ａ）は、１秒毎の電力値とＳＯＣを示す図である。図７（ｂ）は、３０分毎の負荷電力と買電電力との推移を示す図である。なお、シミュレーションには、図６に示した過去の実績データをリアルタイムの負荷電力として用いた。

図７（ａ）に示すように、従来の電力管理システムでは、負荷電力の低い８時から９時の間でも蓄電値の電力を放電している。また、９時３０頃にＳＯＣが設定下限値（１０％）に達したため、その後の負荷変動補償に対応できていない。その結果、図７（ｂ）に示すように、ピーク電力削減量は、１５．３ｋＷ（使用容量５６ｋＷｈ）しか得られていない。なお、ピーク電力削減量については、日本における最大需要電力の算出基準にならい、３０分平均値の負荷電力ピークと買電電力ピークの差分から算出した。

図８は、本実施形態の電力管理システム１のシミュレーション結果を示す図である。図８（ａ）は、１秒毎の電力値とＳＯＣを示す図である。図８（ｂ）は、３０分毎の負荷電力と買電電力との推移を示す図である。なお、シミュレーションには、図６に示した過去の実績データをリアルタイムの負荷電力として用いた。
図８（ａ）に示すように、本実施形態の電力管理システム１では、負荷電力の低い８時から９時の間の不要な放電が無くなっている。したがって、業務時間帯において、ＳＯＣが設定下限値に到達せず、その後の負荷変動補償に対応できている。その結果、図８（ｂ）に示すように、ピーク電力削減量は、３３．５ｋＷ（使用容量５１．６ｋＷｈ）も得られた。これにより、本実施形態の電力管理システム１は、従来と比較して、蓄電池の長寿命化を実現しながら、高いピーク電力削減効果を得ることができた。

図９は、従来の電力管理システムにおいて、蓄電池の容量を１２０ｋＷｈである場合のシミュレーション結果を示す図である。図９（ａ）は、蓄電池の容量が１２０ｋＷｈでの１秒毎の電力値とＳＯＣを示す図である。図９（ｂ）は、蓄電池の容量が１２０ｋＷｈでの３０分毎の負荷電力と買電電力との推移を示す図である。
図９に示すように、従来の電力管理システムにおいて、蓄電池の容量を１２０ｋＷｈとした場合のピーク電力の削減量は、３３．５ｋＷとなり、図８（ｂ）に示すピーク電力削減量と同等となる。すなわち、従来の電力管理システムで蓄電池の長寿命を実現しながら、電力管理システム１と同等のピーク電力削減効果を得るには、１．５倍の蓄電池容量を持つ蓄電池を用いる必要がある。したがって、本実施形態の電力管理システム１は、従来と比較して、蓄電池の導入コストを削減することができる。

上述したように、本実施形態によれば、電力管理システム１の閾値決定部２２は、蓄電池を放電するか否かを判定する閾値を決定する。そして、蓄電池制御部４２は、リアルタイムで取得した負荷電力Ｐ_loadが前記閾値を以下である場合、蓄電池を放電しない。これにより、ピーク電力以外の時間帯で放電する不要な放電を防止することができるため、蓄電池の電力を買電電力のピーク電力の削減に効率的に用いることができ、従来と比較して高い買電電力のピーク電力削減効果を得ることができる。したがって、蓄電池の長寿命化のためにＳＯＣの設定上限値を下げても蓄電池の定格容量を増やすことなく蓄電池から安定した電力供給が可能となる。

以上、この発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成は上述の実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

１電力管理システム
２インターネット
１０システム演算部
１１過去実績データＤＢ
１２リアルタイムコントローラ
１３定置用蓄電池部
２０気象情報取得部
２１気象類似日負荷電力データ取得部
２２閾値決定部
２３蓄電池補償帯域決定部
３０閾値格納部
３１蓄電池出力指令値計算部
４０負荷電力取得部
４１閾値決定機能部
４２蓄電池制御部

Claims

発電装置が発電した発電電力と商用の電力系統から供給される買電電力とに基づいて蓄電池の出力を制御する電力管理システムであって、
前記蓄電池を放電するか否かを判定する閾値を決定する閾値決定部と、
取得した負荷電力が前記閾値以下である場合、前記蓄電池を放電しない蓄電池制御部と、
を有する電力管理システム。
制御対象日の気象情報と類似した気象情報に対応付けられて記録されている負荷電力の過去実績データを取得する負荷電力取得部をさらに有し、
前記閾値は、前記負荷電力取得部によって取得した過去実績データに基づいて決定される請求項１に記載の電力管理システム。
前記負荷電力取得部によって取得した過去実績データに基づいて、前記蓄電池の補償周波数帯域を決定する蓄電池補償帯域決定部とをさらに有し、
前記蓄電池制御部は、前記補償帯域決定部によって決定された前記蓄電池の補償周波数帯域と、前記買電電力、及び前記蓄電池の出力の合計とに基づいて負荷電力を推定し、取得した負荷電力が前記閾値を超える場合、推定した負荷電力に基づいて前記蓄電池の出力を制御する請求項２に記載の電力管理システム。
前記蓄電池制御部は、前記蓄電池補償帯域決定部によって決定された前記蓄電池の補償周波数帯域に基づいて、前記買電電力と前記蓄電池の出力との合計値をフィルタリングすることで蓄電池出力値を算出し、算出した前記蓄電池出力値に基づいて前記蓄電池の出力を制御する蓄電池出力指令値を出力する請求項３に記載の電力管理システム。
発電装置が発電した発電電力と商用の電力系統から供給される買電電力とに基づいて蓄電池の出力を制御する電力管理方法であって、
閾値決定部が、前記蓄電池を放電するか否かを判定する閾値を決定する過程と、
蓄電池制御部が、取得した負荷電力が前記閾値を以下である場合、前記蓄電池を放電しない過程と、
を有する電力管理方法。