JP2016067195A - 電力管理システム及び電力管理方法 - Google Patents
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Abstract
Description
また、電力管理システムとして、蓄電池の蓄電量を考慮しつつ、予測される発電電力と予測される消費電力とに基づいて、蓄電池に対する充電及び放電を制御し、エネルギーの有効活用が行われている(例えば、特許文献2参照)。
また、電力管理システムとして、複数の需要家からなるコミュニティにおいて電力管理を行うものも知られている(例えば、特許文献3参照)。このように複数の需要家に対応する電力管理システムは、TEMS(Town Energy Management System)、あるいはCEMS(Community Energy Management System)などとも呼ばれる。
予測される発電電力と、予測される消費電力とに基づいて、余剰電力を推定して蓄電池に蓄電された電力と、負荷で消費される電力との調整を行う電力管理システムがある(例えば、特許文献4参照)。
一方、逆に家人が出かけた需要家施設が複数ある場合、電力の需要が急激に下がって実際の余剰電力が8kWとなる。この場合、この場合にコミュニティ内では電力の消費ができず、予測と実績の差−2kW(=6kW−8kW)は充電できずに、系統に電力を逆潮流することになり、この差が誤差となる。
このように、推定した余剰電力と現実の余剰電力との誤差が大きくなると、再生可能エネルギーを利用した発電装置を備えた需要家施設の経済的な損出も大きくなる。
また、本発明によれば、送配電事業者の出力抑制に対して、各需要家施設に対して出力抑制を行う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。
以下、図面を参照して、本発明の第1の実施形態について説明する。図1は、本発明の第1の実施形態による電力管理システムの構成例を示す図である。本実施形態における電力管理システムは、例えば、所定の地域範囲における複数の需要家に対応する住宅、商業施設、産業施設などの需要家施設における電力を一括して管理するものである。このような電力管理システムは、例えばTEMS(Town Energy Management System)やCEMS(Community Energy Management System)などといわれるものに対応する。
需要家施設10は、例えば、住宅、商業施設、あるいは産業施設などに該当する。また、電力管理地域1が、例えば1つまたは複数の集合住宅に対応し、需要家施設10のそれぞれが集合住宅における各戸であるような態様でもよい。
また、需要家施設10の位置は、電力管理システムが管理する構成となっていれば、同様に管理されている他の需要家施設と同一地域に限定されなくとも良い。すなわち、電力管理システムは、自身の管理下の需要家施設10として登録され、後述するネットワーク300を利用して管理する情報の送受信が行うことができれば、異なる地域(例えば、北海道、本州、九州、四国などの各地域)において登録された複数の需要家施設10の集合体でも良い。この場合、共通の系統電源3は、需要家施設10の各々に接続される地域における電源線の集合体となる。
また、太陽電池(後述する太陽電池101)を備える需要家施設10は、太陽電池の発電電力を系統電源3に出力させることができる。
また、蓄電池(後述する太陽電池103)を備える需要家施設10においては、系統電源3から電力供給を受けて蓄電池に蓄電(充電)させることができる。また、蓄電池と太陽電池を備える需要家施設10においては、太陽電池の発電電力を蓄電池に充電させることができる。
電力管理装置200は、電力管理地域1に属する各需要家施設10における電気設備を対象として電力制御を実行する。このために、図1における電力管理装置200は、ネットワーク300を介して需要家施設10の各々と相互通信可能なように接続される。これにより、電力管理装置200は、各需要家施設10における電気設備を制御することができる。図1においては、電力管理装置200を系統電源3に接続しているが、需要家施設10が異なる地域に設けられている場合など、電力管理装置200と系統電源3とを接続しない構成としても良い。この場合、電力管理装置200と各需要家施設10とがネットワーク300を介して接続されているため、ネットワーク300を介して、各需要家施設10が接続されている系統電源3の情報を、各需要家施設10から得るように、電力管理装置200を構成する。
パワーコンディショナ102は、太陽電池101に対応して備えられ、太陽電池101から出力される直流の電力を、負荷の電源入力の仕様に対応した電圧及び周波数の交流の電力に変換する。
具体的に、蓄電池103に対する充電時には、商用電源2またはパワーコンディショナ102から電力経路切替部105を介して充電のための交流の電力がインバータ104に供給される。インバータ104は、このように供給される交流の電力を直流の電力に変換し、蓄電池103に供給する。
また、蓄電池103の放電時には、蓄電池103から直流の電力が出力される。インバータ104は、このように蓄電池103から出力される直流の電力を交流の電力に変換して電力経路切替部105に供給する。
上記の制御に応じて、電力経路切替部105は、同じ需要家施設10において、商用電源2を負荷106に供給するように電力経路を形成することができる。
また、電力経路切替部105は、同じ需要家施設10において、商用電源2と太陽電池101の一方または両方から供給される電力をインバータ104経由で蓄電池103に充電するように電力経路を形成することができる。
さらに、電力経路切替部105は、太陽電池101により発生された電力を、例えば商用電源2の電力系統を経由して、他の需要家施設10における蓄電池に対して供給するように電力経路を形成することができる。
また、電力経路切替部105は、蓄電池103の放電により出力される電力を、他の需要家施設10における負荷106に供給するように電力経路を形成することができる。
施設別制御部107は、需要家施設10における電気設備(太陽電池101、パワーコンディショナ102、蓄電池103、インバータ104、電力経路切替部105、負荷106のすべてまたは一部)を制御する。
また、前述のように、電力管理地域1内の需要家施設10のうちの一部において、例えば太陽電池101や、蓄電池103及びインバータ104を備えないものがあってもよい。
このように生じた余剰電力は、例えば電力管理地域1において設置されている蓄電池103に充電して蓄積させれば、有効に利用できることとなって好ましい。
例えば、余剰電力が小さい場合においては、蓄電池103に蓄積させるべき電力も小さなものとなる。しかし、インバータ104は、電力が一定以上の状態では高効率を維持するが、電力が一定未満の状態では効率の低下が顕著になるという特性を有している。
このために、電力管理地域1において発生した各太陽電池101の小さな余剰電力を、例えば、需要家施設10ごとの蓄電池103に分配して充電したとすれば、各インバータ104の電力は相当に小さくなる。この場合、各インバータ104の電力損失は大幅に増加することになる。
なお、需要家施設10ごとにおいて個別に太陽電池101の余剰電力を蓄電池103に充電したとしても、上記の問題は同様に生じる。また、このようなインバータ104における電力損失の問題は、電力管理地域1において、蓄電池103から放電させた電力を負荷106に供給するにあたって、蓄電池103の放電電力が小さい状態である場合にも同様に生じる。
すなわち、以降において説明する蓄電池103の充放電動作の制御は、電力管理地域1における太陽電池101から蓄電池103への充電電力の分配、もしくは、蓄電池103から負荷106への電力の分配を伴う。このため、以降において説明する蓄電池103に対する充放電動作の制御については電力分配制御とも呼ぶ。
ネットワークI/F部201は、ネットワーク300を介して、各需要家施設10の施設別制御部107と間で各種データの送受信を行う。
本実施形態における第1電力管理部202が実行する電力管理は、需要家施設10ごとにおけるインバータ104の損失の低減を図るための上述の電力分配制御である。
総電力算出部221は、電力管理地域1において、複数の蓄電池103の群に対して充電すべき総電力(充電総電力)または複数の蓄電池103の群から放電させるべき総電力(放電総電力)を算出する。なお、以降において、充電総電力と放電総電力とで特に区別しない場合には、総電力と記載する。
分配制御部223は、分配対象としての各需要家施設10の蓄電池103それぞれに決定された分配電力が分配されるように制御する。
1つのインバータ効率特性は、対応のインバータ104についての電力に応じた効率の変動特性を示す。そのうえで、インバータ効率特性記憶部224は、電力管理地域1におけるインバータ104ごとのインバータ効率特性をインバータ効率特性テーブルに格納するように記憶する。
図4に示すインバータ効率特性テーブル240における1つのレコードが1つのインバータ104に対応する。1つのレコードは、施設別制御部識別子241と、施設別制御部アドレス242と、インバータ効率特性243を含む。
施設別制御部アドレス242は、同じレコードの施設別制御部識別子241が示す施設別制御部107のアドレスを示す。
インバータ効率特性243は、対応のインバータ104についてのインバータ効率特性を示す。
このように、インバータ効率特性243が施設別制御部識別子241と対応付けられていることで、インバータ効率特性243が対応するインバータ104を特定することができる。また、施設別制御部アドレス242は、例えば分配制御部223が蓄電池103の充電または放電のための電力を制御するにあたって、その蓄電池103を管理下におく施設別制御部107と通信を行う際に使用する。
インバータ104の各々は、この図5に示す特性と同様の傾向を有するのであるが、例えば、定格電力、定格電力時の効率の値、境界値γなどのパラメータは、インバータ104のメーカや機種などに応じて異なる。インバータ効率特性243には、このようなインバータ104ごとに異なる特性が反映される。また、同図に示す特性は、例えば蓄電池103への充電時(交流直流変換時)または放電時(直流交流変換時)に対応するものであるが、本実施形態におけるインバータ効率特性243は、充電時と放電時との両者に対応する特性を含む。
なお、図6の例では、太陽電池101、パワーコンディショナ102、蓄電池103、インバータ104及び負荷106について、それぞれがn個で同数である場合を示している。これは一例であり、太陽電池101、パワーコンディショナ102、蓄電池103、インバータ104及び負荷106は、それぞれの数が異なっていてもよい。
この場合において、太陽電池101−1〜101−dの各々にて発電された直流の電力は、それぞれ、パワーコンディショナ102−1〜102−dにより交流の電力に変換されて、それぞれ、対応の負荷106−1〜106−nに供給される。
このときに、パワーコンディショナ102−1〜102−dから出力された交流の電力の総量が、負荷106−1〜106−dにおいて必要な電力の総量よりも多いとき、両者の差分が太陽電池101の群による余剰電力の総量(総電力)pとなる。
電力管理装置200における総電力算出部221は、太陽電池101の余剰電力を蓄電池103に対して充電しようする際には、上記のように余剰電力となる総電力pを推定余剰電力として算出すればよい。一方、総電力算出部221は、負荷106の各々に供給する電力が太陽電池101の発電するより大きく蓄電池103から放電しようとする際にも同様に、余剰電力となる総電力p(放電が必要な際には負の数値である)を算出すればよい。
つまり、電力管理装置200における分配電力決定部222は、インバータ効率特性記憶部224に記憶されるインバータ効率特性テーブル240を参照して、各インバータの効率(電力損失)と電力との関係を認識する。そのうえで、蓄電池103−1〜103−dのうちから、例えば、総電力pを分配したときに、インバータ104における損失が一定以下(効率が一定以上)となる電力で充電可能な1以上の蓄電池103を充電対象として決定する。また、この際に、充電対象(あるいは放電対象)としての蓄電池103ごとに総電力pをどれだけ分配して充電(あるいは放電)すべきかについても決定する。
具体的に、分配制御部223は、分配対象の蓄電池103を備える需要家施設10の施設別制御部107に対して、それぞれ、分配電力決定部222により決定された分配電力を指示する。施設別制御部107は、指示された分配電力により充電が行われるように同じ需要家施設10における蓄電池103を制御する。
下記の(1)式における損失Lは、インバータ104−1〜104−dの各損失の総量を示す。また、ηi(pi)は、i(1≦i≦d)番目のインバータ104−iのインバータ効率特性における分配電力piのときの効率ηiを示す。また、wiは、i番目のインバータ104−iのインバータ効率特性における定格を示す。
消費電力量推定部1081は、例えばデジタルフィルタであるFIR(Finite Impulse Response)フィルタの構成を備え、直近の過去の測定周期の消費電力から次の測定周期を含む制御周期における消費電力の数値を推定する。測定周期は例えば1分毎、制御周期は1分あるいは1分を超える、測定周期より長い時間間隔として設定されている。本実施形態においては、FIRフィルタを例に説明するが、他のデジタルフィルタであるIIR(Infinite impulse response)フィルタやアダプティブフィルタなど、過去の測定周期における測定値から次の測定周期における推定測定値(推定発電電力及び推定消費電力)を推定できるフィルタであれば、いずれのフィルタを用いても良い。
ここで、遅延部10811_1、遅延部10811_2、遅延部10811_3、遅延部10811_4、…、遅延部10811_n−1の各々は、測定周期毎に入力端子1081TIから入力される消費電力c(t)を、入力端子1081TIから出力端子1081TOの方向に各遅延部のデータを入力端子1081TIに消費電力c(t)が入力されるタイミングで順次シフトさせる。
(2)式及び(3)式の各々において、例えば、n=3、β=2の場合、(2)式及び(3)式の各々は以下に示す式となる。
n=3の場合の(2)式は、
cs(t+1)=
w1(0)c(t)+w1(1)・c(t−1)+w1(2)・c(t−2)
となる。
ここで、n=3の場合の(3)式は
w1(q)=2q(1−β)/(n・(n−1))+β/n
=(q(1−β)+β)/3
となる。
また、β=2の場合の(3)式において、
w1(0)=2/3=0.6666.....、q=0
w1(1)=(−1+2)/3=0.3333.....、q=1
w1(2)=(−2+2)/3=0、q=2
となる。
したがって、n=3、β=2の場合、(2)式は、
cs(t+1)=0.667・c(t)+0.333・c(t−1)
となる。
図8は、重み係数β及び追従数nの数値の組合せである消費電力予測パターンが定義されている消費電力予測パターンテーブルの構成を示す図である。この消費電力予測パターンテーブルは、記憶部1084に予め書き込まれて記憶されている。図8において、それぞれの消費電力予測パターン毎に、予測パターン番号、追従数n、重み係数β、制御粒度N、備考の各々が対応して書き込まれて記憶されている。
予測パターン番号は、消費電力予測パターンテーブルにおける消費電力予測パターンの各々を識別する識別情報である。制御粒度Nは制御周期を示し、記載されている数値は測定周期の数である。消費電力量推定部1081は、次の制御周期の開始タイミングに対応する測定周期の推定消費電力cs(t+1)を、次の制御周期の推定消費電力として出力する。
上述した消費電力予測パターンは、季節、曜日、あるいは1日における時間帯などに対応して、適時選択して用いることにより、より予測発電電力の予測精度を向上させることができる。
上述した消費電力量推定部1081が行う推定消費電力cs(t+1)の演算は、ハードウェアで構成しても良いし、ソフトウェアのアプリケーションとして構成しても良い。
ここで、遅延部10821_1、遅延部10821_2、遅延部10821_3、遅延部10821_4、…、遅延部10821_m−1の各々は、測定周期毎に入力端子1082TIから入力される発電電力g(t)を、入力端子1082TIから出力端子1082TOの方向に各遅延部のデータを入力端子1082TIに発電電力g(t)が入力されるタイミングで順次シフトさせる。
(4)式及び(5)式の各々において、例えば、m=3、α=2の場合、(4)式及び(5)式の各々は以下に示す式となる。
m=3の場合の(4)式は、
gs(t+1)=
w2(0)g(t)+w2(1)・g(t−1)+w2(2)・g(t−2)
となる。
ここで、m=3の場合の(3)式は
w2(q)=2r(1−α)/(m・(m−1))+α/m
=(r(1−α)+α)/3
となる。
また、α=2の場合の(5)式において、
w2(0)=2/3=0.6666.....、r=0
w2(1)=(−1+2)/3=0.3333.....、r=1
w1(2)=(−2+2)/3=0、r=2
となる。
したがって、m=3、α=2の場合、(2)式は、
gs(t+1)=0.667・g(t)+0.333・g(t−1)
となる。
図10は、重み係数α及び追従数mの数値の組合せである発電電力予測パターンが定義されている発電電力予測パターンテーブルの構成を示す図である。この発電電力予測パターンテーブルは、記憶部1084に予め書き込まれて記憶されている。図10において、それぞれの発電電力予測パターン毎に、予測パターン番号、追従数m、重み係数α、制御粒度N、備考の各々が対応して書き込まれて記憶されている。
予測パターン番号は、発電電力予測パターンテーブルにおける発電電力予測パターンの各々を識別する識別情報である。制御粒度Nは図8において説明した制御周期における測定周期の数である。発電電力量推定部1082は、次の制御周期の開始タイミングに対応する測定周期の推定消費電力cs(t+1)を、次の制御周期の推定発電電力として出力する。
上述した発電電力予測パターンは、季節、曜日、あるいは1日における時間帯などに対応して、適時選択して用いることにより、より予測発電電力の予測精度を向上させることができる。
また、粒度Nに対しては、情報通信網であるネットワーク300におけるデータ通信の速度、あるいは各需要家施設10における充電及び放電の制御に係る時間など、制御の遅延に対応して適時設定する。遅延が少ない場合、粒度をNを小さくし、遅延が多い場合、粒度を多くする。
この推定余剰電力ps(t+1)が、次の制御周期において、余剰電力としての総電力pとして、分配制御部223が需要家施設10の各々の蓄電池103の充電または放電のための電力を制御するために用いる。
また、本実施形態においては、電力量推定部108を需要家施設10が備える電気設備としているが、各需要家施設10には電力量推定部108を設けず、その代わりこの電力量推定部108を電力管理装置200に設ける構成としての良い。
この構成の場合、電力推定部108の各部は、需要家施設10毎の各測定値(消費電力c(t)及び発電電力g(t))から推定消費電力cs(t+1)及び推定発電電力gs(t+1)を求め、需要家施設10毎の推定余剰電力ps(t+1)を求める。そして、総電力算出部221は、求めた各需要家施設10毎の推定余剰電力ps(t+1)を合計し、電力管理地域1内における総電力pを算出する。
図11は、消費電力の長期の測定時間における自己相関係数を示す図である。図11において、横軸は測定周期として測定開始を0分(t=0)とした1分毎の経過時間を示し、縦軸は自己相関係数(ACF:autocorrelation function)を示している。この図11における自己相関係数は、t=0において測定された消費電力の測定値に対して、各時間において測定された消費電力の測定値がどの程度似ているかを示す指標である。t=0における自己相関係数は、同一の消費電力の測定値であるため、当然に「1」となる。t=0から時間が経過する毎に、自己相関係数が低下するが、図11のように自己相関係数が周期特性のパターンを示す場合がある。
図11の自己回帰モデルを生成すると、
gs(t+1)=0.9776・g(t)+27.95233
となり、図11の長期の消費電力の場合、直前のg(t)が支配的となり、直前(1分前)の消費電力のデータを用いて推定すると、相関が高い推定消費電力が求まることが判る。しかしながら、長期の消費電力を用いて自己回帰モデルを作成すると、推定する時間近傍の直近の測定値を用いた場合に、環境が変化した場合などに自己回帰モデルが適応できなくなり、最適な値を求めることができない。
以下に、本実施形態の予測関数と自己回帰モデルとにおける消費電力の推定結果の比較を示す。
本実施形態の予測関数と自己回帰モデルと比較としては、図12の消費電力のデータを時系列に順次用いて、それぞれ推定した推定消費電力と、この推定消費電力を推定した時間の測定された消費電力との差分を求める。そして、求めた差分を誤差として、この誤差を推定した推定消費電力と測定された消費電力との比較を行った全ての時間で積算した。この積算の結果として、積算値(積算誤差)の絶対値が大きい方が、推定の精度が悪いと考えられる。
図13において、自己相関モデルを用いた場合に積算誤差が「−1540.967」である。また、本実施形態の予測関数((2)式)を用いた際、n=3、β=0の場合に積算誤差が「1097」であり、n=3、β=1の場合に積算誤差が「826」であり、n=3、β=2の場合に積算誤差が「555」であった。
したがって、自己相関モデルの積算誤差「−1540.967」に対して、本実施形態の予測関数の最も悪いn=3、β=0におけるに積算誤差が「1097」であり、本実施形態の予測関数が自己相関モデルに比較して、推定の精度が高いことが判る。
本実施形態の予測関数と自己回帰モデルと比較としては、図12の場合と同様に、図14の消費電力のデータを時系列に順次用いて、それぞれ推定した推定消費電力と、この推定消費電力を推定した時間の測定された消費電力との差分を求める。そして、求めた差分を誤差として、この誤差を推定した推定消費電力と測定された消費電力との比較を行った全ての時間で積算した。この積算の結果として、積算値(積算誤差)の絶対値が大きい方が、推定の精度が悪いと考えられる。
図14において、自己相関モデルを用いた場合に積算誤差が「−9474.209」である。また、本実施形態の予測関数((2)式)を用いた際、n=3、β=0の場合に積算誤差が「−863.6667」であり、n=3、β=1の場合に積算誤差が「−781」であり、n=3、β=2の場合に積算誤差が「−698.3333」であった。
したがって、自己相関モデルの積算誤差「9474.209」に対して、本実施形態の予測関数の最も悪いn=3、β=0における積算誤差が「−863.6667」であり、本実施形態の予測関数が自己相関モデルに比較して、図14を例とした場合にも図12の場合と同様に、消費電力の推定の精度が高いことが判る。
消費電力量推定部1081は、記憶部1084の消費電力予測パターンテーブルからユーザの選択した消費電力予測パターンを読み出す。また、発電電力量推定部1082は、記憶部1084の発電電力予測パターンテーブルからユーザの選択した発電電力予測パターンを読み出す(ステップS1)。このとき、図示しないタイマー制御部は自身内部のタイマーを初期化(0にリセット)し、タイマーに対してカウントを開始させる。
タイマー制御部は予め設定された測定周期の時間を経過したか否かを、カウントした上記タイマーの計数値から判定する(ステップS3)。このとき、タイマー制御部は、計数値が測定周期の時間を経過した場合、処理をステップS4へ進め、一方、計数値が測定周期の時間を経過していない場合、処理をステップS2へ進める。
同様に、消費電力量推定部1081は、施設別制御部107から消費電力を読み出し、消費電力c(t)としてフィルタに対して入力する(ステップS4)。このとき、消費電力量推定部1081は、直前の測定周期において測定された消費電力を、消費電力c(t−1)として遅延部1081_1に対し格納する。そして、消費電力量推定部1081は、順次、直前の測定周期における遅延部における消費電力をシフトさせ、直前の測定周期において遅延部に格納されていた最も過去の消費電力を削除する。
同様に、発電電力量推定部1082は、読み出した発電電力予測パターンに基づき、フィルタに対応する(4)式及び(5)式により、推定発電電力gs(t+1)を算出し、制御周期における電力管理装置200が用いる推定発電電力の推定を行う。
このために、例えば総電力算出部221は、需要家施設10における施設別制御部107のそれぞれに対して、ネットワーク300経由で太陽電池101の推定余剰電力ps(t+1)の通知を要求する。この要求に応じて施設別制御部107の各々は、自己の管理下における太陽電池101の推定余剰電力ps(t+1)を、電力量推定部108に対して求めさせる。この推定余剰電力は、すでに述べたように、同じ需要家施設10において太陽電池101が発電する発電電力と、負荷106に供給される消費電力との差分の推定値として求められる。施設別制御部107は、このように求めた太陽電池101の推定余剰電力を電力管理装置200に通知する。
上記のようにして、電力管理装置200における総電力算出部221は、各施設別制御部107から通知される太陽電池101の推定余剰電力ps(t+1)を取得する。
一方、分配対象として決定されなかった蓄電池103に対しては充電のための電力が供給されない。従って、分配対象として決定されなかった蓄電池103に対応するインバータ104において電力損失は発生しない。
この結果、電力管理地域1における蓄電池103の群を対象として充電を行うにあたってのインバータ104の群における電力損失が低減される。
図18のフローチャートは、電力管理装置200が放電制御のために実行する処理手順例を示している。なお、この図において、図17と同様の処理となるステップについては同一符号を付している。
まず、放電制御における総電力算出部221は、負荷106のそれぞれが必要とする消費電力に対して発電電力が小さい場合の推定余剰電力(負の数値)、すなわち発電電力以外に負荷に必要な電力を取得する(ステップS101a)。
このために、総電力算出部221は、施設別制御部107のそれぞれに対して、ネットワーク300経由で余剰電力の通知を要求する。この要求に応答して、施設別制御部107は、それぞれ、自己の管理下にある負荷106の推定余剰電力ps(t+1)を電力量推定部108に対して算出させ、得られた推定余剰電力ps(t+1)を電力管理装置200に通知する。総電力算出部221は、このように各施設別制御部107から通知された推定余剰電力ps(t+1)を取得する。
図18におけるステップS103、S104の処理は、図17と同様である。ただし、ステップS104において、分配電力決定部222は、分配対象として、負荷106の群が必要とする総電力pをまかなうための蓄電池103を決定する。また、ステップS104において、分配電力決定部222は、分配対象の蓄電池103ごとに、放電により出力させるべき電力を分配電力として決定する。
そして、分配制御部223は、それぞれについて決定された分配電力による電力が出力されるように、分配対象の蓄電池103に対する放電制御を実行する(ステップS105a)。
このように、各需要家施設10における蓄電池103の放電制御の処理が実行されることで、蓄電池103から放電させる場合においても、インバータ104の電力損失を低減させることができる。
以下、図面を参照して、本発明の第2の実施形態について説明する。図19は、本発明の第2の実施形態による電力管理システムの構成例を示す図である。本実施形態における電力管理システムは、第1の実施形態と同様に、例えば、所定の地域範囲における複数の需要家に対応する住宅、商業施設、産業施設などの需要家施設における電力を一括して管理するTEMSやCEMSなどといわれるものに対応する。
図19の第2の実施形態において、図1の第1の実施形態と同様の構成については、同一の符号を付し、説明を省略する。以下、第1の実施形態と異なる構成及び動作について説明する。
共通蓄電装置20は、電力管理システムにおける需要家施設10に対して共通に備えられる蓄電装置であって、需要家施設10と共通の系統電源3に接続される。
蓄電池21は、充電のために入力される電力を蓄積し、また、蓄積した電力を放電して出力する。蓄電池21としては、例えばリチウムイオン電池などを採用することができる。
制御部23は、共通蓄電装置20における蓄電池21とインバータ22の動作を制御する。即ち、共通蓄電装置20における充放電の動作は制御部23によって制御される。
制御部23は、電力管理装置200’の制御に従って、蓄電池21とインバータ22を制御する。ここで、インバータ22の制御は、制御部23が系統電源3の電力値を監視し、電力管理地域1内における需要家施設10全体の購入電力量と売電電力量との各々が「0」となるように自立的に行うようにしても良い。
図6に例示したように、太陽電池101−1〜101−nにおける余剰電力の総電力pを蓄電池103−1〜103−nに充電するにあたっては、蓄電池103−1〜103−nによる空き容量の総量に対して総電力pが相対的に大きいような状態となる可能性がある。
太陽電池101の発電電力は、日照などの条件に依存する。例えば日照が良好な天気であれば、太陽電池101−1〜101−nにおける発電電力が増加し、総合の発電電力も相当に高くなる。このようなときに、蓄電池103−1〜103−nにおける空き容量が十分でない状態である場合、総電力pのすべてを蓄電池103−1〜103−nに分配できない場合が生じる。
この場合には、総電力pにおいて、さらに、蓄電池103−1〜103−nに対する充電電力の余剰分としての差分電力が生じる。このような余剰分としての差分電力は、系統電源3に流出することによる損失となる。
上記のような場合には、蓄電池103−1〜103−nからインバータ104−1〜104−nを介して出力される電力p1〜pnの和である総電力pが、負荷106−1〜106−nによる総合の負荷電力に満たない状態となる。
この場合には、負荷106−1〜106−nに供給すべき総電力pについての不足分としての差分電力が生じる。このような不足分としての差分電力が生じることによっては、系統電源3に商用電源2が不足分に応じて流入することにより、商用電源2の使用量が増加することになる。
つまり、第1電力管理部202は、総電力pを算出するにあたり、図17のステップS101として示したように、ネットワーク300経由で施設別制御部107から太陽電池101ごとの余剰電力を取得する。あるいは、電力管理装置200は、図18のステップS101aとして示したように、ネットワーク300経由で施設別制御部107から負荷106の負荷電力を取得する。このように、第1電力管理部202は、ネットワーク300経由で電力管理に必要な情報を取得する。
また、図17のステップS105による充電制御あるいは図18のステップS105aによる放電制御を行うにあたっては、第1電力管理部202は、ネットワーク300経由での通信を介して、各需要家施設10における施設別制御部107を制御する。制御の際には、例えば第1電力管理部202は、施設別制御部107に対して蓄電池103の充電あるいは放電のための指令値などを含む制御データを送信する。
このために、各需要家施設10の施設別制御部107が制御データを受信して蓄電池103の制御を実行するタイミングは、制御値を生成するための蓄電池103の余剰電力や負荷106の負荷電力などが得られていたタイミングに対して遅延する可能性がある。そして、このような遅延によるタイムラグは、ネットワーク300のトラヒックの状況の他、電力管理装置200や施設別制御部107の処理負荷などによって相当に大きくなる場合がある。
このように、電力分配制御のタイムラグに起因して差分電力が生じた場合にも、余剰分の差分電力が系統電源3に流出することによる電力損失や、不足分の差分電力が商用電源2から系統電源3に流入することによる商用電源2の使用量の増加などが生じる。
また、図19においては、電力管理装置200’の差分電力算出部231が差分電力を算出する記載となっているが、共通蓄電装置20における制御部(不図示)が差分電力を算出して、上記制御部が算出した差分電力をネットワーク300を介して電力管理装置200’が得るように構成しても良い。
差分電力算出部231は、第1電力管理部202による電力分配制御が行われている状態のもとでの、電力管理システムにおける各蓄電池103に対する充電電力の余剰分または各蓄電池103から負荷106に供給する電力の不足分に対応する差分電力を算出する。
蓄電装置制御部232は、差分電力算出部231により算出された差分電力に基づいて、共通蓄電装置20の充電または放電を制御する。
また、図19においては、電力管理装置200’が制御線を介して共通蓄電装置20の充電及び放電を制御する構成となっているが、この制御線を無くして共通蓄電装置20をネットワーク300に接続し、電力管理装置200’がネットワーク300を介して共通蓄電装置20内の蓄電池の充電及び放電を制御する構成としても良い。
また、本実施形態によれば、従来に比較して、制御周期における余剰電力の推定が高い精度で行われることにより、差分電力を低減することができるため、共通蓄電装置20の蓄電池の容量を低減し、共通蓄電装置20の設備費用を低減することができる。
以下、図面を参照して、本発明の第3の実施形態について説明する。本発明の第3の実施形態における電力管理システムは、図1に示す第1の実施形態と同様の構成であり、例えば、所定の地域範囲における複数の需要家に対応する住宅、商業施設、産業施設などの需要家施設における電力を一括して管理するTEMSやCEMSなどといわれるものに対応する。以下説明する図21の第3の実施形態において、図1及び図2に記載されている第1の実施形態の構成と同様の構成については、同一の符号を付し、説明を省略する。以下、第1の実施形態と異なる構成及び動作について説明する。
ネットワークI/F部201は、ネットワーク300を介して、各需要家施設10の施設別制御部107と間で各種データの送受信を行う。
本実施形態における第1電力管理部202が実行する電力管理は、需要家施設10ごとにおけるインバータ104の損失の低減を図るための上述の電力分配制御である。
総電力算出部221は、電力管理地域1において、複数の蓄電池103の群に対して充電すべき総電力(充電総電力)または複数の蓄電池103の群から放電させるべき総電力(放電総電力)を算出する。なお、以降において、充電総電力と放電総電力とで特に区別しない場合には、総電力と記載する。
分配制御部223は、分配対象としての各需要家施設10の蓄電池103それぞれに決定された分配電力が分配されるように制御する。
1つのインバータ効率特性は、対応のインバータ104についての電力に応じた効率の変動特性を示す。そのうえで、インバータ効率特性記憶部224は、電力管理地域1におけるインバータ104ごとのインバータ効率特性をインバータ効率特性テーブルに書き込んで記憶させる。
出力抑制部225は、自身の電力管理地域1における各需要家施設10における消費電力、蓄電池103のSOC、太陽電池101の出力電力の発電電力に基づき、電力管理地域1全体での余剰電力の算出を行う。そして、出力抑制部225は、電力管理地域1における余剰電力に対応して、各需要家施設10に対して出力抑制を実施する。
また、出力抑制部225は、電力管理地域1内の各需要家施設10に対する出力抑制を中止する処理において、予め送配電事業者から通知された出力抑制の時間帯の終了した場合、送配電事業者から出力抑制が通知され続けていない(出力抑制の通知が無くなった)ことを検出した場合、あるいは送配電事業者から出力抑制の中止(出力抑制の解除指令)が通知された場合などにより出力抑制を継続せずに中止する判断を行う構成としても良い。
このために、例えば総電力算出部221は、需要家施設10における施設別制御部107のそれぞれに対して、ネットワーク300経由で太陽電池101の推定余剰電力ps(t+1)の通知を要求する。この要求に応じて施設別制御部107の各々は、自己の管理下における太陽電池101の推定余剰電力ps(t+1)を、電力量推定部108に対して求めさせる。この推定余剰電力は、すでに述べたように、同じ需要家施設10において太陽電池101が発電する発電電力と、負荷106に供給される消費電力との差分の推定値として求められる。施設別制御部107は、このように求めた太陽電池101の推定余剰電力を電力管理装置200に通知する。
上記のようにして、電力管理装置200における総電力算出部221は、各施設別制御部107から通知される太陽電池101の推定余剰電力ps(t+1)を取得する。
このとき、出力抑制部225は、さらに余剰電力が有る場合、処理をステップS107へ進める。一方、出力抑制部225は、余剰電力が無い場合、処理を終了する。
出力抑制部225は、対応する時間帯に出力抑制の要請が行われている場合、出力抑制の要請に対応したTEMSの運用計画を変更するため、処理をステップS108へ進める。方、出力抑制部225は、対応する時間帯に出力抑制の要請が行われていない場合、処理を終了する。
このとき、出力抑制部225は、蓄電池103が備えられておらず太陽電池101が設けられている需要家施設10に対して出力抑制を行う。そして、出力抑制部225は、蓄電池103が備えられておらず、太陽電池101が備えられている需要家施設10で、十分に送配電事業者から出力抑制の対応に対応できる場合、すなわち余剰差分が0となると出力抑制の処理を終了する。このとき、出力抑制部225は、太陽電池101の発電電力における余剰電力を、蓄電池103が備えられておらず、太陽電池101が備えられている需要家施設10全体で加算し、余剰差分から減算して新たな余剰差分を求める。
そして、需要家施設10において、施設別制御部107’は、出力抑制部225から出力抑制の要請が供給されると、電力経路切替部105に対して、負荷106、インバータ104及び系統電源3の各々に対する接続を切断する出力抑制の制御を行う(ステップS107)。
また、太陽光発電や、風力発電といった自然に出力が変動する再生可能エネルギーの導入をすすめていくと、需要電力を供給電力が上回る可能性があるため、気象条件などから、電力供給が、火力発電など出力調整ができる発電手段の電力供給調整能力を上回ることが予測される場合に、太陽光や風力の発電の出力を停止する必要が生じる。この出力抑制が必要かどうかの判断は、電力網による送配電を行う送配電事業者が行う。送配電事業者の出力抑制を受けた場合に、その需要家施設が太陽光発電等の再生可能エネルギー発電手段に加え、蓄電池を有していれば、その蓄電池に発電し、消費した余剰の電力を蓄えることができるが、蓄電池が満充電状態である場合、余剰電力は逆潮流も、蓄えることもできない。一方、他の需要家に、満充電状態ではない蓄電池がある場合もある。
本実施形態によれば、送配電事業者からの出力抑制に対して、必要十分な出力抑制を行う電力管理システムを提供することができる。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。
2…商用電源
3…系統電源
10…需要家施設
20…共通蓄電装置
101…太陽電池
102…パワーコンディショナー
103…蓄電池
104…インバータ
105…電力経路切替部
106…負荷
107,107’…施設別制御部
108…電力量推定部
200,200’…電力管理装置
201…ネットワークI/F部
202…第1電力管理部
203…第2電力管理部
221…総電力算出部
222…分配電力決定部
223…分配制御部
224…インバータ効率特性記憶部
225…出力抑制部
231…差分電力算出部
232…蓄電装置制御部
1081…消費電力量推定部
1082…発電電力量推定部
1083…差分電力量推定部
1084…記憶部
1081TI,1082TI…入力端子
1081TO,1082TO…出力端子
10811_1,10811_2,10811_3,10811_4,10811_n,10821_1,10821_2,10821_3,10821_4,10821_m…遅延部
10812_1,10812_2,10812_3,10812_4,10812_n,10822_1,10822_2,10822_3,10822_4,10822_n…係数乗算部
10813_1,10813_2,10813_3,10813_4,10813_n,10823_1,10823_2,10823_3,10823_4,10823_m…加算部
Claims (23)
- 系統電源に接続され、電気設備の1つとして蓄電池及び発電装置を備える第1需要家施設における前記蓄電池に対し、前記第1需要家施設に対する放電あるいは前記第1需要家施設で発生した余剰電力による充電を制御する電力管理システムであり、
有限の過去の測定周期における消費電力のデータにより予測を行う第1フィルタ予測関数により、需要家施設における次の測定周期の消費電力を推定消費電力として推定する消費電力量推定部と、
有限の過去の前記測定周期における発電電力のデータにより予測を行う第2フィルタ予測関数により、前記第1需要家施設における前記発電装置の次の測定周期の発電電力を推定発電電力として推定する発電電力量推定部と、
推定された前記推定発電電力及び前記推定消費電力の差分である推定余剰電力を求める余剰電力量推定部と、
前記余剰電力量推定部が求めた前記推定余剰電力に基づき、前記蓄電池の充電及び放電の各々を制御する電力管理部と
を備えることを特徴とする電力管理システム。 - 電気設備の1つとして蓄電池及び発電装置を備える前記第1需要家施設と、前記蓄電池あるいは前記発電装置のいずれかを含まない他の第2需要家施設とを含む複数の前記蓄電池の充電及び放電の各々を制御するが共通に前記系統電源に接続されており、
前記消費電力量推定部、前記発電電力量推定部及び前記余剰電力量推定部の各々が、前記需要家施設の各々の前記推定消費電力、前記推定発電電力、前記推定余剰電力それぞれを求め、
前記電力管理部が、前記需要家施設の前記推定余剰電力に基づき、前記需要家施設各々の前記蓄電池の充電及び放電の各々を制御する
ことを特徴とする請求項1に記載の電力管理システム。 - 前記第1関数における重み係数β及び追従数nの各々が制御のモードに対応してそれぞれ異なる数値の組である予測パターンとして予め設定され、
前記第2関数における重み係数α及び追従数mの各々が制御のモードに対応してそれぞれ異なる数値の組である予測パターンとして予め設定されている
ことを特徴とする請求項4に記載の電力管理システム。 - 前記発電電力の測定値が直近における有限の過去の前記測定周期において測定された前記発電装置の発電する電力である
ことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項における電力管理システム。 - 前記消費電力の測定値が直近における有限の過去の前記測定周期において測定された前記需要家施設において消費された電力である
ことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項における電力管理システム。 - 前記発電電力の測定値が複数の前記需要家施設の発電電力の測定値の合計である
ことを特徴とする請求項2から請求項7のいずれか一項における電力管理システム。 - 前記消費電力の測定値が複数の前記需要家施設の消費電力の測定値の合計である
ことを特徴とする請求項2から請求項8のいずれか一項における電力管理システム。 - 前記推定発電電力が任意の複数の前記需要家施設の推定発電電力の合計である
ことを特徴とする請求項2から請求項9のいずれか一項における電力管理システム。 - 前記推定消費電力の任意の複数の前記需要家施設の推定消費電力の合計である
ことを特徴とする請求項2から請求項10のいずれか一項における電力管理システム。 - 前記推定発電電力が前記需要家施設の推定発電電力の合計である
ことを特徴とする請求項2から請求項9のいずれか一項における電力管理システム。 - 前記推定消費電力が前記需要家施設の推定消費電力の合計である
ことを特徴とする請求項2から請求項9、請求項12のいずれか一項における電力管理システム。 - 前記推定発電電力と前記推定消費電力との差分が、任意の複数の前記需要家施設の推定発電電力の合計である
ことを特徴とする請求項2から請求項13のいずれか一項における電力管理システム。 - 前記推定発電電力と前記推定消費電力との差分が、前記需要家施設の推定発電電力の合計と、前記需要家施設の推定消費電力の合計との差分である
ことを特徴とする請求項2から請求項14のいずれか一項における電力管理システム。 - 前記測定周期で求められた差分電力による蓄電池に対する放電及び充電の制御を、当該制御のモードに対応して当該測定周期と同様な周期の制御周期、あるいは複数の測定周期により形成された制御周期により行う
ことを特徴とする請求項1から請求項15のいずれか一項に記載の電力管理システム。 - 系統電源に接続され、電気設備の1つとして蓄電池及び発電装置を備える第1需要家施設における前記蓄電池に対し、前記第1需要家施設に対する放電あるいは前記第1需要家施設で発生した余剰電力による充電を制御する電力管理システムを制御する電力管理方法であり、
消費電力量推定部が、有限の過去の測定周期における消費電力のデータにより予測を行う第1フィルタ予測関数により、需要家施設における次の測定周期の消費電力を推定消費電力として推定する消費電力量推定過程と、
発電電力量推定部が、有限の過去の前記測定周期における発電電力のデータにより予測を行う第2フィルタ予測関数により、前記第1需要家施設における前記発電装置の次の測定周期の発電電力を推定発電電力として推定する発電電力量推定過程と、
余剰電力量推定部が、推定された前記推定発電電力及び前記推定消費電力の差分である推定余剰電力を求める余剰電力量推定過程と、
電力管理部が、前記余剰電力量推定部が求めた前記推定余剰電力に基づき、前記蓄電池の充電及び放電の各々を制御する電力管理過程と
を含むことを特徴とする電力管理方法。 - 電気設備の1つとして蓄電池及び発電装置を備える前記第1需要家施設と、前記蓄電池あるいは前記発電装置のいずれかを含まない他の第2需要家施設とを含む複数の前記蓄電池の充電及び放電の各々を制御するが共通に前記系統電源に接続されており、
前記消費電力量推定部、前記発電電力量推定部及び前記余剰電力量推定部の各々が、前記需要家施設の各々の前記推定消費電力、前記推定発電電力、前記推定余剰電力それぞれを求め、
前記電力管理部が、前記需要家施設の前記推定余剰電力に基づき、前記需要家施設各々の前記蓄電池の充電及び放電の各々を制御する
ことを特徴とする請求項17に記載の電力管理方法。 - 電気設備の1つとして蓄電池及び発電装置を備える前記第1需要家施設と、前記蓄電池あるいは前記発電装置のいずれかを含まない他の第2需要家施設とを含む複数の前記蓄電池の充電及び放電の各々を制御するが共通に前記系統電源に接続されており、
前記消費電力量推定部、前記発電電力量推定部及び前記余剰電力量推定部の各々が、前記需要家施設の各々の前記推定消費電力、前記推定発電電力、前記推定余剰電力それぞれを求め、
前記電力管理部が、前記需要家施設の前記推定余剰電力に基づき、前記需要家施設各々の前記蓄電池の充電及び放電の各々を制御するとともに、出力抑制制御を総余剰電力と総充電可能電力によって行う
ことを特徴とする請求項17に記載の電力管理方法。 - 前記電力管理部が、前記需要家施設各々の前記発電装置の発電する電力の余剰電力の合計値である総余剰電力を求め、また、前記需要家施設各々の前記蓄電池の充電可能電力の合計である総充電可能電力を求め、前記総余剰電力が前記総充電可能電力を超える場合、前記需要家施設に対して出力抑制を要請する
ことを特徴とする請求項17に記載の電力管理方法。 - 電気設備の1つとして蓄電池及び発電装置を備える前記第1需要家施設と、前記蓄電池あるいは前記発電装置のいずれかを含まない他の第2需要家施設とを含む複数の前記蓄電池の充電及び放電の各々を制御するが共通に前記系統電源に接続されており、
前記消費電力量推定部、前記発電電力量推定部及び前記余剰電力量推定部の各々が、前記需要家施設の各々の前記推定消費電力、前記推定発電電力、前記推定余剰電力それぞれを求め、
前記電力管理部が、前記需要家施設の前記推定余剰電力に基づき、前記需要家施設各々の前記蓄電池の充電及び放電の各々を制御する
ことを特徴とする請求項19たは請求項20に記載の電力管理方法。 - 前記電力管理部が、前記出力抑制を、前記蓄電池を持たない前記第2需要家施設から行う
ことを特徴とする請求項20または請求項21に記載の電力管理方法。 - 前記電力管理部が、前記出力抑制を、前記蓄電池が満充電となっている第1需要家施設及び前記蓄電池を有する前記第2需要家施設から行う
ことを特徴とする請求項21に記載の電力管理方法。
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