JP2019115233A - 制御システム、制御方法およびコンピュータプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】系統連系のための制約条件を満たしつつ、風力発電機を備える発電システムを運用し続けるための制御システムを提供する。【解決手段】風力発電機と蓄電池とを含む発電システムを制御する制御システムは、風力発電機の出力が所定値であるとした場合に、発電システムの合成出力が下記の第１制約条件および第２制約条件を満たすのに最低限必要な蓄電池残量と、合成出力との関係性を示す情報を用いて、蓄電池の蓄電池残量から合成出力の目標値である合成出力目標値を算出する合成出力目標値算出部を備える。第１制約条件：発電システムを系統連系するための制約条件第２制約条件：蓄電池を運用するための制約条件【選択図】図２

Description

本発明は、制御システム、制御方法およびコンピュータプログラムに関する。

近年、地球温暖化対策の一つとして再生可能エネルギーを利用した発電機が注目されている。このような中、風力発電機は、世界的に見ても、導入が最も進んだ再生可能エネルギーを利用した発電機の一つである。

風力発電機を備える発電システムが発電した電力は、電力会社に売電される。その際、系統連系のための種々の制約条件が事前に定められている。

系統連系のための制約条件を満たしつつ、発電システムを運用し続けるために、所定の機関が提供する気象予測情報に基づいて発電計画を立案し、その発電計画を満たすような発電システムの制御が従来行われている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１５−８０３５９号公報

しかしながら、気象予測情報の精度は近年向上しているものの、風力発電の発電量を正確に予測することは困難であり、その予測精度は３割程度とも言われている。このため、系統連系のための制約条件を満たしつつ、発電システムを運用し続けることは困難である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、系統連系のための制約条件を満たしつつ、風力発電機を備える発電システムを運用し続けるための制御システム、制御方法およびコンピュータプログラムを提供することを目的とする。

（１）上記目的を達成するために、本発明の一実施態様に係る制御システムは、風力発電機と蓄電池とを含む発電システムを制御する制御システムであって、前記風力発電機の出力が所定値であるとした場合に、前記発電システムの合成出力が下記の第１制約条件および第２制約条件を満たすのに最低限必要な蓄電池残量と、前記合成出力との関係性を示す情報を用いて、前記蓄電池の蓄電池残量から前記合成出力の目標値である合成出力目標値を算出する合成出力目標値算出部を備える。
第１制約条件：前記発電システムを系統連系するための制約条件
第２制約条件：前記蓄電池を運用するための制約条件

（８）本発明の他の実施態様に係る制御方法は、風力発電機と蓄電池とを含む発電システムを制御する制御方法であって、前記風力発電機の出力が所定値であるとした場合に、前記発電システムの合成出力が下記の第１制約条件および第２制約条件を満たすのに最低限必要な蓄電池残量と、前記合成出力との関係性を示す情報を用いて、前記蓄電池の蓄電池残量から前記合成出力の目標値である合成出力目標値を算出する合成出力目標値算出ステップを含む。
第１制約条件：前記発電システムを系統連系するための制約条件
第２制約条件：前記蓄電池を運用するための制約条件

（９）本発明の他の実施態様に係るコンピュータプログラムは、コンピュータを、風力発電機と蓄電池とを含む発電システムを制御する制御システムとして機能させるためのコンピュータプログラムであって、前記コンピュータを、前記風力発電機の出力が所定値であるとした場合に、前記発電システムの合成出力が下記の第１制約条件および第２制約条件を満たすのに最低限必要な蓄電池残量と、前記合成出力との関係性を示す情報を用いて、前記蓄電池の蓄電池残量から前記合成出力の目標値である合成出力目標値を算出する合成出力目標値算出部として機能させる。
第１制約条件：前記発電システムを系統連系するための制約条件
第２制約条件：前記蓄電池を運用するための制約条件

本発明によると、系統連系のための制約条件を満たしつつ、風力発電機を備える発電システムを運用し続けることができる。

本発明の実施の形態に係る電力システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る管理装置の構成を示すブロック図である。 短周期の出力変動緩和対策のための制約条件（条件ａ）について説明するための図である。 長周期の出力変動緩和対策のための制約条件（条件ｂ）について説明するための図である。 各装置の出力および蓄電池残量の時間的な推移を示す図である。 合成出力目標値の算出処理について説明するための図である。 本発明の実施の形態に係るＰＣＳの構成を示すブロック図である。 管理装置による合成出力目標値の算出処理の流れを示すフローチャートである。 ＰＣＳによる蓄電池制御処理の流れを示すフローチャートである。 各装置の出力および蓄電池残量の時間的な推移を示す他の図である。 蓄電池の定格容量と風力発電機の発電抑制率との関係を示す図である。

［本願発明の実施形態の概要］
最初に本発明の実施形態の概要を列記して説明する。
（１）本発明の一実施形態に係る制御システムは、風力発電機と蓄電池とを含む発電システムを制御する制御システムであって、前記風力発電機の出力が所定値であるとした場合に、前記発電システムの合成出力が下記の第１制約条件および第２制約条件を満たすのに最低限必要な蓄電池残量と、前記合成出力との関係性を示す情報を用いて、前記蓄電池の蓄電池残量から前記合成出力の目標値である合成出力目標値を算出する合成出力目標値算出部を備える。
第１制約条件：前記発電システムを系統連系するための制約条件
第２制約条件：前記蓄電池を運用するための制約条件

この構成によると、風力発電機の出力が所定値であるとした場合に、第１制約条件および第２制約条件を満たすための発電システムの合成出力目標値を算出することができる。つまり、風力発電機の出力が所定値以下の場合であっても、第１制約条件および第２制約条件を満たすために必要な合成出力目標値を算出することができる。所定値を小さな値に設定することで、気象条件によっては風力発電機の出力が小さいような場合であっても、適切な合成出力目標値を算出することができる。これにより、制御システムは、系統連系のための制約条件を満たしつつ、風力発電機を備える発電システムを運用し続けることができる。

（２）好ましくは、前記所定値は０である。

この構成によると、風力発電機の出力が０であった場合であっても、第１制約条件および第２制約条件を満たすための合成出力目標値を算出することができる。これにより、風力発電機が発電できなかったとしても、系統連系のための制約条件を満たしつつ、発電システムを運用し続けることができる。

（３）また、上述の制御システムは、さらに、前記合成出力目標値算出部が算出した前記合成出力目標値に基づいて、前記第１制約条件を満たす前記合成出力を算出する合成出力算出部と、前記合成出力算出部が算出した前記合成出力と、前記風力発電機の出力とに基づいて、前記蓄電池の出力を算出する蓄電池出力算出部とを備えていてもよい。

この構成によると、合成出力目標値が第１制約条件を満たさない場合には、合成出力目標値に基づいて第１制約条件を満たすような合成出力を算出することができる。合成出力が算出されると、当該合成出力から、風力発電機の出力を減じることにより、蓄電池の出力を算出することができる。これにより、第１制約条件を満たすように蓄電池の出力を制御することができる。

（４）また、前記第１制約条件は、単位時間当たりの前記合成出力の変化量の制約を含んでいてもよい。

この構成によると、合成出力が、単位時間当たりの合成出力の変化量の制約を満たすように、発電システムを制御することができる。これにより、例えば、合成出力が急激に変化し、不安定な電力が電力系統に逆潮流するのを防ぐことができる。

（５）また、前記第１制約条件は、所定の時間帯における前記合成出力の変化の方向の制約を含んでいてもよい。

この構成によると、合成出力が、所定の時間帯における合成出力の変化の方向の制約を満たすように、発電システムを制御することができる。これにより、例えば、電力需要の変動に合わせた電力を電力系統に流すことができる。

（６）また、前記第１制約条件は、前記発電システムが電力系統から受電しないことの制約を含んでいてもよい。

この構成によると、風力発電機が発電したよりも大きい電力を蓄電池が充電しないという制約のもとで、最適な合成出力目標値を算出することができる。

（７）また、前記第２制約条件は、前記蓄電池の蓄電池残量の制約を含んでいてもよい。

この構成によると、蓄電池の蓄電池残量を一定残量以上に保持しつつ、発電システムを運用し続けることのできる合成出力目標値を算出することができる。

（８）本発明の他の実施形態に係る制御方法は、風力発電機と蓄電池とを含む発電システムを制御する制御方法であって、前記風力発電機の出力が所定値であるとした場合に、前記発電システムの合成出力が下記の第１制約条件および第２制約条件を満たすのに最低限必要な蓄電池残量と、前記合成出力との関係性を示す情報を用いて、前記蓄電池の蓄電池残量から前記合成出力の目標値である合成出力目標値を算出する合成出力目標値算出ステップを含む。
第１制約条件：前記発電システムを系統連系するための制約条件
第２制約条件：前記蓄電池を運用するための制約条件

この構成は、上述した制御システムの構成要素に対応するステップを含む。このため、上述の制御システムと同様の作用および効果を奏することができる。

（９）本発明の他の実施形態に係るコンピュータプログラムは、コンピュータを、風力発電機と蓄電池とを含む発電システムを制御する制御システムとして機能させるためのコンピュータプログラムであって、前記コンピュータを、前記風力発電機の出力が所定値であるとした場合に、前記発電システムの合成出力が下記の第１制約条件および第２制約条件を満たすのに最低限必要な蓄電池残量と、前記合成出力との関係性を示す情報を用いて、前記蓄電池の蓄電池残量から前記合成出力の目標値である合成出力目標値を算出する合成出力目標値算出部として機能させる。
第１制約条件：前記発電システムを系統連系するための制約条件
第２制約条件：前記蓄電池を運用するための制約条件

この構成によると、コンピュータを、上述の制御システムとして機能させることができる。このため、上述の制御システムと同様の作用および効果を奏することができる。

［本願発明の実施形態の詳細］
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。本発明は、特許請求の範囲によって特定される。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明される。

＜電力システムの全体構成＞
図１は、本発明の実施の形態に係る電力システムの構成を示すブロック図である。
図１に示すように、電力システムは、３基の風力発電機２と、パワーコンディショナー（Power Conditioning System：以下、「ＰＣＳ」という）３と、蓄電池４と、ＰＣＳ５と、管理装置６とを備える。

ここで、３基の風力発電機２および蓄電池４とは、発電システムを構成し、ＰＣＳ３、ＰＣＳ５および管理装置６は、制御システムを構成する。

風力発電機２は、例えば、風エネルギーによりブレードと呼ばれる羽を回転させ、その回転を動力伝達軸を通じて発電機に伝えることにより、発電機で直流電力を発電し、出力する。各風力発電機２の出力は、例えば、６６０ｋＷである。なお、風力発電機２の台数は３基に限定されるものではない。

ＰＣＳ３は、単方向のＤＣ（直流）／ＡＣ（交流）変換器であり、３基の風力発電機２で発電された直流電力を交流電力に変換し、電力系統に逆潮流させる。なお、ＰＣＳ３は、風力発電機２の出力を制限する機能を有しており、任意量の電力を出力制限可能である。つまり、ＰＣＳ３は、風力発電機２の出力の全てを制限することも可能である。

蓄電池４は、直流電力を蓄電する装置であり、例えば、リチウムイオン電池、レドックスフロー電池、溶融塩電池、鉛蓄電池などの二次電池を含む。蓄電池４の定格容量は、例えば、１．６ＭＷ×１．５ｈであり、蓄電池４の充放電効率（充電エネルギーに対する放電エネルギーの比）は１００％である。また、蓄電池４のＳＯＣ（State of Charge）の範囲は１０〜９０％になるように維持されるものとする。

ＰＣＳ５は、双方向のＤＣ／ＡＣ変換器であり、ＰＣＳ３から出力される交流電力を直流電力に変換して蓄電池４に充電するとともに、蓄電池４から放電される直流電力を交流電力に変換し、電力系統に逆潮流させる。

なお、ＰＣＳ３および５から電力系統に逆潮流される電力の連系容量は、３．６ＭＷとする。

管理装置６は、ＰＣＳ３および５に接続され、風力発電機２の発電量（出力）、蓄電池４の蓄電池残量および充放電量（出力）などに基づいて、風力発電機２および蓄電池４の合成出力の目標値である合成出力目標値を算出する。その際、管理装置６は、以下の第１制約条件と第２制約条件を満たすように合成出力目標値を算出する。
第１制約条件：発電システムを系統連系するための制約条件
第２制約条件：蓄電池を運用するための制約条件

なお、第２制約条件は、上述した蓄電池４のＳＯＣを一定の範囲に制限するための制約条件である。第１制約条件の詳細については後述する。

ＰＣＳ５は、管理装置６が算出した合成出力目標値と、３基の風力発電機２の合計出力とに基づいて、蓄電池４の出力を算出する。なお、蓄電池４の出力が正の場合には、当該出力が蓄電池４の放電量を示し、当該出力が負の場合には、当該出力の絶対値が蓄電池４の充電量を示す。ＰＣＳ５は、算出した出力となるように、蓄電池４の充放電を制御する。

＜管理装置６の構成＞
図２は、本発明の実施の形態に係る管理装置の構成を示すブロック図である。
図２に示すように、管理装置６は、通信部６１と、風力発電機出力取得部６２と、蓄電池出力取得部６３と、蓄電池残量取得部６４と、合成出力目標値算出部６５と、記憶装置６６とを備える。

通信部６１は、ＰＣＳ３および５と有線または無線により通信を行うための通信インタフェースを含んで構成される。

風力発電機出力取得部６２は、風力発電機２の出力に関する情報を、ＰＣＳ３から取得する。つまり、風力発電機出力取得部６２は、各風力発電機２の発電量を、ＰＣＳ３から所定の時間間隔で取得する。

蓄電池出力取得部６３は、蓄電池４の出力に関する情報を、ＰＣＳ５から取得する。つまり、蓄電池出力取得部６３は、蓄電池４の充電量または放電量を、ＰＣＳ５から所定の時間間隔で取得する。

蓄電池残量取得部６４は、蓄電池４の蓄電池残量に関する情報を、ＰＣＳ５から所定の時間間隔で取得する。

合成出力目標値算出部６５は、３基の風力発電機２の合計出力が所定値（例えば、０）であるとした場合に、発電システムの合成出力が第１制約条件および第２制約条件を満たすのに最低限必要な蓄電池残量と、合成出力との関係性を示す情報（後述する関数ｇ）を用いて、蓄電池４の蓄電池残量から合成出力の目標値である合成出力目標値を算出する。通信部６１は、合成出力目標値算出部６５が算出した合成出力目標値を、ＰＣＳ５に送信する。合成出力目標値算出部６５による合成出力目標値の算出処理については、後述する。

記憶装置６６は、第１制約条件および第２制約条件の他、各種情報を記憶する。記憶装置６６は、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）などの磁気ディスク装置や、不揮発性メモリ、揮発性メモリなどにより構成される。

＜第１制約条件について＞
ここで、発電システムを系統連系するにあたり電力会社との間で守らなければならない制約条件である第１制約条件について説明する。
第１制約条件には、例えば、以下の３つの制約条件がある。

（条件ａ）短周期の出力変動緩和対策のための制約条件
すべての時間において、発電システムの合成出力の変化速度を「発電システムの定格出力の１％以下／分」とする。つまり、３基の風力発電機２と蓄電池４の合成出力の変化速度を、３６ｋＷ／分以下にする。

図３は、短周期の出力変動緩和対策のための制約条件（条件ａ）について説明するための図である。

図３では、横軸に時間を示し、縦軸に発電システムの合成出力を示す。条件ａに従うと、発電システムの合成出力の変化速度が「発電システムの定格出力の１％以下／分」となるように修正される。これにより、出力変動緩和前のグラフでは合成出力の変動が大きいのに対し、条件ａに従った出力変動緩和後のグラフでは合成出力の短期的な変動が抑えられている。

（条件ｂ）長周期の出力変動緩和対策のための制約条件
以下の指定時間帯において、発電システムの合成出力の変動方向を制限する。
・ ７：００〜１０：００：発電システムの合成出力を減少させない
・１１：３０〜１３：３０：発電システムの合成出力を増減させない
・１６：００〜１９：００：発電システムの合成出力を減少させない
・２０：００〜２３：００：発電システムの合成出力を増加させない

図４は、長周期の出力変動緩和対策のための制約条件（条件ｂ）について説明するための図である。

図４では、横軸に時間を示し、縦軸に電力を示している。図４の電力の総需要のグラフから分かるように、７：００〜１０：００と１６：００〜１９：００の２つの時間帯において、電力の総需要が大きく増加している。このため、条件ｂでは、この間の発電システムの合成出力を減少させないこととしている。これにより、電力系統に流れる電力が減少するのを防いでいる。

また、１１：３０〜１３：３０においては、電力の総需要の変動が大きい。このため、条件ｂでは、この間の発電システムの合成出力を増減させないこととしている。これにより、電力系統に流れる電力の変動を抑えている。

さらに、２０：００〜２３：００においては、電力の総需要が大きく減少している。このため、条件ｂでは、この間の発電システムの合成出力を増加させないこととしている。これにより、電力系統に流れる電力が増加するのを防いでいる。

図４のグラフの下方には、出力変動緩和前の発電システムの合成出力を破線で示し、条件ｂによる出力変動緩和後の発電システムの合成出力を実線で示している。出力変動緩和前には、上記した４つの時間帯において、合成出力の出力変動が生じていたが、条件ｂに従った出力変動緩和後には、当該４つの時間帯において、長期的な出力変動が抑えられている。

（条件ｃ）蓄電池の充電制限
蓄電池４による発電システムの合成出力の変動緩和対策を行う場合には、電力系統から蓄電池４への充電を行わない。つまり、蓄電池４は、風力発電機２の合計出力以上に充電しない。

上述の条件ａ〜ｃの制約条件は、１分の粒度において満たさなければならないものとする。

＜合成出力目標値の算出処理について＞
次に、合成出力目標値算出部６５による合成出力目標値の算出処理について詳細に説明する。

図５は、各装置の出力および蓄電池残量の時間的な推移を示す図である。横軸は時間（分）を示し、左側の縦軸は各装置の出力（ｋＷ）を示し、右側の縦軸は蓄電池残量を示す。

合成出力目標値算出部６５は、以下の式１〜式１２に示す制約条件の下で、発電システムの出力（合成出力）の目標値である合成出力目標値を算出する。

ここで、時刻ｔにおける３基の風力発電機２の合計出力（以下、「風力発電機出力」という）をＷｐ（ｔ）とする。また、時刻ｔにおける蓄電池４の出力（以下、「蓄電池出力」という）をＢｐ（ｔ）とする。また、時刻ｔにおける発電システムの合成出力（以下、「合成出力」という）をＳｐ（ｔ）とする。また、時刻ｔにおける合成出力目標値をＴＳｐ（ｔ）とする。また、時刻ｔにおける蓄電池４の蓄電池残量をＳｏｃ（ｔ）とする。

以下の式１および式２は、初期条件を示す。図５に示す例では、時刻ｔ＝０における蓄電池残量Ｓｏｃ（０）は、蓄電池４の定格容量の５０％である１２００ｋＷｈとしている。また、式３および式４は、定常条件を示している。また、式５は、第１制約条件のうちの条件ａを示す。式６〜式９は、第１制約条件のうちの条件ｂを示す。式１０は、第１制約条件のうちの条件ｃを示す。さらに、式１１および式１２は、第２制約条件を示す。
初期条件：
Ｂｐ（０）＝０ …（式１）
Ｓｏｃ（０）＝蓄電池４の定格容量（１．６ＭＷ×１．５ｈ＝２４００ｋＷｈ）の２５％、５０％または７５％ …（式２）

定常条件：
０≦ｔ＜１４４０ …（式３）
Ｓｐ（ｔ）＝Ｗｐ（ｔ）＋Ｂｐ（ｔ） …（式４）

第１制約条件：
｜Ｓｐ（ｔ＋１）−Ｓｐ（ｔ）｜≦発電システムの定格出力の１％（３６ｋＷ） …（式５）
Ｓｐ（ｔ＋１）≧Ｓｐ（ｔ） （４２０≦ｔ＜６００） …（式６）
Ｓｐ（ｔ＋１）＝Ｓｐ（ｔ） （６９０≦ｔ＜８１０） …（式７）
Ｓｐ（ｔ＋１）≧Ｓｐ（ｔ） （９６０≦ｔ＜１１４０） …（式８）
Ｓｐ（ｔ＋１）≦Ｓｐ（ｔ） （１２００≦ｔ＜１３８０） …（式９）
Ｓｐ（ｔ）≧０ …（式１０）

第２制約条件：
Ｓｏｃ（ｔ）≦蓄電池４の定格容量（２４００ｋＷｈ）の９０％（２１６０ｋＷｈ） …（式１１）
Ｓｏｃ（ｔ）≧蓄電池４の定格容量（２４００ｋＷｈ）の１０％（２４０ｋＷｈ） …（式１２）

合成出力目標値算出部６５は、上記した式１〜式１２に示す制約条件の他にも、図１に示した風力発電機２の定格出力および台数、蓄電池４の定格容量および充放電効率、電力系統への電力の連系容量などのシステム構成上の制約も満たすように、合成出力目標値ＴＳｐ（ｔ）を算出する。

図６は、合成出力目標値の算出処理について説明するための図である。横軸は時間［ｈ］を示し、縦軸は出力［ｋＷ］を示す。

ある時刻ｔにおける合成出力がＳｐ（ｔ）であるとする。また、時刻ｔ以降における風力発電機出力Ｗｐ（ｔ）が０になったとする。Ｗｐ（ｔ）＝０の場合には、式４よりＳｐ（ｔ）＝Ｂｐ（ｔ）となるため、蓄電池残量Ｓｏｃ（ｔ）が最も消費される状況となる。このとき、式５〜式９に示した第１制約条件および式１１〜式１２に示した第２制約条件を満たす合成出力Ｓｐ（ｔ）の時間的推移は、図６に示すようになる。つまり、式１２に基づいて蓄電池残量Ｓｏｃ（ｔ）が２４０ｋＷｈになるまで、式５〜式９を満たすように合成出力Ｓｐ（ｔ）を減少させたものが、図６に示した合成出力Ｓｐ（ｔ）の時間的推移である。合成出力Ｓｐ（ｔ）が０になった時点が、蓄電池残量Ｓｏｃ（ｔ）が２４０ｋＷｈになった時点である。

時刻ｔ以降の合成出力Ｓｐ（ｔ）の累積値（図６でハッチングを施した領域の面積）が蓄電池４に最低限必要な蓄電池残量Ｓｏｃ（ｔ）となる。つまり、時刻ｔにおける合成出力Ｓｐ（ｔ）と、第１制約条件および第２制約条件を守るために最低限必要な蓄電池残量Ｓｏｃ（ｔ）との関係は、以下の式１３で示すことができる。
Ｓｏｃ（ｔ）＝ｇ（ｔ，Ｓｐ（ｔ）） …（式１３）

時刻ｔの間隔が十分小さければＳｏｃ（ｔ＋１）をＳｏｃ（ｔ）で代用することができる。また、Ｓｏｃ（ｔ）を一次近似することによりＳｏｃ（ｔ＋１）を算出することもできる。このため、合成出力目標値算出部６５は、式１３に示す関数ｇの逆関数を関数ｇ^−１とした場合、時刻ｔにおける蓄電池残量Ｓｏｃ（ｔ）から導き出したＳｏｃ（ｔ＋１）を用いて、時刻（ｔ＋１）における合成出力Ｓｐ（ｔ＋１）を算出する（式１４）。
Ｓｐ（ｔ＋１）＝ｇ^−１（ｔ＋１，Ｓｏｃ（ｔ＋１）） …（式１４）

合成出力目標値算出部６５は、Ｓｐ（ｔ＋１）を合成出力目標値ＴＳｐ（ｔ＋１）とする。
図５においては、合成出力目標値ＴＳｐ（ｔ）を破線で示している。

ＰＣＳ５は、合成出力目標値ＴＳｐ（ｔ）を超えない範囲において、蓄電池４の出力を制御する。ＰＣＳ５による蓄電池出力の制御方法については後述する。

＜ＰＣＳ５の構成＞
図７は、本発明の実施の形態に係るＰＣＳの構成を示すブロック図である。
図７に示すように、ＰＣＳ５は、通信部５１と、合成出力目標値取得部５２と、合成出力算出部５３と、風力発電機出力取得部５４と、蓄電池出力算出部５５と、記憶装置５６と、蓄電池制御部５７とを備える。

通信部５１は、管理装置６と有線または無線により通信を行うための通信インタフェースを含んで構成される。

合成出力目標値取得部５２は、通信部５１を介して、管理装置６から、管理装置６が算出した発電システムの合成出力目標値ＴＳｐ（ｔ）を取得する。例えば、合成出力目標値取得部５２は、一分間隔で管理装置６に対して合成出力目標値の要求信号を送信し、管理装置６は、当該要求信号に応答して合成出力目標値の情報を送信するようにしてもよい。また、管理装置６が一分間隔で合成出力目標値の情報をＰＣＳ５にプッシュ型で送信するようにしてもよい。

合成出力算出部５３は、合成出力目標値取得部５２が取得した合成出力目標値ＴＳｐ（ｔ）に基づいて、合成出力目標値を超えない範囲内で、上述の第１制約条件を満たす合成出力Ｓｐ（ｔ）を算出する。なお、合成出力Ｓｐ（ｔ）の算出対象とする時刻は、合成出力目標値ＴＳｐ（ｔ）に対応する時刻ｔと同じである。

つまり、合成出力目標値ＴＳｐ（ｔ）の時間推移は、第１制約条件を満たしていない場合がある。このため、合成出力算出部５３は、第１制約条件を満たす範囲内で合成出力目標値ＴＳｐ（ｔ）に最も近くなるように合成出力Ｓｐ（ｔ）を算出する。なお、合成出力目標値ＴＳｐ（ｔ）が第１制約条件を満たしている場合には、合成出力目標値ＴＳｐ（ｔ）と合成出力Ｓｐ（ｔ）とは同じ値になる。

風力発電機出力取得部５４は、通信部５１を介して、管理装置６から、３基の風力発電機２の合計出力（風力発電機出力）Ｗｐ（ｔ）の情報を取得する。例えば、合成出力算出部５３は、一分間隔で管理装置６に対して風力発電機出力の要求信号を送信し、管理装置６は、当該要求信号に応答して風力発電機出力Ｗｐ（ｔ）の情報を送信するようにしてもよい。また、管理装置６が一分間隔で風力発電機出力Ｗｐ（ｔ）の情報をＰＣＳ５にプッシュ型で送信するようにしてもよい。

蓄電池出力算出部５５は、合成出力算出部５３が算出した合成出力Ｓｐ（ｔ）と、風力発電機出力取得部５４が取得した風力発電機出力Ｗｐ（ｔ）とに基づいて、蓄電池出力Ｂｐ（ｔ）を算出する。つまり、蓄電池出力算出部５５は、以下の式１５に従って、合成出力Ｓｐ（ｔ）から風力発電機出力Ｗｐ（ｔ）を減じることにより、蓄電池出力Ｂｐ（ｔ）を算出する。
Ｂｐ（ｔ）＝Ｓｐ（ｔ）−Ｗｐ（ｔ） …（式１５）
なお、式１５は、式４から導き出される。

記憶装置５６は、蓄電池４の定格容量などの各種情報を記憶する。記憶装置５６は、例えば、ＨＤＤなどの磁気ディスク装置や、不揮発性メモリ、揮発性メモリなどにより構成される。

蓄電池制御部５７は、蓄電池出力算出部５５が算出した蓄電池出力Ｂｐ（ｔ）に基づいて、当該出力が実現されるように蓄電池４の充放電を制御する。つまり、蓄電池制御部５７は、蓄電池出力Ｂｐ（ｔ）が正の場合には、蓄電池出力Ｂｐ（ｔ）の電力を蓄電池４から放電させ、蓄電池出力Ｂｐ（ｔ）が負の場合には、蓄電池出力Ｂｐ（ｔ）の絶対値の電力を蓄電池４に充電させる。なお、蓄電池４に蓄電される電力は、すべて風力発電機２の発電電力である。

＜管理装置６の処理フロー＞
図８は、管理装置による合成出力目標値の算出処理の流れを示すフローチャートである。

図８および図２を参照して、合成出力目標値算出部６５は、記憶装置６６に記憶されている合成出力目標値を算出するための制約条件の情報を、記憶装置６６から読み出すことにより取得する（Ｓ１）。つまり、合成出力目標値算出部６５は、上述した初期条件（式１、式２）、定常条件（式３、式４）、第１制約条件（式５〜式１０）、第２制約条件（式１１、式１２）、図１に示したシステム構成上の制約条件などの情報を取得する。

風力発電機出力取得部６２は、現在の時刻ｔにおける風力発電機出力Ｗｐ（ｔ）を、ＰＣＳ３から取得する（Ｓ２）。

蓄電池出力取得部６３は、現在の時刻ｔにおける蓄電池出力Ｂｐ（ｔ）を、ＰＣＳ５から取得する（Ｓ３）。

合成出力目標値算出部６５は、ステップＳ２およびＳ３でそれぞれ取得された風力発電機出力Ｗｐ（ｔ）および蓄電池出力Ｂｐ（ｔ）の合成出力Ｓｐ（ｔ）を算出する（Ｓ４）。つまり、合成出力目標値算出部６５は、上述の式４に従って、風力発電機出力Ｗｐ（ｔ）および蓄電池出力Ｂｐ（ｔ）を加算することにより、合成出力Ｓｐ（ｔ）を算出する。

蓄電池残量取得部６４は、現在の時刻ｔにおける蓄電池残量Ｓｏｃ（ｔ）を、ＰＣＳ５から取得する（Ｓ５）。

合成出力目標値算出部６５は、上述した式１〜式１２に示す制約条件の下で、次の時刻（ｔ＋１）における合成出力目標値ＴＳｐ（ｔ＋１）を算出する（Ｓ６）。合成出力目標値の算出処理の詳細は上述した通りである。このため、その詳細な説明は繰り返さない。

管理装置６は、所定の終了条件を満たすか否かを判断する（Ｓ７）。例えば、管理装置６は、予め設定された合計出力目標値の算出期間が満了した場合に終了条件を満たすと判断してもよいし、ユーザが、合計出力目標値の算出処理の停止を指示した場合に終了条件を満たすと判断してもよい。

終了条件を満たさない場合には（Ｓ７でＮＯ）、ステップＳ２以降の処理が繰り返し実行される。終了条件を満たす場合には（Ｓ７でＹＥＳ）、管理装置６は、合成出力目標値の算出処理を終了する。

＜ＰＣＳ５の処理フロー＞
図９は、ＰＣＳによる蓄電池制御処理の流れを示すフローチャートである。
図９および図７を参照して、合成出力目標値取得部５２は、管理装置６から、発電システムの現在時刻ｔにおける合成出力目標値ＴＳｐ（ｔ）を取得する（Ｓ１１）。

合成出力算出部５３は、合成出力目標値取得部５２が取得した合成出力目標値ＴＳｐ（ｔ）に基づいて、合成出力目標値を超えない範囲内で、上述の第１制約条件を満たす合成出力Ｓｐ（ｔ）を算出する（Ｓ１２）。

風力発電機出力取得部５４は、管理装置６から、風力発電機出力Ｗｐ（ｔ）を取得する（Ｓ１３）。

蓄電池出力算出部５５は、ステップＳ１２で算出された合成出力Ｓｐ（ｔ）と、ステップＳ１３で取得された風力発電機出力Ｗｐ（ｔ）とに基づいて、蓄電池出力Ｂｐ（ｔ）を算出する（Ｓ１４）。つまり、蓄電池出力算出部５５は、上述の式１５に従って、合成出力Ｓｐ（ｔ）から風力発電機出力Ｗｐ（ｔ）を減じることにより、蓄電池出力Ｂｐ（ｔ）を算出する。

蓄電池制御部５７は、蓄電池出力算出部５５が算出した蓄電池出力Ｂｐ（ｔ）に基づいて、当該出力が実現されるように蓄電池４の充放電を制御する（Ｓ１５）。

ＰＣＳ５は、所定の終了条件を満たすか否かを判断する（Ｓ１６）。例えば、ＰＣＳ５は、予め設定された蓄電池４の制御対象期間が満了した場合に終了条件を満たすと判断してもよいし、蓄電池４が停止した場合に終了条件を満たすと判断してもよい。

終了条件を満たさない場合には（Ｓ１６でＮＯ）、ステップＳ１１以降の処理が繰り返し実行される。終了条件を満たす場合には（Ｓ１６でＹＥＳ）、ＰＣＳ５は、蓄電池４の制御処理を終了する。

＜風力発電機２の発電抑制について＞
図１０は、各装置の出力および蓄電池残量の時間的な推移を示す他の図である。図１０の見方は、図５と同様である。

上述したように、合成出力目標値ＴＳｐ（ｔ）を超えない範囲で合成出力Ｓｐ（ｔ）が決定され、蓄電池出力Ｂｐ（ｔ）が制御される。ただし、図１０に示す例では、昼の時間帯において、風力発電機出力Ｗｐ（ｔ）も大きく、かつ蓄電池残量Ｓｏｃ（ｔ）も大きくなっている。このような状況においては、風力発電機出力Ｗｐ（ｔ）を蓄電池４に充電してしまうと、上述した式１２に示す第２制約条件を満たさなくなる場合がある。このような場合には、管理装置６からＰＣＳ３に対して、風力発電の抑制指示が送信される。ＰＣＳ３は、当該抑制指示に応答して、風力発電機２の発電抑制処理を実施する。

図１１は、蓄電池の定格容量と風力発電機の発電抑制率との関係を示す図である。横軸は、蓄電池４の定格容量を示し、縦軸は風力発電機２の発電抑制率を示す。

発電抑制率は、式１２に示す第２制約条件を満たすように風力発電機２の発電抑制を行った場合の風力発電の抑制率を表し、以下の式１６で算出することができる。

発電抑制率［%］＝（抑制電力合計［ｋＷｈ］／風力発電機出力合計［ｋＷｈ］）×１００ …（式１６）

ここで、風力発電機出力合計は、風力発電機２の発電抑制を行わなかった場合の風力発電機出力Ｗｐ（ｔ）の累積値である。抑制電力合計は、風力発電機２の発電抑制を行った電力の累積値である。

図１１に示すように、蓄電池４の定格容量が２４００ｋＷｈの場合の発電抑制率は０．１９％程度である。このため、蓄電池４の定格容量は２４００ｋＷｈ程度あれば十分であることが分かる。このように、発電抑制率を算出することで、最適な蓄電池４の定格容量を求めることができる。

＜実施の形態の効果等＞
以上説明したように、本発明の実施の形態によると、管理装置６は、図６に示したように風力発電機出力Ｗｐ（ｔ）が０であるとした場合に、第１制約条件および第２制約条件を満たすための発電システムの合成出力目標値ＴＳｐ（ｔ）を算出することができる。つまり、風力発電機出力Ｗｐ（ｔ）が０であっても、第１制約条件および第２制約条件を満たすために必要な合成出力目標値ＴＳｐ（ｔ）を算出することができる。風力発電機出力Ｗｐ（ｔ）を０に設定することで、気象条件によっては風力発電機の出力がない場合であっても、適切な合成出力目標値ＴＳｐ（ｔ）を算出することができる。これにより、制御システムは、系統連系のための制約条件を満たしつつ、風力発電機２を備える発電システムを運用し続けることができる。なお、合成出力目標値ＴＳｐ（ｔ）を算出する際に、風力発電機出力Ｗｐ（ｔ）を０と仮定したが、風力発電機出力Ｗｐ（ｔ）を正の所定値と仮定してもよい。

また、ＰＣＳ５は、合成出力目標値ＴＳｐ（ｔ）が第１制約条件を満たさない場合には、合成出力目標値ＴＳｐ（ｔ）に基づいて第１制約条件を満たすような合成出力Ｓｐ（ｔ）を算出することができる。合成出力Ｓｐ（ｔ）が算出されると、合成出力Ｓｐ（ｔ）から、風力発電機出力Ｗｐ（ｔ）を減じることにより、蓄電池出力Ｂｐ（ｔ）を算出することができる。これにより、ＰＣＳ５は、第１制約条件を満たすように蓄電池４の出力を制御することができる。

なお、第１制約条件は、式５に示したような単位時間当たりの合成出力Ｓｐ（ｔ）の変化量の制約を含む。このため、管理装置６は、合成出力Ｓｐ（ｔ）が、単位時間当たりの合成出力Ｓｐ（ｔ）の変化量の制約を満たすように、発電システムを制御することができる。これにより、例えば、合成出力Ｓｐ（ｔ）が急激に変化し、不安定な電力が電力系統に逆潮流するのを防ぐことができる。

また、第１制約条件は、式６〜式９に示したような所定の時間帯における合成出力Ｓｐ（ｔ）の変化の方向の制約を含む。このため、管理装置６は、合成出力ＳＰ（ｔ）が、所定の時間帯における合成出力Ｓｐ（ｔ）の変化の方向の制約を満たすように、発電システムを制御することができる。これにより、例えば、電力需要の変動に合わせた電力を電力系統に流すことができる。

また、第１制約条件は、式１０に示したような発電システムが電力系統から受電しないことの制約を含む。このため、管理装置６は、風力発電機２が発電したよりも大きい電力を蓄電池４が充電しないという制約のもとで、最適な合成出力目標値ＴＳｐ（ｔ）を算出することができる。

また、第２制約条件は、式１１および式１２に示したような蓄電池４の蓄電池残量の制約を含む。このため、管理装置６は、蓄電池残量Ｓｏｃ（ｔ）を一定範囲に維持しつつ、発電システムを運用し続けることのできる合成出力目標値ＴＳｐ（ｔ）を算出することができる。

＜付記＞
以上、本発明の実施の形態に係る電力システム１について説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。

例えば、上述の実施の形態では、管理装置６が合成出力目標値ＴＳｐ（ｔ）を算出し、ＰＣＳ５が合成出力目標値ＴＳｐ（ｔ）に基づいて蓄電池出力Ｂｐ（ｔ）算出することとしたが、管理装置６が、蓄電池出力Ｂｐ（ｔ）の算出を行うものであってもよい。算出した蓄電池出力Ｂｐ（ｔ）は、管理装置６からＰＣＳ５に提供され、ＰＣＳ５は、提供を受けた蓄電池出力Ｂｐ（ｔ）に基づいて、蓄電池４の充放電を制御する。

また、上記の各装置は、具体的には、マイクロプロセッサ、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）などから構成されるコンピュータとして構成されてもよい。ＲＯＭ、ＲＡＭまたはＨＤＤには、コンピュータプログラムが記憶されている。マイクロプロセッサが、コンピュータプログラムに従って動作することにより、各装置は、その機能を達成する。

さらに、上記の各装置を構成する構成要素の一部または全部は、１個のシステムＬＳＩから構成されているとしてもよい。システムＬＳＩは、複数の構成部を１個のチップ上に集積して製造された超多機能ＬＳＩであり、具体的には、マイクロプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを含んで構成されるコンピュータシステムである。ＲＡＭには、コンピュータプログラムが記憶されている。マイクロプロセッサが、コンピュータプログラムに従って動作することにより、システムＬＳＩは、その機能を達成する。

また、本発明は、上記に示す方法であるとしてもよい。また、本発明は、これらの方法をコンピュータにより実現するコンピュータプログラムであるとしてもよい。

さらに、本発明は、上記コンピュータプログラムをコンピュータ読取可能な非一時的な記録媒体、例えば、ＨＤＤ、ＣＤ−ＲＯＭ、半導体メモリなどに記録したものとしてもよい。当該コンピュータプログラムは、電気通信回線、無線または有線通信回線、インターネットを代表とするネットワーク、データ放送等を経由して伝送してもよい。
また、上記各装置は、複数のコンピュータにより実現されてもよい。

また、上記各装置の一部または全部の機能がクラウドコンピューティングによって提供されてもよい。つまり、各装置の一部または全部の機能がクラウドサーバにより実現されていてもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 電力システム
２ 風力発電機
４ 蓄電池
６ 管理装置
５１ 通信部
５２ 合成出力目標値取得部
５３ 合成出力算出部
５４ 風力発電機出力取得部
５５ 蓄電池出力算出部
５６ 記憶装置
５７ 蓄電池制御部
６１ 通信部
６２ 風力発電機出力取得部
６３ 蓄電池出力取得部
６４ 蓄電池残量取得部
６５ 合成出力目標値算出部
６６ 記憶装置

Claims (9)

1. 風力発電機と蓄電池とを含む発電システムを制御する制御システムであって、
   前記風力発電機の出力が所定値であるとした場合に、前記発電システムの合成出力が下記の第１制約条件および第２制約条件を満たすのに最低限必要な蓄電池残量と、前記合成出力との関係性を示す情報を用いて、前記蓄電池の蓄電池残量から前記合成出力の目標値である合成出力目標値を算出する合成出力目標値算出部を備える、制御システム。
   第１制約条件：前記発電システムを系統連系するための制約条件
   第２制約条件：前記蓄電池を運用するための制約条件
2. 前記所定値は０である、請求項１に記載の制御システム。
3. さらに、
   前記合成出力目標値算出部が算出した前記合成出力目標値に基づいて、前記第１制約条件を満たす前記合成出力を算出する合成出力算出部と、
   前記合成出力算出部が算出した前記合成出力と、前記風力発電機の出力とに基づいて、前記蓄電池の出力を算出する蓄電池出力算出部とを備える、請求項１または請求項２に記載の制御システム。
4. 前記第１制約条件は、単位時間当たりの前記合成出力の変化量の制約を含む、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の制御システム。
5. 前記第１制約条件は、所定の時間帯における前記合成出力の変化の方向の制約を含む、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の制御システム。
6. 前記第１制約条件は、前記発電システムが電力系統から受電しないことの制約を含む、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の制御システム。
7. 前記第２制約条件は、前記蓄電池の蓄電池残量の制約を含む、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の制御システム。
8. 風力発電機と蓄電池とを含む発電システムを制御する制御方法であって、
   前記風力発電機の出力が所定値であるとした場合に、前記発電システムの合成出力が下記の第１制約条件および第２制約条件を満たすのに最低限必要な蓄電池残量と、前記合成出力との関係性を示す情報を用いて、前記蓄電池の蓄電池残量から前記合成出力の目標値である合成出力目標値を算出する合成出力目標値算出ステップを含む、制御方法。
   第１制約条件：前記発電システムを系統連系するための制約条件
   第２制約条件：前記蓄電池を運用するための制約条件
9. コンピュータを、風力発電機と蓄電池とを含む発電システムを制御する制御システムとして機能させるためのコンピュータプログラムであって、
   前記コンピュータを、
   前記風力発電機の出力が所定値であるとした場合に、前記発電システムの合成出力が下記の第１制約条件および第２制約条件を満たすのに最低限必要な蓄電池残量と、前記合成出力との関係性を示す情報を用いて、前記蓄電池の蓄電池残量から前記合成出力の目標値である合成出力目標値を算出する合成出力目標値算出部として機能させる、コンピュータプログラム。
   第１制約条件：前記発電システムを系統連系するための制約条件
   第２制約条件：前記蓄電池を運用するための制約条件

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