JP2021002085A - Biogas power generation plan system and biogas power generation plan device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、バイオガス発電計画システム及びバイオガス発電計画装置に関する。 The present invention relates to a biogas power generation planning system and a biogas power generation planning device.
有機性のエネルギー資源であるバイオマスを利用して行われる発電方式として、例えば、バイオガス発電がある。バイオガス発電は、牛や豚といった家畜の糞尿、生ごみや下水などの有機物を発酵させることで、メタンや二酸化炭素などから構成されるバイオガスを生成する過程と、バイオガスを燃焼してタービンを駆動させて発電する過程とを組み合わせた発電方式である。 For example, there is biogas power generation as a power generation method using biomass, which is an organic energy resource. Biogas power generation is a process of producing biogas composed of methane and carbon dioxide by fermenting manure from livestock such as cows and pigs, and organic substances such as kitchen waste and sewage, and a turbine that burns biogas. It is a power generation method that combines the process of driving and generating power.
バイオガス発電においては、バイオガス発電を行う事業者が固定価格買取制度(FIT:Feed-in Tariff)を利用し、一般送配電事業者との間で発電した電気の全量を買い取る契約を結ぶことが一般的である。売電価格は日時に依らず一定であるため、バイオガス発電を行う事業者は、バイオガス生成量を増やして、売電量を最大化するよう運転計画を立てていた。 In biogas power generation, a biogas power generation company uses a feed-in tariff (FIT) to conclude a contract with a general power transmission and distribution business operator to purchase all of the electricity generated. Is common. Since the selling price is constant regardless of the date and time, the biogas power generation company has made an operation plan to increase the amount of biogas generated and maximize the amount of electricity sold.
売電量を最大化するには、バイオガス生成量を最大化する必要がある。このため、バイオマスを発酵し、バイオガスを生成する機械(以下、「バイオガス生成機」という)の温度やpHといった制御値(以下、「バイオガス生成機状態量」という)は、バイオガス生成量が最大となる値で固定することが一般的であった。そのため、バイオガス生成量は、僅かな季節変化がある以外は一定であった。 In order to maximize the amount of electricity sold, it is necessary to maximize the amount of biogas produced. Therefore, control values such as temperature and pH of a machine that ferments biomass and produces biogas (hereinafter referred to as "biogas generator") (hereinafter referred to as "biogas generator state quantity") are used to generate biogas. It was common to fix the amount at the maximum value. Therefore, the amount of biogas produced was constant except for slight seasonal changes.
バイオガス発電の運転計画技術の一つとして、特許文献1に記載される技術が知られている。この特許文献1には、燃料としての利用に基づき発電される電力の売電単価が各々で異なる2種類のガスを含む燃料ガスを利用して発電を行う場合に、発電される電力の売電による収益を高めるための技術について開示されている。
The technique described in
ところで、固定価格買取制度が終了した後は、市場取引により電気の売電価格が決定される。売電価格が一定でなくなれば、バイオガス発電を行う事業者は、売電価格が高い時間帯に多くの電力を発電機に発電させたいという要望がある。この要望に応えるためには、時定数が週オーダーのバイオガス生成機と、秒オーダーの発電機とが協調した運転を行うことにより利益を向上させる必要がある。 By the way, after the feed-in tariff is completed, the selling price of electricity is determined by market transactions. If the selling price becomes constant, the biogas power generation company wants to generate a large amount of power to the generator during the time when the selling price is high. In order to meet this demand, it is necessary to improve profits by coordinating the operation of a biogas generator with a time constant on the order of weeks and a generator on the order of seconds.
しかし、バイオガスの不足分を都市ガスで補う特許文献1に開示された技術では、バイオガス生成機の制御を考慮しておらず、電気の売電価格の変化に対応できなかった。また、特許文献1に開示された技術では、異なる2種類のガスを含む燃料ガスを利用して発電を行うことができるにすぎず、市場取引される電気の売電価格の変動に合わせてバイオガス生成機の制御を変えることができなかった。
However, the technique disclosed in
本発明はこのような状況に鑑みて成されたものであり、売電価格の変動に合わせてバイオガス生成機と発電機を協調して制御できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to enable the biogas generator and the generator to be coordinatedly controlled in accordance with fluctuations in the selling price of electricity.
本発明に係るバイオガス発電計画システムは、設定された制御量に従ってバイオガスを生成するバイオガス生成機と、バイオガス生成機が生成したバイオガスを燃料として発電する発電機と、バイオガス生成機を駆動して、発電機に発電を行わせるバイオガス発電の運転計画を作成するバイオガス発電計画装置と、を備える。
バイオガス発電計画装置は、バイオガス生成機が生成するバイオガスのガス単価をモデル化したバイオガス生成機モデルと、発電機の発電効率をモデル化した発電機モデルとを生成するモデル生成部と、外部から入力される制御パラメータ、及びバイオガス生成機から入力されるバイオガス生成機パラメータに基づいて、発電機が発電した電気を売電して得られる利益予測額と、発電機モデル及びバイオガス生成機モデルに基づいてバイオガス生成機を駆動するための制御量とを算出し、利益予測額が大きくなるように発電機及びバイオガス生成機に協調運転を行わせる運転計画を作成する運転計画部と、を備える。
The biogas power generation planning system according to the present invention includes a biogas generator that generates biogas according to a set controlled amount, a generator that generates biogas generated by the biogas generator as fuel, and a biogas generator. It is equipped with a biogas power generation planning device that creates an operation plan for biogas power generation that drives a generator to generate power.
The biogas power generation planning device is a model generator that generates a biogas generator model that models the gas unit price of biogas generated by the biogas generator and a generator model that models the power generation efficiency of the generator. , The profit forecast amount obtained by selling the electricity generated by the generator based on the control parameters input from the outside and the biogas generator parameters input from the biogas generator, and the generator model and bio. The control amount for driving the biogas generator is calculated based on the gas generator model, and the operation plan for making the generator and the biogas generator perform cooperative operation so that the profit forecast amount becomes large is created. It has a planning department.
本発明によれば、発電機が発電した電気を売電して得られる利益予測額が大きくなるように、操作指示に対して応答するまでの時定数が異なるバイオガス生成機と発電機の協調運転を行わせる運転計画を作成し、売電利益を向上することが可能となる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。
According to the present invention, cooperation between a biogas generator and a generator having different time constants until they respond to an operation instruction so that the profit forecast amount obtained by selling the electricity generated by the generator becomes large. It is possible to create an operation plan for driving and improve the profit of selling electricity.
Issues, configurations and effects other than those described above will be clarified by the following description of the embodiments.
以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照して説明する。本明細書及び図面において、実質的に同一の機能又は構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the present specification and the drawings, components having substantially the same function or configuration are designated by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.
[第1の実施の形態]
以下、本発明の第1の実施の形態に係るバイオガス発電計画システムについて説明する。以下の各実施の形態では、バイオガスで発電した電気が電力市場に全量売電されることを想定している。
[First Embodiment]
Hereinafter, the biogas power generation planning system according to the first embodiment of the present invention will be described. In each of the following embodiments, it is assumed that all the electricity generated by biogas is sold to the electricity market.
<バイオガス発電計画システムの構成例>
図1は、バイオガス発電計画システム1の全体構成例を示すブロック図である。
バイオガス発電計画システム1は、バイオガス発電計画装置10、発電機20及びバイオガス生成機30を備える。
<Configuration example of biogas power generation planning system>
FIG. 1 is a block diagram showing an overall configuration example of the biogas power
The biogas power
発電機20は、バイオガス生成機30が生成したバイオガス(例えば、メタンガス)を燃料として発電する。例えば、発電機20は、バイオガスを燃焼して回転させるタービン(不図示)の駆動力により発電する。そして、バイオガス発電を行う事業者は、発電機20が発電して得た電力を電力会社に売電したり、発電した電力を自家消費したりする。
The
バイオガス生成機30は、バイオガス発電計画装置10が生成したバイオガス生成機制御量50(制御量の一例)に基づいて制御が行われる。第1の実施の形態に係るバイオガス発電計画システム1では、バイオガス発電を行う事業者が、バイオガス生成機制御量50を確認しながらバイオガス生成機30の操作を行う。
The
そして、バイオガス生成機制御量50に従って操作されるバイオガス生成機30は、バイオガスを生成する。この時、バイオガス生成機30は、発電機20からの廃熱を得て、し尿等を温め、バイオガスを生成する。生成したバイオガスは発電機20に送られる。また、バイオガス生成機30は、バイオガス生成機30の現在の状態を表すバイオガス生成機状態量31と、生成したバイオガスの量を表すバイオガス生成量32とをバイオガス発電計画装置10に出力する。
Then, the
ここで、バイオガス生成機状態量31は、バイオガス生成機30の制御指標の現在値を表し、例えば、バイオガス生成機30内の温度、pH、アンモニア量を含む。他にもバイオガス生成機状態量31は、有機酸量、硫化水素量、滞留時間、メタン濃度などを含む。バイオガス生成機状態量31に含まれる値のうち、pHは、バイオガス生成機30の内部の水素イオン指数であるpH値を表す。アンモニアは、バイオガス生成機30内のpHを調整するためにバイオガス生成機30に投入される窒素化合物の一例である。有機酸量、硫化水素量は共に、バイオガス生成機30で発生する有機酸、硫化水素の量を表す。滞留時間は、バイオガス生成機30内に貯留されるし尿等の滞留時間を表す。メタン濃度は、バイオガス生成機30が生成するバイオガスがメタンガスである場合におけるメタン濃度を表す。
Here, the biogas
発電機20は、作業員の操作により直ちに挙動が変化するため、変化に要する時定数が小さい。一方、バイオガス生成機30は、作業員が操作を行ったとしても、バイオガス生成量32の変化に数日かかる場合がある。このため、バイオガス生成機30の挙動の変化に要する時定数は、発電機20の時定数よりも大きい。このように時定数が異なる発電機20及びバイオガス生成機30を目的とする状態で協調運転させるために、バイオガス発電計画装置10がバイオガス生成機制御量50を生成する。バイオガス生成機制御量50は、バイオガス生成機30を適切に駆動させるために設定される各種の値を含むデータである。バイオガス発電を行う事業者の作業員は、バイオガス生成機制御量50を確認しながら、バイオガス生成機制御量50に示される時間毎にアンモニア等をバイオガス生成機30に投入してバイオガス生成機30を駆動させる。
Since the behavior of the
バイオガス発電計画装置10は、バイオガス生成機30を駆動して、発電機20に発電を行わせるバイオガス発電の運転計画を作成する。このバイオガス発電計画装置10は、モデル生成部11、バイオガス生成機状態量データベース12及びバイオガス生成機運転計画部13を備える。
The biogas power
モデル生成部11は、発電機20の発電効率をモデル化した発電機モデル11aと、バイオガス生成機30が生成するバイオガスのガス単価をモデル化したバイオガス生成機モデル11bとを生成する。モデル生成部11が生成した発電機モデル11aとバイオガス生成機モデル11bとは、バイオガス生成機運転計画部13に入力される。
The
バイオガス生成機状態量データベース12は、バイオガス生成機30の将来にわたる時間毎の状態量を記録したテーブルを格納する。バイオガス生成機状態量データベース12が格納するテーブルの具体例については、図3を参照して後述する。
The biogas generator
バイオガス生成機運転計画部13(運転計画部の一例)には、バイオガス発電計画システム1の外部(例えば、電力会社等)から制御パラメータが入力され、バイオガス生成機30からバイオガス生成機パラメータが入力される。そして、バイオガス生成機運転計画部13は、制御パラメータ及びバイオガス生成機パラメータに基づいて、発電機20が発電した電気を売電して得られる利益予測額を算出する。また、バイオガス生成機運転計画部13は、発電機モデル11a及びバイオガス生成機モデル11bに基づいてバイオガス生成機30を駆動するためのバイオガス生成機制御量50を算出する。本実施の形態では、制御パラメータを、売電され、市場で取引される電力の価値を表す電力市場価格40(電力価値情報の一例)とする。また、バイオガス生成機パラメータを、バイオガス生成機30から出力されるバイオガス生成機状態量31及びバイオガス生成量32とする。
Control parameters are input to the biogas generator operation planning unit 13 (an example of the operation planning unit) from the outside of the biogas power generation planning system 1 (for example, an electric power company), and the
そして、バイオガス生成機運転計画部13は、電力市場価格40、バイオガス生成機状態量31及びバイオガス生成量32の組み合わせに基づいて、将来にわたるバイオガス生成機30の状態量を算出し、将来にわたるバイオガス生成機30の状態量毎に所定期間における利益予測額を算出する。さらに、バイオガス生成機運転計画部13は、利益予測額が大きくなるように発電機20及びバイオガス生成機30に協調運転を行わせる運転計画を作成する。このため、バイオガス生成機運転計画部13は、電力市場価格40、発電機モデル11a及びバイオガス生成機モデル11bに基づいて、バイオガス生成機30の運転計画を作成し、バイオガス生成機制御量50を生成する。
Then, the biogas generator
次に、バイオガス発電計画システム1の各装置を構成する計算機60のハードウェア構成を説明する。
図2は、計算機60のハードウェア構成例を示すブロック図である。
Next, the hardware configuration of the
FIG. 2 is a block diagram showing a hardware configuration example of the
計算機60は、バイオガス発電計画装置10として動作可能なコンピュータとして用いられるハードウェアである。計算機60は、バス64にそれぞれ接続されたCPU(Central Processing Unit)61、ROM(Read Only Memory)62、RAM(Random Access Memory)63及びバス64を備える。さらに、計算機60は、表示装置65、入力装置66、不揮発性ストレージ67、ネットワークインターフェイス68を備える。
The
CPU61は、本実施の形態に係る各機能を実現するソフトウェアのプログラムコードをROM62から読み出してRAM63にロードし、実行する。RAM63には、CPU61の演算処理の途中で発生した変数やパラメーター等が一時的に書き込まれ、これらの変数やパラメーター等がCPU61によって適宜読み出される。表示装置65は、例えば、液晶ディスプレイモニタであり、計算機60で行われる処理の結果等を、バイオガス発電を行う事業者に所属する作業員に表示する。後述する図5〜図8に示すグラフ、表、バイオガス生成機制御量50等が表示装置65に表示されてもよい。入力装置66には、例えば、キーボード、マウス等が用いられ、作業員が所定の操作入力、指示を行うことが可能である。
The
不揮発性ストレージ67としては、例えば、HDD(Hard Disk Drive)、SSD(Solid State Drive)、フレキシブルディスク、光ディスク、光磁気ディスク、CD−ROM、CD−R、磁気テープ、不揮発性のメモリ等が用いられる。この不揮発性ストレージ67には、OS(Operating System)、各種のパラメーターの他に、計算機60を機能させるためのプログラムが記録されている。ROM62、不揮発性ストレージ67は、CPU61が動作するために必要なプログラムやデータ等を永続的に記録しており、計算機60によって実行されるプログラムを格納したコンピュータ読取可能な非一過性の記録媒体の一例として用いられる。
As the
ネットワークインターフェイス68には、例えば、NIC(Network Interface Card)等が用いられ、NICの端子に接続されたLAN(Local Area Network)、専用線等を介して各種のデータを装置間で送受信することが可能である。
For the
図3は、バイオガス生成機状態量データベース12に格納されるデータの例を示す図である。ここでは、現在時刻を2019年2月1日12時00分とした時に、バイオガス生成機運転計画部13がバイオガス生成機状態量データベース12に格納したテーブル及びデータの例について説明する。
FIG. 3 is a diagram showing an example of data stored in the biogas generator
バイオガス生成機状態量データベース12には、バイオガス生成機状態量31を変更するための制御計画が制御計画テーブル121として格納されている。制御計画テーブル121に沿って、バイオガス生成機制御量50が生成される。制御計画テーブル121には、バイオガス生成機制御量50に含まれる温度と、pHと、アンモニア量とが、現在時刻から10分おきに14日先まで予測して記録されている。ここで、温度は、バイオガス生成機30を稼働させるときに設定される温度であり、バイオガス生成機モデル11bにより最適な温度が設定される。
In the biogas generator
制御計画テーブル121として、温度、pH、アンモニア量の組み合わせにより、例えば、3種類の制御計画テーブル121a〜121cが生成される。他の要素の組み合わせにより、さらに複数の制御計画テーブルが生成されてもよい。バイオガス生成機運転計画部13が制御計画テーブル121を参照して生成するバイオガス生成機制御量50は、バイオガス生成機運転計画部13が電力市場価格40に基づいて、バイオガス生成機30の内部の温度、及びバイオガス生成機30の内部の水素イオン指数を調整するためにバイオガス生成機30に投入される窒素化合物の量を反映したものとなる。
As the control planning table 121, for example, three types of control planning tables 121a to 121c are generated depending on the combination of temperature, pH, and the amount of ammonia. A plurality of control plan tables may be generated by combining other elements. The biogas
なお、バイオガス生成機状態量データベース12に格納されるバイオガス生成機制御量50の数および種類、時刻間隔、計画期間はこの限りではない。
The number and type of the biogas
また、バイオガス生成機状態量データベース12においては、制御計画テーブル121に従ってバイオガス生成機30の制御が実行され、発電機20が発電した場合に予測される利益予測額が利益予測額テーブル122に格納される。利益予測額テーブル122は、バイオガス生成機制御量50と異なり、時系列データではない。
Further, in the biogas generator
そして、利益予測額テーブル122は、制御計画テーブル121毎に格納される。このため、3種類の利益予測額テーブル122a〜122cは、それぞれ制御計画テーブル121a〜121cに基づいて予測された利益予測額を格納したテーブルである。利益予測額テーブル122a〜122cは、バイオガス生成機運転計画部13が、制御計画テーブル121a〜121cと電力市場価格40とに基づいて、予測した利益予測額を格納したテーブルである。
Then, the profit forecast amount table 122 is stored in each control plan table 121. Therefore, the three types of profit forecast amount tables 122a to 122c are tables that store the profit forecast amounts predicted based on the control plan tables 121a to 121c, respectively. The profit forecast amount tables 122a to 122c are tables in which the biogas generator
<バイオガス生成機運転計画部が行う処理の例>
図4は、バイオガス生成機運転計画部13が行う処理の例を示すフローチャートである。図4に示す処理は、バイオガス生成機運転計画部13が繰り返し計算を行うことにより実現される。
<Example of processing performed by the biogas generator operation planning department>
FIG. 4 is a flowchart showing an example of processing performed by the biogas generator
初めに、バイオガス生成機状態量データベース12の制御計画テーブル121にバイオガス生成機制御量初期値51を格納する(S1)。バイオガス生成機制御量初期値51は、バイオガス生成機運転計画部13がプログラム内部で自動生成してもよいし、バイオガス発電計画装置10の外部から入力してもよい。
First, the biogas generator controlled variable
バイオガス生成機運転計画部13がプログラム内部でバイオガス生成機制御量初期値51を自動生成する処理の例としては、各時刻の制御量を独立に乱数で生成する手法や、時刻間で制御量の変化は無いものとし、制御量をある値に固定する手法が考えられる。なお、バイオガス生成機制御量初期値51に対する利益予測額は未計算であるため、利益予測額テーブル122にはゼロを格納しておく。事前計算等で利益予測額が既知である場合は、事前に計算された利益予測額で利益予測額テーブル122を更新しておく。
As an example of the process in which the biogas generator
次に、バイオガス生成機運転計画部13は、バイオガス生成機状態量データベース12の制御計画テーブル121を取得し、ガス生成単価を算出する(S2)。ガス生成単価はバイオガスの生成に係るコストをガス生成量で除した値である。コストは、例えばバイオガス生成機30内の温度であれば、温度保持に使う熱の生成コストが該当し、例えばpHであれば、バイオガス生成機30に投入されるpH調整剤の購入コストが該当する。従って、バイオガスの生成に係るコストは、複数のバイオガス生成機制御量50の関数として表せる。この関数をバイオガス生成機モデル11bとして予め用意しておき、運用時はバイオガス生成機制御量50を入力とし、ガス生成単価を出力として得る。なお、ガス生成単価は時系列データであり、例えば1時間刻みの14日分のデータでガス生成単価を表せる。
Next, the biogas generator
<発電機モデルとバイオガス生成機モデルの例>
ここで、モデル生成部11により生成された発電機モデル11a、バイオガス生成機モデル11bの例について、図5と図6とを参照して説明する。
<Examples of generator model and biogas generator model>
Here, an example of the
図5は、バイオガス生成機モデル11bの例を示すグラフである。バイオガス生成機モデル11bは、バイオガス生成機運転計画部13がガス生成単価を算出するために用いられる。このため、バイオガス生成機モデル11bでは、バイオガス生成機30の内部の温度に対するバイオガスのガス単価がモデル化される。図5の横軸をバイオガス生成機30内の温度[℃]とし、縦軸をガス生成単価[円/m3]とする。
FIG. 5 is a graph showing an example of the
バイオガス生成機30内の温度が40℃未満の領域では、し尿等の発酵が進みにくい。バイオガス生成機30内の温度を上げようとすると、バイオガス生成機30に投入するアンモニアの量やバイオガス生成機30を温めるヒータ等の使用量が多くなる。このため、ガス生成単価が上がりやすい。
In the region where the temperature inside the
バイオガス生成機30内の温度が上がるにつれて、し尿等の加水分解率が高くなり、し尿等の発酵速度が上昇するため、ガス生成量も増大する。そして、バイオガス生成機30内の温度が40℃付近では、最もバイオガスの生成量が多いため、ガス生成単価が最小となる。
As the temperature inside the
しかし、バイオガス生成機30内の温度が40℃を上回ると、バイオガス生成機30に投入されたアンモニアの阻害を受けやすくなり、細菌構成のバランスが崩れる可能性がある。このため、バイオガス生成機30には、各種の薬品を投入したり、細菌を追加したりする等の処置が必要となる。この結果、バイオガス生成機30内の温度が40℃より高い領域では、温度の上昇に従い、ガス生成単価も上昇する。以上より、ガス生成単価は40℃で極小値をとる2次関数として表される。そして、バイオガス生成機30内の温度を極小値付近とすることにより、ガス生成単価を下げても、効率的にバイオガスを生成できると考えられる。なお、極小点の温度は40℃に限定されない。また関数の形も図5に示した形状に限定されず、図5に示した形状にフィッティングしたカーブ形状であればよい。
However, if the temperature inside the
再び図4の説明に戻る。
ステップS2の処理が終わった後、バイオガス生成機運転計画部13は、電力市場価格40を取得すると共に、バイオガス生成機モデル11bからガス生成単価を取得する。そして、バイオガス生成機運転計画部13は、利益予測額が最大となる時に発電機20が消費するバイオガスのガス消費量と、発電機20が発電した電気を売電して得られる利益予測額とを出力する(S3)。ここで、電力市場価格40とガス消費量は時系列データであり、例えば1時間刻みの14日分のデータである。そして、ステップS3の処理では、バイオガス生成機運転計画部13が、利益予測額が最大となる発電機20の出力計画と、ガス消費量とを導出する。最大化すべき利益予測額は以下の式(1)で表される。
Returning to the description of FIG. 4 again.
After the processing of step S2 is completed, the biogas generator
式(1)において、tは時刻[例えば、1時間刻みの時刻]、Tは計画期間[例えば、14日間]、Gastはガス消費量[m3]、effGasは後述する発電機モデル11aより求まる発電効率[kWh/m3]を表す。また、Pricetは電力市場価格[円/kWh]、Costt[円/m3]はガス生成単価を表す。1つ目のシグマが売電収入額を表し、2つ目のシグマが発電コストを表す。売電収入額から発電コストを引くことで利益予測額を求めることが可能となる。なお、式(1)は1台の発電機20について適用されるが、複数台の発電機20が用意されている場合は、複数台の発電機20毎に求めた式(1)の総和が目的関数となる。
In equation (1), t is the time [for example, the time in 1-hour increments], T is the planning period [for example, 14 days], Gas t is the gas consumption [m 3 ], and eff Gas is the
図6は、発電機モデル11aの例を示すグラフである。発電機モデル11aは、バイオガス生成機運転計画部13が発電効率を算出するために用いられるモデルである。発電機モデル11aでは、発電機20が消費するバイオガスのガス消費量に対する発電効率がモデル化される。図6の横軸は発電機20が消費するバイオガスのガス消費量[m3]を表し、縦軸は発電効率[kWh/m3]を表す。
FIG. 6 is a graph showing an example of the
図6より、ガス消費量が多くなるにつれて、発電機20の発電効率が上昇することが示される。発電機20の定格出力時に発電機20の発電効率が最も高い。このため、発電機20の発電効率が最も高いときのガス消費量が、定格出力時のガス消費量として表される。なお、ガス消費量が、発電機20の定格出力時におけるガス消費量より多くなると、かえって発電効率が下がってしまう。そこで、高い発電効率を維持するには、バイオガス生成機運転計画部13が、発電機20の定格出力時におけるガス消費量を保つようにバイオガス生成機30が生成するバイオガスの生成量を調整する運転計画を作成することが望ましい。
From FIG. 6, it is shown that the power generation efficiency of the
図6では定格出力時のガス消費量において発電効率が極大となる関数が表される。しかし、関数の形や極大点は図6に示した形状に限定されず、例えば、関数の形は、図6に示した形状にフィッティングしたカーブ形状であればよい。 FIG. 6 shows a function in which the power generation efficiency is maximized in terms of gas consumption at the rated output. However, the shape of the function and the maximum point are not limited to the shape shown in FIG. 6, and for example, the shape of the function may be a curved shape fitted to the shape shown in FIG.
なお、式(1)の制約条件としては、Gastの範囲を定めるバイオガス生成機30の最大出力及び最小出力と、Gast×effGasの範囲を定める発電機20の最大出力及び最小出力と、Gast≠0となる時間を定める最小運転継続時間と、Gast=0となる時間を定める最小停止継続時間とがある。さらに制約条件としては、Gast=0からGast+1≠0に移行する、或いはGast≠0からGast+1=0に移行する回数を定める最大起動停止回数が考えられる。
The constraints of the equation (1) are the maximum output and the minimum output of the
以上の目的関数と制約条件とを用いて、バイオガス生成機運転計画部13は、将来にわたる所定の時刻毎にガス消費量Gastを変数として演算を行い、利益予測額を最大化することが可能な発電機20の出力と、ガス消費量を求める。なお、最適化の手法としては大域解を求める非線形最適化手法、あるいはPSO(Particle Swarm Optimization:粒子群最適化)やGA(Genetic Algorithm:遺伝的アルゴリズム)のようなメタヒューリスティック手法を使用してもいい。あるいは、線形化を行うことでMILP(Mixed Integer Linear Programming:線形混合整数計画法)等の手法を用いてもよい。
Using the above objective function and constraints, the biogas generator
再び図4の説明に戻る。
次に、バイオガス生成機運転計画部13は、発電機20のガス消費量を取得する。そして、バイオガス生成機運転計画部13は、取得したガス消費量を満たすバイオガスをバイオガス生成機30が生成するためのバイオガス生成機制御量50を算出する(S4)。バイオガス生成機運転計画部13は、バイオガス生成機モデル11bを用いてバイオガス生成機制御量50を算出する。
Returning to the description of FIG. 4 again.
Next, the biogas generator
図7は、発電機20の廃熱温度と、バイオガス生成量32との関係を示すグラフである。ここでは、バイオガス生成機30を制御するための各種の制御量の内、発電機20の廃熱温度だけを変化させ、発電機20の廃熱温度以外の他の制御量を固定した場合について説明する。図7の横軸はバイオガス生成機30内の温度[℃]を表し、縦軸はバイオガスの生成量[m3]を表す。
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the waste heat temperature of the
上述したようにバイオガス生成機30は、発電機20の廃熱を利用してバイオガスを生成することができる。そして、図7に示すように、バイオガス生成量32は、発電機20の廃熱温度が高くなるにつれて多くなることが分かる。このため、発電機20が消費するバイオガスを生成するための制御量が一意に決定できる場合は、その制御量をバイオガス生成機制御量50とする。一方で、異なる制御量であっても、バイオガス生成機30が生成するバイオガス生成量32が同一である場合、バイオガス生成機運転計画部13は、制御量をランダムで決定する手法や、制御量の小さいものを選択する手法など、ルールベースの決定手法を予め定めておく。そして、予め定めた手法に従って、バイオガス生成機制御量50を一意に決定する。また、バイオガス生成機30が生成するバイオガス生成量32を実現するバイオガス生成機制御量50の組み合わせが存在しない場合、バイオガス生成量32を変化させ、再度バイオガス生成機制御量50の組み合わせを探索する。
As described above, the
再び図4の説明に戻る。
次に、バイオガス生成機運転計画部13は、バイオガス生成機状態量データベース12の各テーブルを更新する(S5)。例えば、バイオガス生成機運転計画部13は、バイオガス生成機制御量50の候補となる新たなテーブルを、制御計画テーブル121に格納することができる。また、バイオガス生成機運転計画部13は、制御計画テーブル121に基づいて算出した利益予測額を示す新たなテーブルを、利益予測額テーブル122に格納することができる。
Returning to the description of FIG. 4 again.
Next, the biogas generator
次に、バイオガス生成機運転計画部13は、繰り返し計算の終了条件に達したか否かを判断する(S6)。終了条件に達する例としては、売電利益の変化量が閾値以下となった場合、または繰り返し回数が閾値を超えた場合などが考えられる。ステップS5までの処理で終了条件に達しなかった場合(S6のNo)、バイオガス生成機運転計画部13は、ステップS2に戻って、処理を繰り返す。
Next, the biogas generator
終了条件に達した場合(S6のYes)、バイオガス生成機運転計画部13は、バイオガス生成機状態量データベース12に格納されている制御計画テーブル121の中で、予測利益額が最大となるバイオガス生成機制御量50に対応する制御計画テーブル121を選択し(S7)、バイオガス生成機制御量50を出力する。このとき、予測利益額以外の要素(例えば、温室効果ガス削減量など)に基づき、バイオガス生成機制御量50に採用するテーブルを決定しても良い。このバイオガス生成機制御量50に従ってバイオガス生成機30が稼働する。
When the end condition is reached (Yes in S6), the biogas generator
図8は、図4のステップS7より出力されたバイオガス生成機制御量50の例を示す図である。ここでは、制御パラメータとして気象情報がバイオガス生成機運転計画部13に入力されるものとする。
バイオガス生成機運転計画部13は、制御パラメータとして入力される気象情報に応じて変化する発電機20の発電量、及びバイオガス生成機30の内部の温度に合わせてバイオガス生成機制御量50を算出することが可能である。
FIG. 8 is a diagram showing an example of the biogas
The biogas generator
例えば、外部から入力された気象情報によって示される天気予報では2/3と2/4の日付で雨となっている。雨の日であれば、太陽光発電(PV:Photovoltaic)の発電量が減少するため、電力市場価格40が上昇しやすい。そこで、発電機20が雨の日に多く発電できるよう、2/1と2/2にバイオガス生成機30内の温度を55℃に上げる制御が行われる。
For example, in the weather forecast indicated by the weather information input from the outside, it is raining on 2/3 and 2/4 dates. On a rainy day, the amount of power generated by photovoltaic power generation (PV: Photovoltaic) decreases, so the
この制御により、バイオガス生成機30内に貯留された、し尿等の発酵が促進され、バイオガス生成機30のガス生成量が増大する。この結果、バイオガス生成機30から供給されるバイオガスによる発電機20が発電量を増やすことができる。このように本実施の形態に係るバイオガス発電計画システム1は、従来の一定制御に比べ、売電して得られる利益を向上させることができる。
By this control, fermentation of human waste and the like stored in the
以上説明した第1の実施の形態に係るバイオガス発電計画システム1では、バイオガス生成機30がバイオガスを生成する際にかかるコストをガス生成単価として算出し、電力市場価格40に基づいて制御計画テーブル121と利益予測額テーブル122とを算出する処理が繰り返される。そして、利益予測額テーブル122に基づいて、利益予測額が大きい制御計画テーブル121が選択され、バイオガス生成機制御量50を生成する処理が行われる。発電機20とバイオガス生成機30は、バイオガス生成機制御量50に基づいて運転される。このように処理が行われることで、時定数の異なるバイオガス生成機30と発電機20とを協調した運転計画を立案することが可能になる。
In the biogas power
このため、バイオガス生成機運転計画部13は、バイオガス生成機30からバイオガス生成機状態量31及びバイオガス生成量32を受け取り、外部から制御パラメータとして電力市場価格40、気象情報を受け取る。そして、バイオガス生成機運転計画部13は、バイオガス生成量32の時系列の目標値を求め、バイオガス生成量32が目標値に一致するようにバイオガス生成機30を運転するためのバイオガス生成機制御量50を出力することが可能となる。
Therefore, the biogas generator
また、バイオガス発電計画装置10は、利益予測額が大きくなるような制御、バイオガス生成機30に投入するアンモニアの量が少なくなるような制御等、様々な制御を組み合わせて、バイオガス生成機30と発電機20とを協調して制御することが可能となる。
In addition, the biogas power
[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施の形態に係るバイオガス発電計画システムの構成例及び動作例について、図9と図10を参照して説明する。第2の実施の形態では、バイオガスで発電した電気を、自家消費と、電力市場への売電の双方で利用することを想定している。
[Second Embodiment]
Next, a configuration example and an operation example of the biogas power generation planning system according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 9 and 10. In the second embodiment, it is assumed that the electricity generated by biogas is used for both self-consumption and selling electricity to the electricity market.
<バイオガス発電計画システムの構成例>
図9は、第2の実施の形態に係るバイオガス発電計画システム1Aの全体構成例を示すブロック図である。
バイオガス発電計画システム1Aでは、バイオガス発電計画装置10に対して、バイオガス生成機状態量31、バイオガス生成量32、電力市場価格40に加えて、電力需要予測70が入力される。
<Configuration example of biogas power generation planning system>
FIG. 9 is a block diagram showing an overall configuration example of the biogas power generation planning system 1A according to the second embodiment.
In the biogas power generation planning system 1A, the
電力需要予測70は、需要家または需要家群によって予測された電力需要を表す。バイオガス発電計画システム1Aは、電力需要予測70に従って、発電機20が発電した電気の一部を需要家または需要家群に配分することが可能となる。
The
そこで、バイオガス生成機運転計画部13Aは、制御パラメータとして入力される電力需要予測70に応じて発電機20の発電量を変更するようにバイオガス生成機制御量50を算出する。すなわち、バイオガス生成機運転計画部13Aは、バイオガス生成機状態量31、バイオガス生成量32、電力市場価格40に加えて、電力需要予測70を入力として、バイオガス生成機30の運転計画を行う。そして、バイオガス生成機運転計画部13Aは、発電機モデル11a、バイオガス生成機モデル11b及びバイオガス生成機状態量データベース12を用いて、バイオガス生成機制御量50を出力する。
Therefore, the biogas generator
<バイオガス生成機運転計画部が行う処理の例>
図10は、バイオガス生成機運転計画部13Aが行う処理の例を示すフローチャートである。図10に示す処理が、図4に示した処理と異なるのは、処理ステップS3Aに入力される電力需要予測70が追加された点である。図10に示す他の処理ステップについては、図4に示した処理ステップと同様であるため、ここでは、処理ステップS3Aの詳細な内容について説明する。
<Example of processing performed by the biogas generator operation planning department>
FIG. 10 is a flowchart showing an example of processing performed by the biogas generator
発電電力の使い道として、自家消費分を優先し、余剰分を電力市場に売電する場合がある。そこで、処理ステップS3Aでは、式(1)に示した目的関数の代わりに次式(2)の目的関数を用いる。 As a use of generated power, there are cases where self-consumption is prioritized and surplus power is sold to the electricity market. Therefore, in the processing step S3A, the objective function of the following equation (2) is used instead of the objective function shown in the equation (1).
式(2)が式(1)と異なるのは、売電収入額を表す1つ目のシグマの中である。Max(A,B)は「A」と「B」のうち大きい方を表す演算子である。「A」に相当するのは発電量から需要量を引いた値、即ち余剰電力量である。一方で、「B」を「0」とすることで、余剰電力が発生しない場合の売電収入額を「0」とする。このように定義した「A」と「B」を式(2)に適用することで、バイオガス生成機運転計画部13は、発電した電気の一部を需要家または需要家群に配分する場合における発電機20とバイオガス生成機30の運転計画とが生成可能となる。
Equation (2) differs from equation (1) in the first sigma that represents the amount of electricity sales revenue. Max (A, B) is an operator representing the larger of "A" and "B". The value corresponding to "A" is the amount of power generated minus the amount of demand, that is, the amount of surplus power. On the other hand, by setting "B" to "0", the amount of power sales revenue when no surplus power is generated is set to "0". By applying the "A" and "B" defined in this way to the equation (2), the biogas generator
以上説明した第2の実施の形態に係るバイオガス発電計画システム1Aでは、電力需要予測70を入力に加えて、バイオガス発電計画装置10が、バイオガス生成機30の運転計画を行い、バイオガス生成機制御量50を出力する。このため、電力需要予測70に応じてバイオガス生成機30を運転し、発電機20の動作を制御することができ、電力需要が高いと予測されるときに発電機20の発電量を増やして、売電利益を増加させることができる。逆に、電力需要が低いと予測されるときには、発電機20の発電量を減らし、自家消費分を多くすることで、電力会社等から電気を購入するコストを抑えることができる。
In the biogas power generation planning system 1A according to the second embodiment described above, in addition to inputting the
[第3の実施の形態]
次に、本発明の第3の実施の形態に係るバイオガス発電計画システムの構成例について、図11を参照して説明する。第3の実施の形態では、バイオガス生成機制御量50に基づきバイオガス生成機30を自動で制御することを想定している。
[Third Embodiment]
Next, a configuration example of the biogas power generation planning system according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the third embodiment, it is assumed that the
<バイオガス発電計画システムの構成例>
図11は、第3の実施の形態に係るバイオガス発電計画システム1Bの全体構成例を示すブロック図である。
バイオガス発電計画システム1Bでは、バイオガス生成機制御量50に基づきバイオガス生成機30を自動で制御することが可能になる。このため、バイオガス発電計画装置10は、新たにバイオガス生成機制御部14を備える。
<Configuration example of biogas power generation planning system>
FIG. 11 is a block diagram showing an overall configuration example of the biogas power
In the biogas power
バイオガス生成機制御部14は、バイオガス生成機運転計画部13が作成したバイオガス生成機制御量50を取得し、バイオガス生成機制御量50に基づいて、バイオガス生成機30の動作を自動的に制御する。このため、作業員がバイオガス生成機30の制御を行わなくてもよく、例えば、24時間にわたってバイオガス生成機30を駆動することが可能となる。なお、バイオガス生成機運転計画部13から出力されるバイオガス生成機制御量50を、図2に示した表示装置65に表示することにより、作業員がバイオガス生成機制御量50を確認して、バイオガス生成機30を手動で駆動してもよい。
The biogas
以上説明した第3の実施の形態に係るバイオガス発電計画システム1Bでは、バイオガス生成機制御部14がバイオガス生成機30を自動的に制御することが可能となる。このため、バイオガス生成機30の駆動に際して省人化を進めることができ、バイオガス発電計画システム1Bにより複数のバイオガス生成機30及び発電機20を同時に駆動することが可能となる。
In the biogas power
なお、バイオガス発電計画システム1Bにおいても、図9に示したように電力需要予測70を入力として、電力需要に応じたバイオガス生成機30の制御を行ってもよい。
In the biogas power
本発明は上述した各実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りその他種々の応用例、変形例を取り得ることは勿論である。
例えば、上述した各実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために装置及びシステムの構成を詳細かつ具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。また、ここで説明した実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることは可能であり、さらにはある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and it goes without saying that various other application examples and modifications can be taken as long as the gist of the present invention described in the claims is not deviated.
For example, each of the above-described embodiments describes in detail and concretely the configurations of the apparatus and the system in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and is not necessarily limited to those including all the described configurations. Further, it is possible to replace a part of the configuration of the embodiment described here with the configuration of another embodiment, and further, it is possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. It is possible. It is also possible to add, delete, or replace a part of the configuration of each embodiment with another configuration.
In addition, the control lines and information lines indicate those that are considered necessary for explanation, and do not necessarily indicate all the control lines and information lines in the product. In practice, it can be considered that almost all configurations are interconnected.
1…バイオガス発電計画システム、10…バイオガス発電計画装置、11…モデル生成部、11a…発電機モデル、11b…バイオガス生成機モデル、12…バイオガス生成機状態量データベース、13…バイオガス生成機運転計画部、20…発電機、30…バイオガス生成機、40…電力市場価格、50…バイオガス生成機制御量 1 ... Biogas power generation planning system, 10 ... Biogas power generation planning device, 11 ... Model generator, 11a ... Generator model, 11b ... Biogas generator model, 12 ... Biogas generator state quantity database, 13 ... Biogas Generator operation planning department, 20 ... generator, 30 ... biogas generator, 40 ... power market price, 50 ... biogas generator control amount
Claims (9)
前記バイオガス生成機が生成した前記バイオガスを燃料として発電する発電機と、
前記バイオガス生成機を駆動して、前記発電機に発電を行わせるバイオガス発電の運転計画を作成するバイオガス発電計画装置と、を備え、
前記バイオガス発電計画装置は、
前記バイオガス生成機が生成する前記バイオガスのガス単価をモデル化したバイオガス生成機モデルと、前記発電機の発電効率をモデル化した発電機モデルとを生成するモデル生成部と、
外部から入力される制御パラメータ、及び前記バイオガス生成機から入力されるバイオガス生成機パラメータに基づいて、前記発電機が発電した電気を売電して得られる利益予測額と、前記発電機モデル及び前記バイオガス生成機モデルに基づいて前記バイオガス生成機を駆動するための前記制御量とを算出し、前記利益予測額が大きくなるように前記発電機及び前記バイオガス生成機に協調運転を行わせる前記運転計画を作成する運転計画部と、を備える
バイオガス発電計画システム。 A biogas generator that produces biogas according to the set control amount,
A generator that uses the biogas generated by the biogas generator as fuel to generate electricity,
A biogas power generation planning device for driving the biogas generator and creating an operation plan for biogas power generation to cause the generator to generate power is provided.
The biogas power generation planning device is
A model generation unit that generates a biogas generator model that models the gas unit price of the biogas generated by the biogas generator, and a generator model that models the power generation efficiency of the generator.
Based on the control parameters input from the outside and the biogas generator parameters input from the biogas generator, the profit forecast amount obtained by selling the electricity generated by the generator and the generator model. And the control amount for driving the biogas generator is calculated based on the biogas generator model, and the generator and the biogas generator are co-operated so as to increase the expected profit amount. A biogas power generation planning system including an operation planning unit that creates the operation plan to be performed.
前記バイオガス生成機モデルでは、前記バイオガス生成機の内部の温度に対する前記バイオガスのガス単価がモデル化される
請求項1に記載のバイオガス発電計画システム。 In the generator model, the power generation efficiency with respect to the gas consumption of the biogas consumed by the generator is modeled.
The biogas power generation planning system according to claim 1, wherein in the biogas generator model, the gas unit price of the biogas with respect to the temperature inside the biogas generator is modeled.
請求項2に記載のバイオガス発電計画システム。 The operation planning unit inputs power value information representing the value of the power sold as the control parameter, and the biogas generator state amount representing the state of the biogas generator as the biogas generator parameter. And the amount of biogas produced by the biogas generator as inputs, and based on the combination of the power value information, the amount of state of the biogas generator, and the amount of biogas produced, the biogas in the future. The biogas power generation planning system according to claim 2, wherein the state amount of the gas generator is calculated, and the profit forecast amount in a predetermined period is calculated for each state amount of the biogas generator in the future.
請求項3に記載のバイオガス発電計画システム。 According to claim 3, the operation planning unit calculates the control amount according to the power generation amount of the generator that changes according to the weather information input as the control parameter and the temperature inside the biogas generator. The biogas power generation planning system described.
前記運転計画部は、前記電力価値情報に基づいて、前記バイオガス生成機の内部の温度、及び前記バイオガス生成機の内部の水素イオン指数を調整するために前記バイオガス生成機に投入される前記窒素化合物の量を反映した前記制御量を算出する
請求項4に記載のバイオガス発電計画システム。 The biogas generator state quantity includes at least the temperature inside the biogas generator, the hydrogen ion index inside the biogas generator, and the amount of nitrogen compounds charged into the biogas generator.
The operation planning unit is input to the biogas generator in order to adjust the temperature inside the biogas generator and the hydrogen ion index inside the biogas generator based on the power value information. The biogas power generation planning system according to claim 4, wherein the controlled amount reflecting the amount of the nitrogen compound is calculated.
請求項3に記載のバイオガス発電計画システム。 The biogas generator uses the waste heat of the generator to generate the biogas, and the amount of the biogas produced increases as the waste heat temperature of the waste heat increases. Biogas power generation planning system.
請求項3に記載のバイオガス発電計画システム。 The biogas power generation planning system according to claim 3, wherein the operation planning unit calculates the control amount so as to change the power generation amount of the generator according to the power demand forecast input as the control parameter.
請求項1〜7のいずれか一項に記載のバイオガス発電計画システム。 The biogas power generation planning system according to any one of claims 1 to 7, further comprising a biogas generator control unit that automatically controls the operation of the biogas generator based on the controlled amount.
前記バイオガス生成機を駆動して、前記発電機に発電を行わせるバイオガス発電の運転計画を作成するために、外部から入力される制御パラメータ、及び前記バイオガス生成機から入力されるバイオガス生成機パラメータに基づいて、前記発電機が発電した電気を売電して得られる利益予測額と、前記発電機モデル及び前記バイオガス生成機モデルに基づいて前記バイオガス生成機を駆動するための前記制御量とを算出し、前記利益予測額が大きくなるように前記発電機及び前記バイオガス生成機に協調運転を行わせる前記運転計画を作成する運転計画部と、を備える
バイオガス発電計画装置。
A biogas generator model that represents the operation of a biogas generator that generates biogas according to a set control amount, and a generator that represents the operation of a generator that uses the biogas generated by the biogas generator as fuel to generate electricity. A model generator that generates a model and
Control parameters input from the outside and biogas input from the biogas generator in order to create an operation plan for biogas power generation that drives the biogas generator and causes the generator to generate power. To drive the biogas generator based on the profit forecast amount obtained by selling the electricity generated by the generator based on the generator parameters and the generator model and the biogas generator model. A biogas power generation planning device including an operation planning unit that calculates the control amount and creates the operation plan for causing the generator and the biogas generator to perform cooperative operation so that the profit forecast amount becomes large. ..
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JP2019113985A JP2021002085A (en) | 2019-06-19 | 2019-06-19 | Biogas power generation plan system and biogas power generation plan device |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112183854A (en) * | 2020-09-27 | 2021-01-05 | 湖南大学 | Collaborative planning method and device for gas-electricity integrated pipe network, electronic equipment and storage medium |
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2019
- 2019-06-19 JP JP2019113985A patent/JP2021002085A/en active Pending
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