JP2021114831A

JP2021114831A - 集中管理装置、および、当該集中管理装置を備えた発電システム

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Publication number: JP2021114831A
Application number: JP2020005888A
Authority: JP
Inventors: 渉福見; Wataru Fukumi; 彰大大堀; Akihiro Ohori; 慎一三田; Shinichi Mita; 高嗣北村; Takatsugu Kitamura; 隆史花尾; Takashi Hanao
Original assignee: Daihen Corp
Current assignee: Daihen Corp
Priority date: 2020-01-17
Filing date: 2020-01-17
Publication date: 2021-08-05
Anticipated expiration: 2040-01-17
Also published as: JP7412190B2

Abstract

【課題】発電モデルを用いることなく蓄電設備の充放電を行い、かつ、蓄電設備の容量を抑制できる集中管理装置を提供する。【解決手段】発電設備１と、蓄電池２およびパワーコンディショナ３を有する蓄電設備とを備える発電システムＡ１において、パワーコンディショナ３を管理する集中管理装置４は、発電設備１および蓄電設備が入出力する電力を合成した合成出力値Ｐ（ｔ）を検出する検出部４４と、蓄電設備の現在の充電率ＳＯＣと目標値である目標充電率との差に応じて合成出力値Ｐ（ｔ）の目標値である合成出力目標値Ｐrefを算出する算出式と、要求仕様に応じた制約条件とに基づいて、合成出力目標値Ｐrefを設定する目標値設定部４２と、合成出力値Ｐ（ｔ）と合成出力目標値Ｐrefとに基づいて誘導指標ｐｒを算出する指標算出部４３とを備え、誘導指標ｐｒをパワーコンディショナ３に出力する。目標値設定部４２は、要求仕様に応じて、目標充電率を変更する。【選択図】図１

Description

本発明は、発電システムを管理する集中管理装置、および、当該集中管理装置を備えた発電システムに関する。

近年、再生可能エネルギーによる発電設備（以下では、単に「発電設備」と省略する）の導入が促進されている。しかし、当該発電設備の発電電力は、季節、時刻、および天候などによる変化が大きいので、安定した供給が困難である。電力供給の安定化のために、発電設備には、複数の蓄電池を有する蓄電設備と、蓄電設備を管理する集中管理装置とが併設される。集中管理装置は、蓄電設備に充電および放電をさせることで、発電設備の出力を平滑化させる。具体的には、集中管理装置は、発電設備および蓄電設備の合成出力電力を目標値である合成出力目標値に追従させることで平滑化するようにフィードバック制御を行う。

特許文献１には、太陽光による発電設備を備え、当該発電設備の発電電力の長周期変動を数式化した発電モデルを備える発電システムが開示されている。当該発電システムは、当該発電モデルを用いて発電電力の短周期変動を抽出し、抽出した短周期変動を平滑化したものを発電モデルに合成し、さらに、充放電のためのオフセットを加えて、合成出力目標値を設定する。これにより、発電電力の短周期変動を平滑化する。

特開２０１９−１０３１６４号公報

しかし、昼夜を問わず複雑に変動する風力発電に対して発電モデルを設定することは困難である。したがって、発電モデルを必要としない発電システムが望まれる。発電モデルを用いない場合、長周期変動も含めて発電電力を平滑化するので、容量の大きな蓄電設備が必要になる。しかし、蓄電設備の容量をできるだけ抑制して、蓄電設備にかかるコストを抑制したいという要求がある。

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、発電モデルを用いることなく蓄電設備の充放電を行い、かつ、蓄電設備の容量を抑制できる集中管理装置、および、当該集中管理装置を備えた発電システムを提供することを目的とする。

本発明の第１の側面によって提供される集中管理装置は、再生可能エネルギーによる発電設備と、前記発電設備が発電した電力を充電され、また、自身に蓄電された電力を放電する蓄電池、および、前記蓄電池の充電および放電を制御するパワーコンディショナを有する蓄電設備とを備える発電システムにおいて、前記パワーコンディショナを管理する集中管理装置であって、前記発電設備が出力する電力と、前記蓄電設備が入出力する電力とを合成した合成出力値を検出する検出部と、前記蓄電設備の現在の充電率と当該充電率の目標値である目標充電率との差に応じて前記合成出力値の目標値である合成出力目標値を算出する算出式と、要求仕様に応じた制約条件とに基づいて、前記合成出力目標値を設定する目標値設定部と、前記合成出力値と前記合成出力目標値とに基づいて制御指令値を算出する指令値算出部とを備え、前記制御指令値を前記パワーコンディショナに出力し、前記目標値設定部は、前記要求仕様に応じて、前記目標充電率を変更することを特徴とする。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記目標値設定部は、前記合成出力目標値の基準値である基準目標値をＰ_t、前記蓄電設備の現在の充電率をＳＯＣ、前記目標充電率をＳＯＣ_t、補正ゲインをＫ_cとすると、下記式に基づいて、前記合成出力目標値Ｐ_refを算出する。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記目標値設定部に設定される前記制約条件には、設定される前記合成出力目標値は、所定期間において、当該所定期間の開始時の前記合成出力値以上とする制約が含まれている。

本発明の第２の側面によって提供される発電システムは、本発明の第１の側面によって提供される集中管理装置と、前記発電設備と、前記蓄電設備とを備える発電システムであって、前記蓄電設備は、前記発電設備が発電した電力を充電され、また、自身に蓄電された電力を放電する第２の蓄電池と、前記第２の蓄電池の充電および放電を制御する第２のパワーコンディショナとをさらに備え、前記集中管理装置は、前記指令値算出部に代えて、前記合成出力値を前記合成出力目標値に制御するための誘導指標を算出する指標算出部を備え、前記制御指令値に代えて、共通する前記誘導指標を前記パワーコンディショナおよび前記第２のパワーコンディショナに出力し、前記パワーコンディショナおよび前記第２のパワーコンディショナは、それぞれ、入力された前記誘導指標に基づいて、自装置の出力電力の目標値である個別目標値を算出する目標電力算出部を備えている。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記発電設備は、風力発電装置を備えている。

本発明によると、目標値設定部は、蓄電設備の現在の充電率と目標充電率との差に応じて合成出力目標値を算出する算出式と、要求仕様に応じた制約条件とに基づいて、合成出力目標値を設定する。つまり、目標値設定部は、発電モデルを用いることなく、合成出力目標値を設定する。パワーコンディショナは、検出された合成出力値と合成出力目標値とに基づいて算出された制御指令値に応じて蓄電設備の充放電を行う。これにより、本発明は、発電モデルを用いることなく蓄電設備の充放電を行うことができる。また、目標値設定部は、蓄電設備の現在の充電率と目標充電率との差に応じて合成出力目標値を算出するので、蓄電設備の充電率は目標充電率に追従する。したがって、要求仕様に応じることにより、蓄電設備が放電する傾向が高い場合には、事前に目標充電率に高い値を設定することで、充電率をあらかじめ上げておくことができる。逆に、蓄電設備が充電される傾向が高い場合には、事前に目標充電率に低い値を設定することで、充電率をあらかじめ下げておくことができる。これにより、集中管理装置は、目標充電率を固定値とした場合と比較して、充電率の変化範囲を狭くすることができる。したがって、集中管理装置は、蓄電設備の容量を抑制できる。

第１実施形態に係る発電システムの全体構成を示すブロック図である。充電率が目標充電率に追従することを説明するための図である。仕様１〜５が要求されている場合の、目標値設定部において設定される目標充電率の一例を示す図である。目標値設定部が行う目標値設定処理を説明するためのフローチャートである。発電システムの合成出力電力のシミュレーション結果を示す波形図であり、目標値設定部が充電率による補正を行って合成出力目標値を算出した場合のものである。発電システムの合成出力電力のシミュレーション結果を示す波形図であり、目標値設定部が合成出力目標値を固定値とした場合のものである。第２実施形態に係る発電システムの全体構成を示すブロック図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面を参照して具体的に説明する。

図１は、第１実施形態に係る発電システムの全体構成を示すブロック図である。発電システムＡ１は、電力系統Ｂに連系しており、電力系統Ｂに電力を供給する。発電システムＡ１は、発電設備１、複数の蓄電池２、複数のパワーコンディショナ３、および集中管理装置４を備えている。発電システムＡ１において、発電設備１は出力電力を抑制せず、集中管理装置４が、各パワーコンディショナ３を介して各蓄電池２の充電および放電を管理することで、発電システムＡ１が電力系統Ｂに出力する電力を制御する。なお、発電システムＡ１は、図示しない負荷を備えてもよい。

本実施形態では、発電システムＡ１は、自律分散協調制御方式により、出力電力を制御する。具体的には、集中管理装置４は、発電システムＡ１全体の出力電力を目標電力に制御するための誘導指標を算出する。各パワーコンディショナ３は、集中管理装置４が算出した共通の誘導指標を用いて、それぞれに設定されている最適化問題に基づいて、自装置の出力電力の個別目標値を算出する。そして、自装置の出力電力が当該個別目標値となるように、自装置の出力電力を制御する。各パワーコンディショナ３が、誘導指標に基づいて自律的に出力電力を制御することで、発電システムＡ１全体の出力電力が目標電力に制御される。なお、以下の説明において、電力系統Ｂに向かう電力の電力値を正の値とし、逆向きに向かう電力の電力値を負の値とする。したがって、蓄電池２が放電する場合、電力値が正の値になり、蓄電池２が充電する場合、電力値が負の値になる。

発電設備１は、風力による発電設備であり、複数の風力発電装置を備えている。なお、風力発電装置の数、および、各風力発電装置の規模は限定されない。風力発電装置は１台であってもよい。発電設備１は、各風力発電装置が発電した電力を合成して出力する。本実施形態では、発電設備１は、出力電力を抑制せず、発電した電力をすべて出力する。

複数の蓄電池２は、それぞれ、繰り返し、充電により電力を蓄えることができる電池である。蓄電池２は、例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、および鉛蓄電池などの二次電池である。また、蓄電池２は、電気二重層コンデンサなどのコンデンサを用いてもよい。蓄電池２は、発電設備１が発電した電力を充電され、また、自身に蓄電された電力を放電する。

複数のパワーコンディショナ３は、それぞれ、蓄電池２が接続されている。なお、各パワーコンディショナ３に接続される蓄電池２の数は限定されない。パワーコンディショナ３は、蓄電池２が放電した直流電力を交流電力に変換して出力する。また、パワーコンディショナ３は、発電設備１が出力した交流電力を直流電力へ変換して、蓄電池２に出力する。これにより、蓄電池２は充電される。つまり、パワーコンディショナ３は、自装置から出力される出力電力を制御することで、蓄電池２の充電および放電を制御する。すべての蓄電池２およびすべてのパワーコンディショナ３をまとめたものが蓄電設備である。各パワーコンディショナ３は、それぞれ、目標電力算出部３１、出力制御部３２、およびＳＯＣ推定部３３を備えている。

目標電力算出部３１は、集中管理装置４から受信した誘導指標ｐｒを用いて、あらかじめ設定されている制約条件付き最適化問題に基づいて、自装置の出力電力の目標値である個別目標値Ｐ^*を算出する。なお、目標電力算出部３１に設定されている最適化問題および制約条件の詳細についての説明は省略する。

出力制御部３２は、目標電力算出部３１が算出した個別目標値Ｐ^*に基づいて、出力電力の制御を行う。具体的には、出力制御部３２は、パワーコンディショナ３の出力電力をセンサによって検出した検出値と、個別目標値Ｐ^*との差に基づいて、図示しないインバータ回路のスイッチングを調整することで、パワーコンディショナ３の出力電力を個別目標値Ｐ^*に制御する。

ＳＯＣ推定部３３は、パワーコンディショナ３に接続されている蓄電池２の充電率（複数の蓄電池２が接続されている場合は、接続された蓄電池２全体での充電率）を推定する。充電率は、充電状態およびＳＯＣ（State Of Charge）とも呼ばれ、完全充電された状態から放電した電気量を除いた残りの割合である。ＳＯＣ推定部３３は、例えば電流積算法またはＯＣＶ法などの周知の方法で、充電率を推定する。なお、ＳＯＣ推定部３３による充電率の推定方法は限定されない。ＳＯＣ推定部３３は、推定した充電率を集中管理装置４に出力する。

集中管理装置４は、発電システムＡ１全体を管理し、発電システムＡ１が電力系統Ｂに出力する電力（以下では、「合成出力電力」とする）をフィードバック制御する。集中管理装置４は、合成出力電力を目標電力に制御するための誘導指標ｐｒを算出する。本実施形態では、集中管理装置４は、発電システムＡ１と電力系統Ｂとの接続点でセンサによって検出した電力値である合成出力値Ｐ（ｔ）を用いる。なお、集中管理装置４は、各パワーコンディショナ３、および、発電設備１がそれぞれ検出した個別の出力電力の検出値を受信して、これらの検出値から算出した値を合成出力値Ｐ（ｔ）としてもよい。集中管理装置４は、検出した合成出力値Ｐ（ｔ）と設定された合成出力目標値Ｐ_refとの差に基づいて誘導指標ｐｒを算出し、各パワーコンディショナ３に送信する。なお、通信方法は限定されず、有線通信であってもよいし、無線通信であってもよい。

各パワーコンディショナ３が、集中管理装置４から受信した共通の誘導指標ｐｒに基づいて自律的に入出力電力を制御することで、発電システムＡ１全体の合成出力電力（合成出力値Ｐ（ｔ））が合成出力目標値Ｐ_refに制御される。本実施形態においては、集中管理装置４は、合成出力値Ｐ（ｔ）が合成出力目標値Ｐ_refより大きい場合に誘導指標ｐｒを大きくし、合成出力値Ｐ（ｔ）が合成出力目標値Ｐ_refより小さい場合に誘導指標ｐｒを小さくする。各パワーコンディショナ３は、集中管理装置４から受信した誘導指標ｐｒが大きいほど、合成出力値Ｐ（ｔ）を小さくするように動作し（蓄電池２の放電量を小さくする、または、充電量を大きくする）、誘導指標ｐｒが小さいほど、合成出力値Ｐ（ｔ）を大きくするように動作する（蓄電池２の放電量を大きくする、または、充電量を小さくする）。

発電システムＡ１は、時間帯における電力需要に基づいて、また、同じ電力系統Ｂに接続される他の火力発電所等の応答速度等を考慮して、要求仕様を満たすことが求められる。長周期変動に対する要求仕様の例として、（ｉ）所定期間において合成出力電力を基準値から増減させない、（ｉｉ）所定期間において合成出力電力を基準値から減少させない、（ｉｉｉ）所定期間において合成出力電力を基準値から増加させない、などがある。基準値は、所定期間の開始時の合成出力電力である。また、短周期変動に対する要求仕様の例として、合成出力電力の変化速度を所定の範囲内に抑える、などがある。

要求仕様の具体的な一例を以下に説明する。長周期変動に対する要求仕様として以下の仕様が要求される。
仕様１７：００から１０：００の時間帯（以下、「第１減少禁止時間帯」とする）において、合成出力電力を基準値から減少させない。
仕様２１１：３０から１３：３０の時間帯（以下、「増減禁止時間帯」とする）において、合成出力電力を基準値から増減させない。
仕様３１６：００から１９：００の時間帯（以下、「第２減少禁止時間帯」とする）において、合成出力電力を基準値から減少させない。
仕様４２０：００から２３：００の時間帯（以下、「増加禁止時間帯」とする）において、合成出力電力を基準値から増加させない。
また、短周期変動に対する要求仕様として以下の仕様が要求される。
仕様５合成出力電力の変化速度を、発電システムＡ１の定格出力の±１％／分以内に抑える。

集中管理装置４は、上記要求仕様を満たすように、制御を行う。また、集中管理装置４は、蓄電設備の容量をできるだけ小さく抑えるために、蓄電設備全体の充電率を、要求仕様に応じて操作する。集中管理装置４は、ＳＯＣ算出部４１、目標値設定部４２、指標算出部４３、および検出部４４を備えている。

ＳＯＣ算出部４１は、蓄電設備全体の充電率を算出する。ＳＯＣ算出部４１は、各パワーコンディショナ３のＳＯＣ推定部３３から、当該パワーコンディショナ３に接続された蓄電池２の充電率を入力される。ＳＯＣ算出部４１は、各パワーコンディショナ３に接続された蓄電池２の満充電容量と、各ＳＯＣ推定部３３から入力された充電率に基づいて、蓄電設備全体の充電率ＳＯＣを算出する。なお、ＳＯＣ算出部４１は、他の方法で、蓄電設備全体の充電率ＳＯＣを算出してもよい。例えば、ＳＯＣ算出部４１は、蓄電設備からの充放電電流を検出して積算することで、充電率ＳＯＣを算出してもよい。ＳＯＣ算出部４１は、算出した充電率ＳＯＣを、目標値設定部４２に出力する。

検出部４４は、発電システムＡ１と電力系統Ｂとの接続点に配置された電力センサを備えており、発電設備１が出力する電力と、蓄電設備が入出力する電力とを合成した合成電力を検出する。検出部４４は、検出した合成出力値Ｐ（ｔ）を目標値設定部４２および指標算出部４３に出力する。

目標値設定部４２は、合成出力目標値Ｐ_refを設定する。目標値設定部４２は、ＳＯＣ算出部４１から入力される充電率ＳＯＣ、および、下記（１）式に基づいて、合成出力目標値Ｐ_refを算出する。基準目標値Ｐ_t、目標充電率ＳＯＣ_t、およびゲインＫ_cは、あらかじめ設定されている。基準目標値Ｐ_tは、合成出力目標値Ｐ_refの基準となる値であり、固定された電力値が設定されている。目標充電率ＳＯＣ_tは、充電率ＳＯＣの目標値であり、時間帯によって異なる値が設定されている。目標充電率ＳＯＣ_tは、要求仕様に応じて設定される。具体的には、目標充電率ＳＯＣ_tは、蓄電設備が放電する傾向が高い場合には事前に高い値が設定され、蓄電設備が充電される傾向が高い場合には事前に低い値が設定される。ゲインＫ_cは補正ゲインであり、所定の値が設定されている。下記（１）式に示すように、合成出力目標値Ｐ_refは、充電率ＳＯＣが目標充電率ＳＯＣ_tに等しくなるまで、基準目標値Ｐ_tに対して補正を掛けたものになる。

図２は、上記（１）式により、充電率ＳＯＣが目標充電率ＳＯＣ_tに追従することを説明するための図である。図２においては、合成出力目標値Ｐ_refと、発電設備１の出力電力の変動を示す波形Ｘとが、模式的に表されている。波形Ｘ（発電設備１の出力電力）が合成出力目標値Ｐ_refを上回っている場合、余剰分の電力が蓄電設備で充電される。つまり、波形Ｘと合成出力目標値Ｐ_refとで囲まれた領域（図において点描を付した領域）の面積が、蓄電設備に充電された充電量を示す。一方、波形Ｘ（発電設備１の出力電力）が合成出力目標値Ｐ_refを下回っている場合、不足分の電力が蓄電設備から放電される。つまり、波形Ｘと合成出力目標値Ｐ_refとで囲まれた領域（図においてハッチングを付した領域）の面積が、蓄電設備から放電された放電量を示す。

図２（ａ）においては、蓄電設備に充電される充電量と蓄電設備から放電される放電量とが釣り合っている状態を示している。この場合、図に示す時間帯の前後で充電率ＳＯＣは同様の値になる。充電率ＳＯＣが目標充電率ＳＯＣ_tより小さい場合、上記（１）式より、合成出力目標値Ｐ_refが、基準目標値Ｐ_tより引き下げられる。したがって、図２（ｂ）に示すように、蓄電設備に充電される充電量が増加し、蓄電設備から放電される放電量が減少する。これにより、充電率ＳＯＣが増加する。一方、充電率ＳＯＣが目標充電率ＳＯＣ_tより大きい場合、上記（１）式より、合成出力目標値Ｐ_refが、基準目標値Ｐ_tより引き上げられる。したがって、図２（ｃ）に示すように、蓄電設備に充電される充電量が減少し、蓄電設備から放電される放電量が増加する。これにより、充電率ＳＯＣが減少する。このように、上記（１）式より、充電率ＳＯＣが目標充電率ＳＯＣ_tに近づくように合成出力目標値Ｐ_refが補正されることで、充電率ＳＯＣが目標充電率ＳＯＣ_tに追従する。

目標値設定部４２は、放電が増える可能性が高い場合には、事前に目標充電率ＳＯＣ_tとして高い値を設定することにより、放電に備えて、あらかじめ充電率ＳＯＣを増加させておく。一方、目標値設定部４２は、充電が増える可能性が高い場合には、事前に目標充電率ＳＯＣ_tとして低い値を設定することにより、あらかじめ充電率ＳＯＣを減少させておく。これにより、蓄電設備の容量が比較的小さい場合でも、発電システムＡ１は、蓄電設備の充電率ＳＯＣを運用範囲内(充電率ＳＯＣの下限から上限の範囲)に留めておくことができる。目標充電率ＳＯＣ_t（どの時間帯でどの設定値にするか）は、実験やシミュレーション結果などに応じて、適宜設定される。

図３は、上記仕様１〜５が要求されている場合の、目標値設定部４２において設定される目標充電率ＳＯＣ_tの一例を示している。図３に示す例では、蓄電設備が放電する傾向が高い第１減少禁止時間帯および第２減少禁止時間帯に対しては、各時間帯が開始する前から開始後３０分経過まで、目標充電率ＳＯＣ_tとして高い値ＳＯＣ₁（例えば６０〜８０％）が設定されている。一方、蓄電設備が充電される傾向が高い増加禁止時間帯に対しては、増加禁止時間帯が開始する前から終了後３０分経過まで、目標充電率ＳＯＣ_tとして低い値ＳＯＣ₂（例えば４０〜６０％）が設定されている。また、本実施形態では、増減禁止時間帯に対しては、その前後も含めて、目標充電率ＳＯＣ_tとして低い値ＳＯＣ₂が設定されている。なお、図３は、一例であって、設定される目標充電率ＳＯＣ_tは限定されない。目標充電率ＳＯＣ_tは２段階に限定されず、より多段階で変化してもよい。また、目標充電率ＳＯＣ_tの変更のタイミングは限定されない。

また、目標値設定部４２は、算出された合成出力目標値Ｐ_refを、要求仕様に応じた制約条件に合わせる。目標値設定部４２には、仕様１に対応するために、第１減少禁止時間帯においては、第１減少禁止時間帯の開始時刻ｔ₁（７：００）での合成出力値Ｐ（ｔ₁）を基準値とし、算出された合成出力目標値Ｐ_refに対して、（Ｐ_ref≧Ｐ（ｔ₁））の制約条件が設定されている。また、目標値設定部４２には、仕様２に対応するために、増減禁止時間帯においては、増減禁止時間帯の開始時刻ｔ₂（１１：３０）での合成出力値Ｐ（ｔ₂）を基準値とし、算出された合成出力目標値Ｐ_refに対して、（Ｐ_ref＝Ｐ（ｔ₂））の制約条件が設定されている。また、目標値設定部４２には、仕様３に対応するために、第２減少禁止時間帯においては、第２減少禁止時間帯の開始時刻ｔ₃（１６：００）での合成出力値Ｐ（ｔ₃）を基準値とし、算出された合成出力目標値Ｐ_refに対して、（Ｐ_ref≧Ｐ（ｔ₃））の制約条件が設定されている。また、目標値設定部４２には、仕様４に対応するために、増加禁止時間帯においては、増加禁止時間帯の開始時刻ｔ₄（２０：００）での合成出力値Ｐ（ｔ₄）を基準値とし、算出された合成出力目標値Ｐ_refに対して、（Ｐ_ref≦Ｐ（ｔ₄））の制約条件が設定されている。

さらに、目標値設定部４２には、仕様５に対応するために、全時間帯において、設定される合成出力目標値Ｐ_refの変化速度が発電システムＡ１の定格出力の±１％／分以内との制約条件が設定されている。本実施形態では、合成出力目標値Ｐ_refの設定が１分周期で行われる。したがって、目標値設定部４２は、今回設定する合成出力目標値Ｐ_refと前回設定された合成出力目標値Ｐ_refとの差が、前回設定された合成出力目標値Ｐ_refの±１％以内となるように、合成出力目標値Ｐ_refを調整して設定する。また、目標値設定部４２は、全時間帯において、合成出力目標値Ｐ_refを、「０」以上で、発電システムＡ１の定格出力の９５％以内になるように設定する。これらの制約条件は、一例であって、各制約条件は、要求仕様に応じて設定される。目標値設定部４２は、算出された合成出力目標値Ｐ_refを、設定された制約条件に合わせて、指標算出部４３に出力する。

図４は、目標値設定部４２が行う目標値設定処理を説明するためのフローチャートである。当該目標値設定処理は、所定周期（例えば１分周期）で実行される。

まず、現在の時刻が取得され（Ｓ１）、時刻に応じた目標充電率ＳＯＣ_tが設定される（Ｓ２）。次に、現在の充電率ＳＯＣが取得される（Ｓ３）。目標値設定部４２は、ＳＯＣ算出部４１から現在の充電率ＳＯＣを取得する。次に、合成出力目標値Ｐ_refが算出される（Ｓ４）。目標値設定部４２は、上記（１）式に基づいて、合成出力目標値Ｐ_refを算出する。

次に、現在の時刻が、上記仕様１〜４で指定された時間帯（第１減少禁止時間帯、第２減少禁止時間帯、増加禁止時間帯、および増減禁止時間帯）に含まれるか否かが判別される（Ｓ５）。含まれる場合（Ｓ５：ＹＥＳ）、当該時間帯に最初に該当したか否かが判別される（Ｓ６）。最初に該当した場合（Ｓ６：ＹＥＳ）、現在の合成出力値Ｐ（ｔ）が基準値に設定され（Ｓ７）、ステップＳ９に進む。一方、最初に該当しない場合（Ｓ６：ＮＯ）、合成出力目標値Ｐ_refが基準値に基づいて調整され（Ｓ８）、ステップＳ９に進む。当該時間帯に最初に該当したか否かは、例えばフラグを設定するなどして判別される。現在の時刻が、上記仕様１〜４で指定された時間帯に含まれない場合（Ｓ５：ＮＯ）、ステップＳ９に進む。

次に、合成出力目標値Ｐ_refの変化速度の制限（仕様５）に応じて、合成出力目標値Ｐ_refが調整される（Ｓ９）。具体的には、目標値設定部４２は、今回設定する合成出力目標値Ｐ_refと前回設定された合成出力目標値Ｐ_refとの差が、前回設定された合成出力目標値Ｐ_refの±１％以内となるように、合成出力目標値Ｐ_refを調整する。また、目標値設定部４２は、合成出力目標値Ｐ_refを、「０」以上で、発電システムＡ１の定格出力の９５％以内になるように調整する。次に、合成出力目標値Ｐ_refが指標算出部４３に出力され（Ｓ１０）、目標値設定処理は終了する。なお、図４のフローチャートに示す処理は一例であって、目標値設定部４２が行う目標値設定処理は上述したものに限定されない。

指標算出部４３は、目標値設定部４２から入力される合成出力目標値Ｐ_refと、検出部４４から入力される合成出力値Ｐ（ｔ）とに基づいて、合成出力値Ｐ（ｔ）を合成出力目標値Ｐ_refに制御するための誘導指標ｐｒを算出する。なお、指標算出部４３での誘導指標ｐｒの算出方法の詳細についての説明は省略する。指標算出部４３は、算出した誘導指標ｐｒを、各パワーコンディショナ３に送信する。

次に、発電システムＡ１の合成出力電力のシミュレーションについて説明する。本シミュレーションでは、発電システムＡ１の定格出力を１００ＭＷ、発電設備１の定格出力を８７．２ＭＷ、蓄電設備の定格出力を１００ＭＷ、蓄電設備の容量を２５０．９ＭＷｈとし、蓄電設備全体の充電率ＳＯＣの運用範囲を１〜９６％としている。また、本シミュレーションでは、上記した要求仕様の具体的な一例に応じて、目標値設定部４２が合成出力目標値Ｐ_refを設定した。また、目標値設定部４２は、上記（１）式に基づく合成出力目標値Ｐ_refの算出において、目標充電率ＳＯＣ_tを図３に示すように設定した。なお、高い値ＳＯＣ₁として７５％が設定され、低い値ＳＯＣ₂として５０％が設定されている。また、目標値設定部４２は、基準目標値Ｐ_tを５２．５ＭＷの固定値とし、ゲインＫ_cを１２５０の固定値としている。

図５は、当該シミュレーションの結果を示している。図５の上段には、蓄電設備の出力電力（図における波形ａ）、発電設備１の出力電力（図における波形ｂ）、発電システムＡ１の合成出力電力を検出した合成出力値Ｐ（ｔ）（図における波形ｃ）、および合成出力目標値Ｐ_ref（図における波形ｄ）の時間変化が示されている。なお、図５においては、波形ｃと波形ｄとがほとんど一致している。各電力は、左側の縦軸に示すように、発電システムＡ１の定格出力に対する百分率で示している。図５の下段には、ＳＯＣ算出部４１が算出した蓄電設備全体の充電率ＳＯＣ（図における波形ｅ）、および、指標算出部４３が算出した誘導指標ｐｒ（図における波形ｆ）のそれぞれの時間変化が示されている。なお、誘導指標ｐｒは、右側の縦軸に示すように、−１００から１００までの範囲で変化するように設定されている。また、充電率ＳＯＣは、左側の縦軸に示すように、百分率で示している。

図５に示すように、第１減少禁止時間帯においては、合成出力値Ｐ（ｔ）（波形ｃ参照）が当該時間帯の開始時刻での合成出力値Ｐ（ｔ）より減少していない。したがって、仕様１を満たしている。また、増減禁止時間帯においては、合成出力値Ｐ（ｔ）が当該時間帯の開始時刻での合成出力値Ｐ（ｔ）から増減していない。したがって、仕様２を満たしている。第２減少禁止時間帯においては、合成出力値Ｐ（ｔ）が当該時間帯の開始時刻での合成出力値Ｐ（ｔ）より減少していない。したがって、仕様３を満たしている。また、増加禁止時間帯においては、合成出力値Ｐ（ｔ）が当該時間帯の開始時刻での合成出力値Ｐ（ｔ）より増加していない。したがって、仕様４を満たしている。また、合成出力値Ｐ（ｔ）の変化速度（波形ｃの傾き）が最も大きいとき（図５においては１４：３０頃）でも、発電システムＡ１の定格出力の１％／分以内になっている。したがって、仕様５を満たしている。さらに、充電率ＳＯＣ（波形ｅ参照）は、１日を通して、２０〜７０％の範囲で変化している。したがって、設定された容量では余裕を持って運用可能であり、蓄電設備の容量をもっと小さいものとすることが可能である。また、２３：００以降の充電率ＳＯＣ（波形ｅ参照）の減少に伴い、合成出力目標値Ｐ_ref（波形ｄ参照）の減少が確認できる。これは上記（１）式における、充電率ＳＯＣによる合成出力目標値Ｐ_refの補正の効果である。

図６は、図５におけるシミュレーションと同様の設定で、目標値設定部４２が合成出力目標値Ｐ_refを、基準目標値Ｐ_tに固定した、すなわち、上記（１）式において、ゲインＫ_cを「０」として、充電率ＳＯＣによる補正項を削除した場合のシミュレーションの結果である。

図６に示すように、本シミュレーションでも、仕様１〜５を満たすことができる。しかし、充電率ＳＯＣ（波形ｅ参照）が、運用範囲に収まっていない。すなわち、２２：００頃から発電設備１の出力電力（波形ｂ参照）が低下し、これに応じて、蓄電設備の出力電力（波形ａ参照）が上昇している。そして、２２：３０頃に、充電率ＳＯＣ（波形ｅ参照）が、運用範囲の下限に達している。これにより、蓄電設備による放電が停止され（波形ａ参照）、合成出力値Ｐ（ｔ）（波形ｃ参照）が合成出力目標値Ｐ_ref（波形ｄ参照）を大きく下回っている。つまり、設定された容量では運用できず、蓄電設備の容量をもっと大きいものとする必要がある。以上のように、上記（１）式を用いて、目標充電率ＳＯＣ_tを適切に設定して、基準目標値Ｐ_tを算出することで、蓄電設備の容量を抑制可能であることが確認できた。

次に、本実施形態に係る集中管理装置４、および、発電システムＡ１の作用および効果について説明する。

本実施形態によると、目標値設定部４２は、上記（１）式に基づいて合成出力目標値Ｐ_refを算出し、算出された合成出力目標値Ｐ_refを要求仕様に応じた制約条件に合わせて設定する。つまり、目標値設定部４２は、発電モデルを用いることなく、合成出力目標値Ｐ_refを設定する。指標算出部４３は、目標値設定部４２から入力される合成出力目標値Ｐ_refと、検出部４４から入力される合成出力値Ｐ（ｔ）とに基づいて、合成出力値Ｐ（ｔ）を合成出力目標値Ｐ_refに制御するための誘導指標ｐｒを算出して、各パワーコンディショナ３に送信する。各パワーコンディショナ３は、集中管理装置４から受信した誘導指標ｐｒを用いて個別目標値Ｐ^*を算出し、算出した個別目標値Ｐ^*に基づいて、出力電力の制御を行う。これにより、パワーコンディショナ３に接続された蓄電池２は、充電および放電を制御される。つまり、集中管理装置４は、発電モデルを用いることなく蓄電設備の充放電を行うことができる。また、目標値設定部４２は上記（１）式により合成出力目標値Ｐ_refを算出するので、充電率ＳＯＣが目標充電率ＳＯＣ_tに追従する。したがって、目標値設定部４２は、要求仕様に応じることにより、蓄電設備が放電する傾向が高い場合には、事前に目標充電率ＳＯＣ_tに高い値を設定することで、充電率ＳＯＣをあらかじめ上げておくことができる。逆に、蓄電設備が充電される傾向が高い場合には、事前に目標充電率ＳＯＣ_tに低い値を設定することで、充電率ＳＯＣをあらかじめ下げておくことができる。これにより、集中管理装置４は、目標充電率ＳＯＣ_tを固定した場合と比較して、充電率ＳＯＣの変化範囲を狭くすることができる。したがって、集中管理装置４は、蓄電設備の容量を抑制できる。

また、本実施形態によると、発電システムＡ１は、自律分散協調制御方式により、合成出力電力を制御する。すなわち、集中管理装置４は、合成出力値Ｐ（ｔ）と合成出力目標値Ｐ_refとに基づいて、合成出力値Ｐ（ｔ）を合成出力目標値Ｐ_refに制御するための誘導指標ｐｒを算出する。各パワーコンディショナ３は、集中管理装置４が算出した共通の誘導指標ｐｒを用いて自装置の出力電力の個別目標値Ｐ^*を算出し、自装置の出力電力を制御する。各パワーコンディショナ３が、誘導指標ｐｒに基づいて自律的に出力電力を制御することで、発電システムＡ１全体の合成出力値Ｐ（ｔ）が合成出力目標値Ｐ_refに制御される。集中管理装置４は、パワーコンディショナ３および蓄電池２の個別の状態などを把握することなく、誘導指標ｐｒを算出して送信するだけなので、演算や通信の負担が小さい。集中管理装置４は高性能で高価な装置である必要がないので、初期導入費用が軽減される。また、発電システムＡ１を拡張する場合に、集中管理装置４の大きな改修が必要にならない。

また、本実施形態によると、目標値設定部４２は、上記（１）式により合成出力目標値Ｐ_refを算出する。充電率ＳＯＣが目標充電率ＳＯＣ_tより小さい場合、合成出力目標値Ｐ_refが、基準目標値Ｐ_tより引き下げられる。したがって、蓄電設備に充電される充電量が増加し、蓄電設備から放電される放電量が減少する。これにより、充電率ＳＯＣが増加する。一方、充電率ＳＯＣが目標充電率ＳＯＣ_tより大きい場合、合成出力目標値Ｐ_refが、基準目標値Ｐ_tより引き上げられる。したがって、蓄電設備に充電される充電量が減少し、蓄電設備から放電される放電量が増加する。これにより、充電率ＳＯＣが減少する。したがって、目標値設定部４２は、充電率ＳＯＣを目標充電率ＳＯＣ_tに適切に追従させることができる。

また、本実施形態によると、目標値設定部４２には、第１減少禁止時間帯においては、第１減少禁止時間帯の開始時刻ｔ₁での合成出力値Ｐ（ｔ₁）を基準値とし、算出された合成出力目標値Ｐ_refに対して、（Ｐ_ref≧Ｐ（ｔ₁））の制約条件が設定されている。したがって、仕様１を満たすことができる。また、目標値設定部４２には、増減禁止時間帯においては、増減禁止時間帯の開始時刻ｔ₂での合成出力値Ｐ（ｔ₂）を基準値とし、算出された合成出力目標値Ｐ_refに対して、（Ｐ_ref＝Ｐ（ｔ₂））の制約条件が設定されている。したがって、仕様２を満たすことができる。また、目標値設定部４２には、第２減少禁止時間帯においては、第２減少禁止時間帯の開始時刻ｔ₃での合成出力値Ｐ（ｔ₃）を基準値とし、算出された合成出力目標値Ｐ_refに対して、（Ｐ_ref≧Ｐ（ｔ₃））の制約条件が設定されている。したがって、仕様３を満たすことができる。また、目標値設定部４２には、増加禁止時間帯においては、増加禁止時間帯の開始時刻ｔ₄での合成出力値Ｐ（ｔ₄）を基準値とし、算出された合成出力目標値Ｐ_refに対して、（Ｐ_ref≦Ｐ（ｔ₄））の制約条件が設定されている。したがって、仕様４を満たすことができる。また、本実施形態によると、目標値設定部４２には、全時間帯において、設定される合成出力目標値Ｐ_refの変化速度が発電システムＡ１の定格出力の±１％／分以内との制約条件が設定されている。したがって、仕様５を満たすことができる。

なお、本実施形態においては、目標値設定部４２が上記（１）式により合成出力目標値Ｐ_refを算出する場合について説明したが、これに限られない。合成出力目標値Ｐ_refを算出するための式は、上記（１）式における、充電率ＳＯＣによる補正項が、ＳＯＣ_t＞ＳＯＣであれば正になり、ＳＯＣ_t＜ＳＯＣであれば負になり、ＳＯＣ_t＝ＳＯＣであれば「０」になる関数であればよい。例えば、上記（１）式に代えて、下記（２）式や下記（３）式が用いられてもよい。

また、本実施形態においては、上記（１）式において、基準目標値Ｐ_tを固定値とした場合について説明したが、これに限られない。基準目標値Ｐ_tは、時間帯や季節などによって異なる値が設定されてもよい。また、基準目標値Ｐ_tは、例えば風況予測などに応じて、変化させてもよい。

図７は、第２実施形態に係る発電システムの全体構成を示すブロック図である。図７において、第１実施形態に係る発電システムＡ１と同一または類似の要素には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。本実施形態に係る発電システムＡ２は、自律分散協調制御方式ではなく、集中管理装置４が各パワーコンディショナ３にそれぞれ個別の制御指令値を出力する点で、第１実施形態に係る発電システムＡ１とは異なる。

第２実施形態に係る集中管理装置４は、指標算出部４３に代えて、指令値算出部４５を備えている。指令値算出部４５は、各パワーコンディショナ３から、ＳＯＣ推定部３３が推定した蓄電池２の充電率、パワーコンディショナ３の出力電力の検出値、および蓄電池２の容量などの情報を入力される。指令値算出部４５は、目標値設定部４２から入力される合成出力目標値Ｐ_refと、検出部４４から入力される合成出力値Ｐ（ｔ）と、各パワーコンディショナ３から入力された情報とに基づいて、各パワーコンディショナ３に対する制御指令値を算出する。指令値算出部４５は、算出した各制御指令値を、それぞれ対応するパワーコンディショナ３に送信する。

第２実施形態に係る各パワーコンディショナ３は、目標電力算出部３１を備えておらず、集中管理装置４から入力される個別の制御指令値を個別目標値Ｐ^*として、出力制御部３２に入力する。出力制御部３２は、個別目標値Ｐ^*に基づいて、出力電力の制御を行う。

本実施形態においても、目標値設定部４２は、上記（１）式に基づいて合成出力目標値Ｐ_refを算出し、算出された合成出力目標値Ｐ_refを要求仕様に応じた制約条件に合わせて設定する。したがって、本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

なお、第１および第２実施形態においては、発電システムＡ１，Ａ２が、電力系統Ｂに連系している場合について説明したが、これに限られない。発電システムＡ１，Ａ２は、オフグリッドで、所定の負荷装置に電力を供給するシステムであってもよい。

また、第１および第２実施形態においては、発電設備１が風力発電装置を備えている場合について説明したが、これに限られない。発電設備１は、風力発電装置に代えて、太陽光発電装置、地熱発電装置、波力発電装置、およびマイクロ水力発電装置などの、他の再生可能エネルギーを利用した発電装置を備えてもよい。また、発電設備１は、複数種類の発電装置を備えてもよいし、さらに、再生可能エネルギーを利用しない発電装置も併設してもよい。

本発明に係る集中管理装置および発電システムは、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る集中管理装置および発電システムの各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

Ａ１，Ａ２：発電システム、１：発電設備、２：蓄電池、３：パワーコンディショナ、４：集中管理装置、４２：目標値設定部、４３：指標算出部、４４：検出部、４５：指令値算出部

Claims

再生可能エネルギーによる発電設備と、前記発電設備が発電した電力を充電され、また、自身に蓄電された電力を放電する蓄電池、および、前記蓄電池の充電および放電を制御するパワーコンディショナを有する蓄電設備と、を備える発電システムにおいて、前記パワーコンディショナを管理する集中管理装置であって、
前記発電設備が出力する電力と、前記蓄電設備が入出力する電力とを合成した合成出力値を検出する検出部と、
前記蓄電設備の現在の充電率と当該充電率の目標値である目標充電率との差に応じて前記合成出力値の目標値である合成出力目標値を算出する算出式と、要求仕様に応じた制約条件とに基づいて、前記合成出力目標値を設定する目標値設定部と、
前記合成出力値と前記合成出力目標値とに基づいて制御指令値を算出する指令値算出部と、
を備え、
前記制御指令値を前記パワーコンディショナに出力し、
前記目標値設定部は、前記要求仕様に応じて、前記目標充電率を変更する、
ことを特徴とする集中管理装置。
前記目標値設定部は、前記合成出力目標値の基準値である基準目標値をＰ_t、前記蓄電設備の現在の充電率をＳＯＣ、前記目標充電率をＳＯＣ_t、補正ゲインをＫ_cとすると、下記式に基づいて、前記合成出力目標値Ｐ_refを算出する、
請求項１に記載の集中管理装置。
前記目標値設定部に設定される前記制約条件には、設定される前記合成出力目標値は、所定期間において、当該所定期間の開始時の前記合成出力値以上とする制約が含まれている、
請求項１または２に記載の集中管理装置。
請求項１ないし３のいずれかに記載の集中管理装置と、前記発電設備と、前記蓄電設備と、を備える発電システムであって、
前記蓄電設備は、
前記発電設備が発電した電力を充電され、また、自身に蓄電された電力を放電する第２の蓄電池と、
前記第２の蓄電池の充電および放電を制御する第２のパワーコンディショナと、
をさらに備え、
前記集中管理装置は、
前記指令値算出部に代えて、前記合成出力値を前記合成出力目標値に制御するための誘導指標を算出する指標算出部を備え、
前記制御指令値に代えて、共通する前記誘導指標を前記パワーコンディショナおよび前記第２のパワーコンディショナに出力し、
前記パワーコンディショナおよび前記第２のパワーコンディショナは、それぞれ、入力された前記誘導指標に基づいて、自装置の出力電力の目標値である個別目標値を算出する目標電力算出部を備えている、
ことを特徴とする発電システム。
前記発電設備は、風力発電装置を備えている、
請求項４に記載の発電システム。