JP2021116442A - 水素システムの制御装置、水素生成システム、及び水素システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水素製造装置が生成した水素の貯蔵量に応じて再生可能エネルギー発電装置における出力電力の調整が可能な水素システムの制御装置、水素システム、及び水素システムの制御方法を提供する。【解決手段】本実施形態に係る水素システムの制御装置は、再生可能エネルギー発電装置から供給される発電電力を出力電力に変換する変換部と、出力電力および電力系統から供給される電力を加えた入力電力により水素を製造する水素製造装置とを、制御する水素システムの制御装置であって、水素製造装置が製造する水素を貯蔵する水素貯蔵装置の貯蔵量に関する水素貯蔵情報を取得する取得部と、水素貯蔵情報に基づき、出力電力を調整する制御を変換部に行う制御部と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、水素システムの制御装置、水素生成システム、及び水素システムの制御方法に関する。

再生可能エネルギー発電装置の電力を用いて、水素を製造する水素システムが一般に知られている。このような水素システムでは、電力系統に供給する電力の需給バランスを調整しつつ、水素の製造が行われる。

一方で、所定時間後（例えば５分後）の電力系統に供給する電力供給量の調整が求められる。この場合、計画した電力の所定範囲に例えば５分間隔で計測される電力を調整する必要がある。ところが、水素システムが有する水素貯蔵装置の貯蔵量が所定値を超えると、水素製造装置を停止させる制御が行われる。また、貯蔵量が下限に達すると補機を停止させる場合がある。これにより、水素製造装置、及び補機などが急峻に停止すると、電力系統に供給する瞬時電力の変動が大きくなり、電力供給量の調整に失敗する恐れがある。

特開２０１８−８５８６２号公報

本発明が解決しようとする課題は、水素製造装置が生成した水素の貯蔵量に応じて再生可能エネルギー発電装置における出力電力の調整が可能な水素システムの制御装置、水素システム、及び水素システムの制御方法を提供することである。

本実施形態に係る水素システムの制御装置は、再生可能エネルギー発電装置から供給される発電電力を出力電力に変換する変換部と、出力電力および電力系統から供給される電力を加えた入力電力により水素を製造する水素製造装置とを、制御する水素システムの制御装置であって、水素製造装置が製造する水素を貯蔵する水素貯蔵装置の貯蔵量に関する水素貯蔵情報を取得する取得部と、水素貯蔵情報に基づき、出力電力を調整する制御を変換部に行う制御部と、を備える。

本実施形態によれば、水素製造装置が生成した水素の貯蔵量に応じて再生可能エネルギー発電装置における出力電力の調整を行うことができる。

水素システムの構成を示すブロック図。 制御装置の構成を示すブロック図。 需給調整時間帯における制御部の制御例を示す図 停止時における入力電力の瞬時電力への影響を説明する図。 水素製造量を抑制する場合の制御例を示す図。 水素貯蔵タンク圧力に応じて変化量を演算する例を示す図。 図６で示す変化量で制御した例を示す図。 制御例を示すフローチャート。 第２実施形態に係る制御装置のブロック図。 補正した入力電力、出力電力による制御例を示す図。 第３実施形態に係る制御装置のブロック図。

以下、本発明の実施形態に係る水素システムの制御装置、水素生成システム、及び水素システムの制御方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明の実施形態の一例であって、本発明はこれらの実施形態に限定して解釈されるものではない。また、本実施形態で参照する図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号又は類似の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、図面の寸法比率は説明の都合上実際の比率とは異なる場合や、構成の一部が図面から省略される場合がある。
（第１実施形態）

図１は、第１実施形態に係る水素生成システム１の構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係る水素生成システム１は、水素を生成するシステムであり、水素システム１０と、エネルギー管理システム２０と、制御装置３０とを備えている。図１では、更に電力系統Ｅｐｓが図示されている。電力系統Ｅｐｓは、例えば電力会社が管理する送配電網である。

水素システム１０は、水素システム１０内の再生可能エネルギー発電装置が生成する発電電力を電力系統Ｅｐｓに供給する。また、水素システム１０は、発電電力の一部により水素を製造する。水素システム１０の詳細は後述する。

エネルギー管理システム２０は、水素システム１０の運転計画を作成するシステムである。運用計画は、一般には１日を３０分単位で分割した４８分割の運転計画である。例えば、エネルギー管理システム２０は、時間区間毎における電力系統Ｅｐｓからの目標受電電力量、再生可能エネルギー発電装置の予測発電電力、水素製造量などの情報を含む指令信号を制御装置３０に出力する。なお、目標受電電力量は、プラス（＋）のときは受電を意味し、マイナス（−）のときは売電、すなわち逆潮流を意味する。

制御装置３０は、エネルギー管理システムが作成する運転計画に基づき、水素システム１０を制御する制御装置である。制御装置３０の詳細は後述する。

ここで、水素システム１０の構成を説明する。水素システム１０は、再生可能エネルギー発電装置１０ａ、パワーコンディショナ１０ｂ、水素製造装置１０ｃ、水素貯蔵装置１０ｄ、及び補機１０ｅを有する。図１では、さらに水素負荷ＨＲが図示されている。

再生可能エネルギー発電装置１０ａは、自然エネルギー由来の発電設備を有する。この再生可能エネルギー由来の発電設備は、例えば太陽光を用いた太陽光発電装置である。再生可能エネルギー発電装置１０ａは、発電電力Ｐｖの交流電力値の情報を含む測定信号を制御装置３０に出力する。

再生可能エネルギー発電装置１０ａは、化石燃料などの燃料が不要であるが、その発電量は天候などの環境の影響を受けるため不安定である。なお、再生可能エネルギー発電装置１０ａは、風力発電設備でもよく、或いはバイオマスやバイオマス由来廃棄物などの新エネルギーを利用した発電設備でもよい。

パワーコンディショナ１０ｂは、例えばコンバータを含んで構成される。このコンバータは、例えば再生可能エネルギー発電装置１０ａが出力した直流の発電電力Ｐｖを交流の出力電力Ｐｃｓ（ｋ）に変換する。より具体的には、パワーコンディショナ１０ｂは、制御装置３０から入力され出力電力Ｐｃｓ（ｋ）の情報を含む指令信号に従い、発電電力Ｐｖ（ｋ）を所定値に変換した出力電力Ｐｃｓ（ｋ）を水素製造装置１０ｃに供給する。すなわち、パワーコンディショナ１０ｂが出力する出力電力Ｐｃｓ（ｋ）の大きさは制御装置３０に調整される。なお、本実施形態に係るパワーコンディショナ１０ｂが変換部に対応する。ここで、ｋは時間を意味する。

水素製造装置１０ｃは、整流器へ供給された電気と、水とを用いて、水電解により水素を製造する。この水素製造装置１０ｃは、パワーコンディショナ１０ｂが出力する出力電力Ｐｃｓと電力系統Ｅｐｓから供給される瞬時電力Ｐとを合わせた電力の一部である入力電力Ｅにより水素を製造する。また、水素製造装置１０ｃは、例えばアルカリ性の溶液に電流を流すことにより、水素及び酸素を製造する電気水分解装置である。さらにまた、水素製造装置１０ｃは、水素配管を介して、生成した水素量Ｈ（ｋ）を、水素貯蔵装置１０ｄに蓄える。

水素貯蔵装置１０ｄは、水素製造装置１０ｃにより製造された水素を蓄える。この水素貯蔵装置１０ｄは、例えば水素貯蔵タンクを有する。また、水素貯蔵タンク内の水素圧力の情報は制御装置３０に出力される。

水素貯蔵装置１０ｄは、水素製造装置１０ｃと、水素負荷ＨＲと、に配管を介して接続される。また、水素貯蔵装置１０ｄは、配管を介して、水素負荷ＨＲに水素を供給する。水素負荷ＨＲは、例えば燃料電池発電装置、燃料電池自動車などである。なお、再生可能エネルギー発電装置１０ａ及びパワーコンディショナ１０ｂは水素システム１０外に配置してもよい。すなわち、水素システム１０は、再生可能エネルギー発電装置１０ａ及びパワーコンディショナ１０ｂを含まない構成でもよい。

補機１０ｅは、水素製造装置１０ｃが水素を製造するために必要とする装置である。例えば、水素製造装置１０ｃに水を供給するポンプなどである。水素製造装置１０ｃの空調設備、水素貯蔵装置１０ｄにおける水素貯蔵タンクの圧縮機などである。補機１０ｅは、例えば、パワーコンディショナ１０ｂが出力する出力電力Ｐｃｓと電力系統Ｅｐｓから供給される瞬時電力Ｐとを合わせた電力の一部である補機電力Ａｐにより駆動する。

図２は、制御装置３０の構成を示すブロック図である。図２に示すように、制御装置３０は、記憶部３０ａと、インターフェース部３０ｂと、制御部３０ｃとを有する。

記憶部３０ａは、例えばＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ等の半導体メモリ素子、ハードディスク等により実現される。この記憶部３０ａは、制御部３０ｃが実行するプログラムと、各種の制御用のデータを記憶する。

インターフェース部３０ｂは、再生可能エネルギー発電装置１０ａ（図１）、水素製造装置１０ｃ（図１）、及び水素貯蔵装置１０ｄ（図１）、エネルギー管理システム２０（図１）と通信する。これにより、インターフェース部３０ｂは、瞬時電力Ｐ（ｋ）、発電電力Ｐｖ（ｋ）、出力電力Ｐｃｓ（ｋ）、水素製造量Ｈ（ｋ）、及び水素貯蔵量Ｈｓ（ｋ）の測定値を水素システム１０から取得する。水素貯蔵量Ｈｓ（ｋ）は、水素貯蔵装置１０ｄの水素貯蔵タンク内の貯蔵量を意味する。

例えば、水素貯蔵量Ｈｓ（ｋ）は、水素貯蔵タンク内の圧力に応じて換算される。また、水素貯蔵タンクには水素貯蔵時の上限圧力が設定される。例えば、上限圧力は、０．８メガパスカルである。また、インターフェース部３０ｂは、需給調整時間帯、ベース電力、目標とする出力変化量ΔｋＷの情報をエネルギー管理システム２０から取得する。

制御部３０ｃは、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を含んで構成され、記憶部３０ａに記憶されるプログラムに基づき、制御を実行する。この制御部３０ｃは、演算部３０２と、出力部３０４とを、有する。演算部３０２は、水素製造抑制量算出部３０６と、指令値演算部３０８とを有する。

演算部３０２は、需給調整時間帯、ベース電力、及び出力変化量ΔｋＷの情報に基づき、水素製造量Ｈ（ｋ）、入力電力Ｅ（ｋ）、出力電力Ｐｃｓ（ｋ）、瞬時電力Ｐ（ｋ）を演算する。水素製造量Ｈ（ｋ）と入力電力Ｅ（ｋ）には、例えば（１）式に示す関係があり、水素製造量Ｈ（ｋ）から入力電力Ｅ（ｋ）を演算可能である。
Ｈ（ｋ）＝η×Ｅ（ｋ） （１）
また、瞬時電力Ｐ（ｋ）は、例えば入力電力Ｅ（ｋ）と補機電力Ａｐ（ｋ）を合わせた電力から出力電力Ｐｃｓ（ｋ）を減じた値である。

出力部３０４は、水素製造量Ｈ（ｋ）に基づく入力電力Ｅ（ｋ）の情報を有する第１指令値を水素製造装置１０ｃに出力し、出力電力Ｐｃｓ（ｋ）の情報を有する第２指令値をパワーコンディショナ１０ｂに出力する。これらの第１指令値、及び第２指令値に応じて、水素製造装置１０ｃ、及びパワーコンディショナ１０ｂが制御される。

図３は、需給調整時間帯における制御部３０ｃの制御例を示す図である。下図は、想定需要と実績需要との関係を示している。下図の縦軸は電力の需要量を示し、横軸は時間を示している。ラインＬ１０が電力の需要実績の時系列値を示す。また、横棒Ｂ１０が予め事業者が想定した電力の想定需要を示し、横棒Ｂ１２が電力の需要実績を示す。すなわち、下図では、事業者が想定した電力の想定需要よりも需要実績の方が少ないことを示している。

ここで、需給調整時間帯は、エネルギー管理システム２０から需給調整指令が発令される時間帯を意味する。需給調整指令とは、目標とする出力変化量ΔｋＷに現在のベース電力から瞬時電力Ｐを変化させる指令である。需給調整時間帯の中でいつ指令が来るか決まっておらず、需給調整の指令が来ない場合は需給調整できる状態で待機しておく必要がある。ベース電力とは、この待機状態での瞬時電力Ｐを意味する。図３の上図では、指令値が発令される前の瞬時電力Ｐに対応する。

図３の上図は、縦軸は、横棒Ｂ１０の値を０としたときの横棒Ｂ１０と横棒Ｂ１２との差分の絶対値を示し、横軸は、時間を示す。指令値は、ベース電力に出力変化量ΔｋＷを加算した値である。すなわち、ラインＬ２０は、横棒Ｂ１０の値を０としたときの横棒Ｂ１０と横棒Ｂ１２との差分の絶対値を示す。

図３の上図に示すように、需給調整時間帯では、出力変化量ΔｋＷの±１０％以内に５分間隔で計測される瞬時電力Ｐを収める必要がある。すなわち、需給調整時間帯では、制御部３０ｃは瞬時電力Ｐを出力変化量ΔｋＷの±１０％以内に制御する必要がある。このように、需給調整時間帯では電力変化量が評価される。

また、需給調整時間帯に入る前に、事前審査時間として例えば１８０分が設定される。また、事前審査時間の前に例えば６０分が設定される。この６０分の中には一般に応答時間が含まれる。応答時間は、需給調整指令が発令されてから、ベース電力から指令値に瞬時電力Ｐが達するまでの時間である。事前審査時間と前の６０分を合わせて、事前審査対象時間と称する。事前審査時間では、出力変化量ΔｋＷの±１０％以内に５分間隔で計測される出力電力を収めることができるか否かを審査される。また、応答時間も審査され、短時間でベース電力から指令値に達するに従い評価が高くなる。このように、事前審査時間では、制御部３０ｃは瞬時電力Ｐを出力変化量ΔｋＷの±１０％以内に制御する必要がある。

ここで、演算部３０２の詳細を説明する。特に需給調整時間帯における瞬時電力Ｐを出力変化量ΔｋＷの±１０％以内に制御するために、水素製造装置１０ｃの停止時における入力電力Ｅ（ｋ）の影響を抑制する制御例を説明する。

まず、図４により水素製造装置１０ｃの停止時における入力電力Ｅ（ｋ）の瞬時電力Ｐ（ｋ）への影響を説明する。図４は、水素製造装置１０ｃの停止時における入力電力Ｅ（ｋ）の瞬時電力Ｐ（ｋ）への影響を説明する図である。縦軸は水素貯蔵タンクの圧力と電力を示し、横軸は、時間ｋを示す。

制御部３０ｃの制御により、時刻ｋ−１までは入力電力Ｅ（ｋ）、補機電力Ａｐ（ｋ）、出力電力Ｐｃｓ（ｋ）が一定となり、瞬時電力Ｐ（ｋ）が所定値（ベース電力＋出力変化量ΔｋＷ）の電力と一致している。しかし、時刻ｋにおいて水素貯蔵タンク圧力が上限圧力（０．８）に到達し、水素製造装置１０ｃが停止する。これにより、入力電力Ｅ（ｋ）が急峻に０となる。このように、水素製造装置１０ｃが急激に停止すると、制御部３０ｃによる出力電力Ｐｃｓ（ｋ）を低減する制御が、入力電力Ｅ（ｋ）の低減よりも遅れ、瞬時電力Ｐ（ｋ）が所定値（ベース電力＋出力変化量ΔｋＷ）の電力を維持できなくなってしまう。

このため、演算部３０２は、水素製造装置１０ｃの停止時における入力電力Ｅ（ｋ）の瞬時電力Ｐ（ｋ）への影響を抑制するように、水素製造量Ｈ（ｋ）と、出力電力Ｐｃｓ（ｋ）とを演算する。例えば、演算部３０２は、水素貯蔵装置１０ｄの水素貯蔵量が所定値を超えた場合に、水素貯蔵装置１０ｄの水素貯蔵量が増加するに従い、入力電力Ｅ（ｋ）、及び出力電力Ｐｃｓ（ｋ）が減少するように入力電力Ｅ（ｋ）、及び出力電力Ｐｃｓ（ｋ）を演算する。

出力部３０４は、水素製造量Ｈ（ｋ）に基づく第１指令値を水素製造装置１０ｃに出力し、出力電力Ｐｃｓ（ｋ）に基づく第２指令値をパワーコンディショナ１０ｂに出力する。

水素製造抑制量算出部３０６は、水素貯蔵タンク圧力に応じて水素製造量を抑制する水素製造量Ｈ（ｋ）の変化量ΔＨ（ｋ）を演算する。水素製造抑制量算出部３０６は、例えば、水素貯蔵タンク圧力が所定より大きくなると、水素製造量Ｈ（ｋ）を減少させる一定値の変化量ΔＨ（ｋ）を演算する。例えば、水素製造抑制量算出部３０６は、入力電力Ｅ（ｋ）が逐次的に減少することにより、入力電力Ｅ（ｋ）が０になり、水素製造装置１０ｃが停止する時点と、水素貯蔵タンクが満タン、すなわち上限圧力に達するタイミングが一致するように、一定値の変化量ΔＨ（ｋ）を演算する。

指令値演算部３０８は、水素製造抑制量算出部３０６が演算した水素製造量Ｈ（ｋ）の変化量ΔＨ（ｋ）に応じた水素製造装置１０ｃの入力電力Ｅ（ｋ）の減少量ΔＥ（ｋ）を演算する。例えば、水素製造量Ｈ（ｋ）と入力電力Ｅ（ｋ）には、上述のように（１）式の関係がある。指令値演算部３０８は、入力電力の減少量ΔＥ（ｋ）を（２）式を用いて演算可能である。
ΔＥ（ｋ）＝ΔＨ（ｋ）／η （２）

なお、本実施形態では、演算部３０２は、水素製造量Ｈ（ｋ）の変化量ΔＨ（ｋ）を演算するが、これに限定されない。例えば、入力電力の減少量ΔＥ（ｋ）を、ΔＨ（ｋ）を用いずに直接的に演算してもよい。

指令値演算部３０８は、瞬時電力Ｐを一定に保持させるために入力電力Ｅ（ｋ）の減少量ΔＥ（ｋ）と出力電力Ｐｃｓ（ｋ）の減少量とを一致させる。例えば、指令値演算部３０８は、出力電力Ｐｃｓ（ｋ）の減少量を入力電力Ｅ（ｋ）の減少量ΔＥ（ｋ）に一致させる。この場合、指令値演算部３０８は、入力電力Ｅ（ｋ）と出力電力Ｐｃｓ（ｋ）を（３）、（４）式に従い演算する。
Ｅ（ｋ）＝Ｅ（ｋ−１）−ΔＥ（ｋ） （３）
Ｐｃｓ（ｋ）＝ＰＣＳ（ｋ−１）−ΔＥ（ｋ） （４）

このような演算処理により、Ｐｃｓ（ｋ）とＥ（ｋ）との差分である瞬時電力Ｐ（ｋ）は一定値で維持される。また、例えば、入力電力Ｅ（ｋ）が計画的に減少することにより、入力電力Ｅ（ｋ）が０になり、水素製造装置１０ｃが停止する時点と、水素貯蔵タンクが満タンとなるタイミングが一致する。

出力部３０４は、出力電力Ｐｃｓ（ｋ）の指示値ＰＣＳｓｅｔ（ｋ）の情報を有する第１指令値を水素製造装置１０ｃに出力し、入力電力Ｅ（ｋ）の指示値Ｅｓｅｔ（ｋ）の情報を有する第２指令値をパワーコンディショナ１０ｂに出力する。

図５は、水素製造量Ｈ（ｋ）を抑制する場合の制御例を示す図である。図５の縦軸は水素貯蔵タンクの圧力と電力を示し、横軸は、時間ｋを示す。

図５に示す制御例では、水素製造抑制量算出部３０６は、時刻ｋ−３において水素貯蔵タンク圧力が閾値（０．６）に到達すると、水素製造装置１０ｃが停止する時点と、水素貯蔵タンクが満タンとなるタイミングが一致するように、水素製造量Ｈ（ｋ）の変化量ΔＨ（ｋ）を演算する。続けて、指令値演算部３０８は、（１）〜（４）式に従い、入力電力Ｅ（ｋ）と出力電力Ｐｃｓ（ｋ）を演算する。貯蔵タンク圧力が閾値（０．６）に到達した後では、入力電力Ｅ（ｋ）と出力電力Ｐｃｓ（ｋ）とは、ΔＥ（ｋ）ずつ電力が減少する。このため、出力電力Ｐｃｓ（ｋ）と入力電力Ｅ（ｋ）との差分である瞬時電力Ｐ（ｋ）は一定値で維持される。

また、補機の消費電力である補機電力Ａｐ（ｋ）は、一定値で維持される。このように、貯蔵タンク圧力が閾値（０．６）に到達した後では、入力電力Ｅ（ｋ）の時間に対する変化量ΔＥ（ｋ）と、出力電力Ｐｃｓ（ｋ）の時間に対する変化量ΔＥ（ｋ）とを一致させ、且つ、水素製造量Ｈ（ｋ）及び出力電力Ｐｃｓ（ｋ）を減少させる。これにより、水素貯蔵タンク圧力が上限圧力（０．８）に到達する際にも出力電力Ｐｃｓ（ｋ）と入力電力Ｅ（ｋ）との差分値である瞬時電力Ｐは一定値で維持される。また、入力電力Ｅ（ｋ）と出力電力Ｐｃｓ（ｋ）とを同一のΔＥ（ｋ）により減少させ、貯蔵タンクが満タンになる前、又は、貯蔵タンクが満タンになるのと同時に入力電力Ｅ（ｋ）を０にすることにより、水素製造装置１０ｃが停止する時点においても瞬時電力Ｐを一定値に維持可能となる。このように、入力電力Ｅ（ｋ）を時系列な変化に対し、出力電力Ｐｃｓ（ｋ）の時系列な変化を追随させながら入力電力Ｅ（ｋ）を０にしているので、水素製造装置１０ｃが停止する時点での入力電力Ｅ（ｋ）の変動が瞬時電力Ｐ（ｋ）へ与える影響が抑制される。さらにまた、貯蔵タンク圧力が閾値（０．６）に到達する前は、水素製造を優先することも可能である。

図６は、水素貯蔵タンクの圧力に応じて変化量ΔＨ（ｋ）を演算する例を示す図である。縦軸は、変化量ΔＨ（ｋ）を示し、横軸は、圧力を示す。

図５の例では、水素製造抑制量算出部３０６は、一定値の変化量ΔＨ（ｋ）を演算したが、図６の例では、水素貯蔵タンク圧力に応じて変化量ΔＨ（ｋ）を演算する点で相違する。閾値（０．６）に到達した時点で一定の大きさで水変化量ΔＨ（ｋ）を演算する場合には、環境変化などにより水素貯蔵タンク圧力の変化が想定と異なる場合がある。一方で、水素貯蔵タンク圧力に応じて変化量ΔＨ（ｋ）を演算すると、圧力に応じて変化量ΔＨ（ｋ）を調整可能となるので、圧力の上限値（０．８）になる時点と水素製造装置１０ｃの停止時を一致させる制御の精度をより向上させることができる。

図７は、図６で示す水素貯蔵タンクの圧力に応じた変化量ΔＨ（ｋ）で制御した例を示す図である。縦軸は水素貯蔵タンクの圧力と電力を示し、横軸は、時間ｋを示す。

指令値演算部３０８が、入力電力Ｅ（ｋ）と出力電力Ｐｃｓ（ｋ）を圧力に応じた変化量ΔＨ（ｋ）を用いて（３）、（４）式に従い演算した例である。図７に示すように、圧力に応じた変化量ΔＨ（ｋ）で制御することで、水素貯蔵タンク圧力の上限（０．８）まで水素製造が可能となる。すなわち、水素製造装置１０ｃの停止時点と、水素貯蔵タンクの圧力が上限（０．８）に達する時点が一致している。

図８は、制御装置３０の制御例を示すフローチャートである。図８に示すように、まず、インターフェース部３０ｂは、需給調整時間帯、ベース電力、目標とする出力変化量ΔｋＷの情報を含む計画値をエネルギー管理システム２０から取得する（ステップＳ１００）。

次に、インターフェース部３０ｂは、瞬時電力Ｐ（ｋ）、発電電力Ｐｖ（ｋ）、出力電力Ｐｃｓ（ｋ）、水素製造量Ｈ（ｋ）、及び水素貯蔵量Ｈｓ（ｋ）の測定値を水素システム１０から取得する（ステップＳ１０２）。

次に、制御部３０ｃは、取得した計画値の情報に基づき、需給調整時間帯か否かを判定する（ステップＳ１０２）。需給調整時間帯でないと判定した場合（ステップＳ１０２のＮＯ）、指令値演算部３０８は、瞬時電力Ｐ（ｋ）がベース電力と一致するように、入力電力Ｅ（ｋ）と出力電力Ｐｃｓ（ｋ）を演算する（ステップＳ１０４）。この場合、水素製造量Ｈ（ｋ）は、計画値に従う。

一方で、制御部３０ｃは、需給調整時間帯であると判定した場合（ステップＳ１０４のＹＥＳ）、水素貯蔵装置１０ｄの水素貯蔵タンクの圧力が所定値（例えば０．６）以上か否かを判定する（ステップＳ１０８）。圧力が所定値未満であると判定した場合（ステップＳ１０８のＮＯ）、指令値演算部３０８は、瞬時電力Ｐ（ｋ）がベース電力＋出力変化量ΔｋＷと一致するように、入力電力Ｅ（ｋ）と出力電力Ｐｃｓ（ｋ）を演算する（ステップＳ１１０）。この場合、水素製造量Ｈ（ｋ）は、計画値に従う。

一方で、制御部３０ｃは圧力が所定値以上であると判定した場合（ステップＳ１０６のＹＥＳ）、水素製造抑制量算出部３０６は、水素製造量を時系列に抑制する変化量ΔＨ（ｋ）を演算する（ステップＳ１０４）。続けて、指令値演算部３０８は、変化量ΔＨ（ｋ）に基づき、瞬時電力Ｐ（ｋ）がベース電力＋出力変化量ΔｋＷと一致するように、入力電力Ｅ（ｋ）と出力電力Ｐｃｓ（ｋ）を演算する（ステップＳ１１４）。

次に、出力部３０４は、水素製造量Ｈ（ｋ）に基づく入力電力Ｅ（ｋ）の情報を有する第１指令値を水素製造装置１０ｃに出力し、出力電力Ｐｃｓ（ｋ）の情報を有する第２指令値をパワーコンディショナ１０ｂに出力する（ステップＳ１１６）。

次に、制御部３０ｃは、終了条件を満たすか否かを判定する（ステップＳ１１８）。終了条件を満たすと判定した場合（ステップＳ１１８のＹＥＳ）、制御部３０ｃは、全体処理を終了する。一方で、終了条件を満たさないと判定した場合（ステップＳ１１８のＮＯ）、制御部３０ｃは、ステップＳ１００からの処理を繰り返す。

なお、本実施形態では、水素貯蔵タンク圧力の上限に対する水素製造量の抑制について示したが、水素貯蔵タンク圧力の下限）に対しても同様の処理を行ってもよい。例えば、水素貯蔵タンクの圧力が下限に近付くと水素製造量Ｈ（ｋ）を増加させ、水素製造量の増加に伴う入力電力の増加量分を再エネ側の増加量とする制御行ってもよい。これにより、水素貯蔵タンクの圧力が下限、例えば空になった場合の圧縮機の停止などを避けることができ、瞬時電力を一定に保持させることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、制御部３０ｃが水素貯蔵装置１０ｄの貯蔵量に関する水素貯蔵情報、すなわち圧力に基づき、出力電力Ｐｃｓ（ｋ）を調整する制御をパワーコンディショナ１０ｂに行う。これにより、水素貯蔵装置１０ｄの貯蔵量に応じて、出力電力Ｐｃｓ（ｋ）を制御することが可能となる。このため、水素貯蔵装置１０ｄの貯蔵量が上限に達する前に、予め出力電力Ｐｃｓ（ｋ）を低減させたり、貯蔵量が下限に達する前に出力電力Ｐｃｓ（ｋ）を予め増加させたりできる。

また、制御部３０ｃが水素貯蔵装置１０ｄの貯蔵量に関する水素貯蔵情報、に基づき、入力電力Ｅ（ｋ）が０に近づくように抑制する制御を水素製造装置１０ｃに行うと共に、出力電力Ｐｃｓ（ｋ）を抑制する制御をパワーコンディショナ１０ｂに行う。これにより、水素製造装置１０ｃが停止する際の入力電力Ｅ（ｋ）が低減されているので、瞬時電力Ｐ（ｋ）に対する変動を抑制できる。特に、入力電力Ｅ（ｋ）を時系列に０にすることにより、水素製造装置１０ｃが停止する時点においても瞬時電力Ｐを一定値に維持可能となる。

（第１実施形態の変形例）
指令値演算部３０８は、インターフェース部３０ｂで取得した補機電力Ａｐ（ｋ）の情報も用いて入力電力Ｅ（ｋ）、出力電力Ｐｃｓ（ｋ）を（４Ａ）式により演算する。補機電力変化量Δａｕｘ（ｋ）は、Ａｐ（ｋ）とＡｐ（ｋ−１）との差分値である。

Ｐｃｓ（ｋ）＝Ｐｃｓ（ｋ−１）−ΔＥ（ｋ）＋Δａｕｘ（ｋ） （４Ａ）
これにより、補機電力Ａｐ（ｋ）が変化する場合にも、出力電力Ｐｃｓ（ｋ）をより高精度に演算可能となる。
（第２実施形態）
第２実施形態に係る水素生成システム１は、水素負荷ＨＲに供給する水素供給量Ｈｏｕｔ（ｋ）を用いて、入力電力Ｅ（ｋ）、出力電力Ｐｃｓ（ｋ）を補正することで、第１実施形態に係る水素生成システム１と相違する。以下では、第１実施形態に係る水素生成システム１と相違する点を説明する。

図９は、第２実施形態に係る制御装置３０のブロック図である。図９に示すように、制御装置３０は、指令値補正部３１０を更に有する。

インターフェース部３０ｂは、水素負荷ＨＲに供給する水素供給量Ｈｏｕｔ（ｋ）を更に取得する。
指令値補正部３１０は、指令値演算部３０８で演算された指令値を、水素供給量Ｈｏｕｔ（ｋ）を用いて補正した指令値を演算する。
出力部３０４は、指令値補正部３１０で演算した補正した指令値を各装置に出力する。

より具体的には、指令値補正部３１０は、入力電力Ｅ（ｋ）に制限をかけ入力電力Ｅ（ｋ）、出力電力Ｐｃｓ（ｋ）を演算する。例えば、水素供給量Ｈｏｕｔ（ｋ）に基づき計算される入力電力制限値Ｅｍｉｎ（ｋ）は、（５）式で演算される。
Ｅｍｉｎ（ｋ）＝η×Ｈｏｕｔ（ｋ） （５）
指令値補正部３１０は、（６）式により補正した力電力Ｅ（ｋ）演算する。
Ｅ（ｋ）＝ｍａｘ（Ｅ（ｋ）、Ｅｍｉｎ（ｋ）） （６）
これにより、水素供給量Ｈｏｕｔ（ｋ）が維持される場合には、少なくとも入力電力制限値Ｅｍｉｎ（ｋ）分の水素製造が維持可能となる。

また、出力電力Ｐｃｓ（ｋ）は、（６）式で補正した入力電力Ｅ（ｋ）と同じ変化量とすればよいため、（７）式で演算可能である。
Ｐｃｓ（ｋ）＝Ｐｃｓ（ｋ−１）―（Ｅ（ｋ）−Ｅ（ｋ−１）） （７）

出力部３０４は、出力電力Ｐｃｓ（ｋ）の指示値ＰＣＳ＿ｓｅｔ（ｋ）の情報を有する第１指令値を水素製造装置１０ｃに出力し、入力電力Ｅ（ｋ）の指示値Ｅｓｅｔ（ｋ）の情報を有する第２指令値をパワーコンディショナ１０ｂに出力する。

図１０は、補正した入力電力Ｅ（ｋ）、出力電力Ｐｃｓ（ｋ）による制御例を示す図である。縦軸は水素貯蔵タンクの圧力と電力を示し、横軸は、時間ｋを示す。

図１０に示すように、入力電力制限値Ｅｍｉｎ（ｋ）により、入力電力Ｅ（ｋ）の低減可能な値に制限がかかっている。入力電力Ｅ（ｋ）に制限がかかった状態では、水素製造装置１０ｃから水素貯蔵タンクへ入る水素量と、水素貯蔵タンクから水素負荷ＨＲへ出る水素量が一致している。

以上説明したように、本実施形態では、水素供給量Ｈｏｕｔ（ｋ）を用いて計算される入力電力制限値Ｅｍｉｎ（ｋ）により、入力電力Ｅ（ｋ）の低減可能な範囲に制限をかける。これにより、水素製造装置１０ｃの水素製造が継続され、水素製造装置１０ｃの水素製造が可能な状態での停止を回避することができる。

（第３実施形態）
第３実施形態に係る水素生成システム１は、水素貯蔵タンクの圧力を推定して、入力電力Ｅ（ｋ）、出力電力Ｐｃｓ（ｋ）を演算することで、第２実施形態に係る水素生成システム１と相違する。以下では、第２実施形態に係る水素生成システム１と相違する点を説明する。

図１１は、第３実施形態に係る制御装置３０のブロック図である。図１１に示すように、制御装置３０は、水素貯蔵タンク圧力推定部３１２、設定パラメータ変更部３１４を更に有する。

インターフェース部３０ｂは、将来の外気温度Ｔａｍｂ（ｋ）を更に取得する。
水素貯蔵タンク圧力推定部３１２は、水素貯蔵タンクの圧力Ｐｒｈ（ｋ）と将来の外気温度Ｔａｍｂ（ｋ）を用いて、将来の力Ｐｒｈ（ｋ＋１）を推定する。推定方法は、物理式を用いた方法でも良いし、或いは、機械学習などの統計的な手方法でも良い。

設定パラメータ変更部３１４は、推定した圧力Ｐｒｈ（ｋ）の変化量ΔＰ（ｋ＋１）を用いて、水素貯蔵タンク圧力の閾値、水素製造量Ｈ（ｋ）を減少させる変化量ΔＨ（ｋ）の設定パラメータを変更する。例えば、変化量ΔＰ（ｋ＋１）の増加が予測される場合には、変化量ΔＨ（ｋ）をより大きくするように
設定パラメータを変更する。逆に変化量ΔＰ（ｋ＋１）の減少が予測される場合には、変化量ΔＨ（ｋ）をより小さくするように設定パラメータを変更する。これにより、変化量ΔＰ（ｋ＋１）の大きさに応答速度を対応させた水素製造量Ｈ（ｋ）の制御が可能となる。

例えば、変化量ΔＨ（ｋ）は、水素製造量Ｈ（ｋ）をパラメータＰｔ１で除算した値であり、変化量ΔＰ（ｋ＋１）の増加が予測される場合には、パラメータＰｔ１をより小さくする。逆に、変化量ΔＰ（ｋ＋１）の減少が予測される場合には、パラメータＰｔ１をより大きくする。

また、閾値Ｔｈは、本実施形態では、例えばパラメータＰｔ２を用いてＴｈ＝０．６−Ｐｔ２×変化量ΔＰ（ｋ＋１）で演算される。これにより、例えば、変化量ΔＰ（ｋ＋１）の増加が予測される場合には、閾値Ｔｈをより低くするように設定パラメータＰｔ２を変更する。逆に、変化量ΔＰ（ｋ＋１）の減少が予測される場合には、閾値Ｔｈをより高くするように設定パラメータＰｔ２を変更する。これにより、変化量ΔＰ（ｋ＋１）の大きさに水素製造量Ｈ（ｋ）の抑制を開始する時点を対応させた制御が可能となる。

水素製造抑制量算出部３０６では、設定パラメータ変更部３１４で変更されたパラメータＰｔ１、Ｐｔ２を用いて、水素貯蔵タンク圧力の閾値、水素貯蔵タンク圧力に応じた水素製造量Ｈ（ｋ）を減少させる変化量ΔＨ（ｋ）を算出する。

ここで、水素貯蔵タンク圧力推定部３１２の詳細を説明する。まず、水素貯蔵タンクの容量Ｈｍａｘ、現在の水素貯蔵タンク内の水素量Ｈｔａｎｋ（ｋ）、現在の外気温度Ｔａｍｂ（ｋ）を用いて、現在の水素貯蔵タンク圧力Ｐ（ｋ）を（８）式により推定する。
Ｐ（ｋ）＝（Ｈｔａｎｋ（ｋ）×０．１０１３×（２７３＋Ｔａｍｂ（ｋ）））／（Ｈｍａｘ×２７３）−０．１０１３ （８）

次に、水素貯蔵タンク圧力推定部３１２は、将来の外気温度Ｔａｍｂ（ｋ＋１）を用いて、将来の水素貯蔵タンク圧力Ｐｐｒｅ（ｋ＋１）を（９）式により推定する。
Ｐｐｒｅ（ｋ＋１）＝（Ｈｔａｎｋ（ｋ）×０．１０１３×（２７３＋Ｔａｍｂ（ｋ＋１）））／（Ｈｍａｘ×２７３）−０．１０１３ （９）

つまり、外気温度の変化による将来の水素貯蔵タンク圧力の変化量ΔＰ（ｋ＋１）は、（１０）式により計算できる。
ΔＰ（ｋ＋１）＝Ｐ＿ｐｒｅ（ｋ＋１）−Ｐ（ｋ） （１０）

設定パラメータ変更部は、（１０）式により計算された将来の水素貯蔵タンクの圧力の変化量ΔＰ（ｋ＋１）を用いて、設定パラメータＰｔ１、Ｐｔ２を変更する。

以上説明したように、本実施形態によれば、将来の外気温度を用いて気温上昇による水素貯蔵タンク圧力の変化量ΔＰ（ｋ＋１）を推定し、変化量ΔＰ（ｋ＋１）に応じて水素貯蔵タンク圧力の閾値、水素製造量Ｈ（ｋ）を減少させる変化量ΔＨ（ｋ）を変更する。これにより、気温の変動を予め制御に反映可能となる。このため、外気温度等の環境変動が大きい場合でも、水素製造装置１０ｃが急峻に停止することをより高精度に抑制可能となる。

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規な装置、方法及びプログラムは、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明した装置、方法及びプログラムの形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。

１：水素生成システム、１０：水素システム、１０ａ：再生可能エネルギー
発電装置、１０ｂ：パワーコンディショナ、１０ｃ：水素製造装置、１０ｄ：水素貯蔵装置、１０ｅ：補機、３０：制御装置、３０ｂ：インターフェース部、３０ｃ：制御部、３０２：演算部、３０４：出力部、Ｅｐｓ：電力系統。

Claims (12)

1. 再生可能エネルギー発電装置から供給される発電電力を出力電力に変換する変換部と、前記出力電力および電力系統から供給される電力を加えた入力電力により水素を製造する水素製造装置とを、制御する水素システムの制御装置であって、
   前記水素製造装置が製造する水素を貯蔵する水素貯蔵装置の貯蔵量に関する水素貯蔵情報を取得する取得部と、
   前記水素貯蔵情報に基づき、前記出力電力を調整する制御を前記変換部に行う制御部と、
   を備える、水素システムの制御装置。
2. 前記制御部は、前記出力電力を抑制する制御を前記変換部に行うと共に、水素製造量を抑制する制御を前記水素製造装置に行う、請求項１に記載の水素システムの制御装置。
3. 前記制御部は、
   前記水素貯蔵装置の水素貯蔵量が所定値を超えた場合に、前記水素貯蔵装置の水素貯蔵量が増加するに従い、前記入力電力、及び前記出力電力が減少するように前記入力電力、及び前記出力電力を演算する演算部と、
   前記入力電力に基づく第１指令信号を前記水素製造装置に出力し、前記出力電力に基づく第２指令信号を前記変換部に出力する出力部と、
   を有する、請求項１に記載の水素システムの制御装置。
4. 前記演算部は、前記入力電力の時間に対する変化量と、前記出力電力の時間に対する変化量とが一致するように、前記入力電力と、前記出力電力とを演算する、請求項３に記載の水素システムの制御装置。
5. 前記演算部は、前記再生可能エネルギー発電装置から前記電力系統に所定範囲の電力を供給する場合に、前記水素製造装置を停止させる時点、又は前記水素製造装置を停止させる前に前記入力電力が０に近づくように演算する、請求項４に記載の水素システムの制御装置。
6. 前記水素貯蔵情報は前記水素貯蔵装置が有する水素貯蔵タンク内の圧力であり、
   前記演算部は、前記圧力の大きさに応じて、時系列に前記入力電力及び前記出力電力を変化させるように演算する、請求項３乃至５のいずれか一項に記載の水素システムの制御装置。
7. 前記取得部は、前記水素貯蔵装置から供給される水素供給量を取得し、
   前記演算部は、前記水素供給量にも基づき、前記入力電力、及び前記出力電力を演算する、請求項３乃至６のいずれか一項に記載の水素システムの制御装置。
8. 前記取得部は、前記水素貯蔵装置から供給すべき水素供給量の計画値を取得し、
   前記演算部は、前記計画値にも基づき、前記入力電力、及び前記出力電力を演算する、請求項３乃至７のいずれか一項に記載の水素システムの制御装置。
9. 前記制御部は、
   前記水素貯蔵タンク内の圧力と前記水素貯蔵装置の外気温度とに基づき、前記水素貯蔵タンク内の前記圧力の変動量を推定する圧力推定部を有し、
   前記演算部は、前記圧力の変動量に基づき、前記前記入力電力、及び前記出力電力を演算する、請求項６に記載の水素システムの制御装置。
10. 前記取得部は、前記出力電力の一部を用いて駆動する補機電力の情報も取得し、
    前記演算部は、前記補機電力の変動量に基づき、前記前記入力電力、及び前記出力電力を演算する、請求項３に記載の水素システムの制御装置。
11. 再生可能エネルギー発電装置と、
    前記再生可能エネルギー発電装置から供給される電力を出力電力に変換する変換部と、
    前記出力電力および電力系統から供給される電力により水素を製造する水素製造装置と、
    前記変換部及び前記水素製造装置を制御する水素システムの制御装置と、を備える水素生成システムであって、
    前記制御装置は、
    前記水素製造装置が製造する水素を貯蔵する水素貯蔵装置の貯蔵量に関する水素貯蔵情報を取得する取得部と、
    前記水素貯蔵情報に基づき、前記出力電力を調整する制御を前記変換部に行う制御部と、
    を有する、水素生成システム。
12. 再生可能エネルギー発電装置から供給される電力を出力電力に変換する変換部と、前記出力電力および電力系統から供給される電力により水素を製造する水素製造装置とを制御する水素システムの制御方法であって、
    前記水素製造装置が製造する水素を貯蔵する水素貯蔵装置の貯蔵量に関する水素貯蔵情報を取得する取得工程と、
    前記水素貯蔵情報に基づき、前記出力電力を調整する制御を前記変換部に行う制御工程と、
    を備える、水素システムの制御装置。

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