JP4770954B2 - 複数電源統合装置、複数電源統合システム及び複数電源統合プログラム - Google Patents

Description

本発明は、電源の制御に関し、特に、複数の電源を制御するための技術、に関する。

世界経済の発展、特に、アジア地域の経済成長にともない、今後もエネルギー需要の増加は続くと考えられる。たとえば、国際エネルギー機関は、２０３０年における世界の一次エネルギー需要を２０００年比６６％増と予測している。こういった社会状況において、太陽、風力、バイオマス、地熱、潮汐力といった再生可能エネルギー（Renewable Energy）に対する期待が高まっている。

再生可能エネルギーは、クリーンで永続利用可能という優れた特性を有するが、出力が安定しないという課題を指摘されている。たとえば、風力発電は、風力という自然現象によって出力が変化するため、安定的な電力供給が難しい。もちろん、季節や時間帯に応じた出力変化については、ある程度統計的な予測が可能である。しかし、瞬間的な風力・風向変化による短期的な電力変化まで予測するのは事実上困難である。再生可能エネルギーは、電力の瞬間的な変動(以下、「急峻変動」とよぶ）が生じやすいため、安定した電源とはなりにくい。

特開２００３−３９９１１８号公報 特開２００５−２２４００９号公報 特開平４−３７２５２８号公報 特開２００３−３４３４１６号公報

風力発電や太陽光発電、太陽熱発電といった複数の再生可能エネルギー源を組み合わせたハイブリッド発電システムは、全体としての出力を安定化させやすいというメリットがある（たとえば、特許文献１、２、４参照）。しかし、再生可能エネルギーをエネルギー源としている限り、急峻変動は発生し得る。

特許文献３では、風力発電の発電力が一時的に低下すると、原動機により駆動される発電機が不足分を補完している（特許文献３の段落［００１２］等参照）。しかし、このような方法の場合、風力発電が大がかりであるほど、それを補完するための原動機や発電機も大がかりとならざるを得ない。

本発明は、上記課題に基づいて完成された発明であり、その主たる目的は、複数の電源を制御し、全体として安定的な電力供給を実現するための技術、を提供することにある。

本発明のある態様は、複数電源統合装置に関する。この装置は、出力に不規則性を有する電源である不規則電源を対象として、単位時間中に出力される電力量と単位時間中における電力変化の少なさを示す安定度を取得する計測部と、複数の不規則電源それぞれについて取得された電力量および安定度に基づいて、複数の不規則電源の利用配分率を変化させながら全体としての電力供給の安定性を示す指標である評価値を算出する最適配分探索部と、複数の不規則電源の利用配分率を、所定の条件に合致する評価値が算出されたときの利用配分率に設定する配分制御部と、を備える。最適配分探索部は、利用配分率を変数として複数の不規則電源全体としての単位時間当たりの電力量および安定度を算出し、複数の不規則電源全体としての単位時間当たりの電力量および安定度の双方または一方が高いほど評価値が高くなるように定義された評価関数により、評価値を算出する。

ここでいう「不規則電源」とは、再生可能エネルギーに由来する電源であってもよいし、燃料電池のように外気温によって出力が影響される電源であってもよい。「複数の不規則電源」は、太陽光発電と風力発電のような異種の電源であってもよいし、太陽光発電と太陽光発電のように同種の電源であってもよい。「利用配分率」とは、各不規則電源から供給されるべき電力の比率であってもよい。計測部は電力量や安定度を自ら計測してもよいし、外部センサから計測値を取得してもよい。「所定の条件に合致する評価値」とは、たとえば、最も高い評価値であることや所定の閾値以上の評価値となるときなど、さまざまな態様が考えられるが、設計に応じて最適な条件を任意に設定すればよい。複数の不規則電源の発電状況に基づき、全体としての電力量や安定度を好適に保つ上で適切な利用配分率を計算・設定することにより、複数の不規則電源から供給される電力の安定化を図りやすくなる。

最適配分探索部は、利用配分率を変数としたメタヒューリスティックス（Metaheuristics）による最適化技法を評価関数に適用することにより、評価値が最も高くなるときの利用配分率を探索してもよい。

このような態様によれば、利用配分率の計算が複雑になるときであっても、限られた計算時間内で最適に近い利用配分率を算出しやすくなる。

計測部は、定期的に各不規則電源の電力量と安定度を取得し、最適配分探索部は、各不規則電源の電力量と安定度が取得されるごとに、取得された電力量と安定度に基づく最適な利用配分率を探索してもよい。

このような態様によれば、各不規則電源の発電状況を定期的に監視し、適宜、最適な利用配分率を計算できる。計測と計算のサイクルを短くすれば、急峻変動の予兆を事前に察知してこれを未然に防止しやすくなる。なお、ここでいう「最適な利用配分率」とは、実際に最適であることが望ましいが、少なくとも最適に近いと思われる利用配分率であればよい。

最適配分探索部は、電力量および安定度をそれぞれ無次元値に正規化し、複数の不規則電源全体としての単位時間当たりの電力量の正規化値と安定度の正規化値の平均値が高くなるほど評価値が高くなるように定義された評価関数により、評価値を算出してもよい。

本来、電力量と安定度は単位系が異なるが、これらを所定の変換関数により無次元の値に変換しておけば、両者を同一基準にて取り扱いやすくなる。このような態様によれば、システム全体としての電力量と安定度が高いほど、評価値を高く設定できる。

最適配分探索部は、電力量および安定度をそれぞれ無次元値に正規化し、複数の不規則電源全体としての単位時間当たりの電力量の正規化値と安定度の正規化値のうち低い側の正規化値が高くなるほど評価値が高くなるように定義された評価関数により、評価値を算出してもよい。

このような態様によれば、システム全体としての電力量と安定度のいずれかが低すぎる場合には評価値も低くなるように設定できる。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、複数の電源を制御することにより、システム全体としての安定的な電力供給を実現しやすくなる。

複数電源統合システムのハードウェア構成図である。 計測過程と計算過程のタイムチャートである。 複数電源統合装置の機能ブロック図である。 図４（ａ）は、総電力予測値とその正規化値の関係を示すグラフである。図４（ｂ）は、総安定度予測値とその正規化値の関係を示すグラフである。 タブーサーチによる最適な利用配分率の探索方法を説明するためのグラフである。 タブーリストを示す図である。 利用配分率を調整する過程のフローチャートである。 図７のＳ１２における最適配分探索処理の詳細を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、複数電源統合システム２００のハードウェア構成図である。複数電源統合システム２００は、複数の電源を制御することにより、システム全体からの安定的な電力供給を実現するシステムである。同図の場合、「複数の電源」には、太陽電池３０２、風力発電３０４、バイオマス３０６、燃料電池３０８（以下、特に区別しないときには単に「電源３００」とよぶ）が該当する。複数の電源３００という意味では、電源群３１０ともよぶ。

各電源３００は、互いに干渉せず、独自に発電する。以下、電源３００により発電された電力を「原電力」とよぶ。太陽電池３０２、風力発電３０４、バイオマス３０６、燃料電池３０８は、それぞれコンバータ３１２ａ〜ｄ(以下、単に「コンバータ３１２」とよぶ）を介して、共通電力線４００と接続される。共通電力線４００は、直流電力を送電する電力線である。各電源３００の原電力は各コンバータ３１２により整流・平滑化され、直流電力として共通電力線４００に供給される。以下、各電源３００から共通電力線４００に実際に供給される直流電力のことを「担当電力」とよぶ。担当電力の合計(以下、「総電力」とよぶ）は、共通電力線４００からインバータ４０２を介して、他の電気機器に供給される。総電力の全部または一部は、売電されてもよい。

複数電源統合システム２００は、複数の電源３００、複数電源統合装置１００および共通電力線４００を含んで構成されるシステムである。各電源３００の原電力は時々刻々と変化する。大きな原電力を発生させる電源３００もあれば、小さな原電力しか発生させない電源３００もある。また、単位時間当たりの原電力の変化が大きな電源３００もあれば、比較的安定している電源３００もある。複数電源統合装置１００は、各電源３００の発電状況を計測し、計測結果に基づいて各電源３００の利用配分率を決定する。

より具体的には、複数電源統合装置１００は、各電源３００の「原電力の量的な大きさ」と「原電力の変化の大きさ」を定期的に計測する。本実施の形態における複数電源統合装置１００は、１分間隔でこれらを計測している。「原電力の量的な大きさ」とは、この１分間の計測時間中に発電された１秒当たりの電力量（W・ｓ）である。いいかえれば、平均の電力である。以下、単に「原電力（Ｗ）」とよぶ。

「原電力の変化の大きさ」とは、１分間の計測時間中における原電力の変化の度合いを示す。本実施の形態における複数電源統合装置１００は、１分間の計測時間において１秒間隔で原電力を取得する。計６０回分のサンプリング値において、原電力の平均値が１０００Ｗ、最低値が９００Ｗ、最高値が１０５０Ｗであれば、原電力は平均値の−１０％〜＋５％の範囲で変動しているため、変化の度合いは１５％（＝１０＋５）である。本実施の形態においては、この変化の度合いから、安定度＝１／（１＋変化の度合い）により「安定度」を算出する。変化の度合いが小さいほど、安定度は高くなる。複数電源統合装置１００は、太陽電池３０２、風力発電３０４、バイオマス３０６、燃料電池３０８のそれぞれについて、毎分、原電力と変化の度合い（安定度）を取得する。複数電源統合装置１００は、自ら計測してもよいし、外部センサから計測値を取得してもよい。なお、「変化の度合い」の定義は、これ以外にもさまざまな定義が考えられる。たとえば、計測期間においてサンプリングされた原電力のばらつき、たとえば、分散や標準偏差を「変化の度合い」として定義してもよい。いずれにしても、「変化の度合い」は、所定の時間内における原電力の揺れの大きさや多さを示す指標であればよい。「安定度」についても同様であり、所定の時間内における原電力の揺れの小ささや少なさを示す指標であればよい。また、計測時間の長さを１分間としたのはあくまでも例示であり、複数電源統合装置１００の電源３００の性能、動作環境、動作条件等に基づいて、最適な計測時間を決定すればよい。

原電力が大きく安定度の高い電源３００は、理想的な電源である。しかし、再生可能エネルギーに由来する電源３００の場合、原電力や安定度（変化の度合い）は刻々と変化する。燃料電池３０８の出力も外気温によって変化する。複数電源統合装置１００は、各電源３００の発電状況に鑑み、利用配分率を適宜変化させることにより、電源群３１０全体から安定的な電力供給を維持する。

たとえば、各電源３００の定格電力は１５００Ｗであるとする。そして、共通電力線４００に出力したい総電力は４０００Ｗであるとする。太陽電池３０２、風力発電３０４、バイオマス３０６、燃料電池３０８の利用配分率が１：１：１：１の場合には、各電源３００は１０００Ｗずつの担当電力を提供すればよい。

しかし、電源３００の中には１０００Ｗの出力を期待できない状態のものもあれば、１０００Ｗ以上の出力を確実に見込める状態のものもある。たとえば、風力発電３０４は１２００Ｗ以上の出力を見込めるが、バイオマス３０６は最悪８００Ｗ程度の出力しか見込めない状況にある場合、複数電源統合装置１００は、太陽電池３０２、風力発電３０４、バイオマス３０６、燃料電池３０８の利用配分率を１：１．２：０．８：１のように変更する。このとき、複数電源統合装置１００は、風力発電３０４に対応するコンバータ３１２ｂの電力変換効率を上げることにより、風力発電３０４による担当電力の最大枠を１２００Ｗに調整する。一方、複数電源統合装置１００は、バイオマス３０６に対応するコンバータ３１２ｃの電力変換効率を下げることによりバイオマス３０６による担当電力の最大枠を８００Ｗに調整する。このような調整により総電力４０００Ｗを維持する。すなわち、複数の電源３００が互いに補完しあいながら、総電力を安定化させている。利用配分率の具体的な計算方法については、後に詳述する。なお、結果的に、バイオマス３０６の原電力が８００Ｗ以上となっても、コンバータ３１２ｃの調整により、担当電力として共通電力線４００に供給できるのは８００Ｗまでである。

４０００Ｗのような総電力（出力枠）の大きさは固定でなくてもよい。たとえば、各電源３００の発電状況が良好なときには複数電源統合システム２００全体としての総電力（出力枠）を徐々に上げてもよい。総電力は急峻変動さえしなければ、電力の買い手にどの程度の総電力を供給できるかを事前に通知できる。また、必要な総電力（４０００Ｗ）よりも大きめの枠（たとえば、４１００Ｗ）を設けておき、超過分はバッテリー４０４に放出してもよい。

なお、電源３００としては、このほかにも、潮汐力、地熱、雪氷熱といったさまざまな再生可能エネルギー由来の電源が考えられる。また、再生可能エネルギーに限らず、出力に不規則性を有する電源は複数電源統合システム２００の制御対象となり得る。

図２は、利用配分率を調整するための計測過程と計算過程を示すタイムチャートである。まず、時刻ｔ_０〜ｔ_１において、複数電源統合装置１００は各電源３００の原電力と安定度を計測する。この計測結果を「Ｍ１」とよぶ。本実施の形態においては、時刻ｔ_０〜ｔ_１の計測期間は１分間である。次に、時刻ｔ_１〜ｔ_２において、複数電源統合装置１００は、計測結果Ｍ１に基づいて利用配分率を計算する。この計算処理を「Ａ１」とよぶ。時刻ｔ_２までに利用配分率を決定し、各コンバータ３１２を制御して、利用配分率を調整する。計算処理Ａ１と並行して、時刻ｔ_１〜ｔ_３において再び原電力と安定度を計測する。この計測結果を「Ｍ２」とよぶ。計測が完了した時刻ｔ_３〜ｔ_４において、計測結果Ｍ２に基づく利用配分率の計算Ａ２が実行され、時刻ｔ_４に利用配分率が再度調整される。このように、原電力等の計測と利用配分率の計算が繰り返し実行される。

図３は、複数電源統合装置１００の機能ブロック図である。複数電源統合装置１００は、ハードウェア的には、コンピュータのＣＰＵをはじめとする素子で実現でき、ソフトウェア的にはデータ送受信機能のあるプログラム等によって実現されるが、以下に説明する図３等ではそれらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できる。ここでは、各機能ブロックの構成を中心として説明する。具体的な処理内容については、構成の説明後に詳述する。

複数電源統合装置１００は、計測部１１０、データ処理部１２０およびデータ保持部１５０を含む。計測部１１０は、計測処理を担当する。データ処理部１２０は、計測部１１０やデータ保持部１５０から取得されたデータを元にして各種のデータ処理を実行する。データ処理部１２０は、計測部１１０とデータ保持部１５０との間のインタフェースの役割も果たす。データ保持部１５０は、各種データを保持するための記憶領域である。

計測部１１０は、原電力取得部１１２と安定度取得部１１４を含む。原電力取得部１１２は、各電源３００の原電力を計測する。安定度取得部１１４は、各電源３００の変化の度合い（安定度）を計測する。計測値は、データ処理部１２０を介してデータ保持部１５０に登録される。計測部１１０は、電源３００ごとに設けられてもよい。

データ処理部１２０は、最適配分探索部１３０と配分制御部１４２を含む。最適配分探索部１３０は、計測結果に基づいて、最適な利用配分率を計算する。配分制御部１４２は、最適配分探索部１３０により算出された利用配分率に基づいて、各コンバータ３１２を調整し、利用配分率を設定する。

最適配分探索部１３０は、正規化部１３２、総電力予測部１３４、総安定度計算部１３６、評価値計算部１３８および探索制御部１４０を含む。総電力予測部１３４は、各電源３００の原電力に基づいて総電力の予測値(以下、「総電力予測値」とよぶ）を算出する。総安定度計算部１３６は、各電源３００の原電力や変化の度合いに基づいて複数電源統合システム２００全体としての総電力の安定度について予測値(以下、「総安定度予測値」とよぶ）を算出する。正規化部１３２は、これらの予測値を０〜１の範囲の無次元値に正規化する。評価値計算部１３８は、各予測値の正規化値に基づいて「評価値」を算出する。評価値は、予測値の総合評価を示す指標である。探索制御部１４０は、最適配分探索部１３０における最適探索処理を統括的に制御する。

利用配分率の具体的な計算方法について説明する。原理の明確化のため、電源３００Ａと電源３００Ｂという２つの電源３００を対象として、利用配分率の計算方法を説明するが、電源３００が３つ以上となるときであっても考え方は同じである。

まず、利用配分率を変数ｒとおき、電源３００Ａ：電源３００Ｂの担当電力の比をｒ：１−ｒ（０≦ｒ≦１）として表す。まず、計測部１１０は、電源３００Ａの原電力Ｐ_Ａ、安定度Ｓ_Ａおよび電源３００Ｂの原電力Ｐ_Ｂ、安定度Ｓ_Ｂを計測する。次に、総電力予測部１３４は、これらの計測値に基づいて、総電力予測値Ｕ_Ｐ（ｒ）を以下の計算式（１）により算出する。

総電力予測値Ｕ_Ｐ（ｒ）は、計測結果から得られた原電力Ｐ_Ａ、Ｐ_Ｂを前提としたときの、利用配分率ｒにおける総電力の大きさを示す。総電力予測値Ｕ_Ｐ（ｒ）はｒの関数である。原電力Ｐ_Ａ、Ｐ_Ｂを前提としつつ、さまざまな利用配分率ｒについての総電力予測値Ｕ_Ｐ（ｒ）を求める。計算式（１）から明らかなように、原電力が大きい方の電源３００に大きな担当電力を割り当てれば、総電力予測値Ｕ_Ｐ（ｒ）も大きくなる。たとえば、Ｐ_Ａ＞Ｐ_Ｂならば、ｒを大きくするほど、総電力予測値Ｕ_Ｐ（ｒ）も大きくなる。

次に、総安定度計算部１３６は、総安定度予測値Ｕ_Ｓ（ｒ）を以下の計算式（２）により算出する。

総安定度予測値Ｕ_Ｓ（ｒ）は、計測結果から得られた原電力Ｐ_Ａ、Ｐ_Ｂを前提としたときの、利用配分率ｒにおける総電力の安定度を示す。総安定度予測値Ｕ_Ｓ（ｒ）が大きいほど、予定通りの総電力を供給できる可能性が高いことを示す。総安定度予測値Ｕ_Ｓ（ｒ）もｒの関数である。原電力と安定度の積が大きい方の電源に大きな担当電力を割り当てれば、分子は大きくなる。しかし、このときの総電力予測値Ｕ_Ｐ（ｒ）が大きい場合には、かえって、総安定度予測値Ｕ_Ｓ（ｒ）は小さくなる。

総電力予測部１３４と総安定度予測部１３６は、ｒを０〜１の範囲で０．０１刻みで変化させながら、ｒごとの総電力予測値Ｕ_Ｐ（ｒ）と総安定度予測値Ｕ_Ｓ（ｒ）を算出する。総電力予測値Ｕ_Ｐ（ｒ）と総安定度予測値Ｕ_Ｓ（ｒ）は、正規化部１３２により０〜１の範囲で正規化される。

図４（ａ）は、総電力予測値とその正規化値の関係を示すグラフである。電源３００Ａ、Ｂの定格電力はそれぞれ１５００Ｗであるとする。図４（ａ）のグラフに示す対応関係にしたがって、正規化部１３２は総電力予測値Ｕ_Ｐ（ｒ）を正規化する。総電力予測値Ｕ_Ｐ（ｒ）が０のとき正規化値は０となり、１５００以上のときには１となる。総電力予測値Ｕ_Ｐ（ｒ）と正規化値の関係は、電源の数や種類、規格等に応じて任意に決定すればよいが、総電力予測値Ｕ_Ｐ（ｒ）と正規化値は正相関関係にあることが好ましい。。

図４（ｂ）は、総安定度予測値とその正規化値の関係を示すグラフである。図４（ｂ）のグラフに示す対応関係にしたがって、正規化部１３２は総安定度予測値Ｕ_Ｓ（ｒ）を正規化する。総安定度予測値Ｕ_Ｓ（ｒ）が１０以下のとき正規化値は０となり、６０以上のときには１となる。総安定度予測値Ｕ_Ｓ（ｒ）とその正規化値の関係も、電源の数や種類、規格等に応じて任意に決定すればよいが、総安定度予測値Ｕ_Ｓ（ｒ）と正規化値は正相関関係にあることが好ましい。

正規化後の総電力予測値、総安定度予測値をそれぞれｕ_Ｐ（ｒ）、ｕ_Ｓ（ｒ）とよぶ。評価値計算部１３８は、ｕ_Ｐ（ｒ）、ｕ_Ｓ（ｒ）に基づき、評価値Ｅ（ｒ）を以下の計算式（３）により算出する。

評価値Ｅ（ｒ）は、原電力Ｐ_Ａ、Ｐ_Ｂを前提としたとき、利用配分率ｒを設定した場合の発電システムとしての総合評価を示す。評価値Ｅ（ｒ）は、複数電源統合システム２００が安定的に十分な電力供給を維持できる可能性の高さを示す。急峻変動によって総電力が急低下する可能性の低さを示すともいえる。評価値Ｅ（ｒ）が最も高くなるときの利用配分率ｒを、最適な利用配分率とする。なお、計算式（３）の係数αは定数であり、０〜１の範囲で任意に選択される。

第１項は、ｕ_Ｐ（ｒ）とｕ_Ｓ（ｒ）の最低値に、係数αを乗じた項である。ｕ_Ｐ（ｒ）とｕ_Ｓ（ｒ）の一方がハイスコアであっても、他方がロースコアの場合、いいかえれば、総電力予測値ｕ_Ｐ（ｒ）と総安定度予測値ｕ_Ｓ（ｒ）のどちらかが低いときには、評価値Ｅ（ｒ）は低くなる。なお、ｕ_Ｐ（ｒ）およびｕ_Ｓ（ｒ）のどちらかが０のときには、第２項の値にかかわらずＥ（ｒ）＝０とする。

第２項は、ｕ_Ｐ（ｒ）とｕ_Ｓ（ｒ）の平均値に、係数（１−α）を乗じた項である。ｕ_Ｐ（ｒ）とｕ_Ｓ（ｒ）が大きいほど、いいかえれば、総電力予測値ｕ_Ｐ（ｒ）と総安定度予測値ｕ_Ｓ（ｒ）の合計が大きくなるほど、評価値Ｅ（ｒ）は高くなる。

これらの計算式は、ファジー理論の考え方をベースとしている。たとえば、原電力Ｐ_Ａ＞原電力Ｐ_Ｂ、安定度Ｓ_Ａ＞安定度Ｓ_Ｂの場合には、電源３００Ｂよりも電源３００Ａの担当電力を大きくすれば総電力予測値Ｕ_Ｐ（ｒ）は大きくなるが、過度に大きくすると、総安定度予測値Ｕ_Ｓ（ｒ）が低くなるため、評価値Ｅ（ｒ）も下がる可能性がある。原電力Ｐ_Ａが大きくても安定度Ｓ_Ａが下がってきている場合には、電源３００Ｂの担当電力を増加させた方が、総安定度予測値Ｕ_Ｓ（ｒ）が高くなり、評価値Ｅ（ｒ）を高くできるかもしれない。このように各電源３００の原電力と安定度に基づいて、複数の電源３００の担当電力についてバランスを図っている。利用配分率ｒを変化させることにより、ある電源３００における原電力の量や変化を他の電源３００の原電力で補いながら、総電力の安定供給を実現している。

α＜０．５に設定するときには第２項の評価値Ｅ（ｒ）に対する影響の方が大きくなり、α≧０．５のときには、第１項の評価値Ｅ（ｒ）に対する影響の方が大きくなる。本実施の形態においては、α＝０．７としている。探索制御部１４０は、ｒを０．００、０．０１、０．０２、・・・、１．００と変化させながら、正規化部１３２、総電力予測部１３４、総安定度予測部１３６、評価値計算部１３８にＵ_Ｐ（ｒ）、Ｕ_Ｓ（ｒ）、ｕ_Ｐ（ｒ）、ｕ_Ｓ（ｒ）、Ｅ（ｒ）を計算させる。そして、もっとも高いＥ（ｒ）となるときのｒを最適な利用配分率として決定する。

電源３００Ａ、電源３００Ｂの場合には、ｒを０．００〜１．００まで変化させるので、合計１０１回の計算が必要である。電源３００Ａ、電源３００Ｂ、電源３００Ｃの３つの電源３００を制御対象とする場合には、ｒ：ｓ：｛１−（ｒ＋ｓ）｝という利用配分率を決定するために、変数はｒ、ｓの２つとなる。すなわち、（ｒ、ｓ）＝（０．００、０．００）、（０．００、０．０１）、・・・、（１．００、０．００）までの合計５１５１回の計算が必要である。１＋２＋・・・＋１０１＝５１５１回による。電源３００が４つの場合には、１６６６５０回となる。ｒの刻み幅や電源３００の数が増加すると、計算量は急激に大きくなる。

電源数が少ないときや複数電源統合装置１００の処理能力に余裕があるときには、すべての利用配分率について検証することが望ましい。しかし、有限の計算時間内で最適な利用配分率を算出するのが困難となる可能性もある。限られた計算時間内に最適な利用配分率ｒ、厳密にいえば、なるべく最適に近い利用配分率ｒを特定するため、本実施の形態ではタブーサーチとよばれるメタヒューリスティックス解法の一種を応用している。

図５は、タブーサーチによる最適な利用配分率ｒの探索方法を説明するためのグラフである。ここでは電源３００Ａ、電源３００Ｂという２つの電源３００が制御対象であるとして説明する。横軸は利用配分率ｒ、縦軸は評価値Ｅ（ｒ）である。探索制御部１４０は、ｒの初期値を決定する。ここでは、基準点として、ｒ＝ｘ_ｋとする（図５のＰ_１が該当）。探索制御部１４０は、ｒ＝ｘ_ｋだけでなく、その近傍点の評価値Ｅ（ｒ）も算出させる。ここでは、ｒ＝ｘ_ｋ−３、ｘ_ｋ−２、ｘ_ｋ−１、ｘ_ｋ、ｘ_ｋ＋１、ｘ_ｋ＋２、ｘ_ｋ＋３の合計７点について評価値Ｅ（ｒ）を算出させている。

これら７点のうち、最もＥ（ｒ）が大きくなるときのｒを記録する。図５の場合、Ｅ（ｘ_ｋ＋３）が最高値となっている（図５のＰ_２が該当）。探索制御部１４０は、ｒ＝ｘ_ｋ＋３とＥ（ｘ_ｋ＋３）を記録する。また、ｒ＝ｘ_ｋ→ｘ_ｋ＋３という基準点の移動をタブーリストとよばれる有限長のリストに記録する。

次に、探索制御部１４０は、ｒ＝ｘ_ｋ＋３として（図５のＰ_２が該当）、ｒ＝ｘ_ｋ＋３とその近傍点の評価値Ｅ（ｒ）を算出させる。図５の場合、ｒ＝ｘ_ｋ、ｘ_ｋ＋１、ｘ_ｋ＋２、ｘ_ｋ＋３、ｘ_ｋ＋４、ｘ_ｋ＋５、ｘ_ｋ＋６の合計７点について評価値Ｅ（ｒ）を算出させる。ただし、Ｅ（ｘ_ｋ）、Ｅ（ｘ_ｋ＋１）、Ｅ（ｘ_ｋ＋２）、Ｅ（ｘ_ｋ＋３）については先の計算結果をそのまま利用すればよい。

これら７点のうち、最もＥ（ｒ）が大きくなるときのｒを記録する。図５の場合、Ｅ（ｘ_ｋ＋５
）が最高値となっている（図５のＰ_３が該当）。また、Ｅ（ｘ_ｋ＋５）＞Ｅ（ｘ_ｋ＋３）なので、探索制御部１４０は、ｒ＝ｘ_ｋ＋５とＥ（ｘ_ｋ＋５）を最高の評価値となるポイントとして記録する。また、ｒ＝ｘ_ｋ＋３→ｘ_ｋ＋５という基準点の移動をタブーリストに記録する。タブーリストは有限長であるため、必要であれば最古の記録を破棄する。

次に、探索制御部１４０は、ｒ＝ｘ_ｋ＋５を基準点として（図５のＰ_３が該当）、ｒ＝ｘ_ｋ＋５とその近傍点の評価値Ｅ（ｒ）を算出させる。図５の場合、Ｅ（ｘ_ｋ＋５）以上となるｒは見つからない。探索制御部１４０は、次のｒを一つ先のｒ＝ｘ_ｋ＋６に設定し（図５のＰ_４が該当）、ｒ＝ｘ_ｋ＋５→ｘ_ｋ＋６という基準点の移動をタブーリストに記録する。すなわち、より高い評価値Ｅ（ｒ）が見つからなくても探索を続行する。ただし、ｒ＝ｘ_ｋ＋５→ｘ_ｋ＋６がすでにタブーリストに記録されている場合には、もう一つ先のｒ＝ｘ_ｋ＋７に設定する。同じ処理を繰り返さないためである。

このように、ｒを移動させながら、より高い評価値Ｅ（ｒ）を探索する。また、タブーリストにより、ｒが局所的な範囲にとどまりつづけるのを回避している。評価値Ｅ（ｒ）の極大点が複数個存在する場合であっても、１つの極大点を見つければそれを最適解としてしまうのではなく、更に、別の極大点まで探索範囲を広げやすいアルゴリズムであるため、真の最適解や真の最適解により近い解を見つけやすい。このようなｒの探索方法は、最高の評価値Ｅ（ｒ）を見つけられるとは限らないが、有限の計算時間内で最高に近い評価値Ｅ（ｒ）を見つけるという点で有効である。本明細書では、最高の評価値Ｅ（ｒ）となるときのｒに限らず、厳密には最適ではないかもしれないが計算時間内に検出された最高の評価値Ｅ（ｒ）についてのｒも、「最適な利用配分率」とよぶ。

図６は、タブーリストを示す図である。上述のように、探索制御部１４０は、ｘ_ｋ→ｘ_ｋ＋３、ｘ_ｋ＋３→ｘ_ｋ＋５、ｘ_ｋ＋５→ｘ_ｋ＋６のように利用配分率ｒの基準点を移動させている。このような基準点の移動は、タブーリストに順番に登録される。タブーリストに登録されている移動は繰り返されない。これにより、基準点が局所的な範囲に停滞するのを防いでいる。ただし、タブーリストに登録可能な移動履歴は有限であり、移動履歴数が上限に達しているときには、新しい移動履歴が登録されるごとに、最古の移動履歴は破棄されていく。

図７は、利用配分率を調整する過程のフローチャートである。まず、計測部１１０は、各電源３００の原電力と安定度を計測する（Ｓ１０）。最適配分探索部１３０は、最適配分探索処理として、計測結果に基づく最適な利用配分率を算出する（Ｓ１２）。Ｓ１２の最適配分探索処理の詳細については次の図８に関連して詳述する。配分制御部１４２は、Ｓ１２において算出された利用配分率を各コンバータ３１２に設定する（Ｓ１４）。以上の処理は、一定の時間間隔で繰り返し実行される。なお、最適配分探索処理（Ｓ１２）の開始時に次の計測処理（Ｓ１０）が開始される。これについては図２に関連して説明した通りである。

図８は、図７のＳ１２における最適配分探索処理の詳細を示すフローチャートである。まず、探索制御部１４０は利用配分率の初期値としてｒ_０を設定する（Ｓ２０）。このｒ_０が基準点となる。１回目の計測結果に基づく最適配分探索処理の場合には、ｒ＝０．００のような所定値に設定される。２回目以降の計測結果に基づく最適配分探索処理は、前回の最適配分探索処理において特定された最適な利用配分率を初期値として設定する。

探索制御部１４０は、基準点ｒ_０の近傍点として複数のｒを選出する（Ｓ２２）。ｒ_０を含む任意の範囲からランダムに選出してもよい。総電力予測部１３４は、ｒ_０を検証対象として総電力予測値Ｕ_Ｐ（ｒ_０）を計算する（Ｓ２４）。総安定度予測部１３６は、総安定度予測値Ｕ_Ｓ（ｒ_０）を計算する（Ｓ２６）。正規化部１３２は、これらの予測値を正規化し、ｕ_Ｐ（ｒ_０）、ｕ_Ｓ（ｒ_０）を求める（Ｓ２８）。評価値計算部１３８は、評価値Ｅ（ｒ_０）を計算する（Ｓ３０）。この評価値Ｅ（ｒ_０）が、いままでの最高値であれば（Ｓ３２のＹ）、ｒ_０とＥ（ｒ_０）を記録する（Ｓ３４）。最高値でなければ（Ｓ３２のＮ）、Ｓ３４はスキップされる。

Ｓ２２で選出した近傍点のうち未検証のものが残っていれば（Ｓ３６のＹ）、探索制御部１４０は検証対象となる新たな近傍点を１つ選ぶ（Ｓ３８）。以後は、この近傍点についてＳ２４からＳ３４の処理が実行される。こうして、ｒ_０とその近傍点の中から評価値Ｅ（ｒ）が最高値となる利用配分率ｒを見つけ出す。

探索制御部１４０は、評価値Ｅ（ｒ）が最高値となるときの利用配分率ｒを新たな基準点として設定する（Ｓ４０）。ただし、このような利用配分率ｒへの移動がすでにタブーリストに登録されている場合には（Ｓ４２のＹ）、別の基準点を選択する（Ｓ４０）。タブーリストに登録されていない基準点ｒ_１を選択すると（Ｓ４２のＮ）、探索制御部１４０はタブーリストにｒ_０→ｒ_１を登録する（Ｓ４４）。最適配分探索処理の終了条件が成立していなければ、すなわち、最適配分探索処理を再実行可能な状態にあれば（Ｓ４６のＹ）、新たな基準点ｒ_１についてＳ２２からＳ４４の処理が実行される。ここでいう終了条件とは、最適配分探索処理を開始してから所定時間、たとえば、５０秒が経過するまでとしてもよいし、基準点の選択回数が所定回数、たとえば、７０回以上となることとしてもよい。あるいは、所定の閾値を超える評価値Ｅ（ｒ）が検出された時点で終了するとしてもよい。いずれにしても終了条件は、設計に応じて任意に設定されればよい。終了条件が成立したときには（Ｓ４６のＮ）、探索制御部１４０は、その時点で最高の評価値Ｅ（ｒ）となった利用配分率ｒを「最適な利用配分率」として決定する（Ｓ４８）。

電源３００が３種類以上の場合も基本的な考え方は同じである。このときにはｒ、ｓという２種類の利用配分率の組み合わせにより基準点を決定しながら、最適な利用配分率の組み合わせを探索する。すべての組み合わせを調査するのではなく、タブーサーチによる近傍探索であるため、厳密には最適ではなくとも最適に近い解を有限時間内に導くことができる。

以上、実施の形態に基づいて複数電源統合システム２００を説明した。複数電源統合システム２００によれば、各電源３００の出力を定期的に計測し、出力が不安定となっている電源３００よりも出力が安定している電源３００の利用配分率を高く設定することにより、総電力を安定供給できる。原電力の大きさだけではなく安定度も考慮して、全体を制御するため、総電力の急峻変動が生じにくい構成となっている。特許文献３のように電源群３１０で不足した電力を発電機等で補うのではなく、電源群３１０の中で不足分を補いあっている。また、メタヒューリスティックスによる最適化技法の応用により、複数電源統合システム２００が複雑化した場合でも、有限の計算時間内に最適に近い利用配分率を導出しやすい構成となっている。したがって、１分間程度の短時間に計測と計算を繰り返すことにより適時的な利用配分率調整が可能となる。

電源３００は、太陽電池３０２、風力発電３０４のような異種混合である必要はない。たとえば、銚子、市原、館山でそれぞれ風力発電を行う場合、同じ風力発電でも原電力や安定度は異なると考えられる。このため、複数電源統合装置１００が対象とする電源３００は、複数の風力発電３０４のように同種の電源３００の組み合わせであってもよい。

評価値Ｅ（ｒ）の計算方法については、計算式（１）〜（３）以外にもさまざまなバリエーションが考えられる。たとえば、総電力予測値の正規化値ｕ_Ｐ（ｒ）が０．５以上となる利用配分率ｒのうち、総安定値予測値の正規化値ｕ_Ｓ（ｒ）が最も大きくなるときの利用配分率ｒを最適な利用配分率として特定してもよい。評価方法については、複数電源統合システム２００への要求に応じてさまざまなカスタマイズが可能である。

電源３００の数が特に多いときには、電源群３１０をグループ化してもよい。まず、グループごとの総電力予測値と総安定度予測値を計算する。そして、グループ内の電源群３１０について最適な利用配分率を計算する。次に、これらの予測値に基づいて、全体としての総電力予測値と総安定度予測値および各グループについての最適な利用配分率を計算する。

たとえば、電源群３１０をグループＡ、Ｂの２グループに分類するとする。まず、グループＡの総電力予測値Ｕ_Ｐ（ｒ）と総安定度予測値Ｕ_Ｓ（ｒ）を求め、評価値Ｅ（ｒ）を求める。こうして、グループＡ内における最適な利用配分率ｒ_Ａを決定する。このときのグループＡについての総電力予測値と総安定度予測値をそれぞれＵ_ＰＡ（ｒ_Ａ）、Ｕ_ＳＡ（ｒ_Ａ）とする。グループＢについても、最適な利用配分率ｒ_Ｂを求め、同様に、Ｕ_ＰＢ（ｒ_Ｂ）、Ｕ_ＳＢ（ｒ_Ｂ）を求める。次に、グループＡ、Ｂの利用配分率をＲ、Ｐ_Ａ＝Ｕ_ＰＡ（ｒ_Ａ）、Ｐ_Ｂ＝Ｕ_ＰＢ（ｒ_Ｂ）、Ｓ_Ａ＝Ｕ_ＳＡ（ｒ_Ａ）、Ｓ_Ｂ＝Ｕ_ＳＢ（ｒ_Ｂ）として、計算式（１）〜（３）により、評価値Ｅ（Ｒ）を算出する。そして、評価値Ｅ（Ｒ）が最高となるときのＲを、グループＡ、Ｂの利用配分率としてもよい。このような方法によれば、電源３００の数が特に多いときに効率的に計算量を減らすことができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１００ 複数電源統合装置
１１０ 計測部
１１２ 原電力取得部
１１４ 安定度取得部
１２０ データ処理部
１３０ 最適配分探索部
１３２ 正規化部
１３４ 総電力予測部
１３６ 総安定度予測部
１３８ 評価値計算部
１４０ 探索制御部
１４２ 配分制御部
１５０ データ保持部
２００ 複数電源統合システム
３００ 電源
３０２ 太陽電池
３０４ 風力発電
３０６ バイオマス
３０８ 燃料電池
３１０ 電源群
３１２ コンバータ
４００ 共通電力線
４０２ インバータ
４０４ バッテリー

Claims (8)

1. 出力に不規則性を有する電源である不規則電源を対象として、単位時間中に出力される電力量と前記単位時間中における電力変化の少なさを示す安定度を取得する計測部と、
   複数の不規則電源それぞれについて取得された電力量および安定度に基づいて、前記複数の不規則電源の利用配分率を変化させながら前記複数の不規則電源全体としての電力供給の安定性を示す指標である評価値を算出する最適配分探索部と、
   前記複数の不規則電源の利用配分率を、所定の条件に合致する評価値が算出されたときの利用配分率に設定する配分制御部と、を備え、
   前記最適配分探索部は、利用配分率を変数として前記複数の不規則電源全体としての単位時間当たりの電力量および安定度を算出し、前記複数の不規則電源全体としての単位時間当たりの電力量および安定度の双方または一方が高いほど前記評価値が高くなるように定義された評価関数により、前記評価値を算出することを特徴とする複数電源統合装置。
2. 前記最適配分探索部は、前記利用配分率を変数としたメタヒューリスティックス（Metaheuristics）による最適化技法を前記評価関数に適用することにより、前記評価値が最も高くなるときの利用配分率を探索することを特徴とする請求項１に記載の複数電源統合装置。
3. 前記不規則電源は、再生可能エネルギーに由来する電源であることを特徴とする請求項１又は２に記載の複数電源統合装置。
4. 前記計測部は、定期的に各不規則電源の電力量と安定度を取得し、
   前記最適配分探索部は、各不規則電源の電力量と安定度が取得されるごとに、前記取得された電力量と安定度に基づく最適な利用配分率を探索することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の複数電源統合装置。
5. 前記最適配分探索部は、電力量および安定度をそれぞれ無次元値に正規化し、前記複数の不規則電源全体としての単位時間当たりの電力量の正規化値と安定度の正規化値の平均値が高くなるほど前記評価値が高くなるように定義された前記評価関数により、前記評価値を算出することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の複数電源統合装置。
6. 前記最適配分探索部は、電力量および安定度をそれぞれ無次元値に正規化し、前記複数の不規則電源全体としての単位時間当たりの電力量の正規化値と安定度の正規化値のうち低い側の正規化値が高くなるほど前記評価値が高くなるように定義された前記評価関数により、前記評価値を算出することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の複数電源統合装置。
7. 出力に不規則性を有する電源である複数の不規則電源と、
   前記複数の不規則電源から電力供給される共通電力線と、
   前記複数の不規則電源の利用配分率を決定し、前記利用配分率にしたがって各不規則電源から前記共通電力線へ供給される電力を調整する複数電源統合装置と、を備え、
   前記複数電源統合装置は、
   前記複数の不規則電源それぞれから、単位時間中に出力される電力量と前記単位時間中における電力変化の少なさを示す安定度を取得する計測部と、
   前記取得された電力量および安定度に基づいて、前記複数の不規則電源の利用配分率を変化させながら前記複数の不規則電源全体としての電力供給の安定性を示す指標である評価値を算出する最適配分探索部と、
   前記複数の不規則電源の利用配分率を、所定の条件に合致する評価値が算出されたときの利用配分率に設定する配分制御部と、を含み、
   前記複数電源統合制御装置の前記最適配分探索部は、利用配分率を変数として前記複数の不規則電源全体としての単位時間当たりの電力量および安定度を算出し、前記複数の不規則電源全体としての単位時間当たりの電力量および安定度の双方または一方が高いほど前記評価値が高くなるように定義された評価関数により、前記評価値を算出することを特徴とする複数電源統合システム。
8. 出力に不規則性を有する電源である不規則電源を対象として、単位時間中に出力される電力量と前記単位時間中における電力変化の少なさを示す安定度を取得する機能と、
   複数の不規則電源それぞれについて取得された電力量および安定度に基づいて、前記複数の不規則電源の利用配分率を変化させながら、前記複数の不規則電源全体として想定される単位時間当たりの電力量および安定度を前記利用配分率を変化させるごとに算出する機能と、
   前記複数の不規則電源全体の単位時間当たりの電力量および安定度の双方または一方が高いほど前記評価値が高くなるように設定された所定の評価関数により、前記利用配分率を変化させるごとに前記複数の不規則電源全体としての電力供給の安定性の指標である評価値を算出する機能と、
   前記複数の不規則電源の利用配分率を、所定の条件に合致する評価値が算出されたときの利用配分率に設定する機能と、
   をコンピュータに発揮させる複数電源統合制御プログラム。

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