JP5957372B2 - 日射量計算方法及び供給電力決定方法 - Google Patents

Description

本発明は、太陽光パネルの出力を用いて日射量を計算する日射量計算技術に関する。

電力系統の一部のエネルギー制御システムであるＥＭＳ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）には、管理する対象の種類・規模によって区分けられている。各分類は、家庭を対象としたＨＥＭＳ（Ｈｏｍｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）ビルを対象としたＢＥＭＳ（Ｂｕｉｌｄｉｎｇ ＥＭＳ）、工場を対象としたＦＥＭＳ（Ｆａｃｔｏｒｙ ＥＭＳ）、コミュニティを対象としたＣＥＭＳ（Ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ ＥＭＳ）がある。なお、ＣＥＭＳは、対象領域内のＨＥＭＳ、ＢＥＭＳ，ＦＥＭＳを制御対象とし、必要な電力量を把握し、エネルギー消費抑制の指令を制御対象となるＥＭＳに指示したり、外部からの電力供給量を把握したりすることで、柔軟で動的なエネルギーマネージメントを行う。

枯渇性エネルギーである化石燃料（石炭、石油、天然ガス、オイルサンド、シェールガス、メタンハイドレートやウラン等の地下資源を利用した火力発電、原子力発電）は備蓄が可能であるため、発電量が発電環境（天候など）により影響されることは殆どない（影響されないように運用している）。しかし、再生可能エネルギー（太陽光、風力、波力・潮力、流水・潮汐、地熱、バイオマス等）、特に、近年急激に増加している太陽光発電（ＰＶ）は自然環境に大きく影響を受け、系統を不安定にする虞がある。従って、今後のＣＥＭＳは、太陽光発電量の予測精度を向上させて、系統を安定化するエネルギーマネージメントが求められる。

この課題を解決する手法として、地域の日射量と気象データを外部より入手して日射量を推定し、日射量に応じたＰＶアレイの発電量を予測する方法（特許文献１）と、ＰＶアレイ発電量の時系列データの比較によりＰＶアレイ発電量の予測を行う方法（特許文献２）、ＰＶアレイから取得したＰＶアレイ発電データからから日射量を算出し、天気情報として提供する方法（特許文献３）がある。

特開２０１０−２４９６０８号公報 特開２０１２−１２４１８８号公報 特開２００３−１２１５５８号公報 特開２０１２−１６０４９８号公報

特許文献１の方法は、地域に設置される日射計と、外部より地域の気象データを取得する装置が必要になるため、ＥＭＳの設置に余計なコストがかかってしまう。また、ＰＶアレイは屋根の傾き、形状によってその設置環境が異なるため、個々のＰＶアレイは地域の日射計の計測値とは大きな差が発生する。したがって、日射量に応じたＰＶアレイによる発電量の予測精度も低下する。

他の装置を用いずに低コストで発電量を予測できるのが特許文献２である。しかし、時系列データの変動パターンを比較することだけでは、発電量の予測誤差は大きい。特に、雲の生成や消滅に対して対応することができない。

特許文献３の方法はＰＶアレイ以外に機器の設置が不要であるため、この方法を用いて日照時間を算出し、特許文献１の方法と組み合わせることにより計測器の増設や追加データの取得無しで発電量の予測することを検討した。

しかし、実際には快晴の日を除き、雲が発生した日の日射の変化は時間的に急峻で短い時間内でスパイク状の変化を激しく繰り返す。従って、雲のかかった日の日射をそのまま用いて日射予測を行うと発電量予測値も激しく増減を繰り返すことになる。こうしたスパイキーな計測値や予測値を基にして補間や外挿を行い、予測範囲を広げていくと得られる結果もスパイキーな結果となり、予測誤差が大きくなる。

このように、他の測定データを用いない従来の技術では、ＰＶアレイによる発電量に影響を与える雲の細かな動きも考慮した日照量測定が行えなかったため、ＰＶアレイによる発電量予測の精度が低かった。

本発明の目的は、ＰＶアレイによる発電量に影響を与える雲の細かな動きも考慮した日射量予測を可能とする。

本願は、上記目的を達成する手段を複数含むものであるが、以下その代表例を示す。

つまり、ＰＶパネルから取得した電力計測値と、その電力計測値から算出した日射量、及びＰＶアレイ温度、更には得られた日射量とアレイ温度から計算した電力計算値を用いて日射量を補正する方法を考案した。

日射量の補正方法は、計測した電力値と計算した電力値の相関が最も大きくなるよう、電力計算を行う際に用いる温度の補正係数を決定し、その係数を用いて日射量を算出する方法である。

本発明によれば、ＰＶアレイによる発電量に影響を与える雲の細かな動きも考慮した日射量予測が可能となり、ＰＶアレイによる発電量の予測精度が向上し、ＣＥＭＳが制御対象とするＥＭＳへのエネルギーマネージメントを的確に行うことができるようになる。

ＰＶ（太陽光発電）システムとＰＶシステムにおける発電量を記録、処理するＣＥＭＳを示す図である。 ＣＥＭＳの情報処理装置の処理フローである。 （Ａ）が電力計算に用いる温度補正係数補正前の計測及び計算電力値相関図の一例、（Ｂ）が電力計算に用いる温度補正係数補正値後の計測及び計算電力値相関図の一例である。 （Ａ）が雲の影響により日射強度がスパイキーな時間変化を示す場合の模式図、（Ｂ）が雲の影響を分離して緩やかな変化をする日射強度の時間変化を示す模式図である。 ＰＶアレイもしくはＰＶを含むコミュニティの電力線若しくは電力線及び通信線の接続状況一例を表す模式図である。 ＰＶを構成用に含んだＨＥＭＳとそれを統括するＣＥＭＳ、及びＰＶデータを収集する情報処理装置の構成とそれらがお互いに接続された状態を模式的に表す図である。

以下、本発明を実施する形態を説明する、

図１はＰＶシステムとＰＶシステムにおける発電量を記録、処理するＣＥＭＳを示す図である。パワーコンディショナ１３とＰＶアレイ１４からなるＰＶシステムを有するＥＭＳ単位１２がパワーコンディショナ１３を介して系統１０に連系されている。

こうしたＥＭＳ単位１２が家庭（ＨＥＭＳ）、ビル（ＢＥＭＳ）、工場（ＦＥＭＳ）に対応して配置され、夫々が電力系統線１０と連系している。各ＥＭＳ単位１２の各パワーコンディショナ１３からはＰＶアレイの発電電力値が出力され、通信線１１に送信される。

情報処理装置１５が通信線１１に接続されており、ＥＭＳ単位１２のパワーコンディショナー１３から出力されるＰＶアレイの発電電力値を通信線１１を介して収集、記憶部に保管する。情報処理装置１５はＣＥＭＳとしてエネルギーマネージメントする領域１６内のＥＭＳ単位１２の発電電力値を収集する。領域１６は町や市など、管理が行いやすい範囲を適宜設定してよい。

情報処理装置１５は各ＥＭＳ単位内に配置され、系統に接続されているＰＶアレイにおける雲の影響を除いた日射量を計算する（図２）。まず、情報処理装置の記憶部に保管されたＰＶシステムの発電電力値から各ＰＶシステムの位置における日射量ｐとＰＶアレイ動作温度Ｔａを算出する。算出は特許文献４に開示されているＰＶモデルを用いる方法を利用すればよい。この方法によればＰＶアレイの発電電力値から日射量とアレイ動作温度を抽出できるが、各ＰＶアレイの仕様や検査成績書記載の各初期特性値を用いて初期パラメータを設定することにより精度よく日射量や動作温度を求められるため、記憶部に各ＰＶアレイの初期値として格納しておくとよい。

算出した日射量と動作温度を用いれば各ＰＶアレイの出力を計算できる。ここではＪＩＳ Ｃ ８９０７に従い（式１）により発電量を計算する。
（式１） 発電量＝ＰＶ定格出力×Ｐ_ＳＮ×Ｋ_ＨＤ×Ｋ_ＰＤ×Ｋ_ＰＴ×Ｋ_ＰＭ×Ｋ_ＰＡ×Ｋ_ＩＮ×Ｋ_ＡＣ
ここで、Ｐ_ＳＮは日射量、Ｋ_ＨＤは日射量年変動補正係数、Ｋ_ＰＤは経時変化補正係数、Ｋ_ＰＴは温度補正係数、Ｋ_ＰＭはアレイ負荷整合補正係数、Ｋ_ＰＡはアレイ回路補正係数、Ｋ_ＩＮはインバータ回路補正係数、Ｋ_ＡＣは交流線路エネルギー伝送効率Ｋ_ＡＣである。日射量と温度補正係数以外はＪＩＳ指定の値を用いた。温度補正係数Ｋ_ＰＴは
（式２） Ｋ_ＰＴ＝１＋α×（Ｔ_Ａ＋１８．４−２５）
で与えられる。αはモジュールの最大出力温度係数、Ｔ_Ａは気温である。得られた日射量をＰ_ＳＮに代入、ＰＶアレイ動作温度をＴ_Ａ＋１８．４と置き換えて計算をすればよい。計算によって得られた発電量と計測した発電量の相関をとり、相関係数が最大となるようＫ_ＰＴを調整する。得られたＫ_ＰＴを用いて計算したＰＶアレイの発電量と実測値の相関図を描くと回帰直線がほぼ傾き１．０を有する直線となることを見出した（図３（Ａ）、（Ｂ）参照）。ＪＩＳ Ｃ ８９０７よりこのＫ_ＰＴから外気温を求めることができる。補正する前のＫ_ＰＴから求めた外気温は、雲の影響がある場合には日射の変動が大きくその影響を受けてスパイキーな変動を示す。一方、上述の方法により補正したＫ_ＰＴから求めた外気温は滑らかな変化を示す。日射と気温は相関の高い関係があることが知られており、滑らかな変化を示す気温から求められる日射も同様に滑らかな変化を示す。このようにして日射の変動が激しい日であっても日射の変動をもたらす要因である雲の影響を排除した滑らかな日射を求めることができる（図４（Ａ）、（Ｂ）参照）。また、差分を取ることにより、雲の影響による変動の大きな日射を求めることができる。一方、この方法は仮に雲がなかった場合に上記の手続きを行ったとしても日射量は正しい値が求められる。

上記の方法は発電電力の計測値と発電電力の計算値を比較し、相関係数を求める処理を含んでいる。従って複数の測定点・計算点を用いる必要があるため、一定期間データを取得し複数の測定点に対して計算点を求め相関係数を算出する。複数データ点を取得する期間は任意に設定して問題ない。

本実施例では実施例１に従って求めた日射量を用いてデータを補間する場合を述べる。図５に示すＡ、Ｂ、Ｃの中点での日射を求めることを考える。Ａ、Ｂ、Ｃ全ての点に対し、実施例１で述べた方法により日射量を求める。Ａ、Ｂ、Ｃがコミュニティのような多数のＰＶアレイを含む場合は、まずＡ、Ｂ、Ｃそれぞれの地域内で各々のＰＶアレイに対して日射量の計算を行い、それらを用いてコミュニティ内の日射量分布を求めておく。Ａ、Ｂ、Ｃそれぞれについて面的日射分布が求められればその中点の予測にそれらのデータを用いることができ、より精度の高い補間が可能となる。これらの値を用いて既存の方法により中点での日射量を補間すればよい。Ａ、Ｂ、Ｃ全ての点で雲がかかっていて中点においても雲があることが予想される場合は、実施例１で求めた雲の影響により変動する日射と、雲の影響を除いた日射の両方を用いて補間を行えばよい。

一方、Ｂ、Ｃ点の情報を用いてＡ点の予測をする場合を考える。この場合も同様にＢ、Ｃ点について日射量の補正を行った後、任意の方法でＡ点の外挿を行えばよい。Ａ、Ｂ、Ｃがコミュニティの場合、Ｂ、Ｃの情報を持ってＡ点の予測ができる。この場合もＢ、Ｃの面的日射分布を求め、そこから任意の外挿方法によりＡでの日射を予測すればよい。上記では、補間や外挿方法、予測方法についての特定の方法を指定していない。任意の方法を用いて補間、外挿、予測を行うことができる。

本実施例では実施例１及び２で開示した方法をエネルギーマネージメントに応用する例について述べる。図６の６１に示す一つのＣＥＭＳの管理範囲内にあるそれぞれのＨＥＭＳのＰＶ出力を情報処理装置に取り込む。情報処理装置では実施例１で開示した方法によりそれぞれのＨＥＭＳ地点での日射量を計算する。同様に隣接するＣＥＭＳにおいても各ＨＥＭＳでの日射量を計算する。これら２つのＣＥＭＳに隣接する第３のＣＥＭＳの日射を実施例２に記載した方法により予測し、第３のＣＥＭＳではその情報を受け系統電力を用いるか、蓄電池を用いるか、各ＨＥＭＳへ電力消費量の増減を指示するかを決める。

あるＣＥＭＳ制御範囲内で各ＨＥＭＳに接続されたＰＶ出力から日射量を計算し、その地域内での日射量分布を求める。この分布をある一定期間毎に求め、その時間変分から一定時間後の出力を予測し、その予測に合わせて系統からの電力供給や蓄電値出力、ＨＥＭＳへの需給制限などを計画する。

エネルギーマネージメントは必ずしもＣＥＭＳ間で行う必要はなく、例えばあるＣＥＭＳ制御範囲内で各ＨＥＭＳに接続されたＰＶ出力から日射量を計算した後、公知の日射変動予測方法を用いてＰＶ発電量予測を行い、それを以てＣＥＭＳがその制御範囲内でエネルギー需給バランスを調整してもよい。

各ＣＥＭＳに接続されているエネルギー調整用の蓄電池は必ずしもそれだけに限るものではなく、他の再生可能エネルギーや、コジェネ、火力などの発電設備であってもよい。

１０・・・電力系統線、１１・・・通信線、１２・・・ＥＭＳ単位（ＰＶシステム）、１３・・・パワーコンディショナ、１４・・・ＰＶアレイ、１５・・・情報処理装置、１６・・・領域（情報処理装置の情報収集単位となるコミュニティ）、５１・・・ＰＶアレイ、もしくはＰＶアレイを含むＣＥＭＳ、５２・・・電力線若しくは電力線及び通信線、６１・・・ＣＥＭＳの電力制御範囲、６２・・・電力系統線

Claims (2)

1. 太陽光パネルの発電電力計測値から、日射量とパネル温度とを算出するステップと、
   前記日射量、前記パネル温度及び温度補正パラメータから前記太陽光パネルの発電電力を算出するステップと、
   前記発電電力計測値と前記太陽光パネルの発電電力計算値とを比較し、相関係数を算出するステップと、
   前記相関係数が最も大きな値を取るよう、前記温度補正パラメータを調整するステップと、
   前記相関係数が最も大きな値を取る温度補正パラメータを用いて前記パネル温度から外気温度を算出するステップと、
   前記外気温度から日射量を計算するステップとを備えた日射量推定方法。
2. ＥＭＳへの供給電力決定方法において、
   ＥＭＳから太陽光パネルの発電電力計測値を受け取るステップと、
   前記発電電力計測値から、日射量とパネル温度とを算出するステップと、
   前記日射量、前記パネル温度及び温度補正パラメータから前記太陽光パネルの発電電力算出値を算出するステップと、
   前記発電電力計測値と前記太陽光パネルの発電電力計算値とを比較し、相関係数を算出するステップと、
   前記相関係数が最も大きな値を取るよう、前記温度補正パラメータを調整するステップと、
   前記相関係数が最も大きな値を取る温度補正パラメータを用いて前記パネル温度から外気温度を算出するステップと、
   前記外気温度から日射量を計算するステップと、
   前記日射量に応じてＥＭＳへ供給する電力を決定するステップとを備えた供給電力決定方法。

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