JP6365686B2 - 電力システム - Google Patents

Description

本発明は、工場群における電力システムに関する。

従来、蓄電装置を利用した電力システムとして、発電設備の効率的な操業を目的として、発電設備が備える複数の機能のうち、各機能を実行した場合に稼働する発電設備内の機器の消費電力と、蓄電装置の放電容量とを比較し、当該放電容量の範囲内で実行可能な機能を選定する技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１４−７９０９４号公報

しかしながら、特許文献１で提案された技術は、発電設備内の機能選択を行うことで当該発電設備の効率的な運用を行うことにとどまる。従って、例えば発電設備によって発電された電力のうち、電力需要設備によって使用されなかった余剰電力を電力会社等の外部電力網へ売電（送電）する際に、発電設備、蓄電設備および電力需要設備を含む全体の電力需給を考慮して、当該外部電力網への売電量（送電量）を制御することはできない。なお、前記した「電力需要設備」とは、例えば工場内に設けられた、電力を消費する設備のことを示している。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、外部電力網への売電量を制御することができる電力システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る電力システムは、電力需要設備を有する工場と、発電した電力を前記工場に対して供給する自家発電装置と、前記工場と前記自家発電装置とを結ぶ送電線と、を備え、前記送電線を介して、余剰電力を外部電力需給装置に対して売電する電力システムにおいて、前記送電線に接続され、前記自家発電装置によって発電された電力を蓄電するとともに、蓄電した電力を前記工場に対して供給する蓄電装置と、前記工場の製造計画情報が蓄積されたデータベースと、前記製造計画情報に基づいて前記工場における将来の電力需要を予測し、予測された電力需要の変動に基づいて、前記自家発電装置に対して発電量の変更を指示するとともに、前記蓄電装置に対して蓄電および放電を指示する電力制御装置と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る電力システムは、上記発明において、前記電力制御装置が、前記データベースから前記製造計画情報を取得する製造計画取得部と、前記製造計画情報に基づいて前記工場における将来の電力需要を予測する電力需要予測部と、前記電力需要の変動から、前記自家発電装置によって追従可能な電力変動である低周波電力変動と、前記自家発電装置によって追従不可能かつ前記蓄電装置によって追従可能な電力変動である高周波電力変動と、を分離する電力変動分離部と、前記低周波電力変動に応じた発電量を前記自家発電装置に対して指示するとともに、前記高周波電力変動に応じた蓄電量または放電量を前記蓄電装置に対して指示する発電蓄電指示部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る電力システムは、上記発明において、前記蓄電装置が、前記自家発電装置と比較して、電力需要の変動に対する応答速度が速いことを特徴とする。

また、本発明に係る電力システムは、上記発明において、前記蓄電装置が、フライホイール装置、二次電池またはキャパシタであることを特徴とする。

また、本発明に係る電力システムは、上記発明において、製鉄所内のシステムであることを特徴とする。

本発明によれば、製造計画情報に基づいて予測した電力需要の変動に基づいて、自家発電装置に対して発電量の変更を指示するとともに、蓄電装置に対して蓄電および放電を指示するため、余剰電力を外部電力網へ売電する際に、電力システム全体の電力需給を考慮して、当該外部電力網への売電量を制御することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る電力システムの構成を示す概略図である。 図２は、本発明の実施形態に係る電力システムにおける電力制御装置の構成を示す概略図である。 図３は、本発明の実施形態に係る電力システムにおける電力制御装置の処理手順の一例を示すフローチャートである。 図４は、本発明の実施形態に係る電力システムの実施例を示す図であり、製鉄所内の総需要電力量、発電量、売電量および蓄電量の変動を示すグラフである。

以下、本発明に係る電力システムの実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、以下の実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

［電力システムの構成］
まず、本発明が適用される電力システム１の構成について、図１を参照しながら説明する。電力システム１は、製鉄所内で用いられるシステムであり、電力制御装置１０と、データベース（ＤＢ）２０と、送電線３０と、自家発電装置４０と、蓄電装置５０と、熱延工場６０と、その他工場７０と、伝送路８０と、外部電力需給装置９０と、連結点１００と、を備えている。

データベース２０は、製鉄所内に設けられ、消費電力情報、発電電力情報、蓄電電力情報および製造計画情報を蓄積する。ここで、消費電力情報とは、熱延工場６０およびその他工場７０における、過去から現在にわたる消費電力に関する情報である。また、発電電力情報とは、自家発電装置４０における、過去から現在にわたる発電電力に関する情報である。また、蓄電電力情報とは、蓄電装置５０における、過去から現在にわたる蓄電電力に関する情報である。また、製造計画情報とは、熱延工場６０およびその他工場７０における、製品の製造計画に関する情報であり、より具体的にはどの材料をいつ処理して製品または中間製品を製造するかに関する情報である。

送電線３０は、図１に示すように、自家発電装置４０、蓄電装置５０、熱延工場６０、その他工場７０および外部電力需給装置９０と接続されており、これらの間で電力を送電する。すなわち、自家発電装置４０、蓄電装置５０、熱延工場６０、その他工場７０および外部電力需給装置９０は、送電線３０を介して電力を供給するとともに、当該送電線３０を介して電力を受ける。

自家発電装置４０は、製鉄所内に設けられ、具体的には所内発生ガスやＬＮＧを利用した火力発電所等である。自家発電装置４０は、発電した電力を、送電線３０を介して熱延工場６０およびその他工場７０に供給する。また、自家発電装置４０は、余剰電力が発生している場合、当該余剰電力を、送電線３０を介して外部電力需給装置９０に売電する。

蓄電装置５０は、製鉄所内に設けられ、自家発電装置４０によって発電された電力を蓄電する。そして、蓄電装置５０は、蓄電した電力を、送電線３０を介して熱延工場６０およびその他工場７０に供給する。また、蓄電装置５０は、余剰電力が発生している場合、当該余剰電力を、送電線３０を介して外部電力需給装置９０に売電する。

蓄電装置５０は、自家発電装置４０と比較して、電力需要の変動に対する応答速度が速いものを用いる。また、蓄電装置５０としては、例えばフライホイール装置、二次電池またはキャパシタ等を用いることができる。

熱延工場６０およびその他工場７０は、製鉄所内に設けられており、電力需要設備（例えば圧延機等）を有している。その他工場７０は、具体的には製鋼工場や厚板工場等の製造工場等である。

伝送路８０は、自家発電装置４０、蓄電装置５０、熱延工場６０およびその他工場７０と接続されており、これらの間で情報を伝達する。すなわち、自家発電装置４０、蓄電装置５０、熱延工場６０およびその他工場７０は、伝送路８０を介して消費電力情報、発電電力情報、蓄電電力情報および製造計画情報の各情報をやり取りする。

外部電力需給装置９０は、製鉄所の外部に設けられており、例えば電力会社の発電所である。外部電力需給装置９０は、図１に示すように、連結点１００を介して製鉄所内の送電線３０に接続されており、必要に応じて、熱延工場６０およびその他工場７０に対して電力を供給する。また、電力システム１は、自家発電装置４０によって発電して余った余剰電力を、送電線３０を介して、外部電力需給装置９０に対して売電する。

［電力制御装置の構成］
次に、電力システム１における電力制御装置１０の構成について、図２を参照しながら説明する。電力制御装置１０は、具体的にはパーソナルコンピュータやワークステーション等の汎用の情報処理装置によって実現されるものであり、同図に示すように、演算処理部１１と、ＲＯＭ１２と、ＲＡＭ１３と、伝送路１４と、入出力ポート１５と、を備えている。演算処理部１１、ＲＯＭ１２およびＲＡＭ１３は、伝送路１４を介して、互いにデータを送受信可能に構成されている。また、演算処理部１１、ＲＯＭ１２およびＲＡＭ１３は、入出力ポート１５を介して、データベース２０および伝送路８０にデータを送受信可能に構成されている。

演算処理部１１は、ＣＰＵ等のハードウェアによって実現される。この演算処理部１１は、ＲＯＭ１２に格納されるプログラムやデータの各種情報等を基に電力制御装置１０を構成する各部への指示やデータの転送等を行い、電力制御装置１０全体の動作を統括的に制御する。この演算処理部１１は、図２に示すように、製造計画取得部１１１、電力需要予測部１１２、電力変動分離部１１３および発電蓄電指示部１１４として機能する。

ＲＯＭ１２には、電力制御装置１０を動作させ、この電力制御装置１０が備える種々の機能を実現するためのプログラム、およびこれらのプログラムの実行中に使用されるデータ等が格納される。また、演算処理部１１を製造計画取得部１１１、電力需要予測部１１２、電力変動分離部１１３および発電蓄電指示部１１４として機能させ、後述する電力制御処理を実行させるための電力制御プログラム１２１が格納される。

ＲＡＭ１３は、演算処理部１１の作業用メモリとして用いられる半導体メモリであり、演算処理部１１が実行するプログラムや、その実行中に使用されるデータ等を一時的に保持するメモリ領域を備える。

［電力制御処理］
次に、電力制御装置１０による電力制御処理について、図３を参照しながら説明する。電力制御処理は、具体的には、電力制御装置１０において、演算処理部１１がＲＯＭ１２に格納された電力制御プログラム１２１を読み出して実行し、図３に示した手順に従って処理を行うことで実現される。なお、同図に示した処理は、所定の制御周期ごとに繰り返し実行される。ここでいう制御周期とは、売電量積算値が目標値にどれだけ追従できているかを評価するタイミング（例えば、３０分ピッチ）のことを示している。

（ステップＳ１）
ステップＳ１の処理では、電力制御装置１０の製造計画取得部１１１が、データベース２０から、熱延工場６０およびその他工場７０の製造計画情報を取得する。

（ステップＳ２）
ステップＳ２の処理では、電力制御装置１０の電力需要予測部１１２が、ステップＳ１で取得した製造計画情報に基づいて、将来にわたる各工場の電力需要（需要電力量）をΔｔで離散化した時系列データとして予測する。例えば熱延工場６０の場合、製造計画情報と下記式（１）を用いて、時刻ｔ＋ｉ・Δｔ〜ｔ＋（ｉ＋１）・Δｔの間の需要電力量を算出する。この予測をｉ＝０，１，２，・・・，Ｎ−１まで求めることにより、時刻ｔからｔ＋Ｎ・Δｔまでの電力需要の変動を予測する。ここで、Ｎ・Δｔの時間が上述の制御周期であり、買電量積算値を評価する期間である。また、Δｔは、圧延ピッチ等を考慮して定める（例えば複数の圧延チャンスを含む５分程度の時間等）。

Ｐ（ｉ） ＝ Σ_ｓ（α × Ｗ（ｓ） × Ｌｏｇ（Ｒ（ｓ））） ・・・式（１）

Ｐ：時刻ｔ＋ｉ・Δｔ〜ｔ＋（ｉ＋１）・Δｔにおける熱延需要電力量
ｓ：時刻ｔ＋ｉ・Δｔ〜ｔ＋（ｉ＋１）・Δｔにおける圧延スラブ番号
Ｗ（ｓ）：スラブｓの重量
Ｒ（ｓ）：スラブｓの圧延機における圧下量
α：係数
Δｔ：データ取得間隔

電力制御装置１０は、上記式（１）によって算出した時刻ｔからｔ＋Ｎ・Δｔまでの熱延工場６０の需要電力量の変動と、その他工場７０の需要電力量の変動とを足し合わせることにより、製鉄所内の総需要電力量（製鉄所全体の電力需要）の変動を予測する。なお、その他工場７０の需要電力量の変動は、トレンド予測（例えば、移動平均法であれば直前の評価期間等の実績電力量平均値を予測値とし、線形回帰法であれば直前の所定期間の線形回帰式による予測を予測値とする等）によって予測する。

（ステップＳ３）
ステップＳ３では、電力制御装置１０の電力変動分離部１１３が、時刻ｔからｔ＋Ｎ・Δｔまでの製鉄所内の総需要電力量の変動に時刻ｔからｔ＋Ｎ・Δｔまでの売電量を足し合わせることにより目標発電量を算出し、算出された目標発電量を、低周波電力変動と高周波電力変動とに分離する。なお、時刻ｔからｔ＋Ｎ・Δｔまでの各時刻（ｔ＋ｉ・Δｔ〜ｔ＋（ｉ＋１）・Δｔの間）の売電量は、売電量積算値の目標値に（１／Ｎ・Δｔ）を乗じた一定値とする。

ここで、低周波電力変動とは、自家発電装置４０による発電量の増減によって追従可能な電力需要の変動のことを示している。自家発電装置４０は、一般的に電力需要の変動に対する応答性が低く、急な電力の要求に対してすぐに電力を供給することができない。前記した低周波電力変動は、このような自家発電装置４０であっても電力の供給が可能な、緩慢な電力需要の変動のことである。

一方、高周波電力変動とは、自家発電装置４０による発電量の増減によって追従不可能な電力需要の変動のことを示している。すなわち、高周波電力変動は、前記したような応答性の低い自家発電装置４０では電力の供給が不可能な、急激な電力需要の変動のことである。

また、高周波電力変動は、蓄電装置５０による蓄電または放電によって追従可能な電力需要の変動でもある。蓄電装置５０は、一般的に電力需要の変動に対する応答性が高く（例えばｍｓｅｃオーダー）、急な電力の要求に対してすぐに電力を供給することができる。従って、自家発電装置４０では電力の供給が不可能な高周波電力変動であっても、蓄電装置５０では電力の供給が可能である。

電力変動分離部１１３は、例えば自家発電装置４０によって追従可能な、最大の電力変動の周波数を基準とし、当該周波数以下の電力変動を低周波電力変動とし、当該周波数を超える電力変動を高周波電力変動とすることで、高周波電力変動と低周波電力変動とを分離する。

（ステップＳ４）
ステップＳ４では、電力制御装置１０の発電蓄電指示部１１４が、低周波電力変動に応じた発電量の時系列データとしての指示量を自家発電装置４０に送信する。その結果、自家発電装置４０は、受信した発電量の指示量に従って発電量を変更する。

また、発電蓄電指示部１１４は、高周波電力変動に応じた蓄電量／放電量の指示量を蓄電装置５０に送信する。その結果、蓄電装置５０は、受信した蓄電量／放電量の時系列データとしての指示量に従って、蓄電装置５０内部に備える制御装置によってｍｓｅｃオーダーの制御周期で蓄電量／放電量を変更する。なお、蓄電装置５０の充放電指示でも変動吸収できないようなさらに高周期の電力変動は（例えば、ｍ秒未満）、外部電力需給装置９０にある潮流制御によって吸収される。

以上のような構成を備える電力システム１によれば、製造計画情報に基づいて予測した電力需要の変動に基づいて、自家発電装置４０に対して発電量の変更を指示するとともに、蓄電装置５０に対して蓄電および放電を指示する。すなわち、製造計画から予測した将来の電力需要の変動のうち、自家発電装置４０による発電によって追従可能な緩慢な変動分（低周波電力変動）については、当該自家発電装置４０によって発電した電力を供給する。一方、自家発電装置４０による発電によって追従不可能な急激な変動分（高周波電力変動）については、自家発電装置４０よりも応答性の高い蓄電装置５０を用い、放電によって電力を供給、あるいは電力が余った場合は蓄電を行う。従って、電力システム１によれば、余剰電力を外部電力網へ売電する際に、電力システム１全体の電力需給を考慮して、当該外部電力網への売電量を制御することができる。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。図４では、１４：００から１６：００までの２時間における製鉄所内の総需要電力量、自家発電装置４０による発電量、売電量、蓄電装置５０による蓄電量の変動を、本発明を適用した場合と、本発明を適用しない従来の場合とで比較したグラフである。

図４において、低周波電力変動は破線で示し、高周波電力変動は実線で示している。また、発電量は、グラフ上方向が増加方向であり、３０分間の積算値で表され（図中の「工場使用３０分積算」参照）、３０分ごとにリセットされる。また、売電量は、グラフ下方向が増加方向であり、３０分間の積算値で表され（図中の「電力小売３０分積算」参照）、３０分ごとにリセットされる。また、蓄電量は、グラフ上方向が増加方向であり、上方向に進むと蓄電され、下方向に進むと放電される。そして、売電目標値は、例えば外部電力需給装置９０を保有する電力会社との取り決めによって定められた値であり、３０分ごとの売電量の積算値である。すなわち、図３に示した制御処理の周期は、この実施例では３０分となっている。

図４に示すように、従来の方法では、１５：００，１６：００における売電量が売電目標値を超過している。これは、自家発電装置４０が高周波電力変動に追従できず、余分に電力を発電してしまったことを示している。また、従来の方法では、１５：３０における売電量が売電目標値よりも不足している。これは、自家発電装置４０が高周波電力変動に追従できず、発電できなかったことを示している。このように、従来の方法では、売電量を売電目標値に一致させることが困難である。

一方、図４に示すように、本発明に係る方法では、蓄電装置５０によって余剰電力を蓄電することで、１５：００，１５：３０，１６：００ともに売電量が売電目標値に収まっている。すなわち、１４：３０〜１５：００，１５：３０〜１６：００では、自家発電装置４０によって発電された余分な電力を蓄電装置５０によって蓄電し、１５：００〜１５：３０では、自家発電装置４０による発電のみでは不足する電力を、蓄電装置５０による放電によってまかなっている。これらの処理は、前記した図３のステップＳ４に示すように、電力制御装置１０の発電蓄電指示部１１４が高周波電力変動に応じた蓄電量／放電量の指示量を蓄電装置５０に送信し、蓄電装置５０の蓄電量／放電量を変更させることで実現することができる。

さらに、図４に示すように、１５：３０〜１６：００では、低周波電力変動に従って自家発電装置４０の発電量を低く制御することで、無駄な発電を抑えている。この処理は、前記した図３のステップＳ４に示すように、電力制御装置１０の発電蓄電指示部１１４が低周波電力変動に応じた発電量の指示量を自家発電装置４０に送信し、自家発電装置４０の発電量を変更させることで実現することができる。

以上、本発明に係る電力システムについて、発明を実施するための形態および実施例により具体的に説明したが、本発明の趣旨はこれらの記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈されなければならない。また、これらの記載に基づいて種々変更、改変等したものも本発明の趣旨に含まれることはいうまでもない。

本発明は、システム全体の電力需要を考慮して売電量を制御することができるため、電力システムに適用することができる。

１ 電力システム
１０ 電力制御装置
１１ 演算処理部
１１１ 製造計画取得部
１１２ 電力需要予測部
１１３ 電力変動分離部
１１４ 発電蓄電指示部
１２ ＲＯＭ
１２１ 電力制御プログラム
１３ ＲＡＭ
１４ 伝送路
１５ 入出力ポート
２０ データベース
３０ 送電線
４０ 自家発電装置
５０ 蓄電装置
６０ 熱延工場
７０ その他工場
８０ 伝送路
９０ 外部電力需給装置
１００ 連結点

Claims (4)

1. 電力需要設備を有する工場と、発電した電力を前記工場に対して供給する自家発電装置と、前記工場と前記自家発電装置とを結ぶ送電線と、を備え、前記送電線を介して、余剰電力を外部電力需給装置に対して売電する電力システムにおいて、
   前記送電線に接続され、前記自家発電装置によって発電された電力を蓄電するとともに、蓄電した電力を前記工場に対して供給する蓄電装置と、
   前記工場の製造計画情報が蓄積されたデータベースと、
   前記製造計画情報に基づいて前記工場における将来の電力需要の変動を予測し、予測された前記将来の電力需要の変動に基づいて、前記自家発電装置に対して発電量の変更を指示するとともに、前記蓄電装置に対して蓄電および放電を指示する電力制御装置と、
   を備え、
   前記電力制御装置は、
   前記データベースから前記製造計画情報を取得する製造計画取得部と、
   前記製造計画情報に基づいて前記将来の電力需要の変動を予測する電力需要予測部と、
   前記将来の電力需要の変動に将来の売電量を足し合わせることにより目標発電量を算出し、前記目標発電量を、前記自家発電装置によって追従可能な電力変動である低周波電力変動と、前記自家発電装置によって追従不可能かつ前記蓄電装置によって追従可能な電力変動である高周波電力変動と、に分離する電力変動分離部と、
   前記低周波電力変動に応じた発電量を前記自家発電装置に対して指示するとともに、前記高周波電力変動に応じた蓄電量または放電量を前記蓄電装置に対して指示する発電蓄電指示部と、
   を備え、
   前記売電量を売電目標値に制御し続けることを特徴とする電力システム。
2. 前記蓄電装置は、前記自家発電装置と比較して、電力需要の変動に対する応答速度が速いことを特徴とする請求項１に記載の電力システム。
3. 前記蓄電装置は、フライホイール装置、二次電池またはキャパシタであることを特徴とする請求項２に記載の電力システム。
4. 製鉄所内のシステムであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電力システム。

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