JP6372690B2

JP6372690B2 - 電力管理システム及び電力管理方法

Info

Publication number: JP6372690B2
Application number: JP2014182353A
Authority: JP
Inventors: 貴之杉本; 中村　卓司; 卓司中村; 英介下田
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2014-09-08
Filing date: 2014-09-08
Publication date: 2018-08-15
Anticipated expiration: 2034-09-08
Also published as: JP2016059134A

Description

本発明は、電力管理システム及び電力管理方法に関する。

一般的に蓄電池の充電状態は、蓄電池の充電池の充電レベルを示すＳＯＣ（State Of Charge）で表される。ＳＯＣは、満充電状態を１００％として、現在の電池残量をパーセンテージで表す。したがって、電力管理システムは、ＳＯＣにより蓄電池の充放電の使用範囲を決定し、その使用範囲に基づいて、蓄電池の充放電を制御する。このＳＯＣの使用範囲は、蓄電池の劣化を抑制するために設定される。例えば、蓄電池が過充電及び過放電に弱いリチウムイオン電池等の場合、ＳＯＣの使用範囲の上限値（以下、「設定上限値」という。）を９０％に設定する。このように、ＳＯＣの充電の設定上限値を満充電状態の１００％に比較して下げることで充電池の過充電を防ぎ、蓄電池の長寿命化に寄与する。

特開２０１３−２４７７９５号公報

しかしながら、電力需要が伸びる重負荷期の夏期及び冬期の電力逼迫時は、蓄電池の容量に余裕がない。そのため、蓄電池の劣化を低減するため、ＳＯＣの設定上限値を下げると、蓄電池の使用容量が少なくなる。したがって、電力使用量がピークとなる時間帯に充電池の容量が不十分で十分な電力を供給することができない場合がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、蓄電池の劣化を低減し、電力逼迫時においても電力を蓄電池から安定して供給可能な電力管理システム及び電力管理方法を提供することである。

本発明の一態様は、発電装置が発電した発電電力と商用の電力系統から供給される買電電力とに基づいて蓄電池の出力を制御する電力管理システムであって、制御対象日の気象情報と類似した気象情報に対応付けられて記録されている負荷電力の過去実績データを取得する負荷電力取得部と、前記負荷電力取得部によって取得した過去実績データから前記制御対象日の前記蓄電池の出力である蓄電池出力値を算出し、前記算出した前記蓄電池出力値を時間積分することで前記蓄電池の使用容量を決定する蓄電池使用容量決定部と、前記蓄電池使用容量決定部によって決定された前記蓄電池の使用容量から前記蓄電池のＳＯＣの使用範囲を決定する蓄電池設定範囲決定部と、前記買電電力及び前記蓄電池の出力の合計に基づいて負荷電力を推定し、前記推定した負荷電力に基づいて前記蓄電池の出力を制御する蓄電池制御部と、を有し、前記蓄電池制御部は、前記ＳＯＣの使用範囲に基づいて前記蓄電池の出力を制限し、蓄電池使用容量決定部によって決定された前記蓄電池の補償周波数帯域に基づいて、前記買電電力と前記蓄電池の出力との合計値をフィルタリングすることで蓄電池出力指令値を算出し、算出した前記蓄電池出力指令値に基づいて前記蓄電池の出力を制御する電力管理システム。

また、本発明の一態様は、上述の電力管理システムであって、前記蓄電池の使用容量と、前記ＳＯＣの使用範囲とが関連付けられた蓄電池使用範囲設定テーブルを有し、前記蓄電池設定範囲決定部は、前記蓄電池使用容量決定部によって決定された前記蓄電池の使用容量に基づいて前記蓄電池使用範囲設定テーブルからＳＯＣの使用範囲を決定する。

また、本発明の一態様は、上述の電力管理システムであって、前記蓄電池の使用容量は、前記蓄電池出力値の時間積分値の最大値である。

また、本発明の一態様は、発電装置が発電した発電電力と商用の電力系統から供給される買電電力とに基づいて蓄電池の出力を制御する電力管理方法であって、負荷電力取得部が、制御対象日の気象情報と類似した気象情報に対応付けられて記録されている負荷電力の過去実績データを取得する過程と、蓄電池使用容量決定部が、前記負荷電力取得部によって取得した過去実績データから前記制御対象日の前記蓄電池の出力である蓄電池出力値を算出し、前記算出した前記蓄電池出力値を時間積分することで前記蓄電池の使用容量を決定する過程と、蓄電池設定範囲決定部が、前記蓄電池使用容量決定部によって決定された前記蓄電池の使用容量から前記蓄電池のＳＯＣの使用範囲を決定する過程と、蓄電池制御部が、買電電力及び前記蓄電池の出力の合計に基づいて負荷電力を推定し、前記推定した負荷電力に基づいて前記蓄電池の出力を制御する制御過程と、を有し、前記制御過程では、前記蓄電池制御部が、前記ＳＯＣの使用範囲に基づいて前記蓄電池の出力を制限し、前記蓄電池使用容量決定部によって決定された前記蓄電池の補償周波数帯域に基づいて、前記買電電力と前記蓄電池の出力との合計値をフィルタリングすることで蓄電池出力指令値を算出し、算出した前記蓄電池出力指令値に基づいて前記蓄電池の出力を制御する電力管理方法である。

以上説明したように、本発明によれば、蓄電池の劣化を低減し、電力逼迫時においても電力を蓄電池から安定して供給可能な電力管理システム及び電力管理方法を提供することができる。

本実施形態の電力管理システム１の構成を示すブロック図である。本実施形態の蓄電池の使用容量の決定方法を説明するブロック図である。本実施形態の記憶部に記憶された蓄電池使用範囲設定テーブルの一例を示す図である。本実施形態の蓄電池制御（蓄電池出力指令値計算部３１の構成）を説明するブロック図である。本実施形態の出力上限値及び出力下限値とＳＯＣの上限設定値及び下限設定値との関係を示す図である。本実施形態の過去の負荷電力データによるＳＯＣの上限設定値の算出結果を示す図である。

図１は、本実施形態の電力管理システム１の構成を示すブロック図である。図１において、電力管理システム１は、システム演算部１０、過去実績データＤＢ（データベース）１１、リアルタイムコントローラ１２及び定置用蓄電池部１３を有する。
システム演算部１０は、気象情報取得部２０、気象類似日負荷電力データ取得部２１及び蓄電池使用容量決定部２２を有する。リアルタイムコントローラ１２は、蓄電池設定範囲決定部３０及び蓄電池出力指令値計算部３１を有する。

また、上記気象情報取得部２０、気象類似日負荷電力データ取得部２１及び過去実績データＤＢ１１を負荷電力取得部４０として構成することもできる。また、蓄電池使用容量決定部２２は、蓄電池使用容量計算部（蓄電池使用容量計算機能）４１として構成することもできる。また、蓄電池設定範囲決定部３０、蓄電池出力指令値計算部３１及び定置用蓄電池部１３を、蓄電池制御部４２として構成することもできる。

負荷電力取得部４０は、制御対象日の前日に翌日（制御対象日）の気象情報と類似した気象情報に対応付けられて記録されている負荷電力の過去実績データ（平日、土日・祝日に対応）を取得する（１日１回）。より具体的には、過去実績データＤＢ１１は、外部に設けられたシステムから、負荷電力の履歴、天気、温度、湿度等を含む気象情報とを対応づけて記憶する。なお、負荷電力は、太陽光発電装置によって発電された電力を表すＰＶ発電電力を含んでもよい。

気象情報取得部２０は、インターネット２を介して天気、温度、湿度等を含む気象情報を外部に接続された気象情報提供サーバ等から取得する。気象類似日負荷電力データ取得部２１は、気象情報取得部２０によって取得した気象情報に類似する気象情報が対応づけられた負荷電力のデータを、過去実績データとして過去実績データＤＢ１１から取得する。気象情報が類似するか否かの判定は、例えば、天気（天候）が同じであり、お互いの温度と湿度とが、それぞれ所定の範囲内にあれば類似すると判定する。すなわち、天気が同じであっても、お互いの温度と湿度との少なくともいずれかが、所定の範囲外である場合には、類似しないと判定する。

蓄電池使用容量決定部２２は、負荷電力取得部４０が取得した負荷電力データ（過去実績データ）を用いて、蓄電池の使用容量を決定する。なお、例えば、使用する負荷電力データは、業務時間帯のデータである。業務時間帯とは、負荷に電力を供給するために蓄電池を放電する時間帯である。
以下に蓄電池の使用容量の決定方法について説明する。図２は、蓄電池の使用容量の決定方法を説明するブロック図である。図２（ａ）は、バンドパスフィルタを用いて蓄電池の使用容量の決定方法を説明するブロック図である。図２（ｂ）は、ローパスフィルタ及びハイパスフィルタを用いて蓄電池の使用容量の決定方法を説明するブロック図である。

図２（ａ）に示すように、蓄電池使用容量決定部２２は、負荷電力取得部４０が取得した負荷電力（ｘ_ｎ）、高域遮断周波数及び低域遮断周波数からバンドパスフィルタの計算式を用いて蓄電池出力値（ｚ_ｎ）を求める。バンドパスフィルタの計算式は、以下の式で示すことができる。

ここで、ｘ_ｎ−１は、バンドパスフィルタに入力するｘ_ｎの１ステップ前の負荷電力（ｋＷ）である。ｙ_ｎは、中間出力値（ｋＷ）である。ｙ_ｎ−１は、ｙ_ｎの1ステップ前の中間出力値（ｋＷ）である。ｙ_ｎは、以下に示す式で表すことができる。

Ｔは、制御周期であり、例えば１ｓである。ω_Ｌは、高域遮断角周波数である。ω_Ｈは、低域遮断角周波数である。ω_Ｌ及びω_Ｈは、以下で示す式で表すことができる。

ｆ_Ｌは、高域遮断周波数である。ｆ_Ｈは、低域遮断周波数である。なお、図２（ｂ）に示すように、バンドパスフィルタは、ローパスフィルタ及びハイパスフィルタに分けることができる。したがって、蓄電池使用容量決定部２２は、ローパスフィルタ及びハイパスフィルタの計算式に基づいて蓄電池出力値を計算することができる。すなわち、蓄電池使用容量決定部２２は、負荷電力（ｘ_ｎ）及び高域遮断周波数（ｆ_Ｌ）からローパスフィルタの計算式を用いて、中間出力値（ｙ_ｎ）を計算する。次に、蓄電池使用容量決定部２２は、計算した中間出力値（ｙ_ｎ）及び低域遮断周波数（ｆ_Ｈ）からハイパスフィルタの計算式を用いて、蓄電池出力値（ｚ_ｎ）を計算する。

蓄電池使用容量決定部２２は、蓄電池出力値（ｚ_ｎ）を時間積分し、その時間積分値の最大値を蓄電池の使用容量（Ｗ）とする。例えば、時間積分する時間間隔は、デマンド時限と呼ばれる単位時間による計測期間である。したがって、蓄電池使用容量決定部２２は、蓄電池出力値（ｚ_ｎ）の時間積分をデマンド時限毎に算出する。そして、蓄電池使用容量決定部２２は、算出したデマンド時限毎の時間積分値の最大値を蓄電池の使用容量（Ｗ）とする。なお、運転開始時のバンドパスフィルタの負荷電力の初期値ｘ１は、運転開始時の負荷電力とする。運転開始時のバンドパスフィルタの中間出力値の初期値ｙ１は、ｘ１とする。運転開始時のバンドパスフィルタの蓄電池出力の初期値ｚ１は、０とする。また、運転開始時１ステップ目の電池指令値は、０ｋＷとする。

次に、高域・低域遮断周波数を決定方法について説明する。蓄電池使用容量決定部２２は、時刻の経過と負荷電力との関係を表す負荷電力プロファイルのうち、ある時刻の範囲における負荷電力プロファイルから、あるいは、過去の類似する電力プロファイルや、シミュレーション結果などを解析することで、その負荷電力プロファイルに対応する最適な蓄電池の低域遮断周波数及び高域遮断周波数を求める。例えば、高域遮断周波数については、短周期の速い変動を補償してもピーク電力削減効果が小さいことから固定値として、低域遮断周波数を決定する。例えば、蓄電池使用容量決定部２２は、負荷電力の過去実績データから離散フーリエ変換によって各周波数の振幅を算出する。蓄電池使用容量決定部２２は、算出した振幅と周波数とに基づいて、低域遮断周波数と負荷変動補償に必要な蓄電池容量との関係を求める。そして、蓄電池使用容量決定部２２は、２点の線形補間により、実効蓄電池容量で最も補償帯域を広くとれる低域遮断周波数を決定する。

次に、蓄電池制御部４２が行う蓄電池制御処理について説明する。蓄電池制御部４２は、例えば、蓄電池制御処理を制御周期１秒として実行する。蓄電池制御部４２は、蓄電池出力値（ｚ_ｎ）から蓄電池のＳＯＣ（State Of Charge）の使用範囲を算出する。また。蓄電池制御部４２は、所定の蓄電池制御のアルゴリズムに従って、リアルタイム制御で、様々な周波数成分を持つ負荷電力の変動（買電電力と蓄電池出力との合計）に基づいて負荷電力の推定を行い、蓄電池使用容量計算部４１によって決定された補償周波数帯域の変動を抽出して蓄電池出力指令を解き、蓄電池出力指令値を出力する（制御周期１秒）。蓄電池出力指令値の上限及び下限のリミッタは、算出したＳＯＣの値に応じて動的に決定される。

より具体的には、蓄電池設定範囲決定部３０は、蓄電池出力値（ｚ_ｎ）から蓄電池のＳＯＣ（State Of Charge）の下限設定値及び上限設定値を算出する。蓄電池設定範囲決定部３０は、不図示の記憶部に予め記憶されている蓄電池使用範囲設定テーブルを参照し、蓄電池出力値（ｚ_ｎ）に対応したＳＯＣの下限設定値及び上限設定値を出力する。

図３に、記憶部に記憶された蓄電池使用範囲設定テーブルの一例を示す。蓄電池使用範囲設定テーブルは、ＳＯＣの下限設定値及び上限設定値、実効蓄電池容量、選択条件が対応付けられている。実効蓄電池容量は、蓄電池の実効容量を示す。制御パラメータテーブルには、選択条件として、蓄電池の使用容量の範囲が設定されている。すなわち、制御パラメータテーブルには、蓄電池の使用容量範囲として、互いに異なる複数の使用容量範囲が設定されている。例えば、０≦Ｗ≦８ｋＷｈ、８ｋＷｈ＜Ｗ≦１６ｋＷｈ等である。実効蓄電池容量は、使用容量（Ｗ）が高くなるにつれて、実効蓄電池容量も高くなるように、使用容量（Ｗ）と実効蓄電池容量とが対応付けられている。ＳＯＣの上限設定値は、使用容量（Ｗ）が高くなるにつれて、上限設定値も高くなるように、使用容量（Ｗ）とＳＯＣの上限設定値とが対応付けられている。本実施形態では、ＳＯＣの下限設定値は、固定値を用いたが、これに限定されない。例えば、ＳＯＣの下限設定値は、使用容量（Ｗ）に応じて変化する値として、使用容量（Ｗ）に対応づけられていてもよい。

蓄電池設定範囲決定部３０は、蓄電池使用容量決定部２２から使用容量（Ｗ）を取得する。蓄電池設定範囲決定部３０は、記憶部から蓄電池使用範囲設定テーブルを読み出し、取得した使用容量（Ｗ）がどの温度範囲にあるか判別することで、実効蓄電池容量を決定し、ＳＯＣの上限設定値及び下限設定値を取得し、自身の記憶部に格納する。

図４は、本実施形態による、蓄電池制御（蓄電池出力指令値計算部３１の構成）を説明するブロック図である。蓄電池出力指令値計算部３１は、加算器５０、バンドパスフィルタ５１及び出力リミッタ５２を有する。加算器５０は、買電電力と蓄電池出力とを加算する。バンドパスフィルタ５１は、低域遮断周波数と高域遮断周波数に従って、加算器５０から供給される買電電力と蓄電池出力との合計値をフィルタリングする。出力リミッタ５２は、バンドパスフィルタ５１から供給される出力信号の振幅を出力上限値及び出力下限値により制限する。出力上限値及び出力下限値は、ＳＯＣの上限設定値及び下限設定値から設定される。図５は、出力上限値及び出力下限値とＳＯＣの上限設定値及び下限設定値との関係を示す図である。そして、出力リミッタ５２は、制限された出力信号を蓄電池出力指令値として出力する。すなわち、蓄電池出力指令値計算部３１では、様々な周波数成分を持つ負荷電力の変動（加算器５０で加算した買電電力と蓄電池出力との合計）を、図４に示すバンドパスフィルタ５１に通す。そして、ＳＯＣの上限設定値及び下限設定値から設定される出力上限値及び出力下限値の範囲内の補償帯域の変動を抽出して蓄電池出力指令を解き、蓄電池出力指令値として出力する。なお、太陽光発電は、発電電力等を任意に制御できない電源であるので、本実施形態による制御では負の値をもつ負荷、すなわち、電力を出力する負荷として取り扱い、図４に示す制御系に組み込まない。

定置用蓄電池部１３は、上記蓄電池出力指令値計算部３１からの蓄電池出力指令値に従って、自身の内部に設けられた蓄電池の出力を制御する。

図６は、実際に過去の負荷電力データによるＳＯＣの上限設定値の算出結果を示す図である。図６（ａ）は、夏期のＳＯＣの上限設定値の算出結果を示す図である。図６（ｂ）は、中期のＳＯＣの上限設定値の算出結果を示す図である。なお、負荷電力は、業務時間帯８時から１７時の１秒毎のデータを使用した。高域遮断周波数は、１０ｍＨｚ、低域遮断周波数は、０．１ｍＨｚである。制御周期は、１秒である。なお、使用する蓄電池の使用容量範囲は、０から６４ｋＷｈである。

蓄電池使用容量決定部２２は、夏期の負荷電力データから式（１）に示すバンドパフィルタの計算式を用いて蓄電池出力（ｚ_ｎ）を制御周期毎に計算する。そして、蓄電池使用容量決定部２２は、制御周期毎に計算した蓄電池出力（ｚ_ｎ）を単位時間毎に積分すると、使用容量が算出される。そして、図６（ａ）に示すように、その使用量の最大値を使用容量Ｗとすると、使用容量Ｗは、５７．６ｋＷｈとなる。蓄電池設定範囲決定部３０は、不図示の記憶部に予め記憶されている蓄電池使用範囲設定テーブルを参照し、使用容量（Ｗ）に対応したＳＯＣの上限設定値を取得する。すなわち、蓄電池設定範囲決定部３０は、使用容量５７．６ｋＷｈに対応したＳＯＣの上限設定値９０％を取得する。

蓄電池使用容量決定部２２は、中間期の負荷電力データから式（１）に示すバンドパフィルタの計算式を用いて蓄電池出力（ｚ_ｎ）を制御周期毎に計算する。そして、蓄電池使用容量決定部２２は、制御周期毎に計算した蓄電池出力（ｚ_ｎ）を単位時間毎に積分すると、使用容量が算出される。そして、図６（ｂ）に示すように、その使用量の最大値を使用容量Ｗとすると、使用容量Ｗは、２３．０ｋＷｈとなる。蓄電池設定範囲決定部３０は、不図示の記憶部に予め記憶されている蓄電池使用範囲設定テーブルを参照し、使用容量（Ｗ）に対応したＳＯＣの上限設定値を取得する。すなわち、蓄電池設定範囲決定部３０は、使用容量２３．０ｋＷｈに対応したＳＯＣの上限設定値４０％を取得する。

上述したように、本実施形態によれば、蓄電池の使用容量に応じてＳＯＣの使用範囲を決定することができる。これにより、夏期及び冬期等の電力逼迫時において、建物のピーク電力削減を優先した蓄電池の運用が可能になる。また、電力逼迫時以外の中間期では、蓄電池の長寿命化と建物のピーク電力削減を両立した蓄電池の運用が可能である。すわわち、蓄電池の長寿命に寄与し、電力逼迫時においても蓄電池から安定した電力供給が可能である。

以上、この発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成は上述の実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

１電力管理システム
２インターネット
１０システム演算部
１１過去実績データＤＢ
１２リアルタイムコントローラ
１３定置用蓄電池部
２０気象情報取得部
２１気象類似日負荷電力データ取得部
２２蓄電池使用容量決定部
３０蓄電池設定範囲決定部
３１蓄電池出力指令値計算部
４０負荷電力取得部
４１蓄電池使用容量計算部
４２蓄電池制御部

Claims

発電装置が発電した発電電力と商用の電力系統から供給される買電電力とに基づいて蓄電池の出力を制御する電力管理システムであって、
制御対象日の気象情報と類似した気象情報に対応付けられて記録されている負荷電力の過去実績データを取得する負荷電力取得部と、
前記負荷電力取得部によって取得した過去実績データから前記制御対象日の前記蓄電池の出力である蓄電池出力値を算出し、前記算出した前記蓄電池出力値を時間積分することで前記蓄電池の使用容量を決定する蓄電池使用容量決定部と、
前記蓄電池使用容量決定部によって決定された前記蓄電池の使用容量から前記蓄電池のＳＯＣの使用範囲を決定する蓄電池設定範囲決定部と、
前記買電電力及び前記蓄電池の出力の合計に基づいて負荷電力を推定し、前記推定した負荷電力に基づいて前記蓄電池の出力を制御する蓄電池制御部と、
を有し、
前記蓄電池制御部は、前記ＳＯＣの使用範囲に基づいて前記蓄電池の出力を制限し、前記蓄電池使用容量決定部によって決定された前記蓄電池の補償周波数帯域に基づいて、前記買電電力と前記蓄電池の出力との合計値をフィルタリングすることで蓄電池出力指令値を算出し、算出した前記蓄電池出力指令値に基づいて前記蓄電池の出力を制御する電力管理システム。
前記蓄電池の使用容量と、前記ＳＯＣの使用範囲とが関連付けられた蓄電池使用範囲設定テーブルを有し、
前記蓄電池設定範囲決定部は、前記蓄電池使用容量決定部によって決定された前記蓄電池の使用容量に基づいて前記蓄電池使用範囲設定テーブルからＳＯＣの使用範囲を決定する請求項１に記載の電力管理システム。
前記蓄電池の使用容量は、前記蓄電池出力値の時間積分値の最大値である請求項１又は２に記載の電力管理システム。
発電装置が発電した発電電力と商用の電力系統から供給される買電電力とに基づいて蓄電池の出力を制御する電力管理方法であって、
負荷電力取得部が、制御対象日の気象情報と類似した気象情報に対応付けられて記録されている負荷電力の過去実績データを取得する過程と、
蓄電池使用容量決定部が、前記負荷電力取得部によって取得した過去実績データから前記制御対象日の前記蓄電池の出力である蓄電池出力値を算出し、前記算出した前記蓄電池出力値を時間積分することで前記蓄電池の使用容量を決定する過程と、
蓄電池設定範囲決定部が、前記蓄電池使用容量決定部によって決定された前記蓄電池の使用容量から前記蓄電池のＳＯＣの使用範囲を決定する過程と、
蓄電池制御部が、買電電力及び前記蓄電池の出力の合計に基づいて負荷電力を推定し、前記推定した負荷電力に基づいて前記蓄電池の出力を制御する制御過程と、
を有し、
前記制御過程では、前記蓄電池制御部が、前記ＳＯＣの使用範囲に基づいて前記蓄電池の出力を制限し、前記蓄電池使用容量決定部によって決定された前記蓄電池の補償周波数帯域に基づいて、前記買電電力と前記蓄電池の出力との合計値をフィルタリングすることで蓄電池出力指令値を算出し、算出した前記蓄電池出力指令値に基づいて前記蓄電池の出力を制御する電力管理方法。