JP6384728B2 - 電力管理システム及び電力管理方法 - Google Patents

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、蓄電池の発火防止や劣化抑制のために設定される。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、蓄電池の発火防止や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。蓄電池の過充電を防止するため、ＳＯＣの設定上限値を下げると、電力使用量がピークとなる時間帯に蓄電池の充電容量不足で十分な電力を供給することができない場合がある。その結果、買電電力が買電電力の目標値（ピーク電力制限値）を超えてしまう。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、蓄電池の過充電や過放電を防止しながら、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ことでピーク電力を削減する電力管理システムであって、日ごとの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、前記過去実績データのピーク値及び前記蓄電池のＳＯＣの使用範囲に基づいて、前記買電電力の目標値を決定する買電目標値決定部と、を有する電力管理システムである。

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、前記買電目標値決定部は、前記ピーク電力から、電力削減量を変化させたときの各買電目標値及び、前記買電目標値に対する前記蓄電池の使用容量を算出し、前記蓄電池の実効蓄電池容量以下で、かつ最も前記実効蓄電池容量に近い前記使用容量に対する買電目標値を前記目標値とする。

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、前記蓄電池の実効蓄電池容量は、前記ＳＯＣの使用範囲から決定される。

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、前記買電電力及び前記蓄電池の出力の合計に対して前記目標値を減算し、前記減算結果に基づいて蓄電池出力値を算出し、算出した前記蓄電池出力値に基づいて前記蓄電池の出力を制御する蓄電池制御部を有し、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、前記蓄電池制御部は、前記減算結果をフィルタリングすることで前記蓄電池出力値を算出し、算出した前記蓄電池出力値に基づいて前記蓄電池の出力を制御する蓄電池出力指令値を出力する。

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、前記目標値を超えた負荷電力の時間積分値である。

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ことでピーク電力を削減する電力管理方法であって、負荷電力取得部が、月ごとの負荷電力の過去実績データを取得する過程と、買電目標値決定部が、前記過去実績データ及び前記蓄電池のＳＯＣの使用範囲に基づいて、前記買電電力の目標値を決定する過程と、を有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、蓄電池の過充電や過放電を防止しながら、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１か月分の負荷電力データの中から取得したピーク電力発生日の負荷電力の一例を示す図である。 本実施形態の使用容量Ｗの決定方法を説明する図である。 本実施形態の買電目標値決定部２２によって算出される、電力削減量ΔＰを変化させたときの各買電目標値Ｐ_{ｔａｒｇｅｔ}に対する蓄電池の使用容量Ｗ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。 本実施形態のシミュレーションにおける１か月分の負荷電力データの中から取得したピーク電力発生日の負荷電力の一例を示す図である。本実施形態における蓄電池制御を説明する図である。 本実施形態の決定した買電目標値＝３５０ｋＷを用いて蓄電池を制御したときの電力管理システム１のシミュレーション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、気象類似日負荷電力データ取得部２１及び買電目標値決定部２２を有する。リアルタイムコントローラ１２は、買電目標値格納部３０及び蓄電池出力指令値計算部３１を有する。

また、上記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、買電目標値決定部２２は、買電目標値決定機能部４１として構成することもできる。また、買電目標値格納部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、制御対象日の昨年同月にあたる月の１か月分の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、負荷電力の履歴と日付と時刻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。

負荷電力データ取得部２１は、制御対象日の昨年同月にあたる月の１か月分の負荷電力のデータとそのデータを取得した時刻とを、過去実績データとして過去実績データＤＢ１１から取得する。制御対象日は、１か月に１回設定される。例えば、制御対象日は、月の初め等に設定される。負荷電力データ取得部２１は、取得した過去実績データを買電目標値決定部２２に出力する。

買電目標値決定部２２は、負荷電力データ取得部２１から制御対象日の昨年同月にあたる月の１か月分の負荷電力データ（以下、「１か月分の負荷電力データ」という。）を取得する。また、買電目標値決定部２２は、蓄電池の充電池の充電レベルを示すＳＯＣ（State Of Charge）の使用範囲の上限値及び下限値を取得する。なお、ＳＯＣの使用範囲の使用範囲の上限値及び下限値を予め不図示の記憶部に記憶されている。ＳＯＣの使用範囲の使用範囲の上限値及び下限値は、予め設定されていてもよいし、過去の負荷データ等の過去実績データから求められてもよい。
買電目標値決定部２２は、１か月分の負荷電力とＳＯＣの使用範囲の上限値及び下限値とに基づいて、１か月間に使用する買電電力の目標値（以下、「買電目標値」という。）Ｐ_{ｔａｒｇｅｔ}を決定する。買電目標値決定部２２は、上記買電目標値の決定を１か月に１回実施する。なお、買電目標値Ｐ_{ｔａｒｇｅｔ}の決定に使用する負荷電力データは、例えば、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、買電目標値決定部２２の買電目標値Ｐ_{ｔａｒｇｅｔ}の決定方法について、具体的に説明する。

買電目標値決定部２２は、ＳＯＣの使用範囲の使用範囲の上限値及び下限値を取得する。例えば、ＳＯＣの上限値は、長寿命化を考慮して８０％とする。また、ＳＯＣの下限値は、過放電を避けるために１０％とする。したがって、蓄電池の定格容量が１００ｋＷｈである場合、実効蓄電値容量Ｃｒは、７０ｋＷｈとなる。
買電目標値決定部２２は、負荷電力データ取得部２１から取得した１か月分の負荷電力データの中からピーク電力発生日の負荷電力を取得する。図２に買電目標値決定部２２が取得したピーク電力発生日の負荷電力データの一例を示す。図２は、ある月の１か月分の負荷電力データの中から取得したピーク電力発生日の負荷電力の一例を示す図である。図２（ａ）は、業務時間を対象に、１秒毎に取得した負荷電力データの一例を示す図である。図２（ｂ）は、業務時間を対象に、３０分毎に取得した負荷電力データの一例を示す図である。

買電目標値決定部２２は、取得したピーク電力発生日の負荷電力データからピーク電力Ｐｍａｘを決定する。本実施形態では、日本の最大需要電力の算出基準に基づいて、デマンド時限を３０分として、デマンド時限毎の負荷電力の最大値をピーク電力Ｐ_ｍａｘとする。したがって、図２（ｂ）に示す負荷電力において、ピーク電力Ｐ_ｍａｘは、３９０ｋＷとなる。

買電目標値決定部２２は、決定したピーク電力Ｐ_ｍａｘを用いて、電力削減量ΔＰを変化させたときの各買電目標値Ｐ_{ｔａｒｇｅｔ}を求める。なお、変化させる電力削減量ΔＰは、予め決定されている。例えば、電力削減量ΔＰは、電力管理システム１が備えられている事務所等の買電電力の削減目標から決定される。買電目標値Ｐ_{ｔａｒｇｅｔ}は、以下に示す式で算出することができる。
Ｐ_{ｔａｒｇｅｔ}＝Ｐ_ｍａｘ−ΔＰ ・・・（１）

上述したように、買電目標値決定部２２は、決定したピーク電力Ｐ_ｍａｘを用いて、電力削減量ΔＰを変化させたときの各買電目標値Ｐ_{ｔａｒｇｅｔ}を求める。そして、買電目標値決定部２２は、電力削減量ΔＰを変化させたときの各買電目標値Ｐ_{ｔａｒｇｅｔ}に対する蓄電池の使用容量Ｗを算出する。
図３は、本実施形態の使用容量Ｗの決定方法を説明する図である。図３に示すように、蓄電池の使用容量Ｗは、買電目標値を超えた負荷電力の時間積分値（図３の斜線部分）により求められる。したがって、蓄電池の使用容量Ｗは、蓄電池の放電容量となる。

図４は、買電目標値決定部２２によって算出される、電力削減量ΔＰを変化させたときの各買電目標値Ｐ_{ｔａｒｇｅｔ}に対する蓄電池の使用容量Ｗの一例を示す図である。なお、図４に示す例では、電力削減量ΔＰを１０ｋＷ毎に変化させているが、これに限定されない。
買電目標値決定部２２は、算出した蓄電池の使用容量Ｗについて、使用される蓄電池の実効蓄電池容量以下、かつその実効蓄電池容量に最も近い使用容量Ｗを選択する。そして、買電目標値決定部２２は、選択した使用容量Ｗに対応する買電目標値Ｐ_{ｔａｒｇｅｔ}を買電目標値とする。例えば、実効蓄電値容量が７０ｋＷｈ、買電目標値決定部２２によって算出される買電目標値Ｐ_{ｔａｒｇｅｔ}及び使用容量Ｗが図４に示す値である場合、買電目標値決定部２２は、蓄電池の使用容量Ｗが実効蓄電池容量７０ｋＷｈ以下、かつその最も７０ｋＷｈに近い使用容量Ｗを選択する。すなわち、買電目標値決定部２２は、６３．７ｋＷｈの使用容量Ｗを選択する。そして、買電目標値決定部２２は、６３．７ｋＷｈの使用容量Ｗに対応する３５０ｋＷの買電目標値Ｐ_{ｔａｒｇｅｔ}を買電目標値とする。

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、買電目標値を買電目標値格納部３０に格納する。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を推定する。蓄電池制御部４２は、補償周波数帯域を算出し、算出した補償周波数帯域の変動を抽出する。そして、蓄電池制御部４２は、蓄電池出力値を解き、蓄電池出力指令値を出力する（制御周期１秒）。

以下に本実施形態の蓄電池制御処理について説明する。図５は、本実施形態における蓄電池制御（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。買電目標値格納部３０は、買電目標値決定部２２で決定した買電目標値を格納する。

蓄電池出力指令値計算部３１は、加算器５０、減算器５１、ローパスフィルタ５２及び出力リミッタ５３を有する。加算器５０は、買電電力と蓄電池出力とを加算して、加算結果を減算器５１に出力する。減算器５１は、買電目標値格納部３０から買電目標値を抽出する。減算器５１は、加算器５０の加算結果から買電目標値を減算して、減算結果をローパスフィルタ５２に出力する。

ローパスフィルタ５２は、高域遮断周波数が予め設定され、高域遮断周波数以下にある周波数成分を抽出し、抽出後の信号である蓄電池出力値を出力リミッタ５３に対して出力する。

出力リミッタ５３は、出力上限値と出力下限値が設定され、入力信号である蓄電池出力値に対して上限値と下限値との間で制限をかけて出力信号を生成し、生成した出力信号を蓄電池出力指令値として定置用蓄電池部１３に出力する。すなわち、出力リミッタ５３は、ローパスフィルタ５２から供給される蓄電池出力値に対して、振幅を出力上限値及び出力下限値により制限する。図６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。
図６に示すように、例えば出力リミッタ５３の上限値及び下限値は、蓄電池のＳＯＣが以下の値となるように設定される。すなわち、出力リミッタ５３の上限値は、満充電状態（ＳＯＣ１００％）に対して、充電時における蓄電池のＳＯＣが２０〜９０％の間の予め設定される値となるように設定される。この上限値に応じて生成される蓄電池出力指令値が、定置用蓄電池部１３に入力される。

このように、蓄電池出力指令値計算部３１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）に対して買電目標値を減算する。そして、蓄電池出力指令値計算部３１は、減算結果を図５に示すローパスフィルタ５２に通す。そして、蓄電池出力指令値計算部３１は、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、蓄電池出力指令値を出力する。

なお、例えば、高域遮断周波数は、過去実績データを用いて決定される。蓄電池制御部４２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高域遮断周波数を求める。

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。

次に、本実施形態の電力管理システム１の効果について説明する。以下に、電力管理システム１のピーク電力削減量についてＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ(マトラボ（マットラブ）／シミュリンク)を用いてシミュレーションを行った。シミュレーションには、図７に示すピーク電力発生日の負荷電力データの一例を用いた。図７は、ある月の１か月分の負荷電力データの中から取得したピーク電力発生日の負荷電力の一例を示す図である。図７（ａ）は、業務時間を対象に、１秒毎に取得した負荷電力データの一例を示す図である。図７（ｂ）は、業務時間を対象に、３０分毎に取得した負荷電力データの一例を示す図である。
蓄電池は、定格出力が１００ｋＷであり、定格容量が１００ｋＷｈである。また、蓄電池の発火防止や長寿命化を考慮して蓄電池のＳＯＣの使用範囲を１０％から８０％と設定しており、実効蓄電池容量は、７０ｋＷｈである。

買電目標値決定部２２は、図７に示す取得したピーク電力発生日の負荷電力データからピーク電力Ｐｍａｘを３８０ｋＷと決定した買電目標値決定部２２は、決定したピーク電力Ｐ_ｍａｘを用いて、電力削減量ΔＰを変化させたときの各買電目標値Ｐ_{ｔａｒｇｅｔ}を求める。そして、買電目標値決定部２２は、電力削減量ΔＰを変化させたときの各買電目標値Ｐ_{ｔａｒｇｅｔ}に対する蓄電池の使用容量Ｗを算出する。買電目標値決定部２２は、図４に示す値を用いて、買電目標値を３５０ｋＷと決定した。
図８は、決定した買電目標値＝３５０ｋＷを用いて蓄電池を制御したときの電力管理システム１のシミュレーション結果を示す図である。図８（ａ）は、１秒毎の電力値とＳＯＣを示す図である。図８（ｂ）は、３０分毎の負荷電力と買電電力との推移を示す図である。
図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、本実施形態の電力管理システム１では、ＳＯＣが設定下限値１０％に到達せずに、買電電力が３５０ｋＷを超えないように制御することができることが確認された。これにより、本実施形態の電力管理システム１は、従来と比較して、蓄電池の長寿命化を実現しながら、ＳＯＣの使用範囲に応じた買電目標値を設定できる。

上述したように、本実施形態によれば、電力管理システム１の買電目標値決定部２２は、１か月分の負荷電力とＳＯＣの使用範囲の上限値及び下限値とに基づいて、１か月間に使用する買電電力の目標値を決定する。これにより、ＳＯＣの使用範囲に応じた買電目標値を設定することができるため、蓄電池の発火防止や長寿命化を考慮してＳＯＣを下げた場合においても、買電電力が買電電力の目標値を超えることを防止することができる。したがって、電力管理システム１は、蓄電池の過充電や過放電を防止しながら、電力逼迫時においても電力を蓄電池から安定して供給することができる。

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
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
２１ 負荷電力データ取得部
２２ 買電目標値決定部
３０ 買電目標値格納部
３１ 蓄電池出力指令値計算部
４０ 負荷電力取得部
４１ 買電目標値決定機能部
４２ 蓄電池制御部

Claims (7)

1. 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ことでピーク電力を削減する電力管理システムであって、
   日ごとの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、
   前記過去実績データのピーク値及び前記蓄電池のＳＯＣの使用範囲に基づいて、前記買電電力の目標値を決定する買電目標値決定部と、
   を有する電力管理システム。
2. 前記買電目標値決定部は、前記ピーク電力から、電力削減量を変化させたときの各買電目標値及び、前記買電目標値に対する前記蓄電池の使用容量を算出し、前記蓄電池の実効蓄電池容量以下で、かつ最も前記実効蓄電池容量に近い前記使用容量に対する買電目標値を前記目標値とする請求項１に記載の電力管理システム。
3. 前記蓄電池の実効蓄電池容量は、前記ＳＯＣの使用範囲から決定される請求項１又は請求項２に記載の電力管理システム。
4. 前記買電電力及び前記蓄電池の出力の合計に対して前記目標値を減算し、前記減算結果に基づいて蓄電池出力値を算出し、算出した前記蓄電池出力値に基づいて前記蓄電池の出力を制御する蓄電池制御部を有し、
   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管理システム。
5. 前記蓄電池制御部は、前記減算結果をフィルタリングすることで前記蓄電池出力値を算出し、算出した前記蓄電池出力値に基づいて前記蓄電池の出力を制御する蓄電池出力指令値を出力する請求項４に記載の電力管理システム。
6. 前記蓄電池の使用容量は、前記目標値を超えた負荷電力の時間積分値である請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の電力管理システム。
7. 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ことでピーク電力を削減する電力管理方法であって、
   負荷電力取得部が、日ごとの負荷電力の過去実績データを取得する過程と、
   買電目標値決定部が、前記過去実績データのピーク値及び前記蓄電池のＳＯＣの使用範囲に基づいて、前記買電電力の目標値を決定する過程と、
   を有する電力管理方法。

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