JP6434880B2 - 日射量の推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の系統連系された太陽光発電機の総出力の推定方法に用いることのできる日射量の推定方法に関する。

近年、再生可能エネルギー用の設備が急激に増加している。特に太陽光発電機の急激な増加が顕著である。そして太陽光発電機が電力系統に大量に連系されたときには、電力の需給調整のため、電力会社は、自社の管轄内に設置された全ての太陽光発電機の現時点における発電出力の合計値（総出力）を把握することが必要になる。

全ての太陽光発電機の総出力は、日射量に対応するものであることから、太陽光発電機が設置された全箇所に日射計を設置し、その日射量を把握すれば、現時点での総出力を把握することは理論的には可能である。

しかし太陽光発電機が設置された全箇所（Ｍ箇所）に日射計を設置することは現実的ではないので、管轄内の少数箇所（Ｎ箇所）の日射計から得られる日射量を把握し、Ｍ箇所の発電出力の合計値を推定する方法が開発されている。

たとえば特許文献１に開示されている推定方法は、Ｎ箇所における今日の現在時刻までの日射量の実測データを用いると共に、現在時刻以降の仮データを当該現在時刻の実測データと同一又は近似する値で補完し、時系列データを完成させるものである。そして、完成させた時系列データを総計し、その総計した時系列データを周波数データにフーリエ変換することによって実測型総出力変動のスペクトラムを求める。続いて実測型総出力変動のスペクトラムと、太陽光発電機がＮ箇所からＭ箇所に設置されたときの出力変動の増幅度を表すゲイン関数とに基づいて、Ｍ箇所における想定変動のスペクトラムを求め、想定変動のスペクトラムを時系列データにフーリエ逆変換することによって現在時刻におけるＭ箇所の太陽光発電機の総出力を時系列データとして求めるものである。

またこのゲイン関数は詳しくは、Ｎ箇所の合計日射量をＭ箇所に増幅させるための増幅度と、日射量を発電出力に換算するための係数とを乗じたものである。したがってこの推定方法を利用し、ゲイン関数に日射量を増幅させるための増幅度を設定することにより、Ｎ箇所の合計日射量からＭ箇所の合計日射量を推定することができる。

特許５７５６６４９号公報

ところで特許文献１では、仮データを構成する各時刻におけるデータは、代表例として現在時刻と同一の日射量データを用いている（本願の図３（ａ）参照）。この場合、たとえば現在時刻が１３時００分（昼の１時）だとすると、日射量が一日のうちで非常に大きい時間帯であるので、日没になっているはずの時刻や最終時刻の仮データも当然、日射量が０よりも遥かに大きな値となる。

また仮データを含む日射量データはフーリエ変換により周波数データにされる。そしてフーリエ変換は、変換対象の日射量データを現実には有限であっても、無限に繰り返される１周期分であると仮定して扱っているため、日射量データのうち開始時刻と最終時刻のデータは連続するように計算される。

開始時刻と最終時刻の両データが連続しているのであれば全く問題ないが、先に述べたように、この推定方法では、日射量が０よりも遥かに大きな値を最終時刻の仮データに設定している。そうすると、最終時刻の仮データの値は、日射量データの開始時刻の値と大きく離れ、不連続になっているので、この推定方法を用いると、フーリエ級数の収束性の定理により、図３（ｂ）に示すようにフーリエ逆変換後におけるＭ箇所の合計日射量の時系列データのうち開始時刻と最終時刻の付近のデータが、連続するように変換され、現実（合計日射量＝０）よりも大きな値となる。そうするとこの推定方法には、開始時刻の付近の値が現実と大きく乖離しているという問題があることになる。このため、この推定方法により得られるフーリエ逆変換後の時系列データ（日中の現在時刻における合計日射量の推定値を含む時系列データ）を、開始時刻の付近の日射量の値をできるだけ現実に近い形とすることが望まれる。ちなみにこの問題は、日中の現在時刻における合計日射量の推定精度には全く影響を与えない。

本発明は上記実情を考慮して創作されたもので、その目的は、日中の現在時刻における合計日射量の推定値を含む時系列データに関して、開始時刻付近の合計日射量の値をできるだけ現実に近い形とすることである。

本発明の日射量の推定方法は、日射量の時系列データとして実測データがＮ箇所の日射計で測定されているときに日中の現在時刻におけるＭ箇所（Ｍ＞Ｎ）の合計日射量を以下の１）〜５）の手順で推定するものである。
１）Ｎ箇所における今日の開始時刻から日中の現在時刻までの日射量の実測データを、時系列データのまま合計する。
２）日中の現在時刻より後から今日の最終時刻までのＮ箇所における合計日射量の時系列データを仮データにより補完する。
但し仮データは、複数の時間帯に分かれている。
仮データのうち日中の現在時刻の直後に属する第１の時間帯のデータは、実測データに基づく現在時刻の合計日射量と同一値であることを示すものである。
仮データのうち第１よりも後の時間帯のデータは、日中の現在時刻の合計日射量と同一の値から減衰することを示すものである。
３）補完により完成した今日一日分のＮ箇所における合計日射量の時系列データを周波数データにフーリエ変換することによってＮ箇所の合計日射量のスペクトラムＳmea.N（ｆ）を求める。
４）日射計がＮ箇所からＭ箇所に増えたときの合計日射量の増幅度を表すゲイン関数Ｇ N→M（ｆ）と、Ｎ箇所の合計日射量のスペクトラムＳmea.N（ｆ）とに基づいて、Ｍ箇所の合計日射量のスペクトラムＳtra.N→M（ｆ）を求める。
５）Ｍ箇所の合計日射量のスペクトラムＳtra.N→M（ｆ）を時系列データにフーリエ逆変換することによってＭ箇所の合計日射量の時系列データＳtra.N→M（ｔ）を求める。

また仮データのうち今日の最終時刻におけるデータは、日射量が０よりも大きい値を示すものであっても良いが、その場合、フーリエ逆変換後におけるＭ箇所の合計日射量の時系列データのうち今日の開始時刻の付近は、日射量が０よりも明らかに大きな値を示すものとなる恐れがある。フーリエ逆変換後におけるＭ箇所の合計日射量の時系列データのうち今日の開始時刻の付近は、本来、日射量が０を示すものであるべきであるので、できるだけ現実に一致するような値を示すようにすることが望ましい。それには次のようすれば良い。
すなわち、仮データのうち今日の最終時刻におけるデータは、合計日射量が０であることを示すものである。
さらに望ましくは、次のようにすれば良い。
すなわち、仮データは、第１〜第３の時間帯に分かれているものとする。そのうえで仮データのうち第２の時間帯のデータは、実測データに基づく日中の現在時刻の合計日射量と同一の値から０に減衰することを示すものとし、仮データのうち最終時刻を含む第３の時間帯のデータは、合計日射量が０であることを示すものとする。

本発明の日射量の推定方法によれば、第１の時間帯のデータを実測データに基づく現在時刻の合計日射量と同一値に設定するので、Ｍ箇所の現在時刻の合計日射量の推定値が高精度となり、しかも仮データのうち第１よりも後の時間帯のデータを現在時刻の合計日射量と同一の値から減衰することを示すものにしてあるので、フーリエ級数の収束性の定理により、従来よりも、フーリエ逆変換後におけるＭ箇所の合計日射量の時系列データ（推測データ）が開始時刻の近傍で０又は０に近い値となり、現実に近い形となる。

また仮データのうち今日の最終時刻におけるデータを、日射量が０であることを示すものにしてあれば、たとえば仮データのうち今日の最終時刻のデータを合計日射量が０よりも大きな値を示すデータに設定してあるものに比べれば、フーリエ逆変換後におけるＭ箇所の合計日射量の推測データが開始時刻の近傍で０又は０に近い値となり、現実に近い形となる。

また仮データを第１〜第３の時間帯に分かれるものにしてあれば、フーリエ逆変換後におけるＭ箇所の合計日射量の推測データが開始時刻の近傍で０又は０に近い値となり、現実に近い形となる。

日射量に基づく太陽光発電機の総出力を求める方法を示すフローチャートである。 （ａ）（ｂ）図は、本発明の日射量の推定方法に用いるＮ箇所の実測データを含む合計日射量の時系列データ、Ｍ箇所の合計日射量の時系列データを順に示すグラフである。 （ａ）（ｂ）図は、従来の日射量の推定方法に用いるＮ箇所の実測データを含む合計日射量の時系列データ、Ｍ箇所の合計日射量の時系列データを順に示すグラフである。

電力会社の管轄内では、日射計が少数箇所（Ｎ箇所）において分散配置されているが、日射計が配置されていない箇所を含む多数箇所（Ｍ箇所）において太陽光発電機が分散配置されている。このような状況下において、本発明の日射量の推定方法は、Ｎ箇所の日射計において自動的に測定される実測データから、Ｍ箇所における現在時刻の合計日射量を推定するものである。そしてこの推定結果に基づいて、Ｍ箇所における現在時刻の太陽光発電機の総出力を推定することができる。

Ｍ箇所における現在時刻の太陽光発電機の総出力の推定方法は、本発明の日射量の推定方法を含むもので、今日の０時００分から２４時００分までの間、一定時間毎に以下の０）〜６）の手順通りに繰り返し行われるものであり、この例では今日の０時００分を開始時刻とし、今日の最終時刻を２３時５９分とし、１分ごとに繰り返し行われるものとする。

０）まずＮ箇所の日射計が今日の開始時刻から現在時刻の日射量を自動的に測定し、その測定結果である日射量の実測データを所定箇所の集計センターに送信し、その集計センターで実測データを箇所ごとに時系列データとして保存しておく。ちなみに日射量１kW/m²を1p.u.とする。そして集計センターでは以下の１）〜７）の手順が行われる。

１）Ｎ箇所における今日の開始時刻から現在時刻までの日射量の実測データを、時系列データのまま合計する。

２）現在時刻の直後から今日の最終時刻までのＮ箇所における合計日射量の時系列データを仮データにより補完し、今日一日分のＮ箇所における合計日射量の時系列データを完成する。
ここで現在時刻が日の出前、又は日没後である場合、言い換えれば現在時刻におけるＮ箇所の合計日射量のデータが日射量の無いことを示す値、つまり０である場合には、仮データは０とする。
いっぽう現在時刻が日中の場合、言い換えれば現在時刻におけるＮ箇所の合計日射量のデータが日射量のあることを示す値、つまり０よりも大きな値である場合には、仮データは、複数の時間帯、この例では第１〜第３の時間帯に分かれているものとする。
第１の時間帯のデータは、日中の現在時刻の直後に属するもので、実測データに基づく現在時刻の合計日射量と同一値であることを示すものとする。
また第２の時間帯のデータは、実測データに基づく現在時刻の合計日射量と同一の値から０に減衰することを示すものとする。なお第２の時間帯のデータは、自分自身の直前の時刻におけるデータよりも近似している小さな値であればよい。
また第３の時間帯のデータは、最終時刻を含む時間帯のデータであり、合計日射量が０であることを示すものとする。
したがって第１よりも後の時間帯のデータは、日中の現在時刻の合計日射量と同一の値から０に減衰することを示すものと、合計日射量が０であることを示すものを含んでいる。

３）今日一日分のＮ箇所における合計日射量の時系列データを周波数データにフーリエ変換することによってＮ箇所の合計日射量のスペクトラムＳmea.N（ｆ）を求める。
４）日射計がＮ箇所からＭ箇所に増えたときの合計日射量の増幅度を表すゲイン関数Ｇ N→M（ｆ）と、Ｎ箇所の合計日射量のスペクトラムＳmea.N（ｆ）とに基づく数式（１）により、Ｍ箇所の合計日射量のスペクトラムＳtra.N→M（ｆ）を求める。

なお数式（１）中のゲイン関数Ｇ N→M（ｆ）は、次の数式（２）で表される。

ｊは、虚数単位である。Txは、遷移周期と呼ぶパラメータである。Ｍ箇所全体での合計日射量の変動は、遅い変動周期では同期し、速い変動周期ではランダムになり、ある変動周期から同期が崩れ、ランダムに移行するという仮定が存在する（遷移仮説）。この遷移仮説をゲイン関数Ｇ N→M（ｆ）は表現したものである。また、同期が崩れ、ランダムに移行するという周期が遷移周期である。

５）Ｍ箇所の合計日射量のスペクトラムＳtra.N→M（ｆ）を時系列データにフーリエ逆変換することによってＭ箇所の合計日射量の時系列データＳtra.N→M（ｔ）を求める。
６）Ｍ箇所の合計日射量の時系列データＳtra.N→M（ｔ）を保存する。
７）Ｍ箇所の合計日射量の時系列データに、太陽光発電機の設備容量、日射量を太陽光発電機の出力に変換する変換係数を乗じることにより、Ｍ箇所における太陽光発電機（ＰＶ）の総出力の時系列データを求め、保存する。
なお６）又は７）の手順において、現在時刻より後の推定値を消去し、そのうえで今日の開始時刻から現在時刻までの合計日射量の時系列データ、またはＰＶの総出力の時系列データを各々手順の中で保存するものとする。

次に、前記したＭ箇所における現在時刻の太陽光発電機の総出力の推定方法を実行するための具体的な一例を説明する。この推定方法は、キーボードやマウス等からなる入力装置、ディスプレイ等からなる出力装置、推定プログラムの命令を順番に実行するＣＰＵ、記憶装置を構成要素とする標準的なコンピュータを主として用いて行われる。推定プログラムをコンピュータに実行させることにより、コンピュータが各種の手段として機能し、０〜７）のステップが順番に行われ、設定された時間ごとに繰り返される。この例では、０時００分に開始されたものとする。

まず図１に示すように、今日一日分のＮ箇所における合計日射量の時系列データの作成ステップが０）〜２）の順に行われる。
０）まず、Ｎ箇所（複数個所）に設置された日射計から現在時刻の日射量データが実測データとして記憶装置へ自動的に出力され、記憶装置に時系列順に自動的に保存されていく。ちなみに日射量データが保存されたデータファイルは、出力装置の画面に表示させた場合、たとえば行列状になる。より詳しく言えばデータファイルは、1行目には見出し欄が示され、見出し欄の下の行には見出し欄の内容に対応する入力欄が示されたものである。そして１行目の見出し欄を構成する全項目のうち１列目に「通し番号」、２列目に「日時（年月日及び時分）」、３列目以降に「計測箇所の場所と実測データ」という表示がなされる。そして２行目以降には、見出し欄の下に各内容のデータ欄が時系列順（設定された時間毎、例えば１分毎）に設けてある。このデータ欄に、日射計から出力された実測データが自動的に入力され、実測データが記憶装置に保存される。

１）次にＮ箇所の日射量の時系列データを同一時刻毎に合計し、合計値である合計日射量の時系列データを記憶装置に保存する。
２）次に現在時刻より後から今日の最終時刻までの合計日射量の時系列データを仮データとして作成する。
ここで現在時刻が日の出前、又は日没後である場合、言い換えれば現在時刻におけるＮ箇所の合計日射量のデータが日射量の無いことを示す値、つまり０である場合には、仮データは０とする。
いっぽう現在時刻が日中の場合、言い換えれば現在時刻におけるＮ箇所の合計日射量のデータが日射量のあることを示す値、つまり０よりも大きな値である場合には、仮データは、複数の時間帯、この例では第１〜第３の時間帯に分かれているものとする。
具体的には、現在時刻の直後を含む第１の時間帯、たとえば現在時刻から２時間の時間帯は、仮データは、現在時刻の合計日射量と同一の値を用いることにする。
また第２の時間帯、たとえば次の１時間の時間帯は、仮データは、１時間かけてちょうど合計日射量が０に減衰する形の余弦半波の波形となる計算式を用いて、対応した値を用いることにする。ちなみに余弦半波は、余弦の１／２周期分であり、余弦の最大値となる腹の位置から、余弦の最小値となる腹の位置までの分である。
また第３の時間帯、たとえば第２の時間帯後から最終時刻までの時間帯は、仮データは、合計日射量が０の値を用いる。このようにして作成された仮データを記憶装置に保存する。

３）次に、仮データにより完成した今日一日分の合計日射量の時系列データをフーリエ変換し、基本周波数１／Ｔ（Ｈｚ）、即ち周波数ｆの整数倍ごとの周波数成分を計算し、その計算結果をＮ箇所における合計日射量のスペクトラムSmea.Ｎ(f)として記憶装置に保存する。ちなみにこの例では、離散フーリエ変換を用いることにする。
４）続いて、前記した数式（１）を計算し、その計算結果をＭ箇所における現在時刻の合計日射量のスペクトラムＳtra.N→M（ｆ）として記憶装置に保存する。なお、Ｔｘ，Ｎ，Ｍは記憶装置に予め保存されており、ゲイン関数Ｇ N→M（ｆ）は既に算出され、その算出結果が記憶装置に保存されているものとする。
５）次に、Ｍ箇所における現在時刻の合計日射量のスペクトラムＳtra.N→M（ｆ）をフーリエ逆変換することにより、Ｍ箇所における合計日射量の時系列データＳtra.N→M(t)を求める。
６）Ｍ箇所における合計日射量の時系列データＳtra.N→M(t)を記憶装置に保存すると共に、出力装置に表示する。
７）Ｍ箇所の合計日射量の時系列データに、太陽光発電機の設備容量、日射量を太陽光発電機の出力に変換する変換係数を乗じることにより、Ｍ箇所における太陽光発電機（ＰＶ）の総出力の時系列データを求め、記憶装置に保存すると共に、出力装置に表示する。
なお６）又は７）の手順において、現在時刻より後の推定値を消去し、そのうえで今日の開始時刻から現在時刻までの合計日射量の時系列データ、またはＰＶの総出力の時系列データを各々の手順の中で記憶装置に保存し、出力装置に表示するものとする。
以上で、少数箇所（Ｎ箇所）の日射量の実測データから多数箇所（Ｍ箇所）におけるＰＶ総出力の時系列データを推定する手法をコンピュータで実行するための具体的な説明を終わる。

上記した日射量の推定方法にどのような仮データが最適となるか、現実に保存された実測データを用いて確認した。Ｎ箇所を２０箇所とし、現在時刻が日中（１２時００分）の場合に、仮データを次のように３パターン設定したときの、Ｎ箇所における今日一日の合計日射量の時系列データの例が図２（ａ）に示されている。
第１〜第３パターンは、いずれも１２時００分の後から２０時００分までの仮データは、日中の現在時刻における合計日射量と同一の値を用いる。この仮データは、第１〜第３パターンにおける共通の第１の時間帯のデータである。ちなみに２０時００分は、１年で最も日照時間の長い夏至の日でも、既に日没時刻を過ぎた時刻である。このような日没時刻よりも後から合計日射量が０に減衰するように、各パターンでは仮データを以下のように設定してある。
第１パターンは、２０時００分から２４時００分（翌日の０時００分）までの仮データは、２４時００分の時点で０よりも少し大きな値となるように、一定の傾斜角度で日射量が小さくなる値を用いる。この仮データは、第１パターンにおける固有の第２の時間帯のデータである。
第２パターンは、２０時００分から２２時００分までの仮データは、２２時００分で日射量が０となるように、一定の傾斜角度で日射量が小さくなる値を用いる。この仮データは、第２パターンにおける固有の第２の時間帯のデータである。また２２時００分以降は、日射量が０となる値を用いる。この仮データは、第２パターンにおける固有の第３の時間帯のデータである。
第３パターンは、２０時００分から２１時００分までの仮データは、２１時００分で日射量が０となるように、前記した余弦半波の波形となる値を用いる。この仮データは、第３パターンにおける固有の第２の時間帯のデータである。また２１時００分以降は、日射量が０となる値を用いる。この仮データは、第３パターンにおける固有の第３の時間帯のデータである。

上記した第１〜第３パターンの仮データを用い、Ｍ箇所を１００００箇所とした場合に、上記した日射量の推定方法を用いた結果が、図２（ｂ）に示されている。いずれもフーリエ級数の収束性の定理により、０時００分の付近及び２４時００分の値が連続しようとして、接近していることが示されている。
第１パターンの仮データの場合、０時００分の付近の合計日射量が０よりも明らかに大きくなっている。
いっぽう第２、第３パターンの仮データの場合、０時００分の付近の合計日射量がほぼ０であり、実用に適したものとなっている。また第２パターンよりも、第３パターンの仮データの場合の方が、より０に近い値となっている。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

Claims (3)

1. 日射量の時系列データとして実測データがＮ箇所の日射計で測定されているときに日中の現在時刻におけるＭ箇所（Ｍ＞Ｎ）の合計日射量を以下の１）〜５）の手順で推定するものであり、
   １）Ｎ箇所における今日の開始時刻から日中の現在時刻までの日射量の実測データを、時系列データのまま合計するものとし、
   ２）日中の現在時刻より後から今日の最終時刻までのＮ箇所における合計日射量の時系列データを仮データにより補完するものとし、
   但し仮データは、複数の時間帯に分かれており、
   仮データのうち日中の現在時刻の直後に属する第１の時間帯のデータは、実測データに基づく現在時刻の合計日射量と同一値であることを示すものであり、
   仮データのうち第１よりも後の時間帯のデータは、日中の現在時刻の合計日射量と同一の値から減衰することを示すものであり、
   ３）補完により完成した今日一日分のＮ箇所における合計日射量の時系列データを周波数データにフーリエ変換することによってＮ箇所の合計日射量のスペクトラムＳmea.N（ｆ）を求めるものとし、
   ４）日射計がＮ箇所からＭ箇所に増えたときの合計日射量の増幅度を表すゲイン関数Ｇ N→M（ｆ）と、Ｎ箇所の合計日射量のスペクトラムＳmea.N（ｆ）とに基づいて、Ｍ箇所の合計日射量のスペクトラムＳtra.N→M（ｆ）を求めるものとし、
   ５）Ｍ箇所の合計日射量のスペクトラムＳtra.N→M（ｆ）を時系列データにフーリエ逆変換することによってＭ箇所の合計日射量の時系列データＳtra.N→M（ｔ）を求めるものとする日射量の推定方法。
2. 仮データのうち今日の最終時刻におけるデータは、合計日射量が０であることを示すものである請求項１に記載の日射量の推定方法。
3. 仮データは、第１〜第３の時間帯に分かれており、
   仮データのうち第２の時間帯のデータは、実測データに基づく日中の現在時刻の合計日射量と同一の値から０に連続的に減衰することを示すものであり、
   仮データのうち最終時刻を含む第３の時間帯のデータは、合計日射量が０であることを示すものである請求項２に記載の日射量の推定方法。

Images