JP6717312B2 - 蓄電装置の出力制御装置、出力制御方法、電力システム及びコンピュータプログラム - Google Patents
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Description
本出願は、2015年8月28日出願の日本出願第2015−169519号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
このEMSでは、蓄電装置の状態ごとに充電価値、放電価値及び保持価値を算出し、充電、放電及び保持のすべての組み合わせについてコスト及び充電残量を算出し、充電残量の制限の充足を条件としてコストが最小となる充放電のスケジュールを選択することにより、蓄電装置の有利な充放電戦略を策定するものである。
EMSにおいて、管理対象である電力設備の電力需給をバランスさせる役目を果たす要素としては、一般に、系統電力、発電装置、蓄電装置及び負荷装置が考えられる。
このうち、負荷装置はすなわち需要家による電力消費であるため、発電装置が存在する環境においては制御を行うことは望ましくない。発電装置は、起動と出力電力の応答は遅いが、出力できる電力量は一次燃料が供給される限り無限であるという特徴を有する。また、蓄電装置は、起動と出力電力の応答は早いが、特許文献1にも記載の通り、充電残量の制限があるために出力できる放電電力に限りがあるという特徴を有する。
すなわち、発電装置の出力が増加もしくは減少するまで或いは起動もしくは停止するまでの遅延時間を、蓄電装置の充放電電力によって補償する制御方法である。
このため、充電残量が上下限値となる時刻の前後で蓄電装置の充放電電力が急変し、応答の遅い発電装置が需要を賄うことができず、電力設備における電力の需給バランスが維持できなくなる場合がある。
本開示によれば、蓄電装置を含む電力設備の電力需給を制御する場合に、電力設備における電力の需給バランスの乱れを防止することができる。
以下、本発明の実施形態の概要を列記して説明する。
(1) 本実施形態の出力制御装置は、充放電可能な蓄電装置の出力を制御する装置であって、前記蓄電装置の現時点の充電残量を取得する取得部と、前記蓄電装置の充電残量の運用範囲を設定する制御部と、を備え、前記制御部は、取得した前記充電残量が当該運用範囲の下限値以上である場合に、前記蓄電装置の最大放電電力を所定の猶予期間をかけて漸減させる第1漸減処理、及び、取得した前記充電残量が当該運用範囲の上限値以下である場合に、前記蓄電装置の最大充電電力を所定の猶予期間をかけて漸減させる第2漸減処理、のうちの少なくとも1つの漸減処理を実行する。
このため、蓄電装置を含む電力設備の電力需給を制御する場合に、電力設備における電力の需給バランスの乱れを防止することができる。
(3) 本実施形態の出力制御装置において、前記猶予期間は、前記発電装置の出力が定常出力から最大出力に到達するまでの時間に設定してもよい。
(4) 本実施形態の出力制御装置において、前記猶予期間は、前記発電装置の出力が前記蓄電装置の定常出力分だけ上昇するまでの時間に設定してもよい。
(6) 本実施形態の出力制御装置において、前記漸減処理は、前記最大放電電力及び前記最大充電電力のうちの少なくとも1つを、時間の経過に応じて直線的に漸減させる処理であってもよい。
このため、本実施形態の電力システムは、上述の出力制御装置と同様の作用効果を奏する。
このため、本実施形態のコンピュータプログラムは、上述の出力制御装置と同様の作用効果を奏する。
このため、本実施形態のエネルギー管理方法は、上述の出力制御装置と同様の作用効果を奏する。
また、本発明は、出力制御装置の一部又は全部を実現する半導体集積回路として実現したり、出力制御装置を含むシステムとして実現したり、上記のプログラムを一時的に記憶する記録媒体として実現したりすることができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態の詳細を説明する。なお、以下に記載する実施形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。
〔システムの全体構成〕
図1は、本発明の実施形態に係る電力システムの構成例を示すブロック図である。
本実施形態のEMSサーバ1は、例えばFEMS(Factory Energy Management System)サーバよりなる。従って、電力設備2は、工場内に配線された配電線3よりなる配電網と、配電線3に接続された負荷装置4、発電装置5及び蓄電装置6とを備える。
負荷装置4は、例えば、スマートタップ(図示せず)やスマート分電盤などの、制御と電力情報の計測とが可能な機器を介して配電線3に接続されている。
蓄電装置6には、例えば、レドックスフロー(RF)電池、リチウムイオン電池、溶融塩電池、鉛蓄電池のうちの少なくとも1つが含まれる。
EMSサーバ1は、複数種類の制御指令E1〜E3を、電力設備2に含まれる通信可能な電力機器に送信可能である。EMSサーバ1は、電力設備2の運転状況を表す現在情報S1を、電力設備2に含まれる通信可能な電力機器から受信可能である。
EMSサーバ1は、消費電力を調整可能な負荷装置4に制御指令E1を送信することにより、当該負荷装置4の消費電力の調整を行うこともできる。
EMSサーバ1は、発電量を調整可能な発電装置5に制御指令E2を送信することにより、当該発電装置5の発電量の調整を行うこともできる。
EMSサーバ1は、配電線3に接続中の蓄電装置6に対する充電電力及び放電電力の少なくとも一方の調整を、制御指令E3によって行うこともできる。
EMSサーバ1が取得する現在情報S1には、現時点における蓄電装置6の充電残量の値も含まれる。
テーブル参照方式は、電池セルの端子電圧から推定される開放電圧に対応する充電残量を、予め記憶された参照デーブルから求める方式である。電流積分方式は、電池セルに流れる電流を微小時間ごとに積分することにより、充電残量を算出する方式である。
前者の場合、蓄電装置6は、自身が算出した充電残量の値を現在情報S1としてEMSサーバ1に送信し、送信された充電残量の値をEMSサーバ1の通信部13(図1参照)が受信する。従って、この場合には、EMSサーバ1の通信部13が現時点の充電残量の取得部となる。
従って、この場合には、EMSサーバ1の制御部11自身が、現時点の充電残量の取得部となる。
図1に示すように、EMSサーバ1は、制御部11、記憶部12及び通信部13を含むコンピュータ装置によって構成されている。
制御部11は、CPU(Central Processing Unit)を含む情報処理装置よりなる。記憶部12は、RAM(Random Access Memory)を含むメモリと、HDD(Hard Disk Drive)などよりなる大容量記憶部とを有する。
通信部13は、有線LAN又は無線LANあるいはその他の通信方式により、電力設備2に含まれる各種の電力設備と通信可能な有線又は無線の通信機器よりなる。
通信部13は、制御部11による通信制御に基づき、電力設備2に含まれる通信可能な各電力機器に制御指令E1〜E3を送信し、電力設備2の運転状況を示す現在情報S1を、各電力機器から受信して制御部11に転送する。
その理由は、例えば受電電力(瞬時値)が大きく変動したために、受電電力の30分平均値が所定の目標電力(≦契約電力)を超えると、電力会社に対するペナルティが発生するからである。
電力設備2における現時点の電力需要は、現時点における受電電力(例えばスマートメーターの計測値)と、発電装置5による現時点の発電電力を合計して算出することができる。電力設備2における現時点の電力需要は、負荷装置4の現時点の消費電力を合計して算出することもできる。
図2は、EMSサーバ1が行う蓄電装置6のための従来の出力制御の説明図である。
具体的には、図2は、EMSサーバ1が蓄電装置6に従来の出力制御を行った場合の、蓄電装置6の放電電力(図2A)と充電残量(図2B)の時間的変化の一例を示すグラフである。
「Wa」は、蓄電装置6を安全に使用可能な充電残量の範囲(以下、「使用可能範囲Wa」という。)である。ここでは、充電残量の使用可能範囲Waの上限値を100%とし、下限値を0%とする。もっとも、使用可能範囲Waは、電池セルの物性から求まる最大限の充電残量の範囲よりも狭い。
「t1」は、充電残量が上限値x1の状態(運用範囲Wbにおける満充電)で蓄電装置6が放電を開始した時刻である。「t2」は、充電残量が下限値x2の状態(運用範囲Wbにおける空状態)で蓄電装置6が放電を終了した時刻である。
また、EMSサーバ1の制御部11は、蓄電装置6の運転状態が放電である場合には、現時点の充電残量の値がx2%になると、放電を打ち切る。
このように、EMSサーバ1が行う蓄電装置6に対する従来の出力制御では、充電残量が運用範囲Wbの下限値x2に達しない間は、放電電力がゼロから上限値Puまでの任意の値が蓄電装置6に指令され、蓄電装置6の放電電力に特に制限がかけられない。
図3は、EMSサーバ1が蓄電装置6に従来の出力制御を行った場合の、受電/需要電力(図3A)、蓄電装置6の放電電力(図3B)と充電残量(図3C)、及び発電装置5の発電電力(図3D)の時間的変化の一例を示すグラフである。
一方、図3Dに示すように、時刻t2に発電装置5が起動し始めても、発電装置5の応答が遅い場合には、需要を賄えるほどの発電電力が直ぐには出力されない。
なお、図3では、充電残量=x2となる時刻t2に発電装置5が起動する場合を例示したが、時刻t2において既に発電装置5が起動済みであっても、発電装置5の応答速度が遅い場合には需要に追従できない場合もある。
なお、「所定の猶予期間をかけて収束する」とは、必ずしも、当該猶予期間の終了時点で放電電力がゼロになる場合だけでなく、当該猶予期間の終了時点よりも若干遅れた時点で放電電力がゼロになる場合も含まれる。
図4は、EMSサーバ1が行う蓄電装置6のための本実施形態の出力制御の説明図である。
具体的には、図4は、EMSサーバ1が蓄電装置6に本実施形態の出力制御を行った場合の、蓄電装置6の放電電力(図4A)と充電残量(図4B)の時間的変化の一例を示すグラフである。
「ts」は、充電残量が初期値xsとなった時刻である。従って、時刻tsは、漸減処理の開始時刻でもある。「T」は、蓄電装置6の放電電力の上限値Pu(t)を用いてP(t)=Pu(t)とした出力が継続されたと仮定した場合にゼロもしくは微少値に収束させるための猶予期間である。猶予期間は、例えば数秒から数十分に設定される。
これにより、満充電状態での放電の開始時刻t1から漸減処理の開始時刻tsになる前の期間中には、蓄電装置6の上限値はPuとなる。
これにより、漸減処理の開始時刻tsから始まる猶予期間Tにおいて、蓄電装置6の出力指令値P(t)が急激には変化せず、ゼロに向かって徐々に収束する。
図5は、EMSサーバ1が蓄電装置6に本実施形態の出力制御を行った場合の、受電/需要電力(図5A)、蓄電装置6の放電電力(図5B)と充電残量(図5C)、及び発電装置5の発電電力(図5D)の時間的変化の一例を示すグラフである。
前述の通り、本実施形態のEMSサーバ1は、蓄電装置6の放電中に充電残量が所定の初期値xsになると、予め設定された値以下の出力変化となるように放電電力の上限電力Puを漸減させる漸減処理を実行する(図5B及び図5C参照)。
このため、受電電力は蓄電装置6の出力が低下した分だけ増加し、発電装置5の出力開始を判断することができる。そして、発電装置5が十分に出力できるようになるだけの時間をかけて蓄電装置6が出力を漸減するため、図5Aに示すように、放電電力の急激な低下に伴う受電電力の変動を抑えることができ、受電点Qにおける電力の需給バランスの乱れが解消される。
図6は、漸減処理における放電電力の上限値Pu(t)の算出方法の一例を示す説明図である。図6中の変数及び定数の定義は、次の通りである。図6において、SOC(State Of Charge)は「充電残量」であり、これの単位は〔%〕ではなく電力量〔kWh〕である。
P(t):現時点の出力指令値(kW)
Pu(t):漸減処理における放電電力の上限値(kW)
x(t):現時点の充電残量(kWh)
xe:漸減処理による充電残量(kWh)の目標値(例えば、図4の下限値x2(%)に相当する電力量)
ts:漸減処理の開始時刻
te:漸減処理の終了時刻(=ts+T)
α:予め設定された目標倍率(例えばα=0.01)
T:猶予期間(秒)
演算動作としては、現時点からT秒経過後の上限値Pu(te)が、現時点の上限値Pu(ts)のα倍に収束するように、猶予期間Tに含まれる演算周期Tcごとの上限値Pu(t)を次式により算出する。
また、上記と同じ算出式を前述の一次関数の係数で表現すると、次式のようになる。
なお、図6に示す上限値Pu(t)の算出方法は一例であり、Pu(t)と充電残量との関係を一次関数以外で定義するなど、その他の算出方法を採用してもよい。
図7は、漸減処理における放電電力の上限値Pu(t)の算出方法の別例を示す説明図である。図7中の変数及び定数の定義は、次の通りである。図7においても、SOCは「充電残量」であり、これの単位は〔%〕ではなく電力量〔kWh〕である。
P(t):現時点の出力指令値(kW)
Pu(t):漸減処理における放電電力の上限値(kW)
x(t):現時点の充電残量(kWh)
xe:漸減処理による充電残量(kWh)の目標値(例えば、図4の下限値x2(%)に相当する電力量)
ts:漸減処理の開始時刻
te:漸減処理の終了時刻(=ts+T)
Pu:蓄電装置の最大放電電力(設定値)
a:放電電力の上限値Pu(t)を直線的に漸減させる場合の傾き
T:猶予期間(秒)
ここで、放電電力の上限値Pu(t)を直線的に漸減させる場合の傾きaの単位を(kW/s)と定義する。このとき、Pu(t)は、傾きaで表現すると、Pu(t)=Pu−a(t−ts)と表され、猶予期間Tで表現すると、Pu(t)=Pu(1−(t−ts)/T)と表される。この傾きa若しくは猶予期間Tのいずれかが、任意の設定パラメータとなる。
猶予期間Tを設定パラメータとする場合は、当該猶予期間Tとして、単純に、上限値Pu(t)に抑制をかける所定の時間値を採用すればよい。
図7Aに示す猶予期間Tを底辺とする直角三角形の面積(電力量)は、図7Bにおけるxeからxsまでの電力量(=xs−xe)に等しい。従って、次の算出式が成立する。
従って、実装上は、蓄電装置6のSOCがxsを下回ると、時間の経過に応じて放電電力の上限値Pu(t)を漸減させる漸減処理を開始すればよい。
具体的には、図7Aにハッチングで示す台形部分の面積(電力量)Wは、図7Bにおけるx(t)からxsまでの電力量(=xs−x(t))に等しい。従って、ts以後の任意時点tにおいて、SOCがx(t)(<xs)になったとすると、漸減処理後の上限値Pu(t)は、次の連立方程式によって算出することができる。
図8は、離散制御によって上限値Pu(t)を求める場合の、誤差の補正方法を示す説明図である。ここでは、図7の上限値Pu(t)の算出処理が、制御周期Tc(秒)で離散的に実行され、P(t)を上限値で出力し続けた場合を想定する。
上記のはみ出た三角形状が発生することに伴う、上限値Pu(t)と出力指令値P(t)の誤差ΔSOCは、制御周期Tcの1ステップ当たり、次の算出式で求まる値となる。
蓄電装置6の放電電力の低下に伴う受電電力の変動を抑制するには、猶予期間Tにおける蓄電装置6の出力減少を補うように他の発電装置5の出力を増加させればよい。
従って、猶予期間Tは、現時点以後に蓄電装置6が出力する電力量と等しい分だけ、発電装置5の出力を増加させることのできる時間以上とすればよい。具体的には、次のように決定すればよい。
1)発電装置5の状態遷移時間tg
2)発電装置5の出力上昇速度ΔPg
例えば、1)及び2)のパラメータについて、発電装置5が状態遷移済みである状況ではtg=0となるため、ΔPgの猶予期間Tとして、T>Pu/ΔPgを満たす任意の時間値を採用すればよい。
図9は、EMSサーバ1が第1猶予期間T1を用いて本実施形態に係る出力制御を行った場合の、受電/需要電力(図9A)、蓄電装置の放電電力(図9B)と充電残量(図9C)、及び発電装置の発電電力(図9D)の時間的変化を示すグラフである。
図9において、「Pm」は、発電装置5の最大出力であり、「T1」は、発電装置5の出力が0から最大出力Pmに到達するまでの時間(以下、「第1猶予期間」という。)である。
T1=tg+tv1+tv2
ただし、tv1は、発電装置5の出力が第1上昇速度ΔPg1で上昇する時間であり、tv2は、発電装置5の出力が第2上昇速度ΔPg2(<ΔPg1)で上昇する時間である。
図10は、EMSサーバ1が第2猶予期間T2を用いて本実施形態に係る出力制御を行った場合の、受電/需要電力(図10A)、蓄電装置の放電電力(図10B)と充電残量(図10C)、及び発電装置の発電電力(図10D)の時間的変化を示すグラフである。
図10において、「Pm」は発電装置5の最大出力であり、「Pg」は、漸減処理を開始する前の発電装置5の定常出力であり、「T2」は、発電装置5の出力が定常出力Pgから最大出力Pmに到達するまでの時間(以下、「第2猶予期間」という。)である。
T2=(Pm−Pg)/ΔPg
ただし、ΔPgは、発電装置5の出力上昇速度である。
図11は、EMSサーバ1が第3猶予期間T3を用いて本実施形態に係る出力制御を行った場合の、受電/需要電力(図11A)、蓄電装置の放電電力(図11B)と充電残量(図11C)、及び発電装置の発電電力(図11D)の時間的変化を示すグラフである。
図11において、「Pg」は、漸減処理を開始する前の発電装置5の定常出力であり、「T3」は、発電装置5の出力が蓄電装置6の上限値Puだけ上昇するまでの時間(以下、「第3猶予期間」という。)である。
T3=Pu/ΔPg
ただし、ΔPgは、発電装置5の出力上昇速度である。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
すなわち、EMSサーバ1の制御部11は、充電残量が運用範囲の上限値x1以下である場合に、蓄電装置6の最大充電電力Pu’を所定の猶予期間Tをかけて漸減させる漸減処理(以下、「第2漸減処理」という。)を実行してもよい。
なお、「所定の猶予期間をかけて収束する」とは、必ずしも、当該猶予期間の終了時点で充電電力がゼロになる場合だけでなく、当該猶予期間の終了時点よりも若干遅れた時点で充電電力がゼロになる場合も含まれる。
なお、制御部11は、上記の第1及び第2漸減処理の双方を実行してもよいし、いずれか一方のみを実行することにしてもよい。
例えば、上記の時間の関数は、高次関数又は対数関数などであってもよいし、既述の関数(指数関数、一次関数、高次関数及び対数関数)のうちの少なくとも2つを複合した関数であってもよい。
すなわち、上述の出力制御は、EMSサーバ1が実行してもよいし、蓄電装置6が実行してもよい。
2 電力設備
3 配電線
4 負荷装置
5 発電装置
6 蓄電装置
7 商用電源
8 通信線
11 制御部
12 記憶部
13 通信部
Claims (9)
- 充放電可能な蓄電装置の出力を制御する装置であって、
前記蓄電装置の現時点の充電残量を取得する取得部と、
前記蓄電装置の充電残量の運用範囲を設定する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記蓄電装置の放電中に取得した前記充電残量が当該運用範囲内の所定の初期値となる場合に、前記蓄電装置の最大放電電力を所定の設定値である猶予期間をかけて漸減させる第1漸減処理、及び、
前記蓄電装置の充電中に取得した前記充電残量が当該運用範囲内の所定の初期値となる場合に、前記蓄電装置の最大充電電力を所定の設定値である猶予期間をかけて漸減させる第2漸減処理、のうちの少なくとも1つの漸減処理を実行する蓄電装置の出力制御装置。 - 前記猶予期間は、発電装置の出力が0から最大出力に到達するまでの時間である請求項1に記載の蓄電装置の出力制御装置。
- 前記猶予期間は、発電装置の出力が定常出力から最大出力に到達するまでの時間である請求項1に記載の蓄電装置の出力制御装置。
- 前記猶予期間は、発電装置の出力が前記蓄電装置の定常出力分だけ上昇するまでの時間である請求項1に記載の蓄電装置の出力制御装置。
- 前記漸減処理は、前記最大放電電力及び前記最大充電電力のうちの少なくとも1つを、時間の経過に応じて指数的に漸減させる処理である請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の蓄電装置の出力制御装置。
- 前記漸減処理は、前記最大放電電力及び前記最大充電電力のうちの少なくとも1つを、時間の経過に応じて直線的に漸減させる処理である請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の蓄電装置の出力制御装置。
- 充放電可能な蓄電装置と、電力制御の対象となる他の電力機器とを含む電力設備と、
前記電力設備の電力需給を制御が可能なEMS(Energy Management System)サーバと、を含む電力システムであって、
前記蓄電装置又は前記EMSサーバに、請求項1に記載の出力制御装置が設けられている電力システム。 - 充放電可能な蓄電装置の出力を制御する処理を、コンピュータに実行させるためのコンピュータプログラムであって、前記処理には、
前記蓄電装置の現時点の充電残量を取得する取得処理と、
前記蓄電装置の充電残量の運用範囲を設定する設定処理と、
前記蓄電装置の放電中に取得した前記充電残量が当該運用範囲内の所定の初期値となった場合に、前記蓄電装置の最大放電電力を所定の設定値である猶予期間をかけて漸減させる第1漸減処理、及び、前記蓄電装置の充電中に取得した前記充電残量が当該運用範囲内の所定の初期値となった場合に、前記蓄電装置の最大充電電力を所定の設定値である猶予期間をかけて漸減させる第2漸減処理、のうちの少なくとも1つの漸減処理と、が含まれるコンピュータプログラム。 - 充放電可能な蓄電装置の出力を制御する方法であって、
前記蓄電装置の現時点の充電残量を取得するステップと、
前記蓄電装置の充電残量の運用範囲を設定するステップと、
前記蓄電装置の放電中に取得した前記充電残量が当該運用範囲内の所定の初期値となった場合に、前記蓄電装置の最大放電電力を所定の設定値である猶予期間をかけて漸減させる第1漸減処理、及び、前記蓄電装置の充電中に取得した前記充電残量が当該運用範囲内の所定の初期値となった場合に、前記蓄電装置の最大充電電力を所定の設定値である猶予期間をかけて漸減させる第2漸減処理、のうちの少なくとも1つの漸減処理を実行するステップと、を含む蓄電装置の出力制御方法。
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