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

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 Download PDF

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Description

本発明は、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に関する。
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。
蓄電装置を有利な充放電戦略の下で運用可能とするエネルギー管理システム(Energy Management System:以下、「EMS」という。)が提案されている(特許文献1参照)。
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。
特開2014−174735号公報
(1) 本開示の一態様に係る装置は、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値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。
(8) 本開示の他の態様は、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、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つの漸減処理と、が含まれる。
(9) 本開示の他の態様は、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、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ステップと、を含む。
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。 EMSサーバが蓄電装置に従来の出力制御を行った場合の、蓄電装置の放電電力(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。 EMSサーバが蓄電装置に従来の出力制御を行った場合の、受電/需要電力(図3A)、蓄電装置の放電電力(図3B)と充電残量(図3C)、及び発電装置の発電電力(図3D)の時間的変化の一例を示すグラフである。 EMSサーバが蓄電装置に本実施形態に係る出力制御を行った場合の、蓄電装置の放電電力(図4A)と充電残量(図4B)の時間的変化を示すグラフである。 EMSサーバが蓄電装置に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5A)、蓄電装置の放電電力(図5B)と充電残量(図5C)、及び発電装置の発電電力(図5D)の時間的変化を示すグラフである。 図6Aは、漸減処理における出力指令の算出方法の一例を示す説明図であり、図6Bは、出力指令値の時間的変化の一例を示すグラフである。 図7A及び図7Bは、漸減処理における出力指令の算出方法の別例を示す説明図である。 離散制御によって最大放電電力の出力制御値P(t)を求める場合の、誤差の補正方法を示す説明図である。 EMSサーバが第1猶予期間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。 EMSサーバが第2猶予期間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。 EMSサーバが第3猶予期間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。
<本開示が解決しようとする課題>
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。
上記の特徴を踏まえて、蓄電装置と発電装置を含む電力設備に対する需給制御として、需要の大きな変動に対して蓄電装置が先行して応答し、その後に発電装置の応答で需要を賄う場合がある。
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。
しかし、従来のEMSでは、通常、現時点の充電残量が所定の運用範囲の上下限値内である間は、蓄電装置の充放電出力指令値は、設定された一定の限界値以下の任意の値に設定され、現時点の充電残量が運用範囲の下限値に達すると、蓄電装置の最大放電電力がゼロに設定され、充電残量が運用範囲の上限値に達すると、蓄電装置の最大充電電力がゼロに設定される。
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。
本開示は、かかる従来の問題点に鑑み、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を目的とする。
<本開示の効果>
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。
<本発明の実施形態の概要>
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。
本実施形態の出力制御装置によれば、制御部が上記の第1漸減処理を実行することにより、蓄電装置の放電を終了させる場合に、放電電力が一定に設定された最大放電電力値からゼロに瞬時に低下する事態を未然に防止することができる。また、本実施形態の出力制御装置によれば、制御部が上記の第2漸減処理を実行することにより、蓄電装置の充電を終了させる場合に、充電電力が一定に設定された最大充電電力値からゼロに瞬時に低下する事態を未然に防止することができる。
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。
(2) 本実施形態の出力制御装置において、前記猶予期間は、例えば、前記発電装置の出力が0から最大出力に到達するまでの時間に設定すればよい。
(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。
(5) 本実施形態の出力制御装置において、前記漸減処理は、例えば、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。
(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。
(7) 本実施形態の電力システムは、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バランスさせる電力制御が可能な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、上述の出力制御装置が設けられている。
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。
(8) 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が行う処理をコンピュータに実行させるためのプログラムに関する。
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。
(9) 本実施形態の出力制御方法は、上述の出力制御装置によって実行される出力制御方法に関する。
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。
本発明は、上記のような特徴的な制御部を備える出力制御装置として実現できるだけでなく、制御部が実行する処理のステップをコンピュータに実行させるためのプログラムとして実現することができる。
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。
<本発明の実施形態の詳細>
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。
図1に示すように、本実施形態の電力システムは、EMSサーバ1と、EMSサーバ1の管理対象である電力設備2とを備える。EMSサーバ1は、電力設備2に含まれる各種の電力機器の運転状態を管理する
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には、例えば、生産機械などの電力調整が不可能あるいは可能であっても実際上調整が許されない非調整型の負荷装置が含まれる。負荷装置4には、照明、エアコンなどの、消費電力の調整が可能な調整型の負荷装置が含まれていてもよい。
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。
発電装置5には、例えば、ガスやディーゼル油などの燃焼エネルギー又は燃料電池などの、化学変化によるエネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置が含まれる。
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。
本実施形態の電力設備2では、配電線3がスマートメーターなどの計測機器を介して商用電源7と繋がっている。このため、電力設備2は、商用電源7に対する系統連系が可能となっている。
EMSサーバ1は、通信線8を介して電力設備2の各種の電力機器と接続されており、各種の電力機器と有線LAN(Local Area Network)を構成している。EMSサーバ1と電力機器との通信は、無線LANなどの無線通信であってもよい。
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。
制御指令E1は、負荷装置4の制御に関連する制御指令である。例えば、EMSサーバ1は、負荷装置4が接続されたスマートタップを、制御指令E1によってオン又はオフすることができる。
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。
制御指令E2は、発電装置5の制御に関連する制御指令である。例えば、EMSサーバ1は、発電装置5を、制御指令E2によってオン又はオフすることができる。
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。
制御指令E3は、蓄電装置6の制御に関連する制御指令である。例えば、EMSサーバ1は、蓄電装置6を、制御指令E3によってオン又はオフすることができる。
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は、電力設備2の各種の変換器及びスマートタップの接続状況(オン/オフ)や、各装置4〜6の稼働状況と電力値などよりなる現在情報S1を、所定時間(例えば1秒)ごとに収集している。
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。
現時点の充電残量は、テーブル参照方式、電流積分方式、及びこれらの併用のいずれかの方式によって算出することができる。
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。
現時点の充電残量は、蓄電装置6が自律的に算出してEMSサーバ1に通知してもよいし、EMSサーバ1が算出してもよい。
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。
後者の場合、蓄電装置6は、現時点の電池セルの電圧値及び電流値を現在情報S1としてEMSサーバ1に送信し、EMSサーバ1の制御部11(図1参照)が、受信した電圧値及び電流値に基づいて充電残量の値を算出すればよい。
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。
〔EMSサーバの構成〕
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。
図1では図示を省略しているが、EMSサーバ1には、電力設備2の管理者が操作入力を行うためのマウス及びキーボードなどを含む入力装置と、制御部11が出力する画像データを管理者に提示する液晶ディスプレイなどよりなる表示装置が接続されている。
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。
制御部11は、記憶部12に格納されたコンピュータプログラムを読み出して実行することにより、通信部13に対する通信制御、入力装置及び表示装置に対する入出力制御、管理対象である電力設備2のエネルギー管理などの各種の制御を行う。
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。
制御部11は、電力設備2に対するエネルギー管理に際して、商用電源7の受電点Q(図1参照)における電力需給が任意状態になるように、電力設備2に含まれる負荷装置4、発電装置5及び蓄電装置6の稼働状態を制御する。
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。
このため、制御部11は、収集した各種の現在情報S1に基づいて、電力設備2における現時点の電力需要を算出している。
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。
〔蓄電装置に対する従来の出力制御〕
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。
図2において、「Pu」は、蓄電装置6が出力可能な放電電力の上限値である。以下において、「Pu」を最大放電電力ともいう。「P(t)」は、任意の時刻tにEMSサーバ1が決定する放電電力の出力指令値である。
「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。
「Wb」は、蓄電装置6の使用者が任意に設定する充電残量の運用範囲(以下、「運用範囲Wb」という。)である。ここでは、充電残量の運用範囲Wbの上限値をx1%とし、下限値をx2%とする。
「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。
蓄電装置6の運用範囲Wbは使用可能範囲Wa以下となるように設定されるのが通常である。すなわち、Wb≦Waとなるように設定される。
EMSサーバ1の制御部11は、蓄電装置6の運転状態が充電である場合には、現時点の充電残量の値がx1%になると、充電を打ち切る。
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。
従来では、EMSサーバ1の制御部11は、蓄電装置6の放電中に、x2<充電残量≦x1ならば、蓄電装置6の出力指令値P(t)を上限値Pu以下に設定する。また、制御部11は、充電残量=x2になると、蓄電装置6の上限値Puをゼロに設定する。
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。
〔従来の出力制御の問題点〕
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。
図3の例では、電力設備2での電力需要を賄うため、蓄電装置6を稼働させている環境下で、充電残量が減少しx2に至ったため、発電装置5を稼働させることで需給を賄った場合を想定している。
しかし、従来では、x2<充電残量≦x1の場合に、蓄電装置6の出力指令値P(t)の出力範囲が上限値(最大放電電力)Puに設定され、充電残量=x2となった瞬間に上限値Puがゼロに設定される。このため、充電残量=x2となる時刻t2の前後において、蓄電装置6の放電電力が上限値Pu以下の任意の値から瞬時(例えば1ミリ秒〜数秒)にゼロに低下する。
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。
このため、図3Aに示すように、充電残量=x2となる時刻t2以後に、受電点Qの需給バランスが所期の状態に維持できなくなり、例えば、この状態が長く続くと、受電電力の30分平均値が所定の目標電力(≦契約電力)を超えてしまう可能性がある。
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。
そこで、本実施形態では、蓄電装置6が放電中である場合に、『所定の猶予期間をかけて』放電電力が滑らかに収束するように、蓄電装置6の出力指令値P(t)を徐々に低下させる出力制御を実行し、上述の問題点を解決する。
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。
以下、図4及び図5を参照しつつ、EMSサーバ1が行う蓄電装置6に対する本実施形態の出力制御の内容を説明する。なお、図4及び図5において、図2及び図3と共通する参照符号(Puなど)は、図2及び図3の場合と同じ意味である。
〔蓄電装置に対する本実施形態の出力制御〕
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。
図4において、「漸減処理」とは、蓄電装置6の運転状態が放電である場合に、x2<充電残量≦xsならば、蓄電装置6の上限値Puを充電残量に依存させて徐々に低下させる処理の事である。漸減処理によって計算される蓄電装置6の上限値を時間関数Pu(t)とする。上限値Pu(t)は、開始時刻tsからP(t)=Pu(t)が継続されたと仮定した場合に所定の猶予期間Tの経過後に、蓄電装置6の出力指令値P(t)がゼロもしくは微少となるように調整される。
「xs」は、使用範囲Wbに含まれる充電残量の中間値のうち、漸減処理が開始される充電残量の初期値である。
「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。
図4に示すように、EMSサーバ1の制御部11は、蓄電装置6の運転状態が例えば放電である場合に、xs<充電残量≦x1ならば、蓄電装置6の出力指令値P(t)を上限値Pu以下に設定する。
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。
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、x2<充電残量≦xsならば、前記漸減処理を用い、開始時刻tsからP(t)=Pu(t)が継続されたと仮定した場合に所定の猶予期間Tの経過後に、蓄電装置6の出力指令値P(t)がゼロもしくは微少となるように調整する。
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。
〔本実施形態の出力制御の効果〕
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。
図5の例においても、電力設備2での電力需要を賄うため、蓄電装置6を稼働、発電装置5を停止させている環境を想定している。
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)。
従って、従来の出力制御の場合(図2及び図3)と異なり、蓄電装置6の放電を終了させるに当たって、放電電力が上限値Puからゼロに瞬時に低下する事態を未然に防止することができる。
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。
〔出力指令値の算出方法の例1〕
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)
xs:漸減処理を開始する充電残量(kWh)の初期値
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)
図6Aに示すように、横軸を充電残量(SOC)とし縦軸を出力指令値P(t)とする直交座標において、Pu(t)=a・x(t)+bの一次関数を定義する。
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。
なお、上記の算出式において、Tは猶予期間(秒)である。である。Tcは制御周期(秒)である。
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。
図6Bは、出力指令値P(t)=上限値Pu(t)の状況が継続した場合の上限値Pu(t)の時間的変化の一例を示すグラフである。図6Bに示すように、上記の算出式によって算出される各時点の上限値Pu(t)は、漸減処理の開始時刻ts以降に上限値Pu(t)が指数的に減衰する形状となる。
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。
〔出力指令値の算出方法の例2〕
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)
xs:漸減処理を開始する充電残量(kWh)の初期値
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)
図6では、放電電力の上限値Pu(t)を時間の経過に応じて指数的に漸減させる場合の算出方法を例示したが、図7では、放電電力の上限値Pu(t)を時間の経過に応じて直線的に漸減させる場合の算出方法を例示する。
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。
傾きaを設定パラメータとする場合は、当該傾きaの値として、蓄電装置6と連携させる応答の遅い発電装置5の応答速度と等しい値を採用すればよい。
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。
上記の算出式において、xeは、設定値である最低SOC(kWh)となり、xsは、上限値Pu(t)の抑制が開始されるSOC(kWh)となる。
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。
Puは設定される定数である。xeと傾きa又は猶予期間Tを設定することにより、xsが定まる。これにより、任意のSOCの時点における、上限値Pu(t)を直線的に漸減させる場合の出力指令値P(t)を求めることができる。
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。
上記の連立方程式をPu(t)について解くと、上限値Pu(t)の算出式は次のようになる。なお、下記の算出式において、設定値xeの代わりに、設定値P0及び設定値Tを用いた表現としてもよい。
〔出力指令値の算出方法の例2における離散制御時の誤差の補正〕
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。
図8に示すように、制御周期Tcごとに進行する出力指令値P(t)は、連続値である傾きaのPu(t)の直線に対して、上側に階段状にはみ出た三角形状となる。
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。
例えば、Tsが大きいために誤差量が無視できない場合に、当該誤差を補正するのであれば、放電電力を抑制する場合の出力指令値P(t)を、次の算出式を用いて算出すればよい。
〔出力指令値の算出方法の例2における猶予期間の決定方法〕
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。
すなわち、本実施形態に係る蓄電装置6の出力制御は、蓄電装置6の最大放電電力Pu(t)を猶予期間Tをかけて漸減させることを特徴とし、この猶予期間Tの間に発電装置5の出力を増加させることから、発電装置の出力変化に関連する下記の2つのパラメータを考慮すればよい。
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
ここで、ΔPgが一定であると仮定すると、下記の関係式(不等式)を満たすようにTを動的もしくは静的に決定すればよい。
このとき、1)及び2)の要素は、それぞれを予め仮定することで、静的に決定しても構わない。
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。
〔第1猶予期間を用いる場合の動作例〕
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。
この場合、発電装置5が出力を開始するのに状態遷移時間tgが必要であると仮定すると、第1猶予期間T1は次式により算出することができる。
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9に示すように、漸減処理の開始時点tsにおいて発電装置5の出力がゼロであり、かつ、発電装置5の動作開始時の出力変動が上記の場合には、蓄電装置6の上限値Pu(t)をPuからゼロまで漸減させる猶予期間Tを、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(=第1猶予期間T1)に設定すればよい。
〔第2猶予期間を用いる場合の動作例〕
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。
この場合、第2猶予期間T2は次式により算出することができる。
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10に示すように、漸減処理の開始時点tsにおいて発電装置5の出力が定常出力Pgである場合には、蓄電装置6の上限値Pu(t)をPuからゼロまで漸減させる猶予期間Tを、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(=第2猶予期間T2)に設定すればよい。
〔第3猶予期間の場合の動作例〕
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。
この場合、第3猶予期間T3は次式により算出することができる。
T3=Pu/ΔPg
ただし、ΔPgは、発電装置5の出力上昇速度である。
図11に示すように、漸減処理の開始時点tsにおいて発電装置5の出力が定常出力Pgである場合には、蓄電装置6の放電電力をPuからゼロまで漸減させる猶予期間Tを、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(=第3猶予期間T3)に設定すればよい。
〔その他の変形例〕
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。
上述の実施形態では、充電残量が運用範囲の下限値x2以上である場合に、蓄電装置6の最大放電電力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1漸減処理」という。)を例示したが、最大充電電力Pu’に関して同様の漸減処理を実行することにしてもよい。
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。
具体的には、上記の第2漸減処理は、蓄電装置6が充電中である場合に、『所定の猶予期間をかけて』充電電力が滑らかに収束するように、蓄電装置6の出力指令値P(t)を徐々に低下させる出力制御となる。
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。
この場合、蓄電装置6の充電を終了させる場合に、充電電力が一定に設定された最大充電電力値Pu’からゼロに瞬時に低下する事態を未然に防止することができる。
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。
上述の実施形態では、所定の猶予期間Tをかけて放電電力(充電電力でもよい。)を指数的又は直線的に漸減させる場合を例示したが、放電電力(充電電力でもよい。)を漸減させる猶予期間Tにおける時間の関数は、指数関数又は一次関数に限定されない。
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。
上述の実施形態では、EMSサーバ1の管理対象である電力設備2に、負荷装置4、発電装置5及び蓄電装置6が含まれる場合を例示したが、電力設備2は、本実施形態の出力制御が行われる少なくとも1つの蓄電装置6と、これ以外の電力機器(負荷装置4、発電装置5及び蓄電装置6のいずれでもよい。)を備えておればよい。
上述の実施形態では、充電残量の運用範囲の設定処理と放電電力の漸減処理とを含む蓄電装置6の出力制御を、EMSサーバ1が実行する場合を例示したが、当該出力制御を、蓄電装置6のコントローラ(コンピュータ装置)が実行することにしてもよい。
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。
上述の実施形態では、EMSサーバ1と電力設備2とを有するFEMSを例示したが、HEMS(Home Energy Management System)、BEMS(Building Energy Management System)、及びMEMS(Mansion Energy Management System)などにも、本実施形態の出力制御を採用し得る。
1 EMSサーバ
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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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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