JP7059583B2 - エネルギーマネジメントシステム、電力需給計画最適化方法、および電力需給計画最適化プログラム - Google Patents
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Description
これらの予測の不確実性によって、必ずしも、数理最適化手法によって得られた充放電計画が示す充放電を実行することが、マイクログリッドの運転コストを最小化することに繋がるとは限らない。予測の不確実性により、場合によっては、エネルギー貯蔵装置の充電残量の枯渇、および契約電力の超過などの、制約条件における違反が発生する可能性もある。それゆえ、予測の不確実性を考慮した上で、確実に制約条件を遵守することができ、かつ、マイクログリッドの運転コストが低くなるような、充放電計画の最適化手法の開発が求められている。
以下、本発明の一実施形態によるマイクログリッドについて説明する。
以下、本実施形態によるマイクログリッド1の全体構成について、図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の一実施形態によるマイクログリッドの全体構成を示すシステム構成図である。図1に図示するように、マイクログリッド1は、エネルギーマネジメントシステム10と、少なくとも1つ以上のエネルギー貯蔵装置20(例えば、蓄電池など)と、少なくとも併せて1つ以上の負荷30(電力負荷)および再生可能エネルギー発電システム40と、を備えている。なお、説明を簡単にするため、以下、エネルギー貯蔵装置20と、負荷30と、再生可能エネルギー発電システム40と、がそれぞれ1つずつマイクログリッド1に備えられているものとして説明する。
なお、充放電計画最適化部11は、例えば、CPU(Central Processing Unit;中央演算処理装置)などのプロセッサを含んで構成される。
なお、エネルギーマネジメントシステム10は、外部のシステムから、電気料金に関する情報や、天気予報に関する情報などを受信可能である。
以下、エネルギーマネジメントシステム10の動作について、図面を参照しながら説明する。
図2は、本発明の一実施形態によるエネルギーマネジメントシステムの動作を示すフローチャートである。本フローチャートが示す処理は、例えば、エネルギーマネジメントシステム10の電源がオンになることにより、エネルギーマネジメントシステム10による処理が実行開始した際に開始する。
エネルギーマネジメントシステム10の予測部111は、一定時間先までの(例えば、24時間先までの)期間を、複数の一定期間に小分けし(例えば、15分間隔に区切り)、電力需要、再生可能エネルギー発電電力、および電力料金を、一定期間ごとに(時間ステップ単位で)予測する。
エネルギーマネジメントシステム10の最適化部112は、予測の不確実性を考慮した充放電計画最適化問題を解く処理を実行する。
なお、説明を簡単にするため、以下の説明においては、電力コストが従量制電力料金(kWhコスト)およびデマンドチャージ(kWコスト)のみからなるものとする。また、制約条件としては、エネルギー貯蔵装置20の充放電電力および充電残量に関するもののみを想定したものとする。
以下の説明において用いる記号を、以下の表1にまとめる。
表1に示した記号のもとで、解くべき最適化問題を以下のように定義する。なお予実差ωAC(h)は平均ゼロ、共分散Cの正規分布N(0,C)にしたがうものと仮定する。
1)将来の各時間ステップh(h=h0,・・・,h0+H-1)における、エネルギー貯蔵装置の最適な充放電電力PDC *(h)
2)将来の各時間ステップh(h=h0,・・・,h0+H-1)における、予実差のうちエネルギー貯蔵装置の充放電で補償すべき割合(0≦α*(h)≦1)(予実差補償計画)
a.「予実差が生じたとき、どのくらいの割合をエネルギー貯蔵装置の充放電で補償するか」の割合を示す決定変数α*(h)(予実差補償計画)が導入されている。なお、エネルギー貯蔵装置による予実差の補償を行わない場合、式(10)より、予実差がそのまま受電電力の予実差につながり、たとえば電気料金の高い時間帯に想定以上の受電をおこないマイクログリッドの運転コストが大きくなる、大きな電力ピークが生じデマンドチャージが大きくなる、といったことが起こり得る。
b.予測通りに推移した場合のケースのモデル(式(5)~式(7))と、予実差が生じ、エネルギー貯蔵装置の充放電によりこれを補償することを見込んだモデル(式(8)~式(11))の2つが同時の考慮されている。
c.目的関数は、e(h)に関する期待値と分散を用いて定義されている。式(1)において、n>0は不確実性をどれだけ見込むかを決めるパラメータであり、nが大きいほど不確実性を大きく見込むこととなる。
d.制約条件(式(2)~式(3))はそれぞれエネルギー貯蔵装置の充放電電力、充電残量に関する制約条件であり、「制約条件を逸脱する確率がε以下であること」という確率的な制約としている。
エネルギー貯蔵装置20では、エネルギーマネジメントシステム10から、将来の各時間ステップh(h=h0,・・・,h0+H-1)に対応する充放電電力PDC *(h)、予実差補償計画α*(h)、および予測正味消費電力を受信し、実時間tにおいて、電力計50-4によって計測された正味消費電力から、予実差ωDC(t)を式(11)により求め、以下の式(18)となるように充放電電力PDC(t)を逐次定め充放電を制御する。ただし、hは実時間tに対応する時間ステップとする。
本発明を適用することで得られる充放電計画最適化の一例を図4~図6に示す。
図4~図6は、本発明の一実施形態によるエネルギーマネジメントシステムによる充放電計画最適化結果を示す図である。なお、図4は電力の推移を、図5は充電残量の推移を、および、図6は補償割合の推移を示した図である。
従量制電力料金については、日中(6~18時)における料金を「20円/kWh」とし、それ以外の時間帯における料金を「12円/kWh」として、日中の料金をそれ以外の時間帯における料金よりもより高くなるように設定した。
デマンドチャージについては、全時間帯で一律「1500円/kW」とした。
Y.昼間の時間帯の予実差に対しては、エネルギー貯蔵装置による補償は行わない戦略となっている(補償割合α*(h)=0)。これは、受電電力が小さく、エネルギー貯蔵装置20の充放電で対処してもデマンドチャージの抑制につながらないためである。また、この時間帯に充放電を行うと、夜間の正味電力需要の大きい時間帯での充電残量の不確実性が大きくなり(±3σの幅が広がり)充放電の自由度が小さくなるため、これを避けるような戦略となっている。
[1]目的関数は適用先の電力制度などを考慮して任意に設定してもよい。例えば、以下の(1-1)および(1-2)のような目的関数をもつ最適化問題として考えることもできる。
(1-1)受電電力を平滑化する(連続する2ステップ間の受電電力の変化を小さくする)目的関数
なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、エネルギーマネジメントシステム10に内蔵されたコンピュータシステムであって、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD-ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。
2…外部系統
10…エネルギーマネジメントシステム
11…充放電計画最適化部
12…データベース
20…エネルギー貯蔵装置
21…インバータ
30…負荷
40…再生可能エネルギー発電システム
41…パワーコンディショナ
50-1~50-4…電力計
111…予測部
112…最適化部
Claims (5)
- 電力負荷および再生可能エネルギー発電システムの少なくとも一方と、エネルギー貯蔵装置と、を備えるマイクログリッドに対するエネルギーマネジメントシステムであって、 所定期間内における電力需要および再生可能エネルギー発電電力の少なくとも一方と、電力料金とを、一定時間毎に予測する予測部と、
前記予測部による予測結果を用いて、前記エネルギー貯蔵装置の最適な充放電計画を予測の不確実性を考慮して最適化する最適化部とを有し、
前記最適化部は、最適化により、前記一定時間毎に、充放電の予実差のうち前記エネルギー貯蔵装置の充放電において補償すべき割合を示す予実差補償計画を導くエネルギーマネジメントシステム。 - 電力負荷および再生可能エネルギー発電システムの少なくとも一方と、エネルギー貯蔵装置と、を備えるマイクログリッドに対するエネルギーマネジメントシステムであって、
所定期間内における電力需要および再生可能エネルギー発電電力の少なくとも一方と、電力料金とを、一定時間毎に予測する予測部と、
前記予測部による予測結果を用いて、前記エネルギー貯蔵装置の最適な充放電計画を予測の不確実性と、電力需要および再生可能エネルギー発電電力の前記少なくとも一方の実際の値と前記予測結果との間の予実差のうちどれほどの割合を前記エネルギー貯蔵装置の充放電で補償するか、を考慮して最適化する最適化部と、
を有するエネルギーマネジメントシステム。 - 前記最適化部は、最適化により、前記一定時間毎に、前記エネルギー貯蔵装置の最適な充放電電力を示す前記充放電計画を導く、
請求項1又は2記載のエネルギーマネジメントシステム。 - 電力負荷および再生可能エネルギー発電システムの少なくとも一方と、エネルギー貯蔵装置と、を備えるマイクログリッドに対する、コンピュータによる電力需給計画最適化方法であって、
所定期間内における電力需要および再生可能エネルギー発電電力の少なくとも一方と、電力料金とを、一定時間毎に予測する予測ステップと、
前記予測ステップによる予測結果を用いて、前記エネルギー貯蔵装置の最適な充放電計画を予測の不確実性を考慮して最適化する最適化ステップとを有し、
前記最適化ステップでは、最適化により、前記一定時間毎に、充放電の予実差のうち前記エネルギー貯蔵装置の充放電において補償すべき割合を示す予実差補償計画を導く電力需給計画最適化方法。 - 電力負荷および再生可能エネルギー発電システムの少なくとも一方と、エネルギー貯蔵装置と、を備えるマイクログリッドに対して、コンピュータに、
所定期間内における電力需要および再生可能エネルギー発電電力の少なくとも一方と、電力料金とを、一定時間毎に予測する予測ステップと、
前記予測ステップによる予測結果を用いて、前記エネルギー貯蔵装置の最適な充放電計画を予測の不確実性を考慮して最適化する最適化ステップとを実行させ、
前記最適化ステップでは、最適化により、前記一定時間毎に、充放電の予実差のうち前記エネルギー貯蔵装置の充放電において補償すべき割合を示す予実差補償計画を導く電力需給計画最適化プログラム。
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