JP7084351B2 - 直流電力網および直流電力網の制御システム - Google Patents
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Description
太陽光発電などの直流電源は、雨天時には発電できないなど不安定な要素があるため、マイクログリッド内の電力供給を安定的、継続的に実施するには、商用電力系統またはガス発電設備等、任意の時に発電できる電源による不足分の補足が必須である。しかし、これらの運転制御の可能な発電設備を、不安定な直流電源に合わせて運用するという方式は、負荷率が低いため、運用効率が悪い。商用電力系統の買電価格は、定額料金および従量料金から構成されているため、負荷率が高いほどkWhあたりのコストは高くなる。また電力系統の化石燃料による発電設備やあるいはマイクログリッド内のガス発電機も、一定の高い負荷率で運用することが効率的である。一般に発電設備の利用効率は負荷率に連動するからである。
さらに、特許文献2では、マイクログリッド内は交流であるため、交流を直流に変換する交直変換装置を設けている。しかし直流電源を主要電源とするマイクログリッド間を接続する場合、直流電源の出力をいったん交流に変換してからさらに直流に変換する必要があり損失が大きい。特許文献2には、マイクログリッド内の直流電源を交流に変換せずに直流のまま接続するという点は開示されていない。
前記第1の電力網および前記少なくとも1つの第2の電力網は、それぞれ、直流出力の発電源および蓄電設備を有し、
前記第1の電力網と前記少なくとも1つの第2の電力網との間で相互に電力が供給される、
ことを特徴とする。
ことが好ましい。
ことが好ましい。
ことが好ましい。
前記第1の電力網を制御するための第1のエネルギーマネジメントシステムと、
前記少なくとも1つの第2の電力網を制御するための第2のエネルギーマネジメントシステムと、
前記第1および第2のエネルギーマネジメントシステムを制御するための総括エネルギーマネジメントシステムと、
を有することを特徴とする。
また、第1の電力網と第2の電力網との間で相互に電力が供給されることにより、電力供給の設備容量を減少することができる。なお、「相互に電力が供給される」とは、第1の電力網から第2の電力網に電力が供給され、かつ、第2の電力網から第1の電力網に電力が供給される双方向の場合に限定されるものではなく、第1の電力網から第2の電力網に電力が供給される一方向の場合、および、第2の電力網から第1の電力網に電力が供給される一方向の場合も含むものとする。
また、消費電力カーブが相補的である第1の電力網と第2の電力網との間で相互に電力が供給されることにより、消費電力カーブを平準化することができ、消費電力カーブを平準化することにより、供給電力の最大値を減少することができ、かつ、融通線の設備容量も減少することができる。
また、直流電力網の複数の電力網のうち、第1の電力網のみが、商用電力系統に接続されているため、受電設備を簡略化することができるとともに、電気料金を低額化することができる。
直流電力網100は、第1の電力網10、2つの第2の電力網20a、20b、第1の電力網10と第2の電力網20aとを接続する送電線である直流の融通線30a、および、第1の電力網10と第2の電力網20bとを接続する送電線である直流の融通線30bを有する。
各EMSは、パーソナルコンピュータ、サーバ、ワークステーション等のコンピュータであり、ハードウェア構成として、CPU、メモリ、通信I/F、入出力装置等を有する。CPUは、メモリに格納されているプログラムを読み出して実行する。メモリには、プログラムおよびデータ等が格納される。通信I/Fを介して、EMS同士が通信する。
図2は、平日晴天時の第1の電力網における電力収支を示すグラフである。
棒グラフで示すように、第1の電力網における消費電力は、大規模工場が稼働する7時台から増加し、昼休憩のある12時台でやや減少するものの、全体としては日中の時間帯に高く維持され、夕方にかけて減少する。また、折れ線グラフ(実線)で示すように、太陽光発電量(以下、「PV発電」とも称する)は、日の出とともに増加し、日中にピークを示し、日の入り後にゼロになる。大規模工場では、必要な消費電力のすべてをPV発電により賄うことができない。それゆえ、商用電力系統からある一定量の電力(図2では4MWの平準化後電力として示す)を買電する。また、蓄電設備充放電を折れ線グラフ(破線)で示す。蓄電設備充放電のグラフは、プラスが放電を示し、マイナスが充電を示す。
例えば、14時台には、消費電力≒8.5MWのうち、一部である3.4MWをPV発電により賄い、一部である4MWを商用電力系統からの買電により賄い、残りの1.1MWを蓄電設備の放電により賄う。
他の例として、0時台には、消費電力≒2.5MWであるところ、商用電力系統からは一定の4MWを買電しているので、蓄電設備に約1.5MWを充電することができる。
このように、消費電力カーブとPV発電カーブとは、実際には一致していないが、蓄電設備の充放電を調整することにより、消費電力カーブを疑似的に平準化し、この一定の平準化電力を、商用電力系統から買電する。このため、天候に依存して出力が一定ではない再生可能エネルギーの発電源を用いながら、商用電力系統からの買電電力または逆潮流電力の変動を、従来の再生可能エネルギーの発電源を用いた電力網よりも抑えることができる。
図2は、大規模工場において、年間を通じて消費電力が最大となる季節のある1日の電力収支を示すものとする。7時台~21時台には、「平準化後電力(4MW)<消費電力」の関係が成り立ち、平準化後電力を超えた消費電力の1日の合計(26.8MWh)を太陽光発電システムにより発電する必要がある。この季節の晴天時の日射カーブからこの発電量を1日で達成できる太陽光発電システムの発電量を求めたところ、6.1MWであったため、第1の電力網において、6.1MW相当の太陽光発電システムを導入すべきであると決定できる。
また、上述したように、消費電力カーブとPV発電カーブとは一致しないため、蓄電システムを用いてこの差分を調整(平滑化)する必要がある。図2のデータから、「消費電力-PV発電」の最大値は、18時台の6.5MWであり(消費電力≒6.8MW、PV発電≒0.3MW)、平準化後電力を超えた「消費電力-PV発電」の最大値は、18時台の2.5MWであり(6.5MW-4MW)、平準化後電力を超えた「消費電力-PV発電」の1日の合計値は、15MWhであると求められた。それゆえ、第1の電力網において、2.5MW、15MWh相当の蓄電設備を導入すべきであると決定できる。
棒グラフで示すように、第2の電力網における消費電力は、6時台から増加し、日中の時間帯に高く維持され、17時台以降減少する。折れ線グラフ(実線)で示すように、PV発電は、日の出とともに増加し、日中にピークを示し、日の入り後にゼロになる。
9時台~16時台には、消費電力<PV発電の関係が成り立つため、商業施設において必要な消費電力をすべてPV発電により供給することができ、さらに、余剰電力(PV発電-消費電力)を蓄電設備に充電することができる。例えば、9時台には、両矢印aで示す余剰電力を蓄電設備に充電し、12時台には、両矢印bで示す余剰電力を蓄電設備に充電することができる。
0時台~8時台および17時台~23時台には、PV発電<消費電力の関係が成り立つため、不足する電力を蓄電設備の放電により供給する。
このように、平日晴天時の第2の電力網では、電力の自給自足が達成されている。
図3は、商業施設において、年間を通じて消費電力が最大となる季節のある1日における電力収支を示すものとする。消費電力の1日の合計は15MWhであり、この15MWhを太陽光発電システムにより発電する必要がある。この季節の晴天時の日射カーブからこの発電量を1日で達成できる太陽光発電システムの発電量を求めたところ、3.8MWであったため、第2の電力網において、3.8MW相当の太陽光発電システムを導入すべきであると決定できる。
また、余剰電力の1日の合計は約12MWhであり、蓄電設備の最大充電量は、13時台の約1.2MWである。そこで、パワコンの変換効率および蓄電池の劣化裕度を考慮して、第2の電力網において、1.5MW、12MWh相当の蓄電設備を導入すべきであると決定できる。
ただし、設備の故障や予想以上の電力需要が発生した場合、自己の電力網の太陽光発電システムおよび蓄電設備では電力を賄えないことがある。また、自己の電力網の電力需要が予想以下の場合、自己の電力網の蓄電設備の容量を超えること、すなわち、余剰電力を充電できないことがある。このような場合、本発明を用いて、電力網間で相互に電力を供給する。
図4は、休日晴天時の第2の電力網における電力収支を示すグラフであり、図4(a)は第1の電力網からの電力供給がない場合を示し、図4(b)は第1の電力網からの電力供給がある場合を示す。
棒グラフで示すように、第2の電力網における消費電力は、6時台から増加し、日中の時間帯に高く維持され、17時台以降減少する。折れ線グラフ(実線)で示すように、PV発電は、日の出とともに増加し、日中にピークを示し、日の入り後にゼロになる。
図4(a)に示すように、第1の電力網からの電力供給がない場合、6時台には、蓄電設備の充電量を使い切り、かつ、太陽光発電が開始していないため、6時台後半から8時台までは電力不足が発生する。不足電力は、図4(a)において、斜線で示す棒グラフの合計1.4MWhである。このように、休日は晴天であっても、商業施設の電力は、特に日の出前の時間帯には不足する。これは、太陽光発電システムは、平日の商業施設の需要に合わせて設計されているためである。すなわち、上述したように、第2の電力網には、3.8MW相当の太陽光発電システムが導入されているが、休日の商業施設の需要に合わせるためには、より多くの出力の太陽光発電システムを導入する必要がある。
一方、大規模工場は、休日は稼働していないため、消費電力が低く、余剰電力が発生している。それゆえ、図4(b)に示すように、0時台~7時台の間、第2の電力網には、第1の電力網から合計1.4MW(200kW×7時間)の電力が供給される。これにより、0時台~5時台の間、図4(a)の場合と比較して、蓄電設備の放電量が減少し、その分を、6時台~8時台に放電することにより、商業施設の消費電力を賄うことができる。
このように、第2の電力網の消費電力カーブを蓄電システムで平準化することにより、従来の平準化を実施しない場合に比べて、第1の電力網からの供給電力(融通電力)の最大値を減少することができ、かつ、融通線の設備容量も減少することができる。
大規模工場は、休日に稼働していないため、棒グラフで示すように、第1の電力網における消費電力は、1日中ほぼ一定である。上述したように、0時台~7時台の間、第1の電力網から第2の電力網に200kWを供給(融通)しており、この供給電力(融通電力)を消費電力とともに棒グラフで示す。折れ線グラフ(実線)で示すように、PV発電は、日の出とともに増加し、日中にピークを示し、日の入り後にゼロになる。
図2において説明したように、太陽光発電システムは、年間を通じて消費電力が最大となる平日の電力収支に基づいて導入されているため、図5に示す休日の場合、消費電力<PV発電となる時間帯(12時台~13時台)が存在する。この余剰電力(PV発電-消費電力)を充電し、かつ、第1の電力網の消費電力カーブを平準化するために必要な蓄電設備の容量は、16.3MWhである。しかしながら、図2において説明したように、第1の電力網では、15MWh相当の蓄電設備が導入されているため、第1の電力網内のみで電力の需要と供給のバランスを成立させるためには、1.3MWh(16.3MWh-15MWh)だけ大きな容量の蓄電設備を導入する必要がある。しかしながら、本発明では、第1の電力網から第2の電力網に余剰電力を供給している(1.4MWh)ため、第1の電力網において、蓄電設備の容量を1.3MWh分だけ増加する必要はない。
図6は、平日雨天時の第2の電力網における電力収支を示すグラフである。
棒グラフで示すように、第2の電力網における消費電力は、図3に示す平日晴天時と同様の挙動を示し、6時台から増加し、日中の時間帯に高く維持され、17時台以降減少する。ただし、雨天のため、PV発電はゼロである。
PV発電がゼロのため、商業施設において必要な消費電力のすべてを、蓄電設備のみによって供給することができない。それゆえ、消費電力のうちの一部を蓄電設備により供給し、残りを第1の電力網から供給する。第1の電力網からは、ある一定量(図示例では650kW)の電力が供給される。
例えば、17時台には、ピークの消費電力=1030kWであるので、その一部である650kWを第1の電力網からの供給電力(融通電力)で賄い、残りの一部である380kWを蓄電設備の放電により賄う。
他の例として、3時台には、消費電力≒200kWであるところ、第1の電力網からは一定の650kWが供給されているので、蓄電設備に約450kWを充電することができる。
図3において説明したように、商業施設における消費電力の1日の合計は15MWhである。PV発電がゼロのため、1時間当たり625kW(15MWh÷24時間)の電力を第1の電力網から供給する必要がある。そこで、25kWの余裕をもたせて、第1の電力網から650kWの電力を供給すると決定する。
上述したように、ピークの消費電力は、17時台の1030kWであるが、本発明では、蓄電設備を用いて消費電力を平滑化しているため、ピークの消費電力(1030kW)ではなく平滑化後電力(650kW)に対応する設備容量を導入すればよい。
棒グラフで示すように、第1の電力網における消費電力は、図2に示す平日晴天時と同様の挙動を示し、7時台から増加し、12時台を除き日中の時間帯に高く維持され、夕方にかけて減少する。また、図6において説明したように、第1の電力網から第2の電力網へ、ある一定量(650kW)の電力が供給され、この供給電力(融通電力)も棒グラフで示している。
雨天のため、PV発電がゼロであるので、大規模工場において必要な消費電力は、蓄電設備による放電および商用電力系統からの買電によって賄われる。蓄電設備充放電(目標値)を折れ線グラフ(破線)で示す。また、商用電力系統からの買電量として、約5800kWの一定の平準化後電力(目標値)および時間ごとに変化する平準化後電力(実際値)も併せて示す。
なお、図7では、平準化後電力(実際値)は、一定ではないので、完全な平準化が達成されているわけではないものの、他の実施形態と用語を統一するために、平準化後電力(実際値)として示す。
9時台~19時台には、「平準化後電力(目標値)<消費電力」の関係が成り立ち、蓄電設備により、平準化後電力(目標値)を超えた消費電力の1日の合計(26.8MWh)を平準化する必要がある。
また、0時台~7時台および21時台~23時台には、蓄電設備は、余剰電力(平準化後電力(目標値)-消費電力)を充電するが、この時間帯のうち2時台~3時台において、必要となる蓄電設備の充電量が最大値3.4MWとなる。
それゆえ、平準化後電力(目標値)を達成するために、第1の電力網において、3.4MW、26.8MWh相当の蓄電設備を導入すべきであると決定できる。
しかしながら、図2において説明したように、第1の電力網に導入する蓄電設備の容量は、平日晴天時の電力収支に基づいて決定されているため、第1の電力網には、2.5MW、15MWh相当の蓄電設備が導入されている。それゆえ、蓄電設備は、0.9MW(3.4MW-2.5MW)、11.8MWh(26.8MWh-15MWh)が不足するため、平準化後電力(実際値)で示すように、商用電力系統からの買電量は一定ではなく、平準化を完全には達成できていない。
ただし、蓄電設備の充放電を用いることにより、商用電力系統からの買電量の最大値を減少することができ、平準化後電力(実際値)は、一定値ではないものの、5.8MW±0.9MWの範囲に抑えることができる。すなわち、蓄電設備の充放電による平準化を行わない場合、11時台、13時台~15時台の9150kWの電力を商用電力系統から買電しなければならないところ、蓄電設備の充放電による平準化を不完全ながらも行うことにより、6650kWの電力を商用電力系統から買電すればよく、受電設備の容量を減少することができる。
図3において説明したように、第2の電力網に導入する蓄電設備の容量は、平日晴天時の電力収支に基づいて決定されているため、第2の電力網には、1.5MW、12MWh相当の蓄電設備が導入されている。図6のデータから、平日雨天時では、第2の電力網の蓄電設備の容量は、650kW、2.5MWhが使用されていると求められたため、蓄電設備の容量には0.85MW、9.5MWhの裕度が存在している。そこで、第2の電力網の蓄電設備を、第1の電力網において用いることを検討する。
図8は、平日雨天時の第1の電力網におけるその他の電力収支を示すグラフである。
図8は、第2の電力網の蓄電設備を用いることにより、平準化をほぼ完全に達成できている点以外、図7と同一である。
図7において説明したように、第1の電力網における蓄電設備は、0.9MW、11.8MWhが不足している。そこで、第2の電力網の蓄電設備の裕度分(0.85MW、9.5MWh)を、第1の電力網において用いる。図8において、第1の電力網に供給した第2の電力網の蓄電設備の充放電量を、蓄電設備充放電(第2の電力網)として折れ線グラフ(長破線)で示す。蓄電設備充放電(第2の電力網)のグラフは、プラスが放電、すなわち、第2の電力網から第1の電力網への電力供給を示し、マイナスが充電、すなわち、第1の電力網から第2の電力網への電力供給を示す。また、第1の電力網の蓄電設備充放電と第2の電力網の蓄電設備充放電との合計を、蓄電設備充放電(合計)として折れ線グラフ(破線)で示す。
第1の電力網の蓄電設備の最大出力は2.5MWであるため、2時台~3時台に示すように、3.4MWの充電を行うことはできない。そこで、その差分(3.4-2.5)を、第2の電力網の蓄電設備の充電を用いて補足する。また、昼間の時間帯(例えば、13時台~15時台)には、第1の電力網が3.4MWの放電を行うことはできないため、その差分を、第2の電力網の蓄電設備の放電を用いて補足する。この補足分が、第1の電力網から第2の電力網への供給電力(融通電力)である650kWを超えている場合、第2の電力網から第1の電力網に電力を供給することになる。
このように、第1の電力網において、少ない容量の蓄電設備で消費電力カーブの平準化をほぼ完全に達成することができる。
なお、この実施形態とは反対に、第2の電力網の蓄電設備の不足分を第1の電力網の蓄電設備により補足することもできる。
このように、第1の電力網の蓄電設備と第2の電力網の蓄電設備とを資源供給することにより、消費電力カーブの平準化を達成することができる。
図3は、平日晴天時の第2の電力網において、PV発電がすべて商業施設において消費された場合を示したが、PV発電に余剰が発生する場合には、この余剰電力を、第2の電力網から第1の電力網に供給することもできる。
また、上述した実施形態では、直流出力の発電源が太陽光発電システムであるとして説明したが、発電源は、風力発電、ガスタービン発電機、燃料電池等、任意の直流出力を有する設備とすることができる。
なお、第2の電力網において電力不足が生じた場合には、第1の電力網から電力が供給されるが、この供給電力(融通電力)は、第1の電力網の太陽光発電システムにより発電された電力でもよいし、第1の電力網が商用電力系統から買電した電力でもよい。
Claims (5)
- 第1の電力網、少なくとも1つの第2の電力網、および、前記第1の電力網と前記少なくとも1つの第2の電力網とを接続する直流の融通線を有する直流電力網であって、
前記第1の電力網および前記少なくとも1つの第2の電力網は、それぞれ、直流出力の発電源および蓄電設備を有し、
前記第1の電力網と前記少なくとも1つの第2の電力網との間で相互に電力が供給され、
前記第1の電力網が商用電力系統から一定時間にわたり所定量の電力を買電し、前記少なくとも1つの第2の電力網に一定時間にわたり所定量の電力を供給することにより、前記蓄電設備は、前記第1の電力網の消費電力カーブおよび前記少なくとも1つの第2の電力網の消費電力カーブを平準化する、
直流電力網。 - 前記融通線の設備容量、前記発電源の設備容量および前記蓄電設備の設備容量は、それぞれ、前記第1の電力網と前記少なくとも1つの第2の電力網との間で相互に電力が供給されない場合に比べて減少する、
請求項1に記載の直流電力網。 - 前記第1の電力網の消費電力カーブは、平日の消費電力が高く休日の消費電力が低く、
前記少なくとも1つの第2の電力網の消費電力カーブは、平日の消費電力が低く休日の消費電力が高い、
請求項1または2に記載の直流電力網。 - 前記第1の電力網のみが、商用電力系統に接続されている、
請求項1から3のいずれかに記載の直流電力網。 - 請求項1から4のいずれかに記載の直流電力網をコンピュータにより制御するためのシステムであって、前記システムは、
前記第1の電力網を制御するための第1のエネルギーマネジメントシステムと、
前記少なくとも1つの第2の電力網を制御するための第2のエネルギーマネジメントシステムと、
前記第1および第2のエネルギーマネジメントシステムを制御するための総括エネルギーマネジメントシステムと、
を有することを特徴とするシステム。
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