JP7842006B2 - 揚水発電を用いた電力需要調整サーバ及び電力需要調整システム - Google Patents

Description

本発明は、揚水発電を用いた電力需要調整サーバ及び電力需要調整システムに関する。

揚水発電所は、電力需要の少ない時間帯に揚水し、電力需要の多い時間帯に発電するピークシフト電源として一般的である。

マイクロ水力発電は、工場排水等の未利用エネルギーを利用した発電システムで、１００ｋＷ以下容量のものと定義される。小水力発電は、小規模の河川にダム式水力発電所を設置する、１ＭＷ以下の容量のものと定義される。

電力系統に連系される揚水発電装置を制御する技術として、特許文献１には、電力系統に連系される複数の揚水発電装置と、複数の揚水発電装置に有効電力指令を送信する電力指令装置と、を備え、電力指令装置は、複数の揚水発電装置の各々の有効電力と、複数の揚水発電装置の各々の最低有効電力と、他のシステムとの需給バランスを司る中央制御装置から送信される、需給バランスで必要となるシステム有効電力を指定するためのシステム有効電力指令、および需給バランスで必要となるシステム有効電力に係る変化率と、に基づいて、複数の揚水発電装置のうちの稼動できる揚水発電装置が運転モードの切替えにより稼動できない一または複数の揚水発電装置の最低有効電力を補償できるように複数の揚水発電装置の有効電力指令を決定して送信するようにしたことが記載されている。

また、特許文献２には、電力需給制御装置は、電力市場から調達するリスクを伴う調達用電源ごとに、過去に制御を行ったときの制御が指令通りに達成された度合いを示す制御達成確率と、調達用電源ごとの電源出力とをもとに、必要とされる電源出力を調達用電源が出力できなくなる確率である電源調達リスクデータを算出する電源調達リスク算出部と、電源調達リスクデータが所定基準に達するまで、需給制御計画データに対して調達用電源を追加する需給制御計画修正部とを備えることが記載されている。また、揚水発電電源を、調達用電源として用いることが記載されている。

特開２０１９－１７６５６４号公報 特開２０１９－９１１０６号公報

九州地区では、太陽光発電の供給力が電力需要に対して上回り、発電抑制指示が日常的に発出されており、太陽光発電事業者の視点では、売電ができないことで収益難となり、電力送電網管理者の視点では、電力系統の安全確保を最優先とするために致し方ない判断であるとされている。

太陽光発電できる時間帯に、発電できていないということは経済的な損失だけでなく、地球温暖化対策の機会逸失となり、国としても補助金を確保して、何とか太陽光発電の発電電力の有効利用化させるために、蓄電池の早期低コスト化の実現のために技術開発補助金支援や高価な蓄電池の設置補助金を拡充している。

しかしながら、蓄電池は高価なため普及が伸び悩んでいるのが実態である。

上記特許文献２では、電力需給制御において、揚水発電電源を用いることが記載されているが、電力需要を増加するように調整する場合に、揚水発電装置を運転させるかどうか判定する方法については言及されていない。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、電力需要調整の要請があったときに、揚水発電装置を運転させるかどうか判定することができる、揚水発電を用いた電力需要調整サーバ及び電力需要調整システムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために第１の発明に係る電力需要調整サーバは、水車が連結した発電電動機の下部に設置された下池から、上部に設置された上池にくみ上げた水を、前記上池から前記下池に流すことで発電する揚水発電装置を有する需要家の電力需要を調整するための、揚水発電を用いた電力需要調整サーバであって、電力需要を増加するように調整する際に、電力需要の調整に応じた単位当たりの報酬と、現在の単位当たりの電気料金とを取得する取得部と、揚水発電装置の特性と、発電時の単位当たりの電気料金とに基づいて、前記電力需要の調整において前記上池に水をくみ上げた場合の揚水発電期待値を算出する算出部と、電力需要の調整に応じた単位当たりの報酬と、現在の単位当たりの電気料金と、前記揚水発電期待値とに基づいて、電力需要を増加するように調整するか否かを判定する判定部と、前記判定部による判定結果に応じて前記揚水発電装置に対して運転指令を出力する出力部と、を含んで構成されている。

第１の発明によれば、取得部によって、電力需要を増加するように調整する際に、電力需要の調整に応じた単位当たりの報酬と、現在の単位当たりの電気料金とを取得する。算出部によって、揚水発電装置の特性と、発電時の単位当たりの電気料金とに基づいて、前記電力需要の調整において前記上池に水をくみ上げた場合の揚水発電期待値を算出する。そして、判定部によって、電力需要の調整に応じた単位当たりの報酬と、現在の単位当たりの電気料金と、前記揚水発電期待値とに基づいて、電力需要を増加するように調整するか否かを判定する。出力部によって、前記判定部による判定結果に応じて前記揚水発電装置に対して運転指令を出力する。

このように、揚水発電装置の特性と、発電時の単位当たりの電気料金とに基づいて、前記電力需要の調整において前記上池に水をくみ上げた場合の揚水発電期待値を算出し、電力需要の調整に応じた単位当たりの報酬と、現在の単位当たりの電気料金と、前記揚水発電期待値とに基づいて、電力需要を増加するように調整するか否かを判定することにより、電力需要調整の要請があったときに、揚水発電装置を運転させるかどうか判定することができる。

また、第２の発明に係る電力需要調整システムは、上記発明の電力需要調整サーバと、揚水発電装置と、を含む。

以上説明したように、本発明の揚水発電を用いた電力需要調整サーバ及び電力需要調整システムによれば、電力需要調整の要請があったときに、揚水発電装置を運転させるかどうか判定することができる、という効果が得られる。

本発明の実施の形態に係る電力需要調整システムを示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る揚水発電装置の構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係るサーバを示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係るサーバにおける需要調整処理ルーチンの内容を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

＜電力需要調整システムのシステム構成＞
図１に示すように、本発明の実施の形態に係る電力需要調整システム１００は、需要家毎に備えられた、太陽光発電装置１０、揚水発電装置１２、及び制御装置１６と、エネルギーセンター側に設けられたサーバ２０とを備えている。需要家毎の制御装置１６とサーバ２０は、インターネットなどのネットワーク４１を介して相互に接続されている。なお、サーバ２０が、電力需要調整サーバの一例である。

揚水発電装置１２は、例えば、屋外に設置される。揚水発電装置１２は、図２に示すように、水車（図示省略）が連結した発電電動機５４の下部に設置された下池５２から、ポンプ５６を用いて、上部に設置された上池５０にくみ上げた水を、上池５０から下池５２に流して水車を回すことで発電電動機５４が発電する。

より具体的には、揚水発電装置１２が連系する電力系統内の電力需要が多いときや、単位当たりの電気料金が高いときに、上池５０から下池５２への水の高低差および流量を利用して水車を回転させて発電電動機５４による発電運転を行う。一方、揚水発電装置１２が連系する電力系統内の電力需要の少ないときは、電力系統からの電力を利用してポンプ５６を作動させることで、下池５２から上池５０に水を汲み上げる揚水運転を行う。

制御装置１６は、サーバ２０から受信した、サーバ２０により決定された当該需要家における揚水発電装置１２の運転指令に基づいて、揚水発電装置１２の運転を制御する。

サーバ２０は、太陽光発電装置１０と揚水発電装置１２を各々有する需要家からなる需要家群の電力需要を調整する。

図３に示すように、サーバ２０は、通信部２２と、演算部２４とを備えている。演算部２４は、取得部３０と、算出部３２と、判定部３４と、出力部３６とを備えている。

通信部２２は、外部から電力需要調整の要請を受信する。また、通信部２２は、外部から、電力需要の調整に応じた単位当たりの報酬と、現在の単位当たりの電気料金とを受信する。

取得部３０は、電力需要を増加するように調整する際に、電力需要の調整に応じた単位当たりの報酬と、現在の単位当たりの電気料金と、予め定められた、各需要家の揚水発電装置１２の特性とを取得する。

算出部３２は、各需要家について、揚水発電装置１２の特性と、発電時の単位当たりの電気料金とに基づいて、電力需要の調整において上池５０に水をくみ上げた場合の揚水発電期待値を算出する。

具体的には、算出部３２は、各需要家について、当該需要家が有する揚水発電装置１２の特性に基づいて、所定時間だけ、下池５２から上池５０に水をくみ上げるように揚水発電装置１２を運転させた場合の揚水量に応じた発電量を算出し、算出した発電量と、発電時の単位当たりの電気料金とに基づいて、揚水発電期待値として、削減できる電気料金を算出する。

より具体的には、太陽光発電装置１０の発電しない夜間時間帯に、電力需要を増加するように電力需要調整の要請があった場合は、揚水発電期待値［円／ｋＷｈ］は以下の計算で求められる。

ここで、例えば、揚水ポンプの消費電力、発電電力は以下の式で求められる。

（揚水ポンプの消費電力）＝９．８ＱＨ／η_Ｐ
（発電電力）＝９．８ＱＨη_Ｇ

ここで、揚水発電装置１２の特性として、流量をＱ（ｍ^３／ｓ）、全揚程をＨ（ｍ）、ポンプ効率をη_Ｐ、発電効率をη_Ｇとする。一般にη_Ｐ、η_Ｇは０．６程度である。

例えば、定格出力１００ｋＷのモータで駆動するポンプ５６を用い、所定時間として３時間揚水した場合、
理論流量Ｑ＝消費電力×ポンプ効率η_Ｐ／（重力加速度×全揚程Ｈ）
であるため、全揚程Ｈ＝１０ｍ、ポンプ効率η_Ｐ＝０．６とすれば、理論流量Ｑは約３６．７ｍ^３／ｍｉｎ（＝１００（ｋＷ）×０．６×１０／（９．８（ｍ／ｓ^２）×１０（ｍ））なので、３時間で６６１２ｍ^３（＝３６．７×１８０）の水を上池５０に揚水できる。一般的には１００ｋＷ出力のＩＥ３グレードの高効率モータの効率は９６％程度であるが、ここではモータ効率は計算の便宜上１００％と考える。

発電時の流量を３６．７ｍ^３／ｍｉｎとし、全落差を１０ｍとし、発電効率η_Ｇ＝０．６とすると、３６ｋＷ（＝９．８×０．６１２×１０×０．６。ただし、０．６１２（ｍ^３／ｓ）＝３６．７（ｍ^３／ｍｉｎ）／６０）の発電を３時間継続することができ、合計１０８ｋＷｈの発電をすることができる。また、発電時の単位当たりの電気料金を３０円とすると、揚水発電期待値は、３２４０円（＝１０８×３０）となり、３２４０円の電気料金を削減することができる。

判定部３４と、電力需要の調整に応じた単位当たりの報酬と、現在の単位当たりの電気料金と、揚水発電期待値とに基づいて、電力需要を増加するように調整するか否かを判定する。

具体的には、太陽光発電装置１０の発電しない夜間時間帯において電力需要を増加させるように揚水する場合は、
（電力需要の調整に応じた単位当たりの報酬［円］＋揚水発電期待値［円］）＞当該時間帯の電気代［円］
である場合には、ポンプ５６による揚水を実行して、電力需要を増加するように調整すると判定する。

例えば、消費電力１００［ｋＷ］のポンプ５６で３時間揚水するとき、電力需要の調整に応じた１ｋＷｈあたりの報酬（２０円）を３時間にわたり得ることができる。
ポンプ５６の消費電力単位は（ｋＷ）であり、消費電力１００（ｋＷ）で一時間ポンプ揚水すれば、１００（ｋＷ）×１（ｈ）＝１００（ｋＷｈ）であり、１００（ｋＷ）で３時間ポンプ揚水すれば、１００（ｋＷ）×３（ｈ）＝３００（ｋＷｈ）となる。
従って、報酬は６０００円（＝３００（ｋＷｈ）×２０（円／ｋＷｈ））となる。

ただし、計算の便宜上、モータ効率を１００％とし、ポンプ効率を０．６と仮定しているため、モータ入力電力１００（ｋＷ）＝モータ定格出力１００（ｋＷ）であり、ポンプ機械出力６０（ｋＷ）である。

このように、３時間の揚水で１００ｋＷｈの電力需要を増加する場合、６０００円の報酬を得ることができる。さらに、揚水発電装置１２により放水発電する時間帯を、ダイナミックプライシング制度の電気代が高い時間帯とし、電気代が３０円／ｋＷｈの時間帯を選択し、放水発電したと考える。報酬［円］＋揚水発電期待値［円］は、９２４０円となる。一方、当該時間帯の電気代は、９０００円（＝３×１００×３０）である。

従って、９２４０円＞９０００円であるため、電力需要を増加するように調整すると判定する。

上記のように、揚水発電による発電電力量や、揚水消費電力量は一定値となるが、時間帯によって報酬額と当該時間帯の電気代単価は市場により変動する。従って、リアルタイムで電力市場価格を参照して、過去の電気代推移から、いつ放水発電すべきかを、学習モデルを用いて、最大利益を得られるように決定してもよい。

出力部３６は、各需要家に対して、判定結果に応じて揚水発電装置１２に対して運転指令を出力する。

＜電力需要調整システム１００の動作＞
次に、本実施形態に係る電力需要調整システム１００の動作について説明する。

電力需要調整の要請があったときに、サーバ２０により、図４に示す需要調整処理ルーチンが実行される。

まず、ステップＳ１００において、取得部３０は、電力需要を増加するように調整する際に、電力需要の調整に応じた単位当たりの報酬と、現在の単位当たりの電気料金と、揚水発電装置１２を有する各需要家の揚水発電装置１２の特性とを取得する。

ステップＳ１０２において、算出部３２は、揚水発電装置１２を有する各需要家に対して、揚水発電装置１２の特性と、発電時の単位当たりの電気料金とに基づいて、電力需要の調整において上池５０に水をくみ上げた場合の揚水発電期待値を算出する。

ステップＳ１０４において、判定部３４は、揚水発電装置１２を有する各需要家に対して、電力需要の調整に応じた単位当たりの報酬と、現在の単位当たりの電気料金と、揚水発電期待値とに基づいて、電力需要を増加するように調整するか否かを判定する。

ステップＳ１０６において、出力部３６は、揚水発電装置１２を有する各需要家に対して、判定結果に応じて揚水発電装置１２に対して運転指令を出力する。そして、需要調整処理ルーチンを終了する。

そして、需要家毎の制御装置１６は、受信した当該需要家の揚水発電装置１２の運転指令に基づいて、揚水発電装置１２の運転を制御する。

以上説明したように、本発明の実施の形態に係る電力需要調整システムによれば、揚水発電装置の特性と、発電時の単位当たりの電気料金とに基づいて、電力需要の調整において上池に水をくみ上げた場合の揚水発電期待値を算出し、電力需要の調整に応じた単位当たりの報酬と、現在の単位当たりの電気料金と、揚水発電期待値とに基づいて、電力需要を増加するように調整するか否かを判定することにより、電力需要調整の要請があったときに、揚水発電装置を運転させるかどうか判定することができる。

また、太陽光発電の供給力が電力需要に対して上回り太陽光発電事業者が売電できなくなることを抑制することができるため、太陽光発電事業者は、太陽光発電設備利用率を高め、発電事業の収益性を改善できる。

また、蓄電池は満充電になると電力消費できなくなるため、電力需要を増加するように調整する対応には限界があるが、揚水発電装置は、満水となっても自然循環させることで時間無制限に電力需要を増加するように調整することができる。具体的には、電力需要を増加させるように電力需要調整を要請する指示が長期間にわたり、上池容量が満杯になった場合に、揚水発電運転の制御を行うようにしてもよい。この場合、（電力需要の調整に応じた単位当たりの報酬［円／ｋＷｈ］）＞（当該時間帯の電気代［円／ｋＷｈ］）の条件を満たす場合、揚水運転を継続させてもよい。蓄電池は満充電になると、電力需要を増加させる電力需要調整のために使用できないが、一方、揚水発電装置では、無制限に電力需要を増加させる電力需要調整のために使用することができる。

また、揚水発電装置では、貯水槽である上池、下池と、既存の予備ポンプと発電機の追加設置で、自然動力を活用した蓄エネルギーシステムを実現することができるため、蓄電池に比較して産業廃棄物が少なく電力需要調整を実現できる。また、上池は非常時の備蓄水槽とみなすこともできる。

また、各需要家において揚水発電装置を設けることで、電力送電網管理者は、自らの投資で揚水発電所や、蓄電池導入等の設備投資を軽減させることができる。

また、需要家の電力需要がオーバーしないように、上池の放水発電することで電力需要調整を行うことができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。

例えば、電力需要調整の要請がないときに、揚水発電運転の制御を行うようにしてもよい。電力需要調整の要請がなくとも、電気代が安い時に揚水して、電気代が高い時間帯に発電することで、収益が出る場合は、自動的に揚水発電を実行することで、収益性を高めることができる。例えば、揚水電力が１００ｋＷｈ必要な場合、発電で得られる電力量はηＰ×ηＧ＝０．６×０．６＝０．３６のため、期待発電量が３６ｋＷｈとなるが、電気代が５円／ｋＷｈの時間帯に揚水し、電気代が２０円／ｋＷｈの時間帯に発電すれば、差し引きの収入は、（発電収入）－（揚水支出）＝２０×３６（円）－１００×５（円）＝２２０円となる。この場合、経済的なメリットがあるため、揚水発電装置を運転させると判定する。

１０ 太陽光発電装置
１２ 揚水発電装置
１６ 制御装置
２０ サーバ
２２ 通信部
２４ 演算部
３０ 取得部
３２ 算出部
３４ 判定部
３６ 出力部
５０ 上池
５２ 下池
５４ 発電電動機
５６ ポンプ
１００ 電力需要調整システム

Claims (4)

1. 水車が連結した発電電動機の下部に設置された下池から、上部に設置された上池にくみ上げた水を、前記上池から前記下池に流すことで発電する揚水発電装置を有する需要家の電力需要を調整するための、揚水発電を用いた電力需要調整サーバであって、
   電力需要を増加するように調整する際に、電力需要の調整に応じた単位当たりの報酬と、現在の単位当たりの電気料金とを取得する取得部と、
   揚水発電装置の特性と、発電時の単位当たりの電気料金とに基づいて、前記電力需要の調整において前記上池に水をくみ上げた場合の揚水発電期待値を算出する算出部と、
   電力需要の調整に応じた単位当たりの報酬と、現在の単位当たりの電気料金と、前記揚水発電期待値とに基づいて、電力需要を増加するように調整するか否かを判定する判定部と、
   前記判定部による判定結果に応じて前記揚水発電装置に対して運転指令を出力する出力部と、
   を含む電力需要調整サーバ。
2. 前記算出部は、前記揚水発電装置の特性に基づいて、所定時間だけ、前記下池から前記上池に水をくみ上げるように前記揚水発電装置を運転させた場合の揚水量に応じた発電量を算出し、前記算出した前記発電量と、発電時の単位当たりの電気料金とに基づいて、前記揚水発電期待値として、削減できる電気料金を算出する請求項１記載の電力需要調整サーバ。
3. 前記需要家は、太陽光発電装置を更に有する請求項１記載の電力需要調整サーバ。
4. 請求項１～請求項３の何れか１項記載の電力需要調整サーバと、
   揚水発電装置と、
   を含む電力需要調整システム。