TWI397864B - 能量儲存裝置之運轉計畫製作方法以及運轉計畫製作裝置 - Google Patents

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Description

能量儲存裝置之運轉計畫製作方法以及運轉計畫製作裝置
本發明是有關於一種具有多樣的能量形態之能量系統中的能量儲存裝置的運轉計畫製作方法以及運轉計畫製作裝置。
近年來，從地球環境保護及節省能量的觀點出發，同時以多樣的能量形態作為對象之能量系統正在增加。
例如，在發電時回收來自發電設備的排出熱量，並轉換為適合利用形態的熱，且與電力一起進行供給之所謂的熱電並行供給系統，就是瞄準實現接近于只利用產生電力之情況的成倍效率那樣極高的綜合效率。
圖7所示為某一區域的某一日的電力需要和熱需要之時間的變化的標繪圖，是在橫軸上表示時間，在縱軸上表示電力負荷及熱負荷。由該圖7可知，因為通常熱供給可與發電同時進行，所以在熱電並行供給系統中，為了達成高綜合效率的條件是，電力的需要狀況和熱的需要狀況在量上和時間上基本一致。
但是，實際上電力的需要狀況和熱的需要狀況未必一致，所以在為了符合電力或熱的某一方的需要而供給的情況下會產生剩餘，形成無法得到當初所期待的那種綜合效率之問題。因此，考慮藉由導入蓄電裝置或蓄熱裝置而確保高綜合效率的對策。
在導入了蓄電裝置或蓄熱裝置或者這兩者的系統中所 形成的課題是，當考慮了在某一期間中的運轉時，在哪一時序對蓄電裝置或蓄熱裝置進行蓄電或蓄熱合理，或者在哪一時序從蓄電裝置或蓄熱裝置進行放電或放熱合理。在考慮了某一期間中的蓄電裝置或蓄熱裝置的運轉之情況下，由於蓄電裝置或蓄熱裝置的容量的約制，不能單方面持續地進行放電或放熱，在某一時間帶因放電或放熱而減少的蓄電或蓄熱量的部分，需要在別的時間帶進行蓄電或蓄熱以挽回蓄電或蓄熱量。而且，這些裝置可以預想是同時最佳化的情況較獨立考慮的情況更加具有效果。
在習知的能量系統的運轉計畫製作方法中，關於例如蓄電裝置，一般是確定在夜間進行蓄電的時間帶和在電力負荷的峰值時進行放電的時間帶，並製作按照規則進行運轉的計畫。
在這種能量系統的運轉計畫製作方法中，發現可直接應用混合整數計劃問題(專利文獻1)。而且，作為其代替方案，提出有應用亞啟發式(meta-heuristic)算法而求取近似解的方法(專利文獻2)。
專利文獻1：日本專利早期公開之特開2005-257097號公報
專利文獻2：日本專利早期公開之特開2004-171548號公報
非專利文獻1：〔岩波講座 應用數學15〔方法7〕最佳化法〕(藤田宏，今野浩，田邊國士(1998))
對將多樣的能量形態同時作為對象的能量系統，在習 知的能量系統運轉計畫執行方法中，並未確立一種實用方法，以求取使2種以上的能量儲存裝置同時最佳化之運轉計畫，所以從能量系統總體來看，未必可以說是最佳的運轉。
例如，在應用專利文獻1所示的混合整數計畫問題的情況下，現在的技術所處理的課題只限定於混合整數2次計畫問題，所以，能源系統所存在的機器的燃料消耗特性限定為以下凸的2次式所表現的單純的特性。而且，通常這種混合整數2次計畫問題多因為計算時間的限制而不用於實用。
而且，在應用專利文獻2所示的亞啟發式算法的情況下，雖然通常亞啟發式算法可在現實的計算時間內得到解，但因為說明容易性欠缺的情況較多，所以存在結果的解析困難之課題。
本發明是為了解決上述習知技術的問題而形成的，其目的是提供一種能量儲存裝置的運轉計畫製作方法以及運轉計畫製作裝置，在以多個種類的能量作為對象的多樣能量系統中，求取能量儲存裝置的最佳的運轉，並使能量系統全體的效率提高。
本發明的能量儲存裝置的運轉計畫製作方法，為一種具有能量產生裝置群和能量儲存裝置群之能量系統中的能量儲存裝置的運轉計畫製作方法，其中，能量產生裝置群是由多個能量產生裝置構成，能量儲存裝置群是由能夠進 行能量的產生及儲存這兩項的多個能量儲存裝置構成，該能量儲存裝置的運轉計畫製作方法的特徵在於，實行：能量需要預測處理，其預測在規定期間的各時間帶中的能量系統全體的需要；能量產生裝置運轉計畫執行處理，其賦予前述各能量產生裝置提供規定期間之各時間帶能量需要的運轉計畫；對賦予前述各能量產生裝置應分擔的負荷，多個同時或單獨地進行變化某一離散量，並從該變化計算能量供給成本的變化之處理；能量儲存裝置運轉計畫製作處理，其根據所預測的前述能量需要及前述運轉計畫，以能量產生裝置在該期間的能量供給成本的合計最小之形態，而決定前述能量儲存裝置的運轉計畫。而且，本發明也包括抓住這種方法的特徵而作為裝置特徵的裝置。
藉由本發明的實施，可執行使能量系統全體的系統效率提高之供需運轉計畫。而且，如利用本發明的方法，則即使在能量系統所存在的機器的特性與習知情況相比具有複雜的非線形性的情況下，也可比較簡單地進行處理。而且，因為將原來複雜的問題分解為比較單純且可獨立求解的部分問題進行處理，所以每一部分問題所得到的結果的解析比較容易，因此被認為是解析的說明容易性高的方法。從處理時間的觀點來看，因為本發明的方法可進行並行計算，所以藉由並行應用例如多個計算機，可使處理高速化。
如利用本發明，則可提供一種能量儲存裝置的運轉計畫執行方法以及運轉計畫執行裝置，在以多個種類的能量 作為對象的多樣能量系統中，求取能量儲存裝置的最佳運轉，並使能量系統全體的效率提高。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式詳細說明如下。
本發明一般適用於包含熱電並行供給系統的能量系統。這種情況的能量系統的運轉計畫執行方法，是根據所給予的能量系統全體的電熱需要、起動停止計畫(各機器的起動/停止資訊)、蓄電裝置的蓄電量預測值、蓄熱裝置的蓄熱量預測值，計算多個時間帶的能量產生裝置的能量供給成本形成最小之輸出分配值，執行運轉計畫。以下，對用於實施本發明的最佳的實施形態，參照圖1~圖6而具體地進行說明。另外，對各圖中相同的部分付以相同的符號，並根據情況省略重複的說明。
〔1．第1實施形態〕 〔1-1．概略的構成及作用〕
圖1所示為本發明的第1實施形態(以下在本項中稱作〔本實施形態〕)的全體構成圖，更具體地說，是表示能量系統運轉計畫執行裝置1和能量系統2的連接構成，以及在此基礎上的能量和控制資訊的流程的框圖。
能量系統運轉計畫執行裝置1概略而言，是製作能量儲存裝置的運轉計畫D4、能量產生裝置的修正後的運轉計畫D5和能量儲存裝置的修正後的運轉計畫D6，並分別交 接到能量系統2的機器控制裝置20。
接收這些計畫的機器控制裝置20根據儲存裝置運轉計畫D4、產生裝置修正後運轉計畫D5及儲存裝置修正後運轉計畫D6，將用於控制各機器的資訊，通過控制信號傳達裝置31，向發電設備等能量產生裝置群21和蓄電裝置或蓄熱裝置等能量儲存裝置群22進行傳達。對能量負荷23，從能量產生裝置群21或能量儲存裝置群22，通過能量傳達裝置32而供給能量。
在該能量系統運轉計畫執行裝置1的內部，設置有能量需要預測裝置11、能量產生裝置運轉計畫製作裝置12和能量儲存裝置運轉計畫製作裝置13。
能量需要預測裝置11是預測將來的能量需要，並製作能量需要預測，且使其在記憶裝置D1中進行記憶的裝置。而且，能量產生裝置運轉計畫製作裝置12是根據在機器設備數據庫D3中所記憶的機器設備資訊，製作能量產生裝置的運轉計畫，亦即，製作各機器的起動或停止資訊，並使其在記憶裝置D2中進行記憶之裝置。另外，這些能量需要的預測及能量產生裝置的運轉計畫的製作方法，是與習知技術相同。
在本實施形態中具有特徵的是，能量儲存裝置運轉計畫製作裝置13中的處理。該能量儲存裝置運轉計畫製作裝置13根據記憶裝置D1中所記憶的能量預測需要和記憶裝置D2中所記憶的能量產生裝置運轉計畫以及機器連接資訊這3個資訊，作成能量儲存裝置運轉計畫、能量產生裝 置修正後運轉計畫和能量儲存裝置修正後運轉計畫，並發送到機器控制裝置20。以下對該能量儲存裝置運轉計畫製作裝置13的構成，詳細地進行說明。
〔1-2.具體的構成及作用〕
根據上述的本實施形態的概略，對能量儲存裝置運轉計畫製作裝置13的具體構成，參照圖2的框圖進行說明。如圖2所示，能量儲存裝置運轉計畫製作裝置13具有約制設定裝置131、非線形計畫問題求解裝置132和動態計畫問題求解裝置133。
約制設定裝置131是輸入記憶裝置D1所記憶的能量需要預測、記憶裝置D2所記憶的能量產生裝置運轉計畫及機器設備數據庫D3所記憶的機器設備資訊這3個輸入，並對非線形計畫問題求解裝置132賦予問題的設定條件。
非線形計劃問題求解裝置132是對從機器設備數據庫D3所得到的能量儲存裝置的儲存量變化之離散量(以下也稱作〔儲存量步驟〕。)的各個組合，使給予應分擔的負荷之每一離散量多個同時或單獨地進行變化，並從該變化計算能量供給成本的變化，且存儲在能量供給成本變化D131中。
動態計畫問題求解裝置133使用在能量供給成本變化D131中所存儲的值，並求取能量儲存裝置的最佳運轉計畫且輸出到D4。由於同時可求取修正的能量產生裝置的最佳運轉計畫，所以輸出到D5。
首先，對非線形計畫問題求解裝置132的處理進行說明。非線形計畫問題求解裝置132是對能量儲存裝置的儲存量步驟的組合而求解以下的最佳化問題。圖3所示為2個能量儲存裝置的儲存量步驟的組合示意。對該圖所示的網狀的各個組合，利用以下的式子求取能量供給成本變化。
〔數1〕目的函數：(能量供給成本最小化)約制條件：設能量產生裝置的起動．停止狀態為ui,t 所與。(負荷率的限制)(能量平衡約制)…(式1)
在這裡
t：時間帶標字
i：能量產生裝置標字
s：能量儲存裝置標字(也是能量種類標字)
N：能量系統內的能量產生裝置數
S：能量系統內的能量儲存裝置數
fi ：對能量產生裝置i的負荷率之能量供給成本特性
vi,t ：能量產生裝置i的時間帶t的負荷率
Pi,s ：能量產生裝置i的能量種類s的輸出特性
j(s)：能量儲存裝置s的儲存量變化步驟
△DPs,j(s) ：能量儲存裝置s的儲存量變化步驟j(s)的能量儲存量變化
ηs ：能量儲存裝置s的儲存效率
另外，在式1中，能量平衡約制是採用等式表現，但在包含不等式約制的情況下也可進行同樣的處理。
對如上述式1那樣的連續型的非線形問題，可藉由應用例如逐次2次計畫法而得到解。逐次2次計畫法是在各反復中對于原來的問題以近似的2次計畫問題逐次求解的方法，但其詳細內容在例如非專利文獻1中有所說明，所以這裡省略。如利用這種方法，則能量供給成本特性不限定於2次特性。
接著，對動態計畫問題求解裝置133進行說明。
在此之後，全能量儲存裝置的能量儲存量是利用以下的矢量進行表示。該矢量也稱作能量儲存狀態。
Vt,s,m
在這裡，t，s，m分別為表示以下內容的標字。
t：時間帶
s：能量儲存裝置號碼
m：儲存量步驟
從時間帶t-1向時間帶t之全能量儲存裝置的能量儲存狀態的變化，是由以下的矢量進行表示。
△DPt,s,m,l =Vt,s,m -Vt-1,s,l
該變化量為了確保能量系統全體的能量供需平衡，而反映到其他的能量產生裝置的產生能量。因此，藉由將該矢量值代入(式1)中並求解非線形計畫問題，可從能量儲存量Vt-1,s,l ，計算對能量儲存量Vt,s,m 的能量產生裝置的能量供給成本變化。
△C(Vt-1,s,l’ ，Vt,s,m )
實際上，本值是使用在能量供給成本變化D131中所存儲的值。當考慮能量存儲狀態的時間遷移時，是將連結能量存儲狀態間的路徑稱作通路。可利用以下的式2，計算在某一時間帶t-1的能量儲存量Vt-1,s,l 之能量供給成本變化量形成最小的通路，以及當求取到時間帶t-1為止的能量產生裝置的能量供給成本變化合計Φ(Vt-1,s,l )時，到達下一時間帶t的能量儲存量之最佳通路。
Φ(V t ,s ,m )=min[Φ(V t -1,s ,l )+△C(V t ,s ,m )]…式2
通常，也可賦予能量儲存量的始端、終端條件、容量上下限。
藉由從初期時間帶到最終時間帶逐次實行該計算，可計算最終時間帶的能量供給成本變化，並可選擇其中能量供給成本變化最小(亦即，能量產生裝置的能量供給成本 削減效果最大的)的通路，而該通路亦即能量儲存裝置的最佳的運轉計畫。
〔1-3.效果〕
如利用本實施形態，則可製成使能量系統全體的系統效率提高之供需運轉計畫。而且，如利用本實施形態的方法，則即使在能量系統所存在的機器的特性與習知情況相比具有複雜的非線形性之情況下，也可比較容易地進行處理。而且，因為將原來複雜的問題分解為比較單純且可獨立求解的部分問題進行處理，所以每一部分問題所得到的結果的解析比較容易，因此被認為是解析的說明容易性高的方法。從處理時間的觀點來看，因為本發明的方法可進行並行計算，所以藉由並行應用例如多個計算機，可使處理高速化。
如利用以上那樣的本實施形態，則可依據所賦予的能量系統全體的預測需要、能量產生裝置的運轉計畫(各機器的起動/停止資訊)，計算多個時間帶的能量產生裝置之能量供給成本最小的輸出分配值。藉此，在以多個種類的能量作為對象的多樣的能量系統中，可求取能量儲存裝置的最佳運轉，使能量系統全體的效率提高。
〔2.第2實施形態〕
下面對第2實施形態(以下在本項中稱作〔本實施形態〕)，利用圖4的框圖進行說明。本實施形態是對第1實施形態的能量儲存裝置運轉計畫執行裝置13的具體構成施加改良。另外，其它的構成由於與第1實施形態相同， 所以省略說明。
在圖4中，約制設定裝置135是接收記憶裝置D1中所記憶的能量預測需要、記憶裝置D2中所記憶的能量產生裝置運轉計畫以及機器設備數據庫D3中所記憶的機器設備資訊這3個資訊的輸入，並對非線形計畫問題求解裝置136賦予問題的設定條件。
非線形計畫問題求解裝置136從作為能量存儲裝置運轉計畫D4，得到能量儲存裝置的儲存量步驟值。將該步驟值作為約制條件，計算能量產生裝置及能量儲存裝置的最佳分配，並將能量產生裝置修正後運轉計畫輸出到記憶裝置D5，且將能量儲存裝置修正後運轉計畫輸出到記憶裝置D6。
非線形計畫問題求解裝置136求解以下的最佳化問題。在這裡，能量儲存量步驟約制表示，從記憶裝置D4記憶的能量儲存裝置運轉計畫所求取之能量儲存裝置的儲存量步驟值的範圍內有能量儲存量。圖5所示為上述第1實施形態求取的離散的解，和本實施形態求取的連續值的解之不同。亦即，如圖5(a)所示，利用第1實施形態的方法所求取的解，形成網狀的格子點。而且，如圖5(b)所示，本實施形態的方法可在網內的任意範圍內取值，並求解下一最佳化問題。
〔數3〕目的函數：(能量供給成本最小化) 約制條件：(負荷率的限制)(能量儲存量步驟約制)(能量平衡約制)…(式3)(能量儲存裝置始端、終端約制)
在這裡
T：計算期間
如利用以上的第2實施形態，則可得到較第1實施形態的方法更高精度的解。
〔3.第3實施形態〕
下面對第3實施形態(以下在本項中稱作〔本實施形態〕)，利用圖6的框圖進行說明。本實施形態可替換第1實施形態中的能量儲存裝置運轉計畫執行裝置13，而使用能量供給單價計算裝置14、起動停止順序計算裝置15和能量產生裝置起動停止考慮型的能量儲存裝置運轉計畫執行裝置16。另外，其它的構成由於與第1實施形態相同，所以省略說明。
能量供給單價計算裝置14製作能量供給單價，並將其在記憶裝置D7中進行記憶。起動停止順序計算裝置15根據該能量供給單價的輸入，製作起動停止順序，並在記憶裝置D8中進行記憶。
能量產生裝置起動停止考慮型的能量儲存裝置運轉計畫製作裝置16製作能量儲存裝置運轉計畫D4、能量產 生裝置修正後運轉計畫D5及能量儲存裝置修正後運轉計畫D6。
由能量單價計算裝置14所計算的運轉單價，是利用例如以下的(式4)進行計算。
因為越是該值大的能量產生裝置被認為運轉效率越差，所以成為停止候補。反之，起動候補則用例如最大負荷率的(式4)的值小之能量產生裝置。
因此，起動停止順序計算裝置15按照該值大的順序分類能量產生裝置。能量產生裝置起動停止考慮型的能量儲存裝置運轉計畫製作裝置16，在按照起動停止順序D8的順序而停止發電機之條件的基礎上，進行(式1)的評價式，在此之後，與第1實施形態所示的程序同樣地，製成能量儲存裝置運轉計畫D4、能量產生裝置修正後運轉計畫D5和能量儲存裝置修正後運轉計畫D6。
如利用以上那樣的第3實施形態，則可從當初所給予的能量產生裝置運轉計畫，製作更低成本的能量產生裝置運轉計畫以及能量儲存裝置運轉計畫。
1‧‧‧能量系統運轉計畫製作裝置
2‧‧‧能量系統
11‧‧‧能量需要預測裝置
12‧‧‧能量產生裝置運轉計畫製作裝置
13‧‧‧能量儲存裝置運轉計畫製作裝置
14‧‧‧能量供給單價計算裝置
15‧‧‧起動停止順序計算裝置
16‧‧‧能量產生裝置起動停止考慮型的能量儲存裝置運轉計畫製作裝置
20‧‧‧機器控制裝置
21‧‧‧能量產生裝置群
22‧‧‧能量儲存裝置群
23‧‧‧能量負荷
24‧‧‧電力負荷
25‧‧‧熱負荷
31‧‧‧控制信號傳達裝置
32‧‧‧能量傳達裝置
131‧‧‧約制設定裝置A
132‧‧‧非線形計畫問題求解裝置A
133‧‧‧動態計畫問題求解裝置
135‧‧‧非線形計畫問題求解裝置B
136‧‧‧非線形計畫問題求解裝置B
D1、D2‧‧‧記憶裝置
D3‧‧‧機器設備數據庫
D4‧‧‧能量儲存裝置的運轉計畫
D5‧‧‧能量產生裝置的修正後的運轉計畫
D6‧‧‧能量儲存裝置的修正後的運轉計畫
D7‧‧‧能量供給單價
D8‧‧‧起動停止順序
D131‧‧‧能量供給成本變化
圖1所示為關於本發明的第1實施形態之能量系統的全體構成的框圖。
圖2所示為關於本發明的第1實施形態之能量系統的 部分構成的框圖。
圖3所示為關於本發明的第1實施形態的能量儲存裝置的儲存量步驟之組合的示意圖。
圖4所示為關於本發明的第2實施形態的能量系統之部分構成的框圖。
圖5所示為本發明的第1實施形態的解和第2實施形態的解之不同點的示意圖。
圖6所示為關於本發明的第3實施形態之能量系統的全體構成的框圖。
圖7所示為電力負荷及熱負荷的一日變化例的圖示。
圖8所示為對電熱產生裝置的負荷率之發電輸出及回收熱量例的圖示。
1‧‧‧能量系統運轉計畫製作裝置
2‧‧‧能量系統
11‧‧‧能量需要預測裝置
12‧‧‧能量產生裝置運轉計畫製作裝置
13‧‧‧能量儲存裝置運轉計畫製作裝置
20‧‧‧機器控制裝置
21‧‧‧能量產生裝置群
22‧‧‧能量儲存裝置群
23‧‧‧能量負荷
32‧‧‧能量傳達裝置
D1、D2‧‧‧記憶裝置
D3‧‧‧機器設備數據庫
D4‧‧‧能量儲存裝置的運轉計畫
D5‧‧‧能量產生裝置的修正後的運轉計畫
D6‧‧‧能量儲存裝置的修正後的運轉計畫

Claims (4)

  1. 一種能量儲存裝置的運轉計畫製作方法，為一種具有能量產生裝置群和能量儲存裝置群之能量系統中的能量儲存裝置的運轉計畫製作方法，其中，能量產生裝置群是由多個能量產生裝置構成，能量儲存裝置群是由能夠進行能量的產生及儲存這兩項的多個能量儲存裝置構成，該能量儲存裝置的運轉計畫製作方法的特徵在於，實行：能量需要預測處理，預測在規定期間的各時間帶中的能量系統全體的需要；能量產生裝置運轉計畫製作處理，賦予前述各能量產生裝置提供規定期間之各時間帶的能量需要的運轉計畫；對賦予前述各能量產生裝置應分擔的負荷，多個同時或單獨地進行變化某一離散量，並從該變化計算能量供給成本的變化之處理；能量儲存裝置運轉計畫製作處理，根據所預測的前述能量需要及前述運轉計畫，以能量產生裝置在該期間的能量供給成本的合計最小之形態，而決定前述能量儲存裝置的運轉計畫。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的能量儲存裝置的運轉計畫製作方法，其中，前述能量儲存裝置運轉計畫製作處理是在賦予了各能量儲存裝置的儲存量變化的離散量時，以在所賦予的前述離散量的範圍內可取得連續值的條件上，能量產生裝置的在該期間的能量供給成本的合計形成最小之形態，而決定各能量儲存裝置的運轉計畫。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的能量存儲裝置的運轉計畫製作方法，其特徵為，實行能量供給單價計算處理，計算任意的能量產生裝置的任意時間帶的能量供給單價；起動停止計畫變更處理，從所賦予的能量產生裝置的運轉計畫，變更任意能量產生裝置的任意時間帶的起動停止狀態。
  4. 一種能量儲存裝置的運轉計畫製作裝置，為一種具有能量產生裝置群和能量儲存裝置群之能量系統中的能量儲存裝置的運轉計畫製作裝置，其中，能量產生裝置群是由多個能量產生裝置構成，能量儲存裝置群是由能夠進行能量的產生及儲存這兩項的多個能量儲存裝置構成，該能量儲存裝置的運轉計畫製作裝置的特徵在於，包括：能量需要預測裝置，預測在規定期間的各時間帶中的能量系統全體的需要；能量產生裝置運轉計畫製作裝置，賦予前述各能量產生裝置，提供規定期間之各時間帶的能量需要的運轉計畫；計算裝置，對賦予了前述各能量產生裝置應分擔的負荷，多個同時或單獨地進行變化某一離散量，並從該變化計算能量供給成本的變化之裝置；能量儲存裝置運轉計畫製作裝置，根據所預測的前述能量需要及前述運轉計畫，以能量產生裝置在該期間的能量供給成本的合計最小之形態，而決定前述能量儲存裝置的運轉計畫。
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