JP2005333701A

JP2005333701A - 分散型エネルギーコミュニティシステムの運転計画作成方法、装置、およびプログラム

Info

Publication number: JP2005333701A
Application number: JP2004147773A
Authority: JP
Inventors: Akira Nakazawa; 朗中澤; Akira Takeuchi; 章竹内; Yasushi Hiraoka; 靖史平岡; Mitsuru Kudo; 満工藤; Masahito Maruyama; 雅人丸山
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2004-05-18
Filing date: 2004-05-18
Publication date: 2005-12-02

Abstract

【課題】分散型エネルギーコミュニティーシステムを運転制御する際の計算負荷を低減する。
【解決手段】初期運転計画部３５ａは各部３１〜３４からの情報を入力し、一定出力の燃料電池を決定し、各需要家が必要とする電力需要量と、燃料電池の一定出力と蓄電池の電力量を加えたものの差分を残りの燃料電池、蓄電池、電力系統２から賄えるように初期運転計画を作成する。運転計画変更部３５ｂは、燃料電池、蓄電池、および電力系統からの電力供給量が電力需要量を満足しながら、燃料電池が電力を発生させる際にかかる費用である燃料コストと、該電力を電力系統の電力価格で売買した金額の積算値である系統電力コストとの和であるランニングコストを最小化するように、最適化問題を解く手法を用いて、初期運転計画を修正して運転計画を作成し、その後熱電の需要量が変化すると運転計画を変更する。
【選択図】図１

Description

本発明は、各々がエネルギー発生装置とエネルギー蓄積装置を有し、かつ電力系統に接続された多数の需要家からなる分散型エネルギーコミュニティーシステムの制御方法および制御装置に関する。

複数の分散電源システムのエネルギーを有効に利用し低コストな運用制御を行う方法として、特許文献１に記載されている「分散型エネルギーコミュニティーシステムとその制御方法」がある。これは、制御センタが、分散電源システムの制御装置から通信線を介して燃料電池の発電量と蓄電池のエネルギー貯蔵量と負荷の電力消費量のデータを受信して、各分散電源システムに発電電力値および受送電電力値を指令して、電力需要の日負荷特性が異なる複数の分散電源システム間において電力線を介しての電力需給を補完制御するシステムである。
特開２００２−４４８７０号公報

しかしながら、上記システムは、エネルギー発生装置やエネルギー貯蔵設備の制御範囲を決定する制約条件が複雑化したり、制御対象の数が増加するに伴い、探索領域が増加するため、最適な運転計画の探索が困難になり、与えられた計算時間内に得られる運転計画の最適解の精度が悪くなるという問題があった。

また、上記システムでは、負荷である需要量の変動等の原因により、運転計画の変更が必要になった場合には、短時間での効率的探索が必要になる。

本発明の目的は、計算負荷が低減され、短時間で効率的に探索を行うことのできる分散型エネルギーコミュニティーシステムの運転計画作成方法および装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の分散型エネルギーコミュニティーシステムの運転計画作成方法は、
システム全体で１台または複数台のエネルギー発生装置および／またはエネルギー蓄積装置の出力を一定にし、前記需要家が必要とする電力需要量と、前記一定出力のエネルギー発生装置および／またはエネルギー蓄積装置の電力量の差分を残りのエネルギー発生装置および／またはエネルギー蓄積装置および電力系統からの電力で賄えるように各需要家の初期運転計画を作成する初期運転計画作成ステップと、
前記エネルギー発生装置、前記エネルギー蓄積装置、および前記電力系統からの電力供給量が電力需要量を満足しながら、前記エネルギー発生装置が電力を発生させる際にかかる費用である燃料コストと、該電力を電力系統の電力価格で売買した金額の積算値である系統電力コストとの和であるランニングコストを最小化するように、最適化問題を解く手法を用いて、前記初期運転計画を修正する運転計画修正ステップ
とを有する。

本発明は、分散型エネルギーコミュニティーシステムの最適運転計画を作成する際に、システム全体で１台または複数台のエネルギー発生装置および／またはエネルギー蓄積装置の出力を一定にし、需要量と該一定出力との差分を残りのエネルギー発生装置および電力系統からの電力でまかなえるように初期運転計画を作成し、最適化問題を解く手法を用いてランニングコストを最小化するように修正することを特徴とする。これにより、計算負荷を低減できる。
エネルギー発生装置の運転時間や起動回数を調整することで設備機器の更改時期を統一し、メンテナンス時における稼動費の削減が可能となる。
あるいは、負荷電力量が実績値と予測値が異なり、運転計画の変更が必要になった場合にも一定出力運転することで、需要家が熱を利用する時刻において必要な熱量を確実に発生し、なおかつ熱主電従運転した場合も高い発電効率で運転することが可能となる。

本発明によれば、所定数のエネルギー発生装置および／またはエネルギー蓄積装置の出力を一定にした運転計画を作成してから、組合せ最適化問題を解く手法を用いてエネルギー供給コストを低減する運転計画を探索することで、計算負荷を低減しながら短時間で効率的に探索を行うことが可能となる。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。

図１は本発明の一実施形態による分散型エネルギーコミュニティーシステム運転計画作成装置を含む分散型エネルギーコミュニティーシステムの構成を示している。同図に示すように、本分散型エネルギーコミュニティーシステムは需要家１₁、需要家１₂、・・・、需要家１_nといった複数の需要家と、電力系統２と、分散型エネルギーコミュニティーシステム運転計画作成装置３とから構成されている。各需要家１₁〜１_nはエネルギー発生装置として燃料電池１１、エネルギー蓄積装置として蓄電池１２、貯湯槽１３、エネルギー負荷として電力負荷１４、熱負荷１５を備えており、各需要家１₁〜１_nの燃料電池１１と蓄電池１２と電力負荷１４は図に細線で示す電力線２１で電力系統２に接続されており、熱負荷１５と貯湯槽１３は図に太線で示す熱配管２２で接続されている。ここで、各需要家１₁〜１_nに設置されるエネルギー発生装置とエネルギー蓄積装置の有無や種類、融通形態は任意であり、例えばエネルギー発生装置とエネルギー蓄積装置を複数有し、余った電力は融通する需要家や、電力負荷、熱負荷のみを所有する需要家、ガスタービンやニッケル水素電池を所有する需要家など、様々な需要家の形態が許容される。また、分散型エネルギーコミュニティーシステム運転計画作成装置３は各需要家１₁〜１_nにおける燃料電池１１と蓄電池１２を制御するために、図に点線で示す通信線２３により各需要家１₁〜１_nの燃料電池１１や蓄電池１２に接続され、また需要家１₁〜１_nは申告装置１６から通信線２３を介して熱負荷１５の使用時間帯等を分散エネルギーコミュニティーシステム運転計画作成装置３に申告する。

図２に示すように、分散型エネルギーコミュニティーシステム運転計画作成装置３は予測部３１と設備データ記憶部３２と申告情報受信部３３と価格情報受信部３４と運転計画部３５から構成されている。予測部３１は電力需要予測部３１ａと熱需要予測部３１ｂからなり、電力需要予測部３１ａで電力の需要予測を、熱需要予測部３１ｂで熱の需要予測を行う。設備データ記憶部３２は外部から燃料電池１１、蓄電池１２といった機器の設備データを取り込んで記憶する。申告情報受信部３３は各需要家１₁〜１_nにある申告装置１６から送信された申告情報を受信する。価格情報受信部３４は外部から電力とガスの価格情報を受信する。運転計画部３５は初期運転計画部３５ａと運転計画変更部３５ｂからなり、各需要家１₁〜１_nの運転計画を作成する。初期運転計画部３５ａは上記各部３１〜３４からの情報を入力し、システム全体の燃料電池１１のうちで一定出力の燃料電池１１を決定し、各需要家が必要とする電力需要量と、燃料電池１１の一定出力と蓄電池１２の電力量を加えたものとの差分を残りの燃料電池１１、蓄電池１２、電力系統２から賄えるように初期運転計画を作成する。運転計画変更部３５ｂは、燃料電池１１、蓄積電池１１、および電力系統２からの電力供給量が電力需要量を満足しながら、燃料電池１１が電力を発生させる際にかかる費用である燃料コストと、該電力を電力系統２の電力価格で売買した金額の積算値である系統電力コストとの和であるランニングコストを最小化するように、最適化問題を解く手法を用いて、初期運転計画を修正して運転計画を作成し、その後熱電の需要量が変化すると運転計画を変更する。なお、電力を売った場合、電力コストはマイナスであり、電力を買った場合の、電力コストはプラスとなる。

図３は図２に示した分散型エネルギーコミュニティーシステム運転計画作成装置３の全体動作を説明するためのフローチャートである。図３の処理は各需要家１₁〜１_nについて並行して行なわれる。同図に示すように、まず分散型エネルギーコミュニティー内における電力とガス（ガスは燃料電池１１に使用される）の価格が価格情報受信部３４で受信され（ステップ１０１）、需要家から申告された熱負荷１５の使用時間帯情報が申告情報受信部３３で受信される（ステップ１０２）。需要家は、図１の需要家に設置されている申告装置１６から通信線２３を介して分散型エネルギーコミュニティーシステム運転計画作成装置３へ需要家が申告する運転計画を送信する。この申告により、例えば需要家より騒音対策のため深夜は発電しないで欲しいという申告や、燃料電池１１を非常用電源として用いたいので常時運転したいといった申告に対応が可能である。続いて予測部３１にて熱電需要量予測手法によって電力と熱の需要量予測が行なわれる（ステップ１０３）。次に、初期運転計画部３５ａにて需要家の申告および予測された電力需要量によって運転計画が作成されるように一定出力運転をする燃料電池１１を決定する（ステップ１０４）。次に、運転計画変更部３５ｂにて需要電力量から一定出力運転をする燃料電池１１の電力量を差し引いた電力量の中で、一定出力運転しない燃料電池の電力量や、一定出力運転した場合でも一定出力運転したい時間帯以外の時間帯の電力量と蓄電池１２の電力量と系統電力量について、遺伝的アルゴリズムやタブーサーチといった最適化問題を解く手法を用いてランニングコストを最小化する（ステップ１０６）。遺伝子アルゴリズムでは、運転計画を遺伝子配列に例える。自然界ではいい個体（運転計画）が生き残り、悪いものは淘汰される（自然淘汰）。同じ世代には異なる個体がいくつか存在し、自然淘汰によっていい個体を選び出す。そのいい個体を次の世代に残し、次はそのいい個体を参考に新しい個体を生み出したり、突然変異によっていい個体が生まれるといった遺伝的なアルゴリズムで最適解を求める。具体的には、まず複数の運転計画を作成し、それぞれの運転計画のランニングコストを算出する。そこでランニングコストの安い運転計画をいい個体とし、ランニングコストの安い運転計画が次世代に生き残る確率を高く設定したルーレットをする。そのルーレットを次世代に残す個体数分だけ回し、自然淘汰によって現在の複数の運転計画から次世代に残す複数の運転計画を選び出す。次世代に残した複数の運転計画は交叉や突然変異により、新しい運転計画に変わり、再び自然淘汰に入る。これらの一連の作業を繰り返す。この時、一定出力運転する台数は可能な限り少なくするものとする。ここで収束判定を行い（ステップ１０７）、ある一定時間以上ランニングコストの最小値が更新されなかった場合、収束したものとして運転計画を決定し、更新され続けた場合も運転計画は決定するが（ステップ１０９）、収束しなかったものとして、次回の運転計画変更の際の、一定出力運転の燃料電池１１の台数を増やすものとする（ステップ１０８）。この後、負荷需要量の実測値が予測値と異なった場合、運転計画の変更を随時行う（ステップ１１０，１１１）。この後、電力と熱の需要を予測する（ステップ１１２）。

続いて、以上のように分散型エネルギーコミュニティーシステム運転計画作成装置３によって決定された一定出力運転を行う燃料電池の決定方法を説明する。

図４は運転時間、起動回数を調整する例のフローチャートである。図４に示すように熱電需要量の予測（ステップ１０３）を行った後に図２に示す設備データ記憶部３２より各燃料電池１１の運転時間や起動回数といった過去の運転履歴データベースを読み込む（ステップ１１３）。ここで、例えば運転時間の長い燃料電池１１は一定期間起動しないような運転計画を作成したり、起動回数が多い燃料電池１１を一定出力運転することで起動回数を減少させる運転計画を作成し（ステップ１１５）、初期運転計画を決定する（ステップ１０５）。運転計画が決定した（ステップ１０６〜１０９）後は、決定された運転計画に基づいて燃料電池１１を運転する（ステップ１１６）。運転履歴は図１の通信線２３を介して設備データ記憶部３２に随時記録される（ステップ１１７，１１８）。以上のように運転履歴データベースを利用することで、図５のように各燃料電池１１によって運転時間や起動回数が異なっていた場合に、上記運転計画を作成することで図６のように運転時間や起動回数を平準化することが可能となり、メンテナンス時期や設備更改時期を統一し、メンテナンス時における稼動費の削減を可能としたりすることができる。

図７は需要家が熱を利用する時刻ｔの熱量を事前に発生させるように燃料電池１１の運転出力、時間を決定する例のフローチャートである。図７に示すように熱電需要量の予測によって、各需要家ごとに熱利用の開始時刻ｔと開始時刻ｔまでに必要となる熱量を熱需要予測部３１ｂで予測する。ここで予測される熱量は需要家の申告によるものや熱需要予測結果によるものである。この予測された熱量のうち、一定出力運転で賄う熱量は時刻ｔにおける熱利用の確率が高い傾向を示す需要家の熱量を優先的に選択するようにして、一定出力運転する燃料電池１１を決定する（ステップ１２０，１２１）。ここで燃料電池１１の一定出力運転時間と発電出力は図８に示すように時刻ｔまでに必要な熱量を発生させて蓄積するように決定する（ステップ１２２）。ここで、発電出力は、発電効率が最大になるような出力にし、その発電出力時における単位時間当りの発生熱量を算出する（ステップ１２３，１２４）。また、一定出力運転時間は式（１）により算出するものとする（ステップ１２４）。なお、式（１）における時刻ｔに必要な熱量には時刻ｔまでに発生する放熱損失も含めるものとする。

一定出力運転時間＝時刻ｔに必要な熱量／最大発電効率における単位時間あたりの発生熱量（１）
以上のように算出し、予測された熱需要量を一定出力運転により発生させることで、運転計画が変更されても一定出力運転による熱量を確実に発生させることができ、需要家が時刻ｔに風呂に入りたいといったような申告にも対応できる。

図９は上述のように、ある一定台数の燃料電池１１を一定出力運転させた場合における分散型エネルギーコミュニティーシステム運転計画作成装置３の運転計画を示している。ここで需要家１₁は１２時に熱需要があることが予測され、需要家１₂は２４時に熱需要の申告があったため、各熱量を必要とする時間までに発生させるために各需要家の燃料電池１１をそれぞれ一定出力運転し、需要家１₃は非常用として燃料電池１１を使用するという需要家による申告により常時一定運転させ、需要家１₄，１₅は最適化問題を解く手法によって探索された運転計画であり、さらに需要家１₅は深夜は燃料電池を運転させたくないという申告を行っている。また、図９の最下段には系統電力量を示し、折れ線グラフは需要電力量を示す。図９のような需要電力量が存在した場合、従来の方法による探索範囲から一定台数の燃料電池を一定出力にすることにより探索範囲を減少させることができ、効率的な探索が可能になる。

以上での実施形態では、燃料電池１１のみ出力を一定としたが、蓄電池１２あるいは燃料電池１１と蓄電池１２の両方の出力を一定にするようにしてもよい。

なお、分散型エネルギーコミュニティーシステム運転計画作成装置の機能は専用のハードウェアにより実現されるもの以外に、その機能を実現するためのプログラムを、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行するものであってもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、フロッピーディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク装置等の記憶装置を指す。さらに、コンピュータ読み取り可能な記録媒体は、インターネットを介してプログラムを送信する場合のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの（伝送媒体もしくは伝送波）、その場合のサーバとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含む。

本発明の分散型エネルギーコミュニティーシステムの構成図である。図１中の分散型エネルギーコミュニティーシステム運転計画作成装置の構成図である。図２の分散型エネルギーコミュニティーシステム運転計画作成装置の全体動作を示すフローチャートである。運転時間、起動回数を調整する例のフローチャートである。各燃料電池によって運転時間や起動回数が異なっていた例を示す。図５の運転時間や起動回数を統一した例を示す。図７は時刻ｔの熱需要量を事前に発生させるように燃料電池の運転出力、時間を決定する例のフローチャートである。時刻ｔまでに需要熱量を発生させるように燃料電池を一定出力運転させる運転計画を示す図である。ある一定台数の燃料電池を一定出力運転させた場合における分散型エネルギーコミュニティーシステム運転計画作成装置の運転計画を示す図である。

符号の説明

１₁〜１_n 需要家
２電力系統
３運転計画作成装置
１１燃料電池
１２蓄電池
１３貯湯槽
１４電力負荷
１５熱負荷
１６申告装置
２１電力線
２２熱配管
２３通信線
３１予測部
３１ａ電力需要予測部
３１ｂ熱需要予測部
３２設備データ記憶部
３３申告情報受信部
３４価格情報受信部
３５運転計画部
３５ａ初期運転計画部
３５ｂ運転計画変更部
１０１〜１２４ステップ

Claims

エネルギー発生装置とエネルギー蓄積装置とエネルギー負荷を有し、電力系統に接続された多数の需要家からなる分散型エネルギーコミュニティーシステムの運転計画作成方法において、
システム全体で１台または複数台のエネルギー発生装置および／またはエネルギー蓄積装置の出力を一定にし、前記需要家が必要とする電力需要量と、前記一定出力のエネルギー発生装置および／またはエネルギー蓄積装置の電力量の差分を残りのエネルギー発生装置および／またはエネルギー蓄積装置および電力系統からの電力で賄えるように各需要家の初期運転計画を作成する初期運転計画作成ステップと、
前記エネルギー発生装置、前記エネルギー蓄積装置、および前記電力系統からの電力供給量が電力需要量を満足しながら、前記エネルギー発生装置が電力を発生させる際にかかる費用である燃料コストと、該電力を電力系統の電力価格で売買した金額の積算値である系統電力コストとの和であるランニングコストを最小化するように、最適化問題を解く手法を用いて、前記初期運転計画を修正する運転計画修正ステップと
を有することを特徴とする分散型エネルギーコミュニティーシステムの運転計画作成方法。
前記初期運転計画作成ステップにおいて、一定出力で運転するエネルギー発生装置をエネルギー変換効率が高いものから選択する、請求項１に記載の方法。
前記初期運転計画作成ステップにおいて、前記エネルギー発生装置の運転時間、起動回数を運転履歴データベースに記録し、該運転履歴データベースの記録に基づいて前記初期運転計画を作成する、請求項１に記載の方法。
前記初期運転計画作成ステップにおいて、前記需要家の予測された熱需要量を供給できるだけの熱量を事前に発生させて貯蔵するように、エネルギー発生装置を一定出力で運転する初期運転計画を作成する、請求項１に記載の方法。
前記初期運転計画作成ステップにおいて、前記需要家から通信手段を介して一定出力運転の申告があった前記エネルギー発生装置やエネルギー蓄積装置と、一定出力する運転時間帯に基づいて、初期運転計画を作成する、請求項１に記載の方法。
エネルギー発生装置とエネルギー蓄積装置とエネルギー負荷を有し、電力系統に接続された多数の需要家からなる分散型エネルギーコミュニティーシステムの運転計画作成装置であって、
前記各需要家の電力および熱の電力予測を行なう予測手段と、
電力およびガスの価格情報を受信する価格情報受信手段と、
システム全体で１台または複数台のエネルギー発生装置および／またはエネルギー蓄積装置の出力を一定にし、前記需要家が必要とする、前記予測手段で予測された電力需要量と、前記一定出力のエネルギー発生装置および／またはエネルギー蓄積装置の電力量の差分を残りのエネルギー発生装置および／またはエネルギー蓄積装置および電力系統からの電力で賄えるように各需要家の初期運転計画を作成する初期運転計画作成手段と、
前記エネルギー発生装置、前記エネルギー蓄積装置、および前記電力系統からの電力供給量が電力需要量を満足しながら、前記価格情報に基づく、前記エネルギー発生装置が電力を発生させる際にかかる費用である燃料コストと、該電力を電力系統の電力価格で売買した金額の積算値である系統電力コストとの和であるランニングコストを最小化するように、最適化問題を解く手法を用いて、前記初期運転計画を修正する運転計画修正手段と
を有する分散型エネルギーコミュニティーシステム運転計画作成装置。
請求項１から５のいずれかに記載の分散型エネルギーコミュニティーシステムの運転計画作成方法をコンピュータで実行するためのプログラム。