JP2009240080A

JP2009240080A - エネルギーシステム運転計画作成装置および方法

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Publication number: JP2009240080A
Application number: JP2008083624A
Authority: JP
Inventors: Akira Takeuchi; 章竹内; Yosuke Nozaki; 洋介野崎; Toshihiro Hayashi; 俊宏林; Toyonari Shimakage; 豊成島陰
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; NTT Facilities Inc
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; NTT Facilities Inc
Priority date: 2008-03-27
Filing date: 2008-03-27
Publication date: 2009-10-15
Anticipated expiration: 2028-03-27
Also published as: JP4550914B2

Abstract

【課題】局所解に陥ることなく、エネルギー発生装置とエネルギー蓄積装置とを備えて負荷にエネルギーを供給するエネルギーシステムの最適な運転計画を作成する。
【解決手段】運転計画作成装置１０は、エネルギーシステムでの過去の計測データを蓄積するデータ蓄積部１７と、外部から与えられた情報と過去の計測データとに基づいて、エネルギー発生量および負荷量の予測値を算出する予測演算部１２と、エネルギー発生装置とエネルギー蓄積装置をモデル化し、評価関数によってモデルを用いて運転計画の評価値を算出する評価関数演算部１３と、評価値が最適となるような運転計画を探索する最適運転計画探索部１４と、最適運転計画探索部１４での探索結果に応じ、評価関数演算部１３でのモデルにおけるパラメータを調整するモデルパラメータ調整部１５と、有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、エネルギーを供給するエネルギーシステムの運転計画を作成するための装置および方法に関する。

太陽電池や燃料電池などの１または複数のエネルギー発生装置と蓄電池や蓄熱装置などの１または複数のエネルギー蓄積装置とを設け、電力や熱などの形態で１または複数のエネルギー負荷に対してエネルギーを供給できるようにしたシステムとして、エネルギーシステムがある。このようなエネルギーシステムは、マイクログリッドなどと呼ばれて分散型エネルギー源を実現するものとして注目されており、電力系統（商用電源）から電力とエネルギーシステム内で発生させた各種の熱エネルギーとを組み合わせて負荷にエネルギーを供給することによって、高いエネルギー効率を達成して低コストで、かつ安定して、各負荷に対してエネルギーを供給する。エネルギーシステムは、電力系統から供給される電力の変動を抑えて系統へ影響を及ぼすことなく、変動の大きい自然エネルギーを活用しつつ、負荷に対して電力や熱などのエネルギーを安定供給する。このようなエネルギーシステムには、系統電源の喪失（停電時）においても負荷にエネルギーを供給することができる、という利点もある。

複数のエネルギー発生装置および複数のエネルギー蓄積装置を備えるエネルギーシステムを運転する場合には、事前に、天候や時間帯などによる負荷の変動や各エネルギー発生装置でのエネルギー発生量の変動を予測して運転計画を定めることが望ましい。特許文献１（特開２００５−１３０５５０号公報：分散型エネルギーシステム運転計画作成装置および作成方法）には、複数のエネルギー発生装置および複数のエネルギー蓄積装置の運転計画を作成する方法として、エネルギーの蓄積や放出のバランス等を考慮してランニングコストを最小化するように運転計画を定める方法が開示されている。

このような最小化を実現する計画を定める、すなわち最適化問題を解くための有力な手法として、タブーサーチ(tabu search)や遺伝的アルゴリズム等のメタヒューリスティック手法がある。メタヒューリスティック手法は、最適化の対象の関数形に依存せすに比較的高速に大域的最適解の高精度な近似解を求めることができるため、発電計画等に用いられるようになってきた（非特許文献１を参照）。
特開２００５−１３０５５０号公報竹内章、工藤満、中澤朗、遠藤久仁、「エネルギーネットワークの最適制御技術」、ＮＴＴ技術ジャーナル、第１８巻第１号、第２９頁〜第３２頁、２００６年１月

しかしながら、上述した従来の手法によりエネルギーシステムの運転計画を作成する場合に、系統への影響を最小限にするため例えば電力系統からの電力供給量（買電量）を一定あるいは時間帯に応じた所望のパターンにする、燃料電池等の出力変動がその寿命に与える影響が懸念されるエネルギー発生装置については、そのエネルギー発生量をできるだけ滑らかにする、あるいはエネルギー蓄積装置の一つである蓄電装置の充放電量等の制約や充放電バランスを考慮する、などの様々な複雑な制約条件の下で運転計画を作成しようとすると、最適化問題を解く際に用いる評価関数や制約条件等が滑らかでなくなり、局所解に陥りやすい。すなわち、従来の手法では、複雑な制約条件の下で作成される運転計画が大域的に最適なものとはなりにくい、という課題がある。

本発明の目的は、評価関数や探索空間を滑らかにすることができる評価関数作成方法や最適探索方法を適用することにより、上記のような様々な制約条件を考慮する場合であっても、大域的な探索を実現してエネルギーシステムの運転計画を作成する運転計画作成装置を提供することにある。

本発明の別の目的は、評価関数や探索空間を滑らかにすることができる評価関数作成方法や最適探索方法を提案することにより、上記のような様々な制約条件を考慮する場合であっても、大域的な探索を実現してエネルギーシステムの運転計画を作成できる運転計画作成方法を提供することにある。

本発明のエネルギーシステム運転計画作成装置は、エネルギーを供給するエネルギーシステムの運転計画を作成する運転計画作成装置であって、エネルギーシステムにおける過去の計測データを蓄積するデータ蓄積部と、外部から与えられた情報と過去の計測データとに基づいて、エネルギー発生量および負荷量の予測値を算出する予測演算部と、エネルギーシステムにおけるエネルギー発生およびエネルギー蓄積をモデル化し、評価関数によってモデルを用いて運転計画の評価値を算出する評価関数演算部と、評価値が最適となるような運転計画を探索する最適運転計画探索部と、最適運転計画探索部での探索結果に応じ、モデルにおけるパラメータを調整するモデルパラメータ調整部と、を有する。

上述した装置では、最適運転計画探索部が、初期運転計画となる運転計画を作成し、最適な運転計画を探索するために、作成した運転計画を繰り返して修正するようにし、モデルパラメータ調整部がパラメータを変化させつつ最適運転計画探索部が運転計画の修正を行うことにより、評価値が最適となるような運転計画を前記最適運転計画探索部が探索するようにしてもよい。

また本発明の装置では、モデルパラメータ調整部が、モデルにおいて上限値および／または下限値が規定されている項目に関し、その項目の値がその項目に関して規定されている上限値および／または下限値からの逸脱する場合にその項目あるいはその上限値および／または下限値に乗じられる調整係数を調整するようにしてもよい。その場合、評価関数演算部は、エネルギーシステム内のエネルギー発生装置に対して要求されるエネルギー発生量の変化速度が、そのエネルギー発生装置で出力変化速度の上限値に対して対応する調整係数を乗じた変化速度よりも大きい時間帯においては、出力変化速度を制約条件と仮定し、あるいは変化速度の超過量に応じてエネルギー発生効率が低下すると仮定して、評価値を算出するようにしてもよい。さらには評価関数演算部は、エネルギーシステム内のエネルギー蓄積装置におけるエネルギーの蓄積速度がその蓄積速度の上限値を超えあるいは下限値を下回る時間帯ではその上限値を超えあるいはその下限値を下回った量に応じた調整係数を用いて実モデルよりも蓄積速度が小さくあるいは放出速度が大きくなると仮定し、エネルギー蓄積装置におけるエネルギーの放出速度がその放出速度の上限値を超えあるいは下限値を下回る時間帯では、その上限値を超えあるいはその下限値を下回った量に応じた調整係数を用いて実モデルよりも放出速度が大きくなると仮定し、エネルギー蓄積装置でのエネルギーの蓄積量がその蓄積量の上限値を超える時間帯においては蓄積速度が制限されると仮定し、蓄積量がその蓄積量の下限値を下回る時間帯においては実モデルよりも放出速度が大きくなると仮定して、評価値を算出するようにしてもよい。

本発明のエネルギーシステム運転計画作成方法は、エネルギーを供給するエネルギーシステムの運転計画を作成する運転計画作成方法であって、外部から与えられた情報とエネルギーシステムにおける過去の計測データとに基づいて、エネルギー発生量および負荷量の予測値を算出する予測値算出ステップと、エネルギーシステムにおけるエネルギー発生およびエネルギー蓄積をモデル化し、評価関数によってモデルを用いて運転計画の評価値を算出する評価値算出ステップと、評価値が最適となるような運転計画を探索する探索ステップと、最適運転計画探索部での探索結果に応じ、モデルにおけるパラメータを調整する調整ステップと、を有する。

上述した方法では、初期運転計画となる運転計画を作成する初期運転計画作成ステップと、作成された運転計画を繰り返して修正する修正ステップとによって探索ステップを構成し、調整係数を変化させつつ修正ステップを繰り返すことによって、評価値が最適となるような運転計画が探索されるようにしてもよい。

また本発明の方法では、調整ステップにおいて、モデルにおいて上限値および／または下限値が規定されている項目に関し、その項目の値がその項目に関して規定されている上限値および／または下限値からの逸脱する場合にその項目あるいはその上限値および／または下限値に乗じられる調整係数を調整するようにしてもよい。その場合、評価値算出ステップにおいて、エネルギーシステム内のエネルギー発生装置に対して要求されるエネルギー発生量の変化速度が、そのエネルギー発生装置で出力変化速度の上限値に対して対応する調整係数を乗じた変化速度よりも大きい時間帯においては、出力変化速度を制約条件と仮定し、あるいは変化速度の超過量に応じてエネルギー発生効率が低下すると仮定して、評価値を算出してもよい。さらには、評価値算出するステップにおいて、エネルギーシステム内のエネルギー蓄積装置におけるエネルギーの蓄積速度がその蓄積速度の上限値を超えあるいは下限値を下回る時間帯ではその上限値を超えあるいはその下限値を下回った量に応じた調整係数を用いて実モデルよりも蓄積速度が小さくあるいは放出速度が大きくなると仮定し、エネルギー蓄積装置におけるエネルギーの放出速度がその放出速度の上限値を超えあるいは下限値を下回る時間帯では、その上限値を超えあるいはその下限値を下回った量に応じた調整係数を用いて実モデルよりも放出速度が大きくなると仮定し、エネルギー蓄積装置でのエネルギーの蓄積量がその蓄積量の上限値を超える時間帯においては蓄積速度が制限されると仮定し、蓄積量がその蓄積量の下限値を下回る時間帯においては実モデルよりも放出速度が大きくなると仮定して、評価値を算出するようにしてもよい。

本発明は、例えば、エネルギー発生装置である発電装置の出力量の時間変動をできるだけ抑制するという条件の下で、また蓄電装置の様々な制約条件を考慮しながら、局所解に陥ることなく大域的に最適な運転計画を作成することができるという効果がある。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施の一形態の運転計画作成装置の構成を示す図であり、運転計画作成装置１０とともに、この運転計画作成装置１０によって運転計画が作成されるエネルギーシステムの構成の一例を示している。

まず、運転計画作成装置１０の基本的な構成について説明する。運転計画作成装置１０は、エネルギーシステムの運転計画を作成するものであり、通信などの手段によって気象予報などに関する情報が入力する入力部１１と、入力部１１に入力した情報に基づいてエネルギー発生装置でのエネルギー発生量およびエネルギー負荷でのエネルギー需要の予測値を算出する予測演算部１２と、予測演算部１２から予測値が供給されるとともに、エネルギー発生装置およびエネルギー蓄積装置をモデル化しこれらのモデルを用いて制御目的の達成の度合いの評価値を演算する評価関数演算部１３と、評価関数演算部１３で算出される評価値が最適となるような運転計画を探索する最適運転計画探索部１４と、最適運転計画探索部１４からの信号により評価関数演算部１３で用いるモデルのパラメータを調整するモデルパラメータ調整部１５と、を備えている。予測演算部１２は、入力部１１に入力した情報に加えて過去の予測データに基づいて予測値を算出してもよく、そのために、運転計画作成装置１０は、過去の予測データを蓄積するデータ蓄積部１６を備えている。

評価関数演算部１３で用いるモデルでは、例えば、エネルギー発生装置でのエネルギー出力量の上限値、エネルギー出力量の変化速度の上限値、エネルギー蓄積装置におけるエネルギーの蓄積速度、放出速度および蓄積量の上限値および下限値、エネルギー蓄積装置においてこれらの上限値および下限値による範囲から逸脱した場合にエネルギー蓄積装置に求められる蓄積速度または放出速度、などが規定されている。エネルギー蓄積装置における蓄積速度および放出速度とは、それぞれ、単位時間あたりにどれだけの量のエネルギーをそのエネルギー蓄積装置に蓄積させあるいはそのエネルギー蓄積装置から放出させるかを示す。エネルギー蓄積装置が蓄電池であれば、蓄積速度は充電電力（あるいは、充電電圧が一定であるという条件での充電電流）に対応し、放出速度は放電電力（あるいは、放電電圧が一定であるという条件での放電電流）に対応する。また蓄積量とは、エネルギー蓄積装置に実際に蓄積されているエネルギーの量を示すものであって、蓄積速度および放電速度を積分した値に対応し、蓄電池の場合であれば、充電された電力量に対応する。

モデルパラメータ調整部１５は、例えば、エネルギー出力量の変化速度の上限値に対する調整係数や、上下限の範囲から逸脱した場合にエネルギー蓄積装置で求められる蓄積速度や放出速度に対する調整係数を調整する。これらの調整係数は、モデルにおける対応する量あるいは対応する上下限値に乗算されるものである。

最適運転計画探索部１４は、評価値が最適となるような運転計画を探索する際に、過去の運転計画データを用いて初期運転計画を作成する初期運転計画作成ステップと、初期運転計画を繰り返し修正して最適な運転計画を探索する運転計画修正ステップとを実行する。運転計画修正ステップでは、モデルパラメータ調整部１５によって調整係数をそれぞれ変化させながら評価関数演算部１３で評価値を算出させることを繰り返し、この繰り返しによって最適な運転計画を探索する。この最適な運転計画の探索には、タブーサーチを用いることが好ましい。タブーサーチを用いる場合には、調整係数に関する超過に応じて評価値が悪くなるように定式化された項をタブーサーチの近傍評価のための関数に付加することにより、あるいは、調整係数に関する超過に応じて評価値が所定値以上悪くなる場合はタブーリストに記憶して一定期間移動を禁止することにより、修正する変数を選定しながら前記運転計画修正ステップを繰り返し、運転計画を決定する。

このような運転計画作成装置１０において、負荷やエネルギー蓄積装置でのエネルギー蓄積のためにエネルギー出力装置に要求されるエネルギー量の変動の大きさが、調整係数を乗じた後のエネルギー出力量の変化速度の上限値を上回る時間帯に対しては、評価関数演算部１３は、その出力変化速度を制約条件と仮定し、あるいは上限値からの出力変化速度の超過量に応じてエネルギー発生効率が低下すると仮定して、評価値を算出してもよい。また評価関数演算部１３は、エネルギー蓄積装置へのエネルギーの蓄積速度が上限値および下限値による範囲を逸脱する場合には、その上限値を超えた量あるいは下限値を下回った量に応じた調整係数を用いて実モデルよりも蓄積速度が小さくあるいは放出速度が大きくなると仮定し、放出速度が上下限の範囲を逸脱する場合には、同様に逸脱量に応じた調整係数を用いて実モデルよりも放出速度が大きくなると仮定し、蓄積量が上限値を超える時間帯においては蓄積速度が制限されると仮定し、蓄積量が下限値を下回る時間帯においては実モデルよりも放出速度が大きくなると仮定して、評価値を算出してもよい。

予測演算部１２が算出する予測値がその後の実際の値と異なる場合もあるので、この運転計画作成装置１０は、そのような誤差が生じた場合にもエネルギーを供給できるように、所定の予備力を確保できるように運転計画を作成する。しかしながら、時間帯によっては所定の予備力が確保できないことも起こり得るので、そのような時間帯に対しては、評価関数演算部１３は、不足している予備力に応じてエネルギー蓄積装置の蓄積速度および放出速度の上限値および下限値を調整して評価値を算出するようにしてもよい。

次に、図１に示された示されたエネルギーシステムの運転計画を作成する場合を例にあげて、本実施形態の運転計画作成装置１０をさらに詳しく説明する。

まず、例示されたエネルギーシステムの構成を説明する。エネルギーシステムは、電力系統２０から電力線２１を介して電力が供給されるとともに複数のエネルギー発生装置と複数のエネルギー蓄積装置とを備え、エネルギー負荷に対してエネルギーを供給するものである。この例では、エネルギー発生装置として太陽電池３１と燃料電池３２，３３が設けられ、エネルギー蓄積装置として蓄電池３４と蓄熱装置３５が設けられ、エネルギー負荷として電力負荷３６と熱負荷３７とが設けられている。太陽電池３１、燃料電池３２，３３、蓄電池３４および電力負荷３６は電力線３１に接続し、電力負荷３６に対しては、電力系統２０から買電した電力と太陽電池３１、燃料電池３２，３３で発電した電力とが、運転計画にしたがって、直接あるいは蓄電池３４に一旦蓄電されてから供給される。また、燃料電池３２からの排熱を回収して熱負荷３７に供給するために熱配管３８が設けられており、熱配管３８には、回収した熱を一時的に蓄積するために蓄熱装置３５も接続している。

このようなエネルギーシステムと運転計画作成装置１０との間には、エネルギー制御装置２５が設けられている。エネルギー制御装置２５は、燃料電池３２，３３および蓄電池３４を制御する手段と、必要に応じて過去の電力負荷・熱負荷および燃料電池や蓄電池の運転時の入出力に関する計測データを収集する手段とを備えている。燃料電池３２，３３および蓄電池３４を制御し、各エネルギー発生装置、各エネルギー蓄積装置および各エネルギー負荷から計測データを取得するために、エネルギー制御装置２５は、通信線２６を介して態様電池３１、燃料電池３２，３３、蓄電池３４、蓄熱装置３５、電力負荷３６および熱負荷３７に接続している。

ここでは、太陽電池３１については、発電量の制御をせずに天候や時間帯による発電量の変化をそのまま受け入れることとして、発生させるべき電力については燃料電池３２，３３に対してのみ運転計画を作成するものとする。また、運転計画の作成に際しては、電力負荷３６のみならず熱負荷３７も考慮することとする。

したがって、図１に示したエネルギーシステムを前提とすると、運転計画作成装置１０において、予測演算部１２は、入力部１１を介して入力した気象情報などの情報に基づいて、太陽電池３１の発電量予測を行い、電力負荷３６および熱負荷３７の需要予測を行う。この予測には、データ蓄積部１６に蓄積された過去の計測データを用いてもよい。データ蓄積部１６には、エネルギー制御装置２５を介して、エネルギーシステムにおける計測データが入力している。予測演算部１２での予測結果は評価関数演算部１３に送られる。評価関数演算部１３は、予測演算部１２での予測結果に基づき、燃料電池３２，３３および蓄電池３４のモデルに基づいて評価値を演算する。これらのモデルにおいては、燃料電池や蓄電池の過去の入出力データ（データ蓄積部１６に格納されている）を用いて、必要に応じて実モデルの入出力関数を更新してもよい。評価関数の例としては、一日あるいは一週間等の所定の期間におけるシステム全体のエネルギーコストや、システム全体から排出される二酸化炭素（ＣＯ₂）排出量等が考えられ、エネルギーコストや二酸化炭素排出量を最小とする運転計画が最適な運転計画である。エネルギーコストなどの算出のために、エネルギー原単位情報も入力部１１に与えられる。

最適運転計画探索部１４は、評価関数演算部１３に対してこの評価関数演算を繰り返し実行させ、評価値が最適な運転計画を発見する。その際、モデルパラメータ調整部１５を介して、燃料電池および蓄電池モデルの各種の調整係数を変更しながら探索を行う。調整係数としては、燃料電池の出力変動の上限値を実モデルよりも遅く仮定するためのもの、蓄電池の充放電電力およびその積算値である蓄電量の上限値を超えた場合または下限値を下回った場合に蓄電量の変化分を仮定するためのもの等がある。

図２は、最適運転計画作成装置１０における運転計画作成の処理の概略を示すフローチャートである。

まず、ステップ４１において入力部１１により気象予報などの情報を受信し、ステップ４２において、予測演算部１２は、受信した気象予報などの情報とデータ蓄積部１６に蓄積されている過去の計測データとを用いて、電力負荷および熱負荷の需要と太陽電池発電の予測値を算出する。次に、ステップ４３において、最適運転計画探索部１４は、最初に評価する初期運転計画を作成し、ステップ４４において、モデルパラメータ調整部１５は、各種の調整係数の初期設定を行う。

その後、ステップ４５において、評価関数演算部１３は、所定の期間におけるシステム全体の最適評価を行う。その際、必要に応じ、データ蓄積部１６に蓄積されている過去の計測データを利用してもよい。ステップ４６において、評価値が終了条件を満たすかどうかが判断され、終了条件を満たさない場合には、ステップ４８において、最適化運転探索部１４が、最適化手法による運転計画の調整・変更を行い、ステップ４９において、モデルパラメータ調整部１５が、必要に応じて各種調整係数を変更し、これらの処理は、ステップ４６において終了条件が満たされるまで繰り返される。ステップ４８においては、最適化手法としてタブーサーチを用いる場合には、近傍評価・タブーリストを用いて運転計画が変更、調整される。ステップ４６で終了条件が満たされた場合には、ステップ４７において、最適運転計画探索部１４は、それまでに評価した運転計画の中から評価関数演算部１３における評価値が最も良い運転計画を選定する。

運転計画の探索や終了条件の設定には、タブーサーチや遺伝的アルゴリズムに代表されるメタヒューリスティック手法の他、各種最適化手法に基づく方法を用いることができる。タブーサーチは、所定の繰り返し回数の間、既に評価した解に戻ることを避けるための記憶をタブーリストと呼ばれるメモリに格納して利用することにより、同様な運転計画を巡回しないようにしつつ、近傍評価により最も評価値の良い方向を目指すものである。遺伝的アルゴリズムは、複数の運転計画について評価関数に基づき適合度の計算を行い、その後、選択や交叉、突然変異からなる遺伝的オペレータと呼ばれる操作を行って、適合度の高い運転計画を確率的に優先して選択していくものである。

最適運転計画探索部１４での探索にタブーサーチを適用した場合において、調整係数によって修飾された評価関数の評価関数演算部１３以外での利用方法について説明する。

一つの例は、調整係数に関する超過に応じて評価値が悪くなるように定式化された項をタブーサーチの近傍評価のための関数に付加することである。近傍評価を評価関数演算部１３での評価値の減少値と等しい関数で評価する場合には、評価関数に調整係数を付加した場合と同等の結果となるが、評価関数の計算量が多く近似関数により近傍を評価する場合には、効率良く本発明を実行することができる。

もう一つのタブーサーチでの利用例は、調整係数に関する超過に応じて評価値が所定値以上悪くなる場合はタブーリストに記憶する方法である。通常のタブーリストは、近い過去に評価したものと類似した運転計画への遷移を禁止するものであるが、この例では、燃料電池の出力変化が増える等のできるだけ避けたい特徴となる運転計画について、一定期間、移動を禁止することにより、避けたい特徴の増えない運転計画を優先的に探索することができる。タブーリストへの設定は、探索開始時、タブーサーチで良く使われるタブーリストの記憶消去時、その他探索中における所定のタイミングで実施することができる。

次に、本実施形態における各種の調整係数を調整することによる効果と、調整係数の設定例について説明する。

図３は、燃料電池の出力変化速度の上限値に対する調整係数によって、最適運転計画が改善された一例を示している。調整係数による補正を考慮しないとすると評価関数の値はほぼ同じになるという発電運転計画は一般に多数存在し、評価関数値には誤差を含むことを考慮すると、これらの運転計画に対して等しい評価をすることになる。図３の（ａ）、（ｂ）に示す運転計画は、二酸化炭素排出量等の最小化を目的とする評価関数値としては等しい評価であり、調整係数による補正を考慮しない最適化問題の解として優劣はない。しかしながら、本実施形態に示した調整係数を用いることにより、（ｂ）に示すように、できるだけ燃料電池の出力変化を抑制したいというような制約を考慮した最適運転計画を作成することができる。

図４は、発電装置としての燃料電池モデルの出力変化速度に対応する発電効率の計算値の一例を示している。図に示すように、横軸に示す燃料電池の実モデルにおける出力変化速度の上限値と、評価関数演算部１３で用いられるモデルにおける調整係数を乗じた上限値との間の範囲において、滑らかに発電効率を変化させると効果的である。この調整係数とともに、発電効率変化の傾きを調整係数として用いてもよい。実モデルでは効率特性はあまり変化しない場合であっても、燃料電池の出力変動はその燃料電池の寿命に影響を与える場合もある。しかしながら寿命に与える影響を定量化し、評価関数に正確に反映させるのは困難であるため、効率低下を仮想的にモデル化することが最適運転計画作成に有力な方法となる。

次に、最適運転計画探索部１４において、燃料電池の出力変化速度上限値の調整係数を探索の初期から末期にかけて変化させながら探索することによる効果について説明する。

初期解と大きく異なる運転パターンに最適解が存在する場合には、最適探索初期には燃料電池の変動を許容することで多様なパターンを探索しながら、最終的には燃料電池の変動を抑制した運転計画を作成することができる。すなわち、局所的な探索に留まらず、大域的な最適運転計画を探索し作成することができる。

一方、例えば予測電力が急変する特定の時刻においてのみ大きな出力変更をすることでシステム全体の評価値が良くなる運転パターンが存在する場合には、探索末期において燃料電池の変動を許容するように探索することによって、燃料電池の出力変動についての負担は抑制しつつ、より良い最適運転計画を作成することができる。

蓄電池におけるエネルギーの蓄積速度および放出速度すなわち充放電電力の制約に関しては、通常、上限値は必ず守らなければならないのに対し、下限値からの逸脱は許容されるが下限値を下回ると充放電効率が低下する場合がある。このような充放電効率特性は、定式化するのが困難であったり、複雑な定式となるために最適化演算に負担を与えたりする。図５は、蓄電池の充放電電力の下限値に関する調整係数によって、最適運転計画が改善された例を示している。図５の（ａ）に示すように、充放電電力の下限値に関する制約を設けずに最適運転計画を作成すると、少量の充放電を行う期間を含み、また充放電を繰り返す運転計画となるのに対し、充放電の下限値に関する調整係数を設定することによって、図５の（ｂ）に示すように、それらを回避できる。

一方、充放電電力の下限値に関する制約条件を設けて最適運転計画を作成すると、充電状態から放電状態への切り替わりが実行不可能解を通過するために探索空間が滑らかでなくなり、局所解からの脱出が困難となる。したがって、充放電電力の制約から逸脱を許容する評価関数、あるいは一時的な許容を調整する探索方法が必要である。

図６に、評価関数演算部１３における蓄電池モデルの充放電電力に対応する蓄電量増分の計算値の一例を示す。図に示す例のように、充放電電力の下限値を下回った場合には、実モデルにおける蓄電量増分よりも少ない、あるいは蓄電量減少分よりも多くなると仮定し、下回った量が多くなるほど実モデルと評価関数モデルとの差が大きくなるよう定式化する。充放電電力の上限値を超えた場合についても、同様に超えた量に応じて蓄電量増分が少なくなるよう、また蓄電量の減少分が多くなるように定式化する。このように定式化することにより、最適運転計画探索部１４において、探索中の運転計画が制約領域に入った場合にも脱出しやすくなる。以上の調整係数、すなわち図６における傾きは、最適と選定される運転計画には制約領域が含まれないように調整する必要があり、また発電装置における出力変化速度の調整係数と同様に最適運転計画探索中に変化させることにより、局所解に陥らないように調整することができる。

運転計画を作成する際、需要予測や発電予測に誤差が生じた場合にもエネルギーを供給するために、予備力を考慮する場合がある。この場合、予備力を確保できない時間帯においては、不足している予備力に応じて蓄電池における充放電電力の上下限値を調整することにより、本実施形態に基づいて運転計画を作成することができる。

また蓄電池には、蓄電量の上下限値に対する制約条件もある。例えば、蓄電量がその上限値を超えた時間帯においてはそれ以上蓄積されないと仮定し、蓄積された積算量がその下限値を下回った時間帯においては実モデルよりも多く放出されると仮定するというモデルを追加することにより、蓄電池の制約条件を統一的に取り扱うことができる。

このように蓄電池や予備力に関する制約を、蓄電池の蓄電量の仮想的な増減へ統一的に反映することにより、蓄電池の蓄電量をその最大定格に対する率として無次元で扱えば、エネルギーシステムの容量や規模、あるいは環境性や経済性等の制御目的によらず、様々な調整係数の調整量や方法を汎用的に適用することができる。

以上説明した実施の形態においては、本発明に基づく最適運転計画作成の手順、最適探索アルゴリズムへの適用方法、および燃料電池や蓄電池のモデル化の例を示したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、様々な調整係数を選択し、最適アルゴリズムにおける調整方法を組み合わせて実施することができる。

本発明の実施の一形態の運転計画作成装置の構成を示すブロック図である。運転計画作成を作成する処理を示すフローチャートである。燃料電池モデルの出力変化速度上限値の調整係数によって最適運転計画が改善されることを説明する図である。評価関数演算部における燃料電池モデルの出力変化速度に対応する発電効率の計算値の一例を示すグラフである。蓄電池モデルの充放電電力下限値の調整係数によって最適運転計画が改善されることを説明する図である。評価関数演算部における蓄電池モデルの充放電電力に対応する蓄電量増分の計算値の一例を示すグラフである。

符号の説明

１０運転計画作成装置
１１入力部
１２予測演算部
１３評価関数演算部
１４最適運転計画探索部
１５モデルパラメータ調整部
１６データ蓄積部
２０電力系統
２１電力線
２５エネルギー制御装置
２６通信線
３１太陽電池
３２，３３燃料電池
３４蓄電池
３５蓄熱装置
３６電力負荷
３７熱負荷
３８熱配管
４１〜４９ステップ

Claims

エネルギーを供給するエネルギーシステムの運転計画を作成する運転計画作成装置であって、
前記エネルギーシステムにおける過去の計測データを蓄積するデータ蓄積部と、
外部から与えられた情報と前記過去の計測データとに基づいて、エネルギー発生量および負荷量の予測値を算出する予測演算部と、
前記エネルギーシステムにおけるエネルギー発生およびエネルギー蓄積をモデル化し、評価関数によって前記モデルを用いて運転計画の評価値を算出する評価関数演算部と、
前記評価値が最適となるような運転計画を探索する最適運転計画探索部と、
前記最適運転計画探索部での探索結果に応じ、前記モデルにおけるパラメータを調整するモデルパラメータ調整部と、
を有するエネルギーシステム運転計画作成装置。
前記最適運転計画探索部は、初期運転計画となる運転計画を作成し、最適な運転計画を探索するために前記運転計画を繰り返して修正し、
前記モデルパラメータ調整部が前記パラメータを変化させつつ前記最適運転計画探索部が前記運転計画の修正を行うことにより、前記評価値が最適となるような運転計画を前記最適運転計画探索部が探索する、請求項１に記載のエネルギーシステム運転計画作成装置。
前記モデルパラメータ調整部は、前記モデルにおいて上限値および／または下限値が規定されている項目に関し、当該項目の値が当該項目に関して規定されている前記上限値および／または下限値からの逸脱する場合に当該項目あるいは当該上限値および／または下限値に乗じられる調整係数を調整する、請求項１または２に記載のエネルギーシステム運転計画作成装置。
前記評価関数演算部は、前記エネルギーシステム内のエネルギー発生装置に対して要求されるエネルギー発生量の変化速度が、当該エネルギー発生装置で出力変化速度の上限値に対して対応する調整係数を乗じた変化速度よりも大きい時間帯においては、前記出力変化速度を制約条件と仮定し、あるいは変化速度の超過量に応じてエネルギー発生効率が低下すると仮定して、前記評価値を算出する、請求項３に記載のエネルギーシステム運転計画作成装置。
前記評価関数演算部は、前記エネルギーシステム内のエネルギー蓄積装置におけるエネルギーの蓄積速度が当該蓄積速度の上限値を超えあるいは下限値を下回る時間帯では当該上限値を超えあるいは当該下限値を下回った量に応じた調整係数を用いて実モデルよりも蓄積速度が小さくあるいは放出速度が大きくなると仮定し、前記エネルギー蓄積装置におけるエネルギーの放出速度が当該放出速度の上限値を超えあるいは下限値を下回る時間帯では、当該上限値を超えあるいは当該下限値を下回った量に応じた調整係数を用いて前記実モデルよりも放出速度が大きくなると仮定し、前記エネルギー蓄積装置でのエネルギーの蓄積量が当該蓄積量の上限値を超える時間帯においては前記蓄積速度が制限されると仮定し、前記蓄積量が当該蓄積量の下限値を下回る時間帯においては実モデルよりも前記放出速度が大きくなると仮定して、前記評価値を算出する、請求項３または４に記載のエネルギーシステム運転計画作成装置。
エネルギーを供給するエネルギーシステムの運転計画を作成する運転計画作成方法であって、
外部から与えられた情報と前記エネルギーシステムにおける過去の計測データとに基づいて、エネルギー発生量および負荷量の予測値を算出するステップと、
前記エネルギーシステムにおけるエネルギー発生およびエネルギー蓄積をモデル化し、評価関数によって前記モデルを用いて運転計画の評価値を算出するステップと、
前記評価値が最適となるような運転計画を探索するステップと、
前記最適運転計画探索部での探索結果に応じ、前記モデルにおけるパラメータを調整するステップと、
を有するエネルギーシステム運転計画作成方法。
前記探索するステップは、初期運転計画となる運転計画を作成するステップと、前記運転計画を繰り返して修正するステップとを備え、前記パラメータを変化させつつ前記修正するステップを繰り返すことによって、前記評価値が最適となるような運転計画が探索される、請求項６に記載のエネルギーシステム運転計画作成方法。
前記パラメータを調整するステップは、前記モデルにおいて上限値および／または下限値が規定されている項目に関し、当該項目の値が当該項目に関して規定されている前記上限値および／または下限値からの逸脱する場合に当該項目あるいは当該上限値および／または下限値に乗じられる調整係数を調整する、請求項６または７に記載のエネルギーシステム運転計画作成方法。
前記算出するステップにおいて、前記エネルギーシステム内のエネルギー発生装置に対して要求されるエネルギー発生量の変化速度が、当該エネルギー発生装置で出力変化速度の上限値に対して対応する調整係数を乗じた変化速度よりも大きい時間帯においては、前記出力変化速度を制約条件と仮定し、あるいは変化速度の超過量に応じてエネルギー発生効率が低下すると仮定して、前記評価値を算出する、請求項８に記載のエネルギーシステム運転計画作成方法。
前記算出するステップにおいて、前記エネルギーシステム内のエネルギー蓄積装置におけるエネルギーの蓄積速度が当該蓄積速度の上限値を超えあるいは下限値を下回る時間帯では当該上限値を超えあるいは当該下限値を下回った量に応じた調整係数を用いて実モデルよりも蓄積速度が小さくあるいは放出速度が大きくなると仮定し、前記エネルギー蓄積装置におけるエネルギーの放出速度が当該放出速度の上限値を超えあるいは下限値を下回る時間帯では、当該上限値を超えあるいは当該下限値を下回った量に応じた調整係数を用いて前記実モデルよりも放出速度が大きくなると仮定し、前記エネルギー蓄積装置でのエネルギーの蓄積量が当該蓄積量の上限値を超える時間帯においては前記蓄積速度が制限されると仮定し、前記蓄積量が当該蓄積量の下限値を下回る時間帯においては実モデルよりも前記放出速度が大きくなると仮定して、前記評価値を算出する、請求項８または９に記載のエネルギーシステム運転計画作成方法。