JP4808754B2 - 自然エネルギー発電制御システム - Google Patents

Description

この発明は、自然エネルギー発電制御システムに係る発明である。

二酸化炭素削減など環境問題への貢献を目的とし、風力発電や太陽光発電など自然エネルギー発電システムの普及が世界的に進んでいる。自然エネルギー発電は、自然任せの発電であるため、時々刻々と出力が変動する。つまり、自然エネルギー発電は、電力を使用する立場からすれば、頻繁に出力が変動し、消費計画や他電源による補償計画が立てづらい。したがって、自然エネルギー発電は一般的に、電力供給信頼性が低品質であると考えられいる。

一方では、天気予報などの天候予測により風や雲の動き・気温などを予想し、それを元に発電予測をし、当該発電予測に基づき発電計画を立案し、東亜偽発電計画に基づき自然エネルギー発電装置を制御する試みがある。

たとえば、本願に関連する先行技術として、特許文献１が存在する。特許文献１に係る技術では、過去の予測誤差（発電予測値と発電実績値との差）と発生頻度との相関関係を統計処理によって求める予測誤差分析装置を備えている。そして、当該特許文献１に係る技術では、当該統計処理の結果を用いて、売電量と売電単価との積（正値）と売電契約未達成時の不測電力量とペナルティ単価との積（負値）との和である、売電収入の期待値が最大となる発電計画値を求めている。

特開２００８−５４３８５号公報

３０分単位での電力売買を事前に契約し、当日は売電側は契約通りに発電し、買電側は契約通りに電力を消費する電力取引では、３０分毎に同時同量を達成する必要がある。しかし、自然エネルギー発電は出力不安定であるので、自然エネルギー発電に限っては、ある時間については同時同量が達成されなくとも、全体としてある一定以上の同時同量達成率であれば、契約として許容され得る。

当該契約では、たとえば、全体としてある一定以上の同時同量達成率が継続して満たされない場合には、取引を停止するといった内容も含まれることが想定される。自然任せで変動の激しい自然エネルギー発電を用いた発電計画を当該契約通りに達成するには、売電側は、発電予測値に対して計画値を大幅に下方設定すれば良い。しかし、このような場合には、計画値を下方に設定すればするほど、売電できる電力は減少することになり、売電側は利益を逸することになる。

そこで、本発明は、出力不安定で発電予測誤差が大きい自然エネルギー発電装置を用いた場合において、予め設定された同時同量達成の平均達成率（以下、平均許容達成率と称する）を逸脱せず、売電量を最大とすることができる自然エネルギー発電制御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、本発明に係る請求項１に記載の自然エネルギー発電制御システムは、自然エネルギー発電装置と、将来の発電予想値を事前に決定する自然エネルギー発電予想装置と、前記発電予想値を用いて得られた発電計画値に基づいて、前記自然エネルギー発電装置を制御する計画発電装置とを、備えており、前記計画発電装置は、前記自然エネルギー発電装置から出力された発電実績値と前記発電予想値とに基づいて、各前記発電予測値毎に、前記発電予測値に対する前記発電実績値の誤差と当該誤差が発生する頻度との分布を示す予測誤差分布を求める予測誤差分析装置と、前記予測誤差分布を用いて、前記発電予測値に対して前記発電実績値が不足する方向の所定値以上の前記誤差が生じる確率が所定の発電計画逸脱率以内となるときの前記所定値である閾値誤差を求め、前記発電予測値から前記閾値誤差の絶対値量を差分することにより、第一の前記発電計画値を求める計画立案装置と、前記発電計画値に基づいて、前記自然エネルギー発電装置の発電を制御する需給制御装置とを、備えている。

本発明の請求項１に記載の自然エネルギー発電制御システムは、予め設定されている平均許容達成率と予測誤差分布とを用いて閾値誤差を求め、発電予測値から閾値誤差の絶対値量を差分することにより発電計画値を求めている。

したがって、平均許容達成率が指定された自然エネルギー発電での計画発電において、契約により予め指定された平均許容達成率を逸脱しない範囲で、発電計画値をできるだけ高めに設定される。よって、売電量（換言すれば売電収益）を最大化させることができる。

以下、この発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。

＜実施の形態１＞
図１は、本実施の形態１に関わる自然エネルギー発電制御システムの構成を示す図である。

図１に示すように、自然エネルギー発電制御システム１００は、自然エネルギー発電装置１０と、計画発電装置３０と、自然エネルギー発電予測装置４０とから構成されている。

自然エネルギー発電装置１０は、自然の力を用いた発電装置であり、たとえば太陽光発電装置もしくは風力発電装置などがある。自然エネルギー発電装置１０は、図２に例示するような時々刻々と変化する電力を発電し、当該発電した電力を電力系統２０へと送出す。

自然エネルギー発電予測装置４０は、将来の発電予想値を事前に決定（予想）する。当該自然エネルギー発電予測装置４０は、図３に例示するような、自然エネルギー発電装置１０での将来（たとえば数時間先から数日先）の発電量（発電予測値）を、所定の時間刻み（たとえば３０分刻み）で予想する。ここで、当該発電予測値は、たとえば、季節、天候、風速、風向、気温などの自然エネルギー予測値と相関関係のあるデータ、および地形データ等に基づいて決定される。

計画発電装置３０は、上記発電予想値を用いて所定の時刻毎の発電計画値を算出し、当該発電計画値に基づいて、自然エネルギー発電装置１０の発電を制御する。なお、売電契約相手５０は、事前（たとえば前日）に計画発電装置３０で算出された、所定の時刻毎の発電計画値に従い、電力系統２０より電力を消費する。

次に、計画発電装置３０の内部構成および計画発電装置３０内の各構成要素の動作について説明する。

計画発電装置３０は、予測誤差分析装置３１、計画立案装置２２、および需給制御装置から構成されている。

予測誤差分析装置３１は、自然エネルギー発電装置１０から過去に出力された発電実績値と上記発電予想値とに基づいて、各発電予測値毎に、予測誤差分布を求める。当該予測誤差分布は、上記発電予測値に対する上記発電実績値の誤差（以下、予想誤差と称する）と、当該予測誤差が発生する頻度との度数分布を示す。

ある発電予測値に対する予測誤差分布の一例を図４に示す。図４において、横軸は予測誤差であり、縦軸は予測誤差が発生する頻度である。図４において、予測誤差が０とは、発電予測値と発電実績値とが等しいことを示す。また、図４において予測誤差がマイナスとは、発電予測値より発電実績値が下回る（以下、下振れと称する）ことを意味する。これに対して、予測誤差のプラスとは、発電予測値より発電実績値が上回る（以下、上振れと称する）ことを意味する。なお、予測誤差分布は度数分布であるので、図４に示すように当然、予測誤差分布関数は、頻度のプラス方向（ゼロも含む）にのみ存する。

図５は、予測誤差分析装置３１の内部構成を示す図である。

図５に示すように、予測誤差分析装置３１は、誤差計算部３１１、誤差実績データベース３１２、統計処理部３１３、誤差分布データベース３１４、および誤差分布抽出部３１５から構成されている。予測誤差分析装置３１は、自然エネルギー発電予測装置４０から送信される、所定の時間刻み毎の各発電予測値に対して次の動作を行う。

誤差計算部３１１は、発電予測値と、当該発電予測値と同時刻の発電実績値とを、各々入力する。そして、誤差計算部３１１は、当該発電予測値と当該発電実績値との差分（予測誤差）を算出する。そして、誤差計算部３１１は当該予測誤差を誤差実績データベース３１２に送信し、誤差実績データベース３１２は受信した予測誤差を蓄積する。

統計処理部３１３では、一定周期毎（たとえば１日毎）に、誤差実績データベース３１２から過去の予測誤差情報を読出し、当該一定周期分の予測誤差情報に対して統計処理を行う。当該統計処理により、統計処理部３１３は、図６に示すように、発電予測値の大きさ段階別（たとえば、自然エネルギー発電装置１０の定格比１０％刻みで１０段階など）に度数分化した予測誤差分布を作成する。当該作成された予測誤差分布は、誤差分布データベース３１４に記録される。

誤差分布抽出分３１５では、入力されてきた将来の発電予測値毎に、当該発電予測値に対する予測誤差分布を誤差分布データベース３１４より抽出する。

ここで、当該予測誤差分布は、瞬間的な電力値（Ｗ）を用いた分析でも、その一定時間の積算である電力量値（Ｗｈ）を用いた分析であっても良い。いずれに基づく分析を採用するかは、売電契約の詳細に依存する。たとえば同時同量だけであれば、電力量値で良いが、瞬間的な電力値の変動も契約の制約に含まれているなら、電力値での分析の方が適している。

さて、図１に示した計画立案装置３２では、入力されてきた将来の発電予測値に対して誤差分布データベース３１４より抽出された前記予測誤差分布と、予め設定されている平均許容達成率とを用いて、閾値誤差を求める。

ここで、当該閾値誤差は、当該発電予測値に対して発電実績値が不足する方向（マイナス方向）に存する予測誤差である。また上記の通り、平均許容達成率とは、自然エネルギー発電を用いた計画発電において、一定の長期期間における同時同量の売電契約で達成すべき計画達成率の平均値である。

上記閾値誤差を求めた計画立案装置３２は、発電予測値から閾値誤差の絶対値量を差分することにより、将来の発電計画値を求める。

当該計画立案装置３２では、売電契約をしたい将来の期間（たとえば翌日の午前０時から２４時）内の、所定時間刻み（たとえば３０分毎）毎に与えられた発電予測値に対し、各々の該当する範囲の予測誤差分布を、予測誤差分析装置より得る。図７は、当該得られた予測分布関数の一例を示す図である。

上述したように、図７に例示する予測誤差分布において、予測誤差の負値は発電予測値に対し発電実績値が下回っていた場合であり、予測誤差の正値は発電予測値に対し発電実績値が上回っていた場合である。

通常、発電計画値より発電実績値が上回る（上振れ）ことによって同時同量から逸脱しそうな場合には、図１に示す需給制御装置３３は、自然エネルギー発電装置１０に発電抑制制御を行う。当該発電抑制制御により、上記上振れの問題は容易に解決できる。ここで、当該発電抑制制御は、たとえば、発電設備の一部解列や、太陽光発電ではパワーコンディショナーによる出力抑制、風力発電では風車のピッチ制御による出力抑制などにより実現される。

自然エネルギー発電装置１０は、上記の通り発電抑制制御は可能であるが、発電上昇制御は不可能である。このため、発電計画値より発電実績値が下回る（下振れ）ことによって同時同量から逸脱する場合は、対処できない。このため、発電計画値より発電実績値が下回る確率が、売電契約で許容される誤差範囲内に収める必要がある。

そこで、計画立案装置３２は、図７に示した予測誤差分布の中で、発電が不足する（予測誤差のマイナス）方向の確率が同時同量の平均許容達成率と合致する予測誤差（閾値誤差）を求める。計画立案装置３２は、当該求めた閾値誤差（より具体的には、当該閾値誤差の絶対値）を発電予測値から差し引いた値を、発電計画値として求める。具体的に、図７，８を用いて説明する。

図７において、予測誤差の最大値からある負方向の所定の予測誤差までの範囲における、予測誤差軸と予測誤差分布関数とで囲まれた面積が、上記平均許容達成率と同じなる、当該所定の予測誤差の値を計画立案装置３２は求める。当該求めた所定の予測誤差が上記閾値誤差（＝−Ａ）である。

ここで、１００％から平均許容達成率を差し引いた確率は、発電計画逸脱率である。すると、上記を換言すると次のことを意味していると把握できる。つまり、計画立案装置３２は、予測誤差分布を用いて、発電予測値に対して発電実績値が不足する方向の所定値以上の誤差が生じる確率が所定の発電計画逸脱率以内となるときの所定値である閾値誤差（＝−Ａ）を求める。たとえば、計画立案装置３２は、図７において、斜線部の面積が予め設定されている発電計画逸脱率と同じとなる、所定の予測誤差の値を求める。当該求めた所定の予測誤差が上記閾値誤差（＝−Ａ）である。

図７に例示する予測誤差分布において、分布全体の面積に対する、所定の予測誤差（閾値誤差）「−Ａ」以下の分布面積の比が、Ａ以上に下振れする確率を示すことになる（この確率をＰ（Ａ）とする）。言い換えれば、図８のように、発電予測値からＡだけ差し引いた値を発電計画値としておけば、確率論的に、「１−Ｐ（Ａ）」の確率で、発電実績は発電計画値以上となる。つまり、同時同量の達成率の期待値が、「１−Ｐ（Ａ）」となる。

上記「１−Ｐ（Ａ）」は、あくまでも確率論上での期待値であるため、ある時間断面を見れば、発電実績が発電計画値より下回ることも発生する。しかしながら、全体を通しての同時同量の達成率は「１−Ｐ（Ａ）」となるはずである。

この場合、計画立案装置３２は、発電予測値から閾値誤差の絶対値である「Ａ」を差し引いた値を、発電計画値として求める。

事前に図１で示した売電契約相手５０に通告する発電計画は、３０分などのある時間刻みのみではなく、３０分刻みで１日分の発電計画を提示することになるが、各３０分断面で前述のように発電計画値を設定していけば良い。

上記発電計画値を計画立案装置３２から受信した需給制御装置は、当該受信した発電計画値に基づいて、上振れによって同時同量から逸脱しそうな場合には、自然エネルギー発電装置１０に対して、上振れ分の発電抑制指令（ｋＷ値もしくはｋＷｈ値形式）の制御信号を送信する。自然エネルギー発電装置１０では、上記制御信号に従い、発電計画値に沿った電力が発電されるように発電を制御する。つまり、自然エネルギー発電装置１０では、発電計画値に基づき必要以上の発電出力を抑制する。

本実施の形態に係る自然エネルギー発電制御システムは上記のように構成されているので、平均許容達成率が指定された自然エネルギー発電での計画発電において、契約により予め指定された平均許容達成率を逸脱しない範囲で、発電計画値をできるだけ高めに設定される。したがって、売電量（換言すれば売電収益）を最大化させることができる。なお、計画発電装置３０は簡単な統計処理と簡単な減算処理などにより発電計画値を求めているので、当該発電計画値を容易に決定できる。

＜実施の形態２＞
図９は、本発明の実施の形態２に係る自然エネルギー発電制御システムの構成を示す図である。

図１と図９との比較より分かるように、本実施の形態に係る自然エネルギー発電制御システムの構成は、実施の形態１に係る自然エネルギー発電制御システム構成に、電力貯蔵装置６０が追加されている。当該電力貯蔵装置６０は、当該電力貯蔵装置６０の定格容量内で、自然エネルギー発電装置１０からの発電電力を充放電することができる。

なお、本実施の形態では、需給制御装置３３は、自然エネルギー発電装置１０への制御信号の送信に加え、電力貯蔵装置６０への充放電制御信号を送信する。

上記以外の構成は、実施の形態１と実施の形態２とで同じなので、ここでの当該他の構成の説明は省略する。以下、本実施の形態２に係る自然エネルギー発電制御システムの特徴部分について説明する。

電力貯蔵装置６０が配設されている場合は、電力貯蔵装置６０の定格容量範囲で、発電予測値と発電実績値との差分を補償することが可能である。

すなわち、発電予測値より発電実績値が上振れした場合には、余剰電力が発生する。当該余剰余剰電力が発生する可能性がある場合には、実施の形態１では自然エネルギー発電装置１０の発電抑制を実施していた。

しかしながら、本実施の形態では、発電予測値より発電実績値が上振れした場合には、需給制御装置３３は電力貯蔵装置６０に当該余剰電力を充電する旨の充放電制御信号を、充電量（ｋＷ値もしくはｋＷｈ値形式）の形で送信する。当該充放電制御信号を受信した電力貯蔵装置５０は、自然エネルギー発電装置１０から出力される電力の一部（充放電制御信号における指令値分）を充電する。なお、自然エネルギー発電装置１０から出力される電力の残りは、電力系統２０へ供給される。

また、発電予測値より発電実績値が上振れした場合において、電力貯蔵装置６０で充電しきれない余剰電力が発生する場合には、実施の形態１と同様、需給制御装置３３は自然エネルギー発電装置１０に発電を抑制する旨の制御信号（ｋＷ値もしくはｋＷｈ値形式）を送信する。自然エネルギー発電装置１０では、上記制御信号に従い、自身の発電量を抑制制御する。これにより、当該充電しきれない余剰電力の発電を抑制し、同時同量の電力供給を維持する。

上記と異なり、発電予測値より発電実績値が下振れした場合には、不足電力が発生する。このような場合には、需給制御装置３３は電力貯蔵装置６０に当該不足電力分の電気を放電する旨の充放電制御信号（ｋＷ値もしくはｋＷｈ値形式）を送信する。当該充放電制御信号を受信した電力貯蔵装置５０は、自然エネルギー発電装置１０から出力される電力に加算されるように、自装置５０で充電していた電力を放電する。

したがって、電力系統２０には、自然エネルギー発電装置１０から出力される電力と、電力貯蔵装置６０から放電される電力とが供給され、同時同量の電力供給が補償される。つまり、図１０に示すように、実施の形態１で説明した発電計画値設定において、実施の形態１で説明した発電計画値（以下、第一の発電計画値と称する）を、電力貯蔵装置６０の補償可能容量（この場合は、電力貯蔵装置６０の定格容量）分だけ上乗せすることができる（第一の発電計画値＋電力貯蔵装置６０の補償可能容量＝第二の発電計画値）。計画立案装置３２は、当該第二の発電計画値を求め、当該求めた第二の発電計画値を需給制御装置３３に送信する。

需給制御装置３３は、電力貯蔵装置６０に補償可能容量の電気を放電する充放電制御信号を送信し、自然エネルギー発電装置１０に対しては、電力貯蔵装置６０の補償可能容量分を加算する前の第一の発電計画値に基づいた発電制御を行う。

ここで、自然エネルギー発電装置１０の発電予測値が低出力状態である場合は、たとえば図１０の０：００から０：３０までのように、発電予測値より第二の発電計画値の方が大きくなる。この状態が長時間継続した場合は、電力貯蔵装置６０の蓄電残量が無くなる可能性がある。しかしながら、電力貯蔵装置６０の蓄電残量が無くなる場合は、これすなわち電力貯蔵装置６０の構成が無い構成を意味するので、実施の形態１で説明した処理を行えば対応可能となる。

また、発電予測値が上記第二の発電計画値よりも小さい場合は、計画発電は１００％の確率で達成可能となる。その結果、長期間を通しての計画発電達成率は必要以上に改善されることになる。これに対して、発電予測値が上記第二の発電計画値よりも大きい場合には、目標とする計画発電達成率を適宜下げることにより、全体として必要最低限の目標達成率を維持しつつ、売電計画量を最大化できる。

本実施の形態に係る自然エネルギー発電制御システムは上記電力貯蔵装置６０を備えているので、計画発電の余剰電力を充電するとともに、不足電力を放電により賄うことで、自然エネルギー発電の発電電力をより有効活用した計画発電が実現できる。

なお、電力貯蔵装置６０は、自然エネルギー発電装置１０おいて発生する短期的な出力変動（たとえば、電力系統２０へ悪影響を及ぼす、変動周期が１０分以下の変動）を平滑化しても良い。この場合は、電力貯蔵装置６０の容量は、平滑化に使用するための容量（第一の容量と称する）と、図１０を用いて説明した計画発電に使用する容量（第二の容量と称する）とに分割される。容量が前記のように分割される場合、第二の容量を電力貯蔵装置６０の上記補償可能容量と称することとする。

この場合、第一の発電計画値に上記第二の容量分だけ上乗せすることにより、上記第二の発電計画値が求められる。

また、第一の容量は、自然エネルギー発電装置１０の短期変動成分の大きさに等しい。このため、計画立案装置３２は、自然エネルギー発電の時系列データからフーリエ変換などにより、短期変動成分の大きさ（短期出力変動幅と称する）を抽出し、当該短期出力変動幅を上記第二の発電計画値から差し引くことにより、第三の発電計画値を求める（第二の発電計画値−短期出力変動幅＝第三の発電計画値）。計画立案装置３２は、当該第三の発電計画値を求め、当該求めた第三の発電計画値を需給制御装置３３に送信する。

電力貯蔵装置６０が自然エネルギー発電装置１０おいて発生する短期的な出力変動を平滑化できることにより、電力系統２０には極めて高品質の電力が供給される。

実施の形態１に係る自然エネルギー発電制御システムの構成を示す図である。 自然エネルギー発電の出力データの一例を示す図である。 自然エネルギー発電予測装置が出力する発電予測データの一例を示す図である。 予測誤差分布データの一例を示す図である。 予測誤差分析装置の内部構成を示す図である。 予測誤差分析装置から得られる予測誤差分布データの一例を示す図である。 計画立案装置の動作を説明するための図である。 発電計画値を決定するための動作を説明するための図である。 実施の形態２に係る自然エネルギー発電制御システムの構成を示す図である。 第二の発電計画値を決定するための動作を説明するための図である。

符号の説明

１０ 自然エネルギー発電装置、２０ 電力系統、３０ 計画発電装置、３１ 予測誤差分析装置、３２ 計画立案装置、３３ 需給制御装置、４０ 自然エネルギー発電予測装置、５０ 売電契約相手、６０ 電力貯蔵装置、３１１ 誤差計算部、３１２ 誤差実績データベース、３１３ 統計処理部、３１４ 誤差分布データベース、３１５ 誤差分布抽出部。

Claims (6)

1. 自然エネルギー発電装置と、
   将来の発電予想値を事前に決定する自然エネルギー発電予想装置と、
   前記発電予想値を用いて得られた発電計画値に基づいて、前記自然エネルギー発電装置を制御する計画発電装置とを、備えており、
   前記計画発電装置は、
   前記自然エネルギー発電装置から出力された発電実績値と前記発電予想値とに基づいて、各前記発電予測値毎に、前記発電予測値に対する前記発電実績値の誤差と当該誤差が発生する頻度との分布を示す予測誤差分布を求める予測誤差分析装置と、
   前記予測誤差分布を用いて、前記発電予測値に対して前記発電実績値が不足する方向の所定値以上の前記誤差が生じる確率が所定の発電計画逸脱率以内となるときの前記所定値である閾値誤差を求め、前記発電予測値から前記閾値誤差の絶対値量を差分することにより、第一の前記発電計画値を求める計画立案装置と、
   前記第一の発電計画値に基づいて、前記自然エネルギー発電装置の発電を制御する需給制御装置とを、備えている、
   ことを特徴とする自然エネルギー発電制御システム。
2. 前記発電実績値が前記発電予想値よりも大きい場合に、前記自然エネルギー発電装置から出力される電力の一部を充電することができる電力貯蔵装置を、さらに備えている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の自然エネルギー発電制御システム。
3. 前記電力貯蔵装置は、
   電気の放電が可能であり、
   前記発電実績値が前記発電予想値よりも小さい場合に、充電していた電力を放電し、前記自然エネルギー発電装置からの出力電力に加算させる、
   ことを特徴とする請求項２に記載の自然エネルギー発電制御システム。
4. 前記計画立案装置は、
   前記第一の発電計画値に、前記電力貯蔵装置の補償可能容量分を上乗せすることにより、第二の前記発電計画値を求め、
   前記需給制御装置は、
   前記第二の発電計画値に基づいて、前記自然エネルギー発電装置の発電および前記電力貯蔵装置の放電を制御する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の自然エネルギー発電制御システム。
5. 前記電力貯蔵装置は、
   前記自然エネルギー発電装置の所定の期間内に発生した出力変動を平滑化する、
   ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の自然エネルギー発電制御システム。
6. 前記計画立案装置は、
   前記第一の発電計画値に、前記電力貯蔵装置の補償可能容量分を上乗せし、前記自然エネルギー発電装置の出力変動幅を差し引くことにより、第三の前記発電計画値を求め、
   前記需給制御装置は、
   前記第三の発電計画値に基づいて、前記自然エネルギー発電装置の発電および前記電力貯蔵装置の放電を制御する、
   ことを特徴とする請求項５に記載の自然エネルギー発電制御システム。

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