JP5919116B2

JP5919116B2 - 蓄熱器制御装置

Info

Publication number: JP5919116B2
Application number: JP2012160186A
Authority: JP
Inventors: 鶴貝　満男; 満男鶴貝; 泰崇木村; 浩太今井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2012-07-19
Filing date: 2012-07-19
Publication date: 2016-05-18
Anticipated expiration: 2032-07-19
Also published as: JP2014023295A

Description

本発明は、需要家が集合して形成されるコミュニティのエネルギー管理に用いられる蓄熱器制御装置に関する。

近年、電力を消費する需要家において、太陽光発電（以下「ＰＶ」という）の導入が進
み、電力会社から供給される系統電力と需要家端で発電されるＰＶ電力を併用する形態が増えている。今後、ＰＶの導入量の地域による偏りや、ＰＶ発電量の、気象の影響による変動によって、配電系統の潮流状況が地域や時間で変化することが想定され、特に、ＰＶ発電量が多い地域や時間帯には、需要家端から配電系統への逆潮流が発生し、配電系統の電圧制御や系統全体の需給バランス制御に影響を与えることなどが懸念されている。

その対策の１つの方法として、需要家端に設置されている電気給湯器の蓄熱運転の時間帯を調整することが検討されている。つまり、電気給湯器は、通常、深夜の割安な電気を活用して温水を貯湯タンクに貯め、翌日の昼間や夜間に温水を利用するように運転されるが、翌日の昼間のＰＶ発電量が多いと予測される場合には、前日深夜の蓄熱運転を抑制し、翌日昼間のＰＶ発電量が多い時間帯に蓄熱運転することで電力需要を増大させ、上述した配電系統における逆潮流や、系統全体の供給力の増大を低減することが検討されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−５５０７８号公報

特許文献１に記載される技術によると、気象予測に基づき余剰電力を予測、スケジュールを作成し、当該スケジュールに基づき、蓄熱運転を実施することができる。しかしながら、気象予測が外れると、ＰＶ発電量の余剰が予測通り得られなくなり、結果として高価な電気料金で蓄熱運転を行ってしまうおそれがある。

請求項１に記載の蓄熱器制御装置は、発電機の発電量を含む発電情報を定期的に収集する発電情報収集部と、発電機によって発電された電力を消費する負荷の測定値の合計値を含む負荷情報を定期的に収集する負荷情報収集部と、複数の蓄熱器の負荷の計画値を取得する蓄熱器負荷計画値取得部と、複数の蓄熱器の負荷の測定値を含む蓄熱器情報を収集する蓄熱器情報収集部と、複数の蓄熱器のうちで運転中であることが計画されていたが運転されていない蓄熱器が存在するということを、複数の蓄熱器の負荷の計画値と、複数の蓄熱器の負荷の測定値とに基づき判定したとき、発電量と合計値と計画値とに基づき、運転されていない蓄熱器の運転をするか否かについて決定する蓄熱器運転可否計算部とを備え、
前記蓄熱器運転可否計算部は、前記複数の蓄熱器の負荷の前記計画値と、前記複数の蓄熱器の負荷の前記測定値とに基づき、前記複数の蓄熱器のうちで前記運転されていない蓄熱器が存在すると判定したときであって、前記発電量と前記合計値との差から、前記運転されていない蓄熱器の負荷の前記計画値を差し引く計算によって得られた第１計算値が、所定の並列閾値よりも大きいとき、前記運転されていない蓄熱器の運転を決定することを特徴とする。

本発明の蓄熱器制御装置によれば、電力を用いて蓄熱する蓄熱機器において、ＰＶ発電の余剰電力を有効に利用することができるので、系統から購入する電力を小さくすることができる。

蓄熱器制御装置のシステム構成の一例を示すブロック図である。蓄熱器制御装置の動作を示すフローチャートである。運転されていない蓄熱器の運転をするか否かについて決定する計算を行った例を示す図である。一部の蓄熱器の停止をするか否かについて決定する計算を行った例を示す図である。

図１に本発明による蓄熱器制御装置１０のシステム構成の一例を模式的に示す。蓄熱器制御装置１０は、それぞれプログラムで実現されたＰＶ発電情報収集部２００、ＰＶ予測情報収集部２０１、ＰＶ発電推定部２０２、負荷推定部２０３、負荷情報収集部２０４、蓄熱器情報収集部２０５、蓄熱器スケジュール計算部２０６、蓄熱器On/Off計算部２０７、蓄熱器On/Off送信部２０８を含む。

ＰＶ発電情報収集部２００は、ＰＶ発電機の発電量の測定値（ＰＶ発電量データ）、気温、日射量測定値を含む発電情報を各ＰＶ発電機から収集し、ＰＶ発電測定値記憶部１００にその収集した発電情報のデータを記憶させる。ＰＶ予測情報収集部２０１は、気温、日射量予測値を含む予測情報を外部装置から収集し、予測データ記憶部１０１にその収集した予測情報のデータを記憶させる。ＰＶ発電推定部２０２は、ＰＶ発電測定値記憶部１００に記憶された発電情報のデータと、機器情報記憶部１０４に記憶されたＰＶ発電の機器情報（発電容量、気温毎の発電特性）のデータと、予測データ記憶部１０１に記憶された予測情報のデータとに基づき、ＰＶ発電量を推定し（各時間帯の各ＰＶ発電機の出力を予測し）、その結果を蓄熱器スケジュール計算部２０６に送信する。

負荷推定部２０３は、予測データ記憶部１０１に記憶された予測情報のデータと、負荷特性記憶部１０２に記憶された負荷の気温等に対する負荷特性を含む特性情報のデータとに基づき、負荷電力量を推定し（各時間帯の負荷量を予測し）、その結果を蓄熱器スケジュール計算部２０６に送信する。負荷情報収集部２０４は、上述したＰＶ発電機によって発電された電力を消費する各負荷の測定値と負荷の測定値の合計値とを含む負荷情報を収集し、負荷測定値記憶部１０３にその収集した負荷情報のデータ（各負荷の負荷測定データを含む）を記憶させる。蓄熱器情報収集部２０５は、複数の蓄熱器の蓄熱量測定値と、複数の蓄熱器の負荷の測定値とを含む蓄熱器情報を収集し、蓄熱器測定値記憶部１０５に蓄熱器情報のデータ（蓄熱器測定データ）を記憶させる。

蓄熱器スケジュール計算部２０６は、ＰＶ発電推定部２０２から得られたＰＶ発電量の予測値（ＰＶ出力予測値）と、負荷推定部２０３から得られた負荷の予測値と、手入力等により予め入力された蓄熱器の特性（蓄熱量の上下限、蓄熱初期値等を含む）等を含む、機器情報記憶部１０４によって記憶される機器情報のデータ（蓄熱器定数データ）と、蓄熱器測定記憶部１０５によって記憶された複数の蓄熱器の負荷の測定値とに基づき、複数の蓄熱器の負荷のスケジュール値（計画値）を計算し、計算したスケジュール値を蓄熱器On/Off計算部２０７に送信する。機器情報記憶部１０４はＰＶ発電の日射量、気温による発電特性、蓄熱器の気温による蓄熱特性および負荷特性、上下限、手入力による蓄熱初期値等を備える。

蓄熱器On/Off計算部２０７は、蓄熱器スケジュール計算部２０６から得られた蓄熱器のスケジュール値と、ＰＶ発電測定値記憶部１００に記憶された発電情報のデータと、負荷測定値記憶部１０３に記憶された負荷情報のデータと、予め手入力されることによって機器情報記憶部１０４に記憶されたＰＶ発電の機器情報のデータと、蓄熱器測定記憶部１０５の蓄熱器情報のデータとに基づき、蓄熱器のOn/Off、すなわち停止中の蓄熱器の運転や運転中の蓄熱器の停止を決定する。蓄熱器On/Off送信部２０８は、蓄熱器On/Off計算部２０７によって決定された結果を各蓄熱器に送信する。

図２は、蓄熱器制御装置１０の動作を示すフローチャートである。ステップＳ５１０において、ＰＶ発電情報収集部２００は、ＰＶ発電機の発電量の測定値、気温、日射量測定値を含む発電情報を各ＰＶ発電機から定期的に収集し、ＰＶ発電測定値記憶部１００にその収集した発電情報のデータを記憶させる。ステップＳ５２０において、負荷情報収集部２０４は、上述したＰＶ発電機によって発電された電力を消費する各負荷の測定値と負荷の測定値の合計値とを含む負荷情報を定期的に収集し、負荷測定値記憶部１０３にその収集した負荷情報のデータを記憶させる。ステップＳ５３０において、蓄熱器On/Off計算部２０７は、複数の蓄熱器の負荷のスケジュール値を、蓄熱器スケジュール計算部２０６から取得する。ステップＳ５４０において、蓄熱器情報収集部２０５は、複数の蓄熱器の蓄熱量測定値と、複数の蓄熱器の負荷の測定値とを含む蓄熱器情報を収集し、蓄熱器測定値記憶部１０５に蓄熱器情報のデータを記憶させる。ステップＳ５５０において、蓄熱器On/Off計算部２０７は、複数の蓄熱器のうちで運転中であることが計画されていたが運転されていない蓄熱器が存在するか否かを判定する。

ステップＳ５５０における判定処理を具体的に説明する。蓄熱器On/Off計算部２０７は、負荷測定記憶部１０３の負荷測定値データとＰＶ発電測定値記憶部１００のＰＶ発電量データとを用いて、以下の（１）式により、過去ｎ分間のＰＶ余剰電力を計算する。すなわち、ＰＶの余剰電力は、全部でp個のＰＶの発電量の和（このとき、i=1,2,3,…,p）と、全部でq個の負荷の測定値の和（このとき、j=1,2,3,…,q）との差として得られる。
ＰＶ余剰電力(t)＝ΣＰＶ発電量（t,i）−Σ負荷測定値（t,j）・・・（１）

次に、蓄熱器On/Off計算部２０７は、蓄熱器スケジュール計算部２０６から得られた蓄熱器スケジュールと、蓄熱器情報収集部２０５から得られた現在の蓄熱器負荷測定データとを比較して、現在の蓄熱器の運転状態がスケジュール通りか否かを判定する。すなわち、蓄熱器On/Off計算部２０７は、複数の蓄熱器のうちで運転中であることが計画されていたが運転されていない蓄熱器が存在するか否かを判定する。

もし、ステップＳ５５０において肯定判定された場合、すなわちスケジュールより蓄熱器の運転台数が少ないのであれば、ステップＳ５６０において、蓄熱器On/Off計算部２０７は、複数の蓄熱器のうちで運転中であることが計画されていたが運転されていない未運転の蓄熱器の並列優先順位に従い、（２）式を満足しなくなるまで未運転の蓄熱器の並列を順次決定する。すなわち、過去ｎ分間のＰＶ余剰電力平均値と、新たに並列することが既に決定した(k-1)個の未運転の蓄熱器の負荷の合計値との差から、並列優先順位k番目の未運転の蓄熱器の負荷を差し引いた結果の値が、蓄熱器並列閾値よりも大きければ、並列優先順位ｋ番目の未運転の蓄熱器も新たに並列することを決定し、さらにその値から並列優先順位(k+1)番目の未運転の蓄熱器の負荷を差し引いた結果の値が蓄熱器並列閾値よりも大きいか否かを計算する。過去ｎ分間のＰＶ余剰電力平均値と、新たに並列することが決定した(k-1)個の未運転の蓄熱器の負荷の合計値との差から、並列優先順位k番目の未運転の蓄熱器の負荷を差し引いた結果の値が、蓄熱器並列閾値よりも小さければ、並列優先順位ｋ番目の未運転の蓄熱器は並列する（運転する）ことを決定するが、並列優先順位(k+1)番目の未運転の蓄熱器を並列する（運転する）ことは決定しない。
過去ｎ分間のＰＶ余剰電力平均値−並列優先順位k番目の蓄熱器負荷−Σ新たに並列と判定された蓄熱器負荷＞蓄熱器並列閾値・・・（２）

（２）式において、定数ｎ、および蓄熱器並列閾値は手動により設定してもよい。また、「新たに並列した蓄熱器負荷」とは、現在停止中であるが（２）式で並列と判定された蓄熱器の負荷、すなわち運転することが決定した蓄熱器の負荷である。

ステップＳ５７０において、蓄熱器On/Off計算部２０７は、（２）式で並列と判定された未運転の蓄熱器（運転することが決定された蓄熱器）に対するOn指令を蓄熱器On/Off送信部２０８に送信し、本処理を終了する。

もし、ステップＳ５５０において否定判定された場合、すなわちスケジュールより蓄熱器の運転台数が少なくないのであれば、ステップＳ５８０において、蓄熱器On/Off計算部２０７は、現在運転中の蓄熱器の解列優先順位に従い、（３）式を満足しなくなるまで運転中の蓄熱器の解列を順次決定する。すなわち、過去ｎ分間のＰＶ余剰電力平均値と、新たに解列することが既に決定した(m-1)個の運転中の蓄熱器の負荷の合計値との和に、解列優先順位m番目の運転中の蓄熱器の負荷を加えた結果の値が、蓄熱器解列閾値よりも小さければ、解列優先順位m番目の運転中の蓄熱器も新たに解列することを決定し、さらにその値に解列優先順位(m+1)番目の運転中の蓄熱器の負荷を加えた結果の値が蓄熱器解列閾値よりも小さいか否かを計算する。過去ｎ分間のＰＶ余剰電力平均値と、新たに解列することが決定した(m-1)個の運転中の蓄熱器の負荷の合計値との和に、解列優先順位m番目の運転中の蓄熱器の負荷を加えた結果の値が、蓄熱器解列閾値よりも大きければ、解列優先順位m番目の運転中の蓄熱器は解列する（停止する）ことを決定するが、解列優先順位(m+1)番目の運転中の蓄熱器を解列する（停止する）ことは決定しない。
過去ｎ分間のＰＶ余剰電力平均値＋解列優先順位m番目の蓄熱器負荷＋Σ新たに解列と判定された蓄熱器負荷＜蓄熱器解列閾値・・・（３）

（３）式において、定数ｎ、および蓄熱器解列閾値は手動により設定してもよい。また、「新たに解列した蓄熱器負荷」とは、現在運転中であるが（３）式で解列と判定された蓄熱器の負荷、すなわち停止することが決定した蓄熱器の負荷である。

ステップＳ５９０において、蓄熱器On/Off計算部２０７は、（３）式で解列と判定された運転中の一部の蓄熱器に対するOff指令を蓄熱器On/Off送信部２０８に送信し、本処理を終了する。

図２のステップＳ５６０において、運転されていない蓄熱器の運転を決定するか否かについて計算する蓄熱器並列判定計算の一例を図３に示す。図３（ａ）は、本発明による蓄熱制御装置１０の制御対象の蓄熱器を３台とし、過去５分間のＰＶ余剰電力平均値を用い、蓄熱器並列閾値を3000とした場合の例である。並列優先順位は、蓄熱器１、蓄熱器２、蓄熱器３の順に優先順位が高いものとする。13:01において、過去５分間のＰＶ余剰電力平均値が蓄熱器並列閾値3000を超えて3040となったため、この過去５分間のＰＶ余剰電力平均値3040と、停止中の蓄熱器２および３のスケジュール値3000および2000ならびに並列優先順位とに基づき、（２）式を満足しなくなるまで蓄熱器の並列を決定すると、蓄熱器２のみが並列することを決定される。そこで、蓄熱器２のOn指令が蓄熱器On/Off送信部２０８に送信される。

もし、本発明によらず、スケジュール値に基づき蓄熱器２および３の運転が開始された場合、図３（ｂ）に示すように、13:00において、ＰＶ余剰電力以上の蓄熱器負荷を追加することになり、高い電力料金で蓄熱器を運転することになる。本発明を実施することにより、13:00に蓄熱器２および３の運転が開始されることを抑止し、13:01に余剰電力に応じた蓄熱器２のみに対してOn指令が送信されるため、余剰電力のみで蓄熱可能であることが分かる。

図２のステップＳ５８０において、運転中の蓄熱器の停止を決定するか否かについて計算する蓄熱器解列判定計算の一例を図４に示す。図４（ａ）は、本発明による蓄熱制御装置１０の制御対象の蓄熱器を３台とし、過去５分間のＰＶ余剰電力平均値を用い、蓄熱器解列閾値を1000とした場合の例である。解列優先順位は、蓄熱器３、蓄熱器２、蓄熱器１の順に優先順位が高いものとする。16:55において、過去５分間のＰＶ余剰電力平均値が蓄熱器解列閾値1000を下回って860となったため、この過去５分間のＰＶ余剰電力平均値860と、運転中の蓄熱器１，２および３のスケジュール値2000, 3000および2000ならびに解列優先順位とに基づき、（３）式を満足しなくなるまで蓄熱器の解列を決定すると、蓄熱器３のみが解列することを決定される。そこで、蓄熱器３のOff指令が蓄熱器On/Off送信部２０８に送信される。

もし、本発明によらず、スケジュール値に基づき蓄熱器３の停止が行われた場合、17:04まで、蓄熱器１，２および３を稼動させることになり、17:01以降蓄熱器３がスケジュール値に基づいて停止されるまでの間、ＰＶ余剰電力以上の蓄熱器負荷が発生し、高い電力料金で蓄熱器を運転することになる。本発明を実施することにより、16:55に余剰電力に応じた蓄熱器３のみに対してOff指令が送信されるため、余剰電力のみで蓄熱可能であることが分かる。

本発明による蓄熱器制御装置１０は、ＰＶ発電情報収集部２００と、負荷情報収集部２０４と、蓄熱器情報収集部２０５と、蓄熱器On/Off計算部２０７とを有する。ＰＶ発電情報収集部２００は、ＰＶ発電機のＰＶ発電量を含む発電情報を定期的に収集する。負荷情報収集部２０４は、ＰＶ発電機によって発電された電力を消費する負荷の測定値の合計値を含む負荷情報を定期的に収集する。蓄熱器情報収集部２０５は、複数の蓄熱器の負荷の測定値を含む蓄熱器情報を収集する。蓄熱器On/Off計算部２０７は、複数の蓄熱器の負荷のスケジュール値を蓄熱器スケジュール計算部２０６から取得するとともに、複数の蓄熱器の負荷のスケジュール値と、複数の蓄熱器の負荷の測定値とに基づき、複数の蓄熱器のうちで運転中であることが計画されていたが運転されていない蓄熱器が存在すると判定したとき、ＰＶ発電量と負荷測定値の合計値とスケジュール値とに基づき、運転されていない蓄熱器の運転をするか否かについて決定する。これにより、ＰＶ余剰電力の増加が予想よりも緩やかな場合に、系統からの購入電力を低減することができる。

本発明による蓄熱器制御装置１０において、蓄熱器On/Off計算部２０７は、複数の蓄熱器の負荷のスケジュール値と、複数の蓄熱器の負荷の測定値とに基づき、複数の蓄熱器のうちで運転されていない蓄熱器が存在しないと判定したとき、ＰＶ発電量と負荷測定値の合計値とスケジュール値とに基づき、複数の蓄熱器のうちの運転中の一部の蓄熱器の停止をするか否かについて決定する。これにより、ＰＶ余剰電力の減少が予想よりも急速な場合に、系統からの購入電力を低減することができる。

なお、ＰＶ発電機の代わりに、風車等の他の分散電源であっても本発明は成り立つ。

また、蓄熱器並列閾値および蓄熱器解列閾値は、蓄熱器の並列および解列が頻繁に生じることの無いように、適切なヒステリシスを設けた値に設定したり、あるいは蓄熱器の並列および解列を決定する（２）および（３）式による計算の開始タイミングに保護時間を設けることとしてもよい。

上述した実施の形態においては、蓄熱器制御装置１０が複数の蓄熱器を制御であり、図３および図４では蓄熱器制御装置１０の制御対象を３台の蓄熱器であるものとした。しかし、蓄熱器制御装置１０は、４台以上や２台以下の蓄熱器を制御することとしてもよい。例えば、蓄熱器制御装置１０は１台の蓄熱器を制御することとしてもよい。この場合において、蓄熱器制御装置１０のＰＶ発電情報収集部２００は、ＰＶ発電機のＰＶ発電量を含む発電情報を定期的に収集する。負荷情報収集部２０４は、ＰＶ発電機によって発電された電力を消費する負荷の測定値の合計値を含む負荷情報を定期的に収集する。蓄熱器情報収集部２０５は、蓄熱器の負荷の測定値を含む蓄熱器情報を収集する。蓄熱器On/Off計算部２０７は、その蓄熱器の負荷のスケジュール値を蓄熱器スケジュール計算部２０６から取得するとともに、その蓄熱器の負荷のスケジュール値と、その蓄熱器の負荷の測定値とに基づき、その蓄熱器が、運転中であることが計画されていたが運転されていない蓄熱器であると判定したとき、ＰＶ発電量と負荷測定値の合計値とスケジュール値とに基づき、運転されていないその蓄熱器の運転をするか否かについて決定する。

１，２，３蓄熱器
１０蓄熱器制御装置
１００ＰＶ発電測定値記憶部
１０１予測データ記憶部
１０２負荷特性記憶部
１０３負荷測定値記憶部
１０４機器情報記憶部
１０５蓄熱器測定値記憶部
２００ＰＶ発電情報収集部
２０１ＰＶ予測情報収集部
２０２ＰＶ発電推定部
２０３負荷推定部
２０４負荷情報収集部
２０５蓄熱器情報収集部
２０６蓄熱器スケジュール計算部
２０７蓄熱器On/Off計算部
２０８蓄熱器On/Off送信部

Claims

発電機の発電量を含む発電情報を定期的に収集する発電情報収集部と、
前記発電機によって発電された電力を消費する負荷の測定値の合計値を含む負荷情報を定期的に収集する負荷情報収集部と、
複数の蓄熱器の負荷の計画値を取得する蓄熱器負荷計画値取得部と、
前記複数の蓄熱器の負荷の測定値を含む蓄熱器情報を収集する蓄熱器情報収集部と、
前記複数の蓄熱器のうちで運転中であることが計画されていたが運転されていない蓄熱器が存在するということを、前記複数の蓄熱器の負荷の前記計画値と、前記複数の蓄熱器の負荷の前記測定値とに基づき判定したとき、前記発電量と前記合計値と前記計画値とに基づき、前記運転されていない蓄熱器の運転をするか否かについて決定する蓄熱器運転可否計算部とを備え、
前記蓄熱器運転可否計算部は、前記複数の蓄熱器の負荷の前記計画値と、前記複数の蓄熱器の負荷の前記測定値とに基づき、前記複数の蓄熱器のうちで前記運転されていない蓄熱器が存在すると判定したときであって、前記発電量と前記合計値との差から、前記運転されていない蓄熱器の負荷の前記計画値を差し引く計算によって得られた第１計算値が、所定の並列閾値よりも大きいとき、前記運転されていない蓄熱器の運転を決定することを特徴とする蓄熱器制御装置。
請求項１に記載の蓄熱器制御装置において、
前記蓄熱器運転可否計算部は、前記複数の蓄熱器の負荷の前記計画値と、前記複数の蓄熱器の負荷の前記測定値とに基づき、前記複数の蓄熱器のうちで前記運転されていない蓄熱器が存在しないと判定したとき、前記発電量と前記合計値と前記計画値とに基づき、前記複数の蓄熱器のうちの運転中の一部の蓄熱器の停止をするか否かについて決定することを特徴とする蓄熱器制御装置。
請求項２に記載の蓄熱器制御装置において、
前記蓄熱器運転可否計算部は、前記複数の蓄熱器の負荷の前記計画値と、前記複数の蓄熱器の負荷の前記測定値とに基づき、前記複数の蓄熱器のうちで前記運転されていない蓄熱器が存在しないと判定したとき、前記発電量と前記合計値との差に、前記一部の蓄熱器の負荷の前記測定値を加える計算によって得られた第２計算値が、所定の解列閾値よりも小さいとき、前記一部の蓄熱器の停止を決定することを特徴とする蓄熱器制御装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の蓄熱器制御装置において、
前記複数の蓄熱器の負荷の前記計画値を、前記発電量の予測値と、前記発電機によって発電された前記電力を消費する負荷の予測値と、前記複数の蓄熱器の特性と、前記複数の蓄熱器の負荷の前記測定値とに基づいて計算する蓄熱器スケジュール計算部をさらに備え、
前記蓄熱器負荷計画値取得部は、前記蓄熱器スケジュール計算部から前記複数の蓄熱器の負荷の前記計画値を取得することを特徴とする蓄熱器制御装置。