JP5969438B2 - 太陽光発電システム及び太陽光発電制御方法 - Google Patents
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Description
例えば、太陽に雲がかかっていない状況から、厚い雲に覆われた状況に変化したとき、発電量は急激に落ち込む。逆の場合には、発電力が急激に増える。
特許文献1に記載された技術は、太陽光発電システムの出力予測を行い、その出力予測結果により、ガスエンジン発電機やディーゼルエンジン発電機の出力を調整して、一定の地域内でのエネルギーの自給自足を行うものである。
特許文献2に記載された技術は、全天カメラで空を撮影して、太陽光発電に影響する雲を観察して、その観察結果に基づいて、ガスエンジン発電機を起動させるものである。
特許文献3に記載された技術は、カメラで雲を撮影して、太陽電池の出力変動を予測し、その予測に基づいて、合計の発電量が減少しないように発電機の起動状態を制御するものである。
また、蓄電池は、充電や放電を適切に制御する必要がある。すなわち、蓄電池は、蓄電量が少ないときに放電を行って過放電となったり、蓄電量が多いときに充電を行って過充電となることがある。このような過放電や過充電があると、蓄電池の寿命を極端に短くしてしまう場合があり、したがってこのような事態を防ぐためにも、適切な充放電の制御が必要である。
しかしながら、太陽光発電パネルと蓄電池を組み合わせて、太陽光発電パネルの出力の変動を抑える処理を行うようにした場合に、蓄電池の寿命を考慮した制御を行うと、発電量の変動抑圧が十分にできない状況が発生し、好ましくない。
蓄電制御部は、太陽光発電パネルでの発電量の変動を予測し、その予測した変動が一定時間以内に所定量以上の変動であるとき、蓄電部での放電又は充電により、電力変換部に入力される電力の変動を、一定時間を越えた時間による変動に緩和する。
さらに、蓄電制御部は、発電量が単位時間当たり所定量以上低下することを予測し、蓄電部での充電残量が放電で緩和できる量であると判断したとき、発電量が低下すると予測されるタイミングから蓄電部で放電を行うことで、電力変換部に入力する電力の変動を緩和する処理を行う。
あるいは、蓄電制御部は、発電量が単位時間当たり所定量以上上昇することを予測し、蓄電部での充電残量が放電で緩和できる量であると判断したとき、発電量が上昇すると予測されるタイミングの前から蓄電部からの放電を行うことで、電力変換部に入力する電力の変動を緩和する処理を行う。
あるいはまた、蓄電制御部は、発電量が単位時間当たり所定量以上上昇することを予測し、蓄電部での充電残量が放電で緩和できない量であると判断したとき、発電量が上昇すると予測されるタイミングから蓄電部に充電を行うことで、電力変換部に入力する電力の変動を緩和する処理を行う。
そして、本発明の太陽光発電制御方法は、太陽光発電パネルでの発電量の変動を予測する予測処理と、蓄電部の充放電制御処理とを行う。
蓄電部の充放電制御処理は、予測処理で予測した変動が一定時間以内に所定量以上であるとき、蓄電部での放電又は充電により、電力変換部に入力される電力の変動を、一定時間を越えた時間による変動に緩和する処理を行う。
さらに、充放電制御処理として、発電量が単位時間当たり所定量以上低下することを予測し、蓄電部での充電残量が放電で緩和できる量であると判断したとき、発電量が低下すると予測されるタイミングから蓄電部で放電を行うことで、電力変換部に入力する電力の変動を緩和する。
あるいは、充放電制御処理として、発電量が単位時間当たり所定量以上上昇することを予測し、蓄電部での充電残量が放電で緩和できる量であると判断したとき、発電量が上昇すると予測されるタイミングの前から蓄電部からの放電を行うことで、電力変換部に入力する電力の変動を緩和する。
あるいはまた、充放電制御処理として、発電量が単位時間当たり所定量以上上昇することを予測し、蓄電部での充電残量が放電で緩和できない量であると判断したとき、発電量が上昇すると予測されるタイミングから蓄電部に充電を行うことで、電力変換部に入力する電力の変動を緩和する。
この場合、蓄電部で蓄電する容量は、少なくとも発電量の急激な変動を緩和する程度の容量を備えればよく、小容量の蓄電部で実現が可能であり、システム構成を簡単にすることができる。
以下、本発明の一実施の形態の例(以下、「本例」と称する。)を、添付図面を参照して説明する。
図1は、本例の太陽光発電システムの全体構成を示すブロック図である。
本例のシステムは、太陽光発電パネル3と、太陽光発電パネル3が発電した直流電源を交流電源に変換する電力変換装置5とを備える。電力変換装置5が変換した交流電力は、電力系統6に送電される。太陽光発電パネル3は、比較的広い面積の場所に多数設置される、例えばメガソーラーと称されるもの(最大出力が1000kW以上のシステム)が好ましい。但し、メガソーラーなどの大規模なシステムに適用するのは1つの例であり、住宅の屋根などに設置された出力が数kW程度のシステムでもよい。
蓄電池4は、太陽光発電パネル3が発電した電力で充電されることが基本であるが、例えばシステムの起動時などの通常とは異なる状態のときに、電力系統6から得た交流電源を電力変換装置5で変換した直流電源で充電してもよい。
また、蓄電量計算部15は、電力変換装置5からネットワーク2及び通信部17を介して、蓄電池4の状態を取得し、蓄電池4の充電残量を計算する。蓄電池充放電計画立案部13には、蓄電量計算部15が計算した蓄電池残量のデータが供給される。
蓄電池充放電計画立案部13が作成した充放電計画のデータは、充放電指示部16に供給される。充放電指示部16は、充放電計画に基づいて、通信部17から電力変換装置5に充電又は放電の指示を行う。この充電又は放電の指示を受信した電力変換装置5の充放電処理部22が、蓄電池4の充電又は放電を指示する。
図2は、カメラ18が撮影した空画像から、発電出力の変化を予測する処理を説明する図である。太陽光発電出力予測部11は、カメラ18が撮影した空画像から太陽光発電出力の変化を予測する。
図2(a)は、太陽光発電出力予測部11が、カメラ18から受け取った空画像41の例である。
したがって、太陽光発電出力予測部11は、空画像41中の所定の閾値以上の明度を有する箇所をハレーション42aとして検出し、検出したハレーション42aを含む所定の大きさの領域43を空画像41から切り取る。太陽光発電出力予測部11は、このような画像の切り取り処理を、それぞれのタイミングで撮影された空画像41について実行する。
太陽光発電出力予測部11は、切り取った領域43のハレーションの重心部分を中心とし、所定の半径を有する円(太陽44)によってハレーションを置換する。太陽44は、画像中の大きさがほぼ一定であり、事前に半径を設定することができる。太陽光発電出力予測部11は、このような処理を、5秒毎のタイミングで撮影された空画像41から切り出した領域43について実行する。
太陽光発電出力予測部11は、連続する2つのタイミングn−1、nについての切り取った領域43同士を比較する。具体的には、太陽光発電出力予測部11は、タイミングnの雲42bの任意の小領域45aを取得し、タイミングn−1の雲42bのうちから、取得した小領域45aと形状が一致又は類似する小領域45bを探し出す。そして、小領域45b内のある点を起点とし、小領域45a内の対応する点を終点とする移動ベクトル46を定義する。
太陽光発電出力予測部11は、このようにして太陽の周囲の雲の位置を予測すると、雲が太陽を遮蔽する遮蔽率を取得する。
図3(a)は、太陽光発電出力予測部11が遮蔽率を取得する処理の例を説明する図である。図3(a)の左側に示す太陽44−1は、雲が完全に覆った状態を示し、図3(a)の右側に示す太陽44−2は、雲が太陽を覆っていない領域44aと、雲が太陽を覆った領域44bとがある状態を示す。雲が完全に覆った太陽44−1は、領域44aと領域44bの双方が、雲の領域である。
太陽光発電出力予測部11は、雲42bの「グレースケール」を算出する。空画像41(図2(a))は、カラー画像であり、雲42bを表示する画素は、R(赤)、G(緑)及びB(青)の3つの原色の画素値を有している。これらの画素値は、例えば8ビットで表現される場合、0〜255の範囲内のいずれかの値である。これら3つの画素値を単純平均し、又は、所定の重みを乗じた上で平均して、1つの画素値にしたものがグレースケールである。
なお、図3(b)に示したグレースケールと雲濃度との関係は一例であり、太陽光発電出力予測部11は、ユーザ操作などで、雲濃度段階の数及びその段階を決める閾値の数値を任意に設定することができる。例えば、図3(b)では5段階の雲濃度を示したが、雲濃度「5」よりもグレースケールの値が小さい場合には、より高い雲濃度段階の数を設定してもよい。
低下率とは、ある遮蔽率かつある雲濃度における発電出力が、遮蔽率が0%である場合の発電出力を基準にして、どの程度発電量が低下するかを示す数値である。例えば、低下率10%は、雲が全く太陽を隠していない場合の発電出力を「100」とした場合、その遮蔽率かつその雲濃度における発電出力が「90」にまで低下することを意味する。図3(c)の低下率マトリクス48の縦軸は遮蔽率であり、横軸は雲濃度である。縦軸と横軸との交点のセルに、その遮蔽率かつその雲濃度における低下率が記憶されている。つまり、遮蔽率と雲濃度の組合せに関連付けて低下率が記憶されている。低下率は、太陽光発電パネル3の設置条件(設置場所、受光面の法線ベクトルの方角、受光面が地面となす角度等)、太陽光発電パネル3の性能等によっても変化する。ここでは、低下率として、発電出力を予測する対象である特定の太陽光発電パネル3の設置条件及び性能を考慮した値が記憶されている。
この図3(b)及び図3(c)に示す雲濃度や低下率を決める値は、例えば計画立案パラメータ設定部12によって不図示のメモリ等に記憶される。
図4は、蓄電池充放電計画立案部13が行う蓄電池4の充放電計画の立案処理と、その立案された充放電計画に基づいた充放電の実行処理の例を示すフローチャートである。
上述したように、太陽光発電パネル3の発電出力が急激に変動すると予測した場合、蓄電池充放電計画立案部13は、蓄電池4の充電又は放電により、太陽光発電電力の変動を緩和するように充放電計画立案する。この場合、太陽光発電出力予測部11は、空の画像中の雲と太陽との位置関係の変化から、発電出力の予測を行っているため、実際に急激な変動が発生する前から蓄電池の制御を開始することができ、柔軟な充放電計画を立案可能である。
まず、蓄電池充放電計画立案部13は、太陽光発電パネル3の発電出力の急激な変動が、出力が減少する変動であるか、あるいは出力が上昇する変動であるかを判断する(ステップS111)。ここで、出力が急激に減少する変動であると判断したときには、蓄電池4の現在の残量が十分な残量であるか否か、すなわち、残量の閾値Eaよりも上か否かを判断する(ステップS112)。充電残量が閾値Ea以上であるとは、蓄電池4が蓄電池残量上限値に近い状態であることを示す。
蓄電池残量下限値<制御後蓄電池残量<蓄電池残量上限値・・・(式1)
制御後蓄電池残量=制御前蓄電池残量+充電面積×充電効率―放電面積×放電効率
・・・(式2)
この式2の条件を満たすように、蓄電池充放電計画立案部13は、充放電計画を立案する。
図6(a)は発電出力が急激に減少すると予測した場合の発電出力の変動の一例を示す。予想した出力変動が継続する時間が、予め設定した出力変動時間パラメータで決めた時間よりも短く、かつ、予想した出力変動幅が、予め設定した出力変動幅パラメータで決めた変動幅よりも大きい場合に、蓄電池充放電計画立案部13が充放電計画を立案する。出力変動時間の具体的な例としては、例えば出力変動時間が3秒よりも短い場合に、充放電計画を立案する。
この蓄電池4の充電により、電力変換装置5に供給される電力の変化は、図6(b)に破線で示すような長い時間での変化に緩和されることになる。
この蓄電池4の放電により、電力変換装置5に供給される電力の変化は、図6(b)に破線で示すような長い時間での変化に緩和されることになる。
この蓄電池4の充電と放電とを組み合わせることにより、電力変換装置5に供給される電力の変化は、図6(d)に破線で示すような長い時間での変化に緩和されることになる。
図6(e)は発電出力が急激に上昇すると予測した場合の発電出力の変動の一例を示す図である。すなわち、予想した出力変動が継続する時間が、予め設定した出力変動時間パラメータで決めた時間よりも短く、かつ、予想した出力変動幅が、予め設定した出力変動幅パラメータで決めた変動幅よりも大きい場合に、蓄電池充放電計画立案部13が充放電計画を立案する。出力変動時間の具体的な例としては、例えば出力変動時間が3秒よりも短い場合に、充放電計画を立案する。
この蓄電池4の充電により、電力変換装置5に供給される電力の変化は、図6(f)に破線で示すような長い時間での変化に緩和されることになる。
この蓄電池4の放電により、電力変換装置5に供給される電力の変化は、図6(g)に破線で示すような長い時間での変化に緩和されることになる。
この蓄電池4の放電と充電とを組み合わせることにより、電力変換装置5に供給される電力の変化は、図6(h)に破線で示すような長い時間での変化に緩和されることになる。
また、本例の場合には、変動を緩やかにできるだけの蓄電量が確保できればよいため、出力変動のすべてを補償する場合と比べて、非常に容量の小さな蓄電池(蓄電部)で実現できる。このため、出力変動の緩和のための構成が、低コストで実現できる。
上述した実施の形態の例では、充放電計画を作成する際には、蓄電池(蓄電部)の充電残量に基づいて、図6に示した各例の処理を切り換えるようにした。これに対して、予め何れかの処理を優先的に行うようにして、その優先的に選ばれる処理ができない条件があるときだけ、他の処理に切り換えるようにしてもよい。例えば、発電出力が急激に低下するときには、出力の低下開始と同時に放電を行う処理(図6(c)の処理)を優先的に行うようにしてもよい。
あるいは、発電出力が急激に低下するときには、図6(d)に示した充電と放電を切り換える処理だけを行い、発電出力が急激に上昇するときには、図6(h)に示した放電と充電を切り換える処理だけを行うようにしてもよい。この図6(d)や図6(h)に示す処理の場合には、蓄電池4の容量が、他の例に比べて約半分でよく、それだけ容量の小さな蓄電池(蓄電部)で実現できるようになる。
カメラが撮影した画像を利用する際に、太陽光発電出力予測部11がハレーションを利用して太陽の位置を検出する処理についても、一例であり、その他の処理で太陽の位置を検出してもよい。
Claims (6)
- 太陽光発電パネルと、
前記太陽光発電パネルが発電した電力を交流電力に変換する電力変換部と、
前記太陽光発電パネルが発電した電力により充電されると共に、充電された電力を前記電力変換部に放電する蓄電部と、
前記太陽光発電パネルでの発電量の変動を予測し、その予測した変動が一定時間以内に所定量以上の変動であるとき、前記蓄電部での放電又は充電により、前記電力変換部に入力される電力の変動を、前記一定時間を越えた時間による変動に緩和する蓄電制御部とを備え、
前記蓄電制御部は、発電量が単位時間当たり所定量以上低下することを予測し、前記蓄電部での充電残量が放電で緩和できる量であると判断したとき、発電量が低下すると予測されるタイミングから前記蓄電部で放電を行うことで、前記電力変換部に入力する電力の変動を緩和する
太陽光発電システム。 - 太陽光発電パネルと、
前記太陽光発電パネルが発電した電力を交流電力に変換する電力変換部と、
前記太陽光発電パネルが発電した電力により充電されると共に、充電された電力を前記電力変換部に放電する蓄電部と、
前記太陽光発電パネルでの発電量の変動を予測し、その予測した変動が一定時間以内に所定量以上の変動であるとき、前記蓄電部での放電又は充電により、前記電力変換部に入力される電力の変動を、前記一定時間を越えた時間による変動に緩和する蓄電制御部とを備え、
前記蓄電制御部は、発電量が単位時間当たり所定量以上上昇することを予測し、前記蓄電部での充電残量が放電で緩和できる量であると判断したとき、発電量が上昇すると予測されるタイミングの前から前記蓄電部からの放電を行うことで、前記電力変換部に入力する電力の変動を緩和する
太陽光発電システム。 - 太陽光発電パネルと、
前記太陽光発電パネルが発電した電力を交流電力に変換する電力変換部と、
前記太陽光発電パネルが発電した電力により充電されると共に、充電された電力を前記電力変換部に放電する蓄電部と、
前記太陽光発電パネルでの発電量の変動を予測し、その予測した変動が一定時間以内に所定量以上の変動であるとき、前記蓄電部での放電又は充電により、前記電力変換部に入力される電力の変動を、前記一定時間を越えた時間による変動に緩和する蓄電制御部とを備え、
前記蓄電制御部は、発電量が単位時間当たり所定量以上上昇することを予測し、前記蓄電部での充電残量が放電で緩和できない量であると判断したとき、発電量が上昇すると予測されるタイミングから前記蓄電部に充電を行うことで、前記電力変換部に入力する電力の変動を緩和する
太陽光発電システム。 - 太陽光発電パネルと、前記太陽光発電パネルが発電した電力を交流電力に変換して出力する電力変換部と、前記太陽光発電パネルが発電した電力により充電されると共に充電された電力を放電する蓄電部とを備えた太陽光発電システムを制御する太陽光発電制御方法において、
前記太陽光発電パネルでの発電量の変動を予測する予測処理と、
前記予測処理で予測した変動が一定時間以内に所定量以上であるとき、前記蓄電部での放電又は充電により、前記電力変換部に入力される電力の変動を、前記一定時間を越えた時間による変動に緩和する充放電制御処理とを含み、
前記充放電制御処理は、発電量が単位時間当たり所定量以上低下することを予測し、前記蓄電部での充電残量が放電で緩和できる量であると判断したとき、発電量が低下すると予測されるタイミングから前記蓄電部で放電を行うことで、前記電力変換部に入力する電力の変動を緩和する処理を行う
太陽光発電制御方法。 - 太陽光発電パネルと、前記太陽光発電パネルが発電した電力を交流電力に変換して出力する電力変換部と、前記太陽光発電パネルが発電した電力により充電されると共に充電された電力を放電する蓄電部とを備えた太陽光発電システムを制御する太陽光発電制御方法において、
前記太陽光発電パネルでの発電量の変動を予測する予測処理と、
前記予測処理で予測した変動が一定時間以内に所定量以上であるとき、前記蓄電部での放電又は充電により、前記電力変換部に入力される電力の変動を、前記一定時間を越えた時間による変動に緩和する充放電制御処理とを含み、
前記充放電制御処理は、発電量が単位時間当たり所定量以上上昇することを予測し、前記蓄電部での充電残量が放電で緩和できる量であると判断したとき、発電量が上昇すると予測されるタイミングの前から前記蓄電部からの放電を行うことで、前記電力変換部に入力する電力の変動を緩和する処理を行う
太陽光発電制御方法。 - 太陽光発電パネルと、前記太陽光発電パネルが発電した電力を交流電力に変換して出力する電力変換部と、前記太陽光発電パネルが発電した電力により充電されると共に充電された電力を放電する蓄電部とを備えた太陽光発電システムを制御する太陽光発電制御方法において、
前記太陽光発電パネルでの発電量の変動を予測する予測処理と、
前記予測処理で予測した変動が一定時間以内に所定量以上であるとき、前記蓄電部での放電又は充電により、前記電力変換部に入力される電力の変動を、前記一定時間を越えた時間による変動に緩和する充放電制御処理とを含み、
前記充放電制御処理は、発電量が単位時間当たり所定量以上上昇することを予測し、前記蓄電部での充電残量が放電で緩和できない量であると判断したとき、発電量が上昇すると予測されるタイミングから前記蓄電部に充電を行うことで、前記電力変換部に入力する電力の変動を緩和する
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