JP5738219B2 - 出力平滑化装置、出力平滑化方法、及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、発電装置が発電した電力を平滑化して電力系統に出力させる出力平滑化装置、出力平滑化方法、及びプログラムに関する。

近年、太陽光、風力などの自然エネルギーを利用した発電技術が進歩している。これに伴い、メガソーラ、ウインドファームといった自然エネルギー発電設備の導入量が年々増加している。

しかし、自然エネルギーは天候、季節などによって時々刻々と変動するため、その発電出力（有効電力）も時々刻々と変動する。自然エネルギー発電設備が大量導入された場合、自然エネルギーの出力変動によって、電力系統の周波数、電圧が不安定になることが懸念されている。そのため、自然エネルギー発電設備にリチウム二次電池等で構成される蓄電システムを併設して、自然エネルギーの出力変動を吸収（平滑化）して電力系統に送電する技術が開発されている（例えば、特許文献１を参照）。これにより、電力系統が安定に運転されることが期待されている。

特開２００８−２５９３５７号公報

ところで、電力系統へ出力する電力の平滑化を行うには、二次電池と発電装置及び電力系統との間に、直流電力と交流電力との変換を行う電力変換装置を設ける必要がある。そのため、平滑化を行うにあたり、二次電池への充放電の際の電力変換装置による電力変換の損失をできるだけ小さくすることが望まれている。
なお、特許文献１に記載の方法を用いた場合、出力変動の抑制に対する電力系統側からの要求を満たすとともに、充放電の損失を少なくすることができるが、電力変換装置の効率について考慮されていない。

本発明の目的は、上述した課題を解決する出力平滑化装置、出力平滑化方法、及びプログラムを提供することにある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、発電装置が発電した電力を平滑化して電力系統に出力させる出力平滑化装置であって、前記発電装置が発電した電力を計測する発電電力計測部と、前記発電装置が発電した電力の平滑化のために、電力変換装置を介して前記発電装置及び電力系統に接続される二次電池に充放電すべき電力を算出する平滑化電力算出部と、前記平滑化電力算出部が算出した電力を前記電力変換装置により変換する際の負荷率が所定の負荷率閾値以上である場合、および前記発電電力計測部が計測した電力と過去に前記電力系統に出力した電力との変化量が所定の変化量閾値以上である場合に、前記平滑化電力算出部が算出した電力で二次電池の充放電を行い、負荷率が所定の閾値未満であり、かつ前記発電電力計測部が計測した電力と過去に前記電力系統に出力した電力との変化量が所定の変化量閾値未満になる場合に、前記二次電池の充放電を停止する充放電制御部とを備えることを特徴とする。

また、本発明においては、前記充放電制御部は、前記二次電池の充放電を停止している場合において、前記発電電力計測部が計測した電力と過去に前記電力系統に出力した電力との変化量が、前記変化量閾値より大きい変化量である充放電再開閾値以上になったときに、前記平滑化電力算出部が算出した電力で二次電池の充放電を行うことが好ましい。

また、本発明においては、前記変化量閾値は、前記電力系統が許容する電力の変化量の上限値未満の値であり、前記充放電制御部は、前記発電電力計測部が計測した電力と過去に前記電力系統に出力した電力との変化量が所定の変化量閾値以上、前記上限値未満である場合に、前記平滑化電力算出部が算出した電力に１未満のゲイン値を乗じた電力で二次電池の充放電を行うことが好ましい。

また、本発明は、発電装置が発電した電力を平滑化して電力系統に出力する出力平滑化方法であって、前記発電装置が発電した電力を計測するステップと、前記発電装置が発電した電力の平滑化のために、電力変換装置を介して前記発電装置及び電力系統に接続される二次電池に充放電すべき電力を算出するステップと、前記充放電すべき電力を前記電力変換装置により変換する際の負荷率が所定の負荷率閾値以上である場合、および前記発電装置が発電した電力と過去に前記電力系統に出力した電力との変化量が所定の変化量閾値以上である場合に、前記充放電すべき電力で二次電池の充放電を行い、負荷率が所定の閾値未満であり、かつ前記発電装置が発電した電力と過去に前記電力系統に出力した電力との変化量が所定の変化量閾値未満になる場合に、前記二次電池の充放電を停止するステップとを有することを特徴とする。

また、本発明は、発電装置が発電した電力を平滑化して電力系統に出力させる出力平滑化装置を、前記発電装置が発電した電力を計測する発電電力計測部、前記発電装置が発電した電力の平滑化のために、電力変換装置を介して前記発電装置及び電力系統に接続される二次電池に充放電すべき電力を算出する平滑化電力算出部、前記平滑化電力算出部が算出した電力を前記電力変換装置により変換する際の負荷率が所定の負荷率閾値以上である場合、および前記発電電力計測部が計測した電力と過去に前記電力系統に出力した電力との変化量が所定の変化量閾値以上である場合に、前記平滑化電力算出部が算出した電力で二次電池の充放電を行い、負荷率が所定の閾値未満であり、かつ前記発電電力計測部が計測した電力と過去に前記電力系統に出力した電力との変化量が所定の変化量閾値未満になる場合に、前記二次電池の充放電を停止する充放電制御部として機能させるためのプログラムである。

本発明によれば、平滑化のために二次電池に充放電すべき電力による電力変換装置の負荷率が負荷率閾値以上である場合に、二次電池の充放電を実行する。なお、「負荷率」とは、電力変換装置の定格出力［Ｗ］に対する実際の出力［Ｗ］の比率のことである。電力変換装置は、一般に負荷率が大きいほど電力変換効率が高い。そのため、本発明によれば、電力変換効率が高いときに二次電池の充放電による平滑化を行い、電力変換効率が低いときには充放電を行わずに発電した電力を直接電力系統に出力する。また、電力変換効率が低いということは、平滑化すべき電力が小さい、すなわち過去に電力系統に出力した電力からの変化量が小さいことであるため、平滑化せずに電力系統に出力しても、電力系統の電力変動を小さく保つことができる。

本発明の第１の実施形態による出力平滑化装置を備える発電システムの構成を示す概略ブロック図である。 本発明の第１の実施形態による充放電制御装置の動作を示すフローチャートである。 電力変換装置の負荷率と電力変換効率の関係を示す図である。

《第１の実施形態》
以下、図面を参照しながら本発明の第１の実施形態について詳しく説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による出力平滑化装置１００を備える発電システムの構成を示す概略ブロック図である。
発電システムは、出力平滑化装置１００及び発電装置１１０を備える。

出力平滑化装置１００は、発電装置１１０が発電した電力を平滑化するため、発電電力の受電、及び電力系統への電力の出力を行う。
発電装置１１０は、メガソーラやウインドファームなどの自然エネルギーを用いて発電を行う。また、発電装置１１０は、電力系統及び電力変換装置１２０に接続され、電力系統及び電力変換装置１２０に発電した電力を供給する。

出力平滑化装置１００は、電力変換装置１２０、二次電池１３０、充放電制御装置１４０を備える。
電力変換装置１２０は、発電装置１１０及び電力系統に接続され、電力系統の交流電力を直流電力に変換し、また二次電池１３０が出力する電力を交流電力に変換する。
二次電池１３０は、電力変換装置１２０が直流電力に変換した電力を充電し、また蓄積した電力を電力変換装置１２０に出力する。
充放電制御装置１４０は、発電装置１１０の発電電力、電力変換装置１２０の電力変換効率、及び電力系統に出力する電力の変化量に基づいて二次電池１３０の充放電を制御することで、電力系統に出力する電力を平滑化する。

次に、充放電制御装置１４０の構成について説明する。
充放電制御装置１４０は、出力電力計測部１４１、出力電力記憶部１４２、発電電力計測部１４３、平滑化電力算出部１４４、効率情報記憶部１４５、変化量算出部１４６、充放電制御部１４７、発電電力記憶部１４８を備える。
出力電力計測部１４１は、電力系統に出力される電力を計測する。
出力電力記憶部１４２は、出力電力計測部１４１が計測した出力電力を時刻毎に記憶する。
発電電力計測部１４３は、発電装置１１０が発電した電力を計測する。
平滑化電力算出部１４４は、発電電力記憶部１４８が記憶する過去の発電電力に基づいて、発電電力の平滑化のために二次電池１３０に充放電すべき電力を算出する。
効率情報記憶部１４５は、電力変換装置１２０の負荷率と電力変換効率との関係を記憶する。
変化量算出部１４６は、出力電力記憶部１４２が記憶する過去の出力電力と発電電力計測部１４３が計測した電力とを用いて、充放電制御部１４７による充放電を行わなかった場合の出力電力の変化量を算出する。
充放電制御部１４７は、効率情報記憶部１４５が記憶する関係及び変化量算出部１４６が算出した変化量に基づいて、二次電池１３０の充放電を行うか否かを決定する。
発電電力記憶部１４８は、発電電力計測部１４３が計測した出力電力を時刻毎に記憶する。

次に、本実施形態による充放電制御装置１４０の動作について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態による充放電制御装置１４０の動作を示すフローチャートである。
まず、充放電制御装置１４０の発電電力計測部１４３は、発電装置１１０が発電した電力を計測する（ステップＳ１）。このとき、発電電力計測部１４３は、計測した電力を発電電力記憶部１４８に記録する。次に、平滑化電力算出部１４４は、発電電力記憶部１４８が記憶する過去の発電電力を読み出し、発電電力を平滑化するために、二次電池１３０に充放電すべき電力を算出する（ステップＳ２）。なお、平滑化電力算出部１４４は、過去の発電電力の一次遅れや移動平均を算出することで、出力すべき電力を算出し、当該電力と発電電力計測部１４３が計測した電力との差を算出することで、二次電池１３０に充放電すべき電力を算出する。

図３は、電力変換装置１２０の負荷率と電力変換効率の関係を示す図である。
次に、充放電制御部１４７は、平滑化電力算出部１４４が算出した電力で二次電池１３０を充放電させるときの電力変換装置１２０の負荷率を算出する（ステップＳ３）。なお、充放電制御部１４７は、平滑化電力算出部１４４が算出した二次電池１３０に充放電すべき電力に基づいて、負荷率を算出する。

図３は、電力変換装置１２０の負荷率と電力変換効率の関係を示す図である。
次に、充放電制御部１４７は、効率情報記憶部１４５から、算出した負荷率に対応する電力変換効率を読み出し、当該電力変換効率が所定の効率閾値（例えば、９５パーセント）以上であるか否かを判定する（ステップＳ４）。充放電制御部１４７は、電力変換効率が効率閾値以上であると判定した場合（ステップＳ４：ＹＥＳ）、平滑化電力算出部１４４が算出した電力で二次電池１３０を充放電させる（ステップＳ５）。

なお、図３に示すように、充放電制御部１４７が、電力変換装置１２０の負荷率に対応する電力変換効率が効率閾値以上であるか否かを判定することは、電力変換装置１２０の負荷率が、効率閾値が示す電力変換効率に対応する負荷率（負荷率閾値）以上であるか否かを判定することと等価である。

他方、充放電制御部１４７が、電力変換効率が効率閾値未満であると判定した場合（ステップＳ４：ＮＯ）、変化量算出部１４６は、出力電力記憶部１４２が記憶する過去の出力電力と、発電電力計測部１４３が計測した電力とを読み出し、読み出した電力に基づいて、二次電池１３０の充放電を行わなかった場合の出力電力の変化量を算出する（ステップＳ６）。

充放電制御部１４７は、変化量算出部１４６が算出した変化量が、電力系統が許容する出力変化量の上限値（例えば、５メガワット／分）より低い、目標変化量（変化量閾値：例えば、３メガワット／分）以上であるか否かを判定する（ステップＳ７）。充放電制御部１４７は、変化量算出部１４６が算出した変化量が目標変化量以上であると判定した場合（ステップＳ７：ＮＯ）、平滑化電力算出部１４４が算出した電力で二次電池１３０を充放電させる（ステップＳ５）。

他方、充放電制御部１４７は、変化量算出部１４６が算出した変化量が目標変化量未満であると判定した場合（ステップＳ７：ＮＯ）、二次電池１３０の充放電を停止する（ステップＳ８）。
そして、ステップＳ５で二次電池１３０を充放電させた後、または、ステップＳ８で二次電池１３０の充放電を停止した後、出力電力計測部１４１は、電力系統に出力した電力を計測し、その値を出力電力記憶部１４２に記録する（ステップＳ９）。
以降、充放電制御装置１４０の動作周期毎に上述した処理を実行する。

このように、本実施形態によれば、充放電制御装置１４０は、平滑化のために二次電池１３０に充放電すべき電力による電力変換装置１２０の負荷率が所定の負荷率閾値以上である場合に、二次電池１３０の充放電を実行する。これにより、充放電制御装置１４０は、電力変換効率が高いときに二次電池１３０の充放電による平滑化を行い、電力変換効率が低いときには充放電を行わずに発電した電力を直接電力系統に出力することができる。また、電力変換効率が低いということは、平滑化すべき電力が小さい、すなわち過去に電力系統に出力した電力からの変化量が小さいことであるため、平滑化せずに電力系統に出力しても、電力系統の電力変動を小さく保つことができる。

また、本実施形態によれば、充放電制御装置１４０は、発電装置１１０の発電電力と過去に電力系統に出力した電力との変化量が目標変化量未満になる場合、二次電池１３０の充放電を停止する。
これにより、平滑化を行わなくても十分に電力系統が許容する出力変化量の上限値の条件を満たす場合に、不必要に二次電池１３０の充放電を行わないため、電力変換装置１２０による損失を防ぐことができる。

また、本実施形態では、平滑化を行わない場合の出力変化量が、電力系統が許容する出力変化量の上限値未満であっても、当該出力変化量が目標変化量以上であり、かつ電力変換装置１２０の負荷率が負荷率閾値以上である場合には、二次電池１３０の充放電を行う。これにより、当該充放電の停止直後に発電電力が急激に上昇または下降した場合にも、出力電力の変化量が電力系統が許容する出力変化量の上限値を逸脱することを防ぐことができる。

以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
例えば、本実施形態では、発電装置１１０の発電電力に基づいて、二次電池１３０に充放電すべき電力を決定する場合について説明したが、これに限られない。例えば発電装置１１０に並列に負荷が接続されている場合、発電装置１１０の発電電力から負荷の消費電力を減じた電力に基づいて二次電池１３０に充放電すべき電力を決定することが好ましい。

また、本実施形態では、目標変化量として１つの条件が与えられている場合についての充放電制御装置１４０の動作について説明したが、目標変化量として複数の条件が与えられている場合も、充放電制御装置１４０は同様に動作する。具体的には、平滑化電力算出部１４４は、複数の条件（例えば、過去１分あたりの変化量が５メガワット／分という条件と、過去１０分あたりの変化量が４メガワット／分という条件など）に応じた時間の過去の発電電力に基づいて、全ての条件を満たす電力を算出する。また、変化量算出部１４６は、複数の条件に応じた時間の過去の発電電力に基づいて、それぞれの条件に対応する変化量を算出する。そして、充放電制御部１４７は、複数の変化量が全て目標変化量未満である場合に、充放電を停止する。

また、本実施形態では、負荷率閾値として、充電時・放電時ともに同じ値を用いる場合について説明したが、これに限られず、充電時と放電時とで負荷率閾値を異なる値としても良い。特に、放電側の負荷率閾値よりも充電側の負荷率閾値を低く設定することで、電力変換装置１２０の運転領域の観点から二次電池１３０を充電する機会を多くすることができる。二次電池１３０が充放電を繰り返すことで、二次電池１３０の充電率は電力変換装置１２０の電力変換損失によって徐々に低下する。そのため、上述したように、充電側にオフセットした充放電制御を行うことで、二次電池１３０の充電率を所定の値に保持することができる。

《第２の実施形態》
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
第１の実施形態では、充放電制御部１４７が、変化量算出部１４６が算出した変化量が、目標変化量以上である場合に充放電を実施し、目標変化量未満である場合に充放電を停止すると判定する場合を説明した。第２の実施形態による充放電制御装置１４０は、二次電池１３０の充放電を停止している場合において、変化量算出部１４６が算出した変化量が、変化量閾値より大きい変化量である充放電再開閾値（例えば、４メガワット／分）以上になったときに、二次電池１３０の充放電を再開させるものである。

つまり、上述したステップＳ７の判定において、二次電池１３０の充放電をしている場合、充放電制御部１４７は、変化量算出部１４６が算出した変化量が、電力系統が許容する出力変化量の上限値より低い、目標変化量以上であるか否かを判定し、目標変化量未満である場合に、二次電池１３０の充放電を停止する。他方、二次電池１３０の充放電を停止している場合、充放電制御部１４７は、変化量算出部１４６が算出した変化量が、目標変化量より大きい充放電再開閾値以上であるか否かを判定し、充放電再開閾値未満である場合に、二次電池１３０の充放電を再開させる。
これにより、二次電池１３０の充放電の停止・再開の切り替わりが頻発することを防ぐことができる。

《第３の実施形態》
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
第１の実施形態では、充放電制御部１４７が、変化量算出部１４６が算出した変化量が目標変化量以上である場合に、平滑化電力算出部１４４が算出した電力で二次電池１３０の充放電を行う場合を説明した。第３の実施形態による充放電制御装置１４０は、変化量算出部１４６が算出した変化量が目標変化量以上である場合に、変化量と目標変化量との差に応じて充放電する電力を変化させる。

具体的には、充放電制御部１４７は、上述したステップＳ５において、平滑化電力算出部１４４が算出した電力に乗じるゲインを特定する。当該ゲインは、変化量算出部１４６が算出した変化量が目標変化量と等しいときに０となり、変化量算出部１４６が算出した変化量と電力系統が許容する出力変化量の上限値と等しいときに１となり、変化量算出部１４６が算出した変化量に応じて単純増加する値である。そして、充放電制御部１４７は、平滑化電力算出部１４４が算出した電力に当該ゲインを乗じた電力で、二次電池１３０の充放電を実施させる。
これにより、電力変換装置１２０の負荷率が低く、電力変換効率が低い場合の充放電をできる限り行わないよう制御することができ、充放電効率の更なる向上を図ることができる。

上述の充放電制御装置１４０は内部に、コンピュータシステムを有している。そして、上述した各処理部の動作は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。

また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。

１１０…発電装置 １２０…電力変換装置 １３０…二次電池 １４０…充放電制御装置 １４１…出力電力計測部 １４２…出力電力記憶部 １４３…発電電力計測部 １４４…平滑化電力算出部 １４５…効率情報記憶部 １４６…変化量算出部 １４７…充放電制御部 １４８…発電電力記憶部

Claims (5)

1. 発電装置が発電した電力を平滑化して電力系統に出力させる出力平滑化装置であって、
   前記発電装置が発電した電力を計測する発電電力計測部と、
   前記発電装置が発電した電力の平滑化のために、電力変換装置を介して前記発電装置及び電力系統に接続される二次電池に充放電すべき電力を算出する平滑化電力算出部と、
   前記平滑化電力算出部が算出した電力を前記電力変換装置により変換する際の負荷率が所定の負荷率閾値以上である場合、および前記発電電力計測部が計測した電力と過去に前記電力系統に出力した電力との変化量が所定の変化量閾値以上である場合に、前記平滑化電力算出部が算出した電力で二次電池の充放電を行い、負荷率が所定の閾値未満であり、かつ前記発電電力計測部が計測した電力と過去に前記電力系統に出力した電力との変化量が所定の変化量閾値未満になる場合に、前記二次電池の充放電を停止する充放電制御部と
   を備えることを特徴とする出力平滑化装置。
2. 前記充放電制御部は、前記二次電池の充放電を停止している場合において、前記発電電力計測部が計測した電力と過去に前記電力系統に出力した電力との変化量が、前記変化量閾値より大きい変化量である充放電再開閾値以上になったときに、前記平滑化電力算出部が算出した電力で二次電池の充放電を行う
   ことを特徴とする請求項１に記載の出力平滑化装置。
3. 前記変化量閾値は、前記電力系統が許容する電力の変化量の上限値未満の値であり、
   前記充放電制御部は、前記発電電力計測部が計測した電力と過去に前記電力系統に出力した電力との変化量が所定の変化量閾値以上、前記上限値未満である場合に、前記平滑化電力算出部が算出した電力に１未満のゲイン値を乗じた電力で二次電池の充放電を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の出力平滑化装置。
4. 発電装置が発電した電力を平滑化して電力系統に出力する出力平滑化方法であって、
   前記発電装置が発電した電力を計測するステップと、
   前記発電装置が発電した電力の平滑化のために、電力変換装置を介して前記発電装置及び電力系統に接続される二次電池に充放電すべき電力を算出するステップと、
   前記充放電すべき電力を前記電力変換装置により変換する際の負荷率が所定の負荷率閾値以上である場合、および前記発電装置が発電した電力と過去に前記電力系統に出力した電力との変化量が所定の変化量閾値以上である場合に、前記充放電すべき電力で二次電池の充放電を行い、負荷率が所定の閾値未満であり、かつ前記発電装置が発電した電力と過去に前記電力系統に出力した電力との変化量が所定の変化量閾値未満になる場合に、前記二次電池の充放電を停止するステップと
   を有することを特徴とする出力平滑化方法。
5. 発電装置が発電した電力を平滑化して電力系統に出力させる出力平滑化装置を、
   前記発電装置が発電した電力を計測する発電電力計測部、
   前記発電装置が発電した電力の平滑化のために、電力変換装置を介して前記発電装置及び電力系統に接続される二次電池に充放電すべき電力を算出する平滑化電力算出部、
   前記平滑化電力算出部が算出した電力を前記電力変換装置により変換する際の負荷率が所定の負荷率閾値以上である場合、および前記発電電力計測部が計測した電力と過去に前記電力系統に出力した電力との変化量が所定の変化量閾値以上である場合に、前記平滑化電力算出部が算出した電力で二次電池の充放電を行い、負荷率が所定の閾値未満であり、かつ前記発電電力計測部が計測した電力と過去に前記電力系統に出力した電力との変化量が所定の変化量閾値未満になる場合に、前記二次電池の充放電を停止する充放電制御部
   として機能させるためのプログラム。

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