JP2015186361A - 電力調整制御装置及び電力調整制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発電機の燃料消費に対する運転効率を考慮して制御量の配分し、発電システム全体での制御の高効率化を図る。
【解決手段】負荷４の電力需要量に応じて系統に接続する蓄電池３及び発電機１の電力供給量を調整制御する電力調整制御機器において、電力需要量及び蓄電池の充電状態が入力される入力部１１と、入力された情報に基づいて、発電機１の運転パターン及び蓄電池３の充放電制御量を求める演算部１２と、運転パターンに基づいて発電機１に制御指令を行い、又は充放電制御量に基づいて蓄電池３に制御指令を行う指令部１３とを備える。演算部１２は、発電機１の燃料消費に対する運転効率が高くなるように運転パターンを決定し、電力需要量と運転パターンに基づく発電機の電力供給量との差から、充放電制御量を決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力系統に連系された蓄電池と発電機の電力を調整制御する電力調整制御装置及び方法に関する。

離島等の独立系電力系統では、ディーゼル発電機等の発電機が電力供給手段として運用されている。離島地域では、発電機に使用する燃料を島外から調達する必要があるため、その燃料費は輸送コストを含めて高い。加えて、一般に燃料を消費して電力を発電する型の発電機は、運転負荷の大きさにより単位燃料あたりに生み出す発電量が変動し、最も効率の良い運転を行うことが出来る負荷帯が存在する。電力系統の負荷需要は刻々と変動するため、一般に複数の発電機が負荷需要に応じて運転台数を調整して負荷に電力を供給することで、発電機は極力効率の良い負荷状態で運転を行う。しかしながら、昼夜間等時間帯に応じて需要電力に差が生じるため、時間帯によって発電機は効率の悪い部分負荷状態で運転し、燃料消費量が多くなる。このため、特許文献１(特開2003-52132)や特許文献２(特開平1-97145)のように、発電設備が効率の良い運転を続けられるように、発電設備と負荷との間に蓄電池を接続する発電システムが提案されている。発電機の運転効率を向上することで燃料節約を図るものである。

特許文献１(特開2003-52132)では、発電機が最大効率の出力で運転し続けられるように、蓄電池の充放電を制御することで、蓄電池と発電機を備えた発電システムは運転効率の向上を実現する。発電機は最大効率となる一定の出力で運転を行い、発電機の出力が負荷需要電力を上回っていた場合は蓄電池がその余剰電力を充電し、発電機の出力が負荷需要電力を下回っていた場合は蓄電池がその不足電力に見合った電力を放電する。このように蓄電池の充放電により発電機の電力供給の調整を行うことで、効率的な運転が行える発電システムを提供する。

特許文献２(特開平1-97145)では、蓄電池の充電状態を検知する手段を備えることで、蓄電池の充電状態を監視し、蓄電池の充電状態が低下して下限値に達したとき、発電設備を起動して負荷に電力を供給し、余剰電力を蓄電池に充電して蓄電池の充電状態を回復させる。一方、蓄電池の充電状態が回復して上限値に達したとき、発電設備は停止し、蓄電池から負荷に電力供給する。

特開2003-52132号 特開平1-97145号

しかし、上記の発電システムでは、発電機の燃料消費に対する運転効率を考慮して制御量の配分をしておらず、専ら電力需給量の差分を発電機と蓄電池で賄うように運転制御するところまでしか言及されていない。結果として、運転効率の悪い発電出力や、蓄電池の活用不足により、発電システム全体での制御の高効率化が図れていない。

上記課題を解決する為に本発明では、負荷の電力需要量に応じて系統に接続する蓄電池及び発電機の電力供給量を調整制御する電力調整制御機器において、前記電力需要量及び前記蓄電池の充電状態が入力させる入力部と、前記入力された情報に基づいて、前記発電機の運転パターン及び前記蓄電池の充放電制御量を求める演算部と、前記運転パターンに基づいて前記発電機に制御指令を行い、又は前記充放電制御量に基づいて前記蓄電池に制御指令を行う指令部とを備え、前記演算部は、前記発電機の燃料消費に対する運転効率が高くなるように前記運転パターンを決定し、前記電力需要量と前記運転パターンに基づく発電機の電力供給量との差から、前記充放電制御量を決定することを特徴とする。

また、本装置発明に対応する方法発明も含む。

本発明により、発電機の燃料消費に対する運転効率を考慮して制御量の配分をすることで、運転効率の良い発電出力の増大や、蓄電池の活用拡大を促し、発電システム全体での制御の高効率化が図れる。

本発明の実施例の発電システムの構成を示すブロック図である。 前記発電システムの発電機１の運転制御及び蓄電池３の充放電制御フローを説明する為のフローチャートである。 前記発電システムの充放電制御フローの初期状態の設定及びデータベースの作成を行う計算フローを説明するためのフローチャートである。 前記発電システムの充放電制御フローのうち、需給調整モードにおける、入力された負荷需要電力から発電機１の運転台数及び発電出力と、蓄電池３の充放電出力を算出する計算フローを説明するためのフローチャートである。 前記発電システムの充放電制御フローのうち、代用運転モードにおける、入力された負荷需要電力から発電機１の運転台数及び発電出力と、蓄電池３の放電出力を算出する計算フローを説明するためのフローチャートである。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。尚、下記はあくまでも実施の例に過ぎず、下記具体的内容に発明自体が限定されることを意図する趣旨ではない。

図１に本発明の電力調整制御装置を含むシステム全体の構成例を示す。本システムは、発電機１と、蓄電池制御装置２と、蓄電池３と、負荷需要電力監視装置５と、電力調整制御装置１０からなる。電力調整制御装置１０は、入力部１１と、演算部１２と、指令部１３を有しており、負荷４に接続している。

発電機１は、燃料を消費して電力を発電する装置であり、負荷４と、蓄電池制御装置２を介して蓄電池３に接続されている。一般に燃料を消費して電力を発電する型の発電機は、負荷によって単位燃料あたりに生み出す発電量が変化し、最大効率を出す負荷帯が存在する。発電機１としては例えばディーゼル発電機等を採用出来る。発電機１は複数台であってもよい。

蓄電池制御装置２は、蓄電池３の充電状態を監視し、電力調整制御装置１０の入力部１１に入力するとともに、電力調整制御装置１０の指令部１３から出力する蓄電池制御量指令値に応じた充放電電力を蓄電池３に指令する。

蓄電池３は、充放電機能を有する電池であり、蓄電池制御装置２が蓄電池３の充電又は放電の制御を行う。蓄電池３としては、リチウムイオン電池や鉛蓄電池等の二次電池を採用出来る。

負荷４は、電力系統の負荷である。例えば、工場、病院、一般家庭等の電力需要家が該当する。

負荷需要電力監視装置５は、負荷４の需要電力の変動を監視・計測し、計測した需要電力を電力調整制御装置１０内の入力部１１に入力する。

電力調整制御装置１０は、外部からの情報を受け取る入力部１１と、後述する手段により指令値を算出する演算部１２と、演算部１２にて算出した指令値を発電機１と蓄電池制御装置２に出力する指令部１３を有する。入力部１１には、蓄電池制御装置２から蓄電池３の充電状態と、負荷需要電力監視装置５から負荷需要電力が入力される。演算部１２では、入力部１１に入力された蓄電池３の充電状態と負荷需要電力を用いて、発電機１の運転台数及び発電出力、蓄電池３の充放電出力を算出し、指令部１３に出力する。指令部１３では、演算部１２で算出した発電機１の運転台数及び発電出力指令を発電機１に対して出力し、蓄電池３の充放電出力指令を蓄電池制御装置２に対して出力する。

次に、図２乃至５を参照しながら、当該演算部における計算フローについて説明する。図２に全体の計算フローを示す。図３乃至５に、図２におけるサブルーチンの計算フローを示す。

図２によりステップS1において、初期設定及びデータベースの作成を行う。ステップS1における計算フローは図３を参照し、ステップS16〜ステップS19において詳細に記載する。

図３によりステップS16において、蓄電池３の最大放電出力B_dch[kW]と、最大充電入力B_ch[kW]と、電池容量B_cap[kWh]の設定を行う。

ステップS17において、本システムに含まれる台数n[台]の発電機１の仕様についてデータベースを作成する。データベースは、発電機１の番号i、燃料消費に対する発電効率が最大となるときの最大効率出力p_i[kW]と、発電機の負荷需要電力x[kW]に対する運転効率δ_i(x)[%]の特性について纏めたものを作成する。ここで、iはi=1〜nの任意の整数である。なお、発電機の番号付けは最大効率出力が大きい順に行う。つまり、p₁≧p₂≧…≧p_nである。

ステップS18において、n台の発電機１の内、運転する発電機の組み合わせを表す運転パターンjと、運転パターンjのときに運転する発電機１の最大効率出力p_iの合計値P_j[kW]の設定を行う。運転パターンjとは、負荷４に対して発電機1号機から発電機j号機を運転させることを指す。運転パターンjのときに運転する発電機１の最大効率出力の合計値は、下記の数１より算出する。ここで、jはj=0〜nの整数である。

ステップS19において、演算部１２の計算で用いる閾値TH1、TH2及びTH3の設定を行う。TH1は、運用範囲における満充電に近い状態にあることを表す閾値である。TH2は、運用範囲における完全放電に近い状態にあることを表す閾値である。なお、TH1と、TH2と、満充電状態と、完全放電状態との蓄電池容量としての関係は、運用範囲における満充電状態＞TH1＞TH2＞運用範囲における完全放電状態である。TH3は最大燃費効率に対する運転効率の比率であり、発電機１が効率の良い運転をしていることを表す閾値である。

図２によりステップS2において、ある時刻tの負荷４の負荷需要電力D(t) [kW]を負荷需要電力監視装置３が電力調整制御装置１０内の入力部１１に入力する。

ステップS3において、時刻tの蓄電池３の充電状態B_SOC(t)[kWh]を蓄電池制御装置２が蓄電池３より入力され、電力調整制御装置１０内の入力部１１に出力する。

ステップS4において、計算フローにおける現在の制御モードが需給調整モードと代用運転モードのどちらであるか判定を行う。需給調整モードとは、発電機１が最大効率出力で運転し、発電機出力が負荷需要電力を上回っていた場合は蓄電池３が余剰電力を充電し、発電機出力が負荷需要電力を下回っていた場合は蓄電池３が蓄電していた電力を放電するものである。一方、代用運転モードとは蓄電池３に十分な電力が蓄電されている状態にあって、効率の悪い運転を行っている発電機１を停止させ、停止させた発電機１に代わって蓄電池３が放電することで負荷４に電力を供給するものである。制御モードの切換はステップS11〜S15において蓄電池３の充電状態によって判定を行なう。なお、制御開始時において、制御モードの初期状態は需給調整モードとなる。

ステップS5において、負荷需要電力D(t)に対して、発電機１の運転台数d台、d台の発電機１を運転させるときの運転発電機の組み合わせである運転パターンd、蓄電池３の充放電制御量Bx (t) [kW]を算出する。ステップS5の計算フローは図４を参照し、詳細はステップS20〜ステップS24に記載する。

図４によりステップS20において、負荷需要電力D(t)と数１で設定したP₀〜P_nの差分を取り、発電機１の発電出力に対する蓄電池３の充放電調整量B₀〜B_n[kW]を、下記の数２より算出する。

D(t)に対して蓄電池３の充放電調整量が最も少なく済む発電機１の運転パターンdを決定する。数２で算出したB₀〜B_nの絶対値が最も小さくなるときの運転パターンdが、求める発電機１の運転パターンである。

ステップS21において、ある時刻tにおける蓄電池３の充放電制御量Bx(t)を、数3より算出する。Bx(t)は、ステップS20において算出した発電機１の運転パターンdのときの蓄電池３の充放電調整量Bdと等しい。

B_X(t)≧0ならば、運転パターンdのときの発電機１の最大効率出力が負荷需要電力を上回るので、蓄電池３は需要負荷に対する発電機出力の余剰電力を充電する充電運転を行う。B_X(t)＜0ならば、運転パターンdのときの発電機１の最大効率出力が負荷需要電力を下回るので、蓄電池３は需要負荷に対する発電機出力の不足電力を放電する放電運転を行う。

ステップS22において、数３で算出したB_X(t)を蓄電池３が出力可能か、図3のステップS16で定義した蓄電池３の仕様にならっているか判定を行う。蓄電池３が充電運転を行う場合は、B_X(t)がB_chを下回っているかを判定する。一方、蓄電池３が放電運転を行う場合は、B_X(t)がB_dchを下回っているかを判定する。また、蓄電池３がB_X(t)を入出力することで、蓄電池３の充電状態が0%を下回ったり100%を上回ったりすることがないように調整を行う。下記の数４、数5を満足するかどうか判定を行う。Tは本演算の対象となる時間幅であり、例えばT=1hである。

数５は、ある時刻tにおける蓄電池３の充電状態をB_SOC(t)と表したとき、時刻t-Tから時刻tまでのB_Xの集合の合計値と、時刻t-Tにおける充電状態B_SOC(t-T)との和が0〜B_cap以内であるか判定するものである。

前記の判定で蓄電池３の充放電制御量B_X(t)が蓄電池３の仕様を満たしていない場合、ステップS23に進む。前記判定で蓄電池３の充放電制御量B_X(t)が蓄電池３の仕様を満たしている場合、ステップS24に進む。

ステップS23において、充放電制御量B_X(t)を蓄電池３が出力可能となるように調整を行う。数４を満たしていない場合、B_X(t)=B_ch(蓄電池３が充電運転のとき)、もしくはB_X(t)=-B_dch(蓄電池３が放電運転のとき)と計算する。再計算して算出した発電機１の発電出力と、運転台数と、運転パターンと、最大燃費効率に対する運転効率の比率と、蓄電池３の充放電制御量と、蓄電池３の充電状態がステップS16において算出した発電機１と蓄電池３の仕様を満たすまで、ステップS22における判定とステップS23における計算を繰り返し行う。

ステップS24において、ある時刻tにおけるB_SOC(t)を下記の数６のようにして算出する。

図２によりステップS6〜ステップS7において、代用運転モードにおける制御の計算フローについて説明する。代用運転モードにおいては、始めに、ステップS6で蓄電池３の需給調整を考慮しないで負荷需要電力に対する発電機１の運転台数d台、運転パターンd、運転効率を算出する。次に、ステップS7において、算出した運転効率と最大燃費効率の比率があらかじめ定めた閾値TH3以上かどうかを判定する。運転効率が閾値TH3を下回っている場合は、発電機１がステップS6で算出したときより少ない台数(＜d)で運転し、需要負荷電力に対して不足している分の電力を蓄電池３が放電することで、負荷４に電力を供給する。代用運転モードの計算フローの詳細は下記にて説明する。

ステップS6において、負荷需要電力D(t)に対して何台の発電機１を運転するかを求める。発電機１の運転台数は、ステップS20と同様にして、負荷に応じて運転台数d台、運転パターンdを算出する。算出した運転パターンのときの最大燃費効率に対する運転効率の比率を、ステップS17で設定した負荷需要電力に対する運転効率δ_i(x)[%]から算出する。

ステップS7において、ステップS6で算出した最大燃費効率に対する運転効率の比率が、所定の閾値TH3を上回るかどうかを判定する。発電機１の運転が十分に高い運転効率を実現するのであれば、S5と同様の処理を行いS6で算出した制御量で発電機・蓄電池に対する指令値を決定する。つまり、ステップS6で算出した最大燃費効率に対する運転効率の比率がTH3以上であれば、発電機運転指令値はステップS6において算出した発電機１の発電出力とする（図示しないが適宜S5のS22-S24処理も行う）。一方、ステップS6で算出した最大燃費効率に対する運転効率の比率がTH3未満であれば、ステップS8に進む。

ステップS8において、負荷需要電力に対して、発電機１の運転台数、運転発電機の選定、発電機１の出力値、蓄電池３の放電制御量を算出する。ステップS8の計算フローは図５を参照し、詳細はステップS25〜ステップS29に記載する。

図５によりステップS25において、ある時刻tの負荷需要電力D(t)に対して何台の発電機１を運転するかを求める。発電機１の運転台数は、上述よりd台未満となり、かつ蓄電池を出来る限り活用する為に蓄電池放電出力配分がより多くなる蓄電池制御量B_X(t)で、発電機の運転台数及び残りの制御量を決定する。なお、このときの運転台数をc台とすると、運転パターンcのときの発電機１の最大効率出力の合計値は以下数７で示すP_c(t)となる。

ステップS27において、ステップS22と同様にして、B_X(t)を実施例の蓄電池３が出力可能かを、ステップS16で定義した蓄電池３の仕様にならっているか判定を行う。B_X(t)が発電システムの蓄電池３の仕様を満たしていない場合、ステップS28に進む。B_X(t)が発電システムの蓄電池３の仕様を満たしている場合、ステップS29に進む。

ステップS28において、蓄電池３の放電出力が最大出力値にならうように調整を行う。数４を満たしていない場合、B_X(t)=-B_dchとする。このように再計算して算出した発電機１の発電出力と、運転台数と、運転パターンと、最大燃費効率に対する運転効率の比率と、蓄電池３の充放電制御量と、蓄電池３の充電状態がステップS16において算出した発電機１と蓄電池３の仕様を満たすまで、ステップS27における判定とステップS28における計算を繰り返し行う。

上記と同様の方法で、ステップS29において、ある時刻tにおけるB_SOC(t)を下記の数８のようにして算出する。

図２によりステップS9において、電力調整制御装置１０はステップS5、ステップS6、あるいはステップS8にて算出した発電機運転指令値を指令部１３から発電機１に入力する。

ステップS10において、蓄電池制御装置２にステップS5、ステップS6、あるいはステップS8にて算出した蓄電池充放電指令値を指令部１３から蓄電池制御装置２に入力する。

ステップS11〜S15において、蓄電池３の充電状態からモード切替の判定を行う。需給調整モードで制御を行う間は、蓄電池３の充電状態が十分に高い充電状態になったことを表す閾値を上回ったときに需給調整モードから代用運転モードに切り替える。代用運転モードで制御を行う間は、蓄電池３の充電状態が十分に低い充電状態になったことを表す閾値を下回ったときに代用運転モードから需給調整モードに切り替える。

図２によりステップS11において、現在の制御モードの状態を判定する。ステップS11の判定で、現在の制御モードが需給調整モードであればステップS12に進む。ステップS11の判定で、現在の制御モードが代用運転モードであればステップS13に進む。ステップS12において、現在の蓄電池３の充電状態がステップS19で定められたTH1以上かどうかを判定する。ステップS12の判定において、現在の蓄電池３の充電状態がTH1以上であれば、ステップS14に進む。TH1未満であれば、ステップS15に進む。ステップS13の判定で、現在の蓄電池３の充電状態がTH2以上であれば、ステップS14に進む。ステップS13の判定で、現在の蓄電池３の充電状態がTH2未満であれば、ステップS15に進む。

なお、本発明は本実施例によって限定されるものではなく、適宜当業者において設計変更させたものにも適用が可能である。

1 発電機
2 蓄電池制御装置
3 蓄電池
4 負荷
5 負荷需要電力監視装置
10 電力調整制御装置
11 入力部
12 演算部
13 指令部

Claims (9)

1. 負荷の電力需要量に応じて系統に接続する蓄電池及び発電機の電力供給量を調整制御する電力調整制御機器において、
   前記電力需要量及び前記蓄電池の充電状態が入力させる入力部と、
   前記入力された情報に基づいて、前記発電機の運転パターン及び前記蓄電池の充放電制御量を求める演算部と、
   前記運転パターンに基づいて前記発電機に制御指令を行い、又は前記充放電制御量に基づいて前記蓄電池に制御指令を行う指令部とを備え、
   前記演算部は、前記発電機の燃料消費に対する運転効率が高くなるように前記運転パターンを決定し、前記電力需要量と前記運転パターンに基づく発電機の電力供給量との差から、前記充放電制御量を決定することを特徴とする電力調整制御機器。
2. 請求項１に記載の電力系統制御装置において、
   前記演算部は、前記発電機の運転効率について所定の閾値を設けて、所定の閾値以下のとき、前記蓄電池の放電出力量を大きくすることを特徴とする電力調整制御装置。
3. 請求項２に記載の電力調整制御装置において、
   前記演算部は、前記蓄電池の充電状態が所定の閾値より大きくなるとき、前記蓄電池の放電出力量を大きくすることを特徴とする電力調整制御装置。
4. 請求項１に記載の電力調整制御装置において、
   前記演算部は、
   前記蓄電池の充電状態に基づいて、前記蓄電池と前記発電機に対する制御モードを切り替えることを特徴とする電力調整制御装置。
5. 請求項４に記載の電力調整制御装置において、
   前記演算部は、
   前記制御モードの切り替えに伴い、前記発電機の出力量を抑制又は停止する制御量を決定することを特徴とする電力調整制御装置。
6. 請求項１記載の電力調整制御装置において、
   前記演算部は、
   前記蓄電池の仕様又は充電状態に基づいて前記充放電制御量が所定の範囲内となるか判定することを特徴とする電力調整制御装置。
7. 請求項６記載の電力調整制御装置において、
   前記所定の範囲内とは、前記蓄電池の最大放電出力量、最大充電入力量又は電池容量に基づいて決定することを特徴とする電力調整制御装置。
8. 請求項１記載の電力調整制御装置において、
   前記運転パターンは、前記運転効率が高い前記発電機の順番に制御量を決定することを特徴とする電力調整制御装置。
9. 負荷の電力需要量に応じて系統に接続する蓄電池及び発電機の電力供給量を調整制御する電力調整制御方法において、
   前記電力需要量及び前記蓄電池の充電状態を入力し、
   前記入力された情報に基づいて、前記発電機の運転パターンは前記発電機の燃料消費に対する運転効率が高くなるように決定し、前記蓄電池の充放電制御量は、前記電力需要量と前記運転パターンに基づく発電機の電力供給量との差から決定し、
   前記運転パターンに基づいて前記発電機に制御指令を行い、又は前記充放電制御量に基づいて前記蓄電池に制御指令を行うことを特徴とする電力調整制御方法。