(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の太陽光発電設備を備えた電力系統が設置されている対象地域内における太陽光発電設備の出力を予測するための太陽光出力予測装置であって、
前記対象地域における複数個所の日射量の情報を得る入力手段と、前記対象地域を複数領域に分割した小領域について、日射量の情報が得られない第１の小領域における推定日射量を前記日射量の情報が得られる複数の第２の小領域の日射量から推定し、全ての前記第１の小領域における推定日射量を推定する日射量推定手段と、前記対象地域を複数領域に分割した前記小領域における推定しまたは計測された日射量の時間的な過渡変化をもとに、前記対象地域内の将来の雲の動きを予測する天候予測手段と、該天候予測手段による将来の雲の動きから当該対象地域に設置された太陽光発電設備の出力を予測する出力予測手段を備えることを特徴とする太陽光出力予測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の太陽光出力予測装置であって、
前記入力手段が得る日射量の情報は、太陽光日射量計測手段で計測した日射量の情報であり、または太陽光発電設備の定格出力と実出力の比として求めた日射量の情報であることを特徴とする太陽光出力予測装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の太陽光出力予測装置であって、
前記第１の小領域における推定日射量は、当該第１の小領域における代表点における推定日射量であることを特徴とする太陽光出力予測装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の太陽光出力予測装置であって、
前記天候予測手段は、雲の速さ、方向をもとに、将来の雲の動きを求めるために日射量の移流方程式を解くことを特徴とする太陽光出力予測装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の太陽光出力予測装置を用いた電力系統制御装置であって、
前記電力系統には電力系統の電圧を補償する電圧補償装置が設置されており、太陽光出力予測装置の出力を用いて前記電圧補償装置が制御され、前記太陽光発電設備の出力変動による電力系統の電圧変動を制御することを特徴とする電力系統制御装置。
【請求項６】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の太陽光出力予測装置を用いた電力系統制御装置であって、
前記電力系統には蓄電池が設置されており、太陽光出力予測装置の出力を用いて前記蓄電池が制御され、前記太陽光発電設備の出力変動による電力系統電圧の周波数変動を制御することを特徴とする電力系統制御装置。
【請求項７】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の太陽光出力予測装置を用いた電力系統制御装置であって、
前記電力系統に連系した水力発電設備、または火力発電設備が設置されており、太陽光出力予測装置の出力を用いて前記電力系統に連系した水力発電設備、または火力発電設備が制御され、前記太陽光発電設備の出力変動による電力系統電圧の周波数変動を制御することを特徴とする電力系統制御装置。
【請求項８】
複数の太陽光発電設備を備えた電力系統が設置されている対象地域内における太陽光発電設備の出力を予測するための太陽光出力予測方法であって、
前記対象地域における複数個所の日射量の情報を得、前記対象地域を複数領域に分割した小領域について、日射量の情報が得られない第１の小領域における推定日射量を前記日射量の情報が得られる複数の第２の小領域の日射量から推定し、全ての前記第１の小領域における推定日射量を推定し、前記対象地域を複数領域に分割した前記小領域における推定しまたは計測された日射量の時間的な過渡変化をもとに、前記対象地域内の将来の雲の動きを予測し、将来の雲の動きから当該対象地域に設置された太陽光発電設備の出力を予測することを特徴とする太陽光出力予測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光発電設備が複数設置された地域における太陽光発電設備のネット出力を予測する太陽光出力予測装置、電力系統制御装置及び太陽光出力予測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今の大規模太陽光発電設備導入により、天候の変化などによる太陽光発電設備出力の急激な変化が懸念されている。特に、電力系統の周波数維持の観点からは、水力、火力発電設備などによる出力調整が不可欠である。一方で、変動調整用の待機火力の運用時間を最小化するために、１時間先程度の大規模太陽光発電設備広域出力、特に、個々ではなく、広域地域全体の出力予測が電力会社を中心に切望されている。予測的に近未来の太陽光発電設備出力が求まれば、電力系統の電圧を調整可能なタップ付変圧器などの事前操作、無効電力を調整可能な調相設備などの操作が可能となり、電力系統の安定運用に貢献可能である。【０００３】
太陽光発電設備のネット出力を求める場合に、管理地域が広大であること、及び太陽光発電設備のネット出力は気象の影響を受けることなどを考慮した予測手法が不可欠となる。これを可能とする有力な手法は、気象衛星を用いた管理地域内の雲の分布監視に基づくものである。【０００４】
特許文献１は、このための具体的な手法を提案しており、具体的には、「太陽光発電状況予測装置は、予め区分けされた地域の識別情報と、当該地域の太陽光発電の設備に関する設備情報とを対応付けて記憶する発電能力ＤＢを備え、所定時間ごとに、予め区分けされた地域における日射量データを受信し、気象観測した気象データを送信する気象サーバから気象データを受信し、受信した日射量データと、受信した気象データとにより、予め区分けされた地域ごとの一定時間の日射量を推定し、推定した日射量によって、発電能力ＤＢに基づいて、予め区分けされた地域ごとの太陽光発電の発電量を算定し、算定した太陽光発電の発電量を、電力系統を監視する監視システムに送信する。」というものである。ここでは、予め区分けされた地域における日射量データを求めるために気象衛星からの画像情報が利用されており、気象衛星を用いた管理地域内の雲の分布状態から日射量データを求めるものである。【０００５】
このための一連の処理の一例を図２に示している。図２において、１は対象地域、１３は気象衛星、１４は解析装置、１５は上空からの雲画像、１６は雲画像１５から算出した日射の反射量分布、１７は従来技術における将来の日射量変化予測技術のアルゴリズムを示している。なお１８は、気象衛星が検知した雲の全体分布状況を示している。対象地域１内には、気象衛星１３が検知した雲の全体分布状況のうち、一部のみが差し掛かっており、今後の気象変動に伴い対象地域１内における雲の分布状況が変化してくる。【０００６】
図２に示す従来の日射量変化予測技術のアルゴリズム１７の最初の処理ステップＳ１では、気象衛星１３が地球上空から雲を観察して解析装置１４に送付してきた雲画像１５のデータの取り込み処理を行う。処理ステップＳ２では、雲画像１５のデータを画像処理することで、雲の日射量の反射率分布１６を計算する。さらに処理ステップＳ２では、過渡時間での雲の動きとして雲の移動速度を算出する。処理ステップＳ３では、雲の移動速度を考慮の上、将来の雲の動きについて予測シミュレーションを行う。処理ステップＳ４では、雲の種類などによる日射量の吸収率などを考慮して、対象地域１の地表に届く日射量を予測計算する。この方法により、当該地域１における地域全体の日射量分布、さらには地域に設置された複数の太陽光発電設備の出力を予測できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−２４９６０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
気象衛星を利用した特許文献１に記載の従来技術によれば、高精度な日射量の予測には、雲の種類による日射量の吸収率、雲の将来の動きを予測するための計算モデルが不可欠である。一方で、雲に垂直方向に移動速度に分布がある場合、雲の移動量がどの位置で速度を使うかで大きく影響を受ける事があった。また、気象衛星はその特性として、朝夕の二回、特定時間の間はデータを入手できない課題があった。また、現在の最先端の気象衛星であるひまわりを用いても、画像の入手可能時間幅は一回／２分程度であり、決して早いとは言えないという課題があった。【０００９】
以上のことから本発明においては、気象衛星のように上空からの雲の観察ではなく、地上からの雲の観察により、将来の雲の動き、日射量の過渡変化を予測することができる太陽光出力予測装置、電力系統制御装置及び太陽光出力予測方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
以上のことから本発明においては、複数の太陽光発電設備を備えた電力系統が設置されている対象地域内における太陽光発電設備の出力を予測するための太陽光出力予測装置であって、対象地域における複数個所の日射量の情報を得る入力手段と、対象地域を複数領域に分割した小領域について、第１の小領域における推定日射量を前記日射量の情報が得られる複数の第２の小領域の日射量から推定し、全ての第１の小領域における推定日射量を推定する日射量推定手段と、対象地域を複数領域に分割した小領域における日射量の時間的な過渡変化をもとに、対象地域内の将来の雲の動きを予測する天候予測手段と、予測手段による将来の雲の動きから当該対象地域に設置された太陽光発電設備の出力を予測する出力予測手段を備えることを特徴とする。【００１１】
また本発明は、電力系統には電力系統の電圧を補償する電圧補償装置が設置されており、太陽光出力予測装置の出力を用いて電圧補償装置が制御され、太陽光発電設備の出力変動による電力系統の電圧変動を制御することを特徴とする。【００１２】
また本発明は、電力系統には蓄電池などの出力補償装置が設置されており、太陽光出力予測装置の出力を用いて蓄電池などの出力補償装置が制御され、太陽光発電設備の出力変動による電力系統電圧の周波数変動を制御することを特徴とする。【００１３】
また本発明は、電力系統に連系した水力発電、火力発電設備などの出力補償装置が設置されており、太陽光出力予測装置の出力を用いて電力系統に連系した水力発電、火力発電設備などの出力補償装置が制御され、太陽光発電設備の出力変動による電力系統電圧の周波数変動を制御することを特徴とする。【００１４】
また本発明は、複数の太陽光発電設備を備えた電力系統が設置されている対象地域内における太陽光発電設備の出力を予測するための太陽光出力予測方法であって、対象地域における複数個所の日射量の情報を得、対象地域を複数領域に分割した小領域について、第１の小領域における推定日射量を日射量の情報が得られる複数の第２の小領域の日射量から推定し、全ての第１の小領域における推定日射量を推定し、対象地域を複数領域に分割した小領域における日射量の時間的な過渡変化をもとに、対象地域内の将来の雲の動きを予測し、将来の雲の動きから当該対象地域に設置された太陽光発電設備の出力を予測することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、地上からの雲の観察により、将来の雲の動き、日射量の過渡変化を予測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施例１に係る太陽光出力予測装置の構成例を示す図。
【図２】気象衛星を用いた太陽光発電設備の出力推定の従来手法を説明するための図。
【図３】複数個所からの日射量のデータを処理する出力予測装置３の処理アルゴリズムを示す図。
【図４】各時刻における日射量の過渡変化の可視化事例を示す図。
【図５】実施例１に示す手法で求めたネット出力の予測結果の事例を示す図。
【図６】電圧補償装置により電力系統を制御する事例を示す図。
【図７】蓄電池により電力系統を制御する事例を示す図。
【図８】火力発電設備により電力系統を制御する事例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本発明の実施例１に係る太陽光出力予測装置の構成例を示している。図１において、１は電力事業者が管理している対象地域であり、この内部地域には図示していないが、太陽光発電設備をはじめ、送配電線、変圧器、発電機、タップ付変圧器、調相設備などで構成された電力系統が設置されている。また電力系統の特に太陽光発電設備の近傍には、日射量計測手段２が各所に配備されており、中央側に設けられた出力予測装置３にデータ回線４を介して検出地点と時刻の情報を含む日射量計測値の情報を送信している。なお、日射量計測手段２は直接日射量を計測するものばかりではなく、間接的に日射量の情報を得ることができるものを含む。例えば、太陽光発電設備の電気出力と定格出力の比を、日射量として利用する形態のものであってもよい。【００１９】
図３は、複数個所からの日射量のデータを処理する出力予測装置３の処理アルゴリズムを示している。図３の上段には、日射量評価の対象地域１が示されている。この日射量評価の対象地域１に対して、最初の処理ステップＳ１０では、対象地域１を複数のメッシュに分割した分割領域として、把握している。この場合におけるメッシュは、マス目上であっても、またハニカム状に形成されたものであってもよいし、以後の処理を行う上では各メッシュ領域は等面積である必要はない。【００２０】
処理ステップＳ１０の例では、対象地域１をｘ、ｙの二元座標として把握しており、Δｘ、Δｙピッチでのメッシュ分割をしている。各マス目をｘ、ｙの二元座標で表すと、（２、２）、（３、５）、（６、３）、（８、６）、（９、１）の各マス目位置に日射量計測手段２が設置されており、日射量の情報が得られている。処理ステップＳ１０の処理では、日射量計測手段２が設置されていない座標（６、５）における日射量を、日射量計測手段２が設置されている複数地点（図の例では５地点）の日射量の情報から推定する。これにより、ここでは日射量計測手段２が設置されている地点が計測点であり、推定される地点が評価点として位置づけられる。なおここでの処理は、時刻ｔにおけるデータに基づいて実行されている。【００２１】
処理ステップＳ２０では、処理ステップＳ１０の繰り返し処理により、日射量計測手段２が設置されていない座標を評価点として、全ての評価点における日射量を補間推定する。なお処理ステップＳ２０でＣ１、Ｃ２、Ｃ３は雲の形状と位置を示している。ここでの処理も、時刻ｔにおけるデータに基づいて実行されている。【００２２】
複数箇所からの計測データを元にした補間推定処理に際し、出力予測装置３は各メッシュの代表点として例えば、重心点における日射量の補間を行う。補間式の事例としては、以下の（１）式に示すシェパード法などを適用することができる。なお（１）式において、Ｉ（ｉ）は点ｉにおける日射量、ｒｉｊは点ｉ、ｊ間の距離である。【００２３】
【数１】
0006641007.tif 000002
このシェパード法などの手法は、地点間の距離の二乗で、日射量の影響に重み付けを行うものである。これを、計測時間ｔ毎、好ましくは５秒に一度程度の計測頻度で計測を行い、計測時間毎にメッシュの重心点において、全ての日射量を補間する。【００２４】
すると、図４に示すように、各時刻ｔにおける日射量の過渡変化を可視化することができる。図４では左から順に、時刻ｔ＝５秒のときの対象地域１の日射量、時刻ｔ＝１５秒のときの対象地域１の日射量時刻、ｔ＝２５秒のときの対象地域１の日射量、時刻ｔ＝３５秒のときの対象地域１の日射量を表している。この事例では、対象地域１の左から右へ雲Ｃ（低日射量域）が移動している様子がわかる。この各時刻の雲の移動量から、雲の速さ、方向を評価できる。【００２５】
図３に戻り、次の処理ステップＳ３０では、求められた雲の速さ、方向をもとに、将来の雲の動きをシミュレーションする。その方法の一例として、以下の（２）式のような日射量の移流方程式を解くことで、将来の雲（日射量）の予測が可能となる。なお（２）式において、Ｉは日射量、ｔは時間、ｘ、ｙ：対象地域の二次元座標、ｕ、ｖは、ｘ、ｙ方向の速さである。【００２６】
【数２】
0006641007.tif 000003
ここで、前述のように、過去の日射量の計測データを使って、雲の速度（ｕ、ｖ）を求めることができるので、上の移流方程式を、対象地域を分割したメッシュ上で数値的に解くことができる。これにより、各メッシュ点での日射量分布が予測でき、ひいてはその対象地域全体のネットの日射量を評価できる。図３の処理ステップＳ３０は、時刻ｔ＋１における雲Ｃの位置を予測した結果であり、Ｃ１がＣ１’に移動していることがわかる。【００２７】
図５には、本発明の実施例に示す手法で求めたネット出力の予測結果を示している。ドットで示した計測結果と実線で示した予測結果とでは、±１０％程度の精度で予測ができている。この予測値を出力予測装置３は出力する。
【実施例２】
【００２８】
実施例１では、太陽光出力を予測する装置及び方法について説明したが、実施例２では電力系統の制御に結び付ける電力系統制御装置及び方法について説明する。図６において、図１と同じ記号を付しているものは同一物または等効物を意味しているので説明を省略する。【００２９】
図６の対象地域１には、具体的な電力系統１１と制御対象である電力系統制御装置として、電圧補償装置（例えばタップ付変圧器）５が示されている。電圧補償装置５は、制御装置６の出力により操作され、制御装置６は出力予測装置３の出力に応じて、電圧補償装置であるタップ付変圧器５のタップ位置を調整する。【００３０】
実施例２の構成によれば、出力予測装置３は、日射量計測手段２からの計測データを元に、将来の太陽光出力の予測を行う。その結果を元に、電圧変動の制御装置６は電力系統１１の電圧変動を評価し、電力系統１１内に設置された電圧補償装置５を適切に制御する。それによって、電力系統１１内の電圧変動を許容値以内に抑制することが可能となる。
【実施例３】
【００３１】
実施例３も、実施例２と同様に、電力系統の制御に結び付ける電力系統制御装置及び方法を示しているが、実施例２では電力系統制御装置として電圧補償装置（例えばタップ付変圧器）５を制御対象としたのに対し、実施例３では調相装置（例えば蓄電池７）を制御対象としている。【００３２】
図７において、７は蓄電池、８は蓄電池７の制御装置である。図７の構成によれば、出力予測装置３は、日射量計測手段２からの計測データを元に、将来の太陽光出力の予測を行う。その結果を元に、蓄電池７の制御装置８は、蓄電池７の寿命に影響を与えない充電放電レートを評価し、その指令値と必要な充放電量をもとに、蓄電池８を運用する。これにより、蓄電池の寿命を最大化しながら、電力系統１１の出力調整を時間的な遅れなく、行うことができる。
【実施例４】
【００３３】
実施例４も、実施例２、３と同様に、電力系統の制御に結び付ける電力系統制御装置及び方法を示しているが、実施例４では電力系統制御装置として火力発電設備９の制御装置を制御対象としている。【００３４】
図８において、９は火力発電設備、１０は火力発電設備の制御装置である。図８の構成によれば、出力予測装置３は、日射量計測手段２からの計測データを元に、将来の太陽光出力の予測を行う。その結果を元に、火力発電設備の制御装置１０は、１時間先に大幅な太陽光出力の低下が予見される場合には、火力発電設備９の起動を行う。その後は、実際の太陽光出力の変動を火力の出力調整で吸収する。これによれば、火力の無負荷での待機運転をなくすことが可能となる。
【実施例５】
【００３５】
以上に述べた本発明は、広域な対象地域における日射量計測点の観測結果に基づいて、日射量計測器を供えない評価点の日射量を推測するものである。このため、日射量計測点の日射量計測器に固有の特徴を有する場合には、評価点の日射量推測上は外乱となりえる。例えば、九州全域を対象地域とする時、都市部に設置されビルによる反射などの影響を強く受ける日射量計測器の検出値を元にして山間部での日射量を推測するときには、反射などの影響は外乱となりえる。反射光のほかには、ビルの陰に設置されているとか、センサー固有のエラーを備えるとか、雲の動きの急変などが外乱となりうる。【００３６】
このため、外乱要因が判明している状況下での評価点の日射量推測では、（２）式に示した日射量の移流方程式に外乱の要素を加味して実施するのがよい。【００３７】
以上本発明の実施例について説明した。この実施例によれば、太陽光発電が複数設置されている地域において、地域を複数領域に分割し、さらに地域に日射量の計測手段を複数設置、計測手段で計測した複数箇所の日射量を元に、複数領域の代表点での日射量を補間する手段、さらに複数の時間断面で複数領域における日射量の過渡変化をもとに、地域内の雲の動きを予測する手段で、当該地域に設置された太陽光発電のネット出力を予測することが可能となる。特に、日射量の計測手段は地上に設置されており、雲の影響を受けた後の日射量を直接計測するため、雲の種類が日射量に当たる影響のモデルが不要である。また、地上を移動する雲の陰の速さ、方向を直接評価でき、雲の垂直方向の速度分布などの考慮が不要となる。さらに、日射計、或いは太陽光の出力計測は秒単位での計測が可能であり、その分解能で太陽光発電の出力予測が可能となる。さらに、気象衛星のごとく、計測が困難な時間帯も存在しない。【００３８】
また本発明の実施例では、太陽光発電のネット出力を予測する装置において、複数分割地域をメッシュ状に分割するものである。メッシュ状に分割することで、その中心点、重心点を定義することが容易であり、複数計測点からのデータから前記メッシュ中心点での日射量の補間が容易となる。【００３９】
また本発明の実施例では、太陽光発電のネット出力を予測する装置を含み、特に上記地域内の電力系統に設置された電圧補償装置にて、電力系統の電圧が太陽光の出力変動による電圧変動を制御することで解決できる。電力系統に連系される太陽光発電の出力は、特に雲が太陽を過渡的に遮る場合、最大で７０％の出力低下、逆に雲がきれた場合に、一気に出力が増加する事象が派生する。その場合に、出力に応じて電力系統の電圧が上下する課題が生じる。太陽光発電の予測がない場合には、リアルタイムでの電圧補償となるために、時間的な遅れが生じる可能性もある。それに対して、太陽光出力予測技術を適用して太陽光出力変動に伴う電圧変動も予測し、それに基づき、電圧補償装置（好ましくはＳＶＲなどの機器）を制御することで、遅れなく、電圧補償が可能となる。【００４０】
また本発明の実施例では、太陽光発電のネット出力を予測する装置を含み、特に上記地域内の電力系統に設置された蓄電池などの出力補償装置にて、電力系統の電圧が太陽光の出力変動による周波数変動を制御することで解決できる。電力系統に連系される太陽光発電の出力は、特に雲が太陽を過渡的に遮る場合、最大で７０％の出力低下、逆に雲がきれた場合に、一気に出力が増加する事象が派生する。特に大規模に太陽光発電が導入されている場合には、出力変動に応じて電力系統の周波数が変動する課題が生じる。太陽光発電の予測がない場合には、リアルタイムでの出力調整となるために、時間的な遅れが生じる可能性と、急激な蓄電池の充放電による電池寿命の低下の課題もある。それに対して、太陽光予測技術を適用し、太陽光出力変動の電圧変動も予測し、それに基づき、蓄電池を制御することで遅れなく出力調整が可能となる。さらに、蓄電池の充放電レートを低く抑えることができ、蓄電池の寿命が延びる事も期待できる。【００４１】
また本発明の実施例では、太陽光発電のネット出力を予測する装置を含み、特に上記地域内の電力系統に連系した水力発電、火力発電設備などの出力補償装置にて、広域電力系統における太陽光の出力変動による周波数変動を制御することで解決できる。広域の太陽光出力予測ができない場合、出力調整用の水力、火力発電設備は待機運転を余儀なくされる。特に、火力発電設備では待機運転では効率が低い運転点で、長時間の運転を強いられる場合もあり、電力会社にとっては経済性の観点から好ましくない。それに対し、一時間程度の予測精度で広域太陽光出力の予測ができれば、火力の運転開始〜定格出力までの運用が一時間以内でできるため、不要な待機運転を防止することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１：対象地域，２：日射量計測手段，３：出力予測装置，４：データ回線，５：電圧補償装置，６：電圧補償装置の制御装置，７：蓄電池，８：蓄電池の制御装置，９：火力発電設備，１０：火力発電設備の制御装置，１１：電力系統，１３：気象衛星，１４：解析装置，１５：雲画像，１６：雲による日射量の反射量，１７：従来例のアルゴリズム
【図１】
0006641007.tif 000004
【図２】
0006641007.tif 000005
【図３】
0006641007.tif 000006
【図４】
0006641007.tif 000007
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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