(57)【要約】  本実施形態に係る水素システムの制御装置は、再生可能エネルギー発電装置が生成する第１電力と、電力系統から供給される第２電力Ｇとにより水素を製造する水素システムを制御する水素システムの制御装置であって、第２電力の受電電力量が設定された期間における第１電力の予測値を取得する取得部と、第１電力の供給値が第１電力の予測値を超える余剰電力の利用比率に対応する水素量を水素システムに増加製造させる制御部と、を備え、制御部は、所定期間内における第１期間の利用比率を第１期間よりも後の所定期間内における第２期間の利用比率よりも大きくする。
2020121428.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
再生可能エネルギー発電装置が生成する第１電力と、電力系統から供給される第２電力とにより水素を製造する水素システムを制御する水素システムの制御装置であって、
前記第２電力の受電電力量が設定された期間における前記第１電力の予測値を取得する取得部と、
前記第１電力の供給値が前記第１電力の予測値を超える余剰電力の利用比率に対応する水素量を前記水素システムに増加製造させる制御部と、を備え、
前記制御部は、前記期間内における第１期間の前記利用比率を第１期間よりも後の前記期間内における第２期間の前記利用比率よりも大きくする、水素システムの制御装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記第２期間の前記利用比率を０または一定値にする、請求項１に記載の水素システムの制御装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記第１期間内の前記第１電力の積算電力量の増加に応じて前記利用比率をより小さくする、請求項１又は２に記載の水素システムの制御装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記第１期間内の前記利用比率を時間経過に従いより小さくする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の水素システムの制御装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記期間内における前記第１電力の予測された積算電力量の確率分布に基づく閾値に、前記期間内の前記第１電力の積算電力量が到達した時間以降の前記利用比率を０または一定値にする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の水素システムの制御装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記期間内における前記第１電力の予測された積算電力量の分布確率に基づく閾値に、前記期間内の前記第１電力の積算電力量が到達するまでは前記利用比率は変化させず、閾値に到達した後の前記利用比率を０または一定値に減少させる、請求項１又は２に記載の水素システムの制御装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記期間内の前記第１電力の積算電力量が前記閾値に到達した後の経過時間に応じて前記閾値を増加させると共に、前記余剰電力に前記利用比率を乗算した値に対応する水素量を前記水素システムに増加製造させる、請求項５又は６に記載の水素システムの制御装置。
【請求項８】
前記制御部は、
前記第２電力の受電電力量が設定される場合には、前記期間内における前記第１電力の予測された積算電力量より小さい第１閾値を設定し、
前記第２電力の受電電力量が設定されない場合には、前記期間内における前記第１電力の予測された積算電力量より大きい第２閾値を設定する、請求項５又は６に記載の水素システムの制御装置。
【請求項９】
閾値を操作者の操作に従い設定する設定部を更に備え、
前記制御部は、前記設定部により設定された前記閾値に、前記期間内の前記第１電力の積算電力量が到達した後の前記利用比率を０または一定値にする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の水素システムの制御装置。
【請求項１０】
前記制御部は、前記再生可能エネルギー発電装置の予測発電量の変動量に応じて、前記閾値を変更する、
請求項５又は６に記載の水素システムの制御装置。
【請求項１１】
前記制御部は、
前記期間内における前記第１電力の予測された積算電力量の確率分布に基づく閾値に応じて、前記利用比率を演算する比率演算部と、
前記利用比率に基づき、前記水素システム内の水素製造装置とパワーコンディショナへの指令値を演算する指令値演算部と、
前記水素製造装置と前記パワーコンディショナへ指令値を出力する出力部と、
を有する、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の水素システムの制御装置。
【請求項１２】
再生可能エネルギー発電装置が生成する第１電力と、電力系統から供給される第２電力とにより水素を製造する水素システムの制御方法であって、
前記第２電力の受電電力量が設定された期間における前記第１電力の予測値を取得する取得工程と、
前記第１電力の供給値が前記第１電力の予測値を超える余剰電力の利用比率に対応する水素量を前記水素システムに増加製造させる制御工程と、を備え、
前記制御工程は、前記期間内における第１期間の前記利用比率を第１期間よりも後の前記期間内における第２期間の前記利用比率よりも大きくする、水素システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、水素システムの制御装置、及び水素システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力系統から供給される電力と、電力系統と比較して発電電力の変動がより大きい再生可能エネルギー発電装置の電力とを用いて、水素を製造する水素システムが一般に知られている。このような水素システムでは、電力系統から供給される電力の需給バランスを調整しつつ、水素需要を満す水素量の製造が行われる。このため、再生可能エネルギー発電装置の発電電力予測値を利用して、水素製造量の目標値を設定する。【０００３】
一方で、発電電力予測値よりも多くの電力を再生可能エネルギー発電装置が発電した場合に、計画値を超えた水素量を生産することにより、再生可能エネルギー発電装置の発電電力の利用率を上げる制御が可能となる。ところが、水素製造装置の制御応答は再生可能エネルギー発電装置の制御と比較すると一般的に遅くなってしまうという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第６０３８０８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、再生可能エネルギー発電装置における発電電力の利用調整が可能な水素システムの制御装置、及び水素システムの制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本実施形態に係る水素システムの制御装置は、再生可能エネルギー発電装置が生成する第１電力と、電力系統から供給される第２電力とにより水素を製造する水素システムを制御する水素システムの制御装置であって、前記第２電力の受電電力量が設定された期間における前記第１電力の予測値を取得する取得部と、前記第１電力の供給値が前記第１電力の予測値を超える余剰電力の利用比率に対応する水素量を前記水素システムに増加製造させる制御部と、を備え、前記制御部は、前記期間内における第１期間の前記利用比率を第１期間よりも後の前記期間内における第２期間の前記利用比率よりも大きくする、水素システムの制御装置を有する。
【発明の効果】
【０００７】
本実施形態によれば、再生可能エネルギー発電装置における発電電力の利用調整を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】水素生成システムの構成を示すブロック図。
【図２】水素システムの構成を示すブロック図。
【図３】制御装置の構成を示すブロック図。
【図４】本実施形態に係る予測製造電力を概念的に説明する図。
【図５】指令値演算部の構成例を示す制御ブロック図。
【図６】指令値演算部が演算した製造電力を概念的に示す図。
【図７】利用比率を設定する方法の一例を示す図。
【図８】利用比率に基づき演算した製造電力を概念的に示す図。
【図９】利用比率を設定する別の一例を示す図。
【図１０】図９に示す利用比率に基づく製造電力を概念的に示す図。
【図１１】本実施形態に係る制御例を示すフローチャート。
【図１２】非需給調整時間帯の利用比率を設定する方法の一例を示す図。
【図１３】第２実施形態に係る水素生成システムのブロック図。
【図１４】第３実施形態に係る制御装置のブロック図。
【図１５】第４実施形態に係る制御装置のブロック図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態に係る水素システムの制御装置、水素システムの制御方法、及び水素生成システムについて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明の実施形態の一例であって、本発明はこれらの実施形態に限定して解釈されるものではない。また、本実施形態で参照する図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号又は類似の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、図面の寸法比率は説明の都合上実際の比率とは異なる場合や、構成の一部が図面から省略される場合がある。
【００１０】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る水素生成システム１の構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係る水素生成システム１は、水素を生成するシステムであり、水素システム１０と、エネルギー管理システム２０と、制御装置３０とを備えて構成されている。図１では、更に電力系統Ｅｐｓが図示されている。
【００１１】
水素システム１０は、水素システム１０内の再生可能エネルギー発電装置が生成する第１電力Ｐ０（ｋ）と、電力系統Ｅｐｓから供給される第２電力Ｇ（ｋ）とにより水素を製造する。また、水素システム１０は、第１電力Ｐ０（ｋ）の情報を含む測定信号を制御装置３０に出力する。ここで、ｋは時間を示す。
【００１２】
エネルギー管理システム２０は、再生可能エネルギー発電装置の予測発電電力ＰｒｅＰ（ｋ）、及び所定の期間における目標受電電力量Ｒの情報を含む指令信号を制御装置３０に出力する。また、電力系統Ｅｐｓから受電する第２電力Ｇ（ｋ）の目標受電電力量Ｒが設定された所定の時間区間は、所謂ディマンドリスポンス期間に対応する。ディマンドリスポンス期間では、目標受電電力量Ｒが例えば電力会社との取り決めにより設定される。このため、ディマンドリスポンス期間における目標受電電力量Ｒを超えて、電力系統Ｅｐｓから電力を受電すると、例えば目標受電電力量Ｒを超えた受電電力に対してペナルティーとして、通常よりも高額の電力料金が課せられる。ディマンドリスポンス期間は、例えば３０分単位であり、その期間は例えば３０〜１２０分である。このディマンドリスポンス期間は、例えば電力需要の多い時間帯に設定される。一方で、目標受電電力量Ｒよりも受電電力が少ない場合には、ペナルティーは課されないが、水素製造量を計画値に近づける必要があるので、受電電力量を単純に減らすことは困難である。
【００１３】
制御装置３０は、水素システム１０から供給される第１電力Ｐ０（ｋ）の情報を含む測定信号と、電力系統Ｅｐｓから受電する電力Ｇ（ｋ）の情報を含む計測信号と、エネルギー管理システム２０から供給される目標受電電力量Ｒ及び予測発電電力ＰｒｅＰ（ｋ）の情報を含む指令信号とに基づき、水素システム１０の製造電力ｕ（ｋ）と、パワーコンディショナの出力電力Ｐ（ｋ）の情報を含む指令信号を水素システム１０出力する。すなわち、制御装置３０は、水素システム１０から供給される第１電力Ｐ０（ｋ）の情報を含む測定信号と、電力系統Ｅｐｓから受電する電力Ｇ（ｋ）の情報を含む計測信号と、エネルギー管理システム２０から供給される目標受電電力量Ｒ及び予測発電電力ＰｒｅＰ（ｋ）の情報を含む指令信号とに基づき、水素システム１０の製造電力ｕ（ｋ）、及びパワーコンディショナの出力電力Ｐ（ｋ）を制御する。  
電力系統Ｅｐｓは、例えば電力会社が管理する送配電網である。
【００１４】
図２は、水素システム１０の構成を示すブロック図である。図２に示すように、水素システム１０は、再生可能エネルギー発電装置１０ａ、パワーコンディショナ１０ｂ、水素製造装置１０ｃ、水素貯蔵装置１０ｄを備える。図２では、さらに水素負荷ＨＲが図示されている。
【００１５】
エネルギー管理システム２０は、上述したように、ディマンドリスポンス期間の時間区間における電力系統Ｅｐｓからの目標受電電力量Ｒ、再生可能エネルギー発電装置１０ａの予測発電電力ＰｒｅＰ（ｋ）の情報を含む指令信号を制御装置３０に出力する。ここで、予測発電電力ＰｒｅＰ（ｋ）は、再生可能エネルギー発電装置１０ａの発電電力を交流に換算した交流電力値である。なお、本実施形態では、交流電力値を基準値として説明するが、これに限定されず直流電力値を基準値としてもよい、例えば、本実施形態に係る予測発電電力ＰｒｅＰ（ｋ）は交流電力値であるが、これに限定されず直流電力値で予測発電電力ＰｒｅＰ（ｋ）を示してもよい。また、目標受電電力量Ｒをディマンドリスポンス期間で除算した値が目標受電電力ｒ（ｋ）となる。
【００１６】
再生可能エネルギー発電装置１０ａは、自然エネルギー由来の発電設備を有する。この再生可能エネルギー由来の発電設備は、例えば太陽光を用いた太陽光発電装置（ＰＶ）である。再生可能エネルギー発電装置１０ａは、発電電力ＰＷ（ｋ）の交流電力値である第１電力Ｐ０（ｋ）の情報を含む測定信号を制御装置３０に出力する。すなわち、第１電力Ｐ０（ｋ）は、発電電力ＰＷ（ｋ）の交流電力値である。
【００１７】
再生可能エネルギー発電装置１０ａは、化石燃料などの燃料が不要であるが、その発電量は天候などの環境の影響を受けるため不安定である。なお、再生可能エネルギー発電装置１０ａは、風力発電設備でもよく、或いはバイオマスやバイオマス由来廃棄物などの新エネルギーを利用した発電設備でもよい。
【００１８】
パワーコンディショナ１０ｂは、例えばコンバータを含んで構成される。このコンバータは、再生可能エネルギー発電装置１０ａが出力した発電電力ＰＷ（ｋ）を所定の出力電力Ｐ（ｋ）に変換する。より具体的には、パワーコンディショナ１０ｂは、制御装置３０から入力された出力電力Ｐ（ｋ）の情報を含む指令信号に従い、発電電力ＰＷ（ｋ）の大きさを調整した出力電力Ｐ（ｋ）を水素製造装置１０ｃに供給する。すなわち、パワーコンディショナ１０ｂが出力する出力電力Ｐ（ｋ）の大きさは第１電力Ｐ０（ｋ）以下に調整される。
【００１９】
水素製造装置１０ｃは、電気と水から、水電解により水素を製造する。水素製造装置１０ｃは、例えば、アルカリ性の溶液に電流を流すことにより、水素及び酸素を製造する電気水分解装置である。また、水素製造装置１０ｃは、水素配管を介して、生成した水素量Ｈ（ｋ）を、水素貯蔵装置１０ｄに蓄える。
【００２０】
水素製造装置１０ｃは、制御装置３０から入力された製造電力ｕ（ｋ）の情報を含む指令信号に従い、製造電力ｕ（ｋ）に対応する水素量Ｈ（ｋ）を製造する。ここで、製造電力ｕ（ｋ）は（１）式の関係を有する。また、水素製造装置１０ｃは、生成した水素量Ｈ（ｋ）の情報を含む測定信号を制御装置３０に供給する。
Ｇ（ｋ）＝ｕ（ｋ）−Ｐ（ｋ）                        （１）式
【００２１】
上述のように、第２電力Ｇ（ｋ）は、電力系統Ｅｐｓからの受電電力であり、出力電力Ｐ（ｋ）は、再生可能エネルギー発電装置１０ａの発電電力である第１電力Ｐ０（ｋ）を、パワーコンディショナ１０ｂにより大きさを調整した交流電力である。電力系統Ｅｐｓの変圧器は、第２電力Ｇ（ｋ）を水素製造装置１０ｃに供給する。つまり、第２電力Ｇ（ｋ）を平均的に目標受電電力ｒ（ｋ）に一致させると、第２電力Ｇ（ｋ）のディマンドリスポンス期間における第２電力Ｇ（ｋ）の積算値は目標受電電力量Ｒに一致する。
【００２２】
また、水素製造装置１０ｃの制御応答時間は、再生可能エネルギー発電装置１０ａ及びパワーコンディショナ１０ｂの制御応答よりも遅くなる。例えば、水素製造装置１０ｃは、一般的に蓄電池よりも制御反応遅れが大きく、制御周期毎の変化量も小さくなる。このため、再生可能エネルギー発電装置１０ａの第１電力Ｐ０（ｋ）が増加した際に、水素製造装置１０ｃの製造電力ｕ（ｋ）を増加させても、応答遅れが生じる。これにより、水素製造装置１０ｃの水素製造量を増加させた時点で、再生可能エネルギー発電装置１０ａの発電電力である第１電力Ｐ０（ｋ）が減少し、パワーコンディショナ１０ｂの出力電力Ｐ（ｋ）が低下する場合がある。この場合、（１）式で示すように、電力系統Ｅｐｓから受電する第２電力Ｇ（ｋ）が増加してしまい、第２電力Ｇ（ｋ）が目標受電電力ｒ（ｋ）を超える要因となる。このような、応答遅れにより生じ、第２電力Ｇ（ｋ）を増加させる電力を正の応答遅れ電力と呼ぶこととする。特に、ディマンドリスポンス期間のける終了直前に正の応答遅れ電力が発生すると、ディマンドリスポンス期間における第２電力Ｇ（ｋ）の積算電力量の調整が困難となり、ディマンドリスポンスに失敗する可能性が考えられる。
【００２３】
同様に、再生可能エネルギー発電装置１０ａの第１電力Ｐ０（ｋ）が減少した際に、水素製造装置１０ｃの製造電力ｕ（ｋ）を減少させても、応答遅れが生じる。これにより、水素製造装置１０ｃの水素製造量を減少させた時点で、パワーコンディショナ１０ｂの出力電力Ｐ（ｋ）が増加する場合がある。この場合、（１）式で示すように、電力系統Ｅｐｓから受電する第２電力Ｇ（ｋ）が減少し、目標受電電力ｒ（ｋ）よりも下回る要因となる。このような、応答遅れにより生じ、第２電力Ｇ（ｋ）を減少させる電力を負の応答遅れ電力と呼ぶこととする。なお、目標受電電力量Ｒよりも第２電力Ｇ（ｋ）の積算電力量が下回っても、本実施形態に係るディマンドリスポンスでは、ペナルティーは課せられない。
【００２４】
水素貯蔵装置１０ｄは、水素製造装置１０ｃにより製造された水素を蓄える。この水素貯蔵装置１０ｄは、水素製造装置１０ｃと、水素負荷ＨＲと、に配管を介して接続される。また、水素貯蔵装置１０ｄは、配管を介して、水素負荷ＨＲに水素を供給する。水素負荷ＨＲは、例えば燃料電池発電装置、燃料電池自動車などである。なお、再生可能エネルギー発電装置１０ａ及びパワーコンディショナ１０ｂは水素システム１０外に配置してもよい。すなわち、水素システム１０は、再生可能エネルギー発電装置１０ａ及びパワーコンディショナ１０ｂを含まない構成でもよい。
【００２５】
図３は、制御装置３０の構成を示すブロック図である。図３に示すように、制御装置３０は、記憶部３０ａと、インターフェース部３０ｂと、制御部３０ｃとを有する。
【００２６】
記憶部３０ａは、例えばＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ等の半導体メモリ素子、ハードディスク等により実現される。この記憶部３０ａは、制御部３０ｃが実行するプログラムと、各種の制御用のデータを記憶する。
【００２７】
インターフェース部３０ｂは、再生可能エネルギー発電装置１０ａ（図２）、水素製造装置１０ｃ（図２）、及び水素貯蔵装置１０ｄ（図２）、エネルギー管理システム２０（図２）と通信する。これにより、インターフェース部３０ｂは、目標受電電力量Ｒが設定された期間における第１電力Ｐ０（ｋ）の予測値である予測発電電力ＰｒｅＰ（ｋ）を取得する。
【００２８】
ここで、ディマンドレスポンス期間などの制御の時間区間における開始時刻はコマ開始時刻と呼び、終了時刻はコマ終了時刻と呼ぶ。例えば、インターフェース部３０ｂは、制御の時間区間毎に、予測発電電力ＰｒｅＰ（ｋ）、目標受電電力量Ｒ、及びＰＶ発電量信頼区間などの情報を含む指令信号と、第１電力Ｐ０（ｋ）、及び生成した水素量Ｈ（ｋ）の情報を含む測定信号を受信する。ＰＶ発電量信頼区間は、予測発電電力ＰｒｅＰ（ｋ）の積算値の確率分布を示す情報である。例えば、確率分布は、標準偏差σの正規分布により示される。なお、本実施形態に係るインターフェース部３０ｂが取得部に対応する。
【００２９】
制御部３０ｃは、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）を含んで構成され、記憶部３０ａに記憶されるプログラムに基づき、制御を実行する。この制御部３０ｃは、指令値演算部３０２と、余剰量瞬時利用比率演算部３０４と、出力部３０６とを、有する。
【００３０】
図４は、本実施形態に係る予測製造電力Ｐｒｅｕ（ｋ）を概念的に説明する図である。縦軸は電力を示し、横軸はディマンドリスポンス期間内の時刻を示している。図４に示すように、本実施形態に係る予測製造電力Ｐｒｅｕ（ｋ）は（２）式で示される。
Ｐｒｅｕ（ｋ）＝ｒ（ｋ）＋ＰｒｅＰ（ｋ）            （２）式
【００３１】
指令値演算部３０２は、パワーコンディショナ１０ｂの出力電力Ｐ（ｋ）、水素製造装置１０ｃの製造電力ｕ（ｋ）、などの指令値を演算する。指令値演算部３０２の詳細は後述する。
【００３２】
余剰量瞬時利用比率演算部３０４は、余剰電力Ｓｐ（ｋ）を水素製造装置１０Ｃの水素製造に利用する利用比率ｒａｔｉｏを演算する。余剰電力Ｓｐ（ｋ）は（３）式で示すことができる。余剰量瞬時利用比率演算部３０４の詳細も後述する。なお、本実施形態に係る余剰量瞬時利用比率演算部３０４が比率演算部に対応する。
【数１】
2020121428.tif 000003
【００３３】
出力部３０６は、指令値演算部３０２により演算された値を含む指令信号を出力する。すなわち出力部３０６は、出力電力Ｐ（ｋ）を含む指令信号をパワーコンディショナ１０ｂに出力し、製造電力ｕ（ｋ）を含む指令信号を水素製造装置１０ｃに出力する。
【００３４】
図５は、指令値演算部３０２の構成例を示す制御ブロック図であり、図５に基づき、指令値演算部３０２の詳細を説明する。図５に示すように、指令値演算部３０２は、目標受電電力ｒ（ｋ）と第２電力Ｇ（ｋ）との差分値が縮小するように製造電力ｕ（ｋ）の値を演算するフィードバックコントローラである。すなわち、この指令値演算部３０２は、積分部４００と、ＰＩ制御部４０２とを備える。更にＰＩ制御部４０２は、Ｐ制御部４０４と、Ｉ制御部４０６と、加算部４０８とを有する。
【００３５】
積分部４００は、受電電力量積算誤差ｅＩ（ｋ）を（４）式で示すように演算する。すなわち、積分部４００は、目標受電電力ｒ（ｋ）と第２電力Ｇ（ｋ）の差分を各時刻ｋにおいて加算する。Ｎは、ディマンドリスポンス内の時間に対応する。  
【数２】
2020121428.tif 000004
【００３６】
Ｐ制御部４０４は、ｅＩ（ｋ）に対する比例動作を行う。また、Ｉ制御部４０６は、ｅＩ（ｋ）に対する積分動作を行う。これにより、Ｐ制御部４０４の出力値とＩ制御部４０６の出力値の加算値は（５）式で示すΔｕ（ｋ）で表される。ここで、Ｋは比例ゲインであり、ＴＩは、積分時間である。
【数３】
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【００３７】
そして、加算部４０８は、（６）式に示す加算を行い、製造電力ｕ（ｋ）を時刻ｋにおける指令値演算部３０２のフィードバックコントローラ出力として出力する。
【数４】
2020121428.tif 000006
【００３８】
図６は、指令値演算部３０２が演算した製造電力ｕ（ｋ）を概念的に示す図である。図６に示すように、ディマンドリスポンス期間では、指令値演算部３０２は、目標受電電力ｒ（ｋ）と第２電力Ｇ（ｋ）との差分値が縮小するように製造電力ｕ（ｋ）の値を演算する。換言すると、製造電力ｕ（ｋ）と第１電力Ｐ０（ｋ）の差分が目標受電電力ｒ（ｋ）と一致するように、製造電力ｕ（ｋ）を演算する。
【００３９】
また、（６）式で示すｕ（ｋ）を用いて（３）式で示す余剰電力Ｓｐ（ｋ）は、（７）式として表すことが可能である。
【数５】
2020121428.tif 000007
【００４０】
上述のように余剰電力Ｓｐ（ｋ）を全て、水素製造装置１０ｃ（図２）に使用すると、制御応答の遅れにより、目標受電電力量Ｒを超えてしまう恐れがある。そこで、ディマンドレスポンス期間に水素製造装置１０ｃ（図２）に出力される指令信号には、製造電力ｕ（ｋ）の代わりに（８）式で示される製造電力ｕ’（ｋ）の情報が含まれる。本実施形態に係る利用比率ｒａｔｉｏは、例えば１．０から０の範囲である。
【数６】
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【００４１】
同様に、ディマンドレスポンス期間にパワーコンディショナ１０ｂへ出力される指令信号には、出力電力Ｐ（ｋ）の代わりに（９）式で示されるｐ’（ｋ）の情報が含まれる。
【数７】
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【００４２】
図７は、利用比率ｒａｔｉｏを設定する方法の一例を示す図であり、図７に基づき、余剰量瞬時利用比率演算部３０４の構成の詳細を説明する。図７の上図は、再生可能エネルギー発電装置１０ａ（図２）の第１電力Ｐ０（ｋ）の積算電力量を示している。図７の下図は、利用比率ｒａｔｉｏの値を示している。また、確率分布は予測発電電力ＰｒｅＰ（ｋ）の積算値の確率分布を標準偏差σの正規分布で示している。つまり正規分布の積分値を１に正規化することにより、正規分布の値が予測発電電力ＰｒｅＰ（ｋ）の積算値における発生確率を示す。
【００４３】
図７に示すように、余剰量瞬時利用比率演算部３０４は、第１電力Ｐ０（ｋ）を積算し、積算電力量Ｐ０が信頼区間の−σの値に対応する閾値ＴＨ１に時刻Ｔ１で達すると、時刻Ｔ１よりも後の第２期間における利用比率ｒａｔｉｏの値を０に変更する。時刻Ｔ１に達するまでの第１期間における利用比率ｒａｔｉｏは例えば（１０）式で示すことができる。
【００４４】
ｒａｔｉｏ＝ｍａｘ｛０，（（ＴＨ１−Ｐ０）／ＰＲＥＰ）｝
（１０）式
ここで、ＴＨ１は、信頼区間−１σに対応する閾値であり、Ｐ０は、第１電力Ｐ０（ｋ）の積算電力量であり、ＰＲＥＰは、予測発電電力ＰｒｅＰ（ｋ）のディマンドレスポンス期間における積算値である。つまり、ＰＲＥＰは、ディマンドレスポンス期間における再生可能エネルギー発電装置１０ａの予測発電電力量である。このように、余剰量瞬時利用比率演算部３０４は、時刻Ｔ１に達するまでの第１期間内の第１電力Ｐ０（ｋ）の積算電力量Ｐ０の増加に応じて、利用比率ｒａｔｉｏをより小さくする。すなわち、時間経過に応じて、余剰電力Ｓｐ（ｋ）の利用比率を低減させる。換言すると、余剰量瞬時利用比率演算部３０４は、ディマンドレスポンス期間内における第１期間の利用比率ｒａｔｉｏを第１期間よりも後の第２期間の利用比率ｒａｔｉｏよりも大きくする。これにより、正の応答遅れ電力が発生する量を低減できる。また、時間経過に応じて利用比率ｒａｔｉｏを低下させることにより、正の応答遅れ電力が発生した場合にも残りの時間での、第２電力Ｇ（ｋ）の積算電力量の調整がより容易となる。
【００４５】
なお、−１σら１σの区間に予測発電電力ＰｒｅＰ（ｋ）の積算値が達する確率は６８．３パーセントである。第２期間における利用比率ｒａｔｉｏは、０でなくてもよく、例えば第１期間における利用比率ｒａｔｉｏの最低値よりも小さい定数でもよい。このように、余剰量瞬時利用比率演算部３０４は、所定期間内、例えばディマンドリスポンス期間における第１期間の利用比率ｒａｔｉｏを第１期間よりも後の第２期間の利用比率ｒａｔｉｏよりも大きくする。
【００４６】
なお、（２）式から予測製造電力Ｐｒｅｕ（ｋ）も予測発電電力ＰｒｅＰ（ｋ）と同一の確率分布を有する。すなわち、水素製造量の積算値の確率分布は、予測発電電力ＰｒｅＰ（ｋ）の積算値の確率分布に対応する。例えば、予測発電電力ＰｒｅＰ（ｋ）の積算値に対応する水素製造量の積算値は、予測発電電力ＰｒｅＰ（ｋ）の積算値の確率と同一である。
【００４７】
図８は、図７に示す利用比率ｒａｔｉｏに基づき演算した製造電力ｕ’（ｋ）を概念的に示す図である。図８に示すように、指令値演算部３０２は、第１電力Ｐ０（ｋ）の積算電力量Ｐ０が閾値ＴＨ１に時刻Ｔ１で到達すると、余剰電力Ｓｐ（ｋ）の使用を停止する。また、時刻Ｔ１に達するまでは、第１電力Ｐ０（ｋ）の積算電力量Ｐ０の増加に応じて、余剰電力Ｓｐ（ｋ）の利用比率ｒａｔｉｏを低下させる。
【００４８】
すなわち、時刻Ｔ１に、第１電力Ｐ０（ｋ）の積算電力量が到達するまでは、指令値演算部３０２により第２電力Ｇ（ｋ）が目標受電電力ｒ（ｋ）に一致するようにフィードバック制御されつつ、実際に余剰電力Ｓｐ（ｋ）が水素製造に使用される量は時間経過に従い抑制される。このため、正の応答遅れ電力を抑制しつつ、再生可能エネルギー発電装置の１０ａの発電電力を水素製造に使用可能となる。
【００４９】
一方で、時刻Ｔ１に達した後は、（８）、（９）式で示すように製造電力ｕ’（ｋ）は予測製造電力Ｐｒｅｕ（ｋ）と一致し、第１電力ｐ’（ｋ）は予測発電電力ＰｒｅＰ（ｋ）と一致する。このため第２電力Ｇ（ｋ）は、（１１）式で示すように、目標受電電力ｒ（ｋ）と一致する。
Ｇ（ｋ）＝ｕ’（ｋ）−ｐ’（ｋ）＝ｒ（ｋ）        （１１）式
すなわち、時刻Ｔ１に達した後は、余剰電力Ｓｐ（ｋ）を水素製造に利用しないため、第２電力Ｇ（ｋ）は、目標受電電力ｒ（ｋ）と一致する。また、時刻Ｔ１までの第２電力Ｇ（ｋ）の積算電力量が目標受電電力ｒ（ｋ）の積算電力量を超えている場合には、製造電力ｕ’（ｋ）を減少させることにより、第２電力Ｇ（ｋ）の積算電力量を調整することも可能である。また、閾値ＴＨ１（−σ）の積算電力量に対応する水素量が既に生成されているので、少なくとも水素製造量の目的値から信頼区間−σの範囲内の水素製造量が確保される。ここで、水素製造量の目的値は、予測製造電力Ｐｒｅｕ（ｋ）をディマンドリスポンス期間で積算した値に対応する水素量である。
【００５０】
図９は、利用比率ｒａｔｉｏを設定する別の一例を示す図である。図９の上図は、再生可能エネルギー発電装置１０ａ（図２）の第１電力Ｐ０（ｋ）の積算電力量Ｐ０を示している。図９の下図は、利用比率ｒａｔｉｏの値を示している。
【００５１】
図９に示すように、余剰量瞬時利用比率演算部３０４は時刻Ｔ１に達するまでの第１期間における利用比率ｒａｔｉｏの値を１とし、時刻Ｔ１に達した後の第２期間における利用比率ｒａｔｉｏの値を０とする。このように、余剰量瞬時利用比率演算部３０４は、第１電力Ｐ０（ｋ）の予測された積算電力量の確率分布に基づく閾値（−σ）に、第１電力Ｐ０（ｋ）の積算電力量が到達した後の第２期間の比率を０または一定値にする。換言すると、余剰量瞬時利用比率演算部３０４は、第１電力Ｐ０（ｋ）の予測された積算電力量の確率分布に基づく閾値（−σ）に、第１電力Ｐ０（ｋ）の積算電力量が到達するまでは利用比率ｒａｔｉｏを変化させず、閾値（−σ）に到達した第２期間以降の利用比率ｒａｔｉｏを０または一定値に減少させる。
【００５２】
なお、第２期間における利用比率ｒａｔｉｏは、０でなくてもよく、例えば第１期間における利用比率ｒａｔｉｏよりも小さい定数でもよい。このように、余剰量瞬時利用比率演算部３０４は、所定期間内、例えばディマンドリスポンス期間における第１期間の利用比率ｒａｔｉｏ＝１を第１期間よりも後の第２期間の利用比率ｒａｔｉｏ＝０よりも大きくする。これにより、ディマンドリスポンス期間の終わりに近づくに従い、正の応答遅れ電力の発生をより抑制できる。
【００５３】
図１０は、図９に示す利用比率ｒａｔｉｏに基づき演算した製造電力ｕ’（ｋ）を概念的に示す図である。図１０に示すように、指令値演算部３０２は、時刻Ｔ１に、第１電力Ｐ０（ｋ）の積算電力量が閾値ＴＨ１に到達すると、水素製造装置１０ｃ（図２）の水素製造に使用する余剰電力Ｓｐ（ｋ）の使用を抑制する。
【００５４】
すなわち、時刻Ｔ１に、第１電力Ｐ０（ｋ）の積算電力量が到達するまでは、指令値演算部３０２により第２電力Ｇ（ｋ）が目標受電電力ｒ（ｋ）に一致するように、余剰電力Ｓｐ（ｋ）を水素製造に使用する。このため、再生可能エネルギー発電装置の１０ａの発電電力のほぼ全てを水素製造に使用可能となる。
【００５５】
一方で、時刻Ｔ１に達した後は、図８と同様に、余剰電力Ｓｐ（ｋ）を水素製造に利用しないために、第２電力Ｇ（ｋ）は、目標受電電力ｒ（ｋ）と一致する。また、時刻Ｔ１までの第２電力Ｇ（ｋ）の積算電力量が目標受電電力ｒ（ｋ）の積算電力量を超えている場合には、製造電力ｕ’（ｋ）を減少させることにより、第２電力Ｇ（ｋ）の受電電力量を調整することも可能である。
【００５６】
なお、本実形態に係る余剰量瞬時利用比率演算部３０４は、時刻Ｔ１を第１電力Ｐ０（ｋ）の積算電力量に基づき設定しているが、時刻Ｔ１を予め固定値として設定してもよい。この場合には、第１電力Ｐ０（ｋ）の積算電力量が閾値ＴＨ１に達しない場合にも、余剰電力Ｓｐ（ｋ）の利用比率を所定値にすることが可能となる。これにより、コマ終了時において、利用比率ｒａｔｉｏを０にできるので、第２電力Ｇ（ｋ）の積算電力量を目標受電電力量Ｒに一致させることがより容易となる。
【００５７】
また、本実施形態に係る閾値ＴＨ１を発電量の信頼区間−１σに対応させた一定としていたが、これに限定されない。例えば、再生可能エネルギー発電装置１０ａの第１電力Ｐ０（ｋ）が予測発電電力ＰｒｅＰ（ｋ）よりも大きい場合には、第１電力Ｐ０（ｋ）の積算電力量Ｐ０に応じて閾値ＴＨ１を信頼区間−１σに対応する値から徐々に大きくしてもよい。
【００５８】
例えば、３０分間のディマンドリスポンス期間の中で再生可能エネルギー発電装置１０ａの有効利用を行う時間（ＰＶ有効利用時間帯）を設定し、積算電力量Ｐ０が閾値ＴＨ１に到達した時刻からＰＶ有効利用時間帯終了時までの残り時間に応じて、閾値ＴＨ１の値を増加させてもよい。これにより、第１電力Ｐ０（ｋ）が予測発電電力ＰｒｅＰ（ｋ）よりも大きい場合でも、更に再生可能エネルギー発電装置１０ａの第１電力Ｐ０（ｋ）の有効利用が可能となる。
【００５９】
図１１は、本実施形態に係る制御例を示すフローチャートである。図１１に示すように、まず、インターフェース部３０ｂは、予測発電電力ＰｒｅＰ（ｋ）、目標受電電力量Ｒ、及び発電量信頼区間などの情報を含む指令信号を取得する（ステップＳ１００）。これにより、指令値演算部３０２は、目標受電電力量Ｒをディマンドレスポンス期間で除算した目標受電電力ｒ（ｋ）を演算する。また、余剰量瞬時利用比率演算部３０４は、信頼区間−σの値に対応する閾値ＴＨ１を設定する。
【００６０】
次に、インターフェース部３０ｂは、発電電力ＰＷ（ｋ）の情報を含む測定信号を受信する（ステップＳ１０２）。  
次に、余剰量瞬時利用比率演算部３０４は、発電電力ＰＷ（ｋ）を交流電力値に変換した第１電力Ｐ０（ｋ）の積算値Ｐ０を演算し、積算値Ｐ０に応じた利用比率ｒａｔｉｏを設定する（ステップＳ１０４）。
【００６１】
次に、指令値演算部３０２は、製造電力ｕ（ｋ）、出力電力Ｐ（ｋ）、および第２電力Ｇ（ｋ）を演算し、製造電力ｕ（ｋ）、出力電力Ｐ（ｋ）、および第２電力Ｇ（ｋ）それぞれを含む指令信号を生成する（ステップＳ１０６）。続けて、出力部３０６は、出力電力Ｐ（ｋ）を含む指令信号をパワーコンディショナ１０ｂに出力し、製造電力ｕ（ｋ）を含む指令信号を水素製造装置１０ｃに出力する（ステップＳ１０８）。
【００６２】
次に、制御部３０ｃは、ディマンドリスポンスの時間が終了したか否かを判定し（ステップＳ１１０）、終了していない場合（ステップＳ１１０のＮＯ）、ステップＳ１０２からの処理を繰り返す。一方で、終了する場合（ステップＳ１１０のＹＥＳ）、制御部３０ｃは、全体処理を終了するか否かを判定する（ステップＳ１１２）。全体処理を終了しない場合（ステップＳ１１２のＮＯ）、ステップＳ１００からの処理を繰り返す。一方で、終了する場合（ステップＳ１１２のＹＥＳ）、制御部３０ｃは、全体処理を終了する。
【００６３】
このように、天候の影響を受ける再生可能エネルギー発電装置１０ａを利用し、制御の応答遅れがより大きい水素製造装置１０ｃにより水素を製造する場合でも、目標とする水素量を製造しつつ目標受電電力量Ｒを達成することが可能となる。これにより、再生可能エネルギー発電装置１０ａが予測値よりも多くの発電した場合でも、この余剰電力を抑制するのではなく、余分に水素量を生産することでより経済的な制御が可能となる。
【００６４】
以上説明したように、本実施形態によれば、再生可能エネルギー発電装置１０ａが発電する第１電力ｐ０（ｋ）が予測発電電力ＰｒｅＰ（ｋ）を超えた余剰電力Ｓｐ（ｋ）の利用比率ｒａｔｉｏに対応する水素量を水素製造装置１０ｃに増加製造させる。この利用比率ｒａｔｉｏを所定期間内の時間経過に応じて減少させることにより、時間経過に従い正の応答遅れ電力が発生する量をより抑制できる。これにより、所定期間内において電力系統から供給される第２電力Ｇ（Ｋ）の積算電力量を目標受電電力量Ｒにするための調整をより高精度に行うことが可能となる。
【００６５】
（第２実施形態）
第２実施形態に係る制御装置３０は、ディマンドレスポンス期間である需給調整時間帯の第１制御と、ディマンドレスポンス期間でない非需給調整時間帯の第２制御とを、異ならす点で第１実施形態に係る水素システムの制御装置と相違する。以下では、第１実施形態と相違する点を説明する。
【００６６】
図１２は、非需給調整時間帯の利用比率ｒａｔｉｏを設定する方法の一例を示す図である。図１２の上図は、再生可能エネルギー発電装置１０ａ（図２）の第１電力Ｐ０（ｋ）の積算電力量Ｐ０を示している。図１２の下図は、利用比率ｒａｔｉｏの値を示している。また、確率分布は予測発電電力ＰｒｅＰ（ｋ）の積算値の確率分布を標準偏差σの正規分布で示している。
【００６７】
図１２に示すように、第２実施形態に係る余剰量瞬時利用比率演算部３０４は、非需給調整時間帯の第２制御では、第１電力Ｐ０（ｋ）の積算値Ｐ０が＋σの値に対応する閾値ＴＨ２に時刻Ｔ２で達すると、時刻Ｔ２よりも後の第２期間における利用比率ｒａｔｉｏの値を０に変更する。時刻Ｔ２に達するまでの第１期間における利用比率ｒａｔｉｏは（１２）式で示すことができる。
ｒａｔｉｏ＝ｍａｘ｛０，（（ＴＨ２−Ｐ０）／ＰＲＥＰ）｝
（１２）式
ここで、ＴＨ２は、信頼区間＋１σに対応する発電量閾値であり、Ｐ０は、第１電力Ｐ０（ｋ）の積算電力量であり、ＰＲＥＰは、予測発電電力ＰｒｅＰ（ｋ）のディマンドレスポンス期間における積算値である。すなわち、本実施形態に係る利用比率ｒａｔｉｏは１．０を超える。
【００６８】
このように、式（１２）では閾値ＴＨ２を利用する点が式（１０）式と異なる。非需給調整時間帯の場合には、目標受電電力量Ｒよりも水素製造量の目標値と一致させることがより重要となる。このため、図１２に示すように、受電電力量は正制御の反応遅れにより正の制御応答遅れは増加するが、再生可能エネルギー発電装置１０ａ（図２）の第１電力Ｐ０（ｋ）がより有効利用される。なお、本実施形態に係る余剰量瞬時利用比率演算部３０４において、需給調整時間帯の場合は信頼区間−１σに対応する閾値ＴＨ１を使用し、非需給調整時間帯の場合は信頼区間＋１σに対応する閾値ＴＨ２を利用したが、これに限定されない。例えば需給調整時間帯の場合は発電電力量の予測値ＰＲＥＰよりも小さい値を閾値に設定し、非需給調整時間帯の場合は発電電力量の予測値ＰＲＥＰよりも大きい値を閾値に設定すればよい。
【００６９】
図１３は、第２実施形態に係る水素生成システム１のブロック図である。第２実施形態に係る水素生成システム１は、切り替え部４０を更に備えることで、第１実施形態に係る水素生成システム１と相違する。図１３に示すように、エネルギー管理システム２０は、水素製造目標値ｈ（ｋ）と、需給調整時間帯であるＤＲ時間帯を含む指令信号を制御部３０と切り替え部４０に出力する。
【００７０】
切り替え部４０は、ＤＲ時間帯を含む指令信号によりＤＲ時間帯の場合には、スイッチをＤＲ時間帯側にし、それ以外の場合に非ＤＲ時間帯側にする。これにより、ＤＲ時間帯の場合には、制御装置３０は、目標受電電力ｒ（ｋ）に第２電力Ｇ（ｋ）が一致するように、フィードバック制御を行う。一方で、非ＤＲ時間帯の場合には、制御装置３０は、水素製造目標値ｈ（ｋ）に水素量Ｈ（ｋ）が一致するように、フィードバック制御を行う。なお、水素システム１０から電力系統Ｅｐｓへの電力の逆潮流が禁止されている場合には、水素システム１０が一定の受電電力量となるように制御してもよい。
【００７１】
以上のように本実施形態によれば、非ＤＲ時間帯では水素製造量を目標値と一致させるため、より多くの再生可能エネルギー発電装置１０ａの第１電力Ｐ０（ｋ）を用いて水素製造が可能となる。また、余剰量瞬時利用比率演算部３０４において信頼区間＋１σに対応する閾値ＴＨ２を使用することで、閾値ＴＨ１を使用する場合よりも再生可能エネルギー発電装置１０ａの第１電力Ｐ０（ｋ）をより多く用いて水素製造が可能となる。
【００７２】
（第３実施形態）
第３実施形態に係る制御装置３０は、管理者設定部３０ｄを更に備えることで第１実施形態に係る水素システムの制御装置と相違する。以下では、第１実施形態と相違する点を説明する。
【００７３】
図１４は、第３実施形態に係る制御装置３０のブロック図である。図１４に示すように、管理者設定部３０ｄは、余剰量瞬時利用比率演算部３０４における閾値ＴＨ３を管理者が設定する。なお、本実施形態に係る管理者設定部３０ｄが設定部に対応する。
【００７４】
余剰量瞬時利用比率演算部３０４は、管理者設定部３０ｄで設定された閾値ＴＨ３を使用して、式（１３）のように利用比率ｒａｔｉｏを演算する。ここで、Ｐ０は、第１電力Ｐ０（ｋ）の積算電力量であり、ＰＲＥＰは、予測発電電力ＰｒｅＰ（ｋ）のディマンドレスポンス期間における積算値である。
ｒａｔｉｏ＝ｍａｘ｛０，（（ＴＨ３−Ｐ０）／ＰＲＥＰ）｝
（１３）式
【００７５】
以上説明したように、本実施形態によれば、利用比率ｒａｔｉｏの閾値ＴＨ３を管理者が設定することで、管理者の経験やノウハウを考慮することが可能となる。
【００７６】
（第４実施形態）
第４実施形態に係る制御装置３０は、再生可能エネルギー変動量予測部３０ｅを更に備える点で第１実施形態に係る水素システムの制御装置３０と相違する。以下では、第１実施形態と相違する点を説明する。
【００７７】
図１５は、第４実施形態に係る制御装置３０のブロック図である。図１５に示すように、再生可能エネルギー変動量予測部３０ｅは、予測発電電力ＰｒｅＰ（ｋ）、発電量信頼区間、気温予測値Ｔ（ｋ）、発電電力Ｐ（ｋ）、風速の現在値Ｖ（ｋ）を用いて、一制御区間、例えば３０分毎の再生可能エネルギー発電装置１０ａの第１電力量Ｐ０の変動量を予測する。この変動量は、例えば１０段階の離散値または連続値で示す評価値でもよいし、或いは、大・中・小などで表現してもよい。  
【００７８】
変動量の予測方法については、一般に知られた方法を用いる。例えば、回帰モデルを作成し変動量を予測してもよいし、決定木やｋ平均法などのクラスタリング手法を用いて変動量を予測してもよい。  
【００７９】
余剰量瞬時利用比率演算部３０４は、再生可能エネルギー変動量予測部３０ｅにおいて予測された第１発電電力量ＰＲＥＰの変動量Ｘに応じて変動するＴＨ４（Ｘ）に（１０）式のＴＨ１を変更する。この場合、利用比率ｒａｔｉｏは例えば式（１４）式で示される。ここで、Ｐ０は、第１電力Ｐ０（ｋ）の積算電力量であり、ＰＲＥＰは、予測発電電力ＰｒｅＰ（ｋ）のディマンドレスポンス期間における積算値である。変動量Ｘは、例えば予測発電電力ＰｒｅＰ（ｋ）のディマンドレスポンス期間における積算値の確率分布のσである。
ｒａｔｉｏ＝ｍａｘ｛０，（（ＴＨ４（Ｘ）−Ｐ０）／Ｒ）｝
（１４）式
【００８０】
再生可能エネルギー発電装置１０ａの第１発電力Ｐ０（ｋ）の変動量Ｘが大きいと予測された場合は、より小さな値を示す。例えば、閾値ＴＨ４（Ｘ）は、変動量Ｘの単調減少関数である。
【００８１】
以上説明したように、本実施形態によれば、利用比率ｒａｔｉｏの閾値ＴＨ４（Ｘ）を変動量Ｘの単調減少関数とした。これにより、受電電量の目標値Ｒをより達成し易くなる。また、変動量Ｘが小さいと予測された場合は、ＴＨ４（Ｘ）をより大きくすることで再生可能エネルギー発電装置１０ａの第１発電力Ｐ０（ｋ）をより有効に利用できる。
【００８２】
以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規な装置、方法及びプログラムは、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明した装置、方法及びプログラムの形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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