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技術 発電機の起動停止計画作成方法とその装置及び起動停止計画作成装置の処理プログラムを記録する記録媒体。

出願人 株式会社明電舎千住智信
発明者 舟橋俊久千住智信
出願日 2003年9月22日 (17年3ヶ月経過) 出願番号 2003-330045
公開日 2005年4月14日 (15年8ヶ月経過) 公開番号 2005-102357
状態 特許登録済
技術分野 交流の給配電
主要キーワード 集約ユニット 事前シミュレーション 最小停止 起動停止状態 事前解析 負荷ピーク 制約範囲 連続停止
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重要な関連分野

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図面 (18)

課題

予想需要運転計画運用制約をもとに発電機の運転計画を作成するものが提案されているが、良好な解を得るには作成に長時間を要していると共に、電力貯蔵装置を考慮した運用計画のものは存在していない。

解決手段

はじめに電力貯蔵装置を考慮せずに発電機の起動停止計画を決定し、続いて電力貯蔵装置を考慮せずに得られた計画に対して電力貯蔵装置考慮のためのアルゴリズムを適用する。

概要

背景

大口需要家を対象にした電力小売部分自由化に伴う新規発電事業者参入により、供給事業者電力売買競争にさらされている。そのため供給事業者は最大の利益を得るために経済的な系統運用を目指さなければならない。

そこで、必然的に発電機起動停止計画(Unit Commitment以下UCという)が重要な問題となる。UC問題は、事前計画された予測負荷を供給すると同時に、多数の制約条件を考慮した上で、総コストを最小ににするような各発電機運用計画を決定する問題である。
この問題は、発電機の起動停止を表す0−1変数発電機出力を表す連続変数を含む混合整数計画問題として定式化され、電力系統において最も解くことが困難な問題の一つに挙げられている。

近年,エネルギー有効利用のための様々な技術開発が盛んに行われている。その中でも電力貯蔵技術が欠くことのできない一つとなっている。
現在開発されている電力貯蔵技術には、揚水発電機フライホイール超伝導コイル電力貯蔵,NAS電池レドックスフロー電池及び圧縮空気貯蔵ガスタービン発電システムなどが挙げられる。

このような電力貯蔵技術は負荷平準化を意図した揚水発電オンサイト分散型電源と組み合わせた蓄電池瞬時電圧低下への対策として電力貯蔵装置の応用,自動車用蓄電池等その規模と応用範囲は多岐にわたっている。最近では特に、負荷平準化を目的とした実系統への電力貯蔵装置(Energy Storage System:ESS)の導入が進んでおり、大規模では揚水発電やフライホイール、小規模では需要地付近分散配置する電池などがある。また、風力発電太陽光発電に電力貯蔵装置を併設した出力平準化の検証も行われている。

供給事業者が今まで以上に経済的な発電機運用を行うには、上述した電力貯蔵装置を効率よく運用していくことが求められる。そのためには、電力貯蔵装置を考慮した発電機起動停止計画を立てることが必要不可欠となる。

これまでに報告されてきたUC問題に対する手法としては、火力発電機のみを想定した非特許文献1〜3がある。
吉川ほか;「火力揚水発電所の運用計画作成手法」、電気学会論文誌B,114巻、12号、pp.1220−1226、平成6年
M.K.C.Marwaliほか;「Short Term Generation Scheduling in Photovoltaic-Utility Grid With Battery Storage」、IEEE Transactions on Power Systems,Vol.13,No.3,pp.1057-1062,1998.
千住ほか;「優先リスト法拡張した発電機起動停止計画問題解法」、平成14年電気学会電力・エネルギー部門大会論文集、pp.331−337

概要

予想需要運転計画運用制約をもとに発電機の運転計画を作成するものが提案されているが、良好な解を得るには作成に長時間を要していると共に、電力貯蔵装置を考慮した運用計画のものは存在していない。 はじめに電力貯蔵装置を考慮せずに発電機の起動停止計画を決定し、続いて電力貯蔵装置を考慮せずに得られた計画に対して電力貯蔵装置考慮のためのアルゴリズムを適用する。

目的

そこで本発明が目的とするところは、インバータを含んだ電力貯蔵装置と既存の火力発電機とで構成されたシステム、若しくは揚水発電と火力発電機より構成されたシステムなどを一般化して定式化を行い、それに対して実用的な計算時間で電力貯蔵装置を考慮した発電機起動停止計画を決定する手法を提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
4件
牽制数
6件

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請求項1

発電機と電力貯蔵装置を含む電力系統であって、事前に計算された予測負荷を供給すると同時に、多数の制約条件を考慮した上で、電力系統の運用コストを最小にするように各発電機運用計画を決定する発電機起動停止計画において、はじめに電力貯蔵装置を考慮せずに発電機の起動停止計画を決定し、続いて電力貯蔵装置を考慮せずに得られた計画に対して電力貯蔵装置考慮のためのアルゴリズムを適用することを特徴とした発電機起動停止計画作成方法

請求項2

前記発電機の起動停止計画は、拡張優先リスト法により電力貯蔵装置を考慮せずに決定し、続いて拡張優先リスト法により電力貯蔵装置を考慮せずに得られた計画に対して電力貯蔵装置考慮のためのアルゴリズムを適用することを特徴とした請求項1記載の発電機起動停止計画作成方法。

請求項3

前記発電機起動停止計画は、電力貯蔵装置を考慮せずに得られた発電機起動停止計画のうち総コストの安い順で選択し、その上位複数個の発電機起動停止計画に対して電力貯蔵装置考慮のためのアルゴリズムを適用することを特徴とした請求項2記載の発電機起動停止計画作成方法。

請求項4

前記電力貯蔵装置はインバータを有し、この電力貯蔵装置考慮のためのアルゴリズムは、負荷ボトム付近運転している発電機の余剰電力を、電力貯蔵装置の充放電制約運転予備力制約およびインバータの容量制約を考慮しながら可能な限り充電し、すべての充電後でも充電終了時下限電力量に達しない場合はボトム付近で停止している発電機に着目し、これらの発電機を優先リストの順に運転状態修正するようにしたことを特徴とした請求項2又は3記載の発電機起動停止計画作成方法

請求項5

前記電力貯蔵装置考慮のためのアルゴリズムは、負荷ビーク時間帯において電力貯蔵装置の充放電制約、運転予備力制約およびインバータの容量制約を考慮しながら積極的に電力貯蔵装置から電力を供給(放電)し、コスト高火力発電機を優先リストの逆順停止状態に修正するようにしたことを特徴とした請求項2乃至4記載の発電機起動停止計画作成方法。

請求項6

発電機と電力貯蔵装置を含む電力系統であって、事前に計算された予測負荷を供給すると同時に、多数の制約条件を考慮しなから運用コストを最小にするように各発電機の運用計画を決定する発電機起動停止計画装置において、前記発電機起動停止計画を拡張優先リスト法に基づいて作成する発電機起動停止作成手段と、この作成手段によって得られた起動停止計画に前記電力貯蔵装置を考慮したパラメータを設定するパラメータ設定手段と、設定されたパラメータを用いて総コストの安い順で上位数個の発電機起動停止計画に対して充電動作を実行し、運転コストの高い順で放電動作を実行する充放電実行手段とを備えたことを特徴とした発電機起動停止計画作成装置

請求項7

発電機と電力貯蔵装置を含む電力系統であって、事前に計算された予測負荷を供給すると同時に、多数の制約条件を考慮しながら運用コストを最小にするように各発電機の運用計画を決定する発電機起動停止計画装置の処理プログラムを記録する記録媒体において、前記発電機起動停止計画を拡張優先リスト法に基づいて作成する発電機起動停止作成手段と、この作成手段によって得られた起動停止計画に前記電力貯蔵装置を考慮したパラメータを設定するパラメータ設定手段と、設定されたパラメータを用いて総コストの安い順で上位数個の発電機起動停止計画に対して充電動作を実行し、運転コストの高い順で放電動作を実行する充放電実行手段の処理プログラムを記録する記録媒体。

技術分野

0001

本発明は、発電機の運転制約条件を満たしながら発電機の起動,停止を行うための計画作成方法に係わり、特に電力貯蔵装置を考慮した発電機の起動停止計画作成方法とその装置及び起動停止計画作成装置処理プログラムを記録する記録媒体に関するものである。

背景技術

0002

大口需要家を対象にした電力小売部分自由化に伴う新規発電事業者参入により、供給事業者電力売買競争にさらされている。そのため供給事業者は最大の利益を得るために経済的な系統運用を目指さなければならない。

0003

そこで、必然的に発電機起動停止計画(Unit Commitment以下UCという)が重要な問題となる。UC問題は、事前計画された予測負荷を供給すると同時に、多数の制約条件を考慮した上で、総コストを最小ににするような各発電機運用計画を決定する問題である。
この問題は、発電機の起動停止を表す0−1変数発電機出力を表す連続変数を含む混合整数計画問題として定式化され、電力系統において最も解くことが困難な問題の一つに挙げられている。

0004

近年,エネルギー有効利用のための様々な技術開発が盛んに行われている。その中でも電力貯蔵技術が欠くことのできない一つとなっている。
現在開発されている電力貯蔵技術には、揚水発電機フライホイール超伝導コイル電力貯蔵,NAS電池レドックスフロー電池及び圧縮空気貯蔵ガスタービン発電システムなどが挙げられる。

0005

このような電力貯蔵技術は負荷平準化を意図した揚水発電オンサイト分散型電源と組み合わせた蓄電池瞬時電圧低下への対策として電力貯蔵装置の応用,自動車用蓄電池等その規模と応用範囲は多岐にわたっている。最近では特に、負荷平準化を目的とした実系統への電力貯蔵装置(Energy Storage System:ESS)の導入が進んでおり、大規模では揚水発電やフライホイール、小規模では需要地付近分散配置する電池などがある。また、風力発電太陽光発電に電力貯蔵装置を併設した出力平準化の検証も行われている。

0006

供給事業者が今まで以上に経済的な発電機運用を行うには、上述した電力貯蔵装置を効率よく運用していくことが求められる。そのためには、電力貯蔵装置を考慮した発電機起動停止計画を立てることが必要不可欠となる。

0007

これまでに報告されてきたUC問題に対する手法としては、火力発電機のみを想定した非特許文献1〜3がある。
吉川ほか;「火力揚水発電所の運用計画作成手法」、電気学会論文誌B,114巻、12号、pp.1220−1226、平成6年
M.K.C.Marwaliほか;「Short Term Generation Scheduling in Photovoltaic-Utility Grid With Battery Storage」、IEEE Transactions on Power Systems,Vol.13,No.3,pp.1057-1062,1998.
千住ほか;「優先リスト法拡張した発電機起動停止計画問題解法」、平成14年電気学会電力・エネルギー部門大会論文集、pp.331−337

発明が解決しようとする課題

0008

非特許文献1では、火力と揚水発電機の運用計画の作成手法を提案しているが、揚水発電設備を一般的な電力貯蔵装置として定式化していないもので、他の電力貯蔵装置へこの手法を適用することは困難である。また、提案された手法は、優先リスト法と動的計画法とを組み合わせた手法であるため、計算時間が長くなる問題点を有している。

0009

非特許文献2では、太陽電池に接続されたバッテリー充放電と火力機群の運用計画作成手順を提案している。手順としは太陽電池からの電力が予測できるものとしてバッテリー容量を最小とするための実行可能解を求める。
次に太陽電池から供給される電力を需要電力から差し引き、その残りの供給電力に対して火力機の運転計画を作成している。
最後にELD(EconomicLoad Dispatch:経済負荷配分)計算により火力機の運転コストを最小にするように火力機の出力を調整している。
このようにバッテリーと火力機群の運転計画作成作業は分離されており、火力機とバッテリーを同時に考慮して最適化問題を解いていないという問題を有している。

0010

昨今の着実増加傾向にある電力需要は電力貯蔵装置の規模拡大直結するため、計画を立てるうえでも、小規模の電力貯蔵装置から大規模のものまで適用可能で、さらに多種の電力貯蔵装置にも柔軟に応用可能な計画手法が求められている。

0011

そこで本発明が目的とするところは、インバータを含んだ電力貯蔵装置と既存の火力発電機とで構成されたシステム、若しくは揚水発電と火力発電機より構成されたシステムなどを一般化して定式化を行い、それに対して実用的な計算時間で電力貯蔵装置を考慮した発電機起動停止計画を決定する手法を提供することにある。

課題を解決するための手段

0012

本発明の第1は、発電機と電力貯蔵装置を含む電力系統であって、事前に計算された予測負荷を供給すると同時に、多数の制約条件を考慮した上で、電力系統の運用コストを最小にするように各発電機の運用計画を決定する発電機起動停止計画において、
はじめに電力貯蔵装置を考慮せずに発電機の起動停止計画を決定し、続いて電力貯蔵装置を考慮せずに得られた計画に対して電力貯蔵装置考慮のためのアルゴリズムを適用することを特徴としたものである。

0013

本発明の第2は、前記発電機の起動停止計画は、拡張優先リスト法により電力貯蔵装置を考慮せずに決定し、続いて拡張優先リスト法により電力貯蔵装置を考慮せずに得られた計画に対して電力貯蔵装置考慮のためのアルゴリズムを適用することを特徴としたものである。

0014

本発明の第3は、前記発電機起動停止計画は、電力貯蔵装置を考慮せずに得られた発電機起動停止計画のうち総コストの安い順で選択し、その上位複数個の発電機起動停止計画に対して電力貯蔵装置考慮のためのアルゴリズムを適用することを特徴としたものである。

0015

本発明の第4は、前記電力貯蔵装置はインバータを有し、この電力貯蔵装置考慮のためのアルゴリズムは、負荷ボトム付近で運転している発電機の余剰電力を電力貯蔵装置の充放電制約運転予備力制約およびインバータの容量制約を考慮しながら可能な限り充電し、すべての充電後でも充電終了時下限電力量に達しない場合はボトム付近で停止している発電機に着目し、これらの発電機を優先リストの順に運転状態修正するようにしたことを特徴としたものである。 本発明の第5は、前記電力貯蔵装置考慮のためのアルゴリズムは、負荷ビーク時間帯において電力貯蔵装置の充放電制約、運転予備力制約およびインバータの容量制約を考慮しながら積極的に電力貯蔵装置から電力を供給(放電)し、コスト高な火力発電機を優先リストの逆順停止状態に修正するようにしたことを特徴としたものである。

0016

本発明の第6は、発電機と電力貯蔵装置を含む電力系統であって、事前に計算された予測負荷を供給すると同時に、多数の制約条件を考慮しなから運用コストを最小にするように各発電機の運用計画を決定する発電機起動停止計画装置において、
前記発電機起動停止計画を拡張優先リスト法に基づいて作成する発電機起動停止作成手段と、この作成手段によって得られた起動停止計画に前記電力貯蔵装置を考慮したパラメータを設定するパラメータ設定手段と、設定されたパラメータを用いて総コストの安い順で上位数個の発電機起動停止計画に対して充電動作を実行し、運転コストの高い順で放電動作を実行する充放電実行手段とを備えたことを特徴としたものである。

0017

本発明の第7は、発電機と電力貯蔵装置を含む電力系統であって、事前に計算された予測負荷を供給すると同時に、多数の制約条件を考慮しながら運用コストを最小にするように各発電機の運用計画を決定する発電機起動停止計画装置の処理プログラムを記録する記録媒体において、
前記発電機起動停止計画を拡張優先リスト法に基づいて作成する発電機起動停止作成手段と、この作成手段によって得られた起動停止計画に前記電力貯蔵装置を考慮したパラメータを設定するパラメータ設定手段と、設定されたパラメータを用いて総コストの安い順で上位数個の発電機起動停止計画に対して充電動作を実行し、運転コストの高い順で放電動作を実行する充放電実行手段の処理プログラムを記録することを特徴としたものである。

発明の効果

0018

以上のとおり、本発明によれば、次のような効果が得られるものである。
(1)インバータを含んだ電力貯蔵装置と既存の火力発電機とで構成されたシステムなどを一般化して定式化を行い、それに対して実用的な計算時間で電力貯蔵装置を考慮した発電機起動停止計画を決定することができる。
(2)シミュレーションより得られた結果は、火力発電機数の増加や電力貯蔵装置の規模拡大に対しても、本発明に基づく定式化や電力貯蔵装置のためのアルゴリズムを用いれば、実用的な計算時間で対象とする問題に適した起動停止計画を決定することが可能であることを示している。
(3)さらに、作成された計画には負荷の平準化が確認でき、それによる総コスト削減が達成されている。
(4)大規模システムのみならず、分散電源等で構成される小規模地域供給システムに対しても同様な定式化が行いるため、システム規模に関わらず利用できるものである。

発明を実施するための最良の形態

0019

本発明においては、まず、非特許文献3のような拡張優先リスト法(Extended Priority List 以下EPL法という)を用いて火力発電機の起動停止計画を決定する。続いて、EPL法により得られた計画上で、後述する本発明のアルゴリズムにより電力貯蔵装置が考慮される。
なお、EPL法を用いたことは、高速に問題を解くことができて、火力発電機の燃料費と起動費の低コスト化を実現できることによる。

0020

図1は、本発明が適用されるシステム構成図である。1は電力貯蔵装置で、NAS電池の如き電力貯蔵要素2とインバータ3を有している。4は火力発電機で複数設置されている。5は負荷である。
図1のように、電力システムに電力貯蔵装置1が接続されているとき、与えられた期間における火力発電機の燃料コストと起動コストの和で表される総コストを最小化することであり、その総コストCFは、次式で表せる。

0021

0022

ここで、Tはスケジューリング期間、Nは発電機の総数、Fi(Pi(t))は発電機iの時間tにおける燃料コスト、SCi(t)は発電機iの時間tにおける起動コスト、iは発電機のインデックス(i=1,2,…)である。

0023

一般的にUC問題における燃料コストは(2)式で示すように各発電機出力二次関数で表される。

0024

0025

ここで、ai,bi,ciは非負のコスト換算係数、Pi(t)は時間tにおける発電機iの出力である。

0026

起動コストは蒸気を発生させるボイラーの温度に依存する。発電機を長時間停止し、ボイラーが冷えると起動コストが増加する。そのため起動コストSCiは停止時間の関数となる。ここでは簡単のために(4)式で定義される発電機iが停止し続けた時間Hioffを用いて(3)式のようにホットスタートh−costiとコールドコストc−costiの2つに分ける。

0027

0028

0029

ここでTioffは発電機iの最小運転時間、Xioffは発電機iが停止し続けた時間、c−s−houriは発電機iのボイラー冷却時間である。

0030

UC問題には発電機の特性や技術面などからいくつかの制約条件があるが、火力発電機のみを考えたUC問題での制約としては、システムに関する制約と各発電機に関する制約とに大別される。本発明では、電力貯蔵装置の併設を意図していることにより、さらに電力貯蔵装置の充放電やインバータを使用した場合のインバータ容量に関する考慮が行われる。ここでは以下に示す(i),(ii)がシステムに関する制約、(iii),(iv)及び(v)が各火力発電機の制約、(vi)及び(vii)が電力貯蔵装置に関する制約である。

0031

(i)電力需給バランス制約
最適運用のために、次式のように任意の時間で火力発電機発電電力の総和とインバータ出力(電力貯蔵装置からの充放電電力)の和は負荷と等しくなければならない。

0032

0033

0034

ここで、Pth(t)は発電機ユニット出力の総和、Pinv(t)はインバータからの出力、D(t)は時間tにおける予測負荷である。

0035

図1で示す電力系統においてPinv(t)の符号は、電力貯蔵装置1が充電動作時にはマイナスであり、放電動作時にはプラスになる。電力貯蔵装置への充電電力は火力発電機の負荷となり、また、電力貯蔵装置からの充放電がない時間ではPinv(t)はである。

0036

(ii)運用予備力制約
運用中の発電機から予備の出力を保証する。

0037

0038

ここで、Ii(t)は時間tにおける発電機iの起動停止状態(1:起動,0:停止)、Pimaxは発電機iの最大出力、Rtは時間tにおける運転予備力でここでは負荷の10%とした。

0039

電力貯蔵装置の充電動作又は放電動作の時間では、火力発電機の配分する負荷D(t)がそれぞれ(8)式,(9)式に示すD’(t)と変化する。よって充電時における運転予備力制約は(8),(10)式より得られ、放電時には(9),(10)式より得られる。

0040

0041

0042

0043

(iii)発電機出力上下限制約
各発電機出力はその容量内になければならない。

0044

0045

ここで、Piminは発電機iの最小出力である。

0046

(iv)発電機最小運転・停止時間制約
各発電機に対して決められた最小時間のように間、発電機は連続的に運転・停止状態でなければならない。

0047

0048

ここで、Tionは発電機iの最小運転時間、Tioffは発電機iの最小停止時間、Xion(t)は時間tにおいて発電機iが運転し続けた時間、Xioff(t)は時間tにおいて発電機iが停止し続けた時間である。

0049

(v)ランプ制約
各発電機には、単位時間に増加・減少可能な出力の変化幅が決まっている。

0050

0051

ここで、URiは発電機iの単位時間に増加可能な出力、DRiは単位時間に減少可能な出力である。

0052

(vi)初期貯蔵電力量
電力貯蔵装置はある初期電力量から充電動作を開始する。

0053

0054

ここで、Csriniは初期貯蔵電力量,w(0<w<1)は放電係数,Csrmaxは貯蔵可能最大電力量である。

0055

(vii)充放電制約
Csrc(t)を時間tで充電のために用いられた電力量、Csrd(t)を放電に用いられた電力量として次のように表す。

0056

0057

0058

ここで、α(0<α≦1)充電時の効率であり、本発明ではこのαに全ての効率を集約し、対象とする電力貯蔵装置の総合効率とする。Pinv(t)は時間tにおけるインバータからの出力であり単位はMWである。

0059

ある時間における電力貯蔵量Csr(t)は離散化した式で表すと次のようになる。

0060

充放電に関する制約は以下のようになる。

0061

0062

0063

0064

ここで、k(w≦k≦1)は充電係数、k・Csrmax,w・Csrmaxはそれぞれ充電終了時下限電力量及び放電終了時上限電力量、Csrminは貯蔵可能最低電力量である。また、tc,tdはそれぞれある一定期間の充電動作が終了する時間,放電動作が終了する時間を示している。
充電は電力貯蔵量が充電終了時下限電力量を上回ったときに終了する。放電は放電終了時上限電力量を下回った時点で終了とする。ここで、放電終了時上限電力量を設けたことは、不測の事態に備え予備の電力を保証するためである。また、鉛電池の場合には、放電深度を指定して運用できるためである。

0065

インバータは理想的なものを想定し以下の制約がある。

0066

0067

ここで、Pinvmaxはインバータの定格である。

0068

本発明では、上記した各制約条件を前提として(1)式の目的関数を最小化すると共に、電力貯蔵装置を有する電力系統へのアルゴリズムの使用を可能としたものである。

0069

図2は本発明によるフローチャートを示したものである。
まず初めに、火力発電機の起動停止計画をEPL法により決定する(ステップ1)。火力発電機のスケジュールが決定したら、次に電力貯蔵装置を考慮した計画を決定する(ステップ2,3)。電力貯蔵装置を考慮した計画はEPL法によって得られた火力発電機の起動停止計画上で、本発明の電力貯蔵装置のためのアルゴリズム(後述)を導入することで得られる。
[EPL法の概略]
以下にEPL法の概略を記述するが、詳細は非特許文献3を参照されたい。
EPL法は、計算時間の大幅な削減および細部にわたるコストの低減化を目的とした手法である。その構成は、発電機データを用いた事前解析による初期解生成の部分と、得られた初期解の制約条件を満足させ.コストの低減化を図る後処理(修正アルゴリズム)の部分から構成されている。
初期解の生成ではデータの簡単な事前解析により、発電単価と起動停止の頻度を考慮した優先リストを作成し、解の探索領域を削減する。これにより、効率的に改善見込のある解のみを探索することができる。ここで改善見込のある解とは、その後の簡単な修正だけで最適解により近づいた近似解に変化するような解のことをいう。後処理の修正アルゴリズムでは得られた改善見込のある解に対してUC間題に適したヒューリスティック手法を適用する。

0070

提案するヒューリスティック手法は、その修正過程において発電機のコスト特性を考慮しているため確実なコスト削減が可能であり、また簡単なアルゴリズムであるため高速に処理される。
[火力発電機の起動停止計画]
火力発電機の起動停止計画は上に述べたEPL法を用いて決定する。EPL法で用いる優先リストおよびシミュレーションパラメータをそれぞれ図3図4に示す。発電コストの小さい発電機ほど高い優先度を持つように優先リストを作成した。よって、図3ではユニット1が最も高い優先度を持ち、ユニット10が最も低い優先度を持つ。
図4において、初期解の個数w=20、ヒューリスティックス手法を適用する解の個数s=5、需要電力(D(t)+Rt)付近の窓内の発電機数Xは事前シミュレーション最良の結果が得られた1機とする。
[ランプ制約の考慮]
本発明においては、さらに火力発電機のランプ制約を考慮している。EPL法の修正アルゴリズムの最後にランプ制約が考慮される。ランプ制約は発電機の立ち上がり部分(停止状態から運転状態へ変化する部分)、運転中、そして立ち下がり部分(運転状態から停止状態へ変化する部分)に存在する。発電機の立ち上がり部分および運転中に関しては、(13)式を等λ法に基づく経済負荷配分に組み込むことによりランプ制約を満足させることができる。しかし、発電機の立ち下がり部分に関しては、(13)式を経済負荷配分に組み込むだけで完全に満足させるのは困難であるため、本発明では立ち下がり部分に関して別の修正アルゴリズムを導入することで満足させる。

0071

以下にその修正アルゴリズムの簡単な説明を述べる。

0072

Step1:発電機iの状態が1→0となる時間tを探す。そのとき、ランプ制約を満足して停止状態へ推移しているならt=t+1として再びSteplを実行し、もし、ランプ制約を違反するならStep2へ移行する。

0073

Step2:時間t以降で何時間連続して停止しているかをチェックする。もし、その連続停止時間がその発電機の最小停止時間と等しい場合は、t以降の停止状態を最小停止時間の分、運転状態に修正する。もし、その連続停止時間が最小停止時間より大きい場合は、時間tにおける状態を停止状態から運転状態に修正する。スケジュール修正がある場合は必ず(13)式を組み込んだ経済負荷配分計算を行う。このアルゴリズム内で用いられる経済負荷配分計算は、特に発電機の立ち下がり部分に関して、効率良く円滑に発電機が停止状態へと推移するためのヒューリスティック手法を有している。
t=t+1としてStep1へ戻る。もしt=24ならStep3に移る。

0074

Step3:i=i+1としてStep1に戻る。
[電力貯蔵装置を考慮するためのアルゴリズム]
図2のステップ2,3における電力貯蔵装置を考慮するためのアルゴリズムについて説明する。
ステップ2の諸パラメータ設定では、Csrmax,Csrmin,Csrini,α,k,wのパラメータに値を設定する。
ステップ3では先に得られた火力発電機起動停止計画上で電力貯蔵装置を考慮していく。できるだけ良好な計画を見つけ出すために、総コストの安い順で上位s個の火力発電機起動停止計画に対してステップ3を適用する。以下にステップ3の詳細について説明する。

0075

(1)充電動作
図5は充電オペレーションを示したもので、縦軸に出力を、横軸に時間を示し、線D(t)+Rtが需要電力、斜線部分が充電動作部分である。
まず、負荷のボトム付近で運転している発電機の余剰電力を、電力貯蔵装置の充放電制約、運転予備力制約およびインバータの容量制約を考慮しながら可能な限り充電する。すべて充電しても、なお充電終了時下限電力量にも達しない場合はボトム付近で停止している発電機に着目し、これらの発電機を優先リストの順に1時間ずつ運転状態に修正する(図6参照)。図6では図5と比較して時間Hではユニットfが、また時間H+1ではユニットdがそれぞれ追加修正され、修正の度に発電機に関する各種制約を満足しているかをチェックする。
制約を違反するなら状態を元に戻し、次の発電機を運転状態に修正する。ある発電機の状態を1時間運転状態に修正したとき、図6に示すようにその時間の運転予備力を大きく上まわる過剰な余剰電力が発生する。

0076

本発明では、この余剰電力をさらに電力貯蔵装置に充電する。この場合も同様に電力貯蔵装置の充放電制約、運転予備力制約およびインバータの容量制約を考慮しながら充電する。充電は(19)式を満たした時点で終了する。
(2)放電動作,
本発明では、負荷ピーク時間帯において積極的に電力貯蔵装置から電力を供給(放電)する。そのために、ピーク時間帯で運転するコスト高な火力発電機を停止させる必要がある(図7参照)。このような発電機は比較的短時間で停止することが可能であり、また燃料費が高いため、これらを停止することによってピークカットが図れ、総コストの削減が期待できる。火力発電機を停止させることにより供給力不足するが、その不足分を図7に示すようにそのまま電力貯蔵装置より供給することで対処する。

0077

発電機の停止順はコスト高な発電機の順が適していると考えられるため、例えば図3に示す優先リストの逆順とする。放電時は電力貯蔵装置の充放電制約、運転予備力制約およびインバータの容量制約を考慮する。放電は(20)式を満たした時点で終了する。

0078

次に本発明の効果を実施例のシミュレーションにより説明する。
シミュレーション条件
負荷データおよび発電機パラメータをそれぞれ図8図9に示す。発電機数は10機、20機、40機、60機、80機、l00機で、スケジューリング期間は24時間である。ここで、発電機数の拡張は図9の10機のパラメータを基に、20機の場合は図9のパラメータを2セツト用い、40機の場合は4セツト用いて行う。負荷データは図8のl0機の場合を基に、20機の場合は図8の各期間の値を2倍、40機の場合は4倍とした。

0079

図9において、コールドスタートコストc-costはホットスタートコストh-costの約2倍のコストであり、したがって発電機を起動するときには、できるだけホットスタートコストで起動することが望ましく、またそうすることで結果的に低コストを達成できる。
また、initial stateはスケジューリング期間の初期の発電機の状態を示しており十は起動、−は停止を表している。例えば、発電機1(Unit1)において初期状態は十8であるから8時間運転し続けていたことを示している。
initial Powerは各発電機のスケジューリング開始前の時間における初期出力を示している。
また、電力貯蔵装置考慮の際に設定した諸パラメータを図10に示す。α,k,wに関してはすべての発電機数で同じ値を用いる。

0080

シミュレーションは、電力貯蔵装置を考慮した場合にどれほど総コストや起動停止計画に影響するか検討するため、すべての発電機数において電力貯蔵装置を考慮しない、つまり火力発電機のみで計画した場合と電力貯蔵装置を考慮した場合の2ケースについて行う。電力貯蔵装置を考慮しない場合のシミュレーションは、スケジューリング期間にわたり電力貯蔵装置からの充放電が行われないものと考え、定式化におけるすべてのPinv(t)を零として行った。
[シミュレーション結果]
図11図12はそれぞれ総コストおよび計算時間のシミュレーション結果である。両図は提案した定式化や電力貯蔵装置のためのアルゴリズムが、系統や電力貯蔵装置の規模に関わらず適用でき、さらに実用的な計算時間で電力貯藏装置を考慮した発電機起動停止計画を決定することが可能なことを示している。
図11より電力貯蔵装置を考慮することで、1.1〜1.5%のコスト削減が達成されている。
図13図14はそれぞれ電力貯蔵装置を考慮しない場合、考慮した場合の10機に関する火力発電機の起動停止スケジュールを示している。両図より、電力貯蔵装置から電力を供給することで負荷ピーク時のコスト高な火力発電機が停止しピークカットがなされている。

0081

また図15には10機に関する火力発電機の総発電電力を示しており、同図より負荷のボトムアップとピークカットが確認できる。
図16は10機に関する電力貯蔵装置の充放電の様子を示している。同図の右縦軸は電力貯蔵率r(t)(電力貯蔵量Csr(t)を貯蔵可能最大電力量Csrmaxで除して%表示したもの)を示し、左縦軸は充放電電力を示している。
電力貯蔵装置は負荷ボトム時に充電動作であり、ピーク時には放電動作となることが確認できる。また、インバータ容量制約を満たした範囲で充放電が行われており、さらに、電力貯蔵率に関する全ての制約範囲内で推移していることがわかる。

0082

図17は、本発明の方法を実行するための発電機の運転計画作成装置の構成図を示したものである。
図17において10はデータ処理装置で、このデータ処理装置10はコントロール部 11、条件読込部12、条件設定部13、ユニット集約部14、修正部15、計画評価部16、表示データ作成部17及びデータ格納部18を備えている。20は入力部でキーボードマウス等を有し、データの入力や表示部30に表示された選択肢の選択を実行して所定情報をコントロール部11に送る。40は記憶部、50は配信部で、この配信部50はデータ処理装置10で作成した運転計画をこの配信部50及び伝送路を介して各発電所の受信部60に送信し、または、この送受信部60よりの各発電所の情報をデータ処理装置10に送る。

0083

コントロール部11は、配信部50及びデータ処理装置内の各部12〜18間のデータや処理プログラム等の授受を円滑に行うためのデータ加工,処理を実行してデータの授受をコントロールする。

0084

条件読込部12は、記憶部40に保存されている(5)〜(21)式の制約条件,すなわち、電力の予想需要、発電機の起動停止、負荷配分を決定するための電力系統のデータ、発電機特性運用制約条件、目的関数、電力貯蔵装置の特性,容量等の条件及び処理プログラム等を読み込み、データ格納部18に格納する。

0085

条件設定部13は、入力部2、コントロール部11を介して入力された運用計画の作成に必要な条件や関数を設定する。

0086

ユニット集約部14は、記憶部40に図9のような対象とする電力系統の各ユニット毎のパラメータ(コスト係数)として集計保存されているデータの中から、最小運転停止時間を考慮した類似した特性をもったユニットに集約する。この集約ユニットで、負荷ピークに挟まれた全ての期間での優先リストの順で発電機は起動される。
その際、全ての発電機が最小運転停止時間を満足するよう発電機毎に全期にわたって停止→起動、起動→停止となる期間を探し出し、最小運転停止時間が満たされるまでこれを実行する。

0087

修正部15は、起動費に関するグレーゾーンを探し出してより良いスケジュールを決定するため修正をする手段で、効率よくコストを削減するためにスケジュール修正を行うものである。そのために、発電機の優先順位は起動費が高く、燃料費の安い順にスケジュールを修正する。

0088

計画評価部16では、コントロール部11にて実行した計画期間全体の起動停止計画に対して発電機コストと制約違反に対応したペナルティを計算して評価関数を計算する。この評価関数の値に応じて起動停止計画から次の探索のもととなる起動停止計画を選択すると共に、最も良好な起動停止計画をコントロール部11を介してデータ格納部18に格納する。

0089

表示データ作成部17は、12〜16の各部で計算した計画条件,計画や評価関数の推移及びデータ格納部18に格納しているデータ等を作成して表示部30に表示させる。
作成された最善の計画スケジュールは、コントロール部11、配信部50および伝送路を介して各発電所の受信部60に伝送される。

0090

以上に示したように本発明によれば、インバータを含んだ電力貯蔵装置と既存の火力発電機より構成されるシステムを一般化して定式化を行い、それに対して実用的な計算時間で電力貯蔵装置を考慮した発電機起動停止計画を決定することができる。

0091

シミュレーションより得られた結果は、火力発電機数増加や電力貯蔵装置の規模拡大に対しても提案した定式化や電力貯蔵装置のためのアルゴリズムを用いれば、実用的な計算時間で対象とする問題に適した起動停止計画を決定することが可能であることを示している。さらに、作成された計画には負荷の平準化が確認でき、それによる総コスト削減が達成されている。この実施例では、火力機で構成される大規模発電システムに対する電力貯蔵装置の最適運用アルゴリズムについて検討を行った。分散電源等で構成される小規模地域供給システムに対しても同様な定式化が行えるため、本発明はシステム規模に関わらず利用できる。

図面の簡単な説明

0092

本発明の実施形態を示すシステム構成図
本発明のフローチャート
優先リスト図
EPLに関するパラメータ図
充電オペレーション図
充電オペレーション図
放電オペレーション図
負荷データ図
発電機パラメータ図
電力貯蔵装置に関する緒パラメータの設定値
緒コストの比較図
計算時間の比較図
火力機のみの起動停止スケジュール図
電力貯蔵装置を考慮した起動停止スケジュール図
火力発電機の発電電力比較図
電力貯蔵装置の充放電図
本発明の実施形態を示す構成図

符号の説明

0093

1…電力貯蔵装置
2…電力貯蔵要素
3…インバータ
4…火力発電機
5…負荷
10…データ処理装置
11…コントロール部
12…条件読込部
13…条件設定部
14…ユニット集約部
15…修正部
16…計画評価部
17…表示データ作成部
18…データ格納部
20…入力部
30…表示部
40…記憶部
50…配信部
60…受信部

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