第 2 章 太陽光発電の日射量予測と SMF 法の組み合せ制御による出力変動抑制
2.3 SMF 法を用いた制御よる太陽光発電出力変動抑制
2.3.1 太 陽 光 発 電 に お け る 発 電 出 力 変 動 抑 制 の 必 要 性
再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー の 発 電 出 力 変 動 の 解 決 策 と し て 電 力 貯 蔵 装 置 が 期 待 、検 討 さ れ て い る 。特 に 定 格 容 量 が 大 き く 、規 模 の 大 き な 風 力 発 電 で は 変 動 抑 制 に 関 す る 技 術 要 件「 周 波 数 変 動 対 策 に 関 す る 技 術 要 件 」が 東 北 電 力(株)に よ り 提 示 さ れ て い る 。 そ の う ち 、 出 力 変 動 緩 和 制 御 型 の 技 術 要 件 の 項 で は 、「 任 意 の 時 刻 か ら 始 ま る 20 分 間 に お い て 、周 波 数 変 動 対 策 後 の 風 力 発 電 設 備 合 計 出 力(1 分 間 平 均 値)の[最 大 値 -最 小 値]が 、風 力 発 電 機 の 定 格 出 力 合 計 値 の 10％ で あ る こ と 」と 定 め ら れ て い る 。 そ の 一 方 で 、太 陽 光 発 電 で は 大 規 模 発 電 所 に お い て も こ の よ う な 連 系 要 件 は 定 め ら れ て お ら ず 、 学 会 や 委 員 会 で 一 部 検 討 、 提 言 さ れ て い る の み に 留 ま っ て い る[ 2 - 5 ]。 出 力 変 動 抑 制 と し て 太 陽 光 発 電 の 解 列 や イ ン バ ー タ の on/off 制 御 な ど 検 討 さ れ て い る が 、こ れ ら は 発 電 し た 電 気 を 損 失 と し て 捨 て る こ と に な る 。一 方 で 、蓄 電 池 は 発 電 し た 電 力 を 貯 め て 有 効 活 用 で き る と し て 期 待 さ れ て い る 。現 状 で は 蓄 電 池 シ ス
0 20 40 60 80
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
予測誤差 [%]
予測時刻からの経過時間 [min]
MAモデル(晴)
0 20 40 60 80
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
予測誤差 [%]
予測時刻からの経過時間 [min]
曇り 晴
テ ム は 高 価 で あ る た め 、蓄 電 池 の 容 量 を で き る 限 り 小 容 量 に す る こ と が 求 め ら れ る 。 設 置 容 量 を 削 減 す る た め に は 、予 め 太 陽 光 の 発 電 出 力 を 把 握 す る こ と が 重 要 で あ り 、 ま た 蓄 電 池 設 置 後 に そ の 予 測 を 踏 ま え た 適 切 な 運 用 制 御 が 必 要 と な る 。従 来 の 制 御 手 法 は 、発 電 出 力 予 測 を 考 慮 せ ず 過 去 の 実 績 デ ー タ の み で 蓄 電 池 制 御 を 行 っ て い た た め 、容 量 が 大 き く な っ て し ま う と い っ た 欠 点 が あ っ た 。そ こ で 本 節 で は 、蓄 電 池 を 用 い た 太 陽 光 発 電 出 力 抑 制 と し て 、従 来 の 制 御 手 法 の 欠 点 を 補 う た め に 前 節 で 提 案 し た 予 測 手 法 を 考 慮 し 、新 た な 蓄 電 池 運 用 制 御 手 法 を 開 発 す る 。ま た 、出 力 応 答 に 優 れ て い る キ ャ パ シ タ を 併 設 さ せ る ハ イ ブ リ ッ ド 電 力 貯 蔵 装 置 の 検 討 を 行 い 、蓄 電 池 の 寿 命 の 評 価 も 定 量 的 に 行 う 。
2.3.2 実 測 デ ー タ に 基 づ く 日 射 量 変 動 分 析
太 陽 光 発 電 出 力 は 、 パ ネ ル に 入 射 す る 傾 斜 面 日 射 強 度 の 変 動 に 大 き く 依 存 す る 。 し か し 、 実 測 は 水 平 面 全 天 日 射 強 度 を 測 定 し て い る た め 、Erbs ら の 手 法 を 用 い て 傾 斜 面 日 射 量 の 推 定 を 行 う[ 2 - 6 ]。 実 測 デ ー タ は 、 東 京 都 早 稲 田 大 学 西 早 稲 田 キ ャ ン パ ス 内 で 測 定 し た デ ー タ を 用 い る 。全 天 日 射 量 か ら 変 換 し た 傾 斜 面 日 射 量 を 図 2-4 に 、7 月 に お い て 傾 斜 角 を 変 化 さ せ た 時 の 発 電 出 力 実 績 を 図 2-25 に 示 す 。 パ ネ ル の 傾 斜 角 を 変 化 さ せ る と 、12 時 の 最 大 日 射 強 度 付 近 に お い て 傾 斜 角 90 度 の 日 射 量 は 全 天 日 射 量 と 比 較 す る と 50%減 少 し た 。図 2-25 は 傾 斜 面 日 射 量 推 定 プ ロ グ ラ ム と の 整 合 性 を 確 認 す る た め に 、傾 斜 角 度 を 変 え て 実 測 を 行 っ た 例 で あ る 。デ ー タ は 、 7/15(0 度:快 晴)、7/5(30度:晴 れ 時 々 曇)、7/10(60 度:快 晴)、7/25(90 度:薄 曇 り 一 時 晴 れ)を 用 い た 。天 候 の 関 係 上 、快 晴 時 に 測 定 が 行 え な か っ た た め 、30 度 は 晴 れ 時 々 雲 、90 度 に は 薄 曇 り の デ ー タ を 使 用 し た 。 そ の た め 一 時 的 に 出 力 が 変 動 し て し ま っ て い る が 、 発 電 出 力 特 性 の 傾 向 を 把 握 す る こ と は 可 能 で あ る 。 図 2-25 か ら 傾 斜 角 を 変 化 さ せ た 時 の 特 性 が 、 上 記 手 法 の 傾 向 と 一 致 す る こ と を 確 認 で き る 。
図 2-24 各 傾 斜 角 の 日 射 量 比 較(7/15) 図 2-25 各 日(各 斜 面)の 発 電 量 比 較(7 月) 0
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Solarradiation [kW/m2]
Time[h]
全天日射量 傾斜角30度 傾斜角60度 傾斜角90度
0 20 40 60 80 100
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
[W]
Time[h]
7/15(0度) 7/5(30度) 7/10(60度) 7/25(90度)
一 方 で 、 傾 斜 面 日 射 量 に は 直 達 成 分 、 散 乱 成 分 、 反 射 成 分 の 3 種 類 あ る 。 こ こ で は 日 射 量 変 動 に こ の う ち ど の 成 分 が 変 動 に 寄 与 し て い る か 調 査 す る 。 図 2-26 に 2011 年 5 月 9 日(晴 れ 後 曇 り)の 傾 斜 面 日 射 量 の 各 成 分 を 示 す 。図 2-27 で は 傾 斜 面 日 射 量 と 直 達 成 分 日 射 量 の 比 較 を 行 っ た 。 な お 、 パ ネ ル の 角 度 は 45 度 で あ る 。 図 2-26 か ら 反 射 成 分 日 射 量 は ほ ぼ 一 定 で あ る こ と か ら 、 天 候 に よ り 変 動 し な い こ と が わ か る 。ま た 、直 達 成 分 日 射 量 が 減 少 し た 時 に 、散 乱 日 射 量 が 増 加 す る 。こ れ は 太 陽 が 雲 に 隠 れ た 際 に 、直 達 成 分 日 射 量 は 雲 に 遮 ら れ る こ と で 減 少 し 、雲 に 日 射 が 当 た る こ と で 散 乱 成 分 が 増 え る か ら だ と 考 え ら れ る 。こ こ か ら 、日 射 強 度 は 雲 に 遮 ら れ る 直 達 成 分 に 大 き く 依 存 す る こ と が わ か る 。
図 2-26 傾 斜 面 日 射 量 の 各 成 分 図 2-27 直 達 成 分 と 傾 斜 面 日 射 量
2.3.3 雲 量 と 快 晴 度 の 関 係 の 分 析
前 項 で は 、 日 射 量 の 変 動 に は 雲 に よ る 影 響 が 強 い こ と を 明 ら か に し た 。 そ こ で 、 本 項 で は 、天 候 と 雲 に つ い て の 関 係 性 を 分 析 す る 。雲 に つ い て の 数 値 と し て 、雲 量 デ ー タ を 用 い る 。 雲 量 は 空 の 全 天 に 占 め る 雲 の 割 合 の 13 段 階 で 表 さ れ 、 天 気 の 判 別 に も 用 い ら れ る 。 雲 量 は 気 象 庁 の GPV(Grid Point Value)に よ り 、5km メ ッ シ ュ で 1 時 間 毎 の 予 測 を 33 時 間 先 ま で 参 照 す る こ と が で き る 。雲 量 と 快 晴 度 に 関 係 性 が 強 け れ ば 、日 射 量 が ど の よ う に 推 移 す る か が 判 断 で き る 。天 候 を 晴 れ や 雨 な ど の 離 散 値 で 表 現 、分 類 す る た め に 式(2-5)で 定 義 で き る 快 晴 度 を 採 用 す る[ 2 - 7 ]。雲 量 の デ ー タ は 気 象 庁 の 3 時 間 ご と の 実 績 値 を 用 い 、 各 日 の 9、12、15 時 に 対 し て 快 晴 度 を 算 出 し 、 そ こ か ら 得 ら れ た 雲 量 に 対 し て の 快 晴 度 の 分 布 を 図 2-28 に 示 す 。 雲 量 数 値 は 雲 量 が 増 加 す る と 大 き く な る 。雲 量 数 値 が 大 き い と 、快 晴 度 に ば ら つ き が み ら れ 、快 晴 度 Ks に 幅 を も つ 傾 向 が み ら れ た 。こ れ は 、雲 量 が 大 き く て も 雲 が 太 陽 の 付 近 を 通 過 す る と は 限 ら な い 、ま た は 雲 に は 厚 い 雲 と 薄 い 雲 が あ り 日 射 量 が 異 な る こ と が 考 え ら れ る 。 逆 に 、 雲 量 が 小 さ い 時 は Ks が 高 い 傾 向 が 見 ら れ た 。
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Solarradiation [kW]
Time[h]
直達成分 反射成分 散乱成分
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Solarradiation [kW]
Time[h]
直達成分 傾斜面日射量
(2-5) た だ し 、SME S(t)は 測 定 さ れ た 日 射 量 の 瞬 時 値 、SM AX(t)は 理 論 的 最 大 値(快 晴 時)を 表 す 。
図 2-29 雲 量 に対 する快 晴 度 の分 布
2.3.3 従 来 制 御 法 の 課 題 と SMF 法 の 提 案 (1) 従 来 ま で の 制 御 手 法
太 陽 光 発 電 の 出 力 変 動 抑 制 に 対 し て の 蓄 電 池 制 御 と し て 、移 動 平 均 法 と 変 動 幅 中 心 法 が 行 わ れ て き た 。 二 つ の 手 法 の 概 要 を 以 下 に 示 す[ 2 - 8 ] [ 2 - 9 ]。
① 移 動 平 均 法(MA 法 ：Moving Average Method)
移 動 平 均 法 で は 、時 間 ス テ ッ プ t で の 発 電 出 力 目 標 値 Po b(t)を 式(2-6)の よ う に 設 定 す る 。
TMA
i PV MA
ob P t i
t T P
1
) 1 (
)
( (2-6) た だ し 、TM Aは 平 均 化 ス テ ッ プ 、PP V(t)は 太 陽 光 発 電 出 力 を 示 す 。
移 動 平 均 法 は 出 力 変 動 抑 制 に 対 し 、 所 要 蓄 電 池 kWh 容 量 の 低 減 を 実 現 で き 、 平 均 化 ス テ ッ プ 数 TM A を 大 き く と っ た 場 合 に は 、 変 動 抑 制 効 果 の 高 い 出 力 目 標 値 を 算 出 で き る 反 面 、時 間 遅 れ が 大 き く な っ て し ま い 蓄 電 池 容 量 が 大 き く な る 惧 れ が あ る た め 、TM Aの 選 定 は 慎 重 に 行 う 必 要 が あ る 。
tdt T
T
dt t T T
MAX MES
S S Ks
21 2 1
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
快晴度
雲量 多い
少ない 曇
晴
② 変 動 幅 中 心 法(FCF 法 ：Fluctuation Center Following Method)
変 動 幅 中 心 法 は 、 北 海 道 大 学 の 赤 塚 ら に よ っ て 提 案 さ れ た 手 法 で あ る[ 2 - 8 ]。 変 動 幅 中 心 法 は 大 気 透 過 率 に 基 づ く Boubuer の モ デ ル を 用 い て 、 短 時 間 先 の 太 陽 光 発 電 の 最 大 値 と 直 達 成 分 日 射 量 を 考 慮 し な い 最 小 値 を 推 定 し 、そ れ ら の 平 均 値 か ら 出 力 目 標 値 を 算 出 す る 方 法 で あ る 。変 動 幅 中 心 法 は 、変 動 が 大 き い 時 間 帯 に お い て 目 標 値 を 変 動 の 中 心 付 近 に 設 定 で き る の で 、出 力 変 動 抑 制 に 対 し 所 要 蓄 電 池 kW 容 量 の 低 減 が 可 能 で あ る 。 そ の 反 面 、 変 動 が 瞬 間 的 に 起 き た 場 合 な ど は kWh 容 量 が 増 加 し て し ま う 。
2 つ の 蓄 電 池 制 御 法 を 用 い て 制 御 を 行 っ た 結 果 を 図 2-30 に 示 す 。 な お 、 太 陽 光 発 電 の 定 格 出 力 は 3.5kW、TM Aは 600s と し た 。
図 2-30 移 動 平 均 法 および変 動 幅 中 心 法
(2)SMF 法 の提 案
図 2-29 で 雲 量 と Ks を 分 析 し た 結 果 、雲 量 数 値 が 2 よ り 小 さ い 時 は Ks が 高 い 傾 向 が あ る こ と が 分 か っ た 。 そ こ で 、 雲 量 を 見 て 二 つ の 手 法 を 切 り 替 え る SMF 法 (Switching Moving average and Fluctuation Center Following)の 提 案 を 行 う 。つ ま り 、雲 量 が 2 よ り 小 さ い 場 合 は 移 動 平 均 法 、2 よ り 大 き い 場 合 は 変 動 幅 中 心 法 に 切 り 替 え 蓄 電 池 の 運 用 制 御 を 行 う 。 た だ し 、 現 状 で は 雲 量 値 と し て 1 時 間 間 隔 で の 予 測 値 し か 得 ら れ な い た め 、本 研 究 で は 実 績 値 か ら Ks を 算 出 し 、0.95<Ks の 時 雲 量 値 が 2 以 下 と 判 断 し 、制 御 目 標 値 の 切 り 替 え を 行 う 。制 御 時 間 間 隔 を Twと し 、 そ の Tw内 で の 実 績 値 に よ り Ks を 算 出 す る 。 式(2-7)に SMF 法 に お け る 制 御 目 標 値 算 出 式 を 示 す 。な お 、出 力 目 標 値 の 切 り 替 え を 行 う 際 は 、ΔP/Δt=0.002kW と し 、 kW 容 量 低 減 の た め 目 標 値 を 切 り 替 え る 際 Tw/4 秒 前 か ら 徐 々 に 近 づ け て い く 。
-2 -1 0 1 2 3 4
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
[kW]
Time [h]
Ppv MA FCF
Pbma Pbfcf
TMA
i PV
MA FCF
ob
P t i Ks
T
Ks t
P t P
1
95 1 0
95 0
) . (
) (
) . (
) ( )
( (2-7)
Tw=1200s、TM A =1800s で 出 力 変 動 制 御 を 行 っ た 場 合 の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 例 を 図 2-31 に 示 す 。
図 2-31 従 来 法 と提 案 する SMF 手 法 の比 較(2011/5/9)
2.3.4 電 力 貯 蔵 装 置 の 適 正 容 量 と 変 動 抑 制 効 果 の 検 証
MA 法 や SMF 法 の 制 御 手 法 は 、 移 動 平 均 の 平 均 化 時 間 TM Aに 大 き く 依 存 し 、 大 き く と る ほ ど 平 滑 化 効 果 を も た ら す と 予 期 さ れ る 。そ こ で 、TM Aを 変 化 さ せ 、変 動 抑 制 効 果 、蓄 電 池 容 量 の 観 点 か ら 各 手 法 の 比 較 を 行 う 。変 動 抑 制 効 果 の 指 標 と し て 最 大 出 力 変 動 幅(ΔP)を 用 い る 。ΔP は 、 一 定 時 間 幅 Tvを 持 つ 評 価 枠 内 の 変 動(最 大 値 と 最 小 値 の 差)の 最 大 値 と し て 定 義 さ れ る 。 所 要 kW 容 量 は 充 放 電 値 で あ る 出 力 目 標 値 Po b(t)と 太 陽 光 発 電 出 力 PP V(t)の 差 の 絶 対 値 を と り 、そ の 最 大 値 か ら 算 出 す る 。 所 要 kWh 容 量 は 、 充 放 電 値 を 積 算 し 、 そ の 積 算 値 の 最 大 値 と 最 小 値 の 差 か ら 算 出 す る 。最 大 出 力 変 動 幅 の 概 要 を 図 2-32に 、所 要 蓄 電 池 容 量 算 出 の 概 要 を 図 2-33 に 示 す 。
移 動 平 均 法 の TM Aを 60、180s、300s、600s、1200s、1800s、3600s、7200s と 変 化 さ せ 、最 大 出 力 変 動 幅 お よ び 各 目 標 値 を 満 た す の に 必 要 な 一 日 の 容 量 の 算 出 を 行 な っ た 。な お 、こ れ 以 降 計 算 の 便 宜 上 、論 文[ 2 - 8 ]に 基 づ き 変 動 幅 中 心 値 を 過 去 30 分 の 最 大 値 と 最 小 値 の 平 均 値 と す る 。 最 大 出 力 変 動 幅 を 算 出 す る 区 間 Tv は 600s と し た 。 図 2-34 に 最 大 出 力 変 動 幅 、 図 2-35、 図 2-36 に 所 要 kW 容 量 、 所 要 kWh 容 量 の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 結 果 を 示 す 。
-2 -1 0 1 2 3 4
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
電力[kW]
時刻[h]
Ppv SMF
MA FCF
Pbsmf
図 2-32 最 大 出 力 変 動 幅 の 概 要 図 2-33 容 量 算 出 の 算 出 概 要
図 2-34 各 手 法 別 の 最 大 出 力 変 動 幅
図 2-35 各 手 法 別 の kW容 量 図 2-36 各 手 法 別 の 所 要 kWh 容 量
算 定 結 果 よ り TM A=1200s の 時 、 最 大 出 力 変 動 幅 を 見 る と 各 手 法 と も 同 様 な 変 動 抑 制 効 果 が 得 ら れ る こ と が わ か る 。SMF 法 が 1800s<TM Aで 収 束 し た の は 、雲 量(快 晴 度)予 測 か ら 変 動 幅 中 心 法 に 切 り 替 わ り 、 改 善 効 果 が TM Aに 依 ら な く な っ た た め で あ る 。 容 量 は TM A を 大 き く す れ ば す る ほ ど 増 大 す る こ と か ら 、 変 動 抑 制 の 要 件 に よ っ て こ れ ら の 手 法 を 使 い 分 け る 必 要 が あ る 。 つ ま り 、10 分 間 に 変 動 抑 制 の 要
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5
0 2000 4000 6000 8000
ΔP [kW]
TMA[s]
MA FCF SMF
Without suppressing the fluctuation
移動平均時間[s]
蓄電池による抑制なし
最大変動幅[kW]
0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8
0 2000 4000 6000 8000
Required capacity [kW]
TMA[s]
MA FCF SMF
移動平均時間[s]
所要蓄電池容量[kW]
0 0.5 1 1.5 2 2.5
0 2000 4000 6000 8000
Required capacity [kWh]
TMA[s]
MA FCF SMF
移動平均時間[s]
所要蓄電池容量[kWh]
件 が 定 格 の 30％ 程 度 で あ る 場 合 は FCF 法 、10％ 以 下 と 定 め ら れ た 際 は MA 法 が 向 い て い る 。 今 回 提 案 し た SMF 法 は そ の 間 の 出 力 抑 制 に 向 い て お り 、15%～30％ 程 度 の 時 に 向 い て い る 。 こ の 時 、MA 法 に 対 し て kW 容 量 を 約 20％ 削 減 で き 、kWh 容 量 に お い て も FCF 法 と 比 較 す る と 削 減 可 能 で あ る 。
2.3.5 キ ャ パ シ タ 導 入 時 の ハ イ ブ リ ッ ド 蓄 電 池 の 容 量 と 寿 命 の 検 証
蓄 電 池 は エ ネ ル ギ ー 容 量(kWh 容 量)の 確 保 は 容 易 で あ る 一 方 、瞬 間 の パ ワ ー(kW 容 量)の 確 保 や 寿 命(サ イ ク ル 回 数)が 限 ら れ て し ま う 性 質 が あ る 。 こ れ に 対 し 、 キ ャ パ シ タ は 瞬 間 の パ ワ ー に 強 く 、化 学 反 応 を 伴 わ な い た め サ イ ク ル 寿 命 が 長 い 特 徴 を 有 す る 。そ こ で 、互 い の 利 点 を 生 か し た ハ イ ブ リ ッ ド 貯 蔵 に よ り 、効 率 的 な 出 力 変 動 を 補 償 出 来 る シ ス テ ム の 構 築 を 目 指 す 。こ の よ う な シ ス テ ム は 、風 力 発 電 で は 西 目 風 力 発 電 所 に お い て 富 士 電 機(株)が 実 証 研 究 を 行 っ て い る が 、太 陽 光 発 電 に は 適 用 し た 例 は な い[ 2 - 1 0 ]。キ ャ パ シ タ と 蓄 電 池 の 特 徴 を 表 2-2 に 、キ ャ パ シ タ 併 用 運 転 に よ る PV 出 力 変 動 抑 制 制 御 の 概 念 を 図 2-37 に 示 す 。
表 2-2 蓄 電 池 と キ ャ パ シ タ の 比 較[ 2 - 1 0 ]
図 2-37 キ ャ パ シ タ 併 用 運 転 に よ る 出 力 変 動 抑 制 制 御 の 概 念
＋
キ ャパ シ タ
＋
蓄 電 池
＋
＋