太陽光発電出力変動の抑制と評価に関する研究 学位論文内容の要旨

博 士 （ 工 学 ） 赤 塚 元 軌

学 位 論 文 題 名

太陽光発電出力変動の抑制と評価に関する研究 学位論文内容の要旨

  発 電 部 門 に おけ る 温 室 効 果ガ ス 排 出 量 削 減， エ ネ ル ギ ーセ キ ュ リ テ ィ確 保 を 目 的 とし て ， 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー を 利 用 し た 電 源 に 対す る 関 心 が 高ま っ て い る 。 その 中 で も 太 陽光 発 電(Photovoltaic generatlon，PV)は 今 後10年 か ら20年 に わ た っ て急 速 な 導 入 拡大 が 期 待 さ れて い る 電 源 であ る 。 一 方 で,PV出 カ は 目 射 量に 依 存 し て 大き く 変 動 し ， 制御 が 困 難 で あり ， 正 確 な 予測 が難 しいと いっ た特 徴 を持 っ て い る た め， 電 力 系 統 に大 量 連 系 さ れる と 安 定 運 用に 悪 影 響 を 及 ばす こ と が 懸 念さ れ て い る 。代 表 的 を 悪 影 響と し て は 周 波数 変 動 が 挙 げら れ ， 従 来 は負 荷 変 動 が 電 力需 給 の ア ン バラ ン ス を 引 き起 こ す こ と で 発生 す る 現 象 であ っ た が ，PVが 大 量 連 系さ れ た 状 況 では そ の 出 力 変動 が 負 荷 変 動 に 重 畳 す る ため ， 周 波 数 変動 が 増 大 す る可 能 性 が 指 摘さ れ ている 。これ を背 景とし て，本 論文で は周 波 数変 動 の 増 大 を 抑え る こ と を 目的 と し た 「 蓄電 池 に よ るPV出 カ の 変 動抑 制 」 ， お よび ， 周 波 数 変 動 の 増 加 量 を 見 積 も る た め の 基 礎 デ ー タ 整 備 を 目 的 と し た「PV出 力 予測 誤 差 の 静 的・ 動 的 な モ デ ル 化」 、 将 来 的 な 状況 を 想 定 し て周 波 数 制 御 シミ ュ レ ー シ ョン を 行 う た め の「PV大 量導 入 時 の 出 力 変 動 想 定 」 の各 項 目 に つ いて 研 究 を 進 めた 。

  第2章 の 「 蓄 電 池 に よ る 出力 変 動 抑 制 」 では ， 新 工 ネ ルギ 〜 ． 産 業 技術 総 合 開 発 機構 に よ る 実 証 研 究 の 一 環 とし て っ 北 海 道稚 内 市 に 建 設さ れ た 稚 内 メガ ソ ーラ← 発電所 を対 象とし て，ナ トリウ ム，

硫 黄(NAS)電 池 の 充 放 電 に よ るPV出 カ の 変 動 抑 制 に 関 し て 行 っ た 研 究 に つ い て 述 べ て い る 。 こ の 研 究 に お い て は ，PV容 量 に 対 し て ，NAS電 池 のMW容 量 （ 瞬 時 に 充 放 電 可 能 放 電 力 ） が3割 強 で あ り,PV出 カ が1分 間 で 定 格 容 量 の8割 程 度 変 化 し う る こ と を 考 慮 す る と 、 こ のNAS電 池MW容 量 では 出 力 変 動 を 吸収 し き れ な いこ と が 起 こ り得 る 。 そ の ため ， 吸 収 し き れ橡 い 変 動 を 最小 化 可 能 を 手法 を 開 発 す る こと が 課 題 で あっ た が ， 解 決策 と し て ， 数十 分 程 度 先 ま でに 起 こ り 得 るPV出 カ の 最 大値 と 最 小 値 を 推定 し ， そ の 平均 値 に よ っ て発 電 所 出 力 目標 値 を 設 定 す る変 動 幅 中 心 法を 提 案 し た 。 ま た,PV出 力 変 動 の 大 きさ に よ っ て ， 従来 手 法 で あ る移 動 平 均 法 と変 動 幅 中 心 法を 切 り 替 え る ハ イ ブ リ ッ ド 法 を 提 案 し た 。 同 手 法 に つ い て ， 稚 内 ヌ ガ ソー ラ ー 発 電 所 で測 定 さ れ たPV出 力 実 績 を 利 用 し た 計算 機 シ ミ ュ レー シ ョ ン に よっ て 評 価 を 実施 し た。ま た，現 地で の実機 試験も 実施し ，提 案 手法 が シ ミ ュ レ ーシ ョ ン 通 り 動作 す る こ と を確 認 し た 。 さら に ， 将 来 的 にメ ガ ソ ー ラ ー発 電 所 に 出 力変 動 抑 制 要 件 が課 さ れ る 状 況を 想 定 し ， 仮想 的 に 与 え た変 動 抑 制 目 標 を達 成 す る た めに 必 要 と な る 蓄 電 池 容 量 を 移 動 平 均 法 ， ハ イ ブ リ ッ ド 法 の 適 用 を 前 提 と し て 求 め た 。   将 来 の 電 力 需 給 制 御 へ の 応 用 が 予 想 さ れ るPV出 力予 測 に は 予 測 誤差 が 伴 い ， 電カ の 需 給 バ ラン ス を保 つ 上 で は 予 測誤 差 を 発 電 機の 出 力 調 整 等で 補 償 す る 必要 が あ る が ， 発電 機 の 出 力 調整 能 カ に は 限り が あ る 。 従 って ，PVが大 量 導 入 さ れ た状 況 に お い て， 適 正 放 発 電機 の 出 力 調 整能 カ を 確 保 す る た め に は,PV出 力 予 測 誤 差 の 特 性 を 十 分 に 把 握 す る こと が 必 要 で ある 。 そ こ で ，第3章 の 「 出力 予 測 誤 差 の 静 的 ・ 動 的 モ デ ル 」 で はPV出 力 予 測 誤 差 の 統計 的 を 分 析 や時 系 列 解 析 に基 づ く モ デ ル 化 を行 っ た 。 モ デ ル化 に 際 し て は， 電 力 需 給 制御 の 枠 組 み が変 動 周 期 に よ って 異 な る こ とを 考 慮 し

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て， 予 測誤 差を 長 周期 成分 と 短周 期成 分 に分 割し た 。こ のよ う に分 割し た 上で ，季 節 およ び時間帯に よ る ト レ ン ド を 除 去 す る た め に 晴 天 指数 に変 換 した 後で ， 静的 ・動 的 な特 性を モ デル 化し た 。静 的 モデ ル は、 予測 誤 差実 績を 日 時・ 天候 に よっ てグ ル ープ 分け し た後 で統 計 処理 を行 う こと で，日時・

天候 を 入力 ，起 こ り得 る予 測 誤差 範囲 の 推定 結果 を 標準 偏差 で 出カ する よ うを 形と し た。 また，動的 モ デ ル の 設 計 に あ た っ て は 。 時 系 列 モデ ルを 当 ては め対 象 と顔 る元 時 系列 が定 常 性を 持っ て いる こ とが 求 めら れる た め， 長周 期 成分 につ い ては 晴天 指 数化 によ る 時間 帯ト レ ンド の除 去 。日 射量が比較 的 大 き な 昼 間 の 時 間 帯 の 抽 出 を 行 っ た 。 短 周 期 成 分 に つ い て は ， 時 系 列 を30分 毎に 分割 し ，各30 分 間 で は 時 系 列 が 定 常 で あ る も の と みな した 。 その 上で ， 正規 乱数 か ら時 系列 を 生成 する た めの モ デル と して 、長 周 期成 分に 対 して は一 次 マル コフ 過 程。 周期 成 分に 対し て は自 己回 帰 モデ ルを当ては めた 。

  次 に ， 第4章 の 「PV大 量 導 入 時 の 出 力 推 定 」 で は ， 将 来 断 面 を 想 定 し た 周 波 数 制 御 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を 行 う た め に 必 要 改PV出 力 変 動 を 準 備 す る こ と を 目 的 と し て 。 少 数 地 点 での 計測 デ ータ か ら 広 域 に 分 布 し たPVの 合 計 出 力 変 動 を 推 定 す る 手 法 を 開 発 し た 。 計 測 デ ー タ と して は， 経 済産 業 省 「 分 散 型 新 エ ネ ル ギ ー 大 量 導 入 促 進 系 統 安 定 対 策 事 業 」 に て 収 集 さ れ た 北 海 道内19地 点 の目 射 量 を 利 用 し て おり ，19地 点の う ち，10地 点 は狭 域に 集 中し てお り ，そ の他9地点 が 人口 の集 中 して い る都 市 に設 置さ れ てい る。 こ の検 討で は ，地 点数 が 限ら れて い る中 でっ ど のよ うに な らし 効果（離れ た 地 点 で のPV出 力 変 動 同 士 が 相 殺 し 合っ て。 合 計出 カに 含 まれ る変 動 は相 対的 に 低減 され る 効果 ） を 考 慮 す る か が 課 題 で あ っ た 。 こ の 課題 に対 す る解 決策 と して ，メ ッ シュ のア プ ロー チを 応 用す る こ と で な ら し 効 果 を 表 す ロ ー パ ス フ アル タを 設 計・ 適用 し た。 なら し 効果 の口 ー パス フア ル タの 設 計 で は 、 対 象 地 域 全 体 を 最 小lkmメ ッ シ ュ で 区 切 り っ 一 般 的に 入手 可 能な 国勢 調 査に 関す る 地域 統 計 メ ッ シ ュ に ま と め ら れ て い る 人 口 に 比 例 し てPVが 導 入 さ れ る 状 況 を 想 定 し た うえ で， 統 計学 や ス ベ ク ト ル 解 析 の 知 見 を 応 用 し て い る 。 こ の よ う に 設 計 さ れ た な ら し 効 果 の ロ ーパ スフ ィ ルタ に 各 地 点 で 測 定 さ れ た 目 射 量 を 通 し た 後で 足し 合 わせ るこ と で。 なら し 効果 を詳 細 に考 慮し た 将来 の PV合 計 出 力 変 動 を 推 定 し た 。 ま た ， こ の よ う に 推 定 さ れ たPV合 計 出 カ に 関 し て ，一 時間 変 動幅 に よる 評 価を 行い ， 顔ら し効 果 未考 慮時 の 一時 間変 動 幅と 比較 す るこ とで ， なら し効 果 の考 慮による影 響を 定 量化 した 。

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学 位 論 文 審 査 の 要 旨

、 主 査    教 授    北    裕 幸 副 査    教 授    五 十 嵐    一

副 査 副 査 副 査

教授 教授 准教授

小笠原 小野里 原

学 位 論 文 題 名

悟 司 雅 彦 兄 一

太 陽 光 発 電 出 力 変 動 の 抑 制 と 評 価 に 関 す る 研 究

  太 陽 光 発電(PV)は ， エ ネ ル ギー セ キ ュ リ ティ ， 地 球 温 暖 化対 策 の 観 点から 将来 の電源 ベスト ミッ ク ス の 一 翼 を担 う こ と が 予想 さ れ て い る ．し か し を が ら， 従 来 型 の 電源 とは 異教り ，PVの発 電電 カ は 。 日 射 量 に依 存 し て 短 期的 にも長 期的に も大き く変 動する と共に ，出カ を自 在に制 御する ことが で き ないと いう 特徴を 持って いる． 従っ て，PVが 電力系 統に 大量連 系され ると， 電力系 統全体の需給′ヾ ラ ン ス を 維 持す る こ と が これ ま で 以 上 に 難し く を り ， 電力 系 統 の 安 定運 用に 大きを 影響を 及ばす こ と が 懸 念 さ れて い る ， 本 論文 で は ，PVが 電 力 系 統 に大 規 模 に 導 入 され る ようを 将来の 電力系 統を 想 定 し ， そ の 短期 的 ・ 長 期 的な 出 力 変 動 を 定量 的 に 評 価 ・推 定 す る た めの 新し いモデ リング 手法を 提 案 し て い る ．ま た ， 蓄 電 池を 用 い てPVの 短 周 期 出 力変 動 を 抑 制 す るた め の技術 につい ても議 論さ れ て い る ， い ずれ も 実 際 のPV出 カ デ ー タあ る い は 目 射量 デ ー タ を 用 いて 解 析を行 ったも のであ り， 独 創 的であ りか つ実用 的を観 点から も優 れた研 究であ ると言 える．

  第2章 に お い て は ，MW規 模 のPV発 電 所 （ メ ガ ソ ー ラ ー 発電 所 ） に 対 して ， そ の 短 周期 の 出 力 変 動 を 蓄 電 池 の充 放 電 制 御 によ っ て 吸 収 し ，発 電 所 出 カ の短 周 期 成 分 を平 滑化 する技 術が提 案され て い る ． す を わち ， 発 電 所 出カ の 目 標 値 を あら か じ め 定 め， そ の 目 標 値と 実際 のPV出カ との差 を蓄 電 池 に 充 電 あ るい は 蓄 電 池 から 放 電 す る こ とで ， 発 電 所 出カ を 顔 る べ くそ の目 標値に 近づけ ようと す る 制 御 で あ る． こ こ で ， 目標 値 の 決 定 方 法と し て 本 論 文で は ， 過 去 のあ る評 価時間 幅内に おけるPV 出 カ の 移 動 平 均 を 用 い て次 時 点 の 目 標 値を 定 め る 方 法と ， 同 様 に 評価 時 間 幅 内 にお け るPV出カ の 最 大 値 と 最 小 値 の 中 心 値 に 目 標 値 を 定 め る 方 法 の2通り の 方 法 を 開発 し て い る ．前 者 は 蓄 電 池 の kWh容 量 削 減 に ， 後 者 は 同 じ くkW容 量 の 削 減 に寄 与 す る 手 法で あ り ， 変 動の 大 き さ に 応 じて 両 手 法 を 組 み 合 わせ て 用 い る こと が有効 である ことが 示さ れてい る．ま た，メ ガソ ーラー 発電所 に対す る 出 力 変 動 抑 目 標 の 達 成 に必 要 と 橡 る 蓄 電池 容 量 に つ いて も 評 価 し てい る ， な お ，本 研 究 はNEDOに よ る 大 規 模 電力 供 給 用 太 陽光 発 電 系 統 安 定化 等 実 証 研 究の 一 環 と し て行 われ たもの であり ，北海 道 稚 内 市 に 設 置さ れ た メ ガ ソー ラ ー 電 所 と 蓄電 池(NAS電 池 ） を 用い て 実 施さ れた． 蓄電池 を併 設した メ ガ ソ ー ラ ー発 電 所 は ， わが 国はも ちろん 世界的 にも あまり 例を見 をい設 備で あるこ とから ，本研 究 で 開 発 さ れ た制 御 手 法 並 びに 実機を 用いた 検証は ，世 界的に も全く 新しい もの である と評価 できる ．   第3章 に お い て は ， 上 記 の 稚 内 メ ガ ソ ー ラ ー 発電 所 に お け る 実デ ー タ を も とにPV出 カ の長 周 期 及 び 短 周 期 変動 を モ デ ル 化す る た め の 手 法が 提 案 さ れ てい る ， す を わち ，稚 内ヌガ ソーラ ー発電 所

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に お い て 日本 気 象 協 会 か ら提 供 さ れ た ，現 時 点 で 最 も精 度 の 良 い日射 量予測 ならび に日 射量の 実績 デ ー タ を 用い て ． 起 こ り 得るPV出 力予 測 誤 差 を 求 め， そ の 短 周期 および 長周期 成分 のそれ ぞれに 対 し て モ デ リン グ が 行わ れてい る． 一般に 電力系 統の運 用にお いて は，前 日をど に実施 され る需要 予測 に 基 づ ぃ て発 電 機 のス ケジュ ーリ ングが 行われ ている が，予 測は 当然を がら誤 差を含 むた め，電 力需 給 バ ラ ン スを 保 つ 上で は予測 誤差 を発電 機の出 力調整 をどで 補償 する必 要があ る，こ のた め，将 来的 に は ， 需 要 予測 に 加 え てPV出 力 予 測 も考 慮 し て 発 電 機の ス ケ ジ ュ ーリ ン グ を 行 うこ と が 必 要 とな り 、 本 研 究は 必 要 を 短 期 的お よ び 長 期 的を 発 電 機 調 整カ を あ ら かじめ 推定す ること を可 能とす る有 用 を 手 法 と評 価 で き る ．

  第4章に お い て は ．少 数 地 点 で 分散 し て 測 定 され た 日 射 量 に 基づ ぃ て ， 将 来的 にPVが大量 導入さ れ た 場 合 のPV合 計 出 カを 推 定 す る 手法 が 開 発 さ れ てい る ， こ の推 定にお いては ，ま ず対象 地域全 体 を 最 も 近 い日 射 量 測 定 地 点に よ っ て 分 割し ， 分 割 さ れた 各 地 域 でのPV合 計出カ を求 める． その際 ， 分 割 さ れ た各 地 域 も 地 理 的を 広 が り を 持っ た め ， 各 地域 内 のPV出 力同士 にはな らし 効果が 働き， 出 力 変 動 が 相対 的 に 低 減 さ れる ， 提 案 手 法に お い て は ，日 射 量 測 定 地点 か ら2地 点を 選 ぶ 全ての 組み 合 わ せ に つい て ， 日射 量のコ ヒー レンス を計算 し，そ の結果 に基 づぃて 各変動 周期が 独立 とみを せる 距 離 を 与 え、 を ら し効 果を表 現す るロー パスフ ィルタ を設計 して いる． さらに ，この ロー パスフ ィル タ を 用 い たPV大 量 導 入 時の 合 計 出 カ の試 算 を 行 い ， なら し 効 果 フ ィル タ 考 慮 時 と非 考 慮 時 で 一時 間 変 動 幅 に よる 比 較 を 行 う こと に よ り ， 極ら し 効 果 フ ィル タ 考 慮 に よるPV出 力 変動 の 低 減 効 果が 明 ら か に さ れて い る ． 一 般 に， 住 宅 用PVを ど の よ う にPVが 面 的に 広 が っ て 多 数導 入 さ れ た 場合 ， 全 体 と し ては 変 動 がを らされ ると ともに ，需要 と同様 にある 統計 的を特 性を持 ち，あ る程 度予測 でき る 可 能 性 が ある ， 従 っ て ， 本研 究 で は 限 られ た 地 点 の 日射 量 か ら 地 域全 体 のPV出カ を 推 定 す るこ と を 可 能 とす る も の で あ り， 全 体 の 出 力変 動 ひ い て は系 統 電 源 の必要 な調整 カを算 定す ること がで き,PV導入 量 の 拡 大 に寄 与 で き る 可能 性 が あ る ．

  こ れ を要 す る に ，著者 は， 大量に 連系さ れた太 陽光 発電出 カのモ デリン グなら びに 蓄電池 を用い た 出 力 平 滑 化制 御 に つい て新知 見を 得たも のであ り，電 気エネ ルギ ー工学 ，電力 系統工 学に 対して 貢献 す る と こ ろ大 な る もの がある ．よ って著 者は， 北海道 大学博 士（ 工学） の学位 を授与 され る資格 ある も の と 認 める ．

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