本文へスキップ

研究内容の紹介RESEARCH INTRODUCE

当プロジェクトの研究内容を紹介します。

研究目的

基本構想

研究背景

NEDOの太陽光発電普及に向けたロードマップ、PV2030+によると、当初2030年の目標を数年前倒しする形で、 戸建て住宅の約半分に太陽光発電が設置されるなど日本の全電力の10%をまかなう、瞬間では50%を占める102GWとなるロードマップが想定され、太陽光発電の大量導入によるCO2削減などに向けた取り組みが本格化してきている。 しかしながら、太陽光発電の発電量は日射量に大きくかつ敏感に左右され、 その予測は現状の技術では不確実さを伴うため（単地点の時積算日射量前日予測で定格に対し最大50%誤差）、需給バランスを維持するのは困難が予想される。また日没後の需要ピーク時に太陽光電力を利用できないため、 高精度な日射予測、効率的な蓄電池運用、およびダイナミックプライシングなどを利用した負荷平準化技術を用いない限り、 系統全体を効率的に運用することがきわめて難しい。
一方、情報通信の著しい高度化に伴いスマートメーターを始め、需要家ごとに電力を制御・管理することが可能となりつつある。そのため、こうした高度情報通信技術を最大限活用した超大規模な需給バランスシステムの構築が求められている。 すなわち、太陽光発電を最大限利用し、最小限の調整力・予備力で効率よく利用、公平性、快適性 を有する需給バランスを実現するために、太陽光発電量と電力需要の予測を用いて、 調整用電源、蓄電池、太陽光発電、 ダイナミックプライシングやネガワット（需要平準化）を最適に運用・統合した超大規模エネルギー管理システムの構築が急務である。
しかしながら、電力運用の基本である太陽光発電量や電力需要の予測において生じる不確かさを最適化問題の中でいかに適切に扱い、 超大規模なシステムの最適電力配分をどのようにリアルタイムで算出し、 そして、それに基づいて個々の需要家の太陽光発電や蓄電池をどのように運用すればよいか、 といった、 大量太陽光発電と高度情報通信技術を伴う超大規模電力エネルギー管理システムの在り方の大枠を定める基本的な問題さえ解決されていない。 特に、太陽光発電は、各需要家レベルでの予測が大変難しく予測の不確かさが無視できない一方で、 系統全体の需給バランスを制御するために必要な広域エリアでの発電予測は各需要家レベルの予測よりも不確かさが小さい。 したがって、こうした異なる予測精度を有する情報であっても個々の需要家の蓄電池等に対して最適に電力配分し、 系統も含めた全体の需給バランスを維持する理論は大量導入される太陽光発電の時代において本質的であり、 かつ、急務の課題である。 また、超大規模に分散設置された需要家側の蓄電池等のリアルタイム最適運用を達成するには、階層的な解法が必要不可欠である。

研究のねらい

本研究では、超大規模電力システムに対して、階層型のモデル予測制御の枠組みの中で、 系統側から需要家側までの各層ごとの電力予測精度と最適性の関係に着目し、 予測値と配分値の時空間分解能に基づく電力最適配分制御系の基礎理論を構築することを目的とする。 これにより、太陽光発電を最大限利用し、 調整用電源の燃料費およびCO2排出量を削減することで電力システムの経済性、環境性を高めるとともに、 需要家間での電力最適配分によるコスト負担の公平性と過度な需要抑制を回避することによる快適性を実現することを目指す。 なお、提案する理論は、需要を制御するダイナミックプライシング等を加えることや、 コミュニティレベルから系統レベルまでの異なる規模を有する電力システムに適用が可能であり、 各階層レベルでの最適化手法自体の種類（分散あるいは集中）も問わないため、 来たるべき次世代電力ネットワークシステムの最適運用に対して普遍的な枠組みを与えるものである。

研究の内容

本研究では、以下の3つの研究グループを加えて、理論面と実システム面の両面から、 問題設定、解法等について有機的に連携して研究を進める。 また、海外研究者や電力関係の他専門分野が研究協力者として参加し、 国際的かつ幅広い視点で研究を進める。

予測不確実さを許容する階層型電力配分制御

本グループでは、大量導入されたＰＶ発電を有する超大規模電力ネットワーク系に対して、 系統側から需要家側までの電力ネットワーク系の階層性に着目してＰＶ発電量や電力需要量の予測精度が制御系全体の最適性に及ぼす影響を理論的に考慮した、 時空間分解階層型のリアルタイム電力最適配分制御の基礎理論を構築することを主目的とする。 また、大型施設の電力需要データの取得と、それに基づく予測モデルの構築も行い、本制御理論の有効性を検討する際の数値シミュレーションに用いる。

　　　　　

PV発電および需要予測と需要家側シミュレーションによる電力配分評価

本グループでは、時空間分解能階層型分散制御の概念に適応可能な個別住宅における蓄電池 充放電手法の検討を含む需要家側の需給シミュレーションを行い、その結果をPVの有効利用、系統側調整用電源容量削減への貢献度、および需要家間の公平性の観点から評価する事を目的とする。また、そのために必要なデータの作成、および、より現実に即した結果を得るためのデータ収集や現地調査も行う。

PV発電予測の不確実性評価および電力系統シミュレーションによる評価

本グループでは、数値気象モデルをベースとしたPVの発電予測についてピンポイント、広域に関して、それぞれの不確実性の関係性等の分析を行う。また、これら予測情報を考慮した電力系統の全系の需給解析の開発を行い、予測誤差を含む場合の系統へのインパクトを評価する。さらにポイント、広域におけるPV発電予測データおよび系統解析における系統全体の需給電力量については，研究代表者グループの制御理論への入力データとして、情報を提供する。