風力発電の出力変動が電力系統へ及ぼす影響の評価手法を開発

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大量導入時の安定供給に向け新たな理論

2018/05/31 科学技術振興機構(JST) 京都大学

ポイント
  • 風力発電の出力はしばしば値が突出し、電力系統に障害を与えることが指摘されているが、外れ値など希少事象の影響を受ける統計量の計算は一般に困難であった。
  • 突発的変動の影響をモンテカルロ法のような標本生成を必要とせず少ない計算量で評価できる確率的なモデリング手法を提案した。
  • 風力発電のみならず、外れ値を伴うさまざまなシステムの解析・設計に向けた新技術の理論基盤として期待される。

JST 戦略的創造研究推進事業において、京都大学の加嶋 健司 准教授、太田 快人 教授らは、風力発電の予測困難な出力変動が電力系統に与える影響を確率的に評価するための理論基盤と実用的計算手法を世界に先駆けて開発しました。

風力発電の出力は、普段は小さな変動幅に留まるものの、突風などにより無視できない頻度で極めて大きな値が発生するという性質があります。この大きく突出した「外れ値」は、電力系統の安定を損なう重要な要因であると指摘されてきました。

本研究では、こうした性質を定量的に評価するための理論基盤を構築し、周波数変動などの統計量を低計算量で計算する実用的手法を開発しました。また、実データに基づく数値実験を行い、提案手法の有効性を実証しました。この技術は、ますます再生可能エネルギーの導入が見込まれる将来の電力システムに対応し、電力の安定供給を実現するための新たな技術として、その発展が期待されます。

本研究成果は、2018年5月30日(米国東部時間)に米国電気電子学会誌「IEEE Transactions on Automatic Control」のオンライン速報版で公開されました。

本成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られました。

戦略的創造研究推進事業 チーム型研究(CREST)

研究領域:「分散協調型エネルギー管理システム構築のための理論及び基盤技術の創出と融合展開」
(研究総括:藤田 政之 東京工業大学 教授)

研究課題名:「太陽光発電予測に基づく調和型電力系統制御のためのシステム理論構築」

研究代表者:井村 順一(東京工業大学 教授)

研究期間:平成27年4月~平成32年3月

JSTは本領域で、分散協調型エネルギー管理システムを実現するための研究を電力、制御、経済などの多角的な観点から進めています。本研究課題では、太陽光発電が大量導入された際に、電力系統を安定的に運用するための次世代の電力系統制御技術の構築を目指しています。

その研究展開の1つとして、風力発電が大量導入された電力システムの制御技術にも取り組んでいます。

<研究の背景と経緯>

風力発電の電力システムへの導入は、米国や欧州を中心として盛んに進められており、日本でも引き続き導入が進むと見込まれています。しかし導入に際しては、天候などによる出力変動の予測不確実性への対処が非常に重要です。風力発電の出力は、普段は小さな変動幅に留まるものの、突風や乱流の発生などにより無視できない頻度で極めて大きな値が発生するという性質があります。この大きく突出した「外れ値(図1)」は、電力系統に深刻な障害をもたらす一因であることが指摘されてきました。

風力発電の出力変動に対処するためには、「絶対に周波数変動を0.2Hz以内に納める」といった考え方では実行不可能、もしくは過度に保守的な設計を要求することになります。そこで、「周波数変動は99.7%以上の割合で0.2Hz以内に納まる」といった確率的な考え方が欠かせません。

予測困難な性質は一般に、正規分布という扱いやすい性質を仮定することで、統計的に評価します。しかし図1に示すように、正規分布を仮定すると外れ値を評価することができません。これは、風力発電における出力の外れ値が、正規分布で表されるよりも高頻度で発生しているからです。また、正規分布を仮定せずに風力発電の発電変動量の複雑なシミュレーターが構築できたとしても、モンテカルロ法(乱数法)のために大量に外れ値が発生するまで標本の生成を行うことは、必要な標本数の急激な増加により困難であることが知られています。

このような背景から、正規分布のような扱いやすさを持ちながらも外れ値の影響を適切に考慮することができる、新たな理論基盤の構築と、実用的な解析技術の開発が求められていました。

<研究の内容>

本研究では、風力発電の出力変動が電力系統へ及ぼす影響を評価するための、確率的評価手法を開発しました。正規分布を拡張した概念である安定分布注1)を用いて、扱いやすくかつ外れ値を適切に考慮できる新たな確率的なモデル注2)(電力系統の時間変化を表現する微分方程式)に基づく理論基盤を構築しました。得られたモデルの解析技術として、モデルをシミュレーターとしてデータ標本を生成するのではなく、モデル内のパラメータを用いて直接的にさまざまな統計量を計算する手法も併せて構築しています。この理論基盤は、

  • 1)べき乗則注3)に従う無視できない頻度で発生する大きな外れ値を扱うことができる。
  • 2)実データからモデルに含まれるパラメータを容易に決定することができる。
  • 3)簡単な計算により、電力系統の各連結点における電圧値、周波数などの変動の統計的性質を特徴づけられる。

という特長を持っています。

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