再生可能エネルギー大量導入時の課題を解決するグリッドエッジソリューション

ハイライト

1.　はじめに

1.1　欧州の電力事情

欧州では気候変動対策の観点から脱炭素化政策が進められており，2019年，欧州連合（EU：European Union）は2030年までの再生可能エネルギー比率，エネルギー効率化，温室効果ガス削減の数値目標を盛り込んだ一連のエネルギー法令（クリーン・エネルギー・パッケージ）を制定した。再生可能エネルギーについては，最終エネルギー消費量に占める割合を32％とすることをめざし加盟国に積極的な導入を促している^1）。そのために，変動する再生可能エネルギーを電力供給の安定性や信頼性を担保しつつ，効率的かつ経済的に活用できるよう，システムや市場の整備，新たな技術の活用促進，規制局や事業者の責任を拡大するための施策を打ち出している。

1.2　スロベニアの電力事情と課題

スロベニア共和国は，1991年に旧ユーゴスラビアから独立し，2004年にEUに加盟した人口約200万人の中欧に位置する国である。同国では，EUの政策に沿って2020年までに最終エネルギー消費量の25％を再生可能エネルギーとする目標を掲げて推進してきており，さらに2020年には2030年までに同目標値を27％まで引き上げることを発表した^2）。

配電網に連系する分散電源である再生可能エネルギーの増加に伴い，配電会社であるDNO（Distribution Network Operator）は電圧変動，停電，過負荷，調整力・予備力確保に対応する，より高度な系統管理技術が必要となる一方で，設備の老朽化に伴う課題への対策も迫られており，投資を抑えながら高度な運用ができるソリューションが求められている。

また市場の自由化を背景に，電力小売事業者や需要家においても，より高度なエネルギー管理技術を活用し，安定的かつ経済的な電力の確保，レジリエンス強化，電力市場への積極的な参画や関与といった動きが出てきている。蓄電池などを保有する需要家も出てきており，今後もその流れは加速し，需要家が系統安定化に貢献することを送配電事業者も期待している。

スロベニアは小国ならではの機動性を生かし，新技術の開発・実証に積極的であり，電力分野においても前述のような課題に対応すべく，国内外のステークホルダーと連携しながら多数のプロジェクトが進められている。また配電網を所有するDNOが5社と，配電網の運用を担う公企業の配電系統運用者DSO（Distribution System Operator）が1社存在し，DSOは各DNOから配電網をリースして運用しているが，実際には運用業務を各DNOに委託している。

2.　実証の背景と内容

本実証では前章で述べたスロベニアの課題に対応すべく，複数の配電会社にサービスを提供し，顧客のシステム開発コストを削減可能なクラウド型の配電系統監視制御システムDMS（Distribution Management System）^3）およびエネルギー管理システムAEMS（Advanced Energy Management System）の実証^4）を行った。

2.1　クラウド型DMS

2.2　クラウド型AEMS

スロベニアでは，2014年に大寒波を起因とする大規模停電が発生したため，緊急時に備えて病院などの重要設備を保護するニーズがあり，降雪や落雷により瞬間的に電圧が低下する瞬時電圧低下は，工場など高品質な電力を必要とする大口需要家に影響を与えるため，対策が必要とされている。また，送電事業者は火力発電の減少や発電機の老朽化により周波数調整に必要な予備力の減少に直面し，新たな供給源として蓄電池を含む分散電源の活用を視野に入れている。よって実証では，アイランディング（系統事故時の自立運転），アンシラリーサービス（送電事業者への調整力の提供）などの複数機能を有したクラウド型エネルギー管理システム（AEMS）を構築し，実証を行った。

2.3　実証システム構成

3.　クラウド型DMS

4.　配電系統の電圧制御技術

本実証の第1フェーズでは，高度な電圧調整機能，事故復旧機能およびDR機能など複数のテーマを進めてきた。ここでは再生可能エネルギー大量導入による電圧変動などの問題に対応するための制御技術に特化して紹介する。

4.1　電圧調整手法

配電系統における主な電圧調整手法としては，主に以下の三つの手法が挙げられる。

1. Standalone Control
   OLTC（On-load Tap Changer）付き変圧器などの電圧調整器が自端の計測情報に応じてタップを変更することで電圧を調整する。
2. Rule-based SCADA Control
   特定の計測点の電圧などが規定値を逸脱した場合に，タップを変更する機器を事前にルール化しておき，ルールに従ってSCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）がタップを制御する。
3. Distribution Model Based Voltage Control（VC）
   系統全体の計測情報と潮流計算結果に基づいてDMSが複数の変圧器の最適なタップ位置の組み合わせを算出するようにする。

本実証では（3）の手法を採用し，目標電圧範囲逸脱の解消およびタップ切り替え回数に対する本手法の効果について実系統で評価した^5）。

4.2　アルゴリズム

4.4　実証結果

図4に示すとおり，ある1日に発生した目標電圧範囲逸脱692件のうち，87.4％にあたる605件を採用したVCによって解消することができた。一方，解消できなかった目標電圧範囲逸脱は，配電設備形成そのものに問題があり，タップをどのように変更しても逸脱を解消できないケースであった。なお，EU規格のEN50160で評価すると電圧違反は発生しなかった。また，1日のタップ切り替え回数について，スロベニア側のベンダーが本実証で採用したRule-based SCADA Controlと，VCの二つの手法を比較したところ，図5に示すとおり，前者が16回であるのに対して後者が7回となり，VCの方が少ないタップ切り替え回数で電圧逸脱に対応できた結果となった。

5.　需要家設備を用いたエネルギー市場への予備力供給

本実証の第2フェーズでは，複数のエリアおよび需要家設備を用いたエネルギー市場への予備力供給を行うアンシラリーサービスや，後述する地域社会のレジリエンス強化の一環としたアイランディングサービスの提供を実施予定である。以下，概要について紹介する。

5.1　アンシラリーサービス

欧州における電力品質（周波数，電圧）維持のための調整制御に対し，欧州電力系統運用者ネットワークENTSO-E（European Network of Transmission System Operators for Electricity）では各々の国に調整余力（Reserve）の確保を義務付けており，応答を開始してから発電機が所定の出力レベルになるまでにかかる時間，所定の出力で運転継続可能な時間の2点を基準に，（1）FCR（Frequency Containment Reserves：周波数制御予備力），（2）FRR（Frequency Restoration Reserves：周波数回復予備力），（3）RR（Replacement Reserve：代替予備力）に分類されている^6）。

スロベニアでは，（1）はPrimary Control，（2）はSecondary Control，（3）はTertiary Controlと名称定義されており，EU施策の風力・太陽光などの出力変動型の再生可能エネルギー電源の比率の増加および火力などの老朽化による発電機の減少による調整余力不足により，蓄電池活用やプロシューマの調整余力活用を視野に入れ，調整余力の確保を進めている。本実証では，実需給タイミングで電力需給バランスのために調整されるSecondaryおよびTertiaryの調整余力を供給するためのアンシラリーサービスをAEMSにて提供を行う。

5.2　蓄電池を用いたSecondary Control

スロベニア唯一の送電系統運用者TSO（Transmission System Operator）では，Secondaryを各リソースの水力発電や火力発電，熱源供給システムCHP（Combined Heat and Power）などに対し，SCADA/EMSにて周波数変動など系統監視のうえ，P（有効電力）指令要請を行うことで予備力を確保している。既存設備では予備力が不足しているため，追加として分散電源の蓄電池を導入し，TSOのSCADA/EMSとAEMSが連携し，本実証の提供サイトである首都リュブリャナの市街地に位置する複合商業施設BTC（Blagovno Trgovinski Center）およびスロベニア西部の山間部に位置するイドリヤ市の蓄電池に対してP指令要請を行うことで，異なるエリアの調整予備力を統合管理する。このSecondary予備力供給のサービスを2021年7月より開始予定である。

またイドリヤ市の蓄電池は，大容量の鉛蓄電池と小容量のリチウムイオン電池（LiB：Lithium-ion Battery）のハイブリッド型とし，TSOからのP指令要請に応じ，瞬発力（高出力）と持久力（大容量）を両立できるように各電池へ出力を最適に分配し，蓄電池の長寿命化やSOC（State of Charge：充電容量に対する充電残量の比率）の安定確保運用に対応できる構成とする。

例えば，この蓄電池構成では運用中に単純に蓄電池容量に比例して配分すると小容量のLiBのSOCが上下限値に達し，LiBの充放電が停止してしまう可能性が極めて高い。そこで，小容量LiBの連続運転のため，瞬発力（高出力）を備えたLiBと持久力（大容量）を備えた鉛蓄電池それぞれの特性を生かしたハイブリッド蓄電池制御技術を適用している。

5.3　プロシューマの設備を用いたTertiary Control

TSOでは，予備力確保としてTertiaryも既存実施しているが，予備力が不足しているため，追加として複合商業施設BTCとイドリヤ市の負荷設備に対し，負荷抑制方向のDRを行うことで，Tertiaryの予備力を確保する。

TSOのSCADA/EMSとAEMSが連携し，BTCおよびイドリヤ市の設備に対し，負荷抑制方向のDRを行い，異なるエリアの調整予備力を統合管理してTertiary予備力を供給するサービスを2021年5月より提供予定である。

またAEMSとしては，TSOからの負荷抑制要請に対し，負荷設備の電力実績や負荷予測，負荷抑制可能量をAEMSがTSOに通知し，TSO側のSecondaryおよびTertiaryの要請の配分にて火力発電などを指令抑制する。これにより，AEMSが間接的に排出CO₂削減へ貢献する。

6.　地域社会のレジリエンス強化

本実証では，非常時においても電力供給が必要な重要設備があるLCP（Life Continuity Planning）エリアのみに対し，災害などによる長時間の系統事故による停電時に蓄電池から電力供給し，系統から切り離された状態で単独運転を行うアイランディングサービスを2021年7月より提供開始予定である。

6.1　アイランディングサービス

7.　おわりに

本実証は，国際エネルギー機関（IEA：International Energy Agency）傘下で，スマートグリッド関連技術の発展と普及を世界規模で促進することを目的に活動する公的ネットワークであるInternational Smart Grid Action Network（ISGAN）が2020年7月に世界各国で展開されるスマートグリッドに関する優れた取り組みを表彰する「ISGAN Award 2020」において，最高位である「Winner（最優秀賞）」を受賞した。

今後は，変化の激しい電力・エネルギー業界において，本受賞に満足することなく，世界的な動向変化に迅速かつ柔軟に対応し，エネルギーソリューション事業のさらなる拡大をめざす所存である。

謝辞

本稿で述べたスロベニア共和国での実証事業においては，国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO：New Energy and Industrial Technology Development Organization），スロベニア共和国の国営送電事業者であるELES, d.o.o.，イドリヤ市，複合商業施設BTCや関係配電会社各社に協力を頂いた。深く感謝の意を表する次第である。