ネットゼロ社会を実現するには，電源の脱炭素化とエネルギー需要の電化が不可欠である。従来の電力系統は，系統安定性の維持について火力発電所などの同期発電機に強く依存してきたが，電源の脱炭素化により，同期発電機はVIBRES（インバータ型変動性再生可能エネルギー源）に置き換わりつつある。電源のこのようなトランジションが将来の電力系統にさまざまな安定性の課題をもたらすことから，電力の需給バランスを維持しながら，多様なリソースによるアンシラリーサービスを管理・運用することがきわめて重要になっている。
日立の研究開発グループは，発電スケジュールを最適化すると同時に，アンシラリーリソースの計画・運用を通じて再生可能エネルギーの発電量を最大化するため，「発電とアンシラリーリソースの複合最適化」の研究を進めている。「発電とアンシラリーリソースの複合最適化」の概念は，分解法に基づいて大規模で複雑な問題を解決する階層的アーキテクチャで構成される。この度，同期調相機を最適に配置するための基礎評価により，「発電とアンシラリーリソースの複合最適化」の有効性を確認した。本稿では，その概要について述べる。
ネットゼロ社会の実現は世界中で喫緊の課題となっている。ネットゼロを実現するには電源の脱炭素化とエネルギー需要の電化が不可欠であるため，電力系統は脱炭素化を推進するうえで重要な役割を果たす。そのため，主要7か国（G7）は2035年までに電力系統の大部分を脱炭素化することを掲げている1)。G7各国の2022年から2035年にかけての電力系統のトランジションを図1に示す。すべての国が2035年に向けて右上方向に向かっていくが，これは，再生可能エネルギーの比率が高まるにつれて国際連系線容量の拡大が必要になることを意味している。日本，英国，イタリアは島国あるいは半島国という地理的条件から他国の電力系統との国際連系線容量が比較的少ない。このため，VIBRES（Variable Inverter-based Renewable Energy Sources：インバータ型変動性再生可能エネルギー源）の比率が高まることで，その他の国々よりも早い段階で高度かつ困難な安定性の問題に直面する可能性がある。
電源のトランジションによって悪化する安定性の問題の例を，（1）需給調整，（2）慣性，（3）SCL（Short-circuit Level：短絡レベル），（4）無効電力の観点でそれぞれ図2に示す。
図1｜G7各国における2022年から2035年にかけての電力系統のトランジション
JP: Japan, IT: Italy, GB: Great Britain, CA: Canada, US: United States, GE: Germany, FR: France すべての国が2035年に向けて右上方向に向かっていく。再生可能エネルギーの比率が高まるにつれて国際連系線容量の拡大が必要になる。
図2｜電力系統の安定性の問題
注：略語説明
SCL（Short-Circuit Level：短絡レベル），VIBRES（Variable Inverter-based Renewable Energy Sources：インバータ型変動性再生可能エネルギー源），PF（Power Factor：力率）， R（Rated Speed：定格角速度），𝐽（慣性モーメント）VIBRESの普及に伴い，電力系統の不安定化が進んでいる。
将来の電力系統では，適切なアンシラリーサービス／リソースを用いて電力系統の安定性を管理しなければ，再生可能エネルギー発電量を最大化することはできない。そのため，日立は発電スケジュールとアンシラリーリソースの計画・運用を同時に最適化する「発電とアンシラリーリソースの複合最適化」という新たなソリューションを開発中である。
図3｜「発電とアンシラリーリソースの複合最適化」の概念
「発電とアンシラリーリソースの複合最適化」は，発電スケジュールとアンシラリーリソースの計画・運用を同時に最適化する，主に三つの計画レイヤーで構成される。
「発電とアンシラリーリソースの複合最適化」の基本概念を図3に示す。本ソリューションは，VIBRESの発電パターン，系統データ，発電単価，リソース配置単価，電源容量，安定性要件などを入力データとし，その出力として次の情報を提供する。
「発電とアンシラリーリソースの複合最適化」は，リソース配置計画レイヤー，リソース運転状態計画レイヤー，リソース出力配分計画レイヤーの三つの計画レイヤーで主に構成される。これらのレイヤーは互いに異なる問題を反復的かつ相互に連携しながら計算する。
上位レイヤーの計算結果は下位レイヤーの入力となる。一方，下位レイヤーの重要な条件を上位レイヤーに反映するために，下位レイヤーで得られたコストに対する制約の感度に基づいて算出される新たな制約が上位レイヤーの計算条件に追加される。
図4｜評価結果
左側の図は，配置すべき同期調相機の場所を示している。右側のグラフはそれぞれ，VIBRESが配置された母線におけるSCL値，VIBRESの発電量，総コストを表す。
基礎評価として，「発電とアンシラリーリソースの複合最適化」のプロトタイプを用いて同期調相機の最適な配置を計算した。このプロトタイプは，リソース配置計画レイヤーとリソース出力配分計画レイヤーで構成される。その目的は，求められるSCLおよび系統制約（電力潮流方程式および送電容量）を満たしながら，発電コストと同期調相機の配置コストを含む総コストを最小化することである。この評価では，同期調相機は故障電流と無効電力を供給するアンシラリーリソースとしてモデル化した。
評価結果を図4に示す。左側の図は，配置すべき同期調相機の場所を示している。右側のグラフはそれぞれ，VIBRESが配置された母線におけるSCL値，VIBRESの発電量，総コストを表す。これらの結果より，次のことが分かる。
以上の結果より，「発電とアンシラリーリソースの複合最適化」は，発電スケジュールとアンシラリーリソースの計画・運用を同時に最適化することによって費用対効果の高い計画を提供できることが分かる。
電力系統の安定性を維持しながらVIBRESの連系を加速し，その発電量を最大化するには，アンシラリーサービス／リソースの適切な管理がきわめて重要である。
日立の研究開発グループでは，グリーンエネルギートランジションを実現するため，この複雑な問題を解決する技術の開発に引き続き取り組んでいく。
