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スマートグリッドについて
東京大学大学院・新領域創成科学研究科
先端エネルギー工学専攻
横 山 明 彦
2009年4月9日
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IEC (TC8)での用語定義(60050-617)の動向
スマートグリッドの定義（現在審議が始まったばかりの案） 上記定義への注記 ホームページ http://birdcam.xcelenergy.com/sgc/index.html より 下記を用いる電力ネットワーク(＊) 双方向の通信・制御 分散的処理とセンサ (＊)発電事業者機器および需要家機器を含むelectric power network that utilizes two-way communication and control technologies, distributed computing and associated sensors, including equipment installed on the premises of network users *
* network users：発電事業者と需要家の双方を含む
Note: smart grids are intended to increase the quality of the electricity supply by providing functions such as:
network automation
power quality management
distributed generation management
demand response
smart metering
preventive maintenance
outage management
energy storage management
スマートグリッドが備える機能の例 （あくまでも例の扱い） 系統の自動化 電力品質の管理 分散型電源の管理 デマンドレスポンス スマートメータリング 予防保全 停電時の管理 エネルギー貯蔵の管理
3 (1)スマートグリッド構築への動きは、風力など再生可能エネルギーによる 分散型電源の大量導入を契機として始まり、2006年の欧州広域停電 により加速。 (2)各国・各地域のネットワークが複雑にメッシュ化しており、最近の電力 自由化にともなう広域的な電力取引の増加と、予測困難な風力発電など の分散形電源の増加により、ネットワーク内の電気の流れの調整が 難しくなっており、ネットワーク内の混雑も頻繁に発生。 (3)風況により出力が大きく変動する風力発電などが、電力供給システムの 信頼性に与える悪影響が懸念されることから、その対策として分散型 電源の出力状態を把握・予測し、分散型電源の調整（抑制）を行なう技術 としてスマートグリッドへのニーズあり。
欧州の背景
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欧州の再生可能エネルギー受け入れ動向
・風力発電が大量に導入されている欧州では、電力ネットワーク
での問題（需給バランス、送電網過負荷（混雑という）など）が
顕在化しつつあり、系統運用は綱渡り状態
・推進側の
政府
、
系統運用者
、
国民
の間に実行可能性、建設期間、
コスト負担等に係るコミュニケーションギャップが存在
（発電・送電・配電がアンバンドルされていることも一因）・試行錯誤しながら対応
（最適な方向に進んでいるかは疑問）・系統運用の多国間協調のための組織を設置
ドイツ 再生可能エネルギーは100%受け入れ義務あり。 風力発電が偏在し、その送電可能性の問題があるため、最終的な風力発電抑制 も含めた様々な系統運用対策を規定 スペイン 推進側の政府と送電網の建設、監視・制御をおこなう系統運用者の間に 認識ギャップあり。 フランスとの国際連系線の通過電力量に依存した風力発電出力抑制を実施 2009年3月 エネ庁欧州調査団の調査より5 ホームページ http://www.smartgrids.eu/ より GPS, 気象観測など 洋上風力 波力発電 水素 ステーション デマンド マネージメント 燃料電池 蓄熱装置 電力貯蔵装置 メガソーラー バイオマス 小水力 風力 大規模 水力 低炭素 大容量 発電所 ネットワーク電力・情報 ヒート ポンプ 住宅用太陽光 SMES 分散型電源 の制御
欧州プラットフォームのスマートグリッド構想
新しいサービスエネルギーネットワーク移行への貢献 大容量の分散形電源（風力発電）の連系への貢献 エネルギー貯蔵装置などのキーテクノロジーの開発・実証 Flexible Accessible Reliable Economical6
スペインREE社の再生可能エネルギー中給
中給
風力中給
Control Center for Renewable Energies
計測 データ 最大可能 出力値 風力中給 系統の中央給電指令所（中給） 従来型発電所 制御所 再生可能エネルギー制御所 制御通信回線
再生可能エネルギー中給（風力中給）；1万Kw以上の風力発電所、
メガソーラー発電所の出力を制御するコントロールセンター
7 (1)スマートグリッド構築への動きは、2001年のカリフォルニア電力危機や、 2003年の北米大停電などを契機として始まり、再生可能エネルギー促進や 電気の利用効率化へのニーズにより加速。 (2)需要増に対して、発電所・送電設備などのインフラ整備が不十分であるため、 電力需要の大きい時期に、以下のような手段で需要家の電力使用量を抑制 するなどにより、電力供給インフラの不足をスマート化で補うことが主目的。 ・電力価格と電気の使用量を表示するメーターに需要家が反応して、 電力価格が高くなる高需要期に、需要を抑制する方策 ・電気の周波数（供給力不足時に低下）の低下に応じて、家電（冷蔵庫、 エアコンなど）製品の消費電力を抑制する技術など (3)グリーン・ニューディール政策 ・温暖化ガス排出削減 ・再生可能エネルギーの電力比率の向上（2025年までに25%） ・プラグインハイブリッドカーの普及促進 ・スマートグリッドの構築 送電網増強、スマートメーターの設置（4000万個）
米国の背景
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米国エネルギー省(DOE)スマートグリッド構想
太陽光発電，風力発電，プラグインハイブリッド電気自動車，アドバン ストメーターなどを統合制御 アドバンストメーター（電気利用の効率化，価格情報の伝送など），系統 状態の可視化技術 (Google Earthでの表示など)，GPSを用いた広域監視 装置などの要素技術開発・適用を支援 ホームページ http://www.oe.energy.gov/sartgrid.htm より9 ホームページ http://birdcam.xcelenergy.com/sgc/index.html より プラグイン ハイブリッド スマート メーター スマート 家電 スマート サーモ スタット エネルギー種類選択 高速データ通信
米国Boulder市（コロラド州）での実証試験
（スマートグリッドシティ，スマートハウス）
停電管理・顧客情報システム，双方向通信，スマート変電所 2008年末までに1.3万軒、2009年半ばまでに更に1万軒にスマートメータを設置 1000台の分散型電源など（太陽光発電，風力発電，蓄電池，プラグイン ハイブリッド自動車）の統合制御10
Grid-Friendly Appliance プロジェクト
冷蔵庫 洗濯機 乾燥機 エアコン 電気温水器
Grid Friendly™ Appliance Field Demonstration より
周波数f 負荷需要量変化分 Kw 基準周波数60Hz 増加 減少 0
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わが国の状況
・送配電網への再生可能エネルギー電源の大量連系
今後大量導入される太陽光発電（需要家側）、風力発電、蓄電池と火力発電、 水力発電、揚水発電と協調した需給バランス制御、周波数制御、電圧制御が課題・供給信頼度は世界最高水準
情報通信ネットワークを活用した 送電網の事故時の監視・制御システム技術、 配電網の事故時の停電範囲極小化のための 自動化技術を導入済み 新しい監視・制御システムの構築には長期間 （10年程度）必要・需要家との双方向通信
太陽光発電、蓄電池、ヒートポンプ給湯器、プラグインハイブリッドカー、 電気自動車等が連系された多数の需要家との双方向通信によるこれら機器の 電気エネルギーネットワーク全体への貢献・活用方法が課題 近年の大規模停電例 その結果として…..12
日本型先進「スマートグリッド」の定義（私案）
系統技術上での課題 需給バランス 周波数調整，経済負荷配分 配電線電圧制御 蓄電池容量，電源予備力の適正化ほか 対象とするネットワーク範囲 電柱（柱上変圧器）以下の需要家 配電線（フィーダー）レベル 配電用変電所以下のローカルエリア 一次変電所以下の系統 目 的 地球温暖化防止(CO2排出削減) 再生可能エネルギー利用 省エネルギー 社会的便益(事業者･消費者双方) 手 段 分散形電源，電気自動車等の積極活用 不確定性に対応できるシステム構築 大規模ネットワークとの万全な協調 ＩＣＴ技術の強力活用 系統機器以外で対象とする電源・機器 太陽光発電 （主として住宅） 風力発電 電気自動車 ヒートポンプ給湯器 蓄電池 負荷機器 燃料電池 今後の研究の方向性 を形成する主な ３要素 系統の課題 分散形機器 対象とする範囲日本型先進「スマートグリッド」の概念図(私案）
ビキタスパワ 水力 原子力 火力 ユビキタスパワー ネットワーク Ｇ Ｇ Ｇ 小規模 Ｇ 給 指令所 ローカル ローカル 大規模 小規模 蓄電池(BESS) 電力 給電指令所 ローカル 風力 負荷機器 小規模発電機 風力発電 電力 小規模ネットワーク マイクログリッド インテリグリッド 電力 電力 電力 Ｇ 小規模発電機 ガスエンジン ガスタービン ヒートポンプ インテリグリッド スマートグリッド 電力 電力 電力 熱 太陽光発電(PV) 貯湯槽 電気自動車(EV) 負荷機器 可逆式 水素ローカル 熱 電力 電力 電力 H H2 13 水素 H214
ユビキタスパワーネットワークの提案コンセプト
（私案）
なんでも････電源や蓄電･蓄熱装置の種類と量を問わないこと 既存の大規模電源（火力，水力，原子力） 分散形電源（太陽光発電，風力発電，燃料電池ほか） 電気自動車，定置形蓄電池，ヒートポンプ式給湯器ほか どこでも････ネットワークのどこにでも電源や蓄積装置を接続できること ネットワークの中央／末端の違いや，電圧階級などを選ばすに， 分散形電源や，蓄電･蓄熱機器を接続できる いつでも････自然現象や使用状態の不確定性の影響を受けにくいこと 日射量や風量の変動の影響を受けにくい 電気自動車の充放電状態や，給湯使用状態にも対応，プラグ＆プレイ インテリジェント＆インタラクティブ ････電力系統へＩＣＴ技術を一層活用すること 大規模ネットワークと，分散形電源･蓄電装置との，万全な協調 事業者～消費者の電源・機器を含む双方向情報通信ネットワーク15 15 太陽光 総需要 火力（*） (最低出力) + 水力 + 原子力他 ベース供給力 揚水動力 揚水発電 総需要 火力（*） (最低出力) + 水力 + 原子力他 ベース供給力 太陽光なしの場合の需給運用 太陽光大量導入後（晴天日） 蓄電池を充放電 揚水動力 揚水発電 (*)LＦＣ運転ができるなど運用上の最低出力 太陽光 充電 放電 資源エネ庁・低炭素電力供給システム研究会資料より
蓄電池を用いた需給バランス制御、周波数制御
・総需要と発電出力を瞬時瞬時に一致させる制御が必要
・余剰電力を吸収したり、放出することのできる揚水発電、
蓄電池を利用する
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風力発電の出力制御
・出力目標値をより低くすることで、
風力発電出力をより平滑化でき、
変動を小さくする
周波数変動抑制効果
・周波数変動の許容ラインを維持する
ために必要な蓄電池の容量を減少
させる
必要蓄電池容量削減効果
Rated Capacity Rated Cut-in Cut-off Wind Velocity [m/s] Wind Power Output [W] (1) (2) (3) (4) Stretching Region(3)風車ブレードのピッチ角制御
風 系統側から 最大出力を 制御17
負荷機器（ヒートポンプ給湯器）制御
HP給湯器とは ?
ヒートポンプユニットと貯湯ユニットから構成 冷凍サイクルを利用し、大気から熱を取り込む – 省エネルギー機器 貯湯槽にお湯を蓄えることが可能 湯はいつ沸き上がってもよく、消費電力はフ レキシブルに変化させることができる 負荷を切るなどのマネジメント手法ではなく 需要家に不便をかけないようにして 系統運用に貢献させることができる Power 20℃ 30℃ 40℃ 60℃ Compressor E va pora tor Valve Conde ns e r Thermal Energy Thermal EnergyHP給湯器
と
蓄電池
との
協調制御
によって、風力発電大容
量導入時の電力系統の周波数変動抑制、もしくは併設蓄
電池の必要容量の削減が可能となる
18 MGT コージェネ 燃料電池 RTU 監視・制御通信線 蓄電池 発電指令 コージェネ 燃料電池 RTU 監視・制御通信線 蓄電池 非常用発電機 インターネット コントロールセンター 発電指令 指令 指令 非常用発電機 MGT コージェネ 燃料電池 RTU 監視・制御通信線 蓄電池 指令
バーチャルパワープラント(仮想的発電所）
電力会社以外の様々な発電設備（ＩＰＰ，ＰＰＳ，コージェネ，マイクログリッドなど）を あたかも一つの大きな電力会社の発電所のようにコントロールして系統貢献する19
プラグインハイブリッドカー、電気自動車
と系統との協調制御
大規模 電力ネットワーク 小規模電力ネットワーク 負荷 太陽光 蓄電池 スーパーキャパシタ G G 火力 G 水力 G 原子力 風力 電力 風力 電力 電力 電力 マイクロ ガスエンジン ガスタービン 電力 電力・夜だけに充電なのか、昼に充電も？
・放電制御も？
V2G
・料金体系は？
制御信号 制御信号 蓄電池20
風力発電の余剰電力の水素貯蔵
2008CIGRE パリ大会シンポPPT資料から 現在はかなりコスト高、将来にローカルシステムとして活用 水素貯蔵 水素発電 ディーゼル発電 酸素 酸素 水 制御システム 電気分解装置 需要家 既存の風力発電 新しい風力発電日本型先進スマートグリッド「ユビキタスパワーグリッド」の設計
― 系統火力、蓄電池と協調した需要家ヒートポンプ給湯器の制御方式の開発 ― 4300 4400 4500 M W] w/o HP HP (b) 50.2 50.3 z ] w/o HP HP (b) 100% 80% 90% 100% 80% 90% 100% 80% 90% 周波数は維持 されている 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 3900 4000 4100 4200 4300 Time [s] T h er m al O u tp u t [ M 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 49.8 49.9 50 50.1 Time [s] F requency [ H zFrequency Thermal Power Plant Output
Power consumption
Type (a) Type (b)
Power consumption Type (c) Power consumption 需要家ヒートポンプ給湯器容量の かなり蓄電池 の使用容量が 削減されている -100 0 100 200 300 400 B E SS O u tp u t [ M W ] w/o HP HP (b) 1300 1350 1400 1450 1500 1550 u m p C o ns um pt io n [ M W ]
Frequency Thermal Power Plant Output
BESS 1 HP W t H t 需要家ヒ トポンプ給湯器容量の 周波数制御貢献部分 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 -300 -200 100 Time [s] B 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 1200 1250 1300 Time [s] He at P u w/o HP HP (b) BESS Output Heat Pump Water Heater Demand -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 HP Water Heater LFC Generator ヒートポンプ給湯器の需要電力を定格の 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -1 0 06 0.07 0.08 a ti on without HP Control
with HP Control (a)
需要家ヒートポンプ給湯器、蓄電池、系統火力 の周波数制御信号の割り当て(Type (b)) ヒ トポンプ給湯器の需要電力を定格の 90%を中心にうまく制御されている Type(b) の制御は、周波数 変動の抑制とともに蓄電池 必要容量を大幅に削減で きることを示している 0 01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 e nc y F luc tu a xrm s [H z
] with HP Control (b)with HP Control (c)
1000 1200 1400 1600 O u tput [M W ] 8000 8050 8100 8150 oa d [ M W ] 0 0.01 0 100 200 300 400 Fr e q u e BESS Capacity [MW] 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 400 600 800 Time [s] W ind O Wind Power Generation 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 7850 7900 7950 Time [s] L Load 最大負荷需要 の20% の大容 量風力発電が 導入と仮定
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