マイクログリッド

マイクログリッドは、定義された電気的境界を持つローカル電力網であり、単一の制御可能なエンティティとして機能します。^{[1]グリッド接続モードと}アイランドモードで動作できます。^{[2] [3]}「スタンドアロンマイクログリッド」または「孤立マイクログリッド」は、グリッド外でのみ動作し、より広範な電力システムに接続することはできません。^[4]非常に小さなマイクログリッドはナノグリッドと呼ばれます。^[5]

グリッド接続型マイクログリッドは、通常、従来の広域同期グリッド（マクログリッド）に接続され、同期して動作しますが、技術的または経済的条件に応じて、相互接続されたグリッドから切断し、「アイランドモード」で自律的に機能することができます。^[6]このようにして、マイクログリッドセル内の供給の安全性が向上し、アイランドモードと接続モードを切り替えながら緊急電力を供給することができます。^{[6]このようなグリッドは、「}アイランド可能なマイクログリッド」と呼ばれます。^[7]

スタンドアロンマイクログリッドは、独自の電源を持ち、エネルギー貯蔵システムで補完されています。これらは、主要な集中型エネルギー源からの送電と配電が遠すぎて運用コストが高すぎる場合に使用されます。^[1]これらは、遠隔地や地理的に小さな島での農村電化の選択肢を提供します。^[4]スタンドアロンマイクログリッドは、さまざまな分散型発電（DG）、特に再生可能エネルギー源（RES）を効果的に統合できます。^[1]

制御と保護はマイクログリッドにとって難しい課題です。なぜなら、システム安定化のための補助サービスはすべてマイクログリッド内で生成する必要があり、短絡レベルが低いと保護システムを選択的に動作させるのが難しくなるからです。重要な特徴は、電気に加えて暖房や冷房など、複数の有用なエネルギーニーズを満たすことです。これにより、エネルギーキャリアの代替が可能になり、暖房、家庭用給湯、冷房の目的で廃熱を利用することでエネルギー効率が向上します（部門間のエネルギー使用）。 ^[8]

米国エネルギー省マイクログリッド交換グループ^[9]は、マイクログリッドを「明確に定義された電気的境界内で相互接続された負荷と分散型エネルギー資源のグループであり、グリッドに対して単一の制御可能なエンティティとして機能する。マイクログリッドはグリッドに接続したり切断したりすることができ、グリッド接続モードとアイランドモードの両方で動作することができる。」と定義しています。^[10]

バークレー研究所は次のように定義しています。「マイクログリッドは、災害時など電力網に接続されていない場合でも、建物、キャンパス、コミュニティに電力を供給できるエネルギー生成とエネルギー貯蔵で構成されています。」ユーティリティグリッドから切り離すことができるマイクログリッド（「共通結合点」またはPCC）は、「孤立型マイクログリッド」と呼ばれます。^[7]

EUの研究プロジェクト^[11]では、マイクログリッドは、分散型エネルギー資源（DER）（マイクロタービン、燃料電池、太陽光発電（PV）など）、ストレージデバイス（バッテリー、フライホイール）、エネルギー貯蔵システム、柔軟な負荷を備えた低電圧（LV）配電システムで構成されると説明されています。このようなシステムは、メイングリッドに接続しても切断しても動作できます。ネットワーク内のマイクロソースの運用は、効率的に管理および調整されれば、システム全体のパフォーマンスにメリットをもたらす可能性があります。^[要出典]

エレクトロペディアでは、マイクログリッドを、定義された電気的境界を持つ相互接続された負荷と分散型エネルギーリソースのグループと定義しており、配電電圧レベル（最大35kVの低電圧と中電圧の両方）でローカル電力システムを形成します。関連する消費者ノードと生産者ノードのこのクラスターは、単一の制御可能なエンティティとして機能し、グリッド接続モードまたはアイランドモードのいずれかで動作できます。^[3]

マイクログリッドナレッジ^[12]は、マイクログリッドを「大学のキャンパス、病院の複合施設、ビジネスセンター、近隣地域など、特定の地理的範囲にサービスを提供する自給自足のエネルギーシステム」と定義しています。^[13]

独立型マイクログリッドまたは孤立型マイクログリッドは、時には「アイランドグリッド」とも呼ばれ、オフグリッドでのみ動作し、より広い電力システムに接続することはできません。これらは通常、地理的に孤立した島や農村部の電化のために設計されています。^[4] 多くの非工業化国では、以前は電化されていなかった地域で電力へのアクセスを提供するために使用されているマイクログリッドは、「ミニグリッド」と呼ばれることがよくあります。^[14]ナノグリッドは単一の家や建物に属し、複数のナノグリッドが相互接続されてネットワーク（マイクログリッド）を形成し、個々のナノグリッド間で電力を共有できるようにします。^[5]

キャンパスマイクログリッドの焦点は、既存のオンサイト発電を集約して、所有者が簡単に管理できる狭い地理的エリアにある複数の負荷をサポートすることです。^{[15] [16]}

コミュニティマイクログリッドは何千もの顧客にサービスを提供し、地域エネルギー（電気、暖房、冷房）の普及をサポートします。^[17]コミュニティマイクログリッドでは、一部の家には、同じコミュニティ内の近隣住民だけでなく、自分たちの需要も満たすことができる再生可能なエネルギー源があります。コミュニティマイクログリッドには、集中型または複数の分散型エネルギー貯蔵装置がある場合もあります。このようなマイクログリッドは、双方向電力電子変換器を介して結合された交流マイクログリッドと直流マイクログリッドの形をとることができます。^[18]

これらのマイクログリッドは、一般的にマクログリッドに接続するように設計または意図されておらず、経済的な問題や地理的な位置のために常にアイランドモードで動作します。通常、「オフグリッド」マイクログリッドは、送電および配電インフラストラクチャから遠く離れた地域に構築されるため、ユーティリティグリッドに接続されていません。^{[15] [19]}研究では、再生可能エネルギーが主流の遠隔地または島嶼のオフグリッドマイクログリッドを運用すると、そのようなマイクログリッドプロジェクトの寿命全体にわたって電力生産の均等化コストが削減されることが実証されています。^{[20] [21]}場合によっては、オフグリッドマイクログリッドが実際に国家グリッドまたは「マクログリッド」に組み込まれることがあります。このプロセスには、技術的、規制的、法的計画が必要です。^[22]

広大な遠隔地には、それぞれ所有者（運営者）が異なる複数の独立したマイクログリッドから電力が供給されることがある。このようなマイクログリッドは伝統的にエネルギー自給自足となるように設計されているが、断続的な再生可能エネルギー源とその予期せぬ急激な変動により、マイクログリッドで予期せぬ電力不足や過剰発電が発生する可能性がある。エネルギー貯蔵とスマート制御がなければ、マイクログリッドで直ちに許容できない電圧や周波数の偏差が発生する。このような状況を改善するために、このようなマイクログリッドを適切な近隣のマイクログリッドに暫定的に相互接続して電力を交換し、電圧と周波数の偏差を改善することが可能である。 ^{[23] [24]}これは、適切な同期^[27]または 2 つのパワーエレクトロニクスコンバータのバックツーバック接続^{[28]を行い、新しいシステムの安定性を確認した後、パワーエレクトロニクスベースのスイッチ[25] [26]によって実現できる。近隣のマイクログリッドを相互接続する必要性を判断し、結合する適切なマイクログリッドを見つけることは、最適化[29]}または意思決定^[30]アプローチによって実現できる。

遠隔地のオフグリッドマイクログリッドは小規模でゼロから構築されることが多いため、世界の電力部門のベストプラクティスを取り入れ、エネルギーイノベーションを取り入れて推進する可能性があります。^[31]遠隔地のオフグリッドマイクログリッドは主に再生可能エネルギーで稼働し、顧客レベルのスマートコントロールで運用されているのが一般的ですが、既存の利害関係や古い既存のインフラのために、大規模な電力部門でこれを実装するのは必ずしも容易ではありません。^{[32] [33]}

これらのマイクログリッドは、マクログリッドに依存せずに信頼性の高い電力を確保するために、軍事施設の物理的セキュリティとサイバーセキュリティの両方に重点を置いて積極的に導入されています。^{[15] [34]}

こうしたタイプのマイクログリッドは北米や東アジアで急速に成熟しつつあるが、こうしたタイプのマイクログリッドに関するよく知られた標準がないため、世界的には制限がある。産業用マイクログリッドを設置する主な理由は、電力供給のセキュリティとその信頼性である。多くの製造プロセスでは、電力供給が中断されると大きな収益損失と長い起動時間が生じる可能性がある。^{[15] [19]産業用マイクログリッドは、}循環型経済の（ほぼ）ゼロ排出の産業プロセスを供給するように設計でき、再生可能エネルギー源と廃棄物処理の両方から供給される熱電併給（CHP）発電を統合できる。さらに、エネルギー貯蔵を使用してこれらのサブシステムの運用を最適化することもできる。 [35]マイクログリッドは、回復力や経済上の理由から、大量の発電を行う大規模な商業小売業者によって支えられることもある。 [ ^{36 ]}

異なるタイプのエネルギー源から電力網へのエネルギーの流れを管理するにはアーキテクチャが必要です。したがって、マイクログリッドは3つのトポロジに分類できます。^[37]

AC 出力の電源は、AC/AC コンバータを介して AC バスに接続され、AC 可変周波数と電圧が別の周波数と別の電圧の AC 波形に変換されます。一方、DC 出力の電源は、AC バスへの接続に DC/AC コンバータを使用します。

DC マイクログリッド トポロジでは、DC 出力を持つ電源は DC バスに直接または DC/DC コンバータを介して接続されます。一方、AC 出力を持つ電源は AC/DC コンバータを介して DC バスに接続されます。

ハイブリッド マイクログリッドには、AC 電源と DC 電源の両方の出力トポロジがあります。さらに、AC バスと DC バスは双方向コンバータを介して相互に接続されており、2 つのバス間で双方向に電力が流れるようになっています。

マイクログリッドは、ユーザーに電気、暖房、冷房を供給するさまざまな種類の発電源を提供します。これらの発電源は、熱エネルギー源 (例: 天然ガスまたはバイオガス発電機、マイクロ熱電併給発電) と再生可能発電源 (例: 風力タービン、太陽光) の 2 つの主要なグループに分けられます。^{[引用が必要]}

マイクログリッドでは、消費とは、単一のデバイスから建物や商業センターなどの照明や暖房システムまで、電気、熱、冷却を消費する要素を指します。制御可能な負荷の場合、電力消費はネットワークの需要に応じて変更できます。^{[引用が必要]}

マイクログリッドでは、エネルギー貯蔵は、電力品質の確保、周波数と電圧の調整、再生可能エネルギー源の出力の平滑化、システムへのバックアップ電源の提供、コスト最適化における重要な役割など、複数の機能を実行します。エネルギー貯蔵は、化学、電気、圧力、重力、フライホイール、および蓄熱技術の組み合わせによって実現できます。マイクログリッドでさまざまな容量の複数のエネルギー貯蔵デバイスが利用できる場合、小さなエネルギー貯蔵デバイスが大きな容量のデバイスよりも早く放電しないように、それらの充電と放電を調整することが望ましいです。同様に、小さな貯蔵デバイスが大きな容量のデバイスよりも早く完全に充電されないことが望ましいです。これは、エネルギー貯蔵デバイスの充電状態に基づいて調整された制御の下で実現できます。^[38] 複数のエネルギー貯蔵システム（異なる技術で動作している可能性があります）が使用され、それらが独自の監視ユニット（エネルギー管理システム- EMS）によって制御される場合、マスター/スレーブアーキテクチャに基づく階層制御により、特に孤立モードで最適な動作を確保できます。^[35]

これは、マイクログリッドがメイングリッドに接続される電気回路のポイントです。^[39] PCCを持たないマイクログリッドは、孤立したマイクログリッドと呼ばれ、通常、技術的または経済的な制約によりメイングリッドとの相互接続が不可能な遠隔地（遠隔地のコミュニティや遠隔地の工業地帯など）に存在します。^[要出典]

マイクログリッドは、グリッド接続モードとスタンドアロンモードで動作し、両者間の移行を処理することができます。グリッド接続モードでは、マイクログリッドとメイングリッド間の取引活動によって補助的なサービスを提供できます。他の収益源も考えられます。^[40]孤立モードでは、エネルギー貯蔵システムによって提供されるものを含む、マイクログリッド内で生成される有効電力と無効電力は、ローカル負荷の需要とバランスが取れている必要があります。マイクログリッドは、炭素排出量を削減する必要性と、再生可能エネルギー源が利用できない期間に信頼性の高い電力を継続的に提供することとのバランスをとるオプションを提供します。マイクログリッドはまた、大規模な資産や地上の電線、およびその他の電気インフラストラクチャを持たず、そのようなイベント後に保守または修理する必要があるため、厳しい天候や自然災害に対して堅牢であるという安全性を提供します。^{[41] [42]}

マイクログリッドは、定期メンテナンス、ホストグリッドの電力品質の低下または不足、ローカルグリッドの障害、または経済的な理由により、これら2つのモード間を移行する場合があります。^{[42] [43]}マイクログリッドコンポーネントを介したエネルギーフローを変更することにより、マイクログリッドは、国の配電システムの再設計を必要とせずに、太陽光発電、風力発電、燃料電池発電などの再生可能エネルギーの統合を促進します。^{[43] [44] [45]}最新の最適化手法をマイクログリッドエネルギー管理システムに組み込むことで、効率、経済性、回復力を向上させることもできます。^{[41] [46] [45] [47]}

マイクログリッド、および分散型エネルギー資源（DER）ユニットの統合は、一般的に、制御および保護システムの設計で対処する必要があるいくつかの運用上の課題をもたらします。これらの課題は、現在の信頼性レベルが大幅に影響を受けないようにし、分散型発電（DG）ユニットの潜在的な利点が十分に活用されるようにするために必要です。これらの課題の一部は、従来の配電システムに通常適用されていた仮定がもはや有効ではないことから生じており、他の課題は、以前は送電システムレベルでのみ観察されていた安定性の問題の結果です。^[42]マイクログリッドの保護と制御における最も重要な課題は次のとおりです。

• 双方向電力フロー：低電圧レベルのネットワーク内に分散型発​​電（DG）ユニットが存在すると、逆電力フローが発生し、保護調整、望ましくない電力フローパターン、故障電流分布、電圧制御の複雑さにつながる可能性があります。^[42]
• 安定性の問題：DGユニットの制御システム間の相互作用により局所的な振動が発生する可能性があり、徹底した小擾乱安定性解析が必要となる。さらに、マイクログリッドにおける系統接続モードと独立（スタンドアロン）モード間の遷移により、過渡的な不安定性が発生する可能性がある。^{[48] [42]}最近の研究では、直流（DC）マイクログリッドインターフェースにより、制御構造が大幅に簡素化され、エネルギー効率の高い配電と、同じライン定格での電流容量の向上が実現できることがわかっている。^{[49] [50]}
• モデリング：三相平衡条件、主に誘導送電線、定電力負荷の普及など、従来の方式の多くの特徴は、必ずしもマイクログリッドに当てはまるとは限らず、その結果、モデルを改訂する必要がある。^[42]
• 低慣性：マイクログリッドは低慣性特性を示し、多数の同期発電機が比較的大きな慣性を確保する大規模電力システムとは異なります。この現象は、マイクログリッド内にパワーエレクトロニクスインターフェース付きDGユニットがかなりの割合で存在する場合に顕著になります。システムの低慣性は、適切な制御メカニズムが実装されていない場合、アイランドモード動作で深刻な周波数偏差につながる可能性があります。^[42]同期発電機はグリッドと同じ周波数で動作するため、突然の周波数変動に対して自然な減衰効果をもたらします。同期インバータは、同期発電機を模倣​​して周波数制御を提供するインバータです。他のオプションには、バッテリーエネルギーストレージまたはフライホイールを制御して周波数のバランスをとることが含まれます。^[51]
• 不確実性：マイクログリッドの運用には多くの不確実性への対処が必要であり、これはマイクログリッドの経済的で信頼性の高い運用にかかっています。負荷プロファイルと天候は、この調整をより困難にする2つの不確実性です。孤立したマイクログリッドでは、重要な需要と供給のバランスと、通常はより高いコンポーネントの故障率により、長期間にわたって強く結合した問題を解決する必要があります。この不確実性は、負荷の数が少なく、利用可能なエネルギーリソースの相関性が高い変動（平均化効果ははるかに限られている）のため、大規模電力システムよりも高くなります。^[42]

マイクログリッドを適切に計画し設置するには、エンジニアリングモデリングが必要です。マイクログリッドの経済的および電気的影響をモデル化するためのシミュレーションツールと最適化ツールが複数存在します。広く使用されている経済的最適化ツールは、ローレンスバークレー国立研究所の分散型エネルギーリソース顧客採用モデル（DER-CAM）です。もう1つの無料ツールはSolar Alone Multi-objective Advisor（SAMA）です。これはオープンソースのマイクログリッド最適化ソフトウェアプログラムで、特定の負荷プロファイルと気象データに基づくメタヒューリスティックアルゴリズムを使用して、ハイブリッドエネルギーシステムのサイズを経済的に最適化するように設計されています（主に太陽光発電システムで稼働） 。 ^{[52] [53]もう1つは、}国立再生可能エネルギー研究所によって最初に開発されたHOMER（複数のエネルギーリソースのハイブリッド最適化モデル）です。マイクログリッド開発者向けの電力フローおよび電気設計ツールもいくつかあります。パシフィックノースウェスト国立研究所は公開されているGridLAB-Dツールを設計し、電力研究所（EPRI）はOpenDSSを設計しました。電気、冷房、暖房、プロセス熱需要のシミュレーションに使用できるヨーロッパのツールは、デンマークのオールボー大学のEnergyPLANです。オープンソースのグリッド計画ツールOnSSETは、集落の原型から始まる3層分析を使用してマイクログリッドを調査するために導入されています（ボリビアを使用したケーススタディ）。^[54]

マイクログリッド制御のアーキテクチャ、あるいは制御問題に関しては、集中型^{[41] [55]}と分散型^[56]の 2 つの異なるアプローチが存在します。完全集中型制御は、単一のポイントで決定が下される前に、関係するユニット間で大量の情報伝達を必要とします。相互接続された電力システムは通常、広範囲の地理的場所をカバーし、膨大な数のユニットが関係するため、実装は困難です。一方、完全分散型制御では、各ユニットは他のユニットの状況を知らずに、ローカル コントローラによって制御されます。^[57]これら 2 つの極端な制御方式の妥協点は、プライマリ、セカンダリ、およびターシャリの 3 つの制御レベルで構成される階層型制御方式^[58]によって実現できます。 ^{[41] [42] [59]}

プライマリ コントロールは、次の要件を満たすように設計されています。

• 電圧と周波数を安定させる
• DERにプラグアンドプレイ機能を提供し、通信リンクなしでDER間で有効電力と無効電力を適切に共有する
• パワーエレクトロニクス機器の過電流現象を引き起こす可能性のある循環電流を軽減する

一次制御は、DERの電圧および電流制御ループである下位コントローラの設定値を提供します。これらの内部制御ループは一般にゼロレベル制御と呼ばれます。^[60]

二次制御のサンプリング時間は通常数秒から数分（つまり、前のものより遅い）であり、一次制御ループと二次制御ループの分離ダイナミクスを正当化し、それぞれの設計を容易にします。一次制御の設定点は二次制御によって与えられます^[61]。二次制御は集中型コントローラとして、マイクログリッドの電圧と周波数を復元し、負荷や再生可能エネルギー源の変動によって引き起こされる偏差を補正します。二次制御は、重要なバスでの電圧バランスなど、電力品質要件を満たすように設計することもできます。 ^[60]

三次制御は最後の（そして最も遅い）制御レベルで、マイクログリッドの最適運用における経済的な懸念を考慮し（サンプリング時間は数分から数時間）、マイクログリッドとメイングリッド間の電力フローを管理します。 ^[60]このレベルでは、経済的な節約を実現する発電機ディスパッチ計画を設計するために、今後数時間または1日の天候、グリッド料金、負荷の予測が必要になることがよくあります。^{[45]より高度な技術では、}深層強化学習などの機械学習技術 を使用して、マイクログリッドのエンドツーエンドの制御を提供することもできます。^[62]

停電などの緊急事態が発生した場合、三次制御は相互接続されたマイクログリッドのグループを管理して「マイクログリッドクラスタリング」と呼ばれるものを形成し、重要な負荷への供給を継続するための仮想発電所として機能します。このような状況では、中央コントローラは、事前定義されたアルゴリズムとシステムの既存の条件（需要と発電）に従って、マイクログリッドの1つをスラック（つまりマスター）として選択し、残りをPVバスと負荷バスとして選択する必要があります。この場合、制御はリアルタイム、または少なくとも高いサンプリングレートで実行する必要があります。^[48]

電力会社の影響が少ないコントローラフレームワークとしては、電気電子学会のIEEE 2030.7があります。^[63]このコンセプトは、4つのブロックに基づいています。a)デバイスレベルの制御（電圧や周波数の制御など）、b)ローカルエリア制御（データ通信など）、c)監視（ソフトウェア）制御（発電や負荷リソースの将来を見据えたディスパッチの最適化など）、d)グリッドレイヤー（電力会社との通信など）。^[要出典]

多種多様な複雑な制御アルゴリズムが存在するため、小規模なマイクログリッドや住宅用分散型エネルギー資源（DER）のユーザーがエネルギー管理および制御システムを実装することは困難です。通信のアップグレードやデータ情報システムは高価になる可能性があります。一部のプロジェクトでは、市販の製品（ラズベリーパイなど）を使用して制御を簡素化し、費用を削減しようとしています。^{[64] [65]}

UNDPのプロジェクト「イエメンの農村レジリエンス強化」（ERRY）では、コミュニティ所有の太陽光発電マイクログリッドを使用しています。これにより、エネルギーコストが1時間あたりわずか2セントに削減されます（ディーゼル発電のコストは1時間あたり42セントです）。 2020年にはアシュデン人道エネルギー賞を受賞しました。 ^[66]

2020年春、Harmon'Yeuと呼ばれる2年間のパイロットプログラムが開始され、ケルピソ地区とその周辺地域の23軒の住宅を、Engieのソフトウェアを使用してスマートグリッドとして自動化されたマイクログリッドに接続しました。ピーク容量23.7kWのソーラーパネル64枚が5軒の家に設置され、蓄電容量15kWhのバッテリーが1軒の家に設置されました。6軒の家では、余剰の太陽エネルギーを給湯器に蓄えています。動的システムは、ソーラーパネルから供給され、バッテリーと給湯器に蓄えられたエネルギーを23軒の住宅のシステムに分配します。スマートグリッドソフトウェアは、5分間隔でエネルギーの供給と需要を動的に更新し、バッテリーからエネルギーを引き出すか、パネルから引き出すか、いつ給湯器に蓄えるかを決定します。このパイロットプログラムは、フランスで最初のプロジェクトでした。^{[67] [68]}

ハイチの農村部レザングレーに無線管理のマイクログリッドが導入されました。^[69]このシステムは、クラウドベースの監視および制御サービス、ローカルに組み込まれたゲートウェイインフラストラクチャ、および500以上の建物に配置された無線スマートメーターのメッシュネットワークを備えた3層アーキテクチャで構成されています。^[31]

非技術的損失（NTL）は、開発途上国で信頼性の高い電力サービスを提供する上で大きな課題であり、総発電容量の11～15％を占めることが多い。^[70]レ・ザングレーに配備された430世帯のマイクログリッドからの72日間の無線メーターデータに関する大規模なデータ駆動型シミュレーションでは、エネルギー盗難の検出に役立つように、NTLを総電力損失と区別する方法が調査された。^[71]

ムペケトニ電力プロジェクトは、コミュニティベースのディーゼル駆動マイクログリッドシステムであり、ケニアのムペケトニ近郊の農村部に設立されました。これらのマイクログリッドの設置により、ムペケトニのインフラは大幅に成長しました。この成長には、労働者一人当たりの生産性が100%から200%増加し、製品によっては所得レベルが20%から70%増加したことが含まれます。^[72]

カリフォルニア州ソノマにあるマイクロタービン、燃料電池、多重バッテリー、水素電解装置、太陽光発電を備えたワイナリー。^{[73] [74]}