マイクログリッド

キャンパスマイクログリッドの焦点は、所有者が容易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ために、既存のオンサイト発電を集約することである。^{[ 21 ] [ 22 ]}

コミュニティマイクログリッドは、数千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）の普及を支援することができます。^{[ 23 ]}コミュニティマイクログリッドでは、一部の住宅に再生可能エネルギー源があり、同じコミュニティ内の近隣住民の需要だけでなく、自身の需要も満たすことができます。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、双方向電力変換器を介して結合された交流および直流マイクログリッドの形式をとることができます。^{[ 24 ]}

これらのマイクログリッドは、一般的にマクログリッドへの接続を意図して設計されておらず、経済的な問題や地理的な位置のために常に独立モードで運用されます。通常、「オフグリッド」マイクログリッドは、送配電インフラから遠く離れた地域に構築されるため、電力会社のグリッドに接続されていません。^{[ 21 ] [ 25 ]}研究によると、再生可能エネルギー源が大部分を占める遠隔地や島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にわたって均等化発電コストが削減されることが実証されています。 ^{[ 26 ] [ 27 ]}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、そのプロセスには技術的、規制的、法的計画が必要です。^{[ 28 ]}

広大な遠隔地には、それぞれ異なる所有者（運用者）を持つ複数の独立したマイクログリッドが供給される場合があります。このようなマイクログリッドは従来、エネルギー自給自足となるように設計されていましたが、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ります。エネルギー貯蔵とスマート制御がない場合、マイクログリッドで許容できない電圧または周波数の変動が直ちに発生します。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一時的に相互接続して電力を交換し、電圧と周波数の変動を改善することが可能です。 ^{[ 29 ] [ 30 ]}これは、適切な同期^{[ 33 ]の後、または2つの電力変換器[ 34 ]}をバックツーバック接続し、新しいシステムの安定性を確認した後に、パワーエレクトロニクスベースのスイッチ^{[ 31 ] [ 32 ]}によって実現できます。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、接続するのに適したマイクログリッドを見つけることは、最適化^{[ 35 ]}または意思決定^{[ 36 ]}アプローチによって達成できます。

遠隔地のオフグリッドマイクログリッドは、多くの場合小規模でゼロから構築されるため、世界の電力セクターのベストプラクティスを取り入れ、エネルギー革新を取り入れて推進する可能性を秘めています。^{[ 37 ]}現在では、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制御で運用されることが一般的になっていますが、これは既存の利害関係や古い既存のインフラストラクチャのために、大規模な電力セクターでは必ずしも容易に実現できるものではありません。^{[ 38 ] [ 39 ]}

これらのマイクログリッドは、マクログリッドに頼らずに信頼性の高い電力を確保するために、軍事施設の物理的およびサイバーセキュリティの両方に重点を置いて積極的に展開されています。^{[ 21 ] [ 40 ]}

これらのタイプのマイクログリッドは北米と東アジアで急速に成熟していますが、これらの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ことが、世界的にその普及を制限しています。産業用マイクログリッドを設置する主な理由は、電力供給の安全性と信頼性です。電力供給の中断が大きな収益損失と長い起動時間を引き起こす可能性のある製造プロセスは数多くあります。^{[ 21 ] [ 25 ]}産業用マイクログリッドは、循環型経済の（ほぼ）ゼロエミッションの産業プロセスに電力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）発電を統合できます。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できます。^{[ 41 ]}マイクログリッドは、回復力または経済的な理由から、大量の発電能力を持つ大規模な商業小売業者によって支えられることもあります。^{[ 42 ]}

交流出力電源は、AC/ACコンバータを介して交流バスに接続されます。AC/ACコンバータは、可変周波数と電圧の交流を、別の周波数と電圧の交流波形に変換します。一方、直流出力電源は、交流バスへの接続にDC/ACコンバータを使用します。

DCマイクログリッド構成では、DC出力電源はDCバスに直接接続されるか、DC/DCコンバータを介して接続されます。一方、AC出力電源はAC/DCコンバータを介してDCバスに接続されます。

このハイブリッドマイクログリッドは、交流電源と直流出力の両方に対応したトポロジーを備えています。さらに、交流バスと直流バスは双方向コンバータを介して接続されており、両バス間で電力が双方向に流れるようになっています。

マイクログリッドは、ユーザーに電力、暖房、冷房を供給するさまざまな種類の発電源を備えています。これらの発電源には、天然ガス、バイオガス、水素などの気体燃料（通常は熱電併給（CHP）または冷暖房併給（CCHP）構成のガスエンジンとして）や、風力タービンや太陽光発電ユニットなどの間欠的な再生可能エネルギー発電源が含まれます。^{[ 44 ]}

マイクログリッドにおいて、消費とは、電力、熱、冷気を消費する要素を指し、個々の機器から建物や商業施設などの照明・暖房システムまで多岐にわたります。制御可能な負荷の場合、電力消費量はネットワークの需要に応じて調整できます。

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、複数の機能を果たします。エネルギー貯蔵は、化学、電気、圧力、重力、フライホイール、熱貯蔵技術の組み合わせによって実現できます。マイクログリッドにさまざまな容量の複数のエネルギー貯蔵装置がある場合、容量の小さいエネルギー貯蔵装置が容量の大きい装置よりも速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、容量の小さい貯蔵装置が容量の大きい装置よりも先に完全に充電されないようにすることが望ましいです。これは、エネルギー貯蔵装置の充電状態に基づいて協調制御を行うことで実現できます。^{[ 45 ]} 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あり）が使用され、それらが単一の監視ユニット（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、特に独立モードで最適な動作が保証されます。^{[ 41 ]}

これは、マイクログリッドが主系統に接続される電気回路上のポイントです。^{[ 46 ]} PCCを持たないマイクログリッドは、独立型マイクログリッドと呼ばれ、通常は技術的または経済的な制約により主系統との相互接続が不可能な遠隔地（例えば、遠隔地のコミュニティや遠隔地の工業地帯）に存在します。

マイクログリッドは、系統連系モードと独立モードで動作し、両者の移行を処理することができます。系統連系モードでは、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サービスを提供できます。他の収益源も存在します。^{[ 47 ]}独立モードでは、エネルギー貯蔵システムによって提供されるものを含め、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、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供給し続けることと、炭素排出量を削減する必要性とのバランスを取るオプションを提供します。マイクログリッドはまた、大規模な資産や何マイルにも及ぶ地上電線やその他の電気インフラがないため、悪天候や自然災害に対する耐性があり、そのような事象の後に維持または修理する必要がないという安全性も提供します。^{[ 48 ] [ 49 ]}

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。^{[ 49 ] [ 50 ]}マイクログリッドは、マイクログリッドコンポーネントを介したエネルギーの流れを変更することにより、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容易にします。^{[ 50 ] [ 51 ] [ 52 ]}最新の最適化手法をマイクログリッドのエネルギー管理システムに組み込むことで、効率、経済性、および回復力を向上させることもできます。^{[ 48 ] [ 53 ] [ 52 ] [ 54 ]}

マイクログリッド、および分散型エネルギー資源（DER）ユニットの統合全般は、制御および保護システムの設計において対処する必要のある多くの運用上の課題をもたらします。これは、現在の信頼性レベルが著しく影響を受けず、分散型発電（DG）ユニットの潜在的な利点が最大限に活用されるようにするためです。これらの課題の中には、従来型の配電システムに一般的に適用されていたものの、もはや有効ではない仮定に起因するものもあれば、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に起因するものもあります。^{[ 49 ]}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には、次のものが含まれます。

• 双方向電力潮流：低電圧レベルのネットワークに分散型発​​電（DG）ユニットが存在すると、逆方向の電力潮流が発生し、保護協調の複雑化、望ましくない電力潮流パターン、故障電流分布、電圧制御につながる可能性があります。^{[ 49 ]}
• 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、徹底的な小擾乱安定性解析が必要です。さらに、マイクログリッドにおける系統連系モードと独立運転モード間の遷移活動により、一時的な不安定性が発生する可能性があります。[ ^{55 ] [ 49 ]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、同じライン定格で、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より高い電流容量が得られることが示されています。^{[ 56 ] [ 57 ]}
• モデリング：三相平衡状態の普及、主に誘導性送電線、定電力負荷など、従来の方式の多くの特徴は、マイクログリッドには必ずしも当てはまらないため、モデルを改訂する必要がある。^{[ 49 ]}
• 低慣性：マイクログリッドは低慣性特性を示し、多数の同期発電機によって比較的大きな慣性が確保される大規模電力システムとは異なります。この現象は、マイクログリッドに電力電子インターフェースを備えた分散型電源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、アイランドモード運転時に深刻な周波数偏差を引き起こす可能性があります。^{[ 49 ]}同期発電機はグリッドと同じ周波数で動作するため、急激な周波数変動に対して自然な減衰効果を提供します。シンクロバータは、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。その他のオプションには、バッテリーエネルギー貯蔵またはフライホイールを制御して周波数をバランスさせる方法があります。^{[ 58 ]}
• 不確実性：マイクログリッドの運用には多くの不確実性に対処する必要があり、これはマイクログリッドの経済的かつ信頼性の高い運用に不可欠な要素です。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つの不確実性であり、独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一般的に高いコンポーネント故障率により、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。負荷の数が少なく、利用可能なエネルギー資源の変動が非常に相関しているため（平均化効果がはるかに限定的であるため）、この不確実性は大規模電力システムよりも高くなっています。^{[ 49 ]}

マイクログリッドを正しく計画および設置するには、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な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。包括的な商用プラットフォームは、2021年にエジソン金賞を受賞したXENDEE ^{[ 59 ]}で、米国国防総省の標準プラットフォームです。^{[ 60 ]}広く使用されている経済最適化ツールは、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、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（主に太陽光発電システムで駆動）のサイズを経済的に最適化するように設計された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あるSolar Alone Multi-objective Advisor （SAMA ）です。^{[ 61 ] [ 62 ]}もう1つは、国立再生可能エネルギー研究所によって開発されたHOMER（Hybrid Optimization Model for Multiple Energy Resources）です。マイクログリッド開発者を支援する電力潮流および電気設計ツールもいくつかあります。太平洋岸北西部国立研究所は、一般公開されている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である。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段階分析を使用してマイクログリッドを調査するために展開されている（ボリビアを使用してケーススタディを実施）。^{[ 63 ]}

主制御装置は、以下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
• 分散型エネルギー資源（DER）にプラグアンドプレイ機能を提供し、通信リンクなしで有効電力と無効電力を適切に共有することが望ましい。
• 電力電子機器における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ため

主制御は、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、一般的にゼロレベル制御と呼ばれます。^{[ 70 ]}

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、前の制御よりも遅い）であり、これにより一次制御ループと二次制御ループのダイナミクスが分離され、それぞれの設計が容易になります。一次制御の目標値は二次制御によって与えられます^{[ 71 ]。}二次制御は集中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償します。二次制御は、例えば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。 ^{[ 70 ]}

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な運用における経済的懸念を考慮し（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の流れを管理します。^{[ 70 ]}このレベルでは、経済的な節約を実現する発電機のディスパッチ計画を設計するために、次の数時間または1日の天気、グリッド料金、負荷を予測することがよくあります。^{[ 52 ]}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制御を提供することもできます。^{[ 72 ]}

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、仮想発電所として機能して重要な負荷への電力供給を継続することができます。このような状況では、中央コントローラは、事前に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であるか、少なくとも高いサンプリングレートで行う必要があります。^{[ 55 ]}

電力会社の影響が少ない制御フレームワークとしては、電気電子学会（IEEE）のIEEE 2030.7がある。^{[ 73 ]}この概念は、a) デバイスレベルの制御（電圧や周波数の制御など）、b) ローカルエリアの制御（データ通信など）、c) 監視（ソフトウェア）制御（発電および負荷リソースの将来を見据えたディスパッチ最適化など）、d) グリッド層（電力会社との通信など）の4つのブロックに基づいている。

複雑な制御アルゴリズムが多種多様に存在するため、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）の利用者がエネルギー管理および制御システムを実装するのは困難です。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（例えば、Raspberry Pi の使用）を使用して制御を簡素化し、コストを削減しようとしています。^{[ 74 ] [ 75 ]}

カリフォルニア州ナパ郡カリストガの約5,000人に電力を供給するゼロエミッションマイクログリッド。[ 76 ^{]配電レベル}のマイクログリッドインフラは、電力会社であるパシフィック・ガス・アンド・エレクトリック社が所有し、カリストガ・レジリエンス・センター施設から電力を供給されている。^{[ 77 ]}この施設は、リチウムイオン電池エネルギー貯蔵システム（BESS）とオンサイトの液体水素および水素燃料電池を組み合わせ、カリストガに最大48時間電力を供給する、初の商業規模のプロジェクトである。 ^{[ 76 ]}

UNDPのプロジェクト「イエメンの農村部のレジリエンス強化」（ERRY）は、コミュニティ所有の太陽光マイクログリッドを使用しています。これにより、エネルギーコストは1時間あたりわずか2セントに削減されます（ディーゼル発電による電力は1時間あたり42セント）。2020年には、人道エネルギーに関するアシュデン賞を受賞しました。 ^{[ 78 ]}

2020年春に、ケル・ピソ地区とその周辺地域の23軒の住宅をマイクログリッドで相互接続する2年間のパイロットプログラム「Harmon'Yeu」が開始されました。このマイクログリッドは、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ています。5軒の住宅には最大容量23.7kWの太陽光パネル64枚が設置され、1軒の住宅には蓄電容量15kWhのバッテリーが設置されました。6軒の住宅では、余剰の太陽エネルギーを温水器に蓄えています。動的なシステムが、太陽光パネルから供給され、バッテリーと温水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、また温水器に蓄えるタイミングを決定します。このパイロットプログラムは、フランスで初めてのプロジェクトでした。^{[ 79 ] [ 80 ]}  

ハイチのレ・ザングレの農村部では、無線で管理されるマイクログリッドが導入されている。^{[ 81 ]}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、ローカル組み込みゲートウェイインフラストラクチャ、500以上の建物に展開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る。^{[ 37 ]}

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際に大きな課題となっており、総発電容量の11～15%を占めることが多い。^{[ 82 ]}レ・ザングレに展開された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基づく大規模なデータ駆動型シミュレーションでは、エネルギー窃盗の検出に役立つNTLを総電力損失から区別する方法が調査された。^{[ 83 ]}

ムペケトニ電力プロジェクトは、ケニアのムペケトニ近郊の農村部に設置された、コミュニティベースのディーゼル発電式マイクログリッドシステムです。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きく成長しました。このような成長には、労働者一人当たりの生産性が100%から200%向上し、製品に応じて所得水準が20%から70%上昇することが含まれます。^{[ 84 ]}

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、マルチバッテリー、水素電解装置、太陽光発電設備を備えたワイナリー。^{[ 85 ] [ 86 ]}

アリゾナ州レイクハバス近郊では、異常気象、老朽化し​​たインフラによる停電、主要送電網からの距離などにより、チェメフエビ族のコミュニティが危険にさらされている。そのリスクを軽減するため、部族のコミュニティセンターにマイクログリッドシステムが構築され、太陽光パネル、蓄電池、スマートエネルギー管理制御、高度なデータ分析が気象観測所と連携して統合されている。^{[ 87 ]}