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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 utilizestwo-way communication and controltechnologies, distributed computingand associated sensors, includingequipment installed on the premises ofnetwork users *

* network users：発電事業者と需要家の双方を含む

Note: smart grids are intended toincrease the quality of the electricitysupply by providing functions suchas:network automationpower quality managementdistributed generation managementdemand responsesmart meteringpreventive maintenanceoutage managementenergy 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

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(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

電力・情報ネットワーク

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

FlexibleAccessibleReliableEconomical

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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

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(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

8

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

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Grid-Friendly Appliance プロジェクト

冷蔵庫 電気温水器洗濯機 エアコン乾燥機

Grid Friendly™ Appliance Field Demonstration より

周波数f

負荷需要量変化分K

w

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…..

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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H2

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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

RatedCapacity

RatedCut-in Cut-off

Wind Velocity [m/s]

Wind PowerOutput [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

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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

Evap

orat

or

Valve

Condenser

ThermalEnergy

ThermalEnergy

HP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

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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

MW

]

w/o HPHP (b)

50.2

50.3

z]

w/o HPHP (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 35003900

4000

4100

4200

4300

Time [s]

Ther

mal

Out

put [

M

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 350049.8

49.9

50

50.1

Time [s]

Freq

uenc

y [H

z

Frequency 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

BES

S O

utpu

t [M

W]

w/o HPHP (b)

1300

1350

1400

1450

1500

1550

ump

Con

sum

ptio

n [M

W]

Frequency Thermal Power Plant Output

BESS

1

HPW 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 35001200

1250

1300

Time [s]

Hea

t Pu

w/o HPHP (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

0 060.070.08

atio

n without HP Controlwith 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

0 010.020.030.040.050.06

ency

Flu

ctua

x rm

s[H

z]

with HP Control (b)with HP Control (c)

1000

1200

1400

1600

Out

put [

MW

]

8000

8050

8100

8150

oad

[MW

]

00.01

0 100 200 300 400Freq

ue

BESS Capacity [MW]0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500400

600

800

Time [s]

Win

d O

Wind Power Generation

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 35007850

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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ICT技術を活用した日本型先進「スマートグリッド」

・配電系統、需要家の各種電気量のセンシング

・分散形電源の出力制御

・様々な需要家、配電系統を含めたネットワーク全体の系統制御、需給制御

による究極の系統安定運用技術

・メータリング（自動検針）、DSM

・HEMS、ＢＥＭＳ

・ネットワーク全体のエネルギー利用効率向上

・各種情報サービス

今後の方向性

計画的、段階的な取り組み国際標準化の動きへの素早い対応

（ＩＥＣ）