新電力システムのための4つの主要スマートグリッド技術：配電網における革新

1. 新材料と設備の研究開発および資産管理

1.1 新材料と新部品の研究開発

さまざまな新材料は、新しいタイプの電力配分と消費システムにおけるエネルギー変換、電力伝送、運転制御の直接的な担い手であり、その運用効率、安全性、信頼性、およびシステムコストを直接決定します。例えば：

• 新たな導電性材料はエネルギー消費を減らし、エネルギー不足や環境汚染などの問題に対処することができます。

• スマートグリッドセンサーに応用される高度な電磁材料は、システム動作の信頼性を向上させます。

• 新たな絶縁材料と絶縁構造は、パワーエレクトロニクス機器の統合により引き起こされる一時的なパルス過電圧問題を解決できます。

• 第3世代半導体材料（ガリウムナイトライド（GaN）やシリコンカーバイド（SiC）を代表とする）に基づいて開発された次世代マイクロ波無線周波数デバイスとパワーエレクトロニクスデバイスは、通信および電子分野でのエネルギー節約と消費削減に技術的支援を提供することができます。

1.2 新型電力機器と電力消費施設の研究開発

具体的な新製品に関して、企業は特にソフトノーマルオープンスイッチギアを含む新しいパワーエレクトロニクス機器を開発しています。これらの装置は、接続されたフィーダー上の有効電力と無効電力フローを制御することにより、電力バランス、電圧改善、負荷移動、および故障電流制限などの機能を達成します。

エネルギーインターネットの波の中で、新技術を統合して「機能 + 監視 + 電子化 + 数字化 + 人工知能」を実現することで、企業は低レベルの模倣から高レベルの製造へ、単一の製品から包括的なソリューションへ、そして製造工場から革新的な施設へと進化することができます。これにより、低電圧電気機器の製造と革新が低炭素化、デジタル化、持続可能な発展に貢献します。

1.3 電力機器のライフサイクル全般の資産管理技術

新型の電力配分と消費システムには、様々な新型電力機器と電力消費装置が含まれており、電力配分機器のライフサイクル全般の管理と生態設計が非常に重要です。すべての機器の安全な運行を確保しながら経済性を達成することが必要です。

ライフサイクル全般の運用とメンテナンスは、調達需要段階、機器受入段階、生産・運行段階、廃棄段階をカバーします。資産管理においては、データ共有と最適化された管理を確保するための統合設計を行うべきです。「インターネット+」などの技術を統合して、管理範囲を拡大し、管理効率を向上させることが重要です。

2. 分散型発電とマイクログリッド技術

2.1 分散型新エネルギー発電技術

2.1.1 効率的で経済的な新エネルギー・再生可能エネルギー開発技術

新エネルギー開発技術の進歩により、一部の再生可能エネルギー源（風力や太陽光エネルギーなど）は高いレベルの応用に達しており、現在では電力配分システムにおいて主導的な位置を占めています。しかし、コストが低く効率が高い新しい材料と一体型太陽光パネル技術の開発は依然として重要です。

また、水素エネルギー、地熱エネルギー、バイオマスエネルギーなどの他のエネルギー源の開発もさらに推進する必要があります。具体的には、水素の生産・貯蔵・輸送技術、多段階地熱利用技術、バイオ燃料技術などが挙げられます。

さらに、集中型と分散型の新エネルギーの協調開発は、送電損失を減らし、新エネルギーの利用効率を向上させ、グリッドの新エネルギー吸収能力を強化し、社会的および経済的利益をより良く提供することができます。

2.2 分散型エネルギーの計画技術

分散型エネルギー所有の計画と最適化の鍵は、異なるエンティティ間の情報通信障壁と調整障壁を打破することにあります。

技術的な観点からは、計画段階で考慮すべき技術的な制約がより多くなります。これは、電圧レベル、短絡電流レベル、電力品質（ちらつき、高調波）などを含みます。

数学的な観点からは、多目的かつ多不確実性の組み合わせ最適化を含む計画方法は非常に複雑です。したがって、資源と運用を統合した多目的最適化計画が重要です。

さらに、注意すべき点は：分散型エネルギーを持つシステムのネットワーク分析と評価を行うこと、電力配分システムと通信ネットワークの統合と最適計画について研究すること、そして包括的な信頼性、リスク、および経済分析のモデルとシミュレーションツールを開発することです。

2.3 分散型新エネルギー発電の積極的な支援技術

分散型発電（DG）は、一定の範囲内で周波数と電圧を調整するだけでなく、周波数と電圧の急速な変化を抑制する必要があります。

現在、いくつかの学者が「慣性剛性補償器」を提案しており、システムが電力不足を経験する際にDGが瞬時に周波数と電圧のサポートを提供できるようにしています。DGの周波数慣性サポート能力は、電力ステップ変化中に提供される有効電力補償によって定量的に表現され、その後の並列接続基準の策定に基礎を提供します。

2.4 分散型新エネルギー発電の出力予測技術

分散型新エネルギー発電は、広範な空間分布、複雑な周辺微気象特性、建物や人的活動からの影響が大きく、出力予測が困難です。

現在の分散型新エネルギー発電の出力に関する研究は、主に天候予報と気候条件を使用して発電予測を行うことに焦点を当てており、自然条件が新エネルギー出力に与える影響に過度に重きを置いています。DGの空間分布特性と人間の社会活動に関連する要因については考慮されていません。

2.5 分散型新エネルギー発電のクラスタ制御技術

分散制御は、新エネルギー浸透率が高い電力配分システムにおけるDGの理想的なクラスタ制御方法です。

現在、分散型新エネルギー発電のクラスタ制御技術に関する研究はまだ初期段階です。関連する成果は主に単一の発電装置の制御に焦点を当てており、グリッド接続インバータを介してシステムに接続された複数の新エネルギー発電装置の協調制御戦略についてはほとんど考慮されていません。

未解決の主要な課題は以下の通りです：電力ステップ変化時の複数のインバータ間の非平衡電力分配のメカニズム、複数のインバータの多時間スケール制御戦略の相互作用メカニズム、そして電力配分線路の抵抗が無視できない場合、従来のドロップ制御（有効電力-周波数と無効電力-電圧特性曲線に基づく）がDGが一次周波数と電圧調整に参加するのを妨げることです。

2.6 分散型エネルギー貯蔵技術

電力の観点から見ると、新型電力配分システムの静的および動的問題は本質的に異なる時間スケールでの電力バランス問題です：

• 比較的長い時間スケールのピーク負荷期間では、発電側と負荷側の電力バランスの不一致がピーク-谷差などの静的問題を引き起こします。

• 比較的短い時間スケールの電力ステップ変化から一次周波数/電圧調整の開始までの間、パワーエレクトロニクス機器は同期発電機のロータ慣性を持たず、システムの電力バランスに対するサポートができず、結果としてシステムの安定性が低下し、電力品質が悪化します。

分散型エネルギー貯蔵技術は、異なる時間スケールでの電力バランスの不一致による静的および動的問題を解決するための実現可能な解決策を提供します。

2.6.1 エネルギー貯蔵のピークシェービングと周波数調整技術

分散型揚水貯蔵、フローバッテリー、リチウムイオンバッテリー、冷/熱貯蔵技術を代表とするエネルギー型エネルギー貯蔵は、負荷ピークの除去、ピークシェービングと谷埋め、変動の平滑化、充電ピラーとの連携による充電電力の影響軽減を通じて、電力配分設備の利用率を向上させることができます。

エネルギー貯蔵のピークシェービングと周波数調整技術は、エネルギー貯蔵システムに対して容量、応答速度、コスト、安全性、電力/エネルギー密度の高い要求を課します。単一のエネルギー貯蔵タイプだけではこれらの要求を満たすことはできませんので、総合的な利点を持つハイブリッドエネルギー貯蔵技術の研究が必要です。

2.6.2 安定性と電力品質向上技術

分散型エネルギー貯蔵技術は、新型電力配分システムの安定性と電力品質を向上させるための実現可能な解決策を提供します。

いくつかの学者は、エネルギー貯蔵システムとグリッド接続インバータ制御戦略を調整することで、DGがシステムに動的な安定性サポートを提供する方法を提案しています。パワーエレクトロニクス機器の大規模統合によりシステムの慣性が減少する中、グリッド接続インバータとエネルギー貯蔵を組み合わせることが、システムの動的安定性を強化する重要な手段となります。

また、スーパーキャパシターを代表とするパワー型エネルギー貯蔵は、高速応答能力を持っており、電力配分システムの電力品質向上に重要な役割を果たします。現在、大容量で安全かつ経済的なエネルギー貯蔵装置はまだ成熟しておらず、増加する負荷の大規模統合によるピークシェービングの需要を完全に満たすことができていません。

2.6.3 マイクログリッド技術

マイクログリッドレベルでの各種分散リソースの協調制御を考慮し、マイクログリッドを外部的には電圧/電流源として扱うことで、電力配分システムの周波数と電圧の安定制御の複雑さを減らすことができます。

マイクログリッドクラスターレベルでの電力相互支援とディスパッチ最適化を考慮することで、異なる地域での新エネルギーと負荷の相補的な特性を利用して、DG出力の変動やピーク-谷差などの経済的ディスパッチ問題に対処することができます。

2.6.4 新エネルギーマイクログリッドの周波数と電圧の動的安定性技術

比較的独立かつ自律的な領域である新エネルギーマイクログリッドは、電力配分システムと同様の動的安定性の問題に直面しています。

いくつかの学者は、電圧源仮想同期発電機（VSG）制御戦略を提案しています。VSGは、DGの動的な周波数と電圧サポート能力を改善する一般的な制御方法であり、その中心的な考え方は、グリッド接続インバータを制御して同期発電機の外部特性（有効電力-周波数と無効電力-電圧）をシミュレートすることです。

従来のVSG技術によってシミュレートされる同期発電機の仮想慣性とダンピングは一般的に固定されています。異なる種類の電力擾乱下では、固定された慣性パラメータはマイクログリッドの周波数動態制御の安定性と迅速性の要件を満たすことができません。

上記の考慮事項に基づいて、いくつかの学者は適応型仮想慣性制御技術を提案しています。また、他の学者は、従来のドロップ制御を改良し、二次周波数制御を従来のドロップ制御に組み込むことで、慣性とダンピング特性をシミュレートする汎用ドロップ制御技術を提案しています。

2.6.5 マイクログリッドクラスターのマクロ制御技術

マイクログリッドクラスターの運行と制御における主要な課題は、複数のマイクログリッドの一元的な調整と、電力相互支援と最適化運行の実現方法です。

いくつかの学者は、電力配分層、マイクログリッドクラスタ層、マイクログリッド層、ユニット層を含む四層制御構造をマイクログリッドクラスターのために提案しています。

マイクログリッドクラスタ層では、主従制御とピアツーピア制御の二つの主要な戦略が使用されます。

• 主従制御は、マイクログリッド間の高い通信を必要とし、電圧と周波数の制御において主制御ユニットに大きな圧力をかけます。

• ピアツーピア制御はこれらの欠点を克服します：各マイクログリッドユニットは事前に設定されたドロップ曲線に基づいて自律的なピアツーピア制御を行い、通信や上位制御を必要としません。

いくつかの学者は、ACマイクログリッドとDCマイクログリッドからなるハイブリッドマイクログリッドクラスターの制御戦略を提案しています。この戦略は、ACマイクログリッドの有効電力-周波数特性とDCマイクログリッドの有効電力-電圧特性を標準化し、統一された制御スケールを得ることで、ハイブリッドマイクログリッドクラスターのピアツーピア制御を可能にします。

マイクログリッドクラスターのリアルタイムディスパッチ最適化の課題に対処するために、いくつかの学者は分散構造下での部分的に観測可能なマルコフ決定過程（POMDP）に基づくマイクログリッドクラスターの協調最適化のモデリング方法を提案しています。この方法は、弱い通信条件下でも部分的に観測された情報を基に最適化モデリングを行い、ラグランジュ乗数を使用して目的関数を解離することで解の複雑さを低減します。この研究は、複雑な変数とピアツーピア制御を持つマイクログリッドクラスターのリアルタイムディスパッチ最適化を実現する上で重要な指導を提供します。

3. 電源-負荷相互作用技術

柔軟な負荷利用と負荷管理技術

柔軟な負荷利用は、将来のスマートエネルギー利用とエネルギー節約の発展の重要な環であり、省エネルギー社会の発展に貢献します。

柔軟な負荷調整技術の研究には以下が含まれます：

• 負荷の特性に基づいて柔軟な負荷を分類およびモデリングし、負荷弾性の潜在能力を十分に引き出す。

• 柔軟な負荷メカニズムを積極的に改善し、デモンストレーションプロジェクトの建設を進めます。

• ユーザー行動の差別化分析を行い、調整精度を向上させるためにインテリジェント技術を利用します。

効果的な負荷管理は、新エネルギーの不安定性と負荷側の不確定性により引き起こされる新エネルギーシステムの供給-需要の不均衡を緩和することができます。現在、電力負荷管理技術には、電気料金管理、電力損失管理、盗電解析、データ共有などの機能があります。

データ駆動技術、仮想発電所、5G通信の発展とともに、電力負荷管理システムは負荷データ予測、負荷調整制御技術、管理効果において大幅に強化されます。これにより、各種構成要素（分散型発電、電気自動車、エネルギー貯蔵システムなど）の協調運行が強くサポートされ、資源の合理的な利用が改善されます。

3.1 電源-負荷の不確定性を考慮した潮流計算方法

潮流計算は、電力配分システムの計画とディスパッチ運行の重要な基礎です。

現在、一部の学者は、太陽光発電と風力発電の出力の不確定性を考慮した潮流計算方法を提案しています。また、他の学者は、負荷の不確定性とピークシェービング需要に対する負荷反応の不確定性を考慮した潮流計算方法を提案しています。

全体的に見て、既存の研究は電源-負荷相互作用の様々なリンクの不確定性を広範に考慮し、個別の不確定性に対する潮流計算方法を提案しています。しかし、複数の不確定性とそれらの結合効果の統合分析が不足しており、複雑な新型電力配分システムにおける潮流計算の正確性が制限されています。

3.2 電源-負荷相互作用モード下の電力配分システムの多目的最適ディスパッチ技術

電源-負荷相互作用モード下では、ディスパッチ決定がシステム運行の安全性と信頼性に大きく影響します。

現在、一部の学者は、2次錐最適化と粒子群最適化アルゴリズムを使用して多目的潮流最適化ソリューションを提案しています。これらのソリューションは、潜在的な最適解の多次元評価にパレート最適解セットを使用し、ディスパッチ担当者により柔軟な意思決定オプションを提供し、電源-負荷相互作用モード下での安全、安定、経済的なディスパッチの実現を容易にします。

3.3 電力市場環境における経済運営技術

様々なインセンティブ方法を通じて複数のエンティティが電力市場取引に参加することを促進することは、電源-負荷相互作用を促進する重要な手段です。具体的な技術形態には、需要応答（DR）と仮想発電所（VPP）があります。

現在、関連する研究は、価格インセンティブメカニズムを使用してユーザーの参加意欲を刺激することに焦点を当てています。システム内の調整可能なリソースを完全に引き出し、動員するため、一部の学者は以下のような研究を行っています：電源-グリッド-負荷の全体的な状況認識、応答能力のリアルタイム定量評価、グループから個々への応答戦略の実施、電源-グリッド-負荷の協調制御技術、負荷の多時間スケール特性。この研究は、需要応答に基づくシステム動態電力バランス技術の開発にアイデアを提供します。

電源-負荷相互作用の研究は主に以下の2つの側面に焦点を当てています：潮流分析と最適化技術、市場誘導メカニズム。

潮流分析と最適化技術に関して、既存の技術は電力配分システムにおける電源-負荷集約によって引き起こされる空間-時間の結合特性と温度相関特性を無視しており、新型電力配分システムの潮流制御精度を改善し、短期間スケールでのピーク-谷差の平滑化を達成するのが難しいです。

市場誘導メカニズムに関して、負荷応答の必然的な時間遅延を考えると、需要応答だけで電力配分システムのピーク-谷差問題を完全に解決することはできません。深層的な柔軟な負荷制御技術を統合して、負荷エネルギー消費曲線が新エネルギー生成曲線をリアルタイムで追跡できるようにすることで、リアルタイムの電源-負荷バランスを達成し、根本的にピーク-谷差問題を解決し、電力配分設備の利用率を向上させることができます。

4. DC電力配分技術

現在、DC電力配分技術に関する研究は主に以下の方面に焦点を当てています：

4.1 電圧系列と標準化

現在、DC電力配分電圧レベル系列に関する統一的な国際標準はありません。

国内外の学者は、供給能力、投資コスト、DC機器製造レベル、電力品質要求、電力配分経済性、および各種典型的な電力配分シナリオの負荷需要特性などの要因に基づいて、様々なDC電圧レベル系列選択スキームを提案しています。

中国は2017年12月にGB/T 35727—2017 中低圧直流電力配分電圧ガイドラインを発行しました。現在、関連標準は主に中低圧公共DC電力配分システムの電圧レベル計画に焦点を当てており、通信システム、ビル電力供給、船舶電力供給、都市鉄道などの特定のシナリオでのDC電圧レベル系列計画に関する詳細な標準が不足しています。

4.2 DC電力配分システムの故障保護技術