マイクログリッドにおける効果的な再生可能エネルギー管理

したがって、再生可能エネルギー源は化石燃料の代替として考えられており、前述の問題を克服する可能性を秘めています。太陽光、風力、水力などのエネルギー源は自然界に豊富かつ循環的に存在するため、ここではエネルギー源の枯渇は問題になりません。これらの資源は有害な副産物を生成せず、より環境に優しくクリーンなエネルギーです。多くの国がこれらの代替エネルギー源の導入を開始しており、今後10年間で総エネルギー需要の約40パーセント、あるいは半分をこれらのエネルギー源で賄うことを目標としています。

このような利点があるにもかかわらず、再生可能エネルギーは増大するエネルギー需要を満たすほど急速に成長していません。現状では、炭素排出量実質ゼロの実現には程遠く、各国はエネルギー安全保障のために石炭と天然ガスを使い続けざるを得ない状況となっている。このような成長の遅れの背後にある問題のほとんどは、マイクログリッドを使用することで対処できます。これについては、この記事でさらに詳しく説明します。

再生可能エネルギーを扱う際のマイクログリッドの役割

再生可能エネルギー源にはさまざまな種類があり、それがその成長が遅い主な理由です。これらの電源はすべて、提供する電力出力の種類が異なり、それによって電源間で断続性と変動性が生じます。これにより、エネルギーの供給と需要の間に大きな不一致が生じますが、これはミニグリッドやマイクログリッドを使用することで解決できます。再生可能エネルギー源は断続的な性質を持つため、マイクログリッドは通常、信頼性を確保するためにメイングリッドに接続され、ハイブリッド システムになります。島や遠隔地にあるオフグリッドシステムの場合、電力供給の信頼性を確保するために複数の再生可能エネルギー源が使用されます。たとえば、 太陽エネルギー は昼間しか利用できないため、夜間のエネルギー需要を満たすことができる水力または風力ベースのエネルギー源が必要になります。

複数の再生可能エネルギー源を単一のシステムに導入することで、源から負荷への電力の流れを効果的に制御することができ、特にメイングリッドが拘束されている場合には課題となります。したがって、生成された電力が失われないようにするために、さまざまなエネルギー管理戦略が採用されています。最適なシステムは、バッテリーストレージやディーゼル発電機などのバックアップシステムと併せてハイブリッド再生可能システムを使用することです。エネルギー貯蔵システム は、負荷が軽い場合に発生する余剰エネルギーを貯蔵するのにも役立ちます。

（画像提供：ウェンボ・シー、カリフォルニア大学ロサンゼルス校）

マイクログリッドにおけるエネルギー管理戦略

上で説明したように、最適なエネルギー管理戦略を持つことは、システムの信頼性を高めるのに役立ちます。これらの戦略は、センサー入力と高度な情報技術に基づいており、最適なリソース スケジューリングを提供します。これらの技術は、電力出力と寿命を最大化し、運用コストと環境コストを最小限に抑えることを目指しています。

集中管理戦略

名前が示すように、集中制御は、各再生可能エネルギー源で生成された電力、気象データなどのすべての情報を取得するマスターまたは中央コントローラーで構成されます。最適な制御パラメータを送信することで、各エネルギー源ユニットの電力電子インターフェイスを管理する役割を担います。これは、定常状態で有効電力と無効電力のバランスをとるのに役立ちます。中央コントローラは、各ユーザーのエネルギー消費パターンを分析して、最適なリソース スケジューリングを実行することもできます。

中央コントローラと分散型エネルギー源内のすべてのローカルコントローラの間で通信リンクを確立する必要があります。また、単一障害点の可能性があるため、このシステムの大きな欠点にもなります。マスター コントローラーがオフラインになった場合、ローカル コントローラー間の通信がなくなり、システム全体が危険にさらされます。

分散制御戦略

集中制御戦略とは対照的に、分散制御におけるローカル コントローラーは独立して決定を下す能力を持ちます。各ローカル コントローラは最適な設定を提案し、その構成をマスター コントローラに送信します。マスター コントローラは最適なリソース スケジューリングを評価し、それをローカル コントローラに送り返します。この操作パラメータの交渉プロセスは、グローバル目標とローカル目標が達成されるまで継続されます。

したがって、マスター コントローラーに障害が発生した場合でも、集中型アプローチと比較して、システム全体のパフォーマンスはそれほど大きな影響を受けません。これによりシステムの信頼性が向上します。この戦略がもたらすもう1つの利点は、システムの柔軟性が向上することです。ここでは、中央コントローラに通知せずにローカル コントローラを追加または削除できます。ここでの唯一の欠点は、ローカル コントローラー間で直接通信が行われないため、システムのスケーラビリティが制限されることです。

階層的制御戦略

階層型制御は、集中型制御と分散型制御を組み合わせたものです。ここでは、ローカル コントローラーがグループに分割され、各グループには独自の中央コントローラーがあります。これらの中央コントローラは相互に通信して、 マイクログリッド。ここでの利点は、ローカル コントローラー間の通信速度が非常に速く、大規模な環境ではよりスケーラブルかつ堅牢であることです。

制御面では、この戦略は、一次、二次、三次の3つのレベルの制御を活用し、3つの制御ループを実装することでシステムの信頼性を高めます。プライマリ制御ループは電圧制御を担当し、エネルギー源のプラグアンドプレイ機能を提供します。二次ループは一次ループによって生じた電圧偏差を補正します。三次ループは、存在する場合と存在しない場合がありますが、経済的なエネルギー最適化と、メイングリッドが存在する場合の電力フロー制御を担当します。

マイクログリッドにおける効果的な再生可能エネルギー管理

負荷供給の継続性を保証し、エネルギー生産コストを下げるために、エネルギー管理戦略とエネルギー最適化技術がハイブリッド再生可能システムで一般的に使用されています。これらの戦略は、使用されているマイクログリッドの種類に応じて、集中型または分散型のいずれかになります。さらに、将来的には、モノのインターネット (IoT) に基づくテクノロジーを使用して、分散型エネルギー システムにおけるデータ処理の問題を解決することができます。

実用的なマイクログリッドを構築するには、高バンドギャップ (SiC) と広バンドギャップ (GaN) をベースにした半導体を組み込むことが効率的なシステムを実現する鍵となります。インバーターの開発を計画している場合は、 Semikron Semisel などのメーカーのシミュレーション ツールが、コンポーネントのパラメーターを決定するのに役立ちます。これらのパラメータを Arrow製品検索 ページに入力すると、アプリケーションに最適な製品（たとえば、SemikronのIGBT SKM450GB12T4 ）を選択できます。絶縁銅ベースプレートを備えた第4世代高速トレンチIGBTです。同様に、 アナログ デバイス、 MXP半導体、 インフィニオン テクノロジーズ などの他のメーカーの同様の製品も入手可能です。