2021年5月27日

ARPA-E: 柔軟な負荷とDERの分散グリッド制御

読了時間| 4分

太陽光発電システム、蓄電池、燃料電池といった分散型エネルギー資源（DER）の導入拡大に伴い、電力網における効率的な協調制御の必要性が高まっています。イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校（UIUC）の研究者たちは、Typhoon HILおよびミズーリS&Tと共同で、Typhoon HILマイクログリッドテストベッドを用いた分散制御アーキテクチャの開発と試験を行い、この課題に取り組んでいます。この革新的なアプローチは、周波数調整サービスのレジリエンス（回復力）とスケーラビリティを大幅に向上させることが期待されます。この画期的なプロジェクトの詳細については、ブログをご覧ください。

導入

分散型エネルギーリソース (DER)、つまり太陽光発電 (PV) システム、バッテリーエネルギー貯蔵システム (BESS)、風力発電機、燃料電池などの導入が進むにつれ、電力網内でこれらの資産を効果的に調整および制御する必要性が高まっています。

以前の ARPA-E ネットワーク最適化分散エネルギーシステム (NODES) プログラムの資金援助を受けて、イリノイ大学アーバナシャンペーン校 (UIUC) の研究者は、周波数調整を提供するためにマイクログリッド内の DER の分散制御と調整を行うアーキテクチャを開発しました (下の図 1)。

ヒーロー2 — **図 1.** ARPA-E ノードは DER の分散制御と調整を実現します。

プロジェクトの目標

Typhoon HILおよびミズーリ科学技術大学（MS&T）との協力による現在のARPA-E NODESプロジェクトの目標は、分散意思決定に使用される制御アルゴリズムを緊密に統合することにより、分散制御アーキテクチャのリスクをさらに低減することです。そして、それらをTyphoon HILコントローラーハードウェアインザループ（C-HIL）マイクログリッドテストベッドに実装します。

イリノイ大学グレンジャー工学部のリサーチエンジニアであるOlaolu Ajala氏が、Typhoon HIL マイクログリッドテストベッドを使用して、この分散型マイクログリッドコントローラーアーキテクチャがどのように機能するかを説明します (下記)。

C-HIL テストベッド| サイバーレイヤー

C-HIL マイクログリッドテストベッドは、DER（屋上太陽光発電ユニット 2 台、燃料電池ユニット 1 台、バッテリーストレージユニット 1 台）の調整に使用されるサイバーレイヤーと物理レイヤーで構成されています。

サイバーレイヤーコントローラーは、分散制御アルゴリズムを実行して制御アクションに関する合意に達し、PJM 調整市場によって提供される周波数調整補助サービスを提供します。

ARPAe_092520_update_Page_5_Image_0001 — **図 2.**サイバー層と物理層の設定のグラフィカルな表現。

サイバー層（上図2）は、通信ネットワークを介して相互接続されたアグリゲータと制御デバイスで構成されています。サイバー層の各制御デバイスは、物理層のDERに接続され、これを制御します。サイバー層は、コンピュータ、マイクロコントローラ、Xbeeベースの無線通信ネットワークといったデバイスを使用してハードウェアで実装されています。各制御デバイスは、ModBus TCP通信プロトコルを使用して、Cat6ケーブルを介してマイクログリッド内のDERに接続されます（下図3）。

サイバーレイヤーコントローラー — **図 3.** Xbee ベースの無線通信ネットワークを備えたサイバーレベルコントローラのコンポーネント。

サイバーレイヤーは、次の 3 つの主要なタスクを実行します。

マイクログリッドにおける総発電量の必要な変化を決定する
必要な発電量の変化に対する各DERの最適な貢献を計算する
各DERをローカルに制御し、それに応じて発電量を変更する

サイバー層に実装された分散通信および制御アーキテクチャは、通信リンク障害に対して堅牢なアーキテクチャを作成します。

C-HIL テストベッド| 物理層

物理層は、一連の連系線を介して基幹電力網に接続されたマイクログリッドで構成されます。マイクログリッドにはインバーターインターフェースを備えた分散型電源（DER）が複数設置されており、各DERは指定された有効電力と無効電力をシステムに供給するように制御されます。

ARPAe_092520_update_Page_7_Image_0001 — **図 4.** UIUC でのコントローラー Hardware-in-the-Loop (HIL) マイクログリッドテストベッドのセットアップ。

物理層のリアルタイムエミュレーションには、 Typhoon HIL 6シリーズが使用されました。Typhoon HIL Control Centerソフトウェアツールチェーンを備えたエミュレータには、以下の詳細モデルと簡略モデルが搭載されています。

太陽光発電パネル
バッテリーエネルギー貯蔵システム
風力タービン発電機
マイクロタービン
燃料電池
負荷

MS&Tでのフィールドテスト

ミズーリS&Tに建設されたソーラービレッジは、前述の分散制御アーキテクチャのフィールドテストに使用されました。このビレッジはエネルギー環境研究センター（CREE）によって管理されており、サイバーセキュリティ、持続可能なエネルギー研究、ビッグデータ分析などの研究を行っています。

ARPAe_092520_update_Page_8_Image_0004 — **図 5.**エネルギーと環境の研究センター (CREE) の MS&T ソーラービレッジ。

各住宅には21kWの太陽光発電パネルが設置されており、フロニウス社の系統連系インバータを介して共通のマイクログリッドに接続されています。5kWの天然ガス燃料電池は、熱と電力の両方の機能をマイクログリッドに提供します。この構成では、まずエネルギーを負荷に送り、その後、余剰電力を蓄電池または市営電力網に送ることができます。時間帯別電力供給、デマンドレスポンス、負荷シフトのシナリオを実装し、それらがマイクログリッドの電力運用にどのような影響を与えるかを観察する予定です。