出典:generatorsource.com
マイクログリッドの概念は何年も前から存在しています。 多くの新しいプロジェクトが現実になり、生産が開始されるにつれて、それらが大きな注目を集め、報道されるようになったのはつい最近のことです。 ブルーム・エナジーは最近、今年（2019年）の時点で500の新しいマイクログリッドが進行中または導入されており、全世界の合計は数GWの範囲にあると報告した。
中核となるマイクログリッドは、分散型エネルギー リソースを管理するために設定された小型の電力網システムであり、再生可能エネルギー (太陽光、風力、水力) と他の非再生可能エネルギー源 (ディーゼル発電機、ガス タービン、発電機など) を含めることができます。等。）。 これらのマイクログリッドは通常、複数の発電システムのエネルギー負荷を管理し、ある種のエネルギー貯蔵システムも使用します。 彼らは、さまざまな種類のソフトウェアと制御システムを使用して、これらすべてを操作および管理します。 電力網と並行して動作するように設定したり、緊急時や特定のニーズに基づいてスタンドアロン モードで動作したりすることもできます。
マイクログリッドの基礎 - マイクログリッドとは何ですか
米国エネルギー省 (DOE) は、マイクログリッドを「グリッドに対して単一の制御可能なエンティティとして機能する、明確に定義された電気境界内で相互接続された負荷と分散型エネルギー リソースのグループ」と定義しています。マイクログリッドは、グリッドに接続したり、グリッドから切断したりすることができます。グリッド モードとアイランド モードの両方で動作できるようにします。」
さらに DOE は、「マイクログリッドは、電力の信頼性と品質を改善するためのスマート グリッドの重要なコンポーネントとして認識されており、
システムのエネルギー効率を高め、個々のエンドユーザー サイトにグリッドに依存しない可能性を提供します。」マイクログリッド テクノロジーを使用する利点は次のとおりです。
- グリッドおよび複数のスマートグリッドテクノロジーと統合
- 分散型エネルギーと再生可能エネルギーの統合、ピーク負荷の削減
- 重要な電力需要がある複合施設にエネルギーが確実に供給されるようにする
他の組織も同様に、複数の負荷やアイランド生成の概念を含めてマイクログリッドを定義しています。 アイランド発電は、風力、太陽光、水力発電、ディーゼル/NG 発電によって供給される電力です。
最初の図は、商用電力を主電源として使用するマイクログリッドです。 風力発電と太陽光発電は、商用電源が失われた場合の緊急用にバッテリーバンクに電力を供給します。 通常、どちらも施設の運用コストを削減するために送電網に接続されています。 商用電力が失われると、複合施設は風力と太陽光発電によるバッテリー電力に切り替えられます。 発電機が起動し、バッテリーからの負荷を引き継ぎます。 配電網の設計により、回路の負荷側の建物では電力変動が見られません。 商用電源が復旧すると、負荷は商用電源に戻り、バックアップ発電機が停止します。 風力発電と太陽光発電所は通常の操業に戻ります。
マイクログリッドの設計と構築には多くの要素が関係します。 発電および配電技術の進歩により、電力消費を削減し、環境に優しい発電方法を使用し、重要な電源要件を満たすシステムが可能になります。 各電源および制御システムの基本情報を以下に示します。 このマイクログリッドの構築は架空のものですが、DOE プロジェクトの概念をモデル化しています。
商用電源と負荷
最も一般的なマイクログリッドは、地元の電力会社から供給される商用電力を主電源として使用します。 遠隔地に設置されたマイクログリッドは、水力発電を主電源として使用することも、化石燃料発電プラントを主電源として使用することもできます。
発電所は高電圧の電気を生成します。 昇圧変圧器を使用して変電所に送電する電圧を高めるものもあります。 変電所は、高圧線によって発電所から電圧を受け取ります。 電圧は要件に合わせて調整され、顧客に供給されます。
病院、州の矯正施設、データセンターなどは、無停電電源装置 (UPS) を必要とする業界の一部です。 多くの建物には、常時電力を必要とする複数の建物があります。 建物によっては、電圧、アンペア数、周波数の要件により、絶縁電源が必要なエリアがある場合があります。
これらの設備は、通常の日常運用を行うために大量の電力を消費します。 これらは、複合施設専用の変電所の高圧線から電力を受け取ります。 電圧は、昇圧または降圧変圧器を使用して希望のレベルに調整されます。 すべての電力はスイッチング パネルと制御パネルを経由して建物全体に配電されます。
各建物は電気負荷を表します。 建物に対して複数の専用負荷を設定することが可能です。 建物内の二次負荷点の例としては、周波数変換器があります。 1 つの正の電圧ピークと 1 つの負の電圧ピークは 1 サイクル (Hz) に相当します。 一般的な電源は 50 Hz または 60 Hz です。 一部の機器は動作するために 400 Hz の電源を必要とします。 周波数変換器は、50 Hz または 60 Hz を 400 Hz に変更します。 建物内の二次荷重点の例は他にもたくさんあります。 マイクログリッド設計では、すべてが 1 つのポイントから制御されます。
バックアップおよびピーク需要発電機の電力
バックアップ発電機は、商用電源が停電した場合に電力網に電力を供給します。 発電機はエンジンとオルタネーター（発電機側）で構成されます。 天然ガス (NG) およびディーゼル駆動エンジンが業界標準です。 NG 燃料エンジンは、都市ガスの供給が中断されない限り、無期限に稼働できます。 供給が確保されている場合、バックアップ電源は利用できません。
ディーゼル燃料エンジンを備えた発電機は、天然ガス供給を含むすべてのインフラが停止した場合でも稼働できます。 メイン燃料供給タンクを監視し、燃料が減ったら補充する必要があります。 自動システムは、タンクレベルが所定の点に達するとオペレーターに通知し、燃料不足による停止を回避できます。
屋内発電機の用途
エンジン、冷却システム、発電機の端部はすべて、鋼鉄の梁で製造されたスキッドに取り付けられています。 スキッドは建物の床に取り付けられます。 要所にラバーマウントを採用し、動作時の振動を軽減します。
このスタイルの発電機には燃料タンクがなく、外部からの燃料供給が必要です。 大きな一次燃料タンクはデイタンクに供給できます。 建物の排気と冷却空気の供給、または熱交換器 (HEX) などのアフターマーケット冷却システムが設置されている必要があります。
屋外発電機の用途
屋外で使用される発電機は、耐候性または耐候性の筐体に取り付けられます。 多くのエンクロージャは、動作ノイズを低減するために防音処理が施されています。 発電機は二重壁燃料タンクにスキッドマウントされています。 これらの発電機には、外部燃料、排気、または冷却システムの要件がありません。 出力電源ケーブルを発電機に接続すると、負荷を引き受ける準備が整います。
どちらのスタイルの発電機も高度な電子制御を備えており、並列運転が可能です。 分割されたバックアップ発電機バスを配置して、さまざまな電圧を大量に供給できます。 新品および中古の発電機の在庫を確認するには、発電機のソースにアクセスしてください。 メンテナンス、トラブルシューティングと修理、設置などの発電機サービスを提供します。
グリーン発電
環境保護庁 (EPA) は、グリーン電力を太陽光、風力、地熱、バイオガス、バイオマス、水力発電システムから生成される電力と定義しています。 私たちのモデルには風力と太陽光発電が含まれていました。 考えられる用途については以下で検討します。
太陽光発電
ソーラーパネルは太陽電池で構成されています。 これらのセルは太陽光を直流 (DC) 電力に変換します。 生成された電気はバッテリーバンクに蓄えられます。 バッテリーバンクが完全に充電されると、インバーターを使用して電気を送り返し、販売することができます。
インバータは UPS システムの心臓部です。 電力が失われると、バッテリーは重要な電力要件を持つ回路に電力を供給します。 バックアップ発電機が負荷を受け入れる準備をしている間、インバータは DC を交流 (AC) に変換して回路に電力を供給します。
風力
風はタービンを回すために使われます。 タービンは、ディーゼル動力や蒸気動力の発電機が機能するのとほぼ同じ方法で交流電気を生成します。 風力タービンは、商用電力網や UPS バッテリ バックアップ網にも接続できます。
電力網に接続されているタービンは、位相と周波数が一致している必要があります。 グリッドの位相と周波数を一致させるために、タービン電力は AC-AC コンバーターを介して送られます。 ACはDCに変換され、インバータで整流されてACに戻され、送電網に送られます。 風力タービンからの AC 電流は、バッテリー バンクの充電を助けるためにコンバーターを介して送ることもできます。
太陽光発電と風力発電は、建物の電力消費コストを相殺する優れた方法ですが、バックアップ電力の義務を受け入れるほど十分には発展していません。 どちらも、局所的な気象条件と利用可能なバッテリー バンクに依存します。 風力のない曇りの日には、充電しなくてもバッテリーバンクがすぐに空になってしまう可能性があります。
バックアップバッテリーバンク
グリーン電力ソリューションでは、多くの場合、バックアップ バッテリー バンクが使用されます。 これらのバンクは UPS に瞬間電力のみを供給します。 これらは、施設で商用電源が停電した場合に、発電機が起動して負荷を引き継ぎながら電力を供給するように設計されています。
バックアップ バッテリ システムは、以下に示す 3 つの異なるスタイルのバッテリ バンクを使用して構築できます。
鉛蓄電池 - 鉛蓄電池を備えたバッテリーは、最も安価なソリューションです。 これらは、小規模なアプリケーションにとってはオフグリッドの優れた解決策となる可能性があります
リチウムイオン - 鉛蓄電池よりも軽量かつコンパクトで、寿命が長くなります。 ただし、価格が高くなります
塩水 - この新参者は塩水中の電解質に依存しています。 バッテリーはほとんどテストされていませんが、簡単にリサイクルできます
風力発電のバッテリーバンクは、AC を DC に変換するコンバーターによって充電されます。 太陽光発電バッテリーは、ソーラーパネルが直流を生成するため、コンバーターは必要ありません。
商用電源が失われると、発電機が正常に応答するまでに 1 ミリ秒近くの時間が失われます。
病院、データセンター、自治体などの施設や複合施設では、電力損失がまったく許容されません。 彼らは、商用電源の喪失の間、電力を供給するためにバッテリーのバンクに依存しています。 これは短期的には優れた解決策ですが、バッテリー バンクには限界があります。
電気負荷を受け入れる機能を備えたバッテリーは、最初に購入すると高価になります。 鉛蓄電池には、電池セル内の液体である電解質が含まれています。 電解液のレベルと比重を頻繁にチェックする必要があります。 注意深いメンテナンスを行ったとしても、これらのバッテリーの寿命はわずか 5 ～ 15 年です。
再生可能エネルギーとエネルギー貯蔵システムのコスト
風力発電所、太陽光発電所、水力発電などの再生可能エネルギー資源には、初期購入価格が高額です。 購入した機器を設置するには、経験豊富な技術者と建設作業員が必要です。 設置、テスト、試運転後は、機器をメンテナンスする必要があります。 多くの場合、機器を仕様どおりに稼働し続けるには、フルタイムのメンテナンス担当者が必要です。
エネルギー貯蔵は急速に進歩しており、マイクログリッドの将来において重要な役割を果たします。 これは非常に複雑なテーマになる可能性があり、エンジニアと計画が必要であり、コストはニーズに応じて広範囲に及びます。 Microgrid Knowledge には、2019 年のカンファレンスでのエネルギー貯蔵の最新開発のいくつかに関する優れた最新記事が掲載されていますので、ここで詳しく見てみましょう。 これらは、GW のエネルギー貯蔵目標に向けた道筋、企業からの最新ニュース、現在推進されている FERC 政策について詳しく説明しています。
コントロールステーション
コントロール ステーションは、オペレータに制御機能と監視機能の両方を提供します。 各システムは、内部に個別の機器が含まれるサブシステムに分割できます。
配電および制御パネル - すべての電源から入力電圧を受け取り、必要な回路に電力を分配します。
バックアップ発電機 - コントロール ステーション ソフトウェアは、重要な回路に電力を供給するために発電機の動作構成を監視し、変更する機能を備えています。
グリーン電力 - UPS バッテリーバンクが監視されます。 バッテリーバンクとグリッドへの太陽光発電入力が監視されます。 風力タービンの統計を監視します。 冗長風力タービンまたはバッテリーバンクに切り替える機能。
基本的に、コントロール ステーションは、マイクログリッド構成に関連付けられたすべてのハードウェアを維持、監視、制御するためのソフトウェア ソリューションを提供します。 グリッドの操作をサポートするソフトウェアが複数存在する場合があります。
冗長性は、これらのシステムの設計における重要な原則です。 冗長性とは、主要な機器に障害が発生した場合に備えて、機器の一部を待機させることです。 発電機、風力タービン、バッテリー バンクはすべて、冗長な主要機器と補助機器を備えたシステムの例です。
一部の冗長機器は、割り当てられた主機器の役割を自動的に引き継ぎ、オペレータに問題を通知します。 その後、コントロール ステーションのオペレーターは問題を修正できるようにメンテナンスに問題を通知します。 冗長機器は主機器と同じ要件を満たします。 多くの場合、メイン機器と冗長機器は、定期テストのためにオペレーターによって交換されます。
マイクログリッドは概念です。 設置に必要な大きさや小さい設計にすることができます。 これは古い概念であり、今でも残っています。 発電技術が増加するにつれて、マイクログリッドの使用も増加します。