2013年11月14日09:46
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日本投入了大量預算用於實施所謂的智能社區業務。最初，是在美國奧巴馬政權開展智能電網業務的觸發下，作為智能電網實証項目進行了探討，不過由於是在電力制度改革之前等原因，而演變成了日本型業務。東日本大地震后，構筑分布型系統成為日本的重要課題，智能社區成為了最終解決方案。不過，智能社區的目的及模式目前均不明確。
智能電網的本質是在地區構筑利用低電壓網絡監控電力供求的系統。日本也決定向實施電力系統改革及電力零售全面自由化轉移，雖然構筑智能電網的環境正日趨完善，但地產地消的模式尚不明確。這是因為電力系統改革本身尚不明朗，其實效性也不確定。
德國智能電網計劃“E-Energy”可以說是最易於理解的地產地消型模式。德國在2008年共選擇了6個實証項目，從2009年到2012年，用了4年時間實施，已經取得了明顯成果。本文將介紹德國北部港口城市庫克斯港市（Cuxhaven）的智能電網工程“eTelligence”。將根據2013年發布的最終報告進行分析介紹。
港口城市的虛擬電廠（VPP）
庫克斯港市是一座面朝波羅的海、風景秀麗的港口城市，因漁業和觀光旅游而聞名。這裡不僅適合風力發電，還設有很多冷藏倉庫基地，利用熱電聯產系統的溫泉療養設施等也非常多。最近還作為海上風力發電的候選基地備受關注。
在此開展的eTelligence工程由風力（600千瓦）發電、太陽能（80千瓦）發電、冷藏倉庫（250千瓦和260千瓦）、熱電聯產系統（460千瓦和5.5千瓦）構成，是一個通過市場交易控制地區電力的實証項目（資料1）。
其最大的特點在於，通過轉移冷藏倉庫的熱需求，來抵消風力發電的變動。通過整合風力發電、太陽能發電及冷藏倉庫的電力需求，能夠如同一座發電站一樣進行電力控制。這種電力控制機制被稱為“虛擬電廠”（Virtual Power Plant：VPP）。
冷藏倉庫即使切斷電源，溫度下降也非常慢，因此在不會導致儲藏物品質劣化的溫度范圍內，可以隨意打開或關閉開關。在風力較強和電力市場價格較低時段，可打開開關，或降低設定溫度，以增加用電量。而在風力較弱和電力市場價格較高時段，可關閉開關，或降低設定溫度，以減少用電量。
如果偏離預期，則主動進行控制
資料2表示實地測試時（2012年3月11日）“250千瓦冷藏倉庫”、“太陽能發電”及“風力發電”的變動。縱軸表示輸出功率，0刻度以上表示風力和太陽能的發電量，0刻度以下表示冷藏倉庫的耗電量，離0刻度越遠表示耗電量越大。紅色線表示預期發電量，黃色線表示實際發電量，藍色的虛線表示預期耗電量，藍色實線表示實際耗電量。
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發電量採用聯盟成員開發的模式進行預測。制定預測計劃（調度表）是虛擬電廠系統的關鍵技術。實際的發電量會受天氣影響，當與預期偏離較大時，就通過用電量進行調整。關於用電量，參考電力交易市場第二天的現貨價格及虛擬電廠的預期發電量，來決定其預期值，但當天的實際用電量是根據市場動向及發電情況自動進行控制。也就是說，虛擬電廠是通過改變冷藏倉庫的用電量來進行控制。
對預期發電量和預期用電量進行比較。按照預測，在0時∼6點時，使用電量與發電量幾乎平衡（加強制冷），在8點之前逐步減少電力使用量，之后用電量和發電量會在一定范圍內穩定變化。但實際上（當天），則是稍微控制了0時以后的深夜用電，整天都使用電量平穩變化。據推測其理由在於，預計白天發電量會減少，因此要做好准備，或者市場價格較高，因此減少消費以投入市場，等等。
從上圖可以看出，偏離發電量預期時，會主動控制電力需求。從5時到9時，在發電量低於預期時，沒有按照預期控制用電，而是維持電力消費。從15時到18時，發電量兩次高於預期，每次都減少了用電量。不過，此次的實証隻集中使用了一個冷藏倉庫，是在有富余的供求情況下進行的。估計是在對獨立的系統進行實驗。
作為生產消費者獨立參與市場交易
資料3也是現場測試的結果，顯示了虛擬電廠（VPP）的操作過程。兩個冷藏倉庫的總輸出功率為510千瓦，需求量更大。發電量與使用量均為實測值。在縱軸零刻度的上方，草綠色的區域是太陽能發電，藍色是風力發電的發電量。零刻度下方的灰色區域是冷藏倉庫的用電量。
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白色的實線代表網絡電量隨供求關系發生的變化，“＋”表示向電力市場供電，“－”表示從市場買電。虛擬電廠是集發電要素與需求要素於一體的主體，因此是產消者。
從冷藏需求來看，13時∼15時，消費量（200千瓦程度）遠大於發電量。之后，發電與消費基本保持平衡（虛擬電廠正負為零）。在較早的時段進行冷卻，待充分冷卻后，維持（虛擬電廠的）供需匹配。虛擬電廠是以此為基本思路，利用需求變化調整發電方不規則的動態。在15時∼18時，需求降低到預想以下，到18時重新恢復到了150∼200千瓦。
從需求變化的轉折點來看，在時段①，按照日程表，關閉冷藏倉庫的開關，降低溫度。在時段②，鑒於風勢大於預期，打開倉庫的開關，加強冷卻效果。在時段③，風勢保持預期水平，因此繼續使倉庫的溫度降低。
如上所述，通過按照風力發電的運行情況，調整冷藏倉庫的溫度設置，就可以配合雙方的情況，實現穩定的電力輸出。通過實驗，預測能力得到提升，預測與實際情況的差距縮小到了3分之1。而且，由虛擬電廠進行控制時，用於調節風力變化的電能減少了約15％（資料4）。
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並且，通過參與市場交易，冷藏倉庫需要的電力成本減少了6∼8％。這是整年的節約效果，在電力價格變化劇烈、室外寒冷的冬季，效果尤為明顯。通過實驗，越來越多的冷藏倉庫企業開始考慮採用該系統。與下面介紹的熱電聯產系統相比，組合利用可再生能源與可變熱需求的虛擬電廠控制起來更加簡單。
熱電聯產系統作為發電企業參與市場交易
同時供應電能與熱能的熱電聯產系統也可以通過利用本地市場提高收益性。要實現有效利用，需要事先整理思路，確定應當優先供熱還是供電。中低壓的熱電聯產系統生產的熱能比例大於電能，一般是按照熱需求運行，在生產熱能的同時輸出一定的電能。因此，為了提高效率，熱需求需要超過一定量，其額定值由熱需求決定。
另一方面，歐洲擁有完善的電力交易市場。因此有這樣一種思路，就是根據市場動向，充分利用“熱電聯產系統作為分布型電源”。 eTelligence工程對熱主導運轉與市場（即電力）主導運轉進行了對比。德國通過法律為熱電聯產提供了優惠政策，其對象為熱主導運轉。從比較結果來看，市場主導運轉具有更高的收益性（資料5）。
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但二者之間差別不大，與整合了風力、太陽光及冷熱需求的虛擬電廠相比，熱電聯產系統更難作出以市場交易為先的判斷。尤其是在冬季熱需求大的時候，難以實現靈活運行。另外，在設置了熱水儲水設備的模擬中，通過按照市場需求操作、控制熱電聯產系統，效率和經濟效益都有明顯上升。
現場測試利用了用於溫泉療養設施（SPA）和用於辦公設施的兩種熱電聯產系統，均使用天然氣。辦公設施所用系統由聯盟帶頭人EWE公司提供。這些系統可以作為虛擬電廠統一控制，但在此次項目中是作為發電設備單獨參與市場交易。另外，在實証項目中，對於庫克斯港市使用天然氣和生物燃氣的污水處理設備熱電聯產系統，包括應如何運轉生物燃氣工廠在內，還將進一步進行探討。
這一次，在德國的6項智能電網實証項目中，本文介紹了智能電網工程項目。著重介紹了由可再生能源和產業用能源需求組成的虛擬電廠的系統和功能。虛擬電廠是產業產消者，其能源的供求通過在地區市場交易進行調整。這些分散資源不是各自為戰，而是作為一個整體進行控制，在此基礎上融入地區市場。這樣一來，就可以確保足以與一級市場交易的電量。通過根據市場價格的變化改變需求，以調整總輸出功率，從而提高收益性。
下次，筆者將為大家介紹eTelligence工程的地區市場功能。地區市場才是分布型能源系統、地產地消模式的基礎。（作者：山家公雄，日經能源環境網 供稿）
