2013年11月14日09:46
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日本投入了大量预算用于实施所谓的智能社区业务。最初，是在美国奥巴马政权开展智能电网业务的触发下，作为智能电网实证项目进行了探讨，不过由于是在电力制度改革之前等原因，而演变成了日本型业务。东日本大地震后，构筑分布型系统成为日本的重要课题，智能社区成为了最终解决方案。不过，智能社区的目的及模式目前均不明确。
智能电网的本质是在地区构筑利用低电压网络监控电力供求的系统。日本也决定向实施电力系统改革及电力零售全面自由化转移，虽然构筑智能电网的环境正日趋完善，但地产地消的模式尚不明确。这是因为电力系统改革本身尚不明朗，其实效性也不确定。
德国智能电网计划“E-Energy”可以说是最易于理解的地产地消型模式。德国在2008年共选择了6个实证项目，从2009年到2012年，用了4年时间实施，已经取得了明显成果。本文将介绍德国北部港口城市库克斯港市（Cuxhaven）的智能电网工程“eTelligence”。将根据2013年发布的最终报告进行分析介绍。
港口城市的虚拟电厂（VPP）
库克斯港市是一座面朝波罗的海、风景秀丽的港口城市，因渔业和观光旅游而闻名。这里不仅适合风力发电，还设有很多冷藏仓库基地，利用热电联产系统的温泉疗养设施等也非常多。最近还作为海上风力发电的候选基地备受关注。
在此开展的eTelligence工程由风力（600千瓦）发电、太阳能（80千瓦）发电、冷藏仓库（250千瓦和260千瓦）、热电联产系统（460千瓦和5.5千瓦）构成，是一个通过市场交易控制地区电力的实证项目（资料1）。
其最大的特点在于，通过转移冷藏仓库的热需求，来抵消风力发电的变动。通过整合风力发电、太阳能发电及冷藏仓库的电力需求，能够如同一座发电站一样进行电力控制。这种电力控制机制被称为“虚拟电厂”（Virtual Power Plant：VPP）。
冷藏仓库即使切断电源，温度下降也非常慢，因此在不会导致储藏物品质劣化的温度范围内，可以随意打开或关闭开关。在风力较强和电力市场价格较低时段，可打开开关，或降低设定温度，以增加用电量。而在风力较弱和电力市场价格较高时段，可关闭开关，或降低设定温度，以减少用电量。
如果偏离预期，则主动进行控制
资料2表示实地测试时（2012年3月11日）“250千瓦冷藏仓库”、“太阳能发电”及“风力发电”的变动。纵轴表示输出功率，0刻度以上表示风力和太阳能的发电量，0刻度以下表示冷藏仓库的耗电量，离0刻度越远表示耗电量越大。红色线表示预期发电量，黄色线表示实际发电量，蓝色的虚线表示预期耗电量，蓝色实线表示实际耗电量。
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发电量采用联盟成员开发的模式进行预测。制定预测计划（调度表）是虚拟电厂系统的关键技术。实际的发电量会受天气影响，当与预期偏离较大时，就通过用电量进行调整。关于用电量，参考电力交易市场第二天的现货价格及虚拟电厂的预期发电量，来决定其预期值，但当天的实际用电量是根据市场动向及发电情况自动进行控制。也就是说，虚拟电厂是通过改变冷藏仓库的用电量来进行控制。
对预期发电量和预期用电量进行比较。按照预测，在0时～6点时，使用电量与发电量几乎平衡（加强制冷），在8点之前逐步减少电力使用量，之后用电量和发电量会在一定范围内稳定变化。但实际上（当天），则是稍微控制了0时以后的深夜用电，整天都使用电量平稳变化。据推测其理由在于，预计白天发电量会减少，因此要做好准备，或者市场价格较高，因此减少消费以投入市场，等等。
从上图可以看出，偏离发电量预期时，会主动控制电力需求。从5时到9时，在发电量低于预期时，没有按照预期控制用电，而是维持电力消费。从15时到18时，发电量两次高于预期，每次都减少了用电量。不过，此次的实证只集中使用了一个冷藏仓库，是在有富余的供求情况下进行的。估计是在对独立的系统进行实验。
作为生产消费者独立参与市场交易
资料3也是现场测试的结果，显示了虚拟电厂（VPP）的操作过程。两个冷藏仓库的总输出功率为510千瓦，需求量更大。发电量与使用量均为实测值。在纵轴零刻度的上方，草绿色的区域是太阳能发电，蓝色是风力发电的发电量。零刻度下方的灰色区域是冷藏仓库的用电量。
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白色的实线代表网络电量随供求关系发生的变化，“＋”表示向电力市场供电，“－”表示从市场买电。虚拟电厂是集发电要素与需求要素于一体的主体，因此是产消者。
从冷藏需求来看，13时～15时，消费量（200千瓦程度）远大于发电量。之后，发电与消费基本保持平衡（虚拟电厂正负为零）。在较早的时段进行冷却，待充分冷却后，维持（虚拟电厂的）供需匹配。虚拟电厂是以此为基本思路，利用需求变化调整发电方不规则的动态。在15时～18时，需求降低到预想以下，到18时重新恢复到了150～200千瓦。
从需求变化的转折点来看，在时段①，按照日程表，关闭冷藏仓库的开关，降低温度。在时段②，鉴于风势大于预期，打开仓库的开关，加强冷却效果。在时段③，风势保持预期水平，因此继续使仓库的温度降低。
如上所述，通过按照风力发电的运行情况，调整冷藏仓库的温度设置，就可以配合双方的情况，实现稳定的电力输出。通过实验，预测能力得到提升，预测与实际情况的差距缩小到了3分之1。而且，由虚拟电厂进行控制时，用于调节风力变化的电能减少了约15％（资料4）。
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并且，通过参与市场交易，冷藏仓库需要的电力成本减少了6～8％。这是整年的节约效果，在电力价格变化剧烈、室外寒冷的冬季，效果尤为明显。通过实验，越来越多的冷藏仓库企业开始考虑采用该系统。与下面介绍的热电联产系统相比，组合利用可再生能源与可变热需求的虚拟电厂控制起来更加简单。
热电联产系统作为发电企业参与市场交易
同时供应电能与热能的热电联产系统也可以通过利用本地市场提高收益性。要实现有效利用，需要事先整理思路，确定应当优先供热还是供电。中低压的热电联产系统生产的热能比例大于电能，一般是按照热需求运行，在生产热能的同时输出一定的电能。因此，为了提高效率，热需求需要超过一定量，其额定值由热需求决定。
另一方面，欧洲拥有完善的电力交易市场。因此有这样一种思路，就是根据市场动向，充分利用“热电联产系统作为分布型电源”。 eTelligence工程对热主导运转与市场（即电力）主导运转进行了对比。德国通过法律为热电联产提供了优惠政策，其对象为热主导运转。从比较结果来看，市场主导运转具有更高的收益性（资料5）。
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但二者之间差别不大，与整合了风力、太阳光及冷热需求的虚拟电厂相比，热电联产系统更难作出以市场交易为先的判断。尤其是在冬季热需求大的时候，难以实现灵活运行。另外，在设置了热水储水设备的模拟中，通过按照市场需求操作、控制热电联产系统，效率和经济效益都有明显上升。
现场测试利用了用于温泉疗养设施（SPA）和用于办公设施的两种热电联产系统，均使用天然气。办公设施所用系统由联盟带头人EWE公司提供。这些系统可以作为虚拟电厂统一控制，但在此次项目中是作为发电设备单独参与市场交易。另外，在实证项目中，对于库克斯港市使用天然气和生物燃气的污水处理设备热电联产系统，包括应如何运转生物燃气工厂在内，还将进一步进行探讨。
这一次，在德国的6项智能电网实证项目中，本文介绍了智能电网工程项目。着重介绍了由可再生能源和产业用能源需求组成的虚拟电厂的系统和功能。虚拟电厂是产业产消者，其能源的供求通过在地区市场交易进行调整。这些分散资源不是各自为战，而是作为一个整体进行控制，在此基础上融入地区市场。这样一来，就可以确保足以与一级市场交易的电量。通过根据市场价格的变化改变需求，以调整总输出功率，从而提高收益性。
下次，笔者将为大家介绍eTelligence工程的地区市场功能。地区市场才是分布型能源系统、地产地消模式的基础。（作者：山家公雄，日经能源环境网 供稿）
