スマート充電インフラ計画が電力網の安定性を強化
電気自動車（EV）の世界的な普及が進む中、EVと電力システムを結ぶ充電・バッテリースワップ施設の重要性はますます高まっている。しかし、現状の充電インフラの計画は、配置の非効率さや配電網の標準との連携不足といった課題を抱えており、EVユーザーの利便性と電力網の安定性の両立が求められている。このような背景のもと、最新の研究が、EVの普及に伴う電力需要の変化を踏まえた、より合理的なインフラ計画の枠組みを提示している。
この研究は、Electrical Engineering and Automationに掲載された「充換電施設と配電網標準の連携に関する拡張的研究」であり、張雲飛（State Grid Suining County Power Supply Company）、徐成、徐芸鳴、宗祥華（上海博英情報科技有限公司）の各氏が執筆した。研究は、EVの保有台数の予測、供給区域の再編、変電所の配置・容量の最適化という三つの柱から、充電インフラが配電網に与える影響を分析し、インフラの計画が電力網の安定性を向上させるための実用的な指針を提供している。
EVの普及は、従来の電力需要のパターンに大きな変化をもたらす。自動車のガソリン消費が電力消費に置き換わるため、地域の総電力需要は確実に増加する。しかし、その影響は単純な「電力需要の増加」にとどまらない。EVの充電行動は、ユーザーの移動パターンや生活習慣に大きく左右されるため、非常にランダムで不確実性が高い。この特性が、電力網の計画において最も大きな課題となっている。
研究によれば、EVの普及率が50%に達した場合、配電網の日平均負荷は従来の140.69%まで上昇する。これは、電力需要が直線的に増加するのではなく、EVの台数が増えるにつれて非線形に急激に増加することを意味している。この非線形な負荷増加は、特に夕方から夜にかけての帰宅時間帯に顕著であり、家庭用電力需要のピークと重なることで、電力網に「二重のピーク負荷」をもたらす。変圧器や配電線路が設計上の限界を超えて過負荷状態に陥り、電圧低下や停電のリスクが高まる。
このようなリスクを回避するため、研究は「負荷予測」の方法論から根本的に見直すことを提唱している。従来の計画では、人口や産業構造といった固定的な指標をもとに需要を予測していた。しかし、EV時代には、地域の自動車保有台数の調査と、そこから導き出されるEVの「普及率」が最も重要な予測因子となる。研究では、地域の全自動車台数に対するEV台数の割合（普及率）を計算し、その値をもとに将来的な電力需要をモデル化する手法を示している。さらに、EVの走行距離や充電開始時刻、バッテリーの残量（SOC）といった個別の行動パターンを確率的にシミュレーションする「モンテカルロ法」を用いることで、より現実に即した、時間帯や地域ごとの詳細な負荷予測が可能になる。
負荷予測の精度向上は、次に「供給区域の再編」という課題に直結する。供給区域とは、変電所が電力を供給する範囲を指し、その境界は地域の電力需要の密度（負荷密度）に基づいて設定される。しかし、EVの普及により、従来の都市部中心に需要が集中するパターンが変化し、郊外の住宅地や商業施設、高速道路のサービスエリアなど、充電需要が新たに発生する「ホットスポット」が出現する。これにより、既存の供給区域の境界が陳腐化し、需要が過剰な区域と不足する区域が生じ、電力の供給効率が低下する。
この問題を解決するため、研究は供給区域の負荷密度の基準値を大幅に引き上げることを提案している。具体的には、EVの影響を考慮した場合、従来の基準の「2倍」を新たな境界として設定すべきだとする。例えば、都市中心部（Aエリア）や市街地（Bエリア）では、非常に高い負荷密度が見込まれるため、その範囲を明確にし、十分な電力供給能力を確保する必要がある。この再編は、単に電力網の強化だけでなく、インフラ投資の最適化にもつながる。投資を、本当に需要が高まるエリアに集中させることで、無駄な支出を防ぎ、効率的なインフラ整備が可能になる。
供給区域の再編は、最終的に「変電所の配置と容量」に影響を与える。変電所は、高圧電力を家庭や企業で使える低圧電力に変換する要所であり、その位置と規模が地域の電力供給の根幹を成す。EVの大量導入に備え、変電所の計画にも新たな原則が必要となる。
まず、変電所の「負荷率」の計算方法の見直しが求められる。負荷率とは、変電所の設備能力に対する実際の負荷の割合を示し、設備の余裕度を表す重要な指標である。従来の計算では、安全率を考慮した予備容量が差し引かれていたが、研究はここに「EV充電予備容量」を新たに追加すべきだと提言している。これは、EVの充電需要という新たな不確実性を明示的に考慮し、突発的な充電需要の集中にも対応できるようにするための措置である。このように計算された負荷率は、より保守的かつ現実的なものとなり、電力網のレジリエンス（回復力）を高める。
次に、変電所の規模を決める「需要係数（容載比）」の見直しも重要である。需要係数は、変電所の総変圧器容量を最大需要電力で割った値で、設備の冗長性を示す。EVの普及により、最大需要電力が大幅に増加することが予想されるため、従来の需要係数の範囲では不十分となり、将来的に変電所の増設や拡張が必要になる可能性が高い。研究は、EVの需要増を見越して、需要係数の基準値を引き上げるべきだと主張している。これにより、変電所はより大きな需要変動を吸収でき、長期的な安定供給が可能になる。
さらに、変電所の「配置」にも戦略的な考慮が不可欠である。研究は、充電インフラの接続点を配電線路の「上流」、つまり変電所に近い位置に設けることを強く推奨している。これは、バッテリースワップステーションの特性に着目した提言である。バッテリースワップは、ユーザーが空のバッテリーを交換するだけで済むため、実際の充電は施設内で集中管理される。この特性を活かし、施設は夜間の電力料金が安い「オフピーク」時間帯にバッテリーを充電することができる。このように、需要を時間的に「シフト」させることで、昼間のピーク負荷を平準化し、電力網への負担を大幅に軽減できる。変電所の上流に接続することで、この大規模な充電負荷が配電線路の途中で電圧を落とすことを防ぎ、末端のユーザーにも安定した電圧を供給できる。
変電所の容量配置についても、研究は詳細な指針を示している。都市部から農村部までをAからEの5つのカテゴリーに分け、それぞれの地域特性に応じた最適な変電所規模を提案している。例えば、都市中心部（Aエリア）では、1台あたり63MVAの大型変圧器を3～4台設置し、3,300～7,400台のEVをサポートできるようにすべきだとする。一方、農村部（Eエリア）では、12.5MVAの変圧器を1～2台設置すれば十分である。この分類は、「車対充電器比率」や「同時率」といった実用的なパラメータに基づいている。車対充電器比率は、1台の充電器に対して何台のEVが利用できるかを示し、都市部では1:1（充電器が常に不足しがち）に対し、農村部では15:1（充電器が十分にある）と緩やかになる。同時率は、複数の充電器が同時に最大出力で稼働する確率を示し、これも都市部で高く、農村部で低くなる。これらの指標を用いることで、変電所の容量を過剰にも不足にもならないように、きめ細かく設計することが可能になる。
この研究の意義は、単に技術的な指針を提供するにとどまらない。それは、EVの普及という社会的変革に対して、電力インフラが受動的に対応するのではなく、能動的に未来を「設計」するというパラダイムシフトを示唆している。充電インフラの計画は、都市計画、交通政策、エネルギー政策と密接に連携しなければならない。スマートシティの実現には、電気を走る車だけでなく、その車を支える「スマートな電力網」が不可欠なのである。張雲飛氏らの研究は、この複雑な課題に取り組む上で、極めて信頼性が高く、実用性の高いロードマップを提供している。
Yunfei Zhang, Cheng Xu, Yiming Xu, Xianghua Zong, State Grid Suining County Power Supply Company, Shanghai Bo Ying Information Technology Co., Ltd., Electrical Engineering and Automation, DOI: 10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.08.001