新制御戦略で急速充電ステーションを安定化
電気自動車（EV）の普及が加速する中、急速充電ステーションは都市インフラの要として不可欠な存在となっている。しかし、複数のEVが短時間で連続して充電を開始すると、瞬時に大きな電力需要が発生し、配電網に深刻な負荷をかける。この電力の急上昇は、電圧の急激な低下（サージ）や、変圧器などの設備への過度なストレスを引き起こし、電力供給の安定性を脅かす。この課題を解決するため、従来の電網の増強に頼らず、よりスマートなアプローチが求められている。
こうした背景の中、中国・上海電力大学の研究チームが、急速充電ステーションの安定化に革命をもたらす可能性を秘めた画期的な技術を開発した。Han Lei（ハン・レイ）、Wang Yufei（ワン・ユーフェイ）、Xue Hua（シュエ・ファ）の研究者らは、『Journal of Power Supply』に掲載された論文で、フライホイールエネルギー貯蔵システム（FESS）に「浸透と不変性（I&I: Immersion and Invariance）」という高度な非線形制御理論を適用した新しい制御戦略を提案した。この技術は、EVの充電開始による電圧の乱れを従来の方法と比べて劇的に抑制し、電力網への衝撃を大幅に軽減する。
FESSは、エネルギーを高速回転する回転体（フライホイール）の運動エネルギーとして蓄える装置である。化学電池とは異なり、充放電サイクルによる劣化が少なく、非常に長寿命で、数万回のサイクルが可能。また、出力密度が非常に高く、数ミリ秒という驚異的なスピードで大電力を供給または吸収できる。これらの特性は、EV急速充電のような、瞬間的な大電力の変動を扱う用途に理想的だ。しかし、その真の性能を引き出す鍵は、その「頭脳」である制御システムにある。
従来のFESS制御は、産業界で広く使われている比例・積分（PI）制御が主流だった。PI制御は、システムの出力（例えば、直流バス電圧）が目標値からどれだけずれているか（偏差）を検知し、その偏差に比例した量と、偏差の積分値に基づいて、制御量（例えば、モーターの電流）を調整する。これは、小さな外乱に対しては非常に有効な手法である。しかし、EVの急速充電のように、瞬時に数十kWもの電力が発生する「大信号」の外乱には、本質的な限界がある。
なぜなら、PI制御は、システムの動作点（例えば、ある一定の電圧と電流の状態）の周りで、その挙動を線形に近似して制御しているからだ。しかし、EVが接続された瞬間の電力変動は、この「小さな外乱」の仮定をはるかに超える。線形近似モデルでは、実際の非線形な物理現象（回転体の運動、電磁気の関係）を十分に表現できず、制御応答が遅れたり、オーバーシュート（目標を通り過ぎる現象）が大きくなったりする。その結果、電圧は大きく下がり、回復に時間がかかり、電力網に大きな負荷がかかる。
Han氏らの研究チームは、この根本的な課題に正面から取り組んだ。彼らの提案するI&I制御理論は、システムの挙動を「ある理想的な軌道に沿って動かす」という発想に基づいている。具体的には、まず「直流バス電圧が瞬時に安定する」という理想的な動的特性を持つ仮想的な「ターゲットシステム」を設計する。次に、このターゲットシステムの特性を、実際のFESSという複雑な非線形システムに「浸透（Immersion）」させる。つまり、実際のシステムの状態変数（電圧、電流、回転速度など）を、ターゲットシステムの状態と一致させるように制御する。
さらに重要なのが「不変性（Invariance）」の概念だ。研究チームは、システムの状態空間内に、ある特別な「多様体（Manifold）」という曲面を設計する。この多様体は、「システムの軌道が一度この曲面上に乗ったら、その後はずっとその上に留まる」という性質を持つ。そして、この多様体の形状を、先ほど設計した理想的なターゲットシステムの挙動と一致させるように設定する。制御の目的は、実際のシステムの状態が、この理想的な多様体にできるだけ早く「引き寄せられ（アトラクト）」、そしてその上に「不変に」留まることになる。
このアプローチの強みは、システム全体の非線形性を積極的に利用している点にある。回転体の速度が変化することで出力電力が変化するという物理的制約も、制御設計の一部として組み込まれる。そのため、EVが接続されて回転体の速度が下がり始めても、制御システムはその変化を予測し、適切に補償することができる。これは、単に電圧の偏差だけを見て反応するPI制御とは一線を画す。
研究チームは、MATLAB/Simulinkを用いた詳細なシミュレーションで、この新戦略の有効性を検証した。シナリオは、定格49kWのEVが0.5秒後に接続されるという現実的な状況を想定している。
結果は圧倒的だった。FESSを搭載しない通常のステーション（戦略I）では、充電開始直後に直流バス電圧が120Vも急落し、電力網への出力は1秒間に1000kW以上も急上昇する。これは、電力設備にとって非常に危険な状態だ。PI制御のFESSを搭載した場合（戦略II）では、電圧の急落は49Vに抑えられ、電力の急上昇も700kW/sにまで低下し、大きな改善が見られる。
しかし、I&I制御を採用した場合（戦略III）は、さらに飛躍的な進化を遂げた。電圧の急落はわずか3.1Vにまで劇的に抑制され、電力網への出力の急上昇は16.3kW/sという非常に穏やかな値に抑えられた。これは、PI制御と比べて97%以上の改善である。さらに、電圧は10ミリ秒以内に完全に安定し、ユーザーには何の影響も与えないレベルの安定性を達成した。これは、FESSがEVの充電開始を察知した瞬間から、正確に必要な電力を供給し、電力網の負担をほとんどゼロに近づけたことを意味する。
また、研究では3台のEVが0.5秒、2.5秒、4.0秒のタイミングで連続して接続される過酷なシナリオも検証した。この場合でも、I&I制御は安定した性能を発揮し、直流バス電圧を極めて安定した状態に保った。従来のPI制御では、連続する負荷変動に追いつかず、徐々に制御性能が低下する可能性があるが、I&I制御はそのような問題を回避した。さらに、FESSは放電後に回転速度が低下した後、自動的に充電モードに切り替えて速度を回復する。これにより、次のEVが接続されても、常に高パワーを供給できる状態を維持できる。
この技術の意義は、技術的な成果にとどまらない。都市部への急速充電ステーションの設置は、しばしば「電力容量が足りない」という理由で遅れている。電力会社が変圧器やケーブルを太くするには、莫大なコストと時間、そして工事の許可が必要だ。Han氏らの技術は、既存の電力網の容量を最大限に活用しながら、多数のEVを同時に充電できる環境を提供する。これは、インフラ投資のコストを大幅に削減し、EV普及のスピードを加速させる鍵となる。
また、再生可能エネルギーとの連携という観点でも大きな可能性を秘めている。太陽光発電の出力は時間帯によって大きく変動する。I&I制御されたFESSは、日中の余剰電力を蓄え、夜間の充電需要ピーク時に供給するという、高度な電力シフトの役割を果たすことができる。これにより、電力網全体の安定性向上と、化石燃料への依存度低減に貢献する。
この研究は、上海科学技術創新行動計画の支援を受けて行われた。上海電力大学の電気工学部に所属するHan Lei、Wang Yufei、Xue Huaの研究者たちは、理論的な制御工学の知識を、EVインフラという社会的ニーズに直接結びつけた。彼らの成果は、電気自動車の未来を支える、インテリジェントなエネルギーネットワークの実現に向けた、重要な一歩である。
Han Lei, Wang Yufei, Xue Hua, College of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Journal of Power Supply, DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.6.260