電動車充電の次世代インフラを実現
電気自動車（EV）の普及が進む中、都市の電力供給インフラは新たな局面を迎えている。大量のEVが一斉に充電を行うと、地域の変圧器に過大な負荷がかかり、電圧の不安定や停電のリスクが高まる。これは、従来の電力網がEVという新しい負荷を想定して設計されていなかったためだ。特に住宅地では、夕方以降に帰宅したユーザーがEVを充電し始めるため、電力需要のピークが急激に高まり、系統の安定性を脅かす。この問題を解決するため、中国の研究チームが画期的な技術を開発した。その鍵となるのは、「柔軟な相互接続」を可能にする「ソフトオープンポイント（SOP）」という先進的な電力制御装置だ。この技術は、孤立したままだった複数の変圧器エリアをネットワークでつなぎ、電力を自由に融通することで、EVの充電需要をスマートに分散・制御する。
この研究は、国家電網天津電力会社と天津大学の共同チームにより行われ、専門誌『Electric Power Information and Communication Technology』に発表された。研究のリーダーである李娟（リ・ジュアン）氏は、「EVの無秩序な充電は、配電網の経済性と安全性に大きなリスクをもたらします。私たちは、ユーザーの利便性を損なうことなく、変圧器の過負荷リスクを大幅に低減する方法を探求しました」と語る。その答えが、SOPを活用した「複数変圧器エリアのEV充電施設の柔軟な協働運転方法」である。
従来の都市の低圧配電網は、複数の「変圧器エリア（Taiqu）」に分割されており、それぞれが独立して運営されている。あるエリアの変圧器が過負荷になっても、隣接する空き容量のあるエリアから電力を供給することができない。この「電力の壁」が、EV普及の最大の障壁の一つとなっていた。SOPは、この壁を壊すための鍵となる装置だ。SOPは、電力電子技術を用いた高度なスイッチであり、単に回路のオン・オフを行うだけでなく、有効電力と無効電力を精密に制御できる。これにより、あるエリアから別のエリアへと電力を双方向に送ることが可能になる。研究チームは、このSOPの能力を最大限に活かすため、EVの充電スケジュールとSOPの出力制御を一体化した最適化モデルを構築した。
このモデルの目的は、システム全体の運営コストを最小化することにある。コストには、EVの充電料金、変圧器の過負荷によるペナルティ、系統の損失、そしてSOP自体の損失が含まれる。単に「安く充電させる」のではなく、システム全体の安定と効率を最優先に考えたアプローチだ。例えば、変圧器が過負荷になると、電力会社には高額のペナルティが科される。このペナルティを回避するため、SOPを使って電力を他のエリアから供給する方が、結果的にコストが安くなる場合がある。このように、複数の要因を複雑に絡ませて最適解を導き出すのが、このモデルの核心である。
さらに注目すべきは、このモデルが「ユーザーの意思」を明確に組み込んでいる点だ。これまでの研究では、EVユーザーはシステムの指示に従う「受動的な存在」として扱われがちだった。しかし、現実には、ユーザーが「本当にそのスケジュールに従うか」が、システムの成功を左右する。李娟氏のチームは、これを「ユーザー参加意思モデル」として定量化した。このモデルは、ユーザーが最適化された充電スケジュールに従う確率を、2つの主要な要因から予測する。1つは、最適化スケジュールで充電した場合の「電池の満充電度（SOC）」が、従来の無秩序な充電よりも高くなるかどうか。もう1つは、充電コストが安くなるかどうか。もし、最適化されたプランが「より満タンになり、より安く充電できる」なら、ユーザーの参加意欲は高くなる。この予測に基づいて、システムは現実的で受け入れられやすいスケジュールを提案する。これにより、理論上の最適解ではなく、実際の現場で機能する実用的なソリューションが生まれる。
この理論の有効性を検証するために、研究チームは天津市内の実際の低圧配電網を模したケーススタディを行った。このモデルには、4つの異なる変圧器エリアが含まれていた。エリア1と3は主に住宅地で、それぞれ60台と90台のEVが慢速充電を行う。エリア2と4は商業地で、エリア2には10台の60kW急速充電器があるなど、負荷の性質が大きく異なっていた。この4つのエリアを、2つのSOP装置で接続し、3つのシナリオを比較した。
1つ目のシナリオは、何も対策を取らない「無秩序充電」の状態。この場合、住宅地の変圧器は夕方以降に深刻な過負荷となり、ペナルティ費用が膨らみ、全体の運営コストは非常に高くなった。2つ目のシナリオは、SOPを使わず、EVの充電時間だけを最適化するもの。これにより、ピーク負荷は一定程度平準化され、コストも大幅に削減された。しかし、それでも変圧器の負荷率が安全限界を超える時間帯があり、リスクは完全には解消されなかった。
そして3つ目のシナリオが、SOPとユーザー参加意思モデルを組み合わせた「提案手法」である。この結果は驚異的だった。変圧器の過負荷リスクは完全にゼロになった。系統損失は無秩序充電に比べて約18%削減され、最も重要な全体の運営コストは、無秩序充電に比べて87%も低下した。これは、電力会社にとって莫大なコスト削減を意味する。さらに、ユーザーの満足度も100%となった。これは、最適化されたスケジュールが、ユーザーにとってもメリットのあるものだったことを示している。
この成果の背景には、高度な数学的処理も貢献している。元々の最適化モデルは非常に複雑な非線形問題であり、計算に膨大な時間がかかる。これを現実の運用に耐えうる形にするため、研究チームは「二次錐計画法（SOCP）」という手法を用いて、モデルを線形化した。これにより、計算速度が飛躍的に向上し、リアルタイムでの制御が可能になった。この技術的な工夫が、理論から実用への橋渡しを実現した。
この研究の意義は、単にEVの充電問題を解決するだけにとどまらない。それは、今後のスマートシティのインフラのあり方を示唆している。今後、太陽光発電、家庭用蓄電池、EVなど、分散型のエネルギー資源がますます増えていく。それらを効率的に統合し、最適に運用するためには、従来の「送電線を介した一方向の電力供給」というモデルを根本から見直す必要がある。李娟氏のチームが提唱する「柔軟な相互接続」は、まさにその新しいパラダイムの先駆けだ。孤立したエネルギーの「島」を、情報と電力の双方向ネットワークでつなぎ、全体の最適化を図る。これは、エネルギーの自給自足と、効率的な資源配分という、持続可能な都市の理想像に近づく道筋である。
もちろん、課題も残る。SOP装置の導入には初期投資がかかる。また、複数のエリア間で電力を融通する場合の料金体系や、セキュリティの確保など、制度的な整備も必要になる。しかし、EVの普及は止まらない。インフラの進化が、技術の進化に追いつかなければ、社会全体のエネルギー転換が遅れてしまう。この研究は、そのスピードを加速させるための、強力なエンジンとなるだろう。李娟氏とそのチームの取り組みは、電気自動車の時代にふさわしい、新しい電力インフラの地平線を切り開いたと言える。
李娟、張梁、張雪菲、劉英英、呉昶、阮家澳、冀浩然、国家電網天津電力公司および天津大学、Electric Power Information and Communication Technology、DOI: 10.16543/j.2095-641x.electric.power.ict.2024.10.02