EV「予約充放電」で電力網を最適化
電気自動車（EV）の普及は、都市の交通をよりクリーンでスマートなものに変える革命的な進化である。しかし、この急速な成長は、電力網に新たな、そして重大な課題を突きつけている。数百万台のEVが無秩序に充電を開始すれば、配電網は電圧の異常、線路損失の増加、そして系統の不安定というリスクに直面する。中国の研究チームがこの問題に立ち向かい、EVと電力網の関係を「問題」から「解決策」へと変える画期的なモデルを提案した。彼らが提唱する「予約充放電」モードは、EVの充電行動を無秩序な負荷から、電力網を安定化・最適化する協調的なサービスへと変貌させる。
この研究は、曹杭涛（Cao Hangtao）氏をリードとする嘉興市恒創電力設備有限公司（Jiaxing Hengchuang Electric Power Equipment Co., Ltd.）のチームによるもので、『浙江電力（Zhejiang Electric Power）』誌に掲載された。彼らのアプローチは、EVの普及が進む中で、電力網の安全で安定した運営を確保するという、グローバルな課題に真正面から取り組んでいる。中国自動車工業協会の予測によると、今後4〜7年間でEVの年間販売台数は40％以上も成長し、市場シェアは20〜30％に達する見込みだ。2040年には、中国国内のEV台数は3億台に達し、そのバッテリーの総蓄電量は2000億kWhにものぼると推定されている。これは、巨大な移動型のエネルギー貯蔵システムであり、再生可能エネルギーの変動性を補う可能性を秘めている。しかし、その恩恵を享受するには、充電インフラの「賢い」管理が不可欠である。無計画な充電は、電力需要のピーク時に重なり、電力網に過大な負担をかけ、電力会社が高コストで運用されるピーク電源に頼らざるを得なくなる。
既存の「V2G（ビークル・トゥ・グリッド）」の概念は、EVが電力網に電力を供給できるという点で魅力的だが、その実用化には大きな壁がある。多くの研究は、ユーザーが随時提出する充電・放電の要望に基づいており、その需要は極めてランダムで予測が困難だ。電力網の運営者にとって、このような不確実な需要を基に、効率的かつ安全な系統運用を行うことは、極めて困難である。曹氏のチームは、この「不確実性」という根本的な問題に焦点を当て、それを「予測可能性」へと変える戦略を考案した。
その核となるのが、「予約」の仕組みである。従来の「帰宅後にプラグを差すだけ」という行動から脱却し、EVのオーナーが事前に充電または放電のスケジュールを「予約」する。この単純な変更が、電力網の運営に革命をもたらす。プロセスは、5GやWiFiなどの通信ネットワークを介して、EVオーナー、充電ステーション、そして電力系統の制御センターが連携することで実現する。まず、制御センターが翌日の電力需要を予測し、電力料金が安い「電力谷間」（低需要期）と高い「電力ピーク間」（高需要期）を設定し、その情報を各充電ステーションに発信する。EVオーナーは、自分の予定に合わせて、最寄りの充電ステーションに「予約」を申し込む。この予約には、希望する充電・放電の時間帯と必要な電力量が含まれる。充電ステーションは、集まった予約情報を集計し、翌日の需要予測として制御センターに送信する。ここで、研究チームの真骨頂である「最適化配置モデル」が発揮される。
このモデルの目的は明確だ。配電網の一日の「有効電力損失」を最小限に抑えること、そして電圧の変動（「電圧偏差」）をできるだけ小さくすること。このモデルの画期的な点は、EVの有効電力（実際に消費・供給する電力）だけでなく、「無効電力」の最適化も同時に考慮していることだ。無効電力は直接的なエネルギー消費にはならないが、電圧の安定を保つために不可欠な要素である。EV充電ステーションと、太陽光発電（PV）や風力発電（WT）といった分散型再生可能電源（RDG）のインバーターが、無効電力を供給・吸収することで、電圧の異常を防ぐことができる。つまり、EV充電ステーションは単なる電力の「吸い口」や「吐き口」ではなく、電力網の「電圧調整装置」としても機能するのだ。
この複雑な最適化問題を解くために、研究チームは「二次錐緩和（SOCR）」という高度な数学的手法を採用した。電力網の潮流を計算する方程式は非常に複雑で、従来の方法では最適解を確実に求めることができない。SOCRは、この難解な問題を、効率的に解ける「凸最適化問題」に変換する。これにより、商用ソルバー「Gurobi」を用いて、数学的に保証された最適解を高速に導き出すことが可能になる。
この理論を検証するために、研究チームは、中国杭州の実際の地理情報と、標準的な「IEEE 33ノード」配電網モデルを組み合わせたシミュレーションを行った。このネットワークには、3つのEV充電ステーション（ノード14、22、25）、2か所の風力発電所（ノード4、16）、2か所の太陽光発電所（ノード18、30）が配置されている。シミュレーションには、500台のEV（1台あたり50kWhのバッテリー）が「予約充放電」を行うというシナリオが設定された。
研究では、3つの異なるシナリオを比較した。シナリオ1は、EVも再生可能エネルギーも接続されていない、従来の電力網のみの状態。シナリオ2は、EVと再生可能エネルギーが接続されているが、EV充電ステーションの無効電力出力や、風力・太陽光の無効電力制御は考慮しないシンプルなモデル。そしてシナリオ3が、研究チームが提案する完全な「予約充放電」モデルであり、EVと再生可能エネルギーの有効・無効電力の協調最適化が行われる。
シミュレーションの結果は、提案モデルの優位性を鮮明に示している。シナリオ2と比較して、シナリオ3では、一日の電力損失がさらに57.00%も削減された。これは、EVの「予約」によって需要を平準化するだけでも大きな効果があるが、それに加えて、EV充電ステーションと再生可能エネルギーが「無効電力」を供給することで、電力網の効率が飛躍的に向上することを意味している。また、電圧偏差もさらに6.86%改善された。これは、電圧が安全な範囲内に保たれていることを示しており、家電製品や産業機器の安全な運転を保障する。
特に注目すべきは、電圧分布の変化だ。シナリオ1や2では、電力網の末端にあるノードの電圧が、安全基準の下限（0.95p.u.）に近づくことがあり、これは電力網がストレスを受けている状態を示している。しかし、シナリオ3では、33のノードすべての電圧が、ほぼ理想的な1.00p.u.に近く、非常に均一に保たれている。これは、EVが単なる負荷ではなく、電力網を支える「アクティブなプレイヤー」として機能していることを証明している。
この研究は、EVの未来像を根本から再定義するものだ。EVは、電力網の「負担」ではなく、むしろその「安定化装置」であり、「効率化装置」になり得る。曹杭涛氏らの「予約充放電」モデルは、その実現への現実的な道筋を示している。ユーザーにとっては、電力料金の安い時間帯に確実に充電でき、電力網の負荷が大きい時間帯に放電することでインセンティブを得られるというメリットがある。電力会社にとっては、電力損失の削減、設備投資の先送り、そしてより安定した系統運用が可能になる。社会全体としては、よりスムーズで持続可能な電動化への移行が可能となる。
もちろん、この研究にも課題は残る。シミュレーションでは、すべてのユーザーが予約を守り、交通状況などの変動要因を無視している。実際の運用では、予約の変更やキャンセル、交通渋滞による遅延といった不確実性に対処する仕組みが必要になる。しかし、この研究が提供するフレームワークは、これらの課題を解決するための強力な出発点となる。電気自動車の普及が進む中、こうした「スマートな連携」の仕組みがなければ、電力網の安定は保てない。曹杭涛氏とそのチームの研究は、EVが単なる乗り物を超えて、次世代のエネルギーシステムの中心的な役割を果たす可能性を、明確に示している。
曹杭涛，章勇，蒋宁，吕斌，嘉興市恒創電力設備有限公司，浙江電力，DOI: 10.19585/j.zjdl.202405005