推进可再生能源本地自产自消的“微电网”

推进可再生能源本地自产自消的“微电网”

随着全球对可再生能源的需求日益增长，微电网作为一种实现本地自产自消的有效方式，正受到越来越多的关注。本文将为您详细介绍微电网的概念、原理及其在可再生能源利用中的重要作用。

利用电子元件的力量帮助摆脱化石燃料

推进可再生能源本地自产自消的“微电网”

2024/06/25

有效利用太阳能和风力等可再生能源是实现碳中和不可或缺的要素。根据英国能源研究所发布的报告《Statistical Review World Energy 2023》，世界上电源中所占的包括水力在内的可再生能源的比例已达约三成，其总量8,539TWh与1985年时的2,058TWh相比，增加了4倍多。

说到将可再生能源正式投入使用的方法，很多人可能会想到在沙漠和草原等广阔的地方进行的太阳能光发电和在海上的风力发电等在自然能源丰富的地方的大规模发电。其实，凡是大城市的正中都存在着某些可再生能源。实际上，社会上正在积极推进利用城市中的可再生能源进行发电的工作。例如在日本，太阳能面板虽被定位为发电量较少的辅助性电源，但人们仍在大楼的屋顶和住宅的屋顶上设置太阳能面板，有效利用太阳能。另外开发和引进了新科研技术，如大楼墙壁和窗户的太阳能发电的技术以及用人行走时产生的振动来发电的技术。

从世界范围来看，有许多中小城市以用当地的风力、太阳能和水力等供给在当地消费的电力的“本地自产自消”为目标开展活动。而且，参加国际倡议“RE100”的企业也有所增加，其目标为事业中所用的电力完全使用可再生能源。这些企业为了尽可能多地自己发电，工厂等正在积极引进发电设备（图1）。

图1　参加RE100，推进利用可再生能源来自己发电的企业有所增加（左）金津村田制作所清洁能源园区，（右）应对积雪的车棚太阳能面板

推进可再生能源“本地自产自消”的微电网

可以说将可再生能源变成电力、进行本地自产自消的活动是非常有效的能源利用方法。这是因为可以很有效地减少电力系统中输配电时往往会发生的电力损耗。

目前的电力系统是在远离大量消费电力的城市之处设置大型发电站，将所发的电输配到消费地，用于生活和社会经济活动。但是，在发电站所发的电力经由输配电网（称为电网）到被使用的过程中，会损耗约三成的电力。这是因为由于输电线和电力转换器的负荷，大量的电力会成为热或电磁波而散失。输配电的距离越短、电力转换的次数越少，电力损耗越少。所以，如能将附近的自然能源作为分散型电源使用、进行本地自产自消，就能很有效地阻止电力损耗的发生。

图2　微电网的构成以及平时和紧急时的使用方法

出处：经济产业省（日本的行政机构）　有关地区社会引进可持续发展的可再生能源的信息联络会 第4届 资料

※该链接页面为日文。

以电力的本地自产自消为目标的小型电网被称为“微电网”（图2）。微电网除了能有效利用可再生能源之外，还有分散型电力系统所特别具备的优点。例如：即使因发生灾害等紧急情况而大规模停电，也可以向地区稳定地供电，维持生活和业务活动。

电力系统运用的大前提是“同时同量原则”

虽然微电网的概念很单纯，但要实现微电网却并不简单。这是因为电力系统的架构和运用有称为“同时同量原则”的大原则。

同时同量原则系指无论什么电力系统都需要使发电站的供电量和需求量一直保持一致的规定。如果运用电力系统时不遵守这个原则，电力的电压就会不稳定，设备会发生故障，导致大规模停电。

但是，来自太阳能等可再生能源的电力因为是利用不稳定的自然现象所发的电，所以无法按需调节发电量。为此，仅靠地区所发的电，有时难以满足要使用的电力，有时却难以用尽所发的电。因此，需要先进的运用和管理、利用大型能源蓄积系统（Energy Storage System：ESS）通融过剩不足部分的机制，以便地区之间能细致调节供需平衡。

智能电网是实现微电网的大前提

解决这种问题的方法是与微电网很相似的概念──“智能电网”。智能电网系指利用智能电表等信息通信设备，将各家庭和事业所等各处的电力需求实时可视化，无过剩不足地供给所需电力的自动控制机制。

虽然微电网和智能电网是不同的概念，但实际上如果不引进智能电网的机制，就难以实现有效的、高效率的电力本地自产自消的微电网。智能电网实时地详细掌握分散配置的利用可再生能源的发电设施的发电量以及生活和业务中消费的电量，管理分散配置的多台ESS的充放电，取得两者的平衡。如果仅靠所设置的ESS的充放电容许值不够的话，就从广域电网调节、释放电力，保持平衡。

利用IoT技术将微电网内多台发电设备和ESS当作一个发电站，控制供电量的技术被称为虚拟电厂（Virtual Power Plant：VPP）。另一方面，使用智能电表可实时掌握家庭和事业所的电力消费状况。从世界范围来看，智能电表迅速得到了普及。日本的首都圏从2014年起开始向各家庭设置智能电表，在2020年度末几乎全部家庭和事业所均已设置完毕，计划至2024年度末，日本全国设置完毕。可以说已扎扎实实地打下了推进架构微电网的基础。

图3　智能电表的普及是智能电网和微电网的大前提

以进一步高效化为目标的直流输配电系统

人们还在尝试进一步提高微电网的能源利用效率。现在，正在开发一种面向引进用直流电（而不是作为商用电源使用的交流电）输配电的被称为“直流微电网”的新输配电网技术。

在微电网的供电方面，使用许多太阳能电池和蓄电池等直流电源。而在电力消费方面，利用半导体和电子元件的信息通信设备以及利用逆变器的节省能源型电气产品用直流电工作。双方都使用直流电。

但是，现状是用交流电输配电，所以送电时和使用时都需转换电力，转换时会发生电力损耗。直流微电网是以很有效地阻止这种浪费为目标的技术。设想敷设400V左右的直流总线来代替传统的200V/100V的交流配电线路，通过双向交直流转换器连接高压商用电网运行。除了微电网之外，直流送电系统还用于远距离送电，欧美已有实用化事例。

随着可再生能源使用场合的增加，微电网的架构和运用也会不断发展。预计能更高效地应对多种使用场合的灵活的微电网和推动微电网架构的电子元件的需求将越来越大。

关联网站

• 加强气候变化对策

• 应用程序指南《智能表》