スマートコミュニティ構築に関する研究（VPPに向けた取り組みについて）エネルギア総合研究所

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総合エネルギー技術グループ

まえがき「地球温暖化」「エネルギーの価格高騰・自給率低下」「少子高齢化」「社会インフラの高コスト化・維持費の増大」など様々な問題が今後ますます深刻化すると懸念されている。研究テーマとしている「スマートコミュニティ」はこれらの問題に対応するため，IT（情報技術）・IoT（モノのインターネット）・AI（人工知能）といった技術を駆使し，サスティナブル（人間社会と地球環境の持続的な発展）かつ快適な社会システム構築を目指すものである。
スマートコミュニティの実現には，エネルギーを発生・消費する様々な機器を社会全体で最適となるよう協調動作させる必要がある。例えばエネルギー源が逼迫している時は快適性を損なわない範囲で節約するとか，エネルギー源に余裕があるタイミングで蓄エネ設備に蓄えるといった具合である。つまり蓄エネ設備やエネルギー消費の大きな設備の最適制御が肝要となる。
様々な（電気）エネルギー機器の制御を可能とする技術としてVPP（バーチャル・パワー・プラント，仮想発電所）がある。今回，VPPを構成する要素の一つとして，現在広く普及しているが外部からの制御に対応していない蓄熱設備である「ヒータ式電気温水器」に着目し，これを制御可能とする温水器制御システムを構築し制御実証を行ったので概要紹介する。

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VPPについてスマートコミュニティは，環境負荷の低い再生可能エネルギー（以下，再エネと言う）を最大活用するとともに，都市の交通インフラや住人のライフスタイル変革までを複合的に組み合わせた社会システ
ムのことである。まえがきでも述べたが，この目的に寄与する技術であるVPPについて簡単に説明する。
旧来の電力網は，大規模発電所から各需要家へ需要に応じた電力を一方向に届けるものであった。ところが環境意識の高まりなどから，太陽光発電などの再エネ，高効率なコージェネレーションシステム，蓄電池など様々な需要家側設備（これらを分散型エネルギーと言う）が普及し，現在の電力網は双方向に電力が流れる複雑なシステムとなっている。
（図1参照）
現所属

伊豆野泰道 ※1

分散型エネルギー各々は小さな出力だが，ITやIoTを活用したエネルギーマネジメント技術で一つに束ねて制御することで，仮想的な（大規模）発電所として動かそうとするのがVPPである。
（図2参照）…電力の流れ…電力の流れ電力の流れは
電力は双方向単方向にも流れる
大規模発電所
電力の流れは電力は双方向…電力の流れ単方向にも流れる
大規模発電所
大規模発電所…電力の流れ 電力は双方向 太陽光発電
電力網
電力網 電力の流れは
太陽光発電
単方向にも流れる
大規模発電所
大規模発電所
電力の流れは
電力は双方向電力網
電力網
単方向にも流れる
大規模発電所
大規模発電所
太陽光発電
大規模発電所

電力網需要家

電力網

蓄電池
太陽光発電
電力網
今後の電力網
蓄電池
需要家
需要家

需要家
電力網
旧来の電力網今後の電力網旧来の電力網需要家
図1 旧来と今後の電力網イメージ
需要家

需要家
旧来の電力網EVスタンド需要家

今後の電力網
電力網

旧来の電力網EVスタンド蓄電池

今後の電力網蓄電池

大規模発電所

大規模発電所

電力網

仮想発電所

EVスタンド大規模発電所

分散型エネルギーを仮想的に束ね仮想発電所
電力網制御することで，あたかも一つの大規模発電所
分散型エネルギーを仮想的に束ね電力網発電所のように使う
仮想発電所
太陽光発電
制御することで，あたかも一つの分散型エネルギーを仮想的に束ね発電所のように使う
仮想発電所
太陽光発電
制御することで，あたかも一つの温水器分散型エネルギーを仮想的に束ね蓄電池 発電所のように使う
太陽光発電
制御することで，あたかも一つの温水器
電気自動車
ヒートポンプ給湯器
蓄電池発電所のように使う(EV)
EVスタンド

太陽光発電
電気自動車
(EV)

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ヒートポンプ給湯器温水器
蓄電池

電気自動車
図2
(EV)蓄電池
電気自動車(EV)

VPPのイメージ

温水器
ヒートポンプ給湯器

ヒートポンプ給湯器

スマートコミュニティ

VPPシステムの構築（電気温水器の制御）
スマートコミュニティ
IT，IoT，AI などをスマートコミュニティ構
活用した様々な
スマートコミュニティ
IT，IoT，AIなどをシステム
築のためのシステムは多数 スマートコミュニティ
活用した様々な
IT，IoT，AIシステム などをあ る が， そ の 一 つ で あ る
VPPシステム活用した様々ななどをシステム
VPPに つ い て 取 り 組 み を IT，IoT，AI
VPPシステム
エアコン
温水器
EV
活用した様々な開始し，今回，最初の制御 エアコンシステム
温水器
EV
VPPシステム対象として電気温水器を取VPPシステム
エアコン
温水器
EVり上げ，遠隔から自由に制エアコン 温水器EV御できるようシステム構築
図3 今回の取り組みした。（図3参照）
ヒータ
電 源
ヒータ
構築した温水器制御システムの構成概要を図4，
AC200V
電 源装置の様子を写真1，2に示す。 Wh AC200V
ヒータ 電気
温水器
制御
電 源
電気
Wh ヒータ
ヒータ
サーバ
AC200V
温水器
制御
電 源
電気
通信回線
ヒータ
Whサーバ
AC200V
温水器
ゲートウェイ
制御 通信回線
電気
Wh
ヒータ
サーバ
ゲートウェイ
温水器
制御通信回線
ヒータサーバゲートウェイ
通信回線
ゲートウェイ

図4

温水器制御システム構成概要※1 エネルギア総合研究所（次世代グリッドグループ）

エネルギア総研レビュー No.55

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研究レポート

スマートコミュニティ構築に関する研究（VPP に向けた取り組みについて）

システムの構成要素は，統括し制御指令を与える
制御サーバ，指令を受けヒータ電源の入切および必要情報を取得・送信するゲートウェイ，制御対象の電気温水器である。

ユースケース１（平準化）ゲートウェイ
（2台）

図5

制御サーバ

写真1

ユースケース2（再エネ活用）

温水器（2台）

温水器制御システム（実験室）

電気温水器は，細かなデータ取得のため実験室へ設置した2台（370リットル×2台）および，ゲートウェイ実用状態での制御実証のための寮5台（200リットル×5室）を対象とした。制御サーバから，計7台の温水器をそれぞれ個別のスケジュールで制御できるよ温水器
うにシステム構築している。
温 水 器 制 御 をVPPに 組 み 込
写真2 寮への設置
む際の利用目的（ユースケース）として表1に示す3パターンを想定し，寮で実際に使用している電気温水器を対象に実証試験を行った。対象温水器は，遠隔から自由に入／切制御可能となっており，各ユースケースとも良好な結果を得た。
（図5～7参照）
表1

ユースケース1の実証試験結果

実証試験で想定したユースケース

ユースケース

温水器制御の内容（1）平準化（下げDR※）

通常使用では一斉に沸上開始し負荷集中するが，分散沸上しピークを抑える（2）再エネ活用（上げDR※）

太陽光発電の出力に合わせ，12時を中心とした山形負荷を発生する（3）電力市場価格連動（需給緩和）

市場価格が安いときに沸上実施する（電力網の需給状況が市場価格に反映されるため，需給状態に応じた蓄熱となる）

図6

ユースケース2の実証試験結果

30分ごとのWh（赤線）と沸上ONの計画（緑地）

１時間毎の市場価格

最安時間帯に沸上

ユースケース3(価格連動）

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図7

沸き残し分は，自然放熱を考慮し8時台に沸上

ユースケース3の実証試験結果

あとがき

現在はVPPの一部，電気温水器のみの制御に止まっており，制御規模拡大と消費電力予測精度向上が今後の課題である。今後は，システムを拡張し，EV，家庭用蓄電池，太陽光発電，リユースバッテ
リー（EVの用途を終えたEV用バッテリーの再利用）を制御対象に加え，制御規模の拡大を目指す。

※DR：デマンドレスポンス（需要応答）
需要家側設備を制御することで，電力需要パターンを変化させること（VPPを実現するための仕組み）
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