はじめに
私たちは壁のコンセントから出てくる主電源が交流(AC)であることに慣れていますが、これは必ずしもそうではなかった。電気の黎明期には、直流(DC)も広く使われています。エジソンとテスラのAC対DCの戦いの歴史はよく知られており[1]、テスラのACソリューションが最終的に世界中で受け入れられるようになりました。今日のダイナミックな産業環境では、電源ソリューションにかつてない柔軟性と効率が求められており、特にソーラーパネルや家庭用バッテリーなど多くのグリーン・エネルギー・システムが直流電源であることから、直流が選択肢として戻ってきています。
ビルの配電におけるAC電源とDC電源の比較
ビルの主電源配電に関しては、様々な電圧レベル、仕様、フォームファクター、公差があります。交流配電と直流配電の要件を決定する論理の大部分は、アプリケーションのニーズ、安全性、経済性、歴史、そして理想的には実用性に基づいています。AC配電に焦点を当てたとしても、世界標準によって規定された電圧レベル/範囲は数多くあります。電圧バスを定義する非常に基本的な特性は、その公称電圧と周波数特性です(最大電流は、導体やインフラなどのサイジングにより適用されます)。世界の AC 主電源 [2] の概要を図 1 に要約します。
図1:国別の幹線電力、特にヨーロッパ大陸についてはパブリック・ドメイン、https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=8781813
主電源から独立、安定、調整されたゲート電圧供給を提供することは、絶縁型DC/DCコンバータのもう1つの利点です。一般的なゲート駆動回路では、一次電源はリニア・レギュレータまたはブートストラップ回路を使用してゲート電圧を導出します。リニア・レギュレータは実装が簡単な反面、入力電圧と出力電圧の差が大きいと効率が悪くなり、電力損失が大きくなる傾向があります。過剰な電力損失は熱管理の問題につながり、ヒートシンクや冷却ソリューションの追加が必要になる場合があります。一方、ブートストラップ回路は、ハーフブリッジ構成でハイサイド・トランジスタのゲート電圧を供給するチャージ・ポンプ機構に依存しています。そのため、ブートストラップ・コンデンサのサイズを注意深く決め、オン時間全体にわたってトランジスタのゲートを駆動するのに十分な電荷を確保する必要があります。デューティ・サイクルとスイッチング周波数は回路の性能に影響し、電圧降下や不安定性を引き起こす可能性があります。
図3:集中型発電(左)と分散型発電(右)、時系列比較、Graphic:Bartz/Stockmar, CC BY 4.0
重要なエネルギーのバックアップと、断続的なエネルギー源(風力や太陽など)の経済的な最大化の両方のための複数のユースケースにおけるエネルギー貯蔵のアプリケーションは、既存のリソースをアップグレードし、予見可能な将来のために将来を保証する施設を作成することを検討するための新しい考え方を余儀なくされています。DERのモジュール化された性質は、エネルギー貯蔵のニーズが、バルクのニーズから切り離されるだけでなく、アプリケーションに合わせて適切なサイズにできることを意味します。さらに、これはエネルギー貯蔵導入のさまざまな側面に適用されるべきです。
例えば、風や太陽が豊富でエネルギーコストがリアルタイムで低い時に、再生可能エネルギーで発電された余剰エネルギーを貯蔵し、コストが高い時にそれを事業者に販売することで、純粋に経済的な機能を提供することができます。さらに、重要なエネルギーのバックアップという伝統的な機能や、「ピーク・シェービング」に使用したり、局所的な貯蔵を使用して頻繁でないエネルギーピークに対応したりすることで、インフラ全体(例えば「仮想発電所」)を絶対的な最大ピークよりも最大定常状態に設計できるようにします(非常に大きなCAPEXとOPEX節約の可能性がある)といった新たな機能もあります。
DERは、現在の電力会社の経済性を根底から覆す力を持っています。従来、1日の始点と終点におけるピークの二峰性分布がアヒルの背中に似た形状を形成することから、1日を通しての系統エネルギー源の時間ベースの関係は、「アヒル曲線」として知られるものに従います [8]。電気経済学では、1日のこれらの時点に需要のピークがあり、その間に小康状態があると仮定しています。すべての機器が「スマート」になり、カーブの小康状態の間に電源利用を最適化する能力を持つようになったらどうなるでしょうか。制御システムの観点からは、これは最終的にパラドックスとなります。そうでなければ、ダックカーブの予測可能な特性は、大量の負荷が従来の小康状態を待つことができ、十分に集約されれば、ダックカーブを正反対に反転させるというシナリオに道を譲ることになります!需要に応じて電力コストが1時間に数回変化するダイナミックなエネルギー市場にとって、これはどうなるのでしょうか?