再生可能エネルギーの導入が進むにつれて、電力系統の周波数はより変動しやすくなっています。その管理方法の一つが周波数応答サービスであり、通常はバッテリーエネルギー貯蔵システムによって提供されています。では、周波数のパターンが変化する中で、系統の安定化に貢献しているバッテリーにはどのような影響があるのでしょうか？

周波数応答サービス

電力系統の周波数は、発電と需要のバランスを表します。両者が完全に一致しているとき、系統周波数は50Hzになります。

発電と需要がバランスしていない場合—実際にはほとんど常に—周波数は50Hzから離れます。発電が需要を上回ると周波数は上昇し、逆の場合は低下します。

National Grid ESOは周波数を49.8～50.2Hzの範囲（「運用限界」）に保つことを目指しています。（また、法律上は49.5～50.5Hzの範囲に維持する必要もあります。）

• これを管理するために、National Grid ESOはグリッドサービスに依存しています。本記事では主に周波数応答サービス（通常はバッテリーエネルギー貯蔵システムが提供）に焦点を当てます。
• 周波数が50Hzから0.015Hz未満の差であれば、対応は不要です—この範囲を「デッドバンド」と呼びます。
• 周波数応答サービスは、周波数が50Hzから0.015Hz以上離れた場合（どちらの方向でも）、つまり「デッドバンド」外に移動したときに作動します。

周波数はより変動的になっている

2023年に入ってから、周波数がデッドバンド内外で過ごす時間が減り、50Hzからより離れる時間が増えています。つまり、周波数はこれまで以上に変動しやすくなっており、より多くの周波数応答が必要となっています。

これは主に、これまでになく多くの再生可能エネルギー発電が系統に導入されているためです。

• 再生可能エネルギーの増加により、系統の慣性が低下しました（詳細はこちら）。そのため、発電と需要の不均衡が生じた際、周波数がより速く変動します。
• また、風の強弱や雲の動きによって発電量が短期間で変化し、周波数のさらなる変動を引き起こします。

ここ数年で周波数の変動幅（50Hzからの平均的な離れ具合）が増加しています。平均して、周波数はこれまで以上に50Hzから離れるようになっています（両方向とも）。

それでは、周波数応答を提供するバッテリーエネルギー貯蔵システムにはどんな影響があるのでしょうか？

周波数応答によるサイクル回数が増加

周波数の変動が大きくなることで、周波数応答サービスに必要なエネルギー処理量も増加しています。つまり、各サービスを提供するためにバッテリーのサイクル回数が増えているのです。

2023年には、周波数応答サービスを提供するためのエネルギー処理量が平均で3％以上増加しました。

ここでのデリバリー処理量は、1時間・100%出力で契約されたバッテリーが各サービスを提供するのに必要なサイクル回数を示します。

しかし…サイクル回数のばらつきは非常に大きい

周波数は常に予測できるわけではありません。日によっては、周波数がより大きく、あるいは一方向へ大きく変動することもあります。これが周波数応答サービスのサイクル要件に大きな影響を与えることがあります。

• Dynamic Regulationは絶対値で最も大きなサイクル変動を示しますが、Dynamic Moderationは割合で最も大きな変動があります。
• これは、周波数が50Hzから0.1Hzを超えて離れると出力が増加するためです。
• 周波数が最も離れる日には、Dynamic Moderationでは通常の約3倍のエネルギー処理量（＝サイクル回数）が必要になります。

1日のサイクル回数は、その日の周波数の変動幅によって決まります。周波数が50Hzから離れるほど、周波数応答サービスでバッテリーがサイクルする回数も増えます。

一般的に、高周波・低周波サービスでのサイクル回数は反比例します。一方の方向でサイクル回数が最も多い日は、もう一方では最も少なくなりがちです。これは、充電状態の管理に大きな影響を与えます。

周波数応答の事例：2023年4月1日

2023年4月1日、周波数はほとんどの時間で50Hzを下回っていました。その日の平均周波数は49.96Hzで、2020年以前以降で最も低い値となりました！ それでも、周波数は主に0.2Hzの運用バンド内に収まっていました。

この低い周波数は、周波数応答サービス提供者に大きな影響を与えました。

• Dynamic Containmentへの影響は小さかった（エネルギー処理量が少ないため）。
• 一方、Dynamic Moderationでは1回以上の完全放電サイクル（1時間・100%出力のバッテリーの場合）が必要となりました。
• Firm Frequency Responseではほぼ2回の完全放電サイクルが必要でした。
• そしてDynamic Regulationは？4.8回の放電サイクルに対し、充電サイクルは1回のみ。

Dynamic Regulation提供者への影響は？

4月1日には、高周波・低周波Dynamic Regulationサービスの必要エネルギー量の差が大きくなり、これらのサービスを提供するシステムは義務を果たすために卸電力市場を頻繁に利用する必要がありました。

このため、Dynamic Regulation提供者がその日に得られた収益は大きく減少しました。場合によっては、卸電力市場での充電コストが周波数応答による収益を完全に相殺してしまったこともありました。

Kemsley（50MWバッテリー）は、4月1日に平均56%の出力を低周波Dynamic Regulationに契約しました。義務を果たすために、このアセットは卸電力市場で繰り返し充電する必要がありました。

まとめ

• 周波数応答サービスのサイクル要件は増加傾向にあります。再生可能エネルギーの導入拡大と慣性の低下により、今後もこの傾向は続く見込みです。
• バッテリーが必要とするサイクル回数の変動も大きくなっています。これを管理するにはコストがかかり、予定された運用にも大きな影響を与える可能性があります。
• Dynamic Regulationのサイクル要件の変動性は、適切に管理しないと特定の日にアセットのサイクル制約を超えてしまうリスクがあります。