系統連系・逆潮流

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系統連系とは

太陽光発電や風力発電などで発電した電力を、電力会社から受電する電力と接続する技術を、系統連系と言います。系統連系では、自家発電した電力でまかない切れない負荷電力を電力会社線からの供給で補完することができ、さらに余剰電力が発生した場合は電力会社線への電気の逆流も可能なため、発電設備の負荷率を最大100%まで引き上げることができます。

系統連系を行う場合、電力会社が供給する電力と同様の品質が要求されるため、太陽光発電や風力発電で発生した電圧が過電圧や不足電圧になったり、周波数上昇や低下が発生したりすると、電力会社の系統全体の品質に悪影響を及ぼします。

よって、これら不具合を検出する継電器を設置して、電圧や周波数の異常を検出した際に、即座に電力会社系統から切り離す必要があります。これを解列といいます。

系統連系は、電力会社の電力系統に発電設備を接続することを示しており、電力会社の配電線に対して電力を送り込むかどうかは別問題です。電力会社の配電線に電力を送り込む場合、逆潮流という技術を理解する必要があります。

逆潮流

系統連系状態の電路において、消費する電力よりも自家発電する電力が多くなると、その余剰電力は電力会社の線側に戻っていきます。これを逆潮流といいます。電力会社はその逆潮流した電力を、他の需要家に供給することができるため、電力を供給する一需要家が発電所として機能することになります。

自前の発電設備から逆潮流を行う需要家は、電力会社と契約することにより、逆潮流した分の電力を一定の電気料金で買い取ってもらうことができます。

発電設備から発電した電力のうち、構内で消費できなかった余剰の電力をこのような仕組みで電力会社の配電線を通して使い切ることが出来るため、発電設備の負荷率を常に100%とすることが可能になります。

ただし、太陽光発電や風力発電で発電した電力の売単価は、受電契約と同等の電気料金になります。一般住宅では従量電灯契約などが普通ですから、約24円/kWh程度の単価で買い取ってもらうことができますが、高圧受電の需要家では電力の単価が安いため、12円/kW程度の買取額になります。高圧需要家では、逆潮流による売電のメリットは、かなり小さいと言えます。

太陽光発電設備の電力買取価格は頻繁に変動しており、平成21年11月から平成22年度までに電力会社へ契約申し込みを実施した場合、住宅用10kW未満で48円/kWh、非住宅用は24円/kWhの買取価格となっていましたが、平成23年度に新たに契約申し込みをした場合は、住宅用10kW未満は42円/kWh、非住宅用は40円/kWhとなります。

上記金額は、太陽光発電設備を単独で設置している場合の買取価格であり、太陽光発電設備以外の発電設備を持っている場合、買取価格が低減されますので注意が必要です。資源エネルギー庁では「ダブル発電」という名称で区別を行なっています。

バンク逆潮流

バンク逆潮流は、大規模な発電設備が需要家側に設けられた場合に発生する問題のひとつです。電力会社の変電所のバンク単位で、高圧系統から特別高圧系統に向かっての電気の流れ(潮流)が発生することで、配電線の電圧品質の悪化や、保護協調の不良を発生させる原因となります。

バンク逆潮流に対応できない変電所では、電圧の異常変動を防止するため、逆潮流に対応した電圧調整を行う自動電圧調整装置を導入するといった対策を行います。保護協調に対しては、接地形計器用変圧器や事故検出用のOVGRを設けるなどの対策を行います。

これら工事負担は接続する発電事業者に請求されることになり、各電力会社毎に負担金額の単価が定められています。

発電電力の品質安定化

需要家側から電力会社線に逆潮流する場合、同じ系統に接続されている他の需要家へ悪影響を及ぼさないようにするため、電力品質を一定以上に確保しなければなりません。よって、電圧や周波数などが、電力会社が決めた規定値以上に変動した場合、自動的に電路を遮断する装置を設ける必要があります。

例えば、太陽光発電設備などから発電される電力は直流であり、そのままでは交流の電力会社線に接続することができません。パワーコンディショナーと呼ばれる電力の変換装置を通し、交流の電源に変換を行います。パワーコンディショナーでは電圧や周波数の安定化もあわせて行われます。

電圧や周波数の値が大きく変動した際に電路を開放する装置は、パワーコンディショナーに内蔵されています。太陽光発電や風力発電によって発電された不安定な電力は、このように一定以上の品質を保った電力に調節されています。

単独運転の防止機能

電力会社の系統に逆潮流する発電設備では、単独運転を防止する方策が講じられなければいけません。単独運転を防止するために「過電圧継電器(OVR)「不足電圧継電器(UVR)」「過周波数継電器(OFR)」「不足周波数継電器(UFR)」の4要素を使用します。

単独運転状態において「無効電力が均衡し、かつ負荷に供給すべき有効電力に対し発電能力が大きい」場合、解列箇所で電圧上昇と周波数上昇が発生します。これはOVRとOFRにより解列可能です。

「有効電力が均衡し、かつ力率が系統から見て遅れている」場合、解列箇所で電圧低下と周波数上昇が発生します。これはUVRとOFRにより解列可能です。

「無効電力が均衡し、かつ負荷に供給すべき有効電力に対し発電能力が小さい」場合、解列箇所で電圧上昇と周波数低下が発生します。これはOVRとUFRにより解列可能です。

「有効電力が均衡し、かつ力率が系統から見て進んでいる」場合、解列箇所で電圧上昇と周波数低下が発生します。これはOVRとUFRにより解列可能です。

更なる単独運転検出機構

単独運転中の系統において無効電力と有効電力が乖離していれば、各種継電器が動作し単独運転を防止しますが、無効電力・有効電力ともに均衡していた場合、電圧も周波数も大きく変動しなければ、これら継電器で保護することが不可能になります。ここで、解列点において「能動的方式」と「受動的方式」によって単独運転を検出します。

能動的方式は、系統に対して電圧や周波数の変動を与え、単独運転が発生した際にこのへんどうがより大きくなることを検出する方式です。従来は外部抵抗や制御系を用いていましたが、検出時間が長いことや、能動的方式を行う発電設備が多数連系している系統では、有効に検出しないおそれがありました。

新しい技術として、「ステップ注入付周波数フィードバック方式」と呼ばれる誘導的方式が開発されています。これは、電力系統の周波数変化率を検出し、周波数変化を助長するよう無効電力を注入することで単独運転を検出します。

受動的方式は、単独運転発生時の特徴的な電圧位相跳躍、3次高調波電圧歪みの急増検出、周波数変化率などを検出することでゲートブロックし発電設備を停止させる機構です。

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電力買取用の電力量計の設置

逆潮流した電力量の数値によって電力会社との売買契約が成立するため、計量法に基づいた検定付き電力量計の設置を行う必要があります。電力量計は、需要家側から流れてくる逆向きの電力を計測できるものが使用されます。電力会社から電気を買う場合、引込点に契約用の電力量計が設置されますが、この部分に太陽光発電の逆潮流分を測定できるメーターを設置します。

逆電力継電器の設置

逆電力継電器は、系統連系を行っている需要家で、電力会社の配電線に電力を戻さない、つまり逆潮流をしない契約をしている場合に設置されます。逆電力継電器は、系統連系点に逆向きの電力が発生した場合に信号を発信し、この信号を受信したら遮断器が動作するといった動作をします。

系統連系をする電路において、逆潮流を行わない契約とする場合、受電点に逆電力継電器を設置し、電力会社側系統に電力が逆潮流した瞬間に系統を解列させ、逆潮流を防止しています。構内で電力をすべて消費するため、電力会社には電力を1Wも送らないことになります。

とはいえ、早朝など需要家内で使用されている電力負荷が少なく、太陽光発電や風力発電が自然に発電してしまい発電量が上回ってしまうことが考えられます。このような場合に、逆電力継電器が逆向き電力を検出し、発電系統を電路から切り離し逆潮流を防止することができます。

系統連系に掛かる費用負担

系統連系を電力会社の配電線と行う場合、需要家から電力会社への接続申込みを行うことになります。接続の申し込みに際しては、1地点1検討にあたり210,000円を調査料として支払うことになっています。

この調査費の振込みが完了次第、電力会社は受電側としての技術的検討を行うことになります。この調査料は全国一律であり、電力会社毎の違いはありません。

調査における系統連系の接続可否

系統連系における接続申込みののち、3ヶ月以内程度で電力会社から接続可否の回答を受けることになります。配電線の余力が十分であれば特に支障ありませんが、連系点の配電線の容量不足や距離の問題、電力会社が連系制限を設けている系統であるなど、接続が拒否されたり、多額の工事負担金を求められる場合があります。

電力会社の配電線に接続するために、配電線側の設備増強を伴う場合には、発電側事業者に費用負担義務が発生します。電力会社が工事負担金の見積を提示することになりますが、その金額の算定根拠や工期の長さは、電力会社1社によるものであり、他社比較といった仕組みが存在しないため、協議に時間を要する一因となっています。

蓄電池の有無

蓄電池設備は、太陽光発電や風力発電で発生した電力を、夜間や非常時に使用したい場合に設置します。

太陽光発電は日射がある時だけ発電し、風力発電は風がある時だけしか発電することができないので、電力は天気まかせ、風まかせとなります。発電した電力を夜間使用したり、停電などの非常時に使用したい場合は、蓄電池に電源を蓄え、必要な時間に放電するというシステムを構築する必要があります。

蓄電池は設置コストも運用コストも高くなりますし、電力会社が供給する安定した安価な電力で充電するのが一般的です。通常時に太陽光発電設備や風力発電設備で蓄電池を充電するのは極めて不経済になります。

電力会社から電力を購入できる環境にあるなら、商用電源を使用して蓄電池を充電し、停電時など電力会社が電力を供給できない状況になったら、自家発電設備から電力を供給して充電するといったシステムにするのが合理的でしょう。

または電力会社が電気を供給していない、山岳地帯や海上などで電源が確保したい場合には、蓄電池設備の設置が有用です。このように、電力会社が電気を供給している都心部エリアや街区のエリアでは、通常時に自家発電設備から蓄電池を充電することにメリットがありません。

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みなし低圧系統連系とは

系統連系は、低圧・高圧・特別高圧どの電圧で受電する需要家でも可能ですが、電圧が高いほど危険なため、電路を保護するための保護装置が多くなります。しかし、高圧需要家で系統連系を行う場合でも、5〜10kWといった小規模な発電設備を設置することも多く、保護装置が過大になってしまうことが考えられます。

これに対応し、みなし低圧連系という制度があります。みなし低圧連系は、電力会社との契約電力が比較的大きい場合、小規模から中規模の太陽光発電設備や風力発電設備を高圧連系の保護装置をもって保護せず、低圧系統連系と同様の保護装置で系統連系してもよいという緩和措置です。

高圧受電の需要家において、太陽光発電設備や風力発電設備を設けた場合には、高圧電源に対して系統連系することになりますので、低圧の系統連系で設置される保護継電器の他、地絡過電圧継電器(OVGR)を追加で設置する必要があります。

低圧の系統連系ではOVGRの設置義務はありません、みなし低圧連系をすることで、保護装置は低圧と同様まで簡易化することができますから、OVGRを設置しなくても良いことになります。OVGRの設置コストを削減することができ、受変電設備への設備負担を軽減することが可能になります。

通常、みなし低圧連系を適用したい場合「発電設備の容量が受電電力の5%程度で、常に発電設備からの電力を構内で消費出来ること」という条件を満たせば、管轄する電力会社との協議によって、高圧系統連系を低圧系統連系とみなすことができます。

例えば、1,000kWを契約電力としている需要家で、10kWの太陽光発電設備を設置した場合、太陽光発電設備の比率は1%ですので、この条件を適用することができます。

FRT機能とは

太陽光発電設備が大量に連系されている系統が一斉に解列すると、接続されている電力系統に著しい外乱を与え、電力品質を大きく低下させてしまう原因となります。特に大規模の解列が発生した場合、電圧変動、周波数変動が発生し、配電線に接続されている他需要家への電力品質の低下を引き起こすおそれがあります。これを防止するため、事故時運転継続要件としてFRT( Fault Ride Through )と呼ばれる機能が規定されています。

現行の「電力品質に係る系統連系技術要件ガイドライン」では、不足電圧の発生などによる発電設備の解列が規定されていますが、電力系統の乱れによって解列をするべきか、または運転継続をするべきかは規定されていません。今後広く普及されると予想される太陽光発電設備の電力品質確保を求めるため、FRT要件が規定されています。

JEAC 9710-2010 2011年追補版では、低圧連系する発電設備のFRT要件として、電圧変動に対する動作と周波数変動に関する動作が規定されています。

電圧低下によるFRT要件

「残電圧20%以上で、継続時間が1秒以内といった、瞬時電圧低下に対してゲートブロックせず運転継続を行い、電圧の復帰後0.1秒以内に、電圧低下前の80%以上の出力に復帰する」、「残電圧20%未満で継続時間が1秒以内の電圧低下に対してはゲートブロックで対応し、電圧復帰後1秒以内に電圧低下前の80%以上の出力に復帰する」

周波数変動に対するFRT要件

「ステップ状に+0.8Hz(50Hz地域)または+1.0Hz(60Hz地域)、3サイクル間継続する周波数変動では運転継続する」、「ランプ状の±2Hz/sの周波数変動では運転継続する。ただし、上限51.5Hz・下限47.5Hz(50Hz 地域)または上限61.8Hz・下限57.0Hz(60Hz地域)とする」

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