技術・家庭科

エネルギーと技術

技術分野◆中央給電指令所の役割（ 3 ）電気の安定供給

その他の教科動画へ GO !

（電流、電流と磁界）『ひらめき！ ピカールくん』
電気事業連合会

エネルギーと技術

技術分野◎技術分野：・エネルギー変換の技術

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（ 3 ）電気の安定供給◎その他の教科：・理科…電流とその利用（電流、電流と磁界）『東京電力パワーグリッドの使命・仕事』
東京電力パワーグリッド◆電気を安定供給するためのしくみ●送電の流れと給電指令系統

発電所から送電線、変電所、配電線などのすべての電力設備のシステムを「電力系統」という。
電力系統は周波数・電圧をつねに一定に保ち品質を維持しながら利用される場所まで送られる。

中規模ビル

大規模ビル

原子力発電所

50万〜
27万5千V

水力発電所

100V／200V

住宅

柱上変圧器
小規模工場

太陽光発電
（メガソーラー）

風力発電

地熱発電

住宅用太陽光発電

商店

49

電流には、同じ方向に同じ大きさで一直線に流れる直流↓⊖

電圧・電流⊕↑●系統給電所・地方給電所の役割

電気使用量と発電量が常に一定

系統給電所はつねに変電所や送電のバランスを保つため、電力需要と、電流の流れる方向が変わる交流の 2 種類がある。発電時間→

電気
使用量

所で作られた電気は交流で送られてくる。東日本は 50Hz、西日本は 60Hz の周波数の交流を使っている。

電気使用と発電量が異なると標準周波数からずれる

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5051

周波数

周波数

発電量

電気使用量

49

50

電気の消費量（需要）と発電量（供発電量（出所）東京電力ホールディングス株式会社資料を基に作成

うに制御している。自然災害などで近年は天候に発電量が左右され送電線に問題が発生した場合は、停る再生可能エネルギーによる発電量の予測や出力変動への対応が課題となっている。

中央給電指令所

写真提供：関西電力株式会社

再生可能エネルギーの出力を予測して需給計画を作成するしくみ
再エネ出力
予測ソフト
再エネ出力実績を収集・蓄積し、再エネ出力
予測値

再生可能エネルギー

電エリアが拡大しないよう問題のある場所を迂回する送電ルートを即座につくる「電力系統安定化システム」が導入されている。

その他の電源気象予測情報と想定需要再エネの出力実績大規模な停電につながることもある。

を予想

翌日の需給計画の作成（出所）中国電力株式会社資料を基に作成

0.1 〜 0.3Hz 以内になるよう目標を設定し、刻々と変わる電気の使用量を予測して発電量を調整している。

関連する
ページ

○地域間連系線の強化 ･･･････････････････････････････････ P.50
○電気の安定供給と再生可能エネルギー ･････････････ P.50

調べてみようロールしなければならない。また、供給の安定性（燃地を結ぶ形で形作られてきたが、再生可能エネル料の入手のしやすさ）、環境への影響（二酸化炭素ギーの立地ポテンシャルとは必ずしも一致していな排出量）、経済性（燃料コスト）などを考慮し、どい。このため、再生可能エネルギーの導入拡大に伴のように電源を組み合わせるかバランスの取れた構

い、電力系統の容量が足りず接続できない例が見ら成になるよう調整をおこなっている。

れるようになった。今後、再生可能エネルギーが主

中央給電指令所では、時々刻々変化し続ける電気力電源となるためにはこの系統制約が大きなネックの使用量を予測しながら、発電所の発電量を調整すとなる可能性がある。しかし、電力系統の空き容量る指令を出し、周波数を一定に調整している。また、を増やすために新しく送電設備を作ったり増強する送電線の流れを管理し、変電所や送電線などの送電にはコストと時間がかかる。そこで、再生可能エネ設備に異常や故障が起きた際の対応も、中央給電指ルギーを最大限導入しつつ既存の送電設備や技術で令所の重要な業務である。

緩和・解消する方法が検討されている。

◆系統給電所・地方給電所の約割

家庭に送られる電気はなぜ交流なのか調べてみよう。また、家庭で使っている電気製品は、直流か交流か調べてみよう。

現在導入方法が検討されている「日本版コネクト＆マネージ」では、これまでの運用ルールを変更し系統給電指令所の下には各地に点在する地方給電て緊急時用に空けていた容量や他の電源が発電して所がある。電力会社によって給電指令所は基幹給電いない時間などの「すきま」をうまく活用し、より制御所、地方給電所は給電所、系統制御所、給電制たくさんの電気を流せるように工夫しようというも御所など名称が異なる。のである。

系統給電所では、送電線や変電所などの設備に異常がないかを常時監視し、電力ネットワークをコントロールする、発電所で作られた電気を無数に広がる送電網を使って安定的に送る最適なルートを決定する、電圧を適正な値に調整する、などの業務をおこなっている。万が一、自然災害などで事故が発生

系統給電所 写真提供：関西電力株式会社

電力会社では周波数の変動幅を±◆「日本版コネクト & マネージ」とは日本の電力系統はこれまで大規模発電所と需要仕事である。

元に翌日の出力て変電を繰り返して徐々に電圧を下げている。

ほぼ同じ）、需要量を上回るように発電量をコントした場合には、その復旧計画や指令も系統給電所のベース電源これらの実績を給）のバランスが大幅にくずれると
51

電気使用量と発電量のバランスが大幅にくずれると発電機が連鎖的に停止（電力系統全体の停電リスク）視し、安定かつ効率的に運用するよするシステムも導入されている。

う分だけ作られて光と同じ速さで送られる。これを「同時同量」という。

変電所など電気の流れる道すじを監所で発電所の出力を遠隔自動制御

電気は多く貯められないので、使電気使用量 ＜ 発電量→ 周波数上昇

切な電力潮流・圧力を維持するようと指令などをおこなう。中央指令

気象予測
情報

発電量

線など電力系統の状態を監視し、適の予測や発電所毎の発電量の計画『ひらめき！ ピカールくん』
電気事業連合会

周波数49

電気使用量 ＞ 発電量→ 周波数低下51

配電用変電所●中央給電指令所の役割

電気使用量 ＝ 発電量

506600V

二次変電所

50万〜
27万5千V

時間→●電気使用量と発電量のバランス

496600V

時間→※送電線は3本一組で電気を送っている。それぞれの電線には波のタイミングが異なる電気が流れている。

電気使用量

2万2千V

2万2千V

一次変電所

中規模工場

↓⊖

電圧・電流

交流（60Hz）
プラスとマイナスが1秒間に60回入れ替わる

超高圧変電所⊕↑交流（50Hz）
プラスとマイナスが1秒間に50回入れ替わる

15万4千V〜6万6千V

6万6千V

↓⊖

電圧・電流

直流

15万4千V学校

大規模工場

技術科 ❹ エネルギーと技術

50万〜27万5千V⊕↑

技術科 ❹ エネルギーと技術

48

火力発電所

●電流の種類と周波数●電流の波形変化イメージ

鉄道変電所

送電されている。そのため、需要地に近づくにつれ◆送電のしくみと送電ロス発電所で発電された電気は、交流で需要地に送ら※電力広域的運営推進機関（https://www.occto.or.jp）では電力の安定供給や送配電設備の効率的利用などへの取り組みに関する情報を公開している。

日本版コネクト & マネージのイメージ
従来の運用空き容量の算定

全電源がフル稼働 実態に近い想定で算定する前提で算定 【下図①に該当】

緊急時用の枠半分程度を確保

事故時（落雷など）に電源を電力系統から瞬時遮断する装置の設置を条件として、一部枠を平常時に開放【下図②に該当】

通常は想定せず電力系統の混雑時の出力制御を前提として、新規電源の接続を許容（系統が空いているときの容量を活用）【下図③に該当】

出力制御を前提とした接続れている。電流には直流と交流があるが、発電され➡くらしや社会に不可欠な電気を送るための送電・配電技術について理解する。

学習の➡電力需給のバランスをコントロールする中央給電指令所のはたらきを理解する。
ねらい ➡電気は貯められないので需要に応じて発電量を調整しなければならないことを理解する。

従来の運用た電気を交流にする理由は変電が容易なためである。

見直しの方向性

電気が届けられる過程で、その一部は送電線の抵緊急時に確保抗などのために、途中で熱となって大気中へ逃げてしまう。これを「送電ロス」といい、送電ロスは電圧が低いほど、送るまでの距離が長いほど大きくな度を損失している。
電気を高圧で送るのは、こうした送電ロスを減らすためである。近年は、電力需要の増加と電源の大容量化・遠隔化・安定供給に対応するため、送電線②運用容量る。日本の送電網の場合、発電量に対して約 5％程

緊急時に確保設備容量

学習のポイント➡超高圧で送り出された電気は、需要地で必要に応じた電圧に下げられて供給されている。
➡電力は大量に貯めておくことができないので、常に需要に合わせて発電がコントロールされている。
➡電源の組み合わせは、それぞれの発電方式の特徴や長所、短所を考慮し、バランスのとれた構成になるよう考えられている。

見直しの方向性①

風力太陽光
火力・原子力等

風力
火力・原子力等③

太陽光（出所）経済産業省「総合エネルギー調査会 省エネルギー・新エネルギー分科会／電力・ガス事業分科会／再生可能エネルギー大量導入・次世代電力ネットワーク小委員会中間整理」（2018年5月）

技術科 ❹ エネルギーと技術

技術科 ❹ エネルギーと技術

技術・家庭科と消費が同時に行われるため（電気の速さは光速と『東京電力パワーグリッドの使命・仕事』
東京電力パワーグリッド

科 …電流とその利用

理

大容量の蓄電池が研究・開発されつつある）、生産

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・エネルギー変換の技術
・情報の技術技術分野

48

電気は大量に貯蔵しておくことができず（近年はの高圧化が図られており、50 万〜27 万 5,000V で49

技術・家庭科

エネルギーと技術

技術分野◆東日本と西日本の周波数のちがい・エネルギー変換の技術
・情報の技術

技術分野

その他の教科

科 …電流とその利用（電流、電流と磁界）

理エネルギーと技術

技術分野●地域間連系線の強化◆地域間連系線の強化
これまで日本では地域ごとに電力系統を構築し需給バランスの管理がおこなわれてきた。それぞれの地域は隣の地域と連系線で繋がっているが、地域を越えて流せる電気の量は限られている。現

北本連系線（直流）
北海道と本州は函館と上北に交・直変換設備を設置し、この間を架空送電線および海底ケーブルで結んでいる。

北海道本州間連系設備：

60万kW➡
90万kW（2019年3月予定）

中部・北陸間は南福光連系所で交流→直流→交流に変換して連系している。

北陸

556万kW

1,666万kW中国九州間連系線：

中国

556万kW

関西

沖縄

240万kW

本州（中国）と四国は瀬戸大橋に添架された50万ボルト送電線で連係されている。

は交直交換

450万kW

新信濃F.C.

中部

佐久間F.C.

556万kW中国四国間連系線：も呼ばれる。電力の貯蓄用途で使われる蓄電池には鉛電池、以上増強

東京

東清水F.C.

東京中部間連系設備：

本州（関西）と四国は和歌山県伊都郡と徳島県阿南に交・直変換設備を設置し、この間関西四国間連系線：を架空送電線および海底ケー140万kWブルで結んでいる。

四国

50

出てしまう。そのため周波数や電圧の変動が小さい高品周波数変換所（F.C.）
東日本の 50 ヘルツ系統西日本の 60 ヘルツ系
統は、静岡県佐久間、静岡県東清水および長野県新信濃の周波数変換所で連系されている。
・新信濃周波数変換所（東京電力）：60万kW・佐久間周波数変換所（電源開発）：30万kW
・東清水周波数変換所（中部電力）：30万kW

120万kW

2020年目標：210万kW
2027年度末目標：300万kW

従来、日本では連系線を通してるので、需要に併せて電力量を確保することがむずかしい。

リチウムイオン二次電池はエネルギー密度が高い、自己そうした再生可能エネルギーの不安定性の問題を解決す放電が小さいなどのメリットがある。一方でエネルギーる装置として期待されているのが蓄電池である。電力が密度が高いために過充電 ･ 過放電に弱い、発熱しやすい

あまったときに電力を貯蔵し、需要に応じて送電網に電など耐久性・安全性の面から電力貯蓄用の大型化に課題気を送ることが可能になる。現在のところ、高価格であがあった。現在は、正極にリン酸鉄リチウムなどを使用ること、大型化がむずかしいことから、低価格化、大型することで安全性の高い電池が開発され、実用化に向け化をするための技術開発が進められている。

製品の開発が進んでいる。

また、太陽光発電、風力発電の出力変化量を推定して、おこなうことを想定していなかっ電力の需給バランスを保ち、安定した周波数の電力を供た。しかし、東日本大震災をはじ給できる「再生可能エネルギー対応蓄電池制御技術」がめとする自然災害や再生可能エネ開発されており、大容量蓄電池を備えた変電所を導入すルギーの大量導入などでより広域る動きが徐々に進んでいる。
再生可能エネルギー

生可能エネルギーによる電力過多の調整などができ、電力の安定化を図ることができる。

●周波数変換（交直交換機）のしくみ
60Hz

▶

変換用
変圧器
（60Hz）

▶

トピックス

サイリスタ
バブル
（60Hz）

50Hz

◀

◀

▼

サイリスタ
バブル
◀
（50Hz）

60Hz の電気を 50Hz にする場合：60Hz の交流の電気を周波数変換設備で直流の電気に変え、今度はその直流の電気を 50Hz の交流の電気に変える。50Hz の電気を60Hz に変換する場合はこの逆になる。

風力発電

0.3
0.2
0.1
0-0.1
-0.2
-0.3ているが、周波数の異なる系統間の連系や大電力輸送を必要とする連系や長距離ケーブルによる連系については、直流連系されている。
その理由は、①周波数の異なる系統の連系が可能②地域内の電力系統の安定性を保てる（連系している系統の周波数の乱れや故障などの影響を受けない）③ロスの少ない送電が可能（直流連系は交流連系よりも送電損失が少ないという特徴がある）

太陽光発電

＋

風力発電

系統用
蓄電池

0.3
0.2
0.1
0-0.1
-0.2
-0.3

蓄電池制御により系統周波数を安定化

51

用途

電池
容量

使用
期間

充電頻度

使用期間
×
充電サイクル

携帯機器

10Wh

〜3年

1 回／日

3年
1000 サイクル

電気自動車

30kWh 〜 10 年

300km ごと

家庭向け
定置

6kWh

10 年

2 〜 3 回／日

10 年
6000 サイクル

産業用定置50kWh 〜 10 年

2 〜 3 回／日

10 年
10000 サイクル

◎技術分野：・エネルギー変換の技術

10 年
400 サイクル（12万km走行として）（ピークシフトモード）（ピークシフトモード）※電力貯蔵用蓄電池は使用期間、充電サイクルともに最も耐久性が要求される。
（出所）エリーパワー株式会社資料

関連するページ○電気を安定供給するためのしくみ ････････････P.48〜49○太陽光発電／風力発電 ････････････････････････････････ P.41
○これからのエネルギー利用と技術 ････････････P.56〜57④長距離の場合、建設コストを低減できる（交流連系とくらべ電線の数が少なくてすみ、鉄塔も小さくできる）などである。

◎その他の教科：・理科…化学変化とイオン（化学変化と電池）
・理科…電流とその利用（電流、電流と磁界）調べてみようなぜ東西で周波数が違うのか、統一しない理由を調べてみよう。

➡直流と交流の違いを理解する。

学習の➡東日本と西日本では周波数が異なっていることを知り、相互融通には技術的な理由から限ねらい度があることを知る。
学習のポイント

東西地域の周波数を 50Hz、60Hz に分化させる

電力の需要以上に発電する場合もあり、そのままにきっかけは、明治時代に東京電灯浅草発電所がドイしておくと需要と供給のバランスがくずれて大規模ツ製 50Hz 発電機を、大阪電灯幸町発電所がアメリな停電などのリスクが発生してしまう。そのため需カ製 60Hz 発電機を導入したことである。大正時代

要以上に発電され電気が余る場合にはあらかじめ決初頭から第 2 次世界大戦直後までに 4 回の周波数統められた順に電源を制御する「優先給電ルール」が一の動きがあったが、いずれも莫大なコストと時間設けられている。

がかかり、設備の改造過程で供給力不足を招くこと2018 年秋、九州や四国では優先給電ルールの順から実現されず、現在も 2 つの周波数が使用されてに出力制御をおこなっても電力が余ったため、太陽いる。

光発電の出力制御が初めておこなわれた。

われている。変換設備の合計容量は 120 万 kW だが、従来の運用では事故などに備え、実際に使える能力はわずか 40 万〜 55 万 kW 程度である。

◆電力の品質と再生可能エネルギー
電力会社では、常に一定の周波数、電圧で電気を●用途別リチウムイオン二次電池の要求寿命特性（例）以上のコントロールが困難である。条件に恵まれれば、数変換所（静岡県）の 3 か所で、電力融通がおこな蓄電池制御なし

再生可能エネルギー

電力系統間の連系は主に交流連系によりおこなわれ直流（リアクトル）
変換用
変圧器（50Hz）

太陽光発電

交流連系と直流連系

その中で、リチウムイオン二次電池はスマートフォンや電気自動車などの電池としてすでに利用されている。

それを相殺するように蓄電池の充放電を制御することでの運用容量が増強されると、地域単位での電力不足を他地域からの融通で解消、再ニッケル水素蓄電池、リチウムイオン電池、NAS 電池などさまざまな種類がある。

太陽光発電、風力発電は天候によって発電量が変動す

日常的に大量の電力のやり取りをに電力をやり取りできるよう見直しがされた。技術的な課題であった地域間連系線（出所）資源エネルギー庁資料を基に作成

質な電力を送り続けることができるよう維持されている。

●電力系統の安定をはかる蓄電池と制御技術

中部関西間連系線：

九州とはできる。蓄電池は化学電池のひとつで、二次電池と2027年目標：運用容量を30万kW

北陸関西間連系線：
関西中国間連系線：

化学エネルギーなどほかのエネルギーの形で蓄電するこ

技術科 ❹ エネルギーと技術

技術科 ❹ エネルギーと技術関門連系線
本 州 と 九 州 は50万ボルト送電線で連係されている。

電気は電気エネルギーの形で貯めることはできないが、周波数が乱れると回転数が変動し、製品の品質に影響が送られている。

岡県）、新信濃周波数変換所（長野県）、東清水周波●リチウムイオン二次電池

電圧に乱れが生じる。工場などで使用しているモータは1,262万kW
中部北陸間連系設備：

電線の周波数・電圧に影響を与え、電力の安定供給の課題となっている。

東北東京間連系線：

よってその出力（発電）が大きく変動するうえ、そなければならない。現在は、佐久間周波数変換所（静し、天候に左右される変動型再生可能エネルギーは発電量の予測や出力の制御がむずかしいため、送配電力の需要と供給のバランスがくずれると、周波数や境にし、東日本は 50Hz、西日本は 60Hz の電気が東西で電力を融通する場合、同じ周波数に変換し東日本大震災以降、太陽光発電を筆頭に再生可能エネルギーを利用した発電所が増加している。しか●周波数と電力の品質

東北

在、地域間の送電できる運用容量を大きくする連系線の設備増強が進められている。

◆電気の安定供給と再生可能エネルギー北海道

太陽光や風力などの再生可能エネルギーは天候に➡周波数を変換するためには、一度、直流に変えてから別の周波数に変えている。
➡一部の連系線も変換所で交流を直流、直流を交流に変換して連系している。
➡東西間の周波数変換は静岡県と長野県の 3 か所でおこなわれている。

供給できるよう品質の安定に努めている。例えば繊優先給電ルールのイメージ
・火力発電（LNG・石炭・石油など）の発電量を減らす

・揚水式水力発電の動力として電気を使用し需要を増やす
・連系線を活用し他のエリアへ電力を融通する・バイオマス発電の出力を制御する

・太陽光発電・風力発電の出力を制御する◆蓄電池

維工場で使われている織機のモーター回転数に乱れ

蓄電池は化学電池のひとつで、二次電池とも呼ばが発生すると、仕上がった生地に織りムラができるれる。蓄電池には鉛電池、ニッケル水素蓄電池、リなどの不具合が生じてしまうため、常に調整目標範チウムイオン二次電池などさまざまな種類がある。

囲内に収まるよう調整している。

その中でリチウムイオン二次電池は、体積、重量当

周波数維持の指標には時間滞在率（標準周波数かたりの電気蓄積量が大きい上に急速充電・急速放電

ら実測周波数が一定の変動幅に維持された時間の比が可能なため、電気自動車から電力貯蔵のための定率）がある。各電力会社は平常時の調整目標を下の置用まで幅広い利用が見込まれている。

表の通り設定している。

これまでは電気は貯めることができないことを前再生可能エネルギーの固定価格買取制度が導入さ提に、需要の最大値に合わせた発電設備を作る必要れて以降、太陽光発電を中心に設備導入が増大してがあった。現在は、蓄電技術の進展で大容量蓄電池いるが、太陽光発電や風力発電は、天候によって発の開発が進んだため、発電量が多いときには大規模電量が大幅に変動する。電力の品質を保つためには、な蓄電池へ蓄え、少ないときやゼロのときには蓄電火力発電などの出力調整が可能な電源をバックアッ池から出力することが可能になり、将来的には電力プとして準備するほか、発電した電気を大規模な蓄需要の負荷平準化への寄与が期待されている。

電池に蓄えるなどの対策が必要となる。

電池の種類

各供給区域の周波数調整ルール
供給区域

北海道

東北・東京

中部・北陸・関西・中国・四国・九州

化学電池

沖縄

標準周波数

50Hz

50Hz

60Hz

60Hz

調整目標範囲± 0.3Hz± 0.2Hz± 0.2Hz± 0.3Hz± 0.1Hz 以内
滞在率目標

−

−95％以上−（出所）電力広域的運営推進機関資料

一次電池（乾電池）
二次電池（充電式電池）
燃料電池

電池
物理電池

光電池（太陽電池）技術科 ❹ エネルギーと技術

技術・家庭科

日本は、静岡県の富士川と新潟県の糸魚川辺りを出力の制御などをおこなう順番

技術科 ❹ エネルギーと技術50

科 …化学変化とイオン（化学変化と電池）

理◆優先給電ルールとは51