No.59

2011.5

「社会経済研究」（旧「電力経済研究」改め）「社会経済研究」は、エネルギー・電力およびその周辺分野（経営・経済・環境・社会・リスク研究等）での、社会科学・政策科学研究の発展に資する未発表の論文を中心に掲載
し、学術の振興に寄与することを目的とした雑誌です。年１回の刊行を原則とし、広く一般からの投稿を受け入れております。
１．原稿の種類「論文」のみと致します（巻末投稿規程ご参照）。
２．著作権等について原稿の採用、雑誌の編集等については、「社会経済研究」編集委員会がその責任を負います。しかしながら、各論文の内容については、筆者にその責があります。また、本誌に掲載されたすべての論文を含む本誌の著作権は（財）電力中央研究所に帰属します。複製や他の出版物等に転載を希望する場合には、「社会経済研究」編集委員会を通して（財）電力中央研究所の承諾を得てください。

５９号編集委員会
大山 力（横浜国立大学（ゲスト・エディター））
門多 治・永田 豊・三雲 謙

＜社会経済研究Ｎｏ．５９＞

２０１１．5目

次

巻頭言 ·························································

大山

力 ···· 1＜特集論文＞『スマートグリッド』特集
業務・産業需要家におけるデマンドレスポンスのポテンシャルと省エネ意識の関係に関する一検討··································

山口順之 ···· 3

ヒートポンプ給湯器の昼間運転による太陽光発電逆潮流量の抑制効果に関する一考察········································

杉原英治 ··· 15
畑遼太郎
佐伯

修

舟木

剛

配電系統における電圧維持制御のための分散電源連系料金と報奨金制度の検討 ···············································

辻隆男 ··· 25

坂本憲一
大山

力

橋口卓平
合田忠弘
進士誉夫
辻田伸介
大規模太陽光発電システム実証研究－系統安定化技術および各種太陽電池モジュール特性評価について－ ··島陰豊成 ··· 37
工藤

満

小西博雄
宮田博昭
伊藤雅一
植田

譲

社会経済研究 №59 2011.5

1

巻

頭

言

「スマートグリッド」。魔法の言葉である。オバマ政権がアメリカの送配電網のリニュー
アルと雇用促進の切り札として取り上げて以来、瞬く間に世界に広がってしまった。
これまで電力供給に参入していなかったような IT 関連企業も引きつけるスマートグリッ
ドは、しかし、実態がはっきりしない存在である。世界で議論されているスマートグリッ
ドの定義案は例えば下記のようなものである。
「下記のような目標を達成するために、情報通信、制御技術、分散コンピューティングやセンサー類を活用する電力システム
・電力網利用者および関係者の行動を統合
・持続可能で経済性に優れ、信頼性の高い電力を効率よく供給」
定義が簡単にできるようであれば魔法の言葉ではないのかもしれないが、これを見てもよ
くわからないというのが正直な感想だろう。そこで、私なりにスマートグリッドをどのように捉えているかを述べてみる。まず、情報通信技術の活用は必須である。次に、その情報通信技術を使って、供給側と需要側を統合することが重要である。
スマートグリッドの象徴であるスマートメーターは情報通信を活用して供給側と需要側を結びつけるものの代表格である。スマートメーターまたはそれに類する機器を利用して、需要家側の電気の使用を系統の状況に応じて変えてもらうようにするデマンドレスポンス
はスマートグリッドの大きな柱である。また、基幹系統から配電網まで自動化を行い、信頼性を向上させようという取り組みも大事な柱である。
日本ではこれまで自動化に関しては「日本の電力システムはもう十分にスマートであり、これ以上スマートにする必要はない」といった声も聞こえていた。また、デマンドレスポ
ンスに関しては「日本の電力需要はこれからピークが減少する傾向であり、ピークを押さえるためのデマンドレスポンスを行う必要はあまりないのではないか」という指摘もあった。日本のシステムで必要なスマート化は太陽光発電のような自然エネルギー対応のみが必要という意見も多く聞かれていた。
しかし、この特集号の準備をしている間におこった 3 月 11 日の東日本大震災で状況は変わったようにも思える。万全の信頼性だったはずが、供給力不足によって計画停電（輪番停電）を行うような事態に変わってしまったのである。このような状況を乗り越えるためにはデマンドレスポンスによって電力システム側の状況が厳しいときに需要を削減してもらうのは急務になった。また、計画停電（輪番停電）を需要家の利便性を極力損なわずに実施するためには更なる自動化と情報通信システムの活用が不可欠であろう。スマートグ
リッド特集は（心ならずも）時宜を得た特集となったと考えることもできる。
今回の特集号に掲載されるのは 4 件の論文である。最初の論文はデマンドレスポンスに関するものである。この論文では、ピーク負荷の削減を行うデマンドレスポンスを対象としている。論文自体は震災前に書かれたものであるが、今後の状況を考えると価値ある論
文と考えられる。
残りの 3 件の論文は、震災前から問題視されていた太陽電池に代表される分散電源の大量導入問題を扱ったものである。逆潮流量の抑制と電圧維持制御という分散電源連系上の問題を扱った論文が 2 件、実証研究の成果（こちらにも系統安定化技術は含まれている）
を述べたものが 1 件という構成となっている。
最後になったが、本書に投稿いただいた論文執筆者、厳正な査読をしていただいた査読者の方々、編集委員会事務局の皆様に心から御礼申し上げる。
2011 年 5 月
ゲストエディタ－横浜国立大学大山 力

社会経済研究 №59 2011.5

3

業務・産業需要家におけるデマンドレスポンスのポテンシャルと省エネ意識の関係に関する一検討
A Study of Relation between Demand Response Potential and Attitude toward Energy
Efficiency of Commercial and Industrial Customers
キーワード：デマンドレスポンス、業務・産業用電力需要、省エネ、アンケート調査
山 口 順 之近年、欧米を中心にデマンドレスポンス(Demand Response, DR)が注目されている。我が国においても、省エネと並んで、DRを将来の低炭素社会の構築へ向けての一方策としてとらえ、その可能性を評価することは重要と考えられる。しかし、DRと省エネは、どちらもデマンドサイドマネジメントの一種ではあるものの、それらが両立するものなのか、排他的なものなのか、十分に明らかになっているとは言えない。
本論文では、わが国の電力消費量の約3分の2を占める業務・産業需要において、省エネへの態度が、DRにどのような影響を与えるのかについて、DRプログラムに関するアンケート調査により明らかにした。その結果、「自動制御を行う仕組みを設けている」、「運用ルールを取り決め、手動で対応している」、「従業員全員に心がけるよう徹底している」といった、最大需要電力に注意を払っている需要家は、負荷削減率が高いことが分かった。また、オフィス・事務所では、無償の省エネ診断の負荷削減率は高いが、実施事業所は少なめであること、工場における有償の省エネ診断と、小売店舗における省エネ推進体制の組織・活動も負
荷削減率が高いが、実施事業所は少ないことが示された。
１．はじめに
２．デマンドレスポンスと省エネの関係

３．業務・産業需要家に対する郵送調査
４．まとめ

１．はじめに負荷削減が実施しやすい電気機器の調査や実証研究が実施されている（Piette et al. (2007)、

欧米を中心に、デマンドサイドマネジメント

高橋他(2010)）。

（Demand-Side Management， DSM）の一

わが国においては、近年、人口の減少局面へ形態として、デマンドレスポンス（Demandの移行や経済の停滞から、最大需要電力の伸び

Response, DR）が注目され、季時別料金制には鈍化の傾向にあり、欧米における DR の主た

加え、緊急ピーク料金制やリアルタイム料金制

る目的である電力系統全体のピーク負荷削減のなど動的な電気料金制度の検討・導入が進めら必要性は必ずしも高いとは言えない。しかしなれている（山口他(2006)）。DR とは、「時間がら、将来、太陽光発電システムが大量導入さ的に変化する電力価格、もしくは卸電力価格高れ、その出力変動の影響が大きくなった場合に騰時や需給逼迫時に電力使用を減らすように設は、電力の安定供給を、制御可能な従来の発電計された報酬に反応して、最終需要家自らが通所のみならず需要家側の制御も活用した、需給常の電力消費パターンから電力使用を変化させ一体的な制御を行うことのメリットも生じうるること」であり（DOE (2006)）、1980 年代のと考えられる。こうしたことから、DR を単な

DSM の間接負荷制御が、2000 年前後の電力るピーク負荷削減のための DSM ではなく、低自由化や ICT の進化、近年のスマートグリッ

炭素社会の構築へ向けての、将来の一方策としドなどの時代の変化に合わせて形を変え、現在てとらえ、その可能性を評価することは重要とも注目されている取り組みである。近年では、考えられる。

4

デマンドレスポンスと省エネ意識

低炭素社会の構築のための需要側の方策といの DSM を、新たに定義した「電力バリューチ

う点では、省エネ（通常省エネとは、Energy

ェーン」の中に位置付けている（図 1）。このConservation を指すが、本論文ではエネルギ

電力バリューチェーンでは、DSM は、その実ー高効率利用(Energy Efficiency, EE)と同義と施までの時間的な猶予の大きさの順に整理されしている。本論文の範囲では、その違いを厳格ている。すなわち、日々の省エネや、時間帯別に論じる必要はない）こそ、もっとも重要と考

電力利用は、事前に十分な検討を行った上で実えられる。しかし、恒常的に消費エネルギーを施することのできる DSM である。これは、電削減する省エネと、電力需給の状況に応じて電力供給をうけるというサービスを事前に最適化

力使用量を変化させる DR とではその役割が異すると考えることができる。次に、一日のピー

なり、省エネと DR は両立しうる、ともに重要

クロード管理や前日 DR は、日々の需要家施設

な方策とみなすことができる。一方で、省エネの状況に応じて、電力の使用時間を調整したり、について、既にその余地は小さく、さらに DR

一時的にピークカットを行うことを、概ね前日を実施することは困難であるとみなされる可能までに計画すればよい DSM である。これは、性もある。

時間帯別電力利用の最適化により達成されうる。

そこで、本論文では、わが国の電力消費量の最も時間的猶予が小さいと分類される DSM は、

約 3 分の 2 を占める、業務・産業需要においリアルタイム DR と同期予備力 DR である。こて、省エネへの態度が、DR にどのような影響

れは、需要家施設の状況に応じて、一時的にサを与えるのかについて、DR プログラムに関すービスレベルを低下させるものである。

るアンケート調査により明らかにする。

こうした時間的猶予の減少と対応して、制御の粒状性の水準や、遠隔計測・制御

２．デマンドレスポンスと省エネの関係(Telemetry)のスピードも増大する。制御の粒状性とは、例えば、オン-オフ制御よりも、サデマンドレスポンスと省エネ(EE)は、どち

イクル運転の周期変更による負荷削減の方が粒らも DSM の一つと位置付けられるものである状性が高いということを意味している。DR の（NERC (2007)）。
わが国においては、乾いたタオルを絞るという表現が見られるように、既に省エネの余地は小さく、さらに DR を実施することは困難であるとみなされる可能性もある（ただし、コスト削減や二酸化炭素排出量などでも、同様の意味で使用される表現であるため、実際の省エネ余

日々
の省
エネ
(EE)

時間
帯別
電力
利用

一日
の
ピーク
ロード
管理

前日
(slow)
DR

リア
ルタイ
ムDR

同期
予備
力
(fast)
DR

地は個々の施設の事情によって異なると推察される）。一方で、省エネの取り組みを通じて、DR の余地に気づくことも十分に考えられる。
この場合、省エネに対する態度が積極的である

サービスレベルの最適化

時間帯別利用
の最適化

サービスレ
ベルの一時
的な低下

よりきめ細かい制御

需要家は、DR の参加・実施が大いに見込める可能性がある。逆に、省エネに関心のない需要

遠隔計測・制御のスピードの増大

家がさらに DR に参加することは、考えにくいともいえよう。
McKane et. al. (2008)は、省エネや DR など

図 1 電力バリューチェーンの概念図（McKane et al(2008)より）

社会経済研究 №59 2011.5

ように、日々の省エネと比較して時間的猶予の5

３．業務・産業需要家に対する郵送調査

小さい DSM は、サービスレベルの一時的な低下による不便や不快を緩和するために、高い粒

3.1 郵送調査の目的と方法

状性を必要とする。また、時間的猶予の小さいDSM の方が、適時性が求められるため、必然

筆者は、わが国の電力消費量の約 3 分の 2

的に遠隔計測・制御のスピードが速いことが求を占める、業務・産業需要の DR ポテンシャル

められる。

を明らかにするために、2009 年 10 月に郵送

また、省エネなどの時間的猶予が大きい調査を実施した。本論文では、この郵送調査のDSM は、同時に実施費用も小さく、日常的に結果を用いて、省エネへの態度と DR ポテンシ実施されるが、DR など時間的猶予の小さいャルの関係について検討する。

DSM は、比較的実施費用が大きく、実施メリ

本調査では、質問票の配布と回収を郵送で行ット（電気料金支払いの節約）が大きいタイミっている。一般的に、DR の余地を正確に見積

ングのみに、非日常的に実施される傾向がある

もるためには、専門家による訪問調査が有効でと指摘されている。

あるが、調査の実施側と受け入れ側の双方の負

このような電力バリューチェーンによる
DSM の整理を行った McKane et. al. (2008)は、担が大きく、調査施設数が限られてしまうため、郵送調査を行うものとした。

冷蔵倉庫施設と廃水処理施設の DR パイロット

DR ポテンシャルを決定する需要家側の要因試験により、省エネに取り組んでいる産業需要としては、建物、空調システム、負荷削減方策

施設では、需要管理や DR などの他の行動を起などの他、省エネへの態度が挙げられる

こしやすいと結論している。確かに両施設は、（Piette et. al. (2007)，Haeri et al (2007)）。

比較的電力消費量が大きく、省エネへの関心が本調査においてもこうした質問を設けており、高いことは想像されるが、実際に省エネへの態

これらの要因と DR ポテンシャルの関係につい

度がどのようなものであったかは明言されていて分析することが可能である。また、具体的なない。また、DR の結果については詳細に述べDR メニューについては、回答のしやすさを考られているが、実証試験であるため、件数が少慮し、夏季昼間のピークカットのみとしている。

なく、どの程度まで一般的な結果として受け入

表 1 は、アンケート調査の概要である。質れられるか、明らかでない。

問票の送付先は、株式会社帝国データバンクの

こ の よ う に 、 省 エ ネ と DR は 、 ど ち ら も事業所データベースに登録されている、茨城県、

DSM の一種ではあるものの、それらが両立す栃木県、群馬県、埼玉県、千葉県、東京都およるものなのか、排他的なものなのか、十分に明び神奈川県の関東圏に所在地を置く事業所としらかになっているとは言えない。

た。
設問数は 42 問である。返信のあった需要家
は、1,788 件であったが、需要家属性に関する回答のうち、業種や、従業員数、契約電力などが無記入であるもの、従業員数が 50 名を下回っているもの（事業所データベースへの登録の時点と、アンケート調査実施時点で従業員数が異なっている）などを除外している。除外された回答には、契約電力が未記入であるもの（305 件）や、平日昼間ピーク時間帯の電力需6

デマンドレスポンスと省エネ意識

要 の 値が 契約 電 力を 上回 っ てい るも の （ 387

100%
90%

サービス業
サービス業 （他に分類さ（他に分類さ れないもの）
れないもの） 医療，福祉

80%
70%

事業所数の割合(%)

表 1 アンケート調査の概要
調査時期：2009 年 10 月
調査地域：関東圏（茨城県、栃木県、群馬県、埼玉県、千葉県、東京都、神奈川県）
調査対象：従業員規模 50 人以上の業務・産業
需要家
回答者：事業所の電力契約者もしくは電力契約
ご担当の方
調査内容：電力の使用実態や節電方策、DR プ
ログラムの選好など
調査方法：郵送調査
抽出方法：帝国データバンク事業所データベースに登録されている、当該調査地域・対象全数
回収：1,116 件/14,406 件（回収率 7.7%）

卸売・小売業
医療，福祉

60%

運輸業
情報通信業

50%
40%
30%
20%
10%

卸売・小売業
製造業

運輸業
情報通信業
製造業

未回答 (7)その他 (3)
サービス業（他に分類されないもの）(106)
複合サービス事業 (3)教育，学習支援業 (28)
医療，福祉 (62)
飲食店，宿泊業 (13)
不動産業 (15)
金融・保険業 (18)
卸売・小売業 (117)
運輸業 (59)
情報通信業 (22)
電気・ガス・熱供給・水道業 (3)製造業 (605)
建設業 (55)※ 凡例括弧内の数値は電中研統計における回答数0%
政府統計 電中研統計(N=62,200) (N=1,116)件）など、契約電力を正確に把握していないと(a) 事業所の業種みられる回答者が多かった。
3.2 業種・従業員数における回答者の特徴
図 2 は、回答のあった事業所の業種ならびに 1 事業所あたりの従業員数を示したものである。回答者の特徴を示すため、総務省統計局が公表している平成 18 年事業所・企業統計調
査の結果をあわせて掲載している。この政府統計は、事業の内容にかかわりなく 2006 年 10

電中研統計(1116)
政府統計(51245)53.3% (27,293)

0%50～99人20%40%
事業所数の割合(%)
100～299人

17.8%

47.8% (534)

33.6% (375)300人以上27.7%(14,179)

60%

(199)

7.6% 11.5%(3,894) (5,879)

80%

100%

※ 括弧内は事業所数

派遣･下請従業者

未回答(b) 一事業所あたりの従業員数
図 2 事業所の業種および一事業所あたりの従業員数

月 1 日現在でわが国に存在する、すべての事業所が対象となるものである（ただし、個人経給・水道業（3 件）、複合サービス業（3 件）

営の農林漁家や家事サービス業（個人の家庭にの回答数は少ない。政府統計と本統計で比較す雇用されて行うもの）、大使館等の外国公務にると、製造業の割合が顕著に大きい。一方で、属する事業所は、対象外である）。分類は、日

電気・ガス・熱供給・水道業や、飲食店、宿泊

本標準産業分類第 11 回改定のものと同じであ業、医療、福祉、教育、学習支援業、複合サーる。業種の分布をみると（図 2(a)）、製造業

ビス業の割合が小さくなっている。その理由の（605 件）、卸売・小売業（117 件）、サービ

一つとして、テナントの事業所が集計から除外

ス業（他に分類されないもの）1

されていることが考えられる2 。

（106 件）、

医療、福祉（62 件）、運輸業（59 件）、建設図 2(b)は、従業員数で分類された事業所の業（55 件）、の順に回答数が多く、教育、学分布を示したものである。本調査における従業習支援業（28 件）、情報通信業（22 件）、金

員数は、正社員と、パート、派遣社員を合わせ融・保険業（18 件）、不動産業（15 件）、飲た数値であり、政府統計では、正社員と、その食 店 、 宿 泊 業 （ 13 件 ） 、 電 気 ・ ガ ス ・ 熱 供事業所内には勤務していないが、所属がその事

1

2 なお、データクリーニング前の回答データ 1,788 件を集計すると、工場 602 件のうちテナントは 2 件であり、工場以外の事業所 1,186 件のうちテナントは 231 件であった。

サービス業（他に分類されないもの）は、専門サービスや、生活関連サービスなどを含む

社会経済研究 №59 2011.5

7

業所である派遣社員を合わせた数値である。こオ フ ィ ス ・ 事 業 所 が 約 52% 、 小 売 店 舗 がの点で、厳密な比較はできないが、ここでは本

29.9%となっている。また、サービス業（他に調査の回答の特徴を把握することは可能として分類されないもの）の事業所用途は、約 45%比較する。政府統計では、従業員数が 50～99

がオフィス・事務所であるが、その他（約人の事業所が 53%程度と多いが、本調査では33%）や工場（約 22%）との回答も多かった。

34%程度と少なくなっている。一方、従業員数

医療、福祉では、当然のことながら病院・診療が 100～299 人の事業所は、政府統計では約所としての使い方が約 65%と多いが、その他28％と少ないが、本調査では約 48%と多い。

との回答も約 33%と多かった。運輸業につい同様に、従業員数が 300 人以上の事業所も、ては、オフィス・事務所用途（約 44%）とそ

政府統計では約 8％と少ないが、本調査では約の他（約 51%）がほぼ拮抗していた。事業所

18%と多い。

用途を軸とすると、オフィス・事務所用途が製造業、飲食店・宿泊業、医療・福祉、教育・学

3.3 回答者事業所の属性

習支援を除く多くの業種で大きな割合を占めている。
図 4 は、夏季平日の各事業所において、ど

本調査では、事業所の属性として、建物用途、
一日の需要ピークの発生時間帯、電力需要の規の時間帯にピークが発生するかを建物用途別に模についての回答を得ている。
図 3 は、業種ごとに建物用途を整理したも0%のである。「オフィス・事業所」、「工場」、

オフィス・事務所「小売店舗」、「病院」、「その他」の 5 用

工場

その他

あり、次にオフィス・事務所が約 14%となっ

昼間ピーク

夜間ピーク

ほぼ一定

未回答

その他

サービス業
（他に分類されないもの）

複合サービス事業

教育・学習支援業

医療・福祉

飲食店・ 宿泊業

不動産業

図 3 事業所の業種と用途の分布

その他

その他

オフィス・事務所

病院・診療所

未回答

オフィス・事務所

工場

オフィス・事務所

オフィス・事務所

その他

その他

その他
病院・診療所

その他

オフィス・ 事務所

小売店舗

金融・保険業

卸売・小売業

運輸業

情報通信業

電気・ガス・熱供給・水道業

不明

図 4 建物用途とピーク発生時間帯

0%

製造業

100%

その他

オフィス・事務所

小売店舗 その他
オフィス・事務所

その他
オフィス・事務所

オフィス・事務所

その他
オフィス・事務所

オフィス・事務所

20%

建設業

事業所数の割合40%

その他ている。次に、回答数の多い卸売・小売業では、

60%

80%

病院・診療所

多い製造業の事業所用途は、約 82%が工場で80%

事業所数の割合
40%
60%

小売店舗

途に分類した。事業所業種で最も多い回答数が

100%

20%

小売店舗
工場
オフィス・事務所

8

デマンドレスポンスと省エネ意識

まとめたものである。建物用途にかかわらず、

ィス・事業所に集中している。オフィス・事業

昼 間 に ピ ー ク を 持 つ 事 業 所 の 割 合 は 約 78～

所は、比較的小規模な需要家が多い（200kW

95%と高い。一方、夜間ピークの事業所の割合

未満の需要家が約 64%）が、工場や小売店舗

は約 0～7.5%と低い。昼間、夜間のどちらでは、ほとんどが 200kW 以上の需要家で占めらもなく、ほぼ一定という事業所が約 2.7～8.2%

れ て い る （ 工 場 は 約 99 ％ 、 小 売 店 舗 はとなっており、特に工場で多い傾向となっている。

100%）。いずれも 500kW 以上 2000kW 未満

図 5 は、需要家規模として、契約電力の階の需要家の占める割合が最も多い。病院・診療級をとり、それに対して事業所の従業員数を示

所は、200kW 以上 500kW 未満の需要家が多し た も の で あ る 。 契 約 電 力 が 50kW 以 上

い （ 55% ） 。 そ の 他 は 、 50kW 以 上 か ら

200kW 未満の階級では、従業員数が 100 人未

2000kW 未満で比較的偏りが少ない。

満の事業所の割合が約 57%であり、300 人未

図 7 は、ピーク時間帯における電気機器の満の場合には、95%を超える。また、200kW需要である。生産プロセスの需要が最も多く、

以上 500kW 未満の階級では、90%以上の事業

空調、照明がそれ以外を大きく引き離している。

所 の 従 業 員 数 が 300 人 未 満 と な っ て い る 。

図 8 は、建物用途ごとに整理した、電気機

500kW 以上 2000kW 未満の階級では、約 90%

器別のピーク需要の割合である。ピーク需要のの 事 業 所 の 従 業 員 数 が 500 人 未 満 で あ る 。
2000kW 以上の需要家については、1000 以上

空調の従業員をもつ事業所が約 20%となっている。

照明

187
123

エレベータ

図 6 は、建物用途別の需要家規模の分布を

10

エスカレータ2

示したものである。50kW 未満の多くが、オフ

冷凍・冷蔵倉庫

26

倉庫

6

計算機室
0%

20%

2000kW以上

事業所数の割合
40%60%

100～299人

20

生産プロセス
80%

100%

552

駐車場換気

14

その他

300～
499人

105
0

100

500kW以上
2000kW未満

300

400

500

600

図 7 ピーク時間帯における電気機器の需要50kW未満90%

事業所数の割合
40%
60%

80%

100%

オフィス・事務所
工場
小売店舗
病院・診療所
その他
50kW以上200kW未満

200kW以上
500kW未満

500kW以上
2000kW未満

図 6 建物用途と需要家規模

2000kW
以上

生産プロセス
計算機室

40%

倉庫

30%

冷凍・冷蔵倉庫

20%

エスカレータ

10%

エレベータ

0%

照明
その他

20%

50%

その他
駐車場換気

病院・診療所

0%

60%

小売店舗

図 5 需要家規模と従業員数

70%

生産プロセス

300～499人
1000～1499人

工場

100～299人
700～999人
未回答

オフィス・事務所

50～99人500～699人
1500人以上

冷凍・冷蔵
倉庫

80%

その他

100%
ピーク需要に占める各電気機器の割合

50kW以上200kW未満

照明

50～99人空調

200kW以上
500kW未満

50kW未満200

ピーク時間帯需要（MW）

空調

図 8 建物用途別のピーク需要の電気機器構成

社会経済研究 №59 2011.5

9

電気機器別の構成割合は、建物用途により大き

図 9 は、ピーク時間帯における電気機器のく異なる。工場は、生産プロセスの需要が負荷削減量である。生産プロセスの負荷削減量

68.5%と大きい。小売店舗では、照明が 41.1%

が他を大きく引き離して最大である。次に空調と大きい。一方、病院では、空調需要がが続いている。ピーク需要（図 7）では空調に44.9%と非常に大きい。オフィス・事務所は、続いている照明の負荷削減量はわずかであり、小売店舗と病院・診療所の中間的な性質を持っ勤務時間の変更と同水準となっている。

ており、空調が 39.3%、照明が 26.1%となっている。

図 10 は、建物用途ごとに整理した、電気機
器別の負荷削減量の割合である。ここでの負荷削減量の割合は、各建物用途別に各電気機器別

3.4 DR 負荷削減量の負荷削減量を足し合わせたものを、各建物用
途別の負荷削減量の総計で除したものである。

DR 負荷削減量については、事業全体と各電負荷削減量の電気機器別の構成割合も、建物用気機器の両方を調べている。まず、質問票にお途により大きく異なる。しかし、その内容はピ

いて、表 2 のようなシナリオを示した上で、

表 2 負荷削減の要請シナリオ
貴事業所の所在する地域で、夏季に電力不足が発生し、電力会社が毎年数回から十数回の節電を要請すると仮定します。そのために電力会社からの前日の要請により、昼間（午後 1～4 時頃）の電力需要を抑制・移行（時間帯をずらす）するための割引・割増を含む電気料金メニューが提示されるとします。

5
4
0

10

20

30

40

50

負荷削減量（MW）

図 9 電気機器別の負荷削減量

40%
30%

生産プロセス

照明

20%

計算

50%

空調

60%

その他
勤務時間変更
自家発運転
駐車場換気
生産プロセス
計算機室
倉庫
冷凍・冷蔵倉庫
エスカレータ

10%

エレベータ
その他

0%
病院・診療所

負荷削減量の割合

70%

駐車場換気

80%

エレベータ

エレベータ

倉庫

90%

その他

100%

表 3 質問票における負荷削減方策※ 以下の負荷削減方策を提示し、それぞれに対して削減可能な電力(kW)を記入して頂く
居室空調の温度設定変更や停止
照明の消灯もしくは間引き点灯
エレベータの間引き運転や一時停止
エスカレータの間引き運転や停止
冷凍・冷蔵倉庫の温度設定変更や停止
冷凍・冷蔵機能を有さない倉庫の空調温度設定
変更や停止
計算機室空調の設定変更や停止
生産プロセスの一部停止
屋内駐車場換気の間欠運転
自家発電設備の運転
休業日の変更若しくは勤務時間・業務内容の変
更（休み時間の変更含む）等
その他

2

小売店舗

ては、たずねていない。

43
0

生産プロセス

どのように負荷削減量の値を求めたのかについ工場

減量のデータを得ている。ただし、回答者が、

0
0
0
1
2

照明

記入して頂くことで、負荷削減方策別の負荷削

15
4

空調

に示す負荷削減方策リストに削減可能な電力を

空調
照明
エレベータ
エスカレータ
冷凍・冷蔵倉庫
倉庫
計算機室
生産プロセス
駐車場換気
自家発運転
勤務時間変更
その他

オフィス・事務所

事業所全体の負荷削減量をたずね、次に、表 3

照明
空調

図 10 建物用途と負荷削減方策

10

デマンドレスポンスと省エネ意識

ーク需要の構成とは異なっている。特に、オフ

表 5 デマンド監視システムの設置

ィス・事務所では、照明による負荷削減の余地

設問：（前問で「自動制御を行う仕組みを設けている」とお答えの方へ）貴事業所では、最大需要電力を抑制するための装置（デマンド監視システム等）を設置していますか。（1 つだけ）
Yes の回答数
選択肢（割合）
デマンド監視システム（制御機172
能は有さない）を設置している(52%)
デマンド監視・制御システムを140設置している(42%)
18
設置していない(5%)(N=331)は非常に小さく、主たる負荷削減方策は空調である。また、小売店舗では、照明の負荷削減の余地は小さいが、倉庫の負荷削減の余地は大きい。一方、病院では、空調需要が 44.9%と大きい。
3.5 省エネへの態度
本調査においては、省エネへの態度として、最大電力を抑制する行動と、デマンド監視シス
テムの有無、事業所としての省エネへの取り組
みについての設問を用意した。

している事業所も約 4 割みられる。
表 6 は、事業所としての省エネへの取り組
みに対する設問と回答である。エネルギー量を

表 4 は、最大電力を抑制する行動について計測し、記録している事業所が約 6 割と最もの設問と解答である。最大電力を抑制する行動

多く、次に、省エネの推進体制を組織しているとしては、従業員全体で心がけるように徹底し事業所が 45%となっている。また、無償の省ている事業所が最も多く、続いて、自動制御を

エネ診断を受けたことのある事業所は約 2 割

行う、もしくは手動の運用ルールでの対応が約と多いが、有償の省エネ診断を受けたことのあ

3 割となっている。何もしていない事業所はる事業所は 3%と少ない。特に何もしていない

12%である。

事業所も 14%と少なからず見受けられる。

表 5 は、先の設問（表 4）において、自動制御を行う仕組みを設けていると回答した事業所において、デマンド監視システムを有しているかたずねた結果である。制御機能を有さないデ
マンド監視システムを設置している事業所が約5 割と多いが、制御機能を持つシステムを設置
表 4 最大電力を抑制する行動
設問：貴事業所では、電気料金の基本料金（過去 11 カ月と当月の最大需要電力で決定します）
を下げるために、最大需要電力を抑制するどのような行動をとっていますか。（いくつでも）Yes の回答数
選択肢（割合）
自動制御を行う仕組みを設けて
331
いる
(30%)
運用ルールを取り決め、手動で343対応している(31%)
従業員全員で心がけるように徹
731
底している
(66%)
131
特に何もしていない(12%)(N=1,116)

表 6 省エネへの取り組み
設問：貴事業所における省エネへの取り組み状況
として、該当するものに○をしてください。
（いくつでも）Yes の回答数
選択肢（割合）
省エネの推進体制（環境グルー
507プなど）を組織し、活動してい(45%)
る
省エネ法に基づく管理指定工
247
場・事業所または事業者として(22%)の対応を実施できている
エネルギー使用量を計測し、記
646
録している
(58%)
外部専門家による無償の省エネ
212
診断を受けたことがある(19%)
外部専門家による有償の省エネ
30
診断を受けたことがある(3%)
156
特に何もしていない(14%)(N=1,116)

社会経済研究 №59 2011.5

3.6 省エネへの態度による DR 負荷削減量の相違

11

ド監視システムを設置している需要家が 172件と最も多く、次いでデマンド監視・制御シス(1) 最大需要電力を抑制するための行動に対する負荷削減率テムを設置している需要家が 140 件であったが 、 負 荷 削 減 率 は 前 者 （ 6.2% ） が 後 者

表 7 は、最大需要電力を抑制するための行（7.0%）を下回った。これは、自動制御装置

動ごとに、事業所用途別の負荷削減率の平均をを有する需要家の方が大きい負荷削減ができるとったものである。オフィス・事務所を除くと、という直観と整合している。なお、いずれも設

自動制御を行う仕組みを設けている需要家の負置していない需要家は 18 件であったが、負荷荷削減率が高い（総計で 6.24%）。一方、オ

削減率は 0.68%と小さかった。

フィス・事務所では、運用ルールを取り決め、手動で対応する方が負荷削減率が高くなってい(3) 省エネへの取り組みに対する負荷削減率

る（6.62%）。また、総計でみると、運用ルー

表 9 は、省エネへの取り組みについて、7 つルを取り決め、手動で対応するという回答の選択肢を持つ複数選択可能な設問への回答を（343 件）が従業員全員に心がけるよう徹底す集計したものである。

るという回答（731 件）を下回っているが、負負荷削減率については、全体としては、「省荷削減率は、前者（5.74%）が後者（4.83%）

エネ法に基づく管理指定工場・事業所または事を上回っている。

業者としての対応を実施できている」事業所

回答は、複数選択が可能であるため、3 つの（6.94%）と、「外部専門家による無償の省エ

選択肢「自動制御を行う仕組みを設けている」、

ネ診断を受けたことがある（予定がある）」事「運用ルールを取り決め、手動で対応してい業所（6.47%）が比較的高い。この傾向は工場る」、「従業員全員に心がけるよう徹底していの傾向と同様である。一方、オフィス・事務所る」の回答者には重複があり、負荷削減率につと小売店舗については、省エネ推進体制を組織

いて、どの要因が効果が高いのか、厳密に解釈し、活動している需要家の削減率が、省エネ法

することは必ずしも容易でないことに注意するに基づく管理指定事務所・事業所としての対応必要がある。ただし、選択肢「何もしていなが実施できている需要家の削減率を上回っていい」については、他の選択肢と相互排他的になる。また、工場では、有償の方が削減率が大きっており、その負荷削減率が 3.84%に留まっい。

ていることに着目すると、最大需要電力に注意

負荷削減率が高いが、回答数が低い省エネへを払っている需要家は、負荷削減率が高いことの取り組みは、負荷削減の効果が高いものの、が明らかになった。

実施している事業所が少ないという解釈が可能である。オフィス・事務所では、無償の省エネ(2) デマンド監視・制御システムの設置に対する負荷削減率

診断の負荷削減率は高い（5.81%）が、回答数
は 34 件と少なめである。また、工場では、有上述の自動制御を行う仕組みの具体例として償の省エネ診断が削減率 7.65%に対し、回答

は、デマンド監視やデマンド制御のシステムが数 20 件、小売店舗については、省エネ推進体挙げられる。そこで、自動制御を行う仕組みを制の組織・活動が削減率 2.01%に対し、回答持つ 331 需要家が、実際にこれらのシステム

数 13 件となっている。こうした省エネへの取を設置しているか、また、それらの設置が負荷

り組みを強化することは、省エネのみならず、削減に貢献しうるかを確認する（表 8）。

DR 原資の増加にも貢献することが期待できる。

回答については、制御機能を持たないデマン

12

デマンドレスポンスと省エネ意識

表 7 最大需要電力を抑制するための行動に対する負荷削減率
病院・
オフィス・
その他
工場
小売店舗
最大需要を抑制するための行動
診療所
事務所
各需要家の負荷削減率の平均値
4.71%
5.86%
0.76%
2.24%
4.64%
自動制御を行う仕組みを設けている
3.93%
6.85%
2.56%
4.06%
7.85%
運用ルールを取り決め，手動で対応
6.62%
6.65%
0.00%
1.04%
2.86%
従業員全員に心がけるよう徹底
4.85%
5.54%
0.93%
1.45%
4.34%
何もしていない
4.90%
3.90%
0.00%
1.01%
1.64%
回答数
341
526
37
40
172
自動制御を行う仕組みを設けている
58
198
11
13
51
運用ルールを取り決め，手動で対応
87
186
11
8
51
従業員全員に心がけるよう徹底
243
330
28
22
108
何もしていない
56
49
1
5
20

総計
5.02%
6.24%
5.74%
4.83%
3.84%
1116
331
343
731
131

表 8 デマンド監視・制御システムの設置に対する負荷削減率
デマンド監視・制御システムの設置の有無
負荷削減・平均
デマンド監視システム（制御機能は有さない）を設置
デマンド監視・制御システムを設置設置していない
未回答
負荷削減率・回答数
デマンド監視システム（制御機能は有さない）を設置
デマンド監視・制御システムを設置設置していない
未回答
全体の 負荷削減・平均全体の 負荷削減率・回答数

オフィス・
事務所

工場

病院・
診療所

小売店舗

その他

総計

3.27%
7.02%
0.00%
0.00%

6.83%
7.07%
2.70%

0.00%
4.02%

4.98%
2.58%

9.06%
8.71%
0.25%

6.20%
7.04%
0.68%
0.00%

31
18
8
1
3.93%
58

109
85
4

4
7

8
5

20
25
6

6.85%
198

2.56%
11

4.06%
13

7.85%
51

172
140
18
1
6.24%
331

その他

総計

表 9 省エネへの取り組みに対する負荷削減率
省エネへの取り組み
各需要家の負荷削減率の平均値
省エネ推進体制（環境グループ）を組織し，活動している
省エネ法に基づく管理指定事業所・事業者としての対応を実施できている
エネルギー使用量を計測し，記録している
外部専門家による無償の省エネ診断を受けたことがある（予定がある）
外部専門家による有償の省エネ診断を受けたことがある（予定がある）
その他
何もしていない（何らかの取り組みを行っている）
回答数
省エネ推進体制（環境グループ）を組織し，活動している
省エネ法に基づく管理指定事業所・事業者としての対応を実施できている
エネルギー使用量を計測し，記録している
外部専門家による無償の省エネ診断を受けたことがある（予定がある）
外部専門家による有償の省エネ診断を受けたことがある（予定がある）
その他
何もしていない（何らかの取り組みを行っている）

オフィス・
事務所
4.71%

5.86%

0.76%

病院・
診療所
2.24%

4.64%

5.02%

4.73%

6.76%

2.01%

6.61%

4.99%

5.89%

4.11%

7.80%

1.69%

6.98%

5.42%

6.94%

4.77%

6.45%

0.23%

3.71%

4.66%

5.47%

5.81%

6.78%

0.62%

1.96%

9.19%

6.47%

工場

小売店舗

2.09%

7.65%

1.54%

0.00%

0.00%

5.48%

1.56%
3.89%
4.90%
341

5.07%
3.72%
6.06%
526

0.00%
0.76%
37

0.00%
0.00%
2.99%
40

3.28%
2.39%
5.30%
172

3.11%
3.22%
5.32%
1116

137

290

13

9

58

507

28

184

9

5

21

247

170

349

22

21

84

646

34

138

5

12

23

212

4

20

2

1

3

30

36
61
279

32
46
480

2
0
37

1
10
30

12
39
133

83
156
959

社会経済研究 №59 2011.5

４．まとめ

13

DRの原資の増加のためのターゲッティングという面では、負荷削減率ではなく、負荷削減量

本論文では、業務・産業需要において、省エに基づく分析も必要である。また、今回考慮でネへの態度が、DRにどのような影響を与えるきなかったテナントについては、なんらかの別のかについて、DRプログラムに関するアンケのアプローチの採用も含めた、精緻な分析が求ート調査により明らかにした。得られた知見をめられる。

まとめると、以下の通りである。


本調査においては、ピーク負荷の削減を行う

何らかの省エネへの取り組みを行っていDRを対象とした。しかし、先にも述べたようる事業所と何もしていない事業所を比較に、わが国では、供給側の観点からはピーク需すると、何もしていない事業所の負荷削

要の削減の要求は小さい。むしろ、太陽光発電

減率は小さい。

システムの大量導入へ向けた、需要の造成や自省エネ法に基づく管理指定工場・事業所

由度の高い負荷調整を目的とした新しい種類のまたは事業者としての対応を実施できてDRが、需給双方にとって歓迎される可能性がいる」事業所の負荷削減率は大きい。

ある。そうした新しいDRのポテンシャルの検「自動制御を行う仕組みを設けている」、討であっても、需要の性質の把握という観点で「運用ルールを取り決め、手動で対応しは、本調査が有効に活用されると期待できる。

ている」、「従業員全員に心がけるよう徹底している」といった、最大需要電力

原稿受付日

２０１０年１２月１５日に注意を払っている需要家は、負荷削減率が高い。
いる需要家は、多くはないが、負荷削減率は高い。


オフィス・事務所では、無償の省エネ診
断の負荷削減率は高いが、実施事業所は少なめである。



参考文献

デマンド監視・制御システムを設置して工場における有償の省エネ診断と、小売店舗における省エネ推進体制の組織・活動も負荷削減率が高いが、実施事業所は少ない。

このように省エネへの取り組みを強化すること
は、省エネのみならず、DR原資の増加にも貢献することが期待できる。
集計においては、複数回答の選択肢に対しても、個々の選択肢ごとに負荷削減率を示した。
今後は、個々の選択肢の重複を考慮した分析も試みる価値があると考えられる。また、今回の集計は負荷削減率にとどまっているが、事前通知時間や報酬などのDRプログラムの設計の観点を加えた分析も重要と考えられる。また、

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Value Chain”, The Proceedings of 2008 ACEE
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Buildings.
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Corporation, Demand-Side Management Task
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Pricing Field Tests: 2006 Pilot Program
Description and Results”, California Energy
Commission, PIER program, LBNL 62218.
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Morris, R. Ogle, T. Larson, A. Velonis, M.
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14

デマンドレスポンスと省エネ意識

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System-Wide Potential for Demand-Side andOther Supplemental Resources, Final Report
Volume II, Prepared for PacifiCorp.
高橋雅仁・上野剛・高山正俊・浅野浩志（2010）：「オフィスにおけるデマンドレスポンス制御試
験:需要調整効果と居室内快適性の分析」、電力
中央研究所、研究報告：Y09014.
山口順之・今中健雄・浅野浩志（2006）、「米国における需要反応プログラムの実態と課題」、電力中央研究所、調査報告：Y05028

やまぐち

のぶゆき
電力中央研究所

社会経済研究所

社会経済研究 №59 2011.5

15

ヒートポンプ給湯器の昼間運転による太陽光発電逆潮流量の抑制効果に関する一考察
Effect of Reducing Reverse Power Flow of Residential Photovoltaic Systems
by Day-Time Operations of Heat Pump Water Heaters
キーワード：太陽光発電、逆潮流、ヒートポンプ給湯器、昼間運転
杉 原 英 治畑 遼 太 郎

佐 伯 修

舟 木 剛

将来的な太陽光発電の大量導入を想定した場合、電力系統への影響を軽減する手段の一つとしてヒート
ポンプ給湯器の昼間運転が期待されている。本論文では、太陽光発電を設置した住宅において、ヒートポン
プ給湯器の運転を夜間から日中にシフトすることによって、逆潮流量をどの程度減少させることが可能であるかを評価する。特に、本研究の特徴として住宅用エネルギー消費量および全天日射量の実測データに基づき、給湯消費量の季節変化およびPV発電量の日変化に着目して年間、月毎、日毎で逆潮流の変化を評価する。試算の結果、今回対象としたデータでは理想的な条件のもとで、年間PV発電量（約3200kWh）のうち、約1000～2000kWh(PV発電量の約40～70%)が系統へ逆潮流量する結果となり、これに対して各世帯の給湯
需要実測データに基づくHP給湯器の電力消費量（昼間運転時）は年間450～700kWh（PV発電量の約15～20%）に達する結果となった。検討したHP昼間運転を導入することによって年間の逆潮流量、特に冬季の逆潮流量を大きく削減できる可能性があることを示した。
１．はじめに２．PV逆潮流量の評価方法
３．検討対象データの概要

４．HP昼間運転を考慮したPV逆潮流量の評価結果
５．まとめ

１．はじめに応してきたものの、太陽光発電や風力発電といった間欠性電源の大量導入に対処するためには、

電気エネルギーの低炭素化を進めるにあたり、需要家サイドにおける調整可能な負荷を電力シ

電力系統への再生可能エネルギーの導入が重要

ステムの安定運用に積極的に活用することが必な課題となっている。我が国では、特に設置ス要になっていくものと考えられる。対象となるペースの関係から住宅用の屋根置形太陽光発電

機器としては、例えばPHEV/EVのバッテリー、が注目されており、2009年11月からは余剰電ヒートポンプ給湯器、空調用エアコン等が挙げ

力の固定価格買取制度（Feed-in Tariff）が施られるが、これらの中でもヒートポンプ給湯器

行され、住宅におけるPV導入量は急速に増加（入江他 (2010)）は、機器コストが比較的安している。太陽光発電を大量導入した場合の問価でありかつ、消費電力やエネルギー貯蔵量も題点として、電力系統の安定運用に様々な影響大きいため負荷調整や需要創出に有効な手段とを与えることが懸念されており、例えば基幹系して期待されている。

統における周波数変動や余剰電力発生、配電系
統における電圧変動などが挙げられる。

一方、スマートグリッドは、需要家との情報通信を通じて電力システムを高度化させるもの

このような太陽光発電による系統への影響をと見なすことができるが、国毎に目指すべき方軽減する手段の一つとして、需要家サイドのエ

向性が異なる。我が国では、太陽光発電の大量

ネルギーマネジメントが期待されている。これ導入に伴う電圧上昇抑制・需給対策として位置までの電力供給システムでは基本的に、需要サづけられており、需要家サイドにおけるエネル

イドの負荷変動に対して供給サイドの設備で対ギーマネジメント機能はスマートグリッドの最16

ヒートポンプ給湯器による PV 逆潮流量の抑制も重要な機能の一つである。太陽光発電が大量一つであるヒートポンプ給湯器に着目し需要家
内のエネルギーマネジメント機能によって各世帯からの逆潮流量がどの程度変化するかを定量的に評価することは、スマートグリッドの導入

PV出力
PV出力、電力消費(kW)導入された電力システムにおいて、電気機器の電力消費効果を検討する上で必要である。
0

本研究では、住宅における1年間のエネルギ
ー消費実測データに基づき、ヒートポンプ給湯

3

6

9

12
時刻

15

18

21

図1 HP給湯器の昼間運転による逆潮流量変化の概念図

器を昼間運転（加藤他(2009)、八太他(2008)）
することによるPVからの逆潮流量へ与える影の給湯負荷変動を考慮した上で、同一時期に同響を日単位及び月単位で評価することを目的と一エリアで実測された日射量データに基づきする。特に、我が国の住宅における給湯需要は、

PV発電量を推定し、１日の逆潮流量ならびに世帯全体のエネルギー消費量の約３分の１を占HP給湯器の昼間運転による逆潮流量の変化分

めるものの、季節的な変動が大きい特徴があり、を評価する。ただし、PV発電量と世帯の電力

またPV逆潮流量は天候により日毎に大きく変需要は時刻毎に算定可能であるが、ヒートポン化する。従って、住宅における一年間のエネル

プ給湯器の昼間運転に関しては、電力消費を各

ギー消費実測データに基づき給湯需要の季節変

時間に均等にシフトする運転パターンや、PV化や日変化を定量的に把握した上で、日射量の発電量が大きいときにHP給湯器の電力消費を実測データに基づきPV発電量を推定し、日毎最大にするなど、様々な運転パターンが考えらのPV逆潮流量に与える影響を評価する。

れ、非常に複雑な問題となる。ここではそのよ

なお、ある時間断面において系統全体のPV

うな問題に対する予備的分析の1つとして、１発電量と負荷規模のバランスによっては、需要日トータルでの逆潮流量の変化として評価する家の逆潮流をあえて減らす必要がないことも考こととする。また、今回はヒートポンプ給湯器

えられる。このため、将来的に家庭内でHP給の設置世帯を前提とするため、全電化住宅を想

湯器の昼間運転を行う場合には、電力系統の状定し、厨房も電化されているものとして昼間の況に応じた需要家内のエネルギーマネジメント

電力需要を算定した。

機能が不可欠であり、本研究はそのための基礎的検討である。

２．PV逆潮流量の評価方法

2.2 想定するHP給湯器の昼間運転
本研究では、使用する日射量の実測データの関係から1時間あたりの発電量[kWh/hour]と1

2.1 PV逆潮流量評価の考え方

時間あたりの電力需要[kWh/hour]に基づき1日あたりの逆潮流量を算出する。1日あたりの給HP給湯器の日中運転による逆潮流量変化の

湯用電力消費量と1日あたりの逆潮流量の大き概念図を図1に示す。HP給湯器を日中へシフさを比較して、HP給湯器の昼間運転に以下のトすることにより日中の電力消費が大きくなる。

2ケースを想定する。

図の斜線部がHP給湯器を日中にシフトした後の逆潮流量に相当する。本研究では、住宅におけるエネルギー消費実測データに基づき、日々A.

給湯用電力消費量の方が逆潮流量よりも大きい場合（主に冬期）
その日の給湯用電力消費量の一部もし社会経済研究 №59 2011.5

B.

17

くは全てを日中のPV発電量で補う。そ貯湯タンクの貯湯量：の日のHP昼間運転有の逆潮流量の大き

Wa ( d+ 1) = Wa ( d ) -Wu ( d ) +Wm ( d ) +Wh ( d )(1)

さは0となる。

Wa( d ) 370 or 460(2)

逆潮流量の方が給湯用電力消費量より大Wm ( d ) =  R'  d   R  d   COP  860 / TW  TH 

(3) A: R'  d   H  d ' B: R  d   H  d (4)

きい場合（主に夏期）
その日の給湯用電力消費量の全てをPV発電量で補い、残りの逆潮流量がその日のHP昼間運転有の逆潮流量の大きさとなる。

R d   0
R  d   R'  d   H  d 

ここで、d(1～365):状態変数、R(d)[kWh/day]:1日

実際には、雲の移動等によるPV出力の変動の逆潮流量、H(d)[kWh/day] :給湯用電力消費量、に伴い、時刻単位でPV逆潮流電力と給湯器消R’(d) :HP昼間運転導入無の逆潮流量、Wa(d):貯費電力の大小関係が変化する場合が考えられる

湯タンクの貯湯量[L]、Wu(d):1日の給湯消費量

が、ここでは簡単のため、各時刻において、ケ[L]、Wm(d):1日の逆潮流量によるお湯作成量、ースAでは、PV逆潮流電力が給湯器消費電力

Tw[℃]:各月の貯湯温度、TH[℃]:自然水温を上回らないこと、ケースBでは、給湯器消費

但し、ケースAのように給湯消費量が大きく、電力がPV逆潮流電力より上回らないこと、を逆潮流量だけで給湯用電力消費量を賄えない場

条件においた。また、本論文では、前提条件と合 、 Wm(d) の 不 足 分 を Wh(d) と す る 。 従 っ てして、その日の逆潮流量（PV発電量と電力消Wu(d)=Wm(d)+ Wh(d)となる。

費量の差）及び給湯消費量は予測できるものとする。このため、本論文における評価結果は、理想的な観点からみた最大の抑制効果を表して

表1 HP給湯器のCOPおり、実際にはPV発電量や電力需要に予測誤差が含まれるため、それらの値よりも小さくなる。
各世帯の1日のお湯の消費量の年間での最大

HP給湯器

COP
5.08
5.32
3.00

備考
中間期
夏期
冬期

*中間期(3～5月,10,11月)、夏期(6～9月)、
冬期(12～2月)

値を考慮して、1日のお湯の消費量が大きい世
帯は貯湯タンクの容量を460L、残りの世帯を370Lとした。なお簡単化のため貯湯ロスは発生しないものとする。お湯の生成量は表1に示
すHP給湯器のCOP、表2に示す各月の水温及び貯湯温度に基づき算定する。表1のCOPについては、メーカのカタログ情報を参考に典型的な家庭用ヒートポンプ給湯器のCOPを用いた。
表2の水温については、文献（加藤他 (2001)）の自然水温のデータを参考に設定し、また貯湯
温度の設定については、夏期に給湯需要が減る
ため60～70℃まで低下させることも考えられるが、ここでは簡単のため年間を通じて90℃一定とした。このHP給湯器の昼間運転を定式化すると以下の式のようになる。

表2 各月の水温及び貯湯温度

月
1月
2月
3月
4月
5月
6月
7月
8月
9月
10月
11月
12月

水温[℃]
9.4
9.7
10.7
12.4
19.0
24.8
28.0
29.3
27.2
22.7
18.0
12.9

貯湯温度[℃]

90

18

ヒートポンプ給湯器による PV 逆潮流量の抑制

2.3 期間全体からみたPV逆潮流量の最小化を対象とする。対象データとしては、1日30分
刻みの用途別エネルギー消費データ（各世帯

前述のヒートポンプ給湯器の昼間運転では、365日分）を用いる。対象世帯におけるエネル

前日からの残り湯を考慮しつつ、１日毎に逆潮

ギー消費量の特徴を把握するため、年間エネル

流量と給湯用電力消費量を比較することにより、ギー消費量（2次エネルギー基準）を図2に示

逆潮流量の変化を評価する方法について述べた。

す。年間エネルギー消費量は8世帯のうち1つ

ただし、PV発電量は天候によって大きく左右の世帯を除いて近畿平均と同じ程度もしくはそされ、例えば、快晴日の翌日が雨の場合、前日

れ以下の世帯であった。計測されたデータは電に貯めておいたお湯で翌日の給湯需要を賄うこ

力と都市ガス消費量のデータであるため、各種とも考えられる。そこで、ここではヒートポン

機器効率を仮定することにより都市ガス消費量

プ給湯器の昼間運転により太陽光発電の逆潮流を全電化システムの電力消費量に換算する。

量を理想的に年間でどの程度削減可能かを検討することとし、貯湯量に余裕があれば、その日

3.2 日射量データの概要の給湯消費量以上のお湯を生成することを考える。すなわち、世帯毎に貯湯容量を制約条件とPV発電量のデータには、エネルギー需要デして年間の逆潮流量の合計値が最小となるようータの測定時期と同一期間、同一エリアで測定な運転を考える。最大貯湯容量を370Lもしくされた全天日射量のデータを、IEA法に基づきは460Lとする。基本的にはPV発電量でお湯を斜面日射量（傾斜角30度、方位角：真南）に作成するが、冬期など給湯消費量が大きい日に換算し、PVシステムの出力を推定した。なお、

おいては、深夜にHP給湯器を稼動させ、不足1世帯あたりのPVシステムの設備容量は分のお湯を予め貯めておくものとする。PV逆3.7kWpと想定し、発電効率等については表3

潮流量の最小化ケースにおける目的関数は以下のように表される。

R(d )（5）d=1

なお、最小化ケースにおける制約条件は前述の(1)～(4)式と同一である。

３．検討対象データの概要

年間エネルギー消費量(GJ/year)

目的関数： min

給湯用都市ガス消費量

厨房用都市ガス消費量

電力

80

365

年間エネルギー消費量平均値
年間ガス給湯分消費量(近畿地域)(近畿平均)
46GJ
16GJ

70
60
50
40
30
20
10
0
1

3.1 住宅用エネルギー消費実測データの概要
本論文では、関西文化学術研究都市における計測調査で得られた住宅用エネルギー消費実測

2

3

4
5
世帯番号(No.)678

図2 検討対象世帯の年間エネルギー消費量(2 次エネルギー)
表 3 PV システムに関する設定値

データを使用する。特に、日々の給湯負荷及び電力負荷データを用いるため、都市ガスを暖房用に使用しておらず佐野ら(2006)の開発した用途別分解アルゴリズムを用いて給湯用と厨房用に容易に分解可能な戸建住宅8世帯（分析対象
期間:1998年11月～1999年10月までの1年間）

太陽光発電パネルの変換効率[%]17.0インバータ変換効率[%]95.0

システム効率低下分[%](インバータ除く)

中間期
夏期
冬期

15.0
20.0
10.0

※中間期（3,4,5月，10,11月），夏期（6～9月），冬期（12～2月）

社会経済研究 №59 2011.5

19のパラメータを使用した。表3の太陽光発電の導入されているものとして、各世帯からの逆潮

変換効率は、単結晶Si型PVパネルを想定し、流量を評価する。

効率低下分は太陽光発電システム全体（ただしインバータ別途）の効率低下分を表している。
ここでは、パネル温度の上昇に伴うPV出力低４．HP 昼間運転を考慮した PV 逆潮流量の評価結果

下については、システム効率の低下分に含めているため、夏期のシステム効率低下分が大きく

4.1 日毎のPV逆潮流量なっている。表3の各パラメータを用いて、日射量からPV発電電力Pを算出する式は、以下のように表される。

年間エネルギー消費量が最も大きい世帯
No.1において、中間期の4月、夏期の8月及びP  η pv  1  ηsys   ηinv  I  A(6)

冬期の1月に着目し、日毎のHP昼間運転による逆潮流削減量とHP昼間運転を導入した場合

ηpv ：太陽光発電パネルの変換効率の逆潮流量を図4に示す。同図において、これηsys ：太陽光発電システムの効率低下分

ら2つの合計値はHP昼間運転を導入しない場

ηinv ：インバータ変換効率

合の逆潮流量となっている。給湯消費量と逆潮

I ：日射量（傾斜面日射量）

流量は日々異なっているため、HP昼間運転に

A ：太陽光発電パネルの設置面積よる逆潮流の削減量も日々異なる。中間期の4

ここで、PVパネルの設置面積はPV定格出力が月では、逆潮流量が0である日が多いことがわ

3.7kWpになるように設定した。

かる。これは4月における日々の給湯消費量は

全天日射量データは 1 時間刻みの 365 日分

あまり大きな相違がなかったため、各日の逆潮のデータであり、発電量は季節や時刻によって流削減量は、昼間運転導入無のケースにおける大きく異なる。一例として、各月の PV の発電

逆潮流量（PV発電量から自家消費分を差し引

量を図 3 に示す。今回用いた期間の日射量デいたもの）に依存する結果となった。また、夏ータでは、5 月に快晴日が多かったため、発電期の8月においては給湯需要が小さくなるため量が最も大きくなっている。また 6 月は一般

逆潮流削減量が小さくなり、完全に逆潮流を削に曇天日が多く、今回用いたデータでも 5、7

減できる日も少なくなっている。また、12～2月と比べて発電量は小さくなっている。年間の月の冬期では給湯消費量が大きいため、ほとん

発電量は 3,189kWh となっており、次節では、どの日で逆潮流量が0であった。

この容量の PV システムが、各世帯にそれぞれ
4.2 月毎のPV逆潮流量

500

PV発電量(kWh/month)

年間 3,189 (kWh/year)

次に、1 ヶ月間トータルの PV 逆潮流量を400

12 ヶ月で比較する。年間エネルギー消費量が300

最も大きい世帯 No.1、標準的なエネルギー消200

費量の世帯 No.2、最もエネルギー消費量の少ない世帯 No.8 の三世帯に着目し、月毎の逆潮

100

流量と HP 昼間運転による逆潮流削減量を算出

0
1月 2月 3月

4月 5月 6月

7月 8月 9月 10月 11月 12月

月

図 3 月毎の PV 発電量

した結果を図 5 に示す。まず、世帯 No.1 および No.2 の冬期 11 月～3 月においては、そも
そも逆潮流量が小さく、さらに給湯消費量が大ヒートポンプ給湯器による PV 逆潮流量の抑制

昼間運転導入による逆潮流削減量
昼間運転導入有の逆潮流量

12
10
8
6
4
2
0

昼間運転導入による逆潮流削減量
昼間運転導入有の逆潮流量
逆潮流量，逆潮流削減量（kWh/Month）

逆潮流量、逆潮流削減量(kWh/day)20

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29
日

350
300
250
200
150
100
50
0
1

2

3

7

8

9

10

11

12

11

12

11

12

昼間運転導入による逆潮流削減量
昼間運転導入有の逆潮流量
350

12逆潮流量，逆潮流削減量（kWh/Month）

逆潮流量、逆潮流削減量(kWh/day)

6(a) 世帯 No.1

昼間運転導入による逆潮流削減量
昼間運転導入有の逆潮流量

10
8
6
4
2
0

300
250
200
150
100
50
0

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31
日

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

月

(b) 8 月(b) 世帯 No.2

昼間運転導入による逆潮流削減量

昼間運転導入による逆潮流削減量

昼間運転導入有の逆潮流量

昼間運転導入有の逆潮流量
350

12逆潮流量，逆潮流削減量（kWh/Month）

逆潮流量、逆潮流削減量(kWh/day)

5月(a) 4 月

10
8
6
4
2
0

300
250
200
150
100
50
0

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31
日(c) 1 月図4

4

HP 昼間運転による日毎の逆潮流削減量（世帯 No.1）

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

月

(c) 世帯 No.8
図 5 月毎の PV 逆潮流量及び HP 昼間運転による削減効果

きいため、HP給湯器のみで、ほぼ全ての逆潮

め逆潮流量自身が大きくなっているものの、流量が削減されていることがわかる。世帯

HP 給湯器の昼間運転により冬期は逆潮流量のNo.8においては、昼間の電力需要が少ないた

大部分が削減可能であることが分かる。また、

社会経済研究 №59 2011.5

21

中間期（4、5、10、11 月）に関して、世帯

2,500

HP昼間運転導入無HP昼間運転導入有

潮流量を抑制出来ているものの、世帯 No.8 では給湯需要が小さいため、逆潮流の抑制効果も限定的である。従って、中間期における逆潮流
量の抑制効果に関しては、その世帯の給湯需要に大きく依存することが分かる。

年間逆潮流量(kWh/year)

No.1 では給湯需要が多いため、ある程度の逆
2,000

1,500

1,000

500

一方、夏期においては逆潮流量が大きく給湯0

需要量が小さいため、HP 給湯器の昼間運転に

1

4

5

3

6

7

8

世帯番号(No.)

よる削減率も小さくなっている。例えば、世帯No.1 の 6 月～9 月においては約 40％程度の削2

図 6 HP 昼間運転導入有無の年間逆潮流量減率となっている。また、エネルギー消費量の最も少ない世帯 No.8 においては、夏期（6～9が大きいことがわかる。年間給湯消費量が大き月）において給湯需要が小さいため逆潮流量もい世帯ほど逆潮流削減量が大きいと考えられる。

ほとんど変化しない結果となった。従って、もなお、図6は、昼間運転無の逆潮流量で昇順にし仮に、夏期においても PV からの逆潮流を抑世帯をソートしているが、図2に示した年間エ制する必要がある場合には、HP 給湯器以外のネルギー消費量の降順とほぼ同一となっている機器（例えばエアコン等）についても負荷制御ことが分かる。世帯No.3は年間エネルギー消を検討する必要があるものと考えられる。なお、

費量の割には逆潮流量が多いが、これは昼間の今回用いたデータの測定エリアである関西文化

電力消費量が他の世帯に比べて比較的小さいた

学術研究都市は、比較的夏に涼しいエリアであめである。

るため、東京や大阪といった都市部と比べて夏

なお、もし仮に余剰電力買取単価や深夜電力

期昼間の電力需要が若干少なめになっているこ

料金を適当に設定できれば、需要家の経済的デとに留意されたい。

メリットを定量的に評価することも可能であるが、将来的に太陽光発電が大量に導入された電4.3 世帯毎の年間PV逆潮流量力システムを想定した場合、基準となる電気料金が現在とは異なってくることも考えられる。

全 8 世帯の住宅用エネルギー消費実測デー
タに対して、前述の PV 発電量を想定した場合そのため、ここではあくまでエネルギー[kWh]の観点からのみ評価を行った。

の逆潮流量を図 6 に示す。まず、HP 給湯器の昼間運転導入前に着目すると、年間 PV 発電量

4.4 期間全体からみた最小PV逆潮流量との比較

3,189[kWh]のうち 1,000～2,000[kWh]は住宅内の電力負荷で自家消費されていることが分か

HP昼間運転導入時および、期間全体からみる。次に、HP 給湯器の昼間運転導入後に着目てPV逆潮流量を最小化したケースの逆潮流量

すると、削減量が大きい世帯では 700[kWh]程を図7に示す。年間の逆潮流量は、最小化ケー

度 （ 逆 潮 流 量 の 約 60％ ） 、 少 な い 世 帯 で もスの方が想定したHP昼間運転よりも小さくな

450[kWh] （同約 25％）の逆潮流量を削減するものの、その削減率（HP昼間運転を導入しることができる。特に世帯 No.1 においては、た場合の逆潮流量に対して最小化の削減効果の

給湯消費量が大きいため、逆潮流量を約60％

割合）は10%にも満たなかった。すなわち、削減することができ、HP昼間運転の導入効果

PV発電量は天候により日々異なるものの、昼22

ヒートポンプ給湯器による PV 逆潮流量の抑制入することによって年間の逆潮流量、特に冬季

2,500

HP昼間運転導入無や中間期の逆潮流量を大きく削減できることを

年間逆潮流量(kWh/year)

HP昼間運転導入有2,000

最小PV逆潮流量示した。ただし、夏期は給湯需要が小さくなる
ため、逆潮流の抑制効果は限定的であり、もし1,500

需給調整が必要であれば別途何らかの対策を検1,000討することも必要である。
500

また、今回想定したHP給湯器の昼間運転では、年間の逆潮流削減効果の面において、期間

0
1

2

4

5

3

6

7

8

世帯番号（ No.）

図７ 最小ＰＶ逆潮流量との比較

全体での最適化ケースとあまり大きな相違がなかった。今後は、翌日の日射量及び給湯需要を予測しながら、例えば1時間毎のHP給湯器の運転パターンを日々決定していく手法の開発も間運転を検討する際、貯湯槽を利用して複数日重要である。

を考慮して検討する必要性は小さいことを表し

なお、現在のところ需要家にとってHP給湯ている。この理由として、冬期においては給湯器を昼間運転する直接的なメリットはないもの

消費量が非常に大きいので、翌日の逆潮流を抑の、将来的に調整可能な負荷を確保することは制することも考えられるが、そもそも逆潮流量

電力需給バランスの維持にとって重要な課題でが小さいため冬期には削減する必要性が小さい。

あり、今後、具体的な需要家インセンティブを一方、夏期、中間期においては給湯消費量が小検討することが必要である。

さいため、逆潮流量が大きくても、翌日にシフトする程の給湯用電力消費量が存在しない。

５．まとめ
将来的な太陽光発電の大量導入を想定し、本来夜間で使用されているHP給湯器の稼動を日中にシフトすることによって、各世帯でどの程度逆潮流量を減らすことが可能かを評価した。
本論文では、特に住宅用エネルギー消費量および全天日射量の実測データに基づき、給湯消費量の季節変化およびPV発電量の日変化に着目して年間、月毎、日毎でPV逆潮流量を評価した。今回対象としたデータでは、年間PV発電量（約3200kWh）のうち、約1000～2000kWh（PV発電量の40～70%）が系統へ逆潮流する結果となり、これに対して各世帯の給湯需要実測データに基づく、昼間運転可能なHP給湯器の電力消費量は年間450～700kWh（PV発電量の約15～20%、逆潮流量の約25～60％）に達する結果となった。検討したHP昼間運転を導

原稿受付日

２０１０年８月２３日

社会経済研究 №59 2011.5

23

参考文献
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加藤大輔，加藤丈佳，鈴置保雄，舟橋俊久(2009)：「太陽光発電システム大量導入時の電圧上昇に対するヒートポンプ給湯機昼間運転の有効性の評
価」，第 25 回エネルギーシステム・経済・環境
コンファレンス講演論文集, No.15-3
加藤丈佳，飯田哲久，Wu Kai, 鈴置保雄(2001)：「実測に基づく給湯負荷のゆらぎを考慮した住宅
用マイクロコジェネの構成に関する一考察」，電気学会論文誌Ｂ, Vol. 121, No.12, pp.1748-1755
佐野史典，鈴東新，上野剛，佐伯修，辻毅一郎(2003)：「住宅用用途別エネルギー消費日負荷曲線の推定 – 関西文化学術研究都市における計測
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No.5, pp.347-353
辻毅一郎，水野稔，佐伯修，佐野史典，上野剛(2001)；「関西文化学術研究都市における住宅用
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八太啓行，浅利真宏，小林広武(2008);「需要地系統
における蓄電池と給湯負荷を用いたエネルギー運用の検討」, 平成 20 年電気学会電力・エネルギ
ー部門大会 No.199
ダ イ キ ン 工 業 株 式 会 社 ホ ー ム ペ ー ジ"http://www.daikin.co.jp/index.html"

すぎはら

ひではる
大阪大学大学院工学研究科

はた

さえき

ふなき

りょうたろう
同

上

同

上

同

上

おさむ

つよし

社会経済研究 №59 2011.5

25

配電系統における電圧維持制御のための分散電源連系料金と報奨金制度の検討
A Study on Economical Incentive for Voltage Profile Control
by Distributed Generators in Distribution Network
キーワード：配電系統、分散電源、電圧分布制御、系統連系料金、インセンティブ
辻 隆 男
橋 口 卓 平坂 本 憲 一合 田 忠 弘大 山 力

進 士 誉 夫

辻 田 伸 介エネルギー・環境問題の解決に向けて、我が国では大量の太陽光発電の導入が国策として推進されつつある。太陽光発電の導入量増加に伴う影響の一つとして、配電系統における電圧上昇問題が挙げられる。
電圧適正化の方策として、系統連系インバータの無効電力制御機能の活用が考えられるが、これを実現するためには需要家に適切なインセンティブが付与される必要があり、その制度化を慎重に検討する必要がある。
著者らはこれまでに、電圧上昇に寄与する分散電源所有者に対して「系統連系料金」を課金し、これを原資として、電圧適正化に貢献した需要家に報奨金を与える制度を提案してきた。しかし同方式ではインバータの「空き容量」に対する考察がなされておらず、また無効電力制御が配電損失低減に寄与する効果も考慮されていなかった。そこで本稿では、上記の影響を考慮できるようなインセンティブ制度を提案する。
提案方式は24ノードから成る配電系統モデルを用いて検証され、各分散電源所有者に対して公平な資金配分が達成される結果を得た。
１．はじめに
２．電圧分布制御方式
３．分散電源の系統連系料金

４．報奨金制度の提案
５．数値計算例
６．おわりに１．はじめに分布の適正化に大きく貢献できる可能性がある。
著者らはこれまでに、配電系統に大量に導入さエネルギー・環境問題の解決に向けて、配電れた分散電源の無効電力を協調的に制御するこ系統への分散電源の導入が進展している。分散とで、柔軟に電圧分布を適正化する手法を「電電源を大量に含む配電系統では、逆潮流の増加

圧分布制御方式」として開発してきた（辻他に伴い電圧上昇の発生が懸念されている。従来(2008)、戸村他(2007)、辻他(2009)）。しかしの 配 電 系 統 で は 、 LRT（ Load Ratio control

電圧分布制御方式では、インバータに空き容量

Transformer ） や SVR （ Static

Voltageがない場合には無効電力制御のために有効電力

Regulator ）等の電圧制御設備を用いて、主にを減少させる必要があるため、実施した需要家

系統側の制御により電圧分布が適正化されてきに経済的な不利益が生じることになる。そのたた。しかし上記のような制御は、分散電源の導め、同制御に協力する需要家には適切なインセ入に起因する電圧分布の複雑化に対応するには、ンティブが与えられる必要がある（辻他(2009)）。

限界があると考えられる。特に分散電源の頻繁

一般に電力自由化による競争環境下では、電な出力変動に対応するためには、より高速な電圧－無効電力制御に対して電圧アンシラリーサ

圧制御が必要となる。

ービス料金を設定することは重要な課題であり、一方、インバータを用いて連系する分散電源

これに関連して多くの先行研究が存在する

は高速な無効電力制御が可能であるため、電圧（W.C.Chu et. al. (2004), Y.Wang et. Al (2004),

26

分散電源の電圧制御における経済制度

植木他 (2008), M.E.Baran et. Al (2008)）。しまた系統運用者の電圧制御の目的として、電圧かし、そのほとんどは基幹系統での適用が想定

分布の適正値への維持に加えて、配電損失の最されており、これに対して本論文では配電系統小化も目指すものと考える。空き容量と損失最における電圧－無効電力制御を対象としており、小化を考えることで、インセンティブの適切な

以下のような問題の違いが生じる。

配分は更に複雑な問題となるため、本論文はこれに対応できる新しい方式を検討するものである。



分散電源所有者の多くは電気事業を専門としない一般需要家であることが想定さ

２．電圧分布制御方式

れるため、戦略的な行動の立案には直接携わらないものと思われる。したがって

2.1 インバータの無効電力制御

制御行動に依存して利益が大きく変わる
制度は、妥当でない可能性がある。


自励式インバータを用いて配電系統に連系す

基幹系統における電圧－無効電力制御でる分散電源は、次式の制約を満たす範囲で無効は、一般に送電線インピーダンスの抵抗

電力の制御が可能である。

分はリアクタンス分に比較して非常に小さい。したがって有効電力の変化が電圧に及ぼす効果は十分小さく、これを無視

2
2
PDGi
 QDGi S INVi(1)

した電圧変動の解析が有効な場合が多い。
しかし配電系統ではインピーダンスの抵

PDGi,QDGi ：分散電源iの有効・無効電力出力

抗分とリアクタンス分の差異が比較的小

SINVi：分散電源iのインバータの容量

さいため、有効電力潮流が電圧分布に大きく影響し、その効果を適切に考慮する必要がある。

一般に各分散電源の有効電力出力は、需要家の経済性を考慮した稼働パターンに基づいて決定されるものと考えられる。特に太陽光発電を

著者らはこれまでに、上記の問題点を考慮し想定する場合は、自然条件に応じて出力は変化

たインセンティブの付与方式を提案してきた。

するため、ある時間断面における有効電力出力

辻他(2009)では、系統運用者が配電系統の情報

は、所与であると想定する。

を収集し、分散電源の出力抑制量を最小化でき

図1にインバータの無効電力制御の様相を示

る無効電力制御量を最適化計算により導出し、す。有効電力出力がインバータ容量よりも小さ

各分散電源に制御指令として送出することを想い場合（同図a）は、上式に従って有効電力一定して制度の構築を提案した。同論文では、イ

定のままで無効電力制御が可能となる（同図

ンバータの空き容量は存在せず、無効電力制御ab）。この場合の無効電力制御容量を、本稿での実施時には必ず有効電力が減少することを想は「空き容量」と表現する。一方で、空き容量定しているが、現実には空き容量が存在するケが十分ではない場合に電圧問題が生じると、電ースが多く見られると思われる。特に分散電源

圧分布の適正化を優先として有効電力の出力抑として太陽光発電を想定する場合、出力がピー

制が求められると考えられる（同図bc）。本稿

クとなる時間帯以外には大きな空き容量が存在では、前者の空き容量を利用した無効電力制御する。そこで本論文では、空き容量を活用したを「モード１」、後者の有効電力の減少を伴う

電圧分布制御方式が実施されることを想定して、無効電力制御を「モード２」と定義する。各モ

適切なインセンティブの付与方式を提案する。

ードの制御容量は図1の関係にあり、式(2),(3)社会経済研究 №59 2011.5

27

制御には協力しないと考えられる。この問題点を解決するために、第３章および第４章では原資確保のための課金制度および報奨金制度の構築を検討する。
2.2 制御目標値の決定
電圧分布制御方式の目的を、本稿では以下のように定義する。
［目的 1］ 全ノード電圧の適正範囲への維持

図1 インバータの無効電力制御［目的 2］ 全分散電源の有効電力の出力抑で表すことができる。
22
Q Poriginal
S INVimax 1,i ,i Qmax 2,i  S INVi  Qmax1,i

制量総和の最小化［目的 3］ 配電損失の最小化(2)
この中で［目的 1］は必ず満たすべき要件であるため、［目的 1］の制約条件下で［目的Poriginal , i (Qmax 1, i  QDGi  Qmax 1, i )PDGi   2
2
 S INVi  QDGi (QDGi  Qmax 1, i or Qmax 1, i  QDGi )(3)2］と［目的 3］の最適化を目指す問題と捉える事ができる。最適化問題としての定式化を次式に示す。

Poriginal,i ：考察対象の時間断面において計画【目的関数】

出力w1  PDGi  w2  PLoss i ：分散電源iのモード１の制御容量

Qmax2, i：分散電源iのモード２の制御容量

l

i 1

i 1

,

Qmax1, i

m

.
n
i
m

されていた分散電源iの有効電力(4)【制約条件】（潮流方程式）

なお現行の系統連系ガイドラインでは、分散電源出力について力率の上下限制約が設けられn

PDGi  PLi  Vi  Vk {Gik cos (θ i  θ k )  Bik sin (θ i  θ k )}  0k iているが、本稿ではより積極的に無効電力出力(5)が有効活用されることを前提として、同制約はQDGi  QLi  Vi Vk {Gik sin (θi  θ k )  Bik cos (θi  θ k )}  0

撤廃されるものと仮定している（資源エネルギ

n

k i

(6)

ー庁(2004)）。
上記の通り、インバータの無効電力制御によ（ノード電圧の上下限制約）

り電圧維持を目指す場合は、空き容量が十分でV min  V i  V max

なければ有効電力出力の減少を伴う場合があり、（分散型電源の力率制御）

このとき需要家は自らの利益が減少することに2

2

PDGi  QDGi  S INViなる。例えば図1の動作点 d では、 PDGi の大きさの出力抑制が生じ、これに売電単価を乗じた

w1, w2：重み係数

額が機会損失となる。そのため需要家は適切なl：配電線総数

インセンティブを受け取れない場合、電圧分布m：分散電源台数

(7)

(8)

28

分散電源の電圧制御における経済制度n：ノード総数PDGi：分散電源の有効電力の出力抑制量

2.3 分散電源所有者の電圧維持義務(PDGi = Poriginal,i - PDGi)

配電系統の電圧管理問題は、分散電源の導入：配電線 i における配電損失量増加に伴い厳しさを増すことが予想されるた

PDGi,QDGi ：分散電源 i の有効・無効電力出力

め、その対策の全てを系統運用者側で実施する

PLi,QLi：負荷 i の有効・無効電力

ことは非常に大きな負担となる可能性がある。

Vi,θi：母線 i の電圧・位相

そこで本稿では、分散電源所有者が以下の２点

Gik,Bik：母線 i-k 間のコンダクタンス・サの負担を享受することを義務と仮定し、検討をPLoss,i

セプタンス

進める。

Vmin, Vmax ：ノード電圧の上下限値
・分散電源所有者は系統連系に際して、電圧分
ここで目的関数は、［目的 2］と［目的 3］の重み付けを考慮した和として定義されている布に影響を及ぼす度合いに応じて「系統連系料金」を支払う。

が、両者はそれぞれ需要家、系統運用者の利益

・分散電源所有者は系統運用者の制御指令に従と考えられる。したがって両者の利益のバランって無効電力制御を実施し、必要に応じてスをとるためには、重み係数の適切な調整が必

有効電力出力の抑制も行う。ただし制御行要であるが、学術的な見地からは議論しがたい

動の貢献度に応じて報奨金が支払われる。

点もある。そこで本稿では省エネルギー推進のために、失われるエネルギーの最小化を目的と

上記の２点目に関しては、系統運用者は前述

考え、両者の単純和を目的関数とするの最適化手法により分散電源所有者への制御指（w1=w2=1.0）。なお、配電系統内における需令値を決定する。

給不平衡分は配電用変電所を通じて上位系統からの電力供給により補償されるものとする。し３．分散電源の系統連系料金

たがって本目的関数を最小化することは、上位系統から見た当該配電系統の見かけの負荷を最3.1 系統連系料金の考え方

小化することと等価である。
本稿では、上記の最適化問題の解法に PSO

一般に分散電源の連系により電圧上昇問題が（Particle Swarm Optimization）を用いてい生じると考えられるため、この対策に要する費る（valle et al. (2008)）。PSO は非線形計画

用は、主に分散電源を所有する需要家が担うべ

問題の準最適解を比較的高速に導出できる汎用きと考えられる。そこで本稿では辻他(2009)の的な手法であるが、制約条件を適切に考慮した方法と同様に、分散電源を所有する需要家は電上で、局所解に陥ることなく高速な求解を実現

圧維持に対する責務を有しており、系統連系時する手法としては、必ずしも最適なものではなには電圧調整に要する費用を「系統連系料金」

い。本稿では最適化に基づくインセンティブ制

として負担することを考える。ただしここで系度の一例を示すために、比較的長時間をかけて

統連系料金は配電設備の建設費に充てられるも最適解を導出しているが、実系統に適用する際のではなく、後述の通り制御協力した分散電源にはオンラインの運用が望ましいため、高速性所有者へと配分する報奨金の原資となる。系統および信頼性が重要である。したがって本手法

連系料金は、具体的には「機会損失補填料金」の実現に適した最適化手法の選択は、更なる検と「電圧上昇補償料金」から構成される。以下

討が必要である。

に、その考え方の基本となる「電圧影響度」の

社会経済研究 №59 2011.5

29

考え方を示した上で、各系統連系料金について

電用変電所からの距離を示しており、変電所バ説明する。

ンクの二次側（距離 0 の点）で送り出し電圧が一定に維持されていると想定すると、ノードi で有効電力が注入された場合の電圧分布変化

3.2 電圧影響度の概要は、同図中の曲線 a（制御実施後）およ
分散電源出力が配電系統の電圧分布に与えるび b（制御実施前）のように表わされる。電圧影響を表す指標として、本稿では制御感度の考制御実施前後の電圧分布について、両曲線間のえ方に基づいた「電圧影響度」を定義する。こ領域の積分値は、当該ノードにおける単位量のれは有効電力もしくは無効電力を単位量制御し有効電力制御が電圧を上昇させた総量を表すた

た場合の、系統全体（後述の系統モデルにおけめ、これを有効電力に関する電圧影響度と定義

る全ノード）の電圧変化量の合計を表す。本稿する。無効電力に関しても、同様の考え方によの提案手法では、系統連系料金および報奨金のり電圧影響度が導出可能である。

算定に、この電圧影響度の指標を用いる。電圧
影響度の導出方法は以下の通りである。
(1)
(2)

(3)

3.3 機会損失補填料金

分散電源の連系がない状態で潮流計算を

インバータの空き容量が十分でない場合は、実施し、配電系統の電圧分布を導出する。

モード２の制御を活用して電圧を適正化するこ各ノードで有効電力および無効電力をそとになる。ここで有効電力を減少させる需要家

れぞれ単位量増加させた場合の各ノードには不利益が生じるが、この機会損失を補填すの電圧変化量を導出する。

るための費用が各分散電源所有者には付与され次式により、全ノードの電圧変化量を合るものとする。そこで機会損失を補填するため算し、電圧影響度とする。

の資金源として、各分散電源所有者から「機会損失補填料金」を徴収する。同料金は、過電圧

 VnVcP ,i j 1

P ,i , j Vbase, j 

Pstd ,i VnVcQ ,i j 1

Q ,i , jの原因となる有効電力出力量に有効電力の電圧
影響度を乗じることで各電源の電圧変化への寄(9) Vbase, j 

Qstd ,i

与の大きさを評価し、出力抑制された総電力量の電気料金を、その比率に応じて式(11)の通り(10)

VcP,i,VcQ,i ：分散電源 i による有効電力および無効電力制御の電圧影響度
VP,i,j, VQ,i,j ：分散電源 i の有効電力および無効
電力制御実施後のノード i の電圧値
Vbase,j：分散電源の制御実施前のノード jの電圧値

Pstd,i, Qstd,i ：分散電源 i の有効電力および無効電力の単位制御量
有効電力を制御した場合の電圧影響度の考え方を図 2 に示す。ここで横軸は各ノードの配図 2 電圧影響度の考え方

30

分散電源の電圧制御における経済制度

割り振るものである。ここで有効電力の単価を表す CP は、分散電源出力の買取価格が用いられる。なお太陽光発電出力の固定価格買取制度

VCFi  CSVC  m

Popt ,i  VcP ,i

 (P
j 1

opt , j(12)

 VcP , j )等を考慮すると、分散電源の種別に応じて CP

VCFi ：分散電源 i の電圧上昇補償料金

は異なるものと思われるが、本稿では分散電源

CSVC ：インバータ制御なしの場合の対策費用

種別の差異は考慮していない。
以上の 3.3 および 3.4 より、機会損失補填料金m

OLFi  CP  ( Poriginal , j  Popt , j )  m
j 1

 (P
j 1

および電圧上昇補償料金の各分散電源所有者へPopt , i  VcP ,iopt , jの配分の比率は、いずれも有効電力に関する電 VcP , j )圧影響度の比率に依存して決定される。これは(11)

OLFi ：分散電源 i の機会損失補填料金

分散電源の有効電力が電圧面に及ぼす影響を評価した結果であることに依る。

Popt, i ：分散電源 i の最適有効電力出力：売電価格

４．報奨金制度の提案

3.4 電圧上昇補償料金

4.1 報奨金制度の考え方

CP

分散電源の連系により電圧の上限逸脱が生じ

本稿における提案方式では、系統運用者が回る場合、その度合いに応じて「電圧上昇補償料収した系統連系料金を原資として、これを電圧金」を課金する。分散電源出力に起因した電圧維持に貢献した需要家へ、その貢献度の大きさ

逸脱を系統側の設備投資により解消しようとすに応じて配分することを考える。具体的なフロる場合、調相設備の新規導入が必要となる可能ーは以下の通りである。

性がある。特にインバータの無効電力制御と同様に高速な電圧変動補償の実現を目指す場合は、(1) 配電系統運用者は、系統全体の情報を集中

高速かつ連続的な無効電力制御が可能な無効電的に収集し、把握できるものと想定する。

力補償装置（SVC：Static Var Compensator）(2) 第 2 章で示した最適化計算により制御目標の導入が一つの代替候補となる。そこで、系統値を導出し、各分散電源へ通知する。

運用者は分散電源所有者から回収した電圧上昇(3) 各分散電源所有者は、電圧分布への影響の補償料により、当該配電系統の電圧変動対策に

大きさに応じて第 3 章のルールに従って系要した SVC の設置費用を賄うものと考える。

統連系料金を支払う。

したがって有効電力の電圧影響度を用いて各電(4) 各分散電源は制御指令に従った場合、本章

源の電圧上昇への寄与率を定量的に評価し、のルールに従って報奨金を与えられる。

SVC 設置費用を上記指標により各電源所有者に配分した額を、電圧上昇補償料金として定義
する（式(12)）。
ここで本提案手法は各時間帯ごとに検討を進めているため、CSVC は SVC の設置費用を減価償却費の観点から時間帯ごとに評価したものとする。

社会経済研究 №59 2011.5

31

4.2 機会損失補填費用

4.4 配電損失低減に対する報奨金

系統運用者の制御指令により実施された、モ空き容量がある時間帯には、分散電源の無効

ード２の制御による各分散電源の有効電力減少

電力制御の活用により配電線の無効電力潮流を分に対し、その減少分を埋め合わせるように補減少させることで、配電損失の低減が可能とな

填費用を支払う。結果的に、出力抑制実施前のる。前述の通り本稿では、分散電源の出力抑制

分散電源出力の総量を系統運用側が買い取るこ量と共に配電損失も最小化されるように制御量とになる。

を決定する。そこで各分散電源の配電損失低減,

OLCi  PDG i  C P(13)への貢献分を定量的に評価し、インセンティブを付与することを検討する。具体的な手順を以OLCi：分散電源 i の機会損失補填費用

下に示す。

4.3 電圧制御報奨金(1)

配電損失を最小化した場合（w2=1.0）としない場合（w2=0.0）の配電損失をそれ電圧制御に関する報奨金については、有効電ぞれ導出し、PLoss1 および PLoss2 と定義す

力制御の観点からモード１とモード２とで性質る。分散電源の制御により配電損失を改が異なり、前述の機会損失補填費用は、モード

善した経済効果は、配電損失の低減量に

２の制御に対するものである。ここでは、モー単位電力量あたりの売電価格を乗じたもド１の無効電力制御による電圧適正化の評価にのと考えられるため、これを配電損失低ついて考える。各分散電源の無効電力制御量に減に対する報奨金の原資とする。

無効電力の電圧影響度を乗じることで各分散電(2)最適解として導出された無効電力制御量

源の貢献度を導出し、その比率に応じて式(14)に対して、分散電源 i の無効電力制御量のように報奨金を算定する。最適化計算によりを１台ずつ順番に 0 にした場合の配電損導出される無効電力制御は、電圧維持か配電損

失 PLoss3, i を繰り返し計算する。

失低減のいずれかの目的で使用されていると考(3)

分散電源 i の無効電力制御量を 0 にする

えられるが、電圧変化量を指標とすることで、ことで配電損失が増加する場合は、同電

後述の損失低減への寄与と区別することを目的

源は配電損失低減に貢献しているとみなとしている。

せるため、配電損失低減への貢献度を
VcLoss,i として評価する。

全分散電源に与えられる報奨金の総額は、原資として回収した電圧上昇補償料金の総額と一(4)

逆に配電損失が減少する場合、同分散電
源の無効電力制御は配電損失を増加させ致させることで、収支を合わせることが望ましい。

る働きとなる。しかし、この無効電力制

VCRi  C SVC  m

QVc ,i  VcQ ,i

 (Q
j 1

Vc , j

御は配電損失低減より優先すべき電圧維(14)持のために用いられていると考えられる。

 VcQ , j )

そのため同分散電源にはペナルティは与VCRi：分散電源 i に付与される電圧制御報奨金

えず、配電損失低減に関する報奨金のみ

QVc,i ：分散電源 i の有効電力の出力抑制低減のを 0 とする（VcLoss,i を 0 とする）。

ための無効電力出力(5)

配電損失低減の原資を、その貢献度の比率に応じて割り振ることで、分散電源 iに付与する報奨金を、式(15)により導出

32

分散電源の電圧制御における経済制度する。

所有者へ再配分され、残金は生じない。ここでVc Loss i,)(

LRi  PLoss1  PLoss 2 j 1

電圧上昇補償料金は有効電力の電圧影響度に応じて課金され、電圧制御報奨金は無効電力の電

,

 Vc

(15)

 C P

m

Loss j

圧影響度に応じて再配分される。

 PLoss 3,i  PLoss 2 PLoss 3,i  PLoss 2  0 
Vc Loss ,i  PLoss 3,i  PLoss 2  0 
 0
LRi ：分散電源 i の配電損失低減報奨金

上記に関しては、いずれも分散電源の有効電力が電圧上昇を引き起こす影響が大きい程課金分も大きくなり、有効な電圧制御を実施した分

PLoss1 ：配電損失低減のために無効電力制御を用いない場合（w2=0）の配電損失

散電源所有者に対して、より多くの報奨金が支払われる関係となっている。

PLoss2 ：配電損失低減も目的とした無効電力制

最後に配電損失低減報奨金は、配電損失の低御時（w1= w2=1.0）の配電損失減に寄与した度合いに応じて支払われるものでPLoss3,i ：最適な有効・無効電力出力に対し、ノ

あるが、その原資を確保するための課金制度はード i の無効電力のみを 0 とした場合

定義していない。配電損失の低減は系統運用者の配電損失にとっての利益であると考えられるため、本報：電気料金単価

奨金は系統運用者から各分散電源所有者へ支払

C’P

われるものと考える。
4.5 分散電源所有者の収支

５．数値計算例
系統連系料金と報奨金をまとめると、各時間帯における分散電源所有者 i の収支（profiti）
は次式で表すことができる。

図 3 および表 1 に示す配電系統モデルを用
いて、提案方式の有効性を検討する。住宅地域を想定して総負荷のピークを 2.7MW とし、フprofit i  SI i  OLC i  LR i  VCR i  OLF i  VCF i
if PDGi  PLi
if PDGi  PLi

) )

( (
)

(

C P  PLi
SI i   p DGi
0


(16)

SIi：分散電源所有者 i の売電収入

ィーダを 24 のノードに分割してモデル化した。
負荷は全ノードに一様に接続し、夜間に発生する電圧低下が需要家端で解消されるように、ノード 15 より下流側では柱上変圧器のタップ比が 1:1.025 に調整されているものとした。電圧分布は低圧系統の需要家端において適正値（基各分散電源所有者から回収した系統連系料金

準値±5%以内）に維持される必要があるとし、と、支払われる報奨金との関係を以下に整理する。まず機会損失補填料金の総額は、全て機会

tap 1/1

3

電力出力の電圧影響度に応じて課金され、機会損失補填費用はモード２の制御を実施した分散電源所有者のみに配分される。
同様に電圧上昇補償料金の総額は、全て電圧制御報奨金として電圧制御を実施した分散電源

0 1

10

6

と再配分される。そのため、この両者の間で収る。なお機会損失補填料金は各分散電源の有効147

損失補填費用として出力抑制が生じた需要家へ
支は完全に一致し、残金は発生しない関係とな

tap 1/1.025

2

4

5

8

9

13

11

21
17

12 15 16 18

図 3 配電系統モデル

20

19 22

23

社会経済研究 №59 2011.5

33

表 1 モデル定数
ベース電圧6.6 [kV]

ベース容量

20 [MVA]

DG 容量
1-10

340[kW/node]

11-23

460[kW/node]

総負荷

2.7 [MW]（力率 0.9）

線路
インピーダンス

0.0464+j0.0640 [p.u.]
図 5 機会損失補填料金と機会損失補填費用

低圧系統内の電圧降下は無視する。したがって響度に応じて同図中 OLF の通り課金される。

柱上変圧器で低圧換算された電圧値を、各ノー

一方で、モード２の制御が活用されるのは電圧

ドの電圧として扱い、これを適正値に維持する－無効電力制御感度が大きい系統末端側に限定ことを目的とする。

されるため、機会損失補填費用は同図中 OLC

太陽光発電の導入が飛躍的に促進されたことに示す通り、系統末端側に重点的に配分される。

を想定して、太陽光発電の総容量を 9.38MVA

全ノードに割り当てられる機会損失補填料金のとする。ここで電圧問題が顕著に現れるように、

合計は、機会損失補填費用の合計と一致するた

フィーダ上流のノード 1-10 に比較して、下流

め、モード２の制御に起因して生じた機会損失側のノード 11-23 の方が太陽光発電の導入量を、系統連系する全分散電源がその電圧影響度が大きい設定とした。負荷と太陽光発電出力のに応じて負担していることが分かる。

日間変動を図 4 の通りに与えた。また、

次に電圧制御報奨金について検討する。一例

CP = 48[yen/kWh]、C’P = 24[yen/kWh]とする。

としてピーク時付近である 13 時の時間帯につ本モデル系統を用いて、提案するインセンテ

いて、各分散電源の出力抑制前後の有効電力をィブ制度を適用した結果を以下に示す。まず機図 6 に示す。ここでは電圧上限逸脱が生じた

会損失補填料金について示す。今回の数値計算

場合に、これを解消できるまで全分散電源が一で電圧維持できない時間帯は、ピーク時前後で様に無効電力制御量を増加させた場合の例を示

ある 11-13 時である。同時間帯に関して、式している。モード１の制御の活用により概ね電(11)および式(13)により機会損失補填料金と機圧維持できているものの、空き容量が不足する

会損失補填費用を求めると、図 5 が得られる。
全ての分散電源は、有効電力出力により系統電圧を上昇させる働きを有しているため、その影

DG output(P) and load [kW]500PV（n11-n23）

450
400
350
300
250

PV（n1-n10）

200

load

150
100
50
0
1

2 3 4

5 6 7

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
time[h]

図 4 PV 出力および負荷の日間変動

図 6 13 時の出力抑制前後の有効電力出力

34

分散電源の電圧制御における経済制度

ため出力抑制も生じている。このように空き容するためには、系統側の電圧制御が重要となる。
そこで 3.4 節の考え方に基づき、SVC の導入による対策を考える。ここで最も電圧制御感度

distribution power loss[p.u.]

量が十分ではない場合に出力抑制の発生を回避

0.045
0.04

PLOSS1

0.035

PLOSS2

0.03
0.025
0.02
0.015
0.01
0.005

が大きいフィーダ末端に SVC を設置し、電圧01 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
time[h]逸脱が最大となる 12 時にも電圧を適正値に維持できる容量を導入するために、1 日あたり

図 8 配電損失の日間変動

1644[円/日]が必要と仮定する。空き容量はこの SVC と同等の価値があると考えられるため、に説明する。まず図 9 に、PLoss2 により得られ式(12)および式(14)に基づき 13 時における電た各ノードの無効電力出力を示す。同図より、圧上昇補償料金と電圧制御報奨金を求めると、上流側の分散電源は無効電力を注入して配電線

図 7 となる。前述の通り、電圧上昇補償料金

路の無効電力潮流を減少させて配電損失の低減

は有効電力に関する電圧影響度の大きさに応じに寄与し、下流側の分散電源は無効電力を吸収て課金され、電圧制御報奨金は無効電力に関す

して配電線末端側の電圧上昇を抑制している様

る電圧影響度に応じて配分される。本試算モデ子がわかる。次に図 10 に、各分散電源の無効

ルでは全てのブランチのインピーダンス比が等電力出力のみを 0 にした場合の配電損失の変しいため、全てのノードにおいて、有効電力と化（PLoss3,i）を示す。確かに上流側の分散電源

無効電力に関する電圧影響度の大きさの比率はは無効電力出力を 0 にすることで損失が増加等しい値となる。したがって電圧上昇補償料金

しており、同電源の無効電力制御は配電損失低と電圧制御報奨金は、その総額が一致するよう減へ寄与しているものと評価できる。一方で下に課金および配分されているため、本試算では流側の分散電源は無効電力を 0 にすることでほぼ同額となる。
最後に配電損失低減報奨金について検討する。

0.01
0.008

図 8 には、日間の配電損失の変化を示す。こ
[p.u.]および 0.279 [p.u.]であり、7.3%程度の損失低減が達成されたことになる。配電損失低DG output(Q)[p.u.]

こで前述の P Loss1 と P Loss2 はそれぞれ 0.301

0.006
0.004
0.002
0
-0.0021 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23-0.004-0.006-0.008減に寄与した分散電源への配電損失低減報奨金-0.01-0.012の算定手順を、10 時の時間帯に着目して以下

node number

図 9 分散電源の 10 時における無効電力出力

distribution power loss[p.u.]

0.0335
0.033

PLOSS2
PLOSS3,i

0.03250.032
0.03150.031
0.03050.03
0.0295
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
node number

図 7 電圧上昇接続料金と電圧制御報奨金

図 10 分散電源の無効電力制御による損失低減効果

社会経済研究 №59 2011.5

35

損失が減少するため、確かに電圧維持に寄与す

る傾向にある。このように連系点に応じてピーるための無効電力制御であると評価でき、配電ク出力時に必要となる出力抑制量は分散電源ご

損失低減報奨金は付与されない。この結果、式とに異なるが、これを適切に補って平等な結果(15)に従い、同時間帯における各分散電源所有が得られる点が、本稿の重要な結論である。

者への配電損失低減報奨金は、図 11 に示す通６．おわりにりとなる。
以上より、各ノードにおいて発生する分散電源所有者の利益の総和を式(16)に従って導出す

本研究では、大量の分散電源が配電系統に導ると、図 12 のようになる。フィーダの上流側入された将来の配電系統を想定し、電圧管理問に比較して下流側では分散電源の導入容量が大題を解決するための分散電源の連系料金と報奨きいため、売電収入は下流側の方が大きい値を金制度を提案し、数値計算によりその効果を検示している。系統末端側に近づくほど電圧上昇討した。その結果、各分散電源所有者の利益は、に伴う有効電力出力の抑制が必要となるため売その容量が等しければ同程度となる結果が得ら

電利益（SI）が低下しているが、機会損失補れ、本稿で目的とする平等性を考慮したインセ填費用（OLC）が、主にこれを埋め合わせる

ンティブの付与方式の実現に向けた、一つの可働きを担っている。系統上流側では OLF が能性を示すことができた。

OLC を上回るため、出力抑制に伴う売電利益

本提案方式は、配電系統の分散電源群を集中の減少分は補われていないものの、配電損失低的に管理・制御できることを前提としており、減報奨金は上流側において大きい額となるため、本稿ではその実現可能性を経済制度の観点から全ノードにおける利益のバランスは均等化され議論したものである。一方で、集中制御の実現のためには配電系統の情報通信インフラをより精緻に構築し、技術的な観点から高機能化を図ることも必要となる。
今後の課題としては、以下のような点が挙げられる。


本稿では分散電源所有者の利益に着目して議論を進めたが、系統運用者側の損益も考慮して制度構築を進める必要がある。

図 11 配電損失低減報奨金



技術的な観点からは、大量の分散電源を含む配電系統は自律分散的に運用制御することが望ましい可能性も考えられる。
自律分散的な枠組みの中で、適切なインセンティブを付与するための枠組みを検討する必要がある。



本稿では分散電源の種別としてインバー
タ連系の電源のみを取り上げたが、回転

図 12 各ノードに割り当てられる合計利益

機型の電源等の存在も考慮する必要がある。

36

原稿受付日

分散電源の電圧制御における経済制度

２０１０年９月１日
つじ

たかお

参考文献
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pp.
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Optimization: Basic Concepts, Variants andApplication in Power System, IEEE Trans.
Energy Conversion, Vol.12,No.2, pp.171-195

横浜国立大学大学院工学府
さかもと

おおやま

はしぐち

けんいち
同

上

同

上

つとむ

たくへい

九州大学大学院システム情報科学研究院
ごうだ

ただひろ
同

しんじ

たかお
東京ガス

つじた

上

技術開発本部しんすけ
同上社会経済研究 №59 2011.5

37大規模太陽光発電システム実証研究－系統安定化技術および各種太陽電池モジュール特性評価について－
Demonstrative Project for Large-Scale Photovoltaic Power Generation System-Grid Stabilization Technology in Power Conditioning Subsystem and Characteristic
Evaluation in Various PV Modulesキーワード：太陽光発電システム、系統安定化、パワーコンディショナ、
太陽電池モジュール、ライフサイクルアセスメント
島 陰 豊 成工 藤 満

小 西 博 雄宮 田 博 昭伊 藤 雅 一植 田 譲

太陽光発電（PV）システムの導入量拡大に対する期待が国内外において年々高まっている。本稿では、
PVシステムを取巻く状況と合わせて、山梨県北杜市で実施している大規模PVシステムに関する実証研究において開発した大容量パワーコンディショナ（PCS）による系統安定化技術と各種PVシステムの特性評価について述べる。
PCSの系統安定化技術においては、PVシステムの出力変動に起因する電圧変動のみを抑制する電圧変動抑制機能により、PVの出力変動に起因する電圧変動を0.2%程度に抑制できることを確認した。また、瞬時
電圧低下を試験的に発生させた際においてもPCSが運転継続できることを示した。さらに、交流電流高調波において高調波ガイドラインの80％以下を各次数で達成した。
各種PVシステムの特性評価においては、ライフサイクルアセスメント手法を用いてエネルギー投入量、エ
ネルギーペイバックタイム、二酸化炭素（CO2）排出量およびCO2排出原単位を各種PVモジュールごとに明らかにした。また、実運用環境における発電特性の評価を行い、各種PVシステムにおけるシステム出力係数や各種損失要因を明らかにするとともに、それら特性を総合的に評価する指標を示した。
１．はじめに
２．PVシステムを取巻く状況
３．大規模PVシステム実証研究の概要

４．PCSによる系統安定化対策技術
５．各種PVモジュールの特性評価
６．おわりに１．はじめに入量のポテンシャルが高いことに加えて、日本が太陽電池の開発・導入を先導してきた背景か

気候変動問題解決のための二酸化炭素（CO2）排出量削減に対する期待から、太陽光

ら、PVシステムの導入量拡大に対する期待が国内において年々高まっている。

や風力を始めとする再生可能エネルギーの活用

一方で、PVシステムの出力は、アレイに入が今後ますます進むと予想される。これらエネ

射する日射強度に強く依存し、太陽電池の変換

ルギーは、太陽光発電（PV）システムや風力

効率は温度や光照射履歴の影響を受けるため、発電システムにより、最終的にクリーンで便利

出力は天気・気温などの気象条件や設置環境にな電気エネルギーとして使用されることが一般

よって変化する。特に雲が流れる晴天日におい的である。特にPVシステムは環境汚染や騒音ては日射量が短時間で大きく変動する。このよの心配がない、計画から設置までのリードタイ

うに、PVシステムからは安定した出力を得る

ムが短いといった特長から導入に対する障壁がことができないため、PVシステムが商用系統低い発電システムといえる。さらに、太陽エネに大量導入されると、連系点での電圧の上昇、ルギーは地域による偏在性が小さく国内でも導周波数変動、低負荷時の余剰電力発生など系統

38

大規模太陽光発電システム実証研究の安定運用上さまざまな問題が生ずると懸念さ
れる 1

EU

。特に、大規模PVシステムでは、出力25,000

変化によって生ずる電圧変動や系統擾乱発生時

20,000の一斉脱落など、商用系統に大きな影響を与え

15,000Rest of the World

このような課題に対して、新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）では、「大規China
22,87815,6759,550

10,000
6,956

ショナ（PCS）が一箇所に導入されることか
ら高調波電流の系統への流出も懸念される。

USA

MW

る可能性がある。また、多数のパワーコンディ

Japan

5,361

5,000
1,428

1,762

2,236

2,818

3,939

0
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009year

出典：EPIA（2010）

模電力供給用太陽光発電系統安定化等実証研

図 1 世界の PV システム累積導入量

究」において、山梨県北杜市（北杜サイト）に
約 2MW 、 北 海 道 稚 内 市 （ 稚 内 サ イ ト ） に 約

2.6GWを大きく引き離している。特に欧州で5MWのPVシステムを構築し、大規模PVシス

は事業用発電所として発電容量1MW超のいわテムの技術検証や評価を行っている。北杜サイ

ゆるメガソーラーの導入が進んでおり、大規模

トでは大容量PCSを利用した系統安定化技術なものでは50MWを超える発電所が稼動しての開発と各種PVシステムの評価、稚内サイト

いる。

では電力貯蔵装置を利用した系統安定化技術の国別太陽電池生産量の推移を図2に示す。長

開発と日射量予測技術の開発などを目的として

年日本が生産量シェア1位であったが、近年はいる。本稿では、PVシステムを取巻く状況と低価格を強みとするSuntechなどの中国メーカ

合わせて、北杜サイトで実施している大容量が台頭しており、2009年時点での国別生産量

PCSによる系統安定化技術と各種PVシステム

は2位日本の1.51GW、3位ドイツの1.48GWをの特性評価について述べる。

大きく上回る3.78GWと世界の35.5％のシェアを獲得している。中国では国内需要の創出と産２．PVシステムを取巻く状況

業育成を目的に500MW規模のプロジェクトに対して財政支援を行う金太陽プロジェクトを発世界のPVシステム累積導入量を図1に示す。

表しており、今後は生産量のみならず導入量に世界における太陽光発電市場は欧州が牽引しておいても大きなシェアを握る可能性がある。

おり、2009年時点での累積導入量約23GWの次に、2020年までの日本国内におけるPVシ

うち約16GWと70%を占めている。なかでもドイツでは2000年の再生可能エネルギー法施行に伴う再生可能エネルギーの固定価格買取制度2導入を契機としてPVシステムの導入量が急増しており、2009年時点での累積導入量が9.1GWと 2位スペインの 3.4GW、3位日本の1対策費用は 2030 年度までの総額で約 4.6～6.7 兆円と推計されている。（経済産業省（2009b）
2電力供給事業者に対して再生可能エネルギーの 20 年固定
額での買取りを義務付けした。これによって買取り価格が安定し、投資家の事業リスクが低減した。

出典：資源総合システム（2010）
図 2 国別太陽電池生産量

社会経済研究 №59 2011.5

39

ステムの導入量目標を図3に示す。2008年6月に提唱された福田ビジョンでは導入量を2020
年に2005年比10倍の14GWにすることが目標として掲げられ、その目標は2009年4月の成長戦略によって20倍の28GWへ引き上げられた。
さらに、2009年9月の国連気候変動首脳会合の開会式において、政府は 2020年にCO2排出量を1990年比で25 %削減することを日本の新たな中期目標として宣言したが、この目標は導入量を2005年比55倍の79GW程度に引き上げることに相当するとの試算もある（環境省(2009)） 。 ま た 、 NEDO(2004)に お け る 2030

出典：経済産業省（2009a）
図3 PVシステム導入量シナリオ年に向けたロードマップでは、2030年までの導入量を100 GW程度、すなわち全電力の10 %をPVシステムから供給できるとしている。このように、国内のPVシステム導入量は今後確実に増加する状況にある。
PV シ ス テ ム の 導 入 形 態 は 主 に 住 宅 用 と 公
共・産業用に大別され、これまで国内市場を牽引してきたのはその8割を占める住宅用分野である。補助金交付が終了した2006年以降は図4に示すように導入件数は一時停滞していたが、政府や自治体による補助金の再開と、2009年11月の余剰電力固定価格買取制度の導入の効

出典：資源総合システム（2010）
図 4 国内における PV システム導入量

果により、2009年からは導入量が増加に転じている。今後は急速なPVモジュールの価格低

堺コンビナートに18MWのメガソーラーが運下が見込まれており、グリッドパリティ 3

実現

用開始する見込みである。海外での事例と比較

後には、このような公的支援を必要としない真するとその規模はまだ小さいが、2020年頃のに自立した市場となると想定される。

業務用分野でのグリッドパリティ達成を目標に

一方、公共・産業用分野では、電力会社を中各メーカが技術開発に取り組んでおり、また、心にメガソーラーの導入が進展している（電気

再生可能エネルギーの全量買取制度の導入によ

事業連合会(2010)）。現時点で国内最大のメガり固定価格買取対象が発電事業用PVシステム

ソーラーはシャープ亀山工場の約5.2MWであまで拡大される見込みであることから、今後のるが、2011年には関西電力・シャープによるさらなる導入量の拡大が期待される。

3 PV システムの発電コストが電力小売価格と等価である状態を示す用語。2009 年時点の発電コストは約 44 円
/kWh であり、住宅用分野のグリッドパリティ実現には発電コストを 23 円/kWh にする必要がある。NEDO では、
今後 10 年で家庭用電力のグリッドパリティを実現し、2020 年には業務用電力並みの 14 円/kWh、2030 年には事
業用電力並みの 7 円/kWh の達成を目標としている。（資源総合システム（2010）、NEDO(2004)）

40

大規模太陽光発電システム実証研究

３．大規模PVシステム実証研究の概要

表 1 第Ⅰ期に導入した PV モジュール

北杜サイト 4 に構築した1.84 MWの大規模
PVシステムの系統図を図5に示す。第Ⅰ期には、
異種太陽電池の特性を同一環境下で評価することを目的に、表1に示す9ヶ国から24種類のPV
モジュールを10kW単位で導入して約600
kWシステムを構築した。第Ⅱ期では、経済性、設置性、発電性、環境性およびそれらのバランスを指標とし、第Ⅰ期に導入したPVモジュー
ルのうち優れた特性を示す4種類を導入した。
アレイはPVモジュールの種類別に200 kW単位で構築し、大容量PCSとアレイ二組を組み合
わせて400 kWのPVシステムとしている。これを3システム構築して計1,200 kWのPVシステ
ムとしている。第Ⅲ期では、第Ⅰ期、第Ⅱ期とは種類の異なるPVモジュールを適用し、さらにPVシステムの故障を模擬する実験システム
として計40 kW導入している
表 2 PCS の仕様

４．PCSによる系統安定化対策技術

項目
容量
絶縁方式
入力直流電圧
最大許容直流電圧
入力数
出力交流電圧
定格電流
スイッチング周波数

大規模PVシステムを対象として開発した、系統安定化機能を有する大容量PCSの仕様を表2に示す。PCSでは、50kW単位ストリング4～
×

66kV/6.6kV
×

変換効率

×

6.6kV/210-105V

×

6.6kV/420V

6.6kV/210V

Load

制御機能
10kW
PCS

10kW
PCS

・・・
3kW
PCS

・・・
10kW*59sys.
1st stage

10kW
PCS

10kW
PCS

400kW
PCS

・・

・・
9kW

10kW*4sys.

400kW*3sys.

本の出力を受ける200kWのチョッパ2台が並列

3rd stage

2nd stage

運転して最大出力追従制御（MPPT）を行い、

図 5 大規模 PV システムの系統図

山梨県北杜市は、日照時間が年平均 2,250 時間以上（全国年平均 2,120 時間）と長く、標高が約 650 m に位置するため夏でも比較的冷涼であり、内陸性気候で降雨量が少ないことから、多くの発電量を得るには適した場所である。
4仕様
420kVA/400kW
非絶縁230－600V
600V
2 系統、200kW×2
420V±10%、三相 3 線
577A
4kHz
95%
(入力 30%-100%の範囲)･チョッパによる MPPT･PV 出力変動に起因する
電圧変動抑制･運転継続(残留電圧 60%以上、200ms 以下)･低次高調波抑制

交流電圧420Vで出力する 5 。また、系統安定

一般的に低圧需要家に導入される 10kW の PCS は交流電
圧 210V だが、発電事業者や高圧又は特別高圧需要家への導入を想定する 400kW の PCS では変換効率や経済性を考慮して交流電圧 420V としている。

5

社会経済研究 №59 2011.5

41化と高調波抑制対策として、PCSは電圧変動抑制機能、瞬時電圧低下（瞬低）発生時の運転継続機能、低次の高調波抑制機能を具備している。各機能の概要とその効果を以下に示す。
4.1 電圧変動抑制機能
PVシステムの出力変動に起因する電圧変動のみを抑制する機能であり、式(1)に示すようにPCSからの有効電力 P に比例する無効電力 Qを出力する（内山他(2008)、内山他(2010)）。
(1)
図 6 試験環境での電圧変動抑制機能検証結果

ここで比例定数α（力率角θの正接）は制御
パラメータであり、 Qは系統からみて遅れ方向

1600を正としている。本機能では、出力変動ΔPと変動を最小にするようにパラメータαを系統条件に応じた最適値に自動補正する。具体的には、Δ P とΔ V の相関が正であれば Q を大きくする必要があるのでαを増加させ、負であれば Qを小さくする必要があるのでαを減少させる。まず、北杜サイトを想定した試験環境 6 にこの手

430

1400
P[kW],
Q[kVar]P(kW),Q(kVar)

連系点電圧変動ΔVの相関関係を利用し、電圧⊿V≦0.2％

1200
1000

420

V
P

800

410

V(V)
V[V]

Q = α×P

600
400
200

Q/P≒0.19

Q

400

0
390
11:30 11:50 12:10 12:30 12:50 13:10 13:30
時刻
ΔP=55％
Time法を適用して最適無効電力制御の効果を検証した。PCSの有効電力 P の出力変動量を1pu、変図 7 フィールドでの電圧変動抑制機能検証結果

動周期を20s、αの初期値を零としたときの結果を図6に示す。電圧変動を最小化する値にα

電圧変動が発生する。同制御を有効にすることを収束し、最適な無効電力が出力された結果、で、PVからの有効電力が最大55%変化した場

制御開始前に1.6%程度あった電圧変動が0.2%

合 に お い て PVの 出 力 に 起 因 す る 電 圧 変 動 は程度に抑制されていることがわかる。

0.2%に抑制されており、同機能が実運用下に次に、北杜サイトでの実システムに制御手法おいても有効に機能していることがわかる。なを適用した場合のフィールドでの運転結果の一お、同図で1%程度の急峻な電圧変動は系統側

例を図7に示す。北杜サイトの電圧評価点に起因しており、抑制対象外の変動である。

（PCS交流出力端）では、PCSを電圧変動抑制制御なし（力率1）で運転した場合には、PV

4.2 瞬低発生時運転継続機能

か ら の 有 効 電 力 が 5 5 %変 化 す る と 約 0 . 7 %の商用系統で瞬低が発生したときに、PCSを
6 北杜サイトが連系する電力系統を縮約して模擬したリア
クトルと変圧器を用いた模擬送電線と、制御機能を搭載した小容量 PCS（50kW、50V）の試作機を具備する小型モデルを構築した。PV アレイからの出力を模擬するプログ
ラマブル電源の電圧を PCS に入力することで PV システ
ムの出力変動を模擬し、PCS からの出力は模擬送電線を介して工場内へ送電する。

運転継続させる機能である。離散フーリエ変換
による系統電圧位相の高速検出、瞬低検出時のチョッパ電流絞り込みによって、瞬低発生時のPCS交流側過電流、PCS直流過電圧を防止し

大規模太陽光発電システム実証研究ている（小野瀬他(2008)）。まず、北杜サイト

harmonics current/fundamental current[%]

42

5.0

5.00%

検証した。交流正相電圧が定格の60 %以上、継続時間が200 ms以下の瞬低で運転継続することを開発目標としたが、これよりも厳しい交流正相電圧が定格の40 %程度の2線地絡事故でも運転継続できることを確認した。次に、実機

4.50%

4.0

4.00%

3.0

3.00%

Target values

2.50%

2.0

2.00%
1.50%

1.0

1.00%
0.50%

0.0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

0.00%(a)高調波電流（420VAC）
5.0

5.00%
4.50%

で模擬的に瞬低（3線短絡）を発生させた際のPhase a, b & c (from left)

3.50%

harmonics voltage/fundamental voltage[%]を想定したミニモデル試験で本機能の有効性を

4.0

4.00%

Phase a, b & c (from left)

3.50%

3.0

3.00%

運転結果を図8に示す。電源環境の問題により

2.50%

2.0

2.00%
1.50%

正相残電圧70％での試験であるが、瞬低発生

1.0

1.00%
0.50%

0.0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

0.00%

時でも交流過電流と直流過電圧を防止し、PCSが運転継続できていることがわかる。

(b) 高調波電圧（420VAC）
図 9 高調波抑制機能検証結果（試験環境）

4.3 高調波電流抑制機能
なお、現在もPCSのフィールド試験を継続
交流電流高調波において高調波ガイドラインしており、これら系統安定化機能の実運用下で（資源エネルギー庁(1994)）の80％以下を各の効果について、今後もさらに検証していく予次数で達成することを目標としている。系統高定である。

調波電圧と振幅、位相が等しい高調波電圧をPCSの内部電圧に重畳させることにより高調

５．各種PVモジュールの特性評価

波電流を流れなくさせる高調波電圧同調方式を採用した（伊藤他(2008)）。北杜サイトを想定

5.1 環境性評価

した試験環境での高調波抑制機能検証結果と高大規模PVシステムの環境影響度を把握する

目標値（高調波ガイドラインの80%）を各次数ため、ライフサイクルアセスメント（LCA）

で達成していることがわかる。

手法による評価をPVモジュール種類ごとに実VDC[pu]IAC[pu]VAC[pu]VAC[pu]

調波電流の目標値を図9に示す。同図(a)より、施した。LCA評価の基本検討として実施した

2.0
1.0
0
-1.0
-2.0
1.5

北杜サイト構築時のエネルギー投入量とエネル
ギーペイバックタイム 7 （EPT）、およびCO2
300ms

Positive sequence

1.0
0.5

0.7pu

0
2.0
1.0
0
-1.0
-2.0
1.5

排出量とCO2排出原単位をそれぞれ図10に示す。
ここで、評価条件としてPVモジュールの寿命は30年、劣化率は0.5％とし、インバータの寿命は15年の1回交換とした。また、PVモジュールのLCAデータにはNEDO（2007）等を参考にして導入したPVモジュールの仕様に対応

1.0

させるとともに、発電量は2008年度の実績デ0.5
0ータを用いた。その結果、エネルギー投入量は500ms

図 8 瞬低対策機能検証結果
7 PV システムのライフサイクルに投入されたエネルギー量を、その発電量で回収するのに要する年数。

社会経済研究 №59 2011.5

43

PCS

disposalpile foundations

assemblingarray support

transportation

PV module

OthersEPT

conduit

CO2 emission rate

cable

いる。（NEDO(2009)）。
日本太陽エネルギー学会編(2008)によれば、化石燃料に依存する発電設備のCO2排出量原単位は石炭火力975g-CO2/kWh、石油火力742gCO2/kWh、LNG火力608g-CO2/kWhであり、energy requirement [GJ/kW]

いずれのタイプにおいてもPVシステムの環境

EPT [year]

負荷は従来の発電設備と比較して一桁以上小さ
いことがわかる。
5.2 発電特性評価
実運用環境におけるPVシステムの発電特性
sc-Si

a-Si mc-Si/sc-Sia-Si

μc-Si ＣＩＳ
/a-Siの評価にはシステム出力係数（PR）やSV法を用いている。PRは、アレイに入射する日射量(a)エネルギー投入量と EPT

CO 2 emissions [t-CO2/kW]

CO2 emissions rate [g-CO2/kWh]から得られる理想発電量に対する実際の発電量

sc-Si

a-Si mc-Si/sc-Sia-Si

μc-Si ＣＩＳ/a-Siの割合を示す指標であり、次式で求められる。
(2)
PR  EPCS  PAS  H Ag  GS

ここで、 EPCS はシステム出力電力量[Wh]、PASは標準太陽電池アレイ出力[W]、 HAgはアレ
イ面日射量[Wh]、 GS は標準試験条件 8 における日射強度[W/m2]
SV法はシステムの基礎情報（緯度・経度・傾斜角など）をもとに、計測データ（日射量、温度、発電量など）を用いてPVシステムの発(b)CO2 排出量と CO2 原単位

電性能と発電損失を要因ごとに分離・定量化す

図 10 モジュール種別 LCAる手法である（植田等(2008)）。
2008年4月～12月における各PVシステムに

24～ 39GJ/kW、EPTは 2.2～ 3.6年、CO2 排出

おけるPRと損失・利得を種類別に降順整理し量は1.6～2.1g-CO2/kW、CO2 排出原単位は47た結果を図11に示す。この結果から、同じ種～61g-CO2/kWhとなった。環境性という意味

類の太陽電池であってもPRに最大で20%ほど

ではエネルギー投入量、EPTが最も少ない化の差が認められ、製品によって性能にばらつき

合物半導体（CIS）、次いで薄膜ハイブリッドがあることがわかる。PRが高いシステムはシ（微結晶（μ c-Si）／アモルファスシリコ ン

ステム最大出力 9 の利得による影響が大きい。

（a-Si））、多結晶シリコン（mc-Si）が良い

これは、a-SiやCISでは温度や日射の履歴によ結果となっている。また、a-Siと単結晶シリコン（sc-Si）のヘテロ接合型も効率が高いため、架台や杭基礎を少なくできることから良い結果が得られている。なお、評価対象PVモジュールの変換効率などに起因する差異はあるが、今回の評価では従来と概ね同等の結果が得られて

8

日射強度=1,000W/㎡、太陽電池温度=25℃、分光放射照度分布に関係するエアマス=1.5G の状態。
9 最も出現頻度の高い最大出力値と、同じ状況下における温度係数・公称出力等から算出される理論的な最大出力値を比較した損失係数であり、公称出力からの乖離を表す。

performance ratio [%]44

大規模太陽光発電システム実証研究

100
95

5.3 総合評価
mc-Si

sc-Si

a-Si

CIS

90

PVモジュールの性能評価指標には、上述の8580

環境性や発電特性のほかにもコストや変換効率7570などがある。具体的には、システムコストが最←loss

gain→[%]

65
20
15
10
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35

system peak power

temp.

shade

PCS

other

小となる経済性（¥/W）、製造に係わるエネル
ギー投入量が最小となる環境性（t-CO2/W）、システム設置面積が最小となる効率性（m2/W）、システム発電量（＝PR）が最大となる発電性（Wh/W）などが考えられる。そこ

図 11 PR 評価と損失分析

で、これら複数の評価指標を用いてPVモジュールの性能を総合的に評価し、優れた特性を示ってシステムの最大出力が変化する 10 ことや、すPVモジュールをⅡ期システムで導入した。

銘板定格値の値付け 11 による影響と考えられ

図12にⅠ期システムに導入したPVモジュール

る。一方、PRが低いシステムは日陰損失によの平均とⅡ期システムに導入したPVモジューる影響が大きい。これは、日陰の影響評価のた

ルA～Dの評価結果のレーダーチャートを示す。

めにアレイ面に部分陰が生じるように設置して各軸は北杜サイトに導入したPVモジュールの5いるためである。

段階での相対的評価である。モジュールA（sc-Economic efficiency [\/W]5

Economic efficiency [\/W]
5

4

4

3

3

2
Performance
ratio[Wh/W]

Performance
ratio[Wh/W]

1
0

2
Environmental
performance [EPT/W]

1

Performance
ratio[Wh/W]

0

Efficiency [m2/W]

Efficiency [m2/W](a) Module A (sc-Si)(b) Module B (mc-Si)

Economic efficiency [\/W]5

Economic efficiency [\/W]
5

4

4

3
2

3
2

1
0

Environmental
performance [EPT/W]

Performance
ratio[Wh/W]

1
0

Efficiency [m2/W]

Efficiency [m2/W](c) Module C (CIS)(d) Module D (a-Si/sc-Si)

図 12 PV モジュール性能評価（灰色網掛けはⅠ期システムの平均）

a-Si においては光劣化による性能低下や温度上昇に伴う熱アニール効果による性能回復、CIS においては光照射効果による性能向上が知られている。
11 標準試験条件で性能測定した結果から銘板定格値の値付けを行うが、太陽電池セルの製造上の性能ばらつき等に起因して PV モジュールの特性に固体差が生じる。
10

Environmental
performance [EPT/W]

Environmental
performance [EPT/W]

社会経済研究 №59 2011.5

Si）は効率性、モジュールB（mc-Si）は経済性、モジュールC（CIS）は発電性と環境性に優れ、モジュールD（a-Si／sc-Siのヘテロ接合型）は全体的にバランスが良いことがわかる。
このように、PVモジュールの種類によって各指標の評価は大きくことなるため、ユーザの導入目的に応じてPVモジュール性能を総合的に評価、選定することが重要となる。ただし、図12は構築時の評価であり､特に経済性などは現状と異なる可能性がある。

６．おわりに
本稿では、PVシステムを取巻く国内状況と合わせて、北杜サイトに構築した大規模PVシ
ステムにおける大容量PCSの系統安定化技術と各種PVシステムの特性評価について述べた。
PCSにおいては、電圧変動抑制機能、瞬低発
生時の運転継続機能、高調波抑制機能を開発し、試験環境およびフィールド試験において同機能が有効に機能することを確認した。各種PVシ
ステムの特性評価においては、LCA手法による評価をPVモジュール種類ごとに実施し、エネルギー投入量、EPT、CO2排出量およびCO2
排出原単位を明らかにした。また、実運用環境
における発電特性の評価を行い、各種PVシス
テムにおけるPRや各種損失要因を明らかにした。現在も北杜サイトにおいて大規模PVシス
テムの実証研究を実施しており、系統安定化機
能や各種PVシステムの発電特性について、評価を継続する予定である。
原稿受付日

２０１０年８月１６日

謝辞
このような機会を与えていただいたNEDO殿をはじめ、北杜サイトならびに稚内サイトの関係各位に感謝の意を表します。

45

参考文献
EPIA（ 2010） “ GLOBAL MARKET OUTLOOKFOR PHOTOVOLTAICS UNTIL 2014)”
Hiroo Konishi, Keiichiro Asano, Masashi Nagura,
Takeshi Iwato, Mitsuru Kudou, and Ryo
Tanaka (2010) “EVALUATION OF TESTRESULTSIN
HOKUTO
MEGA-SOLAR
PROJECT”, INTELEC2010
NEDO（2004）「2030 年に向けた太陽光発電ロー
ドマップ（PV2030）」
NEDO（2007）「平成 19 年度中間報告 新エネル
ギー技術研究開発 太陽光発電システム共通基盤技術研究開発 太陽光発電のライフサイクル評価
に関する検討」
NEDO（2009）「平成 19～20 年度成果報告書 太陽光発電システム共通基盤技術研究開発 太陽光発電システムのライフサイクル評価に関する調査
研究報告書
伊藤 智道・宮田 博昭・谷口 雅弘・小西 博雄(2008) 「大規模太陽光発電システム用 PCS の開発（2）～ 高調波電流抑制技術 ～」、電気学会
B 部門大会、No. 148
植田 譲・津野 裕紀・工藤 満・小西 博雄・黒川浩助 (2008)「北杜メガソーラープロジェクトにおける各種太陽電池モジュール評価」、太陽/風力エネルギー講演論文集、pp.69-70
内山 倫行・近藤 真一・伊藤 智道・宮田 博昭・小西 博 雄 (2008) 「 大 規 模 太 陽 光 発 電 シ ス テ ム 用
PCS の開発（1）～電圧変動抑制制御技術～」、
電気学会 B 部門大会、No. 147
内山 倫行・宮田 博昭・伊藤 智道・小西 博雄(2010) 「大規模太陽光発電システムの無効電力制御による電圧変動抑制」、電気学会論文誌Ｂ、Vol. 130、No. 3、pp.297-304.
小野瀬 貴之・相原 孝志・宮田 博昭・谷口 雅弘・
小西博雄(2008) 「大規模太陽光発電システム用
PCS の開発（3）～系統事故時運転継続制御技術～」、電気学会 B 部門大会、No. 149
環境省(2009)「低炭素社会構築に向けた再生可能エ
ネルギー普及方策について（提言）」工藤 満・高木 晋也・小西 博雄・田中 良・植田
譲 ・ 伊 藤 雅 一 ・ 津 野 裕 紀 ・ 黒 川 浩 助 (2009)「各種太陽光発電システムの評価」、平成 21 年
電気学会全国大会、3-S1-7、pp.23-26
経済産業省（2009a）「太陽光発電システムの導入
シナリオの試算」、総合資源エネルギー調査会新エネルギー部会（第 34 回）-配付資料
経済産業省（2009b）「今後の新エネルギーの大量導入に伴って必要となる系統安定化対策及びコスト負担の在り方について(案)」、低炭素電力供給

46

大規模太陽光発電システム実証研究

システムに関する研究会新エネルギー大量導入に伴う系統安定化対策・コスト負担検討小委員会（第 4 回）-配布資料
資源エネルギー庁(1994)「高圧又は特別高圧で受電する需要家の高調波抑制対策ガイドライン」
資源総合システム（2010）「世界の太陽光発電市場
及びビジネスの現状」、クリーン発電＆スマート
グリッドフェア 2010 講演資料
電気事業連合会（2010）「メガソーラー発電の建設計画」http://www.fepc.or.jp/future/new_energy/megasolar/index.html（最終アクセス 2010 年 8
月 5 日）
日本太陽エネルギー学会編（2008）「持続可能エネ
ルギーと LCA」
三村 英之・相原 孝志・永山 祐一・宮田 博昭・内山 倫行（2009）「大規模太陽光発電システムの開発」、日立論評 3 月号、pp. 56-59

しまかげ

とよなり
NTT ﾌｧｼﾘﾃｨｰｽﾞ 研究開発本部

くどう

みつる
NTT ﾌｧｼﾘﾃｨｰｽﾞ ｿｰﾗｰﾌﾟﾛｼﾞｪｸﾄ本部

こにし

ひろお
同

みやた

上

ひろあき
日立製作所 情報制御ｼｽﾃﾑ社

いとう

まさかず
東京工業大学

うえだ

ｿﾘｭｰｼｮﾝ研究機構

ゆずる
東京工業大学大学院 理工学研究科

「社会経済研究」投稿規程（旧「電力経済研究」改め）

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究の発展に資する論文を中心に掲載いたします。
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社会経済研究 № 59
Journal of Socio Economic Research2011 年 5 月 印刷発行

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