電中
電力系統に生じる様々な現象を波形レベルで解析する 研プログラム
No.4702011 May

太陽光発電など再生可能エネルギーの導入にあたっては、これらの発電装置を電力系統に接続、すなわち、連系するためにインバータと呼ばれる機器を用います。インバータの開発においては、連系時の機器の動作の確認のため、電力系統の電圧や電流を波形レベルで解析する目的で瞬時値解析プログラムを利用します。しかしながら、これまで解析に用いられてきたプログラムでは、計算結果の波形に実現象には生じない架空の振動が生じてしまう場合があるなどの問題がありました。また、海外で開発されたプログラムであるため、国内の解析ニーズに対応して柔軟に拡張、変更することができないという問題もありました。電力中央研究所ではこれらの問題を解決するため、新しい瞬時値解析プログラムである XTAP（eXpandable Transient Analysis Program）を開発しました。
本プログラムは現在、電力会社などで広く活用されています。

電 中 研 ニ ュ ー ス

電力系統瞬時値解析プログラム XTAP のユーザインターフェース（解析回路作成画面、解析結果例）NEWS—電力系統瞬時値解析プログラム XTAP の開発—

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電力系統に生じる現象を解析する
様々なプログラム● 電力系統解析プログラムの種類● 瞬時値解析とは何か？

社会活動の中で日々使われる電力。この電力③の解析のためには、これまで海外の機関を安定供給するためには、電力系統に生じる様々で 開 発 さ れ た EMTP（Electro-Magneticな現象を解析し、電圧、電流、周波数などを適Transients Program）というプログラムが広切に管理していく必要があります。電力系統にく利用されてきましたが、日本国内のニーズに生じる現象は多岐にわたるため、これらをひとあわせた改良が柔軟に行えないなどの課題があつのプログラムで解析することは不可能で、現りました。

象の種類や時間オーダごとにいくつかのプログ

そこで当研究所では、わが国ではじめての瞬ラムが開発され、活用されています。これらの時値解析用プログラムとなる「電力系統瞬時値プログラムをおおまかに分類すると以下のとお解析プログラム XTAP」を開発しました。これ

りとなります。
（図–1）

により、国内のニーズにあわせた柔軟な改良が① 送電線を流れる電力や変電所の電圧の定常可能となっただけでなく、図–1 に示すとおり、値を解析

当研究所開発のプログラムにより電力系統の全② 事故発生時の系統全体の電圧・電流の変化ての時間領域における解析が可能となりました。

を実効値レベルで解析

瞬時値解析とは、主に電力系統に生じるμ秒③ 事故発生時の系統一部分における電圧・電～秒オーダの現象を精緻に解析し、結果を波形流の変化を瞬時値レベルで解析の形で示すものです。これまでも、開閉器の操④ 送電線や配電線への雷撃時に電磁現象とし作や雷などによって生じる過電圧や過電流の解て発生する電圧・電流の解析

析で高いニーズがありましたが、近年ではこれ当研究所では、既に①、②、④の解析ができに加えて、電力品質の解析や太陽光発電など再るプログラムを開発し、これらは電気事業や学生可能エネルギー発電装置の連系用インバータ術研究機関などで幅広く利用されています。の解析にも活用されています。
電界・磁界による解析

電圧・電流による解析
実効値解析（CPAT）

1234

潮流計算

過渡安定度解析

瞬時値解析（3相解析）

電磁界解析（FDTD法）L法Y法EMTP，XTAP

VSTL

1s

定常

1 ms

1 µs

現象の時間オーダ
短時間過電圧異常共振

雷サージ，EMC
開閉サージ

連系，電力品質図– 1

電力系統解析用プログラムの種類

1 ns

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XTAP で何ができるか● XTAP の特徴● XTAP の活用事例

XTAP には次のような特徴があります。

XTAP の活用事例として、SiC（シリコンカー⑴ 正確な計算を行うためのアルゴリズムバイド）素子を適用した高効率インバータの開EMTP などで用いられてきた数値解析手法

発における電気的特性の解析事例を紹介します。のひとつである台形積分アルゴリズムでは、コ

近年、太陽光発電など再生可能エネルギー

イルの電流やコンデンサの電圧が急変すると実発電装置の連系や、電力系統の制御・安定化の現象には生じない架空の数値振動を生じてしま目的で、パワーエレクトロニクス機器を用いる

い、解析の障害となっていました。XTAP ではケースが多くなっています。当研究所ではパワー

2S-DIRK 積分アルゴリズムという数値解析手エレクトロニクス機器の効率向上やコンパクト法を採用して、この問題を解決しています。また、化、その結果としてのコスト低減の実現を目指複雑な電気回路を解析する場合でも、途中で計し、次世代の半導体スイッチングデバイスであ算が収束せずにストップすることが無い独自のる SiC 素子を適用した高効率インバータの開発・計算アルゴリズムを開発し、組み込んでいます。

研究を進めています。開発にあたっては、パワー⑵ 瞬時値解析に必要なモデルを標準装備

エレクトロニクスシステム全体での効率や損失、基本的な電気回路素子、送電線・地中ケーブ

電力変換時に発生する過電圧や過電流などの電ルのモデル、同期機・誘導機のモデルなど、電気的特性の解析・評価が必要です。

力系統の瞬時値解析に必要なモデルを標準装備

XTAP は先に述べた計算アルゴリズムの特徴しており（図– 2）、電力系統の運用や設計のたにより、これらの解析を適切に行うことが可能めの迅速な解析が可能です。

であるため、当研究所では XTAP を活用した解⑶ 視覚的なユーザ・インターフェース析を行いました。

視覚的かつ効率的な回路図の入力や、解析結果のフレキシブルな表示が可能なユーザ・インターフェースを有しています。また、わが国で可能となった解析使用されている電線やケーブルのデータベース

新しいニーズ（次世代グリッド）を装備し、データ入力の省力化を図っています。

装備されたモデル ・ 機能

パワエレ回路の解析

自然エネ連系用インバータ等の解析

電力品質の解析

高調波，瞬時電圧低下等の解析

パワエレ回路模擬要素

送電線 ・ ケーブルモデル
π型，一定定数，周波数依存

従来からのニーズ同期機 ・ 誘導機モデル

制御ブロック模擬機能

雷サージ，開閉サージ等の解析

制御スイッチ，デバイスモデル

Y 法との高い互換性

過電圧の解析

Y 法完全互換

過電流 ・ 異常共振の解析
突入電流，鉄共振等の解析

図– 2装備している解析モデル・機能と可能となった解析

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XTAP を広く使って頂くために● XTAP による解析の結果● 今後の展開

解析の結果、半導体スイッチング素子の過渡2006 年にプログラムの基本部分の開発をス的な特性まで詳細に考慮したシミュレーションタートし、その後、使いやすさの向上のためにを高精度かつ安定的に行うことができました。

様々な機能を追加しています。わが国における結果の一部を図– 3 に示します。インバータ回路

瞬時値解析の標準プログラムとなることを目指内の半導体スイッチング素子における電圧や電して、解析に必要な機器モデルを集めた「国内流の波形は、試作したインバータで実測した結標準機器モデルライブラリー」の整備、XTAP果とほぼ一致しました（青線が実測結果、赤線での解析のコツや実例を紹介する「電力系統瞬が解析結果）。

時値解析ガイドブック」の作成、ならびに、解析速度の更なる向上に向けた並列計算アルゴリ

30ズムの開発などを進めています。将来は XTAP

電流［A］20の技術をベースに、電力系統の保護装置や制御装置の試験が可能なリアルタイムシミュレータ10の開発を目指していく予定です（図– 4）。

0半導体スイッチング素子をON−1055.555.655.755.8

2012 年度〜●マルチコア対応超並列化●リアルタイムシミュレータ応用

55.9

時間［マイクロ秒］
600

2009 〜 2011 年度
国内標準プログラム化●「国内標準機器モデルライブラリー」を整備●「電力系統瞬時値解析ガイドブック」の作成

電圧［V］

400
半導体スイッチング素子をON

200

機能強化
● 定常初期化機能の実装● 並列計算機能の検討・実装

0半導体スイッチング素子をOFF−200050

2006 〜 2008 年度
解析プログラム本体の基本機能，基本的な解析モデル，GUI の基本機能を開発。

100

時間［マイクロ秒］

図– 3

ひとインバータ回路中の半導体素子の電流（図上），電圧（図下）
解析結果

図– 4

XTAP の開発ロードマップ

こ と
電力技術研究所

電力応用領域

上席研究員

野田 琢

当研究所の開発メンバーをはじめ多くの関係者、そして電力会社の技術者の方々の協力を得て国産の電力系統瞬時値解析プログラム XTAP を世に送り出すことができました。今後は、国内での解析に便利なモデルや機能を拡充し、ユーザが解析ケース作成に費やす労力を少しでも軽減していきたいと思います。

関連の電力中央研究所報告「電力系統瞬時値解析プログラムの開発（その１）～（その４）」H06002、H07004、H08002、H09007「インバータシミュレーションプログラムの開発（その１）～（その２）」R06017、R07016
2011 年 5 月 25 日発行※この冊子は再生紙を使用しています〒 100-8126

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電力中央研究所

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