マイクロ水力・太陽光ハイブリッド発電
システムの特性について会員〇 大友 哲（山梨自然エネルギー発電株式会社）

Experimental results on Hybrid system
of Micro-hydroelectric and Photovoltaic
Power System

２．小水力発電システムの概要
当社の太陽光発電システムは山梨県北杜市大泉町の田んぼの南側の土手に設置されています。単相３線式

Satoru OTOMO

100~200V16kW と三相 200V17kW のシステムが稼

Yamanashi Greenenergy Co.,Ltd.

働しています。その３相インバータに 200W の小水力

Address :3545-3902kiyosato, Takane-cho,

Hokuto-shi, Yamanashi-ken, 407-0301,Japan発電機を接続しました。接続方式は図１の単線結線図の通りです。

Tel/Fax＋81-551-48-3822

マイクロ水力発電機は、ベトナム（本社はカナダ）

E-mail: satoruot@eps4.comlink.ne.jp

パワーパル社製の MHG－200LH です。最大出力は200W です。それに対する必要水量は３５リットル毎ABSTRACT
We present the experimental results on the秒・落差は 1.5m となっています。総合効率は約 40%、発電機の仕様は、永久磁石交流発電機です。出力は単grid-connected hybrid system of micro-

相 220V・50~60 ヘルツで、負荷により周波数が変動

hydroelectric and photovoltaic power system.

します。写真 2 は、水車の回転部分です。このタービ

In this case , micro-hydroelectric power system

ンの上部に発電機が接続されています。

is also useing the photovoltaic power inverter.

Pic1. 200W hydroelectric system

キーワード：ハイブリッドシステム，小水力発電システム，系統連系システム
Keywords : hybrid system , micro -hydroelectric
power system, grid-connected power system.
１．はじめに小水力発電は、農業用水路などに設置して使用する発電方式です。設置可能な場所は多数存在し、将来のエネルギー源として期待されています。しかし、現状ではあまり普及していません。特に低圧電力系統に連系されて発電しているものは、日本国内ではほとんどありません。また、分散型電源系統連系技術指針によれば、誘導発電機などの回転する機器を低圧で直接系統連系することは原則的には認めていません。
今回の実験では、すでに系統連系して稼働している太陽光発電インバータに 200W のマイクロ水力発電機を接続して、マイクロ水力・太陽光ハイブリッド発電システムとして稼働させ、その発電特性を解析しました。

pic2. turbine of hydroelectric system

小水力・太陽光ハイブリッド発電単線結線図（Fig.1, circuit of hybrid system）
マイクロ水力発電機最大出力 200W (PHG-200LH)
単相 220V・50-60Hz 永久磁石同期発電機 (回転数に同期して周波数が変動)
富士電機・電力量計(F11F 単相 200V)

付属・コントローラ

ダミーロード山菱ボルトスライダーV-260-2.5Ａ（AC220V から AC180V に降圧）整流用ブリッジダイオード

太陽電池モジュール(既設 17.484kW)

電解コンデンサー（DC400V3300μF）
電力系統へ→

直流ヒューズ遮断機 15A
３相１５ｋＷインバータ保護回路(既設)
写真 3 は、水力発電機設置前の水路の状況です。写３．入力電圧の設定

真 4 は、発電機設置後の状況です。水路の上段から下

小水力発電システムは、交流で発電した電力を段への落差は 1.5m で、発電機の性能に大変マッチして直流に整流し、インバータに入力して発電します。

います。

その際、太陽電池アレーの発電電圧に合わせる必要があります。そのために、ボルトスライダーで交流電圧を降圧しています。AC220V を直流に整流すると理論値として√2 倍の DC310V となり電圧が高過ぎると考えられます。したがって発電した電力を降圧して適切な電圧にしてインバータに入力します。
この発電システムの太陽電池アレー電圧は開放電圧が DC250V、最大出力動作電圧が DC210V ですが、この電圧に水力発電機の直流電圧を合わせる必要があります。その電圧を計測しながら、調節するための制御盤を設置しました。写真５・写
pic.3 before construction

pic.4 after construction

真６は制御盤の全体です。

pic.5 control box

した。ただし稼働しているインバータへ入力すると二次側が一定で一次側の電圧が変動します。
☆入力電圧が低い場合。
水力発電からの入力電圧が低い場合は、発電出力(負荷)が低下する。そのために水力発電の一次側の電圧が上昇し、ダミーロードに電力が流れる結果となる。
☆入力電圧が高い場合。
水力発電からの入力電圧が高い場合は、発電機の負荷が増大する。そのために水力発電機の回転数が減少し、その結果発電出力が低下します。明らかな発電電力の低下を確認するには、かなり入力電圧を高く設定

pic.6 control box

する必要が認められた。AC220V までは、顕著な出力

写真７は、電圧計測用のパネルメータです。上低下は認められなかった。
この場合に影響があるのは、段は交流側の電圧で、右側が入力一次側、左側がインバータが停止した夜間であった。直流入力電圧が二次側です。下段中央は、直流電圧です。左側はインバータの許容電圧より高いと、CPU のプログラ直流電流で、右側は水力発電機からの交流電流でムが誤作動し機器を破損する恐れがあります。

す。小水力発電機をインバータに接続して発電さ太陽光発電のインバータは、太陽電池アレーの最適せた状態で、メータを見ながら、ボルトスライダ電圧に合わせて発電し、発電電力が最大になるように、ーのつまみを回転し適切な電圧を決定しました。

最大電力動作点追尾システムを搭載しています。その影響を受けて、水力発電からの最適な入力電圧が変動しますが、変動幅が小さいので、それほど影響は受けないと考えられます。
４．インバータ起動特性試験
当ハイブリッド発電システムは、水力発電の規模が著しく小さいために、水力発電単独では、インバータを駆動出来ません。したがって夜間は系統連系していません。ただし一晩中インバータを起動させようと試みています。
その時の発電特性について解析しました。
写真８・９は、解析システムの部分です。

pic.7 panel meters
結論から申し上げますと、二次側の交流電圧は、AC180V に決定しました。これを直流に変換した場合は、太陽電池モジュールの開放電圧に相当します。ただし太陽光発電で運転中のインバータに入力すると、太陽電池電圧と同じ約 200V の直流電圧になります。実測値としては、一次側 AC220V→二次側 AC180V→直流入力電圧 DC200V となります。ただしインバータが停止した夜間は、直流電圧は DC280V となりました。理論値よりもかなり高い電圧ですが、これはリップル電圧に起因していると考えられます。交流を直流に変換する時に発生する高い電圧です。
二次側の交流電圧が、AC180V より低い場合と高い場合に分けてその問題点について以下にまとめてみま

pic.8 deta loggers and P.C.
インバータに取り付けられている 5V 出力のトランスデューサーからデータロガーで電圧を取り込み、パれていると、系統とリレーで接続する構造になっています。そしてこのグラフでは、直流側の電圧が数秒後に許容範囲以下に低下し、発電が中止されインバータが待機状態になった事を表しています。その後 256 秒の待機の後、再び発電を試みることになっています。
太陽電池は、負荷をかけても直流電圧が一定以下に低下しない特性があります。それに対して、回転する発電機は起動時に大きな負荷がかかると電圧が低下するという特性を持っています。したがってインバータ起動時のプログラムを直流側の電圧では無く、電力がpic.9 transdusers
ソコンのプログラムで解析しました。

一定以上に保たれると言う条件に変更する必要があると考えられます。

パソコンに取り込んだデータは、ソーラーグラフと言うプログラムで画像ファイルにすることが出来ま５．まとめす。この画像を当社のサーバーへ転送しグラフとしま

マイクロ水力・太陽光ハイブリッド発電システムのした。データロガーはソーホーエード社の物を使用し特性試験の結果により以下のような条件が決定されまました。データ転送には AU の携帯電話を用いていました。

す。

① 水力発電を直流変換してインバータに接続する電圧は、太陽電池アレーの開放電圧と同じにすることが最適です。
② 水力発電の交流を直流に変換する際に、リップル電圧の影響で理論値よりも電圧が高くなるので、インバータを破損しないように注意が必要です。
③ 太陽電池と水力発電機では、インバータの起動特性が異なるためにフログラムの変更が必要です。
最後に、小水力発電を普及させるために国にエネルギー政策の転換を要望したいと思います。現在、自然graph1 AC voltage

エネルギーは補完的な電源と位置付けられています。
それら自然エネルギーを主役とする政策に転換して頂きたいと考えます。特に夜間も発電する小水力発電は原子力発電に代わるエネルギー源と位置付けして推進し、売電価格も太陽光と同じ価格で買い取るように要望します。
また電力会社には、小水力発電を普及させるために、系統連系の手続きを簡素化するよう要望します。特にインバータを介在して水力発電を系統連系することは技術的に問題が無いので、太陽光発電と同じように手続きを簡素化するように要望します。

graph2 DC voltage
グラフ 1・グラフ 2 は、インバータの交流側と参考文献

直流側の電圧を計測しています。この 3 相インバ分散型電源系統連系技術指針・社団法人日本電気協会

ータは、起動する際に一定時間交流電圧が維持さ

日経エコロジー・October2006 「同期型の風力発電」

たれた状態で、直流側の電圧が一定以上に保たれ太陽/風力エネルギー講演論文集 2006 年 No.55