大容量太陽光発電インバータと小水力発電系統連系システムの開発について会員〇大友 哲（NPO 法人太陽光発電所ネットワーク）

Development of Large Scale Photovoltaic

では低コストで最も効率の良い方式を提案する。現在Power Inverter and Grid-Connected Powerその確立された方法は無く、小水力発電の電力を電力System For Micro-hydroelectric系統へ逆潮流した事例は少ない。また、日本の電気設

Satoru OTOMO
Photovoltaic owner's-Network, Japan

備の技術基準解釈および、電力品質確保に係わる系統

Address : 3545-3902kiyosato, Takane-cho,連系において「逆変換装置無し」
・「逆潮流有り」の方

Hokuto-shi, Yamanashi-ken, 407-0301,Japan式を原則的に認めていない。それら諸外国には無い厳Tel/Fax＋81-551-48-3822

しいガイドラインをクリヤーするための方式について

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

連系技術要件ガイドラインでは、低圧配電線への系統提案する。

expensive than the small system. We propose

２．３相系統連系インバータの性能評価
１９９７年、共同研究者・浅川初男・佐藤章一・高橋元広・大友義郎らと共に東京電力(株)公募の太陽光発

the outline of development on the low cost

電実用化に関する研究に応募し採択された。その研究

photovoltaic power inverter for grid- connectedで３相系統連系インバータを開発した。このインバー

power distribution system.

タは本研究の基礎となるもので、１９９９年９月より新Large scale photovoltaic power inverter isHigh cost and technical difficulties prevent

たに改良を加えて農地太陽光発電所に設置した。そしwide practical application of grid-connectedて２００６年現在まで１７.７ｋＷの太陽電池パネルによmicro-hydroelectric power system. We attempt

り正常に稼動し、設置から７年間に約１５万ｋＷｈの電力

to develop low cost grid-connected powerを東京電力へ売電した。
今回その性能評価を行なった。

system for micro-hydroelectric.
キーワード：太陽光発電インバータ，小水力発電
システム，系統連系システム
Keywords : photovoltaic power inverter, micro-hydroelectric power system, grid-connected
power system.

１．はじめに大容量太陽光インバータは市販品が無く、特注品として高価である。本研究では、過去に開発した３相インバータを改良して安価なインバータを開発し、そのインバータの発電電力を系統に逆潮流する事を目的とした、系統連系保護装置の所要条件と開発概要に関して述べる。
小水力発電により低圧系統連系を行なう場合、その系統連系方式には様々な方法が考えられるが、本研究

Fig.1, circuit of 3 phase inverterシステム２００５年

２００６年

月

5

678

9

10

11

12

1

2

34

合計

開発した
３相インバータ(17.72kW)
日本電池
LBSC-4.5-S3C(4.79kW)
オムロン
KP40F
(3.84kW)三菱電機
PV-PN04B2(3.32kW)東芝
PVM-U0040(3.36kW)

2266

1898

1698

1848

1725

1513

2190

2122

2043

1966

2311

2062

23642

17.2

14.9

12.9

14.0

13.5

11.5

17.2

16.1

15.5

16.5

17.5

16.2

15.2

592

496

407

463

402

348

573

593

561

540

622

543

6140

16.6

14.4

11.4

13.0

11.7

9.8

16.6

16.6

15.7

16.8

17.5

15.7

14.6

502

422

376

419

396344

502

489

468

453

523

460

5354

17.6

15.3

13.2

14.7

14.3

12.0

18.2

17.1

16.4

17.6

18.3

16.6

15.9

442

375

343

377

357

309

444

441

415

397

459

404

4763

17.9

15.7

13.9

15.2

14.9

12.5

18.6

17.8

16.8

17.8

18.6

16.9

16.4

419

355

322

358

343

296

432

435

414

392

449

385

4600

16.8

14.7

12.9

14.3

14.2

11.8

17.9

17.4

16.6

17.4

18.0

15.9

15.6

Fig.2 , comparison data of inverter the upper (kWh/month) the lower (increase%)

開発した３相インバータの概要について説明する。

±１％の範囲に納まっている。３相インバータは、直流回路構成は図１に記載している。各２個のＩＧＢＴと成分の漏出を防止するために低周波トランスを設置しＦＷＤで構成されている富士電機ＩＧＢＴモジュールている。トランスレス方式の住宅用インバータと比較３個を組み合わせて、ＰＷＭインバータを製作した。

して効率が悪い反面、３相電力の変換効率が良い事がＩＧＢＴモジュールとＩＧＢＴドライバー、スイッチ想定される。
したがってそれらを総合的に評価すると、ング電源とＣＰＵを含む制御回路の４つのブロックか３相インバータはほぼ期待通りの性能を発揮しているら成り立っている。スイッチング電源は、太陽電池のと言える。

変動する電圧から２４Ｖ１Ａの安定した直流電力を得太陽光発電システムを設置している農地発電所につるためのもので、イーター社製の既製品を使用していいて紹介する。大友が自ら耕作する２０ａの農地とそる。制御回路は、既製のＣＰＵユニットとそれを外部の法面の一部に約３３ｋＷの太陽電池モジュールを設から制御する独自の回路から成り立っている。ＣＰＵ置している。写真１～３はその外観を西面・南面・東の電源は、スイッチング電源よりＤＣ－ＤＣコンバータ面から眺めている。写真４は、３相インバータの全体で５Ｖに変換して供給している。インバータの連系保を写真５は、単相３線式回路に４台の市販インバータ護装置はＣＰＵのプログラムにより全てを制御していを設置した状態を写した。これら２回線で東京電力へる、したがって連系保護装置という回路は、ＯＶＲ・ＲＰＳ契約により売電している。 Pic. 1, from west

ＵＶＲの一部しか存在しない。系統が停電した場合に運転継続を防止するための単独運転検出機能には、能動的方式として、周波数シフト方式を、受動的方式として周波数変動検出を用いている。また、電力変換高率を高めるために、最大電力追尾方式を搭載している。
これは太陽電池モジュールの温度変動により変化する、最適動作電圧を追尾する方式である。
次に開発した３相インバータの発電性能を他のインバータと比較する。図２は、同じ農地発電所敷地内に設置した４組の市販の住宅用太陽光発電インバータとの比較データである。２００５年５月から２００６年４月まで各システムの毎月の発電電力量（実測値）と設備利用効率を比較した。それぞれのシステムの太陽電池モジュールが異なることと、設置角度が３５～４０度とわずかに異なることから、性能の厳密な比較は出来な
いが、それぞれの発電システム利用効率のばらつきは、

Pic.2, from south

Pic.5, inverters on the market
１．トランスレス方式とするために、保護装置に直流分検出機能を追加する。
２．インバータを複数台並列設置しても単独運転検出機能が相互干渉を起こさない改良を行なう。
分散型電源系統連系技術指針によれば、高圧受電設
Pic.3,from east

備において、「線路無電圧装置」を設置すれば、単独運転検出機能を省略出来ると記載されている。この装置は変電所からの信号により遮断する装置で、非常に高価なため設置する事例は殆ど無い。一般には単独運転検出機能と、高圧受電点に高圧電路側の地絡を検出する、「地絡過電圧継電器」（ＯＶＧＲ）の設置を行なう必要がある。

４．小水力発電系統連系システムの開発について
山梨県北杜市白州町の農業用水路へ約３ｋＷの小水力発電設備を設置する計画を進めている。発電電力は全量東京電力へＲＰＳで売電する予定である。利用出来る水路の有効落差は約１３ｍで流水量は３７ℓ／S が期待出来る。発電の総合効率を６５％として約３ｋＷの発電能力が期待出来る。稼働率９０％として年間発電電力量は２３６００ｋＷｈが得られる。設置場所の様子を写真６に掲載する。使用する水車はチェコ製のクロスフロー水車（写真７）を予定している。
Pic.4 , 3 phase inverter

３．大容量インバータの開発概要について
受電容量が５０ｋＷを超える施設は６６００Ｖの高圧で受電している。それら設備の負荷容量に合わせて、単相・３相それぞれに２０～５０ｋＷの太陽光発電インバータを設置する。２～３台のインバータを複数台並列設置して、最大で１００ｋＷ程度までの発電能力を目指す。
インバータの価格は市販品の卸売り価格と同程度のｋＷ／５万円を目指す。以上の条件を満たすために既存のインバータへ次のような改良を加える必要がある。

Pic.6

Pig.3, circuit of grid- Connected micro-hydroelectric power system.
他方、誘導発電機を直接系統連系する場合には力率をコンデンサーで０.９５以上にする必要がありその損失は無視できない。また単独運転検出時に発電機が系統から切り離されると、瞬時に増速して水車を壊す恐れがある。それを防止するためには、水車が停止するまでの間、発電電力を擬似負荷へ流す工夫も必要である。インバータ方式では、負荷の変動をコンバータへフィードバックして滑らかな停止も可能である。また水量が減少した場合には発電機の電流を最適な状態に制御して、出力の減少を最小限にする事が出来る。いわば水力発電向けの最大電力追尾方式である。
Pic.7, water mill dynamo

近年、発電効率が良い永久磁石同期型と呼ばれる風次に系統連系の方式について述べる。ガイドライン

力発電が主流になりつつある、小水力発電にもこの方によれば、誘導発電機などの回転する機器を系統連系式が有効か今後の検討課題としたい。

する場合は、単独運転状態で速やかな停止が困難な事からその方式を推奨していない。一方で、東京電力の５．まとめ

見解によれば、単独運転状態における系統との高速遮大容量の太陽光発電インバータのコスト低減は容易断（０.５秒以内）が試験結果等で確認出来れば可能とであり、住宅用の発電システムと同程度まで発電コスしている。図３に、誘導発電機を直接系統連系する場トが下がる目途が立っている。しかし、高圧受電設備合の回路構成を示した。単独運転検出機能には受動的の売電単価は１１円／ｋＷｈ程度と電灯契約の半分以方式として電圧位相急変検出、能動的方式として負荷下である。したがってその売電価格を補うための制度変動方式を採用している。変動負荷は数ｍｓオーダー的な工夫が必要と考えられる。

で加えるため出力損失は無視できる。
もう１つの系統連系方式として、インバータを介す方式が一般的である。水車発電機には永久磁石型３相小水力発電の系統連系方式は未知の部分が多く、効率向上に対する課題も多い。今後どの方式が効率的か実際の設備で定量的に比較検討したい。

同期発電機(ＰＭＧ)を用いて発電しその電力をコンバータで直流に変換して、再びインバータで３相交流に参考文献変換して系統へと流す方式である。コンバータとイン分散型電源系統連系技術指針・社団法人日本電気協会

バータの損失がある反面、系統へ流す電力の力率を常

日経エコロジー・October2006 「同期型の風力発電」に１に近い状態に保つことが出来る利点がある。