技術紹介

蓄電池用スマートインバータの実証試験を配電ネットワーク試験場で開始

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蓄電池用スマートインバータの実証試験を配電ネットワーク試験場で開始■ 吉井誠Makoto Yoshii

電力系統への再生可能エネルギーの導入量の増大により，電圧の変動が拡大する，周波数の変動が拡大するなど，電力系統が不安定化することが懸念されている。
これらに対し，パワーコンディショナ（PCS）注 1）にスマートインバータ 注 2）機能を組み込んで，電力系統の安定化を図ることが検討されている。
（1）
東光高岳では，小山事業所配電ネットワーク実証試験場（FDN 試験場）に既設置の NAS 電池 注 3）用 200 kW PCS

へ，スマートインバータ機能を組み込み，実規模系統での実証試験を開始したので紹介する。

1

マートインバータ機能を組み込み，昨年より性能検証試はじめに験を開始した（2）。

近年の再生可能エネルギーの導入量の増大により配電これとともに，FDN 試験場に設置した，電力貯蔵線の電圧が上昇する，再生可能エネルギーの発電電力の用 蓄 電 池 で あ る 200 kW NAS 電 池 と，NAS 電 池 用

変動により電力系統の電圧が変動するなど，電力系統の200 kW PCS を，電力貯蔵，負荷平準化などの試験に電圧が不安定化することが懸念されている。

供してきた。

一方，電力系統全体への再生可能エネルギーの導入量

このほど，NAS 電池用 PCS にスマートインバータ機が増大していくと，電力系統の周波数を安定化する調整能を組み込み，蓄電池を用いた系統安定化の性能検証試力を担う同期発電機の台数と総容量が減少して，周波数験を，実規模の模擬配電線で開始したので紹介する。

が不安定化することが懸念されている。
これらに対し，再生可能エネルギーを電力系統に連系する PCS にスマートインバータ機能を組み込んで，電力2

スマートインバータ機能の変更系統を安定化する能力を与えることが検討されている。

直流電力が発電方向（直流から交流）のみの PV 用ス（本稿では，スマートインバータ機能を組み込んだマート PCS のスマートインバータ機能（2）と，直流電力PCS を，スマート PCS とよぶ。
）

が充電方向（交流から直流）と放電方向（直流から交東光高岳では，図 1 に示す小山事業所内の FDN 試験流）の，双方向で使用可能な NAS 電池用スマート PCS

場に設置した太陽光発電（PV）用 50 kW PCS へ，スのスマートインバータ機能（図 2）には，次のような違

図1

16FDN 試験場の構成と，NAS 電池用 200 kW スマート PCS，PV 用 50 kW スマート PCS

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図2

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NAS 電池用 200 kW スマート PCS ブロック図

いがある。

大充電電力（W），充電指令値（%）の設定に従い，充電電力指令値（InW）または放電電力指令値（OutW）

2.1

有効電力の制御範囲を作成し，PCS の有効電力指令値とする。

PV 用 PCS では発電方向かつ PV パネルが発電可能な最大電力以下が，有効電力を制御可能な範囲である。

2.3

Freq-watt 制御，Volt-watt 制御

NAS 電池用 PCS では充電と放電の双方向，定格充電PV 用 PCS では，Freq-watt（周波数 - 電力）制御（2）と電力～定格放電電力の間が，有効電力を制御可能な範囲

Volt-watt（電圧 - 電力）制御（2）の特性カーブ 注 4）の制御である。

出力 watt の範囲を，発電方向で 0 から定格電力とする。

2.2 有効電力制御（PV 用），充放電制御（NAS 電池用）

MPPT 制御に制限をかけるので，Freq-watt 制御，Volt-PV 用 PCS では通常，最大無効電力制御（MPPT）制

watt 制御ともに，制御入力である周波数，電圧が上昇し御が PV パネルの発電電力が最大になるように制御してたときのみ，PV パネルから出力可能な有効電力を下げるいる。

方向に働くことができる。

そして，PCS 有効電力が制御出力 watt を超えないよう

PV 用 PCS のスマートインバータ機能の有効電力制

NAS 電池用 PCS では制御出力 watt の範囲を，充電定は，PCS 有 効 電 力 に 発 電 方 向 の 上 限 を 設 定 し，格電力から放電定格電力までとし，さらに，放電運転時PCS 有効電力が上限を超えないよう，MPPT 制御に制（図 2 左側のグラフで赤）と充電運転時（青）で，使用限をかける。

する特性カーブを切り替える。

御（2）NAS 電池用 PCS の充放電制御は，図 2 左側に示す充NAS 電池用 PCS では，Freq-watt 制御，Volt-watt 制

放電モード，最大有効電力（W），放電指令値（%），最御ともに，制御入力である周波数，電圧が上昇したとき，
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図 2 に示す PCS の有効電力指令を下げる（充電方向に償と NAS 電池の充放電制御を統合し，さらに監視シス振る）だけでなく，周波数，電圧が下降したとき，有効テム（MUDIC），工場エネルギーマネジメントシステ

電力指令を上げる（放電方向に振る）ことが可能である。

ム（FEMS）と連携して，高圧需要家と低圧需要家の負荷変動の補償を統合していく。

2.4

力率一定制御力率一定制御（3）ガバナフリー制御 注 6），疑似慣性力 注 7）との組み合の特性カーブは，PV 用 PCS では制御

（2）

わせ

入力 watt の範囲を，発電方向で 0 から定格電力とする。

電力系統への再生可能エネルギーの導入量の増大にとNAS 電池用 PCS では制御入力 watt の範囲を，充電もない，電力系統に接続される発電設備全体に対する周定格電力から放電定格電力までとする。

波数の調整力を持たない PCS の容量が増し，同期発電機の台数と総容量が減少することで，周波数の調整力が3

実証試験

3.1

実証試験の内容減少していくことが予想される。
周波数の調整力が減少することにより，再生可能エネルギー発電電力が変動による周波数偏差 注 8）が拡大す

FDN 試験場では，図 1 にある線路模擬装置（R，L）

る，発電設備の脱落，系統事故時などに周波数変化率を用いて，模擬配電線のインピーダンスを制御すること（RoCoF）注 9）と周波数偏差の最大が拡大 注 10）するなど，ができる。

電力系統の周波数が不安定化することが懸念される。

さらに，分散型エネルギー資源管理システム DERMS

スマートインバータ機能には，周波数偏差を縮小する（詳細は本号別稿で紹介する）から指令して，NAS 電池方向に有効電力を出力する Freq-watt 機能があるが，一用 PCS の有効電力を，充電 240 kW～放電 200 kW の

般的には基準周波数の前後に不感帯（Deadband）を持間で，制御することができる。

つ 注 11）設定にすることが多い。

両者を組み合わせることで，配電線のインピーダン

これに対し，図 2 中に破線で示すように，周波数偏スと潮流を制御した試験条件で，配電線電圧の変動量，差に対し不感帯無しで有効電力を制御するガバナフリー

Volt-var 制御，Volt-watt 制御を用いた模擬配電線の電制御と，周波数変化率 RoCoF に対し有効電力を制御し圧変動抑制効果，さらに，ステップ式電圧調整器（SVR）同期発電機の慣性力を模擬する疑似慣性力を PV 用 PCSのタップ制御を組み合わせた場合の電圧変動抑制効果と NAS 電池用 PCS に組み込んで，周波数安定化の機能を，評価・検証中であるを検証していく。

。

（3）
（4）

さ ら に， ス マ ー ト イ ン バ ー タ 機 能 と 仮 想 同 期発 電
3.2機 注 12）を組み合わせ，電系統を安定化させる検証を行っ

今後の実証試験予定（1）蓄電池による PV 発電電力の模擬ていく。

これまで，PV 用 PCS の容量 50 kVA が FDN 試験場の模擬配電線の短絡容量 注 5） に比べ小さく，PV 発電電力の変動による配電線電圧の変動量，PV 用 PCS の無効電力の制御により配電線電圧を制御可能な量が，小さいきらいがあった。

4

おわりに

FDN 試 験 場 の PV 用 50 kW PCS と，NAS 電 池 用
200 kW PCS にスマートインバータ機能を組み込み，DERMS により NAS 電池用 PCS の有効電力を，PV用 PCS の有効電力の 4 倍に制御して，PV パネルおよ再生可能エネルギー用と蓄電池用のスマート PCS を組み合わせた実証試験を開始した。

び PV 用 PCS の容量が 250 kW である状態を模擬させ，FDN 試験場の，模擬配電線のインピーダンスを制御

これまでより大規模な PV 発電電力の実変動に対する，可能な特長と，外部の電力系統に影響を与えずに実系統

スマート PCS による電圧変動抑制の効果と，SVR の規模での試験をできる利点を活かして，再生可能エネルタップ制御を組み合わせた効果を検証していく。

ギー用のスマート PCS と蓄電池用のスマート PCS を組（2）蓄電池による再生可能エネルギーの変動補償み合わせて，配電線の電圧制御，マイクログリッド制

東光高岳では NAS 電池を用いて，蓄電池により再御，さらに電力系統から切り離して NAS 電池用 PCS を生可能エネルギーの発電電力の変動を補償する試験を，CVCF 運転させての自立系統制御などの，実証試験を進2000 年代初頭から行ってきためていく所存である。

。

（5）

今 後，PV の 発 電 電 力 の 変 動 に 対 す る 補 償 量 をDERMS により計算し，NAS 電池用 PCS で変動を補償させる機能の検証を行っていく。
さらに PV 発電電力の数分から日単位の長期変動の補18

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■参考文献
（1） 茂木規行：「配電ネットワーク実証試験場」，高岳レビュー，No.175（2011）

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技術紹介（2） 吉井誠：「スマートインバータの実証試験を配電ネッして電力系統の周波数を上昇させる方向に働く。PCS では，（3） 山下裕輔，宮崎輝，芳澤信哉，林泰弘，村下直久：

出力を減少させ，周波数下降時に有効電力出力を増加させる

トワーク試験場で開始」，東光高岳技報，No.7（2020）「SVR 設置配電系統への Volt-var 制御適用に関する基礎検討」，令和元年電気学会電力・エネルギー部門大会，論文
No.131（2019）（4） 尾崎卓也，茂木規行，宮本卓也：「配電系統の電圧制御シミュレーション」，東光高岳技報，No.3（2016）（5） 吉井誠，佐藤正幸：「電力系統への影響を低減した風力発電システム」，高岳レビュー，Vol.48 No.1（2001）（6） 電気学会電気規格調査会：「2. 用語の説明」，自励変換装置の能動連系，JEC-2441-2012，p.8（2012），電気書院（7） 一般社団法人日本電機工業会：「用語解説スマートインバータ（Smart inverter）」，https://www.jema-net.or.jp/
Japanese/res/dispersed/data/s09.pdf■語句説明注 1） パワーコンディショナ PCS（Power Conditioning  System）：直流で発電された電力を交流に変換して電力系統に出力する機能を持ち，制御監視装置，系統連系変換装置，直流変換装置，付属装置などすべて備えた装置（6）。直流から交流，交流から直流の双方向の電力変換が可能な場合
も PCS とよぶ。PCS 全体を系統連系インバータとよぶことも多い。IEC 規格，CISPR 規格などの国際規格では，GCPC（Grid Connected Power Converters）とよぶ。
注 2） スマートインバータ：自律調整機能（電圧安定化，周波数安定化，力率調整，出力制御，ソフトスタートなどを実現するインバータ制御機能）と電力会社またはアグリゲータとの双方向通信機能を有し，電力系統の安定化および電力品質の向上と同時に電力会社との協調を実現する次世代電力変換装置（7）。スマートインバータ機能を持たない PCS は，系統電圧・周波数の変動に対して無効電力・有効電力が変化しないように制御するので，電力系統を安定化する機能を持たない。
注 3） NAS 電池：ナトリウム硫黄電池。正極に硫黄，負極に金属ナトリウム，電解質にβアルミナセラミックスを用い，約 300℃で動作する。NAS 電池は，メーカである日本ガイシ（株）の登録商標。
注 4） 特性カーブ：制御入力と制御出力の関係，制御特性。Freq-watt 制御を例にすると，図 2 の左側に示すように制御入力の周波数 Freq を横軸，制御出力の電力 watt を縦軸とする，グラフ上のカーブとして表すことができる。
注 5） 短絡容量：電力系統で，定格電圧と短絡電流の積から求まる皮相電力。配電線のある地点で定格電圧三相6.6 kV，三相短絡電流 2 kA であれば，短絡容量は 23 MVAで あ る。 短 絡 容 量 を A，PCS の 設 備 容 量 を B と す る と，± 定 格 電 圧 × B/A が PCS に よ り 制 御 で き る 最 大 の 電 圧。
例：短絡容量が 10 MVA の線路に接続した 200 kVA の PCS
は，線路電圧を最大 ±2％制御できる。
注 6） ガバナフリー制御：同期発電機においては，タービンの入力流量を制御する弁，水力発電機ではガイドベーン，蒸気タービンでは蒸気加減弁の開度を，発電機の回転速度が上昇すれば減少させ，回転速度が下降したら増加させて，回転速度を一定に保つ制御。周波数低下が原因でタービン回転速度が低下したときは，弁の開度を増加させるとタービンを介して発電機への機械入力が増加し，電気出力が増加

周波数偏差に不感帯を持たせずに，周波数上昇時に有効電力制御を，同期発電機にならいガバナフリー制御とよぶ。
注 7） 疑似慣性力：PCS に周波数変化率に応じて有効電力を制御させ，回転機の慣性力を模擬する機能。慣性エネル
ギーは回転の角速度の二乗に比例するので，慣性エネルギー600 kJ の同期発電機の場合，角速度（電力系統周波数と同期）が定格の 1％低下する間に，（線形近似では）慣性エネ
ルギーの 2％，12 kJ のエネルギーを電力系統に放出する。
よって 200 kW PCS に 600 kJ の慣性エネルギーを持つ同期発電機を模擬させる場合，系統周波数が 1％ /s の RoCoF 注 9）で低下するとき，疑似慣性力制御は PCS の電力を放電方向に 12 kW 増加させる。
注 8） 周波数偏差：標準周波数（50 Hz，60 Hz）と実際の電力系統の周波数との差。国内の電力会社における平常時の周波数調整目標範囲は，周波数偏差 ±0.2 Hz 内（本州，四国，九州）および ±0.3 Hz 内（北海道，沖縄）である。
− 5％～ + 3％の周波数偏差に対し PCS は連続して，同期発電機は短時間，運転を継続することが求められる。
注 9） 周 波 数 変 化 率 RoCoF（Rate of Change ofFrequency）：周波数の変化速度Δf/Δt。電力系統の発電電力と電力需要の差に対し，電力系統に接続される同期発電機の慣性モーメントが大きいほど RoCoF が小さくなる。電力系統に接続される同期発電機の台数と容量が減り慣性モーメントが減ることで，RoCoF が大きくなることが懸念されている。
注 10） 周波数偏差の最大が拡大：発電設備の脱落により周波数が低下する場合を例とすると，連系を継続している同期発電機のガバナフリー制御（一次調整力）により発電電力が増加し周波数が上昇に転じるまでの，周波数の最大の低下量を周波数最大偏差（Nadir）とよぶ。系統に接続している同期発電機が減少すると，発電設備が大量に脱落したときのRoCoF と Nadir が大きくなり，UFR が動作して負荷遮断による広域停電，さらに同期発電機の連鎖的な解列による電力系統のブラックアウトにいたる可能性が高まる。
注 11） 基準周波数の前後に不感帯を持つ：Freq-watt 制
御の不感帯の設定として ± 数十 mHz～± 数 Hz の例が報告されているが，国内の実証試験では不感帯を標準周波数の ±1％（50 Hz 系統では ±0.5 Hz）くらいに設定する例が多い。
この場合，電力会社における平常時の周波数調整目標範囲を逸脱してから，Freq-watt 制御が働くことになる。
注 12） 仮 想 同 期 発 電 機 VSG（Virtual SynchronousGenerator）：周波数変化に対しては疑似慣性力により有効電力を制御し，電圧変化に対しては無効電力を制御して，電力系統から見ると，あたかも同期発電機が連系されているように見える PCS を，広い意味で仮想同期発電機とよぶ。狭い意味では，回転子の運動方程式（動揺方程式）と電気的な等価回路を PCS の制御に組み込み，リアクタンスを介して電力系統と連系した電圧源として動作させる PCS を仮想同期発電機とよぶ。仮想同期発電機には，ガバナフリー制御，電圧制御（AVR）まで含める場合もある。

吉井誠 ノベーション推進部
イイノベーション企画部

次世代系統技術グループ所属

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