論論文

配電系統の電圧制御シミュレーション～蓄電池を活用した電圧適正化に関する検討～

配電系統の電圧制御シミュレーション

文～蓄電池を活用した電圧適正化に関する検討～■ 山下裕輔

Yusuke Yamashita1■ 茂木規行Noriyuki Motegi

適正化のための技術開発・製品開発に取り組んでおり，はじめに筆者らは，配電系統のシミュレーション解析および配電地球温暖化の原因の一つとして挙げられている二酸化ネットワーク実証試験場（以下試験場）で行う試験の双炭素（CO2）の排出量を削減するため，気候変動枠組条方により，電圧適正化技術の研究開発を行っている。試約第 22 回締約国会議（COP22）にて世界各国が CO2

験場には，PV や蓄電池，模擬負荷装置などを備えてお排出削減目標を掲げ，日本においても政府主導のもと温り，これらの設備を用いてさまざまな系統状況での検証暖化対策の取り組みが進められている。その取り組みのを行うことができる。現在，PV ならびに蓄電池が普及一つとして，再生可能エネルギーの導入が促進されてした次世代の配電系統を想定し，蓄電池の活用による電おり，固定価格買取制度圧適正化効果に関して検討を進めている。

注 1）

導入以降，特に太陽光発電（以下 PV）の導入が加速している。PV は発電時に CO2

本稿では，配電系統における蓄電池の運用を検討するを排出しないメリットがある一方，発電量が天候に左右ための新たなモデル環境を構築して，動作検証のためにされるため，PV の導入拡大に伴い，電力系統での余剰行ったシミュレーションに関して紹介する。

電力発生や周波数変動増大，電圧変動増大といった，電力の安定供給・電力の品質に及ぼす影響が問題視されて2いる。特に，電圧変動に関する課題は，配電系統にお蓄電池導入評価モデル構築

いて PV が局所的に接続された場合に顕在化しやすい。

従来の試験場シミュレーションモデル（1） では，主にPV 導入の拡大途上である現段階でも，すでに法定の電LRT や SVR，PV，負荷などのモデルが構築されている。

圧維持範囲から逸脱のおそれがあり，電圧変動を抑制す

このモデルをベースに，蓄電池システムを活用した評価るための追加対策を実施しなければならない個所が増えが可能な環境を構築するため，新たに蓄電池モデルを作つつある。

成した。

従来から実施されている電圧変動を抑制する対策として，変圧器のタップを変更することで変圧器二次側電圧2.1蓄電池モデルの概要を調整する負荷時タップ切換変圧器（LRT：Load Ratio

蓄電池システムは，パワーコンディショナを介して指control Transformer）・ステップ式電圧調整器（SVR：

令に応じた電力の充放電を行う。SOC 注 2）が上限またはStep Voltage Regulator）や，無効電力を調整すること下限に達した場合，それ以上の充放電はできなくなる。

で電圧を安定化させる静止型無効電力補償装置（SVC：

このような SOC に応じた充放電電力管理のための蓄電

Static Voltage Compensator）といった，電圧調整機器池モデルを，図 1 に示す。構築したモデルは，蓄電池の設置がなされている。これらの対策は通常，一般送配の SOC を計算し，容量を超える充放電指令を受け取っ電事業者側で実施するものであり，将来，さらに多くのた場合に充放電が制限される動作とした。

分散型電源導入が進むと，より高度な電圧制御のための方法が求められると考えられる。この高度化を実現する

2.2

蓄電池モデルの動作ための手法の一つとして，PV とともに今後普及が見込

2.1 で示したモデルについて，簡単な充放電指令波形まれる蓄電池システムの活用がある。蓄電池を有効活用を与えたときの動作確認に関して述べる。蓄電池容量とすることにより，需要家内のエネルギーマネジメント用最大入出力のそれぞれで充放電制限が現れることを確認

途以外にも，電力系統の安定化への寄与が可能となる。
最近では，分散配置されている需要家側機器を束ねて統合制御し，あたかも一つの発電所のように制御することで，系統制御の高度化に寄与できるバーチャルパワープラント（VPP）に関連する複数の実証事業が行われており，蓄電池をはじめとする需要家側機器の制御は，よりいっそう期待されている。
東光高岳では，分散型電源の大量導入を見据えた電圧
2

東光高岳技報 Vol.4 2017



図1

蓄電池モデルの簡易ブロック図

論200150100500-50-100-150-200とした。需要家ノードを配電線上の位置に応じて，始端・中間・末端の 3 グループに分類し，後述する負荷・PV・蓄電池の接続分布条件により，各需要家ノードに

100

15401020500612

図218243036time (min)424854（2）需要家の負荷電力および PV 出力データ

20600

負荷電力と発電電力を配分する。

25SOC

80

SOC (%)

文

で，この構成を反映したシミュレーション評価モデル

充放電出力
充放電指令

SOC (kW h)

有効電力 (kW)

配電系統の電圧制御シミュレーション～蓄電池を活用した電圧適正化に関する検討～

60

全需要家の受電端合計電力として，図 4 のデータを利用する。電力値は，有効電力の消費が正，遅れの無効電力が正である。この電力値を，負荷・PV・蓄電池それぞれについて設定する始端・中間・末端の分布条件に応じて，各需要家ノードに割り当てる形とした。

蓄電池モデルの動作確認波形

使用する負荷電力および PV 出力の時系列データにするため，下記条件にて蓄電池モデルを動作させたときは，東光高岳小山事業所内の設備にて測定した 1 秒間の入出力波形を図 2 に示す。

隔の実測値を換算して用いた。評価対象の PV データと（条件）最大入出力：±100 kW 初期 SOC：20％（5 kWh）

して電圧上昇が発生しやすい快晴日の出力曲線，負荷と蓄電池容量：25 kWh

して軽負荷期の類似データ数日間分を平均化した負荷曲充放電損失：0 kW

図 2 では，充電側と放電側の両方の挙動を示してい線を選んだ。配電線の軽負荷期平均負荷電力（2） のピーる。充放電出力は，最大入出力 ±100 kW の範囲内で変ク 約 1,500 kW に 対 し て， そ の 2 倍 で あ る 3,000 kW化し，SOC が 0％に達すると放電停止，100％に達する程度が PV 出力のピークとなるデータに換算している。と充電停止となる。

（3）条件
電力系統全体における需給バランス調整の面で，軽負3

荷時間帯かつ PV 出力が大きい期間に，PV の余剰出力

 ミュレーションによるシ
蓄電池制御効果の基礎検討を抑制するため蓄電池の充電が要請されるケースを想定する。このとき，配電系統内の複数蓄電池が充電を行う構築した蓄電池モデルを含めて，シミュレーションに場合，各蓄電池の位置分布により，電圧変動の様相に差より，蓄電池の制御が配電系統電圧適正化に及ぼす影が生じる。需要家に対して蓄電池充電要請を与える管理響・効果を検討する。本稿では一検討として，蓄電池の充電が要請される時間帯を想定し，制御対象となる配電

2,000

有効電力 (kW) 無効電力 (kvar)

線内の蓄電池の分布が異なるときに電圧変動へ与える影響を比較する。
3.1

シミュレーションモデルおよび条件（1）シミュレーションモデル
図 3 はシミュレーション評価用の配電系統モデルであり，1 配電線あたり 10 個所の需要家ノードと配電線したものである。試験場設備においては，蓄電池および

負荷がそれぞれ配電線上の異なる位置に接続切換が可能
配電線始端⑪-2,000-3,000図43:00

6:00

負荷 (kW)
9:00

蓄電池 (kW)負荷 (kvar)

15:00

21:00

12:00
時刻

⑬R2R3R40:00

配電線末端

⑭SVR

18:00

PV 出力と負荷電力および蓄電池充電電力波形（全需要家の受電端電力総和）

配電線中間

⑫
R1-1,000-4,0000:00

デルは，シミュレーションと試験場との比較検証を考慮

LRT

0PV (kW)インピーダンス（r + jx）から構成されている。このモ

66kV / 6.6kV

1,000

R5R6⑮R7R8⑯R9R10

線路インピーダンス

PV

図3

負荷蓄電池

需要家

シミュレーション評価用配電系統モデル
東光高岳技報 Vol.4 20173論文

配電系統の電圧制御シミュレーション～蓄電池を活用した電圧適正化に関する検討～

者側の立場で考えると，蓄電池充電による逆潮流電力抑3.2

結果

制と同時に，制御する蓄電池位置の選び方によっては電表 2 の各 case について電圧変動の違いを評価する。

圧適正化が見込めると捉えることもできる。この電圧変図 6 は，電 圧 上 昇 が 最も大きい配 電 線 末 端 地 点（図動の違いを評価するため，表 1 に示す配電線上の蓄電3 の⑯）の LRT 二次側を基準とした電圧変動である。

池分布が異なるケースでシミュレーションを行った。表case 0 の曲線が蓄電池制御のない基準ケースの電圧変動

1 では，全蓄電池を 100％としたときの，始端・中間・であり，それ以外の蓄電池制御を実施した 3 ケースでは，末端の分布条件を示している。蓄電池充電制御を行わすべての場合において蓄電池の充電が行われている時間ない case 0 を基準ケースとして，制御対象蓄電池が始帯に電圧上昇が軽減されていることが確認できる。

端に偏っている case 1，均等に位置する case 2，末端配電線各地点間の電圧変動比較のため，電圧偏差を評に偏っている case3 を比較する。図 5 に，各需要家に価時間（15 h）すべてにわたって積算した結果を図 7 に配置されている PV・負荷・蓄電池の分布条件を，ケー示す。横軸の数字は，図 3 内に記す数字に対応した配電ス別に一覧で示す。ここで，各需要家の PV・負荷・蓄線地点を表しており数字が大きくなるほど配電線末端に電池の最大電力を合計すると，それぞれ 3,000 kW・近い。縦軸は，LRT 二次側電圧からの電圧上昇幅または1,500 kW・1,000 kW である。例えば，case 1 の場合，降下幅の絶対値を積算した量で，この値が大きいほど電需要家全体で 1,000 kW の充電を行うとき，それぞれの圧変動の発生頻度が高いことを表す。すべてのケースに需要家が充電する電力の配分は，始端グループの範囲で共通して，配電線末端に近いほど電圧上昇が大きくなっ1,000 kW の 80％である 800 kW が充電されることにているのは，末端付近に集中して接続されている PV になる。なお，10 個所の需要家を 3 グループに等分してよるものである。case 0（蓄電池制御なし）と case 1〜いるため，需要家 R4 の電力は始端と中間を按分，R73（蓄電池制御実施の 3 ケース）とを比較すると，配電は中間と末端を按分した値としている。
そのほか，各ケースで共通の条件を表 2 に示す。今

表2回の評価では，蓄電池の充電運用に対して容量に不足はないものとし，蓄電池の充放電に伴う電圧変動分を検証するため，LRT および SVR のタップは固定としている。
表1
case No.

シミュレーション時間

15 h（6:00 〜 21:00）

線路インピーダンスr + jx（Ω）

0.12 + j0.31

LRT 一次側電圧

66 kV 一定

LRT 変圧比

66 kV：6.6 kV 固定

SVR 変圧比

1：1 固定評価パターン一覧

蓄電池の有無制御実施蓄電池分布（％）
始端

中間

末端

case 0

蓄電池なし（基準ケース）―――case 1蓄電池あり

80.010.0

10.0case 2蓄電池あり

33.3

33.3

33.3

case 3蓄電池あり

10.0

10.0

80.0

シミュレーション条件

負荷配電線分布（％）

始端

中間

末端

33.3

33.3

33.3

PV 配電線分布（％）（電圧上昇が過酷な末端集中分布）

始端

中間

末端

10.0

10.0

80.0

蓄電池合計充電指令

9:00〜
11:00

11:00〜
13:00

13:00〜
15:00

500 kW

1,000 kW500 kW

350

case 0300

case 1250

case 2

電圧偏差 (V)200case 3150
10050
0-50-100-150
6:00



4

図5

各需要家の PV・負荷・蓄電池分布内訳

東光高岳技報 Vol.4 2017

9:00

図612:00

時刻15:00

18:00

各 case の配電線末端電圧変動

21:00

配電系統の電圧制御シミュレーション～蓄電池を活用した電圧適正化に関する検討～論文

線すべての個所で蓄電池制御実施により電圧上昇が軽減与える影響を解消するためには，PV で発電された電力されている。蓄電池制御実施の case 1，case 2，case 3

はすべてその場で消費もしくは PV 併設の蓄電池で吸収を比べると，末端付近ではケース間で電圧偏差積算量にする地産地消の考えが理想である。今回の結果において差があるが，始端付近では末端に比べて大きな違いが見も，末端に集中した PV 出力をその場所に近い蓄電池でられない。これは，電圧変動が線路インピーダンスと線吸収することが電圧適正化に効果的であると言える。

路電流のベクトル積で決まるため，LRT からの距離が近

本稿では，蓄電池を単純な充電パターンに絞って一般

い始端では電圧変動が小さくなることに関係している。

傾向を整理したが，蓄電池運用計画の経済性や利便性な

図 8 は，配電線の始端から末端まですべての個所のど複数条件を考慮すると，それぞれに最適なケースが異電圧変動を総合評価した結果で，ケース間で電圧上昇抑なる可能性がある。さまざまな配電系統の状況を想定し制効果を比較している。グラフの縦軸は，図 7 の電圧た検証や，実用的な課題を明らかとするためには，本稿偏差積算量を各配電線地点で合計した値で，蓄電池制御で紹介したシミュレーション技術と合わせた試験場の活なしの case 0 を 100％として表記した。この結果より，用が重要である。

制御する蓄電池の配置が，始端→均等→末端の順に電圧上昇抑制効果が大きいことが確認できる。
3.3

4

おわりに将来の PV ならびに蓄電池の普及が拡大した配電系統考察・まとめ

case 0 から case 3 の各結果より，PV が配電線末端を想定して，蓄電池の活用を検討するためのシミュレー付近に集中して接続された配電線において，PV 出力をション環境の構築とともに，蓄電池の制御が配電系統の蓄電池に充電する場合，充電制御する蓄電池が末端に集電圧適正化に寄与できることを確認した。

中するほど電圧上昇を軽減する効果が高いことを確認し今後は，蓄電池容量の制限やばらつきを配慮した制た。また，系統管理者側の視点で考えると，配電線各所御，電圧調整機器の制御との協調など，さらに詳細な条に点在する蓄電池をすべて均等に制御するよりも，個別件を考慮したシミュレーションを行うとともに，試験場に制御するほうが電圧適正化に貢献できることがわかっで実施する試験とを組み合わせた検証により，実証環境た。PV 出力に伴う逆潮流が及ぼす配電系統の安定性にの高度化や電圧制御ロジックの開発を進める。

電圧偏差積算量 (V·h)

2,500case 1case 2■参考文献

case 3（1）尾崎卓也他：「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，pp.2-5（2016）（2）一般社団法人電気協同研究会：「配電系統における力率問題とその対応」，電気協同研究，Vol.66，No.1（2011.1）

2,000
1,500
1,000

■語句説明

5000

case 011

図7121314
ノード番号15

配電線各地点の電圧偏差積算量16注 1）固定価格買取制度：再生可能エネルギーで発電した電気を，国が定める固定価格で一定期間電気事業者が買い取ることを約束する制度。
注 2）SOC：State of Charge の略で，蓄電池が電池容量に対して充電されているレベルを示す。満充電状態で 100％となる。

山下裕輔

茂木規行

技術開発本部
技術研究所 次世代系統技術グループ 所属
次世代配電ネットワークに関する研究・開発に従事

技術開発本部
技術研究所 次世代系統技術グループ 所属
次世代配電ネットワークに関する研究・開発に従事



図8

電圧偏差積算量の各 case 間比較
東光高岳技報 Vol.4 20175