電線･機材･エネルギー

直流マイクログリッドシステム
綾井直樹・久＊田三好秀和・岩崎俊哉・柴田俊和孝・北山賢一DC Micro Grid System ─ by Naoki Ayai, Toshiya Hisada, Toshikazu Shibata, Hidekazu Miyoshi, Takashi Iwasaki
and Kenichi Kitayama ─ A DC micro grid system has been proposed as a power network that enables theintroduction of a large amount of solar energy using distributed photovoltaic generation units. To test the feasibility ofthe system, we have developed a demonstration facility consisting of silicon photovoltaic (Si-PV) units, copperindium gallium (di)selenide photovoltaic (CIGS-PV) units, concentrating photovoltaic (CPV) units, an aerogenerator,
and redox flow battery. The redox flow battery, a key component for supply-demand adjustment in the micro grid
system, successfully balanced supply and demand in the grid by its rapid charge-discharge ability even under thefluctuating condition of power generation and consumption.
Keywords: micro grid, DC distribution network, redox flow battery

1.

緒言

太陽光発電の導入量を如何にすれば高めることができる

え間なく供給することができるダム式水力発電所や原子力かという視点で、発電装置から需要地で電力を消費する電発電所であればこそ、需要地から遠く離れた場所にこれら気製品に至るまでの経路を概観する。太陽光発電モジューを建設して、遠大な送電線路で大消費地と結ぶシステムもルで発生する電力は直流である。現状ではこの電力を電力成立するが、太陽光発電には向かない。

会社の送配電網を経由して需要地まで送るために、電力変発電の変動を蓄電池などの電力貯蔵装置で吸収して、送換装置で送配電網に同期した交流電力に変換する。その後電する電力を一定に平準化する方法も考えられる。この場は、電力会社の変電設備で、送電ロスを軽減するため 66合は送電設備は平均電力を送るだけの容量で足りるが、巨kV 以上の高電圧に昇圧されて需要地近くまで送られ、変大な電力貯蔵装置を準備するためのコストが加算されるた

電所、柱上変圧器を通過する間に何段階ものプロセスを経め、そのコストがよほど下がらない限りは、設備全体のコて、例えば 100V まで電圧が下げられて住宅などのコンセストは増えてしまう。それでは、大規模太陽光発電所に出ントに届けられる。よって、電力インフラの構成機器とし力調整が比較的容易とされるガスタービン方式の火力発電て太陽光発電を考えるのであれば、発電設備の設置コスト所を併設してはどうだろうか。この方法であれば、発電のとその効率、耐用年数で決まる発電単価もさることながら、変動をある程度は平準化して、送電設備の稼働率も高める送配電をいかに効率よく行うかという視点が欠かせない。

ことができそうだが、太陽光発電に匹敵する規模の火力発夜間や悪天候時に発電しない太陽光発電は、発電装置自電所を同時に建設することになる。最初に掲げた「如何に体がそうであるのと同じく送配電設備の利用率も低い。太すれば太陽光発電を増やせるか」というテーマからすると陽光発電で得られる電力の全体に占める割合がわずかであ迂遠な感が否めない。

れば、既存の送配電設備の予備容量の範囲内で吸収できる

以上述べてきたように、需要地から遠く離れた大規模太が、その比率が高まると許容範囲を超えるため送配電設備

陽光発電は送配電システムの経済性に大きな課題があり、を増設しなければならない。問題を分かりやすくするため需要地内とその近傍に分散配置することにより、太陽光発に、仮に太陽光発電で原子力発電所並みの大電力を得るこ電の導入量を高める方策が求められる。本稿で述べる直流とを考えてみる。設置面積あたりの発電容量が低い太陽光マイクログリッドシステムは、太陽光発電が電力インフラ発電でこのような大電力を得るためには広大な敷地が必要に大量導入される時代にとりうる一形態として提案するもになる。よって、その設置場所は大消費地から遠く離れたのである。

ところとせざるをえない。送電設備の容量は、最も天候の良い条件で発電されるピーク電力を送るのに十分なものが必要となるが、この送電設備は発電が行われない時間帯では、使われないものとなってしまう。安定した大電力を絶−（ 124 ）− 直流マイクログリッドシステム

2.

直流マイクログリッドの目的と構成
直流マイクログリッドの目的を簡単にまとめると以下の三点に集約される。

である程度は平準化され、これと連系する商用グリッドか①電力の需要地およびその近隣における分散型太陽光発電

ら見るとなだらかに変動する負荷あるいは電源として振るの導入許容量を高める。

舞うため、商用グリッド側の系統安定化対策は軽減するこ②太陽光発電および蓄電池と、交流の商用系統との接続箇所をまとめて、設備コストを圧縮すると共に、直交変換に伴う損失を低減する。とができる。
直流マイクログリッドではコミュニティー内の需給差の積分値が、蓄電池の充電状態として常に明示される。発電③系統停止時にも、独立運用して直流マイクログリッド内が消費よりも多い時間帯が続けば電池は満充電に近づき、の常用配線を通して電力を供給する。

逆に消費が多ければ放電限界に近づく。充電状態に応じて

図 1 に直流マイクログリッドの概念図を示す。直流マイ商用系統からの電力の出し入れを調整すれば、マイクログ

クログリッドはその名が示す通り直流バスを用い、住宅地リッド内の電力供給を持続することができる。しかしながであれば数十世帯から百世帯程度のコミュニティーを対象

ら、系統全体の安定化のために、マイクログリッドへの買とする。従来の交流 200V/100V の配電線路の代わりに電あるいは売電が制限される事態も想定しておかなければ400V 程度の直流バスを敷設して、高圧の商用グリッドとならない。

は双方向の交直変換器を介して接続する。コミュニティー系統と協調してマイクログリッドを運用するためには、内の太陽光発電装置は全て、この直流バスに接続する。各系統の状況を検知する手段が必須である。現在の系統連系住宅にインバータを設置して交流 200V/100V に変換すれ規定でも、直交変換器には、系統との接続箇所において電ば、既存の電気製品をそのまま使用することができるが、圧、周波数を監視して、異常値を検出した際には出力を停

将来はその高い効率が周知され、開閉器、コンセント等の止する機能の付与が義務付けられている（1）。これに加えて、周辺機器の規格が整備されると、直流のまま利用する方式

商用系統の制御所からの売電および買電の制限値指令を受が普及するものと思われる。さらに、コミュニティー内でけて、電流値を制御する機能を直交変換器に付与する必要共同利用する蓄電池を直流バスに接続する。なぜ直流かとがある。

いうと、太陽光発電と蓄電池が直流、インバータ技術の進そのための通信インフラを整備する必要があるが、同じ通歩により電気製品の電源も直流が主流となっているからで信回線を使ってマイクログリッド側から売買電量を系統側ある。これらを主体として配電システムを構築することかの制御所に送れば、課金を自動化することもできる。このら、基幹ラインは直流化した方が設備コストを抑制でき、ような商用系統とマイクログリッドの間の双方向通信が実直流交流変換によって生ずる損失も低減できる。

現すれば、売電および買電の単価を変動制にして細かく設太陽光発電装置は電力の需要地内に分散して設置するた定することもできる。系統全体で電力供給が逼迫している

め、発電した電力を遠隔地まで運ぶための送電線は必要なときには、商用グリッドからの買電単価、商用グリッドへい。コミュニティー内には電源と負荷の両方が存在し、両の売電単価を共に上げて消費の抑制を促し、供給に余裕が者の差分が変動要素となる。このうち短周期の変動は蓄電あるときには、売買電単価を下げて、消費を促進するので池によって平準化され、コミュニティー内の需給バランスある。このとき、商用グリッドは巨大な電力取引市場と化は自律的に維持される。昼夜間等の長周期の変動も蓄電池し、いよいよ統制を掛けなければならない事態に至るまでは、系統の運用の一部が市場原理に委ねられることになる。
以上の、系統との協調制御を実現するには、直流マイクログリッドが高い自律的調整能力を備えていなければならない。蓄電池の容量が十分に大きければ良いが、設置コス

風力発電

余剰売電
不足買電

DC-DC
双方向
AC-DC

発電

電力

CPV

情報

太陽光発電

DC-DC

変換器

は太陽光発電の出力を抑えるしかない。こういう残念な事
DC-AC

消費双方向
DC-DC

DC-AC

需給調整
制御

蓄電池

り、系統への売電が制限される時間帯で、蓄電池が満充電になるとマイクログリッド内の需給バランスを保つためにDC-DC

直流バス

トとスペースの限界がある。例えば、系統全体で電力が余DC-DC

態を回避するには、可能なものは蓄電池が満充電に近づいたときに仕事をさせれば良い。逆に電力が足りないときには不急の負荷は停止する。制御対象としては、空調設備、照明、タンク式給湯器、洗濯機、食洗機、電気自動車の充電、ビルや集合住宅では、エレベータ、屋上貯水槽への給水ポンプ等が考えられる。
直流マイクログリッドは災害にも強い。商用系統が停電

EMSサーバしたときも、連系点でマイクログリッドを解列してこれを図1

直流マイクログリッドの概念独立で運用することができる。負荷への電力供給には常用

2 0 1 2 年 7 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 8 1 号 −（ 125 ）−配線をそのまま使用することができるので、非常用電源のための専用配線を布設する必要はない。外部からの電力、Charge 充電

発電

Cell

は、供給を制限することになるが、非常時であれば同じ地e-V 5+／V4＋
電解液タンクElectrolyte tank

V 5+

V 2+

V 4+

V 3+

リッド化して蓄電池の状態に応じて空調を制御し、これを生徒達にも知らせるようにすれば、実体験に基づいて省エネ意識を高める教育ができる。災害時の避難所になることも多いが、独立運用が可能な直流マイクログリッドがあれば非常用電源も確保できる。

3.

蓄電池による需給制御

e-充電

V 2+／V 3＋

Charge

電解液タンク

放電Electrolyte tank

Discharge

H+

学校は元々昼間に電力消費が発生し、夜間は消費が少ないので、太陽光発電との相性が良いが、直流マイクログ

Load

正極 Positive セル Negative 負極ば電源が確保できる。この状況下で独立運用を持続するにるに違いない。

負荷

AC/DC converter

燃料の供給が断たれている状況でも、太陽さえ昇っていれ域に住むもの同士が互いに譲り合って貴重な電力を役立て

放電 Discharge

交流／直流交換器

Generation

電極

Electrode

ポンプ
Pump

隔膜

Membrane

充電

正極反応 VO +H2O
VO +e +2H
放電（5価）（4価）
2++2

図2-+ポンプ
Pump

負極反応 V +e（3価）
3+充電

V2+放電 （2価）

レドックスフロー電池の基本原理

以上の特長は正しく直流マイクログリッドに好適である

以上述べてきた直流マイクログリッドの要は基幹直流が、その一方で、RF 電池は他の蓄電池と比べるとエネルケーブルに接続する蓄電池とその制御である。短周期の変ギー密度が低く、大きな設置スペースを必要とするという動を吸収するため、蓄電池は瞬時に充放電電流が変化する難点もある（2）。実用化されている二次電池の中で、エネル動作を頻繁に繰り返さなければならず、この動作に追従でギー密度が高く、直流マイクログリッドに利用できる可能きる高速応答性と、耐久性を備えたものでなければならな性があるものとしては、ナトリウム硫黄電池やリチウムイ

い。また、数十から百世帯ほどのコミュニティーに使うのオン電池が挙げられる。これらの電池は RF 電池と比べるであるから数百 kWh から 1MWh 級の大容量化が可能なもと、高速応答性能と充放電サイクル寿命に課題があるが、のでなければならない。さらに、充電状態によって負荷運近年その性能が飛躍的に向上している電気二重層キャパシ用や、系統からの売買電を制御するため、上記の頻繁に充タと組み合わせることによってこの問題を克服できるもの

放電を繰り返す運用下で、正確な充電状態を常に検知すると期待される。

手段が備わっていなければならない。

蓄電池の充放電を制御するため双方向 DC-DC コンバー以上、直流マイクログリッドに求められる高速応答、耐タを介して、基幹直流ケーブルに接続する。直流バスには久性、大容量化、充電状態検出の 4 条件を備えた蓄電池に、発電装置から電荷が流れ込み、負荷によって電荷が引き抜レドックスフロー電池（RF 電池）がある。図 2 に RF 電池かれる。前者が後者に対して大きければバスの電圧は上昇の原理図を示す。RF 電池は溶液中のイオンの酸化還元反し、逆に後者が大きければ電圧は低下する。双方向 DC-応で電力の出し入れを行う蓄電池で、電子をやり取りする

DC コンバータはバス電圧を常時監視し、目標値よりも高セル部と、電解液を貯蔵するタンクの間で、電解液を循環ければ充電を行い、低ければ放電を行うことにより、これして反応を進行させる。一般に、電池は鉛電池、リチウムを一定に保つ。この実に単純な制御で需給バランスを維持

イオン電池等のように、その活物質を冠して呼ばれることすることができる。ただし、バス電圧は蓄電池の接続箇所が多いが、この電池はその構造が、他の電池とは大きく異で検出した値を参照値として、一定化制御が行われるため、なるため、reduction（還元）-oxidation（酸化）の短縮

マイクログリッド内で蓄電池から離れた地点のバス電圧は表現である redox と、液循環を示す flow を組み合わせた名目標値からのずれが生じる。発電が消費よりも多く電流が称で呼ばれている。電池活物質は正極・負極ともバナジウ蓄電池に向かって流れているときには、その地点の電圧はムイオンを用いる。電極で固体析出は起こらず、電解液中目標値よりも高くなり、蓄電池が放電しているときには低でイオンの価数が変化することで反応が進行するため応答くなる。よって、直流マイクログリッドを設計する際には、が速く、充放電サイクルによる電解液の劣化も起こらない。

終端部まで電圧が許容範囲に収まるように、線路長と電流また、構造が単純で大型化にも適し、風力発電装置を複数を考慮してケーブルサイズを決めなければならない。直流台設置したウィンドファームの出力変動を平滑化する実証

バスの線路長が長くなり、そのインピーダンスによってバ。循環している

ス電圧の均一化が困難になる場合には、複数の蓄電池を分研究で用いられた 6MWh の実績がある（2）

電解液の電位を計測することによって、セルに電流が流れている運転中においても常に充電状態を把握することができるのも、他の電池にない特長である。

−（ 126 ）− 直流マイクログリッドシステム

散配置する必要がある。

4.

レドックスフロー電池による需給制御実験（CPV）の 3 種類を設置した。CPV は変換効率が極めて高蓄電池による直流マイクログリッド内の需給調整を実証

い化合物系発電素子を用い、太陽を正確に追尾してレンズするための実験設備を構築した。表 1 に実験設備の諸元、で集めた光で発電するため、晴れの日にはモジュールの面

図 3 に構成、写真 1、写真 2 および写真 3 に主な機器の外観積が同じ一般的な多結晶シリコンパネルと比べて、およそを示す。実験の目的が蓄電池によるマイクログリッド内の2 倍の高い出力を得ることができる。従来の CPV モジュー

需給調整であるから、外部の系統とは連系しない独立シスルは分厚く重いという難点があったが、薄型化、軽量化をテムとした。直流マイクログリッドが実際に運用されるス実現した。風力発電は市販の 1kW 出力の装置を設置した。

ケールと比較すると、本実験設備はその線路長においては小型のため太陽光発電と同様に、人が居住する地域内に設同程度であるが、取り扱う電力は十分の一から百分の一で置することができるものである。各発電設備と直流バスのある。

間に DC-DC コンバータを設置して、日射や風の条件に応直流バスは目標電圧を 350V、総延長は約 1km とした。

じて、常に最大の出力が得られるように制御した。

蓄電池は、この実験のために当社で、最大充放電容量 4kW、電池容量が 10kWh の RF 電池を開発して、双方向 DC-DCコンバータを介して直流バスのほぼ中間地点で連結した。
発電設備は太陽光発電と風力発電を直流バス上に分散配置した。これらの最大出力を合わせると約 8kW である。
太陽光発電モジュールは市販の多結晶シリコンおよびCIGS 化合物に加えて、当社開発の集光型太陽光発電装置

表1

直流マイクログリッド実験設備の諸元

直流バス

350 V/1 kmレドックスフロー電池

4 kW/10 kWh
写真 1太陽光発電
多結晶シリコン

4 kW

CIGS 化合物

2 kW

集光型化合物

1 kW

風力発電

1 kW

インバータ

4 kW

負レドックスフロー電池

小型発電素子荷空調、照明等

2 kW

EV 充電ステーション

2 kW

Si太陽光発電
（4kW）

DC-DC

95mm 厚小型フレネル
レンズアレイ

写真 2集光型太陽電池

写真 3インバータと負荷

風力発電機（1kW）
CIGS太陽光発電
（2kW）

DC-DC

直流バス（350V〜1km）
通信線
双方向
DC-DC

レドックスフロー電池（10kWh）

図3

CPV（1kW）

DC-DC

DC-DC

EMSサーバ
EV充電器

DC-AC

AC 200V / 100V

直流マイクログリッド実験設備の構成

2 0 1 2 年 7 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 8 1 号 −（ 127 ）−負荷は、直流バスの一方の終端に定格出力 4kW のイン用 語 集ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー

バータを設置して 60Hz 単相 3 線の交流に変換し、全てそ※1の下位に配置した。インバータの出力は、消費電力を計測ガスタービン発電、太陽光発電、風力発電、燃料電池などして無線通信で管理サーバに計測値を送信することができ小規模の発電施設を電力需要地内に設置して連結し、域内るスマート分電盤およびインテリジェント電源タップを経の電力需要をまかなう電力システム。遠隔地に建設する大由して、空調設備、テレビ、各種の照明、冷蔵庫、EV 充

規模集中発電方式に比べて、送電設備の建設費用が安価で、電器に給電した。

送電によるエネルギーロスが少ない。発電設備が需要地内マイクログリッド（小規模発電網、分散型電力網）

各発電設備に DC-DC コンバータ、RF 電池に双方向のにあるため、電力と同時に得られる熱と蒸気を利用するコDC-DC コンバータ、負荷側にインバータの合計 6 台の変換ジェネレーションシステムを構築して、エネルギー利用効器を設置したが、これらは全て本実験のために当社で開発率を高めることができる。

したもので、LAN 接続機能を付与した。制御のため変換器内部で検出した入力および出力の電流、電圧などの運転状※2

態を、管理サーバに送信することができる。

ある電圧の直流電流を異なる電圧の直流電流へ変換する

DC-DC コンバータ（直流・直流変換器）

図 4 にある一日の出力変化を示す。発電および消費の変装置。

スをとり、直流バス電圧が一定に維持されていることが分※3かる。本実験装置は既に 6 か月以上の連続運転を継続して電力の安定供給や省エネのために電力の運用を管理するシおり、RF 電池で直流マイクログリッドの需給調整が十分ステム。

動に応じて、RF 電池が充放電量の調整により需給バランEMS（エネルギーマネジメントシステム）に可能であることを示すことができた。
※4

電気二重層キャパシタめたコンデンサ。

発電

3000
2000

発電＋蓄電池出力

充電

1000

放電

0参

直流バス電圧-1000
消費-2000

100

-3000
-4000

50

充電状態

68101214時

図4161820220

充電状態（%）

出力（W） 直流バス電圧（V）

電気二重層という物理現象を利用することで蓄電容量を高4000

考

文

献

（1） 系統連系専門部会 JEAC 9701-2010 日本電気技術規格委員会 JESC
E0019（2010）系統連系規程（2） 重松敏夫、「電力貯蔵用レドックスフロー電池」、SEI テクニカルレ
ビュー第 179 号、P.7（2011）

刻直流マイクログリッド実験設備の運転状況
執筆者 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

綾井

直 樹＊：パワーシステム研究所 グループ長
電力制御機器・システムの開発に従事

設備稼働率が低い太陽光発電は電力の需要地内に設置する

久田

俊 哉 ：パワーシステム研究所

主席

分散電源とすることが合理的である。この考えに基づいて、

柴田俊 和 ：パワーシステム研究所

グループ長

三好

秀 和 ：パワーシステム研究所主席

岩崎孝 ：パワーシステム研究所

北山賢 一 ：パワーシステム研究所

5.

結言

送配電を含む電力システム全体で経済性を考慮すると、

本稿では、需要地における太陽光発電の大量導入と系統安定化を両立する手法として、直流マイクログリッドを提案した。また、このシステムの要である蓄電池による需給制御を実証するために行った RF 電池による直流マイクログリッドの実験について述べた。この実験によって、直流マイクログリッドは技術的には十分に可能であることを実証できたと考える。今後は社会状況に応じて、この技術の具体的な用途開拓を推進し、その経済性を更に高める検討も継続したい。

−（ 128 ）− 直流マイクログリッドシステム

グループ長
主席

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------＊主執筆者