単独運転

単独運転（たんどくうんてん、）とは、相互接続された広域連系網が、自身の発電設備を持つ独立した切り離された領域へと、意図的または意図せずに分割されることである。

意図的な単独運転は、しばしば連鎖的停電を軽減するための深層防護として行われる。一つの島（アイランド）が崩壊しても、隣接する島を巻き込むことがないためである。例えば、原子力発電所には安全重要システムである冷却システムがあり、通常は一般の電力網から電力を得ている。冷却ループは通常、グリッドが崩壊した場合でも原子炉の電力や非常用ディーゼル発電機で動作できる個別の回路に配置されている。

需要家レベルに近いところで単独運転が可能な設計のグリッドは、一般にマイクログリッドと呼ばれる。停電時には、マイクログリッドのコントローラーが専用のスイッチでローカル回路をメイングリッドから切り離し、稼働中の分散型電源にローカルな負荷への電力供給を強制する。

意図しない単独運転は危険な状態であり、発電機は単独で電気負荷の変化に対応しなければならないため、発電機に深刻なストレスを与える可能性がある。また、送電線作業員に適切に伝達されていない場合、意図しないアイランドは感電のリスクももたらす。停電している電線とは異なり、アイランド内の交流は系統と位相が合っていないため、より大きなグリッドに再接続するには特別な技術が必要となる。これらの理由から、グリッドに電力を供給するように設計された太陽光発電用インバータには、一般に自動単独運転防止回路を備えることが義務付けられており、意図しないアイランドに電力を供給し続けるのではなく、パネルを短絡（ショート）させるなどの措置をとる。

多数の誤検出を出さずにアイランドを検出する方法は、盛んに研究されている。各方法には、グリッドの中断信号とみなされる前に超えるべき閾値があり、これが「不感帯」（NDZ）を生み出す。不感帯とは、実際のグリッド故障がフィルタリングされて見逃されてしまう条件の範囲である。 このため、実地配備の前に、グリッド連系インバータは通常、出力端子に特定のグリッド状態を再現し、単独運転状態を検出する防止法の有効性をテストされる。

 意図的な単独運転 
意図的な単独運転は、電気ネットワークを複数の断片に分割し、各断片内の負荷を供給するのに十分な発電能力をそれぞれの断片に持たせることである。 実際には、各断片で発電と負荷のバランスをとることは難しく、アイランドの形成にはしばしば一時的な負荷遮断が必要となる。 同期発電機は、故障に起因するアイランド形成時に深刻な過渡現象を防ぐのに十分な無効電力を供給できない場合があり、 インバータは定電流制御から定電圧制御へ切り替えなければならない。 意図的な単独運転は、ブラックアウト後やブラックスタートのプロセス中に、グリッドの隔離された部分へ電力を復旧させるために使用されることがある。

P≠NPと仮定すると、単独運転を実装するための優れたカットセット基準は存在しない。多項式時間近似スキームは存在するが、正確に最適な分割を見つけることは計算上不可能な場合がある。

しかし、単独運転は故障をそのアイランド内に限定し、故障の拡散を防ぐ。 一般的に、停電の統計はベキ則に従うため、ネットワークを断片化すると停電の確率は高まるが、充足されない総電力需要の期待値は減少する。

単独運転は卸売電力市場の経済効率を低下させ、 通常はグリッドが不安定であることがわかっているが、まだ崩壊していない場合の最後の手段として適用される。 特に、単独運転はテロ攻撃、電気インフラへの軍事攻撃、あるいは異常気象など、発生時間はわかっているが発生場所が特定できない脅威に対するレジリエンス（回復力）を高める。

 家庭での単独運転 
2019年のカリフォルニア州の大規模停電（PSPS）以降、家庭の電気系統をアイランドとして運用する可能性への関心が高まった。典型的な分散型電源システムは、家中のすべての電化製品を同時に動かすには小さすぎるが、従来の負荷周波数制御を通じて、家庭内の重要な電力ニーズを管理することは可能である。発電機とエアコンや電気オーブンなどの大きな負荷の間に直列に設置されたモジュールが、アイランドの電力周波数を測定し、インバータが過負荷に近づくと自動的に負荷遮断を行う。

 検出方法 
アイランドを自動的に検出することは、盛んに研究されている。これらは、グリッド上の過渡現象を探すパッシブ（受動的）方式、または、大規模なグリッドでは無視できるが小規模なアイランドでは検出可能な過渡現象を意図的に作り出すアクティブ（能動的）方式によって実行できる。アクティブ方式は、地元の発電機によって、または電力会社レベルで「上流」において実行される。

多くのパッシブ方式は、アイランド運用の固有のストレスに依存している。アイランド内の各装置は総負荷に対してはるかに大きな割合を占めるため、装置が追加または削除された際の電圧や周波数の変化は、通常のグリッド状態よりもはるかに大きくなる可能性が高い。しかし、その差は識別エラーを防ぐほど大きくはなく、電圧や周波数のシフトは通常、他の信号と組み合わせて使用される。

電圧および周波数シフト検出のアクティブな類似手法は、インバータから供給される全体のインピーダンスを測定しようとするものである。回路がグリッドに接続されている場合、インバータ電流のわずかな変動に対して電圧応答はほとんどないが、アイランドでは電圧の変化が観察される。原理的には、この手法の不感帯（NDZ）は極めて小さいが、実際にはグリッドは常に無限に安定した電圧源ではなく、特に複数のインバータが同時にインピーダンスを測定しようとする場合に問題が生じる。"Negative-Sequence Current Injection for Fast Islanding Detection of a Distributed Resource Unit", Houshang Karimi, Amirnaser Yazdani, and Reza Iravani, IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 23, NO. 1, JANUARY 2008.

シフトとは異なり、ランダムな回路が標準的な系統電力と一致する固有振動数を持つ可能性は非常に低い。しかし、テレビなどの多くの装置は、意図的にグリッド周波数に同期している。特にモーターは、停止するまでの間に回路周波数をグリッド標準の近くで安定させてしまう可能性がある。

電力会社レベルでは、グリッドの一部を隔離するように設計された保護リレーが、高インピーダンスコンポーネントに切り替えることもできる。これにより、単独運転している分散型電源は必然的に過負荷となり停止する。ただし、この方法は高インピーダンス装置を広く普及させるためのコストがかかる。

あるいは、単独運転防止回路を帯域外データ信号に依存させることもできる。例えば、電力会社は電力線搬送通信や電話網の接続を通じてシャットダウン信号を送ることができる。

 インバータ特有の技術 
特定のパッシブ方式は、太陽光パネルなどの直流発電機（インバータベース電源）においてのみ実現可能である。

例えば、インバータは通常、単独運転時に位相差を発生させる。インバータは一般に、ゼロクロスを追跡するフェーズロックループ（PLL）で系統信号と一致させる。これらのイベントの間、インバータは正弦波出力を生成し、前のサイクルの負荷に基づいて適切な電圧波形を生成するように電流を変化させる。メイン系統が切断されると、アイランドの力率が急激に低下し、インバータの電流はもはや適切な波形を生成できなくなる。波形が完了してゼロに戻る頃には、信号の位相がずれている。しかし、モーターの起動などの多くの一般的な事象も、回路に新しいインピーダンスが追加されるため、位相ジャンプを引き起こす。

より効果的な手法は、単独運転の位相シフトを逆転させることである。インバータは、系統信号がその信号を圧倒することを期待して、系統とわずかにずれた出力を生成するように設計される。系統信号がなくなると、フェーズロックループが不安定になり、システムは設計周波数から外れていき、インバータはシャットダウンする。

非常に確実な単独運転検出方法は、インバータ変圧器内部の非線形相互作用によって生成される特徴的な第2および第3高調波を探索することである。一般に、インバータと一致する他の高調波歪（THD）源は存在しない。モーターなどのノイズの多いソースでさえ、系統接続された回路では、系統が本質的に無限のフィルタリング能力を持っているため、測定可能な歪みは生じない。スイッチングインバータは一般に、5%にも達する大きな歪みを持っている。系統が切断されると、ローカル回路はインバータ起因の歪みを示すようになる。 現代のインバータは高調波歪みを最小限に抑えようとしているが、原理的には、単独運転の形成を積極的に探すために、制御された量の歪みを導入するように設計することは容易である。

 分散型電源を巡る論争 
電力会社は、制御不能な単独運転を引き起こす可能性があるという理由で、家庭用太陽光発電やその他の分散型電源システムの設置許可を拒否してきた。"Technical Interconnection Requirements for Distributed Generation" , Hydro One, 2010"California Electric Rule 21 Supplemental Review Guideline"  オンタリオ州では、2009年の固定価格買取制度（FIT）の変更により、多くの農村部の顧客が「容量免除」のmicroFITの下で小規模（10 kW）システムを設置した。しかし、ハイドロ・ワン社は建設後にシステムのグリッド接続を拒否した。Jonathan Sher, "Ontario Hydro pulls plug on solar plans", The London Free Press (via QMI), 14 February 2011

この問題は、分散型電源の推進派が、単独運転の懸念は大部分が「口実」であると考えていることもあり、激しく政治的なものになる可能性がある。1999年にオランダで行われたテストでは、系統崩壊から60秒後に分散型電源によるアイランドを見つけることができなかった。さらに、分散型電源が分散型負荷とちょうど一致する瞬間は、10−6 yr−1（100万年に1回）のオーダーでしか発生せず、その瞬間に系統が切断される確率はさらに低いため、「単独運転に遭遇する確率は実質的にゼロである」としている。Verhoeven, pg. 46

意図しない単独運転のリスクは、主にマイクロ水力発電のような同期発電機の場合に当てはまる。2004年のカナダの報告書は、「インバータベースの分散型電源システム向けの単独運転防止技術ははるかに発展しており、公表されているリスク評価によれば、現在の技術と基準は適切な保護を提供している」と結論づけている。

電力会社は一般に、分散型電源が以下の問題を引き起こす可能性があると主張している：
 安全上の懸念 アイランドが形成されると、修理作業員が予期せぬ活線に直面する可能性がある。
 エンドユーザーの損害 分散型電源はグリッドの周波数や電圧を標準近くに維持できない可能性があり、非標準的な電流は顧客の設備に損害を与える可能性がある。回路構成によっては、電力会社がその損害の責任を問われる可能性がある。
 制御された系統再接続 稼働中のアイランドに対して配電回路を再閉路すると、設備を損傷させたり、脱調保護リレーによって阻止されたりする可能性がある。これらの事態を防ぐための手順により、停電した顧客への電気サービスの復旧が遅れる可能性がある。

最初の2つの主張は、電力業界内で異論がある。例えば、通常のライン作業は常に活線への曝露のリスクがあり、標準的な手順では作業員が接触する前に電線が死んでいることを明示的にチェックすることが求められている。監視制御およびデータ収集（SCADA）システムは、隔離されているはずのラインに予期せぬ電圧がある場合にアラームを鳴らすように設定できる。英国ベースの研究では、「最悪のケースの普及シナリオの下での太陽光発電システムの単独運転に伴う、ネットワークオペレーターと顧客の両方の感電リスクは、通常年間10−9未満である」と結論づけている。 同様に、エンドユーザーのデバイスへの損傷も、現代の単独運転検出システムによって大部分が抑制されている。

電力会社が最も懸念しているのは、一般的に最後の問題である。リクローザー（自動再閉路器）は、系統を小さなセクションに分割するために一般的に使用されており、故障状態（例えば電線に触れた木の枝）が解消されるとすぐに、自動的に、かつ迅速にその分岐を再加圧する。アイランド状態ではリクローザーが再加圧されない可能性や、介在する同期の喪失がアイランド上の分散型電源を損傷させる可能性があるという懸念がある。しかし、リクローザーが現代の電力実務において依然として有用であるか、あるいは遮断器・リクローザーがすべての相で作動しなければならないかは、必ずしも明らかではない。

 参考文献 

 参考文献リスト 



 Bas Verhoeven, "Probability of Islanding in Utility Network due to Grid Connected Photovoltaic Power Systems", KEMA, 1999
 H. Karimi, A. Yazdani, and R. Iravani, "Negative-Sequence Current Injection for Fast Islanding Detection of a Distributed Resource Unit", IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 23, no. 1, January 2008.

 標準規格 

 IEEE 1547 Standards, IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems
 UL 1741 Table of Contents, UL 1741: Standard for Inverters, Converters, Controllers and Interconnection System Equipment for Use With Distributed Energy Resources

 関連文献 

 "First-Ever Islanding Application of an Energy Storage System"

  変圧器のメンテナンス中に発電機が誤って単独運転状態になり、アイランド内で深刻な過周波が発生し、広域系統と再統合するためにタービンの手動制御が必要となった事例。

 外部リンク 

 Distributed Energy Resources
 Sandia National Laboratories

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