太陽光発電連系時の電圧上昇対策と事故時運転継続要件

過去問一覧第二種電気主任技術者 2024年度電力・管理太陽光発電連系時の電圧上昇対策と事故時運転継続要件

太陽光発電連系時の電圧上昇対策と事故時運転継続要件

送電

第二種電気主任技術者 2024年度電力・管理問6

太陽光発電の系統連系量が増加すると，日射量の多い昼間帯に逆潮流が流れることによって，電力系統の電圧が上昇する。電力系統への分散型電源の大量連系時の課題について，次の問に答えよ。

(1)　特別高圧系統に連系する変電所側において，系統電圧上昇を抑えるために用いられる調相設備を二つ挙げ，それぞれについて原理及び長所・短所を含めて

80

字程度で述べよ。

(2)　太陽光発電等の分散型電源の系統への連系時に求められる，事故時運転継続の要件について，対象とする事故事象を一つ挙げよ。さらに，その運転継続の必要性を

80

字程度で述べよ。

解説

【問題の背景とポイント】

太陽光発電（PV）などの分散型電源が電力系統に大量連系されると、日射量の多い昼間に電力の逆潮流が生じ、連系点近傍の系統電圧が上昇します。特別高圧系統における電圧変動は主に無効電力の移動に支配されるため、電圧上昇を抑えるには「遅れ無効電力を系統から吸収（消費）する調相設備」が必要となります。

また、系統事故（落雷等による地絡・短絡）時に電圧が一時的に低下した際、保護装置によって分散型電源が一斉に系統から切り離されると、急激な電力不足から系統崩壊を招きます。これに対応する要件が事故時運転継続（FRT: Fault Ride Through）要件です。

送受電端間の電圧変動近似式

\Delta V \approx \frac{R P + X Q}{V}

$P$ ：有効電力（逆潮流時は電源側から系統側へ流入）
$Q$ ：無効電力（遅れを正とする）
$X$ ：線路リアクタンス（特高系統では抵抗 $R$ に比べ $X \gg R$ となり、無効電力 $Q$ が電圧に支配的影響を与える）

小問(1) 系統電圧上昇を抑える調相設備

逆潮流によって上昇した電圧を下げるためには、調相設備により遅れ無効電力を消費（または進相無効電力を吸収）し、 $Q$ を正の方向に大きくする必要があります。

※注意：電力用コンデンサ（SC）は「進み無効電力」を供給して電圧を上昇させる設備であるため、電圧上昇の抑制には使用できません。

代表的な設備の比較

調相設備	原理	調整方法	長所	短所
分路リアクトル (ShR)	並列接続したコイルに遅れ電流を流し、遅れ無効電力を吸収する	段階的（遮断器開閉）	構造が極めて単純で安価。静止機器のため保守が容易。	連続調整ができない。電圧低下時は吸収能力が低下。
静止型無効電力補償装置 (SVC)	サイリスタ点弧角制御（TCR）等によりリアクトル電流を制御する	連続的・高速	ミリ秒単位の高速応答が可能。電圧を連続的かつ精密に維持。	設備コストが高い。高調波発生対策（フィルタ）が必要。
自励式SVC (STATCOM)	自己消弧素子（IGBT等）を用いた自励式変換器で無効電力を制御	連続的・高速	進み・遅れ双方を連続制御。系統電圧低下時も無効電力維持可能。	設備コストが非常に高い。制御系が複雑。
同期調相機 (RC)	無負荷の同期電動機を運転し、界磁電流（励磁）を制御する	連続的	界磁調整で進み・遅れを連続制御。回転子の慣性力による系統安定化。	回転機のため保守が煩雑。機械的損失（摩擦損・風損）が大きい。

答案に記述する2つの設備の例（各80字程度）

試験では上記から2つを選択して記述します。最も代表的で書きやすい「分路リアクトル」と「静止型無効電力補償装置（SVC）」を答案としてまとめます。

〔分路リアクトル〕
系統に並列接続したリアクトルにより遅れ電流を流して無効電力を吸収し電圧を抑制する。安価で保守が容易だが、調整が段階的で連続制御できない。（73字）

〔静止型無効電力補償装置（SVC）〕
サイリスタの位相制御等でリアクトルに流れる電流を調整し、無効電力を吸収する。高速かつ連続的に電圧調整できるが、設備が高価で高調波対策が必要。（75字）

小問(2) 事故時運転継続（FRT要件）の事故事象と必要性

① 対象とする事故事象

落雷などに起因する送電線の地絡事故や短絡事故が発生すると、系統の保護リレーが事故箇所を検出し、遮断器によって事故区間が切り離されるまでの間（数サイクル〜数十サイクル）、広範囲にわたって系統電圧が一時的に低下します。この現象を「瞬時電圧低下（瞬低）」と呼びます。

② 運転継続の必要性（なぜFRTが求められるのか）

分散型電源（太陽光発電インバータ等）に備わっている不足電圧リレー（UVR）等の保護機能が敏感に動作してしまうと、事故点とは無関係な健全区間の健全な分散型電源までが一斉に系統から解列（脱落）してしまいます。

太陽光発電の連系量が膨大である場合、一斉解列により系統全体でギガワット級の発電出力が一瞬で失われます。これにより電力需給バランスが激しく崩壊し、系統周波数が急激に低下して他の大型発電機まで連鎖的に脱落する「系統崩壊（ブラックアウト・大規模停電）」に至るおそれがあります。そのため、「系統事故による広範囲の瞬時電圧低下」が発生しても、所定の電圧低下の深さと継続時間の範囲内であれば運転を継続することが系統連系技術要件ガイドラインにより義務付けられています。

答案に記述する事故事象と必要性（80字程度）

事故事象：系統事故による広範囲の瞬時電圧低下
必要性：分散型電源が一斉解列すると急激な電源脱落により需給バランスが崩壊し、大規模な周波数低下を招いて広域停電に至る危険を防止するため。（71字）

【最終結論のまとめ】

(1)
・分路リアクトル：系統に並列接続したリアクトルで遅れ無効電力を吸収し電圧を抑制する。安価で保守が容易だが、調整が段階的で連続制御できない。（72字）
・静止型無効電力補償装置（SVC）：サイリスタ位相制御等でリアクトル電流を調整し無効電力を吸収する。高速かつ連続制御できるが設備費が高く高調波対策が必要。（76字）

(2)
事故事象：系統事故による広範囲の瞬時電圧低下
必要性：電圧低下時に分散型電源が一斉解列すると急激な電源喪失で需給不均衡や周波数低下を招き、大規模停電に至るおそれがあるため。（66字）