分散型電源の系統連系

法規-12　電気法規と電気施設管理

分散型電源
系統連系
逆潮流
単独運転
自立運転
逆変換装置

はじめに

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「屋根の太陽光パネルで作った電気って、余ったら売れるらしい。どうやって電力会社に送っているんだろう？」

住宅の屋根や工場の屋上、郊外の空き地などで、太陽光パネルを見かけることが増えました。昼間に発電した電気は、まずその建物の中で使われます。それでも余った電気は、ふだん電気を受け取っている電線を逆向きにたどって、電力会社の配電線へ流れていきます。

ところが、これは電力会社の側から見ると、配電線の途中に、小さな発電所が無数にくっついている状態です。実は、何の決まりもなくつなぐと、配電線の電圧が上がりすぎたり、停電したはずの電線に電気が流れ続けて、作業員が感電したりするおそれがあります。

そこで登場するのが、今回の主役 分散型電源の系統連系 です。小さな発電設備を、安全に電力系統へつなぐための決まりです。

前回の記事では、屋内配線の対地電圧の制限や工事の種類など、電気使用場所の施設の決まりを学びました。今回の記事では、分散型電源と系統連系の意味、逆潮流と逆変換装置、単独運転と自立運転、そして異常のときに切り離す保護装置について解説します。

分散型電源と系統連系：みんなの電線に発電設備をつなぐ

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はじめに、分散型電源と系統連系について紹介します。

電気は、昔は大きな発電所で作り、送電線と配電線で家や工場へ一方通行で届けるのが基本でした。これに対して、需要家の近くにばらばらに置かれる、比較的小さな発電設備があります。太陽電池発電、風力発電、燃料電池、ガスエンジンの発電機、蓄電池などです。

こうした設備のうち、一般送配電事業者などの電力系統につながるものを 分散型電源 と呼びます。大きな発電所が1か所に「集中」しているのに対して、あちこちに「分散」しているので、この名前が付いています。

そして、分散型電源を電力系統につなぐことを 系統連系 と呼びます。系統連系をすると、発電が足りないときは電力系統から電気を受け取り、余ったときは電力系統へ送れるようになります。

道路にたとえると、電力系統は大きな幹線道路で、分散型電源は沿道の家から出てくる車です。家の車が自由に出入りできると便利ですが、勝手に飛び出すと事故になります。そこで、合流のしかたや、渋滞や通行止めのときの動き方を、あらかじめ決めておくのです。

系統連系の決まりは、電気設備の技術基準の解釈にまとめられています。目指していることは、次の2つです。

【系統連系の決まりのねらい】

電力系統の電圧や周波数など、電気の質を乱さないこと
停電や事故のときに、作業員やほかの需要家を危険にさらさないこと

補足（ここは読み飛ばしてOK）：連系する電力系統の電圧によって、低圧連系・高圧連系・特別高圧連系に分かれ、それぞれ求められる保護装置が少しずつ違います。家庭の太陽光発電は、多くが低圧連系です。

このように、分散型電源は需要家の近くに置かれた小さな発電設備で、それを電力系統につなぐことを系統連系と呼びます。

以上が、分散型電源と系統連系についてです。

逆潮流と逆変換装置：電気が電力系統へ流れる

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次に、逆潮流と逆変換装置について紹介します。

1. 逆潮流

ふだん、電気は電力系統から需要家の構内へ流れます。これを順方向とすると、分散型電源の発電が構内の消費より多いときは、電気が逆に、構内から電力系統へ流れます。この有効電力の流れを 逆潮流 と呼びます。太陽光発電の「売電」は、まさにこの逆潮流です。

具体的に計算してみましょう。昼に太陽光発電が 4.5kW を発電し、家の中で 1.8kW を使っているとします。

4.5 - 1.8 = 2.7\ \text{kW}

したがって、2.7kW が逆潮流として電力系統へ流れます。反対に、夜で発電が 0kW なら、家で使う電気はすべて電力系統から受け取ります。

2. 逆潮流で電圧が上がる

ここで1つ注意があります。逆潮流があると、需要家の受電点の電圧が上がります。

ふだんは電気が電力系統から流れてくるので、電線の抵抗で電圧が下がり、受電点の電圧は配電線側より低くなります。逆潮流のときは流れが逆になるので、受電点の電圧は配電線側より 電線の電圧降下ぶんだけ高く なります。水を下流から上流へ押し返すには、こちらの水位を上げなければならないのと同じです。

前に学んだように、低圧の電圧は、標準電圧 100V なら 101V ± 6V（95〜107V）の範囲に保つ決まりがあります。逆潮流が大きすぎると、この上限を超えてしまいます。

例題：逆潮流による電圧の上昇

単相2線式で、配電線側の電圧が 102V の地点に、太陽光発電を連系した需要家があります。引込線の往復の抵抗は 0.25Ω で、力率 1 の逆潮流の電流が 20A 流れています。需要家の受電点の電圧は何 V でしょうか？リアクタンスは考えないものとします。

【解き方】

引込線の電圧の変化を求める： $20 \times 0.25 = 5$ V
逆潮流なので、受電点の電圧は配電線側より高くなる： 102 + 5 = 107V

答えは 107V です。ちょうど上限の 107V に達しています。逆潮流が 24A に増えると、上昇分は $24 \times 0.25 = 6$ V となり、108V で範囲を超えます。そこで、分散型電源には、電圧が上がりすぎたら出力を抑えたり、無効電力を調整したりする機能が備えられています。

3. 逆変換装置

太陽電池や燃料電池、蓄電池が作る電気は直流です。一方、電力系統は交流です。そこで、直流を交流に変える装置が必要になります。これを 逆変換装置（インバータ）と呼びます。交流を直流に変える整流の「逆」の変換をするので、この名前が付いています。家庭の太陽光発電では、パワーコンディショナの中に入っています。

逆変換装置を使って連系するときは、直流が電力系統へ漏れ出さないように、受電点と逆変換装置のあいだに変圧器を置くのが原則です。変圧器は交流しか伝えないので、直流の「せき止め役」になります。ただし、逆変換装置の交流出力側で直流を検出して出力を止める機能があるときなどは、この変圧器を省略できます。

試験のポイント：逆潮流は「構内から電力系統側へ向かう有効電力の流れ」です。逆変換装置を使う連系では、直流の流出を防ぐ変圧器が原則として必要です。

このように、逆潮流は分散型電源から電力系統へ向かう有効電力の流れで、受電点の電圧を押し上げます。また、直流で発電する電源は、逆変換装置で交流に変えて連系します。

以上が、逆潮流と逆変換装置についてです。

単独運転と自立運転：系統が止まったときの2つの状態

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続いて、単独運転と自立運転について紹介します。

配電線で事故が起きると、配電用変電所の遮断器が開いて、その配電線は電力系統から切り離されます。このとき、配電線につながった分散型電源がどう動くかで、2つの状態があります。

1. 単独運転

単独運転 とは、分散型電源をつないでいる電力系統が、事故などで系統の電源から切り離されたのに、分散型電源が発電を続けて、配電線の負荷に電気を送っている状態です。

単独運転は、とても危険です。理由は次の2つです。

【単独運転が危険な理由】

停電していると思って作業する人が、電気の来ている電線に触れて感電するおそれがある
配電線の遮断器を再び入れる（再閉路する）とき、分散型電源の電圧や位相が系統とずれていると、大きな電流が流れて機器を傷める

1つ目は、家のブレーカーを落として作業していたら、隣の家から電気が回り込んできた、というような状況です。そこで、分散型電源には単独運転を見つけて、すぐに電力系統から切り離す（解列する）しくみが求められます。また、再閉路のときには、分散型電源が解列されていなければなりません。

2. 自立運転

一方、自立運転 とは、分散型電源が電力系統から解列された状態で、その設置者の構内の負荷だけに電気を送っている状態です。

例えば、停電のときに、太陽光発電のパワーコンディショナを自立運転に切り替えると、専用のコンセントから電気を使えます。このとき、分散型電源は電力系統から切り離されているので、配電線には電気が流れません。だから安全なのです。

2つの違いは、「電力系統とつながったまま発電しているか」です。

状態	電力系統との関係	電気を送る先
単独運転	解列されていない（つながったまま）	配電線の負荷（よその需要家も含む）
自立運転	解列されている	自分の構内の負荷だけ

試験のポイント：単独運転は防がなければならない状態、自立運転は解列したうえで構内だけに送る状態です。名前が似ているので、違いがよく問われます。

このように、単独運転は系統から切り離された配電線に発電を続ける危険な状態で、自立運転は解列したうえで自分の構内だけに電気を送る状態です。

以上が、単独運転と自立運転についてです。

系統連系用保護装置：異常を見つけて切り離す

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最後に、系統連系用保護装置について紹介します。

分散型電源の異常や、電力系統の事故、単独運転が起きたときは、分散型電源を自動的に解列しなければなりません。そのための保護リレーなどをまとめて、系統連系用保護装置と呼びます。

低圧に連系する場合の基本は、次の保護リレーと検出機能です。

【低圧連系のおもな保護】

過電圧リレー（OVR）：電圧が高くなりすぎたことを検出する
不足電圧リレー（UVR）：電圧が低くなりすぎたことを検出する
周波数上昇リレー（OFR）・周波数低下リレー（UFR）：周波数のずれを検出する
単独運転検出機能：単独運転になったことを検出する

単独運転の検出には、2つの方式があります。受動的方式 は、系統から切り離された瞬間に起きる電圧の位相の跳びや周波数の急な変化を「見張って」見つけます。能動的方式 は、分散型電源の側から周波数や無効電力に小さなゆらぎを「加えて」、その反応から見つけます。系統につながっていれば、大きな系統がゆらぎを打ち消しますが、切り離されていると、ゆらぎがそのまま大きくなるからです。

体育館で声を出すと、壁があれば反響が返ってくる、というイメージです。能動的方式は、自分から声を出して、まわりの様子を確かめているのです。

また、逆潮流をしない約束で連系する場合は、逆電力リレー（RPR）で逆潮流を検出したら解列します。なお、逆変換装置を使わない発電機（回転機）を低圧に連系するときは、原則として逆潮流をさせない決まりです。