エネルギー未来技術フォーラム 「電力自由化時代の電気事業」

研究成果発表

電力自由化時代の安定供給技術

(財)電力中央研究所
システム技術研究所 栗原 郁夫


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システム技術研究所の栗原でございます。一つ前の発表にもありましたように、需要家が電力会社に求める第一のものは、やはり安定供給にあります。そこで私からは、「電力自由化時代の安定供給技術」と題して、競争環境下で電力の安定供給を確保するために、系統技術が果たすべき役割について発表させていただきます。

具体的にはここにあるように、まず一般にわかりにくいといわれている電力系統と安定供給の関係についてご紹介するとともに、電力自由化時代に求められる安定供給のための系統技術とは何か、そしてそれに向けて当所で進めております系統技術研究のいくつかについてご紹介させていただきます。

この図は、世界の主な大規模停電について描いたものです。大規模停電は先進国で散発的に生じており、電力自由化が始まった1990年以降、特に際立った変化があるものではありません。しかし2003年の北米大停電、その直後に発生したイタリアの大停電はその規模において大きな関心を引きました。

二つの大停電は、まさに自由化の進展する中で生じたもので、その原因については共通するところがありました。すなわちきっかけは送電線と樹木との接触であり、事前の状態認識、事故後の状況変化の把握が不十分であったこと、関係者のコミュニケーションに問題があったことなどが指摘されました。しかしいずれも公式な事故報告書では、電力自由化との直接的な関係については触れられませんでした。

その後も米国において電力自由化に伴う送電線の混雑は一層激しくなり、この図に示しますように、月別の混雑解消の回数は、近年の夏場においては1998年の6倍以上になってきています。

また欧州においても、国境間の混雑が多発しており、2004年、2005年と年によって若干の違いはあるものの、赤い矢印で示すように常に混雑が発生しているような送電線もかなりあります。

事故報告書では、自由化との直接的関係については触れられなかったものの、欧米諸国ではその後共通して信頼度ルールの厳正化に向かっています。米国では、エネルギー政策法の下、罰則規定のある信頼度基準の作成が進んでいます。また欧州では、EUセキュリティ指令の下で各国共通の信頼度ルールの策定が進められています。

一方、わが国でも、電力系統利用協議会の下で、系統利用のルールが策定されています。これは系統利用の公平性・透明性とともに、電力系統の信頼度を維持するための基本的ルールであり、必要最低限のルールであるとともに、これまでの実態をベースとしたものとなっています。

自由化を進める国や地域が、特に大規模停電を踏まえて、信頼度ルールの厳正化に向かっているのはなぜでしょうか。それは電力系統にはさまざまな電気的な制約があって、系統を利用するには、その制約内で行うことが不可欠であるからです。また電力取引の増加などで系統制約があるレベルを超えて厳しくなるような場合には、きちんと設備を増強していくことが不可欠であるからです。これらについて関係者は、その必要性を十分理解し、ルールを守っていくことが安定供給にとって不可欠となります。しかし電気的制約、より広くいえば電力系統そのものについては、一般にとってなじみのないもの、関心あるものにとっては難解なものであるのもまた事実です。また一方で専門家が十分な説明努力をしてこなかったという反省もあります。

そこで、ここではルールをより実効的なものにする意味からも、まずは電力系統の電気的な制約について簡単に説明することにします。電力系統に詳しい方にとっては、ご存じのことと思いますが、しばらくご辛抱ください。ただ、安定供給上の制約といっても、電気の絶対的な不足や、供給ルートの遮断による停電は事象として単純なため除くものとします。

ここでは電力系統の電気的得失としての制約について述べることにします。すなわち、シンボル的にT、V、F、Sと書くことにします。四つの電気的制約について述べます。これらの制約はいずれも電力系統にとって重要なもので、これらの制約を無視すると、場合によっては大停電につながることもあります。それでは四つの制約について、「電力系統と安定供給」と題して述べていきます。


まずは、ここで「T」と呼ぶ熱容量、すなわち過負荷制約です。電力が流れることによる抵抗分の発熱から来る制約です。事故の発生によって電気の流れ方が大きく変化し、過負荷設備が次々と変わり、大停電になることもあります。この事故の波及については系統の構成が大きく影響します。

これは電気の流れをアニメーションで示したものです。発電所からの電気は高い電圧の送電線で需要地の近くまで運ばれ、都市部に向けて供給されます。都市部の供給系統、すなわち図の中央部分の系統について、まずは欧米諸国の電力系統のようにすべての送電線がつながったループ系統を考えます。事故によってこの部分の送電線が使えなくなると、電気の流れ方が大きく変わります。図に示します赤やオレンジ色の円は、送電線の容量に対して実際に流れている電気の量を示しており、100%を超えた赤の送電線では過負荷が生じていることになります。100%を超えると、そこでは送電線を保護するための装置が動作し、送電線を開放します。今度はこれによって別のところに過負荷が移ります。こうして場合によっては大停電になることもあります。

これに対して、送電線の一部を切り離し、放射状の系統構成にしておくとどうでしょう。薄い色のついた部分の送電線が常時開放されており、ここで系統は左右に切り離されています。同じ事故によっても停電の範囲が局所化されます。日本の都市部の系統は、このような放射状系統の下で運用されています。

過負荷に対しては、系統構成を考慮したうえで、適切な余裕を持った輸送力設定が重要となります。電気の流れは、実際には発電所の場所や出力によって決まりますので、具体的には電源の場所に応じた適切な出力配分が重要となります。

次は「V」、電圧制約です。電圧が維持できなくなることによる輸送力の制約です。ここでは電圧調整機器と、その効果の発表の仕方がポイントになります。送電電力と電圧の関係は、おもりと棒のたわみに似ており、需要が増えるに従って電圧は低下します。そしてあるレベルを超えると、電圧が維持できなくなり、停電となってしまいます。これは直流の場合も同じですが、交流では需要地の近くに電圧を調整する装置を設置することで、電圧を維持できる点が違います。


この装置はコンデンサと呼ばれるもので、ちょうどおもりの近くで棒のたわみを支えるような役目を果たします。コンデンサは需要の大きさに応じて、適切に設置される必要があります。ただ、コンデンサの効果は限られており、設置した場所の近くの電圧のみ調整することができます。

再び電気の流れのアニメーションに登場してもらいます。図の上側が電源で、下側が需要地です。背景の色は電圧に対応していて、黄色が適正位置、青色になるほど電圧が低いことを表します。この状態は需要が多く、需要地の電圧はすでに適正値を下回っています。そこでまず右側の地域にコンデンサを設置します。次に左側、そして真ん中の地域です。これで電圧は適正なレベルになりました。

発電所の電気は、送電線があればどこにでも運べるのに対して、電圧調整力は遠くに運ぶことはできません。このため系統全体の電圧を適正に維持するには、これらを適切な場所に、適正な量だけ配置することが重要になります。

次は「F」、周波数の制約です。これは瞬時、瞬時の需要と供給のバランスを維持しなければならないことからくる制約です。いったんバランスが崩れると、自らを保護するために発電機が自動的に停止することになって、雪崩的に周波数の低下が起こり、大停電となることがあります。

周波数は3相交流電圧が1秒間にプラスマイナスを繰り返す回数ですが、発電機の回転数と関係があります。そして発電機と負荷がつりあっている場合に一定の値となります。負荷が重くなるとちょうど発電機の軸をぎゅっと握ったことをイメージしていただければわかりますように、発電機の回転が少し遅くなって周波数は低下します。逆に負荷が軽くなるのは、発電機の軸を握るのをやめたことになり、回転数が少し増えて、周波数が上昇します。

周波数を一定に維持する必要があるのは、モーターなどにおいて周波数の変化で回転むらが生じ、製品の品質に影響するからです。わが国では周波数は、±0.1〜0.3Hzの範囲に維持されています。また連系線で地域が結ばれている場合、連系線に安定的に流すことのできる電気の量は周波数によっても制約されます。


連系線を介して電力の輸出入が行われている状況で、連系線が事故で使えなくなった場合、輸出地域では周波数の上昇が、輸入地域では周波数の低下が起きます。周波数があるレベルを超えて変化すると、発電機のタービンに異常な振動が発生し、タービンを損傷する恐れがあります。このため、あるレベルで発電機を保護するために、自動的に発電機が停止します。大量の電気を輸入していたイタリアでは、このような現象が生じ、次々と発電機が停止し、2003年の大停電に至りました。


周波数維持には、そのための調整力を十分確保することがまず第一となります。この際、発電機の種類によって周波数調整力に違いがあることを考慮する必要があります。また連系系統においては連系線の輸送量を適切に設定することが必要です。さらに万一の場合には、需給のバランスを取るために、負荷を遮断することも大停電を防止する観点からは重要となります。

最後は「S」、安定度と呼ばれる制約です。これは電力系統内の発電機が同期して回転することの必要性からくる制約で、電力系統の制約の中でも最も難解なものの一つです。

発電機から送電線を経由して需要地に交流で電気を送ることは、このように力をひもを使って伝えることとして表現できます。手前の回転盤が発電所で、後ろの回転盤とそれにつながるおもりが需要です。ひもは送電線に相当し、ここでは1号線、2号線をイメージして6本があります。おもりが少ない場合は、このように楽に力を伝えることができます。

需要が増えた場合として、おもりを増やします。おもりは3個です。ひものねじれに着目してください。前に比べてねじれがきつくなっています。これは後ろの回転盤が手前の回転盤よりも少し遅れながら同期して回っていることになります。電気を送る場合も、発電側と需要側でこのような現象が生じ、需要側の電圧の動きが発電側より少し遅れることになります。

さらに需要を増やします。おもりは4個です。今度はねじれがどんどん進んでいき、ご想像のように最後はひもの真ん中でよじれてしまい、力を伝えることができなくなり、おもりは落ちてしまいます。後ろの円盤の遅れがどんどん進んでいき、手前の円盤と同期して回ることができなくなった状態です。電気を送る場合も、これと同じで、発電側と状側が同期していかなければならないということから、送ることの電気に限界が出てきます。

さらに事故を想定すると、それまでは安定して送れた電力でもだめになってしまうことがあります。おもりは3個、先ほどは安定して送れたケースです。雷で片方の送電線が停止した場合には、ひもの数が半分になってしまったことに相当し、ねじれやすくなってしまいます。このため,いままで安定して送れた電力でも送れなくなってしまうことがあります。これは逆にいうと、雷などの事故も考慮して、安定供給を行うにはおもりは2個までが限度ということになります。

安定度を維持するには、先ほど示しましたように事故も考慮した適切な余裕を持った輸送力の設定が重要になります。併せて、緊急時には電源や負荷遮断などの安定化対策も重要となります。

安定供給を確保するには、いままで述べてきた四つの制約をすべて満たす範囲で系統を利用しなければなりません。また重要な点として四つの制約は、その厳しさが系統構成や系統の状況によって変わるということです。

そこで日本での制約を考えるうえで、日本の系統の特徴を整理しておきます。欧米の需要地域が面的な広がりを持っているのに対し、日本では大需要地が密集してあり、また電源については,欧米は内陸にもあるのに対し、日本ではほとんどが沿岸に立地しています。


日本における大電源地帯からの高密度送電は、輸送ルート当たりでは欧米の2〜3倍になるところもあります。朝や昼休みの需要変化が大きいのもわが国の特徴です。また電力会社間の系統連係は相対的に疎で、くし型の構成になっています。これに対して欧米は密なメッシュ状になっています。



こうした特徴から、日本では特に安定度、すなわち「S」の制約が相対的に厳しくなっています。これに対して欧米では、安定度や周波数の制約は比較的軽く、過負荷が主要な制約になっています。自由化による電力取引の増大によって、制約からの逸脱が起きることがあります。

これまでたびたび述べてきました送電線混雑は、実際はこの制約からの逸脱を意味します。安定供給のためには、混雑解消が必要となり、これは自由な電力取引の制限にもつながり、せっかくの自由化のメリットを相殺することにもなります。ここに系統技術の果たすべき役割が生まれ、たとえばこの制約を拡大する技術的方策などが重要になってきます。

そこで自由化の進展の下で、系統技術の果たすべき役割について明確にしておきましょう。自由化の下では、コストダウン圧力が絶えずかかってきます。またより経済的な電源運用を求めて、広域的な系統利用が進みます。さらに電源の立地時期や、立地点といった長期的な不確実性に加え、スポット市場での電力取引など、短期的な不確実性も高まります。多様な市場参加者の下で、技術面からの透明性、公平性を確保することも重要です。また自由化とは直接関係しませんが、高度成長期に増強した大量の設備の経年化が進んできています。経年設備の増加は、信頼度の面でも、また設備保守やリプレースといった経済面からも自由化と安定供給にかかわってきます。さらに分散型電源の増加も見込まれています。

このような新たな状況下においては、これまでの実績をベースとしたルールの遵守のみでは安定供給の維持に十分でなくなる可能性があります。ここで系統技術の高度化が重要な役割を果たすことになります。


身近な例として、車について見ましょう。道幅が狭くなったり、何が起こるかわからないような状況下で、多くの車が同じスピードで、安全に走るにはどうしたらいいでしょうか。車にセンサーをつけたり、相互に通信を行うなど、高度な技術の適用に対応することが考えられます。もちろん新しい道をつくることも重要ですが、その決断は技術よりむしろ政策的な課題といえます。

電力系統の場合もこれと同じで、自由化の進展とともに進む新たな系統環境に対しては、やはり系統技術の高度化による対応が重要となります。

系統技術の高度化にあたっては、四つの視点が重要になります。すなわち既存設備の有効活用、不確実性への対応、透明性・公平性の確保、そして多様な供給形態への対応です。それではここからこのような視点の下で行っている当所の研究のいくつかを紹介いたします。


まずは既存設備の有効活用と、不確実性への対応の二つの観点から実施しているリアルタイム系統安定化制御の研究です。リアルタイム安定化制御の研究は、比較的ゆっくりとした系統現象に対しては、すでに適用されてきた時々刻々の制御を非常に短い時間の現象に対しても行うことをねらったものです。具体的に申しますと、前に説明した「S」、すなわち安定度の問題に対応するものです。

これまでは系統にも比較的十分な余裕があったことなどから、ある程度厳しい事故があった場合にも事前に想定した対応の中から適切なものを選ぶことで十分でした。しかし、自由化時代になると、余裕が少なくなるとともに不確実性で事前の想定も困難になってきます。このために時々刻々の対応が重要になってきています。

開発しているのは、この絵にあるように系統の各地点のさまざまなデータをGPSを用いて同時刻に収集し、それから系統の安定性を予測するものです。系統が不安定になるのを事前に検知し、必要な対策をとれば、状況が変化しても対応できます。

開発した手法は、当所の電力系統シミュレーターを用いて検証しました。手法の詳細は省略しますが、過去数秒間の波形を時々刻々分析し、不安定となる要素が生じてきているかどうかを判定するものです。実際の予測状況をご覧ください。黄色の枠の部分に着目してください。ここは予測結果が示されている部分で、途中で不安定が予測され、○から×に変化します。


開発した予測手法を用いると、この例では実際に不安定になる10秒程度前に不安定を予測することができます。本予測手法を用い、これと系統安定化策とを組み合わせることで、さまざまな系統状況の下でも的確な安定化を実現することが可能となります。

この図はある系統事故時の発電機の加速・減速状況を示したものですが、安定化対策のない場合は、上のように同期して回転することができなくなってしまう、すなわち不安定となってしまいます。これに対して開発したリアルタイム手法によって不安定を予測し、適切な対策を行えば、下のように安定化が実現できます。実際の安定度問題、すなわち「S」の問題には多様な局面があり、開発手法は「S」の問題にかかわるすべての現象に対応できるものではありません。しかし広域的な電源運用が進む自由化時代の系統技術としては、特に重要なものの一つです。

もう一つの取り組みとして、多様な供給形態の対応について紹介します。具体的には分散型電源です。分散型電源は、基本的にはその固有な特質、経済性、信頼性によって,導入される電源のタイプや導入量、運転形態などが決まってきます。しかし実際にはさまざまな外的要因がプラス、あるいはマイナスとして導入状況に大きく影響します。


外的要因としては、電力自由化、環境、エネルギーのセキュリティの三つが需要で、まず電力自由化の局面ではプラス面としては、分散型電源による新規参入、電力小売、新ビジネスなどが将来の可能性として考えられます。一方、マイナス面としては、送電線空き容量の減少や混雑の発生で、これは自由化の電力取引にとって制約になりえます。

次に環境の局面があります。CO2の削減や、省エネへの貢献は、導入の促進にとってプラスとなります。一方で、都市部の大気環境への影響はマイナスの要素にもなります。

三つ目として、エネルギーセキュリティの局面があります。災害時や停電時のバックアップ、需要地の電源も活用した柔軟かつ強靭な需給構造の構築が挙げられます。一方、これらの電源で化石燃料に依存するものは、その燃料価格に敏感に反応し、エネルギーセキュリティの観点からは脆弱な面もあります。そして大量導入の場合には、系統事故時に分散型電源がいっせいに停止するなど、電力系統にとって安定供給への懸念もあります。


これら三つの局面は、分散型電源の量や運用に大きく影響する要因であるのは確かですが、これらは独立しているわけではなく、実際は密接にリンクしています。したがって分散型電源を考える場合には、相互の影響を考慮し、調和させることが重要となります。これは政策面では言うまでもありませんが、技術面においても同様で、特に技術は調和させるための重要な手段の一つになります。そのような観点から当所では三つの局面への調和を念頭に、系統技術面からの対応に向けた研究を進めています。

具体的には、分散型電源の大量導入に対応した新しい配電系統として、需要地系統の開発、また基幹系統への影響緩和と協調のあり方として、分散型電源の大量導入時の系統影響の分析と対策についても研究を進めています。このうち需要地系統の開発では、計算機シミュレーションによる解析とともに、当所の赤城試験センターにおいて実際の分散型電源やその模擬装置、配電系統の新しい制御装置などを設置し、分散型電源の導入にかかわる配電系統の技術課題や、分散型電源の有効活用方式などといった実証研究を行っています。ただ、これらの詳細については、時間の関係から省略させていただきます。

以上、長時間となりましたが、ここで発表をまとめておきたいと思います。電力自由化の下で系統の安定性を維持するには、まず系統利用ルールを遵守することが必要条件となります。このルールを実効的なものにするには、電力系統の特質について十分理解すること、そして専門家はそのための説明努力を払うことが重要です。自由化の進展とともに既存ルールの遵守のみでは十分でなくなるといった状況も想定され、系統技術の高度化によって対応していくことが重要となります。当所は、そうした観点から、自由化時代の系統技術研究を鋭意推進しております。ご清聴ありがとうございました。

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(財)電力中央研究所広報グループ