博士論文審査報告書

早稲田大学大学院 先進理工学研究科

博士論文審査報告書

論 文 題 目

太陽光発電設置住宅群の出力抑制回避手法 に関する研究

Study on output suppression avoidance methods for high penetration of residential PVs

申 請 者

宮本 裕介

Yusuke MIYAMOTO

電気・情報生命専攻 先進電気エネルギーシステム研究

2016 年 2 月

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我 が 国 で は 2 0 1 2 年 の 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー 固 定 価 格 買 取 制 度 の 導 入 に よ り 、 国 の 導 入 目 標 を 大 幅 に 上 回 る ス ピ ー ド で 太 陽 光 発 電（P h o t o v o l t a i c : P V）シ ス テ ム の 導 入 量 が 飛 躍 的 に 増 加 し て お り 、2 0 1 5 年 7 月 現 在 の 導 入 量 は 全 国 で 約 2 6. 5G W に ま で 到 達 し て い る 。 と り わ け 、我 が 国 の 特 徴 と し て 、住 宅 用 の P V シ ス テ ム の 導 入 比 率 が 諸 外 国 に 比 べ て 圧 倒 的 に 多 い 。 そ の た め 、 同 一 配 電 線 に 対 し て 住 宅 用 P V シ ス テ ム が 多 数 台 連 系 さ れ た 場 合 に 、 逆 潮 流 に よ る 電 圧 上 昇 が 発 生 し 、快 晴 時 で あ っ て も 、配 電 系 統 の 電 圧 を 適 正 範 囲（1 0 1±6 V 内 ） に 維 持 す る た め 、 住 宅 用 P V シ ス テ ム の 発 電 電 力 を 抑 制 せ ざ る を 得 な い （ 以 下 、 出 力 抑 制 ） と い う 課 題 が 存 在 す る 。 し か し な が ら 、P V シ ス テ ム が 導 入 さ れ た 住 宅 群 全 体 で の 電 圧 上 昇 に 基 づ く P V の 出 力 抑 制 を 回 避 す る シ ス テ ム と 実 現 手 法 に つ い て は 未 だ 確 立 さ れ て い な い 。

そ こ で 、 本 論 文 で は 、 住 宅 用 P V シ ス テ ム が 同 一 配 電 系 統 に 多 数 台 連 系 さ れ た 場 合 の 電 圧 上 昇 に よ る P V の 出 力 抑 制 を 住 宅 側 か ら 実 施 す る 対 策 技 術 に よ り 効 果 的 に 回 避 す る 手 法 を 提 案 し て い る 。 提 案 手 法 は 、P V 用 パ ワ ー コ ン デ ィ シ ョ ナ を 用 い た 無 効 電 力 制 御 方 式 、 ヒ ー ト ポ ン プ 給 湯 機 を 用 い た 有 効 電 力 制 御 方 式 、 な ら び に 、 ヒ ー ト ポ ン プ 給 湯 機 と 定 置 型 蓄 電 池 を 用 い た 有 効 電 力 制 御 方 式 で あ り 、 こ れ ら の 有 効 性 を 検 証 す る た め に 、 新 エ ネ ル ギ ー ・ 産 業 技 術 総 合 開 発 機 構 事 業 「 集 中 連 系 型 太 陽 光 発 電 シ ス テ ム 実 証 研 究 ( F Y 2 0 02 - FY 2 0 0 7)」 に て 実 測 さ れ た P V 設 置 住 宅 5 5 3 軒 の 発 電 ・ 負 荷 の 実 測 デ ー タ に も と づ き 配 電 系 統 モ デ ル （ コ ミ ュ 二 テ ィ モ デ ル ） を 構 築 し 、 提 案 手 法 を 適 用 し た 場 合 の コ ミ ュ 二 テ ィ 全 体 の P V 出 力 抑 制 回 避 効 果 等 を 計 算 機 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ り 明 ら か に し て い る 。

本 論 文 は 、P V 設 置 住 宅 群 の 発 電 出 力 抑 制 回 避 手 法 に よ る 一 連 の 成 果 を ま と め た も の で あ り 、 六 つ の 章 か ら 構 成 さ れ る 。 以 下 に 、 各 章 で の 研 究 成 果 の 概 要 と そ の 評 価 を 示 す 。

第 １ 章 で は 、 本 論 文 の 背 景 と 目 的 、 全 体 概 要 、 及 び 各 章 の 構 成 に つ い て 説 明 し 、 第 2 章 で は 、P V シ ス テ ム 多 数 台 連 系 時 の 課 題 と 提 案 す る 出 力 抑 制 回 避 手 法 の 概 要 を 示 し て い る 。 ま た 、 本 論 文 で 対 策 装 置 と し て 使 用 す る 住 宅 用 の ヒ ー ト ポ ン プ 給 湯 機 と 住 宅 用 の 定 置 型 蓄 電 池 の 導 入 量 予 測 に つ い て 記 載 し 、 本 論 文 で 採 用 す る 対 策 装 置 の 導 入 率 に つ い て 定 義 し て い る 。

第 3 章 で は 、 住 宅 用 P V シ ス テ ム が 多 数 台 連 系 さ れ た コ ミ ュ 二 テ ィ 全 体 の 注 入 無 効 電 力 量 の 最 小 化 を 目 的 と し て 、 電 圧 が 上 昇 し や す い 住 宅 の み を 対 象 と し て 無 効 電 力 制 御 を 実 施 す る 「 無 効 電 力 量 最 小 化 制 御 方 式 」 及 び 、 コ ミ ュ 二 テ ィ 内 の 各 住 宅 の 注 入 無 効 電 力 量 を 均 一 化 す る こ と を 目 的 と し 、 電 圧 が 上 昇 し に く い 住 宅 の 無 効 電 力 制 御 動 作 開 始 電 圧 を 低 く 設 定 し 、 電 圧 が 上 昇 し や す い 住 宅 の 無 効 電 力 制 御 動 作 開 始 電 圧 を 高 く 設 定 す る 「 無 効 電 力 量 均 平 化 制 御 方 式 」 を 提 案 し て い る 。 現 在 、 一 般 的 に 採 用 さ れ て い る 無 効 電 力 制 御 方 式 で は 、 全 軒 で 同 一 の 無 効 電 力 制 御 動 作 開 始 電 圧 を 採 用 し て 電 圧 上 昇 時 に 無 効 電 力 を 注 入 す る 方 式 （ 以 下 、 標 準 方 式 ） と 、 電 圧 と は 無 関 係 に P V の 発 電 電

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力 に 応 じ て 一 定 割 合 の 無 効 電 力 を 注 入 す る 「 力 率 一 定 制 御 方 式 」 が 採 用 さ れ て い る が 、 こ れ ら の 方 式 は 、 コ ミ ュ 二 テ ィ 全 体 の 注 入 無 効 電 力 量 の 最 適 化 が 考 慮 さ れ て い な い た め 、 住 宅 間 の 注 入 無 効 電 力 量 の ば ら つ き の 発 生 や 不 必 要 な 注 入 無 効 電 力 量 の 増 加 が 課 題 と な っ て い る 。 そ こ で 、 注 入 無 効 電 力 量 の 最 小 化 方 式 と 均 平 化 方 式 の 二 つ の 手 法 を 提 案 し 、P V シ ス テ ム が 多 数 台 連 系 さ れ た 4 つ の コ ミ ュ 二 テ ィ モ デ ル （ 住 宅 軒 数 ： 8 5 5 軒 、 9 0 0 軒 、 1 4 0 4 軒 、 2 1 6 0 軒 ） を 構 築 し 、 発 電 量 が 多 い 5 月 の 一 ヶ 月 間 分 の 実 測 デ ー タ を 用 い て 、 数 値 計 算 に よ り 提 案 手 法 の 評 価 を 実 施 し て い る 。そ の 結 果 、標 準 方 式 と 比 較 し て 、 無 効 電 力 量 最 小 化 制 御 方 式 に よ り 注 入 無 効 電 力 量 を 最 大 で 約 4 % 低 減 可 能 で あ る こ と 、 無 効 電 力 量 均 平 化 制 御 方 式 に よ り 注 入 無 効 電 力 量 の 標 準 偏 差 を 最 大 で 約 8 0 % 低 減 可 能 で あ る こ と を 明 ら か に し て い る 。 提 案 す る 無 効 電 力 制 御 方 式 に よ り 、 従 来 手 法 と 比 較 し て 、 コ ミ ュ 二 テ ィ 全 体 の 注 入 無 効 電 力 量 の 最 小 化 や 住 宅 間 の 不 平 等 性 の 低 減 に 向 け た 道 筋 が 明 ら か に な っ た こ と は 評 価 に 値 す る 。

第 4 章 で は 、 住 宅 用 P V シ ス テ ム が 多 数 台 連 系 さ れ た コ ミ ュ 二 テ ィ 全 体 の 出 力 抑 制 回 避 の た め 、 各 住 宅 の ヒ ー ト ポ ン プ 給 湯 機 を 用 い た 有 効 電 力 制 御 方 式 に つ い て 提 案 し て い る 。 一 般 的 に は 、 ヒ ー ト ポ ン プ 給 湯 機 は 電 気 料 金 が 安 価 な 深 夜 時 間 帯 に 運 転 す る が 、 提 案 手 法 に お い て は こ れ を P V の 出 力 抑 制 が 発 生 す る 昼 間 時 間 帯 に 運 転 す る 。 し か し な が ら 、 ヒ ー ト ポ ン プ 給 湯 機 の 消 費 電 力 ・ 消 費 電 力 量 は P V シ ス テ ム か ら の 逆 潮 流 電 力 量 を 全 て 吸 収 で き る ほ ど 大 き く な い た め 、 住 宅 毎 に ヒ ー ト ポ ン プ 給 湯 機 の 運 転 時 間 帯 を 最 適 化 す る 必 要 が あ る 。 ま た 、 逆 潮 流 電 力 量 に 対 す る 売 電 単 価 が 電 力 会 社 か ら の 買 電 単 価 よ り も 高 く 設 定 さ れ て い る こ と 、 な ら び に 昼 間 時 間 帯 の 買 電 単 価 が 深 夜 時 間 帯 よ り も 高 く 設 定 さ れ て い る こ と も あ り 、 悪 天 候 時 の ヒ ー ト ポ ン プ 給 湯 機 の 昼 間 運 転 に よ る 逆 潮 流 電 力 量 の 低 減 や 順 潮 流 電 力 量 の 増 加 は 運 用 コ ス ト 面 で 望 ま し く な い 。 そ こ で 、 住 宅 用 P V シ ス テ ム が 多 数 台 連 系 さ れ た コ ミ ュ 二 テ ィ モ デ ル （ 住 宅 軒 数 ： 1 4 0 4 軒 ） を 構 築 し 、 季 節 別 （ 2 月 、 5 月 、 8 月 、 1 1 月 ） に 、 逆 潮 流 電 力 量 の 低 減 や 順 潮 流 電 力 量 の 増 加 を 回 避 し つ つ コ ミ ュ 二 テ ィ 全 体 の 出 力 抑 制 量 を 最 小 化 す る た め の 天 気 予 報 を 用 い た ヒ ー ト ポ ン プ 給 湯 機 の 運 転 方 法 を 提 案 し 、 数 値 計 算 に よ り 提 案 手 法 の 評 価 を 実 施 し て い る 。 そ の 結 果 、 天 気 予 報 を 利 用 し な い 場 合 と 比 較 し て 、P V の 出 力 抑 制 量 が 新 た に 大 幅 な 対 策 装 置 を 導 入 す る こ と な く 最 大 で 約 2 % 改 善 さ れ る こ と を 明 ら か に し て い る 。 天 気 予 報 を 用 い て 各 住 宅 の ヒ ー ト ポ ン プ 給 湯 機 の 運 転 時 間 帯 を 最 適 化 す る こ と に よ り 、P V の 出 力 抑 制 量 が 改 善 さ れ る こ と を 明 ら か に し た 点 は 評 価 で き る 。

第 5 章 で は 、2 0 1 4 年 度 に 認 定 さ れ た 1 0k W 未 満 の P V シ ス テ ム に 適 用 さ れ る 逆 潮 流 に 対 す る 売 電 単 価 と オ ー ル 電 化 住 宅 を 対 象 と し て 、 電 力 会 社 の 買 電 単 価 を 採 用 す る 前 提 の 下 で 、 住 宅 用 P V シ ス テ ム が 多 数 台 連 系 さ れ た コ ミ ュ 二 テ ィ 全 体 の 出 力 抑 制 回 避 に よ る 年 間 電 気 料 金 収 益 の 最 大 化 を 目 的 と し 、 各

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住 宅 の 定 置 型 蓄 電 池 と ヒ ー ト ポ ン プ 給 湯 機 の 二 つ を 用 い た 有 効 電 力 制 御 方 式 に つ い て 提 案 し て い る 。 た だ し 、 定 置 型 蓄 電 池 は 将 来 に お い て も P V や ヒ ー ト ポ ン プ 給 湯 機 ほ ど の 導 入 率 増 加 が 見 込 め な い た め 、 複 数 の 定 置 型 蓄 電 池 導 入 率 を 設 定 し 、 住 宅 用 P V シ ス テ ム が 多 数 台 連 系 さ れ た コ ミ ュ 二 テ ィ モ デ ル

（ 住 宅 軒 数 ： 1 4 0 4 軒 ） を 構 築 し 、 そ れ ぞ れ 数 値 計 算 に よ り 提 案 手 法 に 関 す る 評 価 を 実 施 し て い る 。 電 圧 が 上 昇 し や す い 住 宅 に お い て 、 天 気 予 報 に て 好 天 が 予 想 さ れ る 場 合 に は 、 定 置 型 蓄 電 池 は 日 中 の 出 力 抑 制 回 避 の た め に P V が 発 電 を 開 始 す る 朝 の 時 間 帯 の 充 電 状 態 を 低 く し 、 ヒ ー ト ポ ン プ 給 湯 機 は 深 夜 時 間 帯 の 運 転 を 実 施 し な い 制 御 を 実 施 し 、 悪 天 候 が 予 想 さ れ る 場 合 に は 、 従 来 手 法 と し て 採 用 さ れ て い る 定 置 型 蓄 電 池 と ヒ ー ト ポ ン プ 給 湯 機 を 深 夜 時 間 帯 に 稼 働 さ せ る ロ ー ド レ ベ リ ン グ 運 転 を 実 施 す る こ と に よ り 、1 軒 平 均 の 年 間 電 気 料 金 収 益 を ロ ー ド レ ベ リ ン グ 運 転 の み で 得 ら れ る 1 軒 平 均 の 年 間 電 気 料 金 収 益 に 対 し て 最 大 約 2 倍 に 改 善 で き る こ と を 明 ら か に し て い る 。 定 置 型 蓄 電 池 と ヒ ー ト ポ ン プ 給 湯 機 を 用 い て 、 年 間 電 気 料 金 収 益 を 改 善 す る 手 法 の 効 果 を 明 ら か に し た こ と は 評 価 に 値 す る 。

第 6 章 は 結 論 で あ り 、 本 論 文 の 研 究 成 果 に つ い て 総 括 し て い る 。

以 上 を 要 約 す る に 、 本 論 文 は 、 同 一 配 電 線 に 住 宅 用 太 陽 光 発 電 シ ス テ ム が 多 数 台 系 統 連 系 さ れ た コ ミ ュ 二 テ ィ に お い て 、 電 圧 上 昇 に 起 因 す る 太 陽 光 発 電 の 出 力 抑 制 を 効 果 的 に 回 避 す る た め 、 住 宅 側 か ら 実 施 す る 「 無 効 電 力 制 御 方 式 」、「 ヒ ー ト ポ ン プ 給 湯 機 を 用 い た 有 効 電 力 制 御 方 式 」、「 ヒ ー ト ポ ン プ 給 湯 機 と 定 置 型 蓄 電 池 を 用 い た 有 効 電 力 制 御 方 式 」 を 提 案 し 、 従 来 手 法 と 比 較 し て 、 コ ミ ュ 二 テ ィ 全 体 の 太 陽 光 発 電 出 力 抑 制 量 が 低 減 可 能 で あ る こ と と 、 電 気 料 金 収 益 が 改 善 可 能 で あ る こ と を 、 現 実 の 発 電 ・ 負 荷 実 測 デ ー タ を 用 い て 計 算 機 に よ る 数 値 計 算 に よ り 検 証 し 、 提 案 手 法 の 有 効 性 を 明 ら か に し た も の で あ る 。

本 論 文 で 得 ら れ た 成 果 は 、 今 後 も 増 加 が 予 想 さ れ る 太 陽 光 発 電 設 置 住 宅 が 多 数 連 系 さ れ た 配 電 系 統 に お い て 、 住 宅 群 全 体 で の 電 圧 上 昇 起 因 の 太 陽 光 発 電 出 力 の 抑 制 を ど う 回 避 す る か と い う 方 法 論 の 確 立 に 貢 献 す る も の で あ り 、 住 宅 用 太 陽 光 発 電 の 最 大 限 の 利 活 用 と 電 圧 品 質 確 保 に 資 す る こ と か ら 、 電 気 エ ネ ル ギ ー シ ス テ ム 工 学 の 発 展 に 寄 与 す る も の で あ る 。 よ っ て 、 本 論 文 は 博 士 （ 工 学 ） に 値 す る も の と 認 め る 。

2 0 15 年 1 2 月 審 査 員

（ 主 査 ） 早 稲 田 大 学 教 授 博 士 （ 工 学 ） 早 稲 田 大 学 林 泰 弘 早 稲 田 大 学 教 授 工 学 博 士 早 稲 田 大 学 岩 本 伸 一 早 稲 田 大 学 教 授 工 学 博 士 早 稲 田 大 学 石 山 敦 士 早 稲 田 大 学 教 授 博 士 （ 工 学 ） 早 稲 田 大 学 若 尾 真 治