早稲田大学大学院 先進理工学研究科
博 士 論 文 概 要
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
2015 年 10 月
我 が 国 に お い て は ，2 0 12 年 7 月 か ら 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー 固 定 価 格 買 取 制 度 が 開 始 さ れ ，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 加 速 度 的 に 増 加 し て い る 。経 済 産 業 省 の 統 計 に よ る と 2 0 1 2 年 7 月 か ら 2 0 1 5 年 5 月 ま で の P V シ ス テ ム の 導 入 量 は ，1 0 k W 未 満 が 約 3 2 5 万 k W，1 0k W 以 上 が 約 1 , 68 4 万 k W と 顕 著 に 増 加 し て い る 。 特 に 5 0 k W 未 満 の P V シ ス テ ム は ， 一 般 用 電 気 工 作 物 と し て 取 り 扱 え る 出 力 範 囲 の 拡 大 等 ， 一 連 の 規 制 緩 和 に よ り 参 入 へ の 障 壁 が 非 常 に 低 く な っ た た め ， 今 後 も 配 電 系 統 へ の P V シ ス テ ム の 導 入 が ま す ま す 加 速 し て い く も の と 思 わ れ る 。 し か し ， 同 一 配 電 系 統 へ の P V シ ス テ ム の 導 入 量 が 増 加 す る と ， 配 電 系 統 に お け る 電 圧 を 適 正 範 囲 （1 0 1±6 V） に 維 持 す る た め ， 晴 天 日 で あ る に も 関 わ ら ず 住 宅 用 P V シ ス テ ム の 出 力 を 制 限 し ， 発 電 機 会 損 失 （ 以 下 ， 出 力 抑 制 ） が 発 生 す る と い う 技 術 的 課 題 の 発 生 が 懸 念 さ れ て い る 。
そ こ で ， 本 論 文 で は 上 述 し た 住 宅 用 P V シ ス テ ム の 導 入 課 題 を 解 決 す る た め ， 住 宅 側 か ら の 出 力 抑 制 回 避 手 法 を 提 案 し ， そ の 有 用 性 を 検 証 す る こ と を 目 的 と す る 。具 体 的 な 出 力 抑 制 回 避 手 法 と し て ，「 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 」，「 定 置 型 蓄 電 池 と ヒ ー ト ポ ン プ 給 湯 機 を 用 い た 有 効 電 力 制 御 方 式 」 を 提 案 す る 。 提 案 手 法 に つ い て は ， 群 馬 県 太 田 市 で 実 施 さ れ た N ED O 事 業 「 集 中 連 系 型 太 陽 光 発 電 シ ス テ ム 実 証 研 究( F Y 2 0 0 2 - F Y 2 0 07 )」 に て 実 測 さ れ た 5 5 3 軒 の 発 電 ・ 負 荷 デ ー タ を 用 い た シ ミ ュ レ ー シ ョ ン モ デ ル を 構 築 し ， 数 値 計 算 に よ り そ の 妥 当 性 を 検 証 し て い る 。 以 下 に 各 章 の 概 要 に つ い て 述 べ る 。
第 1 章 で は ，「 序 論 」 と し て ， 本 論 文 に お け る 背 景 と 目 的 ， 及 び 各 章 構 成 に つ い て 説 明 す る 。
第 2 章 で は ， 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー 固 定 価 格 買 取 制 度 の 導 入 に 伴 い 実 施 さ れ た 配 電 系 統 に P V シ ス テ ム を 大 量 導 入 す る た め の 規 制 緩 和 策 や P V シ ス テ ム の 大 量 導 入 に よ り 発 生 す る 技 術 的 課 題 に つ い て 説 明 す る 。 ま た ， 本 論 文 に お け る 主 要 テ ー マ で あ る ， 住 宅 用 P V シ ス テ ム が 多 数 台 系 統 連 系 さ れ た 一 般 配 電 系 統 に お け る ， 逆 潮 流 に よ る 電 圧 上 昇 時 に コ ミ ュ ニ テ ィ 全 体 を 一 つ の 集 合 体 と 見 た 場 合 の 電 圧 制 御 方 式 と し て 検 討 す る ， 無 効 電 力 制 御 方 式 及 び 有 効 電 力 制 御 方 式 に つ い て 概 説 す る 。 無 効 電 力 制 御 方 式 は ， 各 住 宅 の P V 用 パ ワ ー コ ン デ ィ シ ョ ナ を 用 い て ， 有 効 電 力 制 御 方 式 は 各 住 宅 に 導 入 さ れ た ヒ ー ト ポ ン プ 給 湯 機 若 し く は 定 置 型 蓄 電 池 及 び ヒ ー ト ポ ン プ 給 湯 機 の 併 用 に て 実 施 す る も の と し ， こ れ ら の 提 案 手 法 に つ い て 概 説 す る 。 な お ， こ れ ら の 提 案 手 法 の 効 果 に つ い て は ， 第 3 章 か ら 第 5 章 に て 詳 述 す る 。 さ ら に ， 有 効 電 力 制 御 方 式 と し て 用 い る ヒ ー ト ポ ン プ 給 湯 機 及 び 定 置 型 蓄 電 池 の 将 来 の 予 測 導 入 量 に つ い て 合 わ せ て 説 明 す る 。
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第 3 章 で は ，同 一 配 電 線 に 住 宅 用 P V シ ス テ ム が 多 数 台 系 統 連 系 さ れ た 4 つ の コ ミ ュ ニ テ ィ （ 住 宅 軒 数 ： 9 0 0 軒 , 2 1 6 0 軒 , 1 4 0 4 軒 , 8 5 5 軒 ） に お い て ， 各 P V シ ス テ ム に 搭 載 さ れ て い る 無 効 電 力 制 御 機 能 を 用 い た 場 合 の コ ミ ュ ニ テ ィ 全 体 の P V の 出 力 抑 制 回 避 率 を 最 大 化 し つ つ ， 無 効 電 力 注 入 量 の 最 小 化 ， 住 宅 間 の 無 効 電 力 注 入 量 の 均 平 化 を 目 的 と し た 各 住 宅 の パ ワ ー コ ン デ ィ シ ョ ナ の 無 効 電 力 制 御 方 式 に つ い て 提 案 し て い る 。 パ ワ ー コ ン デ ィ シ ョ ナ に よ る 無 効 電 力 制 御 は 電 圧 上 昇 抑 制 と い う 観 点 で は 効 果 が 認 め ら れ て お り ， 現 状 の 市 販 品 に 実 装 さ れ て い る が ， 従 来 手 法 で は コ ミ ュ ニ テ ィ 全 体 の 注 入 無 効 電 力 量 の 増 加 や ， 各 住 宅 の 無 効 電 力 注 入 量 に ば ら つ き が 生 じ る こ と が 懸 念 さ れ る 。そ こ で ，住 宅 用 P V シ ス テ ム が 多 数 台 連 系 さ れ た 4 つ の 一 般 配 電 系 統 に お い て ，P V の 出 力 抑 制 量 の 大 き い 系 統 末 端 に 連 系 さ れ た 住 宅 の パ ワ ー コ ン デ ィ シ ョ ナ の 力 率 設 定 を 低 く し ， 配 電 用 変 電 所 近 傍 の 住 宅 で は 無 効 電 力 制 御 を 実 施 し な い 「 無 効 電 力 注 入 量 最 小 化 方 式 」，P V の 出 力 抑 制 量 の 大 き い 系 統 末 端 の 住 宅 の パ ワ ー コ ン デ ィ シ ョ ナ の 無 効 電 力 制 御 動 作 開 始 電 圧 を 高 く 設 定 し ， 配 電 用 変 電 所 近 傍 の 住 宅 の 無 効 電 力 制 御 動 作 開 始 電 圧 を 低 く 設 定 す る 「 無 効 電 力 量 均 平 化 方 式 」 を 提 案 し ， 代 表 的 な 晴 天 日 に お い て 提 案 手 法 の 評 価 を 行 っ た 。 ま た ， 提 案 手 法 及 び 従 来 手 法 に つ い て ， 1 か 月 間 （ 5 月 ） 運 転 を 行 い ， コ ミ ュ ニ テ ィ 全 体 の P V の 出 力 抑 制 回 避 率 の 最 大 化 と 無 効 電 力 量 最 小 化 の 両 立 性 を 目 的 関 数 と し た 際 に ，提 案 手 法 に よ り P V の 出 力 抑 制 回 避 率 を 維 持 し つ つ 無 効 電 力 注 入 量 を 最 大 約 4 % 低 減 可 能 で あ る こ と ， 及 び ， コ ミ ュ ニ テ ィ 全 体 の P V の 出 力 抑 制 回 避 率 の 最 大 化 と 住 宅 間 の 無 効 電 力 量 の 均 平 化 の 両 立 性 を 目 的 関 数 と し た 際 に ， 提 案 手 法 に よ り P V の 出 力 抑 制 回 避 率 を 維 持 し つ つ 無 効 電 力 量 の 標 準 偏 差 を 最 大 約 8 0 % 低 減 可 能 で あ る こ と を 明 ら か に し て い る 。
第 4 章 で は ， 同 一 配 電 線 に 住 宅 用 P V シ ス テ ム が 多 数 台 系 統 連 系 さ れ た コ ミ ュ ニ テ ィ （ 住 宅 軒 数 ： 1 4 0 4 軒 ） に お い て ， 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 。 ヒ ー ト ポ ン プ 給 湯 機 の 消 費 電 力 量 が ， 晴 天 時 に 住 宅 か ら 流 出 す る 逆 潮 流 電 力 量 よ り も 小 さ く な る こ と ，及 び ，系 統 連 系（ 設 置 ） 地 点 の 差 に よ り 各 住 宅 の 電 圧 上 昇 に よ る P V の 出 力 抑 制 量 に 差 が 生 じ る こ と か ら ， ヒ ー ト ポ ン プ 給 湯 機 の 運 転 時 間 を 住 宅 毎 に 最 適 化 す る 必 要 が あ る 。 特 に 現 在 の 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー 固 定 価 格 買 取 制 度 に お い て は ，住 宅 か ら の 余 剰（ 逆 潮 流 ） 電 力 は ， 自 家 消 費 す る よ り も 売 電 す る こ と に よ り コ ス ト メ リ ッ ト が 生 じ る た め ， ヒ ー ト ポ ン プ 給 湯 機 の 昼 間 運 転 に よ る 不 必 要 な 逆 潮 流 電 力 量 の 低 減 ， 自 家 消 費 電 力 量 の 増 加 が 発 生 し な い よ う ， こ れ ら の 条 件 も 踏 ま え た ヒ ー ト ポ ン プ 給 湯 機 の 運 転 方 法 を 検 討 す る 必 要 が あ る 。 ま た ，P V シ ス テ ム の 発 電 電 力 量 や 需 要 家 の 負 荷 電 力 量 及 び ヒ ー ト ポ ン プ 給 湯 機 の 消 費 電 力 量 は 季 節 に よ り 変 化 す る た め ， ヒ ー ト
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ポ ン プ 給 湯 機 の 運 転 時 間 帯 の 最 適 化 は 季 節 別 に 検 討 す る 必 要 が あ る 。 そ こ で ， 住 宅 用 P V シ ス テ ム が 多 数 台 系 統 連 系 さ れ た 一 般 配 電 系 統 に お い て ，季 節 別（2 月 ， 5 月 ，8 月 ，11 月 ） に 代 表 的 な 晴 天 日 を 1 日 選 定 し ， 同 日 の 発 電 ・ 負 荷 パ タ ー ン を 用 い て ， コ ミ ュ ニ テ ィ 全 体 の ヒ ー ト ポ ン プ 給 湯 機 の 昼 間 運 転 に よ る P V の 出 力 抑 制 回 避 量 と ， 低 下 す る P V の 逆 潮 流 電 力 量 や 増 加 す る 順 潮 流 電 力 量 の 差 分 を 算 出 し ，こ れ を P V の 発 電 電 力 量 で 規 格 化 し た 値 を P V の 出 力 抑 制 回 避 率 と 定 義 し ， こ れ を 評 価 パ ラ メ ー タ と し た 各 住 宅 の 運 転 時 間 帯 に 関 す る 評 価 を 行 っ た 。 そ の 結 果 ， P V の ピ ー ク 時 刻 の 前 後 対 称 に ヒ ー ト ポ ン プ 給 湯 機 を 運 転 す る 実 運 用 を 想 定 し た 運 転 方 法 が ，P V の 出 力 抑 制 回 避 を 目 的 と し て 個 々 の 住 宅 の ヒ ー ト ポ ン プ 給 湯 機 の 運 転 時 間 帯 を 調 整 す る 他 の 運 転 方 法 と 比 較 し て ，P V の 出 力 抑 制 回 避 率 が 大 き く 変 わ ら な い こ と を 明 ら か に し て い る 。 た だ し 実 運 用 時 は ， 選 定 し た 代 表 日 の よ う に 必 ず し も 晴 天 日 が 継 続 す る わ け で は な い た め ， 天 候 に 応 じ た ヒ ー ト ポ ン プ 給 湯 機 の 運 転 方 法 が 求 め ら れ る 。 そ こ で ， 天 気 予 報 と 電 圧 上 昇 に よ る P V の 出 力 抑 制 量 の 相 関 を 分 析 し ， こ の 分 析 結 果 を 用 い て ， 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 ， 従 来 手 法 と 比 較 し て ，P V の 出 力 抑 制 回 避 率 が 最 大 約 2 % 改 善 さ れ る こ と を 明 ら か に し て い る 。
第 5 章 で は ， 平 成 2 6 年 度 の 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー 固 定 買 取 価 格 制 度 に お け る 売 電 単 価 と 電 力 会 社 が オ ー ル 電 化 住 宅 を 対 象 と し て 販 売 中 の 買 電 単 価 の 採 用 を 前 提 と し ，同 一 配 電 線 に 住 宅 用 P V シ ス テ ム が 多 数 台 系 統 連 系 さ れ た コ ミ ュ ニ テ ィ（ 住 宅 軒 数 ： 1 4 0 4 軒 ） に お け る ， 各 住 宅 の ヒ ー ト ポ ン プ 給 湯 機 及 び 定 置 型 蓄 電 池 を 用 い た 有 効 電 力 制 御 に よ る 電 気 料 金 収 益 の 最 大 化 方 法 に つ い て 提 案 し て い る 。 た だ し ， 定 置 型 蓄 電 池 は ， 将 来 的 に も P V シ ス テ ム や ヒ ー ト ポ ン プ 給 湯 機 ほ ど の 導 入 率 の 上 昇 が 見 込 ま れ て い な い た め ， コ ミ ュ ニ テ ィ 全 体 の 定 置 型 蓄 電 池 の 導 入 率 を 複 数 設 定 し ， 導 入 率 別 の 運 転 方 法 に つ い て 評 価 を 行 っ た 。 一 般 的 に は ， 定 置 型 蓄 電 池 と ヒ ー ト ポ ン プ 給 湯 機 は ， 深 夜 の 安 価 な 電 力 を 用 い た 運 用 が 行 わ れ る が ， 提 案 手 法 に お い て は ， 第 4 章 と 同 様 に 天 気 予 報 に て 翌 日 好 天 が 予 想 さ れ る 場 合 に ， ヒ ー ト ポ ン プ 給 湯 機 は 昼 間 運 転 ， 定 置 型 蓄 電 池 は 朝 の 時 点 で 充 電 状 態 を 低 く す る こ と に よ り ，P V の 出 力 抑 制 回 避 を 可 能 と す る 。 さ ら に ， 系 統 連 系 地 点 の 差 に よ り 各 住 宅 で 発 生 す る P V の 出 力 抑 制 量 が 異 な る た め ， 直 近 の 晴 天 日 に 記 録 し た 充 電 状 態 等 を 制 御 パ ラ メ ー タ と し た 住 宅 毎 の 定 置 型 蓄 電 池 ， ヒ ー ト ポ ン プ 給 湯 機 の 運 転 方 法 を 提 案 し ， 従 来 手 法 と 比 較 し て ，1 軒 平 均 の 年 間 電 気 料 金 収 益 が 最 大 約 2 倍 に な る こ と を 明 ら か に し て い る 。
第 6 章 は 「 結 論 」 で あ り ， 本 論 文 の 成 果 に つ い て 総 括 し て い る 。 N o . 3
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早稲田大学 博士（工学） 学位申請 研究業績書
氏 名 宮本 裕介 印
（2016 年 2 月 現在）
種 類 別 題名、 発表・発行掲載誌名、 発表・発行年月、 連名者（申請者含む）
論文 ○
○
国際会議
(全て査読有り)
1．宮本裕介，林泰弘，「長期間運用を想定したヒートポンプ給湯器による太陽光発電シ ステムの電圧上昇抑制効果」，電気学会論文誌 B，Vol.135,No.7,pp. 423-436，2015 年 7 月.
2. 宮本裕介，林泰弘，「家庭用蓄電池とヒートポンプ給湯器による多数台太陽光発電シ ステムの電気料金改善効果」，電気学会論文誌 B, Vol.136 No.3,pp.1-14, 2016 年 3 月.（掲載決定）
1. Y. Miyamoto, Y.Hayashi，“Evaluation of improved generation efficiency through residential PV voltage control of a clustered residential grid-interconnected PV”, Proc. IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Europe 2010,pp.1-8, 2010.
2. Y. Miyamoto, Y.Hayashi, “Evaluation of generation efficiency and voltage deviation in residentail clustered PV voltage control”, Proc. 37th IEEE Photovoltaic Specialists Conference,pp.1-6, 2011.
3. Y. Miyamoto, Y.Hayashi, “Verifying the avoidance output suppression loss effect: Residential PV reactive power control of a clustered residential grid-interconnected PV systems”, Proc. The International Conference on Electrical Engineering, pp.1-6, 2011.
4. Y. Miyamoto, Y.Hayashi, “Distribution line structure and generation efficiency improvement: A clustered residential grid-interconnected PV”, Proc. 17th Power Systems Computation Conference, pp.1-7, 2011.
5. Y. Miyamoto, Y.Hayashi, “Optimization of reactive power control of clustered residential grid-interconnected PV systems”, 21st International Photovoltaic Science and Engineering Conference,pp.1-2, 2011.
6．Y. Miyamoto, Y.Hayashi, “Effectiveness of optimal arrangement of the residences operated by reactive power control for a clustered grid-interconnected PV system”, Proc. The International Conference on Electrical Engineering, pp.1-6, 2012.
7. Y. Miyamoto, Y.Hayashi, “Evaluating improved generation efficiency: One year using residential PV voltage control with a clustered residential grid-interconnected PV”, Proc. IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Europe 2012, pp.1-8, 2012.
8. Y. Miyamoto, Y.Hayashi, “Prevention of output suppression through heat pump water heaters for high-penetration residential PV systems”, Proc. 39th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, pp.1-6, 2013.
Ｎｏ.2
早稲田大学 博士（工学） 学位申請 研究業績書
種 類 別 題名、 発表・発行掲載誌名、 発表・発行年月、 連名者（申請者含む）
国内会議
その他
1. 宮本 裕介，林 泰弘,「家庭用太陽光発電システム多数台連系時の出力抑制回避の 最大化を目的とした電圧上昇抑制動作パラメータの整定値の評価」，電気学会電力技 術・電力系統技術合同研究会,PE-10-107,PSE-10-106, pp.1-9,2010.
2. 宮本 裕介，林 泰弘,「住宅用太陽光発電システム多数台連系時の無効電力制御機 能による出力抑制回避効果の検証」，平成 23 年電気学会全国大会，pp.1-2, 2011.
3. 宮本 裕介，林 泰弘,「太陽光発電システム多数台連系時の出力抑制量推定方法の 検討」, 平成 23 年電気学会電力・エネルギー部門大会，pp.1-2, 2011.
4. 宮本 裕介，林 泰弘,「太陽光発電システム多数台連系時の出力抑制量推定に関す る分析: 系統インピーダンスの影響」，新エネルギー・環境/メタボリズム社会・環境 システム合同研究会，FTE-11-043, MES-11-029,pp.1-6,2011.
5. 宮本 裕介，林 泰弘,「太陽光発電システム多数台連系時の出力抑制量推定に関す る分析」，電気学会電力技術・電力系統技術合同研究会 ,PE-11-093,PSE-11-110, pp.1-6,2011.
6. 宮本 裕介，林 泰弘,「ヒートポンプ式給湯器を用いた太陽光発電出力抑制回避制 御の最適化」，平成 24 年電気学会電力・エネルギー部門大会，pp.1-2, 2012.
7. 宮本 裕介，林 泰弘,「ヒートポンプ式給湯器を用いた住宅用太陽光発電出力抑制 回避制御の最適化」，平成 25 年電気学会全国大会，pp.1-2, 2013.
8. 宮本 裕介，林 泰弘,「ヒートポンプ式給湯器全軒運用時の太陽光発電出力抑制回 避制御の最適化」, 平成 25 年電気学会電力・エネルギー部門大会，pp.1-2, 2013.
1. Y. Miyamoto, Y.Hayashi, “Advanced reactive power control at individual residences to smooth energy loss fluctuation for a clustered grid-interconnected PV system”, Journal of Energy and Power Engineering, pp.1-pp.12, 2013/8.
