博 士 論 文 概 要

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

PV 大量導入とデマンドレスポンスに対応した 系統制御機器と蓄電池の協調電圧制御に関する研究

Study on Cooperative Voltage Control

with Battery Energy Storage and Voltage Regulator for Penetration of PV and Demand Response

申 請 者

吉永 淳

Jun YOSHINAGA

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 3 月

No.1

配 電 系 統 は 変 電 所 か ら 需 要 側 に 電 気 を 供 給 す る 電 力 ネ ッ ト ワ ー ク で あ り ， 適 正 電 圧 維 持 や 供 給 信 頼 度 確 保 と い っ た 観 点 か ら 総 合 的 に 設 備 構 築 ・ 運 用 ・ 制 御 が 行 わ れ な け れ ば な ら な い 。2 0 11 年 の 東 日 本 大 震 災 以 降 ， 環 境 負 荷 の 軽 減 や 供 給 力 拡 大 を 目 的 と し て 太 陽 光 発 電 （P V: P h o t o v o l t a i c） な ど の 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー の 導 入 拡 大 や ， 電 気 事 業 者 か ら の 価 格 情 報 や イ ン セ ン テ ィ ブ な ど に 基 づ き 需 要 家 の 負 荷 抑 制 を 誘 導 し ， 電 力 の ピ ー ク カ ッ ト ， ピ ー ク シ フ ト を 実 現 す る デ マ ン ド レ ス ポ ン ス （D R : D e m a n d R e s p o n s e） の 導 入 が 国 主 導 で 進 め ら れ て い る 。 し か し な が ら,再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー に よ る 逆 潮 流 や ， デ マ ン ド レ ス ポ ン ス の 発 動 ・ 解 除 に 伴 う 急 激 な 負 荷 変 動 が 拡 大 す る と ， 配 電 系 統 の 潮 流 に 大 き な 変 化 を も た ら し ， 既 設 の 電 圧 制 御 機 器 で あ る 負 荷 時 タ ッ プ 切 替 変 圧 器 （L RT: L o a d R a t i o c o n t r o l Tr a n s f o r m e r） や 自 動 電 圧 調 整 装 置 （S V R : St e p Vo l t a g e R e g u l a t o r） で は 補 償 し き れ ず ， 電 気 事 業 法 で 定 め ら れ た 適 正 電 圧 維 持 が 困 難 に な る 恐 れ が あ る 。 こ の 対 策 の １ つ と し て 蓄 電 池 を 配 電 系 統 に 設 置 し て 電 圧 補 償 を 行 う こ と が 有 効 で あ る が ， 出 力 方 式 （ 有 効 電 力 ま た は 無 効 電 力 ）， 設 置 電 圧 階 級 （ 高 圧 系 統 ま た は 低 圧 系 統 ）， 配 置 （ 集 中 ま た は 分 散 ） や 配 電 線 路 の 形 態 な ど 評 価 す る パ ラ メ ー タ が 多 岐 に 亘 る た め ， 出 力 方 式 ， 設 置 電 圧 階 級 や 配 置 に つ い て こ れ ま で 統 合 的 に 評 価 す る 手 法 は な い 。 ま た ， 配 電 系 統 に 蓄 電 池 を 設 置 し て 電 圧 制 御 を 行 う 際 ， 従 来 の よ う に 対 策 機 器 を 対 処 療 法 的 に 電 圧 逸 脱 発 生 箇 所 に 設 置 す る と ， 応 答 速 度 の 速 い 蓄 電 池 の 出 力 で 系 統 電 圧 が 改 善 さ れ て し ま う た め ，L RT や S V R は 動 作 せ ず に ，蓄 電 池 が 出 力 を 継 続 し て 適 正 電 圧 維 持 す る こ と と な り ， 電 圧 制 御 に 必 要 な 蓄 電 池 容 量 や 設 備 コ ス ト が 増 大 す る と い う 課 題 が 存 在 す る 。 蓄 電 池 は コ ス ト ・ 運 用 の 観 点 か ら 小 型 ・ 小 出 力 化 が 望 ま し く ， こ れ を 実 現 す る に は 既 設 の 電 圧 制 御 装 置 と 協 調 し て 制 御 の 役 割 分 担 を 行 う 必 要 が あ る が ， こ れ ら の 協 調 電 圧 制 御 手 法 は い ま だ 確 立 さ れ て い な い 。 一 方 ， デ マ ン ド レ ス ポ ン ス の 発 動 時 は ， 複 数 の 需 要 家 の 負 荷 抑 制 お よ び 抑 制 解 除 が 一 斉 に 行 わ れ る た め ， 配 電 線 単 位 で 見 る と 系 統 電 圧 が 急 変 し ， 分 オ ー ダ ー の 動 作 時 限 を 持 つ 電 圧 制 御 装 置 で は 補 償 遅 れ が 生 じ ， 負 荷 削 減 量 や 配 電 系 統 の 形 態 （ 線 路 亘 長 ， 電 線 の 太 さ な ど ） に よ っ て は 適 正 電 圧 を 逸 脱 し ， 太 陽 光 発 電 の 出 力 抑 制 や 一 斉 解 列 が 懸 念 さ れ る な ど 配 電 系 統 の 電 圧 変 動 に 関 す る 問 題 提 起 が さ れ て い る も の

の ，L RT や S V R や 蓄 電 池 の 電 圧 制 御 分 担 を 考 慮 し た 具 体 的 な 対 策 の 提 案 ま で は 至

っ て い な い 。

本 論 文 で は 上 述 し た 課 題 を 解 決 す る た め ， 太 陽 光 発 電 の 大 量 連 系 や デ マ ン ド レ ス ポ ン ス が 普 及 拡 大 し た 配 電 系 統 の 電 圧 対 策 機 器 と し て 蓄 電 池 を 設 置 し た 場 合 に ， 単 位 出 力 あ た り の 電 圧 改 善 効 果 が 最 大 と な る 蓄 電 池 の 出 力 方 式 と 配 置 に 関 す る 評 価 手 法 （ ① 蓄 電 池 出 力 ・ 配 置 評 価 手 法 ） を 提 案 し ， そ の 手 法 を 基 盤 と し て ， 蓄 電 池 の 電 圧 制 御 出 力 に 応 じ て L RT や S V R を 強 制 的 に 制 御 す る 能 動 的 協 調 電 圧 制 御 手 法 （ ② 能 動 的 協 調 電 圧 制 御 手 法 ） 並 び に 電 圧 変 動 の 短 周 期 成 分 と 長 周 期 成 分 を

No.2

分 離 し て 蓄 電 池 と L RT や S V R で 制 御 分 担 す る 分 担 型 協 調 電 圧 制 御 手 法 （ ③ 機 能 分 担 型 協 調 電 圧 制 御 手 法 ） を 提 案 し た 。 さ ら に ， 太 陽 光 発 電 が 大 量 連 系 さ れ た 配 電 系 統 や デ マ ン ド レ ス ポ ン ス が 普 及 し て 電 圧 逸 脱 が 生 じ て い る 配 電 系 統 に お い て ， 数 値 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン や 配 電 系 統 シ ミ ュ レ ー タ 実 験 を 通 し て 提 案 手 法 の 有 効 性 を 検 証 し た 。

本 論 文 は 全 5 章 で 構 成 さ れ ， 第 1 章 は 「 序 論 」 と し て ， 本 論 文 の 背 景 と 目 的 お よ び 論 文 の 構 成 に つ い て 説 明 し ，3 つ の 提 案 す る 手 法 お よ び 有 効 性 の 検 証 結 果 に つ い て そ れ ぞ れ 第 2 章 ～ 第 4 章 に 記 載 す る 。

第 2 章 で は ， ① 蓄 電 池 出 力 ・ 配 置 評 価 手 法 と し て 4 つ の 地 区 区 分 （ 工 業 ，住 宅 ， 繁 華 街 ， 農 山 村 ） と 2 種 類 の 線 路 亘 長 （ 平 均 ， 長 亘 長 ） を 用 い た 配 電 系 統 標 準 解 析 モ デ ル を 構 築 し ， 蓄 電 池 の 単 位 出 力 あ た り の 電 圧 改 善 効 果 が 最 大 と な る よ う な 出 力 方 式（ 有 効 電 力 ま た は 無 効 電 力 ），設 置 電 圧 階 級（ 高 圧 ま た は 低 圧 ） お よ び 配 置 （ 集 中 ま た は 分 散 ） を 潮 流 解 析 に 基 づ き 選 定 す る 手 法 を 提 案 し た 。 提 案 手 法 を 用 い た シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 結 果 よ り,蓄 電 池 の 単 位 出 力 あ た り の 電 圧 改 善 効 果 が 最 も 高 い の は 無 効 電 力 出 力 方 式 で ， 設 置 個 所 は 高 圧 配 電 系 統 の 末 端 に 集 中 配 置 す る 場 合 で あ り ，蓄 電 池 無 効 電 力 の 単 位 出 力（M v a r）当 た り の 電 圧 改 善 効 果 と し て は ， 適 正 電 圧± 6 %に 対 し て 1 M v a r あ た り 1 %～8 %の 効 果 が あ る こ と を 明 ら か に し た 。

第 3 章 で は ， 電 圧 逸 脱 が 生 じ て い る 太 陽 光 発 電 が 連 系 し た 配 電 系 統 に ， 第 2 章 の 提 案 手 法 （ ① 蓄 電 池 出 力 ・ 配 置 評 価 手 法 ） で 得 ら れ た 蓄 電 池 の 出 力 方 式 と 配 置 を 用 い て ， 蓄 電 池 容 量 を 最 小 化 す る 「 蓄 電 池 と L RT と S V R と の 協 調 電 圧 制 御 手 法（ ② 能 動 的 協 調 電 圧 制 御 手 法 ）」を 提 案 し た 。こ れ ま で 蓄 電 池 や 静 止 型 無 効 電 力 補 償 装 置（S V C : St a t i c Va r C o m p e n s a t o r）な ど 無 効 電 力 補 償 装 置 を 配 電 系 統 に 用 い て 電 圧 制 御 を 行 う 手 法 と し て は ， 既 設 の 電 圧 制 御 機 器 と の 不 感 帯 幅 を 変 え て 協 調 を 図 る 制 御 方 法 な ど が 提 案 さ れ て い る が ， 電 圧 変 動 の 大 き さ や 変 化 率 に よ っ て は

L RT と S V R の 動 作 が 限 定 さ れ ， 結 果 と し て 蓄 電 池 出 力 の み で 電 圧 制 御 が 行 わ れ ，

必 要 と な る 蓄 電 池 の 高 出 力 ・ 大 容 量 化 が 懸 念 さ れ る 。 そ こ で 配 電 系 統 に 電 圧 変 動 が 生 じ た 場 合 ， 応 答 速 度 の 速 い 蓄 電 池 が 即 応 し て 電 圧 改 善 を 行 い ， 蓄 電 池 出 力 が 継 続 し た 場 合 の 出 力 積 算 量 を 管 理 し ， 基 準 値 を 超 え た 際 は 瞬 時 的 な 電 圧 変 動 で は な く 長 周 期 的 な 電 圧 変 動 と 判 断 し て L RT と S V R に タ ッ プ 動 作 指 令 を 与 え る 能 動 的 な 協 調 電 圧 制 御 手 法 を 提 案 し た 。 こ の 制 御 手 法 で は ， 協 調 制 御 な し の ケ ー ス に お い て 蓄 電 池 が 全 補 償 し て い た 電 圧 制 御 の う ち ， 長 周 期 的 な 電 圧 変 動 の 補 償 を

L RT と S V R に 分 担 さ せ て い る 。 提 案 手 法 の 妥 当 性 に つ い て は ， 晴 天 日 （1 パ タ ー

ン ）， 曇 天 日 （2 パ タ ー ン ） の 3 パ タ ー ン の 気 象 条 件 の 下 ， シ ミ ュ レ ー シ ョ ン お よ び 配 電 系 統 シ ミ ュ レ ー タ を 用 い て ， 蓄 電 池 が 非 設 置 の ケ ー ス と 協 調 制 御 を 行 わ な

No.3

い ケ ー ス （ 非 協 調 制 御 ） と の 比 較 ・ 検 証 を 行 い ， 提 案 手 法 で は 全 て の 気 象 条 件 下 で 電 圧 逸 脱 を 解 消 で き る と と も に ，L RT と S V R の タ ッ プ 動 作 回 数 を 蓄 電 池 非 設 置 の ケ ー ス と 比 較 し て 増 や す こ と な く ， 蓄 電 池 容 量 を 非 協 調 制 御 の ケ ー ス と 比 較 し て 7 9～9 2 %削 減 で き る こ と を 明 ら か に し た 。

第 4 章 で は ， ピ ー ク 電 力 抑 制 や 環 境 負 荷 低 減 の 新 た な 対 策 と し て 今 後 普 及 が 見 込 ま れ る デ マ ン ド レ ス ポ ン ス に 着 目 し ，デ マ ン ド レ ス ポ ン ス の 発 動・解 除 時 に「 電 圧 変 動 の 短 周 期 成 分 と 長 周 期 成 分 を 分 離 し て 蓄 電 池 と L RT と S V R と の 制 御 分 担 す る 機 能 分 担 型 協 調 電 圧 制 御 手 法（ ③ 機 能 分 担 型 協 調 電 圧 制 御 手 法 ）」を 提 案 し た 。 提 案 手 法 は 既 設 の L RT と S V R の み で 電 圧 制 御 を 行 う 手 法 な ら び に 蓄 電 池 と L RT

と S V R で 機 能 分 担 を 行 う 協 調 電 圧 制 御 手 法 の 2 つ の 手 法 で 構 成 さ れ て い る 。

既 設 の L RT と S V R の み で 電 圧 制 御 を 行 う 手 法 は ， 線 路 長 が 短 く デ マ ン ド レ ス ポ ン ス に よ る 電 圧 変 動 が 小 さ い 配 電 系 統 で の 対 策 と し て 提 案 し て い る 。デ マ ン ド レ ス ポ ン ス に よ る 負 荷 削 減 量 は ， 予 め 契 約 等 で 決 め ら れ た 削 減 量 を 要 請 す る こ と か ら 事 前 に 把 握 で き る こ と に 着 目 し ， デ マ ン ド レ ス ポ ン ス に よ る 削 減 量 と 配 電 線 に 設 置 さ れ た セ ン サ 内 蔵 開 閉 器 か ら の 現 地 情 報 に 基 づ き デ マ ン ド レ ス ポ ン ス の 発 動 後 の 配 電 系 統 電 圧 を 推 定 し ， デ マ ン ド レ ス ポ ン ス の 発 動 や 解 除 時 に 適 切 な タ ッ プ 制 御 指 令 を 与 え る 電 圧 予 測 制 御 手 法 で あ る 。 こ の 手 法 は 従 来 の 自 律 制 御 手 法 に お い て ， デ マ ン ド レ ス ポ ン ス の 発 動 後 に L RT や S V R が 電 圧 逸 脱 を 検 出 し て タ ッ プ 動 作 す る 制 御 遅 れ に よ り 生 じ て い た 電 圧 逸 脱 に 対 し ， 電 圧 予 測 に よ り 制 御 遅 れ を 解 消 す る こ と で ，配 電 系 統 シ ミ ュ レ ー タ を 用 い た 検 証 に よ り ，L RT と S V R タ ッ プ 動 作 回 数 の 合 計 値 が 従 来 手 法 と 比 較 し て 6 回 か ら 8 回（1 3 0 %増 ）に 増 え る も の の ， 従 来 手 法 で 発 生 し て い た 電 圧 逸 脱 を 解 消 で き る こ と を 確 認 し ， 提 案 手 法 の 有 効 性 を 検 証 し た 。

一 方 ，蓄 電 池 と L RT と S V R に よ る 協 調 電 圧 制 御 手 法 は ， 線 路 長 が 長 く デ マ ン ド レ ス ポ ン ス に よ る 電 圧 変 動 が 大 き い た め ， 蓄 電 池 が 必 要 と な る 配 電 系 統 で の 対 策 と し て 提 案 し て い る 。 提 案 手 法 は 電 圧 制 御 目 標 点 の 計 測 電 圧 の 移 動 平 均 お よ び 計 測 電 圧 と の 偏 差 を 用 い て ，急 激 な 変 化 の 成 分（ 偏 差 分 ）の み 蓄 電 池 で 出 力 を 行 い ， そ れ 以 外 の 緩 や か な 変 動 （ 移 動 平 均 ） は L RT と S V R で 電 圧 制 御 を 行 う 電 圧 変 動 の 短 周 期 成 分 と 長 周 期 成 分 を 分 離 し て 制 御 分 担 す る 機 能 分 担 型 協 調 電 圧 制 御 手 法 で あ る 。 従 来 手 法 と の 比 較 ・ 検 証 を 行 い ， 従 来 の 電 圧 手 法 で 発 生 し て い た デ マ ン ド レ ス ポ ン ス の 開 始 時 及 び 解 除 時 の 電 圧 逸 脱 を 解 消 で き る と と も に ，L RT と S V R タ ッ プ 動 作 回 数 は 従 来 手 法 よ り 増 や す こ と な く ， 適 正 電 圧 維 持 に 必 要 と な る 蓄 電 池 容 量 を 非 協 調 制 御 の 場 合 と 比 較 し て 9 5 ~ 9 9 %削 減 で き る こ と を 明 ら か に し た 。

第 5 章 は 結 論 で あ り ， 本 論 文 の 総 括 ， 今 後 の 課 題 及 び 展 望 に つ い て 言 及 す る 。

Ｎｏ.1

早稲田大学 博士（工学） 学位申請 研究業績書

氏 名 吉永 淳 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

○

○

講演 国際会議

全件査読 あり

○

国内会議

1. 吉永淳, 赤木覚，伊藤雅一，林泰弘，石橋一成，高橋尚之「デマンドレスポンス発 動時の配電系統電圧変動問題と蓄電池と SVR の協調電圧制御手法」，電気学会論文誌 B, Vol.136，No.4, 2016 年 4 月 pp1-10.（掲載決定）

2. 吉永淳, 赤木覚，伊藤雅一，林泰弘，石橋一成，「PV 導入量拡大を目的とした LRT お よび SVR と蓄電池による協調電圧制御手法」，電気学会論文誌 B, Vol.136，No.3, 2016 年 3 月 pp291-301.（掲載決定）

1. J. Yoshinaga, W. Hirohashi, H. Ishii, and Y. Hayashi,“Demonstrations of Communication Standards for Automated Demand Response and Smart Grid,”CIGRE Session 46, Aug. 2016. （採択決定）

2. J. Yoshinaga, W. Hirohashi, Y. Hayashi, Y. Isoe, J. Miyake, and S. Tsuchiya,

“Demonstrations of Communication Standards for Demand Response and Smart House,” The 6th International Conference on Renewable and Distributed Energy Resources (IRED 2014), Nov. 2014.

3. J. Yoshinaga, W. Hirohashi, Y. Hayashi, M. Wada, and, Y. Isoe, “Multi-objective Control Method of Battery Energy Storage System for Distribution System,”

CIRED Workshop – Rome, Paper 0029, June. 2014.

1. 吉永淳, 赤木覚，林泰弘, 石橋一成，「PV 導入拡大に対応した SVR と蓄電池との協調 電圧制御手法の検討」,平成 27 年電気学会電力・エネルギー部門大会,PE-4-2, No.193, 2015.

2. 吉永淳, 林泰弘, 石橋一成，「PV 導入限界量拡大を目的とした蓄電池による有効・無 効電力制御」,平成 26 年電気学会電力・エネルギー部門大会,PE-3-3, No.6,(論文Ⅰ)，

2014.

3. 吉永淳, 赤木覚, 林泰弘,「PV 導入限界量拡大を目的とした蓄電池による有効・無効 電力制御法の検討」, 平成 26 年電気学会全国大会，PE-6-221,2014.

4. 三好龍之介･吉永淳･林泰弘:「地区区分を考慮した配電系統モデルにおける柱上変圧 器細分化と配電線太線化による PV 導入限界量の評価」，平成 25 年電気学会電力・エ ネルギー部門大会，P21, 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）

その他

（講演）

1.,2.は 査読あり

1. J. Yoshinaga, W. Hirohashi, Y. Hayashi, Y. Isoe, J. Miyake, S. Tsuchiya, and M. Wada, “Islanding Operation Methods Integrated with Multiple Power Supplies and HEMS,” 2015 International Symposium on Smart Electric Distribution Systems and Technologies (EDST 2015) CIGRE SC C6 Colloquim Vienna, IEEE Explore pp.436-441, Sep. 2015.

2. J. Yoshinaga, W. Hirohashi, Y. Hayashi, M. Wada, and, Y. Isoe, “Islanding Operation Technology Integrated with Multiple Power Supplies,” 23th International Conference on Electricity Distribution (CIRED 23rd International Conference & Exhibition) – Lyon, Paper 0294, June. 2015.

3. Y. Yamamoto, S. Yoshizawa, J. Yoshinaga, Y. Hayashi, S. Sasaki, T. Shigetou, and, H. Nomura, “Verification of efficiency of searching methods determining optimal control parameters of advanced SVRs,” Proc. IEEE International Energy Conference (ENERGYCON), pp.1076-1082, May. 2014.

4. S. Yoshizawa, Y. Yamamoto, J. Yoshinaga, Y. Hayashi, S. Sasaki, T. Shigetou, and, H. Nomura, “Novel voltage control of multiple step voltage regulators in a distribution system,” Proc. IEEE Innovative Smart Grid Technologies Conference (ISGT), pp.1-5, Feb. 2014.

5. 山本祐也，芳澤信哉，吉永淳，林泰弘，佐々木俊介，重藤貴也，野村英生，「次世代 SVR の多段設置を想定した PV 連系系統の最適整定値決定手法」，平成 25 年電気学会 電力・エネルギー部門大会，pp.13-14，2013.

6. 芳澤信哉，山本祐也，吉永淳，林泰弘，佐々木俊介，重藤貴也，野村英生，「多段設 置された SVR の最適整定値決定手法の評価」，平成 25 年電気学会 全国大会講演論文 集，pp.410-411，2013.