低圧配電網における太陽光受入容量を向上させる多段階手法
気候変動対策と急速な電化が進む現代において、分散型エネルギー資源、特に屋上太陽光発電（PV）の低圧配電網への統合は必要性と課題が表裏一体となっている。住宅街で太陽光導入が急拡大する中、系統運用者は信頼性と安全性を損なうことなく、前例のない逆潮流レベルに対応するプレッシャーに直面している。『Southern Power System Technology』に掲載された画期的な研究は、高密度太陽光導入下の配電変電所の受入容量を再定義する堅牢な多段階ソリューションを提示した。
シンセン電力供給局の新スマートシティ高品質電力供給共同研究所（CSG）のリウ・ジージュンとチャン・ファインを中心に、湖南大学の研究者チーム（ジン・イーファン、スー・ザオ、ヨウ・イーホン、ジョウ・ビン）が共同開発した新手法は、逆過負荷・電圧違反・三相不平衡という現代配電系統の三大課題を同時解決する。従来の受動的な評価を超え、分散資源のインテリジェント制御による容量拡張を実現した。
中国の深センなど急速に都市化が進む地域では、住宅用太陽光設置が地域の電力需要を上回っている。日照量が最大となる日中、家庭の電力消費が減少する時間帯に、太陽光発電の余剰分が配電用変圧器を逆流し上位系統へ流れる。この「逆潮流」現象は変圧器過負荷を引き起こし、法定電圧を超過。単相PVシステムが相ごとに不均等に接続されると、深刻な三相不平衡が生じ、絶縁劣化を加速させる。
従来の容量算定手法は、太陽光接続を変圧器定格容量の80%に制限するなど簡易的なルールに依存していた。研究チームが実証した通り、この静的な手法は発電・負荷・系統構成の動的相互作用を無視し、数十の低圧フィーダーから集約される上位変電所（35kV/110kV）の制約を考慮しない欠点があった。
提案手法は三相対応の多段階評価フレームワークを採用：PV相配分最適化、柔軟資源活用による仮想容量拡張、システムレベル検証の三段階を連携させる。
第一段階は三相不平衡の根源的対策。従来の任意接続を改め、新規PV設置の相配分をアルゴリズムで最適化。評価期間全体の不平衡指数を最小化するよう、相ごとのPV容量を戦略的に配分する。これは公平性だけでなく、変圧器の逆負荷耐性向上に直結する。物理モデルに基づき、不平衡増加に伴う巻線のホットスポット加熱を考慮。相バランス維持により、同一設備でより多くの逆潮流を安全に処理可能となる。
第二段階ではEVとスマートサーモスタットの柔軟性を活用。太陽光発電がピーク時に発生する余剰電力を需要側で積極的に吸収する「仮想容量拡張」を実現。単純な出力制限に代わり、需要を供給に合わせて再形成する。
EVについては充電タイミングと接続相の両方を最適化。50台のEV群を動的に三相に配分し、ネット負荷の均等化を促進。一方、空調システムは一次熱力学モデルを用い、室内温度を快適範囲に保ちつつ太陽光ピーク時の消費電力を微調整。二重アプローチで逆潮流の規模と非対称性を低減し、設備増強なしで太陽光導入余地を創出。
重要なのは不確実性への対応。日射量変動・EV利用パターン・外気温変動など最悪ケースを想定したロバスト最適化問題を定式化。電力会社のリスク管理基準に沿った信頼性保証を実現した。
最終段階では系統全体の整合性を検証。個々の変電所容量が充足していても、複数の低圧フィーダーから集約された逆潮流が上位変電所の安全限界を超えないことを確認。超過時は接続待機中の容量を差し引きつつ、各フィーダーの許容容量を公平に調整する。
この複雑な多層問題を解くため、研究チームは「Nested Column-and-Constraint Generation（N-C&CG）」を採用。PV相設定・柔軟資源配分・上位系統検証の三つのサブ問題を反復的に解き、グローバル最適解を得る。
深センの実証事例では500kW変圧器と300kW既存PV（A相75kW/B相105kW/C相120kW）を対象に四シナリオを比較。完全実装ケースでは、ベースライン比で利用可能容量9.84%増、ピーク時三相不平衡66.67%低減、変圧器逆負荷耐性34.24%向上を達成。相配分最適化を省略したケースでは過負荷リスクが顕在化し、柔軟資源未使用ケースでは容量活用が不十分、上位検証省略ケースでは系統過負荷が発生した。
電力会社視点では、受入容量10%増は設備増強抑制・接続審査迅速化・信頼性維持を同時実現。規制当局には透明性の高い物理ベースの枠組みを提供。住宅所有者には太陽光申請の却下遅延を低減する。
将来展望として、EV普及とスマートサーポート拡大に伴い、柔軟資源のプールが増加。既存インフラの「仮想容量」が更に拡大可能な設計となっている。深センでの実証事例を超え、カリフォルニア・オーストラリア・ドイツなど高密度太陽光導入地域への応用が期待される。
技術的基盤として、変圧器熱モデル・三相潮流計算・建物熱力学など確立されたモデルを改良。中国の電圧規制（±7%）や変圧器負荷指針（連続80%）を順守。実世界のEV移動パターン・気候データを採用し実用性を担保。
本手法は配電系統運用者（DSO）機能の国際的潮流とも合致。需要応答と相バランスを容量拡張ツールと位置付けることで、次世代グリッド計画の青写真を提示した。
著者: リウ・ジージュン¹, チャン・ファイン¹, リャン・シャオルイ¹, ジン・イーファン², スー・ザオ², ヨウ・イーホン¹, ジョウ・ビン²
所属:
¹ CSG新スマートシティ高品質電力供給共同研究所（深セン電力供給局株式会社）
² 湖南大学 電気情報工学院
掲載誌: 『Southern Power System Technology』第18巻第5号（2024年5月）
DOI: 10.13648/j.cnki.issn1674-0629.2024.05.013