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No.275 慣性問題の基礎知識と最新動向

2021年11月11日
京都大学大学院経済学研究科特任教授・安田 陽

 再生可能エネルギーの大量導入にあたって、「慣性問題」という新たな問題がここ数年、日本でも議論されるようになってきました。もちろん「新たな問題」といっても、日本で注目されるようになったのがようやくここ最近という話であり、この慣性問題は欧州を中心に既に10年以上前から議論されています。

 筆者が見る限りでは、日本ではこの慣性問題について両極端の意見が見られるようです。一つはこの問題を過剰に深刻に評価して、この問題があるが故に再エネ大量導入が困難であるかのような見解、もう一方はこの問題を過小評価して、この問題の影響は大したことがないと軽視していたり技術的な問題解決を楽観視する考え方です。いずれの両極端の意見も基本的理論や最新技術、国際動向などに対する情報収集不足や無理解からくる場合が多く、科学的根拠に基づく冷静で建設的な議論が望まれます。本稿ではこの慣性問題について、そもそもなぜこの問題が発生するのか、何が問題でどのような解決手段があるのか、について基礎理論から最新動向までを解説・紹介することを試みます。

電力システムにおける慣性の役割とは?

 発電機は大きく分けて直流発電機、誘導発電機、同期発電機の3種類に分類することができますが、水力、火力、原子力などの従来の大型発電機のほとんどが同期発電機を採用しています。「慣性 (inertia)」とは、同期発電機であれば必ず持っている能力で、例えて言うなら大きな石臼がゴロゴロと回っているときにちょっとブレーキをかけたりしたくらいではその回転スピード(および周波数)はほとんど全く変わらない性質と同じです。図1に電力システムにおける慣性の役割についてのイメージ図を示します。



図1 同期エリアにおける同期発電機と非同期機のイメージ (1)

 電力システム(電力系統)は「同期エリア」と呼ばれるエリア内では全ての同期発電機が同じ周波数で同期して回転してます。系統周波数と同期発電機の周波数は一致しているので、図1ではチェーンでがっちりと堅牢に接続されたイメージが描かれています。一方、誘導発電機などの同期発電機以外の発電機(非同期機とも呼ばれます)や後述するパワーエレクトロニクス(以下、パワエレ)装置を介した新しいタイプの発電装置は同期発電機と同じ挙動をせず、系統周波数が変化した場合にその変化を緩和する能力を発揮しないため、ゴムベルトで接続されたイメージが描かれています。風力発電はこのゴムベルトで接続された慣性を提供しない非同期機に分類されます(太陽光発電は回転機ではありませんが、パワエレ装置を介しているという点で、非同期機と同じ扱いになります)。

 なおここで「同期エリア」という普段あまり聞き慣れない用語が登場しましたが、日本には北海道エリアと東日本エリア、中西日本エリアの3つ同期エリアが存在することはあまり広く知られていないかもしれません(同期エリアについては文献(2)を参照のこと)。東西日本で系統周波数が50Hzと60Hzに分かれているということは比較的有名ですが、本州と北海道の間は直流連系線で接続されているため同じ50Hzでも同期はされていないことに注意が必要です。同様に欧州も北欧諸国と欧州大陸、グレートブリテン島、アイルランド島は同じ50Hzでも直流連系線を介しているため同期されておらず、北米大陸も東西で同じ60Hzでも同期エリアが分断されており、米国テキサスとカナダのケベックも独立しています。したがって、慣性問題を考える場合は、例えば日本やドイツのような国単位で言及してもあまり意味はなく、他のエリアと交流線でつながっていない同期エリア単位で考えることが基本となります。

 さて、電気は基本的に貯めることができないため(もしくは高価なため)、電力の需要と供給は基本的に「同時同量」が求められます。電力システムの需給のバランスを調整するには、図1のように①ガバナフリー制御、②負荷周波数制御(LFC)、③経済負荷配分制御(EDC)という3つの方法がこれまで取られてきました。これらの能力は、調整力や予備力、更には近年国際的に盛んに議論されている柔軟性と呼ばれるもの(の一部)に相当します。 この図2の中で、残る一つは「負荷特性」と示された部分は、一般には調整力や柔軟性の一部とはみなされていない、発電機の慣性による自己制御機能によるものです。ここに「慣性」が登場します。



図2 需給調整の制御分担の概念図 (3)

 慣性が十分ある(すなわち運転中の同期発電機が十分に接続されている)電力システムでは、その電力システムの中の最大の設備(大抵は原子力発電や超高圧送電線)に事故があり大きな容量が瞬時に脱落しても電力システム全体で安定度が維持できるように設計されています。図3は系統事故があった際の電力システム全体の周波数の推移を模式的に示した図です。慣性が十分にある電力システムでは周波数低下の度合い(専門用語では周波数変化率 RoCoF (Rate of Change of Frequncy) と言います)が小さく、低下した周波数の最小値(専門用語では周波数最大偏差 (Nadir) と言います)もそれほど低くありません。通常はこの周波数低下の間にガバナフリーが自動的に働き、周波数を元に戻す方向で回復していきます。



図3 事故時の周波数変動と慣性の影響

 一方、慣性が不足する電力システムでは、RoCoFも大きく、Nadirもずっと低くなります。これらの値があらかじめ定められた限界値を超えると、各発電機が自身の安全性を守るために継電器(リレー)が働き、発電機が一時的に電力システムから切り離され、最悪の場合は発電機が次々とストップし連鎖停電やブラックアウト(全域停電)に至ります。それ故、再エネの大量導入に従って慣性を供給しない非同期機(図1参照)が増えると、系統全体で慣性が不足し、電力システムの安定度に対する懸念が増えてくるわけです。慣性問題は軽視できるものでも楽観視できるものでもありません。

慣性の不足に対する懸念

 この「電力システムの安定度に対する懸念」は、再エネの大量導入が先行して進む欧州でも比較的早い時期から議論が進んでいます。図4は欧州連合(EU)の大規模科学技術プロジェクトのひとつであるMIGRATEというプロジェクトで提案された再エネ大量導入時の系統安定度の推移を示す概念図です。このプロジェクトではパワエレ電源が対象になっていますが、実質的には風力発電や太陽光発電と同じと考えてよいでしょう(厳密にはこれに加え、パワエレで制御する蓄電池や直流送電も入ります)。これらの電源は従来の技術では慣性を提供しないため、再エネの導入が進むにつれ系統安定度が低下していきます。



図4 パワエレ電源大量導入時の系統安定度の概念図 (4)
(文献(5)の図を元に筆者作成)

 図4の黒い太線で示される通り、ある限界を超えると急速に安定度が低下し、許容される安定度の基準を下回ることは、欧州でも早い段階から予想されていました。この限界は冒頭で登場した「同期エリア」の大きさや電源構成によってさまざまですが、概ね風力や太陽光のシェアが40〜50%と考えてよいでしょう。例えば北海道と同じ規模の電力システムを持つアイルランドでは、2020年には風力のシェアが40%を超えましたが、慣性問題は2000年代後半から議論され対策が打たれています(後述)。アイルランドをはじめ欧州では図4の点線のように既存の方法の範囲内で系統安定度を改善できるようなさまざまな対策を行なって来ていおり、それらの諸対策は以下の章で詳しく紹介します。

 更に、より長期的展望に立てば(といってもあと10年程度先の将来を見越して)、図中の灰色の曲線のように技術開発が進みブレークスルー的方法で系統安定度がむしろ改善され強固になるという見通しも立てられており、実際に欧州だけでなく米国でも(そして日本でも)競うように開発が進められています。

 冒頭で述べた通り慣性問題は同期エリア単位で考えるため、現在のところ地球上で慣性問題が顕在化しているのは、特にアイルランド島やグレートブリテン等、米国テキサス系統など同期系統としては比較的小さなエリアで再エネ(特に風力)の大量導入が進んでいるエリアに限られています。アイルランドでは図1のゴムベルトでイメージされたような非同期機の瞬間的な導入率を示す指標として、系統非同期導入率 SNSP: System Non-Synchrnous Penetration を設定し、送電会社が瞬時瞬時の状況をモニタリングしています。米国テキサスや英国でも同様に同期慣性応答 SIR: Synchrouous Inertia Response という慣性定数に同期機設備容量をかけた指標(単位はMW·s)が設定され、時々刻々と変化する慣性(のエネルギー)を計測しています(6)。

慣性問題に対する対策(その1: 既に取られている対策)

 図4の点線で示された包含期の対策としては、既存の方法の範囲内で系統安定度を改善できるような手段として、具体的には①出力抑制、②RoCoF要件の緩和、③擬似慣性の導入、が挙げられます。専門用語が多いですが、以下、慣性問題の対策が先行するアイルランドの例を示しながら、詳しく解説していきます。

 ①の出力抑制は日本の九州エリアでも発生していますが、アイルランドのそれは発生原因が若干異なります。アイルランドでは各時間毎のSNSPが50%を超えた際は系統安定度を維持する観点から風力発電の出力抑制を行うルールが2000年代後半より設定されました(図5の赤おおよびオレンジの領域)。出力抑制は日本ではネガティブなイメージが先行しますが、一時的な出力抑制を行うことでより多くの風力が導入できることにもなります。まずこれが最も簡単にできる対策です。アイルランドではこの出力抑制が2010年代初頭には顕著になっており(といっても2011年の時点で抑制率2.4%)、出力抑制の指令を出す基準であるSNSPの段階的増加が計画されました。



図5 アイルランドの系統非同期率(SNSP)と安定度の概念図 (4)
(文献(7)の図を元に筆者作成)

 SNSPが50%以上になっても系統安定度を維持するためには何らかの対策を取らねばならず、②と③の手段が検討されるようになりました。②のRoCoFは図3でも登場しましたが、系統事故時の周波数変化のスピード(すなわちRoCoF)を瞬時に検出する周波数変化率継電器(RoCoFリレー)という装置の検出基準を若干緩和することで、万一の系統事故時にRoCoFリレーが過剰に動作して発電機が次々と電力システムから切り離され連鎖停電するのを防ぐ方法です。

 更に③の擬似慣性は合成慣性とも言われ、従来慣性を提供しないと言われていた風車でもパワエレ装置のインテリジェントな制御によって、慣性応答と同じような動作を行わせようという制御方式です。これは既に2010年代初頭には技術的に開発され、現在製造されている殆どの風車に実装されています(技術的な詳細については文献(8)を参照のこと)

 以上の対策はここ数年にわかに起こった議論ではなく、先行する欧州では20年近く前から議論が始まり、10年前に実際の対策が行われていた、という点が重要です。アイルランドの慣性問題とその対策について、日本語で読める文献としては、2012年発行(日本語訳は2013年)の文献(9)があります。また、最新のアイルランドの情報は、文献(10)でも紹介されています。特に文献(9)は今となっては古い情報も含まれますが、当時からこのような議論と見通しがあったということは、今後の日本の再エネ大量導入を議論する際にも有益でしょう。この擬似慣性による慣性問題の緩和は、日本の電力システムを対象にした研究も行われ、系統安定度を維持しながら2030年に再エネ導入率40%を達成可能であることが示されています(11),(12)。

慣性問題に対する対策(その2: 今後検討されうる対策 )

 慣性問題は、再エネ(≒パワエレ電源)の大量導入によって、図1で示したような堅牢なチェーンで繋がったイメージの発電機、すなわち慣性を提供する同期機が相対的に少なくなることから発生しています。実際に石炭火力などの発電所が徐々に閉鎖されたり、発電所がまだ稼働していたとしても電力市場で落札できず運転を止める時間帯が長くなる火力発電所も増えてくるでしょう。そこで、いわば逆転の発想で、「発電しないけど回転機を回す」という選択肢も考えられます。

 これは一見荒唐無稽なように思われるかもしれませんが、実際に④同期調相機という発電しないけど回っているだけの装置は、1960年代頃まで電力システムを支えていました。これは同期電動機を無負荷のままで電力システムに接続(すなわち空回し)することで無効電力の調整が行えるもので、その後20世紀後半のパワーエレクトロニクス技術の発展とともに姿を消していきました。それが21世紀になって風力や太陽光という新しい技術の急速な進展とともに、思わぬ形でリバイバル的脚光を浴びています。実際にシーメンスやGE、日立ABBといった世界有数の重電メーカーも再エネ大量導入時代の系統安定化のためのソリューションとして同期調相機をアピールしてます(13)-(15)。廃止した原子力や火力の発電機のみを空回しして同期調相機として運用し、その系統安定化サービスの対価を受け取るという考え方もあります。

 また、再エネを連系する際に同期電動機と同期発電機をセットとした⑤M-Gセットを介して電力システムに接続する方式も提案されています(16)。これにより、電力システムから見れば単に同期発電機が接続されているように見えるため、慣性だけでなく、これまで従来型同期発電機が提供してきたさまざまな系統安定化のサービスを再エネ発電所が提供できるようになり、特に洋上風力発電所など大規模な設備には有効な選択肢となり得ます。

 さらに、再エネの大量導入に伴い同期発電機の出力を減らす場合でも、例えば4台の発電機の出力を半分に減らす場合、4台の発電機の出力をすべて半分にする方法と2台を停止させる方法では、前者の方が系統セキュリティ(系統安定度や電圧維持能力)が向上することが明らかになっています(17)。このような従来型電源の⑥発電機出力を組み合わせる運用方法は、現時点では経済性が低下する可能性もありますが、慣性も含め電力の安定供給を支えるサービスの提供に対して適切な価値付けができるような市場設計を行うことで、運用のインセンティブが与えられる可能性もあります。

慣性問題に対する対策(その3: 新規技術による対策)

 図4に戻り、今後の更なる再エネ超大量導入を考えた場合、技術開発が進みブレークスルー的方法で系統安定度が維持・向上できる方法論を早期に確立しなければなりません。それを実現するために、現在世界中で熱く議論されているのが⑦グリッドフォーミングコンバータ(もしくはグリッドフォーミングインバータ)です。

 グリッドフォーミング(GFM: Grid-ForMing)とは、電力システム(=グリッド)を形成するという程の意味であり、慣性応答も含め同期発電機と同じまたはそれに近い特性を持ち、系統安定度に貢献する能力を有するパワエレ機器を形容する新しい言葉です(1),(18)。それに対して従来のパワエレ電源は、図1でゴムベルトのイメージで描かれたように系統安定度に貢献せず追従するだけという意味でグリッドフォローイング(GFL: Grid-FoLlowing)と呼ばれます。表1にグリッドフォーミングとグリッドフォローイングの特徴の違いを示します。

表1 GFMとGFLの特徴(文献(18)の表を一部改変)
表1 GFMとGFLの特徴(文献(18)の表を一部改変)

 グリッドフォーミングコンバータの研究開発や制度設計の議論は、欧州のMIGRATE, PROMOTioNプロジェクトや送電事業者の連盟であるENTOS-E、米国の国立再生可能エネルギー研究所(NREL)などでここ数年で急速に進んでいます(5),(19)-(21)。もちろん日本でも大学や研究機関などで研究開発が進んでおり、電気学会を中心に議論が進んでいます(17)。

慣性問題に関するまとめ

 ここまで本稿で紹介した通り、近年日本でもにわかに盛んになってきた慣性問題の対策案は、既存の技術を有効活用するだけでも、①出力抑制、②RoCoF要件の緩和、③擬似慣性、④同期調相機、⑤M-Gセット、⑥発電機出力の組み合わせ、などさまざまな選択肢が提案されていることがわかります。また、そのうちのいくつかは、既に再エネ導入が先行する欧州で実際に10年前から導入が進められています。更に、⑦グリッドフォーミングコンバータ(インバータ)という新しい技術の研究開発が世界中でしのぎを削るように進んでおり、日本の研究者もその一翼を担っています(18)。

 慣性問題を議論する上で諸外国の先行研究や知見から学ぶべきことは、慣性問題が将来懸念されるから再エネ導入に慎重になるという後ろ向きな態度ではなく、将来懸念されるからこそ再エネ大量導入のスピードを緩めないために今から問題解決に向け対策を打つ、という姿勢でしょう。

 再エネを推進したり支援する人は、慣性問題という再エネ大量導入に伴う将来の課題を根拠なく過小評価することなく、具体的な緩和・解決方法に向け議論をしたり情報収集しなければなりません。再エネの大量導入に懸念したり懐疑的に感じる人は、将来課題となる慣性問題を過剰に拡大解釈して再エネ大量導入を遅らせる理由に使うべきではありません。我々がなすべきなのは、今まで通りで新しいことにチャレンジしない言い訳を探すことではなく、こうすればできるという変化や転換のための議論を科学的根拠に基づき進めていくことだと思います

キーワード:慣性、系統安定度、グリッドフォーミングコンバータ(インバータ)

(1) IEA Wind Task25: 風力・太陽光発電の系統安定度への影響, ファクトシート No.6, 2021. 新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)
https://www.nedo.go.jp/content/100923376.pdf
(2) 安田陽: 世界の再生可能エネルギーと電力システム 〜電力システム編, インプレスR&D (2019)
(3) 電気学会: 用語解説第30回テーマ:負荷周波数制御(LFC), 電気学会論文誌B, 133巻, 8号, 2013.
https://www.iee.jp/pes/termb_030/
(4) 安田陽: 地域分散型エネルギーと系統連系問題, 大島堅一 編著『炭素排出ゼロ時代の地域分散型エネルギーシステム』, 第2章, 日本評論社 (2021)
(5) MIGRATE ? Massive Integration of Power Electronic Devices (2019)
https://www.h2020-migrate.eu/_Resources/Persistent/b955edde3162c8c5bf6696a9a936ad06e3b485db/19109_MIGRATE-Broschuere_DIN-A4_Doppelseiten_V8_online.pdf
(6) 阪本将太: National Grid ESOによる慣性力計測の取り組みについて(英国), 海外電力, 2021.10, pp.37-48 (2021)
(7) EirGrid & SONI: All Island TSO Facilitation of Renewables Studies (2010)
(8) 松信隆: イナーシャ制御と周波数応答, 風力エネルギー学会誌, Vo.24, No.4, pp.473-477 (2018)
(9) J. O’Sullivan: Maximizing Renewable Generation on the Power System of Ireland and Northern Ireland, Chapt. 27 in “Wind Power in Power Systems, 2nd Edition” ed. by T. Ackemann, Wiley (2012)
【日本語訳】T. アッカーマン編著:『風力発電導入のための電力系統工学』, 第27章「アイルランドの電力系統における風力発電」, オーム社 (2013)
(10)山家公雄: 2030年再エネ70%を目指すアイルランド -「EUの北海道」で進む慣性対策-, 京都大学再生可能エネルギー経済学講座コラム, No.245 (2021, 5, 20)
http://www.econ.kyoto-u.ac.jp/renewable_energy/stage2/contents/column0245.html
(11)自然エネルギー財団・Agora Energiewende: 2020年日本における変動型自然エネルギーの大量導入と電力システムの安定性分析, 日本語版 (2018),
https://static.agora-energiewende.de/fileadmin/Projekte/2018/Japan_Grid/148_Agora_Japan_grid_study_JP_WEB.pdf
(12)R. Kuwataha et al.: Renewables integration grid study for the 2030 Japanese power system, IET Renewable Power Generation, Vo.14, Iss.8, pp.1249-1258 (2020)
https://ietresearch.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1049/iet-rpg.2019.0711
(13)Siemens Energy: A stable grid in the era of renewables,
https://www.siemens-energy.com/global/en/offerings/power-transmission/portfolio/flexible-ac-transmission-systems/synchronous-condenser.html
(14)GE Steam Power: Synchronous condensers,
https://www.ge.com/steam-power/products/synchronous-condenser
(15)日立: ニュースリリース, 日立ABBパワーグリッド社が、英国の再エネ導入拡大に向け、世界初のハイブリッド調相設備の実証を開始 (2020, 12, 4)
https://www.hitachi.co.jp/New/cnews/month/2020/12/1204.html
(16)北内・青木: 再生可能エネルギーと蓄電池を伴うM-Gセットの提案, 平成30年電気学会電力・エネルギー部門大会, No.168 (2018)
(17)北内・永田・花井: 現在の電力システムを踏まえた課題と系統安定性維持方策, 令和2年電気学会全国大会, H1-1 (2020)
(18)電力50編集委員会: 電力・エネルギー産業を変革す50の技術, オーム社 (2021)
(19)PROMOTioN: Progress on Meshed HVDC Offshore Transmission Networks, Final Report (2020)
https://www.promotion-offshore.net/fileadmin/PDFs2/Final_Report_15122020.pdf
(20)ENTSO-E: High Penetration of Power Electronic Interfaced Power Sources (HPoPEIPS) - NTSO-E Guidance document for national implementation for network codes on grid connection (2017)
https://consultations.entsoe.eu/system-development/entso-e-connection-codes-implementation-guidance-d-3/user_uploads/igd-high-penetration-of-power-electronic-interfaced-power-sources.pdf
(21)National Renewable Energy Laboratory (NREL): Research Roadmap on Grid-Forming Inverters (2020),
https://www.nrel.gov/docs/fy21osti/73476.pdf