高信頼度を必要とする需要家設備への 給電方式に関する研究 廣瀨 圭一

高信頼度を必要とする需要家設備への
給電方式に関する研究
廣瀨
圭一
目次
第1章
緒論
1
1.1
電力利用形態の変遷
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.2
供給信頼度と電力品質の傾向 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.3
供給信頼度と電力品質を阻害する要因 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
1.3.1
停電の原因と対策 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
1.3.2
自然災害などによる広域停電の発生 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
1.3.3
電力自由化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
1.3.4
分散型電源の増加 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4
1.5
1.6
情報通信システムの導入傾向と課題 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4.1
データセンタの導入拡大と社会的影響
1.4.2
データセンタのエネルギー消費 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4.3
データセンタにおける発熱密度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4.4
データセンタにおけるエネルギーフローと改善対策 . . . . . . . . . . . . . 15
高い供給信頼度を必要とする需要家への給電システムのあり方 . . . . . . . . . . . 17
1.5.1
マイクログリッド . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.5.2
スマートグリッド . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.5.3
FRIENDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.5.4
品質別電力供給システム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.5.5
CERTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.5.6
直流給電方式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
本研究の目的と内容
1.6.1
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
本研究の目的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
–i–
1.6.2
本研究の内容 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
参考文献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
第2章
品質別電力供給システムの開発
39
2.1
まえがき . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2
品質別電力供給システムの提案と検証内容 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.2.1
電力品質レベルと実証試験における対象負荷施設 . . . . . . . . . . . . . . 41
2.2.2
品質別電力供給システムの構成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.3
運用モードと制御 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.4
実証結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.4.1
系統連系特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.4.2
瞬時電圧低下補償特性の確認
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.4.2.1
瞬時電圧低下補償試験の実施方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.4.2.2
瞬時電圧低下補償試験結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.4.3
系統連系⇒独立運用モード移行時特性の確認 . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.4.4
独立運用モードにおける電力品質維持の確認 . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.5
考察 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.6
あとがき . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
参考文献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
第3章
分散型電源導入系統におけるパラレルプロセッシング方式を用いた給電システムの
開発
67
3.1
まえがき . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.2
提案する給電システムの概要と特徴 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.3
3.2.1
パラレルプロセッシング方式を用いた給電システムの概要 . . . . . . . . . 69
3.2.2
給電システムの動作 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.2.3
給電システムの制御フロー . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.2.4
給電システムの電力フロー . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
運用検証 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
– ii –
3.4
検証結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.4.1
給電システムの基本運転特性
3.4.2
運転モード移行時の無瞬断確認 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.5
考察 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.6
あとがき . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
参考文献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
第4章
ICT システム用バックアップ電源設備の費用対効果の評価手法の検討
87
4.1
まえがき . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2
従来の高信頼給電構成の検討手法と課題 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.3
4.4
4.5
4.2.1
信頼度計算への電力品質の反映（課題１） . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.2.2
損害額期待値の算定方法の妥当性（課題２） . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
対象とするモデルと提案手法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.3.1
対象とする商用電源トラブルの種別 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.3.2
負荷機器の瞬時電圧低下許容耐量 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.3.3
商用電源トラブルの発生頻度の推定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.3.4
損害額期待値の算出 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.3.5
バックアップ電源設備の投資判断 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
ケーススタディ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.4.1
需要家の条件設定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.4.2
電源トラブルの発生頻度の推定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.4.3
バックアップ電源設備 (UPS) の設定条件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.4.4
計算結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
あとがき . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
参考文献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
第5章
総括
105
5.1
まえがき . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.2
本研究の成果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
– iii –
5.2.1
品質別電力供給システムの開発によって得られた成果 . . . . . . . . . . . . 106
5.2.2
分散型電源系統におけるパラレルプロセッシング方式を用いた給電システ
ムの開発によって得られた成果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.2.3
ICT システム用バックアップ電源設備の費用対効果の評価手法の検討によっ
て得られた成果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.3
本研究の意義 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.4
今後の課題
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
謝辞
113
公表論文
115
– iv –
第 1 章 緒論
1.1
電力利用形態の変遷
電力システムは社会を支える重要なインフラストラクチャの一つであり，19 世紀後半に事業導
入されて以来，著しい発展を遂げている [1]。エネルギー消費は，人類・社会の発展や高度化とと
もに増加している傾向にあるが，とりわけ電力消費量である電力需要の増加が著しい。そのため，
一次エネルギーに占める電力の比率を示す電力化率は一貫して増加している [2]。わが国における
電力需要の傾向を Fig. 1.1 に示す。同図，1970 年から 2000 年までの 30 年間で，3,100 億 kWh か
ら 9,400 億 kWh へと約 3 倍に増加していることがわかる。しかしながら，電力需要の増加率は，
1970 年からの 30 年が，3.8%/年であったものが，2000 年からの 30 年間では，1.0%/年と低下して
ゆくと予測されている。その一方で，電力は，安全，クリーンであり，また変換のし易さと効率
の高さなど多くの利点を有しているため，その利用形態は今後ますます拡大すると予想されてい
る。わが国の電力化率の推移を Fig. 1.2 に示す。1970 年に 26% であったが，2000 年までに 42%
まで増加し，さらに 2030 年ころまで増加し続けると予測されている。したがって，わが国の電力
需要の増加率自体は，近年，小さくなっているものの，電力化率は順調に伸びており，社会にお
ける電力の役割と重要性は，今まで以上に増してゆくものと思われる。
電力を発生させ輸送し供給する立場，すなわち電気事業者ではなく，電力を使い消費する立場，
すなわち需要家の観点で電力の利用形態に注目すると，近年に大きな変化が見られる。概ね 1970
年代までは，電灯や電熱，および動力で利用される電力消費形態が大半であった。1980 年代以降，
現在においては，半導体，およびパワーエレクトロニクス技術を取り入れた空調機，冷蔵庫，調
理器具などの電気機械器具や TV，音声映像機器，パーソナルコンピュータに代表されるデジタ
ル電子機器の普及が進んでいる（以降、これらの総称をデジタル負荷機器と呼ぶ）。近年の電力消
費全体の傾向においては，情報通信技術 (ICT: Information and Communications Technologies) の進
展に伴い，事業，公共社会，経済，医療など幅広い場面でデジタル負荷機器の利用拡大が急速に
1
第1章
Total power consumption (Billion kWh)
1,400
1,260
1,200
940
1,000
800
600
400
310
200
1970
Growth rate
+3.8%/year
1980
Growth rate
+1.0%/year
1990
2000
Year
2010
2020
2030
Figure 1.1 Trend of total power consumption in Japan.
50%
42%
Electrification ratio
45%
40%
40%
33%
35%
26%
30%
25%
20%
1970
1975
1980
1985
Year
1990
1995
Figure 1.2 Trend of electrification ratio in Japan.
2
2000
緒論
第1章
緒論
進んでいる。例えば，1993 年には，3 か月あたり 1.2 百万個であったマイクロコンピュータの売
上が，わずか 5 年後にはその 3 倍の値を記録するほど，日々の生活や事業にデジタル負荷機器が
浸透している [3]。全負荷機器に対するデジタル負荷機器の割合は，米国を例にとると，2000 年
で 10% であったものが，2020 年には 70% に達すると予測されている [4]。これらのデジタル負荷
機器は，電圧変動や瞬時停電など電力品質に極めて敏感であり，脆弱性への対処が課題となって
いる。このように，電力利用の形態は，従来と比較して電圧変動などに対する脆弱性を持った負
荷機器での消費形態が大半を占めるように変貌している。市場に大量に導入，利用されるデジタ
ル負荷機器が不用意な停止や誤動作などのトラブルがなく，安定に動作し続けるためには，高い
信頼度と電力品質を有する電力供給が求められており，どのような対策により安定な電力を供給
するかが，電力システム分野の課題の一つになっている。
1.2
供給信頼度と電力品質の傾向
電力供給は，一般的には電気事業者によって特定の地域毎に行われているケースが大半であり，
事業者は電力供給とその信頼度維持に責任を持っている。わが国においても，供給信頼度や電力
品質の向上に対する努力は，電力会社，および機器や設備を製造するメーカによって長年に渡り
実施されてきた。Fig. 1.3，および Fig. 1.4 にそれぞれ，年間の１需要家あたりの停電発生頻度と
停電時間，および国別の停電時間の比較を示す。停電回数，停電時間の減少など，わが国の電力
供給信頼度は，世界に比べて極めて高いレベルにある [5, 6]。
過去から，電力の供給側，需要側いずれにとっても，電力供給の最重要課題は安定供給であり，
供給信頼度を「停電発生頻度」や「停電時間」で表すことが一般的であった [7]。しかしながら，
電圧変動に対しての脆弱性を有するデジタル負荷機器の利用が年々増加しており，電圧の有無を
要求する供給信頼度以外にも，波形レベルの電圧の正常性を求める電力品質への要求が高まって
きた [8]。
電力系統で発生する様々な事象，もしくは負荷機器自体が原因となり，電圧の大きさや波形，時
には周波数が乱れる。この度合いを示す指標を総称して電力品質と言っている [9]。この電力品
質が低下すると，事業者設備，および需要家の設備や機器に損害を与えたり，意図しない不具合
を生じさせる。電力品質自体は非常に広範な概念であり，国・エリア，適用する規格や標準，お
よび設備や機器の仕様などに応じて数多くの定義がなされているが，文献 [10] の定義による「電
3
第1章
7
700
5
500
4
400
Interruption duration
2006
2008
2002
2004
1998
2000
0
1992
1994
1996
0
1988
1990
100
1984
1986
1
1978
1980
1982
200
1974
1976
2
1972
300
1970
3
Interruption duration
(minutes/customer/year)
600
Frequency of interruptions
1966
1968
Frequency of interruptions
(1/customer/year)
6
Year
Interruption duration (minutes/customer/year)
Figure 1.3 Trend of power supply reliability in Japan.
120
100
United Kingdom
The United States
80
60
France
40
20
Japan
0
1993
1995
1997
1999
2001
2003
2005
2007
1994
1996
1998
2000
2002
2004
2006
2008
Year
Figure 1.4 Comparison of average interruption duration.
4
緒論
第1章
緒論
圧，電流，あるいは周波数の変動による需要家機器の停止や誤動作を引き起こす電力問題 (Power
problem manifested in voltage, current, or frequency deviations that results in failure or misoperation of
customer equipment)」としてとらえるのが一般的である。
電力品質に関する主な事象は，Table 1.1 [10] に示すとおり，時間的には数 m 秒以下の過渡現象，
数サイクル∼1 分以下程度の短時間変動，それ以上の長時間変動に区分でき，また，定常的に生
ずる電圧不平衡，波形ひずみ，電圧変動，および周波数変動に分類することができる。電力品質
の低下の度合いによっては，設備や機器の損傷，負荷機器やシステムの停止，および誤動作を伴
い，事業者，需要家双方に経済的損失や対策のための経費の支出を強いることになる [11]。
電力品質に対して脆弱な特性を有する負荷機器を多く使用する特定の需要家への対策（とくに，
波形レベルやミリ秒オーダーの電圧維持）を電気事業者に求めることは，経済的，技術的に合理的
でないと考えられる。すなわち，電力品質やニーズに応じて，需要家側での無停電電源装置 (UPS:
Uninterruptible Power Supply) [12] の設置や保護システム最適化などの対策や対応が，社会コスト
やシステムとしての全体最適化の観点から重要である。電力品質問題に対しては，その事象の原
因が複雑・多岐にわたり，事象の発生傾向や頻度が不明確であること，負荷機器の耐量が機種・
種別ごとに統一されていないこと，対策に対する明確な基準や目安がないことなどから，最適な
問題解決手法については提案されていない。電力品質対策のためには，UPS を設置することが一
般的であるが，仕様やシステム容量，およびバックアップとしての蓄電池保持時間が過大であっ
たり，電源構成が過度な冗長構成をとってしまうことなどが，課題として認識されている [13]。
1.3
供給信頼度と電力品質を阻害する要因
電気事業者が所有し，運用するわが国の電力システムについては，冗長性や融通性のあるネッ
トワークや予備発電設備の充実，また，高度な配電システムなどにより，極めて高い供給信頼度
の提供が可能となっている。一方，需要家の設備や機器の動作・運用を停止させる停電事故や誤
動作や損傷の原因となる電力品質事象は，社会活動，気象状況，技術の進展度合いなど電力シス
テム以外の外部要因が直接の原因となっていることが多い。わが国を中心に，電力システムにお
ける停電や電力品質に関わる近年の傾向について，以下に概観する。
5
第1章
緒論
Table 1.1 Categories and characteristics of power system electromagnetic phenomena [10].
Categories
1 Transients
1.1 Impulsive
1.1.1 Nanosecond
1.1.2 Microsecond
1.1.3 Millisecond
1.2 Oscillatory
1.2.1 Low frequency
1.2.2 Medium frequency
1.2.3 High frequency
2 Short-duration variations
2.1 Instantaneous
2.1.1 Interruption
2.1.2 Sag (dip)
2.1.3 Swell
2.2 Momentary
2.2.1 Interruption
2.2.2 Sag (dip)
2.2.3 Swell
2.3 Temporary
2.3.1 Interruption
2.3.2 Sag (dip)
2.3.3 Swell
3 Long-duration variations
3.1 Interruption, sustained
3.2 Undervoltages
3.3 Overvoltages
4 Voltage unbalance Steady state
5 Waveform distortion
5.1 DC offset
5.2 Harmonics
5.3 Interharmonics
5.4 Notching
5.5 Noise
6 Voltage fluctuations
7 Frequency variations
Spectral content
Typical duration
5-ns rise
1-µs rise
0.1-ms rise
<50 ns
50 ns-1 ms
>1 ms
<5 kHz
5-500 kHz
0.5-5 MHz
0.3-50 ms
20 µs
5 µs
0-4 pu
0-8 pu
0-4 pu
0.5-30 cycles
0.5-30 cycles
0.5-30 cycles
<0.1 pu
0.1-0.9 pu
1.1-1.8 pu
30 cycles-3 s
30 cycles-3 s
30 cycles-3 s
<0.1 pu
0.1-0.9 pu
1.1-1.4 pu
3 s-1 min
3 s-1 min
3 s-1 min
<0.1 pu
0.1-0.9 pu
1.1-1.2 pu
>1 min
>1 min
>1 min
0.5-2%
0.0 pu
0.8-0.9 pu
1.1-1.2 pu
Steady state
Steady state
Steady state
Steady state
Steady state
Intermittent
<10 s
0-0.1%
0-20%
0-2%
0-100th harmonic
0-6 kHz
Broadband
<25 Hz
6
Voltage magnitude
0-1%
0.1-7%
第1章
1.3.1
緒論
停電の原因と対策
わが国の電気保安統計 [14] によれば，停電を分類すると，以下のように事故停電と作業停電に
大別される。
• 事故停電: 電気事業用電気工作物（引込線を除く。）の故障，損傷，または別の事故の波及
などにより，一般需要家に停電が生じた場合をいう。ただし，電路が自動的に再閉路される
ことにより，電気の供給の停止が終了した場合を除く。
• 作業停電: 電気工作物の建設，改善，維持のために計画的に電気の供給を停止した場合を
いう。
事故停電はさらに系統事故に関わる停電と局所的な停電に区分できる。電力システムにおける事
故発生区間の割合を Fig. 1.5 に示す。同図が示すとおり，電気事故は，高圧配電線区間が 87% を
占めており，停電においても大半は局所的な停電であり，広域に被害が及ぶことはまれである。
また，近年は，配電区間の自動化 [15] が進んでおり，停電事故が発生しても，事故点を残し，自
動開閉器により数分以内に復電させ，被害を最小限にとどめる構成となっている [16]。このこと
は，諸外国と比較して，電力の供給信頼度が極めて高い要因の一つとなっている。
わが国の配電区間における事故停電の原因を Fig. 1.6 に示す。停電の主な原因は，自然現象 (56%)
や外部との接触 (12%) などであり，電力事業者の設備や運用とは直接関係が無い事象に起因する
事故が概ね 70% を占めている [17]。
1.3.2
自然災害などによる広域停電の発生
Fig. 1.5 に示すように，停電の多くが配電設備の限定された部分での発生となっているが，国内
外問わず，ある頻度で広域停電が発生している。わが国においては，阪神淡路大震災による停電
(1995 年) [18]，台風 21 号による茨城県の広域停電 (2002 年) [19] などの自然災害が原因となった
停電や，自衛隊機墜落による送電線故障による停電 (1999 年) [20]，河川航行中の船舶クレーンが
送電線に接触したことが原因となった首都圏の広域停電 (2006 年 8 月) [21, 22] などが発生してい
る。海外においても，電力規制緩和・機器故障に伴う停電（ニュージーランドのオークランドの
大停電 (1998 年) [23] やカリフォルニアの停電 (1998，2001 年) [24]，英国，イタリアなど欧州の
都市部を中心とした広域停電や，北米大陸で発生した大停電 (2003 年 8 月) [25, 26] など，非常に
7
第1章
緒論
広範囲でかつ，復旧までに長時間を要する大停電がしばしば生じている。電力系統は人工的なシ
ステムであり，台風，地震，雷など気象に関連する事象への完全な保護は，非常に困難である。
このことは，発生確率は非常に小さくまれではあるが，局所的な停電以外に，自然災害や人為的
なトラブルによって発生する大規模停電も発生しうることを示している。自然現象と電力系統事
故についての因果関係については，解明されていない点も多いが，統計的にはそれらの関連を示
すことが可能である。一例として，米国における異常気象と電力系統事故の発生の関係を Fig. 1.7
に示す [27]。1992 年時点で，気象に起因する電力系統事故回数を１とした場合，2008 年時点で
はその 20 倍以上に増加しており，強風，異常高温，水害，雷などが今後も，停電事故の原因とし
て多くの割合を占めると予測される。また，気象以外にも，人為的なミスや故意による電力系統
Others
5.5%
Load facilities
1.1%
Low voltage
distribution lines
0.1%
Power station
1.0% Sub station
0.9%
Transmission and extra
high voltage distribution lines
lines
4.0%
Distribution lines
87.3%
Figure 1.5 Ratio of sectors of power outages.
8
第1章
緒論
事故の発生の恐れがあり，需要家は常に電力供給断のリスクを抱えている。
頻度は非常にまれであるが，大規模災害の発生は，甚大な被害を伴う。災害の発生頻度と損害
額の関係の一例を Fig. 1.8 に示す。大規模地震やテロによって生ずる事故は，数 10 年に 1 度の割
合で発生し，その場合の損害額は，10 億ドル以上にも及ぶ [28]。社会活動における電力への依存
度が高まるほど，これら災害に備えた電力設備への対策が重要となり，その投資の効率性・妥当
性が問われている [29]。
1.3.3
電力自由化
わが国においては，1995 年に 30 年ぶりの電気事業法改定が行われ，卸売電気事業者の参入規
制が撤廃され，2000 年 3 月より，部分的に電力の自由化が実施された。同じく，2000 年前後には，
世界的に多くの国々で電力の自由化が実施されたが，多くの問題が指摘されている [30]。米国に
おいては，2000 年∼2001 年にかけ，カリフォルニア州で電力危機が発生し，一部のエリアで輪番
停電を強いられるなど，明らかに供給信頼度の低下が見られた [24]。わが国では，事業者間の規
Figure 1.6 Root cause of interruptions on distribution lines.
9
第1章
110
25
Non-weather-related
20
90
15
80
10
70
5
Undefined weather
Wildfire
Temperature extremes
Ice/snow/winterstorm
Thunderstorm, tornado, lightning
Windstorm; hurricane; severe storm
Weather-related
0
60
19
92
19
95
19
98
20
01
20
04
20
07
Number of Incidents
100
50
Index: 1 = # of incidents in 1992
40
30
20
10
20
08
20
07
20
05
20
06
20
04
20
03
20
01
20
02
20
00
19
99
19
97
19
98
19
96
19
95
19
93
19
94
19
92
0
Year
Figure 1.7 Significant weather-related U.S. electric grid disturbances.
10/year
Average occurrence
Floods
Hurricanes
1/year
Major terrorism
Earthquakes
1/decade
9/11
1/century
1
10
102
103
104
105
106
Society’s aggregate loss per event ($million)
Figure 1.8 Society-wide impacts from major disasters.
10
緒論
第1章
緒論
定や監督官庁の指導の下，電力の供給信頼度の観点では，自由化前後でとくに大きな変化は見ら
れず，今日に至っているが，新規参入の電気事業者数，および設備容量が増えて行く場合，電力
システムの運用管理がより複雑になり，将来的には，供給信頼度の低下が懸念されている [31]。
1.3.4
分散型電源の増加
近年の地球環境保護，温暖化防止のため，再生可能エネルギーを用いた持続可能な社会の実現
が期待されている [32]。環境問題の意識や自然エネルギーへの期待の高まり，また国際的な取り
決め事項を反映した国策・経済的支援の実施 [33]，および技術革新と製造業者による設備コスト
の低下など様々な要因から，風力発電 [34] や太陽光発電 [35] などの分散型電源の導入数量が急激
に拡大している。分散型電源は，需要地近傍に設置され，CO2 の排出量抑制や，送電ロスの低減
には効果が見込めるものの，系統への逆潮流による電圧上昇などの課題を引き起こす可能性もあ
る [36, 37]。また，自然エネルギーを源とする電源は出力制御が困難であり，連系地点の電圧低下
により分散型電源が一斉解列し，系統を不安定にし，最悪停電を引き起こす事象も報告されてい
る [38–40]。
分散型電源の多くは，需要家の資産として運用されることが大半であるが，停電など電力系統
に事故が生じた場合，分散型電源の運転だけで電力の供給を継続してしまい，局所的に電気事業
者の線路や他者の負荷を充電する単独運転も懸念されている [41]。また，単独運転状態にある分
散型電源が電力系統と非同期で再閉路する場合には，過電流や電圧変動を生じてしまい，電力品
質の低下のみならず，事業者，ほかの需要家の設備や機器に被害を与える可能性がある。わが国
においては，分散型電源などの系統連系に係る環境整備が図られているが [42]，既存の電力系統
に自然エネルギーを用いる分散型電源が導入される場合，電力品質問題や供給信頼度の低下を招
く恐れがあり，安定した電力の供給と利用のためには，事業者側，需要家側，各々での適切でバ
ランスのとれた対策が必要となる。
1.4
情報通信システムの導入傾向と課題
近年，日常生活における ICT システムへの依存度が増している。深く意識しないうちに，電気，
ガス，水道，交通，および通信などの主要な社会基盤と同様に，重要な役割を ICT が果たすように
なっている。ICT システムによる途切れることのない様々なサービスの提供が，経済の成長や公共
11
第1章
緒論
の利益増進，豊かで安全・安心な暮らしを支え，また，社会の持続的発展のために必須となってい
る。それらのサービスを支えるための ICT 専用の特殊な建物・施設がデータセンタ (Data Center)
であり，わが国や欧米などの先進国のみならず，発展途上国を含むあらゆる国々・エリアでの新
規建設分も含め，データセンタ数が急増している。データセンタを介した ICT 利用の急激な拡大
は，同分野のエネルギー消費増大をもたらし，電力の供給源である既存電力系統，地球環境や資
源，および社会生活に与える影響を徐々に増している。ICT システムの導入傾向とその課題につ
いて，以下に整理する。
1.4.1
データセンタの導入拡大と社会的影響
かつては「電算機センタ」や「コンピュータセンタ」などと呼ばれていたが，通信網の高速，広
帯域化とそれら施設が結びつき，1990 年代後半から「データセンタ」という名称で語られること
が多くなった。現在においては，
「データセンタ」という用語が ICT 関連の設備・施設，もしくは
事業の形態として一般に定着しつつある。データセンタの構成例を Fig. 1.9 に示す。同図の構成
例からもわかるように，データセンタとは，停電，火災，地震，水害などの防災耐性を整えた堅
牢な建物内に，サーバやコンピュータ，データ保存装置・媒体，および外部との通信や情報交換
のためのネットワーク機器を集中的に設置した施設である [43]。
データセンタは，大規模な産業用施設であり，データ処理や加工のための情報工場とも言え
る [44]。データセンタの内部では，多数の ICT 機器を駆動しながら，企業や個人に対して様々な
サービスが提供されている。ICT 機器自体は，マイクロプロセッサ，メモリおよびデジタル，電
子回路によって構成されており，瞬断はもちろんのこと，わずかな電圧低下さえも許容しない。
ICT 機器の構成にもよるが，ICT システムを誤動作なく安定して運用するには，高品質な電力供
給が必要である。したがって，ICT を有効に活用した高度，かつ豊かな暮らしを実現させるため
には，電力の安定供給と信頼度および品質の向上が必須である [45]。
1.4.2
データセンタのエネルギー消費
多くのエネルギーを消費するデータセンタであるが，現状においては，電気事業者により発電
され，送配電の流通設備を介して送られた電力を受電消費しているケースがほとんどである。デー
タセンタの受電容量は，拠点の統合や集中化の影響もあり，従来の数 MW 程度から，10 MW 以
12
第1章
緒論
上の電力を要求するケースも増えている。米国では，送電網が老朽化し，かつ，送電容量も制限
されているため，配電を含めた電力流通設備を介せず，データセンタを発電所近傍に建設すると
いう事例の報告が増えている [46, 47]。安価で，安定かつ十分な電力供給を受けられるという立地
の制約も，今後のデータセンタ建設における一つの課題になる。
データセンタにおけるマクロ的な電力消費の将来予測については，わが国のみならず [48, 49]，
さまざまな国や機関・組織により，試算がなされている [50, 51]。その一つに，2025 年には国内
の電力需要の 15∼20% を ICT 利用による電力消費が占めるとの試算がある [48]。この試算によ
れば，国内のデータセンタで消費される電力量の増分は 2006 年 (214 億 kWh) と 2025 年 (527 億
kWh) との差分の 313 億 kWh となる。これを例えば，定格出力が 100 万 kW の発電所（年間総時
間 8760 h，稼働率 0.8，年間発電電力量 70 億 kWh を想定）で供給する場合，4 箇所以上の発電ユ
ニットの新設が必要となる。
また，わが国においては，エネルギーの使用の合理化に関する法律（省エネ法）[52] により，エ
Figure 1.9 Typical layout of data center.
13
第1章
緒論
ネルギー使用量が原油換算で年間 1500 k` 以上のデータセンタは，エネルギー管理指定工場の対
象となるため，エネルギー消費削減目標の設定や，目標達成のための計画の作成が求められてい
る。このことからも，データセンタの高効率，省エネ化は喫緊の課題となり，多くの関係者の関
心が高い。
1.4.3
データセンタにおける発熱密度
ICT 分野においては，繊細な画像や動画，また大量のデータを高速に処理するため，CPU (Central
Processing Unit) を中心としたプロセッサの性能が日を増すごとに増している。通信分野において
は，交換機や伝送装置および無線装置を中心とした従来のネットワークから，ルータやサーバを
活用した NGN (Next Generation Network) に進化しているが [53]，ここでも年々急増する通信トラ
フィック処理のため，電力消費が問題になっている [54, 55]。Fig. 1.10 に示すとおり，プロセッサ
の単位面積当たりの発熱量は，1990 年代には，アイロンやホットプレート (数 W∼10 W/cm2 ) を
超え，2005 年過ぎには原子炉の発熱密度 (数百 W/cm2 ) に達したといわれている [56]。
また，通信装置 [57]，およびデータセンタ向け機器 [58] の発熱密度の傾向を Fig. 1.11 に示す。
1000
Chip maximum power
（W/cm2）
Nuclear reactor
100
Heating plate
10
1
1985
1995
2001
Figure 1.10 Chip maximum power.
14
Year
第1章
緒論
ICT 機器へのプロセッサ複数個実装や高密度化，および収容ラックへより多くの ICT 機器が搭載さ
れることにより，製造メーカの省エネ低消費電力化の努力を上回る勢いで発熱密度が，年々増加し
ている。近年においては，導入・運用する ICT 機器の種類・機種によっては，発熱密度が 10 kW/m2
を超え，その値は今後さらに大きくなると予測されている。通常のオフィスは，50∼150 W/m2 程
度の負荷密度であり，データセンタ内の発熱密度問題は特殊な技術課題として，その対策のため
の技術開発が進められている。
1.4.4
データセンタにおけるエネルギーフローと改善対策
データセンタの一般的なエネルギーフロー [44] を Fig. 1.12 に示す。発電所において投入された
１次エネルギーの単位を 1 とすれば，発電および送配電の過程で約 2/3 が失われ，データセンタ
の受電端では約 1/3 に減少してしまう。
データセンタにおける主たる負荷は，サーバなどの ICT 機器であるが，そのほかに，空調設備，
および無停電電源装置を加えた三要素で成り立っている。現状においては，データセンタ内の ICT
Equipment heat density (W/m2)
100,000
Information system
10,000
Telecom system
1,000
100
X-bar switch
(Analog)
ISDN
Digital switch
Electronic switch
10
1
1950
1960
1970
1980 1990
Year
2000
Figure 1.11 ICT equipment heat density.
15
2010
2020
第1章
緒論
機器が消費する電力は，受電端電力の 50% 以下である。さらに，ICT 機器内のサーバ電源や冷却
ファンによる電力消費を除くと，プロセッサやメモリで消費される電力は，発電に投入される一
次エネルギーのわずか 10% 以下となってしまう。プロセッサやメモリの省エネ化を図ること以外
にも，これらデータセンタの運用に必要な三要素をバランスよく，かつ効率的に運用することが，
データセンタの省エネ化，ひいては地球温暖化防止や各種資源の有効利用の観点から重要となる。
データセンタの高効率・省エネ化を実現するための施策例を Fig. 1.13 [44] に示す。
環境に配慮したデータセンタ運用のため，分散型電源を導入しているデータセンタが増えてい
る。例えば，米国の Google では，オフィスに導入される太陽光発電システムとしては米国で最大
規模の 1.6 MW 太陽光発電パネルにより，消費電力の 30% 程度を賄う施策に取り組んでいる。同
様に，国内でもデータセンタに太陽パネルを多数設置し，CO2 を削減することで環境問題に対す
る一助とする事例が多く見られるようになった。さらに，欧米では風況に恵まれたエリアに風力
発電を利用したデータセンタ建設のプロジェクトも幾つか発表されている。統合集約された大規
模データセンタを郊外の水力発電所近傍に建設する動きや，地熱発電によるデータセンタを運用
Fuel for generation (primary energy)
100
Generation losses
Output at Power station
Transmission and
distribution losses
35
PWR
Receiving point at data center
33
ICT load
Power supply
unit and fan
HAVC
ICT
14
Processor/
memory
8
Note:
PWR: Backup power equipment
HVAC: Heating, Ventilation, and Air-Conditioner
Figure 1.12 Power flow from power station to ICT equipment in data center.
16
第1章
緒論
する計画などもある。電力輸送への対処とエネルギー効率向上，および環境問題への対処などの
理由から，ICT 利用の拡大に比例し，データセンタへ分散型電源を導入する事例も増えている。
1.5
高い供給信頼度を必要とする需要家への給電システムのあり方
データセンタをはじめとする ICT 関連施設は，24 時間 365 日，常にサービスが途切れることな
く，正常に動き続けることが求められている。電気通信事業における通信ビル内には，高信頼な
通信用電源設備 [59] が設置され，商用電源，長寿命鉛蓄電池，非常用発電装置などを適切に組み
合わせて運用している。また，近年の発生規模や件数が拡大している自然災害や様々なリスクに
備え通信事業者自らの高信頼対策運用も試みられている [60]。今日においては，社会基盤の一部
となった ICT システムであるが，そのシステムが停止した場合の影響は，経済的損失のみならず，
時には生命や財産を脅かす事態に及ぶことが想定される。したがって，エネルギーの高効率・省
エネ化のみならず，混乱や不安がない安全・安心な暮らしの提供のためにも ICT システムへの安
定かつ高品質な電力の供給が必要となる。ICT システムに障害が発生したなど，事業が停止した
場合の 1 時間当りの経済的損失額が試算されており，その一例を Table 1.2 に示す [61]。
Figure 1.13 Improvement methods for data center’s energy efficiency [44].
17
第1章
緒論
電力品質に関わる多くの事象，とくにサージ過電圧や瞬時電圧低下は，継続時間が短く µ 秒∼
数サイクル程度であるることが大半であるが，入力変動耐量が不十分な負荷機器・設備において，
誤動作やシステム停止を伴う恐れがある。1 回の電力品質トラブルを受けた場合でも，正常復帰
までに数時間を要することが多い [62]。業種毎に被る事象 1 回あたりの損失額を Table 1.3 に示
す [61]。条件にもよるが，ICT システムが停止した場合の経済的損失は莫大であり，今後 ICT シ
ステムへの依存度が増すにつれ，障害発生時の影響も今まで以上に大きくなると予測される。
わが国のみならず，欧米を中心とした諸外国においても，既存の大規模電力系統のみに依存す
る電力供給形態から，需要地に近いエリアにおいて電力と熱を同時に供給可能とする様々な方式
の検討がなされている。これらの検討の背景には，電力事業形態の変貌，小∼中規模の各種発電
Table 1.2 Cost of downtime per hour [61].
Industry
Brokerage
Energy
Credit card operations
Telecommunications
Manufacturing
Retail
Health care
Media
Human life
Average Cost per Hour (US$/hour)
6,400,000
2,800,000
2,600,000
2,000,000
1,600,000
1,100,000
640,000
340,000
“Priceless”
Table 1.3 Cost of downtime per event [61].
Industry
Financial
Semi-conductor manufacturing
Computer
Steel/heavy manufacturing
Telecommunications
Data processing
Plastics manufacturing
18
Typical Loss (US$/event)
6,000,000
3,800,000
750,000
300,000
30,000
10,000
10,000
第1章
緒論
装置・設備の性能向上と低価格化，再生可能エネルギーの利用促進，および，電力供給信頼度の
向上など，多岐多様な要因があり，一様ではないが，将来に向けた理想的な新たなエネルギー供
給システムを目指すという検討の方向性については共通している。また，電力を消費する需要家
においては，ICT をはじめとし，医療，金融，輸送，製造など様々なシステムが，より高い品質
の電力や無停電供給を必要とするなど，高信頼電源のニーズが高まっている [61]。
近年のデジタル負荷機器の導入拡大により，ICT システムを活用する事業者以外にも多くの需
要家が，高品質な電力供給を望んでいる一方，従来程度の電力品質で更なる料金の低減を求める
需要家が一定の割合でいることなど，給電に対するニーズが多様化している [63, 64]。従来の電力
供給は，信頼度や品質面の点では画一的であり，需要家から選択の余地がなかった。しかし，近
年，パワーエレクロニクスを適用した電源装置，分散型電源，および蓄電池などを適切に組み合
わせることで，多様化するニーズを満たすための多品質電力を同時提供することが可能になって
きた。これを実現させるための新たな電力ネットワーク，もしくは電力供給システムの概念が生
まれ，多くの研究や実証がなされている [65–67]。
以下に，研究されている代表的な電力供給方式について概説する。
1.5.1
マイクログリッド
既存の系統電力に依存しなくとも，多数の小型分散型電源が集合体として自律運用できる電力
システムとして，マイクログリッドの概念が提案されている [68, 69]。マイクログリッドを構成す
る電源設備は，既存商用系統と比較して電源容量が小さい分散型電源が主力となる。分散型電源
種別に風力や太陽光発電など間欠的であり出力が不安定であるものを含む場合も多いが，これら
の分散型電源だけでは需給バランスを保つことが困難であり，マイクログリッドの安定化のため
には，制御方式や蓄電設備の導入を検討しなければならない [70]。マイクログリッド自体の明確
な定義は確定していないが，一例を挙げると「分散型電源と負荷をもつ小規模系統で複数の電源
および熱源が ICT 関連技術を使って一括制御管理されて，既存の電力会社の商用系統から独立し
て運転可能なオンサイト型の電力供給システムである」[71] と言われており，より効率的でかつ
機能的な地域の統合エネルギーシステムとしての役割が期待されている [72]。
19
第1章
1.5.2
緒論
スマートグリッド
世界各国で電力系統に ICT を用い，信頼性と電力品質の向上，電力システムの利用率改善, エネ
ルギー効率の向上，再生可能エネルギーの導入拡大，および電力需要のピークカットなどに対処
可能とする新たな概念として，スマートグリッドが盛んに検討されている [73]。マイクログリッ
ドが既存の電力系統より容量・規模，および対象エリアが限定されいることに対して，スマート
グリッドは，発電，送配電，需要家のすべてを含み，今後導入拡大が予測されている分散型電源
や電気自動車などをも巻き込んだ概念である。各国によって，スマートグリッドを検討する目的
や必要性が異なる。わが国の場合，出力の不安定な再生可能エネルギーを大量導入する際に，電
気自動車を含む蓄電設備やパワーエレクトロニクス機器を有効に活用・制御し，既存系統と協調
することで，配電線の電圧上昇や供給信頼度・電力品質の悪化を防ぐ技術として，日本型スマー
トグリッドが有望視されている [74, 75]。
1.5.3
FRIENDS
電気事業の規制緩和の到来に備え，需要家側に小規模分散型電源や電力貯蔵装置を設置し，さ
らに電力購入先や，託送経路も自由に設定できるなど，様々な需要家の要求に応えられる新しい
電気エネルギー流通システム FRIENDS (Flexible Reliable and Intelligent Electrical eNergy Delivery
System) が提案されている [76, 77]。FRIENDS は，安価な電力の供給のみならず，停電や瞬時電圧
低下，また高調波などがない多品質電力供給の概念も含んでいる。また，小規模発電設備や電力
貯蔵装置の最適運用，配電システムの高度化，電力品質や需要の管理，自動検針や顧客情報サー
ビスなど，技術な観点のみならす，事業運営的な課題についても FRIENDS の検討をとおして提
起されており，関連する多くの研究がなされている [78–80]。
1.5.4
品質別電力供給システム
FRIENDS に代表されるような新しい電気エネルギー流通システムの発展型として，品質別電
力供給方式についての検討がなされている。様々な提案や机上検討を経て，平成 14 年度に，経
済産業省資源エネルギー庁の委託により「電力ネットワークシステムの将来像」の具体的な電力
ネットワークシステムの構築に向けて「新電力ネットワークシステム研究会」が設置され，その下
に「系統電力と分散型電力の協調」を目的に，今後求められる具体的なシステムの方向性に関す
20
第1章
緒論
るシミュレーションなどによる検証，今後の具体的な技術開発の方向性の検討が開始された。こ
こでの議論により，新電力ネットワークシステムの将来像や，品質別電力供給システム (MPQSS:
Multiple Power Quality Supply System)，統合制御システムについてシミュレーションなどに基づ
く評価，技術開発課題の整理が行われた [81]。
その後，NEDO による実証事業の公募がなされ，仙台市において，平成 15 年からの４カ年で
「品質別電力供給システム」のフィールド運用が行われた [82]。品質別供給システムの検討の一つ
に，直流配電による停電コストの低減が期待されているが，システム全体をトータル的に見たコ
ストを算定し，評価することが課題として提起されている [83]。
また，米国においては，品質別電力供給システムと近い概念を持つ “Premium Power Quality Park”
の実証システムについて，工場を対象とした実証例が報告されている [84]。
1.5.5
CERTS
米国においては，2003 年に発生した北米大停電への対応策の一つとして，負荷システムの要
求に合わせて，複数の電力品質を供給する給電方式の検討が始まった [85]。米国エネルギー省
(DOE: Department of Energy) を中心にマイクログリッドの開発支援が行われており，ローレンス
バークレー国立研究所やウィスコンシン大学，アメリカン・エレクトリック・パワー社など産学
官で CERTS (The Consortium for Electric Reliability Technology Solutions) が構成され，各種の提
案と技術検証が実施されている [86]。停電事故や設備故障の発生時，もしくは電源運用制約のた
め供給容量に制約を受ける場合，負荷の重要性に応じて，供給信頼度や品質に差をつけることも
CERTS における導入コンセプトの一つであり，FRIENDS や品質別電力供給システムと類似して
いる。
CERTS で検討されているマイクログリッドについては，系統電力の中断，または電力不足が起
きた場合に連続的に自立運転へ移行し，系統電力が復帰すれば再連系できることを目的としてい
る。そのため，系統連系時と自立運転時の相互間の，自動的かつ無瞬断な移行方法，自立運転時
における短絡故障発生時の保護方法や，自立運転条件下で電圧と周波数の安定をはかるマイクロ
グリッド制御方法などが提案され，試験設備を用い検証されている [87]。
21
第1章
1.5.6
緒論
直流給電方式
今日における一般的な電力は，電力会社など電気事業者を通して供給される周波数が，50 もし
くは 60 Hz の交流電力である。一方，電力消費においては，近年の AV 機器，情報通信機器など
のデジタル電子機器や，インバータ付きのエアコンや冷蔵庫に代表されるように，機器内部では
最終的に直流，もしくは，入力である交流を一旦直流に変換して電力を利用する形式の負荷が増
えている [88]。
また，太陽電池を始めとした再生可能エネルギーの導入拡大，およびそれらの出力変動の不
安定さの解消のための蓄電池など，直流給電技術が適用される範囲が，近年，急速に拡大してい
る [89, 90]。
ICT システムのエネルギー分野では，ほかの産業分野のエネルギーシステムと同様に，経済性
と高い運用性を有することのほかに，
• 低損失・高効率
• 高密度負荷への供給
• 高信頼・高品質
の三つの要求についても同時に達成されなければならない。
通信用施設では従来から，整流器を用いた直流給電方式が多用されてきた。データセンタにお
いても，給電方式検討に関する取組内容の一つとして直流給電方式が，欧米，およびわが国など
で注目されている [91–93]。現状において，多くのデータセンタでは，電源トラブルに備え UPS
を設置しているが，一般的な UPS は，エネルギー蓄積装置として蓄電池を用いるため，AC/DC と
DC/AC の電力変換器が必要であり，バックアップ動作以外の通常の給電時にも電力変換に伴う損
失を発生させてしまう。直流給電方式は，交流給電方式と比べ電力変換段数が少なく，高いエネ
ルギー効率が得られることの利点に加え，設備構成がシンプルになり給電システムの信頼度が高
くなるという特長も有する [94]。さらに，負荷需要施設近傍に直流を出力する分散型電源を設置
することが容易であったり，蓄電装置，および ICT 機器との接続性・親和性の高さからも，直流
給電方式が数多く研究されている [95–99]。
22
第1章
1.6
1.6.1
緒論
本研究の目的と内容
本研究の目的
電力の使用形態の変貌により，ICT システムのような極めて高い供給信頼度を必要とする需要
家設備が急増しており，それらに対する最適な電力供給方式の確立が近年の課題となっている。
また近年は，供給信頼度のみならず，地球環境対策を強く意識し，再生可能エネルギーを活用し
た分散型電源を積極的に導入することが求められている。ところが，出力が間欠的であり不安定
な再生可能エネルギーを活用することは，供給信頼度や電力品質を低下させることが指摘されて
おり，高い供給信頼度や電力品質を維持することと相反する命題となり，新たな電力供給方式の
実現が課題解決のために必要である。また，新たな電力供給方式を導入し，運用する際の経済的
な妥当性の目安についても同時に問われている。とくに，ICT システムを運用する際のバックアッ
プ電源装置や給電構成については，合理的な設計手法は無く，判断基準が不明確であるため，過
大な電源設備構成となり無駄な投資となっていたり，逆に，信頼性の担保が不十分であり要求さ
れる供給信頼度や電力品質を著しく下回り，サービス断を強いられている状況が散見されていた。
既存電力系統と提案する新たな電源システムとの構成の概念を Fig. 1.14 に示す。既存電力系統
Figure 1.14 Basic configuration of utility grid system and proposed power system.
23
第1章
緒論
と提案の電源システムとは，連系用開閉器 (Tie switch) により接続されている。提案の電源システ
ムは，系統の状態，連系用開閉の状態，および提案の電源システムの運転状態により，Table 1.4
に示すとおり，系統連系モード (Interconnected mode)，自立運用モード (Isolated mode)，独立運用
モード (Islanded mode)，そしてバックアップモード (Backup mode) の 4 モードに分類できる。こ
れらの各モードにおける電力の安定供給はもちろんのこと，モードの移行の際にも分散型電源が
停止せず，給電を継続することが供給信頼度の観点から重要となる。
商用電源の供給信頼度が低い地域において，制御可能な型式の分散型電源を導入し供給信頼度
を高めることは，年間の平均停電時間を短くするという観点では有効である。しかしながら，例
えば，わが国の系統連系規程 [100] で定められているように，商用系統に停電故障などの異常が
生じた場合，系統への逆充電により，作業者が危険にさらされることを防ぐため，分散型電源を
解列させなければならにという制約がある。ICT システムのような短い時間の電圧変動を許容し
ない負荷機器・設備に対して，既存系統との解列のため，分散型電源が一旦停止することは，供
給信頼度と電力品質の観点から課題となっていた。
給電システムの稼働率 (Availability) と年間のダウン時間の関係を Table 1.5 に示す。近年におけ
るわが国の年間停電時間は，平均で 10 分程度であるため，供給信頼度は，同表に示す 4∼5 Nines
(99.99∼99.999) の稼働率にあると言える。オンサイト型の電源として，非常用発電設備を例にす
れば，わが国の消防法施行規則により常用電源が停電してから電圧確立，および投入までの所要
時間は 40 秒以内と定められている [101]。これにより，供給信頼度は，6 Nines (99.9999) レベル
に改善できるが，ICT システムに対しては十分なレベルとは言えない。分散型電源を活用する場
Table 1.4 Definition of operational modes of proposed power subsystems.
State of power system
Grid
Tie SW
DER
Normal
ON
Interconnected
Normal
OFF
Disconnected
Outage
OFF
Stand alone
Outage
OFF
Battery discharge
Mode
Note
Interconnected mode
Isolated mode
Islanded mode
Backup mode
Synchronized with grid
With DGs operation
With DGs operation
SW: Switch, DER: Distributed Energy Resources, DG: Distributed generator
24
第1章
緒論
合，系統連系モード⇔自立（もしくは独立）運用モードの移行において，給電断時間を ICT 機器
の許容範囲である 20 ms 以内に抑えること，すなわち，供給信頼度を 9 Nines (99.999999999) レ
ベルまでに高めた無瞬断化の達成が一つの目標となる。
提案する給電システムについては，供給信頼度維持のみならず電力品質維持の観点で，運用モー
ドが切替る状態間においても，可能な限り分散型電源を停止させない手法について提案しており，
実証によりその有効性について明らかにする。
1.5 節で述べたように，近年多くの給電システムが提案されているが，本研究は，次の三つの観
点から，高い信頼度を必要とする需要家に適した給電システム導入の考え方を示すことを目的と
し，実施したものである。
• 机上やシミュレーションでなく，また，研究室レベルの小規模な運用でなく，実際のフィー
ルドにおける実需要家を対象に提案した複数の構成と設備容量の異なる給電システムが長
期間にわたり，トラブルなく正常に動作し続け，実用に供することが可能であることを実証
すること。
• 提案された給電システムが，
– 既存の電力系統と連系している状態
– 連系用開閉器が開放され，独立運用となる状態
Table 1.5 Relation between availability of power supplying and down time per year.
Nines
2 Nines
3 Nines
4 Nines
5 Nines
6 Nines
7 Nines
8 Nines
9 Nines
10 Nines
Availability
99%
99.9%
99.99%
99.999%
99.9999%
99.99999%
99.999999%
99.9999999%
99.99999999%
25
Down time per year
3.7 day
8.8 h
53 min
5.3 min
31 s
3.1 s
0.32 s
32 ms
3.2 ms
第1章
緒論
– 両者のモード移行における過渡状態
になる場合においても，分散型電源が停止することなく給電を継続させ，供給信頼度を低
下させないこと。
• それらの給電システムを構築，運用する際に，投資対効果の観点で経済的な妥当性を判断
するための合理的な判別手法を開発すること。
これら三つの観点を十分に考慮し，国内における実証プロジェクトを活用し，ICT システムなど
高い供給信頼度を必要とする需要家設備に対して，適用可能な給電システムが実現できることを
確認するとともに，各種特性の検証を行う。また，実証プロジェクトのようなフィールドワーク
以外でも，供給信頼度や電力品質などの実態，および電源装置類の故障に関する実態調査と統計
など各種データを整え，新たな電源システム構築に対する経済的な妥当性を検討する。
1.6.2
本研究の内容
本研究で検討し，提案する電源システムにおいて，既存の技術を活用する場合，分散型電源や連
系用開閉器の容量によって，主として同期発電機や機械式遮断器によるシステム構成と，パワー
エレクトロニクス技術を用いる電力変換器や半導体スイッチを適用するシステム構成の二つに分
けられる。前者は，概ね 1 MW クラスのシステム容量，後者は数 kW∼100 kW 以下の小・中容量
のシステム容量を検討の対象とする。
いずれの方式においても，系統連系から自立運転に切替る際，給電の無瞬断特性を有すること
が必須である。また，ICT システムのような無瞬断な給電を必要とする負荷設備に適用する電源
システムの導入方針に関して，導入の合理性について，本研究では経済性を基準に判断する手法
を提案する。
持続可能な社会の実現のため，従来の大規模集中の発電形態から，今後は再生可能エネルギー
を有効活用する分散電源との協調が求められる。ただし，PV のような分散型電源は，その出力が
不安定であり，また負荷変動に追従することができず，系統に連系してのその弱点を補う形態で
の運用が主流であった。このような分散型電源が，系統に大量に接続されると，配電線の電圧を
規定値以上に上昇させてしまったり，高調波を発生させるなど電力品質の悪化や，系統の瞬低な
ど事故時に一斉に解列するなど多くの技術的課題が顕在化している。このため，通常は，商用系
26
第1章
緒論
統に接続せず自立して運用する給電方式も考えられる。
本論文は 5 章で構成されている。第 2 章以降の各章の概要は以下のとおりである。
第 2 章では，近年，導入拡大が期待されている分散型電源の不安定さや電力品質への悪影響を
補うため，従来は停電時の負荷給電のみに機能する電力変換装置や蓄電池を有効活用し，独立運
用の際には電圧源となる分散型電源との協調運転により，有効電力，無効電力の授受を行う機能
を付加することを提案した。
また，同期発電機と機械式真空遮断器を適切に組合わせることで，系統連系から独立運用モー
ドに移行する際，無瞬断な電力供給継続の実現性を示した。独立運用にモードに移行した場合，
急峻な負荷変動や太陽光発電の出力変動が生じても，所要の電力品質が維持でき，実用に耐えう
ることを実機の検証結果から明らかにした。
提案した給電方式である MPQSS が，独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構から
委託された研究事業を基に，実際のフィールドで計画どおりに運用でき，基本機能である複数の
電力品質を同時に供給可能であることを明らかにした。
第 3 章では，パラレルプロセッシング方式を活用した給電システムを提案し，その有効性検証
のため愛知工業大学のキャンパス内に構築した実機により，太陽電池や風力発電などの分散型電
源と鉛蓄電池を主体とした長期間に渡る実負荷運用を行った。その結果，既存系統に負担をかけ
ず，かつ負荷側への電力供給についても供給信頼度や電力品質に影響を与えず問題がなく安定し
た運用が可能であることを示し，環境負荷低減と供給信頼度と電力品質維持の両立が実現できる
ことを確認した。
本給電方式は，太陽電池のような不安定な電源を主たる電力供給源としているが，半導体スイッ
チと双方向変換器を活用し，通常時は系統から切離された自立運転とすることで，停電や瞬時電
圧低下などの系統事故の影響を受けることがない。系統から自立した状態でも，分散型電源出力
の余剰や不足はバックアップ用蓄電池により需給を調整でき，また，自立運用のため，系統への
逆潮流がなく，配電線の電圧上昇や高調波の問題とは無関係にあることも明らかにした。
第 4 章では，従来は，高い信頼度を求める負荷に用いる UPS などのバックアップ電源を導入す
る際，判断基準や条件があいまいであり，特に限られた投資額の範囲で優先順位をつけるための
手法が確立していなかった。本検討では，データセンタなどに適用されている電力供給システム
構成の現状と課題を明らかにするとともに，需要家から見た場合の現状における供給信頼度や電
27
第1章
緒論
力品質悪化の発生頻度を調査により定量的に示した。
また，各種実証試験，および実際の産業界で適用されているコスト条件を用い，調査によって
得られた停電や電力品質の発生確率と，それらの電源トラブルに対してバックアップ電源を導入
することでシステム障害を回避できる便益と，バックアップ電源設備類の初期投資額，およびラ
ンニングコストを反映し，バックアップ電源導入によりメリットが生ずる投資対効果の条件を一
般式化することで，簡易に判断できる手法を開発し提案した。
最後に，第 5 章で本論文を総括し，本研究で得られた知見を整理するとともに，今後の課題を
まとめた。
28
第1章
緒論
参考文献
[1] T. P. ヒューズ (著), 市場靖男 (訳), 電力の歴史 Networks of Power, 平凡社, September 1996.
[2] 総合資源エネルギー調査会 需給部会, 2030 年までの我が国のエネルギー需要の見通し, 経済
産業省, February 2004.
[3] M. Samotyj, D. V. Dollen, and B. Howe, “Powering the Digital Revolution: Electric Power Security, Quality, Reliability, and Availability in the Digital Age,” Power Systems and Communications
Infrastructures for the Future, Beijing, PRC, September 2002.
[4] M. Amin, Complex Interactive Networks/Systems Initiative: Final Summary Report, The Electric
Power Research Institute (EPRI), March 2003.
[5] 電気事業連合会 WEB サイト, 停電回数と停電時間の推移.
http://www.fepc.or.jp/present/supply/antei/sw index 01/index.html (Accessed 2010-12-08)
[6] 電気事業連合会 WEB サイト, 停電時間の国際比較.
http://www.fepc.or.jp/present/supply/antei/sw index 02/index.html (Accessed 2010-12-08)
[7] 奥村睦, 小林直樹, “最近の電力品質技術の動向,” 電気学会論文誌 B, Vol. 125, No. 7, pp. 643-646,
2005.
[8] 電力分野における EMC 課題調査専門委員会, “電力分野における EMC 課題,” 電気学会技術
報告, No. 949, p. 46, 2004.
[9] 村上直樹, “電力品質の定義と測定方法,” NTT ファシリティーズ総研, 2005 年度研究報告, 2005.
[10] R. C. Dugan, M. F. McGranaghan, S. Santoso, and H. W. Beauty, Electrical Power Systems Quality,
2nd ed., McGraw-Hill, 2003.
[11] 瞬時電圧低下対策専門委員会, “瞬時電圧低下対策,” 電気協同研究会, Vol. 46, No. 3, 1990.
[12] 松崎薫, “UPS(無停電電源システム) の技術動向 (2010 年版 UPS 最新動向),” OHM, Vol. 97, No.
9, pp. 64-67, September 2010.
29
第1章
緒論
[13] 独立行政法人新エネルギー · 産業技術総合開発機構, 平成 19 年度成果報告書 新電力ネット
ワークシステム実証研究「新電力ネットワーク技術に係る総合調査」, March 2008.
[14] 経済産業省 資源エネルギー庁 原子力安全 · 保安院, 平成 14 年度電気保安統計 需要家停電統
計, July 2004.
[15] 田島久嗣, “電力会社の配電設備アラカルト 8 配電自動化システム,” 電気設備学会誌, Vol. 29,
No. 7, pp. 431-435, July 2009.
[16] 電気学会配電系統調査専門委員会, “配電系統の供給信頼度評価方法と停電時間短縮化技術,”
電気学会技術報告 2 部, No. 298, pp. 3-51, May 1989.
[17] 前田隆文, 吉野利広, 田中政直, 発送配電・材料, 東京電機大学出版局, 1997.
[18] 臼田修, “阪神・淡路大震災における電力ライフラインの復旧について,” 電気学会誌, Vol. 115,
No. 9, pp. 578-581, 1995.
[19] 住環境計画研究所, フォーラムエネルギーを考える: 広域停電が消費者に与える影響調査報告
書, May 2003.
[20] 東京電力プレスリリース, 自衛隊機接触に伴う当社特別高圧送電断線による停電事故につい
て, 東京電力 WEB サイト (1999-11-22).
http://www.tepco.co.jp/cc/press/99112202-j.html (Accessed 2010-12-08)
[21] “続・緊急速報! 首都圏大停電 首都圏大規模停電の状況と対策,” OHM, Vol. 93, No. 10, pp.
28-31, October 2006.
[22] 日経コンピュータ, “大規模停電がデータセンタにも影響 予備電源システムの不備が露呈,”
NIKKEI COMPUTER, 2006.9.4, p. 15, 2006.
[23] 海外電力調査会ニュージーランド停電調査班, “オークランド (NZ) 中心部で大規模な停電が
発生,” 海外電力, Vol. 40, No. 5, pp. 43-49, May 1998.
[24] 飯田浩史, “カリフォルニア州の輪番停電 裏目に出た電力自由化 (特集 大停電 その時…),” エ
ネルギーレビュー, Vol. 23, No. 6, pp. 14-17, June 2003.
30
第1章
緒論
[25] “欧米大停電から何を学ぶか : ―講演要旨とインタビュー―,” 電気学会誌, Vol. 125, No. 1, pp.
29-33, 2005.
[26] 金融情報システムセンター監査安全部, “海外出張報告 米国東部大停電の米国金融機関への
影響調査,” 金融情報システム, Vol. 270, pp. 84-95, 2004.
[27] Thomas R. Karl, Jerry M. Melillo, and Thomas C. Peterson, Global Climate Change Impacts in
the United States, Cambridge University Press, p.58, 2009.
[28] Amin, Massoud, Financial Impact of World Trade Center Attack, EPRI, DRI-WEFA, January
2002.
[29] Mark P. Mills, Peter Huber, Critical Power, DIGITAL POWER GROUP, 2003.
[30] 栗原郁夫, “電力自由化のもとでの供給信頼度評価,” 電気学会論文誌 B, Vol. 120, No. 7, pp.
919-922, 2000.
[31] “世界自由化で停電は増えたか?(資料紹介),” 海外電力, Vol. 52, No. 8, pp. 109-111, August 2010.
[32] 低炭素社会構築に向けた再生可能エネルギー普及方策検討会, 低炭素社会構築に向けた再生
可能エネルギー普及方策について, 2009.
[33] 地球温暖化対策に係る中長期ロードマップ検討会エネルギー供給ＷＧ, 国内外における再生
可能エネルギー政策の現状, 2010.
[34] 宇佐美光江, 松本光裕, 小垣哲也, 横山茂, “特集 風力発電の最新技術動向,” OHM, Vol. 97, No.
5, pp. 17-32, May 2010.
[35] 渡邊昇治, 杉本完蔵, 森田健晴, 荻本和彦, 櫛屋勝巳, “特集 太陽光発電技術の最新動向,” OHM,
Vol. 97, No. 6, pp. 17-42, June 2010.
[36] 平井崇夫, 藤原信行, “分散型電源導入拡大に伴う諸課題 : ―配電系統を中心に―,” 電気学会
誌, Vol. 125, No. 3, pp. 149-152, 2005.
[37] 不破由晃, 滝波力, “分散型電源導入拡大に伴う諸課題–配電系統連系に関する現状 (特集 分散
型電源を含む電力供給システム),” 電気評論, Vol. 93, No. 4, pp. 11-15, April 2008.
31
第1章
緒論
[38] 横山明彦, “電力系統からみた大容量風力発電,” 電気学会誌, Vol. 129, No. 5, pp. 299-302, 2009.
[39] J.M. Carrasco, L.G. Franquelo, J.T. Bialasiewicz, E. Galvan, R.C.P. Guisado, Ma.A.M. Prats, J.I.
Leon, N. Moreno-Alfonso, “Power-Electronic Systems for the Grid Integration of Renewable Energy Sources: A Survey,” Industrial Electronics, IEEE Transactions on , vol. 53, no. 4, pp. 10021016, June 2006.
[40] R. Piwko, N. Miller, R. Girad, J. MacDowell, K. Clark, A. Murdoch, “Generator Fault Tolerance
and Grid Codes,” Power and Energy Magazine, IEEE , vol. 8, no. 2, pp. 18-26, March/April 2010.
[41] 舟橋俊久, “分散型電源系統連系時の技術的課題とその対策,” 電気評論, Vol. 88, No. 3, pp.
16-19, 2003.
[42] 経済産業省 資源エネルギー庁, 電力品質確保に係る系統連系技術要件ガイドライン, October
2004.
[43] George Lawton, “Powering Down the Computing Infrastructure,” The IEEE Computer Society,
Computer, pp. 16-19, February 2007.
[44] Paul Scheihing, DOE Data Center Energy Efficiency Program, US Department of Energy, April
2009.
[45] Walter S. Baer, Scott Hassell, Ben Vollaard, Electricity Requirements for a Digital Society, Rand
Corp, November 2002.
[46] 工藤知宏, “データセンター及びクラウドと光ネットワーク技術,” 電子情報通信学会誌, Vol.
93, No. 8, pp. 669-672, 2010.
[47] The New York Times Web version, Hiding in Plain Sight, Google Seeks More Power.
http://www.nytimes.com/2006/06/14/technology/ (Accessed 2010-11-09)
[48] 経済産業省, グリーン IT イニシアティブ, December 2007.
[49] 総務省, 地球温暖化問題への対応に向けたＩＣＴ政策に関する研究会 報告書, April 2008.
32
第1章
緒論
[50] U S Environmental Protection Agency ENERGY STAR program, Report to Congress on Server
and Data Center Energy Efficiency Public Law 109-431, August 2007.
[51] European Telecommunications Network Operators’ Association, Energy Task Team First Annual
Report; 2005 - 2007, The Hague, London, April 2008.
[52] 経済産業省, エネルギーの使用の合理化に関する法律（昭和五十四年六月二十二日法律第四
十九号）最終改正：平成二〇年五月三〇日法律第四七号, May 2008.
[53] 谷英明, 平田幹人, “NGN 時代のイノベーション,” 電気学会誌, Vol. 127, No. 7, pp. 422-425,
2007.
[54] 小笠原敦, “情報通信のエネルギー問題 求められる通信インフラの省電力化,” 科学技術動向,
No. 63, pp. 10-17, June 2006.
[55] 析口壮志, 由比藤光宏, 竹下幸俊, 澤田孝, 西史郎, “情報通信サービスの環境影響評価手法と評
価システム,” 電子情報通信学会誌, Vol. 90, No. 3, pp. 176-182, 2007.
[56] Hipp, “Blade Computing,” Rocky Mountain Institute High-Performance Data Centers, September
2003.
[57] 赤木久真, 加納修平, 市村充, “ＶＩ＆Ｐと通信用建築技術,” NTT 建築, Vol. 30, No. 176, September 1992.
[58] ASHRAE 90427 Document Information, Datacom Equipment Power Trends and Cooling Applications, January 2005.
[59] 改訂版 通信用電源, 電気通信協会, January 2002.
[60] H. Ikebe, S. Iwai, T. Tsumura, N. Morii, K. Hirose, “Efforts to improve the reliability of telecom power,” Proc. of the IEEE 32nd International Telecommunications Energy Conference (INTELEC), Orlando, FL, USA, June 2010.
[61] Peter M. Curtis, MAINTAINING MISSION CRITICAL SYSTEMS IN A 24/7 ENVIRONMENT,
John Wiley & Sons, Inc., 2007.
33
第1章
緒論
[62] “動かないコンピュータ グーグル PaaS が停電で 2 時間停止 一部データで整合性に問題発生,”
日経コンピュータ 2010-03-31, Vol. 753, pp. 88-90, March 2010.
[63] 石垣幸雄, “需要家における品質別電力供給のニーズ調査結果」について,” 季報エネルギー総
合工学, Vol. 29, No. 22, pp. 35-40, July 2006.
[64] 石垣幸雄, 大山力, “品質別電力供給システム実証研究に係わる総合調査 潜在的な市場規模予
測に関する検討結果,” 電気学会平成 19 年全国大会, 6 巻, 023, 2007.
[65] M. Barnes, J. Kondoh, H. Asano, J. Oyarzabal, G. Ventakaramanan, R. Lasseter, N. Hatziargyriou,
and T. Green, “Real-World MicroGrids-An Overview,” Proc. of Int’ conference on System of Systems Engineering, vol. 1, pp. 1-8, April 2007.
[66] European Commission, European SmartGrids technology platform, Vision and strategy for Europe’s electricity networks of the future, April 2006.
http://www.smartgrids.eu/ (Accessed 2010-12-08)
[67] 小林広武, “新電力ネットワークシステム実証研究 (需要地系統),” 電気学会誌, Vol. 125, No. 3,
pp. 156-158, 2005.
[68] R. Lasseter, “Microgrids,” IEEE Power Engineering Society Winter Meeting, 2001, vol. 1, pp.
146-149
[69] N. Hatziargyriou, H. Asano, R. Iravani, and C. Marnay, “Microgrids,” IEEE power & Energy
Magazine, pp. 78-94, July/August 2007.
[70] J. Driesen, F. Katiraei, “Design for distributed energy resources,” IEEE Power & Energy Magazine,
vol. 6, issue 3 , pp. 30-40, May/June 2008.
[71] 合田忠弘, 田熊良行, 泉井良夫, 小島康弘, 竹内英次郎, 高坂幹, マイクログリッド, 日本電気協
会新聞部, 2004.
[72] G. Venkataramanan, C. Marnay, “A larger role for microgrids,” IEEE Power & Energy Magazine,
vol. 6, issue 3, pp. 78-82, May/June 2008.
34
第1章
緒論
[73] E.M. Lightner, S.E. Widergren, “An Orderly Transition to a Transformed Electricity System,” IEEE
Transactions on Smart Grid, vol. 1, no. 1, pp. 3-10, June 2010.
[74] 横山明彦, “よりスマートなグリッドの構築に向けて (I),” 電気学会誌, Vol. 130, No. 2, pp. 94-97,
February 2010.
[75] 横山明彦, “よりスマートなグリッドの構築に向けて (II),” 電気学会誌, Vol. 130, No. 3, pp.
163-167, March 2010.
[76] 奈良宏一, 長谷川淳, “新しい柔軟な電気エネルギー流通システム,” 電気学会論文誌 B, Vol. 117,
No. 1, pp. 47-53, January 1997.
[77] 大山力, 原亮一, “高柔軟・高信頼電気エネルギー流通システム (FRIENDS),” 電気学会誌, Vol.
125, No. 3, pp. 159-162, March 2005.
[78] 杉原英治, 北裕幸, 長谷川淳, 西谷健一, “地域特性を考慮した信頼度別電力供給方式の導入評
価,” 電気学会論文誌 B, Vol. 119, No. 3, pp. 354-361, March 1999.
[79] 林祐輔, 辻毅一郎, 伊瀬敏史, “品質別電力供給における電力品質の定義と交流形電力改質セン
ターの構成,” 電気学会論文誌 B, Vol. 122, No. 12, pp. 1384-1394, December 2002.
[80] 三栗祐己, 北裕幸, 原亮一, 田中英一, 長谷川淳, “FRIENDS における品質別電力供給を考慮し
た給電信頼度の評価,” 電気学会論文誌 B, Vol. 124, No. 1, pp. 43-52, January 2004.
[81] 新システム技術評価分科会 品質別電力供給 WG, 「品質別電力供給システム」に関する検討
報告書, IAE-C0241, June 2003.
[82] 独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構, 新電力ネットワークシステム実証研究
品質別電力供給システム実証研究 報告書, March 2008.
[83] 九里晃一, 北裕幸, 田中英一, 長谷川淳, “直流配電を考慮した需要家サイドにおける FRIENDS
導入効果に関する検討,” 電気学会論文誌 B, Vol. 124, No. 12, pp. 1656-1633, December 2000.
[84] A. Domijan, A. Montenegro, A. Keri, and K. Mattern, “Simulation Study of the World’s First
Distributed Premium Power Quality Park,” IEEE Trans. Power Delivery, vol. 20, no. 2, pp. 14831492, April 2005.
35
第1章
緒論
[85] The CERTS Microgrid Concept, CONSULTANT REPORT.
URL: http://certs.lbl.gov/certs-der-pubs.html (Accessed 2010-12-08)
[86] C. Marnay, O. Bailey, “The CERTS microgrid and the future of the macrogrid,” LBNL-55281,
Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Lab, August 2004.
[87] J. Eto, R. Lasseter, B. Schenkman, J. Stevens, H. Volkommer, D. Klapp, Ed. Linton, H. Hurtado,
J. Roy, and N.J. Lewis, Consortium for Electric Reliability Technology Solutions (CERTS), California Energy Commission, Public Interest Energy Research Program, CEC-500-2009-004, 2008.
[88] 独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構, 平成 18 年度成果報告書: 燃料電池のた
めの家庭用直流電力供給に関する調査, August 2007.
[89] 小西博雄, “直流による電力供給システム,” 電気学会誌, Vol. 125, No. 3, pp. 163-164, 2005.
[90] 直流配電網フィージビリティ調査専門委員会, “直流配電網のフィージビリティ,” 電気学会技
術報告書, No. 1031, August 2005.
[91] My Ton, Brian Fortenbery, W. Tschudi, DC Power for Improved Data Center Efficiency, LBNL
report, January 2007.
[92] E. C .W. de Jong, P. T. M. Vaessen, DC power distribution for server farms, KEMA Consulting,
September 2007.
[93] 田中憲光, 馬場崎忠利, “データセンタ内における直流給電,” 電気学会誌, Vol. 130, No. 5, pp.
289-292, May 2010.
[94] 室山誠一, 松島敏雄, 村上直樹, “情報通信用電源システムの課題と動向,” 電子情報通信学会論
文誌 B(通信), J84-B(5), pp. 829-839, May 2001.
[95] 税所真前, 伊瀬敏史, 辻毅一郎, “分散形電源を含む直流ループ型配電システムの一構成とその
制御法,” 電気学会論文誌 B，Vol. 123，No. 8，pp. 964-973, August 2003.
[96] 柿ヶ野浩明, 三浦友史, 伊瀬敏史, 打田良平, “超高品質電力供給システム「DC マイクログリッ
ド」−システム構成と分散形電源および電力貯蔵装置の電力制御法−,” 電気学会論文誌 B,
Vol. 126，No. 12，pp. 1207-1214, December 2006.
36
第1章
緒論
[97] A. Sannino, G. Postiglione, and M. Bollen, “Feasibility of a DC network for commercial facilities,”
IEEE Trans. on Industry Applications, vol. 39, no. 5, pp. 1499-1507, 2003.
[98] EPRI White Paper, “DC Power Production, Delivery and Utilization,” May 2006.
[99] D. Salomonsson, L. Soder, and A. Sannino, “An Adaptive Control System for a DC Microgrid for
Data Centers,” IEEE Trans. on Industry Applications, vol. 44, no. 6, pp. 1910-1917, 2008.
[100] 日本電気協会, 系統連系規程 JEAC9701-2006, June 2006.
[101] 総務省消防庁, 自家発電設備の基準, 昭和四十八年二月十日 消防庁告示第一号.
37
第 2 章 品質別電力供給システムの開発
2.1
まえがき
電力の自由化をきっかけに，世界各国で電気事業のあり方が数多く議論されてきた。従来は，発
電から送配電などの電力流通設備を介し，負荷まで電力を供給する場合，電力システムをいかに
効率的，また経済的に運用できるかという観点で，主にはスケールメリットが追求されてきた。
一方で，温暖化防止，CO2 排出抑制，地球環境保全，および，発電用燃料を輸入に依存させない
などの理由から，再生可能エネルギー源を軸とした分散型電源を，今まで以上に多く活用しよう
という動きが近年，活発化している。分散型電源をより需要家に近い電力消費地近傍で用いるこ
とは，電力流通設備を必要としないことから，データセンタに代表されるように，電力消費が急
速に拡大してきた ICT システム設備などの電力供給問題解決の一助となりうる。しかしながら，
太陽光発電や風力発電に代表されるような再生可能エネルギーによる発電システムは，出力が間
欠的であり安定せず，これらは電力品質を悪化させる要因になりうる。とりわけ，高い供給信頼
度や電力品質を必要とする負荷に対して再生可能エネルギーを適用する場合は，既存電力系統に
よる補完や，蓄電池などの電力貯蔵システムによる需給の調整と電圧の補償が必須である。
ICT システムなど高い供給信頼度・電力品質を求める負荷システムへの電力供給に関する課題
解決の一つの手段として，エネルギーのクリーンさを求める場合，すなわち再生可能エネルギー
の導入は，出力の不安定さや電力品質の悪化を伴い，本来電力品質を維持したいというニーズと，
分散型電源の導入量に比例して懸念される電力品質の悪化という，相反する要求を新たな手法に
て同時に満たしたいという新たなニーズが生じている [1]。
ここ数年来，ユーザニーズの多様化，分散型電源やエネルギーシステム技術の発展などを背景
とし，将来に向けた新たな電力ネットワークシステムのあり方が研究・検討されてきた [2]。既存
の大規模電力系統のみに依存する電力供給形態から，需要家に近い特定のエリアにおいて，安定
した電力供を給可能とする様々な方式の検討がなされている。
39
第2章
品質別電力供給システム実証
これら社会的背景，および需要家の要求を満たすエネルギー供給システムの一つが，
「品質別
電力供給システム (MPQSS: Multiple Power Quality Supply System)」である [3]。この MPQSS は，
需要家ニーズに応じた複数の品質の電力を同時に供給するというコンセプトのエネルギーシステ
ムであり，太陽光発電システムを含む分散型電源と既存電力系との相互補完，そして蓄電池やパ
ワーエレクトロニクス機器を有効活用するものである。
本章では，提唱されている MPQSS の実現方式として，方式の異なる 3 種類の分散型電源とパ
ワーエレクトロニクス機器，および蓄電池を組合わせ，系統連系中の擾乱や独立運用中の負荷変動
が生じても求められる電力品質を維持する方式を提案し，実証試験によりその有効性を確認した。
2.2
品質別電力供給システムの提案と検証内容
ICT システムのような重要負荷に対しては，交流無停電電源装置 (UPS: Uninterruptible Power
Supply) を設置し，停電や瞬時電圧低下などの電源トラブルに備えることが一般的である。UPS に
は，パワーエレクトロニクス技術を用いた電力変換回路，および蓄電設備としての蓄電池により
構成されているが，わが国においては供給信頼度が高く，それらの機器の稼働率は高くない。し
かし，万が一の事故に備え設置される UPS の電力変換装置や蓄電池を埋没費用としてみなし，こ
れらの設備を分散型電源の運用に伴う電力品質の改善に役立てるなど，本来の UPS の役割のみな
らず，MPQSS としての活用により設備の利用率を高めることができれば，経済性の向上に寄与
できる。
電力品質を乱す要因としては，商用系統側の事故（主には，雷など自然現象に起因する瞬時電圧
低下）があり，また商用系統に依存せず独立運用とする場合には，容量の大きい設備・機器の始動，
または停止に伴う急峻な負荷変動が挙げられる。これらの電力品質変動事象としては，Table 1.1
に示した瞬時変動のように，0.5∼30 サイクル程度のごく短い時間に，電圧が 0.1∼0.9 pu 程度変
動することが想定される。ICT システムのような脆弱性を有する負荷機器は，このような短時間
の変動事象においても停止してしまう恐れがあり，0.5 サイクル程度から始まる瞬時の変動に対し
ては，パワーエレクトロニクス技術を用いた高速応答が可能な機器による補償を行うが，この特
性を分散型電源との協調運用に用いることで，分散型電源の応答の遅れを補い，さまざまな運用
状態においても，所定の電力品質維持ができると考えられる。しかしながら，未だこのことを実
証的に確認された例は見あたらない。
40
第2章
品質別電力供給システム実証
提案する MPQSS について，供給信頼度，および電力品質の維持・向上の観点で実証すべき項
目は，以下のとおりである。
• 通常運用時（系統連系時）の基本動作として，刻々と変動する負荷，夜間や電力需要の閑散
時などにおいても，MQPSS が安定に動作すること
• 停電バックアップ，および電圧補償機能など，異なる供給信頼度・品質の電力を同時に供給
（提供）可能であること
• 系統連系状態から，停電などの電力系統事故により独立運用への移行する際の分散型電源
の運用の連続性と制御が指令により切替ること
• 分散型電源を主たる電源とした独立運用モードとした際，電力品質維持のため分散型電源
とパワーエレクトロニクス機器が協調運用できること
• MQPSS が高度な制御システムを必要とせず，長期間に渡り安定した運用が可能であること
2.2.1
電力品質レベルと実証試験における対象負荷施設
近年の重要負荷の電力供給ニーズを踏まえ，交流給電は，給電品質が高い順に，A (三相 400 V)，
B1 (三相 200 V)，B2 (三相 6.6 kV)，B3 (三相 6.6 kV) の 4 品目とするとともに，将来の適用拡大
を見据えて 300V の直流電力も給電メニューに加え，Table 2.1 に示す電力品質レベルとした [4]。
また，これらの高品質電力供給メニューとは別に，各種特性比較のため，電力品質補償の無い
従来どおりの電力品質である標準 (Normal) 品質についても，実証試験エリアに提供した。
本実証研究で対象とした給電対象エリア，供給品質，および対象負荷施設を Fig. 2.1 に示す。東
北福祉大学キャンパス構内のエネルギーセンタに MPQSS を構築し，各種試験により電力品質補
償を中心に，諸特性を検証した。給電対象は，東北福祉大学キャンパスと仙台市施設（浄水場，お
よび高等学校）の 2 エリアであり，敷設ケーブル距離は，最長で 1.2 km である。
学内の ICT システムや医療機器には A 品質の電力を供給するものとし，重要照明やパーソナル
コンピュータには B1 品質の電力を供給するものとした。また，浄水場のポンプや学校のエレベー
タなどに使われている誘導電動機やグラウンドの水銀灯には B2 品質の電力を，介護施設の重要
照明には B3 品質の電力を供給するものとした。
41
第2章
品質別電力供給システム実証
Table 2.1 Defined power quality levels.
Requirements
Interruption
Voltage Dip
Outage
Voltage Fluctuations
Voltage Harmonics
Voltage Unbalance
Frequency Variation
Note
Category
AC power
B1
B2
B3
< 15 ms < 15 ms < 15 ms
Y
Y
Y
Y
Y*
w/o
w/o
w/o
w/o
w/o
w/o
w/o
w/o
w/o
w/o
w/o
w/o
w/o
DC power
NI
Y
Y
Y
Y
N/A
N/A
A
NI
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Normal
w/o
w/o
w/o
w/o
w/o
w/o
w/o
NI: No Interruption, Y: With compensation, w/o: Without compensation,
∗ : When Gas engine sets generate, N/A: Not available
Training Center [Normal]
Nursing-care Facility [B1]
Dormitory [Normal]
Dormitory [Normal]
Point of Common
Coupling (PCC)
Laboratory [A]
Clinic, Hall, and
University [A]
Energy Center [DC]
Aged Care Facility
[B3]
N
High School [B2]
University
Zone
City-owned
Zone
PQ Service Level [ ** ]
Cable Routes
Buildings
Water Treatment Facility
[B2]
App. 0.5 km
Figure 2.1 Map of the demonstration area.
42
第2章
品質別電力供給システム実証
なお，直流品目については，エネルギーセンタに構築された建物内部で MPQSS の制御監視用
サーバ，インバータ照明，および換気用ファンに利用されており，建物や敷地外部へのケーブル
敷設は実施していない。
2.2.2
品質別電力供給システムの構成
本提案に基づき設計，構築した MPQSS の構成，および概観を，それぞれ Fig. 2.2，および Fig. 2.3
に示す。MPQSS は，商用電力系統と遮断器 (CB1) を介した 1 点で接続されており，3 種類の分散
型電源（350 kW × 2 式 ガスエンジン発電装置 (GE: Gas Engine generator set)，250 kW 溶融炭酸
塩型燃料電池 (MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell)，50 kWp 太陽光発電パネル (PV: Photovoltaics)）
と連系運用することを基本としている。これら分散型電源の定格容量の合計は 1 MW であるが，
負荷容量が 1 MW を超えた場合には，商用系統から不足分の電力供給を受ける。
Interconnected mode
(Normal)
PAS
CB1
Normal
Quality
Load
700 kW
DVR
#2
B3
Quality
Load
130 kW
Backup Mode
(Outage)
250 kW
350 kW
350 kW
50 kW
MCFC
GE
GE
PV
6.6 kV AC- Bus
600 kVA
200 kVA
CB2
Islanded mode
(Stand alone)
DVR
#1
Integrated Power Supply
(IPS)
B2
Quality
Load
B1
Quality
Load
A
Quality
Load
DC
Quality
Load
420 kW
18 kW
180 kW
20 kW
PAS Pole Air Switch
CB
Circuit Breaker
DVR Dynamic Voltage Restorer
MCFC
GE
PV
Molten Carbonate Fuel Cells
Gas Engine Generator Set
Photovoltaic Panels
Figure 2.2 Configuration of the MPQSS.
43
第2章
品質別電力供給システム実証
また，この運用モード以外にも，受電容量が一定となるよう既存系統電力と相互補完しながら
制御運用することも，運用指令の変更により可能である。
本実証では，機能統合型高品質電力給電装置 (IPS: Integrated Power Supply) からは，高品質 A，
B1 および直流を，また 2 台の直列型電圧補償装置 (DVR: Dynamic Voltage Restorer) からは高品質
B2，B3 をそれぞれ需要家に対して供給する。
IPS は，双方向電力変換装置 (AC ⇔ DC)，DC-AC インバータ，太陽光パネル用 DC-DC コンバー
タ，負荷給電用 DC-DC コンバータ，半導体スイッチ (ACSW)，およびシール鉛蓄電池から構成さ
れており，直流，高品質 A，および高品質 B1 の 3 品目の電力を供給するとともに，再生可能エネ
ルギー源である太陽光 (PV) パネルからの発電電力を有効利用する。独立運用時には，蓄電池のエ
ネルギーを短時間に放出したり，PV パネルの出力変動を抑制するため蓄電池の充放電を制御する
ための機能を果たす。IPS の構成を Fig. 2.4 に示す。PV パネルは上位の交流系統ではなく，装置
内の直流母線に接続されている。直流母線には蓄電池が接続されており，定格運用時にて 30 分の
バックアップができる蓄電池容量が具備されている。
DVR は，直列変圧器，電圧印加用のインバータ，エネルギー源となるキャパシタと充電器，お
F
A
G
E
C
B
A: Photovoltaic Panels 50 kWp
B: Gas Engine gen-set 350 kW X2
C: Molten Carbonate Fuel Cells 250 kW
D: Dynamic Voltage Restorer #1 600 kVA
D
E: Dynamic Voltage Restorer #2 200 kVA
F: Building #1 Integrated Power Supply
G: Building #2 Back-to-back Voltage
Source Converters (For Test Equipment)
Figure 2.3 Overview of the MPQSS in demonstration site.
44
第2章
AC Power Source
品質別電力供給システム実証
DG
G
PV
50 kWp
Integrated Power Supply
Bypass Circuit
Bypass Circuit
600 Ah
AC
DC
3P 200 Vac
B1
Load
DC
Battery
ACSW
300 kVA
DC (270 kW)
DC
50 kW
DC Bus
430 Vdc
Bidirectional
Converter
AC
200 kVA
20 kW
(180 kW)
3P 400 Vac
DC
DC
300 Vdc
A
Load
DC
Load
Figure 2.4 Configuration of the integrated power supply.
よびバイパス回路により構成されており，電源と負荷の間に直列に挿入される。瞬時電圧低下（以
下、瞬低と略す。）などにより入力電圧が低下した際，電圧異常を検出し変圧器の 2 次側に補償す
べき量の電圧をインバータにて印加し，変圧器の 1 次側に補償電圧を誘起することで出力となる
負荷側への供給電圧を規定範囲内に維持する。Table 2.1 で示された B2，および B3 品質を満たす
ため，2 台の装置（定格 200 kVA および 600 kVA）のそれぞれにおいて，200 ms の間 100% の電
力を供給し続けることのできる容量の電解コンデンサを設置した。
計測システムに用いる通信線については，実証エリアの基幹に光ファイバを敷設している。ま
た，実証エリア内の合計 21 箇所に，電圧・電流波形記録装置を設置し，いずれかの電圧あるい
は電流に変動が生じた場合をトリガとして，21 箇所の多地点同時波形記録が可能な仕様としてい
る。また，GPS (Global Positioning System) を用い，各データの時刻同期をとることで，事象発生
45
第2章
品質別電力供給システム実証
と同時に取得する複数の波形の分析を行うことができる [5]。
2.3
運用モードと制御
MPQSS は運用状態を，系統連系 (Interconnected mode)，独立運用 (Islanded mode)，およびバッ
クアップ (Backup mode) の三つのモードに分けることができる。MPQSS の運用状態を状態遷移で
表現した図を Fig. 2.5，各運用状態における制御方法と状態の遷移にともなう制御方法の切替え手
順を表したフローを Fig. 2.6，および各モードにおける 3 種類の分散型電源と機能統合型高品質電
力供給装置の制御方法を Table. 2.2 に示す。
以下，三つの運用状態と制御方法について説明する。
(1) 系統連系モード
本モードにおいては，系統電力と分散型電源により発電された電力との相互補完により
運用されるが，実証を実施した地域では，停電の発生は極まれであり，運用期間中の殆どが
商用系統と連系状態にあると言える。この状態において，分散型電源はベース負荷用とし
て MCFC が PMCFC の一定出力の運用をするが，GE は負荷状態に合わせ運用台数と出力を
調整しながら基本的には，系統からの受電電力 PGrid が一定となるよう，負荷需要 PLoad と
の需給バランスをとり，Eq. (2.1) で求められる PGE を指令値として GE を運転する。
(Normal)
(Stand alone)
Interconnected
mode
Islanded mode
Backup mode
(Outage)
Figure 2.5 State transition diagram.
46
第2章
Utility grid condition
MCFC condition
GE condition
品質別電力供給システム実証
IPS condition
MPQSS START
GE
N
GE Startup mode
Black start-up
Grid
OK?
Y
CB1 “ON”
GE
Synchronize
with grid
Interconnected mode
CB2 “ON”
PGrid = const., PMCFC = Const.
PGE = PLoad – PGrid - PMCFC
Y
Grid
OK?
MCFC
GE
Output PMCFC
Output PGE
IPS
Rectifier
Load mode
N
MCFC
Transient
Parallel-off
CB2 “OFF”
Send signal
GE
IPS
Voltage source
Const. V and f
Local control
mode
|ILoad| > dI/dｔ ?
Y
IPS
Output
∆P, ∆Var
to AC Bus
GE OK?
Y
N
N
IPS
Grid
OK?
Battery Discharge
for A,B1, and DC
Y
Battery OK?
N
MPQSS Stop
Figure 2.6 Flow chart of the MPQSS’s operation.
47
Y
Backup mode
N
Islanded mode
Change control
第2章
品質別電力供給システム実証
Table 2.2 Control scheme for MPQSS.
Types
Capacity
Generator
Interconnection
AC-bus
AC-bus
MCFC
GE
250 kW
350 kW
2-sets
Inverter
Synchronous
Generator
IPS
300 kVA
Bi-directional
converter
AC-bus
PV
50 kW
D/D converter
DC-bus in
in IPS
States of the MPQSS
Normal
Stand-alone
Constant power
Parallel off
To hold constant
Constant voltage,
power from
Constant frequency
the utility grid
Constant power Injection active and
load (Rectifier)
reactive power/
Constant power load
MPPT
MPPT
Outage
Parallel off
Parallel off
Battery
discharging
MPPT
ただし，GE は，ノッキングや不安定動作の防止のため，30% 以下の低負荷率では，運転を
行わない。なお，本モードにおける PGE 指令を行う時間間隔は，1 分である。
PGE = PLoad − PGrid − PMCFC
(2.1)
(2) 独立運用モード
商用系統に事故が生じ停電となった場合，MPQSS は，系統連系モードから独立運用モー
ドに速やかに移行する。MQPSS において，既存交流電力系統に連系している分散型電源は，
回転機（GE の同期発電機）と静止器（MCFC 用インバータ）の 2 種類であるが，静止器の
同期運転を許容する電圧，および周波数の幅が狭いため，停電などの事故発生時に，電圧，
もしくは周波数変動のいずれかを検出し，燃料電池のセルスタック保護のため，インバータ
運転が自己停止し，MCFC を解列させる仕様としている。MCFC 解列直後，連系用遮断器
CB2 が，電圧と周波数の不足を検知し，CB2 を開放する。CB2 開放と同時に，GE と IPS に
運転モード変更の指令を送信する。
これにより，独立運用モードでは，GE のみによる運用となる。GE は独立系統における
電圧源として運転され，電圧と周波数を一定に保つように機能する。このとき，標準品質
および B3 品質への電力供給は停止する。
48
第2章
品質別電力供給システム実証
MPQSS の独立運用移行を知らせる信号を IPS が受信した場合，IPS は整流器負荷として
の動作から，双方向電力変換装置を利用した需給調整機能を行うために制御を変更し，GE
との協調運転を行う。IPS はローカル制御のため，独立運用系統の負荷電流 ILoad を連続し
て計測する。負荷の増減により，負荷電流の絶対値 |ILoad | が設定したしきい値 dI/dt を超
えた場合，変化分である有効電力 (∆P ) と無効電力 (∆V ar) を IPS の 1 次側に対して注入，
もしくは吸収する [6]。この動作により，負荷が急変した場合でも，独立系統内の電力品質
である電圧・周波数の維持を図る。
また，主回路となる双方向電力変換装置には，供給対象負荷が急変した場合に，入力電
力を急変させないよう，適度な遅れを持ちながら電力変換するように設定されている。この
ため，PV の出力が変動しても，GE の過度の負担とならいよう運用することが可能となり，
独立運用系統の電圧・周波数を一定の変動範囲内に抑える制御を行う。
(3) バックアップモード
系統連系中に事故や設備故障が生じ，IPS の入力が途絶えた場合，もしくは独立運用中に
GE の故障が発生した場合，IPS 内の蓄電池によるバックアップ供給となる。このとき，B2
品質への電力供給は途絶えるが，IPS には PV パネルが直流バスに接続されているため，定
格 30 分のバックアップ時間は PV 発電出力状態に応じて延長される。
MPQSS は，さまざまな設備，装置の組合せにより構成されているため，各モード状態における
動作の安定性は無論こと，モード移行時の過渡状態においての特性を確認する必要がある。MPQSS
は，Fig. 2.5 に示した状態で運用されるが，特に，系統連系，独立運用，および系統連系⇒独立運
用の移行時の 3 条件に注目し，提案する MPQSS の有効性について確認した。
上記以外に，バックアップ状態，およびバックアップへの移行と逆の復旧については，汎用の
UPS をはじめとして多くのバックアップ設備での実績が十分であること，また，独立運用⇒系統
連系への移行についても，コジェネレーションシステムなど多くの実績があるため，本研究の対
象外とした。
49
第2章
品質別電力供給システム実証
実証結果
2.4
2.4.1
系統連系特性
系統連系におけるシステムの実フィールド運用事例として，平成 19 年 10 月 12 日の負荷曲線と
分散型電源の運転状況を Fig. 2.7 に示す。同図において，受電電力および各発電装置の総和が実
証エリアの負荷需要となる。データの取得間隔は 5 秒である。MCFC はベース電力を供給するた
め，250 kW の一定出力で発電を行う。同図の例では，PV 出力は 12 時 35 分に 38.9 kW の最大発
電量を記録している。GE は負荷需要に応じて 0∼2 台の範囲で運転状態を調整するよう 1 分周期
で制御されている。なお，深夜，および早朝に GE の出力が 0 kW となっている時間帯は，低負荷
率運転防止のため，GE が停止待機しているためである。同図の一例に示したように，本品質別
電力供給システムは，分散型電源 (MCFC，GE，PV) が商用系統と連系し安定運用できることを
1200
October 12, 2007
Grid power
1000
GE2
PV
800
MCFC
600
400
200
Time
Figure 2.7 Daily active power profile with MPQSS.
50
0:00
23:00
22:00
20:00
21:00
19:00
18:00
17:00
16:00
15:00
14:00
12:00
13:00
11:00
10:00
8:00
9:00
7:00
6:00
5:00
4:00
3:00
2:00
1:00
0
0:00
Active Power (kW)
GE1
第2章
品質別電力供給システム実証
確認した [7]。
各品質の電圧変化を電力品質計測の国際規格である IEC-61000-4-30 [8] で規定されている手法
に従いデータ処理し，10 分毎の値（実効値電圧）として記録し，平成 19 年 9 月∼11 月の 3ヶ月
間における各品質の電圧測定値を累積度数分布曲線に表したものを Fig. 2.8 に示す。
標準品質に対して，B1 は常時商用給電方式としているため IPS 内の変圧器による電圧ロス分だ
け低くなっている。B2，B3 は，需要家設備が進み力率となっており，標準品質よりも電圧が高く
なっていることが確認された。
また，A，および DC は，それぞれインバータ，DC-DC コンバータからの出力であり，IPS の
入力電圧の変動によらず常に一定で変動の無い電圧が出力されていることを確認した。
実証エリアにおける標準品質の電圧分布は，50% でほぼ 1.00 pu となり上限下限は ±0.02 pu で
Cumulative frequency (%)
100
A
90
80
B2
B3
DC
70
60
50
40
Normal
30
20
B1
10
0
0.95 0.96 0.97 0.98 0.99 1.00 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05
Voltage (p.u.)
Figure 2.8 Cumulative frequency of monitored power quality levels by the MPQSS. Data were gathered
in three months from September to November of 2007.
51
第2章
品質別電力供給システム実証
あった。前述した理由により，B1 は標準品質よりも −0.08 pu 側にシフトした分布となっている。
B2，B3 は標準品質よりも右側に電圧分布がシフトしており，かつ，負荷変動の理由のため，標準
品質よりも変動幅も大きくなっている。A と DC は，変換器出力であり一定しており，変動幅は
仕様値 (±0.01 pu) よりも十分小さい値となり，高品質電力が安定して供給されてることが確認で
きる。
2.4.2
瞬時電圧低下補償特性の確認
MPQSS の電圧補償機能を確認するため，以下に示すとおりの試験を実施し，各品質毎の電力
品質補償が有効に機能し，負荷に対して電圧低下による負荷機器の停止や，電圧復旧直後に生ず
る過大な電流による機器の損傷などの悪影響を及ぼさないことを検証する。運用状態は，系統連
系とし，既存電力系統で様々な擾乱が発生した際に，本システムが正常・安定に動作し続けるこ
と，およびその時の電力品質補償特性を確認するための多くの試験を実施した。ここでは，様々
な系統擾乱事象のうち瞬低に絞り，試験方法とその結果，およびシステムの電力品質補償特性に
ついて確認した [9]。
2.4.2.1 瞬時電圧低下補償試験の実施方法
実証サイトとなる仙台市国見地区で過去に観測された瞬低は非常に少なく，年間 10 回程度で
ある [10]。一例として情報通信機器の許容電圧変動範囲を示す ITIC カーブ [11] と得られた瞬低
のフィールドデータを比較すると，ITIC カーブを逸脱する確率は 7.5% 以下となった。このこと
から，本実証エリアにおいて，負荷に悪影響を及ぼす恐れのある瞬低は，年間に 1 回程度の頻度
で発生すると想定される。MPQSS が運用されるフィールド実証期間中，負荷に影響を及ぼすよ
うな瞬低が全く発生しないことも考えられる。そこで，本システムの電力品質補償機能を検証す
るため，模擬的に瞬低など電力系統の擾乱を発生させる試験装置が必要となり，実証研究サイト
に BTB (Back-to back) 方式電圧源（以下 BTB 試験装置と呼ぶ）を導入し，仮想系統として任意の
擾乱を発生させ試験を実施した [12]。BTB 試験装置は，入力側に整流器，出力側にインバータと
して動作する 2 式の IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) モジュール部により構成されており，
それらは直流で結合されている。各 IGBT モジュール部は，本試験装置に接続されたリアルタイ
ムデジタルシミュレータの演算結果を指令値として駆動させることができるほか，出力電圧およ
52
第2章
品質別電力供給システム実証
びその高調波成分，周波数，位相などを任意に設定できる。BTB 試験装置を Fig. 2.2 の CB2 の 1
次側に設置し，負荷には擬似負荷を用い試験を実施した。
2.4.2.2 瞬時電圧低下補償試験結果
瞬時電圧低下補償試験を実施するにあたり，実証エリア内の実需要家における負荷設備の使用
実態を調査した。その調査結果を基に，擬似負荷を Table 2.3 に示す状態とした。同表負荷率は，
各品質の定格容量に対する擬似負荷の割合である。なお，瞬低は系統で発生することを想定して
いるため，MPQSS は，系統連系モードとしている。
この状態で BTB 試験装置により瞬低発生（電圧低下 0.5 pu，継続時間 200 ms）させた場合の
試験結果 (2007 年 7 月 13 日) を Fig. 2.9 に示す。同図より，上位系統に瞬低が発生した場合，品質
毎で補償装置の応答に差があるものの，全ての品質において電圧の補償がなされていることがわ
かる。また，BTB 試験装置を用いた瞬低発生試験（電圧低下 0.2 pu，継続時間 100 ms）は，実負
荷供給中においても実施 (2007 年 8 月 26 日) された。
さらに，実際の商用電力系統に瞬低が，2007 年 6 月 6 日に発生し，電圧補償特性を確認するこ
とができた。このとき，MPQSS は無負荷状態であったが，計測システムにより波形およびデータ
が自動で記録された。この瞬低は，残存電圧 0.65 pu，継続時間 80 ms であったが，系統連系モー
ドにおいて，多品質電力の同時供給の達成と電力品質補償動作の正常性を確認することができた。
これら，三つのケースより，本システムの電力品質補償特性を分析した。電力品質補償が無い標
準品質（BTB 装置出力，もしくは系統からの受電電圧），と補償された高品質 A，B1，B2，B3 の各
Table 2.3 Dummy load conditions for voltage dip test.
Quality levels
DC
A
B1
B2
B3
Load
3 kW
10 kW
5 kW
220 kW
+75 kW (induction motor)
56 kW
53
Load factor
15%
6%
28%
49%
28%
第2章
品質別電力供給システム実証
Figure 2.9 Voltage waveforms against voltage dip test.
54
第2章
品質別電力供給システム実証
交流品質を ITIC カーブ上にプロットした結果を Fig. 2.10 に示す。各プロット点は，IEC-61000-4-30
規格に基づいて記載されている。すなわち，電圧の大きさは最下点としており，継続時間につい
ては，いずれかの相の電圧がしきい値を下回った瞬間から全ての相の電圧がしきい値以上に回復
までの時間としている。
合計三つのケースにおいて，標準品質と比べて各品質全てについて，ITIC カーブの範囲内に収
まるように電圧補償されていることが，Fig. 2.10 により確認できる。
(1) 高品質 A
高品質 A は，常時インバータ方式による変換器出力であり，入力の状態，変動に関わら
ず常に安定した出力特性が得られている。
(2) 高品質 B1
B1 品質は，常時商用方式による供給であるが，入力電圧が，定格電圧に対し-0.15 pu を
100
Remaining Voltage (%)
A
B2
B1
80
B3
B3
B2
B2
Normal
B3
Normal
60
Information Technology
Industry Council (ITIC) Curve
Normal
40
Key
20
Dip
Load
Date (2007)
Grid
No Load
June 6
BTB
Dummy
July 13
BTB
Customers
August 26
0
1
10
100
1000
10000
Duration (ms)
Figure 2.10 Characteristics of voltage dip mitigation of MPQSS.
55
100000
第2章
品質別電力供給システム実証
超える低下を生じた場合，Fig. 2.4 に示した ACSW が開となり，同時に双方向変換装置が
整流器からインバータにモードを切替え，負荷に電力を供給する。このような動作のため，
ITIC カーブにプロットした電圧（最下点）が 0.85 pu 付近にあり，また，インバータ給電に
切替わり電圧が正常値まで復旧するまでの時間を 30 ms 程度要する傾向が，入力や負荷状
態によらずほぼ同一であることがわかる。
(3) 高品質 B2 および B3
B2・B3 品質は，ITIC カーブ内に出力があるものの品質補償度合いを 100% 満足している
とは言い難い。B2 品質は補償電圧が十分でないこと，また，B3 品質については，無負荷時
（含む軽負荷時）の電圧補償量が小さいという結果が得られた。これらのように電圧補償量
が不十分となる原因については，DVR 内のインバータ部に設けているデッドタイムに起因
する補償誤差に対する補正特性が十分でないためである。
2.4.3
系統連系⇒独立運用モード移行時特性の確認
MPQSS の要件として，既存の電力系統から切離され，独立運用可能なオンサイト型の電力供給
システムであることも求められている。電力系統と MPQSS との間に配置されている柱上開閉器
(PAS: Pole-mounted Air Switch) を人為的に開放することで OPEN モードの擬似停電を発生させ，
系統連系⇒独立運用への移行時の挙動を確認した。この時の電流，電圧，および周波数の変化を
Fig. 2.11 に示す。
PAS が開放された直後，系統からの潮流が遮断され，需要家系統のすべての負荷を GE（2 台）
と MCFC で供給する状態となっている。分散電源出力は負荷増のため，電圧・周波数ともに，徐々
に低下している。PAS 開放後，MCFC の解列，交流高圧母線 (AC-bus) の遮断器開放，とシーケン
スが進行し，GE のみによる運転なっている。遮断器開放直後は，GE は運用モードを系統連系状
態（出力・力率一定）と認識し続けているが，自立運用状態との信号を GE が受信した後は，運
用モードを自立状態（電圧・周波数一定）に変更し，所定の電圧・周波数に収束させるよう運用
できている。
以上の実例により，系統連系⇒独立運用への無瞬断な移行の実施が確認できた。
56
第2章
品質別電力供給システム実証
Figure 2.11 Transient behavior between grid interconnected and islanded modes.
2.4.4
独立運用モードにおける電力品質維持の確認
独立運用中は，2 台の GE と PV が電源となり電力供給を行うが，高品質 B2 負荷には多数の誘
導電動機が含まれており，誘導機始動時の電圧・周波数の変動抑制も電力品質維持の観点から必
要となる。
独立運用中に急峻な負荷変動が生じた場合，GE の出力応答の遅れを補完するため，Fig. 2.4 で
示した IPS にて，有効・無効電力を調整（注入，もしくは吸収）することで独立系統内の電圧お
よび周波数を所定の値以内に保つ。独立運用モードにおける IPS による電力品質補償動作特性を
Fig. 2.12， 2.13，および 2.14 に示す。
Fig. 2.12 は，220 kW の抵抗負荷を投入した場合について，電力品質補償機能の効果を示したも
ので，図 (a) が補償機能有り，図 (b) が補償機能無しの場合の実験結果である。ステップ状に変化
57
第2章
品質別電力供給システム実証
する負荷に対して，IPS 内部の蓄電池放電により，有効電力を B2 負荷系統に注入することで，周
波数の低下を抑制する。GE は，IPS による有効電力の注入量と負荷増分との差分の出力を時間と
ともに緩やかに増加させている。補償が無い場合，同図 (b-3) のように，0.89 p.u. まで周波数が低
下しているのに対し，補償機能を実施した場合，周波数の変動量はごくわずかであり，電力品質
が維持されていることがわかる。
Fig. 2.13 は，100 kW の抵抗負荷と 75 kW の誘導電動機を同時投入した時の，電力品質補償を
Figure 2.12 Comparison between power quality compensation function of the IPS and GE output in
islanded mode (against 220 kW resistive load step response).
58
第2章
品質別電力供給システム実証
Figure 2.13 Comparison between power quality compensation function of the IPS and GE output in
islanded mode (against 100 kW resistive load and 75 kW induction motor start up).
59
第2章
品質別電力供給システム実証
比較した結果である。抵抗負荷相当分の有効電力に加え，IPS より無効電力を供給することで，電
圧の低下が抑制されていることが確認できる。
GE による独立運用中，B2 負荷系統に 100 kW の抵抗負荷と 75 kW の誘導電動機を同時に投入，
また切離しを行った場合の試験結果を Fig. 2.14 に示す。負荷が変動しているにもかかわらず，周
波数，電圧ともに大きな変動がなく，電力品質が良好に保たれていることから，IPS による有効
電力と無効電力の注入のみならず，吸収の動作が正常に機能していることがわかる。なお，同図
中の◆印は，同様な条件で電力品質補償を行わなかった場合の周波数，および電圧の最大変化量
を示している。
以上の結果から，IPS による電力品質補償が正常に機能していることがわかる。
実負荷を対象とした独立運用期間中に，この機能の有効性を確認した。その特性例を Fig. 2.15
に示す。MPQSS の独立運用モード中，IPS は，主な負荷変動の原因となる B2 負荷の潮流を常時
監視し，しきい値以上の変動が生じた場合，B2 負荷系統潮流の移動平均との差分を補正するよう
Figure 2.14 Characteristic of active and reactive power injection and absorption with the IPS for local
voltage and frequency support (against 100 kW resistive load + 75 kW induction motor connection and
disconnection).
60
第2章
品質別電力供給システム実証
Figure 2.15 Voltage, frequency, and active/reactive power in GEs islanded grid.
61
第2章
品質別電力供給システム実証
需給調整を行うローカル制御方式に切替る。
Fig. 2.15 より，GE の負荷として実際の誘導電動機（定格 75 kW）を始動させた場合でも，IPS
の電力品質補償機能により，GE 出力の電圧と周波数に大きな変動は発生せず，電力品質の維持に
寄与していることがわかる。この機能を用いることで，独立運用期間中エレベータやポンプ用の
誘導電動機が始動した場合でも，電圧と周波数が安定化されており，回転機である GE とパワー
エレクトロニクス機器である IPS とが設計どおりの協調運用がなされていることが確認できる。
2.5
考察
以上の試験結果から MPQSS は，各々のモードでの所要の電力品質を同時供給できることを確
認した。MPQSS が取りうる三つのモードのうち，独立運用モードは限られた容量の GE による電
力供給となるため，電圧，および周波数の維持が最も厳しい条件となる。GE の出力変動に対す
る時定数は秒のオーダーであり，回転機である同期発電機とパワーエレクトロニクス機器との協
調運用が重要となる。Fig. 2.15 で示した試験結果について，B2 品質の主要な負荷である誘導電動
機の運用基準から，独立運用中の電力品質の良否について分析を行う。
系統連系時と独立運用中の周波数と電圧実効値の変動を 1 サイクル毎に x-y 平面上にプロットし
た結果を Fig. 2.16 に示す。図中の実線，および点線は，JEC (Japan Electrical Committee) から発行
されている誘導電動機の動作範囲規格 [13] を示しており，それぞれ，実線（長時間），点線（短時
間）より内側を供給電力品質の許容範囲としている。同図左側の系統連系時は，周波数は 1.00 pu
でほぼ一定であり，電圧が定格に対して ±0.02 pu 程度変動しているだけである。また，同図右側
の独立運用時は，系統連系時と比べて電圧，および周波数の変動幅が大きくなっているが，誘導
電動機を用いる場合でも，まったく問題の無い電力品質レベルに維持されていることがわかる。
以上のことから，MPQSS の特徴の一つである同期発電機とパワーエレクトロニクス機器との
協調運用が提案どおり，正常に機能していることがわかる。
2.6
あとがき
品質別電力供給システム (MPQSS) は，例えば汎用的な UPS のようなバックアップ設備ではな
く，複数の異なるタイプの分散型電源，電力変換装置，および蓄電池装置によって構成されてお
り，運用モードに合わせ，システムとしての制御方法を切替えなければならない。各運用モード状
62
0.95
1.00
1.05
1.10
1.05
1.00
0.95
Voltage (p.u.)
0.90
0.90
1.10
1.05
1.00
Voltage (p.u.)
0.95
0.90
品質別電力供給システム実証
1.10
第2章
0.90
0.95
1.00
1.05
1.10
Frequency (p.u.)
Frequency (p.u.)
JEC-2137-2000 Induction motor
Long-term limit
Short-term limit
Figure 2.16 Evaluation result of voltage-frequency comparison between grid interconnected (left) and
islanded (right) modes.
態のみならず，モード間の移行時においても，システムの正常性を確認する必要があったが，ICT
システムなど重要な負荷への高信頼，かつ高品質な電力供給を可能とする MQPSS の有効性が試
験により確認でき，実用に十分耐えることがわかった。本研究により得られた成果は，以下のと
おりである。
(1) 通常運用時（系統連系時）の MPQSS の基本動作として，基底電力を MCFC，変動する追
従電力を GE，および不足する電力については系統から補完することで，提案したシステム
の安定性運用を確認した。刻々と変動する負荷，夜間や電力需要の閑散時などにおいても
MQPSS が安定に動作すること，およびトラブルや故障，機器間の相互干渉などなく，長期
間に渡り安定した運用が可能であることを実績により示した。
(2) 停電バックアップ，および電圧補償機能など，異なる供給信頼度・電力品質が同時に供給
（提供）については，IPS，DVR という二通りの電力品質補償装置を同時使用することによ
63
第2章
品質別電力供給システム実証
り，A，B1，B2，B3，および DC の計 5 種類の多品質電力の同時補償を定義どおりに実現
できた。とくに，瞬時電圧低下に対しては，BTB を用いた確認のみならず，実系統で発生
した電圧低下に対する動作からも正常に補償機能が働くことを確認した。
(3) 停電など系統異常が発生した場合，電圧および周波数の低下を継電器で検出し，系統連系用
遮断器を開放させ，約 1 秒の遅れをもち，GE の制御方式を独立運用モード (Islanded mode)
に変更するという，MPQSS の運用モードの切替えが，スムーズに実施できることを実験に
より確かめた。このことから，MPQSS が，半導体スイッチや高価な制御システムを用いる
ことなく，安価に連系運用から独立運用に切替えが可能であることを示し，GE の停止を伴
わないため，供給信頼度の向上に役立つことを示した。
(4) 独立運用中は，GE 出力定格容量に対して，相対的に大きな負荷の始動・停止が発生したと
しても，IPS の双方向電力変換装置をローカル制御に切替え，GE よりも早い応答で，負荷
急峻による有効・無効電力のバランスをとるような協調運用を行い，独立系統内の電圧と
周波数を負荷に影響を与えない範囲内に抑えることを可能とし，電力品質維持のため分散
型電源とパワーエレクトロニクス機器を協調運用できることを示した。
64
第2章
品質別電力供給システム実証
参考文献
[1] エネルギー総合工学研究所, 品質別電力供給システム実証研究の総合調査報告書 負荷設備の
需要・運用実態調査編（平成 19 年度）, March 2008.
[2] 新システム技術評価分科会 品質別電力供給 WG,「品質別電力供給システム」に関する検討
報告書, IAE-C0241, June 2003.
[3] 武田隆, 廣瀬圭一, “分散電源の系統連系に係る実証研究: 7) 品質別電力供給システム実証,” エ
ネルギー・資源学会, Vol. 26, No. 5, pp. 340-343, September 2005.
[4] 廣瀬圭一, “品質別電力供給システム実証研究（特集 新電力ネットワーク技術実証研究）,” 季
報エネルギー総合工学, Vol. 29, No. 2, pp. 26-34, July 2006.
[5] 岩館考治, 後藤亘, 廣瀬圭一, 武田隆, 福井昭圭, 松本暁, 村井秀幸, 大和直明, 小林隆重, “品質
別電力供給システム実証研究における電力品質計測について∼監視計測制御システム∼,” 電
気学会電力技術研究会, PE-07-104-112, pp. 43-47, July 2007.
[6] A. Matsumoto, H. Murai, A. Fukui, T. Takeda, and K. Hirose, “ Verification of Stabilizing Islanding
Grid by Integrated Power System,” Proc. of International Conference on Electrical Engineering,
Okinawa, July 2008.
[7] 廣瀬圭一, 武田隆, 福井昭圭, 松本暁, 村井秀幸, 大和直明, 後藤亘, 岩館考治, 室山誠一, 村上直
樹, “品質別電力供給システム実証研究の実施状況報告,” 電気学会電力技術・電力系統技術合
同研究会, PE-07-110, PSE-07-125, pp. 37-42, July 2007.
[8] International Electrotechnical Commission (IEC), IEC 61000-4-30 Electromagnetic compatibility
(EMC) - Part 4-30: Testing and measurement techniques - Power quality measurement methods,
2003.
[9] 廣瀬圭一, 武田隆, 福井昭圭, 松本暁, 村井秀幸, 室山誠一, 村上直樹, “品質別電力供給システム
の電力品質補償特性について,” 電気学会電力技術研究会, PE-08-14, pp. 13-18, January 2008.
65
第2章
品質別電力供給システム実証
[10] 廣瀬圭一, 福井昭圭, 松本暁, 村井秀幸, 武田隆, 後藤亘, 岩館孝治, “品質別電力供給システ
ム実証試験報告 (その１) ∼システムの運用状況∼,” 電気学会全国大会講演論文集, 6 巻, pp.
458-459, March 2008.
[11] Information Technology Industry Council (ITIC), ITI (CBEMA) curve Application Note, Oct.
2000.
http://www.itic.org/clientuploads/Oct2000Curve.pdf (Accessed 2010-12-08)
[12] H. Murai, A. Matsumoto, A. Fukui, T. Takeda, and K. Hirose, “Results of Field Demonstration
using Back-to-Back Voltage Source Converters,” Proc. of International Conference on Electrical
Engineering, Okinawa, July 2008.
[13] JEC-2137-2000, 誘導機, 電気学会 電気規格調査会標準規格, 2000.
66
第 3 章 分散型電源導入系統におけるパラレルプロセッシン
グ方式を用いた給電システムの開発
3.1
まえがき
再生可能エネルギーの有効活用を図るための新たな電力供給システムとして，分散型電源を集
中的に設置したマイクログリッドや需要地系統，また，それらの制御・運転技術などの研究が積
極的になされている [1–5]。マイクログリッド自体の明確な定義は確定していないが，一例を挙げ
ると「分散型電源と負荷をもつ小規模系統で複数の電源および熱源が IT 関連技術を使って一括
制御管理されて，既存の電力会社の商用系統から独立して運転可能なオンサイト型の電力供給シ
ステムである」[6] と言われている。このマイクログリッドを構成する電源設備の多くは分散型電
源であり，また，既存商用系統に比べ電源容量が小さいため，需給バランスが取れない場合の出
力変動が課題となる。そのため，マイクログリッド内に蓄電池やキャパシタ，もしくはフライホ
イールなどの蓄電装置を導入し，マイクログリッド内における電力の安定供給と出力変動の抑制
を行っている。また，蓄電装置の導入のみならず，マイクログリッド内における太陽光や風力な
どの出力が安定しない分散型電源の発電量予測手法や運用・制御手法 [7–10] や自立運転時の安定
化手法 [11–13]，および直流給配電を用いた DC（直流）グリッド [14, 15] などに関しても研究が
なされている。
マイクログリッドの主要構成要素である分散型電源は，系統連系規程 [16] に従って構築・運用
される。この規程にもあるように，商用系統に停電故障などの異常が生じた場合，単独運転防止
の観点により分散型電源を解列させなければならない。分散型電源と負荷による自立運転の状態
から，分散型電源を系統に再連系する場合，制御モード切替えと同期調整の機能がないと連系が
できない。これらの機能が無い場合は，非同期投入阻止のため一旦電源を解列してから同期投入
することが一般的である。したがって，マイクログリッドなどの分散型電源導入系統は，商用系
統に大きく依存しており，連系時の運用に際しても，その影響をなるべく受けないことが望まし
67
第3章
分散型電源導入系統におけるパラレルプロセッシング方式を用いた給電システムの開発
い。一部の研究においては，既存電力系統とマイクログリッドとの連系点に高速遮断器を用いる
ことで，系統事故後においても停電の影響を受けずに負荷供給を無瞬断で継続させる系統切替え
手法も検討されている [17]。
マイクログリッドの自立運転に注目すると，分散型電源の出力変動のみならず，自立時の供給
対象となる負荷に関しても，使用状態に応じて逐次変動するため供給側および需要側がお互いに
変動しているシステムとなり，安定した電力供給のためには，マイクログリッド内で需給バラン
スをとる必要がある。
本章は，分散型電源が導入された小規模系統に適用可能となる交流無停電電源装置 (UPS: Unin-
terruptible Power Supply) を用いた新しい給電手法を提案し，その効果について検証する。ICT を
始めとした重要負荷システムのバックアップ用途に様々な方式の UPS がある。UPS の代表的な方
式を Fig. 3.1 に示す。
同図 (a) の常時インバータ方式は，交流入力を整流装置により，一旦直流に変換し，蓄電池に充
電しつつ，インバータを介して安定した交流電力を負荷に供給する。
同図 (b) の常時商用方式は，通常は充電器により蓄電池を充電した状態で待機しており，交流入
力に停電など異常が生じた場合に，スイッチにてインバータに切替，給電を行う方式である。常
時の電力変換ロスは小さいが，切替時に瞬断が生じてしまう。また，交流入力電圧の変動や高調
波の影響を負荷に与えてしまう恐れがある。
同図 (c) は，ラインインタラクティブ方式と呼ばれており，交流入力電圧変動や高調波を AVR
部にて補い，負荷に給電を行う。
同図 (d) は，パラレルプロセッシング方式交流無停電電源システム (P.P.UPS: Parallel Processing
UPS) [18] で，本章では，この方式の構成に着目して，マイクログリッドの給電手法として応用す
ることを提案している。交流スイッチ (ACSW: AC-Switch)，双方向変換装置（PWM(Pulse Width
Modulation) 方式コンバータ），および蓄電装置（蓄電池，キャパシタなどのエネルギー蓄積装置）
を用いた給電システムをマイクログリッドの基本構成とし，常時の需給バランスの調整と商用電
力停電時における安定的な電力供給継続，および自立⇔系統連系の状態間を無瞬断に移行するこ
とを提案する。これをパラレルプロセッシング方式を用いた給電システムと呼ぶこととし，シス
テムの有効性を立証するために，分散型電源が導入された 20 kW 程度の実負荷を有する小規模電
力系統を用いて実証実験を行った。
68
第3章
分散型電源導入系統におけるパラレルプロセッシング方式を用いた給電システムの開発
Load
Load
Rectifier
Charger
Inverter
Inverter
Battery
Battery
UPS
UPS
(a) Double conversion/on-line
(b) Stand-by/off-line
ACSW
AVR
Load
Load
Charger
AC/DC
Bi-directional
converter
Inverter
Battery
UPS
Battery
(c) Line-interactive
UPS
Normal mode
Backup mode during interruption
(d) Parallel processing
Figure 3.1 Typical configurations of UPS.
3.2
3.2.1
提案する給電システムの概要と特徴
パラレルプロセッシング方式を用いた給電システムの概要
本章では，無停電かつ無瞬断な交流電力の供給と特定エリア内の需給バランス調整を可能とす
る系統連系システムを提案する。Fig. 3.2 にパラレルプロセッシング方式を用いた給電システム
の基本構成とその動作を示す。同図中の太線は，通常モードの電力フローであり，蓄電池の状態
に応じて充電をしつつ，商用電源から電力を重要負荷 (Load #2) へ供給している。点線は，商用
系統に停電が発生した場合のバックアップ状態であり，商用系統に直接つながっている通常負荷
(Load #1) への電力供給は停止するが，蓄電装置からインバータを介し重要負荷 (Load #2) への電
力供給は継続される。
この回路動作を応用した提案システムの構成を Fig. 3.3 に示す。このシステムは，分散型電源
69
第3章
分散型電源導入系統におけるパラレルプロセッシング方式を用いた給電システムの開発
Load #1
Utility grid
ACSW
Load #2
AC/DC
converter
Parallel processing
method power supply
system
Battery
Normal mode
Backup mode
during utility grid outage
Figure 3.2 Operation modes of parallel processing power supply system.
(DG)，双方向変換装置，ACSW，機械スイッチ (MS)，および蓄電装置から構成されている。同図
における交流母線 (AC-bus) は，マイクログリッド内の給配電網であり，分散型電源と双方向変換
装置が接続されており，さらに商用電力系統と交流母線の間に機械式スイッチおよび ACSW が直
列に挿入されている。また，双方向変換装置を介し蓄電装置を接続している。この提案システム
は，Fig. 3.3 中の何れの状態においても双方向変換装置の出力電圧，もしくは系統電圧が AC-bus
の基準電圧となり，各分散型電源を統括して制御する必要がないため，一般のマイクログリッド
に見られる複雑な制御システムが不要となるなどの利点がある。
3.2.2
給電システムの動作
提案する給電システムの動作状態は，(1) 通常時，(2) 電力供給不足継続時，(3) 系統電力の停電
時の三つである。
(1) 通常時
商用電力系統が正常時であっても，Fig. 3.3 に示す ACSW を常時ターンオフさせておくこ
とで系統電力からの有効電力潮流（連系線電力潮流）をゼロにする。このとき分散型電源，
双方向変換装置および負荷は運用状態にあり，グリッド内は，分散型電源を主エネルギー源
70
第3章
分散型電源導入系統におけるパラレルプロセッシング方式を用いた給電システムの開発
DG
PCS
Utility grid
DG: Distributed Generator
PCS: Power Conditioning
Subsystem
ACSW
AC-bus
MS
AC/DC
converter
Load
ACSW OFF
Isolated and backup modes
ACSW ON
Interconnected mode
Battery
Scope of proposed power supply system
Figure 3.3 Operation modes of the proposed power system.
とした自立運転状態となる。自立運転状態では，事故防止のため MS は常に開放されてい
る。電源と負荷との需給バランスの不均衡は，双方向インバータを介した蓄電池の充放電
により解消する。この運転状態を自立運用モード (Isolated mode) とする。
(2) 電力供給不足継続時
発電電力不足が発生し，蓄電池からの放電が継続すると，蓄電池残存容量が減少し蓄電池
電圧が予め設定した許容範囲を逸脱する。このとき，系統との同期確認後 MS を閉じ，ACSW
に点弧パルスを印加しターンオンすることで，商用系統の電力をグリッド内に取り込む。ま
た，このとき双方向変換装置に順変換動作をさせ，蓄電池の充電を併せて実施する。この
ような運転状態を系統連系モード (Interconnected mode) とする。なお，蓄電池の充電電圧値
が設定値になった場合，この系統連系モードから自立運用モードへ移行する。
(3) 系統電力の停電あるいは瞬低など発生時
前述の系統連系モード中に系統電力に停電あるいは瞬低などの異常が発生した場合には，
ACSW のターンオフ後，MS を開放し，双方向変換装置を交流電圧源として動作させること
で交流母線 (AC-bus) への電力供給を継続する。また，自立運用モード中に系統異常が発生し
たとしても，もともと ACSW はオフの状態であり，グリッド内の負荷供給には瞬断や電圧
71
第3章
分散型電源導入系統におけるパラレルプロセッシング方式を用いた給電システムの開発
や周波数の変動などの悪影響を与えることはない。この状態をバックアップモード (Backup
mode) とする。系統連系モードからバックアップモードに移行する場合の基本的な動作は，
市中で多数の運用実績を有する P.P.UPS [18] と同様であり，系統電圧低下の検出が遅れて
ACSW の動作に時間がかかることはない。
Fig. 3.3 中の ACSW，および商用系統に注目し，システムの動作を状態遷移図に示したものを
Fig. 3.4 に示す。(1)，(2) の場合，系統が正常であるため，本システムは系統と同期した状態での
運用となる。上記 (1)，もしくは (2) の状態から，別の状態へ遷移する場合，ACSW が電力半導体
素子で構成されていること，および ACSW がオフの状態でも双方向インバータは系統電力と同期
した条件でグリッド内運転が可能であることから負荷への電力供給に支障のない無瞬断な状態遷
移が可能となる。なお，(3) の場合は系統電力との同期がないため，(3) から (2) への移行には系統
電圧復帰の確認が必須となり，(1) の状態を経て (2) に遷移する。
3.2.3
給電システムの制御フロー
本論文で提案する給電システムの制御フローを Fig. 3.5 に示す。同図は，Fig. 3.4 で示した給電
システムの三つの状態について，ACSW，蓄電池と接続している双方向変換装置，および分散型
電源の系統連系用パワーコンディショナ (PCS) との運転形態と制御の関係を示している。
State of utility grid
ON
OFF
State of ACSW
Normal
Failure
Interconnected
(2) mode
(1)
Isolated
mode
Backup
(3) mode
Figure 3.4 State transition diagram.
72
第3章
分散型電源導入系統におけるパラレルプロセッシング方式を用いた給電システムの開発
Start
No
Utility grid
Normal
Yes
Voltage ref. by PLL signal
= Grid voltage
No
Vdc > Vmin
Yes
ACSW:OFF
Backup mode
MS:ON
ACSW:OFF
Isolate mode
MS:OFF
ACSW:ON
Interconnect mode
MS:OFF
Voltage ref.
by internal clock
AC-bus voltage
= Grid voltage
CVCF control
Voltage source
Rectifier mode
Battery charge
Synchronous control
Voltage source
PCS ON
Current source
PCS ON
Current source
Vdc > Vmax
Vdc > Vmax
PCS ON
Current source
**
Vdc > Vmax
*
PCS OFF
*
Vdc < Von
No
Vdc < Vmin
Yes
End
Out of service
Yes
No
No
No
**
Yes
Yes
*
**
*
No
Yes
No
Utility grid
Normal
**
Yes
Vdc > Vbmax
No
Yes
Protection
relays ON
MS OFF
ACSW OFF
Interlock logic
Figure 3.5 Control-flow of proposed power supply system.
73
第3章
分散型電源導入系統におけるパラレルプロセッシング方式を用いた給電システムの開発
本給電システムは，連系する系統，および蓄電池電圧の状態により運転のモードを切替える。
(1) 自立運用モード中は，双方向変換装置がマスター（電圧源）となり，この変換装置が接続され
ている交流母線 (AC-bus) に連系する分散型電源の PCS をスレーブ（電流源）として動作させて
いる。なお，PCS は，最大負荷追従制御を実施しながら，系統の母線電圧に合わせて電力を出力
する。
分散型電源の発電量が負荷を上回った場合，回生動作として蓄電池充電を行うが，充電状態が
継続し蓄電池電圧 (Vdc ) が動作電圧上限値 (Vmax ) を超えた場合，PCS を停止させる。この PCS が
再起動する条件は，蓄電池電圧が，分散型電源の再連系を可能と設定した設定電圧 (Von ) 未満に
なった場合としている。
分散型電源の発電量が不足する場合，双方向変換装置より負荷への電力供給を補う。この状態
が継続すると蓄電池電圧が低下して行くが，放電終止電圧 (Vmin ) を下回った場合はシステムを無
瞬断で (2) 系統連系モードに移行する。このモードにおいては，系統電圧が交流母線電圧となり，
系統からの電力を負荷に供給する。このとき，双方向変換装置は整流器となり，蓄電池への充電
を行う。この後，蓄電池電圧が充電完了電圧 (Vbmax ) に到達した場合，本給電システムは，再び
(1) 自立運用モードへ移行する。
系統が停電事故などにより異常となった場合，給電システムは，(3) バックアップモードに移行
する。このモードでは，双方向変換装置内部の信号を基準とし，定電圧・定周波数 (CVCF) 状態
で負荷への給電を継続する。
系統が正常となった場合は，系統との同期を確認した後，(1) 自立運用モードに移行する。また，
(3) バックアップモードの状態で系統電圧が長時間復帰せず，蓄電池残存容量がなくなった場合に
はシステムは全停止となる。
なお，停電事故などにより系統電圧がない場合には連系運転に移行しないよう，MS と ACSW
にはインターロックをかけている。
3.2.4
給電システムの電力フロー
提案するシステムの運用状態について，電力フローを中心に考えた場合，Fig. 3.6 に示す P1 ∼
P4 の電力の総和は，接続点 α で常にゼロとなり Eq. (3.1) が成り立つ。
P1 + P2 − P3 ± P4 = 0
(3.1)
74
第3章
分散型電源導入系統におけるパラレルプロセッシング方式を用いた給電システムの開発
ここで，P1 ：系統電力，P2 ：分散型電源出力，P3 ：負荷電力，P4 ：蓄電池充放電電力とする。
ただし，Eq. (3.1) 右辺の P4 の符号は，+ 放電，− 充電を表す。
この時，本給電システムは，分散型電源からの供給電力と負荷需要のバランスにより，以下に
示す三つの何れかの状態にある。
1) 分散型電源出力 (P2 ) ＝ 負荷電力 (P3 )
Fig. 3.4 の (1)，(2)，(3) 何れかの状態でも発生する需給がバランスする理想的な状況であ
るが，発電量と負荷需要がともに変動するため，運転期間中の需給バランスが完全に一致
する確率は非常に少ない。
2) 分散型電源出力 (P2 ) ＞ 負荷電力 (P3 )
この状態では，供給負荷よりも分散型電源の発電量が余剰となり，蓄電池充電電力 (−P4 )
として蓄えられる。充電による蓄電量が設置した蓄電池の定格容量に達し満充電になった
場合，本システムでは，上位系統への逆潮流を想定していないため，分散型電源を停止せ
ざるを得ない。Fig. 3.4 中の (1)，(3) で生じる状態である。(2) の蓄電池充電中に双方向変換
装置が停止した場合，余剰電力を充電できないため，逆潮流を発生させないよう逆電力リ
レー動作による ACSW ターンオフ，MS 開放を行いシステムを停止させる。(2) の状態のお
DG
Utility grid
P1
P2
ACSW
α
P3
±P4
MS
Load
AC/DC
converter
Battery
Proposed power supply system
Figure 3.6 Power flow of the power supply system.
75
第3章
分散型電源導入系統におけるパラレルプロセッシング方式を用いた給電システムの開発
ける負荷急減については系統電力からの入力が減少し，分散型電源出力からの電力が蓄電
池への充電に費やされる。
3) 分散型電源出力 (P2 ) ＜ 負荷電力 (P3 )
Fig. 3.4 中に示した (1)，もしくは (3) の状態で蓄電装置の容量がある場合は不足分を蓄電
池放電電力 (+P4 ) として補う。さらに，蓄電装置の残存容量が不足した場合には，系統電
力 (P1 ) を分散型電源出力 (P2 に加え，蓄電池充電電力 (−P4 ) と負荷電力 (P3 ) の供給を同時
に行う。この時，システムの状態は，(1) から (2) へ瞬時の移行，もしくは (3) の状態から系
統と同期を取った後，(1) の状態を経て (2) に遷移する。
3.3
運用検証
提案した手法のうち，(1) 自立運用モードと (2) 系統連系モードの切替えについての有効性を示
すために，Fig. 3.7 に示すモデル系統を大学のキャンパス内に構築し，実験を行った [19]。
10 kW
PV
Panels
10 kW
PV
Panels
10 kW
2 kW
Wind
Wind
Turbine Turbine
Utility grid
A
ACSW
D
B
Load
AC-bus
MS
AC/DC converter
(Bi-directional converter)
50 kVA
C
100 kWh
Valve Regulated Lead Acid (VRLA)
Battery
Figure 3.7 Configuration of the power supply system for field test.
76
第3章
分散型電源導入系統におけるパラレルプロセッシング方式を用いた給電システムの開発
このシステムは，定格 10 kW の太陽光発電 (PV) を 2 式と定格 10 kW と定格 2 kW の風力発電装
置 (WG) および定格 100 kWh の制御弁型シール鉛蓄電池（以下蓄電池と記す。）から構成されて
いる。ここで蓄電池としては，分散型電源の発電能力に合わせた充放電データ収集，および蓄電
池の充放電サイクル回数の増加による寿命低下を考慮し，放電深度に余裕を持たせ 100 kWh とし
ている。電力需要としては，キャンパス内の一つの建物を対象としており，講義室，ゼミ室，お
よび木材や金属加工を行う工作室で使われている照明設備，空調設備，コンセント接続機器が実
験時に使用された負荷である。
本研究では，提案するシステムの基礎的な実験を実施するために，Fig. 3.7 中の分散型電源と
して PV と蓄電池のみに注目し実験を行った。なお，PV パネルの直流出力を AC-bus（三相 3 線
200 V，60 Hz）に交流連系するための電力変換装置は市販のパワーコンディショナであり，双方
向変換装置の出力電圧に合わせて連系運転するため，パワーコンディショナ間，および双方向変
換装置との間での運用制御システムは不要となる。本実験において，測定器は横河電機の MW100
を使用し，電圧，電流の実効値，有効，無効電力，周波数，および波形を取得した。取得したデー
タの計測間隔は 0.5 秒である。なお，Fig. 3.7 中の A∼D 点は，実験における計測点を示しており，
記号順に商用系統入力，双方向変換器から負荷への出力，蓄電池出力，負荷電力の計測点を示す。
3.4
3.4.1
検証結果
給電システムの基本運転特性
本研究では，提案する給電システムを検証するため，24 時間の運転期間中に PV 定格出力が発
生し，かつ PV 出力の変動が頻繁発生した晴れ時々曇りの日を特定の 1 日と注目し検討を行った。
この日の太陽光発電特性と負荷特性（D 点）を Fig. 3.8 に示す。また，Fig. 3.9 に双方向変換装置
（B 点）と蓄電池の出力特性（C 点），Fig. 3.10 に蓄電池端子電圧の時間的変化，および Fig. 3.11
にこの日の系統から受電した有効電力潮流変化（A 点）を示す。
なお，Fig. 3.8 ∼ Fig. 3.11 に示した実験結果の期間中，本提案システムの AC-bus 内では，系統
の周波数特性に追従する周波数同期運転を行っている。
Fig. 3.8 に注目すると，太陽光発電は午前 6 時から発電を開始し 12 時に約 15 kW となり 18 時
頃に発電停止となっている。ただし，この日については PV 出力変動が最大で約 12 kW 出力され
ている。また，負荷特性について注目すると，最大で約 10 kW であり出力変動は約 8 kW である。
77
第3章
分散型電源導入系統におけるパラレルプロセッシング方式を用いた給電システムの開発
20
Power [kW]
15
PV power
10
Load power
5
0
0:00
3:00
6:00
9:00
12:00 15:00 18:00 21:00
0:00
Time
Figure 3.8 Waveforms of PV and Load.
10
Battery power
Power [kW]
5
0
-5
Bi-directional
UPS power
converter power
-10
0:00
3:00
6:00
9:00
12:00 15:00 18:00 21:00 0:00
Time
Figure 3.9 Waveforms of outputs from the storage equipment and bi-directional converter.
78
第3章
分散型電源導入系統におけるパラレルプロセッシング方式を用いた給電システムの開発
Voltage [V]
390
350
310
Battery voltage
270
0:00
3:00
6:00
9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00
Time
Figure 3.10 Time variation of storage battery terminal voltage.
20
Power [kW]
15
Utility power
10
5
0
0:00
3:00
6:00
9:00
12:00 15:00 18:00 21:00
0:00
Time
Figure 3.11 Waveform of the received electric power flow of commercial grid system.
79
第3章
分散型電源導入系統におけるパラレルプロセッシング方式を用いた給電システムの開発
Fig. 3.8 および Fig. 3.9 から，以下のことが確認できる。PV が発電し始めた 6 時から 8 時前に
は，負荷需要が少ないため蓄電池にて余剰電力を吸収していている。8 時から 18 時までは，PV
の出力と負荷の変動のアンバランス量を分担している。18 時以降は PV の出力がないため，18 時
∼21 時までの 3 時間は蓄電池のみで電力を供給している。そのため，Fig. 3.10 に示されているよ
うに，蓄電池放電により電池電圧が低下し，設定した放電終止電圧に達し 21 時∼24 時までの 3
時間は系統からの受電により，蓄電池への充電と負荷供給を補う (2) 系統連系モードの状態が継
続した。このため，Fig. 3.9 では 21 時以降，双方向変換装置出力と蓄電池出力（充電状態）に大
きな差が生じている。
Fig. 3.10 はこのときの蓄電池端子電圧の時間的変化を示しているが，蓄電池の充電電圧値の最
大値は，380 V であり，放電電圧の限界は 280 V としている。Fig. 3.9 と同様に，PV の発電量と
負荷との需要のアンバランスを吸収していることがわかる。そして，21 時にて蓄電池の放電終止
電圧となり商用系統からの充電が始まっていることが電池電圧の変化からもわかる。
Fig. 3.11 より，0 時から 21 時までは，系統からの受電電力がなく，この時間帯においては分散
型電源と蓄電装置により自立しており (1) 自立運用モード状態にて電力供給を行っていることが
確認できる。そして，21 時には，系統から受電が始まり充電が始まっていることがわかる。この
充電は，約 3 時間続き蓄電池を満充電状態にする。
3.4.2
運転モード移行時の無瞬断確認
Fig. 3.12 に，運転モード移行時の ACSW における電流波形，および電圧波形を示す。Fig. 3.12
の左側 (L-(a)∼L-(d)) は，自立運用モードから系統連系モードへの移行時，同図の右側 (R-(a)∼
R-(d)) は，逆に系統連系モードから自立運用モードへ移行したときの特性を示しており，それぞ
れの波形において時間軸が 0 ms のタイミングで ACSW が動作している。この時，負荷容量は約
10 kW，力率 1.0 であり，主な負荷は照明と空調である。これらの図は，系統からの入力電流，入
力電圧，変換装置からの出力電流と出力電圧を示している。
Fig. 3.12 の左側について注目すると，ACSW がオン状態となり，入力電流が瞬時に流れている
ことがわかる。しかし変換装置からの出力電流は，運転モードが移行しても変化がないことがわ
かる。電圧特性について注目すると，入力電圧と出力電圧は，常時同期しており運転モード移行
時でも変化がないことが確認できる。
80
第3章
分散型電源導入系統におけるパラレルプロセッシング方式を用いた給電システムの開発
60
60
U
V
30
W
Current [A]
Current
[A]
Current [A]
[A]
Current
30
0
-50
-25
0
25
50
0
-50
-25
V
U
-60
400
W
V
U
R-(a) Current characteristics (input).
400
W
U
V
W
200
Voltage [V
]
Voltage
[V]
200
0
-25
50
Time
[ms]
Time [ms]
L-(a) Current characteristics (input).
-50
25
-60
Time [ms]
[ms]
Time
Voltage
Voltage[V]
[V]
0
-30
-30
0
25
50
0
-50
-25
0
-200
-200
-400
-400
25
50
Time [ms]
Time
[ms]
Time [ms]
Time
[ms]
L-(b) Voltage characteristics (input).
R-(b) Voltage characteristics (input).
60
60
U
Cu
urren
rrent [A
]
Current
[A]
W
U
Cu
urren
rrent [A]
Current
[A]
V
30
0
-50
-25
0
25
50
30
0
-50
-25
0
-30
-60
-60
25
50
Time [ms]
Time
[ms]
Time [ms]
Time
[ms]
L-(c) Current characteristics (output).
R-(c) Current characteristics (output).
U
V
400
W
Voltage [V
]
Voltage
[V]
200
Voltage
[V]
Voltage [V
]
W
-30
400
0
-50
V
-25
0
25
50
U
V
W
200
0
-50
-25
0
-200
-200
-400
-400
25
50
Time [ms]
Time
[ms]
Time [ms]
Time
[ms]
L-(d) Voltage characteristics (output).
R-(d) Voltage characteristics (output).
L: Isolated interconnected
R: Interconnected Isolated
Figure 3.12 Characteristics of current and voltage in ACSW during transient state between isolated and
interconnected modes. Point A and B show input and output of ACSW, respectively.
81
第3章
分散型電源導入系統におけるパラレルプロセッシング方式を用いた給電システムの開発
次に，Fig. 3.12 の右側の場合は，モード移行時に瞬時に ACSW がオフ状態となり，瞬時に入力
電流が断となることが波形から確認された。また，Fig. 3.12 の左側の場合と同様に ACSW が動作
しても出力電流特性には影響を与えないことがわかる。さらに，入力電圧特性と出力電圧特性を
比較しても，入力電流が遮断されても出力電圧特性は影響がないことがわかる。モード移行時に
おいても，完全な無瞬断化が達成できており，ICT システムのような高品質を求める負荷機器に
対しても適用可能である。
以上のことから，本提案システムは，自立運用モード⇔系統連系モードの移行に関しては，AC-bus
内の変動を伴わず，瞬時に移行できることを実験により明らかにした。
3.5
考察
分散型電源群を商用系統に連系する場合，連系点に ACSW を挿入し，通常時その ACSW をオ
フとすることでグリッド内部の PV などの変動電源と負荷との調整を行いながら自立運転を中心
に運用を可能とする新たな給電システムの基本特性が実験結果から確認できた。PV や WG のパ
ワーコンディショナは，通常 ACSW がオフの自立状態で運用され，逆潮流を発生させない運転動
作のため，PV などを設置しても配電系統電圧の上昇や高調波電流流出など電力品質を悪化させ
る影響がないことも，本給電システムの利点である。
また，ACSW の高速性により，運転モードが切替わる際でも負荷機器への給電が断とならない
ため，供給信頼度が極めて高いシステムである。本実験で用いた ACSW は市販されている UPS
をベースにしており，流通，価格・コストの観点でも制約が少なく汎用化しやすいという利点も
兼ね備えている。一方，自立運転主体のシステム運用のため，PV や WG などの分散型電源出力
の間欠性，不安定さを補うため電池への依存度が大きい。
Fig. 3.8 ∼ Fig. 3.11 で示した実験結果について，3.2.2 項で示した各状態に滞在する確率として
求めると，自立運用モードは，87.5% であり，系統連系モードは，12.5% となった。
実験結果で示した 1 日の入力エネルギー（PV 用パワーコンディショナの出力量，および商用系
統からの受電電力量）と出力エネルギー（負荷消費電力量）の比，すなわち提案するシステムの
総合効率は，81.3% であり，総合効率の向上，および電池容量の最適化は改善の余地があり，今
後の課題である。
82
第3章
3.6
分散型電源導入系統におけるパラレルプロセッシング方式を用いた給電システムの開発
あとがき
本章では，分散型電源が導入された需要家系統に対する新しい給電手法を提案し，その効果を
愛知工業大学のキャンパス内の実負荷系統で検証した。提案する給電方式は，UPS に採用されて
いるパラレルプロセッシング方式の考え方を応用したものである。需要家と電力系統とを半導体
交流スイッチ (ACSW) を介して連系し，双方向電力変換装置および鉛蓄電池からなるバックアッ
プ電源と太陽光パネルなどの分散型電源とから負荷に給電する方式を提案した。第 2 章では電力
の不足分を電力系統側から補完する系統連系モードを基本運転モードとしていたのに対して，提
案システムでは，分散型電源からの電力供給の過不足分をバックアップ電源で対応し，常時は分散
型電源を主体とした自立運転を基本運転モードとする。これは，太陽光発電装置などの CO2 排出
を伴わない分散型電源を有効利用しながら，電力品質も劣化させないシステムの構築を目指した
ものである。さらに，バックアップ電源だけで対応しきれない場合や夜間の蓄電池の充電時にお
いては，系統側からの補完を求めざるを得ない。その場合には，自立運用 (Isolated mode) と系統
連系 (Interconnected mode) との状態間を移行させる必要があるが，その場合においても，ACSW
により無瞬断な電力供給を実現できる。
本研究で得た成果は，以下 (1)∼(3) のとおりである。
(1) 提案システムでは，マイクログリッドなどの小規模の電力供給システムにおいて，複雑な制
御装置を必要としない。分散型電源の導入によりこれまで系統に依存していた需給調整を
ローカル系統内で実施することができ，系統に与える影響を少なくできる。複数の分散電
源が導入された場合でも，分散型電源の個々に対しての需給制御は不要である。
(2) 提案するシステムは，パラレルプロセッシング方式を適用することにより，ACSW がオフ
の状態でも分散型電源が導入された系統は，商用電力系統と常に同期をとることで，無瞬
断に系統との連系が可能である。
(3) 提案した給電システムは，ACSW が常時オフとなる運転を基本としているが，バックアッ
プ用蓄電池を有効利用することで，停電用途以外でも，分散型電源出力不足時に負荷への
電力を瞬断することなく継続したり，余剰の発電電力を貯蔵することができる。
83
第3章
分散型電源導入系統におけるパラレルプロセッシング方式を用いた給電システムの開発
参考文献
[1] T. Funabashi, R. Yokoyama, “Microgrid field test experiences in Japan,” IEEE Power Engineering
Society General Meeting, June 2006.
[2] 高野浩二, “新たな電力供給システムの実証プロジェクト 1 新エネルギー等地域集中実証研
究,” 電気学会誌, Vol. 125, No. 3, pp. 153-155, March 2005.
[3] H. Nikos, H. Asano, R. Iravani, and C. Marnay, “Microgrids: an overview of ongoing research,
development, and demonstration projects,” IEEE Power & Energy, vol. 5, issue 4, July/August
2007.
[4] 浅野浩志, “マイクログリッド研究の動向,” エネルギー・資源学会, マイクログリッド・分散型
エネルギーネットワーク特集号, Vol. 29, No. 1, pp. 15-18 January 2008.
[5] 林泰弘, 宮元英樹, 松木純也, 飯塚俊夫, 東仁, “マイクログリッドにおけるオンライン電源運用
最適化手法,” 電気学会論文誌 B, Vol. 128, No. 2, pp. 388-396, February 2008.
[6] 合田忠弘, 田熊良行, 泉井良夫, 小島康弘, 竹内英次郎, 高坂幹, マイクログリッド, 日本電気協
会新聞部, 2004.
[7] 石川忠夫, “分散形電源の電力系統連系技術の最新動向,” 電気学会論文誌 B, Vol. 126, No. 10,
pp. 964-968, October 2006.
[8] 小島康弘, 古塩正展, 中村静香, “マイクログリッド向け需給制御機能の開発と実証検討,” 電気
学会論文誌 B, Vol. 128, No. 2, pp. 429-436, February 2008.
[9] 進士誉夫, 関根剛史, 秋澤淳, 柏木孝夫, 藤田吾郎, 松原正芳, “分散型電源によるマイクログ
リッド内の電力変動抑制に関する考察,” 電気学会論文誌 B, Vol. 126, No. 1, pp. 14-20, January
2006.
[10] 島陰豊成, 角田二郎, 内山倫行, 加藤丈佳, 鈴置保雄, “新エネルギーの普及を目的としたマイク
ログリッドにおける分散型電源の需給制御,” 電気学会論文誌 B, Vol. 128, No. 1, pp. 143-150,
January 2008.
84
第3章
分散型電源導入系統におけるパラレルプロセッシング方式を用いた給電システムの開発
[11] 天満耕司, 河野良之, 下村勝, 片岡道雄, 合田忠弘, 上坂真, “マイクログリッド自立運転時の電
力品質維持手法の提案と開発,” 電気学会論文誌 B, Vol. 126, No. 10, pp. 1032-1038, October
2006.
[12] 志岐明, 横山明彦, 馬場旬平, 高野富裕, 合田忠弘, 泉井良夫, “単独マイクログリッドにおける
インバータを用いた分散型電源群による自律分散型需給制御,” 電気学会論文誌 B, Vol. 127,
No. 1, pp. 95-103, January 2007.
[13] 高橋一仙, 北裕幸, 田中英一, 長谷川淳, “FRIENDS における自律分散運用に基づく自立系統運
転時の需給調整手法,” 電気学会論文誌 B, Vol. 126, No. 10, pp. 1039-1048, October 2006.
[14] 伊藤洋一, 楊仲慶, 赤木泰文, “分散電源を含む小規模直流電力供給システムの制御法,” 電気学
会論文誌 D, Vol. 126, No. 9, pp. 1236-1242, September 2006.
[15] 柿ヶ野浩明, 三浦友史, 伊瀬敏史, 打田良平, “超高品質電力供給システム「DC マイクログリッ
ド」,” 電気学会論文誌 B, Vol. 126, No. 12, pp. 1207-1214, December 2006.
[16] 日本電気協会, 系統連系規程 JEAC9701-2006, June 2006.
[17] B. Kroposki, R. Lasseter, T. Ise, S. Morozumi, S. Papatlianassiou, and N. Hatziargyriou, “Making
microgrids work,” IEEE Power & Energy Magazine, vol. 6, issue 3, pp. 40-53, May/June 2008.
[18] Y. Okui, S. Ohta, N. Nakamura, H. Hirata, and M. Yanagisawa, “Development of line interactive
type UPS using a novel control system,” Proc. of the IEEE 25th International Telecommunications
Energy Conference, INTELEC’03, pp. 796-801, Yokohama, October 2003.
[19] 愛知工業大学エコ電力研究センター
http://www.ait.ac.jp/sisetu/ecoc.html (Accessed 2010-12-08)
85
第4章
4.1
ICT システム用バックアップ電源設備の費用対効果
の評価手法の検討
まえがき
近年の高度情報化社会の進展のため，日常生活や事業・経済活動のあらゆる側面で，情報通信
技術 (ICT: Information and Communications Technologies) の役割が増している [1]。その重要さゆ
えに，トラブルによる停止や中断がなく，常に安定して ICT システムが運用されることが必要で
あり，電源供給についても高い信頼度と電力品質の維持が求められる。ICT システムを運用する
場合，一般的には，停電や設備故障などの電源トラブルに備え，バックアップ装置や非常用発電
装置を設置するが，要求する供給信頼度を超える過大な冗長構成であったり，余分な設備を具備
している場合も少なくない。過剰な電源設備は，初期投資のみならず，保守コスト，設置スペー
スの占有，装置の電力変換損失など運用費を増大させる。そこで，ICT システムの利用頻度が多
く，高い供給信頼度を必要とする需要家向けバックアップ電源設備の構成，特性，および経済性
などの検討が必要となる。
本章では，ICT システムを導入する需要家のバックアップ電源設備の費用対効果について評価
する手法を提案する。バックアップ電源設備の最適化を検討するために，停電や瞬時電圧低下な
どの電源トラブルの発生頻度（統計値）を参考にし，確率論的信頼度と，トラブル時の経済的損
失の算定により，費用対効果を定量評価する。本提案手法は，毎年のキャッシュフローを現在価
値に換算して初期投資と比較する DCF (Discounted cash flow) 法 [2] を用いている。
4.2
従来の高信頼給電構成の検討手法と課題
ICT システムやデータセンタ向けの高信頼電源の構成については，様々な検討方法がある。一
つは，電源構成の冗長化を柱としている確定論的検討手法である。たとえば，米国の IT 業界団体
である The Uptime Institute では，Tier1 − Tier4 まで 4 段階に代表的な電源設備構成を区分してい
87
第4章
ICT システム用バックアップ電源設備の費用対効果の評価手法の検討
る [3]。この手法は，直感的に分かり易すいが，一般に安全側（設備過剰）になりやすいことに注
意する必要がある。
もう一つは，事故や電源設備故障の発生確率を計算によって求める確率論的検討手法である。
たとえば，IEEE std 493-2007 [4] は，電源設備の構成要素を機能毎にブロック化し，ブロックの
直列，並列計算により信頼度を求めるアプローチを示している。信頼度算出のためには，運用実
績に基づく各々の設備・機器の故障率と修理率のデータベースを用いるが，適用する諸数値の妥
当性についても検証が必要となる。この手法は，電源システム構成によっては計算やシミュレー
ションが複雑になるが，電源供給停止の確率を定量化でき，電力供給支障時の損害の期待値との
比較ができるため，有効な手法と考えられる。だだし，課題としては，停電以外の電力品質の概
念を考慮する必要があること，および障害が発生した際の損害額期待値の算定方法の妥当性の検
討・考察の 2 点が挙げられる。以下，これら 2 点の課題について考察する。
4.2.1
信頼度計算への電力品質の反映（課題１）
電灯のような負荷機器類は，停電とともに断となり，復電とともに再始動することができ，ま
た，瞬時電圧低下が発生しても動作に影響が無いものが多い。一方，ICT システムを構成する機
器類は，電源トラブルにより脆弱であり，停電に対するバックアップは勿論のこと，電圧変動，瞬
時電圧低下，電圧歪や周波数変動などの電力品質への対策や検討が必要である。電源トラブルに
対する従来の負荷機器と ICT 機器との動作の違いを Fig. 4.1 に示す。従来の負荷機器・設備の停
止時間は電源供給の有無で定まり，停電時間と同等となる。一方，ICT 機器，電子機器，制御機
器，医療機器などは短時間（仕様，規格にもよるが数 10∼数 100 ms 程度）でも電源断，もしく
は電圧低下が生じた場合，条件によってはシステムが停止してしまい，復旧のためには人員によ
る再起動やデータの再読み込みなど労力と時間を要してしまう。ICT 機器などの停止時間は，電
源の停電時間に必ずしも比例する訳ではなく，システム停止直後から正常に復旧するまでの作業
時間に依存するケースが多い。このように，事象として比較的確認し易い停電以外にも，特殊な
測定や計測が必要となる瞬時電圧低下などの電力品質を電源システムの信頼度計算に反映する必
要が生じている。
電源システムの信頼度は，稼働率や不稼働率などの指標で定量化できる。不稼働率 U は，電
源の平均故障間隔 M T BF (Mean Time Between Failure) と平均復旧時間 M T T R (Mean Time To
88
第4章
ICT システム用バックアップ電源設備の費用対効果の評価手法の検討
Repair) により，Eq. (4.1) で表せる。
U=
MTTR
M T BF + M T T R
(4.1)
上記の指標に加え，電力品質を含めた各々の指標の関係を Fig. 4.2 に示す [5]。同図のように，
供給信頼度や稼働率は，電力品質の一部として含めることができる。高信頼電源の最適化を検討
する際，商用電源の停電頻度や停電時間，および電力品質に関する統計データが必要となるが，
従来は，これらの統計データが十分に整備されておらず，実態に見合った供給信頼度の算定が困
難であった。
4.2.2
損害額期待値の算定方法の妥当性（課題２）
ICT システム用電源設備（バックアップを含む）構築時の投資分析として，設備構築による便
益をどのように設定し判断するかについてが課題となっている。過去にも停電発生時の損失に関
する調査の報告 [6] がされているが，それはマクロ的視点での評価であり，需要家規模や個々の
Figure 4.1 Characteristics of conventional and ICT loads against voltage fluctuations.
89
第4章
ICT システム用バックアップ電源設備の費用対効果の評価手法の検討
負荷システムの運用形態を反映させる必要がある。また，ICT を活用した各種サービスがダウン
した場合の損害額を推定した報告 [7] もある。その報告 [7] で試算された 1 時間当りのダウンタイ
ムコストを Table 4.1 に示す。証券取引用システムの障害発生時の損失額は，最大 645 万ドル/h と
見積もられているが，個別の試算を詳細に実施する際には，実情に即した事業規模や運用を考慮
する必要がある。一般に被災や故障による損害防止を目的とした投資は，直接的な利益を生じな
いため，その便益の算定が従来は困難であった。しかし，世の中の ICT システムの活用・応用が
拡大し，その依存度が高まるにつれ，リスク分析やコスト比較の重要性が従来以上に増しており，
適切な投資判断法の確立が望まれている。
Figure 4.2 Relation between availability, reliability, and power quality for power supply system [5].
Table 4.1 Average downtime cost per hour [7].
Industry
Brokerage operations
Credit card authorizations
Home shopping channels
Airline reservation centers
Cellular service activation
ATM service fees
Cost (Thousand US dollars/h)
6,450
2,600
113
89
41
14
90
第4章
4.3
ICT システム用バックアップ電源設備の費用対効果の評価手法の検討
対象とするモデルと提案手法
本検討では，前述した 2 点の課題を補い，投資（費用）と確率的に求めた効果（便益）の期待
値を一般式化することで，需要家毎の電源トラブル対策に用いるバックアップ設備の導入判断の
手法を検討する。ICT システムが障害に至る要因は，ソフトウエアのバク，通信異常，ヒューマ
ンエラー，および ICT 機器の故障など多岐に渡るが，本論文では基礎的検討として，商用電源お
よびバックアップ電源設備に関わる電源トラブルを検討対象とする。商用電源のトラブルは，停
電故障と電力品質事象の両方を含んでいる。停電については，人員により故障を除去するまで継
続する永久故障による停電と配電区間の自動再閉路により数分以内で復旧する瞬時停電を対象と
し，電力品質事象については，発生頻度が多く，最も問題視されている瞬時電圧低下を検討対象
とする。また，バックアップ電源設備のトラブルについては，設備故障などにより出力が断とな
る事象を想定している。
検討の概念を模式化したものを Fig. 4.3 に示す。ICT システムは通常，電気事業者から受電し
た電力で運用されているが，電力系統に何らか理由により，異常が発生した場合に備え，バック
Figure 4.3 Evaluation model of cost-benefit analysis for backup power equipment in mission critical
facilities.
91
第4章
ICT システム用バックアップ電源設備の費用対効果の評価手法の検討
アップ電源装置を接続している。もし，ICT システムが電源断により影響を受けた場合，システ
ムの機能停止によって影響を受ける従業員の割合（ICT の依存度）により企業活動の生産性と売
上が低下するとともに，復旧のための費用が必要となる。なお，障害が発生した場合には，前述
の直接的損失だけでなく，企業イメージ低下・信用の失墜，商機の喪失などの間接的損失も考え
られるが，本検討の対象外とする。
4.3.1
対象とする商用電源トラブルの種別
本検討で想定する商用電源トラブルは，(1) 停電 (Sustained interruption)，(2) 瞬時停電 (Momentary
interruption)，(3) 瞬時電圧低下 (Voltage dip) の 3 種類とする。国内では，長年，経済産業省原子力
安全・保安院による電気保安統計 [8] により年度毎に商用電源に関する事故統計結果が，平成 14 年
度まで報告・公開されてきた。公開されていた統計結果は，需要家あたりの年間停電頻度，および
需要家あたりの年間停電時間である。需要家あたりの年間停電頻度 Nsin は，IEEE std 1366 [9] で規
定されている 1 需要家あたりの年間停電発生確率を示す指標である SAIF I (The System Average
Interruption Frequency Index) と同様に，Eq. (4.2) で表される [10]。
Nsin =
停電した需要家数
供給を受けている需要家数
(4.2)
ここで注意すべきことは，停電故障が発生した場合，自然復旧，もしくは遠隔による開閉器や
回路の切り替えによる自動復旧を停電事象（永久故障）に含めていないことである。事業や設備
形態が異なるが，電気保安統計 [8] によると，停電は「電気事業用電気工作物の故障，損傷又は
他事故の波及などにより，一般需要家に停電が生じた場合をいう。ただし，電路が自動的に再閉
路されることにより，電気の供給の停止が終了した場合を除く。」と解説されており，停電事象よ
りも断時間の短い瞬時停電事象の発生頻度は明らかにされていない。また，IEEE 規格 [9] の場合
も，1 分∼5 分の電源断は停電記録にカウントされない。そこで，本検討のためには，停電より短
い時間の瞬時停電事象の発生頻度を明らかにする必要がある。
4.3.2
負荷機器の瞬時電圧低下許容耐量
日本工業規格 JIS 61000-4-11 [11] では，瞬時電圧低下を電力系統のある地点における半周期か
ら数秒の期間，継続する突然の電圧低下としている。負荷機器が許容しうる電圧変動のしきい値を
92
第4章
ICT システム用バックアップ電源設備の費用対効果の評価手法の検討
電圧低下の継続時間と残存電圧の関係で表した例を Fig. 4.4 に示す。同図には，瞬時電圧低下耐量
に関する三つのレベルが規格として示されている。それぞれの対象は，ICT 機器 (ITIC curve [12])，
半導体製造設備 (SEMI-F47 0706 [13])，および一般電気器具（16 A 以下は IEC-610004-11 [14]，
16 A—, 超過は IEC-61000-4-34 [15]）である。0.2 秒以上の領域においては，電圧低下のしきい値
は全ての規格で同一である。本章では，検討の対象を ICT システムの利用者として，Fig. 4.4 に示
す ITIC curve のしきい値を下回った場合，システムがダウンするものと想定し影響を分析した。
4.3.3
商用電源トラブルの発生頻度の推定
1 年間に ICT システムを活用する需要家が受ける電源トラブルの発生頻度 Nin (回/年) は，ITIC
curve を下回る全ての電圧低下事象が対象であり，バックアップ電源設備が無い場合，停電 Nsin (回/
年)，瞬時停電 Nmin (回/年)，および瞬時電圧低下 Ndip (回/年) の総和となり，Eq. (4.3) で表せる。
Nin = Nsin + Nmin + Ndip
(4.3)
Remaining voltage (p.u.)
1
0.9
0.8
No Interruption Region
0.7
0.6
Equipment Shut-down
(No Damage) Region
ITIC curve [12]
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0.01
SEMI F47-0706 [13]
IEC 61000-4-11 [14] and 61000-4-34 [15]
Voltage dip immunity standards
0.1
1
Duration (s)
Figure 4.4 Voltage dip standards.
93
10
100
第4章
4.3.4
ICT システム用バックアップ電源設備の費用対効果の評価手法の検討
損害額期待値の算出
ICT システムを適用する業務が停止した場合の毎時当り損害額を簡易に算定する手法が Patterson
によって提案されている [16]。1 時間当りの損害額 D (yen/h) は，
（1 時間あたりの平均収入 Rave ）
×（機能停止によって影響を受ける収入の割合 Rr ）と（1 時間あたりの従業員費 Cemp ）×（機能
停止によって影響を受ける従業員の割合 Re ）の和となり，Eq. (4.4) で表すことができる。
D = Rave × Rr + Cemp × Re
(4.4)
本検討において Rr および Re は，ICT 依存度と同じ意味となり，0∼1 の範囲の値をとる。経済
産業省による企業活動基本調査 [17] によれば，業種毎の ICT 依存度は Table 4.2 のとおりである。
これらの値を，Eq. (4.4) に用いることで，事業規模や事業の ICT 依存度に応じた定量的な損害額
を算出することが可能である。
また，商用電源トラブルが発生し，ICT システムがダウンした後から再び復旧するまでの時間
をダウンタイム Tdown (h) とすれば，ある 1 年間の損害額期待値 B は，Eq. (4.3) と Eq. (4.4) より，
Eq. (4.5) で求められる。
B = Nin × D × Tdown
(4.5)
Eq. (4.5) で求められる損害額期待値 B は，バックアップ用電源設備の設置により故障が回避さ
れるため，この期待値がバックアップ用電源設備を導入したときの便益となる。
Table 4.2 Business dependence on ICT [17].
Industry
Transportation and telecommunication
Finance and insurance
Manufacturing industries
Service industries
Real estate agents, agriculture, and forestry
Mining and construction industries
Retail and food
94
Dependence rate
1.0
0.64
0.5
0.5
0.43
0.43
0.21
第4章
ICT システム用バックアップ電源設備の費用対効果の評価手法の検討
バックアップ用電源設備として無停電電源装置 (UPS) を導入した場合，実際は UPS 自体が故障
し ITC システムが断となる事象も考えられる。UPS 故障により，ICT システムが停止した場合の
損害額期待値 Cups は，Eq. (4.6) で求められる。
Cups = Nups × D × (Tups + Tdown )
(4.6)
ここで，Nups : 年間当りの UPS 故障頻度 (回/年)，Tups : UPS 故障時の平均修理時間 (h)。
ICT システムが停止している時間を Tups と Tdown の和にしている理由は，UPS が故障から回復
し給電が正常化した後でないと ICT のシステム再立上作業が開始できないためである。Eq. (4.5)
で求められる損害額期待値 B と異なり，Eq. (4.6) で得られた Cups は年間当りの損失額（経費）と
なる。
4.3.5
バックアップ電源設備の投資判断
本提案においては，DCF 法による主な指標として，正味現在価値 N P V を適用する。初期投
資後 t 年時の便益としての損失額期待値 B(t)，およびバックアップ電源設備 (UPS) のトラブルに
よる損失額期待値 Cups (t) が既知であり，UPS の初期投資費用 Cin ，運用のためのランニング費
用 Cmn (t)，設備寿命耐用年数 N ，および割引率 r がわかれば，Eq. (4.7) により N P V を求めるこ
とができる。N P V は，初期投資後 t 年間の運用を想定した場合，投資時点の経済価値に換算し
てどれだけの損得があるかを表す指標であり，N P V が正の値であれば，投資の価値があると判
断できる。
NPV =
N
X
N
X
B(t)
Cups (t) + Cmn (t)
−
− Cin
t
(1
+
r)
(1 + r)t
t=1
t=1
(4.7)
B(t)，Cups (t)，および Cmn (t) が経過年数 t に依存せず，それぞれ，B ，Cups ，Cmn と一定の値
となる場合，Eq. (4.7) は，初項 (B-Cups -Cmn )/(1+r)，公比 1/(1+r) の等比級数となり，N 年経過時
点の N P V は，Eq. (4.8) で表せる。
N P V = (B − Cups − Cmn ) ×
4.4
(1 + r)N − 1
− Cin
r(1 + r)N
(4.8)
ケーススタディ
本章は，調査によって得られた電源トラブルの発生頻度データ，および以下に示す想定条件を
用い，バックアップ電源設備の投資判断手法のケーススタディ例を示す。
95
第4章
4.4.1
ICT システム用バックアップ電源設備の費用対効果の評価手法の検討
需要家の条件設定
想定した需要家施設は，事業が ICT 機器・システムへの依存度が高いコールセンタやデータセ
ンタ，および製造のために ICT システムを利用している電子機器製造業の二つである。ケースス
タディに用いた需要家の条件を Table 4.3 に示す。同表で対象とする需要家は，総務省統計局が発
行している日本標準産業分類の中から「大分類：情報通信業，中分類：インターネット附随サー
ビス業」，および「大分類：製造業，中分類：電子部品・デバイス製造業」とした。また，売上，
人件費などの基礎数値は，TKC（税理士・公認会計士）全国会の発行する TKC 経営指標 [18] を
参考とした。また，Table 4.3 の条件で検討する場合，損害額 D を算出するため 1 時間当たりに換
算した平均費用は，Table 4.4 に示す金額となる。
Table 4.3 Customer conditions for case studies.
Type of business
Number of employees
Annual sales (×106 yen)
Annual personnel expenses (×106 yen/person)
Daily business hours
Weekly business days
Annual business weeks
Annual average working hours
Internet services
38
475
5.58
8.5
5
45
1,913
Manufacturing
27
416
3.31
7.5
5
47
1,763
Table 4.4 Estimated average cost of 1 hour of downtime.
Type of business
Rave (yen/h)
Cemp (yen/h)
Rr
Re
Internet services
248,000
110,000
1.0
1.0
96
Manufacturing
235,000
50,000
0.5
0.5
第4章
4.4.2
ICT システム用バックアップ電源設備の費用対効果の評価手法の検討
電源トラブルの発生頻度の推定
電源トラブルの発生頻度は，文献およびフィールド調査により以下のとおりの値が得られた。
(1) 停電の発生頻度 Nsin
文献 [8] より，平成 5 年∼14 年の 10 年間の Nsin は 0.13 回/需要家/年であった。
(2) 瞬時停電の発生頻度 Nmin
文献 [19] では，全国規模の電力品質測定を実施するために，配電線 61,000 回線中，102
サイトを選定し 1 年以内の測定をしているが，著者らは，全国の 2,836 箇所の需要家施設受
電点における停電を 4 年間測定した。測定方法は，需要家受電設備の不足電圧継電器の動
作をカウントする手法を用いた。なお，需要家が保守作業などのため，自ら停電させる場
合，および需要家構内の事故に起因する停電は，カウント数から省いている。
停電の調査結果を Fig. 4.5 に示す。この調査から 300 秒以下を瞬時停電と位置付け，整理
した結果を Table 4.5 に示す。瞬時停電の発生頻度 Nmin は，1.13 回/需要家/年であった。
(3) 瞬時電圧低下の発生頻度 Ndip
文献 [19] より，瞬時電圧低下の発生頻度は 9.1 回/需要家/年であったが，ITIC カーブを下
回るケースは，2.2 回/需要家/年となる。停電，瞬時停電，瞬時電圧低下の年間当りの発生
頻度を Table 4.6 に示す。
(4) バックアップ電源設備 (UPS) の故障発生頻度 Nups
今回のケーススタディのバックアップ電源設備として，無停電電源装置 (UPS) を想定し，
その故障頻度について検討する。NTT グループ内における UPS の信頼度フィールド調査結
果を Fig. 4.6 に示す。同図は，12,600 システムの UPS を 9 年間運用した結果であり，年度
単位毎に求めた UPS の不稼働率 U は，最大で 10−7 であった。なお，不稼動率 U は，稼働
率 A と補完の関係にあり，1 = A + U となる。
M T T R = Tups = 5 h の場合，U = 10−7 と Eq. (4.1) より，M T BF は，5 × 107 h となる。
したがって，年間 (8,760 h) 当りの UPS 故障発生頻度 Nups は，1.75 × 10−4 回/年となる。
97
第4章
ICT システム用バックアップ電源設備の費用対効果の評価手法の検討
Number of events: 12,791
5,000
100
Momentary interruption
90
300 s, 86.2%
4,000
Frequency
3,500
Sustained interruption
80
70
3,000
60
2,500
50
2,000
40
1,500
30
1,000
20
500
10
0
0
100,000
1
10
100
1,000
10,000
Interruption duration (s)
Figure 4.5 Survey result of interruption frequency.
Table 4.5 Survey result of momentary interruptions.
Number of monitored sites
Duration
Number of events
Nmin
2,836
4 years (FY2004-FY2007)
12,791
1.13 1/yr/customer
Table 4.6 Frequency of power events.
Sustained interruption
Momentary interruption
Voltage dip below ITIC curve
Annual frequency of events
98
Nsin
Nmin
Ndip
Nin
0.13
1.13
2.2
3.46
Cumulative percentage (%)
4,500
第4章
ICT システム用バックアップ電源設備の費用対効果の評価手法の検討
Unavailability of UPSs
10-6
10-7
10-8
10-9
10-10
1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005
Year
Figure 4.6 Unavailability of UPSs in field operation.
4.4.3
バックアップ電源設備 (UPS) の設定条件
Table 4.3 に示した事業規模に対して，UPS の定格容量を 10 kVA（力率 0.9，変換効率 0.9）と
し，初期投資費用 Cin には，UPS 装置本体，付帯機器（保守バイパス盤，蓄電池），および工事/
設計費を含み，毎年のランニング費 Cmn は，メンテナンス費，UPS 設置スペース費，UPS で生
じる電力変換ロス費の合計とした。工事/設計費は，装置費用（本体＋付帯）の 0.4 倍として想定
した。UPS に用いる蓄電池は，補水作業の不要なシール鉛蓄電池とし，25 ℃の浮動充電状態にて
13 年以上の寿命としているが [20]，蓄電池が設置される場所の平均周囲温度を考慮し，5 年に一
度蓄電池交換をメンテナンス費に含めている。
電力変換ロス費は，料金単価 15 円/kWh の電力を入力とし，UPS を年間連続で定格運転させる
際に生じる損失を考慮することとし，1.3 万円/kVA/年とした。ケーススタディに用いた kVA 当
りの単価は，文献 [21] の経済比較で検討されている値を用いた。設備需要耐用年数 N を 15 年，
N P V の計算に用いる割引率 r を 4% とした。バックアップ装置に関する各種数値を Table 4.7 に
99
第4章
ICT システム用バックアップ電源設備の費用対効果の評価手法の検討
Table 4.7 Backup equipment’s conditions.
Rated capacity
Power factor
Efficiency
Cin
UPS
Accessory equipment
Construction and design fee
Cmn
Maintenance fee
Footprint fee
Extra electricity charges
Service life N
Discount rate r
Failure rate
Mean time to repair
10
0.9
0.9
3.64
220,000
40,000
104,000
0.49
27,000
9,000
13,000
15
4
1.75 × 10−4
5
kVA
million yen
yen/kVA
yen/kVA
yen/kVA
million yen/yr
yen/kVA/yr
yen/kVA/yr
yen/kVA/yr
yr
%
1/yr
h
示す。同表に示す経費，数値は年数によらず一定と仮定した。
今回提案する投資判断手法においては，商用電源とバックアップ電源設備自体のトラブルを ICT
システムが障害に至る要因として想定した。
4.4.4
計算結果
Table 4.3∼Table 4.7 の条件・値を Eq. (4.3)∼Eq. (4.8) に適用し，計算を行った。ICT システムが
断となってから，復旧作業により正常に回復するまでの時間 Tdown をパラメータとした計算結果
を Fig. 4.7 に示す。同図は，Tdown を (a) インターネット附随サービス業では，0.5∼2 時間，(b) 電
子部品・デバイス製造業では，1∼3 時間まで変化させた場合の N P V であり，設備耐用年数であ
る 15 年目の N P V の正負，および大小で費用対効果を判断できる。Tdown が短く，(a) インター
ネット附随サービス業では 0.66 時間未満，また，(b) 電子部品・デバイス製造業では，1.65 時間
未満であるとバックアップ電源設備の償却時までに初期投資を回収できない。
100
第4章
ICT システム用バックアップ電源設備の費用対効果の評価手法の検討
10
NPV (million yen)
Tdown = 2.0 h
Tdown = 1.0 h
5
Tdown = 0.66 h
0
Tdown = 0.5 h
-5
0
5
Year
10
15
(a) Internet services
10
NPV (million yen)
Tdown = 3.0 h
5
Tdown = 2.0 h
0
Tdown = 1.65 h
Tdown = 1.0 h
-5
0
5
Year
10
15
(b) Manufacturing
Figure 4.7 Estimation result of NPV for power backup equipment of two types of business: (a) Internet
services and (b) manufacturing.
一方，ICT システムやデータバックアップの構成が複雑であったり，ICT エンジニアが即座に
対応できず，障害発生後の Tdown が伸びていく場合，Tdown が長くなるにつれ，投資回収年数が短
くなっていく。一般的には，ICT システムの再立上から復旧完了までは 2 時間程度を要するため，
Tdown = 2 とした場合，N P V が 0 となる年数は，(a) インターネット附随サービス業のケースで
101
第4章
ICT システム用バックアップ電源設備の費用対効果の評価手法の検討
は 2 年弱，(b) 電子部品・デバイス製造業のケースでも 9 年弱となり，UPS のようなバックアップ
電源設備への投資は，設備耐用年数よりも短い期間で回収できることがわかる。
想定される直接経費以外の間接的損失を盛り込むことは非常に困難であるが，ICT システムの
ような重要負荷への供給信頼度と重要負荷によるサービスが復旧するまでの時間，およびサービ
スが停止している時間の経済的損失を，本検討で提案している費用対効果の関係式として一般式
化することで，様々な条件においての比較が容易となる。本提案手法により，初期費用，運用費
用，便益の関係を対比分析することが容易となり，バックアップ電源設備を導入する際の検討や
判断に役立てることができる。
4.5
あとがき
従来は，ICT システムのような重要負荷への給電信頼度を維持するための投資と，その効果に
ついての経済的妥当性が明確でなかった。そこで，バックアップ電源に代表される給電信頼度維
持向上のための投資・費用と，その重要負荷が電源トラブルによって停止した場合に被る経済的
損失の関係について，提案する費用対効果の関係式を用いることで，比較分析が可能となる。本
提案手法により，電源方式や運用条件によって異なる初期費用，運用費用，便益の関係を対比す
ることができ，バックアップ電源設備を導入する際の検討や判断に役立てることができる。本検
討で得た成果は，以下 (1)∼(3) のとおりである。
(1) ICT システムのトラブル対策として，費用対効果の判断を NPV 指標を用いることを提案し，
事例をケースタディにて示した。本事例では，バックアップ電源設備は，耐用年数よりも短
い期間で投資回収でき，導入することのメリットが確認できた。
(2) ICT への依存度が高い事業において，停電，瞬時停電，瞬時電圧低下の頻度に基づき得られ
る損害額の算定，初期投資，運用費の関係を，一般式化することより，様々なパターンの検
討を容易とした。
(3) 脆弱性を有する ICT システムが被り易い電源トラブルの発生頻度を文献，およびフィール
ド調査により明らかにした。
102
第4章
ICT システム用バックアップ電源設備の費用対効果の評価手法の検討
参考文献
[1] 経済産業省, グリーン IT イニシアティブの推進, 2008.
[2] 土井秀生, DCF 企業分析と価値評価, 東洋経済新報社, 2003.
[3] W. Pitt Turner IV, John H. Seader, Kenneth G. Brill, “Tier Classifications Define Site Infrastructure
Performance,” The Uptime Institute white paper, 2006.
[4] IEEE std-493-2007, Recommended Practice for the Design of Reliable Industrial and Commercial
Power Systems, 2007.
[5] Richard E. Brown, Electric Power Distribution Reliability, Marcel Dekker, New York, 2002.
[6] 仲村宏一, 山城すすむ, “停電コストの推定に関する調査研究,” 電気学会論文誌 B, Vol. 199-B,
No. 2, pp. 284-290, 1999.
[7] R. Kembel, “A survey done by Contingency Planning Research,” InternetWeek + Fibre Channel,
p. 8, April 2000.
[8] 経済産業省資源 原子力保安院, 平成 14 年度 電気保安統計, 2004.
[9] IEEE Std-1366-2001, IEEE guide for electric power distribution reliability indices, 2001.
[10] 福島知之, “供給信頼度の現状と最近の論議 (米国における供給信頼度基準と停電状況),” 海外
電力, Vol. 39, No. 11, pp. 3-11, 1997.
[11] 日本工業規格 JIS C 61000-4-11, 電磁両立性―第 4 部：試験および測定技術―第 11 節：電圧
ディップ, 短時間停電および電圧変化に対するイミュニティ試験, 2003.
[12] Information Technology Industry Council (ITIC), ITI (CBEMA) curve Application Note, Oct.
2000.
http://www.itic.org/clientuploads/Oct2000Curve.pdf (Accessed 2010-12-08)
[13] Semiconductor Equipment and Materials International, SEMI F47-0706, 2006.
[14] IEC 61000-4-11, Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-11: Testing and measurement
techniques - Voltage dips, short interruptions and voltage variations immunity tests, 2004.
103
第4章
ICT システム用バックアップ電源設備の費用対効果の評価手法の検討
[15] IEC 61000-4-34, Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-34: Testing and measurement
techniques - Voltage dips, short interruptions and voltage variations immunity tests for equipment
with input current more than 16 A per phase, 2005.
[16] David A. Patterson, “A Simple Way to Estimate the Cost of Downtime,” Large Installation System
Administration (LISA) conference, 2002.
[17] 経済産業省, 企業における情報セキュリティガバナンスのあり方に関する研究会 報告書, March
2005.
[18] TKC 全国会, TKC 経営指標, 2007.
[19] 電気共同研究, “配電系統における電力品質の現状と対応技術,” 第 60 巻, 第 2 号, 2005.
[20] 広瀬圭一, 馬場崎忠利, 本圖有, 白羽真, “高温対応長寿命小容量シール鉛蓄電池,” 電子情報通
信学会技術研究報告, 95 巻, 517 号, pp. 47-54, 1996.
[21] 新システム技術評価分科会 品質別電力供給 WG 財団法人 エネルギー総合工学研究所, IAEC0241「品質別電力供給システム」に関する検討報告書, June 2003.
104
第 5 章 総括
5.1
まえがき
電力自由化や各種規制緩和の結果として電力を発生させ供給する側の事業形態が変貌している
こと，地球環境保護や，新エネルギー導入の期待を受けた方策や経済的支援による分散型電源の
導入台数の急激な拡大，およびパワーエレクトロニクス技術を駆使した設備・装置の導入などに
より，電力供給システムの様相が従来とは異なるものになりつつある。また一方で，インバータ
を搭載した負荷機器，TV やオーディオなどのデジタル負荷機器，および情報通信技術を用いた
パーソナルコンピュータや関連システム・負荷機器の導入台数が急激に増加しており，需要家側
の様相も同様に変化している。発電側，および需要側が政策，技術，市場のニーズなどで各々変
貌しているなかで，電力システムとしての社会的機能・役割を保つためには，発電から消費まで
が一貫し，効率的，経済的に合理性を持ち，運用されることが望ましい。
従来の電力・電気工学を中心とした研究では，発電設備，電力システム，および系統などサプ
ライサイドに重きを置いた研究や検討が多かった。需要家システムにおいても，いくつかの報告
がなされているものの，今後の ICT (Information and Communications Technologies) システムが果
たす役割を踏まえ，より高信頼，高品質な電力供給を求める情報通信施設に焦点をあてた検討に
ついては，これまで十分な報告がなかった。多くのエネルギーを消費するデータセンタなどの情
報通信施設には，CO2 削減のための社会的責務があり，今後も多くの分散型電源が導入されるこ
とが予想される。データセンタだけでなく，工場やオフィスビルにおいては，電源変動に脆弱な
ICT 機器が多数導入されており，出力特性が不安定な分散型電源との運用特性は，机上検討やシ
ミュレーションのみならず，一定規模のフィールド実証により，その安定性を検証することは，将
来に向けた重要な課題であった。
上記の課題を踏まえ，本研究で ICT 時代にふさわしい給電システムや，その設備投資に関する
経済的な妥当性を判断する基準を示した。以下に，本研究で得られた成果を要約する。
105
第 5 章 総括
本研究の成果
5.2
本研究では，品質別電力供給システム，およびパラレルプロセッシング方式を用いた給電シス
テムの二つの提案システムを実フィールド環境下で運用し，分散型電源の不安定さを補い，十分
実用に耐えうることを確認した。
また，ICT システム向けの電源設備の最も重要な機能であるバックアップ設備に関して，費用
対効果の観点で，経済的な妥当性を評価するための手法を明らかにした。これら研究に関する成
果は，以下のとおりである。
5.2.1
品質別電力供給システムの開発によって得られた成果
品質別電力供給システム (MPQSS: Multiple Power Quality Supply System) は，例えば汎用的な
UPS (Uninterruptible Power Supply) のようなバックアップ設備ではなく，複数の異なるタイプの分
散型電源，電力変換装置，および蓄電池装置によって構成されており，系統との連系の有無や運
用モードに合わせ，電力品質の維持のために，システムとしての制御方法を切替えなければなら
ない。各運用モード状態のみならず，モード間の移行時においても，システムの正常性を確認す
る必要があったが，本研究をとおして，ICT システムなど重要な負荷への高信頼かつ高品質な電
力供給を可能とする MQPSS の有効性が確認でき，実用に十分耐えることがわかった。
本研究により得られた成果は，以下のとおりである。
(1) FRIENDS の概念の延長である総容量 1 MW の MPQSS を開発，構築し，通常運用時（系統
連系 (Interconnected mode)）の基本動作について，仙台市の実フィールドで検証した。基底
電力を溶融炭酸塩型燃料電池 (MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell)，変動する追従電力をガス
エンジン発電装置 (GE: Gas Engine generator set)，および不足する電力については，系統か
ら補完することで，刻々と変動する負荷，夜間や電力需要の閑散時などにおいても MQPSS
が安定に動作すること，およびトラブルや故障，機器間の相互干渉などなく，長期間に渡り
安定した運用が可能であることを実績により示した。
(2) 停電バックアップ，および電圧補償機能など，異なる供給信頼度・品質の電力を同時に供給
（提供）する方法については，機能統合型高品質電力供給装置 (IPS: Integrated Power Supply)，
直列型電圧補償装置 (DVR: Dynamic Voltage Restorer) という二通りの電力品質補償装置を
106
第 5 章 総括
同時使用することにより，A，B1，B2，B3，および DC の計 5 種類の多品質電力の同時補
償を定義どおりに実現できた。また，ICT 時代に必要な直流給電方式についても，品質別電
力供給のメニューとし，サーバー機器への安定な給電に寄与できることを示した。とくに，
瞬時電圧低下に対しては，BTB を用いた確認のみならず，実系統で発生した電圧低下に対
する動作からも正常どおりに補償機能が働くことを確認した。
(3) 停電など系統異常が発生した場合，電圧および周波数の低下を継電器で検出し，系統連系用
遮断器を開放させ，約 1 秒の遅れをもち，GE の制御方式を独立運用モード (Islanded mode)
に変更するという，MPQSS の運用モードの切替えが，スムーズに実施できることを実験に
より確かめた。このことから，MPQSS が，半導体スイッチや高価な制御システムを用いる
ことなく，安価に連系運用から独立運用に切替えが可能であることを示し，GE の停止を伴
わないため，供給信頼度の向上に役立つことを示した。
(4) 独立運用中は，GE 出力定格容量と比べて，相対的に大きな負荷の始動・停止が発生したと
しても，IPS の双方向電力変換装置をローカル制御に切替え，GE よりも早い応答で，負荷
急峻による有効・無効電力のバランスをとるような協調運用を行った。このことにより，独
立系統内の電圧と周波数を負荷に影響を与えない範囲内に抑えることを可能とし，電力品
質維持のため分散型電源とパワーエレクトロニクス機器を協調運用できることを示した。
5.2.2
分散型電源系統におけるパラレルプロセッシング方式を用いた給電システムの開
発によって得られた成果
分散型電源が導入された需要家系統に対する新しい給電手法を提案し，その効果を愛知工業大
学のキャンパス内の実負荷系統で検証した。提案する給電方式は，UPS に採用されているパラレ
ルプロセッシング方式の考え方を応用したものである。需要家と電力系統とを半導体交流スイッチ
(ACSW) を介して連系し，双方向電力変換装置および鉛蓄電池からなるバックアップ電源と太陽光
パネルなどの分散型電源とから負荷に給電する方式を提案した。第 2 章では電力の不足分を電力
系統側から補完する系統連系モードを基本運転モードとしていたのに対して，提案システムでは，
分散型電源からの電力供給の過不足分をバックアップ電源で対応し，常時は分散型電源を主体と
した自立運転を基本運転モードとする。これは，太陽光発電装置などの CO2 排出を伴わない分散
型電源を有効利用しながら，電力品質も劣化させないシステムの構築を目指したものである。さ
107
第 5 章 総括
らに，バックアップ電源だけで対応しきれない場合や夜間の蓄電池の充電時においては，系統側か
らの補完を求めざるを得ない。その場合には，自立運用 (Isolated mode) と系統連系 (Interconnected
mode) との状態間を移行させる必要があるが，その場合においても，ACSW により無瞬断な電力
供給を実現できる。
本研究で得た成果は，以下 (1)∼(3) のとおりである。
(1) 提案システムでは，マイクログリッドなどの小規模の電力供給システムにおいて，複雑な制
御装置を必要としない。分散型電源の導入により，これまで系統に依存していた需給調整を
ローカル系統内で実施することができ，系統に与える影響を少なくできる。複数の分散型
電源が導入された場合でも，分散型電源の個々に対しての需給制御は不要である。
(2) 提案した給電システムは，パラレルプロセッシング方式を適用することにより，ACSW がオ
フの状態でも分散型電源が導入された系統は，商用電力系統と常に同期をとることで，シー
ムレスに系統との連系が可能である。無瞬断での切替により，ICT システムなど，高品質給
電を求める負荷機器に対する給電方式としても適用可能であることを示した。
(3) 提案した給電システムは，ACSW が常時オフとなる運転を基本としているが，バックアッ
プ用蓄電池を有効利用することで，停電用途以外でも，分散型電源の出力不足時に負荷へ
の電力を瞬断することなく継続したり，余剰の発電電力を貯蔵することができる。
5.2.3
ICT システム用バックアップ電源設備の費用対効果の評価手法の検討によって得
られた成果
従来は，ICT システムのような重要負荷への給電信頼度を維持するための投資と，その効果に
ついての経済的妥当性が明確でなかった。そこで，バックアップ電源に代表される給電信頼度維
持向上のための投資・費用と，その重要負荷が電源トラブルによって停止した場合に被る経済的
損失の関係について，提案する費用対効果の関係式を用いることで，比較分析が可能となる。本
提案手法により，電源方式や運用条件によって異なる初期費用，運用費用，便益の関係を対比す
ることができ，バックアップ電源設備を導入する際の検討や判断に役立てることができる。
本検討で得た成果は，以下 (1)∼(3) のとおりである。
(1) ICT システムのトラブル対策として，費用対効果の判断を現在賞味価値 (NPV: Net Present
108
第 5 章 総括
Value) 指標を用いることを提案し，事例をケースタディにて示した。本事例では，バック
アップ電源設備は，耐用年数よりも短い期間で投資回収でき，導入することのメリットが確
認できた。
(2) ICT への依存度が高い事業において，停電，瞬時停電，瞬時電圧低下の頻度に基づき得られ
る損害額の算定，初期投資，運用費の関係を，一般式化することより，様々なパターンの検
討を容易とした。
(3) 脆弱性を有する ICT システムが被り易い電源トラブルの発生頻度を文献，およびフィール
ド調査により明らかにし，とくに，1 分以上の停電事故については，調査結果から，停電時
間の発生確率の分布を作成するなど，定量化を行った。
5.3
本研究の意義
持続可能な社会の実現のため，従来の大規模集中の発電形態から，今後は再生可能エネルギー
を有効活用する分散型電源との協調が求められる。ただし，太陽光発電装置 (PV) のような分散型
電源は，その出力が不安定であり，また負荷変動に追従することができず，系統に連系して，そ
の弱点を補う形態での運用が主流であった。このような分散型電源が，系統に大量に接続される
と，配電線の電圧を規定値以上に上昇させてしまったり，高調波を発生させるなど電力品質の悪
化や，系統の瞬低など事故時に一斉に解列するなど多くの技術的課題が顕在化してくる。
本研究で得られた成果を利用することで，上記の課題の解決の一助となる。分散型電源で得ら
れた電力を最大限利用するために，パラレルプロセッシング方式を適用することで，常時系統と
切離された状態の自立が主体となる運用が可能となる。このことで，通常時は電力品質の問題を
系統に与えず，また系統事故の影響を受ける事が無くなる。自立運転時の課題であった需給バラ
ンスは，蓄電池設備を有するバックアップ電源との組み合わせで技術的には解決できることを本
研究で明らかにした。
発電出力，および負荷変動の吸収や発電出力が得られない場合は，蓄電池の動作で補うが，容
量が不足する場合は，負荷に影響を与えず，パラレルプロセッシング方式の特長である無瞬断で
系統電力に切替えることができる。PV 出力を例にとると，本研究成果により，昼間時には火力発
電を主体とした電力の潮流を抑制し，電池への充電が必要な夜間には基底電源である原子力発電
からの電力を利用することで系統で発生する CO2 の排出抑制の効果も期待できる。以上のことか
109
第 5 章 総括
ら，本研究で得られた成果は，持続可能な社会の実現に貢献できるはずである。
パラレルプロセッシング方式による電源システムは，パワエレクトロニクス機器が主体となり
構成されており，多くは定格が 600 V 以下の低圧用素子を用いている関係上，小∼中規模容量の
電源システムへの適用が限界である。需要家側に設置する大容量の電源システムを構築する場合
には，同期発電機が分散型電源の主体とならざるを得ない。また，系統との連点に設置する開閉
スイッチについても，中規模以下のシステムでは高速な応答が可能な半導体スイッチが適用でき
るが，大容量なシステムの場合，損失やコストの制約もあり真空遮断器など汎用性のある機器を
用いる必要がある。このような制約がある場合でも，電力品質を維持する目的で IPS との協調運
転を行うこと，また継電器の設定を適切な値に制定することで，電力品質を維持しつつ分散型電
源の有効利用が図れることを品質別電力供給システムの実証にて明らかにした。
次世代のパワー半導体として期待されている SiC 半導体素子は，低損失，高耐圧，高速応答な
どの特長を持つため，大容量の電源システムに適用されている同期発電機や機械式の遮断器の代
替となる可能性を秘めている。SiC 半導体素子が，高信頼・高品質を必要とする大容量の需要家
側のシステムに適用される場合には，パラレルプロセッシング方式の研究によって得られた知見
が活用できる。
本研究で検討された二つの電源システムは，何れも無瞬断な高品質電力の提供が可能なもので
ある。電源システムの規模により，投資や運用経費が変わるとともに，電源トラブルが発生した
場合の損害額や影響を受ける範囲が異なる。この関係について，本研究で提案した投資判断手法
を用いる事で，経済性から見た場合にどちらの設備が有利であるかについて判断することを可能
とした。すなわち，異なる方式の電源システムを経済性という基準で比較分析できるようになり，
方式選定の考え方の一つとして示した。
今後の日本型スマートグリッドとして，PV などの分散型電源が大量に導入される場合でも，本
研究の成果を活用することにより，高い電力品質を維持する方法が実現でき，また，それらを導
入する際の経済的合理性の判断に資することができる。
5.4
今後の課題
本研究にて有効性を確認した二つのシステム，および電源設備の費用対効果に関する検討につ
いて，今後の課題は以下のとおりである。
110
第 5 章 総括
• 蓄電池の最適利用条件の明確化
電源と負荷の需給制御を可能にする役目が蓄電池であり，その利用条件（種別，容量，充放
電パターン）の最適化についての検討が必要である。
• 直流給電方式の最適な運用・適用条件の追求
分散型電源の出力，蓄電池との接続，および ICT 負荷機器を含むシステムには直流方式の
メリットが生かせる。既存の交流方式に比べ十分な研究がなされておらず，利用目的に則し
た最適な直流方式の適用・運用条件についての研究が必要である。
• 給電システム容量の最適化
提案した MPQSS やパラレルプロセッシング方式を用いた給電システム，およびバックアッ
プ電源装置それぞれに対して，そのスケールメリット，もしくはデメリットについての検討
が課題として残る。利用目的や運用形態に応じた最適な給電システム容量を定める手法の
開発が必要である。
• 費用対効果を示す関係式の展開
ケーススタディに用いた数値については，実態を踏まえた柔軟なもとのするとともに，エン
ジン発電装置や燃料電池などの燃料を必要とする分散型電源を含む品質別電力供給システ
ムに関する様々な形態について，費用対効果の検討を進め，適用可能な応用分野・条件を見
いだすことも必要である。また，バックアップ電源装置，および蓄電池を理想的な状態にあ
ると仮定した上での検討であったが，今後は，バックアップ電源装置自体の故障モードと蓄
電池保持時間をパラメータとする検討も必要である。
以上の検討課題を含め，交流，直流それぞれの特徴を生かした電力供給システムの最適化検討
として，様々な型式の分散型電源の最適設置，負荷構成，および給電信頼度と電力品質維持に関
する更なる調査研究を今後進める必要がある。
111
謝辞
本研究の遂行，ならびに本論文の作成にあたり，終始懇切なる御指導と御鞭撻を賜りました名
古屋大学大学院工学研究科教授 松村年郎先生に深く感謝の意を表します。また，本論文の作成に
あたり，有益なる御助言と御指導を賜りました名古屋大学大学院工学研究科教授 鈴置保雄先生，
同准教授 横水康伸先生，および同准教授 加藤丈佳先生に深く感謝いたします。
本研究を通じて，御教示と御指導を頂きました北海道大学大学院情報科学研究科教授 北裕幸先
生に心より感謝いたします。
本研究の遂行において，細部にわたり，有益なる御助言，御指導を賜りました愛知工業大学工
学部電気工学科教授 一柳勝宏先生，および同准教授 雪田和人先生に厚く感謝いたします。また，
本研究における実験遂行にあたり，御協力頂きました愛知工業大学工学部電気工学科 電力システ
ム研究室，および検討内容の深堀りや考察のため，様々な観点でのディスカッションを行い協力
して頂いた名古屋大学大学院工学研究科 松村研究室の学生の方々に心より御礼を申し上げます。
本研究の過程において，御意見と御協力を頂きました山洋電気 (株) 技術開発本部奥井芳明氏を
はじめ，関孫者各位に厚く御礼申し上げます。
社会人博士課程への入学に際し，組織側として快く送り出して頂くとともに，国際会議におい
ても適宜，適切な御指導と御支援を賜りました NTT ファシリティーズ代表取締役副社長 池辺裕昭
氏，技術者・研究者としての志と社会貢献への姿勢を御指導いただき，また，在学中にもアドバ
イスや励ましを賜りました常務取締役 筒井清志氏，研究成果に関する事業展開や新分野について
の適用についての方向性のアイデアを議論させていただいた取締役 武田勉氏に深謝いたします。
本研究の過程において，日頃から多くの討論をかわし，研究の遂行に御協力頂きました NTT
ファシリティーズ研究開発本部の山下隆司氏（現 NT ファシリティーズ総研），伊藤喜文氏，大津
智氏，山崎幹夫氏（現 NTT ファシリティーズ総研），三野正人氏をはじめ，職場の諸氏に心より
感謝いたします。
113
謝辞
なお，品質別電力供給システムの検証については，新エネルギー・産業技術総合開発機構によ
る実証研究委託業務により実施したものであり，多くの関係者に深謝いたします。とくに，NTT
ファシリティーズ東北支店 峯田喜次郎氏（現 日比谷総合設備株式会社東北支店）には，多大なる
御尽力をいただき，感謝いたします。
電気通信事業における電源・エネルギーシステムの重要性と技術的な発展性，また社会へ与え
るインパクトなどの研究活動の源泉のみならず，公私に渡り御指導を賜りました古室嘉明氏（旧
エヌ・ティ・ティ ファシリティーズ新潟営業所 所長），および高信頼度電源の研究開発や事業へ
の導入，それらの成果についての国際会議参加に際して，多大なる御指導，御支援を賜りました
NTT ネットワーク開発部通信エネルギーシステム PG マネージャ 小笠原 政教氏（現 新電元工業
株式会社 常務執行役員 パワーシステム事業本部長）に心より感謝いたします。
最後に，社会人博士課程という忙しい時期に，支え・見守ってくれた最愛なる妻，理恵に心か
ら感謝いたします。また，研究や論文作成のため，貴重な家族の時間を割くことに理解してくれ
た，太一，公平，洋介の三人の息子たち，そして両親に感謝いたします。
114
公表論文
本研究に関して発表した論文
章
論文題目
掲載雑誌
著者
2
Development of Multiple Power
Quality Supply System
IEEJ Transactions on Electrical
and Electronic Engineering,
Volume 5, Issue 5, pp. 523-530,
September 2010
Field demonstration on multiple
power quality supply system
in Sendai, Japan
The 9th International Conference
on Electrical Power Quality and
Utilisation, EPQU 2007,
Barcelona, October 2007 (CD-ROM)
The 4th European Conference
PV-Hybrid and Mini-Grid, Glyfada,
Athens, May 2008 (CD-ROM)
電気学会論文誌 B，
Vol. 129, No. 11,
pp. 1349-1356,
November 2009
K. Hirose
A. Fukui
A. Matsumoto
H. Murai
T. Takeda
他1名
K. Hirose
T. Takeda
A. Fukui
3
4
A Voltage Dip Characterization
of a Multiple Power Quality
Supply System
分散形電源導入系統における
パラレルプロセッシング方式
を用いた給電システムの開発
Study of AC/DC power supply
Supply System with DGs using
parallel processing method
Proc. of The IEEJ/IEEE
International Power Electronics
Conference, IPEC 2010,
pp. 722-725, Sapporo,
June 2010
ICT システム用バックアップ
電源設備の費用対効果の
評価手法の検討
Small-capacity VRLA battery
with high temperature
endurance and long lifetime
電気設備学会論文誌,
Vol. 30, No. 8,
pp. 672-629, August 2010
Cost-benefit analysis of
emergency backup power systems
for mission critical applications
Proc. of The IEEE 18th
International Telecommunications
Energy Conference, INTELEC 1996,
pp. 59-64, Boston, MA, USA,
October 1996
Proc. of The IEEE 32nd
International Telecommunications
Energy Conference, INTELEC 2010,
pp. 179-185, Orlando, FL, USA,
June 2010
115
K. Hirose
廣瀬 圭一
武田 隆
奥井 芳明
雪田 和人
後藤 泰之
他2名
K. Yukita
Y. Shimizu
Y. Goto
M. Yoda
A. Ueda
他 K. Hirose
を含む 6 名
廣瀬 圭一
松村 年郎
山崎 幹夫
K. Hirose
T. Babasaki
T. Motozu
M. Shiraha
K. Hirose
T. Matsumura
M. Yamasaki