令和4年度第三種電気主任技術者下期試験　電力科目 問110 解説 問11 問11

太陽光発電の出力特性と電力系統の需給バランス

日中にのみ出力が急増する太陽光発電の特性、夜間の余剰電力を汲み上げて昼間に放出する揚水式発電の仕組み、充放電によって直接電力を貯蔵する蓄電池の役割、そして突発的な需給変動に対して出力を迅速に調整できる火力発電の機能と運転予備力の概念を組み合わせることで、正答は(5)に決定されます。

電力系統における需給一致の原則と周波数制御の仕組み

電力系統を安定して運用するためには、発電所でつくられる電気の量（供給）と、家庭や工場で消費される電気の量（需要）を常に一致させなければならないという需給一致の原則（同時同量の原則）があります。電気はエネルギーとして系統内にそのまま貯めておくことができないため、この需給バランスが崩れると、系統の周波数が基準値（50ヘルツまたは60ヘルツ）から外れて変動してしまいます。

需要が供給を上回ると、系統内の発電機にブレーキがかかるような形になり、回転速度が落ちて周波数が低下します。逆に、供給が需要を上回ると、発電機の回転速度が上がり周波数が上昇します。周波数の大きな変動は、精密機械の誤動作や発電機の安全装置の作動による連鎖的な停止を引き起こし、大規模な停電につながる恐れがあります。

このため、電力系統では需要の変動予測に基づいて各発電所の出力をあらかじめ計画するだけでなく、天候の急変や発電機の故障といった不測の事態に備えて、瞬時に出力を増減できる予備の発電能力を常に確保しておく必要があります。これが周波数制御と予備力の基本的な役割です。

発電特性の違いと需給平準化のプロセス

1. 太陽光発電の大量導入と日中の余剰電力の発生 近年、再生可能エネルギーとして太陽光発電が大量に導入されています。太陽光発電は日射量に依存するため、晴天時の日中に発電量が極めて大きくなります。一方で、ベース供給力と呼ばれる原子力発電や流込み式（流れ込み式）水力発電は、季節や時間帯にかかわらず一定の出力を維持し続ける発電方式です。日中に太陽光発電の出力が急増すると、全体の発電量が需要を上回る時間帯が生じるため、(ア)には太陽光発電が入ります。

2. エネルギー貯蔵による電力の平準化と需給バランスの調整 日中に余った電力を有効活用し、需要のピーク時に役立てるためには、電力を別のエネルギー形態に変えて蓄える装置が必要です。 (イ)に入る揚水式発電は、夜間や日中の軽負荷時に余剰電力を使って下部ダムから上部ダムへと水を汲み上げておき、需要が急増する時間帯にその水を使って発電を行う仕組みです。これに対し、流込み式水力発電は河川の自然な流れをそのまま使うため、電気を貯める調整力としては機能しません。 また近年、技術向上が著しい(ウ)の蓄電池は、電気を化学エネルギーとして直接蓄積し、必要に応じて迅速に充放電を行うことができる代表的な電力貯蔵装置です。選択肢にある燃料電池は、水素と酸素の化学反応によって電気を発生させる発電装置であり、電気を貯蔵する装置ではないため、(ウ)には蓄電池が当てはまります。

3. 系統の異常に対応する運転予備力の確保と発電方式の適性 発電所の突発的な停止や太陽光発電の急激な出力低下が発生した際、即座に発電出力を増加させて周波数の低下を抑えるための供給力を運転予備力と呼びます。(エ)には運転予備力が入ります。ミドル供給力とは、負荷の変動に応じて昼間に運転し夜間に停止するような、毎日の起動停止が比較的容易な電源の分類（火力発電など）を指す言葉であり、事故時の緊急的な回復力そのものを指す言葉ではありません。 この運転予備力として機能するためには、出力を臨機応変に調整できる状態でスタンバイしている必要があります。部分負荷運転（出力をあえて上限まで上げずに余裕を持たせた運転）を行っている水力発電機や(オ)の火力発電機は、指令に応じて瞬時に出力を増加させることができるため、予備力として最適です。一方で、原子力発電機は安全性を最優先し、常に一定の出力で連続運転を行うベース供給力として運用されるため、急激な出力調整を伴う運転予備力には使用されません。したがって、(オ)には火力が入ります。

晴天の昼下がりに急激に湧き上がった雨雲の動きと、それに即座に反応して稼働を始める火力発電機の出力メーターの動きを重ねてみると、目に見えない電気の需給バランスを保つための緻密な制御のつながりが見えてきます。

参考リンク

• 電力 令和5年度下期 問11 - 電験王
• 電験三種 講義：電力 第12回 発電計画と予備力 - YouTube
• 資源エネルギー庁 - 安定供給の要、「調整力」としての火力発電と揚水発電