アイランド化

アイランド化とは、相互接続された電力網を、意図的または意図せずに、独自の発電を行う個別の分離された地域に分割することです。

意図的なアイランド化は、連鎖停電を緩和するための多層防御としてよく行われる。1つのアイランドが崩壊しても、隣接するアイランドが巻き込まれることはない。例えば、原子力発電所には安全上重要な冷却システムがあり、通常は一般送電網から電力が供給される。冷却ループは通常、送電網が崩壊した場合に原子炉電力または非常用ディーゼル発電機から作動する別の回路上にある。^{[1] [2]}

顧客レベル近くで独立して動作するグリッド設計は、一般にマイクログリッドと呼ばれます。停電時には、マイクログリッドコントローラが専用スイッチでローカル回路をグリッドから切り離し、オンラインの分散型発電機にローカル負荷への電力供給を強制します。^{[3] [4]}

意図しない単独運転は、発電機が電気負荷の変化に単独で対応する必要があるため、発電機に重大なストレスを引き起こす可能性のある危険な状態です。電力線作業員に適切に伝達されない場合、意図しない単独運転は感電の危険ももたらす可能性があります。 電力供給されていない電線とは異なり、単独運転では交流電流が同位相ではないため、より大きなグリッドに再接続するためには特別な技術が必要です。 これらの理由から、グリッドに電力を供給するように設計されたソーラーインバータには、意図しない単独運転に電力を供給し続けるのではなく、パネルをショートさせる何らかの自動単独運転防止回路が一般的に必要です。

誤検出を多くせずにアイランドを検出する方法は、多くの研究の対象となっています。各方法には、グリッド中断の信号と見なされる前に超える必要があるしきい値があり、これが「非検出ゾーン」（NDZ）につながります。これは、実際のグリッド障害がフィルタリングされる条件の範囲です。^[5]このため、グリッドインタラクティブインバータは、通常、フィールド展開の前に、出力端子で特定のグリッド条件を再現し、アイランド状態を検出する際のアンチアイランド化方法の有効性を評価することによってテストされます。^{[4] [6]}

意図的なアイランド化は、電力網をフラグメントに分割し、各フラグメントでそのフラグメントの負荷に供給するのに十分な発電を行う。 ^{[7] [8]} 実際には、各フラグメントで発電と負荷のバランスをとることは困難であり、アイランドの形成には一時的な負荷の削減が必要になることが多い。^{[9] [10]} 同期発電機は、故障によるアイランド形成中に深刻な過渡現象を防ぐのに十分な無効電力を供給できない可能性があり、 ^[11]インバータは定電流制御から定電圧制御に切り替える必要がある。^[12]

P≠NPと仮定すると、アイランド化を実装するための適切なカットセット基準は存在しない。 多項式時間の近似は存在するが、正確に最適な分割を見つけることは計算上不可能である可能性がある。^{[8] [9]}

しかし、アイランド化により、障害はアイランド内に限定され、障害の拡大が防止されます。^[13] 一般に、停電の統計はべき乗法則に従い、ネットワークを断片化すると停電の可能性が高まりますが、満たされない電力需要の総量は減少します。^[14]

アイランディングは卸電力市場の経済効率を低下させ、^[10]通常は、電力系統が不安定であることが分かっているがまだ崩壊していない場合に適用される最後の手段です。^[8] 特に、アイランディングは、テロ攻撃、電力インフラへの軍事攻撃、異常気象など、時間は分かっているが場所は分からない脅威に対する回復力を向上させます。^[15]

2019年のカリフォルニア州の停電を受けて、住宅の電力網を島のように運用する可能性への関心が高まった。一般的な分散型発電システムは、家中のすべての電化製品に同時に電力を供給するには小さすぎるが、従来の負荷周波数制御によって家庭の重要な電力需要を管理することは可能である。発電機とエアコンや電気オーブンなどの大きな負荷の間に直列に設置されたモジュールは、島の電力周波数を測定し、インバータが過負荷に近づくと自動的に負荷制限を行う。^[要出典]

アイランドの自動検出は、多くの研究の対象となっています。これらは、受動的に実行して、グリッド上の一時的なイベントを探すか、または能動的に実行して、大規模なグリッドでは無視できるが、小規模なグリッドでは検出可能な一時的なイベントの小さなインスタンスを作成することによって実行できます。能動的な方法は、ローカルジェネレーターによって実行されるか、ユーティリティレベルの「上流」で実行される場合があります。^[16]

多くの受動的な方法は、アイランドを運用する際の固有のストレスに依存しています。アイランド内の各デバイスは、総負荷のはるかに大きな割合を占めるため、デバイスの追加や削除に伴う電圧と周波数の変化は、通常のグリッド条件よりもはるかに大きくなる可能性があります。ただし、その差は識別エラーを防ぐほど大きくはなく、電圧と周波数のシフトは、通常、他の信号とともに使用されます。^[17]

電圧と周波数のシフト検出のアクティブアナログは、インバータによって供給される全体のインピーダンスを測定しようとします。回路がグリッドに接続されている場合、インバータ電流のわずかな変化に対する電圧応答はほとんどありませんが、アイランドでは電圧の変化が観察されます。原理的には、この技術のNDZは無視できるほど小さいですが、実際には、特に複数のインバータが同時にインピーダンスを測定しようとする場合、グリッドは常に無限に硬い電圧源であるとは限りません。^{[18] [19]}

シフトとは異なり、ランダム回路が標準のグリッド電力に一致する特性周波数を持つことはほとんどありません。しかし、テレビなどの多くのデバイスは、意図的にグリッド周波数に同期しています。特にモーターは、回路周波数を「減速」するときにグリッド標準に近い周波数に安定させることができる場合があります。^[20]

電力会社レベルでは、グリッドの一部を隔離するように設計された保護リレーが高インピーダンス部品に切り替えることもできるため、孤立した分散型発電機は必然的に過負荷になり停止する。しかし、この方法は、高インピーダンスデバイスを広く普及させることに頼る高価な方法である。^{[21] [22]}

あるいは、孤立化防止回路は帯域外信号を利用することもできる。例えば、電力会社は電力線搬送通信や電話回線を通じてシャットダウン信号を送信することができる。^{[23] [24]}

特定のパッシブ方式は、太陽光パネルなどの直流発電機（インバータベースのリソース）でのみ実行可能です。

たとえば、インバータは通常、孤立時に 位相シフトを生成します。インバータは通常、ゼロクロスを追跡する位相ロックループ(PLL)を使用してグリッド信号を一致させます。これらのイベント間で、インバータは正弦波出力を生成し、前のサイクルの負荷を考慮して適切な電圧波形を生成するために電流を変化させます。メイングリッドが切断されると、島の力率が突然低下し、インバータの電流は適切な波形を生成しなくなります。波形が完了してゼロに戻るまでに、信号は位相がずれます。ただし、モーターの始動など、多くの一般的なイベントでも、回路に新しいインピーダンスが追加されるため、位相ジャンプが発生します。^[25]

より効果的な技術は、孤立位相シフトを反転させるものである。インバータは、グリッドが信号を圧倒することを想定して、グリッドとわずかにずれた出力を生成するように設計されている。グリッド信号が失われると位相ロックループは不安定になり、システムは設計周波数から外れ、インバータはシャットダウンする。^[26]

非常に確実な単独運転検出法は、インバータ変圧器内部の非線形相互作用によって生成される特徴的な第 2 および第 3 高調波を検索する。一般に、インバータに匹敵する全高調波歪み(THD) 源は他にはない。モーターなどのノイズ源でさえ、グリッド接続回路に測定可能な歪みを与えることはない。後者は本質的に無限の濾過能力を持っているからである。スイッチング モード インバータは一般に大きな歪み (最大 5%) を持つ。グリッドが切断されると、ローカル回路はインバータによる歪みを示す。^[27] 現代のインバータは、場合によっては測定不可能な限界まで高調波歪みを最小限に抑えようとしているが、原理的には、制御された量の歪みを導入して積極的に単独運転を探索するインバータを設計するのは簡単である。^[28]

電力会社は、制御不能なグリッドアイランドを生み出す可能性があるという理由で、家庭用太陽光発電システムやその他の分散型発電システムの設置を拒否している。^{[29] [30]オンタリオ州では、2009年の}固定価格買い取り制度 の改正により、多くの農村部の顧客が「容量免除」のマイクロFITの下で小規模（10kW）システムを設置するようになった。しかし、ハイドロワンはその後、建設後にシステムをグリッドに接続するのを拒否した。^[31]

この問題は政治的に白熱する可能性がある。その理由の1つは、分散型発電の支持者が孤立化の懸念は大部分が口実に過ぎないと考えているためである。1999年にオランダで行われたテストでは、系統崩壊から60秒後には分散型発電の孤立化は発見されなかった。さらに、分散型発電が分散負荷と一致する瞬間は10 ⁻⁶  yr ⁻¹に匹敵する割合で発生し、その時点で系統が切断される可能性はさらに低いため、「孤立化に遭遇する確率は実質的にゼロ」である。^[32]

意図しない単独運転のリスクは、主にマイクロ水力発電のような同期発電機の場合に発生します。2004年のカナダの報告書は、「インバータベースのDGシステムの単独運転防止技術ははるかに開発が進んでおり、公開されたリスク評価では、現在の技術と基準で十分な保護が提供されると示唆されている」と結論付けています。^[33]

電力会社は一般的に、分散型発電機が次のような問題を引き起こす可能性があると主張している。^{[34] [35]}

安全上の懸念

島が形成されると、修理作業員は予期せぬ通電中の電線に直面することになるかもしれない。

エンドユーザーの損害

分散型発電機は、標準に近いグリッド周波数や電圧を維持できない場合があり、非標準電流によって顧客の機器が損傷する可能性があります。回路構成によっては、電力会社が損害の責任を負う場合があります。

制御されたグリッド再接続

アクティブ アイランドへの配電回路の再閉路は、機器を損傷したり、位相外れの保護リレーによって阻害されたりする可能性があります。これらの結果を防ぐための手順により、停電した顧客への電気サービスの復旧が遅れる可能性があります。

最初の 2 つの主張は電力業界内で議論されています。たとえば、通常の配線作業では常に通電中の電線にさらされるリスクがあり、標準手順では作業員が接触する前に電線が死んでいることを明示的に確認する必要があります。 監視制御およびデータ収集(SCADA) システムは、分離されているはずの電線に予期しない電圧がある場合にアラームを設定することができます。英国を拠点とする調査では、「最悪の PV 浸透シナリオにおける PV システムの孤立化に関連する感電のリスクは、ネットワーク オペレーターと顧客の両方にとって通常 10 ⁻⁹未満です」と結論付けられています。^{[36] [37]} 同様に、エンド ユーザー デバイスへの損傷は、最新の孤立検出システムによって大幅に抑制されています。^[要出典]

これは、一般的に、電力会社が最も懸念する最後の問題です。リクローザーは、通常、グリッドを小さなセクションに分割して、故障状態（たとえば、ライン上の木の枝）が解消されるとすぐに、自動的に、そして迅速に、分岐に再通電するために使用されています。アイランドの場合、リクローザーが再通電しない可能性がある、または、介在する同期の喪失によりアイランドの分散型発電機が損傷する可能性があるという懸念があります。しかし、リクローザーが現代の電力会社の実践でまだ有用であるかどうか、またはブレーカーリクローザーがすべての位相で動作する必要があるかどうかは明らかではありません。^[38]

• 分散型エネルギー資源
• サンディア国立研究所