DER が豊富なネットワークにおける電圧不均衡 — 太陽光発電が役立つ場合と役に立たない場合
| ネットワーク | IEEE 欧州 LV テストフィーダー — 55 ロードバス, 0.416 公称 kV |
| DER統合 | 40 単相太陽光発電パネル, 2.5 各kW — 100 合計kW, 系統追従インバータ |
| 3 つの負荷シナリオ | 低い, 中くらい, 高い位相不均衡 - 同じ総負荷, 異なる位相分布 |
| 重要なパラドックス | 太陽光発電の統合により、中不均衡シナリオでは不均衡が減少したが、低不均衡シナリオでは悪化した |
| 測定の問題 | IEEE PVUR1 および PVUR2 インデックスは VUF を 10 倍過大評価する可能性があり、DER が豊富なネットワークでは信頼性が低くなります |
| 最も正確なインデックス | CIGRE 不平衡係数 = 真の IEC VUF を正確に再定式化 - 線間電圧の大きさのみを使用 |
| 使用したツール | IEEE European LV Test Feeder での OpenDSS 電力潮流解析 |
| ソース | ザビヒ, バデサ & ヘルナンデス, arXiv:2505.23435, マドリッド工科大学, 5月 2025 |
01 コンテキスト — 2 つの問題を 1 つにまとめたもの
低電圧配電ネットワーク上で分散型エネルギー資源が急増する中, 電力品質エンジニアは、関連しつつも異なる 2 つの課題に直面しています. 一つ目は身体的な問題: 単相太陽光発電パネル, EVの充電器, および蓄電池システムは、配電フィーダの 3 相にわたって不均等に接続されています。, 従来のネットワーク解析では予測する必要のなかった方法で電圧不均衡を作成または修正する. 2つ目は測定の問題です: 電圧不平衡指数の既存のポートフォリオ — IEEE によって定義, IEC, NEMA, および CIGRE は数十年にわたる標準開発に渡って開発されましたが、DER が導入する位相角の偏差に対してすべてが同じように反応するわけではありません。, また、ネットワークの状況に応じて、誤解を招くような大きな測定値または小さな測定値が得られる場合もあります。.
このケーススタディは、次の調査結果を示しています。 2025 ザビヒの研究, バデサ, マドリッド工科大学のヘルナンデス氏と (UPM), IEEE European LV Test Feeder (55バス) で両方の問題を同時に調査しました。, 0.416 現実的なヨーロッパの低電圧配電構成を表す kV ネットワーク. この研究で得られた 2 つの重要な発見は次のとおりです。: 初め, 太陽光発電の統合により、ベースラインの負荷分布に応じて電圧不均衡が悪化または改善される可能性があること; そして二番目, 一般的に使用される IEEE PVUR1 および PVUR2 インデックスは、真の VUF を 10 倍以上過大評価する可能性がある, DER が豊富なネットワークの計画ツールとしては信頼性が低くなります。.[1]
LV フィーダへの DER 統合を計画している電力会社は、日常的に簡素化された電圧不平衡指数を使用して、規制への準拠を評価しています。 2% VUF制限. 使用されているインデックスが真の VUF を 10 倍過大評価する可能性がある場合, 実際には準拠しているフィーダが非準拠に見える可能性があり、不必要な費用のかかる緩和策が引き起こされる. 逆に, インデックスが VUF を過小評価している場合 (LVUR が特定のシナリオで行うように), 非準拠のフィーダーが通過しているように見える場合があります. 測定インデックスの選択は技術的な詳細ではなく、フィーダーごとに数百万ドルに及ぶ可能性がある投資決定に直接影響します。.
02 測定指標の問題
現在、5 つの電圧不平衡指数がさまざまな標準化団体で使用されています。. それらは測定するものが根本的に異なります, 彼らはそれをどのように測定するか, 実際のネットワーク条件下での真の電圧不平衡係数をどの程度正確に近似するか:[1]
| 索引 | 標準 | 入力が必要です | 精度 vs. VUF (1–2%範囲) | 位相角を含む? |
|---|---|---|---|---|
| VUF (真実) | IEC / IEEE 1159 | 相電圧の大きさ + 角度 | リファレンス (1.000) | はい |
| CIGRE | CIGRE | 線間電圧の大きさのみ | ちょうど (1.000) | はい (暗黙的に) |
| ルヴル | NEMA | 線間電圧の大きさのみ | 0.866 - 1.005 | 部分的に |
| PVUR1 | IEEE規格 141 | 相電圧の大きさのみ | 0 – 10.7倍 | ノー |
| PVUR2 | IEEE規格 112 / 936 | 相電圧の大きさのみ | 0 – 16.1× | ノー |
PVUR1 と PVUR2 はどちらも相電圧の大きさのみを使用し、位相角偏差を完全に無視します。. 対称負荷のある従来の平衡型ネットワークの場合, 位相角の偏差は小さく、この単純化により生じる誤差はわずかです. ただし、単相太陽光発電パネル, 単相EV充電器, 不均等に分散された単相負荷はすべて、電圧振幅偏差と同等の大きさの位相角偏差を生成します。. この体制では, PVUR1 と PVUR2 は、どちらの方向でも、真の VUF とは一桁異なる値を返す可能性があります。. これらの指標を使用して DER 統合コンプライアンスを評価することは、エンジニアリング上の不正行為です。.
03 3 つのアンバランス シナリオ - 同じ負荷, 異相分布
この研究では、IEEE European LV Test Feeder で 3 つの負荷シナリオを使用しました。それぞれの負荷シナリオはほぼ同じでした (～160～170kW) ただし、3 つのフェーズ全体で配分が異なります, 低いものを作成する, 中くらい, 初期電圧の不平衡が大きい:[1]
| シナリオ | フェーズ A の負荷分散 | フェーズ B の負荷分散 | フェーズ C の負荷分散 | VUF最大値 (PV前) | VUF 平均 (PV前) |
|---|---|---|---|---|---|
| I — 低アンバランス | 31.7% | 39.5% | 28.8% | 0.982% | 0.787% |
| II — 中程度のアンバランス | 22.2% | 31.5% | 45.3% | 1.625% | 1.255% |
| III — 高いアンバランス | 22.1% | 59.3% | 18.6% | 2.081% | 1.558% |
シナリオ III (VUF 最大値) 2.081% すでにENを超えている 50160 の計画制限 2% DER が追加される前. シナリオ I と II は制限内です. この研究が扱っている問題は、: これらの不均衡レベルは次の場合にどうなりますか 40 単相 PV パネルがネットワークに追加される?
04 太陽光発電の統合 — 直観に反する結果
40 単相太陽光発電パネル 2.5 各kW — 100 合計kW, グリッド追従タイプ — IEEE European LV Test Feeder に追加され、3 つのシナリオすべてについて電圧アンバランスが再計算されました。. 結果は直感に反するものでした:[1]
| シナリオ | PV 前の VUF 平均値 | PV後のVUF平均 | 変化 | 効果 |
|---|---|---|---|---|
| I — 低アンバランス | 0.787% | 0.963% | +22% | 悪化した |
| II — 中程度のアンバランス | 1.255% | 0.702% | −44% | 改善されました |
| III — 高いアンバランス | 1.558% | 1.484% | −5% | 限界 |
シナリオ I で直感に反する結果が発生するのは、 40 単相 PV パネルは負荷分散とは無関係に 3 相に分散されます。. シナリオ I では, 負荷はすでに適切にバランスされています (31.7/39.5/28.8%). 追加 100 相間でそれ自体が不均一に分散されている発電量 kW は、新たな非対称の原因である発電相分散をもたらし、既存の負荷不均衡を打ち消すのではなく、むしろ増大させます。. シナリオ II の場合, 負荷が大幅に偏っている (22.2/31.5/45.3%), そして、PV フェーズの分布により、過負荷フェーズにより多くの発電が注入されることになります。, 既存の不均衡を部分的に補正する. 最終的な効果は、PV 位相分布が負荷位相分布の逆数にどの程度一致するかに完全に依存します。このパラメータは、電力会社が住宅接続の承認プロセスでほとんど制御しないものです。.
05 電力品質の観点
この調査では、電力会社による DER 統合計画へのアプローチ方法を直接変える 2 つの調査結果が得られました。. 1 つ目は、太陽光発電がすでに平衡化されたフィーダの電圧不平衡を悪化させる可能性があるというもので、分散型発電は不平衡に対して中立であるか有益であるという一般的な前提を覆します。. 2 つ目は、DER が豊富なネットワークでは IEEE PVUR1 および PVUR2 インデックスが信頼できないという点であり、LV フィーダの適合性評価にこれらのインデックスを依然として使用している電力会社に直ちに影響を及ぼします。.
測定指標の結果は、よりすぐに実行できるものです. PVUR1 と PVUR2 は、電圧の大きさの測定のみが必要であり、既存の計器から容易に利用できるため、北米の電力会社で広く使用されています。. CIGRE インデックスと真の IEC VUF には、いずれかのフェーザ測定が必要です (VUF用) または線間電圧の計算 (シグル用), どちらも最新の電力品質計器からは利用できますが、標準のエネルギーメーターからは利用できません. 実際的な結果は、DER 統合の準拠性を評価するために PVUR インデックスを使用している電力会社が、実際の物理的状態ではなく測定結果に基づいて、準拠している接続をブロックするか、非準拠の接続を承認するかのいずれかの誤った決定を行っている可能性があるということです。.
この研究は、経験豊富な PQ エンジニアが長年にわたって非公式に知っていたことを正式に示したものです。: 電圧不平衡指数の選択が重要です, 従来のネットワークよりも、DER が豊富な環境でより重要になります。. ユーティリティ PQ エンジニアリングの観点から, 高 DER シナリオにおける LV フィーダーの不均衡評価の正しいアプローチは、計算的にアクセス可能な CIGRE インデックスを使用することです。 (線間電圧の大きさだけが必要です, あらゆるクラス A PQ 機器から利用可能), 数学的に正確な (真の VUF と同じ結果), 標準的な監視展開での IEC 定義の実装を困難にする位相角測定要件を回避します。. CIGRE が北米の標準に採用されなかったという事実は歴史的な偶然です, 技術的なメリットを反映したものではありません.
参照
- ザビヒA, ヴィレッジL, ヘルナンデスA. “DER 普及率の高い配電ネットワークにおける電圧不平衡メトリクスの評価。” arXiv:2505.23435, マドリッド工科大学 (UPM), 5月 2025. 利用可能: arxiv.org/abs/2505.23435
- IN 50160:2010+A3:2019. 公共電力網から供給される電力の電圧特性. CENELEC, ブリュッセル.
- IEEE規格 1159-2019. IEEE が推奨する電力品質監視の実践方法. IEEE, ニューヨーク, NY, 2019.
- IEC 61000-4-30:2015+AMD1:2021. 電磁両立性 - パート 4-30: 電力品質測定方法. IEC, ジュネーブ.
- いいえ MG-1-2021. モーターと発電機. 全国電気製造者協会, ロズリン, バージニア州.
ザビヒA, ヴィレッジL, ヘルナンデスA. “DER 普及率の高い配電ネットワークにおける電圧不平衡メトリクスの評価。” arXiv:2505.23435, マドリッド工科大学, 5月 2025.
arXiv で見る → — オープンアクセス, 学術用途にはライセンス制限なし.
このケーススタディは、教育目的のために概要と解説の形で提示されています。. PQ の視点セクション (セクション 5) および SVG 図は、Denis Ruest によるオリジナルの IPQDF 編集コンテンツです。, 修士号. (適用済み), P.Eng. (レット。). IPQDF は元の研究の著者であることを主張していません.