電力潮流について

質問

送配電網を流れる電気の流れ「潮流」は、太陽光発電などの分散型電源が系統連系し始めてから、非常に複雑になっていると聞きます。
とはいえ、送配電線のある1点において、ある瞬間にはどちらかの向き(電源側から負荷側)に潮流は流れていると思います。
その潮流の向きを知る方法をご教示ください。
たぶん要素としては、電圧(V)、電流(A)、位相(度)、周波数(Hz)になると思うので、これらを使ってどういうふうに潮流の向きを調べるのか教えてください。
また、これら以外にもなにか他に要素があるのでしょうか？
よろしくお願いします。

回答No.5

mdmp2 · ベストアンサー

NO.4です。

PCSで発電出力時にΔＶの電圧上昇を抑えるために、無効電力(つまり電流位相を制御して力率一定にする)によりΔＶをキャンセルし、有効電力を出力することができると理解しています。
これはつまり、無効電力を使えば、電力を出力するときに出力側の電圧を高くする必要はないということでしょうか？
＞＞＞「PCSの出力電圧を、系統にPCS を接続しない場合の系統の電圧より高くする必要はない」と思います

「電圧を一定にする」ことはわかりましたが、そのときのＰＣＳ出力と系統側の電位差の関係はどうなるのでしょうか？？
＞＞＞「系統=受電点」として、受電点一点（同じ場所）に電位差があるということはありえません。これは受電点にPCS を接続した場合という限定的なことではなく普遍的なことです。
問題にすべきは、「受電点にPCS を接続しないときの受電点の電圧と、PCSを接続して、系統側に電力を送っているときの受電点の電圧に違いがあるかどうか」ということだと思います。

貴ご提示の、日経XTWCH のページをみて、私の理解もグンと進みました。
NO.3 では、次のようなメカニズムで系統（受電点）の電圧を上げずに系統側に電力を送ることができると考えていました。
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------
受電点の電圧をV とする。
受電点に系統の電圧に対して遅れの無効電力を付加する。
すると、受電点の電圧がΔVだけ下がる。
そこへ、PCSを出力電圧V で接続する。
PCSの出力電圧のほうが系統の電圧より高いので、PCSから系統の向きに電力が送られる。
受電点の電圧はV になり、無効電力を付加する前の電圧に戻る。
結果として、系統の電圧を上昇させることなう、PCSから系統に電力を送ることができる。
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------
大きな誤りはなかったと思いますが、実際の太陽光発電システムでは、なんらかの装置で無効電力を付加するのではなく、DC/ACインバーターの出力電圧の位相を系統の電圧より幾分進めて系統に無効電力を送るのだということがわかりました。
日経XTWCH のページの[2]の図２に電圧上昇発生のメカニズムの説明に、ΔV=R*P+X*Q とあります。
　R，Xは系統の抵抗分とインダクタンス分
　PはPCSから系統に送られる有効電力、QはPCSから系統に送られる無効電力
日経XTWCH のページの[3]に系統の電圧上昇を0「ゼロ」 にする条件が説明されています。
ΔV=R*P+X*Q → ΔV=0 とすると、Q=P*R/X
正確には -「負号」がつくと思います。(負なら遅れ、正なら進み）
PCS から系統に対する進み無効電力は系統側から見ると遅れ無効電力になります。そのへんのことがわかっているので、数学的には正確ではありませんが、正とか負は気にしないということだと思います。
Q=P*R/X → Q/P=R/X または、P/Q=R/X
R, X は系統により決まった値なので、Q/P (P/Q)を一定に保つことによりΔV を0「ゼロ」にすることができる。

結論:「太陽光発電システムの発電量が大きいときは系統に送る電力P も大きくなる（大きくしたい）ので、Qも同じ比率で大きくする」そうすると、送る電力の如何にかかわらず、系統の電圧上昇（変化）を「ゼロ」にすることができる。」

※この方式を力率一定方式というようです。力率=P/(√P^2+Q^2) です。P/Q を一定に保てば力率も一定に保たれます。

さて、投稿内容が当初の質問「潮流の向きを知る方法」とだいぶずれてきました。太陽光発電システムにおける定電圧送電について、さらに明らかにしたい場合は、別のスレッドを立てたほうがいいと思います。

お礼

ご回答ありがとうございます。
私なりの理解を整理します。

１）通常、PCSは系統電圧に対して少し高い電圧(ＰＣＳ出力電圧＋配電線インピーダンス上昇分ΔV)を発生して、電力を流し込む。
２）その電圧が、配電線の規定電圧を超える場合は「電圧上昇抑制」が必要となり、それは力率制御で行う。
３）力率制御は、発電した電力を送り込むときに、その電流を系統の電圧よりも位相を少し進めることによって系統のインピーダンス分を相殺する無効電力量を送り込むことで上昇分(ΔV)を抑制する。つまり電圧を上げることなく電力を送り込むことができる。
４）力率制御には2通りあり、「系統の規格電圧に収まるまで力率0.85まで連続的に無効電力を注入する」と、「有効電力と無効電力の比率を常に一定とする力率一定制御」で、一般的には力率一定制御を行う。

>さて、投稿内容が当初の質問「潮流の向きを知る方法」とだいぶずれてきました。太陽光発電
>システムにおける定電圧送電について、さらに明らかにしたい場合は、別のスレッドを立てた
>ほうがいいと思います。
そうですね。私の上記の理解に何かまだ間違いがあるようなら、別スレで質問を続けたいと思います。

回答No.6

noname#242560

送電線に対して何方から送電されているのを知りたいのですよね。

でしたら位相計を使えば知ることができます。
右から送電されていれば45度からー45度。
左から送電されていれば135度から225度。
と分かります。

ディジタル位相計もあります。

アナログで良ければ参考図を見てください。
コイルの電流をどうするか検討が必要です。

よろしくお願いします。

回答No.4

mdmp2

NO.3 です。
⇒この「無効電力による電圧制御を行って、大電力を系統に送りながら電圧を一定に保つ」という部分の動作がまだ理解しきれません。
＞＞＞「無効電力による電圧制御を行って、・・・」というのはいくつかの太陽光発電システムメーカーがネットで公表している記事の内容です。詳しい回路構成が載っていないので、勝手な解釈（推測）ですが、「系列と太陽光発電システムの接続点に遅れの無効電力を付加すると、その点の電圧が下がるので、太陽光発電システムの出力電圧を大きく上昇させなくても系列側に電力を送ることができる」ということだと思います。

お礼

ご回答ありがとうございます。

本件について書かれているサイトを見つけました。
　⇒https://tech.nikkeibp.co.jp/dm/article/FEATURE/20140114/327140/?P=3

ここに書かれていることが、いまここで質問している答えなのだと思いますが、やっぱりまだイマイチわからないことがあります。

PCSで発電出力時にΔＶの電圧上昇を抑えるために、無効電力(つまり電流位相を制御して力率一定にする)によりΔＶをキャンセルし、有効電力を出力することができると理解しています。
これはつまり、無効電力を使えば、電力を出力するときに出力側の電圧を高くする必要はないということでしょうか？
「電圧を一定にする」ことはわかりましたが、そのときのＰＣＳ出力と系統側の電位差の関係はどうなるのでしょうか？？

回答No.3

mdmp2

No.2 です。
最近、太陽光発電において、系統側へ逆潮流させるとき、配電線の電圧が高いと流すことができないということをよく聞きます。
＞＞交流でも電流は基本的には電流は電圧の高い方から低い方へ流れると思いますが、交流は電圧が正弦波的にうねっていますので、一方をv1=V1sin(ωt)、他方をv2=V2sin(ωt+Φ) とすると、電圧の差は、vd=V1sin(ωt)-V2sin(ωt+Φ)
=[√{V1-V2*cos(Φ)}^2+V2^2*sin^2(Φ)}]*sin(ωt+θ) . θ=tan-1{v2*sin(Φ)}/{V1-V2cos(Φ)} となります。
Φ=0 ならば、vd=(V1-V2)sin(ωt) となります。
電流は vdをv1電源とv2 電源間にあるインピーダンス(Z=R+jX)で割った値になります。jは虚数単位です。虚数単位は数学ではi ですが、電気工学ではi は電流を表すのでj を使うようにしたようです。
V1＞V2, インピーダンスが抵抗分だけなら、i=(V1-V2)*sin(ωt)/R となり、（V1-V2)が正の値になりますからi はv1と同相です。この時、ｖ1側からv2方向に電力が伝送されます。
V1＜V2, インピーダンスが抵抗分だけなら、i=(V1-V2)*sin(ωt)/R となり、（V1-V2)が負の値になりますからi はv1と逆相です。この時、ｖ2側からv1方向に電力が伝送されます。
V1≧V2 のときはv2（太陽光発電システム）側からv1（系統）方向に電力を送ることができません。
単純に考えると、太陽光発電システムの発電電力が大きい場合、大きい電力を系統に送るにはシステムの出力電圧を系統の電圧より大きく上昇させなければなりません。しかし、それをやると、系統の電圧が上がりすぎて、他の需要家に供給する電圧を適切な値に保つことができなくなるので、電力会社側の設備で電圧を一定に保つように制御しなければなりません。それでは電力会社が太陽光発電システムからの電力を購入するために新たに設備を導入する必要があり、コストがかさみますので、太陽光発電システムを設置した側が無効電力による電圧制御を行って、大電力を系統に送りながら電圧を一定に保つことが求められるようになったようです。この機能を提供するのがコンディショナーだと思います。

・・・・・なぜ、力率が電圧に関係するのでしょうか？
＞＞力率が電圧に関係するのはつぎのように説明することができます。
実際の送電線、配電線のインピーダンスは抵抗分よりインダクタンス分がはるかに大きいので、電圧源から負荷端までの接続を単純化して、2本の線と、その線に直列にインダクタが接続されたものと考えます。
負荷端に適当な負荷を接続して、インダクタに電源電圧の位相と等しい位相の電流を流すと、インダクタは電流の位相より90°進んだ電圧降下を生じるので、インダクタの電圧降下は電源の電圧の位相より90°進みます。電源電圧のベクトルの向きをX軸方向とすると、インダクタの電圧降下はX軸から反時計回りに90°回転させた方向です。
負荷端の電圧は、電源電圧からインダクタの電圧降下を引いたものなので、電源電圧に、インダクタの電圧降下をひっくり返して加えます。結果、負荷端の電圧は電源電圧よりやや大きく、位相は電源電圧の位相よりやや遅れます。
インダクタに流れる電流の位相を電源電圧の位相より90°遅れにすると、電圧降下はそれより90°進み、電源電圧の位相と同相になります。負荷端の電圧は、電源電圧にインダクタの電圧降下をひっくり返して加えます。結果、負荷端の電圧は、電源電圧より低くなります。
インダクタに電源電圧の位相より90°進んだ電流を流すと、負荷端の電圧は電源電圧より高くなります。
以上のように無効電力を調節することにより、負荷端の電圧を調節することができます。

また、電力会社の配電線にはその他、電圧調整のための装置が設けられていて、それらは無効電力を供給して電圧調整をしているそうです。これまたなぜ無効電力が電圧調整になるのか・・わかりません。
＞＞＞それが配電系統の中で行われているかどうか知識がありませんが、電力会社は無効電力により電圧調整をより積極的に行うため、系統のインダクタンスを利用するのではなく、実際のインダクタを使用して、そこに90°遅れまたは進み電流を流すことにより電圧を調節しています。電力会社が使用する大容量の無効電力発生装置は、同期調相器です。同期調相器は、同期電動機と同じ構造で、過励磁すると進み電流が、不足励磁すると遅れ電流が流れます。

※古い知識なので、プラスマイナスがひっくり返っていたり、左右がひっくり返っているところがあるともいます。その点、ご容赦ください。

お礼

大変ご丁寧なご回答ありがとうございます。
だんだんとなんとなく見えてきた感じがします。

「電源に繋がっている配電線のインダクタに電流を流すと、インダクタの電圧降下は電源電圧とは90°の位相を持っており、それと電源電圧とのベクトル差が負荷電圧となるので、結果的にインダクタに流す電流により負荷電圧を制御することになる」
これが無効電力による電圧制御だと理解しました。

>太陽光発電システムを設置した側が無効電力による電圧制御を行って、大電力を系統に送りな
>がら電圧を一定に保つことが求められるようになったようです。この機能を提供するのがコン
>ディショナーだと思います。
⇒この「無効電力による電圧制御を行って、大電力を系統に送りながら電圧を一定に保つ」という部分の動作がまだ理解しきれません。
ここのところをご教示いただけるとありがたいです。

よろしくお願いします。

回答No.2

mdmp2

電力は電圧と電流の積です。これは交流でも直流でも変わりません。
交流の場合は電圧と電流が刻々変化しますので、電圧の瞬時値と電流の瞬時値を掛け算したものを1周期に渡って積分する必要があります。
電圧が　v=V*sin(ωt) で表され、電流が　i=I*sin(ωt+Φ) で表される時、電力は　v＊i を1周期に渡って積分した値となり、結果として、P=V*I*cos(Φ)/2 になります。
VとI は電流と電圧の最大値です。
（一般にAC 100V というとき、100V は実効値のことです。実効値は最大値の1/√2 です。）
cos(Φ) は -90°<Φ<90° のときプラスの値になり、それ以外の時マイナスの値になります。
よって、電圧と電流の位相差Φがわかれば電力の伝送方向がわかります。

電気を送る2本の線があります。
一方をA,他方をBとします。
Bに対して、A線の電圧がプラス方向に振れるとき、A線に流れる電流が発電所側から需要家の方向であれば、電力は需要家の方向に伝送されています。（負荷の他に太陽光発電装置が取り付けられていると、どちらが電源でどちらが負荷ということができなくなってしまいますので、需要家という言葉を使いました。）
Bに対して、A線の電圧がプラス方向に振れるとき、A線に流れる電流が需要家側から発電所の方向であれば、電力は発電所方向に伝送されています。

机上で考えた目に分かりやすい測定方法です。
測定器として2現象オシロスコープを使用します。
電圧に関しては、
Bを基準としてAの電圧をオシロの#1入力に接続してで波形を観測します。
A線とB線を直接オシロに接続するのは危険なので、PT を使用してPT の二次側をオシロに接続します。
そのとき、PT の一次側と二次側の位相を合わせてください。
電流に関しては、A線にCT を取り付けて、CT の二次側電圧を、オシロの#2入力に接続してで波形を観測します。
このときも、CT の一次側と二次側の位相を合わせます。（A線を発電所側から需要家側に電流が流れた時、CT の二次側の電圧がプラス方向に振れるように二次側の2本の線とオシロの入力端子の接続を決める）

オシロ画面に電圧波形と電流波形が同時に表示されます。電圧波形と電流波形のゼロの点が時間的に同じで、電圧がプラス側に触れている時電流もプラス側に触れているなら、電力は発電所側から需要家の方向に伝送されています。
電圧波形と電流波形のゼロの点が時間的に同じで、電圧がプラス側に触れている時電流がマイナス側に触れているなら、電力は需要家側から発電所の方向に伝送されています。

オシロで観測される電圧と電流の波形は上の例のようにゼロ点の時間が一致しているとは限りません。
その場合は、電力が伝送されている方向がややこしくなります。
電圧のゼロ点より電流のゼロ点が時間的にずれている場合は、ずれがプラスマイナス90度(正弦波1周期の波形の1/4)以内なら、電力の伝送方向は発電所側から需要家方向、
ずれがプラスマイナス90度のときは、電力はあるときは発電所側から需要家方向、あるときはその反対になり、差し引きゼロとなり、電流は流れていても電力の移動はありません。
ずれがプラスマイナス90度(正弦波1周期の波形の1/4)を超えると、電力の伝送方向は需要家側から発電所方向、

実際の測定には電力計を使います。
積算電力計でもわかります。古いタイプの積算電力計は中で円盤が回っていますが、電力の伝送方向が反対になると、回転方向も反対になります。

お礼

明快なご回答ありがとうございます。

電圧電流間位相によってcos(Φ)の符号が変わるので、その結果、プラスの電力になるかマイナスの電力になるかで潮流の方向が決まるということですね。
すっきり理解できました。

ただ、この潮流と電圧の関係でわからないことがあります。

最近、太陽光発電において、系統側へ逆潮流させるとき、配電線の電圧が高いと流すことができないということをよく聞きます。

そのために電力会社は、力率一定制御を要請します。これは配電線の電圧を調整するためとのことですが、なぜ、力率が電圧に関係するのでしょうか？

また、電力会社の配電線にはその他、電圧調整のための装置が設けられていて、それらは無効電力を供給して電圧調整をしているそうです。
これまたなぜ無効電力が電圧調整になるのか・・わかりません。

電気は電圧の高い方から低い方へ流れるのが基本なので、これが直流だとわかりやすいのですが、交流は電圧と電流の方向が常に変化している電気なので、おそらくそれがわかりにくい要因なのだと考えています。

とにかくこの電圧との関係がいつも引っかかって釈然としません。ご教示いただけるとありがたいです。

回答No.1

fjnobu

電圧の高い方から低い方に流れます。それだけです。

お礼

ご回答ありがとうございます。
お聞きしたいのは、電流の向きではなくて電力の向きです。