太陽光発電の「トリップ」が再生可能エネルギーにとって送電網の脅威となる理由

昨年の5月9日は、テキサス州西部では典型的な太陽光発電の日となるはずだった。 しかし、午前11時21分頃、問題が発生しました。

テキサス州電力信頼性評議会（ERCOT）によると、オデッサの天然ガスプラントに関連する送電網の障害が原因で、大量の太陽光発電設備が予期せず停止したとのこと。 太陽光発電の損失は、州の大部分にまたがるERCOT送電網地域における当時の総太陽光発電容量の13パーセント以上に相当した。

すべての太陽光発電ユニットは 6 分以内に稼働に戻りましたが、この事故は、クリーン エネルギー資源が化石燃料に取って代わられ続ける中、電力部門にとって継続的な課題に対処する必要があることを専門家が警告していることを浮き彫りにしました。

「テキサス州と同様、太陽光発電技術の大ブームがかなり早く起こっています」と北米電力信頼性協会（NERC）のエンジニアリングおよびセキュリティ統合担当ディレクターのライアン・クイント氏は述べた。 「そして今、どこからともなく非常に大きな混乱が起きています。」

米国全土で、電力構成の中でカーボンフリー資源が占める割合が増加しており、提案されている新発電の大部分を占めています。 送電網の専門家によると、送電事業者が猛暑による高い電力需要に対処する中、この夏、太陽光発電と蓄電池システムがテキサス州とカリフォルニア州の照明の点灯に貢献したという。

それでも、オデッサ近郊で昨年起きた騒乱は異例ではあったものの、単独の事件ではなかった。 業界や規制当局が将来の再生可能エネルギーの「トリップ」事象を防ぐために行動しなければ、そのような事件が十分に広範囲に及んでいれば停電を引き起こし、再生可能エネルギーに対する国民の認識を傷つける可能性がある、と専門家らは述べている。

テキサス州での500マイルに及ぶつまずき事故や他の同様の事故は、太陽光発電、風力発電、蓄電池システムで発電された電力を送電網で使用される電力に変換するインバーターに関係している。 従来の発電機（化石燃料発電所、原子力発電所、水力発電ダム）は、異なる方法で電力を生成するため、インバータを必要としません。

「私たちはインバーター技術にますます依存しなければならないため、予期せぬトリップや予期せぬパフォーマンスなど、システムの信頼性に関するリスク問題を回避することがますます重要になっています」とクイント氏は述べた。

専門家らによると、再生可能資源、つまり「インバーターベース」の資源には、従来の発電機にはない貴重な特性があるという。 従来の発電所よりもはるかに迅速に起動および停止できるため、トリップ事故は通常、数分以上続くことはありません。

しかし、インバーターは特定の方法で動作するようにプログラムする必要もあり、電気的障害が発生した場合には、それを乗り越えるのではなくオフラインになるように設計されたものもあると、非営利エネルギー・システム・インテグレーション・グループのアソシエート・ディレクターであるデブラ・ルー氏は述べた。

「（プログラミングは）遊ぶ余地をたくさん与えてくれます」とルー氏は言う。 「あらゆる種類のクレイジーなことができる。素晴らしいこともできるし、くだらないこともできる。」

2000年代と2010年代に太陽光発電と風力発電がエネルギー業界の重要なプレーヤーとして台頭したとき、障害が発生した場合に一時的にオフラインになるようにインバータをプログラムすることは理にかなっていたかもしれない、とナショナル・リニューアブル社の主任エンジニア、バリー・マザー氏は述べた。エネルギー研究所 (NREL)。

障害は、送電線の切断、落雷、その他のより一般的な障害によって引き起こされる可能性があります。 インバーターベースのリソースによる対応は、機器の損傷を防ぐことを目的としており、当時再生可能エネルギーが送電網のごく一部を占めていたため、当初は送電網全体にほとんど影響を与えなかったとマザー氏は指摘する。

クイント氏は、テキサス州などでインバータの改善が進んでいると述べたが、業界や規制当局が現在この問題にふさわしい緊急性を持って取り組んでいるとはあまり楽観的ではない人もいる。

「実のところ、解決策という点ではあまり進んでいないのです」とマザー氏は語った。 「あるイベントでは物事を修正するような感じですが、次のイベントではまったく異なることが起こります。」

NERC は 6 年以上にわたり、インバーターベースのリソーストリップの脅威に警鐘を鳴らしてきました。 しかし、トランスミッションの所有者、インバーターのメーカーなどに対するこの問題の解決方法に関する組織の推奨事項は、広く採用されていません。

2016年8月、カリフォルニア州サンバーナーディーノ郡で活発な山火事の近くで煙と熱が発生し、近くの送電線に一連の漏電が発生した。 これにより、複数のインバーターが切断されるか、送電網への電力供給が一時的に停止され、1,200メガワット近くの太陽光発電が損失しました。これは、米国で記録された初めての大規模なトリップ事故です。

カリフォルニアのイベントで影響を受けたリソースの半分以上が、約 5 分以内に通常の出力に戻りました。 それでも、当時のトリップ現象はカリフォルニア州の送電事業者にとって「重大な懸念」とみなされていたと、NERCはこの事故に関する2017年の報告書の中で述べた。

電力分野に焦点を当てた非営利研究グループ、グリッドラボのエグゼクティブディレクター、リック・オコネル氏によると、初期の事故の一部については、影響を受けた太陽光発電ユニットは比較的古く、インバーターも現在設置されているものよりも洗練されていないという認識があったと述べた。グリッド。 だからこそ昨年のオデッサ近郊での騒動が波紋を呼んだのだ、と同氏は語った。

「カリフォルニアには、築10年、15年が経ち、現代の基準に対応できない可能性のある古いレガシープラントがいくつかあることが予想されるようになりました」とオコンネル氏は述べた。 「しかし、テキサス州の工場はどれもかなり新しいものです。」

2021年5月のオデッサ暴動の後、ERCOTは影響を受けた太陽光発電所の所有者（送電網運営会社が発行した報告書には公表されていない）に連絡を取り、どのようなプログラミング機能や要因がトリップを引き起こしたのかを特定しようとしたとNERCのクイント氏は述べた。 ERCOTは今年初めに、これらのリソースをサポートし改善するために「改善と軽減活動を評価、検討、推奨」するために、インバーターベースのリソースタスクフォースも設立したと、送電網運営会社の広報担当者トゥルーディ・ウェブスター氏は語った。

それでも、この夏、この問題はテキサス州で再びオデッサ近郊を中心に再燃した。

6月4日、2021年5月のイベント中に停止した同じ太陽光発電ユニットのうち9台が再び発電を停止するか出力が低下した。 ERCOTによって「オデッサ障害2」と呼ばれた6月の事故は、米国でこれまでに記録されたインバーターベースのトリップ事故としては最大のもので、合計14の太陽光発電施設が関与し、1,666メガワットの太陽光発電の損失をもたらした。

NERC は、この問題に対するいくつかの修正を提唱しています。 一方では、送電所有者とサービスプロバイダーは、インバーターベースのリソースの相互接続要件を強化する必要があるとクイント氏は述べました。 さらに、連邦エネルギー規制委員会は全国の相互接続協定を改善し、それが「インバータベースの技術に適切かつ適用可能」であることを保証する必要があるとクイント氏は述べた。 最後に、NERCによって確立された必須の信頼性基準を改善する必要があり、そのプロセスは進行中であると同氏は述べた。

NREL のマザー氏は、この問題に対処する際の課題の 1 つは、業界全体のさまざまな関係者の利益が競合しているように見えると述べました。 トリップは本質的に、障害によって損傷を受ける可能性のある太陽光発電、風力発電、またはバッテリーのユニットに対する防御メカニズムである可能性があるため、一部の発電所所有者はすべての障害を乗り越えることを義務付ける政策に慎重になる可能性があると同氏は述べた。

「もしあなたが（独立したシステムオペレーター）なら、これらのプラントが決してオフラインにならないことを望みます。何があっても乗り越えるべきです」とマザー氏は語った。 「もしあなたが発電所の所有者であり運営者であれば、そのことについては少し懸念するでしょう。なぜなら、それはあなたの機器を危険にさらすか、少なくとも太陽光発電インバータシステムに何らかの損害を被る可能性がある危険にさらされるからです。」

また、オコーネル氏によると、再生可能エネルギー発電所の所有者の中には、自分が所有する施設にはそれほどメンテナンスが必要ないと誤って思い込んでいる人もいるという。 しかし現在、電力資源構成全体に占める太陽光発電の割合がますます大きくなっているため、その考え方を変える必要があると同氏は述べた。

「業界が成長し、5キロワットではなく100メガワットの太陽光発電所ができた今、私たちは異なるパラダイムを切り替える必要がある」と同氏は語った。

太陽エネルギー産業協会の国務・規制担当副会長ショーン・ギャラガー氏は、つまずき事故は開発者だけでは解決できないと強調した。 また、トランスミッションの所有者にとって、「より多くのインバータベースのリソースがオンラインになるにつれて、インバータが正しく構成されていることを確認する」ことも重要であるとギャラガー氏は述べた。

ギャラガー氏は声明で「送電網上のクリーンエネルギープロジェクトの増加により、送電網の物理的性質は急速に変化しており、システム全体の信頼性に関しては、エネルギープロジェクトの開発者、電力会社、送電所有者全員が役割を果たす必要がある」と述べた。

全体として、業界は相互接続プロセス、つまりリソー​​スを送電網に接続するプロセスの一環として、太陽光発電および蓄電プロジェクトの「実行可能なモデリング要件」をサポートするだろうと同氏は付け加えた。

連邦政府機関は、クリーン エネルギー資源の急速な注入に向けて送電網の準備に取り組んでおり、このつまずきの課題に気付かないわけではありません。この傾向は経済政策と気候政策によって推進されていますが、最近のインフレ抑制法の可決によってさらに加速されています。

先月、エネルギー省は、太陽光、風力、蓄電池資源のみで電力を供給する信頼性の高い電力システムを実証できる研究プロジェクトに、新たに2,600万ドルの資金提供の機会を与えると発表した。 この資金プログラムの目標は、インバーターベースのリソースが照明を点灯し続けるために必要なすべてのことを実行できることを示すのに役立つことであり、これは政府機関が「クリーンエネルギーへの移行に対する主要な障壁」であると述べています。

「新しい風力発電や太陽光発電は、パワーエレクトロニクスインバーターを介して送電網に接続されているため、現在これらのサービスを提供している従来の発電源とは異なる特性とダイナミクスを持っています」とDOEは資金提供通知の中で述べている。

FERC はまた、既存の NERC 勧告を参考にした新しい規則を提案しました。 新しいリソースをグリッドに接続するためのプロセスを更新する包括的な提案の一環として、FERC には、インバーターベースのリソースによるトリップを削減するための 2 つの新しい要件が含まれています。

FERC規則が最終決定されれば、インバータベースのリソースは、相互接続プロセスの一環として、その動作とプログラミングに関して「正確で検証されたモデル」を提供することが義務付けられることになる。 同委員会は6月に発表した提案書で、リソースは通常、オフラインに陥ることなく混乱を乗り越えることができる必要があると述べた。

エネルギーシステムインテグレーショングループの主任エンジニア、ジュリア・マテヴォシアン氏は、広範囲にわたるつまずきを防止するよう設計されているが、FERCの現在の提案は改善される可能性があると述べた。 マテヴォシアン氏は、他の変更の中でも特に、政府機関は障害時にいわゆる「無効電力」を注入するためにインバーターベースのリソースを要求する必要があるが、障害の規模に比例して実際の電力出力を削減する必要があると述べた。 無効電力とは、グリッド内でエネルギーを移動させ、システムの電圧をサポートする電力を指します。

マテヴォシアン氏はFERCの提案について、「これは良い意図だ。ただ単に言語が、現在提案されている方法が技術的に可能ではないし、望ましい動作でもないだけだ」と述べた。

提案を改善するために、FERCは今年初めにインバータベースのリソース向けに開発した新しい規格で電気電子学会（IEEE）が使用している文言を参考にする可能性があると同氏は付け加えた。 電気工学の問題に焦点を当てた専門組織である IEEE が発行した規格は強制力や強制力はありませんが、業界のベスト プラクティスを表しています。

IEEE のプロセスは利害関係者主導型です。 マテヴォシアン氏によると、最新のインバータベースのリソース標準の開発プロセスに携わった業界専門家170人（インバータメーカー、エネルギー開発者、送電網事業者など）のうち94％が最終版を承認したという。

IEEE規格の承認は、工学的および政策的なハードルが依然として残っているにもかかわらず、インバータベースのリソーストリップに関してコンセンサスが生まれつつある可能性があることを示す1つの兆候であるとオブザーバーは述べた。 業界がインバータベースのリソースのパフォーマンス向上を目指す中、グリッドの状態に迅速に対応する能力など、このリソースが従来のリソースに比べて持つ利点についての理解も深まっていると、エレクトリック社の上級技術責任者であるトム・キー氏は述べた。電力研究所。

「空が落ちてきたとか、そういうことではありません」とキーは言った。 「私たちは正しい方向に進んでいます。」