需給アンバランス10パーセント前後から強制遮断が動作
東京電機大学名誉教授 加藤政一氏に聞く
加藤政一氏 かとう・まさかず
東京電機大学名誉教授
1977 年東京大学工学部卒業、82 年東京大学工学系大学院電気工学専攻博士課程修了（工学博士）。広島大学工学部助手、東芝重電技術研究所を経て、2005 年東京電機大学工学部教授、25 年名誉教授。専門分野は電力システム、エネルギーシステム。電気学会、IEEE（米）、IET（英）、CIGRE（仏）、電気設備学会に所属。
今年の夏、東京電力管内を中心に電力不足が懸念されている。需要に対する供給力の余裕を示す「予備率」が3パーセントを切ると電力需給ひっ迫警報が出されるが、8月はこの予備率が0.9パーセントの見通し。突発的な発電所の事故、故障が起きれば需給はさらにひっ迫、深刻な状況になりかねない。大規模停電のリスクについて、東京電機大学名誉教授の加藤政一氏に聞いた。
――今年の夏、東京電力管内で電力供給の余裕を示す「予備率」が最低0.9パーセントになる見通しです。電力不足が懸念されていますが、原因は何でしょうか？
管内の火力発電所の長期点検が2件入り、その分の供給力が低下すると聞いています。通常の定期点検ならせいぜい1～2カ月なので、需要が増える夏場を避けて時期を調整できる。しかし長期点検ですから、時期をズラしてもどの道ピークにかかってしまうのです。
需給がひっ迫しているからといって、何も起きなければ問題はありません。しかしその間、稼働中の発電所が落雷や事故などで予期せぬトラブルに見舞われる可能性はある。運転できない発電所が増えると、予備率はさらに低下します。そうしたリスクは想定しておかないといけないでしょう。
対策としては通常、ディマンドレスポンスという手法がとられます。需給がひっ迫してきたとき、企業や家庭が電気の使用を控えてバランスをとる節電の要請に応じると、電気料の割引や報酬を受けられます。そのようにして需要をある程度下げ、予備率を上げるのです。
――今年の夏はいろいろな分野で節電の要請が多くなりそうですね。
思い起こすのが、2022年6月に東電管内を中心に発令された電力需給ひっ迫警報です。3月に福島県沖地震が起きて多くの火力発電所が被害を受け、本来なら供給できる電力が減ってしまった。そこに6月の高温の影響が加わった結果、予備率が3パーセントを切ってしまったのです。
先ほど火力発電所の定期点検は1～2カ月といいましたが、事業者は通常、電力需要が伸びる梅雨明けからの運転を見越して6月中に点検を終えるよう計画を立てます。ところが2022年は6月がとんでもなく暑く、予想以上に需要が伸びた。とはいえ点検中の発電所を動かせないので、供給が足りなくなったのです。
今年も例年より暑くなり、昨年以上に需要が増える可能性はある。その暑さが早く到来したら、2022年と同様に、6月後半は需給がかなりシビアになりそうです。特に大口需要家には、電力使用を控える要請が出るかもしれません。
昨今の大規模停電の原因はUFR の動作
――節電などの手が打たれたとして、しかし予期せぬトラブルで発電量が下がったり、予想以上に需要が伸びたりすると需給がひっ迫し、結果、停電もあり得るのでしょうか？
停電の原因とメカニズムですが、昨今多いのはUFR（不足周波数リレー）による停電です。2018年の北海道胆振東部地震がわかりやすい例。下の図は縦軸が系統周波数、横軸が時間の推移で、地震直後に苫東厚真で2機の火力発電所が止まり、供給が急減して系統周波数がガクンと下がりました。
●北海道ブラックアウト 周波数と北本潮流の変化
そこで、UFRによって一部の負荷を停電させて需要を減らした。同時に、本州と北海道を結ぶ直流送電設備（北本連系設備）によって大量の電力が北海道側に送られてきました。需要と供給のバランスがとれ、周波数はいったん元に戻ります。これが、緊急時に系統の需給バランスを保つ一般的なメカニズムです。
ところが北海道の場合、地震発生が午前3時7分の深夜だったことが災いした。昼間であれば鉄道が運転を止める、工場がラインを止める、ビルがエレベーターを止めるといった具合に、地震発生後は電力需要が下がります。しかし深夜は逆で、そもそも鉄道や工場は動いていない。下がる需要がないうえ「すわ、地震だ」と家庭が照明をつける、テレビをつけるなど電力需要が増えるのです。
そのため、周波数はいったん50ヘルツに戻ったものの、需要が増え続けたことで発電量（供給）より負荷（需要）が大きい状態となり、周波数がまた下がってきた。電力会社は出力調整などを行い回復に努めたのですが、苫東厚真で運転を続けていた残りの発電所が徐々に出力を下げ、最後に止まってしまいました。
このときすでにUFRによる負荷遮断を複数回行っていますから、もう切れる負荷はない状態。北本連系設備からの電力もフルで、これ以上は供給も上げられない。苫東厚真で動いていた最後の1機が止まったことで周波数がストンと落ち、ほかで稼働を続けていた発電所もいっせいに止まってブラックアウト（全域停電）に至ったのです。
――UFRというのは、電力需給がひっ迫したとき、無理やり停電させて系統の負荷（需要）を切る、と。一種の安全装置ですか？
そうです。本来は発電所が出力を上げればいいのですが、燃料の投入などが必要ですから、瞬時には上げられない。瞬時に周波数を戻すには負荷を切るしかありません。
負荷が大きいまま電気を供給し続けていると、系統周波数は下がっていきます。どういう状態かというと、発電機が回転速度を落として運転していることになります。いまの火力発電所は熱効率を上げるため蒸気タービンの羽根が大きくなっていますが、周波数が下がるということは、羽根の回転速度が遅くなるということです。
その状態が続くと羽根が振動し、共振領域に入って壊れてしまうおそれがある。そうならないよう、火力発電所は周波数が大きく落ちると自ら運転を止めるようにできています。もともと供給力が足りないところで止めるのですから、負荷がさらに上がって周波数は下がり続ける。最終的にはブラックアウトです。それを避けるため、UFRで一部の負荷を切って周波数を元に戻す仕組みがとられているのです。
●UFR（不足周波数リレー）の仕組み
UFRは、基準周波数が1.0～1.5ヘルツ下がったくらいから動作します。発電と負荷のアンバランスが10パーセントになると周波数はおおむね1ヘルツ下がるので、需要が500万キロワットだとすると、50～70万キロのアンバランスが出たらUFRが動作する。北海道は北本連系設備から大量の電力が送られたこともあって一時的に持ちましたが、一般的な系統では10～15パーセントが限界でしょう。
大規模停電は起きにくいがあり得る
――北海道の場合は北本からの供給もあり、かろうじてバランスを保っていたところ、最後の最後には追加で供給できる電力も切れる負荷もなくなってしまったということですが、同様の事態はほかでも起き得ますか？
まず、現在は大規模停電が起きにくい環境になっているとはいえます。なぜなら、電力系統がかなり強くなっている。50万ボルトの送電線が張りめぐらされ、いろいろなところから電気を持ってこられます。UFRによる負荷遮断によって部分的な停電は起きますが、大規模な停電、ましてや管内全域が停電するブラックアウトはまず起きなくなっています。
日本で起きた最大規模の停電は、1987年の首都圏電圧崩壊。このときは供給支障電力が約800万キロワットに及び、6都県の280万戸で電力供給が停止しました。
バブル経済によって電力需要が伸びていた時期で、当時、東京電力は現状の系統では持たないとわかっていた。送電能力を上げるために系統増強に乗り出したのですが、それには時間がかかります。工事が終わっていない段階で、猛暑による大需要が発生。送れる電力のキャパを越え、系統の電圧が下がってしまいました。
当時は、インバーターでモーターを効率的に制御し始めた頃です。インバーターには使用電力を一定にする性質があります。そのため電圧が下がると電流を多く流し、電力を一定に保つ。つまり、系統の電圧が全体的に下がったことで家庭やオフィス、工場のインバーターが電流を増やそうとし、送電線の電流が増加。それによって系統を守る保護システムが働き、広範囲の停電を引き起こしたのです。
●電圧崩壊による停電発生過程
この頃に比べ、電力系統はかなり強くなっています。電圧崩壊の問題はほぼクリアし、現在は先の需給アンバランスによる周波数低下の問題だけ。ただし、発電設備が広範囲にやられてしまえば話は別です。つまり、首都直下地震や南海トラフ地震などの大規模災害。管内全域まではいかなくても、大規模な停電は起きる可能性があります。
――大規模停電のリスクは、ほぼ災害時のみになったと考えていいですか？
そうともいい切れないのが難しいところです。例えば北海道ではいま、半導体工場やデータセンターを強力に誘致している。それらが全部完成すると、おおむね150万キロワットの電力需要が見込まれるといいます。
いま北海道の最大電力はだいたい550万キロワット。そこへ150万キロの需要が一気に増えると、いまの系統では耐えられない。先の電圧崩壊と同様の現象が起きる可能性があり、系統を強くする工事が必要です。しかしそれには時間がかかり、施設の供用開始に間に合わないでしょう。全域とはいかないまでも、大規模停電は危惧されるところです。
また、厄介なのが2016 年に中部電力管内で起きた幸田碧南線事故のケース。碧南火力発電所の供給電力が落雷で止まったのですが、瞬間的な周波数低下は0.1ヘルツ程度と、UFRが動作するような事故ではありませんでした。にもかかわらず周波数が下がり続け、0.7ヘルツ低下したあたりで負荷を遮断、つまり停電に至っています。
なぜ周波数が下がり続けたのかというと、実は遠く離れた九州エリアにある旧式の太陽光発電設備（PV)が単独運転検出装置によってバタバタ止まっていったからです。
配電系統では、PVなどの分散電源が接続されていると、事故で止まってもそこから電気が供給されます。本来は停電しているはずの配電線に電圧がかかっているので、復旧にあたる作業員が触ると感電してしまう。そうならないよう、配電系統が停電したらそこにつながる電源はすべて止める仕組みになっているのです。
この単独運転検出装置は、1990年代後半の開発初期は、周波数の変化を見ればある程度配電系統の停電がわかるだろうというラフなものでした。それが九州電力管内に多かったようで、碧南火力発電所の停止による周波数の変化を、西日本は周波数60ヘルツで共通ですから、自分の系統が停電したと誤認し、つながっているPVをどんどん切ってしまったわけです。
結果、周波数が下がり続ける状態になった。再エネ電源が大量導入されたことで系統特性が変化したケースです。現在の単独運転検出装置は一定範囲の周波数変動、電圧変動では動作しないようになっていますが、もしかしたら同じようなことは今後も起きるかもしれません。
電力供給の安定に何が必要か
――昨年、スペイン・ポルトガルでも再エネ電源の連鎖的脱落に起因する大規模停電があったようですが。
スペイン政府の報告書によると、原因はスペインの系統の電圧が上がり過ぎ、つながっている再エネ、風力、PVが多いですが、再エネの電源がどんどん切り離されたこと。このときの電力需要は4500万キロワット程度ですが、1000万キロ近く切り離された。当然周波数が下がり、UFRでかなりのエリアの負荷を切ったようです。
電圧が常時上がり過ぎた状態は、日本の系統ではほぼ考えられない。通常、事故で発電所が止まると過渡的に電圧が下がる、場合によっては少し上がりますが、すぐ元に戻ります。常時電圧が上がり過ぎ、下がり過ぎでいることはありません。
というのも、日本は変電所と変電所の距離が近い。変電所には調相設備が置かれ、電圧をコントロールしています。この調相設備が至る所にあるため、過渡的な状態を除き、系統の電圧は定格で維持されるのです。しかし、イベリア半島は人が住んでいないなどの理由で変電所間の距離が長く、電圧を維持できなかったのかもしれません。
報告書では、再エネ電源が大量に入ったため火力発電所をだいぶ止めたとしています。実は火力や水力といった回転系の発電機は、無効電力、要は電力をスムーズに送るための「潤滑油」ですが、この無効電力をコントロールしやすく電圧を維持する能力が高いのです。
スペイン政府いわく、火力発電所を止め過ぎたため系統の電圧を維持する能力が減少したとのこと。もしそうであれば、もっと調相設備を入れるべきでしょう。報告書から読み取れる範囲なので確定的なことはいえませんが、そのとおりの原因であれば、日本ではまず起きないと思います。
――今後、電力供給を安定させるための課題は何でしょうか？
需要側と供給側の両輪の取り組みが重要です。ディマンドレスポンスはもちろん有効ですが、それだけで解決はできない。供給力を高める取り組みとかみ合うことで、信頼性が上がります。
そのうえで、今後の課題はやはり再生可能エネルギーの扱いでしょう。世界的な脱炭素の潮流を受け、いまはメガソーラーなどでつくる電気に経済的優位性がある。火力発電のコスト競争力が相対的に下がっているため、事業者からすると、新たな設備投資のインセンティブが働きにくくなっています。
冒頭で申し上げたとおり、今年は東電管内で長期点検がありますが、全国的にみても火力発電所は老朽化が進んでいます。実際、2022年6月の需給ひっ迫の際は、休廃止を考えていた古い火力発電所も運転しました。発電効率が悪化して事業者は運転したくなかったのですが、少しでも供給力を上げるため、無理に運転してもらったのです。
今後、火力をやめて再エネに切り替えていけばよいというものではありません。太陽光や風力は自然条件に左右されますから、発電量が安定しない。つまり再エネを増やしたら、それに見合った量の安定的な電源が必要です。両者をセットで考えないといけませんから、火力発電所の設備投資にもインセンティブが働く仕組みが求められるところです。
その観点でいうと、原子力発電所は大きな出力を安定的に供給できる電源です。東日本ではいままでほとんど動いていませんでしたが、2024年末に女川が運転を再開し、この1月から柏崎刈羽が再稼働、今年中に泊も動き出す見通しです。これにより、東日本全体では供給力が確保される方向です。
