大規模太陽光発電設備には、コンパクトで工場で事前試運転済み、かつモジュール式に拡張可能な電力インフラが求められます。EPC請負業者が中規模太陽光発電所向けに現場建設型の変電所方式を採用できた時代は事実上終わりました。送電網事業者や開発業者がますますモジュール式を重視するようになるにつれ、 プレハブ式変電所 ソリューションとしては、630kVAから2,500kVAの容量範囲が、定格容量1MWから5MWdcの中規模太陽光発電所にとって最適な範囲として浮上しており、これは世界の太陽光発電導入活動の中で最大の規模を占めるセグメントである。

本稿は、IECおよびIEEEの技術規格、実績のある変圧器メーカーの仕様、系統連系に関する調査手法、そしてサハラ以南アフリカ、東南アジア、中東、ラテンアメリカにおける現場導入経験に基づき、太陽光発電所へのプレハブ式変電所の導入における工学的、商業的、運用上のメリットを検証する。モロッコのサハラ砂漠からフィリピンの工業地帯に至るまで、太陽光発電プロジェクトの電力機器調達を管理してきた実務家の視点から書かれており、変電所の仕様が間違っていると系統接続が数ヶ月遅れる可能性があることを目の当たりにしてきた人物の視点である。

太陽光発電所の設計において、プレハブ式変電所が今や標準的な選択肢となっている理由

太陽光発電所の電力インフラにおいて、プレハブ式変電所が在来工法に取って代わった理由を理解するためには、歴史的な代替案と、プレハブ工法がそのそれぞれの弱点をどのように克服しているかを簡単に検証する価値がある。

従来の太陽光発電所の電力収集アーキテクチャでは、各ストリングインバータまたはコンバイナボックスを個別に中央の屋外開閉装置に接続し、従来のブロック構造の変電所を経由して電力会社の連系電圧に昇圧変換していました。このアプローチは、ケーブルの終端処理と試運転に必要な現場の電気工事作業量が多いためコストがかかり、展開も遅いという問題がありました。 電気製品全般 作業は様々な気象条件下で現場で行われ、異なる現場チームや環境間で組み立て工程を標準化できなかったため、品質管理が困難であった。

プレハブ式変電所は、高電圧開閉装置の事前組み立て、 電力変圧器また、品質管理システムを一貫して適用でき、出荷前に誘電試験や導通試験を実施でき、組み立て工程が現場の電気技師の技能に依存するのではなく文書化され再現可能な、管理された工場環境で低電圧配電部品を製造する。

太陽光発電所の設計においてプレハブ式変電所が主流となった要因として、現場での電気工事の範囲が従来の工法に比べて40～60%削減されること、工場での事前試運転により系統連系までの期間が数週間短縮されること、モジュール式の容量拡張により、開発者は土木工事をすることなく、段階的なプロジェクト構築に合わせて変電所の容量を調整できること、開放型の開閉装置に比べて野生動物による停電リスクを低減する密閉型設計であること、設置面積が小さいため、追加のパネルやトラッカーを設置するための土地が確保され、1ヘクタールあたりのプロジェクト収益が直接的に増加することなどが挙げられます。

1～5MWdc規模の太陽光発電所の場合、630～2,500kVAの容量帯のプレハブ式変電所を1基設置するのが、一般的に最も費用対効果の高い系統連系ソリューションとなります。5MWdcを超える大規模プロジェクトでは、複数のユニットを並列に設置することが多く、これにより貴重な運用上の冗長性が確保され、一方のユニットを停止しても他方のユニットが稼働し続けるため、保守計画が簡素化されます。

容量範囲の理解：630kVA～2,500kVAのエンジニアリング

630kVA変電所：大規模太陽光発電への入り口

630kVAのプレハブ式変電所構成は、本格的な公益事業規模の太陽光発電への入り口となります。この容量を下回る太陽光発電設備は、通常、商用設備またはメーター後方設備として分類され、高電圧（HV）ではなく低電圧（LV）で接続されるため、専用の変電所は不要です。630kVA、変圧比10/0.4kVの場合、1台のユニットで、設備利用率と電力会社の系統連系契約で定められた系統への出力制限に応じて、最大約1.0～1.2MWdcまでの太陽光発電設備の唯一の系統連系点として機能します。

630kVA太陽光発電所変電所向けの変圧器の仕様は、複数のメーカーから効率データが公表されている、確立された製品カテゴリーです。定格電圧は、電力会社との相互接続電圧に応じて、高電圧側が通常10kVまたは35kV、低電圧側が0.4kVです。レベルI効率（IEC 60076-1に基づく最高効率クラス）での無負荷損失は、電磁鋼板（方向性ケイ素鋼板、GOSS）構造の場合約460W、アモルファス合金コア材料の場合約250Wです。アモルファス合金コア材料は、初期価格が高くなり、短絡耐量がわずかに低下する代わりに、無負荷損失を約45%削減します。

Dyn11 ベクトルグループ構成における 75℃ での負荷損失は約 5,020W です。短絡インピーダンスは、共通接続点 (PCC) でのネットワーク障害レベルと上流保護方式の協調要件に応じて、通常 4.5% または 6% に指定されます。ほとんどの太陽光発電所用途の冷却方法は、油浸自己冷却 (ONAN) であり、これは穏やかな環境における屋外変圧器設置のための最もシンプルで信頼性が高く、メンテナンスの手間が最も少ない冷却構成です。

Dyn11ベクトルグループは、一般的な太陽光発電インバータの特性的な高調波プロファイルに対応する零相高調波電流循環経路を提供するため、太陽光発電所の系統連系において標準となっています。Yyn0構成は、インバータベースの発電源によって発生する高調波電流に対して零相電流特性があまり好ましくないため、太陽光発電用途ではあまり一般的ではありません。

1,000kVA～1,600kVA変電所：中規模変電所の主力製品

1,000～1,600kVAの容量帯は、約2MWdcから3MWdcの太陽光発電設備を対象としており、プロジェクト規模の観点から見ると、世界の公益事業規模の太陽光発電市場において最適な範囲と言えます。これらの容量は、調達と設置において十分な規模の経済性を実現するのに十分な大きさでありながら、多くの市場でより大規模な設備設置時に必要となる、複雑な系統連系調査の要件を回避できるほど小規模です。

1,250kVA構成（中上位クラスの代表例）の変圧器データによると、レベルI無負荷損失は、電磁鋼板構造で約780W、アモルファス合金コア材料で約425Wです。Dyn11構成の75℃における負荷損失は、約8,640Wに達します。この容量の短絡インピーダンスは通常6～8%の範囲に収まり、具体的な値は電力系統事業者がPCCで実施する故障レベル調査によって決定されます。

この容量帯のプロジェクトでは、10kVと35kVのどちらの高電圧構成を選択するかは、PCC（電力系統接続点）における系統連系電圧によって決まります。多くの新興市場では、配電網は10kVで運用されており、5～10MWdcまでの太陽光発電所は、電力会社からの専用の35kVフィーダー延長を必要とせずに10kVで系統連系できます。一定の容量しきい値（通常は5MWdcですが、市場によって異なります）を超えると、電力会社は35kVでの系統連系を義務付け、変電所の高電圧開閉装置の構成が変更され、ケーブル終端処理と保護協調の複雑さが増します。

2,000kVA～2,500kVA変電所：中規模上位および大規模設備

2,000～2,500kVAの容量帯は、約4MWdcから5MWdcの規模の大きな公益事業規模の太陽光発電プロジェクトに対応します。特に2,500kVAの場合、変圧器の仕様では、レベルIの無負荷損失は、電磁鋼板構造で約1,280W、アモルファス合金コア材料で約670W、負荷損失は75℃ Dyn11で約13,360Wとなっています。短絡インピーダンスは通常7%または8%に規定されています。

この規模のプロジェクトでは、単一の2,500kVA変電所の代わりに2つの1,250kVA変電所を設置する二重構成が有効な場合があります。この構成は、運用上の冗長性を提供し、発電を中断することなく一方の変電所を保守点検のために停止できるためメンテナンスを簡素化し、また、一定の容量を超える太陽光発電所に対して一部の送電網事業者が課すN-1緊急時対応計画要件にも適合します。二重構成による追加コストは、運用上の柔軟性と信頼性の向上によって正当化されることが多いです。

太陽光発電所向けプレハブ式変電所の主要構成部品規格

高電圧開閉装置の要件

太陽光発電所のプレハブ式変電所は、一般的に、10kVまたは35kVの高電圧側に、負荷開閉器とヒューズを組み合わせたリングメインユニット（RMU）構成、または真空遮断器を備えた回路遮断器ベースの構成のいずれかを採用しています。これら2つの構成の選択は、保護選択性、故障遮断能力、およびライフサイクルコストに大きな影響を与えます。

開閉装置は、該当するIEC 62271-103またはIEC 62271-105に準拠する必要があり、特に定格短時間耐電流（Icw）に注意する必要があります。定格短時間耐電流は、設置地点のネットワーク障害レベルに応じて、通常1秒間で25kAまたは1秒間で31.5kAです。定格ピーク耐電流（Ip）は、IECの要件に従ってIcwの2.5倍以上である必要があります。機械的耐久性要件では、スイッチ遮断器の場合は最低1,000回の動作サイクル、負荷開閉器の場合は10,000回の動作サイクルが規定されています。ケーブル終端の互換性は、プロジェクトで指定された特定のケーブルタイプ（通常は熱収縮または冷収縮終端を必要とするXLPE絶縁ケーブル）について確認する必要があります。

太陽光発電用途に特化した電力変圧器の要件

電力変圧器はプレハブ式変電所の心臓部であり、太陽光発電所の用途では、標準的な配電用変圧器の仕様を超える特別な要求が課せられる。

高調波電流の許容度は重要な考慮事項です。太陽光発電用インバータは、特に5次、7次、11次、13次の高調波といった特徴的な高調波電流を発生させ、基本周波数電流のみの場合よりも変圧器の発熱を増加させます。太陽光発電所向けに選定された変圧器は、高調波による発熱を考慮して定格値よりも定格を下げるか、あるいは熱設計に高調波負荷に対する余裕を持たせる必要があります。高調波電流による発熱効果を定量化するK係数は、太陽光発電所用変圧器の選定において重要なパラメータです。

無負荷運転も太陽光発電特有の考慮事項です。太陽光発電所の変電所にある変圧器は、夜間や長時間の曇天時など、インバータが停止する時間帯に無負荷運転を行うことがよくあります。これにより、連続運転の系統連系用途の変圧器ではそれほど大きな問題にならないものの、太陽光発電所では重要な熱サイクルストレスが発生します。太陽光発電用途の変圧器の仕様では、この運転サイクルを熱設計に明示的に考慮する必要があります。

変圧器の屋外定格とは、太陽光発電所のような屋外環境における連続設置への適合性を意味します。この環境には、高い周囲温度（中東および北アフリカの設置場所では45℃以上）、高い紫外線量、粉塵や砂塵への曝露、沿岸設置場所では塩水噴霧などが含まれます。変圧器のタンクコーティング、ガスケット材、およびブッシングは、設置場所の環境条件に合わせて指定する必要があります。

双方向電力潮流の考慮：太陽光発電所の変電所は通常、インバータ出力電圧から系統連系電圧まで電力を昇圧しますが、一部の地域の容量市場では、停電時に系統が変電所を経由して太陽光発電所に電力を供給する可能性のある系統負荷間電力供給シナリオに対する保護協調が求められています。これは、蓄電池システムが太陽光発電所のインバータ機器をブラックスタートする必要があるハイブリッド太陽光発電蓄電プロジェクトにおいて特に重要です。

IEC 62271-202:2022 太陽光発電所の調達における適合性

IEC 62271-202:2022は、中国の電力機器メーカーにとって主要な輸出地域であるアジア、アフリカ、中東、南米の4地域において、太陽光発電所の調達仕様におけるデフォルトの準拠要件となっています。この規格が何を要求し、何を要求しないかを理解することは、調達エンジニアやプロジェクトマネージャーにとって不可欠な知識です。

この規格の適用範囲は、最大52kVの交流高電圧ネットワークと最大60Hzの電力周波数を持つ変電所を対象としています。これは、世界中の大規模太陽光発電設備の圧倒的多数で使用されている10kVおよび35kVの系統連系電圧を網羅しています。

IEC 62271-202に基づく型式試験要件は、真に適合したプレハブ式変電所と、単に製造業者の適合宣言書が付いているだけの変電所との最も重要な区別点となります。型式試験では、組み立て済みの変電所全体に対して、絶縁耐力試験、接地連続性検証、定格負荷下での温度上昇試験、IP等級検証、および機械的強度試験を実施します。これらの試験は、製造業者自身の試験施設ではなく、認定された試験機関によって実施されなければならず、試験結果は、試験のために提出された正確な構成に特化した型式試験報告書に文書化されなければなりません。

調達担当エンジニアにとって重要な点は、630kVA変電所の型式試験証明書が、同じシリーズの2,500kVA変電所を自動的に認証するものではないということです。型式試験は構成固有のものです。プロジェクトで使用する変圧器の容量や構成が、試験対象の構成と異なる場合は、追加の型式試験または合理的な分析が必要になる場合があります。これは調達スケジュールの遅延の一般的な原因であり、サプライヤーの事前資格審査の際に特定し、対処する必要があります。

適用シナリオ：変圧器の容量を太陽光発電プロジェクトの規模に合わせる

1～2MWdc太陽光発電所：630～1,000kVAの単一ユニット

1～2MWdc規模の太陽光発電設備の場合、630～1,000kVAのプレハブ式変電所1基で、将来の容量増加に対応できる十分な変電容量を確保できます。630kVAは、系統への売電契約が限定的またはまったくない商業・産業用太陽光発電設備で最も一般的で、インバータの出力は発電量を最大化するのではなく、建物のピーク負荷に合わせて設計されます。1,000kVAは、この規模範囲の上限に位置する小規模な公益事業規模の設備に適しています。

系統連系調査でN-1の偶発事象要件が課される市場（この規模のプロジェクトでは比較的まれだが、高度に網羅された都市配電網では発生する）では、1,250kVAのユニットは、標準的な0.85遅れ力率で同等の1MW定格容量を上回る十分な余裕を提供し、発電量が多い期間の容量係数の変動に対しても一定のマージンを提供する。

2～4MWdc太陽光発電所：1,250～1,600kVAの単一ユニット

2～4MWdc規模の中規模太陽光発電設備には、1,250～1,600kVAのプレハブ式変電所が最適です。2.5MWdcで平均設備利用率が0.25～0.30の場合、予想される平均出力は約625～750kWとなり、日照時間中のピーク需要は1,250～1,600kVAの変圧器定格内に余裕をもって収まります。平均発電出力と変圧器の定格値との間の余裕は、インバータが定格容量と同等またはそれに近い出力を出力している高日射量時に発生する瞬間的なピーク需要に対応できるため重要です。

この規模のプロジェクトでは、PCC（電力系統接続点）における系統連系電圧が、選定した変電所の高電圧側定格と互換性があることを確認する必要があります。10kVの高電圧巻線を備えた1,250kVAの変電所は、通常、定格容量を超えずに力率0.85の2.5MWの太陽光発電設備に対応できますが、電力会社は、PCCにおける10kV系統が変電所の保護システムと協調するのに十分な故障レベルを有していることを確認する必要があります。

4～5MWdc太陽光発電所：2,000～2,500kVAの単一ユニットまたはデュアル構成

4～5MWdcの電力では、単一の2,500kVA変電所は実用的な上限に近づきます。特に、バッテリー蓄電ハイブリッド機能を搭載している場合は、バッテリーの定格電力が充電および放電サイクル中の変圧器の総皮相電力需要に加算されるため、この傾向が顕著になります。運用信頼性が最優先され、予算が許す市場では、デュアル1,250kVA構成が推奨されます。

太陽光発電と蓄電池を組み合わせたハイブリッドプロジェクトでは、蓄電池システムの定格電力が変圧器の皮相電力負荷に直接影響します。太陽光発電所の発電量が系統への送電制限を超え、余剰電力が蓄電池に送られる蓄電池充電サイクル中、変圧器は太陽光発電の出力と蓄電池の充電需要の両方を同時に受ける可能性があります。このような状況では、皮相電力が単一定格の変圧器では余裕をもって処理できる範囲をはるかに超える可能性があります。このようなハイブリッド構成には、二重構成または容量の大きい単一変圧器が適切な解決策となります。

調達要件：プレハブ式変電所サプライヤーに要求すべき事項

プレハブ式変電所のサプライヤーはすべて同等ではありません。グローバル市場には、IEC型式試験報告書と確立された品質管理システムを備えた一流メーカーから、実質的な品質検証を行わずに汎用製品をリブランドするトレーダーやブローカーまで、品質とコンプライアンスのあらゆるレベルのメーカーが存在します。以下の工場および製品特性は、本格的な太陽光発電所調達仕様において不可欠な要件です。

• IEC 62271-202型式試験証明書 認定を受けた第三者試験機関が発行した試験報告書は、サプライヤーの事前資格審査において確認すべき最も重要な書類です。実際の型式試験報告書を請求し、その範囲、有効性、および発行機関の認定状況を確認してください。
• 変圧器のエネルギー効率認証 IEC 60076-1または仕向市場における関連する国内効率規格に準拠する。一部の市場では、IECレベルIを超える追加の効率要件が課される場合があり、これらは仕様策定時に確認する必要がある。
• 短絡耐性に関する文書 これは、設置箇所における計算された故障電流に、アセンブリ全体が耐えられることを実証するものです。これは変圧器自体の短絡インピーダンス仕様とは異なり、開閉装置と母線システムが故障電流による機械的ストレスに耐えられることを確認するものです。
• 工場受入試験（FAT）プロトコル 誘電試験、抵抗測定、接地連続性試験、部分放電測定、および保護システム機能試験を含む。工場出荷前検査（FAT）は、出荷前に工場で実施し、購入者の担当者または独立した検査機関が立ち会う必要がある。
• スペアパーツの供給に関する約束 納品後少なくとも10年間は​​、開閉装置遮断器、変圧器ブッシング、保護リレーなどの重要部品の部品表を文書化して保管してください。サプライヤーが、適合する可能性のある汎用部品だけでなく、特定のモデルシリーズ専用の部品在庫を維持していることを確認してください。
• 設置および試運転の監督信頼できるサプライヤーのほとんどは、標準供給範囲に少なくとも1回の現地試運転訪問を含めています。基本価格に含まれる範囲、期間、訪問回数と、追加の試運転サポートの価格を比較してください。
• 保証条件保証期間（通常、試運転から12～24ヶ月、または出荷から18～36ヶ月）、保証範囲（完全交換、修理、または作業費のみの保証）、および機器を中国に返送することなく仕向国で保証請求を行う手順を確認してください。

コスト比較：太陽光発電所におけるプレハブ式変電所と在来工法による変電所の比較

1～5MWdc規模の太陽光発電所向け用途では、プレハブ式変電所は、従来型の在来工法による変電所に比べて、総設置コストが15～30%低くなるのが一般的です。このコスト削減は主に、現場での作業時間の削減（電気工事作業時間が40～60%削減）、設置期間の短縮（建設ローンの資金調達コスト削減）、そして工場での組み立ては現場組み立てよりも管理が徹底されているため、資材の無駄が減ることによるものです。

設置コスト面での優位性は、現地の労働コストが高い場所や、現場へのアクセスが困難な場所（遠隔地、離島、山岳地帯など）での太陽光発電設備において最も顕著に現れます。こうした場所では、在来工法で建設する変電所の部品を輸送したり、現場で複数の専門業者を調整したりすることが複雑で費用もかさみます。現場へのアクセスが容易で労働コストが中程度の太陽光発電プロジェクトでは、プレハブ工法のコスト優位性は縮小しますが、それでも通常10～15%のプラス効果が得られます。

25年間のプロジェクト期間における運用コストの比較においても、ほとんどのシナリオでプレハブ式変電所が有利となる。これは主に、工場での品質管理と型式試験プロセスによって、発電収益の損失につながる運用中の故障の可能性が低減されるためである。変電所の故障による1日の発電損失の経済的損失は、通常、高品質のプレハブ式変電所と予算重視の代替案とのコスト差額全体を上回る。

結論

630kVAから2,500kVAの容量範囲のプレハブ式変電所は、世界中の大規模太陽光発電設備における標準的な電力インフラソリューションとなっています。モジュール設計、工場での事前試運転、およびIEC 62271-202への準拠により、1MWdcから5MWdcの容量の太陽光発電所の系統連系において、最も費用対効果が高く、迅速に導入できる選択肢となっています。

太陽光発電所の電力インフラ調達を成功させる鍵は、変圧器の容量をプロジェクトの定格容量に適切なマージンで合わせ、高調波加熱とハイブリッド蓄電システムの統合を考慮し、IEC 62271-202型式試験認証を譲れない要件として確認し、プロジェクト設計段階の早い段階でサプライヤーと連携して技術仕様を系統連系調査の結果と整合させ、サプライヤーの事前資格審査に十分な時間を費やして、提供される型式試験証明書、FATプロトコル、および保証条件が真正かつ有効であることを確認することにあります。

4～5MWdc規模のプロジェクトでは、1,250kVAのデュアル構成が、2,500kVAのシングル構成に比べて運用上の大きなメリットをもたらすかどうかを真剣に検討する必要があります。デュアル構成の限界費用は通常、2,500kVAのシングル構成よりも15～25%高くなりますが、信頼性の向上と保守の柔軟性により、送電網の可用性と発電の継続性が商業的に重要なプロジェクトでは、このコスト増は十分に正当化されます。

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ヘンリー氏
寧波天安進出口有限公司の国際営業部長。アジア、アフリカ、中東、南米への電力機器輸出において15年以上の経験を持つ。電力会社やインフラプロジェクト向けの変電所ソリューション、変圧器、開閉装置を専門とする。
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