電力消費量の変動に伴う周波数の不安定化について

Question

風力や太陽光エネルギーなどの再生可能エネルギーの利用について勉強をしておりました。
その中で、電力システムの勉強をしていたところ、需要側での電力消費量の変動により、
周波数が不安定化するとの記述がでてきました。

そこで、インターネットで調べていたところ、以下の内容を見つけました。
需要側での電力消費量が減ると発電所のタービンが速く回りやすくなり、
周波数が上がる方向にいき、
逆に、需要側での電力消費量が増えると、発電所のタービンが回りにくくなり、周波数が下がる方向にいくとのことでした。
実際には、ガバナが働き、タービンが一定の速度で回り、一定の周波数の電気が供給できるようになっているとのことでした。

そこで質問なのですが、
なぜ（どのような因果関係で）、需要側での電力消費量が減ると発電所のタービンが速く回りやすくなり、
逆に、需要側での電力消費量が増えると、発電所のタービンが回りにくくなるのか教えてください。

発電、電気システムの詳しい知識はありませんが、高校物理程度の知識は持っております。
どうぞよろしくお願いします。

AsanoNagi · Accepted Answer

いろいろな考え方ができるのですが、まず、普通の交流発電機は、コイルのなかで磁石を回すことで発電をします。
そして、交流の周波数は、磁石の（１秒あたりの）回転数そのものです。

この特徴は、実は電力調整にもうまく使われているわけですが。

さて、実は、発電機というのはモーターでもあります。
発電機が発電して、自分自身のなかに電流が流れるほど、モーターとして、（発電機としての）回転とは、逆方向に回そうとする力が発生します（こちらは、モーターとしての働き）
このために、消費電力が増える→発電機のなかに大きな電流が流れる→発電機を逆方向に回そうとする→回転数が落ちる→周波数が落ちるというわけです。

一定の電力を発電している状態で、消費電力が落ちると、逆の作用で、発電機を逆方向に回す力が小さくなり、周波数が上がることになります。

さて、そのままでは周波数が変化してしまいますので、発電所では周波数を一定にするような制御を行います。
つまり、
消費電力が下がる→回転数が増えようとする→回転数を減らさないといけない→タービンへの力を小さくする→発電量も下がる
消費電力が上がる→回転数が減ろうとする→回転数を増やさないといけない→タービンへの力を大きくする→発電量も上がる

ということで、おおざっぱに言えば、一定の回転数を確保するように制御するだけで、消費電力と同じ量の発電量を提供できるという、電力調整にも使える性質なのです。

AsanoNagi · Answer

もうひとつ、エネルギー収支でお話をするとこうなります。

必要な知識は。

１）発電機は、回転する磁石の運動エネルギーを電気エネルギーに変換しているとも考えられる。
２）回転する物体の運動エネルギーは、角速度（回転数だと思って大きな間違いはありません）の自乗×回転モーメント（回転体の質量だと思って大きな間違いはありません）に比例する。
ということです。

運動エネルギーを電気エネルギーに変換しているという事は、当然、発電機に対してエネルギーを供給しなければ、いずれ、運動エネルギーは電気エネルギーに変換され、使い尽くされてしまうということです。
今、電力消費が一定の状態で発電機が同じ速度で回っているということは、外部から（タービンなどを通して）発電機に与えられるエネルギーと、できエネルギーに変換されて出て行ってしまうエネルギーがバランスしているということです。

この状態で、電力消費が増えると、バランスが崩れ、発電機の持つ運動エネルギーが減少します。
ところで、上の 2) を見ると、発電機自体は変わりませんから、回転モーメントは変化しません。
どうなるかといえば、（運動エネルギーが減った分だけ）角速度（≒回転数）が減少するということです。

電力消費が減ると、今度は、出て行くエネルギーが減るので、発電機の持つ運動エネルギーが増加します。
増加した分は、（やはり、回転モーメントは変わらないので）角速度が増加する（＝回転数が増加する）ということになります。

tilltill · Answer

消費量が増える＝負荷が大きい＝自転車の上り坂をこぐ＝回りにくい
消費量が減る＝負荷が小さい＝自転車の下り坂をこぐ＝回りやすい

こんな感じでどうでしょうか。

RTO · Answer

自転車についていた　昔ながらの発電機を思い出してみましょう。
大きな球根のような形のアレです。（最近は電池式のLEDライトだの　ハブ内蔵型発電機なんて素敵なモノが多いですけど）

夜　あれを使って前照灯を照らすとペダルが重くなって前に進みにくくなりますね。　電球で消費される電力を発電するために　発電機がタイヤからエネルギーを奪っているのです
ここで電球の数を増やすと、もっとたくさんエネルギーをタイヤから奪う、すなわちペダルがもっともっと重くなります。

火力発電所なら蒸気の量、水力発電所なら水の量、自転車ではあなたの「気合」を増やさないとのろのろ運転になり、発電機の周波数は回転数に比例しますので結果として周波数が規定より落ちてしまいます。

電力消費量の変動に伴う周波数の不安定化について

いろいろな考え方ができるのですが、まず、普通の交流発電機は、コイルのなかで磁石を回すことで発電をします。

もうひとつ、エネルギー収支でお話をするとこうなります。

消費量が増える＝負荷が大きい＝自転車の上り坂をこぐ＝回りにくい

自転車についていた 昔ながらの発電機を思い出してみましょう。

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