Kenji OTANI

Fukushima Renewable Energy Institute, AIST

1

Smart System Research Facility (FREA-G)

Smart System Research Facility

Main Building

Annex Building

Demonstration Field

Fukushima Renewable Energy Institute, AIST (FREA)

Kenji OTANI

Fukushima Renewable Energy Institute, AIST

分散電源の導入拡大・機能拡大に向けた研究開発と試験・認証基盤Platform of R&D, test and certification for high penetration and expansion of role of DER

福島再生可能エネルギー研究所経緯「東日本大震災からの復興の基本方針」 （平成23年7月）・福島県に再生可能エネルギーの技術開発から実証までを行う研究開発拠点を整備し、世界に開かれた研究開発を推進・新産業の集積を通して復興に貢献

場所福島県郡山市、郡山西部第二工業団地（平成24年1月決定）78,000m2

スケジュール

•平成24年11月郡山市と協力協定締結

•平成24年12月着工

•平成25年10月組織設立

•平成26年1月建物竣工

•平成26年4月開所

福島

郡山

福島空港

いわき

会津若松

白河

福島再生可能エネルギー研究所

Research Themes for Smart Systems

for High Penetration of Renewable Energy

3

Weather Power

GenerationGrid

Variable Energy ResourcesIntermittent, seasonal and regional changes

Efficient Energy ConversionMPPT Control, Self and external control

Supply / Demand MatchingDispatchable Power Sources and Demand Management

Weather Forecast Satellite Remote-sensing Power Electronics

Improvement of Meteorological Analysis Development of Smarter Inverters Renovation of Power Systems

H2

DER

(PV and Wind)Grid

Energy Storage

(Battery, Hydrogen)

Thermal

Utilization

Power Demand

Smart Grid

SPECIFICATIONS OF FREA-G

4

福島

郡山

福島空港

いわき

会津若松

白河

福島再生可能エネルギー研究所

＜実施可能な試験例＞○系統連系試験パワーコンディショナが適切に機能し、電力系統の電力品質（周波数・電圧等）に影響を及ぼさないかどうかを確認。

○安全性試験温度・湿度への耐候性や、瞬間的な高電圧（雷などが原因）が発生した際の安全性を確認。

○電磁環境試験国内最大の電波暗室において、パワーコンディショナが発する電磁波の周辺機器への影響や、他の機器が発する電磁波へのパワーコンディショナの耐性（誤動作しない）を確認。

系統連系試験室

環境試験用恒温恒湿室

電磁環境試験用電波暗室

世界的な市場拡大が期待される再生可能エネルギーの導入やスマートグリッドの構築に必要となる大型パワーコンディショナに関し、グローバル認証基盤整備事業（大型パワーコンディショナ）によって、（国）産業技術総合研究所 福島再生可能エネルギー研究所（FREA）に『スマートシステム研究棟』を整備。

スマートシステム研究棟FREA-G（H28年４月開所）

郡山

施設概要・世界最大級（3MW）の分散電源システムの試験設備・各国の電力系統や様々な天候に対応する試験が可能

福島再生可能エネルギー研究所FREA （H26年４月開所）

産総研 FREA スマートシステム研究棟（FREA-G）

システムの開発プロセスを支援するプラットフォーム

6

要求分析引渡試験（オンサイト）

基本設計システム試験

詳細設計

コンポーネント設計

結合試験

コンポーネント試験

メーカインテグレータ

試験ラボ

企画構想設計

詳細設計

手配・製作 評価・検証

開発へのフィードバック

AIST - FREA

スマート分散電源システムの

性能評価プラットフォーム

②多様な分散電源にInteroperabilityを確保

①多様な分散電源の開発・評価

③より高度なシステム全体の試験法の開発

④設計・運用データの整備、DB構築

評価法・場の提供評価データ・認証の提供

スマートな分散電源システムの導入拡大に貢献

特に重視する課題

◆システムの開発プロセス

7

AC 6600V

信頼性試験室

電力系統 AC Grid 66kV

PV インバータPV Inverter

250kW

太陽電池模擬電源PV Simulator No1

550kw

電力貯蔵設備（予定）

1.2MW

系統模擬6600Vバス Grid Simulator Bus

AC 3MVAバス AC Test Bus

外部DC電源バス

太陽電池模擬電源バス

模擬配電線路

LIN

・・・

AC 400V

Power Storage Unit

Sodium-ion Battery

太陽電池模擬電源PV Simulator No6

550kw

Environmental

Reliability

Test Lab

3.0MVA max

EMC

Test Lab (10m)

1.5MVA max

電磁環境試験室

Grid Interconnection

Test Lab No.1

3.0MVA max

系統連系試験室１

Grid Interconnection

Test Lab No.2

1.0MVA max

系統連系試験室２

System Performance

Test Lab

1.0MVA max

システム性能試験室

系統模擬電源Grid Simulator

1.66MVA

系統模擬電源Grid Simulator

1.66MVA

系統模擬電源Grid Simulator

1.66MVA

Multi Output PV Simulator

220kW

太陽電池模擬電源（小型・複数端子出力） Load Bank

(LCR) No1

1MVA

模擬負荷装置Load Bank

(LCR) No2

1MVA

模擬負荷装置Load Bank

(LCR) No3

1MVA

模擬負荷装置

系統6600Vバス Grid Bus

系統模擬400Vバス Grid Simulator Bus

AC 1MVAバス AC Test Bus

AC 1MVAバス AC Test Bus

太陽電池PV Array

250kW

蓄電池模擬用DC電源（持込）

Battery Simulator

蓄電池システム（持込）

Battery System

福島再生可能エネルギー研究所の研究設備（スマートシステム研究棟）

電波暗室Radiowave Darkroom

スマートシステム研究棟 鳥瞰写真 Bird-View of Smart System Research Facility

系統連系試験室（L） Grid Connection Test Lab. L

模擬配電線路Simulation Power Distribution Line

直流電源接続盤DC Power Connecting Board

交流電源接続盤（低圧）AC Power Connecting Board

(Low Voltage)

計測システムSCADA & DAQ

見学窓Viewing Window

系統連系試験室（M） Grid Connection Test Lab. M

直流電源接続盤DC Power Connecting Board

交流電源接続盤（高圧）AC Power Connecting Board

(High Voltage)

計測システムSCADA & DAQ

交流電源接続盤（低圧）AC Power Connecting Board

(Low Voltage)

系統連系試験室（S） Grid Connection Test Lab. S

太陽電池模擬電源（中小容量用）Multi Output PV

Simulator

交流電源接続盤（低圧）AC Power Connecting Board

(Low Voltage) 交流電源接続盤（高圧）AC Power Connecting Board

(High Voltage)

電波暗室 Radio-wave Darkroom

✓ 国内最大の空間：34m（縦）×34m（横）×7.8ｍ（高さ）✓ 搬入口有効開口：3.6m（幅）×3.6m（高さ）✓ 国内最大の電源：ノイズフィルタ付き直流電源（ 100kW）

ノイズフィルタ付き交流電源（ 100kW）ノイズフィルタ無し直流電源（1500kW）ノイズフィルタ無し交流電源（1500kW）

✓ Largest room in Japan : 34m(D) × 34(W) × 7.8m(H)✓ Size of carry-in entrance: 3.6m(W) × 3.6m(H)✓ Power sources : DC power with noise filter (100kW)

AC power with noise filter (100kW)DC power without noise filter (1500kW)AC power without noise filter (1500kW)

環境試験用恒温恒湿室 Environmental Test Lab.

✓ 大空間：5.5m（縦）×12.5m（横）×4.6ｍ（高さ）✓ 温度範囲（−４０〜＋８５℃）✓ 湿度範囲（３０〜９０％RH）✓ 高性能（高速な室内温度変化）✓ 最大電力（３メガワット）✓ 搬入口有効開口：6.5m（幅）×4.1m（高さ）✓ 砂漠地、高温湿潤地、極寒地での使用を想定した温湿度サイクル試験等が可能

✓ Large space : 5.5m (D)×12.5m (W)×4.6ｍ (H)✓ Temperature range (−40 ~ +85oC)✓ Humidity range (30 ~ 90%RH)✓ High performance (High ramp rate)✓ Maximum power (3 megawatt)✓ Size of carry-in entrance: 6.5m (W)×4.1m (H)✓ Variety of temperature and humidity cycle test for desert, tropical or cold area

電力系統模擬電源 Grid Simulator

✓ 大出力（最大５メガワット）✓ 高電圧（４００ボルト／６０００ボルト）✓ 高性能（バックツーバック電源）✓ 世界中の電力システムの周波数、電圧を模擬可能✓ 事故時運転継続（FRT）機能の試験に利用

単機出力：１６７０キロワット合計３台での並列運転が可能

✓ High power (5 megawatt at the maximum)

✓ High voltage (400 volt / 6000 volt)

✓ High performance (back-to-back power sources)

✓ AC power source to simulate frequency and voltage of

electric power systems in the world

✓ Use for Fault Ride Through (FRT) test

Single Unit: 1670 kilowatt

Possible to run 3 units in parallel

太陽電池模擬電源 PV Array Simulator

✓ 大出力（最大３．３メガワット）✓ 高電圧（最大２０００ボルト）✓ 結晶シリコン、薄膜シリコンなどの様々な太陽

電池の発電状態を模擬✓ 日射変動による出力変動の模擬も可能

単機出力：５５０キロワット１０００ボルト

合計６台で直並列回路を構成

✓ High power (3.3 megawatt at the maximum)✓ High voltage (2000 volt at the maximum)✓ DC power source to simulate PV array systems, which is

crystalline silicon, thin film silicon, etc.✓ Possible to simulate time-series of power output

according to the fluctuation of solar irradiance

Single power : 550 kilowatt1000 volt

Configure a series-parallel circuit with 6 units

16

実験用模擬負荷 RLC Load Simulator

✓ 大型（３メガワット）✓ 太陽光発電用パワーコンディショナの単独運転

防止試験等に利用

防音壁sound barrier

実験用模擬負荷RLC Load Simulator

✓ Large scale (3 megawatt)

✓ Use for anti-islanding test for PCSs of Solar

photovoltaic system

CHALLENGES FOR ASIAN

COUNTRIES

17

Network hub for lessons-learned of the grid-

connection of DER in Asian countries• Information gathering through tests and meetings

• International workshop, “How to solve PV grid integration

issues in your countries” was held at FREA in Feb. 2016

– Invited speakers from 8 countries, India, Indonesia, Japan, Malaysia,

Philippine, Singapore, Thailand, and Vietnam

– Audiences from Japanese PV inverter manufactures and etc.

– Sharing information on the grid integration of PV in each country

– Technical tour at New-built FRAG-G

18

Lessons learned: 100 Facts for PV-Hybrid Power SystemsDatabase of lessons learned from thirteen NEDO field tests of PV-Hybrid system for rural

electrification in Asian countries

Test and certification of PV inverters

for Asian countries• Grid connection test to meet grid code in each country

– Fault-Ride-Through (FRT) and anti-islanding test up to 3 MW

– JET provides a test service for Thai grid with PTEC

• New performance test of PV inverters

– Environment (durability) test in various environmental

conditions in Asia

– Energy conversion efficiency of PV inverters under fluctuate

solar irradiance

– EMC test according to IEC 62920 “EMC requirements and test

methods for power conversion”(not yet published)

20

Specification of Environment Chamber

- Controllable Temperature and humidity Range -

21

80

806040200-20-40

100

60

20

40

0

気温 / Air Temperature （℃）

相対湿度/ H

um

idity

（％）

Arctic region (Jan.)

Tokyo, JP (Jan.)

Tokyo, JP (Aug.)

Beijing, CN (Jan.)

Vladivostok, RU (Jan.)

Mumbai, IN(Aug.)

Phoenix, US (Aug.)

高温多湿試験Damp-heat Test

結露凍結試験Humidity Freeze Test

温湿度サイクル試験Temp./Humidity Cyclic Test

冬季Winter

夏季Summer

設定可能な範囲Controllable range

Necessity of dynamic energy efficiency evaluation method

under fluctuate solar irradiance

DC voltage

O1: MPP point

O2: MPP pointPV

genera

tion

pow

er Irradiation 1

Irradiation 2

MPPT control in irradiation change

MPPT control trajectory(for ex., O1→O2’→O2 )Ideal MPPT control

O2

Transient change of solar irradiation makes MPPT control lost or takes time to find MPP.

Example of irradiance

profile (Cloudy)

Proposed test procedure

New procedure for evaluating the energy conversion

efficiency for PV inverters

23

IEC 82/1253/NP (TS) CONTENTS

1. Scope

2. Normative references

3. Terms and definitions

4. Test flow of energy conversion efficiency

evaluation

5. Energy efficiency measurement conditions

6. Static energy conversion efficiency evaluation

7. Dynamic energy conversion efficiency evaluation

8. Weighted energy conversion efficiency calculation

Annex A (informative) Irradiance change analysis

Annex B (informative) Static energy conversion

efficiency test sequence

Annex C (informative) Dynamic energy conversion

efficiency test sequence

Annex D (informative) Weighted energy conversion

efficiency

Dynamic performance testIEC 62891

Static performance testIEC 61683

Irradiance change

analysis

Weighted energy conversion

efficiency calculation

PCS performance test

Compatibility

Compatibility

Sec. 4 & Annex A

Sec. 6 & Annex B

Sec. 7 & Annex C

Sec. 8 & Annex D

Conventional

weighted

factor

EN50530/CEC

Conventional

weighted

factor

EN50530/CEC

利用方法:How to use FREA-G

24

Manufactures

AIST

Test Lab.

Manufactures

AIST

Test Lab.

lease contract

agreement for entrusted test agreement for joint research

試験所向けTo test laboratories

メーカ等向けTo manufactures and others

Certification Body

Certification Body

25

Thank you!

Contact to:

DER Facility Operating Office

Fukushima Renewable Energy Institute, AIST

Phone: +81-24-963-0818

E-mail: frea-info-ml@aist.go.jp