インバーターとは？

Mar 21, 2025

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インバーターは、ソーラーシステムで最も重要な装置のひとつである。ソーラーパネルで発電された直流（DC）を、送電網で使用される交流（AC）に変換する装置である。直流では、電流は一定の電圧で一方向に流れます。交流では、電圧がプラスからマイナスに変化すると、電流は回路内で両方向に流れる。インバーターは、電力の流れを調整するパワーエレクトロニクス機器の一種に過ぎない。

基本的に、インバーターは直流入力の方向を非常に速く前後に切り替えることによって、直流を交流に変換する。フィルターやその他の電子機器を使用して、きれいな正弦波の形で変化する電圧を生成し、送電網に注入することができる。正弦波とは、時間の経過とともに変化する電圧の形やパターンのことで、特定の周波数と電圧で動作するように設計された電気機器を損傷することなく、送電網が使用できる電力のパターンである。

最初のインバーターは19世紀に作られ、機械的なものだった。回転するモーターを使って、直流電源の順方向または逆方向の接続を連続的に変えることができた。今日では、可動部のないソリッドステート・デバイスであるトランジスタを使って電気スイッチを作っている。トランジスタは、シリコンやガリウムヒ素などの半導体材料でできている。外部からの電気信号に基づいて電気の流れを制御する。

もしホームソーラーシステムインバーターには、おそらくいくつかの機能がある。太陽エネルギーを交流電力に変換するだけでなく、システムを監視し、コンピュータネットワークとの通信ポータルを提供することができます。ソーラー＋バッテリー蓄電システムは、停電時に送電網のサポートなしで作動する高度なインバーターに依存している（そのように設計されている場合）。

インバータ・ベースのグリッドに向けて

歴史的に、電気は主に燃料を燃やして蒸気を発生させ、その蒸気がタービン発電機を回転させることで生産されてきた。発電機が回転すると交流電力が発生し、周波数、つまり正弦波の繰り返し回数も決まる。電力供給の周波数は、送電網の健全性を示す重要な指標である。例えば、負荷が大きすぎる（エネルギーを消費する機器が多すぎる）場合、送電網から供給されるよりも早くエネルギーが消費されていることになる。その結果、タービンの回転速度が低下し、交流電力の周波数が低下する。タービンは大きな回転体であるため、すべての物体が動きの変化に抵抗するように、周波数の変化にも抵抗します。

送電網に接続される太陽光発電システムが増えるにつれ、送電網に接続されるインバーターも以前より増えている。インバーター発電はあらゆる周波数でエネルギーを生産でき、タービンを使用しないため、蒸気発電のような慣性特性もない。そのため、より多くのインバータを備えた送電網への移行には、周波数変化や送電網運用中に発生するその他の混乱に対応し、これらの混乱から送電網を安定化させることができる、よりスマートなインバータを構築する必要がある。

グリッド・サービスとインバーター

系統運用者は、さまざまな系統サービスを提供することで、電力系統における電力の需給を管理している。系統サービスは、系統全体のバランスを維持し、送電をよりよく管理するために系統運用者が行う活動である。

電圧や周波数が逸脱するなど、送電網が期待通りに作動しなくなった場合、スマート・インバータはさまざまな方法で対応することができる。一般的に、家庭用太陽光発電システムに接続されているような小型インバーターの標準は、電圧や周波数に小さな中断がある場合、オン状態を維持するか、中断を「乗り切る」ことであり、中断が長時間続いたり、通常より大きい場合は、自動的にグリッドから切り離され、シャットダウンされます。周波数応答が特に重要なのは、周波数低下が予期せぬオフライン発電に関連するからである。周波数の変化に対応して、インバータは標準的な周波数を回復するように出力を変更するように構成されている。インバータベースの資源はまた、電力系統の他の需給が変動すると、オペレーターの信号に応答して出力を変更することがある。系統サービスを提供するためには、インバータが制御できる電源が必要である。これは、現在発電しているソーラーパネルのような発電であったり、以前に貯蔵した電力を供給するために使用できるバッテリーシステムのような貯蔵であったりする。

先進的なインバーターが提供できるもう一つの系統サービスは、系統形成である。グリッド形成インバーターは、グリッド障害が発生したときにグリッドを始動させることができる（ブラックスタートと呼ばれるプロセス）。従来の「グリッド追従型」インバーターは、グリッドに注入できる正弦波を生成するために、いつ切り替えるかを決定するためにグリッドからの外部信号を必要とする。これらのシステムでは、グリッドからの電力がインバータが一致させようとする信号を提供する。より高度なグリッド形成インバーターは、自ら信号を生成することができる。例えば、小規模なソーラーパネル・ネットワークでは、インバータの1つをグリッド形成モードで動作するように指定すると、残りのインバータが踊るパートナーのようにそのインバータに追従し、タービンを使った発電がなくても安定したグリッドが形成される。

無効電力は、インバータが提供できる最も重要な送電網サービスの1つです。送電網では、電圧（電荷を押し出す力）と電流（電荷の動き）が常に入れ替わります。電圧と電流が同期しているとき、電気エネルギーは最大になります。しかし、モーターが動いているときなど、電圧と電流の2つのモードが交互に切り替わる間に遅れが生じることがある。両者が同期していないと、回路を流れる電力の一部が接続された機器に吸収されず、効率損失が生じる。同じ量の「実」電力（負荷が吸収できる電力）を生み出すには、より多くの総電力が必要となる。これに対抗するため、電力会社は無効電力を供給して電圧と電流を同期させ、電気を消費しやすくする。この無効電力自体は使用されず、むしろ他の電力を利用できるようにする。最新のインバーターは、無効電力を供給することも吸収することもでき、グリッドがこの重要なリソースのバランスを取るのを助ける。また、無効電力は長距離送電が難しいため、屋根上太陽光発電のような分散型エネルギー資源は特に有用な無効電力源となる。