JP5853969B2 - 電力輸送網システム - Google Patents

Description

洋上風力発電システムの電力を陸上に送電する電力輸送網システムに関するものである。

１カ所に存在する浮体ユニットに装備された水車を用いて海流の力を利用して発電して、他の地理的に離れた浮体ユニットと送電網で連系することなく、そこから単独で陸上に送電する。海流はあまり変化しないため、１カ所に存在する浮体ユニットに装備された水車だけを用いて発電しても、その発電量が、風力のようにあまり変化しないため、その発電力を１カ所のみで陸上の交流送電網に連系しても、連系線の潮流があまり変化しないため、電力系統の安定性などの課題が生じない（例えば、特許文献１、特許文献２）。

これらでは、海流発電に該当するものであるが、いずれも、ある特定地域で発電してその電力を陸上に送電している。例えば、特許文献１の例だと、１カ所の存在する浮体ユニットに装備された水車によって発電して、そこから、（他の地理的に離れた浮体ユニットと送電網で連系することなく）、単独で陸上に送電している。

洋上風力発電システムの電力を陸上に送電するためには、単体の洋上風力発電システム、または地理的に近接するウインドファームから交流、若しくは直流にてポイントツーポイントで送電されていた（例えば、特許文献３）。

海洋に設置された風力発電等の再生可能エネルギー発電電力は、風力発電を例として示すと、複数の風力発電機をウンドファームとして、ある限定された地域に集中設置し、それらの電力を個別あるいはウインドファームとして、交流あるいは直流にて陸上に送電していた。

海流はその流れが大幅に変動することが少なく、結果として発電量が大幅に変動することが少ない。このため、１カ所から陸上に送電しても、その送電量があまり変化しない。このため、送電量がほぼ一定なので、陸上の交流の電力システムに与える悪影響（需給のアンバランス）がすくないと考えられる。すなわち、地理的に離れた浮体ユニット等を連系して、発電力全体を平滑化する必要があまりない。

これに対して、風力発電は風によって発電されるため、地域によって風況（風の強さ）が時間的に異なるので、ある地域に設置された風力発電（あるいはウンドファーム）には風が強くふいて発電量が多くなる、逆に別の地域に設置された風力発電（あるいはウンドファーム）では風が弱いため発電量が少ないなど、個別の風力発電（あるいはウンドファーム）単位でみると発電量の変動量が大きくなる。

特開２００４−６８６３８ 特開２０１１−３２９９４ 実願２００８−２３３３

洋上風力発電は風の強弱に応じて発電電力が大幅に変動するため、これを直接、陸上の交流系統に連系すると電力系統の安定性の問題が生じて、大規模な洋上風力発電の発電電力を送電することができないという問題があった。

この発明に係る電力輸送網システムは、洋上にある複数の風力発電システムと、陸地を取り囲むように風力発電システム間を接続する環状の電力輸送網と、洋上から陸地への送電線と、電力輸送網および送電線による送電を制御する制御システムとを備えたものである。

この発明によれば、洋上にある複数の風力発電システムと、陸地を取り囲むように風力発電システム間を接続する環状の電力輸送網と、洋上から陸地への送電線と、電力輸送網および送電線による送電を制御する制御システムとを備えたので、風力発電による発電の変動量が平滑化されて、変動量が低減でき、大規模な洋上風力発電の発電電力を陸上に送電することができる。

本発明の実施の形態１を説明するための概念図である。 本発明の実施の形態１の海洋電力輸送網による電力輸送網全体を示す概念図である。 本発明の実施の形態１の変形である電力輸送網全体を示す概念図である。 本発明の実施の形態１の直流送電を説明する概念図である。 本発明の実施の形態１の交流送電を説明する概念図である。

実施の形態１．
図１は日本における現状の電力輸送網全体を示す概念図である。東日本は５０Ｈｚ、西日本は６０Ｈｚの交流で、その境界では新信濃周波数変換所、佐久間周波数変換所が稼働している。海上（洋上）にある現状の風力発電システムの風力発電１０が陸上の電力輸送網に接続されていることを示している。

なお、以下の説明では、単に風力発電と表記したときでも、単体の風力発電機を含めて、ウインドファームと呼ばれる風力発電機群も指しており、一つの風力発電システムのことである。

風力発電は、風の強さが、地域によって、また、時々刻々変化するものである。さらに、電力システムは時々刻々、需給制御システムにて需要と供給のバランスを維持するように制御する必要があり、風力発電にての発電量の変動が多いと、需給制御が困難になる。 また、日本においては、各電力会社間の連系線の容量が必ずしも十分でなく、特に西日本と東日本で周波数が６０Ｈｚ／５０Ｈｚと異なっているため、ある電力会社にて発電電力量に余裕があっても、電力供給が厳しい電力会社に十二分に電力を融通することが必ずしもできず、日本全体での電力融通が十分に行なえていない。

このため、特定箇所（極端な場合、１カ所）に存在する風力発電のみから、陸上に送電すると、その送電量が大幅に変化するため、陸上の交流の電力システムに与える悪影響（需給のアンバランス）が大きい。需給アンバランスだけでなく、該当する送電線の電力潮流が大幅に変動するため、それに比例して電圧も変動するなど、様々な弊害（交流の電力系統システムの安定性に係る困難。ひどい場合は停電する）が発生する。

図２は海洋電力輸送網による電力輸送網全体３を示す概念図である。ここでは、海洋の電力輸送網１２を用いて、風力発電１０，１１をすべて連系している。なお、風力発電１０は既設の発電システムを意味し、風力発電１１は新設の発電システムを意味するだけで、実質において両者に差異はない。ここでは、特に風力発電１０，１１が、電力輸送網１２を介することで、陸地を取り囲むように環状に接続されることになる。この例では、日本列島ほぼ全体を海洋における電力輸送網１２によって囲まれることになる。

風力発電システム間の接続とは、ウインドファームにおける風力発電機間の接続のことではなく、地域が異なる洋上にある２つの風力発電システム間の接続のことである。

海洋に設置された風力発電１０，１１を相互に連系する電力輸送網システムになっている。このシステムは、複数の風力発電１０，１１、海洋における電力輸送網１２、海洋から陸上への送電線、風力発電の発電電圧あるいは送電線の電圧を変換（昇圧／降圧）する変電所、電力輸送網ならびに海洋から陸上への送電量を制御する制御システム、事故時にシステムを保護する保護システム（遮断器等）から構成される。また、各電力輸送網１２や送電線等は、事故時に備えて２重化しておくと良い。さらに、変電所は直流の場合は交流直流変換装置や、直流・直流変換装置で構成されることになる。

海洋での連系としては、個別の風力発電１０，１１をすべて環状に連系する方法の変形として、陸上にて連系の弱い部分を補強するように個別の風力発電１０，１１のいくつかを連系する方法がある。

図３は、実施の形態１の変形である電力輸送網全体２を示す概念図である。より具体的には、既存の風力発電１０と既存の風力発電１０とを電力輸送網１２で接続する場合、既存の風力発電１０と新設の風力発電１１とを電力輸送網１２で接続する場合、新設の風力発電１１と新設の風力発電１１とを電力輸送網１２で接続する場合、それらの複合の場合がある。

地域が異なる洋上にある２つの風力発電システムと、風力発電システム間を接続する電力輸送網と、洋上から陸地への送電線と、電力輸送網および送電線による送電を制御する制御システムとを備えることになる。

特に、日本では、各電力会社間、または５０Ｈｚ／６０Ｈｚの間の電力融通能力が大きくないため、風力発電１０，１１間を電力輸送網１２で接続することは、電力融通能力を拡大することになる。

また、連系方法としては、すべての電力網を直流で連系し陸上への送電網も直流で送電（陸上げ）し、陸上で直流から交流に変換して、陸上の既存の交流網に接続する方法、環状の場合は、環状の電力網を直流として、洋上に設置された変電所にて直流を交流に変換して交流で陸上へ送電する方法、電力網の一部を交流あるいは直流の混在とする方法がある。

図４は直流送電を説明する概念図であり、直流送電の方法の一例である。風力発電機１７は海底ケーブル２５を介して交流で洋上変圧施設２２に接続される。洋上変圧施設２２から海底ケーブル２７を介して電気的損失が低いＨＶＤＣ（high-voltage, direct current）技術による洋上高圧直流施設２６に接続される。洋上高圧直流施設２６から直流で海底ケーブル２９を介してＨＶＤＣ技術による陸上高圧直流施設２８に接続されて送電網３１で送電される。

特に、電力輸送網に直流網を適用することで、長距離送電による送電損失の低減を図るとともに、電力系統としての安定性問題を回避することができるというメリットがある。

一方、図５は交流送電を説明する概念図であり、交流送電の方法の一例である。風力発電機１７は海底ケーブル２１を介して交流の洋上変圧施設２２に接続され、さらに海底ケーブル２３を介して交流の陸上変圧施設に接続されて送電網３０で送電される。

また、洋上の風力発電機１７は、大きく２つの方式、水深５０ｍ以内の着床式と、水深５０ｍから２００ｍの浮体式とに大別できる。着床式としては、重力式、モノポール式、ジャケット式、トライポッド式等があり、浮体式としては、ＴＬＰ型（Ｔｅｎｓｉｏｎ Ｌｅｇ Ｐｌａｔｆｏｒｍ）、スパー型（円筒型）、セミサブ型（半潜水型）、セイリング型（非係留型）等がある。

さらに、洋上の風力発電機１７の設置条件としては、現在の交流技術で送電可能な離岸距離３０ｋｍ以内、発電コストの要求から年平均風速７.５ｍ以上、水深２００ｍ以内、発電密度は１０ｍＷ／１ｋｍ²（１ｋｍ四方で風車が４から５本）、風力発電の設備利用率は３０％等が考えられる。

風力発電１０，１１システム間を接続することで環状にすることを考えると、風力発電機１７は着床式より浮体式の方がより望ましい。

海洋で発電された電力は最終的に陸上に送電されて消費されるが、陸上への送電点（陸上点）が複数有る場合は、どの陸上点にどれだけ送電するかを時々刻々決定して、環状の電力網での電力の流れを制御する必要がある。風計測ライダーなどの技術を適用することで、各々の風力発電１０，１１にての発電量をある程度予測推定することができる。

これにより、各地点の風力発電１０，１１の発電力を予測し、同時に陸上での各電力会社の交流送電網の電力の過不足やその流れ方を総合的に勘案して、制御システムにて海洋の電力網の電力の流れを制御して、陸上へ適切な電力量を送電する。

制御方法としては、海洋での電力網や陸上への送電の送電容量上下限、送電線の電圧上下限、事故時の送電停止を見込んだ尤度上下限等の制約条件を満足して、送電損失を最小化して、陸上での各電力会社（あるいは陸上での各地域）の電力の過不足を最小化する最適化問題として時々刻々制御する方法がある。

さらに、事故時においては、風力発電１０，１１の事故の場合は、電流や電圧の異常等により事故箇所を瞬時に検知して、遮断器により瞬時に切り離す。また、電力輸送網の事故の場合は、電流や電圧の異常等により事故を瞬時に検知して、最小限の該当部分を遮断器により切り離す。さらに、電力輸送網が２重化されている場合は、制御システムにより、電力の流れを変更して健全部分にバイパスするなどの制御をおこなう。なお、遮断器は直流遮断器、あるいは交流遮断器により構成されている。

以上のように、洋上にある複数の風力発電システムと、陸地を取り囲むように風力発電システム間を接続する環状の電力輸送網と、洋上から陸地への送電線と、電力輸送網および送電線による送電を制御する制御システムとを備えている。

これにより、日本列島全域にわたる風力発電の発電量がすべて加算されるため、平滑化効果により、風況による風力発電の変動量が低減される。風力発電の発電量を、環状の電力網を介して、複数の陸上点から、上手に陸上に送電することにより（直流の送電損失を低減しつつ、各電力会社の電力の過不足を補うように送電することにより）、需給バランスなど、陸上も含めた電力系統の安定性を保ちつつ、足りないところに電力を送電することができる。

個別の発電設備を海洋でネットワーク化して接続しており、複数の洋上風力発電設備、日本列島を環状にとりまく直流（または交流の）電力網、交直変換器・遮断器・保護システム、電力網の電力の流れを制御する系統制御システムだからである。

また、複数の洋上風力発電設備をすべて環状直流網に接続したので、風力発電における発電の変動量が平滑化（なさられて）されて、変動量が低減できる。このため、大規模な風力発電電力量を陸上の交流網に送電することが可能となる。また、日本では、各電力会社間、または、５０Ｈｚ／６０Ｈｚの間の電力融通能力が大きくないが、環状直流網を使うことによって、より広域で電力融通能力を拡大することができる。これにより、各電力会社（あるいは各地域）での電力供給量力のバランスをとることができ、節電あるいはピークカット等による社会的な不利益を軽減することができる。

１，２，３ 電力輸送網全体、１０，１１ 風力発電、１２ 電力輸送網、１７ 風力発電機、２１，２３，２５，２７，２９ 海底ケーブル、２２ 洋上変圧施設、２４ 陸上変圧施設、２６ 洋上高圧直流施設、２８ 陸上高圧直流施設、３０，３１ 送電網。

Claims (2)

1. 洋上にある複数の風力発電システムと、
   陸地を取り囲むように前記風力発電システム間を接続する環状の電力輸送網と、
   前記洋上から前記陸地への送電線と、
   前記電力輸送網および前記送電線による送電を制御する制御システムとを備えたことを特徴とする電力輸送網システム。
2. 環状の電力輸送網は、直流送電としたことを特徴とする請求項１に記載の電力輸送網システム。

Images