TW202421919A - 移動體、輸電方法 - Google Patents

Abstract

一種輸電系統中的移動體，在該輸電系統中，將由發電設備發電之電力充電到搭載於移動體之蓄電池，並從由移動體移送之蓄電池向受電設備進行供電。該移動體具備電池控制裝置，該電池控制裝置藉由基於如下電壓值之電力供給對蓄電池進行充電，該電壓值不會成為從發電設備到受電設備之間的直流電力的最大電壓值。

Description

移動體、輸電方法

本發明係有關於一種輸電系統中的移動體及輸電系統的輸電方法。

以往，作為海上風力發電系統，已知有在海底或海裏鋪設輸電電纜，藉由海底的輸電電纜將由海上的發電設備發電之電力輸送到陸地的電力系統之構成。

近年來，關於這種海上風力發電，不僅在距離陸地之離岸距離短的海域，而且在離岸距離超過50km的海域，發電設備的開發亦在增加。離岸距離越長，越要求抑制長距離輸電造成之電力的損耗。因此，海底的輸電電纜通常使用高壓直流電纜。

在下述專利文獻1中揭示了一種使用高壓直流電纜來將風力發電裝置的發電電力進行輸電之系統。

[專利文獻1] 日本特開2018-107980

在使用高壓直流電纜進行直流輸電之情況下，為了抑制輸電損耗，需要在集電站或海上變電站設置高電壓輸出的變壓器進行升壓。 因此，輸電系統內的電氣設備要求應對高電壓的規格。除了昂貴的直流海底輸電電纜外，輸電端和受電端還需要應對高電壓之交流直流轉換裝置及確保高可靠性之直流斷路器。為了應對這些問題，導致輸電系統的構成複雜化以及隨之而來的成本增加。

因此，在本揭示中，提出了一種在輸電系統中能夠促進構成的簡化和成本降低之技術。

本發明之移動體為輸電系統中的移動體，在該輸電系統中，將由發電設備發電之電力充電到搭載於移動體之蓄電池，並從由前述移動體移送之前述蓄電池向受電設備進行供電。該移動體具備電池控制裝置，該電池控制裝置藉由基於如下電壓值之電力供給對前述蓄電池進行充電，該電壓值不會成為從前述發電設備到前述受電設備之間的直流電力的最大電壓值。 亦即，對搭載於移動體之蓄電池之充電電壓為比從發電設備到受電設備之間的電力的最大電壓值低的規定的電壓。 [發明效果]

根據本發明，藉由從基於直流海底電纜之輸電置換為基於搭載有蓄電池之移動體之輸電，可以不需要用於抑制輸電損耗的升壓。又，同時不需要應對高壓的設備。因此，能夠實現輸電系統的構成的大幅簡化和成本的削減。

下面，按照以下順序說明實施方式。 ＜1.實施方式的輸電系統的結構＞ ＜2.比較例的基於高壓直流電纜之輸電系統＞ ＜3.實施方式的輸電系統的電壓推移＞ ＜4.實施方式的效果及變形例＞

＜1.實施方式的輸電系統的結構＞ 圖1示出了實施方式的輸電系統1的概要。圖中，作為輸電系統1的主要構成要素，示出了風力發電設備2、陣列電纜3、海上換流站4、陸上變電站5、電纜6、電力系統7、連接器電纜8和9、電力搬運船10。

風力發電設備2設置在海上。雖然對海域沒有特別限定，但在該輸電系統1之情況下，風力發電設備2亦適合設置在例如離岸距離超過50km的海域中。

例如，風力發電設備2以浮體式結構設置一個或複數個，針對一個或複數個風力發電設備2設置海上換流站4。 由各風力發電設備2發電之交流電力如後述那樣轉換為直流。然後，藉由作為直流電纜的陣列電纜3向海上換流站4輸電。

海上換流站4作為海上變電站發揮功能，該海上變電站具有將由風力發電設備2發電之電力向作為移動體之電力搬運船10供電之設備。

電力搬運船10係搭載蓄電池14之船舶。 海上換流站4具有將連接器電纜8連接到電力搬運船10之設備。藉此，海上換流站4能夠基於由風力發電設備2發電之電力來進行用於向電力搬運船10的蓄電池14充電之供電。

亦即，當電力搬運船10到達海上換流站4的附近時，海上換流站4與電力搬運船10藉由連接器電纜8電連接，從風力發電設備2收集到海上換流站4之電力經由充電用連接器電纜8供給到電力搬運船10。在電力搬運船10中，藉由該電力向蓄電池14進行充電。

結束了蓄電池14的充電之電力搬運船10向作為受電設備之陸上變電站5航行。 陸上變電站5具有將連接器電纜9連接到電力搬運船10之設備。藉此，陸上變電站5能夠接收來自蓄電池14的放電電流。

亦即，當電力搬運船10到達陸上變電站5的附近時，陸上變電站5與電力搬運船10藉由連接器電纜9電連接，直流電力從蓄電池14經由連接器電纜9輸電到陸上變電站5。陸上變電站5將輸電而來之直流電力轉換為交流，並經由電纜6向電力系統7輸電。

這樣，實施方式的輸電系統1藉由具備蓄電池14之電力搬運船10，從海上的風力發電設備2向陸上變電站5進行電能的輸送。亦即，輸電系統1經由蓄電池14的輸送這一階段，執行從海上的風力發電設備2向電力系統7之輸電。 雖然亦取決於電力搬運船10的動力源，但即使例如為以電力為動力源之馬達式電力搬運船10，亦可以在不充電之情況下在海上航行300km至500km左右。因此，從海上的風力發電設備2到陸上變電站5的距離亦可以為300km至500km左右。

圖2示出了與電力搬運船10中的蓄電池14相關之構成要素。 電力搬運船10在此為以電力為動力源之馬達式船。但是，電力搬運船10可以為以化石燃料為動力源之內燃機式船，亦可以為並用馬達和內燃機之混合動力式船。此外，電力搬運船10亦可以為以氫為動力源者。例如，在利用氫作為動力源之情況下，電力搬運船10可以為利用由燃料電池發電之電力來驅動馬達之燃料電池式船，亦可以為藉由使氫在內燃機中燃燒而得到動力之氫發動機式船。

作為與蓄電池14直接相關之構成要素，電力搬運船10具有充放電口11、DC/DC轉換器12、電池控制裝置13。又，蓄電池14由複數個電池單元14a構成。

充放電口11係用於對各電池單元14a進行充電及放電之接口，為了充放電，可裝卸上述連接器電纜8和連接器電纜9。 DC/DC轉換器12接收從充放電口11供電之直流電壓並進行電壓轉換。

電池控制裝置13與各電池單元14a連接，係具備對各電池單元14a進行充電及放電之電路、以及控制充電量、放電量、充電速度、放電速度之控制電路之裝置。 具體地，電池控制裝置13搭載有向各電池單元14a之充放電電路、微處理器、儲存控制程式之記憶體、與外部裝置的通信電路、及用於檢測電池單元14a的充電狀態等之感測器等。

在電力搬運船10與海上換流站4的連接器電纜8連接之情況下，電池控制裝置13基於由DC/DC轉換器12進行了電壓轉換之直流電壓，對電池單元14a進行充電。 又，在電力搬運船10與陸上變電站5的連接器電纜9連接之情況下，電池控制裝置13進行來自電池單元14a的放電控制。被放電之直流電壓由DC/DC轉換器12進行電壓轉換，並將其從連接器電纜9向陸上變電站5送出。

另外，以上的充放電口11、DC/DC轉換器12、電池控制裝置13及蓄電池14的部分亦可以設置在相對於船體可裝卸的集裝箱內。藉此，例如能夠將集裝箱從船體卸下，移送到海上換流站4，對蓄電池14進行充電。又，例如能夠將集裝箱從船體卸下，移送到陸上變電站5，進行來自蓄電池14的放電(向陸上變電站5的輸電)。

電力搬運船10具有與例如以電力為動力源之馬達式的一般船舶相同的結構。亦即，電力搬運船10具備驅動用電池17、逆變器15、馬達16等。 驅動用電池17保持作為電力搬運船10或內部設備的動力源而消耗之電力。

逆變器15控制或轉換從驅動用電池17輸出之電力，並將其供給至馬達16。 馬達16將從逆變器15接收到之電力轉換為動力。例如，馬達16藉由未示出的軸使螺旋槳旋轉，藉此得到電力搬運船10的推進力。

這樣，由於電力搬運船10具有別於存儲輸送用電力之蓄電池14之驅動用電池17，因此能夠不消耗蓄電池14(電池單元14a)內的電力而航行。 但是，在圖示例中，驅動用電池17經由電池控制裝置13與電池單元14a電連接。因此，在緊急情況下等，能夠將電池單元14a內的電力供給到驅動用電池17。亦即，電力搬運船10亦能夠將電池單元14a內的電力作為動力源來進行航行。

＜2.比較例的基於高壓直流電纜之輸電系統＞ 如上所述，本實施方式的輸電系統1係經由電力搬運船10進行輸電者，但在說明輸電系統1中的電壓推移之前，為了比較，先對基於高壓直流電纜之輸電系統201進行說明。

圖3示出了基於高壓直流電纜之輸電系統201的電壓轉換之結構以及電壓位準的推移。

該輸電系統201將由海上的風力發電設備202發電之電力收集到海上交流集電站204，進而在海上交流直流轉換站206進一步升壓後轉換為直流。然後，藉由高壓直流海底電纜207將電力進行輸電。 輸電電力從登陸點208輸送到陸上變電站209，然後向電力系統7輸電。

在該輸電系統201中，在風力發電設備202中，由發電機221取出300V左右的交流電力。然後，由AC/DC轉換器222轉換為直流。進而，由DC/AC轉換器223轉換為交流後，由變壓器224升壓至3kV左右，送出到作為交流電纜之陣列電纜203。

在該風力發電設備202中，由AC/DC轉換器222及DC/AC轉換器223暫時轉換為直流，再度轉換為交流是為了風車的可變速運轉(輸出調整)。在輸電系統201之情況下，從發電機221到電力系統7始終處於連接狀態。因此，需要根據電力系統7側的電力需求及其他狀況來進行輸出調整，而該調整係藉由直流階段的控制來進行的。 又，變壓器224是為了得到由於陣列電纜3之輸電而升壓之交流而設置的。又，變壓器224之升壓亦意味著與後段的變壓器241、261一起，在到達高壓直流海底電纜207之前階段性地進行升壓。

由陣列電纜203輸送到海上交流集電站204之交流電力藉由變壓器241進一步升壓到200kV左右，藉由電纜205輸電到海上交流直流轉換站206。 在海上交流直流轉換站206中，由變壓器261升壓到500kV以上後，由AC/DC轉換器262轉換為直流，並藉由高壓直流海底電纜207進行輸電。

在陸上變電站209中，由高壓直流海底電纜207送過來之直流電力由DC/AC轉換器291轉換為交流，並由變壓器292降壓至例如66kV。該66kV的交流電力被送出到電力系統7。

在這樣的輸電系統201中，在輸電過程中如圖的下部所示，電壓位準推移。特別是在高壓直流海底電纜207的輸電階段中，為500kV以上的極高的電壓。之所以設為高電壓，特別是為了抑制基於電纜之長距離輸電時的損耗。但是，為了該高電壓化，要求多階段的變壓器結構、高耐壓的裝置、部件、電纜結構等。

又，如上所述，在風力發電設備202中，為了在向陣列電纜203送出之前使用AC/DC轉換器222及DC/AC轉換器223來暫時轉換為直流，並再度轉換為交流而進行輸出調整，結構變得複雜化。

＜3.實施方式的輸電系統的電壓推移＞ 基於上述情況，對本實施方式的輸電系統1的電壓推移進行說明。 圖4示出了與使用電力搬運船10之輸電系統1的電壓轉換有關之結構以及電壓位準的推移。另外，在圖4下部的電壓位準的推移中，實線為輸電系統1的電壓推移，為了比較，用虛線表示了圖3的輸電系統201的電壓推移。另外，以下說明中列舉之電壓值為說明上的一例。

在實施方式的輸電系統1中，在風力發電設備2中，由發電機21獲得其額定電壓以下(例如，300V至6600V左右)的交流電力，由AC/DC轉換器22藉由直流取出。 又，由DC/DC轉換器23轉換為10kV左右的直流，送出到構成為直流電纜之陣列電纜3。該DC/DC轉換器23是為了減少由作為海底電纜之陣列電纜3進行輸電時的輸電損耗而使電壓位準上升一定程度之目的而設定的。

這樣，在風力發電設備2中，在由AC/DC轉換器22轉換為直流後，在保持直流之狀態下，僅進行與陣列電纜3之傳輸相匹配之升壓，將電力送出到設備外。 又，在輸電系統1之情況下，風力發電設備2與電力系統7沒有連接，因此無需根據電力系統7側的狀況來進行輸出調整。

另外，在本揭示中所說之風力發電設備2係指從發電機21向海上換流站4輸電之陣列電纜3之前的結構。陣列電纜3之後為風力發電設備2的設備外。 又，在圖中示出了三個風力發電設備2，但三個只是說明上的一例。在圖中示出了一個風力發電設備2的AC/DC轉換器22、DC/DC轉換器23，但其他風力發電設備2亦為同樣的結構。

藉由陣列電纜3輸送到海上換流站4之直流電力被DC/DC轉換器41降壓至1.5kV左右。而且，基於降壓後之電壓，充電電流從未圖示的充電電路流向蓄電池42，進行充電。該蓄電池42是用於在電力搬運船10未到達海上換流站4的期間對由風力發電設備2發電之電力進行蓄電者。

當電力搬運船10到達海上換流站4並且連接器電纜8被連接時，進行來自蓄電池42的電力送出(放電)。此時，電力送出時的直流電壓藉由DC/DC轉換器43轉換為根據連接器電纜8的額定電壓或電纜傳輸效率等而設定之電壓，例如10kV左右。這亦是為了減少由連接器電纜8引起之輸電損耗的升壓。

在電力搬運船10中，連接器電纜8與充放電口11連接，從連接器電纜8接收之電力的電壓藉由DC/DC轉換器12降壓至例如1.5kV左右。而且，基於降壓後之電壓，充電電流藉由電池控制裝置13內的充電電路流向蓄電池14(電池單元14a)並進行充電。

充電後，電力搬運船10朝向陸上變電站209航行。當電力搬運船10到達陸上變電站209時，連接器電纜9被連接，進行來自蓄電池14的電力送出(放電)。此時，電力送出時的直流電壓藉由DC/DC轉換器12轉換為根據連接器電纜9的額定電壓或電纜傳輸效率等而設定之電壓，例如10kV左右。

在陸上變電站5中，由連接器電纜9送過來之直流電力藉由DC/AC轉換器51轉換為交流，並由變壓器52升壓至例如66kV。該66kV的交流電力被送出到電力系統7。

在這樣的輸電系統1中，輸電電力在輸電過程中如圖下部所示以低電壓位準推移，特別是在高壓直流海底電纜207和蓄電池14階段進行比較時，如電壓差VD所示存在大幅度的電壓差。因此，在輸電系統1之情況下，與輸電系統201相比，不需要多階段的變壓器結構、高耐壓的裝置、部件、電纜結構等。

又，考慮到輸電效率，期望電力搬運船10能夠在一次航行中儘可能地搬運大容量電力。另一方面，鑑於用於在電力搬運船10上的蓄電池14或電池控制裝置13的周邊的電力的充放電系統之電纜的處理，期望使用更少、更小型的電纜。考慮到這些情況，經由DC/DC轉換器12設為1.5kV左右是合適的。

＜4.實施方式的效果及變形例＞ 根據以上的實施方式的輸電系統1可以得到如下效果。

作為輸電系統1中的移動體之電力搬運船10係具備電池控制裝置13，該電池控制裝置13藉由基於如下電壓值之電力供給對蓄電池14進行充電，該電壓值不會成為從風力發電設備2到作為受電設備之陸上變電站209之間的直流電力的最大電壓值。亦即，對搭載於電力搬運船10之蓄電池14之充電電壓為比從風力發電設備2到陸上變電站209之間的電力的最大電壓值低的規定的電壓。例如在圖4的例子之情況下，蓄電池14的充放電階段的電壓比藉由陣列電纜3或連接器電纜8、9進行傳輸時的電壓低。 亦即，在輸電系統1中，系統設計為，從比較例的輸電系統201那樣的基於高壓直流海底電纜207之輸電置換為基於電力搬運船10之輸電，並且充電時的電壓不會成為最大電壓值。由於不需要用於抑制高壓直流海底電纜207中的輸電損耗的升壓，因此可以進行這樣的設計。藉此，在電力搬運船10的蓄電池14的周邊不需要應對高壓之設備。 因此，在輸電系統1中，能夠實現結構的簡化和成本的削減。

又，電力搬運船10具備DC/DC轉換器12作為轉換部，該轉換部接收由風力發電設備2發電並轉換為第1直流電壓(例如10kV左右的電壓)之電力的供給，並轉換為比第1直流電壓低的電壓值亦即第2直流電壓(例如1.5kV左右的電壓)。而且，電池控制裝置13藉由以第2直流電壓進行的電力供給來對蓄電池14進行充電。 亦即，在電力搬運船10中構成為，轉換為比從作為中繼設備之海上換流站4供給之直流電壓低的電壓並對蓄電池14進行充電。藉此，至少以比基於連接器電纜8之傳輸時的電壓低的電壓來對蓄電池14進行充電。 由於蓄電池14之蓄電不需要高壓，因此不需要像使用比較例的高壓直流海底電纜207之輸電系統201那樣在系統內大幅地進行升壓。亦即，在長距離間輸電時，不需要用於輸電介質的高電壓化。藉此，能夠消除對應對高壓之設備或電纜等的需求，並且能夠促進系統整體結構的效率化、成本的降低。

在實施方式中，舉出了由作為電力搬運船10示出之船舶構成輸電系統1之例子。藉此，不僅適用於陸地或沿岸部，還適用於在比陸地更遠的海上進行發電之情況。 例如，能夠構築一種輸電系統，該輸電系統實現上述結構的效率化，同時享受諸如不需要長距離的直流海底電纜、或能夠消除發電引起之噪聲等問題的優點。

另外，作為能夠適用於本揭示的發明之輸電系統之移動體，不限於船舶，亦可以設想搭載有蓄電池之車輛、飛機等。

在實施方式中，設為將本揭示的輸電系統1適用於海上的風力發電設備2之例子。藉此，不僅適用於陸地或沿岸部，還適用於在離岸距離長的海上進行發電之情況。藉此，能夠構築一種輸電系統，該輸電系統實現上述結構的效率化，同時享受海上的穩定的風帶來之發電效率提高的效果。

另外，作為本揭示的發明之發電設備，不限於風力發電設備，亦可以設想太陽能發電設備、潮力發電設備、地熱發電設備、水力發電設備、生物質發電設備等。 又，作為本揭示的發明之發電設備，不限於海上的設備，亦可以為陸地的設備。例如，亦可以為陸地發電設備和陸地受電設備之間的輸電系統。又，在海上發電設備和海上受電設備之間的輸電系統中亦可以適用本揭示的發明。

作為實施方式的輸電系統1中的發電設備之風力發電設備2構成為，具備發電機21及將由發電機21發電之交流電力轉換為直流電力之交流直流轉換器(AC/DC轉換器22)，並且藉由陣列電纜3將直流電力送出到設備外。亦即，對於以向電力搬運船10的蓄電池14充電為目的而送出之發電電力，如果從交流轉換為直流，則不直接恢復為交流，而是以直流送出到發電設備外。 輸電系統1之情況下，風力發電設備2並不總是經由電力搬運船10與電力系統7連接，因此，不需要在風力發電設備2側進行輸出調整。這意味著在風力發電設備2內，不需要將發電電力轉換為直流進行輸出調整，然後再度返回交流並輸出到設備外。 此外，在輸電系統1之情況下，陣列電纜3以直流方式進行輸電。藉由將電力搬運船10組裝到基於海上風力發電之輸電系統1中，能夠採用來自海上的風力發電設備2的直流取出方式，將交流轉換為直流之電力直接送出或進行必要的電壓轉換後送出即可。因此，在風力發電設備2中，不需要比較例的風力發電設備202中的DC/AC轉換器223或變壓器224等。又，藉由使用作為直流電纜之陣列電纜3來代替作為交流電纜之陣列電纜203，從三芯電纜置換為二芯電纜。藉此，能夠大幅降低陣列電纜3所需之成本。 藉此，能夠簡化發電設備的結構，例如能夠降低風力發電設備2的設置成本、驅動成本。

又，陣列電纜3設為到作為中繼設備之海上換流站4的直流輸電線路，該海上換流站4向電力搬運船10進行供電。而且，陣列電纜3構成為直流電纜，將直流電力傳輸到位於比較近的位置之海上換流站4。藉由設置作為中繼設備之海上換流站4，無需在風力發電設備2自身設置與電力搬運船10的連接機構。因此，能夠促進設置多個之風力發電設備2的結構的簡化。

又，在向陣列電纜3送出電力時，藉由利用直流電壓轉換器(DC/DC轉換器23)轉換為適當的電壓值，能夠向海上換流站4進行損耗小的輸電。 另外，在圖4中，作為直流電壓轉換器，例示了使用DC/DC轉換器23之例子，但亦可以使用變壓器來代替DC/DC轉換器23。特別是在風力發電設備2的電力送出階段要求絕緣性之情況下，使用變壓器來進行必要的電壓轉換為較佳。

1:輸電系統 2:風力發電設備 3:陣列電纜 4:海上換流站 5:陸上變電站 6:電纜 7:電力系統 8,9:連接器電纜 10:電力搬運船 11:充放電口 12,23,41,43:DC/DC轉換器 13:電池控制裝置 14:蓄電池 14a:電池單元 21:發電機 22:AC/DC轉換器 42:蓄電池 51:DC/AC轉換器 52:變壓器

[圖1]係本發明的實施方式的輸電系統之說明圖。 [圖2]係對實施方式的電力搬運船的蓄電池之充放電結構之說明圖。 [圖3]係作為比較例的基於高壓直流電纜之輸電系統之說明圖。 [圖4]係實施方式的輸電系統的電壓位準的推移之說明圖。

1:輸電系統

2:風力發電設備

3:陣列電纜

4:海上換流站

5:陸上變電站

6:電纜

7:電力系統

8:連接器電纜

9:連接器電纜

10:電力搬運船

12:DC/DC轉換器

14:蓄電池

21:發電機

22:AC/DC轉換器

23:DC/DC轉換器

41:DC/DC轉換器

42:蓄電池

43:DC/DC轉換器

51:DC/AC轉換器

52:變壓器

AC:交流

DC:直流

VD:電壓差

Claims (6)

1. 一種輸電系統中的移動體，在該輸電系統中，將由發電設備發電之電力充電到搭載於移動體之蓄電池，並從由前述移動體移送之前述蓄電池向受電設備進行供電，其中， 該移動體具備電池控制裝置，該電池控制裝置藉由基於如下電壓值之電力供給對前述蓄電池進行充電，該電壓值不會成為從前述發電設備到前述受電設備之間的直流電力的最大電壓值。
2. 如請求項1所述之移動體，其係具備轉換部，該轉換部接收由前述發電設備發電並轉換為第1直流電壓之電力的供給，並將其轉換為比前述第1直流電壓低的電壓值亦即第2直流電壓， 前述電池控制裝置藉由以前述第2直流電壓進行的電力供給來對前述蓄電池進行充電。
3. 如請求項2所述之移動體，其中 前述第1直流電壓係在從能夠將來自前述發電設備的電力蓄電的中繼設備藉由電纜進行供電之情況下，用於在前述中繼設備中向前述電纜送出電力而轉換之電壓值。
4. 如請求項1至請求項3之任一項所述之移動體，其中 前述移動體為船舶。
5. 如請求項1至請求項3之任一項所述之移動體，其中 前述發電設備為設置在海上之風力發電設備。
6. 一種輸電系統的輸電方法，在該輸電系統中，將由發電設備發電之電力充電到搭載於移動體之蓄電池，並從由前述移動體移送之前述蓄電池向受電設備進行供電，其中， 藉由基於如下電壓值之電力供給對前述蓄電池進行充電，該電壓值不會成為從前述發電設備到前述受電設備之間的直流電力的最大電壓值。

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