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技術 電力輸送網システム

出願人 三菱電機株式会社
発明者 泉井良夫
出願日 2013年2月15日 (8年8ヶ月経過) 出願番号 2013-028058
公開日 2014年8月28日 (7年1ヶ月経過) 公開番号 2014-158363
状態 特許登録済
技術分野 風車 直流の給配電 交流の給配電
主要キーワード 輸送網 離岸距離 半潜水型 系統制御システム 長距離送電 設備利用率 サブ型 需給アンバランス
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重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2014年8月28日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (6)

課題

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、上の交流系統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。

解決手段

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ることで、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。

概要

背景

1カ所に存在する浮体ユニット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連系することなく、そこから単独で上に送電する。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。

概要

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。 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ることで、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。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項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。

請求項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。

請求項3

地域が異なる洋上にある2つの風力発電システムと、前記風力発電システム間を接続する電力輸送網と、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。

技術分野

0001

洋上風力発電システム電力上に送電する電力輸送網ステムに関するものである。

背景技術

0002

1カ所に存在する浮体ユニット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)。

0003

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。

0004

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)。

0005

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。

0006

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。

0007

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。

先行技術

0008

特開2004−68638
特開2011−32994
実願2008−2333

発明が解決しようとする課題

0009

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。

課題を解決するための手段

0010

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。

発明の効果

0011

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。

図面の簡単な説明

0012

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。

実施例

0013

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。

0014

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。

0015

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。

0016

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。

0017

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。

0018

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。

0019

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。

0020

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。

0021

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。

0022

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。

0023

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。

0024

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。

0025

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。

0026

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。

0027

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。

0028

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。

0029

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。

0030

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。

0031

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。

0032

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。

0033

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。

0034

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。

0035

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。

0036

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。

0037

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。

0038

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不利益を軽減することができる。

0039

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。

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