[連載]

欧州の風力発電最前線

─第2回 電力システム(系統)と風力をどう共存させるか─
2014/12/01
(月)

太陽光や風力などの再生可能エネルギーの導入は、世界的に進んできている。この連載では、昨今その導入が拡大している欧州において、特に風力発電に注目しながら、各国の風力発電を取り巻く環境の違いを整理し、導入の成功例、あるいは抱えている問題点について、国ごとに解説していく。

第1回では、欧州と日本の違いを取り上げながら、風力発電と電力システムの関係、および技術的な課題など全体像を概観してきた。第2回では、既存の電力系統(電力システム)と風力発電をどのように共存させるか。それを実現するうえで重要な「グリッドコード」(系統運用規則)や「風力発電と供給信頼性」などを見ていく。

 

電力系統と風力発電の共存

 既存の電力系統(電力システム)が大量の風力発電を受け入れて、両者が共存の道を進むためには、本連載の第1回で解説した、

  • 【技術課題1】需給バランスの制御
  • 【技術課題2】電力潮流および電圧の管理
  • 【技術課題3】同期安定度の維持

のような技術課題を克服する必要がある。

 この実現に向けた先進的な技術については第3回以降に少しずつ述べていくが、大まかな方向としては、次のような考え方が挙げられる。

〔1〕電力系統の増強・運用制御の高度化

風力発電の導入に合わせて電力系統設備を増強することは、共存に向けた確実な方法である。

例えば、送電線の新設によって送電容量を増加させることなどがこれにあたるが、一般に送電線の新設には大きなコストを要する。そこで、できるだけ必要な設備増強の容量を抑制できるように、電力系統の運用制御、すなわちソフトの部分で効率化が図れる。

〔2〕“可変速”タイプの風車が主流

 通常、初期の風力発電は、誘導発電機(交流発電機の一種)を直接電力系統に接続して電力供給するものであり、“定速”タイプと呼ばれる。この方式は安価ではあるが制御性に乏しいため、現在では、風速変動に合わせた出力の最適化が可能な“可変速”タイプの風車が主流である。

 特に誘導発電機の系統連系と、パワーエレクトロニクス技術を活用した連系とを併用するDFIG(Doubly Fed Induction Gene-rator、二重給電巻線形誘導発電機)が現在の主流となっている。

風車の系統運用への貢献

〔1〕DFIGの仕組み

 図1に、DFIGの仕組みを示す。ここで巻線形の誘導発電機が活用されているが、この回転子から引き出した二次回路を構成し、誘導発電機の30%程度の容量のBTBコンバータ注1を介して電力系統へと接続する。

図1 現在の主流となっているDFIG(二重給電巻線形誘導発電機)の仕組み

図1 現在の主流となっているDFIG(二重給電巻線形誘導発電機)の仕組み

 二次回路を介した電力は自由に制御できるため、風力発電の出力変動を補償するように制御することで、BTBコンバータの容量の範囲内で電力系統への供給電力を一定化できる。また、BTBコンバータによって無効電力注2の制御も可能となるため、電圧変動(第1回で解説)の補償も可能である。

 なお、系統連系とは、「発電設備(誘導発電機)などを、商用電力系統(電力システム)へ接続すること(並列すること)から切り離すこと(解列すること)までの状態」のことを言う。

〔2〕DFIGの特徴

 DFIGは、風力発電のブレード(翼:プロペラ)から入力される風力エネルギー以上に発電出力を上げることはできないものの、風力発電の出力を下げていく制御や、無効電力を制御して力率(第1回で解説)を変化させる制御には大きな自由度がある。

 このような可制御性を活かすことによって、風力発電の導入によって生じた諸問題をできるだけ緩和するとともに、余裕があれば、電力系統のいっそうの安定供給の実現に“貢献”することが可能となる。

 すなわち、電力系統と風力発電の親和性を高め、共存の道を探ることができるようになる。


▼ 注1
BTBコンバータ:Back-to-Backコンバータ。交流電力を一度直流にして、すぐにまた交流に戻す電力変換器。一度直流に変換することで、通過する電力を自由に制御可能となる。

▼ 注2
交流電力(皮相電力)は、有効電力と無効電力の2つで構成されている。有効電力とは電気でモーターを回す場合に仕事をする電力(負荷で実際に消費される電力)で、無効電力とは仕事をせずにそのまま帰ってしまう電力(一般の消費者には見えない)のこと。しかし、この無効電力は系統(電力システム)内の電圧を一定に保つために必要な電力となっているがこの無効電力は電力系統の至るころで消費されてしまう。その結果、無効電力が不足すると電力を何百㎞先に送ることができない。このため、無効電力を適切に供給しないと停電につながる可能性もある。
なお、「有効電力÷皮相電力」のことを力率と呼ぶ。

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