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交流・多端子直流システムの電圧および過渡安定性に関する研究

川本 直輝 大阪府立大学 DOI:info:doi/10.24729/00017349

2021.04.20

概要

近年，地球温暖化対策や脱原発を目的として風力発電および太陽光発電をはじめとした再生可能エネルギーの導入が進んでいる．世界規模における導入により，世界全体の発電量における 5.3 % を風力発電，2.7 % を太陽光発電が占めている [1, 2]．また，風力発電は，陸上もしくは洋上において発電される．文献 [3] は，世界全体で 2018 年時点で陸上風力発電において 542 GW，洋上風力発電において 23 GW が導入済みであり，2050 年時点で陸上風力発電において 5044 GW，洋上風力発電において 1000 GW が導入予定であると述べている．このため，洋上風力発電の発電量に関して，2018 年時点と比較して 2050 年において 40 倍以上の発電量に増加することが想定されている[3]．

洋上風力発電は，海底に敷設された送電線により，海上の風力発電所から陸地側変電所に送電する．海底の送電線には，交流送電もしくは直流送電を適用可能であり，送電線の亘長が長くなると表皮効果のない直流送電の方がコスト的に優れる[4, 5, 6]．直流送電を適用する場合には，電力変換器を用いて交流電力と直流電力を変換する必要がある．文献 [5] では，1 例として，2 箇所の陸地側変電所間を海底ケーブルにより接続する場合に，電力変換器のコストを加味した場合においても，亘長が 120 km を超えると直流送電がコスト的に優れる事例を述べている．電力変換器には，他励式変換器（Line-Commuted Converter：以下，LCC）および自励式変換器（Voltage-Source Converter：以下，VSC）という 2 種類の変換器が存在している．LCC はサイリスタなど自己消弧能力をもたない素子を用いて，VSC はInsulated Gate Bipolar Transistor（以下，IGBT）などの自己消弧素子を用いて，交流電力と直流電力を変換する[7]．

洋上風力発電は，2018 年時点において世界全体で導入されている 23 GW の内，欧州では 19 GW，特に英国では 8.2 GW 導入されている [3]．英国における洋上風力発電では，洋上風力発電所と陸地側変電所の 2 箇所を接続するpoint-to-point 接続を高圧直流送電（High-Voltage Direct Current：以下，HVDC）に対して適用している [8]．また，洋上風力発電に対して，直流システム内に 3 箇所以上の端子および 2 つ以上の送電線を持つ多端子直流送電 (Multi-Terminal Direct Current：以下，MTDC)を適用することも可能であり，Nanao 3 端子 [9] および Zhoushan 5 端子 [10] DC システムが既に建設され運用が開始されている [11]．さらに，North Sea Wind Power Hub Programme において欧州の北海にて，MTDC システムを適用した大規模洋上風力発電所も建設予定である[12]．なお，MTDC システムは，複数の送電線を用いることで 1 つの送電線に故障が生じた際にも他の送電線を介して送電可能であること，複数地点の洋上風力発電所を統合することで各発電所の有する出力変動が平滑化できるなど複数の利点を有する [13]．本論文では，Alternative Current（以下，AC）システムに MTDC システムが導入されたシステム全体を AC/MTDC システムと呼称する．

このMTDC システムによる送電は，電力変換器に VSC を用いる必要がある．これは，電力変換器にLCC を用いる場合は，絶えず潮流が変化し続けるMTDC システムにおける運用が困難なためである [4]．前述の Nanao 3 端子および Zhoushan 5 端子 DC システムも電力変換器にVSC を用いている．

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