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海上プラットフォーム電力系統の研究の概観(その2)

2017年12月27日

李 雪:西南石油大学電気信息学院

修士大学院生。研究方向は海上電気系統制御

張 安安:西南石油大学電気信息学院

ポストドクター、准教授。IEEE会員、青年専門家。研究方向は電圧無効電力最適化、海上電気系統制御

敬 佳佳:中石油川慶鑚探工程公司安全環保質量監督検測研究院

ポストドクター。海洋石油・ガス設備の検査測定と健全性評価技術の研究に主に従事

韓 浩:中石油川慶鑚探工程公司安全環保質量監督検測研究院

エンジニア。海洋石油・ガス設備の検査測定と安全制御技術の研究に主に従事

その1よりつづき)

3 直面する主な問題

3.1 電源制御

 海上プラットフォーム電力系統の電源はガスタービンを主とし、一定量の温室ガスと有害物質を排出すると同時に、燃料補給費用が比較的高い。環境保護と運営コストの角度から、世界各国はいずれも、海 上プラットフォームへのクリーンエネルギー導入の可能性を積極的に探っている。日本の沖縄県宮古島に2010年に完成した風力・太陽光蓄電マイクログリッドシステムと、中 国の山東省青島斎堂島海域に2013年6月に完成した初の海洋独立電力系統モデルプロジェクト「500kW海洋エネルギー独立電力系統プロジェクト」はいずれも、海 上プラットフォーム電力系統への太陽光や海洋潮力エネルギーの大規模な導入に重要な参考の根拠を提供するものとなっている。だが技術的に言えば、現在成熟しているのはやはり風力発電の応用である。中 国で2010年に完成した総設備容量が10万kWに達する初の上海東海大橋海上風力発電所は、精確な測位と軟着陸の機能を備えた緩衝系統を通じて、海況条件下での各種の設備設置の難題の解決に成功した [28] 。風力発電の連系は、燃料を節約することを可能とするだけでなく、系統の運用コストを引き下げることもできる [29] 。だが風力エネルギーにはランダム性や波動性、制御不可能性が存在し、風力発電所の出力の波動は極めて大きい。さらに風力発電の容量がグリッド上の総容量の一定の比率に達すると、産出される波動は、プ ラットフォームのグリッドの周波数と電圧の安定性に悪影響を及ぼすこととなる [30-31]

 文献 [32] は、風力発電所を導入した海上電力系統の電圧・周波数の制御を研究し、適切な制御戦略を通じて電圧・周波数の波動の幅を有効に軽減し、海上電力系統の安定性を高めることができることを発見した。文献 [33] は、海上プラットフォーム電力系統と陸上グリッドの相互連結の動的性能を研究し、VSC制御戦略を提起した。この系統は、5つの大型海上プラットフォームと1つの海上風力発電所を含み、V SC-HVDC技術を採用し、海上電力系統と陸上グリッドを連結したものである。文献 [34] は、中断率の制約条件の下でいかに最良の経済モデルを構築し、大型直流送電海上風力発電所の電力系統を最適化するかを論じた。文献 [35] は、スウェーデンのゴットランド島と英国の送電網を例に取り、CMS(condition monitoring systems)を採用し、海 上風力発電ユニットの状態の監視や信頼性に基づく運用維持などに特化した研究を行い、CMSの採用後、風力発電所の電力系統の信頼性が明らかに高まったことを証明した。

3.2 電力ネットワーキング

 海洋エンジニアリングの日々の推進と絶え間ない建設にともない、海洋プラットフォームの単一的な「1プラットフォーム、1発電所」モデルは生産の電力需要をますます満たせなくなりつつある。海 上プラットフォーム電力系統には、容量が小さい、予備容量が小さい、電力供給の信頼性が低い、耐衝撃性が低い、整備コストが高い、大型設備の起動が困難であるなどの問題がある [36] 。既存の発電所資源を統合し、電力系統を統一的に計画し、地域内の資源共有を実現することができれば、発電ユニットを有効に利用し、系統の信頼性を高め、系統の予備容量を減らし、石油・ガ ス田の経済的で有効な開発を推進できるだけでなく、さらに省エネ・排出削減も実現でき、現在の海上石油・ガス田の発展にとって重要な意義を持つものとなる [23] 。2008年12月5日にグリッド接続を成功させた中国海洋石油総公司(CNOOC)潿西南油田群電力ネットワーキングプロジェクトは、中国最初の海上石油・ガ ス田群グリッド系統の正式な運用開始を示すものとなった [37] 。海上電力系統のネットワーキングには高い見通しがあるものの、ネットワーク化された電力系統の安全で安定した操業の保障は多くの試練に直面している。これには突入電流 [38] や発電機の自己励磁 [39] 、海底ケーブルの充電電流が高すぎる点 [40-41] などが挙げられる。このほか海上石油プラットフォーム電力ネットワーキングの安全・安定制御に対しては近年、エネルギー管理システム(energy management system、EMS)を 利用したエネルギー管理が打ち出されている。文献[42]は、海上電力系統に対し、送電網周波数と連系線電力の交換制御とオンラインの安全・安定制御、故障下の送電網の安定制御、発電所の自動化の向上、人 員配置の減少などの機能を一体化したEMS案を採用した。さらに電力供給の信頼性や耐衝撃性、予備ユニットの数量、操業維持の仕事量を前後で対比し、その結果、EMSを採用したことにより、信 頼性が明らかに高まり、投資を節約することができたことを明らかにした。文献 [43] は、故障時のEMSによる発電機の有効電力や無効電力、優先引き外し制御に対する要求を提起し、電力ネットワーキングのEMSに安全・安定制御系統を加えることにより、ネ ットワーク全体の安定性を高めることができ、送電網の運行監視のリアルタイム性や故障処理のスピードを大きく助けることができると論じた。

3.3 電力品質

 海上プラットフォーム電力系統の電力品質問題は、プラットフォームの経済性を低下させる可能性があるだけでなく、運用の安全性や人員の生命の安全に深刻な脅威を与えるものとなる [44-45] 。海上プラットフォーム電力系統において最もよく見られる電力品質問題は、高調波と過電圧である。

3.3.1 高調波

 海上プラットフォーム電力系統による高調波の産出には主に、▽発電源の質が高くない、▽送配電系統で高調波が産出される、▽電力使用設備で高調波が産出される――の3つか考えられる [46-47] 。高調波を産出する主要設備としては、大容量の変圧器や電動水中ポンプ周波数変換器、UPS、ドリリング設備などが挙げられる [48-49] 。一般的に、高調波は、大容量の電力系統に対する影響は小さいが、海洋プラットフォームのように容量が比較的小さい電力系統に対しては、高調波が産出する干渉はかなり大きくなる [50] 。文献 [51] は、精確さの要求を満たし、分析にも便利な周波数制御システムの高調波モデルを構築し、負荷の静的特性と動的特性に対する分析を通じて、高調波は、周波数変換器の出力容量とモーターの作動状態(R)と 関係があり、さらに特殊な作動状況の動的過程においては、システムの周波数の変化とシステムのインピーダンスの変化が高調波の分布に比較的大きな影響を産出するとの結論を得た。文献 [52] は、MATLABを利用し、河川の船舶電力推進系統の高調波分析の数値シミュレーションを実現した。このモデルは、高調波の分布のシミュレーションや計算を行うことができるだけでなく、高 調波抑制装置を加えて高調波が有効に除去されたかを見ることができる。文献 [53] は、高調波問題をめぐって、新型推進変圧器構造によって高調波を抑制する新型誘導フィルター技術を打ち出し、Simuli-nk上でシミュレーションを行い、打ち出した案の実行可能性を検証した。文献[54] は、高調波を抑制する方法を検討し、各方法で用いられる技術を詳しく分析し、応用事例を紹介した。

3.3.2 過電圧

 海上プラットフォーム電力系統について言えば、早期の海上石油プラットフォームの発電機の容量は小さく、採油プラットフォームの規模は大きくなく、海底電力ケーブルの長さは比較的短く、シ ステムに対する海底電力ケーブルの負荷遮断の影響は小さかった。だが海上石油プラットフォームの規模が絶えず拡大し、海底電力ケーブルの長さがますます長くなり、敷設の複雑さが増す局面では、電 圧に対する無負荷の海底ケーブルの影響は無視できないものとなり、ますます深刻となっている [55] 。海上石油プラットフォームで負荷遮断が出現すると、プラットフォーム発電機のパラメーター共振過電圧の産出または海底電力ケーブルの端子周波数電圧の向上が起こり、プ ラットフォーム全体の安定性に影響し、プラットフォームと船体が動力を失い、深刻な安全事故が起こる可能性がある。海底無負荷電力ケーブルは、2種類の過電圧現象を生む可能性がある。電 源周波数過電圧とパラメーター共振過電圧の2つである。文献 [56] は、実際の海上石油プラットフォームの自立グリッドを例に取り、PSCAD/EMTDCに基づいてシミュレーションモデルを構築し、海底ケーブルの無負荷閉極操作における過電圧を計算し、最 適化された無負荷閉極経路が分路リアクトルに比べて海洋プラットフォームの過電圧問題をより有効に減少できることを検証した。文献 [57] は、発電機の自己励磁現象をめぐって、3種の抑制方法を打ち出した。ダブルマシン有/無負荷海底ケーブルブラックスタート、新たに接続される海底ケーブルの長さが臨界長さを超えることの防止、分 路リアクトルのブラックスタートである。さらに境界要素法を通じて、この3種の方法がいずれも、過電圧の産出を抑制するという目的を達することができることを判断した。

4 展望

 中国はすでに、世界最大の石油純輸入国となっており、2020年には中国の石油対外依存度は70%を超え、2030にはさらに75%に達する見通しである [58] 。第12次5カ年計画(2011~2015)期間中に中国の海洋経済が急速に発展し、顕著な成果を上げたことを土台として、第13次5カ年計画(2016~20年)は、中 国の海洋エンジニアリングのさらなる活発な発展に新たなチャンスと挑戦をもたらすものとなる。そのため計画全体の動力の中心である海上電力系統が、動力の正常な供給をいかに保障し、同 時に環境保護と経済的な利益の両方に配慮したものとなるかは、現在の研究員の仕事の重点となっている。

(1)安全で安定した、効率的な海上プラットフォーム電力系統を構築する。中国の海上プラットフォーム電力系統の規模が拡大し続け、ネットワークが複雑化を続ける中、系統の安全性と安定性に対する生産・生 活の要求はますます高まっている。現在、海上プラットフォーム電力系統の信頼性の研究はまだ十分ではなく、信頼性指標もまだ明確ではない。海上プラットフォーム電力系統の信頼性研究を展開することは、海 上電力系統の発展にとって欠かすことのできないもので、中国の海洋強国戦略の実施と海洋エンジニアリングの安全で安定した運用に重要な意義を持っている。

(2)海上プラットフォーム電力系統中の各工程のプラットフォームはいずれも独立したガスタービン電源と負荷を持っており、独立した制御が可能であり、マイクログリッドとみなすことができる。こ のため海上プラットフォーム電力系統は複数のマイクログリッド系統を構成することになるが、一般的なマイクログリッドにはない特殊性を備えている。今後は、海 上プラットフォーム電力系統の比較的特殊な物理構造と作業特性をターゲットとし、マイクログリッド研究にかかわる理論と技術と結びつけ、インタラクションや協力、協 同などのスマートグリッドの特徴を備えた海洋プラットフォーム電力系統の(マルチ)マイクログリッド協調制御を実現し、中国の海洋エンジニアリングの発展をさらに推進していくことが考えられる。

(おわり)

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※本稿は李雪,張安安,敬佳佳,韓浩「海上平台電力系統研究綜述」(『電網与清潔能源』2016年第32卷第2期、pp.1-7)を『電網与清潔能源』編集部の許可を得て日本語訳・転載したものである。記 事提供:同方知網(北京)技術有限公司


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