グリッドの利点

2022 年 8 月 29 日

株式会社東芝

株式会社東芝は、マイクログリッドの安定性を確保するために開発されたグリッドフォーミング（GFM）インバーターの有効性を実証しました。 マイクログリッドとは、大規模発電所からの電力供給に頼らず、再生可能エネルギーを活用することで地域での電力自給を可能にする分散型エネルギーシステムの一種です。 電力の出力や需要が急激に変動すると、通常は安定している周波数が大きく変動し、保護リレーが作動して電力供給が遮断され、停電につながる可能性があります。 特に、再生可能エネルギーの割合が増加するにつれて、系統周波数の変動が増加します。 特に、再生可能エネルギーの比率が高まると周波数変動が大きくなるため、マイクログリッドの普及には安定した系統周波数を維持する技術が必要となります。

東芝は2022年3月、系統周波数が急激に変動した場合に、インバータからの電力出力により擬似慣​​性を与えることで配電系統の系統周波数を維持できるGFMインバータを開発した。 今回、再生可能エネルギーの実際の利用を含む実際の環境に近い環境でGFMインバータを使用した結果を検証し、太陽光発電装置にGFMインバータを搭載することで系統周波数の低下を約30％抑制できることを実証した。

東芝は、これらの成果の詳細について、2022年9月に開催される電気学会電力・エネルギー学会年次大会および2022年10月に開催される2022 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE2022)で発表する予定です。

東芝は、環境省の令和元年度低炭素化技術推進事業の一環として、「複数の再生可能エネルギー電源を活用する電力系統との仮想同期を活用したスマート同期インバータ（SSI）とその制御システム」の研究委託を受けて実施した。研究、開発、実証プログラム。 本研究は、パシフィックパワー株式会社、エネルギー・環境技術研究所、産業技術総合研究所、パシフィックコンサルタンツ株式会社と共同で実施しました。

2020年10月、日本政府は2050年までにカーボンニュートラルを達成する目標を宣言し、脱炭素社会の実現に向けて、太陽光や風力などの再生可能エネルギーの主力電源としての導入を推進しています。 2021年10月22日に閣議決定された第6次エネルギー基本計画では、「再生可能エネルギーやコージェネレーションなどの分散型エネルギー資源を地域で活用するため、マイクログリッドなどの自立分散型エネルギーの構築が期待される」とされています。地産地消によるエネルギーの効率利用やレジリエンス強化などにも貢献する」と、災害による停電時に電力を自給自足できるマイクログリッド（図1）への期待が高まっていることがわかります。

海外では、環境問題への対応に加え、電力網が整備されていない地域（無電化地域）に電力を供給する再生可能エネルギーや蓄電池を活用したマイクログリッドの構築プロジェクトがアジアやアフリカ諸国で複数進んでいる。 2015 年の時点で世界のマイクログリッド容量は 12,000 メガワットを超えており、今後もさらなる拡大が見込まれています。

従来の基幹発電システムでは、需要や再生可能エネルギーの出力が変動しても、火力発電に使用されるタービンなどの回転体の慣性（状態を維持しようとする性質）により系統周波数の急激な変化が抑制され、安定した電力供給を維持します。 しかし、将来的に再生可能エネルギーが主力電源となり、火力発電など大型タービンを使用する電源の割合が減少すると、回転体からの慣性力が減少し、電気の安定性に影響を与える可能性があります。電源。 このようなイナーシャ不足への対策費用は、基幹系統に占める再生可能エネルギーの割合が50～60％となった場合、年間51～129億円と試算されている。

太陽光発電と風力発電は、大規模電力システムと比較して小規模なエネルギーシステムであるマイクログリッドの主な電源であると想定されています。 発電量は天候によって変動し、大型タービンを使う火力発電所とは無縁だ。 その結果、慣性の欠如による電源の不安定性がさらに顕著になります。 したがって、マイクログリッドの安定性を確保するには、慣性不足を補い、電力供給を安定化する技術を開発し、その技術を早期に実証、実用化することが重要である。

東芝は、電力供給や電力需要の変動が生じた場合でも合成慣性を付与し、配電系統の系統周波数の変動を抑えるGFMインバータを試作し（図2）、その有効性を実証しました。 東芝は、慣性のない従来の制御アルゴリズムの代わりに、バッテリーエネルギー貯蔵システムに GFM インバータの制御アルゴリズムを実装しました。再生可能エネルギーの出力や電力需要が急速に変動する場合、インバータは電力を出力し、系統を維持するための合成慣性を生成します。頻度。 急激な周波数の低下を瞬時に抑え、安定した電源供給を実現します。

東芝は、模擬マイクログリッドに実装されたこのインバーターの検証も行っていました。 シミュレートされたマイクログリッドは、系統周波数 50 Hz (東日本で使用されている系統周波数) および再生可能エネルギー比率 40% を想定し、GFM インバーターを備えた 5 つのバッテリーエネルギー貯蔵システム (定格 20 kW、バッテリー容量 14.9 kWh)、1 つのディーゼルを組み合わせました。内燃機関を備えた同期発電機 (定格 125 kVA)、および電力負荷を変化させるために使用される 2 つの負荷バンク。 その検証では、50kWの負荷変動において、系統周波数の低下が2.4Hz（50.0～47.6Hz）から0.6Hz（50.0Hz～49.4Hz）まで70％抑制されることを実証しました。 東日本における系統周波数変動による停電の周波数閾値は48.5Hzと設定されており、実機による検証によりこの周波数を下回らないことが確認され、停電を回避した安定した電力供給が実現できました。 ディーゼル同期発電機とインバータの並列運転実証は世界初となる。

東芝では、実環境に近い状態でGFMインバータの効果を検証するため、GFMインバータを搭載した太陽光発電システム（定格20kW）1台とディーゼル同期発電機（定格125kVA）1台のみを用いて実証試験を実施しました。 、GFM インバーターを備えたバッテリーエネルギー貯蔵システムを使用する代わりに。 今回の検証では、負荷変動が20kWの場合、系統周波数の低下が1Hz（50.0～49.0Hz）から0.7Hz（50.0～49.3Hz）まで約30％抑制されることを実証しました（図3）。 また、蓄電システムと組み合わせた構成では、蓄電池放電時と蓄電池放電時の系統周波数の低下を2.2Hz（50.1～47.9Hz）から0.6Hz（50.2～49.6Hz）へと70％抑制する効果を検証しました。充電時 (図 4)。 これにより、電気自動車の充電時の送電網の安定化に貢献すると期待されています。 東芝はまた、マイクログリッドでの使用が予想される内燃機関を備えた同期発電機の並列運転に適した慣性を選択することにより、GFM インバーターの瞬間負荷を 22 kW から 16 kW に 30% 削減できることを検証しました (図) 5)。

政府は、2050年の脱炭素社会の実現に向け、国と地方公共団体が連携・共創して施策を展開する「地域脱炭素化ロードマップ」を策定し、「脱炭素で逞しく活力ある地域社会の実現」を目指す方針を示しています。 2050年を待たずに全国に。」 東芝は、マイクログリッド向けに開発したGFMインバータの活用を目指し、早期の実用化に向けた研究開発・実証を進めていきます。