新エネ発電所が系統指示に即応、南方電網の「無効電圧自動制御」が中国専利金賞を受賞

この記事のポイント

• 南方電網の研究チームが開発した無効電圧自動制御技術が「第26回中国専利金賞」を受賞しました。
• 発電機ごとの自律制御と連系点の動的無効電力補償装置を組み合わせた「自律協調」戦略を確立しました。
• クラスタ動的等価手法の導入により、シミュレーションの計算量を2桁削減し現場適合性を高めました。
• すでに100カ所以上の新エネルギー発電所に導入され、洋上風力発電所では電圧変動を約80％抑制しています。

大規模再エネ連系が抱える「電圧安定性」の壁

第26回中国専利賞（China Patent Award）の受賞結果が発表され、南方电网科学研究院有限责任公司（以下、南網科研院）と南方电网广东电网公司が共同保有する発明特許「新エネルギー発電所の無効電圧自動制御方法、装置および記憶媒体」が中国専利金賞を受賞しました。

南網科研院の新エネルギー連系制御技術研究チームの羅超氏は、「電圧は電力系統にとって人体の血圧のようなものであり、常に安定を維持しなければなりません」と語ります。

風力発電や太陽光発電の大規模な系統連系が進む中、新エネルギー特有の間欠的な出力変動は系統電圧の乱れを引き起こします。さらに深刻な問題として、電力系統で短絡などの障害が発生した際に発電所側の電圧制御が協調していないと、多数の発電ユニットが連鎖的に系統から脱落（解列）し、事故を拡大させるリスクがありました。

日常的な電圧変動と障害発生時の過渡的な衝撃の双方に耐え、数百台規模のユニットを協調制御して電力系統の安全を守るにはどうすべきかが課題でした。中央の集中型システムで一括制御しようとすれば通信遅延が生じ、過渡障害の対処時間に間に合いません。一方で各設備が個別に判断すれば、出力の偏りや一部ユニットの過負荷を招く懸念があります。協調制御の難しさと、定常状態・過渡状態の統一的な調整の困難さが、高比率の新エネルギー電力系統における長年のコアな課題となっていました。

广东电网公司企画研究センターの副マネージャーである余浩氏は、「問題の本質は、電源側と系統側の意思疎通の欠如にありました。発電設備は系統のリアルタイムな要求を把握できず、系統側も無数の発電機を迅速に協調制御できませんでした」と説明します。両者間には接続規格が存在していたものの、過渡・定常状態の一体的な調整に関する詳細な規定がなかったため、発電所側の系統親和性が十分に発揮できない構造的な断絶が続いていました。

「自律協調」で実現した定常・過渡状態の高速統合制御

難度やコストの観点から部分的な対策にとどめる議論もありましたが、根本的な解決を目指し、南方电网公司は2019年に正式な研究開発プロジェクトを立ち上げました。

開発チームは、階層型協調による無効電圧制御戦略を提案し、その中核概念を「自律協調」と定義しました。「自律」とは、各発電設備に独自の制御アルゴリズムを持たせ、系統との連携関係に基づいて制御パラメータを事前設定することで、系統全体の要求に合致した動作を行わせる仕組みです。一方の「協調」とは、発電所の連系点に動的無効電力補償装置（SVGなど）を配置し、全体の柔軟な調整弁として機能させることです。

この設備は現在の系統が定常状態か過渡状態かを自動認識し、ミリ秒（ms）単位で制御ループを切り替えます。これにより、過渡時には迅速に応答し、定常時には滑らかな電圧調整を実現しました。この「自律協調」戦略により、新エネルギー発電所における定常電圧調整、過渡電圧の高速サポート、複数発電ユニットの多目的統合制御という業界の重要課題が一挙に解決されました。

膨大な計算量を克服したシミュレーションモデルと現場実証

理論の確立後、現場への適用には厳しい検証プロセスが求められました。対象となった広東省西部の洋上風力発電エリアは、風力と火力を組み合わせ、複数機種が混在する複雑な環境で、系統の安定限界が比較的脆弱な代表的実証シーンでした。

1カ所の発電所に数百台の設備が存在するため、短時間で精緻なシミュレーションモデルを構築することは極めて困難でした。チームメンバーの曾冠銘氏は、「失敗の連続で、期待とは真逆の結果が出ることもありました。納得のいく試験結果を得るまでに100回以上の試行を重ねました」と振り返ります。チームは2〜3カ月をかけて約10台の風力タービン用コンバータ制御器や無効電力補償装置の制御器をプラットフォームに接続し、各装置に対して100項目以上の検証試験を実施しました。

さらに現場検証では、系統破損のリスクから実際の現場で大規模な故障試験を行えないため、実験室内で現場環境を再現する必要がありました。しかし、数百台のユニットを個別に詳細モデル化すると計算能力の限界を超え、従来の単機等価モデルでは発電機ごとの差異が無視され誤差が大きくなるというジレンマに直面しました。

そこで南網科研院と广东电网は共同で、主導変数に基づくクラスタ動的等価手法を開発しました。運転状態の差異に応じてユニットをグループ化してモデル化し、電気・機械パラメータの多目的最適同定を行うことで、解析計算量を2桁低減させることに成功しました。「高精度かつ軽快に動作する」シミュレーション環境が整ったことで、各導入現場に合わせた最適な制御設計が可能になりました。

100カ所以上の発電所に導入、電圧変動を80％抑制

理論設計、シミュレーション検証、現場適用という厳格なアプローチにより、技術の実用性が確立されました。現在、本特許技術は揭陽前詹、陽江沙扒、陽江明陽蘊華などの洋上風力発電所をはじめ、100カ所以上の新エネルギー発電所に導入され、安定稼働を続けています。

2025年に広東省の洋上風力発電所で行われた試運転では、大きな電圧変動が発生したものの、本特許技術を用いた最適化により、電圧変動量が従来比で約80％低減される実績が確認されています。

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