研究開発
Engineer Interview
技術者インタビュー

再生可能エネルギーによる安定的な
電力インフラを構築する

2017.04.03
  • 宮本 卓也
  • 山下 裕輔
  • 尾崎 卓也
  • 杉浦 豊
  • 土井 佑太

配電系統の電圧制御シミュレーションとパワーコンディショニングシステムの開発

地球環境問題や省エネルギーに対する意識の高まりを背景に、太陽光発電をはじめとする分散型電源の普及拡大の取り組みが、日本国内においても官民協力のもと実施されています。従来の火力発電を中心とした集中型電源から分散型電源へのシフトは、CO2排出量や送電ロスの低減に貢献する一方、気象条件によって発電量が大きく変動するため、配電系統を安定させる上では、これまでにはなかった新たな問題・課題が生じています。特に、急激な電圧変動については比較的早期に顕在化する課題であると考えられています。

この課題を解決するため、東光高岳では、配電系統の電圧を安定化させるための制御手法を確立することを目標に掲げ、制御シミュレーション技術の検証や、配電ネットワーク実証試験場でPCS(パワーコンディショニングシステム)や電圧調整機器を設置したフィールド試験による検証を行っています。

FDN(フューチャー・ディストリビューション・ネットワーク)チーム

  • 宮本 卓也
    技術開発本部 技術研究所
    次世代系統技術グループ
  • 山下 裕輔
    技術開発本部 技術研究所
    次世代系統技術グループ
  • 尾崎 卓也
    技術開発本部 技術研究所
    解析・試験技術グループ

PCS(パワーコンディショニングシステム)チーム

  • 杉浦 豊
    技術開発本部 技術研究所
    次世代系統技術グループ
  • 土井 佑太
    技術開発本部 技術研究所
    次世代系統技術グループ

再生可能エネルギーの普及に伴う、電力インフラの社会的課題を見すえて。

杉浦現在、パソコン・携帯電話が世界規模で爆発的に普及し、私たちの暮らしは、電気なしでは成り立たないほどの恩恵にあずかっています。一方で、環境問題や省エネルギーへの意識の高まりとともに、石炭、石油、天然ガスなどの限りある資源から、再生可能エネルギーの活用に大きくシフトチェンジしてきていることは周知の通りです。

尾崎また昨今では、固定価格買取制度の施行により再生可能エネルギーで発電した電力を売電する家庭・商業施設・事業者が拡大しています。さらに、電力の小売り全面自由化がスタートするなど、従来の電力の形態から大きく様変わりしつつあります。

土井一方で、再生可能エネルギーによる電力供給には、自然現象に左右されるという課題があります。たとえば太陽光発電は、晴天のときは供給過多になって配電系統の電圧が上がりすぎてしまいますし、雨や曇天のときは逆の現象が生じかねません。このように不安定な再生可能エネルギーの出力変動に対応できる配電系統システムの構築は、比較的早期に解決すべき課題であると考えられています。

宮本これまでの配電系統における電力の流れは、電力会社から需要家への一方向でした。しかし、太陽光発電システムをはじめとする再生可能エネルギーの普及によって、電力会社から需要家への電力の流れが双方向に変化。このような複雑に変化する電力の形態でも、安定的な配電系統を確立するための技術が求められています。

山下そうした背景から、私が所属する次世代配電ネットワークに関する研究・開発を行うチームと、土井さんの所属するパワーエレクトロニクス機器の開発を行うチームが協働し、電圧制御の最適化に向けたプロジェクトに取り組んでいます。

配電系統の電圧制御シミュレーションで、次世代エネルギー社会の実現を推進する。

宮本これからの配電系統での課題解決に向けて、東光高岳では配電系統の電圧適正化に関する検討や製品開発を進めています。私たちは、配電ネットワーク実証試験場(以下 試験場)において実測データを取得・分析するグループと、試験場の解析モデルを構築しシミュレーションを実施するグループで構成しており、分析結果と解析結果の両面から妥当性評価を行い、シミュレーション技術の開発に取り組んでいます。

山下試験場で行っている「配電系統の電圧制御シミュレーション」は、気象変化による急激な電圧変動を見越したシミュレーション環境の構築と、その妥当性についての検証を目的としています。

尾崎試験場の規模はおよそ1,000kVAとなります。これだけの規模での「配電系統の電圧制御シミュレーション」を行えるのは、東光高岳の強みです。とは言え、実際の配電系統のスケールは、試験場の10倍、20倍規模です。実用化に向けては、様々な状況や電圧変動のリスクを想定したシミュレーションを行う必要があります。そのため、シミュレーションの戦略を自ら組み立てるスキルが求められています。

宮本また、数十kmもの距離を繋ぐ電線は、長ければ長いほど電圧が変動しやすくなります。私たちの研究では、試験場設備の配電線の長さや分散電源の出力を変えて、あらゆるケースを想定したシミュレーションを行っています。そこには、数字には表れないイマジネーションやノウハウが求められますね。

山下私たちは試験場で得られた結果をもとに不安定要因を解析し、何をどこに配置すれば安定化を導き出せるかを検証しています。シミュレーション値と実測結果の間に、どれほどの差異があるかを検証して次に活かすというサイクルが重要です。

尾崎高品質の電気を24時間365日供給することが当たり前の社会。だからこそ、常に「高品質」の電気を供給し続けることが私たちの使命です。シミュレーションの世界は誤差がない前提で組み立てていくものですが、実測データに誤差が生じた際は考えられるすべての面から評価を行い、正しい結論を導き出さなければなりません。膨大な回数の試行と検証、それが困難でもあり、やり甲斐のあるところです。

宮本何より、電圧制御はインフラの根幹部分に関係しますので、より安定的、より効率的、より高機能といったように、多様かつ高次元での品質を担保しなければいけません。逆に、それらの要素のひとつでも欠落すれば、社会全体が大きな混乱に陥りかねませんから。

天候に左右される再生可能エネルギーを、安定供給するためのシステムを構築する。

杉浦当社では次世代配電系統を見すえ、電力の安定供給や蓄電池利用の研究開発に取り組み、新たな配電系統構築に着手してきました。次世代配電系統とは、きめこまやかな制御により更なる安定化や効率化を実現する配電系統になります。

土井私たちパワーエレクトロニクス機器の開発を行うチームは、配電系統の制御を実現するためにSiC(炭化ケイ素)を活用した大型PCS(パワーコンディショニングシステム、以下PCS)の研究・開発も行っています。PCSは、太陽光モジュールから出力される直流を、安定した交流に変換する装置。太陽光発電システムのような分散型電源が普及した現在、気象状況に左右される出力変動の大きな電力をいかに安定供給するかが課題になってきています。その実現のカギを握るのがPCSとなります。

杉浦SiC素子は、海外でも様々な素子メーカーで研究・開発が行われていますが、この分野で最も進んでいるのが日本です。私たちは、国内素子メーカーが開発したSiC素子を採用したPCSのプロトタイプを開発しました。

土井今後は、開発したSiC素子を用いたPCSをもとにして、太陽光電池モジュールや蓄電池と組み合わせたシステムを開発していく予定です。

杉浦SiC素子そのものが誕生したのは数十年前ですが、実用化されたのはごく最近のこと。様々な議論・研究を重ねながら、汎用化に向けて多用的な検証をしている最中の最先端技術といえます。私にとっても初めての経験が多いなか、プロジェクトの規模が大きいほど、あるいは困難なほど、若手の柔軟なアイディアが欠かせませんが、東光高岳の知見を結集すれば課題はきっとクリアできると信じて仕事に向き合っています。若いメンバーにも強い意気込みで仕事に立ち向かってほしいと感じています。

土井時代の先端となる領域を研究開発できる点は、技術者としての経験が積めるこのうえないステージが揃っていると実感できる部分です。今後もチーム一丸となって先進性に満ちた研究開発にチャレンジしていきたいですね。

時代のニーズを先取りした、若手が活躍できる舞台

杉浦インターネットを介してモノを制御するIoT(Internet of Things)に代表される通信系技術が活用されている点も、このプロジェクトには欠かせない要素のひとつ。PCSをインターネットで制御することが当たり前になっています。

山下様々な先進的な技術を搭載した製品が汎用化されるダイナミズムと、社会的責任を担った研究開発に入社2年目の自分も参加しています。僕の後輩となる学生の方にも、そうした若手が活躍できる東光高岳の社風を、ぜひ知ってほしいですね。

杉浦そうですね。若手が活躍できる風土のなかで、10年後、20年後にどのような技術、製品が求められるのかという高感度のアンテナを張り、ニーズが顕在化した段階ですぐに対応できる先進的な土壌と社風がある。それこそが東光高岳の魅力です。

尾崎技術者として、そういった先進的な取り組みに携ることができる環境は恵まれていると感じます。

宮本人々を驚かせる新発想の製品や、既成概念を打ち破る先進的な技術に進んでチャレンジしていく、あるいは、国家的なプロジェクトに積極的に参加しているところも僕にとっては大きなやり甲斐です。電気系の技術者というと、縁の下の力持ち的存在になりがちですが、安定的な電力の供給は現代社会に欠かせない非常に重要なファクターですよね。

杉浦ぜひとも今後は、東光高岳で活躍する縁の下の力持ちに着目してほしいですね。

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