中国南方電力網公司は、「炭素ピーク、炭素中立」の目標達成と新たな電力システムの構築を支援するため、2030年までに南方地域に新たな電力システムを基本的に構築し、2060年までに新たな電力システムを完全に構築することを明確に提案しました。この過程で、揚水発電を積極的に開発し、「第14次、第15次、第16次5カ年計画」期間中に、それぞれ600万キロワット、1,500万キロワット、1,500万キロワットの設備容量を増加する計画です。2035年までに南方地域の揚水発電容量を約4,400万キロワットにまで引き上げ、新しいタイプの電力系統擾乱バランサー、負荷バランサー、電力系統安定化装置とすることを目指します。
出典：WeChat公式アカウント「中国エネルギーメディアインテリジェント製造」
著者：彭宇敏、中国南部電力網ピークシェービングおよび周波数変調発電有限公司エネルギー貯蔵研究所
新電力システムの主な特徴
新電力システムはクリーンエネルギーを主体とし、エネルギー消費に占める新エネルギーの割合は継続的に増加し、新エネルギー、水力、原子力を主な発電形態とするエネルギー利用形態を徐々に形成する。化石エネルギーの消費割合は、カーボンニュートラル目標を達成するために徐々に削減され、化石エネルギーの残りの設備容量は、新電力システムのバックアップ電源として使用される。新電力システムでは、新エネルギーは集中型と分散型の両方の方法で電力網に接続される。集中型アクセスに関しては、南部地域は2025年までに陸上風力発電2,400万キロワット以上、洋上風力発電2,000万キロワット以上、太陽光発電アクセス5,600万キロワット以上の実現を目指している。分散型アクセスに関しては、小容量、低電圧レベルのアクセス系統、近くで消費できる分散型電源を、地域の状況に応じてさまざまな地域に構築する。
新エネルギーを主体とする新電力システムでは、新エネルギー発電設備の実際の出力は気象環境に大きく左右され、ランダム性、変動性、間欠性といった顕著な特徴を示す。電力代替、家庭用蓄電設備、スマートホームの普及により、ユーザー側負荷は多様化・双方向化の方向に発展し、ユーザー端末は消費と生産を両立する新たなモードへと移行する。新エネルギーを主体とする新電力システムは、新エネルギーの比率が高く、パワーエレクトロニクス設備の比率が高いという「双高」の特徴を呈している。新エネルギーの大規模な変動や各種の極限状況に対応するため、新エネルギーの設備容量と出力規模に応じて、揚水発電の設備容量を相応の規模に合わせる必要がある。新エネルギーの出力が異常な場合、揚水発電は系統の新電力システムの状態を可能な限り維持し、新電力システムが従来の電力システムへと転換することを防ぐ必要がある。そのため、揚水発電所の開発・建設はより迅速かつ大規模化します。
揚水発電の急速かつ大規模な開発の課題と対策
急速かつ大規模な開発・建設は、安全、品質、人員不足といった問題を引き起こしています。新たな電力システムの建設需要に応えるため、毎年多数の揚水発電所の建設が承認されています。また、必要な建設期間も8～10年から4～6年に大幅に短縮されています。プロジェクトの急速な開発・建設は、安全、品質、人員不足といった問題を必然的に引き起こすでしょう。
プロジェクトの急速な発展と建設によってもたらされた一連の問題を解決するために、建設とプロジェクト管理部門はまず揚水発電所土木工事の機械化とインテリジェント化に関する技術研究と実践を行う必要があります。大量の地下空洞の掘削にTBM（トンネル掘削機）技術を導入し、揚水発電所の特徴に合わせてTBM設備を開発し、建設技術計画を策定しました。土木工事における掘削、出荷、支持、逆アーチなどのさまざまな操作シーンを考慮して、機械化・インテリジェント化建設の全プロセス支援アプリケーションスキームを開発し、単一プロセス設備のインテリジェント化操作、全プロセス建設システムの自動化、設備建設情報のデジタル化、遠隔操作機械設備の無人化施工、建設品質のインテリジェント知覚分析などのテーマについて研究を行い、さまざまな機械化・インテリジェント化建設設備とシステムを開発しました。
機械電機工学の機械化・知能化では、作業者の削減、作業効率の向上、作業リスクの軽減などの面から機械化・知能化の応用需要と可能性を分析し、機械電機設備設置のさまざまな運用シーンに合わせて、さまざまな機械電機工学の機械化・知能化建設設備とシステムを開発します。
さらに、3Dエンジニアリング設計およびシミュレーション技術を使用して、一部の施設や設備を事前にプレファブリケーションしてシミュレーションすることもできます。これにより、一部の作業を事前に完了して現場での工期を短縮できるだけでなく、機能検収および品質管理を事前に実行して、品質および安全管理レベルを効果的に向上させることができます。
発電所の大規模運用は、信頼性の高い運用、インテリジェントで集中的な需要管理といった課題をもたらします。揚水発電所の大規模運用は、運転・保守コストの高騰、人員不足などの問題を引き起こします。運転・保守コストを削減するには、揚水発電所の運転信頼性を向上させることが鍵となります。人員不足の問題を解決するには、発電所のインテリジェントで集中的な運用管理を実現する必要があります。
ユニットの運転信頼性を向上させるには、設備の機種選定と設計の面で、技術者は揚水発電所の設計と運転の実践経験を深く総括し、揚水発電所の関連設備サブシステムの最適化設計、機種選定、標準化研究を実施し、設備の試運転、故障対応、メンテナンス経験に応じて反復的に更新する必要があります。設備製造の面では、従来の揚水発電所の一部の重要な設備製造技術は依然として海外メーカーの手に委ねられています。これらの「チョーク」設備の現地化研究を実施し、長年の運転・メンテナンス経験と戦略を統合することで、これらの重要なコア設備の製品品質と運転信頼性を効果的に向上させる必要があります。設備の動作監視に関しては、技術者は設備の状態の観測可能性と測定可能性の観点から設備の状態監視要素の構成基準を体系的に策定し、本質的安全要求に基づいて設備の制御戦略、状態監視戦略、健全性評価方法を深く研究し、設備の状態監視のためのインテリジェントな分析と早期警報プラットフォームを構築し、設備に潜む危険を事前に発見し、適時に早期警報を行う必要があります。
発電所のインテリジェント化と集約的な運転管理を実現するために、技術者は設備制御と操作の面で設備自動制御やワンポイント操作技術の研究を行い、人員の介入なしにユニットの全自動起動停止と負荷調整を実現し、操作シーケンスと多次元インテリジェント確認を可能な限り実現する必要があります。設備検査の面では、技術者は機械視覚知覚、機械聴覚知覚、ロボット検査などの方面に関する技術研究を行い、検査機器の交換に関する技術実習を行うことができます。発電所の集約的な操作では、揚水発電所の発展によってもたらされた当直人員不足の問題を効果的に解決するために、一人、複数プラントの集中監視技術の研究と実践を行う必要があります。
多数の分散型新エネルギーの消費によってもたらされる揚水発電の小型化とマルチエネルギー補完の統合運用。新電力システムの顕著な特徴は、低圧系統で運用される多数の小規模な新エネルギーが系統の各エリアに散在していることである。これらの分散型新エネルギーを最大限に吸収・活用し、大規模電力系統の電力混雑を効果的に緩和するためには、分散型新エネルギーの近くに分散型揚水発電ユニットを構築し、低圧電力系統を通じて新エネルギーの地域的な貯蔵、消費、利用を実現する必要がある。そのため、揚水発電の小型化とマルチエネルギー補完の統合運用の問題を解決する必要がある。
エンジニアと技術者は、小型可逆揚水ユニット、ポンプとタービンの同軸独立運転、小型水力発電所とポンプ場の連携運転など、複数のタイプの分散型揚水発電所の敷地選定、設計と製造、制御戦略と統合応用に関する研究を積極的に行う必要があります。同時に、揚水発電と風力、光電、水力の統合運用技術の研究とプロジェクト実証を実施し、新しい電力システムのエネルギー効率と経済的相互作用の探求のための技術ソリューションを提案します。
高弾性電力網に適応する可変速揚水発電ユニットの技術的「チョーク」問題。可変速揚水発電ユニットは、一次周波数調整に対する応答が速く、揚水機の作動条件下で入力力を調整でき、ユニットが最適な曲線で運転するとともに、応答が敏感で、慣性モーメントが大きいなどの特徴がある。電力網のランダム性と変動性を効果的に抑制し、新エネルギーの発電側と使用側で余剰電力をより正確に調整・吸収し、高弾性でインタラクティブな電力網の負荷バランスをより良く制御するためには、電力網における可変速ユニットの割合を高める必要がある。しかし、現在、可変速揚水発電ユニットの主要技術の多くは依然として海外メーカーの手に渡っており、技術的「チョーク」の問題を解決する必要がある。
重要なコア技術の自主制御を実現するために、国内の科学研究技術力を結集し、可変速発電電動機とポンプ水車の設計開発、交流励磁コンバータの制御戦略と装置の開発、可変速ユニットの協調制御戦略と装置の開発、可変速ユニットの調速機制御戦略の研究、可変速ユニットの動作条件変換プロセスと統合制御戦略の研究などを重点的に行い、大型可変速ユニットの完全な国産化設計と製造、およびエンジニアリングの実証応用を実現する。
投稿日時: 2022年12月9日
