「炭素ピーク対策、炭素中立化」という目標達成と新たな電力システムの構築を支援するため、中国南方電網公司は、2030年までに南部地域に新たな電力システムをほぼ構築し、2060年までに完全に構築するという明確な方針を打ち出しました。この過程で、揚水発電を積極的に開発していきます。「第14次、第15次、第16次五カ年計画」期間中に、それぞれ600万キロワット、1500万キロワット、1500万キロワットの設備容量増加を計画しています。2035年までに南部地域で約4400万キロワットの揚水発電容量を達成し、新たなタイプの電力系統擾乱調整装置、負荷調整装置、電力系統安定化装置として活用できるよう努めます。
出典：WeChat公式アカウント「中国能源メディアインテリジェント製造」
著者：彭玉民、中国南方電網ピークシェービング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
新しい電力システムはクリーンエネルギーが中心であり、エネルギー消費における新エネルギーの割合は増加し続け、新エネルギー、水力発電、原子力発電を主要な発電形態とするエネルギー利用形態が徐々に形成されます。化石エネルギー消費の割合は徐々に削減され、カーボンニュートラルの目標が達成され、残りの化石エネルギー設備容量は新しい電力システムのバックアップ電源として使用されます。新しい電力システムでは、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ます。集中型接続に関しては、南部地域は2025年までに陸上風力発電2400万キロワット以上、洋上風力発電2000万キロワット以上、太陽光発電接続5600万キロワット以上を達成するよう努めています。分散型接続に関しては、小規模で接続系統の電圧レベルが低く、近隣で消費できる分散型電源が、地域の状況に応じてさまざまな地域に建設されます。
新エネルギーを主軸とする新たな電力システムでは、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影響され、ランダム性、変動性、間欠性といった顕著な特徴を示します。電力代替、家庭用蓄電設備、スマートホームの普及により、ユーザー側の負荷は多様化・相互作用的な方向に発展し、ユーザー端末は消費者と生産者の両方の役割を担う新たなモードへと移行しています。新エネルギーを主軸とする新たな電力システムは、新エネルギー比率とパワーエレクトロニクス機器比率の両方が高いという「二重高」の特徴を備えています。新エネルギーの大規模な変動や様々な極端な状況に対応するためには、揚水発電設備の設置容量を、新エネルギーの設置容量と出力規模に応じて適切な規模に調整する必要があります。新エネルギーの出力が異常な場合、揚水発電設備は可能な限り系統の新電力システムの状態を維持し、新電力システムが従来の電力システムへと移行するのを防ぐ必要があります。したがって、揚水発電所の開発と建設は、より迅速かつ大規模に行われるようになるだろう。
揚水発電の急速かつ大規模な発展における問題点と対策
急速かつ大規模な開発と建設は、安全性、品質、人材不足といった問題を引き起こしている。新たな電力システムの建設ニーズを満たすため、毎年多数の揚水発電所の建設が承認されている。必要な建設期間も8～10年から4～6年に大幅に短縮された。プロジェクトの急速な開発と建設は、必然的に安全性、品質、人材不足といった問題を引き起こすだろう。
プロジェクトの急速な発展と建設によって生じた一連の問題を解決するために、建設およびプロジェクト管理部門は、まず揚水発電所の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。多数の地下空洞の掘削にTBM（トンネル掘削機）技術を導入し、揚水発電所の特性に合わせてTBM装置を開発し、建設技術計画を策定しました。土木工事中の掘削、輸送、支持、逆アーチなどのさまざまな作業シナリオを考慮して、機械化とインテリジェント化による建設の全プロセスに対する支持アプリケーション計画が開発され、単一プロセス機器のインテリジェントな操作、全プロセス建設システムの自動化、機器建設情報のデジタル化、遠隔制御機械設備の無人建設、建設品質のインテリジェントな認識分析などのテーマについて研究が行われ、さまざまな機械化とインテリジェント化による建設機器とシステムが開発されました。
機械電気工学の機械化とインテリジェント化に関して、作業員の削減、作業効率の向上、作業リスクの低減などの観点から、機械化とインテリジェント化の応用ニーズと可能性を分析し、機械電気設備の設置における様々な運用シナリオに対応する、様々な機械電気工学の機械化とインテリジェント化のための建設設備およびシステムを開発することができる。
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用いることで、一部の設備や機器を事前にプレハブ化してシミュレーションすることも可能であり、これにより作業の一部を事前に完了させ、現場での工期を短縮できるだけでなく、機能受入検査や品質管理を事前に実施することができ、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る。
大規模発電所の運転は、信頼性の高い運転、インテリジェントかつ集中的な運転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転は、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、揚水発電設備の運転信頼性を向上させることが鍵となります。また、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かつ集中的な運転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ため、機器の型式選定と設計に関しては、技術者は揚水発電所の設計と運転に関する実践経験を深くまとめ、揚水発電所の関連機器サブシステムの最適化設計、型式選定、標準化に関する研究を行い、機器の試運転、故障処理、保守の経験に基づいて反復的に更新する必要があります。機器製造に関しては、従来の揚水ユニットでは、一部の重要な機器製造技術が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」機器の国産化研究を行い、長年の運転・保守経験と戦略を統合することで、これらの重要なコア機器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。機器運転監視に関しては、技術者は機器の状態の可視性と測定可能性の観点から機器の状態監視要素構成基準を体系的に策定し、本質的な安全要件に基づいて機器の制御戦略、状態監視戦略、健全性評価方法について深く研究を行い、機器の状態監視のためのインテリジェントな分析と早期警告プラットフォームを構築し、機器の潜在的な危険を事前に発見し、タイムリーに早期警告を行う必要があります。
発電所のインテリジェントかつ集中的な運転管理を実現するためには、技術者は、機器の制御と操作に関して、機器の自動制御またはワンキー操作技術の研究を行い、人員の介入なしにユニットの完全自動起動と停止および負荷調整を実現し、可能な限り運転シーケンスと多次元インテリジェント確認を実現する必要があります。機器の検査に関しては、技術者は、機械視覚認識、機械聴覚認識、ロボット検査などの側面に関する技術研究を行い、検査機の交換に関する技術実践を行うことができます。発電所の集中的な運転に関しては、揚水発電所の発展によって生じた勤務中の人員不足の問題を効果的に解決するために、1人で複数のプラントを集中監視する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源の消費に伴い、揚水発電の小型化と多エネルギー補完の統合運用が求められています。新電力システムの顕著な特徴は、低圧送電網で稼働する多数の小規模新エネルギーが送電網の様々な地域に分散していることです。これらの分散型新エネルギー源を可能な限り吸収・活用し、大規模送電網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源の近くに分散型揚水発電設備を建設し、低圧送電網を通じて新エネルギーの局所的な貯蔵、消費、利用を実現する必要があります。そのため、揚水発電の小型化と多エネルギー補完の統合運用の課題を解決する必要があります。
技術者や技師は、小型可逆式揚水発電ユニット、ポンプとタービンの同軸独立運転、小水力発電所と揚水発電所の共同運転など、複数のタイプの分散型揚水発電所の立地選定、設計と製造、制御戦略、統合的応用に関する研究を精力的に実施する必要がある。同時に、揚水発電と風力、光、水力発電の統合運転技術に関する研究とプロジェクト実証を実施し、新しい電力システムにおけるエネルギー効率と経済的相互作用の探求のための技術的解決策を提案する。
高弾性電力系統に適合した可変速揚水発電ユニットの技術的な「チョーク」問題。可変速揚水発電ユニットは、一次周波数調整への迅速な応答、ポンプ運転条件下での入力力の調整、ユニットが最適曲線で動作すること、感度の高い応答、高い慣性モーメントといった特徴を持つ。電力系統のランダム性と変動性を効果的に抑制し、発電側と需要側で新エネルギーによって発生する余剰電力をより正確に調整・吸収し、高弾性で相互作用のある電力系統の負荷バランスをより良く制御するためには、電力系統における可変速ユニットの割合を増やす必要がある。しかし、現状では、可変速揚水発電ユニットの主要技術のほとんどは依然として海外メーカーの手に渡っており、技術的な「チョーク」問題を解決する必要がある。
主要なコア技術の独立制御を実現するためには、国内の科学研究および技術力を集中させ、可変速発電機モーターおよびポンプタービンの設計開発、交流励磁コンバータの制御戦略および装置の開発、可変速ユニットの協調制御戦略および装置の開発、可変速ユニットのガバナー制御戦略の研究、可変速ユニットの動作条件変換プロセスおよび統合制御戦略の研究を深く進め、大型可変速ユニットの完全な国産設計および製造、エンジニアリング実証応用を実現する必要があります。
投稿日時：2022年12月9日
