報告書番号

R12013

タイトル（和文）

洋上風力発電用の高圧直流送電への適用を想定した複数の変換器モジュールによる直流昇圧方式の提案

タイトル（英文）

A DC Boost Conversion System Consisting of Multiple Converter Modules for HVDC Transmission of Offshore Wind Power

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

国内の再生可能エネルギー資源のうち，洋上風力発電の潜在的な資源量は突出して大きく，長期的には大規模に開発される可能性がある。洋上風力発電では，各発電機から電力を集約する集電系統と，陸上まで送るための送電系統が必要となる。発電サイトが数十km以上に亘って点在する場合には，長距離の海底ケーブルにより直流送電系統を構成し，既存系統の強固な地点で連系することが考えられる。その場合，発電サイト内の集電方式を直流にすれば，変圧器を削減し，洋上変電設備を小型化することが可能となる。しかし，集電系統と送電系統の接続には，直流を昇圧する高電圧大容量の変換器が必要となり，この実現が技術課題となる。
そこで本稿では，洋上風力発電において直流による集電および送電方式を適用した場合を想定し，この実現に必要となる高電圧大容量化の可能な直流昇圧方式を提案し動作を検証する。まず，発電機から直流で集約した電力を，直流送電に適した高電圧まで昇圧するための回路方式を提案する。提案法は，絶縁型DC-DCコンバータにより構成されるモジュールを，直流集電系統側で並列に直流送電系統側で直列に組み合わせ，高い昇圧比と大容量の電力変換を実現できる。また，各モジュールはソフトスイッチングにより損失を増加することなく高周波動作が可能であり，絶縁変圧器の体積を小型化できる。一方で提案回路には，入力電圧を一定制御すると，各モジュールの出力電圧のばらつきが拡大し運転不能となる課題があったため，モジュール単位で自身の出力電圧と全体出力電圧を比較することにより，ばらつきを低減する制御法を考案し，シミュレーションにより出力電圧の均等な分圧を確認した。また，各モジュールの変圧器一次側電圧の位相をずらすことにより，入力電圧および全体出力電圧に重畳するリプルを低減できることを確認した。以上により，直流昇圧変換器の安定運転を可能とした。

概要 （英文）

Offshore wind power generation is one of the candidates for the future large scale power generation because there are large amount of offshore wind power resources in Japanese coastal area. The offshore wind power generation needs a power collection grid which collects the power from each generator and a transmission grid which delivers the collected power to the shore. Long distance submarine cables may be applied to the transmission grid in the large scale development project. Such system may apply high voltage dc (HVDC) transmission because the transmission capacity of the system does not decrease by the charging current in the cable. A dc collection method has been considered as a collection grid which is suitable for interconnection with the HVDC transmission system.
This report reveals the advantages and technical problems of the dc collection grid. It can reduce power conversion circuits and commercial frequency transformers in the offshore platform, resulting in the reduction of the weight and power loss. However, there is a difficulty to step up the medium voltage dc for collection grid to the high voltage dc for transmission grid. In order to realize the step up conversion, this report proposes a novel dc boost conversion system consisting of multiple converter modules. The system consists of multiple isolated dc-dc converters and it realizes high step up ratio by connecting them in series at their input side and in parallel at their output side. The system controls its input voltage to the reference value and maintains its output voltages to be equally balanced by applying a voltage control method. A series of simulation results demonstrate the stable operation performance of the proposed system in its startup, steady state, and transient operation.

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