海上プラットフォーム電力系統の研究の概観（その１）
2017年12月27日
李 雪：西南石油大学電気信息学院
修士大学院生。研究方向は海上電気系統制御
張 安安：西南石油大学電気信息学院
ポストドクター、准教授。IEEE会員、青年専門家。研究方向は電圧無効電力最適化、海上電気系統制御
敬 佳佳：中石油川慶鑚探工程公司安全環保質量監督検測研究院
ポストドクター。海洋石油・ガス設備の検査測定と健全性評価技術の研究に主に従事
韓 浩：中石油川慶鑚探工程公司安全環保質量監督検測研究院
エンジニア。海洋石油・ガス設備の検査測定と安全制御技術の研究に主に従事
概要：
海洋エンジニアリングは、現在のエネルギー危機の解決や海洋資源の合理的な開発に重要な意義を持っている。海上プラットフォーム電力系統は、海洋プロジェクトへの電力供給を保障するもので、海洋資源の開発と利用の重要な一部をなし、その運用の安全性と安定性は、海上プラットフォームのスムーズな運用に直接的な影響を及ぼす。本稿は、海上プラットフォーム電力系統技術の研究の進展を総括し、海上プラットフォーム電力系統の主要な構造と特性を要約し、海上プラットフォーム電力系統が直面する電源制御や電力ネットワーキング、電力品質などの問題を論述し、最終的に海上プラットフォーム電力系統の未来の発展方向を展望し、海上電力系統技術のさらなる研究と実際の工学的操作に参考となる材料を提供するものである。
キーワード：海上プラットフォーム；海上電力系統；マイクログリッド；電源制御；電力ネットワーキング；電力品質
近年、大陸棚海域の石油と天然ガスの採掘が増加し、海洋資源の開発と空間利用規模が拡大する中、海洋エンジニアリングは、現在のエネルギー危機を解決するための重要な手段となっている。このうち海洋の石油と天然ガスの開発と利用は、世界経済の持続可能発展に極めて重要な役割を果たしている。統計によると、世界の石油資源総量に占める海洋石油資源の割合は約34％に達するが、そのうち確認埋蔵量は30％にすぎない。海洋石油・ガス資源は主に大陸棚に分布しており、世界の海洋石油・ガス資源の約60％を占める［1］。海上プラットフォーム電力系統は、海上石油・ガスプラットフォームの主要な動力エネルギーであり、海上プラットフォームにおける生産・生活の順調な進行を確保するもので、その安定性と安全性、経済性は近年の研究の重点となり、焦点となっている。
本稿はまず、海上プラットフォーム電力系統の発展の歩みや主要な構造と系統の構成を紹介し、陸上油田の電力系統と異なる海上プラットフォーム電力系統の特性をまとめた。次に、海上プラットフォーム電力系統の電源制御や電力品質、電力ネットワーキングなどに関する問題を詳細に論述し、これらの問題に対する分析を行った。本稿は最後に、海上プラットフォーム電力系統の発展の見通しに対する展望を行った。
1 海上プラットフォーム電力系統の発展
海上プラットフォーム電力系統は、海上電力系統（offshore electrical system、OES）とも呼ばれ、その概念は船舶電力系統を由来とし［2］、海上エンジニアリングのために特別に設計され、海洋の特殊な環境の要求を満たすことのできる、陸上電源からの電力供給とは異なる電力系統を指す［3］。その発展は3つの段階に大別される。
第一段階は、1960年代末から90年代初めにかけてで、この段階では主に、海洋という特殊な環境への電気設備の適応性に着目した研究が行われた。主要な進展となったのは、船舶電力技術を海洋エンジニアリング電力の系統へと応用し、海上の固定/半固定のエンジニアリングプラットフォームへの電力供給を成功させたことである［3］。これと同時に、研究者は、電力系統に対する海洋エンジニアリングプラットフォームの要求は極めて厳しいことを発見した［4］。文献［5］は、船舶電気設備とは異なる海上石油プラットフォーム電気設備の環境条件に詳細な調査研究と分析を行い、電力系統に対する海洋エンジニアリングプラットフォームの要求は伝統的な船舶系統とは根本的に違うことを証明した。文献［6］は、最適化方法を海上電力系統の設計に応用し、電気負荷と設備重量、設備空間を変数とし、投資コストと操作コスト、整備周期を目標として、最適化モデルを構築し、海上電力系統の最適化設計を初めて実現した。文献［7］は、発電機とモーターに対する海上気候の影響を研究し、いくつかの典型的な海洋環境条件下の発電機とモーターの運用や保護についての提案を行った。
第二段階は、1990年代から21世紀初めまでで、この段階では主に、海上電力系統の固有原理に焦点が当てられ、電気設備の構造設計や系統設計、運用制御などをカバーする研究が行われた。この段階では、海上プラットフォーム電力系統は比較的整った体系をほぼ形成し、系統構造もより複雑なものとなっていた。海上プラットフォーム電力系統はすでに、当初の単独の海上石油プラットフォームへの電力供給や単独の船舶における電力供給から、海上石油・ガスプラットフォーム群への合同電力供給［8］、特大型深海エンジニアリング船舶のスマート化電力供給［9］、沿岸から離れた島への電力供給［10］の複雑な大型環状ネットワークへと変わった。人の操作を必要とした発電所は自動化され、統合化・無人化・系統化・マルチユニット化制御への発展を開始した［11］。文献［12］は、海上電力系統の信頼性の向上という角度から、海上電力系統の電力品質や負荷潮流、保護整定、過渡安定度などの面での問題を研究し、海上電力系統の運用方式への提案を行った。文献［13］は、マイクロガスタービンの效率と出力電力との関係を研究し、負荷とマイクロガスタービン出力のモデルを構築した。この段階ではさらに、風や光などの新型エネルギーを海上プラットフォーム電力系統に導入する可能性が理論的に模索され、新エネルギーの実際の導入に理論的な根拠が提供された。文献［14］は、エーゲ海の海上電力系統で風-水混合電力供給を実行する可能性を検討し、構築したモデルの最適化シミュレーションを通じて、このような海上電力系統の再生可能エネルギー発電の普及率は85％以上に達することができると論じた。文献［15］は、風力エネルギーをニューイングランド諸島の海上電力系統の主要電源と考え、環境や政治などの指標を電力系統計画の考慮因子とし、対応するモデルの設計と分析方法を研究した。
第三段階は、21世紀初めから現在までで、この時期の海上電力系統の研究は、基本原理のさらなる探究がなされたほか、情報化技術の大量の応用とクリーンエネルギーの実験的導入が最も際立った特徴となった。文献［16］は、マルチエージェント技術を海上電力系統に応用し、故障の早期警告を実現した。文献［17］は、電圧源コンバーター高圧直流伝送技術（VSC-HVDC）を採用した海上電力系統の高調波レベルを分析し、比較的詳細な伝送系統の数理モデルとこれに相応する高調波予測方法を提出した。近年、エネルギーの再生可能性と環境のクリーン性に対する関心の高まりにつれ、海上電力系統に導入される風力エネルギー以外のクリーンエネルギーの形式もますます増えており、これには太陽光エネルギーや潮力エネルギー、波力エネルギー、海洋温度差発電（OTEC）などが挙げられる［18］。文献［19］は、太陽光発電（photovoltaic、PV）を主電源とし、ガスタービンを補助電源とした海上電力系統の実験プラットフォーム（EGSAS）の設計と運用状況を紹介し、このような混合発電モデルは海上電力系統の信頼性とロバスト性を効果的に高め、有害物質の排出を減らすことができるが、海上プラットフォームの限られた空間はPVの容量とエネルギー貯蔵技術の採用を制限していると論じた。文献［20］は、波力エネルギーを海上電力系統の電力供給に採用する可能性を検討し、方向性を持った制御戦略を打ち出した。各国の専門家はこれと同時に、海上電力系統の構造についてさまざまな構想を打ち出した。例えば、多島嶼直流マイクログリッド群（複数のクリーンエネルギーによる連合電力供給）は多端子直流送電を採用したもので、中国の舟山で現在建設されている5端子フレキシブル直流送電プロジェクトに利用されている。オフショア浮体式独立グリッド（原子力発電と浮体式新エネルギーによる電力供給）は、日本が2016年の建設完了を計画している。深海水中グリッド（直流マイクログリッドまたは低周波交流マイクログリッド）は現在、フランスFlexblue社が概念設計を行っている［21］。
長年の研究を経て、海上プラットフォームの電力系統は、当初の単一的なネットワークから、現在の海上の大型ネットワークへの発展を遂げている。電力は、単一の補助エネルギーから、現在の総合電力推進動力へと変わっている。原始的な燃油による発電は、現在の新型の風力エネルギーや潮力エネルギーによる発電へと変わっている当初は人員が行っていた操作は現在、ほぼ完全にスマート化されている。海上プラットフォーム電力系統のすべての進歩は、人類に巨大な経済面と環境保護面での利益をもたらしている。
2 海上プラットフォーム電力系統の構造と特性
海上プラットフォーム電力系統は主に、電源と配電装置、配電網、負荷の4つの部分からなり［22］、これらは一定の方式でつながれ、発電・送電・配電・用電の完全なネットワークを構成している。図1の点線の囲いに示した通りである。
海上プラットフォーム電力系統の負荷は作動状態の変化によって変化する。初期は補助的な電力使用と生活向けの電力使用が主で、生産投入後は掘削・改修リグや原油採掘、ガス採掘、石油・ガス処理、生活などのための電力使用が主となる。
海上プラットフォーム電力系統と陸上油田の配電系統には次のような違いがある。
図1 海上プラットフォーム電力系統構造
Fig. 1 Power system structure of the offshore platform
2.1 系統容量が比較的小さい
陸上油田配電電力系統の容量は一般的に数百万キロワットで、数十の変電所と多くのさまざまなタイプの大容量発電機を備えている。一方、海上プラットフォームの主要発電所は一般的に数台の同じタイプの発電機を並列して運用しており、単体の発電機の容量をとっても、複数の発電機の容量の和をとっても、陸上油田の配電系統よりも小さい［23-24］。海上電力系統は容量が比較的小さいのに対し、大きな負荷の容量は単体の発電機の容量とほぼ同じであるため、このような負荷の起動時には、送電網に対して大きな衝撃がかかり（電圧や周波数の下落がいずれも大きい）、海上プラットフォーム電力系統の安定性には高い要求がつきつけられることとなる。またプラットフォームの作動状態はしばしば変動するため、自動制御装置の信頼性に対する要求も高くなる。
2.2 送電網の送電線が短く相互の影響が大きい
海上プラットフォームの電力ネットワークは、陸上油田の配電ネットワークと比べると、発電機端子の電圧と送電網の電圧、負荷電圧は多くが同一の電圧等級にあり、送配電装置は陸上系統よりも簡単となる。さらにプラットフォーム容積が制限されることから、電気設備は比較的集中し、配電線が比較的短く、しかも相対的に安定しており、発電機と送電網の保護は構造が複雑な陸上油田の配電ネットワークよりも簡単である。一般的に、発電機の過負荷と外部のショートの保護だけが設けられ、送電網の保護と発電機の保護は通常、１つの装置を共用し、自動再閉路遮断装置が設けられていない。プラットフォーム上では、周波数変換制御の装置の応用が比較的多く、送電網の高波長による汚染問題が深刻である［25］。
2.3 電気設備の作業環境が複雑で劣悪である
海上電気設備の作業環境は陸上よりはるかに悪く、電気設備の操業性能と稼動寿命に深刻な影響をもたらす［4］。周囲の環境温度が高すぎると、電気機械の出力不足や絶縁劣化の加速につながる。相対湿度が高すぎると、電気設備絶縁の吸湿や膨張、分層、変形が生まれ、絶縁性が低下し、金属部品の腐食の加速やメッキ層の剥落が起こる。塩霧やカビ、油霧、粉塵の粘着も電気設備の絶縁性を低下させ、作動性能に影響を及ぼす。プラットフォームと船舶が大きな衝撃や振動を受けた際にも、電気設備の損壊や接触不良、誤作動が生まれる可能性がある。さらに海洋プラットフォームの生産と生活は常に、石油や天然ガスなどの爆発性のガスと隣り合わせであるため、その作業環境はより複雑で危険なものとなる［26-27］。
（その２へつづく）
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※本稿は李雪，張安安，敬佳佳，韓浩「海上平台電力系統研究綜述」（『電網与清潔能源』2016年第32卷第2期、pp.1-7）を『電網与清潔能源』編集部の許可を得て日本語訳・転載したものである。記事提供：同方知網（北京）技術有限公司