斎藤研究室

  東北大学 大学院工学研究科   

  電気エネルギーシステム専攻 電力ネットワークシステム分野  

Saitoh Laboratory / Department of Electrical Engineering Graduate School of Engineering Tohoku University

研究活動

研究概要

 私たちの研究室では、「電力システム」の制御、運用、計画について色々な問題を解決するための方法を研究しています。研究の内容をご紹介する前に、「電力システム」とは何かを簡単に説明しましょう。

 皆さんの家の壁に100Vのコンセントが付いているのを想い出してみて下さい。そのコンセントに色々な電気機器のプラグを差し込むと、何時でも電気エネルギー(電力)がその機器に供給され、正常に動作させます。日本全国、どこの家でも、「コンセントに電気機器をつなぐだけで電力が供給される」という当たり前のようなことを実現しているのが、「電力システム」です。そして、この電力システムは、水道の蛇口をひねるだけで水を得られる水道システムと同様に、現代の社会を支えるインフラなのです。

 電力システムは、多数の発電機、送電線、変圧器、配電線などの電気機械と電気回路によって造られており、国中のあらゆる建物や工場、家々に電力を送り届ける巨大な電気機械システムです。この巨大な電気機械システムを雷、台風、地震などの自然の脅威から守り、かつ停電が生じないように発電機や送電線、変圧器などの設備の状態を計測データを用いて監視し、それらの設備が正常に動作するように各部の電圧や電流を制御する監視制御システムが備えられています。そしてこの監視制御システムは多数のコンピュータと通信ネットワークおよび情報処理ソフトウェアから構成されています。

 以上の通り「電力システム」とは、社会を支えるインフラであり、そして電気機械システムとコンピュータに基づく監視制御システムが一体となったシステムなのです。

 今、この電力システムに新しい波がやって来ています。第1の波は、太陽光や風力といった再生可能エネルギーを利用した発電設備を増やし、二酸化炭素などの地球温暖化ガスを排出しない電力システムに変わっていこうという波です。第2の波は、社会を支えるエネルギーとしての電力という視点の他に、経済的に売り買いできる商品という視点に重きを置いて、市場原理に基づいて電力の供給と消費をバランスさせて行こうという波です。

 第1の波を超えるためには、いくつかの課題を解決しなければなりません。その課題を端的に言うと「天候に左右されて出力が不確実に変化する太陽光発電や風力発電を、”どのようにして電力の品質を落とさずに電力ネットワークに多くつなぐことができるのか”、”水力・火力・原子力発電といった電力システム安定性を支える大型電源と、どのように調和を図って電力を安定に消費者へ送り届けられるのか”」と言えます。

 第2の波は、法制度と経済活動に深く関係するので、第1の波ほど単純化して技術的課題を述べることは難しいのですが、それでもあえて簡単に述べてみると「電気の供給者(発電事業者)と消費者の間の経済活動に基づく電力の売り買いが、電力システムという電気機械システムに何らかの不具合をもたらし得るのか。もたらすとすれば、それはどんな状況においてか。またそのような不具合を引き起こす状況を生じないようにする技術的方策はあるのか。」と言えるでしょう。

 私たちの研究室では、主に第1の波に対して(第2の波の影響も考慮しつつ)、次の3つの課題について、コンピュータシミュレーションや最適化計算により、解決するための基礎的な方法を見出そうと日々研究活動を行っています。

〇電気自動車やヒートポンプ給湯器などエネルギー貯蔵機能を持った需要側の分散エネルギー資源の電力システム安定化への利用法
〇風力発電などの出力が間欠的に変動する電源の電力システム安定化への利用法
〇電力システムの安定性向上化方策

 上記の研究課題を解決するため、私たちは次のアプローチをとっています。
◎実験することがほぼ不可能な巨大な電力システムの複雑な動きを見通しながら研究を行うため、発電機や送電線など電力システムの基本構成要素のレベルからシミュレーション用の数学モデルを作成し、MATLABなどの計算機言語を用いてプログラムを開発します。
◎多数の電気自動車など集団を対象とした制御の方法を考える場合、マルチエージェントシステムなど情報システムの考え方を応用したり、線形計画法などの数理最適化手法を利用します。近年注目されているAI、機械学習なども課題解決のための手段として注目しています。

 以上、私たちの研究活動について概要を紹介しました。以下に、もう少し具体的に研究課題を説明していますので、関心を持たれた方は是非読んでみて下さい。


研究目的

 電力システムは安全かつ安心な社会を支えるエネルギー供給・流通の基盤です。当研究室では、低炭素社会の実現を念頭に置き、分散型電源を融合した障害回復力のある電力システムの構築を目指しています。





研究テーマ

 電力システムでは、発電される電力は常に消費される電力と等しくなるように調整されています。この需要と供給のバランス(需給バランス)が崩れると、その余剰分は発電機によって吸収されることとなり、同期運転の維持に悪影響を与えてしまいます。現在導入が進められている再生可能エネルギー電源は出力が天候に依存して不確実に変動するため、今後はこれまで以上に需給バランスの維持が困難になると考えられます。本研究室では、既存の発電機の出力調整に加え、大型蓄電池を用いた充放電制御や需要家の消費電力制御など、系統に接続される機器を最大限活用する手法の開発を行っており、将来にわたって安定な電力供給を実現するシステムの構築を目指しています。



 電力システムに連系されている全ての同期発電機は、常に同じ周波数で回転しています。これらの発電機は、電力需要の変動や落雷などの変化によって同期運転が一時的に崩れた場合でも、元の同期状態に復帰する能力(同期化力)を持っています。しかしながら、再生可能エネルギー電源にはこの能力がないため、将来的に大量導入が達成されると、電力系統全体の同期火力が低下し、事故時に同期運転に復帰できなくなる可能性があります。そこで、本研究室では、将来系統における同期安定性を確保することを目的に、系統の状態からリアルタイムに安定性を推定する手法や、再生可能エネルギー電源を同期発電機のように振る舞わせることで同期化力を向上させる新しい制御手法の開発などを行っています。



研究テーマ紹介

 ⒈ 大規模電力システムの同期安定性
  • 系統情報を用いたリアルタイム安定性監視

 ⒉ 大規模電力システムの需給バランス
  • 公平性を考慮した自律分散型エネルギー源の周波数制御への活用
  • 需給バランス維持を目的とした風力発電出力制御のアルゴリズム開発
  • 風力発電が大量導入された電力系統の安定性改善に関する研究

 ⒊ 需要側ネットワークに関する研究
  • 分散電源を活用した自立運転配電ネットワーク


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