２ ０ １ ６ 年 ７ 月北 海 道 電 力 株 式 会 社住 友 電 気 工 業 株 式 会 社

南早来変電所 大型蓄電システム実証事業

について

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経済産業省の「大型蓄電システム緊急実証事業」に応募し、採択されました。

住友電気工業（株）と当社が共同で275kV基幹系統の南早来変電所にレドックスフロー電池（15MW×4時間容量）を設置。

再生可能エネルギーの出力変動に対する調整力としての性能実証および最適な制御技術を開発します。

１．事業概要

風力発電出力

太陽光発電出力

制御指令

中央給電指令所（蓄電池制御システムを設置）

（レドックスフロー電池）大型蓄電池

放電

充電

※蓄電池の充放電により周波数の変動を抑制

周波数

項 目 系統用蓄電池の要件 レドックスフロー電池の特徴

容量○大出力、大容量○用途に応じた出力・容量の設計

○出力設計（kW）・容量設計（kWh）が独立して可能であり、設計の自由度が高い

○大容量化が容易

出力 ○急峻な出力応答が必要○応答速度が速い○短時間の過負荷運転が可能

充電量管理

○安定した出力確保のために正確な充電量管理が必要

○運転状態であっても充電残量をリアルタイムに測定可能

安全性 ○高い安全性 ○電解液は丌燃であり安全

風力発電出力安定化蓄電池、大規模蓄電池としての実績

2000年 NEDO事業「蓄電池併設風力発電導入可能性調査」

2003年 NEDO事業「風力発電電力系統安定化等技術開発」

2012年 住友電工社内設備「大規模蓄発電システム」

短周期、長周期変動抑制 短周期変動抑制 短周期、長周期変動抑制

1MWh (170kW x 6h) 6MWh (4MW x 1.5h) 5MWh (1MW x 5h)

●系統用蓄電池の要件を満足

●風力、太陽光の安定化制御実績

●大規模蓄電池の実績

レドックスフロー電池を本事業に適用

２．系統用蓄電池の選定

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レドックスフロー電池は、正負極の電解液にバナジウムイオン水溶液を用いた電解液還流型の電力貯蔵用蓄電池です。

下図に示すように電池反応を行うセルスタック、電解液を貯蔵する正負極のタンク、さらに電解液をタンクからセルへと循環するためのポンプ、配管等から構成されています。

電池設置後は、各種性能（容量、効率、保守性等）の評価を行います。

電解液タンク ポンプ

セルスタックPCS

DC

AC

電力系統

熱交換器(冷却)

正極電解液フロー 負極電解液フロー

３．レドックスフロー電池の原理と構成

（１）レドックスフロー電池の概要

３．レドックスフロー電池の原理と構成

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正極反応 2VOSO4 + 2H2O (VO2)2SO4 + H2SO4 + 2H+ + 2e -充電

放電

負極反応 V2(SO4)3 + 2e- +2H+ 2VSO4 + H2SO4

充電

放電

(5価)(4価)

(3価) (2価)

H+ V2+ V3+ V4+ V5+

負極電解液 正極電解液

電解液：硫酸バナジウム水溶液

（２）動作原理

正負極とも、バナジウムイオンの価数変化により、充放電を行います。

３．レドックスフロー電池の原理と構成

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フレーム電極 隔膜 電極 双極板

通電端子エンドプレート

セルスタック構成例

（３）セルスタックの構成

電池反応を行う流通型電解セルを複数積層したものを、セルスタックと称しています。

＜流通型電解セル＞

＜セルスタック＞

３．レドックスフロー電池の原理と構成

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（４）電池システムの構成

電池盤２面（１面あたりセルスタック４台内蔵）、熱交換器盤２面、電解液タンク２基、ポンプ２台、および配管により、電池の最小単位（モジュール）を構成します。

５組のモジュールと交直変換装置（ＰＣＳ）により、出力制御の最小単位（バンク）を構成し、電池システムは１３バンク（６５モジュール）から構成します。

モジュール１

モジュール２

モジュール３

モジュール４

モジュール５

ＰＣＳ

バンク１

・・・・・・・

バンク２ バンク１３

南早来変電所６６ｋＶ母線へ

変圧器

６６ｋＶ

６．９ｋＶ

＜モジュール＞ ＜電池システム＞

制御手法 概要

短周期変動抑制制御

風力・太陽光発電の変動補償制御 ＜制御１＞

複数の風力・太陽光の発電出力データを収集し、それらの合計出力の短周期変動分を補償する制御

ガバナフリー相当制御＜制御２＞

蓄電池側で周波数を検出し、周波数偏差に応じて制御（自律制御）

負荷周波数制御（ＬＦＣ）＜制御３＞

周波数偏差に応じて、系統全体の出力調整量を決定し、各水力発電所・蓄電池に配分する制御

長周期変動抑制制御＜制御４＞風力・太陽光発電の出力予測に基づき、これらの発電による長周期出力変動を緩和する制御

下げ代丌足対策運転＜制御５＞風力・太陽光発電の出力予測と需給計画に基づき、余剰電力の発生を回避するよう運転を計画

４．蓄電池制御システムの開発

本事業では、風力や太陽光発電の出力状況を把揜し、かつ電力系統の周波数維持を担ってきた火力や水力発電などの既存電源と協調して蓄電池の制御を行う、蓄電池制御システムを開発します。

各制御手法について、様々な条件下で試験し、その結果を踏まえ、適宜制御システムの改良を行います。

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セルスタック、熱交換器

電解液タンク、ＰＣＳ約１２０ｍ

約３５ｍ

約２０ｍ

５．蓄電池建屋概観イメージ

１階に電解液タンク、ＰＣＳ、２階にセルスタック、熱交換器を設置。（設置面積：約５，０００ｍ２～おおよそ小中学校の体育館の４倍程度に相当）

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実施内容設置工事期間 実証試験期間

2013 2014 2015 2016 2017 2018

住友電気工業

・蓄電池設計、製造

・蓄電池建屋設計、建設

・蓄電池設備設置、調整試験

・蓄電池性能評価、保守

北海道電力

・蓄電池制御システムの開発

・風力・太陽光発電出力予測システムの開発

・実証、分析、評価・蓄電池制御システム、風力・太陽

光電出力予測システム改良

６．スケジュール

実証期間は２０１３～２０１８年度の６年間を計画しています。

２０１５年１２月に設置工事が完了、その後３年間程度実証試験を実施します。

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複数サイトの風力・太陽光の発電出力データを収集し、それらの合計出力の短周期変動分を補償する系統用蓄電池の制御方法

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８．参考（各制御手法）

＜制御１＞風力・太陽光発電の変動補償制御

対象発電所出力の短周期変動を検出し、それを打ち消すよう蓄電池に指令

放電

充電

中給システム（実証用中央制御装置） 補償後合成出力

制御指令

太陽光出力

風力出力

太陽光出力

系統用蓄電池

風力出力

※中給システム：中央給電指令所 自動給電システム※本事業では、風力・太陽光発電ともに出力2,000kW以上の特別高圧連系の発電所が制御対象

＜制御２＞ガバナフリー相当制御

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８．参考（各制御手法）

系統用蓄電池を周波数調整用電源とみなし、蓄電池側で周波数を検出し、周波数偏差に応じて蓄電池を制御する方法

周波数

系統用蓄電池

充放電制御（自律制御）

周波数検出

周波数を検出し、基準周波数からの偏差に応じて基準周波数に引き戻すように蓄電池を制御（自律制御）

＜制御３＞負荷周波数制御（LFC）

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８．参考（各制御手法）

系統用蓄電池を周波数調整用電源とみなし、負荷周波数制御対象の水力発電所と同じように扱い、中給システムで周波数を検出し、周波数偏差に応じて必要な出力調整量を決定し、各水力発電所・系統用蓄電池に配分する制御方法

制御指令（水力）

系統用蓄電池

周波数検出

中央給電指令所で周波数変動抑制に必要な出力調整量と各水力発電所と系統用蓄電池への最適な配分量を計算して指令

制御指令

水力発電所

中給システム（実証用中央制御装置）

周波数発電

放電

充電

＜制御４＞長周期変動抑制制御

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８．参考（各制御手法）

風力・太陽光発電の出力予測に基づき、これらの発電による長周期出力変動が緩和するよう蓄電池の充放電を制御する方法

風力・太陽光発電予測

予測値（青）

目標値（赤）

出力

風力・太陽光発電実績

実績値（点線）

目標値（赤）

出力

放電

充電

充電

充電

放電

系統用蓄電池

気象予測 風力・太陽光発電出力予測システム 風力・太陽光発電出力予測に基づき、

長周期変動を抑制する目標値を決定し、蓄電池に充放電指令

※本事業では、風力・太陽光発電ともに出力2,000kW以上の特別高圧連系の発電所が制御対象

＜制御５＞下げ代丌足対策運転

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８．参考（各制御手法）

風力・太陽光発電の出力予測と需給計画に基づき、余剰電力発生を予測し、充電に必要な空き容量の確保や、放電計画を策定

揚水の活用

風況

火力の下げ代丌足

天候

需給バランス

発電 負荷

原子力

需要

水力

火力

最低

風力

太陽光

供給力余剰

揚水

系統用蓄電池

気象予測 風力・太陽光発電出力予測システム

その他

太陽光発電

原子力発電

火力発電（最低出力）

水力発電（流込式）

蓄電池放電

風力発電

蓄電池充電

揚水

火力発電＋水力発電（需給調整運転）

総需要 蓄電池充電

風力・太陽光発電出力予測に基づき、余剰電力発生を予測して充放電計画を策定

※本事業では、風力・太陽光発電ともに出力2,000kW以上の特別高圧連系の発電所が制御対象

８．参考（制御手法の組み合わせ）

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短周期変動抑制の制御指令

長周期変動抑制の制御指令

短周期・長周期変動抑制を合成した制御指令

蓄電池容量を有効活用する目的で、複数の制御手法を組み合わせることができるようシステムを設計例として、下図のように短周期変動抑制制御と長周期変動抑制制御を組み合わせ

た制御などが可能