Featured Articles
電力・エネルギーソリューション

5 MWダウンウィンド風車および洋上風力用浮体式変電設備の開発
清木 荘一郎Kiyoki Soichiro

飛永 育男
Tobinaga Ikuo

坂本 潔

Sakamoto Kiyoshi

佐伯 満

Saeki Mitsuru

稲村 慎吾

Inamura Shingo

横山 和孝

Yokoyama Kazutaka

日立は，再生可能エネルギーの拡大という社会的要求には現在商用運転に移行しているが，本稿では試運転で実応えるため，洋上ウィンドファームに適用できる機器の開施された性能・機能試験の内容および結果について述べ発を進めている。風力発電設備については，これまでのる。また，遠浅な海岸が少ないわが国においては浮体式

2 MW ダウンウィンド風車の経験を基に，信頼性を高めの洋上ウィンドファームが有望であるが，そこで必要になるた 5 MW ダウンウィンド風車の開発を行っている。実証機

浮体式変電設備の開発状況についても記述する。

1. はじめに

2. HTW5.0-126の基本仕様および特徴

化石燃料の枯渇問題や，地球温暖化問題，エネルギー

HTW5.0-126 は，台風が来襲する日本やその周辺地域ミックスの観点より，再生可能エネルギーに対する社会的の環境を考慮し，極値風速は IEC（International Electro-要求が高まっている。再生可能エネルギーの中でもコストtechnical Commission）のクラス I を上回る 55 m/s で設定

競争力が高い風力発電は世界的に導入が進められており，した。また，ロータ位置は，暴風停電時に優位性があり，特に洋上ウィンドファームは，陸上適地の減少や，風速がまた容易にタワーとのクリアランスを確保でき，日立のこ高くまた安定していること，騒音などの環境問題が発生しれまでの風車開発の経験を生かせるダウンウィンド風車とにくいことなどの優位性があり，国内外で多くの計画が立した。基本スペックを表 1 に，実証機の外観を図 1 に示す。

てられている。

構造的には，信頼性を高めるため，中速ギアドライブ方

日立では，上記のような社会的要求に応えるべく，風力発電設備を開発してきた。2005 年には 2 MW ダウンウィ式，2 軸受外輪駆動方式主軸，パッシブ冷却方式を採用していることに特徴がある。

ンド風車 HTW2.0-80 の実証機を設置し，これまでに国内に累計 96 台を設置している。2010 年には同機を国内初の外洋に 7 機設置し，2013 年は 8 機増設した。2013 年には国内初，世界でも 3 例目となる浮体式洋上発電設備を長崎

表1│HTW5.0-126基本仕様
陸上の系統と接続する海底ケーブルの経済性を考え，出力電圧は33 kVとした。

沖に 1 機，福島沖に 1 機設置した 1）。
日立では現在，より経済性が高い 5 MW ダウンウィン
ド 風 車 HTW5.0-126 を 開 発 し て い る。 実 証 機 は 2015 年

定格出力5,000 kW

ロータ直径126 m

ブレード枚数3

ロータ位置

ダウンウィンドチルト角−8 deg

3 月に茨城県神栖市の沿岸の陸上に建設され，2015 年 9 月

出力制御

ピッチ・可変速に商用運転を開始した。開発コンセプト 1）や開発プロセス 2）

コーニング角5 deg

極値風速55 m/s

平均風速10 m/s

については既報のとおりであるが，ここでは実証機で実施されている性能・機能試験について述べる。
また，遠浅な海岸が少ないわが国においては浮体式の風力発電設備や変電設備が必要になる。世界初の浮体式洋上変電設備の開発状況についても述べる。

38乱流カテゴリ

A

増速比

約1：40

発電機種別

永久磁石同期発電機

PCS方式

フルコンバータ

注：略語説明 PCS（Power Conditioning System）

2015.12日立評論

6，000

5，000

電力
［kW］

4，000

3，000

2，0000001，
計測 10 min
カタログ値

注：

024681012141618

風速［m/s］

図3│パワーカーブ実測値
風況マストの風車ハブ高さの風速と電力との相関を描いたもの。事前に想定していたカタログ値に近い性能が得られている。

南側には東京電力株式会社鹿島火力発電所の鉄塔があるため，風向が南のデータは解析対象から除外した。現在運転方法を調整中だが，事前想定値に近い性能が得られることを確認した。

図1│HTW5.0-126実証機外観
茨城県神栖市に2015年3月に設置され，各種性能・機能試験が行われている。

3.2 系統事故時運転継続試験

3. HTW5.0-126の実証実験

5 MW ダウンウィンド風力発電システム HTW5.0-126

3.1 発電性能試験

は，系統事故により瞬時電圧低下が発生しても，系統電圧HTW5.0-126 実証機の近傍に，風車のハブ高さと同じ低下レベルと電圧低下時間が規定の範囲内にある場合は，90 m 高さの風況マストを設置しパワーカーブを評価して解 列 す る こ と な く 運 転 を 継 続 す る FRT（Fault Rideいる。サイト平面図および風況マスト側面図を図 2 に示Through）機能を標準装備している。本機能は，発電機とす。風況マストは風車の西南西約 300 m の地点に設置し，PCS（Power Conditioning System）の組み合わせ工場試験

風速および風向の高さ分布や大気圧，気温，湿度を計測しを実施し，要求仕様を満たすことを確認している。図 4 がている。

2，500

電源＃1

試験発電機
（PMG）

昇圧変圧器

風況マスト

PCS

60，000000
63，84，00088，50090，000

試験用モータ

東京電力株式会社
鹿島火力発電所 鉄塔

30，0008，
700 9，000 9，000 9，000 9，000 9，000 9，000 9，000 9，0006，
300

000
93，
89，50087，000

鉄塔高支線取付高（避雷針含む）

電源＃2

HTW5.0-126

風速計・風向計取付高30°発電機とPCSの組み合わせ試験ベンチ
FRT回路

GL
45，0005，000 5，000

注：略語説明 GL（Ground Line）

注：略語説明 PMG（Permanent Magnet Generator），FRT（Fault Ride Through）

図2│HTW5.0-126実証機サイト平面図および風況マスト側面図

図4│工場試験構成（FRT機能確認）

発電性能把握のため，実証機の近傍に風況マストを建設し風速などを計測している。実証機サイト平面図はGoogleマップ3）より引用した。

試験対象の発電機を試験用モータで駆動し，PCSの系統出力側に電圧低下を模擬するFRT回路を設けている。

Vol.97 No.12 742–743

電力・エネルギーソリューション

39

Featured Articles

計測されたパワーカーブを図 3 に示す。ここで，風車の瞬時電圧低下−0.1

系統出力側電圧（kV）

201800.1

0.2

0.3

0.4

時間（s）

システム有効電力出力（pu）

0.3
0.20.1

ナセル冷却システム 冷却水温度（k）

86420−2−4−6−81614121086402−0.1

0−0.2−0.3−0.1

4681012141618141618ナセル風速（m/s）
00.2

0.1

0.3

0.4

時間（s）

10

図5│FRT機能試験波形例
電源電圧が0 Vまで低下し0.15 s間継続した例を示す。電圧復帰後0.1 s以内に発電出力は回復している。

工場試験の構成である。FRT 回路により，系統事故時の電圧低下を模擬した。図 5 に工場試験波形例を示す。系統4）

電圧の復帰後，日本国内の規定 で定められた期間内に発タワー冷却システム 冷却水温度（k）

987654321

電出力が回復することを確認している。

0

さらに，系統事故時の運転継続試験は，HTW5.0-126

4681012ナセル風速（m/s）

実証機においても実施している。実証機における確認試験
は，電力会社に接続するための連系変電所と風車との間にFRT 回路を挿入し，風力発電システム全体の挙動を確認

図6│冷却水温度とナセル風速との相関図するもので，2015 年度中の終了を予定している。

ナセル冷却システムおよびタワー冷却システムにおいて，ナセル風速が高いときに，冷却水温度が低く冷却効率が高くなる傾向が得られた。

3.3 冷却性能試験要となる 5）。

HTW5.0-126 実証機において，ナセル冷却，タワー冷現在，風車各部の荷重を検証中であるが，ここではブ

却は，ラジエータにファンを設けないパッシブ冷却方式をレードルート部のフラップ方向曲げモーメント（以下，「フ採用し，冷却に必要な風量を得るためのナセル形状やラジラップ曲げ」と記す。）についての検証結果を示す。計測

エータ配置について，流体解析を活用して設計した。

はフラップ方向の正圧側および負圧側に設置した歪みゲー

実証機の負荷運転時における，ナセル冷却システムとタジにより行い，それらの差分を 2 で割ることで等価に加わワー冷却システムの，ラジエータ通過後の冷却水温度（外る遠心力などの影響を除去し，さらに換算係数を掛けるこ気基準）とナセル風速との相関を，図 6 に示す。同図より，とで曲げモーメントを算出した。

ナセル風速が高いときに，冷却水温度が低く冷却効率が高発電時におけるフラップ曲げの評価結果を図 7 およびくなる傾向が得られ，冷却システムの設計妥当性を検証す

図 8 に示す。図 7 は 10 分間データに対する平均値，最大ることができた。

値， 最 小 値， 標 準 偏 差 で あ り， 図 8 は DEL（Damage「設計」
Equivalent Load）である。図中の「計測」は実測値，3.4 荷重評価試験

は空力弾性解析ソフトウェア BLADED6）を用いた設計値

風車の設計においては，空力弾性解析により風車各部・各断面における荷重を算出し，それを入力条件として詳細モデルに対する応力を FEM（Finite Element Method）などにより算出し，強度評価を行う。したがって，風車の構造健全性の評価には，上流となる荷重の検証を行うことが重40

2015.12である。数値は 10 m/s における DEL の設計値との比とした。

DEL は式（1）により算出した。
1/mReq＝（∑ Rim ni /neq）

日立評論

（ 1）

ここで，Req：DEL，Ri：疲労荷重スペクトルにおけるは実測が設計よりも小さい。フラップ曲げの DEL についi 番目のビンの荷重幅，ni：疲労荷重スペクトルにおけるては発電時が支配的であり，フラップ曲げの影響が大きい

i 番目のビンの繰り返し回数，neq：等価繰り返し回数（600），部位の疲労については問題ない可能性が高い。

m：材質の S-N（Stress - Number of cycles to failure）曲線の4. 洋上風力用浮体式変電設備の実証実験

傾きである。
図 7 の平均値は実測値と設計値でよく一致しており，空日本近海は欧州の北海と違い遠浅の海が少ないために浮力弾性解析は実機の静的な挙動をよく再現できているとい体式が有力とされている。ここでは資源エネルギー庁の実える。また，最大値は実測が設計よりも小さく，最小値は証研究事業として運用されている 2011 年度福島復興浮体実測が設計よりも大きく，それに連動して図 8 の疲労荷重式洋上ウィンドファーム実証研究について紹介する。洋上変電所外観を図 9 に示す。

4.1 洋上変電所機器の振動試験
注：

昨今の変電設備は，過去の大地震の経験を生かし耐震性

計測最小計測平均計測最大計測標準偏差
設計最小設計平均
設計最大設計標準偏差21.5の高い製品となっているが，浮体式は数十年に一度の台風発生時に対する揺れに加えて，常時揺動する状況で使用される。本事業では揺れに対する性能検証として，設計段階
で 十 分 な 検 討 を 行 い 開 閉 器（66 kV ガ ス 絶 縁 開 閉 装 置，124 kV 真空絶縁開閉装置）類は，実際に加震機に乗せて性0.5能を確認した。主変圧器（66 kV，25 MVA）は重量が 50 t0を超え，対応できる加震機が極めて少ないため，揺れに相当する加速を変圧器の傾きに置き換えることで模擬し性能−0.5を確認した（図 10 参照）。

−14567891011121314風速（m/s）

揺れ以外では，海上に設置するために塩害による発錆（せい）・損傷の懸念がある。陸上設備との違いは保守性にある。陸上施設では補修塗装や作業を最適に行える環境を

図7│ブレードルート部フラップ方向曲げモーメント統計値
10分間平均風速に対してブレードフラップ曲げの10分間統計値を図示したも整えることは容易であるが，海上では制約があることを考慮に入れて設計する必要がある。実際に屋外に設置されてのである。

いる機器は変圧器のみであるが，薄板材を使用するラジエータは溶融亜鉛鍍金（めっき）および亜鉛溶射を行いメンテナンスが少ない方法をとっている。

ブレード1フラップ方向曲げモーメントのDEL比
（−）

1.5
注：

計測
設計

5610.5047891011121314風速（m/s）

注：略語説明 DEL（Damage Equivalent Load）

図8│ブレードルート部フラップ方向曲げモーメント疲労荷重
10分間平均風速に対してブレードフラップ曲げの10分間疲労等価荷重を図示したものである。

Vol.97 No.12 744–745

図9│洋上変電所外観
変電所規模は66 kV1回線受電，変圧器出力は25 MVAとなっている。変電設
備は上部デッキ内に収納されている。場所は福島県小名浜沖で手前が変電所，（写真提供：福島洋上風力コンソーシアム）
奥が日立2 MW風車である。

電力・エネルギーソリューション

41

Featured Articles

ブレード1フラップ方向曲げモーメント比
（−）

2.5

参考文献など
1） 佐伯，外：5 MW洋上風車および2 MW浮体式洋上風車の技術開発，日立評論，
96，5，341〜346（2014.5）
2） 飛永，外：日立製作所5MW機の技術開発，実証，今後の展開，風力エネルギー，
Vol.39，No.1，pp.93-96（2015）3） Googleマップ，https://www.google.co.jp/maps4） 日本電気技術規格委員会，系統連系規程JEAC9701-2012（2012）
5） International Electrotechnical Commission, Wind turbine generator systems - Part
13: Measurement of mechanical loads, IEC TS 61400-13:2001, First edition（2001.6）
6） GL Garrad Hassan, Bladed, Version4.4.0.121（2014.8）

執筆者紹介
清木 荘一郎
日立製作所 電力システム社 日立事業所 風力発電システム部 所属
現在，風車の開発業務に従事
日本風力エネルギー学会会員

坂本 潔
日立製作所 電力システム社 日立事業所 風力発電システム部 所属
現在，風車の開発業務に従事
博士（工学）
電気学会会員図10│変圧器傾き試験
日立製作所国分事業所にて行った変圧器傾き試験の様子を示す。

4.2 実証実験
稲村 慎吾
日立製作所 電力システム社 日立事業所 風力発電システム部 所属
現在，風車の開発業務に従事
博士（工学）
電気学会会員2013 年 10 月受電以降，約 2 年間の運用実績となり，何度か大きな台風も経験しているが，動揺によるトラブルおよびその他トラブルもなく運転を続けている。屋外に露出されている変圧器に関しても塩害の影響は想定レベルに収まっている。今後は将来に向けたコスト低減・設計評価を

飛永 育男
日立製作所 電力システム社 日立事業所 風力発電システム部 所属
現在，風車の開発業務に従事
日本風力エネルギー学会会員

実施していく予定である。

5. おわりに
本稿では，5 MW ダウンウィンド風車 HTW5.0-126 性
能・機能試験の内容や結果および浮体式変電設備の開発状

佐伯 満
日立製作所 電力システム社 日立事業所 所属

況について述べた。

現在，風車開発プロジェクトに従事
技術士（電気電子部門）
電気学会会員

今後は，騒音なども含めた性能・機能試験をさらに実施し，特性の把握や改善を図る。また，新たな制御方法の検証にも取り組む。それらを通じて高性能・高信頼性の機器

横山 和孝
日立製作所 エネルギーソリューション社を社会に提供していく。

ソリューションシステム事業部 電源システム部 所属
現在，国内・海外の受変電システムの拡販に従事
技術士（電気電子部門）

謝辞

5 MW 洋上風力発電機 HTW5.0-126 の開発においては，国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）よりご支援いただき，感謝申し上げます。
福島復興・浮体式ウィンドファーム実証研究事業においてはコンソーシアム各位よりご協力いただいており，お礼申し上げます。

42

2015.12

日立評論