2023/12/21

高圧直流送電（HVDC）について～カーボンニュートラルの実現に向けて～
NEDO 特別講座 産学合同セミナー© 2023 Hitachi Energy. All rights reserved.

2023-12-21

1

HVDCとは？
✓長距離送電、ケーブル送電

✓

低損失送電

✓

高品質・高信頼の系統連系を実現するソリューションです。

➔ Energy Transition、Carbon Neutrality 実現のためのキーテクノロジーの一つ
2

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2

1

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HVDC の例 ± 525 kV / 1,400 MW 双極、長距離海底ケーブル送電

交直変換

ノルウェー
（約 600 km 先）

直流－ 525 kV

Tonstad (Ertsmyra)＋ 525 kV

約 600 kmWilster

交流
ドイツ
3

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※ 電力の流れは双方向です。

3

HVDC の例± 320 kV / 1,200 MW 対象単極、洋上風力連系

交直変換

Dogger Bank A

約 130 km4

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42

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HVDC 交直変換バルブの例

5Public© 2023 Hitachi Energy. All rights reserved.

5

Table of contents
1. 世界の HVDC
2. HVDC とは
3. HVDC の系統サポート
4. システム解析
5. プロジェクト事例
6. 日立のHVDC事業

6

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63

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世界のHVDC

7

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7

欧州で進む連系強化
欧州の “10 Year Network Development Plan” (TYNDP 2020)（entso-e* 2020年版10年計画）

欧州では、連系強化が社会・経済的に有効であると評価されており、今後もさらに連系強化を進める計画。

(TYNDP 2020)

加速している

20 年間で 93 GW(TYNDP 2022)

8 年間で 64 GW* entso-e: The European association for the cooperation of Transmission System Operators (TSOs) for electricity(欧州送電システム事業者ネットワーク協会), UCTE＋英国＋北欧＋バルト三国（entso-eエリア）の系統規模： 日本の約 3.5 倍
UCTE: The Union for the Co-ordination of Transmission of Electricity (欧州大陸主要部の同期系統)
8

出典：ENTSO-E http://tyndp.entsoe.eu/
Map of TYNDP 2020 transmission projects. Areas indicate projects for which the route is not yet known. (Green: project underconstruction, Yellow: project in permitting; Red: Project planned but not yet in permitting, Blue: project under consideration)

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連系強化の動機、効果
We build interconnections because it’s social welfare, beneficial for both society and“economy.
It is not Statnett’s economical benefit because the congestion revenue frominterconnections are passed on to Statnett’s customers through reductions in tariffs.
”
Statnett, Norway

entso-e TYNDP 2022:
64 GW の連系増強（2022 – 2030）により【2030年断面】✓ 17 TWh/年✓ 9 TWh/年✓ 14 Mton/年✓ 50億 €/年

再エネ抑制回避 （35 ⇒ 18 TWh/年）
天然ガス発電削減 （393 ⇒ 384 TWh/年）
CO2 歳出削減 （323 ⇒ 309 Mton/年）
発電コスト削減 （1,040 ⇒ 990 億€/年）【2040年断面】✓ 42 TWh/年✓ 75 TWh/年✓ 31 Mton/年✓ 90億 €/年

再エネ抑制回避 （78 ⇒ 36 TWh/年）
天然ガス発電削減 （366 ⇒ 291 TWh/年）
CO2 歳出削減 （175 ⇒ 145 Mton/年）
発電コスト削減 （1,320 ⇒ 1,230 億€/年）の効果が見込まれる。
※ Statnett では、連系線からの収入が消費者に還元されている。
https://eepublicdownloads.blob.core.windows.net/public-cdn-container/tyndpdocuments/TYNDP2022/public/system-needs-report.pdf

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99連系増強が加速【entso-e 連系強化検討の目安】
 市場価格差の極小化＞€2 / MWh （年平均）
HVDC in Europe
 供給信頼性の向上

連系強化を検討すべき目安とされている。

連系容量＜ピーク需要の30%
 再エネの共有

Report of the Commission Expert
Group on electricity interconnection
targets, Nov 2017

連系容量＜再エネ導入量の30%

2021年運開済
2021年建設中
計画中、議論中

世界の自励式 HVDC 累計容量 (MW) ※ 2023年8月現在

250,000
稼働中

進行中 or 計画中

202,232
192,232

200,000

150,000

100,000

81,83237,35650,000

3

216

1997

1999

1,904

854

11,330

0

2031

2029

2027

2025

2023

2021

2019

2017

2015

2013

2011

2009

2007

2005

2003

2001

10

イスラエルへ
モロッコへ

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なぜ脱炭素の主力として「風力＋連系強化」が選択されているか
IEA: Net Zero by 2050, a roadmap for global energy
sector

IPCC: Climate Change 2022: Mitigation of Climate Change

Hitachi Social Innovation Forum 2023

https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg3/(Gerhard Serge, CTO of Hitachi Energy)

https://iea.blob.core.windows.net/assets/deebef5d-0c34-4539-9d0c10b13d840027/NetZeroby2050-ARoadmapfortheGlobalEnergySector_CORR.pdf

11

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11

海外の先行事例（自国へ風力投資を呼び込むため系統整備を先行）【3 か国の共通点】⚫ 連系線、アクセス線を含むグリッドの整備を先行し、洋上風力への投資を促進 （条件が不利だと自国に投資が来ない）⚫ シンプル・標準的な HVDC により、短期間で建設⚫ 最新動向： 自励式 HVDC 2,000 ～ 3,000 MW クラスプロジェクトの増加、 Framework Agreement による生産枠確保の動きが強まる
ドイツ

デンマーク

英国

【日本との類似点】⚫ 北部に大量の風力ポテンシャル、南部（遠距離）に大需要
地【示唆】⚫ セントラル方式で風力の建設エリアとHVDC 送電線を建設し、洋上風力への投資を促進 （当初は HVDC はアクセス線扱
いだった）⚫ 北部⇔南部を結ぶ、大容量・長距離 HVDC を 5 本建設⇒ 国内マスタープランに類似⚫ 2030年に 30 GW、2035年に 40 GW の洋上風力ターゲット【日本との類似点】⚫ ほぼ北海道と同サイズ【示唆】⚫ 最大需要を超える風力を導入⚫ 周辺系統と複数の連系を持つことにより、供給信頼性を向上（リスクを低減）⚫ 再生可能エネルギー比率が高く、供給信頼性も高いため、多くの RE100 企業が投資（Apple、Google、META 等がデー
タセンター建設）⚫ 再エネ率（年間）が 60 % 超 (2018年)【日本との類似点】⚫ 周囲を海に囲まれた島国【示唆】⚫ OFTO 方式で、洋上風力の投資を促進⚫ 周辺各国と複数の連系、国内も複数の南北連系等を持つことにより、供給信頼性を向上（リスクを低減）⚫ 風力の発電量が少ないときは、周辺国から輸入⚫ 2030年 50 GW の洋上風力を稼働

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ドイツの例
ノルウェーへ

洋上風力連系線

系統連系線

国際連系線

デンマークへ
UK へ

ベルギーへ

洋上風力連系線
エリア毎に HVDC

https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_offshore_wind_farms_in_Germany
13

南北系統連系線

https://www.cleanenergywire.org/factsheets/set-and-challenges-germanys-power-grid

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13

Energy Transition が加速
TenneT が 28 GW (14 x 2 GW) の洋上風力連系 HVDC を建設 (独、蘭、2028 – 2031 に順次運開)

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https://www.tennet.eu/news/around-eu30-billion-europes-largest-ever-contractingpack-age-security-supply-energy

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さらなる系統増強（by HVDC）を計画

15

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15

デンマークの例➢ 人口（5.6 million）、系統規模（最大需要 約 6 GW）が北海道に類似している➢ 風力の設備容量はすでにデンマークのピーク需要を上回って
おり、さらに風力を増やす計画 （ピーク需要の 3倍を目指す）➢ 風が強い日には、国内消費電力が100%風力になる日もある➢ 直流連系線は以下
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•

Kontek 1 (DK-DE)
Storebælt 1 (DK-DK)
Konti-Skan 1 (DK-S)
Konti-Skan 2 (DK-S)
Skagerrak 1 (DK-N)
Skagerrak 2 (DK-N)
Skagerrak 3 (DK-N)
Skagerrak 4 (DK-N)
Cobra 1 (DK-NL)
Viking Link (DK-UK)
Kriegers Flak※ (DK-DE)

600 MW
600 MW
380 MW
360 MW
275 MW
275 MW
500 MW
715 MW
700 MW
1,400 MW
400 MW ※ ドイツ側にBtB➢ 今後洋上風力の HVDC 連系も増える➢ Apple、Google、Facebook がデータセンターを設置（Apple のデータセンターは、Skagerrak 変換所の隣に建設）

16

Source: Energinet.dk

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デンマークは再エネ比率で世界トップクラス

Source: Energinet.dk

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Apple Viborg Data Center （デンマーク）
Apple が Skagerrak HVDC station の隣に大規模データセンターを建設 （消費電力： 約 200 MW !!）Skagerrak 1～4
Tjele HVDC station

Skagerrak 1～4
Tjele HVDC station

Skagerrak 1～4
Tjele HVDC station

約 365mSource: Apple website

最終的に 6 棟となる

Source: Google Maps

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Google、META (Facebook) もデンマークにデータセンター建設Public© 2023 Hitachi Energy. All rights reserved.

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デンマークの Energy Island

Source: Energinet.dk

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英国の例
➢ 系統規模（最大需要 約 63 GW）は日本の約 1/3、海で囲まれているところは日本と類似➢ 洋上風力の導入目標： 50 GW in operation by 2030
➢ 多数の直流連系線により供給セキュリティーを確保
16 GW (2027) ⇒ 32 GW (2031)

Source: Scottish & Southern Electricity Networks

20

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Energy Transition が加速“Together, the nine countries set offshore wind targets ofabout 120 GW by 2030 and 300 GW by 2050 in the North Seas.
Today the North Seas have a combined capacity of less than 30
GW.”

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21

HVDCとは

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22112023/12/21

身近な直流と交流

直流

交流

交流

直流

23

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23

直流 vs 交流◆ トーマス・エジソンが、1882 年ニューヨークで直流 110 V の送電を開始
電線が長くなると高負荷時電圧降下が大きくなり問題・・・◆ 1886 年にジョージ・ウェスチングハウスが、水車発電機の 500 V 交流を 3,000 V に昇圧し送電（受電端では変圧器で 100 V に）
◆ 1887 年エジソンの従業員テスラが、交流発電機、変圧器、交流電動機などを発明。直流の問題解決を提案するも断られ独立。
◆ その後どろどろの戦い・・・◆ 1893 年コロンブス博覧会でテスラとウェスチングハウスによる洗練された交流機器の展示。それに続きナイアガラ水力発電所が、テスラの交流方式を採用し 2,200 V で送電。以後、急速に交流方式が広まる。
※ 実はマンハッタンでは、2005 年まで直流配電が存在していました。

24

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2412

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1800年代末： 長距離送電に適した交流（テスラ陣営）が勝利◆ 直流は容易に電圧を変えられない- 需要端（電灯）が 110 V ⇒ 110 V で送・配電⇒ 1マイルほどで電圧降下大。
- 電圧降下が大きいので、需要地近くに発電所を分散して設置。コスト大。
- 電灯用と動力用（より高電圧）を、別ラインで配電。
これもコスト大。

◆ 交流は容易に電圧を昇圧可- 抵抗損失は電流の二乗に比例。高電圧化で電流を小さくし、損失と電圧降下を小さくできる- これにより、より長距離送電が可能にWin!

直流は適した用途に適した電圧で（限定的に）使用 ・・・ 電車、パソコン、EV、蓄電池 etc
25

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25

なぜ今「長距離」に直流なのか？
1800年代末、交流（テスラ）は、”長距離”送電により直流（エジソン）に勝利した。
なぜ今 “長距離” で直流になるのか？
【今日の課題】

HVDC の特徴• 「長距離」がより長くなった• 長距離の低損失送電• ケーブル送電の増加（交流ケーブル送電は実質 50 ～ 100 km が限界*）• 架空送電線の長い建設期間（再エネ等の事業計画に難）• 長距離ケーブル送電• 既存交流系統のサポート（安定化）⇒ 大規模な再エネの導入には長距離送電（再エネ連系および地域間連系）が不可欠であり、Energy
Transition ・ CN の早期実現に、HVDC が貢献する。

* 100 km を超える交流ケーブル送電がいくつかある。

26

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26

132023/12/21（参考） 架空線送電 と ケーブル送電
架空送電線

電力ケーブルhttps://electrical-engineering-portal.com/analysing-the-costs-of-high-voltage-direct-current-hvdctransmission

https://www.tdworld.com/intelligent-undergrounding/article/20972392/iowa-developer-to-build-3billion-renewable-energy-powerline

長距離ケーブル送電は、交流では難しく、直流が最適
27Public© 2023 Hitachi Energy.https://www.kitaniti-td.co.jp/products/cable_wire/power/acsr/index.html
All rights reserved.

27（参考）ケーブル敷設の例

28

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https://www.nkt.com/products-solutions/high-voltage-cable-solutions/installation/offshore-installation
https://www.offshorewind.biz/2017/03/01/abb-and-nkt-complete-high-voltage-cable-business-deal/
https://www.tennet.eu/our-grid/international-connections/nordlink/28

14

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送電距離

と

交流 vs 直流

長距離架空線送電 建設コスト

長距離架空線送電 電力損失

ケーブル送電

交流送電
直流送電

交流送電
（リアクトル補償）

U.S. Energy Information Administration, “Assessing HVDC transmission for Impacts of non-dispatchable generation”

29

Crown Estate “East Coast Transmission Network Technical Feasibility Study”

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29

HVDCのアプリケーション

30

遠隔電源の送電異なる系統の連系

洋上風力連系

同期交流系統内の直流送電

Connecting remote generation

Interconnecting grids

Offshore wind connections

DC links in AC grids

洋上への送電都市部への電源供給

遠隔負荷への送電Power from shore

City center infeed

Connecting remote loads

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30

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交流と直流の変換

他励式と自励式

他励式と自励式
他励式変換器

自励式変換器 （マルチレベル）

交流の電源電圧を切り替えて直流電圧を作る

直流電源を持っており、直流の電源電圧を高速にスイッチングすることにより、交流側の出力電圧振幅、位相を制御する（スイッチングに交流電源が必要）

31

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31

他励式HVDC他励式HVDCの基本原理（例）
両端で交流電源を整流し直流電圧を作る。両端の直流電圧の差により電流を流し、電力を送る。
交流

交流

直流

交直変換器

交直変換器
𝑅

𝑉𝑆1
𝑉1

𝐼𝑑𝑐 =

𝑉1 − 𝑉2
𝑅

𝑉𝑆2
𝑉2
（一定）

𝑃𝐼𝑁 = 𝑉1 × 𝐼𝑑𝑐

𝑃𝑂𝑈𝑇 = 𝑉2 × 𝐼𝑑𝑐
順変換

32©Hitachi HVDC Technologies, Ltd. All rights reserved.
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与えられた𝑃指令に対し
𝑉1を制御

逆変換

CONFIDENTIAL

32

16

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他励式HVDC他励式HVDCの基本原理 順変換器と逆変換器
順変換 （点弧角＝15°）33

逆変換 （点弧角＝150°）

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33

他励式HVDC他励式HVDCの基本原理（例）
交流電源を整流し直流電圧を作る。両端の直流電圧の差により電流を流し、電力を送る。
交流

𝑃1
𝑉𝑆1

𝑃2

𝑅
𝑉1

𝑽𝟏

34

交流

直流

𝐼𝑑𝑐 =

𝑽𝟐

𝑉1 − 𝑉2
𝑅

𝑹

𝑉𝑆2

𝑉2
（一定）

𝑰𝒅𝒄

𝑷𝟏

𝑷𝟐

100

99

1

1

100

99

101

99

1

2

202

198

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34

172023/12/21

他励式HVDC他励式HVDCの基本原理（例）
交流電源を整流し直流電圧を作る。両端の直流電圧の差により電流を流し、電力を送る。
交流

𝑃1
𝑉𝑆1

𝑃2

𝑅

𝑉1
（一定）

𝑽𝟏

35

交流

直流

𝐼𝑑𝑐 =

𝑽𝟐

𝑉1 − 𝑉2
𝑅

𝑹

𝑉𝑆2

𝑉2

𝑰𝒅𝒄

𝑷𝟏

𝑷𝟐

100

99

1

1

100

99

101

99

1

2

202

198

-99

-100

1

1

-99

-100

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35

マルチレベル変換器（1）
自励式直流送電においては損失が低く、高調波の発生が少ない
マルチレベル変換器が主流
回路方式

2 レベル変換器

マルチレベル変換器

概略図
アーム
電圧

コン
デンサ

アーム
電圧

アーム
電流

セル

アーム
電流

コン
デンサ

セルを
多直列

IGBTを
多直列

コンデンサ

直流線路に集中配置（直流短絡時に放電する）

アーム電圧
概略波形

基本波成分

アーム電流
概略波形

36

各セルに分散配置（直流短絡時にも放電しない）
基本波成分

マルチレベル

2レベル
t

0

直流成分

直流成分
0

t

0

t

断続

0

t

連続

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36

18

2023/12/21

マルチレベル変換器 (2)◼ 各セルは、IGBT のスイッチング状態に依存して”零電圧” または “コンデンサ電圧” を出力しそれぞれ２ レベル波形の出力となる。
“オン” 状態電流
下IGBTオフセル
出力電圧“オフ” 状態コン
デンサ

上IGBTオン
ダイ
オード

コンデンサ
電圧

コン
デンサ

上IGBTオフ
電流
下IGBTオン
セル
出力電圧

ダイ
オード

2レベル波形セル
出力電圧
コンデンサ電圧t
基本波成分◼ セル出力電圧は電流の極性（方向）に依らず，IGBT のオン/オフ状態で決定◼ セルが “オン” 状態の場合，電流はコンデンサを充電/放電

37

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37

マルチレベル変換器 (3)◼ アーム = 複数のセルの直列回路: アーム出力電圧はセル出力電圧の和

各セルのオンオフ状態

アームの
出力電圧

5レベル
電圧波形

アームの
出力電圧

1セル分の
コンデンサ電圧0◼ N セル/アームの場合，(N + 1) レベル電圧波形を出力

38

t
基本波成分

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38

19

2023/12/21

マルチレベル変換器 (4)Number of pulse: 3
Modulation index: 0.9
9-Level※ 実際の HVDC における MMC 制御とは異なります。

39

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39

Number of pulse: 3
Modulation index: 0.9
61-Level

40

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40

20

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マルチレベル変換器 (5)◼ 正負アームの “差電圧” ⇒ 交流電圧
◼ 正負アームの “和電圧” ⇒ 直流電圧
P

1セル分の
コンデンサ
電圧

直流成分
= VDC / 2
0

t
Va

セル
正側
アームの
出力電圧 アーム
Vap

正負アームの
“差電圧”
t

0

A

IGBT

交流電圧
Va

41

セル
負側
アームの
出力電圧 アーム
Van

t

0

仮想
中性点

1セル分の
コンデンサ
電圧

Van

2レベル波形

直流電圧
VDC

M

コン
デンサ
ダイ
オード

セル
出力
電圧

VDC / 2Va ≒ (−Vap + Van) / 2

VDC
VDC ≒ Vap + Van

VDC / 2

正負アームの
“和電圧”
0

直流成分
= VDC / 20

直流線路（正側）

Vap

N

t

t

直流線路（負側）

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41

自励式HVDCは、系統安定化にも寄与
自励式HVDCは、無効電力の供給が可能
直流

交直変換器

交流

𝐼𝑑𝑐 =

𝑉1 − 𝑉2
𝑅

交流

交直変換器

𝑅

𝑉𝑆1

𝑉𝐶1
𝑉1

与えられた𝑃、 𝑄指令に対し
𝑉𝐶1と𝛿を制御

𝑃𝐼𝑁 =

𝑄1 =

42

𝑉𝑆1𝑉𝐶1sin 𝛿1
𝑋1

2
𝑉𝑆1𝑉𝐶1 cos 𝛿1 − 𝑉𝐶1
𝑋1

𝑉𝑆2

𝑉𝐶2
𝑉2
（一定）

𝑉2を一定に維持するよう、また与えられた 𝑄 指令に対し
𝑉𝐶2と𝛿を制御
𝑃𝑂𝑈𝑇 =

𝑄2 =

𝑉𝑆1
𝑆2𝑉𝐶2
sin 𝛿2𝑋12

2
𝑉𝑆2𝑉𝐶2 cos 𝛿2 − 𝑉𝐶2
𝑋12

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42

212023/12/21

自励式／他励式

比較項目

自励式（VSC）

他励式（LCC）

転流方式

自己転流

交流電圧を用いて転流スイッチングデバイス

BIGT、IGBT などの自己消弧素子

サイリスタ（自己消弧できない）

無効電力の供給、制御
無効電力の供給、制御

変換器により無効電力の供給が可能 （系統運用へのベネフィット大）

無効電力を消費するため調相設備が必要となる有効電力と無効電力
有効電力と無効電力
の個別制御
の個別制御

変換器にて有効電力、無効電力の個別制御が可能

追加設備が必要（基本的には不可）連系交流系統の制限
連系交流系統の制限

連系系統が弱い（短絡容量が小さい）場合でも運転可能
弱い系統では Grid Forming 運転実施
運転実施

連系系統は強い（短絡容量が変換器の2～3倍以上）必要がある

ブラックスタート
ブラックスタート

交流側停電時にブラックスタート可（補機電源要）交流側停電時にブラックスタート可（補機電源要）交流側停電時運転不可（あるいは大規模な対策が必要）

損失（トータル）

変換所あたり約 0.8 %変換所あたり 0.7 ～ 0.8 % 程度

交流フィルタ、調相設備などの付属設備

不要または小規模

大規模なもの（変換器容量の60%程度）が必要

海底ケーブルの場合敷設が比較的短期間（XLPE ケーブル）（XLPE と比較し） ケーブル敷設工期長い実績

1999 年の商用運転開始以降、約 50 サイトが運開済（最大容量 5,000 ＭＷ （双極）が運開済）

多くの実績（150 サイト以上）があり技術的にも成熟（最大容量 12,000 ＭＷ）

適している用途

ケーブル送電、再エネ連系など、幅広い用途に主流となっていく。

主として、バルクパワーを架空線で長距離送電する場合にニーズがある

LCC: Line Commutated Converter
VSC: Voltage Source Converter

43（系統運用へのベネフィット大）

IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor
BIGT: Bi-Mode Insulated Gate Transistor

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43

HVDC の系統サポート

44

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44

222023/12/21

HVDC のベネフィット－系統安定化への寄与－

交流系統における様々な制約
電力系統の定常時における各種制約

電力系統の安定度（過渡時等）U (kV)** kA

Node SSC

105%

Node voltage

Line loading

100%

90%

Stable operatingarea

P (MW)

混雑等による
送電線熱容量超過

電圧の上限、下限
逸脱

短絡容量（電流）の超過

周波数安定度

電力動揺

電圧安定度

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45

45

HVDC のベネフィット－系統安定化への寄与－

自励式HVDCは、既存交流系統の安定化・効率向上にも寄与
電力系統の定常時における各種制約

電力系統の安定度（過渡時等）U (kV)

90%** kA

Node SSC

105%

Node voltage

Line loading100%

Stable operatingarea

P (MW)

混雑等による
送電線熱容量超過

電圧の上限、下限
逸脱

短絡容量（電流）の超過

電圧安定度
U (kV)Δf (Hz)ΔU (kV)

AC

電力動揺

ΔP (MW)

ΔIq (kA)

HVDC

周波数安定度P (MW)

潮流の制御

46

無効電力制御短絡容量を増やさず
系統増強

周波数制御

ダンピング制御

電圧制御

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46

23

2023/12/21

過渡安定度とは一時的な発電機と原動機のアンバランスにより、発電機が加速／減速し、それに伴い相差角（rotor angle）が動揺する。相差角が開きすぎると回復不可能となり、発電機が脱調する可能性がある。
Rotor angle stability (transient)Transient rotor angle change when turbine (Pm) and generator (Pe) power are
not balanced; limited by generator inertia

2𝐻 𝑑2 𝛿′
𝑈𝑡 𝐸𝑖
𝑑𝛿′
∙
= 𝑃𝑚 − ′ sin 𝛿′ − 𝑃𝑑 ∙
𝜔0 𝑑𝑡 2
𝑋𝑑
𝑑𝑡
Rotor
inertia

Pm

Synchronizing Damping power
power

0

Equal-area criterion:
A1 Accelerating Area
A2 De-accelerating Area

Pe(δ)

47

PL(U/f)

δc2 Critical clearing angle
δc2 must make sure A2 bigger than A1 to ensure stability

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47

HVDCの高速制御による系統安定化（過渡安定度向上）例
Kundur 2 area test model （標準 2エリアテストモデル）を用いた解析例
Bus 10、11間の1回線で三相短絡事故① HVDC出力一定運転 ⇒発電機同期はずれ発生

HVDC出力48② HVDC出力を高速制御し安定化

HVDC出力③ さらに過酷な事故に対しても安定化

HVDC出力Public© 2023 Hitachi Energy. All rights reserved.

48

24

2023/12/21

HVDCの高速制御による系統安定化の例（RoCoF 緩和、周波数安定度向上）
Kundur 2 area test model （標準 2エリアテストモデル）を用いた解析例
Bus 4 の 発電機 G4 がトリップ ⇒ 周波数が急速に低下

50.0

Primary
control

HVDC の frequency control
により周波数低下を抑止(Nadir の改善)

SecondarycontrolFrequency (Hz)

49.8
49.6

Governor
response

49.4

Tertiary
control

49.2
Fmin（Nadir）

Rate of Change of Frequency (RoCoF)
0 10

49

30

60

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1800
CONFIDENTIAL49

HVDCの高速出力応答による過渡安定度向上（カナダでの解析実例）
Maritime Link （カナダ） 双極 500 MW
HVDC の高速出力制御により、ニューファンドランド島系統のレジリエンスを強化（系統故障時の周波数・電圧安定化）④ Run-back制御による系統安定化① 三相地絡事故発生③ 再閉路失敗発生② 高速無効電力出力

Bottom Brook HVDC station における有効電力と無効電力の応答 (1極あたり)50

ニューファンドランド島内の各地ノード電圧 (in pu)

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50

25

2023/12/21

HVDCによる電圧安定度向上（スコットランドでの実系統での例）
Caithness Moray （英国スコットランド）

1,200MW / 800MW急増するスコットランド北部の風力を HVDC により需要地に送電するとともに、弱い北部系統を安定化

HVDC運転前HVDC運転後

HVDC運転開始月の Spittal の電圧波形
Courtesy: Scottish & Southern Electricity Networks

51

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51

DC Links in AC Grids（同期系統内に既存交流系統と並行に設置されるHVDC）

DC Links in AC Grids の効果

既存交流系統Pac- （トータルの）送電損失の低減- 交流送電線の過負荷防止

HVDC- 交流系統の TTC* 拡大（安定度向上により 安定度限界によるTTC 制約を緩和）- 長周期動揺のダンピング、ループフローの制御等- 系統のレジリエンス向上

Q1- トータル送電コストの最適化

Pdc

Q2

各地で同期系統内（既存交流系統と並行して）に設置されるHVDCが増加中（図の他にも実績多数）

HVDC： 一定運転

HVDC： ダンピング制御* TTC: Total Transfer Capability、その時点での送電可能容量（系統の安定度等により影響を受ける）
52

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CONFIDENTIAL

52

26

2023/12/21

弱い系統をサポートする HVDC 制御スキーム

P, Q
ωconv

Ipcc

ωn

Xn

Upcc

Un

ωconv

P, Q
Ipcc

ωconv

Xn

Upcc

P, Q

Upcc

Zload

ωn

Xn

Ipcc

Un

通常の系統

単独系統制御（Islanded operation）

非常に弱い系統‒ ESCR* > 1.5‒ 同期する系統電圧がない。ESCR = 0（ブラックスタート系統、洋上風力ネットワーク
等の単独系統）‒ ESCR < 1.5‒ 変換器は電圧と周波数を制御‒ P 制御は電圧位相制御による（Grid forming）‒ P、Q は制御せず、系統の負荷により決められる （風車の発電した電力がそのままHVDCに送られる）‒ 系統の電圧位相にゆるやかに同期（slowsynchronization）‒ 変換器は系統電圧に同期して制御（Gridfollowing）‒ 系統への電流を制御することにより P、Q を制御‒ 系統位相に対して PLL を使って高速に同期（fast synchronization）‒ 変換器出力電流 Ipcc が系統の電圧位相に影響する* ESCR: Effective Short Circuit Ratio、有効短絡容量比* PLL: Phase Locked Loop、位相同期回路

53

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53

弱い系統をサポートする HVDC 制御スキーム
Grid Forming 運転中の系統事故に対しても安定して運転を継続
ωconv

P, Q
Ipcc

Upcc

ωn

Xn

Un

非常に弱い系統‒ ESCR < 1.5‒ 変換器出力電流 Ipcc が系統の電圧位相に影響する‒ P 制御は電圧位相制御による（Grid forming）‒ 系統の電圧位相にゆるやかに同期（slowsynchronization）

54

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54

27

2023/12/21

システム解析

55

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55

シミュレーション解析による検証

種別

RMS test （実効値解析）

EMT test （瞬時値解析）

Factory test （工場試験）

Site test

用途

上位制御系の設計検証
安定性解析

下位制御系の検証
過渡解析

実機の制御システムの動作検証

試運転（系統連系試験）系統
モデル

広域系統モデル

縮約系統モデル（近傍系統を詳細模擬）

等価モデル（短絡容量模擬など）

実系統

計算
時間

短

長

リアルタイム－（実系統）

解析対象

f < 50 Hz, t = 3 ～ 30 s

f > 50 Hz, t = 0.001 ～ 3 s

t = 0.01 ～ ∞ s

0 < f < ∞ , t = 0.001 ～ ∞ s

56

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56

28

2023/12/21

Virtual MACH
異なるシミュレーション環境においても実機の保護・制御システムと同じソースコードを使用した解析を実施
MACH HiDraw

Virtual MACH

Simulation tool(s)Control
logic
Interface

57

PS900

xxx

xxx

xxx

xxx

xxx

xxx

xxx

xxx

PS900

Virtual
MACH• Same control logic• Same source code
• Emulation of hardware

PS861E

Hardware

PS861E

System knowledge
Simulation knowledge
Site verification

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57

シミュレーション解析による検証

種別

RMS test （実効値解析）

EMT test （瞬時値解析）

Factory test （工場試験）

Site test

制御コード

HiDraw

HiDraw

HiDraw

HiDraw

制御ソフト

Virtual MACH (RMS)

Virtual MACH

MACH (実機)MACH (実機)58

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58

29

2023/12/21

解析（オフライン）と FST (Factory System Test)

Software in-the-loop (Virtual MACH)

Hardware in-the-loop (MACH)

非リアルタイムシミュレーション (オフライン)

リアルタイムシミュレーション (オンライン)

実際の制御ロジック Actual control logic
実際のソースコード Actual source code
ハードウェアおよび主回路モデル Emulated hardware==≈

実際の制御ロジック Actual control logic
実際のソースコード Actual source code
実際の制御保護ハードウェア＋主回路モデル Actual hardware

標準PC + カスタマイズされたソフトウェア

最新技術かつカスタマイズされたハードウェア

シミュレーションツール
AC および DC の回路模擬にほぼ制限がない

リアルタイムシミュレータ
縮約された AC および DC の回路模擬

スケーリングが容易

スケーリングは難しく、時間を要する

Accuracy/scale dictates simulation speed

Simulation speed dictates accuracy/scale

正確なオフラインシミュレーションにより、効率的な制御設計が可能

59

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59

システム解析による検証精度

Cigre C4 10819 “Virtual C&P – A powerful simulation platform for HVDC and FACTS in present and future grids”

60

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60

30

2023/12/21

システム解析による検証精度
健全極の交流電圧、P、Q

事故極の交流電圧、P、Q

Cigre C4 10819 “Virtual C&P – A powerful simulation platform for HVDC and FACTS in present and future grids”

61

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61

プロジェクト事例

62

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62312023/12/21

プロジェクトの例

63

Mackinac BtB (2014, US)
200 MW

Skagerrak 4 (2014, Norway – Denmark))
700 MW

DolWin 2 (2017, Germany)
900 MW

Maritime Link (2018, Canada)
500 MW

Caithness – Moray – Shetland (2018, 2024,
UK) 1,200 – 800 – 600 MW

IFA2 (2021, UK – France)
1,000 MW

NordLink (2020, Germany – Norway)
1,400 MWNorth Sea Link (2021, Norway – UK)
1,400 MW

Dogger Bank A, B and C (2023-26, UK)
3 × 1,200 MW

DolWin 5 (2024, Germany)
900 MW

Lightning (2025, Abu Dhabi)
3,200 MW

東清水 (2028, 日本)
2 × 300 MW

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63

最近の代表的受注案件
SunZia (米)運開： 2026
用途： 陸上風力連系
容量： 3,000 MW（±525 kV）

Champlain Hudson (米・加)運開： 2025
用途： 非同期系統連系
容量： 1,250 MW（±400 kV）
64

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TenneT offshore (独・蘭)

運開： 2028－31
用途： 洋上風力連系
容量： 6 x 2,000 MW（±525 kV）
Total 12,000 MW

SuedLink DC4 (独)運開： 2029
用途： 南北のグリッド接続（風力－需要地）
容量： 2,000 MW（±525 kV）

Hornsea 3 (英)ENOWA (サウジ)

運開： 2027
用途： 洋上風力連系
容量： 2 x 1,320 MW（±320 kV）
Total 2,640 MW

運開： 2027
用途： スマートシティへの送電
容量： 3 x 3,000 MW（±525 kV）
Total 9,000 MW

Saudi Arabia – Egypt

運開： 2025
用途： 国際連系
容量： 3,000 MW（±500 kV
multi-terminal）

Project Lightning (UAE)

運開： 2025
用途： 洋上への送電
容量： 2 x 1,000 MW（±320 kV）
1,200 MW（±400 kV）
Total 3,200 MW

64

32

2023/12/21

長距離地域間連系の例

North Sea Link

Customer
Statnett SF in Norway and National Grid in United Kingdom

Customer needs• Security of supply• Meet EU´s target for CO2 reduction• Energy trade

Our response• Two 1,400 MW, ±515 kV HVDC Light® converter stations

Customer benefits• Security of supply• Fluctuations in power demand to be met by using the other country’s renewable surplus power

Year
2021

•
•
•

HVDC Light®
converter stations

Bipolar ±515 kVdc
Kvilldal: 420 kV
Blyth: 400 kVLand and sea DC
cable system

Increased security of power supply and social-economic benefits for both countries
65

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65

長距離地域間連系の例

North Sea Link

North Sea Link: 2021年運開、自励式 ± 515 kV, 1400 MW（双極）Blyth Converter Station (UK)66

Kvilldal Converter Station (Norway)

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66

33

2023/12/21

国・地域間連系の日立実績（自励式 HVDC）
Project
East-West Interconnector
Mackinac
Skagerrak 4
Kriegers-Flak CGS (Multipurpose interconnection)

NordBalt
Maritime Link
Caithness-Moray-Shetland(Multi-terminal)
IFA2
NordLink
North Sea Link
Champlain Hudson Power
ExpressChâteauguay BtB
Biscay Gulf Link
Yanbu
東清水
SuedLink DC4
Eastern Green Link 2
Spittal-Peterhead
Western Isles

Country・area
Ireland-UK
USA
Norway-Denmark

Year

Size (MW)

2013
2014
2014

500
200 (BtB)
700

Germany - Denmark2020

410 (BtB)

Sweden-Lithuania
Canada

2017
2018

700
500

Scotland, UK

2018/24600-800-1,200

UK-France
Germany-Norway
Norway-UK

2021
2020
2021

1,000
1,400
1,400

USA-Canada

2026

1,250

USA-Canada
France-Spain
Saudi Arabia
日本
Germany
UK
Scotland, UK
Scotland, UK

2026
2027
2027
2028
2029
2029
2030
2030

1,500
2,200
3,000
2 x 300
2,000
2,000
2,000
2,000

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67

Energy transition が世界中で加速最初のプロジェクト Yanbu (± 525 kV / 3,000 MW) は、プロジェクト期間 48 ヵ月

68

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CONFIDENTIAL

68

34

2023/12/21

洋上風力連系の例
Dogger Bank A, B & C （英国） 1,200 MW x 3 （合計 3,600 MW）
Customer
Customer needs
Key features

Customer benefits

運用開始

SSE Renewables（英国）、Equinor（ノルウェー）• 200 km のケーブル送電• ロバストでレジリエントなグリッド接続• 1,200 MW、±320 kV、HVDC Light® system x 3• 環境に適合し安全な系統接続• 低損失と高信頼度• 消費者にクリーンな電力を届ける• 英国のCO2排出の低減• Dogger Bank A： 2023年• Dogger Bank B： 2024年• Dogger Bank C： 2026年

Illustrated image of offshore w ind connection by Aibel

69

CONFIDENTIAL

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69

風力連系（陸上、洋上）の日立実績

Project

Country・area

Year

Size (MW)

BorWin1Germany

2015

400

Dolwin1Germany

2015

800

DolWin2Germany

2017

916

Kriegers-Flak CGS

Germany - Denmark2020

410 (BtB)

Dogger Bank A

UK

2023

1,200

Dogger Bank B

UK

2024

1,200

DolWin 5

Germany2024

900

SunZia

US

2026

3,000

Dogger Bank C

UK

2026

1,200

Hornsea 3

UK

2027

2,850

Lanwin 5

Germany2028 – 31

2,000

Doordewind 1

Netherland

2028 – 31

2,000

Doordewind 2

Netherland

2028 – 31

2,000

Nederwiek 1

Netherland

2028 – 31

2,000

Nederwiek 3Netherland

2028 – 31

2,000

IJmuiden Ver Alpha

Netherland

2028 – 31

2,000

70

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70352023/12/21

Dogger Bank が送電を開始 （受注から 38 か月）

71

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71

近年の自励式 HVDC の 典型的な容量、電圧

対称単極++ 320 kV

～

～

＝

＝

DC voltage

Power± 320 kV

800 ～ 1,800 MW

DC voltage

Power± 525 kV

2,000 ～ 3,000 MW- 320 kV-

双極（導体帰還）+～+ 525 kV

～

＝

＝

～

～
＝

72

-

- 525 kV＝

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7236

2023/12/21

近年の自励式 HVDC の 典型的なレイアウトと容量

対象単極 (± 320 kV)
800 – 1,800 MW

73

双極 (± 525 kV)
2,000 – 3,000 MW

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73

洋上風力連系 HVDC 外観
対称単極（±320 kV）のHVDC変換所（例）(900 ～ 1,300 MW)

双極（±525 kV）のHVDC変換所（例）(2,000 MW)

Lean design platform.
Source: Aibel

Lean design platform.
Source: TenneT74

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CONFIDENTIAL

74

37

2023/12/21

日立のHVDC事業

75

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75

Hitachi Energy Ludvika
⚫
⚫
⚫
⚫
⚫

スウェーデン Ludvika （ストックホルムから北西に約 200 km）
従業員約 4,000 人、120 年の歴史
HVDC、変圧器、高電圧機器の開発・設計・製造
世界有数の研究所と大型高電圧試験設備を保有
2023 年 8 月現在、40 GW 超の新設 VSC HVDC プロジェクトが進行中

Ludvika

Uno Lamm HVDC Center, Hitachi Energy Ludvika

76

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7638

2023/12/21

Hitachi Energy Ludvika - A world center of high voltage -Tap changers

Bushings

High power laboratory
Surge arresters

UHVDC
test hall

STRI
Breakers

UHVDC
test hall

Capacitors

Power transformers
HVDC

Instrument transformers
High voltage
laboratory

77

Shunt reactors

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77

To meet the market demand⚫ 2020 年

スウェーデン Ludvika の HVDC 生産設備を拡張⚫ 2022 年 8 月

スウェーデン Smedjebacken に HVDC 生産工場を新設

⚫ 2023 年 2 月

インド チェンナイに HVDC 生産工場を新設⚫ 2023 年 11 月

2024 年に、スウェーデン Ludvika およびSmedjebacken の HVDC 生産設備を拡張することを発表

市場の要求に応えるため、継続的な設備増強、人員増強を実施中

https://www.hitachienergy.com/se/sv/news/features/2023/11/hitachi-energy-is-expandingits-production-in-sweden
78

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7839

2023/12/21

2つのワールドクラス高電圧試験設備、その他テストホールを複数保有

79

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79

日本人 HVDC エンジニアも世界のプロジェクトで活躍

https://www.hitachi.co.jp/products/energy/portal/case_studies/case_022.html
80

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80402023/12/21

Ludvika 工場

81– Photo gallery –Public© 2023 Hitachi Energy. All rights reserved.

81

HVDC 70 年の歴史をリード

1954

1970s

1999

世界初の
HVDC 送電(Sweden)

サイリスタによる
大容量HVDC

世界初の自励式
HVDC(Sweden)1970 1,440 MW
1984 6,000 MW など

2021
世界最長海底ケーブル送電（720 km、±515 kV、1,400 MW）(英国 – ノルウェー)

2020
20 kA 直流遮断器
KEMA 試験完2023 – 26

82

2025

世界最大洋上風力HVDC

世界最大洋上への送電（3 x 1,200 MW = 3,600 MW）(3,200 MW）

(英国)

(UAE)

2009
世界最大級
高電圧試験設備
AC 1200 kV、DC 1100 kV

2019
世界初 HVDC グリッド（±550 kV、3,000 MW）
(中国)

2026
世界最大陸上風力HVDC （3,000 MW）
(米国)

2009

2012

世界初
洋上風力の
HVDC連系 (独)

世界初 800 kV
UHVDC 7,200 MW

(中国)

2014

2014

2012

世界最大 12,000 MW

世界初
500 kV 自励式 HVDC
(Denmark・Norway)

世界初
1,100 kV UHVDC
変圧器試験完1,100 kV UHVDC(中国)

2028-31

The journey goes on・・・

洋上風力連系(6 x 2,000 MW = 12,000 MW）(独・蘭)

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82

412023/12/21

日立エナジーが国内 HVDC プロジェクトに提供できること⚫ 多くの実績があり世界各地で運用されている
Proven な技術とプロジェクトの知見⚫ 安心でロバストなシステム⚫ プロジェクトリスクの低減、工期短縮⚫ 実績・経験に基づく迅速な情報提供、お客様の計画サポート⚫ デジタル技術によるプロジェクト遂行の効率化
および O&M の高度化

⇒ カーボンニュートラルへの貢献

83

HVDC Light® NordLink (1,400 MW / ±525 kV)

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83

ご清聴ありがとうございました。
お問い合わせ：西岡淳
Country M/S Manager, HVDC Japan, PGGI Hitachi Energy
atsushi.nishioka@hitachienergy.com
080-7010-6842

84

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84422023/12/21858643