ブラックスタート
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ブラックスタート（英: black start）は、全系統停電または部分的な停電から復旧するために、外部の送電網に頼ることなく、発電所、電力網の一部、または工場を運転可能な状態に復元するプロセスのことである。[1]
発電所や工場を再始動させるための電力は、構内のブラックスタート用待機発電機から供給される。あるいは、大量の電力が必要な場合は、別の発電所へのタイライン（連絡線）や非常用発電機が施設始動のために使用されることもある。主要な発電ユニットが稼働すれば、送電網に再接続して電気負荷を復旧させることができる。
特定のエネルギー供給者に対し、必要時にブラックスタート電力を提供することを条件に報酬を支払う契約によって、ブラックスタート能力が確保される場合がある。すべての発電所が電力網にブラックスタート電力を提供するのに適しているわけではない。ブラックスタートを実行する能力には複雑な技術が必要であり、経済的コストも高い。さらに、ブラックスタートを提供する発電所は電力消費者の近くに位置している必要がある。[2]
待機電源
発電所は、所内のシステムを動作させるために電力を必要とする。例えば、石炭火力発電所では、コンベア、粉砕機、空気圧縮機、燃焼用送風機を動かす必要がある。蒸気サイクル発電所では、蒸気ボイラーの水を循環させたり、復水を冷却したりするための大型ポンプが必要である。水力発電所では、取水ゲートを開けたり、速度調節のために水車を調整したりするための電力を必要とする。風力発電所であっても、ブレードのピッチや方向の調整などに、比較的少量の電力を必要とすることがある。
通常、所内で使用される電力は、その発電所自身の発電機によって供給される。所内のすべての主要発電機が停止している場合、所内用電力は発電所の送電線を通じてグリッド（電力網）から電力を引き込むことで供給される。しかし、広域停電時には、グリッドからの外部電源は利用できない。グリッド電源がない状況では、電力網を立ち上げる（ブートストラップする）ために、いわゆるブラックスタートを実行する必要がある。
ブラックスタートを可能にするため、一部の発電所や工場には、通常「ブラックスタート用ディーゼル発電機」（BSDG）と呼ばれる小型の構内ディーゼル発電機が備わっている。これを用いて（数メガワットの容量を持つ）中型発電機を始動させ、さらにそれが主要な発電機を始動させるために使われる。蒸気タービンを用いる発電所では、ボイラー給水ポンプ、ボイラー押し込み送風機、燃料調製のために、容量の最大10%の所内電力を必要とする。すべての発電所にこれほど大きな待機容量を備えるのは不経済であるため、ブラックスタート用の電力は、指定された連絡線を通じて別の発電所から提供されなければならない。
多くの場合、水力発電所が電力網の相互接続を復旧させるためのブラックスタート源として指定される。水力発電所は始動に非常に少ない初期電力（取水ゲートを開き、発電機の界磁コイルに励磁電流を供給するのに十分な程度）しか必要とせず、非常に迅速に大量の電力をラインに送り出し、化石燃料や原子力発電所の立ち上げを可能にすることができる。特定のタイプの燃焼タービンもブラックスタート用に構成することができ、適した水力発電所がない地域での選択肢となる。[3] 2017年、南カリフォルニアの電力会社は、リチウムイオン電池ベースの蓄電システムを使用してブラックスタートを行い、停止状態からコンバインドサイクルガスタービンを立ち上げる実証に成功した。[4]
始動シーケンス
ブラックスタートの一例（実際のシナリオに基づく）は以下の通りである。
- ディーゼル発電機からの電力が、水力発電所を運転状態にするために使われる。
- 発電所と他の地域を結ぶ主要な送電線が加圧される。
- 水力発電所からの電力が、原子力または化石燃料を用いたベースロード発電所の一つを始動させるために使われる。
- ベースロード発電所からの電力が、系統内の他のすべての発電所を再始動させるために使われる。
- 最終的に一般的な配電網に電力が再供給され、消費者に届けられる。
これは多くの場合、段階的に行われる。グリッド全体を一度に起動させるのは不可能だからである。特に、夏季に長時間の停電があった後は、すべての建物が暖まっており、一度に電力を復旧させると、エアコンによる需要だけでグリッドの供給能力を超えてしまう。寒冷地では、冬季に暖房器具の使用によって同様の問題が発生する可能性がある。
より大きなグリッドでは、この「単独の島」方式（ボトムアップ方式）に加えて、さまざまな戦略がとられる。[5][6]
- 複数の発電島（それぞれが地域の負荷エリアに電力を供給する）が同期して再結合し、完全なグリッドを形成する。関与する発電所は、グリッド再結合時の負荷の急激な変化に対応できなければならない。[7]
- アンカー（核）アイランド方式（これもボトムアップ）。[8]
- 「バックボーン・アイランド」方式（ボトムアップ）：まず基幹系統（バックボーン）を復旧させ、外部からの支援を受け入れられるようにする。[9]
- トップダウン方式：外部の支援を受けて、まず基幹系統を復旧させる。[10]
- トップダウンとボトムアップの組み合わせ。[11]
島のブラックスタートを開始する方法には、水力ダム、ディーゼル発電機、オープンサイクルガスタービン、系統規模の蓄電池、圧縮空気貯蔵など、複数の手法がある。コスト、複雑さ、地域の資源の有無（ダムに適した谷があるかなど）、他の発電網との接続性、ブラックスタートプロセスに求められる応答時間などの要因に応じて、発電網ごとに異なるアプローチが取られている。
ブラックスタート・サービスの調達
イギリスでは、グリッド運用者が一部の発電事業者と商業契約を結び、ブラックスタート能力を確保している。これは、通常のグリッド運用においてブラックスタート設備が経済的に見合わないことが多いためである。[12] 中央電力生成局（CEGB）時代の発電所では、フル発電ユニットを稼働させるのに必要な所内設備をすべて動かせるオープンサイクルガスタービンを数基備えているのが一般的であった。これらは通常、バックアップバッテリーを電源とするディーゼル発電機によって始動される。回転数が上がれば、これらのガスタービンは発電所の残りの部分に関連するすべての設備を動かすことができ、他の供給源から電力を取り入れる必要がなくなる。
北米の独立系統運用機関（ISO）では、ブラックスタートの調達方法は多少異なる。伝統的に、ブラックスタート能力は統合電力会社によって提供され、そのコストは公共料金に上乗せされて回収されていた。電力自由化が進んでいない地域では、現在もこれが一般的な調達メカニズムである。自由化された環境でも、このコストベースの提供という遺産は残っており、ISOニューイングランドなどによる最近の調達慣行の見直しにおいても、必ずしも競争入札には移行していない。
現在、米国にはブラックスタートを調達する3つの方法がある。最も一般的なのは「総括原価（Cost-of-service）」方式であり、これが最も単純で伝統的な方法である。現在はカリフォルニア独立系統運用機関（CAISO）、PJMインターコネクション[13]、およびニューヨーク独立系統運用機関[14]（NYISO）で使用されている。
2番目の方法は、ISOニューイングランド[15]（ISO-NE）が採用している新しい手法である。これは提供を奨励するためにブラックスタートの報酬を増額する定額支払い方式である。
最後の調達方法は、テキサス電気信頼性評議会[16]（ERCOT）が使用している競争入札である。このアプローチでは、ERCOTがブラックスタート・サービスの市場を運営する。各ブラックスタート・ユニットは、グリッドの島形成と同期を開始するために、近接する別のユニットを始動できることを証明しなければならない。
ドイツのグリッドにおける最初のブラックスタートは、2017年にシュヴェリーンのWEMAG蓄電池発電所において、切り離された孤立したグリッドでテストされた。WEMAG蓄電池プラントは、大規模な混乱や停電の後に電力網を復旧できることを証明した。[17]
ブラックスタート源の制限
すべての発電所がブラックスタート能力に適しているわけではない。ブラックスタート能力に関して、発電機は2つのグループに分類される：[18]
- BS発電機（またはブラックスタート・ユニット、BSU[19]）：構内資源を使用して迅速に始動できるもの。典型的な例は以下の通り。
- 取水ゲートの制御に比較的少量の電力しか必要としない水力発電。
- 始動に充電済みのバッテリーを使用できるディーゼル発電機。
- バッテリー電力で電気的に始動できるガスタービン発電機。
- NBS発電機（非ブラックスタート・ユニット、NBSU）：始動に外部エネルギー（クランキング電力）を必要とするもの。典型的な例は蒸気タービンユニットである。マイクロ水力発電ユニットは、通常、周波数制御や無効電力管理をグリッドに依存しているため、BS発電機として使用することはできない。
BS発電機には、遠くにあるNBSユニットを加圧できるように、長い送電線の大きな進相負荷（充電容量）を支える能力も求められる。典型的なBS発電機は、小型（10–50 MW）の水力またはガスタービン発電ユニットである。[18]
変動性再生可能エネルギー（VRE）の出力は予測不可能であるため、これらをブラックスタートや系統復旧の支援に利用するのは難しい。VRE源に内在する制御の欠如が、停電から立ち上がりつつある脆弱なグリッドを再び崩壊させる可能性があるためである。[20]
特に風力発電機は、必要な時に風が吹いているとは限らないため、常にブラックスタートに適しているとは言えない。[21] また、風力発電、ミニ水力、またはマイクロ水力発電所は、ネットワークを再加圧するための電力を供給できない誘導発電機に接続されていることが多い。[22] 2020年、69 MWのダーサロック風力発電所は、バーチャル同期発電機を使用してスコットランドのグリッドの一部をブラックスタートさせた。[23]
「古典的な」高圧直流送電（HVDC）コンバータ（LCC-HVDC）も、受電端のシステムからの転流電力を必要とするため、「死んだ（停電した）」システム内では動作できない。[18] パルス幅変調（PWM）ベースの自励式HVDC（VSC-HVDC）方式には、このような制限はない。[24]
