ブラックスタート

ブラックスタートとは、電力網や産業プラントの一部である発電所を、外部の送電網に頼らずに、全体的または部分的な停止から復旧させるプロセスである。 ^[1]

発電所またはプラントを再起動するための電力は、オンサイトのブラック スタート スタンバイ ジェネレータから供給される場合があります。または、大量の電力が必要な場合は、別の発電所または非常用ジェネレータへのタイ ラインを使用して施設を起動することもできます。メインの発電ユニットが稼働すると、送電ネットワークを再接続して電気負荷を回復できます。

ブラックスタート電力は、特定のエネルギー供給業者に、必要に応じてブラックスタート電力を提供する対価を支払う契約によって確保される場合があります。すべての発電所がネットワークにブラックスタート電力を供給するのに適しているわけではありません。

発電所では、発電所内で必要なシステムを稼働させるために電力が必要です。たとえば、石炭を燃料とする発電所では、コンベア、粉砕機、空気圧縮機、燃焼用空気ファンを稼働させる必要があります。蒸気サイクル発電所では、蒸気ボイラーの水を循環させ、凝縮水を冷却するための大型ポンプが必要です。水力発電所では、取水ゲートを開けたり、水力タービンを調整して速度を調節したりするために電力が必要です。風力タービン発電所でも、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が必要になる場合があります。

通常、発電所内で使用される電力は発電所の自家発電機によって供給されます。発電所の主発電機がすべて停止した場合、発電所のサービス電力は発電所の送電線を通じて系統から電力を引き出すことによって供給されます。ただし、広域停電時には、系統からの外部電力は利用できません。系統電力がない場合、電力系統をブートストラップして稼働させる、いわゆるブラックスタートを実行する必要があります。

ブラックスタートを提供するために、一部の発電所またはプラントには、通常ブラックスタートディーゼル発電機(BSDG) と呼ばれる小型のオンサイトディーゼル発電機があり、これを使用して大型発電機 (数メガワットの容量) を始動し、さらにその大型発電機を使用してメインの発電所発電機を始動することができます。蒸気タービンを使用する発電所では、ボイラー給水ポンプ、ボイラー強制通風燃焼空気送風機、および燃料準備のために、最大で容量の 10% の発電所サービス電力が必要です。各発電所にこのような大きなスタンバイ容量を用意するのは不経済であるため、ブラックスタート電力は別の発電所から指定されたタイラインを介して提供する必要があります。

多くの場合、水力発電所は、ネットワークの相互接続を回復するためのブラックスタート電源として指定されます。水力発電所は、始動のために必要な初期電力が非常に少なく（取水ゲートを開き、発電機のフィールドコイルに励起電流を供給するのに十分）、化石燃料または原子力発電所の起動を可能にするために、非常に迅速に大量の電力をオンラインにすることができます。特定のタイプの燃焼タービンはブラックスタート用に構成することができ、適切な水力発電所がない場所で別のオプションを提供します。^[2] 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に基づくエネルギー貯蔵システムを使用してブラックスタートを提供し、アイドル状態から複合サイクルガスタービンを始動させることに成功しました。^[3]

ブラック スタートの 1 つの方法 (実際のシナリオに基づく) は次のようになります。

1. バッテリーは水力発電所に設置された小型ディーゼル発電機を始動します。
2. ディーゼル発電機からの電力は発電所を稼働させるために使用されます。
3. 発電所と他の地域を結ぶ主要送電線に電力が供給されます。
4. この発電所からの電力は、原子力/化石燃料火力ベースロード発電所の 1 つを始動するために使用されます。
5. ベースロード発電所からの電力は、システム内の他のすべての発電所を再起動するために使用されます。
6. 最終的に電力は一般配電網に再供給され、消費者に送られます。

多くの場合、これは徐々に起こります。グリッド全体を一度に起動することは不可能な場合があります。特に、夏の長い停電の後はすべての建物が暖かくなり、電力がすぐに回復すると、エアコンユニットからの需要だけでグリッドが供給できる量を超えてしまいます。寒冷な気候では、冬に暖房装置を使用すると同様の問題が発生する可能性があります。

より大きなグリッドでは、この「単一の島」（「ボトムアップ」）アプローチに加えて、さまざまな戦略が関与する可能性があります。^{[4] [5]}

• 複数の発電島（それぞれがローカルな電力をローカルな負荷エリアに供給する）が同期して再接続され、完全なグリッドを形成する。関連する発電所は、グリッドが再接続される際に負荷の大きな段階的変化を受け入れることができなければならない。^[6]
• アンカー（「コア」）アイランド（これもボトムアップ）^[7]
• 「バックボーンアイランド」（ボトムアップ）：バックボーンが最初に修復され、外部からの支援が可能になる。^[8]
• トップダウン：まず外部からの支援を受けてバックボーンを回復する。^[9]
• トップダウンアプローチとボトムアップアプローチの組み合わせ。^[10]

島のブラック スタートを開始する方法は複数あります。水力発電ダム、ディーゼル発電機、オープン サイクル ガスタービン、グリッド スケールのバッテリー ストア、圧縮空気貯蔵などです。コスト、複雑さ、ローカル リソースの可用性 (ダムに適した谷など)、他の発電ネットワークとの相互接続性、ブラック スタート プロセスに必要な応答時間などの要因に応じて、発電ネットワークごとに異なるアプローチが採用されます。

英国では、ブラックスタート設備は通常の送電網運用では経済的でないことが多いことを認識し、送電網運用者は一部の発電機とブラックスタート容量を提供する商業契約を結んでいる。^[11]英国中央発電委員会時代の発電所では、完全な発電ユニットを稼働させるのに必要なプラント全体を稼働させることができるオープンサイクルのガスタービン（つまり、熱回収モジュールが取り付けられていないもの）がいくつかあるのが一般的である。これらは通常、ディーゼル発電機によって始動され、バッテリーバックアップによって電力が供給される。速度が上がると、これらのガスタービンは発電所の残りの部分と関連するプラント全体を稼働させることができるため、他の電源から電力を供給する必要がなくなる。

北米の独立系システムオペレータでは、ブラックスタートの調達方法は多少異なります。従来、ブラックスタート機能は統合ユーティリティによって提供され、そのコストは料金支払者からのコスト回収のために広範な料金に組み込まれていました。組織化された電力市場に参加していない地域では、これが今でも通常の調達メカニズムです。規制緩和された環境では、このコストベースの提供の伝統が存続しており、ISO New Englandによるブラックスタート調達慣行の最近の全面的な見直しでさえ、規制緩和された管轄区域がサービスコスト (COS) ソリューションよりも市場ソリューションに偏っているにもかかわらず、必ずしも競争的な調達に移行していません。

米国では現在、ブラックスタートを調達する方法が3つあります。最も一般的なのは、最も単純で伝統的な方法であるサービスコストです。現在、カリフォルニア独立システムオペレーター（CAISO）、PJMインターコネクション^[12]、ニューヨーク独立システムオペレーター^[13]（NYISO）によって使用されています。正確なメカニズムは多少異なりますが、ブラックスタートの対象となるユニットが特定され、文書化されたコストが資金提供され、コスト回収のために料金に組み込まれます。

2番目の方法は、ニューイングランド独立系統運用者協会^[14]（ISO-NE）が採用している新しい方法です。この新しい方法は、定額支払いでブラックスタート報酬を増額し、提供を奨励するものです。発電機に支払われる毎月の報酬は、定額料金（$/kWyrで、$Y値と呼ばれる）にその月のユニットの月間請求容量を乗じて決定されます。この変更の目的は、調達を簡素化し、ブラックスタートサービスの提供を奨励することでした。

調達の最後の方法は、テキサス電力信頼性協議会^[15] (ERCOT) が採用している競争調達です。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します。関心のある参加者は、ユニットの容量とは無関係な、可用性入札と呼ばれることが多い、時間単位のスタンバイ コスト (たとえば、1 時間あたり 70 ドル) を提示します。さまざまな基準を使用して、ERCOT はこれらの入札を評価し、選択されたユニットには、85% の可用性を前提として入札額が支払われます。各ブラック スタート ユニットは、グリッドの分離と同期を開始するために、近くにある別のユニットを起動できることを実証できなければなりません。

他の管轄区域では、調達方法が異なります。ニュージーランドのシステムオペレーター^[16]は、競争入札を通じてブラックスタート機能を調達しています。他の管轄区域でも、ERCOTほど構造化されていないかもしれませんが、何らかの競争入札が行われているようです。これには、アルバータ電力システムオペレーター^[17]とオンタリオ独立電力システムオペレーター^[18]が含まれます。どちらも、ニュージーランドとERCOTと同様に、長期的な「提案依頼」アプローチを使用しています。

ドイツの電力網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バッテリー発電所で、切断された孤立した電力網でテストされました。WEMAGバッテリー発電所は、大規模な混乱や停電の後でも電力網を回復できることを実証しました。^[19]

すべての発電所がブラックスタート機能に適しているわけではない。 風力タービンは、必要なときに風が利用できない可能性があるため、ブラックスタートに常に適しているわけではない。^[20]風力タービン、ミニ水力発電所、またはマイクロ水力発電所は、ネットワークを再活性化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。 ^[21] 2020年には、69MW のダーサロッホ風力発電所が仮想同期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した。^{[22] [23]}ブラックスタートユニットは、長い送電線の大きな無効負荷で動作しているときにも安定している必要がある。多くの高電圧直流（HVDC）コンバータステーションは、負荷端のシステムから整流電力^{[説明が必要]}を必要とするため、「デッド」システムでも動作できない。パルス幅変調（PWM）ベースの電圧源コンバータHVDCスキームには、そのような制限はない。^[24]

• ブートストラップ
• ディーゼル発電機
• 停電
• シンクロスコープ

• Gevorgian, V.; Shah, S.; Koralewicz, P.; Wallen, R.; Mendiola, E. (2021 年 3 月 30日)。「DER からのブラック スタート」(PDF)。nrel.gov。NREL ESIG 2021 春の技術ワークショップ。
• PJM (2018)。「トランスミッションITP：システム復旧」。pjm.com。PJM州および会員トレーニング部門。

• 2007: Isemonger, AG「Blackstart の競争的調達の実現可能性: RTO からの教訓」The Electricity Journal 第 20 巻、第 8 号、2007 年 10 月、60 ～ 67 ページdoi :10.1016/j.physletb.2003.10.071
• ブレンダン・カービーとエリック・ハースト、「競争的なバルク電力市場におけるシステムブラックスタートの維持」、アメリカ電力会議、イリノイ州シカゴ、1999年4月、オンラインで入手可能: Publications
• リンゼイ・モリス、「ブラック・スタート：あらゆる状況への備え」、Power Engineering、第 115 巻、第 7 号、2011 年 7 月、オンラインで入手可能: ブラック・スタート：あらゆる状況への備え
• レベッカ・スミス、「テキサス州の送電網は凍結によりさらに大きな災害に近づいた」ウォール・ストリート・ジャーナル、2021年5月28日、オンラインで閲覧可能：テキサス州の送電網は2月の凍結によりさらに大きな災害に近づいた