馬場 旬平/BABA Jumpei

馬場 旬平 准教授

【研究分野】
環境・エネルギー分野
【研究領域】
パワーエレクトロニクス、スマートグリッド
【研究室URL】
http://www.asc.t.u-tokyo.ac.jp/index-j.html

研究内容

近年、小型燃料電池や太陽光発電など小規模な分散型電源による電力供給技術に注目が集まっています。
このような電源が大量に系統に連系された場合、従来の系統運用・制御技術のみでは電力を安定して供給できなくなることが予想されており、分散型電源の導入量に制約が課せられることになります。そのため、系統運用者・設置希望者双方から何らかの対策が求められています。
このような問題を解決する手段として、馬場研究室ではパワーエレクトロニクス応用機器やエネルギー貯蔵装置、超電導応用機器など新技術を適用した新しい電力システムの構築を目指した研究をハードウェア・ソフトウェア両面より進めています。

再生可能エネルギー源・分散型電源を用いた新しい電力供給システムの研究

従来の技術では系統容量が小さくなるに従い系統を運用するのが難しくなりますが、近年のパワーエレクトロニクス技術やエネルギー貯蔵技術の進展に伴い小規模な系統でも安定的に運用する可能性が出てきました。そこで分散型電源を含む小規模な電力系統を作成し、分散型電源を統合的に制御することで、高品質な電力を供給し、また、系統全体に対しても安定供給に貢献させる「マイクログリッド」という概念が注目を集めています。
当研究室では、分散型電源の追従特性と効率を計測し、それぞれの電源に対して適切な変動補償量を分担させ、また、エネルギー貯蔵装置のSoC管理制御を工夫することにより、貯蔵容量を抑えたシステムの構築を志向した制御法の検討および実証実験を進めています。また、多数台の電力変換器が接続された系統における様々な機能を実現するための制御手法についても検討を進めています。

超電導体の物理特性を利用した系統保護装置 : 限流器

限流器は、事故時の過電流を抑制する装置です。限流器を系統に導入することによって、遮断器容量の削減や系統設計における制約条件の緩和が実現すると考えられます。特に最近では回転機を利用した分散型電源が大量に配電系統に接続された場合に、事故電流が設計基準を上回る危険性が指摘されており、注目を集めている技術です。
当研究室では、現在、主として酸化物系高温超電導体を用いた限流器の研究に取り組んでいます。超電導体は温度・外部磁場・通電電流の3つがある条件を満たすと超電導体となります。超電導体に過電流が流れた場合にはその物理特性により通常の導体と同様に抵抗が発生します。この現象を利用して正確に事故電流を抑制する装置が超電導限流器です。
現在当研究室で着目している酸化物系超電導体は、低温超電導体より高い冷却温度(液体窒素温度の77K)での利用が可能で、超電導体及び冷媒の熱容量が大きいという特性を持ちます。この特性を活かし酸化物系高温超電導体を用いて限流器を作成した場合に、動作開始電流と条件を明確にするための基礎特性の計測、並びに限流器の設計・試作を行い、動作特性の検証を行っています。

電力系統におけるエネルギー貯蔵装置の活用法の検討

エネルギー貯蔵装置を系統の安定化などに役立てる様々な応用が考えられていますが、近年、超電導磁気エネルギー貯蔵装置(SMES)や電気二重層コンデンサ(EDLC)、新型電池の性能・容量が実用化に近い段階まで向上しています。
当研究室ではこれらのうち、空間に磁界や電界を発生させることで電気エネルギーの形で貯蔵を行い、充放電サイクル寿命が長く、応答性に優れるが、単位体積当たりのエネルギー貯蔵密度が小さいSMESとEDLCに着目し、その活用方法について検討を進めています。これらは高速かつ頻繁に充放電を繰り返す必要があるアプリケーションに適したエネルギー貯蔵装置です。このようなアプリケーションの一つとして、電力系統の安定化が挙げられます。
更に広義の「エネルギー貯蔵」を考慮した電力系統安定化手法についても検討しています。例えば、負荷側に貯熱装置やバッファが存在する場合には消費電力を変動させても最終的な効用に大きな影響が出ないので、電力のエネルギー貯蔵に担わせていた機能をこれらの負荷にも分担させることで、より現実的な系統安定化手法を実現する可能性について研究しています。現在、一例として離島系統において風力発電設備を導入した場合における安定化手法の検討に取り組んでいます。

学生へのメッセージ

馬場研究室では実験を数多くこなしています。システムの研究を遂行しているため、実験では数多くの機器を動作させ、また制御・測定項目も多いことから研究室一丸となって実施をしています。そのため、皆と一緒に楽しく研究が出来る人、自分の研究以外にもいろいろな研究に興味のある好奇心旺盛な人、そしてリーダーシップの取れる人を期待しています。

図1:マイクログリッド実証試験設備と制御系、試験結果
図2:試験用大型YBCO超電導薄膜と特性計測用ホルダ
図3:離島系統への再生可能エネルギー源導入と安定化手法の検討