HVDCにおけるパワーエレクトロニクスの役割

送電においては、パワーエレクトロニクスによって駆動される高電圧直流 (HVDC) 技術が重要です。従来、電気はACシステムを介して伝達されていましたが、特殊なアプリケーションでは実行可能な、場合によってはより有益な代替手段としてHVDC送電が登場しました。

パワーエレクトロニクスは、HVDC技術を実現可能かつ効率的にする上で重要であり、その広範な利用を可能にしてきました。コンバータは、HVDC送電システムで使用される主要なパワーエレクトロニクスデバイスです。HVDCシステムでは、ライン整流コンバータ (LCC) と電圧源コンバータ (VSC) の2種類のコンバータが使用されます。

他励式コンバータ (LCC): LCCはサイリスタベースコンバータとしても知られており、HVDCシステムで使用される古典的なコンバータです。その弾力性と信頼性によって、これらのコンバータは世界中の多数のHVDCシステムで使用されてきました。これらは自然に整流されたサイリスタバルブで、AC側の電流ゼロクロスによってコンバータのシャットダウンがトリガされます。これらの欠点は、うまく機能させるために強力なACシステムを必要とすることと、高調波電流を発生させることで、これらの影響を軽減するためにフィルタを使用する必要があることです。

電圧源コンバータ (VSC): VSCテクノロジーはより最新のHVDCシステムで使われています。絶縁ゲートバイポーラトランジスタ (IGBT) のような自己整流デバイスはVSCベースのHVDCシステムで使われています。これらは有効電力と無効電力の両方を別々に制御することができ、整流用の強力な交流システムに依存しないため、LCCベースのHVDCシステムよりも柔軟な運用ができます。さらに、それらはより小さいフットプリントを有し、より少ない高調波を生成し、巨大なフィルタ装置の必要性を排除します。

送信側では、これらのパワーエレクトロニクスコンバータは、受信側でACをDC (整流) に変換し、DCをAC (反転) に変換します。これにより、HVDCシステムが低損失で長距離にわたって電力を輸送し、ネットワーク内の電力の流れを管理し、グリッドの安定性を向上させることができます。

さらに、パワーエレクトロニクスは、HVDCシステムにおける複雑な制御および保護スキームの開発に貢献し、システムの信頼性、効率、安全性を向上させます。全体として、パワーエレクトロニクスは効率的で制御された信頼性の高い長距離送電を可能にするため、HVDCシステムの運用に不可欠です。

HVDCシステムの制御と保護

高電圧直流 (HVDC) 伝送システムは、制御と安全に大きく依存します。これらの両方の要素は、HVDCシステムの全体的な安定性、効率、安全性に貢献し、送電の信頼性を保証します。

HVDCシステムでの制御

HVDCシステムでは、主な制御目的はシステムの安定性を維持し、コンバータステーション間の適切な電力フローを確保することです。これは、直流制御とコンバータ制御の2つの制御形態によって実現されます。

直流制御: 通常、これは2つのコンバータステーション間で供給される有効電力を調整するために行われます。パルス幅変調 (電圧源コンバータの) または点火角度 (ライン整流コンバータの) を変更することにより、DC電圧と電流、したがって有効電力を調整することができます。

コンバータ制御: コンバータ制御は、コンバータとACネットワーク間の無効電力交換を管理します。これは、共通結合点の電圧に影響を与える可能性があり、HVDC制御の重要な特徴となっています。

HVDC制御システムはまた、送電線の両端間の調整のための電気通信要素に加えて、システム部品の健全性と状態用の高度なモニタリングシステムも組み込んでいます。

HVDCシステムの保護

HVDCシステムにおける保護は、ACシステムに存在し、予防措置として一般的に使用されている自然電流ゼロクロスがないため、困難な問題です。保護システムの仕事は、機器の損傷を防ぎ、システムの安全を保証するために、欠陥を迅速かつ確実に検出して分離することです。

コンバータの保護: HVDCシステムのコンバータは、最も洗練された高価な部品であり、強力な保護を必要とします。過電圧、過電流、および温度上昇保護がすべてコンバータに内蔵されています。LCCコンバータでは、整流障害を防ぐために特別な注意が払われます。

DCライン保護: HVDCシステムの直流線は、一時的な問題と永続的な問題の両方の影響を受けやすいものです。イオン化の減衰は、一時的な故障の自然消滅をもたらしますが、慢性的な故障は介入を必要とします。速効性のブレーカや接地スイッチは、予防策の例です。

変電所の保護: これは、平滑リアクトルやトランスのようなコンバータステーションの補助装置の保護が含まれます。

HVDCシステムのケーススタディ

世界中の多くのオペレーティングシステムで、高電圧直流 (HVDC) 送電システムはその有効性を証明しています。これらのシステムにおけるパワーエレクトロニクスの機能を強調する2つの著名なケーススタディを見てみましょう。

イタイプHVDC送電システム

ブラジルのイタイプHVDC送電システムは、世界で最も優れたHVDCシステムの1つです。パラナ川のイタイプ水力発電所からサンパウロ近郊の負荷中心へ電力を送電するために建設されました。

このシステムは双極性であり、正極と負極を同時に機能させることができ、単極故障の影響を減少させます。定格電圧±600kV、総送電容量6300MWであり、HVDCシステムの高電力処理能力を示しています。

電力変換のために、このHVDCシステムはサイリスタベースのライン整流コンバータ (LCC) を採用しています。コンバータの制御と保護技術は、主に水力発電所の生産量の変化や負荷中心での需要変動によって引き起こされる送電電力の変動に対処するように設計されています。

The Pacific Intertie

もう一つの注目すべきHVDCの使用例は、アメリカ合衆国のパシフィックインターティ (Pacific Intertie) です。このシステムは、オレゴン州とロサンゼルス市の間を約1360kmの距離で電力を輸送し、太平洋岸北西部と南カリフォルニアが電力資源を共有できるようにします。

当初1970年に1440MWの発電容量で運用されましたが、1980年代には3100MWに拡張されました。Pacific Intertieの主な目的は、2つの地域間の時差を利用して効果的な電力交換を可能にすることです。例えば、太平洋岸北西部のオフピーク時に発電された余剰電力は南カリフォルニアに送られ、そのピークはその日遅くに発生します。

Pacific Intertieは、ライン整流コンバータ (LCC) と革新的な制御アルゴリズムを使用して、電力フローとシステムの安定性を最適化します。これはまた、HVDCケーブルがさまざまな周波数のACグリッドを接続する方法の良い例でもあります。