フレキシブルAC伝送システム

フレキシブル交流送電システム( FACTS ) は、交流 (AC)送電システムで電力フローを改善および制御し、電圧をサポートするために設計された、電力エレクトロニクスベースのデバイス ファミリです。FACT デバイスは、追加の送電線や変電所の建設が経済的またはロジスティック的に実行できない 場合に、従来の電力網ソリューションや改善策に代わるものです。

一般的に、FACT デバイスは、電圧のシャント補償 (コンデンサまたはインダクタの機能を置き換え)、インピーダンスの直列補償 (直列コンデンサを置き換え)、または位相角補償 (発電機のドループ制御または位相シフト変圧器を置き換え) の 3 つの異なる方法で電力と電圧を改善します。他の従来の機器はこれらすべてを実現できますが、FACT デバイスは、数秒または数分ではなくサブサイクルを切り替えるのに十分な速さのパワー エレクトロニクスを使用します。ほとんどの FACT デバイスは動的でもあり、オンとオフだけでなく範囲全体で電圧をサポートでき、マルチ象限、つまり無効電力の供給と消費の両方が可能で、場合によっては有効電力も供給および消費できます。これらすべてにより、FACT デバイスは「柔軟」な性質を持ち、要件が不明または変化するアプリケーションに適しています。

FACTsファミリーは当初、パワーエレクトロニクスを使用してACをDCに変換し、大規模で制御可能な電力転送を可能にする高電圧直流（HVDC）変換および伝送の開発から生まれました。 ^[1] HVDCがDCへの変換に重点を置いているのに対し、FACTsデバイスは開発された技術を使用してACシステムの電力と電圧を制御します。最も一般的なタイプのFACTsデバイスは、サイリスタを使用してシャントコンデンサとリアクトルをそれぞれ切り替えて制御する 静的無効電力補償装置（SVC）です。

19世紀後半に交流が電流戦争に勝利し、電力網が拡大して都市や州を結び始めると、無効電力補償の必要性が明らかになりました。^[2]交流は変圧と電流減少という利点がある一方で、電圧と電流の交流特性により、送電線の自然静電容量とインダクタンスによるさらなる課題が生じました。負荷の大きい送電線は、送電線のインダクタンスにより無効電力を消費し、20世紀を通じて送電電圧が上昇するにつれて、より高い電圧が容量性無効電力を供給しました。送電線をサージインピーダンス負荷（SIL）のみで動作させることは不可能であったため、^[2]無効電力を管理する他の手段が必要でした。

同期機は当時発電機として一般的に使用されており、ある程度の無効電力サポートを提供できましたが、損失の増加により限界がありました。また、高電圧送電線が負荷を電源から遠ざけると、同期機の有効性は低下しました。固定、シャントコンデンサ、リアクタバンクは、必要な場所に配備することでこのニーズを満たしました。特に、回路遮断器によって切り替えられるシャントコンデンサは、変化する負荷によるさまざまな無効電力要件を管理する効果的な手段を提供しました。^[3]しかし、これには限界がありました。

シャントコンデンサとリアクトルは固定デバイスであり、オンとオフの切り替えしかできません。このためには、必要な正確なサイズを慎重に検討するか、^[4]送電線の電圧に理想的とは言えない影響を受け入れる必要がありました。より動的で柔軟なソリューションの必要性は、20世紀初頭に水銀アークバルブによって実現されました。真空管と同様に、水銀アークバルブは高出力整流器であり、高AC電圧をDCに変換できます。技術が進歩するにつれて、反転も可能になり、水銀バルブは電力システムやHVDC接続に使用されるようになりました。リアクトルに接続すると、異なるスイッチングパターンを使用して接続された有効インダクタンスを変更でき、^[5]より動的な制御が可能になります。アークバルブは、 20世紀半ばに固体半導体が登場するまで、パワーエレクトロニクスを支配し続けました。 ^[6]

半導体が真空管に取って代わると、サイリスタは静的無効電力補償装置（SVC）の最初の近代的なFACTデバイスを生み出しました。 ^[7]数ミリ秒でスイッチをオンにできる回路ブレーカーとして効果的に機能し、コンデンサバンクをすばやく切り替えることができました。リアクタに接続してサブサイクルを切り替えることで、実効インダクタンスを変えることができました。サイリスタは制御システムも大幅に改善し、SVCが障害を検出して反応し、システムをより適切にサポートできるようになりました。^[8]サイリスタは、20世紀後半にIGBTがその電力定格に一致するようになるまで、FACTとHVDCの世界を支配していました。^[9]

FACTsデバイスがACシステムにどのように影響するかについての基本的な理論は、ACシステム内の2点間で電力がどのように伝達されるかを分析することに基づいています。これは、AC電力網がどのように機能するかに特に関連しています。なぜなら、電力網には、電源（発電機）や負荷のない多数のノード（変電所）があるからです。電力フローは、各ノード（変電所バス）で計算および制御され、電力網の設計とトポロジ自体が、生成された電気が負荷に到達するのを妨げないようにする必要があります。 ^[10]送電線の長さが数十から数百マイルに達すると、システムに大きなインピーダンスと電圧降下が追加されます。

それぞれ電圧の大きさと位相角を持ち、インピーダンスを持つ伝送線路で接続された2つのバスがある場合、それらの間を流れる電流は^{[11]で表されます。}

${\displaystyle {\bar {I}}={\frac {{\bar {V}}_{s}-{\bar {V}}_{r}}{{\bar {Z}}_{L }}}}$

皮相電力の流れ、つまり有効電力と無効電力は次のように表される。

${\displaystyle {\bar {S}}={\bar {V}}{\bar {I}}^{*}=P+jQ}$

これら 2 つの方程式を組み合わせると、電圧とインピーダンスの関数として有効電力と無効電力の流れが得られます。これは比較的簡単に実行でき、負荷フローと電力解析プログラムで実行されますが、その結果得られる方程式は直感的に理解しにくいものになります。物事を単純化するために 2 つの近似を行うことができます。ロスのない伝送線路を想定する (非常に低い抵抗の導体が通常使用されるため、妥当な想定) ことと、線路上の静電容量を無視する (200kV 線路以下の場合は妥当な想定) ことです。これにより、線路インピーダンスがリアクタンスのみに減少し、有効電力と無効電力が次のようになります。

${\displaystyle P_{s}=P_{r}=P={\frac {V_{s}V_{r}}{X_{L}}}\sin(\delta )}$

${\displaystyle Q_{s}=-Q_{r}=Q={\frac {V_{r}}{X_{L}}}[V_{s}\cos(\delta )-V_{r}]}$

どこ

${\displaystyle V_{s}}$最初のバスにおける送信端電圧の大きさ

${\displaystyle V_{r}}$2番目のバスにおける受信端電圧の大きさ

${\displaystyle X_{L}}$バス間の伝送ラインのリアクタンスである

${\displaystyle \delta}$送信端電圧と受信端電圧の位相角差である。

上記の式から、送電線上の有効電力と無効電力の流れに影響を与える変数が 3 つあることがわかります。^[12]いずれかのバスの電圧の大きさ、バス間の線路リアクタンス、およびバス間の電圧位相角差です。すべての FACTs デバイスは、これらの変数の 1 つ以上を変更すると、送電線上の有効電力と無効電力の流れが変化するという基本原理に基づいて動作します。一部の FACTs デバイスは 1 つの変数のみを変更しますが、他のデバイスは 3 つすべてを制御しま す。

以下にさらに詳しく説明しますが、FACT デバイスは実際の電力を作成したりシステムに電力を追加したりするのではなく、2 点間の回路パラメータに影響を与えて、電力が流れる方法とタイミングに影響を与えるだけであることに留意してください。

FACT デバイスは最大 3 つのパラメータを変更して電力フロー (電圧、インピーダンス、位相角) に影響を与えることができるため、制御するパラメータによって分類されることがよくあります。電圧 (シャント コンデンサとシャント インダクタ) とインピーダンス (直列コンデンサとロードフロー リアクタ) を制御する従来のデバイスは非常に一般的なので、電圧とインピーダンスのパラメータをターゲットとする FACT デバイスは、それぞれシャント デバイスと直列デバイスに分類されます。

シャント補償の目的は、電圧を改善し、より大きな電力の流れを可能にするデバイスをシステムと並列に接続することです。これは伝統的にシャントコンデンサとインダクタ（リアクタ）を使用して行われ、^[13]力率補正とよく似ています。

最も一般的なシャント補償装置は、静的無効電力補償装置（SVC）です。^[14] SVCは、固定コンデンサとリアクトルを切り替えるために、パワーエレクトロニクス、一般的にはサイリスタを使用します。これらは、それぞれサイリスタスイッチドコンデンサ（TSC）とサイリスタスイッチリアクトル（TSR）と呼ばれます。サイリスタはサブサイクルを切り替えることができるほど高速で、サイクルごとに異なるポイントでリアクトルを切り替えることで、リアクトルが生成する無効電力を制御できます。このように構成されたTSRは、サイリスタ制御リアクトル（TCR）と呼ばれます。TCRは大量の高調波を生成するため、システムへの悪影響を防ぐために フィルタバンクが必要です。

別のタイプのシャント補償は、静的同期補償装置またはSTATCOMです。パワーエレクトロニクスはリアクトルと直列に結合され、電圧源コンバータ（VSC）を形成し、ACシステムに接続されるとSTATCOMを形成します。^[15] VSCは、送電線上の電力フローの同じ原理を使用します。つまり、接続されているシステム電圧を測定し、パワーエレクトロニクスの電圧を変化させて、VSCに出入りする無効電力を発生させます。初期のSTATCOMは、パワーエレクトロニクスとしてサイリスタを使用し、無効電力の制御にはパルス幅変調（PWM）を使用していましたが、半導体技術の進歩により、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）がそれらに取って代わりました。

直列補償装置は、送電線のインピーダンスを変更して電力フローを増減します。電力フローは、直列コンデンサを追加してラインインダクタンスを相殺することで増加し、直列負荷フローリアクタを追加してラインインダクタンスに追加することで減少します。

直列補償の1つのタイプは、サイリスタ制御直列コンデンサ（TCSC）であり、これはSVCからのTCRを従来の固定直列コンデンサと並列に組み合わせたものである。パワーエレクトロニクスを使用してコンデンサのサブサイクルを切り替えることは、蓄積電荷の懸念から実現不可能であるため、TCRを使用して可変インダクタンスを作成し、コンデンサを相殺する。TCSCは、送電線上の電力フローを動的に変化させるために使用できる。^[16]

VSCは、直列接続された変圧器の二次巻線に接続されていれば、直列補償装置としても使用できます。この配置は、静的同期直列補償装置（SSSC）^[12]と呼ばれ、TCSCよりもリアクトルが小さく、TCRと比較してVSC（またはSSSCで使用される電圧源インバーター-VSI）の高調波生成が低いという利点があります。

バス間に位相角差がある場合、AC システム上の 2 点間でのみ電力が流れます。従来、これは発電機によって制御されていましたが、大規模なグリッドでは、離れたバス間の電力フローを管理するには効果がなくなります。これらのアプリケーションでは、通常、位相シフト変圧器 (PST) が使用され、位相角レギュレータ (PAR) のみになるか、位相角と電圧の両方を制御することができます。

最も簡単な位相角補償装置は、PARのタップ切換器をサイリスタに置き換えて、巻線の一部を切り替え、サイリスタ制御位相シフト変圧器（TCPST）を形成することです。^[17]ただし、TCPSTはPARよりもかなり高価になるため、通常は行われません。 代わりに、このアイデアは、直交ブースターをサイリスタ制御位相角レギュレータ（TCPAR）と呼ばれる装置（静的位相シフタ（SPS）とも呼ばれる）に置き換えるように拡張されています。^[18]回路図から、TCPARは、励磁変圧器とブースター変圧器の機械部分をパワーエレクトロニクス、通常はサイリスタに置き換えた直交ブースターであることがわかります。

TCPARを形成する別の方法は、励磁変圧器とブースタ変圧器を分離し、それらの二次側を別々の電力エレクトロニクス セットで制御することです。通常、GTO サイリスタまたは IGBT を使用して、2 セットの電力エレクトロニクスを DC バスでリンクすることにより、TCPAR を形成できます。これを行うことは最初は不必要に思えるかもしれませんが、シャント変圧器と直列変圧器、およびそれらの電子機器を別々に見ると、シャント部分が STATCOM であり、直列部分が SSSC であることがわかります。シャント部分から直列部分に電力を供給する DC バスでは、デバイスは位相角レギュレータとして機能しますが、DC バスが両側を分離しているため、STATCOM はシャント電圧を制御し、SSSC はライン インピーダンスを制御できます。このデバイスは、電力制御に影響する 3 つのパラメーターすべてを制御できるため、 統合電力フロー コントローラ (UPFC) ^{[19]という名前が付けられています。}

• 静的無効電力補償装置 (SVC)
• 静止同期補償装置 (STATCOM)
• サイリスタ制御直列コンデンサ (TCSC)
• 静的同期直列補償装置 (SSSC)
• サイリスタ制御位相角レギュレータ (TCPAR)
• 統合電力フローコントローラ (UPFC)
• 高電圧直流 (HVDC)