フレキシブル交流送電システム

電気工学において、柔軟交流送電システム（FACTS ）とは、交流（AC）送電システムで使用するために設計された、電力エレクトロニクスをベースとした一連のデバイスであり、電力の流れを改善・制御し、動的な電圧サポートを提供することを目的としています。FACTSデバイスは、送電線や変電所の増設が経済的または物流的に実現不可能な場合に、従来の電力網ソリューションや改良策に代わる選択肢となります。

一般的に、FACTSデバイスは、電圧の並列補償（コンデンサやインダクタの機能を代替）、インピーダンスの直列補償（直列コンデンサの機能を代替）、位相角補償（発電機のドループ制御や位相シフト変圧器の機能を代替）という3つの異なる方法で電力と電圧を改善します。他の従来機器でもこれらすべてを実現できますが、FACTSデバイスは、数秒や数分ではなくサブサイクル単位で切り替えられるほど高速なパワーエレクトロニクスを使用しています。また、ほとんどのFACTSデバイスは動的で、オン/オフだけでなく広範囲の電圧をサポートでき、マルチクワドラント、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。これらすべてがFACTSデバイスの「柔軟性」を生み出し、要件が未知または変化するアプリケーションに最適です。

FACTSファミリーは、当初、高電圧直流（HVDC）変換および送電の開発から発展したもので、HVDCはパワーエレクトロニクスを使用して交流を直流（DC）に変換し、制御可能な大規模な電力伝送を可能にした。^{[ 1 ]} HVDCはDCへの変換に重点を置いていたが、FACTSデバイスは開発された技術を使用して交流システムの電力と電圧を制御した。最も一般的なFACTSデバイスは静止型無効電力補償装置（SVC）で、サイリスタを使用して並列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。

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った。 ^{[ 2 ]}交流は変圧と電流の低減という利点をもたらしたが、電圧と電流の交流性により、送電線の自然な静電容量とインダクタンスに関する新たな課題が生じた。負荷の大きい送電線は、送電線のインダクタンスのために無効電力を消費し、20 世紀を通じて送電電圧が上昇するにつれて、高電圧によって容量性無効電力が供給された。送電線をサージインピーダンス負荷(SIL) だけで運用することは実現不可能であったため、^{[ 2 ]}無効電力を管理するための他の手段が必要となった。

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たが、それによって生じる損失の増加により制限があった。また、高電圧送電線によって負荷が電源から遠ざかるにつれて、その効果は低下した。固定式、分路コンデンサ、リアクトルバンクは、必要な場所に設置することでこのニーズを満たした。特に、遮断器によって切り替えられる分路コンデンサは、負荷の変化による変動する無効電力要求を管理する効果的な手段を提供した。^{[ 3 ]}しかし、これには制限がないわけではなかった。

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/オフを切り替えることしかできません。そのため、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許容す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 世紀初頭の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、高交流電圧を直流に変換できます。技術の進歩に伴い、反転も可能になり、水銀バルブは電力システムやHVDCタイで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実効インダクタンスを変化させることができ、^{[ 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、サイリスタは静止型無効電力補償装置（SVC）において最初の現代的なFACTSデバイスを生み出した。 ^{[ 7 ]}数ミリ秒でオンに切り替え可能な回路遮断器として効果的に機能し、コンデンサバンクを迅速に切り替えることができた。リアクトルに接続され、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化させることができた。サイリスタは制御システムも大幅に改善し、SVCが故障を検出して対応し、システムをより良くサポートできるようにした。^{[ 8 ]}サイリスタは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）がその電力定格に匹敵し始める20世紀後半まで、FACTSとHVDCの世界を支配していた。^{[ 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送されるかを分析することに基づいています。これは、AC 電力網の機能に特に関連しています。電力網には、電源 (発電機) や負荷のないノード (変電所) が多数存在するためです。送電線が数十マイルから数百マイルの長さに達すると、システムにかなりのインピーダンスと電圧降下が加わるため、電力網の設計とトポロジー自体が発電された電力が負荷に到達するのを妨げないように、各ノード (変電所母線)で電力の流れを計算して制御する必要があります。^{[ 10 ]}

それぞれ独自の電圧の大きさと位相角を持つ 2 つのバスがあり、インピーダンスを持つ送電線で接続されている場合、それらの間を流れる電流は^{[ 11 ]で与えられます。}

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

皮相電力の流れ、ひいては実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実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、潮流計算や電力解析プログラムで行われていますが、直感的に理解しにくい式になります。簡略化のために2つの近似を行うことができます。1つは、損失のない送電線を仮定すること（非常に抵抗の低い導体が一般的に使用されるため、妥当な仮定です）、もう1つは、線路上の静電容量を無視すること（200kV以下の線路では妥当な仮定です）です。これにより、線路インピーダンスはリアクタンスのみに縮小され、実効電力と無効電力は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

${\displaystyle V_{s}}$は、第１母線における送信端電圧の大きさです。

${\displaystyle V_{r}}$は、第2母線における受電端電圧の大きさです。

${\displaystyle X_{L}}$は、母線間の送電線のリアクタンスです。

${\displaystyle \delta }$は、送信端電圧と受信端電圧の間の位相角の差です。

上記の式から、送電線上の実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 ] は}、各母線における電圧の大きさ、母線間の線路リアクタンス、および母線間の電圧位相角の差です。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、送電線上の実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 デバイスは単一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。

FACTsデバイスは、システムに実際の電力を生成したり追加したりするものではなく、単に2点間の回路パラメータに影響を与え、電力の流れ方やタイミングを調整するものであることに留意すべきであり、後ほどより明確に説明する。

FACTsデバイスは、電力の流れに影響を与えるために最大3つのパラメータ（電圧、インピーダンス、位相角）を変更できるため、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（並列コンデンサと並列インダクタ）とインピーダンス（直列コンデンサと負荷潮流リアクトル）を制御する従来のデバイスは非常に一般的であるため、電圧とインピーダンスのパラメータを対象とするFACTsデバイスは、それぞれ並列デバイスと直列デバイスに分類されます。

• 静止型無効電力補償装置（SVC）
• 静止型同期補償装置（STATCOM）
• サイリスタ制御直列コンデンサ（TCSC）
• 静止型同期直列補償器（SSSC）
• サイリスタ制御位相角レギュレータ（TCPAR）
• 統合電力潮流制御装置（UPFC）
• 高電圧直流送電（HVDC）
• 一般的なスマートインバーターの概要