慣性応答

慣性応答は、大きな同期回転質量を備えた大型同期発電機の特性であり、電力システム（通常は電力網）の電力供給と需要の間の即時の不均衡を克服する働きをします。機械的な電力供給と電力需要の間には常に電力不均衡が存在するため、電力網内のすべての同期発電機の回転質量の回転周波数は、電力供給が過剰の場合は加速して余分な電力を吸収し、電力需要が過剰の場合は減速して追加の電力を提供します。同期発電機の場合のこの応答は設計に組み込まれており、外部からの介入や調整なしに発生するため、自動発電制御と電力網オペレータに、システムの再バランスをとるための貴重な時間（数秒）が提供されます^{[1]電力網周波数は、電力網内のすべての個々の同期ローターの詳細な動きを組み合わせた結果であり、}スイング方程式と呼ばれる一般的な運動方程式によってモデル化されます。

米国の電力システムでは、送電網事業者は周波数を狭い範囲内に維持することが義務付けられており、北米電力信頼性協会による監視で不適合が検出された場合には、金銭的な責任を負う可能性がある。さらに、機器を保護するために、周波数が制限値（米国のほとんどの地域では 59.5 Hz、テキサス州では 59.3 Hz）を下回ると、負荷の一部が切断される（「低周波数負荷遮断」、UFLS）。^[2]予期しない供給中断（発電機の故障など）が発生すると、プライマリ周波数応答が自動的に作動する。センサーが低い周波数を検出し、それに応じて原動機の電力を調整する。一般的な同期発電機の場合、この調整には機械装置（バルブなど）の操作が伴うため、時間がかかる。この間、電力網は蓄積された慣性に頼って周波数の低下を遅らせる必要がある。^[3]

慣性は、電力時間積単位（例えば、ギガワット秒）で測定することができるが、^[4]発電機の「サイズ」（公称電力）に正規化されることが多く、したがって時間単位（いわゆる発電機の慣性定数^[5]運動エネルギーを蓄える（回転周波数の2乗に比例）が、通常はより軽量であるためより速く減速し、より遅く重い機械と比較すると、応答の早い段階でより多くの電力が注入される（「フロントローディング」）。これは、グリッドの各部分間の相互作用により「バウンス」や不安定性が生じる可能性があるため、必ずしも良いとは言えない。^[6]一般的な発電所の慣性定数の値は、2秒（水力発電）から7秒（ガスタービン）である。^[5]回転速度、したがって運動エネルギーは、その現在の電力レベルに依存しないため、グリッド全体の慣性は、稼働中の発電機の慣性定数に関係している。^[7]電力需要が低いとき（たとえば、夜間）には、稼働中の発電機が少なくなる可能性があり、同様の不測の事態に対処するのがより困難になる可能性がある。^[8]

電気負荷は慣性のような性質を持つことがあります。例えば、一般的な産業用電気モーターは低周波数では消費電力が少なく、システムに小さいながらも顕著な慣性を追加します。^[9]この効果は、慣性のような応答がはるかに少ない最新の効率的な可変速度制御への切り替えにより減少しています。

ULFSは負荷を切断することで電力需要を低下させ、周波数の低下を緩やかにし、慣性の増加と同等の効果をもたらします。^[10]

21世紀までは、従来の慣性と一次周波数応答の組み合わせが、米国の電力網の目標信頼性を達成するのに十分であると考えられていました。^[11]変動性再生可能エネルギー（VRE）の普及率が高いことで、新たな課題が生じました。^[12]

• 夜間は風が強くなる傾向があるため、需要の低下（オンラインの同期発電機の減少）の影響が悪化します。
• VRE 発電機は通常、回転質量 (太陽光) を持たないか、その設計によりグリッドの残りの部分と電気機械的に結合されません。一般的な VRE 発電機はインバータを介してグリッドに接続され(これらの発電機は一般にインバータベースのリソースと呼ばれます)、同期発電機と同じようにシステムに慣性を与えることはできません。

そのため、従来の慣性に代わる手段が適用され、2020年代までにはテキサス州（ERCOT）が米国でトップに立った。その理由は、テキサス州の風力発電の普及率の高さ（ウィスコンシン州西部相互接続のほぼ2倍）と、比較的規模の小さい州であるため不測の事態が割合で大きくなったこと（単一の障害で平均負荷の6.4%に相当する電力が失われるのに対し、ウィスコンシン州では2.6%、東部相互接続では1.3% ）による。^[13]

慣性が低下した環境でグリッドの信頼性を維持するために、次の強制的な手段が使用されます。

• 同期発電機の所有者にユニットの稼働を強制したり、インバータベースのリソースの使用を削減したりすることで、慣性を閾値レベル以上に保つ。純粋に経済的な観点から言えば、これは一時的な措置に過ぎない。^[14]
• 慣性を持つ従来型の再生可能発電機（集光型太陽光発電、バイオマス発電）を使用する^[15]
• 同期コンデンサの回転質量を利用する。^[16]
• 通常の59.5Hzよりも大きな周波数偏差を許可する（テキサス州では59.3Hzまで周波数を下げることを許可し、ケベック州ではさらに小さい58.5Hzまで周波数を下げることを許可している）^[17]
• 短時間の停電に耐えられる非クリティカル負荷（例：産業用冷却プラント）に、設定された周波数閾値で負荷を遮断する自動リレーを取り付ける。テキサス州では、これが風力発電の普及率を高めるために選ばれた主な方法の1つであった。^[18]
• 他の補助サービスと同様に、市場メカニズムを通じて顧客に周波数応答の料金を支払わせる（ ERCOTでも採用されているアプローチ）。^[19]

負荷の切断は非常に迅速に行うことができます（周波数測定を含めて0.5秒）。^[18]インバータベースのリソース（IBR）は、利用可能な最大電力で動作していない場合、非常に迅速にランプアップすることもできます（風力の場合は1秒あたり25％、太陽光発電の場合は1秒あたり100％）。^[20]風力タービンからは限られた量の運動エネルギーを抽出でき、約0.5秒間（0.5秒の遅延後）その容量の10％を追加で提供します。^[21]さらに、多くの予備IBR容量が利用できる時間は、多くの同期発電機がオフラインであるために従来の慣性が最低になる時間と一致します。新技術のこれらの利点により、慣性のような反応時間を実現するためにIBRのディスパッチと負荷切断を使用した高速周波数応答（FFR）周波数制御の実装が可能になり、FFRの別名は合成慣性です^{[20] （Erikssonらは、}周波数の変化率に比例して反応するユニットには「合成慣性」という用語を使用し、不十分な慣性の影響（周波数偏差など）に反応するユニットにはFFRを使用することを提案しています^[22]）。グリッドスケールバッテリーも、1秒あたり100％のランプレートでFFRに参加できます。^[23]

グリッド周波数が高すぎたり低すぎたりすると、高電圧直流リンクを通る有効電力の流れが減少または増加します。その結果、風力発電はブレード角度を増減し、ピッチ制御を通じて捕捉される風力エネルギーを減少または増加させます。^[24]

• NERC (2021 年 5 月 11 日)。バランスと周波数制御(PDF)。北米電力信頼性協会。
• Denholm, Paul; Mai, Trieu; Kenyon, Rick Wallace; Kroposki, Ben; O'Malley, Mark (2020). 慣性と電力網：スピンなしのガイド(PDF)。国立再生可能エネルギー研究所。
• Eriksson, Robert; Modig, Niklas; Elkington, Katherine (2017 年 11 月14日)。「 合成慣性と高速周波数応答: 定義」。IET Renewable Power Generation。12 ( 5): 507–514。doi : 10.1049/iet - rpg.2017.0370。eISSN 1752-1424。ISSN 1752-1416。S2CID  117501676  。