静的同期補償装置

電気工学において、静的同期補償装置( STATCOM ) は、送電網で使用されるシャント接続の無効補償装置です。電力エレクトロニクスを使用して、電力網への無効 AC 電力のソースまたはシンクとして機能できる電圧源コンバータを形成します。これは、 FACTSファミリのデバイスのメンバーです。

STATCOM は、コンデンサやインダクタ(リアクトル)などの他の受動無効電力デバイスの代替品です。STATCOM は可変無効電力出力を持ち、出力をミリ秒単位で変更でき、容量性無効電力と誘導性無効電力の両方を供給および消費できます。STATCOM は電圧サポートや力率補正に使用できますが、その速度と機能は、障害状態や偶発事象下でのグリッドのサポートなど、動的な状況に適しています。

電圧源ベースの FACT デバイスの使用は、システム電圧に応じて無効出力が減少する電流源ベースのデバイスの制限を緩和するのに役立つため、以前から望まれていました。しかし、技術的な制限により、STATCOM はこれまで広く採用されていませんでした。1990年代にゲートターンオフサイリスタ(GTO) がより広く利用できるようになり^[1]、より高い電力レベルでオンとオフの両方を切り替えることができるようになったため、最初の STATCOM が市販され始めました。これらのデバイスは通常、3 レベルトポロジとパルス幅変調(PWM) を使用して電圧波形をシミュレートします。

最新の STATCOM では、高電力レベルでのスイッチングを高速化する絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)が使用されています。3 レベルトポロジは、電圧波形のレベルを増やして高調波を減らし、パフォーマンスを向上させるマルチモジュラーコンバータ (MMC) トポロジに取って代わられ始めています。

歴史

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]

IGBTの登場により、最初の電圧源コンバータとSTATCOMがFACTsの世界に登場し始めました。プロトタイプの1 MVAr STATCOMは、1987年にEmpire State Electric Energy Research Corporationのレポートに記載されています。^[10]ウェスティングハウスエレクトリック社製の最初の量産100 MVAr STATCOMは、 1995年にテネシー川流域開発公社サリバン変電所に設置されましたが、部品の老朽化によりすぐに廃止されました。^[11]

理論

STATCOMの基本は、固定インダクタまたは電力変圧器のいずれかのリアクタンスと直列に接続された電圧源コンバータ（VSC）です。これにより、STATCOMは、有効（実）電力フローがなくても、送電線のように電力フローを制御できます。 ^[12] 2つのAC電圧間に接続されたインダクタを考えると、2つのポイント間の無効電力フローは次の式で表されます。

$Q={\frac {V_{S}*(\Delta V)}{X}}*\cos(\delta )$

どこ

$Q$ : 無効電力

$V_{S}$ : 送信端電圧

$\Delta V$ :受信端電圧と受信端電圧の差 $V_{S}$ $V_{R}$

$X$ : インダクタまたはトランスのリアクタンス

$\delta$ :と間の位相角差 $V_{S}$ $V_{R}$

無効電力がゼロに近く（STATCOM は実効電力を供給せず、損失としてわずかな電力しか消費しないため^[13]）、サイズが固定されているため、無効電力フローは 2 つの AC 電圧の差によって制御されます。^[14]この式から、STATCOM がシステム電圧よりも大きい電圧を生成する場合、STATCOM はシステムに容量性無効電力を供給します。STATCOM の電圧が小さい場合、STATCOM はシステムから誘導性無効電力を消費します。最新の VSC のほとんどは、小さな電圧変化を非常に迅速に行うことができるパワーエレクトロニクスで構成されているため、^[15]動的な無効電力出力が可能です。これは、オフ（0 MVar）または最大（たとえば 50 MVar）のいずれかである従来の固定コンデンサまたはインダクタに相当します。同様のサイズの STATCOM は、容量性 50 MVar から誘導性 50 MVar まで、1 MVar 刻みで変化します。 $\delta$ $X$

VSC トポロジー

STATCOM は無効電力を制御するために電圧の大きさを変えるため、VSC の設計と接続のトポロジーによって、VSC がどれだけ効果的かつ迅速に動作するかが決まります。VSC とパワーエレクトロニクスベースのコンバーターにはさまざまなトポロジーが用意されていますが、最も一般的なトポロジーを以下に説明します。以下にパワーエレクトロニクスデバイスとして IGBTS がリストされていますが、古いデバイスでは GTO サイリスタも使用されていました。

2レベルコンバータ

3 相ブリッジ整流器の単相。2 つのレベルが可能であることを示しています。右下は IGBT 動作のスイッチ相当を示しています。

最も初期の VSC トポロジの 1 つは、 3 相ブリッジ整流器を改良した 2 レベルコンバータでした。6 パルス整流器とも呼ばれ、スイッチングに基づいて異なる IGBT パスを介して AC 電圧を接続できます。AC を DC に変換する整流器として使用すると、波形の正と負の両方の部分を DC に変換できます。STATCOM の VSC で使用する場合、DC 側にコンデンサを接続して、2 つのレベルの方形波を生成できます。

電圧の大きさは固定されているため、これだけではSTATCOMに実質的な利点はありません。ただし、IGBTを十分に高速に切り替えることができれば、パルス幅変調（PWM）を使用して電圧の大きさを制御できます。パルスの持続時間を変えることで、電圧波形の有効大きさを制御できます。^[16] PWMは依然として方形波のみを生成するため、高調波の発生はかなり大きくなります。さまざまなスイッチングパターンの解析技術によって、ある程度の高調波の削減を実現できますが、これはコントローラの複雑さに制限されます。^[17] 2レベルコンバータの各レベルは、必要な最終電圧を生成するために通常複数の直列IGBTで構成されているため、個々のデバイス間の調整とタイミングが困難です。

3レベルコンバータ

コンバータトポロジーにレベルを追加すると、真の電圧正弦波をより正確に反映できるという利点があり、高調波の発生が減り、性能が向上します。VSC の 3 つの相すべてが独自の 2 レベルコンバータトポロジーを使用する場合、相間電圧は 3 つのレベルになります (3 つの相は同じスイッチングパターンを持ちますが、時間的に互いにシフトしているため)。これにより、ゼロレベルに加えて正と負のピークが可能になり、正と負の対称性が加わり、偶数次の高調波が除去されます。^[18]別のオプションは、2 レベルトポロジーを 3 レベルコンバーターに拡張することです。

コンバータに 2 つの IGBT を追加することで、2 つの IGBT を同時にオンにして 3 つの異なるレベルを作成できます。各フェーズに独自の 3 レベルコンバータがある場合は、合計 5 つのレベルを作成できます。これにより、非常に粗い正弦波が作成されますが、PWM では高調波の発生が少なくなります (パルスは 5 つのレベルすべてに存在するため)。

3レベルコンバーターは、変圧器や位相シフトと組み合わせて、追加のレベルを作成することもできます。^[19] 2つの二次巻線（1つはワイワイ、もう1つはワイデルタ）を備えた変圧器を、2つの独立した3相3レベルコンバーターに接続して、レベル数を2倍にすることができます。追加の位相シフト巻線を使用して、3レベルの従来の6パルスを12、24、または48パルスに変換できます。^{[20]パルスとレベルがこれだけ多いと、波形は真の正弦波に近づき、生成されるすべての高調波は}ローパスフィルターで除去できるはるかに高い次数になります。

モジュラーマルチレベルコンバータ

DC バスを使用した単相の MMC トポロジ。図にはスイッチが示されていますが、これは VSC 内の何らかのタイプの IGBT 配置に置き換えられます。

3レベルコンバータに位相シフトを追加すると高調波特性は向上しますが、2、3、または4つのSTATCOMを追加する必要があります。また、スイッチングパターンが複雑すぎて1つのSTATCOMの損失に対応できないため、冗長性はほとんど追加されません。^[21] 3レベルコンバータのアイデアは、レベルを追加して電圧正弦波をより正確に近似することであるため、モジュラーマルチレベルコンバータ（MMC）と呼ばれる別のトポロジにはいくつかの利点があります。

MMC トポロジは、さまざまな IGBT をオンにすると異なるコンデンサが回路に接続されるという点で 3 レベルに似ています。各 IGBT「スイッチ」には独自のコンデンサがあるため、電圧は個別のステップで増加できます。レベルを追加するとステップ数が増え、正弦波に近似します。十分なレベルがあれば、作成される波形は真の電圧正弦波に十分近くなり、高調波はほとんど生成されないため、PWM は必要ありません。

各ステップのコンデンサ周囲のIGBT配置は、DCのニーズによって異なります。DCバスが必要な場合（HVDCタイまたは合成慣性を備えたSTATCOMの場合）、コンデンサレベルごとに必要なIGBTは2つだけです。DCバスが不要で、3相をデルタ配置に接続してゼロシーケンス高調波を排除する利点がある場合は、4つのIGBTを使用してコンデンサを囲み、いずれかの極性でバイパスまたは切り替えることができます。^[22]

手術

STATCOM の VSC 動作は、電流の流れを変えて電圧に影響を与えることに基づいているため、その電圧電流(VI) 特性によって動作方法が制御されます。^[23] VI 特性は、誘導性最大値と容量性最大値の間の傾斜領域と、最大動作点の 2 つの異なる部分に分けることができます。最大値間の傾斜領域では、STATCOM は電圧調整モードにあると言われ、容量性無効電力を供給して電圧を上げるか、誘導性無効電力を消費して電圧を下げます。これを実行する速度は、発電機のドループ速度制御と同様に機能する傾斜によって設定されます。この傾斜はプログラム可能で、高い値 (STATCOM が従来の固定無効電力デバイスのように電圧を調整するため) に設定することも、ゼロ近くに設定して非常に平坦な線を生成し、STATCOM の容量を動的または過渡的なイベント用に確保することもできます。最大傾斜は通常約 5% で、システム電圧を公称値の 5% 以内に保ちます。

いずれかの最大値で動作しているとき、STATCOM は VAR 制御モードにあると言われ、最大無効出力を供給または消費します。容量性無効出力が電圧に比例する従来の SVC とは異なり、STATCOM は任意の電圧で最大容量定格を供給できます。^[24]これは SVC よりも有利で、STATCOM の有効性は障害による電圧降下に依存しません。技術的にはほぼゼロの電圧振幅に応答できますが、通常、STATCOM は0.2 pu程度の電圧降下を乗り切るように設定されています。^[25]これは、障害が解消されて電圧が正常に戻ったときに STATCOM が過大な過電圧を引き起こすのを防ぐためです。STATCOM には過渡定格もあり、非常に短時間に最大電流を超える電流を供給できるため、より大きな障害に対してシステムをよりよくサポートできます。この定格は特定の設計によって異なりますが、3.0 pu まで高くなる場合があります。^[26]

電圧制御モードのSTATCOMの動作を制御するために、通常は閉ループPIDレギュレータが使用され、これにより電流フローの変化がシステム電圧にどのように影響するかについてのフィードバックが可能になります。簡略化されたPIDレギュレータが示されていますが、STATCOMの傾斜やその他のモードに対する基準電圧を決定するために別の閉ループが使用されることもあります。^[27]完全なPIDシステムを使用することもできますが、通常は微分成分が除去されるか（または非常に低く設定され）、システムや測定値からのノイズが不要な変動を引き起こすのを防ぎます。^[28]

STATCOMは、システムの特定のニーズに応じて、電圧調整やVAR制御以外の追加モードを持つこともあります。例としては、システム高調波のアクティブフィルタリング^[29]や、発電や負荷の停止によるシステム強度の変化に対応するためのゲイン制御などがあります。 ^[30]

応用

STATCOM は、高速で動的なマルチ象限無効電力源として、さまざまな用途に使用できますが、故障や過渡事象、偶発事象が発生したときにグリッドをサポートするのに適しています。^[31]一般的な用途の 1 つは、送電線に沿って STATCOM を配置し、システムの電力フローを改善することです。^[32]通常の動作では、STATCOM はほとんど機能しませんが、近くのラインに故障が発生した場合、供給されていた電力が他の送電線に強制的に供給されます。通常、これにより電力フローが増加するため電圧降下が増加しますが、STATCOM が利用できる場合は、故障が除去されるまで (一時的な場合)、または固定コンデンサが切り替えられるまで (故障が永続的である場合)、無効電力を供給して電圧を上げることができます。場合によっては、STATCOM を変電所に設置して、1 本ではなく複数のラインをサポートし、STATCOM が設置されているラインの保護の複雑さを軽減することができます。 ^[33]

利用可能な制御機能に応じて、STATCOMは、アクティブフィルタリング、電力振動減衰（POD）、または限定されたアクティブ電力相互作用などのより高度なアプリケーションにも使用できます。分散型エネルギーリソース（DER）とエネルギーストレージの成長に伴い、STATCOMを使用してこれらの用途を支援または強化する研究が行われています。^[34]^[35]最近の研究の1つの分野は仮想慣性です。これは、STATCOMのDC側にエネルギー源を使用して、同期コンデンサまたは発電機に似た慣性応答を与えることです。^[36]

STATCOM 対 SVC

基本的に、STATCOM は静的 VAR 補償装置(SVC)の一種ですが、主な違いは、STATCOM が電圧源コンバータであるのに対し、従来の SVC は電流源コンバータであることです。歴史的に、STATCOM は SVC よりも高価でしたが (一部は IGBT のコストが高いため)、近年 IGBT の電力定格が増加し、その差は縮まっています。

STATCOMの応答時間はSVCよりも短く、^[10]主に電圧源コンバータのIGBTによって提供される高速スイッチング時間によるものです（サイリスタはオフにすることができず、整流する必要があります）。その結果、STATCOMの反応時間は1〜2サイクルであるのに対し、SVCは2〜3サイクルです。^[37]

また、STATCOM は、SVC よりも低 AC 電圧でより優れた無効電力サポートを提供します。これは、SVC の電力が電圧の 2 乗の関数であるのに対し、STATCOM からの無効電力は AC 電圧とともに直線的に減少するため (低 AC 電圧まで電流を定格値に維持できます) です。^{[38] SVC は、深刻な低電圧状態 (0.6}pu未満) では使用されません。故障が解消された後、コンデンサをオンにしたままにしておくと過渡過電圧が悪化する可能性があるためです。一方、STATCOM は 0.2～0.3 pu まで動作できます (この制限は、同期性と冷却が失われる可能性があるためです)。^[39]

STATCOMは、SVCのTSCやフィルタで使用される大きなコンデンサを必要としないため、設置面積が小さくなります。^[40]

参照

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[FOOTNOTEVarma2021114–115-37] ヴァルマ2021、114-115頁。

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[FOOTNOTEVarma2021114-39] ヴァルマ2021、114頁。

[FOOTNOTEVarma2021115-40] ヴァルマ2021、115頁。

歴史

理論

VSC トポロジー

2レベルコンバータ

3レベルコンバータ

モジュラーマルチレベルコンバータ

手術

応用

STATCOM 対 SVC

参照

参考文献

関連するトピック

電気工学

送電網

無効補償

電力エレクトロニクスを使用して、電力網への無効