電圧制御と無効電力管理

電圧制御と無効電力管理は、送電網の信頼性を高め、これらの網上の電力市場を促進する補助サービスの 2 つの側面です。この活動の両方の側面は絡み合っています (交流(AC) 網の電圧変化は、無効電力の生成または吸収によって行われます)。そのため、この記事では、Kirby & Hirst (1997) が示唆したように、電圧制御という用語は主にこの基本的に単一の活動を指すために使用されます。^[1]電圧制御には、グリッドの振動を抑えるための無効電力注入は含まれません。これらは、システム安定性サービスと呼ばれる別の補助サービスの一部です。^[2]無効電力の伝送はその性質上制限されているため、電圧制御は、システム全体の有効電力バランスを維持することに基づく周波数制御とは異なり、電力網全体に分散された機器によって提供されます。 ^[3]

カービーとハーストは電圧制御の必要性の背後にある3つの理由を指摘している。^[1]

1. 電力ネットワーク機器は狭い電圧範囲で設計されており、顧客側の電力消費機器も同様です。この範囲外で操作すると、機器が故障します。
2. 無効電力は発電機と送電線に熱を引き起こすため、熱制限により有効電力（有効電力）の生産と流れを制限する必要があります。
3. 送電線に無効電力を注入すると損失が発生し、電力が無駄になり、原動機によって供給される電力が強制的に増加します。

系統内で特殊な電圧制御装置を使用すると、同期発電機の回転子角度の変動（発電機が無効電力を供給または消費することによって発生する）が低減され、電力システムの安定性も向上します。^[4]

無効電力条件が変化したときに電圧が大きく変化する電力バスとシステムは弱いシステムと呼ばれ、比較的変化が小さいものは強いシステムと呼ばれます（数値的には、強さは短絡比として表され、強いシステムほど高くなります）。^[5]

デバイスは、遅れ力率を持つ場合（インダクタのような場合）は無効エネルギーを吸収し、進み力率を持つ場合（コンデンサのような場合）は無効エネルギーを生成します。

電力網の設備は通常、無効電力を供給するか消費するかのいずれかである。^[6]

• 同期発電機は、発電機能力曲線の制限に従って、過剰励磁の場合は無効電力を供給し、不足励磁の場合は無効電力を吸収します。
• 変圧器は常に無効電力を吸収します。
• 電力線は無効電力を吸収するか、または供給します。架空電力線は低負荷時に無効電力を供給しますが、負荷が電力線のサージインピーダンスを超えて増加すると、電力線は無効電力の消費量が増加し始めます。地下電力線は容量性であるため、サージインピーダンス以下の負荷がかかり、無効電力を供給します。
• 電気負荷は通常無効電力を吸収し、^[7]一般的な家電製品の力率は0.65（洗濯機のような電気モーターを備えた家庭用機器）から1.0（白熱電球のような純粋な抵抗負荷）の範囲です。^[8]

典型的な電力網では、電圧制御の基本は同期発電機によって提供されます。これらの発電機には、発電機の端子の電圧を目標範囲内に保つために励起磁場を調整する自動電圧調整器が装備されています。^[7]

追加の無効電力補償（電圧補償とも呼ばれる）のタスクは補償装置に割り当てられます：^[7]

• 無効電力の受動的な（恒久的に接続されているか、切り替えられている）シンク（例えば、変圧器に似た構造で、単一の巻線と鉄心を持つシャント リアクトル^{[9] ）。シャントリアクトルは通常、長い送電線の端や弱いシステムに接続され、軽負荷時の過電圧（}フェランティ効果）を防ぎます。 ^[10]
• 無効電力の受動的な供給源（例：シャントまたは直列 コンデンサ）。
  • シャントコンデンサは1910年代から電力システムで使用されており、低コストで比較的簡単に導入できるため人気があります。シャントコンデンサによって供給される無効電力の量は線間電圧の2乗に比例するため、低電圧条件（多くの場合、無効電力の不足によって発生します）ではコンデンサの寄与は少なくなります。これは重大な欠点であり、コンデンサによる無効電力の供給は最も必要なときに低下します。^[11]
  • 直列コンデンサは、負荷がかかった架空送電線の誘導リアクタンスを補償するために使用されます。これらのデバイスは、電力導体に直列に接続され、通常、無効電力損失を減らし、線路を介して伝送できる有効電力の量を増やすために使用されます。無効電力の自己調整による供給（供給は負荷が高くなると偶然に増加します）は二次的な考慮事項です。^[12]直列コンデンサの両端の電圧は通常低い（ネットワークの調整範囲内、定格電圧の数パーセント）ため、その構築は比較的低コストです。ただし、負荷側で短絡が発生した場合、コンデンサは短時間、全線間電圧にさらされるため、通常はスパークギャップ、ZnO バリスタ、およびスイッチを含む保護回路が提供されます。^[13]
• 能動補償装置（例：同期コンデンサ、静的無効電力補償装置、無効電力の供給源またはシンクになり得る静的同期補償装置）
• 調整変圧器（例：タップ切換変圧器）。

受動補償装置は恒久的に取り付けられるか、手動で、タイマーを使用して、またはセンサーデータに基づいて自動的に切り替えられます（接続と切断）。^[14]能動装置は本質的に自己調整型です。^[10]負荷時タップ切換（ULTC）機能を備えたタップ切換変圧器を使用して、電圧を直接制御できます。システム内のすべてのタップ切換変圧器の動作は、変圧器間で同期する必要があり、 ^[15]シャントコンデンサを適用する必要があります。^[16]

無効電力バランスの局所的な性質のため、無効電力を局所的に管理する（分散型方式）のが標準的なアプローチである。マイクログリッドの普及により、柔軟な集中型アプローチがより経済的になる可能性がある。^[17]

発電機または送電線（計画する必要がある）の単一故障が、残りの送電線のいくつかの負荷を即座に増加させる可能性があるため、システムは追加の無効電力を非常に迅速に供給できなければなりません（動的要件）。架空送電線の性質上、負荷が増加すると、交換が必要な無効電力の消費量が増加します。したがって、大規模な送電システムには、有効電力の予備と同様に無効電力の予備が必要です。^[18]無効電力は有効電力ほど電線上を移動しないため、^[19]その生産を負荷の近くに集中させるインセンティブがあります。電力システムの再構築により、電力網のこの領域が統合電力会社の管理下から外れるため、問題を顧客に押し付け、負荷をほぼ 1 の力率で動作させる傾向にあります。^[20]

• アクティブネットワーク管理

• Kirby, Brendan J.; Hirst, Eric (1997). 補助サービス詳細: 電圧制御 (ORNL/CON-453) (PDF) .テネシー州オークリッジ:オークリッジ国立研究所.
• イブラヒムザデ、エスマイル。ブラーブジェルグ、フレデ（2017年4月5日）。 「AC電力システムにおける無効電力の役割とその制御性」。ナセル・マハダヴィ・タバタバエイで。アリ・ジャファリ・アグボラギ。ニク・ビゾン。 Frede Blaabjerg (編)。AC 電力システムにおける無効電力制御: 基本と現在の問題。スプリンガー。 117–136ページ。ISBN 978-3-319-51118-4. OCLC  1005810845.
• Kundur, Prabha (1994 年 1 月 22 日)。「無効電力と電圧制御」(PDF)。電力システムの安定性と制御。McGraw-Hill Education。pp. 627–687。ISBN 978-0-07-035958-1. OCLC  1054007373.
• Khan, Baseem (2022)。「アクティブ配電ネットワークにおける無効電力管理」。アクティブ配電ネットワーク。Elsevier。pp. 287–301。doi :10.1016/B978-0-323-85169-5.00005-8 。