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電気工学、特に電力工学において、電圧調整とは、送電線や配電線などの機器の送電端と受電端間の電圧変動の大きさを表す指標です。電圧調整とは、負荷条件が広範囲に及ぶ場合でも、システムがほぼ一定の電圧を供給できる能力を指します。この用語は、様々な負荷条件下で電圧降下が増減する受動的な特性を指す場合もあれば、電圧調整を目的とした機器による能動的な介入を指す場合もあります。
電力系統における電圧変動率は、送電線の受電端で定義される無次元量であり、次のように表される。
ここで、 V nlは無負荷時の電圧、V flは全負荷時の電圧です。抵抗とリアクタンスがゼロの送電線で定義される理想的な送電線の電圧変動率は、送電線に沿って電圧降下がないためV nlとV flが等しくなり、ゼロになります。これが、電圧変動率が小さいほど理想的である理由であり、送電線が理想に近いことを示しています。
電圧調整の公式は、次のように視覚化できます。「負荷に電力が供給され、負荷における電圧が負荷の定格電圧V Ratedであるとします。その後、負荷がなくなると、負荷点における電圧はV nlまで上昇します。」
送電線における電圧調整は、送電端と受電端間の線路インピーダンスによって生じます。送電線には、抵抗、インダクタンス、静電容量といった固有の要素が存在し、これらによって線路に沿って電圧が連続的に変化します。実際の送電線では、電圧の大きさと位相角の両方が変化します。線路インピーダンスの影響は、短距離線路近似（精度が最も低い）、中距離線路近似（精度がやや高い）、長距離線路近似（精度が最も高い）といった簡略化された回路を用いてモデル化することができます。
短線近似では、伝送線の静電容量を無視し、伝送線の抵抗とリアクタンスを単純な直列抵抗とインダクタとしてモデル化します。この組み合わせのインピーダンスは R + jωL または R + jX です。短線近似では、中線および長線とは異なり、単一の線電流 I = I S = I Rが存在します。中線近似では、通常は純粋な静電容量である並列アドミタンスを考慮し、アドミタンスの半分を線路の送信端と受信端に分配します。この構成は、しばしば公称 - π と呼ばれます。長線近似では、これらの集中インピーダンスとアドミタンスの値を取得し、線路の長さに沿って均一に分配します。したがって、長線近似では微分方程式を解く必要があり、最高度の精度が得られます。[ 2 ]
電圧調整式において、無負荷電圧Vは、受電端が開放回路のときに受電端端子で測定される電圧です。この状態では短距離線路モデル全体が開放回路となり、開放回路では電流が流れないため、I = 0 Aとなり、オームの法則で与えられる線路の電圧降下V線路降下= IZ線路は0 Vとなります。したがって、送電端電圧と受電端電圧は同じです。この値は、送電線にインピーダンスがない場合の受電端電圧に相当します。電圧は線路によって全く変化しないため、これは電力伝送における理想的なシナリオです。
V full loadは、負荷が接続され、送電線に電流が流れているときの、受電端における負荷両端の電圧です。ここで、V line drop = IZ lineはゼロではないため、送電線の送信端と受電端の電圧は等しくありません。電流 I は、送電線と負荷のインピーダンスを合わせたものを用いてオームの法則を解くことで求めることができます。すると、全負荷時のV Rは次のように表されます。。
この変調が電圧の大きさと位相角に及ぼす影響は、V R、V S、およびV線路降下における抵抗成分と誘導成分をマッピングしたフェーザ図を用いて示されます。3 つの力率シナリオが示されています。(a) 線路が誘導性負荷に供給され、電流が受電端電圧より遅れる場合、(b) 線路が完全に実数負荷に供給され、電流と受電端電圧が同相になる場合、(c) 線路が容量性負荷に供給され、電流が受電端電圧より進む場合です。いずれの場合も、線路抵抗 R は電流と同相の電圧降下を引き起こし、線路のリアクタンス X は電流より 90 度進む電圧降下を引き起こします。これらの連続する電圧降下は、短線近似回路において V RからV Sへ逆方向にたどって受電端電圧に加算されます。V Rと電圧降下のベクトル和は V Sに等しくなりますが、図から明らかなように、V S は大きさも位相角もV Rと等しくありません。
図から、送電線における電流の位相角が電圧調整に大きく影響することがわかる。(a)の遅れ電流では、送電端電圧の必要値が受電端電圧に比べてかなり大きくなる。ただし、送電端と受電端の位相角の差は最小限に抑えられる。(c)の進み電流では、送電端電圧の値が受電端電圧の値よりも小さくなるため、電圧は直感に反して送電線に沿って上昇する。(b)の同相電流では、送電端と受電端の電圧の大きさにはほとんど影響しないが、位相角は大きく変化する。
実際の送電線は通常、誘導性負荷、すなわち現代の電子機器や機械に遍在するモーターに電力を供給します。誘導性負荷に大量の無効電力Qを伝送すると、線路電流は電圧より遅れ、電圧変動は電圧振幅の低下によって特徴付けられます。一方、実際の負荷に大量の有効電力Pを伝送する場合、電流はほぼ電圧と同相になります。この場合の電圧変動は、振幅ではなく位相角の低下によって特徴付けられます。
電圧調整という用語は、特にこの目的のための特殊な回路やデバイスに関して、 VRという量を低減するプロセスを説明するために使用されることがあります（下記参照）。
システムの電圧安定化の品質は、主に次の3つのパラメータによって表されます。
電力会社は、例えば 220 V や 240 V といった特定の電圧レベルで顧客にサービスを提供することを目指しています。しかし、キルヒホッフの法則により、電圧の大きさ、ひいては顧客へのサービス電圧は、配電線などの導体の長さに沿って実際に変化します (電力配電を参照)。法律や地域の慣習によっては、±5% や ±10% などの許容範囲内の実際のサービス電圧が許容範囲内とみなされる場合があります。負荷条件の変化に関わらず電圧を許容範囲内に維持するために、従来はさまざまなタイプのデバイスが使用されてきました。[ 3 ]
固体技術に基づいた電圧調整用の新世代デバイスは、商業化の初期段階にある。[ 4 ]
配電規制には「調整点」と呼ばれる概念が存在します。これは、機器が一定の電圧を維持しようとする点です。この調整点より遠い顧客は、予想通りの効果を実感します。つまり、軽負荷時には電圧が高くなり、重負荷時には電圧が低くなります。一方、この調整点に近い顧客は、逆の効果を実感します。つまり、重負荷時には電圧が高くなり、軽負荷時には電圧が低くなります。
分散型発電、特に配電レベルに接続された太陽光発電は、電圧調整に関して多くの重大な課題を提起する。
従来の電圧調整装置は、線路電圧がフィーダーに沿った距離に応じて予測可能な変化をするという前提で動作します。具体的には、線路インピーダンスにより変電所からの距離が増加するにつれてフィーダー電圧が低下し、変電所から遠ざかるほど電圧降下率は低下します。[ 5 ]しかし、分散型電源（DG）が存在する場合、この前提は成り立たない可能性があります。たとえば、末端にDGが集中している長いフィーダーでは、通常電圧が最も低い地点で大きな電流注入が発生します。負荷が十分に低い場合、電流は逆方向（つまり変電所に向かって）に流れ、変電所からの距離とともに電圧が上昇する電圧プロファイルが発生します。この逆の電圧プロファイルは、従来の制御を混乱させる可能性があります。このようなシナリオの1つでは、変電所からの距離とともに電圧が低下すると想定している負荷タップチェンジャーが、実際には線路の電圧が動作限界を超えるような動作点を選択する可能性があります。[ 6 ]
配電レベルで分散型電源によって引き起こされる電圧調整の問題は、配電フィーダー沿いに電力会社の監視機器が不足しているために複雑化している。配電電圧と負荷に関する情報が比較的少ないため、電力会社は電圧レベルを動作範囲内に維持するために必要な調整を行うことが困難になっている。[ 7 ]
分散型電源（DG）は配電レベルの電圧調整に多くの重大な課題をもたらしますが、インテリジェントなパワーエレクトロニクスと組み合わせると、 DGは実際に電圧調整の取り組みを強化するのに役立ちます。[ 8 ] 1 つの例として、電圧無効電力制御を備えたインバータを介してグリッドに接続された太陽光発電 (PV) があります。国立再生可能エネルギー研究所 (NREL)と電力研究所 (EPRI)が共同で実施した研究では、PV の浸透率が 20% の配電フィーダーに電圧無効電力制御を追加すると、フィーダーの日中の電圧変動が大幅に減少しました。[ 9 ]
電圧調整の一例は変圧器に見られます。変圧器の非理想的な構成要素は、電流が流れるときに電圧の変化を引き起こします。無負荷時、つまり二次コイルに電流が流れないとき、V nlは理想モデルで与えられ、V S = V P *N S /N Pとなります。等価回路を見て、妥当な近似としてシャント構成要素を無視すると、すべての抵抗とリアクタンスを二次側に参照することができ、無負荷時の二次電圧が確かに理想モデルで与えられることが明確にわかります。対照的に、変圧器が全負荷を供給すると、巻線抵抗で電圧降下が発生し、負荷の両端の端子電圧が予想よりも低くなります。上記の定義により、これはゼロでない電圧調整につながり、変圧器の使用時に考慮する必要があります。[ 2 ]
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