広域同期グリッド

広域同期グリッド（北米では「相互接続」とも呼ばれる）は、同期した公共周波数で動作し、通常のシステム状態では電気的に相互接続されている、地域規模以上の三相電力グリッドです。同期ゾーンとも呼ばれ、最も強力なのは1,700ギガワット（GW）の発電能力を持つ中国北部の国家グリッドであり、最も広い地域でサービスを提供しているのは、旧ソ連のほとんどの国にサービスを提供しているIPS/UPSシステムです。十分な容量を持つ同期グリッドは、広範囲にわたる電力取引を促進します。2008年のENTSO-Eでは、欧州エネルギー取引所（EEX）で1日あたり350,000メガワット時を超える電力が販売されました。^[1]

同じ周波数と規格を持つ隣接する相互接続は、同期して直接接続し、より大きな相互接続を形成することもできますし、高電圧直流 送電線(DC タイ)、ソリッド ステート トランス、または可変周波数トランス(VFT) を介して同期せずに電力を共有することもできます。これにより、エネルギーの流れを制御しながら、各側の独立した AC 周波数を機能的に分離することができます。北米の各相互接続は公称 60 Hz で同期されていますが、ヨーロッパの相互接続は 50 Hz で動作します。

同期ゾーンの利点としては、発電のプールによる発電コストの低減、負荷のプールによる大幅な均等化効果、予備力の共通供給による一次および二次予備力のコストの低減、市場の開放による長期契約と短期電力取引の可能性、および障害発生時の相互支援などが挙げられます。^[2]

広域同期グリッドの欠点の 1 つは、1 つの部分で発生した問題がグリッド全体に影響を及ぼす可能性があることです。

広域同期ネットワークは信頼性を向上させ、リソースのプールを可能にします。また、負荷を平準化できるため、必要な発電容量が削減され、より環境に優しい電力を利用できるようになります。また、より多様な発電方式が可能になり、規模の経済が可能になります。^[3]

リンクする 2 つのネットワークが異なる周波数で動作していたり​​、規格が大きく異なっていたりする場合は、広域同期ネットワークを形成できません。たとえば、日本では歴史的な理由から、国の北部は 50 Hz で動作していますが、南部は 60 Hz を使用しています。そのため、単一の同期ネットワークを形成することは不可能であり、福島第一原子力発電所のメルトダウンの際には問題となりました。

また、ネットワークが互換性のある標準を備えている場合でも、障害モードが問題になる場合があります。位相と電流の制限に達すると、広範囲にわたる停電が発生する可能性があります。ネットワーク内に HVDC リンクを追加して、異常なイベント時に制御を強化することで、問題が解決されることがあります。

カリフォルニアの電力危機で明らかになったように、一部の市場トレーダーの中には、価格をつり上げるために相互接続ネットワーク上で故意に混雑を引き起こし、発電容量を不適切に管理しようとする強い動機がある場合があります。近隣の同期ネットワークと統合して送電容量を増やし、市場を拡大することで、このような操作はより困難になります。

同期グリッドでは、すべての発電機が電気的に自然に連動し、同じ周波数で動作し、互いにほぼ同位相を維持します。回転発電機の場合、ローカル調速機が駆動トルクを調整し、負荷が変化してもほぼ一定の速度を維持します。ドループ速度制御により、複数の並列発電機が定格に比例して負荷の変化を共有します。エネルギーは生成されると同時に消費されるため、グリッド全体で生成と消費のバランスをとる必要があります。エネルギーは、発電機の回転運動エネルギーによってすぐに短期間で蓄えられます。

公称システム周波数からの小さな偏差は、個々の発電機を制御し、グリッド全体の均衡を評価する上で非常に重要です。グリッドの負荷が大きい場合、周波数は低下し、調速機はより多くの電力が出力されるように発電機を調整します (ドループ速度制御)。グリッドの負荷が小さい場合、グリッド周波数は公称周波数を上回り、これはネットワーク全体の自動発電制御システムによって、発電機の出力を減らす必要があるという兆候とみなされます。

さらに、多くの場合、中央制御があり、AGC システムのパラメータを 1 分以上の時間スケールで変更して、地域のネットワーク フローとグリッドの動作周波数をさらに調整できます。

異なる周波数で動作する隣接するグリッドを相互接続する必要がある場合、周波数変換器が必要です。HVDCインターコネクタ、 ソリッドステート変圧器、または可変周波数変圧器リンクは、異なる周波数で動作する、または同期を維持していない 2 つのグリッドを接続できます。

同期グリッドの慣性は、グリッドが利用できる蓄積エネルギーであり、グリッド周波数を維持するために最大数秒間余分な電力を供給できます。歴史的には、これは発電機の角運動量によってのみ提供され、制御回路に負荷の変動や突然の発電機または配電障害に合わせて出力を調整する時間を与えていました。

HVDCに接続されたインバータは通常慣性を持たないが、風力発電は慣性を提供することができ、太陽光発電とバッテリーシステムは合成慣性を提供することができる。^{[4] [5]}

短絡状況では、ブレーカーが障害を解決するまで、電圧と周波数を適度に安定させるのに十分な電流をグリッドが供給できることが重要です。従来の発電システムの多くは、非常に短時間であれば損傷することなく過負荷になる配線を備えていましたが、インバーターは定格負荷の何倍もの負荷を供給することができません。短絡率はグリッドの各ポイントで計算でき、低すぎることが判明した場合は、安定していると見なされる 1 を超えるように増加するための手順を踏む必要があります。

計時目的のため、一日を通して動作周波数が変化し、偏差を相殺し、有線式時計が大幅に時間を早めたり遅らせたりしないようにします。そのために、50 Hz システムでは毎日 432 万サイクル、60 Hz システムでは 518 万 4 千サイクルを確保します。

これは稀に問題を引き起こすことがある。2018年、コソボはセルビアとの争いにより発電量を上回る電力を使用し、大陸ヨーロッパ全体の同期グリッドの位相が本来あるべき値より遅れてしまった。周波数は49.996Hzに低下した。このため、意見の不一致が解決されるまで、同期電気時計は6分遅れることになった。^[6]

いくつかの大きな相互接続の部分的な表。

歴史的に、北米の送電網では東部と西部の相互接続が直接接続されており、当時は世界最大の同期網であったが、これは不安定であることが判明し、現在は直流のみで相互接続されている。^[29]

• 中国の電力供給業者は、現在の北部、中部、東部の送電網を結ぶ超高圧交流同期送電網を2020年までに完成させる計画だ。^[30] 完成すれば、その発電能力はUCTE相互接続のそれをはるかに上回ることになる。
• 統合スマートグリッドは、米国の相互接続をスマートグリッド機能を備えた単一のグリッドに統合します。
• SuperSmart Grid は、UCTE、IPS/UPS、地中海グリッドをリンクする同様のメガグリッド提案です。
• ASEAN 電力網は、すべての ASEAN グリッドを接続する計画です。最初のステップは、スマトラ島、ジャワ島、シンガポールのグリッドですべての ASEAN 本土諸国を接続し、次にボルネオ島とフィリピンを接続することです。

高電圧直流線、ソリッドステート変圧器、可変周波数変圧器などの相互接続器は、必ずしも互いに同期していない 2 つの交流相互接続ネットワークを接続するために使用できます。これにより、さらに広いエリアを同期させる必要がなく、相互接続の利点が得られます。たとえば、ヨーロッパの広域同期グリッド マップ (導入部) と HVDC ラインのマップ (右側) を比較します。ソリッドステート変圧器は従来の変圧器よりも損失が大きくなりますが、DC ラインには無効インピーダンスがなく、HVDC ラインは同期グリッド内またはグリッド間で長距離にわたって電力を送信する場合、全体的に損失が低くなります。

Tres Amigas SuperStation は、 30GW HVDCインターコネクタを使用して、東部相互接続と西部相互接続間のエネルギー転送と取引を可能にすることを目的としています。

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