高圧直流送電変換所
高圧直流送電変換所（こうあつちょくりゅうそうでんへんかんしょ）とは、高圧直流（HVDC）送電線の相互終端を形成する特殊なタイプの変電所である。直流を交流またはその逆に変換する。変換所内に設置されるステーションには通常次のものが含まれます。
設備[編集]
変換器[編集]
変換器はほとんどのばあい、バルブホールと呼ばれる建物に設置される。初期のHVDCシステムは水銀アークバルブを使用していましたが、1970年代半ば以降、サイリスタなどのソリッドステートデバイス（バルブデバイス）が使用されてきました。サイリスタまたは水銀アークバルブを使用する変換器は、ライン転流用変換器でもあるサイリスタベースの変換器では、多くのサイリスタが直列に接続されてサイリスタバルブを形成し、各変換器は通常6つまたは12のサイリスタバルブで構成されます。サイリスタバルブは通常、ペアまたは4つのグループにグループ化され、設置されます。設置の状況としては、床の絶縁体または天井の絶縁体からぶら下がっているように見えます[1]。
ライン整流変換器は、整流のために交流電力網からの電圧を必要としますが、1990年代後半から、電圧源変換器がHVDCに使用されるようになりました。交流回路網を構成する、電圧源変換器は、サイリスタの代わりに絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）を使用し、これらは非通電に電力を供給することができます。
HVDCに使用されるほとんどすべての変換器は、本質的にどちらの方向の電力変換でも動作できます。交流から直流への電力変換は整流と呼ばれ、直流から交流への変換は反転（インバータ）と呼ばれます。
直流設備[編集]
直流機器には、直流ラインと直列にインダクタンスを追加して直流を平滑化するのに役立つコイル（リアクトルと呼ばれる）が含まれていることがよくあります。インダクタンスは通常、0.1 H〜1Hになります。平滑化リアクトルには空気とコアまたは鉄心コアから形成されています。鉄心コイルは、油で満たされた高電圧変圧器のように見えます。空芯平滑化コイルは、高電圧送電線のキャリア周波数チョークコイルに似ていますが、かなり大きく、絶縁体でサポートされています。空心コイルは鉄心コイルよりも音響ノイズが少ないという利点があり、こぼれた油の潜在的な環境上の危険を排除し、一時的な大電流障害条件下で飽和しません。プラントのこの部分には、直流及び電圧測定用の機器も含まれます。
高周波干渉を排除するために特別な直流フィルタ回路が使用されます。このようなフィルタ回路は、送電線が通信と制御に電力線通信技術を使用する場合、または架空送電線が人口密集地域を通過する場合に必要です。これらのフィルターはパッシブ型LCフィルターにすることができます。または、変圧器と保護コンデンサを介して結合された増幅器で構成されるアクティブフィルタは、ライン上の干渉信号と位相がずれた信号を与え、それによってそれをキャンセルします。このようなシステムは、バルト海ケーブルHVDCプロジェクトで使用されました。
変換用変圧器[編集]
変換用変圧器は、交流電源回路網の電圧をステップアップします。トランス巻線の「スターツーデルタ」または「Yデルタ」接続を使用すると、変換器は交流電源の各サイクルで12パルスで動作できるため、多数の高調波電力が排除されます。高調波電流成分変圧器巻線の絶縁は、アースへの大きな直流電位に耐えるように特別に設計する必要があります。変換用変圧器は、単一ユニットとして300メガボルトアンペア（MVA）まで構築できます。より大きな変圧器を輸送することは実用的ではありません。そのため、より大きな定格が必要な場合は、複数の個別の変圧器を接続します。2つの3相ユニットまたは3つの単相ユニットのいずれかを使用できます。後者の用途では、1つのタイプの変圧器のみが使用され、予備の変圧器が供給されるので、より経済的です。
変換用変圧器は、サイクルごとのコンバーターの4つのステップで高磁束電力ステップで動作するため、通常の三相電力変圧器よりも多くの音響ノイズを生成します。この影響は、HVDCコンバーターステーションの設置時に考慮する必要があります。ノイズ低減エンクロージャーが適用される場合があります。
無効電力[編集]
ライン転流変換器を使用する場合、変換所は無効電力として電力定格の40％から60％を必要とします。これは、スイッチドコンデンサーのバンクまたは同期コンデンサーによって、または適切な発電所が近くにある場合に提供できます。コンバーター変圧器に交流電圧制御に十分なタップ範囲を備えた負荷時タップ転換器があれば、無効電力の需要を減らすことができます。無効電力要件の一部は次のようになります。高調波フィルター装置群で供給されます。
電圧源変換器は、無効電力と実電力を生成または吸収でき、通常、追加の無効電力装置は必要ありません。
高調波フィルタ[編集]
高調波フィルタは、高調波の除去とライン整流コンバーターステーションでの無効電力の生成に必要です。6つのパルスライン整流コンバーターを備えたプラントでは、6n+1の次数の奇数の高調波があるため、複雑な高調波フィルターが必要です。 交流側で1と6n-1が生成され、直流側で6n次の高調波も生成されます。直流側での変換の結果、12個のパルス変換所では、12n+1と12n-1（交流側）または12nの次数の高調波電圧または電流のみが生成されます。 フィルターは予想される高調波周波数に調整され、コンデンサーとインダクターの直列の組み合わせで構成されます。
電圧源のコンバータは、一般に、ライン整流コンバータよりも強度の低い高調波を生成します。その結果、高調波フィルタは一般に小さいか、完全に省略される場合があります。
高調波フィルタのほかに、30 kHz〜500 kHzの範囲の電力線搬送機器の周波数範囲でスプリアス信号を除去するための機器も用意されています。これらのフィルタは通常、静止型インバータトランスの交流端子の近くにあります。負荷電流を流すコイルと、並列コンデンサを使用して共振回路を形成します。 特別な場合には、無効電力を生成するための機械のみを使用できる場合があります。これは、ロシアにあるVolga HydroelectricStationにあるHVDCVolgograd-Donbassのターミナルで実現されています。
直流ギアスイッチ[編集]
変換所の三相交流開閉装置は、交流変電所のそれと似ています。 これには、変換用変圧器の過電流保護用の回路ブレーカー、絶縁スイッチ、接地スイッチ、および制御、測定、保護用の計器用トランスが含まれます。 ステーションには、交流システムへの雷サージから交流機器を保護するための避雷器もあります。
その他[編集]
必要面積[編集]
変換所に必要な面積は、従来の変圧器よりもはるかに大きく、たとえば、送電定格が600メガワットで送電電圧が400 kVのサイトは、約300 x 300メートル（約1000 x 1000フィート）です。 低電圧プラントでは、屋外の高電圧機器の周囲に必要な空間空地が少なくなるため、必要な接地面積がいくらか少なくなる可能性があります。
場所の選定[編集]
変換所は音響ノイズを発生します。 変換所は深刻なレベルの無線周波数干渉を生成する可能性があるため、これらの放射を制御するための設計機能を含めます。 壁はノイズ保護を提供する場合があります。 すべての交流変電所と同様に、機器からの油が流出した場合に地下水を汚染しないようにする必要があります。 架空送電線にはかなりの面積が必要になる場合がありますが、地下ケーブルを使用すると縮小できます。
方式[編集]
基本的に超高電圧階級（170kV以上）で、なおかつ高電力負荷（100MVA以上）の場合には、他励式が選択される場合が多いですが、近年の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ等の高性能化に伴い、自励式の直流から交流への変換が実現されています[2]。更に、周波数制御方式が異る、電力事業者へ送電を可能にする多端子洋上直流送電システムの実現を目指した研究開発が進められています[3]。
価格[編集]
通常の超高圧変電所と比較して、2〜3倍程度のコスト高になるのが最大の弱点です。工期についても、通常の2〜3倍程度の期間を必要とします。そのため、海上用の高圧直流送電設備では、工場で組み立て、現地では設置工事のみとなるパッケージ式の開発が進められています[4]。
日本の場合[編集]
日本の場合には、次の場所で高圧直流送電変換所が実現されています。
- 北海道・本州間連系設備 - 東北電力 〜 北海道電力
- 紀伊水道直流連系設備 - 四国電力 〜 関西電力
周波数変換所内部でも交流から直流、直流から交流の変換で周波数変換を実現しています。
周波数制御方式が異る電力事業者間の系統連系設備でも用いられています。
参考資料[編集]
日本の場合には、電気設備の技術基準の解釈[5]及び電気主任技術者制度[6]によって、電圧階級が海外とは異なっています。
| 区分 | 交流実効電圧 | 直流電圧 |
|---|---|---|
| 低圧 | 600V以下のもの | 750V以下のもの |
| 高圧 | 600Vをこえ7,000V以下のもの | 750Vをこえ7,000V以下のもの |
| 特別高圧 | 7,000Vを超えるのもの | 7,000Vを超えるのもの |
| 超高圧 | 170,000Vを超えるもの |
以下、参考までにIEC（国際電気技術委員会）のIEC60038：2009[7]の定義を示します。
| IEC 電圧範囲 | 交流実効電圧 | 直流電圧 | リスクの定義 |
|---|---|---|---|
| 高電圧 | 1,000Vを超える | 1,500Vを超える | 電気アークが飛ぶ |
| 低電圧 | 50Vをこえ1000V以下のもの | 120Vをこえ1,500V以下のもの | 電気的ショックを受ける |
| 超低電圧 | 50V未満 | 120V未満 | リスクは低い |
更に、参考までにANSIのANSI C84.1-1989[8]も以下に示しておきます。
| ANSI電圧範囲 | 3線式 | 四線式 | 直流電圧[9] |
|---|---|---|---|
| 低電圧 | 600V以下 | 480V Y/227V以下 | 120Vをこえ1,500V以下のもの |
| 中電圧 | 69,000V以下 | 34,500V Y/19,920V以下 | 1,500Vをこえる |
| 高電圧 | 230,000V以下 | ||
| 特別高電圧 | 765,000V以下 | ||
| 超高電圧 | 1,100,000V以下 |
関連項目[編集]
脚注[編集]
- ↑ 上田純, 山極時生, 石田俊彦, 吉栖立格 (2018/2/19). “直流500kV交直変換システムの開発一紀伊水道直流送電設備-”. 日立評論: 79-84.
- ↑ 西岡淳, Fidel Alvarez, 大森隆宏 (2020). “世界で進む高圧直流送電（HVDC）の導入とその背景”. 日立評論 102 (2): 41-47.
- ↑ “直流送電に関する技術動向”. 経済産業省 (2021年3月15日). 2021年5月11日閲覧。
- ↑ “洋上から陸上まで直流で送電するシステム、日本の近海に風力発電を広げる”. アイティメディア. 2021年5月11日閲覧。
- ↑ “電圧の区分と施設規制”. 日本電気技術者協会. 2021年5月11日閲覧。
- ↑ “電気主任技術者の資格と電気工作物の範囲”. 電気技術者試験センター. 2021年5月11日閲覧。
- ↑ “IEC 60038:2009”. International Electrotechnical Commission. 2021年5月11日閲覧。
- ↑ “The choise of system voltage according to ANSI standard C84.1”. Electrical Engineering Portal. 2021年5月11日閲覧。
- ↑ “IEC 61975 Ed. 1.1 b:2016”. ANSI web store. 2021年5月11日閲覧。
外部リンク[編集]
- 高圧直流送電 日立製作所
- 静止形周波数変換装置 東芝レビュー（東芝エネルギーシステムズ）
- 直流送電の基本事項 新エネルギー・産業技術総合開発機構（経済産業省）
- 直流送電に関する技術動向 新エネルギー・産業技術総合開発機構（経済産業省）
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