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故障電流制限装置 | 技術と電力網の安定性への影響

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フィールド: 変圧器解析
China

1 故障电流限制器(FCL)技术概要

传统的被动故障电流限制方法,如使用高阻抗变压器、固定电抗器或分段母线运行,存在固有的缺点,包括破坏电网结构、增加稳态系统阻抗以及降低系统安全性和稳定性。这些方法越来越不适用于当今复杂且大规模的电力网络。

相比之下,以故障电流限制器(FCLs)为代表的主动故障电流限制技术,在正常电网运行时表现出低阻抗。当发生故障时,FCL迅速转变为高阻抗状态,有效地将故障电流限制在较低水平,从而实现对故障电流的动态控制。FCLs通过集成电力电子、超导和磁路控制等先进技术,从传统的串联电抗器电流限制概念中发展而来。

FCL的基本原理可以简化为图1所示的模型:在系统正常运行期间,开关K闭合,FCL不引入任何限流阻抗。只有在发生故障时,K才会迅速断开,插入电抗器以限制故障电流。

大多数FCL都是基于这一基本模型或其扩展变体。各种FCL之间的主要差异在于限流阻抗的性质、开关K的实现方式以及相关的控制策略。

2 FCLの実装スキームと応用状況

2.1 超伝導型故障電流制限装置(SFCLs)

SFCLsは、超伝導体が超伝導状態から通常状態への遷移(S/N遷移)を利用しているかどうかに基づいて、クエンチ型または非クエンチ型に分類されます。構造的には、抵抗型、ブリッジ型、磁気シールド型、トランスフォーマータイプ、または飽和コアタイプにさらに分類されます。クエンチ型SFCLsは、温度、磁場、または電流が臨界値を超えるときにS/N遷移を引き起こし、超伝導体がゼロ抵抗から高抵抗に変化することで故障電流を制限します。

非クエンチ型SFCLsは、超伝導コイルと他のコンポーネント(例えば、パワーエレクトロニクスや磁気要素)を組み合わせ、動作モードを制御して短絡電流を制限します。SFCLsの実用化には、一般的な超伝導技術の課題としてコストと冷却効率があります。また、クエンチ型SFCLsは長時間の回復時間を必要とし、システム再閉鎖と矛盾する可能性があります。一方、非クエンチ型SFCLsのインピーダンス変化は、リレー保護調整に影響を与えるため、再設定が必要です。

2.2 磁気要素型電流制限装置

これらは、フロー相殺型と磁気飽和スイッチ型に分けられます。フロー相殺型では、同じコアに反対方向の極性を持つ2つの巻線が巻かれています。正常条件下では、等しい反対のフローが互いにキャンセルされ、低いリークインピーダンスになります。

故障時には、1つの巻線がバイパスされ、フローバランスが破壊され、高いインピーダンスが現れます。磁気飽和スイッチ型は、通常条件下で直流バイアスなどを通じて電流制限巻線を飽和させ(低いインピーダンス)、故障時には故障電流によってコアが飽和から脱出することで高いインピーダンスを作り出し、電流制限を行います。複雑な制御要件により、磁気要素制限装置は限定的な応用しか見られません。

2.3 PTC抵抗型電流制限装置

正温度係数(PTC)抵抗は非線形であり、通常条件下では低抵抗で発熱も最小限です。ショートサーキット時には、その温度が急速に上昇し、数ミリ秒以内に抵抗が8〜10桁増加します。PTC抵抗を基にしたFCLは、低電圧アプリケーションでの商業利用が見られます。

ただし、欠点としては以下のものがあります:誘導電流制限中に生じる高過電圧(並列過電圧保護を必要とする)、動作中の抵抗の膨張による機械的ストレス、制限された電圧/電流定格(数百ボルト、数アンペア)により、直列並列接続が必要となり高電圧用途に制約があること、および長い回復時間(数分)と短い寿命により大規模展開が困難なことです。

2.4 固体型電流制限装置(SSCLs)

SSCLsは、パワーエレクトロニクスに基づく新しいタイプのショートサーキット制限装置で、通常は従来のリアクター、パワーエレクトロニックデバイス、およびコントローラーから構成されています。様々なトポロジー、高速応答、高い操作耐久性、および単純な制御を提供します。パワーエレクトロニックデバイスの状態を制御することにより、SSCLの等価インピーダンスが変化し、故障電流を制限します。新たなFACTSデバイスとして注目を集めていますが、故障時にはパワーエレクトロニックデバイスが全故障電流を扱う必要があり、デバイスの性能と容量に対する要求が高くなります。複数のSSCL間または他のFACTS制御システムとの調整は重要な課題です。

2.5 経済的な電流制限装置

これらの装置は成熟した技術、高い信頼性、低コスト、外部制御なしの自動切り替えを特徴とします。主にアーク電流転送型とシリーズ共振型に分類されます。アーク電流転送型は、真空スイッチと電流制限抵抗を並列に配置しています。通常運転時には負荷電流がスイッチを通りますが、ショートサーキット時にはスイッチが開き、電流が抵抗に転送されて電流制限を行います。

問題点としては:転送電流が真空アーク電圧や迷走インダクタンスに影響される、転送時間がスイッチ速度に依存する、低アーク電圧での電流転送が困難で補助デバイスを必要とするなどがあります。シリーズ共振型FCLは、飽和リアクターや避雷器をスイッチとして使用します。通常条件下では、キャパシタとインダクタがシリーズ共振し、低いインピーダンスとなります。故障時には高電流がリアクターを飽和させたり避雷器を動作させたりし、共振が失調しリアクターがラインに挿入されて電流制限を行います。電磁反発による高速スイッチもキャパシタを迅速にバイパスすることができます。

2.6 FCLの工学的応用の現状

実用的な価値を持つためには、FCLは故障時に素早くインピーダンスを挿入するだけでなく、自動リセット、連続的な操作、低高調波生成、および許容できる投資と運用コストを特徴としなければなりません。現在、技術的な課題とコスト効率の制約により、世界中で様々な実験プロトタイプが開発されているものの、実際のグリッド応用はまだ少ないです。主に低電圧、小容量のパイロットプロジェクトに限られています。

この分野は海外でより早く始まり、固体型および超伝導型FCLの商業化において顕著な進展がありました。1993年には、米国ニュージャージー州の陸軍発電所の4.6kVフィーダーに、GTOを逆並列に使用した6.6MWの固体型ブレーカーが設置され、300μs以内に故障をクリアすることが可能でした。1995年には、EPRIとウェスティングハウス社によって開発された13.8kV/675Aの固体型FCLがPSE&Gの変電所で稼働しました。超伝導型FCLについては、ACEC-TransportとGEC-Alsthomが1998年に開発したAC/DCハイブリッドFCLが商業化されました。1999年には、General Atomicsらが共同開発した15kV/1200AのSFCLが南カリフォルニアエディソン(SCE)の変電所に設置されました。

国内のFCL研究は遅れて開始しましたが、急速に進展しました。2007年には、天津電機ホールディングスと北京雲電英納超導ケーブル有限公司が開発した35kVの超伝導飽和コアFCLが雲南省の普吉変電所で試験運転を開始しました。これは当時、試験運転中の世界最高電圧・最大容量の超伝導制限装置でした。シリーズ共振型FCLについては、中国電力科学研究院、中電普瑞、および華東電網が共同開発した中国初の500kV装置が2009年末に500kV賓陽変電所で稼働し、短絡電流を47kA以下に抑えることが確認されました。

世界的に見て、FCLの応用はまだ個別のプロジェクトに限られていますが、注目を集めています。容量の増加、耐電圧の向上、材料改善、放熱、コスト管理、およびトポロジー最適化に関する研究には大きな可能性があります。

3 FCL統合による電力システムの安全性と安定性への影響

FCLは故障時に素早くインピーダンスを挿入することで、効果的に電流を制限しますが、ネットワークパラメータを変更し、一時的な安定性、電圧安定性、リレー保護設定、および再閉鎖に影響を与えます。制御が不十分な場合、否定的な影響が出ることがあります。複数のFCLを最適なパフォーマンスで達成するためには、協調制御と最適な構成が不可欠です。

3.1 リレー保護および再閉鎖設定への影響

飽和コア型SFCLの場合、長い回復時間により、故障後も有意なインピーダンスが持続するため、自動再閉鎖とリレー保護の再設定が必要となることがあります。文献によると、クエンチ型SFCLを発電機と主変圧器の枝線に設置すると、保護の再設定が必要ですが、回復時の持続的な高インピーダンスはブレーキング抵抗として機能し、一時的な安定性に有利です。SFCLを考慮したさまざまな距離保護設定方法が提案されています。固体型FCLは、スロイストリガー信号、バイパスブレーカーの接触、FCLスイッチ位置、およびGAP回路を使用して零序電流保護設定を切り替えることができます。これにより、FCL挿入後の感度の問題に対処できます。

3.2 一時的な電力角度安定性への影響

FCLは通常、正常運転時には低インピーダンスで、故障時には高インピーダンスを挿入しますが、具体的な動作と構造により、一時的な電力角度安定性への影響は異なります。固体型および超伝導型FCLは、故障時に高インピーダンスを挿入することで、発電機の電磁力出力を強化し、一時的な安定性を向上させることができます。

抵抗型FCLは、誘導型よりも発電機の電力を消費する減衰抵抗を提供することで、安定性をより向上させます。ただし、不適切な抵抗値は発電機への逆電力流れを引き起こし、電力不足を悪化させる可能性があります。分析によれば、発電機から離れた場所での故障では、誘導型SFCLが全体的な転送リアクタンスが減少するにつれてより有益になります。一定の抵抗閾値を超えた場合、抵抗型SFCLも同様の特性を示します。

影響は故障の位置と種類に依存します。FCLは、その設置された線路上で故障が発生した場合にのみ電力角度安定性に影響します。線路の開始部での非対称故障では、FCLのインダクタンスが安定性に有利であり、インダクタンス値が増加するにつれてその効果も増加します。線路の終端部では、故障が迅速に解消された場合、FCLのインダクタンスは安定性を妨げる可能性がありますが、位相間および二相接地故障では、インダクタンスが高いほどその否定的な影響は減少します。線路の終端部近くでの単相または位相間故障では、故障解消時間を少し延ばすことで、小さなFCLのインダクタンスが有利になり、スイング曲線の振幅を大幅に減少させることができます。

3.3 一時的な電圧安定性への影響

ショートサーキット故障は電圧低下を引き起こし、設備の動作に影響を与え経済損失をもたらします。PSCADベースの分析によれば、一定範囲内でFCLのインダクタンスが大きいほど電圧低下の抑制が改善されます。FCLが故障電圧を改善する固有の能力は、ネットワーク構造により異なります。放射状フィーダーでは、FCLのリアクタンスが0.5pu以上であれば、故障中に電圧を0.8pu以上維持することができます。故障バス近くでの局所発電または無効電力サポートにより、FCLへの依存度が減少します。

3.4 従来の制限措置との調整

FCLと従来の制限措置(リアクター、高インピーダンス変圧器など)との調整は、実用的な応用に不可欠です。0-1変数を使用して措置の展開を表し、整数変数を使用して容量を表す自動最適化法は、混合整数計画問題を形成し、枝刈り法によって解くことができます。これにより、協調的な構成をガイドすることができます。

3.5 構成の最適化

複数のFCLを使用する場合、コスト効率の良いパフォーマンスを達成するために、位置、数、およびパラメータの最適化は研究のホットスポットです。小規模なグリッドでは、列挙または電力変化/損失率に基づく方法で十分です。しかし、ショートサーキット制限を超える複数のノードを持つ大規模なグリッドでは、列挙は計算量が多く、多目的問題(インピーダンス、数、位置)に対して不十分です。

遺伝的アルゴリズムや粒子群アルゴリズムを使用した重み付き多目的最適化は一般的ですが、結果は重みの選択に大きく依存します。感受度に基づく方法は、枝インピーダンスに対するショートサーキット電流の変化を計算することで、重みの依存を避け、最適なFCLの配置、数、およびインピーダンスを決定するのに役立ちます。主な目標は電流制限であるため、最適化は制限効果に焦点を当て、選択されたFCLの位置がすべてのノードに影響を与えるようにします。コストと運用損失も実際の最適化における重要な要素です。

4 FCLの開発と応用の動向

4.1 FCL技術の研究動向

利点を活用し、弱点を緩和するために、新しい研究方向が生まれています。超伝導FCLとエネルギー貯蔵を組み合わせることはホットトピックとなっています。故障時にはエネルギーを吸収し、通常運転時には電力品質を改善するために供給することで、二重の利益を得ることができます。キーとなるのはパワーコンディショニングシステムの設計です。

固体型制限装置の高容量要求、コスト、および高調波の問題に対処するために、トランスカップリング三相ブリッジSSCLなどの改良型トポロジーが提案されています。従来のFCLは動的な調整性と定常状態補償が不足しています。

動的な直列補償を備えた多機能FCLが提案されています。通常運転時にはコンデンサバンクの切り替えにより段階的な線路補償を行い、故障時にはGTOまたはIGCTを用いて直列インダクタを制御して制限度を調整します。これにより多目的使用が可能になります。直列補償は慎重に行う必要があります。サブ同期振動を避けるためです。

4.2 FCLの応用動向

FCLはショートサーキット電流を制限するだけでなく、適切な条件下では電力角度と電圧の安定性を向上させることができ、その応用範囲が拡大しています。新たな動向としては、直流受電端の送電容量の向上、換流失敗リスクの削減、電力品質の向上、および大規模再生可能エネルギーの導入支援が含まれます。

多端子直流システムでは、FCLは正常運転に影響を与えることなく電流を制限することができます。直流受電端のグリッドでは、故障伝播経路に設置されたFCLは、地域を隔離し、故障伝播をブロックし、換流失敗の期間を短縮し、直流電力の回復を加速し、同時に多重直流供給故障による電力バランスの偏りと電力流動の移行を軽減し、全体的な一時的な安定性を向上させることができます。大規模非同期モーターでは、スタータ回路にSFCLを組み込むことでソフトスタートが可能になり、故障電流の寄与を抑制し、電圧低下を軽減し、一時的な電圧安定性を向上させることができます。

大規模風力発電の導入では、風力発電所の接続点に設置されたFCLは、故障通過能力を向上させ、切断リスクを軽減することができます。同一故障期間における安定性において、抵抗型FCLは誘導型よりも少ないインピーダンスで同等の効果を達成できますが、誘導型は臨界安定性に近い場合に優れた改善をもたらします。

FCL技術が成熟するにつれ、これらの高速応答、多機能デバイスは、故障の制限、安定性の向上、および故障の隔離を行うために、より広範な応用を見ることでしょう。

5 結論

FCLは効果的にショートサーキット電流を制限しますが、電力角度/電圧の安定性、リレー保護、および再閉鎖設定に影響を与える可能性があります。複数のFCLまたはFACTSデバイスとの最適化された構成と協調制御は、重要な利益をもたらすことが期待されます。将来のFCLは、電流制限を超えて、直流送電の向上、換流失敗の削減、電力品質の向上、および再生可能エネルギーの導入をサポートするようになるでしょう。

しかし、技術的および経済的な障壁により、高電圧、高容量のFCLの大規模な応用は遅れています。固体型制限装置は、デバイス容量と電圧定格の制約により、現在は配電網に限定されています。高出力自己換流デバイスの進歩がこれらのボトルネックを克服し、コストを削減することが期待されます。

超伝導FCLは高速応答と自己トリガリングを提供しますが、冷却コスト、放熱の課題、および長いクエンチ回復時間が課題です。短期的な実現可能性と経済性を考えると、従来の設備に基づいた経済的なFCLが好ましい解決策となります。固体型制限装置は、技術的な障壁が低く、成熟しているため、将来的な主流の方向性となります。

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