MVDC技術とは何か？利点、課題、および将来の動向

中圧直流（MVDC）技術は、電力伝送における重要な革新であり、特定の用途において従来の交流システムの制限を克服するように設計されています。通常1.5 kVから50 kVの範囲の直流で電気エネルギーを伝送することで、高圧直流の長距離伝送の利点と低圧直流配電の柔軟性を組み合わせています。大規模な再生可能エネルギーの導入と新しい電力システムの開発という背景の中で、MVDCは電力網の近代化に不可欠な解決策として台頭しています。

核心システムは、変換ステーション、直流ケーブル、遮断器、および制御/保護装置の4つの構成要素から成ります。変換ステーションでは、モジュール式多段変換器（MMC）技術が採用され、直列接続されたサブモジュール—それぞれ独立したコンデンサとパワーセミコンダクタを備えており、電圧波形を精密に制御します。直流ケーブルはクロスリンクポリエチレン絶縁と金属シールドを使用し、線路損失を大幅に削減します。ハイブリッド直流遮断器は数ミリ秒以内に故障を隔離し、システムの安定性を確保します。制御と保護システムはリアルタイムデジタルシミュレーションプラットフォームに基づいており、ミリ秒単位での故障位置検出と自己修復機能を実現します。

実際の応用では、MVDCは多様な利点を示しています。EV充電では、1.5 kV DC充電器は従来のAC充電器と比較して充電時間を40%、設備面積を30%削減します。データセンターでは、10 kV DCパワーアーキテクチャを使用することでエネルギー効率が15%以上向上し、配電損失が約8%減少します。海上風力発電の統合では、±30 kV DC収集システムを使用することで、海底ケーブル投資をACと比較して20%削減し、リアクティブパワーコンペンセーションの必要性を大幅に軽減します。都市鉄道輸送のアップグレードでは、MVDC牽引システムにより変電所の数を50%削減し、回生制動エネルギーの回収率が92%に達します。

この技術には主に3つの利点があります：同じ電圧レベルのACシステムと比較して伝送損失が10-15%低いこと、マルチポイント分散発電の統合に理想的であること、周波数同期の必要がないことにより、電力網間の相互接続が簡素化されること、そしてマイクロ秒単位での電力制御応答により、変動する電源に対する適応性が高いことです。しかし、課題も存在しており、設備コストが高く、標準化が不十分です—特に、大容量直流遮断器はAC相当品の3-5倍のコストがかかり、統一的な国際認証基準がまだ不足しています。

標準化は加速しています。IECはMVDCケーブルのためのIEC 62897-2020を公表し、中国のCECは変換器仕様のQ/GDW 12133-2021を発行しました。EUのホライズン2020資金提供のMVDC電力網デモンストレーションプロジェクトは、18 kV/20 MWシステムの検証試験を完了しました。国内の設備製造では、中国のメーカーが現在2.5 kV/500 A IGBTモジュールを大量生産しており、動的電圧バランス誤差が±1.5%以内です。

将来的なトレンドには以下のものがあります：デバイスの小型化—SiCベースのコンパクト変換器により体積が40%削減されます；システムの知能化—デジタルツイン技術により機器の寿命予測精度が95%以上に向上します；応用拡張—宇宙太陽光発電マイクロ波無線伝送システムは55 kV DCアーキテクチャを使用して地上受信テストを開始しています。パワーエレクトロニクスのコストが継続的に低下するにつれて、MVDCは2030年までに配電網のアップグレードにおいて従来のACソリューションよりも経済的に優れたものになると予想されます。

技術の展開には業界横断的な協力が必要です。電力設計研究所は、変換ステーションの配置最適化とEMIシミュレーションのための3Dデジタル設計プラットフォームを開発しています。大学の研究チームは新規トポロジーを進めており、デュアルアクティブブリッジ変換器は98.7%の効率を達成しています。電力会社のパイロットプロジェクトでは、工業団地の20 kV DCマイクログリッドが再生可能エネルギーの普及率を85%以上に引き上げることが示されています。これらの取り組みは技術イノベーションのための貴重なデータを提供しています。

新しい電力システムにおいて、MVDCは超高圧直流骨格ネットワークと低圧分散電源をつなぐ重要な役割を果たし、柔軟な多電圧直流ネットワークを形成します。事例研究によると、10 kV DCバスバーを持つスマート変電所は太陽光発電の吸収量を25%増加させ、主要電力網の停止中に4時間以上重要負荷を維持することができます。デジタル電力網の開発が進むにつれて、MVDCシステムはエッジコンピューティングとブロックチェーンと統合し、自律的なエネルギーインターネットノードを形成しています。

実際のエンジニアリングでは細部に注意を払う必要があります：ケーブルの設置では曲げ半径を厳密に制御する必要があります—35 kV DCケーブルの場合最小25倍のケーブル直径です。電磁適合性はCISPR 22 Class B基準を満たす必要があり、変換室のシールド効果は60 dB以上であるべきです。運用と保守には、3ヶ月ごとの赤外線熱画像検査と、閾値が20 pC以下のオンライン部分放電監視を含めることで、安全かつ安定した運転を確保します。

エネルギー転換の観点から、MVDCはゼロカーボングリッドの重要な推進力です。風力や太陽光発電の直接DCグリッド接続を可能にし、AC逆変換による6-8%のエネルギー損失を排除します。水素生成では、10 kV DC電力を使用する50 MW電解槽はAC駆動システムと比較して12ポイント高い効率を達成します。業界横断的な応用は拡大しています：3 kV DC電力を使用するマグレブ列車は牽引力消費を18%削減します。これらの革新はエネルギー利用を再定義しています。

業界は人材不足に直面しています。電力電子と電力網運営の両方のスキルを持つ専門家の大きなギャップがあります。中国の大学では専門的なMVDCコースを導入し、国家職業資格目録にはDC配電エンジニア認定が含まれています。企業のトレーニングセンターはフルスケールシミュレーションプラットフォームを使用して、様々な故障状況下での緊急対応を訓練します。この人材開発モデルは技術移転サイクルを短縮し、イノベーションの展開を加速しています。