HVDCシステムの種類とMTDC構成
高電圧直流（HVDC）システムの構成
高電圧直流、一般的にHVDCと略されるのは、長距離送電において非常に効率的な方法であり、従来の交流（AC）送電と比較して大幅な電力損失を削減します。HVDCシステムはさまざまな構成で実装でき、それぞれが特定の運転要件に合わせて設計されています。この記事では、主なHVDCシステムの構成について簡潔に概説します。
バック・トゥ・バックHVDCシステム
バック・トゥ・バック（B2B）HVDC構成では、変換器の主要なコンポーネントである整流器とインバータが同じ終端ステーション内に設置されます。これらの2つの変換要素は直接互いに接続されます。この構成の主な機能は、2つの異なるAC電力システムを接続することです。これにはまず、入力するAC電力を整流器を通じてDCに変換し、その後すぐにインバータを使用してDC電力をACに戻すというプロセスがあります。
バック・トゥ・バックHVDCシステム（続き）
バック・トゥ・バックHVDCセットアップは単一の部屋内に設置され、2つの非同期AC電力システムを相互接続します。整流器とインバータが直接バック・トゥ・バックで接続されているため、DC送電線は必要ありません。シリーズ接続されたサイリスタの数を最小限に抑えるために、中間のDC電圧は意図的に低く保たれます。一方、この構成の電流定格は数千アンペアに達することができます。
このタイプのHVDCシステムは、以下のシナリオで2つの非同期AC電力システムを接続するために特に有用です：
二端子HVDCシステム
二端子HVDC構成では、2つの異なる終端ステーションがあり、それぞれが変換ステーションとして機能します。一方のステーションには整流器が、もう一方にはインバータが設置されています。これらの2つの終端はHVDC送電線によって接続され、長距離での電力送電を効率的に行います。この設定は、伝統的なAC送電の制限を克服し、広大な地理的領域での送電効率を向上させるためにDC電力の利点を利用しています。
二端子HVDCシステムは、送電線上に並行送電線や中間タップなしで2点間を直接接続します。この特性により、ポイント・ツー・ポイント送電とも呼ばれます。これは地理的に遠隔地にある2地点間の電力供給に理想的です。
二端子HVDCシステムの顕著な利点の一つは、HVDC回路ブレーカーが不要なことです。メンテナンス時や障害除去時に、AC側のAC回路ブレーカーを使用してDC線を無電源化することができます。DC回路ブレーカーと比較して、AC回路ブレーカーは設計がシンプルでコストも低いため、二端子HVDCシステムは経済的で維持管理もしやすくなります。
多端子直流（MTDC）システム
多端子直流（MTDC）システムは、より複雑なHVDC構成を表します。これは複数の送電線を使用して2つ以上の点を接続します。この設定には、それぞれが独自の変換器を備えたいくつかの終端ステーションが含まれ、それらはHVDC送電線ネットワークによって相互接続されています。このネットワーク内では、一部の変換器は整流器として機能し、AC電力をDCに変換し、他の変換器はインバータとして機能し、DC電力を再びACに変換して負荷に分配します。MTDCシステムの基本原理は、整流器ステーションから供給される総電力がインバータ（負荷）ステーションで受け取られる合計電力と等しくなることで、接続されたネットワーク全体でバランスの取れた効率的な電力フローを確保します。
多端子直流（MTDC）システム（続き）
MTDCネットワークは柔軟性の点でACグリッドに類似していますが、DC分散ネットワーク内の電力フローを正確に制御できるという独自の利点があります。しかし、この強化された機能は増加した複雑さを伴い、MTDCシステムは二端子HVDC構成よりも大幅に複雑になります。
MTDC設定では、AC側のAC回路ブレーカーに依存することはできません。二端子システムとは異なり、AC回路ブレーカーを使用すると、故障またはメンテナンスが必要な線だけでなく、全体のDCネットワークが無電源化されてしまいます。これを解決するため、MTDCシステムでは複数のDCスイッチギアコンポーネント、例えば回路ブレーカーが必要です。これらの専用のDC回路ブレーカーは、メンテナンス操作中や障害除去時に安全に回路を無電源化したり、特定のセクションを分離したりすることで、ネットワークの安定性と信頼性を確保するように設計されています。
MTDCシステムでは、システムのバランスを維持することが重要です。整流器ステーションから供給される総電流は、インバータステーションで消費される電流と正確に一致する必要があります。あるインバータステーションで突然電力需要が増加した場合、DC電力出力をそれに応じて増加させる必要があります。この過程では、供給電圧とインバータの動作を密接に監視および制御し、過負荷を防ぐことが重要です。過負荷はシステムの故障につながる可能性があります。
MTDCシステムの主要な強みの一つは、強制停止時の信頼性です。発電所のいずれかで予期せぬ停電が発生した場合でも、システムは迅速に別の変換ステーションを通じて電力を迂回させることができます。これにより、全体の電力供給への中断を最小限に抑えることができます。
MTDCの適用
MTDCシステムは主に以下の2つのタイプに分類されます：
直列MTDCシステム
直列MTDC構成では、複数の変換ステーションが直列に接続されます。電気回路の直列接続と同様です。この設定の特徴は、各変換ステーションを通過する電流が同一であり、その値は1つのステーションによって設定されることです。一方、電圧降下は各変換ステーション間に分布し、各ステーションは直列接続ネットワーク全体の電圧降下の一部を経験します。
直列MTDCシステム（続き）
直列MTDCシステムは、二端子HVDCシステムの拡張版と見なすことができます。複数の変換ステーションが直列に接続されており、付属の図に示されています。通常、直列MTDC設定の変換ステーションは並列MTDCシステムで使用されるものよりも容量が低いです。
このシステムでは、通常モノポーラDCリンクが使用され、DC線が特定の一点で接地されます。一時的な電気サージから保護するために、ライン上の他の点に接地コンデンサを設置することもあります。
直列MTDCシステムでは、各ステーションでの異なるDC電圧により絶縁調整が大きな課題となります。直列MTDCシステムの電力フローコントロールメカニズムは並列MTDCシステムよりも複雑です。並列MTDCシステムでは、特定の線に電流を注入することで電力フローを制御できますが、直列MTDCシステムでは各終端ステーションの電圧を調整することで電力フローを制御します。
直列MTDCシステムでは、電圧ソースコンバータ（VSC）と電流ソースコンバータ（CSC）を使用して電力フローの逆転を容易に達成できます。ただし、特定の線で障害が発生した場合や定期的なメンテナンスが必要な場合は、全体のDCネットワークがブラックアウトします。二端子HVDCシステムと同様に、AC側の回路ブレーカーを使用してDCネットワークを無電源化します。直列MTDCシステムの拡張も困難です。新しい終端ステーションの設置には、ネットワーク全体をブラックアウトする必要があります。リング形状のDCネットワークは設置点で分割され、パス上の他のすべてのステーションへの電力供給が中断されます。
並列MTDCシステム
並列MTDCシステムでは、複数の変換ステーションがインバータまたは負荷ステーションとして機能し、単一の変換ステーションが整流器として機能します。この整流器ステーションは、全体のDCネットワークに電力を供給します。並列電気回路と同様に、全てのインバータまたは負荷ステーション間で電圧は一定であり、その値は1つの変換ステーションによって設定されます。一方、電流供給は各ステーションの電力需要に応じて変動します。バランスの取れた電流供給を維持するために、各負荷ステーションの電力要求に応じて電流を動的に調整します。一般に、並列MTDCシステムの終端ステーションは直列MTDCネットワークのものよりも高い容量を持っています。
並列MTDCシステム（続き）
並列MTDCシステムでは、電圧逆転または電流逆転の方法を使用して電力逆転を行うことができます。電圧逆転は通常、電流ソースコンバータ（CSC）ベースの終端ステーションと関連付けられ、これはすべての変換ステーションに影響を与えます。そのため、これらのコンバータ間で高度な制御および通信システムを実装する必要があります。一方、電力逆転が電流逆転技術を使用して達成される場合、これは通常、電圧ソースコンバータ（VSC）ベースの終端ステーションと関連付けられ、プロセスは実行するのがずっと簡単です。これが並列MTDCシステムでVSCがCSCよりも好まれる主な理由です。
VSCベースのMTDCシステムでは、電圧が一定であるため、終端ステーションの電力定格はバルブコンバータの電流定格によって決定されます。この構成は、DCネットワーク内の電力フローコントロールにおいて大きな利点を提供します。特定の線に電流を注入することで、電力フローを正確に制御することができます。これは各ステーションの電圧制御に依存する直列システムの電力制御メカニズムよりも便利なアプローチです。
並列MTDCシステムの最も顕著な特徴の一つは、障害に対する堅牢性です。終端ステーションのいずれかで障害が発生しても、残りのDCネットワークには影響はありません。ただし、障害のあるステーションに関連する特定のDC線を分離するには、別個のDC回路ブレーカーが必要です。また、DCネットワークの拡張時には、電力供給を中断する必要はありません。これは、新たな終端ステーションを既存の線と並列に設置することができ、継続的な電力配布を妨げることなくシームレスな統合を可能にするためです。
並列MTDCシステムのもう一つの利点は、直列システムと比較して相対的に簡単な絶縁調整です。ネットワーク全体で電圧が一定であるため、絶縁要件は管理するのが簡単です。
並列MTDCシステムはさらに以下の2つのカテゴリに分類されます：
放射状MTDCシステム
放射状MTDCシステムは並列MTDC構成の特定のタイプです。この設定では、送電線の断裂または1つのリンクの取り外しがあると、1つまたは複数の変換ステーションへの電力供給が中断されます。この特性により、放射状MTDCシステムは単一の障害点のシナリオに対して脆弱になり、送電線のどの部分での中断もネットワークの一部への電力供給に直接影響を与える可能性があります。
提供された図は、4つのインバータステーションが単一の整流器ステーションに接続された構成を示しています。この設定では、どの線に断裂があった場合でも、少なくとも1つの終端ステーションへの電力供給が中断されることが明らかです。この脆弱性により、放射状MTDCシステムはメッシュまたはリング型MTDCシステムと比較して信頼性が低いと言えます。
メッシュ（リング）MTDCシステム
メッシュまたはリング型MTDCシステムでは、インバータ（負荷）ステーションが単一の整流器ステーションとメッシュまたはリングのような形で相互接続されています。この構成の主な利点の一つは、単一の送電線の断裂または1つのリンクの取り外しがある場合でも、インバータステーションへの電力供給が中断されないことです。次の図は、このようなメッシュまたはリング型MTDCシステムを明確に示しています。この固有の耐障害性により、メッシュまたはリング型MTDCシステムは、特定の用途における電力送電と配布に信頼性が高い選択肢となり、中断をうまく乗り越えて連結された負荷ステーションへの継続的な電力供給を確保できます。
図に示すように、メッシュまたはリング型MTDCシステムでは、任意の単一リンクの取り外しは、変換ステーションへの電力供給を中断しません。代わりに、ネットワーク内の代替リンクを通じて電力が自動的に迂回されます。このシームレスな迂回は、メッシュまたはリング構成の相互接続性によって可能になります。ただし、これらの代替リンクは慎重に設計され、増加した電力送電を処理しながら電力損失を最小限に抑える必要があります。
メッシュ型MTDCシステムでは、予期せぬリンク障害でも電力供給が中断されないことは大きな利点です。これは、予期せぬリンク障害でも継続的かつ安定した電力供給を確保します。したがって、並列接続されたメッシュ型MTDCシステムは、並列接続された放射状型のものと比較して優れた信頼性を提供します。放射状システムが単一のリンク障害による停電に脆弱であるのに対し、メッシュシステムは同様の状況下でも電力フローを維持する強力な能力を持ち、不中断の電力供給が最も重要なアプリケーションでの選択肢となります。
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