直流送電と交流送電と比較してHVDCが持つ利点は何ですか？

HVDCとHVACの利点は何ですか？

電力は消費者に到達する前に長距離を移動します。発電所はしばしば遠隔地にあり、数百マイルを超える距離と複数の中継変電所を通じて電力を供給します。高電圧送電は線路損失を減らし、交流（AC）と直流（DC）の両方が使用されます。ACは電柱や家庭のコンセントで一般的ですが、HVDCは送電において独自の利点を提供します。

送電の目標は損失とコストを最小限に抑えることです。両方とも影響要因に直面しますが、HVDCにはより多くの利点があります。この記事ではHVDCとHVACの利点について探ります：

送電コストの低減
送電コストは終端電圧変換装置、導体の数/サイズ、鉄塔の寸法、および損失によって決まります。HVACは変圧器を使用して変換しますが、これはHVDCのスリッスタベースの変換器よりも単純で安価です。これがHVDCにとって唯一のコスト上の不利です。

HVACは3相送電のために少なくとも3つの導体が必要です。HVDCは大地を帰還経路として使用し、1本（単極）または2本（双極）の導体を使用することでコストを削減できます。さらに3相導体でもHVDCのダブル双極リンクを使用すれば2倍の電力を送ることができます。

HVACは相間及び相対地間のスペースが大きく必要であり、それにより高い広い鉄塔が必要となります。HVDCの鉄塔は設置コストを削減します。またHVDCは送電損失が大幅に低く、効率的です。

総送電コストは主に2つのカテゴリーに分けられます：終端局コストと送電線コスト。前者は固定費であり、送電距離とは無関係です。後者は線路の長さに応じて変わります。ACの終端局コストは比較的低く、一方でHVDCの終端局コストは大幅に高くなります。しかしHVAC送電線の100kmあたりのコストはHVDC送電線よりもはるかに高いです。したがってHVACとHVDCの総コスト曲線はブレイクイーブン距離という点で交差します。

ブレイクイーブン距離とは、HVACの総投資コストがHVDCを上回る送電距離のことです。この距離は送電タイプによって異なります：空中線路では約400〜500マイル（600〜800キロメートル）、水中線路では20〜50キロメートル、地中線路では50〜100キロメートルです。この閾値を超えるとHVDCは効率的かつ経済的に有利な送電選択肢となります。

HVDC送電はHVACと比べて大幅に低い損失を生じます。以下の領域での主要な改善点があります：

無効電力損失の不存在

HVAC送電は無効電力損失に苦しんでおり、これは線路長、周波数、および受電端の誘導負荷に直接比例します。これらの損失は有効電力伝送を減らしエネルギーを浪費し、効率的なHVAC線路の最大長を制限します。これを緩和するためにHVACシステムはシリーズ補償とシャント補償を用いてVAR（ボルトアンペアリアクティブ）を減らし安定性を維持します。

一方HVDCは周波数や充電電流がないため、完全に無効電力損失を排除します。これによりそのような補償措置は不要になります。

コロナ損失の減少

送電電圧が臨界値（コロナ発生電圧）を超えると、導体周囲の空気分子がイオン化し火花（コロナ放電）が発生しエネルギーを浪費します。コロナ損失は電圧レベルと周波数に依存します。DCは周波数がゼロであるため、HVDCのコロナ損失はHVACシステムの約1/3です。

スキン効果の不存在

交流電流はスキン効果を示し、電流が導体表面に集中し中心部が未利用となります。この不均一な電流分布は導体の有効断面積を減らし抵抗を増加させ（抵抗は面積に反比例するため）、結果としてHVAC線路のI²R損失が高くなります。HVDCは定常直流であるため、この効果を避けて導体内で均一な電流分布を確保し抵抗損失を最小限に抑えます。

放射損失や誘導損失の不存在

HVAC送電線は常に変動する磁場により放射損失と誘導損失に悩まされます。放射損失は長いAC線路がアンテナのように作用し放出されるエネルギーが回収不能となるためです。誘導損失は近接する導体に交流磁場によって誘導される電流によるものです。HVDCシステムでは磁場は一定であり、放射損失と誘導損失を完全に排除します。

充電電流損失の減少

地中や水中ケーブルには固有のパラサイト容量があり、電力伝送前に充電する必要があります。容量はケーブル長に比例して増加し、それに伴って充電電流も増加します。

ACシステムではケーブルは毎秒複数回充電と放電を繰り返し、このサイクルを維持するために追加の電流をソースから引き出す必要があります。この余分な電流はケーブルのI²R損失を増加させます。一方HVDCケーブルは初期エネルギーや切り替え時に一度だけ充電する必要があるため、連続的な充電電流に関連する損失を排除します。

誘電体損失の不存在

ACシステムの交流電場は送電線の絶縁材料に影響を与え、エネルギーを吸収し熱に変換します。これが誘電体損失と呼ばれ、エネルギーを浪費し絶縁寿命を短縮します。HVDCシステムは一定の電場を生成し、誘電体損失と関連する絶縁加熱問題を回避します。

3) 薄い導体

ACにおけるスキン効果により電流が導体表面に集中し、より太い導体が必要となり表面積を増やし高い電流に対応します。HVDCはスキン効果がないため、導体断面全体に均一に電流を分散させることができます。これにより同じ電流容量を維持しながらより薄い導体を使用でき、材料コストと重量を削減します。

4) 線路長の制限

HVAC線路は線路長に直接比例して無効電力損失が増えます。これによりHVAC送電距離に重要な制限がかかります：空中線路で約500kmを超えると無効電力損失が非常に高くなりシステムが不安定になります。一方HVDC送電はそのような長さ制限がなく、超長距離の電力送信に適しています。

5) ケーブル評価要件の低減

ケーブルは最大許容電圧と電流で評価されます。ACシステムではピーク電圧と電流は平均値（実際の送電電力に対応）の約1.4倍です。しかし導体はこれらのピーク値に基づいて評価されなければなりません。DCシステムではピーク値と平均値は同一です。つまりHVDCはHVACよりも低い電圧と電流評価のケーブルを使用して同じ電力を送ることができます。実際HVACシステムは高いピーク要件により導体の容量の約30%を無駄にします。

6) 狭い通行帯

「通行帯」とは送電インフラに必要な土地の通路を指します。HVDCシステムはより小さな鉄塔と少ない導体を使用するため、狭い通行帯で済みます。一方HVACはより多くの導体と大きな絶縁子（ACピーク電圧用）をサポートするため高い鉄塔が必要です。これにより構造的な支持が強化され、幅広い足跡が材料、建設、および土地コストを増加させます。そのためHVDCは通行帯の効率性において優れています。

7) 優れたケーブルベースの送電

地中や海底ケーブルは複数の導体が絶縁材で分離されており、それらの間にパラサイト容量が存在します。これらのケーブルは完全に充電されるまで電力を送ることができず、容量（そして充電電流）は長さに比例して増加します。ACシステムではケーブルが毎秒50〜60回充電と放電を繰り返し、I²R損失を増大させケーブル長を制限します。一方HVDCケーブルは初期エネルギーや切り替え時に一度だけ充電するため、そのような損失と長さ制限を排除します。これによりHVDCは海上、水中、地中ケーブル送電の最適な選択肢となります。

8) 双極送電

HVDCは多様な送電モードをサポートし、双極送電は広く使用されコスト効率が高いオプションです。それは地球に対して電圧がバランスされた2つの並行導体を持つ逆極性の特徴を持っています。もし1つの線路が故障または断裂した場合、システムは自動的に単極モードに切り替わります：残った線路は電流を供給し続け、地球を帰還経路として使用します。

9) 制御可能な電力フロー

HVDCコンバータは固体電子機器に基づいており、ACネットワーク内の電力フローを精密に制御することができます。その高速スイッチング能力（サイクル毎に複数回動作）は高調波性能を向上させ、電力振動を抑制し、ネットワークの電力供給能力を最適化します。

10) 高速な障害クリアランス

障害電流は電気障害からの異常電流であり、重大なリスクをもたらします。HVACシステムでは高い障害電流が送電線、変電所、発電機、負荷を損傷させる可能性があります。HVDCはそのようなリスクを最小限に抑えます：障害電流は低く、特定の部分への損傷を限定し、高速スイッチング操作により迅速な障害対応が可能となり、システムの耐久性を高めます。

11) 非同期グリッド相互接続

HVDCは異なるパラメータ（例えば周波数、位相）を持つ非同期ACグリッドの相互接続を可能にします。地域はしばしば異なる周波数を使用します（例えばヨーロッパでは50Hz、アメリカでは60Hz）し、グリッドは位相差を持つことがあります。これらは直接AC相互接続を不可能にしますが、HVDCは周波数や位相の制約がないため簡単にこれらの独立システムを接続できます。

12) スマートグリッドの実現

スマートグリッドは小規模発電機（太陽光、風力、原子力）を統一ネットワークに統合し、知能的な電力フロー制御を行います。これはHVDCにより可能で、HVDCは発電ユニットの非同期接続をサポートし、電力分配の完全な制御を提供し、スマートグリッドの要件に適合します。

13) ノイズ干渉の低減

HVDCは近くの通信線に対するノイズ干渉がHVACよりもはるかに少ないです。HVACは聴覚的な唸り音、ラジオ、テレビの干渉を発生させ、その強度は周波数に依存します。HVDCは周波数がゼロなので、最小限のノイズしか発生しません。さらにHVACのノイズは悪天候で増加する一方、HVDCのノイズは減少し、より安定した動作を確保します。