電力送電におけるHVACとHVDCの違いは何ですか

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HVACとHVDCの違い

発電所で生成された電力は、長距離を経て変電所に送られ、そこから消費者に配布されます。長距離送電には非常に高い電圧が使用され、この高電圧の理由については後で詳しく説明します。また、送電される電力は交流（AC）または直流（DC）のいずれかの形式で送られます。したがって、送電にはHVAC（高電圧交流）またはHVDC（高電圧直流）を使用することができます。

なぜ送電には高電圧が必要なのか？

電圧は、ラインロス（送電ロス）を減らすために重要な役割を果たします。すべての送電用導体には一定量のオーム抵抗（R）があります。これらの導体を通る電流（I）により熱エネルギーが生成され、これは基本的に無駄になるエネルギーまたはパワーロス（P）です。

オームの法則によれば

明らかに、送電中の導体でのエネルギーの浪費は電流によるものであり、電圧によるものではありません。しかし、専用の装置を使用して電圧変換により電流の大きさを調整することができます。

電圧変換中、パワーは保存され、不変です。電圧と電流は単に同じ因子で逆比例して変化し、次の原則に従います：

例えば、220Vの電圧で11kWの電力は50Aの電流を持ちます。その場合、送電線のロスは

電圧を10倍に増やしましょう。すると、同じ11kWの電力は2200Vの電圧と5Aの電流を持つことになります。この場合の線路ロスは以下のようになります。

ご覧のように、電圧を上げることで送電線でのパワーロスが大幅に減少します。したがって、送電ケーブルでの電流を減らしながら同じ量の電力を送信するためには、電圧を上げます。

電流戦争（AC対DC）

1880年代後半、「電流戦争」と呼ばれる時期に、直流（DC）が最初に送電に使用されました。しかし、実用的な電圧変換装置が不足していたため、非常に非効率的でした。一方、交流（AC）はトランスフォーマーを使用して簡単に昇圧または降圧できるため、初期の低電圧DC発電所は数マイルの範囲内でのみ電力を供給でき、それ以上離れた場所では電圧が急激に低下し、小さなエリアに複数の発電所を設置する必要がありました—これはコストのかかるアプローチでした。

高電圧直流送電は、交流よりも本質的にロスが少ないですが、初期のDCシステムは水銀アーク整流器（レクチファイア）を使用して高電圧交流を直流に変換し、長距離送電を行いました。これらの端末装置は大型で高価であり、頻繁なメンテナンスが必要でした。一方、交流送電はトランスフォーマーに依存しており、より効率的で安価で信頼性が高かったため、当時の長距離送電ではACが主流となりました。

高電圧交流（HVAC）と高電圧直流（HVDC）を選択する際には、いくつかの重要な要素を考慮する必要があります。この記事ではこれらの要素について詳細に探求します。

HVAC & HVDC

HVAC（高電圧交流）とHVDC（高電圧直流）は、長距離送電に使用される電圧範囲を指します。HVDCは通常、超長距離（通常600km以上）に優れていますが、両方のシステムは現在世界中で広く使用されており、それぞれに独自の利点と欠点があります。

送電コスト

長距離送電には高電圧が必要で、ターミナルステーション間で電圧変換を行いながら電力を転送します。総送電コストは、ターミナルステーションのコストと送電線のコストの2つの部分に依存します。

ターミナルステーション
ターミナルステーションは、送電のための電圧レベルを変換します。ACシステムでは主にトランスフォーマーを使用して高電圧と低電圧を切り替えます。DCシステムでは、ターミナルステーションはサイリスタまたはIGBTベースのコンバータを使用してDC電圧レベルを調整します。
トランスフォーマーは固体状態コンバータよりも信頼性が高く、安価であるため、ACターミナルステーションはDCのものよりもコストが低く、AC電圧変換はより経済的です。
送電線
線路コストは導体の数と送電塔の設計によって異なります。HVDCシステムは2本の導体しか必要ありませんが、HVACシステムはコロナ効果を軽減するために3本以上の導体（バンドル導体を含む）が必要です。
AC送電塔はより重い機械負荷を支える必要があり、HVDC塔よりも強度が高く、背も高く、幅も広い構造が必要です。線路コストは距離とともに増加し、100kmあたりでHVAC線路はHVDC線路よりも大幅に高くなります。
全体的な送電コスト
総コストは、距離に依存しない固定費であるターミナルコストと、距離に比例して増加する線路コストによって決定されます。したがって、送電システムの全体的なコストは距離とともに増加します。

ブレイクイーブン距離

「ブレイクイーブン距離」は、HVACの総投資コストがHVDCを超える送電距離を指します。この距離は約400〜500マイル（600〜800km）です。この閾値を超える距離では、HVDCの方がコスト効率が高く、短い距離ではHVACの方が経済的です。この関係は上記のグラフで視覚的に示されています。

柔軟性

HVDCは通常、ポイントツーポイントの長距離送電に使用され、中間地点での電力抽出には高価なコンバータが必要となるため、HVACはより柔軟性があります。複数のターミナルステーションが低コストのトランスフォーマーを使用して高電圧を降圧し、線路上のさまざまなポイントで電力を抽出することができます。

パワーロス

HVAC送電には、コロナロス、皮膚効果ロス、放射ロス、誘導ロスなどのいくつかの種類の損失が発生しますが、これらはHVDCシステムでは大部分が存在せず、または最小限に抑えられています。

コロナロス：電圧が臨界値を超えると、導体周囲の空気がイオン化し、火花（コロナ放電）が発生し、エネルギーが浪費されます。これらの損失は周波数に依存しており、DCは周波数ゼロなので、HVACのコロナロスはHVDCの約3倍です。
皮膚効果ロス：AC送電では、導体表面での電流密度が最も高く、中心部では最低（皮膚効果）となり、有効断面積が減少し、導体抵抗が増大し、I²R損失が増大します。一方、DC電流は導体全体に均一に分布するため、この効果はありません。
放射および誘導ロス：HVACの交流磁場は長い送電線をアンテナのように働き、回復不能なエネルギーを放射し、近傍の導体に誘導電流を引き起こします（誘導損失）。HVDCの定常磁場はこれらの問題を回避します。

皮膚効果

皮膚効果は周波数に直接比例し、ほとんどのAC電流が導体表面近くを流れるように強制し、中心部が未利用となります。これにより導体の効率が低下し、HVACシステムは大きな電流を流すために断面積の大きい導体を必要とし、材料コストが上昇します。HVDCは皮膚効果の影響を受けないため、導体を効率的に使用できます。

したがって、同じ電流を流すためには、HVACは直径の大きい導体を必要としますが、HVDCは小さい直径の導体で達成できます。

ケーブルの電流と電圧評価

ケーブルには最大許容電圧と電流があります。ACの場合、ピーク電圧と電流は平均値（実際に提供される電力または等価DC値に対応）の約1.4倍です。一方、DCシステムではピーク値と平均値が同一です。

しかし、HVAC導体はピーク電流と電圧に対して評価され、その容量の約30%が無駄になります。一方、HVDCは導体の全容量を使用するため、同じサイズの導体でもHVDCシステムではより多くの電力を送ることができます。

通行帯

「通行帯」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、塔が小さく導体が少ない（DCは2本、三相ACは3本）ため、狭い通行帯を必要とします。さらに、塔上のAC絶縁体はピーク電圧に対して評価され、その足跡がさらに大きくなります。

この狭い通路は、材料、建設、土地コストを削減し、HVDCは通行帯効率において優れています。

海底送電

海上送電に使用される海底ケーブルには、並行導体間にストレイキャパシタンスがあります。キャパシタンスは電圧変化に反応します—ACでは常に（毎秒50〜60サイクル）、DCではスイッチング時のみです。

ACケーブルは連続的に充電と放電を繰り返し、受電端まで電力を送る前に大量の電力損失を引き起こします。HVDCケーブルは一度だけ充電されるため、このような損失はなくなります。詳細については、海底ケーブルの構造、特性、敷設、ジョイントに関する内容を参照してください。

電力流れの制御性

HVACシステムは電力流れを精密に制御できませんが、HVDCリンクはIGBTベースの半導体コンバータを使用します。これらの複雑なコンバータは、1周期中に複数回切り替えることができ、システム全体の電力分配を最適化し、高調波性能を改善し、高速な障害保護とクリアランスを可能にします—これらはHVACでは匹敵しません。

非同期システムの相互接続とスマートグリッド

スマートグリッドは、複数の発電所が統一ネットワークにフィードすることで、小規模グリッドを活用して大規模な発電を行うことができます。しかし、異なる周波数または位相を持つ複数の非同期ACグリッドを接続することは非常に困難です。

非同期グリッドの相互接続

世界中の電力網は異なる周波数で動作しています—一部は50Hz、他の一部は60Hzです。同じ周波数であっても位相が異なる場合もあります。これらは「非同期システム」と分類され、標準的なACリンクでは接続できません。

しかし、DCは周波数や位相の影響を受けません。HVDC相互接続は、ACを周波数と位相に関係ないDCに変換することで、非同期グリッドのシームレスな統合を可能にします。受電端では、HVDCインバータがDCを必要な周波数のACに変換し、統一的な電力送電を可能にします。

遮断器

遮断器は高電圧送電において重要で、故障時や保守時に回路を非活性化する役割を果たします。主要な要件は、電力流れを中断するための消弧能力です。

HVAC遮断器: AC電流は継続的に方向を変えるため、自然なゼロ電流の瞬間（1秒間に50〜60回）が自動的にアークを消去します。この「自己消弧」機能により、HVAC遮断器の設計は比較的単純でコスト効率が高いです。
HVDC遮断器: DC電流は一方向であり、自然なゼロクロッシングがないため、特殊な回路を使用して人工的にゼロ電流のポイントを生成する必要があります。この複雑さにより、HVDC遮断器はAC遮断器よりも複雑で高価です。