FACTSコントローラーと装置の分類と種類は何ですか？

FACTSコントローラーが電力システムに接続されるタイプによって、以下のように分類されます。

• 直列接続コントローラー

• 並列接続コントローラー

• 組み合わせ型直列-直列コントローラー

• 組み合わせ型並列-直列コントローラー

直列接続コントローラー

直列コントローラーは、通常コンデンサまたはインダクタのインピーダンスデバイスを使用して、ライン電圧と直列に電圧を導入します。主な機能は、必要に応じて可変のリアクティブパワーを供給または吸収することです。

送電線が重負荷状態にある場合、増加したリアクティブパワーの需要は直列コントローラー内のコンデンサ要素を活性化することで満たされます。逆に、軽負荷状態では、リアクティブパワーの需要が減少し、受電端電圧が送電端電圧を超えるため、インダクタ要素を使用して余剰のリアクティブパワーを吸収し、システムを安定させます。

ほとんどのアプリケーションでは、リアクティブパワーの需要を補償するために、ラインの両端近くにコンデンサが設置されます。この目的のために一般的に使用されるデバイスには、シリコン制御直列コンデンサ（TCSC）および静止同期直列補償装置（SSSC）があります。直列接続コントローラーの基本構成は以下の図に示されています。

並列接続コントローラー

並列接続コントローラーは、接続点で電力システムに電流を注入します。これは、コンデンサやインダクタなどの可変インピーダンスを使用して行われ、原理的には直列コントローラーと同様ですが、接続方法が異なります。

並列コンデンサ補償

コンデンサを電力システムと並列に接続する方法は、並列コンデンサ補償と呼ばれます。非常にインダクティブな負荷を持つ送電線は通常、遅れの力率で動作します。並列コンデンサは、ソース電圧より先行する電流を引き、遅れの負荷を相殺し、全体的な力率を改善します。

並列インダクタ補償

インダクタを並列に接続する方法は、並列インダクタ補償と呼ばれています。これは送電ネットワークではあまり一般的ではありませんが、非常に長い線路では重要な役割を果たします：無負荷、軽負荷、または切断された負荷条件下では、フェランティ効果により受電端電圧が送電端電圧を超えることがあります。並列インダクタ補償器（例えばリアクター）は、この電圧上昇を緩和するために余剰のリアクティブパワーを吸収します。

並列接続コントローラーシステムの例には、静止VAR補償装置（SVC）および静止同期補償装置（STATCOM）があります。

組み合わせ型直列-直列コントローラー

多系統送電システムにおいて、組み合わせ型直列-直列コントローラーは独立した直列コントローラーのセットを連携させて動作します。この構成により、各線路に対して個別の直列リアクティブ補償が可能になり、各回路に対する適切なサポートが確保されます。

さらに、これらのシステムは専用のパワーリンクを通じて線路間での実効電力の移動を可能にします。あるいは、コンバータのDC端子を相互接続する統一型コントローラ設計を採用することもできます。この設定により、直接的に送電線路への実効電力の移動が可能になります。このようなシステムの代表的な例は、Interlink Power Flow Controller (IPFC)です。

組み合わせ型並列-直列コントローラー

このタイプのコントローラーは、並列に電圧を注入する並列コントローラーと、直列に電流を注入する直列コントローラーという2つの機能部品を統合しています。重要なのは、これらの2つの部品が協調して動作し、全体的な性能を最適化することです。このようなシステムの顕著な例は、Unified Power Flow Controller (UPFC)です。

FACTSデバイスの種類

さまざまなアプリケーションニーズに対応するために、多くのFACTSデバイスが開発されています。以下は、最も一般的に使用されるFACTSコントローラーの概要であり、その機能タイプ別に分類されています。

直列補償装置:

• シリコン制御直列コンデンサ（TCSC）

• シリコン制御直列リアクター（TCSR）

• シリコンスイッチ直列コンデンサ（TSSC）

• 静止同期直列補償装置（SSSC）

並列補償装置:

• 静止VAR補償装置（SVC）

• シリコン制御リアクター（TCR）

• シリコンスイッチコンデンサ（TSC）

• シリコンスイッチリアクター（TSR）

• 静止同期補償装置（STATCOM）

直列-直列補償装置:

• インターラインパワーフローコントローラー（IPFC）

直列-並列補償装置:

• 統一パワーフローコントローラー（UPFC）

それぞれの補償装置について簡単に説明します。

シリコン制御直列コンデンサ（TCSC）

TCSCは、電力システムと直列にキャパシティブリアクタンスを導入します。その基本構造は、複数のコンデンサを直列・並列に配置したコンデンサバンクと、シリコン制御リアクターと並列に接続されたものです。この設計により、滑らかかつ可変の直列キャパシタンス調整が可能になります。

シリコンは、トリガリング角度を制御することでシステムのインピーダンスを調整し、これにより回路全体のインピーダンスを調整します。TCSCの簡略化ブロック図は以下の図に示されています。

シリコン制御直列リアクター（TCSR）

TCSRは、滑らかに調整可能なインダクティブリアクタンスを提供する直列補償装置です。その設計はTCSCと類似していますが、主要な違いはコンデンサがリアクターに置き換えられていることです。

シリコンのトリガリング角度が180°に達するとリアクターの導通が停止し、トリガリング角度が180°未満になると導通が始まります。シリコン制御直列リアクター（TCSR）の基本図は以下の図に示されています。

シリコンスイッチ直列コンデンサ（TSSC）

TSSCは、原則としてはTCSRと同様の直列補償技術ですが、重要な操作上の違いがあります：TCSRはトリガリング角度の調整により段階的な制御を実現する一方、TSSCのシリコンは単純な「オン/オフ」モードで動作し、トリガリング角度の調整はありません。つまり、コンデンサは完全に接続されるか、完全に切断されるかのどちらかです。

この簡略化された操作により、シリコンと全体のコントローラーの複雑さとコストが削減されます。TSSCの基本図はTCSCと同じです。

静止同期直列補償装置（SSSC）

SSSCは、送電システムにおいて出力電圧を制御することで線路の等価インピーダンスを調整し、電力流を制御する直列補償装置です。その出力電圧は完全に制御可能であり、線路電流とは独立しています。この出力電圧を調整することで、線路の有効インピーダンスを正確に調整できます。

機能的には、SSSCは送電線と直列に接続された静止同期発電機として作用します。その主な目的は、線路の電圧降下を調整することで電力流を制御することです。SSSCは、線路電流に対して直角（90°位相シフト）の電圧を注入します：注入電圧が電流を先行する場合はキャパシティブ補償を、遅延する場合はインダクティブ補償を行います。静止同期直列補償装置の基本図は以下の図に示されています。

静止VAR補償装置（SVC）

静止VAR補償装置（SVC）は、固定コンデンサバンクとシリコン制御リアクターを並列に接続したものです。シリコンのトリガリング角度によりリアクターの動作が制御され、リアクターの電圧、そしてその電力消費量が直接制御されます。

この構成により、SVCはリアクティブパワー出力を動的に調整し、送電システムの電圧を安定させ、力率を改善することができます。静止VAR補償装置の基本図は以下の図に示されています。

静止VAR補償装置（SVC）の用途

SVCは電力システムの性能を向上させるための多目的デバイスであり、主な機能には以下のものがあります。

• 力率の改善

• 電圧レベルの調整

• 高調波歪みの低減

• 送電ネットワークの安定化

また、産業環境でもリアクティブパワー管理と電力品質の改善に広く採用されています。以下は最も一般的なSVC構成の概要です。

シリコン制御リアクター（TCR）

TCRは、シリコンバルブと直列に接続されたリアクターから構成されています。具体的には、反対方向に接続された2つのシリコンが含まれており、これらは交流電源の各半周期ごとに交互に導通します。制御回路は各半周期ごとにシリコンにトリガリングパルスを送信します。

シリコンのトリガリング角度により、システムに供給される遅れのリアクティブパワーの量が決定されます。TCRはEHV（Extra High Voltage）送電線で一般的に使用され、軽負荷または無負荷条件下でのリアクティブパワー補償を行います。シリコン制御リアクターの基本図は以下の図に示されています。

シリコンスイッチコンデンサ（TSC）

重負荷条件下ではリアクティブパワーの需要が急増しますが、シリコンスイッチコンデンサ（TSC）はこの増加した需要に対応するように設計されています。EHV送電線で高負荷期間中に一般的に使用されます。

TSCはTCRと同様の構造原理を持っていますが、主要な違いはリアクターがコンデンサに置き換えられていることです。TCRと同様に、TSCはシリコンのトリガリング角度を調整することで送電線へのリアクティブパワーの供給量を制御します。シリコンスイッチコンデンサ（TSC）の基本図は以下の図に示されています。

シリコンスイッチリアクター（TSR）

TSRはシリコン制御リアクター（TCR）と構造的に類似していますが、動作が異なります：TCRはトリガリング角度を制御することで電流を調整（位相制御）しますが、TSRのシリコンは「オン/オフ」のバイナリモードで動作し、位相制御はありません。つまり、リアクターは完全に回路に接続されるか、完全に切断されるかのどちらかです。トリガリング角度の制御がないため、設計が簡素化され、シリコンのコストが削減され、スイッチング損失が最小限に抑えられます。TSRの基本図はTCRと同じです。

静止同期補償装置（STATCOM）

STATCOMは、リアクティブパワーを供給または吸収することで送電システムの性能を制御する電力電子ベースの電圧源コンバータ（VSC）です。必要に応じて有効電力のサポートも提供します。STATCOMは特に力率が悪く電圧調整が困難な送電線路で効果的であり、電力システムの電圧安定性を強化するため広く使用されています。

STATCOMは充電されたコンデンサをDC入力源として使用し、電圧制御インバータを介して三相AC電圧に変換します。インバータの出力はAC電力システムと同期され、装置はカップリングトランスフォーマーを介して送電線と並列に接続されます。インバータの出力を調整することで、STATCOMによるリアクティブ（および有効）電力の供給を精密に制御できます。STATCOMの基本図は以下の図に示されています。

インターラインパワーフローコントローラー（IPFC）

IPFCは多系統送電システム向けの補償技術であり、共通のDCバスを介して複数のコンバータが接続されています。各コンバータは異なる送電線に接続されています。

これらのコンバータの主要な機能は実効電力の移動であり、相互接続された線路間で実効電力とリアクティブ電力をバランスさせることができます。この協調制御により、多系統ネットワーク全体の効率と安定性が向上します。IPFCの基本図は以下の図に示されています。

統一パワーフローコントローラー（UPFC）

UPFCは、共通のDC電圧リンクを介して静止同期補償装置（STATCOM）と静止同期直列補償装置（SSSC）を統合し、それらの機能を単一のシステムに組み込みます。UPFCは、カップリングトランスフォーマーを通じて送電線に電流を注入するための三相制御可能なブリッジペアを使用します。

UPFCは、電力システムの性能の様々な側面、特に電圧安定性、電力角度安定性、およびシステムダンピングを強化します。送電線における有効（実効）電力とリアクティブ電力の流れを精密に制御できます。ただし、UPFCは平衡正弦波条件でのみ最適に動作し、異常なシステム状態では効果的に機能しない可能性があります。また、UPFCは電力システムの振動を抑制し、一時的な安定性を改善します。統一パワーフローコントローラー（UPFC）の基本図は以下の図に示されています。