電力配電システムにおける段階電圧調整器の革新的なソリューション

Rockwill

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1 実行概要

現代の配電網における電圧管理の課題:

長距離フィーダーによる電圧降下;
分散型エネルギー資源（DER）の統合による双方向電力流;
負荷変動による頻繁な電圧変動。

ステップ電圧調整器（SVR）の技術的特徴:

タップチェンジング技術を用いてトランスフォーマーの巻線ターン比を変更し、±10%の電圧調整範囲（通常32段階、各段階0.625%）を達成;
コアの利点はリアルタイムの動的調整機能と複数の制御戦略を組み合わせることで、配電網に柔軟な電圧サポートを提供することにある。

技術進化のトレンド:

基本的な機械式タップスイッチからパワーエレクトロニクス、適応制御アルゴリズム、スマート通信モジュールを組み込んだ統合システムへと進化;
代表例: ABB SPAU341Cはラインドロップ補償（LDC）機能を統合し、遠隔負荷ポイントでの正確な電圧制御のためにラインインピーダンス特性をシミュレートする;
磁気保持リレーとトライアクを使用することで装置の損失とフットプリントが減少し、展開の柔軟性とコスト効率が向上する。

2 技術原理と構造

コア電圧調整メカニズム:

オンロードタップチェンジャー（OLTCs）のタップチェンジング技術を用いてトランスフォーマーの巻線ターン比を変更することで電圧調整を達成。

クローズドループフィードバック制御プロセス:

電圧トランスフォーマーがシステムの電圧信号を継続的に取得;
取得値と設定された基準値を比較してエラーシグナルを生成;
制御ユニットがエラーシグナルに基づいてタップ変更の方向（ブースト/バック）とステップサイズを決定。

現代のSVRの主要技術パラメータ:

SPAU341Cを例にとって：0.625%の微調整ステップをサポートし、±10%の範囲内で32段階の精密な電圧調整を可能にする。

2.1 コアコンポーネント

オンロードタップチェンジャー（OLTC）: 調整器のコアクチュエータであり、真空遮断器を使用してアークを減らす。切り替え時の電流連続性を確保するための遷移抵抗があり、負荷供給の中断を防ぐ。現代の設計ではデュアル抵抗遷移技術を使用し、切り替え時間を40-60ミリ秒に短縮する。
制御モジュール: 高性能マイクロプロセッサ（ARM/DSP）をベースに複数の制御戦略を統合。ABB SPAU341Cは接続モジュール、I/Oモジュール、自動電圧調整モジュールを含むモジュラー構造を採用し、リアルタイムのハードウェアおよびソフトウェア診断をサポートする継続的な自己監視を提供する。
測定および保護ユニット: 電圧/電流トランスフォーマー（例：PT1、PT2、TA1）がシステムパラメータを継続的に収集。ユニットは三相過電流および低電圧ブロック機能を装備。ショート回路または深刻な電圧低下を検出した場合、タップチェンジング操作は直ちにブロックされ、装置の損傷を防ぐ。
通信および操作インターフェース: リモート監視およびパラメータ設定のためのイーサネット、GPRSなどの通信プロトコルをサポート。ディスプレイモジュールはローカル操作インターフェースを提供し、セットポイントや測定値などの主要パラメータをリアルタイムで表示する。

2.2 主要な運用特性

特性	技術的説明	適用価値
ラインドロップ補償（LDC）	仮想インピーダンスパラメータ（R/X）設定を使用してライン電圧降下を補償する。	遠隔負荷ポイントでの正確な電圧制御を可能にする; 追加の測定装置の必要性を排除する。
双方向電力流サポート	バックツーバックサイリスタと磁気保持リレーを組み合わせたハイブリッドスイッチを使用する。	DER統合のシナリオに適応する; 逆電力流下での電圧制御をサポートする。
並列運転能力	マスタ/スレーブまたは循環電流最小化原則を用いて最大3つのトランスフォーマーの並列運転をサポートする。	システム容量を拡張する; 高負荷密度エリアの需要に対応する。
障害通過（FRT）能力	電圧サージ検出と高速復旧ロジックを組み込む。	敏感な負荷に対する継続的な供給を確保する; 電力供給の信頼性を高める。

3 配電システム設計における適用ソリューション

3.1 典型的な適用シナリオ

長い放射状フィーダー: SVRの古典的な適用例。地方の配電網では、10kVラインがしばしば15km以上に延び、フィーダーの端で深刻な電圧偏差が発生する。フィーダーの中間または端にSVRを配置することで、電圧降下を効果的に補償できる。工学的な実践では、単一のSVRによりフィーダー半径を30%拡張し、フィーダー端での電圧適合率を70%未満から98%以上に向上させ、ラインアップグレードコストを大幅に削減することが示されている。
高密度都市配電網: 負荷変動と電圧不一致の課題に直面している。SVRは通常、変電所出口またはリングメインユニット（RMU）ノードに設置される。ある都市の商業地区の改装プロジェクトでは、4つの重要なノードにSVRを設置することで、ピーク時間の電圧変動を±8%から±2%に削減し、同時にリアクティブパワー最適化によりライン損失を12%削減した。
高DER浸透地域: 双方向電力流の課題を管理する必要がある。PV浸透率が30%を超えると、従来の配電網ではしばしば電圧違反が発生する。SVRは逆電力モードを用いて制御論理を自動的に調整し、発電余剰期間中に積極的に電圧を低下させる。PVデモンストレーションプロジェクトでは、SVRとPVインバータ間の協調制御により、地元のPVホスティング容量を25%増加させ、カーテイル率を18%削減した。

3.2 制御戦略の最適化

電圧バリ最適化（VVO）: SVRとシャントキャパシタバンクを調整してシステム損失を最小限に抑える。
多段階協調制御: 複雑なネットワークでの複数SVRのカスケード設置では、制御の衝突を避ける必要がある。タイムディレイ協調法が最も実用的な解決策であり、上流のSVRの遅延（通常30-60秒）を下流のSVRの遅延の少なくとも2倍に設定する。電圧違反を検出した場合、下流のSVRが最初に動作する。問題がその遅延ウィンドウを超えて続く場合、上流のSVRが介入する。この方法により、不要なタップ操作を最大40%削減しながら電圧の安定性を維持することができる。
適応制御戦略: 現代のSVR（例：SPAU341C）は自己学習アルゴリズムを組み込み、過去の負荷プロファイルに基づいて電圧調整の必要性を予測する。システムは類似の日中の負荷パターン（例：朝のピーク）の期間中にタップ位置を自動的に事前調整し、電圧調整の反応時間を分単位から秒単位に短縮する。この戦略は特にPV出力の変動や集中した電気自動車（EV）充電のシナリオに適している。

3.3 シナリオ選択マトリックス

適用シナリオ	装置選択基準	制御戦略	期待される結果
長い放射状フィーダー	大規模な調整範囲（±15%）、強力な放熱	LDC + 遅延協調	末端電圧のブースト: 8-12%、フィーダー半径の拡張: 30%
高密度都市エリア	高速応答（＜1秒）、コンパクトな設計	VVO協調 + 負荷予測	電圧変動＜±2%、ネットワーク損失の削減: 10-15%
高DER浸透地域	双方向フローのサポート、高い過負荷能力	逆電力モード + ソース-グリッド協調	PVホスティング容量 ↑25%、電圧適合率＞99%

4 性能最適化と革新的技術

損失削減技術:

ハイブリッドスイッチング技術はSVRの損失を最小限に抑えるための核心的な革新である。従来の機械式タップチェンジャーは数十mΩの接触抵抗と大きなアーク損失に苦しんでいた。現代の解決策は磁気保持リレーとバックツーバックサイリスタのハイブリッド構造を採用している：

定常導通: 磁気保持リレー（接触抵抗＜1mΩ）によって処理
遷移時刻: バックツーバックサイリスタが電流パスを提供（トリガータイム＜2μs）
スイッチ後の定常状態: 機械接触が再び閉じ、半導体デバイスがオフになる。
この設計により、スイッチング損失が80%削減され、装置の体積が40%縮小され、無アークスイッチングが実現され、装置の寿命が延長される。実際の運用データによると、ハイブリッドスイッチSVRは従来モデルと比較して年間メンテナンスコストが55%低くなる。

トポロジー革新も大きく貢献している。カスケード電圧調整器はシリーズトランスフォーマーとシャントキャパシタのハイブリッド構造を採用し、以下の3つのオプションの動作モードを提供する：

等価シリーズ補償モード: 長いラインの末端での電圧ブーストを目標とする。
電圧バリ調整モード: 電圧とリアクティブパワーの最適化を調整する。
純粋な電圧調整モード: 電圧サージへの迅速な対応を可能にする。
この設計により、同じ容量でシステム損失が15-20%削減され、故障通過能力が向上する。

5 応用事例と実践経験

5.1 地方の長距離フィーダーでの電圧ブースト

プロジェクト背景: 山岳地帯の28kmの10kVフィーダーが分散負荷に供給していた。ピーク時間の末端電圧は8.7kV（標準下限：9.7kV以下）まで低下し、灌漑ポンプの電力要件を満たせなかった。従来の解決策では、新たに変電所を設置する必要があり、費用は800万円以上だった。
ソリューション: 12kmと22kmの地点に2つのABB SPAU341Cレギュレータをマスタスレーブ協調戦略で系列に設置。