「電力系統入門」 2009/6 Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 1 電力系統の概要 １．電力系統の構成と特徴 (1) 電力系統の構成 (2) 電力系統の特徴 (3) 直流と交流 (4) 可変電圧・可変周波数 ２．電力系統の運用と制御 (1) 需給運用と制御 (2) 系統運用と潮流制御 (3) 系統運用と電圧無効電力制御 (4) 異常電圧･電流制御 ３．ネットワークセキュリティの確保 (1) 単純故障 (2) 多重故障 (3) 同期安定度と電圧安定性 2009/6 Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 2 １．電力系統の構成と特徴 (1) 電力系統の構成 (2) 電力系統の特徴 (3) 直流と交流 (4) 可変電圧・可変周波数 2009/6 Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 3 (1) 電力系統の構成 電力系統は、次の地理的に分散する3設備を結合したもの (a) 発電設備・・・他エネルギーを電気エネルギーに変換 (b) 負荷設備･･・電気エネルギーを所要のエネルギーに変換 (c) 送配電設備・・・発電機と負荷を電気的に結合し電気エネ ルギーを輸送 発電所 需要箇所 電灯A 電灯B ～ 発電設備 2009/6 負荷設備 動力A 変圧器 昇圧用 送配電設備 変圧器 降圧用 動力B Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 4 発電機 架空送電線 電機子巻線 コイル 通常は三相 同期発電機 （三相 2 回線） 架空地線 N 単相交流 電圧 電流 A S 1号線 原動機 水車、 蒸気タービン ガスタービン NS：界磁 電磁石 永久磁石 B C C B A 碍子 2号線 電線 変圧器 通常は三相 一次巻線 コイル 巻数N1 鉄心 二次巻線 コイル 巻数N2 一次電圧V1 一次電流I1 二次電圧V2 二次電流I2 V2 V1 2009/6 N 2 I1 , N1 I 2 N2 N1 地中線(CVケーブル、通常3本を３相で使用) ビニールシース 絶縁体を外傷、水分から保護 絶縁体 架橋ポリ エチレン 導体 銅、アルミ Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 遮蔽層 感電、誘導障害防止 外部半導電層 遮蔽層・絶縁物 間を埋め部分放 電をなくす 内部半導電層 導体・絶縁物 間を埋め部分放 電をなくす 導体表面電界強 度の低減 5 いろいろな水力発電 流れ込み式水力 調整池式水力 貯水池式水力 調整池 水路 水圧鉄管 貯水池 ダム 水圧鉄管 水圧鉄管 G 発電機 G 水車 G 発電機 水車 発電機 水車 揚水式水力 上池 ダム 水車発電機 極数は10～20 300～600rpm 突極機 水圧鉄管 GM 発電電動機 下池 ポンプ 水車 2009/6 Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 6 発電機 低圧タービン GEN 水壁 管 水壁 管 抽気 再熱器 (RH) 過熱器 (SH) 中圧タービン 高圧 タービン 在来型火力発電 復水器 節炭器 (ECO) いろいろな火力発電 1 O2 H 2 O(液体) 68.4 kcal 2 1 H2 O2 H 2 O(気体 ) 58.7 kcal , 2 気化の潜熱 40.8kJ / mol 9.7kcal / mol C O2 CO2 97.2 kcal H2 メタンの場合 CH 4 2O2 CO2 2 H 2O(気体) 214.6 kcal 16 g (22.4l )あたり 214.6kcal , CO2 44 g 給水ポンプ (B.F.P) 燃料は、石炭、重油、天然ガスなど 給水加熱器 13,400kcal / kg , CO2 2.75kg 低位発熱量(LHV) 13,400 kcal/kg 高位発熱量(HHV) 14,612 kcal/kg(1.09倍) 復水ポンプ コンバインドサイクル発電 1軸型の例 燃料 燃焼器 空気 C 排熱回収 ボイラ HRSG 煙突 燃焼ガス GT GEN ST 復水器 2009/6 MACC 熱効率59%の例 燃料は、軽油、天然ガスなど LHVベース （LHV base） Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 給水ポンプ 7 概略熱バランス図の例（HHVベース） 在来型汽力 1000MW 1300℃級ACC 380MW 19% 再熱あり 14% 40% ST Air G GT Air C C 100% 67% 100% 33% 17% G ST 50% 46% 1100℃級CC 175MW C 31% 1500℃級MACC 500MW 25% 16% 再熱あり Air 71% 100% Air C GT 29% G 14% Air 64% 100% ST 43% Air C GT 36% G 18% ST 54% C 32% C 30% 2009/6 Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 8 いろいろな原子力発電 熱中性子炉(軽水炉、重水炉、黒鉛炉。減速材、冷却材別)、高速炉 などのうちの軽水炉（軽水減速、軽水冷却）が一般的 長期的には、軽水炉 高速増殖炉 核融合炉 (1)加圧水型(PWR) 原子炉格納容器 制御棒 蒸 気 発 生 器 加 圧 器 電熱ヒータ 炉 心 原子炉容器 一次系(原子炉系) 冷却材ポンプ 原子力発電機 極数は 4 が多い 1500/1800rpm 2009/6 タービン 発電機 二次系 (タービン系) 給 水 ポ ン プ 給 水 ヒ | タ 復水器 冷却水 代表的PWRの主要パラメタ ループ数 ー 4 電気出力 (MWe) 1,180 熱出力 (MWt) 3,423 一次冷却水温度 (℃) 325/289 一次系圧力(運転中) (MPa) 15.2 蒸気圧力(入口) (MPa) 5.6 蒸気温度(入口) (℃) 270 1kg/cm2=0.098MPa Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 9 (2)沸騰水型(BWR) タービン 発電機 蒸気乾燥器 気水分離器 ジェット ポンプ 炉 心 再循環ポンプ 制御棒 原子炉格納容器 原子力発電機 極数は 4 が多い 1500/1800rpm 2009/6 冷却水 給 復水器 水 ヒ | タ 代表的BWRの主要パラメタ 項目 ABWR 第二次改良 電気出力 (MWe) 約1100 約1360 熱出力 (MWt) 3,293 3.926 原子炉設計圧力 (MPa) 8.61 8.61 原子炉運転圧力 (MPa) 7.03 7.16 主蒸気圧力(入口) (MPa) 6.55 6.68 主蒸気温度(入口) (℃) 282 284 主蒸気流量 (t/h) 6,410 7,640 最終段翼長 (インチ) 41 52 再循環ポンプ 外部 内蔵 給 水 ポ ン プ Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 10 発電機の種類・メカニズム・性能評価 １．発電機の電気的構造による差 ２．原動機・一次エネルギーの特性による差 １．発電機の電気的構造による差 同期発電機 直流界磁、永久磁石 誘導発電機 巻線型、かご型 太陽光 光電変換素子 燃料電池 水素と酸素の結合 回転数に比例する周波数の交流発電 並列系統から無効電力を吸収する。回転数は可変 直流発電 直流発電 ２．原動機・一次エネルギーによる差 発電機 回転数 発電効率 設備利用率 起動時間 出力調整 最低負荷 経済特性 水 力 突極型同期機 低速 90%前後 10~30% 数分 100%/数分 （揚水） 同上 10%以下 同上 火 力 円筒型同期機 高速 40%~ 50~80% 数時間 ~1%/分 (同上一軸型CC )高速 50~ 60% 50~70% 1時間程度 ~2%/分 原子力 円筒機 高速、 30%強 70%~ 1~2日 可 風 力 低速回転誘導機、低速40~50%**20~30% ~分 可 同期機＋周波数変換装置 太陽光 直流＋インバータ 10%強 10%強 ~分 不可 燃料電池 同上 40%強 負荷に依存 タイプによる 可 ~10% M, P P (揚水効率約70%) ~25% B, M ~25% M ~25% B ----- --- 熱水供給可 * 流れ込み式を除く **風力発電における理想変換効率に関するベッツの限界値=16/25=59.3% B:ベース、M:ミドル、P：ピーク 用 CO2発生量は次ページ参照 経済特性についてはp.23参照 2009/6 Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 11 発電機の種類・メカニズム・性能評価比較続き 2009/6 Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 12 面的な広がりを持つ電力系統 原子力 ～ 水力 ～ 電圧階級例 1000kV 500kV 275kV 154kV 66kV 22kV 6kV 他社連系 ( 400/230V) 200/100V 火力 ～ 発電機 ～ 他社連系 変圧器 昇圧用 基幹送電 ネットワーク 基幹変電所 火力 火力 ～ 立地点 ・火力、原子力は冷却水が得られる海岸、大河畔など、 内陸では、大規模冷却塔が必要（地震国では不向き） ・水力は地点が自然の地形等に支配される。 ・供給用変電所は需要分布に依存する。 2009/6 原子力 変圧器 降圧用 ～ 負荷供給用変電所 Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 13 (2) 電力系統の特徴 ①同時性 生産と消費が同時に行われる。流通に要する時間が０である。 時々刻々需給バランスを取る必要がある。 発電=消費+送電損失 最大需要に見合う設備が必要。利用率が低い。 ②大量貯蔵が困難である。 揚水発電である程度補完 通常、消費地から遠い。 電力貯蔵電池の技術開発、消費地付近に設置可。 その他、慣性効果利用、磁気エネルギー利用など 参考 年間利用量[kWh] 最大能力[kW ] 8760 24 365 [h] 設備利用率 8760 負荷率 2009/6 年間負荷電力量[kWh] 最大負荷[ kW ] 8760 Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 14 (3) 直流と交流 交流 変圧器によって電圧を自由に変えることができる。 送電安定度問題がある。通常、電力系統は交流を基本に 形成し、部分的な長距離送電、海底送電,他系統との連系 などに直流を使っている。 電動機に用いれば円滑な回転磁界を動力に容易に活用できる。 直流 小規模なものを除き、商用規模で電圧を変える装置はない。 送電安定度問題がなく、同一実効電圧に対し交流の70%の絶縁 で足り、長距離送電や海底ケーブル送電に適している。 磁気観測等に影響がある。 電 圧 ・ 電 流 直流 単相交流 時間 2009/6 直流 三相交流 時間 Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 15 参考 交流、直流間の相互変換 ・交流を整流すると直流が得られる コンバータ ・直流を逆変換すると交流が得られる インバータ ・両者を結合して周波数変換が可能となる 単相半波整流 交 流 電 源 整流器 + ~ 直 流 負 荷 － 単相全波整流 － 単相逆変換 整流器 三相交流電源 三相全波整流 直流負荷 整流器 三相逆変換 ~ 交 流 電 源 M + － 2009/6 + 直流負荷 M 三相交流負荷 交 流 負 荷 + － 直流電源 + Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 － 直流電源 16 系統連系 北海道 系統連系の効果 ①需要や、設備故 障の不等時性を 活用した ・発電予備力節減 ②経済性の高い順 序に発電する ・設備の経済運用 ③緊急時に応援電 力を送電する ・応援電力送電 などがある。 効果と、連系に 要するコストとの 対比で最適連系 量が定まる。 DC±25万V 60万kW : 交流連系線 北 陸 東 北 50万V送電線 30万kW 50万V送電線 50万V送電線 新信濃FC 60万kW 中 国 九 州 50万V送電線 四 国 相馬双葉幹線 50万V 佐久間FC 50万V 送電線 関 西 50万V 送電線 東 京 中 部 DC±25万V 140万kW 30万kW 東清水FC 30万kW 参考、「数表で見る東京電力」 2009/6 Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 17 電力自由化の現状 2003年6月に改正電気事業法が公布され、卸売電力 市場における取引所の開設、送配電業務に関する中立 機関の設立、小売市場における自由化範囲の等の制 度改革が実施されました。 卸発電 WS 地区電力会社(A) 特定規模事業者(P1) (PPS) A 他地区電力会社(B) P1 他地区電力会社(C) B C 自由化対象 高圧50kW以上 送配電部門収支（会計分離）は、 託送等の業務により送配電部門 に生じた利益が他部門で使われ ていな いことを確認するため に、送配電部門の託送料金収益 と送配電部門の全費用をもとに 算定します PPS:Power Producer & Supplier 2009/6 需要 (A、B、C、P1、P2) のいずれからも受電可 （契約による） PPS自営線 P2 特定規模事業者(P2) (PPS) (A社) 需要 規制対象の需要 低圧、50kW未満 送電・配電等の電力系統にかかわる設備形成、系統ア クセス、系統運用等の業務（以下、送配電業務という）に 関しては電気事業への新規事業者の参入自由化、小売 自由化範囲の拡大に伴い、送配電利用における公平性、 透明性のより一層の向上が要求されるようになったため、 電力系統に関するさまざまなルールの策定・監視を担う 「送配電等業務支援機関」（いわゆる中立機関）を、民間 の自主的な取組を前提として創設されました。 (有限責任中間法人 電力系統利用協議会資料から) Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 18 （４）可変電圧･可変周波数 周波数変換が容易になったことから、可変電圧･可変周波数供給も考えら れるが、多様な需要側条件があるので必要に応じ需要側で行われている。 参考 送配電関連の用語 送電線 発電所と変電所との間、又は、変電所相互間を連絡する電線路。発電所でつくられた電気は、送電効 率を高めるために、高電圧の送電線によって、需要家近くの変電所に送られる。いくつかの変電所を経て、 徐々に降圧される。 配電線 需要家に最も近い変電所（配電用変電所）から需要家に至るまでの電線路。 電力系統 発電所から送電線、変電所、配電線を経由して、需要家に至るまでの全ての要素が有機的に連係さ れたものの総称で、電力の発生から消費までを包括するシステム。送電系統と配電系統から構成される。 系統運用 発電所でつくられる電気を需要家まで円滑に輸送するとともに、適正な電圧を維持できるように電 力系統を総合的、経済的に運用すること。我が国では、既存電力会社の送配電部門が送配電系統の運用を行 い、中立機関が公平性・透明性･中立性の観点から、ルール策定・監視を行うが、EU や米国の一部では、電 力会社から分離された送電系統運用者・配電系統運用者やISO・RTO が、送電系統や配電系統の運用を行う。 アンバンドリング 送電系統の運用について、公平性・透明性を確保するために、垂直統合型の既存電力会社 の送電部門を分離すること。 分離の方法は、①会計分離、②機能分離、③法的分離、④所有分離の4 種類に 大別される。 ①会計分離は、内部相互補助を禁止するため、発電、送電等の部門毎に貸借対照表、損益計算 書等の財務諸表を作成すること。 ②機能分離は、情報遮断や人事交流の制限等により、運営面で送電部門の独立性を確保すること。 ③法的分離は、送電系統運用部門を、発電その他部門から法的に独立した主体とすること。 ④所有分離は、送電線の所有権を含めた送電部門全体を、発電その他部門から法的に独立した主体 とすること。①と②は行為規制、③と④は構造規制と呼ばれる。 国立国会図書館 ISSUE BRIEF 調査と情報595号 「電力自由化の成果と課題 欧米と日本の比較」から。 2009/6 Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 19 ２．電力系統の運用と制御 (1) 需給運用と制御 (2) 系統運用と潮流制御 (3) 系統運用と電圧無効電力制御 (4) 異常電圧･電流制御 2009/6 Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 20 (1) 需給運用と制御 時々刻々需給バランスを取らないと周波数が変動する。 供給(発電)＞需要(消費)・・・周波数が上昇 供給を減らす 供給(発電)＜需要(消費) ・・・周波数が低下 供給を増やす Hz 供給 需要 規定周波数 Δf 周 波 数 KGΔf KLΔf a b c ΔP= (KG+KL) Δf ΔP 発電電力 消費電力 kW 負 ス荷 ペ変 ク動 トの ル大 密き 度さ ⑤ ④ ① 周期 ② 10秒 ③ 20秒 2分 20分 周波数を監視し、一定値に保つように発電力を調整すれば、時々刻々の 需給バランスが取れる。負荷変動の周期と大きさにより ① ② ③ ④ ⑤ 10秒以下の負荷変動は系統自体の自己制御性により自然に補正される 10～20秒の変動は 即応性高い火力機GF governor free ガバナーフリー運転による調整 20秒～2分程度は 水力など多数のガバナーフリー運転機による調整 LFC load frequency control 負荷周波数制御 AFC ELD economic load dispatching 経済負荷配分制御 他社連系では周波数と連系線潮流が一定になるよう制御すれば、各社別需給が均衡。 大電力でのFFC（周波数一定制御）と他電力でのTBC（Tie Line Bias Control）の組合せが一般的 2009/6 Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 21 P2 負荷変動と周期 No.1 A 中心値 負 荷 A 中心値であるが前日予想 による長期傾向分はELD により調整する。予想との 差が大のとき給電指令。 B 中心値に対し20分程度以 下で変動する分は、LFC C 2分以下の短周期変動はGF B F1 C 時間 ELD economic load dispatching No.2 F2 P1 P 2 P0に対し、 発電コストはF1 P1 Fk ( Pk ) をNo. k 発電機の発電コストとFk と出力Pk との関係とする。 問題は、 Pk 一定値P0 の条件のもとで、総コスト k Fk を最小にするPkを求めること。 k 解法 ラグランジェの未定係数法 G Fk P0 Pk を極小化する。 k k Fk Pk G Pk G , 0, k P0 Pk 1, 2, 3 N 0 k F1 P1 F2 P2 F3 P3 FN PN , すなわち、増分コストが一定になるように負荷配分すればよい。 実際には送電損失も考慮にいれた式を用いる 。 2009/6 Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 22 F2 日負荷曲線 例 各月最大負荷曲線 例 kW 負 荷 電 力 0 6 12 18 24 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 時刻 120 揚水発電 100 発電種類別最適利用率範囲 固定費＋可変費 年 間 発 電 コ ス ト ￥ A 80 B C 固定費 A: ピーク電源 揚水発電、ガスタービン、 老朽火力、調整式水力など B: ミドル電源 新鋭火力など C:ベース電源 原子力発電、石炭火力 流れ込み式水力など 揚水動力 一般水力 調整可能分 60 火力 40 20 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 年利用率 原子力+流れ込み式水力 0 0 2009/6 2 4 Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 23 各月最大負荷曲線に補修計画を当てはめ 例 設備能力 各月最大負荷曲線＋予備力 各月最大負荷曲線 補修スペース 補修スペース 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 2009/6 Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 24 (2) 系統運用と潮流制御 a.個別設備容量に対する潮流超過防止 発電機、送配電線、変圧器はそれぞれ個別の電流限界を持つ b. 回り込み潮流による容量超過防止 他の設備の異常時などに、健全な設備に過剰な電流が流れる c. 事故時等の短時間過負荷防止 通常の負荷電流では容量以内だが、異常時の過渡的な大電流 (ex. 数万A,1秒)で、設備が破壊されないようにする必要がある（導体選定）。 潮流制御の手段 系統切り替え、位相調整装置、直流連系装置, Z の 変更 例１ 275/66 kV 300MVA×3 ○600MVA ○700MVA ×990MVA 275/66 kV 300MVA×(3-1) ○600MVA ×700MVA ×990MVA 275/66 kV 300MVA×(3-2) ×600MVA ×700MVA ×990MVA 常時、負荷の監視を行い、容量超過の場合は、負荷の一部または全部を遮断するなどの処置をとる。 通常の信頼度基準（ex. N-1 ルール）では、過負荷が生じないように予想最大負荷の値を抑制する。過剰分を他設備から供給。 2009/6 Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 25 例２ ループ状送電系統の電力潮流は、ほぼインピーダンスに反比例して流れる。 事前 ～ ～ 大規模需要 ～ 事故 ～ ～ 大規模需要 過負荷 ～ 大潮流回りこみ 健全回線 ～ 過負荷遮断 あるいは 不安定化 発電機脱調 全系停電へ 離脱 大潮流回りこみ ～ 大規模需要 大潮流回りこみ ～ 発電機脱調 離脱 2009/6 Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 対策 健全設備過負荷時に遮断せず、 発電機と負荷の双方を一部遮断 26 (3) 系統運用と電圧無効電力制御 無効電力とは 交流送電に付随するもので、本来送電したい電力(有効電力という) を送るとき、これに随伴して送受電端間を往復する電力（Reactive Power）で電圧維持 に必要な電力である。 電力の需給バランスが崩れると周波数が変化するが、無効電力のバランスが崩れる と電圧が変化する。無効電力が不足すると電圧が下がり、過剰になると電圧が上がる。 無効電力の 発生源は、線路の静電容量、コンデンサ、同期調相機、同期発電機など 消費者は、線路のリアクタンス、リアクトル、負荷、(同期調相機、同期発電機)、 誘導発電機など 無効電力のバランスを取るには、消費に見合う発生をできるだけ、近くで行う。 (無効電力の送電損失はきわめて大きいため) X>>R, I2X>>I2R 電圧だけを調整するには、変圧器のタップ（巻数比）で行うことがもできるが無効 電力のバランスを取った上でタップ調整するのが基本である。 通常、変電所の送り出し電圧の時間帯別目標値を定めて制御している。 2009/6 Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 27 参考 正弦波交流の平均電力の計算 e φ i 図のように、電流位相 が電圧より だけ遅れ ている場合を考えます 。 e E m sin t , i I m sin t p ei E m I m sin t sin t Em I m p cos 2 t cos 2 加法定理から、 Em I m cos cos 2 t 2 Em I m cos cos 2 t cos sin 2 t sin 2 Em I m cos 1 cos 2 t sin sin 2 t 1 2 1 T 2 平均電力 P pdt T 周期 T 0 T 1 T cos 2 tdt sin 2 t 0 0, o 2 T 1 T sin 2 tdt cos 2 t 0 0, o 2 Em I m Em I m P cos cos E e I e cos 2 2 2 2 添字 m : 最大値、 e : 実効値 2009/6 有効電力と無効電力 瞬時値を表す 1 式を再掲し、電圧、電 流を 実効値で表すと、 Em I m p cos 1 cos 2 t sin sin 2 t 2 E e I e cos 1 cos 2 t Ee I e sin sin 2 t P 1 cos 2 t Q sin 2 t 3 P Ee I e cos 有効電力 , Q Ee I e sin 無効電力 Ee 4, I e 3, のときの、 6 電圧、電流の瞬時値 および p a P 1 cos 2 t 4 p r Q sin 2 t 5 の値を計算した結果の グラフを 次ページに示します。 p aは、最小値が 0 , 最大値が 2 P , 平均値が P p rは、最小値が Q , 最大値が Q 平均値が 0 で、いずれも電圧の周 波数の 2倍の周波数の 正弦波であることが分 かります。 特に、 p r (無効電力分 )は、電源との間を往 復する電力であること 、 sin 0 の時には現れ ないことが分かります 。 次元は、いずれも電 圧と電流の積として 得られていますので電 力の次元になります。 Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 28 参考 2P pa P 12 cos 0 6 Q 12 sin pr 6 0 12 cos 6 P 1 cos 2 t 12 sin Q Vm 3 2 0 6 sin 2 t 2 3 4 v 2009/6 sin 2 t 4 2 sin t i 3 2 sin 6 有効電力の瞬時値 電源側から負荷に向かう 電力で、電圧の倍周波の 正弦波で増減する。 振幅はP,平均値はP 4 2 0 Im 1 cos 2 t t 無効電力の瞬時値 ＋は電源側から負荷に、 ーは負荷側から電源に 向かう電力で、振幅はQ, 平均は0 電圧の倍周波の正弦波 電圧の瞬時値 電流の瞬時値 6 Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 29 (4) 異常電圧･電流制御 過電圧、不足電圧 過電圧は設備の寿命を消耗し,設備を破壊することもあるので、リレーで検出したら 、状況に応じて、警報発出、切り離し等の処置を行うシステムとする。 不足電圧は、電源側回路の短絡などの異常の可能性があり、警報、切り離し等の 処置を行うシステムとする。 過電流 過電流は受電側回路での短絡等の異常を示すので、リレーで検出したら、状況に 応じて、警報発出、切り離し等の処置を行うシステムとする。 2回線送電線 変電所 A A A A 1号線(3相) A A A A A 2号線(3相) A 遮断器 V A A V 2009/6 A V V A 電圧検出 電流検出 計器用変流器 計器用変圧器 Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 V 30 ３．ネットワークセキュリティの確保 (1) 単純故障 (2) 多重故障 (3) 同期安定度と電圧安定性 (1) 単純故障 N ‐ 1 ルール ・障害の影響の大きい上位系統では、単一設備事故で供給停止を生じないように計画 健全設備の過負荷容量活用を許容。 例 変圧器110%、送電線90℃ 100℃ 事故設備はリレー（保護継電器）により検出し、遮断器により速やかに切り離す。 ・影響範囲の小さい配電系統事故では一時的な供給支障を許容するが、早期復旧できる 構成とする。 高圧系統は自動切換え。 配電自動化システム リレー、自動化システムが動作。 末端系統は復旧まで停止。 現地作業による仮供給を含めた供給回復 (2) 多重故障 ・上位系統では、全系停電への移行を阻止する構成とする。 電源制限、負荷一部遮断など 系統リレー、転送遮断など ・配電系統事故では早期復旧に努める。 2009/6 Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 31 (3) 同期安定度と電圧安定性 同期安定度 主として系統事故によって、送電電力が急変した時、送電側発電機は軽負荷 となり加速し、受電側発電機は重負荷となり減速する。事故が継続すれば、 同期機間に脱調が生じる。 放置すれば全系停電、系統崩壊に至る。 対策 計画段階での検討により、送電線強化等の方策実施。 運用段階では事前検討により潮流減少策等を行う。脱調リレーによる系統分離措置 電圧安定性 主として送配電設備の重負荷化により、電圧調整装置が機能せず受電側電 圧維持ができなくなることがある。 対策 計画段階での検討により、送電線強化、無効電力供給強化等の方策実施。 運用段階では事前検討により潮流減少策等を行う。リレーによる負荷遮断。 2009/6 Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 32 参考 交流送電の安定度(安定性) • 同期(送電)安定度(脱調が起きるかどうか) – 定態安定度(静的) • 系統に微小擾乱を与えた時の安定度 – 過渡安定度(1～2秒間の現象) • 過渡リアクタンスの背後電圧一定時の安定度 – 動態安定度(10秒以上) • あらゆる制御装置が動作する時の安定度 • 電圧安定性(電圧崩壊が起きるかどうか) – 静的検討 – 動的検討 2009/6 Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 33 • 同期安定度、送電安定度 同期機の機械的入力と電気的出力の不平衡による動揺が起 きたとき、脱調することがある。脱調するとき「不安定」、脱調しないとき「安定」であると いう。 事故等の影響により加速、減速が生じ脱調が起きやすくなる。動揺してもいずれ安定化すると き安定、脱調してしまうとき不安定という。 簡略運動方程式 J* d2θ／dt2 =Tm－Te J: 慣性定数、両辺に角加速度ωmをかけて、 M d2θ／dt2= Pm－Pe 通常、Pmは応答が遅く、Peは事故などの電気現象で瞬時に変化するので 過渡的に入出力差が生じこれがロータを加速、減速する。 詳細には、M d2θ／dt2+ Ddθ／dt +Kθ= Pm－Pe 慣性定数+制動項+同期化力 固定子 電気的出力 Pe 原動機 回転子 Pm Pm > Pe Pm < Pe 加速 減速 発電機 ・電圧安定性 -負荷の増加で無効電力のバランスが崩れ、電圧が崩壊することがある。 対策 リアクタンスの減少 並列回路増加 無効電力供給源の増加 SC, 同期調相機, SVC, SVG 電圧・無効電力制御装置の高速化、高度化など 2009/6 Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 34 X0 2 回線送電線の１回線事故の例 通常、X 0 X 2 X 1 である。 X1 G G X2 G 2.5 平常時=事故前 Pe=1.25*1.05/0.67*sinθ 入出力 2 P V1V2 sin X0 事故除去後 Pe=1.25*1.05/0.87*sinθ 1.5 pu P 減速 Pm V1V2 sin X2 1 同一面積がとれれば安定 加速 0.5 t = t1 t = t0 0 0 同期安定度 2009/6 事故継続中 Pe=1.25*1.05/4.0*sinθ Pe 15 30 45 60 P V1V2 sin X1 75 90 105 120 135 150 165 180 相差角(θ度) Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 35 相差角動揺曲線の例 Swing curves 不安定 unstable θ 安定 stable θ θ1 θ1 θ2 θ2 time t0 t1 time t0 t1 t0: 事故発生時刻 t1: 事故除去時刻 2009/6 Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 36 V1 V1V2 sin の導出 X P I j V1 j j0 V2 jX V2 j0 S=P+jQ V2を基準ベクトルとし、 のリアクタンスを I V1 S P j V2 jX jQ 送電系統の基準容量ベース Xとすれば、 , V1I V1 j V1 j V2 jX j V12 V1V2 X V1V2 V12 V1V2 cos sin j X X V1V2 V1V2 P sin X X V1 , V2はほぼ定格電圧で運転 されるから一定と見 %値 なせば 100% 1.0 per unit 1.0 、 100 XP j 安定度向上方策 安定度を向上させるには、 1. 送受電端間の相差角θを小さくする。 2. 加速エネルギーPm – Peを小さくする｡ 3. 慣性定数I Mを大きくする｡ 4. 事故除去後の送電電力を大きくする。 制動効果を付加する。 などの方策がある。 1. 送受電端間の操作角θを小さくする方策 ①並列回路を増やす 1回線 2回線 4回線 jX jX/2 jX/4 ②直列コンデンサを挿入する j(X – Xc) jXc となる。 2009/6 Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 37 2. 加速エネルギーPm – Peを小さくする方策 3. 慣性定数J Mを大きくする｡ ①フライホイール付加する｡ ①Peを大きくするため発電機側に抵抗を挿 ② J、Mを大きく設計する。 入する。 4. 事故除去後の送電電力を大きくする。 ① PSSの設置(制動効果:長周期動揺対応) 加速エネルギーが増加しようとするときに 励磁が強まり電圧が上がり、送電量Peが増 加するように制御する (PSS:Power System Stabilizer) ② 高速励磁装置 ③ 電圧維持装置の設置 SVCなど ④ 急速位相制御の導入 ⑤ 中間点の電圧維持(次ページ) ⑥ 中間開閉所の設置 ②Pmを急速に下げる タービンバイパス制御 T G X/2 X X/2 3X/4 中間開閉所 2009/6 Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 38 中間点の電圧維持、相差角の縮小(中間機効果) P1 P2 V I1X I1X V V V’ V I2X δ1 δ2 δ1 P1=(V2/X)*sinδ1 (cos δ2) < 1であるから, δ1= δ2なら P1> P2, P1=P2ならδ1<δ2. V I2X δ2 P2=(VV’/X)*sin δ2 = (V2/2X)*sin 2δ2 =(V2/X)*sin δ2 *cos δ2 中間点 G1 2009/6 G2 C G1 Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 C 39 参考 電圧安定性 電圧 左図の系統で負荷を増加 させると電圧と負荷との 関係は右図のようにノーズ (横向きのVカーブ)状となる ノーズの先端より大きな電 力は送れない。タップ切換 え装置など電圧制御系は この曲線の上側の垂下特 性を前提に作られているた めノーズ先端より下では電 圧は急速に低下し、送電不 能となる 系統イン ピーダンス 電源 G 負荷 図１ 電圧 1.0pu 安定限界 電圧の位置 負荷電力 図２ 電圧 1.0pu 電圧目標値 電圧目標値 1.0pu 調相設備投入量を 増加させた場合の 安定限界電圧の位置 図３ 電圧目標値 同期調相機など能動 素子の場合はノーズ 先端の上昇が緩慢 2009/6 負荷電力 図４ 調相設備投入量を 増加させた場合の 安定限界電圧の位置 電力用コンデンサなど 負荷電力 受動素子の場合はノーズ 先端が上昇しやすい Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 40 参考 電圧安定性向上方策 電源 系統イン ピーダンス G 負荷 左図の系統で (1)系統インピーダンスを減らす そのためには、同期安定度向上方策と同様 並列回路の増加、直列コンデンサ設置などを行う。 (2)無効電力供給設備の増設 前頁の図３、図４のようにノーズ先端が右に移動する。ただし図4 のように安定限界電圧が上昇するのは避ける。 同期調相機設置や上記(1)の系統インピーダンス減少対策を実施 (3)電圧無効電力の制御方式の改善 無効電力バランスを修正するのか、タップ位置の修正をするのかを 適正に判断して制御する。調相設備全量投入後はタップをロックす るなど負荷や系統状況に応じた補正が可能になるようにする。 電圧 V2+ 電圧 電圧目標値 1.0pu 1.0pu 電圧目標値 タップ下げ Var過剰 （吸収） V1ー V1+ Var不足 （供給） 負荷電力 (1)系統インピーダ ンス減少の効果 2009/6 負荷電力 (2)無効電力供給 設備増加の効果 Copy Right (c) 2009 宮田明則技術士事務所 タップ上げ V2ー (3)制御装置イメージ V1一次電圧、V2二次電圧 41
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