Ansysブログ
March 4, 2024
無効電力とは何か、そしてそれを利用して信頼性の高い送電網を構築する方法
2003年8月の停電を覚えていますか。北米史上最大規模の停電で、米国8州とカナダ2州にわたって5,000万人以上の人々に影響を与えました。
北米電力信頼度協議会 (North American Electric Reliability Corporation)は、電気の流れを維持するために必要な電力である無効電力の不足が停電の大きな原因であったことを突き止めました。
太陽光発電などの再生可能エネルギー源は、電力だけでなく、無効電力の生成にも利用できます。
停電を防ぐために不可欠な無効電力で送電網をサポートするPVシステム。
再生可能エネルギーシステムでは、停電を防ぐためにエネルギー流束を制御して送電網のパッシブ電力を管理するためのスマートインバータも必要です。このニーズを満たすために、ピッツバーグ大学の研究者たちは、送電網の無効電力と電圧を制御するスマートインバータを設計しました。
無効電力とは
無効電力とは、負荷によって消費される有効電力とは対照的に、送電網に戻ってくる電力です。
パイプ内で水を流すための圧力と同様に、電圧は送電線に電流を流す圧力として機能します。これを行うために、電圧は無効電力を利用します。
十分な無効電力がないと、電圧降下が送電網の安定性を低下させます。無効電力は照明や電子機器を能動的に作動させるものではありません。デバイスに電流を流すために、交流送電網で使用する電力と捉えるといいでしょう。
では、どのようにしてより多くの無効電力を発生させるのでしょうか。太陽光発電（PV）システムが答えになるかもしれません。米国では、55ギガワットを超える太陽光発電を見込める設備がすでに設置されています。これは、1,000万世帯に電力を供給するのに十分な量です。
PV電力を送電網に接続すると、無効電力の吸収を必要とする過電圧など、固有の問題が生じます。PV出力も環境要因によって低下する可能性があります。これらの電圧振幅は、従来のパワーマネジメント設備に負担をかけ、メンテナンス、運用、交換のコストが高くなります。
電力会社は、こうした障害を軽減するために、無効電力を発生または消費できるようにPVシステムにスマートインバータを統合することを要求しています。
スマートインバータを使用した無効電力の調整
従来のインバータと同様に、スマートインバータは直流（DC）を交流（AC）に変換します。主な違いは、無効電力を吸収して出力する機能です。このプロセスは、無効電力補償とも呼ばれます。
インバータで無効電力補償を行うことで、デバイスの動作寿命の短縮や故障につながる熱が発生します。
PVシステムとスマートインバータの統合は、近い将来、新しい標準になる可能性がある。
インバータの設計では、通常、多くのプロトタイプを作成し、時間とコストのかかる実験を実行する必要があります。しかし、ピッツバーグ大学の研究者たちは、シミュレーションを使用して、この大きな負担を回避しようとしました。
スマートインバータにおける無効電力応力のシミュレーション
ピッツバーグ大学の研究者たちは、現在はAnsys Twin Builderに含まれているマルチドメインシステムシミュレーションを使用して、スマートインバータの回路と制御アルゴリズムを評価するための電熱モデルを開発しました。
PVスマートインバータを最適化したことで、無効電力応力を管理できるようになった。
インバータをモデル化した際、電気的性能は期待される性能と一致しました。この比較により、モデルがインバータの電気的性能および熱性能を正確に予測できることが証明されました。
その後、インバータの熱力学をプロトタイプで確認する必要性を減らすために特性評価解析を実行し、大幅なコスト削減を達成しました。
また、シミュレーションにより、さまざまな設計構成を評価することができました。それらの構成を検証することで、無効電力の性能とデバイス寿命の間のインバータの重要なトレードオフを最適化できるようになりました。