グリッド振動
電力網の振動
1996年8月10日の停電時における、ある送電線の電力潮流のグラフ上の振動。750秒付近で減衰しない振動が系統崩壊に繋がっている一方、400秒付近で発生した同様の振動は、通常の状況下では当然のように減衰している。

グリッド振動とは、電力系統における低周波（主に1 Hz未満）の周期的な電力潮流変動として現れる振動です。これらの振動は、電力系統制御アルゴリズムで使用される負帰還の自然な効果です。電力系統の通常運用中、システム内の何らかの変化によって引き起こされるこれらの振動は、時間とともに減衰し（数十秒以内に「減衰」します）、ほとんどの場合、目立ちません。システム内の減衰が不十分な場合、振動の振幅は増大し、最終的には停電につながる可能性があります。[1]

例えば、1996年の北米西部大停電の直前、系統は擾乱発生後、約30秒間、0.26Hzの周波数で振動していました。ある時点で、一連の故障と自動保護リレーの作動により制動機能が失われ、最終的に系統は孤立した「島」に分裂し、多くの顧客が電力を失いました。[2]振動を伴うその他の注目すべき事象としては、2003年の北東部大停電と、2009年のテキサス州における分流振動があります。[3]

振動を解析するための理論と計算ツールは利用可能であるものの、2020年代初頭の時点では、実際の電力系統における不安定性の原因を正確に特定することはしばしば困難です。振動自体は正常な現象ですが、わずか10MWの流量差が、振動が減衰する安定状態から、振幅が時間とともに増大する状態へとシステムを遷移させることが知られています。電力系統運用者は、電力系統が減衰限界に近づいていることを警告されないことがよくあります。[4]

減衰不足

振動の主な原因は、減衰が低すぎることです。減衰が弱くなる典型的な状況は以下のとおりです。[5]

  • 長距離にわたる高電力伝送。
  • 弱い連携線によって相互接続された高出力ネットワーク。
  • 高速フィードバック自動電圧制御。

インバータベースのリソースの導入率が高いことで、系統の安定性に関する問題が悪化し、振動（サブサイクル過電圧および交流過電流に加えて）も発生しました。場合によっては、高周波振動（数百Hz）も観測されました。これらの振動は、高電圧直流リンク（HVDC）および静止型無効電力補償装置（SVC）の制御ループの設計によっても発生する可能性があります。 [6]

用語

北米電力信頼性協会は、電力系統の動揺について次のような分類を提案した。[7]

  • システム（自然）：電力不均衡によって引き起こされるローター角度の低周波変化：
    • 局所的振動：発電所内の発電機1台または発電機群（発電所内）の振動。発電機制御との相互作用による大きな負荷、ユニット制御の相互作用、不適切な制御設定などによって引き起こされる（1Hz～数Hz [8]）。
    • エリア間：弱いエリア間連成線によるシステムのいくつかのコヒーレントな部分間の振動（0.1～1.00 Hz [8]）
    • ねじり振動：比較的高い周波数（ただし、線路周波数より低い周波数、「亜同期」）の振動。これは、高電圧補償された送電線とタービン発電機の機械的共振（亜同期共振とも呼ばれ、5.00～50.00Hz）との共振に起因する。これらの振動は、同期発電機に機械的損傷を引き起こす可能性がある。[9]一部の研究者は、線路周波数より低い周波数の振動すべてを「亜同期」と呼んでいる。[10]
  • 強制: 故障した機器など、外部から注入された力による振動。

グリッド振動は、減衰不足の振動モードの相互作用の結果として「マルチモード」になることもあります。[8]

歴史

同期電力システムには、振動が内在する。単純化すると、同期発電機は振り子のように振舞い、同期トルクが重力のように機械を同期状態に引き寄せ、回転子の慣性によって発電機は理想的な同期回転子角度をオーバーシュートする[11]（ハンチング振動参照）。そのため、出力と信頼性を高めるために複数の発電機を並列に接続すると、すぐに振動が観測されるようになった。当時、関係する発電機は互いに近接して設置されており、振動周波数は1～2Hz程度であった。また、振動エネルギーを吸収するために、発電機の設計に制振巻線が追加されていた[2] 。初期の研究は1930年代後半に始まった[12] [13]。

電力系統の規模が大きくなると、高速自動電圧制御が導入されました。これらのシステムの高速フィードバックは減衰率の低下という副作用があったため、動揺を抑えるために電力系統安定装置（PSS）が追加されました。1950年代と1960年代には、電力業界は信頼性と規模の節約のために、グリッドをますます大規模に統合しました。しかし、低周波動揺が大きな問題となり、非同期接続によるシステム接続手段であるHVDCリンクが登場するまで、いくつかの相互接続の試みは実際に放棄されました。[2]低周波グリッド動揺の最初の報告は1964年10月に、 Northwest Power PoolとSouthwest Power Poolを接続する試行中に、0.1 Hzの連系線動揺が観測されました。[5]

21世紀におけるインバータベースの電源の普及により、高周波振動（数百Hz）も発生するようになりました。特に洋上風力発電所では、発電所と電力ケーブルの共振により最大800Hzの振動が発生しました。[6]

参考文献

  1. ^ ロジャース他2025年、1～2頁。
  2. ^ abc Rogers et al. 2025, p. 2.
  3. ^ 王 2021、2頁。
  4. ^ ロジャース他2025年、2～3頁。
  5. ^ ab Wang & Du 2016、p. 2を参照。
  6. ^ ab Chengら。 2023、316–317 ページ。
  7. ^ NERC 2017、5、8ページ。
  8. ^ abc Wang & Du 2016、3ページ。
  9. ^ チェン他2023、316頁。
  10. ^ IEEE サブ同期共振ワーキンググループ 1985、p. 1326。
  11. ^ ロジャース他 2025, p. 1.
  12. ^ システムダイナミックパフォーマンス小委員会の同期共振ワーキンググループ 1992 年、150 ページ。
  13. ^ コンコルディア＆カーター 1941年。

出典

  • Cheng, Yunzhi; Fan, Lingling; Rose, Jonathan; Huang, Shun-Hsien; Schmall, John; Wang, Xiaoyu; Xie, Xiaorong; Shair, Jan; Ramamurthy, Jayanth R.; Modi, Nilesh; Li, Chun; Wang, Chen; Shah, Shahil; Pal, Bikash; Miao, Zhixin; Isaacs, Andrew; Mahseredjian, Jean; Zhou, Jenny (2023). 「インバータベース電源の普及率が高い電力網における実世界における分周振動事象」. IEEE Transactions on Power Systems . 38 (1): 316– 330. Bibcode :2023ITPSy..38..316C. doi : 10.1109/TPWRS.2022.3161418 . ISSN  0885-8950。OSTI  1862948。
  • コンコルディア, C.; カーター, GK (1941). 「電気機械の負の減衰」.アメリカ電気学会誌. 60 (3): 116– 119. doi :10.1109/T-AIEE.1941.5058292. ISSN  0096-3860.
  • ハツィアルギリオウ、ニコス。ミラノビッチ、ヨヴィカ。ラーマン、クラウディア。アジャラプ、ヴェンカタラマナ。カニザレス、クラウディオ。エルリッヒ、イシュトヴァン。ヒル、デイビッド。イアン・ヒスケンス。カムワ、無実。パル、ビカシュ。プルベイク、プーヤン。サンチェス＝ガスカ、フアン。スタンコビッチ、アレクサンダル。ヴァン・カセム、ティエリー。ヴィタル、ビジェイ。ヴォルナス、コスタス（2021）。 「電力システムの安定性の定義と分類 – 再検討および拡張」(PDF)。Power Systems に関する IEEE トランザクション。36 (4): 3271–3281。ビブコード:2021ITPSy..36.3271H。doi : 10.1109/TPWRS.2020.3041774 . ISSN  0885-8950 . 2025年5月9日閲覧.
  • 「分周同期振動の用語、定義、および記号」IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems . PAS-104 (6): 1326– 1334. 1985. Bibcode :1985ITPAS.104.1326. doi :10.1109/TPAS.1985.319152. ISSN  0018-9510.
  • 「サブ同期共振の読者ガイド」IEEE Transactions on Power Systems . 7 (1): 150– 157. 1992. Bibcode :1992ITPSy...7..150.. doi :10.1109/59.141698.
  • NERC (2017年9月). 「信頼性ガイドライン：強制振動の監視と緩和」（PDF） . 2022年6月5日時点のオリジナル（PDF）からのアーカイブ。
  • ロジャース, グラハム; エリオット, ライアン・T.; トゥルドノウスキー, ダニエル・J.; ウィルチェス＝ベルナル, フェリペ; オシポフ, デニス; チョウ, ジョー・H. (2025-02-03). 『電力系統の振動：振動解析と制御入門』シュプリンガー・ネイチャー. ISBN 978-3-031-80581-3. 2025年4月29日閲覧。
  • 王斌（2021年5月13日）. 電力系統の振動を解明する ― 最近および進行中の取り組み（PDF） . 2021年 合同同期情報小委員会（JSIS）会議.国立再生可能エネルギー研究所（NREL）系統計画・分析センター.
  • 王海峰、杜文娟 (2016). 電力系統の低周波振動の解析と減衰制御. ボストン, マサチューセッツ州: Springer US. doi :10.1007/978-1-4899-7696-3. ISBN 978-1-4899-7694-9. 2025年5月10日閲覧。
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