可能出力曲線
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発電機の可能出力曲線（かのうしゅつりょくきょくせん、英: Capability curve）は、発電機が供給可能な有効電力（MW）と無効電力（MVAr）の限界を記述したものである。この曲線は、MW/MVAr平面におけるすべての動作点の境界を表す。通常、横軸に実電力（有効電力）をとって描かれ、同期発電機の場合は形状がアルファベットの「D」の文字に似ていることから、D曲線（D-curve）とも呼ばれる。一部の資料では軸が入れ替わっており、曲線がドーム状の外観になることもある[要出典]。
同期発電機
伝統的な同期発電機において、この曲線はいくつかのセグメントで構成されており、それぞれが物理的な制約に起因している。
- 曲線の右側（定格電圧付近）：発電機は電機子（大型発電機では固定子）の熱放散によって制約を受ける[1]。発熱は有効電流と無効電流の二乗和に比例し、電圧がほぼ一定であればMWとMVArの二乗和にほぼ比例する。したがって、この部分（電機子巻線温度上昇制限）は、(0,0)を中心とする半円
冷却方式によって拡大するD曲線 特定の発電機のD曲線は、冷却性能を向上させることで拡大させることができる。水素冷却ターボ発電機の冷却は水素圧力を高めることで改善でき、300 MVA以上の大型発電機では、より効率的な水冷却が用いられる[3]。
最小負荷制限を持つ同期発電機の可能出力曲線 典型的な同期発電機の実際のD曲線には、もう一つの制限である最小負荷が存在する。最小実電力要件があるため、D曲線の左側は垂直軸（無効電力軸）から切り離されている。一部の発電機はゼロ負荷（同期調相機として）で動作できるように設計されているが、そのような設計であっても、ゼロから最小出力レベルの間での実電力運用は不可能である[4]。
風力および太陽光発電機
フルコンバータ型発電機の可能出力曲線：D型（赤）、長方形（緑）、三角形（青） インバータベースリソース（太陽光発電、倍速誘導発電機、フルコンバータ型風力発電機、別名「タイプ3」および「タイプ4」風力タービン[5]）は、系統の安定性に寄与するために無効電力供給能力を持つ必要があるが、その寄与の仕方は同期発電機とは大きく異なり、内部電圧、温度、電流の制約によって制限される。[6] 電力コンバータの存在による柔軟性のおかげで、市場にある倍速誘導型およびフルコンバータ型風力発電機は、「三角形」「長方形」「D型」といった異なる形状の可能出力曲線を持っている[7]（D型は同期発電機のD曲線に似ている）。長方形やD型の曲線は、理論上、ユニットが（無風や無照のために）有効電力を全く生産していない時でもSTATCOMとして機能し、電圧調整サービスを提供することを可能にするが、すべての設計にこの機能が含まれているわけではない。電力コンバータを持たない固定速風力タービン（「タイプ1」および「タイプ2」[5]）は、電圧制御に使用することはできない。これらは（一般的な誘導機と同様に）単に無効電力を吸収するだけであるため、通常は力率を1に補正するために開閉式のコンデンサ設備が併用される[7]。
太陽光発電機の可能出力曲線 旧式の太陽光発電機は配電網への接続を意図していた。当時の配電網には電圧調整機能が含まれていなかったため、これらのインバータは力率1で動作していた。太陽光発電が送電網に現れ始めると、無効電力能力を持つインバータが市場に登場した[8]。インバータの電力制限は最大全電流に基づいているため、可能出力曲線の自然な形状は半円に近く、全容量動作時には、無効電力を出力または吸収しようとすると常に実電力を下げる必要がある。理論的には太陽光発電機をSTATCOMとして使用できるが、実際には太陽光発電所は夜間に解列される[9]。
電気料金への影響
D曲線の「内部」で動作している同期発電機にとって、無効電力を提供するための限界費用はほぼゼロである[10]。しかし、発電機の動作点がD曲線の角（制限値）に達すると、無効電力出力を増やすためには実（有効）電力を削減しなければならなくなる。電力市場の支払いは通常、実電力に基づいているため、独立系統運用機関から要請されても、発電会社にはさらなる無効電力を提供する動機が働かない[11]。そのため、無効電力管理（電圧制御）は、米国の「発電設備からの無効電力供給および電圧制御（GSR）」のように、独自の料金体系を持つアンシラリーサービスとして分離されている[12]。
参考文献
- ^ a b c d Kirby & Hirst 1997, p. 14.
- ^ Staff Report 2005, p. 42.
- ^ a b Staff Report 2005, p. 43.
- ^ McDowell et al. 2012, p. 12.
- ^ a b Effatnejad et al. 2017, p. 193.
- ^ McDowell et al. 2012, pp. 13–14.
- ^ a b McDowell et al. 2012, p. 14.
- ^ McDowell et al. 2012, pp. 14–15.
- ^ McDowell et al. 2012, p. 15.
- ^ Staff Report 2005, p. 96.
- ^ Staff Report 2005, p. 81.
- ^ Kirby & Hirst (1997), p. 3.
出典
- Kirby, Brendan J.; Hirst, Eric (1997). Ancillary service details: Voltage control (ORNL/CON-453). Oak Ridge, Tennessee: Oak Ridge National Laboratory
- Staff Report (February 4, 2005). Principles for Efficient and Reliable Reactive Power Supply and Consumption. Washington, D.C.: Federal Energy Regulatory Commission
- McDowell, Jason; Walling, Reigh; Peter, William; Von Engeln, Edi; Seymour, Eric; Nelson, Robert; Casey, Leo; Ellis, Abraham et al. (1 February 2012), Reactive power interconnection requirements for PV and wind plants : recommendations to NERC., Office of Scientific and Technical Information (OSTI), doi:10.2172/1039006
- Effatnejad, Reza; Akhlaghi, Mahdi; Aliyari, Hamed; Zareh, Hamed Modir; Effatnejad, Mohammad (5 April 2017). “Reactive Power Control in Wind Power Plants”. In Naser Mahdavi Tabatabaei; Ali Jafari Aghbolaghi; Nicu Bizon et al.. Reactive Power Control in AC Power Systems: Fundamentals and Current Issues. Springer. pp. 191–225. ISBN 978-3-319-51118-4. OCLC 1005810845
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