中電圧コンバータ：グリッドトランスフォーマーのコスト効率的代替

パワーエレクトロニクス インサイダー

中電圧コンバータは、発電所から家庭や企業へ電力を送る、より手頃で効率的な方法を提供する可能性があります。NRELの新しいテストベッドがこれらの有望技術を前進させるかもしれません。（画像：Josh Bauer、NREL）

グリッド拡張の必要性と中電圧コンバータの役割

車両から暖房システム、コンロまであらゆるものを電化するには、米国のグリッドを約57%拡大し、より柔軟にする必要があります。太陽光と風力は、将来のクリーンエネルギーグリッドを支配する可能性が最も高い再生可能エネルギーです。しかし、それらは主に電力を必要とするハブから遠い僻地に存在し、送電システムへの負担となっています。

過去4年間、NRELチームはバックツーバック中電圧（1kV〜35kV）コンバータを研究するテストベッドを構築してきました。これは、中電圧トランスフォーマーを重量とコストの一部で置き換える可能性があります。

「これは、ユーティリティが配電システムを管理する全く新しい方法を開く新タイプの装置です」と、NREL研究者Barry Mather氏。「システム内にこの追加デバイスがあれば、はるかに高いレベルの分散型エネルギー資源を回路に導入できます。」

「米国のグリッドは少し特殊です」とMather氏。「中電圧配電が顧客のかなり近くまで来ています。」中電圧フィーダーがローカルトランスフォーマーに電力を送り、それを標準家庭用レベルの208/120ボルトに降圧します。

樹木の枝が電線に倒れ、近隣地域の電力が遮断されたとしましょう。現在、ユーティリティ作業員はトランスフォーマーのスイッチを開閉して、近くの回線から中断された回線へ電力を移し、作業員が木を撤去する間、少なくとも一部の電力を復旧できます。しかし、トランスフォーマーをバックツーバックコンバータに置き換えれば、電力を自動的に再ルーティングでき、停電時間を短縮できます。

電力共有は緊急時だけでなく有益です。今日の多くの屋上ソーラーパネルは、まずエネルギーを低電圧に変換し、次に中電圧に変換しなければなりません。中電圧コンバータがあれば、そのエネルギーは不要なハードルをスキップできます。

「これは配電システム全体での電力アービトラージのようなものです」とMather氏。「分散型リソース、特に太陽光の影響を大幅に緩和できます。」

要するに、中電圧コンバータはユーティリティが地域グリッドで電力がどう、どこに流れるかを安全に制御するのを助けます。そして、それは将来のクリーンエネルギーグリッドをレジリエントかつ信頼性の高いものにするのに役立つかもしれません。

実証実験と今後の展望

中電圧コンバータはまだ比較的新しい技術です。つまり、米国の電力グリッドに導入するには、効率的で手頃で十分安全であることを確認するための広範な試験を受ける必要があります。

しかし、それらを構築し研究するのは容易ではありません。「起動、運用、シャットダウン手順のチェックリストは書き直しを繰り返しました」と、NREL研究エンジニアのRamanathan Thiagarajan氏。

NRELテストベッドでは、チームは中電圧コンバータの恩恵を受けるタイプの電力システムのレプリカを構築しました。安全性（クルーのためだけでなくプロトタイプのためでも）がチームの最優先事項でした。市バスほどのサイズのテストベッド全体は、黒いフェンスで囲まれています。

チームの学術パートナーが1つのプロトタイプを構築しました：バックツーバックで双子と動作するように設計された10キロボルト炭化ケイ素ベースの電力コンバータ。研究者たちがプロトタイプをグリッドレプリカに接続する準備ができたとき、電圧サージで貴重で高価なプロトタイプを損傷させないよう、電圧を少しずつ上げて中電圧範囲まで到達させました。

「5キロボルト範囲まで到達しました」とMather氏。「大きな数値ではありませんが、これまで誰も運用したことのないレベルです。」

次に、中電圧デバイスがグリッド適応や水素を別のクリーンエネルギー源として活用するのにどう役立つかに関する更なる研究のためにテストベッドを開放する予定です。NRELチームは、完全に新しい施設でさらに高電圧に到達することも期待しています。「中電圧電力変換全般は、その時代が急速に近づいているように見えます」とMather氏。「ますます多くのアプリケーションと、ますます多くの人々の関心が見られるでしょう。」

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