交直変換所

交直変換所 (Converter Station)

交直変換所は、高圧直流（HVDC）送電システムの中核をなす電力設備であり、交流電力と直流電力を相互に変換する役割を担います。この機能は、数百キロメートルを超える長距離での送電、大容量の海底ケーブル送電、あるいは周波数や制御方式が異なる電力系統間を安定して接続するために不可欠です。

設備の構成

交直変換所は、電力変換の心臓部である変換器に加え、電力系統との接続や電力品質の維持に必要な多様な設備で構成されます。主要な設備としては、以下のようなものが挙げられます。

変換器: 交流と直流の変換そのものを担います。
交流開閉装置: 交流系統からの電力受給や遮断を行います。
変換用変圧器: 交流電圧レベルを調整します。
無効電力補償設備: 安定した運転に必要な無効電力を供給します。
高調波フィルタ: 変換過程で発生する高調波成分を除去します。
直流設備: 直流系統側の平滑化や保護を行います。

電力変換技術

変換器本体は、通常「バルブホール」と呼ばれる専用の建物内に設置されます。初期のHVDCシステムでは水銀アーク整流器が使われていましたが、1970年代半ば以降は、サイリスタやIGBT（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などの半導体素子（バルブデバイス）が主流となりました。

サイリスタを用いた方式は他励式電流形変換器と呼ばれ、変換動作に交流系統からの電圧を必要とします。多数のサイリスタを直列に接続したサイリスタバルブを基本単位とし、これらを組み合わせてインバータ回路を構成します。これらのバルブは、床や天井から絶縁体で支持される形で設置されるのが一般的です。

1990年代後半からは、IGBTなどを採用した自励式電圧形変換器の利用が進んでいます。自励式は、交流系統からの電圧供給なしに変換を開始できるなどの優れた制御特性を持ちます。

ほとんどの変換器は、交流を直流に変換する整流と、直流を交流に変換する逆変換（インバータ）の両方向で電力のやり取りが可能です。

主要な構成設備の機能

変換用変圧器

交流系統の電圧を、変換器が扱うのに適切なレベルに調整する役割を持ちます。特定の巻線接続（例: デルタ-スター）により、変換器が12パルス動作することを可能にし、高調波発生を抑制する効果もあります。変換器の動作特性上、通常の変圧器よりも騒音を発生しやすい傾向があるため、騒音対策が考慮されます。容量が大きい場合は、輸送の都合などから複数の単相ユニットを組み合わせて使用することがあり、予備品の共通化による経済的なメリットもあります（3相ユニットよりも単相3ユニット+予備1ユニットなど）。

無効電力の制御と補償

他励式変換器は、その運転時に設備容量の40〜60%に及ぶ無効電力を消費するため、コンデンサバンクや同期コンデンサといった無効電力補償設備により、この不足分を供給する必要があります。一方、自励式変換器は無効電力を制御する能力を持つため、別途大規模な補償設備を必要としない場合が多いです。高調波フィルタ設備も、無効電力供給の一部を担うことがあります。

高調波の抑制

電力変換の過程では、基本周波数以外の高調波成分が発生します。これらの高調波は電力系統や通信設備に悪影響を及ぼす可能性があるため、高調波フィルタによって除去することが必須です。フィルタは特定の高調波周波数に同調する回路で構成され、無効電力供給の機能も兼ねることがあります。自励式変換器は発生する高調波成分が比較的少ないため、フィルタ設備の規模を縮小できる傾向があります。

直流設備

直流側には、電流を平滑化して安定させるための平滑化リアクトル（コイル）が設けられます。これは0.1Hから1H程度のインダクタンスを持ち、空芯型または鉄心型で構成されます。空芯型は、騒音が少なく、油漏れのリスクがなく、過電流時にも飽和しにくいといった利点があります。また、直流線路上の高周波ノイズを除去するための直流フィルタも使用されます。

交流開閉装置

変換所を交流系統に接続・解列するための設備であり、過電流保護のための遮断器、回路の切り替えやメンテナンス時の安全確保のための断路器、計器用変成器などが配置されます。雷サージからの機器保護のため、避雷器も設置されます。

設置と経済性

交直変換所は、その複雑な設備構成から、同規模の従来の交流変電所に比べて広大な敷地を必要とします。例えば、600MWクラスの設備では、およそ300m四方程度の敷地が必要となります。また、運転に伴う騒音や無線周波数干渉を発生させる可能性があるため、設置場所の選定や、騒音対策（例：防音壁）およびRFシールドなどの配慮が重要になります。環境対策として、変圧器油の流出による土壌・地下水汚染を防ぐ措置も必須です。

建設コストは、同規模の交流変電所に比べて2〜3倍程度高くなるのが一般的で、工期も同様に長くなる傾向があります。これがHVDCシステム導入における主要な課題の一つとされています。このため、特に洋上風力発電などにおける洋上直流送電設備では、コスト削減や工期短縮を目指し、工場で主要ユニットを組み立てて現地での設置工事を最小限にするパッケージ化が進められています。

日本における展開

日本国内でも、以下のような目的で交直変換を伴う設備が運用されています。

電力系統間の長距離連系: 北海道・本州間や紀伊水道では、送電線本数の削減や、潜水艦探知装置などへの磁気干渉低減といった目的で直流送電が採用され、交直変換所が設けられています。
周波数変換: 東日本（50Hz）と西日本（60Hz）で交流の周波数が異なるため、電力融通には周波数変換が不可欠です。佐久間、新信濃、東清水、飛騨信濃などの周波数変換所では、交流を一旦直流に変換し、目的の周波数で交流に戻す方式が採用されています。この方式は、使用する半導体素子数を抑えられ、制御性に優れるといった利点があります。
* 異なる制御方式系統間の連系: 中部電力と北陸電力のように、電力系統の制御方式が異なる場合に直接接続すると系統安定性に問題（伏流など）を生じる可能性があります。南福光連系所では、このような系統間の安定した連系を実現するために交直変換設備が用いられています。

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