短絡比 (電力系統)
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電力系統における短絡比（たんらくひ、SCR：Short circuit ratio）とは、ある発電機が接続されている系統内の地点における三相接地（3LG）短絡時の短絡皮相電力（SCMVA）と、その発電機自体の定格出力（GMW）との比である。
系統から供給可能な電力は場所によって異なるため、多くの場合、連系点（POI：point of interconnection）などの場所が指定される。
SCRは、系統の強度（有効電力および無効電力の注入・消費の変化に対応する能力）を定量化するために用いられる。[1] 簡略化して言えば、SCRが高いということは、その発電機が系統との接続点において利用可能な電力のわずかな部分しか占めていないことを示し、したがって発電機のトラブルが系統に大きな影響を与えることはない。[2] 短絡皮相電力（SCMVA）は、3LG短絡直前の電圧と、短絡後に流れる電流の積として定義される（この最悪の組み合わせは実際には起こらないが、回路の容量を推定するのに有用である）。SCMVAは短絡容量（SCL：short circuit level）とも呼ばれるが、[3] SCLという用語が単に短絡電流を指すために使われることもある。[4]
過電流の重要性
系統強度（システム強度、grid strength / system strength）という用語は、系統内の特定の地点付近における小さな変化に対する系統の回復力を表すために使われる（系統の「剛性」とも呼ばれる）。[5] 発電機側から見ると、系統強度は、発電機の電流注入が変化した際に発電機の端子で発生する電圧の変化に関連している。したがって、系統強度の定量化は、これらの端子から見た系統の等価（テブナン）インピーダンスを求めることで行える（強度はインピーダンスに反比例する）。SCRとその派生指標は、通常時または事故時におけるこのインピーダンスを計算するための便利な手段を提供する（これらの推定値は、実際の短絡状態そのものを対象としたものではない）。[1]
強い系統は、電源が同期するための信頼できる基準を提供する。[5] 非常に剛性の高いシステムでは、特定の発電機が注入する電力の変動によって電圧が変化しないため、その制御が容易になる。同期発電機が主体の伝統的な系統では、SCRが3.0より大きい「強い系統」は、望ましい電圧安定性と有効電力予備力を持つ。[4] 一方、弱い系統（SCR値が2.0から3.0の間[6]）では、電圧制御の不安定性や制御上の問題が発生する可能性がある。[5] SCRが2.0を下回る系統は「極めて弱い」とされる。[6]
系統強度は、電力系統の運用に不可欠な過電流供給能力にとっても重要である。弱い系統における過電流能力の欠如（低いSCR）は、以下のような多くの問題を引き起こす。[7]
- 大きな負荷変化時の過渡現象により系統電圧が大きく変動し、負荷に問題が生じる（例：電圧低下状態で一部のモーターが始動できなくなる）。
- 系統の保護装置は、十分なレベルの過電流によって作動するように設計されている。弱いシステムでは、短絡電流を負荷変化時に遭遇する通常の過渡的な過電流と区別するのが難しい場合がある。
- 停電後のブラックスタート運用において、システム構成要素を付勢するために大きな突入電流が必要になる場合がある。例えば、弱いシステムで一部の負荷が接続されたままになっていると、インバータベースリソースが始動できない可能性がある。
インバータベースリソースの影響
インバータベースリソース（IBR）の割合が高まると、短絡容量は低下する。典型的な同期発電機は、比較的長い時間（分単位）にわたって2〜5[7]p.u.という大きな過電流を供給できるが、IBRは構成部品の制約により過電流限界が2[7] p.u.未満（通常は1.1〜1.2 p.u.）に制限される。[4]
上記の当初のSCRの定義は、同期発電が主体のシステムを想定していた。[1] そのため、複数のIBRが近接して存在する系統において系統強度の過大評価を避けるために、加重短絡比（WSCR）、複合短絡比（CSCR）、等価回路短絡比（ESCR）、干渉係数を考慮した短絡比（SCRIF）など、複数の代替指標が提案されている[8][4]（IBRはその動作を同期させるために系統強度に依存しており、過電流能力もあまり高くないためである[5]）。
Hendersonらは、IBRの場合、SCRと系統強度は実際には切り離されていると主張し、新しい指標である「系統強度インピーダンス」を提案している。[4]
再生可能エネルギー源を統合する際、システムの強度がしばしば懸念材料となる。電力システム内のさまざまな構成要素が効果的に機能する能力は、外乱に対するシステム変数の感度を測定するシステム強度に依存する。短絡比（SCR）は、装置の定格電力に対するネットワークバスの強度の指標であり、系統強度の尺度として頻繁に使用される。SCR値が高いほどシステムが強く、外乱による電圧やその他の変数への影響が最小限に抑えられることを意味する。強いシステムはSCRが3以上と定義され、弱いシステムは2〜3、極めて弱いシステムは2未満とされる。[9]
パワーエレクトロニクスの応用において、特に電力網に接続するために電力変換器を使用する再生可能エネルギーシステムでは、SCRに関連する問題によく遭遇する。電流源インバータに基づいたHVDC/FACTS装置を「弱い交流システム」に接続する場合、SCRが3未満であることを克服するために特定の技術を採用しなければならない。HVDCにおいて、SCRが1に近い用途では、電圧源型変換器やコンデンサ転流型変換器が利用される。これらの技術を使用しない場合、影響を判断するための特別な調査が必要であり、低いSCRが引き起こす高過電圧、低周波共振、制御系の不安定性といった悪影響を防止または最小化するための対策を講じる必要がある。
ウィンドファームは通常、主要な電力消費エリアから離れた、堅牢性の低いネットワーク区間に接続される。脆弱なシステムに大規模な風力発電を組み込むことから生じる電圧安定性の問題は、注意を払うべき極めて重要な課題である。一部の風力タービンには、特定の最小系統強度基準がある。GE（ゼネラル・エレクトリック）は、同社の風力タービンモデルの標準パラメータはSCRが5以上のシステムに適しているとしている。しかし、より弱いシステムに接続する場合は、モデルのパラメータが適切に調整されていることを保証するために、さらなる分析を行う必要がある。最適な性能を確保するためには、風力タービン用に特別に設計された制御手法や、STATCOMなどの動的な無効電力補償装置が必要となる。[9]
事例
21世紀初頭のERCOT（テキサス電気信頼性評議会）における経験は、風力タービンの性能が弱い系統強度によってどのような影響を受けるかを示す代表的な例である。2系統の69kV送電線を介してERCOTの電力網に接続されたある風力発電所は、通常運用時のSCRが約4であったときは効率的に動作していた。しかし、69kV送電線のうち1系統が切り離されるとSCRは2以下に低下し、連系点（POI）のPMU（フェーザ測定装置）によって記録されるほど、望ましくない、減衰の不十分な、あるいは減衰しない電圧振動が発生した。詳細な調査の結果、風力発電所で使用されていた積極的な電圧制御が弱い系統環境には適しておらず、それが振動応答の主な原因であることが判明した。風力発電機の電圧コントローラによって検出された低い短絡容量と、高い電圧制御ゲインにより、振動が発生したのである。SCRが高い通常の系統と比較して、弱い系統条件下では閉ループ電圧制御の応答が速くなる。この振動応答を再現するために、風力発電所を代表する詳細な動的モデルを用いて事象のシミュレーションが行われた。[6]
