直流マイクログリッド電源シリーズ RACPRO1: 産業オートメーション用ユニバーサル電源

Illustration of an energy grid and microgrid with wind turbines, solar panels, diesel generators, and lithium-ion storage
建物内の主配電は、アプリケーションのニーズ、安全性、歴史などの要因に基づいて、電圧レベルや仕様が異なります。交流配電の場合、公称電圧と周波数が鍵となり、世界標準規格が異なる電圧レベルに影響を与えます。

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はじめに

私たちは壁のコンセントから出てくる主電源が交流(AC)であることに慣れていますが、これは必ずしもそうではなかった。電気の黎明期には、直流(DC)も広く使われています。エジソンとテスラのAC対DCの戦いの歴史はよく知られており[1]、テスラのACソリューションが最終的に世界中で受け入れられるようになりました。今日のダイナミックな産業環境では、電源ソリューションにかつてない柔軟性と効率が求められており、特にソーラーパネルや家庭用バッテリーなど多くのグリーン・エネルギー・システムが直流電源であることから、直流が選択肢として戻ってきています。

ビルの配電におけるAC電源とDC電源の比較

ビルの主電源配電に関しては、様々な電圧レベル、仕様、フォームファクター、公差があります。交流配電と直流配電の要件を決定する論理の大部分は、アプリケーションのニーズ、安全性、経済性、歴史、そして理想的には実用性に基づいています。AC配電に焦点を当てたとしても、世界標準によって規定された電圧レベル/範囲は数多くあります。電圧バスを定義する非常に基本的な特性は、その公称電圧と周波数特性です(最大電流は、導体やインフラなどのサイジングにより適用されます)。世界の AC 主電源 [2] の概要を図 1 に要約します。

Global map of power plug types, voltage ranges, and socket standards with safety symbols

図1:国別の幹線電力、特にヨーロッパ大陸についてはパブリック・ドメイン、https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=8781813

主電源から独立、安定、調整されたゲート電圧供給を提供することは、絶縁型DC/DCコンバータのもう1つの利点です。一般的なゲート駆動回路では、一次電源はリニア・レギュレータまたはブートストラップ回路を使用してゲート電圧を導出します。リニア・レギュレータは実装が簡単な反面、入力電圧と出力電圧の差が大きいと効率が悪くなり、電力損失が大きくなる傾向があります。過剰な電力損失は熱管理の問題につながり、ヒートシンクや冷却ソリューションの追加が必要になる場合があります。一方、ブートストラップ回路は、ハーフブリッジ構成でハイサイド・トランジスタのゲート電圧を供給するチャージ・ポンプ機構に依存しています。そのため、ブートストラップ・コンデンサのサイズを注意深く決め、オン時間全体にわたってトランジスタのゲートを駆動するのに十分な電荷を確保する必要があります。デューティ・サイクルとスイッチング周波数は回路の性能に影響し、電圧降下や不安定性を引き起こす可能性があります。
RECOM RACM1200-48SAV/ENC Label
図2:RECOM AC/DC電源の安全ラベル(例)
世界的な電圧レベルを注意深く観察すると、50または60Hzで100-240VACの全体的な範囲が得られています。以下の電源装置の安全ラベルの例をご覧ください。このラベルは、認証され、出荷され、国際的なソリューションに貼られているものであれば、図2に示すように見つけることができます。

可能な限り広範囲をサポートしたいと考えるのは自然なことのように思えるかもしれませんが、人生におけるあらゆること(特に電力)と同様に、与えられたアプリケーションや使用空間に対してソリューションを最適化するためには、トレードオフをしなければなりません。また、理想的でない状況を考慮するために、すべての設計に組み込まなければならない公差もあります。電圧に関しては、過電圧シナリオ(通常、機器の保護に加えて、個人の安全に関連)、不足電圧シナリオ(機器の保護も兼ねて、稼働時間を最大化)、および多相ソリューションにおける相電流のバランシングに対する保護に関連する可能性があります。ライン周波数については、これは電力品質とグリッドの安定性に関連する可能性があります。これらの保護/機構がどのように達成されるのか、またなぜ達成されるのかについては、この議論の範囲外ですが、RECOMの「AC/DC Book of Knowledge」で幅広く取り上げられています: ユーザーのための実用的なヒント" [3]をご参照ください。

一般的な公差を±10%とすると、多くの電源装置の安全ラベルに記載されている90-264VAC、47-63Hzという普遍的な範囲をどのように定義できるかはすぐに明らかになります。これは、多くの国際規格から、より普遍的なサポートのために統合された範囲に至る方法を示すための簡単な例に過ぎませんが、非常に一般的なものであり、任意の主電源仕様の動機には踏み込んでいません。航空機/船舶電源用の400Hz規格のように、軍事用および/または産業用アプリケーションに特化した他のサポート範囲もあります。複数の単電圧電源は、三相ACシステムで見られる電流を最小限に抑えながら電力供給を最大化するために、位相角によって分離することもできます。

結局のところ、ほとんどの最終システムや負荷は直流電源で動作します(ACモーターは顕著な例外)。そのため、直流電圧電源にはACよりもさらに多くの規格があるにもかかわらず、通常は設備/ビル規模の配電用ではありません。高電圧は1,000/1,500V(それぞれAC/DC)以上と定義されますが、安全上(人体への接触)、60VDC以上のものは高電圧とみなされ、安全特別低電圧(SELV)とも呼ばれます。一般に高電圧データセンター(HVDC、直流と混同しないように)と呼ばれるものについては、1つの規格しか存在しません(実際には世界中に多数存在する)が、300~400VDCの範囲で配電アーキテクチャを呼び出すためのさまざまな規格が存在します。

この論理は、サーバー/ネットワーク・ハードウェアとそれをサポートするインフラがすべて、力率補正(PFC [4])AC/DC電源でユニバーサルAC入力をサポートするように設計されている場合、同じ機器はすべて、整流されたAC入力波形から得られるDC電圧を扱うことができるため、変換段(およびその除去によって得られるすべてのもの)の緩和を正当化するというものです。DC24V配電は、小型のリレー/ブレーカー/モーターや、DINレール[5]規格のような標準的で機械的なフォームファクターに最適化された小型のシステムなど、産業環境では一般的です。その他のよく知られたDC配電には、ユニバーサル・シリアル・バス(USB、5-20VDC)やパワー・オーバー・イーサネット(PoE、44-57VDC)があり、ハイブリッド・ケーブルで電力とデータ導体を組み合わせています。

施設の主配電電圧の選択は、単にどの機器がそこに接続されることになっているかということだけでなく、資本支出と運用支出(それぞれCAPEX/OPEX)の決定に関連する多くの要因によって左右されます。安全性は、ほぼ常に配電アーキテクチャを決定する重要な要因であり、オペレータの被曝、導体間の間隔、および動作環境の制約に関するワーストケースの予想に基づいて考慮されなければなりません。配電バスアーキテクチャの統合は、機器購入の合理化(CAPEX)と機器/機械の効率的な利用(OPEX)において多くの利点を提供します。上流のソース(ユーティリティ・グリッド、エネルギー貯蔵など)から最終負荷(システム、ASIC、モーターなど)までの変換段階が少ないほど、機器購入の合理化と規模の経済の活用という点で得られるものが多くなります。共通化はまた、ネット負荷ダイナミクスの緩和にも役立ち、予測不可能性を狭めることでエネルギー効率の最適化を可能にし、その結果、インテリジェント電力管理(IPM[6])技術の機会が高まります。

共通主管や共通配電は、ここで包括的に検討するよりもはるかに多くの利点をもたらしますが、他のいくつかのカテゴリーでは認識されるべきです。メンテナンス・スケジュールをより予測しやすくし、管理する部品点数を少なくすることで、短期および長期の経費を大幅に節約することができます。交換・管理する部品点数の削減は、消費時点でのユーザーサイクルの節約から、交換のための諸経費や輸送費の削減まで、波及する多くの明白な利点をもたらします。

将来のスマートビルディングや工場への移行に伴い、一般的なフォームファクターで構成可能性と俊敏な変更の両方の長所を得ることが成功のために重要です。品質の観点からは、システム(特にコンポーネントとモーター)は、より制約の多い、予測可能な運転/環境条件とメンテナンス・サイクルで機能すれば、より長持ちします。これらの一次的な利点は、どこまで深く分析したいかによって、膨大な二次的な利点のリストにつながります。例えば、共通の配電は、中間電圧のためのエネルギーバッファとして機能する必要がある高価なバックアップ電力および/またはエネルギー貯蔵ソリューションを軽減することができます。電力供給ソリューション全体が、入力電力から出力電力への転流において数パーセント効率化されるだけで、負荷ポイントから発電所まで波及するCAPEX節約から正当化されます。

分散型エネルギー資源(DER)が風景を変える

Microgrid diagram linking utility grid, renewables, EVs, storage, and buildings
分散型エネルギー資源(DER [7])の概念は新しいものではないが、より持続可能な世界への移行を可能にするために、現代的な意味で採用されています。この考え方は、制御と使用のために限定された、より小型でモジュール化されたユーティリティ・ソリューション・ブロック(すなわち、電源、配電、変換、貯蔵など)を多数持つことであり、マイクログリッドとしても知られています。

DERのマイクログリッドは通常、完全に独立して動作する能力(「スタンドアロン」または「アイランド」モードとして知られます)、あるいは系統連系時に互換性を持つ能力によって特徴付けられます(注:「互換性」という用語は非常に広義であり、この文脈では意図的に選択されています)。

かつての送電網を明日のインテリジェントな電力管理のスマート・グリッドに変える技術の大半は存在し、何年も前から存在しています。しかし、電力会社規模の電力インフラをアップグレードするために多世代に渡るシフトを行うのに必要なマクロ経済的動機は、ほとんどの政府や先進国でさえもいまだに理解されていないようです。太陽光発電(PV)パネルは50年近く前から市販されていますが、双方向の電力管理を最大限に活用するための送電網インフラは新しいコンセプトです。残念ながら、先進的なエネルギー貯蔵技術への投資は、負荷側(より高速で安価なシステム)への投資に遅れがちであります。
Graphic showing different energy sources, including renewable and conventional energy types

図3:集中型発電(左)と分散型発電(右)、時系列比較、Graphic:Bartz/Stockmar, CC BY 4.0

重要なエネルギーのバックアップと、断続的なエネルギー源(風力や太陽など)の経済的な最大化の両方のための複数のユースケースにおけるエネルギー貯蔵のアプリケーションは、既存のリソースをアップグレードし、予見可能な将来のために将来を保証する施設を作成することを検討するための新しい考え方を余儀なくされています。DERのモジュール化された性質は、エネルギー貯蔵のニーズが、バルクのニーズから切り離されるだけでなく、アプリケーションに合わせて適切なサイズにできることを意味します。さらに、これはエネルギー貯蔵導入のさまざまな側面に適用されるべきです。

例えば、風や太陽が豊富でエネルギーコストがリアルタイムで低い時に、再生可能エネルギーで発電された余剰エネルギーを貯蔵し、コストが高い時にそれを事業者に販売することで、純粋に経済的な機能を提供することができます。さらに、重要なエネルギーのバックアップという伝統的な機能や、「ピーク・シェービング」に使用したり、局所的な貯蔵を使用して頻繁でないエネルギーピークに対応したりすることで、インフラ全体(例えば「仮想発電所」)を絶対的な最大ピークよりも最大定常状態に設計できるようにします(非常に大きなCAPEXとOPEX節約の可能性がある)といった新たな機能もあります。

DERは、現在の電力会社の経済性を根底から覆す力を持っています。従来、1日の始点と終点におけるピークの二峰性分布がアヒルの背中に似た形状を形成することから、1日を通しての系統エネルギー源の時間ベースの関係は、「アヒル曲線」として知られるものに従います [8]。電気経済学では、1日のこれらの時点に需要のピークがあり、その間に小康状態があると仮定しています。すべての機器が「スマート」になり、カーブの小康状態の間に電源利用を最適化する能力を持つようになったらどうなるでしょうか。制御システムの観点からは、これは最終的にパラドックスとなります。そうでなければ、ダックカーブの予測可能な特性は、大量の負荷が従来の小康状態を待つことができ、十分に集約されれば、ダックカーブを正反対に反転させるというシナリオに道を譲ることになります!需要に応じて電力コストが1時間に数回変化するダイナミックなエネルギー市場にとって、これはどうなるのでしょうか?

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