グリッドを変更する必要があります。車両から暖房システム、コンロに至るまであらゆるものを電化するには、米国の送電網は約57%拡大する必要がある柔軟性も高まります。太陽光と風力エネルギーは再生可能エネルギーです将来のクリーンエネルギー網を支配する可能性が最も高い。しかし、それらは主に、電力を必要とするハブから遠く離れた遠隔地で発見されています。

そしてそれが問題なのです。今日の伝送システムは、リモートからの電力をすべて取り込むように設計されていません。特に晴れた日に砂漠で電力が爆発的に発生すると、送電網に障害が発生する可能性があります。小さなブリップが伝播して停電を引き起こしたり、送電線に過負荷がかかる可能性があります。

しかし、場所と方法をより適切に制御できたらどうなるでしょうか太陽エネルギー「あるいは私たちのすべてのエネルギー」が配電システム内を流れるので、すべての電力のバランスをとることができるのでしょうか?これに向けて、国立再生可能エネルギー研究所 (NREL)、フロリダ州立大学、オハイオ州立大学の専門家チームが取り組んでいます。

過去 4 年間にわたり、チームはまったく新しい種類のグリッド技術を研究し、磨き上げるためのテストベッドを構築しました。これは、グリッド運営者が電気の流れと場所をより適切に制御できるようにするものです。バックツーバック中電圧コンバータと呼ばれるこのデバイスは、置き換えられる技術の数分の一の重量とコストでそれを実現できます。

「これは、電力会社が配電システムを管理する全く新しい方法を開く全く新しいタイプの装置です」とNRELの研究者バリー・マザー氏は述べた。「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 リソースを回路に配置できるでしょう。」

マザー氏が率いるこのプロジェクトは、米国エネルギー省から一部資金提供を受けており、中電圧シリコンカーバイドのグリッドアプリケーション開発、テストベッド、および分析プロジェクト (GADTAMS) として知られています。GADTAMS は 2023 年 12 月に終了しました。しかし、これらの新しいグリッド技術を研究し改善するための、この種初のプロトタイプと完全に機能するテストベッドを含むこのプロジェクトの成功は、米国のグリッドの進化に役立つ可能性があります。

中圧電力変換器の利点

ヨーロッパに住んでいない限り、窓の外の送電線には中圧の電気が流れています。

「米国のグリッドは…そうですね、少し独特です」とマザー氏は語った。「当社にはいわゆる中圧配電があり、最終的には顧客の近くに届けられます。」

現在、変圧器と呼ばれる送電網装置は、中圧の電気をより高い電圧に変換して、高速送電線を通過できるようにしたり、家庭に安全に電力を供給できるように低電圧に変換したりしています。

木の枝が電線に落ちて、近隣への電気が遮断されたとします。現在、電力会社の作業員は変圧器のスイッチを開閉して、近くの送電線から停電した送電線に電力を供給し、作業員が木を撤去している間に少なくとも一部の電力を復旧できます。

それは素晴らしいことです。しかし、もっと良くできるはずです。

変圧器をバックツーバックコンバータに置き換えると、電力が自動的にリダイレクトされ、停電時間が短縮されます。さらに、変圧器は扱いにくく、少々高価で、サプライチェーンが不安定なため、到着までに最大 2 年かかるものもあります。バックツーバックコンバータは、変圧器ベースの低電圧システムに比べてサイズが約 5 分の 1、重量が 10 分の 1 です。

「直接中電圧変換ができれば、実質的に変圧器を完全になくすことができます。」とマザー氏は語った。

電力共有は緊急時のみに有益ではありません。今日の屋上ソーラー パネルの多くは、まずエネルギーを低電圧に変換し、次に中電圧に変換する必要があります。中電圧コンバータを使用すると、そのエネルギーは不必要なハードルを回避できます。

「これは配電システム全体にわたる電力の裁定のようなものです」とマザー氏は言う。「これにより、分散型リソース、特に太陽光発電による影響の多くを軽減できます。」

つまり、中電圧コンバータは、電力会社が地域の送電網を通ってどこにどのように移動するかを安全に制御するのに役立つ可能性があります。そしてそれは、将来のクリーン エネルギー グリッドの回復力と信頼性の両方を高めるのに役立つ可能性があります。

中電圧技術を安全に研究するための最初のテストベッド

中電圧コンバータはまだ比較的新しい技術です。つまり、米国の電力網に導入するのに十分な効率性、手頃な価格、安全性を確保するには、広範なテストを受ける必要があります。

しかし、中電圧デバイスを構築したり研究したりするのは簡単ではありません。

NRELの研究エンジニア、ラマナサン・ティアガラジャン氏（通称「ラム」）は、「起動、運用、シャットダウン手順のチェックリストを何度も書き直す必要があった」と語った。

NREL のエネルギー システム統合施設では、チームは中電圧コンバータから恩恵を受けることができる種類の電力システムのレプリカを丹念に構築しました。乗組員だけでなくプロトタイプの安全もチームの最優先事項でした。

市バスほどのスペースを占めるテストベッド全体は、平均的な男性の背丈ほど（ただしレブロン・ジェームズよりは低い）の黒いフェンスで囲まれている。内部では、絶縁されたワイヤーがコンバーター（本棚のように見えます）から灰色の金属キャビネットに蛇行したり、棚に沿ってきちんとコイル状に置かれたりしています。

チームの学術パートナーは 1 つのプロトタイプを構築しました。それは、ツインと連続して動作するように設計された 10 キロボルトの炭化ケイ素ベースの電力コンバータです。研究者らはプロトタイプをグリッドのレプリカに接続する準備ができたとき、中電圧範囲に達するまで電圧を少しずつ上げました。このプロトタイプはあまりにも貴重で（そして高価で）、強すぎる電気のサージによって損傷するリスクを冒すことはできませんでした。

「実際に5キロボルトの範囲まで到達しました」とマザー氏は語った。「これは大きな数字ではありませんが、これまでにこれまでに達成した数字よりも高い数字です。」

そしてそれはうまくいきました。その後、チームはシステムによって制御された電気の流れがどの程度良好であるか、変更が必要かどうかを確認できるようになりました。次に彼らは、中電圧デバイスがどのように電力供給に役立つかについてのさらなる研究のためにテストベッドを公開する予定です。グリッド別のクリーンエネルギー源として水素を適応または依存すること。NREL チームはまた、中電圧パワー エレクトロニクス専用のまったく新しい施設でさらに高い電圧に到達したいと考えています。

「一般的に中電圧電力変換はその日が急速に近づいているようだ」とマザー氏は語った。「今後ますます多くのアプリケーションが登場し、これに興味を持つ人がますます増えるでしょう。

「私たちは今、この GADTAMS プロジェクトだけでなく、将来のためにもこのテストベッドを利用できることを非常にうれしく思っています。」と Mather 氏は続けました。「基本的には中圧パワーエレクトロニクス開発の本拠地です。」