非対称系統故障時の電流制限制御を備えたグリッドフォーミングインバータの電圧サポート能力分析

Concepts de base

非対称系統故障時におけるグリッドフォーミングインバータの電圧サポート能力を最大化するには、電流制限制御によってエミュレートされる仮想インピーダンスの位相角を、コンデンサから故障点までの合成インピーダンスの位相角と一致させることが重要である。

Résumé

グリッドフォーミングインバータの電圧サポート能力に関する研究論文の概要

Zhang, H., Liu, R., & Li, Y. (2024). Voltage Support Capability Analysis of Grid-Forming Inverters with Current-Limiting Control Under Asymmetrical Grid Faults. IEEE Transactions on .

本論文は、非対称系統故障時における電流制限制御を備えたグリッドフォーミングインバータ（GFMインバータ）の電圧サポート能力を最大化する方法を理論的・実験的に調査することを目的とする。

Idées clés tirées de

Voltage Support Capability Analysis of Grid-Forming Inverters with Current-Limiting Control Under Asymmetrical Grid Faults

by Han Zhang, R... à arxiv.org 11-08-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.04864.pdf

Questions plus approfondies

複数のGFMインバータが系統に接続されている場合、それぞれのインバータの仮想インピーダンス制御が互いに干渉し、電圧サポート能力にどのような影響を与えるか？

複数のGFMインバータが系統に接続されている場合、それぞれのインバータの仮想インピーダンス制御が互いに干渉し合い、電圧サポート能力に影響を与える可能性があります。これは、各インバータが他のインバータの応答を考慮せずに自身の仮想インピーダンスを調整するためです。
具体的には、以下のような影響が考えられます。

電圧サポートの過不足: 複数のインバータがそれぞれ最大限の電圧サポートを試みることで、系統電圧が過剰に上昇したり、逆にサポート不足に陥ったりする可能性があります。これは、各インバータが他のインバータの出力電流を正確に予測できないために起こります。
不安定性の発生: インバータ間の相互作用が原因で、系統に不安定な振動が発生する可能性があります。これは、仮想インピーダンスの相互作用が、システム全体のインピーダンス特性を不安定な方向に変化させる可能性があるためです。
電流分担の不均衡: 各インバータの仮想インピーダンスが異なる場合、故障電流の分担が不均衡になる可能性があります。これは、インピーダンスの低いインバータに過大な電流が流れ、保護装置が動作する可能性があることを意味します。
これらの問題を解決するためには、複数のGFMインバータ間で協調して電圧サポートを行う制御方法が求められます。例えば、以下のような方法が考えられます。

分散制御: 各インバータが近隣のインバータと通信を行い、互いの状態情報を共有することで、協調して電圧サポートを行う方法。
集中制御: 中央制御装置が各インバータの状態情報を収集し、最適な電圧サポート量を計算して各インバータに指示する方法。
これらの方法を導入することで、複数のGFMインバータが接続された系統においても、安定かつ効果的な電圧サポートを実現することが可能となります。

系統インピーダンスや故障抵抗が時間とともに変動する場合、GFMインバータの電圧サポート能力を最適化するために、仮想インピーダンスを動的に調整する必要があるか？

はい、系統インピーダンスや故障抵抗が時間とともに変動する場合、GFMインバータの電圧サポート能力を最適化するために、仮想インピーダンスを動的に調整する必要があります。
その理由は、固定の仮想インピーダンスでは、変化する系統条件に対して最適な電圧サポートを提供できないためです。例えば、系統インピーダンスが増加した場合、同じ電圧レベルを維持するためには、より大きな電流を供給する必要があります。しかし、固定の仮想インピーダンスでは、電流制限のために必要な電圧サポートを提供できない可能性があります。
仮想インピーダンスを動的に調整する主な利点は以下の通りです。

最適な電圧サポート: 系統条件の変化に応じて仮想インピーダンスを調整することで、常に最適な電圧サポートを提供し、系統電圧の安定性を維持できます。
過電流の抑制: 系統インピーダンスが低下した場合でも、仮想インピーダンスを増加させることで、インバータに流れる電流を制限し、過電流による損傷を防ぐことができます。
柔軟な運用: 再生可能エネルギー電源の出力変動など、系統条件の変化に対して柔軟に対応することができます。
仮想インピーダンスの動的調整を実現するためには、系統インピーダンスや故障抵抗をリアルタイムに推定する必要があります。そのために、様々なアルゴリズムが提案されています。例えば、系統電圧と電流の測定値からインピーダンスを推定するインピーダンスベースの方法や、系統の物理モデルを用いてインピーダンスを計算するモデルベースの方法などがあります。
これらの技術を用いることで、GFMインバータは変化する系統条件に対して動的に適応し、系統の電圧安定性に貢献することができます。

再生可能エネルギー電源の普及が進むにつれて、系統の電圧安定性に対する要求はますます高まっている。GFMインバータは、将来の電力システムにおいて、電圧安定性を維持するための重要な役割をどのように果たしていくべきか？

再生可能エネルギー電源の普及が進むにつれて、系統の電圧安定性に対する要求はますます高まっています。これは、太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギー電源は、出力変動が大きく、従来の同期発電機のような慣性力が不足しているためです。
GFMインバータは、従来の系統安定化装置である同期発電機の機能を代替し、将来の電力システムにおいて電圧安定性を維持するための重要な役割を果たすことが期待されています。具体的には、以下の3つの役割が考えられます。

電圧・周波数調整機能: GFMインバータは、従来の同期発電機と同様に、系統電圧と周波数を一定に保つための制御機能を備えています。 droop制御や仮想同期発電機 (VSG) 制御などの技術を用いることで、系統電圧と周波数の安定化に貢献します。
故障電流への対応: GFMインバータは、系統故障時に適切な電流を供給することで、電圧崩壊を防ぎ、系統の安定性を維持する役割を担います。故障電流制限機能やFault Ride Through (FRT) 機能などを搭載することで、系統故障時の電圧安定性向上に貢献します。
再生可能エネルギー電源の安定化: GFMインバータは、再生可能エネルギー電源の出力を安定化し、系統への影響を最小限に抑える役割も担います。出力平滑化機能や仮想慣性制御などを用いることで、再生可能エネルギー電源の出力変動を抑制し、系統の安定運用に貢献します。

これらの役割を果たすためには、GFMインバータの高性能化、高機能化が不可欠です。具体的には、高速な電圧・電流制御技術、系統状況に応じた柔軟な制御技術、複数のインバータが協調して動作するための通信技術などが求められます。
GFMインバータは、これらの技術開発と普及により、将来の電力システムにおいて、再生可能エネルギー電源を大量に導入しながらも、電圧安定性を維持し、安全・安定な電力供給を実現するためのキーデバイスとなるでしょう。