二重グリッドフォーミングコンバータ

핵심 개념

本稿では、従来の同期発電機やグリッドフォーミングコンバータとは根本的に異なる、瞬時帯域幅と瞬時周波数の二重性を活用した、周波数測定を必要としない新規グリッドフォーミング制御方式を提案する。

초록

二重グリッドフォーミングコンバータの概要

本稿では、従来の同期発電機やグリッドフォーミングコンバータ (GFM) とは構造的に異なる、二重GFM制御方式を提案している。

従来型GFMとの差異

• 従来型GFMは同期発電機と同様に、周波数を基準とした電力制御を行う。
• 提案手法は電圧の瞬時帯域幅（電圧振幅の時間微分）を基準とし、周波数測定を必要としない。

制御方式

• 電圧の瞬時帯域幅を用いて有効電力を制御し、系統の電力バランスを維持する。
• 無効電力は電圧位相角を調整することで制御し、同期と周波数制御を実現する。

特徴

• 周波数測定が不要なため、従来型GFMに比べ、分散型電源の導入が進んだ配電系統や低電圧系統において有効。
• 直流系統への適用可能性も示唆されている。

提案手法の評価

• WSCC 9母線系統とアイルランド送電系統の動的モデルを用いて、提案手法の性能を評価。
• いずれのケースにおいても、負荷遮断や三相地絡故障などの大規模な擾乱発生後、二重GFMは電力バランスを維持し、正常な運転状態に復帰。

結論と今後の展望

本稿では、瞬時帯域幅と瞬時周波数の二重性に基づく、新規GFM制御方式を提案した。シミュレーションの結果、提案手法は従来型GFMと同等のロバスト性と安定性を有することが示された。

今後の研究では、

• 提案手法の直流系統への適用可能性
• 提案手法に基づく、より高度なGFMコンバータ制御方式の開発

などが期待される。

통계

K = 0.1, ˜M = 30 s, ˜D = 20, ˜Tm = 2 s, ˜R = 0.05, Kq = 10, Tq = 5 s, ˜Kr = 40, ˜Tr = 1 s (WSCC 9母線系統における二重GFMのパラメータ)
K = 1, ˜M = 15 s, ˜D = 0.5 (アイルランド送電系統モデルにおける二重GFMのパラメータ)

인용구

"This letter proposes a dual model for grid-forming (GFM) controlled converters."
"The model is inspired from the observation that the structures of the active and reactive power equations of lossy synchronous machine models are almost symmetrical in terms of armature resistance and transient reactance."
"The proposed device is able to compensate grid power unbalance without requiring a frequency signal."

핵심 통찰 요약

Dual Grid-Forming Converter

by Federico Mil... 게시일 arxiv.org 11-12-2024

https://arxiv.org/pdf/2408.13185.pdf

더 깊은 질문

提案された二重GFM制御方式は、実際の電力系統に適用する上でどのような課題があるのか？

二重GFM制御方式は革新的な技術ですが、実際の電力系統への適用には、いくつかの課題を克服する必要があります。

実用化に向けた課題: 論文ではシミュレーションによる有効性が示されていますが、実際の電力系統へ適用するには、制御の遅延、ノイズ、パラメータの不確実性といった現実的な問題に対処する必要があります。特に、電圧変化率を用いた制御は、ノイズの影響を受けやすい可能性があり、ロバスト性の向上が求められます。
保護システムとの協調: 従来の保護システムは、同期発電機の特性を前提に設計されています。二重GFM制御方式は同期発電機とは異なる挙動を示すため、既存の保護システムとの協調動作を確保するための対策が必要となります。誤動作や保護協調の不具合を防ぐためには、保護システム側の改修も視野に入れる必要があるかもしれません。
他の系統機器との相互作用: 電力系統は、様々な電力変換装置や制御システムが複雑に相互接続されています。二重GFM制御方式を導入する際には、他の系統機器との相互作用を事前に評価し、予期せぬ振動や不安定現象が発生しないことを確認する必要があります。特に、系統インピーダンスや他の制御システムとの間で悪影響を及ぼさないよう、詳細な解析と調整が不可欠です。
これらの課題を解決するためには、更なる研究開発と実証試験が必要です。

従来の周波数制御技術と比較して、二重GFM制御方式は系統全体の安定性にどのような影響を与えるのか？

二重GFM制御方式は、従来の周波数制御技術とは根本的に異なるメカニズムで系統全体の安定性に影響を与えます。

慣性力分の不足: 従来の同期発電機は、回転質量による慣性力を持ち、周波数の急激な変動を抑制する役割を果たしています。一方、二重GFM制御方式を含むインバータベースの電源は、物理的な慣性力を持たないため、周波数変動に対して脆弱です。これを補うためには、仮想慣性制御や高速応動の制御が必要となります。
系統減衰への影響: 従来の周波数制御は、発電機のガバナや自動周波数調整(AFC)などを通じて系統減衰を提供し、安定性を維持してきました。二重GFM制御方式では、電圧位相角制御を通じて周波数を制御するため、系統減衰への影響を適切に評価する必要があります。仮想抵抗やダンピング制御の導入により、系統減衰を確保する必要があります。
安定性の向上: 一方で、二重GFM制御方式は、従来の周波数制御よりも高速な応答性を持つため、系統の安定性を向上させる可能性も秘めています。電圧変化率を直接制御することで、周波数変動を抑制し、系統の過渡安定性を向上させることができます。
二重GFM制御方式が系統全体の安定性に与える影響は、系統構成、他の制御システムとの相互作用、制御パラメータの設定などに依存します。そのため、詳細なシミュレーションや実証試験を通じて、その影響を慎重に評価する必要があります。

瞬時帯域幅と瞬時周波数の二重性を応用できる他の電力システム制御技術には、どのようなものがあるか？

瞬時帯域幅と瞬時周波数の二重性は、二重GFM制御方式以外にも、様々な電力システム制御技術に応用できる可能性があります。

系統安定化装置(PSS): 同期発電機のロータ角度制御に用いられるPSSは、従来、系統の周波数変動を抑制するために設計されてきました。二重性の概念を導入することで、電圧変化率にも着目したPSSの設計が可能となり、系統の安定性をより効果的に向上できる可能性があります。
FACTS(Flexible AC Transmission System)制御: 静止型無効電力補償装置(SVC)や静止型位相調整器(STATCOM)などのFACTSは、系統電圧や潮流を制御するために用いられます。二重性の概念を適用することで、従来の周波数制御に加えて、電圧変化率を考慮した制御が可能となり、系統の動揺抑制や安定性向上に貢献できる可能性があります。
マイクログリッドの制御: マイクログリッドは、分散型電源、負荷、蓄電池などが連携した小規模な電力系統です。二重GFM制御方式と同様に、マイクログリッド内のインバータベースの電源制御に二重性の概念を適用することで、周波数と電圧の安定性を同時に確保できる可能性があります。
これらの技術以外にも、二重性の概念は、電力システムの様々な制御問題に適用できる可能性を秘めています。今後、更なる研究開発が進むことで、電力システムの安定性向上や効率化に貢献することが期待されます。