| 研究課題/領域番号 |
16K06220
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
舟木 剛 大阪大学, 工学研究科, 教授 (20263220)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | インバータ / 系統連系 / 位相同期 / プルイン / プルアウト / 過渡安定度 |
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| 研究実績の概要 |
本研究で行う，再生可能エネルギーの大量導入に向けた系統連系インバータの大きな出力変動や系統故障に対する電力系統の過渡安定性を評価に用いる実効値解析モデルの構築のために，本年度は瞬時値解析モデルに対応した実験ミニモデルのコントローラ部のプロトタイプを設計・制作した。本申請により新たなコントローラ用ハードウェアを購入するが，演算用プロセッサの処理能力と，AD,DA変換およびデジタルIOに要求される仕様を決めるため，現有のコントローラを用いてプロトタイプを構成した。現有コントローラの処理能力の限界であるサンプリング周波数10kHzでAD変換したインバータの電圧・電流値を用いて系統連系インバータを動作させた。またインバータ自身から生じる高調波成分の影響を低減するIIRタイプのデジタルフィルタを構成して適用した。瞬時値解析モデルを用いた数値解析結果に比べ，回路図上に明示していない寄生インダクタンスや寄生キャパシタンスの影響により生じた雑音成分が大きく，コンバータのスイッチング周波数を10kHzより高くするためには，さらに高周波数での状態量のサンプリングが必要であり，購入するコントローラの仕様として100kHzサンプリングでの処理が可能なものを選定することとした。特に本研究で対象としている過渡安定度に対して，系統連系インバータでは系統電圧位相検出が重要であることから，既存技術を拡張した複素係数フィルタを用いた同期位相ループを構築し，その引き込み (pull in)および脱出(pull out)領域の評価を行うとともに，大きな系統故障等を想定した過渡条件を与えた場合に対する雑音成分と故障との高速な判別に適したデジタルフィルタの設計を検討した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
実験に用いるミニモデルの示す応答を模擬する数値解析モデルの構築を行い，微小擾乱に対する安定性の検討・評価を行った。
瞬時値や実効値での数値解析モデルの妥当性検証の基準となる実験用ミニモデルのプロトタイプを構築した。今年度はまず現有のPHILS(Power Hard Ware In the Loop System)シミュレータを利用してミニモデルを構築した。系統連系インバータ部についても，制御速度は遅くなるがサンプリング間隔を100usとすることで上述のPHILSの中で構築し，その動作の検証を行った。変換器の制御ブロックについては実験の実施を優先するために習熟しているMaltab/Simulinkを用いて記述し，Realtime workshopによりハードウェア実装を行った。インバータの電流制御や位相検出に用いるPLLは，複素係数フィルタを用いて構成した。なお高速な制御を実現するために用いるNI-PXIは次年度に購入し，Maltab/Simulink上で記述した制御系をLabViewに変換し，NI-PXIへ実装する。
系統連系インバータの一機系統における系統故障に対して過渡安定性を評価した。三相回路の瞬時値解析にはATP-EMTPを用い，線路モデルを用いた検討を行った。この数値解析では，系統連系インバータの主回路は理想スイッチモデルを用いた2レベルの6相ブリッジとして解析を行った。インバータ制御系を模擬するため，アナログ回路の解析時間刻みとは異なるサンプリング間隔で計算を行うマルチレート手法を適用した。実効値解析では，解析対象の一機系統の各構成要素の微分代数方程式をもとに伝達関数としてモデル化し，解析に適用した。ただし実効値解析では三相不平衡の影響を考慮することはできないため，変化の速い過渡現象に対する不平衡成分の影響をどのように考慮していくかが今後の課題である。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成28年度に構築した系統連系インバータを用いた過渡安定性に対するミニモデルでの実験結果や瞬時値解析結果に対する適合性と実効値解析結果の評価を行い，その一般化をはかる。またミニモデルや解析モデルを用いた検討において送電線の短絡容量，故障点位置や不平衡故障，故障時間，出力変動幅をパラメータとした解析条件を広くとった検討を行う。これらの解析結果をもとにして，系統連系インバータの過渡安定性を向上する制御方式について検討する。従来の同期発電機では過渡安定性を保証するために臨界故障除去時間が制御指標として用いられているが，系統連系インバータでは同期発電機における回転子の加速脱調に相当する現象は生じないため，線路潮流変化により生じる電圧位相の変化に追従するPLLおよびインバータの電流制御系の動作によるインバータの内部状態を過渡安定性動作として評価する。ただし，インバータ主回路に用いるパワー半導体や受動素子は定格値を超えて使用すると破壊もしくは寿命が著しく低下することから，インバータの出力電流および回路電圧の最大値とった観点で指標を設定し過渡安定限界を評価する。再生可能エネルギーの発電出力を有効に利用することを目的として，二次電池や電気二重層コンデンサを用いた出力変動補償を拡張した過渡安定性維持方式について検討を行う。再生可能エネルギーの大量導入に対する影響を低減するために用いられる電力貯蔵要素を，出力変動補償に加え系統故障に対する過渡安定性向上の要素として，過渡的な電力・エネルギー分担により同期運転を維持しつづけ，FRTに対応した高速な出力回復が可能であることを示す。数値解析では，複数の系統連系インバータが系統連系された条件についてもユースケースを設定して解析を行い，擾乱時におけるインバータ間の相互作用および過渡安定性について評価をおこなう。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
次年度使用額が生じた理由は，計算機を用いた数値解析に用いた時間が大きかったためである。現有するハードウェアでの限界を探るとともに，本年度購入する予定であったミニモデルのコントローラに用いるPXIシステムについて，過剰な仕様とならないように，必要最低限の仕様をより明確にするために，数値解析をもとに検討を行った。このため年度中に導入するに至らず，次年度使用額となった。
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| 次年度使用額の使用計画 |
数値解析結果をもとに明確にした，ミニモデルのコントローラに用いるPXIシステムに必要なプロセッサの処理能力およびAD変換の分解能等がきまった。これをもとに平成29年度の早い時期にコントローラ用いるPXIシステムを導入する。導入したコントローラを用いた実験結果と，これを裏付ける数値解析データが揃った段階で学会発表を行う。
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