グリッド形成インバーターは、大きなグリッド上でその場所を見つけます。彼らは、言われたことを実行できるでしょうか?

最近まで、グリッド形成 (GFM) インバータの実用的な用途は、マイクログリッドや孤立したグリッド、および数十メガワット程度の小規模なグリッド用途に限定されていました。

過去 12 か月間で状況は急速に変化し、世界中で大規模電力システム用途向けに数百メガワット規模の 10 以上のプロジェクトが開発されています。

ただし、このテクノロジーを大規模に適用する場合は十分に理解されていません。これは、システム安定性サポートの主力として同期発電機が数十年にわたって果たしてきた役割を引き継ぐ可能性があり、今後さらに重要になります。

このブログ投稿は、系統相互接続の研究と電力システムの計画と運用に焦点を当て、電力システムのモデリングと技術的パフォーマンスの観点から GFM の既知の機能、制限、考慮事項の概要を提供することを目的としています。

従来のフェーザドメイン過渡現象 (PDT) モデリングに加えて、インバータベースのリソース (IBR) の割合が高いシナリオでの電力システムの動的解析では、電磁過渡現象 (EMT) モデリングの重要性がますます高まっています。

EMT モデルと PDT モデルは両方とも、プロジェクト固有のモデル (インバーターのサイト固有の制御システムパラメーターを含む) または汎用モデルの形式にすることができます。 EMT モデルと PDT モデルのそれぞれ、さらにはプロジェクト固有のモデルと汎用モデルには、電力システムの計画と運用、および系統相互接続の研究において補完的に使用することを正当化する特定の用途と制限があります。

これは、グリッド追従インバータ (GFL) と GFM インバータの両方に当てはまります。これは、両方のタイプのインバータの制御構造が非常に似ており、制御目標が異なるためです。

GFM モデリングに関連する一般的な誤解には次のようなものがあります。

– PDT モデリングは、オンラインの同期発電機がほとんどまたはまったくない高 IBR シナリオを主に目的としているため、GFM への応用は限られているか、まったくないという見解。その結果、EMT モデリングが明らかに選択されることになります。

– スペクトルの反対側では、GFM IBR は通常、同期マシンのいくつかの特性をエミュレートするため、これまでの同期マシンの場合と同様に PDT モデリングで十分であるという認識もあります。

これまでの経験から、系統接続研究用に OEM が提供する EMT モデルは堅牢で正確であることが多く、一般に実際のインバータ制御コードを忠実に表現していることがわかっています。

PDT GFM モデルでは、さまざまな程度の堅牢性と精度が観察されています。これは、PDT モデルの開発では、単純化された仮定の適用と手動による開発が必要であり、モデルの開発、調整、検証、成熟に時間がかかるためです。

とはいえ、一部の OEM が提供する GFM の PDT モデルは、プロジェクト固有の最高の GFL モデルと同等の堅牢性と精度を提供します。 EMT モデルと PDT モデルのベンチマークは、PDT モデルにおける潜在的な問題を理解し、対処する機会を提供します。

ただし、PDT ツールは本質的に、考えられるすべての動作条件 (システム強度の低い条件など) に対して EMT モデルと同じ動的パフォーマンスを発揮できるわけではないため、注意が必要です。

系統相互接続の研究にはベンダー固有、プロジェクト固有の GFM モデルが必要であることは明らかです。これにより、近くの GFL IBR の安定した動作に十分なシステム強度の提供を含め、より広範な電力システムに対するこの技術の積極的な貢献を正確に評価することができます。

さらに、プロジェクト固有のモデルを使用すると、ネットワーク内の他の GFM および GFL IBR との潜在的な有害な制御システムの相互作用を評価して対処できるようになります。 GFM インバータは、同様の制御帯域幅を持つ他のインバータと引き続き対話できます。

最後に、さまざまな OEM がさまざまな GFM 制御哲学を実装しています。現在、仮想同期発電機/機械、ドループ、および同期電力制御に基づいた商用製品が見られます。これらの各カテゴリ内には、いくつかの組み合わせと順列が存在します。したがって、系統相互接続の研究に一般的なモデルを使用するのは賢明ではありません。

ただし、系統相互接続の研究に最適なものは、長期計画に最適なものとは異なります。数年間の計画期間内に急速なテクノロジーの進化が起こる可能性があることを考慮すると、将来接続される世代の正確な種類とメーカーが不確実になることがよくあります。このため、サイト固有およびベンダー固有の動的モデルの使用は、長期計画の検討では非現実的になります。

したがって、汎用の EMT モデルと PDT モデルを使用するのが最も実用的なアプローチです。 IBR の普及が増加し、世界中で新たな不安定現象が出現していることは、一般的に使用されている PDT モデルに加えて、EMT モデリングが重要な役割を果たす必要があることを意味します。

IBR、特に GFM はさまざまな方法で制御でき、同期マシンとは異なり、固有の特性はほとんどありません。 GFM IBR と同期マシンの主な違いは次のとおりです。

– 同期マシンからの固定応答とは対照的に、GFM IBR の制御可能で調整可能な応答。たとえば、GFM IBR によって提供される仮想慣性は、接続先の電力システムのニーズを満たすように調整でき、広範囲にわたって変化させることができます。

– ほとんどの機能が追加または削除することなく、ほとんどが固有の機能として提供される同期マシンとは異なり、GFM IBR は、システムのニーズと必要なサービスの優先順位に応じて、可能なグリッドサポート機能の一部またはすべてを提供できます。。

– 通常、GFM IBR は建設と試運転にかかる時間が短くなります。これは、意図した用途が近くの GFL IBR の安定性を高めることである場合に重要な要素です。

この柔軟性にもかかわらず、GFM と GFL IBR は両方とも電流が制限されたデバイスであるため、複数の電力システム属性に対して同時に最適な貢献を提供することはできません。

図 1 は、GFM で利用可能な合計電流がさまざまなグリッドサポートサービスにどのように割り当てられるかを示しています。緑色で示されている側面は、一般に GFL によって提供できるデフォルトの寄与です。

特定の属性に対する最大限の貢献が必ずしも最も望ましい応答であるとは限らないことを認識し、周囲の電力システムのニーズに応じて、これらの機能の正しい優先順位付けを検討する必要があります。たとえば、実際の経験によれば、システム強度が低い条件下で高い慣性を与えると、システム電圧に悪影響を与える可能性があります。

GFM IBR の普及の増加と複数の系統サポート機能を提供する柔軟性は、電力システム全体と個々の発電機の性能の技術的要件がますます絡み合うことを意味します。

したがって、GFM IBR に特定の機能が求められる場合は、高レベルの機能要件を OEM に提供できるように、この機能が何であるかを判断することが最初に重要です。

さらに、これらの機能が本質的に追加の開発コストなしで提供されるのか、それとも必要なシステムサービスを提供するために元の機器に大幅な変更が必要なのかを判断することが重要です。

たとえば、追加の故障電流の供給には追加のコストがかかりますが、同期発電がほとんどまたはまったくない将来の電力システムでどの程度必要になるかは明らかではありません。

以下は、電力システムのモデリングと技術的性能評価の観点から、将来の開発に向けて提案される重点分野です。

– 電力システムの計画と運用、および系統相互接続の研究で使用するプロジェクト固有および汎用 GFM 制御の両方の EMT および PDT モデルが改善されました。

– 主に同期機と GFL IBR を念頭に置いて開発された既存の要件を採用するのではなく、GFL および GFM IBR と同期機との違いを考慮したカスタマイズされた発電機および電力システムの技術標準。

– より広範な電力システムに対する GFM IBR の高度にインタラクティブな応答を認識した、モデル受け入れテスト、適合性評価 (調整を含む)、およびモデル検証のためのより体系的なプロセス。

– 将来の電力システムのニーズと必要な電源構成を決定するための、将来を見据えた電力システムの動的研究。これには、次の質問に答えることが含まれます。

Babak Badrzadeh は Aurecon の電力システム担当テクニカルディレクターです

この記事は、Energy Systems Integration Group (ESIG) から寄稿されたブログ投稿です。 ESIG は、電力業界の技術コミュニティの専門知識を結集して、送電網の変革とエネルギーシステムの統合と運用をサポートする非営利組織です。追加情報は https://www.esig.energy でご覧いただけます。