同期インバータ

同期インバータまたは仮想同期発電機^{[1] [2]は、}同期発電機（SG）^[3]を模倣したインバータであり、電力システムの補助サービスに「合成慣性」を提供します。^[4]慣性は、発電される電気に比例した周波数で回転するシステムの回転する物理的質量に関連する標準同期発電機 の特性です。慣性は、回転する物理的質量の運動エネルギーを変更するために作業が必要であり、したがってグリッド周波数の変化に反対するため、グリッドの安定性に影響を及ぼします。インバータベースの発電では、波形がパワーエレクトロニクスによって人工的に生成されるため、本質的にこの特性がありません。

標準的なインバータは慣性が非常に低い要素です。過渡期間中は、主に障害や負荷の急激な変化が原因で、インバータは変化に急速に追従し、状態を悪化させる可能性がありますが、同期発電機は安定性を維持できる顕著な慣性を備えています。

グリッドは特定の周波数で動作するように設計されています。電力の需要と供給が完全にバランスしている場合、グリッド周波数は公称周波数に留まります。ただし、供給と需要に不均衡があると、この公称周波数からの偏差が生じます。発電と需要が完全にバランスしていないのが標準ですが、不均衡は厳密に管理されており、グリッド周波数は ±0.05  Hz の狭い範囲に留まります。^[5]同期発電機の回転体は、グリッドが周波数の変化に対抗するための運動エネルギーバンクとして機能します。つまり、電力の需要と供給の不均衡によって引き起こされるグリッドからの電力を、加速または減速による運動エネルギーの形で供給または吸収することができます。運動エネルギーの変化は、周波数の変化に比例します。回転体の加速または減速には作業が必要なので、この慣性が有効電力の不均衡の影響を減衰させ、周波数を安定させます。^[6]インバーターベースの発電は本質的に慣性がないため、インバーターベースの再生可能エネルギー発電の普及が進むと、電力システムの 信頼性が危険にさらされる可能性があります。^{[7] [8]}

さらに、再生可能エネルギー源（RES）、特​​に太陽光発電（PV）と風力発電の変動性は、電力不均衡の過渡期間をより頻繁に発生させることで、この問題を増幅させる可能性があります。理論的には、インバータベースの発電は、電気トルク（有効電力出力）を変更することで周波数不均衡に対応するように制御できます。合成慣性は、「ユニットの端子における周波数の変化率（RoCoF）に比例するユニットからの電気トルクの制御された寄与」と定義されています。 ^[9]ただし、この RoCoF に反応する能力を持つためには、参加する発電機は最大出力を下回るレベルで動作し、出力の一部がこの特定の応答のために確保される必要があります。さらに、生産の固有の変動性により、発電機が合成慣性を提供する能力が制限されます。信頼性が高く、迅速に動作する電源に対するこの要件により、インバータベースのエネルギー貯蔵が合成慣性を提供するためのより良い候補になります。

ハイドロ・ケベックは、 2005年に最初の送電事業者として合成慣性の要求を開始しました。周波数低下に対抗するため、送電事業者はパワーエレクトロニクスと風力タービンローターの回転慣性を組み合わせることで、一時的に6％の電力増加を要求しています。^[4]同様の要件は、2016年にヨーロッパで発効し、^{[10] [11]}、2020年にはオーストラリアでも発効しました。 ^{[12] [13]}

同期インバータの構造は、電力部（図 2 参照）と電子部の 2 つの部分に分けられます。電力部は、ブリッジ、フィルタ回路、電力線などを含むエネルギー変換および転送パスです。電子部は、センサーやデジタル信号プロセッサ(DSP) を含む測定および制御ユニットを指します。

同期インバータをモデル化する上で重要な点は、同期発電機と同様の動的挙動を持つことを確認することです（図3を参照）。このモデルは、その複雑さから2次モデルから7次モデルまでに分類されます。ただし、精度と複雑さの間の適切な妥協点があるため、3次モデルが広く使用されています。^[14]

${\displaystyle V_{q}=\omega (E_{q}+x_{d}.i_{d})+i_{q}.R_{s}}$

${\displaystyle V_{d}=\omega (E_{d}+x_{q}.i_{q})+i_{d}.R_{s}}$

ここで、およびは端子電圧のdq軸成分です。 ${\displaystyle V_{d}}$${\displaystyle V_{q}}$

同期インバータの端子電圧と電流がこれらの式を満たしている間、同期インバータは同期発電機として見ることができます。これにより、同期発電機モデルに置き換えて問題を簡単に解決することができます。

図3に示すように、インバータを電圧源として制御する場合、インバータはグリッドと同期するための同期ユニットと、グリッドと交換される有効電力と無効電力を調整する電力ループで構成されます。同期ユニットは、多くの場合、周波数と振幅を提供する必要があります。 ^[15]しかし、インバータを電流源として制御する場合、同期ユニットはグリッドの位相のみを提供することが求められることが多いため、電流源として制御する方がはるかに簡単です。^[16]

同期発電機は本質的に電力系統と同期しているため、同期ユニットなしで同期機能を電力制御装置に統合することが可能です。^[17]これにより、図4に示すようにコンパクトな制御装置が実現します。

前述のように、同期インバータは同期発電機のように扱うことができ、電源の制御が容易になるため、PV一次エネルギー源（PES）に広く使用されるはずです。^[18]

同期インバータは通信ネットワークなしで直流電源を交流電圧の周波数と調整できるため、マイクログリッドでの使用も提案されている。 ^[21]

オーストラリアの ホーンズデールパワーリザーブが実証しているように

• インテリジェントハイブリッドインバータ