系統連系インバータ制御の基礎と仮想同期発電機による電力系統の安定性向上への応用

系統連系インバータ制御の基礎

インバータは、直流電流を交流電流に変換するための装置で、太陽光発電システムや風力発電システムにおいて重要な役割を果たします。系統連系インバータは、そのインバータの一種で、電力系統と発電源を直接連携させるために使用されます。

インバータ制御の基本的な目的は、発電源から送られた直流を系統にふさわしい交流に変換し、さらに電力系統の安定性を損なわないように調整することです。そのため、インバータ制御では、出力周波数、電圧および位相を厳密に管理します。

インバータの基本構造と動作原理

インバータの要素技術として重要なのが、パワー半導体素子です。これには、MOSFETやIGBTなどが用いられ、これらの素子を用いたスイッチングにより直流を交流に変換します。スイッチングによって発生した矩形波をフィルタを用いて正弦波へと整形します。この時、PWM（パルス幅変調）技術を用いて、より近似した出力波形を得られるように調整します。

インバータ制御の手法

インバータ制御には、一般にフィードバック制御が用いられます。これは、出力電圧や電流の情報をリアルタイムで検知し、その情報を基に制御アルゴリズムがパワー半導体素子のスイッチング動作を調整する仕組みです。

フィードフォワード制御もまた重要です。これは、予測される負荷変動や系統変動に対して事前に対応することで、より安定した電圧・周波数制御を実現します。

仮想同期発電機によるインバータ制御

仮想同期発電機（Virtual Synchronous Machine: VSM）は、インバータを電力系統に連系させる際の安定性を向上させるための新しい技術です。これにより、インバータがまるで物理的な同期発電機のように振る舞います。

仮想同期発電機の実装

VSMは、インバータに発電機の動的な特性を模倣させることで、系統における安定性を向上させます。具体的には、電圧と周波数の変動に対する応答特性を持たせることで、急激な変動にも柔軟に対応できるようにします。

VSMの中核となるのは、発電機の回転子運動方程式に基づく制御アルゴリズムです。これをデジタル信号処理器で実装し、インバータのスイッチング素子に指令を与えます。

電力系統の安定性向上への応用

VSM技術を使ったインバータは、電力系統の安定性向上やエネルギーの最適利用に貢献します。この技術は、特に再生可能エネルギーの大量導入が進む中で広く注目されています。

電力系統の安定性とVSMの役割

従来の同期発電機は、回転体の慣性力により系統変動に対して自然な緩衝作用を持っていました。しかし、再生可能エネルギーが主電源となると、こういった物理的な慣性が不足します。この課題に対して、VSMがインバータベースのパワーエレクトロニクス設備に仮想的な慣性を付与することで対応します。結果として、短期的な電圧・周波数変動への応答性が大きく改善します。