報告書番号

GD25028

タイトル（和文）

Grid-Formingインバータにおける過電流抑制制御の系統安定性面の課題整理と改善方式の考案

タイトル（英文）

Power System Stability Issues Caused by Overcurrent Limiting Control in Grid-Forming Inverters and a Proposal of Improvement Method

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

背　　景
　Grid-Formingインバータ（GFM）は電圧源として振る舞うため，系統電圧・周波数の維持等に貢献することが期待されている。一方で，GFMには機器保護や系統擾乱時の運転継続を目的として，過電流抑制制御（OLC：Overcurrent Limiting Control）が実装されており，OLCの動作中は上記の貢献が阻害されることが懸念される。このため，将来のGFMの活用に向けて，OLCに起因する主要な課題を整理し，改善策を検討する必要がある。
目　　的
　先行研究で提案されている代表的なOLCの方式を対象に，系統安定性面での主要な課題を整理する。また，同課題に対する改善方式を考案する。
主な成果
1. 代表的なOLC方式の課題整理
　代表的なOLCの方式としてはVirtual Impedance（VI）方式注1）とCurrent Limiter（CL）方式注2）があり，さらに両方式を組み合わせたHybrid Current Limiter（HCL）方式（図1のHCL AとHCL B注3））が提案されている。瞬時値解析等により，各方式の主要課題を以下の通り整理した。
・　VI方式では，間接的に電流を抑制するため，系統擾乱直後等の過渡状態では，過電流を十分に抑制することができず（過電流抑制の課題），過渡状態が収束した後には，電流を最大電流容量注4）まで供給することが困難となる（最大電流の課題）。
・　CL方式では，直接的に電流の大きさを抑制するため，過電流抑制の課題と最大電流の課題は生じない。一方で，電流位相の変化により，大きな電圧上昇や低下を発生させる場合がある（電圧変動の課題）。
・　HCL方式では，過電流抑制の課題は改善可能であるが，VIの算出ロジックおよびそれに起因する制御遅れ等により，最大電流の課題や電圧変動の課題を解消することは困難である（表1）。
2. 整理した課題に対する改善方式の考案
　表1に示す課題の改善を目的として，HCL Bをベースとした新しいHCL方式（HCL C）を考案した。考案方式では，CL方式により電流出力を上限値I_maxに抑制・維持しつつ（HCL Bと同様），高速にVIを制御できる制御構造とする（図2）等により，HCL Bが有する電圧変動の課題の解消を図る。瞬時値解析により考案方式の有効性を検証した結果，表1に示したすべての課題を改善できる可能性があることを示した（図3）。
注1) VI方式では，仮想的な内部インピーダンスを制御することで，過電流を間接的に制限する。
注2) CL方式では，電流出力の指令値にリミッタを設けて過電流を直接的に制限する。
注3) HCL AとHCL BはN. Baeckeland et al. IEEE Trans. Power Electron, Vol. 39, No.11, pp. 14493–14517, 2024で優位とされた手法。
注4) 系統擾乱時等において，出力可能な電流の上限値を指す。

概要 （英文）

Grid-forming inverters (GFMs), which operate as voltage sources, are expected to contribute to maintaining grid voltage and frequency. However, the overcurrent limiter control (OLC) implemented in GFMs for equipment protection may limit these contributions. This report reviews the major challenges associated with representative OLC schemes and investigates possible improvements toward the practical deployment of GFMs in Japan.
The current limiter (CL) schemes, the virtual impedance (VI) schemes, and their combined hybrid current limiter (HCL) schemes are examined. Two representative HCL schemes proposed in the existing literature are evaluated, and it is shown that neither scheme can simultaneously resolve the multiple challenges inherent in the CL and VI schemes. Building on this observation, a modified HCL control structure that enables faster computation of the virtual impedance is introduced as a potential improvement. Furthermore, electromagnetic transient (EMT) simulations are conducted to evaluate the introduced HCL scheme, demonstrating its potential to mitigate these challenges simultaneously.

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