並網インバータの動作原理
I. グリッド接続インバータの動作原理
グリッド接続インバータは直流（DC）を交流（AC）に変換する装置で、太陽光発電システムで広く使用されています。その動作原理には以下の側面が含まれます。
エネルギー変換プロセス：太陽光により、PVパネルは直流電力を生成します。小規模および中規模のグリッド接続インバータでは、通常、二段構造が使用されます。この構造では、PVパネルからの直流出力はまずDC/DCコンバータを通じて初期変換され、その後DC/ACコンバータを通じて交流に変換されます。大規模なインバータでは、通常、直接変換を行う単一段構造が使用されます。動作中、インバータはDC電圧、電流、およびグリッドの交流電圧と電流を検出し、三相インバータモジュールを制御します。デジタル制御システムはPWM（パルス幅変調）駆動信号を生成し、インバータがグリッドと同期した周波数と位相を持つ交流を生成します。たとえば、PVパネルからの直流電力がグリッド接続インバータに入力された場合、まず整流器（二段構造に整流機能が含まれている場合）を通って存在する交流を直流に変換し、次にインバータ部の電子部品を通じて直流を交流に変換し、最終的に家庭や産業用負荷に供給されるか、またはグリッドに送られます。
主要構成要素とその機能:
整流器: 一部の構造では、交流を直流に変換し、後続のインバータ部への入力が直流であることを保証します。
インバータ: これはコアコンポーネントであり、電子部品（電力半導体デバイスなど）を使用して直流を交流に変換します。
コントローラ： 入力と出力の電圧および電流を監視し、これらのパラメータに基づいてPWM駆動信号を調整して、出力ACが必要な基準を満たすように、全体の変換プロセスを制御します。
出力端子： 変換された交流電力をグリッドまたは負荷に出力します。
II. グリッド接続インバータとグリッドとの関係
電力伝送と相互作用：グリッド接続インバータの主な機能は、直流を交流に変換し、グリッドに接続して電力伝送を行うことです。これにより、PVシステムで生成された電力をグリッドに供給し、他のユーザーの電力需要を満たすことができます。この過程では、グリッドは大規模なエネルギー貯蔵および配布センターとして機能し、グリッド接続インバータは分散型PV電力をこのセンターに接続する橋渡しとなります。例えば、分散型PVプロジェクトでは、多くの家庭がPVシステムを設置し、余剰電力をグリッド接続インバータを通じてグリッドに売却することで、双方向の電力フロー—グリッドからの受電と供給—を実現しています。
電力網の観点から、より多くの並列接続インバータが統合されるにつれて、電力源はより多様になります。しかし、これにより電力網の安定性と電力品質に対する新たな要求が生じます。
制御と適応：現在、並列接続インバータは主に2つの基本的な制御モードで動作しています：電流制御と電圧制御。電流制御モードでは、インバータは出力電流を制御することを目指し、電力網の電圧やその他のパラメータの変化に対応する必要があります。例えば、弱い電力網（高インピーダンス、弱いフレームワーク、急激な電流への耐性が低い）では、インバータは高インピーダンスの電力網に対して強い適応性を持つ必要があり、共振現象による故障のエスカレーションを避ける必要があります。異なるメーカーのインバータは、弱い電力網での共振問題に対処するための知能型アクティブダンピング抑制アルゴリズムや、反復制御、動的PIパラメータ、特定の高調波抑制、デッドタイム補償などの戦略を使用して、電力網の変化に適応します。
電圧制御モードでは、インバータは電圧制御を目標とし、並列接続インバータの外部特性を制御された電圧源として動作させることができます。これにより、電圧と周波数のサポートを提供することができます。これは特に再生可能エネルギーの高い導入率の電力網接続に適しており、インバータは一定程度まで電力網の電圧と周波数を調整し、安定した動作を維持することができます。
III. グリッド接続インバータはグリッドなしで動作可能か？
通常の状況では、操作は許可されていません：関連する規格と安全規則によれば、グリッド接続インバータには通常、アイランド検出装置が装備されています。グリッド電圧がゼロの場合、インバータは動作を停止します。これは、停電中にインバータが動作し続けると、メンテナンス作業員に対して安全上の脅威となる可能性があるためです。例えば、停電中にPVシステムがインバータを通じてグリッドに電力を供給し続けると、感電などの安全事故が発生しやすくなります。したがって、国際標準では、PVグリッド接続インバータはアイランド検出および制御機能を持たなければならないと規定しており、グリッドが利用できない場合に動作を停止しなければなりません。
特殊な改造下での動作：理論的には、ソフトウェアまたはハードウェアを変更せずに、独立運転用インバータを使用して「電力系統」を「模擬」し、太陽光発電用インバータに系統が正常であると認識させることで、この「系統」に電力を供給させることが可能である。しかし、この方法にはリスクがあり、通常の安全基準および規制要件に適合しない。また、系統連系型インバータを改造して独立運転を可能にする場合（一部のハイブリッド型系統連系・独立運転両用インバータなど）には、停電時に独立運転モードに切り替えることができる。ただし、これは純粋な系統連系型インバータの機能ではなく、特別な設計および改造による結果である。
IV．系統連系型インバータ動作のための必須条件
技術的条件：
周波数同期: 一般的な地域では、電力網の周波数は通常50Hzまたは60Hzです。インバータが出力する交流の周波数はこれと同期させる必要があります。これは通常、位相同期回路（PLL）などの技術を用いて、インバータの交流周波数が電力網の周波数と一致するようにすることで達成されます。そうでなければ正常に動作しません。
位相同期: 周波数同期に加えて、インバータの交流出力は電力網の電圧と位相も同期させる必要があります。位相同期は関連する制御技術によって達成されます。位相同期があることで、インバータの出力エネルギーが電力網にスムーズに統合され、電力変動や電力品質の低下などの悪影響を防ぐことができます。
電圧マッチング: インバータの出力電圧は、接続点での電力網の電圧と一致する必要があります。インバータは通常、異なる電圧レベルに対応できるように設計されていますが、安全な範囲内で動作する必要があります。電圧が一致しない場合、正常な電力伝送が妨げられ、さらにはインバータや電力網の設備に損傷を与える可能性があります。
高調波制限: DCをACに変換する際、インバータは高調波を生成することがあり、これは電力網に影響を与え、電圧歪みや他の電気機器の正常な動作に影響を与える可能性があります。したがって、インバータは一定の高調波制限基準を満たす必要があります。例えば、インバータの出力電流には直流成分を含んではならず、インバータの出力電流中の高次高調波は最小限に抑える必要があります。
無効電力制御: インバータは、電力網の電圧安定性をサポートするために無効電力出力を制御できる必要があります。再生可能エネルギーの占める割合が高い電力網では、無効電力制御は特に重要です。無効電力を制御することで、電力網の電圧レベルを調整し、電力網の安定性と電力品質を向上させることができます。
アイランド効果保護: 電力網が停止した場合、インバータは迅速に電力網から切り離さなければなりません。これにより、切断された電力網に電力を供給することを防ぎ、メンテナンス作業員を保護します。これは並列接続インバータの重要な安全機能の一つです。
安全条件:
電気安全: インバータとその設置は、絶縁、過負荷保護、短絡保護を含む関連する電気安全基準に準拠しなければなりません。例えば、インバータの電気絶縁性能は良好でなければならず、漏れを防ぐ必要があります。過負荷や短絡が発生した場合、インバータは保護メカニズムを起動して機器の損傷や潜在的な火災を防ぐべきです。
保護等級: インバータには、塵や湿気などの環境要因に対する一定の保護等級が必要です。屋外用インバータは通常、IP65のような高い保護等級を必要とします。保護等級は、インバータが異なる環境条件下でも正常に動作し、その寿命を延ばすことを保証します。
規制と標準:
国および業界基準: 並網インバータは、中国のGB/T 37408 - 2019標準など、パフォーマンス、安全性、電力品質を含む多くの側面をカバーし、グリッド上で動作する際の規制を満たすことを確認するための国や業界関連の基準に準拠しなければなりません。
許可と承認: 並網インバータの設置と運転には、電力部門からの許可と承認が必要であり、これがグリッドに悪影響を与えないことを確認します。電力部門は、インバータの設置場所、容量、技術的パラメータを審査し、承認された後のみ、インバータがグリッドに接続できます。
経済的な要素:
投資収益率 (ROI): グリッド接続インバーターを検討しているユーザーまたは企業は、初期投資コスト、運転およびメンテナンス費用、そして潜在的な政策補助金や電力売却による収益を含むROIを評価します。ROIが有利でない場合、グリッド接続インバーターへの意欲に影響を与える可能性があります。例えば、初期投資コストが高い一方で、電力の売却価格が低く、十分な補助金政策がない場合、投資家は躊躇するかもしれません。
補助金政策: 異なる地域では異なる補助金政策があり、これがグリッド接続インバータープロジェクトの経済的実現可能性に影響を与えます。一部の地域では、再生可能エネルギーの発展を促進するために、インバーターの購入補助金や買取価格などの補助金を提供しており、これによりグリッド接続インバータープロジェクトの経済的利益が向上します。
システム互換性:
グリッド互換性： インバータは既存の電力網システムと互換性があり、その構造、規模、および運転特性を満たす必要があります。異なる電力網構造（例：TT、IT、TN電力システム）や規模（例：低圧と高圧電力網）では、インバータに対する要件が異なります。インバータはこれらの違いに対応し、安定した電力網接続を達成する必要があります。
設備互換性： インバータは接続された発電設備（例：太陽光パネル、風力タービン）と良好にマッチする必要があります。これにより効率的な電力変換が可能となります。例えば、太陽光パネルの出力電力と電圧は、インバータの入力要件と一致していなければなりません。これによって、全体的な発電システムの効率と性能が確保されます。
環境要因：
環境適応性: インバータは、温度や湿度などの設置場所の環境条件に適応することができなければなりません。これにより、長期的な安定稼働が確保されます。例えば、高温環境では、インバータの放熱性能が良好でなければ過熱による損傷を防ぐことはできません。また、高湿度環境では、インバータは内部回路のショートを避けるために耐湿性を持つ必要があります。
環境への影響: インバータの設計と運転には、騒音や電磁干渉などの環境への影響を考慮する必要があります。インバータの運転中に発生する騒音を最小限に抑えることで騒音汚染を避け、電磁干渉を制御して他の電子機器への干渉を防ぐべきです。
運用とメンテナンス:
ユーザーインターフェース: インバータは、システムの状態を監視し、必要な設定を行うための直感的なユーザーインターフェースを提供するべきです。たとえば、ユーザーはインターフェースを通じてインバータの動作パラメータ（入力/出力電圧、電流、電力など）や故障アラーム情報を確認し、基本的な設定（電力制限、動作モード選択など）を行うことができます。
メンテナンス要件: インバータのメンテナンスには、メンテナンスの容易さ、メンテナンスコスト、メンテナンス周期を考慮する必要があります。メンテナンスが容易なインバータは、メンテナンスコストと難易度を減らすことができ、合理的なメンテナンス周期は長期的な安定稼働を確保することができます。たとえば、インバータの内部構造はメンテナンス担当者が検査しやすいように設計され、その部品の寿命と交換コストは合理的であるべきです。
V. グリッド接続インバータの動作におけるグリッドの役割
運転のための基準を提供:電力網の電圧、周波数、その他のパラメータは、並列接続インバータの動作の基準標準を提供します。インバータは、電力網の電圧と周波数に基づいて出力を調整し、これらのパラメータに合わせる必要があります。例えば、インバータはPLLなどの技術を使用して、出力ACの周波数と位相を電力網と同期させ、電圧を一致させることで、電力のスムーズな統合を確保します。電力網がこれらの基準を提供しなければ、インバータは出力を正確に調整できず、通常の並列接続は不可能になります。
送電と配電の実現:電力網は、並列接続インバータからの電力の送電と配電のプラットフォームを提供します。インバータがPVシステムによって生成された交流電力を電力網に供給した後、電力網はこの電力を必要な場所に送電し、広範囲にわたる配電を実現します。これにより、PV電力はより広い電力システムに統合され、より多くのユーザーに電力を提供することができます。電力網の規模と構造も、インバータの接続方法と運用要件に影響を与えます。例えば、異なる電圧レベルの電力網（低電圧と高電圧の電力網など）では、インバータは対応するアクセス標準と技術要件を満たす必要があり、安全かつ効率的な電力送電を確保します。
安定した動作を確保する:グリッド内では、多数の発電および消費デバイスが相互接続され、大規模な電力システムを形成しています。このシステムは一定の安定性と慣性を持ち、それによりグリッド接続インバータの動作を安定させることができます。例えば、太陽光発電システムの出力電力が変動した場合、グリッドは自らの調整メカニズム（例えば、他の発電デバイスの出力を調整すること）を通じてこれらの変動をバランスさせ、インバータへの影響を減らします。さらに、グリッドはショートサーキット保護などの安全機能も提供します。インバータの出力でショートサーキット障害が発生した場合、グリッドの保護装置が作用し、障害の拡大を防ぎ、インバータや他の機器を保護します。
