太陽光発電（PV）エネルギーは、清潔で汚染がないため、環境への影響を最小限に抑えてエネルギーを供給する大きな可能性を秘めています。 直列および並列に接続された多数の太陽電池は、太陽光発電または太陽電池アレイを設定します。 太陽光発電エネルギーを使用する1つの方法は、ピーク電源として分散型エネルギーシステムにあります。
一方、ユーティリティラインに接続されている機器には厳しい規制が適用されています。 これらの規制のいくつかは、高調波歪みと力率に関連しています。 しかし、パワーエレクトロニクスの発展に伴い、多くの機器は高調波歪みのレベルを増加させる傾向があります。 ダイオードブリッジ整流器への入力のライン電流は正弦波波形から大幅に逸脱し、この歪んだ電流もライン電圧の歪みにつながる可能性があります。 さらに、多くの現代装置は電圧および現在の波形の変化に敏感なマイクロプロセッサに基づいてデジタル制御装置を、使用する。 したがって、ＰＶシステムの利用率を高めるために、電力変換は、統一された電力品質調整器の機能も提供するように設計することができる。
二つのDC/AC完全に制御されたコンバータの利用は、システムがエネルギーコンディショナとして適用されるコンバータの最も汎用性の高い構造を持 この場合、コントローラに応じて、コンバータは補償の異なる機能を有することができる。 例えば、それらは供給された電圧の負荷流れそして倍音を同時に償うために結合される活動的なシリーズおよび分路フィルターを実現してもいい。 このように、装置は統一された力の質のコンディショナー(UPQC)と呼ばれます。 アクティブシャントフィルタは、電流ベースの補償に適したデバイスです。 この構成には、電流高調波と無効電力補償が含まれます。 アクティブ-シャント-フィルタは、不平衡電流のバランスをとることもできます。
アクティブ直列フィルタは、通常、電圧ベースの補償に使用されます。 この場合、電圧高調波と電圧のサグとディップが補償されます。 無効電力補償、有効電力の磁束制御、および電圧調整など、基本周波数の補償の目的のための他の用途が文献に記載されています。 この場合、それは統一された力の流れのコントローラー(UPFC)と呼ばれます。
従来、グリッド接続された太陽光発電エネルギー変換システムは、DC-DCコンバータとインバータで構成されています。 DC-DCコンバータは、太陽光発電アレイの最大電力点を追跡するように制御され、インバータは、システム電流が低い全高調波歪み（THD）を有し、実用電圧と同相になるように電流を生成するように制御される。 ＤＣ-Ｄ Ｃコンバータとインバータが直列に接続されているため，従来のシステムの効率は低い。 直流／交流インバータのみを用いた三相システムでの接続用太陽光発電システムを設計することを目的とした。
提案されたシステムは、変換効率を向上させ、太陽が利用可能なときに電源だけでなく、高調波および無効電力補償器として動作する、いつでも有用な機能を提供する。 低照射では、システムは高調波および無効電力補償器としてのみ動作します。 他のDC/DCコンバータは、電圧高調波補償を提供するために使用されます。 コスト推定によると、追加のコンポーネントを使用すると、電力品質を改善する別の機能を持つためにコストが12％未満に増加することが示されています。 また、このコンバータは、コンバータが並列に接続されているので、PVエネルギー変換の効率を変更しません。
制御は同期参照フレーム(SRF)方式で実装されました。 システムとコントローラを設計し，シミュレーションした。 異なるパルス幅変調（ＰＷＭ）技術を比較して，最適な効率を持つ構成を提案した。 システムは光起電生成のおよそ2.8kWを提供する。
太陽からの安全でクリーンなエネルギー源としての太陽光発電（PV）システムの使用は急速に増加しています。 パワー系統のPVシステムの適用は2つの主要な分野に分けることができます:以外格子か独立適用およびオン格子または格子接続された適用。 独立PVシステムがローカル負荷と実用的な格子と交換力にエネルギーを与えるのに格子接続された適用が使用されている間、電力網へのアクセスが
米国カリフォルニア州ルーゴに1MWの大規模なグリッド接続PV発電所が設置されました。 第二工場と6.5MWの容量は、米国カリフォルニア州カリッサ-プレインズに設置された。 現在、さまざまな電力範囲を持つ多くの大規模なグリッド接続PVシステムは、さまざまな国で動作しています。
PVシステムは、電圧プロファイルを改善し、配電フィーダのエネルギー損失、保守コスト、およびピーク時の変圧器タップ交換器の負荷を低減することによ それにもかかわらず、他の再生可能技術と比較して、PVシステムは依然として大きな困難に直面しており、フィーダの過負荷、高調波汚染、高い投資コスト、低効率、低信頼性などのシステムに悪影響を及ぼす可能性があり、普及を妨げている。 さらに、太陽照射の変動は、電力変動および電圧フリッカを引き起こし、電力系統の高浸透PVシステムに望ましくない影響をもたらす可能性がある。 ＰＶシステムの効率を改善するために、最大電力点追跡（ＭＰＰＴ）のようないくつかの制御方法を使用することができる。
このようなコントローラでは、PVアレイの生成電圧と電流の両方を制御する必要があります。 これは予想外の天候状態の最高力を追跡している間失敗の高められた可能性のPVのシステム構造を複雑にするかもしれません。 システム保護方式に関しては、システムが不良な状態の間に実用的な格子から切り離された後PVのシステムベースの分散生成(DGs)はローカル負荷を活
このような状況では、意図しないislandingは、安全上の問題やシステムコンポーネントの他の部分への損傷のリスクを高め、システムの信頼性を低下させる可
これらの問題は、大規模なグリッド接続PVシステムを設置することが電気網の性能に及ぼす影響を正確に分析する必要があることを意味します。
この評価は、グリッド接続されたPVシステムが配電システムの他のコンポーネントに引き起こす可能性のある運用上の問題に対する実行可能な解
文献では、多くの作品がPVシステムの定常状態モデリングと解析に焦点を当てています。 しかし、リアルタイム実装前にシステムの動的操作と制御に及ぼすグリッド接続PVシステムの影響を研究する試みはまだ行われていません。
PVシステムモデリング
メガワット範囲のDGの一種として知られている高浸透グリッド接続PVシステムが急速に開発されています。 これらは、世界中のさまざまな国の太陽光発電市場の大部分をカバーしています。
グリッド接続型太陽光発電システムの主な構成要素には、太陽光を直接DC電源に変換するPVアレイの直列/並列混合と、DC電源をAC電源に変換するパワーコンディショニングユニットが含まれており、PVsを最大効率で動作させることができます。 図1は、グリッド接続された太陽光発電システムの一般的な図を示しています。
特に、多くの場合、電池やスーパーコンデンサなどのエネルギー貯蔵デバイスも、グリッド接続されたPVシステムの第三の要素と考えられています。
これらのデバイスは、夜間の発電、PVシステムに対する無効電力制御、ピーク負荷シフト、グリッドの電圧安定化など、PVシステムの性能を向上させます。
グリッドに接続されたPVシステムとユーティリティグリッドとの間に適切なインターフェイスを提供するには、位相シーケンス、周波数、電圧レベルマッ これらの条件を提供することはPVインバーターの応用力の電子工学の技術によって強く左右される。
図1: グリッド接続型太陽光発電システムの簡易図…
図2:PVモジュールの等価回路…
PVユニットの電気特性は、一般に、セルの電流-電圧または電力-電圧関係で表すことができます。
これらの特性の変動は、セルによって受信される放射照度とセル温度に直接依存します。
したがって、異なる気象条件下でのPVシステムの動的性能を分析するには、pvアレイの生成された電流と電圧に対する放射照度と温度の影響を変
図2は、結晶シリコンPVモジュールの等価電気回路を示しています。 このモデルでは、Iは出力端子電流、ILは光発生電流、Idはダイオード電流、Ishはシャントリーク電流、Rsは内部抵抗、Rshはシャント抵抗です。
実際には、Rsの値は使用される半導体の品質に強く依存します。 従って、Rsの価値のどの小さい変化でも劇的にPVの出力を変えることができる。
グリッド接続型太陽光発電システムが配電システムに及ぼす影響
再生可能エネルギー源、特に太陽光発電システムは、より重要なエネルギー源と それにもかかわらず、大規模な太陽光発電システムを電力網に接続すると、配電網にいくつかの運用上の問題が発生する可能性があります。
これらの問題の重大度は、PVの普及率と設置の地理に直接依存します。 したがって、大規模なグリッド接続された太陽光発電システムが配電網に及ぼす影響を知ることは、リアルタイムで実用的な実装の前に実現可能な
このセクションの目的は、太陽光発電システムが配電システムに課す可能性のある影響を紹介することです。 突入電流。 PVシステムとグリッド電圧の間の必然的なわずかな差は、接続時にPVシステムと電力系統の間を流れる突入電流を導入し、指数関数的な速度でゼロに減衰する可能性があります。 生成された突入電流は、迷惑トリップ、熱応力、およびその他の問題を引き起こす可能性があります。
グリッド接続型太陽光発電システム
提案された太陽光発電（PV）エネルギー変換システムは、高効率、低コスト、高機能を備えています。 図3は、提案されたシステムのブロック図を示しています。 図3のコンバータ1(PVコンバータ)は、PVエネルギーをグリッドに変換し、電流高調波と無効電力を補償する役割を果たします。 図3のコンバータ2(Dynamic Voltage Restorer—DVR converter)は、電圧高調波または電圧サグを補償する役割を果たします。
図3:UPQC機能を使用したPV生成…
図4: ラインの終わりに電圧最低の慣習的な負荷…
二つの制御されたコンバーターの利用はエネルギー調整器として適用される最も多目的な構造があるためにシ この場合、コントローラに応じて、コンバータは補償の異なる機能を有することができる。
例えば、それらは供給された電圧の負荷流れそして倍音を同時に償うために結合される活動的なシリーズおよび分路フィルターを実現できます。
安全性
グリッド側での障害発生時の意図しない孤立によるPVシステムの主な懸念事項の一つです。 ここでは、PVシステムはネットワークが労働者の感電の原因となるかもしれない実用的な格子から切り離された後でさえも負荷に与え続けます。
過電圧
PVシステムは、通常、太陽エネルギーを完全に利用するために、力率に近い動作をするように設計されています。 この場合、PVシステムは有効電力のみを電力系統に注入し、システムの無効電力の流れを変更する可能性があります。
したがって、無効電力が不足しているため、近くのバスの電圧を上げることができます。 作り出された過電圧は実用性および顧客の側面両方の操作に対するマイナスの効果をもたらすことができます。 出力電力変動、PVシステムの出力電力の変動は、ユーティリティネットワークのための深刻な運用上の問題を引き起こす可能性のある主な要因の一つで 電力変動は、雲の動きによる太陽放射照度の変動により発生し、風速、通過する雲の種類と大きさ、PVシステムのカバー領域、およびPVシステムのトポロジーに 電力変動は、ライン内の電力変動、過負荷および負荷下の電力変動、許容できない電圧変動、および電圧フリッカを引き起こす可能性があります。
出力電力変動
太陽光発電システムの出力電力の変動は、ユーティリティネットワークに深刻な運用上の問題を引き起こす可能性のある主な要因の一 電力変動は、雲の動きによる太陽放射照度の変動により発生し、風速、通過する雲の種類と大きさ、PVシステムのカバー領域、およびPVシステムのトポロジーに 電力変動は、ライン内の電力変動、過負荷および負荷下の電力変動、許容できない電圧変動、および電圧フリッカを引き起こす可能性があります。
高調波
高調波歪みは、PVシステムでDC電流をAC電流に変換するパワーインバータの使用により発生する可能性のある深刻な電力品質問題です。 生成された高調波は、並列および直列の共振、コンデンサバンクおよび変圧器の過熱、および電力システムの信頼性を低下させる可能性のある保護
周波数変動
周波数は電力品質においてより重要な要素の一つです。 生成された電力と消費された電力との間の不均衡は、周波数変動につながる可能性があります。 太陽光発電システムの小型化は、他の再生可能エネルギーベースの資源と比較して周波数変動を無視できるようにする。 しかし、この問題は、PVシステムの浸透レベルを上げることによってより深刻になる可能性があります。 周波数変動は、電気モータの巻線速度を変化させ、発電機を損傷する可能性があります。
グリッド伝送容量の限界
電力グリッドの従来の設計では、変圧器から負荷への負荷の流れを考慮しています。 変圧器および配電線の定格には、正弦波電流を伴う受動負荷が想定されています。 図4は、トランスからの距離に応じて電圧が減少することを示しています。
したがって、通常、最小規定値以下の電圧降下を達成するために、トランスの電圧を公称電圧以上に保つように設計されています。 ここ数年、多くのデバイスが電源入力側で制御されていないブリッジ整流器を使用しているため、配電網の使用法は大きく変化しました。 多くの農村地域では、大規模な分散型発電（太陽光発電、風力発電、マイクロタービン、複合発電など）が設置されています。 一部の地域では、設置された発電電力は消費電力よりも大幅に高く、しばしば定格グリッド電力に達します。 分散型発電所からの高レベルの発電電力のために、負荷の流れはその方向を変える可能性がある。 特に高い太陽利益期間に、パワー消費量はかなり低い場合もあるが太陽植物が格子に最も高い発電のレベルに与えるとき逆の力の流れは起こるかもし 従って、太陽発生させた力はその枝の変圧器上の中型の電圧格子に与えられます。 電力が分岐の公称電力の範囲内にある場合、発電プラントの接続点での電圧が大幅に増加する可能性があります。 電圧が公称電圧よりも通常10％の許容誤差を超えると、他のデバイスや機器が損傷する可能性があります。
図5:ライン終端の電圧の最大値または最小値…
図6:データ集録および制御構造…
図5は、異なる負荷および生成条件に対するトランスからの距離による電圧変動の可能性を示しています。 したがって、通常、電圧降下を最小指定値以下に低減するために、変圧器の電圧を公称電圧よりも上に保つように設計されています。
分散型発電では、図5に示すように接続ポイントで電圧が上昇する可能性があります。 変圧器の電圧が公称値を上回るように設定されていると、指定された最大電圧を超える可能性が非常に高くなります。 ドイツでは、低電圧グリッドの分散型発電所によって引き起こされる将来の最大電圧上昇は2または3％が推奨されています。 逆力の流れの場合には最高の許可された電圧は格子枝のわずかな力の下で達される。
したがって、新しい要件に対処するための新しいサービスと新しい機能を提供するためには、グリッドを改善する必要があります。 高い設置や運用コストを回避することは、分散型発電のさらなる成長を促進します。 過去には、送電容量を増やすために送電網の拡張が必要であり、その結果、追加のケーブル配線と投資コストが高くなり、追加の送電容量が実際に必要とされる太陽利得日に年間数時間しか使用されない場合でも、追加の送電容量が実際に必要な場合でも、追加のケーブル配線と投資コストが高くなりました。 短期的には、太陽光発電システムの追加接続は、グリッド延長が行われるまで許可されないことが多い。
電圧品質とグリッド容量の増加
グリッド容量とグリッド品質は、これまでのネットワーク拡張によって主に提供されてきましたが、本プロジェクトは、グリッド内に分散されている設備を効果的に使用することを目指しています。 これは、分散測定技術、パワーエレクトロニクスのインテリジェント制御、新しい情報通信技術、グリッド制御の可能性の使用によって行われます。 この概念を分散型Ｐ Ｖシステムの例で開発し，試験した。 ただし、この用途に限定されるものではありません。 制御可能なフィードインの取付けおよび負荷が付いているすべてのネットワークでネットワークの効率は分散ネットワークサービスによって高めることができる。
グリッドの稼働状況は、大きな負荷と分散型発電の接続点で連続的に測定する必要があります。 ソーラーインバータには、電圧と周波数をグリッド電圧に同期させる必要があるため、データ収集機能が装備されています。 負荷接続ポイントのために測定の技術は取付けられているべきである。 図6に示すように、メインコンピュータは多数のデータ集録デバイスとソーラーインバータにネットワーク接続されています。 データ収集装置および太陽インバーターは格子の位置の電圧、流れおよび力の流れを監察する。 データ収集装置は大きい負荷（例えば、産業工場）および格子ノードに置かれる。 主要なコンピュータは格子状態データを受け取り、次にインバーターにデータネットワーク上で送られる個々の太陽インバーターの必須の無効電力のための価値を計
制御構造は三つの異なる制御で構成されています。 最初の部分は、インバータの無効電力吸収によるグリッド電圧の制限です。 不必要な損失を避けるためには、必要な数のインバータのみが、グリッド電圧を制限するために必要な数の無効電力のみを吸収する必要があります。 したがって、メインコンピュータは、グリッド内で最も高い電圧レベルのインバータのみを活性化する。 さらに、高速負荷による電圧変動および発生変化例えば、移動雲は、太陽インバータを介して無効電力を注入および吸収することによって補償および平滑化することができる。 インバーターはまた格子の電力損失を最小にするために他の負荷によって必要な無効電力のローカル補償に使用することができる。
図7:アクティブ電力(左)とアクティブ電力と無効電力(右)で給電するときのラインでの電圧降下…
電圧制限
8-10kWを超えるソーラーインバータは、通常、グリッドに三相で接続されています。 それらは4つの象限儀すべてで活動的な電力が格子に与えられる間、こうして無効電力を注入するか、または吸収できます作動してもいいです。 図7は、伝送ラインでの電圧降下を定性的に示しています。 通常の負荷状態では、ラインU2の端部の電圧は先頭（トランス側）の電圧U1よりも低いですが、ラインの端部に有効電力を供給すると変化します（図7
電圧は、変圧器よりもラインの端部でかなり高くなる可能性があります。 さらに無効電力（または電流）を吸収することにより、過電圧を減少させることができます（図7の右側）。 これは、特にトランスインピーダンスを考慮する場合に、相対的に高いR/X比を有する低電圧配電網の場合にも当てはまります。
無効電力の流れは、インバータから駆動する必要がある追加の電流をもたらします。 無効電力に関する研究は、典型的な低電圧グリッドにおけるcos y=0.9の最小力率が、電圧を許容限界内に保つのに十分であることを示している。 力率cos y=0.9は、有効電力の43%の無効電力を提供します。 これによりインバーターの10%のより高い流れを引き起こします。 無効電力が増加した電圧レベルでのみ吸収される場合、太陽インバータのより高い定格はより低くなるか、または必要でなくてもよい。 無効電力が格子電圧を限るために使用されれば付加的な電力損失はより高い格子流れによるインバーターと格子ラインで発生します。 しかし利点はより高いアクティブな電力が送信することができ、余剰の太陽発生させた電力が格子に与えることができることです。 したがって，インバータの静的特性によって無効電力を提供するのではなく，グリッド電圧に最も大きな影響を及ぼすインバータを個別に活性化することによって無効電力吸収を最小限に抑えることが適切である。 中央コンピュータが付いている各インバーターのコミュニケーションは無効電力の吸収の最適化を保障する。
図8: PV発電所による電圧上昇…
電圧変動の平滑化
雲の通過や負荷の変動によるPVシステムへの電力入力の変動は、低電圧グリッドの電圧変動を引き起こ 分散型ソーラーインバータによる負電圧ピーク時の無効電力消費（容量性）と正電圧ピーク時の無効電力吸収（誘導性）は、グリッド内の電圧変動を滑らかにするこ フリッカの危険はインバーターで局部的に実行されるそのような付加的な制御によって減らすことができる。 平滑化は、インバータと中央コンピュータとの通信を必要としません。
無効電力補償
無効電力補償この日までには、追加の機器とそれに関連する設置および試運転コストが必要であり、これはより効率的に回収す これまでのところ、補償は主に大規模な産業プラントで使用されています。 したがって、補償のために分散型無効電力を生成すると、無効電力の伝送距離が短いために電力損失が大幅に低下します。 無効電力を発生させるためには、短期間のエネルギー貯蔵が必要である。 これは、コンデンサまたはインダクタで行うことができます。 電圧リンクベースの太陽インバーターは、通常、コンデンサを備えているので、すでに設置されている容量は無効電力に使用することができます。 分散インバータによって本質的に存在する既存の無効電力予備を使用して、オーバーレイされた中間電圧グリッドに無効電力を提供したり、低電圧グリッドの無効電力消費を低減して損失を最小限に抑えることができます。
フィールドテスト
フィールドテストは、PV発電所の浸透率が高い実際の低電圧グリッドで行われます。
テストグリッドの概要
図8にテストグリッドの構造を示します。 格子は2つの変圧器（評価される力630kVA）によって与えられ、一致させて作動します。 設置済みPVのシステム容量は400kWpで、平均ネットワークの負荷より既に高いです。 晴れた日には、有効電力は中電圧グリッドで定期的にフィードバックされます。 大きな屋根面積を持つ農業用建物の数が多いため、グリッドには比較的大きな太陽光発電所が多数あります。
図9:テストグリッドの有効電力の流れに応じた10分の平均の数…
ケーブルと変圧器の電圧分布と負荷は、市販の電力系統解析ソフトウェアによって計 図8は、太陽光発電所の結果としてのグリッド領域の電圧分布も示しています。 VDEWの推奨事項によると、電圧は負荷なしで計算され、インバータは定格電力で供給されます。 このグリッドでは、変圧器の近くでのみ電圧上昇<2％が観察されることは明らかです。 増加は変圧器間の2%の上にと重大なネットワーク延長で3か4%にあります。 電圧増加にもかかわらず格子の変圧器そしてケーブルは40%で荷を積まれる。
図10: PVフィードインと電圧…
前測定
両方の変圧器からのデータは、1年の期間にわたって10分の平均で利用可能でした。 図9は、グリッドの無効電力の流れに応じて測定された10分の平均の数を示しています。 晴れた日には、グリッド内の太陽光発電所で発電された電力が負荷を超えます。 従って、テスト格子からの重ねられた中間の電圧格子へのアクティブな電力の流れがあります。
PV発電所のインバータの二つの測定点は、事前にテストグリッドの状態を評価するために利用可能でした。 一つは、重要な長いラインの終わりにあるPV発電所にあり、もう一つは変圧器の間に位置しています。
図10の上のグラフは、晴れた夏の日であったインバータの定格電力に基づいて、p.u.のPVフィードインの開発を示しています。 評価される力はPVモジュールの強い暖房のために達成されません。 図10の下のグラフは、両方の測定点での対応する電圧も示しています(緑:臨界グリッド延長の測定点、赤:2つの変圧器の間の測定点)。 電圧と電力のゼロ値は、測定における短期的な伝送誤差の結果です。 電圧プロファイルはPVフィードインに非常によく従います。 左の変圧器はこの日のメンテナンスのためにサービスから外れていました。 それが高電圧の増加がある理由です。 これらの値は、グリッド計算の結果とよく一致します。 図11は、PVフィードインと対応する電圧のクローズアップを示しており、不安定な日です(緑:重要なネットワーク拡張の測定ポイント、赤:2つのトランス間の測定ポイント)。
図11:PVフィードインと電圧の詳細…
この日は、左の変圧器もメンテナンスのためにサービスを停止していました。 電圧ピークまたは電圧降下の勾配は、通常、電力ピークまたは電圧降下の勾配よりも小さい。 これはテスト格子のPVシステムの配分が原因である。 したがって、雲を通過することによって引き起こされる電力低下はずらされる。 これらの千鳥電力低下は、千鳥電圧低下を引き起こします。
これまでに測定された最大電力勾配は、定格電力に対して0.07p.u./sです。 測定された最大電圧勾配は、これまでのところ、定格電圧に対して0.002p.u./sです。 ここで述べた概念は，ＰＶ発電所の高い浸透を伴う低電圧グリッドにおける改善された電圧品質とより高い伝送容量を提供する。 上記の技術は、現在開発中であり、低電圧グリッド上の太陽インバータでテストされています。 一般的に、技術は格子に永久にまたは一時的に接続されるあらゆる力の電子インバーターに適用することができます。 作り付けのデータ通信およびデータ収集設備が原因でシステムは格子に新しいインバーターを接続した後自動的に形成することができる。
