再生可能エネルギーからの直流（DC）注入 – 電力品質測定で精度が重要な場合
近年、電力やエネルギー産業、配電網や輸送網において、電力品質測定が頻繁に行われるようになっている。これらの測定は、主に電圧ディップ、電圧過渡、高調波などの古典的な特性パラメータに焦点を当てています。配電網の品質に関する規格では、最大値が規定されています。
- EN 50160
- IEEE 519
- ガイドラインG5/4
- D-A-CH-CZ – ネットワーク妨害の評価に関する技術規則
さらに、配電ネットワークと製品間の互換性は、公共低電圧ネットワーク用の規格IEC 61000-2-2および低電圧および中電圧産業用 設備用の規格IEC 61000-2-4に従って評価することができる。重要な電力品質パラメータとして、規格では考慮されておらず、また含まれていないのがDCオフセット成分です。
以下の質問については、これまであまり注目されてこなかった：
グリッドに注入されるDCオフセットの量は？
直流成分はどのように測定され、信頼できる方法で認定されるべきか？
直流コンポーネントは残りのシステムにどのような影響を与え、その存在を制限するために何ができるのか？
標準化における直流限界
ドイツでは、直流成分は低電圧技術設置指針（TAR）の5.4.4.9低電圧グリッドへの直流電流の供給1項に記載されている：
5.4.4.9 低圧ネットワークへの直流電流の供給
コンバータは、定格電流の 0.5%または最大20mA（高い方の値を選択するものとする）を超える直流電流を注入してはならない。
注1: 直流電流の測定は、10基本波 オシラノン期間にわたるDIN EN 61000-4-7 (VDE 0847-4-7)に基づいています。
注2：直流電流は、ケーブルの腐食損傷や他の機器の損傷、トランスや他のインダクタの飽和（ ）を引き起こす可能性があります。
標準テキストでは、望ましくない直流電源としてコンバーターを明示している。直流成分の最大値は、 他国でも見られる。次の表に3つの例を示す。
コンバーターのDC測定
2019年のIEEEの出版物では、3つの典型的なソーラー・インバータの直流成分を調査している2。その結果を 以下の表に示す。
タイプAおよびBは、最新のドイツ低電圧指令（TAR）に関して、DC20 mAの制限を超えています。
コンバーターの直流電源
次のコンバーター・システムの図が示すように、コンバーターにはいくつかの直流電源がある。
ユニット証明書とルーチン検査
規格上、直流成分の試験は、低電圧送電網上の発電プラントのユニット証明書に関する現行規格で既に義務付けられている。直流成分の測定は、IEEE Std 1547.1-20204 の項目 5.9.2 に記載されている。ドイツの予備規格VDE V0124-1005 では、試験は5.2.6.1に記載されている。
直流成分が外れる根本的な原因は、製造品質や搭載されたパワートランジスタの非対称性など、多くの原因から生じる可能性があり、これらは装置によって若干異なる可能性がある。実際の直流成分を知るためには、インバータメーカーが製造したインバータの定期試験を行う必要がある。従って、非の打ちどころのないユニット証明書を持つインバータであっても、系統に電力を出力する際に寄生する直流電源と断定することはできない。
ユニット証明書および電力品質測定のための測定装置
グリッド接続点の電圧品質は、サイトごとに異なるだけでなく、経時的に変化することも事実です。従って、例えばグリッド電圧の状態が悪い場合、既に存在するDC成分がコンバータのDC 電流成分に悪影響を及ぼす可能性があります。現場での電力品質測定に使用されるロゴスキーコイルは、電流信号中の AC成分しか検出できません。ホール素子を使用した電流クランプは、測定の不確かさのために十分ではありません。そのため、デンマークのDanisense社の高精度フラックスゲート電流変換器が、認証会社の 測定ラボで使用されています。これらのセンサーは、 会社の IEC 17025-cer:fied 測定試験所でデンマークで直接校正され、必要な校正証明書 が提供されます。
初期のパイロットプロジェクトでは、これらのフラックスゲートトランスデューサは、高精度の電力品質アナライザ（ ）と組み合わせても使用されました。系統連系プラントの小さな直流成分の厳しい測定では、電力品質アナライザ（PQA）は非常に優れたS/N比を持つ必要があります。
同時に、PQAは電流センサーのDCオフセットを補正する可能性を提供する必要があります。これにより、 、最小レベルでも非常に正確に測定することができます。Neo MesstechnikのパワークオリティアナライザPQA8000Hでは、フラックスゲート変換器の接続が可能です。非常に優れたS/N比に加えて、FFT分析の周波数パラメータも自由に選択できます。IEC 61000- 4-7に準拠した標準的なグループ分けは、特に低周波数帯域において、さらなる分析を行うには粗すぎる場合があります。このため、PQAは高圧ネットワークでも使用でき、0～1 Hzの範囲で地磁気誘導準直流電流を検出することができます。
高精度のフラックスゲート変換器による直流測定もコンバーター内で直接可能です。より小さい定格電流（ ）の場合、フラックスゲート変換器はPCB実装が可能で、周波数変換器自身で出力電流をチェックすることができます。
工場証明書
認証を受けた複数の太陽電池モジュールとインバータを組み合わせて大きな発電所を形成する場合、製造業者の個々のユニット認証に加えて、プラント認証が必要です（ ）。ドイツでは、135kWを超えるすべての発電所について、 。 送電ロスを最小限に抑えるため、接続ポイントは中電圧レベルに設置されます。変圧器の直流測定はもはや必要ない。とはいえ、低電圧側の直流電流は変圧器の寿命を著しく縮める可能性がある。したがって、変圧器の全寿命期間中、プラントのダウンタイムと保守費用を最小限に抑えるためには、低電圧側での直流測定がプラント運営者にとって有益であることは間違いありません。
太陽光発電コンバーターに加えて、風力エネルギー分野の強力なコンバーターもDC 成分を生成することができます。中電圧変圧器（ ）は、ほとんどの場合、次の図に示すように風力発電設備に含まれているため、直流測定は、プラント認証にはもはや必要ありません。
トランスフォーマーとDCインジェクション
マグネシウムコアの一方向飽和に悩まされる変圧器は、より高い励磁電流を発生させ、コアの過熱につながる可能性がある。さらに、振動、騒音、熱応力が発生し、最終的に変圧器の寿命を縮める 。次の図は、低周波振動が重畳することによって生じる半波飽和を示している。
さらに、半波飽和時には、トランスは非線形動作デバイスとなる。ここで、トランスの磁気 動作範囲は飽和範囲に押し込まれる。ヒステリシス曲線の線形範囲はleSである。その結果、中電圧側の電圧信号の歪率が増加する。
結論
再生可能エネルギーアプリケーションにおける電力変換技術は、高調波の潜在的な発生源に悩まされているだけではありません。近年、多くのケースで直流注入も発生していることを示す調査報告が増えている7。インバータに加えて、非線形負荷も直流成分を発生させる可能性がある。モーターや変圧器のような誘導性 機器は、これらの負荷を扱うようには設計されていない。 コンバータ製造者側では、直流成分を最小化するための努力がなされているにもかかわらず、AC/DC センサが使用される低電圧ネットワークの電力品質測定において、無視できない直流成分が検出されることが増えている。
信頼性の高い高性能電流センサーと非常に優れたPQAが、この 要求の厳しい測定を成功させるための基本条件である。
備考
1
VDE-AR-N 4100 Anwendungsregel:2019-04
Technische Regeln für den Anschluss von Kundenanlagen an das Niederspannungsnetz and deren Betrieb (TAR Niederspannung).
2M. A. Rahman, M. R. Islam, A. M. Mahfuz-Ur-Rahman, K. M. MuOaqi and D. Sutanto, "InvesSgaSon of the Effects of DC Current Injected by Transformer-Less PV Inverters on DistribuSon Transformers," in IEEE Transac*ons on Applied Superconduc*vity, vol. 29、no. 2, pp. 1-4, March 2019, Art no. 0602904, doi: 10.1109/TASC.2019.2895580.
3B. Long, M. Zhang, Y. Liao, L. Huang and K. T. Chong, "An Overview of DC Component GeneraSon, DetecSon and Suppression for Grid-Connected Converter Systems," in IEEE Access, vol. 7, pp. 110426-110438, 2019, doi: 10.1109/ACCESS.2019.2934175.
4"IEEE Standard Conformance Test Procedures for Equipment InterconnecSng Distributed Energy Resources with Electric Power Systems and Associated Interfaces", in IEEE Std 1547.1-2020, vol, no, pp.1-282, 21 May 2020, doi: 10.1109/IEEESTD.2020.9097534.
5VDE V 0124-100:2020 電気機器のネットワーク - ニーダースパ ンニング - 電気機器に対する要求事項、 はニーダースパ ンニングネットの接続と並列接続に対 して規定されています。
6出典ネオ・メステクニック社
7Salas, Vicente & Olías, Emilio & Alonso Abella, Miguel & Chenlo, F. & Barrado, A. (2006).PV グリッドインバータからのネットワークへの直流電流流入。2. 2371 - 2374.10.1109/WCPEC.2006.279668.