回生ドライブ解説：主要原理と規制上の考慮事項－第2部
前回の記事で回生ドライブ動作の概要を説明したのに続き、ここでは回生運転で考慮すべき特別な要因を見ていきます。
電力ネットワーク（AC電力系統）への影響
規制
これらは、系統連系発電が電力供給の安全性と信頼性を損なわないよう、電力会社が課す規制です。このセクションの残りでは、規制で制御される最も重要なトピックを取り上げます。回生システムを意図的な発電機として使用する場合、使用場所の施行中の規制に準拠しなければなりません。そうでない場合でも、回生システムの定格電流がローカル電力システム定格の相当部分を占める場合、故障や誤動作時に他の接続機器に損傷を与えないよう、以下のトピックを検討すべきです。
短絡電流
ローカル発電機は、電気故障（短絡）への電流に寄与し、電気開閉装置の安全性や要求定格に影響を与える可能性があります。提案される発電機設置では、追加故障電流を計算しなければなりません。しかし、回生インバータの影響は無視できます。電子過電流保護が、ブレーカやヒューズが動作するよりもはるかに速く過大電流を遮断するためです。現在のCTインバータ世代のピーク短絡電流は定格電流の260%で、インバータがトリップすると電流は4ミリ秒未満でゼロに減衰します（ACチョーク値に依存）。保護定格用ピーク電流は、電源周波数の少なくとも半サイクル以上で取られます。これらの要因が合わさって、故障電流寄与を無視できるレベルにします。
アイランド運転（孤立運転）
発電機が動作している設置個所で電力系統が切り離されると、ローカル発電が意図せずローカル負荷を通電し続ける「電力アイランド」が発生する可能性があります。これはあまり起こりません。目的設計されたガバナで周波数を制御しない限り、需給バランスを保証するものは何もないからです。通常、周波数はすぐに動作範囲外に出てシステムがトリップします。また、電圧や無効電力の制御もありません。しかし、アイランドが発生すると、電力作業員への安全リスク、アイランド内のローカル機器が電圧や周波数の安全範囲を超えた場合の損傷リスクがあります。
回生システムにエネルギー源（エンジン、バッテリ、その他の蓄エネルギー装置）があり、アイランド運転が可能な場合、損傷を与えるアイランド発生に対する保護を提供すべきです。回生ドライブの周波数範囲をパラメータ設定で安全な範囲に制限し、過電圧リレーを組み込んで電圧が過大になった場合にインバータをトリップさせるべきです。
意図的発電機向けには、アイランディング保護規格（時に「系統喪失保護」（LOM）と呼ばれる）があります。これらの一部は、インバータがアイランド状態を検出する特別アルゴリズムを動作させることを要求し、これはUnidrive Mドライブで標準機能として利用可能です。一部は独立した認定保護リレーを要求します。
意図的アイランド、バックアップ発電
回生インバータをスタンドアロン発電機として使用できないことに注意してください。例えば、商用電源喪失時のバックアップ電源として。既存の電源と同期して動作する場合にのみ使用可能です。
ライドスルー（電圧ディップ乗り越え）
意図的発電機は、電力系統擾乱中も運転継続が要求されることがあります。最も一般的なのは、電力網のどこかで故障（短絡）が発生し、発電機端子で突発的な電圧ディップが生じる状況です。これは3相間でバランス/アンバランスのいずれかです。ライドスルー中、電圧が低すぎれば定格電力発電を継続できないかもしれませんが、故障回路が自動保護装置で切り離された後、電圧を支持し系統の制御回復を支援するために無効電流が必要です。
シンプルなAFEは、電源電圧波形とインバータ内部生成波形の精密なバランスに動作が依存するため、電圧擾乱に対してかなり敏感です。ライドスルー能力がないと、シンプルな整流器よりも迷惑トリップを起こしやすい傾向があります。Unidrive Mには、BDEWガイドライン（中圧網接続発電機向け）など主要な国内規格要件を満たす選択可能なライドスルー能力があります。
通常の回生運転では、回生インバータはDCバス電圧を目標値に調整するようAC電力系統への出力電力を調整します。電圧擾乱時には定格電力を発電できなくなるため、DC電圧調整を継続できない可能性があります。このとき電力源側がこの役割を引き継ぐ必要があります。そうしないと、入力電力が出力を超える場合に過電圧トリップが発生する可能性があります。あるいは、制動抵抗を接続して余剰電力を吸収させることもできます。
電力と周波数制御
AC電力系統での需給バランスは周波数制御で達成されます。意図的発電機は、外部電力指令への応答や、電力-周波数制御機能の実装により、このバランス調整を支援することが要求される場合があります。これはドライブでアプリケーションとしてプログラミング可能です。
高調波と間高調波
第1回回生ブログで議論した通り、回生インバータは無視できるレベルの真の高調波電流（AC電源周波数の整数倍）しか生成しません。既存の電源高調波と相互作用し、またPWM変調生成物を生成します。これらは長年高調波の範囲外（一般的に40次まで）とされてきた高周波数です。しかし、より最近の技術規格と測定器は、100次までの高調波を考慮し始めています。
例えば、公称系統周波数60Hz、スイッチング周波数3kHzのシステムを考えます。主要なスイッチング関連周波数は2880Hzと3120Hzで、それぞれ電源周波数の48倍と52倍です。しかし、これら2つの周波数は公約数を持たず、つまり位相同期されていません。系統周波数が60.1Hzなら、同等の生成周波数は2879.8Hzと3120.2Hzになります。このようなシステムに高調波分析装置を接続すると、標準5Hz帯域幅ならこれらを第48と第52高調波として表示するか、データ同期不能を示す可能性があります。
スイッチング周波数が4kHzなら、主要周波数は3880Hzと4120Hzで、高調波周波数ではありません。間高調波機能付きアナライザなら「間高調波」として表示され、通常の5Hz帯域幅高調波アナライザでは無視される可能性があります。
上記の高調波と間高調波はすべて、正または負の位相列を持つ3相セットです。これは、高周波コモンモード「ノイズ」電圧とは異なり、変圧器を通過し、現場受電変圧器を超えて干渉を引き起こす可能性があります。スイッチング周波数フィルタは、それらの大きさを許容値に低減するために必要です。
DC電力源/負荷との相互作用－電圧制御
回生システムをDC電源または負荷に接続する際、DC電圧制御について考慮しなければなりません。回生ドライブシステムでは、機械側ドライブが実質的に定電力源となり、回生インバータが所望のDC電圧で入力電力をバランスさせるよう出力電力を調整します。他のシステムでは全く異なる特性を持つことがあります。例えば、PVインバータでは、与えられた日射量と温度でのPVアレイ電圧/電流曲線でDC電圧と電流が制御されます。インバータは「どの電圧を選ぶか」を自然には「知らない」ため、回生インバータのDC電圧基準をMPPTアルゴリズムで適応させ、最大電力点を探索する必要があります。
DC電源コモンモード電圧
回生システムのDC電源には、特殊なコモンモード電圧、つまりその極とアース間の平均電圧があります。完全な電圧波形解析は複雑ですが、第1回ブログの図1簡略回路図を参照すると、入力インバータトランジスタペアのいずれかが状態を変えると、DCバス回路電圧がアースに対してV_DCのステップで変化しようとする傾向があることがわかります。実際には、入力チョーク周りの電圧分割により、このステップは1/3 V_DCに制限されます。このステップは、1相がスイッチングするたびに発生し、PWMスイッチングサイクルあたり6回起こります。
これは、AC電源が中性点接地された従来の低圧商用電源の場合、DCバスが高速立ち上がりエッジを含む複雑なPWMパターンの高いコモンモード電圧を持つことを意味し、広いスペクトルの周波数を含みます。この効果のいくつかを以下に列挙します：
- DCバスに接続されたドライブ、および回生インバータ自体は、内部EMCフィルタコンデンサを装着してはなりません。これらのコンデンサはコモンモード電圧で過負荷になり、高い循環アース電流を引き起こし、インバータ誤動作の原因となります。
- 同じ理由で、DCバスにRFIフィルタを接続してはなりません。
- DCバスは「ノイジー」なので、非シールド導体で長距離配電すると、近くの信号回路に干渉を与える可能性があります。DC電力を長距離配電する場合はシールドケーブル必須です。しかしケーブルが長いと、その浮遊容量での高周波アース電流が回生チョークで追加電力損失を引き起こします。
- コモンモード電圧耐性が確認されていない限り、他の機器をDCバスに接続できません。（例：DC電源用設計機器は独自のRFIフィルタを持つ可能性が高く、コモンモード電圧に耐えられません。ほとんどの電流/電圧トランスデューサはコモンモード電圧耐性設計です。）
これらの効果が許容できない特殊用途では、入力側に絶縁変圧器を使用し、AC電源をアースから絶縁する解決策があります。これにより、DCバスの一方極を直接アース接続でき、コモンモード電圧がなくなります。または、コンデンサやRFIフィルタを通じてアース接続し、最も干渉を引き起こしやすい高周波コモンモードノイズを低減できます。これは例えば太陽光発電インバータや、DC電力を複数負荷に配電するシステムで使用されます。
フィルタ、電源インピーダンス、電流制御
スイッチング周波数フィルタは、同一電源回路に接続された他機器への干渉回避の観点で上述しました。フィルタはインバータ制御システムへの影響という観点でも考慮しなければなりません。
3kHzインバータでは、フィルタターンオーバー周波数は約800Hzで、2900Hzで有用な減衰を与えます。ターンオーバーは、これらの異常周波数での電源インピーダンス（未知）によってある程度影響を受けます。これは、インバータの電流ループゲインを高く設定しすぎると、800Hz付近で安定性が限界になり、システムが擾乱に敏感になり誤動作しやすくなることを意味します。大多数の従来型ドライブアプリケーション、つまり回生システムが産業用低圧配電網の多数の負荷の一つである場合、十分な自然減衰があり、特別な要件は生じません。デフォルト値が通常有効です。
1台以上の回生システムが専用電源から給電され、他にほとんど負荷が接続されていない場合、電流ループがアンダーダンピング（減衰不足）になる可能性があります。これはオシロスコープでライン電流波形を見ると容易に特定できます。約800Hz周期の振動バースト（「リンギング」）が、各商用サイクルで6ポイント発生します。この状況では、電流制御ループのP項を減らすことで安定性を回復できます。また、遅い電流ループによるアンダーダンピング電圧制御を避けるため、電圧ループゲインも減らす必要があるかもしれません。アプリケーションが高度に動的でこれらの低ゲインが受け入れられない場合、代替の減衰改善手法が必要です。2つのオプションがあります：
- さらなるフィルタコンデンサを追加。フィルタターンオーバー周波数を、電流制御ループの位相遅れが小さく能動的減衰に寄与できる値まで下げる。
- 減衰フィルタを使用。追加コンデンサと小抵抗で減衰を提供。詳細はCTテクニカルサポートへ。
両オプションとも効果的に使用されてきました。オプション1の欠点は、複数コンデンサが必要でスペースを取り、定常無効電流が高くなり、インバータ無効電流制御機能で相殺が必要になる可能性があること。オプション2の欠点は、抵抗が定常電力損失を生じ、異常高調波時の過負荷から保護する必要があり、やや複雑になることです。
産業技術