フォトフォルトア発電所の ハーモニック歪みの主な原因は 現在どこにでも見られる 非線形電源電子機器 特に PVインバーターや様々なスイッチ装置です この問題について興味深い発見がありました 電気網の統合に関する研究です 太陽光発電所で測定された 調和電流の3分の2は 電気回転器と呼ばれるものから 発生する事が分かりました 単純で技術的に複雑です コンピュータは このインバーターは 2〜40キロヘルツの高周波の交換ハーモニックを作り出します 脈を調節する方法 (短く PWM) と 交互する方法が使われています 注目すべき他の貢献者もいます 変圧器は 特定の条件下で飽和することがあります 巨大な太陽光発電所で複数のインバーターが 協働すると 追加のハーモニックも 生成できるような 相互作用ができます
制御されていない高調波は、昨年のポーネモンの研究によると、システム効率を約3～7％低下させます。これは導体での損失増大や変圧器の過度な発熱が原因です。電圧ひずみが全高調波歪率（THD）5％を超えると、すぐに問題が生じ始めます。保護リレーが正常に作動しなくなり、コンデンサが予期せず故障しやすくなります。インバータにとっても問題は悪化します。高調波の多い環境で運転されているインバータでは、絶縁体がおよそ15～20％早く劣化するため、修理頻度が増え、費用も高くなります。太陽光発電用インバータから出力されるものと系統の誘導性が共振するような極端な状況では、特定の高調波が非常に強くなり、機器が完全に破損することさえあります。
世界中の標準化機関は、システムが電力網に接続されるポイントにおいて、電圧の全高調波歪率（THD）が5％以下に抑えられること、および電流高調波が8％を超えてはならないことについて、非常に厳しい規則を定めています。75キロワットを超える太陽光発電設備の場合、IEC 61000-3-6規格により、これらの高調波放出量を測定する特定の試験を実施することが求められます。こうしたすべての規制を満たすには、通常、さまざまな緩和技術を導入する必要があります。一般的な対策としては、インバータの回路構成をより高度なものに設計したり、アクティブ電力フィルタ装置を設置したりすることが挙げられます。現在、ほとんどの規制当局は太陽光発電所内での高調波の継続的な監視を義務付けています。これは、高調波成分が過剰であることに起因する系統安定性の問題が生じた場合に、高額な罰金を回避するために役立ちます。
アクティブ電力フィルター（APF）は、太陽光発電システムにおける厄介な高調波歪みをリアルタイムで検出し、不要な電流を打ち消すことで対処します。APFは電流センサーとDSP技術を用いて負荷電流の状態を監視し、3次高調波のような微小な高調波問題も的確に抽出します。実際の現地試験では、従来のパッシブフィルターよりも500kW級の太陽光発電所において、APFが全高調波歪率を最大88%近く低減できることが示されています。このような性能は、システムの安定性と効率性にとって大きな違いを生み出します。
グリッド電流の監視は、ハル効果センサーを通じて常に行われており、これらセンサーは半分のパーセント程度の誤差範囲で非常に高い精度で高調波信号を検出します。その後、高度なDSPアルゴリズムによって、検出された高調波と完全に逆位相となる補償電流を生成するための本格的な数値処理が行われます。2023年に研究者たちがリアルタイム補償技術に関して発表した内容をご覧ください。彼らは、アクティブ電力フィルターがスイッチング周波数20キロヘルツで動作する場合、わずか2ミリ秒で厄介な5次および7次の高調波をほぼ完全に除去できることを示しました。日々電力品質の問題に取り組んでいる人にとっては、非常に印象的な成果です。
この制御手法は、Clarke変換を用いて瞬時有効電力（p）と無効電力（q）の成分を分離する。位相同期ループ（PLL）を用いて系統電圧と同期することにより、照射量が30%変動してもp-q法は力率を0.98以上に維持できる。研究によれば、従来のPI制御器と比較して、この手法は無効電力需要を72%削減する。
このシステムは、それらの補償信号を空間ベクトルPWM変調と呼ばれる手法を通じて、実際のスイッチング指令に変換します。最近では、ほとんどのアクティブ電力フィルタがIGBTベースのインバータを中心に構成されており、巧妙なデッドタイム補償技術により97％を超える高効率を実現しています。これにより厄介なスイッチング損失が低減されています。さまざまなPWM電圧源インバータに関する研究論文を調べると、これらの設計は2kHzを超える帯域幅にわたって高調波を除去できることを確認できます。そして重要な点として、全高調波歪率を4％未満に抑えられ、2022年の最新のIEEE 519規格で定められたすべての要件を満たしているのです。
| パラメータ | 従来型フィルタ | 活性電源フィルター |
|---|---|---|
| 応答時間 | 50–100 ms | <2 ms |
| 高調波次数の処理 | 固定（5次、7次） | 2次～50次 |
| THD低減 | 40–60% | 85–95% |
| 適応性 | なし | 動的負荷追跡 |
太陽光発電所にアクティブパワーフィルター（APF）を適切に統合するには、系統規格への準拠と良好な電力品質の維持を両立させるための注意深い設定および制御戦略が必要です。最近の多くの設備では、並列接続されるシャント型APFが採用されており、これにより太陽光発電出力に影響を与えることなく、リアルタイムで高調波を除去できます。2023年にIntechOpenで発表された研究によると、新たに建設される大規模太陽光発電所の約89％が、位相同期ループ（PLL）システムとともに動作するこのようなシャント型APFを導入しています。これらの構成は系統電圧を非常に正確に同期させることができ、通常±0.5度以内の精度を達成します。このような高い精度は、太陽光発電設備全体の性能において大きな差を生み出します。
シャント型APFは、電圧源インバータを通じて電力系統に反対位相の高調波電流を注入することで動作します。主な利点は以下の通りです。
適応型コントローラは、照度が変動する条件下で自動的に利得パラメータを調整することにより、高調波抑制性能を向上させます。2024年の現地試験では、部分的な日影条件下において適応型システムが全高調波歪率（THD）を8.2%から3.1%まで低減し、過渡応答において固定利得型モデルより42%優れた性能を示しました。
現代のPV発電所では、以下の3つの主要な統合方式が主流です。
| 方法 | THD低減 | 導入コスト |
|---|---|---|
| 集中型APF | 82-91% | $15,000-$35,000 |
| ストリングレベルAPF | 74-86% | $8,000-$18,000 |
| ハイブリッドAPF-PVインバータ | 89-95% | 統合設計 |
2024年のScienceDirectの分析によると、500kWの太陽光アレイにおいて、スタンドアロン型APFソリューションと比較して、ハイブリッドシステムはエネルギー収量を6.8%向上させた。
現在、ハイブリッド型太陽光発電－有効電力フィルターシステムは、エネルギー変換と同時に電気的ノイズを低減する特殊なインバーターを使用しています。2021年にウォン氏らの研究で示された最新の設計では、電力フィルタリング機能がメインの太陽光発電用インバーターユニットに直接組み込まれています。これにより、個別に部品を設置する場合と比べて必要な部品数を約37%削減できます。これらのシステムは、最大太陽電力ポイントを追跡しながら、不要な高調波を打ち消すことができる巧妙なスイッチング技術によってその性能を発揮します。DCリンクコンデンサーやIGBTモジュールなど、現代の電子機器で一般的に見られる主要な部品を共有しています。実際の試験結果によると、このような構成では全高調波歪率を3%以下に保つことができ、同時に日光を電気に変換する効率も約98.2%程度維持できるため、再生可能エネルギーの利用効率を高めながら電力系統の品質改善にも貢献するという点で非常に優れた成果といえます。
500 kW級ハイブリッドシステムのハードウェア-in-the-loop（HIL）シミュレーションにより、従来のパッシブフィルタと比較して高調波応答速度が89%高速化されたことが示された。2024年の再生可能エネルギー研究では、PV-APFに搭載された適応型コントローラが部分的遮光条件下で電圧変動を62%低減することが明らかになった。現場での運用実績では、非線形負荷が30%存在する条件下でも1,200時間以上にわたり、全高調波歪率（THD）を5%未満に維持している。
ある商業用太陽光発電所では、PV-APFの統合によって高調波による変圧器の過熱問題を解消した。導入されたハイブリッドシステムは、シャント接続構成で8台の60 kVA複合機能インバータを配備し、以下の成果を達成した：
設置後の監視により、25％の変動する曇天条件下においてIEEE 519-2022規格への適合が確認されました。
アクティブ電力フィルターは、IEEE 519-2022規格で定められた重要な5%のしきい値未満に全高調波ひずみ率（THD）を維持することにより、送電電圧規制の範囲内での運用を可能にします。2023年に発表された12件の大規模太陽光発電所に関する最近の研究によると、これらのフィルターは通常、力率を0.15～0.25向上させると同時に、電圧不平衡問題を約3分の2削減します。特に価値が高いのは、太陽光アレイ上を雲が通過した際に生じる急激な電圧低下に対応できる点です。これは系統安定性を大きく損なう可能性があります。現代のほとんどの系統規格では電圧レベルの変動を10%以内に抑えることを要求していますが、アクティブフィルターはさまざまな運転条件下で一貫してこの要件を満たしています。
太陽光照射の変動により、1〜2 kHzの周波数範囲で不要な中間調波（インターハーモニクス）が発生するが、標準的なインバータはこれを効果的に処理できるように設計されていない。この問題に対処するために、アクティブフィルタは50マイクロ秒未満の応答時間を持つリアルタイムのパルス幅変調（PWM）スイッチングを採用しており、これらの高調波歪みを確実に除去している。実地試験の結果、特に150〜250 Hzの中間調波において85〜90％程度の低減が確認されている。こうした改善は、1メガワットを超える大規模太陽光発電設備において、変圧器の過熱を防止すると同時に、線路損失を約12〜18％削減する上で極めて重要である。さらに、これらのフィルタをエネルギー貯蔵装置と併用することで、太陽光発電出力の急激な変動時に発生する電圧フリッカ問題を大幅に低減でき、業界の測定によれば抑制率は60〜75％に達する。
アクティブ電力フィルタは受動型の代替品に比べて初期費用が約30～40％高くなりますが、長期的な節約効果によってその差を埋めることができます。これらのシステムは通常92～97％の効率で動作するため、5年間で1キロワットあたり年間維持費を約18～22ドル削減できます。さらに魅力的な点はモジュール式構成であることです。冗長性が備わっているため、いずれかのフィルタのメンテナンスが必要になっても、高調波歪みを0.5％未満に保ちながら運用を継続でき、段階的な導入が可能です。ただし注意点として、これらのシステムを適切に起動するには、設置コストに加えて1kWあたり約4.50～6.80ドルの追加投資が必要です。50メガワット未満の小規模な運営では、長期的なメリットが初期投資額を上回るかどうかを判断する前に、慎重な経済計算を行う必要があります。
太陽光発電所における高調波の主な発生源は、高調波電流の3分の2を占める電圧源インバータと、複数のインバータ間の相互作用または磁気飽和した変圧器です。
高調波ひずみはシステム効率を3～7%低下させ、保護リレーの誤動作やコンデンサの故障を引き起こし、インバータの絶縁破壊を15～20%増加させる可能性があります。
電圧の全高調波ひずみ率（THD）は5%以下に保たれなければならず、電流高調波は75kWを超える設備についてはIEC 61000-3-6などのいくつかの規格により8%を超えてはなりません。
アクティブ電力フィルターは、電流センサーとDSP技術を使用してリアルタイムで高調波電流を検出し除去することで、システム内の全高調波歪みを大幅に低減します。
アクティブ電力フィルターは系統連系規格への適合性と電力品質を向上させる一方で、受動型のものと比較すると初期コストが高くなります。しかし、効率の向上とメンテナンスコストの削減により、長期的にはより大きな節約が可能です。
ホットニュース
EN
