滑らかな電力移行：新制御戦略が系統強靱性を革新
現代の電力系統は、従来の一方向電力流を想定した静的なネットワークから、急速に変貌を遂げている。屋上太陽光発電、夜間充電される電気自動車群、小規模風力タービンなどの分散型エネルギー資源が、受動的な消費者を能動的な参加者へと転換した。この変革は持続可能な未来に不可欠だが、配電網に前例のない複雑性をもたらしている。電圧変動、電力不均衡、停電時の連鎖故障リスクが新たな課題として顕在化する中、電力供給の継続性を確保する能力が極めて重要となっている。『モダン・エレクトリック・パワー』誌に掲載された画期的研究は、柔軟多状態開閉装置（FMSS）と呼ばれる重要技術において超円滑な瞬時モード遷移を実現し、停電を過去のものとする制御戦略を提示した。
中国科学院電気工学研究所と太原工業大学のザン・ジャン氏を中心とする研究チームは、既存のスマートグリッド技術の根本的課題である「モード切替時の衝撃」に着目した。系統故障（送電線断線、変圧器障害、太陽光発電急増による過電圧事象など）発生時、従来システムは電圧低下や電流スパイクを引き起こし、精密機器に損傷を与える危険性を孕んでいた。FMSSはデジタル遮断器と電力ルーターを統合したデバイスとして設計されたが、従来のモード切替機構はマニュアル車のギアチェンジに例えられる粗さを残していた。
3端子型FMSSの核心機能は、配電系統の3つの給電線を動的に接続し、病院やデータセンター等重要負荷への電力供給を途切れさせることなく健全区間から電力を迂回させる「シームレス移行」にある。通常時のPQ制御モード（有効電力Pと無効電力Qを精密制御）から、系統分離時のVF/ドループ制御モード（自立電源として電圧・周波数を安定化）への瞬時移行における課題を、研究チームは3つの革新要素で解決した。
第一の要素は「慣性リンク」の導入である。従来制御器ではモード切替指令が瞬時に参照値を変更するため、内部電流制御ループが追従困難となりスパイクが発生していた。低域通過フィルターを用いた漸移的参照値変更により、パワーエレクトロニクスの動作を熟練ドライバーの加速操作のように滑らかにした。
第二の柱となる「改良型位相同期制御」は再接続時の危険を排除する。従来システムでは復旧後の位相整合に別途時間を要していたが、新方式では自立運転中から原系統の位相角を追従し続ける。これにより再接続指令時には既に完全同期が達成されており、ショートサーキット的現象を未然に防止する。
第三の核心技術「重み調整制御戦略」は、FMSSの中枢である直流バス電圧制御権委譲を扱う。従来手法では制御主体の急激な切り替えにより直流電圧が不安定化するリスクがあったが、新旧制御信号を滑らかに混合する重み係数を導入。移行プロセス中も直流電圧を岩のように安定させ、接続系統全体の安定性を担保する。
シミュレーション環境（MATLAB/Simulink、380V三相系統モデル）での検証結果は劇的だった。PQ制御ポート故障時の直流電圧変動が従来の±30V/50msから±5V/10msへ改善。再接続時の電力サージを完全に抑制し、Udc-Q主端子故障時も安定移行を実証した。更に50kW三レベルコンバータを用いた実機試験では、PQ→VFモード遷移を2msで、逆遷移を8ms以下で達成。電圧・電流波形にほとんどリップルを生じさせないことを実証した。
この制御戦略の実用意義は計り知れない。太陽光・風力の変動に伴う局所的な電力需給ギャップが生じた際、FMSSが瞬時に近隣系統から電力を融通し、照明のちらつきすら発生させない。電気自動車の集中充電時の電圧低下防止、電力会社の運用コスト削減と信頼性向上など、多面的な効果が期待される。
技術的特徴として既存FMSS設計の変更を最小限に抑えたソフトウェアベースの改良は、導入コストを抑制し普及を促進する。スマートグリッド構想の中核となる自律分散制御の実現に向け、複数FMSSの協調運用や蓄電池システムとの連携など、更なる展開可能性を開く。
系統安定化の中枢デバイスを「電力網のニューロン」と進化させるこの研究は、21世紀のエネルギー転換を支える不可欠な基盤技術となる。脱炭素社会の実現と電化の加速に伴い、目に見えない基盤として社会の電力信頼性を根本から強化する役割を担うだろう。
著者情報：
ザン・ジャン、ラン・リー、クォンハイ・フオ、ニンニン・リー、ウェンヨン・ワン、トンジェン・ウェイ
所属：中国科学院電気工学研究所、太原工業大学
掲載誌：Modern Electric Power
DOI：10.19725/j.cnki.1007-2322.2022.0328