Coordinated Optimization of Grid-Forming Control in LCC-MMC Hybrid DC Transmission Systems Considering Virtual Power Angle Evolution Mechanism

電力網を、私たちの明かりやスマートフォン、そして都市に電力を供給するために絶えずうねり続ける、巨大で目に見えないエネルギーの海だと想像してみてください。この海の中には、水を穏やかに保ち、正しい方向に動かすための2種類の主要な「ボート」が存在します。一つは「グリッド・フォローイング（系統追従型）」と呼ばれるボートで、彼らは勤勉な漕ぎ手のような存在です。彼らは灯台（メイングリッドからの信号）をただ見つめ、それに完璧に同期して漕ぎます。彼らは海が穏やかな時には非常に優秀ですが、もし嵐が襲い、灯台の光が点滅したりすると、道を見失ったりパニックに陥ったりすることがあります。もう一つは「グリッド・フォルミング（系統形成型）」と呼ばれるボートで、彼らは艦隊のキャプテンのような存在です。彼らは単に光に従うだけでなく、独自の律動と電圧を生み出し、たとえ嵐が荒れ狂っていても、海全体を安定させるための仮想エンジンとして機能します。これは、予測不可能な風力や太陽光発電を私たちのエネルギー構成に加えていく上で極めて重要です。しかし、これら「グリッド・フォルミング」のキャプテンには厄介な秘密があります。嵐が激しすぎると、彼らは時として怖くなって「電流源モード」に切り替わってしまうことがあります。これは、操舵をやめてただ全力で押し進めるモードであり、実際には船を転覆させてしまう可能性があるのです。

本論文は、まさにその恐ろしい瞬間を、送電側ステーションと受電側ステーションを接続する特定の超高圧送電線のモデルにおいて扱っています。±800 kVシステムを用いて研究を行った研究者たちは、受電側に故障（短絡事故など）が発生した際、「グリッド・フォルミング」コンバータが、グリッドと同期を保つための角度を失ってしまう危険なループに陥ることを発見しました。彼らはこの角度を「仮想電力角」と呼んでおり、これは風に対するステアリングホイール（操舵輪）の位置のようなものです。もしこの角度が大きく振れすぎると、ボートは制御不能に陥ります。著者らは、コンピューター・シミュレーション（具体的にはPSCAD/EMTDCというプラットフォーム）を用いて、出口を塞ぐ嵐によってエネルギーが蓄積していく様子、すなわち「余剰電力」を監視することで、キャプテンに対して、ステアリングホイールが制御不能に陥るのを防ぐために「ちょうど良い塩梅」で減速するように動的に指示できることを証明しました。さらに、もし嵐があまりに激しく、減速だけでは不十分な場合に備えて、キャプテンが瞬時に「グリッド・フォローイング」の漕ぎ手にハンドルを譲っても、船を揺らすことなく移行できる「スムーズな切り替え」を設計しました。これにより、最悪の嵐の中でもボートが生き残れるようにしたのです。

仮想ステアリングホイールの物語

高電圧送電の世界では、エンジニアは常に、電力が生成される場所（巨大な風力発電所など）から、必要とされる場所（大都市など）へと膨大な量の電気を移動させようと試みています。その有力な方法の一つが、「ハイブリッド」システムを使用することです。これは、始点にライン・コミューティティド・コンバータ（LCC）を、終点にモジュラー・マルチレベル・コンバータ（MMC）を配置するものです。LCCを「頑丈で安価だがタフな旧式のトラック」、MMCを「トリッキーな道もこなせる洗練された柔軟なスポーツカー」と考えてください。

問題は目的地で発生します。時として、地元の電力網が「弱い」状態になることがあります。これは、事態を安定させるための慣性（重いフライホイールのようなもの）が少ないことを意味します。これを解決するために、エンジニアはスポーツカーに「グリッド・フォルミング（GFM）」制御を採用します。GFM制御は、単にグリッドのリズムに従うのではなく、仮想同期発電機として機能し、独自の電圧と周波数を作り出してグリッドを安定させます。それは、コンパスが壊れていても船を操縦できるキャプテンのようなものです。

しかし、ここに落とし穴があります。大規模な故障（三相短絡事故など）がグリッドを襲ったとき、GFMキャプテンは圧倒されてしまいます。システムは機器を保護するために電流を制限しようとしますが、その過程で、コンバータは電圧源（安定したキャプテン）として振る舞うことから、電流源（必死に押し進める者）へと切り替わってしまいます。この状態では、「仮想電力角」（コンバータの内部電圧とグリッド電圧の間の角度）が激しく揺れ始めます。もしこの角度が一定の「臨界クリアリング角（CCA）」を超えて大きく振れてしまうと、システムは同期を失い、クラッシュします。それは、振り子が天井にぶつかって止まってしまうようなものです。

二段構えの救助計画

著者らは、嵐が襲った際に船を救うための二段構えの戦略を提案しました。

1. 「余剰電力」によるブレーキ
彼らの計画の第一段階は、衝突する前に賢く減速する方法です。彼らは、故障が発生すると、送電側は電力を押し込み続ける一方で、受電側はそれを逃がすことができなくなることに気づきました。これにより「余剰電力」が生じ、DC電圧が急上昇します。著者らは、このスパイク（急上昇）を警告信号として利用しました。

単にブレーキを全力で踏んだり、パワー設定を固定したりする（これはクルーズコントロールが固まった状態で運転するようなものです）のではなく、彼らは「動的電力削減」戦略を作成しました。彼らは、不均衡な電力の正確な量を計算し、それを使用してGFMコントローラの電力セットポイントを即座に下げました。

• 仕組み: パワー目標を下げることで、実質的に「加速領域（ステアリングホイールを押し広げる力）」を縮小し、「減速領域（停止するための余裕）」を拡大させます。これにより、臨界クリアリング角が大きくなり、システムが制御不能になる前に回復するための時間を稼ぐことができます。
• 結果: シミュレーションにおいて、5.7秒後に故障が解消されるテストを行った際、固定的な電力削減スキームはシステムを安定させることに失敗しました。しかし、この動的戦略を用いると、システムはスムーズに回復しました。仮想電力角の揺れは抑制され、DC電圧と有効電力は（長く引きずることもなく）はるかに早く（約8秒で）正常に戻りました。

2. バックアップの漕ぎ手への「スムーズな切り替え」
しかし、もし嵐があまりに激しく、減速するだけでは不十分だったらどうなるでしょうか？ もし仮想電力角がすでに手遅れの地点を過ぎてしまったら？
著者らの第二の戦略は、「スムーズな切り替え」メカニズムです。角度が危険なレベルに達した場合、システムはコンバータを「グリッド・フォーミング」モードから「グリッド・フォローイング（GFL）」モードへと即座に切り替えます。

• 課題: 通常、モードの切り替えは、時速100マイルで走行中の車から、ドライバーがハンドルを強引に奪い取るようなものです。これは車をクラッシュさせる衝撃を与えます。
• 解決策: 彼らは「フィードフォワード補償」システムを設計しました。これは、メインのドライバーを観察し、バックアップのドライバーが何をすべきかを事前に計算する副操縦士のようなものです。切り替えが発生する前に、バックアップシステム（GFLコントローラ）はすでにメインシステムの出力を追跡しています。そのため、切り替えが行われる際、内部ループの電流指令値（実際にモーターへ送られるコマンド）は連続性を保ちます。衝撃も、スパイクも、制御の喪失もありません。
• 結果: 深刻な故障（電圧が0.1 p.u.まで低下）のシミュレーションにおいて、このスムーズな切り替えを用いたシステムは、約7.5秒で回復しました。切り替えなしの場合、システムは回復に苦しみ、電流指令値が収束するまでに非常に長い時間を要しました。

シミュレーションが示したこと

研究者たちは、詳細な±800 kV、4,000 MWのハイブリッドDC送電システムのコンピュータモデルを用いて、高圧側コンバータACバスにおける三相短絡故障のテストを行いました。

• 危険地帯: 故障が長く続くと、仮想電力角が臨界クリアリング角を超え、システムが不安定になることを確認しました。具体的には、故障除去時間が5.9秒まで延長された場合、固定的な電力削減スキームは完全に失敗し、仮想電力角が上昇し続けてシステムが不安定になりました。対照的に、動的戦略はシステムを安定させ続けました。
• 動的戦略の優位性: 5.9秒の故障テストにおいて、動的電力削減を固定的な電力削減と比較したところ、動的手法は著しく小さい乱れを示しました。有効電力は380 MWまで低下しましたが、8.5秒で回復を開始しました。一方、固定スキームではDC電圧が690 kVまで上昇し続け、電力は激しく振動しながらも回復しませんでした。
• 切り替えの優位性: 深刻な故障（0.1 p.u.の電圧）においてスムーズな切り替えをテストしたところ、切り替えを用いたシステムは、用いなかったシステムよりも1秒早く回復しました。決定的なのは、この仕組みがコンバータが危険な電流源モードに「ロック」されるのを防いだことです。

結論

本論文は、電力網の世界におけるあらゆる問題を解決すると主張しているわけではありませんが、グリッド・フォーミング・コンバータの既知の弱点に対して、非常に具体的かつ巧妙な解決策を提示しています。仮想電力角を「注意深く管理すべきステアリングホイール」として扱うことで、著者らは以下のことを示しました。

1. 余剰電力に基づく「動的なブレーキ」は、静的なブレーキよりも優れている。それはシステムにより大きな安全マージンを与える。
2. 「スムーズな切り替え」によるグリッド・フォローイングモードへの移行は、嵐が大きすぎる場合の有効な緊急脱出路となる。ただし、ハンドルを急に操作しないことが条件である。

著者らは、このアプローチが「穏やかな天候におけるグリッド・フォルミングのキャプテンの安定性」と、「ハリケーンにおけるグリッド・フォローイングの漕ぎ手の信頼性」の両方の長所を組み合わせたものであると示唆しています。これらの結果はシミュレーションに基づくものであり、まだ実際の送電線でテストされているわけではありませんが、将来の高電圧DCシステムを、避けられない電力網の嵐に対してより安全で弾力性のあるものにするための、強力な理論的およびモデルに基づいた基礎を提供しています。