9 月 8 日、国家電投雲南国際が国家電投中央研究院、湖南大学、金風科技と共同開発した初の高原山地向けグリッドフォーミング風力タービンが、雲南富源西第 4 期風力発電所で系統連系し、3 か月間の試運転フェーズに入った。このほか、故障ライドスルー時の 3 倍電流、ならびに電流センサーのレンジを先に見直す必要性に関する疑問が残されている。
これまでに、内モンゴル初のグリッドフォーミング風力・蓄電一体パイロットプロジェクトが系統連系を完了しており、50 台の 10MW 風力タービンのうち 5 台がグリッドフォーミング機である。また、河北省の 21.45MW 分散型風力発電プロジェクトの入札公告では、7MW 級グリッドフォーミング風力タービンに対し契約実績および運転実績を資格要件に定めている。
グリッドフォーミング風力タービンはデモンストレーションプロジェクトから実用化フェーズへ進みつつある。風力タービンが「グリッドフォローイング」から「グリッドフォーミング」へ移行すると、コンバータの基礎部品の一つである電流センサーのレンジも再計算する必要が生じる。
グリッドフォローイング型コンバータは位相同期ループ（PLL）で系統電圧の位相を追跡し、電流ループを介して出力電流を制御する。一方、グリッドフォーミング型コンバータは制御アルゴリズムにより自身の電圧振幅と周波数を生成し、同期発電機に似た電圧源特性を備える。
定常運転時には両者の制御方式の差異は顕著ではない。
故障発生の瞬間に差が明らかになる。
系統電圧が電圧低下した際、グリッドフォーミング型コンバータは内部起電力を維持しようとする。この内部起電力と故障後の系統電圧との間に大きな電圧差が生まれ、大きな過渡電流が発生する可能性がある。
公開された研究によると、電流制限機能が作動する前の初期段階において、グリッドフォーミング型コンバータは定格電流の数倍に達する過渡的な突入電流を生じる場合があり、故障電流には交流成分と指数関数的に減衰する直流成分が同時に含まれうる。
グリッドフォーミング型コンバータと従来の同期発電機の故障応答には重要な相違点が存在する。同期発電機は自身の電磁過渡特性により大きな短絡電流に耐えられるのに対し、電力電子デバイスの過電流耐量と許容時間は限られている。
そのため、グリッドフォーミング制御では故障発生時に単純に PWM パルスをブロックしてはならない。
パルスブロックはパワーデバイスを速やかに保護できる一方、コンバータは電圧源としての支援能力を失ってしまう。本来のグリッドフォーミング制御は故障中も運転を継続し、動的電流制限、仮想インピーダンス、電圧基準値補正などの手法により電流をデバイスの許容範囲内に抑える。
これらのアルゴリズムに共通する前提条件は、コントローラが電流値をリアルタイムで把握できることである。
電流過限界検知、仮想インピーダンス演算、電流制限ループの電流フィードバック、故障復旧プロセスのいずれにも電流情報が必要となる。
グリッドフォーミングの故障ライドスルーに伴う変化は制御アルゴリズムだけでなく、電流検出回路の設計境界条件にも及ぶ。
2026 年 7 月、グリッドフォーミング分野の 2 つの重要な国家標準にて、短時間過電流耐量という指標が明確に位置づけられた。
『GB/T 47968‑2026 グリッドフォーミングコンバータ汎用技術仕様』は 2026 年 11 月 1 日に施行され、『GB/T 47655‑2026 電力電子機器・システムのグリッドフォーミング性能要求及び試験方法』は 2027 年 2 月 1 日に施行予定である。
GB/T 47968‑2026 はグリッドフォーミングコンバータの過負荷耐量に明確な要求を定めている。例えば定格電流の 110％での長時間運転、125％定格電流で 1 分以上の持続、300％定格電流で 10 秒以上の持続といった項目である。
300％定格電流を 10 秒以上維持すること。
パワーデバイス、放熱システム、バスバー設計はハードウェア設計の課題である。一方、電流センサーにとって最優先の課題はレンジ、すなわち測定範囲をどこまでカバーするかという点である。
従来、コンバータの電流検出部品の選定は定格運転電流を基準に一定の過負荷マージンを確保する方式が一般的だった。しかしシステムが 3 倍定格電流の短時間過電流に対応する必要がある場合、定格電流付近で精度が良好なセンサーでも適用できない可能性がある。
仮に検出回路の定格電流が 500A の場合、故障時には 3 倍の定格値に対応する必要があるため、センサーの測定範囲は少なくとも約 1500A をカバーしなければならない。
センサーが 1000A 付近で飽和領域に入ると、コントローラが受け取る電流フィードバックは実際の電流変化を反映しなくなる。
この場合、制御アルゴリズムの処理速度が速くても、入力信号が歪んだ状態で演算を行うことになる。
レンジの計算は装置全体の電力ではなく各測定点単位で行う必要があり、これは見落とされがちなエンジニアリング上のポイントである。
10MW、690V の風力タービンを例に三相交流電力の計算式で電流を簡易算出する。 \(I = P/(\sqrt{3} \times U)\)
10MW、690V を代入すると、 \(I ≈ 10\,000\,000 ÷ (1.732 × 690) ≈ 8375\,\mathrm{A}\)、装置全体の定格電流は約 8.4kA となる。
3 倍定格電流で計算すると\(8.4\,\mathrm{kA} ×3 ≈25.2\,\mathrm{kA}\)で、25kA を超える値となる。
この数値をそのままコンバータ内部の電流センサー選定に使うことはできない。
実際の大電力コンバータは複数のパワーモジュールあるいは回路で構成されており、電流検出点はモジュール出力部、パワーキャビネットの各回路などに設置される。
実際に計算すべきは、測定点における回路定格電流と故障時の過負荷倍率の積である。
芯森 HS3V H00 シリーズを例に挙げる。定格電流レンジは 500A～3000A で、仕様書には一次側電流測定範囲が記載されている。
HS3V 500 H00：定格 500A、測定範囲 ±1500A HS3V 600 H00：定格 600A、測定範囲 ±1800A HS3V 800 H00：定格 800A、測定範囲 ±2400A HS3V 1000 H00：定格 1000A、測定範囲 ±3000A HS3V 1500 H00：定格 1500A、測定範囲 ±4500A HS3V 2000～3000 H00：測定範囲上限 ±5500A
これらの数値を 3 倍定格電流と比較すると興味深い事実が見えてくる。500A、600A、800A、1000A、1500A の各グレードは測定範囲上限がちょうど定格値の 3 倍になっている。
一方 2000A グレードでは 3 倍定格電流が 6000A となり、±5500A の測定範囲を超える。2500A、3000A グレードも同様の状況である。
ここから導かれる現実的な選定原則は次の通り。単に「300％過負荷」という記載を見て、すべてのセンサーを 3 倍定格電流仕様に選定してはならない。また、センサーの定格電流が回路定格電流と同じだからといって必ずしも十分とは限らない。
実際には、個々の測定点、想定される故障電流、センサーの測定範囲、この三者の関係を検証する必要がある。
装置出口の電流が大きいからといってセンサーがその全電流をカバーする必要はない。反対に回路の定格電流が小さくても、故障時の短時間ピーク電流を無視してはならない。
飽和しないことが第一条件である。レンジを確保した後、ミリ秒レベルの過渡現象に追従できる動的性能を確認しなければならない。
グリッドフォーミングコンバータの故障制御はミリ秒の時間スケールで発生する。センサーが一次側の電流変化を検知してから出力信号に反映するまでに応答遅延が存在し、その後 ADC サンプリング、デジタルフィルタリング、制御演算、PWM 更新などの遅延が重畳される。
そのため制御回路全体を切り離してセンサーの応答時間だけを評価してはならない。
HS3V H00 の仕様書によると応答時間は 5μs、‑3dB 帯域幅は 25kHz である。
センサー単体の応答時間はマイクロ秒オーダーで、ミリ秒レベルの制御工程に占める割合は小さい。だが実システム評価ではセンサー遅延、サンプリング同期、フィルタリング、制御演算遅延などを総合的に考慮する必要がある。
25kHz は別の評価軸である。‑3dB 遮断周波数は、25kHz 以下の信号がすべて減衰なしで通過することを意味しない。故障過渡に含まれる高周波成分をどこまで保持するかは、コンバータのスイッチング周波数、サンプリング周波数、制御帯域幅を総合して判断する。
センサー評価では「5μs」という数値だけを見てはならない。 応答時間は信号伝達の所要時間を決め、帯域幅はどれだけ速い変化を捉えられるかを決定する。
グリッドフォーミングコンバータの故障時電流には交流成分と過渡的な直流成分が含まれ、直流成分は無視できない。非対称故障時には負相成分も発生する。これが電流センサーの測定原理に対する要求となる。
従来の交流変流器は直流成分を直接測定できないが、ホール素子式センサーは直流、交流、パルス電流の測定に対応可能である。HS3V H00 シリーズの仕様書にもこの 3 種類の電流測定に対応することが明記されている。
ただし直流測定が可能であっても、大過負荷時に飽和しないとは限らない。
オープンループホール方式の場合、磁気回路の状態、ゼロ点ドリフト、ゲインドリフトなどに留意が必要である。特に広温度域で運転する環境では、センサーの温度ドリフトをシステムの誤差予算に組み込まなければならない。
HS3V H00 の動作温度範囲は‑40～85℃、電気的オフセット電圧の温度係数は最大 ±1mV/K、ゲイン温度係数は最大 ±0.1％/K である。
長時間運転する風力発電用コンバータでは、25℃条件下の ±1％精度だけで実運転時の誤差を判断してはならない。
グリッドフォーミングコンバータは非対称故障時に各相成分を処理する必要があり、複数パワーモジュール並列運転時には回路間の電流分配も生じるため、多チャネル間の一致性も重要となる。
各電流チャネルが個別に高精度であるだけでなく、チャネル間の一致性も確保しなければならない。
HS3V H00 仕様書によると、定格点精度 ±1％、ゲイン誤差 ±1％で、電気的オフセットやゲインの温度係数などのパラメータも記載されている。
エンジニアリング上は 4 つの層でこれらの指標を分析できる。すなわちレンジ、動的性能、温度ドリフト、チャネル間一致性である。
単なる「±1％精度」という指標よりも、この 4 視点の方がグリッドフォーミングコンバータの電流検出の実務要求に適合する。
センサーの動作境界を正しく把握する必要がある。電流センサーはグリッドフォーミング制御アルゴリズムそのものではなく、またパワーデバイス保護の唯一の手段でもない。
IGBT の脱飽和保護、直流母線過電圧保護などにはそれぞれ独立した検知・実行機構がある。電流センサーは制御フィードバックおよび一部保護ロジックに必要な電流情報を供給する。
同様に、センサーの定格点精度＝装置全体の試験精度ではない。コンバータの出荷検査や認証試験（効率、高調波、電力など）には、別途高精度の外部測定器を使用する。センサーの役割はリアルタイム制御向けに安定かつ連続した電流フィードバックを提供することである。
絶縁性能についても同様である。
HS3V H00 仕様書によると交流絶縁耐圧は 5kV（50Hz、1 分間）。一次‑二次間の電気的ギャップは 12.7mm、沿面距離は 15.7mm。仕様書には 600V 強化絶縁、1000V 基本絶縁の適用事例が記載され、CAT III、PD2 条件が明記されている。
690V 風力発電プラットフォームが装置全体として絶縁要求を満たすか否かは、センサー単体の耐圧パラメータだけで判断できない。動作電圧、過電圧カテゴリ、汚染度、装置全体の絶縁協調を合わせて評価する必要がある。
グリッドフォローイングからグリッドフォーミングへの移行において、電流センサーが全く新しい部品に置き換わるわけではない。変化したのは故障時におけるコンバータの運転境界条件である。
標準により 3 倍定格電流の短時間過電流耐量が要求されたことで、故障発生時にセンサーが先に飽和してしまうという現実的な課題が生まれた。
グリッドフォーミング風力タービンの電流センサー選定は、簡単な計算から始めることができる。測定点の回路定格電流に故障時の過負荷倍率を掛け合わせ、カバーすべき測定範囲を求める。
レンジを確保した後、応答時間、帯域幅、温度ドリフト、チャネル間一致性、絶縁性能を順次検討する。
グリッドフォーミングコンバータの故障発生後数ミリ秒の間、コントローラが取得する電流値は実際の電流にできる限り近い値でなければならない。
レンジの条件を満たしていなければ、後続の制御アルゴリズムがいかに高性能であっても意味がない。
今天 16:51
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