平成 28 年度電気関係学会北陸支部連合大会 マルチセルを用いた双方向単相中圧 Solid-State Transformer 青柳 和樹・中西 俊貴・伊東 淳一 （長岡技術科学大学） 1. はじめに 中圧(6.6 kV)電力系統から各需要家への配電には一般 的に柱上変圧器が用いられるが，重量やサイズに課題が ある(1)。そこで近年，絶縁と降圧機能を保持した上で，力 率改善や高調波抑制などの機能を付加した Solid-State Transformer (SST)が研究されている(2)。SST は高周波でト ランスを励磁するため，従来の変圧器と比較して大幅な 小型化が可能である。一方，従来の回路構成では，各回 路ユニットに設けられたコンデンサの電圧を一定にする ことが前提であるため大容量のコンデンサが必要となり， 更なる小型化を阻む一因となっている。 本論文では，システムの小型化に向けた新たな単相 SST の回路構成および制御系を提案し，その動作をシミ ュレーションにより検討したので報告する。 2Vin N1 N 2 2mVout ······································ (1) ここで，m はセルの段数，は変調率である。 図 2 に制御回路を示す。提案回路では，二次側のコン デンサ電圧を一定に制御し，一次側の昇圧リアクトル Lb に流れる電流の指令値を決定する。また，一次側に接続 されている各コンデンサの電圧制御は不要である。 3. シミュレーション結果 図 3 に一次側コンデンサ容量が 50 µF，セルの段数が 6 段の時の SST の双方向動作波形を示す。このとき，シ ステムの定格容量は 10 kVA としている。 動作波形より，双方向動作が達成できていることが分 かる。さらに，両動作において歪みのない入力電流波形 を取得している。 一次側コンデンサ電圧については，各セルで平均値が 一致している。また，コンデンサの電圧にばらつきが生 じた場合でもいずれ，各セルの出力電圧の平均値は一致 する。これは，容量のばらつきや負荷の過渡現象によっ Spfc11 Cs Vin 6600 V 50Hz/60Hz Spfc12 C1 50µF fo=50kHz N1 : N2 Ls C2 Vout 5000µF 320V 10µF 1µH Cell No. 2 Cell No. m 50Hz/60Hz operation Fig. 1. Single-phase bidirectional multilevel SST + - 図 1 に回路構成を示す。提案回路では，高周波トラン スの一次側に力率改善回路 (PFC)と LLC 共振型コンバ ータを接続し，これらを 1 セルとして多段に積み重ねる。 また，システムの小型化のために一次側にある高圧コン デンサ C1 は静電容量の小さいものを用いる。さらに，ト ランスの漏れインダクタンス Ls とコンデンサ Cs の間で 直列共振させ，ターンオン・ターンオフ時にゼロ電流ス イッチング (ZCS)を達成する。 トランスの巻数比 N は，一次側で常に昇圧動作をさせ るために(1)式を満たすように設計する。 LLC Lb 70mH Vout* 2. 回路構成 N Cell No. 1 PFC PI BEF 1 N * + + PI - - * ILb Vd 1 Vc1 1 m + - 1 0 Spfc11 NOT Spfc12 Vout vin ABS 1 Vin 1 Vcm 1 0 + - Spfcm1 NOT Spfcm2 Fig. 2. Control circuit for bidirectional SST 10 ms Input voltage vin [kV] 10 0 -10 THD=1.72% Input current iin [A] 4 0 -4 Boost inductor voltage vLb [kV] 2 0 -2 Output sum voltage of each cell Veq [kV] 10 5 0 Primary side capacitor voltage VC1, VC2, VC3, VC4, VC5, VC6 [V] 1732 1728 1724 Output voltage (secondary side capacitor voltage) Vout [V] 321 320 319 THD=1.66% (a) Power running (b) Regeneration Fig. 3. Operation waveform of bidirectional SST (C1 = 50 μF and m = 6) て一次側コンデンサの電圧がアンバランスしても，その 電圧に応じて各セルの出力電力が増減し，自動的に補正 されるためである。 二次側コンデンサ電圧については，平均値が指令値の 320 V に追従し，一次側コンデンサ容量が小さい場合で も安定した動作が行えることを確認した。 今後は，実機実験による提案回路の動作検証を行う。 文 献 (1) 中西，伊東：JIASC2015, No. 1-29 (2015) (2) Xu She et al.: IEEE Journal, Vol. 1, No. 3 (2013)
© Copyright 2024 ExpyDoc
