太陽光発電用位相シフト直流-直流変換器の検討正員中田篤史＊学生員仙田智章＊＊上級会員鳥井昭宏＊＊正員元谷卓＊＊終身会員植田明照＊＊ A Study of Phase Shift DC-DC Converters for PV System Atsushi Nakata* Member, Tomoaki Senda** Student Member, Akihiro Torii** Senior Member , Suguru Mototani** Member, Akiteru Ueda** Life Member キーワード：太陽光発電，位相シフト直流-直流変換器，リチウムイオンキャパシタ 1. まえがき近年効率の改善のため，大容量太陽光発電において 3 レベルインバータが用いられてきている(1)が，平滑用電解コンデンサのバラツキや容量抜け等によって 3 レベルインバータの中性点電位がずれるため，チョッパによる電圧均一制御が行われている(2)。また，太陽電池に部分陰が生じると， (a) System. 最大電力時の直流電圧が低下する(3)ため，幅広い直流電圧で発電する系統連系装置が必要とされている(2)。さらに，太陽光発電は天候の影響により出力変動が大きいため，蓄電デバイスを用いた出力変動抑制が必要である(4)。本論文では，位相シフト直流-直流変換器を用いて静電容量にバラツキがある直列接続された負荷側平滑電解コンデンサの電圧一定制御をシミュレーションで検討する。また， (b) DC/DC Converter circuits. 蓄電デバイスであるリチウムイオンキャパシタを用いて太 Fig.1. Simulation configuration. Table 1. Parameters. 陽電池に部分陰が生じたときの出力変動抑制対策について DC/DC Converters 検討する。 2. Lithium-ion capacitor 回路構成と定数 Fig.1(a)にシステム構成を示す。フルブリッジインバータ回路で構成された直流 - 直流変換器を Fig.1(b) に示す。 Fig.1(b)の回路では位相シフト制御を用いて零電圧スイッチ Smoothing Capacitor and Load Photovoltaic Module ング(ZVS)を行う。また回路定数を Table 1 に示す。デッドタイムを 3µs，高周波変圧器の漏れインダクタンスを 4.56µH と仮定し，ZVS を行わせるために Cr は 0.1µF とした。Fig.1(a)の IGBT は理想素子とする。DC/DC1 の変圧器巻数比は N1:N2=75:150 としそれぞれ電圧 V1,V2 を 100V 一定制部分陰が生じ一方のアレイの照度が 40%(4.51A)となる場合，御，DC/DC2 の変圧器巻数比は N1:N2=250:100 とし VC 電圧光起電流 Iph2 が 40%となることを示している。DC/DC1 出力を 75V 一定制御している。直流-直流変換器のキャリア周波側の平滑用電解コンデンサ C1,C2 の静電容量のバラツキ数は 5kHz，DC/DC1(a),(b)のキャリア位相をそれぞれ 0 度(基 (2,000µF±20%)を想定し，それぞれの電圧を V1,V2 とし，負準)，90 度とし，DC/DC2 を 180 度としている。荷を 10A の電流源とした。蓄電デバイスとして旭化成 FDK エナジーデバイス社製リ 3. シミュレーションチウムイオンキャパシタ(ECM015SR-ST001)を想定し，モジュール当たり 536F，内部抵抗 7.7mΩ，動作電圧範囲 9-15V である。これを 5 直列して蓄電部とした。太陽電池は開放電圧 250V，短絡電流 11A，最大電力点の太陽電池のシミュレーション解析による IV 曲線を Fig.2 に示す。2 つのアレイに 100%照度が与えられている場合は， Fig.2(a)に示すように最大電力を 200V,10A 時に得ることが電圧電流を 200V,10A とした。Table 1 において，光起電流できるが，片側のアレイの照度が 40%になって部分陰が生 Iph1,Iph2 が 100%(11.275A)のときは部分陰がないことを示し，じると，Fig.2(b)に示すように最大電力点が 100V,10A となる。＊アレイとも照度が 100%の時のコンデンサ電圧波形を Fig.3 コンデンサ電圧の初期電圧を 0V，DC/DC2 を停止し，2 静岡理工科大学〒437-8555 袋井市豊沢 2200-2 ＊＊愛知工業大学〒470-0392 豊田市八草町八千草 1247 に示す。DC/DC1(a),(b)は 100V 一定制御(制御定数は実験的に求めた)を行い，負荷は電流源 10A としている。約 20ms の整定時間(±1%)で両電圧とも定格電圧 100V に制御できていることがわかる。このとき，逆流防止ダイオードの電電力は太陽電池から供給されている。流 Ip_dc は 10A であり，リチウムイオンキャパシタからの電力のみで電解コンデンサ一定制御を行っているが，一旦 V1,V2 の電圧バランスが取 Fig.3 Capacitor voltage V1, V2 in the case of Iph2 100%. れたならば，電力の授受がほとんどないためである。このとき，太陽電池の出力電圧 Vo,出力電流 Io はそれぞれ 200V,10A である。DC/DC1(a),(b)を動作させない場合，Table 1 に示すように C1,C2 の静電容量が同じでないため，V1 は 80V，V2 は 120V となるが，本制御によって同一電圧に制御されている。 (a) Capacitor voltage V1, V2. 次に片側のアレイの照度が 40%になって部分陰が生じ，光起電流 Iph2 が 4.51A の時の各部波形を Fig.4 に示す。負荷側は 200V の電圧，負荷は 10A 電流源のままであるが，太陽電池からの発電量はほぼ半減となるため，リチウムイオンキャパシタ(C)から不足電力を補っている。このとき，逆流防止ダイオードの電流 Ip_dc は 0A である。C の内部抵抗 r は (b) PV output voltage. 38.5mΩであり，C から流出する電流 IC は Fig.4(e)に示すように 15A 程度である。内部抵抗による電圧降下により C の電圧 VC は約 74.4V となっており，太陽電池からの電力を DC/DC2 を介して供給される電力との分担制御が行われていることが確認できた。負荷側のコンデンサ電圧も 100V 一定制御ができていることが確認できた。V1,V2 の電圧リプル (c) PV output current Io. が異なっているが，静電容量が異なるためである。 4. まとめ位相シフト直流-直流変換器とリチウムイオンキャパシタを用いたシステムの検討を行った。静電容量にバラツキを持った出力側電解コンデンサの電圧を一定制御することが (d) Lithium-ion capacitor voltage. 確認でき，部分陰が生じた場合でもリチウムイオンキャパシタからの電力によって負荷側の出力変動抑制ができることを確認した。本研究の一部は，旭化成 FDK エナジーデバイス株式会社の助成を受けたものである。 (e) Lithium-ion capacitor current IC and DC/DC converter output current Icharge. Fig.4 Simulation waveforms in the case of Iph2 40%. 文 (a) In the case of Iph2 100%. (1) (2) (3) (4) (b) In the case of Iph2 40%. Fig.2 IV characteristics in PV array. 献辻本，水野，河合，白井，高木，桑原：「大容量太陽光パワーコンディショナの高性能化」，愛知電機技報，No.33，pp.19-23(2012) 山下，江口，清水，米山，武田：「ワイドレンジ入力に対応した高効率絶縁型パワーコンディショナー」，シャープ技報，第 107 号， pp.19-22(2014-7) 石川，中田，鳥井，植田，元谷：「部分陰が生じた時の PV 直並列接続の最大電力直流電圧推定法」，電気学会産業応用部門大会，1-77， (2014-8）奥田，木村：「太陽光発電システムの出力変動抑制技術」，東芝レビュー,Vol.65,No.9,pp.1-14，(2010）