.ゲー sw-P oti&

インバータの構成と特徴
インパータ(1相分
)
交流フィルタ
(a)電
l■ 指令lLと
搬送波
(b)
sw-P
oti&
sw-N
arl E
(d)出力電
l■
と
負荷電圧
図
74
インパータの動作原理
令値である正弦波の振幅を変えることで出力電圧の +Ed/2と ―Ed/2の幅の比率
も変化し,平均的な電圧を変えることができる.すなわち,直流電圧は一定でも
交流 tF■ を任意に制御することができるなお,インパータが三相になった場合
には,おのおの 120度の位相差をもつ 3本の正弦波を電圧指令 f■
Lとして与えれば
よい
2
各相の動作は図 74と同様である
パワーデバイス°
インパータに使用するパワーデバイスは種々のものが開発され実用化されてい
る。通電電流 ,許容電圧 ,オンオフ動作周波数などの観点から,適切なデバイス
を選択する必要がある
表
73におもなデバイスの構造 ,特徴と外観を示す。
サイリスタはオン制御デバイスで,表に示すように 4層の pnpn構造をもち,各
層にはアノード (A), カソード (K), ゲート (G)端子が取り付けられる.ゲー
電カネットワークとつなぐ
表
73
バイポーラ
パワートランシスタ
Ｃ︲
っ
ｙ一
﹁
︲Ｅ
ス＞
，
夕一タ
一クベツ
Щ ル
︵
ギ∴
II
タド
C(
■﹁
サイリスタ
C
パワーデバイスの構造と
，
￨:髭
￨
￨
ス
倉
需￨￨ _
ト
rl、
一口
コレクタ
電F
クタ
平
off
一波形
oft on
ノ圧ノ流一流
ア電ア電グ電
電l■ 電流
アノード
電圧
アノード
電流
グート
電流
on/orともに制御可
on/orともに制御
・I
∼ 15011V
∼ 数百A
″
卜電 7Tuを供給してサイリスタがいったんターンオン状態になった後は,ゲート電
流を供給しなくてもオン状態を維持できる。オフ状態に移行するためにはアノー
ド電流を保持電流以下にするか,逆電圧を印加して主電流を転流させる
外部電
源などによってターンオフが制御されることから,他励式インバータに使用され
る.低損失でかつ素子の高耐圧大電流化が比較的容
3/」
であることから,大容量の
電力変換に利用される実用化されている最大容最のサイリスタとしては 8kV
3 5kAの
ものまであり, 1直流送電などで使用されている。
ゲート電流によってターンオフが可能な素子が GTO(gatc turn off thyrlstor)
インパータの構成と特徴
特徴
パヮー MOSFET
イン
￨
奮偽
On′ orと
￨ _1尋
クタ
On′ Orと
もに制御可
数十kHzヽ
￨
籠
lMHz
￨
もに制御可
≦数十kHz
∼ 1000V
∼4 5kV
IA
∼ 1200V
―数
―
甲11熙
■ ■
である_サイリスタと同様の pnpn 4 jM構造であるが,通常のサイリスタと異なる
のは,負のゲート電流でターンオフさせることができる点である
ただし, この
ターンオフ電流は,主 ti流の 1/3梓度の大電流を必要とするため ,ゲート駆動卜1
路は比較的大型となる
が大きいため高周 l
大容量の自励式インパータに llt用されるが ,素子の損火
lt動 41ま
むずかしく,現状では l kIIz程度が限度である
パワートランジスタはエミッタ
らなる
(E),ベース (B), コレクタ (C)の 3領域か
トランジスタは線形増幅素子であるが, これを遮断領域と飽和領域で川
いることでスインチング動作を実現している電流増申
品率を高くするために,2個
トワークとつなぐ
のトランジスタを用い,自 i段のトランジスタで後段のトランジスタのベース電流
を増幅する,いわゆるダーリントン構造とする場合が多い。反面 , コレクタ・エ
ミッタ間の飽和 aFtが高くなり,蓄積時間も増加するなど損失が増えるため,動
kHz程度が限度である.最近では,パワー MOSFET(metal
semicOndtlctor ield effect transistor)や IGBTの性能向上などにより
作周波数としては数
oxide
,
その適用分野は減少しつつある (後述 ).
パワー MOSFETはソース (s), ドレイン
(D),ゲート (G)の 3端子からな
る。ソースは荷電池子の供給源 , ドレインはその取出口を意味する.ゲートに正
の電圧を加えるとゲート直下にチャネルが形成される
さらにドレイン・ソース
間に電 Ftを加えるとチャネル内の電子はドレインに移動して電流が流れる.この
素子は多数キャリアデバイスであるため ,少数キャリアデバイスであるパワート
ランジスタなどとくらべて高速な動作が可能である.動作周波数としては低耐圧
素子では数十 MHzの動作が可能である耐圧が高くなるとオン電圧も高くなる。
ゲート駆動回路は,EF■ 駆動形であるため簡素で駆動電力も少ない.
ICBTはパワー MoSFETの
電圧駆動形の特長である,高速スイッチングとパ
ワートランシスタの高耐 l■ ,lltオン電圧を兼ね備えた複舎デバイスである.動作
周波数としては数十
kHzと比較的高い
一方では,ゲート駆動回路や保護回路を一つのパッケージに内蔵した IPM
6ntenigent power module)も開発が進んでいる特に IGBTの
IPM化により
実装がしやすく, しかも回路の小型軽量 ,高信頼化も容易に実現できるようにな
ってきている.
3
インパータの回路方式
GTO,パワートランシスタ,パワー MOSFET,ICBTなどのデバイスは,す
べてゲート操作のみでオンオフが可能であることから, これらのデバイスを使用
した回路を自励式インパータと呼ぶ .これに対して,サイリスタを使用した回路
では電源電圧や負荷電圧によってターンオフが制御されることから,他励式イン
パータと呼ぶ_
表
74に
インパータの接続方式を示す。自励式インパータでは転流電源が不要
であることから,電 I■ 源として独立負荷への電力供給 ,すなわち自立運転も可能
となる。これに対して他励式インパータでは,独立負荷への電力供給については
インバータの構成と特徴
表
74
インバータの接続方式
回路イ
系統連系
自動式
インパータ
自こ運転
系統連系
他励式
―タ
インフ｀
白 t運転
バ
転流電源となりうる電動機負荷の場合のみに限定される.他励式インータでは
電源の力率が低く高調波も多く発生するため ,調相設備や高調波フィルタなど付
,
帯設備を必要とする.
バ
最近では直流送電などの超大容量の電力変換以外は自励式インータが主とし
て用いられ,燃料電池でも同様である
.
電カネットワークとつなぐ
摯系統連系インパータの特質と適用例
:具備すべき基本要件
,
燃料電池は太陽光発電,風力発電などとともに,新エネルギー発電システムと
して位置づけられ,このクリーンなエネルギー源と電カネットワークとのインタ
フェース機器としてェネルギー変換を行う系統連系インバータが用いられる
。そ
の構成例を図 75に示す。一般にエネルギー源が直流電力であることからこれ
,
を連系系統の周波数と同じ交流電力に電力変換するこのとき,図示するように
,
連系用遮断器を含む保護装置,蓄電池,計〕1装置なども組み込まれることもある.
代表的な新エネルギー発電装置や電力貯蔵の特性と系統連系インパータの主要
な特徴を表 75に示す5"ヽエネルギー源によって運転特性や特徴がそれぞれ異な
つていても,系統連系インパータとしては共通して備えるべき,次のような要
件
が必要となる
図
表 75
適用分野
4Nr
性
容量籠閉
インバータの特徴
75
系統連系インバータの構成例
新エネルギー発電と系統連系インバータの特徴
燃料電池発電
￨1負
f・
fln詢
I
太陽光発電
l射による変動
電圧 It F特性
電圧エド特性
小規模から大規模
比較的小規模
kW∼ 数 I Mw
jW∼ 数
′
tlt形 ,IGBT(GTO),
MW
tF形 ,К :BT,PWM.
電圧華下適応Ill御
多パルス,多重,最大電
力迫従m御
拉
電カネットワーク
用器
系断
連遭
新エネルギー源
PWM,多パルス,多重
電池電力貯蔵
コ
ll■
下特性
小規模から大規:栗
数
lkW∼ 数 IMw
電圧形 ,ICBT(GTO).
PWM,多パルス,多重
電
垂ド適 IL制御
'正
インバータの構成と特徴
系統連系技術要件を備える
系統連系技術要件は,系統連系に必要な保護機能や電力品質を有することが必
の
要で,「系統連系技術要件ガイドライン」にその基準が示されている.主要項目は
適用範囲,系統連系区分 ,保護機能・性能などの技術要件である
=
エネルギー源に応した出力制御・口整機能を有する
それぞれの新エネルギー発電装置に応したインパータの出力性能を発揮すべき
であり,燃料電池のインパータでは,負荷変化時や燃料系変動時などのセル電圧
の変動が発生しても安定した出力制御が求められる電力貯蔵用インパータも同
40%以上となるので
直流電圧が低下しても一定の出力となる制御が必要となる。また,風力発電では
様 ,場合によっては放電状態の初期と末期では直流電 Itが
,
発電機出力が風速の変化に応して大きく変化するので, インパータとしての追従
ヘ
性 ,出力制御性以外に大電力が変化することによる電カネットワークの影響を
抑制する制御が必要となる。
。
なお,小型風力発電は蓄電池を併置する方式が普及してきており ,この方式に
よると直流 EFIの変動幅を比較的小さく抑えることが可能となる.
表
76
インバータの具備すべきおもな要件
tr象インタフェース
機
能
おもな設計ポイント
セルス
電カネッ
タック
トワーク
Uモ迫従性
‖:力増加,燃 ■l変化.反嗜温度などによる
出力電圧 i下特性に対する適応制御
○
負荷変化対応
A荷変化, リブル, 長時 n無負荷などに対
する性能低下防止
0
人電流
るインパータ電
大容 itttr■ ,大電流に
'1すパ適用
l■ ,電流バランス,チ ■ ′
低 ,■
F・
0
逆光電防止
インパータ側からの逆流鋼こよる電解 rr
劣化の防 ‖■ 逆F■ 上ダイオー“ド
系統矧三変動
系統瞬断瞬低などに対するインパータの
運転継続,待機イ制御
出力高調波
電カネットワークヘの高調波流‖i抑制, ″
イドラインナ
寸:し
C)
安定運転
転叶
運転llのイj効無効電力制御, 山
'運
の定電圧定周波数制御モード切林え
()
'止
O
トワークとつなぐ
・エネルギー源の特性と整合がとれ能力を最大限引
き出せる
太陽光発電の最大出力追従制御が代表的な例であるが,燃料電池においては
,
負荷急変時の発電電力の安定制御,セルスタックや燃料処理装置からなる燃料プ
ロセス系安定化制御などの構築があげられる
また,大型風力発電で誘導発電機
とインパータを組み合わせる方式では,発電機出力電圧 (りと出力周波数 (F)
(=風速に比例 )の比率を一定に保ちつつ効率良く発電電力を取り出すための,滑
り周波数一定制御がある。これはインバータによるモータ可変速制御による回生
制l動と同一原理を応用したものである。
一般に燃料電池の系統連系インパータが具備すべきおもな要件を表 76に示
す
1各種新エネルギー発電設備への適用例 ‖
各種新エネルギー発電装置と燃料電池で採用されるインパータの類似点,相違
点を比較する
.
燃料電池のインバータの基本口I路構成を図 76に示す助.セルスタッタの日 ■―
電流特性に対する制御には電力制御や電圧制御 (AVR)が採用されている。また
,
燃料電池の燃料改質系を含むシステム全体のプラント制御が電力制御や電圧制御
の上位制御として行われている燃料電池発電設備の大容量化の対応策としてイ
ンパータを並列接続し, 多重変几:器によって電カネットワークヘ系統
連系する例
(図 77)もある
.
太陽光発電のインパータのシステム
(F/」
78)では,太陽電池出力特性
(図 7
9)に基づき, 日射量により発電電力が変化しても最大電力追従制御が適用lされ
女
タ
ツ
ク
〔
卜 ―
十 1匿コ司軒￨―T匝
TJ´ギ獣鷲
「
￨
二
二
二
二
ニ
コ
￨
インパータ
制御
￨
￨
プラントオペレーション
=― 」
図
76
プラント制御
インパータの基本回路構成
コ
￨
インバータの構成と特徴
多重変圧
EL
Trl
二相ブ ,ッジ
1説
(屁
トヮ
︲ク
コ﹁ッ
器三相プリ
-1)理れ
二相プリッジ
変機器No“
晩い―。
進み
図 77
多重変圧器によって系統連系する例
電カネットワーク
︱︱ＩＦ
VOLT
PWM
最大電力追従制御部
電流波形制御部
gate
直流電圧制御部
無効電力指令
グートロジツク部
基準正弦波
―
部
図
る
78
太陽光発電用インパータシステムの例
1°
'
永久磁石式の同期発電機と系統連系インパータを組み合わせた大型風車用イン
パータシステム
710)では,風速に応したプレードのピッチ角制御とインバ
(図
Hヽ
ータ制l御により,より安定な発電電力が得られる
小型風力発電機と太陽光とで
711)では,直流回路に蓄電池が付
加され,風速で風庫回転数が変わって直流IF■ に変動が生しても,ほぼ発電電力
ハイプリッドシステムl14成されている例 (図
電カネットワークとつなぐ
一定の状態でインバータが運転され
―― :出力電流出力電圧
―¨― l出力電力出力電圧
る
1° ).
ナトリウムーIIL黄
貯蔵システムの例
(NAS)電池電力
(図 712)では
25
,
インパータを用いて充放電を行う
が,充放電時の直流電圧変動が,お
よそ70∼ HO%の広い範囲であり,
g
=
幅
45さ
至
30電
R
この変動を考慮した制l御が必要とな
るηヽまた,相間リアクトルを用いて
インパータを並列接続して大容量化
出力電Ft〔 V〕
を実現している
.
燃料電池に用いられるインパータ
図
79
太陽電池出力特性
の適用にあたっての主要技術課題は,高効率 ,コンパクト化 ,低コスト化であり
さらに容量に応した方式選定やプラント全体との協調設計が必要となる。小中
,
容量のインバータではインパータスイッチング周波数の高周波化による効率 ,性
能向上が課題であり,大容量インパータでは多重化 ,マルチレベル化などのイン
パータ l路方式とセルスタックの電圧 ―
電流特性に合った最適設計が課題となる.
「
ブレード
電カネットワーク
図
7 0
永久磁石式風力発電システムの例
インバータの構成と特徴
/1
太陽電池
PVコントローラ
図
71
風力
太陽光ハイプリッドシステムの例
り
既に生タ
ICBT 3 000 V 1 21111 A
l直ケ11並列 2アーム
61111kVA 三相プリッジ
VCB
72kV
601A
12 5kA
■動はね操作
低サージ形
２
ｘ
ｍ
卿
Ｔ
Ｃ
2 41X l17A
66kV′ 580V
耶
NAS電池
==21X llkW
枷
螂
岬
Ｔ
ｍ
叫
Ｃ
Ｚ
N路ず J:鵠
2m kVA
6 6kV210V
o― Pcs織翻
3PMCCB
“
￨
I
NAS電池ヒータ電源
図
7 2
ナトリウムー硫責
2 411tlkW PCS
(NAS)電池電力貯 ltシステムの例
クとつなぐ
電カネントワ
73
燃料電池用インパータ技術
F PAFCのインパータ技術
わが国の燃料電池実用化例の豊富な PAFCの代表的な 110件 (合計容量 32680
kW相当分 )のインバータ仕様について,特徴的な傾向を紹介する
インパータの設備容量分布を図
713に示す
大半が 50∼
200 kWで ,PAFCで
は,大容量燃料電池よりもオンサイト用燃料電池の中小容量がキ及している.
使用されているパワーデバイス別の台数および容量の比率を図
714に示す .台
︹
〓〓︺］てヽ１くヽヽ
lC ll lXlll
10000
10∞
100
10
1
設備No
図
7 3
インバータの設備容量分布
数ベースでは IGBTが 45%,パワートラン
ジスタが 49%,ほかに GTOおよび MOS
系デバイスがわずかではあるが実績があ
る容量ベースでは,ICBTでは 29%,パ
ワートランジスタは 20%であるのに対し
て,GTOが
50%である GTOが台数の割
に容量の比率が大きいのは,GTOが大容
量向けのパワーデバイスだからである
.
GTOと
しては 6kV
6kAと
いう大容量
トランシスタ
のデバイスも電力用や産業用で実用化され
ているBヽただし,GTOの場合には損失や
冷却の点から動作周波数を高くできないの
で,インバータを多重化したり出力高調波
円グラフ外側 :台数
図
7 4
円グラフ内側 1容量
パワーデバイス別合計台数
および容量の比率

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