中間タップを用いた電力脈動補償機能を有する絶縁

中間タップを用いた電力脈動補償機能を
有する絶縁型 DC-単相 AC コンバータの回生動作の基礎検証
○高岡渚
伊東
長岡技術科学大学
淳一
電気電子情報工学専攻
{ntakaoka@stn|itoh@vos}.nagaokaut.ac.jp
1. はじめに
近年，環境保全の観点から注目されている
PHV/EV の中でも，バッテリ充電システムに用
いられる絶縁型 DC-単相 AC コンバータの開発が
盛んに行われている。DC-単相 AC コンバータを
系統連系に使用する場合，本質的に電源周波数の
2 倍の電力脈動を伴うため，これまでに様々な脈
動補償の手法が提案されている[1]。しかし，従
来の電力脈動補償機能を有する絶縁型 DC-単相
AC コンバータでは，受動素子による大型化や寿
命部分のメンテナンスが避けられない問題があ
る。さらに，バッテリの充放電を行うため，双方
向の電力変換が求められる。
本論文では，小型化を目的にマトリックスコン
バータを用いた絶縁 DC-単相 AC コンバータを提
案し，その双方向動作について基礎検証する。
3. 脈動補償方法
図 2 に提案する脈動補償方法のバッテリ充電
時のコンセプトを示す。DC バス電力 Pbus と交流
出力電力 pout の瞬時電力を一致させるために，バ
ッファ電力 pbuf を，電力脈動成分を吸収するよう
に変動させる。
図 3 に提案回路の制御ブロック図を示す。提案
システムにおける電流，電圧の制御は全て PI 制
御によって行われる[2]。図 3 の特徴は，バッフ
ァ電流 ibuf を制御することで Cbuf の電圧を振動さ
Energy Flow of
Discharging Mode
LLPF
Ibus
S1ap
Polar
Power
flow
discrimination
ibuf
2
Detection of output power
Fig.3.
*
PI
igrid
Cbuf
VCbuf
Buffer circuit
pbuf
pbus
t
0
Grid
S2bn
S2an
Matrix converter
pout
Discharge
t
0
0
＋
Charge
＝
Input power
Buffer power
Output power
Pbus [W]
pbuf [W]
pout [W]
Fig.2.
Principal of power decoupling in charging
mode.
vbuf*
vLout*
vgrid
Fig.1.
Proposed circuit with power decoupling using
center-tapped transformer.
vdif*
1 vcom*
Vbus
*
2 |vcom |
1
N2
Vbus
N1
Current control of output filter inductor
igrid
vgrid
igrid
Lout
Lbuf
S1bn
Full bridge Inverter
Normalization of
buffer voltage reference
igrid*
S2bp
vout
S1an
ibuf
Buffer current control
vCbuf
Average voltage control of
buffer capacitor
S2ap
CLPF
PI
LPF
N1 N2
ibuf
ibuf*
PI
S1bp
Vbus
2. システム構成
図 1 に提案回路構造を示す。提案回路構造では，
高周波トランスの二次側にマトリックスコンバ
ータを用いることで，大容量の平滑用電解コンデ
ンサを削除できる。また，単相負荷によって発生
する電力脈動は，トランスの中間タップを用いる
ことで，直流側のフルブリッジインバータと脈動
補償動作を一体化した回路で補償する。従って，
追加のスイッチングデバイスを必要とせず，小容
量のバッファ回路で脈動補償が可能となるため，
システムの小型軽量化の達成が期待できる。
vCbuf*
Energy Flow of
Charging Mode
vout*
vgrid
1/x
vout**
Modulation of
full bridge
inverter
S1ap
S1an
S1bp
S1bn
Compensation of
secondary voltage
fluctuation of transformer
Modulation
of matrix
converter
Block diagram of proposed converter with power decoupling in charging mode to battery.
S2ap
S2an
S2bp
S2bn
せ，補償に必要な電力を制御できる点にある。ま
た，バッファ電流と出力電流の指令値は，出力電
流制御の前段にある，パワーフロー判別部によっ
て決定される。このパワーフロー判別は，バッテ
リに対する双方向動作を行うために用いており，
充放電時それぞれで脈動補償に必要な電圧指令
値は異なる。ここでは，脈動電力をすべて Cbuf
で吸収するとした場合，脈動を補償するために必
要な Cbuf の電圧 vCbuf は，バッテリの充電時は(1)
式で，放電時は(2)式で表される。
400
200
0
vCbuf
2
vCbuf 
Vbus
P
 out sin 2 o t 
4
o Cbuf
DC bus current filtered with LPF Ibus [A]
0
-2
-4
-6
Grid voltage vgrid [V]
100
0
100
0
-100
Grid current igrid [A]
20
0
-20
20
0
-20
10ms/div.
10ms/div.
(a) Charging mode (b) Charging mode
Fig.4.
With proposed power decoupling method.
(1)
400
200
0
(2)
4. シミュレーション結果と実験結果
4.1 シミュレーション結果
図 4 に単相電力脈動補償を適用した場合のシ
ミュレーション結果を示す。(a)はバッテリ放電時
の動作，(b)はバッテリ充電時の動作をそれぞれ
示す。シミュレーション条件は，直流バス電圧
Vbus=380 V，出力電力 Pout=1 kW である。脈動補
償を適用しない場合，100 Hz の電力脈動成分は
平均電流を 100%とした場合，101%である。一方，
提案する単相電力脈動補償を適用した場合，Cbuf
の電圧が 100 Hz の脈動成分を吸収するように変
動し，(a)のバッテリ放電時では 4.37%，(b)のバッ
テリ充電時では 13.0%に 100 Hz の電力脈動成分
を低減できる。なお，バッテリ充電時のほうが，
脈動補償効果が低下している理由として，脈動電
力が生じる負荷側の力率が，-1 を維持できていな
い問題があげられる。
図 5 にバッテリの充放電切り替え時の入出力
波形を示す。図 5 は脈動補償を適用した場合を示
し，充放電方向切り替え時も DC バス電流 Ibus の
脈動成分を補償できていることが確認できる。
4.2 実験結果
提案回路の基礎動作と脈動補償効果を確認す
るために，放電時における実機実験を行った。
図 6 にバッテリ放電時の実験結果を示す。(a)
は単相電力脈動補償無しの場合で，(b)は単相電
力脈動補償を適用した結果である。実験条件は，
Vbus=350 V，Pout=490W で，R-L 負荷を用いて実験
を行った。図 5(a)より，単相電力脈動補償を適用
しない場合，バッファキャパシタ電圧 vCbuf が変動
しない。従って，直流バス電流 Ibus には出力周波
数の 2 倍となる 100 Hz の脈動成分が重畳する。
一方，(b)のように単相電力脈動補償を適用した
400
200
0
6
4
2
0
2
Vbus
P

 out sin2o t 
4
o Cbuf
DC bus voltage Vbus [v]
5
0
-5
100
0
-100
20
0
-20
DC bus voltage Vbus [V]
DC bus current filtered with LPF Ibus [A]
Grid voltage vgrid [V]
Grid current igrid [A]
20ms/div.
Power flow is changed from
Power flow is changed from
discharging mode to charging mode charging mode to discharging mode
Fig.5.
Input and output waveform in discharging
mode during transition.
DC bus current Ibus 5 A/div
0
0
0
0
0
Buffer current ibuf 5 A/div
Buffer capacitor voltage VCbuf 100 V/div
0
Output voltage (LPF) vout 100 V/div
4 ms/div
(a) Without power decoupling (b) With power decoupling
Fig.6.
Experimental waveforms in a steady state with
discharging mode.
場合，Ibus をほぼ一定に制御できる。その結果，
Ibus に重畳する 100 Hz の脈動成分を 85.1%低減す
ることを確認した。
今後は，バッテリ充電方向における実機実験を
行い，提案する単相電力脈動補償方法の双方向動
作とその有用性の確認を行う。
文献
[1]
[2]
J. Itoh, F. Hayashi, IEEE Trans. On PE, Vol. 25, No. 3, pp.
550-556 (2009)
H.Takahashi,
N.Takaoka,
R.R.Rodriguez,
J.Itoh,
IECON2014, pp.3337-3343 (2014)

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