| 研究課題/領域番号 |
26420223
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
萩原 誠 東京工業大学, 理工学研究科, 准教授 (20436710)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | パワーエレクトロニクス / マルチレベル変換器 / DC-DCコンバータ / 風力発電 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、近い将来に実用化が期待されている10 MW（メガワット）級の風力発電システムに適用可能なマルチレベル変換器、およびマルチレベル変換器の技術を応用した非絶縁形DC-DCコンバータに関して検討を行っている。マルチレベル変換器に関しては特に交流-交流直接変換形に関して、実験とシミュレーションの両面から検討を行った。その結果，従来のAC-DC-AC変換方式と比較して、大幅な重量・体積の低減が可能であることを明らかにした。本研究で得られた成果は、当研究分野で権威のある学会誌「IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics」に投稿し、掲載決定済みである（2016年中に掲載予定）。
次に、数百Vから1 kV以上に昇圧可能な高圧DC-DC変換回路に関して検討を行った。具体的には、変換器の重量・体積を大幅に低減可能な回路方式の提案を行った。これは、変換器が発生する電圧高調波を従来の高重量なパッシブフィルタで除去するのではなく、単位フルブリッジ変換器のカスケード接続から構成されるアクティブフィルタで除去する点に特長がある。本研究では、上記提案回路の動作原理に関して明らかにし、動作原理の妥当性はPSCADを用いたコンピュータシミュレーションにより明らかにした。次に、従来方式と本提案方式に使用するインダクタ体積に関して理論とシミュレーションの両面から検討を行った。その結果、本提案回路を使用することで、インダクタの体積を従来方式と比較し1/100に低減可能であることを明らかにした。なお、本提案回路に関しては知的財産権を国内外に申請済みである。（発明名「双方向チョッパ回路」、発明者「赤木泰文、萩原誠」特願2015-172771、出願日2015年9月2日）。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
当初の研究実施計画であった「従来方式との損失・体積比較」「系統擾乱時の運転継続特性の検討」「最適制御法の検討」に関しては、「従来方式との損失・体積比較」と「最適制御法の検討」に関しては十分に検討を行うことができた。研究成果の有用性・妥当性は、当該研究分野で権威のある学会誌「IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics」に採択決定済みであることからも明らかである。制御法に関しては、変換器単体のみではなく、風力タービン自体も詳細に模擬したモデルを構築し、本提案システムの有用性・妥当性を確認している。
「系統擾乱時の運転継続特性」に関しては、設備の都合上実験的検討を行うことが難しいという理由から、シミュレーションによる検討を行った。その結果、一線地絡事故・三相短絡事故に代表される系統擾乱時にも安定した運転継続を実現できることを確認した。
さらに、当初の研究計画には予定していなかったが、昨年度の「今後の研究の推進対策」において記載した「双方向チョッパ回路」に関して、画期的な回路構成の考案に成功した。当初の目的としては、双方向チョッパ回路に使用するインダクタの体積・重量を従来方式と比較して１０分の１に低減することを目標としていたが、詳細な理論検討を行った結果、理論的には１００分の１まで低減できる可能性を明らかにした。従来方式でインダクタを１００分の１まで低減できる方式は存在せず、革新的な回路方式と言える。以上をまとめると、当初の研究計画に加えて新たに画期的な回路方式の考案が達成できたため、現在までの達成度としてはおおむね順調に進展していると結論付ける。
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| 今後の研究の推進方策 |
28年度は、昨年度に提案した革新的双方向チョッパ回路の動作原理検証を行うことに注力する。初めに、双方向チョッパ回路の動作原理に関して詳細な検討を行う。具体的には、回路に使用している複数個の直流コンデンサ電圧の制御方法や、動作上の遅延時間が回路の挙動に及ぼす影響に関して明らかにする。次に、デッドタイムの回路動作に及ぼす影響とデッドタイムの補償方法に関して検討を行う。
また、昨年度の検討結果ではインダクタの体積を理論的には１００分の１に低減できることを明らかにしたが、これはインダクタで発生する鉄損を考慮していない。鉄損等の損失が存在すると、インダクタの小型化の妨げになる可能性があるため、鉄損の影響に関して明らかにする。
最終的に、昨年度に設計した300 V、6 kWミニモデルにより実験検証を行う。ミニモデルは実機モデル（1500 V, 500 kW程度）を詳細にモデル化しており、当研究室で設計・製作した最新のディジタル制御技術を駆使した制御ボードを用いて駆動することで、回路の性能を最大限に活用できる構成とした。実験では、初めに抵抗負荷時の検討を行う。具体的には，低圧側に抵抗負荷を設置し負荷を変化させた場合の双方向チョッパの挙動に関して検討を行う。また、最適なインダクタンス値の設定に関して検討を行う。次に、抵抗負荷の代わりに直流電源を配置し、より実機モデルに近い状況下で検討を行う。昇圧動作時と降圧動作時の両者に関して検討を行う。また、本研究で得られた知見は国内外の学会に発表し、かつ権威ある論文誌に投稿する予定である。
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