革新的単独運転検出技術の開発とスマートグリッド技術基盤への応用

2015 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 15K05965
• Research Institution: Hiroshima Institute of Technology
• Principal Investigator: 吉田 義昭 広島工業大学, 工学部, 准教授 (50726867)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: LED電球 / 整流回路負荷 / 高調波電流 / 高調波電圧 / 電圧歪み

Outline of Annual Research Achievements

平成27年度は，電子負荷（例として整流回路負荷であるLED電球）から流出する高調波電流と高調波電圧発生量の特性を把握するための実験研究を行った．本研究は電子負荷が配電系統における高調波電圧変動量に与える影響を明らかにする上での重要な基礎的資料となる．この特性を把握することで，単独運転前後の高調波電圧変動量の解析にも応用できる．
実験条件として電子負荷への供給用電源に独立型太陽光発電用インバータ（正弦波電圧源として模擬，定格100V，500W，60Hz）を用いた．送電端と受電端までの線路亘長（線種：VVF1.6）を0mから200mまで50mごと4通り変化させた．負荷のLED電球数（定格9 W）を1個から20個まで変化させた．この条件下で，負荷電流の高調波特性および送電端と受電端における基本波電圧と高調波電圧の特性を明らかにした．併せて，高調波電流の実測値を用いて，実験回路の高調波電圧計算を行い，測定結果の妥当性を検証した．
実験結果から以下のことが明らかになった．LED電球20個（180 W）を線路亘長200 m（2.06 + j0.0246 Ω）の末端に接続して点灯させた．このとき負荷電流は，基本波電流（1.7 A）に対して，高調波電流のうち，3 次（1.2 A）が70.5%と最も多く含まれ，次に多いのが5 次（0.585 A）の34.4%である。この結果，線路末端における高調波電圧は，総合電圧歪で増分量で5.78%，絶対量で8.11%に達している．3次高調波電圧の寄与は91%になる．5次高調波の寄与は10%以下である．電圧計算値は測定値と良好に一致した．
今後の研究として，電流源を用いて単独運転状態で定インピーダンス負荷とLED電球の比率を変化させて点灯させ，そのときの高調波特性や高調波等価回路を明らかにする．電圧源で点灯させた場合（系統連系時）との比較も行う予定である．

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

平成27年度に計画した実施項目の内，「電子負荷から流出する高調波電流特性の把握」は計画通り進めている．しかし，実測値の解析および高調波電圧計算手法の確立に予想以上の時間がかかった．これに伴う研究発表等は次年度になる見通しである．また，同時に平成27年度に計画した「市販のPCSから流出する高調波電流特性の把握」と「高調波電圧フィードバック方式の他方式との混在連系時の有効性検証」についても進捗が遅れている．遅れている理由は，開発工程の見直しが必要になったためである．具体的には研究当初，実験検証用のシミュレーション解析モデルを構築した後に，提案する高調波電圧フィードバック方式を搭載した実験用系統連系インバータの設計開発を行う予定であった．しかし，提案手法を実現するために必要なインバータ制御用CPUの活用技術の修得と制御プログラミングの開発に予想以上の時間とコストがかかる見通しになることが判明した．開発期間の短縮と開発コストを抑えるために，解析モデルの構築と実験用系統連系インバータの設計開発を同時に進める必要がある．パソコンの購入においてもシミュレーション解析用パソコンとインバータ開発用パソコンを1台で兼用できる仕様の見直しを行っている．こうしたことから，27年度に購入予定していた解析ソフトとパソコンの購入を次年度に繰り延べすることになった．

Strategy for Future Research Activity

今後の推進方策として，シミュレーション解析モデルの構築と実験用系統連系インバータの設計開発を同時に進めていくことである．実機の開発を円滑に進めていくために，シミュレーション解析モデルを援用することは，実験システムの最適化や開発期間の短縮と開発コストを抑えるために有効である．
市販用系統連系インバータは定格4000W前後が多い．しかし商用機レベルのインバータの開発にはコストの増加と開発期間の長期化が見込まれる．そこで本研究で開発するインバータのスペックは，定格100W～200Wと縮小化し仕様のミニマム化を図る．新型の単独運転研究機能など高度な技術確立目標を維持しながら，コストの低減と開発期間の短縮も同時に達成するため，効率良く研究を進める．
併せて電流源を用いて単独運転状態で定インピーダンス負荷とLED電球の比率を踏まえて点灯できる実験環境の構築も行っていく．これにより，平成28年度に計画している負荷の高調波電流位相の推定手法の実験にも応用が可能である．
研究体制の強化として，研究協力者に研究代表者の研究室に所属する学部4年次生3名を加える予定である．学生との共同作業によって研究開発の進捗の迅速化も見込める．

Causes of Carryover

平成27年度に計画した実施項目の内，「電子負荷から流出する高調波電流特性の把握」に伴う実測値の解析および高調波電圧計算手法の確立に予想以上の時間がかかった．これに伴う研究発表は次年度になる見通しであり，予定した旅費を今年度使用しなかった．
さらに提案する高度な単独運転検出技術の実現に必要な制御用CPUの活用技術の修得と制御プログラミングの開発に予想以上の時間とコストがかかることも判明した．ゆえに，開発期間の短縮と開発コストを抑えるために，シミュレーション解析用パソコンとインバータ開発用パソコンを1台で兼用できる仕様に見直す必要が生じたので，27年度中に購入するに至らなかった．

Expenditure Plan for Carryover Budget

次年度の使用計画として，「シミュレーション解析モデルの構築」，「系統連系インバータの開発」，および「単独運転検出に係わる実験・計測システムの構築」に物品費（設備備品費，消耗品費）を使用する．国内学会の発表に旅費等を使用する他，系統連系インバータを専門とする大学研究者や企業の技術者との意見交換・設備見学のためにも旅費を使用する予定である．