電気学会論文誌●（●●●●●●●部門誌）
IEEJ Transactions on ●●●●●●●●●●●●●●●
Vol.●● No.● pp.●-●●
DOI: ●.●●/ieejeiss.●●.●

消さないでください

論文誌テンプレート Ver.2013.06.18

研究開発
レター

6in1 パワーモジュールを用いた
アクティブパワーデカップリングの一方式
学生員

石山 柊斗＊

正員

日下佳祐＊

仁＊

芳賀

上級会員

Active Power Decoupling Method Using 6-in-1 Power Module
Shuto Ishiyama* Student Member, Keisuke Kusaka* Member, and Hitoshi Haga* Senior Member（20XX 年●月●日受付，20XX 年●月●日再受付）

A power conditioning system (PCS) with a single-phase power supply requires a large-capacity electrolytic
capacitor in the DC link to keep the input current of the PV panel constant. In addition, the PCS requires an isolatedtransformer for system safety because of the stray capacitance of PV panels. This paper describes an active power
decoupling method using a small-capacity film capacitor. The proposed 3-leg circuit does not require a transformerfor isolation, because the input terminal can be connected the output terminal. The experimental results show thattwice the grid-frequency components of the input current, which is a power pulsation, is reduced by 91.2%.
キーワード：インバータ，アクティブパワーデカップリング，電解コンデンサレス

Keywords：Inverter, Active Power decoupling, Electrolytic Capacitor-less

1.

ンサを想定しており，APD 法により電力脈動を吸収させる。

はじめに提案回路に必要なスイッチ数は 6 つとなり，6in1 パワーモ

太陽光発電(PV)をパワーコンディショニングシステム

ジュールのような汎用モジュールを適用できる。
提案回路は入力の直流電源から，3 レ＜2・2＞ 制御法（PCS）を介して単相負荷あるいは単相系統に連系する際，単相電力脈動の取り扱いが課題とされている。PV の発電電グ構成をもつ電力変換回路を通じて単相交流を出力する。

力は単相周期レベルで一定であることが望ましく，この脈ここで，leg1 はコンデンサの電圧制御，leg2，leg3 はインバ動を抑制するために大容量の電解コンデンサが用いられて𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖

いる。電解コンデンサは大型で寿命が短いため，その対策としてアクティブパワーデカップリング法（APD）の研究が盛𝑣𝑣𝑖𝑖𝑖𝑖

んである[1]。本レターでは 6in1 パワーモジュールを使用できる APD の一方式を提案する。

2.

𝑆𝑎1

システム構成＜2・1＞ 回路構成

leg1

図 1 に提案する回路構成と制御ブロック図を示す。従来回路では PV パネルと単相交流それぞれ𝑣𝑣𝑏𝑏𝑜𝑜𝑏𝑏 +-を接地するために絶縁トランスが必要である。しかしながBEF

ら，提案回路は共通レグを用いた 3 レグ構成であり，直流入𝑣𝑣𝑏𝑏𝑜𝑜𝑏𝑏

力端子と交流出力端子の一端を共通にして接地できるため，原理的に絶縁用のトランスが不要である。ここで，各レグと並列に繋ぐキャパシタ Cbuf は小容量のフィルムコンデ＊𝐿𝑎÷𝐶𝑏𝑏𝑜𝑜𝑏𝑏𝑆𝑎2

leg2+×-𝑣𝑣𝑏𝑏𝑜𝑜𝑏𝑏

𝑖𝑖𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 * +-𝑆𝑏𝑏2

PI++

𝑣𝑣𝑏𝑏𝑜𝑜𝑏𝑏
leg3

÷PI++

𝑖𝑖𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜

𝑆𝑐𝑐1 𝐿𝑏𝑏

𝑖𝑖𝑐𝑐+-+

NOT20kHz÷

𝑣𝑣𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 𝑣𝑣𝑏𝑏𝑜𝑜𝑏𝑏𝑅𝑣𝑣𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜

𝑆𝑐𝑐2+𝑣𝑣𝑖𝑖𝑖𝑖 𝑣𝑣𝑏𝑏𝑜𝑜𝑏𝑏

𝑣𝑣𝑖𝑖𝑖𝑖 BEF 𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜

長岡技術科学大学〒940-2188 新潟県長岡市上富岡町 1603-1
Nagaoka University of Technology.
1603-1, Kamitomioka-machi, Niigata 940-2188, Japan© 200● The Institute of Electrical Engineers of Japan.

PI𝑆𝑏𝑏1+-1

20kHz+-𝑆𝑎1
𝑆𝑎2NOT

𝑆𝑏𝑏2

NOT

𝑆𝑐𝑐2

Fig. 1 Proposed power converter and control block diagram
1𝑆𝑏𝑏1

𝑆𝑐𝑐1

APD の一方式（石山柊斗，他）

4.

ータとして電圧制御する。直流入力電流に現れる脈動成分の吸収は提案する電圧補償法と電流補償法により行う。脈本レターでは，6in1 パワーモジュールを使用できる APD

動を吸収するためのキャパシタが充放電する電力 Pbuf は交の一方式を提案した。
提案する制御法により単相交流の 2 倍流周波数の 2 倍となる。この大きさは(1)式の右辺第 2 項と周波数成分を直流入力側において大幅に抑制できることをして示される。
𝑉𝑉

まとめ示した。提案システムは，従来システムと比較して 2 倍周波

𝐼𝐼

𝑃𝑃𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 = 𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 {1 − cos(2𝜔𝜔𝜔𝜔)}…………(1)数成分を 91.2％低減できることを実機により確認した。

2

図 1 に提案する制御回路ブロック図を示す。小容量のフ𝒊𝒐𝒖𝒕[5.00A/div]
0Aィルムコンデンサで脈動を吸収するために Cbuf の平均電圧������は高く設定する必要がある。
本稿では 300V 与えている。
𝑣𝑣𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏������のフィードバック制御はleg1 により行い，検出した vbuf
𝑣𝑣
𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏は帯域除去フィルタ(BEF)により 2 倍周波数を除去して制御

𝒊𝒊𝒏[5.00A/div]5Aする。その後の電流制御は，式(2)に示す入力電力 Pin=Vin ·iinとキャパシタ部の電力 Pbuf=Vbuf ·ic の等価関係より，図 1 の𝒗𝒃𝒖𝒇[20.0V/div]

制御ブロックの上段に示すように AVR の出力（Cbuf に流す300V電流指令 ic*）から ACR の入力（La に流す電流指令 iin*）の間に換算を行う。これより，本来は Cbuf に流れ込む電流 ic の制御となるが，本回路では入力側インダクタ La に流れる電Fig.2 Experimental results of comparative circuit(output current, input current, capacitor voltage)

流 iin を制御することで間接的に電圧を制御する。この操作により，APD 回路として補償インダクタを追加する必要が

𝒊𝒐𝒖𝒕[5.00A/div]
0Aなく，素子数の削減を図ることができる。

3.

実験結果

10ms/div

𝑉𝑉𝑖𝑖𝑖𝑖 ∙ 𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 = 𝑉𝑉𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 ∙ 𝑖𝑖𝑐𝑐 ………………(2)𝒊𝒊𝒏[5.00A/div]
5A

提案システムの妥当性を検証するため，定格 500W の試

𝒗𝒃𝒖𝒇[20.0V/div]
300V作機を製作して実機検証する。APD の効果を比較するために，比較対象として昇圧チョッパを用いた PCS を用いる。
表１に各パラメータ値を示す。
図 2 と図 3 に実験結果を示す。
図 2 に示す比較対象の PCS
では，入力電流に 2 倍周波数で脈動していることが確認できる。一方，図 3 に示す提案回路では単相電力脈動補償によ9り，2 倍周波数成分の脈動が打ち消され，脈動が低減されて8Input Current iin[A]いる。コンデンサ電圧は 2 倍周波数である 100Hz を含みながら制御されていることが確認できる。
図 4 に直流入力電流の高調波解析結果を示す。比較対象
では 100Hz 成分が大きく現れているのに対し，提案回路では比較対象に比べて 91.2％の低減が確認できる。提案回路の単相電力脈動補償により脈動成分が良好に補償されていることが確認できる。
Table. 1 Circuit and control parameters
Output Power
0.5kVArms
𝑃𝑃𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜Input Voltage

300V

La

0.77mH

Cbuf

100μF

Output Resistor

R20Ω

Interconnection Inductor

𝐿𝑏𝑏

0.8mH

Cell Capacitor Voltage
Load Inductor
Output Capacitor

Output Voltage

𝑣𝑣𝑏𝑏𝑜𝑜𝑏𝑏

𝑣𝑣𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜

100Vrms,50Hz

7hikakuComparison control

6teiann
Proposed control

510ms/div

4391.2% reduced

21080V𝑣𝑣𝑖𝑖𝑖𝑖Fig.3 Experimental results of proposed circuit(output current, input current, capacitor voltage)050100150200250300

Frequency[Hz]Fig. 4

FFT analysis result of input current

文献(１) 渡辺大貴, 小岩一広, 伊東淳一, 大沼喜也, 宮脇慧: 「昇圧形アクティブバッファを有する電解コンデンサレス太陽光発電系統連系インバータの開発」, 電気学会論文誌 D, Vol. 135, No. 5, pp. 467-474 (2015)

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