パワーデカップリング技術を用いた単相インバータで高パワー密度を実現するためのコンポーネントへの要求

摘要

近年，地球温暖化などの環境問題を背景に太陽光発電(以下PV)の普及が活発になっている。PVを一般家庭の単相系統へ連系させる場合，直流を交流に変換するため，パワーコンディショナ(以下PCS)が必要となる。PCSは昇圧チョッパ回路と系統連系インバータから構成される。PVの出力電圧は直流であるのに対し，系統の電圧は交流であるため，チョッパ回路とインバータの連系点の瞬時電力は単相系統の2倍の周波数で脈動する。PVから発電する電力は電源周期レベルではほぼ一定であることが望ましいため，エネルギーバッファを用いて系統側の瞬時電力脈動を補償する必要がある。そこで，従来回路では連系点に大容量の電解コンデンサを用いて電力脈動を補償する。しかしながら電解コンデンサを用いた場合，PCSの寿命を制限することになる。この問題に対し，アクティブパワーデカップリング方式による単相電力脈動補償に注目が集まっている。この方式は大容量キャパシタを用いたパッシブ方式に比べ，小容量のキャパシタで単相電力脈動を補償することが可能である。その結果，バッファキャパシタにフィルムコンデンサやセラミッタコンデンサの適用が可能となり，長寿命化が期待できる。しかしながら，キャパシタの充放電を制御するためのリアクトルとスイッチング素子が追加で必要となる。リアクトルを小型にするために，スイッチング周波数を増加させると，追加したスイッチング素子の損失が増大し，冷却装置が大型となり低パワー密度化を招く。このように，スイッチング周波数やキャパシタなどの回路パラメータとパワー密度の間には密接な関係がある。しかしながら，アクティブバッファ回路において高パワー密度を達成するために必要な設計指針は明らかにされていない。