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公開番号2025126987
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-09-01
出願番号2024023413
出願日2024-02-20
発明の名称フルコンバータ
出願人国立大学法人千葉大学
代理人個人,個人,個人,個人,個人
主分類H02P 9/04 20060101AFI20250825BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】全風速にわたって発電機の固定子銅損が最小化され、電解コンデンサレスな構造でありながら安定した交流出力が得られ、誤ターンオンに対しても頑強であり、さらに低風速時におけるシステム全体での効率を改善されたフルコンバータを提供すること。
【解決手段】一次交流電力を中間直流電力に変換するコンバータを含むAC/DC変換回路部と、前記中間直流電力を2次交流電力に変換するインバータを含むDC/AC変換回路部とを有し、Zソース回路を有するフルコンバータであって、前記コンバータの制御がパルス幅変調(PWM)制御系及び自動電流(ACR)制御系と組み合わせたMTPA制御系により行われる。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
一次交流電力を中間直流電力に変換するコンバータを含むＡＣ／ＤＣ変換回路部と、前記中間直流電力を２次交流電力に変換するインバータを含むＤＣ／ＡＣ変換回路部とを有し、Ｚソース回路を有するフルコンバータであって、前記コンバータの制御がパルス幅変調（ＰＷＭ）制御系及び自動電流（ＡＣＲ）制御系と組み合わせたＭＴＰＡ制御系により行われることを特徴とするフルコンバータ。
続きを表示（約 730 文字）【請求項２】
請求項１に記載のフルコンバータであって、さらに前記Ｚソース回路がＸ型に接続されたＺソース回路であることを特徴とするフルコンバータ。
【請求項３】
請求項１に記載のフルコンバータであって、前記コンバータと前記インバータの少なくとも一方が、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を用いた高速スイッチングを行うことを特徴とするフルコンバータ。
【請求項４】
請求項３に記載のフルコンバータであって、高速スイッチングを行う前記金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を、前記インバータのみに設けたことを特徴とするフルコンバータ。
【請求項５】
請求項３に記載のフルコンバータであって、前記インバータがＳｉＣインバータであることを特徴とするフルコンバータ。
【請求項６】
請求項３に記載のフルコンバータであって、前記Ｚソース回路を構成するコンデンサがフィルムコンデンサであることを特徴とするフルコンバータ。
【請求項７】
請求項３に記載のフルコンバータであって、前記Ｚソース回路を構成するコンデンサのコンデンサ電圧Ｖｄｃを一定とするように前記Ｚソース回路の短絡比Ｄを制御する短絡比制御手段を備えることを特徴とするフルコンバータ。
【請求項８】
請求項３に記載のフルコンバータであって、前記コンバータの駆動電圧を、前記インバータの駆動電圧よりも低電圧とするとともに、該低電圧化によって生じる電流増加を考慮した最適駆動電圧点で動作させることで、システム全体で効率が最も高くなる駆動電圧に制御することを特徴とするフルコンバータ。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、一次交流電力を中間直流電力に変換するコンバータを含むＡＣ／ＤＣ変換回路部と、前記中間直流電力を２次交流電力に変換するインバータを含むＤＣ／ＡＣ変換回路部とを有し、Ｚソース回路を有するフルコンバータに関する。
続きを表示（約 2,100 文字）【背景技術】
【０００２】
風力発電など、流体の持つエネルギーを用いた発電システムにおいては、発電機を構成する同期型発電機から出力される交流電力がロータ回転数に比例した周波数を持っていることから、そのままでは電力系統に連系できない。そのため、コンバータにより直流電力に一度変換してから、さらにインバータによって電力系統の周波数と同期した交流出力に変換するフルコンバータが使用されている。（例えば、特許文献１、２参照）。他方、上記フルコンバータには複数の能動素子が含まれるため、スイッチング損失の増加といった問題がある。そこで、スイッチング損失を回避するため、特許文献３のように、フルコンバータ中のコンバータに代えて、ダイオードにより構成される電力変換器と、出力を昇圧するＺソース昇圧回路を組み合わせた構成を採用した風力発電装置が開発されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開２０１５－４０５５１号公報
特表平０６－５０５６１８号公報
特開２０１９－３００３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献３の装置は、発電機側の電力変換器としてダイオードとＺソース昇圧回路を組み合わせたものにすぎないため、システム全体の効率を低下させるという技術的課題があった。
【０００５】
他方、特許文献１や特許文献２で示されるようなフルコンバータにおいては、上記のシステム全体の効率の低下という課題のほか、直流電力を平滑化するための平滑化コンデンサとして電解コンデンサが使用されており（例えば特許文献３の図７等参照）、これら電解コンデンサはフルコンバータの主な故障原因となっているという問題もある。そのため、電解コンデンサレス、つまり、該電解コンデンサを長寿命のフィルムコンデンサ等に置き換えることで運用・保守のコストを低減できるようにすることが考えられる。ところが、平滑化コンデンサとしてフィルムコンデンサ等を使用すると、そのままでは直流電力を良好に平滑化できなくなってしまい、交流出力を良好に出力できない。また、スイッチング周波数を高めることで、フィルムコンデンサ等でも良好な平滑化が可能となって、交流出力を出力可能となるものの、スイッチング周波数を高めたことでインバータに誤ターンオンを生じて脆弱となってしまうという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、第一に、パルス幅変調（ＰＷＭ）制御系及び自動電流（ＡＣＲ）制御系を組み合わせたＭＴＰＡ（Ｍａｘｉｍｕｍｔｏｒｑｕｅｐｅｒａｍｐｅｒｅ、最大トルク／電流）制御系によりコンバータの制御をおこなうことで、全風速にわたって発電機の固定子銅損を最小化することを目的とする。そして第二に、Ｚソース構造を有するフルコンバータのコンバータまたはインバータにおいて、例えば金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を用いて高速スイッチングを行うことにより、スイッチング周波数を増加させ、電解コンデンサレスな構造でありながら、安定した交流出力が得られ、誤ターンオンに対しても頑強であるフルコンバータを提供することを目的とする。さらに第三に、Ｚソースが持つ昇圧動作を活用してコンバータとインバータを異なる直流電圧で駆動することで，低風速時におけるシステム全体での効率をさらに改善することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１態様のフルコンバータは、
一次交流電力を中間直流電力に変換するコンバータを含むＡＣ／ＤＣ変換回路部と、前記中間直流電力を２次交流電力に変換するインバータを含むＤＣ／ＡＣ変換回路部とを有し、Ｚソース回路を有するフルコンバータであって、前記コンバータの制御がパルス幅変調（ＰＷＭ）制御系及び自動電流（ＡＣＲ）制御系と組み合わせたＭＴＰＡ制御系により行われることを特徴としている。
この特徴によれば、全風速時におけるシステム全体での効率を改善することができる。
【０００８】
本発明の第２態様のフルコンバータは、前記第１態様のフルコンバータであって、さらに前記Ｚソース回路がＸ型に接続されたＺソース回路であることを特徴としている。
【０００９】
本発明の第３態様のフルコンバータは、前記第１態様のフルコンバータであって、前記コンバータと前記インバータの少なくとも一方が、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を用いた高速スイッチングを行うことを特徴としている。
【００１０】
本発明の第４態様のフルコンバータは、前記第３態様のフルコンバータであって、高速スイッチングを行う前記金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を、前記インバータのみに設けたことを特徴としている。
（【００１１】以降は省略されています）

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