洋上風力直流連系コンバータ用
1 層毎交互巻高周波トランスのモデリングに関する検討
○大津 諭史, 中村 健二(東北大学)
1. はじめに 近年，欧州を中心に総容量 100 MW 以上の洋上ウ インドファームの導入が進んでおり，その送電方式 として，高圧直流送電（HVDC）が注目されている。 筆者らは，HVDC 用のコンバータには，昇圧と絶 縁の機能を具備した高周波リンク DC-DC コンバー タが適すると考え，その回路構成や制御手法に関す る検討を進めてきており，これまでに動作周波数が 数 kHz のトランスの材料については，鉄損低減の観 点からアモルファス合金が最適であることを明らか にした(1)。また，近接効果によって銅損が増加する ことを明らかにするとともに，これを抑制可能な巻 線構成として 1 層毎交互巻を提案した(2)。 本稿では，1 層毎交互巻アモルファストランスの 等価回路定数を実測するとともに，実機とシミュレ ーションの比較検討を行ったので報告する。 2. トランス模擬シミュレーション結果 図 1 に，1 層毎交互巻トランスの形状寸法と巻線 配置を示す。1 次巻線と 2 次巻線が 1 層毎交互に配 置されるため，漏れ磁束が極めて小さく，近接効果 に起因する銅損の増加を抑制できる。表 1 に，LCR メータを用いて実測した 1 層毎交互と通常巻のトラ ンスの等価回路定数を示す。 図 2 に，HVDC 用 DC-DC コンバータの基本回路 構成を示す。シミュレーションにおいては，一般的 なトランスの T 形等価回路に 1 次，2 次巻線間の静 電容量を付加した等価回路モデルを用いて，回路動 作の解析を行い，実測値と比較検討を行った。 図 3 に，1 層毎交互巻トランスを用いて，duty = 0.6 としたときの観測波形と計算波形を示す。これらの 図を見ると，1 層毎交互巻トランスは結合係数が高 く，入力電圧と出力電圧の位相差がほぼ無いことが わかる。また，電流の急峻な変動についても等価回 路モデルで精度良く模擬できていることがわかる。 図 1．1 層毎交互巻トランスの形状寸法と巻線配置 表 1．通常巻と 1 層毎交互巻トランスの等価回路定数 Interleaved NormalPrimary winding resistance 73.5 mΩ 218 mΩ
Primary leakage inductance 2.0 µH 138 µH
Secondary winding resistance 73.5 mΩ 286 mΩ Secondary leakage inductance 2.0 µH 138 µH
Excitation resistance 239 Ω 170 Ω
Excitation inductance 117 mH 104 mH
Capacitance between windings 65 nF 797 pF
Input current 10 A
Switching frequency 3000 Hz
Output side resistance 1.177 Ω
Output side inductance 16.9 mH
Grid side voltage 290 V
図 2 HVDC 用 DC-DC コンバータの基本回路構成 図 3 1 層毎交互巻トランスの duty = 0.6 における入出力 電圧・電流波形の比較（上：観測波形，下：計算波形） 参考文献 (1) 田中秀明・中村健二・一ノ倉理，マグネティックス研 究会資料，MAG-14-29（2014）
(2) H. Tanaka, K. Nakamura, O. Ichinokura, J. Magn. Soc. Jpn., Vol. 40, pp. 35-38 (2016).
