双方向DC-DCコンバータと蓄電システムの協調によるスマートなパワーシステム

1台で充放電(双方向)動作が可能、絶縁型で高効率な電力変換を実現

次世代の電力インフラとして、ICT技術などを利用して電力の需給バランスの最適化を図るスマートグリッドの実証実験が各地で進められています。また、太陽光や風力などの再生可能エネルギーを利用することで、オフィスビルなどのエネルギー収支を年間でゼロにするZEB(ネット・ゼロ・エネルギービル)の取り組みも進んでいます。こうしたシステムでは、余剰電力を貯蔵する蓄電池の利用と、貯蔵した電力を効率よく自家消費して電力ピークをカットする技術が重要になります。

このため、電源システムにも、さらなる省電力化が求められています。電子機器は直流で駆動するため、商用交流は直流に電力変換して利用されています。しかし、電力変換には半導体素子などの発熱ロスがともなうため、できるだけ変換回数を減らすことが省電力化につながります。そこで、スマートグリッドやZEBなどにおいては、従来の商用交流のかわりに直流電力を供給するHVDC(高電圧直流)バスを構築し、HVDCバスを介して電気電子機器を稼働させたり、蓄電池を充電したりする直流給電システムが注目されています。

TDKの絶縁型双方向DC-DCコンバータEZAシリーズ(TDKラムダブランド製品)は、直流給電システムにおける電力変換のプラットフォームとなる電源で、HVDCバスと蓄電池との間で、1台で直流電力を双方向にやりとりします。低損失の磁性材料、最新のスイッチングデバイスとともに、先進のデジタル制御電源技術の投入により、きわめて高効率な双方向変換を達成しました。最大出力電力2.5kWの従来モデルEZA2500に加え、同じ1Uフルラックサイズで最大出力11kWのEZA11Kもラインアップ。再生可能エネルギーを活用するオフィスビルや商業施設、公共施設などにおいて、蓄電システムと連系させることで、直流給電、消費電力の平準化、停電時のバックアップなど、さまざまな機能をもつ柔軟で拡張性の高いパワーシステムが実現できます。

HVDCバスと蓄電システムとの間でシームレスな充放電切り替え

直流給電システムでは、300～400V程度のHVDCバスを構築し、直流入力の電気電子機器に電力供給されます。太陽光発電、風力発電、燃料電池などの出力電力は直流であり、HVDCバスと連携して、容易にシステムを拡張できるのもメリットです。発電された電力は、DC-DCコンバータによって電圧変換されてHVDCバスに供給され、また余剰電力はリチウムイオン電池などの二次電池を利用した蓄電システムに貯蔵されます。このHVDCバスと蓄電システムとの間で、電力をやりとりする電源が双方向DC-DCコンバータです。
従来、このような電源が必要な場合、新たに開発するか、充電用と放電用の2つのDC-DCコンバータを切り替えて使用するしかありませんでした。TDKの双方向DC-DCコンバータEZAシリーズは、充電･放電の電力変換を1台のDC-DCコンバータでこなす最新鋭の電源です。

太陽光や風力による発電電力は、日射や風速などに応じて変動するため、直流給電システムのHVDCバス電圧の安定化は重要な課題となります。電圧を安定化させるためには、蓄電池の高度な充放電制御とともに、充放電の切り替えを途切れることなく行う必要があります。TDKの双方向DC-DCコンバータEZAシリーズは、高効率かつ頻繁な切り替えでも途切れることないシームレスな電力変換を実現しており、HVDCバス電圧の安定化にも、すぐれたパフォーマンスを発揮します。

主に産業用、商業用を想定した中小規模の蓄電システムへのTDKの双方向DC-DCコンバータEZAシリーズの応用モデルを図1に示します。

図1　中小規模の蓄電システム(産業用、商業用)への双方向DC-DCコンバータの応用モデル

デジタル制御電源技術により多機能化を実現、柔軟なシステム設計が可能

双方向DC-DCコンバータEZAシリーズには、TDKが蓄積したデジタル制御電源技術が駆使されています。
現在主流となっているスイッチング方式の電源は、モニタリングした出力電圧の情報をフィードバックし、スイッチング素子のON/OFF期間(デューティ比)を制御(PWM:パルス幅制御)することで安定した出力電圧を得ています。従来のアナログ制御電源では、このON/OFF期間を制御するための信号をアナログ回路で処理していました。一方、この信号処理をA-Dコンバータ、DSP(デジタル･シグナル･プロセッサ)およびソフトウェアによるデジタル信号処理回路で実現したものがデジタル制御電源です(図2)。

図2　デジタル制御の双方向DC-DCコンバータの回路ブロックと特長

双方向DC-DCコンバータEZAシリーズは、このデジタル制御技術を適用することで小型･高効率化とともに、多機能化も実現しています。たとえば、動作モードは2種類あり、一つはPCやPLC(プログラマブル･ロジック･コントローラ)などの上位コントローラからの指令で充放電動作を切り替える"他律運転モード"。もう一つは、HVDCバスの電圧変動に対して充放電動作を自ら決定する"自律運転モード"です。これによってHVDCバス電圧の安定化が維持されます。
また、シリアル通信インタフェースRS485を標準装備しており、動作中でもリアルタイムで電圧･電流設定値の変更や動作モードの変更が可能、入出力の電圧･電流値のモニタも可能です。

双方向DC-DCコンバータEZAシリーズは、蓄電システムとHVDCバスとの間の充放電制御のほかにも、インバータやBMU(バッテリ･マネジメント･ユニット)、EDLC(電気二重層コンデンサ)などとも協調しやすく、お客様の用途に応じて柔軟にシステム構成ができることが最大の特長です。複雑な制御もデジタル制御技術により、新たに専用の電源を開発することなく制御パラメータの書き換えだけで簡単に実現します。

産業機器の回生エネルギーの利用にも双方向DC-DCコンバータが活躍

デジタル制御電源は出力電力が大きい電源ほど効率化が図れるため、xEV(電気自動車)の電源としても採用されています。また、スマートグリッドが普及すると、スマートハウスの蓄電ユニットとxEVの搭載バッテリとの間で電力を融通しあったり、また、系統電力と連系して電力消費のピークカットやピークシフトにも貢献するようになるとも予測されています。ここにも双方向DC-DCコンバータの活躍の場が広がっています。

さらには、クレーンやエレベータ、自動搬送車、フォークリフトなど、モータを利用した各種産業機器にも応用が可能です。こうした産業機器は起動･停止を頻繁に繰り返します。そこで、モータ制動時の回生エネルギーを双方向DC-DCコンバータにより蓄電池に蓄え、大きなトルクが必要なモータ起動時には、蓄えた電力を補給してアシストすることで、エネルギーは無駄なく再利用され省電力化が図れます。また、停電などの非常時には、待避機能電力をバッテリから機器に供給することもできます(図3)。

図3　双方向DC-DCコンバータEZAシリーズによる産業用モータの回生エネルギーの利用モデル

省エネ･省電力は産業社会の最重要な課題であり、パワーエレクトロニクスの果たす役割はますます高まっています。フェライトをはじめとする素材技術、トランス技術、回路技術、評価技術など、蓄積したコアテクノロジーを結集して開発したのがTDKの双方向DC-DCコンバータEZAシリーズ。IoT時代に向けたインテリジェントでハイパフォーマンスな電源です。

双方向DC-DCコンバータEZAシリーズ

【主な特長】

安全性が高くノイズ対策にも有利な入出力絶縁タイプ
デジタル制御による最適化により、高効率変換を双方向で実現
入力･出力電圧を一定にするため、変換方向を自動的に切り替える自律運転が可能
コンバータを停止することなく変換方向の高速切り替えが可能
シリアル通信(RS485)により、電流、電圧、変換方向の制御や状態モニタが可能
1Uフルラックサイズの小型･省スペースタイプ

【主な用途】

蓄電デバイス(HVDCバスに接続されるリチウムイオン電池、鉛蓄電池など)の充放電制御
モータ利用の産業機器(クレーン、エレベータ、ロボット、自動搬送車、フォークリフトなど)の回生エネルギーの活用

主な仕様･電気的特性

製品外観：上段：EZA2500 下段：EZA11K — 製品外観：
上段：EZA2500
下段：EZA11K

モデル名	EZA2500-32048	EZA11K-320240
高圧側電圧範囲	320VDC(300～380VDC)	320VDC(240～400VDC)
効率	92%	95%
二次電池側電圧範囲	48VDC(36～60VDC)	240VDC(150～300VDC)
最大出力電力	2.5kW	11kW
通信方式	RS485
運転モード	他律/自律
サイズ（W×H×D）	422.8×43.6(1U)×400mm	422.8×43.6(1U)×530mm
その他	入出力絶縁、並列運転による拡張可