JP2013143784A - 系統連系用装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高圧または特別高圧の系統に連係することのできる、コンパクトな構成で、パワーコンディショナと連係点との間に負荷が接続されるのを防止し、力率遅れのない系統連系用装置を提供する。
【解決手段】太陽光発電または風力発電の発電電力を既存の高圧電力系統に供給する系統連系用装置において、発電された直流電力を交流電力に変換するインバータとリアクトルを有するパワーコンディショナと、前記パワーコンディショナから出力される交流電力を高圧電力に変換する昇圧変圧器と、前記昇圧変圧器と既存の高圧電力系統の間に配置された遮断器を備え、前記パワーコンディショナ、昇圧変圧器、および遮断器を同一筺体内に配置したことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば太陽光発電や風力発電などで得られる再生可能エネルギーを既存の電力系統に対して連係的に供給する系統電源連系用装置に関する。

近年、地球温暖化防止に向けたＣＯ２削減の国際的な取組みなど環境保全意識の高まりを背景に、太陽光発電システムや風力発電システムの普及が拡大しつつある。太陽光発電システムにおいては、太陽の光エネルギーは太陽電池モジュールによって直流電流に変換され、この直流電流がパワーコンディショナのインバータによって交流電力に変換される。さらに、使用する電圧に合わせ昇圧する目的と、インバータからの直流分が系統に流出しないよう絶縁兼昇圧変圧器を介し低圧交流出力される。従来の余剰電力買取制度は、この交流電力を、各家庭や工場の低圧系統（２００Ｖ〜４００Ｖ）に連系し、自家消費分を超えた余剰電力を電力会社が買取るという制度である。

特許文献１（特開２０１０−２７３４８９号公報）では、低圧系統に連係する構成が記載されている。太陽電池からの直流電力をインバータによって交流電力に変換され、変換された交流電力を変圧器により２００Ｖ〜４００Ｖに昇圧され、この昇圧された交流電力を低圧の系統電源に供給される。また、特許文献１では、変圧器とインバータを同一の筺体に入れて小形化を図ったパワーコンディショナが記載されている。

また、従来の余剰電力買取制度とは異なる新たな買取制度である全量買取制度においては、各家庭や工場の低圧系統への連系ではなく、電力会社の高圧または特別高圧の系統に直結し発電電力全量の買取りが行われることとなる。

上記特許文献１に示される低圧系統に連係する構成をそのまま利用して、上記全量買取制度に適用する場合、図４に示す構成が考えられる。

図４において、太陽電池モジュール１で発電した直流の出力電力は、パワーコンディショナ１５のインバータ３により交流電力に変換され、リアクトル４を経由して波形を正弦波にし、低圧変圧器１８により低圧系統電圧に昇圧される。なお、この低圧変圧器１８は系統との絶縁も兼ねている。低圧系統電圧に昇圧された交流電力は、電線５を通じて昇圧変圧器２６に供給され、昇圧変圧器２６で高圧または特別高圧に昇圧される。昇圧された高圧電力は、高圧を遮断するＶＣＢ(真空遮断器)７、高圧を開閉するＤＳ（断路器）８、ＶＣＴ（電力需給用計器用変成器）９、ＰＡＳ（柱上気中開閉器）１０を経由して高圧の電力系統１１に連系される。ＶＣＴ（電力需給用計器用変成器）９には、電力量計１２が接続されており、電力系統への送電電力量が計測される。

ここで、パワーコンディショナ１５は、スペースを要する低圧変圧器１８を含むので筺体１６に収納され、昇圧変圧器２６およびＶＣＢ(真空遮断器)７、ＤＳ（断路器）８、ＶＣＴ（電力需給用計器用変成器）９は、別の筐体１７に収納され、両筺体１６、１７間は電線５で接続されている。なお、変圧器容量が３００ｋＶＡまでの設備においては、ＶＣＢ(真空遮断器)７、ＤＳ（断路器）８がない代わりに、図示しないＬＢＳ（気中負荷開閉器）の場合もある。また、ＶＣＴ（電力需給用計器用変成器）９と電力量計１２は、筐体１７に収納されない場合もある。

特開２０１０−２７３４８９号公報

上記のように、特許文献１に示される低圧系統に連係する構成をそのまま利用して、上記全量買取制度に適用する場合、発電した直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナの低圧系の設備と、低圧から高圧または特別高圧に変圧する変圧器や、高低圧開閉器、遮断器、継電器類、計器類などを収納する高圧系の変電設備とは、別々の設備であり別々の筐体に収納されている。そのため、全体として設備が大型となり、また、それぞれの設備で消費する電力損失や設備間の配線長が長くなることによる損失が大きく、連系点における発電効率低下の要因になっている。

また、売電する電力の位相を合わせるため系統電力の位相をパワーコンディショナに取込むが、低圧の系統ではパワーコンディショナの出力に近い位置に系統電力があるため取り込み易い状況にある。しかし、高圧の系統ではパワーコンディショナから離れた別設備に高圧の系統電力があるため取込み難く、また取込むには電線を長く引きまわす必要がある。さらに、電線を長く引きまわした場合、パワーコンディショナの出力と系統との連係点の間に負荷が接続され易く、特に回転機負荷が接続された場合、回転機のリアクタンス成分から連係点における力率に遅れが生じて損失が大きくなり、力率１の運転が困難となる。

本発明は、上記従来技術の欠点にかんがみ、高圧または特別高圧の系統に連係することのできる、コンパクトな構成の系統連系用装置を提供するものである。

また、コンパクトな構成とすることにより、パワーコンディショナと連係点との間に負荷が接続されるのを防止し、力率遅れのない系統連系用装置を提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明は、太陽光発電または風力発電の発電電力を既存の高圧電力系統に供給する系統連系用装置において、
発電された直流電力を交流電力に変換するインバータとリアクトルを有するパワーコンディショナと、前記パワーコンディショナから出力される交流電力を高圧電力に変換する昇圧変圧器と、前記昇圧変圧器と既存の高圧電力系統の間に配置された遮断器を備え、前記パワーコンディショナ、昇圧変圧器、および遮断器を同一筺体内に配置したことを特徴とする。

また、上記に記載の系統連系用装置において、さらに、前記遮断器の高圧電力系統側に接続した計器用変成器と電力量計を前記筺体内に配置したことを特徴とする。

また、上記に記載の系統連系用装置において、前記パワーコンディショナはインバータが前記筺体の手前上部側に配置され、前記リアクトルが前記筺体の奥側下部に配置されたことを特徴とする。

また、上記に記載の系統連系用装置において、前記筺体は複数の箱体で構成され、前記パワーコンディショナのインバータと前記リアクトルとを同一の箱体内に配置したことを特徴とする。

また、上記に記載の系統連系用装置において、前記パワーコンディショナと前記昇圧変圧器とを同一筺体内で空間的に分離配置したことを特徴とする。

また、上記に記載の系統連系用装置において、前記筺体は複数の箱体で構成され、前記パワーコンディショナと前記昇圧変圧器を別個の箱体内に配置したことを特徴とする。

また、上記に記載の系統連系用装置において、前記昇圧変圧器と前記遮断器とを同一の箱体内に配置したことを特徴とする。

また、上記に記載の系統連系用装置において、前記筺体は複数の箱体で構成され、前記計器用変成器と電力量計とを同一の箱体内に配置したことを特徴とする。

また、上記に記載の系統連系用装置において、さらに、前記筺体内の高圧電力系統の電力位相を検出して前記パワーコンディショナに供給する電力位相検出装置を筺体内に備えたことを特徴とする。

また、上記に記載の系統連系用装置において、前記電力位相検出装置は、前記遮断器の高圧電力系統側の電線から電力位相を検出することを特徴とする。

本発明によれば、高圧の系統への系統連系用装置をコンパクトに構成することができ、電力損失を抑えて発電効率を向上することができる。また、連係点での力率遅れを防止することができる。

本発明実施例の系統連系用装置の構成を示すブロック図である。 同じく系統連系用装置の機器配置の実装図である。 同じくパワーコンディショナの電力位相の調整のブロック図である。 低圧の系統連系用装置を利用した考えられる高圧の系統連系用装置のブロック構成図である。

以下本発明の実施例について図面と共に説明する。図１は、本実施例の系統連系用装置の構成例であり、図４と同一部分には同一符号を付している。

太陽電池モジュール１で発電した直流の出力電力は、パワーコンディショナ２内のインバータ３により交流電力に変換され、リアクトル４を経由して波形を正弦波にした交流電力に変換される。交流電力は、導体（電線）５を経由して昇圧変圧器６に送電される。昇圧変圧器６は、パワーコンディショナ２から出力される低圧（例えば２００Ｖ以下）の交流電力を高圧（例えば６．６ＫＶ）または特別高圧に変換する変圧器であり、絶縁変圧器の役割もしている。

昇圧変圧器６で高圧または特別高圧に昇圧された電力は、電線１９、遮断器（ＶＣＢ：真空遮断器)７、ＤＳ（断路器）８、電力線から電力量の信号を取出すＶＣＴ（電力需給用計器用変成器）９、ＰＡＳ（柱上気中開閉器）１０を経由して電力系統１１に連系される。遮断器（ＶＣＢ：真空遮断器)７は、高圧系統での短絡や地絡事故などの際に高圧系統から昇圧変圧器６とその接続電線を遮断して保護する。ＶＣＴ９には、電力量計１２が接続されており、電力系統への送電電力量（売電電力量）が計測される。

上記で、パワーコンディショナ２は低圧系統の装置を構成し、昇圧変圧器６からＶＣＴ９と電力量計１２で高圧系統の装置を構成している。

電線で消費される電力損失は、電線長が長いほど大きく、導体５は極力短くする方が損失を低減できる。しかしながら、一般にパワーコンディショナ２はインバータ３などの電子部品で構成されており、塵埃、高湿度、高温度から保護する必要があるのに対して、昇圧変圧器６は塵埃、高湿度、高温度にさらされる屋外で使用されることもあって使用条件が異なることから、別々の筐体に収納されるのが通常であるため、配線距離を短くすることが困難である。特に、パワーコンディショナ２も昇圧変圧器６も発熱量が大きいために、筐体に収納する場合は筐体内の温度が高温にならないような冷却性能を備える必要がある。

そこで、本実施例では上記低圧系と高圧系の装置を同一の筺体に収納している。すなわち、図１で１３は筺体であり、パワーコンディショナ２、導体５、昇圧変圧器６、ＶＣＢ７、ＤＳ８、ＶＣＴ（電力需給用計器用変成器）９、および電力量計１２を収納している。なお、変圧器容量が３００ｋＶＡまでの装置においては、ＶＣＢ(真空遮断器)７、ＤＳ（断路器）８の代わりに、線路の保護と開閉を行う負荷開閉器（ＬＢＳ：気中負荷開閉器）であってもよい。負荷開閉器は内蔵するヒューズによって線路を保護し、遮断器と開閉器（断路器）の役目を果たす。

なお、ＶＣＴ（電力需給用計器用変成器）９と電力量計１２は、筐体１３に収納されなくてもよい。

次に、図１のブロック図の系統連系用装置の機器配置の実装を図２を用いて説明する。図２（ａ）は一部を切り欠いて示す正面図で、図２（ｂ）は一部を切り欠いて示す側面図である。筐体１３は、直方体の複数個の箱体１３ａ〜１３ｃを連結することにより構成されている。各箱体の境には壁がなく、また、各箱体の外壁はメンテナンスや設定時に各箱体を個別に作業し易いように開閉可能なドア構造になっている。

右側の箱体１３ａ内には、パワーコンディショナ２が配置され、この箱体１３ａに隣接する箱体１３ｂ内には、昇圧変圧器６とＶＣＢ７とＤＳ８が配置され、更に隣接する箱１３ｃには、ＶＣＴ９、電力量計１２が配置される。箱体１３ａと箱体１３ｂの上部には、換気扇１４を設置し、パワーコンディショナ２および昇圧変圧器６から発生する熱を筐体１３の外部に排気することにより筐体内部が高温にならないようにしている。全体の発熱量が少ないときは換気扇１４の一方を省略しても良い。この場合、箱体１３ｂの換気扇１４を省略し、発熱量の大きいパワーコンディショナ２のある箱体１３ａの換気扇１４を残す。

箱体１３ａに関しては、インバータ３をメンテナンスや設定時に作業者が作業を行い易いように箱体１３の正面（前面パネル）の上部に位置させて配置するのが望ましいが、質量が大きいため重心が高くなってしまい地震時や輸送時の振動により機器が転倒してしまうなどの問題が考えられる。また、インバータ３には電子部品が多く実装されており、リアクトル４から発生する熱から保護する必要がある。

そこで、インバータ３を箱体１３ａの手前（前面）側上部に配置し、リアクトル４を奥側の下部床にインバータ３から離して配置することにより、リアクトル４から発生する熱が上方に対流する際にインバータ３の周囲を高温にしないようにしている。また、この配置により箱体１３ａの手前側と奥側で質量の偏りもなくすことができるため、振動に対して安定した配置となる。

箱体１３ｂに関しては、昇圧変圧器６が床に設置され、ＶＣＢ７とＤＳ８が上方に吊下げて配置されている。発熱体である昇圧変圧器６は、箱体１３ａの隣にパワーコンディショナ２から離して設置されることにより、パワーコンディショナ２とリアクトル４の発熱と重ならないようにしている。昇圧変圧器６、ＶＣＢ７およびＤＳ８は、同一箱体１３ｂ内に近接配置されることになり、各部を接続する電線を短くすることができ、また、短絡や地絡事故などの際にこれら３個の機器を接続する電線（例えば図１で昇圧変圧器６とＶＣＢ７を接続する電線は１９で示される。）と昇圧変圧器６の保護を図るのに適している。

このように、パワーコンディショナ２の主な熱源であるインバータ３とリアクトル４を熱干渉が低減されるように箱体１３ａ内に配置し、かつ、パワーコンディショナ２と、同じく熱源である昇圧変圧器６を箱体１３ｂ内に空間的に分離配置することにより熱干渉を低減しつつ、同一筐体１３内にコンパクトに収納することを可能としている。これにより各機器の間を接続する電線を極力短く接続することが可能となり電力損失を低減することが出来る。

箱体１３ｃに関しては、電力線から電力量の信号を取出すＶＣＴ（電力需給用計器用変成器）９、電力量計１２が上方に吊下げて設置される。電力量計１２は表示が見易いように、箱体１３ｃの前面のパネルに近接させて設置され、前面パネルには電力量計１２の表示窓１２ａが設けられている。

上記筺体１３の中で、箱体１３ａと１３ｂに収納されている機器は、売電側によって管轄され、メンテナンス作業が行なわれる。また、箱体１３ｃに収納されている機器は、電力会社によって管轄され、メンテナンス作業が行なわれる。

以上のように本実施例によれば、低圧系と高圧系の装置を同一の筺体に収納したので、据付け面積を小さくすることができ省スペース化が図れる。従来の装置においては、パワーコンディショナ２から昇圧変圧器２６までの配線は現地で行われているが、本実施例のように、パワーコンディショナ２と昇圧変圧器６を同一の筐体１３に収納することにより、予め配線した状態で現地に据付ることができ、据付時の配線接続作業工数を低減することができる。また、各機器を接続する電線を短くすることや、同一の筐体に収納することは、導体の材料である銅や筐体の材料である鋼の使用量を低減することになり省資源化にも寄与する。

また、図１に示すように、昇圧変圧器６とパワーコンディショナ２を一つの筐体に入れて構成した系統連系用装置とすることにより、従来の低圧系統電圧を作るための低圧変圧器が不要となり、パワーコンディショナ２のリアクトル４を経由した交流電力をそのまま昇圧変圧器６に送電することが可能となり、パワーコンディショナ部はトランスレスとなる。低圧変圧器はそれ自体で損失をもつものであり、この変圧器をなくすことにより損失を低減でき発電効率を向上させることができる。

なお、上記低圧変圧器は系統との絶縁の機能も有しており、上記低圧変圧器を不要とした為、この絶縁機能を昇圧変圧器６によって代用させるように工夫している。

図３は、複数の発電系統に対応する複数のパワーコンディショナの電力位相の調整のブロック図である。図１と同一部分には同一符号を付して示す。

図３において、２０は複数の発電系統と昇圧変圧器を接続・遮断するスイッチ、２１はＶＣＢ７とＤＳ８の接続点に接続され、高圧系統の電力位相を検出する電力位相検出装置である。２２は電力位相検出装置２１から主力された位相をゲート回路２３を通じてインバータ３にフィードバックするための出力位相調整装置である。インバータ３は検出された高圧系統の位相に合わせた位相の交流を発生して昇圧変圧器６に供給する。

この位相が検出されるＶＣＢ７とＤＳ８の接続点は、筺体１３内に配置されて他の負荷を接続させないように管理されているため、予期せぬ負荷が接続されることがない。したがって、この接続点から検出されるフィードバックに力率の遅れが生じることが少なく、より確実に受電点での力率１を実現することができる。

また、ＶＣＢ７とＤＳ８の接続点は、インバータ３と同一の筺体１３内に配置されるため、高圧系統の連係点（受電点、供給点）の位相信号を筺体１３内で容易に取り込むことができる。

なお、変圧器容量が３００ｋＶＡまでの装置においては、ＶＣＢ７、ＤＳ８の代わりに、線路の保護と開閉を行う負荷開閉器（ＬＢＳ：気中負荷開閉器）を用いるが、この場合、負荷開閉器の高圧系統側から電力位相信号を取込む。

以上説明したように、本実施例によれば、太陽光発電及び風力発電の自然エネルギー発電を利用した系統連系用装置において、直流電源の直流電力を交流電力に変換する電力変換回路と、変換された交流電力を高圧商用電力に昇圧する昇圧変圧器、及び高圧の遮断、開閉機器を一つの筐体に入れて構成することで、コンパクトで電力損失を抑えて発電効率を向上することができる。また、連係点での力率遅れを防止することができる。

１…太陽電池モジュール、２…パワーコンディショナ、３…インバータ（電力換回路）、４…リアクトル、５…導体（電線）、６…昇圧変圧器、７…ＶＣＢ（真空遮断器）、８…ＤＳ（断路器）、９…ＶＣＴ（電力需給用計器用変成器）、１０…ＰＡＳ（柱上気中開閉器）、１１…高圧電力系統、１２…電力量計、１２ａ…表示窓、１３…筐体、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ…箱体、１４…換気扇、１５…パワーコンディショナ、１６…従来考えられるパワーコンディショナ用筐体、１７…従来考えられる系統連系装置用筐体、２１…電圧位相検出装置、２２…出力位相調整装置、２３…ゲート回路、２６…従来の低圧変圧器。

Claims (10)

1. 太陽光発電または風力発電の発電電力を既存の高圧電力系統に供給する系統連系用装置において、
   発電された直流電力を交流電力に変換するインバータとリアクトルを有するパワーコンディショナと、
   前記パワーコンディショナから出力される交流電力を高圧電力に変換する昇圧変圧器と、
   前記昇圧変圧器と既存の高圧電力系統の間に配置された遮断器を備え、
   前記パワーコンディショナ、昇圧変圧器、および遮断器を同一筺体内に配置したことを特徴とする系統連系用装置。
2. 請求項１に記載の系統連系用装置において、
   さらに、前記遮断器の高圧電力系統側に接続した計器用変成器と電力量計を前記筺体内に配置したことを特徴とする系統連系用装置。
3. 請求項１または２に記載の系統連系用装置において、
   前記パワーコンディショナはインバータが前記筺体の手前上部側に配置され、前記リアクトルが前記筺体の奥側下部に配置されたことを特徴とする系統連系用装置。
4. 請求項３に記載の系統連系用装置において、
   前記筺体は複数の箱体で構成され、前記パワーコンディショナのインバータと前記リアクトルとを同一の箱体内に配置したことを特徴とする系統連系用装置。
5. 請求項１〜３のいずれかに記載の系統連系用装置において、
   前記パワーコンディショナと前記昇圧変圧器とを同一筺体内で空間的に分離配置したことを特徴とする系統連系用装置。
6. 請求項５に記載の系統連系用装置において、
   前記筺体は複数の箱体で構成され、前記パワーコンディショナと前記昇圧変圧器を別個の箱体内に配置したことを特徴とする系統連系用装置。
7. 請求項６に記載の系統連系用装置において、
   前記昇圧変圧器と前記遮断器とを同一の箱体内に配置したことを特徴とする系統連系用装置。
8. 請求項２に記載の系統連系用装置において、
   前記筺体は複数の箱体で構成され、前記計器用変成器と電力量計とを同一の箱体内に配置したことを特徴とする系統連系用装置。
9. 請求項１に記載の系統連系用装置において、
   さらに、前記筺体内の高圧電力系統の電力位相を検出して前記パワーコンディショナに供給する電力位相検出装置を筺体内に備えたことを特徴とする系統連系用装置。
10. 請求項９に記載の系統連系用装置において、
    前記電力位相検出装置は、前記遮断器の高圧電力系統側の電線から電力位相を検出することを特徴とする系統連系用装置。

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