JP2017011964A - 電力変換装置および風力発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】風力発電用設備に適用して好適な小型化された電力変換装置および風力発電システムを提供することを目的とする。
【解決手段】直流を交流に変換するＤＣ−ＡＣ変換手段と、ＤＣ−ＡＣ変換手段の交流出力を受ける変圧器と、変圧器の交流出力を直流に変換するＡＣ−ＤＣ変換手段で構成された電力変換装置であって、ＤＣ−ＡＣ変換手段と変圧器とＡＣ−ＤＣ変換手段を備えた単位モジュールを複数組備え、複数組の単位モジュールのＤＣ−ＡＣ変換手段の入力側を並列接続してＡＣ−ＤＣ変換手段の出力側を並列接続し、各単位モジュール内の変圧器を多巻線変圧器として、その二次側巻線ごとにＡＣ−ＤＣ変換手段を備え、複数組の単位モジュール内の高圧回路部分を共通の油浸筐体内に収納することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流電力の電圧を昇圧する機能を有する電力変換装置および風力発電システムに関するものである。

より具体的には、風力等の自然エネルギーによる発電電力を直流の形態で集電、および送電する際に用いられる電力変換装置の部品点数の削減と筐体体積の小形化、さらに変換効率の向上を実現する技術に関するものである。

風力等の自然エネルギーによる発電電力を直流に変換し、直流電圧を昇圧する電力変換装置（ＤＣ−ＤＣコンバータ）の基本構造として、図２０に示す従来例が知られている。１１は風車、１０はギア、９は発電機、８は発電電力を直流に変換するパワーコンディショナである。

ＤＣ−ＤＣコンバータは複数個（ここではＮと表記）の単位モジュール１からなり、入力側を並列接続、出力側を直列接続して構成される。各モジュール１は、入力側のＤＣ−ＡＣ変換手段２、出力側のＡＣ−ＤＣ変換手段３、および両者を接続する変圧器４から構成される。

変圧器４の巻数比は１：ｎであり、入力電圧Ｖｉｎ（一般には数ｋＶ）をｎ倍するとともに、入力側と出力側を電気的に絶縁する機能を持つ。変換手段２および３で電圧が変化しない場合、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧Ｖｏｕｔは、Ｖｉｎのｎ×Ｎ倍に昇圧される。なお、ＡＣ−ＤＣ変換手段３より出力されるＤＣ電圧には一般にリプルが残留するため、フィルタリアクトル５、およびフィルタコンデンサ６からなるフィルタ回路を通すことで、リプルが除去された直流電圧が得られる。

変換手段２、および３は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子、またはダイオードで構成されるインバータ回路、または整流回路であり、変圧器４を励磁するＡＣ電圧を商用周波数以上の高周波とすることで、変圧器を小形化する技術もよく知られている。

以上説明した構造のＤＣ−ＤＣコンバータを組み合わせ、洋上に並べた複数の風力発電タワーで発電した電力を直流の状態で集電し、高圧直流（ＨＶＤＣ）電力に昇圧して陸上へ長距離送電する洋上風力発電システムとして、例えば特許文献１、および特許文献２が知られている。

米国特許出願公開２０１３／０１９７７０４号 米国特許出願公開２０１２／０１７５９６２号

総発電電力が数１００ＭＷに達する大規模な洋上風力発電システムでは、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧Ｖｏｕｔはおおむね８０ｋＶから２００ｋＶ程度となる。そのため、図２０に示したＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、最上段に位置するモジュール１内の出力側のＡＣ−ＤＣ変換手段３、フィルタリアクトル５、およびフィルタコンデンサ６と接地間には同程度の電位差が発生するので、最適な絶縁対策が必要となる。また、変圧器４の入力側と出力側の巻線間にも同様の絶縁対策が必要となる。

また、従来のＤＣ−ＤＣコンバータにおいては、出力側のＡＣ−ＤＣ変換手段３を構成する素子の耐電圧には限界があるので、変圧器４の巻数比ｎを大きくすることは困難である。よって所望の変圧比を得るにはモジュールの段数Ｎを大きくとる必要が生じ、モジュール１の中で最も大きな体積を占める変圧器４の数が増えてしまうという課題がある。

また、変圧器４を励磁するＡＣ電圧を商用周波数以上の高周波とすることで、該変圧器の小形化が可能であるが、巻線間の近接効果により、高周波における巻線の等価電気抵抗が増加するので該変圧器の損失が増加し、ＤＣ−ＤＣコンバータの変換効率が低下するという課題がある。

以上のことから本発明においては、特に風力発電用設備に適用して好適な小型化された電力変換装置および風力発電システムを提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決する手段を提供するためになされたものであり、例えば特許請求の範囲に記載された構成を採用する。本願は上記課題を解決する複数の手段を含んでいるが、その一例を挙げるならば、直流を交流に変換するＤＣ−ＡＣ変換手段と、ＤＣ−ＡＣ変換手段の交流出力を受ける変圧器と、変圧器の交流出力を直流に変換するＡＣ−ＤＣ変換手段で構成された電力変換装置であって、ＤＣ−ＡＣ変換手段と変圧器とＡＣ−ＤＣ変換手段を備えた単位モジュールを複数組備え、複数組の単位モジュールのＤＣ−ＡＣ変換手段の入力側を並列接続してＡＣ−ＤＣ変換手段の出力側を並列接続し、各単位モジュール内の変圧器を多巻線変圧器として、その二次側巻線ごとにＡＣ−ＤＣ変換手段を備え、複数組の単位モジュール内の高圧回路部分を共通の油浸筐体内に収納することを特徴とする。

また入力側のＤＣ−ＡＣ（直流−交流）変換手段と、出力側ＡＣ−ＤＣ（交流−直流）変換手段、および変圧器からなる複数個の直流昇圧・絶縁用のモジュールを、入力側を並列、出力側を直列接続し、直流昇圧機能を持たせた電力変換装置であって、複数のモジュール内の変圧器とＡＣ−ＤＣ変換手段、およびモジュールの出力側に接続されたフィルタ用素子を単一の絶縁油タンク内に収納し、各モジュール内、モジュール間、およびモジュールとフィルタ用素子間の配線を絶縁油タンク内で接続し、絶縁油タンク外に入力用の交流用端子と出力用の直流ブッシングを備えることを特徴とする。

さらには風力発電システムとして、モジュールの入力側のＤＣ−ＡＣ変換手段を納めた筐体と、すべてのモジュールの変圧器、および出力側のＡＣ−ＤＣ変換手段とフィルタ用素子を納めた絶縁油タンクを、洋上に設置した風力発電タワー内に収納し、風力発電タワーからの発電電力を直流電力に変換して出力することを特徴とする。

また風力発電システムとして、洋上に設置した複数の風力発電タワーから出力される直流電力を複数の直流遮断器を経由した後に並列接続して一箇所に集め、直流電力を陸上へ送電することを特徴とする。

また風力発電システムとして、洋上に設置した複数の風力発電タワーから出力される直流電力を複数の直流遮断器を経由した後に洋上に設置したプラットフォームに集め、プラットフォーム上に備えた第２の電力変換装置により１系統の直流電力に変換し陸上へ送電することを特徴とする。

本発明によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて高電位となる構成要素がすべて絶縁油タンクに収納されるため、大気中で高圧配線を接続する必要がなく、部品点数、および筐体体積が低減される。

さらに本発明の実施例によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータ内の高周波で励磁される変圧器の出力側巻線を複数に分割することで、ＤＣ−ＤＣコンバータを構成するモジュール数が削減され、部品点数、および筐体体積が低減される。さらに、該変圧器の入力側巻線と出力側巻線を交互に巻回することにより、巻線間の近接効果が低減され、該変圧器の損失が低減し、ＤＣ−ＤＣコンバータの変換効率が向上する効果が得られる。

風力発電用設備に適用して好適な本発明の実施例１に係る電力変換装置を示す図。 実施例１に係る風力発電用ＤＣ−ＤＣコンバータの絶縁油タンク７内の構造を示した透視斜視図。 実施例１に係る風力発電用ＤＣ−ＤＣコンバータの絶縁油タンク７内の構造を示した正面断面図。 本発明が適用可能な風力発電タワー内の設備構成を示す縦断面図。 直流集送電風力発電システムの系統構成例を示す図。 直流集送電風力発電システムの系統構成例を示す図。 直流集送電風力発電システムの系統構成例を示す図。 ＤＣ−ＡＣ変換手段２、ＡＣ−ＤＣ変換手段３の回路方式の例を示す図。 ＤＣ−ＡＣ変換手段２、ＡＣ−ＤＣ変換手段３の回路方式の例を示す図。 ＤＣ−ＡＣ変換手段２、ＡＣ−ＤＣ変換手段３の回路方式の例を示す図。 ＤＣ−ＡＣ変換手段２、ＡＣ−ＤＣ変換手段３の回路方式の例を示す図。 ＤＣ−ＡＣ変換手段２、ＡＣ−ＤＣ変換手段３の回路方式の例を示す図。 多巻線変圧器４の構成例を示す縦断面図。 多巻線変圧器４の構成例を示す上面図。 多巻線変圧器における、１本の磁脚に巻回された巻線の展開図。 図１３の巻線の結線図。 多巻線変圧器の鉄心４１に巻回した巻線４２の上面図。 図１５のＡ部における巻線構造の拡大上面図。 図１５のＡ部における巻線の断面図。 実施例４に係る風力発電タワー内の構造を示す縦断面図。 実施例５に係る風力発電用ＤＣ−ＤＣコンバータの回路ブロック図。 実施例６に係る風力発電用ＤＣ−ＤＣコンバータの回路ブロック図。 従来の風力発電用ＤＣ−ＤＣコンバータの回路ブロック図。

以下、本発明の複数の実施例を、図面を用いて詳細に説明する。

図１は、風力発電用設備に適用して好適な本発明の実施例１に係る電力変換装置を示す図であり、これらの設備は図３で後述するようにいずれも風力発電タワーに設置されている。

風力発電用設備は、発電設備と電力変換設備に大別して把握することが可能であり、このうち発電設備は、同図の風車１１、ギア１０、発電機９、発電電力を直流に変換するパワーコンディショナ８などである。これに対し電力変換設備は、同図の残余の部分であり、いわゆるＤＣ−ＤＣコンバータを構成する回路部分である。本発明の実施例１に係る電力変換設備（ＤＣ−ＤＣコンバータ）では、図１に示すようにこの部分を複数にモジュール分けして構成している。

実施例１のＤＣ−ＤＣコンバータは、複数個（ここではＮと表記）の単位モジュール１からなり、入力側を並列接続、出力側を直列接続して構成される。各単位モジュール１は、入力側のＤＣ−ＡＣ変換手段２、出力側のＡＣ−ＤＣ変換手段３、および両者を接続する多巻線変圧器４から構成されている。また複数のＡＣ−ＤＣ変換手段３の出力側は直列接続されて、一方の直流出力端子はフィルタリアクトル５を介してブッシング２２に接続される。複数のＡＣ−ＤＣ変換手段３の出力側他方の直流出力端子はアースＧＮＤに接続される。

本発明の実施例１においては、ＤＣ−ＤＣコンバータを複数個（ここではＮと表記）の単位モジュール１で形成するとともに、ＤＣ−ＤＣコンバータの低圧部分と、高圧部分を別筐体に収納して、高圧部分の筐体内を油浸構造としている。図１で低圧部分筐体が５０であり、高圧部分筐体が７である。低圧部分筐体２にはＤＣ−ＡＣ変換手段２が収納され、高圧部分筐体７には、多巻線変圧器４、ＡＣ−ＤＣ変換手段３、フィルタリアクトル５、フィルタコンデンサ６などが収納される。

以下図１のＤＣ−ＤＣコンバータの各部機能について詳細に説明する。典型的な図１のＤＣ−ＤＣコンバータの設計においては、例えば７台の単位モジュール１（従ってＮ＝７）とされ、ＤＣ−ＡＣ変換手段２とＡＣ−ＤＣ変換手段３を接続する多巻線変圧器４の二次側数は５個（従ってｋ＝５）である。ｋは単位モジュール１内のＡＣ−ＤＣ変換手段３の個数に相当している。

ＤＣ−ＤＣコンバータの主要機器である多巻線変圧器４の巻数比は１：ｎであり、入力側のＤＣ−ＡＣ変換手段２の入力電圧Ｖｉｎ（一般には数ｋＶ）をｎ倍するとともに、入力側と出力側を電気的に絶縁する機能を持つ。なお、多巻線変圧器４に入力されるＡＣ電圧は、ＤＣ−ＡＣ変換手段２により商用周波数以上の高周波（例えば１ｋＨｚ）とするのがよい。

なおＤＣ−ＤＣコンバータの設計にあたり、以下の点が考慮されている。出力側のＡＣ−ＤＣ変換手段３を構成する電力用半導体素子の耐電圧には限界があるので、多巻線変圧器４の巻数比ｎを大きくすると、複数の電力用半導体素子を直列接続する必要が生じる。すると複数の電力用半導体素子間の特性がばらつくので、その影響を補償するスナバ回路等の手段を追加する必要があり、ＡＣ−ＤＣ変換手段３の損失が増加する。よって所望の変圧比を得るには単位モジュール１の段数Ｎを大きくとる構成が好適であるが、単位モジュール１の中で最も大きな体積を占める多巻線変圧器４の数が増えてしまう。そこで実施例１では、変圧器の出力側の巻線を複数個（ここではｋと表記）に分割した多巻線変圧器４とし、それぞれの巻線をｋ個の出力側のＡＣ−ＤＣ変換手段３に接続する。

よって、ＤＣ−ＤＣコンバータを構成する単位モジュール１は、１つの入力側のＤＣ−ＡＣ変換手段２と、１つの多巻線変圧器４と、ｋ個の出力側のＡＣ−ＤＣ変換手段３を備える。ｋ個の変換手段３の出力は、互いに直列接続される。

この結果、ＤＣ−ＡＣ変換手段２およびＡＣ−ＤＣ変換手段３で電圧が変化しない場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧Ｖｏｕｔは、入力電圧Ｖｉｎのｎ×ｋ×Ｎ倍に昇圧されることになる。なお、ＡＣ−ＤＣ変換手段３より出力されるＤＣ電圧には一般にリプルが残留するため、フィルタリアクトル５、およびフィルタコンデンサ６からなるフィルタ回路を通すことで、リプルが除去された直流電圧が得られる。

実施例１のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、最上段に位置するモジュール１内の出力側のＡＣ−ＤＣ変換手段３、フィルタリアクトル５、およびフィルタコンデンサ６と接地ＧＮＤ間、および多巻線変圧器４の入力側と出力側の巻線間にはＶｏｕｔ（おおむね８０ｋＶ〜２００ｋＶ程度）に相当する電位差が発生する。このため、各構成要素間の電気的接続を大気中で行うには、十分な絶縁距離を確保する必要があり、ブッシング等の部品点数が増え、装置の筐体体積も増えることになる。この筐体体積の問題は、風力発電用設備として狭隘な風力発電タワー内にＤＣ−ＤＣコンバータを設置するときに大きな障害となる。

そこで実施例１では、すべての単位モジュール１を構成する出力側のＡＣ−ＤＣ変換手段３と多巻線変圧器４、およびフィルタリアクトル５とフィルタコンデンサ６を、単一の絶縁油タンク７に収納する。タンク７（高圧部分筐体）には複数個の低圧ＡＣ端子２１と、１つの高圧直流（ＨＶＤＣ）を出力するブッシング２２を備える。低圧ＡＣ端子２１は、Ｎ個の入力側ＤＣ−ＡＣ変換手段２を収納した筐体２（低圧部分筐体）と接続される。ＤＣ−ＡＣ変換手段２には、接地電位と入力電圧Ｖｉｎ（一般に数ｋＶ）に相当する電位差しか発生しないので、筐体２内にＮ個のＤＣ−ＡＣ変換手段２を収納し、相互の配線は大気中で接続すればよい。

図２は、本発明の実施例１に係る風力発電用ＤＣ−ＤＣコンバータの絶縁油タンク７内の構造を示した透視斜視図（図２Ａ）および正面断面図（図２Ｂ）である。ここでは一例として、単位モジュール１の数Ｎが７、出力側のＡＣ−ＤＣ変換手段３の数ｋが５の場合を示しているが、それらの数を限定するものではない。また、実施例１では絶縁油タンク７の内部に隔壁７１を設け、隔壁７１の下部に鉄心４１と巻線４２から構成される多巻線変圧器４を４つ、上部に３つを備えた形態を示している。各多巻線変圧器４の手前側には、出力側ＡＣ−ＤＣ変換手段３が単位モジュール１台当り５個ずつ配設され、タンク７内には合計３５個のＡＣ−ＤＣ変換手段３が備えられる。隔壁７１の上部にはフィルタリアクトル５とフィルタコンデンサ６を備える領域が設けられ、絶縁油タンク７の外部に設けた高圧ＤＣブッシング２２に接続される。また、タンク７の上部には単位モジュール１の数に相当する低圧ＡＣ端子２１が設けられる。なおこれらの図において、７ａは油面を示しており、以上説明した構成要素はすべて、絶縁油内に浸される。

図３は、本発明が適用可能な風力発電タワー内の設備構成を示す縦断面図である。同図において、この左側は風力発電タワー１２の全体の縦断面図を示しており、右側は風力発電タワー１２の海水面近傍の拡大縦断面図を示している。

この図で、１１は風車、１１ａはロータ、１０はギア、９は発電機であり、ギア１０、発電機９を収納したナセル１１ｂが風力発電タワー１２の上部に水平方向に回転可能な状態で備えられる。

風力発電タワー１２の下部構造が右側に拡大表示されているように、風力発電タワー下部にはパワーコンディショナ８が設けられ、パワーコンディショナ８において風力発電タワー上部の発電機９からのＡＣ出力電力が低圧（一般に数ｋＶ）のＤＣ電力に変換される。さらにパワーコンディショナ８からのＤＣ電力は、低圧ＤＣケーブル１３でＤＣ−ＤＣコンバータの入力側ＤＣ−ＡＣ変換手段を収納した筐体５０（低圧部分筐体）に入力される。そして商用周波数以上の周波数を持つＡＣに変換された低圧電力は、低圧ＡＣケーブル１４で絶縁油タンク７（高圧部分筐体）に入力される。低圧ＡＣ電力は、タンク７内に設けられた多巻線変圧器４と出力側ＡＣ−ＤＣ変換手段３により高圧ＤＣ（ＨＶＤＣ）電力に変換され、ＨＶＤＣブッシング２２を経由して、ＨＶＤＣケーブル１５により出力される。

図３では、１つの風力発電タワー１２における設備構成を示したが、実際の設備では複数の風力発電タワー１２により直流集送電風力発電システムを構成することが多い。図４は、複数の風力発電タワー１２からの出力を、直流集送電風力発電システムとして纏め、外部出力する場合の接続構成例を示している。

図４に示す直流集送電風力発電システム例では、洋上の複数の風力発電タワー１２内の絶縁油タンク７（高圧部分筐体）から出力されるＨＶＤＣ電力は、直流遮断器１７を経由してＨＶＤＣケーブル１５により並列に接続され、ＨＶＤＣ送電ケーブル１５ａに束ねられ、陸上へ長距離送電される。陸上に送電されたＨＶＤＣ電力は、ＨＶＤＣ−商用ＡＣ変換手段１８により高圧商用ＡＣ出力１９に変換され、電力系統に接続される。

次に、本発明のＤＣ−ＤＣコンバータを構成する入力側のＤＣ−ＡＣ変換手段２、および出力側ＡＣ−ＤＣ変換手段３の回路方式の例を、図７から図１１を用いて説明する。これらの例は実施例１を含め、後述するすべての実施例に適用可能である。

図７は、入力側ＤＣ−ＡＣ変換手段２を２レベル型フルブリッジインバータ回路で、出力側ＡＣ−ＤＣ変換手段３を整流回路で構成した例である。入力側ＤＣ−ＡＣ変換手段２は、４組のＩＧＢＴ等のスイッチング素子２３と負荷転流ダイオード２４と、１つの入力コンデンサ２６がフルブリッジ回路を構成する。多巻線変圧器４には、振幅がＶｉｎで、商用周波数以上の周波数を持つＡＣ電圧が入力される。該ＡＣ電圧は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子２３のゲート端子に入力される信号を制御することにより、任意のデューティ比を持つ矩形波や、パルス幅変調波（ＰＷＭ波）等の時間波形を持つ。多巻線変圧器４のｋ分割された出力側巻線より出力されるＡＣ電圧は、４つの整流ダイオード３１と、１つの出力コンデンサ３２からなるｋ組の整流回路が直列接続された、出力側ＡＣ−ＤＣ変換手段３に入力され、Ｖｉｎのｎ×ｋ倍に昇圧されたＤＣ電圧に変換される。

図８は、入力側ＤＣ−ＡＣ変換手段２を３レベル型ハーフブリッジインバータ回路で、出力側ＡＣ−ＤＣ変換手段３を整流回路で構成した例である。入力側ＤＣ−ＡＣ変換手段２は、４組のＩＧＢＴ等のスイッチング素子２３と負荷転流ダイオード２４、２つのクランプダイオード２５、および２つの入力コンデンサ２６がハーフブリッジ回路を構成する。多巻線変圧器４には、振幅がＶｉｎの１／２で、商用周波数以上の周波数を持つＡＣ電圧が入力される。該ＡＣ電圧は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子２３のゲート端子に入力される信号を制御することにより、任意のデューティ比を持つ矩形波や、パルス幅変調波（ＰＷＭ波）等の時間波形を持つ。多巻線変圧器４のｋ分割された出力側巻線より出力されるＡＣ電圧は、４つの整流ダイオード３１と、１つの出力コンデンサ３２からなるｋ組の整流回路が直列接続された、出力側ＡＣ−ＤＣ変換手段３に入力され、Ｖｉｎのｎ×ｋ／２倍に昇圧されたＤＣ電圧に変換される。

図９は、入力側ＤＣ−ＡＣ変換手段２を３レベル型フルブリッジインバータ回路で、出力側ＡＣ−ＤＣ変換手段３を整流回路で構成した例である。入力側ＤＣ−ＡＣ変換手段２は、８組のＩＧＢＴ等のスイッチング素子２３と負荷転流ダイオード２４、４つのクランプダイオード２５、および２つの入力コンデンサ２６が３レベルフルブリッジ回路を構成する。多巻線変圧器４には、振幅がＶｉｎで、商用周波数以上の周波数を持つＡＣ電圧が入力される。該ＡＣ電圧は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子２３のゲート端子に入力される信号を制御することにより、任意のデューティ比を持つ矩形波や、パルス幅変調波（ＰＷＭ波）等の時間波形を持つ。多巻線変圧器４のｋ分割された出力側巻線より出力されるＡＣ電圧は、４つの整流ダイオード３１と、１つの出力コンデンサ３２からなるｋ組の整流回路が直列接続された、出力側ＡＣ−ＤＣ変換手段３に入力され、Ｖｉｎのｎ×ｋ倍に昇圧されたＤＣ電圧に変換される。

図１０は、入力側ＤＣ−ＡＣ変換手段２と、出力側ＡＣ−ＤＣ変換手段３が、ともに２レベル型フルブリッジインバータ回路、およびコンバータ回路で構成した例であり、それぞれ４組のＩＧＢＴ等のスイッチング素子２３と負荷転流ダイオード２４と、１つの入力コンデンサ２６、または１つの出力コンデンサ３２がフルブリッジ回路を構成する。多巻線変圧器４には、振幅がＶｉｎで、商用周波数以上の周波数を持つＡＣ電圧が入力される。該ＡＣ電圧は、入力側変換手段２のＩＧＢＴ等のスイッチング素子２３のゲート端子に入力される信号を制御することにより、任意のデューティ比を持つ矩形波や、パルス幅変調波（ＰＷＭ波）等の時間波形を持つ。多巻線変圧器４のｋ分割された出力側巻線より出力されるＡＣ電圧は、ｋ組のフルブリッジ型コンバータ回路が直列接続された、出力側ＡＣ−ＤＣ変換手段３に入力され、Ｖｉｎのｎ×ｋ倍に昇圧されたＤＣ電圧に変換される。出力側ＡＣ−ＤＣ変換手段３を構成するＩＧＢＴ等のスイッチング素子２３のゲート端子に入力される信号を制御することにより、ｋ組の回路間の位相を調整し、よりリプルの少ないＤＣ電圧に変換することも可能になる。

図１１は、入力側ＤＣ−ＡＣ変換手段２と、出力側ＡＣ−ＤＣ変換手段３が、ともに３レベル型ハーフブリッジインバータ回路、およびコンバータ回路で構成した例であり、それぞれ４組のＩＧＢＴ等のスイッチング素子２３と負荷転流ダイオード２４、２つのクランプダイオード２５、２つの入力コンデンサ２６、または２つの出力コンデンサ３２がハーフブリッジ回路を構成する。多巻線変圧器４には、振幅がＶｉｎの１／２で、商用周波数以上の周波数を持つＡＣ電圧が入力される。該ＡＣ電圧は、入力側変換手段２のＩＧＢＴ等のスイッチング素子２３のゲート端子に入力される信号を制御することにより、任意のデューティ比を持つ矩形波や、パルス幅変調波（ＰＷＭ波）等の時間波形を持つ。多巻線変圧器４のｋ分割された出力側巻線より出力されるＡＣ電圧は、ｋ組のハーフブリッジ型コンバータ回路が直列接続された、出力側ＡＣ−ＤＣ変換手段３に入力され、Ｖｉｎのｎ×ｋ倍に昇圧されたＤＣ電圧に変換される。出力側ＡＣ−ＤＣ変換手段３を構成するＩＧＢＴ等のスイッチング素子２３のゲート端子に入力される信号を制御することにより、ｋ組の回路間の位相を調整し、よりリプルの少ないＤＣ電圧に変換することも可能になる。

以上、図７から図１１に示した回路の組み合わせはこれらに限定するものではない。図に示した回路の異なる組み合わせ、または本発明で示していないインバータ、コンバータ、整流回路の任意の組み合わせによっても、本発明が提供する効果は同様に得られる。

次に、本発明のＤＣ−ＤＣコンバータを構成する多巻線変圧器４の例を、図１２から図１６を用いて説明する。ここで説明する例は本実施例を含め、後述するすべての実施例に適用可能である。

図１２は、本発明のＤＣ−ＤＣコンバータ内の多巻線変圧器４の構造を示す縦断面図（図１２Ａ）および上面図（図１２Ｂ）である。多巻線変圧器４は、単相鉄心４１と、２箇所の磁脚に２つに分けて巻回された巻線４２から構成される。鉄心４１は、一端が開放された薄帯状の磁性材料を複数枚積層し、巻線４２を挿入した後に開放部を閉じた、ラップ接合部４１ａを持つ巻鉄心により構成される。薄帯状磁性材料は、商用周波数以上の高周波における磁気損失（鉄損）が小さい、鉄を主成分とするアモルファス合金等を用いるのが好適である。

鉄心４１の磁脚部に巻回された巻線４２は、板状の巻線材料から構成される。入力側（１次）巻線４２ａと、図の縦方向にｋ分割された、ｎ組の出力側（２次）巻線４２ｂが、交互に巻回される。ｎは入力側巻線に対する出力側巻線の巻数比であり、本図ではわかりやすくするため、ｎ＝２の場合を示している。入力側巻線の巻数をＴとすると、１箇所の磁脚には上記の構造を持つ巻線群がＴ／２回巻回される。このように、多巻線変圧器４の入力側巻線４２ａと出力側巻線４２ｂを交互に巻回することにより、巻線間の近接効果が低減され、変圧器の損失が低減し、ＤＣ−ＤＣコンバータの変換効率が向上する。

図１３は、本発明のＤＣ−ＤＣコンバータ内の多巻線変圧器における、１本の磁脚に巻回された巻線の展開図、図１４は、該巻線の結線図である。本図ではわかりやすくするため、ｋ＝３、ｎ＝２の場合を示している。板状の入力側巻線４２ａと出力側巻線４２ｂは、巻き始めと巻き終わりの終端部に、巻線構造の上側、または下側に飛び出す形状の電極部が設けられる。図１３に示した各電極に付した記号は、図１４に示した各記号に対応する。同図に示した第２脚の結線は、第１脚と対称になるように施され、第１脚と第２脚に巻回した巻線の各電極は、適切な断面積を持つ導体材料により接続される。

図１５は、本発明のＤＣ−ＤＣコンバータ内の多巻線変圧器の鉄心４１に巻回した巻線４２の上面図であり、巻線電極の配置、および相互の接続を示している。実線で示した電極は巻線の上側に、破線で示した電極は巻線の下側に飛び出していることを示す。入力側巻線の電極Ｐ−１、およびＰ−２と、出力側巻線の電極群Ｓ−１、およびＳ−２は、互いに鉄心４１をはさんだ反対側に設けられ、十分な絶縁距離が確保される。また、出力側巻線のｎ＝１に相当する巻線の巻き終わりの電極群Ｓ１１ｂ、Ｓ１２ｂ、Ｓ１３ｂと、ｎ＝２に相当する巻線の巻き始めの電極群Ｓ２１ａ、Ｓ２２ａ、Ｓ２３ａは、巻線の下側で、適切な断面積を持つ導体材料により接続される。

図１６は、図１５中に示したＡ部における巻線構造の拡大上面図（図１６Ａ）、および巻線の断面図（図１６Ｂ）である。鉄心４１の直近には入力側巻線４２ａが配置され、その外側に、巻数比ｎ（ここではｎ＝２）に等しい枚数の出力側巻線４２ｂと、入力側巻線４２ａが交互に巻回される。巻線４２ａと４２ｂの間には、最大でＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧Ｖｏｕｔ（一般におおむね８０ｋＶ〜２００ｋＶ）と入力電圧Ｖｉｎ（一般に数ｋＶ）の差に相当する電位差が発生するため、両者を適切な絶縁距離に保つための絶縁材４３が設けられる。絶縁材は断面が略矩形の棒状材とし、一定の間隔を保ちつつ巻線４２ａと４２ｂの間に配設し、相互の間隙を絶縁油が循環する構造とするのが好適である。

また、図１６Bに示したように、巻線４２ａ、および４２ｂは、適切な厚さの絶縁紙４４で被覆を施した上で、磁脚に巻回するのが好適である。該絶縁紙が持つ耐電圧特性と、絶縁材４３により確保される絶縁油中での空間距離の組み合わせにより、巻線４２ａと巻線４２ｂ間の絶縁耐電圧が得られる。

本発明では、風力発電用設備に適用して好適な電力変換装置（ＤＣ−ＤＣコンバータ）を得ることを目的としており、そのために第１段階の対策として複数個（ここではＮと表記）の単位モジュール１で構成し、ＤＣ−ＡＣ変換手段２とＡＣ−ＤＣ変換手段３間を多巻線変圧器４で接続した。これにより、図２０に示した従来構成に比較して、体積を２０％程度に低減が可能である。さらに第２段階の対策としてＤＣ−ＤＣコンバータの高圧部分を筐体内に油浸としたことで、最終的に体積を１０％程度まで低減することができた。

図４に直流集送電風力発電システムの事例を挙げて説明したが、この直流集送電風力発電システムは図５のように構成されてもよい。

図５は、本発明の実施例２に係る直流集送電風力発電システムの系統図である。複数の風力発電タワー１２の内部には図３に示した、実施例１と同一の機器要素が備えられ、ＨＶＤＣケーブル１５を経由してＨＶＤＣ電力が出力される。各風力発電タワー１２からのＨＶＤＣ電力は、洋上に設けられた洋上プラットフォーム１６に集められ、洋上プラットフォーム上に配設された直流遮断器１７を経由して並列に接続され、ＨＶＤＣ送電ケーブル１５ａに束ねられ、陸上へ長距離送電される。陸上に送電されたＨＶＤＣ電力は、ＨＶＤＣ−商用ＡＣ変換手段１８により高圧商用ＡＣ出力１９に変換され、電力系統に接続される。

図６は、本発明の実施例３に係る直流集送電風力発電システムの系統図である。実施例３では、複数の風力発電タワー１２より出力されるＤＣ電力は中電圧（ＭＶＤＣ、一般におおむね１０ｋＶ〜６０ｋＶ程度）である。個々の風力発電タワー１２内には、図３に示した構成によるＤＣ−ＤＣコンバータが備えられ、昇圧比を実施例１、および実施例２より小さくすることで、ＭＶＤＣ電力を出力する構成としてもよい。ＭＶＤＣ電力は、ＭＶＤＣケーブル１５ｂを経由して、洋上プラットフォーム１６に集められる。そして直流遮断器１７を経由し、筐体５０内に備えられた個々の入力側ＤＣ−ＡＣ変換手段２に入力される。筐体５０から出力されるＡＣ電力は、複数の変圧器、複数の出力側ＡＣ−ＤＣ変換手段、およびフィルタ素子を収納した絶縁油タンク７に入力されてＨＶＤＣ電力に変換され、ＨＶＤＣ送電ケーブル１５ａにより陸上へ長距離送電される。陸上に送電されたＨＶＤＣ電力は、ＨＶＤＣ−商用ＡＣ変換手段１８により高圧商用ＡＣ出力１９に変換され、電力系統に接続される。

図１７は、本発明の実施例４に係る風力発電タワー１２の海水面近傍の構造を示す縦断面図である。風力発電タワー１２に備えられた発電機９からのＡＣ出力電力は、パワーコンディショナ８により低圧（一般に数ｋＶ）ＤＣ電力に変換される。パワーコンディショナ８からのＤＣ電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力側ＤＣ−ＡＣ変換手段を収納した筐体５０に入力されるが、実施例４ではパワーコンディショナ８と一体型の筐体５０とする。

そして商用周波数以上の周波数を持つＡＣに変換された低圧電力は、低圧ＡＣケーブル１４で絶縁油タンク７に入力される。低圧ＡＣ電力は、絶縁油タンク７内に設けられた多巻線変圧器４と出力側ＡＣ−ＤＣ変換手段３により高圧ＤＣ（ＨＶＤＣ）電力に変換され、ＨＶＤＣブッシング２２を経由して、ＨＶＤＣケーブル１５により出力される。本実施例に示すような構成とすることで、風力発電タワー１２内の低圧系統と高圧系統は独立した筐体内に収納されるため、両筐体を異なるフロアに配置することにより、タワー内の空間をより効果的に使うことができ、機器のメンテナンス上の安全性も高まる。

図１８は、本発明の実施例５に係る風力発電用ＤＣ−ＤＣコンバータの回路ブロック図である。図１に示した、実施例１における回路ブロック図と共通する記号、および機能の詳細な説明は省略する。実施例５では、パワーコンディショナ８から出力される低圧ＤＣ電圧は＋Ｖｉｎと−Ｖｉｎであり、それぞれの電圧が複数の入力側ＤＣ−ＡＣ変換手段２を収納した筐体５０に入力される。そして実施例１と同一の構成のＤＣ−ＤＣコンバータ１により、高圧ＤＣ（ＨＶＤＣ）電圧＋Ｖｏｕｔ、および−Ｖｏｕｔに変換される。ＤＣ−ＤＣ−コンバータを構成する複数の多巻線変圧器４と複数の出力側ＡＣ−ＤＣ変換手段３、およびフィルタリアクトル５とフィルタコンデンサ６は単一の絶縁油タンク７に収納される。絶縁油タンクには複数個の低圧ＡＣ端子２１と、＋Ｖｏｕｔと−ＶｏｕｔのＨＶＤＣ電力を出力するための２つのブッシング２２、および２２ｂを備える。

図１９は、本発明の実施例６に係る風力発電用ＤＣ−ＤＣコンバータの回路ブロック図である。図１に示した実施例１における回路ブロック図と共通する記号、および機能の詳細な説明は省略する。本実施例では、ＤＣ−ＤＣコンバータを構成するすべての多巻線変圧器４と、上段に位置する任意の数の出力側ＡＣ−ＤＣ変換手段３、およびフィルタリアクトル５とフィルタコンデンサ６を単一の絶縁油タンク７に収納する。下段に位置する出力側ＡＣ−ＤＣ変換手段３と接地間に発生する電位はＨＶＤＣに比べて十分低いため、絶縁油タンク７内に収納せず、大気中に備えても問題なく機能する。ＤＣ−ＤＣコンバータを構成する一部の出力側ＡＣ−ＤＣ変換手段３を大気中に備えることで、絶縁油タンク内に収納した該変換手段が故障する確率が減り、交換の手間を減ずることができる。

以上、本願で例示した各実施例は、単独で用いてもよいし、複数の実施例を組み合わせて適用しても、本発明が示す効果は同様に得られる。

１：ＤＣ−ＤＣコンバータの単位モジュール
２：ＤＣ−ＡＣ変換手段
３：ＡＣ−ＤＣ変換手段
４：多巻線変圧器
４１：鉄心
４１ａ：ラップ接合部
４２：巻線
４２ａ：入力側（１次）巻線
４２ｂ：出力側（２次）巻線
４３：絶縁物
４４：絶縁紙
５：フィルタリアクトル
６：フィルタコンデンサ
７：絶縁油タンク
７１：絶縁油タンク内の隔壁
７ａ：絶縁油タンク内の油面
８：パワーコンディショナ
９：発電機
１０：ギア
１１：風車
１１ａ：ロータ
１１ｂ：ナセル
１２：風力発電タワー
１３：低圧ＤＣケーブル
１４：低圧ＡＣケーブル
１５：高圧ＤＣ（ＨＶＤＣ）ケーブル
１５ａ：ＨＶＤＣ送電ケーブル
１５ｂ：中圧ＤＣ（ＭＶＤＣ）ケーブル
１６：洋上プラットフォーム
１７：直流遮断器
１８：ＨＶＤＣ−高圧商用ＡＣ変換手段
１９：高圧商用ＡＣ出力
２１：低圧ＡＣ端子
２２：高圧ＤＣ（ＨＶＤＣ）ブッシング
２２ｂ：負極ＨＶＤＣブッシング
２３：スイッチング素子
２４：負荷転流ダイオード
２５：クランプダイオード
２６：入力コンデンサ
３１：整流ダイオード
３２：出力コンデンサ
５０：複数のＤＣ−ＡＣ変換手段を納めた筐体
Ｎ：ＤＣ−ＤＣコンバータのモジュール数
ｎ：多巻線変圧器の入力側巻線に対する出力側巻線の巻数比
ｋ：多巻線変圧器の出力側巻線の分割数
Ｔ：多巻線変圧器の入力側巻線の巻数

Claims (16)

1. 直流を交流に変換するＤＣ−ＡＣ変換手段と、該ＤＣ−ＡＣ変換手段の交流出力を受ける変圧器と、該変圧器の交流出力を直流に変換するＡＣ−ＤＣ変換手段で構成された電力変換装置であって、
   前記ＤＣ−ＡＣ変換手段と前記変圧器と前記ＡＣ−ＤＣ変換手段を備えた単位モジュールを複数組備え、複数組の単位モジュールの前記ＤＣ−ＡＣ変換手段の入力側を並列接続して前記ＡＣ−ＤＣ変換手段の出力側を並列接続し、
   前記各単位モジュール内の前記変圧器を多巻線変圧器として、その二次側巻線ごとに前記ＡＣ−ＤＣ変換手段を備え、
   前記複数組の単位モジュール内の高圧回路部分を共通の油浸筐体内に収納することを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記高圧回路部分には、前記多巻線変圧器と前記ＡＣ−ＤＣ変換手段を含むことを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の電力変換装置であって、
   前記ＤＣ−ＡＣ変換手段を収納する第１の筐体と、前記多巻線変圧器及び前記ＡＣ−ＤＣ変換手段を収納する第２の筐体を備え、第２の筐体内が油浸されていることを特徴とする電力変換装置。
4. 入力側のＤＣ−ＡＣ（直流−交流）変換手段と、出力側ＡＣ−ＤＣ（交流−直流）変換手段、および変圧器からなる複数個の直流昇圧・絶縁用のモジュールを、入力側を並列、出力側を直列接続し、直流昇圧機能を持たせた電力変換装置であって、
   前記複数のモジュール内の前記変圧器と前記ＡＣ−ＤＣ変換手段、および前記モジュールの出力側に接続されたフィルタ用素子を単一の絶縁油タンク内に収納し、各モジュール内、モジュール間、およびモジュールとフィルタ用素子間の配線を前記絶縁油タンク内で接続し、絶縁油タンク外に入力用の交流用端子と出力用の直流ブッシングを備えることを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項４に記載の電力変換装置であって、
   前記複数のモジュールのうち、接地電位に近いモジュール内のＡＣ−ＤＣ変換手段を前記絶縁油タンクの外側に設置したことを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項４または請求項５に記載の電力変換装置であって、
   前記各モジュール内の前記変圧器の出力側巻線を複数に分割し、個々の出力側巻線を複数の前記ＡＣ−ＤＣ変換手段の入力側端子に接続し、すべての前記ＡＣ−ＤＣ変換手段の出力側端子を直列接続したことを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項４から請求項６のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
   前記各モジュール内の前記変圧器の入力側巻線と出力側巻線は、適切な絶縁距離を保ちつつ交互に巻回したこと、を特徴とする電力変換装置。
8. 請求項４から請求項７のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
   前記各モジュール内の前記変圧器の入力側巻線および出力側巻線は断面が略矩形の導体材料により構成され、絶縁紙等の絶縁性材料により被覆されていることを特徴とする電力変換装置。
9. 請求項４から請求項８のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
   前記各モジュール内の前記変圧器の入力側巻線と出力側巻線の終端部には、巻線構造の上側、または下側に飛び出す形状の電極が設けられ、該電極間を、適切な断面積を持つ導体材料により接続したことを特徴とする電力変換装置。
10. 請求項４から請求項９のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
    前記各モジュール内の変前記圧器は、商用周波数以上の高周波で励磁し、前記変圧器の鉄心は、薄帯状の磁性材料を複数枚巻回して構成される巻鉄心であることを特徴とする電力変換装置。
11. 請求項４から請求項１０のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
    前記各モジュール内の前記変圧器の鉄心は、鉄を主成分とするアモルファス構造、または微細結晶構造を有する薄帯状合金により構成されていることを特徴とする電力変換装置。
12. 請求項４から請求項１１のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
    前記モジュール内の入力側の前記ＤＣ−ＡＣ変換手段は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子とダイオードからなる２レベルフルブリッジ型インバータ回路、または３レベルハーフブリッジ型インバータ回路、または３レベルフルブリッジ型インバータ回路、のいずれかで構成されていることを特徴とする電力変換装置。
13. 請求項４から請求項１２のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
    前記モジュール内の出力側のＡＣ−ＤＣ変換手段は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子とダイオードからなる２レベルフルブリッジ型コンバータ回路、または３レベルハーフブリッジ型コンバータ回路、または３レベルフルブリッジ型コンバータ回路、またはダイオードからなる整流回路、のいずれかで構成されていることを特徴とする電力変換装置。
14. 請求項４から請求項１３のいずれか１項に記載の電力変換装置を備えた風力発電システムであって、
    前記モジュールの入力側のＤＣ−ＡＣ変換手段を納めた筐体と、すべてのモジュールの変圧器、および出力側のＡＣ−ＤＣ変換手段とフィルタ用素子を納めた絶縁油タンクを、洋上に設置した風力発電タワー内に収納し、該風力発電タワーからの発電電力を直流電力に変換して出力することを特徴とする風力発電システム。
15. 請求項４から請求項１３のいずれか１項に記載の電力変換装置を備えた風力発電システムであって、
    洋上に設置した複数の風力発電タワーから出力される直流電力を複数の直流遮断器を経由した後に並列接続して一箇所に集め、該直流電力を陸上へ送電することを特徴とする風力発電システム。
16. 請求項４から請求項１３のいずれか１項に記載の電力変換装置を備えた風力発電システムであって、
    洋上に設置した複数の風力発電タワーから出力される直流電力を複数の直流遮断器を経由した後に洋上に設置したプラットフォームに集め、該プラットフォーム上に備えた第２の電力変換装置により１系統の直流電力に変換し陸上へ送電することを特徴とする風力発電システム。

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