JP2018042337A - Electric power conversion system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力変換装置に関するものである。 The present invention relates to a power conversion device.
太陽光発電や風力発電といった自然エネルギー利用の発電設備による電力を電力系統に連系するためには、電力系統の電圧及び周波数に変換する電力変換装置が使用される。電力変換装置は、直流電力と交流電力の間で電力変換を行う複数の電力変換装置により構成されており、電力変換装置は絶縁トランスおよびDC/DCコンバータやインバータといった電力変換器を備えて構成されている。 In order to link electric power from a power generation facility using natural energy, such as solar power generation or wind power generation, to a power system, a power conversion device that converts the voltage and frequency of the power system is used. The power conversion device includes a plurality of power conversion devices that perform power conversion between DC power and AC power. The power conversion device includes an insulating transformer and a power converter such as a DC / DC converter or an inverter. ing.
一般に、例えば、大規模向け太陽光PCSの場合は太陽光発電設備からの直流が入力となり、400V程度の三相電力を出力する。太陽光PCSから高圧系統(6.6kV,22kV等)への昇圧出力には高圧絶縁トランスを使用しており、系統の周波数と同じ数十Hzの低周波で駆動せざるを得ないため大型化する。また、大容量向けPCSの屋外設置を実現するためにコンテナ内への太陽光PCS格納や太陽光PCS自体を屋外盤仕様にする必要があり、設備が大型化する。 In general, for example, in the case of a large-scale solar PCS, a direct current from a photovoltaic power generation facility is input, and three-phase power of about 400 V is output. The high voltage insulation transformer is used for the step-up output from the solar PCS to the high voltage system (6.6 kV, 22 kV, etc.), and it must be driven at the same low frequency of several tens of Hz as the system frequency. To do. In addition, in order to realize the outdoor installation of the PCS for large capacity, it is necessary to store the solar PCS in the container or to make the solar PCS itself an outdoor panel specification, which increases the size of the equipment.
また、直流配線や低圧交流配線の長さを短縮することで更なる低損失化が実現できるが、前述のように屋外仕様の太陽光PCSや連系トランスの体積・重量が大きく、太陽光パネル直近への配置は太陽光パネルへの日陰の影響から難しいため、太陽光パネルから離して配置することが一般的であった。 Furthermore, the loss can be further reduced by shortening the length of the DC wiring and low-voltage AC wiring. However, as described above, the volume and weight of the outdoor-use solar PCS and interconnection transformer are large, and the solar panel Since the most recent arrangement is difficult due to the influence of the shade on the solar panel, it is generally arranged away from the solar panel.
なお電力変換装置を盤構成するに際し、変圧器盤と関連付けて配置した事例として特許文献1が知られている。
Note that
特許文献1には、「複数個の2次巻線を有する入力変圧器1と、この入力変圧器1を収納する変圧器盤10と、前記2次巻線に1対1で接続され、所望の周波数の単相交流電圧を出力する単位インバータ2を複数台直列接続した各相をY接続して構成した3相インバータと、前記3相インバータを構成する単位インバータ2を収納する変換器盤20とを備え、前記変換器盤20は、絶縁物からなる複数本の支柱22と、この複数本の支柱22の隣り合う支柱間を横方向に締結する複数個の金属製の棚板23を有し、前記棚板23上に前記単位インバータ2を夫々載置固定するように構成する。」ことが記載されている。
In
しかしながら、変換器盤20は、入出力共に高圧であるので、中性点をとる場合絶縁距離を取る必要があり、電力変換装置の小型化を実現するのは困難である。 However, since the converter panel 20 has a high input / output voltage, it is necessary to take an insulation distance when taking the neutral point, and it is difficult to realize a reduction in size of the power converter.
以上のことから本発明においては、小型化を実現可能な電力変換装置を提供することを目的とする。 In view of the above, an object of the present invention is to provide a power converter that can be miniaturized.
以上のことから本発明においては、入力が直流である高周波共振型コンバータの2次側に単相インバータを備え、高周波トランスとその一次巻線及び二次巻線側に接続される部品により構成された電力変換ユニットについて、複数の電力変換ユニットの単相インバータ出力を直列接続して電力変換ユニット群を構成し、電力変換装置筐体内に収納した3組の電力変換ユニット群により交流3相の各相を形成し、電力変換ユニット群を構成する複数の電力変換ユニットは、電力変換装置筐体の長手方向に沿って配置され、かつ3組の電力変換ユニット群は、電力変換装置筐体の高さ方向の上段、中段、下段にそれぞれ配置され、電力変換装置筐体の長手方向の一方端側が、3組の電力変換ユニット群の出力端子とされ、電力変換装置筐体の長手方向の他方端側で3組の電力変換ユニット群の端子が共通接続されているとともに、複数の電力変換ユニットの夫々は、高周波トランスとその一次巻線及び二次巻線側に接続される部品が発生する熱を夫々の放熱部に伝達し、複数の電力変換ユニットの放熱部は、電力変換装置筐体の長手方向に沿い、かつ開口部を有する一方の面である背面側に形成された熱交換用空間内に整列配置され、熱交換用空間に連通する電力変換装置筐体の長手方向左右質に設けられたファンを介して開口部から導入された過熱空気を排出することを特徴とする。 As described above, in the present invention, the high-frequency resonant converter having a DC input has a single-phase inverter on the secondary side, and is composed of a high-frequency transformer and parts connected to the primary and secondary windings. For the power conversion units, the single-phase inverter outputs of a plurality of power conversion units are connected in series to form a power conversion unit group, and each of the AC three-phases is composed of three sets of power conversion unit groups housed in the power converter housing. The plurality of power conversion units forming the phase and constituting the power conversion unit group are arranged along the longitudinal direction of the power conversion device casing, and the three sets of power conversion unit groups are the heights of the power conversion device casing. Are arranged in the upper, middle, and lower stages in the vertical direction, and one end side in the longitudinal direction of the power conversion device casing is used as an output terminal of the three power conversion unit groups. The terminals of the three power conversion unit groups are commonly connected on the other end side in the direction, and each of the plurality of power conversion units is a component connected to the high-frequency transformer and its primary winding and secondary winding side The heat generated by each of the plurality of power conversion units is formed along the longitudinal direction of the power conversion device casing and on the back side which is one surface having an opening. It is characterized in that superheated air introduced from the opening is exhausted through a fan provided in the left and right quality in the longitudinal direction of the power converter housing that is arranged and arranged in the space for heat exchange and communicates with the space for heat exchange. To do.
本発明によれば、小型化を実現可能な電力変換装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a power conversion device that can be miniaturized.
以下、本発明の電力変換装置について、図を用いて説明する。 Hereinafter, the power converter of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明に係る電力変換装置の筐体と配置位置関係を示した図である。本発明の電力変換装置筐体100は、太陽光パネルPLと、太陽光パネルPLを搭載、支持するための架台BBの間に形成される空間を利用して設置される。このため直射日光を受けず、かつ風通しのよい位置に配置される。箱型の筐体は長手方向に延伸する箱型の形状とされている。因みに筐体は、長手方向の長さは例えば2.5(m)、短手方向の長さは例えば0.9(m)、高さが例えば0.7(m)といった大きさであり、太陽光パネルPLと架台BBにより形成される日陰空間に配置可能である。
FIG. 1 is a diagram showing a housing and arrangement positional relationship of a power conversion device according to the present invention. The power
図1の電力変換装置筐体100は、その前面の形状を、また図6はその後面の形状を示している。ここでの特徴点は、前面及び側面に冷却部を備えていることであるがこの点について詳細に後述する。 1 shows the shape of the front surface thereof, and FIG. 6 shows the shape of the rear surface thereof. The feature point here is that a cooling part is provided on the front and side surfaces, which will be described later in detail.
図2は、本発明の電力変換装置が適用される太陽光発電サイトの一例を示している。 FIG. 2 shows an example of a photovoltaic power generation site to which the power conversion device of the present invention is applied.
図2の太陽光発電サイトは、架台B上に搭載、支持された複数の太陽光パネルPLにより形成されており、各太陽光パネルPLの直流出力は端子TD1、TD2間に得られている。またこの太陽光発電サイトには、架台BBの下部空間を利用して太陽光パネルPLの直流出力を電力系統の三相交流に変換する図1の電力変換装置筐体100が設置されている。後述するが、箱型形状の電力変換装置筐体100は複数の電力変換ユニットU(図示ではU1、U2)を収納しており、各電力変換ユニットUは、各太陽光パネルPLの直流出力端子TL1、TL2に接続される直流入力端子TD1、TD2と、交流出力端子TA1、TA2を備えている。なお、太陽光パネルPL1の直流出力端子TL1、TL2は、例えば電力変換ユニットU1の直流入力端子TD1、TD2と対応付けて接続され、太陽光パネルPL2の直流出力端子TL1、TL2は例えば電力変換ユニットU2の直流入力端子TD1、TD2と対応付けて接続される。あるいは複数の太陽光パネルPLの直流出力端子TL1、TL2がそれぞれ共通接続されて電力変換ユニットUの直流入力端子TD1、TD2と接続される。
The solar power generation site of FIG. 2 is formed by a plurality of solar panels PL mounted and supported on the gantry B, and the DC output of each solar panel PL is obtained between the terminals TD1 and TD2. In addition, the photovoltaic power generation site is provided with the power
図3は、電力変換装置筐体100内における複数の電力変換ユニットUの接続例を示している。
FIG. 3 shows a connection example of a plurality of power conversion units U in the power
電力変換装置筐体100についての対外部接続は、複数の太陽光パネルPLの直流出力端子TL1、TL2に接続された直流入力端子TD1、TD2と、高圧三相の電力系統の各相に接続される三相交流出力端子TU、TV、TWで行われる。直流入力端子TD1、TD2には、低圧直流入力が印加され、三相交流出力端子TU、TV、TWからは高圧三相出力が与えられる。
The external connection of the power
また三相交流出力は、中性点Nにおいてアース接続されるY結線とされ、箱型形状の電力変換装置筐体100の長手方向の一方端側に三相交流出力端子TU、TV、TWが集約配置され、立方体状の電力変換装置筐体100の長手方向の他方端側に中性点Nが配置されている。なお直流入力端子TD1、TD2の配置位置について、特に限定をしないが、図示の例では箱型形状の電力変換装置筐体100の長手方向の他方端の中性点N側に配置した例を示している。また図示の例では、直流入力端子TD1、TD2に直流遮断器MCCBを設置した例を示している。また図示の例では、複数の太陽光パネルPLの直流出力端子TL1、TL2がそれぞれ共通接続されて、電力変換ユニットUの共通に設けられた直流入力端子TD1、TD2と接続されている。
The three-phase AC output is a Y-connection that is grounded at a neutral point N, and three-phase AC output terminals TU, TV, and TW are provided at one end in the longitudinal direction of the box-shaped
電力変換装置筐体100内では、三相交流出力端子TU、TV、TWと中性点Nの間の各相をそれぞれ複数の電力変換ユニットUで構成している。図の例では各相は8台の電力変換ユニットUで構成されており、W相で例示すると、中性点N側から順次UWI、UW2、UW3、UW4、UW5、UW6、UW7、UW8を配置している。この配置は他の相も同じである。
In the
また電力変換装置筐体100内では、各相が8台の電力変換ユニットUで構成された電力変換ユニット群が、電力変換装置筐体100の高さ方向に多段配置されている。図示の例では、U、V、Wの各相の電力変換ユニット群について、U相を下段、V相を中間段、W相を上段に配置した3段重ね構造を採用している。
Further, in the power
図3では、電力変換ユニットUの具体的な回路構成としてUW5の構成例を例示している。他の電力変換ユニットUも同じ構成であるので、ここではUW5の構成のみ説明する。電力変換ユニットUW5は、LLC共振コンバータLLCと、インバータINにより構成されている。
FIG. 3 illustrates a configuration example of the
このうちLLC共振コンバータLLCは、入力側コンデンサCiと、半導体素子Q1、Q2、Q3、Q4で構成されたフルブリッジ構成のインバータ回路11と、励磁インダクタンス1とリーケージインダクタンス2と共振コンデンサ3が直列接続された絶縁トランス12と、ダイオードD1、D2、D3、D4で構成されたフルブリッジ構成の整流回路13とで構成され、太陽光パネルPLからの直流入力を高周波数の交流に変換した後に再度直流に変換している。
Among these, the LLC resonant converter LLC includes an input side capacitor Ci, a full-
インバータINは、コンデンサCと半導体素子Q5、Q6、Q7、Q8で構成されたフルブリッジ構成のインバータ回路14とで構成されている。これによりLLC共振コンバータLLCが与える直流電圧Vd1を電源として交流電圧を発生する。このように、電力変換ユニットUW5は、その入力が太陽光パネルPLからの直流に接続され、その出力が高圧系統側に接続される構成である。
The inverter IN is composed of a capacitor C and an
また電力変換ユニットUW5は、その交流出力端子TA1、TA2のうち高圧側の端子TA1を隣接する高圧側の電力変換ユニットUW6の交流出力端子TA2に接続し、低圧側の端子TA2を隣接する低圧側の電力変換ユニットUW4の交流出力端子TA1に接続する。かくして、各相を形成する複数の電力変換ユニットUは、その入力側は並列接続され、出力側は直列接続されることで電力系統の高電圧を分担負担している。 The power conversion unit UW5 connects the high voltage side terminal TA1 of the AC output terminals TA1 and TA2 to the AC output terminal TA2 of the adjacent high voltage side power conversion unit UW6 and the low voltage side terminal TA2 adjacent to the low voltage side. To the AC output terminal TA1 of the power conversion unit UW4. Thus, the plurality of power conversion units U forming each phase share the high voltage of the power system by connecting the input side in parallel and connecting the output side in series.
電力変換装置筐体100内には、図3に例示したような構成の電力変換ユニットUが複数、相毎に3段重ね構造を採用して配置されている。図4もまた、電力変換装置筐体100内における電力変換ユニットUの配置例を示しているが、電力変換装置の出力側の各相に交流遮断器を設けている点でのみ図3と相違している。
In the power
図5は、図3あるいは図4のように構成された電力変換装置筐体100内の複数ユニットの接続により実現される電力変換装置の電気回路の構成を示している。この構成によれば、各電力変換ユニットUの直流入力端子TD1、TD2は並列に接続され、各電力変換ユニットUの交流出力端子TA1、TA2は直列に接続されることで、電力系統の電圧として例えば線間電圧の6.6(kV)を達成している。この例では、各相は8台の電力変換ユニットUにより線間電圧の6.6(kV)を分担しているので、各電力変換ユニットUは800(V)程度の電圧を出力していることになる。なお、制御装置100は、各相の複数の電力変換ユニットU内の半導体素子に対する点弧タイミングを制御している。図2に図示した電力変換装置筐体100内には、複数の電力変換ユニットUとともに、制御装置100も収納することができる。
FIG. 5 shows a configuration of an electric circuit of the power conversion device realized by connecting a plurality of units in the power
図1の電力変換装置筐体100内には、複数の電力変換ユニットを収納するが、小スペースでの配置を実現するために以下の対策が有効である。
A plurality of power conversion units are accommodated in the power
まず電力変換ユニットU自体を小型化することに関して、電力変換ユニットUは図3などに示したようにLLC共振コンバータLLCと単相インバータINを主要な部品としている。このことからこれらの部品を配置するに際して、LLCトランス12と絶縁材を介し、下側にLLCトランス12の1次側回路を構成する部品を搭載した下側基板、上側に2次側回路を構成する部品を搭載した上側基板とすることで低圧側と高圧側を分離し、電力変換ユニットUの高さ方向を短縮して低背型の電力変換装置筐体100に適した構造とするのがよい。この構成では、1次側基板と2次側基板の間は支持部材により支持し、LLCトランス12は1次側基板と2次側基板の間に適宜固定御配置されることで、これらの部品により発生した熱は、上下の1次側基板と2次側基板の間に形成された空間を利用して外部排出することが可能である。
First, regarding the miniaturization of the power conversion unit U itself, the power conversion unit U includes an LLC resonant converter LLC and a single-phase inverter IN as main components as shown in FIG. Therefore, when these components are arranged, the lower substrate on which the components constituting the primary circuit of the
また、図3において、各相を形成する複数の電力変換ユニットUについて電力変換装置筐体100の水平方向に配置し、かつ相毎に3段に高さ方向に配置し、単相インバータ側を左右で電気的に接続することで階調構成を実現する。8ユニットを1相とし、電力変換装置筐体100の縦方向にU、V、W相を構成する。各相の電力変換ユニットU群の片側が系統への高圧三相出力、逆側がY接続における中性点となる。中性点は高抵抗を介して接地し、低圧の電位となる。中性点側に太陽光からの直流入力とブレーカ(MCCB)を配置することで絶縁距離の短縮が可能となる。図4に示すように高圧三相出力側には高圧気中負荷開閉器(LBS)を配置することが可能であるが、図3のように高圧気中負荷開閉器(LBS)を電力変換装置筐体100内に備えず別構造としても良い。
Moreover, in FIG. 3, about the several power conversion unit U which forms each phase, arrange | position in the horizontal direction of the power converter device housing | casing 100, and arrange | position to the height direction in three steps | paragraphs for every phase, A gradation configuration is realized by electrically connecting the left and right. Eight units are one phase, and the U, V, and W phases are configured in the vertical direction of the power
以上の構成を採用することにより、図1に示すように太陽光パネルPLの下に設置可能な低背型の筐体構造を実現することができる。図1の構成を採用する本発明に係るパワーコンディショニングシステムPCSによれば、高圧への昇圧と連系を可能とするトランスの機能を備えたパワーコンディショニングシステムPCSが太陽光パネルPL近傍に設置可能となるため、従来と比較して太陽光パネルからの直流配線の短縮による配線の損失低減が実現できる。高圧出力配線は従来よりも長くなるが、高圧三相出力であるため高圧配線損失の上昇は直流配線損失の低減効果と比較して十分に小さく抑えることができる。 By adopting the above configuration, a low-profile housing structure that can be installed under the solar panel PL as shown in FIG. 1 can be realized. According to the power conditioning system PCS according to the present invention adopting the configuration of FIG. 1, the power conditioning system PCS having a transformer function that enables boosting and interconnection to a high voltage can be installed in the vicinity of the solar panel PL. Therefore, it is possible to reduce the wiring loss by shortening the DC wiring from the solar panel as compared with the conventional case. Although the high-voltage output wiring is longer than the conventional one, since the high-voltage three-phase output is used, the increase in the high-voltage wiring loss can be suppressed to be sufficiently smaller than the reduction effect of the DC wiring loss.
図1に示す本発明の電力変換装置筐体100は、太陽光パネルの下に設置可能であるため、従来の屋外筐体やコンテナで考慮が必要であった日射に対する冷却は緩和可能となる。
Since the power
本発明では屋外設置であることからさらに、高圧端子が存在する電力変換装置筐体100内の汚損を防ぐために筐体内(筐体内)と筐体外(筐体外)との熱交換器を設け、筐体内の外気との密閉を実現することで筐体内の絶縁距離の短縮を実現する。
In the present invention, since it is installed outdoors, in order to prevent the inside of the
図7は、電力変換装置筐体100と内部の三相電力変換ユニット群1Aの実装関係を示した図である。電力変換装置筐体100の内部に配置される三相電力変換ユニット群1Aは、各相の電力変換ユニット群1AU、1AV、1AWを高さ方向に配置した3段重ね構造のものである。三相電力変換ユニット群1Aは、電力変換装置筐体100内に収納された時に、外殻である電力変換装置筐体100との間で、前後左右に空間を形成するように配置されている。この時に形成される空間は長手方向に対して右側空間SPR、左側空間SPL、前側空間SPF、後側空間SPBである。なお上側空間、下側空間を形成することは適宜行われてよい。
FIG. 7 is a diagram showing a mounting relationship between the power
図8は、これらの空間を電力変換装置筐体100の上部から俯瞰した図である。電力変換装置筐体100の中央部には、高さ方向に3段に配置した例えば上段の電力変換ユニット群1AWを配置している。電力変換装置筐体100の長手方向左右の空間である右側空間SPR、左側空間SPLには放熱ファン21が配置されており、過熱された電力変換装置筐体100内の内気を放出する。手前の前側空間SPFは例えばメンテナンス空間として利用される。図6の手前側に示す扉であり、かつ図8の下側に設置される前側扉を開いたときに多段積みされた各相の電力変換ユニットUを確認することができ、取り外し、取り付けが可能である。後側空間SPBは、電力変換ユニットUからの熱を熱交換するユニット熱交換部とされている。
FIG. 8 is an overhead view of these spaces from the top of the power
図示するように電力変換ユニット群1AWは、電力変換装置筐体100の長手方向に沿って配置されているが、個々の電力変換ユニットUの長手方向は、電力変換ユニット群1AWの長手方向とは交差する方向に8台が配列されている。図示の左から順次、UWI、UW2、UW3、UW4、UW5、UW6、UW7、UW8とされている。
As shown in the figure, the power conversion unit group 1AW is arranged along the longitudinal direction of the power
図9は、電力変換ユニットUの斜視図を示している。ここでは電力変換ユニットUW5を例示しているが、手前の前側空間SPF側から、順次基板部71、変圧器部72で構成されており、さらに変圧器部72側に熱交換部73を順次配列しており、熱交換部73が後側空間SPB内に収納されている。
FIG. 9 shows a perspective view of the power conversion unit U. FIG. Although the power conversion unit UW5 is illustrated here, it is composed of a
図9の電力変換ユニットUW5の配置を、図3の電力変換ユニットUW5の回路と対比すると、図9の変圧器部72が図3の絶縁トランス12を構成する一次、二次巻線などを収納し、基板部71のうち上側基板部71Uは絶縁トランス12の一次回路に相当する電子部品(コンデンサCi、半導体素子Q1、Q2、Q3、Q4など)を搭載する基筐体であり、基板部71のうち下側基板部71Lは絶縁トランス12の二次回路に相当する電子部品(ダイオードD1、D2、D3、D4、コンデンサC、半導体素子Q5、Q6、Q7、Q8など)を搭載する基筐体である。
When the arrangement of the power conversion unit UW5 in FIG. 9 is compared with the circuit of the power conversion unit UW5 in FIG. 3, the
図10は、図9の電力変換ユニットUW5の配置を熱交換部73側から見た図である。熱交換部73は、図10に例示するようなヒートパイプフィンであり、ヒートパイプ24とフィン21で構成された箱型形状のヒートパイプフィンが電力変換装置筐体100の長手方向に沿って配置されている。なお図10は3段積された構成を示している。
FIG. 10 is a view of the arrangement of the power conversion unit UW5 of FIG. 9 as viewed from the
図8、図9、図10の配置関係において、基板部71および変圧器部72は、熱交換部73とアルミ板などを介して熱的に接続されている。また図10の手前側は、図1の手前側に対応しており、従ってヒートパイプフィンは外気に曝されている。このため、基板部71および変圧器部72で発生した熱は熱的接続により熱交換部73に伝熱され、ヒートパイプフィンの部分で外気に曝され、過熱された導入外気は図8の後側空間SPBに形成されたユニット熱交換部を介して左側空間SPL、または左側空間SPRに至り、左側空間SPL、または左側空間SPRに設けられたファン21により外部に強制排出される。なお変圧器部72は、熱交換部73からの外気が基板部71側に通風できるように、適宜の空間が設けられていてもよい。
8, 9, and 10, the
このように本発明では太陽光パネル下に設置可能であるため、従来の屋外筐体やコンテナで考慮が必要であった日射に対する冷却は緩和可能となる。屋外設置である点は従来同様であるため、前述のように高圧端子も存在する筐体内の汚損を防ぐために筐体内と筐体外との熱交換部を設け、筐体内の外気との密閉を実現することで筐体内の絶縁距離の短縮を実現する。 As described above, in the present invention, since it can be installed under the solar panel, it is possible to alleviate the cooling against the solar radiation that had to be considered in the conventional outdoor housing or container. Since it is installed in the same way as before, the heat exchange part between the inside and outside of the housing is provided to prevent the inside of the housing where the high-voltage terminal exists, as mentioned above, and the outside air inside the housing is sealed. By doing so, the insulation distance in the housing can be shortened.
上記の筐体内冷却構造と筐体内の風の流れを有する本発明は、電力変換ユニットと熱的に連結した熱交換部を筐体背面に配置する構造とし、低背型に適した筐体内冷却構造である。筐体背面から外気を取り入れて、電力変換ユニットの熱交換部73に入気される。熱交換部を通過した後の排気は筐体の左右からファンによって排気される構成となる。熱交換部73とファンが実装された風洞には外気が流入するが、それ以外は外気と仕切られた密閉構造とされるのがよい。
The present invention having the above-mentioned cooling structure inside the case and the flow of wind inside the case is a structure in which the heat exchange part thermally connected to the power conversion unit is arranged on the back of the case, and the cooling inside the case suitable for the low profile type It is a structure. Outside air is taken in from the back of the housing and is introduced into the
各電力変換ユニットに使用するヒートパイプ式の熱交換部は、熱源である各半導体素子からヒートパイプで熱的に連結されたフィンで冷却する構造である。変圧器の1次側と2次側のそれぞれでヒートパイプフィンを持つことを想定しているが、いずれか片方のフィンのフィン間隔を別フィンよりも狭いピッチとしても良いし、圧損に問題ないならば同ピッチでもよい。 The heat pipe type heat exchanging unit used for each power conversion unit has a structure that is cooled by fins thermally connected by heat pipes from each semiconductor element that is a heat source. Although it is assumed that each of the primary side and the secondary side of the transformer has heat pipe fins, the fin interval of either one of the fins may be narrower than that of another fin, and there is no problem with pressure loss. If so, it may be the same pitch.
また、いずれのファンも軸流ファンを使用する構成を想定しているが、より圧損を大きく許容できる遠心ファンを使用してもよいし、同様の機能を有するものであればよい。また、図示したファンの個数についても、前述したファンの種類や実際の用途に応じて増減させても構わない。 Also, although any fan is assumed to use an axial fan, a centrifugal fan that can tolerate a larger pressure loss may be used, and any fan that has a similar function may be used. Also, the number of fans shown in the figure may be increased or decreased according to the type of fan described above or the actual application.
なお、本構造ではユニット冷却後の温度上昇した空気が筐体左右のヒートパイプフィンに向かう構造であるため、筐体背面および筐体側面も筐体外との熱交換の機能を有することで筐体内冷却を実現することができる。 Note that in this structure, the air whose temperature has risen after cooling the unit is directed to the heat pipe fins on the left and right sides of the case, so the back and side of the case also have heat exchange functions with the outside of the case. Cooling can be realized.
実施例1では、本発明の電力変換装置構成について基本的な事項を代表事例として説明した。実施例2では、電力変換装置の構成や仕様についてのさらなる変形事例について説明する。 In the first embodiment, the basic items of the power converter configuration of the present invention have been described as representative examples. In the second embodiment, further modifications of the configuration and specifications of the power conversion device will be described.
本発明に係る電力変換装置は、電力変換装置筐体100内に収納されて図3、図4のような構成例とされるのがよいが、さらに以下のように変更され、使用されるものであってもよい。
The power conversion device according to the present invention is preferably housed in the power
まず図3、図4に図示の例は、入力が並列接続となるフルブリッジ型LLC共振コンバータLLCの後段に単相インバータINを適用し、単相インバータINを階調構成として高圧出力する構成である。階調構成としてはY接続型を想定しており、階調段数は8段を想定しているがそれに限るものではない。Y接続の中性点Nは接地または高抵抗接地しても良いし、これに限るものではない。また、8段階調構成による高圧出力は6.6kV出力を想定しているが、構成数を変更する等その他の電圧にしてもよい。 First, the example shown in FIGS. 3 and 4 is a configuration in which a single-phase inverter IN is applied to the subsequent stage of a full-bridge type LLC resonant converter LLC whose inputs are connected in parallel, and the single-phase inverter IN is used as a gradation configuration to output a high voltage. is there. As the gradation configuration, a Y-connection type is assumed, and the number of gradation levels is assumed to be eight, but is not limited thereto. The neutral point N of the Y connection may be grounded or high resistance grounded, but is not limited thereto. Moreover, although the high voltage output by 8 step | paragraph structure assumes 6.6kV output, you may make other voltages, such as changing the number of structures.
フルブリッジ型のLLC共振コンバータLLCが与える直流電圧Vd1は1500V以下の直流電圧であるため、半導体素子Q1、Q2、Q3、Q4としては高周波駆動に適したMOS FETを適用することを想定している。スイッチング周波数は数十kHzから数百kHzを想定している。使用するMOS FETには高耐圧・高周波スイッチングに適したSiC MOS FETを適用してもよいし、その他同様の機能を有するものであってもよい。LLC共振コンバータLLCの2次側は、ダイオードによる整流、平滑回路を想定している。Siダイオードの他に、導通損失を低減させるためにSi型のショットキーバリアダイオードやSiC ショットキーバリアダイオードを適用してもよいし、SiC MOS FETを同期させて使用することで損失低減させてもよいし、その他同様の機能を有するものであればよい。 Since the DC voltage Vd1 provided by the full-bridge type LLC resonant converter LLC is a DC voltage of 1500 V or less, it is assumed that MOS FETs suitable for high frequency driving are applied as the semiconductor elements Q1, Q2, Q3, and Q4. . The switching frequency is assumed to be several tens kHz to several hundreds kHz. As the MOS FET to be used, a SiC MOS FET suitable for high withstand voltage / high frequency switching may be applied, or other similar functions may be used. The secondary side of the LLC resonant converter LLC is assumed to be a diode rectification and smoothing circuit. In addition to Si diodes, Si-type Schottky barrier diodes and SiC Schottky barrier diodes may be applied to reduce conduction loss, or loss can be reduced by using SiC MOS FETs in synchronization. It is sufficient if it has other similar functions.
LLC共振型の絶縁トランス12は系統電圧との絶縁機能を有し、LLC共振とするために高周波トランスの励磁インダクタンス1に共振対応させたリーケージインダクタンス2と共振コンデンサ3とが直列接続される構成である。リーケージインダクタンス2は高周波トランス内の漏れ磁束の定数の調整が可能となる構造として高周波トランス内で一体化した構成を想定しているがそれに限るものではない。共振コンデンサ3はフィルムコンデンサやセラミックコンデンサを使用することを想定しているが、同様の機能を有するものであればよい。
The LLC resonance
LLC共振コンバータLLCの後段の単相インバータINは、LLC共振コンバータLLCとは異なり、スイッチング周波数は低いがハードスイッチングであるため、半導体素子Q5、Q6、Q7、Q8としてスイッチング損失の小さいMOS FETの適用を想定している。使用するMOS FETは高耐圧・高周波スイッチングに適したSiC MOS FETを適用してもよいし、高周波駆動用のIGBTやその他同様の機能を有するものであってもよい。 Unlike the LLC resonant converter LLC, the single-phase inverter IN subsequent to the LLC resonant converter LLC has a low switching frequency but is hard switching. Therefore, a MOS FET having a small switching loss is applied as the semiconductor elements Q5, Q6, Q7, and Q8. Is assumed. As the MOS FET to be used, a SiC MOS FET suitable for high withstand voltage / high frequency switching may be applied, or a high frequency driving IGBT or other similar functions may be used.
さらに実施例3として、電力変換ユニットU内の回路構成については、図11から図13に例示する各種の回路構成を採用することが可能である。 Further, as the third embodiment, various circuit configurations illustrated in FIGS. 11 to 13 can be adopted as the circuit configuration in the power conversion unit U.
まず図11の電力変換ユニットU内の回路構成について、この回路構成は入力電圧が1500V定格時のように入力電流が小さい場合を想定した2in1ユニットの回路構成である。 First, regarding the circuit configuration in the power conversion unit U of FIG. 11, this circuit configuration is a 2-in-1 unit circuit configuration that assumes a case where the input current is small, such as when the input voltage is 1500 V rated.
ここでは、入力が並列接続となるフルブリッジ型のLLC共振コンバータLLCの1次側絶縁トランス12を2直列とし、2つの絶縁トランス12の二次側を並列2系統の整流回路13及びインバータ回路INとしたものである。具体的には、それぞれの絶縁トランスの出力を受ける整流回路の後段にそれぞれ単相インバータを適用し、単相インバータ2段分を1つのユニットとした構成である。この回路構成によれば、構造部材の共通化が可能となり、ユニット構造の小型・軽量化が可能となる。また、2つの絶縁トランスの1次側電流が同一となるため、2段分の電力バランスのばらつきも小さく抑えられる。
Here, two primary-
図12の電力変換ユニットU内の回路構成について、この回路構成は単相インバータ2段分を3レベルインバータとした構成であり、図11と同様の効果を奏することが可能となる。また、インバータの駆動周波数はLLC共振コンバータLLCと比較して1/10以下であるため、SiC MOS FETではなく、図13に示すように3レベルインバータのMOS FETの部分(図10のQ5a、Q6a、Q7a、Q8a、Q5b、Q6b、Q7b、Q8b)にIGBT(図13のH5a、H6a、H7a、H8a、H5b、H6b、H7b、H8b)を使用することができる。また、半導体素子が2倍の耐圧に耐えられるならば新3レベルインバータ構成を使用してもよい。 The circuit configuration in the power conversion unit U in FIG. 12 is a configuration in which two single-phase inverters are three-level inverters, and the same effects as in FIG. 11 can be obtained. Further, since the drive frequency of the inverter is 1/10 or less compared to the LLC resonant converter LLC, it is not a SiC MOS FET but a portion of a three-level inverter MOS FET (Q5a, Q6a in FIG. 10) as shown in FIG. , Q7a, Q8a, Q5b, Q6b, Q7b, Q8b) can be IGBTs (H5a, H6a, H7a, H8a, H5b, H6b, H7b, H8b in FIG. 13). Also, a new three-level inverter configuration may be used if the semiconductor element can withstand twice the withstand voltage.
実施例3を採用する場合の電力変換装置筐体100内における複数の電力変換ユニットUの接続例について、図14を用いて説明する。この場合には、各相の電力変換ユニットを筐体水平方向に配置し、単相インバータ側を左右で電気的に接続することで階調構成を実現する。このため2in1ユニットを適用する実施例3では、実施例1とは異なり、電力変換ユニット4直列を1相とし、電力変換装置筐体100の高さ方向にU、V、W相を構成する。ユニットセル間のパワー線の接続数や信号線等のユニットの外の接続数を低減可能な構成である。
A connection example of a plurality of power conversion units U in the power
さらに実施例4として、電力変換ユニットU内の回路構成例を図15に示す。図15の回路構成は、入力電圧が1500V定格時のように入力電流が小さい場合を想定したユニットの回路構成である。 Further, as a fourth embodiment, a circuit configuration example in the power conversion unit U is shown in FIG. The circuit configuration of FIG. 15 is a unit circuit configuration that assumes a case where the input current is small, such as when the input voltage is rated at 1500V.
図15では、整流回路13を二重化しているが、インバータINは共通としている。この場合には、入力が並列接続となるフルブリッジ型LLC共振コンバータLLCのトランス12をその一次側で2直列とし、それぞれのLLCトランス12後段の整流回路13を並列構成とし、インバータINは共通とることで、1ユニットでトランス2つ分の電力出力を可能とした構成である。この構成によれば、大容量化が可能となり、大容量化の効果として容量当たりの小型・軽量化が可能となる。また、2つのトランスの1次側電流が同一となるため、2段分の電力バランスのばらつきも小さく抑えられる。
In FIG. 15, the
なおLLC共振コンバータLLCの後段の単相のインバータINは、LLC共振コンバータLLCとは異なり、スイッチング周波数は低いがハードスイッチングであるため、スイッチング損失の小さいMOS FETの適用を想定している。使用するMOS FETには高耐圧・高周波スイッチングに適したSiC MOS FETを適用してもよいし、高周波駆動用のIGBTやその他同様の機能を有するものであれば適用可能である。 Unlike the LLC resonant converter LLC, the single-phase inverter IN subsequent to the LLC resonant converter LLC has a low switching frequency but is hard switching. Therefore, it is assumed that a MOS FET having a small switching loss is applied. As the MOS FET to be used, a SiC MOS FET suitable for high withstand voltage / high frequency switching may be applied, or any IGBT having a high frequency driving IGBT or other similar functions may be applied.
電力変換装置筐体100の筐体構造は、実施例1と同様の8ユニット構成を想定しているが、これに限るものではない。以上、多くの実施例を挙げて説明したが、用途に応じて前記実施例に記述した内容を組み合わせて使用してもよい。
The casing structure of the
1:励磁インダクタンス
2:リーケージインダクタンス
3:共振コンデンサ
11:インバータ回路
12:絶縁トランス
13:整流回路
14:インバータ回路
21:放熱ファン
71:基板部
72;変圧器部
73:熱交換部
100:電力変換装置筐体
B、BB:架台
C:コンデンサ
Ci:入力側コンデンサ
D1、D2、D3、D4:ダイオード
IN:インバータ
LLC:LLC共振コンバータ
PL:太陽光パネル
Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8:半導体素子
SPR、SPL、SPF、SPB:空間
TD1、TD2:直流入力端子
TL1、TL2:直流出力端子
TA1、TA2:交流出力端子
TU、TV、TW:三相交流出力端子
U:電力変換ユニット
1: Excitation inductance 2: Leakage inductance 3: Resonance capacitor 11: Inverter circuit 12: Insulation transformer 13: Rectifier circuit 14: Inverter circuit 21: Radiating fan 71:
Claims (11)
前記電力変換ユニット群を構成する複数の前記電力変換ユニットは、前記電力変換装置筐体の長手方向に沿って配置され、かつ3組の前記電力変換ユニット群は、前記電力変換装置筐体の高さ方向の上段、中段、下段にそれぞれ配置され、
前記電力変換装置筐体の長手方向の一方端側が、3組の前記電力変換ユニット群の出力端子とされ、前記電力変換装置筐体の長手方向の他方端側で3組の前記電力変換ユニット群の端子が共通接続されているとともに、
複数の前記電力変換ユニットの夫々は、高周波トランスとその一次巻線及び二次巻線側に接続される部品が発生する熱を夫々の放熱部に伝達し、
複数の前記電力変換ユニットの放熱部は、前記電力変換装置筐体の長手方向に沿い、かつ開口部を有する一方の面である背面側に形成された熱交換用空間内に整列配置され、前記熱交換用空間に連通する前記電力変換装置筐体の長手方向左右質に設けられたファンを介して前記開口部から導入された過熱空気を排出することを特徴とする電力変換装置。 For a power conversion unit comprising a single-phase inverter on the secondary side of a high-frequency resonant converter whose input is DC and comprising a high-frequency transformer and components connected to the primary and secondary windings, a plurality of power The output of the single-phase inverter of the conversion unit is connected in series to form a power conversion unit group, and each AC phase is formed by three sets of the power conversion unit group housed in a power conversion device casing,
The plurality of power conversion units constituting the power conversion unit group are arranged along the longitudinal direction of the power conversion device casing, and three sets of the power conversion unit groups are arranged at a height of the power conversion device casing. Placed in the upper, middle and lower tiers,
One end side in the longitudinal direction of the power conversion device casing serves as an output terminal of the three sets of power conversion unit groups, and three sets of power conversion unit groups on the other end side in the longitudinal direction of the power conversion device casings Are connected in common,
Each of the plurality of power conversion units transmits heat generated by components connected to the high-frequency transformer and its primary winding and secondary winding side to the respective heat radiating portions,
The heat dissipating parts of the plurality of power conversion units are aligned and arranged in a heat exchanging space formed on the back side, which is one surface having an opening, along the longitudinal direction of the power conversion device casing, A power conversion device that discharges superheated air introduced from the opening through a fan provided in the left and right quality in the longitudinal direction of the power conversion device casing that communicates with a space for heat exchange.
前記電力変換ユニットの直流入力側に直流遮断器を有することを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
A power converter having a DC circuit breaker on a DC input side of the power conversion unit.
前記電力変換ユニット群の出力端子側に高圧気中負荷開閉器を有することを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
A power converter having a high-pressure air load switch on an output terminal side of the power conversion unit group.
前記高周波共振型コンバータは、共振トランスを備えており、2組の共振トランスの1次側を直列接続していることを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
The high-frequency resonant converter includes a resonant transformer, and the primary side of two sets of resonant transformers are connected in series.
2組の前記共振トランスの2次側にそれぞれ単相インバータを備え、2段分の階調接続としたことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 4,
A power conversion device characterized in that a single-phase inverter is provided on each secondary side of the two sets of resonant transformers, and gradation connection for two stages is made.
前記共振トランスの2次側をそれぞれダイオード整流した後段を直列接続とし、その後段に3レベルインバータを備えたことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 4,
A power conversion device comprising a series connection at a subsequent stage of diode rectification of the secondary side of the resonant transformer, and a three-level inverter at the subsequent stage.
前記共振トランス2次側をそれぞれダイオード整流した後段を並列接続したことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 4,
A power conversion device characterized in that subsequent stages of diode rectification of the secondary side of the resonant transformer are connected in parallel.
前記電力変換装置筐体は、太陽光発電サイトに設置され、架台に支持された太陽光パネルの日陰に配置可能な低背型構造としたことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
The power converter device has a low-profile structure that can be placed in the shade of a solar panel that is installed at a photovoltaic power generation site and supported by a gantry.
前記電力変換ユニットは、前記高周波トランスと、該高周波トランスの一次巻線側に接続される部品を搭載する第1の基板と、前記高周波トランスの二次巻線側に接続される部品を搭載する第2の基板と、前記放熱部を含むことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
The power conversion unit mounts the high-frequency transformer, a first substrate on which a component connected to the primary winding side of the high-frequency transformer is mounted, and a component connected to the secondary winding side of the high-frequency transformer. A power conversion device comprising a second substrate and the heat radiating portion.
前記電力変換ユニットは、高周波トランスの一方端側の上下に前記第1の基板と、前記第2の基板を夫々配置し、前記高周波トランスの他方端側に前記放熱部を配置していることを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
In the power conversion unit, the first substrate and the second substrate are respectively disposed above and below one end of the high-frequency transformer, and the heat dissipating unit is disposed on the other end of the high-frequency transformer. A power conversion device.
前記電力変換ユニットの放熱部は、ヒートパイプと連結したフィン構造を備えたヒートパイプフィンであることを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
The heat dissipation unit of the power conversion unit is a heat pipe fin provided with a fin structure connected to a heat pipe.
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