JP3664056B2 - 系統連系電力変換器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は太陽電池やバッテリー等の直流電池の電力を交流電力に変換し系統と連係する電力変換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５は従来のラックマウントタイプにおける太陽光発電用系統連系電力変換器の配置構成を示す（ａ）下層上面図、（ｂ）正面図である。図５において、１００は電力変換器本体、１、２、３、４は電力変換用のリアクタ、５、６、７は電力変換用のコンデンサ、８、９は電力変換用の半導体スイッチ素子モジュール、１０は半導体スイッチ素子モジュール８、９の冷却用の放熱フィン、１１、１２はこれら放熱部品である各電力変換素子にラックの外の外気を吸込み対流させるための冷却ファンである。
【０００３】
１３は各電力変換素子の上方に配置され電力変換器全体の制御を行なう制御回路、１４は装置の前面に配置され太陽電池や系統との結線を行なうための端子台である。また、０は電力変換器本体１００を収納するためのラックである。冷却ファン１１の風下にはリアクタ１、２、３、４が配置され、冷却ファン１２の風下には半導体スイッチ素子モジュール８、９およびその冷却フィン１０が配置されている。
【０００４】
電力変換器本体１００はラック０にネジ止めされて収納され、太陽電池にて発電した直流電圧を端子台１４から入力して交流電圧に変換し、端子台１４に接続された系統に連係して系統側に送り込む。電力変換時に電力変換器内部で発生した熱は電力変換器本体１００正面に横並びに配置された冷却ファン１１、１２によって発生する冷却風により後方より排気され、電力変換器内部の温度上昇を押さえている。冷却ファン１１が主にリアクタ１、２、３、４を冷却し、冷却ファン１２が主に半導体スイッチ素子モジュール８、９を冷却している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
リアクタと半導体素子の風路を分けた従来の電力変換器では、発熱量の大きなリアクタは前後方で冷却ファンの寄与度が異なるために温度差が非常に大きく、風上である前方のリアクタはまだ温度余裕があるのに風下である後方のリアクタの温度限界が近づくと電力変換器の運転限界となる。このため、周囲温度上昇に対する運転限界温度が低くなるという問題点があった。
【０００６】
また、リアクタは温度むらから後方のものの寿命が短くなり信頼性が低くなるという問題もある。
また、電力変換時の高リップル電流が流れ電磁波ノイズ発生の大きなリアクタが前後方に並んで配置されるため、リアクタと端子台との距離が確保できず、高周波ノイズが機器の外部に出やすい構造となっていた。
【０００７】
この発明はかかる問題点を解決するためになされたもので、運転温度範囲が広く寿命の長い系統連系電力変換器を得ることを目的とする。
また、低ノイズな系統連系電力変換器を得ることを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る系統連系電力変換器は、ラックに実装され、直流電力を交流電力に変換し系統に連係する系統連系電力変換器において、前記ラックの前面側に配置され系統との結線を行なう端子台と、冷却風を発生させる冷却用ファンと、電力変換用の主素子の放熱部と、前記主素子の放熱部よりも前記冷却風の風下側に配置されるとともに前記ラックの背面側に配置され前記電力変換用の主素子よりも耐熱温度が高い電力変換用のリアクタまたはトランスと、前記冷却風の風路から外れた位置に配置され電力変換用のコンデンサとを備えたものである。
【０００９】
また、電力変換用のリアクタまたはトランスを三相対称とし、冷却風に対して並列配置したものである。
【００１０】
また、ラックに対し複数並列に実装したものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。図1はこの発明の一実施の形態である三相非絶縁電力変換器および収納ラックの配置構成を示す（ａ）下層上面図、（ｂ）正面図である。図１において、１００は電力変換器本体、１、２、３、４は電力変換用のリアクタ、５、６、７は電力変換用のコンデンサ、８、９は電力変換用の半導体スイッチ素子モジュール、１０は半導体スイッチ素子モジュール８、９の冷却用の放熱フィン、１１、１２はこれら放熱部品である各電力変換素子にラックの外の外気を吸込み対流させるための冷却ファンである。
【００１２】
１３は各電力変換素子の上方に配置され電力変換器全体の制御を行なう制御回路、１４は装置の前面配置され太陽電池や系統との結線を行なうための端子台である。0は電力変換器本体１００を収納するためのラックである。冷却ファン１１、１２に跨ってその風下側には冷却フィン１０が配置され、半導体スイッチ素子モジュール８、９は冷却ファン１２寄りの風下側に配置されている。さらに、これら半導体スイッチ素子モジュール８、９および冷却フィン１０の風下側で電力変換器本体１００背面側にはリアクタ１、２、３、４が配置されている。
【００１３】
特に三相対称な電気構成のため略同じ形状、同じ発熱量であるリアクタ１、２、３は電力変換器本体１００最背面に冷却ファン１１、１２の幅にわたって均等に並列配置されている。また、残りのリアクタ４は半導体スイッチ素子モジュール８、９と並列に配置され、全体として風路上前後における発熱量が大きく偏らないような配置構成となっている。また、端子台１４は冷却ファン１１、１２と並列に電力変換器本体１００最前面に配置され、従って、リアクタ１、２、３、４とは対局の配置になる。２１、２２、２３はフィルタコンデンサである。
【００１４】
図2は図1の三相非絶縁電力変換装置を複数台ラックに収納した場合の構成図である。図１で示した電力変換器本体１００を複数台上下方向に並列にしてラック０にマウントしてある。これら複数台の電力変換器を並列運転することで各電力容量に対応するシステムを組む。本ラックは建物のフロア、機械室、電気室等もしくは屋外や屋上に設置された屋外盤の中に収容される。
【００１５】
図3は図１における三相非絶縁電力変換器の主回路構成図で、図1の各構成要素の電気的な結線関係を示す。各構成要素の符号は図1に対応していおり、その説明を省略する。
図4は図１の三相非絶縁電力変換器における半導体スイッチ素子モジュールの冷却状態を示す概念図である。冷却ファン１２によって発生する冷却風は半導体素子モジュール８、９の表面および冷却フィン１０表面を流れる。
【００１６】
次に動作について説明する。先ず図3を用いて電力変換器の回路動作を説明する。太陽電池で発生した80V〜500Vの直流電圧を端子台１４から取り込み、取り込んだ直流電圧を一旦電解コンデンサ７に貯え、半導体スイッチ素子モジュール９をスイッチングして340〜730Vの直流電圧に昇圧し、電解コンデンサ５、６に貯える。この昇圧回路は出力電圧を定電圧に保つ電圧制御を行なう。この定電圧回路で得られる直流電圧を半導体スイッチ素子モジュール８でスイッチングしてリップル分を含んだ交流電圧を発生し、さらにリアクタ１、２、３およびフィルタコンデンサ２１、２２、２３でリップル分を吸収し系統電圧より若干高めの交流電圧に変換し、太陽電池で得られた電力を三相200Vの系統に回生する。
【００１７】
この直流交流変換回路は系統への出力電流を目標値に合うよう制御する電流制御回路である。電力変換器全体としてみた場合、出力電流は太陽電池からの電力が最大となるよう出力目標電流を決定する制御となる。図3において、Ａ点、Ｄ点が図1における端子台１４に相当する箇所である。また半導体スイッチ素子でのスイッチングにより電力変換を行なっているため、B点、C点がもっとも電気的にノイズを含んだ部分となる。図1に示すように、本発明の実施の形態における構成では、Ｂ、Ｃ点はリアクタ１、２、３、４の部分で、物理的に電力変換器本体１００内で端子台１４であるＡ、Ｄ点に対し対角の位置にある。
【００１８】
通常電力変換器内での主な発熱部品は電力変換用のリアクタ１、２、３、４と、半導体スイッチ素子モジュール８、９である。電力変換ロスのほとんどがこれらの部品で発生する。そのためその他の部品は冷却しなくても自己発熱で問題となることはない。電力変換器全体の電力変換ロスは定格で5％程度となり定格10kWの電力変換器の場合だと定格運転時約500W程度となる。ラックマウントタイプである本実施の形態では電力変換器本体１００前面が横長なため、図1に示すように角型の冷却ファン１１、１２を前面に横向きに配置し放熱している。
【００１９】
図１で冷却ファン１１、１２により電力変換器本体１００前面から外気を吸入し、その外気が冷却風として先ず半導体スイッチ素子モジュール８、９および冷却フィン１０通過することでこれらを冷却し、次にリアクタ１、２、３、４を通過することでこれらを冷却し、その後電力変換器本体１００背面から外部に排出される。また、電力変換器本体１００は図2に示されるように複数台がラック０に上下に並列収納されるが、正面は外部にむき出しなのでシステム全体としてもラック０前面から吸気する。また各電力変換器本体１００後方からの排気はラック０内部に排出されるが、ラック０自体の後方側面、上方の各部に換気用の穴が空けられており、そこから熱をラック外部に排出する。
【００２０】
本実施の形態では冷却フィン１０の温度が上昇した場合、冷却ファン１１、１２が運転される。電力変換用の半導体スイッチ素子モジュール８、９はシリコン半導体でできており、動作保証温度が低く110℃程度のため、放熱フィン１０との温度勾配を考慮し冷却ファン１１、１２による冷却でフィン温度が90℃を超えないように運転される。この場合冷却フィン１０の風下側の吹き出し温度は90℃以下となる。リアクタ１、２、３、４は通常ワニスの耐熱温度が高く150℃まであるので、90℃の冷却フィン１０との吹き出し温度差は60℃確保できる。このため半導体スイッチ素子モジュール８、９および冷却フィン１０冷却後の風で充分リアクタ１、２、３、４の冷却が可能である。
【００２１】
本構成のようにしたことで、電力変換器本体１００内には冷却ファン１１、１２によって発生する冷却風の温度分布に合わせて耐熱温度の違う半導体スイッチ素子モジュール８、９放熱用の冷却フィン１０と、リアクタ１、２、３、４が効率的に配置され、電力変換器本体１００内部温度を低く押さえることができ、周囲温度上昇に対する運転温度範囲が広がり、夏場の最も発電量の多い時にもより大きな出力が可能となり、発電能力の高い電力変換器が得られる。そのため屋外や機械室等の温度条件の厳しい環境の設置に適している。さらに配置が温度分布にマッチしているため冷却効率も高い。
【００２２】
また、各リアクタ１、２、３、４間での雰囲気温度差が少なく、同じ耐熱性のリアクタで構成が可能である。本実施の形態の電力変換器では三相対称な電気的構成のため、リアクタ１、２、３については電気的にも同じ値で良く、同一の部品で構成できるから、リアクタの量産効果が期待できる。そのため全体コストに占める割合の大きいリアクタを安価に得ることができる。またリアクタ１、２、３、４の雰囲気温度が同じため、リアクタの寿命もほぼ同じとなりリアクタの寿命特性が同じならばメンテナンスのサイクルを少なくすることができる。
【００２３】
さらにノイズ発生部分であるリアクタ１、２、３、４を入出力部である端子台１４よりもっとも遠い位置に配置できるため、機器からのノイズが出難い電力変換器を得ることができる。ここで言うノイズとはリアクタから空中伝播する0.15MHz〜1GHzのノイズを意味し、このノイズが入出力部付近の配線、端子台１４を伝わり外部入出力線を伝播しシステム外部に伝播される。入出力線がアンテナの役目を果たし最終的には、テレビ、ラジオ、携帯電話等の電波使用機器に悪影響を及ぼす。本実施の形態では従来に比べリアクタと入出力部である端子台との距離を約二倍にでき、理論上放射電界強度は距離の二乗に比例することからして、ノイズの強度を従来の約1/4に低減できる。また電力変換器本体１００からの出力ノイズを従来のものと同じ量で良いとすると、ノイズ対策部品を小型、低価格化の方向に生かすこともできる。
【００２４】
また、複数のリアクタ１、２、３は複数の冷却ファン１１、１２と平行に並列配置されている。冷却ファンを複数並列配置することで、冷却風の幅方向の分布がより均一になり、リアクタ１、２、３の冷却も均一に行なえる。
【００２５】
実施の形態2．
上記実施の形態１では三相出力の系統連系電力変換器について説明したが、単相やその他の相数の電力変換器についても同様な構造で同様な効果が得られる。
【００２６】
実施の形態3．
また、上記実施の形態1では非絶縁方式の系統連系電力変換器について説明したが、絶縁型の電力変換器についても絶縁トランスをリアクタの場合と同様にして放熱フィンの風下に配置することで、同様な効果が得られる。
【００２７】
実施の形態４．
また、実施の形態1ではラックを自然排気としたが、ラック自身にもインバータユニットの排気風量相当のファンをつけて電力変換器後方からの排気を強制排気してもよく、同様の効果が得られる。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、ラックに実装され、直流電力を交流電力に変換し系統に連係する系統連系電力変換器において、前記ラックの前面側に配置され系統との結線を行なう端子台と、冷却風を発生させる冷却用ファンと、電力変換用の主素子の放熱部と、前記主素子の放熱部よりも前記冷却風の風下側に配置されるとともに前記ラックの背面側に配置され前記電力変換用の主素子よりも耐熱温度が高い電力変換用のリアクタまたはトランスと、前記冷却風の風路から外れた位置に配置され電力変換用のコンデンサとを備えたので、放熱量に応じた配置により運転温度範囲が広いと共にノイズの影響が小さい電力変換器が得られる。
【００２９】
また、電力変換用のリアクタまたはトランスを三相対称とし、冷却風に対して並列配置したので、リアクタ量産性に優れた電力変換器が得られる。
【００３０】
また、ラックに対し電力変換器本体を複数並列に実装したので、それぞれの電力変換器が互いに熱影響を受けにくくなり、冷却効率の向上と均一化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１における電力変換器を示す配置構成図である。
【図２】 この発明の実施の形態１における電力変換器を複数台ラックにマウントした状態を示す正面図である。
【図３】 この発明の実施の形態１における電力変換器の電力変換部を示す電気的な結線図である。
【図４】 この発明の実施の形態１における電力変換器の半導体スイッチ素子モジュール付近を示す概念図である。
【図５】 従来の電力変換器を示す配置構成図である。
【符号の説明】
０ ラック、 １、２、３、４ リアクタ、 ５、６、７ 電解コンデンサ、 ８、９ 半導体スイッチ素子モジュール、 １０ 放熱フィン、 １１、１２ 冷却ファン、 １３ 制御回路、 １４ 端子台、 ２１、２２、２３ コンデンサ、 １００ 電力変換器本体。

Claims (3)

1. ラックに実装され、直流電力を交流電力に変換し系統に連係する系統連系電力変換器において、
   前記ラックの前面側に配置され系統との結線を行なう端子台と、
   冷却風を発生させる冷却用ファンと、
   電力変換用の主素子の放熱部と、
   前記主素子の放熱部よりも前記冷却風の風下側に配置されるとともに前記ラックの背面側に配置され前記電力変換用の主素子よりも耐熱温度が高い電力変換用のリアクタまたはトランスと、
   前記冷却風の風路から外れた位置に配置され電力変換用のコンデンサと、
   を備えた系統連系電力変換器。
2. 電力変換用のリアクタまたはトランスを三相対称とし、冷却風に対して並列配置したことを特徴とする請求項１に記載の系統連系電力変換器。
3. ラックに対し複数並列に実装したことを特徴とする請求項１または２の何れかに記載の系統連系電力変換器。

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