JP6244382B2

JP6244382B2 - 配電盤、パワーコンディショナ及び油入変圧器

Info

Publication number: JP6244382B2
Application number: JP2015561113A
Authority: JP
Inventors: 英正山口
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2014-02-07
Filing date: 2014-02-07
Publication date: 2017-12-06
Anticipated expiration: 2034-02-07
Also published as: CN205911963U; JPWO2015118656A1; WO2015118656A1

Description

本発明は配電盤、パワーコンディショナ及び油入変圧器に関する。

特許文献１には、太陽光発電における太陽電池など、配電盤筐体の外から流入した電流を低圧交流電流に変え、この低圧交流電流をより高圧な高圧交流電流に変え、高圧交流電流を配電盤筐体の外へ送電する配電盤が開示されている。

特許５１７７７８２号

近年、地球温暖化防止に向けたＣＯ_２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の普及が拡大しつつある。この太陽光発電システムにおいて、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力に変換され、この直流電力がパワーコンディショナによって交流電力に変換され、電力系統に出力されて、売電可能となる。

パワーコンディショナは、インバータ、フィルタ、制御回路、変圧器を有する。具体的には、パワーコンディショナは、太陽電池の出力を受けてこれを所定の交流に変換するインバータを有し、インバータにて太陽光パネルの出力電圧を交流電圧に変換し、出力を変圧器により系統電圧に変換し、電力系統に出力している。

ここで、２０１２年７月１日に施行された「再生可能エネルギーの固定価格買取制度」によれば、１０ｋＷ以上のパワーコンディショナの場合には、６６００Ｖの電力系統へ連系するための変圧器や遮断器等が必要となる。特許文献１に記載の発明は、パワーコンディショナに、変圧器、遮断器等が一体となった配電盤であるが、それぞれの装置が分割されているため、設置作業が複雑になるうえ、設置スペースが大きくなるという問題がある。

また、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）に代表されるインバータの主素子は、放熱の為の冷却フィンや冷却ファンが必須となる。特許文献１に記載の発明では、これらの部品や、冷却ファンを駆動する為の電源を設置するスペースが必要となり、機器が大形化したり、損失が増大したりするという問題がある。

さらに、太陽光発電の売電期間は２０年程度が一般的であり、機器寿命を始めとした耐環境性が非常に重要な要因となっている。特許文献１に記載の発明では、冷却ファンが外気を吸気するため、塩害や塵埃の影響等により耐環境性が低くなるという問題がある。

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、小型、高効率で安全性の高い配電盤、パワーコンディショナ及び油入変圧器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、絶縁油が封入された油入変圧器と、主素子を有する複数のインバータと、前記主素子が設けられた冷却フィンとを有し、太陽光の直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナと、高圧遮断器と、継電器と、を備えた一体型の配電盤であって、前記油入変圧器は、一部が前記絶縁油と接触するように変圧器中身が内部に設けられ、前記パワーコンディショナは、交流リアクトルを有し、前記交流リアクトルは、前記絶縁油に浸されるように前記油入変圧器の内部に設けられ、前記油入変圧器の変圧器中身は、前記交流リアクトルよりも前記油入変圧器の容器の底に近い位置に設けられ、前記油入変圧器の容器壁面には、一部が前記絶縁油と接触するように前記冷却フィンが前記油入変圧器の容器の底からの距離を異ならせて複数設けられ、前記主素子は、前記冷却フィンの前記容器壁面から露出した部分に設けられることを特徴とする。

本発明によれば、耐環境性に優れた小型の配電盤を提供することができる。

配電盤１の概略を示す図である。配電盤１における油入変圧器の斜視図である。配電盤１における冷却構造の概念図である。配電盤１における変圧器タンクの要部透視図である。第１の実施の形態における変圧器タンクの変形例を示す図である。配電盤１の外形の概略を示す図である。配電盤１の内部構造を示す図である。第２の実施の形態における配電盤１Ａにおいて、リアクトルと一体化した油入変圧器を示す要部透視図である。配電盤１Ａの概略を示す図である。第２の実施の形態における油入変圧器の変形例を示す図である。第２の実施の形態における油入変圧器の変形例を示す図である。第２の実施の形態における油入変圧器の変形例を示す図である。従来の配電盤の構造を示す概略図である。従来の配電盤におけるパワーコンディショナの機器配置を示す概略図である。

まず、本発明との差異を明確にするため、従来技術について簡単に説明する。図１３は、従来の配電盤１００の構造を示す概略図である。図１３（Ａ）は側面図であり、（Ｂ）は正面図である。配電盤１００は、変圧器１０１、パワーコンディショナ１０２、高圧遮断器１０３、地絡過電圧継電器１０４等を一体としたものである。

屋外設置の場合、配電盤１００は、高圧遮断器１０３、地絡過電圧継電器１０４、変圧器１０１等を納めた受電盤と、パワーコンディショナ１０２を納めた盤に分割される。配電盤１００の前面には、外部からの吸気を行うギャラリー１０５が設けられている。

図１４は、従来の配電盤１００の内部構造を示す概略図である。図１４は、図１３（Ｂ）のＸ−Ｘ断面図である。インバータ１０６の主素子１０７を冷却するために、インバータ１０６は冷却フィン１０８を有する。また、強制風冷するための冷却ファン１０９により、ギャラリー１０５を通して外部から吸気された冷たい空気が、冷却フィン１０８に供給される。

このように、従来技術においては、冷却ファン１０９により、外部から吸気された空気を冷却フィン１０８に供給し、主素子１０７を冷却している。

以下、本発明に係る実施形態としての配電盤１について、詳細に説明する。

＜第１の実施の形態＞
本発明の実施例について図を用いて説明する。図1に配電盤の概略構成を示す。配電盤１には、主として、高圧遮断器２、パワーコンディショナ３、地絡過電圧継電器４が設けられている。パワーコンディショナ３の内部には、主として、インバータ３１、交流リアクトル３２、配線用遮断器３３、油入変圧器３４、開閉器３５、電界コンデンサ３６等が設けられている。

パワーコンディショナ３において、インバータ３１、交流リアクトル３２、及び配線用遮断器３３は、太陽光パネル５で発生した直流電力を交流電力へ変換する。この段階における電圧は２００Ｖ程度である。油入変圧器３４は、この２００Ｖ程度の交流電力を、６６００Ｖ程度、すなわち電力系統６と同じ電圧へ変換する。これにより、太陽光パネル５で発生した電力が電力系統６へ送電され、売電が可能となる。

６６００Ｖの電力系統６と連系するため、本実施の形態では、油入変圧器３４として油入変圧器を採用する。特に屋外設置の配電盤１に収納する場合は、絶縁、耐環境性を考慮して、油入変圧器とすることが望ましい。

図２は、油入変圧器３４（油入変圧器）を示す図である。油入変圧器とは、タンク内部に電気絶縁油３４３が封入されているものである。電気絶縁油３４３は、タンク内部に納められた機器の絶縁と冷却を担っている。

油入変圧器３４は、主として、変圧器タンク３４１と、熱交換部３４２とを有する。変圧器タンク３４１の壁面には、冷却フィン１０の放熱部分と電気絶縁油３４３とが接触するように、冷却フィン１０が取り付けられる。冷却フィン１０は、一部が変圧器タンク３４１の外側に露出しており、この露出した部分には主素子１１が設けられる。

図３は、冷却フィン１０の取付部の詳細を示す図である。なお、図３における矢印は、電気絶縁油３４３の流れを示す。

変圧器タンク３４１の壁面に孔３４１ａを設け、冷却フィン１０を取り付ける。取り付ける際は、溶接やネジ止め等（図示せず）により行う。これにより、電気絶縁油３４３が孔３４１ａから漏れないようにすることができる。

主素子１１は冷却フィン１０に取り付けられており、主素子１１の発熱は冷却フィン１０に伝達される。冷却フィン１０は電気絶縁油３４３と接触しており、冷却フィン１０により主素子１１の熱が電気絶縁油３４３に放熱される。暖められた電気絶縁油３４３は、対流により容器上方へと移動し、冷却フィン１０近傍には新たな電気絶縁油３４３が供給される。これにより、冷却フィン１０を介して主素子１１の冷却を賄うことが可能となる。

このように油入変圧器を使用することで、冷却フィン１０を冷却する為の冷却ファンが不要となり、コスト、損失の低減や機器スペースの縮小が可能となる。

また、冷却フィン１０は、薄い鋼板材を折り重ねるように曲げることで形成される。これにより、冷却フィン１０と電気絶縁油３４３との接触面積を広くし、効率のよい放熱が可能となる。

図４は、変圧器タンク３４１の内部透視図であり、油入変圧器３４の内部構造を示す。変圧器タンク３４１内に封入された電気絶縁油３４３は、絶縁と冷却を担っている。

また、変圧器タンク３４１内には、変圧器中身３４４が設けられている。さらに、変圧器タンク３４１の壁面には、冷却フィン１０が取り付けられている。変圧器タンク３４１の内部では、矢印のように電気絶縁油３４３の対流が生まれ、内部機器（例えば、変圧器中身３４４及び冷却フィン１０）を冷却する。

電気絶縁油３４３は、空気と比べて熱伝達率が１０倍以上大きく、自然冷却でも十分な冷却能力を有する。そのため、主素子１１を冷却する冷却ファンが不要となる。さらに、空冷の場合と比較して、冷却フィン１０の大きさを小さくすることができる。

なお、電気絶縁油３４３の熱は、熱交換部３４２により空気中に放熱される。熱交換部３４２は、複数の突起が変圧器タンク３４１から突出するように設けられており（詳細は図示せず）、効率的な放熱が可能である。

ここで、冷却フィン１０は、コイル３４４ａの位置と比べて、変圧器タンク３４１の底に近い位置（以下、下という）に設けられることが望ましい。例えば、図４では、冷却フィン１０の中心１０Ａは、変圧器中身３４４のうちのコイル３４４ａの中心３４４Ａよりも下に配置されている。変圧器タンク３４１における主な発熱源であるコイル３４４ａより下に冷却フィン１０を配置することで、冷却フィン１０の近傍に、暖められていない電気絶縁油３４３を供給することができる。

なお、図４では、冷却フィン１０の中心１０Ａをコイル３４４ａの中心３４４Ａより下に配置したが、冷却フィン１０の位置はこれに限られない。例えば、冷却フィン１０を、図４に示す位置よりも更に下に配置してもよい。また、例えば、図５に示すように、冷却フィン１０の上端とコイル３４４ａの上端とが略同じ位置となるように配置してもよい。ただし、冷却フィン１０により冷却効率を高くするためには、できるだけ冷却フィン１０を変圧器タンク３４１の底に近い位置に配置することが望ましい。

図６は、油入変圧器３４を有するパワーコンディショナ３を内蔵した配電盤１の概略図である。図６（Ａ）は側面図であり、図６（Ｂ）は正面図である。

油入変圧器３４は、接続フランジ７にてパワーコンディショナ３が有する他の構成部品と接続されている。接続フランジ７は防水性能を有する構造であるため、配電盤１が屋外設置可能である。また、配電盤１の正面には、配電盤１の内部を確認できるように扉８が設けられている。扉８の周囲から水が浸入しないよう、扉８の周囲にはパッキン（図示せず）等が設けられる。

図７は、配電盤１内の機器配置を示す概略図であり、図６（Ａ）における内部透視図となっている。

配電盤１内には、パワーコンディショナ３を構成する部品であるインバータ３１の主素子１１、交流リアクトル３２、油入変圧器３４、開閉器３５、電界コンデンサ３６等が収納されている。また、配電盤１内には、高圧遮断器２、地絡過電圧継電器４等が納められている。なお、図７に示す配電盤１の内部構造は一例であり、内部の構造はこれに限られない。

油入変圧器３４が主素子１１の冷却を担うため、外気を取り入れる必要性が無くなり、冷却ファン及び外気取り入れ用の開口部は不要である。

本実施の形態によれば、電気絶縁油を使用して冷却することにより、冷却ファンが不要となる。したがって、配電盤の機器構成が簡略となり、配電盤を小型化することができる。また、電気絶縁油を使用して冷却することにより、主素子の冷却性能が向上する。したがって、制御盤の定格容量が増大し、同容量で比較すると相当の小型化が得られる。

また、本実施の形態によれば、冷却ファンを駆動させる必要がないため、損失を低減させることができる。

さらに、本実施の形態によれば、外気を取り入れる必要がないため、配電盤内部を外気と遮断することができる。したがって、配電盤を長期間運転する場合にも、塩分を含んだ空気や塵埃などが配電盤内部に付着することにより、絶縁性能が脅やされない。したがって耐環境性が向上し、安全性が高まり、配電盤の寿命を長期化することができる。

＜第２の実施の形態＞
第１の実施の形態は、油入変圧器３４内に充填された電気絶縁油３４３が変圧器中身３４４と主素子１１の冷却を行ったが、電気絶縁油３４３が冷却可能な部品はこれに限定されない。

第２の実施の形態は、電気絶縁油３４３が変圧器中身３４４、交流リアクトル３２及び主素子１１の冷却を行う形態である。以下、第２の実施の形態の配電盤１Ａについて説明する。なお、第１の実施の形態と同一の部分については、同一の符号を付し、説明を省略する。

図８は、変圧器中身３４４及び交流リアクトル３２を内部に設けた油入変圧器３４Ａの内部を示す概略図である。

交流リアクトル３２は、主素子１１と共に、パワーコンディショナ３の主な発熱体の一つである。変圧器中身３４４と交流リアクトル３２とは、使用部材がほぼ同一であり、どちらも油入機器としての構成が可能である。

また、変圧器タンク３４１には、主素子１１を冷却するための冷却フィン１０が取り付けられており、主素子の冷却が可能となっている。

図９は、交流リアクトル３２が内部に設けられた油入変圧器３４Ａを使用した配電盤１Ａの機器配置の概略図である。配電盤１Ａ内には、パワーコンディショナ３が納められ、パワーコンディショナには開閉器３５、電界コンデンサ３６、主素子１１等が納められている。

本実施の形態によれば、交流リアクトルが変圧器と一体化されたことにより、さらに機器を小型化することができる。また、冷却能力が向上することにより、大容量化が可能となる。耐環境性能等については、第１の実施の形態と同様である。

なお、本実施の形態では、交流リアクトル３２を変圧器タンク３４１の中に設けたが、交流リアクトル３２を設ける位置はこれに限定されない。図１０〜図１２は、交流リアクトル３２を設ける位置に関する変形例である。

図１０から図１２に示すように、交流リアクトル３２は、変圧器中身３４４の上に設けてもよい。この場合には、冷却フィン１０の配置位置が自由になるため、図１０に示すように冷却フィン１０を交流リアクトル３２と略同じ高さに配置してもよいし、図１１に示すように冷却フィン１０を変圧器タンク３４１の底近傍に設けてもよい。また、図１２に示すように、冷却フィン１０を異なる複数の高さに設けてもよい。

ただし、冷却フィン１０による主素子１１の冷却効果を高めるためには、冷却フィン１０を、変圧器中身３４４のコイル３４４ａ及び交流リアクトル３２のコイル３２ａの位置と比べて、変圧器タンク３４１の底に近い位置に設けることが望ましい。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。各実施形態の構成の一部を追加、削除、置換等をしたものも本発明に含まれる。また、本発明は、配電盤として提供する場合に限られず、配電盤の一部の構成、例えばパワーコンディショナ、変圧器として提供してもよい。

１、１Ａ：配電盤、２：高圧遮断器、３：パワーコンディショナ、４：地絡過電圧継電器、５：太陽光パネル、６：電力系統、７：接続フランジ、８：扉、１０：冷却フィン、１１：主素子、３１：インバータ、３２：交流リアクトル、３２ａ：コイル、３３：配線用遮断器、３４、３４Ａ：変圧器、３５：開閉器、３６：電界コンデンサ、３４１：変圧器タンク、３４１ａ：孔、３４２：熱交換部、３４３：電気絶縁油、３４４：変圧器中身、３４４Ａ：中心

Claims

絶縁油が封入された油入変圧器と、主素子を有する複数のインバータと、前記主素子が設けられた冷却フィンとを有し、太陽光の直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナと、
高圧遮断器と、
継電器と、を備えた一体型の配電盤であって、
前記油入変圧器は、一部が前記絶縁油と接触するように変圧器中身が内部に設けられ、
前記パワーコンディショナは、交流リアクトルを有し、
前記交流リアクトルは、前記絶縁油に浸されるように前記油入変圧器の内部に設けられ、
前記油入変圧器の変圧器中身は、前記交流リアクトルよりも前記油入変圧器の容器の底に近い位置に設けられ、
前記油入変圧器の容器壁面には、一部が前記絶縁油と接触するように前記冷却フィンが前記油入変圧器の容器の底からの距離を異ならせて複数設けられ、
前記主素子は、前記冷却フィンの前記容器壁面から露出した部分に設けられる
ことを特徴とする配電盤。
請求項１に記載の配電盤において、
前記冷却フィンは、前記変圧器中身が有するコイルの位置と比べて、前記油入変圧器の容器の底に近い位置に設けられる
ことを特徴とする配電盤。
請求項１に記載の配電盤において、
前記冷却フィンは、前記変圧器中身が有するコイル及び前記交流リアクトルのコイルの位置と比べて、前記油入変圧器の容器の底に近い位置に設けられる
ことを特徴とする配電盤。
太陽光の直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナであって、
絶縁油が封入された油入変圧器と、
主素子を有する複数のインバータと、
前記主素子が設けられた冷却フィンと、を備え、
前記油入変圧器は、一部が前記絶縁油と接触するように変圧器中身が内部に設けられ、
前記パワーコンディショナは、交流リアクトルを有し、
前記交流リアクトルは、前記絶縁油に浸されるように前記油入変圧器の内部に設けられ、
前記油入変圧器の変圧器中身は、前記交流リアクトルよりも前記油入変圧器の容器の底に近い位置に設けられ、
前記油入変圧器の容器壁面には、一部が前記絶縁油と接触するように前記冷却フィンが前記油入変圧器の容器の底からの距離を異ならせて複数設けられ、
前記主素子は、前記冷却フィンの前記容器壁面から露出した部分に設けられる
ことを特徴とするパワーコンディショナ。
請求項４に記載のパワーコンディショナにおいて、
前記冷却フィンは、前記変圧器中身が有するコイルの位置と比べて、前記油入変圧器の容器の底に近い位置に設けられる
ことを特徴とするパワーコンディショナ。
請求項４に記載のパワーコンディショナにおいて、
前記冷却フィンは、前記変圧器中身が有するコイル及び前記交流リアクトルのコイルの位置と比べて、前記油入変圧器の容器の底に近い位置に設けられる
ことを特徴とするパワーコンディショナ。
容器内に絶縁油が封入され、
前記容器の壁面に、一部が前記絶縁油と接触するように冷却フィンが前記容器の底からの距離を異ならせて複数設けられ、
前記冷却フィンの前記容器壁面から露出した部分には、太陽光の直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナが有する複数のインバータの主素子が設けられ、
前記容器の内部に一部が前記絶縁油と接触するように変圧器中身が設けられ、
前記パワーコンディショナは、交流リアクトルを有し、
前記交流リアクトルは、前記絶縁油に浸されるように前記容器の内部に設けられ、
前記容器内の変圧器中身は、前記交流リアクトルよりも前記容器の底に近い位置に設けられる、
ことを特徴とする油入変圧器。