(57)【要約】  電力変換器において異電位間の絶縁距離および沿面距離確保のため，空気絶縁を用いていた従来技術では，入力電圧および出力電圧が高圧化されるにつれ電力変換器の大型化を招いていた。また，電力変換器小型化のため空気絶縁から油絶縁にした場合，部品交換が困難となるという課題があった。  電力変換器を構成する各部品(半導体素子，平滑コンデンサ，半導体素子の駆動回路および各部品を接続するための配線または金増導体板)を分割され，かつ，絶縁油が充填された複数の個別箱に納め，各個別箱を接続することで構成された電力変換器を絶縁油が充填された筺体箱に納めることで電力変換器の小型化を図る。複数の個別箱に分割することで，部品交換の作業性を向上させる。
2018008137.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体素子と，コンデンサからなる電力変換装置であって，前記複数の半導体素子とコンデンサのうちの一部の構成部品を所定の収納体に格納し，前記複数の半導体素子とコンデンサのうちの他の一部の構成部品を他の収納体に格納し，前記所定の収納体は接続配線を介して他の構成部品と接続され，前記他の収納体は接続配線を介して他の構成部品と接続され，前記所定の収納体は絶縁油で満たされ，前記他の収納体は絶縁油で満たされ，前記所定の収納体と前記他の収納体は絶縁油で絶縁油で絶縁され，前記所定の収納体と前記他の収納体の少なくとも一方は前記絶縁油が満たされた状態で脱着可能に構成されることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１において，前記収納体から引き出された金属導体板が，長片と短片を持つ四角柱で構成され，該金属導体板の長片が水平面に対して垂直になるように該個別箱内部から引き出されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１において，昇降する機構を有し，前記収納体の開口を介して少なくとも一部の構成部品が昇降可能なとすることを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項１において，前記収納体に充填された絶縁油を配管を介して接続されたタンクへ出し入れする機構を有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項１において，前記絶縁油を，前記収納体と配管を介して接続された冷却器へ循環させる機構を有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項１において，前記収納体の材質が金属であり，構成部品の内，前記収納体の電位となる箇所と前記収納体が配線または金属導体板で接続されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
請求項１において，前記収納体を，下部全体を覆うような受皿の上に設置することを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
ブレード，ナセル，タワー，発電機および土台からなる風力発電システムにおいて，該風力発電設備内に発電機出力を系統へ接続するための電力変換装置を有し，前記電力変換装置は，複数の半導体素子と，コンデンサからなっており，前記複数の半導体素子とコンデンサのうちの一部の構成部品を所定の収納体に格納し，前記複数の半導体素子とコンデンサのうちの他の一部の構成部品を他の収納体に格納し，前記所定の収納体は接続配線を介して他の構成部品と接続され，前記他の収納体は接続配線を介して他の構成部品と接続され，前記所定の収納体は絶縁油で満たされ，前記他の収納体は絶縁油で満たされ，前記所定の収納体と前記他の収納体は絶縁油で絶縁油で絶縁され，前記所定の収納体と前記他の収納体の少なくとも一方は前記絶縁油が満たされた状態で脱着可能に構成されることを特徴とする風力発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電力変換装置及び風力発電システムに関し，特に主回路構成(半導体素子・ブスバー・冷却器・コンデンサ等)あるいは絶縁に好適な電力変換装置及び風力発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年，電動機を可変速に制御するため，あるいは，一定周波数の電力を得るために電力変換器が多く用いられるようになってきている。この電力変換器では，変換効率や送電損失低減のため，発電機出力や送電電圧を高くすることが求められる。【０００３】
例えば，再生可能エネルギーの比率向上の観点から太陽光・風力等の自然エネルギーを利用した発電に注目が集まっているところ，特に風力発電では電力変換器を風車タワー内またはナセル内に設置するため，電力変換器の小型・軽量化が求められる。一方，風車タワー設置数低減のため，風車単体の発電容量は増大傾向にあり，変換効率や送電損失低減のため，発電機出力向上や送電電圧を高くすることが求められる。【０００４】
このように，発電機出力や送電電圧を高くする場合には，異電位間の絶縁距離や沿面距離確保のため空隙を設けるため電力変換器の大型化を招いていた。電力変換器の小型化のため，異電位間の絶縁を油とする電力変換器が特開２０１２‐２３５９０４号公報に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２‐２３５９０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
電力変換器において異電位間の絶縁距離および沿面距離確保のために空気絶縁を用いていたのでは，入力電圧および出力電圧が高圧化されるにつれ電力変換器の大型化を招いていたので，電力変換器小型化のため空気絶縁から油絶縁にした場合，例えば，部品交換をする場合に，一度絶縁油を取り除いて，絶縁油が残っている状態で配線に係る作業を行う等が必要であり，部品交換が困難であったとの問題が生じていた。【０００７】
本発明の目的は，油絶縁を用いることによる電力変換装置の小型化を実現しつつ，油絶縁された電力変換装置における部品の交換作業性を向上させることが可能な電力変換装置及び風力発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために，本発明では，複数の半導体素子と，コンデンサからなり，前記複数の半導体素子とコンデンサのうちの一部の構成部品を所定の収納体に格納し，前記複数の半導体素子とコンデンサのうちの他の一部の構成部品を他の収納体に格納し，前記所定の収納体は接続配線を介して他の構成部品と接続され，前記他の収納体は接続配線を介して他の構成部品と接続され，前記所定の収納体は絶縁油で満たされ，前記他の収納体は絶縁油で満たされ，前記所定の収納体と前記他の収納体は絶縁油で絶縁油で絶縁され，前記所定の収納体と前記他の収納体の少なくとも一方は前記絶縁油が満たされた状態で脱着可能に構成する。【０００９】
より具体的には，ブレード，ナセル，タワー，発電機および土台からなる風力発電設備において，該風力発電設備内に発電機出力を系統へ接続するための電力変換器を有し，該変換器内に存在する異電位間の絶縁を絶縁油で行い，電力変換器を構成する半導体素子，コンデンサ，半導体素子を駆動するための駆動回路などの各構成部品毎に箱へ納め，該箱同士を接続するための配線または金属板が該箱から引き出されており，該箱内部は絶縁油で満たされており，該箱同士を接続することで構成された電力変換器を筐体に納め，該金属筐体内部は絶縁油で満たされている構成とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば，電力変換器の小型，軽量化が可能となり，かつ，部品交換等のメンテナンス作業性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明における全体システムの構成例である。
【図２】本発明における電力変換器の構成を示す図である。
【図３】本発明における電力変換器の構成例である。
【図４】本発明の実施例における電力変換器の構成である。
【図５】本発明の実施例における金属導体板の構成である。
【図６】本発明の実施例における金属導体板の構成である。
【図７】本発明における電力変換器の構成例である。
【図８】本発明の実施例における回路構成である。
【図９】本発明の実施例における動作である。
【図１０】本発明の実施例における動作である。
【図１１】本発明の実施例における外観である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明を実施するための形態を以下に図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１３】
以下に風力発電システムに応用した例を説明する。図1に風力発電設備に電力変換器(電力変換装置とも称する)を搭載した模式図を示す。風力発電設備は主に，土台(A104)・タワー(A102)・ナセル(A101)およびブレード(A100)で構成され，ブレード(A100)の回転によってナセル(A101)内に搭載された発電機(A103)が発電する。図1ではブレード(A100)の回転軸と発電機(A103)が直結されているが，回転軸に増速機やギヤが搭載される場合も同様である。発電機(A103)が発電する過程において，ブレード(A100)の回転は風力に従属して回転数が変動するので，発電機(A103)に供給する励磁にかかる電圧或いは発電機(A103)から出力する出力電圧について，タワー(A102)内部またはナセル(A101)に搭載する電力変換器(104aないし104b；104と総称する)の電力変換を利用して，系統に供給する周波数を一定に保つように制御する。【００１４】
図2に風力発電設備における電力変換器(104)の構成を示す。筺体箱(104)内は床面(102)と天井面(102)の間に設置される（筐体箱，以下に示す個別箱，素子箱を総称して収納箱或いは収納体と総称する。）。電力変換器(103)は該電力変換器を納める筺体箱(104)内に設置され，該筺体箱は絶縁油(106)が充填されている。発電機(A103)へ接続される配線(105a)，およびこの例では系統へ接続される配線(105b)（配線(105a)と配線(105b)を総称して配線(105)と称する。以下に他の符号においても同様に用いる）は該筺体箱(104)内で電力変換器(103)と接続される。これにより，配線端部および電力変換器の入出力端子は絶縁油で絶縁され，碍子および空気で絶縁・沿面距離を確保する場合と比較して電力変換器を小型化することができる。図1では電力変換器(103)への入出力配線(105a・105b)は3相交流で記載しているが，3相4線，単相または直流のいずれにおいても同構成とすることが可能である。【００１５】
筺体箱(104)は，該筺体箱からの絶縁油漏れが他機器へ影響を与えることがないよう，受皿(107)の上に設置される。【００１６】
図3に，電力変換器(103)の構成例を示す。電力変換器は，半導体素子，平滑コンデンサ，半導体素子を動作させるための駆動回路，各部品を接続するための配線または金属導体板，および，図示していない各種センサや保護器等によって構成される。各構成部品を，任意の部品毎に個別箱(103a・103b・103c・103d)(各々回路的にはA204・A202として機能)へ格納し，該個別箱内部には絶縁油(203)を充填させる。該個別箱からは各個別箱同士を接続するための配線または金属導体板(201)(回路的にはA400として機能)が引き出され，絶縁油(106)の中で接続されている。これら部品を絶縁油(106)で充填された筺体箱(104)内に設置することで，電力変換器の小型化がなされる。なお絶縁油は，個別箱および筺体箱内部に納める部品の特性を鑑み，異なる種類の絶縁油を用いてもよい。
発電機(A103)からの電力は配線(105a1・105a2・105a3)を介してコンバータ(103a)(A204)に供給され直流に変換される。直流に変換された電力は，配線(202)及び配線(201)を介して平滑コンデンサ(103b)(A202)及び平滑コンデンサ(103c)(A202)で平滑される。平滑された電力は金属導体板(202)及び金属導体板(201)を介してインバータ(103d)(A204)に供給され任意の周波数の交流に変換される。交流に変換された電力は配線(105b1・105b2・105b3)を介して系統に供給される。
個別箱に納める部品は，インバータ(103d)及びコンバータ(103a)を更に別箱に分ける，あるいは，平滑コンデンサ(103b)と平滑コンデンサ(103c)を同じ箱に収納するなどが考えられ，必ずしも図3に示す通りの4分割とする必要はない。なお電力変換器の中で筺体電位と等しくなる箇所は，配線または金属導体板(204)を介して筺体箱へ接続する構成が考えられる。【００１７】
図4に本発明による電力変換器の斜視図を示す。本図では各個別箱を横並びで配置させたが，電力変換器の設置場所を鑑み，任意の配置が可能である。筺体箱天井部には開口する機構(402)を有している。また，筺体箱(104)外へ持ち上げる機構(401)へ設置する。【００１８】
図5および図6に，電力変換器を構成する各部品毎を納めた個別箱(103a〜d)(A202・A204)から引き出された金属導体板(201)の構成例を示す。金属導体板は長辺(301a)および短辺(301b)を有する構成とし，長辺(301a)が水平に対し垂直になるように個別箱(103a・103d)から引き出す。これにより，絶縁油に残った気泡が金属導体板周辺に溜まることを防ぎ，絶縁性能が低下することを防ぐことが可能となる。なお図5および図6では金属導体板を1つ記載しているが，複数引き出されている場合においても同様な構成とすることが望ましい。【００１９】
図7に，個別箱(103a・103d)の構成例を示す。個別箱(103a・103d)は，半導体素子と半導体素子を動作させるための駆動回路からなる素子箱(701a・701ｂ・701c)によって構成される。各構成部品を(あるいは部品を複合化して)，ユニット化して，任意の部品毎に素子箱(701a・701b・701c)へ格納し，素子箱内部には絶縁油(603)を充填させる。該素子箱からは各箱同士を接続するための配線または金属導体板(201)及び金属導体板(202)が引き出され，絶縁油(106)の中で接続されている。これら部品を絶縁油(603)で充填されるよう設置することで，電力変換器の小型化がなされる。
絶縁油は，個別箱および素子箱内部に納める部品の特性を鑑み，異なる種類の絶縁油を用いてもよい。素子箱に納める部品は，例えば3相電力変換器の1相分ないし3相分毎や，寿命の異なる部品毎，などが考えられ，必ずしも図７に示す通りの3分割とする必要はない。なお電力変換器の中で筺体電位と等しくなる箇所は，配線または金属導体板(204)を介して筺体箱へ接続する構成が考えられる。【００２０】
個別箱(103b・103c)(A202)には，図８に示す直流平滑用コンデンサ(A303)を納めている。個別箱(103b・103c)において，素子箱(701a・701b・701c)と同様に，コンデンサについて各箱同士を接続するための配線または金属導体板(201)が引き出され，絶縁油(106)の中で接続されている。【００２１】
ここで，配線(A400・A401)は，他の素子箱と接続する場合は金属導体板(201・202)の一部として構成される。配線(A205a1〜a3)(A205b1〜b3)は，発電機又は系統と接続される場合は配線(105)の一部として構成される。
電力変換器を構成する各部品毎から引き出された金属導体板(201・202)の構成は，図5および図6に示す例と同様である。金属導体板は長辺(301a)および短辺(301b)を有する構成とし，長辺(301a)が水平に対し垂直になるように個別箱(103d)から引き出す。【００２２】
図8に，素子箱(701a・701b・701c)の電力変換回路図を示す。なお本実施例では2レベルの三相電力変換器としたが，3レベルを含む他方式の電力変換器も同様である。本実施例では，各素子箱(701a・701b・701c)に，相を構成するIGBT(A301)・ダイオード(A300)およびゲートドライブ回路(A302)を納めている。ここで，直流回路部(A400・A401)，各相の出力となる配線(A205a1・A205a2・A205a3)，ゲートドライブ回路(A302)および半導体スイッチング素子(A300・A301)はそれぞれ電位が異なる。そのため，各個別箱内は絶縁油で絶縁する。【００２３】
素子箱(701a・701b・701c)において，共通となる直流電圧部(正極)(A400)と直流電圧部(負極)(A401)の間に，半導体スイッチング素子(A300・A301)を直列に接続する。直列された半導体スイッチング素子(A300・A301)の接続点は，各々，配線(A205a1・A205a2・A205a3)として構成される。【００２４】
適用する電圧レベル，部品の交換周期，個別箱の大きさを鑑みて複数の分割方法が考えられる。すなわち，上述のように各相を個別に納めるのではなく，三相分の回路を共通的な箱に納める方式や直流平滑用コンデンサを含めた三相電力変換器を個別に納める方式が考えられる。【００２５】
素子箱(701a・701ｂ・701c)は，個別箱(103b・103c)(A202)に対して着脱可能に構成されており，素子箱(701a・701ｂ・701c)を例えば上方に引き上げると簡易に金属導体板(201)と金属導体板(202)の結合が外れて，分離することが可能に構成されている。【００２６】
図9及び図10に部品交換方法に関する実施例を示す。図9に筺体箱天井部には開口する機構(402)を有している。図10に電力変換器を構成する各部品毎を納めた個別箱(103a・103b・103c・103d)を筺体箱(104)外へ持ち上げる機構(401)へ設置する。該開口部へ個別箱を持ち上げることで部品を交換することが容易になる。なお個別箱を持ち上げる際，発電機または系統へ接続している配線(105a・105b)が引っ張られることを防ぐため，余裕(403)を持たせることが望ましい。素子箱(701a・701b・701c)を同様な構成にしても良い。【００２７】
図11に電力変換器を上から見た図を示す。電力変換器を納めた筺体箱(104)には，配管(502)で接続されたタンク(501)および配管(503a・503b)で接続された冷却器(504)が設置される。ここでタンク(501)は，部品交換時等に絶縁油のバッファとして機能する。これにより，個別箱を持ち上げる機構が不要となる，または持ち上げる高さを低くすることが可能となる。【００２８】
つぎに冷却器(504)は，筺体箱(104)内部で発生した熱を冷却するためのものであり，絶縁油が筺体箱(104)内部と冷却器(504)の間を配管(503a・504b)を介して循環する。素子箱(701a・701b・701c)を同様な構成にしても良い。なお図11では冷却器(504)を筺体箱(104)の近くに記載したが，遠く離れた場所へ配置しても良い。
【符号の説明】
【００２９】
101 風車タワー，102 風車タワー内で階層を分ける床ないし天井，103 電力変換器，103a・103b・103c・103d 電力変換器を構成する部品を納めた個別箱，104・104a・104b 個別箱を納める筺体箱，105a・105b 配線，106 絶縁油，107 受皿，201 個別箱から引き出された配線または金属導体板，202 配線または金属導体板の接続部，203 絶縁油，204 個別箱と筺体箱を接続する配線または金属導体板，301a 金属導体板の長辺，301b 金属導体板の短辺，401 個別箱を持ち上げる機構，402 筺体箱天井部の開口機構，403 配線の余剰箇所，501 タンク，502 配管，503a・503b 配管，504 冷却器，A100 ブレード，A101 ナセル，A102 タワー，A103 発電機，A104 土台， A701a・A701b・A701c 電力変換器の相を構成する要素を納めた素子箱，A202 直流平滑用コンデンサを納めた個別箱，A204 三相分の半導体スイッチング素子およびゲートドライブ回路，A205a1・A205a2・A205a3・A205b1・A205b2・A205b3 配線または金属導体板，A300 ダイオード，A301 IGBT，A302 ゲートドライバ回路，A303 直流平滑用コンデンサ，A400 直流電圧部(正極)，A401 直流電圧部(負極)
【図１】
2018008137.tif 000003
【図２】
2018008137.tif 000004
【図３】
2018008137.tif 000005
【図４】
2018008137.tif 000006
【図５】
2018008137.tif 000007
【図６】
2018008137.tif 000008
【図７】
2018008137.tif 000009
【図８】
2018008137.tif 000010
【図９】
2018008137.tif 000011
【図１０】
2018008137.tif 000012
【図１１】
2018008137.tif 000013
【国際調査報告】
2018008137.tif 000014
2018008137.tif 000015
2018008137.tif 000016
2018008137.tif 000017