JP2009110510A - 最大電力点追従及びバーストモード機能を用いた電力変換の方法と装置 - Google Patents

Abstract

【課題】最大電力点追従及びバーストモード機能を用いた電力変換装置及び方法を提供する。
【解決手段】エネルギ蓄積モジュール２１４とバーストモードコントローラ２１２とを備え、バーストモードコントローラ２１２は、少なくとも１回の蓄積期間中にエネルギがエネルギ蓄積モジュール２１４に蓄積され、更に、少なくとも１回のバースト期間中にエネルギがエネルギ蓄積モジュール２１４から取り出されるようにし、ＤＣ入力電力を供給する機器１０４を最大電力点（ＭＰＰ）の近くで作動させるための最大電力点追従（ＭＰＰＴ）技術を利用する。
【選択図】図２

Description

関連出願の相互参照

[0001]本出願は、２００７年９月２６日に出願された米国仮特許出願第６０／９９５，４０９号の利益を主張するものであり、当該米国仮特許出願を参照することによって本明細書に援用するものである。

発明の分野

[0002]本開示の実施形態は、広く、電力変換に関するものであり、より詳細には、最大電力点追従及びバーストモード機能を用いた電力変換の方法及び装置に関するものである。

関連技術の説明

[0003]太陽電池パネルは、従来、商用電源が利用できない荒野又は人工衛星における遠隔施設のような、主に遠隔用途に配備されてきたものである。高コストの設備であるため、太陽電池パネルは、その他の電力の選択肢が利用できない場合を除いて、発電用の経済的な選択肢ではなかった。しかしながら、世界的なエネルギ需要の伸びがエネルギコストの恒久的な増加をもたらしている。さらに、発電するため現在使用されている化石エネルギ埋蔵量が急速に枯渇していることは今や十分に明らかにされている。これら従来型の商用発電の支障の増加は、太陽電池パネルをより魅力的な購入の選択肢としている。

[0004]太陽電池パネル、即ち、光電池（ＰＶ）モジュールは、受けた太陽光からのエネルギを直流（ＤＣ）に変換する。ＰＶモジュールは、自ら生成した電気エネルギを蓄積できないので、エネルギは、バッテリー又は揚水式水力発電貯蔵所のようなエネルギ蓄積システムへ分配され、或いは、負荷によって分配されなければならない。生成されたエネルギを使用する一つの選択肢は、一つ以上のインバータを用いて、ＤＣ電流を交流電流（ＡＣ）に変換し、ＡＣ電流を商用電力グリッドに結合することである。このような分散型発電（ＤＧ）システムによって生成された電力はその後に商用電力会社へ販売され得る。

[0005]ＰＶモジュールは、自ら生成する電流（Ｉ）と電圧（Ｖ）との間に非線形関係を有している。ＰＶモジュールのＩ−Ｖ曲線上の最大電力点（ＭＰＰ）はＰＶモジュールの最適動作点を特定するものであり、この点で動作しているときには、ＰＶモジュールは所与の温度及び太陽放射に対して可能な最大出力電力を発生する。したがって、ＰＶモジュールから取り出される電力を最適化するために、ＰＶモジュールに結合されたインバータのような電力変換機器は、一般に、最大電力点追従（ＭＰＰＴ）技術を用いて、ＰＶモジュールがそのＭＰＰに対応する電流レベル及び電圧レベルで作動されることを確実にする。ＭＰＰＴは、太陽輻射及び／又は温度の変化に応答してＰＶモジュール動作電流レベル及び電圧レベルを素早く調整するよう機能し、その結果、ＰＶモジュールは、ＭＰＰで動作し続けることができる。

[0006]ＭＰＰＴ技術がＰＶモジュールをそのＭＰＰへバイアスするために必要とされる期間中には、例えば、ＰＶモジュール上の太陽輻射が無輻射から増加する輻射まで変化する場合に、ＰＶモジュールに結合された電力変換機器は、ＭＰＰに達するまで、低効率の害を受ける。さらに、ＰＶモジュールに結合された電力変換機器は、一般に、ＰＶモジュールが低電力、即ち、低輻射で動作しているときに、効率低下の害を受ける。低輻射中に、ＰＶモジュール及び付属するインバータは、非常に非効率的に動作することがあり、その結果、全体的なシステム効率にとっては、太陽輻射が増加するまで、ＰＶモジュール及び／又はＰＶモジュールのインバータの動作を停止させることが最善となっている。

[0007]したがって、低輻射中のＰＶモジュール及びインバータの動作を改善する方法及び装置が当分野で必要とされている。

発明の概要

[0008]本発明の実施形態は、広く、ＤＣ入力電力をＤＣ出力電力に変換する方法及び装置に関するものである。この装置は、エネルギ蓄積モジュール及びバーストモードコントローラを備える。バーストモードコントローラは、少なくとも１回の蓄積期間中にエネルギがエネルギ蓄積モジュールに蓄積されるようにし、さらに少なくとも１回のバースト期間中にエネルギがエネルギ蓄積モジュールから取り出されるようにする。当該少なくとも１回のバースト期間中では、ＤＣ出力電力はＤＣ入力電力より大きい。さらに、バーストモードコントローラは、ＤＣ入力電力を供給する機器を最大電力点（ＭＰＰ）の近くで動作させるために最大電力点追従（ＭＰＰＴ）技術を利用する。

[0009]上述した本発明の特徴が詳細に理解され得るよう、上に簡単に要約した本発明のより具体的な説明を、実施形態を参照することによって行う。実施形態の幾つかについては、添付の図面に示してある。しかしながら、添付の図面は、本発明の典型的な実施形態のみを示しており、本発明は他の等しく効果的な実施形態を認めるので、添付の図面は本発明の範囲を限定しているものとみなされるべきでないことに注意されたい。

詳細な説明

[0016]図１は、本発明の一以上の実施形態に係る分散型発電（ＤＧ）用システム１００のブロック図である。同図は、無数の可能なシステム構成のうちの一つのバリエーションを表現しているに過ぎない。本発明は様々な分散型発電環境及びシステムで機能し得る。

[0017]システム１００は、インバータ１０２と総称する複数のインバータ１０２_１、１０２_２、．．．、１０２_ｎと、ＰＶモジュール１０４と総称する複数のＰＶモジュール１０４_１、１０４_２、．．．、１０４_ｎと、ＡＣバス１０６と、ロードセンター１０８と、アレイ制御モジュール１１０とを備える。各インバータ１０２_１、１０２_２、．．．、１０２_ｎは、それぞれ、ＰＶモジュール１０４_１、１０４_２、．．．、１０４_ｎに結合されている。ある種の実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータが各ＰＶモジュール１０４と各インバータ１０２との間に（即ち、一つのＰＶモジュール当たりに一つのコンバータが）結合されることがある。或いは、複数のＰＶモジュール１０４が単一のインバータ１０２に結合されることがあり、ある種の実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータがＰＶモジュール１０４と単一のインバータ１０２との間に結合されることがある。

[0018]各インバータ１０２は、ＭＰＰＴ技術を用いて、ＰＶモジュール１０４が所与の温度及び太陽輻射に対して最適電力出力を発生するよう、従属するＰＶモジュール１０４をＭＰＰで作動させる。インバータ１０２はＡＣバス１０６に更に結合されており、このＡＣバスが次にロードセンター（分電盤）１０８に結合されている。ロードセンター１０８は、商用電力グリッド配電システムからの引き込み電力線とＡＣバス１０６との接続部を収容している。インバータ１０２は、ＰＶモジュール１０４によって発生されたＤＣ電力をＡＣ電力に変換し、ＡＣ商用電力グリッド電圧と同位相であるＡＣ電流を測定して供給する。システム１００は、発生されたＡＣ電力を、ロードセンター１０８を介して、商用電力グリッドに結合する。

[0019]制御モジュール１１０は、ＡＣバス１０６に結合されている。制御モジュール１１０は、インバータ１０２の機能を制御するために、コマンド及び制御信号をインバータ１０２へ発することが可能である。

[0020]本発明の一以上の実施形態によれば、インバータ１０２は、初期動作中、及び、ＰＶモジュール１０４からの低電力出力の期間中に「バーストモード」を用いる。バーストモードでは、インバータ１０２は、１回以上の商用電力グリッドサイクルに亘ってエネルギを蓄積し、十分なエネルギが蓄積されると、蓄積されたエネルギを商用電力グリッドへ「バースト」する。インバータ１０２の効率を改善するのに加えて、バーストモードは、後述するＭＰＰＴ技術によるＭＰＰへの急速な収束を実現しやすくする。ＭＰＰに到達し、ＰＶモジュール１０４が十分な出力電力を供給しているならば、インバータ１０２は、ＭＰＰに留まるためにＭＰＰＴ技術を利用して、バーストモードから定常状態モードに切り替わる。太陽輻射及び／又は温度がＭＰＰＴ動作を維持できないレベルに変化する場合には、一つ以上のインバータ１０２がバーストモードに切り替わる。

[0021]図２は本発明の一実施形態に係るインバータ１０２のブロック図である。インバータ１０２は、Ｉ−Ｖ監視回路２０２と、エネルギ蓄積モジュール２０４と、ＤＣ−ＡＣインバータ２１０と、バーストモードコントローラ２１２と、変換制御モジュール２１４と、を備えている。インバータ１０２は、ＰＶモジュール１０４及び商用電力グリッドに結合されている。ある種の実施形態では、ＤＣ−ＤＣ変換器がＰＶモジュール１０４とインバータ１０２との間に結合されることがある。

[0022]Ｉ−Ｖ監視回路２０２は、バーストモードコントローラ２１２に結合されており、ＰＶモジュール１０４の二つの出力端子間に結合されており、エネルギ蓄積モジュール２０４の二つの端子間に結合されている。エネルギ蓄積モジュール２０４は、ＤＣ−ＡＣインバータ２１０の二つの端子間に更に結合されている。バーストモードコントローラ２１２は、変換制御モジュール２１４とＤＣ−ＡＣインバータ２１０とに更に結合されている。

[0023]Ｉ−Ｖ監視回路２０２は、ＰＶモジュール１０４からの瞬時電圧出力レベルＶ_ＰＶ及び瞬時電流出力レベルＩ_ＰＶを監視し、これら電流及び電圧情報を表す信号をバーストモードコントローラ２１２へ供給する。バーストモードコントローラ２１２は、Ｉ−Ｖ監視回路２０２からの電流及び電圧情報を利用して、連続モードとバーストモードとの間でインバータ１０２を切り替える。バーストモードの期間では、バーストモードコントローラ２１２は、ＰＶモジュール１０４によって発生されたエネルギがエネルギ蓄積期間中にエネルギ蓄積モジュール２０４に蓄積され、蓄積されたエネルギがバースト期間中にＤＣ−ＡＣインバータ２１０へ分配されるように、インバータ１０２を駆動する。この分配されたエネルギは、ＰＶモジュール１０４の瞬時出力電力だけを利用して達成可能である出力電力より高い出力電力をＤＣ−ＡＣインバータ２１０から生成するように働き、それによって、インバータ効率を高める。ある種の実施形態では、エネルギ蓄積モジュール２０４はキャパシタを備える。

[0024]エネルギ蓄積モジュール２０４及びバーストモードコントローラ２１２に結合されたことに加えて、ＤＣ−ＡＣインバータ２１０は変換制御モジュール２１４にも結合されている。変換制御モジュール２１４は、商用電力グリッドから基準信号入力を受信し、ＤＣ−ＡＣインバータ２１０のための制御信号を供給して、Ｉ−Ｖ監視回路２０２及びエネルギ蓄積モジュール２０４を介して受信したＤＣ電力を変換する。“Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇ Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｏ Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ Ｃｕｒｒｅｎｔ”と題して２００７年９月２７日に出願された同一出願人による米国特許出願第２００７／０２２１２６７号は、このような電力変換の実施例を開示しており、同出願を参照することによって本明細書に援用する。得られるインバータ１０２からの出力電流は、商用ＡＣ電流と同位相であるように商用電力グリッドに結合される。

[0025]初期動作時に、又は、ＭＰＰで動作できない時に、インバータ１０２はバーストモードで動作し、エネルギ蓄積期間中に（例えば、１６．６７ミリ秒の１回以上のＡＣグリッド波形サイクル中に）、エネルギ蓄積モジュール２０４は、エネルギを蓄積する。このエネルギは、続いて、バースト期間中に（即ち、かなりのエネルギが蓄積されると）ＤＣ−ＡＣインバータ２１０へ送られる。バーストモードコントローラ２１２は、このようなエネルギ蓄積及び利用を実現するよう、バーストモード中にインバータ１０２を駆動する。エネルギ蓄積期間中に、バーストモードコントローラ２１２は、出力電流が生成されないように、インバータ１０２を駆動する。その結果として、ＰＶモジュール１０４によって発生された電流はＤＣ−ＡＣインバータ２１０へ流れることを妨げられ、生じるエネルギがエネルギ蓄積モジュール２０４に蓄積される。ある種の実施形態では、エネルギ蓄積モジュール２０４はキャパシタを備え、ＰＶモジュール１０４によって発生された電流は、エネルギ蓄積期間中にキャパシタを充電する。

[0026]バースト期間中に、バーストモードコントローラ２１２は、バースト電流Ｉ_Ｂを発生させるようインバータ１０２を駆動する。このバースト電流Ｉ_Ｂは、定常状態（即ち、非バースト）動作モード中にインバータ１０２によって発生される通常出力電流より大きい。電流Ｉ_Ｂは、ＰＶモジュール１０４のみによって供給された入力電力より大きい出力電力をインバータ１０２から生じる。エネルギ蓄積モジュール２０４に蓄積されたエネルギは、ＰＶモジュール１０４からの電力不足を補償し、ＤＣ−ＡＣインバータ２１０へのエネルギの結合は、エネルギ蓄積モジュール２０４の両端間に電圧降下を生じ、ＰＶモジュール１０４の両端間に対応する電圧降下を生じる。エネルギ蓄積モジュール２０４の両端間の電圧、即ち、ＰＶモジュール１０４の両端間の電圧が閾値より下に低下すると、バーストモードコントローラ２１２は出力電流が生成されないようにインバータ１０２を駆動し（即ち、エネルギ蓄積期間）、十分なエネルギが別のバーストを発生させるために利用できるようになるまで、ＰＶモジュール１０４からのエネルギがエネルギ蓄積モジュール２０４に再び蓄積される。

[0027]低ＰＶモジュール出力電力の期間中にインバータ１０２の効率を改善することに加えて、バーストモードは、ＭＰＰへの急速な収束を促進する。所与の太陽輻射及び温度に対して、電力−電圧（Ｐ−Ｖ）曲線は、ＰＶモジュール１０４のようなＰＶモジュールからの出力電力を、ＰＶモジュール動作電圧の関数として表現している。一般に、システム１００において用いられているＰＶモジュール１０４の場合、Ｐ−Ｖ曲線は、可能な最大のＰＶモジュール出力電力及び対応する動作電圧を特定する単一ピーク（即ち、ＭＰＰ）を有する。したがって、ＭＰＰの左の方（即ち、Ｐ−Ｖ曲線の左平面）にあるＰ−Ｖ曲線の勾配、即ち、ΔＰ／ΔＶは、ＭＰＰで零に達するまで絶対値が減少する正の値を有し、ＭＰＰの右の方（即ち、Ｐ−Ｖ曲線の右平面）へ移動すると、ΔＰ／ΔＶは負の増加する値を有する。よって、特定の動作電圧でのＰ−Ｖ曲線の勾配を知ることにより、ＭＰＰの方へ移動するために、動作電圧が増加されるべきであるか、又は、減少されるべきであるかを決定することが可能である。バーストモードを利用することにより、結果として生じるＰＶモジュール出力電力及び動作電圧の変化は、後述するように、ΔＰ／ΔＶを監視し、インバータ１０２の出力電力を適切に調整してＰＶモジュール１０４をＭＰＰへ進める機会を提供する。

[0028]ＭＰＰに到達し、かつ、ＰＶモジュール出力電力が十分なレベルにあるならば、バーストモードは中止され、インバータ１０２は定常状態、即ち、連続モードで動作する。連続モードで動作しているとき、バーストモードコントローラ２１２は、所要出力電流Ｉ_ｒｅｑを生成するようインバータ１０２を駆動する。エネルギ蓄積モジュール２０４の両端間に存在するリップル電圧は、ΔＰ／ΔＶが引き続き監視され、Ｉ_ｒｅｑがＰＶモジュール１０４をＭＰＰで動作させ続けるために調整され得るように、小さい電圧「掃引」を行う。

[0029]図３は、本発明の一以上の実施形態に係るバーストモードコントローラ２１２のブロック図である。バーストモードコントローラ２１２は、乗算器３０２と、ＭＰＰＴモジュール３０４と、二つの加算器３０６及び３０８と、バースト起動コントローラ３１０と、スケーリングモジュール３１２と、バースト電流コントローラ３１４と、スイッチモジュール３１６と、を備えている。

[0030]乗算器３０２は、Ｉ−Ｖ監視回路２０２に連結されており、Ｉ−Ｖ監視回路２０２から、ＰＶモジュール瞬時出力電圧Ｖ_ＰＶ及び電流Ｉ_ＰＶのそれぞれのサンプリングを受信する。得られる乗算器３０２の出力は、ＰＶモジュール１０４によって発生された瞬時電力Ｐ_ＰＶの測定量を提供し、ＭＰＰＴモジュール３０４に結合されている。さらに、ＭＰＰＴモジュール３０４は、Ｉ−Ｖ監視回路２０２に結合されており、ＰＶモジュール瞬時出力電圧Ｖ_ＰＶを表す信号を受信する。ＭＰＰＴモジュール３０４は、変換制御モジュール２１４から、例えば、変換制御モジュール２１４の位相ロックループから、商用電力グリッドサイクルを表す入力信号を受信し、スケーリングモジュール３１２と、バースト電流コントローラ３１４と、個々の加算器３０６及び３０８とに更に結合されている。

[0031]商用電力グリッドの各サイクル中に、ＭＰＰＴモジュール３０４は、ＰＶモジュール動作電圧の変化に関するＰＶモジュール出力電力の変化ΔＰ／ΔＶを計算する。例えば、６０Ｈｚの商用電力グリッドの場合、ＭＰＰＴモジュール３０４は、商用電力グリッドの１６．６７ミリ秒の各サイクルの間に、ΔＰ／ΔＶを計算する。計算されたΔＰ／ΔＶに基づいて、ＭＰＰＴモジュール３０４は、ＭＰＰ及び対応する所望のＰＶモジュール動作電圧に近づけるために、ＰＶモジュール動作電圧への所要調整量を決定する。ΔＰ／ΔＶが零より大きい場合、即ち、動作電圧がＰ−Ｖ曲線の左平面内にある場合、動作電圧はＭＰＰに到達するように増加されなければならず、ΔＰ／ΔＶが零未満である場合、即ち、動作電圧がＰ−Ｖ曲線の右平面内にある場合、動作電圧は減少されなければならない。さらに、動作電圧がＭＰＰ電圧に近づき、ΔＰ／ΔＶの絶対値が減少するにつれて、より小さい調整を動作電圧に対して行って、ＭＰＰ電圧への緩やかな収束を保証することができる。

[0032]ＭＰＰＴモジュール３０４は、新しい所望のＰＶモジュール動作電圧を表す信号をスケーリングモジュール３１２と、個々の加算器３０６及び３０８に供給する。小さい正の電圧＋ΔＶが加算器３０８に入力として供給されて、得られる出力は高電圧閾値Ｖ_Ｈとなる。小さい負の電圧−ΔＶが加算器３０６に入力として供給されて、得られる出力は低電圧閾値Ｖ_Ｌとなる。ある種の実施形態では、＋ΔＶ及び−ΔＶは絶対値が同じであり、別の実施形態では、＋ΔＶと−ΔＶは異なる絶対値を有している。加算器３０６及び３０８の出力は、個々にバースト起動コントローラ３１０に結合されている。さらに、バースト起動コントローラ３１０は、Ｉ−Ｖ監視回路２０２に結合されており、瞬時ＰＶモジュール動作電圧Ｖ_ＰＶを受信する。バーストモード中に、バースト起動コントローラ３１０は、後述されているように、エネルギ蓄積期間とバースト期間との間での切り替えを行うために、Ｖ_ＰＶ、Ｖ_Ｈ及びＶ_Ｌ情報を利用する。

[0033]ＭＰＰＴモジュール３０４から所望のＰＶモジュール動作電圧を受信するのに加えて、スケーリングモジュール３１２はバースト電力レベルＰ_Ｂの入力を受信する。スケーリングモジュール３１２の二つの出力端子はスイッチモジュール３１６に結合されており、スイッチモジュール３１６はバースト電流コントローラ３１４及びＤＣ−ＡＣインバータ２１０に更に結合されている。ＰＶモジュール出力電力がバーストモード閾値レベルより高いとき、インバータ１０２は連続モードで動作し、バースト電流コントローラ３１４は、スイッチモジュール３１６を駆動して、連続モード出力電流Ｉ_ｒｅｑを発生させるようＤＣ−ＡＣインバータ２１０を駆動するために、スケーリングモジュール３１２の第２の出力端子からの出力を選択する。スケーリングモジュール３１２は、ＭＰＰＴモジュール３０４から平均ＰＶモジュール動作電圧及び所望のＰＶモジュール動作電圧を表す入力を受信する。平均ＰＶモジュール動作電圧と所望のＰＶモジュール動作電圧との間の誤差に基づいて、スケーリングモジュール３１２は、所要のインバータ出力電流Ｉ_ｒｅｑを決定し、当該出力電流Ｉ_ｒｅｑによって、所望の動作電圧でＰＶモジュール１０４にバイアスが与えられる。

[0034]ＰＶモジュール出力電力がバーストモード閾値レベルより低いとき、インバータ１０２はバーストモードで動作し、バースト電流コントローラ３１４は、スイッチモジュール３１６を駆動して、バースト電流Ｉ_Ｂを発生させるようＤＣ−ＡＣインバータ２１０を駆動するために、スケーリングモジュール３１２の第１の出力端子からの出力を選択する。エネルギ蓄積期間中に、バースト起動コントローラ３１０はＩ_Ｂに零が設定されるようにスケーリングモジュールを駆動し、その結果、インバータ１０２は出力電力を生成せず、ＰＶモジュール１０４によって発生されたエネルギがエネルギ蓄積モジュール２０４に蓄積される。このようなエネルギ蓄積によって、エネルギ蓄積モジュール２０４の両端間に立ち上がり電圧が生じ、対応する立ち上がりＰＶモジュール電圧Ｖ_ＰＶが生じる。商用電力グリッドの各サイクル中に、バースト起動コントローラ３１０は、瞬時ＰＶモジュール動作電圧Ｖ_ＰＶを、前のグリッドサイクル中に計算された高電圧閾値Ｖ_Ｈ及び低電圧閾値Ｖ_Ｌと比較する。Ｖ_ＰＶがＶ_Ｈを上回るならば、バーストを発生するために十分なエネルギがエネルギ蓄積モジュール２０４に蓄積されている。バースト起動コントローラ３１０は、このとき、Ｉ_Ｂに最大値を設定するようスケーリングモジュール３１２を駆動して、蓄積されたエネルギがエネルギ蓄積モジュール２０４から取り出されるようにする。

[0035]バースト期間中に、バースト起動コントローラ３１０は、Ｉ_Ｂに最大値が設定されるようスケーリングモジュールを駆動する。電流Ｉ_Ｂを発生するために、ＤＣ−ＡＣインバータ１０２は、エネルギ蓄積モジュール２０４から蓄積されたエネルギを取り出し、エネルギ蓄積モジュール２０４の両端間に電圧降下を生じ、ＰＶモジュール電圧Ｖ_ＰＶに対応した電圧降下を生じさせる。バースト起動コントローラ３１０がＶ_ＰＶを検出し、その結果、エネルギ蓄積モジュール２０４の両端間の電圧がＶ_Ｌより低いとき、エネルギ蓄積期間が必要となるよう十分なエネルギがエネルギ蓄積モジュール２０４から引き出されている。バースト起動コントローラ３１０は、そのとき、スケーリングモジュール３１２を駆動してＩ_Ｂに零を設定し、それによって、電流がＤＣ−ＡＣインバータ２１０へ流れることを阻止し、ＰＶモジュール１０４によって発生されたエネルギを再び蓄積モジュール２０２に蓄積することを可能とする。

[0036]バーストモード中のエネルギ蓄積期間及びバースト期間によって、十分なエネルギをエネルギ蓄積モジュール２０４に蓄積し、また、エネルギ蓄積モジュール２０４から取り出して、ＤＣ−ＡＣインバータ２１０への追加の電力の「バースト」を提供し、それによって、ＰＶモジュール１０４が低電力レベルで動作している期間中にインバータ１０２の効率を改善することが可能となる。さらに、バーストモード中にＰＶモジュール電圧Ｖ_ＰＶがＶ_ＬとＶ_Ｈとの間で「振動」し、ＰＶモジュール出力電力がそれに応じて変化し、バーストモードコントローラ２１２がΔＰ／ΔＶを監視して、効率的なＭＰＰＴ動作のためにＰＶモジュール動作電圧を適切に調整することが可能となる。ＭＰＰ電圧が達成されると、インバータ１０２はバーストモードから連続モードへ切り替わることが可能であり、又は、ＰＶモジュール出力電力がバーストモード閾値より低い状態に留まる場合には、インバータ１０２はバーストモードに留まることが可能である。

[0037]連続モード動作中に、スケーリングモジュール３１２からの選択された出力は、連続モード出力電流Ｉ_ｒｅｑを発生させるようＤＣ−ＡＣインバータ２１０を駆動する。エネルギ蓄積モジュール２０４の両端間に存在するリップル電圧はＰＶモジュール動作電圧Ｖ_ＰＶの小さい電圧振動を生じる。この小さい電圧振動、及び、ＰＶモジュール出力電力の対応した変化によって、ＭＰＰＴモジュール３０４が、ΔＰ／ΔＶを計算し、所要のＰＶモジュール動作電圧調整量を発生し続けて、ＭＰＰでの動作を維持することが可能となる。

[0038]図４は、本発明の一以上の実施形態に係る、電圧振動範囲を決定する一対のグラフ４０２及び４０４である。グラフ４０２及び４０４は、バーストモード中の、エネルギ蓄積モジュール２０４の両端間の電圧レベルと、インバータ１０２の対応した出力電力レベルとを表現している。

[0039]時間Ｔ_１からＴ_２まで、インバータ１０２はエネルギ蓄積期間中に動作して、グラフ４０２に表現されているように、エネルギ蓄積モジュール２０４が充電することを可能とし、エネルギ蓄積モジュール２０４の両端間に立ち上がり電圧レベルをもたらす。エネルギ蓄積期間中に、入力電力はＤＣ−ＡＣインバータ２１０に供給されず、時間Ｔ_１からＴ_２までのインバータ１０２の対応する出力電力レベルは零であることがわかる。

[0040]時間Ｔ_２で、エネルギ蓄積モジュール２０４に蓄積されたエネルギはバースト期間をトリガーするために十分なレベルに到達している。バースト期間中に、インバータ１０２は、グラフ４０４に表現されているように、バーストモード出力電力レベルＰ_Ｂを発生するよう駆動される。エネルギがＰ_Ｂに到達するようにエネルギ蓄積モジュール２０４から取り出されるにつれて、エネルギ蓄積モジュール２０４の両端間の電圧レベルは、グラフ４０２に表現されているように降下する。時間Ｔ_３で、エネルギ蓄積モジュール２０４の両端間の電圧レベルは、エネルギ蓄積期間を必要とするのに十分なレベルまで降下し、インバータ１０２の出力電力レベルは、エネルギ蓄積期間が始まるときに、零まで降下する。

[0041]バーストモード中に、インバータ１０２がエネルギ蓄積期間とバースト期間との間で入れ替わるので、エネルギ蓄積モジュール２０４の両端間の電圧レベルは、中心電圧Ｖ_{ｃｅｎｔｅｒ}を中心に、小さい量ΔＶずつ「振動」することがわかる。エネルギ蓄積モジュール２０４の両端間で電圧がＶ_{ｃｅｎｔｅｒ}＋ΔＶより大きくなると、インバータ１０２はバーストを発生し、商用電力グリッドに結合される出力電力を生成する。エネルギ蓄積モジュール２０４の両端間の電圧がＶ_{ｃｅｎｔｅｒ}−ΔＶより下に降下すると、インバータ１０２はエネルギ蓄積期間を開始し、出力電力を生成しない。よって、ΔＶの値は、インバータ１０２がバースト期間又はエネルギ蓄積期間にあるときを決定し、それによって、インバータ１０２からの出力電力が商用電力グリッドに結合されるときを決定する。

[0042]ある種の実施形態では、中心電圧Ｖ_{ｃｅｎｔｅｒ}を中心とする電圧振動は以下の通り決定し得る。エネルギ蓄積モジュール２０４の両端間の既知の平均電圧Ｖ_{ｃｅｎｔｅｒ}と、公知の平均バースト電力Ｐ_Ｂとを利用して、Ｔ_２からＴ_３までの時間、Ｔ_ｏｎが、Ｖ_{ｃｅｎｔｅｒ}＞＞ΔＶ＞＞エネルギ蓄積モジュール２０４の両端間のリップル電圧と、−ΔＶと同じ絶対値を有している＋ΔＶとに基づいて次の通り推定され得る。

[0043]

[0044]式中、Ｃはエネルギ蓄積モジュール２０４の静電容量である。したがって、Ｔ_ｏｎは以下の通り表される。

[0045]

[0046]インバータ１０２によって生成された電力を商用電力グリッドに効率的に結合するために、Ｔ_ｏｎは整数「ｎ」回のグリッドサイクルであるべきであり、ある種の実施形態では、Ｔ_ｏｎは、したがって、１６．６７ｎミリ秒に一致すべきである。このようなＴ_ｏｎを実現するために必要とされる電圧振動は以下の通り決定され得る。

[0047]

[0048]

[0049]図５は本発明の一以上の実施形態に係る、電圧レベル及び電力レベルのシミュレートされた結果を表す一対のグラフ５０２及び５０４である。グラフ５０２はバーストモード中にエネルギ蓄積モジュール２０４の両端間でシミュレートされた電圧レベルを表現し、グラフ５０４はインバータ１０２のシミュレートされた対応する出力電力を表現している。

[0050]時間Ｔ_１からＴ_２まで、インバータ１０２はエネルギ蓄積期間にある。バースト電流Ｉ_Ｂに零が設定されて、エネルギ蓄積モジュール２０４が充電することを可能とし、グラフ５０２に表現されているように、エネルギ蓄積モジュール２０４の両端間に立ち上がり電圧レベルが生じている。エネルギ蓄積期間は、ＤＣ−ＡＣインバータ２１０への入力電力を生じないので、電力がインバータ１０２によって発生されることがなく、時間Ｔ_１からＴ_２までの対応する電力出力は零であることがわかる。

[0051]時間Ｔ_２で、エネルギ蓄積モジュール２０４に蓄積されたエネルギは、バーストを発生させるために十分なレベルに到達し、バースト電流Ｉ_Ｂが上述したようにインバータ１０２によって発生される。追加の電力のバーストがＴ_２からＴ_３の間にエネルギ蓄積モジュール２０４から取り出されるにつれて、エネルギ蓄積モジュール２０４の両端間の電圧レベルは降下し、更に、グラフ５０２に表現されているように、「リップル」電圧がエネルギ蓄積モジュール２０４の両端間で認められる。Ｔ_２からＴ_３の間に、インバータ１０２はグラフ５０４に表現されているように出力電力を発生する。

[0052]時間Ｔ_３で、エネルギ蓄積モジュール２０４から取り出されたエネルギは、エネルギ蓄積モジュール２０４の両端間の電圧をインバータ１０２がエネルギ蓄積期間に入ることを要求するレベルまで低下させ、バースト電流Ｉ_Ｂに零が設定される。したがって、インバータ１０２の出力電力は時間Ｔ_３に零まで減少する。エネルギ蓄積モジュール２０４は再び充電を開始し、グラフ５０２に表現されているように、エネルギ蓄積モジュール２０４の両端間の立ち上がり電圧レベルを生じる。

[0053]時間Ｔ_４で、エネルギ蓄積モジュール２０４に蓄積されているエネルギは、バースト期間に入るために十分なレベルに再び到達し、バースト電流Ｉ_Ｂに再び最大値が設定される。エネルギ蓄積モジュール２０４の両端間の電圧レベルは、エネルギ蓄積モジュール２０４のエネルギが利用されるにつれて降下し、インバータ１０２が出力電力を再び発生する。

[0054]図６は、本発明の一以上の実施形態に係るバーストモードを用いた最大電力点追従（ＭＰＰＴ）方法６００のフローチャートである。方法６００では、インバータは、ＰＶモジュールに結合されており、ＰＶモジュールによって発生させられたＤＣ電力をＡＣ電力に変換する。インバータは、発生されたＡＣ電力が商用ＡＣ電力と同位相である商用電力グリッドに更に結合されている。ある種の実施形態では、複数のＰＶモジュールが単一の集中型ＤＣ−ＡＣインバータに結合されてもよい。或いは、個別のＰＶモジュールが、個別のＤＣ−ＡＣインバータに（例えば、一つのＤＣ−ＡＣインバータ当たりに一つのＰＶモジュールが）結合されていてもよい。ある種の実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータが、一つのＰＶモジュール又は複数のＰＶモジュールとＤＣ−ＡＣインバータとの間に結合されていてもよい。

[0055]方法６００は、ステップ６０２で始まり、ステップ６０４へ進む。ステップ６０４で、インバータはエネルギ蓄積期間中にバーストモードで動作する。インバータは、少量の太陽輻射の期間のような、ＰＶモジュールによって生成された非常に低電力のため、バーストモードで動作することがある。エネルギ蓄積期間中に、インバータはＰＶモジュールによって生成されたエネルギを蓄積する。ある種の実施形態では、キャパシタのようなエネルギ蓄積モジュールがエネルギを蓄積するために利用される。

[0056]方法６００はステップ６０６へ進み、インバータに蓄積されたエネルギがバースト期間に入って出力電力を発生し始めるために十分なレベルに到達しているか否かが判定される。ある種の実施形態では、このような判定は、インバータのエネルギ蓄積モジュールの両端間の電圧が第１の閾値を満たしていることに基づいて成される。ある種の実施形態では、第１の閾値は高電圧レベルＶ_Ｈであり、図４に関連して前述したように、Ｖ_Ｈ＝Ｖ_{ｃｅｎｔｅｒ}＋ΔＶである。Ｖ_{ｃｅｎｔｅｒ}はＰＶモジュールの平均動作電圧であり、エネルギ蓄積モジュールの平均動作電圧と等価である。

[0057]ステップ６０６での条件が満たされない場合、方法６００はステップ６０４へ戻る。ステップ６０６での条件が満たされる場合には、方法６００はステップ６０８へ進む。ステップ６０８で、インバータはバースト期間に入る。バースト期間中に、インバータは、バースト電流Ｉ_Ｂを生成するために駆動される。ここで、バースト電流Ｉ_Ｂは、ＰＶモジュールによって発生された瞬時電力だけを利用して通常は到達するはずの電流より大きい。バースト出力電流Ｉ_Ｂの発生によってインバータに蓄積されたエネルギが取り出され、ある種の実施形態では、このような利用によって、インバータのエネルギ蓄積モジュールの両端間に電圧降下が生じ、ＰＶモジュールの両端間に対応する電圧降下が生じる。

[0058]次いで、方法６００はステップ６１０へ進み、ＰＶモジュールによって生成された瞬時電力、及び、対応するＰＶモジュール動作電圧が商用電力グリッドの１サイクルに亘って測定される。ある種の実施形態では、商用電力グリッドは６０Ｈｚで動作し、瞬時電力及び動作電圧が１６．６７ミリ秒に亘って測定される。次いで、方法６００はステップ６１２へ進み、ＰＶモジュール動作電圧の変化に対するＰＶモジュール出力電力の変化ΔＰ／ΔＶが計算される。

[0059]次いで、方法６００はステップ６１４へ進み、ΔＰ／ΔＶが零に等しいか否か、即ち、ＰＶモジュールがＭＰＰで動作しているか否かが判定される。ステップ６１４での条件が満たされる場合、方法６００は後述するようにステップ６２６へ進む。ステップ６１４での条件が満たされない場合には、方法６００はステップ６１６へ進む。ステップ６１６で、蓄積されたエネルギが許容可能なレベルより下に低下したか否かが判定される。ある種の実施形態では、このような判定は、インバータのエネルギ蓄積モジュールの両端間の電圧が第２の閾値を満たしていることに基づいて成される。ある種の実施形態では、第２の閾値は低電圧閾値Ｖ_Ｌであり、図４に関連して前述したように、Ｖ_Ｌ＝Ｖ_{ｃｅｎｔｅｒ}−ΔＶである。ステップ６１６での条件が満たされる場合、方法６００はステップ６０４へ戻り、インバータは、エネルギ蓄積期間に再び入って、ＰＶモジュールによって発生されたエネルギを蓄積する。

[0060]ステップ６１６での条件が満たされる場合、方法６００はステップ６１８へ進む。ステップ６１８で、ＰＶモジュール動作電圧への調整量がΔＰ／ΔＶに基づいて決定される。このような調整量は、ＰＶモジュール動作電圧をＭＰＰ動作電圧の方へ駆動する。ある種の実施形態では、ΔＰ／ΔＶが正であるならば、ＰＶモジュール動作電圧は正方向に調整されなければならず、ΔＰ／ΔＶが負であるならば、ＰＶモジュール動作電圧は負方向に調整されなければならない。ＰＶモジュール動作電圧に要求される調整量は、新しい所望のＰＶモジュール動作電圧を規定する。

[0061]ステップ６２０で、インバータは、バーストモード電流Ｉ_Ｂを発生するよう駆動される。ここで、Ｉ_Ｂは、ＰＶモジュールを新しい所望の動作電圧へ駆動する。ステップ６２２で、Ｖ_{ｃｅｎｔｅｒ}に新しい所望の動作電圧が設定され、ステップ６２４で、新しい高電圧閾値Ｖ_Ｈ及び低電圧閾値Ｖ_Ｌが新しいＶ_{ｃｅｎｔｅｒ}に基づいて決定される。方法６００はステップ６０８へ戻り、インバータはバースト期間を継続する。

[0062]ステップ６１４でΔＰ／ΔＶが零であること、即ち、ＰＶモジュールがＭＰＰで動作していることが判定される場合、方法６００はステップ６２６へ進む。ステップ６２６で、ＰＶモジュール出力電力が電力閾値を満たすか否かが判定される。ＰＶモジュール出力電力が電力閾値を満たさないならば、インバータは低効率となり、したがって、効率を改善するためにバーストモードにおける継続動作を必要とする。ＰＶモジュールが十分なレベルで電力を生成しているならば、バーストモードはもはや必要とされない。ある種の実施形態では、ＰＶモジュールの電力定格の３０％の電力閾値が利用される。

[0063]ステップ６２６での条件が満たされない場合、方法６００は、バーストモードにおける継続動作のためステップ６０４へ戻る。ステップ６２６での条件が満たされるならば、方法６００はステップ６２８へ進む。ステップ６２８で、インバータはバーストモードから切り替わり、定常状態又は連続モードで動作する。このような動作中に、インバータは出力電流Ｉ_ｒｅｑを生成するよう駆動される。

[0064]ステップ６３０で、エネルギ蓄積モジュールの両端間のリップル電圧がＰＶモジュールの両端間で対応する電圧「掃引」を行う。このような掃引は、商用電力グリッドの各サイクルの間にΔＰ／ΔＶを計算し、Ｉ_ｒｅｑを調整して、これに応じて、継続したＭＰＰＴ動作のためにＭＰＰでＰＶモジュールにバイアスをかける機会を与える。ステップ６３２では、インバータの動作が継続されるべきか否かが判定される。ステップ６３２で条件が満たされるならば、方法６００はステップ６２６へ戻り、ステップ６３２で条件が満たされないならば、方法６００はステップ６３４へ進み、方法６００が終了する。

上記の説明は本発明の実施形態を対象にしているが、本発明のその他の実施形態及び更なる実施形態は本発明の基本的な範囲から逸脱することなく考え出し得るものであり、本発明の範囲は特許請求の範囲に記載された事項によって定められる。

本発明の一以上の実施形態に係る分散型発電（ＤＧ）システムのブロック図である。 本発明の一以上の実施形態に係るインバータのブロック図である。 本発明の一以上の実施形態に係るバーストモードコントローラのブロック図である。 本発明の一以上の実施形態に係る電圧振動範囲を決定するための一対のグラフである。 本発明の一以上の実施形態に係る、電圧レベル及び電力レベルのシミュレートされた結果を表す一対のグラフである。 本発明の一以上の実施形態に係る、バーストモードを用いた最大電力点追従（ＭＰＰＴ）用の方法６００のフローチャートである。

符号の説明

１００…システム、１０２，１０２_１，１０２_２，．．．，１０２_ｎ…インバータ、１０４，１０４_１，１０４_２，．．．，１０４_ｎ…ＰＶモジュール、１０６…ＡＣバス、１０８…ロードセンター、１１０…アレイ制御モジュール、２０２…Ｉ−Ｖ監視回路、２０４…エネルギ蓄積モジュール、２１０…ＤＣ−ＡＣインバータ、２１２…バーストモードコントローラ、２１４…変換制御モジュール、３０２…乗算器、３０４…ＭＰＰＴモジュール、３０６，３０８…加算器、３１０…バースト起動コントローラ、３１２…スケーリングモジュール、３１４…バースト電流コントローラ、３１６…スイッチモジュール。

Claims (21)

1. ＤＣ入力電力をＡＣ出力電力に変換する装置であって、
   エネルギ蓄積モジュールと、
   （i）少なくとも１回の蓄積期間中にエネルギが前記エネルギ蓄積モジュールに蓄積され、前記ＡＣ出力電力が少なくとも１回のバースト期間中に前記ＤＣ入力電力より大きくなるように、該少なくとも１回のバースト期間中に前記エネルギ蓄積モジュールから前記エネルギが取り出されるようにし、（ii）前記ＤＣ入力電力を供給する機器を最大電力点（ＭＰＰ）の近くで作動させるための最大電力点追従（ＭＰＰＴ）技術を利用するバーストモードコントローラと、
   を備える装置。
2. 前記ＭＰＰＴ技術が、前記機器の動作電圧の変化に対する前記機器からの出力電力の変化を計算し、該計算の結果を利用して前記機器を前記ＭＰＰへ駆動することを含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記計算の前記結果は、該結果が正であるときに、ＡＣ電流出力が前記ＭＰＰに達するように減少されなければならないことを示し、前記結果が負であるときに、前記ＡＣ電流出力が前記ＭＰＰに達するように増加されなければならないことを示す、請求項２に記載の装置。
4. 前記バーストモードコントローラが、前記機器の出力電流及び前記動作電圧の測定量を受信し、該測定量に基づいて前記計算を実行するＭＰＰＴモジュールを備える、請求項２に記載の装置。
5. 前記少なくとも１回の蓄積期間は、前記エネルギ蓄積モジュールの電圧が第１の閾値を満たすときに始まり、前記少なくとも１回のバースト期間は、前記電圧が第２の閾値を満たすときに始まる、請求項４に記載の装置。
6. 前記バーストモードコントローラが、前記測定量に基づいて前記第１の閾値及び前記第２の閾値を決定する、請求項５に記載の装置。
7. 前記第１の閾値と前記第２の閾値が満たされるときを判定するバースト起動コントローラを更に備える、請求項６に記載の装置。
8. 前記ＡＣ出力電力を前記ＤＣ入力電力より大きくするバースト電流コントローラを更に備える、請求項１に記載の装置。
9. 前記少なくとも１回の蓄積期間及び前記少なくとも１回のバースト期間は、前記ＤＣ入力電力が動作電力閾値を満たすときに発生する、請求項１に記載の装置。
10. 前記動作電力閾値が前記機器の電力定格の３０％である、請求項９に記載の装置。
11. 前記エネルギ蓄積モジュールが少なくとも一つのキャパシタを備える、請求項１に記載の装置。
12. ＤＣ入力電力をＡＣ出力電力に変換する方法であって、
    少なくとも１回の蓄積期間中にエネルギをエネルギ蓄積モジュールに蓄積するステップと、
    前記ＡＣ出力電力が少なくとも１回のバースト期間中に前記ＤＣ入力電力より大きくなるように、該少なくとも１回のバースト期間中に前記エネルギ蓄積モジュールからエネルギ取り出すステップと、
    前記ＤＣ入力電力を供給する機器を最大電力点（ＭＰＰ）の近くで作動させるための最大電力点追従（ＭＰＰＴ）技術を利用するステップと、
    を含む方法。
13. 前記ＭＰＰＴ技術が、前記機器の動作電圧の変化に対する前記機器からの出力電力の変化を計算し、該計算の結果を利用して前記機器を前記ＭＰＰへ駆動することを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記計算の前記結果は、該結果が正であるときに、ＡＣ電流出力が前記ＭＰＰに達するように減少されなければならないことを示し、前記結果が負であるときに、前記ＡＣ電流出力が前記ＭＰＰに達するように増加されなければならないことを示す、請求項１３に記載の方法。
15. 前記機器の出力電流及び前記動作電圧の測定量を受信し、前記測定量に基づいて前記計算を実行するステップを更に備える、請求項１３に記載の方法。
16. 前記少なくとも１回の蓄積期間は、前記エネルギ蓄積モジュールの電圧が第１の閾値を満たすときに始まり、前記少なくとも１回のバースト期間は、前記電圧が第２の閾値を満たすときに始まる、請求項１５に記載の方法。
17. 前記測定量に基づいて前記第１の閾値及び前記第２の閾値を決定するステップを更に備える、請求項１６に記載の方法。
18. 前記エネルギを蓄積するステップ及び前記エネルギを取り出すステップは、前記ＤＣ入力電力が動作電力閾値を満たすときに行われる、請求項１２に記載の方法。
19. 前記動作電力閾値が前記機器の電力定格の３０％である、請求項１８に記載の方法。
20. 少なくとも一つの光電池（ＰＶ）モジュールと、
    ＤＣ入力電力をＡＣ出力電力に変換する少なくとも一つのＤＣ−ＡＣインバータと、
    少なくとも一つのエネルギ蓄積モジュールと、
    （i）少なくとも１回の蓄積期間中にエネルギが前記少なくとも一つのエネルギ蓄積モジュールに蓄積され、少なくとも１回のバースト期間中に前記少なくとも一つのＤＣ−ＡＣインバータの前記ＡＣ出力電力が該少なくとも一つのＤＣ−ＡＣインバータの前記ＤＣ入力電力より大きくなるように、該少なくとも１回のバースト期間中に前記エネルギ蓄積モジュールから前記エネルギが取り出されるようにし、（ii）前記少なくとも一つのＰＶモジュールを最大電力点（ＭＰＰ）の近くで作動させるための最大電力点追従（ＭＰＰＴ）技術を利用する少なくとも一つのバーストモードコントローラと、
    を備える電力変換システム。
21. 前記ＭＰＰＴ技術が、前記少なくとも一つのＰＶモジュールの動作電圧の変化に対する前記少なくとも一つのＰＶモジュールからの出力電力の変化を計算し、該計算の結果を利用して前記少なくとも一つのＰＶモジュールを前記ＭＰＰへ駆動することを含む、請求項２０に記載のシステム。

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