JP5680059B2

JP5680059B2 - 光起電力システムにおける過剰電圧保護システム及び方法

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Publication number: JP5680059B2
Application number: JP2012505978A
Authority: JP
Inventors: サムチサーハン，
Original assignee: National Semiconductor Corp
Current assignee: National Semiconductor Corp
Priority date: 2009-04-17
Filing date: 2010-04-16
Publication date: 2015-03-04
Anticipated expiration: 2030-04-16
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Description

本願は、２００９年４月１７日に出願した米国仮特許出願第６１／１７０，５８５号に対して米国特許法３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．１１９（ｅ）条に基く優先権を主張しており、それを引用によりここに取り込んでいる。

本願は、大略、電気的パワーシステムに関するものであって、更に詳細には、光起電力パワーシステムにおける過剰電圧保護システム及び方法に関するものである。

光起電力（「ＰＶ」）パネル（「ソラーパネル」とも呼称する）は、太陽からの照射光を使用して電気的エネルギを発生する。ソラーパネルは、太陽光を電気的エネルギへ変換させるために多数のＰＶセルを包含している。大多数のソラーパネルは、ウエハを基礎とした結晶性シリコンセル又はテルル化カドミウム又はシリコンに基く薄膜セルを使用する。ＰＶセルにおいてウエハ形態で通常使用される結晶性シリコンは、通常半導体において使用されるシリコンから派生される。ＰＶセルは、光を直接的にエネルギへ変換させる半導体装置である。光がＰＶセル上に照射されると、該セルを横断して電圧が発生し、且つ負荷に接続されると、該セルを介して電流が流れる。該電圧及び電流は、該セルの物理的寸法、該セルに照射される光の量、該セルの温度、及び外部要因を含む幾つかの要因と共に変化する。

ソラーパネル（「ＰＶモジュール」とも呼称される）は、直列及び並列に配列した複数のＰＶセルから構成される。例えば、ＰＶセルは、最初に、一つのグループ内において直列に結合される。次いで、多数のグループを並列に一体的に結合させる。同様に、ＰＶアレイ（「ソラーアレイ」とも呼称される）が直列及び並列に配列させたソラーパネルから構成される。

各ソラーパネルによって発生される電気的パワーは、ソラーパネルの電圧及び電流によって決定される。ソラーアレイにおいて、電気的接続が直列に行われて所望の出力ストリング電圧を達成し、及び／又は、並列に行われて所望量のストリング電流源能力を提供する。幾つかの場合に、各パネル電圧がＤＣ−ＤＣコンバータでブースト（boost）即ち昇圧又はバック（buck）即ち降圧される。

ソラーアレイは、電気的負荷、配電網、又は蓄電池（これに制限されるわけではない）などの電気的パワー格納装置、へ接続される。ソラーパネルは直流（ＤＣ）電気的パワーを送給する。電気的負荷、配電網、又は電気的パワー格納装置が交流（ＡＣ）（例えば、６０Ｈｚ）を使用して動作する場合には、ソラーアレイは、ＤＣ−ＡＣインバータを介して、電気的負荷、配電網、又は電気的パワー格納装置へ接続される。

しばしば、ソラーパネルは大きく且つ高速のパワー過渡的状態（power transient）が可能である。これらの過渡的状態期間中に、ソラーパネルによって発生されるパワーとインバータによって配線網（例えば、配電網へ接続されているソラーアレイの場合）上に入れられるパワーとの間の差異が格納され且つ電気的エネルギ格納装置（例えば、インバータ入力コンデンサ）によって解放される。ストリング過剰電圧と呼称される或る条件下において、該パワーの差異は、インバータ入力電圧をしてインバータの最大レイティング即ち定格を越えさせて、該インバータに対して厳しく且つ永久的な損傷を発生させる場合がある。

本開示は、光起電力システムの過剰電圧保護システム及び方法を提供する。

電気的パワーシステムに使用する光起電力アレイが提供される。該光起電力アレイは、複数の光起電力モジュール及び電圧変換器を包含している。該電圧変換器は該複数の光起電力モジュールの内の少なくとも一つに結合されている。該光起電力アレイは、更に、過剰電圧保護回路を包含している。過剰電圧保護回路は、電圧変換器の出力へ結合すべく適合されているインターフェースを包含している。過剰電圧保護回路は、又、電圧変換器の出力電圧における電圧スパイクを検知する形態とされているスパイク検知器を包含している。過剰電圧保護回路は、更に、スパイク検知器から受取られた過剰電圧信号に応答して電圧変換器の出力電圧スルーレートを調整する形態とされている電圧制御モジュールを包含している。

太陽電池パワーシステムに使用する装置も提供される。該装置は、電圧変換器の出力へ結合すべく適合されているインターフェースを包含している。該装置は、又、電圧変換器の出力電圧における電圧スパイクを検知する形態とされているスパイク検知器を包含している。該装置は、更に、スパイク検知器から受取った過剰電圧信号に応答して、電圧変換器の出力電圧スルーレートを調整する形態とされている電圧制御モジュールを包含している。

光起電力アレイにおける過剰電圧回避方法も提供される。該方法は、電圧変換器の出力電圧を検知することを包含している。該方法は、更に、スレッシュホールド値を越える出力電圧の変化のレート即ち割合に基いて過剰電圧イベントを検知することを包含している。該方法は、又、過剰電圧イベントの検知に応答して電圧変換器を調整することを包含している。

以下の詳細な説明を行う前に、この特許文書を介して使用される或る単語や句の定義を説明しておくことが有益的である場合がある。「結合（couple）」という用語及びその派生語は、互いに物理的に接触しているか否かに拘わらずに、２個又はそれ以上の要素の間での任意の直接的又は間接的な伝達を意味している。「送信（transmit）」、「受信（receive）」、及び「通信（communicate）」及びそれらの派生語は、直接的及び間接的な両方の伝達を包含している。「含む（include）」及び「有する（comprise）」という用語及びそれらの派生語は、制限無しでの包含を意味している。「又は（or）」は包括的であり、及び／又は（and/or）を意味している。「と関連する（associated with）」及び「それと関連する（associated therewith）」という句及びそれらの派生句は、包含すること、の中に包含されること、と相互接続すること、含有すること、の中に含有されること、へ又はと接続すること、へ又はと結合すること、と伝達可能であること、と協働すること、インターリーブすること、並置すること、へ近接していること、へ又はと束縛されていること、持つこと、所有すること、等を意味する場合がある。「制御器（controller）」という用語は、少なくとも一つの動作を制御する任意の装置、システム、又はその一部を意味している。制御器は、ハードウエア、ファームウエア、ソフトウエア、又はそれらの内の少なくとも２つの何らかの組合せである場合がある。任意の特定の制御器と関連する機能性は、局所的であると遠隔的であるとに拘わらずに、集中型又は分散型とすることが可能である。

本開示の実施例に基く例示的な光起電力（ＰＶ）アレイシステムの概略図。本開示の実施例に基く例示的なソラーパネルの概略図。本開示の実施例に基く例示的なＰＶアレイシステムの概略図。本開示の実施例に基く例示的なアナログ過剰電圧保護回路（ＯＶＰＣ）の概略図。本開示の実施例に基く例示的なデジタルＯＶＰＣの概略図。本開示の実施例に基くＰＶアレイにおける例示的な過剰電圧保護プロセスを示したフローチャート。

以下に説明する図１乃至６及びこの特許文書における本開示の原理を説明するために使用される種々の実施例は例示のために過ぎないものであり、且つ本開示の範囲を制限するような態様で解釈されるべきではない。当業者が理解するように、本開示の原理は任意の適宜に構成した光起電力アレイシステムにおいて実現することが可能である。

図１は、本開示の実施例に基く例示的な光起電力（ＰＶ）アレイシステム１００を示している。図１に示したＰＶアレイシステム１００の実施例は例示のために過ぎない。ＰＶアレイシステム１００のその他の実施例を本開示の範囲を逸脱すること無しに使用することが可能である。

ＰＶアレイシステム１００は、多数のソラーパネル１０５ａ−１０５ｄ（集約的にソラーパネル１０５として言及する）を包含している。ソラーパネル１０５は、直列で、並列で、又は両方で、配列される。例えば、第１ストリング１１０は、ソラーパネル１０５ｂと直列に結合されているソラーパネル１０５ａを包含しており、一方、第２ストリング１１５は、ソラーパネル１０５ｄと直列に結合されているソラーパネル１０５ｃを包含している。付加的に、第１ストリング１１０は第２ストリング１１５と並列に結合されている。更に、各夫々のストリング１１０又は１１５を横断しての電圧はストリング電圧として言及され、且つ各夫々のストリング１１０又は１１５を介しての電流はストリング電流として言及される。

ＰＶアレイシステム１００は、又、ＤＣ−ＡＣインバータ１３５を包含している。各ソラーパネル１０５はＤＣ−ＡＣインバータ１３５へ結合されている。ソラーパネル１０５は、ＤＣ−ＡＣインバータ１３５に対して、１個又はそれ以上の付加的なソラーパネル１０５と直列に結合させることが可能である。付加的に、且つ代替的に、ソラーパネル１０５は、ＤＣ−ＡＣインバータ１３５に対して、１個又はそれ以上の付加的なソラーパネル１０５と並列に結合させることが可能である。ＤＣ−ＡＣインバータ１３５は、ＰＶアレイシステム１００からパワーを抽出し、且つ該抽出したパワーを、配電網即ちグリッド（grid）１４０との相互接続のためにＤＣからＡＣへ変換する。

ＰＶアレイシステム１００の各ストリング１１０，１１５は、ＤＣ−ＡＣインバータ１３５との動作のために特定寸法に従って寸法が設定される。その特定寸法は、ストリング１１０，１１５における全てのソラーパネル１０５の開回路電圧の和が、ＰＶアレイ適用例によって特定される温度条件に対応するＤＣ−ＡＣインバータ１３５の最大入力電圧レイティング即ち定格を超えることが不可能であるように、決定される。

図２は、本開示の実施例に基く例示的なソラーパネル１０５を示している。図２に示したソラーパネル１０５の実施例は例示的なものに過ぎない。ソラーパネル１０５のその他の実施例を本開示の範囲を逸脱すること無しに使用することが可能である。

各ソラーパネル１０５は、直列に、並列に、又はその両方に配列されている多数のＰＶセル２０５ａ−２０５ｉ（集約的にＰＶセル２０５と言及する）を包含している。例えば、複数のＰＶセルからなる第１ストリング２１０は、ＰＶセル２０５ａ，２０５ｂ，２０５ｃが直列に結合される場合に、形成される。複数のＰＶセルからなる第２ストリング２１５は、ＰＶセル２０５ｄ，２０５ｅ，２０５ｆが直列に結合される場合に、形成される。複数のＰＶセルからなる第３ストリング２２０は、ＰＶセル２０５ｇ，２０５ｈ，２０５ｉが直列に結合される場合に、形成される。その後に、第１ストリング２１０と、第２ストリング２１５と、第３ストリング２２０とが並列に結合されてソラーパネル１０５を形成する。

ＰＶセル２０５は、光を直接的にエネルギへ変換させる半導体装置である。光がＰＶセル２０５に当ると、該セルを横断して電圧が発生し、且つ負荷に接続される場合には、該セルを介して電流が流れる。該電圧及び電流は、該セルの物理的寸法、該セル上に当る光の量、該セルの温度、及び外部的要因を含む幾つかの要因と共に変化する。ＰＶモジュールは、各ソラーパネルが正の電位（例えば、電圧）を包含するように、一体的に結合される。

図１に戻ると、幾つかの実施例において、各ソラーパネル１０５は、その出力端子上でパネル専用変換器（ＰＤＣ）１２０へ結合されている。ＰＤＣ１２０は、ソラーパネル１０５へ結合されているＤＣ−ＤＣコンバータ１２５を包含している。従って、直列に結合されたＤＣ−ＤＣコンバータ１２５を横断しての電圧はストリング電圧であり、且つ直列に結合されたＤＣ−ＤＣコンバータ１２５を介しての電流はストリング電流である。ＤＣ−ＤＣコンバータ１２５は、ソラーパネル１０５に対してパワーブーストを与える形態とされている。ＤＣ−ＤＣコンバータ１２５は、該パワーを、システムが駆動すべく設計されている負荷に対して一層適切である電圧又は電流レベルへ変換させる。例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２５は、ソラーパネル１０５から受取った電圧の２対１（２：１）のブーストを実施する。この様な例においては、ソラーパネル１０５は、３０ボルト（３０Ｖ）乃至５０ボルト（５０Ｖ）の範囲内の電圧を出力する形態とされている（例えば、出力電圧はソラーパネル１０５において受光される太陽光の量に依存する場合がある）。ＤＣ−ＤＣコンバータ１２５は該電圧を６０ボルト（６０Ｖ）乃至１００ボルト（１００Ｖ）の対応する範囲へブーストする（例えば、高電圧コンバータの場合）。付加的な例において、ソラーパネルは１ボルト（１Ｖ）乃至３０ボルト（３０Ｖ）の範囲内の電圧を出力する形態とされている。ＤＣ−ＤＣコンバータ１２５は該電圧を２ボルト（２Ｖ）乃至６０ボルト（６０Ｖ）の対応する範囲へブーストする（例えば、低電圧コンバータの場合）。

ＰＤＣ１２０は、又、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２５へ結合されている過剰電圧保護回路（ＯＶＰＣ）１３０を包含している。幾つかの実施例において、ＯＶＰＣ１３０はＤＣ−ＤＣコンバータ１２５の内部にある。付加的な実施例においては、ＯＶＰＣ１３０はＤＣ−ＤＣコンバータ１２５の外部にある。ＯＶＰＣ１３０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２５の出力電圧スルーレートを検知する形態とされている。出力電圧スルーレートは、任意の点においての出力電圧信号の最大変化率を表している。ＯＶＰＣ１３０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２５の出力電圧スルーレートにおける急激な及び／又は大きなトランジエント（transient）即ち過渡的状態を検知する。ＯＶＰＣ１３０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２５の出力電圧を調整するために動作可能である。ＯＶＰＣ１３０は制御信号をＤＣ−ＤＣコンバータ１２５へ送り、それはＤＣ−ＤＣコンバータ１２５のデューティサイクルを制限して出力電圧スルーレートを所望の出力電圧スルーレートへ遅滞化させる。

図３は、本開示の実施例に基く別の例示的なＰＶアレイシステム３００を示している。図３に示したＰＶアレイシステム３００の実施例は例示的なものに過ぎない。ＰＶアレイシステム３００のその他の実施例を本開示の範囲を逸脱すること無しに使用することが可能である。

ＰＶアレイシステム３００は、多数のソラーパネル１０５ａ−１０５ｂ（集約的にソラーパネル１０５として言及する）を包含している。ソラーパネル１０５は、直列に、並列に、又は両方に、配列される（この例においては、ストリング１１０内において直列）。理解されるように、２個のソラーパネル１０５を包含する１個のストリング１１０の例示は例示のために過ぎず、任意の数のソラーパネル１０５を包含する複数のストリング１１０を包含する実施例を本開示の範囲を逸脱すること無しに使用することが可能である。

幾つかの実施例において、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２５は各ストリング１１０へ結合されている。付加的な且つ代替的な実施例において、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２５は複数のストリング１１０へ結合されている。幾つかの実施例において、ＯＶＰＣ１３０はＤＣ−ＤＣコンバータ１２５の外部にある。ＯＶＰＣ１３０がＤＣ−ＤＣコンバータ１２５の出力電圧スルーレートを検知し且つ制御信号３０５を介してＤＣ−ＤＣコンバータ１２５を調整するように、ＯＶＰＣ１３０がＤＣ−ＤＣコンバータ１２５へ結合されている。幾つかの実施例においては（不図示）、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２５はＯＶＰＣ１３０を包含している。

ＯＶＰＣ１３０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２５の出力電圧スルーレートを検知する。ＯＶＰＣ１３０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２５の出力電圧スルーレートにおける急激で及び／又は大きな過渡的状態を検知する。ＯＶＰＣ１３０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２５の出力電圧を調整すべく動作可能である。ＯＶＰＣ１３０はＤＣ−ＤＣコンバータ１２５へ制御信号を送り、それはＤＣ−ＤＣコンバータ１２５のデューティサイクルを制限して出力電圧スルーレートを所望の出力電圧スルーレートへ遅滞化させる。

図４は、本開示の実施例に基く例示的なアナログＯＶＰＣ４００を示している。図４に示したアナログＯＶＰＣの実施例は例示のために過ぎない。アナログＯＶＰＣ４００のその他の実施例を本開示の範囲を逸脱すること無しに使用することが可能である。

ＯＶＰＣ４００は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２５の電圧出力スルーレートを検知する形態とされている第１インターフェース４０２を包含している。ＯＶＰＣ４００は、又、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２５の出力スルーレートを検知する形態とされている第２インターフェース４０４を包含している。第１インタフェース４０２は、分圧器回路４０６へ結合されている。分圧器回路４０６は、第１抵抗４０８及び第２抵抗４１０を包含している。第２インターフェース４０４は、第１電圧入力回路４１２及び第２電圧入力回路４１４へ結合されている。第１電圧入力回路４１２はオペアンプ（ｏｐ−ａｍｐ）４１６の反転端子へ結合されている。第２電圧入力回路４１４はｏｐ−ａｍｐ４１６の非反転端子へ結合されている。

第１電圧入力回路４１２は分圧器回路を包含しており、第１抵抗４１８はノード４２０へ結合されており且つ第２抵抗４２２はノード４２０及び接地４２６の間に第１コンデンサ４２４と並列に結合されている。第２電圧入力回路４１４は分圧器回路を包含しており、第２抵抗４２８はノード４３０へ結合されており且つ第２抵抗４３２はノード４３０及び接地４２６の間に第２コンデンサ４３４と並列に結合されている。第１電圧入力回路４１２のノード４２０はｏｐ−ａｍｐ４１６の反転端子へ結合されており、一方、第２電圧入力回路４１４のノード４３０はｏｐ−ａｍｐ４１６の非反転端子へ結合されている。

ｏｐ−ａｍｐ４１６の出力はスレッシュホールドノード４３６へ結合されている。ｏｐ−ａｍｐ４１６の正電源が５ボルト（５Ｖ）電源４３８へ結合されている。ｏｐ−ａｍｐ４１６の負電源が接地４２６へ結合されている。付加的に、第３コンデンサ４４２がｏｐ−ａｍｐ４１６の正電源とｏｐ−ａｍｐ４１６の負電源との間に結合されている。更に、スレッシュホールド抵抗４４０がｏｐ−ａｍｐ４１６の正電源とスレッシュホールドノード４３６との間に結合されている。

ダイオード４４４がスレッシュホールドノード４３６から分圧器４０６内に配置されているＡＶ出力ノード４４６へ結合されている（例えば、抵抗４０８と抵抗４１０とを結合しているノード）。ヒステリシス抵抗４４８がＡＶ出力ノード４４６とｏｐ−ａｍｐ４１６の非反転端子との間に結合されている。更に、低電圧制御器４５０がＡＶ出力ノード４４６へ結合されている。

アナログＯＶＰＣ４００がＤＣ−ＤＣコンバータ１２５へ結合されている。幾つかの実施例において、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２５はＯＶＰＣ４００を包含している。ＯＶＰＣ４００は、第１及び第２インターフェース４０２，４０４の各々がＤＣ−ＤＣコンバータ１２５の出力電圧を検知するように、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２５へ結合している。その出力電圧は電圧入力回路４１２，４１４の各々へ印加される。各ノード４２０及び４３０における電圧は、電圧入力回路４１２，４１４の容量に関して上昇する。そうであるから、コンデンサ４２４及びコンデンサ４３４は、電圧スルーレート限界をプログラムするために関連付けて寸法設定されている。例えば、コンデンサ４２４は５０マイクロファラッド（５０μＦ）に寸法設定させることが可能であり、且つコンデンサ４３４は１８マイクロファラッド（１８μＦ）に寸法設定させることが可能である。

定常状態において、ｏｐ−ａｍｐ４１６の反転端子（例えば、ノード４２０）における電圧は、ｏｐ−ａｍｐ４１６の非反転端子（例えば、ノード４３０）における電圧よりも一層高い電圧に維持される。抵抗４１８，４２２，４２８，４３２は、ノード４２０における電圧がノード４３０における電圧よりも僅かに一層高いものであるように、寸法設定されている。例えば、抵抗４１８，４２２，４２８，４３２は、ノード４２０における電圧がノード４３０における電圧よりも１００ミリボルト（１００ｍＶ）一層高いものであるように寸法設定させることが可能である。従って、非反転端子における電圧は反転端子における電圧未満であるから、ｏｐ−ａｍｐ４１６は電圧をスレッシュホールドノード４３６上に出力することはなく、該回路はディスエーブルされる。

過剰電圧条件が発生すると、コンデンサ４３４及び４２４の寸法設定の結果として、ノード４３０における電圧がノード４２０における電圧よりも一層早く上昇する。第２インターフェース４０４において検知される如く、出力電圧がΔ電圧だけ増加すると、ｏｐ−ａｍｐ４１６の非反転端子における電圧はｏｐ−ａｍｐ４１６の反転端子における電圧よりも一層大きくなる。例えば、コンデンサ４２４及び４３４によって設定される如く最小スルーレートが毎秒５ボルト（５Ｖ／ｓ）である場合にＤＣ−ＤＣコンバータ１２５の出力電圧が４０ボルト出力電圧に対して３ボルトだけ増加すると（即ち、４０ＶにおいてΔＶ＝３Ｖ）、ｏｐ−ａｍｐ４１６はスレッシュホールドノード４３６上に電圧を出力する。スレッシュホールド抵抗４４０は、スレッシュホールドノード４３６に付加される電圧がスタートアップ期間中にＯＶＰＣ４００をトリガすることがないように、寸法設定されている。ｏｐ−ａｍｐ４１６が抵抗４４０によって設定された如きスレッシュホールドよりも一層高い電圧をスレッシュホールドノード４３６上に出力すると、ＡＶ出力ノード４４６はソフト過剰電圧条件をシミュレートする。低電圧制御器４５０はＡＶ出力ノード４４６上のソフト過剰電圧条件を検知し且つＤＣ−ＤＣコンバータ１２５を調整する。

その後に、コンデンサ４２４上の電圧が増加すると、ノード４２０における電圧がノード４３０における電圧に到達し且つ僅かな量だけ超える。従って、ノード４２０における電圧がノード４３０における電圧を超えると、ｏｐ−ａｍｐ４１６の反転端子上の対応する電圧はｏｐ−ａｍｐ４１６の非反転端子上の電圧を越える。その結果、ｏｐ−ａｍｐ４１６はスレッシュホールドノード４３６上に電圧を出力することを止め、且つ該回路はディスエーブルする。

ヒステリシス抵抗４４８はＯＶＰＣ４００にヒステリシスを導入すべく動作する。ヒステリシスは、出力が最近の履歴を考慮に入れることによりゆっくりと反応するように、信号をフィルタするために使用することが可能である。このことは、電圧がスレッシュホールド点周りをドリフトする場合に迅速にスイッチオン及びオフすることを防止する。幾らかの量のヒステリシスが意図的にＯＶＰＣ４００へ付加されて不所望の迅速なスイッチングを防止している。

図５は本開示の実施例に基く例示的なデジタルＯＶＰＣ５００を示している。図５に示したデジタルＯＶＰＣ５００の実施例は例示のために過ぎない。デジタルＯＶＰＣ５００のその他の実施例を本開示の範囲を逸脱すること無しに使用することが可能である。

ＯＶＰＣ５００は、中央処理装置（「ＣＰＵ」）５５０、メモリユニット５１０、入力／出力（「Ｉ／Ｏ」）インターフェース５１５、アナログ・デジタル（「Ａ／Ｄ」）変換器５２０、及び１個又はそれ以上の入力端子５２５を包含している。入力端子５２５は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２５の出力における電圧を検知する（例えば、検出及び／又は測定）形態とされている。ＯＶＰＣ５００の部品は１個又はそれ以上の通信リンク５３０（例えば、バス）によって相互接続されている。理解されるように、ＯＶＰＣ５００は異なる形態とさせることが可能であり且つリストした部品の各々は実際には幾つかの異なる部品を表す場合がある。例えば、ＣＰＵ５０５は、実際には、マルチプロセッサ又は分散型処理システムを表す場合がある。メモリユニット５１０は、異なるレベルのキャッシュメモリ、メインメモリ、ハードディスク、及び遠隔格納位置を包含する場合がある。Ｉ／Ｏインターフェース５１５はモニタ、キーボード等を包含する場合がある。付加的に、メモリユニット５１０は、ＣＰＵ５０５をして以下に概説するＯＶＰＣ５００の機能の内の一つ又はそれ以上を実施させる形態とされている複数個の命令を格納する。メモリユニット５１０は、又、入力端子５２５を介して受取られ且つＡ／Ｄ変換器５２０によってデジタル化される信号に対する一つ又はそれ以上の検知した値を格納することが可能である。付加的に、メモリユニット５１０はスレッシュホールド値及び所望の電圧スルーレートを格納することが可能である。

ＯＶＰＣ５００はＤＣ−ＤＣコンバータ１２５へ結合されている。幾つかの実施例において、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２５はＯＶＰＣ５００を包含している。入力端子５２５はＤＣ−ＤＣコンバータ１２５の出力電圧を検知する形態とされている。入力端子５２５は、該出力電圧に対応する信号をＡ／Ｄ変換器５２０へ転送させる。Ａ／Ｄ変換器５２０は、入力端子５２５から受取ったアナログ信号を、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２５の出力電圧を表す一つ又はそれ以上のデジタル信号へ変換する。Ｉ／Ｏインターフェース５１５は、オペレータが、スレッシュホールド電圧スルーレート、所望の電圧スルーレート、ヒステリシスパラメータ、その他の値、又はこれらの組合せを、エンターし、格納し、且つ変更することを可能とさせる。

ＣＰＵ５０５はＡ／Ｄ変換器５２０からデジタル信号を受け取る。ＣＰＵ５０５は、該デジタル信号がＤＣ−ＤＣコンバータ１２５の出力電圧における変化を反映しているか否かを判別する。幾つかの実施例において、ＣＰＵ５０５は該信号をメモリユニット５１０内に格納する。ＣＰＵ５０５は、特定した間隔でデジタル信号のサンプルを取ることによってＤＣ−ＤＣコンバータ１２５の出力電圧における変化の割合を決定する。例えば、ＣＰＵ５０５は、毎秒当り百回、毎秒当り千回、又は幾らかのその他のサンプリング頻度で、デジタル信号をサンプルすることが可能である。幾つかの実施例においては、Ａ／Ｄ変換器５２０はそのサンプリングを実施し、且つＣＰＵ５０５がＡ／Ｄ変換器５２０から受取ったデジタル信号の全てを読み取る。

ＣＰＵ５０５は、決定した出力電圧スルーレートを、メモリユニット５１０内に格納されているスレッシュホールド電圧スルーレートと比較する。該出力電圧スルーレートは、その信号における任意の点においての信号（例えば、出力電圧を表すデジタル信号）の最大の変化割合を表している。ＣＰＵ５０５がＤＣ−ＤＣコンバータ１２５の電圧スルーレートがスレッシュホールド電圧スルーレートを超えていることを判別すると、ＣＰＵ５０５は制御信号を送給してＤＣ−ＤＣコンバータ１２５の出力を調整する。例えば、ＣＰＵ５０５は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２５の出力が遅滞化されるように、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２５のデューティサイクルを制限することが可能である。

幾つかの実施例においては、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２５は出力電圧に対応する値をＯＶＰＣ５００へ送給する。この様な実施例においては、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２５は、Ａ／Ｄ変換器５２０で構成することが可能であり、且つＯＶＰＣ５００は入力インターフェース５２５を介してデジタル化された信号を受け取る。従って、この様な実施例においては、ＯＶＰＣ５００はＡ／Ｄ変換器５２０を包含しない場合がある。

更に、ＣＰＵ５０５はそのプロセスにおいてヒステリシスを実現する形態とされている。ＣＰＵ５０５はデジタル信号をフィルタし且つ最近の履歴を考慮にいれてゆっくりと反応する。このことは、電圧がスレッシュホールド点周りにドリフトする場合に迅速なスイッチングオン及びオフを防止する。幾らかの量のヒステリシスが意図的にＯＶＰＣ５００に付加されて不所望の迅速なスイッチングを防止する。

ＯＶＰＣ１３０（例えば、ＯＶＰＣ４００又は５００）が過剰電圧イベントを検知すると（例えば、電圧スパイク又は大きな過渡的電圧などであるが、これらに制限されるものではない）、ＯＶＰＣ１３０はＤＣ−ＤＣコンバータ１２５のデューティサイクルを減少させることによって過剰電圧を減少又は回避する。ＯＶＰＣ１３０は、変換比を特定した値に強制させるか、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２５のデューティサイクルを制限するか、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２５のデューティサイクルを出力電圧又は出力電圧スルーレートに比例する量だけ変化させるか、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２５の出力を最大出力電圧に設定するか、又は上述したものの任意の組合せによって、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２５のデューティサイクルを変化させることが可能である。

１例として、ＯＶＰＣ１３０はＤＣ−ＤＣコンバータ１２５の変換比を１（例えば１：１）（これに制限されるものではない）等の特定の値に設定することが可能である。従って、ＯＶＰＣ１３０はＤＣ−ＤＣコンバータ１２５がソラーパネル１０５からの電圧をブースト即ち昇圧することがないように強制させる。ソラーパネル１０５が３０Ｖ−５０Ｖの範囲内の電圧を出力する形態とされている場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２５は３０Ｖ−５０Ｖの範囲において対応する電圧を出力する。付加的に、ソラーパネル１０５が１Ｖ−３０Ｖの範囲内の電圧を出力する形態とされている場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２５は１Ｖ−３０Ｖの範囲内の対応する電圧を出力する。

付加的に且つ代替的に、ＯＶＰＣ１３０はＤＣ−ＤＣコンバータ１２５のデューティサイクルを所望の出力電圧スルーレートに比例する量だけ変化させることが可能である。或る電圧スルーレートスレッシュホールドが与えられると、ＯＶＰＣ１３０は、所望の出力電圧スルーレートに対応する電流においてシステムを動作させるためにＤＣ−ＤＣコンバータ１２５のデューティサイクルを調整する。

更に、ＯＶＰＣ１３０はＤＣ−ＤＣコンバータ１２５の出力電圧を最大値へ制限させることが可能である。例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２５の電圧は、３０Ｖ−５０Ｖの範囲内の電圧を出力する形態とされているソラーパネル１０５へ結合されている場合には、１００Ｖの最大に制限させることが可能である。付加的に且つ代替的に、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２５の電圧は、１Ｖ−３０Ｖの範囲内の電圧を出力する形態とされているソラーパネル１０５に結合されている場合には、５０Ｖの最大へ制限させることが可能である。

図６は本開示の実施例に基くＰＶアレイにおける例示的な過剰電圧保護プロセス６００を示している。図６に示した過剰電圧保護プロセス６００の実施例は例示的なものに過ぎない。過剰電圧保護プロセス６００のその他の実施例を本開示の範囲を逸脱すること無しに使用することが可能である。

ＯＶＰＣは、ステップ６０５において、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を測定する。ＯＶＰＣ１３０（即ち、４００又は５００）は、電圧スルーレートを検知する形態とされている。電圧スルーレートは、信号における任意の点においての出力電圧の最大変化割合を表している。ＯＶＰＣは、スレッシュホールド値を超える電圧スルーレートに応答してトリガする形態とされている。例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ出力電圧が、最小電圧スルーレート（毎秒当り５Ｖに設定）でΔＶ（４０ボルト出力において３ボルトに設定）だけ増加する場合に、ＯＶＰＣがトリガする。幾つかの実施例においては、ＯＶＰＣ１３０は、測定した電圧、スレッシュホールド、又はその両方を、メモリユニット５１０内に格納する。

ステップ６１０において、過剰電圧イベントが発生する。過剰電圧イベントの結果、出力電圧において大きな過渡的状態が現れる（又は電圧におけるスパイク）。過剰電圧イベントの結果、ＯＶＰＣがステップ６１５においてトリガする。ＯＶＰＣ１３０は、出力電圧における変化割合がスレッシュホールド値を超えていることを、判別する。

ＯＶＰＣが、ステップ６２０において、ＤＣ−ＤＣコンバータを調整する。ＯＶＰＣ３１０は制御信号をＤＣ−ＤＣコンバータ１２５へ送給する。該制御信号はＤＣ−ＤＣコンバータ１２５の出力を調整する。例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２５のデューティサイクルが制限されて、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２５の出力電圧を所望の電圧スルーレートへ遅滞化させる。

ＯＶＰＣは、ステップ６２５において、定常状態が達成されるまで、継続してＤＣ−ＤＣコンバータを調整する。ＯＶＰＣ１３０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２５の出力電圧を継続してモニタして出力電圧が何時安定化されるかを決定する。ＯＶＰＣ１３０は継続して制御信号を送給してＤＣ−ＤＣコンバータ１２５の出力を調整する。更に、ＯＶＰＣ１３０は、出力電圧の変化割合がスレッシュホールド値近くである場合に、迅速なスイッチングを防止する形態とされている。ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が定常状態に到達すると、ＯＶＰＣは、ステップ６３０において、ディスエーブルする（例えば、シャットオフする）。

本開示は種々の実施例を記載しているが、種々の変更及び修正が当業者に示唆される場合がある。本開示はこれらの変更及び修正が特許請求の範囲内に入るものとして包含していることが意図されている。

Claims

電気的パワーシステムに用いる光起電力アレイであって、
複数の光起電力モジュールの少なくとも１つのストリングと、
前記モジュールのストリングからのパワーを負荷に結合するように構成されるインバータと、
を含み、
各モジュールが電圧変換器と過電圧保護回路とを有し、
前記電圧変換器が前記モジュールから前記ストリングに出力されるパワーを変換するように構成され、
前記過電圧保護回路が、
閾値を越える前記電圧変換器の出力電圧の変化率（出力電圧スルーレート）に基づいてストリング過電圧イベントを検知するように構成されるスパイク検知器と、
前記ストリング過電圧イベントに応答して前記電圧変換器の出力電圧スルーレートを調整するように構成され、それにより前記電圧変換器の出力電圧スルーレートを前記閾値よりも小さく制限する電圧制御モジュールと、
を含む、光起電力アレイ。
請求項１に記載の光起電力アレイであって、
前記スパイク検知器が、
前記電圧変換器の出力電圧をデジタル出力電圧表現に変換するように構成されるアナログ・デジタル変換器と、
前記デジタル出力電圧表現に対応して前記ストリング過電圧を検知するように構成されるデジタル検知モジュールと、
を含む、光起電力アレイ。
請求項１に記載の光起電力アレイであって、
前記電圧変換器が前記過電圧保護回路を含む、光起電力アレイ。
請求項１に記載の光起電力アレイであって、
前記スパイク検知器が、
増幅器と、
前記増幅器の第１の入力に結合される第１の電圧入力回路と、
前記増幅器の第２の入力に結合される第２の電圧入力回路と、
を含み、
前記増幅器が、前記第１の電圧入力回路からの電圧と前記第２の電圧入力回路からの電圧との間の差を検知することに応答して、前記出力電圧スルーレートが前記閾値を越えたことを示すように、前記ストリング過電圧イベントを通知するように構成される、光起電力アレイ。
請求項４に記載の光起電力アレイであって、
前記第１及び第２の電圧入力回路のそれぞれのコンデンサの寸法設定の結果として前記閾値を確立するように構成される閾値回路を更に含む、光起電力アレイ。
請求項４に記載の光起電力アレイであって、
一連のストリング過電圧イベントを通知することをヒステリシス的に制御するように構成されるヒステリシス回路を更に含む、光起電力アレイ。
請求項１に記載の光起電力アレイであって、
前記電圧制御モジュールが前記電圧変換器のデューティサイクルを制限するように構成される、光起電力アレイ。
直列に接続される複数の光起電力モジュールの少なくとも１つのストリングと、前記モジュールのストリングからのパワーを負荷に結合するように構成されるインバータとを含む太陽電池パワーシステムに用いるデバイスであって、少なくとも１つのモジュールが前記デバイスと作動可能であり、前記デバイスが、
関連したモジュールに結合される電圧変換器であって、前記モジュールから前記ストリングに出力されるパワーを変換するように構成される、前記電圧変換器と、
前記電圧変換器に結合される過電圧保護回路と、
を含み、
前記過電圧保護回路が、
閾値を越える前記電圧変換器の出力電圧の変化率（出力電圧スルーレート）に基づいてストリング過電圧イベントを検知するように構成されるスパイク検知器と、
前記ストリング過電圧イベントに応答して前記電圧変換器の出力電圧スルーレートを調整するように構成され、それにより前記電圧変換器の出力電圧スルーレートを前記閾値よりも小さく制限する電圧制御モジュールと、
を含む、デバイス。
請求項８に記載のデバイスであって、
前記スパイク検知器が、
前記電圧変換器の出力電圧をデジタル出力電圧表現に変換するアナログ・デジタル変換器と、
前記デジタル出力電圧表現に応答して前記ストリング過電圧イベントを検知するように構成されるデジタル検知モジュールと、
を含む、デバイス。
請求項８に記載のデバイスであって、
前記スパイク検知器が、
増幅器と、
前記増幅器の第１の入力に結合される第１の電圧入力回路と、
前記増幅器の第２の入力に結合される第２の電圧入力回路と、
を含み、
前記増幅器が、前記第１の電圧入力回路からの電圧と前記第２の電圧入力回路からの電圧との間の差を検知することに応答して、前記出力電圧スルーレートが前記閾値を越えたことを示すように、前記オペアンプが前記ストリング過電圧イベントを通知するように構成される、デバイス。
請求項１０に記載のデバイスであって、
前記第１及び第２の電圧入力回路のそれぞれのコンデンサの寸法設定の結果として前記閾値を確立するように構成される閾値回路を更に含む、デバイス。
請求項１０に記載のデバイスであって、
一連のストリング過電圧イベントを通知することをヒステリシス的に制御するように構成されるヒステリシス回路を更に含む、デバイス。
請求項８に記載のデバイスであって、
前記電圧制御モジュールが前記電圧変換器のデューティサイクルを制限するように構成される、デバイス。
請求項８に記載のデバイスであって、
前記電圧変換器が前記過電圧保護回路を含む、デバイス。
直列に接続される複数の光起電力モジュールの少なくとも１つのストリングを含む光起電力アレイであって、前記ストリングからのパワーを負荷に結合するように構成されるインバータを含み、前記モジュールの各々が前記モジュールから前記ストリングに出力されるパワーを変換するように構成される関連した電圧変換器を含む、前記光起電力アレイにおける過電圧回避方法であって、
電圧変換器の出力電圧を検知することと、
閾値を超える前記電圧変換器の出力電圧の変化率（出力電圧スルーレート）に基づいてストリング過電圧イベントを検知することと、
前記ストリング過電圧イベントの検知に応答して前記電圧変換器の出力電圧スルーレートを調整することであって、それにより前記電圧変換器の出力電圧スルーレートを前記閾値よりも小さく制限する、前記調整することと、
を含む、方法。
請求項１５に記載の方法であって、
前記電圧変換器の出力電圧を検知することが、
前記出力電圧のアナログ測定値を前記出力電圧を表すデジタル信号へ変換することと、
特定のサンプリング周波数で前記デジタル信号をサンプリングすることと、
を含む、方法。
請求項１５に記載の方法であって、
前記ストリング過電圧イベントを検知することが、
第１の電圧と第２の電圧との間の差が前記出力電圧スルーレートに対応するように前記第１及び第２の電圧を発生することと、
前記第１の電圧と前記第２の電圧との間の差が前記閾値を超えるときに前記ストリング過電圧イベントを通知することと、
を含む、方法。
請求項１５に記載の方法であって、
一連のストリング過電圧イベントを通知することをヒステリシス的に制御することを更に含む、方法。
請求項１５に記載の方法であって、
前記電圧変換器の出力電圧スルーレートを調整することが、前記電圧変換器のデューティサイクルを制限することを含む、方法。