JP5783614B2 - 分散型最大パワーポイントトラッキングを具備する光起電力システムの過剰電圧保護システム及び方法 - Google Patents

Description

本願は、２００９年４月１７日に出願した米国仮特許出願第６１／１７０，５８２号に対して米国特許法第３５ＵＳＣ１１９（ｅ）条の下での優先権を主張しており、それを引用によりここに組み込んでいる。

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、太陽電池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（ここでは、「ソラーパネル」とも呼称する）は、太陽からの照射エネルギを使用して電気的エネルギを発生させる。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の多数のＰＶセルを包含している。大多数のソラーセルは、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セルにおいてはウエハ形態で一般的に使用される結晶性シリコンは、一般的に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た場合には該セルを介して電流が流れる。その電圧及び電流は、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に基いて変化する。

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された複数の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、多数のグループが並列に一体的に結合される。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れた複数の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構成されて所望の出力ストリング電圧を達成し、及び／又は、並列に構成されて所望量のストリング電流源能力を与える。幾つかの場合において、各パネル電圧はＤＣ−ＤＣ変換器でブースト即ち昇圧されるか又はバック即ち降圧される。

ソラーアレイは電気的負荷、配電網、又は電池（これに制限されるものではない）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）を使用して動作する場合（例えば、６０Ｈｚ）、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。

ソラーパネルは、それらのＩ−Ｖ曲線によって記述される電圧及び電流特性を示し、その１例を図１に示してある。ソラーセルが負荷に接続されていない場合には、それらの端子間の電圧は開回路電圧Ｖ_ＯＣである。該端子が一体的に接続されて短絡回路を形成している場合には、短絡回路電流Ｉ_ＳＣが発生される。両方の場合において、パワーは電圧と電流との積によって与えられるので、パワーが発生されることはない。最大パワーポイント（ＭＰＰ）はソラーパネルが最大パワーで動作している点を画定する。

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となる場合がある。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電網上に与えられるパワー（例えば、配電網に接続されているソラーアレイの場合において）との間の差異は、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）によって格納され且つ解放される。ストリング過剰電圧と呼称される或る条件下において、そのパワーの差異は、インバータ入力電圧をしてインバータの最大定格を越えさせて、インバータに対して厳しく且つ永続的な損傷を発生させる場合がある。

本開示は、分散型最大パワーポイントトラッキングを具備する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している。

ソラーパネルパワーシステムにおいて使用するソラーパネルアレイが提供される。該ソラーパネルアレイは、複数のソラーパネル及び複数の電圧変換器からなるストリングを包含している。該電圧変換器の各々は該複数のソラーパネルからなるストリングにおける対応するソラーパネルへ結合されている。付加的に、該ソラーパネルアレイは、複数の最大パワーポイントトラッキング（ＭＰＰＴ）制御器を包含している。該ＭＰＰＴ制御器の各々は、該複数のソラーパネルからなるストリングにおける対応するソラーパネルへ結合されている。該ＭＰＰＴ制御器の各々は、対応するソラーパネルとインバータとの間の瞬間的なパワー不均衡を検知する形態とされている。

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、複数のソラーパネルからなるストリングにおける１個のソラーパネルに結合されるべく適合されている電圧変換器を包含している。該装置は、又、ＭＰＰＴ制御器を包含している。該ＭＰＰＴ制御器は該電圧変換器へ結合されている。付加的に、該ＭＰＰＴ制御器はソラーパネルとインバータとの間の瞬間的なパワー不均衡を検知する形態とされている。

光起電力アレイにおける過剰電圧を回避する方法が更に提供される。該方法は、複数のパワー変数の内の少なくとも一つを検知することを包含している。該方法は、更に、複数のソラーパネルからなるストリング内の１個のソラーパネルとソラーパネルアレイに結合されているインバータとの間のパワー不均衡を検知することを包含している。該方法は、又、電圧変換器の出力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、本特許文書において使用される或る単語及び用語の定義について説明することが有益的である。「結合（couple）」という用語及びその派生語は、物理的に互い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の任意の直接的又は間接的な通信のことを意味している。「送信（transmit）」、「受信（receive）」、及び「通信（communicate）」という用語及びそれらの派生語は、直接及び間接の両方の通信を包含している。「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）」という用語は、包括的であって、及び／又は、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、及びそれらの派生語は、包含すること、その中に包含されていること、それと相互接続すると、含有すること、その中に含有されていること、それに対して又はそれと共に接続すること、それに対して又はそれと共に結合すること、それと通信可能であること、それと協働すること、インターリーブすること、並置すること、それに対して近接していること、それに対して又はそれと共に拘束されていること、持っていること、所有していること等を意味する場合がある。「制御器（controller）」という用語は、少なくとも一つの操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、又はそれらの少なくとも２つの何らかの結合、で実現することが可能である。任意の特定の制御器と関連する機能性は、局所的であるか遠隔的であるかに拘わらずに、集中型又は分散型とすることが可能である。

光起電力（ＰＶ）パネルに対する例示的なＩ−Ｖ曲線を示している。 本開示の実施例に基く例示的なＰＶアレイシステムを示している。 本開示の実施例に基く例示的なソラーパネルを示している。 本開示の実施例に基く例示的なＡＣ切断イベントを示している。 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ている。 本開示の実施例に基いてＡＣ切断イベントが検知されない場合の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ている。

以下に説明する図１乃至６及び本特許文書における本開示の原理を説明するために使用する種々の実施例は、単に例示的なものであって、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、任意の適宜構成された光起電力アレイシステムにおいて実現させることが可能である。

図２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２００を例示している。図２に示されているＰＶアレイシステム２００の実施例は、例示のためのみである。ＰＶアレイシステム２００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２００は、多数のソラーパネル２０５ａ−２０５ｄ（集約的にソラーパネル２０５として言及する）を包含している。ソラーパネル２０５は、直列的に、並列的に、又は両方で、配列されている。例えば、ソラーパネル２０５ａはソラーパネル２０５ｂと直列に結合させることが可能であり、一方、ソラーパネル２０５ｃはソラーパネル２０５ｄと直列に結合されている。更に、ソラーパネル２０５ａ及び２０５ｂは、ソラーパネル２０５ｃ及び２０５ｄと、並列に結合されている。直列に結合されているソラーパネル２０５（例えば、ソラーパネル２０５ａ及び２０５ｂ）はストリングとして呼称される。従って、図２に示されている如く、パネル２０５ｃ及び２０５ｄは第２ストリング２１５を形成している。更に、ストリング２１０又は２１５を横断しての電圧は、ストリング電圧と呼称され、且つストリング２１０又は２１５を介しての電流はストリング電流と呼称される。

ＰＶアレイシステム２００は、ＤＣ−ＡＣインバータ２３５を包含している。ＰＶアレイシステム２００（例えば、ソラーアレイ）はＤＣ−ＡＣインバータ２３５へ結合されている。ソラーパネル２０５は、ＤＣ−ＡＣインバータ２３５に対して、１個又はそれ以上の付加的なソラーパネル２０５と直列に結合させることが可能である。付加的に、及び代替的に、ソラーパネル２０５は、ＤＣ−ＡＣインバータ２３５に対して、１個又はそれ以上の付加的なソラーパネル２０５と並列に結合させることが可能である。ＤＣ−ＡＣインバータ２３５は、ＰＶアレイシステム２００からパワーを抽出し、且つ該抽出したパワーをパワー配分網（「グリッド」）２４０と相互接続するためにＤＣからＡＣへ変換させる。

ＰＶアレイシステム２００の各ストリング２１０、２１５は、ＤＣ−ＡＣインバータ２３５での動作のために特定した寸法に従って寸法形成されている。その特定した寸法は、ストリング２１０，２１５における全ソラーパネル２０５の開回路電圧の和がその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最大ＤＣ−ＡＣインバータ２３５入力電圧レイティング即ち定格を越えることが不可能であるように、決定される。

図３は本開示の実施例に基く例示的なソラーパネル２０５を例示している。図３に示したソラーパネル２０５の実施例は、単に例示的なものに過ぎない。ソラーパネル２０５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２０５は、直列に、並列に、又はその両方で、配列した多数のＰＶセル３０５ａ−３０５ｉ（集約的にＰＶセル３０５として言及する）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３１０は、ＰＶセル３０５ａ，３０５ｂ，３０５ｃ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３１５は、ＰＶセル３０５ｄ，３０５ｅ，３０５ｆ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３２０は、ＰＶセル３０５ｇ，３０５ｈ，３０５ｉが直接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３１０、第２ストリング３１５、第３ストリング３２０が並列に結合されてソラーパネル２０５を形成する。

ＰＶセル３０５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た場合には、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、該セルに照射される光の量、該セルの温度、及び外部的要因、を含む幾つかの要因に従って変化する。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２に戻ると、各ソラーパネル２０５は、その出力端子上にパネル専用コンバータ（ＰＤＣ）２２０が結合されている。ＰＤＣ２２０は、ソラーパネル２０５へ結合されているＤＣ−ＤＣコンバータ２２５を包含している。従って、直列結合されているＤＣ−ＤＣコンバータ２２５を横断しての電圧はストリング電圧であり、且つ直列結合されているＤＣ−ＤＣコンバータ２２５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２２５は、ソラーパネル２０５に対してパワー変換（例えば、降圧及び昇圧）を与える形態とされている。ＤＣ−ＤＣコンバータ２２５は、パワーをシステムが駆動することを設計されているどの様な負荷に対しても最も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２２５は、ソラーパネル２０５から受取った電圧の２対１（２：１）のブースティング即ち昇圧を実施する。この例においては、ソラーパネル２０５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２０５において受け取る太陽光の量に依存する場合がある）。ＤＣ−ＤＣコンバータ２２５は、該電圧を６０ボルト（６０Ｖ）乃至１００ボルト（１００Ｖ）の対応する範囲へ昇圧させる（例えば、高電圧コンバータの場合）。付加的な例においては、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２２５は、該電圧を２ボルト（２Ｖ）乃至６０ボルト（６０Ｖ）の対応する範囲へ昇圧させる（低電圧コンバータの場合）。理解されるように、これらの例は昇圧動作を例示するものであるが、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２５は降圧動作を実施することが可能である。

ＰＤＣ２２０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２５へ結合されている最大パワーポイントトラッキング（ＭＰＰＴ）制御器２３０を包含している。ＭＰＰＴ制御器２３０は各ソラーパネル２０５からの電流を検知する形態とされている。ＭＰＰＴ制御器２３０は、中央処理装置（「ＣＰＵ」）、メモリユニット、入力／出力（「Ｉ／Ｏ」）装置、該ＤＣ−ＤＣコンバータへ結合すべく形態とされている１個又はそれ以上のインターフェース、及びＤＣ−ＤＣコンバータ２２５の入力及び出力において電流及び電圧を測定する形態とされている１個又はそれ以上の検知入力端子（「センサ」）を包含している。該ＣＰＵ、メモリ、Ｉ／Ｏ装置、インターフェース、及びセンサは１個又はそれ以上の通信リンク（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、ＭＰＰＴ制御器２３０は異なる形態とさせることが可能であり且つ該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ことが可能である。例えば、該ＣＰＵ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り、該メモリユニットは異なるレベルのキャッシュメモリ、メモリメモリ、ハードディスク、及び遠隔格納位置を包含する場合があり、且つ該Ｉ／Ｏ装置はモニタ、キーボード等を包含する場合がある。付加的に、該メモリユニットは、以下に概説するＭＰＰＴ制御器２３０の機能の内の１つ又はそれ以上を該ＣＰＵに実施させる形態とした複数個の命令を格納している。該メモリユニットは、又、センサ及び／又はインターフェースを介して受取られた１個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、該メモリユニットはスレッシュホールド値を格納することが可能である。

ＰＶセルは、該セルの電流（Ｉ）及び電圧（Ｖ）の値が最大パワー出力となる単一の動作点（最大パワーポイント１０５として言及される）を有している。ＰＶセル（及び対応するＰＶモジュール３０５）は電流と電圧との間に指数関係を有しており、且つ最大パワーポイント（ＭＰＰ）１０５はその曲線のニー（knee）即ち急激な屈曲部において発生し、そこでは、その抵抗値は負の差分抵抗値に等しい（Ｖ／Ｉ＝−ΔＶ／ΔＩ）。ＭＰＰＴ制御器２３０は、最大パワーポイント１０５を探索する。次いで、ＭＰＰＴ制御器２３０はＤＣ−ＤＣコンバータ２２５のデューティサイクルを変化させる。従って、ＭＰＰＴ制御器２３０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２５がＰＶモジュール３０５から得られる最大パワーを抽出することを可能とさせる。

従って、ＰＤＣ２２０は高効率のＤＣ対ＤＣコンバータであり、それはソラーパネル２０５（又は全アレイに結合されている場合には、ＰＶアレイシステム２００）に対する最適な電気的負荷として機能し、且つそのパワーを該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した電圧又は電流レベルへ変換させる。ＰＤＣ２２０は、パネル毎に最大パワーポイントトラッキングを実施することが可能である。

ＭＰＰで動作されるソラーパネル２０５は、発電機の記号を使用して、以下の式１によって記載される如く理想的なパワー供給源として定常状態においてモデル化することが可能である。

式１において、Ｖ_ｐａｎ（ｔ）はソラーパネル２０５の電圧であり、Ｉ_ｐａｎ（ｔ）はソラーパネル２０５の電流であり、且つＰ_ＭＰＰはＭＰＰにおいてソラーパネル２０５によって発生されたパワーである。

配電網に結合したＤＣ−ＡＣインバータ２３５は、負荷の記号を使用して、式２によって記載される理想的パワー吸い込みとして定常状態においてモデル化することが可能である。

式２において、Ｖ_{ｓｔｒｉｎｇ}（ｔ）はＤＣ−ＡＣインバータ２３５の入力電圧であり、Ｉ_{ｓｔｒｉｎｇ}（ｔ）はＤＣ−ＡＣインバータ２３５の入力電流であり、且つＰ_{ｓｔｒｉｎｇ}は全入力パワーである。

ＰＶアレイシステム２００によって発生される全パワーは、ＤＣ−ＡＣインバータ２３５の入力パワーである。定常状態において、ＰＶアレイシステム２００によって発生される入力パワーはＤＣ−ＡＣインバータ２３５によって配電網２４０内に入れられるパワーに等しい。定常状態の適切なパワーバランスが、ＤＣ−ＡＣインバータ２３５内に組み込まれているアクティブ制御器（不図示）によって達成される。過渡的状態期間中に瞬間的なパワーバランスを達成することを助けるために、ＤＣ−ＡＣインバータ２３５は、又、エネルギ格納部品（不図示）を包含している。該エネルギ格納部品は、ＤＣ−ＡＣインバータ２３５の入力端子に接続されているコンデンサとすることが可能であるが、それに制限されるものではない。

ＰＶアレイシステム２００は、大型且つ高速のパワー過渡的状態が可能である。これらの過渡的状態期間中に、ＰＶアレイシステム２００によって発生されるパワーとＤＣ−ＡＣインバータ２３５によって配電網２４０へ出力されるパワーとの間の差異が格納され且つインバータコンデンサによって解放される。該パワーの差異がＤＣ−ＡＣインバータ２３５の入力電圧をしてＤＣ−ＡＣインバータ２３５の最大レイティングを越えさせると、ストリング過剰電圧が発生する場合がある。付加的に、ストリング過剰電圧は、ＭＰＰＴ下側で動作している間にＤＣ−ＡＣインバータ２３５における急激なＡＣ側の切断の結果として発生する場合がある。この様な場合には、ＰＤＣ２２０はＰＤＣ２２０が接続されているソラーパネル２０５の実時間ＭＰＰＴを実施するので、ＰＶアレイシステム２００によって発生されるパワーは一定であると考えることが可能であり、一方ＤＣ−ＡＣインバータ２３５によって配電網２４０上に出力されるパワーは急激にゼロへ降下する。従って、ＰＶアレイシステム２００からの全パワーは以下の式３及び４によって画定される如く、インバータ出力コンデンサへ転送される。

式３及び４において、Ｃはインバータ入力コンデンサの容量であり、且つＰ_{ａｒｒａｙ}はＰＶアレイシステム２００によって発生される全パワーである。

式３及び４は式５として書き換えることが可能である。

式５は、ストリング電圧が無制限に成長することを示している。ストリング過剰電圧を回避するために、ＭＰＰＴ制御器２３０は、ＰＶアレイシステム２００とＤＣ−ＡＣインバータ２３５との間の瞬間的なパワー不均衡を検知する。ＭＰＰＴ制御器２３０は複数のパワー変数を検知する。該パワー変数は、入力電圧、入力電流、出力電圧、及び出力電流を包含するが、これらに制限されるものではない。ＭＰＰＴ制御器２３０は、入力電流及び入力電圧（即ち、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２５の入力端子における電流及び電圧）及び出力電流及び出力電圧（即ち、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２５の出力端子における電流及び電圧）を検知することが可能である。幾つかの実施例においては、ＭＰＰＴ制御器２３０は、検知した変数に基いて１つ又はそれ以上の変数を推定する。例えば、ＭＰＰＴ制御器２３０は、入力電圧、入力電流、及びＤＣ−ＤＣコンバータ２２５の対応するデューティサイクルに対する検知した値に基いて、出力電流及び出力電圧を推定することが可能である。付加的に、ＭＰＰＴ制御器２３０は検知し且つ推定した変数の勾配を測定する。

１例として、ＡＣ切断イベントが時間ｔ＝０において発生する場合には、Ｖ_{ｓｔｒｉｎｇ}（０）＝Ｖ_{ｓｔｅａｄｙ−ｓｔａｔｅ}であり且つＩ_{ｓｔｒｉｎｇ}（０）が以下の式６によって画定されると仮定した場合には、

時間ｔ＝０における単一のソラーパネルのＤＣ−ＤＣコンバータ２２５の出力電圧の勾配は式７によって画定される。

式７において、Ｎはストリング２１０内のソラーパネル２０５の数であり、且つＶ_ｏｕｔは単一のＰＤＣ２２０の出力電圧である。

図４は、本開示の実施例に従う例示的なＡＣ切断イベントを例示している。図４に示したＡＣ切断イベントの実施例は例示のために過ぎない。ＡＣ切断イベント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。

図４は、ＰＤＣ２２０の出力電圧が、ソラーパネル２０５の開回路電圧（この例においては６５Ｖ４０５）をはるかに超えて上昇し、８５Ｖの電圧４１０に到達している。このことは、ストリング電圧をしてインバータ２３５の最大入力電圧を容易に超えさせる場合がある。

従って、ストリングにおけるソラーパネル２０５の与えられた数に対して且つＣの与えられた値に対して、ＭＰＰＴ制御器２３０は、電流Ｉ_{ｓｔｅａｄｙ−ｓｔａｔｅ}が十分に高い限り、出力電圧４１５の勾配を測定することによって、ＡＣ切断イベントを検知することが可能である。ＭＰＰＴ制御器２３０は、出力電圧４１５の勾配を、正常な動作に影響を与えないようにシステムパラメータに従って選択された予め設定したスレッシュホールドと比較する。付加的に且つ代替的に、ＭＰＰＴ制御器２３０は、或る時間窓内のデューティサイクル上昇ステップ数を測定することによって、ＡＣ切断イベントを検知することが可能である。

ＭＰＰＴ制御器２３０がＡＣ切断イベントを検知すると、ＭＰＰＴ制御器２３０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２５のデューティサイクルを減少させることによって、ストリング過剰電圧を減少させるか又は回避する。これを行うことにより、ＭＰＰＴ制御器２３０はＰＤＣ２２０の動作点を最大パワーポイント１０５から離れる方向に移動させ且つ該パネルの出力パワーを減少させ、且つ、究極的に、「０」へ降下させる。ＭＰＰＴ制御器２３０は、デューティサイクルを特定の値に強制させ、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２５のデューティサイクルを制限し、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２５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、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２５の出力を最大出力電圧に設定し、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２２５の変換比を変化させることが可能である。

１例として、ＭＰＰＴ制御器２３０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２５の変換比を特定の値、例えば、これに制限されるわけではないが、１（例えば、１：１）に設定することが可能である。従って、ＭＰＰＴ制御器２３０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２５がソラーパネル２０５からの電圧をブースト即ち昇圧しないように強制する。この条件において、ソラーパネル２０５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２２５は３０Ｖ−５０Ｖの範囲内の対応する電圧を出力する。付加的に、ソラーパネル２０５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２２５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、ＭＰＰＴ制御器２３０は、出力電圧又は出力電圧スルーレートに比例する量だけＤＣ−ＤＣコンバータ２２５のデューティサイクルを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、ＭＰＰＴ制御器２３０は、電圧スルーレートスレッシュホールド未満の初期的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２２５のデューティサイクルを調整する。付加的に、この様な条件において動作する危険性を回避するために、ＭＰＰＴ制御器２３０はＡＣ切断イベントを検知するために最小パワー電流Ｉ_{ｓｔｒｉｎｇ＿ｍｉｎ}を使用する。Ｉ_{ｓｔｒｉｎｇ＿ｍｉｎ}は式７を使用して決定され、その電流はＰＤＣ２２０の出力電流であり、それはストリング２１０内の全てのＰＤＣ２２０に対して同じである。更に、ＰＤＣ２２０の出力電流がＩ_{ｓｔｒｉｎｇ＿ｍｉｎ}より低い場合から発生する検知不可能なＡＣ切断イベントを回避するために、ＭＰＰＴ制御器２３０はＤＣ−ＤＣコンバータ２２５の変換比を制限する。ＰＤＣ２２０の出力電流がＩ_{ｓｔｒｉｎｇ＿ｍｉｎ}未満である場合には、ＭＰＰＴ制御器２３０は変換比を１（例えば、１：１）に制限する。従って、検知することが不可能なＡＣ切断イベントが発生する場合には、ＭＰＰＴ制御器２３０は、最大ストリング電圧をして、ストリング２１０におけるソラーパネル２０５の開回路電圧の和、従って、ＤＣ−ＡＣインバータ２３５の最大入力電圧を超えることが無いようにさせる。上述した技術は、ＰＤＣ２２０の入力電流の適切な最小値を設定し且つ同様のプロセスを実施することによって実現させることも可能である。例えば、出力又は入力電流を使用することが可能である。

更に、ＭＰＰＴ制御器２３０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２５の出力電圧を最大値に制限することが可能である。例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２５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２０５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２２５の範囲は、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２０５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。

従って、ＭＰＰＴ制御器２３０はＰＤＣ２２０の一部としての個別的なソラーパネル２０５へ結合されているので、ＭＰＰＴ２３０はストリング２１０の電圧を検知するものではない。しかしながら、ＭＰＰＴ制御器２３０は、ソラーパネル２０５に関連する一つ又はそれ以上の変数を検知することによって、ＤＣ−ＡＣインバータ２３５への入力電圧を調整することが可能である。

図５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５００を例示している。図５に示した過剰電圧保護プロセス５００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５００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。

ＭＰＰＴ制御器が、ステップ５０５において、複数のソラーパネルからなるストリングにおける１個のソラーパネルの一つ又はそれ以上のパワー変数を測定する。該パワー変数は、ＤＣ−ＤＣコンバータ入力電流、入力電圧、出力電流及び／又は出力電圧、を包含している。幾つかの実施例においては、ＭＰＰＴ制御器２３０は測定したパワー変数及びＤＣ−ＤＣコンバータ２２５のデューティサイクルをメモリユニット内に格納する。

ステップ５１０において、ＡＣ切断イベントが発生する。ＡＣ切断イベントの結果、インバータ２３５とソラーパネル２０５との間においてパワー不均衡が発生する。ＡＣ切断イベントの結果として、ＰＶアレイによって発生されるパワーは実質的に一定であり、一方、ＤＣ−ＡＣインバータ２３５によって配電網２４０へ出力されるパワーは急激にゼロへ降下する。幾つかの実施例においては、ＡＣ切断イベントは発生しないが、インバータとＰＶアレイとの間のパワーの差が発生する。

ＭＰＰＴ制御器は、ステップ５１５において少なくとも１つのパワー変数を検知する。例えば、検知したパワー変数及びデューティサイクルを使用して、ＭＰＰＴ制御器は、ステップ５１５において、一つ又はそれ以上の付加的なパワー変数を推定する。従って、ＭＰＰＴ制御器２３０は、ステップ５２０において、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧の勾配を測定することによって、ＡＣ切断イベントを検知する。

ＭＰＰＴ制御器は、ステップ５２５において、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を調整する。幾つかの実施例においては、ＭＰＰＴ制御器２３０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２５のデューティサイクルを減少させる。例えば、ＭＰＰＴ制御器２３０は、変換比を特定の値に設定することが可能である。付加的に且つ代替的に、ＭＰＰＴ制御器２３０は、出力電圧又は出力電圧スルーレートに比例する量だけデューティサイクルを制限するか又はデューティサイクルを変化させることが可能である。幾つかの実施例においては、ＭＰＰＴ制御器２３０はＤＣ−ＤＣコンバータ２２５の出力電圧を最大値へ設定する。

図６は、ＡＣ切断イベントが本開示の実施例に従って検知されない場合のＰＶアレイ内の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。図６において、過剰電圧保護プロセス６００は、ストリング電流が十分に高いものではない事実に起因してＡＣ切断イベントを検知することが不可能である場合を包含している。

ＭＰＰＴ制御器は、ステップ６０５において、複数のソラーパネルからなるストリングにおける１個のソラーパネルの一つ又はそれ以上のパワー変数を測定する。該パワー変数は、ＤＣ−ＤＣコンバータ入力電流、入力電圧、出力電流及び／又は出力電圧、を包含している。幾つかの実施例においては、ＭＰＰＴ制御器２３０は、測定したパワー変数及びＤＣ−ＤＣコンバータ２２５のデューティサイクルを、メモリユニット内に格納する。

幾つかの実施例において、ＭＰＰＴ制御器は、ＡＣ切断イベントを検知するプロセスにおいて最小出力電流スレッシュホールドを使用する。ＡＣ切断イベントは、ストリング電流が十分に高いものではないという事実に起因して検知不可能である場合がある。例えば、ステップ６１５において、最小パワー電流スレッシュホールドＩ_{ｓｔｒｉｎｇ＿ｍｉｎ}を使用して、ＡＣ切断イベントが検知されたか否かを判別する。出力電流Ｉ_{ｓｔｒｉｎｇ}がＩ_{ｓｔｒｉｎｇ＿ｍｉｎ}未満である場合（Ｉ_{ｓｔｒｉｎｇ}＜Ｉ_{ｓｔｒｉｎｇ＿ｍｉｎ}）には、ＡＣ切断イベントは検知されない。従って、ＭＰＰＴ制御器は、ステップ６３５において、ＤＣ−ＤＣコンバータのデューティサイクルを制限する。従って、コンバータ２２５はそれだけ昇圧することが許容されるものではない。ＭＰＰＴ制御器２３０は、最大ストリング電圧をして、ストリング内のソラーパネル２０５の開回路電圧の和、従って、ＤＣ−ＡＣインバータ２３５の最大入力電圧を超えさせるものではない。

出力電流Ｉ_{ｓｔｒｉｎｇ}がＩ_{ｓｔｒｉｎｇ＿ｍｉｎ}よりも大きい場合（Ｉ_{ｓｔｒｉｎｇ}＞Ｉ_{ｓｔｒｉｎｇ＿ｍｉｎ}）には、本プロセスはステップ６１５へ移行する。ステップ６１５において、ＡＣ切断イベントが発生する。ＡＣ切断イベントの結果として、インバータ２３５とソラーパネル２０５との間においてパワー不均衡が発生する。ＡＣ切断イベントの結果、ＰＶアレイによって発生されるパワーは実質的に一定であり、一方、ＤＣ−ＡＣインバータ２３５によって配電網２４０へ出力されるパワーは急激にゼロへ降下する。

ＭＰＰＴ制御器は、ステップ６２０において、少なくとも１個のパワー変数を検知する。例えば、検知したパワー変数及びデューティサイクルを使用して、ＭＰＰＴ制御器は、ステップ６２０において、一つ又はそれ以上の付加的なパワー変数を推定することが可能である。ＭＰＰＴ制御器は、ステップ６２５において、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧の勾配を測定することによって、ＡＣ切断イベントを検知する。

ＭＰＰＴ制御器は、ステップ６３０において、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を調整する。幾つかの実施例においては、ＭＰＰＴ制御器２３０はＤＣ−ＤＣコンバータ２２５のデューティサイクルを減少させる。例えば、ＭＰＰＴ制御器２３０は変換比を特定の値に設定することが可能である。付加的に且つ代替的に、ＭＰＰＴ制御器２３０は、出力電圧又は出力電圧スルーレートに比例する量だけデューティサイクルを制限するか又はデューティサイクルを変化させることが可能である。幾つかの実施例においては、ＭＰＰＴ制御器２３０はＤＣ−ＤＣコンバータ２２５の出力電圧を最大値に設定する。

この開示は種々の例示的実施例を説明しているが、種々の変更及び修正が当業者に対して示唆されている場合がある。本開示は、この様な変更及び修正が本特許請求の範囲内に入るものとして包含するものであることが意図されている。

Claims (20)

1. ソーラーセルパワーシステムに用いるソーラーパネルアレイであって、
   直列に結合される複数のソーラーパネルのストリングと、
   前記複数のソーラーパネ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ており、エネルギー格納要素を含む、インバータと、
   複数の電圧コンバータであって、各電圧コンバータが、前記複数のソーラーパネルのストリング内の対応するソーラーパネルに結合されており、前記ソーラーパネルから前記ストリングへのパワー出力を変換するように構成されている、前記複数の電圧コンバータと、
   複数の最大パワーポイントトラッキング（ＭＰＰＴ）コントローラと、
   を含み、
   各ＭＰＰＴコントローラが、対応する電圧コンバータに結合され、そして、前記電圧コンバータから前記ストリングへのパワー出力を制御するように構成されており、
   各ＭＰＰＴコントローラが、
   前記ソーラーパネルにおいて、所定の最大値を超える、前記ソーラーパネルから得られる少なくとも１つのパワー変数の変化のレートに基づいて、前記エネルギー格納要素上の電圧を検出することなしに、前記インバータから前記負荷へのパワー出力を制限することにより生じる前記対応するソーラーパネルと前記エネルギー格納要素との間の瞬間的なパワー不均衡を検出し、
   前記検出される瞬間的なパワー不均衡に応答して前記電圧コンバータから前記ストリングへのパワー出力を調節する、
   ように構成されている、ソーラーパネルアレイ。
2. 請求項１に記載のソーラーパネルアレイであって、
   前記パワー不均衡が、（ａ）パワー変数を検知することと、（ｂ）パワー変数を推定することと、の少なくとも１つにより検出される、ソーラーパネルアレイ。
3. 請求項１に記載のソーラーパネルアレイであって、
   前記パワー不均衡が、前記インバータから前記負荷へのパワー出力の遮断により生じる、ソーラーパネルアレイ。
4. 請求項３に記載のソーラーパネルアレイであって、
   前記エネルギー格納要素がキャパシタであり、前記パワー不均衡を検出することが、実質的に前記パワー遮断が起こるときに、前記対応する電圧コンバータの出力電圧Ｖ _ＯＵＴ の勾配をｄＶ _ＯＵＴ ／ｄｔ＝Ｉ _{ＳＴＲＩＮＧ} ／Ｃ／Ｎに従って決定することに基づいており、Ｉ _{ＳＴＲＩＮＧ} が前記対応する電圧コンバータからの電流出力であり、Ｃが前記キャパシタのキャパシタンスであり、Ｎが前記ストリング内のソーラーパネルの数である、ソーラーパネルアレイ。
5. 請求項１記載のソーラーパネルアレイであって、
   前記パワー不均衡を検出することが、時間窓内でデューティーサイクル上昇ステップの所定の数を決定することに基づいている、ソーラーパネルアレイ。
6. 請求項１に記載のソーラーパネルアレイであって、
   前記パワー不均衡を検出した後に、前記ＭＰＰＴコントローラが、（ａ）前記対応する電圧コンバータのデューティーサイクルを特定の値に制限することと、（ｂ）前記出力電圧に比例する量によりそのようなデューティーサイクルを制限することと、（ｃ）前記電圧コンバータのパワー出力を所定の最大出力値にセットすることと、の少なくとも１つにより、前記対応するソーラーパネルのパワー出力を制限するように構成される、ソーラーパネルアレイ。
7. 請求項１に記載のソーラーパネルアレイであって、
   前記対応する電圧コンバータからの出力電流が所定の最小値を下回るときに各ＭＰＰＴコントローラが検出し、それに応答して、前記ストリングのソーラーパネルからの出力電圧の合計が所定の最大ストリング電圧よりも低くなるように、そのような電圧コンバータの変換比を所定の比に制限する、ソーラーパネルアレイ。
8. 直列に結合される複数のソーラーパネルのストリングと、前記ソーラーパネ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であって、エネルギー格納要素を含む、前記インバータとを含む、ソーラーセルパワーシステムに用いるデバイスであって、
   前記複数のソーラーパネルのストリング内の１つのソーラーパネルに結合するように適合され、前記ソーラーパネルから前記ストリングへのパワー出力を変換するように構成される、電圧コンバータと、
   前記電圧コンバータに結合される最大パワーポイントトラッキング（ＭＰＰＴ）コントローラと、
   を含み、
   前記ＭＰＰＴコントローラが、
   前記電圧コンバータから前記ストリングへのパワー出力を制御するように構成され、そして、
   前記ソーラーパネルにおいて、所定の最大値を超える、前記ソーラーパネルから得られる少なくとも１つのパワー変数の変化のレートに基づいて、前記エネルギー格納要素上の電圧を検出することなしに、前記インバータから前記負荷へのパワー出力を制限することにより生じる前記ソーラーパネルと前記エネルギー格納要素との間の瞬間的なパワー不均衡を検出し、
   前記検出する瞬間的なパワー不均衡に応答して前記電圧コンバータから前記ストリングへのパワー出力を調節する、
   ように構成される、デバイス。
9. 請求項８に記載のデバイスであって、
   前記パワー不均衡が、（ａ）パワー変数を検知することと、（ｂ）パワー変数を推定することと、の少なくとも１つにより検出される、デバイス。
10. 請求項８に記載のデバイスであって、
    前記パワー不均衡が、前記インバータから前記負荷へのパワー出力の遮断により生じる、デバイス。
11. 請求項１０に記載のデバイスであって、
    前記エネルギー格納要素がキャパシタであり、前記パワー不均衡を検出することが、実質的に前記パワー遮断が起こるときに、前記電圧コンバータの出力電圧Ｖ _ＯＵＴ の勾配をｄＶ _ＯＵＴ ／ｄｔ＝Ｉ _{ＳＴＲＩＮＧ} ／Ｃ／Ｎに従って決定することに基づいており、Ｉ _{ＳＴＲＩＮＧ} が前記電圧コンバータからの電流出力であり、Ｃが前記キャパシタのキャパシタンスであり、Ｎが前記ストリング内のソーラーパネルの数である、デバイス。
12. 請求項８に記載のデバイスであって、
    前記パワー不均衡を検出することが、時間窓内でデューティーサイクル上昇ステップの所定の数を決定することに基づいている、デバイス。
13. 請求項８に記載のデバイスであって、
    前記パワー不均衡を検出した後に、前記ＭＰＰＴコントローラが、（ａ）前記電圧コンバータのデューティーサイクルを特定の値に制限することと、（ｂ）前記出力電圧に比例する量によりそのようなデューティーサイクルを制限することと、（ｃ）前記電圧コンバータのパワー出力を所定の最大出力値にセットすることと、の少なくとも１つにより前記ソーラーパネルのパワー出力を制限するように構成される、デバイス。
14. 請求項８に記載のデバイスであって、
    前記電圧コンバータからの出力電流が所定の最小値を下回るときに各ＭＰＰＴコントローラが検出し、それに応答して、前記ストリングのソーラーパネルからの出力電圧の合計が所定の最大ストリング電圧よりも低くなるように、前記電圧コンバータの変換比を所定の比に制限する、デバイス。
15. 直列結合ソーラーパネルのストリングと、前記ソーラーパネ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であって、エネルギー格納要素を含む、前記インバータとを含む、光起電力アレイにおける過電圧回避方法であって、
    最大パワーポイントトラッキング（ＭＰＰＴ）に従って、少なくとも１つのソーラーパネルから前記直列結合ソーラーパネルのストリングへのパワー出力を制御することと、
    前記ソーラーパネルにおいて、所定の最大値を超える、前記ソーラーパネルから得られる少なくとも１つのパワー変数の変化のレートに基づいて、前記エネルギー格納要素上の電圧を検出することなしに、前記インバータから前記負荷へのパワー出力を制限することにより生じる前記ソーラーパネルのストリング内の１つのソーラーパネルと前記エネルギー格納要素との間の瞬間的なパワー不均衡を検出することと、
    前記検出するパワー不均衡に応答して前記ソーラーパネルから前記ストリングへのパワー出力を調節することと、
    を含む、方法。
16. 請求項１５に記載の方法であって、
    前記パワー不均衡が、（ａ）パワー変数を検知することと、（ｂ）パワー変数を推定することと、の少なくとも１つにより検出される、方法。
17. 請求項１５に記載の方法であって、
    前記パワー不均衡が、前記インバータから前記負荷へのパワー出力の遮断により生じる、方法。
18. 請求項１５に記載の方法であって、
    前記エネルギー格納要素がキャパシタであり、前記パワー不均衡を検出することが、実質的に前記パワー遮断が起こるときに、前記ソーラーパネルのパワー出力に対応する出力電圧Ｖ _ＯＵＴ の勾配をｄＶ _ＯＵＴ ／ｄｔ＝Ｉ _{ＳＴＲＩＮＧ} ／Ｃ／Ｎに従って決定することに基づいており、Ｉ _{ＳＴＲＩＮＧ} が前記ソーラーパネルのパワー出力に対応する電流出力であり、Ｃが前記キャパシタのキャパシタンスであり、Ｎが前記ストリング内のソーラーパネルの数である、方法。
19. 請求項１５に記載の方法であって、更に、
    前記ソーラーパネルから前記ストリングへのパワー出力が、最大パワーポイントトラッキング（ＭＰＰＴ）に従って制御される電圧コンバータにより行われ、
    前記パワー不均衡を検出した後に、前記ソーラーパネルから前記ストリングへのパワー出力を調節することが、（ａ）前記電圧コンバータのデューティーサイクルを特定の値に制限することと、（ｂ）前記出力電圧に比例する量によりそのようなデューティーサイクルを制限することと、（ｃ）前記電圧コンバータのパワー出力を所定の最大出力値にセットすることと、の少なくとも１つにより達成される、方法。
20. 請求項１５に記載の方法であって、
    前記ソーラーパネルから前記ストリングへのパワー出力に対応する出力電流が所定の最小値を下回り、それに応答して、前記ストリングのソーラーパネルからの出力電圧の合計が所定の最大ストリング電圧よりも低くなるように、前記ソーラーパネルから前記ストリングへのパワー出力に対応する変換比を所定の比に制限される、方法。

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