JP6031519B2 - 太陽光発電システムのためにインバータのサージ保護を行う方法および配列 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１および７に従って、インバータの中へ物理的に一体化されるかインバータの近くに置かれる少なくとも１つのサージ保護デバイスを備え、少なくとも１つのサージ保護デバイスがインバータの直流側へ接続される太陽光発電システムのために、インバータのサージ保護を行う方法および配列に関する。

典型的な太陽光発電システムでは、幾つかの太陽電池モジュールが直列に接続されて太陽電池ストリングを形成し、１００から１０００Ｖ程度、さらには１５００Ｖの直流電圧が得られる。これらの電圧は、直流電圧−交流電圧（ＤＣ−ＡＣ）の変換および後続する配電線への給電に適している。

問題となっている太陽電池ストリングはインバータへ直接接続されるか、可能な限り構成が同じである幾つかのストリングは並列に接続され、中央インバータへ接続される。

太陽光発電エネルギーシステムの構造は、ＤＩＮ ＶＤＥ ０１００−７１２（ＶＤＥ ０１００−７１２）の中で調整される。対応するシステムは１つまたは複数のサブジェネレータを備える。

ＤＣ−ＡＣインバータの安全な動作には、とりわけ、インバータの電子コンポーネントに対する十分なサージ保護が関連する。インバータには、ＥＭＣ保護回路が置かれている。

太陽光発電インバータは、広いＭＰＰ（最大電力点）電圧範囲を有する。この範囲は、たとえば、タイプに依存して３２０と８００Ｖとの間であり、最大直流電圧１０００Ｖに対して、最小直流電圧は略１５０Ｖである。

それぞれのＭＰＰ電圧に依存して、インバータの中で内部電流路が切り替えられる。このため、いわゆるブーストコンバータまたはバックコンバータが使用される。

ＭＰＰ追従を有する一体化インバータを各太陽電池モジュールに設けることは、文献ＤＥ ４０ ３２ ５６９ Ｃ２から公知である。そのようなＭＰＰ追従器は、システムが最大電力、すなわちＭＰＰ範囲で働く値へ電圧を調整する。このため、ＭＰＰ追従器は、引き出された電流を規定量だけ変動し、瞬時電力を計算し、電流値を一層高い電力へ再調整する。制御ユニットを用いて信号はデータバスへ伝送され、データバスは、これらのデータを、モジュールの動作能力をチェックする電力および制御部へ供給する。

文献ＤＥ １９９ ０４ ５６１ Ｃ１は、太陽発電機の最大電力点制御を行う方法および回路配列を説明している。この文献で説明される解決によれば、太陽発電機から電気絶縁されたセンサが設けられる。センサの電流特性は、それ自体公知のやり方で準連続的に決定される。次いで、電流特性から性能特性が計算される。コンバータの被制御変数が最大値から準連続的に引き出される。このような回路配列に関しては、使用されるセンサが、太陽発電機で使用されるソーラーモジュールと同じタイプのソーラーモジュールであること、および、特性の測定およびコントローラの被制御変数を検出するマイクロコンピュータが、センサとコンバータ制御との間で切り替えられること、が仮定される。

もし、このタイプの太陽発電機が、最大電力点制御へ供されるインバータへ接続されるならば、全体としてのシステムの効率に関して利点が得られる。しかしながら、異なるＭＰＰ電圧値、すなわち、最大出力を生じる電圧値は、対応するインバータの必要なサージ保護に関して難点を包含する。なぜなら、サージ保護デバイス、たとえばバリスタ、抑圧ダイオード（ｓｕｐｐｒｅｓｓｏｒ ｄｉｏｄｅ）、または火花ギャップの各々は、それらの構造および動作を理由として、規定された応答電圧、それぞれの応答電圧範囲を有するからである。たとえば、もしサージ保護が１０００Ｖの最大直流電圧に設定されるならば、たとえば５００ＶのＭＰＰ電圧範囲での保護機能は不十分である。

それゆえに、上記に基づき、本発明の目的は、インバータの中へ物理的に一体化されるかインバータのすぐ近くに置かれる少なくとも１つのサージ保護デバイスまたは１群のサージ保護デバイスを備え、少なくとも１つのサージ保護デバイスがインバータの直流側へ接続される太陽光発電システムのために、インバータのサージ保護を行う一層発展した方法および関連配列を提供することである。本目的によると、低および高のＭＰＰ範囲の双方で等しく効果的および効率的なサージ保護が提供され、使途の状況に応じて、対応するサージ保護デバイスを交換するという意味での手動調整または類似の操作は必要とされない。

本発明の目的に対する解決は、請求項１の教示に従った方法および請求項７で規定される特徴の組み合わせに従った配列によって達成される。従属項は、少なくとも有用な実施形態および一層の発展を表す。

したがって、好ましくはインバータの中へ物理的に一体化されるかインバータのすぐ近くに置かれる少なくとも１つのサージ保護デバイス構成を備える太陽光発電システムのために、インバータのサージ保護を行う方法および配列が提案される。少なくとも１つのサージ保護デバイスまたは１群のサージ保護デバイスは、インバータの直流側へ接続され、この直流側は太陽光発電システムの対応するストリングへ接続される。

本発明に従って、ＤＣ−ＡＣインバータは、最大電力点（ＭＰＰ）範囲の動作へ動作点を調整または追従する信号を供給し、サージ保護デバイスの応答電圧は、この信号に基づいて指定、調整、または選択される。

本発明に従って使用される信号は、複数のサージ保護デバイスから、現在所望される応答電圧を生じるサージ保護デバイスを活性化する制御信号である。

複数のサージ保護デバイスはカスケード接続の形態に配列され、活性化または選択は、並列に接続されたそれぞれのスイッチングデバイスを制御することによって達成される。

スイッチングデバイスは、電気機械的継電器または半導体スイッチとして構成される。

本発明の好ましい実施形態において、インバータの中に設けられたプロセッサは、それぞれのＭＰＰ電圧に基づいて、対応する動作条件での最適保護を確実にするサージ保護デバイスのそれぞれの応答電圧を検出する。この後で、サージ保護デバイスは追加的にオンへ切り替えられ、切断され、および／または短絡される。

避雷器の応答電圧の選択信号を提供するため、インバータのＭＰＰ追従信号が使用される。

太陽光発電システムのためにインバータのサージ保護を行う配列では、１群のサージ保護デバイスがインバータの中で電気的に配列および相互接続され、スイッチング状態から生じる応答電圧のＭＰＰ電圧への適応を許す。

１つの実施形態において、前記１群のサージ保護デバイスは、所定数のバリスタ、抑圧ダイオード、および／または火花ギャップを備える。これらはカスケード接続されることによって、プログラミングとの関連で異なる応答電圧へ切り替えられ得る。

本発明の他の実施形態において、前記１群のサージ保護デバイスは、火災または他の損害の危険を防止するため、組み合わせられた切断および短絡デバイスを備え、過電圧が生じた事態で電圧切断を引き起こす。

本発明は、実施形態を用いて、および図面を参照して、下記で一層詳細に説明される。

インバータのサージ保護を行う本発明の方法を説明するための略図を示す。 外部端子で生じる異なる応答電圧を実現するため、並列に接続されたスイッチングデバイスを有する避雷器の可能なカスケード接続の表現を示す。

図１で示される略図によれば、直流電圧側の入力ＤＣおよび交流電圧側の出力ＡＣが仮定される。本発明に従ったＰＶインバータは、ＤＣ入力部およびＡＣ出力部、ならびに最大電力点制御手段、いわゆるＭＰＰ追従手段を備え、異なる入力電圧、たとえば、異なる日照条件によって誘起される入力電圧の場合でも、それぞれトータルシステムの最適性能が確保され得る。

直流電圧側の入力領域では、サージ保護アセンブリＵＳＳが設けられ、このアセンブリへ制御信号が供給される。この制御信号は、最大電力点範囲の動作へ動作点を調整または追従する信号である。サージ保護デバイスＵＳＳの応答電圧は、この信号に基づいて指定、調整、または選択される。

図２で示される表現によれば、たとえば、サージ保安器１〜３をカスケード接続にし、たとえば、並列するスイッチＳ１、Ｓ２、およびＳ３を有する金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）として上記サージ保安器１〜３を構成し、関連づけられた継電器（ｒｅｌａｙ）Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３によってスイッチＳ１、Ｓ２、およびＳ３をそれぞれ制御することによって、簡単な制御が達成される。

スイッチＳ１〜Ｓ３のスイッチング状態に依存して、ＭＯＶ１〜３の部分応答電圧からの、規定された応答電圧が端子Ｋで得られる。

継電器の制御は、たとえば、インバータの中に設けられたプロセッサを用いて達成される。プロセッサは、それぞれのＭＰＰ電圧に基づいてサージ保護デバイスのそれぞれの応答電圧を検出し、この後で、対応するスイッチング動作、たとえば短絡、切断、またはスイッチインを誘発する。

Claims (7)

1. インバータの中へ物理的に一体化されるか前記インバータの近くに置かれる複数のサージ保護デバイスを備え、前記複数のサージ保護デバイスが前記インバータの直流側へ接続される太陽光発電システムのために、前記インバータのサージ保護を行う方法であって、
   前記インバータは、最大電力点（ＭＰＰ）範囲での動作へ動作点を調整または追従するために、カスケード接続された前記複数のサージ保護デバイスの中から、所望の応答電圧を生じるサージ保護デバイスを活性化する制御信号を供給し、
   前記複数のサージ保護デバイス全体の応答電圧が前記制御信号に基づいて指定、調整、または選択されることを特徴とする方法。
2. 前記複数のサージ保護デバイスはカスケード接続の形態に配列され、前記指定、調整、または選択は、前記サージ保護デバイスの各々に対して並列に接続されたスイッチングデバイスを制御することによって達成されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記スイッチングデバイスは、継電器または半導体スイッチとして構成されることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記インバータの中に設けられたプロセッサが、それぞれのＭＰＰ電圧に基づいて前記サージ保護デバイスのそれぞれの応答電圧を検出し、この後で、前記サージ保護デバイスは追加的にオンへ切り替えられ、切断され、および／または短絡されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 避雷器の応答電圧に対する選択信号を提供するため、ＭＰＰ追従信号が使用されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. インバータの中へ物理的に一体化されるか前記インバータの近くに置かれる複数のサージ保護デバイスを備え、前記複数のサージ保護デバイスが前記インバータの直流側へ接続される太陽光発電システムのために、前記インバータのサージ保護を行う配列であって、
   前記複数のサージ保護デバイスが前記インバータの中でカスケード接続され、
   カスケード接続された各サージ保護デバイスの各々に対してスイッチングデバイスが並列に接続され、
   各スイッチングデバイスのスイッチング状態により複数のサージ保護デバイス全体の応答電圧が決定されることを特徴とする配列。
7. 前記複数のサージ保護デバイスは所定数のバリスタ、抑圧ダイオード、および／または火花ギャップを備え、これらのバリスタ、抑圧ダイオード、および／または火花ギャップは、カスケード接続され、これらのバリスタ、抑圧ダイオード、および／または火花ギャップの各々に対してスイッチングデバイスが並列に接続されることを特徴とする請求項６に記載の配列。

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