JP6124909B2 - 単相、二相または三相単極電気を供給するよう協調的に制御される単相インバータ - Google Patents

単相、二相または三相単極電気を供給するよう協調的に制御される単相インバータ Download PDF

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関連案件の相互参照
本出願は、米国特許仮出願番号第６１／５６２，１９１号（２０１１年１１月２１日出願、題名「単相、二相または三相単極電気を供給するよう協調的に制御される単相インバータ」）の優先権を主張し、その内容は本明細書に参考として組み込まれる。
本発明は、一般に電力変換に関し、より詳細には、直流（ＤＣ）電力から交流（ＡＣ）電力への変換に関する。
大型発電システムは、メガワット級の発電能力を備えている場合がある。小型の太陽電池パネルまたはパネルの集合体に太陽光を強く集光させる鏡を含む、種々の大型発電システムの構成を用いてもよい。別の大型発電システムでは、数千、数百万もの光起電性パネルが採用されている場合がある。上記パネルは、効率的な電力変換および安全な操作を提供するよう、電子的に制御されうる。光起電性パネルのＤＣ電力を負荷に供給されうるＡＣ電力に変換するのに、種々の装置および方法を用いてもよい。変換装置の例としては、マイクロインバータ、インバータおよびアレイ・コンバータがある。
変換効率が向上すると共に、太陽光からＤＣ電流へ、およびＤＣ電流からＡＣ電流への両方に対して、資本費用がますます重要になってきている。例えば、パネル間および一連のパネルと総合分配点間のコネクタおよび配線の取付費および材料費は、多数のパネルを採用している発電システムによって、大幅に増加する場合がある。一部の構成では、太陽電池パネルは直並列配置で連結され、強力なＤＣ信号を遠隔設置されたインバータ・システムに供給してもよい。このような構成には、いくつかの欠点がある場合がある。例えば、太陽電池パネルとインバータ・システム間に配線およびコネクタの追加が必要になり、そのため、送信電力損失のほか、材料費および人件費の両方が増える場合がある。また、一連の太陽電池パネルを制御するインバータは、一連のパネル全体によって供給される電力を最大化することで、個々のパネルによって供給される電力を次善の状態にし、それによって、一連のパネル全体によって供給される電力を次善の状態にしうる状態で動作してもよい。マイクロインバータを各パネルに連結し、所定のパネルをそのパネルの最大配電状態に制御してもよいが、三相電気出力を供給するために、個別のマイクロインバータを用いると、費用およびマイクロインバータと発電システムの複雑さが増加する可能性がある。単相インバータは、正負両方の電圧信号を供給する必要が有るため、複雑さが増す可能性があり、かつ、発電システムを構成するスイッチやその他の構成部品の数が増える可能性がある。
上記種々の実施例のシステム、方法および機器は、単相、二相または三相単極電気を供給するよう協調的に制御されうる単相インバータを提供する。上記種々の実施例では、効率的な電力変換を提供する一方で、上記種々の実施例によって、製造および取付費が削減されうる。１つの実施例では、太陽電池パネルをＤＣ−ＤＣコンバータおよび単極電力コンバータに連結してもよく、かつ、ＤＣ−ＤＣコンバータは、上記太陽電池パネルを最大電力変換状態に制御してもよい。１つの実施例では、単極電力コンバータの出力は、電圧出力信号が常に正、つまり「単極」となるよう、必要な電圧波形および周波数に近似し、接地電位からオフセットされた、単相信号であってもよい。一連の太陽電池パネルのそれぞれの単極電力出力は、三相グリッド・システムなどの、負荷の専用かつ既定の相に連結されてもよい。単極コンバータは、その個々のＤＣ−ＤＣコンバータから、もしくは、並列に電気的に連結されたその他の１つまたは複数のＤＣ−ＤＣコンバータからのＤＣ電力を受信してもよい。
１つの実施例では、一連の太陽電池パネルのＤＣおよび単極出力は、結合器筐体のある入力端子に連結されてもよい。上記結合器筐体は、例えば、配電網などの、電気的に連結された負荷の電圧に一致するよう、電力の電圧を調整してもよい。上記結合器筐体はまた、ＤＣ線を相互連結してもよい。上記種々の実施例では、上記結合器筐体は、コントローラおよび、アーク放電または上流システムの障害などの安全でない状態を検出する、その他の手段を含んでいてもよい。
本明細書に引用により組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明の例示的な態様を示し、かつ、上記の一般的な説明および下記の詳細な説明とともに、本発明の特徴を説明するのに役立つ。
第１の実施例による発電システムの部品構成図である。 第２の実施例による発電システムの部品構成図である。 第３の実施例による発電システムの部品構成図である。 第４の実施例による発電システムの部品構成図である。 第５の実施例による発電システムの部品構成図である。 第６の実施例による発電システムの部品構成図である。 １つの実施例の電力コンバータ・ユニットの回路図である。 三相電力出力のグラフである。 二相電力出力のグラフである。 時間、電圧、電流およびスイッチング周期の相関グラフである。 個々の電力および経時的な合計電力出力の相関グラフである。 電力コンバータ・ユニット制御のための１つの実施例による方法を示すプロセス・フロー図である。 電力コンバータ・ユニット制御のための別の実施例による方法を示すプロセス・フロー図である。 電力コンバータ・ユニット作動のための１つの実施例による方法を示すプロセス・フロー図である。 １つの実施例による結合器筐体制御方法を示すプロセス・フロー図である。
上記種々の実施例は、添付の図面を参照しながら詳細に説明される。可能な限り、同一のまたは同様の部品を指すのに、図面全体を通して同一の参照番号が使用される。特定の例および実施形態に対してなされる参照は、例示を目的としたものであり、本発明または特許請求の範囲の範囲を限定するものではない。
「典型的な」という言葉は、本明細書において、「例、事例、または実例として役立つ」という意味で使用される。本明細書において「典型的な」と説明される実施形態は、その他の実施形態に対して、必ずしも好適または有利なものとして解釈されない。
上記種々の実施例は、本明細書において、ＤＣ入力として、光起電性パネルまたは太陽電池パネルを例として用いて説明される。この例は、実施例による機器、システムおよび方法の種々の構成要素および機能を説明するのに役立つ。ただし、上記実施例および特許請求の範囲の範囲は、特に列挙されない限り、このような構成に限定されない。その他の潜在的な用途に関して上記実施例を説明することは不要であり、繰り返しになる。従って、「太陽電池パネル」または「光起電性パネル」という用語は、本明細書において、一般に、上記実施例が適用されうる、任意の形式のＤＣ入力を指すものとして使用され、特に列挙されない限り、特許請求の範囲の範囲を限定するものではない。
業界において、対称二相システムは、多くの場合、二つの相が住宅の電力パネルにおいて分割され、それぞれ単相として分配されるため、「エジソン（Ｅｄｉｓｏｎ）」システムまたは「単相」システムと称されることがある。簡潔性および一貫性のため、本明細書において、「単相」は、１つの相を、「二相」は、エジソンまたは対称二相システムを意味する。
上記種々の実施例のシステム、方法および機器は、単相、二相または三相単極電気を供給するよう協調的に制御されうる単相インバータを提供する。上記種々の実施例では、効率的な電力変換を提供しつつ、製造および取付費が削減されうる。１つの実施例では、太陽電池パネルは、ＤＣ−ＤＣコンバータおよび単極電力コンバータに連結されてもよい。上記ＤＣ−ＤＣコンバータは、上記太陽電池パネルを最大電力変換状態に制御してもよい。上記単極電力コンバータの出力は、電圧出力信号が常に正、つまり「単極」となるよう、必要な電圧波形および周波数に近似し、接地電位からオフセットされた単相信号であってもよい。一連の太陽電池パネルのそれぞれの単極電力出力は、三相グリッド・システムなどの、負荷の専用かつ既定の相に連結されてもよい。上記ＤＣ−ＤＣコンバータのＤＣ出力は、その他のＤＣ−ＤＣコンバータおよびその他の単極コンバータと並列に接続されてもよい。単極コンバータは、その個々のＤＣ−ＤＣコンバータからの、もしくは並列に電気的に連結されたその他の１つまたは複数のＤＣ−ＤＣコンバータからのＤＣ電力を受信してもよい。
１つの実施例では、一連の太陽電池パネルのＤＣおよび単極出力は、結合器筐体の一定の入力端子に連結されてもよい。上記結合器筐体は、例えば、配電網などの、電気的に連結された負荷の電圧に一致するよう、電力の電圧を調整してもよい。上記結合器筐体はまた、ＤＣ線を相互連結してもよい。上記種々の実施例では、上記結合器筐体は、コントローラおよび、アーク放電または上流システムの障害などの安全でない状態を検出する、その他の手段を含んでいてもよい。
図１は、１つの実施例による単相発電システム１００を示す。相Ａ１３２は、電力コンバータ・ユニット（「ＰＣＵ」）１０２で構成されてもよい。ＰＣＵ１０２は、単極電力コンバータ１０６およびコントローラ１０７に電気的に連結されたＤＣ−ＤＣコンバータ１０４で構成されてもよい。ＰＣＵ１０２の追加の構成要素については、以下で説明される。ＰＣＵ１０２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４、単極電力コンバータ１０６，およびコントローラ１０７を含む１つの筐体で構成されてもよい。代替実施例では、ＰＣＵ１０２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４，単極電力コンバータ１０６およびコントローラ１０７それぞれに対する個々の筐体を備えていてもよい。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４は、線１１０および１１２によって、光起電性パネル（「ＰＶ」）１０８に連結されてもよい。作動中、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４は、ＰＶ１０８から、線１１０上で正の電流を受信してもよく、かつ、線１１２は、電気戻り線として機能し、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４とＰＶ１０８間の回路を閉じてもよい。作動中、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４は、ＰＶ１０８から受信した電圧を、単極電力コンバータ１０６から予想された単極電圧プラスオフセット電圧（例えば、１０ボルト（１０Ｖ））の少なくともピークトゥーピーク値のＤＣ電圧に上げうる。単極電力コンバータ１０６は、内部接続を介して、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４からＤＣ信号を受信してもよい。コントローラ１０７は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４および単極電力コンバータ１０６の動作を監視および制御してもよい。
ＰＣＵ１０２は、３本の線（固定正電圧ＤＣ線１１６、固定負電圧ＤＣ線１１８、および単極電力線１２０）で結合器筐体１１４に電気的に連結されてもよい。１つの実施例では、３本の線１１６、１１８、および１２０は、外被膜１２２内に収められ、かつＰＣＵ１０２から結合器筐体１１４への３線内部連結を形成しうる単一のケーブルを形成してもよい。ＤＣ線１１６および１１８は、本明細書で以下「リンク」１２４と称される正および負のＤＣ線、および「Ｖリンク」と称される２本の線１１６、１１８間に電圧を供給することができる。ＰＣＵ１０２のコントローラ１０７は、リンク１２４に通信信号を注入するか、もしくは、リンク１２４から通信信号を受信する通信モジュールを含んでいてもよい。代替実施例では、上記通信モジュールは、リンク１２４に注入された／リンク１２４から受信された通信信号に加えて、もしくは代わって、その他の通信チャネル（例：無線または有線ネットワーク接続を介して）を介して通信信号を送信および／または受信してもよい。
ＤＣ線１１６および１１８は、コンデンサＣ１ １２８に連結されてもよい。コンデンサＣ１ １２８は、大型のコンデンサまたは、双方向充電器などのその他任意のエネルギー蓄積デバイスであってもよい。コンデンサＣ１ １２８は、例えば、１２０Ｈｚのアーチファクトなど、発生する可能性のある過渡電流を吸収しうる。コンデンサＣ１ １２８は、電解コンデンサなどの、数百マイクロファラッドの低周波コンデンサであってもよい。出力Ａは、電圧出力信号が常に正、つまり「単極」となるよう、必要な電圧波形および周波数に近似し、接地電位からオフセットされた、単相信号である単極電力線１２０の出力であってもよい。出力Ｖｏは、ＤＣ線１１６および１１８のＤＣ出力であってもよい。
結合器筐体１１４内のコントローラ１４２は、線ＡおよびＢをそれぞれ介して、ＤＣ線１１６および１１８を監視してもよい。コントローラ１４２は、プログラマブル・コントローラまたはプロセッサ１４４、メモリー１４６、および通信モジュール１４８を含んでいてもよい。プログラマブル・コントローラ１４４は、メモリー１４６に格納された情報に応答して、コントローラ１４２に論理演算を実行させ、制御演算を実行させ、監視演算を実行させ、かつ通信演算を実行させてもよい。線Ａ、ＢおよびＣは、プログラマブル・コントローラ１４４からの信号を線Ａ、ＢおよびＣを介して送信および／または受信できうるように、プログラマブル・コントローラ１４４に結合されてもよい。コントローラ１４２は、制御線Ｃを介して、リレー１２６の動作を制御してもよい。例えば、リレー１２６は、リレー、トランジスタ、バイポーラ・トランジスタ、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）、炭化ケイ素または窒化ガリウム・トランジスタ、サイリスタ、直列接続ＭＯＳＦＥＴ、サイリスタ・エミュレータ、およびＩＧＢＴと直列のダイオードを含むスイッチング機能を実行できるいかなる既知の型の技術も使用できるが、単一のＭＯＳＦＥＴであってもよい。コントローラ１４２は、リンク１２４に通信信号を注入するか、もしくは線ＡまたはＢを介して、リンク１２４から通信信号を受信するために、プログラマブル・コントローラ１４４に結合された通信モジュール１４８を含んでいてもよい。このように、ＰＣＵ１０２のコントローラ１０７は、結合器筐体１１４のコントローラ１４２と通信してもよい。コントローラ１０７と１４２間の通信は、供給された電力の報告、ＰＶ１０８電圧または電流、単極電力コンバータ１０６の状態、および単極電力コンバータ１０６を有効または無効にするコマンドの受信を含んでいてもよい。代替実施例では、通信モジュール１４８は、リンク１２４に注入された／リンク１２４から受信された通信信号に加えて、もしくは代わって、その他の通信チャネル（例：無線または有線ネットワーク接続を介して）を介して通信信号を送信および／または受信してもよい。
コントローラ１４２は、アンチアイランディング機能を備え、線Ａおよび／またはＢを監視することによって、リンク１２４上でアーク故障を検出してもよい。作動中、アーク故障がリンク１２４上で検出された場合、単極電力線１２０は、リレー１２６を開放することによって、連結解除されてもよい。ＰＣＵ１０２内のコントローラ１０７は、単極電力線１２０の連結解除を検出してもよく、かつ、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４を停止し、リンク１２４からＰＣＵ１０２の連結を解除してもよい。結合器筐体１１４内のコントローラ１４２は、リンク１２４を放電してもよい。一部の実施例では、再起動は、人間による検査および介入によってのみ許可されてもよい。集中化され、おそらくは冗長化されているアーク故障検出およびアンチアイランディングは、単位あたりの全費用を削減し、単相発電システム１００の安全性を全面的に増加しうる。
図２は、図１に示す単相発電システム１００に類似し、複数のＰＶ１０８Ａ、１０８Ｂおよび１０８Ｃ、および複数のＰＣＵ１０２Ａ、１０２Ｂおよび１０２Ｃを追加した、１つの実施例の単相発電システム２００を示す。単相発電システム２００の相Ａ１３２は、１０８Ａ、１０８Ｂおよび１０８Ｃなどの１組のＰＶ、および１０２Ａ、１０２Ｂおよび１０２Ｃなどの１組のＰＣＵを備えていてもよい。３つのＰＶ１０８Ａ、１０８Ｂおよび１０８Ｃ、および３つのＰＣＵ１０２Ａ、１０２Ｂおよび１０２Ｃに関連して検討される一方で、単相発電システム２００は、３つのＰＶおよびＰＣＵの対に限定される必要はなく、かつ、追加の電力能力を得るため、無制限の数のＰＶおよびＰＣＵが追加されてもよい。ＰＣＵ１０２Ａ、１０２Ｂおよび１０２Ｃはそれぞれ、図１を参照した上記のＰＣＵ１０２に類似していてもよい。ＰＣＵ１０２Ａ、１０２Ｂおよび１０２Ｃはそれぞれ、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４Ａ、１０４Ｂおよび１０４Ｃ、単極電力コンバータ１０６Ａ、１０６Ｂおよび１０６Ｃ、およびコントローラ１０７Ａ、１０７Ｂおよび１０７Ｃのそれぞれを備えていてもよい。ＰＶ１０８Ａ、１０８Ｂおよび１０８Ｃはそれぞれ、線１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ、１１２Ａ、１１２Ｂおよび１１２Ｃのそれぞれによって、その個々のＰＣＵ１０２Ａ、１０２Ｂまたは１０２ＣのＤＣ−ＤＣコンバータ１０４Ａ、１０４Ｂまたは１０４Ｃに連結されてもよい。
ＰＣＵ１０２Ａ、１０２Ｂおよび１０２Ｃはそれぞれ、３本の線（固定正電圧ＤＣ線１１６Ａ、１１６Ｂおよび１１６Ｃ、固定負電圧ＤＣ線１１８Ａ、１１８Ｂおよび１１８Ｃ、および単極電力線１２０Ａ、１２０Ｂおよび１２０Ｃ）で結合器筐体１１４に電気的に連結されてもよい。共通線はすべて、結合器筐体１１４内に電気的に連結されてもよい。各固定正電圧ＤＣ線１１６Ａ、１１６Ｂおよび１１６Ｃはそれぞれ、共に並列に連結されてもよい。各固定負電圧ＤＣ線１１８Ａ、１１８Ｂおよび１１８Ｃはそれぞれ、共に並列に連結されてもよい。このように、並列に接続されたすべての固定正電圧ＤＣ線１１６Ａ、１１６Ｂおよび１１６Ｃおよびすべての固定負電圧ＤＣ線１１８Ａ、１１８Ｂおよび１１８Ｃは、リンク１２４を形成してもよい。ＰＣＵ１０２Ａ、１０２Ｂおよび１０２Ｃそれぞれのコントローラ１０７Ａ、１０７Ｂおよび１０７Ｃは、リンク１２４に通信信号を注入するか、もしくはリンク１２４から通信信号を受信する通信モジュールを含んでいてもよい。
代替実施例では、一連のＰＣＵ１０２Ａ、１０２Ｂおよび１０２ＣのＰＣＵ１０２Ａのみ、結合器筐体１１４に物理的に連結されてもよい。結合器筐体１１４は、単一のユニットであってもよい。ただし、条例または規制によって、ＤＣ（１１６Ａ、１１６Ｂ、１１６Ｃ、１１８Ａ、１１８Ｂおよび１１８Ｃ）および単極電力線（１２０Ａ、１２０Ｂおよび１２０Ｃ）を個別にすることが望ましい、もしくは求められうる。代替実施例では、ＤＣ線１１６Ａ、１１６Ｂ、１１６Ｃ、１１８Ａ、１１８Ｂおよび１１８Ｃは、１つの筐体に入ってもよく、かつ、単極電力線１２０Ａ、１２０Ｂおよび１２０Ｃは、別の筐体に入ってもよい。１つの実施例では、並列のＰＣＵの数は、配線上の制限により、例えば、１５個の並列のＰＣＵを超えないよう、限定されてもよく、かつ結合器筐体１１４に並列に連結されたもう１つの組のＰＶおよびＰＣＵによって、さらなる工場レベルの電力能力が追加されてもよい。別の実施例では、工場のＤＣ線の種々の少集合体は、実質上同一の数のモジュールが、ＤＣ線の単一のグループにおける各相に電気的に連結され、かつ、ＤＣ線の各対が個別の蓄積機器に連結されうるように、単一点障害を回避するために、分けられてもよい。
図１を参照して前述したように、リンク１２４は、コンデンサＣ１ １２８に連結されてもよい。コンデンサＣ１ １２８は、大型のコンデンサまたは、双方向充電器などのその他任意のエネルギー蓄積機器であってもよい。コンデンサＣ１ １２８は、例えば、１２０Ｈｚのアーチファクトなど、発生する可能性のある過渡電流を吸収してもよい。コンデンサＣ１ １２８は、電解コンデンサなどの、数百マイクロファラッドの低周波コンデンサであってもよい。出力Ａは、電圧出力信号が常に正、つまり「単極」となるよう、必要な電圧波形および周波数に近似し、接地電位からオフセットされた、単相信号である並列に接続された単極電力線１２０Ａ、１２０Ｂおよび１２０Ｃの出力であってもよい。出力Ｖｏは、リンク１２４のＤＣ出力であってもよい。
結合器筐体１１４内のコントローラ１４２は、線ＡおよびＢをそれぞれ介して、リンク１２４を監視してもよい。コントローラ１４２は、プログラマブル・コントローラまたはプロセッサ１４４、メモリー１４６、および通信モジュール１４８を含んでいてもよい。プログラマブル・コントローラ１４４は、メモリー１４６に格納された情報に応答して、コントローラ１４２に論理演算を実行させ、制御演算を実行させ、監視演算を実行させ、かつ通信演算を実行させてもよい。線Ａ、ＢおよびＣは、プログラマブル・コントローラ１４４からの信号を線Ａ、ＢおよびＣを介して送信および／または受信できうるように、プログラマブル・コントローラ１４４に結合されてもよい。コントローラ１４２は、制御線Ｃを介して、リレー１２６の動作を制御してもよい。例えば、リレー１２６は、リレー、トランジスタ、バイポーラ・トランジスタ、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）、炭化ケイ素または窒化ガリウム・トランジスタ、サイリスタ、直列接続ＭＯＳＦＥＴ、サイリスタ・エミュレータ、およびＩＧＢＴと直列のダイオードを含むスイッチング機能を実行できるいかなる既知の型の技術も使用できるが、単一のＭＯＳＦＥＴであってもよい。コントローラ１４２は、リンク１２４に通信信号を注入するか、もしくは線ＡまたはＢを介して、リンク１２４から通信信号を受信するために、プログラマブル・コントローラ１４４に結合された通信モジュール１４８を含んでいてもよい。このように、ＰＣＵ１０２Ａ、１０２Ｂおよび１０２Ｃのコントローラ１０７Ａ、１０７Ｂおよび１０７Ｃは、結合器筐体１１４のコントローラ１４２と、および相互に通信してもよい。コントローラ１０７Ａ、１０７Ｂおよび１０７Ｃと１４２間の通信は、供給された電力の報告、ＰＶ１０８Ａ、１０８Ｂおよび／または１０８Ｃ電圧または電流、単極電力コンバータ１０６Ａ、１０６Ｂおよび／または１０６Ｃの状態、および単極電力コンバータ１０６Ａ、１０６Ｂおよび／または１０６Ｃを有効または無効にするコマンドの受信を含んでいてもよい。
コントローラ１４２は、アンチアイランディング機能を備え、線Ａおよび／またはＢを監視することによって、リンク１２４上でアーク故障を検出してもよい。作動中、アーク故障がリンク１２４上で検出された場合、単極電力線１２０Ａ、１２０Ｂおよび／または１２０Ｃは、リレー１２６を開放することによって、連結解除されてもよい。ＰＣＵ１０２Ａ、１０２Ｂおよび／または１０２Ｃ内のコントローラ１０７Ａ、１０７Ｂおよび／または１０７Ｃは、単極電力線１２０Ａ、１２０Ｂおよび／または１２０Ｃの連結解除を検出してもよく、かつ、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４Ａ、１０４Ｂおよび／または１０４Ｃを停止し、リンク１２４からＰＣＵ１０２Ａ、１０２Ｂおよび／または１０２Ｃの連結を解除してもよい。結合器筐体１１４内のコントローラ１４２は、リンク１２４を放電してもよい。一部の実施例では、再起動は、人間による検査および介入によってのみ許可されてもよい。集中化され、おそらくは冗長化されているアーク故障検出およびアンチアイランディングは、単位あたりの全費用を削減し、単相発電システム２００の安全性を全面的に増加しうる。
図３Ａは、ＰＶ１０８ＤおよびＰＣＵ１０２Ｄの別の組と結合され、本明細書において相Ｂ１３４と示される、図１を参照して前述された相Ａ１３２からなる二相発電システム３００Ａを示す。相Ｂ１３４は、線１１０Ｄおよび１１２ＤによってＰＣＵ１０２Ｄに連結されたＰＶ１０８Ｄから構成されてもよい。ＰＣＵ１０２Ｄは、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４Ｄ、単極電力コンバータ１０６Ｄおよびコントローラ１０７Ｄから構成されてもよい。相Ｂ１３４のＰＶ１０８ＤおよびＰＣＵ１０２Ｄは、図１を参照して前述された相Ａ１３２の同等物に対するのと類似した方法で動作してもよい。
ＰＣＵ１０２および１０２Ｄはそれぞれ、３本の線（固定正電圧ＤＣ線１１６および１１６Ｂ、固定負電圧ＤＣ線１１８および１１８Ｂ、および単極電力線１２０および１２０Ｂ）で結合器筐体１１４に電気的に連結されてもよい。固定正電圧ＤＣ線１１６および１１６Ｄは共に連結されてもよい。固定負電圧ＤＣ線１１８および１１８Ｄはそれぞれ、共に連結されてもよい。このように、共に接続されたすべての固定正電圧ＤＣ線１１６および１１６Ｄおよびすべての固定正電圧ＤＣ線１１８および１１８Ｄは、リンク１２４を形成してもよい。ＰＣＵ１０２および１０２Ｄそれぞれのコントローラ１０７および１０７Ｄは、リンク１２４に通信信号を注入するか、もしくはリンク１２４から通信信号を受信する通信モジュールを含んでいてもよい。
図１を参照して前述したように、リンク１２４は、コンデンサＣ１ １２８に連結されてもよい。コンデンサＣ１ １２８は、大型のコンデンサまたは、双方向充電器などのその他任意のエネルギー蓄積機器であってもよい。コンデンサＣ１ １２８は、例えば、１２０Ｈｚのアーチファクトなど、発生する可能性のある過渡電流を吸収してもよい。コンデンサＣ１ １２８は、電解コンデンサなどの、数百マイクロファラッドの低周波コンデンサであってもよい。
出力Ａは、電圧出力信号が常に正、つまり「単極」となるよう、必要な電圧波形および周波数に近似し、接地電位からオフセットされた、単相信号である単極電力線１２０の出力であってもよい。出力Ｂは、電圧出力信号が常に正、つまり「単極」となるよう、必要な電圧波形および周波数に近似し、接地電位からオフセットされた、単相信号である単極電力線１２０Ｄの出力であってもよい。出力Ｖｏは、リンク１２４のＤＣ出力であってもよい。
図１を参照して前述したように、結合器筐体１１４内のコントローラ１４２は、線ＡおよびＢを介して、リンク１２４を監視してもよい。コントローラ１４２は、プログラマブル・コントローラまたはプロセッサ１４４、メモリー１４６、および通信モジュール１４８を含んでいてもよい。プログラマブル・コントローラ１４４は、メモリー１４６に格納された情報に応答して、コントローラ１４２に論理演算を実行させ、制御演算を実行させ、監視演算を実行させ、かつ通信演算を実行させてもよい。線Ａ、Ｂ、ＣおよびＤは、プログラマブル・コントローラ１４４からの信号を線Ａ、Ｂ、ＣおよびＤを介して送信および／または受信できうるように、プログラマブル・コントローラ１４４に結合されてもよい。コントローラ１４２は、制御線Ｃを介して、リレー１２６の動作を制御し、かつ制御線Ｄを介して、リレー１２６Ｄの動作を制御してもよい。例えば、リレー１２６および１２６Ｄは、リレー、トランジスタ、バイポーラ・トランジスタ、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）、炭化ケイ素または窒化ガリウム・トランジスタ、サイリスタ、直列接続ＭＯＳＦＥＴ、サイリスタ・エミュレータ、およびＩＧＢＴと直列のダイオードを含むスイッチング機能を実行できるいかなる既知の型の技術も使用できるが、単一のＭＯＳＦＥＴであってもよい。コントローラ１４２は、リンク１２４に通信信号を注入するか、もしくは線ＡまたはＢを介して、リンク１２４から通信信号を受信するために、プログラマブル・コントローラ１４４に結合された通信モジュール１４８を含んでいてもよい。このように、ＰＣＵ１０２および１０２Ｄのコントローラ１０７および１０７Ｄは、結合器筐体１１４のコントローラ１４２と、および相互に通信してもよい。コントローラ１０７、１０７Ｄと１４２間の通信は、供給された電力の報告、ＰＶ１０８および／または１０８Ｄ電圧または電流、単極電力コンバータ１０６および／または１０６Ｄの状態、および単極電力コンバータ１０６および／または１０６Ｄを有効または無効にするコマンドの受信を含んでいてもよい。
コントローラ１４２は、アンチアイランディング機能を備え、線Ａおよび／またはＢを監視することによって、リンク１２４上でアーク故障を検出してもよい。作動中、アーク故障がリンク１２４上で検出された場合、単極電力線１２０および／または１２０Ｄは、リレー１２６および／または１２６Ｄを開放することによって、連結解除されてもよい。ＰＣＵ１０２内のコントローラ１０７は、単極電力線１２０の連結解除を検出してもよく、かつ、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４を停止し、リンク１２４からＰＣＵ１０２の連結を解除してもよい。ＰＣＵ１０２Ｄ内のコントローラ１０７Ｄは、単極電力線１２０Ｄの連結解除を検出してもよく、かつ、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４Ｄを停止し、リンク１２４からＰＣＵ１０２Ｄの連結を解除してもよい。結合器筐体１１４内のコントローラ１４２は、リンク１２４を放電してもよい。一部の実施例では、再起動は、人間による検査および介入によってのみ許可されてもよい。集中化され、おそらくは冗長化されているアーク故障検出およびアンチアイランディングは、単位あたりの全費用を削減し、単相発電システム３００の安全性を全面的に増加しうる。
図３Ｂは、それぞれがＰＣＵ１０２および１０２Ｄに連結される２つのＰＶ１０８および１０８Ｄ以外で、単一のＰＶ１０８が、２つの相（相Ａ１３２および相Ｂ１３４）に対して、電子インターフェースに関連付けされていることを除いて、図３Ａを参照して前述された二相発電システム３００Ａに類似した二相発電システム３００Ｂを示す。二相発電システム３００Ｂにおいて、相Ａ１３２は、線１１０および１１２によってＰＣＵ１０２に連結されたＰＶ１０８から構成されてもよく、相Ｂ１３４は、線１１０Ｄおよび１１２ＤによってＰＣＵ１０２Ｄに連結されたＰＶ１０８から構成されてもよい。二相発電システム３００Ｂは、図３Ａを参照して前述された二相発電システム３００Ａに対するのと類似した方法で動作してもよい。
図４Ａは、ＰＶ１０８ＥおよびＰＣＵ１０２Ｅの別の組と結合され、本明細書において相Ｃ１３６と示される、図３Ａを参照して前述された相Ａ１３２および相Ｂ１３４から構成されうる三相発電システム４００Ａを示す。相Ｃ１３６は、線１１０Ｅおよび１１２ＥによってＰＣＵ１０２Ｅに連結されたＰＶ１０８Ｅから構成されてもよい。ＰＣＵ１０２Ｅは、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４Ｅ、単極電力コンバータ１０６Ｅおよびコントローラ１０７Ｅから構成されてもよい。相Ｃ１３４のＰＶ１０８ＥおよびＰＣＵ１０２Ｅは、図３Ａを参照して前述された相Ａ１３２および相Ｂ１３４の同等物に対するのと類似した方法で動作してもよい。
ＰＣＵ１０２、１０２Ｄおよび１０２Ｅはそれぞれ、３本の線（固定正電圧ＤＣ線１１６、１１６Ｄおよび１１６Ｅ、固定負電圧ＤＣ線１１８、１１８Ｄおよび１１８Ｅ、および単極電力線１２０、１２０Ｄおよび１２０Ｅ）で結合器筐体１１４に電気的に連結されてもよい。固定正電圧ＤＣ線１１６、１１６Ｄおよび１１６Ｅは共に並列に連結されてもよい。固定負電圧ＤＣ線１１８、１１８Ｄおよび１１８Ｅはそれぞれ、共に並列に連結されてもよい。このように、共に接続されたすべての固定正電圧ＤＣ線１１６、１１６Ｄおよび１１６Ｅおよびすべての固定負電圧ＤＣ線１１８、１１８Ｄおよび１１８Ｅは、リンク１２４を形成してもよい。ＰＣＵ１０２、１０２Ｄおよび１０２Ｅそれぞれのコントローラ１０７、１０７Ｄおよび１０７Ｅは、リンク１２４に通信信号を注入するか、もしくはリンク１２４から通信信号を受信する通信モジュールを含んでいてもよい。
図１を参照して前述したように、リンク１２４は、コンデンサＣ１ １２８に連結されてもよい。コンデンサＣ１ １２８は、大型のコンデンサまたは、双方向充電器などのその他任意のエネルギー蓄積機器であってもよい。コンデンサＣ１ １２８は、例えば、１２０Ｈｚのアーチファクトなど、発生する可能性のある過渡電流を吸収してもよい。コンデンサＣ１ １２８は、電解コンデンサなどの、数百マイクロファラッドの低周波コンデンサであってもよい。
出力Ａは、電圧出力信号が常に正、つまり「単極」となるよう、必要な電圧波形および周波数に近似し、接地電位からオフセットされた、単相信号である単極電力線１２０の出力であってもよい。出力Ｂは、電圧出力信号が常に正、つまり「単極」となるよう、必要な電圧波形および周波数に近似し、接地電位からオフセットされた、単相信号である単極電力線１２０Ｄの出力であってもよい。出力Ｃは、電圧出力信号が常に正、つまり「単極」となるよう、必要な電圧波形および周波数に近似し、接地電位からオフセットされた、単相信号である単極電力線１２０Ｅの出力であってもよい。出力Ｖｏは、リンク１２４のＤＣ出力であってもよい。
図１を参照して前述したように、結合器筐体１１４内のコントローラ１４２は、線ＡおよびＢを介して、リンク１２４を監視してもよい。コントローラ１４２は、プログラマブル・コントローラまたはプロセッサ１４４、メモリー１４６、および通信モジュール１４８を含んでいてもよい。プログラマブル・コントローラ１４４は、メモリー１４６に格納された情報に応答して、コントローラ１４２に論理演算を実行させ、制御演算を実行させ、監視演算を実行させ、かつ通信演算を実行させてもよい。線Ａ、Ｂ、Ｃ、ＤおよびＥは、プログラマブル・コントローラ１４４からの信号を線Ａ、Ｂ、Ｃ、ＤおよびＥを介して送信および／または受信できうるように、プログラマブル・コントローラ１４４に結合されてもよい。コントローラ１４２は、制御線Ｃを介して、リレー１２６の動作を制御し、制御線Ｄを介して、リレー１２６Ｄの動作を制御し、かつ、制御線Ｅを介して、リレー１２６Ｅの動作を制御してもよい。例えば、リレー１２６、１２６Ｄおよび１２６Ｅは、リレー、トランジスタ、バイポーラ・トランジスタ、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）、炭化ケイ素または窒化ガリウム・トランジスタ、サイリスタ、直列接続ＭＯＳＦＥＴ、サイリスタ・エミュレータ、およびＩＧＢＴと直列のダイオードを含むスイッチング機能を実行できるいかなる既知の型の技術も使用できるが、単一のＭＯＳＦＥＴであってもよい。コントローラ１４２は、リンク１２４に通信信号を注入するか、もしくは線ＡまたはＢを介して、リンク１２４から通信信号を受信するために、プログラマブル・コントローラ１４４に結合された通信モジュール１４８を含んでいてもよい。このように、ＰＣＵ１０２、１０２Ｄおよび１０２Ｅのコントローラ１０７、１０７Ｄおよび１０７Ｅは、結合器筐体１１４のコントローラ１４２と、および相互に通信してもよい。コントローラ１０７、１０７Ｄおよび１０７Ｅと１４２間の通信は、供給された電力の報告、ＰＶ１０８、１０８Ｄおよび／または１０８Ｅ電圧または電流、単極電力コンバータ１０６、１０６Ｄおよび／または１０６Ｅの状態、および単極電力コンバータ１０６、１０６Ｄおよび／または１０６Ｅを有効または無効にするコマンドの受信を含んでいてもよい。
コントローラ１４２は、アンチアイランディング機能を備え、線Ａおよび／またはＢを監視することによって、リンク１２４上でアーク故障を検出してもよい。作動中、アーク故障がリンク１２４上で検出された場合、単極電力線１２０、１２０Ｄおよび１２０Ｅは、リレー１２６、１２６Ｄおよび／または１２６Ｅを開放することによって、連結解除されてもよい。ＰＣＵ１０２内のコントローラ１０７は、単極電力線１２０の連結解除を検出してもよく、かつ、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４を停止し、リンク１２４からＰＣＵ１０２の連結を解除してもよい。ＰＣＵ１０２Ｄ内のコントローラ１０７Ｄは、単極電力線１２０Ｄの連結解除を検出してもよく、かつ、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４Ｄを停止し、リンク１２４からＰＣＵ１０２Ｄの連結を解除してもよい。ＰＣＵ１０２Ｅ内のコントローラ１０７Ｅは、単極電力線１２０Ｅの連結解除を検出してもよく、かつ、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４Ｅを停止し、リンク１２４からＰＣＵ１０２Ｅの連結を解除してもよい。結合器筐体１１４内のコントローラ１４２は、リンク１２４を放電してもよい。一部の実施例では、再起動は、人間による検査および介入によってのみ許可されてもよい。集中化され、おそらくは冗長化されているアーク故障検出およびアンチアイランディングは、単位あたりの全費用を削減し、単相発電システム４００の安全性を全面的に増加しうる。
ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４、１０４Ｄおよび１０４Ｅは、並列に電気的に連結されてもよく、かつ、その個々のＰＶ１０８、１０８Ｄおよび１０８ＥをＤＣ−ＤＣコンバータ入力電圧として調整するよう、ターゲット電圧を設定するよう機能してもよい。その結果、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４、１０４Ｄおよび１０４Ｅは、その個々のＰＶ１０８、１０８Ｄおよび１０８Ｅの絶縁および温度条件が変わらない場合に、定電力で動作してもよい。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４、１０４Ｄおよび１０４Ｅの出力は、単極電力コンバータ１０６、１０６Ｄおよび１０６Ｅに入力電力を供給する。何らかの理由で、出力（例えば、出力ＦＥＴに対する安全性限界または工場レベルでの限界）で供給されるのに望ましいと思われうるよりも、単極電力コンバータ１０６、１０６Ｄおよび１０６Ｅへの入力電力が多くあるときには、すべての関連するＤＣ−ＤＣコンバータ１０４、１０４Ｄおよび１０４Ｅがその出力電力を制限する場合がある。１つの実施例では、これは、リンク１２４の電圧Ｖｌｉｎｋを工場から必要とされる最大電力に対応した値に制限するよう、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４、１０４Ｄおよび１０４Ｅを制御することでなされえる。
三相出力は、結合器筐体１１４からの出力であってもよい。最小電圧は、線１１２、１１２Ｄ、１１２Ｅ、１１８、１１８Ｄおよび１１８Ｅでの負の電圧を超える、電圧値Ｖｏｆｆｓｅｔによって補正されてもよい。一部の実施例では、Ｖｏｆｆｓｅｔは、１０ボルトであってもよい。中性電圧点は、グリッド・システムの対応する中性点に連結されてもよい。同様に、結合器筐体１１４からの相Ａ端子、相Ｂおよび相Ｃ出力は、グリッドの対応する相線に連結されてもよい。
図４Ｂは、それぞれがＰＣＵ１０２、１０２Ｄおよび１０２Ｅに連結される３つのＰＶ１０８、１０８Ｄおよび１０８Ｅ以外で、単一のＰＶ１０８が、３つの相（相Ａ１３２、相Ｂ１３４および相Ｃ１３６）に対して、電子インターフェースに関連付けされていることを除いて、図４Ａを参照して前述された三相発電システム４００Ａに類似した三相発電システム４００Ｂを示す。三相発電システム４００Ｂにおいて、相Ａ１３２は、線１１０および１１２によってＰＣＵ１０２に連結されたＰＶ１０８から構成されてもよく、相Ｂ１３４は、線１１０Ｄおよび１１２ＤによってＰＣＵ１０２Ｄに連結されたＰＶ１０８から構成されてもよく、かつ、相Ｃ１３６は、線１１０Ｅおよび１１２ＥによってＰＣＵ１０２Ｅに連結されたＰＶ１０８から構成されてもよい。三相発電システム４００Ｂは、図４Ａを参照して前述された三相発電システム４００Ａに対するのと類似した方法で動作してもよい。
図５は、図１を参照して前述したように、１つの実施例によるＰＣＵ１０２の構成要素を示す。コンデンサ５０２および５３６、コイル５０４、およびスイッチ５０６および５０８は、ブースト型のＤＣ−ＤＣコンバータ１０４を形成してもよい。線１１０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４の正の入力端子５２６に連結されてもよく、線１１２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４の負の入力端子５２８に連結されてもよい。コンデンサ５０２の入力端子およびコイル５０４の入力端子は、正の入力端子５２６に連結されてもよい。コイル５０４の出力端子は、スイッチ５０８の入力端子およびスイッチ５０６の入力端子に連結されてもよい。スイッチ５０６および５０８は、リレー、トランジスタ、バイポーラ・トランジスタ、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）、炭化ケイ素または窒化ガリウム・トランジスタ、サイリスタ、直列接続ＭＯＳＦＥＴ、サイリスタ・エミュレータ、およびＩＧＢＴと直列のダイオードを含むスイッチング機能を実行できるいかなる既知の型の技術も使用できるが、単一のＭＯＳＦＥＴであってもよい。さらに、スイッチ５０６および５０８は、異なる型のスイッチであってもよい。代替実施例では、この例構成は部品コストを結果的に削減するが、効率もある程度犠牲にしうるが、スイッチ５０６は、ダイオードであってもよい。
スイッチ５０８の出力端子は、コンデンサ５３６の入力端子に、および正のＤＣ出力端子５３０に連結されてもよい。正のＤＣ出力端子５３０は、固定正電圧ＤＣ線１１６に連結されてもよい。コンデンサ５３６は、例えば、数マイクロファラッドのコンデンサなど、高周波コンデンサであってもよく、かつ、高周波スイッチング・アーチファクトをフィルタリングしてもよい。コンデンサ５０２の出力端子、スイッチ５０６の出力端子およびコンデンサ５３６の出力端子は、負の入力端子５２８に連結されてもよい。さらに、コンデンサ５０２の出力端子、スイッチ５０６の出力端子、コンデンサ５３６の出力端子および負の入力端子５２８は、負のＤＣ出力端子５３２に連結されてもよい。負のＤＣ出力端子５３２は、固定負電圧ＤＣ線１１８に連結されてもよい。
コイル５１０および５１６、スイッチ５１２および５１４、およびコンデンサ５１８は、単極電力コンバータ１０６を形成してもよい。コイル５１０の入力端子は、コンデンサ５３６の入力端子、スイッチ５０８の出力端子、および正のＤＣ出力端子５３０に連結されてもよい。コイル５１０の出力端子は、スイッチ５１２の入力端子に連結されてもよい。スイッチ５１２は、リレー、トランジスタ、バイポーラ・トランジスタ、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）、炭化ケイ素または窒化ガリウム・トランジスタ、サイリスタ、直列接続ＭＯＳＦＥＴ、サイリスタ・エミュレータ、およびＩＧＢＴと直列のダイオードを含むスイッチング機能を実行できるいかなる既知の型の技術も使用できるが、単一のＭＯＳＦＥＴであってもよい。スイッチ５１２の出力端子は、コイル５１６の入力端子およびスイッチ５１４の出力端子に連結されてもよい。スイッチ５１４は、リレー、トランジスタ、バイポーラ・トランジスタ、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）、炭化ケイ素または窒化ガリウム・トランジスタ、サイリスタ、直列接続ＭＯＳＦＥＴ、サイリスタ・エミュレータ、およびＩＧＢＴと直列のダイオードを含むスイッチング機能を実行できるいかなる既知の型の技術も使用できるが、単一のＭＯＳＦＥＴであってもよい。代替実施例では、スイッチ５１４は、ダイオードであってもよい。スイッチ５１２の出力端子およびスイッチ５１４の出力端子は、共に連結され、単一の出力端子を形成してもよい。このように共に連結されて、スイッチ５１２および５１４は、ハーフブリッジ回路を形成してもよい。スイッチ５１２の出力端子およびスイッチ５１４の出力端子は、共に連結され、コイル５１６の入力端子に連結されうる単一の出力端子を形成してもよい。
コイル５１６の出力端子は、コンデンサ５１８の入力端子に、および単極電力出力端子５３４に連結されてもよい。単極電力出力端子５３４は、単極電力線１２０に連結されてもよい。コンデンサ５１８の出力端子は、スイッチ５１４の入力端子、コンデンサ５０２の出力端子、スイッチ５０６の出力端子、コンデンサ５３６の出力端子、負の入力端子５２８、および負のＤＣ出力端子５３２に連結されてもよい。コンデンサ５１８は、単極電力コンバータ１０６が結合されうる電力システムからの単極電力コンバータ１０６の高周波デカップリングを可能にしてもよい。
コントローラ１０７は、制御線Ａ、Ｂ、ＣおよびＤをそれぞれ介して、スイッチ５０６、５０８、５１２および５１４の制御ゲートに制御信号を供給してもよい。コントローラ１０７は、それぞれが独立して動作されうる、複数の出力端子を備えていてもよい。制御線Ａ、Ｂ、ＣおよびＤは、スイッチ５０６、５０８、５１２および５１４の制御ゲートそれぞれに連結されてもよい。コントローラ１０７は、プログラマブル・コントローラまたはプロセッサ５２０、メモリー５２２、および通信モジュール５２４を含んでいてもよい。プログラマブル・コントローラ５２０は、メモリー５２２に格納された情報に応答して、論理演算を実行し、制御演算を実行し、監視演算を実行し、かつ通信演算を実行してもよい。線Ａ、Ｂ、ＣおよびＤは、プログラマブル・コントローラ５２０からの信号が線Ａ、Ｂ、ＣおよびＤを介して送信または受信できうるように、プログラマブル・コントローラ５２０に結合されてもよい。線Ａ、Ｂ、ＣおよびＤは、プログラマブル・コントローラ５２０からの信号がそれぞれスイッチ５０６、５０８、５１２および５１４の動作を制御できうるように、プログラマブル・コントローラ５２０に結合されてもよい。１つの実施例では、プログラマブル・コントローラ５２０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４が、例えば、３０ＫＨｚの高スイッチング周波数を有するよう、スイッチ５０６および５０８の動作を制御してもよい。通信モジュール５２４は、プログラマブル・コントローラ５２０に、正のＤＣ出力端子５３０、負のＤＣ出力端子５３２および単極電力出力端子５３４に連結された線を介して、および／またはその他の通信チャネル（例：無線または有線ネットワーク接続を介して）を介して、情報を送信および受信できるようにしてもよい。
図６は、３つの相Ａ６０２、Ｂ６０４およびＣ６０６間の相関を示す。図７は、２つの相、Ａ７０２およびＢ７０４間の、例えば１８０°の二相システムに対する相関を示す。
図８は、図５を参照して前述したように、ＰＣＵ１０２によるパルス振幅変調（ＰＡＭ）電流パルスに変換されうるパルス幅変調の変換結果の例を示す。短期間のほぼ方形の電圧パルス８０２は、スイッチ５０６のドレイン側での電圧を示してもよい。パルス幅８０８は、線Ａを介したコントローラ１０７からの信号のパルス幅に近似してもよく、かつ、期間８１０は、ＰＣＵ１０２のスイッチング期間であってもよい。円形の半波整流正弦波８０４は、コントローラ１０７からの制御信号の状態およびスイッチ５１２および５１４の状態に応じて、単極電力出力端子５３４から線ＡまでにおけるＰＣＵ１０２の出力であってもよい。コンデンサ５３６は、コイル５１０および５１６およびコンデンサ５１８と共に、再構成フィルタとして機能し、円形の半波整流正弦波８０４を生成してもよい。三角波形８０６は、同一期間中、ＰＣＵ１０２に連結されたＰＶ１０８を通して発生しうる電流の変化を示し、かつ、上記再構成フィルタによって生成された比較的大きいパルス幅変調電流パルスに関係なく、比較的一定のＰＶ１０８電流の維持において、コイル５０４およびコンデンサ５３６が持ちうる効果を示す。
図９は、単相発電システムにおいて並列に接続された５つのＰＣＵのグループの個々の電力曲線および所定の期間における５ＰＣＵ単相発電システムの合計電力曲線間の相関を示す。５ＰＣＵ単相発電システムに関して検討しつつ、無制限の数のＰＣＵを並列に接続してもよい。上記の通り、電力の単相を含むように、各ＰＣＵの出力を並列に接続するよう、ＰＶをＰＣＵに連結し、かつ、無制限の数のＰＣＵを並列に接続してもよい。太陽光がＰＶに入射し始めると、各ＰＶから利用できる電力は、そのＰＶの最大電力未満であってもよい。低電力状態中（朝の日の出中など）、すべての単極電力コンバータが一度に動作状態に置かれた場合、５ＰＣＵのグループの各単極電力コンバータは、非効率状態で動作してもよい。効率を上げるには、第１の期間（時間９１４から９１６まで）において、第１のＰＣＵの単極電力コンバータは、作動され、それによって、上記第１のＰＣＵの電力曲線９０２あたりの負荷に電力を供給してもよい。ＤＣ−ＤＣバス電圧（それによって利用できる電力）は増え続けるため、期間９１６から９１８の間、第２のＰＣＵの単極電力コンバータを有効化し、ＤＣ−ＤＣバス電圧、従って利用できる電力が増すため、電力曲線９０４によって図示の通りにその電力を増してもよい。負荷９２４への合計電力は、第２の期間（時間９１６から９１８まで）の間の第１および第２のＰＣＵの単極電力コンバータの複合電力であってもよい。電力が増すに連れ、続くＰＣＵが作動されてもよい。第３のＰＣＵの単極電力コンバータが第３の期間（時間９１８から９２０まで）に作動され、それによって、電力曲線９０６によって示される、その電力を供給してもよい。第４のＰＣＵの単極電力コンバータが第４の期間（時間９２０から９２２まで）に作動され、それによって、電力曲線９０８によって示されるように、その電力を供給してもよい。時間９２２の後、第５のＰＣＵの単極電力コンバータが作動され、それによって、電力曲線９１０によって示される、その電力を供給してもよい。
１つの実施例において、続くそれぞれのＰＣＵの単極電力コンバータは、前に有効化されたＰＣＵの単極電力コンバータがその最大効率状態９１２に達する前に、一定のＤＣ−ＤＣ電圧で有効化されてもよい。図９に示される通り、作動中、所定のＰＣＵの単極電力コンバータは、別のＰＣＵの単極電力コンバータとは異なる最大効率点を有する場合があるが、すべてのユニットは、同じ最大効率点９１２を有していてもよい。ＤＣ−ＤＣ電圧は増え続けるため、円滑な転移を提供するため、毎回前の上記ユニットがその最大効率状態に達する前に、より多くのＰＣＵの単極電力コンバータが有効化されてもよい。それに応じて、各対応転移（トリガー）点９１４、９１６、９１８、９２０および９２２それぞれにおいて、個々の電力曲線９０２、９０４、９０６、９０８および９１０によって示されるように、各ＰＣＵの単極電力コンバータが有効化されるに連れ、システムに対する合計（複合）電力は増してもよい。
代替実施例では、各ＰＣＵの単極電力コンバータは、一意のＤＣ−ＤＣバス電圧値（トリガー値）において、動作を開始し、それによって、図９に示す、交互の有効化効果を生じる構成とされてもよい。別の実施例では、物理的に結合器筐体に最も近いＰＣＵの単極電力コンバータは、最初に有効化され、次に最も近いもの以降が有効化されてもよい。この方法は、接続線の長さを最小化することにより、効率の向上を図り、それによって、抵抗損失を最小限に抑えてもよい。さらに別の代替実施例では、いずれの単極電力コンバータも別の単極電力コンバータよりも長い全体時間で動作しうるよう、制御方法は、ＰＣＵの単極電力コンバータの間で、割り当てられたトリガー電圧を順に変えてもよい。このように、その他の単極電力コンバータよりも多く使用することで生じる単極電力コンバータへの損傷は回避しうる。上記種々の実施例において、割り当てられたトリガー点は、各営業日などの任意の間隔で変更されてもよい。
図９に示される実施例は、全日射量が利用可能だが、例えば、グリッドなどの負荷が利用できる出力全体を要求しえない場合にも採用しうる。負荷要求が下がるに連れ、単極電力コンバータの数は、既定のスケジュールに応じて、減らしうる。その後、負荷要求が増すに連れ、更なる単極電力コンバータが再度有効化されてもよい。日没中、日射量が減るため、例えば、一日の終わりに減少手法を用いてもよい。
工場から必要とされる最大電力は、図９に示す曲線９２４によって決定されてもよい。これは、最大電圧モードでの増加の操作に対応する。リンク電圧Ｖｌｉｎｋがターゲット電圧を超える場合、ＭＰＰＴターゲットは無効にされ、単極電力コンバータ入力電力は一定量（パネル電流および電力が減るように、入力電圧ターゲットが増す）減らされてもよい。その後、ＤＣリンク１０９の電圧Ｖｌｉｎｋが低下した場合、単極電力コンバータへの入力ターゲット電圧は、ＭＰＰ電圧に達し、かつＭＰＰＴ操作が再開しうるようになるまで、徐々に上がってもよい。
代替実施例では、すべての利用可能なＰＣＵおよびその関連する単極電力コンバータをその最大効率状態に制御することで供給される電力を超えて、電力がシステムに要求されうる。それに応じて、単極電力コンバータは、すべての単極電力コンバータがその既定の最大電力状態に達するまで、ある程度の効率を犠牲にして、高電力構成に制御されうる。例えば、ＰＣＵに連結されたＰＶに対する最大効率点は、約１５０ワットとなり、かつ、最大許容電力は２４０ワットになりうる。最大電力は、電子部品がサポートできる最大となるか、もしくは、それを超えると損傷が生じうる規定値になりうる。
１つの実施例では、所定のＰＣＵの単極電力コンバータが機能しない（例えば、障害により停止）場合、その割り当てられたトリガー電圧に応じて有効化される、同じ相のその他のＰＣＵのその他の単極電力コンバータに、上記ＰＣＵの対応するＤＣ−ＤＣコンバータおよびその他のＰＣＵのＤＣ−ＤＣコンバータから入ってくる電力が供給されてもよい。
上記種々の実施例では、すべてのＤＣ−ＤＣコンバータ未満が並列に接続されてもよい。上記種々の実施例では、単極電力コンバータは、任意の瞬間にアクティブになってもよい。例えば、送電網などの負荷の電力要件が工場から利用できる最大電力未満になりうるため、もしくは、利用できる入力電力がピーク出力電力に要求される電力未満で有効化されうるため、単極電力コンバータの一部は有効化されず、それによって、動作している単極電力コンバータをそれぞれ、それ自体のピーク効率で動作させるようにしてもよい。
図１０は、ＰＣＵによる、正のＤＣ電圧、負のＤＣ電圧および単極電力出力を生成する１つの実施例による方法１０００を示す。例えば、ＰＣＵは、図１〜５を参照して上述されるＰＣＵ１０２であってもよい。方法１０００は、ＰＣＵ１０２のコントローラ１０７によって実施されてもよい。ブロック１００２において、コントローラ１０７は、ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチを開閉して、正のＤＣ電圧および負のＤＣ電圧を生成してもよい。例えば、コントローラ１０７は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４のスイッチ５０６および５０８を開閉して、正のＤＣ電圧および負のＤＣ電圧を生成してもよい。ブロック１００４において、コントローラ１０７は、単極電力コンバータのスイッチを開閉して、単極電力出力を生成してもよい。例えば、コントローラ１０７は、スイッチ５１２および５１４を開閉して、単極電力出力を生成してもよい。
図１１は、ＰＣＵによる、変調ＤＣ出力およびＡＣ出力を生成する１つの実施例による方法１１００を示す。例えば、ＰＣＵは、図１〜５を参照して上記のＰＣＵ１０２であってもよい。方法１１００は、ＰＣＵ１０２のコントローラ１０７によって実施されてもよい。ブロック１１０２において、コントローラ１０７は、ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチを開閉して、変調ＤＣ出力を生成してもよい。例えば、コントローラ１０７は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４のスイッチ５０６および５０８を開閉して、変調ＤＣ出力を生成してもよい。ブロック１１０４において、コントローラ１０７は、単極電力コンバータのスイッチを開閉して、変調ＤＣ出力をＡＣ出力に変換してもよい。例えば、コントローラ１０７は、スイッチ５１２および５１４を開閉して、変調ＤＣ出力をＡＣ出力に変換してもよい。
図１２は、並列に連結された複数のＰＣＵを備える発電システムを操作する、１つの実施例による方法１２００を示す。例えば、上記発電システムは、図２を参照して上述の発電システム２００であってもよい。方法１１００は、結合器筐体１１４のコントローラ１４２によって実施されてもよい。ブロック１２０２において、コントローラ１４２は、第１のＰＣＵを作動させてもよい。例えば、コントローラ１４２は、線１１６Ａおよび／または１１８Ａ上の通信信号を介して、ＰＣＵ１０２Ａを作動させてもよい。判定ブロック１２０４において、コントローラ１４２は、第１のＰＣＵの出力がトリガー値に達したかを判定するため、第１のＰＣＵの出力を監視してもよい。トリガー値は、電圧値または最大電力レベルなどの値であってもよい。トリガー値に達しなかった場合（つまり、判定ブロック１２０４＝「いいえ」）、コントローラ１４２は、第１のＰＣＵの出力を監視し続けてもよい。トリガー値に達した場合（つまり、判定ブロック１２０４＝「はい」）、ブロック１２０６において、コントローラ１４２は、第２のＰＣＵを作動させてもよい。例えば、コントローラ１４２は、線１１６Ｂおよび／または１１８Ｂ上の通信信号を介して、ＰＣＵ１０２Ｂを作動させてもよい。
図１３は、結合器筐体の動作を制御して、単極電力出力への単極電力の流れを妨げる、１つの実施例による方法１３００を示す。例えば、上記結合器筐体は、図１を参照して上述の発電システム１００の結合器筐体１１４であってもよい。方法１３００は、結合器筐体１１４のコントローラ１４２によって実施されてもよい。ブロック１３０２において、コントローラ１４２は、リレーを開いて、単極電力出力への単極電力の流れを妨げてもよい。例えば、コントローラ１４２は、線Ｃ上の制御信号を介して、リレー１２６を開いてもよい。ブロック１３０４において、コントローラ１４２は、ＰＣＵに信号を送信してもよい。例えば、コントローラ１４２は、線１１６および／または１１８を介して、ＰＣＵ１０２に信号を送信してもよい。例えば、コントローラ１４２からＰＣＵ１０２への信号は、ＰＣＵ１０２での単極電力の生成を停止する指示であってもよい。ブロック１３０６において、コントローラ１４２は、ＰＣＵ１０２からの信号を受信してもよい。例えば、コントローラ１４２は、線１１６および／または１１８を介して、ＰＣＵ１０２から信号を受信してもよい。例えば、ＰＣＵ１０２からの信号は、ＰＣＵ１０２が単極電力の生成を停止したことを示す内容であってもよい。
本明細書に記載される上記種々の実施例は、直流源の制御および直流から三相交流への変換に有用でありうる。直流源の例には、太陽光パネル、風力タービン、バッテリー、地熱、潮力、水力発電、熱電および圧電電力システムが含まれる。検討のために、太陽光システムの実施例は、上記種々の実施例の機能および能力を説明するための例として用いられる。しかしながら、当業者は、本明細書に記載の回路およびプロセスがその他の直流源にも同様に適用されうることを認めるだろう。従って、特許請求の範囲の範囲は、特許請求の範囲において明示的に記載されている場合を除き、太陽光発電用途に限定されるべきではない。
上述の方法の説明およびプロセス・フロー図は、単に事例として提供されており、上記種々の態様の手順は、提示されている順序で実行されるべきであることを求める、または暗示することを意図していない。当業者のいずれかによって理解されるように、上述の態様における手順の順序は、任意の順序で実行されてもよい。「それ以降」、「それから」、「次に」などの言葉は、上記手順の順序を限定するものではなく、これらの言葉は単に、方法の説明を読者に案内するために用いられる。さらに、例えば、冠詞「ａ」、「ａｎ」または「ｔｈｅ」を用いた、単数形の特許請求の範囲の構成要素への参照は、上記構成要素を単数形に限定するものとして解釈されるべきではない。
本明細書に記載の上記態様に関連して説明されている上記種々の例示されている論理ブロック、モジュール、回路、およびアルゴリズム手順は、電子ハードウェア、コンピュータ・ソフトウェア、または両方の組み合わせとして実施されてもよい。このハードウェアおよびソフトウェアの互換性を明確に説明するため、種々の例示的構成要素、ブロック、モジュール、回路および手順は、それらの機能に関して、一般的に説明されてきた。上記機能がハードウェアまたはソフトウェアのどちらかとして実施されるかは、システム全体に課せられる特定の用途および設計上の制約によって決まる。当業者は、各特定の用途に対する様々な方法において、説明された機能を実施しうるが、上記実施の決定は、本発明の範囲からの逸脱を生じさせるものとして解釈されるべきではない。
本明細書に記載の上記態様に関連して説明されている上記種々の例示されている論理、論理ブロック、モジュール、および回路は、汎用プロセッサ、デジタル・シグナル・プロセッサ（ＤＳＰ）、用途固有の集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）またはその他のプログラム可能な論理デバイス、ディスクリート・ゲートまたはトランジスタ論理、ディスクリート・ハードウェア構成要素、または本明細書に記載の機能を実行するよう設計されたこれらの任意の組み合わせによって実施または実行されてもよい。汎用プロセッサは、マイクロプロセッサであってもよいが、選択的に、上記プロセッサは、任意の従来のプロセッサ、コントローラ、プログラマブル・コントローラ、マイクロコントローラ、または状態機械であってもよい。プロセッサはまた、コンピューター・デバイスの組み合わせ、例えば、ＤＳＰおよびマイクロプロセッサの組み合わせ、複数のマイクロプロセッサ、ＤＳＰコアと連結した１つまたは複数のマイクロプロセッサ、またはその他任意の当該構成として実施されてもよい。代わりに、所定の機能に固有の回路によって、一部の手順または方法が実施されてもよい。
１つまたは複数の態様において、説明された機能は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、プログラマブル・ロジック・アレイ、またはこれらの任意の組み合わせにおいて実施されてもよい。ソフトウェアで実施される場合、上記機能は、コンピュータ可読媒体上の１つまたは複数の命令またはコードとして、記憶または伝送されてもよい。本明細書で開示されている方法またはアルゴリズムの手順は、有形の非一時的コンピュータ可読媒体またはプロセッサ可読媒体に置かれうる、実行された、プロセッサが実行可能なソフトウェア・モジュールにおいて実施されてもよい。コンピュータまたはプロセッサによってアクセスできうる、非一時的、コンピュータ可読およびプロセッサ可読媒体は、任意の利用可能な媒体でよい。限定ではなく、例としては、このような非一時的な、コンピュータ可読媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭまたはその他の光学ディスク記憶装置、磁気ディスク記憶装置またはその他の磁気記憶装置、または命令またはデータ構造の形式で必要なプログラム・コードを携帯または記憶するのに使用できうる、かつ、コンピュータによってアクセスしうるその他の任意の媒体が含まれてもよい。本明細書で使用されているように、ディスク（ｄｉｓｋまたはｄｉｓｃ）は、ディスクがレーザーで光学的にデータを再生する一方で、通常、ディスクが磁気的にデータを再生する、コンパクト・ディスク（ＣＤ）、レーザー・ディスク、光ディスク、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、フロッピー・ディスク、およびブルーレイ・ディスクを含む。上記ディスクの組み合わせも、コンピュータ可読媒体の範囲に含められるべきである。さらに、方法またはアルゴリズムの動作は、コンピュータ・プログラム製品に組み込まれうる、プロセッサ可読媒体および／または非一時的コンピュータ可読媒体上のコードおよび／または命令の１つまたは任意の組み合わせまたは組として存在してもよい。
開示された実施例の前述の説明は、当業者が本発明を実施または使用できるようになされている。これらの実施例に対する種々の修正は、当業者にとって明らかであり、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本明細書で定義される一般的な原理は、その他の実施例に適用しうる。従って、本発明は、本明細書に示される実施例に限定されるものではなく、下記の特許請求の範囲および原理に一致する最も広範な範囲および本明細書において開示される新規な機能が認められうる。

Claims (9)

  1. 電力コンバータ・ユニットにおいて、
    直流（「ＤＣ」）−ＤＣコンバータであって、
    正の入力端子と、
    負の入力端子と、
    第１のコンデンサであって、前記第１のコンデンサの入力端子が前記正の入力端子に連結され、かつ、前記第１のコンデンサの出力端子が前記負の入力端子に連結される、第１のコンデンサと、
    第１のコイルであって、前記第１のコイルの入力端子が前記第１のコンデンサの前記入力端子に連結される、第１のコイルと、
    第１のスイッチであって、前記第１のスイッチの入力端子が前記第１のコイルの出力端子に連結され、かつ、前記第１のスイッチの出力端子が前記負の入力端子に連結される、第１のスイッチと、
    第２のスイッチであって、前記第２のスイッチの入力端子が前記第１のコイルの前記出力端子に連結される、第２のスイッチと、
    第２のコンデンサであって、前記第２のコンデンサの入力端子が前記第２のスイッチの出力端子に連結され、かつ、前記第２のコンデンサの出力端子が前記負の入力端子に連結される、第２のコンデンサと、
    前記第２のコンデンサの前記入力端子に連結される正のＤＣ出力端子と、
    前記第２のコンデンサの前記出力端子に連結される負のＤＣ出力端子と、
    を備えるＤＣ−ＤＣコンバータと、
    単極電力コンバータであって、
    第２のコイルであって、前記第２のコイルの入力端子が前記第２のコンデンサの前記入力端子に連結される、第２のコイルと、
    第３のスイッチであって、前記第３のスイッチの入力端子が前記第２のコイルの出力端子に連結される、第３のスイッチと、
    第４のスイッチであって、前記第４のスイッチの入力端子が前記第２のコンデンサの前記出力端子に連結され、かつ、前記第４のスイッチの出力端子が前記第３のスイッチの出力端子に連結される、第４のスイッチと、
    第３のコイルであって、前記第３のコイルの入力端子が前記第３のスイッチの前記出力端子と前記第４のスイッチの前記出力端子に連結される、第３のコイルと、
    第３のコンデンサであって、前記第３のコンデンサの入力端子が前記第３のコイルの出力端子に連結され、かつ、前記第３のコンデンサの出力端子が前記第４のスイッチの前記入力端子に連結される、第３のコンデンサと、
    前記第３のコンデンサの前記入力端子に連結される、単極電力出力端子と、
    を備える単極電力コンバータと、
    前記第１、第２、第３および第４のスイッチに結合されるコントローラであって、各スイッチの動作を制御して、前記正のＤＣ出力端子で正のＤＣ電圧を、前記負のＤＣ出力端子で負のＤＣ電圧を、かつ、前記単極電力出力端子で単極電力出力を生成するように構成されたコントローラと、
    を備え、
    前記単極電力出力端子は、前記単極電力出力端子が接地電位に対して正となるように、前記接地電位からオフセットされた電圧を有し、
    前記接地電位は前記負の入力端子に対応している、電力コンバータ・ユニット。
  2. 前記コントローラがプロセッサであり、前記電力コンバータ・ユニットが前記プロセッサに結合されたメモリーをさらに備え、前記プロセッサが、プロセッサが実行可能な命令により、
    前記第１および第２のスイッチを開閉して、前記正のＤＣ出力端子で前記正のＤＣ電圧を、かつ、前記負のＤＣ出力端子で負のＤＣ電圧を生成する動作と、
    前記第３および第４のスイッチを開閉して、前記単極電力出力端子で単極電力出力を生成する動作と、を含む動作を実行するよう構成された、請求項１に記載の電力コンバータ・ユニット。
  3. 前記コントローラがプロセッサであり、前記電力コンバータ・ユニットが前記プロセッサに結合されたメモリーをさらに備え、前記プロセッサが、プロセッサが実行可能な命令により、
    前記第１および第２のスイッチを開閉して、変調ＤＣ出力を生成する動作と、
    前記第３および第４のスイッチを開閉して、前記単極電力出力端子で前記変調ＤＣ出力を交流（「ＡＣ」）出力に変換する動作と、を含む動作を実行するよう構成された、請求項１に記載の電力コンバータ・ユニット。
  4. 前記電力コンバータ・ユニットは、前記正のＤＣ出力端子と、前記負のＤＣ出力端子と、前記単極電力出力端子とに連結された結合器筐体に連結されている、請求項１に記載の電力コンバータ・ユニット。
  5. 開いた際に前記単極電力出力端子への単極電力の流れを妨げるよう構成されたリレーと、
    メモリーと、
    前記メモリーおよび前記リレーに結合されたプロセッサと、を備え、
    前記プロセッサが、プロセッサが実行可能な命令により、前記リレーを開いて、前記単極電力出力端子への単極電力の流れを妨げることを含む動作を実行するよう構成された、請求項４に記載の電力コンバータ・ユニット。
  6. 前記結合器筐体が前記正のＤＣ出力端子と前記負のＤＣ出力端子との間に連結されたエネルギー蓄積機器をさらに備えている、請求項４に記載の電力コンバータ・ユニット。
  7. 前記エネルギー蓄積機器がコンデンサまたは双方向充電器のいずれか１つである、請求項６に記載の電力コンバータ・ユニット。
  8. 前記正の入力端子および前記負の入力端子が、直流（「ＤＣ」）源に連結されている、請求項１に記載の電力コンバータ・ユニット。
  9. 前記ＤＣ源が光起電性パネルである、請求項８に記載の電力コンバータ・ユニット。
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