JP6334563B2 - Ｄｃ−ａｃコンバータのｄｃ電圧入力に共通接続される複数のｄｃ電源に電力を配分するための方法及びインバータ - Google Patents

Description

本発明は、ＤＣ−ＡＣコンバータの入力側ＤＣリンクに並列に接続される複数ＤＣ電源に電力を配分するための方法に関する。この方法は、独立特許請求項１の前文記載の特徴を有する。本発明は、さらに、入力側ＤＣリンクを含むＤＣ−ＡＣコンバータ、ＤＣリンクへの複数のＤＣ電源の並列接続のための複数の入力、及び少なくとも１つのＤＣ−ＤＣコンバータを備えるインバータに関する。このＤＣ−ＤＣコンバータは、複数の入力の１つとＤＣリンクとの間に配置され、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ経由でＤＣリンクに供給される電力の変換を引き起こすために作動可能である。

具体的には、個々の、複数又はすべてのＤＣ電源は、太陽電池の少なくとも１つのストリングを有する太陽電池発電装置を含むことができる。ＤＣ電源のすべてがこの方法により設計された場合、対応するインバータも、太陽電池インバータと呼ばれる。さらに、すべてのＤＣ電源の動作点が対応するＤＣ−ＤＣコンバータを作動することにより個別に設定できる場合、マルチストリングインバータという用語が使用される。この場合の太陽電池のストリングは、少なくとも複数の太陽電池の直列回路を意味するものとして理解される。しかし、複数のかかる直列回路を並列に接続してストリングにすることもできる。この場合、これらの並列接続される直列回路のそれぞれは、サブストリングと呼ばれる。この場合、太陽電池をグループに結合して太陽電池モジュールを形成し、次にこれらのモジュールに関して直列に接続してストリング又はサブストリングを形成することができる。

光電的に生成された電気エネルギーをＡＣグリッドに給電するインバータの電力の抑制制御がＡＣグリッドの安定化のために必要になることがある。抑制制御は、それぞれのインバータの定格出力の一定のパーセンテージ、すなわち一定期間の時間にわたり時間的に一定のパーセンテージで発生することがある。しかし、それは、動的に、すなわち、時間とともに変動する限界値に基づいてＡＣグリッド上の瞬間電力要求を対象として設定されるプリセットを考慮して発生することもある。いずれにせよ、抑制制御は、ＡＣグリッドについて負の電力調整を行う。

抑制制御が動的又はむしろ静的に発生するのか、及び抑制制御が行われる理由に関係なく、本発明は、ＤＣ−ＡＣコンバータの抑制制御された電力をインバータの種々のＤＣ−ＤＣコンバータに配分することに関する。

既知のマルチストリングインバータは、本出願人による製品“Ｓｕｎｎｙ ＴｒｉＰｏｗｅｒ”である。マルチストリングインバータの複数のＤＣ−ＤＣコンバータは、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ経由で接続されているストリングを各場合において互いに独立にそれらの最大電力点（ＭＰＰ）において、すなわち、これらのストリングにより最大電力が生成される動作電圧において動作させることを可能にする。この場合、ＤＣ−ＤＣコンバータは、一般的にブーストコンバータであり、個々のストリングの動作電圧を共通ＤＣリンク（それは、ＤＣ−ＡＣコンバータの入力ＤＣリンクである）のＤＣリンク電圧に昇圧する。製品“Ｓｕｎｎｙ ＴｒｉＰｏｗｅｒ”の場合、ストリングの電力の抑制制御は、常に開路電圧の方向に生じる。この場合、ＤＣ−ＡＣコンバータの電力の抑制制御事象において、まず、動作電圧とＤＣリンク電圧との間の電圧差が最大であるストリングが負荷から解放され、これによりその動作電圧がその開路電圧の方向に上昇する。このストリングが負荷から完全に開放されたときに初めて、又は電圧差が２番目のストリングの電圧差に等しいとき、２番目のストリングも負荷から解放される。その結果、ブーストコンバータ形式の個々のＤＣ−ＤＣコンバータにおける電力損失の最小化が達成され、同時にそれらの電力損失の調整も達成される。すでに説明したように、この種類のインバータの場合の動作電圧のシフトは、常に個々のストリングの開路電圧の方向に行われる。したがって、装置の規模を決定するときに、ストリングの最大開路電圧が最大許容ＤＣリンク電圧を超えないようにすることが必要である。

本出願人による既知のバージョンのマルチストリングインバータ“Ｓｕｎｎｙｂｏｙ”では、ストリングの動作可能電圧の範囲を拡張する可能性が装置運用者に与えられる。やはりＤＣリンク電圧がその最大許容値を超えないようにするために、ＤＣ−ＡＣコンバータの電力の抑制制御の場合には、動作電圧をそれぞれのストリングの短絡の方向、すなわちＭＰＰからそれより低い電圧の方向にシフトする。これは、最大ＭＰＰ電圧が最大許容ＤＣリンク電圧にほぼ等しくなるようにストリングを設計することを可能にする。具体的には、この既知のマルチストリングインバータの制御中、共通ＤＣリンクを形成するストリングの接続より前においてさえも、電圧増大ストリング、すなわち最大許容ＤＣリンク電圧を超える開路電圧のストリングが存在するか否か検知する。次に、かかるストリングのＭＰＰの上昇をそのストリングの低い動作電圧の範囲から行う。続いてＤＣ−ＡＣコンバータの電力の抑制制御中に、かかるストリングを低減動作電圧で動作させる。他方、電圧増大していない他のストリングは、抑制制御中に、より高い動作電圧の方向、すなわちそれらの開路電圧の方向にシフトされる。なぜならば、これらのストリングの特性曲線により、それらの電力のより優れた、具体的には、より速いこの方向の抑制制御能力が与えられるからである。しかし当初電圧増大でなかったストリングが、動作条件の変更のために、すなわち、たとえばその電力の抑制制御中にその動作電圧をその開路電圧の方向に上昇することにより、電圧増大になった場合、許容ＤＣリンク電圧を超える動作電圧が実現し、影響を受けるストリングと、場合により、前記ストリングに並列に接続され、同一ＤＣ−ＤＣコンバータに接続されているサブストリングとの動作電圧が短絡される。その結果として、ＤＣリンク電圧のさらなる上昇が防止される。次に、マルチストリングインバータにより送り込まれる電力を再び増大する必要がある。その結果、給電中の損失が生じる。ＤＣ−ＡＣコンバータに現在許容されている電力は、出力傾斜における最大増加による新たな増大の場合、数秒後に初めて再供給できるからである。一般に、現在ＤＣ−ＡＣコンバータにより供給できる電力を可能な限り消費することに関心がある。

米国特許出願公開第２０１１／０１０１７８４ Ａ１号明細書は、風力及び太陽ハイブリッドインバータを開示している。この場合、電力は、交流電圧源から配電グリッドに供給される。配電グリッド上の電力需要に応じて、個々の電圧源からの電力は、配電網に接続されるか、又はバッファに蓄積される。

欧州特許出願公開第２２８４３８２ Ａ２号明細書は、電力バス上の種々の電圧源により供給される電気エネルギーが局部的に消費されるか又は熱の形式でバッファ蓄積されるエネルギー供給システムを開示している。

欧州特許出願公開第２１０４２００ Ａ１号明細書は、太陽電池システムのためのマルチストリングインバータを作動させる方法を開示している。このマルチストリングインバータは、各ストリングの入力側に個別ＤＣ−ＤＣコンバータを備えている。効率を改善するために、１つ以上の電気変数、具体的には入力電流、入力電圧及び／又は入力電力を各ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて測定し、そして限界値及び／又は領域が超過された場合に少なくとも１つのＤＣ−ＤＣコンバータの動作状態をこの測定に応じて、その電力損失が低減されるように変更する。たとえば、ＤＣ−ＤＣコンバータに接続されているストリングの動作電圧がＤＣリンク電圧に到達したために、その昇圧（ＤＣ−ＤＣコンバータにより開始された）がもはや不要である場合、そのＤＣ−ＤＣコンバータを切り離すことができる。

国際公開第２０１２／０１７０６８ Ａ２号パンフレットは、１つ以上の太陽電池発電装置からＡＣグリッドに電気エネルギーを供給するための１つ以上のインバータを含む太陽電池システムから一定の期間内に潜在的に可能であったが実際には供給されなかった供給エネルギー量を検知するための方法を開示している。前記方法は、具体的には、抑制制御中に潜在的に可能であった電力供給量を検知することを意図している。この検知を可能にするために、抑制制御中にインバータを異なる方法で動作させるか（この異なる動作方法はＭＰＰにおける動作を含む）又は少なくともそれぞれのインバータに接続されたストリングの特性を検知するために動作させる。具体的には、１つ以上のインバータを、それぞれ、ＭＰＰにおいて動作させ、かつ、所望の抑制制御を達成するために、その抑制制御をすべてのインバータに一様に分配した場合より多量の電力を残余のインバータについて低減することができる。この既知の方法の別の特定実施形態では、インバータに接続されたストリングの特性を局部的又は全面的に抽出し、次に、時間的に平均したときに必要な電力低減が達成されるようにインバータの変化する電力を異なる時期にバッファ蓄積するか又は補償する。しかし、電力の抑制制御及び特に負の抑制制御電力の配分に課される要求は、インバータにより与えられる電力の短期間のオーバーシュートも許容しない。インバータの変化する電力にもかかわらず一定の電力を供給するために、国際公開第２０１２／０１７０６８Ａ ２号パンフレットは、変化する電力と一定電力間の差をバッファ蓄積すること、又は他の形式のエネルギーに変換することを提案している。しかし、この目的のためには、別の装置を追加する必要がある。

本発明は、装置のさらなる複雑化を招くことなく、供給できる最大電力の利用を容易にするインバータを制御するための方法を開示するという課題に基づいている。

本発明の課題は、独立特許請求項１の特徴を有する方法及び選択的独立請求項１７の特徴を有するインバータにより解決される。従属特許請求項２〜１６は、本発明による方法の好ましい実施形態に関し、また、従属特許請求項１８〜２０は本発明によるインバータの好ましい実施形態に関する。

本発明について、後段において添付図面を参照しつつ例示実施形態に基づいてより詳しく説明及び記述する。

図１は、本発明によるインバータの第１実施形態の簡略化回路図を示す。 図２は、インバータの共通ＤＣ−ＡＣコンバータの一定電力を与えられるインバータの２つのＤＣ−ＤＣコンバータの時間対電力のプロットを示す。 図３は、図１に示したインバータの３つのＤＣ−ＤＣコンバータの時間対電力のプロットを示す。この図では、２つのＤＣ−ＤＣコンバータの１つに接続されたストリングの特性が低減され、それがＤＣ−ＤＣコンバータの他の１つにより補償される。 図４は、図１に示したインバータの３つのＤＣ−ＤＣコンバータの時間対電力のプロットを示す。この図では、２つのＤＣ−ＤＣコンバータの１つに接続されたストリングの特性が低減され、それが他の２つのＤＣ−ＤＣコンバータにより補償される。 図５は、本発明によるインバータの別の実施形態の簡略化回路図を示す。

本発明は、ＤＣ−ＡＣコンバータの入力側ＤＣリンクに並列に接続される複数のＤＣ電源間に電力を分配する方法を提供することを提案する。ＤＣ電源の少なくとも１つは、ＤＣ−ＤＣコンバータ経由でＤＣリンクに接続され、ＤＣ−ＤＣコンバータはＤＣ電源によりＤＣリンクに供給される電力の変化を引き起こすために作動可能である。ＤＣ−ＡＣコンバータの電力がすべてのＤＣ電源から利用できる最大電力の合計に関して抑制制御されるＤＣ−ＡＣコンバータの抑制制御動作中に、ＤＣ電源の電力が別々に抑制制御され、かつ、少なくとも１つのＤＣ電源をＤＣリンクに接続している少なくとも少なくとも１つのＤＣ−ＤＣコンバータの作動により、少なくとも１つの他のＤＣ電源の電力の変動が動的に補償される。

少なくとも１つの他のＤＣ電源の電力の変動が生じる理由は、本発明の好ましい実施形態がかかる変動を能動的に引き起こすか否かに原理上無関係である。この変動が動的に補償されるということは、たとえば、少なくとも１つのＤＣ−ＤＣコンバータの作動により、少なくとも１つのＤＣ電源によりＤＣリンクに供給される電力が増加又は減少し、その増減の程度が少なくとも１つのＤＣ電源及び少なくとも１つの他のＤＣ電源からＤＣリンクに供給される合計電力が外部プリセットに従い（在来のＤＣリンクコンデンサの効果を超える電力のバッファ蓄積なしに）、かつ、この目的のために一定であることを意味する。これは、残りのＤＣ電源の対応する電力低減により補償される個々のＤＣ電源の電力の増加に等しい。したがって、１つのＤＣ電源の電力変化対時間∂Ｐ_ｉ／∂ｔによる次の形式の均衡方程式が得られる：

ここで、合計は、インバータのすべてのＤＣ電源の個数ｎを超える。この均衡方程式を特に短い時間尺度で適用すると、その結果、ＤＣリンク電圧のリップルが可能な限り低く保たれる。この場合、ＤＣリンク電圧のリップルは、残余のＤＣ電源又はＤＣ−ＤＣコンバータ（このコンバータを経由して前記ＤＣ電源がその電力をＤＣリンクに供給する）の特定のＤＣ電源の電力の変化に対する応答時間が短いほど小さくなる。

これの前提条件は、したがって、共通ＤＣリンクに供給される電力がそのときに最大値としてＤＣ−ＡＣコンバータ経由で流れ得る電力、具体的にはＡＣグリッド（ＤＣ−ＡＣコンバータの抑制制御を用いた安定化の対象である）に流れ得る電力に常に対応することである。この場合、ＤＣ−ＡＣコンバータを抑制制御する目標の電力は、それ自体、動的に変動可能である。したがって、本発明による方法により、少なくとも１つの他のＤＣ電源の電力の変動に関わらずインバータにより規制電力を与えることもできる。

少なくとも１つのＤＣ電源は、作動可能ＤＣ−ＤＣコンバータ経由でＤＣ−ＡＣコンバータのＤＣリンクに接続される太陽電池発電装置を有することが好ましい。太陽電池発電装置の電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータによりシフトされるこの装置の動作点により、非常に急速に変化し得る。したがって、少なくとも１つの他のＤＣ電源の電力の変動を補償するときに、非常に高速の動的変化が可能である。具体的には、この動的変化は、たとえば、ＤＣ電源として電気機械を含む発電装置の場合（この装置では、電気機械の回転子の慣性モーメントが出力電力の変化中の高速動的変化に逆らう）よりはるかに大きい。

高速動的変化電力の場合、複数のＤＣ電源が、それぞれ、動作可能ＤＣ−ＤＣコンバータ経由でＤＣ−ＡＣコンバータのＤＣリンクに接続される太陽電池発電装置を有することが有利である。このＤＣ−ＤＣコンバータにより、それぞれの太陽電池発電装置のＭＰＰ追跡も可能となる。本発明による方法のインバータは、マルチストリングインバータとすることもできる。この場合、ＤＣ電源のすべてが、それぞれ、太陽電池の少なくとも１つのストリングを有し、かつ、それぞれの場合において、又は少なくとも１つを別にして、作動可能入力側ＤＣ−ＤＣコンバータ経由で共通ＤＣ−ＡＣコンバータに接続される。直接又は固定変圧比のＤＣ−ＤＣコンバータ経由でＤＣリンクに接続されるＤＣ電源の動作点は、インバータのＤＣ−ＡＣコンバータを使用してＤＣリンク電圧を変えることにより変更することができる。

しかし、少なくとも１つの他のＤＣ電源（その電力変動がこの少なくとも１つのＤＣ電源に割り当てられたＤＣ−ＤＣコンバータの作動により補償される）は、電気機械を含む発電装置を含むこともできる。少なくとも１つの他のＤＣ電源によりＤＣリンクに供給される電力の変動を引き起こすために作動可能なＤＣ−ＤＣコンバータなしに、この発電装置をＤＣ−ＡＣコンバータのＤＣリンクに接続することができる。この発電装置がＡＣ発電装置である場合、前記ＡＣ発電装置は下流のＡＣ−ＤＣコンバータによりＤＣ電源に結合される。具体的には、少なくとも１つの他のＤＣ電源は、たとえば、風力タービン又はディーゼル発電装置でよい。これらの装置は、それ自体として与え得る電力の動的変動性は低い。しかし、太陽電池発電装置に基づく高い動的変動性を有する少なくとも１つのＤＣ電源と組み合わせることにより、この欠点は、本発明による方法に従って除去される。

言うまでもないことであるが、各ＤＣ電源により出力される電力は、ＤＣ電源間の電力補償の実行を可能とするために、本発明による方法に従って検知される。さらに当然のことであるが、ＤＣ電源の電力は、少なくとも１つの他のＤＣ電源の電力の変動に対し、少なくとも１つのＤＣ−ＤＣコンバータを用いて反応するために応答が行われる速度と少なくとも同じ速度で検知される。ＤＣ電源の電力を検知するサンプリング速度はより高い、たとえば２倍であることが好ましい。サンプリング速度すなわち測定周波数は１００、１０００または１０，０００Ｈｚ超とすることができる。ＤＣ電源の電力を検知する典型的速度は、８〜５０ｋＨｚの範囲である。他方、少なくとも１つの他のＤＣ電源の電力の変動に応答するために、少なくとも１つのＤＣ電源の電力を少なくとも１つのＤＣ−ＤＣコンバータの作動により調整する速度は、１０Ｈｚ超、好ましくは１００Ｈｚ超又は少なくとも１，０００Ｈｚ超である。具体的には、それは、現在、４〜２５ｋＨｚの範囲である。これは、少なくとも１つのＤＣ−ＤＣコンバータの少なくとも１つの他のＤＣ電源の電力の変動に対する応答時間の４０〜２５０μｓに対応する。１０Ｈｚ超の速度でも、すでに１００ｍｓ未満の応答時間に相当し、したがってＡＣグリッドに接続されるインバータに、ＡＣ電源の突然の低減に対する応答時間として通常許容される変換時間の２００ｍｓの１／２未満である。一般的に、本発明による方法の品質及び頑健性は、測定周波数の増加に応じ、かつ、少なくとも１つのＤＣ−ＤＣコンバータの少なくとも１つの他のＤＣ電源の電力の変動に対する応答時間の低減に応じて、向上すると言えるはずである。

ＤＣ−ＡＣコンバータの電力は、一般的に外部プリセットに従って抑制制御され、このプリセットは、ＤＣ−ＡＣコンバータから給電されるグリッドのそれぞれの運用装置により明確に又はグリッドのパラメータにより前もって設定され得る。次に、本発明による方法、すなわち内部プリセットに従って個々のＤＣ電源間の電力の配分が動的に行われる。

本発明による方法では、少なくとも１つの他のＤＣ電源の電力の変動は、たとえば、太陽電池発電装置又は風力タービンなど、その少なくとも１つの他のＤＣ電源の動作状態の変化により生じ得る。本発明による方法の種々の実施形態では、少なくとも１つの他のＤＣ電源の電力は、意図的に、すなわち能動的に、しかしながらＤＣ−ＡＣコンバータの電力の抑制制御のために時間を目標とした方法により利用するために変更される。

これは、具体的には、ＤＣ電源、すなわち、マルチストリングインバータの場合、それぞれの場合に１つのＤＣ−ＤＣコンバータ経由でＤＣリンクに接続されているストリングのすべて又は直接ＤＣリンクに接続されているストリングのすべての特性の少なくとも一部を抑制制御動作中にそれらのＭＰＰを検知するために検知することも含む。この場合、この検知の目的は、これの補償を要求するために現在利用できる最大電力の決定とすることができる。しかし、この目的は、抑制制御直後にそれぞれのＭＰＰに急速に到達することを可能にすることでもあり得る。これは、この場合には抑制制御直後に電力供給を最大化する方法と考えることもできる。

ＤＣ電源のＭＰＰを検知するためには、前記ＭＰＰに直ちに到達することが好ましい。それを発見するためには、それぞれのＤＣ電源の特性をできるだけ完全に下げることが好都合である。このプロセスにおいて生じるそれぞれのＤＣ電源の電力の変動は、本発明に従って少なくとも１つのＤＣ−ＤＣコンバータの適切な作動により動的に補償される。

抑制制御中に特性を下げることにより、ＤＣリンクに接続されているＤＣ電源のうち、電圧増大している電源、すなわちこの時点において最大許容ＤＣリンク電圧を超える開路電圧を有している電源を識別することもできる。これらのＤＣ電源の動作電圧は、抑制制御の場合、最大許容ＤＣリンク電圧が超過される状況を回避するために、開路方向ではなく、短絡方向に変更されるべきである。これは、特に、マルチストリングインバータの場合に当てはまる。

本発明による方法は、電圧増大ＤＣ電源の識別を可能にするのみならず、前記ＤＣ電源を短絡することなく前記ＤＣ電源を開路に近い動作状態から短絡に近い動作状態に移行させることができる。その間に共通ＤＣリンクに流れ込んでいる高い電力は、少なくとも１つのＤＣ−ＤＣコンバータにより動的に補償される。

少なくとも１つの他のＤＣ電源の電力の変化は、上位の観点からのインバータの動作の最適化を与えるすべてのＤＣ−ＤＣコンバータの動作点を見いだす観点からも行われ得る。かかる上位の観点は、たとえば、インバータ全体又はすべてのＤＣ−ＤＣコンバータのみの電力損失の最小化であり得る。個々のＤＣ−ＤＣコンバータの電力損失の相互整合も、かかる上位の観点であり得る。さらなる観点としては、ＤＣ−ＤＣコンバータの構成要素及び／又はＤＣ−ＡＣコンバータの負荷の最小化あるいはＤＣ−ＡＣコンバータの電力をそれぞれの有効な上限まで最大限に消費するためのＤＣ−ＡＣコンバータの電力調整能力の最適化であろう。

すでに示したように、入力側ＤＣリンクを有するＤＣ−ＡＣコンバータを含み、ＤＣリンクへの複数のＤＣ電源の並列接続のための複数の入力を含み、少なくとも１つのＤＣ−ＤＣコンバータであって、入力の１つとＤＣリンクとの間に配置され、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ経由でＤＣリンクに供給される電力の変化を引き起こすために作動可能である、少なくとも１つのＤＣ−ＤＣコンバータを含み、かつ、制御装置を含む本発明によるインバータは、その制御装置が本発明による方法に従って少なくとも１つのＤＣ−ＤＣコンバータを作動させることにより特徴付けられる。この場合、この制御装置は、外部プリセットに従ってＤＣ−ＡＣコンバータの電力を調整する一次制御装置及びこの電力を少なくとも１つのＤＣ−ＤＣコンバータの作動によりＤＣ電源の個々の入力間に動的に分配する二次制御装置を含み得る。この目的のために、作動可能なＤＣ−ＤＣコンバータをすべての入力に設ける。しかし、これらの入力の１つの場合、作動可能なＤＣ−ＤＣコンバータは省略することができる。この入力に接続されているＤＣ電源の動作点を変えるために、ＤＣリンク電圧がＤＣ−ＡＣコンバータにより変化され得るからである。この場合、作動可能なＤＣ−ＤＣコンバータの省略は、ＤＣ−ＤＣコンバータを全く設けないことと固定変圧比のＤＣ−ＤＣコンバータを設けることの両方を意味し得る。

ＤＣ−ＡＣコンバータの電力の抑制制御なしの動作モードでは、制御装置は、接続ＤＣ電源の個別ＭＰＰ追跡のためにＤＣ−ＤＣコンバータ及び場合によりＤＣ−ＡＣコンバータも作動させることができる。これは、特に太陽電池発電装置としての個々の、複数又は全部のＤＣ電源の形成の場合、及びとりわけ本発明によるマルチストリングインバータの場合に当てはまる。

本発明の有利な展開形態は、特許請求項、明細書及び図面において明記されている。本明細書において言及されている特徴及び複数の特徴の組み合わせの利点は、単なる例示であり、選択的又は累積的に効果を発揮し得るが、その際、これらの利点は必ずしも本発明による実施形態に従って実現されることを必要としない。添付の特許請求項の主題事項が以下の記述により変更されることなく、以下は、原出願文書及び特許の開示内容に適用される。図面、特に図解されている複数の構成部分の相互間の関連構成及び相互作用接続からさらなる特徴が探り出されることがあり得る。本発明の種々の実施形態の特徴又は特許請求項の選択される後方参照から逸脱する種々の特許請求項の特徴の組み合わせも同様に可能であり、かつ、本明細書において示唆されている。これは、個々の図面に示されているか又はその説明において言及されている特徴にも関係する。これらの特徴も種々の特許請求項の特徴と組み合わせ可能である。同様に、特許請求項に一覧記述された特徴は、本発明のさらなる実施形態について省略可能である。

特許請求項及び本明細書において言及される特徴は、その数に関して、まさしくこの数又は言及された数より大きい数が副詞「少なくとも」の明示的使用を必要とすることなく示されることを理解すべきである。したがって、たとえば、１つの要素について論じている場合、これは、正確に１つの要素、２つの要素又はより多くの要素が提供されることを意味するものとして理解されるべきである。これらの特徴は、他の特徴により補完され得るか又はそれぞれの製品を構成する特徴のみであり得る。

特許請求項に含まれる参照記号は、特許請求項により保護される主題事項の範囲を決して限定しない。それらは、特許請求項をより理解しやすくする目的に役立つのみである。

図の記述
図１は、インバータ１の基本設計を示す。インバータ１は、複数の２極入力２６を含んでいる。これに対し、それぞれの場合に、ＤＣ−ＤＣコンバータ２（一般的にブーストコンバータ）が接続される。ＤＣ電源２５は、入力２６のそれぞれ経由で共通ＤＣリンク５に接続される。各ＤＣ電源２５は、太陽電池４の少なくとも１つのストリング３を有している。ＤＣリンク５は、共通ＤＣ−ＡＣコンバータ６の入力ＤＣリンクである。各ストリング３の太陽電池４の個数は、ここで図示されているものよりはるかに多くすることができる。各ストリング３は、並列に接続される複数のサブストリングも含むことができる。入力２６の個数も同様にここで図示されているものより多くすることができる。しかし、ただ２個だけの入力２６を設けることもできる。ＤＣ−ＤＣコンバータ２は、一般的にブーストコンバータであり、それにより、ＤＣリンク５におけるＤＣリンクコンデンサの両端の一様なＤＣリンク電圧にもかかわらず、現在の動作状態の下でストリング３の最大電力を得るために各ストリング３を個別動作電圧で作動させることができる。この電力は、ＤＣリンク５経由でＤＣ−ＡＣコンバータ６に与えられ、次に前記ＤＣリンクは前記電力を交流電流として外部ＡＣグリッド８に供給する。ＤＣ−ＡＣコンバータ６及びＤＣ−ＤＣコンバータ２は、制御装置９により制御される。ＡＣグリッド８の運用装置１０が抑制制御信号１１を送ると、それは制御装置９により受け取られ、制御装置９はそれに対応して制御装置要素１２を使用してＤＣ−ＡＣコンバータ６を抑制制御する。この場合、前記制御装置は、ＤＣ−ＡＣコンバータ６の現在の電力を示す電力信号１３を受け取り、かつ、作動信号１４をＤＣ−ＡＣコンバータ６に送る。言うまでもないことであるが、信号１３及び１４は、種々の部分信号から、たとえば信号１３の場合には電流測定値及び電圧測定値から、また、信号１４の場合にはＤＣ−ＡＣコンバータ６の個々の半導体スイッチの複数の作動信号から組み合わせることができる。制御装置９は、抑制制御電力を別の制御要素１５によりＤＣ−ＤＣコンバータ２間に配分し、また、このプロセスにおいて電力信号１６を受け取り、かつ、作動信号１７を出力する。この場合、作動信号１７は、ＤＣリンク５に流れ込むＤＣ−ＤＣコンバータ２の電力の合計がＤＣ−ＡＣコンバータ６によりＡＣグリッド８に供給される抑制制御電力に対応するように、電力信号１６に応じて作成される。ＤＣ−ＤＣコンバータ２の１つの電力の変動は、他のＤＣ−ＤＣコンバータ２の少なくとも１つの電力における反対方向の変化により補償され、それによりＤＣ−ＡＣコンバータ６の抑制制御電力がＤＣリンク５において常に利用可能であり、したがって最大許容電力がＡＣグリッド８に供給され得る。これは、ＤＣ−ＡＣコンバータ６の電力の固定値（たとえば、ＤＣ−ＡＣコンバータ６の定格電力の一定のパーセンテージなど）への規制の場合と限界値（時間とともに変動し、ＡＣグリッド８の瞬間電力需要に基づいて決定される）への規制の場合の両方に当てはまる。この場合、特に後者の状況は、ＤＣ−ＡＣコンバータ６を用いたＡＣグリッド８への規制電力の供給、すなわち外部プリセットに従ってＤＣ−ＡＣコンバータ６により行われるＡＣグリッド８に供給される電力の動的変動に対応する。

図１には３相インバータが示されているが、単相又は二相インバータの使用も可能である。

図２は、２つのＤＣ−ＤＣコンバータ及び共通ＤＣ−ＡＣコンバータを含むインバータについて、ＤＣ−ＡＣコンバータによりＡＣグリッド８に供給される一定電力１８が２つのＤＣ−ＤＣコンバータ２の電力１９及び２０間並びに前記ＤＣ−ＤＣコンバータ経由でＤＣリンク５に接続されているＤＣ電源２５（図１に示されている）間に動的に分配される状況を示している。１つのＤＣ−ＤＣコンバータの電力１９の変動は、他方のＤＣ−ＤＣコンバータの電力２０の反対方向の変化により補償される。この場合、この動的補償は、１０ｍｓ未満の領域、好ましくは１ｍｓ以下の領域の高速応答時間で行われる。したがって、１つのＤＣ−ＤＣコンバータの電力１９の変動にも関わらず、図１に示したＤＣリンクコンデンサ７の両端の電圧、ＤＣ−ＡＣコンバータによりＡＣグリッド８に供給される電力１８、よってＤＣ電源２５のすべての平均電力２２、及びこの場合それに等しいこれらの電源に接続されているＤＣ−ＤＣコンバータ２の平均電力２２は、一定に保たれ得る。ＤＣ電源２５の平均電力２２は、これに関連して及び以降において、インバータ１にまとめて接続されているＤＣ電源２５のそれぞれのＤＣ−ＡＣコンバータ６の電力１８に対する平均寄与を意味するものとして理解されるべきである。この状況は、特に時間依存的にも当てはまる。すなわち各ＤＣ−ＤＣコンバータ２の平均電力２２は、任意の時刻ｔにおいて、ＤＣ−ＡＣコンバータ６の電力１８とインバータ１にまとめて割り当てられるＤＣ−ＤＣコンバータ２の個数の商の結果である。この場合のインバータは、合計２つのＤＣ−ＤＣコンバータ２を含むインバータであるため、これらの２つのＤＣ−ＤＣコンバータ２の平均電力２２は、ＤＣ−ＡＣコンバータ６の電力１８の１／２である。

図示の場合、１つのＤＣ−ＤＣコンバータ及び他方のＤＣ−ＤＣコンバータの電力１９、２０は、本発明による補償は別として、平均電力２２の同じレベルにある。しかし、一方のＤＣ−ＤＣコンバータの電力１９と他方のＤＣ−ＤＣコンバータ２の電力２０を異なるレベルとすることも可能である。たとえば、本発明による補償がない場合に、一方のＤＣ−ＤＣコンバータ２の電力１９を他方のＤＣ−ＤＣコンバータ２の電力２０より大きい一定値又はパーセンテージとすること、又はその逆にすることもできる。最も重要なことは、それぞれの場合において、インバータ１に接続されているすべてのＤＣ電源２５の電力の合計がＤＣ−ＡＣコンバータ６のプリセット電力１８に対応することである。

図３は、図１に示した３つのＤＣ−ＤＣコンバータ２及び共通ＤＣ−ＡＣコンバータ６を含むインバータについて、電力Ｐの時間的推移を示している。ＤＣ−ＡＣコンバータ６の電力１８は時間的に一定であり、かつ、ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて利用可能な最大電力に関して抑制制御される。１つのＤＣ−ＤＣコンバータの電力１９は、その特性対動作電圧に対応しており、時間ｔとともに一定の比率で増大している。すなわち、ＤＣ−ＤＣコンバータ２は、それに接続されているストリングから利用できる最大電力を共通ＤＣリンク５に供給していないが、電力１８の抑制制御中に、個々のＤＣ−ＤＣコンバータ２又はそれに接続されているストリング３のＭＰＰ ２１が検出される。これは、補償の要求のために最大限利用可能な電力を記録することを目的として１回起こり得る。別の目的は、電力１８の抑制制御が終了すると直ちにＭＰＰに再び達することができるようにすることである。さらに、開路に近い高い動作電圧の範囲から短絡に近い低い動作電圧の範囲へ向かってＭＰＰ ２１を通過することも起こり得る。その目的は、抑制制御の一環として電圧増大に近づいた、すなわち共通ＤＣリンク５のＤＣリンクコンデンサ７の両端の最大許容ＤＣリンク電圧より高い動作電圧に近づいたストリング３を、短絡により近く、ほぼ同じ電力であるが、より低い動作電圧の動作点に移行させることである。このプロセスにおいて１つＤＣ−ＤＣコンバータのＭＰＰ ２１まで増大した電力１９は、他の２つのＤＣ−ＤＣコンバータ２のうちの１つの低減した電力２０により補償される。したがって、外部的に強制される抑制制御を超える給電喪失をもたらすであろう電力１８の供給の中断は不要である。残りの他のＤＣ−ＤＣコンバータ２は、この例では、平均電力２２に等しい電力を有している。この場合、すべてのＤＣ−ＤＣコンバータ２の平均電力２２は、時間的に一定のままである。なぜならば、ＤＣ−ＡＣコンバータ６の電力１８も図示した範囲において時間的に一定であるからである。この例のインバータは、合計３つのＤＣ−ＤＣコンバータを含むマルチストリングインバータであるため、ＤＣ−ＤＣコンバータの平均電力２２はＤＣ−ＡＣコンバータ６の電力１８の１／３に相当する。ＤＣ−ＡＣコンバータの電力１８がプリセットされた時間的に変化する設定点曲線に従うようにすることも可能である。この場合においても、最も重要なことは、インバータ１に接続されたＤＣ電源２５のすべての電力が任意の時刻ｔにおいて合計でＤＣ−ＡＣコンバータ６のプリセット電力１８になることである。

図４は、図３に示されているものと同様の電力曲線を示している。しかし、この場合には、１つのＤＣ−ＤＣコンバータ２又はそれに接続されているストリング３の電力１９（その電力はＭＰＰ ２１を通過している）は、図３と対照的に、別のＤＣ−ＤＣコンバータ２の電力２０の反対方向の変化により補償されるだけではない。その代わりに、反対方向の変化は、この場合、複数（この場合には２つ）の他のＤＣ−ＤＣコンバータ２に分配され、対応して低減された電力２０をもたらす。ＤＣ−ＤＣコンバータ２のすべての平均電力２２に関する電力２０の変化は、したがって平均電力２２に関する電力１９の変動の１／２の大きさとなる。したがって、たとえば、ストリングのすべてがすでに比較的高い動作電圧で動作している場合、一時的電力増大を、電圧増大範囲に最初に到達したストリングが短絡に近い低い動作電圧に移行されたときに、他のＤＣ−ＤＣコンバータにより補償することも可能である。これは、２つのみのＤＣ−ＤＣコンバータ２を含むインバータ１の場合には、困難を伴って実行可能又はときには全く不可能である。なぜならば、この場合には、１つのストリング３の電力の変化は、もっぱら、正確に１つの他方のストリング３の電力の反対方向の変化により補償される必要があるからである。したがって、個々のＤＣ−ＤＣコンバータ２又はそれに接続されているストリング３の有効電力変化の自由度は、インバータ１に接続されているＤＣ電源２５の合計個数とともに増加する。動的電力変化の自由度にとって、この場合、インバータ１内に存在するＤＣ−ＤＣコンバータ２は決定的に重要である。

図１に示した個々のＤＣ−ＤＣコンバータ２間に探索又は追跡方法の一環として動的に再配分される電力により、上位の観点を特によく考慮することによってインバータ１全体の動作点も経験的に決定することができる。上位の観点は、たとえば、電力損失の最小化、構成要素負荷の最小化又はすべての電力調整能力の最大化すなわち迅速かつとにかく安定した調整能力とすることができる。このような上位の観点は、個々のＤＣ−ＤＣコンバータ２の電力損失の、それらの構成要素の動作中の一様な負荷配分に関する相互の整合とすることもできる。この方法により、特に、種々のＤＣ−ＤＣコンバータ２において予期される個々の構成要素の寿命を一致させることができる。ＤＣ−ＤＣコンバータの個々の構成要素の早期故障（別のＤＣ−ＤＣコンバータの同一設計の構成要素に比べて）は、これにより効果的に防止される。

図５は、図１に示したインバータ１と以下の詳細に関して異なるインバータ１を示す。作動可能なＤＣ−ＤＣコンバータ２への入力２６に加えて、インバータ１は、さらに、ＤＣ電源２４を共通ＤＣリンク５に直接接続する２極入力２３を有している。この場合、直流電源２４からＤＣリンク５に流入する電流は、入力２３においてもっぱら電流センサ２７により検知され、電力信号１６として制御装置９に伝達される。この場合、特定の電力がＤＣリンク５のＤＣリンク電圧により生じ、それがＤＣ−ＡＣコンバータ６の電力信号１３に含まれる。ＤＣ電源２４は、太陽電池の代わりに、特に電気機械を含む発電装置を有することができる。この場合の電気機械は、たとえば、風力タービン又はディーゼルエンジンにより駆動することができる。このようなＤＣ電源は、風力タービン又はディーゼル発電装置とも呼ばれる。ＤＣ電源は、下流にＡＣ−ＤＣコンバータの接続されるＡＣ発電装置も含むことができる。電気機械を含む発電装置を有するＤＣ電源は、それ自体、回転子の慣性モーメントのために動的動作性が低い。これは、これらのＤＣ電源がＤＣリンク５に供給する電力の緩やかな変化にも関係する。これらのＤＣ電源は、したがって、ＡＣグリッド８に調整電力を供給するためにＤＣ−ＡＣコンバータ６の電力の動的変化が意図されている場合には、唯一の電流源としてはあまり適切ではない。しかしながら、この動的動作は、図５に示したインバータ１において、作動可能なＤＣ−ＤＣコンバータ２により共通ＤＣリンク５にそれぞれの場合に並列に接続されるＤＣ電源２５（ストリング３又は太陽電池発電装置の形態の）により達成される。しかし、ストリング３の形態のさらなる太陽電池発電装置を作動可能なＤＣ−ＤＣコンバータ２なしに入力２３に接続することもできる。この太陽電池発電装置の場合、作動可能なＤＣ−ＤＣコンバータ２が入力２３に設けられないにも関わらず、ＭＰＰ追跡を行うことができる。この目的のために、ＤＣリンク５のＤＣリンクコンデンサ７の両端の電圧降下として生じるＤＣリンク電圧がＤＣ−ＡＣコンバータ６の目標とされた作動により変更される必要があるであろう。その他のＤＣ電源２４の場合においても、その動作点は、この方法により、図５に示したインバータ１により変更され得る。ＤＣ電源２４によりＤＣリンク５に供給される電力に結果として生じる変動は、補完的な電力変化を引き起こすために作動可能なＤＣ−ＤＣコンバータ２の作動により動的に補償される。

１ インバータ
２ ＤＣ−ＤＣコンバータ
３ ストリング
４ 太陽電池
５ ＤＣリンク
６ ＤＣ−ＡＣコンバータ
７ ＤＣリンクコンデンサ
８ ＡＣグリッド
９ 制御装置
１０ ＡＣグリッド８の運用装置
１１ 抑制制御信号
１２ 制御装置要素
１３ 電力信号
１４ 作動信号
１５ 制御装置要素
１６ 電力信号
１７ 作動信号
１８ ＤＣ−ＡＣコンバータ６の電力
１９ ＤＣ−ＤＣコンバータ２の電力
２０ 別のＤＣ−ＤＣコンバータ２の電力
２１ ＤＣ−ＤＣコンバータ２に接続されているストリング３のＭＰＰ
２２ 平均電力
２３ 入力
２４ ＤＣ電源
２５ ＤＣ電源
２６ 入力
２７ 電流センサ
ｔ 時間
Ｐ 電力

Claims (19)

1. ＤＣ−ＡＣコンバータ（６）の入力側ＤＣリンク（５）に並列に接続される複数のＤＣ電源（２４、２５）間に電力を配分する方法であって、前記ＤＣ電源の少なくとも１つは、ＤＣ−ＤＣコンバータ（２）経由で前記ＤＣリンク（５）に接続され、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（２）は前記ＤＣ電源（２５）により前記ＤＣリンク（５）に供給される電力の変化を引き起こすために作動可能であり、前記ＤＣ−ＡＣコンバータ（６）の電力がすべてのＤＣ電源（２４、２５）から利用できる最大電力の合計に関して抑制制御される前記ＤＣ−ＡＣコンバータ（６）の抑制制御動作中に、前記ＤＣ電源（２４、２５）の電力が別々に抑制制御される方法において、前記ＤＣ−ＡＣコンバータ（６）の前記抑制制御動作中に、前記少なくとも１つのＤＣ電源（２５）を前記ＤＣリンク（５）に接続している少なくとも前記少なくとも１つのＤＣ−ＤＣコンバータ（２）の作動により、少なくとも１つの他のＤＣ電源（２４、２５）の電力の変動が動的に補償され、
   ＤＣ−ＤＣコンバータ（２）であって、それを経由して前記少なくとも１つの他のＤＣ電源（２５）が、作動される前記ＤＣリンク（５）に接続される、ＤＣ−ＤＣコンバータ（２）により、前記少なくとも１つの他のＤＣ電源（２５）の前記電力が、有効に変化させられることを特徴とする方法。
2. ＤＣ−ＡＣコンバータ（６）の入力側ＤＣリンク（５）に並列に接続される複数のＤＣ電源（２４、２５）間に電力を配分する方法であって、前記ＤＣ電源の少なくとも１つは、ＤＣ−ＤＣコンバータ（２）経由で前記ＤＣリンク（５）に接続され、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（２）は前記ＤＣ電源（２５）により前記ＤＣリンク（５）に供給される電力の変化を引き起こすために作動可能であり、前記ＤＣ−ＡＣコンバータ（６）の電力がすべてのＤＣ電源（２４、２５）から利用できる最大電力の合計に関して抑制制御される前記ＤＣ−ＡＣコンバータ（６）の抑制制御動作中に、前記ＤＣ電源（２４、２５）の電力が別々に抑制制御される方法において、前記ＤＣ−ＡＣコンバータ（６）の前記抑制制御動作中に、前記少なくとも１つのＤＣ電源（２５）を前記ＤＣリンク（５）に接続している少なくとも前記少なくとも１つのＤＣ−ＤＣコンバータ（２）の作動により、少なくとも１つの他のＤＣ電源（２４、２５）の電力の変動が動的に補償され、
   前記少なくとも１つの他のＤＣ電源（２４）の前記電力が、前記ＤＣ−ＡＣコンバータ（６）の入力側ＤＣリンク（５）のＤＣリンク電圧の変化を引き起こすために作動される前記ＤＣ−ＡＣコンバータ（６）により、有効に変化させられることを特徴とする方法。
3. 請求項１又は２に記載の方法において、前記少なくとも１つのＤＣ電源（２５）が、前記作動可能なＤＣ−ＤＣコンバータ（２）経由で前記ＤＣ−ＡＣコンバータ（６）の前記ＤＣリンク（５）に接続される太陽電池発電装置を含むことを特徴とする方法。
4. 請求項３に記載の方法において、それぞれ、作動可能なＤＣ−ＤＣコンバータ（２）経由で前記ＤＣ−ＡＣコンバータ（６）の前記ＤＣリンク（５）に接続される太陽電池発電装置を含む複数のＤＣ電源（２５）を特徴とする方法。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の方法において、前記少なくとも１つの他のＤＣ電源（２４）が、電気機械を含む発電装置を有することを特徴とする方法。
6. 請求項５に記載の方法において、前記少なくとも１つの他のＤＣ電源（２４）により前記ＤＣリンク（５）に供給される前記電力の変化を引き起こすために作動可能なＤＣ−ＤＣコンバータ（２）なしに、前記発電装置が前記ＤＣ−ＡＣコンバータ（６）の前記ＤＣリンク（５）に接続されることを特徴とする方法。
7. 請求項１乃至６の何れか１項に記載の方法において、前記少なくとも１つの他のＤＣ電源（２４、２５）の前記電力の変動が、前記少なくとも１つのＤＣ電源（２５）を前記ＤＣリンク（５）に接続する前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（２）の１０ｍｓ以下、好ましくは１ｍｓ以下の応答時間により補償されることを特徴とする方法。
8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の方法において、前記ＤＣ−ＡＣコンバータ（６）の前記電力が外部プリセットに従って抑制制御されることを特徴とする方法。
9. 請求項１乃至８の何れか１項に記載の方法において、前記ＤＣ−ＡＣコンバータ（６）の前記抑制制御される電力が動的に変化させられることを特徴とする方法。
10. 請求項１乃至９の何れか１項に記載の方法において、前記少なくとも１つの他のＤＣ電源（２４、２５）の前記電力が、前記少なくとも１つの他のＤＣ電源（２４、２５）の特性の少なくとも一部を検出するために有効に変化させられることを特徴とする方法。
11. 請求項１乃至１０の何れか１項に記載の方法において、前記少なくとも１つの他のＤＣ電源（２４、２５）の前記電力の変動中、前記少なくとも１つの他のＤＣ電源（２４、２５）のＭＰＰが通過されることを特徴とする方法。
12. 請求項１乃至１１の何れか１項に記載の方法において、前記少なくとも１つの他のＤＣ電源（２４、２５）の前記電力が、前記少なくとも１つの他のＤＣ電源（２４、２５）の電圧増大を識別するために有効に変化させられることを特徴とする方法。
13. 請求項１乃至１２の何れか１項に記載の方法において、前記少なくとも１つの他の前記ＤＣ電源（２４、２５）の前記電力が、前記少なくとも１つの他のＤＣ電源（２４、２５）を開路に近い動作点から、同一電力であるがより低い動作電圧の短絡に近い動作点に移行させるために有効に変化させられることを特徴とする方法。
14. 請求項１、３乃至８の何れか１項に記載の方法において、前記少なくとも１つの他のＤＣ電源（２４、２５）の前記電力が、少なくとも１つの観点から最適化されるすべての前記ＤＣ電源（２４、２５）の動作点を決定し、かつ、それに接近するために、有効に変化させられることを特徴とする方法。
15. 請求項１４に記載の方法において、前記観点が以下：
    − 前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（２）及び前記ＤＣ−ＡＣコンバータ（６）のすべての電力損失の最小化、
    − 前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（２）及び前記ＤＣ−ＡＣコンバータ（６）のすべての負荷の最小化、
    − 複数の前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（２）内の同一設計の構成要素の電力損失の整合、
    − 前記ＤＣ−ＡＣコンバータ（６）の電力調整能力の最適化
    から選択されることを特徴とする方法。
16. − 入力側ＤＣリンク（５）を有するＤＣ−ＡＣコンバータ（６）、
    − 前記ＤＣリンク（５）への複数のＤＣ電源（２４、２５）の並列接続のための複数の入力（２３、２６）、
    − 少なくとも１つのＤＣ−ＤＣコンバータ（２）であって、前記入力の１つ（２６）と前記ＤＣリンク（５）との間に配置され、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（２）経由で前記ＤＣリンク（５）に供給される電力の変化を引き起こすために作動可能である、少なくとも１つのＤＣ−ＤＣコンバータ（２）、及び
    − 請求項１乃至１５の何れか１項に記載の方法に従って前記少なくとも１つのＤＣ−ＤＣコンバータ（２）を作動する制御装置（９）
    を含むインバータ（１）。
17. 請求項１６に記載のインバータ（１）において、前記制御装置（９）が前記ＤＣ−ＡＣコンバータ（６）の電力を調整する一次制御装置要素（１２）及び前記電力を前記少なくとも１つのＤＣ−ＤＣコンバータ（２）の作動により前記入力（２３、２６）間に配分する二次制御装置要素（１５）を有することを特徴とするインバータ。
18. 請求項１６又は１７に記載のインバータ（１）において、作動可能なＤＣ−ＤＣコンバータ（２）が前記入力（２６）のすべてと前記ＤＣリンク（５）との間に設けられることを特徴とするインバータ。
19. 請求項１６又は１７に記載のインバータ（１）において、前記入力（２３）の少なくとも１つに作動可能なＤＣ−ＤＣコンバータ（２）が設けられないことを特徴とする。インバータ。

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