アンフォルダ光電池インバータ用の準ＡＣ光電池モジュール
【課題】光電池（ＰＶ）エネルギ・システムを提供する。
【解決手段】ＰＶエネルギ・システム（１００）は、整流された公共電力網ＡＣ配電線路電圧に比例する非ゼロ平均値の電圧によって規定される脈動母線（１０２）を含む。ＰＶエネルギ・システム（１００）はまた、各々が対応するＰＶ電圧を脈動電流（１１２）へ変換するように構成されているバッキング回路（１０８）を含んでいる複数のＰＶモジュール（１０６）を含み、脈動母線（１０２）は、複数のＰＶモジュール（１０６）により生成された脈動電流（１１２）を合算して、その結果の合成脈動電流が非ゼロ平均値電圧と同相で脈動母線（１０２）に注入されるように構成されている。電流アンフォールディング回路（１０４）が、合成脈動電流に応答して公共電力網に注入されるＡＣ電流の量を制御するように構成されている。
【解決手段】ＰＶエネルギ・システム（１００）は、整流された公共電力網ＡＣ配電線路電圧に比例する非ゼロ平均値の電圧によって規定される脈動母線（１０２）を含む。ＰＶエネルギ・システム（１００）はまた、各々が対応するＰＶ電圧を脈動電流（１１２）へ変換するように構成されているバッキング回路（１０８）を含んでいる複数のＰＶモジュール（１０６）を含み、脈動母線（１０２）は、複数のＰＶモジュール（１０６）により生成された脈動電流（１１２）を合算して、その結果の合成脈動電流が非ゼロ平均値電圧と同相で脈動母線（１０２）に注入されるように構成されている。電流アンフォールディング回路（１０４）が、合成脈動電流に応答して公共電力網に注入されるＡＣ電流の量を制御するように構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に云えば、電力変換に関し、より具体的には、アンフォルダ(unfolder)光電池インバータ用の準ＡＣ光電池（ＰＶ）モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光電池（ＰＶ）セルは直流（ＤＣ）電力を発生し、そのＤＣ電流のレベルは太陽光照射量に依存し、且つＤＣ電圧のレベルは温度に逆依存する。交流（ＡＣ）電力が望まれるとき、インバータを使用して、ＤＣエネルギをＡＣエネルギに変換する。典型的なＰＶインバータは電力処理のために２つの段を用い、第１の段は一定ＤＣ電圧を供給するために構成され、また第２の段は一定ＤＣ電圧をＡＣ電流に変換するために構成される。しばしば、第１の段は昇圧コンバータを含み、また第２の段は単相又は三相インバータ・システムを含む。その二段インバータの効率はＰＶシステムの性能に影響を及ぼす重要なパラメータであり、個別の段の効率の積である。
【０００３】
単相光電池インバータは、一般に、ＰＶアレイの変化するＤＣ電圧を電力網の固定周波数のＡＣ電圧へ変換する二段変換電力回路を必要とする。伝統的なＰＶインバータは中間エネルギ蓄積段階としてＤＣリンクを使用し、これは、コンバータが先ずＰＶアレイ電圧を安定なＤＣ電圧に変換し、次いで電力網に注入することのできる電流へ変換することを意味する。
【０００４】
伝統的な単相ＰＶインバータはまた、望ましくないことに、複数のスイッチング装置を使用して固定のスイッチング周波数により電力回路を制御し、これは全体のスイッチング損失に寄与する。スイッチング損失は、典型的には、伝統的なＰＶインバータを使用するときスイッチング周波数を低く保つことによって、可能な限り低く保たれる。
【０００５】
光電池発電装置は、太陽光発電装置を形成するために直列及び並列に接続される多数のＰＶモジュールを含むことができる。ＰＶモジュールは、高い物体、木の葉、塵埃、雪などによる日陰効果に起因して電力を発生する能力を失う虞がある。光電池発電装置は、適切な動作電圧最大電力点を選択することによって、その最大電力を送給する。しかしながら、最大電力点の追跡は、最適な日陰無しの状態の下でのみ首尾よく行える。ＰＶモジュールの部品（１つのセルで充分である）が雪、塵埃、木の葉などによって覆われるや否や、ＰＶ発電装置はその電力のかなりの部分を失うことがある。
【０００６】
伝統的なＰＶインバータに関連したものよりも据え付けが容易で、費用が少なく且つ効率が高い住宅用光電池（ＰＶ）エネルギ・システムを提供することは、有利で且つ有益であろう。また、ＰＶエネルギ・システムが、ＤＣ切断機構がない場合でも動作することができたなら更に有利であろう。また、各々のＰＶモジュールがその日陰状態に依存した対応する動作点で動作できるようにＰＶエネルギ・システムを構成できたなら、更に有利であろう。
【０００７】
様々な電力のモジュールを一システム内にたやすく組み合わせることができたなら、また各準ＡＣモジュールがＤＣ負荷電圧を供給されるときに後方適合性があって、一定の電力を流す三相システムに適するようにしたなら、更に有利であろう。
【０００８】
各準ＡＣモジュールが単純な入手可能な力率１の調整器ＩＣを使用することによって制御可能であって、簡単さを確実にした場合には、更に有利であろう。
【０００９】
このようなＰＶエネルギ・システムの追加の利点としては、制限するものではないが、一システム内で異なる電力モジュールを混合し、これによってエネルギ発生のための利用可能な屋根面積を最大にする能力、ＡＣモジュールの概念についての効率向上、据え付けの際に出力を無電圧にして、据え付けを従来のシステムよりも安全すること、多方面に、例えば、イグルーの上に取り付けることのできるアレイの提供、及び各々が脈動電流を生成し且つ様々な構成が可能である、例えば、４セルあたり１つのコンバータなどが可能である複数の小形ＰＶセル・コンバータを一モジュールに設けること、が挙げられよう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第４６２６９８３号
【特許文献２】米国特許第５４７３５２８号
【特許文献３】米国特許第５９８９５８５号
【特許文献４】米国特許第６２０１１８０号
【特許文献５】米国特許第６４５２２８９号
【特許文献６】米国特許第６４６５７２４号
【特許文献７】米国特許出願公開第２００３／０１１１１０３号
【特許文献８】米国特許出願公開第２００７／０１６５３４７号
【特許文献９】米国特許第７００９８５９号
【特許文献１０】米国特許第７３３９２８７号
【特許文献１１】米国特許出願公開第２００７／０１０３１０８号
【特許文献１２】米国特許第７１５８３９５号
【特許文献１３】米国特許第７３１９３１３号
【特許文献１４】米国特許第６３３９５３８号
【特許文献１５】米国特許第６９１９７１４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、改良された光電池（ＰＶ）エネルギ・システムが提供されることが求められる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
簡略に述べると、一実施形態に従って、光電池（ＰＶ）エネルギ・システムは、イ）整流された公共電力網ＡＣ配電線路電圧に比例する非ゼロ平均値の電圧によって規定される脈動母線と、ロ）前記脈動母線に注入される脈動電流へＰＶ電圧を変換するように構成されているコンバータを備えたＰＶ発電装置を有する少なくとも１つのＰＶモジュールと、ハ）少なくとも１つのＰＶモジュールによって発生された電力が公共電力網へ転送されるように、前記注入される脈動電流に応じて公共電力網に注入されるＡＣ電流の極性を制御するように構成された電流アンフォールディング(unfolding) 回路と、を有する。
【００１３】
本発明のこれらの及び他の特徴、側面及び利点は、添付の図面を参照して以下の詳しい説明を読めばより良く理解されよう。添付の図面では、図面全体を通じて同様な参照符号は同様な部品を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、当該技術分野で知られている光電池インバータ接続形態(topology)を例示する概略回路図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に従った光電池エネルギ・システムを例示する概略回路図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に従った公共電力網配電線路に関連した脈動ＤＣ母線によって生成されたヘイバーサイン(haver-sine)電圧波形及び力率１の電流を例示するグラフである。
【図４】図４は、本発明の一実施形態に従ったバック(buck)接続形態により集積化された光電池モジュールを例示する概略回路図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態に従って脈動ＤＣ母線についてのリップル仕様を維持しながら主バック・インダクタのサイズを低減するためにリップル電流相殺回路を含む光電池バック接続形態を例示する概略回路図である。
【図６】図６は、一連の光電池モジュールについての日陰の効果を例示するグラフである。
【図７】図７は、当該技術分野で知られている光電池アレイの一部分を例示する概略回路図である。
【図８】図８は、本発明の別の実施形態に従った光電池エネルギ・システムを例示する概略回路図である。
【図９】図９は、本発明の一実施形態に従った、大きさがピーク電力網配電線路電圧よりも常に大きいＰＶ電圧を送給することのできる高電圧ＰＶモジュールを構成するように配列された光電池セルについての動作領域を例示するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
上記の図面は様々な実施形態を示しているが、本書で述べるように、本発明の他の実施形態が考えられる。いずれにおいても、本書は、本発明の例示の実施形態を、制限ではなく代表として提示する。本発明の原理の精神及び範囲内に入る多数の他の修正及び実施形態を当業者によって考え出すことができる。
【００１６】
図１は、当該技術分野で知られている光電池インバータの接続形態を例示する。光電池（ＰＶ）インバータ１０は、ＰＶアレイ１２の変化するＤＣ電圧を電力網１４用の固定周波数のＡＣ電圧へ変換するために、二段電力回路を用いる。光電池インバータ１０は、中間のエネルギ蓄積段階を具現化するためにＤＣリンク・コンデンサ１６を使用する。これは、ＰＶインバータ１０が先ず、昇圧コンバータにより、不安定なＰＶＤＣ電圧１８を電力網の電圧よりも高い安定なＤＣ電圧２０へ変換し、その後、ＰＷＭ回路２４により安定なＤＣ電圧２０を電力網１４に注入できる電流２２へ変換することを意味する。光電池インバータ１０の接続形態は５つのスイッチング装置４４，４６，４８，５０，５２を用いており、これらのスイッチング装置は全て高周波数で開閉し、望ましくないことに、二段コンバータの全スイッチング損失に寄与する。
【００１７】
図２は、本発明の一実施形態に従った光電池（ＰＶ）エネルギ・システム１００を例示する。ＰＶエネルギ・システム１００は、図１に示されたシステム接続形態で達成可能であるものを超えて、据え付けを簡単化し、効率を改善し、且つコストを低減する接続形態を用いる。
【００１８】
ＰＶエネルギ・システム１００は、整流された公共電力網ＡＣ配電線路電圧に比例する非ゼロ平均値電圧によって規定される脈動母線１０２を含み、これについては後で図３を参照して説明する。脈動母線１０２は、公共電力網配電線路に接続されたＰＶインバータ１０４による公共電力網配電線路電圧の整流によって導き出され、またＰＶモジュール１０６を介して母線１０２に注入される全ての電流はこの電圧と同相であって、電圧波形と密に整合する。ＰＶインバータ１０４は単純にアンフォールディング回路になる。
【００１９】
ＰＶエネルギ・システム１００の接続形態は、大きさが図９に一実施形態として示したピーク電力網配電線路電圧２２０よりも常に大きいＰＶ電圧を送給することのできる高電圧ＰＶモジュール１０６を構成するように光電池セルが配列されているときに、特に有利である。図９には、関心のあるＰＶモジュール動作領域２２２も例示している。各々のＰＶモジュール１０６は、対応するバッキング回路１０８と共に動作するように構成され、バッキング回路１０８はＰＶモジュール１０６の電圧（電力）を脈動電流へ変換し、該脈動電流は脈動母線１０２に注入される。
【００２０】
ＡＣモジュールと同様であるが、ＰＶモジュール１０６は、その対応するバッキング回路１０８と一緒に、ＡＣ又はＤＣを生成せず、代わりに準ＡＣを生成する。ＰＶモジュール１０６は、脈動母線１０２上に電圧が存在しない場合には、エネルギを生成することができないように構成されているので、ＤＣ切断能力は何ら必要とされず、従ってＰＶモジュールはより安価であり且つ具現化するのが容易である。更に、切断部は中央に配置することができる（インバータ−アンフォルダ）。
【００２１】
更に、各々がそれぞれのバッキング回路１０８と一体化されたＰＶモジュール１０６は、非常に低い電力と単一のスイッチング装置１１０のみを必要とする接続形態を提供する。各バッキング回路１０８の変換効率は非常に高く、生成する熱は非常に低い。各バッキング回路１０８はただ２つの能動装置を用いており、これらの装置は、随意選択により、従来よく用いられるＳｉ装置よりも一層高い温度に耐えることのできるＳｉＣ装置を使用して具現化することができる。更に、バック・コンバータ１０８用の能動スイッチ１１０は、図４に示されているように、ゲート駆動及び制御回路を簡単化するためにＰＶモジュール１０６の負の線に配置することができる。
【００２２】
本発明の一面によれば、大きさがピーク電力網配電線路電圧よりも常に大きいＰＶ電圧を送給することのできる高電圧ＰＶモジュール１０６を構成するように光電池セルが配列されているとき、動作最大電圧が常に電力網電圧のピークよりも高いので、高電圧モジュール１０６の場合には、昇圧回路が必要とされない。
【００２３】
本発明の一面によれば、ＰＶモジュール１０６により発生された複数の脈動電流１１２が合算されて、脈動母線１０２に合成脈動電流を生成する。この合成脈動電流は、次いで、ＰＶインバータ／アンフォルダ回路１０４に供給され、ＰＶインバータ／アンフォルダ回路１０４は、このアンフォルダ回路１０４が接続されている公共電力網へ注入されるＡＣを制御する。インバータ／アンフォルダ１０４は、非常に効率よくすることができ（〜９９％）、実質的に何ら冷却を必要とせず、且つ実現するのに非常に安価である接続形態を用いる。
【００２４】
各ＰＶモジュールは図４に示されているように構成されているとき最大電力で動作することができるので、特定の場所に合わせてＰＶアレイを設計する必要はない。従って、ＰＶエネルギ・システム１００は、従来よく用いられている接続形態に共通している日陰の負の効果を非常に受け難い。この固有の日陰無影響性により、高い変換効率が維持されて、従来のシステムを使用するときよりも多量のＫＷ時が生成される。
【００２５】
ＰＶエネルギ・システム１００の接続形態により、据え付けのための専門の電気技術者を必要としないので据え付けの際のコストを更に節約することができ、またもはやＤＣ切断も必要とされない。ＤＣ切断が必要とされないのは、ＤＣ源がＰＶモジュール１０６の中に含まれていて、外部に露出されないからである。
【００２６】
多重ＰＶモジュール・システム内のＰＶモジュール１０６は、有利なことに、ＰＶエネルギ・システムを修正せずにＰＶモジュールの互換性を保持しながら、他のＰＶモジュールとは異なる電力定格を持つように構成して、ＰＶエネルギ・システムがそのＰＶエネルギ・システムを取り付けるために使用される利用可能な屋根のスペースを最大限にするようにＰＶモジュールを互換できるようにすることができる。更に、複数のＰＶモジュールは、方向の相異なる配向を持つ複数のＰＶアレイを提供するように構成して、ＰＶエネルギ・システムによる太陽追跡能力及びエネルギ生成能力を、全てのＰＶモジュールが同じ方向に配向された従来のＰＶエネルギ・システムで達成できるものよりも増大させることができる。
【００２７】
一実施形態に従ったＰＶエネルギ・システムの構成では、各コンバータ１０８は電流アンフォールディング回路１０４とともに、従来のＡＣモジュール・コンバータよりもエネルギ変換効率がよくなるように構成される。別の実施形態では、各コンバータは電流アンフォールディング回路と共に、それぞれ約９９％のエネルギ変換効率を達成するように構成される。
【００２８】
別の実施形態に従ったＰＶエネルギ・システムの構成では、各ＰＶモジュールは、対応する電流アンフォールディング回路が脈動母線に電圧を供給するときのみ出力電流を生成するように構成される。また別の実施形態では、各ＰＶモジュール・コンバータは、バック・コンバータ、昇圧コンバータ、隔離コンバータ、又はフライバック能力を持つ昇圧コンバータの内の少なくとも１つを有する。更に別の実施形態では、各ＰＶモジュール・コンバータは、簡単で容易に入手可能な力率調整器ＩＣにより制御されるように構成される。また更に別の実施形態では、各ＰＶモジュールは、大きさがピーク公共電力網電圧よりも常に大きいＰＶ電圧を送給するように構成される。また別の実施形態では、各ＰＶモジュールと電流アンフォールディング回路とは一緒に、脈動母線がＤＣになる場合にエネルギ変換を行うためにＡＣエネルギ・コンバータと適合性があるように構成される。更に別の実施形態では、各ＰＶモジュールは、三相ＰＶエネルギ・システムに使用するのに適した一定電力を供給するように構成される。
【００２９】
図３は、本発明の一実施形態に従った公共電力網配電線路に関連した脈動母線によって生成されたヘイバーサイン電圧波形１２０及び力率１の電流１２２を例示する。
【００３０】
図４は、本発明の一実施形態に従った共通電圧ノードＰＶモジュール・バック接続形態１３０を例示する概略回路図である。
【００３１】
図５は、本発明の一実施形態に従って脈動母線上の高周波数のリップルを低減するためのリップル電流相殺回路１４２を含むＰＶバック接続形態１４０を例示する概略回路図である。リップル電流相殺回路１４２は、システムの出力リップル電流要件を損なうことなく主インダクタ１４４のサイズを小さくするための手段を提供する。リップル電流相殺回路１４２は、相対的に大きいインダクタにより達成可能なものよりも相対的に低損失である相対的に小さいインダクタ１４４の使用を可能にする。ソフト・スイッチング技術を用いることにより、スイッチング損失を更に低減することができる。
【００３２】
図２を再び参照すると、光電池エネルギ・システム１００の接続形態は、図１について前に述べたような中間エネルギ蓄積段階を具現化するためにＤＣリンクを用いる必要性を克服する。その理由は、バッキング回路１０８がＰＶアレイ１２の電圧を直ちに準ＡＣ電流１１２に変換するからである。この特徴は、ＰＶアレイ１２の各脚部を大容量のコンデンサ３４で補強し、ＤＣリンクをＰＶアレイ１２へ実効的に移し、これにより整流された電力網電流の生成の際にＰＶアレイ出力電圧を安定化することによって、具現化される。その後のインバータ段１０４は単に、電流１１２を電力網１４へアンフォールドすることを必要とするに過ぎず、またこのことを、インバータ段のスイッチング装置５４，５６，５８，６０がゼロの電圧及び電流の交差点で公共電力網１４の低い周波数でのみスイッチングするのでスイッチング損失無しに行う。
【００３３】
各バッキング回路１０８は、またバイパス・ダイオード１１４も含んでいることが分かる。各バイパス・ダイオード１１４は、日陰が生じて、ＰＶモジュール１０６がバッキング回路のスイッチング装置１１０を動作させるのに必要な所要量のエネルギを生成することができない動作条件の際に、その対応するＰＶモジュール１０６を保護するように動作する。バイパス・ダイオード１１４は、日陰状態の際に、日陰による悪影響を受けていないＰＶモジュール１０６に関連した動作状態に悪影響を及ぼすことなく、ＰＶモジュール電流が機能していないＰＶモジュール１０６及び対応するバッキング回路１０８をバイパスできるようにすることによって、ＰＶモジュール１０６を保護する。
【００３４】
要約して説明すると、脈動母線１０２が、バック・コンバータ１０８を含む高電圧ＰＶモジュール１０６に接続され、バック・コンバータ１０８は、脈動母線電圧と同相で母線１０２に注入され且つ電圧波形と密に整合する脈動電流を生成する。バック・コンバータ１０８は、２つの能動装置を持つ簡単な回路である。本発明の一面によれば、動作最大電圧が常に電力網電圧のピークよりも高いとき、昇圧回路が何ら必要とされない。バック・コンバータ１０８用の能動スイッチは、ゲート駆動及び制御回路を簡単化するためにＰＶモジュール１０６の負の線に配置することができる。
【００３５】
ＰＶエネルギ・システム１００によって提供される利点には、制限するものではないが、確実にバック・コンバータ１０８のインダクタ１４４を小さくできるようにし且つ確実に高周波数の電流が脈動母線上で充分に減衰するようにするリップル電流相殺回路を設けることが含まれる。更に、ＰＶインバータ／アンフォルダ１０４は、非常に高い変換効率を持つ簡単なアンフォルダ回路に簡単化される。ＰＶモジュール１０６のためのバック・コンバータ１０８は、前に述べたように、Ｓｉ装置よりも一層高い温度に耐えることのできるＳｉＣ装置を使用して具現化することができる。
【００３６】
別の利点としては、制限するものではないが、１）高電圧ＰＶアレイ・システムのためのコンデンサ・エネルギ蓄積要件が、バック・コンバータ１０８のフロント・エンド上にフィルム・コンデンサのような信頼性のより高いコンデンサを選択することができるように大幅に低減されること、２）ＰＶインバータ／アンフォルダ１０４に接地故障検出を依然として設けることができること、３）コンバータがバック−昇圧動作を行うことができる場合、或いはバック・コンバータ１０８がそのコンバータの一部として変圧器を持っている場合、ＰＶエネルギ・システム１００が、線路電圧よりも小さい電圧を持つ光電池モジュール１０６で動作すること、が挙げられる。
【００３７】
更に別の利点としては、制限するものではないが、１）従来のシステムよりも実施するのがより簡単であると云う概念、２）従来のシステムで可能であるよりも高いエネルギ生成能力、３）ＤＣ配線のような据え付けコストが低減され、また据え付けのための専門の電気技術者を必要とすることが排除されたこと、４）（ＰＶモジュール内に埋め込まれる）ＰＶアレイの寸法決定が簡単化されたこと、及び５）ＰＶインバータ１０４が非常に効率がよく、従って従来のシステムと比べたとき、よりコンパクトで且つより信頼性があること、が挙げられる。
【００３８】
ここで図６を参照すると、図１にＰＶアレイ１２として示されたような一連の従来の光電池モジュールについての日陰の効果を示す。ＰＶインバータは２つのタスクを持ち、それらは、ＰＶ発電装置をその最大電力点で動作させること、及びＤＣ電力をＡＣ電力へ変換することを含む。しかしながら、最大電力点の追跡は、最適な日陰のない状態でのみ、良好に作用する。ＰＶモジュールの部分（１つのセルで充分）が雪、塵埃、木の葉などで覆われるや否や、ＰＶ発電装置はその電力の一部分（或る特定の条件下では１５％まで）を失う。この状態が生じたとき、バイパス・ダイオード（図７に参照数字１５０で表す）が、日陰状態の際にＰＶモジュールを損傷する虞のある高い逆電圧レベルに曝されないようにＰＶモジュールを保護する。
【００３９】
図８は、本発明の別の実施形態に従った光電池エネルギ・システム２００を例示する。ＰＶエネルギ・システム２００は、直列に接続された複数のＰＶモジュール２０４を有するＰＶアレイ２０２を含み、各ＰＶモジュール２０４の両端間にはＤＣ／ＤＣ昇圧コンバータ２０６が接続される。各ＰＶモジュール２０４は、１つのＰＶセル、１つのＰＶセル・アレイ、又は複数のＰＶセル・アレイを含むことができる。ＰＶエネルギ・システム２００の接続形態は、全ての各々のＰＶモジュール２０４について個別の動作点を可能にして、ＰＶアレイ２０２について常に最大電力が達成されることを確実にする。もしスイッチング・トランジスタ（例えば、ＭＯＳＦＥＴ）２１０が故障した場合、ボディ・ダイオード２１２及び外部ダイオード２１４が、図７に示された接続形態に通常関連したような、通常通りの動作上の挙動を行う。
【００４０】
図８に関して上述したＤＣ／ＤＣ昇圧コンバータの接続形態は、図２に示された各ＰＶモジュール１０６を具現化するために個々のＰＶセル又はＰＶセル群の両端間に容易に用いることができる。その結果のアーキテクチャは、大きさがピーク電力網配電線路電圧よりも常に大きいＰＶ電圧を送給することのできる高電圧ＰＶモジュール１０６に光電池セルが配列されることを確実にする。
【００４１】
前に述べた全ての実施形態において、ＡＣ公共電力網電圧は、高調波の存在により純粋に正弦波でないことがある。このような場合、アンフォールディング回路の作用は脈動母線上にヘイバーサイン波形を生じさせないが、むしろＡＣ公共電力網電圧の絶対値を表す波形を生じさせる。
【００４２】
ＡＣ公共電力網電圧が非正弦波である一事例では、ＰＶモジュールによって母線に注入される電流は、脈動母線電圧に比例させることができる。
【００４３】
ＡＣ公共電力網電圧が非正弦波である別の事例では、ＰＶモジュールによって母線に注入される電流は、脈動母線電圧のフィルタ処理後の電圧に比例させることができる。このフィルタは、或る周波数帯域を阻止し、他の周波数帯域は通過させる。このようなフィルタの一例は、ＤＣと線路周波数の２倍に等しい周波数を通過させ、随選択によりその有限数の高調波を通過させる。
【００４４】
ＡＣ公共電力網電圧が非正弦波である一事例では、ＰＶモジュールによって母線に注入される電流は、ＡＣ公共電力網電圧のフィルタ処理後の電圧の絶対値に比例させることができる。この場合、フィルタは、ＤＣを阻止する能力を含めて、信号を帯域制限するように構成することができる。フィルタは、ＡＣ線路の基本周波数における信号のみを通すように構成することができる。いずれの場合も、フィルタはまた、アンフォールディング回路によって公共電力網に注入される電流の基本周波数成分がＡＣ公共電力網電圧波形の基本周波数成分に比例するように構成することができる。
【００４５】
上記のことはまた、ＰＶモジュール自体が母線電圧から公共電力網電圧波形のコピーを生成することができるように、脈動母線電圧の信号レベル表現をアンフォールドすることによって達成することができる。次いで、これを上記の態様でフィルタ処理することができる。このことの利点は、モジュールが公共電力網電圧の直接的なサンプルを必要とせずに自己完結することできることである。ここで、母線電圧をアンフォールドするとき、実際の線路基準が利用できない場合、ＡＣ線路に対して１８０°の位相誤差が起こり得ることに留意されたい。しかしながら、この表現のＤＣ成分が、典型的には公共電力網電圧野場合に生じるようにゼロに近づく場合、或いはこのようなＤＣ成分がフィルタによって除去される場合、この位相シフトは、一旦フィルタ処理後の信号の絶対値を求めると、１８０度の位相誤差は重要でなくなるので、許容される。
【００４６】
上記のフィルタ処理技術を使用する利点は、所望のＡＣ線路電圧周波数成分にのみ応答できるようにすることによって、システムの安定性を改善できることである。これは、任意の負荷に起因した不安定性の可能性を制限する。
【００４７】
上記のフィルタ処理技術を使用する別の利点は、ＡＣ線路電圧周波数成分の基本周波数にのみ応答できるようにすることによって、システムの安全性を改善できることである。そこで、公共電力網ＡＣ線路電圧が存在しないとき、コンバータは何ら出力を生成しないで、例えば、単独運転防止能力を提供する。
【００４８】
これまで本発明の特定の特徴のみを例示して説明したが、当業者には多数の修正及び変更を行えよう。従って、特許請求の範囲は、本発明の真の精神の範囲内に入る全てのこのような修正及び変更を包含することを理解されたい。
【符号の説明】
【００４９】
１０ 光電池（ＰＶ）インバータ
１２ ＰＶアレイ
１４ 電力網
１６ ＤＣリンク・コンデンサ
１８ 不安定なＰＶＤＣ電圧
２０ 安定なＤＣ電圧
２２ 電流
２４ ＰＷＭ回路
３４ コンデンサ
４４ スイッチング装置
４６ スイッチング装置
４８ スイッチング装置
５０ スイッチング装置
５２ スイッチング装置
５４ スイッチング装置
５６ スイッチング装置
５８ スイッチング装置
６０ スイッチング装置
１００ ＰＶエネルギ・システム
１０２ 脈動母線
１０４ ＰＶインバータ
１０６ ＰＶモジュール
１０８ バッキング回路
１１０ スイッチング装置
１１２ 脈動電流
１１４ バイパス・ダイオード
１２０ ヘイバーサイン電圧波形
１２２ 力率１の電流
１３０ ＰＶモジュール・バック接続形態
１４０ ＰＶバック接続形態
１４２ リップル相殺回路
１４４ 主インダクタ
１５０ バイパス・ダイオード
２００ ＰＶエネルギ・システム
２０２ ＰＶアレイ
２０４ ＰＶモジュール
２０６ ＤＣ／ＤＣ昇圧コンバータ
２１０ スイッチング・トランジスタ
２１２ ボディ・ダイオード
２１４ 外部ダイオード
２２０ ピーク電力網配電線路電圧
２２２ 関心のあるＰＶモジュール動作領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に云えば、電力変換に関し、より具体的には、アンフォルダ(unfolder)光電池インバータ用の準ＡＣ光電池（ＰＶ）モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光電池（ＰＶ）セルは直流（ＤＣ）電力を発生し、そのＤＣ電流のレベルは太陽光照射量に依存し、且つＤＣ電圧のレベルは温度に逆依存する。交流（ＡＣ）電力が望まれるとき、インバータを使用して、ＤＣエネルギをＡＣエネルギに変換する。典型的なＰＶインバータは電力処理のために２つの段を用い、第１の段は一定ＤＣ電圧を供給するために構成され、また第２の段は一定ＤＣ電圧をＡＣ電流に変換するために構成される。しばしば、第１の段は昇圧コンバータを含み、また第２の段は単相又は三相インバータ・システムを含む。その二段インバータの効率はＰＶシステムの性能に影響を及ぼす重要なパラメータであり、個別の段の効率の積である。
【０００３】
単相光電池インバータは、一般に、ＰＶアレイの変化するＤＣ電圧を電力網の固定周波数のＡＣ電圧へ変換する二段変換電力回路を必要とする。伝統的なＰＶインバータは中間エネルギ蓄積段階としてＤＣリンクを使用し、これは、コンバータが先ずＰＶアレイ電圧を安定なＤＣ電圧に変換し、次いで電力網に注入することのできる電流へ変換することを意味する。
【０００４】
伝統的な単相ＰＶインバータはまた、望ましくないことに、複数のスイッチング装置を使用して固定のスイッチング周波数により電力回路を制御し、これは全体のスイッチング損失に寄与する。スイッチング損失は、典型的には、伝統的なＰＶインバータを使用するときスイッチング周波数を低く保つことによって、可能な限り低く保たれる。
【０００５】
光電池発電装置は、太陽光発電装置を形成するために直列及び並列に接続される多数のＰＶモジュールを含むことができる。ＰＶモジュールは、高い物体、木の葉、塵埃、雪などによる日陰効果に起因して電力を発生する能力を失う虞がある。光電池発電装置は、適切な動作電圧最大電力点を選択することによって、その最大電力を送給する。しかしながら、最大電力点の追跡は、最適な日陰無しの状態の下でのみ首尾よく行える。ＰＶモジュールの部品（１つのセルで充分である）が雪、塵埃、木の葉などによって覆われるや否や、ＰＶ発電装置はその電力のかなりの部分を失うことがある。
【０００６】
伝統的なＰＶインバータに関連したものよりも据え付けが容易で、費用が少なく且つ効率が高い住宅用光電池（ＰＶ）エネルギ・システムを提供することは、有利で且つ有益であろう。また、ＰＶエネルギ・システムが、ＤＣ切断機構がない場合でも動作することができたなら更に有利であろう。また、各々のＰＶモジュールがその日陰状態に依存した対応する動作点で動作できるようにＰＶエネルギ・システムを構成できたなら、更に有利であろう。
【０００７】
様々な電力のモジュールを一システム内にたやすく組み合わせることができたなら、また各準ＡＣモジュールがＤＣ負荷電圧を供給されるときに後方適合性があって、一定の電力を流す三相システムに適するようにしたなら、更に有利であろう。
【０００８】
各準ＡＣモジュールが単純な入手可能な力率１の調整器ＩＣを使用することによって制御可能であって、簡単さを確実にした場合には、更に有利であろう。
【０００９】
このようなＰＶエネルギ・システムの追加の利点としては、制限するものではないが、一システム内で異なる電力モジュールを混合し、これによってエネルギ発生のための利用可能な屋根面積を最大にする能力、ＡＣモジュールの概念についての効率向上、据え付けの際に出力を無電圧にして、据え付けを従来のシステムよりも安全すること、多方面に、例えば、イグルーの上に取り付けることのできるアレイの提供、及び各々が脈動電流を生成し且つ様々な構成が可能である、例えば、４セルあたり１つのコンバータなどが可能である複数の小形ＰＶセル・コンバータを一モジュールに設けること、が挙げられよう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第４６２６９８３号
【特許文献２】米国特許第５４７３５２８号
【特許文献３】米国特許第５９８９５８５号
【特許文献４】米国特許第６２０１１８０号
【特許文献５】米国特許第６４５２２８９号
【特許文献６】米国特許第６４６５７２４号
【特許文献７】米国特許出願公開第２００３／０１１１１０３号
【特許文献８】米国特許出願公開第２００７／０１６５３４７号
【特許文献９】米国特許第７００９８５９号
【特許文献１０】米国特許第７３３９２８７号
【特許文献１１】米国特許出願公開第２００７／０１０３１０８号
【特許文献１２】米国特許第７１５８３９５号
【特許文献１３】米国特許第７３１９３１３号
【特許文献１４】米国特許第６３３９５３８号
【特許文献１５】米国特許第６９１９７１４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、改良された光電池（ＰＶ）エネルギ・システムが提供されることが求められる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
簡略に述べると、一実施形態に従って、光電池（ＰＶ）エネルギ・システムは、イ）整流された公共電力網ＡＣ配電線路電圧に比例する非ゼロ平均値の電圧によって規定される脈動母線と、ロ）前記脈動母線に注入される脈動電流へＰＶ電圧を変換するように構成されているコンバータを備えたＰＶ発電装置を有する少なくとも１つのＰＶモジュールと、ハ）少なくとも１つのＰＶモジュールによって発生された電力が公共電力網へ転送されるように、前記注入される脈動電流に応じて公共電力網に注入されるＡＣ電流の極性を制御するように構成された電流アンフォールディング(unfolding) 回路と、を有する。
【００１３】
本発明のこれらの及び他の特徴、側面及び利点は、添付の図面を参照して以下の詳しい説明を読めばより良く理解されよう。添付の図面では、図面全体を通じて同様な参照符号は同様な部品を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、当該技術分野で知られている光電池インバータ接続形態(topology)を例示する概略回路図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に従った光電池エネルギ・システムを例示する概略回路図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に従った公共電力網配電線路に関連した脈動ＤＣ母線によって生成されたヘイバーサイン(haver-sine)電圧波形及び力率１の電流を例示するグラフである。
【図４】図４は、本発明の一実施形態に従ったバック(buck)接続形態により集積化された光電池モジュールを例示する概略回路図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態に従って脈動ＤＣ母線についてのリップル仕様を維持しながら主バック・インダクタのサイズを低減するためにリップル電流相殺回路を含む光電池バック接続形態を例示する概略回路図である。
【図６】図６は、一連の光電池モジュールについての日陰の効果を例示するグラフである。
【図７】図７は、当該技術分野で知られている光電池アレイの一部分を例示する概略回路図である。
【図８】図８は、本発明の別の実施形態に従った光電池エネルギ・システムを例示する概略回路図である。
【図９】図９は、本発明の一実施形態に従った、大きさがピーク電力網配電線路電圧よりも常に大きいＰＶ電圧を送給することのできる高電圧ＰＶモジュールを構成するように配列された光電池セルについての動作領域を例示するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
上記の図面は様々な実施形態を示しているが、本書で述べるように、本発明の他の実施形態が考えられる。いずれにおいても、本書は、本発明の例示の実施形態を、制限ではなく代表として提示する。本発明の原理の精神及び範囲内に入る多数の他の修正及び実施形態を当業者によって考え出すことができる。
【００１６】
図１は、当該技術分野で知られている光電池インバータの接続形態を例示する。光電池（ＰＶ）インバータ１０は、ＰＶアレイ１２の変化するＤＣ電圧を電力網１４用の固定周波数のＡＣ電圧へ変換するために、二段電力回路を用いる。光電池インバータ１０は、中間のエネルギ蓄積段階を具現化するためにＤＣリンク・コンデンサ１６を使用する。これは、ＰＶインバータ１０が先ず、昇圧コンバータにより、不安定なＰＶＤＣ電圧１８を電力網の電圧よりも高い安定なＤＣ電圧２０へ変換し、その後、ＰＷＭ回路２４により安定なＤＣ電圧２０を電力網１４に注入できる電流２２へ変換することを意味する。光電池インバータ１０の接続形態は５つのスイッチング装置４４，４６，４８，５０，５２を用いており、これらのスイッチング装置は全て高周波数で開閉し、望ましくないことに、二段コンバータの全スイッチング損失に寄与する。
【００１７】
図２は、本発明の一実施形態に従った光電池（ＰＶ）エネルギ・システム１００を例示する。ＰＶエネルギ・システム１００は、図１に示されたシステム接続形態で達成可能であるものを超えて、据え付けを簡単化し、効率を改善し、且つコストを低減する接続形態を用いる。
【００１８】
ＰＶエネルギ・システム１００は、整流された公共電力網ＡＣ配電線路電圧に比例する非ゼロ平均値電圧によって規定される脈動母線１０２を含み、これについては後で図３を参照して説明する。脈動母線１０２は、公共電力網配電線路に接続されたＰＶインバータ１０４による公共電力網配電線路電圧の整流によって導き出され、またＰＶモジュール１０６を介して母線１０２に注入される全ての電流はこの電圧と同相であって、電圧波形と密に整合する。ＰＶインバータ１０４は単純にアンフォールディング回路になる。
【００１９】
ＰＶエネルギ・システム１００の接続形態は、大きさが図９に一実施形態として示したピーク電力網配電線路電圧２２０よりも常に大きいＰＶ電圧を送給することのできる高電圧ＰＶモジュール１０６を構成するように光電池セルが配列されているときに、特に有利である。図９には、関心のあるＰＶモジュール動作領域２２２も例示している。各々のＰＶモジュール１０６は、対応するバッキング回路１０８と共に動作するように構成され、バッキング回路１０８はＰＶモジュール１０６の電圧（電力）を脈動電流へ変換し、該脈動電流は脈動母線１０２に注入される。
【００２０】
ＡＣモジュールと同様であるが、ＰＶモジュール１０６は、その対応するバッキング回路１０８と一緒に、ＡＣ又はＤＣを生成せず、代わりに準ＡＣを生成する。ＰＶモジュール１０６は、脈動母線１０２上に電圧が存在しない場合には、エネルギを生成することができないように構成されているので、ＤＣ切断能力は何ら必要とされず、従ってＰＶモジュールはより安価であり且つ具現化するのが容易である。更に、切断部は中央に配置することができる（インバータ−アンフォルダ）。
【００２１】
更に、各々がそれぞれのバッキング回路１０８と一体化されたＰＶモジュール１０６は、非常に低い電力と単一のスイッチング装置１１０のみを必要とする接続形態を提供する。各バッキング回路１０８の変換効率は非常に高く、生成する熱は非常に低い。各バッキング回路１０８はただ２つの能動装置を用いており、これらの装置は、随意選択により、従来よく用いられるＳｉ装置よりも一層高い温度に耐えることのできるＳｉＣ装置を使用して具現化することができる。更に、バック・コンバータ１０８用の能動スイッチ１１０は、図４に示されているように、ゲート駆動及び制御回路を簡単化するためにＰＶモジュール１０６の負の線に配置することができる。
【００２２】
本発明の一面によれば、大きさがピーク電力網配電線路電圧よりも常に大きいＰＶ電圧を送給することのできる高電圧ＰＶモジュール１０６を構成するように光電池セルが配列されているとき、動作最大電圧が常に電力網電圧のピークよりも高いので、高電圧モジュール１０６の場合には、昇圧回路が必要とされない。
【００２３】
本発明の一面によれば、ＰＶモジュール１０６により発生された複数の脈動電流１１２が合算されて、脈動母線１０２に合成脈動電流を生成する。この合成脈動電流は、次いで、ＰＶインバータ／アンフォルダ回路１０４に供給され、ＰＶインバータ／アンフォルダ回路１０４は、このアンフォルダ回路１０４が接続されている公共電力網へ注入されるＡＣを制御する。インバータ／アンフォルダ１０４は、非常に効率よくすることができ（〜９９％）、実質的に何ら冷却を必要とせず、且つ実現するのに非常に安価である接続形態を用いる。
【００２４】
各ＰＶモジュールは図４に示されているように構成されているとき最大電力で動作することができるので、特定の場所に合わせてＰＶアレイを設計する必要はない。従って、ＰＶエネルギ・システム１００は、従来よく用いられている接続形態に共通している日陰の負の効果を非常に受け難い。この固有の日陰無影響性により、高い変換効率が維持されて、従来のシステムを使用するときよりも多量のＫＷ時が生成される。
【００２５】
ＰＶエネルギ・システム１００の接続形態により、据え付けのための専門の電気技術者を必要としないので据え付けの際のコストを更に節約することができ、またもはやＤＣ切断も必要とされない。ＤＣ切断が必要とされないのは、ＤＣ源がＰＶモジュール１０６の中に含まれていて、外部に露出されないからである。
【００２６】
多重ＰＶモジュール・システム内のＰＶモジュール１０６は、有利なことに、ＰＶエネルギ・システムを修正せずにＰＶモジュールの互換性を保持しながら、他のＰＶモジュールとは異なる電力定格を持つように構成して、ＰＶエネルギ・システムがそのＰＶエネルギ・システムを取り付けるために使用される利用可能な屋根のスペースを最大限にするようにＰＶモジュールを互換できるようにすることができる。更に、複数のＰＶモジュールは、方向の相異なる配向を持つ複数のＰＶアレイを提供するように構成して、ＰＶエネルギ・システムによる太陽追跡能力及びエネルギ生成能力を、全てのＰＶモジュールが同じ方向に配向された従来のＰＶエネルギ・システムで達成できるものよりも増大させることができる。
【００２７】
一実施形態に従ったＰＶエネルギ・システムの構成では、各コンバータ１０８は電流アンフォールディング回路１０４とともに、従来のＡＣモジュール・コンバータよりもエネルギ変換効率がよくなるように構成される。別の実施形態では、各コンバータは電流アンフォールディング回路と共に、それぞれ約９９％のエネルギ変換効率を達成するように構成される。
【００２８】
別の実施形態に従ったＰＶエネルギ・システムの構成では、各ＰＶモジュールは、対応する電流アンフォールディング回路が脈動母線に電圧を供給するときのみ出力電流を生成するように構成される。また別の実施形態では、各ＰＶモジュール・コンバータは、バック・コンバータ、昇圧コンバータ、隔離コンバータ、又はフライバック能力を持つ昇圧コンバータの内の少なくとも１つを有する。更に別の実施形態では、各ＰＶモジュール・コンバータは、簡単で容易に入手可能な力率調整器ＩＣにより制御されるように構成される。また更に別の実施形態では、各ＰＶモジュールは、大きさがピーク公共電力網電圧よりも常に大きいＰＶ電圧を送給するように構成される。また別の実施形態では、各ＰＶモジュールと電流アンフォールディング回路とは一緒に、脈動母線がＤＣになる場合にエネルギ変換を行うためにＡＣエネルギ・コンバータと適合性があるように構成される。更に別の実施形態では、各ＰＶモジュールは、三相ＰＶエネルギ・システムに使用するのに適した一定電力を供給するように構成される。
【００２９】
図３は、本発明の一実施形態に従った公共電力網配電線路に関連した脈動母線によって生成されたヘイバーサイン電圧波形１２０及び力率１の電流１２２を例示する。
【００３０】
図４は、本発明の一実施形態に従った共通電圧ノードＰＶモジュール・バック接続形態１３０を例示する概略回路図である。
【００３１】
図５は、本発明の一実施形態に従って脈動母線上の高周波数のリップルを低減するためのリップル電流相殺回路１４２を含むＰＶバック接続形態１４０を例示する概略回路図である。リップル電流相殺回路１４２は、システムの出力リップル電流要件を損なうことなく主インダクタ１４４のサイズを小さくするための手段を提供する。リップル電流相殺回路１４２は、相対的に大きいインダクタにより達成可能なものよりも相対的に低損失である相対的に小さいインダクタ１４４の使用を可能にする。ソフト・スイッチング技術を用いることにより、スイッチング損失を更に低減することができる。
【００３２】
図２を再び参照すると、光電池エネルギ・システム１００の接続形態は、図１について前に述べたような中間エネルギ蓄積段階を具現化するためにＤＣリンクを用いる必要性を克服する。その理由は、バッキング回路１０８がＰＶアレイ１２の電圧を直ちに準ＡＣ電流１１２に変換するからである。この特徴は、ＰＶアレイ１２の各脚部を大容量のコンデンサ３４で補強し、ＤＣリンクをＰＶアレイ１２へ実効的に移し、これにより整流された電力網電流の生成の際にＰＶアレイ出力電圧を安定化することによって、具現化される。その後のインバータ段１０４は単に、電流１１２を電力網１４へアンフォールドすることを必要とするに過ぎず、またこのことを、インバータ段のスイッチング装置５４，５６，５８，６０がゼロの電圧及び電流の交差点で公共電力網１４の低い周波数でのみスイッチングするのでスイッチング損失無しに行う。
【００３３】
各バッキング回路１０８は、またバイパス・ダイオード１１４も含んでいることが分かる。各バイパス・ダイオード１１４は、日陰が生じて、ＰＶモジュール１０６がバッキング回路のスイッチング装置１１０を動作させるのに必要な所要量のエネルギを生成することができない動作条件の際に、その対応するＰＶモジュール１０６を保護するように動作する。バイパス・ダイオード１１４は、日陰状態の際に、日陰による悪影響を受けていないＰＶモジュール１０６に関連した動作状態に悪影響を及ぼすことなく、ＰＶモジュール電流が機能していないＰＶモジュール１０６及び対応するバッキング回路１０８をバイパスできるようにすることによって、ＰＶモジュール１０６を保護する。
【００３４】
要約して説明すると、脈動母線１０２が、バック・コンバータ１０８を含む高電圧ＰＶモジュール１０６に接続され、バック・コンバータ１０８は、脈動母線電圧と同相で母線１０２に注入され且つ電圧波形と密に整合する脈動電流を生成する。バック・コンバータ１０８は、２つの能動装置を持つ簡単な回路である。本発明の一面によれば、動作最大電圧が常に電力網電圧のピークよりも高いとき、昇圧回路が何ら必要とされない。バック・コンバータ１０８用の能動スイッチは、ゲート駆動及び制御回路を簡単化するためにＰＶモジュール１０６の負の線に配置することができる。
【００３５】
ＰＶエネルギ・システム１００によって提供される利点には、制限するものではないが、確実にバック・コンバータ１０８のインダクタ１４４を小さくできるようにし且つ確実に高周波数の電流が脈動母線上で充分に減衰するようにするリップル電流相殺回路を設けることが含まれる。更に、ＰＶインバータ／アンフォルダ１０４は、非常に高い変換効率を持つ簡単なアンフォルダ回路に簡単化される。ＰＶモジュール１０６のためのバック・コンバータ１０８は、前に述べたように、Ｓｉ装置よりも一層高い温度に耐えることのできるＳｉＣ装置を使用して具現化することができる。
【００３６】
別の利点としては、制限するものではないが、１）高電圧ＰＶアレイ・システムのためのコンデンサ・エネルギ蓄積要件が、バック・コンバータ１０８のフロント・エンド上にフィルム・コンデンサのような信頼性のより高いコンデンサを選択することができるように大幅に低減されること、２）ＰＶインバータ／アンフォルダ１０４に接地故障検出を依然として設けることができること、３）コンバータがバック−昇圧動作を行うことができる場合、或いはバック・コンバータ１０８がそのコンバータの一部として変圧器を持っている場合、ＰＶエネルギ・システム１００が、線路電圧よりも小さい電圧を持つ光電池モジュール１０６で動作すること、が挙げられる。
【００３７】
更に別の利点としては、制限するものではないが、１）従来のシステムよりも実施するのがより簡単であると云う概念、２）従来のシステムで可能であるよりも高いエネルギ生成能力、３）ＤＣ配線のような据え付けコストが低減され、また据え付けのための専門の電気技術者を必要とすることが排除されたこと、４）（ＰＶモジュール内に埋め込まれる）ＰＶアレイの寸法決定が簡単化されたこと、及び５）ＰＶインバータ１０４が非常に効率がよく、従って従来のシステムと比べたとき、よりコンパクトで且つより信頼性があること、が挙げられる。
【００３８】
ここで図６を参照すると、図１にＰＶアレイ１２として示されたような一連の従来の光電池モジュールについての日陰の効果を示す。ＰＶインバータは２つのタスクを持ち、それらは、ＰＶ発電装置をその最大電力点で動作させること、及びＤＣ電力をＡＣ電力へ変換することを含む。しかしながら、最大電力点の追跡は、最適な日陰のない状態でのみ、良好に作用する。ＰＶモジュールの部分（１つのセルで充分）が雪、塵埃、木の葉などで覆われるや否や、ＰＶ発電装置はその電力の一部分（或る特定の条件下では１５％まで）を失う。この状態が生じたとき、バイパス・ダイオード（図７に参照数字１５０で表す）が、日陰状態の際にＰＶモジュールを損傷する虞のある高い逆電圧レベルに曝されないようにＰＶモジュールを保護する。
【００３９】
図８は、本発明の別の実施形態に従った光電池エネルギ・システム２００を例示する。ＰＶエネルギ・システム２００は、直列に接続された複数のＰＶモジュール２０４を有するＰＶアレイ２０２を含み、各ＰＶモジュール２０４の両端間にはＤＣ／ＤＣ昇圧コンバータ２０６が接続される。各ＰＶモジュール２０４は、１つのＰＶセル、１つのＰＶセル・アレイ、又は複数のＰＶセル・アレイを含むことができる。ＰＶエネルギ・システム２００の接続形態は、全ての各々のＰＶモジュール２０４について個別の動作点を可能にして、ＰＶアレイ２０２について常に最大電力が達成されることを確実にする。もしスイッチング・トランジスタ（例えば、ＭＯＳＦＥＴ）２１０が故障した場合、ボディ・ダイオード２１２及び外部ダイオード２１４が、図７に示された接続形態に通常関連したような、通常通りの動作上の挙動を行う。
【００４０】
図８に関して上述したＤＣ／ＤＣ昇圧コンバータの接続形態は、図２に示された各ＰＶモジュール１０６を具現化するために個々のＰＶセル又はＰＶセル群の両端間に容易に用いることができる。その結果のアーキテクチャは、大きさがピーク電力網配電線路電圧よりも常に大きいＰＶ電圧を送給することのできる高電圧ＰＶモジュール１０６に光電池セルが配列されることを確実にする。
【００４１】
前に述べた全ての実施形態において、ＡＣ公共電力網電圧は、高調波の存在により純粋に正弦波でないことがある。このような場合、アンフォールディング回路の作用は脈動母線上にヘイバーサイン波形を生じさせないが、むしろＡＣ公共電力網電圧の絶対値を表す波形を生じさせる。
【００４２】
ＡＣ公共電力網電圧が非正弦波である一事例では、ＰＶモジュールによって母線に注入される電流は、脈動母線電圧に比例させることができる。
【００４３】
ＡＣ公共電力網電圧が非正弦波である別の事例では、ＰＶモジュールによって母線に注入される電流は、脈動母線電圧のフィルタ処理後の電圧に比例させることができる。このフィルタは、或る周波数帯域を阻止し、他の周波数帯域は通過させる。このようなフィルタの一例は、ＤＣと線路周波数の２倍に等しい周波数を通過させ、随選択によりその有限数の高調波を通過させる。
【００４４】
ＡＣ公共電力網電圧が非正弦波である一事例では、ＰＶモジュールによって母線に注入される電流は、ＡＣ公共電力網電圧のフィルタ処理後の電圧の絶対値に比例させることができる。この場合、フィルタは、ＤＣを阻止する能力を含めて、信号を帯域制限するように構成することができる。フィルタは、ＡＣ線路の基本周波数における信号のみを通すように構成することができる。いずれの場合も、フィルタはまた、アンフォールディング回路によって公共電力網に注入される電流の基本周波数成分がＡＣ公共電力網電圧波形の基本周波数成分に比例するように構成することができる。
【００４５】
上記のことはまた、ＰＶモジュール自体が母線電圧から公共電力網電圧波形のコピーを生成することができるように、脈動母線電圧の信号レベル表現をアンフォールドすることによって達成することができる。次いで、これを上記の態様でフィルタ処理することができる。このことの利点は、モジュールが公共電力網電圧の直接的なサンプルを必要とせずに自己完結することできることである。ここで、母線電圧をアンフォールドするとき、実際の線路基準が利用できない場合、ＡＣ線路に対して１８０°の位相誤差が起こり得ることに留意されたい。しかしながら、この表現のＤＣ成分が、典型的には公共電力網電圧野場合に生じるようにゼロに近づく場合、或いはこのようなＤＣ成分がフィルタによって除去される場合、この位相シフトは、一旦フィルタ処理後の信号の絶対値を求めると、１８０度の位相誤差は重要でなくなるので、許容される。
【００４６】
上記のフィルタ処理技術を使用する利点は、所望のＡＣ線路電圧周波数成分にのみ応答できるようにすることによって、システムの安定性を改善できることである。これは、任意の負荷に起因した不安定性の可能性を制限する。
【００４７】
上記のフィルタ処理技術を使用する別の利点は、ＡＣ線路電圧周波数成分の基本周波数にのみ応答できるようにすることによって、システムの安全性を改善できることである。そこで、公共電力網ＡＣ線路電圧が存在しないとき、コンバータは何ら出力を生成しないで、例えば、単独運転防止能力を提供する。
【００４８】
これまで本発明の特定の特徴のみを例示して説明したが、当業者には多数の修正及び変更を行えよう。従って、特許請求の範囲は、本発明の真の精神の範囲内に入る全てのこのような修正及び変更を包含することを理解されたい。
【符号の説明】
【００４９】
１０ 光電池（ＰＶ）インバータ
１２ ＰＶアレイ
１４ 電力網
１６ ＤＣリンク・コンデンサ
１８ 不安定なＰＶＤＣ電圧
２０ 安定なＤＣ電圧
２２ 電流
２４ ＰＷＭ回路
３４ コンデンサ
４４ スイッチング装置
４６ スイッチング装置
４８ スイッチング装置
５０ スイッチング装置
５２ スイッチング装置
５４ スイッチング装置
５６ スイッチング装置
５８ スイッチング装置
６０ スイッチング装置
１００ ＰＶエネルギ・システム
１０２ 脈動母線
１０４ ＰＶインバータ
１０６ ＰＶモジュール
１０８ バッキング回路
１１０ スイッチング装置
１１２ 脈動電流
１１４ バイパス・ダイオード
１２０ ヘイバーサイン電圧波形
１２２ 力率１の電流
１３０ ＰＶモジュール・バック接続形態
１４０ ＰＶバック接続形態
１４２ リップル相殺回路
１４４ 主インダクタ
１５０ バイパス・ダイオード
２００ ＰＶエネルギ・システム
２０２ ＰＶアレイ
２０４ ＰＶモジュール
２０６ ＤＣ／ＤＣ昇圧コンバータ
２１０ スイッチング・トランジスタ
２１２ ボディ・ダイオード
２１４ 外部ダイオード
２２０ ピーク電力網配電線路電圧
２２２ 関心のあるＰＶモジュール動作領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
整流された公共電力網ＡＣ配電線路電圧に比例する非ゼロ平均値の電圧によって規定される脈動母線と、
前記脈動母線に注入される脈動電流へＰＶ電圧を変換するように構成されているコンバータ（１０８）を備えたＰＶ発電装置（１０６）を有する少なくとも１つのＰＶモジュールと、
前記少なくとも１つのＰＶモジュール（１０６）によって発生された電力が公共電力網へ転送されるように、前記注入される脈動電流（１１２）に応じて公共電力網に注入されるＡＣ電流の極性を制御するように構成された電流アンフォールディング回路（１０４）と、
を有する光電池（ＰＶ）エネルギ・システム（１００）。
【請求項２】
前記脈動電流（１１２）は、純粋に正弦波ではないＡＣ公共電力網電圧に応じて公共電力網ＡＣ電圧の絶対値に比例するヘイバーサイン波形によって規定され、その振幅が前記ＰＶ発電装置（１０６）からの有能電力とＡＣ電圧の振幅とによって規定されている、請求項１記載のＰＶエネルギ・システム（１００）。
【請求項３】
前記脈動電流（１１２）は、非正弦波であるＡＣ公共電力網電圧に応じて公共電力網ＡＣ電圧の絶対値に比例し、その振幅が前記ＰＶ発電装置（１０６）からの有能電力とＡＣ電圧の振幅とによって規定されている、請求項１記載のＰＶエネルギ・システム（１００）。
【請求項４】
前記脈動電流（１１２）は非正弦波公共電力網電圧に応じて脈動母線電圧に比例しており、その振幅が前記ＰＶ発電装置（１０６）からの有能電力とＡＣ電圧の振幅とによって規定されている、請求項１記載のＰＶエネルギ・システム（１００）。
【請求項５】
前記脈動電流（１１２）は、非正弦波公共電力網電圧に応じて脈動母線電圧のフィルタ処理後の電圧に比例しており、その振幅が前記ＰＶ発電装置（１０６）からの有能電力とＡＣ電圧の振幅とによって規定されている、請求項１記載のＰＶエネルギ・システム（１００）。
【請求項６】
前記脈動電流（１１２）は、公共電力網電圧波形の基本波成分に比例する基本波成分を有し、その振幅が前記ＰＶ発電装置（１０６）からの有能電力とＡＣ電圧の振幅とによって規定されている、請求項１記載のＰＶエネルギ・システム（１００）。
【請求項７】
前記脈動電流（１１２）は、非正弦波公共電力網電圧に応じて公共電力網電圧のフィルタ処理後の電圧の絶対値に比例し、その振幅が前記ＰＶ発電装置（１０６）からの有能電力とＡＣ電圧の振幅とによって規定されている、請求項１記載のＰＶエネルギ・システム（１００）。
【請求項８】
前記非正弦波公共電力網電圧は、前記脈動母線（１０２）の電圧に基づいた公共電力網電圧の表現を有している、請求項７記載のＰＶエネルギ・システム（１００）。
【請求項９】
前記コンバータ（１０８）は、対応するＰＶ発電装置（１０６）の各ＰＶセル（２０４）又は対応するＰＶ発電装置（１０６）のセル（２０４）群のために細分割することができる、請求項１記載のＰＶエネルギ・システム（１００）。
【請求項１０】
前記コンバータ（１０８）は、バック又は逆並列ダイオード（２１２，２１４）を含むバッキング又は昇圧回路を有し、該ダイオードは、それが接続された少なくとも１つのＰＶセル又はＰＶセル群（２０４）を、日陰の際に前記発電装置（１０６）内の残りのＰＶセル（２０４）からの過大な電圧に曝されないように構成されたバイパス・ダイオードとしても機能するように構成されている、請求項９記載のＰＶエネルギ・システム（１００）。
【請求項１】
整流された公共電力網ＡＣ配電線路電圧に比例する非ゼロ平均値の電圧によって規定される脈動母線と、
前記脈動母線に注入される脈動電流へＰＶ電圧を変換するように構成されているコンバータ（１０８）を備えたＰＶ発電装置（１０６）を有する少なくとも１つのＰＶモジュールと、
前記少なくとも１つのＰＶモジュール（１０６）によって発生された電力が公共電力網へ転送されるように、前記注入される脈動電流（１１２）に応じて公共電力網に注入されるＡＣ電流の極性を制御するように構成された電流アンフォールディング回路（１０４）と、
を有する光電池（ＰＶ）エネルギ・システム（１００）。
【請求項２】
前記脈動電流（１１２）は、純粋に正弦波ではないＡＣ公共電力網電圧に応じて公共電力網ＡＣ電圧の絶対値に比例するヘイバーサイン波形によって規定され、その振幅が前記ＰＶ発電装置（１０６）からの有能電力とＡＣ電圧の振幅とによって規定されている、請求項１記載のＰＶエネルギ・システム（１００）。
【請求項３】
前記脈動電流（１１２）は、非正弦波であるＡＣ公共電力網電圧に応じて公共電力網ＡＣ電圧の絶対値に比例し、その振幅が前記ＰＶ発電装置（１０６）からの有能電力とＡＣ電圧の振幅とによって規定されている、請求項１記載のＰＶエネルギ・システム（１００）。
【請求項４】
前記脈動電流（１１２）は非正弦波公共電力網電圧に応じて脈動母線電圧に比例しており、その振幅が前記ＰＶ発電装置（１０６）からの有能電力とＡＣ電圧の振幅とによって規定されている、請求項１記載のＰＶエネルギ・システム（１００）。
【請求項５】
前記脈動電流（１１２）は、非正弦波公共電力網電圧に応じて脈動母線電圧のフィルタ処理後の電圧に比例しており、その振幅が前記ＰＶ発電装置（１０６）からの有能電力とＡＣ電圧の振幅とによって規定されている、請求項１記載のＰＶエネルギ・システム（１００）。
【請求項６】
前記脈動電流（１１２）は、公共電力網電圧波形の基本波成分に比例する基本波成分を有し、その振幅が前記ＰＶ発電装置（１０６）からの有能電力とＡＣ電圧の振幅とによって規定されている、請求項１記載のＰＶエネルギ・システム（１００）。
【請求項７】
前記脈動電流（１１２）は、非正弦波公共電力網電圧に応じて公共電力網電圧のフィルタ処理後の電圧の絶対値に比例し、その振幅が前記ＰＶ発電装置（１０６）からの有能電力とＡＣ電圧の振幅とによって規定されている、請求項１記載のＰＶエネルギ・システム（１００）。
【請求項８】
前記非正弦波公共電力網電圧は、前記脈動母線（１０２）の電圧に基づいた公共電力網電圧の表現を有している、請求項７記載のＰＶエネルギ・システム（１００）。
【請求項９】
前記コンバータ（１０８）は、対応するＰＶ発電装置（１０６）の各ＰＶセル（２０４）又は対応するＰＶ発電装置（１０６）のセル（２０４）群のために細分割することができる、請求項１記載のＰＶエネルギ・システム（１００）。
【請求項１０】
前記コンバータ（１０８）は、バック又は逆並列ダイオード（２１２，２１４）を含むバッキング又は昇圧回路を有し、該ダイオードは、それが接続された少なくとも１つのＰＶセル又はＰＶセル群（２０４）を、日陰の際に前記発電装置（１０６）内の残りのＰＶセル（２０４）からの過大な電圧に曝されないように構成されたバイパス・ダイオードとしても機能するように構成されている、請求項９記載のＰＶエネルギ・システム（１００）。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−７４１６１（Ｐ２０１０−７４１６１Ａ）
【公開日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０８８０９（Ｐ２００９−２０８８０９）
【出願日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
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