電力変換システム及び変換方法
【課題】ＤＣバスの直流電力を、交流電力に変換する。
【解決手段】電力システム１０は、ＤＣ電力１４を受けるＤＣバス１６と、ＤＣ電力を調整された電圧出力を有するＡＣ電力２０に変換し、電気系統２２に供給するラインサイドコンバータ３４と、ラインサイドコンバータを制御するラインサイドコントローラ３６を備える電力変換制御システム２４とを備える。ラインサイドコンバータ３４は、調整された電圧出力を表す電圧振幅信号を受信し、ＤＣバス１６のＤＣ電圧フィードバック信号とＤＣ電圧コマンド信号とを使用してＤＣ電圧差分信号を取得し、電力コマンド信号を取得し、電力フィードバック信号を取得する。ラインサイドコントローラ３６は、ＤＣ電圧差分信号と、電力コマンド信号と、電力フィードバック信号とを使用して位相角制御信号を生成し、電圧振幅信号と位相角制御信号とを使用してラインサイドコンバータ３４の制御信号を生成する。
【解決手段】電力システム１０は、ＤＣ電力１４を受けるＤＣバス１６と、ＤＣ電力を調整された電圧出力を有するＡＣ電力２０に変換し、電気系統２２に供給するラインサイドコンバータ３４と、ラインサイドコンバータを制御するラインサイドコントローラ３６を備える電力変換制御システム２４とを備える。ラインサイドコンバータ３４は、調整された電圧出力を表す電圧振幅信号を受信し、ＤＣバス１６のＤＣ電圧フィードバック信号とＤＣ電圧コマンド信号とを使用してＤＣ電圧差分信号を取得し、電力コマンド信号を取得し、電力フィードバック信号を取得する。ラインサイドコントローラ３６は、ＤＣ電圧差分信号と、電力コマンド信号と、電力フィードバック信号とを使用して位相角制御信号を生成し、電圧振幅信号と位相角制御信号とを使用してラインサイドコンバータ３４の制御信号を生成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、電力変換システムに関し、特にＤＣバスの直流電力を、電気系統に供給される交流電力に変換する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光電力は、近年大きな関心を呼んでいる重要な再生可能エネルギ源である。しかし、太陽光電力は、別の電力源と比較すると依然としてコストが高い。従って、太陽光発電システムから最大量の電力を引き出すために、最大電力点追従（ＭＰＰＴ）回路などのデバイスが使用される。
【０００３】
典型的な太陽光発電システムは、太陽光電力源と、太陽光電力源から直流電力を受けるＤＣバスと、ＤＣバスの直流電力を電力会社又は送電網に供給される交流電力に変換するラインサイドコンバータとを含む。太陽光発電システムは更に、電力変換動作を制御する電力変換制御システムを含む。電力変換制御システムの最も重要な制御目的の１つは、ＤＣバスのＤＣ電圧（Ｖdc）をある一定レベルに保つことである。ＤＣ電圧を制御する変換制御方式の１つは、測定されたＤＣ電圧フィードバック信号（Ｖdc#feedback）に応じてＭＰＰＴ回路を制御することである。ＤＣ電圧フィードバック信号が高すぎる場合は、より少ない電力を出力するように太陽光電力源を調整できる。しかし、ＤＣ電圧フィードバック信号が低すぎる場合は、太陽光電力源がほぼ最大の電力出力で動作しているとすれば、ＤＣ電圧を高めるためにより多くの電力を引き出すことは困難である。従って、多くの太陽光発電システムは、最大電力出力よりも僅かに低い出力で動作するか（その結果、発電の費用効果が低減する）、又はＤＣ電圧を維持するために追加の貯蔵エネルギを使用する（その結果、装置のコストが高くなる）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
当技術分野では、従来の方法又はシステムとは異なり、上記の問題点の１つ以上に対処する、ＤＣ電圧を維持するための改良された方法及びシステムを提供する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書に記載の一実施形態によれば、電力システムは、電力源と、電力源からＤＣ電力を受けるＤＣバスと、ＤＣバスに電気的に結合され、ＤＣバスからのＤＣ電力を電気系統に供給される、電圧出力が調整されたＡＣ電力に変換するラインサイドコンバータと、ラインサイドコンバータの動作を制御するラインサイドコントローラを備える電力変換制御システムとを含む。ラインサイドコンバータは、調整された電圧出力を表す電圧振幅信号を受信し、ＤＣバスのＤＣ電圧フィードバック信号とＤＣ電圧コマンド信号とを使用してＤＣ電圧差分信号を取得し、電力コマンド信号を取得し、電力フィードバック信号を取得する。ラインサイドコントローラは、ＤＣ電圧差分信号と、電力コマンド信号と、電力フィードバック信号とを使用して、位相角制御信号を生成し、更に、電圧振幅信号と位相角制御信号とを使用してラインサイドコンバータの制御信号を生成する。
【０００６】
本明細書に開示する別の実施形態によれば、太陽光電力システムは、ＤＣ電力を生成する太陽光電力源と、ＤＣ電力を受けるＤＣバスと、ＤＣバスのＤＣ電力をＡＣ電力に変換するＤＣ−ＡＣ電力コンバータと、ＤＣ−ＡＣ電力コンバータの制御信号を生成するラインサイドコントローラとを備える。ラインサイドコントローラは、電力フィードバック信号と電力コマンド信号とを使用して電力不均衡信号を取得し、電力不均衡信号を使用して内部周波数信号を生成する電力調整器を備える。積分器は、内部周波数信号を積分することによって位相角信号を生成する。ＤＣ電圧調整器は、ＤＣバスのＤＣ電圧フィードバック信号とＤＣ電圧コマンド信号とを使用して、ＤＣ電圧差分信号を取得する。ラインサイドコントローラは、ＤＣ電圧差分信号を使用して位相角信号を直接、又は間接的に調整するように構成される。ラインサイドコンバータは更に、少なくとも部分的に位相角信号に基づいてラインサイドコンバータの制御信号を生成する変調器を備える。
【０００７】
本明細書に開示する別の実施形態によれば、ＤＣバスのＤＣ電力をＡＣ電力に変換する方法は、電力コマンド信号と電力フィードバック信号とに基づいて電力不均衡信号を取得し、電力不均衡信号を使用して内部周波数信号を生成し、内部周波数信号を積分して位相角信号を生成し、ＤＣ電圧コマンド信号とＤＣ電圧フィードバック信号とに基づいてＤＣ電圧差分信号を取得し、ＤＣ電圧差分信号を使用して位相角信号を直接、又は間接的に調整するステップを含む。
【０００８】
本発明の上記及びその他の特徴、態様、及び利点は、全図面を通して同様の符号が同様の部品を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことによって、より明解に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態による電力システムのブロック図である。
【図２】太陽光電力源の電圧−電流曲線のグラフである。
【図３】太陽光電力源の電圧−電力曲線のグラフである。
【図４】一実施形態による、図１の電力システムの電力変換制御システムの制御ブロック図である。
【図５】一実施形態による内部周波数信号を生成する電力調整器の制御ブロック図である。
【図６】一実施形態によるＤＣ電圧誤差信号を生成する検知器の制御ブロック図である。
【図７】別の実施形態による電力変換制御システムの制御ブロック図である。
【図８】更に別の実施形態による電力変換制御システムの制御ブロック図である。
【図９】更に別の実施形態による電力変換制御システムの制御ブロック図である。
【図１０】更に別の実施形態による電力変換制御システムの制御ブロック図である。
【図１１】本発明の二段実施形態による電力システムを示す図である。
【図１２】一実施形態による、図１１の電力システムの幾つかの制御システムのブロック図である。
【図１３】別の実施形態による、図１１の電力システムの幾つかの制御システムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施形態は、ＤＣバスの直流（「ＤＣ」）電力を調整された電圧出力を有する交流（「ＡＣ」）電力に変換し、ＡＣ電力を、例えば電力会社又は送電網を含む電気系統に供給する電力システムに関するものである。電力変換制御システムは、電力変換を制御し、ＤＣバス電圧（「ＤＣ電圧」）をある一定のレベルに保つために使用される。
【００１１】
図１を参照すると、例示的な電力システム１０は、ＤＣ電力１４をＤＣバス１６に給電する電力源１２と、ＤＣ電力１４を調整された電圧出力を有するＡＣ電力２０に変換し、調整された電圧出力を電気系統２２に供給する電力変換モジュール１８と、電力変換モジュール１８の動作を制御し、ＤＣバス１６のＤＣ電圧（Ｖdc）をある一定の値、又はある一定範囲の値に保つ電力変換制御システム２４（「制御システム２４」）とを含む。図示の実施形態では、電力システム１０は、三相ＡＣ電力２０を生成する三相電力システムから構成される。
【００１２】
一実施形態では、電力源１２は、ＤＣ電力１４をＤＣバス１６に直接、又は間接的に供給するようにＤＣ電力を給電する、太陽電池（ＰＶ）パネルなどの太陽光電力源、又は燃料電池などのバッテリモジュールである。別の実施形態では、電力源１２は、ＡＣ電力を生成する風力タービン、海洋流体力学エネルギタービン、ガスタービン、又は蒸気タービン、及びＡＣ電力をＤＣ電力１４に変換する（図１１のソースサイドコンバータ７２に代表されるような）ＡＣ−ＤＣコンバータなどの別のタイプの発電機から構成される。
【００１３】
図１に示す実施形態では、電力源１２は、ＰＶパネル又は一連のＰＶパネルを備える太陽光電力源である。電力モジュール１２は実質的に、電力源１２の電流値及び電圧値が最大電力出力を生ずる電力限度又は最大電力点（ＭＰＰ）で稼働するように動作する。電力源１２が燃料電池バッテリなどの別のタイプの電力源からなるような別の実施形態では、別の電力源も電力限度で稼働し得る。図２及び３を参照すると、図２の電流−電圧曲線（Ｖ−Ｉ曲線）２８は、ある動作条件での電力源１２の電圧―電流特性を示し、図３の電力−電圧曲線（Ｐ−Ｖ曲線）３０は、同じ条件での電力源１２の対応する電力特性を示している。Ｖ−Ｉ曲線での電圧は、ＰＶパネルの出力端子が互いに短絡する短絡回路電流（Ｉshort）でほぼゼロである。出力電圧が上昇すると、Ｖ−Ｉ曲線２８の電流値は、開路電圧出力（Ｖopen）で急激にゼロ電流まで降下するニーポイント（Ｉm、Ｖm）に達するまで実質的に一定レベルに留まる。
【００１４】
図３を参照すると、ある実施形態では、Ｐ−Ｖ曲線３０は、Ｖ−Ｉ曲線２８に沿った各ポイントでの電流と電圧との積である。Ｐ−Ｖ曲線３０は、ＭＰＰとして知られる図２のＶ−Ｉ曲線のニーポイントに対応する最大電力（Ｐmpp）を有している。ＭＰＰは、照明レベル、温度、ＰＶパネルの経年などの動作条件の変化に基づいて変化する傾向がある。図１に示す実施形態では、電力システム１０は、ＭＰＰを追跡し、電力源１２が実質的にＭＰＰで動作することを確実にする最大電力点追従（ＭＰＰＴ）回路３２を含む。
【００１５】
図１に示す実施形態では、電力変換モジュール１８は、ラインサイドコンバータ、すなわち、電力源１２からＤＣ電力１４を受け、ＤＣ電力１４をＡＣ電力２０に変換するＤＣ−ＡＣ電力コンバータ３４を備える。図示の実施形態では、ラインサイドコンバータ３４は、電気系統２２の電圧源として機能する。つまり、ラインサイドコントローラ３６が、ラインサイドコンバータ３４の出力電圧の位相及び振幅を制御する。ある実施形態では、ラインサイドコンバータ３４は、集積ゲート整流サイリスタ（ＩＧＣＴ）及び／又は絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などの複数の半導体スイッチ（図示せず）を備える。制御システム２４は、半導体スイッチのオンオフ動作を制御して調整された電圧出力を生成するために、制御信号３８を送信するラインサイドコントローラ３６を備える。
【００１６】
図１を引き続き参照すると、ラインサイドコントローラ３６は、ＤＣバス１６で測定されたＤＣ電圧であるＤＣ電圧フィードバック信号（Ｖdc＿feedback）、ＤＣ電圧コマンド信号（Ｖdc＿cmd）、電力コマンド信号（Ｐcmd）、電力フィードバック信号（Ｐfeedback）、最大電力信号（Ｐmpp）及び電圧振幅信号（Ｖamp）を受信して、ラインサイドコンバータ３４の制御信号３８を生成する。一実施形態では、ラインサイドコントローラ３６は、調整された電圧出力の測定された三相電圧信号（Ｖa、Ｖb、Ｖc）を受信して電圧振幅信号を算出する。
【００１７】
図４を参照すると、一実施形態によるラインサイドコントローラ３６は、ラインサイドコンバータ３４のＰＷＭ制御信号３８を生成するために一括して使用される電力調整器４２と、積分器４４と、検知器４６と、電圧調整器４８と、積分器５０と、変調器３９と、２つの加算素子４３及び４５とを備える。
【００１８】
図４に示す実施形態では、ラインサイドコントローラ３６は、電力コマンド信号（Ｐcmd）と電力フィードバック信号（Ｐfeedback）とを受信し、電力不均衡（又は差分）信号４０を生成する。図示の実施形態では、電力コマンド信号は、ＭＰＰＴ回路３２によって生成される最大電力信号（Ｐmpp）である。別の実施形態では、電力コマンド信号は、監視コントローラからの予定電力コマンド、例えば配電システムオペレータ（ＤＳＯ）又は送電システムオペレータ（ＴＳＯ）からのコマンド信号である。一実施形態では、ラインサイドコントローラ３６は閉ループ電力制御機能を有し、ＡＣ電力２０からの測定された電力信号を電力フィードバック信号（Ｐfeedback）として使用する。別の実施形態では、点線で示すように、ラインサイドコントローラ３６は、電力フィードバック信号（Ｐfeedback）として開ループ電力制御方式を使用し、且つＤＣ電力１４からの測定された電力信号を使用する。別の実施形態では、電力フィードバック信号（Ｐfeedback）は、ＤＣ電力１４からの測定された電力信号とＡＣ電力２０からの測定された電力信号の両方を含む混合信号である。一実施形態では、混合信号はＤＣ電力１４及びＡＣ電力２０からの測定された電力信号の平均値の信号である。一実施形態では、電力不均衡信号４０は、加算素子４３によって取得された電力コマンド信号と電力フィードバック信号（Ｐcmd、Ｐfeedback）との差分信号である。電力調整器４２は、電力不均衡信号４０を使用して内部周波数信号（ω）を生成する。ある実施形態では、内部周波数信号（ω）は電気系統２２の周波数とは異なる。位相角信号（θ）は、積分器４４を使用して内部周波数信号（ω）を積分することによって生成される。
【００１９】
内部周波数信号（ω）を生成するための電力調整器４２の一例示的実施形態を図５に示す。この実施形態では、電力調整器４２は、ＰＩ調整器６０とドループループ６２とを備える。ＰＩ調整器６０は、電力不均衡信号４０を使用して内部周波数信号（ω）を生成する。ドループループ６２は、内部周波数信号（ω）を周波数ベース信号（ωref）と比較し、その差を利用して電力不均衡信号４０を制限する比較器６４を備える。
【００２０】
図４に戻ってこれを参照すると、ラインサイドコントローラ３６は更に、ＤＣ電圧コマンド信号（Ｖdc＿cmd）とＤＣ電圧フィードバック信号（Ｖdc＿feedback）とを受信してＤＣ電圧差分信号３７を生成する検知器４６を備える。一実施形態では、ＤＣ電圧差分信号３７は、ＤＣ電圧コマンドとフィードバック信号（Ｖdc＿cmd、Ｖdc＿feedback）との差分信号である。図示の実施形態では、電圧調整器４８は、ＤＣ電圧誤差を反映するＤＣ電圧差分信号３７を使用して周波数補正信号（△ω）を生成する。一実施形態では、電圧調整器４８は、例えばＰＩ調整器である。積分器５０は周波数補正信号（△ω）を積分して、位相角補正信号（△θ）を生成する。図示の実施形態では、位相角信号（θ）は、位相角制御信号（θc）を取得するため、加算素子４５で位相角補正信号（△θ）によって調整される。
【００２１】
ある実施形態では、変調器３９は位相角制御信号と電圧振幅信号とを受信し、これらの信号を使用してＰＷＭ制御信号３８を生成する。一例示的実施形態では、変調器３９は電圧位相角及び振幅信号を使用して二相信号を生成し、次いでラインサイドコンバータ３４によって使用されるように二相信号を三相電圧コマンド信号に変換する。
【００２２】
動作時に、測定されたＤＣ電圧フィードバック信号（Ｖdc＿feedback）が高すぎる場合は、位相角補正信号（△θ）は正であり、位相角制御信号（θc）が上昇する。それに応じてラインサイドコンバータ３４は、ＤＣ電圧を降下させるためにより多くの電力を電気系統２２に出力するように調整される。測定されたＤＣ電圧フィードバック信号が低すぎる場合は、位相角補正信号（△θ）は負であり、位相角制御信号（θc）が降下する。それに応じてラインサイドコンバータ３４は、ＤＣ電圧を上昇させるためにより少ない電力を電気系統２２に出力するように調整される。
【００２３】
検知器４６を介してＤＣ電圧差分信号３７を生成する別の実施形態が図６に示されている。この実施形態では、検知器４６はリミタ５２を備え、ＤＣ電圧コマンド信号（Ｖdc＿cmd）がリミタ５２のＤＣ電圧の上限（Ｖlim-up）とＤＣ電圧の下限（Ｖlim-dn）とを設定する。ＤＣ電圧の上限と下限（Ｖlim-up、Ｖlim-dn）がＤＣ電圧の安全動作範囲を規定する。測定されたＤＣ電圧フィードバック信号が安全動作範囲にある場合は、電圧差分信号３７はゼロである。つまり、安全動作範囲内でＤＣ電圧に僅かな増減があっても位相角制御信号は変更されない。測定されたＤＣ電圧フィードバック信号（Ｖdc＿feedback）がこの範囲を超えると、電圧差分信号３７はゼロではなくなり、位相角制御信号を調整するために使用される。
【００２４】
図６に示す実施形態では、ＤＣ電圧フィードバック信号（Ｖdc＿feedback）が上限と下限との間にある場合は、リミタ５２の出力５４がＤＣ電圧フィードバック信号（Ｖdc＿feedback）である。ＤＣ電圧フィードバック信号（Ｖdc＿feedback）が電圧の上限と下限（Ｖlim-up、Ｖlim-dn）を超えると、リミタ５２の出力５４は上限又は下限の一方（ＤＣ電圧フィードバック信号（Ｖdc＿feedback）に近い方）である。リミタ５２の出力５４は、デダクタ５５でＤＣ電圧フィードバック信号（Ｖdc＿feedback）から差し引かれる。図示の実施形態では、検知器４６は更に、デダクタ５５からの結果を受ける論理ユニット５６を備える。ＤＣ電圧フィードバック信号（Ｖdc＿feedback）が電圧の上限と下限との間にある場合は、デダクタ５５からの結果はゼロであり、論理ユニット５６は位相角制御信号（θc）を変更するＤＣ電圧差分信号を送信しない。ＤＣ電圧フィードバック信号（Ｖdc＿feedback）が上限と下限とを超える場合は、デダクタ５５の結果は、ＤＣ電圧フィードバック信号と、ＤＣ電圧フィードバック信号（Ｖdc＿feedback）により近い上限か下限の一方とのＤＣ電圧差であり、論理ユニット５６はこのＤＣ電圧誤差信号をＤＣ電圧差分信号３７として送信して、位相角制御信号（θc）を調整する。
【００２５】
図７、８及び９は、位相角信号（θ）を最初に計算する前にこれを間接的に変更するラインサイドコントローラ７３６、８３６、９３６の異なる実施形態を示している。図７の実施形態は、ＤＣ電圧調整器４８によって生成された周波数補正信号（△ω）が別個の積分器に送信されず、内部周波数信号（ω）を調整して内部周波数制御信号（ωc）を取得するために使用されること以外は、図４に示す実施形態と同様である。積分器４４は内部周波数制御信号（ωc）を使用して、変調器３９に直接送信される位相制御信号を生成する。図８の実施形態では、検知器４６によって生成された電圧差分信号３７は、調整器６６によって電力調整信号（Ｐreg）を生成するために使用され、電力調整信号（Ｐreg）は電力不均衡信号４０を調整するために使用される。従って、電力調整器４２からの周波数は、電力調整システムが必要とする何らかの調整を既に含む。一実施形態では、調整器６６は、ＰＩ調整器を使用して電力調整信号を生成する。ＭＰＰＴコントローラ３２（図１）を必要としない図９の実施形態では、制御システム２４は、ＤＣ電圧差分信号３７を使用してＤＣ電圧差をゼロに調整することによって電力コマンド信号（Ｐcmd）を生成する調整器６８を備える。
【００２６】
図１０に示すような更に別の実施形態では、ラインサイドコントローラ１３６は更に、調整された電圧出力の三相電圧（Ｖa、Ｖb、Ｖc）を検知し、ラインサイドコンバータ３４の周波数基準信号（ωpll）と位相角基準信号（θpll）とを生成するＰＬＬ回路５８を備える。制御システム２４は、周波数及び位相角基準信号（ωpll、θpll）を使用して、内部周波数信号及び位相角信号（ω、θ）を制限する。図示の実施形態では、ＰＩ調整器６０によって生成された内部周波数（ω）は、加算素子６３で周波数基準信号（ωpll、θpll）から減算され、その周波数差（ωf）が積分器４４に送られる。積分器４４は差分の上限値と下限値とを有するリミタを備える。周波数差（ωf）が差分の上限値と下限値との間にある場合は、積分器４４は周波数差（ωf）に応じて位相角信号（θ）を生成する。周波数差（ωf）が差分の上限値と下限値とを超える場合は、積分器４４は、差分の上限値と下限値のうち周波数差に近い一方に応じて位相角信号（θ）を生成する。図示の実施形態では、位相角基準信号（θpll）が加算素子６５で積分器４４からの位相角信号に加算される。従って、ＰＬＬ回路５８からの周波数及び位相角基準信号（ωpll、θpll）は、通常動作のためではなく保護目的のために内部周波数及び位相角信号（ω、θ）の変化を制限するために使用される。
【００２７】
図１１を参照すると、別の実施形態による電力システム７０は更に、電力源１２からの電力をＤＣ電力１４に変換するソースサイドコンバータ７２から構成される。一実施形態では、ソースサイドコンバータ７２は、電力源１２からのＤＣ電力をＤＣ電力１４に変換するＤＣ−ＤＣ電力コンバータから構成される。別の実施形態では、ソースサイドコンバータ７２は、電力源１２からのＡＣ電力をＤＣ電力１４に変換するＡＣ−ＤＣ電力コンバータを備える。ある実施形態では、ソースサイドコンバータ７２は、集積ゲート整流サイリスタ（ＩＧＣＴ）及び／又は絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などの複数の半導体スイッチ（図示せず）を備える。この実施形態では、電力変換制御システム７４は、ソースサイドとラインサイドの両方のコントローラ７６、３６に電気的に結合される、ソースサイドコンバータ７２の制御信号７８を生成するソースサイドコントローラ７６と、ＤＣ電圧コントローラ８２とを備える。図示のＤＣ電圧コントローラ８２は、ＤＣ電圧コマンド及びフィードバック信号（Ｖdc＿cmd、Ｖdc＿feedback）との差を利用して、ソースサイドとラインサイドのコントローラ７６、３６のソースサイドとラインサイドのＤＣ電圧調整信号８４、８６をそれぞれ生成する。
【００２８】
図１２を参照すると、図示の実施形態では、ＤＣ電圧コントローラ８２は、加算素子９５とリミタ９７とを備える。加算素子９５はＤＣ電圧コマンド及びフィードバック信号（Ｖdc＿cmd、Ｖdc＿feedback）を受信し、ＤＣ電圧信号とコマンド信号との差であるＤＣ電圧差分信号９８を計算する。リミタ９７は、ＤＣ電圧差分限度（Ｖdc#lim）を設け、ＤＣ電圧差分信号９８を受信する。ある実施形態では、ＤＣ電圧差分限度は所定の電圧値又は所定の電圧範囲である。一実施形態では、電圧差分信号の絶対値がＤＣ電圧差限度（Ｖdc#lim）未満であるか、限度範囲内にある場合は、リミタ９７の出力はなし、すなわちゼロである。又、電圧差分信号９８の絶対値がＤＣ電圧差限度（Ｖdc#lim）以上、又は限度範囲を超える場合は、リミタ９７の出力はゼロではなく、その絶対値に比例する。
【００２９】
図示の実施形態では、ラインサイドコントローラ３６（図１１）は、ラインサイドＤＣ電圧調整信号８６としてリミタ９７の出力を受信する。従って、ラインサイドコントローラ３６は、電圧差分信号９８がＤＣ電圧差限度以上であるか、又は限度範囲を超える場合は、前述のように位相角制御信号（θc、図４及び７〜１０）を直接、又は間接的に変更することによって、ＤＣ電圧を制御する。別の実施形態では、電圧差分信号９８が負である場合は、リミタ９７の出力はゼロであり、電圧差分信号９８が正である場合はゼロではない。従って、ＤＣ電圧が降下すると、ラインサイドコントローラ３６は位相角制御信号（θc）を直接、又は間接的に降下させてより少ない電力を出力するようにラインサイドコンバータ３４を制御する。
【００３０】
図１２の実施形態では、ソースサイドコントローラ７６は、ソースサイドＤＣ電圧調整信号８４としてＤＣ電圧差分信号９８を受信し、従って、ＤＣ電圧の差又は変化に応じてＤＣ電圧制御を管理するためにソースサイドコントローラ７６を使用する。図示の実施形態では、ソースサイドコントローラ７６は、ソースサイド電流調整器８８と、変調器９０と、ソースサイドＤＣ電圧調整器９２とを備える。この実施形態では、電流調整器８８は、電力源１２の電力出力からフィードバック信号９６と、ＤＣ電圧調整器９２からのＤＣ基準信号とを受信して、電流制御信号９９を生成する。変調器９０は電流制御信号９９を使用して、所望の電流出力を生成するためにソースサイドコンバータ７２を調整する。
【００３１】
図１３に示す実施形態では、ラインサイドコンバータ３６は、ラインサイドＤＣ電圧調整信号８６としてＤＣ電圧差分信号９８を受信し、ラインサイドコントローラ３６は、ＤＣ電圧の差又は変化に応じてＤＣ電圧制御を管理している。この実施形態では、ソースコントローラ７６は、ソースサイドＤＣ電圧調整信号８４としてリミタ９７の出力を受信する。この実施形態では、電流調整器８８は、電力源１２の電力出力からフィードバック信号９６と、ＭＰＰＴ回路３２からのコマンド信号９４と、ＤＣ電圧調整器９２からのＤＣ基準信号との差分信号とを受信して、電流制御信号９９を生成する。従って、ソースサイドコントローラ７６は、電圧差分信号９８がＤＣ電圧差限度以上であるか、又は限度範囲を超える場合にのみＤＣ電圧を制御する。
【００３２】
上記の全ての目的又は利点は、任意の特定の実施形態により達成し得るものと理解されたい。従って、例えば、本明細書に記載のシステム及び教示は、本明細書で教示又は示唆される別の目的又は利点を必ずしも達成しなくても、１つの利点又は一群の利点を達成し、又は最適化するように実施又は実行してもよいことが当業者には理解されよう。
【００３３】
更に、当業者は異なる実施形態から様々な特徴の互換性を理解されよう。当業者は記載の様々な特徴、並びに各特徴のその他の公知の等価物を混合し、適合化して、本開示の原理による追加のシステム及び技術を構築することができる。
【００３４】
本発明のある特定の特徴のみを本明細書に図示し、記載したが、当業者は多くの修正及び変更に想到するであろう。従って、添付の請求項は本発明の真の趣旨に含まれるこのような修正及び変更の全てを網羅することを意図するものである。
【符号の説明】
【００３５】
１０ 電力システム
１２ 電力モジュール
１４ ＤＣ電力
１６ ＤＣバス
１８ 電力変換モジュール
２０ 調整された電圧出力
２２ 電気系統
２４ 電力変換制御システム
２６ ＤＣ電流
２８ 電圧−電流曲線
３０ 電力−電流曲線
３２ ＭＰＰＴ回路
３４ ラインサイドコンバータ又はＤＣ−ＡＣコンバータ
３６ ラインサイドコントローラ
３８ 制御信号
３９ 変調器
４０ 電力不均衡信号
４２ 電力調整器
４４ 積分器
４６ リミタ
４８ 電圧調整器
５０ 積分器
５２ 比較器
５４ 比較器５２の出力
５６ ＰＬＬ回路
５８ 論理ユニット
６０ ＰＩ調整器
６２ ドループループ
６４ 比較器
６６ 調整器
６８ 調整器
７０ 電力システム
７２ 発電機側コンバータ
７４ 電力変換制御システム
７６ 発電機側コントローラ
７８ 発電機側コントローラの制御信号
８０ 調整信号
８２ 発電機側ＤＣ電圧調整器
８４，８６ ＤＣ調整信号
８８ ソースサイド電流調整器
９０ 変調器
９２ ソースサイドＤＣ電圧調整器
９４ ソースサイド電流調整器のコマンド信号
９６ ソースサイド電流調整器のフィードバック信号
９５ 加算素子
９７ リミタ
９８ ＤＣ電圧差分信号
９９ 電流制御信号
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、電力変換システムに関し、特にＤＣバスの直流電力を、電気系統に供給される交流電力に変換する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光電力は、近年大きな関心を呼んでいる重要な再生可能エネルギ源である。しかし、太陽光電力は、別の電力源と比較すると依然としてコストが高い。従って、太陽光発電システムから最大量の電力を引き出すために、最大電力点追従（ＭＰＰＴ）回路などのデバイスが使用される。
【０００３】
典型的な太陽光発電システムは、太陽光電力源と、太陽光電力源から直流電力を受けるＤＣバスと、ＤＣバスの直流電力を電力会社又は送電網に供給される交流電力に変換するラインサイドコンバータとを含む。太陽光発電システムは更に、電力変換動作を制御する電力変換制御システムを含む。電力変換制御システムの最も重要な制御目的の１つは、ＤＣバスのＤＣ電圧（Ｖdc）をある一定レベルに保つことである。ＤＣ電圧を制御する変換制御方式の１つは、測定されたＤＣ電圧フィードバック信号（Ｖdc#feedback）に応じてＭＰＰＴ回路を制御することである。ＤＣ電圧フィードバック信号が高すぎる場合は、より少ない電力を出力するように太陽光電力源を調整できる。しかし、ＤＣ電圧フィードバック信号が低すぎる場合は、太陽光電力源がほぼ最大の電力出力で動作しているとすれば、ＤＣ電圧を高めるためにより多くの電力を引き出すことは困難である。従って、多くの太陽光発電システムは、最大電力出力よりも僅かに低い出力で動作するか（その結果、発電の費用効果が低減する）、又はＤＣ電圧を維持するために追加の貯蔵エネルギを使用する（その結果、装置のコストが高くなる）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
当技術分野では、従来の方法又はシステムとは異なり、上記の問題点の１つ以上に対処する、ＤＣ電圧を維持するための改良された方法及びシステムを提供する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書に記載の一実施形態によれば、電力システムは、電力源と、電力源からＤＣ電力を受けるＤＣバスと、ＤＣバスに電気的に結合され、ＤＣバスからのＤＣ電力を電気系統に供給される、電圧出力が調整されたＡＣ電力に変換するラインサイドコンバータと、ラインサイドコンバータの動作を制御するラインサイドコントローラを備える電力変換制御システムとを含む。ラインサイドコンバータは、調整された電圧出力を表す電圧振幅信号を受信し、ＤＣバスのＤＣ電圧フィードバック信号とＤＣ電圧コマンド信号とを使用してＤＣ電圧差分信号を取得し、電力コマンド信号を取得し、電力フィードバック信号を取得する。ラインサイドコントローラは、ＤＣ電圧差分信号と、電力コマンド信号と、電力フィードバック信号とを使用して、位相角制御信号を生成し、更に、電圧振幅信号と位相角制御信号とを使用してラインサイドコンバータの制御信号を生成する。
【０００６】
本明細書に開示する別の実施形態によれば、太陽光電力システムは、ＤＣ電力を生成する太陽光電力源と、ＤＣ電力を受けるＤＣバスと、ＤＣバスのＤＣ電力をＡＣ電力に変換するＤＣ−ＡＣ電力コンバータと、ＤＣ−ＡＣ電力コンバータの制御信号を生成するラインサイドコントローラとを備える。ラインサイドコントローラは、電力フィードバック信号と電力コマンド信号とを使用して電力不均衡信号を取得し、電力不均衡信号を使用して内部周波数信号を生成する電力調整器を備える。積分器は、内部周波数信号を積分することによって位相角信号を生成する。ＤＣ電圧調整器は、ＤＣバスのＤＣ電圧フィードバック信号とＤＣ電圧コマンド信号とを使用して、ＤＣ電圧差分信号を取得する。ラインサイドコントローラは、ＤＣ電圧差分信号を使用して位相角信号を直接、又は間接的に調整するように構成される。ラインサイドコンバータは更に、少なくとも部分的に位相角信号に基づいてラインサイドコンバータの制御信号を生成する変調器を備える。
【０００７】
本明細書に開示する別の実施形態によれば、ＤＣバスのＤＣ電力をＡＣ電力に変換する方法は、電力コマンド信号と電力フィードバック信号とに基づいて電力不均衡信号を取得し、電力不均衡信号を使用して内部周波数信号を生成し、内部周波数信号を積分して位相角信号を生成し、ＤＣ電圧コマンド信号とＤＣ電圧フィードバック信号とに基づいてＤＣ電圧差分信号を取得し、ＤＣ電圧差分信号を使用して位相角信号を直接、又は間接的に調整するステップを含む。
【０００８】
本発明の上記及びその他の特徴、態様、及び利点は、全図面を通して同様の符号が同様の部品を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことによって、より明解に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態による電力システムのブロック図である。
【図２】太陽光電力源の電圧−電流曲線のグラフである。
【図３】太陽光電力源の電圧−電力曲線のグラフである。
【図４】一実施形態による、図１の電力システムの電力変換制御システムの制御ブロック図である。
【図５】一実施形態による内部周波数信号を生成する電力調整器の制御ブロック図である。
【図６】一実施形態によるＤＣ電圧誤差信号を生成する検知器の制御ブロック図である。
【図７】別の実施形態による電力変換制御システムの制御ブロック図である。
【図８】更に別の実施形態による電力変換制御システムの制御ブロック図である。
【図９】更に別の実施形態による電力変換制御システムの制御ブロック図である。
【図１０】更に別の実施形態による電力変換制御システムの制御ブロック図である。
【図１１】本発明の二段実施形態による電力システムを示す図である。
【図１２】一実施形態による、図１１の電力システムの幾つかの制御システムのブロック図である。
【図１３】別の実施形態による、図１１の電力システムの幾つかの制御システムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施形態は、ＤＣバスの直流（「ＤＣ」）電力を調整された電圧出力を有する交流（「ＡＣ」）電力に変換し、ＡＣ電力を、例えば電力会社又は送電網を含む電気系統に供給する電力システムに関するものである。電力変換制御システムは、電力変換を制御し、ＤＣバス電圧（「ＤＣ電圧」）をある一定のレベルに保つために使用される。
【００１１】
図１を参照すると、例示的な電力システム１０は、ＤＣ電力１４をＤＣバス１６に給電する電力源１２と、ＤＣ電力１４を調整された電圧出力を有するＡＣ電力２０に変換し、調整された電圧出力を電気系統２２に供給する電力変換モジュール１８と、電力変換モジュール１８の動作を制御し、ＤＣバス１６のＤＣ電圧（Ｖdc）をある一定の値、又はある一定範囲の値に保つ電力変換制御システム２４（「制御システム２４」）とを含む。図示の実施形態では、電力システム１０は、三相ＡＣ電力２０を生成する三相電力システムから構成される。
【００１２】
一実施形態では、電力源１２は、ＤＣ電力１４をＤＣバス１６に直接、又は間接的に供給するようにＤＣ電力を給電する、太陽電池（ＰＶ）パネルなどの太陽光電力源、又は燃料電池などのバッテリモジュールである。別の実施形態では、電力源１２は、ＡＣ電力を生成する風力タービン、海洋流体力学エネルギタービン、ガスタービン、又は蒸気タービン、及びＡＣ電力をＤＣ電力１４に変換する（図１１のソースサイドコンバータ７２に代表されるような）ＡＣ−ＤＣコンバータなどの別のタイプの発電機から構成される。
【００１３】
図１に示す実施形態では、電力源１２は、ＰＶパネル又は一連のＰＶパネルを備える太陽光電力源である。電力モジュール１２は実質的に、電力源１２の電流値及び電圧値が最大電力出力を生ずる電力限度又は最大電力点（ＭＰＰ）で稼働するように動作する。電力源１２が燃料電池バッテリなどの別のタイプの電力源からなるような別の実施形態では、別の電力源も電力限度で稼働し得る。図２及び３を参照すると、図２の電流−電圧曲線（Ｖ−Ｉ曲線）２８は、ある動作条件での電力源１２の電圧―電流特性を示し、図３の電力−電圧曲線（Ｐ−Ｖ曲線）３０は、同じ条件での電力源１２の対応する電力特性を示している。Ｖ−Ｉ曲線での電圧は、ＰＶパネルの出力端子が互いに短絡する短絡回路電流（Ｉshort）でほぼゼロである。出力電圧が上昇すると、Ｖ−Ｉ曲線２８の電流値は、開路電圧出力（Ｖopen）で急激にゼロ電流まで降下するニーポイント（Ｉm、Ｖm）に達するまで実質的に一定レベルに留まる。
【００１４】
図３を参照すると、ある実施形態では、Ｐ−Ｖ曲線３０は、Ｖ−Ｉ曲線２８に沿った各ポイントでの電流と電圧との積である。Ｐ−Ｖ曲線３０は、ＭＰＰとして知られる図２のＶ−Ｉ曲線のニーポイントに対応する最大電力（Ｐmpp）を有している。ＭＰＰは、照明レベル、温度、ＰＶパネルの経年などの動作条件の変化に基づいて変化する傾向がある。図１に示す実施形態では、電力システム１０は、ＭＰＰを追跡し、電力源１２が実質的にＭＰＰで動作することを確実にする最大電力点追従（ＭＰＰＴ）回路３２を含む。
【００１５】
図１に示す実施形態では、電力変換モジュール１８は、ラインサイドコンバータ、すなわち、電力源１２からＤＣ電力１４を受け、ＤＣ電力１４をＡＣ電力２０に変換するＤＣ−ＡＣ電力コンバータ３４を備える。図示の実施形態では、ラインサイドコンバータ３４は、電気系統２２の電圧源として機能する。つまり、ラインサイドコントローラ３６が、ラインサイドコンバータ３４の出力電圧の位相及び振幅を制御する。ある実施形態では、ラインサイドコンバータ３４は、集積ゲート整流サイリスタ（ＩＧＣＴ）及び／又は絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などの複数の半導体スイッチ（図示せず）を備える。制御システム２４は、半導体スイッチのオンオフ動作を制御して調整された電圧出力を生成するために、制御信号３８を送信するラインサイドコントローラ３６を備える。
【００１６】
図１を引き続き参照すると、ラインサイドコントローラ３６は、ＤＣバス１６で測定されたＤＣ電圧であるＤＣ電圧フィードバック信号（Ｖdc＿feedback）、ＤＣ電圧コマンド信号（Ｖdc＿cmd）、電力コマンド信号（Ｐcmd）、電力フィードバック信号（Ｐfeedback）、最大電力信号（Ｐmpp）及び電圧振幅信号（Ｖamp）を受信して、ラインサイドコンバータ３４の制御信号３８を生成する。一実施形態では、ラインサイドコントローラ３６は、調整された電圧出力の測定された三相電圧信号（Ｖa、Ｖb、Ｖc）を受信して電圧振幅信号を算出する。
【００１７】
図４を参照すると、一実施形態によるラインサイドコントローラ３６は、ラインサイドコンバータ３４のＰＷＭ制御信号３８を生成するために一括して使用される電力調整器４２と、積分器４４と、検知器４６と、電圧調整器４８と、積分器５０と、変調器３９と、２つの加算素子４３及び４５とを備える。
【００１８】
図４に示す実施形態では、ラインサイドコントローラ３６は、電力コマンド信号（Ｐcmd）と電力フィードバック信号（Ｐfeedback）とを受信し、電力不均衡（又は差分）信号４０を生成する。図示の実施形態では、電力コマンド信号は、ＭＰＰＴ回路３２によって生成される最大電力信号（Ｐmpp）である。別の実施形態では、電力コマンド信号は、監視コントローラからの予定電力コマンド、例えば配電システムオペレータ（ＤＳＯ）又は送電システムオペレータ（ＴＳＯ）からのコマンド信号である。一実施形態では、ラインサイドコントローラ３６は閉ループ電力制御機能を有し、ＡＣ電力２０からの測定された電力信号を電力フィードバック信号（Ｐfeedback）として使用する。別の実施形態では、点線で示すように、ラインサイドコントローラ３６は、電力フィードバック信号（Ｐfeedback）として開ループ電力制御方式を使用し、且つＤＣ電力１４からの測定された電力信号を使用する。別の実施形態では、電力フィードバック信号（Ｐfeedback）は、ＤＣ電力１４からの測定された電力信号とＡＣ電力２０からの測定された電力信号の両方を含む混合信号である。一実施形態では、混合信号はＤＣ電力１４及びＡＣ電力２０からの測定された電力信号の平均値の信号である。一実施形態では、電力不均衡信号４０は、加算素子４３によって取得された電力コマンド信号と電力フィードバック信号（Ｐcmd、Ｐfeedback）との差分信号である。電力調整器４２は、電力不均衡信号４０を使用して内部周波数信号（ω）を生成する。ある実施形態では、内部周波数信号（ω）は電気系統２２の周波数とは異なる。位相角信号（θ）は、積分器４４を使用して内部周波数信号（ω）を積分することによって生成される。
【００１９】
内部周波数信号（ω）を生成するための電力調整器４２の一例示的実施形態を図５に示す。この実施形態では、電力調整器４２は、ＰＩ調整器６０とドループループ６２とを備える。ＰＩ調整器６０は、電力不均衡信号４０を使用して内部周波数信号（ω）を生成する。ドループループ６２は、内部周波数信号（ω）を周波数ベース信号（ωref）と比較し、その差を利用して電力不均衡信号４０を制限する比較器６４を備える。
【００２０】
図４に戻ってこれを参照すると、ラインサイドコントローラ３６は更に、ＤＣ電圧コマンド信号（Ｖdc＿cmd）とＤＣ電圧フィードバック信号（Ｖdc＿feedback）とを受信してＤＣ電圧差分信号３７を生成する検知器４６を備える。一実施形態では、ＤＣ電圧差分信号３７は、ＤＣ電圧コマンドとフィードバック信号（Ｖdc＿cmd、Ｖdc＿feedback）との差分信号である。図示の実施形態では、電圧調整器４８は、ＤＣ電圧誤差を反映するＤＣ電圧差分信号３７を使用して周波数補正信号（△ω）を生成する。一実施形態では、電圧調整器４８は、例えばＰＩ調整器である。積分器５０は周波数補正信号（△ω）を積分して、位相角補正信号（△θ）を生成する。図示の実施形態では、位相角信号（θ）は、位相角制御信号（θc）を取得するため、加算素子４５で位相角補正信号（△θ）によって調整される。
【００２１】
ある実施形態では、変調器３９は位相角制御信号と電圧振幅信号とを受信し、これらの信号を使用してＰＷＭ制御信号３８を生成する。一例示的実施形態では、変調器３９は電圧位相角及び振幅信号を使用して二相信号を生成し、次いでラインサイドコンバータ３４によって使用されるように二相信号を三相電圧コマンド信号に変換する。
【００２２】
動作時に、測定されたＤＣ電圧フィードバック信号（Ｖdc＿feedback）が高すぎる場合は、位相角補正信号（△θ）は正であり、位相角制御信号（θc）が上昇する。それに応じてラインサイドコンバータ３４は、ＤＣ電圧を降下させるためにより多くの電力を電気系統２２に出力するように調整される。測定されたＤＣ電圧フィードバック信号が低すぎる場合は、位相角補正信号（△θ）は負であり、位相角制御信号（θc）が降下する。それに応じてラインサイドコンバータ３４は、ＤＣ電圧を上昇させるためにより少ない電力を電気系統２２に出力するように調整される。
【００２３】
検知器４６を介してＤＣ電圧差分信号３７を生成する別の実施形態が図６に示されている。この実施形態では、検知器４６はリミタ５２を備え、ＤＣ電圧コマンド信号（Ｖdc＿cmd）がリミタ５２のＤＣ電圧の上限（Ｖlim-up）とＤＣ電圧の下限（Ｖlim-dn）とを設定する。ＤＣ電圧の上限と下限（Ｖlim-up、Ｖlim-dn）がＤＣ電圧の安全動作範囲を規定する。測定されたＤＣ電圧フィードバック信号が安全動作範囲にある場合は、電圧差分信号３７はゼロである。つまり、安全動作範囲内でＤＣ電圧に僅かな増減があっても位相角制御信号は変更されない。測定されたＤＣ電圧フィードバック信号（Ｖdc＿feedback）がこの範囲を超えると、電圧差分信号３７はゼロではなくなり、位相角制御信号を調整するために使用される。
【００２４】
図６に示す実施形態では、ＤＣ電圧フィードバック信号（Ｖdc＿feedback）が上限と下限との間にある場合は、リミタ５２の出力５４がＤＣ電圧フィードバック信号（Ｖdc＿feedback）である。ＤＣ電圧フィードバック信号（Ｖdc＿feedback）が電圧の上限と下限（Ｖlim-up、Ｖlim-dn）を超えると、リミタ５２の出力５４は上限又は下限の一方（ＤＣ電圧フィードバック信号（Ｖdc＿feedback）に近い方）である。リミタ５２の出力５４は、デダクタ５５でＤＣ電圧フィードバック信号（Ｖdc＿feedback）から差し引かれる。図示の実施形態では、検知器４６は更に、デダクタ５５からの結果を受ける論理ユニット５６を備える。ＤＣ電圧フィードバック信号（Ｖdc＿feedback）が電圧の上限と下限との間にある場合は、デダクタ５５からの結果はゼロであり、論理ユニット５６は位相角制御信号（θc）を変更するＤＣ電圧差分信号を送信しない。ＤＣ電圧フィードバック信号（Ｖdc＿feedback）が上限と下限とを超える場合は、デダクタ５５の結果は、ＤＣ電圧フィードバック信号と、ＤＣ電圧フィードバック信号（Ｖdc＿feedback）により近い上限か下限の一方とのＤＣ電圧差であり、論理ユニット５６はこのＤＣ電圧誤差信号をＤＣ電圧差分信号３７として送信して、位相角制御信号（θc）を調整する。
【００２５】
図７、８及び９は、位相角信号（θ）を最初に計算する前にこれを間接的に変更するラインサイドコントローラ７３６、８３６、９３６の異なる実施形態を示している。図７の実施形態は、ＤＣ電圧調整器４８によって生成された周波数補正信号（△ω）が別個の積分器に送信されず、内部周波数信号（ω）を調整して内部周波数制御信号（ωc）を取得するために使用されること以外は、図４に示す実施形態と同様である。積分器４４は内部周波数制御信号（ωc）を使用して、変調器３９に直接送信される位相制御信号を生成する。図８の実施形態では、検知器４６によって生成された電圧差分信号３７は、調整器６６によって電力調整信号（Ｐreg）を生成するために使用され、電力調整信号（Ｐreg）は電力不均衡信号４０を調整するために使用される。従って、電力調整器４２からの周波数は、電力調整システムが必要とする何らかの調整を既に含む。一実施形態では、調整器６６は、ＰＩ調整器を使用して電力調整信号を生成する。ＭＰＰＴコントローラ３２（図１）を必要としない図９の実施形態では、制御システム２４は、ＤＣ電圧差分信号３７を使用してＤＣ電圧差をゼロに調整することによって電力コマンド信号（Ｐcmd）を生成する調整器６８を備える。
【００２６】
図１０に示すような更に別の実施形態では、ラインサイドコントローラ１３６は更に、調整された電圧出力の三相電圧（Ｖa、Ｖb、Ｖc）を検知し、ラインサイドコンバータ３４の周波数基準信号（ωpll）と位相角基準信号（θpll）とを生成するＰＬＬ回路５８を備える。制御システム２４は、周波数及び位相角基準信号（ωpll、θpll）を使用して、内部周波数信号及び位相角信号（ω、θ）を制限する。図示の実施形態では、ＰＩ調整器６０によって生成された内部周波数（ω）は、加算素子６３で周波数基準信号（ωpll、θpll）から減算され、その周波数差（ωf）が積分器４４に送られる。積分器４４は差分の上限値と下限値とを有するリミタを備える。周波数差（ωf）が差分の上限値と下限値との間にある場合は、積分器４４は周波数差（ωf）に応じて位相角信号（θ）を生成する。周波数差（ωf）が差分の上限値と下限値とを超える場合は、積分器４４は、差分の上限値と下限値のうち周波数差に近い一方に応じて位相角信号（θ）を生成する。図示の実施形態では、位相角基準信号（θpll）が加算素子６５で積分器４４からの位相角信号に加算される。従って、ＰＬＬ回路５８からの周波数及び位相角基準信号（ωpll、θpll）は、通常動作のためではなく保護目的のために内部周波数及び位相角信号（ω、θ）の変化を制限するために使用される。
【００２７】
図１１を参照すると、別の実施形態による電力システム７０は更に、電力源１２からの電力をＤＣ電力１４に変換するソースサイドコンバータ７２から構成される。一実施形態では、ソースサイドコンバータ７２は、電力源１２からのＤＣ電力をＤＣ電力１４に変換するＤＣ−ＤＣ電力コンバータから構成される。別の実施形態では、ソースサイドコンバータ７２は、電力源１２からのＡＣ電力をＤＣ電力１４に変換するＡＣ−ＤＣ電力コンバータを備える。ある実施形態では、ソースサイドコンバータ７２は、集積ゲート整流サイリスタ（ＩＧＣＴ）及び／又は絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などの複数の半導体スイッチ（図示せず）を備える。この実施形態では、電力変換制御システム７４は、ソースサイドとラインサイドの両方のコントローラ７６、３６に電気的に結合される、ソースサイドコンバータ７２の制御信号７８を生成するソースサイドコントローラ７６と、ＤＣ電圧コントローラ８２とを備える。図示のＤＣ電圧コントローラ８２は、ＤＣ電圧コマンド及びフィードバック信号（Ｖdc＿cmd、Ｖdc＿feedback）との差を利用して、ソースサイドとラインサイドのコントローラ７６、３６のソースサイドとラインサイドのＤＣ電圧調整信号８４、８６をそれぞれ生成する。
【００２８】
図１２を参照すると、図示の実施形態では、ＤＣ電圧コントローラ８２は、加算素子９５とリミタ９７とを備える。加算素子９５はＤＣ電圧コマンド及びフィードバック信号（Ｖdc＿cmd、Ｖdc＿feedback）を受信し、ＤＣ電圧信号とコマンド信号との差であるＤＣ電圧差分信号９８を計算する。リミタ９７は、ＤＣ電圧差分限度（Ｖdc#lim）を設け、ＤＣ電圧差分信号９８を受信する。ある実施形態では、ＤＣ電圧差分限度は所定の電圧値又は所定の電圧範囲である。一実施形態では、電圧差分信号の絶対値がＤＣ電圧差限度（Ｖdc#lim）未満であるか、限度範囲内にある場合は、リミタ９７の出力はなし、すなわちゼロである。又、電圧差分信号９８の絶対値がＤＣ電圧差限度（Ｖdc#lim）以上、又は限度範囲を超える場合は、リミタ９７の出力はゼロではなく、その絶対値に比例する。
【００２９】
図示の実施形態では、ラインサイドコントローラ３６（図１１）は、ラインサイドＤＣ電圧調整信号８６としてリミタ９７の出力を受信する。従って、ラインサイドコントローラ３６は、電圧差分信号９８がＤＣ電圧差限度以上であるか、又は限度範囲を超える場合は、前述のように位相角制御信号（θc、図４及び７〜１０）を直接、又は間接的に変更することによって、ＤＣ電圧を制御する。別の実施形態では、電圧差分信号９８が負である場合は、リミタ９７の出力はゼロであり、電圧差分信号９８が正である場合はゼロではない。従って、ＤＣ電圧が降下すると、ラインサイドコントローラ３６は位相角制御信号（θc）を直接、又は間接的に降下させてより少ない電力を出力するようにラインサイドコンバータ３４を制御する。
【００３０】
図１２の実施形態では、ソースサイドコントローラ７６は、ソースサイドＤＣ電圧調整信号８４としてＤＣ電圧差分信号９８を受信し、従って、ＤＣ電圧の差又は変化に応じてＤＣ電圧制御を管理するためにソースサイドコントローラ７６を使用する。図示の実施形態では、ソースサイドコントローラ７６は、ソースサイド電流調整器８８と、変調器９０と、ソースサイドＤＣ電圧調整器９２とを備える。この実施形態では、電流調整器８８は、電力源１２の電力出力からフィードバック信号９６と、ＤＣ電圧調整器９２からのＤＣ基準信号とを受信して、電流制御信号９９を生成する。変調器９０は電流制御信号９９を使用して、所望の電流出力を生成するためにソースサイドコンバータ７２を調整する。
【００３１】
図１３に示す実施形態では、ラインサイドコンバータ３６は、ラインサイドＤＣ電圧調整信号８６としてＤＣ電圧差分信号９８を受信し、ラインサイドコントローラ３６は、ＤＣ電圧の差又は変化に応じてＤＣ電圧制御を管理している。この実施形態では、ソースコントローラ７６は、ソースサイドＤＣ電圧調整信号８４としてリミタ９７の出力を受信する。この実施形態では、電流調整器８８は、電力源１２の電力出力からフィードバック信号９６と、ＭＰＰＴ回路３２からのコマンド信号９４と、ＤＣ電圧調整器９２からのＤＣ基準信号との差分信号とを受信して、電流制御信号９９を生成する。従って、ソースサイドコントローラ７６は、電圧差分信号９８がＤＣ電圧差限度以上であるか、又は限度範囲を超える場合にのみＤＣ電圧を制御する。
【００３２】
上記の全ての目的又は利点は、任意の特定の実施形態により達成し得るものと理解されたい。従って、例えば、本明細書に記載のシステム及び教示は、本明細書で教示又は示唆される別の目的又は利点を必ずしも達成しなくても、１つの利点又は一群の利点を達成し、又は最適化するように実施又は実行してもよいことが当業者には理解されよう。
【００３３】
更に、当業者は異なる実施形態から様々な特徴の互換性を理解されよう。当業者は記載の様々な特徴、並びに各特徴のその他の公知の等価物を混合し、適合化して、本開示の原理による追加のシステム及び技術を構築することができる。
【００３４】
本発明のある特定の特徴のみを本明細書に図示し、記載したが、当業者は多くの修正及び変更に想到するであろう。従って、添付の請求項は本発明の真の趣旨に含まれるこのような修正及び変更の全てを網羅することを意図するものである。
【符号の説明】
【００３５】
１０ 電力システム
１２ 電力モジュール
１４ ＤＣ電力
１６ ＤＣバス
１８ 電力変換モジュール
２０ 調整された電圧出力
２２ 電気系統
２４ 電力変換制御システム
２６ ＤＣ電流
２８ 電圧−電流曲線
３０ 電力−電流曲線
３２ ＭＰＰＴ回路
３４ ラインサイドコンバータ又はＤＣ−ＡＣコンバータ
３６ ラインサイドコントローラ
３８ 制御信号
３９ 変調器
４０ 電力不均衡信号
４２ 電力調整器
４４ 積分器
４６ リミタ
４８ 電圧調整器
５０ 積分器
５２ 比較器
５４ 比較器５２の出力
５６ ＰＬＬ回路
５８ 論理ユニット
６０ ＰＩ調整器
６２ ドループループ
６４ 比較器
６６ 調整器
６８ 調整器
７０ 電力システム
７２ 発電機側コンバータ
７４ 電力変換制御システム
７６ 発電機側コントローラ
７８ 発電機側コントローラの制御信号
８０ 調整信号
８２ 発電機側ＤＣ電圧調整器
８４，８６ ＤＣ調整信号
８８ ソースサイド電流調整器
９０ 変調器
９２ ソースサイドＤＣ電圧調整器
９４ ソースサイド電流調整器のコマンド信号
９６ ソースサイド電流調整器のフィードバック信号
９５ 加算素子
９７ リミタ
９８ ＤＣ電圧差分信号
９９ 電流制御信号
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力システムであって、
電力源（１２）と、
前記電力源からＤＣ電力（１４）を受けるＤＣバス（１６）と、
前記ＤＣバスに電気的に結合され、前記ＤＣバスからのＤＣ電力を調整された電圧出力を有するＡＣ電力（２０）に変換し、電気系統（２２）に供給するラインサイドコンバータ（３４）と、
前記ラインサイドコンバータの動作を制御するラインサイドコントローラ（３６）を備え、
前記調整された電圧出力を表す電圧振幅信号を受信し、
前記ＤＣバスのＤＣ電圧フィードバック信号とＤＣ電圧コマンド信号とを使用してＤＣ電圧差分信号を取得し、
電力コマンド信号を取得し、
電力フィードバック信号を取得し、
前記ＤＣ電圧差分信号と、前記電力コマンド信号と、前記電力フィードバック信号とを使用して位相角制御信号を生成し、
前記電圧振幅信号と前記位相角制御信号とを使用して、前記ラインサイドコンバータの制御信号を生成するように構成された電力変換制御システム（２４）と、を備える電力システム。
【請求項２】
前記電力源が電力限度を含む、請求項１に記載の電力システム。
【請求項３】
前記電力源が太陽光電力源を備え、前記電力システムが、前記電力源の最大電力を追跡する最大電力点追従回路を更に備える、請求項２に記載の電力システム。
【請求項４】
前記電力コマンド信号が、前記最大電力点追従回路からの前記最大電力を含む、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記ラインサイドコントローラが、前記ＤＣ電圧差分信号を受信して、前記電力コマンド信号を生成する調整器を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記電力フィードバック信号が、前記ラインサイドコンバータからの前記ＡＣ電力を表す測定された電力信号を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記電力フィードバック信号が、ＤＣバスのＤＣ電力の測定された電力信号を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記ラインサイドコントローラが、前記電力コマンド信号とフィードバック信号との差を表す電力不均衡信号を受信し、前記電力不均衡信号に応じて内部周波数信号を生成する電力調整器を備えると共に、前記ラインサイドコントローラが、前記内部周波数信号を積分することによって位相角信号を生成する積分器を更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記ラインサイドコントローラが、前記ＤＣ電圧差分信号に基づいて周波数補正信号を生成する電圧調整器を備えると共に、前記ラインサイドコントローラが、前記積分器によって前記内部周波数信号が積分される前に、前記周波数補正信号を使用して、前記内部周波数信号を調整するように構成される、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記ラインサイドコントローラが、前記ＤＣ電圧差分信号に基づいて周波数補正信号を生成する電圧調整器と、前記周波数補正信号を使用して位相角補正信号を生成する第２の積分器とを備えると共に、前記ラインサイドコントローラが、前記位相角補正信号を使用して前記位相角信号を調整するように構成される、請求項８に記載のシステム。
【請求項１】
電力システムであって、
電力源（１２）と、
前記電力源からＤＣ電力（１４）を受けるＤＣバス（１６）と、
前記ＤＣバスに電気的に結合され、前記ＤＣバスからのＤＣ電力を調整された電圧出力を有するＡＣ電力（２０）に変換し、電気系統（２２）に供給するラインサイドコンバータ（３４）と、
前記ラインサイドコンバータの動作を制御するラインサイドコントローラ（３６）を備え、
前記調整された電圧出力を表す電圧振幅信号を受信し、
前記ＤＣバスのＤＣ電圧フィードバック信号とＤＣ電圧コマンド信号とを使用してＤＣ電圧差分信号を取得し、
電力コマンド信号を取得し、
電力フィードバック信号を取得し、
前記ＤＣ電圧差分信号と、前記電力コマンド信号と、前記電力フィードバック信号とを使用して位相角制御信号を生成し、
前記電圧振幅信号と前記位相角制御信号とを使用して、前記ラインサイドコンバータの制御信号を生成するように構成された電力変換制御システム（２４）と、を備える電力システム。
【請求項２】
前記電力源が電力限度を含む、請求項１に記載の電力システム。
【請求項３】
前記電力源が太陽光電力源を備え、前記電力システムが、前記電力源の最大電力を追跡する最大電力点追従回路を更に備える、請求項２に記載の電力システム。
【請求項４】
前記電力コマンド信号が、前記最大電力点追従回路からの前記最大電力を含む、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記ラインサイドコントローラが、前記ＤＣ電圧差分信号を受信して、前記電力コマンド信号を生成する調整器を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記電力フィードバック信号が、前記ラインサイドコンバータからの前記ＡＣ電力を表す測定された電力信号を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記電力フィードバック信号が、ＤＣバスのＤＣ電力の測定された電力信号を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記ラインサイドコントローラが、前記電力コマンド信号とフィードバック信号との差を表す電力不均衡信号を受信し、前記電力不均衡信号に応じて内部周波数信号を生成する電力調整器を備えると共に、前記ラインサイドコントローラが、前記内部周波数信号を積分することによって位相角信号を生成する積分器を更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記ラインサイドコントローラが、前記ＤＣ電圧差分信号に基づいて周波数補正信号を生成する電圧調整器を備えると共に、前記ラインサイドコントローラが、前記積分器によって前記内部周波数信号が積分される前に、前記周波数補正信号を使用して、前記内部周波数信号を調整するように構成される、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記ラインサイドコントローラが、前記ＤＣ電圧差分信号に基づいて周波数補正信号を生成する電圧調整器と、前記周波数補正信号を使用して位相角補正信号を生成する第２の積分器とを備えると共に、前記ラインサイドコントローラが、前記位相角補正信号を使用して前記位相角信号を調整するように構成される、請求項８に記載のシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−１３５１９４（Ｐ２０１２−１３５１９４Ａ）
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１１−２７３９５８（Ｐ２０１１−２７３９５８）
【出願日】平成２３年１２月１５日（２０１１．１２．１５）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２７３９５８（Ｐ２０１１−２７３９５８）
【出願日】平成２３年１２月１５日（２０１１．１２．１５）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]