JP2009037612A

JP2009037612A - 複数のインバータを使用して直流を交流に変換する方法及び装置

Info

Publication number: JP2009037612A
Application number: JP2008185276A
Authority: JP
Inventors: Martin Fornage; フォーネージマーティン
Original assignee: Enphase Energy Inc
Current assignee: Enphase Energy Inc
Priority date: 2007-07-16
Filing date: 2008-07-16
Publication date: 2009-02-19
Also published as: EP2017948A3; EP2017948A2; US20090020151A1

Abstract

【課題】太陽電池アレイにおいて直流電力を交流電力にに効率的に変換する方法及び装置のニーズが存在している。
【解決手段】発電装置３２０は直流電力をを交流電力に変換する装置であって、複数のナノインバータ４００と、太陽電池素子４０２からなる太陽電池パネル１０２で構成されている。ナノインバータ４００はブースト回路とインバータ回路で構成され、少なくとも１つの太陽電池素子４０２で構成される列４０４と接続され、複数のナノインバータ４００毎に最大電力点追従制御を行う。
【選択図】図４

Description

発明の分野

[0001]本発明は、直流（ＤＣ）を交流（ＡＣ）に変換する方法及び装置に関する。より詳細には、本発明は、複数のインバータを使用してＤＣをＡＣに変換する方法及び装置に関する。

発明の背景

[0002]太陽光パネル（ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｐａｎｅｌ）は、従来、商用電力を利用することができない僻地用途において主として使用されてきた。この理由は、設置のコストが高く、太陽光パネルが経済的な選択肢となるのはそれ以外の手段がないときに限られるためである。しかしながら、発電に使用されている化石エネルギの埋蔵量が急速に減少しつつある現在、太陽光パネルはその地位を確立した。電力需要の世界的な増大により、エネルギコストは上昇を続けている。

[0003]太陽光発電システムでは、太陽電池からの直流（ＤＣ）を、例えば家庭電化製品によって使用するための交流（ＡＣ）に変換するインバータを必要とする。発電システムでは、発電及び電気器具への供給を最も効率的に行うことが重要である。一般的な太陽電池アレイは、複数のサブアレイを備えており、サブアレイのそれぞれが複数の個々の太陽光パネルを備えている。接続箱は、様々なサブアレイの出力を結合して、インバータに供給されるＤＣ信号を形成する。インバータは、このＤＣをＡＣに変換し、そのＡＣを電力系統に供給する。使用者は、電力系統からの電力を一般的な方式で使用するが、電力系統からの電気の費用は、太陽光発電システムによって電力系統に供給される電気量によって相殺される。

[0004]このようなシステムにおいては、電力系統に送られる電力の量がシステムの費用回収にとって重要である。従って、インバータはできるだけ効率的でなければならない。一般的な大規模な太陽光システムにおいては、平たい面に何行かのパネルを設置し、設置場所の条件（緯度など）に応じた角度にパネルを傾ける。一般に、北半球の場所では、冬季には傾きが大きいほど収集が効率的であるが、太陽の高度が高い夏季には、傾きが小さいほど多くの電力が得られる。太陽光システムによっては、傾きを変化させることができ、従って、最大量のエネルギが得られるようにパネルは常に太陽光線に垂直である。すべてのパネルの全面が太陽に照らされるようにするため、太陽が地平線付近にあるときに特定のパネルが別のパネルの影にならないように、パネルは互いに広い間隔で配置されている。このようにパネルを隔置することにより、決まった領域あたりのパネルへの照射量が最大になるが、このような隔置に起因して、所要の量の電力を発生させるのに太陽電池アレイが占有する空間が大きくなりすぎる。結果として、人口密度の高い地域、或いは不動産価格の高い地域では、太陽エネルギシステムは非実用的である。

[0005]より具体的には、太陽電池素子アレイによって発生する電流は、入射する太陽エネルギに比例する。最大の電力を取り出すためには、太陽電池素子を最大電力点（ＭＰＰ）にバイアスする（ｂｅｂｉａｓｅｄ）べきである。このＭＰＰは、温度、入射光レベル、及び経年変化に基づいて変化し、予測することはできないが推測することができる。製造上の公差のため、すべての太陽電池素子は特性がわずかに異なり、これによりＭＰＰが太陽電池素子ごとに異なる。従って、アレイの太陽電池素子を直列に接続したときには、アレイ全体をバイアスするために平均ＭＰＰ（すなわち、「グローバル」バイアス点）を使用する。この「グローバル」バイアス点は、一般には、アレイの個々のすべての太陽電池素子のＭＰＰよりも明らかに低い。更には、太陽電池素子の行が影になると、その行は、全面が照らされている他の素子が発生させ得る電流レベルを発生させることができない。パネルが少しでも影になることは、極めて大きな発電損失につながる。多くの場合、半分が影になっているパネルは、まったく電力を発生させない。従って、一部分が影になっているアレイのグローバルＭＰＰは、影になっている部分のグローバルＭＰＰと、全面が照らされている部分のグローバルＭＰＰのいずれとも、相当に異なる。結果として、個々の太陽電池素子は、発電量が最大となるように最適にはバイアスされない。上述したように、あるパネルによって別のパネルが影になることを回避する目的で、パネルの行は、光の遮断が最小になるように十分な距離を隔てて配置されている。

[0006]従って、太陽電池アレイにおいてＤＣからＡＣに効率的に変換する方法及び装置のニーズが存在している。

発明の概要

[0007]一実施形態においては、本発明は、直流（ＤＣ）を交流（ＡＣ）に変換する装置であって、複数のインバータを備えており、インバータのそれぞれが、太陽電池パネルの一領域を画成している少なくとも１つの太陽電池素子に結合されるようにされている個別のＤＣ入力を有する、装置、を開示する。

[0008]本発明の上述した特徴を詳しく理解することができるように、以下では、上に簡潔に要約した本発明について、実施形態を参照しながら更に具体的に説明する。いくつかの実施形態は添付の図面に示してある。しかしながら、添付の図面は、本発明の一般的な実施形態のみを示しており、従って、本発明の範囲を制限するものとはみなされず、同等の効果を有する別の実施形態も、本発明の範囲に含まれる。

詳細な説明

[0015]図１は、本発明の実施形態を利用している太陽光パネルシステム１００の例示的な実施形態の側面図である。この太陽光パネルシステム１００は、複数の太陽光パネル１０２（太陽電池素子アレイとも称する）と、太陽１０８_１及び１０８_２を含んでいる。この実施形態においては、太陽光パネル１０２は、密集して配置されている３枚のパネル１０２_１，１０２_２，１０２_３を含んでおり、すなわち、これらのパネルは互いに影になる。３枚のパネルを示してあるが、太陽光パネルシステム１００は、任意の数のパネル１０２を含んでいることができる。

[0016]このような高い密度でのパネル配置においては、太陽１０８は太陽光パネル１０２_１，１０２_２，１０２_３を照らし、従って、太陽１０８_１が水平線から高い高度にあるときにはパネル１０２_１，１０２_２，１０２_３のそれぞれの全面が照らされる。しかしながら、太陽１０８_２がパネル１０２に対して低い高度にあるときには、パネル１０２のそれぞれは、照らされている領域１０４_１，１０４_２，及び１０４_３と、影になっている領域１０６_１及び１０６_２とを有する。照らされている領域１０４_１，１０４_２，１０４_３は、より多くの光（直射日光）によって照らされており、従ってＤＣを最適に発生させる領域である。従って、図示した配置においては、すべてのパネルのうち、太陽光パネル１０２_３が最も効率的に動作している。影になっている領域１０６_１及び１０６_２は、隣のパネルの影になっており、より少ない光に照らされている。従って、影になっている領域１０６_１及び１０６_２は、直射日光に照らされている領域よりも少ないＤＣを発生させることができる。しかしながら、以下に説明する本発明の一実施形態を利用することによって、全面が照らされているとき、又は影になっているとき、パネルから最大量の電力を取り出すことができる。

[0017]図２は、図１の太陽光パネルシステムの太陽光パネル１０２_１の例示的な実施形態の正面図である。このパネル１０２_１は、行２００（行２００_１〜２００_Ｍ、Ｍは整数）を備えている。太陽光パネル１０２_１は、照らされている領域１０４_１を構成している行２００_１〜４の太陽電池素子１１０_１と、影になっている領域１０６_１を構成している行２００_Ｓ〜Ｍの太陽電池素子１１０_２とを備えている。従って、照らされている領域１０４_１の太陽電池素子は、影になっている領域１０６_１の太陽電池素子とはＭＰＰが異なる。

[0018]個々のパネルからの電力を更に最大化するため、パネル内の太陽電池素子（又はその行）の効率を調べることができる。太陽電池素子によって相当に多くの影が生じるときには、最も効率の高い太陽電池素子（又は太陽電池素子の行）を、パネル上の位置のうち、最も長い時間にわたり全面が照らされる位置に配置し、全面が照らされているときの効率が比較的低い太陽電池素子（又は太陽電池素子の行）をパネル上の低い位置に配置する。このように、パネルは、最も効率的な太陽電池素子によって発生する電力の量が最大となるように設計されている。

[0019]図３は、本発明による、太陽光パネルシステム１００の例示的な実施形態のブロック図である。この図は、無数の可能なシステム構成のうちの１つのバリエーションを示しているに過ぎない。本発明は、様々な環境及びシステムにおいて機能することができる。

[0020]発電システム１００は、複数の発電装置３２０_１，３２０_２，．．．，３２０_Ｎ（Ｎは整数）と、接続箱３０４と、電気パネル（ｅｌｅｃｔｒｉｃｐａｎｅｌ）３０６と、電気計器３１０とを備えている。発電装置のそれぞれ（例えば、発電装置３２０_１）は、複数のインバータ３００_１（図４を参照）と、太陽光パネル１０２_１とを備えている。従って、インバータ３００_１〜３００_ｎは、それぞれ、パネル１０２_１〜１０２_ｎに結合されている。

[0021]システム１００は、電力系統３１２若しくは電気器具３１６、又はその両方に電力を供給する。太陽光パネル１０２_１，１０２_２，．．．，１０２_ｎは、この技術分野において周知であり、太陽エネルギからＤＣ電力を発生させるために使用される。複数の太陽光パネル１０２_１，１０２_２，．．．，１０２_ｎ（本文書においては太陽電池パネル又は太陽電池アレイとも称する）は、任意のサイズ、任意の形状とすることができる。システム１００では４枚の太陽光パネル１０２_１，１０２_２，．．．，１０２_ｎを示してあるが、システム１００は、任意の数の太陽光パネル１０２を含んでいることができる。

[0022]インバータ３００_１，３００_２，．．．，３００_ｎは、複数の太陽光パネル１０２_１，１０２_２，．．．，１０２_ｎによって発生したＤＣ電力をＡＣ電力に変換する。本発明のインバータ３００は、ＡＣ系統の電流と同相の電流を、小さい歪みで発生させることができる。

[0023]インバータ３００_１，３００_２，．．．，３００_ｎの出力ＡＣは、ＡＣバス３１４に結合されている。ＡＣバス３１４は、接続箱３０４内で終端処理されている。このようなＡＣバス３１４と個別の発電装置３２０_Ｎとを使用することにより、システム１００はスケーラブル且つフレキシブルであり、使用者のニーズに柔軟に対応することができる。インバータ３００_１，３００_２，．．．，３００_ｎの構造については後から説明する（図５及び図６を参照）。

[0024]接続箱３０４は、一般には、すべてのインバータ３００_１，３００_２，．．．，３００_ｎからの出力をひとつにまとめて、電気パネル１０６への１つのＡＣ電力を形成する。

[0025]電気パネル３０６は、接続箱３０４からの電力を、電力系統３１２と、用途によっては使用者の設備内の電気器具３１６とに接続する。例えば、家庭においては、電気パネル３０６は、家庭内の様々な回路に電気を分配するための周知のＡＣ配電盤であって、様々な電流遮断器若しくはヒューズ、又はその両方を備えている。電気パネル３０６は、電気計器３１０を介して電力系統３１２に結合されている。計器３１０は、システム１００の所有者が電力系統３１２への電気供給を補うことができるように、電力系統３１２に供給される電力の量を求める。

[0026]図４は、本発明による発電装置３２０_Ｎの例示的な実施形態の詳細なブロック図である。この図は、発電装置の無数の可能な構成のうちの１つのバリエーションを示しているに過ぎない。

[0027]発電装置３２０は、太陽光パネル１０２と複数のインバータ３００とを含んでいる。太陽光パネル１０２は、太陽電池素子４０２を含んでいる。太陽電池素子４０２は、一般的には、行４０４及び列４０６に編成されており、行及び列は、任意の数の太陽電池素子４０２を含んでいることができる。一例として、行４０４は、行４０４_１，４０４_２，４０４_３，及び４０４_４を含んでおり、列４０６は、列４０６_１，４０６_２，４０６_３，及び４０６_４を含んでいる。説明を単純にするため、４×４の太陽電池素子アレイを示してある。当業者には、任意の数の行及び列を使用することができることが理解されるであろう。

[0028]インバータ３００は、行４０４若しくは太陽電池列４０６、又はその両方に結合されるようにされている。インバータ３００のそれぞれは、複数のインバータ４００_１，４００_２，４００_３，及び４００_４（本文書においてはナノインバータ（ｎａｎｏ−ｉｎｖｅｒｔｅｒ）と称する）を備えている。４つのナノインバータを示してあるが、システム１００は、任意の数のインバータ３００若しくはナノインバータ４００、又はその両方を含んでいることができる。

[0029]この実施形態においては、ナノインバータ４００_１，４００_２，４００_３，及び４００_４は、それぞれ、太陽電池素子の行４０４_１，４０４_２，４０４_３，及び４０４_４に結合されている。ナノインバータ４００_１，４００_２，４００_３，及び４００_４のそれぞれは、それぞれの行４０４_１，４０４_２，４０４_３，及び４０４_４からのＤＣを受け取る。行の中の素子は、直列に接続されている。ナノインバータ４００_１，４００_２，４００_３，及び４００_４は、それぞれ、例えば行４０４_１，４０４_２，４０４_３，及び４０４_４のそれぞれからのＤＣをＡＣに変換する。従って、行４０４_１，４０４_２，４０４_３，及び４０４_４のそれぞれを個別の構成要素として扱うことができる、すなわち、分析、制御、構成のうちの少なくとも１つを独立して実施して、行４０４の効率及びＤＣ発電を最適化することができる。例えば、インバータに関連付けられる太陽電池素子の行がその行の最大電力点（ＭＰＰ）にバイアスされるように、インバータのそれぞれを制御する。影になっている行ではＭＰＰが変化するため、このようにして、全面が照らされている行と、影になっている行とに、最適なバイアスを適用することができる。結果として、行のそれぞれを各行のＭＰＰにおいて動作させることによって、パネル全体の出力が最適化される。従って、この実施形態においては、パネルを密集させて設置することができ、これにより、システムの所定の設置領域における総電力出力を最大にすることができる。

[0030]図５は、本発明による、発電装置３２０の中のインバータ３００として使用することのできる二段インバータ５００の例示的な実施形態のブロック図である。

[0031]二段インバータ５００は、第１の段５０２と第２の段５０４とを含んでいる。第１の段５０２は、複数のブースト回路５０８を備えており、この回路５０８は、５０８_１，５０８_２，．．．，５０８_ｎを含んでいる。第２の段５０４は、ＤＣ／ＡＣ変換器５１０を備えている。ブースト回路５０８とＤＣ／ＡＣ変換器５１０の特性及び設計は、この技術分野において周知であり、ブースト回路はＤＣからＤＣへの変換を実行し、ＤＣ／ＡＣ変換器はＤＣからＡＣへの変換を実行する（例えば、パルス幅変調器（ＰＷＭ））。コントローラ５１２は、ブースト回路５０８のそれぞれに結合されている太陽電池素子の行がその行のＭＰＰにおいて動作するように、ブースト回路５０８のそれぞれに個々の制御信号を提供する。ブースト回路５０８はＤＣバス５０６によって結合されており、ＤＣバス５０６は高電圧バスとすることができる。ブースト回路５０８の結合されたＤＣ出力が、バス５０６によってＤＣ／ＡＣ変換器５１０に結合されている。コントローラ５１２は、ＤＣからＡＣに変換するためのＤＣ／ＡＣ変換器のスイッチングを制御する。

[0032]この実施形態においては、ブースト回路５０８_１，５０８_２，．．．，５０８_ｎが１つのＤＣ／ＡＣ変換器５１０を共有している。具体的には、ナノインバータ４００_１は、ブースト回路５０８_１とＤＣ／ＡＣ変換器５１０とを含んでおり、ナノインバータ４００_２は、ブースト回路５０８_２とＤＣ／ＡＣ変換器５１０とを含んでおり、ナノインバータ４００_３は、ブースト回路５０８_３とＤＣ／ＡＣ変換器５１０とを含んでおり、以下同様である。別の実施形態においては、共有されるＤＣ／ＡＣ変換器を使用せず、インバータのそれぞれが、個別のブースト回路及びＤＣ／ＡＣ変換器回路を備えていることができる。ブースト回路５０８は、ＤＣ発生源（例えば、行４０４、列４０６、太陽電池素子４０２、太陽電池素子の一部など）からのＤＣを受け取る。ブースト回路５０８は、バス５１２を介してＤＣ／ＡＣ変換器５１０にＤＣを入力する。ＤＣ／ＡＣ変換器は、そのＤＣをＡＣに変換する。

[0033]図６は、本発明による、発電装置３２０の中のインバータ３００として使用することのできる一段インバータ６００の例示的な実施形態のブロック図である。

[0034]一段インバータ６００は、複数の一段ナノインバータ６０２とバス６０４とを含んでいる。ＤＣは、ＤＣ発生源（例えば、行４０４、列４０６、太陽電池素子４０２、太陽電池素子４０２の一部など）によって発生させることができる。各領域（例えば、太陽電池素子の行）からのＤＣが、個々の一段ナノインバータ６０２に結合されている。これら複数の一段ナノインバータ６０２は、一段ナノインバータ６０２_１，６０２_２，６０２_３，及び６０２_４を備えている。ナノインバータ６０２のそれぞれは、ＤＣをＡＣに変換する。それらＡＣはＡＣバス６０４に結合されており、それらＡＣが結合されて発電装置の出力が生成される。バス５１２は、複数の一段ナノインバータ６０２によって共有されている。ナノインバータの構造は、従来の一段インバータと実質的に同じである。コントローラ６０６は、インバータに結合されている領域が、それら領域（例えば行）のＭＰＰにおいて動作する状態を維持するための信号を提供する。

[0035]ここまで、様々な実施形態を説明したが、これらの実施形態は一例としてのみ提示したものであり、本発明を制限するものではないことを理解されたい。従って、好ましい実施形態の範囲は、上述した例示的な実施形態のいずれによっても制限されることはなく、請求項及びその同等形態によってのみ定義されるものとする。

太陽光パネルシステムの例示的な実施形態の側面図である。図１の太陽光パネルシステムの太陽光パネルの例示的な実施形態の正面図である。本発明による、太陽光パネルシステムの例示的な実施形態のブロック図である。本発明による、図３のインバータシステムの例示的な実施形態の詳細なブロック図である。本発明による、二段インバータの例示的な実施形態のブロック図である。本発明による、一段インバータの例示的な実施形態のブロック図である。

Claims

直流（ＤＣ）を交流（ＡＣ）に変換する装置であって、
複数のインバータを備え
前記複数のインバータが、それぞれ、太陽電池パネルの一領域を画成している少なくとも１つの太陽電池素子に結合されるように構成されている個別のＤＣ入力を有している、装置。
前記複数のインバータの各インバータが複数のブースト回路を備えており、ブースト回路のそれぞれが、前記太陽電池パネルの一領域の最大電力点を最適化するように構成されている、請求項１に記載の装置。
前記複数のブースト回路の出力ＤＣにＤＣバスが結合されている、請求項２に記載の装置。
前記複数のインバータの各インバータが、前記複数のブースト回路に結合されているＤＣ／ＡＣ変換器を備えており、前記ＤＣ／ＡＣ変換器が前記複数のブースト回路によって共有されている、請求項３に記載の装置。
前記複数のインバータの各インバータが、ＤＣ／ＡＣ変換器に結合されている少なくとも２つのブースト回路を備えている、請求項１に記載の装置。
前記一領域が、直列に結合されている太陽電池素子の行である、請求項１に記載の装置。
ソーラー電力を発生させる装置であって、
少なくとも１つの太陽電池素子を備えている複数の領域を備えている少なくとも１つの太陽光パネルと、
前記太陽光パネルの前記複数の領域の各領域に結合されているインバータと
を備えている、装置。
前記複数の領域が、少なくとも１つの太陽電池素子の行を備えている、請求項７に記載の装置。
前記インバータが複数のブースト回路を備えており、ブースト回路のそれぞれが、前記太陽電池パネルの一領域の最大電力点を最適化するように構成されている、請求項７に記載の装置。
前記複数のブースト回路の出力ＤＣにＤＣバスが結合されている、請求項９に記載の装置。
前記インバータが、前記複数のブースト回路に結合されているＤＣ／ＡＣ変換器を備えており、前記ＤＣ／ＡＣ変換器が前記複数のブースト回路によって共有されている、請求項９に記載の装置。
前記インバータが、ＤＣ／ＡＣ変換器に結合されている少なくとも２つのブースト回路を備えている、請求項９に記載の装置。
前記一領域が、直列に結合されている太陽電池素子の行である、請求項７に記載の装置。
前記少なくとも１つの太陽光パネルが複数の太陽光パネルを備えており、パネルのそれぞれが、第１のパネルが第２のパネルを影にするように配置されており、影にされる領域に結合されているインバータのそれぞれが、少なくとも１つの太陽電池素子の、前記影になっている領域からの電力を最適に結合するように構成されている、請求項７に記載の装置。
ＤＣをＡＣに変換する方法であって、
太陽光パネルの複数の領域のそれぞれを画成している少なくとも１つの太陽電池素子からのＤＣを受け取るステップと、
前記複数の領域のそれぞれからの前記ＤＣを１つのＡＣ出力に変換する、変換ステップと
を含んでいる、方法。
前記変換ステップが、
前記複数の領域のそれぞれからのＤＣをサポートＤＣ出力に変換するステップと、
前記個別のＤＣ出力を結合して１つのＤＣ出力を形成するステップと、
前記１つのＤＣ出力を１つのＡＣ出力に変換するステップと
を含んでいる、請求項１５に記載の方法。
前記変換するステップが、
前記複数の領域のそれぞれからのＤＣを個別のＡＣ出力に変換するステップと、
前記個別のＡＣ出力を結合して１つのＡＣ出力を形成するステップと
を含んでいる、請求項１５に記載の方法。