JP2010527570A5

JP2010527570A5 -

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Publication number: JP2010527570A5
Application number: JP2010508611A
Authority: JP
Filing date: 2008-05-16
Publication date: 2013-12-12

Description

【書類名】明細書
【発明の名称】分散型インバータ及びインテリジェントゲートウェイ
【技術分野】
【０００２】
[0002]本発明は、直流（ＤＣ）／交流（ＡＣ）を含む電力変換に関し、より詳細には、ＡＣへの光起電モジュール出力電力の変換に関する。
【背景技術】
【０００３】
[0003]今後数年のうちに、分散型の電気発生が、商用電力系統（以下、商用グリッド）に供給されるエネルギーのより一層大きな部分を占めるものと思われる。光起電モジュール、バッテリ、燃料電池などの分散型電気エネルギー源が、直流（ＤＣ）電力を発生し、これは、住宅及び商業環境での伝送及び使用のために、交流電流（ＡＣ）電力に変換しなければならない。
【０００４】
[0004]また、分散型の発生が増加するにつれて、一般に「グリッド」として知られる商用グリッドは、複数の発生器と複数の負荷との間の改良された調整をサポートする依然として定義されていないスマートグリッドに変形される。「グリッド連結」光起電システムは、今日、太陽電気システムの最も一般的な形態であり、それらは、いわゆる余剰電力買い取り（ｎｅｔ−ｍｅｔｅｒｉｎｇ）の調整形態を使用する。
【０００５】
[0005]大多数の光起電設備は、住宅用であり、約２〜３ｋＷの平均容量を有する。新規の発生容量の大半は、商業ビルディング及び実用規模設備に設置される。住宅システムは、一般に単相ＡＣを利用し、商業システムは、三相ＡＣを使用することが最も多い。
【０００６】
[0006]住宅屋根は、切妻、複数の屋根角度、及び他のそのような障害物の存在により、光起電モジュールの配置及び相互接続に特別な難題をもたらす。そのような屋根は、最大電力を回収するように光起電モジュールが位置決めされるように十分に大きい、通常は向きを定められた表面を、太陽に向けて露出させないことが多い。現在、従来のインバータベースの相互接続は、ＩＲ（電流と抵抗との積）損失を最小にするように最適化されている。これは、ストリング設計と呼ばれる。インバータは、ＰＶモジュールのストリングに対して最大電力点追跡（ＭＰＰＴ）と呼ばれる機能を行う。ＭＰＰＴプロセスは、連続又はサンプル値ベースでのＰＶモジュールストリング出力電流電圧曲線を評価して、適正な負荷電圧を決定し、それにより、ストリング出力電圧と電流との積として計算されるストリング出力電力を最大にする。住宅屋根の性質により、ストリング設計は、光起電（ＰＶ）アレイにおける最小電力発生モジュールのレベルでのＭＰＰＴ性能を生じる。これは、アレイ全体からのＡＣ電力回収を劣化する。
【０００７】
[0007]ＰＶモジュールと１対１の構成でのマイクロインバータの使用は、ストリング設計の問題を取り除き、それにより、各ＰＶモジュールが、フル稼働で電流を生成できるようにし、各ＰＶモジュールのレベルでのＭＰＰＴを真に可能にする。また、マイクロインバータとＰＶモジュールとの１対１配列は、関連技術ではＡＣＰＶモジュールとも呼ばれる。
【０００８】
[0008]商業ビルディング及びより大きな設備は、わずかに異なる問題がある。商業ビルディングでは、大きい、通常は向きを定められた表面が一般に利用可能であり、しかしその場合でさえ、ＨＶＣＡ構成要素などの障害物が太陽放射を遮ることがあるので、それに対処しなければならない。また、ストリング設計及びＭＰＰＴが、やはり問題である。さらに、そのような設備は、しばしば数千個のＰＶモジュールからなるので、監視、動作、及び保守に時間及び費用がかかることがある。
【０００９】
[0009]商業設備でのＡＣＰＶモジュールの使用は、ストリング設計を単純化し、ＡＣ電力回収を改善し、ＰＶアレイ全体をモジュールごとに遠隔監視することができるようにする。多相マイクロインバータは、実質的に平衡の多相ＡＣ電力を送達するという追加の利点を有する。
【００１０】
[0010]マイクロインバータの有益性は、ほぼ３０年前まで遡って関連技術で述べられている。しかし、従来のインバータに比べて劣った信頼性及び効率、並びに高いコストにより、マイクロインバータの使用には目が向けられていない。
【００１１】
[0011]典型的には、ＰＶモジュールは、太陽放射に対して最大限に露出するために、過酷な屋外環境に配置される。マイクロインバータは、それらの完全な利益を実現するためには、ＰＶモジュールの近位に配置しなければならない。従来のインバータは、典型的には、より良好な環境に、しばしば屋内で、例えば保護された壁に、又はユーティリティクローゼット内に配置される。
【００１２】
[0012]マイクロインバータがＰＶモジュールの近位に配置されるとき、過酷な屋外環境が、高い信頼性、高い効率、及び低いコストを実現するための設計の問題を悪化させる。同様に、屋根上でのマイクロインバータの修理及び交換は、集中型インバータの修理及び交換よりも困難であり、労力がかかる可能性がある。
【００１３】
[0013]マイクロインバータに関する関連技術設計手法は、従来のインバータで使用された機能及び構成要素の全てを組み込む小型版の従来インバータとしてマイクロインバータを実装しなければならなかった。マイクロインバータに関する初期の型式の関連技術は、電解コンデンサを利用し、高温で劣化しやすい寿命を有する。他のバージョンの関連技術マイクロインバータは、電解コンデンサをなくし、それにより寿命を延ばす。
【００１４】
[0014]図１は、従来のインバータを利用する関連技術のグリッド連結光起電システムの単純化された図を示す。図１を参照すると、ＰＶモジュール１０２が、太陽放射に直接当たるように屋外１１０に取り付けられ、ＤＣ配線１０４を使用して従来のインバータ１０５に接続される。インバータ１０５とＤＣ配線１０４とはどちらも、建造物の内部など、天候保護領域１１１内に位置される。インバータ１０５の出力が、ＡＣ配線１０３を通して局所ＡＣ負荷１０６に電力供給する。また、インバータの出力は、外部ＡＣ配線１０７を通して商用グリッド１０１に余剰電力を供給するために、エネルギーが両方向に流れるように連結される。
【００１５】
[0015]図２は、マイクロインバータを含む関連技術のグリッド連結光起電システムの単純化された図を示す。図２を参照すると、ＰＶモジュール２０２が、太陽放射に直接当たるように屋外２１０に取り付けられる。マイクロインバータ２０３が、ＰＶモジュール２０２に１対１対応で近位に（典型的にはそれらの下に）電気的に結合され、個々のＰＶモジュールのＤＣ出力をＡＣ電力に変換し、次いで、このＡＣ電力が、ＡＣ配線２０４に供給される。ＡＣ配線２０４は、局所負荷２０６と、商用グリッド２０１とに電力供給する。
【００１６】
[0016]関連技術のマイクロインバータに関わる問題は、それらのマイクロインバータが、安全及びコード準拠を含めた全てのインバータ機能をマイクロインバータ内部に並置すること、或いはこれらの機能の実装の仕方を取り扱わないことであり、それにより、高い信頼性及び長い寿命のための設計を困難で高価なものにすることである。また、並置は、コード準拠要件が変わるときに、マイクロインバータの再開発及び交換を必要とすることがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
[0017]したがって、本発明は、関連技術の限界及び欠点による問題の１つ又は複数を実質的に未然に防ぐ分散型インバータ及びインテリジェントゲートウェイを対象とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
[0018]本発明の利点は、単純であり安全な、電力変換システムの設置、動作、及び保守のシステム及び方法を提供することである。
【００１９】
[0019]本発明の別の利点は、マイクロインバータに高い信頼性及び長い寿命を提供することである。
【００２０】
[0020]本発明のさらに別の利点は、システムの寿命の間、システムのアップグレード性を提供することである。
【００２１】
[0021]本発明の追加の特徴及び利点は、以下の説明に記載され、一部は、説明から明らかになり、或いは本発明の実践によって分かることもある。本発明の特徴は、記載する説明、及び本発明の特許請求の範囲、並びに添付図面で特に指摘された構造によって実現及び達成される。
【００２２】
[0022]これら及びその他の利点を実現するために、本発明の目的によれば、本発明の一実施形態が、エネルギーを変換するためのシステムを対象とする。エネルギーを変換するためのシステムが、複数の光起電モジュールを含む。複数のマイクロインバータが、１対１対応で複数の光起電モジュールに電気的に結合される。また、システムは、複数のマイクロインバータに電気的に結合されたゲートウェイを含み、ゲートウェイの機能は、ハードウェア、ソフトウェア、及びファームウェアの少なくとも１つによってアップグレードすることができる。
【００２３】
[0023]本発明の別の態様では、本発明の一実施形態は、エネルギー発生システムにおいて使用するためのシステム内で使用するためのゲートウェイを含む。ゲートウェイは、複数のマイクロインバータ及び１つの商用グリッドとインターフェースするためのインターフェースユニットを含む。また、ゲートウェイは、安全機能と、複数のマイクロインバータを商用グリッドに同期させるための同期機能と、複数のマイクロインバータ及び１つの商用グリッドを監視するための監視機能との少なくとも１つを制御するための、インターフェースユニットに電気的に結合された制御ユニットを含む。制御ユニットは、外部モニタに電気的に結合させることができる。
【００２４】
[0024]本発明のさらに別の態様では、本発明の一実施形態は、放射エネルギーを交流に変換するための光起電システムを含む。光起電システムは、複数の光起電モジュールと、１対１対応で該光起電モジュールに結合された複数のマイクロインバータとを含む。複数のマイクロインバータはそれぞれ、転換ユニットと、ＭＰＰＴユニットと、通信ユニットと、安全ユニットと、インターフェースユニットと、制御ユニットとを含む。転換ユニットは、ＤＣをＡＣに変換し、ＭＰＰＴユニットは、複数の光起電モジュールからの電力を最適化する。通信ユニットは、ゲートウェイへの通信を提供する。安全ユニットは、安全機能を提供する。さらに、ゲートウェイは、複数のマイクロインバータに結合される。ゲートウェイは、インターフェースユニットと、制御ユニットとを含む。インターフェースユニットは、複数のマイクロインバータ及び１つの商用グリッドとインターフェースする。制御ユニットは、安全機能と、複数のマイクロインバータを商用グリッドに同期させるための同期機能と、監視機能との少なくとも１つを制御するために、インターフェースユニットに結合され、制御ユニットは、外部モニタに結合させることができる。
【００２５】
[0025]前述した一般的な説明と、以下の詳細な説明とは、どちらも例示的及び説明的であり、特許請求される本発明のさらなる説明を提供するように意図されていることを理解されたい。
【００２６】
[0026]本発明のさらなる理解を与えるために含まれ、本明細書に組み込まれてその一部を成す添付図面が、本発明の実施形態を例示し、本説明と共に本発明の原理を説明する働きをする。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】 [0028]従来の集中型インバータを使用する関連技術のグリッド連結光起電システムの図である。
【図２】 [0029]従来のマイクロインバータを使用する関連技術のグリッド連結光起電システムの図である。
【図３】 [0030]本発明の一実施形態によるマイクロインバータ及びゲートウェイを含む分散型コンバータを使用するグリッド連結光起電システムの図である。
【図４】 [0031]本発明の別の実施形態によるマイクロインバータを利用する分散型コンバータのブロック図である。
【図５】 [0032]本発明の別の実施形態によるストリングインバータを利用する分散型コンバータのブロック図である。
【図６】 [0033]本発明の別の実施形態による集中型インバータを利用する分散型コンバータのブロック図である。
【図７】 [0034]本発明の別の実施形態によるマイクロインバータを利用するＰＶシステムのブロック図である。
【図８】 [0035]本発明の別の実施形態による複数のストリングインバータを利用するＰＶシステムのブロック図である。
【図９】 [0036]本発明の別の実施形態による集中型インバータを利用するＰＶ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】
【００２８】
[0037]本発明の実施形態は、マイクロインバータの利点を実現するのに必要な機能及び構成要素のみが、ＰＶモジュールの近位にあるアセンブリ内に配置され、例えばシステム制御を含めた他の機能が他の場所に位置される新規の手法を含む。機能及び構成要素のこの分離は、分割化と呼ばれる。システムの制御及び調整は、追加の配線を用いずに行われる。通信は、電力線、有線及び／又は無線チャネルを介して行われることがある。通信チャネルのディスエーブルが、マイクロインバータをオフに切り替える手法を提供し、それにより、インバータ又はＰＶモジュールの交換、保守、又は他の所望の作業を容易にする。さらに、分割化は、関連技術に比べて高い安全性を提供する。関連技術では、太陽放射の存在時、ＰＶモジュール出力が常にイネーブルにされ、それにより設置者が感電死する恐れがある。したがって、本発明の実施形態は、より安全でより簡単な設置及び保守処置を可能にする。
【００２９】
[0038]さらに、分割化は、温度など過酷な屋外環境にさらされる、ＰＶモジュールの近位のアセンブリ内に配置される構成要素の数及び種類を減少する。また、より少ない構成要素及び単純化されたアセンブリが、信頼性の向上及びシステム寿命の延長をもたらす。マイクロインバータから共通システム機能をなくすことによって、コストが削減される。また、より過酷でない環境に位置される、より安価である又はより頑丈でない構成要素によってこれらの機能が実現される本発明の実施形態では、コストをさらに削減することができる。
【００３０】
[0039]幾つかの実施形態では、分割化は、ゲートウェイ内などＰＶモジュールアセンブリから離れた領域内にプログラム可能機能を物理的に位置させることを含むことがある。したがって、ゲートウェイ内に位置される機能は、ＰＶモジュールアセンブリから結合解除又は分割化される。ゲートウェイ内の機能及び構成要素は、システムの寿命にわたってアップグレードすることができる。したがって、ゲートウェイの開発サイクルは、ＰＶモジュールアセンブリに結合されたマイクロインバータアセンブリの開発サイクルから分離され、それにより、異なる付加価値機能を有する複数の世代のゲートウェイを、同じマイクロインバータアセンブリと共に使用するために開発することができる。これは、関連技術に比べてかなり低減されたコストで、アップグレード可能なシステムをもたらす。
【００３１】
[0040]次に、本発明の実施形態に詳細に言及し、実施形態の例が添付図面に例示される。
【００３２】
[0041]図３は、本発明の一実施形態によるマイクロインバータ及びゲートウェイを含む分散型コンバータを使用するグリッド連結光起電システムの図である。グリッド連結光起電システムは、それぞれマイクロインバータアセンブリ３０３に電気的及び機械的に結合された、屋外３１０に取り付けられた複数のＰＶモジュール３０２を含む。この実施形態では、ゲートウェイ３０５は、素子からのアクセス性及び保護のために、天候保護環境３１１内、例えば屋内に位置される。しかし、ゲートウェイ３０５を、屋外環境又は他の場所に位置することもできる。ゲートウェイ３０５は、第１のＡＣ配線３０４を介して複数のマイクロインバータ３０３からＡＣ電流を受け取る。ゲートウェイ３０５は、第２のＡＣ配線３０７を介して、グリッド３０１と、局所負荷３０６とに接続される。それにより、負荷３０６は、グリッド３０１に常に接続されている。ゲートウェイ３０５は、ＰＶシステムのＡＣ性能と、さらにまたグリッド３０１の電気的挙動との測定点を提供する。また、ゲートウェイ３０５は、マイクロインバータ３０３の制御及び監視を提供する。
【００３３】
[0042]図４は、本発明の別の実施形態による分散型コンバータのブロック図である。図４を参照すると、エネルギーを変換するためのシステムが、ＤＣ配線４０２、４１２を用いて分散型インバータ４１０に結合される第１の光起電モジュール４０１と第２の光起電モジュール４１１とを含む。分散型インバータ４１０は、ゲートウェイ４０６と、第１のマイクロインバータ４０４及び第２のマイクロインバータ４１４とに機能的に分割化される。第１のＰＶモジュール４０１は、第１のＤＣ配線４０２を介して第１のマイクロインバータ４０４に接続し、第２のＰＶモジュール４１１は、第２のＤＣ配線４１２を介して第２のマイクロインバータ４１４に接続する。追加のＰＶモジュールを、独立したＤＣワイヤを介して、関連の追加のマイクロインバータに接続することもできる。
【００３４】
[0043]全てのマイクロインバータのＡＣ出力が、ＡＣ配線４０５を介して並列にゲートウェイ４０６に接続される。ゲートウェイ４０６は、インターフェースユニット４０７と、制御ユニット４０８とを含む。インターフェースユニット４０７は、インターフェース配線４０９を介して制御ユニット４０８に接続されている。インターフェースユニットは、ＡＣ電力配線４２０を介して、商用グリッドに接続する。制御ユニットは、データ通信配線４２１又は無線データ通信チャネルを介して、外部モニタに接続する。
【００３５】
[0044]第１及び第２のマイクロインバータ４０４、４１４は、電力転換ユニットと、最大電力点追跡（ＭＰＰＴ）ユニットと、通信ユニットと、安全ユニットとを含む。電力転換ユニットは、関連のＰＶモジュールからのＤＣ電力を、ＡＣ電力に変換する。ＡＣ電力は、単相又は多相で発生されることがある。ＭＰＰＴユニットは、関連のＰＶモジュールの出力電力を検出し、ＰＶモジュールから利用可能な電力を最大にするように、ＰＶモジュールに加えられる負荷電圧を調節する。ＭＰＰＴユニット及び機能は、ＨｕｓｓｅｉｎＫ．Ｈ．、ＭｕｔｔａＩ．、ＨｏｓｈｉｎｏＴ．、及びＯｓａｋａｄａＭ．の「Ｍａｘｉｍｕｍｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｐｏｗｅｒｔｒａｃｋｉｎｇ：Ａｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒｒａｐｉｄｌｙｃｈａｎｇｉｎｇａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ」、ＩＥＥＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｎｄＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，Ｖｏｌ．１４２，Ｎｏ．１，１９９５年１月に記載されている。通信ユニットは、マイクロインバータ４０４、４１４とゲートウェイ４０６との間の両方向データ通信を提供する。ゲートウェイ４０６からマイクロインバータ４０４、４１４へのデータ通信は、例えば、電力変換制御、ステータス要求、故障防止遮断操作、及び他の関連データ操作を含む。マイクロインバータ４０４、４１４からゲートウェイ４０６へのデータ通信は、ＰＶモジュールＤＣ出力電圧及び電流データ、マイクロインバータＡＣ出力電圧及び電流データ、マイクロインバータ動作ステータス、及び他の関連データを含む。
【００３６】
[0045]安全ユニットは、ＰＶモジュール４０１、４１１からマイクロインバータ４０４、４１４へ、及びマイクロインバータ４０４、４１４からゲートウェイ４０６への電流をイネーブル又はディスエーブルにするための条件を確立する。安全ユニットの１つの安全機能は、インバータがグリッドを安全にドライブできるように、ＡＣ配線４０５で利用可能な商用グリッド電圧が仕様範囲内にあることを確認することである。適切なグリッド電圧仕様が満たされている場合、安全ユニットは、マイクロインバータ４０４、４１４を通る入力電流と出力電流との両方を可能にする。この第１の機能はゲートウェイ４０６によっても行われ、この機能は、ゲートウェイ４０６の主安全機能が故障した場合のバックアップ故障防止システムとして、マイクロインバータ４０４、４１４内部で二次的なものである。
【００３７】
[0046]安全ユニットの別の安全機能は、ゲートウェイ４０６からの通信信号を試験して、ＡＣ出力電流でドライブするのにグリッドが安全であることを示すことである。ゲートウェイが任意の手段によってディスエーブルにされた場合、ゲートウェイ４０６によって放出される通信信号がディスエーブルにされる。安全ユニットは、この状態を検出して、マイクロインバータ４０４、４１４の内外への全ての電流を即時にディスエーブルにする。ゲートウェイ４０６からの通信信号は、「ハートビート」と呼ばれ、グリッド故障、出火、又は他の安全上の問題が生じた場合にＰＶシステムＡＣ及びＤＣ電力の流れをディスエーブルにするための主故障防止機構を提供する。
【００３８】
[0047]安全ユニットのさらに別の安全機能は、ＰＶシステム全体がイネーブルにされた状態で、マイクロインバータ４０４、４１４の取外し及び再装着をサポートすることである。これは、ホットスワップと呼ばれ、マイクロインバータＤＣ配線４０２、４１２又はＡＣ配線４０５端子で発生することがある任意のアーク又は高電圧を抑制するために、マイクロインバータの取外し又は再装着の検出時にマイクロインバータ４０４、４１４が停止することを要する。マイクロインバータ端子での高電圧は、露出された端子が通電されているときにその端子に保守人員が接触することができないことを保証するための手段として抑制される。切断又はグリッド故障など、ＡＣ配線４０５でのＡＣ出力電圧が規定の条件を満たさない場合、又はＤＣ配線４０２、４１２でのＰＶモジュールＤＣ入力電圧が切断されていると考えられる場合に、マイクロインバータ４０４、４１４が停止する。
【００３９】
[0048]ゲートウェイ４０６は、上述のハートビートをマイクロインバータに提供する機能、マイクロインバータの出力を監視する機能、グリッドを監視する機能、及び他の関連の機能などを行うことによって、分散型インバータ４１０内の主制御装置として働く。ゲートウェイ４０６は、例えば、ゲートウェイが環境内での故障状態又は安全でない状態を検出したとき、保守作業を実施すべきとき、ＡＣ電力故障が生じたとき、及び／又は他の関連の動作状態のときに、ハートビートをオフに切り替えることができる。同様に、ゲートウェイ４０６が物理的に存在しない場合、それによりハートビートも存在せず、マイクロインバータのディスエーブルをもたらす。
【００４０】
[0049]ゲートウェイ４０６とマイクロインバータ４０４、４１４との間の通信は、ＡＣ配線４０５を介して、無線で、又は独立した配線など他の適切な手段によって行われることがある。ＡＣ配線を介する通信と無線通信とはどちらも、システム内でのＡＣ電力の伝達をサポートするために追加の配線がそれ以上必要とされないという利点を有する。ＡＣ配線４０５を介する通信の場合、ＡＣ配線４０５を利用する通信機能を行うために、ゲートウェイ４０６とマイクロインバータ４０４、４１４との両方の内部に、有線変調器／復調器下位機能を備えている。
【００４１】
[0050]この実施形態では、ゲートウェイ４０６の機能は、インターフェースユニット４０７と、制御ユニット４０８とに分割される。インターフェースユニット４０７は、センサユニットと、通信ユニットと、隔離ユニットとを含む。センサユニットは、例えば、グリッドＡＣ電圧、電流、周波数、位相、及び他の関連のグリッド信号特性を動的に測定するために、グリッド状態を動的に監視する手法を提供する。さらに、通信ユニットは、接続されたマイクロインバータ４０４、４１４にデータを送信するため、及びマイクロインバータ４０４、４１４からデータを受信するための手段を提供する。隔離ユニットは、マイクロインバータ４０４、４１４とゲートウェイ４０６との間のデータ通信がグリッド配線４２０又はグリッドに現れるのを実質的に防止する。同様に、所望のグリッドＡＣ電力電圧及び電流以外の雑音及び他の信号が、マイクロインバータ４０４、４１４とゲートウェイ４０６との間のＡＣ配線４０５に現れるのを実質的に防止される。
【００４２】
[0051]制御ユニット４０８は、マイクロインバータ４０４、４１４を監視するための監視及び制御機能を提供する。制御の幾つかは、少なくとも、安全機能と、マイクロインバータ４０４、４１４をグリッドに同期させるための同期機能と、マイクロインバータ４０４、４１４及び商用グリッドを監視するための監視機能とを制御することを含む。さらに、制御ユニット４０８は、グリッド同期と、通信プロトコルと、グリッド接続性能準拠と、システム監視とを提供する。制御ユニットは、コンピュータ又はマイクロコントローラによって実装することができる。
【００４３】
[0052]この実施形態では、ハートビートの発生、マイクロインバータの監視、グリッドの監視、及び任意のＡＣ負荷の監視などの機能を実施するために、ソフトウェア及びファームウェアが制御ユニット４０８で実行される。前述した通信システムを使用して、制御ユニット４０８は、各マイクロインバータ４０４、４１４に、個別に、サブセットで、又は集合全体としてアドレスすることができる。
【００４４】
[0053]例えば、一実施形態では、制御ユニット４０８は、マイクロインバータ４０４、４１４のＡＣ出力の周波数及び位相をグリッドＡＣ電力に合致させるための同期信号を提供する。また、ハートビート故障防止が、制御ユニット４０８で実施される。他の機能は、各マイクロインバータ及び各ＰＶモジュールの健康状態及び生産性を監視することを含むことがある。
【００４５】
[0054]また、制御ユニット４０８は、グリッド故障の検出、単独運転防止検出、単独運転防止検出で利用されるパラメータの調節、及び関連の機能など、グリッド関連プロトコルを実施する。将来のスマートグリッドを実装するために、新規のグリッド関連プロトコルが定義され、グリッドオペレータは、グリッド接続ＰＶシステムの制御システムをイネーブル、ディスエーブル、又は修正することができる。マイクロインバータ４０４、４１４に対する変更を要さずに将来のグリッド定義制御及び通信プロトコルに適合するように、制御ユニット４０８は、柔軟なハードウェア、ソフトウェア、及びファームウェアによって構成される。
【００４６】
[0055]また、ゲートウェイ４０６は、全体として、同じマイクロインバータ４０４、４１４を利用したままでハードウェア、ソフトウェア、又はファームウェアを変更することによって、将来のシステム要件をサポートするようにアップグレードすることができる。ゲートウェイ４０６のグリッド接続４２０のために、制御ユニット４０８は、グリッドプロトコル又は他の外部源によって指示される負荷管理機能を行うことができる。関連技術の監視及び表示機能も、制御ユニット４０８で実装することができる。
【００４７】
[0056]配線４０９が、インターフェースユニット４０７と制御ユニット４０８との間での全てのデータを搬送する。外部モニタからゲートウェイ４０６への外部通信は、通信配線４２１、又は無線通信など他の通信手段を介して行われる。これは、ゲートウェイ４０６の動作を外部から監視して制御するために使用され、インターネット接続又は他の遠隔通信手段を介するシステム遠隔制御を可能にする。
【００４８】
[0057]マイクロインバータ４０４、４１４の内部で行われる機能を減少することによって、所要のマイクロインバータ複雑性の低減が実現され、それにより、関連技術に比べて、マイクロインバータのより簡単な実装、並びに信頼性の向上、寿命の延長、及びコストの削減をもたらす。特に、例えばＩＥＥＥ規格ＩＥＥＥ−１５４７によって定義されるグリッド接続仕様に準拠するように単独運転防止機能をサポートするための精密グリッド信号測定要件をマイクロインバータからなくすことで、マイクロインバータから、かなりの複雑性、経費、及び寿命制限構成要素がなくなる。
【００４９】
[0058]ＩＥＥＥ規格ＩＥＥＥ−１５４７及び世界中で使用されている関連の規格は、グリッドがインバータによってドライブされる限られた状況を定義した。グリッド配線の断線が生じた場合、インバータは、グリッドの非接続ブランチ内に電力をドライブし続けることがある。主グリッド発生器が電力をもはや印加しないこの領域は、単独系統と呼ばれる。安全面と技術面との両方の理由から、ＩＥＥＥ−１５４７規格により、インバータは、そのような状況下でその出力電力をディスエーブルにして、グリッド内の単独系統をドライブしないように要求される。これは、単独運転防止として知られている。ゲートウェイ４０６は、規定の単独運転状態を検出するのに主要な役割を果たし、関連のインバータ遮断コマンドをマイクロインバータ４０１、４１１に通信して、単独運転防止機能を実施する。単独運転防止遮断のための例示的なグリッド条件は、非常に高いグリッド電圧、低いグリッド電圧、高いグリッド周波数、低いグリッド周波数、又はグリッドインピーダンスの大きな変化である。グリッドは、通常、低いインピーダンスであり、したがって、通常のグリッドインピーダンス変化は、単独系統が生じるときに増加する。
【００５０】
[0059]また、図４のシステムは、風力タービン、燃料電池、バッテリ、及び他の電源など、ＰＶモジュール４０１、４１１以外の一次又は二次電源に関する電力を変換するために使用することができる。
【００５１】
[0060]図５は、本発明の別の実施形態によるＰＶシステムのブロック図である。第１のＰＶモジュールストリング５０１が、直列に接続された第１のＰＶモジュール５０２と、第２のＰＶモジュール５０３と、第３のＰＶモジュール５０４とを含む。ＰＶモジュールストリング５０１からの第１の出力ＤＣワイヤ５０５と第２のＤＣ出力ワイヤ５０６とが、第１のストリングインバータ５２１に接続される。第２のＰＶモジュールストリング５１１が、直列に接続された第４のＰＶモジュール５１２と、第５のＰＶモジュール５１３と、第６のＰＶモジュール５１４とを含む。ＰＶモジュールストリング５１１からの第３の出力ＤＣワイヤ５１５と第４のＤＣ出力ワイヤ５１６とが、第２のストリングインバータ５２２に接続される。第１のストリングインバータ５２１と第２のストリングインバータ５２２とのＡＣ出力は、ＡＣ配線５２３を介して並列にゲートウェイ５２４に接続される。ＰＶモジュールストリング５０１、５１１は、直列接続された任意の数のＰＶモジュールを含むことができる。任意の数のＰＶモジュールを、このシステムにおける関連のストリングインバータと関連付けて使用することができる。
【００５２】
[0061]ＰＶモジュールストリング５０１、５１１は、関連技術の場合のように同数のＰＶモジュール５０２、５０３、５０４、５１２、５１３、５１４を含む必要はない。これは、ストリング５０１、５１１間でストリングＤＣ出力電圧が合致される必要がない単純なストリング設計の利益を提供する。さらに、ＭＰＰＴは、ストリングごとに行われることがあり、したがって、等しい長さのストリングが並列に接続される関連技術の場合のように１つのストリングが別のストリングの性能を劣化させることがない。この構成は、従来のインバータよりも大きいが、マイクロインバータよりも小さいＡＣ電力回収を提供する可能性がある。
【００５３】
[0062]分散型インバータ５２０は、ゲートウェイ５２４と、ストリングインバータ５２１、５２２とに機能的に部分化（分割化）される。この実施形態でのゲートウェイ５２４の機能は、本明細書で説明したゲートウェイ４０６の機能と同じである。ゲートウェイ５２４は、インターフェースユニット５２５と、制御ユニット５２６とを含み、それらはどちらも、本明細書で図４を参照して説明したものと同じである。したがって、図５においてマルチストリングインバータ５２１、５２２からゲートウェイ５２４を分割化する利点は、図４においてマイクロインバータ４０４、４１４からゲートウェイ４０６を分割化する利点と実質的に同様である。例えば、それらの利点は、安全のためのハートビートの使用と、ストリングインバータのアップグレード性から独立したゲートウェイのアップグレード性とを含む。この実施形態では、マルチストリングインバータ５２１、５２２は、ゲートウェイの近くに、過酷な屋外環境から離して配置される。全てのストリングインバータ５２１、５２２のＡＣ出力が、ＡＣ電力配線５２３を介して並列にゲートウェイに接続される。ゲートウェイ５２４は、配線５３０を介してグリッドに接続される。外部モニタからゲートウェイ５２４への外部通信は、通信配線５３１、又は無線通信など他の通信手段を介して行われる。これは、ゲートウェイ５２４の動作を外部から監視して制御するために使用され、インターネット接続又は他の遠隔通信手段を介するシステム遠隔制御を可能にする。
【００５４】
[0063]図６は、本発明の別の実施形態によるＰＶシステムのブロック図である。第１のＰＶモジュールストリング６０１が、直列に接続された第１のＰＶモジュール６０２と、第２のＰＶモジュール６０３と、第３のＰＶモジュール６０４とを含む。ＰＶモジュールストリング６０１からの第１の出力ＤＣワイヤ６０５と第２のＤＣ出力ワイヤ６０６とが、ＤＣ結合器６２１に接続される。第２のＰＶモジュールストリング６１１が、直列に接続された第４のＰＶモジュール６１２と、第５のＰＶモジュール６１３と、第６のＰＶモジュール６１４とを含む。ＰＶモジュールストリング６１１からの第３の出力ＤＣワイヤ６１５と第４のＤＣ出力ワイヤ６１６とが、ＤＣ結合器６２１に接続される。
【００５５】
[0064]ＤＣ結合器からの第１のＤＣ出力６２２と第２のＤＣ出力６２３とは、インバータ６２４のＤＣ出力に接続する。インバータ６２４のＡＣ出力は、他のインバータと並列に、ＡＣ配線６２５を介してゲートウェイ６２６に接続される。ＰＶモジュールストリング６０１、６１１は、直列に接続された任意の数のＰＶモジュールを含むことができる。任意の数のＰＶモジュールストリングを、関連のＤＣ結合器と関連付けて使用することができる。複数のインバータ６２４が使用されることがあり、出力は、システム内で並列に接続される。
【００５６】
[0065]この実施形態では、ＰＶモジュールストリング６０１、６１１は、共通のＤＣ結合器６２１に接続されるときに、等しい長さでなければならない。この方式は、当業者に知られている従来のインバータの接続と一致する。インバータ６２４のＡＣ出力は、ＡＣ電力配線６２５を介して並列にゲートウェイ６２６に接続される。
【００５７】
[0066]さらに、インバータ６２４は、制御機能がインバータ内部ではなくゲートウェイ６２６内に実装されること以外は、当業者に知られている従来のインバータと同様である。この実施形態でのゲートウェイ６２６の機能は、図４に示される実施形態でのゲートウェイの機能と実質的に同様である。ゲートウェイ６２６は、インターフェースユニット６２７と、制御ユニット６２８とを含み、それらはどちらも、本明細書で図４を参照して論じたものと同じである。したがって、インバータと制御装置との開発サイクルを分離することができ、インバータを変更せずに、システム性能を改善し、アップグレードすることができる。ゲートウェイ６２６は、配線６３０を介してグリッドに接続される。外部モニタからゲートウェイ６２６への外部通信は、通信配線６３１、又は無線通信など他の通信手段を介して行われる。これは、ゲートウェイ６２６の動作を外部から監視して制御するために使用され、インターネット接続又は他の遠隔通信手段を介するシステム遠隔制御を可能にする。
【００５８】
[0067]図７は、本発明の別の実施形態によるＰＶシステムを示すブロック図である。図７を参照すると、分散型インバータは、図４で具現化された概念に基づいて、ゲートウェイ７１２を含む。ゲートウェイ７１２は、インターフェースユニットと、制御ユニットとを含み、それらはどちらも、本明細書で図４を参照して論じたものと同じである。
【００５９】
[0068]第１のチェーン７０３で、ＰＶモジュール７０１が、マイクロインバータ７０２に個々に結合され、第２のチェーン７０８で、ＰＶモジュール７０７が、マイクロインバータ７０６に個々に結合される。マイクロインバータ７０２の出力は、互いに並列に接続され、ＡＣワイヤ７０４を介してＡＣ回路遮断器７０５に、さらにＡＣ配線７１１に接続される。マイクロインバータ７０６の出力は、互いに並列に接続され、ＡＣワイヤ７０９を介してＡＣ回路遮断器７１０に、さらにＡＣ配線７１１に接続される。
【００６０】
[0069]ＡＣ配線７１１は、ゲートウェイ７１２及びＡＣカットオフ７１３に接続され、さらにＡＣ配線７１４を介してグリッドに接続される。構成要素、並びに配線７０４、配線７１１、配線７１０、ＡＣカットオフ７１３、及び配線７１４は、従来のＡＣ電気構成要素であり、それらの選択及び設置は、当業者の理解と一致することに留意されたい。
【００６１】
[0070]図７は、分散型インバータを使用する設備のスケーラビリティを例示する。階層及び複製ゲートウェイの概念が、それ自体、同じゲートウェイ７１２に対する追加のチェーンの概念と同様に、はるかに大容量のシステムを示唆する。一般性を失うことなく、マイクロインバータの出力は、単相ＡＣ、分相ＡＣ、又は多相ＡＣであることがある。
【００６２】
[0071]図８は、本発明の別の実施形態によるＰＶシステムを示すブロック図である。図８を参照すると、分散型インバータは、図５で具現化された概念に基づいて、ゲートウェイ８１６と、複数のマルチストリングインバータとを含む。ゲートウェイ８１６は、図５で説明したゲートウェイと同じである。したがって、アップグレード性、安全機能、及び性能向上の利益も、同様となりうる。複数のＰＶモジュール８０１が、第１の直列ストリング内で接続され、ＤＣ配線８０２を介して第１のストリングインバータ８０３に結合される。複数のＰＶモジュール８０５が、第２の直列ストリング内で接続され、ＤＣ配線８０６を介して第２のストリングインバータ８０７に結合される。複数のＰＶモジュール８０９が、第３の直列ストリング内で接続され、ＤＣ配線８１０を介して第３のストリングインバータ８１１に結合される。
【００６３】
[0072]第１のストリングインバータ８０３のＡＣ出力は、ＡＣ回路遮断器８０４を介してＡＣ配線８１４に結合される。第２のストリングインバータ８０７のＡＣ出力は、ＡＣ回路遮断器８０８を介してＡＣ配線８１４に結合される。第３のストリングインバータ８１１のＡＣ出力は、ＡＣ回路遮断器８１２を介してＡＣ配線８１４に結合される。
【００６４】
[0073]ＡＣ配線８１４は、ゲートウェイ８１６及びＡＣカットオフ８１５に接続され、さらにＡＣ配線８１８を介してグリッドに接続される。任意選択で、インバータ８０３、８０７、８１１とＡＣ回路遮断器８０４、８０８、８１２とを共通のエンクロージャ８１３内に配置させることができ、設置を単純化し、環境の影響からインバータ及び回路遮断器を保護する。ストリング内のＰＶモジュール、ストリング、ストリングインバータ、及びＡＣ回路遮断器の数を増加させることによって、システムを拡張させることができる。
【００６５】
[0074]図９は、本発明の別の実施形態によるＰＶシステムを示すブロック図である。図９を参照すると、分散型コンバータは、図６で具現化された概念に基づいて、ゲートウェイと、複数のインバータとを含む。ゲートウェイ９１７は、図６で説明したゲートウェイと同じである。したがって、アップグレード性、安全機能、及び性能向上の利益も同様となりうる。複数のＰＶモジュール９０１が、第１の直列ストリング内で接続され、ＤＣ配線９０２を介して第１のＤＣ結合器９０３に結合される。複数のＰＶモジュール９０６が、第２の直列ストリング内に接続され、ＤＣ配線９０７を介して第１のＤＣ結合器９０３に結合される。複数のＰＶモジュール９０８が、第３の直列ストリング内に接続され、ＤＣ配線９０９を介して第２のＤＣ結合器９１０に結合される。複数のＰＶモジュール９１３が、第４の直列ストリング内に接続され、ＤＣ配線９１４を介して第２のＤＣ結合器９１０に結合される。
【００６６】
[0075]第１のＤＣ結合器９０３のＤＣ出力は、第１のインバータ９０４のＤＣ入力に接続される。第１のインバータ９０４のＡＣ出力は、ＡＣ回路遮断器９０５を介してＡＣ配線９１５に結合される。第２のＤＣ結合器９１０のＤＣ出力は、第２のインバータ９１１のＤＣ入力に接続される。第２のインバータ９１１のＡＣ出力は、ＡＣ回路遮断器９１２を介してＡＣ配線９１５に結合される。
【００６７】
[0076]ＡＣ配線９１５は、ゲートウェイ９１７及びＡＣカットオフ９１６に接続され、さらにＡＣ配線９１８を介してグリッドに接続される。任意選択で、インバータ９０４、９１１と、ＤＣ結合器９０３、９１０と、ＡＣ回路遮断器９０５、９１２とを共通のエンクロージャ（図示せず）内に配置させることができ、設置を単純化し、環境の影響からそれらを保護する。
【００６８】
[0077]本発明の精神又は範囲から逸脱することなく、本発明に様々な修正及び変形を施すことができることが当業者には明らかであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲及びそれらの等価箇所の範囲内に入るという条件の下で、本発明の修正形態及び変形形態を包含するものと意図される。

Claims

ゲートウェイを備える、エネルギー変換で使用するためのシステムであって、
前記ゲートウェイが、
インバータを商用グリッドに結合するためのインターフェースユニットであって、前記インバータと前記商用グリッドとに接続されるインターフェースユニットと、
前記インターフェースユニットを介して前記インバータの動作を制御するための制御ユニットであって、該制御ユニットは前記インターフェースユニットに結合され、該制御ユニットは、商用グリッド関連プロトコルに準拠する機能を実施し、該制御ユニットは、前記インバータなしに前記インターフェースユニットによって前記商用グリッドのグリッド状態を動的に監視し、前記機能に関連するグリッド状態を検出すると、前記インターフェースユニットを介して前記インバータの出力電力をディスエーブルする、制御ユニットと、を備え、
前記インターフェースユニット及び前記制御ユニットが前記インバータから機能的に分割化されており、それにより前記インターフェースユニット又は前記制御ユニットの少なくとも一方の機能を、前記インバータとは無関係にアップグレードすることができる、システム。
前記インターフェースユニットが、
動的の商用グリッド状態を監視するためのセンサユニットと、
前記インバータ及び前記制御ユニットと通信するためのゲートウェイ通信ユニットと、
前記インバータからの通信信号の少なくとも一部が前記商用グリッドに現れるのを防止するための隔離ユニットと
を備える、請求項１に記載のシステム。
前記制御ユニットが、さらに、
（ｉ）前記インバータを前記商用グリッドに同期させるように、
（ｉｉ）前記インバータを監視するように、且つ
（ｉｉｉ）商用グリッド関連プロトコルを実施するように
構成されている、請求項１に記載のシステム。
さらに、前記インバータを備える、請求項１に記載のシステム。
前記インバータが、
ＤＣ電流をＡＣ電流に転換するための転換ユニットと、
少なくとも１つの結合されたＤＣ電流源からの電力出力を最適化するための最大電力点追跡（ＭＰＰＴ）ユニットと、
前記ゲートウェイと通信するためのインバータ通信ユニットと、
安全機能を提供するためのインバータ安全ユニットと
を備える、請求項４に記載のシステム。
前記ゲートウェイ通信ユニットが、無線通信、有線通信、又は電力線通信の少なくとも１つに適合された、請求項２に記載のシステム。
前記インバータ安全ユニットが、前記ゲートウェイ又は前記少なくとも１つの結合されたＤＣ電流源の少なくとも１つから前記インバータが電気的に結合解除されたのを検出した時に、前記インバータをディスエーブルにすることができる、請求項５に記載のシステム。
前記インバータ安全ユニットが、前記ゲートウェイからの信号に基づいて、前記インバータをディスエーブルにすることが可能である、請求項５に記載のシステム。
前記ゲートウェイが、少なくとも１つの安全状態に基づいて、前記信号を発生する、請求項８に記載のシステム。
前記少なくとも１つの安全状態が、低いグリッド電圧、高いグリッド電圧、低いグリッド周波数、高いグリッド周波数、又はグリッドインピーダンスの所定の変化の少なくとも１つを含む、請求項９に記載のシステム。
前記インバータが、マイクロインバータである、請求項５に記載のシステム。
エネルギー変換システムで使用するための装置であって、
商用グリッドに少なくとも１つのインバータを結合させるための手段であって、前記少なくとも１つのインバータと前記商用グリッドとに接続される手段と、
商用グリッドに少なくとも１つのインバータを結合させるための前記手段を介して前記少なくとも１つのインバータの動作を制御するための手段であって、少なくとも１つのインバータの動作を制御するための該手段は、商用グリッドに少なくとも１つのインバータを結合させるための前記手段に結合され、少なくとも１つのインバータの動作を制御するための該手段は、商用グリッド関連プロトコルに準拠する機能を実施し、少なくとも１つのインバータの動作を制御するための該手段は、前記少なくとも１つのインバータなしに商用グリッドに少なくとも１つのインバータを結合させるための前記手段によって前記商用グリッドのグリッド状態を動的に監視し、前記機能に関連するグリッド状態を検出すると、商用グリッドに少なくとも１つのインバータを結合させるための前記手段を介して前記少なくとも１つのインバータの出力電力をディスエーブルする、手段と
を備え、
商用グリッドに少なくとも１つのインバータを結合させるための前記手段と、前記少なくとも１つのインバータの動作を制御するための前記手段と、が前記少なくとも１つのインバータから機能的に分割化されており、それにより、少なくとも１つのインバータを結合させるための前記手段又は前記少なくとも１つのインバータの動作を制御するための前記手段の少なくとも一方の機能を、前記少なくとも１つのインバータとは無関係にアップグレードすることができる、装置。
。
少なくとも１つのインバータを結合させるための前記手段が、
動的な商用グリッド状態を監視するための手段と、
前記少なくとも１つのインバータと通信するための手段、及び前記少なくとも１つのインバータの動作を制御するための手段と、
前記少なくとも１つのインバータからの通信信号の少なくとも一部が前記商用グリッドに現れるのを防止するための手段と
を備える、請求項１２に記載の装置。
前記少なくとも１つのインバータの動作を制御するための前記手段が、さらに、
（ｉ）前記少なくとも１つのインバータを前記商用グリッドに同期させるように、
（ｉｉ）前記少なくとも１つのインバータを監視するように、且つ
（ｉｉｉ）商用グリッド関連プロトコルを実施するように
構成されている、請求項１３に記載の装置。
前記少なくとも１つのインバータの動作を制御するための前記手段が、さらに、少なくとも１つの安全状態に基づいて、前記少なくとも１つのインバータを介する電流を制御するための信号を発生するように構成された、請求項１３に記載の装置。