JP2010528577A - 太陽エネルギーのインバータのためのコモンモードフィルタシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

太陽電池システム、方法および装置が開示されている。例示的な実施形態において、該システムは、太陽電池アレイと、需要サイドのエネルギー消費者の構内で電力を分配する配電システムと、該太陽電池アレイからのＤＣ電力をＡＣ電力に変換し、かつ該ＡＣ電力を該配電システムに印加するように構成されている、該配電システムに結合されたインバータと、該インバータから引き出される高周波電圧を制動するように構成されたダンピング部分と、該ダンピング部分を通る低周波電流のレベルを低減するように構成されている、該ダンピング部分に結合されたトラッピング回路網とを含む。

Description

（優先権）
本出願は、２００７年５月２３日に出願された仮特許出願第６０／９３９，８０７号、発明の名称「ＣＯＭＭＯＮ ＭＯＤＥ ＦＩＬＴＥＲ ＦＯＲ ＳＯＬＡＲ ＩＮＶＥＲＴＥＲ」に対する優先権を主張するものであり、該仮特許出願の全体は、参考として本明細書中に援用されている。

（発明の分野）
本発明は、概して、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換するための装置および方法に関し、より具体的には、太陽エネルギーの電気エネルギーへのより効率的な変換のための装置および方法に関する。

（発明の背景）
太陽電池（ＰＶ）エネルギーシステムにおいて、インバータは、太陽電池パネルによって生成されるＤＣ電気エネルギーをＡＣ電気エネルギーに変換するために用いられ、該ＡＣ電気エネルギーは、住宅用、商業用、工業用の構内、および地表に設置された大型のソーラーファーム（ｆａｒｍ）のインフラに組み込まれるＡＣ配電システムと互換性がある。

一般に、インバータは、ハード的に接地され（ｈａｒｄ ｇｒｏｕｎｄｅｄ）（例えば、インバータＤＣ入力の負のレールに）、そして絶縁トランスが、インバータとともに利用されることにより、インバータを構内のＡＣ電力システムから直流的に絶縁し、かつ電圧比の変更を提供する。しかしながら、トランスは、追加の非効率性、複雑性、重量および実質的なコストをインバータに対して付加する。

ユーティリティとの専用の接続を保証するのに十分に大型のインバータ用途にとっては（例えば、インバータをユーティリティ自体の中間電圧供給に接続しているユーティリティトランス）、一体化して提供されたトランスを製品から除去することはしばしば可能である。「トランスレス」として購入されるが、そのようなインバータの動作は、伝統的な方法でハード的に接地されたＰＶアレイ構成を考慮すると、まだ絶縁トランスの存在に基づいている。販売されるときに、トランスがこれらのインバータと一体化されていないので、インバータは「トランスレス」であるとして市場で売買されるが、構内の配電システム（例えば、４８０／２７７ＶＡＣ）はまだ、ユーティリティトランスによってインバータから絶縁されている。その結果として、これらの「トランスレス」インバータは、絶縁に対してトランスをまだ頼りにしており、中間電圧（例えば、４１６０Ｖから１３ＫＶ）トランスが構内に存在する場合には、一般に設置が制限される。

何らの絶縁トランスに依存しない動作を意図される大型のＰＶインバータ（例えば、１０ｋＷよりも大きいインバータ）は今のところ存在しない。現在利用可能な機器はまた、４８０Ｖの三相ＡＣへの直接的な逆変換を可能にするのではなくむしろ、一体化して提供されるトランスによって、４８０ボルトなどのより有用な電圧に比率が変更されたかなり低い電圧への逆変換を可能にする。従って、システムおよび方法が、現在の技術の不足分に取り組み、そして他の新しく、かつ革新的な機能を提供するために必要である。

（発明の概要）
図面において示される本発明の例示的な実施形態が以下で要約される。これらの実施形態および他の実施形態は、詳細な説明の節においてさらに完全に記載される。しかしながら、この発明の概要または詳細な説明において記載される形態に本発明を限定する意図が全くないことが理解されるべきである。当業者は、特許請求の範囲において表現されるような本発明の精神および範囲の内にある数多くの修正、均等物および代替の構造が存在することを認識し得る。

一実施形態において、本発明は、太陽電池システムとして特徴付けられ得、該太陽電池システムは、太陽電池アレイと、需要サイドのエネルギー消費者の構内で電力を分配する配電システムと、該太陽電池アレイからのＤＣ電力をＡＣ電力に変換し、かつ該ＡＣ電力を該配電システムに印加するように構成されている、該配電システムに結合されたインバータと、該インバータから引き出された高周波電圧を制動するように構成されたダンピング部分と、該ダンピング部分を通る低周波電流のレベルを低減するように構成されている、該ダンピング部分に結合されたトラッピング回路網とを含む。

別の実施形態において、本発明は、電力変換デバイスとして特徴付けられる。本実施形態において、該電力変換デバイスは、ＤＣ電力を受け取るように適合された入力と、該ＤＣ電力をＡＣ電力に変換するように構成されたインバータ部分と、該ＡＣ電力を需要サイドのエネルギー消費者の構内の配電システムに印加するように適合された出力と、該インバータ部分が絶縁トランスなしで該配電システムと結合することを可能にするように、該インバータから引き出される高周波電圧を制動するように構成されたダンピング部分と、該ダンピング回路を通る低周波電流のレベルを低減するように構成されたトラッピング部分とを備える。

また別の実施形態において、本発明は、電力を需要サイドのエネルギー消費者の構内の配電システムに印加するための方法として特徴付けられる。本実施形態において、該方法は、ＤＣ電力を再生可能なエネルギー源から生成することと、該ＤＣ電力をＡＣ電力に変換することと、該ＡＣ電力を上記構内の上記配電システムに直接的に印加することと、該配電システムおよび上記ＰＶアレイに伝搬する高周波電圧の量を低減するように高周波電圧をフィルタリングすることとを含む。

前に述べたように、上記の実施形態および実装は、例示目的のためだけである。本発明の数多くの他の実施形態、実装および詳細が、当業者によって以下の説明および特許請求の範囲から容易に認識される。

本発明の様々な目的および利点およびより完全な理解が、添付の図面とともに考慮されるときに、以下の詳細な説明および添付の特許請求の範囲への参照によって明らとなり、さらに容易に認識される。
図１は、太陽電池システムの例示的な実施形態を図示しているブロック図である。 図２は、図１を参照して記載されたインバータの例示的な実施形態の概略図である。 図３は、図１および図２を参照して記載された実施形態とともに利用され得る実施形態の概略図である。 図４は、図１および図２を参照して記載された実施形態とともに利用され得る別の実施形態の概略図である。 図５は、例示的なインバータシステムのアーキテクチャを図示しているブロック図である。 図６は、図１〜図５を参照して論じられる実施形態とともに実行され得る例示的な方法を図示しているフローチャートである。

（詳細な説明）
最初に図１を参照すると、本発明の例示的な一実施形態のブロック図が示される。示されるように、本実施形態において、太陽電池パネルの第一の組１０２および第二の組１０４は、インバータ１０８に結合される双極パネルアレイ１０６を作り出すために配列され、インバータ１０８は、パネルアレイ１０６と配電システム１１０との間に配置される。示されるように、本実施形態における配電システム１１０は、そのスター結線の交点において接地されている４８０／２７７の三相トランス１１２へのＹ結線で構成された中間電圧の２次側に結合されている。

図１に図示された構成要素の例示的な配置は、論理的であり、実際のハードウェアの図であることを意味していない。従って、追加の構成要素が、追加されるかまたは実際の実装において図示されている構成要素と組み合わされ得る。本明細書中の開示に照らすと、構成要素が、当業者によって容易に実装され得ることもまた認識されるべきである。

一例として、インバータ１０８は、アレイ１０６に直接的に結合するように図示されているが、これは確かに必要とはされない。一部の実施形態において、ＰＶインタフェースは、例えば、アレイ１０６とインバータ１０８との間に挿入される。これらの実施形態において、ＰＶインタフェースは概して、より低い電圧で動作するように設計されるインバータ１０８が、ＰＶアレイ１０６とともに利用されることを可能にするように動作し、該ＰＶアレイ１０６は、インバータ１０８の設計された動作電圧を超える電圧で、時間の少なくとも一部分（例えば、無負荷の間）において動作する。参考として本明細書中に援用される、米国出願第１１／９６７，９３３号、発明の名称「Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｄｅｖｉｃｅ， Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ」は、本発明の１つ以上の実施形態とともに利用され得る例示的なＰＶインタフェースを開示する。

概して、太陽電池アレイ１０６は、太陽エネルギーをＤＣ電力に変換し、該ＤＣ電力は、インバータ１０８によってＡＣ電力（例えば、三相の電力）に変換される。示されるように、インバータ１０８によって出力されたＡＣ電力は、配電システム１１０に印加され、該配電システム１１０は、多くの実施形態において、需要サイドのエネルギー消費者（例えば、商業のエンティティ、工業のエンティティ、または住宅用ユニットの集合）の三相の配電システムである。しかしながら、他の実施形態において、配電システム１１０は、ユーティリティ配電システムの一部分であることが企図される。例示的な実施形態におけるトランス１１２は、配電システム１１０を電気の公益事業会社によって提供される中間電圧の電力に結合するように構成される。

一部の実施形態において、アレイ１０６内のセルは、無負荷状態において１２００ボルトで動作し、負荷状態において６６０ボルトと９６０ボルトとの間で動作する結晶（例えば、単結晶または多結晶）シリコンを含む。また、他の実施形態において、アレイは、無負荷状態において１４００ボルトで動作し、負荷状態においておよそ９００ボルトで動作するアモルファスシリコンを備えるセルを含む。しかしながら、当業者は、太陽電池アレイ１０２が、様々な異なる構成において配置される様々な異なるタイプの太陽電池セルを含み得ることを認識するであろう。例えば、太陽電池セルは、並列か、直列か、またはそれらの組み合わせにおいて配列され得る。

図示されているように、第一のパネルの組１０２および第二のパネルの組１０４が連結され、そして示されるように、一部の実施形態において、第一のパネルの組１０２および第二のパネルの組１０４が、インバータ１０８の外側で連結される。これらの実施形態において、比較的低電流用の大きさの線（図示されない）が、第一のパネルの組１０２と第二のパネルの組１０４との間の連結点１１４を夜間にヒューズを介して接地するように結合することが企図される。この接続はリレーによって行われ、その結果、アレイが電力を生成していないときには、従来の態様でアレイを参照する。

本実施形態は、第一のパネル１０２および第二のパネル１０４の連結点１１４と接地との間で１つ低いゲージのワイヤを利用することによる利益を有し、従って、より低コストとなる。参考として本明細書中に援用される、米国出願第１２／０２２，１４７号、発明の名称「Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｇｒｏｕｎｄ Ｆａｕｌｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｏｎ」は、本発明の実施形態とともに利用され得る他の技術的な進歩の間で、パネル（例えば、第一のパネルの組１０２および第二のパネルの組１０４）を連結するための技術を開示する。

しかしながら、他の実施形態において、第一のパネルの組１０２および第二のパネルの組１０４は、インバータ１０８の動作の間に閉じられるノーマリオープンのスイッチを介してインバータ１０８内で連結される。

有益にも、図１に図示された実施形態は、典型的なアプローチと異なり、インバータ１０８と配電システム１１０との間に別個の絶縁トランスを含まず、その結果として、システムの効率が増大する一方で、インバータ１０８のコスト、サイズおよび重量が減少する。

さらに、複数のインバータが、絶縁トランスなしで並んで配置され得る。また有益にも、並んで配置され得るインバータの数は、事実上無限であり、インバータは、便利な位置に（例えば、建物への電力の入口地点から離れて）配置され得る。

次に図２を参照すると、図１に図示されたインバータ１０８の例示的な実施形態が示される。示されるように、本実施形態におけるインバータは、直列に整列された、接地障害部分と、接続解除コンタクタと、サージ保護と、コモンモードチョークと、インバータ部分と、ラインリアクトルと、ＡＣコンタクタと、ＥＭＩフィルタとを含む。さらに、駆動盤が、インバータと制御コンピュータとの間を結合するように示され、制御コンピュータは、前面扉インタフェースと、データ報告用コンピュータと、イーサネット（登録商標）インタフェースと、無線インタフェースとを含むインバータインタフェースに結合される。

図示されているように、本実施形態においては、コモンモードチョークが、コンバータのＤＣ側に配置されているが、このことは必要とはされておらず、他の実施形態においては、コモンモードチョークが、インバータのＡＣ側に配置され得る。地面に対する太陽電池アレイのキャパシタンスは、インバータの望ましくない不安定性を引き起こし得ることが見出されている。フィルタリング構成要素（例えば、コモンモードチョークおよび他のフィルタ構成要素）の追加が、この望ましくない挙動を防止する。

本明細書中にさらに論じられるように、インバータと配電システム（例えば、配電システム１１０）との間に通常挿入される絶縁トランスを取り除くことは、太陽電池システムに伝搬する高周波（例えば、１８ｋＨｚ）のコモンモード電圧をもたらし得ることがまた見出されている。これらの高周波電圧は、インバータのスイッチング周波数に依存して、周波数が変化し得るが、該高周波電圧は、配電システムまたは配電システム内の他の負荷に結合され得る他のインバータに関して不都合な結果を作り出し得る。

さらに、高周波電圧がフィルタリングされるときには、パルス幅変調の飽和に由来する１８０Ｈｚの電圧はまた、高周波フィルタを介して伝搬し得ることが見出されており、その電圧は、かなりのエネルギー損失および発熱を作り出す。さらに、６０Ｈｚの電圧変動が、例えば非対称な負荷に起因して、配電システムを介して伝搬し得る。

その結果として、例示的な実施形態におけるコモンモードチョークが、高周波電圧（例えば、１８ｋＨｚ）を除去するためのダンピング回路網とともに実装され、ダンピング回路網を介する１８０Ｈｚの電圧の流れを防止するための低周波（例えば、１８０Ｈｚ）トラップとともに実装される。

図３を参照すると、例えば、ダンパネットワーク３０４および並列共振タンク回路３０６とともに用いられるコモンモードチョーク３０２の概略図が示され、該並列共振タンク回路３０６は、図１および図２を参照して記載された実施形態とともに用いられ得る１８０Ｈｚの電圧に対するトラップとして動作する。動作において、ダンパネットワーク３０４は、高周波電圧（例えば、１８ｋＨｚ）をフィルタリングし、そして並列共振タンク回路３０６は、１８０Ｈｚの周波数に対してハイインピーダンスを作り出すように動作する。その結果として、ダンパ回路３０４は、潜在的に有害な高周波電流を除去し、そして並列共振タンク回路３０６は、１８０Ｈｚの電流がダンパネットワーク３０４を介して流れることを防止することによって、１８０Ｈｚの電圧がかなりのエネルギー損失を作り出すことを防止する。

必須ではないが、ダンパネットワーク３０４のそれぞれにおけるキャパシタは、６０マイクロファラッドのキャパシタによって実現され得、ネットワーク３０４のそれぞれにおける抵抗器は、５０オームの抵抗器によって実装され得る。さらに、並列共振タンク回路３０６におけるキャパシタは、４０マイクロファラッドのキャパシタによって実装され得、インダクタは、１９．５ミリヘンリーのインダクタによって実現され得る。並列のインダクタおよびキャパシタの組み合わせは、１８０Ｈｚにおいて開回路として動作し、高周波が減衰されることを可能にするが、過度の電力を１８０Ｈｚにおいて消散させない。

図４を参照すると、図３を参照して記載された実施形態の代替案の概略図が示される。示されるように、本実施形態は、図３を参照して記載された並列共振タンク回路３０６が、１８０Ｈｚの電圧に対するトラップとしてまた動作する単一の並列共振タンク回路４０６によって置換されていることを除いて、図３に図示された実施形態と実質的に同じである。動作において、ダンパネットワーク４０４が、高周波電圧（例えば、１８ｋＨｚ）をフィルタリングし、並列共振タンク回路４０６が、共振タンク回路３０６よりも少ない構成要素を用いて、１８０Ｈｚの周波数に対してハイインピーダンスを作り出すように動作する。

次に図５を参照すると、インバータシステムのアーキテクチャの例示的な実施形態が示されている。示されるように、本実施形態において、Ｎ個のインバータが、絶縁トランスの使用を必要とせずに単一の配電システムとともに動作するように構成される。有益にも、ダンピングネットワーク（ダンピングネットワーク３０４、４０４）とともにコモンモードチョーク（例えば、図２、図３および図４を参照して論じられたコモンモードチョーク）は、複数のインバータが、対応する絶縁トランスなしで同じ配電システムによって利用されることを可能にし、従って、複数のインバータシステムが、高価で、大きく、かつ重い絶縁トランスを取り付ける必要性なしに実現されることを可能にする。

次に図６を参照すると、図１〜図５を参照して記載された実施形態とともに実行され得る例示的な方法を図示するフローチャートが示されている。示されるように、ＤＣ電力が（例えば、アレイ１０６によって捕捉された太陽エネルギーなどの再生可能なエネルギー源から）最初に生成され（ブロック６０２、６０４）、ＤＣ電力は、ＡＣ電力が配電システム（例えば、大型の住宅用、商業用、または工業用の設備に対する配電システム）に印加される（ブロック６０８）前に、ＡＣ電力に（例えば、図１〜図５を参照して記載されたインバータによって）変換される（ブロック６０６）。多くの実施形態において、ＡＣ電力は、配電システムに直接的に（例えば、インバータと配電システムとの間に絶縁トランスを挿入することなく）印加される。

図６に図示されているように、多くの実装において、インバータによって生成され得る高周波成分がフィルタリングされることにより、ＤＣ電力の供給源（例えば、アレイ１０６）または配電システムに結合され得る他のデバイス（例えば、他のインバータまたは電子デバイス）に通常は伝搬する高周波成分を低減または防止する（ブロック６１０）。さらに、一部の実施形態において、高周波電圧用の（１つ以上の）フィルタを介して別な形で流れ得る低周波電流の流れを低減すること（ブロック６１２）は有利であることが見出されている。例に対して以前に論じられたように、パルス幅変調の飽和に由来する１８０Ｈｚの電圧が高周波フィルタを介して伝搬し、かなりのエネルギー損失および発熱を作り出し得る。

当業者が容易に認識し得ることは、数多くの変化および置換が、本明細書中に記載された実施形態によって達成されることと実質的に同じ結果を達成するために、本発明の使用および本発明の構成において行われ得ることである。従って、開示された例示的な形態に本発明を限定する意図は全く存在しない。多くの変化、修正および代替案の構造は、開示された本発明の範囲および精神の内にある。

Claims (16)

1. 太陽電池アレイと、
   配電システムであって、電力を需要サイドのエネルギー消費者の構内に分配する、配電システムと、
   該配電システムに結合されたインバータであって、該インバータは、該太陽電池アレイからのＤＣ電力をＡＣ電力に変換し、該ＡＣ電力を該配電システムに印加するように構成されている、インバータと、
   該インバータから引き出される高周波電圧を制動するように構成されているダンピング部分であって、該高周波電圧の周波数は、該インバータのスイッチング周波数の関数である、ダンピング部分と、
   該ダンピング部分に結合されたトラッピング回路網であって、該トラッピング回路網は、該ダンピング部分を通る低周波電流のレベルを低減するように構成されている、トラッピング回路網と
   を備える、太陽電池システム。
2. 前記太陽電池アレイは、接地電位よりも上で動作するように構成されている第一のアレイ部分と、接地電位よりも下で動作するように構成されている第二のアレイ部分とを含む双極アレイである、請求項１に記載のシステム。
3. 前記配電システムは、三相の配電システムである、請求項１に記載のシステム。
4. 前記ダンピング部分は、前記インバータ内に収納されている、請求項１に記載のシステム。
5. 前記ダンピング回路網は、約１８ｋＨｚの周波数を有する高周波電圧を制動するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
6. 前記トラッピング回路網は、１８０Ｈｚの電流が前記ダンピング回路を通して流れることを実質的に防止するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
7. 前記配電システムに結合された複数のインバータを含んでいる、請求項１に記載のシステム。
8. 前記インバータは、前記太陽電池アレイからの前記ＤＣ電力を直接的に４８０ＶＡＣの三相電力に変換するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
9. 前記インバータは、絶縁トランスなしで直接的に前記配電システムに結合されている、請求項１に記載のシステム。
10. ＤＣ電力を受け取るように適合された入力と、
    該ＤＣ電力をＡＣ電力に変換するように構成されているインバータ部分と、
    該ＡＣ電力を需要サイドのエネルギー消費者の構内の配電システムに印加するように適合された出力と、
    該インバータから引き出される高周波電圧を制動するように構成されているダンピング部分であって、該インバータ部分が絶縁トランスなしで該配電システムと結合することを可能にする、ダンピング部分と、
    該ダンピング部分に結合されたトラッピング部分であって、該トラッピング部分は、該ダンピング回路を通る低周波電流のレベルを低減するように構成されている、トラッピング部分と
    を備える、電力変換デバイス。
11. 前記インバータは、６００ＶＤＣ超えているＤＣ電圧を４８０ＶＡＣに変換するように適合されている、請求項１０に記載の電力変換デバイス。
12. 前記ダンピング部分は、２つのダンパネットワークを含み、該ダンパネットワークのそれぞれは、前記インバータの対応するレールと接地との間で結合されている、請求項１０に記載の電力変換デバイス。
13. 前記トラッピング部分は、前記ダンパネットワークのそれぞれと接地との間に配置されている、請求項１２に記載の電力変換デバイス。
14. 電力を需要サイドのエネルギー消費者の構内の配電システムに印加するための方法であって、該方法は、
    ＤＣ電力を再生可能なエネルギー源から生成することと、
    該ＤＣ電力をＡＣ電力に変換することと、
    該ＡＣ電力を該構内の該配電システムに直接的に印加することと、
    該配電システムに伝搬する高周波電圧の量を低減するように高周波電圧をフィルタリングすることと
    を包含する、方法。
15. 生成することは、
    接地電位よりも上で動作するように構成されている第一の太陽電池アレイによってＤＣ電力を生成することと、
    接地電位よりも下で動作するように構成されている第二の太陽電池アレイによってＤＣ電力を生成することと、
    双極アレイを作り出すために、該第一の太陽電池アレイの負のレールを該第二の太陽電池アレイの正のレールに連結することと、
    該第一のアレイの正のレールおよび該第二のアレイの負のレールからインバータに電力を印加することと
    を含む、請求項１４に記載の方法。
16. 変換することは、
    複数のインバータによって前記ＤＣ電力をＡＣ電力に変換することと、
    該インバータのそれぞれから前記構内の前記配電システムに該ＡＣ電力を直接的に印加することと
    を含む、請求項１４に記載の方法。

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