JP2012135195A - 発電システムを動作させるための方法およびシステム - Google Patents

Abstract

【課題】光起電力（ＰＶ）発電システムを提供する。
【解決手段】システムは、少なくとも１つのＰＶ電池（１２４）と、コレクタ側単相インバータ（１２２）とを含む、複数のＰＶコレクタユニット（１０２）を含む。複数のＰＶコレクタユニットは、対称多相交流（ＡＣ）負荷と結合するように構成される。システムは、複数のＰＶコレクタユニットの動作を制御するように構成されるシステムコントローラ（１０８）をさらに含む。
【選択図】図２

Description

本明細書に記載の実施形態は、一般に、光起電力（ＰＶ）発電システムに関し、より詳細には、複数の可変入力の単相直流（ＤＣ）電源を対称三相交流（ＡＣ）グリッドに結合するためのシステムに関する。

太陽エネルギーは、ますます魅力的なエネルギーの源となり、クリーンで再生可能なエネルギーの代替形式として認識されている。日光の形の太陽エネルギーは、太陽電池により電気エネルギーに変換され得る。光を電気エネルギーに変換するデバイスに対する、より一般的な用語は、「光起電力電池」である。日光は、光の一部分である。したがって、太陽電池は、光起電力（ＰＶ）電池の一部分である。ＰＶ電池は、１対の電極と、それらの間に配設される光吸収ＰＶ材料とを備える。ＰＶ材料に光が照射されると、ＰＶ材料内の原子に閉じ込められていた電子が、光エネルギーにより解放されて自由に移動する。こうして、自由電子および正孔が生成される。自由電子および正孔は効率的に分離され、その結果、電気エネルギーが継続的に取り出される。現在の市販のＰＶ電池は、半導体ＰＶ材料、典型的にはケイ素を使用する。

より大きな電流および電圧を得るために、太陽電池は、電気的に接続されて太陽電池モジュールを形成する。複数の太陽電池に加えて、太陽電池モジュールは、センサ、例えば、放射照度センサ、温度センサ、および／または電力計をさらに含むことができる。太陽電池モジュールはさらに、モジュールストリングを形成するように接続され得る。典型的には、モジュールストリングにより出力されるＤＣ電圧が、グリッドインバータ、例えば、ＤＣ−ＡＣ電圧インバータに供給される。ＤＣ−ＡＣ電圧インバータは、ＤＣ電圧を、単相または三相の交流（ＡＣ）の、電圧または電流に変換する。三相ＡＣ出力は、配電グリッドに印加される三相高電圧ＡＣを生成するために電圧を高める電力変圧器に供給され得る。

配電グリッドに印加される電気は、グリッド接続性の期待を満たすことが要求される。これらの要件は、安全問題ならびに電力品質の懸念に対処する。例えば、グリッド接続性の期待は、過渡事象、例えば、電力サージまたは停電の場合に、グリッドから発電システムを切断することを容易にすることを含む。別のグリッド接続性の期待は、グリッドを流通する電気の電圧および周波数に電力が確実に整合するように、生成される電力が調整されることである。例えば、米国電気電子技術者協会（ＩＥＥＥ）は、再生可能エネルギーシステムを含むグリッド接続分散型発電を対象とする規格をすでに作成している（ＩＥＥＥ１５４７−２００３）。アメリカ保険業者安全試験所（ＵＬ）もまた、発電のスタンドアローンおよびグリッド接続の再生可能エネルギーシステムのための、インバータ、変換器、チャージコントローラ、および出力コントローラを保証するための規格ＵＬ１７４１をすでに策定している。ＵＬ１７４１は、インバータがグリッド接続応用例のためのＩＥＥＥ１５４７に準拠することを証明する。

米国特許第７０４６５３４号明細書

具体的には、グリッド接続のＰＶ発電システムは、低電圧ライドスルー（ｌｏｗ ｖｏｌｔａｇｅ ｒｉｄｅ ｔｈｒｏｕｇｈ）（ＬＶＲＴ）、電圧調整、および力率改善を含む、電力会社（ｕｔｉｌｉｔｙ）の相互接続の要件を満たさなければならない。

一態様では、光起電力（ＰＶ）発電システムが提供される。システムは、少なくとも１つのＰＶ電池と、コレクタ側単相インバータとを含む、複数のＰＶコレクタユニットを含む。複数のＰＶコレクタユニットは、対称多相交流（ＡＣ）負荷と結合するように構成される。システムは、複数のＰＶコレクタユニットの動作を制御するように構成されるシステムコントローラをさらに含む。

別の態様では、電気負荷に送出するために、直流（ＤＣ）電力を交流（ＡＣ）電力に変換するための方法が提供される。ＤＣ電力が、複数の可変入力の電源により生成される。この方法は、それぞれが、少なくとも１つの光起電力（ＰＶ）電池と、コレクタ側単相インバータとを含む、複数のＰＶコレクタユニットを提供するステップを含む。複数のＰＶコレクタユニットが、ＤＣ電圧を生成し、ＤＣ電圧を単相ＡＣ出力に変換するように構成される。この方法は、少なくとも１つのシステムコントローラを複数のＰＶコレクタユニットに通信可能に結合するステップと、複数のＰＶコレクタユニットの動作を制御するようにシステムコントローラをプログラミングするステップとをさらに含む。

さらに別の態様では、電力変換システムが提供される。システムは、可変入力の直流（ＤＣ）電圧を受け取るように構成される複数のコレクタ側単相インバータを含む。システムは、複数のコレクタ側単相インバータに結合され、複数のコレクタ側単相インバータの動作を制御するように構成されるシステムコントローラをさらに含む。複数のコレクタ側単相インバータは、対称多相交流（ＡＣ）を電気負荷に供給するように構成される。

既知の光起電力（ＰＶ）発電システムのブロック図。 複数のコレクタ側インバータを含むＰＶ発電システムの第１の例示的な実施形態のブロック図。 図２に示されるＰＶ発電システムの第２の例示的な実施形態のブロック図。 図２に示されるＰＶ発電システムに含まれ得るシステムコントローラの例示的な実施形態のブロック図。 複数のコレクタ側インバータを含むＰＶ発電システムの第１の代替実施形態のブロック図。 複数のコレクタ側インバータを含むＰＶ発電システムの第２の代替実施形態のブロック図。 図２〜６に示されるＰＶ発電システムの動作を制御するための例示的な方法のフローチャート。

本明細書に記載の方法およびシステムは、対称三相の電気グリッドでの分配および／または伝送に好適な電力を生成するために、複数の可変入力の単相電源を制御することを容易にする。本明細書に記載の方法およびシステムは、それだけには限らないが、定常状態および過渡状態の対称性を提供すること、無効電力を制御すること、対称もしくは非対称の故障電流に応答すること、ランプレートをシェーピングすること、ならびに低電圧ライドスルー（ＬＶＲＴ）機能を提供することを含めて、グリッド接続性の期待を充足し、一方、資本支出、電力変換損失、および線路損失を最小限に抑える。本明細書に記載の方法およびシステムはさらに、発電資産の一部分の一時的な故障または永続的な劣化中に、グリッドの対称性をサポートすることを容易にする。

本明細書に記載の方法およびシステムの技術的な効果には、（ａ）それぞれが、少なくとも１つの光起電力（ＰＶ）電池と、コレクタ側単相インバータとを含む、複数のＰＶコレクタユニットを提供し、複数のＰＶコレクタユニットが、ＤＣ電圧を生成し、ＤＣ電圧を単相ＡＣ出力に変換するように構成されること、（ｂ）少なくとも１つのシステムコントローラを複数のＰＶコレクタユニットに通信可能に結合すること、および、（ｃ）複数のＰＶコレクタユニットの動作を制御するように少なくとも１つのシステムコントローラをプログラミングすることの少なくとも１つがある。

図１は、既知の光起電力（ＰＶ）発電システム１０のブロック図である。システム１０は、ＰＶ収集デバイス１２、インバータ１４、変圧器１６、および電気グリッド１８を含む。本明細書で示されるように、電気グリッド１８は、電気の分配および／または伝送のために構成される、導線およびデバイスのネットワークである。典型的には、ＰＶ収集デバイス１２は、例えば、（図１には示されない）ＤＣ開閉装置により結合される複数のＰＶモジュールストリングを含み、ＰＶモジュールストリングからＤＣ電圧を収集し、ＤＣ電圧３０を出力する。ＤＣ電圧３０は、インバータ１４に供給される。インバータ１４は、ＤＣ電圧３０を調整する。例えば、インバータ１４は、ＤＣ電圧３０を三相低電圧ＡＣ３２に変換するように構成されるＤＣ／ＡＣ電圧インバータであってもよい。

三相低電圧ＡＣ３２は、電力変圧器１６に供給される。変圧器１６は、負荷、例えば電気グリッド１８に印加される三相高電圧ＡＣ３４を生成する。システム１０は、システムコントローラ３６をさらに含む。システムコントローラ３６は、インバータ１４に結合され、インバータ１４の動作を制御するように構成される。

図２は、複数のＰＶコレクタユニット１０２を含むＰＶ発電システム１００の第１の例示的な実施形態のブロック図である。第１の例示的な実施形態では、複数のＰＶコレクタユニット１０２は、デルタ構成で結合される。図３は、複数のＰＶコレクタユニット１０２を含むＰＶ発電システム１００の第２の例示的な実施形態のブロック図である。第２の例示的な実施形態では、複数のＰＶコレクタユニット１０２は、ワイ構成とも呼ばれるスター構成で結合される。

第１の例示的な実施形態と第２の例示的な実施形態では共に、ＰＶ発電システム１００は、グリッド側インバータ１０４、電力変圧器１０６、およびシステムコントローラ１０８をさらに含む。ＰＶ発電システム１００は、対称三相ＡＣを（図１に示される）電気グリッド１８に供給する。本明細書ではＡＣを電気グリッド１８に供給するように説明されるが、システム１００は、ＡＣを任意の好適な負荷に供給してもよい。例示的な実施形態では、複数のＰＶコレクタユニット１０２のそれぞれは、ＰＶ収集デバイスおよびコレクタ側インバータを含む。例えば、第１のＰＶコレクタユニット１２０は、第１のＰＶ収集デバイス１２４に結合される第１のコレクタ側インバータ１２２を含む。第２のＰＶコレクタユニット１２６は、第２のＰＶ収集デバイス１３０に結合される第２のコレクタ側インバータ１２８を含む。第３のＰＶコレクタユニット１３２は、第３のＰＶ収集デバイス１３６に結合される第３のコレクタ側インバータ１３４を含む。第４のＰＶコレクタユニット１３８は、第４のＰＶ収集デバイス１４２に結合される第４のコレクタ側インバータ１４０を含む。第５のＰＶコレクタユニット１４４は、第５のＰＶ収集デバイス１４８に結合される第５のコレクタ側インバータ１４６を含む。第６のＰＶコレクタユニット１５０は、第６のＰＶ収集デバイス１５４に結合される第６のコレクタ側インバータ１５２を含む。６つのＰＶコレクタユニットを含むように図示されているが、システム１００は、システム１００が本明細書に記載のように機能することを可能にする、任意の好適な数のコレクタユニットを含むことができる。ＰＶ収集デバイス１２４、１３０、１３６、１４２、１４８、および１５４は、単一のＰＶ電池、ＰＶモジュールに集成される複数のＰＶ電池、ＰＶモジュールストリングを形成するように集成される複数のＰＶモジュール、または、システム１００が本明細書に記載のように機能することを可能にする、ＰＶ電池の他の任意の構成を含むことができる。

複数のＰＶコレクタユニット１０２のそれぞれは、ＰＶ収集デバイスおよびコレクタ側インバータを含むので、複数のＰＶコレクタユニット１０２のそれぞれは、ほぼ力率１で動作することができる。力率１に近い動作により、最大有効電力を最小線路損失で、グリッド１８に送出することが容易になる。さらに、複数のＰＶコレクタユニット１０２のそれぞれは、インバータ／収集デバイスの組合せに対して最大電力点で動作することもまた可能である。より具体的には、各コレクタ側インバータは、対応するＰＶ収集デバイスのインピーダンスと整合し、したがって、最大電力点で動作するように、別々に制御され得る。例えば、第１のコレクタ側インバータ１２２は、第１のＰＶ収集デバイス１２４に対して最大電力点で動作するように、システムコントローラ１０８により制御される。複数のインバータのそれぞれは、別個の最大電力点で動作することができるので、一意の最大電力がＰＶ収集デバイス１２４、１３０、１３６、１４２、１４８、および１５４から取り出される。

図２に示される、第１の例示的な実施形態では、複数のＰＶコレクタユニット１０２により出力される低電圧単相ＡＣ１５８が、三相システムの３つの導線、第１の導線１６０、第２の導線１６２、または第３の導線１６４の２つの間に印加される。単相インバータ１２２、１２８、１３４、１４０、１４６、および１５２は、各インバータが３つの導線１６０、１６２、および１６４の任意の２つの間に接続されるように、三相電気グリッド１８に結合され得る。導線１６０、１６２、および１６４は、電力変圧器１０６およびグリッド側インバータ１０４に結合される。

図３に示される、第２の例示的な実施形態では、複数のＰＶコレクタユニット１０２により出力される低電圧単相ＡＣ１５８が、三相システムの３つの導線、第１の導線１６０、第２の導線１６２、または第３の導線１６４の少なくとも１つに印加される。単相インバータ１２２、１２８、１３４、１４０、１４６、および１５２は、インバータのそれぞれの１つの出力が３つの導線の１つに接続され、インバータのそれぞれの残りの出力が中性線１６６に接続されるように、三相グリッドに結合され得る。導線１６０、１６２、１６４、および１６６は、グリッド側インバータ１０４によって電力変圧器１０６に結合される。

電力変圧器１０６は、（図１に示される）電気グリッド１８に印加するための高電圧三相ＡＣ１７４を生成する標準的な三相変圧器であってよい。例示的な実施形態では、グリッド側インバータ１０４は、グリッド１８に送出される電圧を安定させ、かつ調整する。システム１００の定常状態の動作中には、対称三相ＡＣが、グリッド側インバータ１０４により供給される。過渡事象、例えば、電気グリッドに沿った電力サージなどのグリッド事象、またはＬＶＲＴ事象中には、グリッド側インバータ１０４は、例えば、進みまたは遅れの無効電力をグリッド１８に注入することにより、電圧じょう乱を検出かつ補償することによって、ＬＶＲＴおよびゼロ電圧ライドスルー（ｚｅｒｏ ｖｏｌｔａｇｅ ｒｉｄｅ ｔｈｒｏｕｇｈ）（ＺＶＲＴ）を容易にする。さらに、グリッド側インバータ１０４は、定常状態の動作中には、力率改善をももたらすことができる。

例示的な実施形態では、システムコントローラ１０８は、本明細書に記載の機能を実行するために、グリッド側インバータ１０４に制御信号１７６を供給する。さらに、システムコントローラ１０８は、グリッド事象を検出したとき、複数のコレクタユニット１０２の１つまたは複数に、より具体的には、コレクタ側インバータ１２２、１２８、１３４、１４０、１４６、および１５２の少なくとも１つに力率基準信号および／または電力抑制信号を供給する。システムコントローラ１０８は、共通の導線１６０、１６２、または１６４に接続されるそれらのインバータに、有効電力および無効電力のコマンドを含む、追加的な情報を供給することができる。システム１００は、インバータ１２２、１２８、１３４、１４０、１４６、および１５２の間での必要な調整を最小限に抑え、システムコントローラ１０８に対する処理要求を軽減し、複数のＰＶコレクタユニット１０２のそれぞれからの、より大きな発電を容易にする。システム１００は、複数のコレクタユニット１０２のそれぞれを個々の最大電力点で動作させることを容易にし、コレクタユニット１０２とグリッド側インバータ１０４との間のＤＣ配線をなくし、グリッド事象中にコレクタユニット１０２を迅速に削減する。

さらに、コレクタ側インバータ１２２、１２８、１３４、１４０、１４６、および１５２により、システム１００が、複数のＰＶコレクタユニット１０２の一部分の一時的な故障および／または永続的な劣化中でさえ、対称三相ＡＣ電力を供給することが可能になる。例えば、システム１００は、コレクタ側インバータ１２２、１２８、１３４、１４０、１４６、および１５２の１つまたは複数が故障した場合でさえ、対称三相ＡＣ電力を供給する。コレクタ側インバータ１２２、１２８、１３４、１４０、１４６、および１５２の１つまたは複数の発電の損失により、発電システム１００において望ましくない非対称性が生じた場合、有効電力および無効電力が、発電が過剰の導線から取り出され、発電が不足している導線に供給されるように、ＤＣ／ＡＣ変換器１０４が制御される。いくつかの実施形態では、システム１００はさらに、単相故障または非対称負荷などのグリッドの非対称性を補償するために、制御された非対称発電システムが電気グリッド１８に対して提供されるように制御され得る。換言すれば、システム１００は、導線１６０、１６２、および１６４のそれぞれに印加される、有効電力および無効電力を別々に制御することを容易にする。

いくつかの実施形態では、コレクタ側インバータ１２２、１２８、１３４、１４０、１４６、および１５２はそれぞれ、メモリユニット１７８を含む。例えば、メモリユニット１７８は、コレクタ側インバータ１２２内に配置される、またはそれに結合される。メモリユニット１７８は、コレクタ側インバータ１２２の動作を制御するために使用される動作パラメータを記憶する。より具体的には、インバータ１２２がグリッド事象をライドスルーすることを可能にする動作パラメータが、メモリユニット１７８に記憶され得る。グリッド事象は、システムコントローラ１０８により識別され得る、かつ／または、インバータ１２２により識別され得る。例えば、メモリユニット１７８は、しきい値グリッド電圧電力コマンド、電圧ライドスルー復帰コマンド、および／または無効電力コマンドを記憶することができる。いくつかの実施形態では、インバータ１２２は、記憶されたしきい値グリッド電圧よりグリッド電圧が低いとき、しきい値グリッド電圧電力コマンドに基づいて動作する。記憶されたしきい値グリッド電圧は、低電圧ライドスルー事象またはゼロ電圧ライドスルー事象の発生を示す可能性がある。電圧ライドスルー復帰コマンドは、所定の時間期間を含むことができ、インバータ１２２は、その時間期間の後、電気グリッド１８への電力の供給を開始するように命令される。電圧ライドスルー復帰コマンドはさらに、既定のランプレートを含むことができ、インバータ１２２は、それを用いて、電気グリッド１８に電力を供給するように命令される。無効電力コマンドは、インバータ１２２がいつ無効電力を供給すべきかを含めて、インバータ１２２の無効電力出力を制御することができる。メモリユニット１７８に記憶された動作パラメータに応じて動作することで、インバータ１２２の自律的な制御（すなわち、システムコントローラ１０８から受信されない動作パラメータに基づいてインバータ１２２を制御すること）が容易になる。さらに、メモリユニット１７８は、限定はしないが、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、フラッシュメモリ、ハードディスクドライブ、ソリッドステートドライブ、ディスケット、フラッシュドライブ、コンパクトディスク、デジタルビデオディスク、ならびに／または、命令および／もしくはデータの、記憶、検索、および／もしくは実行を可能にする任意の好適なメモリなどのコンピュータ可読媒体を含むことができる。さらに、システムコントローラ１０８は、グリッド事象の発生の前に、記憶された動作パラメータを調整することができる。

さらに、いくつかの実施形態では、複数のＰＶコレクタユニット１０２は、地理的に分散される。システムコントローラ１０８は、コレクタユニット１５０により供給されるものとは異なるレベルの無効電力を供給するように、コレクタユニット１２０を制御することができる。複数の地理的に分散されたＰＶコレクタユニット１０２のそれぞれは、ＰＶ発電システム１００の平衡動作を容易にするように、かつ、システム１００の内部のシステム損失を最小限に抑えるように、別々に制御され得る。

図４は、（図２に示される）システムコントローラ１０８の例示的な実施形態のブロック図である。いくつかの実施形態では、システムコントローラ１０８は、情報を通信するために、バス１８０または他の通信デバイスを含む。１つまたは複数のプロセッサ１８２が、ＰＶコレクタユニット１０２に含まれるセンサからの情報を含めて、情報を処理するために、バス１８０に結合される。プロセッサ１８２は、少なくとも１つのコンピュータを含むことができる。本明細書では、コンピュータという用語は、当技術分野でコンピュータと呼ばれる集積回路に限定されるのではなく、プロセッサ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）、特定用途向け集積回路、および他のプログラマブル回路を幅広く指し、これらの用語は、本明細書では交換可能に使用される。

システムコントローラ１０８は、１つもしくは複数のランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１８４、ならびに／または他の記憶デバイス１８６をさらに含むことができる。ＲＡＭ１８４および記憶デバイス１８６は、情報、およびプロセッサ１８２により実行されるべき命令を、記憶かつ転送するために、バス１８０に結合される。ＲＡＭ１８４（および／または含まれる場合、記憶デバイス１８６）はさらに、プロセッサ１８２による命令の実行中に、一時変数または他の中間情報を記憶するために使用され得る。システムコントローラ１０８は、静的な（すなわち、変化しない）情報および命令を、プロセッサ１８２に対して、記憶かつ提供するためにバス１８０に結合される、１つもしくは複数の読出し専用メモリ（ＲＯＭ）１８８、ならびに／または他の静的な記憶デバイスをさらに含むことができる。プロセッサ１８２は、限定はしないが、放射照度センサおよび電力計を含むことができる、複数の電気デバイスおよび電子デバイスから送信される情報を処理する。実行される命令は、限定はしないが、常駐の変換および／または比較器のアルゴリズムを含む。命令のシーケンスの実行は、ハードウェア回路とソフトウェア命令との任意の具体的な組合せに限定されない。

システムコントローラ１０８は、入出力デバイス（複数可）１９０をさらに含むことができる、またはそれらに結合され得る。入出力デバイス１９０は、システムコントローラ１０８に入力データを供給するための、かつ／または、以下のものに限らないが、太陽電池パネル位置決定出力および／もしくはインバータ制御出力などの出力を供給するための、当技術分野で既知の任意のデバイスを含むことができる。命令は、例えば、磁気ディスク、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）一体型回路、ＣＤ−ＲＯＭ、および／またはＤＶＤを含む記憶デバイス１８６から、１つまたは複数の電子的アクセス可能媒体へのアクセスを提供する、有線または無線のいずれかであるリモート接続を介して、ＲＡＭ１８４に供給され得る。いくつかの実施形態では、ハードワイヤード回路が、ソフトウェア命令の代わりに、またはそれらと組み合わせて使用され得る。したがって、命令のシーケンスの実行は、本明細書で説明かつ／または図示されようと、そうでなかろうと、ハードウェア回路とソフトウェア命令との任意の具体的な組合せには限定されない。さらに、例示的な実施形態では、入出力デバイス１９０は、限定はしないが、（いずれも図４には示されない）マウスおよびキーボードなどのオペレータインターフェース（例えば、ヒューマンマシンインターフェース（ＨＭＩ））に関連するコンピュータ周辺機器を含むことができる。さらに、例示的な実施形態では、追加的な出力チャネルが、例えば、（いずれも図４には示されない）オペレータインターフェースモニタおよび／または警報デバイスを含むことができる。システムコントローラ１０８は、システムコントローラ１０８がセンサと通信することを可能にするセンサインターフェース１９２をさらに含むことができる。センサインターフェース１９２は、アナログ信号を、プロセッサ１８２により使用され得るデジタル信号に変換する、１つまたは複数のアナログデジタル変換器を含むことができる。システムコントローラ１０８はさらに、監視制御とデータ収集（ＳＣＡＤＡ）システム、例えば、電力会社と関連するＳＣＡＤＡ、ならびに／または、変電所もしくはネットワークのコントローラなどの、外部の監視制御システムに結合され得る。

図５は、複数のＰＶコレクタユニット１０２を含むＰＶ発電システムの代替実施形態２００のブロック図である。（図２および３に示される）システム１００およびシステム２００に共通の構成要素は、同一の参照番号で識別される。この実施形態では、ＰＶ発電システム２００は、グリッド側インバータ１０４およびシステムコントローラ１０８を含む。ＰＶ発電システム２００は、電力変圧器２０２をさらに含む。この実施形態では、複数のＰＶコレクタユニット１０２は、第１のＰＶコレクタユニット１２０、第２のＰＶコレクタユニット１２６、第３のＰＶコレクタユニット１３２、および第４のＰＶコレクタユニット１３８を含む。複数のＰＶコレクタユニット１０２のそれぞれは、ＰＶ収集デバイスおよび単相コレクタ側インバータを含む。上述のように、第１のＰＶコレクタユニット１２０は、第１のＰＶ収集デバイス１２４に結合される第１のコレクタ側インバータ１２２を含む。第２のＰＶコレクタユニット１２６は、第２のＰＶ収集デバイス１３０に結合される第２のコレクタ側インバータ１２８を含む。第３のＰＶコレクタユニット１３２は、第３のＰＶ収集デバイス１３６に結合される第３のコレクタ側インバータ１３４を含む。第４のＰＶコレクタユニット１３８は、第４のＰＶ収集デバイス１４２に結合される第４のコレクタ側インバータ１４０を含む。

この実施形態では、ＰＶコレクタユニット１０２は、それぞれ、力率１を含む任意の力率で動作するように構成され得る。さらに、複数のＰＶコレクタユニット１０２のそれぞれは、インバータ／収集デバイスの組合せに対して最大電力点で動作することもまた可能である。例えば、第１のコレクタ側インバータ１２２は、第１のＰＶ収集デバイス１２４に対して最大電力点で動作するように構成される。複数のインバータのそれぞれは、別個の最大電力点で動作することができるので、最大電力が、ＰＶ収集デバイス１２４、１３０、１３６、および１４２から取り出される。

この実施形態では、図５に示されるように、電力変圧器２０２は、二相ＡＣから三相ＡＣを出力する。第１のコレクタユニット１２０および第２のコレクタユニット１２６が、結合され、第１の位相を有する低電圧ＡＣ２６０を供給する。第３のコレクタユニット１３２および第４のコレクタユニット１３８が、結合され、第２の位相を有する低電圧ＡＣ２６２を供給する。電力変圧器２０２は、第１の位相を有する低電圧ＡＣ２６０（すなわち、第１のＰＶコレクタユニット１２０および第２のＰＶコレクタユニット１２６により供給される電流）、および、第２の位相を有する低電圧ＡＣ２６２（すなわち、第３のＰＶコレクタユニット１３２および第４のＰＶコレクタユニット１３８により供給される電流）を、（図１に示される）電気グリッド１８を介した伝送のために、平衡高電圧三相ＡＣ１７４に振り分ける。電力変圧器２０２は、次のものに限らないが、スコット−Ｔ変圧器を含むことができる。

この実施形態では、および、システム１００に関して上記で説明したように、グリッド側インバータ１０４は、電気グリッド１８に送出される電圧を安定させ、かつ調整する。システム２００の定常状態の動作中には、対称三相ＡＣが、グリッド側インバータ１０４により供給される。過渡事象、例えば、電気グリッドに沿った電力サージなどのグリッド事象、またはＬＶＲＴ事象中には、グリッド側インバータ１０４は、例えば、進みまたは遅れの無効電力を電気グリッド１８に注入することにより、電圧じょう乱を検出かつ補償することによって、ＬＶＲＴを容易にする。したがって、グリッド側インバータ１０４は、力率改善を提供することができる。例示的な実施形態では、システムコントローラ１０８は、本明細書に記載の機能を実行するために、グリッド側インバータ１０４に制御信号１７６を供給する。さらに、システムコントローラ１０８は、グリッド事象を検出したとき、複数のコレクタユニット１０２の１つまたは複数に、より具体的には、インバータ１２２、１２８、１３４、および１４０の少なくとも１つに抑制信号を供給する。システム２００は、インバータ１２２、１２８、１３４、および１４０の間での必要な調整を最小限に抑え、システムコントローラ１０８に対する処理要求を軽減し、ＰＶ収集デバイス１２４、１３０、１３６、および１４２からの、より大きな発電を容易にする。システム２００は、複数のコレクタユニット１０２を個々の最大電力点で動作させること、コレクタユニット１０２とグリッド側インバータ１０４との間のＤＣ配線をなくすこと、および、グリッド事象中にＰＶコレクタユニット１０２を迅速に削減することを容易にする。さらに、システム２００は、システム１００と比較すると、配線の複雑さを低減する。さらに、システム２００は、グリッド側インバータ１０４で必要なある程度のパワーエレクトロニクスを低減する。

図６は、複数のコレクタユニット１０２を含むＰＶ発電システムの別の代替実施形態３００のブロック図である。（図２および３に示される）システム１００と、（図５に示される）システム２００と、システム３００との間で共有される構成要素は、同一の参照番号で識別される。

この実施形態では、図６に示されるように、ＰＶ発電システム３００は、システムコントローラ１０８および電力変圧器３０２を含む。複数のＰＶコレクタユニット１０２は、第１のＰＶコレクタユニット３１０、第２のＰＶコレクタユニット３１２、第３のＰＶコレクタユニット３１４、第４のＰＶコレクタユニット３１６、第５のＰＶコレクタユニット３１８、および第６のＰＶコレクタユニット３２０を含む。複数のＰＶコレクタユニット１０２のそれぞれは、ＰＶ収集デバイスおよび単相コレクタ側インバータを含む。第１のＰＶコレクタユニット３１０は、第１のＰＶ収集デバイス１２４に結合される第１のコレクタ側インバータ３３０を含む。第２のＰＶコレクタユニット３１２は、第２のＰＶ収集デバイス１３０に結合される第２のコレクタ側インバータ３３２を含む。第３のＰＶコレクタユニット３１４は、第３のＰＶ収集デバイス１３６に結合される第３のコレクタ側インバータ３３４を含む。第４のＰＶコレクタユニット３１６は、第４のＰＶ収集デバイス１４２に結合される第４のコレクタ側インバータ３３６を含む。第５のＰＶコレクタユニット３１８は、第５のＰＶ収集デバイス１４８に結合される第５のコレクタ側インバータ３３８を含む。第６のＰＶコレクタユニット３２０は、第６のＰＶ収集デバイス１５４に結合される第６のコレクタ側インバータ３４０を含む。

この実施形態では、複数のＰＶコレクタユニット１０２のそれぞれは、力率１を含めて、広い力率範囲で動作するように構成される。複数のＰＶコレクタユニット１０２は、例えば、次のものに限らないが、約−０．９から、１から０．９までの力率の範囲で動作するように構成され得る。さらに、複数のＰＶコレクタユニット１０２のそれぞれは、インバータ／収集デバイスの組合せに対して最大電力点で動作することもまた可能である。例えば、第１のコレクタ側インバータ３３０は、第１のＰＶ収集デバイス１２４に対して最大電力点で動作するように構成される。複数のインバータ３３０、３３２、３３４、３３６、３３８、および３４０のそれぞれは、別個の最大電力点で動作することができるので、最大電力が、ＰＶ収集デバイス１２４、１３０、１３６、１４２、１４８、および１５４から取り出される。

特に、ＰＶ発電システム３００は、グリッド側インバータ１０４を含まない。この実施形態では、コレクタ側インバータ３３０、３３２、３３４、３３６、３３８、および３４０は、（図１に示される）電気グリッド１８に送出される電圧を安定させ、かつ調整するように定格が定められる。システムコントローラ１０８は、システム３００の定常状態の動作中に、対称三相ＡＣ１７４を電気グリッド１８に供給するために、コレクタ側インバータ３３０、３３２、３３４、３３６、３３８、および３４０のそれぞれに制御信号を供給する。さらに、過渡事象中に、コレクタ側インバータ３３０、３３２、３３４、３３６、３３８、および３４０は、例えば、進みまたは遅れの無効電力を電気グリッド１８に注入することにより、電圧じょう乱を検出かつ補償すること、したがって、力率改善を提供することによって、ＬＶＲＴを容易にする。さらに、コレクタ側インバータ３３０、３３２、３３４、３３６、３３８、および３４０は、システムコントローラ１０８からの抑制信号に応答して抑制され得る。システム３００はさらに、グリッド状態に応答して有効電力および無効電力の注入に関して非対称非平衡の発電システムを生み出すように制御され得る。例えば、システムコントローラ１０８は、コレクタ側インバータ３３０、３３２、３３４、３３６、３３８、および３４０に、グリッド状態、例えば、負荷故障を検出したとき力率基準信号を供給することができる。さらに、コレクタ側インバータ３３０、３３２、３３４、３３６、３３８、および３４０は、高電圧および低電圧のライドスルー状態を含むグリッド状態に自律的に応答することができ、Ｖａｒサポート、周波数低下応答、および自動電圧調整を提供する。システムコントローラ１０８は、システム３００の応答を最適化するために、かつ、定常状態の動作中のシステム損失を最小限に抑えるために、低いデータレートで制御信号を供給する。システムコントローラ１０８は、データ収集システムとして働く場合もある。

図６に示される実施形態では、複数のＰＶコレクタユニット１０２は、３つの導線、第１の導線１６０、第２の導線１６２、または第３の導線１６４の１つに印加される低電圧単相ＡＣ３４２を出力する。例として、第１のインバータ３３０および第４のインバータ３３６は、第１の導線１６０と第２の導線１６２との間に結合される。第２のインバータ３３２および第５のインバータ３３８は、第２の導線１６２と第３の導線１６４との間に結合される。第３のインバータ３３４および第６のインバータ３４０は、第３の導線１６４と第１の導線１６０との間に結合される。デルタ構成で図示されているが、第１のインバータ３３０、第２のインバータ３３２、第３のインバータ３３４、第４のインバータ３３６、第５のインバータ３３８、および第６のインバータ３４０は、スター構成で結合される場合もある。

導線１６０、１６２、および１６４は、電力変圧器３０２に結合される。電力変圧器３０２は、電気グリッド１８に印加するために、高電圧三相ＡＣ１７４を出力する。

図７は、（図２〜６に示される）ＰＶ発電システム１００、２００、および３００の動作を制御するための例示的な方法４１０のフローチャート４００である。より具体的には、方法４１０は、電気負荷、例えば、（図１に示される）電気グリッド１８に送出するために、直流（ＤＣ）電力を交流（ＡＣ）電力に変換し、ＤＣ電力が、複数の可変入力の単相電源、例えば、ＰＶ収集デバイス１２４、１３０、１３６、１４２、１４８、および１５４により生成される。例示的な実施形態では、方法４１０は、それぞれが、少なくとも１つのＰＶ電池と、コレクタ側単相インバータとを含む、複数の光起電力ＰＶコレクタユニットを提供するステップ４２０を含み、複数のＰＶコレクタユニットが、ＤＣ電圧を生成し、ＤＣ電圧を単相ＡＣ出力に変換するように構成される。例えば、（図２に示される）ＰＶコレクタユニット１０２が提供され（４２０）、ＤＣ電圧を生成するＰＶ収集デバイス１２４、１３０、１３６、１４２、１４８、および１５４、ならびに、ＤＣ電圧を（図２に示される）単相ＡＣ１５８に変換するコレクタ側単相インバータ１２２、１２８、１３４、１４０、１４６、および１５２を含む。

例示的な実施形態では、方法４１０は、少なくとも１つのシステムコントローラ、例えば、（図２に示される）システムコントローラ１０８を複数のＰＶコレクタユニット１０２に通信可能に結合するステップ４２２をさらに含む。方法４１０は、複数のＰＶコレクタユニット１０２の動作を制御するようにシステムコントローラ１０８をプログラミングするステップ４２４をさらに含む。方法４１０は、負荷故障を検出したとき、複数のＰＶコレクタユニット１０２の少なくとも１つに抑制信号を送信するようにシステムコントローラ１０８をプログラミングするステップ４２６をさらに含むことができる。

上述の実施形態は、太陽発電システムの効率的かつコスト効果の高い動作を容易にする。本明細書に記載の方法およびシステムは、配電グリッドに送出するために、複数のソーラーコレクタユニットにより生成される電力を調整することを容易にする。電気グリッドに送出される電力は、それだけには限らないが、定常状態および過渡状態の対称性、無効電力制御、故障電流の対策、ランプレートのシェーピング、ならびにグリッド事象のライドスルーを含む、グリッド接続性の期待を充足する。資本支出、電力変換損失、および線路損失は、最小限に抑えられる。本明細書に記載の方法およびシステムは、発電資産の一部分の一時的な故障または永続的な劣化中に、グリッドの対称性をサポートすることを容易にする。さらに、本明細書に記載の実施形態は、対称および非対称の故障電流をサポートかつ制御する。

太陽発電システムの例示的な実施形態が、上記で詳細に説明されている。方法およびシステムは、本明細書に記載の具体的な実施形態に限定されず、むしろ、システムの構成要素および／または方法のステップは、本明細書に記載の他の構成要素および／またはステップとは無関係に、かつ別々に利用され得る。

本発明の様々な実施形態の具体的な特徴が、一部の図面には示され、他のものには示されないという場合があるが、これは、単に便宜のためである。本発明の原理によれば、ある図面の任意の特徴は、他の任意の図面の任意の特徴と組み合わせて、参照かつ／またはクレームされ得る。

本書は、最良の形態を含めて、発明を開示するために、さらには、任意のデバイスもしくはシステムを作製かつ使用すること、ならびに、任意の組み込まれた方法を実行することを含めて、任意の当業者が本発明を実施することを可能にするために、例を使用する。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲により定義され、当業者が想到する他の例を含むことができる。そのような他の例は、それらが特許請求の範囲の文字通りの文言と異ならない構造的要素を有する場合、または、それらが特許請求の範囲の文字通りの文言と実質的な違いのない等価な構造的要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内にあることが意図されている。

１０ 発電システム
１２ 光起電力（ＰＶ）収集デバイス
１４ インバータ
１６ 電力変圧器
１８ 配電グリッド
３０ ＤＣ電圧
３２ 低電圧ＡＣ
３４ 高電圧ＡＣ
３６ システムコントローラ
１００ ＰＶ発電システム
１０２ ＰＶコレクタユニット
１０４ グリッド側インバータ
１０６ 電力変圧器
１０８ システムコントローラ
１２０ 第１のＰＶコレクタユニット
１２２ 第１のコレクタ側インバータ
１２４ 第１のＰＶ収集デバイス
１２６ 第２のＰＶコレクタユニット
１２８ 第２のコレクタ側インバータ
１３０ 第２のＰＶ収集デバイス
１３２ 第３のＰＶコレクタユニット
１３４ 第３のコレクタ側インバータ
１３６ 第３のＰＶ収集デバイス
１３８ 第４のＰＶコレクタユニット
１４０ 第４のコレクタ側インバータ
１４２ 第４のＰＶ収集デバイス
１４４ 第５のＰＶコレクタユニット
１４６ 第５のコレクタ側インバータ
１４８ 第５のＰＶ収集デバイス
１５０ 第６のＰＶコレクタユニット
１５２ 第６のコレクタ側インバータ
１５４ 第６のＰＶ収集デバイス
１５８ 低電圧単相ＡＣ
１６０ 第１の導線
１６２ 第２の導線
１６４ 第３の導線
１６６ 中性線
１７４ 高電圧三相ＡＣ
１７６ 制御信号
１７８ メモリユニット
１８０ バス
１８２ プロセッサ
１８４ ＲＡＭ
１８６ 記憶デバイス
１８８ ＲＯＭ
１９０ Ｉ／Ｏデバイス
１９２ センサインターフェース
２００ ＰＶ発電システム
２０２ 電力変圧器
２６０、２６２ 低電圧ＡＣ
３００ ＰＶ発電システム
３０２ 電力変圧器
３１０ 第１のＰＶコレクタユニット
３１２ 第２のＰＶコレクタユニット
３１４ 第３のＰＶコレクタユニット
３１６ 第４のＰＶコレクタユニット
３１８ 第５のＰＶコレクタユニット
３２０ 第６のＰＶコレクタユニット
３３０ 第１のコレクタ側インバータ
３３２ 第２のコレクタ側インバータ
３３４ 第３のコレクタ側インバータ
３３６ 第４のコレクタ側インバータ
３３８ 第５のコレクタ側インバータ
３４０ 第６のコレクタ側インバータ
３４２ 低電圧単相ＡＣ

Claims (10)

1. 少なくとも１つのＰＶ電池（１２４）と、コレクタ側単相インバータ（１２２）とを備え、多相交流（ＡＣ）負荷（１８）と結合するように構成された、複数のＰＶコレクタユニット（１０２）と、
   前記複数のＰＶコレクタユニットの動作を制御するように構成されたシステムコントローラ（１０８）と
   を備える光起電力（ＰＶ）発電システム（１００）。
2. 前記複数のＰＶコレクタユニット（１０２）の前記コレクタ側単相インバータ（１２２）と前記負荷（１８）との間に結合されるグリッド側インバータ（１０４）をさらに備える、請求項１記載のシステム（１００）。
3. 前記システムコントローラ（１０８）が、前記複数のＰＶコレクタユニット（１０２）および前記グリッド側インバータ（１０４）の動作を調整するようにさらに構成されている、請求項２記載のシステム（１００）。
4. 前記負荷の故障が、低電圧ライドスルー（ＬＶＲＴ）およびゼロ電圧ライドスルー（ＺＶＲＴ）の事象の少なくとも１つを含む、請求項３記載のシステム（１００）。
5. 前記コレクタ側単相インバータ（１２２）が、動作パラメータを記憶するメモリユニット（１７８）を備え、前記コレクタ側単相インバータが、測定されたグリッド状態、および前記システムコントローラ（１０８）からの信号の少なくとも１つに応答して、前記動作パラメータによって動作するように構成されている、請求項１記載のシステム（１００）。
6. 前記動作パラメータが、しきい値グリッド電圧電力コマンド、電圧ライドスルー復帰コマンド、および無効電力コマンドの少なくとも１つを含む、請求項５記載のシステム（１００）。
7. 前記複数のＰＶコレクタユニット（１０２）が、前記多相ＡＣ負荷（１８）の各位相に印加される有効電力および無効電力を別々に制御するように構成されている、請求項１記載のシステム（１００）。
8. 前記システムコントローラ（１０８）が、負荷故障を検出したとき、前記複数のＰＶコレクタユニット（１０２）の少なくとも１つに対する力率基準信号と、前記複数のＰＶコレクタユニットの少なくとも１つに対する抑制信号との中の少なくとも１つを送信するように構成されている、請求項１記載のシステム（１００）。
9. 前記複数のＰＶコレクタユニット（１０２）のそれぞれが、前記個々のＰＶコレクタユニットに対して決定される最大電力点で動作し、直流（ＤＣ）電圧を単相交流（ＡＣ）出力に変換するように構成されている、請求項１記載のシステム（１００）。
10. 前記単相ＡＣ出力を受け取り、複数のコレクタ側単相インバータからの前記単相ＡＣ出力を、平衡多相ＡＣ出力に変換するように構成された変圧器（１０６）をさらに備える、請求項９記載のシステム（１００）。

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