JP2012511299A - 電力設備における保護のためのシステム及び方法 - Google Patents
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Abstract
DC電源及びDC電源と連結された入力を含む複数の電力モジュールを含んでいる、分散電力システムにおける保護方法。電力モジュールは、直列ストリングを形成するために1つ又はそれ以上の他の電力モジュールと直列に連結された出力を含んでいる。インバータは、直列ストリングと連結されている。インバータは、ストリングからの電力入力を変換して出力電力を生産している。インバータが出力電力の生産を中断する時、電力モジュールのそれぞれは、停止され、それによってインバータへの電力入力は、中止される。
【選択図】図5B
【選択図】図5B
Description
本発明は、分散電力システムにおける単独運転防止に、より厳密には、単独運転を防止している間に光起電分散電力設備機器及び要員を保護するためのシステム及び方法に関する。
公共事業ネットワークは、公益事業顧客に電力システムを提供している。公益事業会社から顧客への電力配電は、配電グリッドと呼ばれるグリッド状のやり方で接続された公共事業配線のネットワークを利用している。配電グリッドは、グリッドにエネルギーを供給する公共事業会社に加えて、グリッドにエネルギーを供給する多くの独立したエネルギー源で構成されており、各独立したエネルギー源は、分散電力(DP)発電システムと呼ばれている。現代の公共事業ネットワークは、公共事業電源、顧客負荷及び電力をネットワークにも供給する分散発電システムを含んでいる。分散発電システムの数及び種類は、急速に増えており、光起電、風力発電、水力発電、燃料電池及び電池のような蓄電システム、超電導フライホイール及びコンデンサ型、更に従来式及び変速ディーゼル機関、スターリング機関、ガスタービン及びマイクロタービンを含む機械装置を含み得る。これらの分散発電システムは、それらが公共事業電源と同時に動作するように公共事業ネットワークに接続されている。
現代の公共事業ネットワークが直面する1つの一般的な問題は、単独運転の発生である。単独運転とは、公共事業電力供給装置がネットワークの一部から接続を断たれた後、分散発電システムが、公共事業ネットワークから切断されているにもかかわらず、公共事業ネットワークのそれらの一部に電力を供給し続けている状態である。全ての光起電システムは、安全規制に適合するために単独運転防止検出システムを有していなければならない。そうでなければ、グリッドが単独のダウンストリームとして電力を発電している光起電設備から遮断された後、光起電設備は、修理要員を感電させる又は感電死させる可能性がある。単独状態は、公共事業ネットワークの秩序正しい再接続を困難にし、設備機器にも危害を及ぼす。このため、単独状態が検出及び排除されることは重要である。
単独運転を防ぐために、幾つかの技法が提案されてきた。例えば、1つの方法は、主発電源とDPシステムとの間の公共事業システムの全ての回路遮断器上の補助接点の監視を含んでいる。補助接点は、公共事業電源の開回路遮断器を表している状態に変化がないかどうかを監視される。公共事業回路遮断器は、通常外部保護継電器によって監視及び引き外しが行われる。公共事業の喪失が回路遮断器の補助接点の状態の変化によって検出された場合、移行された引き外しスキームは、公共事業と分散電力システムとの間の相互接続を開くために用いられる。移行された引き外しスキームは、監視されている公共事業電源の補助接点を使用する。補助接点は、局所的相互接続遮断器の引き外しの誘因となる可能性がある他の装置と並列に接続されている。補助接点が状態を変えると、局所的相互接続遮断器で引き外しが誘発される。これは、単独状態が発生することを防止する。その様な方法の欠点は、公共事業の隔離点(公共事業回路遮断器が開く点)が、多くの場合、接続状態信号を局地的分散電力システム制御システムへ再度戻すことが実用的ではないだけ、局地的分散電力システムから離れていることである。
現在使用されている又は提案されている単独運転防止スキームは、受動的スキーム及び能動的スキームを含んでいる。受動的スキームは、例えば電圧不足又は超過、周波数不足又は超過、周波数の変化率、位相跳躍又はシステム高調波などのようなグリッド信号の局地的監視に基づいている。能動的スキームは、例えばインピーダンス測定のような結果的なグリッド信号の監視の能動的信号注入、又は例えば能動的周波数偏移又は能動的電圧変位のような能動的制御の能動的信号注入に基づいている。能動的スキームを用いると、幾つかの歪みが出力電流波形に生じる場合があり、それによって、検出が高速であるほど、標準的には、より高い総合的な高調波歪みをもたらし、単独運転検出時間と波形歪みとの間にトレードオフを引き起こす。
複数の太陽電池パネル101を含む、従来式の太陽光分散電力システム10の設備を、図1で図示している。各個別の太陽電池パネル101によって供与される電圧は低いので、幾つものパネル101は、パネル101のストリング103を形成するために直列に接続されている。大きい設備用に、より高電流が必要とされる場合、幾つかのストリング103は、総合システム10を形成するために並列に接続され得る。相互接続された太陽電池パネル101は、屋外に備え付けられ、最大電力点追尾(MPPT)モジュール107、続いてインバータ104に接続される。MPPT107は、図1に示すように、一般に、インバータ104の一部として実装される。DC電源101からの収穫電力は、インバータ104に送出され、インバータは、直流(DC)を、通常60Hzで110V又は220V若しくは50Hzで220Vである、所望の電圧及び周波数を有する交流(AC)に変換する。インバータ104からのAC電流は、その後電気器具を作動させるために使用され得る又は電力グリッドに供給され得る。
上述の通り、各太陽電池パネル101は、比較的非常に低い電圧及び電流を供給する。太陽電池設計者が直面している問題は、太陽電池パネルの低電圧の組み合わせから120V又は220V二乗平均平方根(RMS)で標準AC電流を生産することである。低電圧から高電力を送出するには、凡そ電流i2の二乗の大きい伝導損を引き起こす非常に高い電流を必要とする。更に、インバータ104のような、DC電流をAC電流に変換するために使用される電力インバータは、入力電圧が2の平方根を乗じた出力RMS電圧より幾らか高い時、最も効率的である。故に、多くの適用では、太陽電池パネル101のような電源は、正確な電圧又は電流に達するように組み合わされる。多数のパネル101は、ストリング103の中で接続され、ストリング103は、電力インバータ104に並列に接続される。パネル101は、インバータ104に必要な最小電圧に達するために直列に接続される。複数のストリング103は、より高い電力出力を可能にするように、より高い電流を供給するアレイに並列に接続される。
図1Bは、MPPT回路107及びインバータ104に接続されたDC電源、例えば太陽電池パネル101aから101dの1つの直列ストリング103を図示している。電流耐電圧(IV)特徴は、各DC電源101の左に表示されている(110aから110d)。各DC電源101では、出力電圧が増えるにつれて電流は減っている。幾つかの電圧値では、電流はゼロに向かって進んでおり、幾つかの適用では、電圧値は負の値であると推測され、これは電源がシンクになっていることを意味している。迂回ダイオード(図示せず)は、電源がシンクになることを回避するために使用されている。電流及び電圧の積(P=i*V)に等しい各電源101の電力出力は、電源から引き込まれた電圧によって変化する。電流の下落点に近い或る電流及び電圧では、電力はその最大に達する。この最大電力点(MPP)で発電電池を作動させることが望ましい。MPPTの目的は、電源から最大電力を引き出すために、この点を見つけ出して、この点でシステムを作動させることである。
一般的な従来式の太陽電池アレイでは、MPPTモジュール107を使用してシステム10の統合された電力出力を最適化するために、異なるアルゴリズム及び技法を使用している。MPPTモジュール107は、全ての太陽電池パネル101から引き出された電流をまとめて受け入れ、最大平均電力を提供するためにこの電流に関する最大電力点を追尾し、その結果、より多くの電流が引き出される場合、パネルからの平均電圧が降下し始め、このようにして、収穫電力を下げる。MPPTモジュール107は、システム10から最大平均電力を生み出す電流を維持する。
しかしながら、電源101aから101dは、単一のMPPT107に直列に接続されているので、MPPT107は、個別の直列に接続された電源101の最大電力点の或る平均である最大電力点を選択する。実際には、MPPT107は、大抵の場合、ほんの僅かの電源101にとって最適である、又は電源101のどれにとっても最適ではないI−V点で作動する可能性が高い。図1Bの実施例では、選択された点は、電源101bにとっての最大電力点であるが、電源101a、101c及び101dにとっての最大電力点から外れている。その結果、この配列は、最善の達成可能な効率で動作しない。
本出願は、同時係属中の米国特許出願第11/950271号「DC電源を使用する分散電力収穫システム」(“Distributed Power Harvesting Systems Using DC Power Sources”)、例えば光起電パネルのような各電源の出力と連結された例えばDC/DCコンバータのような電力コンバータの使用、で開示されている。電力コンバータは、最大電力レベルの入力電力を監視及び制御することによって入力電力を出力電力へ変換している。このシステムは、更に、単独運転防止問題に取り組むために使用することができる。
本明細書で使用する用語「漏洩」は、一般的に低レベルで及び一般的には不十分な隔離が原因で電気信号配線に放散される又は伝導される電力を指している。
本発明の以下の概要は、本発明の幾つかの態様及び特徴の基本的な理解のために付記される。本概要は、本発明の広範囲に及ぶ概説ではなく、よって本発明のキーとなる又は重要な要素を特に特定すること又は本発明の範囲を線引きすることは意図されていない。本概要の唯一の目的は、下文で提示されるより詳細な記述の前置きとして、簡略化した形態で本発明の幾つかの概念を提示することである。
本発明の1つの態様によると、分散電力システムの中に、複数のDC電源及びDC電源と個別に連結された入力を含む複数の電力モジュールが提供されている。電力モジュールは、直列ストリングを形成するために直列に連結された出力をそれぞれ含んでいる。インバータは、直列ストリングと連結されている。インバータは、ストリングからの電力入力を変換して出力電力を生産している。電力モジュールの保護機構は、インバータが出力電力の生産を中断すると、電力モジュールを停止してインバータへの電力入力を中止する。標準的には、インバータは、電気グリッドに接続されている。電気グリッドの1つ又はそれ以上の電気パラメータを監視している監視機構は、電気グリッドに取り付けられている。電気パラメータの1つ又はそれ以上が所定の仕様を超えると、インバータが出力電力の生産を中断する又はグリッドから接続を断つ停止機構は、監視機構に取り付けられている。スイッチは、直列ストリングとインバータとの間に配置されれば望ましい。スイッチは、停止機構によって始動され、保護機構は、スイッチが始動された時に直列ストリングを流れる電流の変化を感知する。スイッチが直列ストリングと直列に接続される場合、保護機構は、直列ストリングの中の予め指定された最小閾値電流より少ない電流を感知する、又はスイッチが直列ストリングと並列に接続される場合、保護機構は、ストリングの中の予め指定された最大閾値電流より大きい電流を感知する。或いは、停止機構に基づいて信号を発信する信号発信機構が、インバータに取り付けられる。複数の受信器が、電力モジュールに個別に取り付けられる。受信器は信号を受信し、受信器に個別に取り付けられた複数のイネーブル機構は、信号の有無に基づいて個別の電力モジュールが入力電力をインバータへ供給することができるようにする。信号がキープアライブ信号である場合、イネーブル機構は、キープアライブ信号の存在に基づいて個別の電力モジュールが入力電力をインバータへ供給することができるようにする。信号が停止信号である場合、イネーブル機構は、停止信号の存在に基づいて個別の電力モジュールの動作を停止させ、インバータへの入力電力の供給を中断する。直列ストリングの中の信号は、随意的には、電気グリッドから送られるものであり、電気グリッドの周波数で検出される又は電気グリッドの周波数からアップコンバートされたより高い周波数で検出される。直列ストリングの中の信号は、随意的には、インバータから送られるものである又はそこからの出力電力であり、インバータの切り替え周波数で検出される。信号は、随意的には、直列ストリングからインバータへの電力入力上で付加される。信号は、信号発信機構によって無線で伝送されてもよく、電力モジュールのそれぞれの受信器は、無線伝送信号を受信する。
本発明の別の態様によると、DC電源及び各々がDC電源と連結された入力をそれぞれが含んでいる複数の電力モジュールを含む分散電力システムの中の保護方法が提供されている。電力モジュールは、直列ストリングを形成するために直列に連結された出力をそれぞれが含んでいる。インバータは、直列ストリングと連結されている。インバータは、ストリングからの電力入力を変換して出力電力を生産している。インバータが、出力電力の生産を中断すると、電力モジュールのそれぞれは停止され、それによってインバータへの電力入力は、中止される。インバータが、電気グリッドに接続され、出力電力を供給する時、グリッドの1つ又はそれ以上の電気パラメータは監視される。グリッドの1つ又はそれ以上の電気パラメータが所定の仕様を超えると、インバータは停止され、それによって出力電力の生産は、中断される又はインバータは、グリッドから接続を断たれる。インバータが停止されると、直列ストリングとインバータとの間に配置されるスイッチは、始動される。スイッチが始動されると、直列ストリングを流れる電流の変化は、感知される。或いは、停止機構に基づいて信号が発信される。複数の受信器が、電力モジュールにそれぞれ取り付けられている。受信器は、個別の電力モジュールが、信号の有無に基づいて入力信号をインバータへ供給することができるようにする信号を受信する。信号がキープアライブ信号である場合、個別の電力モジュールは、キープアライブ信号の存在に基づいて入力電力をインバータへ供給する。信号が停止信号である場合、個別の電力モジュールは、停止信号の存在に基づいてインバータへの入力電力の供給を中断する。信号は、電気グリッドから送られた直列ストリングの中の電流に基づいて、電気グリッドの周波数で検出されてもよい又は電気グリッドの周波数からアップコンバートされたより高い周波数で検出されてもよい。直列ストリングの中の信号は、随意的には、インバータから送られたもの又はそこからの出力電力であり、インバータの切り替え周波数で検出される。信号は、随意的には、直列ストリングからインバータへの電力入力上で能動的に付加される。信号は、無線で伝送されてもよく、電力モジュールのそれぞれの中の受信器は、無線伝送信号を受信する。
前述の態様及び/又は他の態様は、添付の作図と併せて考察すれば以下の詳細な記述から明白となるであろう。
本明細書の中に組み込まれ、その一部を構成している添付図面は、本発明の実施形態を例示しており、解説と併せて本発明の原理を説明及び図解する働きをする。図面は、線図を用いた手法で図解される実施形態の様々な特徴を説明することを目的としている。図面は、実際の実施形態のあらゆる特徴も、また描写する要素の相対寸法を描写することも意図されるものではなく、並びに必ずしも原寸に比例して描かれているわけではない。
本発明は、添付図面を参照しながらほんの一例として本明細書で説明される。
本発明の実施形態に関してこれより詳細に述べてゆくが、本発明の実施例は、添付図面に図解されており、図面を通して類似番号は、類似の要素を指している。図面を参照しながら本発明を説明するために、実施形態を下文に記載する。
本明細書における考察は、主として光起電システムにおける単独運転防止に関し、より具体的には、米国特許出願第11/950271号で先に開示された当該システムに関するが、本発明は、更に、従来式の光起電分散電力システムと、風力タービン、水力タービン、燃料電池、バッテリー、超伝導フライホイール及びコンデンサのような蓄積システム及び従来式の可変速度ディーゼル機関、スターリング機関、ガスタービン及びマイクロタービンを含む機械装置を(これらに限定するわけではないが)含む他の分散電力システムと、を使用しながら、非限定的な実施例によって、選択的に構成されてもよい。
前置きとして、本発明の態様は重要な安全性の恩恵を有していることに留意することは重要である。本発明の実施形態によるシステムは、例えば太陽電池パネルが日光に曝されている時には、高電圧を出力しないので、本発明の或る態様による光起電システムを設置又は保守作業を行う間、据え付け者は、電撃又は感電死の危険から保護される。同様に、インバータへ供給される高電圧直流は、安全に止められるので、消防士は、燃焼中の建物への主電気スイッチ切った後でさえ、水を通じた高電圧DC伝導を心配せずに燃焼中の建物の中へ突入すること又は建物の屋根に水を放水することを安全に行うことができる。
本発明の実施形態を詳細に説明する前に、本発明は、その適用において以下の記述で説明される又は図面で図解される構成要素の設計及び配列の詳細に限定されないことを理解頂きたい。本発明は、他の実施形態でも可能であり又は様々な方法で実施、実行することができる。更に、本明細書で採用している表現及び専門用語は、説明を目的とするものであって、制限的なものであるとみなされるべきではないことを理解されたい。
これより図面を参照してゆくが、図2は、米国特許出願第11/950271号で先に開示された分散電力収穫回路20を図解している。回路20は、複数の分散電源、例えば太陽電池パネル201aから201dの単一の電力供給装置へ接続を可能にしている。太陽電池パネル201の直列ストリング203は、インバータ204と連結されてもよく、又は太陽電池パネル201の複数の接続されたストリング203が、単一のインバータ204に接続されてもよい。構成20では、各太陽電池パネル201aから201dは、別々の電力調整器、ここではコンバータ回路又はモジュール205aから205dに個別に接続されている。各太陽電池パネル201は、関連付けられる電力コンバータ回路205と共に発電要素222を形成している。(図2では当該発電要素222は、1つだけ表示されている。)各コンバータ205aから205dは、接続された太陽電池パネル201aから201dの電力特性に最適に適応し、電力をコンバータ205の入力から出力へ効率的に転送している。コンバータ205aから205dは、標準的にはマイクロプロセッサ制御の切り替えコンバータ、例えばバックコンバータ、ブーストコンバータ、バック/ブーストコンバータ、フライバック又はフォワードコンバータ等である。コンバータ205aから205dは、更に、例えばブック及びブーストコンバータの直列接続のような複数の構成要素コンバータを含んでいてもよい。各コンバータ205aから205dは、制御ループ221、例えばコンバータの出力電流又は電圧からではなく太陽電池パネル201から入ってくるコンバータの入力から送られるフィードバック信号を受信するMPPTループを含んでいる。コンバータ205のMPPTループは、最大電力がそれぞれの取り付けられたパネル201aから201dから抽出されるような方法で、標準的にはパルス幅変調(PWM)による切り替え変換の1つ又はそれ以上のデューティサイクルを変えることで、最適電力点で各太陽電池パネル201aから201dからの入力電圧及び電流をロックする。コンバータ205の制御要素は、コンバータ入力で最大電力点を動的に追尾する。フィードバックループ221は、従来式のDC/DC電圧コンバータによって行われるように出力電圧上でフィードバックループを閉じるのではなく、最大入力電力を追尾するために入力電力上で閉じられる。
各コンバータ205aから205dの中に、ひいては各太陽電池パネル201aから201dに対して別々のMPPTを有する結果、各ストリング203は、直列に接続される、異なる数又は異なる仕様、大きさ及び/又は型のパネル201aから201dを有してもよい。図2のシステム20は、温度、太陽放射、日陰又は太陽電池パネル201aから201dの1つ又はそれ以上に影響を及ぼす他の性能要因の変化に反応するために、各太陽電池パネル201aから201dの出力上でMPPTを連続的に行っている。結果的に、コンバータ205aから205d内部のMPPT回路は、最大可能電力を各パネル201aから201dから収穫し、他の太陽電池パネル201aから201dに影響を及ぼすパラメータにかかわらずこの電力を出力として転送する。
コンバータ201aから201dの出力は、インバータ204への入力を形成している単一のDC出力の中へ直列に接続されている。インバータ204は、コンバータ201aから201dの、AC電力供給装置へ直列に接続されたDC出力を変換している。インバータ204は、インバータ204の入力で電圧に調節するように設定されてもよい。この実施例では、独立した制御ループ220は、インバータ204への入力電圧を或る設置値、例えば400ボルトに維持している。インバータ204の入力での電流は、利用可能な及び光起電パネル201によって発電される電力によって標準的には固定されている。
各国で、グリッドに接続することを合法的に許可されるために、インバータ104、204は、現地の電気に関する規制法に適合するように設計されれば望ましい。電気に関する規制法は、一般的には、数ある中でも、例えば220から260二乗平均平方根電圧Vであるようなグリッドの最小及び最大電圧及び例えば45から55Hzであるような認可周波数の範囲を指示する。グリッドが許容値を逸脱した場合は必ず、インバータ104、204は、グリッドから接続を断つことを求められる。グリッドからの接続切断は、標準的には、インバータ104、204を制御するソフトウェア及び例えば電圧、周波数などのグリッドパラメータを常に監視する制御回路構成を使用して行われる。
システム10では、太陽電池パネル101は、インバータ104に直接的に(例えば直並列に)接続されている。単独運転状態が検出されると、インバータ104は、グリッドから接続を断たれる。そのような訳で、インバータ104は、電流を引くことを中断し、その結果パネル101は、標準的には、通常の作動電圧より25%高い、比較的高い開回路電圧を出力する。公称使用電圧より25%高い開回路電圧は、標準的には安全であり、(米国では許可された600VDC、欧州では1000VDC未満)より高い開回路電圧を処理することができるように設計されたインバータ104に対する標準的な定格である。
システム20では、電力をコンバータ205の出力へ「押し出す」電力コンバータ205が存在している。インバータ204によって検出された単独運転状態下では、インバータ204は停止され、電流は、コンバータ205とインバータ204との間には流れない。その結果として、システム20では、インバータ204への入力での開回路電圧は、インバータ104、204の開回路最大電圧定格より高い危険電圧に達する。
図3に関してこれより述べてゆくが、ここでは、同時継続中の米国特許出願第11/950271号で先に開示された例示的なDC/DCコンバータ205を図解している。DC/DCコンバータは、出力回路の要件に応じて、DC電圧入力をより高い又はより低いDC電圧出力へ上げる又は下げるために使用されている。しかしながら、図3の実施形態では、DC/DCコンバータ205は、電力コンバータとして使用されており、即ち入力電力を出力電力へ転送しており、入力電圧は、入力でのMPPTに従って変化しており、更に出力電流は、インバータ104、204への定入力電圧によって決められる。つまり、入力電圧及び電流は、いつ何時でも変化する可能性があり、出力電圧及び電流は、DC電源201の作動状態に応じていつ何時でも変化する可能性がある。
コンバータ205は、入力端子314及び316で対応するDC電源201に接続されている。DC電源201の変換電力は、出力端子310、312を通って回路へ出力される。入力端子314、316及び出力端子310、312との間に、コンバータ回路は、入力及び出力コンデンサ320、340、逆流防止ダイオード322、342及び制御要素306及び誘導子308を含む電力変換回路を含んでいる。
ダイオード342は、極性を備えて出力312と直列になっているので、電流は、コンバータ205の中に逆流しない。ダイオード322は、DC電流に対して短絡の役割を果たす誘導子308を通る陽極の出力リード線312と、太陽電池パネル201へ逆流する出力312からの電流を回避するような極性を帯びた陰極の入力リード線314との間に連結されている。
電位差は、パネル201の太陽電池で生産される電子正孔対が原因で、電線314及び316の間に存在している。コンバータ205は、連続的に、パネル201によって提供される電流及び電圧を監視すること及び最大電力点追尾アルゴリズムを使用することによって、ピーク電力点で太陽電池パネル201から電流を抽出して最大電力出力を維持している。制御要素306は、MPPT回路又はピーク電力追尾を行うためのアルゴリズムを含んでいる。ピーク電力追尾及びパルス幅変調(PWM)は、所望の入力電圧及び電流を達成するために同時に行われる。制御要素306の中のMPPTは、例えば山登り法(P&O)、漸増伝導性などのような任意の従来式のMPPTであってもよい。しかしながら、注目すべきは、MPPTは、パネル201上で直接的に、即ちコンバータ205の出力ではなく、コンバータ205への入力で行われる。発電された電力は、その後出力端子310及び312に転送される。複数のコンバータ205の出力は、直列に接続され得るので、1つのコンバータ205の陽極リード線312は、次のコンバータ205の陰極リード線310へ接続される。
図3では、コンバータ205は、バックプラスブーストコンバータとして示されている。本明細書で使用される用語「バックプラスブースト」は、図3で示されるようにその後にすぐブーストコンバータが続くバックコンバータであり、「直列のバック/ブーストコンバータ」として文献で見ることもある。電圧が低下される場合、ブースト部分は、実質的に短くなる。電圧が上昇される場合、バック部分は、実質的に短くなる。用語「バックプラスブースト」は、電圧が上昇される又は低下されるべき時に使用することができる伝統的なトポロジーであるバック/ブーストトポロジーとは異なり、「カスケードのバック/ブースト」として時々文献で見られる。「バック/ブースト」トポロジーの効率は、本質的にバック又はブーストより低くなる。更に、所与の要件のために、バック/ブーストコンバータは、機能するためにバックプラスブーストコンバータより大きい受動要素を必要とするであろう。従って、図3のバックプラスブーストトポロジーは、バック/ブーストトポロジーよりも高い効率を有している。しかしながら、図3の回路は、降圧しているのか又は昇圧しているかを連続的に判定している。所望の出力電圧が入力電圧と差がないような幾つかの状態では、バック及びブーストの両方の部分が作動可能であり得る。
制御要素306は、バックコンバータ回路及びブーストコンバータ回路と共に使用するためにパルス幅変調、PWM又はデジタルパルス幅変調、DPWMを含んでいてもよい。制御要素306は、バックコンバータ及びブーストコンバータの両方を制御しており、バック又はブーストの働きが機能するべきか否かを判定している。幾つかの状況では、バック及びブースト部分の両方が同時に働く場合がある。即ち、入力電圧及び電流は、出力電流及び電圧の選択とは無関係に選択される。更に、入力値かそれとも出力値の選択は、DC電源の作動に応じていつ何時でも変更することができる。従って、図3の実施形態では、コンバータ205は、入力電圧及び電流の選択された値は、出力要件に応じていつでもアップコンバート又はダウンコンバートされ得るように構成されている。
1つの実装では、コンバータ205の機能性の幾つかを具現化する集積回路(IC)304を使用してもよい。IC304は、随意的には、戸外の太陽熱発電の設備に存在する過酷な気温の両極端に耐えることができる単一のASICである。ASIC304は、25年より長い、優れた平均故障間隔(MTBF)のために考案され得る。しかしながら、複数の集積回路を使用する個別的な解決手法を、同様の方法で使用してもよい。図3に示される例示的な実施形態では、コンバータ305のバックプラスブースト部分は、IC304として実装されている。実施上の配慮点は、システムの他のセグメント化につながってもよい。例えば、本発明の1つの態様では、IC304は、2つのIC、システムの中で高電流及び電圧を処理する1つのアナログIC及び制御論理を含んでいる1つの簡素な低電圧デジタルICを含んでいてもよい。アナログICは、個別的な構成要素、FETドライバー、A/D等で代替的に実装されてもよい、電力FETを使用して実装されてもよい。デジタルICは、制御要素306を形成してもよい。
示される例示的な回路205では、バックコンバータは、入力コンデンサ320、トランジスタ328及び330、トランジスタ328と並列に配置されるダイオード322及び誘導子308を含んでいる。トランジスタ328、330は、それぞれ寄生ボディダイオード324、326を有している。ブーストコンバータは、バックコンバータと共有される誘導子308、トランジスタ348及び350、トランジスタ350と並列に配置されるダイオード342及び出力コンデンサ340を含んでいる。トランジスタ348、350は、それぞれ寄生ボディダイオード344、346を有している。
システム20は、直列に接続され、ストリング203から電流を運ぶコンバータ205を含んでいる。直列に接続されたコンバータ205の1つの故障が、故障したコンバータ205に開回路を引き起こす場合、電流はコンバータ205のストリング203の全体を流れなくなり、それによってシステム20の機能を中断させることになる。本発明の態様は、電気構成要素が、コンバータ205の1つの内部で電気構成要素が故障した場合に電流を運ぶ、当該電気構成要素に関連付けられる1つ又はそれ以上の迂回経路を有しているコンバータ回路205を提供する。例えば、コンバータのバック又はブーストのどちらかの部分のそれぞれの切り替えトランジスタは、独自のダイオード迂回路を有している。更に、誘導子308の故障の際、電流は寄生ダイオード344、346を通って故障した誘導子308を迂回する。
図4に関してこれより述べてゆくが、ここでは、本発明の実施形態による、単独運転状態の間の保護のためのシステム40を図解している。簡潔にするために、単一のストリング423は、分散電源、例えば各電力コンバータ405aから405dに接続された太陽電池パネル201aから201dのものが示されている。直列ストリング423は、電線412及び410を通ってインバータ404に入力されている。インバータ404の出力は、電気グリッドに接続され、電源を当該グリッドに供給している。インバータ404は、標準的には、電圧及び/又は周波数などの電気グリッドの1つ又はそれ以上のパラメータを監視する監視及び検出機構401を含んでいる。グリッドパラメータの1つ又はそれ以上が仕様を超えていて、単独運転状態を示している場合、監視及び検出機構401は、標準的には、インバータ404を停止させる又はインバータ404は、グリッドから接続を断たれることで、出力電力は、インバータ404からグリッドへ供給されなくなる。同時に、信号414は、入力コンデンサ408の前でインバータ404の入力に設置され得るスイッチ機構403へ伝送される。スイッチ機構403は、随意的には、インバータ404とパッケージ化される又はインバータ404と一体化され、別々にパッケージ化されてもよい。この実施例では、信号414は、スイッチ機構403を始動させるので、スイッチ403が始動されると、直列ストリング423及び電線410、412を流れる電流は、突然変化することになる。
図4Aに関してこれより述べてゆくが、ここでは、コンバータ405をより詳細に図解している。コンバータ405は、直列ストリング423を通る電流の変動を感知すると、電力変換を停止及び中断するように制御要素306に信号を送る電流感知機構407を装備している。標準的には、電流感知機構407は、データを制御要素306へ連続的に送り続けるアナログ/デジタルコンバータを含んでいる。制御要素306は、電流の遮断を検出し、コンバータ405を停止することを適宜決定する。
更に図4B及び図4Cに関してこれより述べてゆくが、ここでは、スイッチ機構403をより詳細に図式的に図解している。図4Bは、スイッチ403が直列ストリング423と直列に接続されている直列構成のスイッチ機構403を図解しており、図4Cは、スイッチ403が直列ストリング423と並列に接続されている並列構成を図解している。直列構成(図4B)では、スイッチ403は、インバータ404の通常作動中には閉じている。単独状態が検出されると、直列スイッチ403は、インバータ404が停止している間開く。電流感知機構407は、ゼロ電流を感知すると、出力電流が予め指定された最小値を下回っていて、制御要素306がコンバータ405の電力変換を停止するように、制御要素306に信号を送る。並列構成(図4C)では、スイッチ403は、インバータ404の通常作動中には開いている。単独状態が検出されると、並列スイッチ403は、インバータ404が停止している間閉じる。直列ストリング423の全ての電流が最小負荷でスイッチ403を通って流れる状態で、電流は、予め指定された最大電流を上回るまで増やされる。電流感知機構407は、最大電流を感知すると、出力電流が最大の予め指定された値を上回っていて、制御要素306が電力変換を停止するように、制御要素306に信号を送る。異なる実施形態のスイッチ機構403は、本出願に適切な電流及び電圧定格を備えた機械式スイッチ又はソリッドステートスイッチによって具現化されてもよい。スイッチ機構403は、本発明の幾つかの実施形態を実施する間、開端子を横切るアーク放電が回避されるように、電力工学の当業者によって選択されれば望ましい。
図4Dに関してこれより述べてゆくが、ここでは、本発明の実施形態による方法を図解している。決定ブロック450では、インバータ104、204からの出力電力は、常に監視されている。出力電力が中断されると、電力コンバータ405は、停止される。
単独運転状態の間の保護のための本発明の他の実施形態によるシステム50を図解している、図5に関してこれより述べてゆく。簡潔にするために、単一のストリング523は、分散電源、例えば各電力コンバータ505aから505dに接続された太陽電池パネル201aから201dのものが示されている。直列ストリング523は、電線412及び410を通ってインバータ504に入力されている。インバータ504の出力は、電気グリッドに接続され、電源を当該グリッドに供給している。インバータ504は、標準的には、電圧及び/又は周波数などの電気グリッドの1つ又はそれ以上のパラメータを監視する監視及び検出機構401を含んでいる。グリッドパラメータの1つ又はそれ以上が仕様を超えていて、単独運転状態を示している場合、監視/検出機構401は、標準的には、インバータ504を停止する又はグリッドから接続を断つことで、出力電力は、インバータ504からグリッドへ供給されなくなる。通常作動中、配線通信送信器503は、例えば直列ストリング523に取り付けられた直流(DC)入力配線410及び412上で1キロヘルツから100メガヘルツの間、キープアライブ信号を付加する。
図5Aに関してこれより述べてゆくが、ここでは、コンバータ505をより詳細に図解している。キープアライブ信号は、配線通信受信器507によって常に監視及び検出されている。受信器507がキープアライブ信号を感知する間だけ、受信器507は、イネーブル信号を制御要素306に提供する。制御要素306が受信器507からイネーブル信号を受信しない時、制御要素306は、コンバータ505の電力変換を遮断する。
或いは、「キープアライブ」信号の代わりに、単独運転状態が検出された時、監視及び検出機構401によって最初に生成される中断信号514が、受信器507へ伝送される。中断信号は、直列ストリング523の電力配線の上に変動(例えば10Khzから100Mhz)信号を付加することによって、配線通信を通じて伝送される。受信器507は、中断信号を受信し、例えば単一のディスエーブルビットを使用して中断信号を制御要素306に伝える。制御要素306は、ディスエーブル信号を受信すると、電力をコンバータ505の出力へ変換することを中断する。標準的には、コンバータ505が機能しない時、他のコンバータ505からの電流が通過することを許可する迂回モードに進む。そのような訳で、中断信号は、全てのコンバータ505から全ての電力中断がストリング523に提供されるまで継続され得る。
システム50では、コンバータ505は、システム20の制御要素205にあるようなフィードバックループ221を有していることが示されているが、スイッチ機構403を使用しているシステム40及び/又は直列ストリングへの配線通信を使用しているシステム50で図解されるような本発明の実施形態は、先行技術システム10に適用されるようなフィードバックループ221の無いコンバータを使用する他の分散電力システムにも適用することができ且つ恩恵を見つけ出すことができることを当業者であれば理解されるであろうことに留意されたい。同様に、従来式のインバータ104は、インバータ製造業者によって又はレトロフィットとして通信送信器503をインバータ104に加えることで、インバータ504の代わりに使用され得る。例えば、図5Bは、図1のシステムのような先行技術システムに対するレトロフィットとして適用される本発明の或る実施形態によるシステムを図解している。この実施例では、検出機構401及びスイッチ機構403は、グリッドと従来式インバータ104との間に設置されている。無論、検出機構401及びスイッチ機構403は、レトロフィットではなく、例えば元々の設備としてインバータに組み込まれてもよい。更に、本明細書に記載する他の実装を、検出機構401及びスイッチ機構403の代わりに使用してもよい。監視及び検出機構401及びスイッチ機構403又は通信送信器503の1つをシステム10に組み込むことの利点は、設置、保守及び消火を行う間に役立つ。
図6に関してこれより述べてゆくが、ここでは、単独運転状態の間の保護のための本発明の別の実施形態によるシステム60を図解している。簡潔にするために、単一のストリング623は、分散電源、例えば各電力コンバータ605aから605dに接続された太陽電池パネル201aから201dのものが示されている。直列ストリング623は、電線412及び410を通って従来式インバータ104に入力されている。インバータ104の出力は、電気グリッドに接続され、電源を当該グリッドに供給している。インバータ104は、標準的には、電圧及び/又は周波数などの電気グリッドの1つ又はそれ以上のパラメータを監視する監視及び検出機構401を含んでいる。グリッドパラメータの1つ又はそれ以上が仕様を超えていて、単独運転状態を示している場合、監視/検出機構401は、標準的には、インバータ104を停止するので、出力電力は、インバータ104からグリッドへ供給されなくなる。通常作動中、インバータ104のコンデンサは、交流電流(AC)の全てを遮断するわけではないので、又は100/120Hzは、配線410、412を通って直列ストリング623の中へ意図的に漏洩されるので、100Hz(又は米国では120Hz)リップル電流は、配線410、412の間及び直列ストリング623の中で検出可能である。
図6Aに関してこれより述べてゆくが、ここでは、コンバータ605をより詳細に図解している。100/120Hz漏洩は、受信器607によって常に監視及び検出されている。受信器607がグリッドから漏洩を感知する間だけ、受信器607は、イネーブル信号を制御要素306に提供する。制御要素306が受信器607からイネーブル信号を受信しない時、制御要素306は、コンバータ605の電力変換を停止する。
或いは又は更に、インバータ104の1つ又はそれ以上の切り替え周波数、標準的には16Khz又は32KHzは、漏洩として検出され得る、又は意図的に配線412、410に沿って直列ストリング623に提供され得る。受信器607は、インバータ104が作動している間、16/32KHzインバータ切り替え周波数を検出し、イネーブル信号を制御要素に提供するように構成されている。
グリッドからの漏洩を受信器607でより速く検出することができるようにするために、100/120Hzをより高い周波数にアップコンバージョンするための本発明の実施形態による簡略化したブロック図を示している、図6Bに関してこれより述べてゆく。100ヘルツ又は100ヘルツ信号は、直列ストリング623及び配線410、412の中の直流構成要素を取り除くためにコンデンサ631によってAC結合されている。100/120Hz信号は、100Hz又は120Hz単極DCリップルが実現されるように、全波整流器635によって随意的に増幅及び整流される。100/120Hz単極信号は、分割される。100/120Hzの1つの部分である単極リップルは、コンパレータ/デジタル化回路639の中などで方形波に変換される。100/120Hz単極リップルの第2の部分は、位相シフター633の中で例えば400Hzの既知の位相シフトを経験し、第2のコンパレータ/デジタル化回路631へ出力する。2つのデジタル化回路639、631の2つの出力は、例えば800Hzの非常に高い周波数の信号を出力するXOR回路633で排他的ORを経験する。
単独運転状態の間の保護のための本発明の他の実施形態によるシステム70を図解している、図7に関してこれより述べてゆく。簡潔にするために、単一のストリング723は、分散電源、例えば各電力コンバータ705aから705dに接続された太陽電池パネル201aから201dのものが示されている。直列ストリング723は、電線412及び410を通ってインバータ704に入力されている。インバータ704の出力は、電気グリッドに接続され、電源を当該グリッドに供給している。インバータ704は、標準的には、電圧及び/又は周波数などの電気グリッドの1つ又はそれ以上のパラメータを監視する監視及び検出機構401を含んでいる。グリッドパラメータの1つ又はそれ以上が仕様を超えていて、単独運転状態を示している場合、監視及び検出機構401は、標準的には、インバータ704を停止する又はグリッドからインバータ704の接続を断つことで、出力電力は、インバータ704からグリッドへ供給されなくなる。通常作動中、無線送信器703は、例えば100メガヘルツから10ギガヘルツの間の信号を無線で伝送している。
図7Aに関してこれより述べてゆくが、ここでは、コンバータ705をより詳細に図解している。無線信号は、無線受信器707によって受信され、常に監視及び検出されている。受信器707がグリッドから無線信号を感知する間だけ、受信器707は、イネーブル信号を制御要素306に提供する。制御要素306が受信器707からイネーブル信号を受信しない時、制御要素306は、コンバータ705の電力変換を停止する。
本発明は、特定の実施例に関して説明されてきたが、当該実施例は、あらゆる点において制限的ではなく例証的であるよう意図されている。当業者であれば理解されるように、ハードウェア、ソフトウェア及びファームウェアの数多くの異なる組み合わせは、本発明を実施するのに適切であるであろう。更に、本発明の他の実装は、ここで開示する本発明の明細書及び実施について考察すれば当業者には明白であろう。記載される実施形態の様々な態様及び/又は構成要素は、単独で又はサーバー技術の任意の組み合わせで使用されてもよい。本明細書及び実施例は、単に例証的なものとして考えられるように意図されており、本発明の真の範囲及び精神は、次に示す特許請求の範囲で示されている。
Claims (20)
- DC出力を提供する複数のDC電力モジュールと、
前記DC電力モジュールと連結され、出力電力を提供するために前記DC電力モジュールから受信した前記DC出力を変換するインバータと、
前記インバータが前記出力電力を生産することを中断すると、前記DC出力を中止するように構成された保護機構と、を備えている分散電力システム。 - 前記インバータが、電気負荷に接続されており、
前記電気負荷に接続され、前記電気負荷の少なくとも1つの電気パラメータを監視するように構成された監視機構と、
前記監視機構と連結され、前記少なくとも1つの電気パラメータが所定の仕様を超えると、前記インバータに前記出力電力を中断させるように構成された停止機構と、を更に備えている、請求項1に記載の分散電力システム。 - 前記DC電力モジュールが、少なくとも1つの直列ストリングの中で連結されており、前記保護機構が、前記直列ストリングの電流を感知する、請求項2に記載の分散電力システム。
- スイッチが前記直列ストリングと直列に接続されており、前記保護機構が予め指定された最小閾値電流より少ない、前記直列ストリングを通る前記電流を感知する構成、又は
スイッチが前記直列ストリングと並列に接続されており、前記保護機構が予め指定された最大閾値電流より大きい、前記ストリングの前記電流を感知する構成、の1つによる、前記直列ストリングと前記インバータとの間に配置されたスイッチを更に備えている、請求項3に記載の分散電力システム。 - 前記インバータが、前記電気負荷に接続されており、
前記電気負荷に接続され、前記電気負荷の少なくとも1つの電気パラメータを監視する監視機構と、
前記監視機構と連結され、前記少なくとも1つの電気パラメータが所定の仕様を超えると、前記インバータに前記出力電力を中断させる停止機構と、
前記停止機構に基づいて信号を提供する、前記インバータと連結された信号提供機構と、
前記DC電力モジュールと個別に連結された複数の受信器と、
前記信号の有無に基づいて前記個別の電力モジュールが、前記DC出力を前記インバータに供給することができるようにする、前記受信機と個別に連結された複数のイネーブル機構と、を更に備えている、請求項1に記載の分散電力システム。 - 前記信号は、
キープアライブ信号であって、前記イネーブル機構が、前記キープアライブ信号の前記存在に基づいて前記個別の電力モジュールが前記入力電力を前記インバータへ供給することができるようにする、キープアライブ信号又は
停止信号であって、前記イネーブル機構が、前記停止信号の前記存在に基づいて前記個別の電力モジュールの動作を停止させ、前記インバータへの前記入力電力の供給を中断する、停止信号の1つである、請求項5に記載の分散電力システム。 - 前記DC電力モジュールが、少なくとも1つの直列ストリングの中で連結されており、前記保護機構が、前記電気負荷から前記直列ストリングへの電流リップルを検出するように構成された、請求項2に記載の分散電力システム。
- 前記直列ストリングの前記電流リップルを前記電気負荷の前記周波数からアップコンバートするためにアップコンバータを更に備えている、請求項7に記載の分散電力システム。
- 前記DC電力モジュールのそれぞれが、個別の電力調整器と連結されたDC電源を備えている、請求項1に記載の分散電力システム。
- 前記信号が、
前記直列ストリング内部の前記インバータへの前記電力入力上で能動的に付加されるもの又は、
前記電力モジュールの前記受信器が、無線で伝送される信号を受信する、前記信号提供機構によって無線で伝送されるもの、の1つである、請求項5に記載の分散電力システム。 - DC出力を提供する複数のDC電力モジュールと、
前記DC電力モジュールから受信した入力電力を変換して出力電力を提供するように、前記DC電力モジュールと連結された入力及び負荷と連結された出力を有するインバータと、
前記負荷と連結され、前記負荷の少なくとも1つの電気パラメータを監視するように構成された監視機構と、
前記監視機構と連結され、前記少なくとも1つの電気パラメータが所定の仕様を超えると、前記インバータに前記出力電力を中断させるように構成された停止機構と、を備えている分散電力システム。 - 制御信号を前記複数のDC電力モジュールに送信する送信器を更に備えている、請求項11に記載のシステム。
- 前記信号に基づいて前記入力電力を前記インバータへ前記供給することを中止するように構成された保護機構を更に備えている、請求項12に記載のシステム。
- 前記DC電力モジュールが、少なくとも1つの直列ストリングの中で連結されており、前記DC電力モジュールのそれぞれが、個別の電力調整器と連結されたDC電源を備えている、請求項13に記載のシステム。
- 複数のDC電力モジュールと、前記DC電力モジュールから受信した入力電力を変換し出力電力を供給するように、前記DC電力モジュールと連結された入力及び負荷と連結された出力を有するインバータと、を含む分散電力システムにおける方法において、
前記インバータの動作を監視することと、
前記インバータが前記出力電力の生産を中断すると、前記インバータへの前記入力電力の前記提供を中止することと、を備えている方法。 - 前記インバータが、負荷に接続されており、
(b)前記負荷の少なくとも1つの電気パラメータを監視することと、
(c)前記少なくとも1つの電気パラメータが所定の仕様を超えると、前記出力電力の生産を中断することと、の段階を更に備えている、請求項15に記載の方法。 - 前記DC電力モジュールが、少なくとも1つの直列ストリングの中で連結されており、
(d)前記出力電力の生産の前記中断が行われると、前記直列ストリングと前記インバータとの間に配置されるスイッチを始動させることと、
(e)前記スイッチの前記始動が行われると、前記直列ストリングを通って流れる電流の変化を感知することと、
(f)前記直列ストリングを通って流れる電流の変化を感知すると、前記モジュールからの前記電力出力を停止することと、を更に備えている、請求項16に記載の方法。 - (d)前記出力電力の生産の前記中断が行われると、前記電力モジュールへの信号を提供することと、
(e)前記電力モジュールで前記信号を受信することと、
(f)前記信号の有無に基づいて、前記電力モジュールが、前記入力電力を前記インバータへ供給することができるようにすることと、の段階を更に備えている、請求項16に記載の方法。 - (d)前記負荷から前記直列ストリングのリップル電流を検出することと、
(e)前記リップル電流に基づいて、前記電力モジュールが前記入力電力を前記インバータへ供給することができるようにすることと、の段階を更に備えている、請求項16に記載の方法。 - 前記信号の提供をすることが、
前記インバータからの前記信号又はそこからの前記出力電力を提供すること、
前記インバータへの前記電力入力上で前記信号を能動的に付加すること又は
前記信号を無線伝送信号として無線伝送すること、の1つを備えている、請求項18に記載の方法。
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