JP2012529714A

JP2012529714A - 直列に接続されたｄｃ電源用の電力ハーベスト回路および方法

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Inventors: ウィリス、アンドレ・ポスカチーブ
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Abstract

互いに直列に接続された多数のＤＣ電力源からの電力を最大にし、ユニークなＤＣ電流を与える回路および方法が提供される。このユニークなＤＣ電流の間の差に関連した電流が、直列に接続された電源から迂回させられ、電磁場エネルギーとして獲得され、直列に接続された電源により与えられたＤＣ電流に加えられる。

Description

本出願は、“Solar Array Inverter with Per-Panel Maximum Power Point Tracking”と題する、２００９年６月９日に出願した米国仮出願第６１／１８５２６４号の出願に基づくものである。

本発明は、エネルギー変換回路から電力を獲得する（harvesting）する回路および方法に関し、特に直列に接続されたＤＣ電源から獲得された電力を最大化するための上記回路および方法に関する。

同業者には周知なように、中央インバーターをベースとしてエネルギー変換設備は、直列に接続された（ときどき、ストリングスと言われている）ＤＣ電源のグループを使用する。例を挙げると、バイオマス、ケミカル、燃料電池およびエネルギー貯蔵バッテリーがある。

たとえば、ソーラーパネルの場合、パネルが影に入ったり、薄暗くなったりすると、それらはほとんど光電流を生成しない。パネル電流はまた、いろいろな理由のために不均衡になることがある。ストリングス状になったソーラーパネルにはすべて同じ電流を伝えるという規制があるために、最も弱い電流のソーラーパネルにより、他のソーラーパネルから獲得される電力が制限される。同様の理由により、ストリング状になったソーラーパネルは同じ向きにあって、同じタイプおよび大きさでなければならない。このことは常に不可能であり、美観状または他のアーキテクチャーの理由から望ましくない。

他の周知のアプローチはマイクロインバーターである。マイクロインバーターは一つのソーラーパネルからのソーラーエネルギーを市販のＡＣ電力グリッドに変換する。ＭＰＰＴは獲得エネルギーを最大化するためにパネル単位で行われるが、マイクロインバーターの設備のコストパフォーマンスは、ワット当たりのコストが高く、電気変換効率が低くために悪い。

本発明にしたがって、互いに直列に接続された多数のＤＣ電力源からの電力を最大にし、ユニークなＤＣ電流を与える回路および方法が提供される。このユニークなＤＣ電流の間の差異に関連した電流が、直列に接続された電源から迂回させられ、電磁場エネルギーとして獲得され、直列に接続された電源により与えられたＤＣ電流に加えられる。

本発明の一実施例にしたがって、電流平衡化回路が、

直列に接続された第１および第２の電力源に連結された第１、第２および第３の電極であって、

第１および第２のＤＣ電力源によりそれぞれ生成された第１および第２のＤＣ電圧の合計、ならびに第１および第２のＤＣ電力源により生成された共通ＤＣ電流を、第１および第３の電極を介して受け取り、

第１および第２のＤＣ電源によりそれぞれ生成された第１および第２のＤＣ電流の差に実質的に等しい差ＤＣ電流を第２の電極を介して受け取る、
ところの第１、第２および第３の電極と、

第１、第２および第３の電極に連結された容量性回路と、

第１および第３の電極の間に連結されたスイッチ回路と、

第２の電極とスイッチ回路との間に連結された誘導性回路と、

第１、第２および第３の電極ならびにスイッチ回路に連結された制御回路と
を含み、

ここで、制御回路は、複数の制御信号を与えることにより、第１および第２のＤＣ電圧ならびに第１および第２のＤＣ電流に応答し、

スイッチ回路は、第１の時間間隔の間、誘導性回路と第１の電極との間に第１のＤＣ電流路を与え、第２の時間間隔の間、誘導性回路と第３の電極との間に第２のＤＣ電流路を与えることにより、複数の制御信号に応答する。

本発明の他の実施例にしたがって、多数のＤＣ電力源からの電力を最大化する方法が、

第１および第２のＤＣ電力源によりそれぞれ生成された第１および第２のＤＣ電圧の合計、ならびに第１および第２のＤＣ電力源により生成された共通ＤＣ電流を、第１および第３の電極を介して受け取る工程と、

第１および第２のＤＣ電源によりそれぞれ生成された第１および第２のＤＣ電流の差に実質的に等しい差ＤＣ電流を第２の電極を介して受け取る工程と、

第１、第２および第３の電極を容量的に連結する工程と、

第１および第２のＤＣ電圧ならびに第１および第２のＤＣ電流を検知する工程と、これにしたがって

差ＤＣ電流に対して、第１の時間間隔の間、第２の電極と第１の電極の間に第１の誘導性ＤＣ電流路を与える工程と、

差ＤＣ電流に対して、第２の時間間隔の間、第２の電極と第３の電極との間に第２の誘導性ＤＣ電流路を与える工程と、
を含む。

図１は一実施例にしたがった電力平衡器の略示図である。図２は図１の電力平衡器の動作を図示する。図３は、図１の電力平衡器に使用されるスイッチ制御信号の典型的な信号タイミング図である。図４は、典型的なソーラーパネルに対する電流-電圧および電力-電圧の特徴曲線の全体と拡大図である。図５は、他の実施例にしたがった直列に接続された多数の電力平衡器と組み合わされた電力平衡器モジュールの略示図である。図５ａは、他の実施例にしたがった直列に接続された多数の電力平衡器と組み合わされた電力平衡器モジュールの略示図である。図５ｂは、図５ａの制御ユニットの典型的な実施例のブロック図である。図５ｃは、図５ｂの制御ユニットで実行される実施例のフローチャートである。図６は、他の実施例にしたがってＤＣ／ＡＣ変換器によりＡＣに変換されるＤＣを与えるために連結された四つの電力平衡器モジュールのブロック図である。図６ａは、他の実施例にしたがった分散インバーターシステムのアーキテクチャのブロック図である。図７は、他の実施例にしたがった三相電力グリッド用のＤＣ／ＡＣ変換器の略示図である。図７ａは実施例にしたがった一相電力グリッド用のＤＣ／ＡＣ変換器の略示図である。

以下の詳細な説明は、ここで請求される発明の、添付図面を参照してなされる例証実施例についてのものである。そのような説明は、図解的であることが意図され、本発明の範囲に関して限定しようとするものではない。そのような実施例は、当業者が主題発明を実施することができるように十分詳細に説明される。そして、他の実施例が、主題発明の精神又は範囲から逸脱することなく、いくつかの変形例で実施されることが理解されるであろう。

本開示を通して、文脈とは相容れないことについての明瞭な指示がない限り、説明される個々の回路要素の数は単一又は複数であると理解されるであろう。例えば、“回路”及び“回路構成”という用語は、単一部品又は複数の部品のいずれかを含むことができる。これらは、能動的及び／又は受動的であり、そして一緒に接続されるか、そうでなければ結合されて（例えば、１以上の集積回路チップとして）、説明された機能を与える。また、明瞭な指示がない限り、“信号”という用語は、１以上の電流、１以上の電圧、又はデータ信号を示すことがある。さらに、本発明は、ディスクリートな電子回路構成（１以上の集積回路チップの形態であることが好ましい）を使用した実施の文脈で論議されているが、そのような回路構成のどの部分の機能でも、処理される信号周波数又はデータレートに依存して、１以上の適切にプログラムされたプロセッサを使用して代替的に実施され得る。また、図がいろいろな実施例の機能ブロックの図を示す限り、機能ブロックはハードウエハ回路間の区分けを必ずしも示さない。したがって、たとえば、一つまたはそれ以上の機能ブロック（たとえば、プロセッサ、メモリーなど）はハードウエア（たとえば、汎用性信号プロセッサ、ランダムアクセスメモリー、ハードディスクドライブなど）の一つで実行されてもよい。同様に、ここに記述されたどのプログラムも、スタンドアロンのプログラムでもよく、動作システムでのサブルーティンとして組み込まれてもよく、インストールされたソフトウエアのパッケージにある機能であってもよい。

以下で詳述されるように、本発明は、直列に接続されたＤＣ電力源からの電力の獲得（harvesting）を最大にする。例示の例を説明するために、下述の説明は、高い変換効率、高い変換のコストパフォーマンスでもって、ソーラーエネルギーを市販の電力グリッドへ供給されるＡＣ電流に変換する例に基づいている。高いソーラーエネルギーの獲得は各ソーラーパネル用のＭＰＰＴを使用して達成される。公になっている統計上データに基づき、このようなモジュールごとのＭＰＰＴは典型的なソーラーパネルの据え付けでは、５−２５％のエネルギー獲得利得に寄与する。ソーラーパネルの据え付けの維持は、さらに各光電池モジュールの性能を連続的にモニターすることで利点がある。さらに、屋根に高ＤＣ電圧の配線が不用という利点もある。

図１に示されているように、本発明の重要な特徴は電力平衡器である。例示の実施例に示されているとおり、二つのソーラーパネルＰＶ１、ＰＶ２１０１は直列に接続されている。それらが同じ特徴をもっていると、ＭＰＰＴ変換器が、両パネルが最大の電力を伝える点にある。それらが同じ特徴をもっていないと、弱い方のパネルが、強い方のパネルから獲得した電力を制限することになる。たとえば、一つのパネルＰＶ１が暗くなり、他のパネルＰＶ２よりも小さな電流の１アンペアを形成すると、電力平衡器は、ＭＭＰＴ変換器がたとえばパネル間の不整合を補償することにより、両パネルからより多くの電力を獲得できるようにする。

一実施例にしたがって、電力平衡器は、図示のように互いに接続されたコンデンサーＣ１１０２、Ｃ２１０３、インダクターＬ１１０４、スイッチＳＷ１１０５、ＳＷ２１０６（たとえば、金属酸化膜半導体電界効果トランジスター（ＭＯＳＦＥＴ））、および制御ユニット１０７を含む。スイッチ１０５、１０６が５０％のデューティーサイクルで動作すると、電力平衡器は、パネルＰＶ１、ＰＶ２により生成される電流と無関係に、パネルＰＶ１、ＰＶ２において実質的に等しい電圧を維持する。

パネルＰＶ１は電流Ｉ_１を生成し、パネルＰＶ２はＩ_２＝Ｉ_１＋Ｉ_deltaを生成するとする。電力平衡器が使用されないと、ＭＰＰＴ変換器が全電流Ｉ_１を受け取り、Ｉ_deltaは回収または獲得されない。電力平衡器の目的は、付加的な電流Ｉ_deltaを獲得し、これに関連した余分な電力をＭＰＰＴに送ることである。

図２に示されているように、電力平衡器の動作は、従来のブースト変換器のものと対比できる。スイッチＳＷ２２００が閉じている間、スイッチＳＷ１２０３が開き、電流差Ｉ_２−Ｉ_１＝Ｉ_deltaがＰＡＴＨ１２０２を介して伝導され、エネルギーがインダクターＬ１２０１の磁場内に蓄積する。スイッチＳＷ１２０３が閉じている間、スイッチＳＷ２２００が開き、電流がＰＡＴＨ２２０５を介して伝導され、インダクターＬ１２０１に前に蓄えられたエネルギーは、付加的な電流（ソーラーパネルＰＶ１、ＰＶ２の電流差Ｉ_deltaに関連し、Ｉ_delta＊Ｖ_ＰＶ２ ^ｍｐｐ／（Ｖ_ＰＶ１ ^ｍｐｐ＋Ｖ_ＰＶ２ ^ｍｐｐ）に完全に等しい平均の大きさＩ_addedを有する）としてＭＰＰＴ変換に２０４に伝えられる。かくして、電力平衡器はエネルギー２０６の平衡化されていない部分のみを変換し、ＭＰＰＴ変換器２０４に直接進む電流Ｉ_１に関連したエネルギーの平衡化された部分に影響を与えない。したがって、電力平衡器のエネルギー変換の効率はエネルギーの非平衡な部分の大きさ２０６に実質的に比例する。コンデンサーＣ１２０４，Ｃ２２０３の静電容量値は臨界的ではないが、しかし、スイッチＳＷ１１０５、ＳＷ２１０６のスイッチング周波数および可能な最大のパネル不整合を含む基準に基づいて選択される。また、静電容量値は、それら両端の電圧リップルより、ソーラーパネルＰＶ１、ＰＶ２の電圧がソーラーパネルＰＶ１、ＰＶ２の最大の電力ポイント（ＭＰＰ）の電圧から著しく逸脱しないことが確実になるように、十分に高いほうがよい。このことにより、ソーラーパネルから獲得するエネルギーが最大値近くに維持される。典型的な結晶性シリコンソーラーパネルに対して、電圧リップルがパネルＭＰＰ電圧から約５％（ピークツーピーク）であるならば、９９．５％のエネルギーの獲得が達成される。

図４に示されているように、電力獲得のさらなる改良は、各パネルに対して個々に電圧を最適化することにより得ることができる。グラフ４００は、典型的なソーラーパネルに対する電流−電圧および電力−電圧を図示する。たとえば、“ＰＶ１Ｉ−Ｖ曲線”はパネルＰＶ１１００（影にされている）に対応し、“ＰＶ２Ｉ−Ｖ曲線”はパネルＰＶ２１００（影にされていない）に対応する。拡大されたグラフ４０１は、パネルＰＶ２の最大電力がＰＶ１の場合より僅かに高い電圧に達すること（たとえば、Ｖ_ＰＶ２ ^ｍｐｐ４０２、Ｖ_ＰＶ２ ^ｍｐｐ４０３）ことを示している。この最適化は、電圧Ｖ_１１０８、Ｖ_２１０９および電流Ｉ_１１１０、Ｉ_２１１１（以下で詳述する）の測定に基づいて制御ユニット１０７（図１）の二次（たとえば、より緩やか）最適化ループにより達成される。

図３に示されているように、制御ユニット１０７はスイッチＳＷ１、ＳＷ２を開閉する制御信号のディーティーサイクルをセットする。すなわち、Ｔ_１／Ｔ_２＝Ｖ_ＰＶ２ ^ｍｍｐ／Ｖ_ＰＶ１ ^ｍｍｐで、ここでＶ_ＰＶ２ ^ｍｍｐ、Ｖ_ＰＶ１ ^ｍｍｐはそれぞれ、パネルＰＶ１およびＰＶ２の最適電圧であり、Ｔ_１およびＴ_２はそれぞれ、制御信号ＳＷ１、ＳＷ２３０１のパルス幅である。

図５に示されているように、他の実施例にしたがって、二つを超える数のソーラーパネルから獲得した電力を最大化するために、たとえば、直列に接続された四つのソーラーパネルＰＶ１５００、ＰＶ１５０１、ＰＶ１５００２、ＰＶ１５０３を有する、マルチ平衡器ハーベスト（獲得）最大化モジュールの実施に同様の技術を適用することができる。四つのパネル（二つの平衡化された対となるように構成されたもの）を平衡化するために、三つの電力平衡器を使用することができる。ソーラーパネルの各対ＰＶ１＋ＰＶ２、ＰＶ３＋ＰＶ４の電力平衡化は、次の通りに行われる。三番目の電力平衡器は、ソーラーパネルの二対のＰＶ１＋ＰＶ２、ＰＶ３＋ＰＶ４を平衡化する。その結果、四つ全てのパネルは平衡化され、ＭＰＰＴ変換器５０４に対して電力を与える。ＭＰＰＴ変換器５０４は、図示のとおり実質的に相互接続され、効果的なブースト変換器として機能する、インダクターＬ４５０５、スイッチＳＷ７５０６（たとえば、ＭＯＳＦＥＴ）、ダイオードＤ１５０７およびコンデンサーＣ５５０８を含む。

制御ユニット５０９は四つの最適化ループを実行する。最速の最適化ループは、ＭＰＰＴ変換器５０４のスイッチＳＷ７５０６のデューティーサイクルを制御することにより、四つの平衡化されたパネル全てに対してＭＰＰＴを追跡する。二つの比較的遅い最適化ループ（好適には同じもの）は、ソーラーパネルの対の中で、個々のソーラーパネルを最適化する。ソーラーパネルの対ＰＶ１＋ＰＶ２は、スイッチＳＷ１５１０、ＳＷ２５１１のスイッチデューティーサイクルにより制御される一方、ソーラーパネルの対ＰＶ３＋ＰＶ４は、スイッチＳＷ３５１２、ＳＷ４５１３のスイッチデューティーサイクルにより制御される。最も遅い最適化ループは、スイッチＳＷ５５１４、ＳＷ６５１５のスイッチデューティーサイクルを制御することにより、ソーラーパネルの対ＰＶ１＋ＰＶ２、ＰＶ３＋ＰＶ４をグループとして平衡化する。

図５ａに示されているように、他の実施例のしたがって、多数のソーラーパネルのための電力平衡器は奇数個のソーラーパネルに対しても実施できる。たとえば、五個のソーラーパネルは四つの電力平衡器回路（電力平衡器の一つへ適用される最大の電圧を減少させるように構成される）により平衡化することができる。この実施において、一つの電力平衡器化回路が、（下述する）直列に接続されたソーラーパネルにおいて、電気的に接続された隣接する対のそれぞれを平衡化するために使用される（ここで各ソーラーパネルの対は図示のとおり、平衡器回路をインターリーブすることにより平衡化される）。インターリーブされた電力平衡器の動作は、最適化された電圧比が直列になったソーラーパネルの全ての間で維持されるように行われる。第１の電力平衡器５０２ａは二つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２を含み、スイッチＳＷ１、ＳＷ２の状態のデューティーサイクルの逆比に実質的に等しい関連したソーラーパネルＰＶ１、ＰＶ２における電圧の比を維持する。同様に、第２の電力平衡器５０４ａは、繋がった全てのソーラーパネルに対して、関連したＰＶ２、ＰＶ３等の間の電圧比を定義する。かくして、五つのソーラーパネルＰＶ１、ＰＶ２、ＰＶ３、ＰＶ４、ＰＶは、四つの電力平衡器回路５０２ａ、５０４ａ、５０５ａ、５０６ａにより定義されるそれぞれの電圧比をもち、下述のとおり、電力をＭＰＰＴ変換器５０７に与える。この実施の一般的な場合では、直列に接続されたＮ個のソーラーパネルは、Ｎ−１個の電力平衡器回路により平衡化することができる。

図５ｂに示されているように、一実施例にしたがって、図１、図５および図５ａの制御ユニット１０７、５０９ａ、５０８ａは下述のように実行することができる。ソーラーパネルの電圧および電流の電圧および電流検知はそれぞれ、トランスデューサ−５０１ｂ、５０２ｂ、５０３ｂ、５０４ｂ（これらは、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）５０５ｂにより変換されるソーラーパネルの電圧および電流に比例したアナログ電圧を与える）を使用して実行される。ＡＤＣ５０５ｂはこれら変換された信号をデジタルされた測定データとして、マイクロプロセッサ５０７ｂ（関連したデータメモリー５０６ｂ（たとえば、ランダムアクセスメモリー（ＲＡＭ））およびプログラムメモリー５０８ｂ（たとえば、リードオンリーメモリー（ＲＯＭ）にともに、下述のとおり計算アルゴリズムを実行する））に与えられる。その結果は、たとえば、フィールドプログラマブルゲートアレー（ＦＰＧＡ）を使用して実行されるスイッチパルス形成ロジック５０９ｂに記載される。スイッチパルス形成ロジック５０９ｂからの出力パルスは、上述の通り、電力平衡器およびＭＰＰＴ変換器スイッチを駆動するための信号ドライバー５１０ｂ（たとえば、ＭＯＳＦＥＴドライバー）により適切なレベルに変換される。

図５ｃに示されているように、典型的な実施例にしたがって、制御ユニットの動作は、たとえば、図５ｂに示されているように、実行できる。ＭＰＰＴ変換器制御ループの初期化５０１ｃに続き、スイッチ制御パルス幅は、僅かな増加分ｄＴｍ、増加し（５０２ｃ）、その後すべてのソーラーパネルの電力の合計が以下の式にしたがって計算される（５０３ｃ）。
Ｐ_current＝Ｖ１＊Ｉ１＋Ｖ２＊Ｉ２＋・・・＋Ｖｎ＊Ｉｎ
ここで、Ｖｎ＝ソーラーパネルＮからの電圧
Ｉｎ＝ソーラーパネルＮからの電流

この新規に計算された電力Ｐ_currentは、前に記憶された電力Ｐ_previousと比較される（５０４ｃ）。現在の電力Ｐ_currentが、前の電力Ｐ_previousより高いときは、電力の記憶値は現在の値で更新され（５０６ｃ）、ループは続く。そうでないときは、スイッチ制御パルスの増加ｄＴｍの符号は反転され（５０５ｃ）、ループは続く。

同様に、比較的遅い電力平衡器制御ループが初期化され（５０７ｃ）、平衡器のスイッチのタイミングの変更が続く（５０８ｃ）。電力平衡器（図３）の二つのスイッチの間のタイミングの関係は、一方のスイッチ制御信号ＳＷ１のデューティーＴ１がｄＴｎの量、減少し、他方のスイッチ制御信号ＳＷ２のデューティーＴ２が同じｄＴｎの量、増加するように、変わる。電力は前のように測定（５０９ｃ）されるが、電力平衡器に付設されたソーラーパネルに対してのみである。この値Ｐ_currentは前に記憶された電力Ｐ_previousと比較される。現在の電力Ｐ_currentが、前の電力Ｐ_previousより高いときは、電力の記憶値は現在の値で更新され（５１２ｃ）、ループは続く。そうでないときは、スイッチ制御パルスの増加ｄＴｍの符号は反転され（５１１ｃ）、上述のとおりにループは続く。

図６に示されているように、ＭＰＰＴ変換器の出力は電流源としての役割をもち、そのことにより、いくつかのＭＰＰＴ変換器は、並列に接続できる（たとえば、四つの並列に接続されたＭＰＰＴ変換器Ｍ１６００、Ｍ２６０１、Ｍ３６０２、Ｍ４６０３（“電力源ハーベスト（獲得）最大化器モジュール”として参照される））。それらにより生成されたＤＣ電流はＤＣ／ＡＣ変換器６０４によりＡＣ電流に変換される。

図６ａに示されているように、電力獲得ハーベスト（獲得）最大化器モジュールのスタンドアロンの性質は、この機能をグリッド接続ＤＣ−ＡＣ変換器機能から物理的に分離することを実施可能にする。このことにより、図示のとおり、分散型インバーターシステムのアーキテクチャーが可能となる。この実施において、二つまたはそれ以上のソーラーパネル６０１ａが一つまたはそれ以上の電源ハーベスト（獲得）最大化器モジュール６０２ａに接続され、それにより最適化される。各電源ハーベスト（獲得）最大化器モジュールは一つまたはそれ以上のソーラーパネルの役に立ち、一つのＭＰＰＴ変換器および接続されたソーラーパネルの数に対して適切な数の平衡器を含む。二つまたはそれ以上の電源ハーベスト（獲得）最大化モジュールはＤＣ−三相ＡＣ変換器６０３ａに接続される。モニタリングおよび制御ゲートウエイインターフェース６０５ａが、電力線通信を介してシステムをモニタリングする手段を提供し、状況のモニタリングおよび制御のための電源システムとローカルまたはリモートの相互作用を可能にするための通信ブリッジを提供する。

図７は、三相電力グリッドに電力を与えるためのＤＣ／ＡＣ変換器の実施を示す。ＤＣ電流は、チョッパー７００（セットアップ変圧器Ｔ１７０１のための高周波（たとえば、＞２０ＫＨｚ）電圧を形成する）に進む。変圧器Ｔ１のガルバニック絶縁された出力は、フィルターコンデンサーＣ１７０３の両端にかかるＤＣ電圧を生成するために、整流器７０２とで整流される。六つのスイッチＳＷ１７０４、ＳＷ２７０５、ＳＷ３７０６、ＳＷ４７０７、ＳＷ５７０８、ＳＷ６７０９（たとえば、ＭＯＳＦＥＴまたは絶縁ゲートバイポーラトランジスター（ＩＧＢＴ））は、市販の三相電力グリッドに伝えるためのフィルター回路７１０を通る三相ＡＣ電圧を生成する。

制御ユニット７１１が三相グリッド電圧Ｖ_三相および電流Ｉ_三相をモニターし、適切な位相をもつグリッドにエネルギーを伝えるためにスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ６のための制御パルスを生成する。ガルバニック絶縁が標準準拠に対して必要とされないと、ＤＣ入力電圧Ｖ_inpはフィルター７０３に直接適用でき、これによりチョッパー７００、変圧器Ｔ１７０１および整流器７０２の必要性がなくなる。

上記アーキテクチャーは有利なことに、変換比Ｖ_rect／Ｖ_inpを一定に維持することにより、ＤＣ／ＡＣ電力変換の効率を最大化する。その結果、入力ＤＣ電圧Ｖ_inpはグリッド電圧を追跡する。スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ６における整流されたＤＣ電圧Ｖ_rectは、電流グリッド電圧に歪みのない出力波形を与えるために必要とされる最小のレベルに維持される。このアーキテクチャーでは、変化するソーラーエネルギーと変化するグリッド電圧との整合は、一カ所で、たとえばＭＰＰＴ変換器５０４（図５）で実施される。

図７ａに示されているように、他の実施例にしたがって、電力獲得最大化器は単相電力インバーターに使用できる。上述のとおり、ソーラーパネルはエネルギーの連続流を与える。エネルギーが単相グリッドに連続して供給され得ないので、エネルギー貯蔵バッファが必要となる。このようなエネルギー貯蔵は、図示のように、コンデンサー７０１ａとして実行される。直接に接続され、平衡化されてソーラーパネルにおける、ＭＰＰＴブースト変換器に適用される電圧の合計は、高電力獲得（ハーベスト）最大化器モジュールの出力電圧となる。コンデンサーの蓄えられたエネルギーが適用電圧の二乗に比例するため、このことは、既存の単相パネルインバーターに比べて、容量性蓄積要素の物理的な大きさを対応した減少させる。コンデンサー７０１ａに存在する電圧のリップルは、適切な電力獲得（ハーベスト）最大化器モジュールの制御アルゴリズムにより、ソーラーパネルから分離される。

上述の説明に基づき、本発明にしたがって、電力平衡器が、ソーラーパネルのような直列接続されたＤＣ電力源から獲得するエネルギーを、ソーラーパネルの間の不整合を補償することにより改良するできる点、電力平衡器が二つを越える数のソーラーパネルを平衡化するために使用することができる点、ＭＰＰＴ変換器（電流源として機能する）により、複数の変換器を、それらの出力電流を合計するために並列に接続することができる点、非常に効率的なアーキテクチャーが、エネルギー変換チェーンの一カ所で変化するソーラーエネルギーレベルと変化するグリッド電圧を補償するＤＣ／ＡＣ電力変換器を提供する点、多重ループの制御アルゴリズムがシステム性能を最適化するために提供される点が分かるであろう。

様々な変更および修正が、本発明の精神および範囲から逸脱することなくなされてよいことは、当業者には明らかであろう。本発明の特定の実施例が示され説明されたが、本発明を好ましい実施形態に限定することは意図しないことを理解されたい。本発明は、特許請求の範囲により画定され、本発明の精神および範囲に含まれる構造、方法および均等物を包含するものである。

Claims

平衡化回路を含む装置であって、
直列に接続された第１および第２の電力源に連結された第１、第２および第３の電極であって、前記第１および第２のＤＣ電力源によりそれぞれ生成された第１および第２のＤＣ電圧の合計、ならびに前記第１および第２のＤＣ電力源により生成された共通ＤＣ電流を、前記第１および第３の電極を介して受け取り、前記第１および第２のＤＣ電源によりそれぞれ生成された第１および第２のＤＣ電流の差に実質的に等しい差ＤＣ電流を前記第２の電極を介して受け取る、ところの第１、第２および第３の電極と、
前記第１、第２および第３の電極に連結された容量性回路と、
前記第１および第３の電極の間に連結されたスイッチ回路と、
前記第２の電極と前記スイッチ回路との間に連結された誘導性回路と、
前記第１、第２および第３の電極ならびに前記スイッチ回路に連結された制御回路と
を含み、
ここで、前記制御回路は、複数の制御信号を与えることにより、前記第１および第２のＤＣ電圧ならびに前記第１および第２のＤＣ電流に応答し、
前記スイッチ回路は、第１の時間間隔の間、前記誘導性回路と前記第１の電極との間に第１のＤＣ電流路を与え、第２の時間間隔の間、前記誘導性回路と前記第３の電極との間に第２のＤＣ電流路を与えることにより、複数の制御信号に応答することを特徴とする装置。
前記容量性回路が、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に連結された第１のコンデンサー、および
前記第２の電極と前記第３の電極との間に連結された第２のコンデンサーを含む、請求項１に記載の装置。
前記誘導性回路が、前記第２の電極と前記スイッチ回路との間に結合されたインダクタンスを含む、請求項１に記載の装置。
前記差ＤＣ電流が、前記第１および第２の時間間隔の間、前記誘導性回路を介して伝導される、請求項１に記載の装置。
前記スイッチ回路が、
前記第１の電極と前記誘導性回路との間に連結された第１のスイッチ装置、および
前記第３の電極と前記誘導性回路との間に連結された第２にスイッチ装置を含む、請求項１に記載の装置。
前記誘導性回路が、前記第２の電極と前記第１および第２のスイッチとの間に結合されたインダクタンスを含む、請求項５に記載の装置。
前記差ＤＣ電流が、前記第１の時間間隔の間、前記誘導性回路および前記第１のスイッチ装置を経て、さらに前記第２の時間間隔の間、前記誘電性回路および前記第２のスイッチ装置を経て伝導される、請求項５に記載の装置。
前記第１の時間間隔と前記第２の時間間隔との比が、前記第１のＤＣ電圧と前記第２のＤＣ電圧との比に比例する、請求項１に記載の装置。
多数のＤＣ電力源からの電力を最大化する方法であって、
第１および第２のＤＣ電力源によりそれぞれ生成された第１および第２のＤＣ電圧の合計、ならびに前記第１および第２のＤＣ電力源により生成された共通ＤＣ電流を、第１および第３の電極を介して受け取る工程と、
前記第１および第２のＤＣ電源によりそれぞれ生成された第１および第２のＤＣ電流の差に実質的に等しい差ＤＣ電流を第２の電極を介して受け取る工程と、
前記第１、第２および第３の電極を容量的に連結する工程と、
前記第１および第２のＤＣ電圧ならびに前記第１および第２のＤＣ電流を検知する工程と、これにしたがって
前記差ＤＣ電流に対して、第１の時間間隔の間、前記第２の電極と前記第１の電極の間に第１の誘導性ＤＣ電流路を与える工程と、
前記差ＤＣ電流に対して、第２の時間間隔の間、前記第２の電極と前記第３の電極との間に第２の誘導性ＤＣ電流路を与える工程と、
を含む方法。
前記第１、第２および第３の電極を容量的に連結する工程が、
前記第１の電極と前記第２の電極とを容量的に連結する工程と、
前記第２の電極と前記第３の電極とを容量的に連結する工程と、
を含む請求項９に記載の方法。
前記差ＤＣ電流に対して、第１の時間間隔の間、前記第２の電極と前記第１の電極の間に第１の誘導性ＤＣ電流路を与える工程が、前記第１の時間間隔の間、前記第２の電極と前記第１の電極とを誘導的に結合する工程を含み、
前記差ＤＣ電流に対して、第２の時間間隔の間、前記第２の電極と前記第３の電極との間に第２の誘導性ＤＣ電流路を与える工程が、前記第２の時間間隔の間、前記第２の電極と前記第３の電極とを誘導的に結合する工程を含む、
請求項９に記載の方法。
前記差ＤＣ電流に対して、第１の時間間隔の間、前記第２の電極と前記第１の電極の間に第１の誘導性ＤＣ電流路を与える工程が、前記差ＤＣ電流をインダクタンスおよび第１のスイッチ装置を介して、伝える工程を含み、
前記差ＤＣ電流に対して、第２の時間間隔の間、前記第２の電極と前記第３の電極との間に第２の誘導性ＤＣ電流路を与える工程が、前記第２の時間間隔の間、前記インダクタンスおよび第２のスイッチ装置を介して、伝える工程を含む、
請求項９に記載の方法
前記差ＤＣ電流が、前記第１および第２の時間間隔の間、インダクタンスを介して伝導される、請求項９に記載の方法。
前記第１の時間間隔と前記第２の時間間隔との比が、前記第１のＤＣ電圧と前記第２のＤＣ電圧との比に比例する、請求項９に記載の方法。