JP2014531096A - 光起電力システムに向けた電圧コンバータのための追従方法および追従デバイス - Google Patents

Abstract

この発明は、光電子システムの電圧コンバータ、特にインバータのための追従方法に関する。この方法では、中間回路電圧（ＵＺＷ）は、所定の大きさ（ΔＵ）の電圧ステップによって、より低いかより高い電圧に、１つの方向で繰り返し減少されるか増加される。この方法は、中間回路電圧（ＵＺＷ）の大きさによって定められている最大平均変化率によって制限される２つの電圧ステップの間の部分的な時間の中間回路電圧（ＵＺＷ）の平均変化率（｜ΔＵ／Δｔ｜）によって特徴づけられる。この発明はさらに、追従方法を実行するように設計された追従デバイス（１０）、及び、上記追従デバイスを備えているインバータに関する。【選択図】図６

Description

本発明は、光起電力発生器の動作点の追従に向けた、光起電力システムにおける電圧コンバータ、特にインバータのための追従方法に関する。
本方法では、電圧が低くなる方向、または電圧が高くなる方向における所定レベルの電圧インクリメント（ｖｏｌｔａｇｅ ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ）だけ中間回路電圧が変更される。
本発明はさらに、追従デバイスと、追従デバイスを備えるインバータとに関する。

インバータは、光起電力発生器によって生成された直流を、公共または私設の電力供給網に供給され得る単相または多相の交流に変換するための光起電力システムにおいて用いられている。
本願においては、以下では略してＰＶ発生器と呼ばれる光起電力発生器は、光起電力モジュール（ＰＶモジュール）を備える任意の装置、とりわけ、いわゆるストリングを形成するために複数のＰＶモジュールが直列に接続された装置を意味するように理解されたい。

ＰＶシステムにおけるインバータ、または、より一般には電圧コンバータは、ＭＰＰ（最大電力点）追従器と呼ばれる、インバータまたは電圧コンバータに接続されたＰＶ発生器の動作点のための追従デバイスを一般に備えている。
ＰＶ発生器は、このＭＰＰ追従器により、最大電力が出力される動作点で動作する。
この最適動作点はＭＰＰ動作点とも呼ばれ、個々のＰＶ発生器と、太陽放射の強度やＰＶ発生器の温度などの個々のＰＶ発生器の動作パラメータとに依存している。
さらに、この動作点は、ＰＶ発生器の経年変化による応答（劣化）により、ＰＶ発生器の耐用年数にわたって電圧の低い方にシフトする。

様々なＭＰＰ追従方法の概要は、「Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｐｏｉｎｔ ｓｃｈｅｍｅｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｓｉｎｇｌｅ−ｓｔａｇｅ ｇｒｉｄ−ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｓｙｓｔｅｍｓ」（Ｓ．Ｊａｉｎ ａｎｄ Ｖ．Ａｇａｒｗａｌ，ｌＥＴ Ｅｌｅｃｔｒ，Ｐｏｗｅｒ Ａｐｐｌ．，２００７）という記事の中に見出すことができる。
よく使われている追従方法の場合、特に一段インバータ（すなわち、インバータブリッジの形態であるコンバータ段のみを有するインバータ）の場合には中間回路電圧とも呼ばれる、電圧コンバータの入力部における電圧が一定量ずつ増やされるか減らされる。
この場合には、各インクリメントによって、ＰＶ発生器によって生成されるとともに、このインクリメントに対応しているインバータによって変換される電力の変更が決められる。
電圧は、電力が増える間は、一般に最適動作点の方向に変化する。
それに応じて、次の変化インクリメントに向けて電圧変化の方向（増加／減少）が維持され得る。
一方、中間回路電圧の変化の際に電力が低下する場合には、次のインクリメントの方向が逆転し得る。
このようにして、中間回路電圧は、最適動作点における電圧に追従するか、または、その電圧を中心に変動する。

このような追従方法の変形形態は、特許文献１により知られている。
この場合、考慮されるのは、ＰＶ発生器によって生成された電力ではなく、ＰＶシステムのインバータによって出力された電力である。
特許文献２には、ＰＶ発生器における出力電力の最大化と、インバータにおける出力電圧のレベルとの両方に関してＰＶ発生器の動作点が設定されるインバータが記載されている。

一段インバータの場合、ＰＶ発生器における動作電圧の変更は、入力側の中間回路電圧と、インバータブリッジにおける出力側の電源電圧との間の電圧変換比を変化させることによって行われる。
電圧変換比におけるこのような変化は、たとえば、インバータブリッジにおけるスイッチの様々なスイッチングパラメータ（スイッチングの持続時間、デューティ比、ＡＣ電圧の位相角に関係するスイッチング動作の位相角など）によってなされてもよい。
この場合には、電圧変換比の変化範囲が比較的制限されている。

特に、インバータまたは電圧コンバータの中間回路電圧に対しては、ＰＶ発生器からエネルギー供給網への電力の流れを作るために超えられる必要のある下側の電圧制限値が設けられている。

たとえば特許文献３の従来技術からは、インバータの中間回路電圧に必要な最小量、すなわち、一段インバータにおける下側の入力電圧制限値を、エネルギー供給網における測定電圧と、既知の最大電圧変換比とに基づいて計算によって求めることが知られている。
しかし実際には、公知のＭＰＰ追従方法では、この計算によって求められた下側の入力電圧制限値までの動作電圧範囲は使われていない。
上記の特許文献３では、計算によって求められた下側の入力電圧制限値に加えられる制御用の蓄え分（ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｅｓｅｒｖｅ）が例として説明されている。

この理由は、この制限値の近傍では、たとえば入力電圧の電圧調節機構により、中間回路電圧に必要な最小量が一時的にアンダーシュートされる危険性があり、それによって、供給される交流の信号波形にひずみが生じることである。
そのため、入力電圧に必要な最小量は、このようなひずみを安全に避けるために、その入力電圧に加えられる蓄え分を有している。

多段インバータは、電圧変換比の変化範囲が大きい。
多段インバータの場合には、インバータブリッジの上流にＤＣ／ＤＣコンバータが接続されており、このＤＣ／ＤＣコンバータによって、入力電圧と中間回路電圧との間のさらなる変換比が取り入れられる。
また、このＤＣ／ＤＣコンバータは、インバータブリッジの電圧変換比における変化範囲と組み合わされて比較的大きい全体的な変化範囲をもたらす変化の可能性を、自身の電圧変換比について有している。
しかし、このような多段インバータは、回路が比較的複雑であるためコストがかかり、追加のコンバータ段によって一般に高いコンバータ損失を被る。
この場合にも基本的には、低い電圧に向けて利用可能な入力電圧範囲が、公知の追従方法では、計算によって求められた下側の入力電圧制限値まで使われることがないという問題または制約がある。

米国特許出願公開第２００５／０１１０４５４（Ａ１）号明細書 独国特許出願公開第１９９６１ ７０５（Ａ１）号明細書 欧州特許出願公開第２ １０７６７２ １０（Ａ１）号明細書

したがって、本発明における目的の１つは、電圧コンバータの入力電圧範囲が、計算によって求められた下側の入力電圧制限値のできるだけ近くまで使われ得る、冒頭で述べたタイプの追従方法を提供することからなる。
本発明のさらなる目的は、対応する追従デバイスと、追従デバイスが備えられたインバータとを提供することからなる。

本目的は、独立請求項の特徴を備える方法、追従デバイス、および電圧コンバータによって達成される。
有利な構成と展開は従属請求項の主題である。

第１の態様によれば、本目的は、光起電力システムにおける電圧コンバータ、特にインバータのための追従方法によって達成される。
このうち、中間回路電圧は、電圧が低くなる方向、または、電圧が高くなる方向に所定レベルの電圧インクリメント分だけ繰り返し変更される。
本方法は、２つの電圧インクリメントの間のサブ期間における中間回路電圧の平均変化率が最大の平均変化率によって制限され、この最大の平均変化率が、中間回路電圧のレベルに応じて求められることを特徴とする。

変化率を制限することは、中間回路電圧Ｕ_ＺＷを設定するために用いられる制御ループが、いかなるオーバーシュートも伴うことなく所定の設定値に追従し得るという効果を有する。
このことは、本追従方法が、中間回路電圧の制限値に近い中間回路電圧に追従する場合においても、下側の入力、すなわち、中間回路電圧の制限値において可能性のあるアンダーシュートを防ぐことを可能とする。
したがって、利用可能な入力電圧範囲が、この範囲の下限に向けて十分に利用され得る。
同時に、最大の平均変化率が中間回路電圧のレベルに依存していることにより、中間回路電圧の非臨界範囲において、中間回路電圧の迅速な調整が行われることが可能であり、それにより、ＰＶ発生器の動作点の変更に対する、本追従方法における良好な応答がこの範囲において確実なものとなる。

本追従方法における有利な構成では、最大の平均変化率は、中間回路電圧と、必要最低中間回路電圧との電圧差のレベルに応じて求められる。
この場合、電圧差のレベルが低下する場合に最大の平均変化率が低下することが好ましい。
さらに好ましくは、最大の平均変化率は、一定の中間回路電圧を超えた所では一定である。
このように変化率は、いかなるオーバーシュートも伴うことなく所定の設定値が追従され得るように、特に中間回路電圧における下側の臨界領域において変更される。

本追従方法におけるさらに有利な構成では、必要最低中間回路電圧は、電源電圧に基づいて求められ、また場合によっては、さらに供給電流に基づいて求められる。
このように、電圧範囲の下限値は、エネルギー供給網と、また場合によってはさらに供給状態とに正確に合わせることができる。
必要最低中間回路電圧は、定期的に更新されることが好ましい。
さらに好ましくは、この必要最低中間回路電圧における更新は、電圧インクリメントよりも倍数分だけ頻繁に行われる。
このことによって、本追従方法が、必要最低中間回路電圧における最新の値で常に動作することが確実なものとなる。

本追従方法におけるさらに有利な構成では、最大の平均変化率は、インバータによってＡＣ電圧網に供給される電流の制御に向けた更新レートによって求められる。
このことはまた、本追従方法を常に最新のパラメータで動作させるために用いられる。

さらに有利な構成では、電圧インクリメントのレベルが中間回路電圧のレベルに応じて求められ、かつ／または、中間回路電圧の設定値が、好ましくはランプ関数として、有限の変化率を有する連続的な関数としてあらかじめ決められており、かつ／または、インバータによってＡＣ電圧網に供給される電流の制御に向けた更新レートが合わせられる。
述べられた構成は、変化率に影響を及ぼすとともに、平均変化率が、最大の平均変化率を下まわったままとなることを確実なものとするための好適な可能性を示している。

第２の態様によれば、本目的は、上記の追従方法を実施するように構成された、電圧コンバータのための追従デバイスによって達成される。
第３の態様によれば、本目的は、このような追従デバイスを備える、特に一段インバータであるインバータによって達成される。
第１の態様によって達成されるのと同じ利点がもたらされる。

以下では、６つの図を参照して本発明をさらに詳しく説明する。

回路ブロック図における光起電力システムを示す。 従来技術による追従方法における、中間回路電圧の推移の概略図を示す。 本願による追従方法のうちの第１の例示的実施形態における、中間回路電圧の推移の概略図を示す。 従来技術によるさらなる追従方法における、中間回路電圧の推移の概略図を示す。 本願による追従方法のうちの第２の例示的実施形態における、中間回路電圧の推移の概略図を示す。 さらなる例示的実施形態における追従方法のフローチャートを示す。

図１は、概略的な回路ブロック図における、以下では略してＰＶシステムと呼ばれる光起電力システムを示す。
このＰＶシステムは、ＤＣラインを介して中間回路２に接続された光起電力発生器１（ＰＶ発生器１）を備える。
図１のＰＶ発生器１は、単一の光起電力セルに向けた回路記号によって例として表されている。
図示されているＰＶシステムの実施形態においては、ＰＶ発生器１は、多数のセルを有する単一のＰＶモジュールでもよく、または、１つのストリングもしくは並列に接続された複数のストリングを形成するために特に直列に接続された複数のＰＶモジュールからなる相互接続システムでもよい。

中間回路２は、少なくとも１つの中間回路コンデンサ３を備える。
中間回路２にかかっている電圧は、図示されている例では、ケーブル損失を別にすれば入力電圧、すなわちＰＶ発生器１の電圧に等しく、以下では中間回路電圧Ｕ_ＺＷと呼ばれることになる。
ＰＶ発生器１は、中間回路２を介してインバータ４のＤＣ入力部に接続されている。
中間回路２は、図１の左側に向かう、インバータ４の記号におけるダッシュ記号による拡張によって示されているように、この場合にはインバータ４の中に組み込まれていてもよい。
インバータ４は、一般には、中間回路２を連続的な負荷にさらすことはない。
この理由は、たとえば、出力が交互になる電流、あるいは、インバータ４の中の電力半導体スイッチにおけるパルス化スイッチングの場合における非連続的な電力の流れにある。
中間回路コンデンサ３は、中間回路電圧Ｕ_ＺＷを平滑化するために用いられており、非連続的な電流の引き出しによって生じる中間回路電圧Ｕ_ＺＷの一時的な電圧の低下をできるだけ低く抑えることにより、中間回路２からの、すなわちＰＶ発生器からの平均的な高い電力の引き出しが可能となっている。

以下のテキストに向けては、インバータ４は一段インバータであることが想定されている。
しかし、本願による追従方法と追従デバイスは、多段インバータと共に用いられてもよく、また原理的には、ＰＶ発生器に接続された任意の電圧コンバータと共に用いられてもよい。
ただし、一段インバータと共に用いることがとりわけ有利である。
これは、この場合に、特に中間回路電圧に必要な最小量によって、利用可能な入力電圧範囲が通常は最も大きい制約を受けるためである。

図示されている例示的実施形態では、中間回路コンデンサ３は、インバータ４のＤＣ入力回路の中に配置されている。
多段の設計をもち、インバータブリッジに加えてＤＣ／ＤＣコンバータをさらに有するインバータの場合、このような（バッファ）コンデンサは、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力部の所に代替的に設けられてもよい。
このことにかかわらず、本願の場合には、（バッファ）コンデンサが配置される回路は総じて中間回路と呼ばれ、コンデンサ３のＤＣ電圧は中間回路電圧Ｕ_ＺＷと呼ばれる。

インバータ４はＡＣ出力部を有しており、このＡＣ出力部を介して単相または多相のエネルギー供給網５に接続されている。
エネルギー供給網５は、公共の供給網であってもよく、また私設の供給網（アイランドモード）であってもよい。
インバータ４は、例として、エネルギー供給網５への単相供給に向けて２つだけのＡＣ出力部を有するように設計されている。
三相設計などの、図示されているインバータ４における単相設計以外の設計も可能であることは言うまでもない。

図１は、本願において不可欠であるＰＶシステムの要素を示しているにすぎない。
たとえば、図示されていないスイッチング素子（断路器など）、フィルタ（正弦波フィルタなど）、電力供給網監視用デバイス、および／または、変圧器がインバータ４のＡＣ側に設けられていてもよい。
同様に、たとえば、本明細書では図示されていない負荷断路器またはＤＣ接触器などのヒューズ素子またはスイッチング素子である素子が、ＤＣ側において、ＰＶ発生器１と、中間回路２またはインバータ４との間の接続部分に配置されていてもよい。

インバータ４がエネルギー供給網５に供給する単相または多相の電圧は、以下では電源電圧Ｕ_ＡＣと呼ばれる。
この電源電圧Ｕ_ＡＣは、インバータ４とエネルギー供給網５との間の低いあらゆる伝送損失を別にすると、インバータ４のＡＣ電圧出力部にかかっている電圧と一致している。
供給動作の間にインバータ４からエネルギー供給網５に流れる電流は、以下では供給電流Ｉ_ＡＣと呼ばれる。
インバータ４とエネルギー供給網５との間に配置された測定用抵抗器６によって表されているように、供給電流Ｉ_ＡＣに対する測定能力が提供される。
測定用抵抗器６などであるこの測定能力がインバータ４の中に組み込まれていてもよいことは言うまでもない。
電流の測定は、図示されている測定用抵抗器６の他に、誘導電流センサまたはホール素子などの、知られている他の電流センサによって行なわれてもよい。

さらにＰＶシステムは、入力部１１および１２を有する追従デバイス１０を備える。
追従デバイス１０は、これらの入力部１１および１２を介し、中間回路電圧Ｕ_ＺＷ、電源電圧Ｕ_ＡＣ、および供給電流Ｉ_ＡＣを求めることができる。
さらに追従デバイス１０は、制御出力部１３を介してインバータ４に接続されている。
追従デバイス１０は、中間回路電圧Ｕ_ＺＷに対する設定値を、制御出力部１３を介してインバータ４に入力することができる。
この場合、中間回路電圧Ｕ_ｚｗにおけるこの設定値は、ＰＶ発生器１が最大電力を出力するか、またはインバータ４がエネルギー供給網５に最大電力を可能な限り供給し得る動作点でＰＶ発生器１が動作するように決められる。
中間回路電圧Ｕ_ＺＷの設定値を入力する代わりに、ＰＶ発生器１における所望の動作点の設定を同様にもたらす、インバータ４に対する別の電気的特性が入力されてもよいことは言うまでもない。
たとえば、ＰＶ発生器１によって提供される電流の設定値が用いられてもよい。
ＰＶ発生器１の最適動作点を設定する追従方法が、たとえば、中間回路電圧Ｕ_ＺＷの設定値入力を用いて以下で説明される場合、本願による方法はこのことに限定されず、他の電気的特性における設定値に代えられてもよい。
図１の下部にある、インバータ４の記号におけるダッシュ記号による拡張によって示されているように、追従デバイス１０はインバータ４の中に組み込まれていてもよい。

図２は、従来技術による追従方法における、中間回路電圧Ｕ_ＺＷの推移の例をグラフで示している。
この場合、中間回路電圧Ｕ_ＺＷのレベルはグラフのｙ軸に対してプロットされており、時間ｔの進行はグラフのｘ軸に対してプロットされている。
これら２つの軸は任意単位（ａ．ｕ．）を示している。
図示されている公知の追従方法では、中間回路電圧が高くなる方向、または中間回路電圧が低くなる方向における所定レベルΔＵの電圧インクリメントが、中間回路電圧Ｕ_ＺＷの最新値より行われる。
このように、中間回路電圧Ｕ_ＺＷの変更に対して、ＰＶ発生器によって生成される電力、あるいは、ＰＶ発生器のこの動作点においてインバータによってエネルギー供給網に供給される電力が決定され、中間回路電圧の変更前に生成または供給された電力と比較される。
中間回路電圧Ｕ_ＺＷの変更によって電力が増加した場合、同じ方向における同じレベルΔＵのさらなる電圧インクリメント（すなわち、増加または減少のいずれか）が続いて行われる。
一方で電力が低下した場合には、他の方向におけるインクリメントが続いて行われる。
したがって、ＰＶ発生器における動作状態の変化、および／または、経時的な放射状態の変化によって最適動作点が変化すると、実際の動作点が最適動作点に追従するか、または最適動作点を中心に変動する。
電圧インクリメントにおける他のシーケンスも同様に従来技術より知られており、電圧変化の方向は、さらなる基準、および／または、複雑なアルゴリズムに従って決定されるが、これらの方法には電圧インクリメントの所定レベルΔＵが実質的に一定であるという共通点がある。
このような方法が、本明細書において提供される簡単な追従方法の代わりに用いられてもよいことは言うまでもない。

図２では、このようなレベルΔＵの電圧インクリメントが、この場合には時刻ｔ_１において中間回路電圧Ｕ_ＺＷが低くなる方に行われている。
時刻ｔ_１において行われた中間回路電圧Ｕ_ＺＷの引き下げは、測定電力を高めたと想定される。
これに応じ追従デバイス１０は、時刻ｔ_２において、中間回路電圧におけるΔＵの値分のさらなる引き下げを開始する。
グラフでは、この引き下げΔＵに対する設定値入力が、時刻ｔ_２で始まるダッシュ記号による水平線として示されている。
しかし、中間回路電圧Ｕ_ＺＷにおけるΔＵの値分のこの引き下げは、必要最低中間回路電圧Ｕ_ｍｉｎがアンダーシュートするという結果をまねくことになる。
この電圧Ｕ_ｍｉｎは、エネルギー供給網５に電力供給するための、ひずみのないＡＣ出力電圧を提供するのに必要である。
この必要最低中間回路電圧Ｕ_ｍｉｎは、以下では略して最低電圧Ｕ_ｍｉｎとも呼ばれる。
図２では水平線として示されている最低電圧Ｕ_ｍｉｎは、この場合には、あらかじめ一定に定められているか、またはエネルギー供給網の測定パラメータに基づいて決定される。

最低電圧Ｕ_ｍｉｎが中間回路電圧Ｕ_ＺＷによってアンダーシュートされることのない基準を保つことは、追従デバイスによって最適動作点を設定することよりも極めて高い優先度を有する。
インバータがまず追従デバイスの設定値入力に追従する場合、最低電圧Ｕ_ｍｉｎがアンダーシュートされ、その時に追従デバイスによる設定値出力が再度即座に増加する。
図２に示されているグラフでは、このことが、中間回路電圧Ｕ_ＺＷのプロフィール曲線における、最低電圧Ｕ_ｍｉｎまで達しているスパイクによって表されている。
最適動作点が、時刻ｔ_１で想定される中間回路電圧と最低電圧Ｕ_ｍｉｎとの間にある場合、この最適動作点が保証されるということはない。
このことは、一段インバータまたは一段電圧コンバータの場合には特に問題となる。
これは、上記のインバータまたはコンバータが、それらの設計により、必要最低中間回路電圧のために動作点の電圧変化範囲が一般に大きくなく、さらに、本来大きくないこの変化範囲が公知の追従方法では使われることがないためである。

図３は、図２と同様、本願による追従方法を実施した場合の中間回路電圧Ｕ_ＺＷの電圧推移を示す。
本方法は、たとえば図１に示されているＰＶシステムにおいて実施されてもよいため、図１に示されている例示的実施形態を参照し、その場合に用いられている参照記号を用いて例として説明される。

まず時刻ｔ_１では、図２の方法と同様に、レベルΔＵの電圧インクリメント分の中間回路電圧Ｕ_ＺＷの引き下げが行われる。
ここでも同様に、時刻ｔ_１に中間回路電圧Ｕ_ＺＷにおいて行われる引き下げは、測定電力に対するプラスの効果を有するものと想定されている。
このため、時刻ｔ_２では、中間回路電圧Ｕ_ＺＷを引き下げるようにさらなるインクリメントが行われる。
しかし、この引き下げは、時刻ｔ_１と同じインクリメントΔＵだけ行われるのではなく、それより少ないインクリメントΔＵ’＜ΔＵだけ行われる。
これは、インクリメントΔＵ分の引き下げが、最低電圧Ｕ_ｍｉｎをアンダーシュートする危険性をすでに秘めているためである。
言い換えれば、時刻ｔ_２における電圧インクリメントの場合の平均変化率｜ΔＵ’／Δｔ｜が、時刻ｔ_１における電圧インクリメントの場合の対応する平均変化率｜ΔＵ／Δｔ｜に比べて低下する。
この場合のΔｔは、電圧インクリメントの時間にほぼ等しい有限値の期間を示している。
この場合、Δｔは無限に小さくはなく、（ｔ_２−ｔ_１）である差分以下となるように選択される。

第３の時刻ｔ_３では、今回はΔＵ’’のインクリメント分のさらなる引き下げが行われる。
この引き下げにより、最低電圧Ｕ_ｍｉｎがアンダーシュートされることなく最低電圧Ｕ_ｍｉｎへのさらなる接近が達成される。
この場合、インクリメントΔＵ’’は、原理的にはインクリメントΔＵ’と同じ値を有していてもよい。
しかし、インクリメントΔＵ’’は異なる値を有していてもよく、たとえば、中間回路電圧Ｕ_ＺＷと最低電圧Ｕ_ｍｉｎとの間隔が小さくなるにつれて所定の限界値を少なくとも下まわって連続的に小さくなるインクリメントでもよい。

図示されている追従方法は、この追従方法において行われる電圧インクリメントΔＵのレベルが、中間回路電圧Ｕ_ＺＷにおける全電圧範囲にわたって一定ではなく、中間回路電圧Ｕ_ＺＷのレベル、または、中間回路電圧Ｕ_ＺＷと最低電圧Ｕ_ｍｉｎとの間の差分電圧に依存する点で、電圧変化範囲における利用の向上を実現する。

図４は、図２に関して説明された、従来技術より知られている追従方法の場合に生じ得るさらなる課題を示す。
第１の時刻ｔ_１では、レベルΔＵの電圧インクリメント分の中間回路電圧Ｕ_ＺＷの引き下げが行われる。
これまでと同様、この引き下げは測定電力の増加に関係することが想定されており、これにより次のインクリメントでは、ＰＶ発生器の最適動作点を設定するために行われる中間回路電圧Ｕ_ＺＷのさらなる引き下げが意図されている。
次の、この引き下げは、第２の時刻ｔ_２で行われる。
この場合、第２の時刻ｔ_２の前の中間回路電圧Ｕ_ＺＷのレベルは、時刻ｔ_２の右側にダッシュ記号による水平線で示されているように、同じレベルΔＵの電圧インクリメントだけ低下したとしても、中間回路電圧が最低電圧Ｕ_ｍｉｎより依然として大きいままとなるようなレベルである。
しかし、時刻ｔ_２の直後にはインバータのＡＣ出力部にひずみが生じ、このひずみは、以前に設定された中間回路電圧Ｕ_ＺＷ（すなわち、時刻ｔ_１とｔ_２との間に設定されている中間回路電圧Ｕ_ＺＷ）に対する逆転（ｒｅｖｅｒｓａｌ）をもたらす。
この応答の理由は、中間回路電圧Ｕ_ＺＷの設定値におけるステップ状の変化である。
各インバータは、中間回路電圧Ｕ_ＺＷ、すなわちＰＶ発生器の動作点を設定するために用いられるあらゆる他の電圧コンバータと同様に、実際の中間回路電圧Ｕ_ＺＷを所定の設定値に設定するために制御ループを有している。
中間回路電圧Ｕ_ＺＷの設定値におけるステップ状の減少の場合、上記の中間回路電圧Ｕ_ＺＷがまず極めて速く低下し、アンダーシュートの形でこの設定値を少なくとも一時的に下まわる危険性に陥る。
まず、このようなアンダーシュートは、中間回路電圧に向けた新たな設定値が依然として最低電圧Ｕ_ｍｉｎを上まわっている場合でも、中間回路電圧Ｕ_ＺＷが最低電圧Ｕ_ｍｉｎを一時的に下まわることに直接つながり、このことが、インバータのＡＣ出力部におけるひずみに関係することになる。
最低電圧Ｕ_ｍｉｎを下まわるアンダーシュートが生じなかったとしても、新たな設定値までの中間回路電圧Ｕ_ＺＷの遮断中に中間回路を流れる大きい電流が、ＡＣ出力電圧の信号波形におけるひずみをもたらす場合がある。
したがって、知られている追従方法における、中間回路電圧Ｕ_ＺＷにおける設定値の公知のインクリメント変化の場合には、最低電圧Ｕ_ｍｉｎを依然として上まわっている値までの突発的な変化が行われ得ない。
このことは、図４において、今まで最低電圧Ｕ_ｍｉｎと考えられていたものを上まわる有効最低電圧Ｕ＊_ｍｉｎによって表されている。
公知の追従方法において必要な蓄え分を加えた最低電圧Ｕ_ｍｉｎから生じる（比較的高い）有効最低電圧Ｕ＊_ｍｉｎの形態である、説明された一時的な制御効果を考慮することにより、インバータにおける利用可能な電圧変化範囲は、電圧の低い所でさらに制限される。

図５は、本願による第２の例示的実施形態における追従方法の実施に向けた中間回路電圧Ｕ_ＺＷの電圧推移を、これまでの図と同様に示す。
この方法においても、中間回路電圧Ｕ_ＺＷの変更が行われ、状態が変ったときのＰＶ発生器の動作点に追従するために、測定された供給電力における比較が様々な電圧インクリメントに向けて用いられる。

第１の時刻ｔ_１および第２の時刻ｔ_２では、レベルΔＵの電圧インクリメント分の第１の電圧変化が開始される。
しかしこの場合には、中間回路電圧Ｕ_ＺＷに向けた新たな設定値はステップ状にあらかじめ決められておらず、持続時間Δｔにわたってゆっくり低下する設定値によるものである。
図５では例として、ランプ（ｒａｍｐ）の形で直線的に低下する設定値の推移がグラフによって示されている。
しかし、新たな設定値に向かう設定値入力の推移は、できるだけ滑らかで連続的な別の曲線に従っていてもよく、あるいは、レベルΔＵの電圧インクリメントのレベル全体より実質的に小さく、また実質的に速い時間シーケンスであらかじめ決められていることによって一時的な変化率のレベルが最大の平均変化率を下まわる離散的なインクリメントによって行なわれてもよい。
このような連続的でゆっくりした設定値の変化は、中間回路電圧Ｕ_ＺＷを設定する際の制御に従っていてもよく、いかなるオーバーシュートもなく、従来と異なる高い電流が制御プロセスにおいて流れることもなく、またひずみも発生しない。

あるいは、説明されたひずみは、特に閉ループ制御の更新レートから実質的にもたらされる供給電流の制御ダイナミクス（制御特性）によって回避されてもよく、制御が全体的にゆっくり行われることによって減少する。
しかし、このことは、電力網の不具合などの、可能性のある動的なイベントに対する応答が遅いという欠点があり、例外的な場合においてのみ用いられるべきである。

したがって、最低電圧Ｕ_ｍｉｎに近い中間回路電圧Ｕ_ＺＷも実際に保証され得る（特に、第２の時刻ｔ_２における電圧インクリメントを参照されたい）。
このため、有効最低電圧Ｕ＊_ｍｉｎは、（計算された）最低電圧Ｕ_ｍｉｎに近づき、設定値入力の推移において好適に選択されたパラメータが与えられたこの最低電圧と同じになる。

図３に関して説明された、追従方法における電圧インクリメントのレベル合わせが、図５に関して説明された、中間回路電圧Ｕ_ＺＷの変化の場合における設定値の突発的な変化の回避と組み合わされてもよいことは言うまでもない。
このような組み合わせの方法は、フローチャートの形態である、さらなる例示的実施形態における図６において説明されている。

第１のステップＳ１では、電源電圧Ｕ_ＡＣと供給電流Ｉ_ＡＣが測定される。
これら２つの値に基づいて必要最低電圧Ｕ_ｍｉｎが求められる。

第２のステップＳ２では、中間回路電圧Ｕ_ＺＷが測定されるか、あるいは、中間回路電圧Ｕ_ＺＷの最新の設定値に基づいて決定され、この中間回路電圧Ｕ_ＺＷが、次のステップＳ３で最低電圧Ｕ_ｍｉｎと比較される。
中間回路電圧Ｕ_ＺＷと最低電圧Ｕ_ｍｉｎとの間隔が所定値未満である場合、本方法はステップＳ５に分岐し、そうでない場合にはステップＳ４に続く。
この場合、この所定の間隔は、この追従方法に向けた標準インクリメントΔＵ_０の係数ｘによって、図示されている方法において決定される。
この係数ｘの値は、たとえばｘ＝３でもよい。

ステップＳ４（すなわち、中間回路電圧Ｕ_ＺＷが最低電圧Ｕ_ｍｉｎよりｘΔＵ_０の値を上まわる分だけ大きい場合）では、ΔＵ_０の値が本追従方法のインクリメントΔＵとして用いられる。
同時に、フラグＳが０の値に設定される。
一方ステップＳ５（すなわち、中間回路電圧Ｕ_ＺＷがｘΔＵ_０と同じかそれを下まわる間隔の分だけ最低電圧Ｕ_ｍｉｎに近づいた場合）では、インクリメントΔＵ_０が標準インクリメントΔＵ_０の分数に設定され、この場合には、この分数は係数１／ｙによってあらかじめ定められている。
ｙの値は、たとえば２から４までの範囲の値でもよい。
さらに、フラグＳが１の値に設定される。

次のステップＳ６では、１つまたは複数の追従ステップが実行される。
ここでは、ΔＵの値がインクリメントとして設定され、フラグＳ＝０の場合には、設定値におけるこの値ΔＵの分のステップ状の変更が行われ、フラグがＳ＝１の値を有する場合には、設定値におけるランプ状の変更が行われる。

ステップＳ５の結果、小さいインクリメントの差分電圧ΔＵと、設定値におけるランプ状の変更とによって、この追従方法、とりわけ、放射の変化に対する本方法の応答時間が遅れる。
しかし、このことは、ステップＳ３における照会により、最低電圧Ｕ_ｍｉｎの近傍における中間回路電圧Ｕ_ＺＷの「臨界」範囲においてのみ生じる。
このように、利用可能な中間回路電圧の範囲は、この範囲の下限に向かう最大限にまで用いられ、それによって特に、極めて低い照射強度においてもＰＶ電力の供給が可能となる。
それにもかかわらず、この追従方法は、中間回路電圧における上側の非臨界範囲では、最適動作点の変化に対する迅速な応答能力を有する。

１つまたは複数の追従ステップが実行されると、本方法は、インクリメントΔＵまたはフラグＳをリセットし、場合によっては中間回路電圧Ｕ_ＺＷに対して新たに測定された値から始めるために、ステップＳ２に分岐して戻る。
さらに、規則的な間隔でステップＳ２に分岐して戻るのではなく、たとえば特定数の追従ステップの実行後にステップＳ１に戻り、それによって、最低電圧Ｕ_ｍｉｎの値も、最新の電源電圧Ｕ_ＡＣと最新の供給電流Ｉ_ＡＣとに基づいて定期的に更新されてもよい。
電流制御における例示されたシーケンスと関係のない、電圧の追従よりはるかに高い頻度で行われる最低電圧Ｕ_ｍｉｎの計算と更新は特に有利である。
このような更新は、最新の電力に必要な最低電圧Ｕ_ｍｉｎが常に適応して考慮され、また従来技術においてなされている、高い供給電力に必要な一定の最低電圧は想定されないという利点をもたらす。

以下では、追従方法におけるさらなる例示的実施形態が、標準的な一日にわたる放射強度の変化の際の本追従方法の応答に基づいて例示される。

夜間（すなわち、太陽の放射がなく、ＰＶ電力が得られない場合）には、ＰＶ発生器の無負荷電圧は、少なくとも予想される電源電圧を与えられる供給に必要となる電圧を明らかに下まわっており、インバータは通常は停止している。

太陽放射が増え出し、ＰＶ電力が依然として非常に低い午前中には、インバータが作動し、最新の電源電圧Ｕ_ＡＣから最低電圧Ｕ_ｍｉｎ（すなわち、供給に少なくとも必要となる中間回路電圧）を求める。

太陽放射がさらに増すにつれ、ＰＶ電力と、ＰＶ発生器の無負荷電圧との両方がさらに増える。
最低電圧Ｕ_ｍｉｎが超えられるとすぐに、電力網に電力供給するための、インバータにおけるインバータブリッジのクロック制御と、低いレベルΔＵ（たとえば１ボルト）の電圧インクリメントを有するとともに、制限された変化率を適宜有する追従方法との両方が立ち上がる。

太陽放射がさらに増すにつれ、ＰＶ電力と無負荷電圧との両方がさらに増えるが、中間回路電圧Ｕ_ＺＷは、初めのうちは本追従方法によって最低電圧Ｕ_ｍｉｎ、または最低電圧Ｕ_ｍｉｎの範囲内に保たれる。
さらに電力の増加に応じて最低電圧の値が連続的にチェックされ、場合によっては更新される。

太陽放射のレベルがさらに増す場合、ＰＶ発生器の最適動作点における電圧は最低電圧Ｕ_ｍｉｎを超え、この場合に本追従方法は最適動作点に応じて中間回路電圧Ｕ_ＺＷを引き上げる。
中間回路電圧Ｕ_ＺＷが最低電圧Ｕ_ｍｉｎを超える量が大きいほど、本追従方法における電圧インクリメントのレベルΔＵと、設置値における変化率との両方が標準的な値が達せられるまで大きくなるように選択され得る。
あるいは、図６に示されている例示的実施形態のように、中間回路電圧Ｕ_ＺＷと最低電圧Ｕ_ｍｉｎとの間隔を定めるために、ある間隔の値が定められ、その間隔を上まわる場合、システムは、本発明による最適動作から標準動作（すなわち、たとえば１０Ｖである、比較的大きいステップ状の電圧インクリメントによる追従）に切り替わってもよい。

その日の終わり（すなわち、放射が弱まり、それによって最適動作点における電圧が下がり、また中間回路電圧Ｕ_ＺＷが低下する場合）における時間シーケンスは、逆の特徴を有する。
この場合には、電源電圧Ｕ_ＡＣがこの方法全体を通じて監視され、電源電圧の変化に応じて最低電圧Ｕ_ｍｉｎが適宜更新されてもよい。

１ ＰＶ発生器
２ 中間回路
３ 中間回路コンデンサ
４ インバータ
５ エネルギー供給網
６ 測定用抵抗器
１０ 追従デバイス
１１、１２ 入力部
１３ 制御出力部
Ｕ_ＺＷ 中間回路電圧
Ｕ_ｍｉｎ 最低電圧
Ｕ＊_ｍｉｎ 有効最低電圧
ΔＵ 電圧インクリメントのレベル
ΔＵ_０ 電圧インクリメントの標準レベル
Ｕ_ＡＣ 電源電圧
Ｉ_ＡＣ 供給電流
ｔ 時間
ｔ１、ｔ２、ｔ３ 時刻
Δｔ 持続時間
Ｓ フラグ

Claims (15)

1. ＰＶ発生器（１）の動作点の追従に向けた、光起電力システムにおける電圧コンバータ、特にインバータのための追従方法であって、
   中間回路電圧（Ｕ_ＺＷ）が、電圧が低くなる方向、または、電圧が高くなる方向に所定レベル（ΔＵ）の電圧インクリメント分だけ繰り返し変更される追従方法において、
   ２つの電圧インクリメントの間のサブ期間における前記中間回路電圧（Ｕ_ＺＷ）の平均変化率（｜ΔＵ／Δｔ｜）が、最大の平均変化率によって制限され、前記最大の平均変化率が、前記中間回路電圧（Ｕ_ＺＷ）のレベルに応じて求められることを特徴とする
   追従方法。
2. 前記最大の平均変化率が、前記中間回路電圧（Ｕ_ＺＷ）と、必要最低中間回路電圧（Ｕ_ｍｉｎ）との電圧差のレベルに応じて求められる
   請求項１に記載の追従方法。
3. 前記電圧差のレベルが低下する場合に前記最大の平均変化率が低下する
   請求項２に記載の追従方法。
4. 一定の中間回路電圧（Ｕ_ＺＷ）を超えた所では前記最大の平均変化率が一定である
   請求項３に記載の追従方法。
5. 前記必要最低中間回路電圧（Ｕ_ｍｉｎ）が電源電圧（Ｕ_ＡＣ）に基づいて求められる
   請求項２から４のいずれか一項に記載の追従方法。
6. 前記必要最低中間回路電圧（Ｕ_ｍｉｎ）が、さらに供給電流（Ｉ_ＡＣ）に基づいて求められる
   請求項５に記載の追従方法。
7. 前記必要最低中間回路電圧（Ｕ_ｍｉｎ）が定期的に更新される
   請求項２から６のいずれか一項に記載の追従方法。
8. 前記必要最低中間回路電圧（Ｕ_ｍｉｎ）における前記更新が、前記電圧インクリメントよりも倍数分だけ頻繁に行われる
   請求項７に記載の追従方法。
9. 前記電圧インクリメントのレベル（ΔＵ）が、前記中間回路電圧（Ｕ_ＺＷ）のレベルに応じて求められる
   請求項１から８のいずれか一項に記載の追従方法。
10. 前記中間回路電圧（Ｕ_ＺＷ）の設定値が、有限の変化率を有する連続的な関数として提供される
    請求項１から９のいずれか一項に記載の追従方法。
11. 前記設定値の変更がランプ関数によって行われる
    請求項１０に記載の追従方法。
12. 前記最大の平均変化率が、前記インバータによってＡＣ電圧網に供給される電流の制御に向けた更新レートによって求められる
    請求項１から１１のいずれか一項に記載の追従方法。
13. 請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法を実施するように構成されていることを特徴とする
    電圧コンバータのための追従デバイス（１０）。
14. 請求項１３に記載の追従デバイス（１０）を備える光起電力システムのための
    インバータ。
15. 一段インバータとして構成されている
    請求項１４に記載のインバータ。

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