JP2015502126A - 再生可能エネルギー源のための電力変換システムおよび方法 - Google Patents

再生可能エネルギー源のための電力変換システムおよび方法 Download PDF

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Abstract

【課題】代替エネルギー源と共に用いるためのエネルギー変換ステムを開示する。【解決手段】代替エネルギー源は、ACまたはDC電圧のいずれか1つを生成することができる。第1電力変換装置は、源およびDCバス間に接続され、第2電力変換装置は、DCバスとグリッドまたは他の負荷との間に接続される。第1電力変換装置は、低エネルギー生成周期中に動作するように構成される。キャプチャーされたエネルギーは、蓄電媒体内に保存される。エネルギーが充分に保存されるとき、このようなエネルギーは、その後、第2電力変換装置を介してグリッドまたは負荷に伝送される。第2電力変換装置は、低発電周期中に断続的に動作するように構成され、十分なエネルギーが保存されると、第2電力変換装置がそれ以上効率的に動作できない点までDCバスからのエネルギーを伝送して保存されたエネルギーが低下したときにオフになる。【選択図】図1

Description

本明細書に開示する主題は、電力変換装置に関し、具体的には、低電力生産期間中の再生可能エネルギーシステムのための改善された電力変換に関する。
[関連する出願の参照]
本出願は、2011年11月4日に出願された米国仮出願第61/555,722号に対して優先権を主張し、その全体の内容は本明細書に参照として含まれる。
近年、エネルギー需要が増加し、化石燃料の供給とそれに付随する環境汚染に対する懸念が高まるにつれて、再生可能エネルギー源への関心が高まっている。最も一般的で最もよく開発された再生可能エネルギー源のうちの2つは、太陽光エネルギー(photovoltaic energy)および風力エネルギー(wind energy)である。他の再生可能エネルギー源は、燃料電池、水力エネルギー(hydroelectric energy)、潮力エネルギー(tidal energy)、およびバイオ燃料(biofuel)またはバイオマス(biomass)発電機を含んでもよい。しかし、電気エネルギーを生成するために再生可能エネルギー源を使用するという新たな問題が提示されている。
多くの再生可能エネルギー源は、エネルギーの可変供給を提供する。その供給は、例えば、風量、雲量、または一日の時間帯によって変化し得る。さらに、異なるエネルギー源は、異なる電気エネルギーのタイプを提供する。風力タービンは、例えば、交流(AC)エネルギーを提供するのに適し、一方、光電池は、直流(DC)を提供するのに適している。供給されるエネルギーの可変性および生成されるエネルギーの変化のタイプによって、電力変換装置が電力系統(utility grid)に対して独立的に動作すれば、電力変換装置は一般的に再生可能エネルギー源および電力系統、または電気負荷の間に挿入される。
電力変換装置は、再生可能エネルギー源によって生成された全ての電力が使用可能な電気エネルギーに変換するのを妨げるという固有の(inherent)損失を有することが知られている。低発電レベルにおいて、エネルギー損失は再生可能エネルギー源によって生成される電力よりもさらに大きくてもよい。電力変換装置は、発電システムが生成するより実質的にさらに多くのエネルギーを使用する動作状態を回避できるように通常オフになる。
従って、発電システムの効率を最大化するために、低発電レベルで生成されるエネルギーをキャプチャーして、低発電レベルで効率的に動作可能なコンバータを提供することが望ましい。
本明細書に開示する主題は、代替エネルギー源と共に用いるためのエネルギー変換ステムを開示する。エネルギー源は、AC(風力タービン)またはDC(太陽)エネルギー源であってもよい。エネルギー源に接続されたコンバータは、低エネルギー生成周期中に動作するように構成される。キャプチャーされたエネルギーは、ウルトラキャパシタ(ultra−capacitor)またはバッテリーなどの蓄電(electrical storage)媒体内に保存される。十分なエネルギーが保存されるとき、このようなエネルギーは、その次に第2電力変換装置を介してグリッドまたは前記負荷に伝送される。第2電力変換装置は、一般的に低エネルギー生成周期中に再生可能エネルギー源から生成された電力よりもさらに大きい動作電力損失を有するが、エネルギーを保存して、保存されたエネルギーを断続的な(intermittent)モードで用いることによって、第2コンバータは効率的な動作点で動作することができる。
本発明の一実施形態によれば、電力変換システムは、入力部および出力部を有する第1電力変換装置および入力部、および出力部を有する第2電力変換装置を含む。前記第1電力変換装置は、前記入力部から第1形態の電気エネルギーを受信して、前記出力部において所定の大きさでDC電圧を提供するように構成され、前記第2電力変換装置は、前記入力部から前記所定の大きさの前記DC電圧を受信して、前記出力部においてAC電圧を提供するように構成される。DCバスは、前記第1電力変換装置の出力部および前記第2電力変換装置の入力部を接続して、前記所定の大きさで前記DC電圧を導通するように構成される。エネルギー蓄積装置は、前記DCバスに動作的に接続される。前記第2電力変換装置は、第1閾値(前記第1閾値未満において、前記DC電圧から前記AC電圧への変換を中止する)、および第2閾値(前記第2閾値を超過すると、前記DC電圧から前記AC電圧への変換を開始する)を有する。前記第1電力変換装置は、前記入力部における前記電気エネルギーを前記第2電力変換装置の前記第1閾値未満の前記DC電圧に変換するように構成され、前記エネルギー蓄積装置は、前記第1電力変換装置が動作して前記第2電力変換装置が動作しないときに電気エネルギーを保存するように構成される。
本発明の別の態様によれば、DC/DCコンバータは、前記DCバスおよび前記エネルギー蓄積装置間に動作的に接続されてもよい。前記エネルギー蓄積装置は、ウルトラキャパシタまたはバッテリーであってもよい。センサは、前記エネルギー蓄積装置上に存在する電圧の振幅または充電の状態(state of charge)に対応するフィードバック信号を生成する。前記第2電力変換装置は、前記フィードバック信号を受信して前記第2電力変換装置の動作を制御するために前記フィードバック信号を前記第2閾値と比較する。
本発明のさらに別の態様によれば、前記第1電力変換装置は、複数の制御信号によって前記入力部を前記出力部に選択的に接続する複数のスイッチを含む。各制御信号は、前記複数のスイッチのうちの1つに対応し、各スイッチは、前記入力部を前記出力部に選択的に接続することに関るスイッチング損失を有する。コントローラは、前記入力部における前記電気エネルギーを第1モードおよび第2モードにおいて前記DC電圧に変換するための前記制御信号を生成する。前記コントローラは第3閾値を超過する前記第1モードで動作し、前記第3閾値は前記第1モードにおいて前記スイッチによって生成されるスイッチング損失以上であり、前記コントローラは前記第3閾値未満で前記第2モードにおいて動作する。
本発明のまた他の実施形態によれば、第1電力変換装置および第2電力変換装置を用いて再生可能エネルギー源から前記負荷への電力伝送を制御する方法が開示される。前記第1および第2電力変換装置は、DCバスを介して接続され、前記再生可能エネルギー源は可変する発電能力を有する。前記方法は、前記再生可能エネルギー源によって生成されたエネルギーを前記DCバスに伝送するために前記第1電力変換装置上の制御モジュールを実行するステップと、前記DCバスからの前記エネルギーの少なくとも一部をエネルギー蓄積装置内に保存するステップと、前記エネルギー蓄積装置内に保存された前記エネルギーを測定するステップと、前記DCバスからのエネルギーを前記負荷およびエネルギーグリッド(energy grid)のうちのいずれかに伝送するために、前記第2電力変換装置上の制御モジュールを実行するステップと、前記DCバスからのエネルギー伝送率(rate of energy transfer)を測定するステップとを含む。前記DCバスからのエネルギーを前記負荷およびエネルギーグリッドのうちのいずれかに伝送するために、前記第2電力変換装置上の制御モジュールを実行するステップは、前記DCバスからの前記エネルギー伝送率が第1閾値未満に低下するときに無効になり、前記エネルギー蓄積装置内に保存された前記エネルギーが第2閾値を超過するときに使用を有効になる。
本発明の別の態様によれば、前記DCバスからの前記エネルギーの少なくとも一部を前記エネルギー蓄積装置内に保存するステップは、前記DCバス上に存在する電圧の振幅を測定するステップと、前記DCバス上に存在する前記電圧の振幅の関数として、前記DCバスおよび前記エネルギー蓄積装置間のエネルギー伝送のために前記DCバスおよび前記エネルギー蓄積装置間に接続された第3電力変換装置上の制御モジュールを実行するステップとをさらに含む。前記再生可能エネルギー源によって生成されたエネルギーを前記DCバスに伝送するために前記第1電力変換装置上の制御モジュールを実行するステップは、前記再生可能エネルギー源から前記DCバスでのエネルギー伝送率が第3閾値未満に低下するときに無効にされてもよく、前記第3閾値は前記第1閾値未満である。
本発明のまた他の実施形態によれば、電力変換システムは、入力部および出力部を有する第1電力変換装置および入力部および出力部を有する第2電力変換装置を含む。前記第1電力変換装置は、前記入力部から第1形態の電気エネルギーを受信して、前記出力部において所定の大きさでDC電圧を提供するように構成され、前記第2電力変換装置は、前記入力部から前記所定の大きさの前記DC電圧を受信して、前記出力部においてAC電圧を提供するように構成される。DCバスは、前記第1電力変換装置の出力部および前記第2電力変換装置の入力部を接続して、前記所定の大きさで前記DC電圧を導通するように構成される。前記電力変換システムはまた、入力部および出力部を有する第3電力変換装置を含む。前記入力部は前記DCバスに接続され、前記第3電力変換装置は前記入力部における前記DC電圧を前記出力部において第2DC電圧に変換するように構成され、前記入力部と前記出力部との間に双方向(bidirectional)電力伝送のためにさらに構成される。エネルギー蓄積装置は前記第3電力変換装置の出力部に動作的に接続され、センサは前記エネルギー蓄積装置内に存在するエネルギーの大きさに対応する信号を生成する。前記第2電力変換装置は、前記第2電力変換装置内の電力伝送率が第1閾値未満に低下するときに前記DC電圧から前記AC電圧への変換を中止し、前記エネルギー蓄積装置内に存在する前記エネルギーの大きさに対応する前記信号が第2閾値以上のときに、前記DC電圧から前記AC電圧への変換を開始する。前記第1電力変換装置内の電力伝送率が第3閾値未満に低下するときに、前記第1電力変換装置は前記入力部における前記電気エネルギーを前記DC電圧に変換するのを中止し、前記第3閾値は前記第1閾値未満であり、前記エネルギー蓄積装置は、前記第1電力変換装置が動作して前記第2電力変換装置が動作しないときに電気エネルギーを保存するように構成される。
当業者には、本発明のこれらおよび他のオブジェクト、利点および特徴は、詳細な説明および添付の図面から明らかになるであろう。ただし、詳細な説明および添付の図面は、本発明の好ましい実施形態を示し、例として与えられ、限定するものではないことを理解されたい。本発明の趣旨から逸脱することなく本発明の範囲内において、多くの変更および修正を行うことができ、本発明は、全てのそのような修正を含む。
本明細書で開示する主題の様々な例示的な実施形態は、全体を通して同様の参照番号が同様の部分を示す添付の図面に示されている。
本発明の一実施形態に係る電力変換システムのブロック図である。 エネルギー蓄積装置としてDC/DCコンバータおよびバッテリーを含む図1の電力変換システムのブロック図である。 太陽電池アレイなどのDC源に接続された図1のコンバータの概略図である。 風力タービンなどのAC源に接続された図1のコンバータの概略図である。 図1のコンバータの一変調周期中の電流のグラフである。 可変する変調周期のグラフである。 図1の電力変換システムのインバータの概略図である。
図面に示す本発明の好ましい実施形態について説明する際には、明快のために特定の専門用語が用いられる。ただし、本発明は、そのように選択された特定の用語に限定されるものではなく、特定の用語は各々、同様の目的を達成するために同様に動作する全ての技術的等価物を含むことを理解されたい。例えば、「接続された」という単語、「取り付けられた」という単語、またはそれに類似する用語がしばしば使用される。それらは、直接接続には限定されないが、当業者によってそのような接続が等価であると認識される他のエレメントを介した接続を含む。
本明細書に開示された対象発明の様々な特徴、および有利な詳細事項は、下記の説明による非限定的な実施形態を参照してより完全に説明される。
最初に図1を見ると、電力変換システムは、エネルギー源6から電力を受信する。本発明の一実施形態によれば、エネルギー源6は、光起電力(PhotoVoltaic;PV)アレイまたは風力タービンなどの代替エネルギー源である。エネルギー源6は、第1電力変換装置10に電気的に接続される。第1電力変換装置10は、代替エネルギー源6によって生成されたエネルギーを所望する大きさのDC電圧Vdcに変換するように構成される。DC電圧Vdcは、正極レール14および負極レール16を有するDCバス12に提供される。当技術分野で理解されるように、正極レール14および負極レール16は、共通(common)または中性(neutral)電圧に対して任意の適切なDC電圧電位を導通してもよく、正極または負極DC電圧電位に制限されない。さらに、正極レール14または負極レール16のいずれか1つは、中性電圧電位に接続されてもよい。正極レール14は、通常負極レール16よりもさらに大きい電位を有するDC電圧を導通する。エネルギー蓄積装置18は、DCバス12に接続されてDCバス12から電力を取得(draw)し、DCバス12に電力を戻すように構成される。第2電力コントクト60は、DCバス12と負荷4との間に接続される。本発明の一実施形態によれば、第2電力変換装置60は、DCバス12上に存在するDC電圧Vdcを三相交流電圧に変換するように構成されたインバータである。任意選択で、第2電力変換装置60は、DCバス12上に存在するDC電圧Vdcを負荷4の要求事項によって異なる適切な形態の前記電力に変換してもよい。
図2を参照すると、電力変換システムは、エネルギー蓄積装置18を構成するDC/DCコンバータ17およびバッテリー19を含んでもよい。バッテリー19は、当技術分野で理解されるように直列および/または並列に接続された1つ以上のバッテリーであってもよい。各バッテリーは、鉛酸蓄電池(lead−acid battery)、リチウムイオン電池(lithium−ion battery)、亜鉛臭素電池(zinc−bromide battery)、または、フロー電池(flow battery)であってもよいが、これらに制限されない。DC/DCコンバータ17は、DCバス12とバッテリー19との間の双方向エネルギー伝送を管理するように構成され、DCバス12上に存在するDC電圧Vdcの振幅をバッテリー19によって要求される適切な振幅に変換するようにさらに構成される。
次に図3を参照すると、本発明の一実施形態を含む例示的なコンバータ10を示している。コンバータ10は、エネルギー源6から入力電圧を受信するように構成された3つの入力端子(T〜T)を含む。図示した実施形態によれば、エネルギー源6はPVアレイである。3つの入力がこの構成のために使用されているが、1つ以上の入力でも同様の結果を提供する。図示した実施形態の入力端子(T〜T)は、DC電圧を生成する光起電力アレイから、正極端子+Vpvを受信するように共に接続される。任意選択で、各々の入力端子(T〜T)は、異なる光起電力アレイからの個別の端子に接続されてもよい。光起電力アレイからの負極端子−Vpvは、DCバス12の負極レール16に接続される。入力フィルタ28は、各々の端子(T〜T)と直列に接続されたインダクタンスを提供する。
図4を参照すると、コンバータ10の入力端子(T〜T)は、AC源に接続されてもよい。図示した実施形態によれば、エネルギー源6は風力タービンである。風力タービンは、三相交流電圧(V〜V)を生成する。各々の相(V〜V)は、コンバータ10の入力端子(T〜T)のうちの1つに接続される。任意選択で、エネルギー源6は、コンバータ10に単一または多相電圧のいずれかを提供する異なるAC生成素子であってもよい。
コンバータ10は、エネルギー源6からの入力電圧をスイッチング素子20を用いてDCバス12上に存在する所望するDC電圧Vdcに変換する。DCバス12は、出力(+Vdcおよび−Vdc)で利用可能になる正極レール14および負極レール16を含む。スイッチング素子20は、通常固体電力素子である。図3および図4は、バイポーラ接合トランジスタ(BJT)としてのスイッチング素子20を示す。しかし、適用の要求条件によって、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)、電界効果トランジスタ(FET)、シリコン制御整流器(SCR)、統合ゲート整流サイリスタ(IGCT)またはゲートターンオフサイリスタ(GTO)などのサイリスタ(thyristor)、または他の制御された素子を含んでいるが、これらに制限されることなく任意の適切なスイッチング素子を用い得ることが企図される。ダイオード22は、スイッチング素子20がオフにされたときに求められるようなスイッチング素子の両端間での逆導通のために、各々のスイッチング素子20に並列に接続される。このようなダイオード22はまた、半導体スイッチの一部であってもよい。各スイッチング素子20は、ゲート信号24によって制御される。ゲート信号24は、選択的に正極レール14または負極レール16のいずれか1つを入力端子(T〜T)の1つに接続し、スイッチング素子20を介した導通を選択的に許可するために交互に有効または無効にする。DCバス12の正極レール14と負極レール16との間にキャパシタンス50が接続されている。キャパシタンス50は、システム要件に応じて、単一のキャパシタ、あるいは直列または並列に接続された任意の数のキャパシタであってもよい。キャパシタンス50は、入力電圧とDCバス12との間の電圧変換から生じるリップル電圧の大きさを減少させるように構成してもよい。
コントローラ40は、ゲート信号24を生成するために一連の格納された命令を実行する。コントローラ40は、コンバータ10の全体にわたる多様な点で電圧および/または電流の振幅に対応するセンサからフィードバック信号を受信する。位置は、コントローラ40内で実行される特定の制御ルーチンに依存する。例えば、入力センサ(26a〜26c)は、各入力端子(T〜T)に存在する電圧の振幅を提供してもよい。任意選択で、入力センサ(26a〜26c)は、各入力端子(T〜T)で導通し、電流の振幅を提供するために動作的に接続されてもよい。同様に、電流および/または電圧センサ28,30は、DCバス12の正極レール14および負極レール16に各々動作的に接続されてもよい。コントローラ40は、格納された命令を取り出すためにメモリ素子42とインターフェースに接続され、外部の素子と通信するために通信ポート44とインターフェースに接続されてもよい。
次に図7を参照すると、第2電力変換装置60は、DC電圧Vdcをインバータ60の出力部62でAC電圧に変換するように構成されたインバータ60として配列される。変換は、正極レール14または負極レール16のいずれか1つを出力電圧の相のうちの1つに選択的に接続するスイッチング素子70を用いて行われる。スイッチング素子70は、通常固体電力素子である。図7は、バイポーラ接合トランジスタ(BJT)としてのスイッチング素子70しかし、適用の要求条件によって、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)、電界効果トランジスタ(FET)、シリコン制御整流器(SCR)、統合ゲート整流サイリスタ(IGCT)またはゲートターンオフサイリスタ(GTO)などのサイリスタ(thyristor)、または他の制御された素子を含んでいるが、これらに制限されることなく任意の適切なスイッチング素子を用い得ることが企図される。ダイオード72は、スイッチング素子70がオフにされたときに求められるようなスイッチング素子の両端間での逆導通のために、各々のスイッチング素子70に並列に接続される。このようなダイオード72はまた、半導体スイッチの一部であってもよい。各スイッチング素子70は、ゲート信号74によって制御される。ゲート信号74は、スイッチング素子70を介した導通を選択的に許可するために交互に有効または無効にする。
コントローラ90は、制御信号74を生成するために一連の格納された命令を実行する。コントローラ90は、インバータ60の全体にわたる多様な点で電圧および/または電流の振幅に対応するセンサからフィードバック信号を受信する。位置は、コントローラ90内で実行される特定の制御ルーチンに依存する。例えば、出力センサ(76a〜76c)は、各出力部62上に存在する電圧の振幅を提供してもよい。任意選択で、入力センサ(76a〜76c)は各出力部62上に存在する電流の振幅を提供するために動作的に接続されてもよい。同様に、電流および/または電圧センサ78,80は、DCバス12の正極レール14および負極レール16に各々動作的に接続されてもよい。コントローラ90は、格納された命令を取り出すためにメモリ素子92とインターフェースに接続され、外部の素子と通信するために通信ポート94とインターフェースに接続されてもよい。本発明の一実施形態によれば、第1コンバータ10および第2コンバータ60は、各々の電力変換装置の動作を制御するように構成された分離したコントローラ40,90およびメモリ素子42,92を有する分離したモジュールである。任意選択で、単一コントローラおよびメモリ素子は、両方の電力変換装置の動作を制御するように構成してもよい。
動作内で、電力変換システムは、源(source)6によって生成された電力を負荷4に伝送するために動作する。第1電力変換装置10は、源6からの電力をDCバス12に伝送するように構成され、第2電力変換装置はDCバス12からの電力を負荷4に伝送するように構成される。各電力変換装置10,60のコントローラ40,90は、所望する形態の電力変換によってDCバス12と入力端子(T〜T)または出力部62のいずれか1つとの間にスイッチ20,70を選択的に接続するためのスイッチング信号24,74を生成する1つ以上の制御モジュールを実行する。
本発明の一実施形態によれば、第2電力変換装置60の出力部62は、AC出力電圧を生成するように構成される。結果的に、DCバス12上に存在するDC電圧Vdcは、電力網に同期化されたAC電圧で変換されなければならない。DC電圧をAC電圧に変換するために、コントローラ90は変調ルーチンを実行する。変調ルーチンはまた、スイッチ周期Tとして知られる周期的な間隔で実行する。スイッチ周期中に、変調ルーチンはまた、デューティサイクルDとして知られるスイッチ周期の一部の間スイッチ70を有効にするスイッチング信号74を生成する。したがって、出力部における電圧は周期Tの一部の間のDCバス上に存在する電圧Vdcと同等で周期Tの一部の間の0ボルトと同等である。このような周期に対する電圧の平均値は、DCバスに存在する電圧Vdcの関数およびデューティサイクルDの関数として決定される。変調ルーチンは、電圧の平均値が正弦曲線(sinusoidal)の方式に変わり、基本高調波成分(fundamental harmonic component)が所望するAC出力電圧である近似AC電圧となり、その結果、デューティサイクルDを制御する。残りの高調波成分は、電力変換装置内にエネルギー損失を結果的に生じる出力電圧および/または電流上にいくらかのリップルを生成してもよい。スイッチ周期が減少するとき(すなわち、スイッチング周波数が増加するとき)、近似AC電圧は、実際の正弦曲線の電圧波形にさらに近似し、これによって出力電圧内の高調波損失/歪みが減少する。
本発明の一態様によれば、代替電力源6からの電力を電力網に伝送することが望ましい場合がある。第2電力変換装置60の出力部62は、したがって、電力網に接続される。工業基準により、電力網に接続された電力変換装置60は、低い全高調波歪みを保持しなければならない。結果として、第2電力変換装置60のスイッチング周波数は、前記基準を充足するために十分に高く保持されなければならない。しかし、スイッチング周波数の増加は、スイッチ70がオンおよびオフになる頻度(rate)を増加させ、これによってコンバータ60内のスイッチング損失が増加する。各スイッチ70は、オンおよびオフ状態の間を移行するときに特徴的な電力損失、または、非効率を有し、これはまたスイッチング損失として知られる。スイッチング周波数が増加するとき、スイッチ70と関連するスイッチング損失は、同様に増加する。電力変換装置60は、伝送される電力が特定のレベル未満に低下するときに動作を中断するように構成される。例えば、DCバス12からグリッドに最大100キロワットの電力を伝送できる例示的なコンバータ60は、約4分の1の電力(すなわち、25キロワット)から全出力(すなわち、100キロワット)まで96%の効率で動作し得る。しかし、コンバータ60が約10キロワット、または、コンバータ60の容量の10%を伝送するために要求されるとき、動作効率は約90%に低下する。したがって、コンバータ60の動作範囲は、コンバータ60の正格容量の10%から100%の間にある。コンバータ60の動作を中断するための閾値は、したがって正格容量の10%と設定され、これはスイッチング損失が伝送される電力のレベルと同等であるか、ほぼ等しい動作点に対応する。
高調波歪みを所望するレベル未満に保持するように構成されるよりも、第1電力変換装置10は代替電力源6によって生成された最大総エネルギーをDCバス12に伝送するように構成される。第1電力変換装置10のスイッチ20は、また、スイッチング損失を有するが、第1電力変換装置10は第2電力変換装置60のように高いスイッチング周波数で動作する必要がないこともあり、これによって第1電力変換装置10と関連するスイッチング損失が減少する。第1電力変換装置10は、複数のモードで動作するように構成され得ることが企図される。例えば、高電力伝送周期中に、より高いスイッチング周波数で動作することがより効率的なこともあり、低電力伝送周期中に、より低いスイッチング周波数で動作することがより効率的なこともある。第1電力変換装置10は、したがって、電力伝送のレベルの関数として第1電力変換装置10が動作するスイッチング周波数を変化させるように構成してもよい。第1電力変換装置10は、代替エネルギー源6によって生成されるDCバス12に伝送される電力の比率を増加させるために、また他のモードで動作し得ることが企図される。例示的な第1電力変換装置10は、例えば、最大100キロワットの電力を源6からDCバス12に伝送するための例示的な第2電力変換装置60と同様に評価されてもよい。しかし、異なる動作モードにおいて、第1電力変換装置10は、第1電力変換装置10の正格容量の約1%から100%の間の動作範囲を有するように構成してもよい。したがって、第1電力変換装置10は、第2電力変換装置60が効率的に動作できない低発電周期中に源6で生成されたエネルギーをDCバス12に伝送してもよい。
次に図5を参照すると、対応するスイッチング素子20を制御するスイッチング信号24のうちの1つの関数として第1電力変換装置10に対するパルス幅変調の一スイッチ周期TにわたってPVアレイから得られた電流Ipvが示される。スイッチング信号24は、総周期Tの比率分の間にオンになり、周期Tの残りの間にオフになり、スイッチング信号24がオンになるスイッチ周期Tの比率は、デューティサイクルDと呼ばれ、またオン時間tonと呼ばれる。スイッチング信号24がオンおよびオフになるとき、対応するスイッチ20は交代で電流を導通および遮断する。コントローラ40は、代替エネルギー源6によって生成されたエネルギーの関数としてデューティサイクルDを変化させる。例えば、代替エネルギー源6によって生成された総エネルギーが減少するとき、エネルギーをDCバス12に伝送するためにさらに少ないオン時間を必要とするため、デューティサイクルDを減少させてもよい。スイッチ20のスイッチング損失がスイッチ20がオンになることによって伝送される電力を超過する場合、オン時間tonは最小値に達するまで減少し続けてもよい。
次に図6を参照すると、第1電力変換装置10が低エネルギー生成周期中に電力伝送を最大化するように構成される動作モードをさらに含み得ることが企図される。最小オン時間tonの間にスイッチ20が導通した未満のレベルで代替エネルギー源6がエネルギーを生成するとき、電力を伝送する第1電力変換装置10の動作を続けさせるために、コンバータ10はパルス幅変調の周期Tの変化を開始する。例えば、図6aは、コンバータが自身が最小デューティサイクルDに到達した時点を示してもよい。周期Tは、例えば、10kHzのスイッチング周波数に対応する100μsecであってもく、一般的な動作周期と同等である。代替エネルギー源6によって生成されたエネルギーがさらに減少するとき、変調周期は、例えば、Tに、その後にTまで延びることができる。変調周期は、50Hzのスイッチング周波数に対応する、少なくとも20msecまで増加し得ることが企図される。したがって、生成されたエネルギーが減少するとき、コンバータ10は、DCバス12に伝送されるエネルギーの総量を増加させるためのさらに広い動作範囲にわたって動作を継続してもよい。本発明の範囲を逸脱しない低発電時の動作に、さらに他の方法を活用し得ることが企図される。
しかし、第1電力変換装置10の動作範囲が拡張される一方、第2電力変換装置60の動作範囲は、全高調波歪み上の要求された限界を満たすために拡張することができない。結果として、エネルギー蓄積装置は、第1電力変換装置10が動作して第2電力変換装置60が無効である間にDCバス12に伝送されるエネルギーを保存するために用いられる。エネルギー蓄積装置18内に保存されたエネルギーのレベルは、例えば、エネルギー蓄積装置18上に存在する電圧レベルに対応する信号を生成する電圧センサによって測定される。保存素子18内に保存されたエネルギーが適切なレベルに到達するとき、第2電力変換装置60は、保存されたエネルギーを負荷4に伝送するために使用を有効にする。エネルギー源6が第2電力変換装置60のエネルギーを負荷4に伝送する速度(rate)よりも遅い速度でエネルギーを生成し続けると、エネルギー蓄積装置18内に保存されたエネルギーは第2電力変換装置60が動作するのに十分なエネルギーレベルがDCバス12上に存在するようにDCバス12上に戻される(transferred back)。第2電力変換装置60は、エネルギー蓄積装置18が枯渇して(depleted)これ以上源6によって生成されたエネルギーを補充できない時まで動作を継続してもよい。この時点において、DCバス12から負荷4へのエネルギー伝送率は、第2電力変換装置60が動作するように構成され、最終的に無効になる最小レベルに第2電力変換装置60が到達するまで減少する。
結果として、エネルギー源6の低発電周期中に、第2電力変換装置60は無効にされてもよく、保存素子18はDCバス12からの電力を保存素子18に引出す(draw)ために動作する。保存素子18が第2電力変換装置60が所望するレベルの効率で動作してもよいように十分なレベルのエネルギーを保存した時に、第2電力変換装置60は使用を有効にする。したがって、エネルギー源6の低発電周期中に、電力変換システムは継続的にエネルギー源6によって生成された電力をキャプチャーして電力をバーストで(in busts)前記負荷4に伝送する。
本発明は、本明細書に記載した構成要素の構造および構成の詳細への適用に限定されるものではないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態が可能であり、また、様々な方法で実施または実行することが可能である。上記の変形形態および修正形態は、本発明の範囲に含まれる。また、本明細書で開示および規定される本発明は、説明した個々の特徴またはテキストおよび/または図面から明白な個々の特徴のうちの2つ以上の全ての代替的な組合せに及ぶことが理解されよう。これらの異なる組合せの全ては、様々な本発明の代替的な態様を構成する。本明細書に記載した実施形態は、本発明を実施するために知られている最良の形態について説明しており、当業者が本発明を利用することを可能にする。

Claims (12)

  1. 入力部および出力部を有し、前記入力部から第1形態の電気エネルギーを受信して、前記出力部において所定の大きさでDC電圧を提供するように構成される第1電力変換装置と、
    入力部および出力部を有し、前記入力部から前記所定の大きさの前記DC電圧を受信して、前記出力部においてAC電圧を提供するように構成される第2電力変換装置と、
    前記第1電力変換装置の出力部および前記第2電力変換装置の入力部の間に接続され、前記所定の大きさで前記DC電圧を導通するように構成されるDCバスと、
    前記DCバスに動作的に接続されたエネルギー蓄積装置と、
    を含み、
    前記第2電力変換装置は、第1閾値および第2閾値を有し、前記第1閾値未満において、前記DC電圧から前記AC電圧への変換を中止し、前記第2閾値を超過すると、前記DC電圧から前記AC電圧への変換を開始し、
    前記第1電力変換装置は、前記入力部における前記電気エネルギーを前記第2電力変換装置の前記第1閾値未満の前記DC電圧に変換するように構成され、
    前記エネルギー蓄積装置は、前記第1電力変換装置が動作して前記第2電力変換装置が動作しないときに電気エネルギーを保存するように構成される、
    電力変換システム。
  2. 前記DCバスおよび前記エネルギー蓄積装置の間に動作的に接続されたDC/DCコンバータをさらに含む、
    請求項1に記載の電力変換システム。
  3. 前記エネルギー蓄積装置は、ウルトラキャパシタである、
    請求項2に記載の電力変換システム。
  4. 前記エネルギー蓄積装置は、バッテリーである、
    請求項2に記載の電力変換システム。
  5. 前記エネルギー蓄積装置上に存在する充電の状態に対応するフィードバック信号を生成するセンサをさらに含み、
    前記第2電力変換装置は、前記フィードバック信号を受信して前記第2電力変換装置の動作を制御するために前記フィードバック信号を前記第2閾値と比較する、
    請求項2に記載の電力変換システム。
  6. 前記第1電力変換装置は、
    複数の制御信号によって前記入力部を前記出力部に選択的に接続し、前記複数のスイッチのうちの1つに対応する複数のスイッチと、
    前記入力部における前記電気エネルギーを第1モードおよび第2モードにおいて前記DC電圧に変換するための前記制御信号を生成するコントローラと、
    を含み、
    各スイッチは、前記入力部を前記出力部に選択的に接続することに関るスイッチング損失を有し、
    前記コントローラは、第3閾値を超過すると、前記第1モードで動作して、前記第3閾値は前記第1モードにおいて前記スイッチによって生成されるスイッチング損失以上であり、
    前記コントローラは、前記第3閾値未満で前記第2モードにおいて動作する、
    請求項1に記載の電力変換システム。
  7. 第1電力変換装置および第2電力変換装置を用いて再生可能エネルギー源から前記負荷への電力伝送を制御する方法において、
    前記第1および第2電力変換装置がDCバスを介して接続され、前記再生可能エネルギー源が可変する発電能力を有し、
    前記再生可能エネルギー源によって生成されたエネルギーを前記DCバスに伝送するために前記第1電力変換装置上の制御モジュールを実行するステップと、
    前記DCバスからの前記エネルギーの少なくとも一部をエネルギー蓄積装置内に保存するステップと、
    前記エネルギー蓄積装置内に保存された前記エネルギーを測定するステップと、
    前記DCバスからのエネルギーを前記負荷およびエネルギーグリッドのうちのいずれかに伝送するために、前記第2電力変換装置上の制御モジュールを実行するステップと、
    前記DCバスからのエネルギー伝送率を測定するステップと、
    を含み、
    前記DCバスからのエネルギーを前記前記負荷および前記エネルギーグリッドのうちの1つに伝送するために前記第2電力変換装置上の制御モジュールを実行するステップは、前記DCバスからの前記エネルギー伝送率が第1閾値未満に低下するときに無効になり、
    前記DCバスからのエネルギーを前記前記負荷および前記エネルギーグリッドのうちの1つに伝送するために前記第2電力変換装置上の制御モジュールを実行するステップは、前記エネルギー蓄積装置内に保存された前記エネルギーが第2閾値を超過するときに有効になる
    第1電力変換装置および第2電力変換装置を用いて再生可能エネルギー源から前記負荷への電力伝送を制御する方法。
  8. 前記DCバスからの前記エネルギーの少なくとも一部を前記エネルギー蓄積装置内に保存するステップは、
    前記DCバス上に存在する電圧の振幅を測定するステップと、
    前記DCバス上に存在する前記電圧の振幅の関数として、前記DCバスおよび前記エネルギー蓄積装置間のエネルギー伝送のために前記DCバスおよび前記エネルギー蓄積装置間に接続された第3電力変換装置上の制御モジュールを実行するステップと、
    をさらに含む、
    請求項7に記載の方法。
  9. 前記エネルギー蓄積装置は、ウルトラキャパシタである、
    請求項8に記載の方法。
  10. 前記エネルギー蓄積装置は、バッテリーである、
    請求項8に記載の方法。
  11. 前記再生可能エネルギー源によって生成されたエネルギーを前記DCバスに伝送するために前記第1電力変換装置上の制御モジュールを実行するステップは、前記再生可能エネルギー源から前記DCバスでのエネルギー伝送率が第3閾値未満に低下するときに無効にされ、前記第3閾値は前記第1閾値未満である、
    請求項7に記載の方法。
  12. 入力部および出力部を有し、前記入力部から第1形態の電気エネルギーを受信して、前記出力部において所定の大きさでDC電圧を提供するように構成される第1電力変換装置と、
    入力部および出力部を有し、前記入力部から前記所定の大きさの前記DC電圧を受信して、前記出力部においてAC電圧を提供するように構成される第2電力変換装置と、
    前記第1電力変換装置の出力部および前記第2電力変換装置の入力部間に接続され、前記所定の大きさで前記DC電圧を導通するように構成されるDCバスと、
    入力部および出力部を有し、前記DCバスに接続され、前記入力部における前記DC電圧を前記出力部において第2DC電圧に変換するように構成され、前記入力部と前記出力部との間に双方向電力伝送のためにさらに構成される第3電力変換装置と、
    前記第3電力変換装置の出力部に動作的に接続されたエネルギー蓄積装置と、
    前記エネルギー蓄積装置内に存在するエネルギーの大きさに対応する信号を生成するセンサと、
    を含み、
    前記第2電力変換装置内の電力伝送率が第1閾値未満に低下するときに、前記第2電力変換装置は、前記DC電圧から前記AC電圧への変換を中止し、前記エネルギー蓄積装置内に存在する前記エネルギーの大きさに対応する前記信号が第2閾値以上のときに、前記第2電力変換装置は、前記DC電圧から前記AC電圧への変換を開始し、
    前記第1電力変換装置内の電力伝送率が第3閾値未満に低下するときに、前記第1電力変換装置は、前記入力部からの前記電気エネルギーを前記DC電圧に変換するのを中止し、前記第3閾値は前記第1閾値未満であり、
    前記エネルギー蓄積装置は、前記第1電力変換装置が動作して前記第2電力変換装置が動作しないときに電気エネルギーを保存するように構成される、
    電力変換システム。
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