JP2015510748A - 別途のｄｃソースを有する積層電圧源インバータ - Google Patents

Abstract

本発明は、別途のＤＣソースを有する積層電圧源インバータに関する。このインバータは、更新型モータドライブと電気自動車駆動システムでピークシェービングのようなバッテリー貯蔵や太陽光発電施設インタフェースシステムのような定電圧や中間電圧や低電力ないし中間電力に使用することができる。積層インバータは少なくとも１つの位相からなり、位相ごとに多数の低電圧フルブリッジインバータを有し、このようなインバータには独立ＤＣソースが備えられる。このようなインバータは、急速スイッチングと小さなローパスＡＣ出力フィルタを利用して正弦波に近い電圧波形を実現する。システムコントローラが各インバータの作動変数を制御する。このインバータは、ワイやデルタ結線を利用して単相や多相を有することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、別途のＤＣソースを有する積層電圧源インバータに関し、より詳しくは、オン／オフグリッド動作によって作動することができる太陽光発電システムに使用される装置と方法を含む、別途のＤＣソースを有する積層電圧源インバータに関する。本発明の分野は、太陽光発電、電気自動車、エネルギー貯蔵、ＵＰＳ、データセンタ電力管理、およびモータドライブであるが、これに限定されるものではない。

化石燃料である石油と石炭燃焼に対する否定的な環境的、地政学的、国家安保的、ヘルスケア費用の衝撃に対する最近の認識により、太陽光発電のようなクリーン技術の開発が加速化している。現在の太陽光装備の広範囲な使用と設置は、多くの要因によって妨害されている。太陽エネルギーをオン／オフグリッド施設に送信するための現在の電子的方式は、短い寿命、大きなサイズ／重量、および維持費用において問題を抱えている。

今日、太陽光発電システムは、太陽電池のＤＣをオン／オフグリッド施設に使用するＡＣに変換するのにインバータを使用する。ソーラインバータには３種類の等級、すなわち、中央集中型、ストリング型、およびモジュール型（「マイクロ−インバータ」）があり、最も一般的なものは中央集中型とストリング型である。このような標準システム装置は多数の下位装置を有し、下位装置ごとに個別の集熱板を使用する。各種下位装置の出力はジャンクションボックス（ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｂｏｘ）で合わさってＤＣ信号を形成し、この信号がインバータに供給される。インバータはＤＣをＡＣに変換して電力網に供給する。このようなシステムにおいて、電力網に有効に結合する電力量は、システムの費用回収に重要となる。このために、インバータは可能な限り効率的でなければならない。

効率や効率の不足は太陽光発電システムにおいて経済的な主要因となり、これは、効率が高いほど所有主の所得が多くなるためである。例えば、既存の中央集中式やストリング式システムでは多くの集熱板を直列に配列し、このような集熱板の電力を中央でＤＣからＡＣに変換する。しかし、直列連結した集熱板のうちの１つの出力が減少すると、集熱板全体の効率は大きく低下する。出力減少の原因は、モジュールの故障から集熱板の全体や一部の陰を誘発する鳥の分泌物までと多様である。

全体効率を高めるために、「マイクロ−インバータ」を使用して各集熱板を各インバータに結合し、直列や並列に連結している隣接モジュールとは関係なくエネルギーを生産する。各モジュールのマイクロ−インバータのＡＣ出力を合わせて電力網に並列に結合する。マイクロ−インバータを使用すると、中央集中式やストリング式インバータに比べて効率は高くなるが、現代のマイクロ−インバータの最高効率は９５％以下であるのに比べ、ストリング式や中央集中式インバータの最高効率は９８％程度である。

米国特許７，７９６，４１２では電力変換装置を紹介しており、この装置は少なくとも２つの電力ステージとコントローラと出力回路を有し、それぞれの電力ステージはＤＣ入力電力をＤＣ出力電力に変換することができ、コントローラは１番目のＤＣ電力に基づいて１番目のＤＣ電力を２番目のＤＣ電力に変換するための１つ以上の電力ステージを動的に選択し、出力回路は電力ステージに結合して２番目のＤＣ電力をＡＣ電力に変換する。

米国特許８，０８９，１７８は、ＰＡＭＣＣ（ＤＣ ｔｏ ｐｕｌｓｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｍｏｄｕｌａｔｅｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）という変換器を紹介しており、この変換器はそれぞれＤＣソースと連結する。ＰＡＭＣＣは直流を受けて３つの出力端子でＰＡＭ電流を提供し、各端子の電流は他の２つの端子と１２０度の位相差をなす。パルスは、パルス列から変調した信号に比べて高周波で生産される。パルス列に変調した信号は、低周波正弦波やＤＣを含む他の低周波波形の一部分を示す。各位相の信号が類似するＰＡＭＣＣの出力と並列に連結するときにＰＡＭＣＣのアレイが形成され、このとき、それぞれの電圧位相出力パルスはＰＡＭＣＣの対応電流出力パルスに対して位相差を有する。ＰＡＭＣＣのアレイは分散した三相インバータを形成し、インバータの合計出力は各位相でそれぞれのＰＡＭＣＣによって変調した電流パルス振幅の復調の合計となる。

２方式いずれも、並列電力網設備に高電圧スイッチング要素を使用しなければならない。このような方式の大きな短所は、高電圧デザインのために高価の半導体素子が必要となり、高いスイッチング損失によって作動周波数は相対的に低いという点である。さらに、低いスイッチング周波数のために高価の大型ローパスフィルタリング要素が必要となる。したがって、高いスイッチング周波数で作動するインバータと、ＡＣ電力システムに適用するときの高効率が必要となる。

本発明は、新しく改善された積層電圧源、具体的には、高電圧高電力ＡＣシステムに連結する積層電圧源インバータを提供することを目的とする。

本発明は、電力網に対する太陽光発電インタフェースのためのワイやデルタ型の積層電圧源インバータを提供することを他の目的とする。

本発明は、電力変換のための方法と装置に関する。ＡＣ電力システムに電力を供給するＤＣ電圧源インバータは、１次ノード、２次ノード、正極ノード、負極ノード、前記正極ノードと負極ノードの間に並列に連結する電圧支援機、および前記正極ノードと負極ノードの間に連結するＤＣソースを有する多数のフルブリッジインバータ、フルブリッジインバータを有する少なくとも１つの積層インバータ位相であって、それぞれの積層インバータ位相のフルブリッジインバータそれぞれが他のフルブリッジインバータの１次ノードに連結するフルブリッジインバータのうちの１つの２次ノードと直列に連結し、前記直列連結が第１フルブリッジインバータと最終フルブリッジインバータを形成し、それぞれの位相が前記第１フルブリッジインバータの１次ノードに入力ノードを、そして最終フルブリッジインバータの２次ノードに出力ノードを有する少なくとも１つの積層インバータ位相、それぞれのフルブリッジインバータに結合し、正弦波形の電圧波形を出力するようにそれぞれのフルブリッジインバータに制御信号を提供するローカルコントローラ、およびそれぞれがローカルコントローラと通信し、ローカルコントローラの構成、活性化、非活性化、および作動モード選択のためのシステム制御信号を生成するシステムコントローラを備える。

この方法は、デ−スのＤＣソースの平均ＤＣ電圧を基準ＤＣ電圧と比較し、比較から第１誤差信号を生成するステップ、感知された平均ＡＣ電流レベルと平均ＤＣ電流を比較して第２誤差信号を生成するステップ、第１および第２誤差信号に基づいて多数のフルブリッジインバータを正弦波電圧波形に合うように活性化および非活性化するステップを含む。

この方法は、下記のステップをさらに含むことができる。この方法は、多数のＤＣソースのＤＣ電圧レベルを感知して電力を計算するステップを含むことができる。この方法は、前記ＤＣ電圧レベルの平均を出し、この平均値を基準ＤＣ電圧と比較するステップを含むことができる。この方法は、前記平均値を前記感知された平均ＡＣ電流レベルと比較するステップを含むことができる。この方法は、前記第２誤差信号からの位相変調信号とＡＣライン電圧感知周期を生成するステップを含むことができる。ＡＣライン電圧周期はＰＬＬ（ｐｈａｓｅ ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ）によって感知することができる。この方法は、前記位相変調信号を通じて前記フルブリッジインバータ用の多数の点火基準信号を生成するステップを含むことができる。この方法は、変調指数を決め、このような変調指数の基準テーブルを提供するステップを含むことができる。一方、信号を点火するスイッチング素子は、ＤＳＰ（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）を通じて位相変調信号に基づいて計算することができる。

この方法は、ＢＩＵとシステムコントローラの間に通信をするステップを含むことができる。システムコントローラはＢＩＵ作動範囲を制御し、それぞれのＢＩＵの活性化や非活性化に関する条件を決めたりもする。この方法は、１つの導体を通じて多数のフルブリッジインバータを直列に連結するステップを含む。

システムコントローラは、電流源で動作する１つのＢＩＵと電圧源で動作する多数のＢＩＵを制御する。

システムコントローラは、電圧源で動作する多数のＢＩＵを制御したりもする。

一方、本発明のシステムは、下記のとおりであることもできる。３つの積層インバータ位相をワイ（Ｙ）やデルタ（Δ）結線で連結する。それぞれのＢＩＵは、個別ステージが故障した場合、出力を選択的に短絡するスイッチを有し、残りの直列連結するＢＩＵは動作し続けるようにする。フルブリッジインバータが第１スイッチ対と第２スイッチ対を有し、スイッチ対それぞれが電流量を制御する多数のスイッチング手段を有し、スイッチング手段それぞれが第１端部と第２端部を有し、前記第１スイッチ対の多数のスイッチング手段はフルブリッジインバータの正極ノードで前記第１端部に電気的に連結し、前記第１スイッチ対のスイッチング手段のうちの１つの第２端部は前記１次ノードに電気的に連結し、第１スイッチ対の他のスイッチング手段の第２端部は前記２次ノードに電気的に連結し、前記第２スイッチ対の多数のスイッチング手段はフルブリッジインバータの負極ノードで前記第２端部に電気的に連結し、第２スイッチ対のスイッチング手段のうちの１つの前記第１端部は１次ノードに電気的に連結し、第２スイッチ対の他のスイッチング手段の第１端部が前記２次ノードに電気的に連結する。１次ノードはインダクタと連結することができる。２次ノードもインダクタと連結することができる。ＡＣ電力網位相にＢＩＵを同期化するのに使用されるローカルＡＣ電圧基準を生成するために、１次ノードと２次ノードの間にキャパシタが連結することができる。それぞれのＢＩＵは、キャパシタがあるときのライン周波数を感知する。キャパシタは、各個素子が故障した場合に電流逆流から短時間保護したりもする。スイッチング素子は、ゲートターンオフ素子と逆並列素子であることができ、これらの素子は互いに対して並列連結して反対にバイアスする。ゲートターンオフ素子は、ゲートターンオフサイリスタ（ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）、ＩＧＢＴ（ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ、ＭＥＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、ＭＯＳＦＥＴ制御サイリスタ、ＢＪＴ（ｂｉｐｏｌａｒ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、静電誘導トランジスタ、静電誘導サイリスタ、ＭＯＳＦＥＴターンオフサイリスタ、ＧａＮ（ｇａｌｌｉｕｍ ｎｉｔｒｉｄｅ）トランジスタ、およびＳｉＣトランジスタからなる群より選択された素子を含む。逆並列素子はダイオードであることができる。フルブリッジインバータは、キャパシタ、バッテリー、燃料電池、太陽光電池、またはバイオマス電池に連結することができる。ＢＩＵ内のフルブリッジインバータとＤＣ電源の間にバック（ｂｕｃｋ）またはブースト（ｂｏｏｓｔ）電圧調節回路が配置されることができる。太陽光電池を含むＤＣ電圧源と共に使用されるとき、それぞれのＢＩＵ内のＤＣ電圧に付与されたＡＣ電流変調を能動フィルタが分離することができる。多様な数のＢＩＵを特定の網電圧と一致する位相で使用することができる。ＢＩＵごとにＤＣ電力レベルがそれぞれ異なることができる。ＢＩＵごとに位相がそれぞれ異なることもできる。

一方、多数のＤＣ電圧信号を正弦波形電圧波形に変える方法は、積層位相がＡＣ電力網に連結する場所でのＡＣ電圧レベルを感知するステップ、システムコントローラで積層ＢＩＵのＡＣ始動電圧を計算するステップ、電力を計算し、最大電力点追跡アルゴリズムを実行し、基準ＤＣ電圧を生成するステップ、前記入力ＤＣ電圧レベルの平均を求めるステップ、平均ＤＣ電圧レベルを基準ＤＣ電圧と比較するステップ、前記比較から第１誤差信号を生成するステップ、感知されたＡＣ電流レベルとＤＣ電圧源の平均ＤＣ電流を比較するステップ、前記感知されたＡＣ電流レベルと平均値の比較から第２誤差信号を生成するステップ、第２誤差信号から位相変調信号を生成するステップ、周期を有するＡＣライン電圧を感知するステップ、前記ＡＣライン電圧の周期に直接関連する位相基準信号を生成するステップ、前記位相基準信号を通じてフルブリッジインバータのための多数の火点信号を生成するステップ、変調指数を決めるステップ、および変調指数の基準テーブルを提供するステップを含む。

一方、リレー、固体素子スイッチなどの出力短絡手段が追加されることもできる。直列連結したＢＩＵのうちの１つが故障したり、動作するのに十分なＤＣ入力電力をもたずにシステムが動作できない可能性を防ぐ短絡手段がＢＩＵごとに備えられることができる。短絡手段の制御は、ａ）ローカルコントローラやｂ）システムコントローラによる。システムコントローラは電流制限機であって、少なくとも１つの並列スイッチを閉めることができ、電流制限機は、積層ＢＩＵによる電力生産の開始前に、それぞれのＢＩＵの同期化のために前記ライン電圧を位相基準信号として使用する。

一方、多数のＤＣソースを正弦波形電圧波形に変える方法は、多数のＤＣソースの平均ＤＣ電圧を感知するステップ、および感知されたＤＣ電圧に基づいて多数のフルブリッジインバータを活性化および非活性化するステップを含む。

この方法は、ＢＩＵとシステムコントローラの間に通信を提供するステップを含む。この方法は、ＡＣ電圧レベルを感知するステップと、電圧がシステムコントローラが計算した範囲を逸脱した場合に第１電圧基準を生成するステップを含む。この方法は、ＡＣ電圧レベルを感知するステップと、電圧がシステムコントローラが計算した範囲を逸脱した場合に第１電流基準を生成するステップを含む。この方法は、ＡＣ電圧レベルの平均を求めるステップと、この平均値を基準ＤＣ電圧と比較するステップを含む。この方法は前記ＡＣ電流レベルの平均を求めるステップと、この平均値を基準ＤＣ電流と比較するステップを含む。

この方法は、ユーザ命令語信号から位相変調信号を生成するステップを含む。この方法は、周期を有するＡＣライン電圧を感知するステップと、ＡＣライン電圧の周期と直接関連する位相基準信号を生成するステップを含む。この方法は、前記位相基準信号と位相変調信号を通じて多数のフルブリッジインバータ用の多数の火点信号を生成するステップを含む。この方法は、変調指数を決めるステップと、この変調指数の基準テーブルを提供するステップを含む。

この方法は、位相基準信号をアップダウンデジタルカウンタと比較して火点信号を決めるステップを含む。

本発明の長所は次のとおりである。システムのインバータごとにケーブルが２つだけ必要である。このシステムは高効率かつ拡張的である。このシステムは単相や三相動作が可能である。このシステムは、信頼性が高く、フォームファクタ（ｆｏｒｍ ｆａｃｔｏｒ）が小さく、極めて軽量である。このシステムは単一ＢＩＵ素子構成により、多数の網電圧と周波数を融通性をもって支援する。

以下、添付の図面を参照しながら本発明について詳しく説明するが、添付の図面は本発明の例示に過ぎず、本発明の範囲を制限するものではなく、本発明は他の同等な有効な実施例まで拡張されるものでなければならない。
電力制御システムの一例である。 電力網設備のためのシステムコントローラを備えた積層位相インバータの一例である。 電力網に適用する太陽光発電用ローカル制御システムの一例である。 太陽光発電に適用するＭＰＰＴ（ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｐｏｉｎｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ）過程の一例である。 モジュール電圧−電流制限過程と変調指数計算と作動制限の確認の一例である。 逆パーク変換をするＰＬＬの一例である。 図２Ａのシステムを制御するシステム制御過程の一例である。 ＬＣ出力フィルタと入力ＤＣブーストコンバータを有するフルブリッジインバータとローカルコントローラを含むＢＩＵの一例である。 ＬＣ出力フィルタと入力ＤＣブーストコンバータと能動フィルタを有するフルブリッジインバータとローカルコントローラを含むＢＩＵの一例である。 ＬＣ出力フィルタとプッシュプルＤＣコンバータを有するフルブリッジインバータとローカルコントローラを含むＢＩＵの一例である。 オフ−グリッド電力システム制御の一例である。 図７のオフ−グリッドのためのマスタＢＩＵ制御過程の一例である。 図７のオフ−グリッドのためのスレーブＢＩＵ制御過程の一例である。 図７のオフ−グリッドのためのシステム制御過程の一例である。 本発明の発電システムの集積回路の一例である。

図１は、電力制御システムの一例を示したブロック図である。このシステムは１つ以上のＰＶ集熱板５０２を備える。集熱板５０２で生じた電力は、太陽光インバータフィルタ組合５０６と電力網５１０に送られる。（後述で詳しく説明される）ローカルコントローラ５０４は、集熱板と網電圧を監視してインバータフィルタ組合５０６に制御信号を送る。

一例として、ローカルコントローラ５０４は、フルブリッジインバータを制御し、通信インタフェースを通じてシステムコントローラと通信する。フルブリッジインバータは、ＰＶ集熱板で生じたエネルギーを取る。ＰＶ集熱板の出力はキャパシタによって平滑化される。フルブリッジ出力は、出力部に先立ってローパスフィルタに送られる。

図２Ａは、電力網のシステムコントローラを適用したときの積層位相を示している。図２Ａにおいて、多数の集熱板５２２がＢＩＵ５２０（ｂａｓｉｃ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎｕｎｉｔ）に電力を供給する。ＢＩＵ５２０は直列に連結し、それぞれのＢＩＵ５２０の出力はシステムコントローラ５２４によって制御される。直列連結するＢＩＵ５２０の出力端は、スイッチＫ１５２８がついた抵抗器５２６と直列に連結する。ＢＩＵ５２０は、スイッチＫ２５３０とも直列に連結する。スイッチ５２８、５３０は固体素子スイッチやリレーであって、システムコントローラの制御を受ける。スイッチ５２８、５３０の出力は電力網５３４に提供される。このシステムは各種の直列連結ＢＩＵを取り扱い、システムあたりＢＩＵの最小／最大数はすべての直列連結するフルブリッジインバータにかかる総網電圧とそれぞれのＢＩＵの最大／最小正格ＡＣ出力電圧によって決まる。それぞれのＢＩＵは、有効ＢＩＵ積層を実現するための電圧源によって動作する。

一方、システムコントローラが１つのＢＩＵのみを電流源として構成化され、残りのＢＩＵは電圧源として使用することもできる。

一実施例において、３つの直列連結したＢＩＵグループが三相インバータシステムで構成されることができる。

電力網に太陽光発電モジュールを適用した一例として、システムコントローラは、電力網に電力を供給するスイッチＫ１とＫ２を制御する外部制御ルーフを備える。システムコントローラは、通信チャンネルを通じてＢＩＵと通信する。通信チャンネルは、電力線通信チャンネルのように有線連結したり、ジグビートランシーバのように無線連結したりする。システムコントローラは、非正常網状態を検査するアルゴリズムや、スイッチＫ１、Ｋ２を制御して電力網に対する積層ＢＩＵシステムの連結を切る方法を実現したりもする。

図２Ｂは図１のＢＩＵの一例の回路図であって、集熱板５３０がフルブリッジインバータ５３２にＤＣ出力を供給する。フルブリッジインバータ５３２の出力は、ＬＣ（ｉｎｄｕｃｔｏｒ−ｃａｐａｃｉｔｏｒ）型フィルタであるローパスフィルタ５３４に送られる。このフィルタ５３４の出力は、ＡＣ電力網や電力バスに供給され、ローカルコントローラ５５０の監視を受ける。システムコントローラ５４０は、積層されたＢＩＵの位相電流と出力電圧を監視する（図２Ａを参照）。システムコントローラは、インバータ５３２で生じた電圧と電流を調節するようにリミッタ５５８の変数を設定しろという命令語を通信モジュール５６８に送る。

図２Ｂのシステムは、ＭＰＰＴ（ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｐｏｉｎｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ）モジュール５５１の監視を受け、このモジュールについては図３で説明する。ＭＰＰＴモジュール５５２は集熱板５３０の電力を監視し、その出力はＤＣ電圧コントローラ５５６を駆動する合算器５５４に送られ、コントローラ５５６は比例積分コントローラであることができる。ＤＣ電圧コントローラの出力は基準電流値である。電圧コントローラ５５６の出力端はリミッタ５５８と連結し、出力（ｍ）である変調指数を生成する。マルチプライヤ５６０がリミッタ５５８とＰＬＬ５７０（ｐｈａｓｅ ｌｏｃｋ ｌｏｏｐ）の出力を受けて出力ｍ ｓｉｎ θを生成する。リミッタ５５８とＰＬＬ５７０は、ローパスフィルタ５３４を通じて供給される電力網出力を監視する。マルチプライヤ５６０の出力は、フルブリッジインバータ５３２を駆動するＰＷＭドライバのようなドライバ５７２に供給される。

図３は、ＭＰＰＴ過程の一例を示している。先ず、システムが時間Ｖ（ｋ）とｌ（ｋ）でそれぞれ電圧と電流を感知する。次に、現周期と以前周期の間の電圧差と電流差を決める（ステップ５８２）。ステップ５８４で電圧差があると、ステップ５８６に進んでｌ（ｋ）＋Δｌ／ΔＶ（Ｖ（ｋ））＝０であるか決め、０であるとステップ５９８に進む。０でないとステップ５８８に進み、ｌ（ｋ）＋Δｌ／ΔＶ（Ｖ（ｋ））＞０であるか決め、そうであるとＶｒを加え（ステップ５９１）、そうでないとＶｒを引く（ステップ５９０）。

ステップ５８４において、電圧差が０であると、５９２ステップに進んでΔｌ＝０であるか決め、そうであるとステップ５９８に進み、そうでないとステップ５９２からΔｌ＞０であるか決め（ステップ５９４）、そうであるとＶｒを加え（ステップ５９６）、そうでないとＶｒを引く（ステップ５９４）。

図４は、電力網電圧差の電流制限過程の一例を示している。最大−最小電圧値をシステムコントローラから受ける（ステップ６１０）。次に、システムは、インバータの出力電圧Ｖｏｍと電流ｌｏｍをサンプリングする（ステップ６１２）。次に、ステップ６１４でＶｏｍがＶｏｍｍｉｎよりも小さいかを決める。出力電圧基準Ｖｏｒｅｆ＝Ｖｏｍｍｉｎであると、電圧コントローラルーフが回ってε＝Ｖｏｒｅｆ−Ｖｏｍと決め（ステップ６１６）、続いてｍ＝ｋ１＊ε＋ｋ２＊ε／ｓとなるようにする（ステップ６１８）。

６１４ステップでＶｏｍがＶｏｍｍｉｎよりも大きいか同じであれば、Ｖｏｍ＞Ｖｏｍｍａｘであるか決める（ステップ６２０）。そうであると、ＶｏｒｅｆをＶｏｍｍａｘとしてε＝Ｖｏｒｅｆ−Ｖｏｍとし（ステップ６２２）、電圧制御制限ルーフが回る。次に、ｍ＝ｋ１＊ε＋ｋ２＊ε／ｓと決める（ステップ６２４）。そうでないと、常時電流ループが回ってｌｏｒｅｆ＝ｌｒｅｆ、ε＝ｌｒｅｆ−ｌｏｍとする（ステップ６２６）。次に、ｍ＝ｋ３＊ε＋ｋ４＊ε／ｓとする（ステップ６２８）。

ステップ６１８、６２４、または６２８により、変調指数ｍが許容範囲にあるか点検する。ｍの制限値をｍｍｉｎ＝Ｖｏｍｍｉｎ／Ｖｐとｍｍａｘ＝Ｖｏｍａｘ／Ｖｐと決める（ステップ６３０）。次に、ｍ＞ｍｍａｘであるか試験する（ステップ６３２）。そうであるとｍ＝ｍｍａｘとし（ステップ６３４）、そうでないとｍ＜ｍｍａｘであるか試験し（ステップ６３６）、そうであるとｍ＝ｍｍｉｎとする（ステップ６３６）。

図５は、位相同期ルーフ（ＰＬＬ）の一例である。単相電圧（Ｖβ）と内部生成信号（Ｖα）をパーク変換ブロック（αβ−ｄｑ）の入力として使用する。パーク変換のｄ−軸出力を制御ルーフに使用して入力信号の位相と周波数情報を求める。Ｖαは逆パーク変換によって求められ、ここで入力値は、１次極ブロックを通じて供給されたパーク変換（ｄｑ−αβ）のｄ軸とｑ軸の出力である。このような極を使用して内部フィードバックルーフにエネルギー貯蔵素子を誘導する。

図６Ａは、図２Ａのシステムを制御する過程の一例である。先ず、ｎ個の直列連結したＢＩＵそれぞれとの通信を開始する（ステップ６６０）。次に、網電圧Ｖｇｍを測定し、ＢＩＵ始動電圧Ｖｏｍｓ＝Ｖｇｍ／ｎと、（網電圧とＢＩＵの数に基づいて）ＢＩＵの作動範囲とＶｏｍｍａｘとＶｏｍｍｉｎを決める（ステップ６６２）。次に、リレーやスイッチ（Ｋ２）を閉め、決まったＶｏｍｓ、Ｖｏｍｍａｘ、Ｖｏｍｍｉｎを各ＢＩＵに送る（ステップ６６４）。

次に、積層されたインバータ相電圧Ｖｇｓが網電圧Ｖｇｍよりも大きいか同じであるか決め（ステップ６６６）、あるいは所望する電圧に到達するまで待機する。達成するとリレーやスイッチ（Ｋ１）を閉める（ステップ６６８）。このような動作が、Ｐ集熱板の電力がＡＣ網に伝達されている正常作動モードである。次に、網に伝達した電力Ｐｓが最小作動電力Ｐｍｉｎよりも大きいか同じであるかを監視し（ステップ６７０）、ステップ６７０に戻って電力供給を続ける。あるいは、リレーＫ１とＫ２を開放してシステムショットダウンを実行する（ステップ６７２）。

図６Ｂ〜Ｄは、図２Ａに使用されるＢＩＵの一例を示している。図６ＢのＢＩＵはローカルコントローラとフルブリッジインバータを有し、このインバータにＬＣ出力フィルタとＤＣブースト回路があり、図６ＣのＢＩＵはローカルコントローラとフルブリッジインバータを有し、このインバータはＬＣ出力フィルタとＤＣブースト回路と能動デカップリングフィルタを有し、図６ＤのＢＩＵはローカルコントローラとフルブリッジインバータを有し、このインバータはＬＣ出力フィルタとプッシュプルＤＣコンバータ（独立型）を有する。一般的にブーストコンバータ（ステップアップコンバータ）は、出力ＤＣ電圧が入力ＤＣ電圧よりも大きいパワーコンバータであって、２つ以上の半導体スイッチ（ダイオードとトランジスタ）と１つ以上のエネルギー貯蔵素子を有するＳＭＰＳ（ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ−ｍｏｄｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ）等級である。出力電圧リプルを減らすために、ブーストコンバータの出力端にキャパシタ（時にはインダクタも含み）からなるフィルタを追加することが普通である。

ブーストコンバータの基本原理は次の２種の状態からなり、オン−状態ではスイッチが閉まってインダクタ電流が増加し、オフ−状態ではスイッチが開かれてインダクタ電流が流れる経路が出力ダイオードとキャパシタと負荷によってなされる。その結果、オン−状態の間に蓄積されたエネルギーが出力キャパシタに移動する。入力電流はインダクタ電流と同じで、バックコンバータ（ｂｕｃｋ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）のように不連続的ではなく、入力フィルタの条件がバックコンバータに比べて緩和される。

図７は、オフ−グリッド（ｏｆｆ−ｇｒｉｄ）電力制御の一例であって、システムコントローラがそれぞれのＢＩＵの出力周波数と作動電圧を定義する（ステップ６９０）。次に、システムコントローラが１つのＢＩＵにマスタ機能（ｍａｓｔｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を割り当て（ステップ６９２）、残りの他のすべての積層ＢＩＵにはスレーブ機能（ｓｌａｖｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を割り当てる（ステップ６９４）。マスタが先に始まり、基準周波数の役割をするＡＣ電力をスレーブＢＩＵに提供する（ステップ６９６）。それぞれのスレーブはＰＬＬを通じて基準周波数に同期化され、自体ＡＣ電力を発電し始める（ステップ６９８）。システムコントローラは電力生産を監視し、必要によってはＢＩＵ動作を調節する（ステップ６９９）。

図８は、図７のオフ−グリッド適用のためのマスタＢＩＵ制御過程の一例を示している。システムが入力基準電圧ＶｍｒｅｆをＶｇ／ｎで設定し、ここでｎは直列連結したＢＩＵの数である（ステップ７１０）。次に、電流ループが作動し（ステップ７１６）、システムコントローラから受けたルーフ出力と周波数情報に基づいて変調信号を生成する。次に、Ｖｍ＝Ｖｍｒｅｆであるかを決め（ステップ７１８）、あるいはＭＰＰＴがなされたかを点検する（ステップ７２０）。ＭＰＰＴがなされないと電流ループを再作動する（ステップ７２４）。一方、ＭＰＰＴがなされると、システムは最大電力を得たとシステムコントローラに通報する（ステップ７２２）。ステップ７１８でＶｍ＝Ｖｍｒｅｆであると、システムコントローラにセットポイント情報を送る（ステップ７２６）。

図９は、図７のオフ−グリッド適用のためのスレーブＢＩＵ制御過程の一例を示している。システムは入力基準電圧ＶｍｒｅｆをＶｇ／ｎで設定し、ｎは直列連結ＢＩＵの数である（ステップ７４０）。次に、ＰＬＬを回し、ＡＣ周波数に同期化させて電流ループを作動し（ステップ７４２）、ＰＬＬ出力とルーフ出力に基づいて変調信号を生成する。次に、Ｖｍ＝Ｖｍｒｅｆであるか決め（ステップ７４４）、あるいはＭＰＰＴを求めたかを点検する（ステップ７４６）。ＭＰＰＴを求めることができないと電流ループを再作動する（ステップ７５０）。一方、ＭＰＰＴを求めると、システムは最大電力を求めたということをシステムコントローラに通報する（ステップ７４８）。ステップ７４４でＶｍ＝Ｖｍｒｅｆであると、システムコントローラにセットポイント情報を送る（ステップ７５２）。

図１０は、図７のオフ−グリッド適用のためのシステム制御過程の一例を示している。システムは入力基準電圧ＶｍｒｅｆをＶｇ／ｎで設定し、ｎは直列連結ＢＩＵの数である（ステップ７６０）。次に、基準電圧情報と出力周波数をＢＩＵに送る（ステップ７６２）。次に、Ｖｇ＝Ｖｇｒｅｆであるか決め（ステップ７６４）、あるいはＭＰＰＴを求めたかそれぞれのＢＩＵを点検する（ステップ７６６）。いずれのＢＩＵもＭＰＰＴ未満でないと、低電圧限界に対する出力電圧を点検する（ステップ７６８）。一方、出力がＭＰＰＴ未満であるＢＩＵに対しては標的電圧Ｖｍ’を加える（ステップ７７０）。ステップ７６４でＶｇ＝Ｖｇｒｅｆであると、セットポイント電圧がなされたとシステムに通報する（ステップ７７２）。

一実施例において、システムは、２つの標準ケーブルとコネクタがついたジャンクションボックス（ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｂｏｘ）を有する。導体ケーブル／コネクタを２つだけ使用し、システムを設置するときの材料費と工数を減らす。それぞれのＢＩＵが直列連結するＡＣバスに出力ＡＣ電力を提供する。ＡＣバスはシステムコントローラボックスと連結する。システムコントローラはすべてのＢＩＵの出力端を互いに連結し、１つの集熱板に対する単一ＡＣ供給部を形成する。ＰＶ太陽エネルギーレシーバである集熱板は、基板上面の積層部に配置された多数の太陽電池を使用することができる。太陽電池としては、例えば、従来の単結晶や多結晶シリコン太陽電池、薄膜｛例：非晶質シリコン、ＣｄＴｅ（ｃａｄｍｉｕｍ ｔｅｌｌｕｒｉｄｅ）、ＣＩＧＳ（ｃｏｐｐｅｒ ｉｎｄｉｕｍ ｇａｌｌｉｕｍ ｓｅｌｅｎｉｄｅ）｝太陽電池、およびＩＩＩ−Ｖ太陽電池が適切である。

図１１は、発電システムの集積回路の一例を示している。ＰＶ太陽熱集熱板１００において、基板上面の積層部に多数の太陽電池が配置されている。太陽電池としては、例えば、従来の単結晶や多結晶シリコン太陽電池、薄膜｛例：非晶質シリコン、ＣｄＴｅ、ＣＩＧＳ｝太陽電池、およびＩＩＩ−Ｖ太陽電池が適切である。太陽電池は１列に配列されているが、より多いか少なく配列されることもでき、基板に沿って太陽電池が１列や２列やそれ以上の列で平行に配列されることもできる。また、２つ以上のＰＶ集熱板１００が端を合わせるように電気や流体が通じるように連結され、より多くの太陽熱を受けるようにすることもできる。

集熱板１００から生じたＤＣ電力をＡＣ電力に変換するマイクロ−インバータに集熱板１００が１つずつ連結する。本発明のマイクロ−インバータは、ＡＣ網電流のような位相の電流を計量し、このような電流を歪曲が低く生産する。このような作業は、多数の集積回路を利用してなされる。一例として、集熱板１００の出力はＤＰＢ１０２（ＤＣ ｐｏｗｅｒ ｂｒｉｄｇｅ）の規制を受け、ＤＰＢの出力はＡＰＢ１０４（ＡＣ ｐｏｗｅｒ ｂｒｉｄｇｅ）に提供される。ＡＰＢ１０４の出力は電力網１１０に供給される。ＤＰＢ１０２とＡＰＢ１０４はＣＳＩＣ１０６（ｃｈｉｐ ｓｃａｌｅ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）の制御を受け、ＣＳＩＣはＣＴＲＸ１０８（ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ）を通じてシステムコントローラと通信する。ＣＴＲＸ１０８は、電力通信線やジグビー（Ｚｉｇｂｅｅ）のような無線通信線または他の形態の通信線であることができる。

多数の直列連結したＢＩＵの電力を、システムコントローラを利用して電力網とユーザの設備に連結するのに、電気パネルを使用することができる。例えば、家庭内の多様な回路に電気を分配するための多様な回路遮断器、および／またはヒューズを備えた既存のＡＣ配電ハブが電気パネルの１つである。電気パネルは計量器を利用して電力網と連結する。計量によって電力網に供給された電力量を決めるため、ＰＶ集熱板の所有主は電気供給を補償することができる。

ＢＩＵは、コントローラの制御−スイッチング信号に合わせてＤＣをＡＣに変換する。コントローラは、ＤＣ信号とＡＣ信号のサンプルに応答して制御−スイッチング信号を生成する。その結果、ＢＩＵは、ＤＣとＡＣ信号の現在状態に一致する特定の作動モードに一致するように最適に制御されるため、ＡＣ出力を電力網の位相に一致するようにし、ＡＣ電力を電力網に効果的に結合する。

このようなＡＣバスとそれぞれのＢＩＵを利用し、システムをユーザの要求に合うように調節することができる。ＢＩＵの構造と機能については後述する。

ＤＣエネルギー源がＡＣブリッジに入力電力を供給する。デカップリングキャパシタは、ＡＣブリッジのスイッチングリプルはもちろん、ＡＣ電力網の低周波リプルもろ過する。ＡＣブリッジは、出力端子がＡＣフィルタと連結するＰＷＭ制御ハーフブリッジやフルブリッジインバータであることができる。ＡＣフィルタは、高周波ＰＷＭ高周波雑音をろ過するローパスフィルタであることができる。出力回路は、ＡＣ網周波数と断絶リレーに対する同期化のための感知回路を実現する。

場合によっては、最適な性能のために、ＤＣバス電圧を調節するＤＣ変換ステージが必要となることもある。例えば、ＤＣリンクキャパシタの作動電圧を高めるのにブースト回路を使用し、ＡＣ入出力端子にさらに大きなピークツーピークＡＣ作動電圧がかかるようにする。大きなピークツーピークＡＣ作動電圧がかかると、必要な積層位相ＡＣ出力電圧を生成するのに単一レベルインバータをよりも少なく使用することができる。ＤＣリンクキャパシタの作動電圧を減らすにはバック回路を使用する。この場合、ＡＣブリッジに低電圧正格トランジスタを使用して電力量を高めることができ、積層位相を単一化してシステム費用も節減する。

太陽熱集熱板、バッテリー、自動車ＤＣ発電機のようなＤＣ電源によってＤＣエネルギーが供給される。ＤＣ電源の出力はＤＣステージに供給され、このステージの出力はフィルタによって平滑化されてブリッジ回路に供給される。ブリッジ回路の出力はフィルタに供給され、フィルタの出力端は適切なケーブルを通じて他のＢＵＩの出力と直列に連結する。

このシステムの他の実施例では、ＤＣエネルギーがＰＶ集熱板によってそれぞれのＢＩＵに供給される。集熱板の出力はブースト回路に供給され、ブースト回路の出力はキャパシタによって平滑化されてフルブリッジインバータ回路に供給される。フルブリッジインバータ回路の出力はフィルタに提供され、フィルタの出力端はケーブルを通じて他のＢＩＵと直列に連結する。

一実施例において、入力キャパシタのリプル電流は、周波数が２倍である正弦波形態である。能動デカップリングフィルタを利用することにより、集熱板の電流を一定に維持して集熱板の最大電力を得ることができる。

以上の説明は理解を助けるために例示したものに過ぎず、本発明の範囲を制限するものではない。したがって、好ましい実施例の幅と範囲は上述した説明に限定されてはならず、特許請求の範囲によってのみ定められなければならない。

Claims (21)

1. ＡＣ電力システムに電力を供給する多重ＤＣ電圧源インバータであって、
   １次ノード、２次ノード、正極ノード、負極ノード、前記正極ノードと負極ノードの間に並列に連結する電圧支援機、および前記正極ノードと負極ノードの間に連結するＤＣソースを有する多数のフルブリッジインバータ、
   前記フルブリッジインバータを有する少なくとも１つの積層インバータ位相であって、それぞれの積層インバータ位相のフルブリッジインバータそれぞれが他のフルブリッジインバータの１次ノードに連結したフルブリッジインバータのうちの１つの２次ノードと直列に連結し、前記直列連結が第１フルブリッジインバータと最終フルブリッジインバータを形成し、それぞれの位相が前記第１フルブリッジインバータの１次ノードに入力ノードをそして最終フルブリッジインバータの２次ノードに出力ノードを有する少なくとも１つの積層インバータ位相、
   それぞれのフルブリッジインバータと結合し、正弦波形電圧波形を出力するようにそれぞれのフルブリッジインバータに制御信号を提供するローカルコントローラ、および
   それぞれがローカルコントローラと通信し、ローカルコントローラの構成、活性化、非活性化、および作動モード選択のためのシステム制御信号を生成するシステムコントローラ、
   を備えることを特徴とする、多重ＤＣ電圧源インバータ。
2. 前記積層インバータ位相が３つであることを特徴とする、請求項１に記載の多重ＤＣ電圧源インバータ。
3. ３つの積層インバータ位相がワイ（Ｙ）結線で連結することを特徴とする、請求項２に記載の多重ＤＣ電圧源インバータ。
4. ３つの積層インバータ位相がデルタ（Δ）結線で連結することを特徴とする、請求項２に記載の多重ＤＣ電圧源インバータ。
5. それぞれのフルブリッジステージが出力を短絡するスイッチを有し、残りの直列連結したフルブリッジを有する積層位相を作動するようにすることを特徴とする、請求項１に記載の多重ＤＣ電圧源インバータ。
6. それぞれのフルブリッジインバータが第１スイッチ対と第２スイッチ対を有し、前記スイッチ対それぞれが電流量を制御する多数のスイッチング手段を有し、前記スイッチング手段それぞれが第１端部と第２端部を有し、前記第１スイッチ対の多数のスイッチング手段はフルブリッジインバータの正極ノードで前記第１端部に電気的に連結し、前記第１スイッチ対のスイッチング手段のうちの１つの第２端部は前記１次ノードに電気的に連結し、第１スイッチ対の他のスイッチング手段の第２端部は前記２次ノードに電気的に連結し、前記第２スイッチ対の多数のスイッチング手段はフルブリッジインバータの負極ノードで前記第２端部に電気的に連結し、第２スイッチ対のスイッチング手段のうちの１つの前記第１端部は１次ノードに電気的に連結し、第２スイッチ対の他のスイッチング手段の第１端部が前記２次ノードに電気的に連結することを特徴とする、請求項１に記載の多重ＤＣ電圧源インバータ。
7. 前記スイッチング手段と１次ノードと２次ノードの間に受動ローパスフィルタが連結することを特徴とする、請求項１に記載の多重ＤＣ電圧源インバータ。
8. 前記ノードの同期化のために、１次ノードと２次ノードの間にキャパシタが連結することを特徴とする、請求項６に記載の多重ＤＣ電圧源インバータ。
9. 前記スイッチ対がゲートターンオフ素子と逆並列素子を備え、これらの素子は互いに対して並列連結して反対にバイアスすることを特徴とする、請求項６に記載の多重ＤＣ電圧源インバータ。
10. 前記ゲートターンオフ素子がゲートターンオフサイリスタ（ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）、ＩＧＢＴ（ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ、ＭＥＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、ＭＯＳＦＥＴ制御サイリスタ、ＢＪＴ（ｂｉｐｏｌａｒ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、静電誘導トランジスタ、静電誘導サイリスタ、ＭＯＳＦＥＴターンオフサイリスタ、ＧａＮ（ｇａｌｌｉｕｍ ｎｉｔｒｉｄｅ）トランジスタ、およびＳｉＣトランジスタからなる群より選択された素子を備えることを特徴とする、請求項９に記載の多重ＤＣ電圧源インバータ。
11. 前記逆並列素子がダイオードであることを特徴とする、請求項９に記載の多重ＤＣ電圧源インバータ。
12. 前記フルブリッジインバータの正極ノードと負極ノードの間に、キャパシタ、バッテリー、燃料電池、太陽光電池、およびバイオマス電池からなる群より選択された要素が連結することを特徴とする、請求項１に記載の多重ＤＣ電圧源インバータ。
13. ＤＣ電圧源とフルブリッジインバータの間にバックコンバータやブーストコンバータを備えた非絶縁スイッチモード電圧調節回路が配置されることを特徴とする、請求項１に記載の多重ＤＣ電圧源インバータ。
14. ＤＣ電圧源とフルブリッジインバータの間にフォワードブリッジ、プッシュプルブリッジ、またはハーフブリッジを含んだ絶縁スイッチモード電圧調節回路が配置されることを特徴とする、請求項１に記載の多重ＤＣ電圧源インバータ。
15. 太陽光電池を含んだ電流制限ＤＣ電圧源と共に使用されたとき、ＤＣ電圧源に付与されたＡＣ電流変調を分離する能動フィルタをさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の多重ＤＣ電圧源インバータ。
16. 網電圧を可変的に構成するための多様な数のフルブリッジを備えることを特徴とする、請求項１に記載の多重ＤＣ電圧源インバータ。
17. 積層フルブリッジがそれぞれ異なる電力で作動することを特徴とする、請求項１に記載の多重ＤＣ電圧源インバータ。
18. それぞれの位相のための多様な数の積層フルブリッジを備えることを特徴とする、請求項１に記載の多重ＤＣ電圧源インバータ。
19. それぞれの積層インバータ位相を電力網に選択的に連結する２つの並列スイッチをシステムコントローラが備え、これらの並列スイッチのうちの少なくとも１つは電流制限機に直列に連結することを特徴とする、請求項１に記載の多重ＤＣ電圧源インバータ。
20. システムコントローラが積層インバータ位相と電力網の間に直列に連結する少なくとも２つの並列スイッチを備え、それぞれのスイッチは積層インバータ位相と電力網の分離手段の役割をし、少なくとも１つのスイッチは電流制限機に直列に連結し、前記スイッチがシステム開始中にローカルコントローラのためにＡＣライン電圧から電流制限位相基準信号のための導電路を提供し、
    システムコントローラがそれぞれのＢＩＵに対する始動電圧と作動電圧範囲を計算して送信し、
    システムコントローラがそれぞれのＢＩＵの活性化と非活性化のための制御命令語を決めて送信し、
    システムコントローラがホール電圧源インバータの活性化と非活性化のための制御命令語を決めて送信することを特徴とする、請求項１に記載の多重ＤＣ電圧源インバータ。
21. 多数のＤＣ電圧信号を正弦波形電圧波形に変える方法であって、
    積層位相が電力網に連結する場所でのＡＣ電圧レベルを感知するステップ、
    積層フルブリッジのためのＡＣ始動電圧を計算するステップ、
    電力を計算し、基準ＤＣ電圧を生成するステップ、
    ＤＣ電圧レベルの平均を求めるステップ、
    平均ＤＣ電圧レベルを基準ＤＣ電圧と比較するステップ、
    前記比較から第１誤差信号を生成するステップ、
    感知されたＡＣ電流レベルと基準ＤＣ電流を比較するステップ、
    前記第１誤差信号から基準信号を生成するステップ、
    前記感知されたＡＣ電流レベルと基準ＤＣ電流の比較から第２誤差信号を生成するステップ、
    前記第２誤差信号から位相変調信号を生成するステップ、
    周期を有するＡＣライン電圧を感知するステップ、
    前記ＡＣライン電圧の周期に直接関連する位相基準信号を生成するステップ、
    前記位相基準信号と位相変調信号を利用して多数のフルブリッジインバータのための多数の火点信号を生成するステップ、
    変調指数を決めるステップ、および
    変調指数の基準テーブルを提供するステップ、
    を含むことを特徴とする、方法。