JP2019502355A - 低電圧、低周波数、マルチレベル電力変換器 - Google Patents

低電圧、低周波数、マルチレベル電力変換器 Download PDF

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Abstract

電力変換が可能な低電圧、低周波マルチレベル電力変換器が開示される。この電力変換器は、直列の複数の位相インバータ、即ち、複数の低電圧源入力と、直列の複数の位相インバータとを含む。複数の位相シフトインバータの各々は、複数の低電圧源入力のうちの少なくとも1つを受信するように構成されてもよく、少なくとも1つの方形波出力を生成する。生成された少なくとも１つの方形波出力からほぼ完全な正弦波出力を出力することができる。【選択図】図１Ａ

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、両方とも「低電圧、低周波数、マルチレベル電力変換器」と題された米国仮特許出願第６２／２９１，３３３号及び米国仮特許出願第６２／２７８，８３２に基づく優先権を主張するものであり、これらの出願内容のすべてを本出願に組み込むものとする。
本開示は、大まかにいえば、ソーラーインバータおよびバッテリ結合インバータ／充電器などの電力変換に関し、特に、低電圧、低周波数、マルチレベル電力変換器に関する。
本開示の特定の実施形態によれば、電力変換（すなわち、ＤＣ／ＡＣ又はＡＣ／ＤＣ）のための低電圧、低周波数マルチレベル電力変換器（ＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣ）に関する装置および方法を提供することができる。本開示では、ＡＣ負荷に望ましい電圧波形と電流波形（例えば、２２０Ｖｒｍｓ／５０Ｈｚ又は２４０Ｖｒｍｓ／６０Ｈｚのほぼ完全な波正弦波）を発生させるために、低電圧、低コスト、高性能構成要素（例えば、ＭＯＳＦＥＴ、ダイオード、コンデンサ、インダクタ、抵抗器など）を用いることができ、低周波数（例えば、商用周波数）で電力装置（例えば、ＭＯＳＦＥＴ及びダイオード）を駆動することができる。その結果、本開示により、低コスト、高効率、低い環境負荷（例えば、低いＴＨＤ、低いＥＭＩ、低い漏れ電流など）、高信頼性、および安全規格準拠というようないくつかの利点をもたらすことができる。
ＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣは、特定の実施形態では、電源（例えば、太陽光発電（ＰＶ）パネル、バッテリ、燃料電池など）から負荷（例えば、商用電源又は他のＡＣ負荷）へと電力を変換するために使用することができる。個々のＬＶ・ＬＦ電力変換器（ＬＶ・ＬＦ・ＰＣ）は、例えば、統合されたＡＣモジュールを作るなどのために、ＰＶパネル又は電池モジュールなどの電源と一体化することができる。一例として、多数のＡＣモジュールを直列に接続してＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣシステムを作ることができる。
非限定的実施例として、本明細書で説明するＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣ及び電力変換システムは、住宅から商業、工業的規模から実用的規模まで、および非限定的実施例として、グリッドタイドソーラーインバータ、オフグリッドソーラーインバータ、太陽電池結合インバータ、グリッドタイドバッテリチャージャなどの広範囲なシステムに適用することができる。さらに、適用例の地理的領域（例えば、米国、ヨーロッパなど）、入力電源（太陽電池、バッテリなど）、負荷（単相／三相公共電力、ＡＣ負荷など）、及び望みの電力レベルに応じて、ＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣシステムは、任意のタイプ、例えば、三相／単相、ＰＦＣ／非ＰＦＣなど、とすることができる。
非限定的実施例として、開示されたＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣは、低電圧（例えば、２４．２Ｖｄｃ）、低周波数（例えば、６０Ｈｚ）、そして、位相の異なる電源を、所定の数、例えば１４個まで、直列に加えることによって、２４０Ｖｒｍｓ、６０Ｈｚ波形の電圧を生成することができる。この電源は、例えば、ＤＣ／ＤＣオプティマイザと組み合わせたＰＶパネル、又は、双方向ＤＣ／ＤＣ充電器と組み合わせたバッテリから取ることができる。
非限定的実施例として、ソーラーインバータ産業において、及び既存の解決策（例えば、ＡＣマイクロインバータ、パワーオプティマイザ、及びストリングインバータ）との比較において、開示されたＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣは低コストであり、より効率的な構成要素でより低い電圧を使用する。また、絶縁トランスを不要にすることができ、通常の動作中にスイッチング周波数が非常に低くなり、デバイスのブロッキング電圧が低くなるため、スイッチング間隔での消費電力を低減することができる。
開示された実施形態では、高価なバスコネクタシステムを必要としない直列ケーブルを使用することもできる。さらに、ＤＣパワーオプティマイザと比較して、開示されたＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣは、（しばしば、システムコストの大部分が割り当てられる）ストリングインバータがなくなるので、システムコストの大幅な節約をもたらす可能性がある。また、開示された実施形態では、高電圧装置をなくし、逆変換段階において高周波でスイッチングすることなどにより、結果として、既知の技術よりも全体的なシステム効率を高くすることができる。
既知のストリングインバータと比較して、開示されたＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣは、ナショナル・エレクトリック・コード（ＮＥＣ）及びアンダーライター・ラボラトリーズ（ＵＬ）によって最終的に要求されるモジュールレベル制御の恩恵を受けることができ、最も効率的な動作点でＰＶパネルを使用する、モジュールレベルの最大電力点追従機能（ＭＰＰＴ）の恩恵も受けることができる。実施形態ではまた、様々な付加的な高電圧構成要素を不要とすることによって、全体的なコスト節約、及び効率改善をもたらすことができる。
従って、いくつかの実施形態では、複数の低電圧源入力及び直列に接続された複数の位相シフトインバータを有する低電圧低周波回路を含むことのある低電圧低周波マルチレベル電力変換器を提供することができる。複数の位相シフトインバータの各々は、複数の低電圧源入力のうちの少なくとも１つを受け取るように構成されてもよく、少なくとも１つの方形波出力を生成する。生成された少なくとも１つの方形波出力からほぼ完全な正弦波出力を得ることができる。
ここで、本開示の非限定的実施形態が示され、本明細書に組み込まれる図面を参照する。同じ参照番号は同様の構成要素を表す。
方形波ベースのＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣのブロック図を示す。
ＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣの個々のインバータの方形波出力の一部の拡大図を示す。
非対称方形波パターン及び対称（中心の）方形波パターンを示す。
正弦波ベースのＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣのブロック図を示す。
アンフォールディングＨブリッジ変換器を有する方形波ベースのＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣのブロック図を示す。
アンフォールディングＨブリッジ変換器を有する正弦波ベースのＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣのブロック図を示す。
ＬＶ・ＬＦ・ＰＣへの入力としての電源構成の実施例を示す。
出力電圧を制御するためのＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣの非限定的実施例を示す図である。
ＬＶ・ＳＶＲ及びグリッド相互接続回路の拡大図を示す。
ＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣのインバータの方形波出力のステップ電圧の立上がり／立下がり時間を示す図である。
ＰＶパネルに接続されたＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣと負荷及びグリッドとの間の、ＬＶ・ＳＶＲ９００の高位レベル接続を示す図である。
商用電源と一体化されたＰＶ及び蓄電システムを示す。
ＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣシステムにおける、ＡＣ・ＰＶモジュールとＡＣバッテリモジュールとを統合したブロック図を示す。
位相シフト角の計算の、例示的なデータベースを示す図である。
特定の実施形態でのＴＨＤ及び最適な位相シフトの計算を例示する。
ここで提供される図面及び説明は、ここに記載された装置、システム及び方法の明確な理解のための態様を例示するために簡略化されており、明瞭にするために、一般に同様の装置、システム、及び方法でみられる他の特徴は省略されている。従って、当業者であれば、ここに記載の装置、システム、及び方法を実施するために、他の要素及び／又は動作が望ましい及び／又は必要であることを認識することができる。しかし、そのような要素及び操作は、本技術分野で知られており、それらが本開示の理解をさらに容易にするわけではないので、簡潔さのために、そのような要素及び操作の説明はここでは行わないことがある。しかし、本開示において、記載した当業者に知られている態様に対する全てのそのような要素、変形、及び修正を含むとみなす。
実施形態を、本開示が十分であり、開示された実施形態の範囲を当業者に完全に伝えるために、全体的に提供する。本開示の実施形態の完全に理解してもらうために、具体的な構成要素、装置、及び方法の実施例など、多くの詳細を具体的に説明する。しかしながら、開示された特定の内容をそのまま採用する必要はなく、実施形態を異なる形態で具体化できることは、当業者には明らかであろう。従って、開示された実施形態を、本開示の技術的範囲を限定するものと解釈されるべきではない。上で参照したように、いくつかの実施形態では、周知の工程、周知のデバイス構造、及び周知の技術を詳細には説明しないことがある。
ここで使用する用語は、特定の実施形態のみを説明するためのものであり、限定することを意図するものではない。例えば、本明細書で使用される、単数形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、文脈から明らかでない限り、複数形も含むことを意図している。「具備する」、「具備している」、「含む」、及び「有する」という用語は、包括的であり、従って、記載された特徴、整数、ステップ、操作、要素及び／又は構成要素の存在を示すことを含むが、１以上の他の特徴、整数、ステップ、操作、要素、構成要素、及び／又はそれらの集合の存在又は追加を除外するものではない。ここに記載されたステップ、プロセス及び動作は、実施するうえでの好ましい順序又は必要な順序として具体的に特定されていない限り、必ずしも説明又は図示された特定の順序でそれぞれ行うことを必要とすると解釈すべきではない。開示された態様の代わりに、又は開示された態様と併せて、追加の又は代替のステップを採用することができることも理解すべきである。
ある要素又は層が別の要素又は層の「上に」、「上部に」、「接続されている」又は「結合している」と記載されている場合、他の要素又は層に、直接的に、上に、上部に、接続されている、又は結合していることもあり、又は、要素又は層が介在する場合もあることを理解すべきである。一方、ある要素又は層が別の要素又は層に「直接上に」、「直接上部に」、「直接的にされている」又は「「直接的に結合されている」と記載されている場合、要素又は層は介在しないであろうことを理解すべきである。要素同士の関係を説明するために使用される他の表現（例えば、「間に」対「直接間に」、「隣接する」対「直接隣接する」など）も、同様に解釈されるべきである。さらに、ここで使用される「及び／又は」という用語は、列挙された1つ以上の関連する項目の任意の組み合わせ及びすべての組み合わせを含む。
さらに、第１、第２、第３などの用語は、様々な要素、構成要素、領域、層及び／又はセクションを記述するためにここで使用されるが、これらの要素、構成要素、領域、層及び／又はセクションは、これらの用語により限定されるべきではない。これらの用語は、ある要素、構成要素、領域、層、又はセクションを他の要素、構成要素、領域、層又はセクションと区別するためにのみ使用することもできる。従って、「第１」、「第２」及び他の数値的な用語は、本明細書で使用される場合、文脈によって明白に示されない限り、配列又は順序を意味しない。従って、以下に記載する第１の要素、構成要素、領域、層、又はセクションは、実施形態による教示から逸脱することなく、第２の要素、構成要素、領域、層又はセクションと呼ぶことができる。
非限定的実施例として、前述の図は、一般的な双方向デバイスではなく、ＭＯＳＦＥＴなどの構成要素の具体的な形式を示すことができるが、そのような構成要素の選択は、特に断らない限り、実施形態に限定されるものではない。すなわち、図面は、当業者が本開示を実施することができるように十分に詳細に記載されているが、少なくとも構造、デバイス、及び電気特性を変化させた他の構成であっても、本開示の範囲から逸脱しない可能性があることを理解すべきである。従って、例示的な実施形態の以下の説明は、限定するものとして解釈されるべきではない。
図１Ａ及び図１Ｂには、実用定格電圧波形、Ｖ＿ＭＬＩ１２０（例えば、２４０Ｖｒｍｓ、６０Ｈｚ）を、固有の位相角、φ１・・・φｎ１０４を有するｎ個の（例えば１４個の）電圧源１０２、Ｖ１・・・Ｖｎ（例えば、２４．２Ｖ）を加算してゆくことで生成するのに適したＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣ１００が示されている。当業者に理解されているように、入力電圧１０２（Ｖ１、Ｖｎ）は等しくなくてもよく、多くの適用例において異なっていることがある。さらに、位相角（φ１・・・φｎ）は、等しくても（対称又は中心がある）又は等しくなくても（非対称）よい。さらに、入力電源の数（ｎ）及び電圧値（Ｖ１・・・Ｖｎ）に依存して、全高調波歪み（ＴＨＤ）を低減し、個々の電源によって引き出される電力負荷平衡を改善するために、位相角（φ１・・・φｎ）を調整することができる。しかしながら、ＴＨＤの電源電圧値への依存関係は顕著ではなく、多くの場合、非限定的実施例として図１２及び１３を参照して以下に説明するように、位相角は接続されていないものとして計算することができ、固定値として考えることができる。同じようなレベルのＴＨＤを有する同様の実用定格電圧波形を達成するために、位相角を等しく（対称に）することができ、パルスデューティサイクル（Ｄｉ＋およびＤｉ−）を調整することができる。しかしながら、このような構成により、個々の電源からより不均衡な電力を引き出してしまうことがある。
加えて、開示された実施形態で使用するための入力電源は、変更することができる。非限定的実施例として、入力電源は、電池、燃料電池、太陽電池、及び／又は特に太陽電池パネル（及び／又はそれに関連する蓄電池）を含むことができるが、これらに限定されない。
ここで図１Ａに戻って、電力用インバータ１１０は、商用周波数（例えば、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）のような低周波でスイッチングさせることができる。しかし、スイッチング周波数は、商用周波数の２倍、３倍、４倍など、高くすることもできる。さらに、電力用インバータ１１０は直列接続となっているので、回路部品は、低コスト、高速スイッチング速度及び低伝導損失という利点を有する、低電圧部品とすることができる。また、開示されたインバータ１１０は低周波数で駆動することができるので、スイッチング損失、電磁干渉（ＥＭＩ）、及びコモンモード電流（漏れ電流）を非常に低くすることができる。スイッチング周波数が低いため、スイッチング損失の増加を許容可能な程度にしたまま、さらにＥＭＩ及びリーク電流を低減するために、電圧ステップの立上り／立下り時間を調整することができる。さらに、出力電圧（Ｖ＿ＭＬＩ）の品質（ＴＨＤ）は負荷レベルにあまり依存せず、負荷範囲全体にわたって変化しないであろう。出力電圧、Ｖ＿ＭＬＩ、及び出力電流、Ｉ、は、図１Ａに示す双方向システムに示すように、同位相（単一の力率）、進相、又は遅相（単一の力率でない）とすることができる。任意選択的に、直列電圧レギュレータ１１２は、出力１２０の電圧ステップを平滑化するために、インバータ１１０の１つ以上に（例えば、直列に）接続することもできる。直列電圧レギュレータ１１２は、本技術分野で知られているフルブリッジコンバータ又は任意の他のタイプの電圧レギュレータの形態を取ることができる。
非限定的実施例として、非対称的な事例研究として、電源電圧が２４．２Ｖｄｃに等しく、すなわちＶ＝［２４．２Ｖ、２４．２Ｖ、・・・、２４．２Ｖ］に等しく、位相角が、φ＝［１．８°、６．１°、１０．５°、１４．４°、１８．９°、２３．４°、２７．９°、３２．４°、３７．８°、４３．２°、４８．６°、５５．８°、６３°、７５．６°］に等しく、ハイサイドのデバイスのデューティサイクルが、Ｄ＋＝Ｄ−＝［２８．５％、３０．８％、３１．６％、３２．５％、３２．７５％、３３％、３３．２５％、３３．２５％、３３％、３２．７５％、３２．５％、３１．６％、３０．８％、２８．５％］に等しく、そして、ローサイドのデバイスのデューティサイクルが１−Ｄ＋（又は１−Ｄ−）に等しい場合を考えると、出力電圧（Ｖ＿ＭＬＩ）ＴＨＤは２．８％になる。明らかに出力電圧ＴＨＤは出力負荷とは独立であり、これが大きな意義を持つことを当業者は理解するであろう。
１４．７Ａｒｍｓの負荷のほぼ完全な正弦波電流（Ｖ＿ＭＬＩ＝２４０Ｖｒｍｓ、負荷＝１６．３Ω）と仮定し、すべてのコンバータが直列であり、同じ負荷電流を扱うことが分かっているとすると、個々のコンバータの出力電力はＰ＝［１９９Ｗ、２３１Ｗ、２４６Ｗ、２６０Ｗ、２６７Ｗ、２７２Ｗ、２７５Ｗ、２７５Ｗ、２７２Ｗ、２６7Ｗ、２６０Ｗ、２４６Ｗ、２３１Ｗ、１９９Ｗ］となって、異なり、合計電力は３５００Ｗとなる。一連の直列コンバータにおいて、連続的な変換器のターンオンでは、非限定的実施例として、出力電圧波形に影響してはならないので、同じような電源間での平均電力を平衡させる１つの方法は、個々の電源出力電力をｎ（１４）又はｎ／２（７）の商用電圧サイクル（例えば、６０Ｈｚでサイクルは１６．６６ｍｓとなる）で平衡させるために、コンバータのターンオン周期を「循環的」に回すことである。
また、非限定的実施例として、同じような電源間での電力を平衡させる別の方法を以下に説明する。入力電源電圧が制御可能であると仮定すると、入力電圧をＶ＝［３０．９Ｖ、２６．６Ｖ、２５Ｖ、２３．８Ｖ、２３Ｖ、２２．５Ｖ、２２．３Ｖ、２２．３Ｖ、２２.５Ｖ、２３Ｖ、２３．８Ｖ、２５Ｖ、２６．６Ｖ、３０．９Ｖ］に調整し、位相角及びデューティサイクルをこれまでの値に維持すると、出力電圧ＴＨＤは３．６％になり、個々の電源の供給電力は２５０Ｗ（平衡電力）になる。
上述したように、出力電圧のＴＨＤは入力電源電圧にあまり依存せず、一般的なグローバル標準によって許容される所望の値に容易に維持することができる。例えば、１４個の電源ＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣシステム１００について同じ位相角及びデューティサイクルを考慮すると、異なるケーススタディにおいてＴＨＤ値は以下のようになる。
Ｖ＝［２４．２Ｖ、２４．２Ｖ、２４．２Ｖ、２４．２Ｖ、２４．２Ｖ、２４．２Ｖ、２４．２Ｖ、２４．２Ｖ、２４．２Ｖ、２４．２Ｖ、２４．２Ｖ、２４．２Ｖ、２４．２Ｖ、２４．２Ｖ］ ＝＝＞ ＴＨＤ＝２．８％
Ｖ＝［３０．９Ｖ、２６．６Ｖ、２５Ｖ、２３．８Ｖ、２３Ｖ、２２．５Ｖ、２２．３Ｖ、２２．３Ｖ、２２．５Ｖ、２３Ｖ、２３．８Ｖ、２５Ｖ、２６．６Ｖ、３０．９Ｖ］ ＝＝＞ ＴＨＤ＝３．６％
Ｖ＝［３０Ｖ、１６Ｖ、１３Ｖ、３２Ｖ、２０Ｖ、１５Ｖ、１０Ｖ、３３Ｖ、３８Ｖ、２４Ｖ、２４Ｖ、１２Ｖ、３６Ｖ、２４Ｖ］ ＝＝＞ ＴＨＤ＝４．３５％
Ｖ=［３３Ｖ、８Ｖ、４５Ｖ、２０Ｖ、３３Ｖ、１２Ｖ、８Ｖ、４０Ｖ、２２Ｖ、３６Ｖ、１１Ｖ、２０Ｖ、４５Ｖ、８Ｖ］ ＝＝＞ ＴＨＤ＝４．４％
Ｖ=［０Ｖ、３１Ｖ、３１Ｖ、０Ｖ、３１Ｖ、３１Ｖ、３１Ｖ、３１Ｖ、０Ｖ、３１Ｖ、３１Ｖ、３１Ｖ、３１Ｖ、３１Ｖ］ ＝＝＞ ＴＨＤ＝４．７％
Ｖ=［１５Ｖ、１６Ｖ、１３Ｖ、３２Ｖ、２８Ｖ、１５Ｖ、３２Ｖ、３３Ｖ、３８Ｖ、２４Ｖ、２４Ｖ、２０Ｖ、２０Ｖ、２４Ｖ］ ＝＝＞ ＴＨＤ＝４．８％
上述した低いＴＨＤ値は、ＬＶ・ＳＶＲ（図７に示すＬＶ・ＳＶＲなど）なしで達成可能であることに注意すべきである。
非限定的実施例として、図１Ａ及び１Ｂは、ｎ個の直列ＬＶ・ＬＦインバータ１１００からほぼ完全な正弦波電圧波を生成するための多くのパターンのうちの１つを示している。これに関連して、図２は、電力変換器のターンオンパターンを示し、非対称対対称である。例えば、図２の左側２０２、２０４の最初の２つの信号パターンは、対称又は中心のあるパターンを示す第３のパターン２０６（右端）と比較して、前述のような非対称パターンを示す。しかし、すべてのパターンが同じ出力電圧波（Ｖ＿ＭＬＩ）になる可能性があり、大きな違いは個々の電源から引き出される電力の量にある可能性がある。要するに、非対称パターンは、半サイクルごとにすべての電源間で出力電力を均一に分割するのに役立ち（同様の電源であると仮定して）、対称パターンは、１つ以上の全サイクルにわたってすべての電源間で出力電力を均等に分割することを可能にする。電力変換器は図２に示すように連鎖状に直列接続されている（すなわちインバータは図示のように直列である）ので、コンバータのターンオンシーケンスにはかなりの柔軟性があり、循環的なターンオンシーケンスにおいて、同様の入力電力源を持つコンバータ間で電力を平衡にすることは非常に便利である。
図３は、ｎ個（例えば、１４個）の同相電源１０２、すなわちＶ１・・・Ｖｎ（例えば、２４Ｖｒｍｓ）を足し合わせることにより、商用電圧波、(例えば、２４０Ｖｒｍｓ、６０Ｈｚ)を生成するのに適した正弦波ベースのＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣ３０２のブロック図を示す。この例に示すように、全ての電源は全波整流された正弦波であり、全てが同じ周波数（例えば、１２０Ｈｚ）及び同相である。違いは電圧の大きさと供給される電力のレベルとすることができることであってもよい。入力電圧（Ｖ１、Ｖｎ）は、同じであっても異なっていてもよい。要求事項には、ピーク値の合計が負荷定格電圧（例えば、２４０Ｖｒｍｓ）に一致することを含むことができる。示されているすべてのインバータは（図示の通り）直列に接続されており、負荷電流を駆動することができるので、個々の電力変換器の供給電力は電圧の大きさ（例えば、Ｖｉ−ｐｋ）及び電流の位相角により決まることになろう。
正弦波ベースのＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣ３０２により、電源電圧は純粋に整流された正弦波であり、ゼロ交差点での電流歪みは生じないと仮定して、（図１Ａに関して説明したＬＶ・ＳＶＲ１１２などのＬＶ・ＳＶＲなしの）方形波ベースのＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣ１００よりも、ＴＨＤ、ＥＭＩ、及び漏れ電流を改善することができる。注目すべきは、矩形波ベースのＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣシステム１００において、出力電圧（Ｖ＿ＭＬＩ）の小さな電圧ステップが、あるレベルのＴＨＤ、ＥＭＩ、及び漏れ電流を引き起こすことがあるということである。ＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣ１００と直列のＬＶ・ＳＶＲ（例えば、ＬＶ・ＳＶＲ１１２）を含むことにより、正弦波ベースのＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣ３０２よりもＴＨＤ、ＥＭＩ、及び漏れ電流が大きく改善され、さらに、商用電源周波数フィルタのサイズを減少させる可能性があることに留意すべきである。さらに、ＴＨＤは負荷とは独立にすることができる。
図４は、図１Ａの例示的な実施形態とは異なる、矩形波ベースのＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣ４００のブロック図を示す。図示のように、異なる点は電力変換器１１０は、Ｈブリッジトポロジーの代わりにハーフブリッジトポロジーを使用する可能性がある点である。そのような場合、全波整流されたほぼ完全な正弦波からほぼ完全な正弦波電圧を生成するために、１つの高電圧アンフォールディングＨブリッジ変換器４０２がＭＬＰＣ段と出力段との間のインタフェースを行うことができる。より詳細には、図４の電力変換器４００は、例えばＤＣバスコンデンサを使用してほぼ完全な正弦波を生成するマルチレベルインバータを提供することができる。上記に照らして、及び、マルチレベルインバータの既知の用途に照らして、これらの実施形態では、サブ１００Ｖデバイスでの使用のような、従来から知られている成果よりも高速かつ低損失なものを提供することができる。
従って、これらの実施形態では、ケーブルを介して接続することができるような、分散型電力変換をもたらすマルチレベルインバータを提供することができる。さらに、図４に例示されるような実施形態では、いくつかのパルス電源を直列に使用して、それによってほぼ完全な正弦波電力を生成することができる。しかしながら、図４のマルチレベルコンバータ４００は、それにもかかわらず、単一中心制御を受けることができ、電圧スパイク及び同様の効率の悪化を避けるために、部品は出来るだけコンパクトに集積回路とすることができる。さらに、特に図４の実施例に関して全体にわたって論じられた実施形態では、波の周波数によりモータ速度制御を変化させることができ、一定のコンデンサ電圧が与えられ、それらを制御する必要がある場合、これらの実施形態では能動フィルタを用いることができる。言うまでもなく、開示した用途で使用することができるようなアクティブフィルタは、公知技術のパッシブフィルタよりも明らかに軽量であり、従って、開示した用途においてより適切かつ効率的である。さらに、電圧源インバータを公知技術で使用する限り、各パルスでＰＷＭを実行するので、ますます大きくて高価な受動フィルタを必要とする。しかしながら、電流源インバータは、図示のように電流パルスによって駆動することができ、能動フィルタリングを使用することもでき、これにより、公知技術に固有の困難を回避することができる。図５は、図３の例とは異なる態様の正弦波ベースのＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣ５００のブロック図を示す。図示されているように、直列ＬＶ電力変換器を、全波整流された正弦波から正弦波電圧を生成するように、違いは直列電源と出力段との間に接続された１つの高電圧アンフォールディングＨブリッジ変換器５０２によって置き換えることができることであってもよい。図６は、多くの予想される入力電源のうちのいくつかを示している。非限定的実施例として、個々の電力変換器への電源は、ＰＶパネル６０２又はバッテリ６０４であってもよい。ＰＶパネルをその最大電力が供給可能な動作点で利用するためには、パワーオプティマイザ又は最大電力点追従が望ましい場合がある。ＰＶパネルにＭＰＰＴを実装することができる多くの異なる電力変換器トポロジーが存在する。非限定的実施例として、ＤＣの又は正弦整流された出力電圧を有する単一のインダクタ昇降圧コンバータがそのようなコンバータであってもよい。さらに、効率的な方法で電池を利用するためには、電池の化学的性質に応じて、電池製造業者によって異なる充電サイクルが推奨される。推奨に従い、異なるタイプの電力変換器を利用することができる。非限定的実施例として、ＤＣの又は整流された正弦出力電圧を有する単一のインダクタ昇降圧コンバータを使用することができる。バッテリの充電のために、入力電源と負荷が役割を交換することがあり、従って電力と電流の流れの方向が逆になることがある。双方向デバイス（例えば、ＭＯＳＦＥＴの場合）、電流は両方向に流れることができ、単一のインダクタ昇降圧コンバータは対称回路なので、コンポーネントの電圧及び電流定格が考慮されている限り、電力フローが反対になった場合でも違いはない。
図７Ａは、ＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣの出力電圧Ｖｇの、出力電圧を調整し電圧ステップを平滑化するためのＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣ７０２の非限定的実施例を示す。ＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣ７０２は、ＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣの出力電圧波Ｖｇの電圧ステップを平滑化するために、図３に示す低電圧シリーズ電圧レギュレータ（ＬＶ・ＳＶＲ）７０４と直列に接続することができる。このＬＶ・ＳＶＲ７０４は、ＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣ７０２と共に、負荷電流のＴＨＤを大幅に改善することができるほぼ完全な正弦波を生成する。また、ＬＶ・ＳＶＲ７０４は、速い応答時間を有することができる。従って、ＬＶ・ＳＶＲ７０４は、グリッドの過渡的な要求に応答することができ、ＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣの性能への影響を防止することができる。光電池（ＰＶ）パネルに接続されている場合、太陽光の変化又は日陰に迅速に応答し、その後制御システムがそれに応じて応答することができ、ＬＶ・ＳＶＲ７０４は、必要な出力電圧とＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣ７０２がその時に出力することができる電圧Ｖｇとの差を補填することができる。その後、ＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣ７０２は、再調整し、動作を通常モードに復帰する。ＬＦインバータ７０６（Ｈブリッジ（４つのＭＯＳＦＥＴ））は低周波数、例えば、６０Ｈｚで駆動されるので、スイッチング損失は問題ではないため、スイッチング損失を大幅に増加させることなく、スイッチング時間を遅くすることが可能である。このスイッチング時間が遅くなると、図８に示すように、ステップ電圧の立ち上がり／立ち下がり時間が遅くなることがあり、ＬＶ・ＳＶＲ制御システム７０４がより効果的に出力電圧（ほぼ完全な正弦波）からステップ電圧を平滑化するための命令を補助することができる。また、ＬＶ・ＳＶＲ７０４は、グリッドとの統合を容易にするためのグリッド相互接続回路７０８を含むことができる。グリッド相互接続回路７０８の構成要素を示す拡大図が図７Ｂに示されている。
図９は、ＰＶパネル９０４に接続されたＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣ９０２と負荷９０６及びグリッド９０８との間のＬＶ・ＳＶＲ９００の高レベル接続を示す。この構成では、ＤＣバス９１０は、調整されたＤＣバスコンデンサバンク又は電圧源であってもよい。このＬＶ・ＳＶＲ９００は、低電圧で高性能のパワーコンポーネントからも得られるが、１００ＫＨｚなどのより高いスイッチング周波数でスイッチングする。結果として、ＬＶ・ＳＶＲ９００は、磁石やコンデンサなどの小さな受動部品を使用することができる。従って、ＬＶ・ＳＶＲ９００は、ＰＶパネル９０４とグリッド９０８との間の漏れ電流（コモンモード）の低減を容易にすることができる。ＰＶパネル９０４の構造により、ＰＶセルとパネルフレームとの間に浮遊キャパシタが生じることがある。静電容量は、ＰＶパネルの構造に加えて、雨やほこりなどの環境条件にも依存する。最大静電容量は約１６０ｎＦ／ｋＷまでになることが知られている。従って、ＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣ出力電圧Ｖｇの電圧ステップを少なくとも部分的に抑制することにより、高周波漏れ電流が現れ、その結果、漏れ電流の実用周波数（例えば、６０Ｈｚ）部がＬＶ・ＳＶＲ９００を追加した後に存在し、これは比較的小さく、コモンモードチョークによって制御可能となる。
図１０は、商用電源と統合されたＰＶ１００２及びバッテリ１００４ストレージシステム１０００を示す。明らかに、そのようなシステムを作るための多くの選択肢があり、非限定的な例として図１０に例示する。この例は、開示されたＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣシステム１０００が双方向システムであることを強調し、任意の電力の流れ方向に対して利用することができる。例えば、バッテリを電源として有する場合、充電サイクル中、バッテリは負荷になり、出力（例えば、グリッド又はＰＶシステム）は電源になる。従って、上述のように、ＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣシステム１０００は、同じ機能を行うが反対方向に制御することができる。
非限定的実施例として、図１１は、ＬＶ・ＬＦ・ＭＬＰＣシステム１１００における統合されたＡＣＰＶモジュール１１０２及びＡＣバッテリモジュール１１０４のブロック図を示す。ＬＶ・ＳＶＲ１１０６は、例えば、モジュールとして追加されてもよく、又は、モジュールとは別のものとして統合されてもよい。
図１２は、開示された実施形態に従って位相シフトされた方形波の形態のほぼ完全な正弦波を得るために、ＴＨＤを指標として用いた位相シフト角の計算の例示的なデータベースを示す。少なくとも方形波であるため、リアルタイムであるが低周波数（例えば、６０Ｈｚ）のＴＨＤ計算は容易に行うことができ、この計算を接続されていないとしたときの位相シフト角計算を回避するために使用することができ、必要に応じてリアルタイムモードで最適な角度を更新するために使用することができる。この仕事の負担を調べるために、１４個のＰＶパネルシステムのためのフーリエ級数及びＴＨＤ計算を開発することができる。フーリエ級数及びＴＨＤ計算式を図１３に示す。
当業者であれば、ＴＨＤを計算するための様々な方法論が知られており、異なる角度を経験的に挿入して、特定の用途における所与のパラメータ（例えば、Ｖｒｍｓ）の最適な角度を計算することが図１２及び１３に例示されていることがわかるであろう。当然のことながら、出力電圧及び／又はアクティブソーラーモジュールの数が変化する場合、例として、使用による経験に基づく角度も同様に変化させることができる。
本開示の説明は、開示された実施形態を作成又は使用することが当業者に可能となるよう提供されるものである。本開示の様々な変更は、当業者には明らかであり、本明細書で定義される一般的な原理は、本開示の精神又は範囲から逸脱することなく他の変形例に適用することができる。従って、本開示は、本明細書に記載された実施例及び設計に限定されることを意図するものではなく、本明細書に開示された原理及び新規な特徴を満たす最も広い範囲で与えるべきであることを意図するものである。

Claims (20)

  1. 電力変換を可能とする低電圧低周波マルチレベル電力変換器であって、
    低電圧低周波回路であって、
    複数の低電圧源入力と、
    直列に接続された複数の位相シフトインバータと、
    を具備し、前記複数の位相シフトインバータの各々は、
    前記複数の低電圧源入力のうちの少なくとも１つを受け取り、
    少なくとも１つの方形波出力を生成する、低電圧低周波回路と、
    生成された少なくとも前記１つの方形波出力から導き出されたほぼ完全な正弦波出力と、
    を具備することを特徴とする電力変換器。
  2. 前記低電圧源入力のうちの少なくとも１つは、不完全な直流（ＤＣ）であることを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
  3. 前記複数のインバータのうちの少なくとも１つと直列接続された少なくとも１つの直列電圧レギュレータをさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
  4. 前記電力変換器の総高調波歪みのレベルは、前記電力変換器によって駆動される負荷にほとんど依存しないことを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
  5. 出力フィルタを含むグリッド相互接続回路をさらに具備することを特徴とする請求項３に記載の電力変換器。
  6. 複数の光起電力（ＰＶ）モジュールをさらに具備し、前記複数のＰＶモジュールの各々は、光起電性パネルに結合されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
  7. 前記複数のＰＶモジュールの各々は、最大電力点追従システム、高速シャットダウン回路、及びアーク故障保護回路のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項６に記載の電力変換器。
  8. 前記ＰＶモジュールは、インバータが要求する入力電圧に実質的に一致する最大電力点電圧値を有する動作モードを含むことを特徴とする請求項７に記載の電力変換器。
  9. 前記ＰＶモジュールは、インバータＤＣバスコンデンサにエネルギーを蓄積することを特徴とする請求項８に記載の電力変換器。
  10. 前記複数の低電圧源入力のうちの少なくとも１つは、少なくとも１つのバッテリ、燃料電池、及び太陽電池から選択されるものからなることを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
  11. 前記複数の低電圧源入力のうちの少なくとも１つを前記複数のインバータに電気的に組み込むことができる積分回路をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
  12. 前記ＰＶモジュールは、専用モジュールレベルコントローラをさらに具備することを特徴とする請求項９に記載の電力変換器。
  13. 複数の前記ＰＶモジュールを統合することができる積分回路をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
  14. 前記複数の低電圧源の少なくとも１つは住宅用電源であることを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
  15. 前記複数の低電圧源のうちの少なくとも１つは、商用電源であることを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
  16. 前記ほぼ完全な正弦波出力は、ユーティリティグリッドに接続されることを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
  17. 前記複数のインバータのうちの１つは、単一インダクタバックブーストコンバータであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
  18. 前記電力変換器は双方向性であることを特徴とする請求項１７に記載の電力変換器。
  19. 前記複数のインバータのうちの１つは、ハーフブリッジトポロジーを具備することを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
  20. 前記複数のインバータのうちの１つは、Ｈブリッジトポロジーを具備することを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
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