JP2021501559A - 制御されたエネルギー貯蔵バランス技術 - Google Patents

Abstract

エネルギーリザーバとシステムコントローラとを備えるエネルギー貯蔵システム。エネルギーリザーバは、ＤＣ／ＡＣコンバータにＤＣエネルギーを放電する間、ＤＣエネルギー源からのＤＣエネルギーによって充電される。システムコントローラは、エネルギーリザーバに充電されるＤＣエネルギーの量のバランスをほぼとるように、エネルギーリザーバからＤＣ／ＡＣコンバータに放電されるＤＣエネルギーを調節する。この充電と放電のバランスはほぼとれているので、エネルギーリザーバのサイズは、充電および放電の量に関連して極めて小さくなされ得る。これは、エネルギーリザーバが太陽光発電所などの発電所のすべてまたはかなりの部分から電荷を受け取る場合にそうであるように、充電および放電の流れが大きい場合に有利である。そのようなコントローラを用いると、エネルギーリザーバの使用は、そのような大きな電流の流れがあるとしても、技術的に実現可能である。

Description

[0001]太陽光（ＰＶ）発電所は、太陽エネルギーを電気に変換することによって電気を生成する。その生成された電気が、次いで、電力グリッドに提供される。太陽エネルギー源（すなわち、太陽の受光）は、経時的に変化する強度を有すると特徴づけられる。したがって、そのようなＰＶ発電所内のＰＶ発電機は、発電最適化デバイス（「オプティマイザ」とも呼ばれる）を組み込む。１つのタイプのオプティマイザは「最大電力点追従装置（ＭＰＰＴ）」（または「ＭＰＰＴデバイス」）と名付けられ、これは、ＰＶ発電所の動作を制御するためにＭＰＰＴデバイスが使用する瞬時最大電力生産点（ＭＰＰＰ）電圧を追跡する。この慣習は、本明細書において、「ブラインドＭＰＰＴ確認」と呼ばれる。ＭＰＰＴデバイスは、一般的には、ソフトウェアまたはファームウェアであり、経時的に変化する太陽エネルギー源からの最大電力生産という結果になる、経時的に変化する電圧を追跡する。

[0002]本明細書において特許請求の範囲に記載される主題は、いかなる欠点をも解決するまたは上記で説明された環境などの環境内でのみ動作する実施形態に限定されない。むしろ、この「背景技術」は、本明細書において説明されるいくつかの実施形態が実施され得る１つの例示的な技術エリアを示すためにのみ提供される。

[0003]本明細書において説明される実施形態は、エネルギーリザーバとシステムコントローラとを備えるエネルギー貯蔵システムを対象とする。エネルギーリザーバは、ＤＣ／ＡＣコンバータにＤＣエネルギーを放電する間、ＤＣエネルギー源からのＤＣエネルギーによって充電される。システムコントローラは、エネルギーリザーバに充電されるＤＣエネルギーの量のバランスをほぼとるように、エネルギーリザーバからＤＣ／ＡＣコンバータに放電されるＤＣエネルギーを調節する。この充電と放電のバランスはほぼとれているので、エネルギーリザーバのサイズは、充電および放電の量に関連して極めて小さくなされ得る。これは、エネルギーリザーバが太陽光発電所などの発電所のすべてまたはかなりの部分から電荷を受け取る場合にそうであるように、充電および放電の流れが大きい場合に有利である。そのようなコントローラを用いると、エネルギーリザーバの使用は、そのような大きな電流の流れがあるとしても、技術的に実現可能である。

[0004]システムコントローラは、検出構成要素と、決定構成要素と、配送構成要素とを備え、検出構成要素は、エネルギーリザーバ内に貯蔵されたエネルギーレベルを測定するように構成される。決定構成要素は、エネルギーレベルの測定された貯蔵されたエネルギーレベルを使用して、調整がなされるべきかどうかを評価するように構成される。配送構成要素は、決定構成要素が、調整がなされるべきであることを決定するとき、調整を実行する指示をコード化されたメッセージに符号化するように構成され、また、コード化されたメッセージをＤＣ／ＡＣコンバータに配送するように構成される。

[0005]この「発明の概要」は、以下の「発明を実施するための形態」でさらに説明される一連の概念を簡略化された形で紹介するために提供される。この「発明の概要」は、特許請求の範囲に記載された主題の重要な特徴または本質的な特徴を特定することを意図するものではなく、特許請求の範囲に記載された主題の範囲を決定する際の補助として使用されることを意図するものでもない。

[0006]上記で記載された利点ならびに他の利点および特徴が取得可能である様式について説明するために、さまざまな実施形態のより具体的な説明が、添付の図面を参照しながら、なされる。これらの図面はサンプル実施形態を示したものにすぎず、したがって、本発明の範囲の限定と考えられるべきでないことを理解して、実施形態は、添付の図面の使用を通して、追加の特殊性および詳細とともに説明および講釈される。

[0007]デカップリングデバイスがエネルギーリザーバとともに使用されるさまざまな発電所のブロック図である。 [0007]デカップリングデバイスがエネルギーリザーバとともに使用されるさまざまな発電所のブロック図である。 [0007]デカップリングデバイスがエネルギーリザーバとともに使用されるさまざまな発電所のブロック図である。 [0008]実験においてセットアップされ、２つのＡＣ電力生産ユニットが従来の方法でセットアップされ、各電力生産ユニットの出力を測定する電力計およびエネルギー計をもつ、発電所のブロック図である。 [0009]デカップリングデバイスとエネルギーリザーバとを含む修正後の、グリッドへの改善されたエネルギー出力を検証するために使用された、図２Ａの発電所のブロック図である。 [0010]電力配送の２つのチャネルがある発電所のブロック図である。１つのチャネルは、エネルギーリザーバの使用を呼び出し、１つは、エネルギーリザーバのユーザを呼び出さない。 [0011]図３のより広い実施形態を表す発電所のブロック図である。 [0012]エネルギーリザーバの使用を介して電力が配送される発電所のブロック図である。 [0013]図５のより広い実施形態を表す発電所のブロック図である。 [0014]発電所のブロック図である。 [0015]本明細書においてについて説明する原理による最大エネルギー利用点追従（ＭＥＵＰＴ）コントローラのブロック図である。 [0016]発電所の文脈における図８のＭＥＵＰＴコントローラのブロック図である。

[0017]特許公報ＵＳ２０１６／００３６２３２およびＵＳ２０１７／０１４９２５０ Ａ１（これらの内容は、参照により本明細書に組み込まれる）は、電気の最適以下の量を達成するブラインドＭＰＰＴ確認の慣習がグリッドに提供されるＰＶエネルギーシステムを開示する。これらの特許公報は、エネルギー利用のための電気を効率的に抽出するために、生産された電気エネルギーを効果的および効率的に抽出するようにエネルギー抽出デバイスの特性を合致させるべきであることを教示する。そのうえ、これらの特許出願は、関連デバイスも、状況に合致されるおよび／または効率的なエネルギー利用のために抽出された電気を配送するべきであることを教示する。

[0018]これらの特許公報は、エネルギー利用効率は、電力生産に加えて電力需要に密接に依存するということをさらに強調する。そのうえ、これらの公報は、いずれのエネルギーシステムでも、一般的な電力消費は、エネルギー保存則および電荷保存則に従うときですら、必ずしも電力生産に等しいとは限らないことを教示する。

[0019]ＭＰＰＴデバイスを太陽光発電所のためのオプティマイザとして使用する代わりに、参照される特許公報は、「最大エネルギー利用点追従装置」、または「ＭＥＵＰＴデバイス」をＰＶ発電所オプティマイザとして使用することを提案した。そのようなオプティマイザは、本明細書では、「ＭＥＵＰＴオプティマイザ」と呼ばれる。参照される特許公報によれば、ＭＥＵＰＴオプティマイザは、「余剰エネルギー」と呼ぶもの、生産されるが抽出されていないおよび／または利用のために電力グリッドに配送されない電気エネルギーと定義するものを捕捉するように設計される。「余剰エネルギー」のその定義も本明細書において使用される。

[0020]ＭＥＵＰＴオプティマイザは、捕捉された余剰エネルギーをエネルギーリザーバ内に一時的に貯蔵し、次いで、この電気エネルギーを準備し、利用のために電力グリッドに配送するようにも設計される。したがって、ＰＶ発電所の電気販売収入は、ＭＥＵＰＴオプティマイザを組み込んでいるとき、増強可能である。

[0021]セクション１：ＭＥＵＰＴオプティマイザの機能
[0022]ＵＳ２０１６／００３６２３２およびＵＳ２０１７／０１４９２５０ Ａ１（「参照される特許公報」）において説明される原理によれば、本明細書で開示される一実施形態のＭＥＵＰＴオプティマイザは、余剰エネルギー抽出器と、エネルギーリザーバと、ＭＥＵＰＴコントローラとを備える。ＭＥＵＰＴコントローラは、エネルギー抽出器およびＤＣ／ＡＣコンバータと協働して動作する。「電力」と「エネルギー」という用語は、（厳密には同じではないが）当技術分野では互換的に使用される。したがって、別段に規定されない限り、各用語は同じ意味を有する。

[0023]エネルギー抽出器は、生産されたＤＣ電力源から初期振動パワートレインを抽出する。抽出された初期動力チェーンは、電力グリッドのＡＣ電力グリッド要件に従う。言い換えれば、抽出された初期動力チェーンは、電力グリッド電圧範囲に適合するピーク電圧を有する経時的に変化する正弦波電圧を有する。そのうえ、電力（電圧の二乗に比例する）は、（ｓｉｎ^２（ωｔ）またはｃｏｓ^２（ωｔ））の形をとり、電力グリッドと（同じ位相および同じ周波数と）同期される。

[0024]一方、余剰エネルギー抽出器は、生産されたＤＣ電力から初期振動パワートレインを減ずることから残る残りの振動パワートレインを抽出する。言い換えれば、この残りの振動パワートレインは、初期振動パワートレインを電力グリッドに提供した後に残る残った振動パワートレインである。残りの振動パワートレインは、電力グリッドに提供された初期振動パワートレインと比較して９０°位相シフトを有する。９０°位相シフトにより、この残りの振動パワートレインは、同じ電力グリッド上に提供するためのＡＣ電力へと即時に変換不可能である。したがって、エネルギーリザーバは、残りの振動パワートレインの余剰エネルギーを一時的に貯蔵するために使用される。その後、貯蔵されたエネルギーは、ＤＣ／ＡＣコンバータに供給される。したがって、貯蔵された余剰エネルギーは、同じ電力グリッドと（同じ位相および周波数と）同期されたＡＣ電力に変換可能である。

[0025]ＭＥＵＰＴコントローラは、リザーバのエネルギーレベルを測定し、抽出可能なリザーバ内のエネルギーの量を推定し、このエネルギー量がＤＣ／ＡＣコンバータによって抽出可能であるようにこの情報を関連づけられたＤＣ／ＡＣコンバータに配送する。次いで、ＤＣ／ＡＣコンバータは、適切な脈動性パワートレインの形をしたＡＣ電力への変換のために、貯蔵されたエネルギーをリザーバから抽出し、そのＡＣ電力を電力グリッドに提供する。したがって、ＰＶ発電所は、ＭＥＵＰＴオプティマイザを組み込んでいるとき、ほとんどすべての生産された電気エネルギーを電力グリッドに提供することができる。対照的に、ＭＥＵＰＴオプティマイザがなければ、参照される特許公報によるＰＶ発電所は、生産された電力／エネルギーの半分未満しか電力グリッドに提供することができない。

[0026]セクション２：ＭＥＵＰＴをもつ従来のＰＶ発電所を改善する
[0027]太陽光発電所は、多くの場合、メガワット（ＭＷ）の数によって定格がつけられる。従来の方法で、太陽光発電所が、ｘ ＭＷ（ここで、ｘは何らかの正の数字である）が定格であると公表されるとき、これは、すべての太陽電池ストリングのＤＣ電力生産定格の総計がｘ ＭＷであることを意味する。そのような従来の太陽光発電所は、ｘ ＭＷより大きくない合計製造業者公表ＤＣ／ＡＣ変換能力を有する３相ＤＣ／ＡＣコンバータも有する。この原理は、従来のＭＰＰＴ実施による慣習発電所の動作を要約したものである。

[0028]言い換えれば、定格ｘ ＭＷの従来のＰＶ発電所は、ｘ ＭＷ ＰＶ太陽光発電パネルのストリングからなり、これは、太陽エネルギーをＤＣ電気に変換する。次いで、生成されたＤＣ電気が、３相ＤＣ／ＡＣコンバータによって抽出され、電力グリッドのすべてのＡＣ電力要件に適合する適切なＡＣ電力に変換され、次いで、電力グリッドに提供される。電力グリッドに提供されるこのＡＣ電力は、本明細書において「初期振動パワートレイン」とも呼ばれる。ＤＣ／ＡＣコンバータの合計製造業者公表ＤＣ／ＡＣ変換能力は、太陽光発電パネル業界によって公表された設置された太陽光発電パネルのＤＣ生成能力の総量であるｘ ＭＷより大きくないことを想起されたい。

[0029]参照される特許公報ＵＳ２０１６／００３６２３２およびＵＳ２０１７／０１４９２５０ Ａ１の説明によれば、初期振動パワートレイン（エネルギー抽出器によって抽出される）を太陽光発電パネルストリングによって生産される合計ＤＣ電力から減ずるとき起こる残りの振動パワートレインが存在する。言い換えれば、このパワートレインは、エネルギー抽出器によって抽出され電力グリッドに提供された初期振動パワートレインから約９０°位相差を有する残りの振動パワートレインである。

[0030]残りの振動パワートレインは、電力グリッドから約９０°位相がずれているので、この残りの振動パワートレインは、直接的に条件づけられ、ＡＣ電力に変換され、同じ電力グリッドに提供されることが可能である。参照される特許公報に開示されている原理によれば、エネルギーリザーバは、この９０°位相がずれた残りの振動パワートレイン内に含むエネルギーを一時的に貯蔵する（表された余剰エネルギーを貯蔵したとき）。この余剰エネルギーがエネルギーリザーバへと貯蔵された後、余剰エネルギーは、ＤＣ／ＡＣコンバータに供給可能であるＤＣエネルギーとして働くことができる。この余剰エネルギーは、次いで、すべての電力グリッド要件（電力グリッドとの同期を含む）に適合するＡＣ電力に変換可能であり、したがって、結果として生じるＡＣ電力が、同じグリッドに適用されることがある。

[0031]セクション３：エネルギーリザーバからのエネルギー漏洩を防止する
[0032]ＭＥＵＰＴオプティマイザのためのエネルギーリザーバ設計考慮事項について詳述する前に、重要な問題が、本明細書において最初に対処される。具体的には、太陽光発電パネルストリングは、日暮れに非常に高い抵抗を有することがあるが、太陽光発電パネルストリングは、正午に太陽が強いとき、かなりの電流をいずれの方向にも伝導することができる。したがって、リザーバ内に貯蔵された電気エネルギーは、昼の間、太陽光発電パネルを通って漏洩し、これを加熱することがある。したがって、デカップリングダイオードは、電気エネルギーがリザーバを充電するために各太陽光発電パネルストリングから流れることができるが、リザーバ内のエネルギーは、リザーバから太陽光発電パネルストリングへと逆流することはできないように、太陽光発電パネルストリングの各々に追加されることがある。次に、このデカップリングを達成するさまざまなエネルギーリザーバシステムが、図１Ａ、図１Ｂ、および図１Ｃを参照しながら説明される。

[0033]セクション４：エネルギーリザーバのための設計考慮事項
[0034]図１Ａは、ＤＣ／ＡＣコンバータ１２００Ａがその電力をＡＣ電力に変換するときＤＣ／ＡＣコンバータ１２００Ａによって取り出される電力を減ずる太陽電池ストリング１１００Ａのセットから生産された電力ストリームから生じる余剰電力を一時的に貯蔵するように設計されたエネルギーリザーバ１３００Ａを示すブロック図を示す。ＡＣ電力は、トランス１５００Ａを通してＡＣ電力グリッド１６００Ａに提供される。リザーバ１３００Ａは、デカップリングダイオードセット１４００Ａを通して残りの振動パワートレインを受け取る。一例では、このエネルギーリザーバ１３００Ａは、１ＭＷ ＰＶ発電所の余剰エネルギーを一時的に２分間貯蔵するように設計される。

[0035]単なる一例として、主エネルギー源は一定の強度で２分間保つことができる（および、ＰＶストリング１１００Ａの電力生産は、一定の１ＭＷ生成機の電力生産を可能にするように保つ）と仮定する。以下の分析では、初期振動パワートレインと残りの振動パワートレインの両方は、同じ反復形を有するが、９０度位相差を有する。最初に、エネルギーリザーバがどのように総当たり（ｂｒｕｔｅ ｆｏｒｃｅ）を使用して設計され得るかを調べる。エネルギーリザーバの目的は、ＤＣ／ＡＣコンバータがこの貯蔵されたエネルギーを後で変換することができるように余剰エネルギーを一時的に貯蔵することであることを留意されたい。

[0036]参照される特許公報において論じられるように、生産されたＤＣ電気エネルギーに対する余剰エネルギーの推定比は、一般的な従来のＰＶ発電所の場合は０．５を超える。分析のために、ＰＶ発電所は１ＭＷ ＰＶ太陽光発電パネルストリングを有し、ＤＣ電力が、５０ヘルツであるグリッドおよび線間電圧３８０にＶＡＣ３相ＡＣ電力を提供するためにＡＣ電力に変換されると仮定する。この場合、１電力サイクルの継続時間は約０．０１秒に等しく、合計相電流は最大１，０００，０００／（３８０／１．７３２）であり、ここで、１．７３２は、３の平方根の値である。この比は、線間電圧に対するピーク電圧の比（３相ＡＣ電力における線間対位相電圧すなわち「相電圧」）である。この発電所のための電力サイクル内で余剰エネルギーと関連づけられた電荷を貯蔵することは、約８Ｖファラデー（０．５＊０．０１＊１，０００，０００／（３８０／１．７３２））の等価な電荷容量を必要とするであろう。ここで、「Ｖ」は、設計されたリザーバの充電前後の電圧差である。

[0037]このＰＶステーションのエネルギー利用を最大にするために、いくつかの実施形態では、ＭＥＵＰＴオプティマイザの動作電圧は、ＰＶ最大電力生産電圧の７５％以内であるべきである。言い換えれば、７５％最大電力生産の電圧範囲は、ＭＥＵＰＴオプティマイザのそれらの実施形態において観測されるべきである。測定されたＩ−Ｖデータは、一般的には、この範囲は約８０ボルトであることを示す。この電圧範囲が、エネルギーリザーバのための充電／放電電圧範囲（すなわち、Ｖ＝８０ボルト）として選定されたとき、エネルギーリザーバの電荷容量は、約０．１ファラデー／ＭＷ／電力サイクルである（ここで、 電力サイクルは０．０１秒持続する）。

[0038]設計考慮事項が、２分にわたって蓄積する余剰エネルギーのこの最大量を貯蔵することである場合、必要とされる等価な電荷容量は、１ＭＷ ＰＶ発電所の場合、１２００ファラデー（１００＊１２０＊０．１）に等しい。本明細書において、この必要とされる等価な電荷容量は「完全最大電荷容量」と呼ばれ、関連づけられたリザーバに貯蔵されたエネルギーの量は、「完全最大エネルギーリザーバ容量」、または「完全最大余剰エネルギー」と呼ばれる。

[0039]薄膜キャパシタを使用して、この必要とされた電荷容量を満たす場合、その電荷容量を達成するために必要とされる薄膜キャパシタのセットは、体積に関して極端に大きく、資本ではコストが非常に高い。したがって、薄膜キャパシタのみからなるそのようなエネルギーリザーバを設計することは実際的ではない。

[0040]この総当たり設計に対する工夫（ｔｗｉｓｔ）として、体積およびサイズを減少させるためにファラデーデバイス（バッテリなど）を設計に組み込むことができるであろう。本発明者らの慎重な分析は、必要とされる電荷容量は、実際には、薄膜キャパシタとファラデーデバイスとをもつエネルギーリザーバに関して技術的に管理可能であることを明らかにした。しかしながら、そのようなリザーバのコストは、同じ性能を維持しながらバッテリの価格が少なくとも３分の１に低下することができない限り、依然として高すぎて有益でない。

[0041]電解キャパシタを使用することによって、必要とされる資本コストを実質的に減少させることができる。しかしながら、そのようなことは、そのようなキャパシタの比較的短い寿命により動作コストを増加させるであろう。したがって、現在、電解キャパシタの使用も実際的でない。したがって、総当たり手段は、必要とされる完全最大エネルギーリザーバ容量を用いた経済的に有益な設計を達成しない。

[0042]本明細書においてについて説明する原理は、発明者によって観測された、以下のことを使用して、この問題を解決する。
（１）たいていの既存のＤＣ／ＡＣコンバータは、１秒で容易に３％逓増または逓減することができる。さらには、既存の５００ｋＷ ＤＣ／ＡＣコンバータは、動作中に１秒で容易に１０ｋＷ超逓増または逓減することができることができる。
（２）大まかな観察として、一般的な１ＭＷ ＰＶ発電所は、毎朝ゼロ電力から電力生産を開始し、その通常の毎日の動作では、まれに、１０ｋＷ／秒よりも速くその電力生産を逓増する。
（３）ＭＷレベルのＰＶ発電所（定格は１ＭＷよりも大きいとされる）は、時々、短い電力急増中に毎秒１０ｋＷよりも大きい逓増率を経験することがある。しかしながら、この短い急増に（または、より大きい毎秒１００ｋＷの急増にすら）含まれるエネルギーは、ＭＷレベル発電所において生産される合計毎日のエネルギーと比較したとき、小さい。

[0043]これらの３つのことから、本発明者らは、（１）太陽光発電パネルストリングの各々における発電は、毎朝ゼロから開始し、および（２）ＰＶ生成機は、完全電力を瞬時に生成しないと、決定した。したがって、残りの振動パワートレインは、その最大値まで瞬時に逓増しない。言い換えれば、残りの振動パワートレインは、一般的には、ＤＣ／ＡＣコンバータの逓増率よりもはるかにグレースフルに増加する。そのうえ、任意の短い逓増急増におけるエネルギーの量は、定格が１ＭＷ以上とされたＰＶステーションのためのエネルギー収集では、重要な問題でない。

[0044]したがって、余剰エネルギーの最大完全量を貯蔵することが可能であるエネルギーリザーバを設計する代わりに、本明細書において説明される原理は、リザーバへと入力された余剰エネルギーとＤＣ／ＡＣコンバータがリザーバから抽出するエネルギーとの差に等しい正味エネルギー量を（たとえば２分にわたって）貯蔵するようにリザーバを設計することを提案する。このエネルギーの量は、本明細書では、「最大差分余剰エネルギー」と呼ばれる。この最大差分余剰エネルギーの量は、最大完全余剰エネルギーよりもはるかに小さい。したがって、そのようなより小さいエネルギーリザーバを設計することは、より簡単である。これは、技術において管理可能であり、コスト効果も高い。

[0045]図１Ｂは、ＤＣ／ＡＣコンバータ１２０１Ｂによって取り出される電力を減ずる太陽電池ストリング１１００Ｂのセットから生産された電力ストリームから生じる余剰電力を貯蔵するエネルギーリザーバ１３００Ｂを記号的に示すブロック図を示す。同時に、別のＤＣ／ＡＣコンバータ１２０２Ｂは、ほぼ同じ量のＤＣエネルギーをエネルギーリザーバ１３００Ｂ（余剰電力を含む）から受け取るようにＭＥＵＰＴコントローラ１３１０Ｂによって支持される。ＤＣ／ＡＣコンバータ１２０１Ｂと１２０２Ｂの両方は同時に、受け取ったＤＣエネルギーをＡＣ電力に変換し、そのＡＣ電力を同じトランス１５００Ｂを通して同じグリッド１６００Ｂに提供する。そうする際、リザーバ１３００Ｂへの正味エネルギー貯蔵負荷は、図１Ａに示されるリザーバ１３００Ａの容量と比較したとき、非常に小さい容量に減少可能である。

[0046]図１Ｃは、図１Ｂに示された構成から修正されているが、図１Ｂに示される構成のほぼ同じ性能を有する構成を示す。図１Ｃに示されるように、エネルギーリザーバ１３００Ｃは、ダイオードセット１４００Ｃを通してＰＶ太陽電池ストリング１１００Ｃによって生産されたＤＣ電力ストリームを貯蔵する。２つのＤＣ／ＡＣコンバータ１２０１Ｃおよび１２０２Ｃは、ＰＶストリングによって生産されたＤＣエネルギー入力とほぼ等しい量で、エネルギーリザーバ１３００Ｃからほぼ同じ合計ＤＣ電力を（全体として）受け取るようにＭＥＵＰＴコントローラ１３１０Ｃによって指示される。したがって、リザーバ１３００Ｃの入力および出力に、非常に小さい正味電力入力バランスがある。１２０１Ｃと１２０２Ｃの両方は同時に、受け取ったＤＣ電力を、同じトランス１５００Ｃを通して同じグリッド１６００Ｂに提供されるＡＣ電力に変換する。

[0047]要約すると、図１Ｂに示されるように、（適切にデカップリングされるとき）エネルギーリザーバは、生産されたＤＣ電力がエネルギー抽出器（ＤＣ／ＡＣコンバータ１２０１Ｂのモジュールとして内蔵可能である）によって抽出された後に残る残りの振動パワートレインの形で余剰エネルギーを抽出および貯蔵することができる。他のＤＣ／ＡＣコンバータ１２０１Ｂは、リザーバに貯蔵される余剰エネルギーの正味量を減少させるために、エネルギーリザーバ１３００Ｂからほぼ等しい量のエネルギーを抽出するように設計される。したがって、比較的小さいリザーバが適切である。

[0048]図１Ｃにも示されるように、（適切にデカップリングされるとき）エネルギーリザーバ１３００Ｃは、すべての生産されたＤＣ電力をＰＶストリング１１００Ｃから受け取ることができる。次いで、振動パワートレインはＤＣ／ＡＣコンバータ１２０１Ｃおよび１２０２Ｃによって抽出されるが、余剰エネルギー（残った電力）も、９０°位相がずれた残りの振動パワートレインの形でエネルギーリザーバ１３００Ｃ内に暗黙的に貯蔵される。わかるように、この余剰エネルギーも、暗黙的に自動的に抽出され、リザーバ１３００Ｃに貯蔵される。

[0049]図１Ｂ（または図１Ｃ）に示される設計のどちらかを適用すると、設計されたエネルギーリザーバは、ＭＥＵＰＴオプティマイザを目的としたエネルギーリザーバとして働くことができる。これは、９０°位相がずれた少量の正味余剰エネルギーを一時的に貯蔵する。エネルギーリザーバ設計の厳しいタスクは、次に、適切なＭＥＵＰＴコントローラを設計するタスクにシフトされる。

[0050]セクション５：ＭＥＵＰＴコントローラの必要な機能
[0051]コントローラは、リザーバに充電する余剰電力における量に実質的に等しい適切な量のエネルギーをリザーバから一貫して取り出すように、関連づけられたＤＣ／ＡＣコンバータに指示することが可能であるべきである。そうする際、リザーバへのエネルギー貯蔵の正味量を最小にし、システム動作を安定させるためにリザーバ内の適切なバランスのとれたエネルギー貯蔵を維持することができる。そうするとき、エネルギーリザーバは、充電する余剰電力と短い時間継続期間ＤＣ／ＡＣコンバータによって取り出された電力とのエネルギー差を貯蔵する（または提供する）だけでよい。

[0052]可能なコントローラを用いると、エネルギー差は、管理可能に小さいように設計可能である。時間継続期間は、余剰エネルギーを合致する際にＤＣ／ＡＣコンバータに対して逓増または逓減するのに十分なほど長く、システム動作を依然として安定して保ちながらリザーバの容量を著しく減少させるのに十分なほど短いように設計可能である。したがって、推定されるリザーバの容量は、最大完全余剰エネルギーの容量の０．００１倍未満になるように減少させることができる。この容量は、１ＭＷ ＰＶ発電所あたり２ファラデー未満であり、薄膜キャパシタを使用する場合ですら管理可能な電荷容量である。適切なＭＥＵＰＴコントローラの一例は、以下で、以下のセクション１２〜１４に関して説明される。

[0053]セクション６：キャパシタ／バッテリ複合エネルギーリザーバ
[0054]別の問題は、良好な薄膜キャパシタは、依然としてその元の容量の８０パーセント超を保ちながら１０〜１５年間続くことができるが、良好なバッテリは、５年未満続き、その時間の後でその電荷容量のほぼ７０パーセントを有することができることである。したがって、経済コストを最適化するために、注意深い設計バランスが提案される。そのうえ、リザーバ内のエネルギーの量は、常に動作を安定させるのに十分なほど大きくあるべきである。設計シミュレーションは、薄膜キャパシタおよびバッテリの現在の価格では、１ＭＷ ＰＶステーションに対する一般的な２０年の最適エネルギーリザーバ設計は、適切な動作電圧をもつ約５０アンペア時自動バッテリストリングと組み合わされた０．１〜１ファラデー薄膜キャパシタを用いた設計であることを示す。

[0055]セクション７：ＰＶストリング内の相互電力消滅を防止する
[0056]上記で説明されたように、図１Ｂおよび図１Ｃにおいて適用されるデカップリング技法は、太陽光発電パネルのストリングがエネルギーリザーバを充電することを可能にするが、電力がリザーバからＰＶ太陽電池ストリングへと逆流するのを防止する。デカップリングダイオードセットを適切に適用するとき、この技法は、リザーバからＰＶ太陽光発電パネルストリングを通ってのエネルギー漏洩を防止するだけでなく、本発明者らによって発見された現象も防止することができる。この現象は、本明細書では、「ＰＶストリング間の相互電力消滅現象」、「相互電力消滅現象」、または「電力消滅現象」と呼ばれる。

[0057]この現象は、並列接続されたいくつかのＰＶストリングが、生産された電力を収集するときに、発生する。この現象は特に、非常に異なるＩ−Ｖ特性、光電変換効率、および／または最大電力生産電圧を有する並列接続されたＰＶストリングのときに、顕著である。

[0058]たとえば、すべてよりも少ないストリング内のすべてよりも少ない太陽光発電パネルが影とともにキャストされたとき、影の中にあるストリングは、影の外部にある光電変換効率よりも低い光電変換効率を有する。言い換えれば、これらの太陽電池ストリングは、影の異なるキャスティングにより、一日の同じ時刻ですら非常に異なるＩ−Ｖ特性を有するであろう。これらの太陽電池ストリングが並列に接続されるとき、高効率のストリングは、ＰＶ太陽電池ストリング内での電力生産を中断させるために、生産された電力の一部を、より低効率の太陽電池ストリングに放電することができる。発明者らは、この現象を実験的に確認した。実験は、この現象は、ＰＶ太陽電池ストリングが適切にデカップリングされるとき、防止可能であることも示す。

[0059]そのうえ、電力消滅現象は、並列接続されたＰＶストリングが非常に異なる最大電力生産電圧を有するときにも発生することがある。たとえば、１つは１５のストリング化された太陽光発電パネルを有し、もう１つは１９のストリング化された太陽光発電パネルを有する、並列接続された２つの太陽光発電パネルストリングがあると仮定する。１９のパネルをもつストリング内で生成された電力は、１５のパネルをもつストリングを決定的に流れ、電力消滅現象が発生する。実験は、上記の並列接続された２つのストリングから受け取った電力は、１９のパネルをもつストリングのみによって生産された電力の半分未満に減少することがあることを示す。適切にデカップリングされるとき、上記の２つの並列接続されたストリングから受け取った電力は、１９のパネルをもつストリングのみによって生産された電力の約１．５３倍に回復することができる。上記で説明された実験は、（ａ）相互電力消滅現象が存在することと、（ｂ）適切にデカップリングする技法は、この現象を防止することができることを示す。

[0060]他の１つの実験では、ＰＶプラントは、２つの電力生産ユニットを有するように配置された。各ユニットは、同じ製造業者およびモデルの８５の太陽光発電パネルからなる。２つの電力生産ユニットの各々は、生産されたＤＣエネルギーを収集するために、５つの並列接続されたＰＶストリングをもつように構成された。２つのＰＶストリングは、直列接続された１５のパネルと、直列接続された１７のパネルをもつ２つのストリングと、直列接続された２１のパネルをもつ別のストリングとをもつように構成された。これらの１０のストリングの最大電力生産電圧が、空が晴れた正午に別々に測定されるとき、最大電力生産電圧は、最低で４２０ボルト〜最高で６１０ボルトの範囲にある。したがって、これらの並列接続されたＰＶ太陽電池ストリングは、同じ晴れた空の下で非常に異なる最大電力生産電圧を有する。

[0061]電力生産ユニットの各々は、異なるＤＣ／ＡＣコンバータを介して、収集されたＤＣ電力をＡＣ電力に変換する。各生産ユニット内で生産されたエネルギーおよび電力を測定するために、キロワット時計およびワット計が、各生産ユニットのＤＣ／ＡＣコンバータの各々のＡＣ出力に接続された。次いで、これらのユニットが、ＡＣ電力をグリッドに提供するために、トランスに接続された。３６日の期間にわたる２つの電力計の７２の同一の示度があり、この３６日の期間の終了時に場合２つのキロワット時計の同一の示度がある場合、これらの２つの電力生産ユニット内のすべての要素（計器の２つのセットを含む）が実質的に同一であったことが確認される。

[0062]次いで、一方の電力生産ユニットは、２１のパネル（と使用されない１つのパネル）の４つのストリングをもつように構成されるように修正され、他方の電力生産ユニットは、上記で説明された５つのストリングから変更されないままであった。修正された電力生産ユニットの測定される電力生産は、一般的には、空が晴れた正午において、他方の電力生産ユニットの電力生産の４．１倍よりも大きかった。次いで、６０日の、提供された蓄積されたエネルギーを測定した。このエネルギーは、２つのキロワット時計の示度から得られた。修正された電力生産ユニットは、修正されていない電力生産ユニットのエネルギーの３．３８倍のエネルギーをグリッドに提供した。上記の実験は、相互電力消滅現象は並列接続されたＰＶストリング内で、特に、非常に異なるＩ−Ｖ特性または非常に異なる最大電力電圧を有するストリングとともに、実際に存在することを明確かつ決定的に証明した。

[0063]結論として、本明細書において説明される原理による適切なデカップリング技法は、エネルギーリザーバから太陽電池ストリングを通るエネルギー漏洩を防止することができ、ＰＶストリング間での発見された相互電力消滅現象も防止することができる。

[0064]セクション８：余剰エネルギーの存在を証明する実験
[0065]ＭＥＵＰＴオプティマイザの設計について説明する前に、このセクションでは、そのようなＰＶ発電所内での余剰エネルギーの存在を最終的に証明する実験について説明する。これは、参照される特許公報、ＵＳ２０１６／００３６２３２およびＵＳ２０１７／０１４９２５０ Ａ１によって予測される。繰り返しになるが、参照される特許公報は、余剰エネルギーを、生産されたが熱に変えられる前に抽出および／または利用されない電気エネルギーと定義する。具体的には、ＰＶ発電所内で、「余剰エネルギー」は、生産されたＤＣエネルギーが３相ＤＣ／ＡＣコンバータによって抽出されＡＣ電力に変換された後で存在する残った電気エネルギーを含む。ＭＥＵＰＴオプティマイザは、この残った電気エネルギーすなわち余剰エネルギーを捕捉／利用するように設計可能である。以下では、実験セットアップおよび実験の段階的な実行について説明する。

[0066]図２Ａは、２つのＡＣ電力生産ユニット２１００Ａと２２００Ａとを備えるＰＶ発電所２０００Ａの開始セットアップを示す。ＡＣ電力生産ユニット２１００Ａおよび２２００Ａの各々は、ブラインドＭＰＰＴ確認を実施し、３相ＡＣ電力を電力グリッド２６００Ａに提供する。ＡＣ電力生産ユニット２１００Ａは、ＤＣ発電機２１１０Ａと、３相ＤＣ／ＡＣ（１５ｋＷ）コンバータ２１３０Ａとからなる。ＡＣ電力生産ユニット２２００Ａは、ＤＣ発電機２２２０Ａと、３相ＤＣ／ＡＣ（１５ｋＷ）コンバータ２２３０Ａとからなる。発電機２１１０Ａは、２つの並列接続されたＰＶストリング２１１１Ａおよび２１１２Ａを使用して、ＤＣ電気を生成する。発電２２２０Ａは、別の２つの並列接続された太陽電池ストリング２２２１Ａおよび２２２２Ａを使用して、ＤＣ電気を生成する。４つのＰＶストリングの各々は、２５の直列接続された太陽光発電パネルからなる。各パネルは、空の晴れた正午に２５０Ｗの電力を生産することが可能である。

[0067]ＤＣ発電機２１１０Ａは、ＤＣ電力を３相ＤＣ／ＡＣコンバータ２１３０Ａに供給する。ＤＣ発電機２２２０Ａは、ＤＣ電力を３相ＤＣ／ＡＣコンバータ２２３０Ａに供給する。次いで、これらの２つのコンバータ２１３０Ａおよび２２３０Ａは、供給されたＤＣ電力を３相ＡＣ電力に変換する。実験では、電力生産ユニット２１００Ａおよび２２００ＡのＡＣ出力電力はそれぞれ、２つの３相ＡＣワット計（ｋＷ単位）２３５１Ａおよび２３５２Ａによって測定された。これらの２つの電力生産ユニット２１００Ａおよび２２００ＡのＡＣエネルギー生産量（ｋＷ＊時間単位）もそれぞれ、２つのｋＷ時計２３６１Ａおよび２３６２Ａによって測定された。次いで、生産された３相ＡＣ電力は、トランス２５００Ａを介してグリッド２６００Ａに提供された。ＰＶ発電所が動作させられ、２つのＡＣ電力生産ユニット２１００Ａおよび２２００Ａのエネルギー生産量が７日間測定された。

[0068]２つのｋＷ時計の示度は、この時間期間中、毎日等しい値を示した。このことは、これらの２つの電力生産ユニット２１００Ａおよび２２００Ａのすべての要素（測定用機器の２つのセットを含む）が実質的に同一であるという高い信頼性を提供する。このステップの後、２つのＡＣ電力生産ユニットのうちの一方２２００Ａは、変更されずに保たれたが、他方のＡＣ電力生産ユニット２１００Ａは、図２Ｂの左側に示される異なる構成２１００Ｂをもつように修正された。

[0069]図２Ｂの電力生産ユニット２２００Ｂは、修正されていない、図２Ａの電力生産ユニット２２００Ａである。また、図２Ｂの要素２３５１Ｂ、２３６１Ｂ、２３５２Ｂ、２３６２Ｂ、２５００Ｂ、２６００Ｂはそれぞれ、図２Ａの要素２３５１Ａ、２３６１Ａ、２３５２Ａ、２３６２Ａ、２５００Ａ、２６００Ａと同じである。そのうえ、電力生産ユニット２１００Ｂの構成は、図２Ｂでは図２Ａの電力生産ユニット２１００Ａと異なるが、図２Ｂの電力生産ユニット２１００Ｂの要素のうちのいくつかは、図２Ａの電力生産ユニット２１００Ａ内に含まれる要素と同じである。たとえば、図２のＰＶストリング２１１１Ｂおよび２１１２Ｂはそれぞれ、図２ＡのＰＶストリング２１１１Ａおよび２１１２Ａと同じである。同様に、図２ＢのＤＣ／ＡＣコンバータ２１３０Ｂは、図２ＡのＤＣ／ＡＣコンバータ２１３０Ａと同じである。

[0070]以下の６つのステップは、どのように電力生産ユニット２１００Ａが２１００Ｂの構成に修正されたかについて説明し、図２Ｂの左側を参照しながら説明される。ステップ１は、太陽電池ストリング２１１１Ｂおよび２１１２Ｂと３相ＤＣ／ＡＣコンバータ２１３０Ｂの間にデカップリングダイオード２３１１Ｂのセットを追加することであり、これは、ブラインドＭＰＰＴ確認を実施している。ステップ２は、エネルギーリザーバ２４１０Ｂを構成に追加することであった。ステップ３は、デカップリングダイオード２３１２Ｂの別のセットを通して、およびＳＷ１スイッチを通して、エネルギーリザーバ２４１０ＢをＤＣ／ＡＣコンバータ２１３０ＢのＤＣ端子に接続することであった。ステップ４は、別の３相ＤＣ／ＡＣコンバータ２１３０Ｓ（２０ｋＷ）を構成に追加することであった。コンバータ２１３０Ｓは、設計されたＭＥＵＰＴコントローラ２４２０Ｂの方向に従って動作させられた。ステップ５は、デカップリングダイオード２３１３Ｂの別のセットを通して、およびスイッチＳＷ２を通して、ＤＣ／ＡＣコンバータ２１３０Ｓをエネルギーリザーバ２４１０Ｂに接続することであった。ステップ６は、スイッチＳＷ３を通して、コンバータ２１３０Ｓの出力端子を電力およびエネルギー測定機器セット２３５１Ｂおよび２３６１Ｂに接続することであった。参照される「デカップリングダイオードセット」は、当技術分野で「ブロッキングダイオード」と呼ばれるダイオードであってよいことに留意されたい。スイッチＳＷ１、ＳＷ２、およびＳＷ３は図１Ｂに示されるように追加され、したがって、関連デバイスが、以下で説明される設計された実験実行ステップにおいて適切なときに実験に導入（または、これから除去）可能であることにも留意されたい。

[0071]上記の修正が行われた後の最初の晩。ＳＷ１はオンにされたが、スイッチＳＷ２およびＳＷ３はオフにされた。コンバータ２１３０Ｂおよび２２３０Ｂは、翌日の朝早くに動作し始めた。電力生産ユニット２１００Ｂおよび２２００Ｂの２つの出力を測定する電力計２３５１Ｂおよび２３５２Ｂは、同じ示度を示した。リザーバ２４１０Ｂも、リザーバ２４１０Ｂの高い端子電圧の測定によって示されるように充電し始める。システムは、第１日は終日、説明されたように動作した。２つの電力生産ユニット２１００Ｂおよび２２００Ｂから提供された測定されたエネルギーは、ｋＷ時計２３６１Ｂおよび２３６２Ｂの示度に示されるように、等しかった。この実験ステップは、追加されたデカップリングダイオードセット２３１１Ｂおよびリザーバ２４１０Ｂが、電力生産ユニット２１００Ｂの電力およびエネルギーの生産量を変更しなかったことを示した。

[0072]スイッチＳＷ１、ＳＷ２、およびＳＷ３は、第１の動作日の後の夜（第２の夜）にオンにされた。コンバータ２１３０Ｂおよび２２３０Ｂは、早朝（第２の日）に動作し始め、コンバータ２１３０Ｓは、コンバータ２１３０Ｂおよび２２３０Ｂが動作し始めた約１５分後に、より低い電力変換レベルで動作し始めた。その後、コンバータ２１３０は、その変換電力レベルを約２分ごとに増加させた。これは、コントローラ設計およびリザーバエネルギーレベルの増分と一致する。電力計２３５１Ｂ（ユニット２１００Ｂのための）の示度は、一日中、ほぼ日没まで、電力計２３５２Ｂ（ユニット２２００Ｂのための）の示度の約２倍に達した。第２日の終了まで２つの電力生産ユニット２１００Ｂおよび２２００Ｂから提供されるエネルギーは、２つのｋＷ時計の示度から得られた。結果は、修正された電力生産ユニット２１００Ｂから提供されるエネルギーは、修正されていない電力生産ユニット２２００Ｂから提供されるエネルギーの２倍よりも大きかったことを示した。続く６日間連続で、スイッチＳＷ１、ＳＷ２およびＳＷ３はオンのままであり、修正された電力生産ユニット２１００Ｂから提供されるエネルギーは、一貫して毎日、電力生産ユニット２２００Ｂのエネルギーの２倍よりも大きかった。

[0073]次の晩、スイッチＳＷ２およびＳＷ３がオフにされた。電力生産ユニット２１００Ｂおよび２２００Ｂから提供される測定されるエネルギーは、スイッチＳＷ２およびＳＷ３がオフにされたままで、続く５日間連続で同じレベルに戻った。次の晩、スイッチＳＷ２およびＳＷ３は再びオンにされた。電力生産ユニット２１００Ｂの測定されるエネルギー生産量は再び、スイッチＳＷ２およびＳＷ３がオンのままで、続く５日間連続で毎日、電力生産ユニット２２００Ｂのエネルギー生産量の２倍よりも大きくなった。

[0074]上記で説明されたように、この実験の段階的な実行は、参照される特許公報（ＵＳ２０１６／００３６２３２およびＵＳ２０１７／０１４９２５０ Ａ１）が予測したように、ＰＶ発電所内での参照される余剰エネルギーの存在を決定的に証明する。具体的には、ＰＶ発電所内で、生産されたＤＣエネルギーが３相ＤＣ／ＡＣコンバータによって抽出されるとき、残ったエネルギーは依然として存在する。ＭＥＵＰＴオプティマイザは、この余剰エネルギーを捕捉および利用して、電力グリッドに提供される電気を増加させることができる。

[0075]セクション９：設計されたＭＥＵＰＴオプティマイザの構成
[0076]修正された発電ユニット２１００Ｂ（上記で説明され、図２Ｂに示される）は、ＭＥＵＰＴオプティマイザを組み込んだＰＶ発電ユニットの一例として働くことができる。この場合、ＭＥＵＰＴオプティマイザは、３つのデカップリングダイオードセット２３１１Ｂ、２３１２Ｂ、および２３１３Ｂと、リザーバ２１４０Ｂと、ＭＥＵＰＴコントローラ２３２０Ｂとを備える。以下では、デカップリングダイオードセットは「デカップリングデバイス」と呼ばれることに注意されたい。

[0077]ＭＥＵＰＴオプティマイザモジュールの接続は、図２Ｂに示され、上記で説明されている。余剰エネルギーは、この実施形態では、エネルギーリザーバ２４１０Ｂによって受動的に抽出されることに留意されたい。別の電力抽出器は、３相ＤＣ／ＡＣインバータ２１３０Ｓ内にモジュールとして含まれ、３相ＤＣ／ＡＣインバータ２１３０Ｓは、リザーバ２４１０Ｂ内に貯蔵された余剰エネルギーを抽出する。コンバータ２１３０ＳのＡＣ電力変換レベルは、エネルギーリザーバ２４１０Ｂへの電力充電が、エネルギーリザーバ２４１０Ｂから放電された電力とほぼバランスがとれているように、ＭＥＵＰＴコントローラ２３２０Ｂによって調節される。したがって、期間内にリザーバに充電される「正味」電力は、好きなだけ小さくすることができる。より小さい電力充電は、ＭＥＵＰＴコントローラ２３２０Ｂによるより厳密な制御を犠牲にして、より小さいエネルギーリザーバ２４１０Ｂを可能にする利益を有する。

[0078]別の実施形態が図３に示されている。この実施形態は、５００ｋＷ太陽光発電パネル３１１０を使用して太陽光電力をＤＣ電力に変換する１つのＡＣ電力生産ユニット３１００のみを備えるＭＥＵＰＴオプティマイザを組み込んだＰＶ発電所３０００の構成を示す。言い換えれば、ＡＣ電力生産ユニット３１００は、ＤＣ発電機３１１０と、３相ＤＣ／ＡＣ（５００ｋＷ）コンバータ３１３０とからなる。発電機３１１０は、８０の並列接続された太陽電池ストリングを使用して、ＤＣ電気を生成する。８０の太陽電池ストリングの各々は、２５の並列接続された太陽光発電パネルからなる。各パネルは、空の晴れた正午に２５０ＷのＤＣ電力生産能力を有するように公表される。このＤＣ生成機３１１０は、５００ｋＷ電気発電機（８０＊２５＊２５０Ｗ＝５００ｋＷ）と呼ばれ、このＰＶ発電所は５００ｋＷ ＰＶ発電所と呼ばれることに留意されたい。

[0079]図３に示されるように、発電機３１１０は、デカップリングデバイス３３１１を通して３相ＤＣ／ＡＣコンバータ３１３０（公表５００ｋＷをもつ）にＤＣ電力を供給する。生成機３１１０は、デカップリングデバイス３３１２を通してエネルギーリザーバ３４１０にもＤＣ電力を供給し、エネルギーリザーバ３４１０を充電するＤＣエネルギー源としてのサーバ。したがって、余剰エネルギーは、リザーバ３４１０によって受動的に抽出される。次いで、リザーバ３４１０は、デカップリングデバイス３３１３を通して別の３相ＤＣ／ＡＣコンバータ３１３０Ｓ（公表５００ｋＷをもつ）にＤＣ電力を供給（または放電）する。コンバータ３１３０はＭＰＰＴオプティマイザとして動作し、コンバータ３１３０ＳはＭＥＵＰＴコントローラとして動作する。コンバータ３１３０および３１３０Ｓは、別々に供給されたＤＣ電力を３相ＡＣ電力に変換し、同じトランス３５００を介してグリッド３６００に給電するために配送する。

[0080]上記の説明において使用されるＤＣ／ＡＣコンバータは、２つのタイプ、すなわち、ＰＶ太陽電池ストリングから直接的にそのＤＣ電力を受け取る１つのタイプと、エネルギーリザーバからそのＤＣ電力を受け取るもう１つのタイプに分類可能であることに注意されたい。コンバータのタイプの区別が、本開示および以下の詳細な説明において必要であるとき、本明細書において、ＰＶ太陽電池ストリングからＤＣ電力を受け取るタイプは、「ＰＳ ＤＣ／ＡＣコンバータ」とも呼ばれ、エネルギーリザーバからＤＣ電力を受け取る他方のタイプは、「ＥＲ ＤＣ／ＡＣコンバータ」とも呼ばれる。その差異が、本開示において３相ＤＣ／ＡＣコンバータを使用する場合に必要であるとき、コンバータはそれぞれ、本明細書において、分類され、「ＰＳ３相ＤＣ／ＡＣコンバータ」および「ＥＲ３相ＤＣ／ＡＣコンバータ」と呼ばれる。

[0081]より広いレベルでの繰り返しになるが、図４に示される構成が示すように、このＭＥＵＰＴオプティマイザは、定格されたｘ ＭＷ発電能力をもつ太陽光発電パネルストリングを適切に配置したｘ ＭＷ ＰＶ発電所に最適化サービスを提供する。生産されたＤＣ電力は、製造業者公表ｙ ＭＷ「ＰＳ３相ＤＣ／ＡＣコンバータ」４１３０によって、デカップルデバイス４３１１を通して抽出される。残った電力は、別のデカップリングデバイス４３１２を通してエネルギーリザーバ４４１０に充電され、したがって、余剰エネルギーを抽出および貯蔵する。次いで、貯蔵された余剰エネルギーは、別のデカップリングデバイスを通して、別の製造業者公表ｚ ＭＷ「ＥＲ３相ＤＣ／ＡＣコンバータ」４１３０Ｓによって変換される。コンバータ４１３０のうちの１つはＭＰＰＴオプティマイザによって調節され、他のコンバータ４１３０ＳはＭＥＵＰＴコントローラによって調節される。両方のコンバータは、適切な量のＤＣ電力を３相ＡＣ電力に変換し、その３相ＡＣ電力を、同じトランス４５００を介して電力グリッド４６００に提供する。この構成では、ｘ＝ｙ＝ｚ＝０．５であることに注意されたい。

[0082]図５は、大規模ＰＶ発電所内にＭＥＵＰＴオプティマイザを組み込んだ別の実施形態を示した。発電所は、定格０．５ＭＷの太陽光発電パネルストリング５１１０と、２つの公表５００ｋＷ３相ＤＣ／ＡＣコンバータ５１３０および５１３０Ｓとを装備する。この実施形態は、ＭＥＵＰＴオプティマイザのための別の構成を示す。ＰＶ発電所５０００は、１つのＡＣ電力生産ユニット（以下では「ＡＣ電力生産ユニット５１００」とも呼ばれる）を備えると考えられ得る。ＡＣ電力生産ユニット５１００は、定格５００ｋＷ太陽光発電パネルからなるＤＣ発電機５１１０と、２つの３相ＤＣ／ＡＣ（各々５００ｋＷと公表された）コンバータ５１３０および５１３０Ｓとからなる。発電機５１１０は、ＤＣ電気を生成する、８０の並列接続された太陽電池ストリングを使用する。８０の太陽電池ストリングの各々は、２５の並列接続された太陽光発電パネルからなる。各太陽光発電パネルは、定格が、２５０ＷのＤＣ電力生産能力を有するとされる。エネルギーリザーバ５４１０は、生成機５１１０からデカップリングデバイス５３１１を通してＤＣ電力を受け取る。２つの３相ＤＣ／ＡＣコンバータ５１３０および５１３０Ｓは、コンバータ５１３０のためのデカップリングデバイス５３１２とコンバータ５１３０Ｓのためのデカップリングデバイス５３１３とを含む２つの別個のデカップリングデバイスを通して、リザーバ５４１０からＤＣ電力を受け取る。コンバータ５１３０および５１３０Ｓは、トランス５５００を介して電力グリッド５６００に提供するために適切な量の電力をリザーバ５４１０から取り出し、ＤＣ電力を３相ＡＣ電力に変換するように、ＭＥＵＰＴコントローラによって調節される。

[0083]図５に示される構成についてより広く詳述するために、ＭＥＵＰＴオプティマイザは、ｘ ＭＷ ＰＶ発電所に最適化サービスを提供する。このＰＶ発電所は、合計定格ＤＣ発電能力ｘ ＭＷを有する太陽光発電パネルストリングをもつ１つのＡＣ電力生産ユニットを有する。ＤＣ生成機は、デカップリングデバイスを通してエネルギーリザーバを充電する。エネルギーリザーバは、デカップリングデバイスの２つの別個のセットを通して、２つの３相ＤＣ／ＡＣコンバータにＤＣ電気を供給する。２つの「ＥＲ３相ＤＣ／ＡＣコンバータ」の合計製造業者公表変換能力は、ｚ_１＋ｚ_２＝ｚ ＭＷである。２つのコンバータは、適切な量のＤＣ電力を３相ＡＣ電力に変換するようにＭＥＵＰＴコントローラによって調節される。２つのコンバータによって生産された電気は、同じトランスを介して電力グリッドに提供される。上記で説明された構成は、改正であり、図６に示されている。この構成では、ｘ＝０．５、ｙ＝０、ｚ＝１であることに注意されたい。

[0084]本明細書は、ここで、図４および図６に示された２つの構成を比較する。図４に示される構成では、ＤＣ生成機は、製造業者公表ｙ ＭＷの能力をもつ「ＰＳ３相ＤＣ／ＡＣコンバータ」にＤＣ電力を供給し、残った電力をエネルギーリザーバに充電する。図４では、エネルギーリザーバは、製造業者公表ｚ ＭＷの能力をもつ「ＥＲ３相ＤＣ／ＡＣコンバータ」にＤＣ電力を供給する。図６に示された構成に「ＰＳ３相ＤＣ／ＡＣコンバータ」がない（すなわち、ｙ＝０）と、生成されるＤＣ電力は、デカップリングデバイスを通してエネルギーリザーバに充電し、エネルギーリザーバは、デカップリングデバイスの２つの別個のセットを通して２つの「ＥＲ３相ＤＣ／ＡＣコンバータ」にＤＣ電気を供給する。したがって、図３の構成ではｘ＝ｙ＝ｚ＝０．５であり、図６の構成ではｘ＝０．５、ｙ＝０、ｚ＝１である。図６のさらなる一実施形態では、エネルギーリザーバ６４１０はない。その代わりに、太陽電池ストリング６１１０は、デカップリングデバイス６３１１を介してコンバータ６１３０にＤＣ電力を提供する。

[0085]次に、ＭＥＵＰＴオプティマイザに関する唯一の残りの設計問題は、太陽電池ストリングの定格能力を表すパラメータとコンバータのパラメータとの最適電力合致関係を識別することである。具体的には、タスクは、最適状況においてｘ、ｙ、およびｚの値の間の関係を識別することである。注意として、和ｙ＋ｚの値は、セクション２において説明されるように、従来のＰＶ発電所では値ｘより大きくない。

[0086]値ｘは、ＰＶストリングの定格ＤＣ電力生産能力のＭＷ値に対して指定され、値ｙは、ＰＶストリングによって供給されるＤＣエネルギーを変換する「ＰＳ３相ＤＣ／ＡＣコンバータ」の製造業者公表能力の合計ＭＷ値に対して指定され、値ｚは、エネルギーリザーバによって供給されるＤＣエネルギーを変換する「ＥＲ３相ＤＣ／ＡＣコンバータ」の製造業者公表能力の合計ＭＷ値に対して指定されることにも注意されたい。

[0087]たとえば図６では、ｘは０．５、すなわち、０．５ＭＷ製造業者の公表合計ＰＶ能力に等しい。ｙは、「ＰＳ３相ＤＣ／ＡＣコンバータ」が設置されていないことを意味する０に等しい。ｚは１に等しく、これは、２つの「ＥＲ３相ＤＣ／ＡＣコンバータ」の１ＭＷ合計製造業者の公表能力が、エネルギーリザーバからＤＣ電力を受け取り、ＤＣエネルギーを３相ＡＣ電力に変換するために組み込まれることを意味する。ｙ＋ｚの値は、上記で説明された構成の両方においてｘ値の値の２倍より小さくないことに留意されたい。「能力」という用語は、デバイスの「電力定格」とも呼ばれ、別段に示されない限り、互換である。

[0088]セクション１０：最適電力合致関係。
[0089]異なる規律（業界）により、太陽光発電パネルのための電力定格の定義は、ＤＣ／ＡＣコンバータの定義とは異なる。太陽光発電パネルの電力定格は、太陽光発電パネルが空の晴れた正午に生産可能である最大ＤＣ電力と定義される。太陽光発電パネル製造業界は、所定のタイプの照明ランプ（本明細書では「標準ランプ」と呼ばれる）を使用して、晴れた空をシミュレートする。正午は、太陽光ペナル表面を通って光束を垂直に照明することによってシミュレートされる。したがって、製造業者公表電力生産能力は、実際のＤＣ生成機の能力に非常に近いことがある。発明者らによって実行された実験も、上記の記述を確認する。したがって、ＰＶ太陽電池ストリングの合計ＤＣ発電能力は、信用できると判定される。「製造業者公表能力」という肩書きは、太陽電池ストリングの電力定格について説明するとき、本明細書では省略される。一方、ＤＣ／ＡＣコンバータ製造業界は、本明細書では「電力グリッド慣習」と呼ばれる、電力グリッド業界の慣習に従って、ＤＣ／ＡＣコンバータの電力定格を定義する。ＤＣ／ＡＣコンバータ能力のこの慣習および定義は、以下のように詳述される。

[0090]ＡＣ電力グリッド業界は、構築された３相ＡＣ電力グリッドが、公表電力配送能力を満たすことができることを保証するために、慣習（電力グリッド慣習と呼ばれる）を施行する。３相ＡＣ電力グリッドは、電力線の各ペアにおいて電圧および電流の経時的に変化する正弦波関数を１つの位相として配送することができる３つまたは４つの電力線からなる。電力グリッド慣習は、規格で電力線が耐える「標準」最大電圧（「線間電圧」と呼ばれる）と公表される電圧を定義する。同様に、規格で公表される指定された最大電流は、電力線が運ぶ最大電流（「最大相電流」と呼ばれる）である。デバイスが、電力グリッド慣習に従うように製造されるとき、デバイスの規格で公表される電圧は、すべての関連構成要素が耐えるべきである最大電圧である。同様に、規格で公表される最大電流は、電力線の１つのペアに接続する、１つの位相のすべての関連構成要素のための最大通電能力である。デバイスの電圧および電流の経時的に変化する関数も、ＡＣ電力グリッド内の各位相の正弦波関数に従う必要がある。

[0091]繰り返しになるが、３相ＤＣ／ＡＣコンバータの指定された電圧は、３相電力の線間電圧と定義される。指定された最大電流は、各位相に対する電力線のペアの最大通電能力と定義される。指定された最大電力は、３つの位相が耐えることができる最大電力能力の総計と定義される。言い換えれば、電力グリッド慣習に従うとき、各位相の電力線および接続された電力デバイスは、指定された最大電力の３分の１（１／３）を送ることが可能であるべきであり、他の手段で言えば、３相ＤＣ／ＡＣコンバータの「製造業者公表電力定格」は３＊Ｕ＊Ｉであり、ここで、Ｕは相電圧、Ｉは相電流である。電力線の各ペアは、Ｕ＊Ｉ電力、すなわち「製造業者公表電力定格」の１／３を配送することが可能である。電力線のペアに接続する各モジュールも、電力グリッド慣習に従うとき、公表された指定された電力定格の１／３を運ぶまたは配送することが必要とされる。

[0092]たとえば、「ＡＣ電圧＝３１５ＶＡＣ、最大電流＝９１６アンペア、および最大電力出力＝５００ｋＷ」を指定する３相ＤＣ／ＡＣコンバータを一例とする。「ＡＣ電圧＝３１５ＶＡＣ」という指定は、「このコンバータの出力線間電圧は３１５ボルトである」と読まれるべきである。または、３相のバランスがとれているとき、あらゆる位相の相電圧Ｕは、Ｕ＝３１５／１．７３２＝１８１．９ボルトである（ここで、１．７３２は、相電圧に対する線間電圧の比である、３の平方根である）。指定された「最大電流＝９１６アンペア」は、各位相における電力線およびすべての構成要素が、Ｉ＝９１６アンペアの通電能力を保証するように設計されると、読まれるべきである。指定される「最大電力出力＝５００ｋＷ」は、各ＤＣ／ＡＣ変換相のすべての構成要素の最大電力変換および配送能力＝Ｕ＊１＝１８１．９＊９１６＝５００／３ＫＷであり、３つの変換相における関連モジュールの合計最大電力変換および配送能力は、各相の和すなわち３＊Ｕ＊Ｉ＝３＊１８１．９＊９１６＝５００ｋＷであり、これは、前の段落で述べられた電力グリッド慣習に従うとき、定義された「製造業者公表電力定格」＝３＊Ｕ＊Ｉである、と理解されるべきである。

[0093]３相ＤＣ／ＡＣコンバータにおける３つの相は、１２０°の位相差を有するように厳密に相関される。言い換えれば、電力線の１つのペア（位相）は、Ｕ＊Ｉ ｓｉｎ^２（ωｔ）という経時的に変化する電力を配送する。第２の位相は、Ｕ＊Ｉ ｓｉｎ^２（ωｔ＋１２０°）という経時的に変化する電力を配送し、第３の位相は、Ｕ＊Ｉ ｓｉｎ^２（ωｔ−１２０°）という経時的に変化する電力を配送する。３つの位相の電力線の各ペアは、厳密な相関をもつ互いに関連する３つの振動ＡＣパワートレインを配送する。電力変換容量Ｐ（ｔ）は、定義された「製造業者公表電力定格」に等しくないことに留意されたい。電力変換容量Ｐ（ｔ）は、時間の関数として表され、定義された３相ＡＣ電力制限に従って得られる。

[0094]言い換えれば、ＤＣ／ＡＣ電力変換容量Ｐ（ｔ）は、１２０°の厳密に相関された位相差をもち、ｓｉｎ^２（ωｔ）またはｃｏｓ^２（ωｔ）という二乗正弦波振動に従う電力波形をもつ、３相の経時的に変化する電力出力の和から得られ、角周波数ωに一定であることを強制する電力グリッド（同じ位相および周波数）と同期される。

[0095]次に、３相ＤＣ／ＡＣコンバータの経時的に変化する電力変換容量Ｐ（ｔ）を得る。時間の関数としての３相ＤＣ／ＡＣコンバータの電力変換容量は、Ｐ（ｔ）＝Ｕ＊Ｉ＊（ｓｉｎ^２（ωｔ）＋ｓｉｎ^２（ωｔ＋１２０°）＋ｓｉｎ^２（ωｔ−１２０°））である。上記で定義されたように、Ｕは相電圧、Ｉは相電流、ωは電力グリッドの一定の角周波数である。また、ｓｉｎ^２（ωｔ＋１２０°）＋ｓｉｎ^２（ωｔ−１２０°）＝ｃｏｓ^２（ωｔ）＋１／２であることが示され得る。したがって、時間の関数としての３相ＤＣ／ＡＣコンバータの電力変換容量Ｐ（ｔ）は、Ｐ（ｔ）＝Ｕ＊Ｉ＊（ｓｉｎ^２（ωｔ）＋ｓｉｎ^２（ωｔ＋１２０°）＋ｓｉｎ^２（ωｔ−１２０°））＝Ｕ＊Ｉ＊（ｓｉｎ^２（ωｔ）＋ｃｏｓ^２（ωｔ）＋１／２）＝Ｕ＊Ｉ＊（１＋１／２）＝３／２（Ｕ＊Ｉ）である。

[0096]言い換えれば、３つの位相におけるこれらの厳密に相関された３つの脈動性パワートレインの総計は、一定である。言い換えれば、これらの３つのペアの電力線の総計電力配送は、一定である。すなわち、３つの位相に関連する３つのモジュールの総計は、一定である。しかしながら、この定数は、「宣言された電力能力」の半分（１／２）に等しいにすぎない。これは、電力グリッド慣習に従うときの電力変換容量と３相ＤＣ／ＡＣコンバータの定義された「公表電力能力」との関係である。

[0097]先に説明したように、３相ＤＣ／ＡＣコンバータの「製造業者公表電力定格」、または参照された「製造業者公表電力能力」は、電力グリッド慣習に従うとき、３＊Ｕ＊Ｉであることを思い出されたい。これを、上記で得られた電力変換容量と比較すると、Ｐ（ｔ）＝３／２（Ｕ＊Ｉ）である。得られた３相ＤＣ／ＡＣコンバータのＤＣ／ＡＣ電力変換容量は、「製造業者公表電力能力」の半分にすぎないことは、明らかである。

[0098]一例として、上記で説明された３相ＤＣ／ＡＣコンバータを再び取り上げる。この３相ＤＣ／ＡＣコンバータは、「ＡＣ電圧＝３１５ＶＡＣ、最大相電流＝９１６アンペア、および最大電力出力＝５００ｋＷ」を指定する。実際は、この３相ＤＣ／ＡＣコンバータのＤＣ／ＡＣ電力変換容量は２５０ｋＷにすぎない。上記の結論を得るために、最初に、公表された最大電力すなわち５００ｋＷは、実際には３＊Ｕ＊Ｉに等しく、ここで、Ｕは、指定された線間電圧から得られる相電圧、Ｉは、公表された最大電流であることを確認し、このコンバータの電力変換容量は３／２＊Ｕ＊Ｉ＝２５０ｋＷに等しい。

[0099]パラメータｘ、ｙ、およびｚに関する最適電力合致関係（定義されるように）は、（ｙ＋ｚ）の値は２ｘの値より小さくないものとする。ここで、関連ＰＶ発電所は、ｘ ＭＷ ＰＶ太陽電池ストリングから構成され、「ＰＳ３相ＤＣ／ＡＣコンバータ」は、ｙ ＭＷの合計「製造業者公表電力能力」を有し、「ＥＲ３相ＤＣ／ＡＣコンバータ」は、ｚ ＭＷの合計「製造業者公表電力能力」を有する。「ＰＳ３相ＤＣ／ＡＣコンバータ」および「ＥＲ３相ＤＣ／ＡＣコンバータ」は、１つもしくは複数のＭＰＰＴコントローラによって、または１つもしくは複数のＭＥＵＰＴコントローラによって、のどちらかで動作可能である。ＭＥＵＰＴ最適化を実施するために、ＭＥＵＰＴコントローラによってすべてのＤＣ／ＡＣコンバータを動作させることが好ましい。

[00100]セクション１１：要約
[00101]図７は、ＰＶ太陽光発電所７０００の構成を抽象的に示す。発電所は、太陽電池ストリング７１００内に配置された、全部でｘ ＭＷの太陽光発電パネルを備える。太陽電池ストリング７１００内で生成されるＤＣ電力は、デカップリングデバイス７２０１を通して３相ＤＣ／ＡＣコンバータ７３０１のグループにＤＣ電力入力を提供し、デカップリングデバイス７２０２を通してリザーバ７４００に余剰電力を充電する。エネルギーリザーバ７４００は、デカップリングデバイス７２０３を通して３相ＤＣ／ＡＣコンバータ７３０２のグループにＤＣ電力入力を提供する。３相ＤＣ／ＡＣコンバータ７３０１と７３０２の両方は、変換された３相ＡＣ電力を、トランス７５００を通して電力グリッド７６００に提供する。コンバータ７３０１の合計「製造業者公表能力」は、ｙ ＭＷである。コンバータ７３０２の合計「製造業者公表能力」は、ｚ ＭＷである。和（ｙ＋ｚ）の値は、２ｘの値より小さくない。類似の構成を使用して、セクション２において説明された従来のＰＶ発電所について説明するとき、（ｙ＋ｚ）の値は、ｘの値より大きくないことを思い出されたい。したがって、（ｙ＋ｚ）の値をもつ設計が、ｘよりも大きい、またはｘの１．１倍よりもさらに良いとき、それは、余剰エネルギーのうちのいくらかが、電力グリッドに提供される電気エネルギーを増強するために捕捉可能であることを意味する。

[00102]コンバータ７３０１および７３０２はすべて、上記で説明されたＭＥＵＰＴコントローラによって動作可能である。いくつかの実施形態では、コンバータのうちのいくつかもしくは１つが、ＭＥＵＰＴコントローラによって動作され、または、コンバータのうちのいずれも、ＭＥＵＰＴコントローラによって動作されない。そのうえ、いくつかの実施形態では、デカップリングデバイス７２０１、７２０２、および７２０３のうちの１つまたはいくつかは、構成では省略可能である。ＰＶ太陽電池ストリング７１００は、コンバータ７３０１にＤＣ電力入力を提供する。したがって、ＰＶ太陽電池ストリング７１００は、本明細書では、「ＰＳコンバータ」と呼ばれる。エネルギーリザーバ７４００は、コンバータ７３０２にＤＣ電力入力を提供する。したがって、ＰＶ太陽電池ストリング７１００は、本明細書では、「ＥＲコンバータ」と呼ばれる。合計「製造業者公表電力定格」および合計「製造業者公表電力能力」という用語は、本明細書では、「公表電力」と省略されるものとする。

[00103]図７に示される構成の説明を繰返すことになるが、ＰＶ発電所７０００は、ｘ ＭＷ太陽電池ストリング７１００をＤＣ発電機として備える。ＤＣ発電機７１００は、デカップリングデバイス７２０１を通して、ｙ ＭＷの「公表電力」をもつ「ＰＳコンバータ」７３０１に入力を提供し、別のデカップリングデバイス７２０２を通してリザーバ７４００に残った電力を充電する。リザーバ７４００は、デカップリングデバイス７２０３を通して、ｚ ＭＷの「公表された電力」をもつ「ＥＲコンバータ」７３０２に入力を提供する。３相ＤＣ／ＡＣコンバータ７３０１と７３０２はすべて、変換された３相ＡＣ電力を、トランス７５００を通して電力グリッド７６００に提供する。ある実施形態では、（ｙ＋ｚ）の値は、２ｘの値より小さくない。しかしながら、（ｙ＋ｚ）の値がｘの値よりも大きいとき、設計は、電力グリッドへの電気エネルギー販売を増強するために部分的な利益を受け取ることができる。

[00104]本明細書において説明される原理によるＭＥＵＰＴオプティマイザは、１つまたは複数のＡＣ電力生産ユニットを備える小規模なＰＶ発電所または大規模なＰＶ発電所に役立つことができる。そのうえ、適切に設計されたデカップリングデバイスを用いて、エネルギーリザーバからＰＶ太陽電池ストリングを通してのエネルギー漏洩は、防止可能である。そのうえ、適切に設計されたデカップリングデバイスを用いて、発見された「相互電力消滅」現象が防止可能である。また、「ＰＳコンバータ」のエネルギー抽出の後、余剰エネルギーのみを受け取るために、または抽出の前に生産されたＤＣエネルギーをすべて受け取るために使用可能である。最後に、ＭＥＵＰＴオプティマイザは、単相ＤＣ／ＡＣコンバータを装備したＰＶ発電所にサービスを提供することもできる。

[00105]セクション１２：ＭＥＵＰＴコントローラの設計制約
[00106]図８は、図２ＢのＭＥＵＰＴコントローラ２３２０Ｂの一例を表すＭＥＵＰＴコントローラ８０００（「システムコントローラ」とも呼ばれる）を示す。ＭＥＵＰＴコントローラ８０００は、３つの実行可能な構成要素、すなわち、検出構成要素８１００、決定構成要素８２００、および配送構成要素８３００からなる。

[00107]検出構成要素８１００は、リザーバ８４００内に貯蔵されたエネルギーレベルを測定する。リザーバの一例は、図２Ｂのリザーバ２４１０Ｂ、図３のエネルギーリザーバ３４１０、図４のエネルギーリザーバ４４１０、図５のエネルギーリザーバ５４１０、図６のエネルギーリザーバ６４１０、および図７のエネルギーリザーバ７４１０である。

[00108]決定構成要素８２００は、エネルギーリザーバ８４００に提供され、これから放電される充電のバランスをおおよそとるために、適切な電力取り出しレベルを決定する。

[00109]配送構成要素８３００は、上記で決定された適切な電力取り出しレベルのコード化されたメッセージを余剰ＤＣ／ＡＣコンバータ８５００に配送する。コンバータは、コード化されたメッセージを解釈し、コード化されたメッセージに従い、したがって、コンバータは、充電（ｉｎ−ｃｈａｒｇｉｎｇ）エネルギーのバランスをおおよそとるように、指示された電力レベルで連続的に動作することができる。リザーバ８４００から取り出すコンバータ８５００の一例は、図２Ｂのコンバータ２１３０Ｓ、図３のコンバータ３１３０Ｓ、図４のコンバータ４１３０Ｓ、図５のコンバータ５１３０Ｓ、図６のコンバータ６１３０Ｓ、図３のコンバータ７３０２である。

[00110]経済的に有益なＭＥＵＰＴオプティマイザを得るために、ＭＥＵＰＴコントローラの設計は、以下のパラメータおよび変数、すなわち、（１）エネルギーリザーバ８４００の容量、（２）ＤＣ／ＡＣコンバータ８５００の逓増／逓減速度、（３）太陽電池ストリングのＩ−Ｖ特性、（４）ＰＶ電力プラントの場所の天候、および（５）余剰ＤＣ／ＡＣコンバータとともに動作するＭＥＵＰＴコントローラが、エネルギーリザーバに提供される充電の量とエネルギーリザーバから取り出される充電の量との差（またはバランス）を最小にすることができること、を考慮に入れる。簡単な設計は、これらのパラメータおよび変数を考慮に入れたあらゆるＰＶ発電所のためのカスタム設計されたコントローラを適用するときのみ、導き出され得る。

[00111]セクション１３：ＭＥＵＰＴコントローラ設計
[00112]ＭＥＵＰＴコントローラを使用することができるあらゆる１つのＰＶ発電所のためのＭＥＵＰＴコントローラをカスタム設計することは実際的でない。一方、特にカスタム設計コントローラが可能でないとき、必要とされるＭＥＵＰＴコントローラのための簡単な設計を追求することは非常に困難である。しかしながら、エネルギーリザーバの端子電圧は、５つのパラメータおよび変数の各々によって影響される尺度とみなされ得る。したがって、上記の５つの設計制約は、ＭＥＵＰＴエネルギーリザーバの端子電圧が決定パラメータとして選定されるとき、２つの部分になることができる。

[00113]測定された端子電圧をサイト固有の「標準電圧間隔」のセットと比較するとき、システムによって現在実行されている電力抽出および変換レベルは、電力抽出レベルが（１）低すぎる、（２）高すぎる、または（３）適していると量子化可能であることが、発明者に明らかになった。したがって、ＭＥＵＰＴコントローラ設計タスクは、１）通常の産業用コントローラと、２）カスタムで構築されたサイト固有の「標準電圧間隔」テーブル（本明細書では「電圧間隔テーブル」と呼ばれる）に分離することができる。

[00114]サイト固有の電圧間隔テーブルがＰＶ発電所に対して構築されると、電圧間隔テーブルは、必要とされるＭＥＵＰＴコントローラ機能を達成するために産業用コントローラと協調して働くことができる。次いで、産業用コントローラは、図８にも示されるように、検出構成要素、決定構成要素、および配送構成要素からなる。しかしながら、この場合、検出構成要素８１００は、エネルギーリザーバ８４００の端子電圧を測定する。決定構成要素８２００は、測定された電圧を電圧間隔テーブルと比較し、充電エネルギーのバランスをおおよそとるように適切な電力取り出し量を決定する。配送構成要素８３００は、上記で決定された適切な電力取り出しレベルのコード化されたメッセージを余剰ＤＣ／ＡＣコンバータ８５００に再び配送し、したがって、コンバータは、エネルギーリザーバ８４００の到来電荷と送出電荷のバランスをおおよそとるように、指示された電力レベルで連続的に動作することができる。

[00115]一実施形態では、ＭＥＵＰＴコントローラ８０００の検出構成要素８１００は、余剰エネルギーリザーバ８４００の端子電圧をリアルタイムで測定する。たとえそうでも、決定構成要素８２００は依然として、指定された時間間隔比較ごとに、（測定された電圧と電圧インタフェーステーブルの）比較を実行することがある。この比較は、以下の３つの状況のうちの１つになることがある。

（１）測定された電圧と電圧間隔テーブルの比較が、電力レベルが低すぎることを示す場合、コントローラ８０００は、次の指定された時間間隔の間に、３相ＤＣ／ＡＣコンバータ８５００が、電力抽出および変換の１つのレベル増加することを（配送構成要素８３００を通して）要求することができる。

（２）測定された電圧と電圧間隔テーブルの比較が、電力レベルが高すぎることを示す場合、コントローラ８０００は、次の指定された時間間隔の間に、３相ＤＣ／ＡＣコンバータ８５００が、電力抽出および変換の１つのレベル減少することを（配送構成要素８３００を通して）要求することができる。

（３）測定された電圧と電圧間隔テーブルの比較が、電力レベルが適していることを示す場合、コントローラ８０００は、少なくとも比較の次回の発生まで、次の指定された時間間隔の間に、３相ＤＣ／ＡＣコンバータ８５００が、同じ電力抽出レベルに留まることを要求することができる。

[00116]ＤＣ／ＡＣコンバータの電力抽出／変換調整レベルが十分に小さいとき、上記の設計は、すべての種類のエネルギーリザーバ容量に対して、すべての種類のＤＣ／ＡＣコンバータの逓増／逓減速度に対して、すべての種類の太陽電池ストリングのＩ−Ｖ特性に対して、ＰＶサイトのすべての天候に対して、機能することができる。したがって、コントローラが、エネルギーリザーバから電力を取り出す３相ＤＣ／ＡＣコンバータに対する小さい調整ステップを指示することができることは重要である。

[00117]一般的な従来の集中型３相ＤＣ／ＡＣコンバータは、指示されたとき、非常に小さい調整ステップで動作することができる。しかしながら、当技術分野で「ドライ接続ボックス」と呼ばれる（本明細書でもそう呼ばれる）、装備された通信チャネルは、一般的には、光メッセージを介した６ビット通信チャネルのみを有する。ドライ接続ボックスを通して７つ以上の電力抽出レベルを命令するために、符号化−復号技法が用いられる。この技法は、電力抽出レベルを命令するために最大２^６＝６４のメッセージを通過させることを可能にする。最大６４の調整電力抽出レベルを用いて、リザーバの到来エネルギーおよび送出エネルギーにおける、必要とされる、ゼロに近い正味バランスが、技術的に達成可能である。

[00118]セクション１４：ＭＥＵＰＴオプティマイザを組み込んだＰＶ発電所
[00119]図９に示されるように、ＭＥＵＰＴコントローラ９２１０を含むＭＥＵＰＴオプティマイザ９２００を組み込んだＰＶ発電所９０００。ＭＥＵＰＴコントローラ９２００は、３つの実行可能な構成要素、すなわち、余剰エネルギーリザーバ９４００の端子電圧を測定する検出構成要素９２１１と、測定された電圧をＰＶステーションの電圧間隔テーブルと比較する決定構成要素９２１２と、起動する、低下する、または同じままであるように配送構成要素４２１３を介して３相ＤＣ／ＡＣコンバータ４５０２に通知する配送構成要素９２１３とを備える。図９の構成要素９２１１、９２１２、および９２１３はそれぞれ、図８の構成要素８１００、８２００、および８３００の例である。図９のエネルギーリザーバ９４００は、図８のエネルギーリザーバ８４００の一例である。コンバータ９５０２は、図８のコンバータ８５００の例である。

[00120]ＰＶ発電所９０００はまた、ＰＶ太陽電池ストリング９１００からなる。太陽電池ストリング９１００は、太陽エネルギーを電気に変換し、生成されたＤＣ電力を、デカップリングデバイス９３２０を通して余剰エネルギーリザーバ９４００に配送する。３相ＤＣ／ＡＣコンバータ９５０２は、デカップリングデバイス９３３０を通して余剰エネルギーリザーバ９４００から入力されたＤＣ電力を受け取る。図９の太陽電池ストリング９１００は、まとめて、エネルギーリザーバを充電するためのＤＣエネルギー源であり、図２Ｂの太陽電池ストリング２１１１Ａおよび２１１１Ｂ、図３の太陽電池ストリング３１１０、図４の太陽電池ストリング４１１０、図５の太陽電池ストリング５１１０、図６の太陽電池ストリング６１１０、ならびに図７の太陽電池ストリング７１１０の例である。図９のデカップリングデバイス９３２０は、図２Ｂのデカップリングデバイス２３１２Ｂ、図３のデカップリングデバイス３３１２、図４のデカップリングデバイス４３１２、図５のデカップリングデバイス５３１１、図６のデカップリングデバイス６３１１、および図７のデカップリングデバイス７２０２の一例である。図９のデカップリングデバイス９３３０は、図２Ｂのデカップリングデバイス２３１３Ｂ、図３のデカップリングデバイス３３１３、図４のデカップリングデバイス４３１３、図５のデカップリングデバイス５３１３、図６のデカップリングデバイス６３１３、および図７のデカップリングデバイス７２０３の一例である。

[00121]上記で述べられたように、ＭＥＵＰＴコントローラ９２１０は、太陽電池ストリング９１００からの入力エネルギー充電のバランスをとるためにエネルギーリザーバ９４００から適切な量のエネルギーを取り出すように、３相ＤＣ／ＡＣコンバータ９５０２に指示する。これは、ゼロに近いエネルギーの、リザーバ９４００への充電または取り出しという結果になる。したがって、小さいエネルギーリザーバ９４００がＰＶステーションに適する。ＤＣ／ＡＣコンバータからの変換されたＡＣ電力は、トランス９６００を通して接続電力グリッド９７００に提供される。

[00122]本明細書で使用されるとき、「実行可能な構成要素」という用語は、図８および図９を参照しながら使用される。「実行可能な構成要素」という用語は、コンピューティングの分野における当業者にはソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア、またはそれらの組み合わせであってよい構造であると十分理解される構造のための名称である。たとえば、ソフトウェアにおいて実施されるとき、当業者は、実行可能な構成要素の構造は、そのような実行可能な構成要素がコンピューティングシステムのヒープ内に存在しようと、実行可能な構成要素がコンピュータ可読記憶媒体上に存在しようと、コンピューティングシステム上で実行され得る、ソフトウェアオブジェクト、ルーチン、メソッドを含んでよいことを理解するであろう。

[00123]そのような場合、当業者は、コンピューティングシステムの１つまたは複数のプロセッサによって（たとえば、プロセッサスレッドによって）解釈されるとき、コンピューティングシステムが機能を実行させられるように、実行可能な構成要素の構造がコンピュータ可読媒体上に存在することを認識するであろう。そのような構造は、プロセッサによって直接的にコンピュータ可読であってよい（実行可能な構成要素がバイナリであった場合と同様に）。あるいは、構造は、プロセッサによって直接的に解釈可能であるそのようなバイナリを生成するように（単一の段階においてであろうと、複数の段階においてであろうと）解釈可能であるおよび／またはコンパイルされるように構造化されてよい。実行可能な構成要素の例示的な構造のそのような理解は、「実行可能な構成要素」という用語を使用するとき、十分にコンピューティングの当業者の理解の範囲内である。

[00124]「実行可能な構成要素」という用語はまた、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、または他の任意の特殊回路内などの、ファームウェアまたはハードウェア内でもっばらまたはほぼもっぱら実施される構造を含むと、当業者によって十分に理解される。したがって、「実行可能な構成要素」という用語は、ソフトウェア内で実施されようと、ハードウェア内で実施されようと、組み合わせで実施されようと、コンピューティングの当業者によって十分理解される構造のための用語である。

[00125]本発明は、その趣旨または本質的な特徴から逸脱することなく他の特定の形態において実施され得る。説明した実施形態は、あらゆる点で例示にすぎず、限定するものではないとみなすべきである。したがって、本発明の範囲は、前述の説明によってではなく、添付の特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲と等価な意味および範囲に含まれるすべての変更は本発明の範囲に包含される。

Claims (8)

1. ＤＣ／ＡＣコンバータにＤＣエネルギーを放電する間、ＤＣエネルギー源からのＤＣエネルギーによって充電されるエネルギーリザーバと、
   前記エネルギーリザーバに充電されるＤＣエネルギーの量とほぼバランスがとれるように、前記エネルギーリザーバから前記ＤＣ／ＡＣコンバータに放電される前記ＤＣエネルギーを調節するためのシステムコントローラであって、
   前記エネルギーリザーバ内に貯蔵されたエネルギーレベルを測定するように構成された検出構成要素と、
   前記エネルギーレベルの測定された前記貯蔵されたエネルギーレベルを使用して、調整がなされるべきかどうかを評価するように構成された決定構成要素と、
   前記決定構成要素が、前記調整がなされるべきであることを決定するときに、前記調整を実行する指示をコード化されたメッセージに符号化するように構成され、前記コード化されたメッセージを前記ＤＣ／ＡＣコンバータに配送するようにも構成された配送構成要素と
   を含むシステムコントローラと
   を含むエネルギー貯蔵システム。
2. 請求項１に記載のエネルギー貯蔵システムであって、前記検出構成要素は、前記エネルギーリザーバの端子電圧を測定することによって前記貯蔵されたエネルギーレベルを測定する、エネルギー貯蔵システム。
3. 請求項２に記載のエネルギー貯蔵システムであって、前記エネルギーリザーバの前記端子電圧の前記測定はリアルタイムで行われる、エネルギー貯蔵システム。
4. 請求項３に記載のエネルギー貯蔵システムであって、前記決定構成要素は、指定時間間隔で定期的に調整がなされるべきであるかの前記評価を実行するように構成される、エネルギー貯蔵システム。
5. 請求項１に記載のエネルギー貯蔵システムであって、前記決定構成要素は、指定時間間隔で定期的に調整がなされるべきであるかの前記評価を実行するように構成される、エネルギー貯蔵システム。
6. 請求項１に記載のエネルギー貯蔵システムであって、前記配送構成要素は、ドライ接続ボックスを通して前記ＤＣ／ＡＣコンバータに前記コード化されたメッセージを配送するように構成される、エネルギー貯蔵システム。
7. 請求項１に記載のエネルギー貯蔵システムであって、前記配送構成要素は、前記ＤＣ／ＡＣコンバータを含む複数のＤＣ／ＡＣコンバータの各々にそれぞれのコード化されたメッセージを配送するように構成される、エネルギー貯蔵システム。
8. 請求項１に記載のエネルギー貯蔵システムであって、前記配送構成要素は、ドライ接続ボックスを介して前記複数のＤＣ／ＡＣコンバータのうちの少なくとも１つに前記それぞれのコード化されたメッセージを配送するように構成される、エネルギー貯蔵システム。

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