JP6078532B2 - 再生可能エネルギーを高電圧型環境発電及び変換する実用規模の発電システム及びその視覚監視及び制御システム - Google Patents

Description

本発明は一般に、実用規模の再生可能エネルギー発電システムに関し、詳しくは、高電圧型環境発電及び変換型の再生可能エネルギー収集及び変換システム及び、直流／直流変換器組み合わせ使用時の前記システムの視覚監視及び制御システムに関する。

“再生可能エネルギー発電システム”とは、太陽光発電所あるいは太陽光パワープラントを構成する相互接続した多数の太陽電池モジュール、または風力発電所あるいは風力パワープラントを構成する風力タービン発電機を用いる実用規模の発電システムを意味するものとする。

実用規模（出力容量が５〜１００メガワット（ＭＷ_e））の太陽電池発電システムは、太陽電池モジュール等の太陽電池集電装置を多数含み、これら集電装置からの直流電力は、並置された直流／交流変換器に送られ、そこで交流電力に変換される。

実用規模の風力発電システムは相互に電気的に接続した多数の風車式発電装置を含む。風車被駆動式発電機アセンブリはその出力軸を発電機に好適に接続したものであり得る。種々形式の発電システムを風車に接続できる。それらシステムの１つはＴｙｐｅ４工業規格の風車発電システムであり、その永久磁石同期電動機型発電機からの可変周波数及び可変電圧出力が整流器に送られ、整流済み直流出力が連動装置により直流／交流変換器に送られる。次いで、変換器出力電流の出力電圧水準が線条変圧器を通して電力系統電圧水準に変圧される。

太陽光あるいは風力式の実用規模の再生可能エネルギー発電システムの場合、発電システム構成部品の地上範囲は従来の家庭用あるいは商業規模の発電所のそれよりかなり広いため、発電システムの物理的視覚化及び制御は、従来規模の発電所において代表的なワンライン集中制御盤によるそれよりずっと困難となる。

米国特許第８，１３０，５１８号明細書

解決しようとする課題は、中央電力系統に同期された多相定電流源変換器システムと組み合わされた高電圧型の再生可能エネルギー発電網の監視及び制御システムにして、再生可能エネルギー発電の電力分布が直流／直流電圧変換器の組み合わせ体により高電圧型の再生可能エネルギー発電網内で最適化される、高電圧型の再生可能エネルギー発電網の監視及び制御システムを提供することである。
解決しようとする他の課題は、中央電力系統に同期された多相定電流源変換器システムと組み合わせた高電圧型の再生可能エネルギー発電及び、実用規模の再生可能エネルギーシステム用の監視及び制御システムを提供することである。
解決しようとする更に他の課題は、前記発電システムのオペレーターによる入出力の集中制御及び監視用の、三次元、視覚指向、仮想現実、の表示環境を含み得る、実用規模の再生可能エネルギー発電システム用の集電、変換、監視及び制御システムを提供することである。

本発明の１様相によれば、実用規模の再生可能エネルギー発電システムが提供される。本システムは、高電圧型の再生可能エネルギー発電網と、中央電力系統に同期された多相定電流源変換器システムとを有する。高電圧型の再生可能エネルギー発電網は、各々が直流出力を有する再生可能エネルギー収集装置の多重ストリングと、前記エネルギー発電網全体に分布された多数の再生可能エネルギー発電最適化装置とを有する。各前記再生可能エネルギー発電最適化装置は、再生可能エネルギー収集装置の多重ストリングの少なくとも１つにおける直流出力に接続した、エネルギー収集装置ストリングの少なくとも１つにおける発電最適化装置入力を有する。多数の再生可能エネルギー発電最適化装置及びトランスミッタは各々、システム直流リンクに接続した高電圧直流出力を有する。多数の再生可能エネルギー発電最適化装置及びトランスミッタは、単一の正の高電圧直流出力と単一の負の高電圧直流出力とがシステム直流リンクに提供され、単一の電気的中立部がシステム直流リンクの電気的接地部に接続される組み合わせで構成される。中央電力系統に同期された多相定電流源変換器システムはシステム直流リンクに接続され、且つ、高電圧電力系電力系統に接続され得る複数の電力系統変換器パッケージモジュールを有する。

本発明の他の様相によれば、実用規模の再生可能エネルギー発電システムが提供される。本システムは、高電圧型の再生可能エネルギー発電網と、中央電力系統に同期された多相定電流源変換器システムと、これら高電圧型の再生可能エネルギー発電網及び中央電力系統に同期された多相定電流源変換器システムを監視及び制御するための仮想イマージョン（没入感）式監視システム及び中央制御システムと、を有する。高電圧型の再生可能エネルギー発電網は、ストリングの各々が直流出力を有する再生可能エネルギー収集装置の複数のストリングと、複数の再生可能エネルギー発電最適化装置及びトランスミッタとを有する。各前記複数の再生可能エネルギー発電最適化装置及びトランスミッタは、再生可能エネルギー収集装置の多重ストリングの少なくとも１つにおける直流出力に接続した、少なくとも１つのストリング発電最適化装置入力部を有する。複数の再生可能エネルギー発電最適化装置及びトランスミッタは、単一の正の高電圧直流出力及び単一の負の高電圧直流出力をシステム直流リンクに提供し、単一の電気的中立部をシステム直流リンクに接続する組み合わせで構成される。中央電力系統に同期された多相定電流源変換器システムはシステム直流リンクに接続され、且つ、高電圧型の電力系電力系統に接続され得る複数の電力系統変換器パッケージモジュールを有する。中央電力系統に同期された多相定電流源変換器システムはシステム直流リンクに接続され且つ複数の電力系統変換器パッケージモジュールを有する。

本発明の更に他の様相によれば、実用規模の再生可能エネルギーシステムからの再生可能エネルギーの発電、変換、監視及び制御方法が提供される。前記再生可能エネルギーシステムは高電圧型の再生可能エネルギー発電網を含む。前記高電圧型の再生可能エネルギー発電網は、各々が直流出力を有する再生可能エネルギー収集装置の多重ストリングを含む。高電圧型の再生可能エネルギー発電網は、複数の再生可能エネルギー発電最適化装置及びトランスミッタをも有する。各前記複数の再生可能エネルギー発電最適化装置及びトランスミッタは、再生可能エネルギー収集装置の多重ストリングの少なくとも１つにおける直流出力に接続した、少なくとも１つのストリング発電最適化装置入力部を有する。各前記複数の再生可能エネルギー発電最適化装置及びトランスミッタは、単一の正の高電圧直流出力及び単一の負の高電圧直流出力をシステム直流リンクに提供し、単一の電気的中立部をシステム直流リンクに接続する組み合わせで構成される。再生可能エネルギーシステムは、システム直流リンクに接続され且つ複数の電力系統変換器パッケージモジュールを有する、中央電力系統に同期された多相定電流源変換器システムをも有する。本発明において、高電圧型の再生可能エネルギー発電網は、三次元、視覚指向、仮想現実、の表示環境下に仮想イマージョン方式において監視され、前記高電圧型の再生可能エネルギー発電網及び、中央電力系統に同期された多相定電流源変換器システムが、前記三次元、視覚指向、仮想現実、の表示環境と組み合わせて集中制御される。

中央電力系統に同期された多相定電流源変換器システムと組み合わされ、再生可能エネルギー発電の電力分布が直流／直流電圧変換器組み合わせ体により高電圧型の再生可能エネルギー発電網内で最適化される、高電圧型の再生可能エネルギー発電網及び制御システムが提供され、
中央電力系統に同期された多相定電流源変換器システムと組み合わせた高電圧型エネルギー発電及び、実用規模の再生可能エネルギーシステム用の監視及び制御システムが提供され、
発電システムのオペレーターによる入出力集中制御及び監視用の三次元、視覚指向、仮想現実、の表示環境を含み得る、再生可能エネルギー、実用規模の発電システム用の収集、変換、監視及び制御システムが提供される。

図１は、太陽エネルギーを収集及び変換するための、実用規模の再生可能エネルギー発電システム及び、本発明における前記発電システム用の監視及び制御システム例のワンラインブロック略図である。 図２ａは、本発明で使用可能な太陽光発電最適化装置及びトランスミッタの例示図である。 図２ｂは、本発明で使用可能な他の太陽光発電最適化装置及びトランスミッタの例示図である。 図３ａは、図２ａに示す太陽光発電最適化装置及びトランスミッタで使用可能な共鳴型直流／直流変換器の例示図である。 図３ｂは、図２ｂに示す太陽光発電最適化装置及びトランスミッタで使用可能な共鳴型直流／直流変換器の例示図である。 図４は、直流／直流変換器の入力部に接続した太陽電池ストリングが低電圧時の、図３ａ及び図３ｂに示した共鳴型直流／直流変換器の共鳴電流付近における波形図である。 図５は、直流／直流変換器の入力部に接続した太陽電池ストリングが高電圧時の、図３ａ及び図３ｂに示した共鳴型直流／直流変換器の共鳴電流付近における波形図である。 図６は、本発明で使用する太陽光発電所の太陽電池モジュールと、太陽光発電最適化装置及びトランスミッタとの間の相互接続の例示図である。 図７は、本発明の三次元、視覚指向、仮想現実、の表示環境における三次元視覚表示枠の１つにおける白黒表示略図である。 図８は、風力エネルギーを収集及び変換するための、実用規模の再生可能エネルギー発電システム及び、本発明の発電システム監視及び制御システム例のワンラインブロック略図である。

図１は太陽エネルギーを収集及び変換するための、実用規模の再生可能エネルギー発電システム及び、本発明における前記発電システム監視及び制御システム例のワンラインブロック略図である。本例には、高電圧型の太陽電池エネルギー収集（“ハーベスチング“とも称する）網１２と、中央電力系統に同期された多相定電流源変換器システム１４と、随意的な仮想イマージョン式監視及び制御システム１６と、が含まれる。昇圧変圧器１８が、電力系統の変換器パッケージモジュール（ＧｒＩＰ）１４ａ−１４ｄにおける前記変換器出力を高電圧の電力系統から電気的に分離させる。

高電圧型の太陽電池エネルギー収集網及び中央電力系統に同期された多相定電流源変換器システムについては米国特許第８，１３０，５１８号に更に詳しく記載される。
仮想イマージョン式監視及び制御システムは、仮想イマージョン機器見張り装置（ＶＩＥＷ）モジュール１６ａ及び中央制御モジュール１６ｂを含む。
図２ａには、図１の高電圧型の太陽電池エネルギー収集網１２で使用可能な太陽光発電最適化装置及びトランスミッタ（ＳＰＯＴ）の１例が示される。図２ａのＳＰＯＴ２０は、複数の直流／直流変換器２０ａ（本例では４台）と、プロセッサ２０ｂ（本例ではマイクロプロセッサ（μＰ）として表す）と、トランシーバ２０ｃ（本例では送受信アンテナ２０ｃ’を備える無線周波数（ＲＦ）トランシーバとして表す）と、を含む。

図２ａの４台の直流／直流変換器は太陽電池の可変の“ストリング”電圧及び電流を並列の固定高電圧（例えば直流１２５０Ｖ）に変換する。本実施例では、２台の変換器の正側（＋）出力は共に、図２ａに示す如く他の２台の変換器の負側（−）出力に接続される。４台の変換器の残余の４台の出力部は図２ａに示すように相互に共通接続されて共通（中立）回路を構成する。変換器の並列の正負の各出力部は、各前記直流／直流変換器の出力電圧（例えば直流１．２５ｋＶ）の２倍の高直流電圧（例えば直流２．５ｋＶ）下に、システム直流リンク（図１及び図２ａで直流リンクバス２２として示す）に直列接続（クランプ）される。図１のワンラインブロック図を再度参照するに、複数の太陽光発電最適化装置及びトランスミッタ（図２ａに示す如き）を複数の太陽電池モジュール３０に接続させ得る。従って、図２ａにおける４台の直流／直流変換器組み合わせは、図で右側を第１対、左側を第２対として、第１対の各変換器の正側出力接続部が単一の正側高電圧直流出力部を構成し、第２対の各変換器の負側出力接続部が単一の負側高電圧直流出力部を構成し、前記第１対の負側出力接続部が第２対の各変換器の正側出力接続部と共にシステム直流リンクの共通部に接続して単一の中立接続部を構成するものと説明し得る。本発明の他の例では、任意の偶数台の直流／直流変換器を、前記４台の直流／直流変換器について説明したと同様に、各出力部を相互接続して単一の正及び負の各高電圧直流出力部とし、単一の中立接続部をシステム直流リンクに接続した構成とし得る。

図３ａには、図２ａに示す太陽光発電最適化装置及びトランスミッタ２０において使用可能な直流／直流変換器例が略示される。各直流／直流変換器は２つのセクション、即ち、全ブリッジ型直列共鳴変換器セクション２０ａ’（本例では半導体スイッチング装置Ｑ１−Ｑ４と共に示す）と、出力フィルタ及び単一整流器組み合わせセクション２０ａ”とから構成される。これらセクションは高周波数（１０ｋＨｚ〜２０ｋＨｚ）型変圧器Ｔｘを介して相互に分離される。端子１及び２位置の太陽電池ストリング源の入力部から引き出される電力は変換器の運転周波数により変化する。入力電流（Ｉｄｃ）及び電圧（Ｅ）は図２ａのプロセッサ２０ｂにより測定され、前記プロセッサが、直流／直流変換器が最大電力値で作動するよう変換器の運転周波数を調節する。変換器の入力側の変換器の運転周波数は、図３ａに示す直列共鳴ループを構成するインダクタＬタンク及びキャパシタＣタンクの各値により定義される共鳴周波数で変化する。周波数が共鳴点に近づくに従い、変換器は太陽電池ストリングの入力部からより多くの電流を取り出し、かくして太陽電池ストリングの電圧を降下させる。以下に更に詳しく説明する如く、プロセッサ２０ｂの機能の１つは、太陽電池ストリングの最大発電時の電圧及び電流の算出値を維持することである。図４には、太陽電池ストリングの入力電圧が低い場合の共鳴周波数付近での変換器出力電流を示し、図５は太陽電池ストリングの入力電圧が高い場合の共鳴外周波数時の変換器出力電流を示す。

プロセッサ２０ｂは、各直流／直流変換器２０ａに対するストリング電圧及び電流を検出するＩ／Ｏ装置と通信するマイクロプロセッサであり得る。このマイクロプロセッサは各変換器の入力部位置でのストリング電圧及び電流を監視し、各変換器の運転を制御して最大発電点追尾（ＭＰＰＴ）アルゴリズム用のコンピューターコードを実行することにより、各太陽電池モジュールから最大電力を発電させる。例えば、前記アルゴリズムは、直流／直流変換器の運転周波数を少変動させる“妨害及び観察”サブルーチンを含み得、前記ＭＰＰＴアルゴリズムが周波数変動に伴う発電量増減を判定する。

トランシーバ２０ｃは発電システムのデータを、本発明の特定例において仮に使用される場合は、仮想イマージョン式観察及び制御システムに送信する。発電システムのデータには、ストリング電圧値、ストリング電流値、ストリング発電量、ＳＰＯＴ出力電流値、ＳＰＯＴ運転温度、ＳＰＯＴの運転状況データ、例えば、ＳＰＯＴが全入力側太陽電池ストリングからの最大入力電力あるいは少なくとも幾つかの入力側太陽電池ストリングからの限定的最大入力電力で運転されているか等のデータが含まれ得る。トランシーバ２０ｃは、発電システムの制限指令データや発電システムのオンオフの状況あるいは制御を含み得る発電量システムデータを受信する。発電システムオンオフ状況は、例えば、特定の直流／直流変換器が運転時振動状況（発電システムオン）に有るかを検出することで判定され得る。遠隔発電システムオンオフ指令（中央制御モジュールからの）を使用してＳＰＯＴ管理を容易化させ得る。トランシーバ２０ｃの送受信法の１つにはメッシュラジオシステムを介したものがある。

図２ｂには、図１の高電圧型の太陽電池エネルギー収集網１２の幾つかの例において使用する太陽光発電最適化装置及びトランスミッタ（ＳＰＯＴ）の別態様が例示される。図２ｂのＳＰＯＴ２５は、二重整流器型の複数の直流／直流変換器２５ａ（本例では４台）と、プロセッサ２０ｂ（本例ではマイクロプロセッサ（μＰ）として表す）と、トランシーバ２０ｃ（本例では送受信用アンテナ２０ｃ’付きの無線周波数（ＲＦ）トランシーバとして表す）とを含む。

図２ｂの４台の二重整流器型の複数の直流／直流変換器２５ａは、太陽電池“ストリング“の種々の電圧及び電流を並列の固定高電圧（例えば直流１２５０Ｖ）に変換する。本例では図２ｂに示す如く、各変換器の４台の正（＋）の出力部は相互に並列接続されて正の直流リンクに対する接続部を構成し、４台の負（−）の出力部は相互に並列接続されて負の直流リンクに対する接続部を構成する。４台の変換器の残余の８つの出力部は図２ｂに示す如く相互に共通接続され、電気的中立部（ＣＯＭＭＯＮ）に対する共通接続部を構成する。各変換器の並列接続された正及び負の各出力部は、各直流／直流変換器の出力電圧の２倍の出力電圧（例えば直流１２５０Ｖ）である高直流電圧（例えば、２.５ｋＶ）下に直流リンク（図１及び図２ｂでは直流リンクバス２２と示す）に並列接続（クランプ）される。図１を再度参照するに、複数の太陽光発電最適化装置及びトランスミッタ（図２ｂに示す如き）は複数の太陽電池モジュール３０に接続され得る。従って、図２ｂにおける４台の直流／直流変換器組み合わせは、各前記直流／直流変換器が、正側整流器（ＲＥＣ２）及び負側整流器（ＲＥＣ１）の一対の整流器を有するものとして説明され得る。全ての正側整流器の正側出力部が相互接続されて単一の正側高電圧直流出力部とされ、全ての負側整流器の負側出力部が相互接続されて単一の負側高電圧直流出力部とされ、負側整流器の負側接続部が負側整流器の正側接続部と相互接続されてシステム直流リンクの共通部に対する単一の中立接続部とされる。本発明の他の実施例では、任意数の直流／直流変換器を、４台の直流／直流変換器例に対して説明したそれと同様に、各出力部を相互接続してなる単一の正の高電圧直流出力部及び単一の負側高電圧直流出力部と、システム直流リンクに対する単一の中立接続部とを有する構成とし得る。

図３ｂには、図２ｂに示す太陽光発電最適化装置及びトランスミッタ２５において使用可能な二重整流器型の直流／直流変換器の一例が略示される。各前記直流／直流変換器は２つのセクション、即ち、全ブリッジ型直列共鳴変換器セクション２５ａ’と、２つの（二重あるいは対の）整流器及びフィルタ組み合わせセクション２５ａ”とから構成される。これらセクションは高周波数（１０ｋＨｚ〜２０ｋＨｚ）型変圧器Ｔｘを介して相互に分離される。端子１及び端子２の各位置の太陽電池ストリング源の入力部から引き出される電力は変換器の運転周波数により変化する。入力電流（Ｉｄｃ）及び電圧（Ｅ）は図２ａのプロセッサ２０ｂにより測定され、前記プロセッサが、直流／直流変換器が最大発電量点で作動するよう変換器の運転周波数を調節する。入力側変換器の運転周波数は、図３ｂに示す直列共鳴ループを構成するインダクタＬタンク及びキャパシタＣタンクの各値により定義される共鳴周波数で変化する。周波数が共鳴点に近づくに従い、変換器は太陽電池ストリングの入力部からより多く電流を取り出し、かくして太陽電池ストリングの電圧を降下させる。以下に更に詳しく説明する如く、プロセッサ２０ｂの機能の１つは、太陽電池ストリングの最大発電量点における電圧及び電流算出値を維持することである。図４は、太陽電池ストリングの入力電圧が低い場合の共鳴周波数付近での変換器出力電流を示し、図５は太陽電池ストリングの入力電圧が高い場合の共鳴外周波数での変換器出力電流を示す。

図２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂで使用される直流／直流変換器は、これら直流／直流変換器の変換器セクションで使用する切替装置（本実施例では半導体Ｑ１〜Ｑ４）の転流周波数を変換器制御装置により変化させることで制御され得る。
前記直流／直流変換器は、これら直流／直流変換器の変換器セクションで使用する切替装置の通電時間を変換器制御装置により変化させることによっても制御され得る。

あるいは前記直流／直流変換器は、これら直流／直流変換器の変換器セクションで使用する切替装置の転流周波数変化及び通電時間変化の組み合わせを変換器制御装置により変化させることによっても制御され得る。つまり変換器は、変換器の切替装置の転流周波数を第１レンジにおいて変化させ、転流周波数が一定に維持される各期間中における変換器の切替装置の通電時間を第２レンジにおいて変化させることによって実施され得る。前記転流周波数の可変範囲は共鳴周波数付近のものであり、変換器の切替装置の一定周波数及び通電時間可変範囲は共鳴周波数範囲外のものである。

図２ａあるいは図２ｂに示す太陽光発電最適化装置及びトランスミッタを用いる実施例において、太陽電池ストリング３１は各々が２０〜２５台の太陽電池モジュールを含み得る。各ストリングの出力は、太陽放射、影、あるいはエネルギー劣化等の太陽光エネルギーシステムパラメータに依存して、代表的には１〜１０直流アンペア（４００〜１０００直流電圧下）である。４台の太陽電池モジュールストリング群を接続して図２ａあるいは図２ｂに示すような１台のＳＰＯＴとすることで凡そ２００〜６２５０ワット、４台のストリング分では最大約２５０００ワットの“入力ストリング当たりのワット数”を発生させ得る。

図６には、本発明の太陽光発電最適化装置及びトランスミッタを使用する実用規模の再生エネルギー発電システムの接続例が示される。最大数、例えば２０台の太陽光発電最適化装置及びトランスミッタが、図６に示す各ＳＰＯＴの“水平”バス２１ａ、２１ｂ、２１ｃ〜２１ｘを共有し得る。例えば、ＳＰＯＴ水平バス２１ａはこのバスに接続した２０台の太陽光発電最適化装置及びトランスミッタ２１ａ₁〜２１ａ₂₀を有する。相互接続したこれら２０台の太陽光発電最適化装置及びトランスミッタと、これら２０台の太陽光発電最適化装置及びトランスミッタに接続した太陽電池モジュールとは、図１にダイヤグラムで例示す高電圧型の太陽電池エネルギー収集網１２の１セクションを表す太陽電池発電アレイ２１を含み、このアレイは太陽放射から最大５００ｋＷを発生可能である。太陽電池発電アレイ２１は、この太陽電池発電アレイ２１の２０台の太陽光発電最適化装置及びトランスミッタの各々に接続した、太陽電池モジュール４台からなる（太陽電池）ストリングを含み得、各太陽電池ストリングは、直列接続した約２０〜２５台の太陽電池モジュールから構成される。太陽電池モジュールを４台組み合わせた太陽電池ストリングは約８０〜１００台のモジュールからなる太陽電池“群”として識別され得、かくして、太陽電池発電アレイ２１の２０台の太陽光発電最適化装置及びトランスミッタでは合計１６００〜２０００台の太陽電池モジュールがＳＰＯＴの“水平”バス２１ａに接続される。ＳＰＯＴの水平バス２１ｂ、２１ｃ〜２１ｘ（“ｘ”は最後のバスを表し、前記アレイは太陽電池エネルギー収集網２３を含むものとする）を含むその他の太陽電池発電アレイは、同じく太陽光放射から最大５００ｋＷを発生し得るが、図６には前記その他アレイにおける太陽光発電最適化装置及びトランスミッタの各々に接続した太陽電池ストリングは示されない。ＳＰＯＴの水平バスは各々ＳＰＯＴ“垂直”バス（図６の２６ａ、２６ｂ、２６ｃ〜２６ｘ）に接続され、そこから中央電力系統に同期された多相定電流源変換器システム１４における電力系統の変換器パッケージモジュール（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ及び１４ｄ）に接続される。太陽光発電最適化装置及びトランスミッタの各１つに接続した太陽電池モジュールアレイからの最大供給アンペアが１０直流アンペアである前記実用構成では、ＳＰＯＴの各垂直バスを構成する導体のサイズは最大電流容量が２００直流アンペアのものに限定される。

図１の中央制御モジュール１６ｂは回路、即ち、複数の太陽光発電最適化装置及びトランスミッタ、及び、中央電力系統に同期された多相定電流源変換器システムにおける電力系統の変換器パッケージモジュールとの間で通信し、各ＳＰＯＴから送られる収集データ等の発電システムデータを送受信し、好ましくは、安全なイーサネット（登録商標）等の安全なデータリンク１７（図１に点線で示す）により電力系統の変換器パッケージモジュール１４ａ〜１４ｄと通信し、本発明の特定実施例において仮に使用される場合は、三次元、視覚指向、仮想現実、の表示環境と、例えばＶＩＥＷコンピュータシステムを介して通信し、中央変換器システムから電力系統に挿入される高電圧（ＨＶ）電力系統の高電圧を監視し、太陽電池エネルギー収集網１２と、中央電力系統に同期された多相定電流源変換器システム１４との間の直流リンク２２における電圧を監視し、太陽電池エネルギー収集網１２からの供給電流発生値を前記システム１４の要求値に合致させるために設定されて各電力系統変換器パッケージモジュールに送られる設定直流入力電流値を制御し、電力系統に挿入される交流電流相を交流電力系統電圧相に関して制御するための回路を含む。

本発明の１様相において、エネルギー変換システム１４は複数の電力系統変換器パッケージモジュールを含む。図１〜６では４台のこれらエネルギー変換システム１４ａ〜１４ｄを示すが、本発明の他のシステム例ではその合計数は代表的には３０〜４０台の範囲である。電力系統変換器パッケージモジュールは、先に説明した如く、電力系統変換器パッケージモジュールの定格発電量（図１の実施例では２５００ｋＷ）を直流から交流に変換し、電力系統変流器パッケージモジュールの運転パラメータを、中央制御モジュール及び、三次元、視覚指向、仮想現実の表示環境（例えば、ＶＩＥＷコンピュータ）に送信（リポーティング）し、中央制御モジュールから、直流入力電流値設定点及び電力系統変換器パッケージの出力相角度等の運転パラメータを受信するための回路を格納する。送信される運転パラメータには、電力系統変流器パッケージモジュールに対する直流入力電流値、電力系統変流器パッケージモジュールからの交流出力電圧相、電力系統変流器パッケージモジュールからの交流出力電力値、電力系統変流器パッケージモジュールからの出力周波数値、電力系統変流器パッケージモジュール冷却サブシステムにおける冷媒（使用する場合）温度、電力系統変流器パッケージモジュールにおける選択部品温度、が含まれ得る。
本発明の１実施例において、仮想イマージョン式監視システムはＶＩＥＷコンピュータシステムを含む三次元、視覚指向、仮想現実の表示環境であり、前記コンピュータシステムが、発電システム情報を収集し、収集した発電システム情報を以下に詳細を説明する三次元仮想現実を用いて提示し、太陽光エネルギー再生可能発電システム用に入手可能なストリング放射を基に、電力系統に挿入される出力を予測する。

図７には、本発明の仮想イマージョン式監視システムの鍵となる要素が例示され、高電圧型太陽電池エネルギー収集網の一部がＶＩＥＷコンピュータの表示ユニット上で白黒三次元画像で示されている。この画像では、太陽電池ストリングを構成する各太陽電池モジュール３０は各部品における実時間での動的雲明暗化（ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｃｌｏｕｄ ｓｈａｄｉｎｇ）を含む、インストールされた外部動的エネルギーに対して視覚化されている。ＳＰＯＴ２０あるいは２５の相対位置が、これらＳＰＯＴ２０あるいは２５の入力部に接続した太陽電池ストリングからの導体９１と、ＳＰＯＴ２０あるいは２５の出力部を接続する直流リンク２２と共に示される。各ＳＰＯＴは約１２×１２×６インチ（約３０．５×３０．５×１５．２ｃｍ）の包囲体内に包囲され得、図７に示す如く、この包囲体はその頂部位置に太陽電池ストリング用の４つの接続部を有し、ＳＰＯＴ包囲体の各側部あるいは底部には、図７に例示する如く３つのパススルー（ＳＰＯＴ水平バスの端部ＳＰＯＴを除く）入力及び出力用導体（図２ａ及び図２ｂに例示する如き正、負、及び中立（共通）の）が包囲され得る。太陽電池ストリングの各太陽電池群は１台の構造支持ラックに載置され得、このラックは、太陽電池群に関連する太陽光発電最適化装置及びトランスミッタ取り付け構造（ラックの下側あるいは側方の）としても作用し得る。以下に説明する仮想イマージョン式監視システムにおける全ての色分け要素、雲の視覚化、及びその他の表示要素は、三次元、視覚指向、仮想現実の表示環境の１要素としてのＶＩＥＷコンピュータ視覚表示装置上に発電システム三次元画像を提供する。

本発明の仮想イマージョン監視及び制御システムにおける太陽光発電のための代表的な２つの実施例が提供され、その一方は固定傾斜追尾型太陽電池アレイを使用し、他方は図１で架台３１により例示される如く、２軸追尾型太陽電池アレイを使用する。太陽光発電所の正確な三次元描写がＶＩＥＷコンピュータ表示モデルに取り込まれる。三次元空間を自由に移動する仮想カメラビューを通した眺めが、好適なコンピュータ視覚出力装置上でＶＩＥＷコンピュータ表示モデルのオペレーターに提供され得る。オペレーターは、ハンドル型コントローラ、ジョイスティックあるいはトラックボール等の好適なコンピュータ入力装置を介して三次元空間を通してのカメラ移動を制御する。前記移動は太陽電池発電アレイ全体におけるものであり得、随意的には、太陽光発電所の個々の部品の所定の三次元空間を進む形で提供され得る。

太陽光発電所の各太陽電池ストリングの出力はＶＩＥＷコンピュータ可視表示装置上に視覚化され得る。各太陽電池ストリングは、関連するストリングの性能データを中央制御モジュールに通信してストリングを制御するＳＰＯＴにより参照され、かくしてこのＳＰＯＴにより制御され得る。太陽電池モジュールにおける日射量は太陽光発電所上空における朝〜夜にかけての太陽光の遷移により変動し得、かくして、２軸型追尾装置（使用する場合）の、常時日射に直交する向きに影響を及ぼす。本発明の仮想イマージョン監視システムの１実施例において、出力、電流及び電圧値、はＶＩＥＷコンピュータ表示装置の発電システム部品、例えば、太陽電池モジュール、太陽光発電最適化装置及びトランスミッタ、相互接続した導体、電力系統の変換器パッケージモジュールに関連する切替用部品、の好適な色強度範囲の画像により表され、前記色強度は発電システム部品に関連する出力、電流及び電圧値の関数である。

本発明の１実施例において、太陽電池ストリングの各モジュールからの公称出力の色分けは連続的な色スペクトル陰影において表され、前記陰影は、最大出力時のストリングにおける明青色陰影から、最大発電量未満の運転時のもっと暗い青色陰影、そして、発電量ゼロの運転時のストリングにおける黒色までの範囲のものであり得る。色の遷移は公称発電量に直線的に関係する。設備故障により発電しないストリングは発電量ゼロの通常ストリングと区別するために赤色で視覚表示させ得る。発電システムの導体は、そこを流れる電流値を緑色の陰影で表し、より高い電流値を明るい緑色で、もっと少ない電流水準をより暗い緑色で表示させ得る。誤作動あるいは故障中の導体は赤色で表示させ得る。各ＳＴＯＰ包囲体を黄色の陰影で表し、より高い電流水準を明るい黄色で、より低い電流水準をもっと暗い黄色で表示させ得る。誤作動あるいは故障中のＳＰＯＴ包囲体を赤色で表示させ得る。変換器、変圧器、電力系統の切替装置及びその他部品を天然色で視覚表示させ得る。視覚表示装置の好適位置（例えば視覚表示装置の角部）にメーター機能アイコン図形を位置決めし、キロワット等の好適な単位で電力発電量を実時間表示させ得る。オペレーターは、視覚表示装置におけるオペレーター制御性のポインターアイコン図形を用いてシステム部品からの出力及びエネルギーの詳細な情報を、それら部品の番号等の一意識別子と共に前記メーター機能アイコン図形内に視覚表示させ得る。

仮想イマージョン監視システムにおいて、太陽電池パネル表面上の雲の陰影から当該雲の画像を再構成させ得る。前記陰影は、太陽光発電所の１つのセクションにおける発電量の変動的低下により検知する。
本システムには、発電所上空の雲の移動パラメータ（雲の移動方向及び速度）に基づき、今後時点（例えば現在時刻から１０分後）におけるシステムの出力を視覚表示する予測アルゴリズムの実施が含まれ得る。
本発明の１実施モデル例において、設備を有効化（例えば、太陽電池モジュール透明化）し、選択視覚層をオンあるいはオフに切替て発電システムの種々のステージをハイライト化させ得るよう、ＶＩＥＷコンピュータ表示装置上に専用視覚層を表示させ得る。

図８には、風力エネルギーを収集及び変換するための実用規模の再生エネルギー発電システムと、発電システム用の本発明の監視及び制御システムとがワンラインブロック図で略示されている。永久磁同期発電機（ＳＧ）５０から発生された可変周波数の交流発電量が交流／直流変換器５１により整流され、次いで、風力発電最適化装置及びトランスミッタ（ＷＰＯＴ）４０の入力部に印加される。風力発電最適化装置及びトランスミッタが、風車を最大発電量で運転させる最適化負荷を同期発電機に印加する。風力発電最適化装置及びトランスミッタ４０は、太陽光発電最適化装置及びトランスミッタ用の、図２ａ及び図２ｂに示す如き４台（あるいはその他偶数台）の直流／直流変換器に代えて、これに限定しないが、代表的には単一の直流／直流変換器（例えば図３ａあるいは図３ｂに示す如き）を使用する点を除き、先に説明した太陽光発電最適化装置及びトランスミッタと類似のものである。１台あるいは１台超の風力発電最適化装置及び変換器の出力が、高電圧型直流リンク４２を介し、３台以上の電力系統変換器パッケージモジュール、例えば図８に示す如く４台のそれらモジュール１４ａ〜１４ｄを用いる中央電力系統に同期された多相定電流源変換器システムに接続される。

仮想イマージョン監視システムは、本発明の特定実施例においてそれを使用する場合、１台あるいは１台超の風力発電最適化装置及び変換器及び電力系統変換器パッケージモジュールと通信し、風力発電所の運転をＶＩＥＷコンピュータ表示装置上に視覚表示させる。三次元、視覚指向、仮想現実、の表示環境には、風力発電所の三次元地形層が含まれる。一般的な風車画像を使用できる。電力系統変換器パッケージは、風車数に基づいて適宜数選択され、各風車は約１．５ＭＷの出力を有し、電力系統の各変換器パッケージは２．５メガワット（ＭＷ）の定格発電量を有する。仮想イマージョン監視システムの視覚化は、各前記電力系統変換器パッケージが前景に配置され、各風車及び変換器システムへの接続部が明瞭に目視し得るよう配列される。変圧器は、変換器をその内部に配置するビルの外側で各変換器に隣接して位置付け得る。風車の発電量は発電量メーターアイコン図形で少なくとも実時間発電量で、随意的には、三次元の、視覚指向の表示環境上に層表示した数値あるいは図形の履歴データであり得る。
上述した太陽光発電システム用の仮想イマージョンシステムの各要素は、風力発電ではなく太陽光発電に特に一意的に関連する部品あるいは機能用のものではない限り、風力発電システム用仮想イマージョンシステムにも適用可能である。
以上、本発明を実施例を参照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし得ることを理解されたい。

１、２ 端子
１２ 太陽電池エネルギー収集網
１４ 多相定電流源変換器システム
１４ａ−１４ｄ 変換器パッケージモジュール
１６ 制御システム
１６ａ 仮想イマージョン式機器見張り装置モジュール
１６ｂ 中央制御モジュール
１７ データリンク
１８ 昇圧変圧器
２０ トランスミッタ
２０ｂ プロセッサ
２０ｃ トランシーバ
２１ａ ＳＰＯＴ水平バス
２１ 太陽電池発電アレイ
２２ 直流リンクバス
２３ 太陽電池エネルギー収集網
３０ 太陽電池モジュール
３１ 太陽電池ストリング
４０ トランスミッタ
４２ 高電圧型直流リンク
５１ 交流／直流変換器
９１ 導体

Claims (8)

1. 実用規模の再生可能エネルギー発電システムであって、
   高電圧型の再生可能エネルギー環境発電網にして、
   各々が直流出力部を有する、再生可能エネルギー収集体の複数のストリングと、複数の再生可能エネルギー発電最適化装置及びトランスミッタとを含み、各前記複数の再生可能エネルギー発電最適化装置及びトランスミッタが、再生可能エネルギー収集体の複数のストリングにおける少なくとも１つにおける直流出力部に接続した、少なくとも１つのストリング発電最適化装置入力部を有し、各前記複数の再生可能エネルギー発電最適化装置及びトランスミッタが、正の直流リンク及び負の直流リンクを有するシステム直流リンクに接続した中立出力部を構成する正側（＋）高電圧直流出力部及び負側（−）高電圧直流出力部を有し、前記正側（＋）高電圧直流出力部を前記正の直流リンクに接続し、前記負側（−）高電圧直流出力部を前記負の直流リンクに接続し、前記中立出力部を前記システム直流リンクの電気的中立部に接続した構成を有する前記高電圧型の再生可能エネルギー環境発電網と、
   中央電力系統に同期された多相定電流源インバータシステムにして、複数の電力系統インバータパッケージモジュールを有し、各前記電力系統インバータパッケージモジュールが、前記システム直流リンクに接続した電力系統インバータパッケージモジュール入力部と、前記高電圧型の再生可能エネルギー環境発電網からの電力を供給するための出力部にして、電力系統に接続する昇圧変圧器を介して電力系統から電気的に分離された出力部と、を有する多相定電流源インバータシステムと、
   三次元、視覚指向、仮想現実、の表示環境を含む仮想イマージョン式監視システムにして、前記表示環境が、ＶＩＥＷコンピュータシステムを含む仮想イマージョン機器見張り装置（ＶＩＥＷ）モジュールを有し、前記ＶＩＥＷコンピュータシステムが、前記高電圧型の再生可能エネルギー環境発電網のためにシステム情報を収集し、収集したシステム情報を提示し、高電圧型の再生可能エネルギー環境発電網から利用可能な電力を、前記高電圧型の再生可能エネルギー環境発電網が太陽光エネルギーシステムである場合は高電圧型の再生可能エネルギー環境発電網で利用可能なストリング放射の関数として、あるいは前記高電圧型の再生可能エネルギー環境発電網が風力エネルギーシステムである場合は利用可能な風力エネルギーの関数として、予測する仮想イマージョン式監視システムと、
   前記高電圧型の再生可能エネルギー環境発電網及び前記中央電力系統に同期された多相定電流源インバータシステムを監視及び制御する中央制御システムにして、前記複数の再生可能エネルギー発電最適化装置及びトランスミッタ及び前記電力系統インバータパッケージモジュールの間で通信する無線手段と、前記複数の高電圧型の再生可能エネルギー環境発電網のデータ及び中央電力系統に同期された複数の多相定電流源インバータシステムのデータを送受信する無線手段と、前記仮想イマージョン式監視システムと通信するための手段と、を含む中央制御システムと、
   を含む実用規模の再生可能エネルギー発電システム。
2. 前記再生可能エネルギー収集体の複数のストリングの各ストリングが複数の太陽電池モジュールを含み、各前記再生可能エネルギー発電最適化装置及びトランスミッタが、
   少なくとも一対の直流／直流コンバータにして、各直流／直流コンバータがストリングインバータ入力部と、コンバータ対直流リンク出力部とを有し、前記ストリングインバータ入力部が、少なくとも１つのストリングの再生可能エネルギー発電最適化装置入力部に接続され、前記コンバータ対直流リンク出力部が高電圧直流出力部に接続された前記少なくとも一対の直流／直流コンバータと、
   各前記少なくとも一対の直流／直流コンバータのストリングインバータ入力部位置のストリングインバータ入力電圧及びストリングインバータ入力電流を検出及び監視し、前記少なくとも一対の直流／直流コンバータの各々を最大出力点に制御するプロセッサと、
   を含む請求項１に記載の実用規模の再生可能エネルギー発電システム。
3. 各前記複数の再生可能エネルギー発電最適化装置及びトランスミッタにおける複数のインバータ切替装置の転流周波数を制御するためのインバータ制御装置を含む請求項１または２に記載の実用規模の再生可能エネルギー発電システム。
4. 一定の近共鳴周波数に維持される期間中の各前記複数の再生可能エネルギー発電最適化装置及びトランスミッタの複数のインバータ切替装置の通電時間を制御するためのインバータ制御装置を含む請求項１または２に記載の実用規模の再生可能エネルギー発電システム。
5. 各前記複数の再生可能エネルギー発電最適化装置及びトランスミッタにおける複数のインバータ切替装置の共鳴周波数範囲付近での転流周波数と、各前記複数の再生可能エネルギー発電最適化装置及びトランスミッタにおける複数のインバータ切替装置の、共鳴周波数範囲外の一定周波数に維持される期間中の通電時間とを制御するためのインバータ制御装置を含む請求項１または２に記載の実用規模の再生可能エネルギー発電システム。
6. 前記複数の再生可能エネルギー収集体の各々が複数の風車被駆動式の交流発電機を含み、各前記複数の風車被駆動式の交流発電機が整流済み直流の出力部を有し、
   各前記複数の再生可能エネルギー発電最適化装置及びトランスミッタが、
   少なくとも一対の直流／直流コンバータにして、各々がストリングインバータ入力部と、コンバータ対直流リンク出力部とを有し、前記ストリングインバータ入力部がストリングの少なくとも１つの発電最適化装置の入力部に接続され、コンバータ対直流リンク出力部が高電圧直流出力部に接続された前記少なくとも一対の直流／直流コンバータと、
   各前記少なくとも一対の直流／直流コンバータにおけるストリングインバータ入力部位置のストリングインバータ入力電圧及びストリングインバータ入力電流を検出及び監視し、前記少なくとも一対の直流／直流コンバータの各々を最大出力点に制御するためのプロセッサと、
   を含む請求項１に記載の実用規模の再生可能エネルギー発電システム。
7. 実用規模の再生可能エネルギーシステムからの再生可能エネルギーの環境発電、変換、監視及び制御方法であって、
   前記システムは、各々が直流出力部を有する再生可能エネルギー収集体の複数のストリングを含む高電圧型の再生可能エネルギー環境発電網と、複数の電力系統インバータパッケージモジュールを有し中央電力系統に同期された多相定電流源インバータシステムとを含み、
   前記方法が、前記高電圧型の再生可能エネルギー環境発電網内に単一の正の高電圧直流出力部及び単一の負の高電圧直流出力部及び単一の電気的中立部を提供するように構成し、配分した複数の再生可能エネルギー発電最適化装置及びトランスミッタにより前記再生可能エネルギー収集体の複数のストリングの直流出力部を最大出力点に最適化するステップと、
   単一の正の高電圧直流出力部に接続した正のバス、単一の負の高電圧直流出力部に接続した負のバス、及び、単一の電気的中立部に接続した共通バスを有するシステム直流リンクにより、前記単一の正及び負の各高電圧直流出力部及び電気的中立部を、前記中央電力系統に同期された複数の多相定電流源インバータシステムに接続するステップと、
   前記高電圧型の再生可能エネルギー環境発電網からの電力を、前記中央電力系統に同期された多相定電流源インバータシステムからの出力部にして昇圧変圧器を介して前記中央電力系統から電気的に分離された前記出力部を介して前記中央電力系統に供給するステップと、
   前記高電圧型の再生可能エネルギー環境発電網を、三次元、視覚指向、仮想現実、の表示環境において仮想イマージョン式監視するステップにして、仮想イマージョン機器見張り装置（ＶＩＥＷ）モジュールが、前記高電圧型の再生可能エネルギー環境発電網のためにシステム情報を収集し、収集したシステム情報を提示し、高電圧型の再生可能エネルギー環境発電網から利用可能な電力を、前記高電圧型の再生可能エネルギー環境発電網が太陽光エネルギーシステムである場合は高電圧型の再生可能エネルギー環境発電網で利用可能なストリング放射の関数として、あるいは前記高電圧型の再生可能エネルギー環境発電網が風力エネルギーシステムである場合は利用可能な風力エネルギーの関数として、予測する仮想イマージョン式監視するステップと、
   前記高電圧型の再生可能エネルギー環境発電網と、中央電力系統に同期された多相定電流源インバータシステムとを、前記三次元、視覚指向、仮想現実、の表示環境との通信状況下に無線式に中央制御するステップと、
   を含む方法。
8. 少なくとも１対の直流／直流コンバータの各々が、可変周波数制御式の共鳴型インバータを更に含み、前記共鳴型インバータが、各ストリングインバータ入力部の少なくとも１つに接続した共鳴型インバータ入力部と、単一の整流器の入力部に絶縁変圧器により接続した共鳴型インバータ出力部とを有し、前記単一の整流器が、前記正の整流器出力部及び負の整流器出力部に接続した出力部を有し、プロセッサが、前記可変周波数制御式の共鳴型インバータの運転周波数を変化させることにより前記少なくとも１対の直流／直流コンバータの各々を最大出力点に制御する請求項６に記載の実用規模の再生可能エネルギー発電システム。