JP6183878B2

JP6183878B2 - 電力変換システム

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Publication number: JP6183878B2
Application number: JP2012165281A
Authority: JP
Inventors: ツーフイ・タン; シューキン・ウー; シンフイ・ウー; マオツォン・ゴング
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-07-29
Filing date: 2012-07-26
Publication date: 2017-08-23
Anticipated expiration: 2032-07-26
Also published as: US8982592B2; EP2551986A1; ES2919781T3; JP2013069267A; CN102904273B; EP2551986B1; KR20130014395A; TW201315116A; US20130027997A1; CN102904273A; KR102037989B1; TWI545878B

Description

本開示の実施形態は、概して、電力を変換して電気システムに送るための電力変換システムおよび方法に関し、より詳細には、改良された最大電力点追尾能力を有する電力変換システムおよび方法に関する。

太陽発電システムによって生成されるソーラパワーなどの再生可能な電力は、世界中で大きなエネルギー源になりつつある。典型的な太陽発電システムは、相互接続された複数の太陽電池を有する１つまたは複数の光電池アレイ（ＰＶアレイ）を含む。ＰＶアレイの太陽電池はソーラエネルギーをＤＣ電力に変換する。ＰＶアレイの出力を電力グリッドにインターフェースするために、通常、ソーラパワーコンバータを使用し、ＰＶアレイからのＤＣ電力をＡＣ電力に変え、電力グリッドに供給する。

ＰＶアレイからのＤＣ電力出力をＡＣ電力に変換するために、種々のソーラパワーコンバータ構成が存在する。ソーラパワーコンバータの一実装形態は、ＤＣ−ＤＣコンバータ段およびＤＣ−ＡＣコンバータ段を含む２つの段を有する。ＤＣ−ＤＣコンバータは、ＰＶアレイからＤＣバスへのＤＣ電力の流れを制御する。ＤＣ−ＡＣコンバータ段は、ＤＣバスに供給されるＤＣ電力を、電力グリッドへと出力され得るＡＣ電力に変換する。既存のソーラパワーコンバータは、電力コンバータコントローラをさらに使用し、ＤＣバス電圧およびＡＣ格子電圧および周波数などの種々のシステム変数を補償するようにＤＣ−ＤＣコンバータおよびＤＣ−ＡＣコンバータを調節する。

ソーラパワーソースの固有の非線形的な特性により、ソーラパワーソースの最適な動作点を正確に予測することは容易ではない。したがって、ほとんどすべての既存のソーラパワーコンバータコントローラは、太陽発電プロセス中にソーラパワーソースから確実に最大電力が抽出されるようにするための最大電力点追尾（ｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔｔｒａｃｋｉｎｇ（ＭＰＰＴ））機能を有するように構成される。このＭＰＰＴ機能は、例えば、摂動・観測（ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎａｎｄｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ（Ｐ＆Ｏ））アルゴリズムおよびインクリメンタルコンダクタンス（ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ）アルゴリズムなどの、種々のＭＰＰＴアルゴリズムのうちの１つを実装することによって達成され得る。ソーラパワー変換システムが電力グリッドに接続される場合、これらの従来のＭＰＰＴアルゴリズムを実装するにはいくつかの制限がある。１つの問題は、ＭＰＰＴ出力電力がライン側出力電力より大きくなることによりＤＣバスで電力不均衡が起こる可能性があることである。したがって、電力変換システムが電力源から生成された追加の電力を処理するために迅速に反応することができない場合、ＤＣバスで過電圧の問題が起こる。この電力不均衡問題は、電圧および周波数の変化が大きい可能性がある弱い電力グリッド（ｗｅａｋｐｏｗｅｒｇｒｉｄ）に電力変換システムが接続されている場合に、深刻になる可能性がある。

したがって、上述の問題に対処するシステムおよび方法を提供することが所望される。

本明細書に開示される一実施形態によれば、電力変換システムが提供される。この電力変換システムは、最大電力点追尾（ＭＰＰＴ）ユニット、ＤＣバス、電力コンバータおよびコンバータコントローラを有する。ＭＰＰＴユニットが電力源からフィードバック電流信号およびフィードバック電圧信号を受け取り、これらのフィードバック電流信号およびフィードバック電圧信号に少なくとも部分的に基づいてＭＰＰＴ基準信号を生成する。ＤＣバスが電力源からＤＣ電力を受け取る。電力コンバータがＤＣバス上のＤＣ電力を交流（ＡＣ）電力に変換する。コンバータコントローラがＭＰＰＴユニットからＭＰＰＴ基準信号と、電力コンバータの出力で測定される出力電力フィードバック信号とを受け取り、次いで、ＭＰＰＴ基準信号および出力電力フィードバック信号に少なくとも部分的に基づいてＡＣ電力調節および最大電力抽出のための制御信号を生成し、次いで、電力コンバータに制御信号を送る。

本明細書に開示される別の実施形態によれば、動力変換システムを動作させる方法が提供される。この方法は、電力源の出力で測定されるフィードバック電流信号およびフィードバック電圧信号に少なくとも部分的に基づいて最大電力点追尾（ＭＰＰＴ）基準信号を生成するステップと、ＭＰＰＴ基準信号および電力変換システムの出力で測定される出力電力フィードバック信号に少なくとも部分的に基づいて制御信号を生成するステップと、電力不均衡状態を軽減しながら電力源から最大電力が抽出されるのを可能にするために電力コンバータに制御信号を適用するステップとを含む。

本明細書に開示される別の実施形態によれば、ソーラパワー電力変換システムが提供される。このソーラパワー変換システムは、最大電力点追尾（ＭＰＰＴ）ユニット、ＤＣバス、ライン側コンバータおよびライン側コントローラを有する。ＭＰＰＴユニットが光電池（ＰＶ）電力源からフィードバック電流信号およびフィードバック電圧信号を受け取り、フィードバック電流信号およびフィードバック電圧信号に少なくとも部分的に基づいてＭＰＰＴ基準信号を生成する。ＤＣバスがＰＶ電力源からＤＣ電力を受け取る。ライン側コンバータがＤＣバス上のＤＣ電力をＡＣ電力に変換するためにＤＣバスに結合される。ライン側コントローラが、ＭＰＰＴ基準信号、および、ライン側コンバータの出力で測定される出力電力フィードバック信号に少なくとも部分的に基づいてＡＣ電力調節および最大電力抽出のための制御信号を生成し、その制御信号をライン側コンバータに供給する。

本開示のこれらのおよび別の特徴、態様および利点は、複数の図面を通して同様の参照符号が同様の部品を示している添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによりより良く理解される。

本開示の例示の実施形態によるソーラパワー変換システムを示す概略的なブロック図である。本開示の例示の実施形態による、図１に示されるライン側コントローラによって実装される制御図である。本開示の例示の実施形態による、図２に示されるＭＰＰＴ回路に関連する有効電力レギュレータを示す詳細な制御図である。本開示の別の例示の実施形態による、図２に示されるＭＰＰＴ回路に関連する有効電力レギュレータを示す詳細な制御図である。本開示の別の例示の実施形態による、図２に示されるＭＰＰＴ回路に関連する有効電力レギュレータを示す詳細な制御図である。本開示の例示の実施形態による、図１に示されるＰＶ側コントローラを示す詳細な制御図である。本開示の別の例示の実施形態による、図１に示されるＰＶ側コントローラを示す詳細な制御図である。本開示の別の例示の実施形態による、図１に示されるＰＶ側コントローラを示す詳細な制御図である。本開示の別の例示の実施形態による、図１に示されるＰＶ側コントローラを示す詳細な制御図である。本開示の例示の実施形態による、ソーラパワー変換システムのための最大電力点追尾を改良して実施するための方法を示すフローチャートである。本開示の例示の実施形態によるソーラパワーソースのＰＶ電圧に対するＰＶ電力を示すグラフである。

本明細書で開示される実施形態は、概して、改良された最大電力点追尾（ＭＰＰＴ）能力を有する電力変換システムを動作させることに関する。本明細書で使用される「ＭＰＰＴ能力」は、ソーラパワーソースから最大電力を抽出することができるような、ソーラパワーソースの動作点を検出するための、ソフトウェアまたはハードウェア内に実装される制御構成または制御方式を意味する。より詳細には、本明細書で説明されるＭＰＰＴを実装することは電圧源制御構成または電圧源制御方式に基づく。本明細書で使用される「電圧源制御構成または電圧源制御方式」は１つの制御実施形態を意味し、この実施形態では、主制御パラメータのうちの１つが、電圧変換システムの電圧振幅コマンドおよび位相角コマンドを含むＡＣ電圧である。さらに、電圧源制御構成に基づいて、ＭＰＰＴ能力は、ＭＰＰＴ発電がライン側出力電力に確実に調和するように、実装される。したがって、この電力変換システムは、従来のソーラパワー変換システムに通常存在してソーラパワーソースから生成される追加の電力を貯蔵するのに使用される追加のエネルギー貯蔵デバイスを用いずに実装され得る。

以下では本開示の１つまたは複数の特定の実施形態を説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するために、実際の実装形態のすべてのフィーチャが本明細書で説明されるわけではない。任意の工学プロジェクトまたは設計プロジェクトの場合のように、任意のこのような実際の実装形態を開発する際、システム関連の制約および事業関連の制約に対するコンプライアンスなどの、実装形態ごとに変化する可能性がある開発者特有の目標を達成するために多くの実装形態固有の決定がなされなければならないことを理解されたい。さらに、このような開発努力は複雑で時間を要する可能性があるが、本開示の利益を享受する当業者にとっては、設計、製作および製造の通常の仕事であることを理解されたい。

特に定義されない限り、本明細書で使用される技術用語および科学用語は、本開示が属する技術分野の当業者が通常理解するものと同じ意味を有する。本明細書で使用される「第１の」、「第２の」などの語は、順序、量または重要性を一切意味せず、１つ要素を別の要素と区別するのに使用される。また、「ａ」および「ａｎ」の単語は量を制限することを意味せず、参照するアイテムが少なくとも１つ存在することを意味する。「ｏｒ（または）」は包括的であることを意味し、列記されるアイテムのいずれかまたはすべてを意味する。本明細書で「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」または「ｈａｖｉｎｇ」、およびそれらの語尾変化を使用することは、後ろに列記されるアイテムおよびその均等物さらには追加のアイテムを包含することを意味する。「ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ（接続）」および「ｃｏｕｐｌｅｄ（結合）」という単語は、物理的または機械的な接続または結合に限定されず、直接的または間接的であっても電気的な接続または結合を含むことができる。さらに、「ｃｉｒｃｕｉｔ」および「ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ」ならびに「ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ（コントローラ）」という単語は単一の構成要素または複数の構成要素のいずれも含むことができ、これらは能動的なものおよび／または受動的なもののいずれかであり、説明される機能を提供するために一体に接続されるかまたはそれ以外では一体に結合される（例えば、１つまたは複数の集積回路チップとして）。

図１は、本開示の例示の実施形態による電力変換システム１０のブロック図を示している。以下では、本開示の最良の形態をより良く理解できるように、電力変換システム１０はソーラパワー変換システムとして図示および説明される。しかし、本開示の特定の態様が、例えば、燃料電池システム、風力発電システムおよび潮力発電システムを含む、別の電力変換システムに対して同様に適用され得るので、本明細書で説明される１つまたは複数の実施形態がソーラ用途のみに限定されるべきではないことを、当業者であれば容易に理解するであろう。

概して、ソーラパワー変換システム１０は、ソーラパワーソース１２と電力グリッド１８との間をインターフェースするように構成されたソーラパワーコンバータ１４を含む。より具体的には、ソーラパワーコンバータ１４は、ソーラパワーソース１２から生成される直流（ＤＣ）電圧または電流の形態の電力（以下では、ＤＣ電力と称される）を、電力グリッド１８として示される電気システムに送られるのに適する交流（ＡＣ）電圧または電流の形態の電力（以下では、ＡＣ電力と称される）に変換するように構成される。一実施形態では、ソーラパワーソース１２は、光起電力効果を介してソーラエネルギーをＤＣ電力に変換することができる複数の相互接続される複数の太陽電池を有する１つまたは複数の光電池アレイ（ＰＶアレイ）を含むことができる。一実施形態では、電気システム１８はＡＣ電力グリッドを有することができ、ソーラパワー変換システムは、適切な周波数および振幅の三相ＡＣ電力をＡＣ電力グリッド１８に送達するように構成される。

一実装形態では、図１に示される電力コンバータ１４は、ＰＶ側コンバータ１４２およびライン側コンバータ１４４を含む２段構成に基づく。ＰＶ側コンバータ１４２は、電力源１２から受けるＤＣ電圧を増大させてより高いＤＣ電圧をＤＣバス１４６に出力する、ＤＣ−ＤＣブーストコンバータなどのＤＣ−ＤＣコンバータを有することができる。ＤＣバス１４６は、ＤＣバス１４６の電圧を特定のレベルに維持するために並列または直列に結合される１つまたは複数のコンデンサを含むことができ、したがって、ＤＣバス１４６から電力グリッド１８へのエネルギーの流れが管理され得る。ライン側コンバータ１４４は、ＤＣバス１４６上のＤＣ電圧をＡＣ電力グリッド１８に送られるのに適するＡＣ電圧に変換するＤＣ−ＡＣコンバータを有することができる。別の実装形態では、電力コンバータ１４は、ＤＣバスでのＤＣ電圧を、電力グリッド１８に送るのに適切な周波数および電圧振幅を有するＡＣ電圧に変換するためのＤＣ−ＡＣコンバータを含む単段コンバータ構成に基づくことができる。単段実施形態または多段実施形態のいずれでも、電力コンバータ１４はＡＣ電力調節および最大電力抽出の両方を実現するように制御される。本明細書で使用される「ＡＣ電力調節」は、有効電力コマンド信号または無効電力コマンド信号に従って電力コンバータからの有効電力出力または無効電力出力を調節することを意味し、「最大電力抽出」は、ソーラパワーソースから最大量の電力出力を得るためにソーラパワーソースの動作点を電力曲線上の最も高い点（これは、照射または温度変化などの環境変化に反応して変化する可能性がある）へと動的に移動させることを意味する。

一実装形態では、図１に示される電力変換システム１０は、ソーラパワーソース１２からのＰＶ電力出力を調節しさらにはライン側コンバータ１４４の出力での有効電力または無効電力を調節するように構成された電力コンバータコントローラ１６をさらに有する。一実装形態では、上述した２段コンバータ構成に対応して、電力コンバータコントローラ１６はＰＶ側コントローラ１６２およびライン側コントローラ１６４を有するように構成される。ＰＶ側コントローラ１６２は、種々のコマンド信号およびフィードバック信号に従ってソーラパワーソース１２からのＰＶ電力出力を調節するために、ＰＶ側制御信号１６６をＰＶ側コンバータ１４２に送るように構成される。ライン側コントローラ１６４は、種々のコマンド信号およびフィードバック信号に従ってライン側コンバータ１４４からの有効電力出力または無効電力出力を調節するために、ライン側制御信号１６８をライン側コンバータ１４４に送るように構成される。ＰＶ側コンバータ１４２は、ハーフブリッジコンバータ、フルブリッジコンバータまたはプッシュプルコンバータなどの、任意のタイプのコンバータトポロジを有することができる。ライン側コンバータ１４４は、２レベルコンバータまたは３レベルコンバータなどの、任意のタイプのＤＣ−ＡＣコンバータトポロジを有することができる。ＰＶ側コンバータ１４２およびライン側コンバータ１４４は複数の半導体スイッチングデバイス（図示せず）を有することができ、これには、限定しないが、集積ゲート整流サイリスタ（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｇａｔｅｃｏｍｍｕｔａｔｅｄｔｈｙｒｉｓｔｏｒ（ＩＧＣＴ））および絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ｉｎｓｕｌａｔｅｄｇａｔｅｂｉｐｏｌａｒｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ＩＧＢＴ））が含まれる。このスイッチングデバイスは、ＰＶ側制御信号１６６およびライン側制御信号１６８にそれぞれ反応してオンおよびオフを切り換えられる。２つのコントローラ１６２、１６４が示されているが、別の実施形態では、ＰＶ側コンバータ１４２およびライン側コンバータ１４４の両方を制御するのに単一のコントローラが使用されてもよい。

一実装形態では、図１に示される電力変換システム１０は、ソーラパワーソース１２からのＤＣ電力出力のリップル成分およびＰＶ側コンバータ１４２からソーラパワーソース１２へ伝達される阻害するリップル信号を取り除くための１つまたは複数の容量性要素（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｅｌｅｍｅｎｔ）または誘導性要素（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｅｌｅｍｅｎｔ）を有するＰＶ側フィルタ２２をさらに有することができる。電力変換システム１０は、ライン側コンバータ１４４からの３相ＡＣ電力出力の各相の高調波信号を取り除くための１つまたは複数の誘導性要素または容量性要素（図示せず）を有するライン側フィルタ２４をさらに含むことができる。

一実装形態では、ＰＶ側コントローラ１６２は、ＤＣバス１４６の出力に配置されるＤＣ電圧センサによって測定されるＤＣ電圧フィードバック信号１５６を受け取る。ＰＶ側コントローラ１６２はさらにＤＣ電圧コマンド信号２９２を受け取る。ＰＶ側コントローラ１６２は、ＤＣバス１４６に生成されるＤＣ電圧を制御するためにＤＣ電圧フィードバック信号１５６およびＤＣ電圧コマンド信号２９２に従ってＰＶ側制御信号１６６を調整する。代替の実施形態では、ライン側コントローラ１６４を指す破線２９２で示されるように、ライン側コントローラ１６４が、代替的または追加的に、ＤＣバス１４６に生成されるＤＣ電圧を制御する仕事を行うことができる。より具体的には、ライン側コントローラ１６４が電圧フィードバック信号１５６およびＤＣ電圧コマンド信号２９２を受け取る。一実施形態では、ライン側コントローラ１６４は、ＤＣ電圧コマンド信号２９２からＤＣ電圧フィードバック信号１５６を減じることによって得られるＤＣ電圧誤差信号に従ってライン側制御信号１６８を調整する。

一実装形態では、図１に示される電力変換システム１０は最大電力点追尾（ＭＰＰＴ）回路２６をさらに有する。説明のため、ＭＰＰＴ回路２６は電力コンバータコントローラ１６の外部に配置されて示されている。代わりに、ＭＰＰＴ回路２６は電力コンバータコントローラ１６の中に構成されてもよく、またはより具体的には、ＰＶ側コントローラ１６２内に構成されてよい。一実施形態では、ＭＰＰＴ回路２６はソーラパワーソース１２から最大電力を抽出するためのＭＰＰＴアルゴリズムを実装することができる。

図１に示されるように、ＭＰＰＴ回路２６は、ソーラパワーソース１２、ＰＶ側コントローラ１６２およびライン側コントローラ１６４に電気的に接続される。通常の動作中、ＭＰＰＴ回路２６はソーラパワーソース１２からフィードバックＤＣ電流信号１１２およびフィードバックＤＣ電圧信号１１４を受け取る。フィードバックＤＣ電流信号１１２およびフィードバック電圧信号１１４はソーラパワーソース１２の出力に配置される電流センサ２８および電圧センサ３２によって測定され得る。ＭＰＰＴ回路２６はＭＰＰＴアルゴリズムを実装しており、例えば、電流基準信号、電圧基準信号または電力基準信号を含んでよい、多数の基準信号１５８を生成する。一実施形態では、ＭＰＰＴ回路２６から生成される基準信号１５８はライン側コントローラ１６４に供給される。この場合、ＭＰＰＴ摂動がライン側コントローラ１６４に加えられる。ライン側コントローラ１６４は、ソーラパワーソース１２から最大電力が確実に抽出されるようにするために基準信号１５８に従ってライン側コンバータ１４４のためのライン側制御信号１６８を調整する。加えて、ライン側コンバータ１４４がＭＰＰＴ回路２６からの基準信号１５８に従って制御されるので、ライン側コンバータ１４４からの電力出力およびソーラパワーソース１２からの電力出力が、ＤＣバス１４６に過度のストレスを与えることなく少なくとも電力バランスの恩恵が得られるように調整される。別の実施形態では、ＭＰＰＴ回路２６から生成される基準信号１５８はＰＶ側コントローラ１６２に適宜加えることができ、ＰＶ側コントローラ１６２はＭＰＰＴ摂動により迅速に反応することを実現するという利点が得られる。

図２は、本開示の例示の実施形態によるライン側コントローラ１６４の全体の制御図の一部分を示している。図２に示される機能ブロックはハードウェアまたはソフトウェアあるいはその組み合わせの中に実装され得る。実際的な用途では、ライン側コントローラ１６４はマイクロコントローラまたはデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）によって実装され得る。一般に、図２に示されるライン側コントローラ１６４は電圧源制御構成を有するように構築される。電圧源制御構成に基づいて、ライン側コンバータ１４４の出力での実際の有効電力および無効電力が、命令された有効電力および無効電力に従って調節され得る。示される実施形態では、ライン側コントローラ１６４は、有効電力レギュレータ２１０、無効電力またはＶＡＲレギュレータ２２０および信号発生器２４０を含む。

図２に示される有効電力レギュレータ２１０は、命令された有効電力に従ってライン側コンバータ１４４からの有効出力を調節するように構成される。より具体的には、一実施形態では、有効電力レギュレータ２１０は、電力フィードバック信号２１４およびＭＰＰＴ電力コマンド信号２１２を受け取り、位相角コマンド信号２１６を生成する。ＭＰＰＴ電力コマンド信号２１２は、ライン側コンバータ１４４（図１を参照）の出力ターミナルとグリッド１８との間を送達される所望の電力を表す。電力フィードバック信号２１４は、ライン側コンバータ１４４の出力ターミナルとグリッド１８との間を送達される実際の測定電力である。一実施形態では、電力フィードバック信号２１４は、例えばライン側コンバータ１４４とグリッド１８（図１）との間に配置される電流センサ３４および電圧センサ３６からの、獲得され得るフィードバック電流信号１５４およびフィードバック電圧信号１５２を乗算することによって獲得され得る。一実施形態では、位相角コマンド信号２１６はライン側コンバータ１４４からのＡＣ電圧出力の所望の位相角を表す。

継続して図２を参照すると、無効電力レギュレータ２２０が、命令された無効電力に従ってライン側コンバータ１４４からの無効電力出力を調節するように構成されている。より具体的には、一実施形態では、無効電力レギュレータ２２０は、無効電力フィードバック信号２２４および無効電力コマンド信号２２２を受け取り、電圧振幅コマンド信号２２６を生成する。無効電力コマンド信号２２２は、共通の結合部の１つのポイント（電流センサ３４および電圧センサ３６が結合されるポイント）にある出力とグリッド１８との間を送達される所望の無効電力を表すものであり、グリッドのオペレータによって決定され得る。無効電力フィードバック信号２２４は、ライン側コンバータ１４４の出力とグリッド１８との間を送達される実際の測定無効電力である。無効電力フィードバック信号２２４は、フィードバック電流信号１５４およびフィードバック電圧信号１５２（図１を参照）を乗算することによって獲得され得る。電圧振幅コマンド信号２２６はライン側コンバータ１４４からのＡＣ電圧出力の所望の電圧振幅を表す。一実施形態では、無効電力レギュレータ２２０は、無効電力コマンド信号２２２から無効電力フィードバック信号２２４を減じることにより無効電力誤差信号を生成するための加算要素（ｓｕｍｍａｔｉｏｎｅｌｅｍｅｎｔ）（図示せず）を有することができる。無効電力レギュレータ２２０は、ＶＡＲレギュレータと、得られる無効電力誤差信号を使用して電圧振幅コマンド信号２２６を生成するための電圧レギュレータ（図示せず）とをさらに有することができる。

継続して図２を参照すると、信号発生器２４０が、位相角コマンド信号２１６および電圧振幅コマンド信号２２６に従ってライン側コンバータ１４４のためのライン側制御信号１６８を生成するように構成されている。一実装形態では、信号発生器２４０は、ライン側コンバータ１４４のためのパルス幅変調（ｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＰＷＭ））パターンのライン側制御信号１６８を生成するためのパルス幅変調（ＰＷＭ）信号発生器であってよい。

図３は、本開示の一実施形態による、図２に示されるＭＰＰＴ回路２６および有効電力レギュレータ２１０のより詳細な制御図を示している。示される実施形態では、ＭＰＰＴ回路２６はＰＶ電力計算ユニット２６２およびＭＰＰＴ基準ユニット２６４を含む。ＰＶ電力計算ユニット２６２は、ＤＣ電流信号１１２およびＤＣ電圧信号１１４を乗算することによりソーラパワーソース１２から得られる最新の実際の電力を計算するのに使用される。ＭＰＰＴ基準ユニット２６４は、フィードバックＰＶ電力信号２６６を受け取り、少なくともそのフィードバックＰＶ電力信号２６６に基づいてＭＰＰＴ電力基準信号２６８を生成するのに使用される。より具体的には、ＭＰＰＴ電力基準信号２６８は、フィードバックＰＶ電力信号２６６を前の基準電力信号と比較することによって生成される。本明細書で使用される「前の基準電力信号」は、ＭＰＰＴアルゴリズム実装形態から生成される信号であり、ソーラパワーソース１２から抽出される予測される目標電力を指示するのに使用される。フィードバックＰＶ電力と前の基準電力との間の絶対差が所定の閾値より小さいと決定された場合、ＭＰＰＴ電力基準信号２６８は、得られた最新のフィードバックＰＶ電力に所定の電力ステップ値を加えることによって生成される。上で言及したように、「所定の電力ステップ値」は、システム条件および用途によって決定される固定電力値または変動電力値であってよい。フィードバックＰＶ電力と前の基準電力との間の絶対差が所定の閾値より大きいと決定された場合、ＭＰＰＴ電力基準信号２６８は、得られた最新のフィードバックＰＶ電力から所定の電力ステップ値を減じることによって生成される。

図３でさらに示されるように、ＭＰＰＴ回路２６から生成されるＭＰＰＴ電力基準信号２６８は、有効電力レギュレータ２１０の加算要素２５０に供給される。加算要素２５０は、ＭＰＰＴ電力基準信号２６８から電力フィードバック信号２１４を減じ、ＭＰＰＴ電力基準信号２６８と電力フィードバック信号２１４との間の差を表す電力誤差信号２５２を提供する。電力誤差信号２５２は有効電力レギュレータ２１０の電力レギュレータ２５４に供給され、電力レギュレータ２５４が、電力誤差信号をゼロに向かうように変えるように設計される、電力誤差信号２５２に従う周波数コマンド信号２５６を生成する。周波数コマンド信号２５６は有効電力レギュレータ２１０の位相角発生器２７０に供給され、位相角発生器２７０が周波数コマンド信号２５６に従って位相角コマンド信号２１６を生成する。一実装形態では、位相角発生器２７０は、位相角コマンド信号２１６を生成するために周波数コマンド信号２５６を積分するための積分要素を使用することができる。

図４は、本開示の別の実施形態による、図２に示されるＭＰＰＴ回路２６および有効電力レギュレータ２１０のより詳細な制御図を示しており、これは、ＰＶ電力計算ユニット２６２によって計算されたＰＶ電力フィードバック信号２６６に従ってＭＰＰＴ電流基準信号２６７を生成するように構成されたＭＰＰＴ基準−マッピングユニット２６５をさらに含む。さらに、有効電力レギュレータ２１０には乗算要素２３２が含まれ、この乗算要素２３２が、ＭＰＰＴ電流基準信号２６７およびフィードバックＰＶ電圧信号１１４を乗算することによりＭＰＰＴ電力基準信号２３４を生成する。図３に関連させて上述した内容と同様に、ＭＰＰＴ電力基準信号２３４はさらに、周波数コマンド信号２５６および位相角コマンド信号２１６を生成するのに使用される。

図５は、本開示の別の実施形態による、図２に示されるＭＰＰＴ回路２６および有効電力レギュレータ２１０のより詳細な制御図を示している。図５に示される制御図では、ＭＰＰＴ回路２６内のＭＰＰＴ基準−マッピングユニット２６５は、ＰＶ電力フィードバック信号２６６に従ってＭＰＰＴ電圧基準信号２６９を生成するように構成される。ＭＰＰＴ電圧基準信号２６９は、ＭＰＰＴ・ＰＶ電力基準信号２３４を生成するための乗算要素２３２によりＰＶ電流フィードバック信号１１２と乗算され、さらに、周波数コマンド信号２５６および位相角コマンド信号２１６を生成するのに使用される。

図６は、本開示の一実施形態による、図１に示されるＰＶ側コントローラ１６２の詳細な制御図を示している。上で説明したように、一態様では、ＰＶ側コントローラ１６２はＤＣバス１４６に生成されるＤＣ電圧を調節する仕事を行う。ＰＶ側制御信号１６２は、第１の加算要素３２０、ＤＣ電圧コントローラ３２４、マッピングユニット３２８、第２の加算要素３３１およびＰＶ電流レギュレータ３５８を含む。図６に示されるように、外側電圧ループ３２１内では、ＤＣ電圧フィードバック信号１５６が、第１の加算要素３２０に供給され、次いで、ＤＣ電圧コマンド信号２９２とＤＣ電圧フィードバック信号１５６との間の差を表すＤＣ電圧誤差信号３２２を生成するためにＤＣ電圧コマンド信号２９２から引かれる。ＤＣ電圧コマンド信号２９２はＤＣバス１４６で達成される所望のＤＣ電圧を表す。ＤＣ電圧誤差信号３２２がＰＶ電力コマンド信号３２６を生成するためにＤＣ電圧コントローラ３２４によって調節される。ＰＶ電力コマンド信号３２６に従い、ＰＶ電流コマンド信号３３２がマッピングユニット３２８によってマッピングされる。本明細書で使用される「マッピング」は、ＰＶ電力コマンド信号に従って電力曲線上のＰＶ電力コマンド信号を得ることを意味する。図６にさらに示されるように、内側電圧ループ３３３では、ＰＶ電流フィードバック信号１１２が、第２の加算要素３３１に供給され、次いで、ＰＶ電流コマンド信号３３２から引かれる。第２の加算要素３３１から得られるＰＶ電流誤差信号３３４は、ＰＶ側コンバータ１４２のためのＰＶ側制御信号１６６を生成するためにＰＶ電流レギュレータ３５８によって調節される。

図７は、本開示の別の実施形態による、図１に示されるＰＶ側コントローラ１６２の詳細な制御図を示している。図７に示される制御図では、フィードフォワード制御がさらに含まれる。より具体的には、一実施形態では、ＭＰＰＴ回路２６から生成されるＭＰＰＴ電力基準信号２６８が外側電圧ループ３２１に加えられる。一実施形態では、ＭＰＰＴ電力基準信号２６８が、図３に関連させて上で考察したようにＰＶ電力フィードバック信号２６６に従ってＭＰＰＴ基準ユニット２６４によって生成される。このＭＰＰＴ電力基準信号２６８は外側ループ３２１内の第３の加算要素３３０に供給される。ＭＰＰＴ電力基準信号２６８は、組み合わされたＰＶ電力コマンド信号３４４を生成するためにＰＶ電力コマンド信号３２６に組み合わされる。図６に関連させて上述した内容と同様に、組み合わされたＰＶ電力コマンド信号３４４はさらにＰＶ側制御信号１６６を生成するのに使用される。フィードフォワード制御を追加することにより、ソーラパワーソース１２（図１）の最適な動作点を検出するためにＭＰＰＴ制御がより迅速に反応できることを理解されたい。さらに、フィードフォワード制御を用いることにより、ＰＶ側コントローラ１６２およびライン側コントローラ１６４にさらなる調整が行われ、結果としてＤＣバス１４６の電圧ストレスを減らすことができる。

図８は、本開示の別の実施形態による、図１に示されるＰＶ側コントローラ１６２の詳細な制御図を示している。図８の実施形態では、図７に関連して説明したＭＰＰＴ電力基準信号２６８の代わりに、ＭＰＰＴ電流基準信号２６７がフィードフォワード制御に使用される。より具体的には、ＭＰＰＴ電流基準信号２６７が、ＰＶ電力フィードバック信号２６６に従ってＭＰＰＴ回路２６のＭＰＰＴ基準−マッピングユニット２６５から生成される。さらなる違いは、図８に示されるＤＣ電圧コントローラ３２４がＰＶ電力コマンド信号の代わりにＰＶ電流コマンド信号３３２を生成するように構成されることである。ＰＶ電流コマンド信号３３２がＭＰＰＴ電流基準信号２６７に組み合わされるために加算要素３５４に供給され、それにより、組み合わされたＰＶ電流コマンド信号３５６が生成される。組み合わされたＰＶ電流コマンド信号３５６は、ＰＶ側コンバータ１４２のためのＰＶ側制御信号１６６を生成するためにＰＶ電流レギュレータ３５８によって調節される。

図９は、本開示の別の実施形態による、図１に示されるＰＶ側コントローラ１６２の詳細な制御図を示している。図９に示されるＤＣ電圧コントローラ３２４は、ＰＶ電流コマンド信号またはＰＶ電力コマンド信号の代わりにＰＶ電圧コマンド信号３６２を生成するように構成される。それに対応して、ＭＰＰＴ回路２６は、ＰＶ電圧コマンド信号３６２と組み合わせるためにＭＰＰＴ電圧基準信号２６９を加算要素３６４に供給するのにＭＰＰＴ基準−マッピングユニット２６５を使用する。組み合わされたＰＶ電圧コマンド信号３６６は、ＰＶ側コンバータ１４２のためのＰＶ側制御信号１６６を生成するためにＰＶ電圧レギュレータ３３６によって調節される。

図１０は、例示の実施形態による、最大電力を抽出することができるソーラパワーソースの最適な動作点を追尾するための方法のフローチャートを示している。方法３０００は、プロセッサによって実行されるときに方法３０００の種々のステップを実施する、コンピュータ可読媒体に記憶されるソフトウェア命令を用いてプログラムされ得る。コンピュータ可読媒体は、任意の方法または技術で実装される、揮発性および不揮発性の、取り外し式および非取り外し式の媒体を含むことができる。コンピュータ可読媒体には、限定しないが、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリまたは別のメモリ技術、ＣＤ−ＲＯＭ、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）または別の光記憶装置、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスク記憶装置または別の磁気記憶デバイス、あるいは、所望の情報を記憶するために使用することができ、かつ命令実行システムがアクセスすることができる任意の別の非一時的な媒体が含まれる。

一実装形態では、方法３０００はブロック３００２で開始することができる。ブロック３００２で、ソーラパワーソース１２（図１を参照）のフィードバックＰＶ電圧信号１１４およびフィードバックＰＶ電流信号１１２が得られる。一実装形態では、フィードバックＰＶ電圧信号１１４およびフィードバックＰＶ電流信号１１２はＤＣ信号であり、電流センサ２８および電圧センサ３２（図１を参照）によってそれぞれ獲得される。

ブロック３００４で、ソーラパワーソース１２のフィードバックＰＶ電力が計算される。一実装形態では、ソーラパワーソース１２のフィードバックＰＶ電力は、ブロック３００２で得られたフィードバックＰＶ電圧信号１１４およびフィードバック電流信号１１２を乗算することによって計算される。

ブロック３００６で、計算されたフィードバックＰＶ電力と基準ＰＶ電力との間の差が計算される。一実装形態では、基準ＰＶ電力はＭＰＰＴ回路２６に関連するメモリ要素内に記憶させることができ、ソーラパワーソース１２から抽出される予測されるＰＶ電力を表す。一実装形態では、計算されたフィードバックＰＶ電力と基準ＰＶ電力との絶対差の値がブロック３００６で計算される。

ブロック３００８で、ブロック３００６で計算された電力差が所定の基準を満たしているかどうかに関する判定がなされる。一実装形態では、計算された電力差が閾値より小さいかどうかの判定がなされる。計算された電力差が閾値より小さい場合、得られた最新のＰＶフィードバック電力が前の基準電力に従っていることが示され、電力基準信号を増大させるべきであることが示される。この肯定的な決定の後、この手順はブロック３０１２に進む。計算された電力差が閾値より大きい場合、得られた最新のＰＶフィードバック電力が前の基準電力に従っていないことが示され、電力基準信号を低下させるべきであることが示される。この否定的な決定の後、この手順はブロック３０１４に進む。

ブロック３０１２で、所定の電力ステップ値を増大させることにより基準電力信号が更新される。一実施形態では、所定の電力ステップ値は固定される。別の実施形態では、所定の電力ステップ値は変動可能であってよい。図１１を参照すると、ＰＶ電圧の関数であるＰＶ電力の曲線４１０が示されている。曲線４１０は、ソーラパワーソース１２から最大電力を抽出することができる最適な動作点をＡ₅に有する。第１の事例では、ソーラパワーソース１２は曲線４１０の右側の第１の動作点Ａ₁から開始することができる。第１の動作点Ａ₁では、ソーラパワーソース１２はＰ₁の実際のＰＶ電力を有する。第１の動作点Ａ₁は最適な動作点Ａ₅から離れたところに位置しているので、探索時間を短縮するために、比較的大きい値を有する第１の電力ステップΔＰ₁が電力摂動を行うのに使用され得る。すなわち、Ｐ₁の実際のＰＶ電力に第１の電力ステップを加えることにより基準電力信号が更新される。矢印４１２で示されるように、動作点は、第１の電力ステップを用いた電力摂動後にＡ₁からＡ₂に移動することができる。第２の事例では、ソーラパワーソース１２はグラフ４１０の左側の第３の動作点Ａ₃から開始することができる。第３の動作点Ａ₃では、ソーラパワーソース１２はＰ₃の実際のＰＶ電力を有する。第３の動作点Ａ₃は最適な動作点Ａ₅の近くに位置するので、最適な動作点Ａ₅の周囲で揺動する問題を回避するために、新たな基準電力信号を得るためにＰ₂の実際のＰＶ電力に加えるのに、比較的小さい値を有する第２の電力ステップΔＰ₂が使用される。矢印４１４で示されるように、動作点は、第２の電力ステップを用いた電力摂動後にＡ₃からＡ₄に移動することができる。

ブロック３０１４で、所定の電力ステップ値を減少させることにより基準電力信号が更新される。ブロック３０１２で上述した場合と同様に、所定の電力ステップ値は固定されたものでもよく、または、探索時間および精度条件などの実際の要求条件に応じて変動可能であってもよい。より具体的には、得られた最新のフィードバックＰＶ電力から所定の電力ステップ値を減じることにより基準電力信号が生成される。

ブロック３０１６で、電力差の計算をさらに行うために、更新された基準電力信号がブロック３００６に伝達される。

例示の実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変更を加えることができ、また、本発明の要素の代わりに均等物を使用することができることが当業者には理解されよう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるために種々の修正がなされ得る。したがって、本発明は本発明を実施するために企図される最良の形態として開示された特定の実施形態のみに限定されないことが意図され、むしろ、本発明は添付の特許請求の範囲内にあるすべての実施形態を含むことが意図される。

１０電力変換システム
１２ソーラパワーソース、電力源
１６電力コンバータコントローラ
１８電力グリッド、電気システム
１４電力コンバータ
２４ライン側フィルタ
２６最大電力点追尾回路
２８、３４電流センサ
３２、３６電圧センサ
１１２フィードバックＤＣ電流信号
１１４フィードバックＤＣ電圧信号
１４２ＰＶ側コンバータ
１４４ライン側コンバータ
１４６ＤＣバス
１５２フィードバック電圧信号
１５４フィードバック電流信号
１５６ＤＣ電圧フィードバック信号
１５８基準信号
１６２ＰＶ側コントローラ
１６４ライン側コントローラ
１６６ＰＶ側制御信号
１６８ライン側制御信号
２１０有効電力レギュレータ
２１２ＭＰＰＴ電力コマンド信号
２１４電力フィードバック信号
２１６位相角コマンド信号
２２０無効電力またはＶＡＲレギュレータ
２２２無効電力コマンド信号
２２４無効電力フィードバック信号
２２６電圧振幅コマンド信号
２３２乗算要素
２３４ＭＰＰＴ電力基準信号
２４０信号発生器
２５０加算要素
２５２電力誤差信号
２５４電力レギュレータ
２５６周波数コマンド信号
２６２ＰＶ電力計算ユニット
２６４ＭＰＰＴ基準ユニット
２６５ＭＰＰＴ基準−マッピングユニット
２６６フィードバックＰＶ電力信号
２６７ＭＰＰＴ電流基準信号
２６８ＭＰＰＴ電力基準信号
２６９ＭＰＰＴ電圧基準信号
２７０位相角発生器
２９２ＤＣ電圧コマンド信号
３２０第１の加算要素
３２１外側電圧ループ
３２２ＤＣ電圧誤差信号
３２４ＤＣ電圧コントローラ
３２６ＰＶ電力コマンド信号
３２８マッピングユニット
３３０第３の加算要素
３３１第２の加算要素
３３２ＰＶ電流コマンド信号
３３３内側電圧ループ
３３６ＰＶ電圧レギュレータ
３４４ＰＶ電力コマンド信号
３５６組み合わされたＰＶ電流コマンド信号
３５８ＰＶ電流レギュレータ
３６２ＰＶ電圧コマンド信号
３６４加算要素
３６６組み合わされたＰＶ電圧コマンド信号
４１０ＰＶ電力の曲線
４１２、４１４矢印

Claims

電力源からフィードバック電流信号およびフィードバック電圧信号を受け取り、前記フィードバック電流信号および前記フィードバック電圧信号に少なくとも部分的に基づいてＭＰＰＴ基準信号を生成するための、最大電力点追尾（ＭＰＰＴ）ユニットと、
前記電力源からＤＣ電力を受け取るためのＤＣバスと、
前記ＤＣバス上の前記ＤＣ電力を交流（ＡＣ）電力に変換するための電力コンバータであって、前記電力源からＡＣまたはＤＣ電力を受け取り、前記ＡＣまたはＤＣ電力を変換し前記ＤＣバスに前記ＤＣ電力を供給するためのソース側コンバータを有する前記電力コンバータと、
前記ＭＰＰＴユニットからの前記ＭＰＰＴ基準信号および前記電力コンバータの出力で測定される出力電力フィードバック信号を受け取り、
前記ＭＰＰＴ基準信号および前記出力電力フィードバック信号に少なくとも部分的に基づいて、ＡＣ電力調節および最大電力抽出のための制御信号を生成し、
前記制御信号を前記電力コンバータに送る、
のためのコンバータコントローラと、
を備え、
前記コンバータコントローラが、前記ＤＣバス上で測定されるＤＣバス電圧フィードバック信号および、前記ＤＣバスで達成される所望のＤＣ電圧を表すＤＣバス電圧コマンド信号に少なくとも部分的に基づいて前記ソース側コンバータのための制御信号を生成するように構成されたソース側コントローラを有し、
前記ソース側コントローラが、
前記ＤＣバス電圧フィードバック信号と前記ＤＣバス電圧コマンド信号との間の差に基づいて電力コマンド信号を生成するためのＤＣ電圧コントローラと、
前記電力コマンド信号に従って電流コマンド信号をマッピングするためのマッピングユニットと、
前記電流コマンド信号と前記フィードバック電流信号との間の差に基づいて前記ソース側コンバータのための前記制御信号を生成するための電流レギュレータと、
を有する、
電力変換システム。
前記ＭＰＰＴユニットが、
前記フィードバック電流信号および前記フィードバック電圧信号を受け取り、前記フィードバック電流信号および前記フィードバック電圧信号を乗算することにより前記電力源のソース電力フィードバック信号を計算するための、電力計算ユニットと、
前記ソース電力フィードバック信号を受け取り、前記ソース電力フィードバック信号を前の基準電力信号と比較することによりＭＰＰＴ電力基準信号を生成するための、ＭＰＰＴ基準ユニットと
を有し、
前記ソース側コントローラが、前記電流コマンド信号をマッピングするために前記ＭＰＰＴ電力基準信号と前記電力コマンド信号とを組み合わせるための加算要素を有する、
請求項１に記載の電力変換システム。
最大電力点追尾（ＭＰＰＴ）ユニットであって、
電力源からフィードバック電流信号およびフィードバック電圧信号を受け取り、前記フィードバック電流信号および前記フィードバック電圧信号を乗算することにより前記電力源のソース電力フィードバック信号を計算するための、電力計算ユニットと、
前記ソース電力フィードバック信号を受け取り、前記ソース電力フィードバック信号に従ってＭＰＰＴ電流基準信号を生成するための、ＭＰＰＴ基準−マッピングユニットと
を有する前記ＭＰＰＴユニットと、
前記電力源からＤＣ電力を受け取るためのＤＣバスと、
前記ＤＣバス上の前記ＤＣ電力を交流（ＡＣ）電力に変換するための電力コンバータであって、前記電力源からＡＣまたはＤＣ電力を受け取り、前記ＡＣまたはＤＣ電力を変換し前記ＤＣバスに前記ＤＣ電力を供給するためのソース側コンバータを有する前記電力コンバータと、
前記ＭＰＰＴユニットからの前記ＭＰＰＴ電流基準信号および前記電力コンバータの出力で測定される出力電力フィードバック信号を受け取り、
前記ＭＰＰＴ電流基準信号および前記出力電力フィードバック信号に少なくとも部分的に基づいて、ＡＣ電力調節および最大電力抽出のための制御信号を生成し、
前記制御信号を前記電力コンバータに送る、
のためのコンバータコントローラと、
を備え、
前記コンバータコントローラが、前記ＤＣバス上で測定されるＤＣバス電圧フィードバック信号および、前記ＤＣバスで達成される所望のＤＣ電圧を表すＤＣバス電圧コマンド信号に少なくとも部分的に基づいて前記ソース側コンバータのための制御信号を生成するように構成されたソース側コントローラを有し、
前記ソース側コントローラが、
前記ＤＣバス電圧フィードバック信号と前記ＤＣバス電圧コマンド信号との間の差に基づいて電源電流コマンド信号を生成するためのＤＣ電圧コントローラと、
前記ＭＰＰＴ電流基準信号および前記電源電流コマンド信号を組み合わせて前記フィードバック電流信号を減じ、電源側制御信号を生成するための、加算要素と、
前記電源側制御信号に基づいて前記ソース側コンバータのための前記制御信号を生成するための電流レギュレータと、
を有する、電力変換システム。
前記コンバータコントローラが、前記ＭＰＰＴ基準信号および前記出力電力フィードバック信号に少なくとも部分的に基づいて内部周波数コマンド信号を生成し、前記内部周波数コマンド信号を積分することにより位相角コマンド信号を生成し、前記位相角コマンド信号を使用して前記制御信号の少なくとも一部を生成するための、ライン側コントローラを有している、
請求項１または２に記載の電力変換システム。
前記ライン側コントローラが、
前記位相角コマンド信号を生成する有効電力レギュレータと、
前記電力コンバータの出力で測定された無効電力を表す無効電力フィードバック信号に基づいて電圧振幅コマンド信号を生成する無効電力レギュレータと、
前記位相角コマンド信号と前記電圧振幅コマンド信号とを使用して前記制御信号の少なくとも一部を生成するライン側信号発生器と、
を有する、
請求項４に記載の電力変換システム。
前記電力源が光電池である、請求項１乃至５のいずれかに記載の電力変換システム。