JP6457812B2 - 電力システム接合部の温度制御 - Google Patents

Description

本発明は、概して、ピーク接合部温度を制御するように発電システムを作動させるシステム及び方法に関する。より詳細には、本発明は、ピーク接合部温度を制限する制御装置を含む、太陽光（例えば、太陽エネルギー）及び風力（例えば、風力タービン）発電システムに関する。

一般的に、発電システムでは、太陽モジュール及び風力タービンによって生成される電力が直流（ＤＣ）電力であり、この直流電力を交流（ＡＣ）に変換して送電網に送り出さなければならない。一般的に、変換器としては、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）又はその他の電力半導体が挙げられる。半導体は、一般的に動作温度の正常範囲内で動作する。ＩＧＢＴ接合部温度は、一般的にＩＧＢＴの種類に応じて定格が最大１２５℃、１５０℃、又は１７５℃のいずれかである。半導体は、それらが確実に動作することができる上限接合部温度を有する。半導体の上限接合部温度を超えると、半導体の作動効率の望ましくない低下及び／又は故障を引き起こすことがある。

半導体接合部の温度上昇は、様々な要因によって引き起こされる可能性がある。例えば、半導体の冷却システムのエアフィルターが汚れたり／詰まったりすることによって、半導体を冷却するために利用できる冷却媒体の量が減少することがある。その他の環境要因、例えば、高温の屋外温度、高高度、湿度水準、太陽光などもまた、半導体の動作温度を望ましくなく上昇させる可能性がある。変換器の高出力電力や過渡電力現象等の作動要因もまた、半導体などの接合部温度を上昇させる可能性がある。そのような要因の組み合わせが同時に加わって、接合部温度のより急速且つ持続的な上昇を引き起こすことがある。

一般的に、変換器の半導体の接合部温度が上限に達すると、回路遮断器を利用して変換器をトリップ（即ち、シャットダウン）させて変換器の故障を防止することができる。更に、高温で変換器を作動させることによって、変換器の寿命を望ましくなく減少させる可能性がある。変換器が高い接合部温度によってシャットダウンした場合、変換器は、半導体接合部温度が許容レベルに低下するまでオフ状態を維持することができる。変換器のそのようなシャットダウンは、発電システムの電力供給能力を低減又は除去することがあるので、一般的に望ましくない。

米国特許出願公開第２００９／００８９３８号明細書

一態様において、発電システムは、発電装置と、発電装置に接続された電力変換器と、電力変換器に接続された電気制御装置とを含む。電気制御装置は、少なくとも１つの接合部温度ディレーティング機能を適用することによって変換器のピーク接合部温度を制限するように構成される。

別の態様において、発電システムの電力変換器を制御する方法は、温度を検知するステップと、電力変換器の電力出力を制限するために検知温度に基づいた少なくとも１つの接合部温度ディレーティング機能を適用するステップと、所定の条件が満たされるまで電力変換器の電力を制限するステップとを含む。

更なる態様において、電力発電システムの電力変換器を制御するためのプログラム命令を記憶した非一時的コンピュータ可読記憶媒体は、温度検知装置を用いて温度を検知し、電力変換器の電力出力を制限するために検知温度に基づいた少なくとも１つの接合部温度ディレーティング機能を適用し、所定の条件が満たされるまで電力変換器の電力を制限する命令を含む。

本発明の一例示的実施形態のブロック図である。 本発明の第２の実施形態のブロック図である。 本発明の第３の実施形態のブロック図である。 本発明の例示的な接合部温度ディレーティング機能のチャートである。

本明細書に記載した方法及びシステムは、発電システムの電力変換器の制御を容易にする。本発明の方法及びシステムの技術的効果は、接合部温度ディレーティング機能によって得られる１つ以上の電力制限係数を適用することによって変換器のピーク接合部温度を制限する機能を提供することである。

図１には、本発明の制御システムの一例示的実施形態のブロック図が示されている。制御システムは、発電システム（図示せず）の電力変換器１０２に接続された制御装置１００を含む。一実施形態において、制御装置１００は、フィードバックループ構成や、本発明の制御システムが本明細書に記載したように機能することができるその他の構成を介して電力変換器１０２に接続される。

電力変換器１０２の動作中、電力変換器１０２の半導体部品（或いはその他の機械又は電気部品）が熱を発生させる。電力変換器１０２は、電力変換器が確実に動作することができる最大動作温度１０４（図４）を有する。実施形態において、最大動作温度１０４は、例えば、所定の温度、即ち電力変換器１０２が確実に動作する最大動作温度であると実験的にわかった温度である。本明細書で用いられる確実な動作とは、装置への永続的な重大な損傷が生じない正常動作状態を指す。一実施形態において、電力変換器１０２は、接合部温度定格以下のマージンで動作する。例えば、１２５℃定格のＩＧＢＴは、ラインサージ又は過負荷（サージ又は過負荷が終わるまでＩＧＢＴ接合部温度を一時的に上昇させる）のためのマージンを残して一般的に９０℃のＩＧＢＴ接合部温度で動作する。別の実施形態において、制御システムは、マージンより高く最大接合部温度より低い温度の過温度警告指示を含んでおり、例えば、過温度警告は１１５℃で提供され、過温度回路トリップは１２５℃で始動される。その他の実施形態において、最大動作温度１０４は、電力変換器１０２の半導体の接合部温度と関連する温度値、又は電力変換器１０２の１つ以上のその他の構成部品の最大動作温度である。

電力変換器１０２の温度は、例えば、電力変換器１０２に接触するか、又は電力変換器１０２の温度を非接触形式で検知する温度センサ１０６によって測定される。温度センサ１０６は、電力変換器１０２の温度を入力１０８として制御装置１００に出力する。一実施形態において、出力温度は、単一の構成部品又は複数の構成部品の温度である。その他の実施形態において、温度センサはまた、周囲温度を検知し、周囲温度を制御装置１００に出力する。温度センサ１０６は、本発明の制御システムが本明細書に記載したように動作することができるあらゆる温度を検知及び出力することもできる。別の実施形態において、複数の温度が温度センサ１０６によって検知される場合、最大検知温度が温度センサ１０６から入力１０８として制御装置１００に出力される。

入力１０８は、制御装置１００に送信され、接合部温度ディレーティング機能等のディレーティング機能１１０用の入力値として使用される。一実施形態において、ディレーティング機能１１０は、例えば、垂直軸上の０．０〜１．０の値の範囲の単位関数である。実施形態において、水平軸は、例えば、温度値を表す。

一実施形態において、ディレーティング機能１１０は、入力１０８と関連するシステムディレーティング係数１１２（即ち、垂直軸値）を計算するために利用される。図１に示すように、ディレーティング機能１１０は、係数１１２が一定のままであり、係数１１２がそれを越えて低下する温度範囲を有する。一実施形態において、１．０の係数値は、電力変換器１０２の正常動作温度と関連する入力１０８の値を表す。

そして、係数１１２は、電力変換器１０２の電力出力量を制御するために制御装置１００によって使用される。一実施形態において、１．０の係数は、電力変換器１０２を最大電力で動作するように制御するために使用され、０．０の係数は、電力変換器１０２をシャットダウンする、又は最小動作電力で動作するように制御するために使用される。別の実施形態において、０．５の係数は、電力変換器１０２に５０％の電力で動作するように命令するために使用される。係数１１２は、電力変換器１０２に、本発明の制御システムが本明細書に記載したように機能することができるあらゆる電力レベルで動作するように命令するために使用してもよい。

実施形態において、係数１１２は、直接入力されて、電力変換器１０２を制御するために使用される。その他の実施形態において、係数１１２は、例えば、電力／バール制限演算部１１４及び電流制限演算部１１６等の更なる演算部にまず送信されて使用される。更に他の実施形態において、電力／バール制限演算部１１４及び／又は電流制限演算部１１６の出力は、係数１１２として電力変換器１０２を制御するために入力されて使用される。

係数１１２は、このように電力変換器１０２の電力出力を制御するために使用することができる。例えば、電力変換器１０２は、最初は１００％の電力出力で動作することになる。電力変換器１０２の温度は、温度センサ１０６によって検知され、入力１０８として制御装置１００に出力される。制御装置１００は、ディレーティング機能１１０を用いて入力１０８を処理する。入力１０８が電力変換器１０２の正常動作範囲内である場合、ディレーティング係数１１２の計算値は、例えば、１．０である。従って、電力変換器１０２は、例えば、１００％の電力出力で動作し続けるように命令されることになる。

しかしながら、入力１０８が電力変換器１０２の正常動作範囲外（ディレーティング機能１１０において示した垂直破線の右側の値）である場合、ディレーティング係数は１．０未満と計算される。一実施形態において、電力変換器１０２が最大動作温度か又はその付近の高温で動作している場合、入力１０８は正常動作範囲外である。従って、ディレーティング機能１１０は、入力１０８を用いて、１．０未満のディレーティング係数１１２を出力する。そして、ディレーティング係数１１２は、電力変換器１０２を１００％未満の電力レベルで動作するように命令／制御するために使用される。

一実施形態において、電力変換器１０２は、所定の条件が満たされるまで、例えば、所定の時間が経過するまで、又は電力変換器１０２が正常動作温度で動作していることを温度センサ１０６が検知するまで、一定の電力レベルで動作するように命令される。例えば、温度センサ１０６は、電力変換器１０２の温度を連続的又は漸進的に監視し、その温度を入力１０８として制御装置１００に連続的又は漸進的に出力することができる。従って、電力変換器１０２を、実時間、又は離散時間間隔で制御することができる。

一実施形態において、電力変換器１０２はこのように低電力レベルで動作するように制御される。例えば、電力変換器１０２は、温度範囲に応じた低電力レベルで動作するように制御される。従って、本発明の制御システムは、電力変換器１０２が正常動作範囲外の温度であるときに電力変換器１０２が低電力レベルで動作することが可能であるようにし、それによって電力変換器１０２の不必要なシャットダウンを回避し、電力変換器１０２の動作可能時間を最大化することができる。

図２には、複数のディレーティング機能を利用した本発明の制御システムの第２の例示的実施形態のブロック図が示されている。例えば、制御装置１００は、一実施形態において、第１のディレーティング機能１１８及び第２のディレーティング機能１２０を含む。第１のディレーティング機能１１８には、例えば、電力変換器１０２の温度、又は電力変換器１０２の動作環境の周囲温度であってよい、第１の入力１２２が供給される。第１の入力１２２は、本発明の制御システムが本明細書に記載したように機能することができる任意の入力値であってもよい。

第２のディレーティング機能１２０には、第２の入力１２４が供給される。実施形態において、第２の入力１２４及び第３の入力１２６が選択モジュール１２８に入力される。選択モジュール１２８は、第２のディレーティング機能１２０への入力として使用される第２の入力１２４及び第３の入力１２６の最大値又は最小値を選択する。第２の入力１２４及び第３の入力１２６は、例えば、電力変換器１０２の第１の温度と、第１の温度とは別の場所で測った電力変換器１０２の第２の温度である。しかしながら、第２の入力１２４及び第３の入力１２６は、本発明の制御システムが本明細書に記載したように機能することができる任意の入力値であってもよい。

一実施形態において、第１のディレーティング機能１１８は第１のディレーティング係数１３０を出力し、第２のディレーティング機能１２０は第２のディレーティング係数１３２を出力する。別の実施形態において、第１のディレーティング係数１３０及び第２のディレーティング係数１３２はディレーティング係数選択モジュール１３４に送信され、ディレーティング係数選択モジュール１３４は、第１のディレーティング係数１３０及び第２のディレーティング係数１３２を比較し、且つ／又はそれらの最小ディレーティング係数を選択する。ディレーティング係数選択モジュール１３４は、選択されたディレーティング係数をディレーティング係数１３６として出力する。

そして、ディレーティング係数１３６は、直接、又は電力／バール制限演算部１１４及び／又は電流制限演算部１１６を介して、電力変換器１０２に送信されて、上記した制御値として使用される。

第３の例示的実施形態において、図３に示すように、本発明の制御システムは、３つ以上のディレーティング機能１１８、１２０及び１３６を含む。

第３の実施形態による制御システムの動作は、上記の動作と同様であってもよい。しかしながら、第３の実施形態において、第３のディレーティング機能１３６は、第１のディレーティング機能１１８及び第２のディレーティング機能１２０と連動して使用される。実施形態において、第３のディレーティング機能１３６は、第４の入力１３８を受信する。一実施形態において、第４の入力１３８は、電力変換器１０２のベースプレート温度、電力変換器１０２の温度、電力変換器１０２の動作環境の周囲温度などである。第４の入力１３８は、本発明の制御システムが本明細書に記載したように機能することができる任意の入力値であってもよい。

第３のディレーティング係数１４０は、第３のディレーティング機能１３６から計算されて出力される。第１のディレーティング係数１３０、第２のディレーティング係数１３２、及び第３のディレーティング係数１４０は、ディレーティング係数選択モジュール１３４に入力することができる。ディレーティング係数選択モジュール１３４は、例えば、第１のディレーティング係数１３０、第２のディレーティング係数１３２及び第３のディレーティング係数１４０を比較し、且つ／又はそれらの最小ディレーティング係数を選択する。ディレーティング係数選択モジュール１３４は、選択されたディレーティング係数をディレーティング係数１３６として出力する。

そして、ディレーティング係数１３６は、直接、又は電力／バール制限演算部１１４及び／又は電流制限演算部１１６を介して、電力変換器１０２に送信されて、上記した制御値として使用される。

一部の実施形態において、本明細書に記載したシステム及び方法は、コンピュータに組み込むか、又はコンピュータ可読媒体上に記憶することができる。

本明細書に記載した実施形態は、本明細書に記載した処理タスクを実行するための特定のシステムコントローラ又はプロセッサに限定されるものではない。本明細書で用いられるコントローラ又はプロセッサという用語は、本明細書に記載したタスクを実行するのに必要な計算を行うことが可能な任意の機械を示すことを意図している。コントローラ又はプロセッサという用語はまた、構造入力を受理すること、及び出力を生成するための所定の規則に従って入力を処理することが可能な任意の機械を示すことを意図している。また、本明細書で用いられる「・・・ように構成される」という言い回しは、当業者には明らかなように、コントローラ／プロセッサが本発明の実施形態のタスクを実行するためのハードウェア及びソフトウェアの組み合わせを備えていることを意味することに注目すべきである。本明細書で用いられるコントローラ／プロセッサという用語は、中央処理装置、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、縮小命令セット回路（ＲＩＳＣ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、論理回路、及び本明細書に記載した機能を実行することが可能な任意のその他の回路又はプロセッサを指す。

本明細書に記載した実施形態は、非一時的コンピュータ可読記憶媒体を含む１つ以上のコンピュータ可読媒体を包含しており、各媒体は、データ又はデータを操作するためのコンピュータ実行可能命令をそこに含むように構成することができる。コンピュータ実行可能命令は、データ構造、オブジェクト、プログラム、ルーチン、又は処理システム（例えば、様々な異なる機能を実行することが可能な汎用コンピュータと関連する処理システム、又は限られた数の機能を実行することが可能な専用コンピュータと関連する処理システム）がアクセスすることができるその他のプログラムモジュールを含む。本発明の態様は、本明細書に記載した命令を実行するように構成する場合、汎用コンピュータを専用計算装置へと変える。コンピュータ実行可能命令は、処理システムが特定の機能又は機能群を実行するようにするものであり、本明細書に記載した方法のステップを実施するためのプログラムコード手段の例である。更にまた、実行可能命令の特定のシーケンスは、そのようなステップを実施するために使用することができる、対応する行為の一例を示す。コンピュータ可読媒体の例としては、ランダムアクセスメモリ（「ＲＡＭ」）、リードオンリーメモリ（「ＲＯＭ」）、プログラマブルリードオンリーメモリ（「ＰＲＯＭ」）、消去可能プログラマブルリードオンリーメモリ（「ＥＰＲＯＭ」）、電気的消去可能プログラマブルリードオンリーメモリ（「ＥＥＰＲＯＭ」）、コンパクトディスクリードオンリーメモリ（「ＣＤ−ＲＯＭ」）、又は処理システムがアクセスすることができるデータ又は実行可能命令を提供することが可能な任意のその他のデバイス又はコンポーネントが挙げられる。

本明細書に記載したようなコンピュータ又は計算装置は、１つ以上のプロセッサ又は処理装置、システムメモリ、及び何らかの形のコンピュータ可読媒体を有する。例えば、この例に限らないが、コンピュータ可読媒体は、コンピュータ記憶媒体及び通信媒体を含む。コンピュータ記憶媒体は、コンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュール、又はその他のデータ等の情報を記憶するためのあらゆる方法又は技術で実装される揮発性及び不揮発性のリムーバブル及びノンリムーバブルメディアを含む。通信媒体は、一般的に、コンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュール、或いは搬送波又はその他の搬送機構のような変調されたデータ信号におけるその他のデータを実施し、あらゆる情報配信媒体を含む。上記のいずれかの組み合わせもまた、コンピュータ可読媒体の範囲に含まれる。

本明細書は、実施例を使用して、最良の形態を含む本発明を開示し、更にあらゆる装置又はシステムを製作且つ使用すること及びあらゆる組み込まれた方法を実行することを含む本発明の実施を当業者が行うのを可能にする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有する場合、又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する同等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属することになるものとする。

Claims (10)

1. 発電装置と、
   前記発電装置に接続された電力変換器と、
   前記電力変換器に接続された電気制御装置と、
   前記電力変換器の温度を検知し、前記電気制御装置に送信する第１の温度センサと、
   前記電力変換器の周囲温度を検知し、前記電気制御装置に送信する第２の温度センサと、
   を含み、
   前記電気制御装置は、少なくとも第１および第２の接合部温度ディレーティング機能を適用することによって前記電力変換器のピーク接合部温度を制限するように構成され、
   第１の接合部温度ディレーティング機能は、前記電力変換器の温度から第１のディレーティング係数を決定し、
   第２の接合部温度ディレーティング機能は、前記周囲温度から第２のディレーティング係数を決定し、
   前記電気制御装置は、前記第１のディレーティング係数と第２のディレーティング係数のうち小さいディレーティング係数を制御値として選択して、前記電力変換器を制限し、
   ディレーティング係数は、前記電力変換器の動作電力の最大電力に対する割合を表す係数である、
   発電システム。
2. 前記制御装置はさらに、前記検知温度が所定の値に達するまで前記電力変換器の電力出力を制限するように構成される、請求項１に記載の発電システム。
3. 選択された前記ディレーティング係数は、前記電力変換器の出力電力、電流又は電圧の少なくとも１つを低下させるために前記制御装置に適用される、請求項１または２に記載の発電システム。
4. 発電システムの電力変換器を制御する方法であって、
   前記電力変換器の温度と前記電力変換器の周囲温度を検知するステップと、
   前記電力変換器の電力出力を制限するために、前記電力変換器の温度に基づいた接合部温度ディレーティング機能を適用して第１のディレーティング係数を、前記周囲温度に基づいた接合部温度ディレーティング機能を適用して第２のディレーティング係数を、決定するステップと、
   所定の条件が満たされるまで、第１および第２のディレーティング係数のうち小さいディレーティング係数を制御値として選択して前記電力変換器の電力を制限するステップと、
   を含み、
   ディレーティング係数は、前記電力変換器の動作電力の最大電力に対する割合を表す係数である、
   方法。
5. 前記所定の条件は、前記電力変換器の限界温度値であり、
   電力を制限するステップは、前記電力変換器の前記検知温度が前記限界値以下になるまで前記電力変換器の電力出力を制限するステップである、
   請求項４に記載の方法。
6. 選択された前記ディレーティング係数は、前記電力変換器の出力電力、電流又は電圧の少なくとも１つを低下させるために適用される、請求項４または５に記載の方法。
7. 電力発電システムの電力変換器を制御するためのプログラム命令を記憶した非一時的コンピュータ可読記憶媒体であって、前記プログラム命令は、
   温度検知装置を用いて、前記電力変換器の温度と前記電力変換器の周囲温度を検知し、
   前記電力変換器の電力出力を制限するために、前記電力変換器の温度に基づいた接合部温度ディレーティング機能を適用して第１のディレーティング係数を、前記周囲温度に基づいた接合部温度ディレーティング機能を適用して第２のディレーティング係数を、決定し、
   所定の条件が満たされるまで、第１および第２のディレーティング係数のうち小さいディレーティング係数を制御値として選択して前記電力変換器の電力を制限する命令を含み、
   ディレーティング係数は、前記電力変換器の動作電力の最大電力に対する割合を表す係数である、
   非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
8. 前記所定の条件は、前記電力変換器の限界温度値であり、
   電力の前記制限は、前記電力変換器の前記検知温度が前記限界値以下になるまで前記電力変換器の電力出力を制限する、
   請求項７に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
9. 選択された前記ディレーティング係数は、前記電力変換器の出力電力、電流又は電圧の少なくとも１つを低下させるために適用される、請求項７または８に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
10. 前記ディレーティング係数は０〜１．０の間の実数である、請求項７から９のいずれかに記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。