(57)【要約】  直流から交流への変換のための技術が開示されており、電力網に動的に連結できる太陽光インバータ装置において、当該技術が具現化され得る。当該装置は、太陽光発電（ＰＶ）スタックであって、直列接続されたＰＶモジュールを含むＰＶスタックを含んでいる。各ＰＶモジュールには、当該ＰＶモジュールの出力を蓄積するためのキャパシタが付随されている。正極側終端回路は、グリッドサイクルの正の半サイクルの間に、ＰＶスタックの負極側端部をグラウンドに切り替え、負極側終端部は、グリッドサイクルの負の半サイクルの間に、ＰＶスタックの正極側端部をグラウンドに切り替える。接続分岐部は、各ＰＶモジュールの出力をコモン・バスに連結し、各分岐部は、対応するＰＶモジュールの出力を選択的にバスに連結するように構成された、制御回路構成を含んでいる。グリッドサイクルの前半の間に、一部のキャパシタが電力網に放電する一方、グリッドサイクルの後半の間における放電に備えて、残りのキャパシタが充電する。
2011517846.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力網に動的に連結するための太陽光インバータ装置であって、
太陽光発電（ＰＶ）モジュールスタックであって、複数の直列接続されたＰＶモジュールを含み、各ＰＶモジュールが、該ＰＶモジュールの出力を蓄積するためのキャパシタと並列接続された、ＰＶモジュールスタックと、
グリッドサイクルの正の半サイクルの間に、前記ＰＶモジュールスタックの負極側端部をグラウンドに切り替えるための正極側終端回路と、
前記グリッドサイクルの負の半サイクルの間に、前記ＰＶモジュールスタックの正極側端部をグラウンドに切り替えるための負極側終端部と、
各ＰＶモジュールの出力からコモン・バスへの接続分岐部であって、各分岐部が、対応する前記ＰＶモジュールの出力を前記コモン・バスに選択的に連結するように構成された分岐制御回路構成を含み、前記グリッドサイクルの前半の間に、１つ以上の前記キャパシタが前記電力網に放電している一方で、残りの前記キャパシタが、前記グリッドサイクルの後半での放電に備えて充電している、接続分岐部と
を備えることを特徴とする装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であって、さらに、
前記コモン・バスに動的に接続されており、前記電力網に動的に接続するための電流制御装置を備えることを特徴とする装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置であって、
前記接続分岐部の各々は、さらに、
正サイクルスイッチと、負サイクルスイッチとを備え、該正サイクルスイッチおよび該負サイクルスイッチの各々が、前記分岐制御回路構成に含まれた、対応する駆動回路によって制御される、
ことを特徴とする装置。
【請求項４】
請求項３に記載の装置であって、
前記対応する駆動回路のうちの少なくとも一部の駆動回路は、オプトカプラーを含んでいる
ことを特徴とする装置。
【請求項５】
請求項４に記載の装置であって、
前記オプトカプラーは、制御プロセッサに反応する
ことを特徴とする装置。
【請求項６】
請求項４に記載の装置であって、
前記オプトカプラーは、前記電力網の線間電圧と、前記ＰＶモジュールスタックの直列接続の瞬間電圧との間の差に反応することによって、自動的に制御される
ことを特徴とする装置。
【請求項７】
請求項６に記載の装置であって、さらに、
前記オプトカプラーを介して、比較的一定の電流を維持するように構成された、定電流制御回路を備える
ことを特徴とする装置。
【請求項８】
請求項１に記載の装置であって、
グリッド線間電圧が存在しない場合に、前記ＰＶモジュールスタックの出力が前記コモン・バスに供給されない
ことを特徴とする装置。
【請求項９】
請求項１に記載の装置であって、
前記グリッドサイクルの正の半サイクルの間に、前記正極側終端回路は、電流制御インダクタの第１の端部をグラウンドに動的に連結し、前記電流制御インダクタの第２の端部を前記ＰＶモジュールスタックの前記負極側端部に動的に連結する
ことを特徴とする装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の装置であって、
前記グリッドサイクルの負の半サイクルの間に、前記負極側終端回路は、電流制御インダクタの前記第２の端部をグラウンドに動的に連結し、前記電流制御インダクタの前記第１の端部を前記ＰＶモジュールスタックの前記正極側端部に動的に連結する
ことを特徴とする装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の装置であって、さらに、
前記グリッドサイクルの正の半サイクルを検出するため、および、検出された前記グリッドサイクルの正の半サイクルを、前記分岐制御回路構成に含まれた正サイクルの分岐制御回路に連結するために構成された、正サイクルイネーブル回路を備える
ことを特徴とする装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の装置であって、さらに
前記グリッドサイクルの負の半サイクルを検出するため、および、検出された前記グリッドサイクルの負の半サイクルを、前記分岐制御回路構成に含まれた負サイクルの分岐制御回路に連結するために構成された、負サイクルイネーブル回路を備える
ことを特徴とする装置。
【請求項１３】
電力網に動的に連結するための太陽光インバータ装置であって、
太陽光発電（ＰＶ）モジュールスタックであって、複数の直列接続されたＰＶモジュールを含み、各ＰＶモジュールが、該ＰＶモジュールの出力を蓄積するためのキャパシタと並列接続されている、ＰＶモジュールスタックと、
グリッドサイクルの正の半サイクルの間に、前記ＰＶモジュールスタックの負極側端部をグラウンドに切り替えるための正極側終端回路であって、前記グリッドサイクルの正の半サイクルの間に、前記正極側終端回路が、電流制御インダクタの第１の端部をグラウンドに動的に連結し、前記電流制御インダクタの第２の端部を前記ＰＶモジュールスタックの前記負極側端部に動的に連結する、正極側終端回路と、
前記グリッドサイクルの負の半サイクルの間に、前記ＰＶモジュールスタックの正極側端部をグラウンドに切り替えるための負極側終端部であって、前記グリッドサイクルの負の半サイクルの間に、前記負極側終端回路が、電流制御インダクタの前記第２の端部をグラウンドに動的に連結し、前記電流制御インダクタの前記第１の端部を前記ＰＶモジュールスタックの前記正極側端部に動的に連結する、負極側終端部と、
各ＰＶモジュールの出力からコモン・バスへの接続分岐部であって、各分岐部が、対応する前記ＰＶモジュールの出力を前記コモン・バスに選択的に連結するように構成された分岐制御回路構成を含み、前記グリッドサイクルの前半の間に、１つ以上の前記キャパシタが前記電力網に放電している一方で、残りの前記キャパシタが、前記グリッドサイクルの後半での放電に備えて充電している、接続分岐部と
を備え、
前記接続分岐部の各々は、さらに、正のサイクルスイッチと、負のサイクルスイッチとを備え、該正のサイクルスイッチおよび該負のサイクルスイッチの各々が、前記分岐制御回路構成に含まれた、対応するオプトカプラーによって制御され、該オプトカプラーは、前記電力網の線間電圧と、前記ＰＶモジュールスタックの直列接続の瞬間電圧との間の差に反応することによって、自動的に制御される
ことを特徴とする装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の装置であって、
グリッド線間電圧が存在しない場合に、前記ＰＶモジュールスタックの出力が前記コモン・バスに供給されない
ことを特徴とする装置。
【請求項１５】
請求項１３に記載の装置であって、さらに、
前記グリッドサイクルの正の半サイクルを検出するため、および、検出された前記グリッドサイクルの正の半サイクルを、前記分岐制御回路構成に含まれた正サイクルの分岐制御回路に連結するために構成された、正サイクルイネーブル回路と、
前記グリッドサイクルの負の半サイクルを検出するため、および、検出された前記グリッドサイクルの負の半サイクルを、前記分岐制御回路構成に含まれた負サイクルの分岐制御回路に連結するために構成された、負サイクルイネーブル回路と
を備えることを特徴とする装置。
【請求項１６】
電力網に動的に連結するための太陽光インバータ装置であって、
太陽光発電（ＰＶ）モジュールスタックであって、複数の直列接続されたＰＶモジュールを含み、各ＰＶモジュールが、該ＰＶモジュールの出力を蓄積するためのキャパシタと並列接続されている、ＰＶモジュールスタックと、
グリッドサイクルの正の半サイクルの間に、前記ＰＶモジュールスタックの負極側端部をグラウンドに切り替えるための正極側終端回路と、
前記グリッドサイクルの負の半サイクルの間に、前記ＰＶモジュールスタックの正極側端部をグラウンドに切り替えるための負極側終端部と、
各ＰＶモジュールの出力からコモン・バスへの接続分岐部であって、各分岐部は、対応する前記ＰＶモジュールの出力を前記コモン・バスに選択的に連結するように構成された分岐制御回路構成を含み、前記グリッドサイクルの前半の間に、１つ以上の前記キャパシタが前記電力網に放電している一方で、残りの前記キャパシタが、前記グリッドサイクルの後半の間における放電に備えて充電している、接続分岐部と、
前記グリッドサイクルの正の半サイクルを検出するため、および、検出された前記グリッドサイクルの正の半サイクルを、前記分岐制御回路構成に含まれた正サイクルの分岐制御回路に連結するために構成された、正サイクルイネーブル回路と、
前記グリッドサイクルの負の半サイクルを検出するため、および、検出された前記グリッドサイクルの負の半サイクルを、前記分岐制御回路構成に含まれた負サイクルの分岐制御回路に連結するために構成された、負サイクルイネーブル回路と
を備え、
グリッド線間電圧が存在しない場合に、前記ＰＶモジュールスタックの出力が前記コモン・バスに供給されない
ことを特徴とする装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載の装置であって、
前記接続分岐部の各々は、さらに、正のサイクルスイッチと、負のサイクルスイッチとを備え、該正のサイクルスイッチおよび該負のサイクルスイッチの各々は、前記分岐制御回路構成に含まれた、対応する駆動回路によって制御される
ことを特徴とする装置。
【請求項１８】
請求項１７に記載の装置であって、
前記対応する駆動回路のうちの少なくとも一部の駆動回路は、オプトカプラーを含み、該オプトカプラーは、前記電力網の線間電圧と、前記ＰＶモジュールスタックの直列接続の瞬間電圧との間の差に反応することによって、自動的に制御される
ことを特徴とする装置。
【請求項１９】
請求項１に記載の装置であって、
前記グリッドサイクルの正の半サイクルの間に、前記正極側終端回路は、電流制御インダクタの第１の端部をグラウンドに動的に連結し、前記電流制御インダクタの第２の端部を前記ＰＶモジュールスタックの前記負極側端部に動的に連結する
ことを特徴とする装置。
【請求項２０】
請求項８に記載の装置であって、
前記グリッドサイクルの負の半サイクルの間に、前記負極側終端回路は、電流制御インダクタの前記第２の端部をグラウンドに動的に連結し、前記電流制御インダクタの前記第１の端部を前記ＰＶモジュールスタックの前記正極側端部に動的に連結する
ことを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明者：ポール  ジェームス  ビー．
［関連出願］
本願は、２００８年２月２１日に出願された米国仮出願第６１／０３０，４２４号の利益を主張するものであり、当該米国仮出願は、参照によって本明細書にその全内容が援用される。
［発明の分野］
本発明は電力変換に関し、より具体的には、太陽光利用における直流から交流への変換技術に関する。
［発明の背景］
一般的にインバータの動作によって、直流電流の交流電流への変換を必要とする、あるいは利用する電子機器が数多く存在する。このような機器には、例えば、太陽光インバータ、可変周波数駆動装置、および無停電電源装置が含まれる。
【０００２】
太陽光インバータは、例えば、太陽光発電モジュールの直流出力を、交流機器によって利用され得る、または電力網へ供給され得る、交流出力に変換するのに利用可能である。無停電電源装置は、一般的に、バッテリを使用して直流源を提供し、この直流源は続いて反転されて交流出力を生成する。可変周波数駆動装置は、一般的に、交流を整流して直流を生成し、直流から直流への変換を実行して、所望の直流電圧レベルを得た後、この直流電圧を反転させて、所望の周波数の交流電圧を生成する。他の直流／交流インバータの適用例は、明らかであろう。インバータによって供給される交流出力のパラメータおよび品質は、目的とする適用例の個別の要求に応じて変わり得る。例えば、交流出力は、重要でない用途において使用可能である比較的粗い矩形波から、電気公益事業によって生成される品質に匹敵する品質を有するか、あるいは重要な用途（例えば、医療用または軍事用）において使用可能な、比較的滑らかな正弦波にまで及び得る。
【０００３】
従来の直流／交流インバータは、一般的に、パルス幅変調を用いて、交流電流の起電力を模擬している。直流電流を断続するのに、高速電子スイッチングが通常用いられている。パルス幅は、交流電流の正弦波における特定の位置での交流電流の効果を模擬するために変化され得る。これらのパルスの極性が交番され、その結果、例えば、Ｈブリッジまたは同様の機構を介して、正弦波の波形の正および負の特性の効果が模擬され得る。
【０００４】
このようなあらゆる場合においては、従来の直流／交流インバータの設計に関連して、多くの問題が存在している。例えば、高速スイッチング処理は、好ましくない高調波周波数を発生し得る。さらに、従来のインバータ技術は、概して高価であり、複雑な電子回路や多くの部品を含んで、一層費用が増大する可能性がある。インバータにかかる費用は、太陽光発電システム全体の費用において大きな割合に相当する可能性があるため、このような高コストは、太陽光発電用途において特に懸念事項となり得る。
【０００５】
したがって、効率的で費用対効果の大きい、直流から交流への変換を可能にする技術が必要とされている。
［発明の概要］
本発明の一実施形態は、電力網に動的に連結するための太陽光インバータ装置を提供する。太陽光インバータ装置は、太陽光発電（ＰＶ）モジュールスタックを含み、このＰＶモジュールスタックは、複数の直列接続されたＰＶモジュールを含み、各ＰＶモジュールは、当該ＰＶモジュールの出力を蓄積するためのキャパシタと並列接続されている。太陽光インバータ装置はまた、グリッドサイクルの正の半サイクルの間に、ＰＶモジュールスタックの負極側端部をグラウンドに切り替えるための正極側終端回路と、上記グリッドサイクルの負の半サイクルの間に、ＰＶモジュールスタックの正極側端部をグラウンドに切り替えるための負極側終端回路と、を含んでいる。太陽光インバータ装置は、各ＰＶモジュールの出力からコモン・バスへの接続分岐部をさらに含み、各分岐部は、対応するＰＶモジュールの出力をコモン・バスに選択的に連結するように構成された、分岐制御回路構成を含んでいる。グリッドサイクルの前半の間に、１つ以上のキャパシタが電力網に放電している一方で、残りのキャパシタが当該グリッドサイクルの後半の間における放電に備えて充電している。
【０００６】
太陽光インバータ装置は、コモン・バスに動的に接続され、且つ、電力網に動的に接続するための、電流制御装置をさらに含んでもよい。接続分岐部の各々は、正のサイクルスイッチと、負のサイクルスイッチとをさらに含んでもよく、各サイクルスイッチは、分岐制御回路構成に含まれた、対応する駆動回路によって制御される。上記のような１つの特定の場合においては、対応する駆動回路のうちの少なくとも一部がオプトカプラーを含んでいる。このような構成の中には、オプトカプラーが制御プロセッサに対して応答するものがある。また、このような構成の中には、オプトカプラーが、電力網の線間電圧と、ＰＶモジュールスタックの直列接続の瞬間電圧との間の差に反応することによって自動的に制御されるものもある。このような構成の１つでは、太陽光インバータ装置は、オプトカプラーを介して比較的一定の電流を維持するように構成された定電流制御回路をさらに含んでいる。別の構成では、太陽光インバータ装置は、グリッド線間電圧が存在しない場合に、ＰＶモジュールスタックの出力がコモン・バスに供給されないように構成されてもよい。
【０００７】
別の特定の構成では、グリッドサイクルの正の半サイクルの間に、正極側終端回路は、電流制御インダクタの第１の端部をグラウンドに動的に連結し、そして、この電流制御インダクタの第２の端部をＰＶモジュールスタックの負極側端部に動的に連結する。このような場合の１つにおいては、グリッドサイクルの負の半サイクルの間に、負極側終端回路は、電流制御インダクタの第２の端部をグラウンドに動的に連結し、そして、電流制御インダクタの第１の端部をＰＶモジュールスタックの正極側端部に動的に連結する。別の特定の構成では、太陽光インバータ装置は、グリッドサイクルの正の半サイクルを検出するため、および、検出されたグリッドサイクルの正の半サイクルを、複数の分岐制御回路構成に含まれる正サイクルの分岐制御回路に連結するために構成された、正サイクルイネーブル回路をさらに含んでもよい。このような場合の１つにおいては、太陽光インバータ装置は、グリッドサイクルの負の半サイクルを検出するため、および、検出されたグリッドサイクルの負の半サイクルを、複数の分岐制御回路構成に含まれる負サイクルの分岐制御回路に連結するために構成された、負サイクルイネーブル回路をさらに含んでもよい。
【０００８】
本明細書で述べられた特徴および利点は、全てを網羅するものではなく、具体的には、図面、明細書、および特許請求の範囲を考慮すれば、さらなる特徴および利点の多くは当業者にとって明らかであろう。さらに、明細書で用いられている文言は、発明の対象の範囲を限定する目的ではなく、主として、読み易さおよび教示目的のために選択されていることに留意されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係る太陽光発電ラダーを用いて構成された、太陽光インバータの回路図を図示している。
【図２】本発明の一実施形態に基づいて構成された電力変換器の、光起電力（Ｉ−Ｖ）曲線の例を図示し、且つ、典型的な動作範囲と太陽光発電モジュールの最大出力点の軌跡とを示す図である。
【図３】回路構成が電気エネルギーを交流電圧で電力網に供給する、本発明の一実施形態に係る太陽光発電ラダーの一構成における直列接続された一連の太陽光発電モジュール上での偏位例の図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る太陽光発電ラダーを用いて構成された、太陽光インバータの詳細な回路図を図示している。
【図５】オプトカプラーを介して比較的一定の電流を維持するために、電力網と、太陽光発電モジュールスタック上の一点との間の電圧差を用いて、オプトカプラーの制御が行われるときに使用され得る、本発明の一実施形態に係る任意の構成を図示している。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［発明の詳細な説明］
直流から交流への効率的な変換が可能な技術が開示されている。この技術は、例えば、従来の直流／交流インバータの設計と比較して、比較的費用が掛からず、構成要素の数が著しく少なく、且つ／または、高調波を低減もしくは除去する、直流／交流インバータ装置において実行され得る。この技術は、個別の直流源を、複数のバッテリまたは太陽光発電セル（あるいは他の適した直流源）から、交流機器による使用および／または電力網への供給が可能である、比較的滑らかな交流電圧出力に変換するためのシステムにおけるような、あらゆる適用例に採用され得る。このシステムは、反転処理からの出力電圧を変化させて、例えば、目的とする適用例に適した電圧を確保したり、あるいは、最大出力点追従を確実にするための、太陽光発電アレイの出力の最適化を可能にするようにさらに構成されてもよい。
＜太陽光発電ラダー＞
図１は、本発明の一実施形態に係る太陽光発電ラダーを用いて構成された、太陽光インバータの回路図を図示している。太陽光発電ラダーの設計は、（マルチレベルインバータまたはマルチステップインバータの出力に似た）正弦波電圧出力の段階的合成を提供する。
【００１１】
本明細書で説明されるような太陽光発電ラダーシステムは、例えば、直流電流を反転させる（すなわち、直流電流を交流電流に変換する）ための装置として使用可能であり、電力網電圧または他の所望の正弦波電圧出力を満たし、最大出力点に効率よく追従し、且つ、全ての太陽光発電セルの出力を連続使用するように構成されてもよい。太陽光発電ラダーシステムはまた、従来の設計と比較すると、高効率、高力率、および低高調波歪みでありながらも、比較的低いコストで電力を電力網に供給するのに用いられ得る。太陽光発電ラダーの構成では、太陽光発電システムまたは太陽光発電モジュールに組み込み可能な、より少数でより費用の掛からない構成要素を用いることで、従来のインバータ設計の構成要素の多くを省くことが可能である。
【００１２】
見て分かるように、この例示実施形態は、描写を容易にするために、３つの太陽光発電モジュール（ＰＶ１〜ＰＶ３）を含み、これら３つの太陽光発電モジュールは電力網に動的に連結されている。他の実施形態では、目的とする適用例の詳細および要求によって、より少数（２つの太陽光発電モジュール）あるいはより多数（例えば、２０基の太陽光発電モジュール）を含んでもよい。太陽光発電モジュールの直列接続は、全体として、ＰＶモジュールスタックと称することができる。キャパシタＣ１〜Ｃ３は、太陽光発電モジュールＰＶ１〜ＰＶ３に、それぞれ並列接続されている。
【００１３】
電気スイッチは、太陽光発電モジュールＰＶ１〜ＰＶ３と、キャパシタＣ１〜Ｃ３とによって形成されるセルの出力をコモン・バス接続部に接続し、さらに、このコモン・バス接続部は、電力網に動的に連結される。（例えば直列インダクタなどのような）任意の電流制御装置が、コモン・バスと電力網との間に接続されてもよい。示されている例示実施形態では、電力網の負サイクルの間に、スイッチＳ３〜Ｓ６（またはその一部）を対応する制御部３〜６の動作によって順次作動させることができ、電力網の正サイクルの間に、スイッチＳ７〜Ｓ１０（またはその一部）を対応する制御部７〜１０の動作によって順次作動させることができる。極性反転は、正極側および負極側終端部によって実現され、これら正極側および負極側終端部は、グラウンド（ＧＮＤ）をＰＶモジュールスタックのどちらかの端部に交互に切り替える。この例示実施形態では、正極側終端部はスイッチＳ１と制御部１とを含み、負極側終端部はスイッチＳ２と制御部２とを含んでいる。一般的に、正極側終端部は、正の半サイクルの間にＰＶモジュールスタックの負極側端部をグラウンドに接続するように動作し、負極側終端部は、負の半サイクルの間にＰＶモジュールスタックの正極側端部をグラウンドに接続するように動作する。
【００１４】
スイッチＳ１〜Ｓ１０の各々は、例えばＭＯＳＦＥＴ（または、本開示を踏まえれば明らかであろう、他のあらゆる適切なスイッチング機構）を用いて実現可能である。既述したように、これらスイッチは、これらスイッチの対応する駆動回路（すなわち制御部１〜１０）によって制御され、これら駆動回路は、例えばオプトカプラーを用いて実現可能である。見て分かるように、オプトカプラーは、例えば任意の制御プロセッサに対して反応してもよい。この任意の制御プロセッサは、例えば、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラであって、スタック（例えば、ＰＶ１〜ＰＶ３）および電力網からの信号を受信するＩ／Ｏ機能と、本明細書に説明されているように、スイッチＳ１〜Ｓ１０のための制御信号を生成するための１つ以上のルーチン（例えば、制御部１〜１０）とを備えて構成された、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラを用いて実現可能である。あるいは、任意の制御プロセッサは、スイッチＳ１〜Ｓ１０を直接制御するのに用いられてもよい（例えば、オプトカプラーはなし。ただし、このような直接制御方式はスイッチ出力上のスイッチング高調波に影響され易い可能性がある）。あるいは、且つ、図１に示される実施形態において、オプトカプラーは、電力網の線間電圧と、ＰＶスタックの直列接続の瞬間電圧との間の差に反応することによって自動的に制御されてもよい。具体的には、オプトカプラーは、配電網と、ＰＶスタックの直列接続上の点との間の相対電圧によって駆動される。直列接続されているＰＶモジュールの数を維持して、ＰＶモジュールの総出力が電力網の電圧よりも高い電圧となることができることで、電力を電力網に供給することができるように、相対的な電圧差を適切なＭＯＳＦＥＴ（または他のスイッチ）をオンするのに用いてもよい。
【００１５】
グリッドサイクルの前半（例えば、正サイクル）の間に、回路全体の一部分が、その部分に対応する蓄積キャパシタと並列な電力網に放電している一方で、回路全体の残りの部分が、サイクル後半の間の放電に備えて、キャパシタを充電していてもよい。反対に、サイクル後半（例えば、負サイクル）の間に、次の半サイクルの間の放電に備えて、回路全体のうちの第１の部分が、この第１の部分に対応するキャパシタを充電している。いずれかの半サイクルの間でも、ＰＶモジュール（例えば、ＰＶ１，ＰＶ２，またはＰＶ３）と、このＰＶモジュールに対応する充電されたキャパシタ（例えば、Ｃ１，Ｃ２，またはＣ３）との並列出力によって出力が生成され、他のそのような出力と直列のＰＶスタックにおいて加えられてもよい。こうして、回路全体の二つの部分は、部分的に充電されたキャパシタをＰＶモジュールの各々によってさらに充電することと、次に、幾分低い電位でそのキャパシタを電力網に放電させることと、を交互に行う。
【００１６】
グリッドサイクルのうち、ＰＶモジュールがキャパシタを再充電し始める時点で、キャパシタは、サイクル中のその時点での電力網の電圧にすでに近づき得る。ＰＶモジュールは、当該モジュールの開回路電圧（ＰＶモジュールの最大出力電圧）を制限電圧として、キャパシタをより高い電圧に充電してもよい。サイクルのうちの放電部分では、ＰＶモジュールおよびその蓄積キャパシタは、双方の構成要素とも電力網の線間電圧に適合する状態で、並列に動作してもよい。ＰＶモジュールは、その電圧での当該ＰＶモジュールの性能特性に対応する電流を供給してもよく、当該ＰＶモジュールのキャパシタは、部分的に放電し、当該ＰＶモジュールの電圧は、サイクル中のその時点での電力網の電圧に近づく。ＭＯＳＦＥＴにおける抵抗(または他のスイッチ抵抗)は、電圧差によって生じる、キャパシタと配線との間の電流サージを抑制し得る。それに加えて、あるいは、その代わりに、そのような電流サージを抑制するのに、任意の定電流制御回路構成を用いることも可能である。本開示を踏まえれば理解されるであろうが、キャパシタを適切なサイズにすることで、サイクル中の電圧偏位が、最大出力点電圧の範囲内に収まるようになることを確実にし得る。
【００１７】
本明細書で説明されるような、オプトカプラーを介して適切なＭＯＳＦＥＴ（または他の適切なスイッチ）をオンするトリガとして、電力網の線間電圧を用いる制御方式は、単独運転を排除するのにも有用であり得ることに留意する。周知のように、単独運転とは、電力網が動作不能である期間に、太陽光発電アレイが電気エネルギーを生成している状態である。具体的には、グリッド線間電圧が存在しない場合に、ＭＯＳＦＥＴ（または他の適切なスイッチ）がオンされないので、ＰＶモジュールスタックによって供給される電圧出力がないことになろう。
【００１８】
このようにして、本明細書で説明されるような太陽光発電ラダーの構成は、電力網の線間電圧と同じ（あるいはより大きい）大きさの出力電圧を生成するＰＶモジュールスタックの直列接続における点で、スイッチ（例えば、ＭＯＳＦＥＴまたは他の適切なスイッチ）を順次閉じることによって、正弦波電圧と略定電流出力とを合成することができる。単独運転防止機能もまた設けられている。
＜最大出力点追従およびグリッド電圧との適合＞
図２は、本発明の一実施形態に基づいて構成された電力変換器の、光起電力（Ｉ−Ｖ）曲線の例を図示し、且つ、典型的な動作範囲と太陽光発電モジュールの最大出力点の軌跡とを示す図である。
【００１９】
直列接続された十分な数の太陽光発電モジュールは、一般的に、電力網の線間電圧に適合するために太陽光発電アレイが生成すると想定され得る最低限の電圧で、十分な電圧を供給する一方で、同時に、太陽光発電アレイが当該太陽光発電アレイの最大出力点（ＭＰＰ）で動作することを確実にしている。周知のように、太陽光発電セルは、単一の動作点（一般に、最大出力点、すなわちＭＰＰと称される）を有し、この単一の動作点では、セルの電圧（Ｖ）および電流（Ｉ）の値が効率的に最大出力点を設定する。ＰＶスタックの直列アレイに沿った電圧出力を利用することによって、本明細書で説明される制御方式は、特定の太陽光発電システムへの効率的な調整を可能にする。このようにして、最大出力での動作を確実にしながら、電力網電圧は適合される。
【００２０】
図２の電力曲線の例を参照すれば分かるように、セルが当該セルの最大電圧出力の約７７％〜９０％の範囲で動作しているときに、最も低い電力曲線がもたらされ、セルが当該セルの最大電圧出力の約８５％〜１００％の範囲で動作しているときに、最も高い電力曲線がもたらされる。対応するＭＰＰ動作範囲が示されている。
【００２１】
図３は、回路構成が電気エネルギーを交流電圧で電力網に供給する、本発明の一実施形態に係る太陽光発電ラダーの一構成における直列接続された一連の太陽光発電モジュール上での偏差例の図である。
【００２２】
直列であるＰＶモジュールの数を調整することによって、ＰＶラダーにおけるブレイクポイントの偏位は、個々のモジュールが、電力網電圧に適合するように直列接続された際に、ＰＶ電力曲線の平らな領域で動作するように、制御され得る。平らな領域で動作することによって、配電網電圧が適合することと、アレイが最大出力点近くで動作することと、の双方が確実になり得る。図３に示される例では、正および負の電圧偏位をより低くするには、１２基のＰＶモジュールのうちの９基が切り替えられ、正および負の電圧偏位をより高くするには、１２基のＰＶモジュールの全てが切り替えられる。
＜電圧差によって作動される太陽光インバータ＞
図４は、本発明の一実施形態に係る太陽光発電ラダーを用いて構成された、太陽光インバータの詳細な回路図を図示している。見て分かるように、この実施形態は、オプトカプラーによって作動されるＭＯＳＦＥＴを利用しており、オプトカプラーは、グリッド線間電圧と、直列接続された太陽光発電モジュール（ＰＶスタック）との間の電圧差によって順に作動される。
【００２３】
この例示実施形態では、直列である３基の太陽光発電モジュール（ＰＶ１〜ＰＶ３）を使用しているが、他の実施形態では、直列である、より多くの（またはより少ない）モジュールを使用してもよい。太陽光発電モジュールＰＶ１〜ＰＶ３の各々は、キャパシタ（それぞれＣ１〜Ｃ３）と並列接続されている。先に説明したように、キャパシタＣ１〜Ｃ３の機能は、当該キャパシタＣ１〜Ｃ３の電気エネルギーを電力網に放電していないときに、対応する太陽光発電モジュールＰＶ１〜ＰＶ３の出力を蓄積すること、および、太陽光発電モジュールＰＶ１〜ＰＶ３が、太陽光発電モジュールＰＶ１〜ＰＶ３の最大出力点近く、または最大出力点で動作するように、太陽光発電モジュールＰＶ１〜ＰＶ３をわたる電圧を維持する一助となることである。
【００２４】
太陽光発電モジュールとキャパシタとの各対（例えば、ＰＶ１−Ｃ１、ＰＶ２−Ｃ２等）の間には、電力網へとつながる接続分岐部（分岐部１〜４が示されている）がある。これらの各分岐部上には、２つのスイッチ（この実施例では、ＭＯＳＦＥＴとして実現され、全てのＳ１〜Ｓ１０が同様である）があり、一方は、グリッドサイクルの正の半サイクルの間に分岐部をオンに切り替え、他方は、グリッドサイクルの負の半サイクルの間に分岐部をオンに切り替える。例えば、分岐部２は、グリッドサイクルの正の半サイクルの間には、スイッチＳ８によってオンに切り替えられ、グリッドサイクルの負の半サイクルの間には、スイッチＳ４によってオンに切り替えられる。表１は、この例示実施形態での全般的な切替方式を要約したものであり、各分岐部の正サイクルの切り替え、および負サイクルの切り替えを含んでいる。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
スイッチＳ３〜Ｓ１０の各々は、順次、（それぞれが制御部３〜１０である）対応する制御回路によって、より具体的には、各制御回路に含まれるオプトカプラーの出力によって、制御される。オプトカプラーの制御方針については、順次説明する。
【００２７】
直列接続された太陽光発電モジュールスタック（ＰＶ１〜ＰＶ３）の極性を反転させて、電力網における交流電流の極性に適合させるのに、同様の構成が用いられる。図１を参照して先に説明したように、正極側終端部は、正の半サイクルの間にＰＶモジュールスタックの負極側端部をグラウンドに接続し、負極側終端部は、負の半サイクルの間にＰＶモジュールスタックの正極側端部をグラウンドに接続する。
【００２８】
より詳細には、図４に示された実施形態において、正極側終端部は、スイッチＳ１と、制御部１と、スイッチＳ１ａおよび制御部１ａを含むグラウンド切替回路とによって実現されており、グリッドサイクルの正の半サイクルの間に、制御部１ａの回路におけるオプトカプラーが作動されて、スイッチＳ１ａがオンすることで、グラウンド（ＧＮＤ）が、電流制御インダクタの上部側（図示のとおり）に動的に連結される。ダイオードＤ１は、Ｓ１ａと電流制御インダクタとの間に設けられ、インダクタ電流を安定させる。電流制御インダクタの他端は、スイッチＳ１に接続されている。見て分かるように、グリッドサイクルの正の半サイクルの間に、制御部１の回路におけるオプトカプラーも作動されて、スイッチＳ１がオンすることで、ＧＮＤが（電流制御インダクタを介して）ＰＶモジュールスタックの端部に接続される。スイッチＳ２，Ｓ２ａと、スイッチＳ２，Ｓ２ａのそれぞれの制御回路である、制御部２および制御部２ａとは、グリッドサイクルの正の部分の間には作動が停止される。
【００２９】
負極側終端部は、スイッチＳ２と、制御部２と、スイッチＳ２ａおよび制御部２ａを含むグラウンド切替回路とによって、同じように実現されており、グリッドサイクルの負の半サイクルの間に、制御部２ａの回路におけるオプトカプラーが作動されて、スイッチＳ２ａがオンすることで、ＧＮＤが電流制御インダクタの底部側（図示のとおり）に動的に連結される。ダイオードＤ２は、Ｓ２ａと電流制御インダクタとの間に設けられ、インダクタ電流を安定させる。電流制御インダクタの他端は、今度はスイッチＳ２に接続される。グリッドサイクルの負の半サイクルの間に、制御部２の回路におけるオプトカプラーもまた作動されて、スイッチＳ２がオンすることで、ＧＮＤが（電流制御インダクタを介して）ＰＶモジュールスタックの他端部に接続される。図１に示されるような代替実施形態では、スイッチＳ１およびＳ２のそれぞれは、必要に応じてＧＮＤに直接接続されてもよく、また、（同様に図１に示すように）電流制御部は、電力網に直列に設けられてもよいことを思い起こされたい。
【００３０】
図４に示される電流制御インダクタの構成は、多数の有益な目的に役立つ。例えば、電流制御インダクタの構成は、太陽光発電モジュールスタックを介して、グラウンドへの電流の連続性を維持する傾向がある。電流制御インダクタの構成はまた、太陽光発電モジュールＰＶ１〜ＰＶ３が太陽光発電モジュールＰＶ１〜ＰＶ３の最大出力点近くで動作することと、太陽光発電モジュールスタックが電力網に放電できるのに十分な電圧を有することと、に十分な電圧が太陽光発電モジュールＰＶ１〜ＰＶ３をわたって存在することを確実にもする。さらに、電流制御インダクタは、キャパシタＣ１〜Ｃ３から電力網に放電される電流を緩和して、容認できない抵抗損失を回避する。他の実施形態では、本明細書で説明されているような電流を維持するために切り替えられた電流制御インダクタは、（図４に示すような）太陽光発電モジュールスタックとグラウンドとの間にある電流制御インダクタに代わって、あるいは協力して、（図１に示すように）ＰＶラダーインバータの出力と、電力網との間で用いられることも可能である。
【００３１】
同様の切替制御構成が、図４の右下隅に示された正サイクルイネーブル制御回路および負サイクルイネーブル制御回路を実装する、例示実施形態において用いられる。一般的に、正サイクルイネーブル制御回路は、グリッドサイクルのうちの対応する正の半サイクルの間に、対応する制御回路（記載の例では、Ｓ８〜Ｓ１０）に正サイクルイネーブルを供給するように動作する。同様に、負サイクルイネーブル制御回路は、グリッドサイクルのうちの対応する負の半サイクルの間に、対応する制御回路（記載の例では、Ｓ３〜Ｓ５）に負サイクルイネーブルを供給するように動作する。
【００３２】
より詳細には、グリッドサイクルのうちの正の半サイクルの間に、正サイクルイネーブル制御回路におけるオプトカプラーが作動されて、スイッチＳ+ENがオンすることで、電力網が、制御回路である制御部８〜１０の各々におけるオプトカプラーのアノードに接続される。その一方で、負サイクルイネーブル制御回路におけるオプトカプラーの作動が停止されて、スイッチＳ-ENがオフすることで、電力網が、制御回路である制御部３〜５の各々におけるオプトカプラーのカソードから切断される。グリッドサイクルの負の半サイクルの間に、負サイクルイネーブル制御回路におけるオプトカプラーが作動されて、スイッチＳ-ENがオンすることで、電力網が、制御回路である制御部３〜５の各々におけるオプトカプラーのカソードに接続される。その一方で、正サイクルイネーブル制御回路におけるオプトカプラーの作動が停止されて、スイッチＳ+ENがオフすることで、電力網が、制御回路である制御部８〜１０の各々におけるオプトカプラーのアノードから切断される。制御部６と、制御部６に対応するスイッチＳ６とは、ＰＶモジュールスタックの一端部に位置していることを考慮して、簡略化されている（本質的にダイオードとして動作する）ことに留意されたい。同様に、制御部７と、制御部７に対応するスイッチＳ７とは、ＰＶモジュールスタックの他端部に位置していることを考慮して、簡略化されている（本質的にダイオードとして動作する）。
【００３３】
理解されるであろうように、制御回路である制御部１〜１０の各々は、（通常のように、トランジスタとＬＥＤとで指定される）オプトカプラーと、（対応するスイッチと並列である）シャント抵抗器と、（ＬＥＤと直列である）電流制限抵抗器と、（通常のように、バッテリで指定される）電源装置とを含んでいる。さらに理解されるであろうように、上記のような制御回路構成は、多様に実現されることが可能であり、本発明は、いずれか１つの特定の構成に限定されることや、複数の構成の部分集合の集合に限定されることを意図していない。さらに理解されるであろうように、各制御回路に示されている電源装置（または、制御部６と制御部１０とによって共有されている電源装置のように、２つの制御回路間で共有されている場合もある）は、局部的な電源装置または１つ以上のバッテリで実現され得る。そして、電力は、従来の技術（例えば、バッテリーパック／電源装置から各制御回路へのプリント回路基板上での流れ）を用いて、ＰＶラダー回路に供給され得る。このようにして、広域の電源装置を用いることができ、各制御回路は、各制御回路自体に個別の電源装置を備える必要はない。
【００３４】
太陽光インバータ回路は、グリッド電圧に適合して電力網に放電するために、必要に応じて分岐部１〜４を自動的にオンするように設計されている。この実施形態では、分岐制御回路（分岐部３〜１０）におけるオプトカプラーは、グリッド電圧と、ＰＶモジュールの直列接続されたスタックの電圧との間の差を検知する。オプトカプラーがグリッド電圧とスタックの電圧との間の差を検知することで、直列接続されたより多くのＰＶモジュールが、（並列接続された対応するキャパシタ、および電流制御インダクタによって制御される）それぞれの電圧で存在することを確実にする。その結果、間に電位差が存在し、ＰＶモジュールスタックから電力網への電流が存在することになる。他の実施形態では、この電位差は、複数の分岐部のオプトカプラーをわたる電圧にバイアスをかけることによって、あるいは、直列接続された太陽光発電モジュールスタック内の他のレベルを利用することによって、調整または最適化され得る。
【００３５】
動作中、グリッドサイクルの正の半サイクルが始まると、正の電圧が、制御部１および１ａのオプトカプラーに生じて、正極側終端部におけるＭＯＳＦＥＴスイッチＳ１およびＳ１ａが作動することで、太陽光発電スタックの負極側端部がＧＮＤに接続され、そして、分岐制御回路である制御部８〜１０の正サイクルオプトカプラーに正サイクルイネーブルを供給する、正サイクルイネーブル制御回路が作動する。正の半サイクルの始めに、分岐部２のＰＶ１−Ｃ１対のみが、当該分岐部を介して電力網に電力を供給する。グリッド電圧が増大するにつれて、電力網と、スタックにおける次のＰＶモジュール（ＰＶ２）の正極側端部との間の電圧差は正になり、分岐部３の正サイクルオプトカプラー（制御部９）を作動させる。この処理は、グリッド電圧が継続するのに伴って、必要に応じてＰＶスタックに沿って継続し、グリッド電圧に適合するために、より高電圧の分岐部を、作動中の分岐部の上流にあって、電力網に接続されるのを待ちつつそれぞれのキャパシタを充電している、太陽光発電モジュールに接続する。正の半サイクルの間に、グリッドサイクルのうちの負の半サイクル用のＭＯＳＦＥＴ（Ｓ３〜６）が遮断ダイオードとして作用するので、より低電圧の分岐部を介して短絡が防止される。グリッドサイクルの負の半サイクルの間に、負極側終端部が太陽光発電モジュールスタックの正極側端部をＧＮＤに接続し、負サイクルイネーブル制御回路が作動され、そして、負の半サイクル用の各分岐部のＭＯＳＦＥＴ（Ｓ５〜Ｓ３）が、分岐部３で始まり、分岐部１に向かって進むように、電圧差の指令によりオンする。
【００３６】
このようにして、グリッドサイクルの正の半サイクルの間に、正サイクルイネーブル制御回路を制御するＭＯＳＦＥＴをオンにするオプトカプラーに、正の電圧が印加される。電力網とＰＶモジュールスタックとの間の差動電圧によってオプトカプラーが作動される際に、電流が分岐部を通って流れるように、この正イネーブル回路は、分岐回路上のＭＯＳＦＥＴに対応するオプトカプラーに電力を供給する。逆のことが負イネーブル回路について当てはまる。
＜定電流制御＞
図５は、オプトカプラーを介して比較的一定の電流を維持するために、電力網と、太陽光発電モジュールスタック上の一点との間の電圧差を用いて、オプトカプラーの制御が行われるときに使用され得る、本発明の一実施形態に係る任意の定電流制御回路を図示している。この構成例では、オプトカプラーを介して比較的一定の電流を維持するのにトランジスタ回路が用いられるので、切替分岐回路ＭＯＳＦＥＴの、より均一な性能が確保される。この例の定電流制御回路は、制御部１のオプトカプラーに動的に連結された状態で示されている。しかしながら、定電流制御回路は、制御部１〜１０のいずれか（全てあるいは一部）と共に使用され得る。他の実施形態では、本開示を踏まえれば理解されるであろうように、あらゆる適切な定電流制御機構を使用してもよい。
【００３７】
本発明の実施形態の上記説明は、例示および説明の目的で示されたものである。包括的であることも、開示されている厳密な形態に本発明を限定することも意図されていない。本開示を踏まえて、多くの変更および変形が可能である。本発明の範囲は、この発明の詳細な説明によってではなく、本明細書に添付された特許請求の範囲によって限定されることが意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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