(57)【要約】  複数のＤＣ動力源および複数の電力モジュールを含む分散型電力系統。前記電力モジュールは、前記ＤＣ動力源にそれぞれ連結された入力と、直列に連結されて直列ストリングを形成する出力とを含む。インバータが、前記直列ストリングに連結される。前記インバータは、前記直列ストリングからの電力入力を出力電力に変換する。前記インバータと前記電力モジュールとの間のシグナリング機構が、前記電力モジュールの動作を制御するように、適合される。【選択図】図４Ｂ
2011507465.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＤＣ動力源を有する分散型電力系統において、前記装置は、
（ａ）電力モジュールであって、前記電力モジュールは、前記ＤＣ動力源に連結された入力を含み、前記電力モジュールは出力を含む、電力モジュールと、
（ｂ）前記電力モジュールの前記出力に連結されたインバータであって、前記インバータは、前記電力モジュールからの電力入力を変換する、インバータと、
（ｃ）前記インバータと前記電力モジュールとの間のシグナリング機構であって、前記シグナリング機構は、前記電力モジュールの動作を制御するように適合される、シグナリング機構と、
を備える、装置。
【請求項２】
前記分散型電力系統の動作時において、前記シグナリング機構は、前記出力上に信号を重畳する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記シグナリング機構は、前記インバータと一体化されたスイッチを含み、前記スイッチは、前記出力上に信号を変調する、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
（ｅ）前記電力モジュールと一体化された受信器であって、前記受信器は、前記インバータから信号を受信するように適合される、受信器、
をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
（ｅ）前記配電網の周波数において信号を検出するように適合された、前記電力モジュール内の検出機構、
をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記インバータは電気グリッドに連結され、
（ｅ）前記配電網からの前記出力中の信号を検出するように適合された、前記電力モジュール内の検出機構であって、前記信号は、前記配電網の前記周波数からより高く変換されたより高い周波数において検出される、検出機構、
をさらに備える、
請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記インバータは電気グリッドに連結され、
（ｅ）前記インバータの切り替え周波数において検出するように適合された前記電力モジュール内の検出機構、
をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記電力モジュールは、安全モードにおいて動作するように適合され、前記安全モード時において、前記出力からの前記電力入力が限定される、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記電力モジュールは検出機構を含み、前記分散型電力系統の動作時において、前記検出機構は、前記インバータからの信号を検出し、前記信号に基づいて、前記電力モジュールの前記動作を前記安全モードの動作から通常モードの動作へと変化させて、前記ＤＣ動力源の電力を前記入力から前記電力モジュールの前記出力へと変換する、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
ＤＣ動力源と、
電力モジュールであって、前記電力モジュールは、前記ＤＣ動力源に連結された入力を含み、前記電力モジュールは出力を含む、電力モジュールと、
前記電力モジュールの前記出力に連結されたインバータであって、前記インバータは、電力入力を前記電力モジュールの前記出力から出力電力へと変換するインバータと、
を含む分散型電力系統において、
（ａ）前記電力モジュールを安全モードで動作させることで、前記電力モジュールの前記出力からの電力を限定するステップ、
を含む、方法。
【請求項１１】
前記安全モードは、前記出力を通じて１０ボルト未満において１０ミリアンペア未満の電流フローを有することによって特徴付けられる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
（ｂ）前記インバータからの信号を監視するステップと、
（ｃ）前記インバータからの前記信号が検出された場合、前記電力モジュールを通常モードの動作で動作させて、前記ＤＣ動力源の電力を前記入力から前記出力に変換することにより、前記インバータへの前記電力入力を増加させるステップ、
をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
（ｄ）前記信号が検出された場合で、かつ前記電力モジュールを前記通常モードの動作で前記動作させる前に、前記電力モジュールの前記出力の電圧を徐々に上昇させるステップ、
をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記電力モジュールの前記通常モードの動作は、前記ＤＣ動力源に連結された前記入力における最大ピーク電力を制御するステップを含む、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分散型電力系統に関し、より詳細には、光起電分散型電力系統のためのウェークアップアルゴリズムおよびシャットダウンアルゴリズムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ユーティリティネットワークは、ユーティリティの消費者に対し、電力系統を提供する。ユーティリティ会社から消費者への電力分配では、グリッド状態で接続されたユーティリティラインのネットワークが用いられており、配電網と呼ばれている。配電網は、前記グリッドに電力を加える多くの独立型エネルギー源と、前記グリッド電力を加えるユーティリティ会社とからなり得、各独立したエネルギー源を分散型発電（ＤＰ）系統と呼ぶ。現代のユーティリティネットワークは、ユーティリティ動力源と、消費者負荷と、前記分散型発電系統とを含み、これらも電力を前記ネットワークに供給する。分散型発電系統の数および種類は急速に増加しており、光起電、風力、水力、燃料電池、電力貯蔵システム（例えば、バッテリ型、超伝導フライホイール型およびコンデンサ型）、ならびに機械的装置（例えば、従来からの可変速ディーゼルエンジン、スターリングエンジン、ガスタービンおよびマイクロタービン）を含むことができる。これらの分散型発電系統は、ユーティリティ動力源と並列に動作するように、ユーティリティネットワークに接続される。
【０００３】
複数のソーラーパネル１０１を含むソーラー分散型電力系統１０の従来の据付様態を図１中に示す。各個々のソーラーパネル１０１から提供される電圧は低いため、数個のパネル１０１が直列接続されて、パネル１０１からなるストリング１０３が形成されている。大型の据付様態では、より高電流が必要な場合、数本のストリング１０３を並列接続して、全体的系統１０を形成する。相互接続されたソーラーパネル１０１は屋外で取り付けられ、最大電力点追尾（ＭＰＰＴ）モジュール１０７に接続された後、インバータ１０４に接続される。ＭＰＰＴ１０７は典型的には、図１に示すようにインバータ１０４の一部として実装される。ＤＣ源１０１から収穫された電力は、インバータ１０４に送達される。インバータ１０４は、直流（ＤＣ）を所望の電圧および周波数（通常は、６０Ｈｚにおいて１１０Ｖまたは２２０Ｖ、あるいは５０Ｈｚにおいて２２０Ｖ）を有する交流（ＡＣ）に変換する。その後、インバータ１０４からのＡＣ電流は、電気器具の動作に用いることもできるし、あるいは電力グリッドへと送ることもできる。
【０００４】
上記したように、各ソーラーパネル１０１からは、比較的極めて低い電圧および電流が供給される。ソーラーアレイの設計担当者が直面している問題として、低電圧のソーラーパネルの組み合わせから、１２０Ｖまたは２２０Ｖ二乗平均平方根（ＲＭＳ）において標準的なＡＣ電流を生成することがある。低電圧から高電力を生成するためには極めて高い電流が必要であり、これに起因して、伝導損が電流の二乗すなわちｉ２のオーダーで発生する。さらに、ＤＣ電流からＡＣ電流への変換に用いられる電力インバータ（例えばインバータ１０４）は、自身の入力電圧が自身の出力ＲＭＳ電圧を２の平方根で乗算した値（これはピーク電圧である）よりも若干高い場合に、最も効率が良い。そのため、多くの用途において、ソーラーパネル１０１などの動力源は、正確な電圧または電流に到達するように組み合わされる。多数のパネル１０１をストリング１０３の様態で接続し、これらのストリング１０３を電力インバータ１０４と並列に接続する。パネル１０１は、インバータ１０４において必要な最小電圧が得られるように、直列に接続される。複数のストリング１０３をアレイ状に並列接続して、より高い電力出力が得られるように、より高い電流を供給する。
【０００５】
図１Ｂは、ＤＣ源の１つの直列ストリング１０３（例えば、ソーラーパネル１０１ａ〜１０１ｄ）を示し、これらのソーラーパネル１０１ａ〜１０１ｄは、ＭＰＰＴ回路１０７およびインバータ１０４に接続されている。電流−電圧（ＩＶ）特性を、各ＤＣ源１０１の左側にプロットしている（１１０ａ〜１１０ｄ）。各ＤＣ動力源１０１において、出力電圧の増加と共に電流が低減している。一部の電圧値において、電流はゼロとなり、用途によっては、電圧値がマイナスの値をとる場合もあり、当該源がシンクとなっている。当該源がシンクとなるのを回避するために、バイパスダイオード（図示せず）が用いられる。各源１０１の電力出力は電流および電圧の積（Ｐ＝ｉ＊Ｖ）に等しく、当該源から取り出される電圧に依存する。電流減少ポイントに近い特定の電流および電圧において、電力は最大値に到達する。発電セルをこの最大電力ポイント（ＭＰＰ）において動作させるのが望ましい。前記ＭＰＰＴの目的は、当該源から最大電力を取り出せるよう、このポイントを発見し、当該系統をこのポイントにおいて動作させることである。
【０００６】
典型的な従来のソーラーパネルアレイでは、異なるアルゴリズムおよび技術を用いて、系統１０の統合電力出力をＭＰＰＴモジュール１０７を用いて最適化している。ＭＰＰＴモジュール１０７は、全てのソーラーパネル１０１から抽出された電流をともに受信し、最大電力ポイントを追尾して最大平均電力を提供し、これにより、より多くの電流が抽出された場合、前記パネルからの平均電圧が低下し始め、これにより、収穫された電力が低下する。ＭＰＰＴモジュール１０７は、系統１０から最大平均電力を生じさせる電流を維持する。
【０００７】
しかし、動力源１０１ａ〜１０１ｄは単一のＭＰＰＴ１０７に直列接続されているため、ＭＰＰＴ１０７は、個々の直列接続された源１０１の最大電力ポイントの何らかの平均である最大電力ポイントを選択する。実際は、これらの源１０１のうちのごくわずかに対して最適、またはどれに対しても最適ではないＩ−ＶポイントにおいてＭＰＰＴ１０７が動作する可能性が、非常に高い。図１Ｂの例において、選択されたポイントは源１０１ｂに対する最大電力ポイントであるが、このポイントは、源１０１ａ、１０１ｃおよび１０１ｄに対する最大電力ポイントから離れている。その結果、上記配置構成は、最良の達成可能な効率で動作しない。
【０００８】
本出願人は、「Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｐｏｗｅｒ  Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｕｓｉｎｇ  ＤＣ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ」という名称の同時係属中の米国出願第１１／９５０，２７１号において、各動力源（例えば、光起電パネル）の出力に取り付けられた電力コンバータ（例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ）の利用を開示している。この電力コンバータは、最大電力レベルにおいて入力電力を監視および制御することにより、入力電力を出力電力に変換する。
【０００９】
本明細書中用いられる場合「シグナリング」または「シグナリング機構」という用語は、電磁搬送信号上で変調された信号または単純な非変調信号（例えば、オン／オフ信号、「キープアライブ」信号または「ドライ接点」信号）のいずれかを指す。変調された信号の場合、当該分野において公知の任意の変調方法を用いてよく、例えば、周波数変調（ＦＭ）伝送、振幅変調（ＡＭ）、ＦＳＫ（周波数偏移キーイング）変調、ＰＳＫ（位相偏移キーイング）変調、多様なＱＡＭ（直交振幅変調）コンステレーションまたは他の任意の変調方法を用いてよい。
【００１０】
本明細書中用いられる場合、「電力モジュール」という用語は、電力コンバータ（例えば、ＤＣ−ＤＣ電力コンバータ）を含むが、切り替えまたは他の手段を問わず、モジュール内を通じて送られる電力または電力の一部を制御するように適合されたモジュールも含む。
【発明の概要】
【００１１】
以下の発明の概要は、本発明のいくつかの態様および特徴の基本的理解を提供するために、提供される。この発明の概要は本発明の詳細な概略ではないため、本発明の主要なまたは重要な要素の詳細な特定または本発明の範囲の詳述を意図するものではない。この発明の概要の唯一の目的は、本発明のいくつかのコンセプトを以下に示すより詳細な説明への導入として簡潔な様態で提示することである。
【００１２】
本発明の一態様によれば、ＤＣ動力源および電力モジュールを含む分散型電力系統が提供される。前記電力モジュールは、前記ＤＣ動力源および出力にそれぞれ連結された入力を含む。インバータが、前記出力に連結される。前記インバータは、前記電力モジュールの出力からの電力入力を出力電力に変換する。前記インバータと前記電力モジュールとの間のシグナリング機構は、前記電力モジュールの動作を制御するように適合される。前記分散型電力系統の動作時において、いくつかの実施形態において、前記シグナリング機構は、前記電力モジュールの出力上に信号を重畳し得る。前記シグナリング機構は、前記インバータと一体化されたスイッチを含み得、前記スイッチは、前記信号を前記電力モジュールの出力上に変調する。前記電力モジュールと一体化された受信器が、前記インバータから信号を受信する。あるいは、前記電力モジュール中の検出機構が、前記配電網の周波数において信号を検出する。あるいは、前記配電網からの信号が、前記配電網の周波数からより高く変換されたより高い周波数において、前記電力モジュールの前記出力において検出される。あるいは、前記電力モジュール中の検出機構が、前記インバータの切り替え周波数を検出する。前記電力モジュールは、安全モードにおける動作のために構成され得、前記安全モードにおいて、人員を危険に晒すことが無いよう、前記電力モジュールの前記出力における電力、前記電力モジュールの前記出力間の電圧、および／または前記電力モジュール内を流れる電流を限定する。前記電力モジュールは検出機構を含み得、前記検出機構中、前記分散型電力系統の動作時において、前記検出機構は、前記インバータからの信号を検出する。前記信号に基づいて、前記電力モジュールの動作を前記安全モードの動作から通常モードの動作へと変化させて、前記ＤＣ動力源の電力を前記電力モジュールの前記入力から出力へと変換する。
【００１３】
本発明の別の態様によれば、分散型電力系統を動作させる方法が提供される。前記系統は、ＤＣ動力源および電力モジュールを含む。前記電力モジュールは、前記ＤＣ動力源に連結された入力を含む。前記電力モジュールは、出力を含む。インバータが、前記電力モジュールの前記出力に連結される。前記インバータは、前記電力モジュールからの電力出力を出力電力に変換する。前記方法は、前記電力モジュールからの前記電力出力を限定することにより、前記電力モジュールを安全モードで動作させるステップを含む。前記安全モードは、所定量（例えば、１０ミリアンペア）未満の電流フローおよび／または所定量（例えば、２ボルト）未満を前記電力モジュールの前記出力を通じて有することにより、特徴付けられる。前記インバータからの信号は好適には監視され、前記インバータからの前記信号が検出されると、前記電力モジュールを通常モードで動作させて、前記入力からの前記ＤＣ動力源の電力を前記電力モジュールの前記出力へと変換することにより、前記インバータへの電力入力を増加させる。前記信号の検出時で、かつ前記電力モジュールが前記通常モードで動作する前、好適には前記電力モジュールの前記出力の電圧を徐々に上昇させる。前記電力モジュールの通常モードの動作は、前記ＤＣ動力源に連結された前記入力における最大ピーク電力を制御するステップを含む。
【００１４】
上記および／または他の態様は、以下の発明を実施するための形態を添付図面と共に鑑みれば、明らかである。
【００１５】
添付図面は、本明細書に組み込まれ本明細書の一部を為すものであり、本発明の実施形態を例示し、以下の説明と共に、本発明の原理を説明および例示する役割を持つ。これらの図面は、例示される実施形態の多様な特徴を図式的に示すことを意図する。これらの図面は、実際の実施形態のすべての特徴ごとの図示または図示される要素の相対寸法のいずれも示すことを意図しておらず、必ずしも縮尺通りではない。
【００１６】
本明細書中、本発明について、ひとえに例示目的のために添付図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】光起電パネルをＤＣ動力源として用いた従来の電力収穫系統のブロック図である。
【図１Ｂ】図１の１つの直列ストリングのＤＣ動力源についての電流対電圧特性曲線を示す。
【図２】本発明の一態様による、米国出願第１１／９５０，２７１号の開示内容に基づいた分散型電力収穫回路を示す簡単なブロック図である。
【図２Ａ】本発明の特徴を含むＤＣ−ＤＣコンバータの簡単なブロック図である。
【図３】例示的なＤＣ−ＤＣコンバータを示し、より詳細を示す簡単なブロック図である。
【図４】本発明の一実施形態による別の例示的な系統の簡単なブロック図である。
【図４Ａ】図４の実施形態による電力モジュールをより詳細に示す簡単なブロック図である。
【図４Ｂ】本発明の実施形態による、従来のインバータに取り付けられたシグナリング機構をより詳細に示す簡単なブロック図である。
【図５】本発明の特徴による、電力収穫系統のウェークアップおよびシャットダウンを安全モードによって行う方法を示す、簡単なフロー図である。
【図５Ａ】本発明の実施形態による電力収穫系統のウェークアップおよびシャットダウンを行う方法を示すフロー図であり、前記フロー図は、前記電力コンバータ／モジュールによって行われる方法ステップを含む。
【図６】本発明の実施形態による、電力収穫系統のウェークアップおよびシャットダウンを行う方法を示す別のフロー図であり、前記フロー図は、図２のインバータまたは図４Ｂのシグナリングブロックによって行われる方法ステップを含む。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について詳細に言及していく。本発明の実施形態の例を添付図面中に示す。図面中、類似の参照符号は、全体を通して類似の要素を指す。以下、本発明を説明するために、これらの実施形態について図面を参照しながら記述する。
【００１９】
本明細書中の考察は、主に光起電系統におけるウェークアップおよびシャットダウン方法、そしてより具体的には米国出願整理番号第１１／９５０，２７１号中に以前から開示されている系統に関するが、本発明は、非限定的例により、ならびに従来の光起電分散型電力系統および他の分散型電力系統（例を非限定的に挙げると、風力タービン、水力タービン、燃料電池、電力貯蔵システム（例えば、バッテリ、超伝導フライホイールおよびコンデンサ）、および機械的装置（例えば、従来のディーゼルエンジンおよび可変速ディーゼルエンジン、スターリングエンジン、ガスタービン、およびマイクロタービン））を用いて代替的に構成してもよい点に留意されたい。
【００２０】
導入目的のため、本発明により安全における恩恵が得られるという態様に留意することが重要である。本発明の特定の態様による光起電系統の据え付けまたはメンテナンスを行う際、据付作業員は、感電または感電死の危険から保護される。なぜならば、動作可能なインバータが据付手順およびメンテナンス手順時に接続されていない場合、本発明の実施形態による系統は、危険の可能性がある高電圧および／または高電流を出力しないからである。
【００２１】
本発明の実施形態を詳細に説明する前に、本発明の用途は、以下の説明に記載されているかまたは図面中に示されている構成要素の設計および配置構成の詳細に限定されないことが理解されるべきである。本発明は、他の実施形態でも可能であり、多様な様態で実施または実行することも可能である。また、本明細書中用いられる表現および用語は、説明目的のためのものであり、限定的なものとしてみなされるべきではないことも理解されるべきである。
【００２２】
ここで、図２を参照する。図２は、米国出願第１１／９５０，２７１号中の開示内容に基づいた分散型電力収穫回路２０を示す。回路２０により、複数の分散型動力源（例えば、ソーラーパネル１０１ａ〜１０１ｄ）を単一の電力供給装置に接続することが可能となる。ソーラーパネル１０１の直列ストリング２０３がインバータ２０４に連結され得るか、または、ソーラーパネル１０１の複数の接続されたストリング２０３が単一のインバータ２０４に接続され得る。構成２０において、各ソーラーパネル１０１ａ〜１０１ｄは、別個の電力コンバータ回路またはモジュール２０５ａ〜２０５ｄに個々に接続される。各ソーラーパネル１０１およびその関連付けられた電力コンバータ回路２０５は、発電要素２２２を形成する（図２中、このような発電要素２２２を１つだけ図示している）。各コンバータ２０５ａ〜２０５ｄは、接続されているソーラーパネル１０１ａ〜１０１ｄの電力特性に最適に適合し、コンバータ２０５の入力から出力へと電力を効率的に転送する。コンバータ２０５ａ〜２０５ｄは典型的には、マイクロプロセッサ制御による切り替えコンバータ（例えば、バックコンバータ、ブーストコンバータ、バックブーストコンバータ、フライバックまたはフォワードコンバータ）である。コンバータ２０５ａ〜２０５ｄはまた、複数のコンポーネントコンバータ（例えば、バックコンバータおよびブーストコンバータの直列接続）を含み得る。各コンバータ２０５ａ〜２０５ｄは、制御ループ２２１（例えば、ＭＰＰＴループ）を含む。制御ループ２２１は、コンバータの出力電流または電圧からではなくソーラーパネル１０１から入来するコンバータの入力からフィードバック信号を受信する。コンバータ２０５のＭＰＰＴループは、典型的には各取り付けられたパネル１０１ａ〜１０１ｄから最大電力が抽出されるようなパルス幅変調（ＰＷＭ）により前記切り替え変換の１つ以上のデューティサイクルを変更することにより、各ソーラーパネル１０１ａ〜１０１ｄからの入力電圧および電流をその最適電力ポイントにおいてロックする。コンバータ２０５のコントローラは、前記コンバータ入力における最大電力ポイントを動的に追尾する。フィードバックループ２２１は、従来のＤＣ−ＤＣ電圧コンバータによって行われるように出力電圧上のフィードバックループを閉めるのではなく、最大入力電力を追尾するように、前記入力電力上で閉められる。
【００２３】
各コンバータに対して、ひいては各ソーラーパネル１０１ａ〜１０１ｄに対して、別個のＭＰＰＴ回路を設けた結果、各ストリング２０３は、異なる数または異なる仕様、サイズおよび／またはモデルの直列接続されたパネル１０１ａ〜１０１ｄを持つことができる。図２の系統２０は、各ソーラーパネル１０１ａ〜１０１ｄの出力上にＭＰＰＴを継続的に行って、ソーラーパネル１０１ａ〜１０１ｄのうち１つ以上に影響を与える温度、太陽光放射輝度、陰り、または他の性能因子における変化に対して応答する。その結果、コンバータ２０５ａ〜２０５ｄ内のＭＰＰＴ回路は、可能な最大電力を各パネル１０１ａ〜１０１ｄから収穫し、他のソーラーパネル１０１ａ〜１０１ｄに影響を与えるパラメータに関係なく、この電力を出力として転送する。
【００２４】
コンバータ２０５ａ〜２０５ｄの出力は、インバータ２０４への入力を形成する単一のＤＣ出力へと直列接続される。インバータ２０４は、コンバータ２０５ａ〜２０５ｄの直列接続されたＤＣ出力をＡＣ電力供給装置に変換し、インバータ２０４は、インバータ２０４の入力における電圧を規制する。この例において、独立した制御ループ２２０は、インバータ２０４への電圧入力を設定値（例えば、４００ボルト）で保持する。インバータ２０４の入力における電流は典型的には、光起電パネル１０１によって利用可能かつ生成された電力によって固定される。
【００２５】
本発明の特徴によれば、ウェークアップまたはシャットダウンに関する情報は、インバータ２０４からコンバータ２０５へと変換され得る。前記情報は、当業者によって既に利用されている周知の方法のうちいずれかをもちいて送信され得る。特定の実施形態によれば、例えば、周波数変調（ＦＭ）伝送、振幅変調（ＡＭ）、ＦＳＫ（周波数偏移キーイング）変調、ＰＳＫ（位相偏移キーイング）変調、多様なＱＡＭ（直交振幅変調）コンステレーション、または他の任意の変調方法を使用することができる。あるいは、インバータ２０４は、電力を自身の入力から自身の出力へと変換しながら、直列ストリング２０３中に周波数リップルを有効に生成する。通常動作時において、１００Ｈｚ（または米国では１２０Ｈｚ）のリップルが直列ストリング２０３中で検出可能であるが、これが可能な理由は、インバータ２０４のコンデンサが交流（ＡＣ）全体をブロックせず、また、直列ストリング２０３中に前記１００／１２０Ｈｚの信号を生成するためにさらなるシグナリング機構は不要であるからである。あるいはまたはさらに、インバータ２０４の１つ以上の切り替え周波数（典型的には１６Ｋｈｚまたは３２ＫＨｚ）を漏れとして検出可能としてもよいし、あるいは、意図的に直列ストリング２０３に提供してもよい。
【００２６】
ここで、図２Ａを参照する。図２Ａは、本発明の特徴を示す。図２Ａにおいて、コンバータ２０５がより詳細に図示されている。電力コンバータ２０５は検出器／受信器２０７と一体化されており、本発明の特徴によれば、検出器／受信器２０７は、例えば１００／１２０Ｈｚにおけるインバータ２０４から発生した信号を受信ならびに自由選択により増幅および検出するように構成される。
【００２７】
コントローラ３０６は好適には、受信器／検出器２０７からの信号入力２０９をポーリングするか、または信号入力２０９を割り込みとして用い、検出器／受信器２０７が前記１００／１２０Ｈｚ信号を検出した場合のみに、通常動作モードのモジュール２０５が電力を自身の入力から自身の出力へと変換する。あるいは、受信器２０７は、１６／３２ＫＨｚインバータ切り替え周波数を検出し、インバータ２０４の動作中に信号入力２０９上にコントローラへのイネーブリング信号を提供するように構成される。
【００２８】
ここで図３を参照する。図３は、本発明の特徴による例示的なＤＣ−ＤＣコンバータ２０５を示す。ＤＣ−ＤＣコンバータを用いて、出力回路の要求に応じて、ＤＣ電圧入力をより高いまたはより低いＤＣ電圧出力にステップダウンまたはステップアップする。しかし、図３の実施形態において、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０５は、電力コンバータとして用いられる（すなわち、入力電力を出力電力へ転送する）。入力電圧は、入力におけるＭＰＰＴに応じて変動し、一方出力電流は、インバータ１０４および２０４に対する一定の入力電圧により、決定される。すなわち、ＤＣ動力源１０１の動作状態に応じて、前記入力電圧および電流は常時変動し得、前記出力電圧および電流は常時変動し得る。
【００２９】
コンバータ２０５は、入力端子３１４および３１６における対応するＤＣ動力源１０１に接続される。ＤＣ動力源１０１の変換電力は、出力端子３１０および３１２を通じて前記回路に出力される。入力端子３１４および３１６と出力端子３１０および３１２との間において、コンバータ回路は、入力コンデンサ３２０および出力コンデンサ３４０と、逆流回避ダイオード３２２および３４２と、コントローラ３０６およびインダクタ３０８を含む電力変換回路とを含む。
【００３０】
ダイオード３４２は、コンバータ２０５内へ電流が逆流しないような極性を持ち、出力３１２と直列である。ダイオード３２２は、ＤＣ電流に対するショートとして機能するインダクタ３０８を通じた正の出力リード３１２と、負の入力リード３１４との間に連結され、かかる極性により、出力３１２からの電流がソーラーパネル１０１内へ逆流するのを回避する。
【００３１】
パネル１０１のソーラーセル内に発生した電子ホール対に起因して、ワイヤ３１４とワイヤ３１６との間に電位差が存在する。コンバータ２０５は、パネル１０１から提供される電流および電圧の継続的監視および最大電力点追尾アルゴリズムの使用を行うことにより、ソーラーパネル１０１のピーク電力ポイントにおいてソーラーパネル１０１から電流を抽出して、最大電力出力を維持する。コントローラ３０６は、前記ピーク電力追尾を行うためのＭＰＰＴ回路またはアルゴリズムを含む。ピーク電力追尾およびパルス幅変調（ＰＷＭ）を共に行って、所望の入力電圧および電流を達成する。コントローラ３０６中のＭＰＰＴは、任意の従来のＭＰＰＴ（例えば、山登り法（Ｐ＆Ｏ）、増分コンダクタンス法）でよい。しかし、前記ＭＰＰＴは、特にパネル１０１上に直接的に（すなわち、コンバータ２０５の出力ではなくコンバータ２０５への入力において）行われる。その後、生成電力を出力端子３１０および３１２に転送する。複数のコンバータ２０５の出力は直列に接続され得、すなわち、１つのコンバータ２０５の正のリード３１２が次のコンバータ２０５の負のリード３１０に接続される。
【００３２】
図３において、コンバータ２０５は、バックプラスブーストコンバータとして図示されている。本明細書中用いられる場合「バックプラスブースト」という用語は、図３に示すようなブーストコンバータに直接追随されるバックコンバータであり、「ｃａｓｃａｄｅｄ  ｂｕｃｋ−ｂｏｏｓｔ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ」という名称の文献中にも記載されている。前記電圧を下げたい場合、前記ブースト部位を実質的に短くする。前記電圧を上げたい場合、前記バック部位を実質的に短くする。「バックプラスブースト」という用語は、バックブーストトポロジーとは異なる。バックブーストトポロジーは古典的なトポロジーであり、電圧を上げたい場合または下げたい場合に用いることができ、「ｃａｓｃａｄｅｄ  ｂｕｃｋ−ｂｏｏｓｔ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ」などの文献中にもときどき記載されている。「バックブースト」トポロジーの効率は、バックまたはブーストよりも本質的に低い。さらに、所与の要求に対して、バックブーストコンバータが機能するためには、バックプラスブーストコンバータよりも大きな受動コンポーネントが必要となる。そのため、図３のバックプラスブーストトポロジーは、前記バックブーストトポロジーよりもより高効率である。しかし、図３の回路は、自身がバックしているのかまたはブーストしているのかを連続的に決定する。所望の出力電圧が入力電圧に類似している状況では、バック部位およびブースト部位双方が動作可能となり得る。
【００３３】
コントローラ３０６は、前記バックアンドブーストコンバータ回路と共に用いられるパルス幅変調器、ＰＷＭまたはデジタルパルス幅変調器、ＤＰＷＭを含み得る。コントローラ３０６は、前記バックコンバータおよび前記ブーストコンバータ双方を制御し、バック動作またはブースト動作のどちらを実施すべきかを決定する。いくつかの状況において、バック部位およびブースト部位を共に動作させてもよい。すなわち、出力電流および電圧の選択から独立した様態で、入力電圧および電流を選択する。さらに、入力値または出力値のいずれかの選択は、ＤＣ動力源の動作に応じて、任意の所与の瞬間において変化し得る。従って、図３の実施形態において、コンバータ２０５の構造は、任意の所与の時間において入力電圧および電流の選択値を出力要求に応じてアップコンバートまたはダウンコンバートすることが可能な構造である。
【００３４】
１つの実装において、コンバータ２０５の機能のうちいくつかを組み込んだ集積回路（ＩＣ）３０４が用いられ得る。ＩＣ３０４は任意選択的に、屋外のソーラー据付様態に存在する厳しい最高最低温度に耐えることが可能な単一のＡＳＩＣである。ＡＳＩＣ３０４は、２５年を越える長い平均故障間隔（ＭＴＢＦ）が得られるように設計され得る。しかし、複数の集積回路を用いた個別的な解法は同様の様態でも用いられ得る。図３に示す例示的な実施形態において、コンバータ３０５のバックプラスブースト部位は、ＩＣ３０４として実装される。実施上の配慮点を考えると、他の系統のセグメント化が考えられ得る。例えば、本発明の１つの態様において、ＩＣ３０４は、２つのＩＣ（すなわち、系統内の高電流および高電圧を取り扱う１つのアナログＩＣと、制御論理を含む１つの簡単な低電圧デジタルＩＣ）を含み得る。前記アナログＩＣはパワーＦＥＴを用いて実装され得るが、代替的に前記パワーＦＥＴを個別のコンポーネント、ＦＥＴドライバ、Ａ／Ｄなどによって実装してもよい。前記デジタルＩＣは、コントローラ３０６を形成し得る。
【００３５】
図示の例示的な回路２０５において、前記バックコンバータは、入力コンデンサ３２０と、トランジスタ３２８および３３０と、トランジスタ３２８に並列に配置されたダイオード３２２と、インダクタ３０８とを含む。トランジスタ３２８および３３０はそれぞれ、寄生ダイオード３２４および３２６を有する。前記ブーストコンバータは、インダクタ３０８を含む。インダクタ３０８は、前記バックコンバータと、トランジスタ３４８および３５０と、トランジスタ３５０と並列に配置されたダイオード３４２と、出力コンデンサ３４０と共有される。トランジスタ３４８および３５０はそれぞれ、寄生ダイオード３４４および３４６を有する。
【００３６】
系統２０は、コンバータ２０５を含む。コンバータ２０５は、直列に接続され、ストリング２０３から電流を搬送する。直列接続されたコンバータ２０５のうちの１つに故障が発生して故障したコンバータ２０５内に開回路が発生した場合、コンバータ２０５のストリング２０３全体を通じて流れる電流が停止し、これに起因して系統２０が機能停止する。本発明の態様が提供するコンバータ回路２０５において、電気コンポーネントには１つ以上の組み込まれたバイパス経路を有し、これらのバイパス経路は、コンバータ２０５のうちの１つにおいて電気コンポーネントが故障した場合に、電流を搬送する。例えば、コンバータのバック部位またはブースト部位のいずれかの切り替えトランジスタは各々、自身のダイオードバイパスを有する。また、インダクタ３０８が故障した場合、前記電流は、寄生ダイオード３４４および３４６を通じてこの故障したインダクタ３０８をバイパスする。
【００３７】
図３において、検出器／受信器ブロック２０７が図示されている。検出器／受信器ブロック２０７は、インバータ１０４および２０４内に発生した通信信号が検出された場合に、イネーブル信号２０９をマイクロコントローラ３０６に提供するように構成されている。
【００３８】
ここで図４を参照すると、図４は、本発明の一実施形態による系統４０を示す。簡潔にするため、分散型動力源（例えば、各電力モジュール４０５ａ〜ｄに接続されたソーラーパネル１０１ａ〜１０１ｄ）の単一のストリング４２３が図示されている。直列ストリング４２３は、ワイヤ４１２および４１０を通じて従来のインバータ１０４に入力される。インバータ１０４の出力は、配電網に接続され、電力を前記配電網に供給する。インバータ１０４の入力において、シグナリング機構４２０が接続される。シグナリング機構４２０は、インバータ１０４が電力をグリッドに変換する際、信号をワイヤ４１２および４１０を通じて直列ストリング４２３上に重畳する。
【００３９】
ここで、図４Ｂも参照する。図４Ｂは、シグナリング機構４２０をより詳細に示す。シグナリング機構４２０は、リレー４２８を含む。リレー４２８は通常は開いており、マイクロコントローラ４２２によって制御される。リレー４２８は、所与の速度（例えば、１００Ｈｚ）で切り替えられ、リレー４２８の作用により、前記信号がワイヤ４１０および４１２を介して直列ストリング４２３上に重畳される。マイクロコントローラ４２２は典型的には、分散型電力系統４０の通常動作において、前記信号の制御（例えば、１００Ｈｚ）を提供する。マイクロコントローラ４２２は典型的には、インバータ１０４の動作を監視するために、１つ以上のセンサに接続される。図４Ｂの例において、マイクロコントローラ４２２は、インバータ１０４への入力ＤＣ電圧の過電圧を監視する。図４Ｂ中に示す例は、アナログ／デジタルコンバータ（Ａ／Ｄ）４３０に接続された入力ＤＣ電圧タップ４３２を含む。アナログ／デジタルコンバータ（Ａ／Ｄ）４３０に接続された出力は、マイクロコントローラ４２２に提供される。タップ４３２は例えばホール効果センサであり、直列接続されたレジスタを通じて電圧降下などを測定する。１つの実施形態において、過電圧状態がマイクロコントローラ４２２によって測定されると、マイクロコントローラ４２２は、リレー４２８を通じてシグナリングを停止し、かつ／または、インバータ１０４の入力ＤＣ電圧と直列な１つ以上の保護リレー４２４および４２６を開く。この必要な動作を行うのには１つのスイッチ４２４または４２６で十分であり得、２つのスイッチが直列に図示されているが、これは、ひとえに規制機関によっては二重保護が要求される場合もあることを示す目的のためである点に留意されたい。電力管理ブロック４３４は、マイクロコントローラ４２２およびブロック４２０中の他の任意の活性電子コンポーネント（図示せず）への電力供給のための電圧をタップする。
【００４０】
ここで図４Ａを参照する。図４Ａは、電力モジュール４０５の特定の態様をより詳細に示す。電力モジュール４０５は、検出器／受信器２０７と一体化される。検出器／受信器２０７は、信号機構４２０によって生成された信号（例えば、１００Ｈｚにおいて）を受信し、自由選択により増幅し、検出するように構成される。コントローラ３０６は好適には、信号入力２０９をポーリングするか、または、信号入力２０９を割り込みとして用いて、検出器／受信器２０７が前記１００Ｈｚ信号を検出した場合のみに、モジュール４０５が通常動作モードで動作するようにする。電力モジュール４０５がバイパスダイオード４１４を含む様子が図示されている。自由選択により、電力モジュール４０５は、従来のＤＣ／ＤＣ切り替えコンバータを出力電力に基づいた制御ループと共に含み得る。電力モジュール４０５は、コントローラ３０６によって制御される少なくとも１つのスイッチ４１６を含む。スイッチ４１６は、信号入力２０９が消失することでインバータ１０４が配電網へ電力を転送していないことを示した場合に、モジュール４０５の入力から４０５の出力への電力の通常動作を停止する機能を有する。
【００４１】
ここで図５を参照する。図５は、本発明の一態様による系統４０の安全な動作のための簡単な方法を示す。ステップ５０１において、アクティブ制御回路（例えば、マイクロコントローラ３０６）がオンにされる。すると、モジュール２０５または４０５が安全モードで動作を開始する（ステップ５３）。安全モードにおいて、モジュール４０５からの出力電流および／または電圧が限定される。例えば、出力電圧が２ボルトに限定され、出力電流が１０ｍＡに限定され、これにより、人は、あらゆる感電死の危険性無く、直列ストリング２０３または４２３のワイヤに触ることができるようになる。
【００４２】
コントローラ３０６は、インバータ２０４またはシグナリングブロック４２０からの通信信号（例えば、１００Ｈｚ）を受信器／検出器２０７が受信する（判断記号５０５）まで、安全モード動作（ステップ５３）を維持する。前記通信信号が受信され（判断ブロック５０５）て、インバータ１０４または２０４が接続されたことが示され、電力が変換されると、安全モード（ステップ５３）の動作は終了する。前記通信信号が受信される（判断ブロック５０５）と、モジュール４０５は好適には、一般的に最大電力点追尾と共に、通常動作モード（ステップ５７）に入る。前記通信信号（例えば、１００Ｈｚ）がインバータ２０４または信号機構４２０から受信されかつ他に警告状態が無い限り、通常動作である電力転送が維持される。前記通信信号が検出されなくなるかまたは別の警告状態が存在する場合、前記通常モード（ステップ５７）は典型的には終了され、モジュール４０５の電力変換は典型的にはオフにされる。判断記号５０９において前記通信信号が検出されないかまたは別の警告状態が存在する場合、前記通常モード（ステップ５７）は典型的には終了され、モジュール４０５の電力変換は典型的にはオフにされる。
【００４３】
ここで図５Ａを参照する。図５Ａは、本発明の実施形態によるモジュール４０５のウェークアップおよびシャットダウンの方法５０を示す。方法５０は、系統２０および４０双方に適用可能である。ステップ５０１において、アクティブ制御回路（例えば、マイクロコントローラ３０６）がオンにされる。アクティブ制御回路は典型的には早朝にオンにされる（ステップ５０１）。早朝では、前記アクティブ制御回路に電力供給するための十分な光があり、ＤＣ電圧源１０１の電圧は典型的には３ボルトに達する。判断ブロック５０３において、ＤＣ電圧源１０１からの電圧出力または電力出力が十分に高くかつ安定している場合（例えば、モジュール４０５への電圧入力が３０秒間にわたって１０ボルトである場合）、モジュール２０５または４０５は、安全モードでの動作を開始する（ステップ５３）。安全モードにおいて、モジュール４０５からの出力電流および／または電圧が限定される。例えば、出力電圧が２ボルトに限定され、出力電流が１０ｍＡに限定され、これにより、人は、あらゆる感電死の危険性無く、直列ストリング２０３または４２３のワイヤに触ることができるようになる。また、この場合、２５個のモジュールが直列接続された場合も、前記ストリングの最大出力電圧は５０Ｖを越えない（すなわち、前記ストリング電圧はこの状態でも安全である）点にも留意されたい。再度図３を参照すると、ＦＥＴ３３０をオンにしＦＥＴ３２８、３４８および３５０をオフにすることにより、安全モードが、モジュール４０５中のコントローラ３０６によって達成され得る。出力ワイヤ４１２は、ゼロボルトに近い値に保持される。あるいは、コントローラ３０６は、スイッチ（例えば、バックコンバータのスイッチ３２４および３２６）を低デューティサイクルで交互に切り替えて、低出力電圧を維持し得る。
【００４４】
再度図５Ａを参照すると、コントローラ３０６は、インバータ２０４またはシグナリングブロック４２０からの通信信号（例えば、１００Ｈｚ）を受信器／検出器２０７が受信するまで、安全モード動作（ステップ５３）を維持する。前記通信信号が受信され（判断ブロック５０５）て、インバータ１０４または２０４が接続されかつ電力が変換すると、安全モード（ステップ５３）の動作は終了する。前記通信信号が受信される（判断ブロック５０５）と、モジュール４０５は好適には電圧制御モード（ステップ５５）に入り、ワイヤ４１２とワイヤ４１０との間の電圧出力が徐々に上昇する。電流が取り出されている（ステップ５０７）ことをモジュール２０５または４０５が検出するまで、電圧は継続的に（典型的には＋６０Ｖにまで）上昇する。十分な電流が取り出される（ステップ５０７）と、モジュール２０５または４０５は通常動作を開始する（ステップ５７）。例えば、モジュール２０５の場合、前記通常モードは最大電力ポイント（ＭＰＰ）追尾モードであり、最大電力をその入力において維持することにより、その入力からのＤＣ電力をその出力に変換する。前記通信信号（例えば、１００Ｈｚ）がインバータ２０４または信号機構４２０から受信されており、かつ他に警告状態が存在しない場合、通常動作の電力転送が維持される。前記通信信号が検出されない場合または別の警告状態が存在する場合、前記通常モード（ステップ５７）は典型的には終了され、モジュール４０５の電力変換は典型的にはオフにされる。判断記号５０９における例示的な警告状態において、モジュール２０５または４０５は通常モード（ステップ５７）を終了し、その出力への電力転送を停止する。これらの例示的な警告状態として、（ｉ）入力電圧が５秒間にわたって所定値（例えば、約１０ボルト）未満である、（ｉｉ）出力電圧の急激な変化（例えば、１００ミリ秒間に２０％を越える変化）、（ｉｉｉ）電力生成を停止することを要求する信号の受信、（ｉｖ）電力生成を要求する信号の非受信（当該コンバータを機能させるために、「生成許可」信号の繰り返しが必要な場合）、または（ｖ）例えば、ストリング２０３中の複数のモジュール２０５が電力を変換し（ステップ５７）、ストリング２０３のモジュール２０５のうちの１つがシャットダウンし、そのときストリング２０３のその他のモジュール２０５の出力電圧が上昇した場合に、出力が過電圧閾値を越える、が挙げられる。
【００４５】
ここで図６を参照する。図６は、インバータ２０４またはインバータ１０４の入力において取り付けられたシグナリングブロック４２０によって行われる方法６０を示す。ステップ６０１において、インバータ１０４がオフであるかまたはインバータ２０４がスタンバイであり、電力はその出力に変換されない。判断記号６０３において、インバータ１０４または２０４をオンにするための開始状態が判断される。典型的には、安全要求として、インバータ１０４は、機能中のＡＣグリッドをその出力へ接続してから少なくとも５分後まで動作（その出力への電力変換）を遅延させる。この安全要求は、マイクロコントローラ４２２およびシグナリングブロック４２０内のリレー４２４および４２６のうち少なくとも１つを用いて、達成され得る。インバータ２０４において、インバータ２０４に対する入力において最小電圧が必要であり（例えば、各モジュールの安全出力電圧が２Ｖであり、許容される最小長さのストリングが５個のモジュールを含む場合、前記インバータは、そのＤＣ入力において少なくとも１０Ｖが存在するまで待機する）、これが達成された後にのみ、インバータ２０４は実際に自身の入力を典型的には規定の標準的入力である４００Ｖまで荷電し始める。
【００４６】
ステップ６０５において、例えば少なくとも５０ワットの負荷がインバータ２０４の出力に取り付けられた場合に、シグナリング機構４２０またはインバータ２０４のいずれかから通信信号（例えば、１００Ｈｚ）を直列ストリング２０３または４２３上に重畳する。判断記号６０７において、前記規定入力電圧（例えば、インバータ２０４に対して４００Ｖ）に到達した場合、インバータ２０４をオンにするか、または、機構４２０によってインバータ１０４を直列ストリング４２３に取り付ける。判断記号６０９において、インバータ２０４または４０４それぞれの前記最小規定入力電圧に到達する前にタイムアウトが発生した場合、インバータは、前記オフまたはスタンバイ状態に戻される（ステップ６０１）。そうでない場合、ステップ６１１において、インバータ２０４または４０４は接続されるかまたはオンにされる。警告状態（判断記号６１３）が発生している場合を除いて、インバータ２０４および４０４はオンのままであり、接続されている。可能性のある警告状態としては、（ｉ）配電網からの切断、（ｉｉ）配電網が電力生成を停止する（アイランディング）、（ｉｉｉ）タイムリミット寸前において転送されるワット数が５０ワット未満、（ｉｖ）インバータ２０４または４０４への入力電圧が最大上限を越えている、および（ｖ）入力電力が最大上限を越えている、が挙げられる。警告状態が発生した場合（判断記号６１３）、通信信号をオフにして（ステップ６１５）、インバータ４０４またはインバータ２０４をオフにするかまたはスタンバイにする。
【００４７】
本発明について特定の例と関連して説明してきたが、これらの例は、全て限定的であることではなく例示的であるものに関しすることが意図される。当業者であれば、ハードウェア、ソフトウェアおよびファームウェアの多くの異なる組み合わせが本発明の実施に適していることを理解する。さらに、当業者にとって、本明細書中開示される本発明の仕様および実施を鑑みれば、本発明の他の実施が明らかである。上記した実施形態の多様な態様および／またはコンポーネントは、単独で用いてもよいし、あるいは供給された技術における任意の組み合わせにおいて用いてもよい。前記明細書および例はひとえに例示的なものとしてみなされるべきであり、本発明の真の範囲および精神は以下の請求項の範囲によって示されることが意図される。
【００４８】
本発明について限られた数の実施形態について説明してきたが、本発明の多くの変形、改変および他の用途が可能であることを理解されたい。
【図１】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図２Ａ】
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【図３】
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【図４】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図５Ａ】
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【図６】
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【国際調査報告】
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