(57)【要約】【課題】電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置は、太陽電池アレイからのエネルギーを電力変換装置内でＤＣバスに送信するように構成される。電力変換装置は、ＰＶアレイおよびＤＣバスの出力中に１つ以上のスイッチング素子を選択的に接続するために変調モジュールを実行する。電力変換装置は、複数の動作モードで動作するように構成される。一動作モードにおいて、コンバータは固定された変調周期および可変するオン時間で動作し、また他の動作モードにおいて、コンバータは可変する変調周期および固定されたオン時間で動作する。改善された電力変換装置は、非常に効率的な低電力エネルギーキャプチャーを提供し、電力効率を改善してコンバータ損失を低減した低照度の状態でエネルギーキャプチャーを可能にする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＤＣソースから電力を受信するように構成された入力部と、
正極および負極レールを有するＤＣバスと、
対応する制御信号の関数として前記入力部を前記ＤＣバスに選択的に接続する少なくとも１つのスイッチング素子と、
一連の命令を格納するメモリ素子と、
前記一連の命令を実行するように構成されたコントローラと、
を含み、
前記コントローラは、
前記ＤＣソースによって生成された電力の大きさを決定し、
前記ＤＣソースによって生成された前記電力の大きさが所定の閾値を超えるときに第１動作モードで各スイッチング素子に対する前記制御信号を生成し、
前記ＤＣソースによって生成された前記電力の大きさが前記所定の閾値未満であるときに第２動作モードで各スイッチング素子に対する前記制御信号を生成する、
電力変換装置。
【請求項２】
前記一連の命令は、変調周波数およびオン時間を有する変調モジュールを含み、
前記第１動作モード中に、前記コントローラは可変するオン時間を有する固定された変調周波数によって制御信号を生成するために前記変調モジュールを実行し、
前記第２動作モード中に、前記コントローラは固定されたオン時間を有する変化する変調周波数によって制御信号を生成するために前記変調モジュールを実行する、
請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記メモリ素子は、現在の前記変調周波数の関数として前記第２動作モード中に前記変調周波数の変化率を定義するルックアップテーブルを格納する、
請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記変調周波数は、約１０ｋＨｚから約５０Ｈｚまで変化する、
請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項５】
再生可能エネルギー源によって生成された電力の大きさをモニタリングするステップと、
前記再生可能エネルギー源をＤＣバスに選択的に接続するために対応する制御信号によって電力変換装置内の少なくとも１つのスイッチング素子を制御するステップと、
前記再生可能エネルギー源によって生成された前記電力の大きさが所定の閾値を超えるときに第１動作モードで前記制御信号を生成するために前記電力変換装置内の変調モジュールを実行するステップと、
前記再生可能エネルギー源によって生成された前記電力の大きさが前記所定の閾値未満であるときに第２動作モードで前記制御信号を生成するために前記電力変換装置内の前記変調モジュールを実行するステップと、
を含む、電力変換装置を介してＤＣバス上に存在する電圧電位に対する可変発電能力を有する再生可能エネルギー源からの電力を変換する方法。
【請求項６】
前記変調モジュールは、スイッチ周期内で各々の前記制御信号に対するオン時間を決定し、前記スイッチ周期は前記変調周波数の逆として定義され、
前記第１動作モード中に、前記変調モジュールは可変するオン時間を有する固定された変調周波数によって制御信号を生成し、
前記第２動作モード中に、前記変調モジュールは固定されたオン時間を有する変化する変調周波数によって制御信号を生成する、
請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記第２動作モードにおいて、前記制御信号を生成するために前記電力変換装置内の前記変調モジュールを実行するステップは、
前記電力変換装置のメモリ素子内に格納されたルックアップテーブルから前記変調周波数の所望する変化を読み出すステップと、
前記再生可能エネルギー源によって生成された前記電力の大きさの関数として前記所望する変化を追加するステップまたは差し引くステップを含む、前記変調周波数を変化させるステップと、
をさらに含む、
請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記変調周波数は、約１０ｋＨｚから約５０Ｈｚまで変化する、
請求項６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示する主題は、電力変換装置に関し、具体的には、低電力生産期間中の再生可能エネルギーシステムのための改善された電力変換に関する。
【背景技術】
【０００２】
［関連する出願の参照］
本出願は、２０１１年１１月４日に出願された米国仮出願第６１／５５５，７２２号に対して優先権を主張し、その全体の内容は本明細書に参照として含まれる。
【０００３】
近年、エネルギー需要が増加し、化石燃料の供給とそれに付随する環境汚染に対する懸念が高まるにつれて、再生可能エネルギー源への関心が高まっている。最も一般的で最もよく開発された再生可能エネルギー源のうちの２つは、太陽光エネルギー（ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  ｅｎｅｒｇｙ）および風力エネルギー（ｗｉｎｄ  ｅｎｅｒｇｙ）である。他の再生可能エネルギー源は、燃料電池、水力エネルギー（ｈｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｅｎｅｒｇｙ）、潮力エネルギー（ｔｉｄａｌ  ｅｎｅｒｇｙ）、およびバイオ燃料（ｂｉｏｆｕｅｌ）またはバイオマス（ｂｉｏｍａｓｓ）発電機を含んでもよい。しかし、電気エネルギーを生成するために再生可能エネルギー源を使用するという新たな問題が提示されている。
【０００４】
多くの再生可能エネルギー源は、エネルギーの可変供給を提供する。その供給は、例えば、風量、雲量、または一日の時間帯によって変化し得る。さらに、異なるエネルギー源は、異なる電気エネルギーのタイプを提供する。風力タービンは、例えば、交流（ＡＣ）エネルギーを提供するのに適し、一方、光電池は、直流（ＤＣ）を提供するのに適している。供給されるエネルギーの可変性および生成されるエネルギーの変化のタイプによって、電力変換装置が電力系統（ｕｔｉｌｉｔｙ  ｇｒｉｄ）に対して独立的に動作すれば、電力変換装置は一般的に再生可能エネルギー源および電力系統、または電気負荷の間に挿入される。
【０００５】
電力変換装置は、再生可能エネルギー源によって生成された全ての電力が使用可能な電気エネルギーに変換するのを妨げるという固有の（ｉｎｈｅｒｅｎｔ）損失を有することが知られている。低発電レベルにおいて、エネルギー損失は再生可能エネルギー源によって生成される電力よりもさらに大きくてもよい。電力変換装置は、発電システムが生成するより実質的にさらに多くのエネルギーを使用する動作状態を回避できるように通常オフになる。
【０００６】
従って、発電システムの効率を最大化するために、非常に広い範囲の発電レベルで効率的に動作可能なコンバータを提供することが望ましい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書に開示される主題は、太陽電池（ＰＶ）アレイからのエネルギーを電力変換装置の内部のＤＣバスに送信するように構成された電力変換装置に関する。電力変換装置は、ＰＶアレイおよびＤＣバスの出力中に１つ以上のスイッチング素子を選択的に接続するために変調モジュールを実行する。電力変換装置は、複数の動作モードで動作するように構成される。一動作モードにおいて、コンバータは固定された変調周期および可変するオン時間（ｏｎ  ｔｉｍｅ）で動作し、また他の動作モードにおいて、コンバータは可変する変調周期および固定されたオン時間で動作する。改善された電力変換装置は、非常に効率的な低電力エネルギーキャプチャーを提供し、電力効率を改善してコンバータの損失を低減した低照度（ｌｏｗ  ｌｉｇｈｔ）の状態でエネルギーキャプチャーを可能にする。
【０００８】
本発明の一実施形態によれば、電力変換装置は、ＤＣソースから電力を受信するように構成された入力部と、正極、および負極レールを有するＤＣバスと、対応する制御信号の関数として前記入力部を前記ＤＣバスに選択的に接続する少なくとも１つのスイッチング素子と、一連の命令を格納するメモリ素子と、コントローラとを含む。前記コントローラは、前記ＤＣソースによって生成された電力の大きさを決定し、前記ＤＣソースによって生成された前記電力の大きさが所定の閾値を超えるときに第１動作モードで各スイッチング素子に対する前記制御信号を生成し、前記ＤＣソースによって生成された前記電力の大きさが前記所定の閾値未満であるときに第２動作モードで各スイッチング素子に対する前記制御信号を生成するために一連の命令を実行するように構成される。前記一連の命令は、変調周波数およびオン時間を有する変調モジュールを含む。前記第１動作モード中に、前記コントローラは可変するオン時間を有する固定された変調周波数によって制御信号を生成するために前記変調モジュールを実行してもよく、前記第２動作モード中に、前記コントローラは固定されたオン時間を有する変化する変調周波数によって制御信号を生成するために前記変調モジュールを実行してもよい。
【０００９】
本発明のまた他の態様によれば、前記メモリ素子は、前記現在の変調周波数の関数として前記第２動作モード中に前記変調周波数の変化率を定義するルックアップテーブルを格納する。前記変調周波数は、約１０ｋＨｚから約５０Ｈｚまで変化し得ることが企図される。
【００１０】
本発明のまた他の実施形態によれば、電力変換装置を介してＤＣバス上に存在する電圧電位に対する可変発電能力（ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ）を有する再生可能エネルギー源からの電力を変換する方法が開示される。この方法は、再生可能エネルギー源によって生成された電力の大きさをモニタリングするステップと、前記再生可能エネルギー源をＤＣバスに選択的に接続するために対応する制御信号によって電力変換装置内の少なくとも１つのスイッチング素子を制御するステップと、前記再生可能エネルギー源によって生成された前記電力の大きさが所定の閾値を超えるときに第１動作モードで前記制御信号を生成するために前記電力変換装置内の変調モジュールを実行するステップと、前記再生可能エネルギー源によって生成された前記電力の大きさが前記所定の閾値未満であるときに第２動作モードで前記制御信号を生成するために前記電力変換装置内の前記変調モジュールを実行するステップとを含む。
【００１１】
本発明のまた他の態様によれば、前記変調モジュールは、スイッチ周期（ｐｅｒｉｏｄ）内で各々の前記制御信号に対するオン時間を決定し、前記スイッチ周期は、前記変調周波数の逆として定義される。前記第１動作モード中に、前記変調モジュールは可変するオン時間を有する固定された変調周波数によって制御信号を生成し、前記第２動作モード中に、前記変調モジュールは固定されたオン時間を有する変化する変調周波数によって制御信号を生成する。
【００１２】
本発明のさらに別の態様によれば、前記第２動作モードで前記制御信号を生成するために、前記電力変換装置内の前記変調モジュールを実行するステップは、前記電力変換装置のメモリ素子内に格納されたルックアップテーブルから前記変調周波数の所望する変化を読み出すステップと、前記変調周波数を変化させるステップ（前記再生可能エネルギー源によって生成された前記電力の大きさの関数として前記所望する変化を追加するステップまたは差し引くステップを含む）とを含んでもよい。
【００１３】
当業者には、本発明のこれらおよび他のオブジェクト、利点および特徴は、詳細な説明および添付の図面から明らかになるであろう。ただし、詳細な説明および添付の図面は、本発明の好ましい実施形態を示し、例として与えられ、限定するものではないことを理解されたい。本発明の趣旨から逸脱することなく本発明の範囲内において、多くの変更および修正を行うことができ、本発明は、全てのそのような修正を含む。
【００１４】
本明細書で開示する主題の様々な例示的な実施形態は、全体を通して同様の参照番号が同様の部分を示す添付の図面に示されている。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る変換機の概略図である。
【図２】図１のコンバータの一相からの一部素子の概略図である。
【図３】変化する日射量のレベルでの太陽電池アレイによって生成された電力を示すグラフである。
【図４】図１のコンバータの一変調周期間の電流を示すグラフである。
【図５】可変する変調周期を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図面に示す本発明の好ましい実施形態について説明する際には、明快のために特定の専門用語が用いられる。ただし、本発明は、そのように選択された特定の用語に限定されるものではなく、特定の用語は各々、同様の目的を達成するために同様に動作する全ての技術的等価物を含むことを理解されたい。例えば、「接続された」という単語、「取り付けられた」という単語、またはそれに類似する用語がしばしば使用される。それらは、直接接続には限定されないが、当業者によってそのような接続が等価であると認識される他のエレメントを介した接続を含む。
【００１７】
本明細書に開示された対象発明の様々な特徴、および有利な詳細事項は、下記の説明による非限定的な実施形態を参照してより完全に説明される。
【００１８】
最初に図１を見ると、本発明の一実施形態を含む例示的なコンバータ１０が示されている。コンバータ１０は、入力電圧を受信するように構成される３つの入力端子（Ｔ１〜Ｔ３）を含む。図示した実施形態の入力端子（Ｔ１〜Ｔ３）は、ＤＣ電圧を生成する太陽電池アレイ（ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  ａｒｒａｙ）から、正極端子（ｐｏｓｉｔｉｖｅ  ｔｅｒｍｉｎａｌ）＋Ｖｐｖを受信するために共に接続される。任意選択で、各々の入力端子（Ｔ１〜Ｔ３）は、異なる太陽電池アレイから分離した端子に接続されてもよい。太陽電池アレイからの負極端子−Ｖｐｖは、ＤＣバス１２の負極レール１６に接続される。本発明のまた他の実施形態によれば、単一の入力端子Ｔ１が提供されてもよく、ＰＶアレイの構成によって多様な異なる数の入力端子Ｔｘが提供されてもよい。入力フィルタ２８は、各々の端子（Ｔ１〜Ｔ３）と直列に接続されたインダクタンスを提供する。
【００１９】
コンバータ１０は、ＰＶアレイからの入力電圧をスイッチング素子２０を用いてＤＣバス１２上に存在する所望するＤＣ電圧Ｖｄｃに変換する。ＤＣバス１２は、出力（＋Ｖｄｃおよび−Ｖｄｃ）で利用できるようになる正極レール１４と負極レール１６とを含む。当技術分野で理解されているように、正極レール１４および負極レール１６は、コモン電圧またはニュートラル電圧に関して任意の好適なＤＣ電圧電位を導通することができ、正ＤＣ電圧電位または負ＤＣ電圧電位に限定されるものではない。さらに、正極レール１４または負極レール１６のいずれかを、ニュートラル電圧電位に接続することができる。正極レール１４は、典型的には、負極レール１６よりも大きい電位を有するＤＣ電圧を導通する。
【００２０】
スイッチング素子２０は、典型的には、ソリッドステート電力素子である。図１は、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）としてのスイッチング素子２０を示す。しかし、適用の要求条件によって、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）、統合ゲート整流サイリスタ（ＩＧＣＴ）またはゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）などのサイリスタ（ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）、または他の制御された素子を含んでいるが、これらに制限されることなく任意の適切なスイッチング素子を用い得ることが企図される。ダイオード２２は、スイッチング素子２０がオフにされたときに求められるようなスイッチング素子の両端間での逆導通のために、各々のスイッチング素子２０に並列に接続される。このようなダイオード２２は、また、半導体スイッチの一部であってもよい。各スイッチング素子２０は、制御信号２４によって制御される。制御信号２４は、選択的に正極レール１４または負極レール１６のいずれか１つを入力端子（Ｔ１〜Ｔ３）の１つに接続し、スイッチング素子２０を介した導通を選択的に許可するために交互に有効または無効にする。ＤＣバス１２の正極レール１４と負極レール１５との間にキャパシタンス５０が接続されている。キャパシタンス５０は、システム要件に応じて、単一のキャパシタ、あるいは直列または並列に接続された任意の数のキャパシタであってもよい。キャパシタンス５０は、入力電圧とＤＣバス１２との間の電圧変換から生じるリップル電圧の大きさを減少させるように構成してもよい。
【００２１】
コントローラ４０は、制御信号２４を生成するために一連の格納された命令を実行する。コントローラ４０は、コンバータ１０の全体にわたる多様な点で電圧および／または電流の振幅に対応するセンサからフィードバック信号を受信する。位置は、コントローラ４０内で実行される特定の制御ルーチンに依存する。例えば、入力センサ（２６ａ〜２６ｃ）は、各入力端子（Ｔ１〜Ｔ３）に存在する電圧の振幅を提供してもよい。任意選択で、入力センサ（２６ａ〜２６ｃ）は、各入力端子（Ｔ１〜Ｔ３）で導通し、電流の振幅を提供するために動作的に接続されてもよい。同様に、電流および／または電圧センサ２８，３０は、ＤＣバス１２の正極レール１２および負極レール１６に各々動作的に接続されてもよい。コントローラ４０は、格納された命令を取り出すためにメモリ素子４２とインターフェースに接続され、外部の素子と通信するために通信ポート４４とインターフェースに接続されてもよい。コントローラ４０は、本明細書に記載されたようにコンバータ１０を制御するために格納された命令を実行するように構成される。
【００２２】
図１のコンバータ１０は、第１電位を有し、入力端子（Ｔ１〜Ｔ３）に存在するＤＣ電圧をＤＣバスに存在する第２電位に変換する。本発明の一実施形態によれば、図２は、ブーストコンバータとして動作するように構成されたコンバータ１０の一相の要素の一部を示す概略図である。太陽光、またはＰＶアレイ８は、入力端子Ｔ１と負極レール１６との間に接続され、ＤＣ電圧Ｖｐｖを生成する。入力フィルタ２８の一相は、入力端子Ｔ１と下側のスイッチ２０の１つとの間に入力インダクタンスを提供する。上側のダイオード２２のうちの１つは、下側のスイッチ２０がオフになるときに下側のスイッチ２０とＤＣバス１２との間に出力導通経路を提供する。時には、ゲート信号（Ｇｐｖ）として参照される制御信号２４によって下側のスイッチ２０の変調は、入力端子Ｔ１に存在する電圧の振幅をＤＣバス１２上のより大きい振幅に上昇させるために動作する。多相の電力変換装置を図１に示したが、ここで説明した電力変換方法は、図２の単相表現によって説明されたように、単相電力変換装置または異なるＤＣ／ＤＣコンバータに同様に適用可能であり得ることが企図される。
【００２３】
動作中に、コンバータ１０は、可変する電力エネルギー源から供給される電力をコンバータのＤＣバス上に存在する電力に変換する。当技術分野で知られるように、ＰＶアレイはアレイ上の入射光（ｌｉｇｈｔ  ｉｎｃｉｄｅｎｔ）、また、日射量（ｉｎｓｏｌａｔｉｏｎ）として知られる関数として電力を生成する。次に図３を参照すると、グラフ１００は、変化する日射量のレベルにおける例示的なＰＶアレイに対する電圧および電流関係を示す。周期間のＰＶアレイが最大の光を受信するとき、一番上側の曲線ｍ１０２によって表現されたように、その最大電力を生成することが可能である。中間および低い光強度の周期において、ＰＶアレイの電力能力は、曲線１０４，１０６で各々表現されるように減少する。電流電圧関係が非線形であるため、コントローラ４０は、ＰＶアレイからＤＣバス１２で最大電力が伝送可能な動作点を識別するために、最大電力点追従（Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｐｏｗｅｒ  Ｐｏｉｎｔ  Ｔｒａｃｋｉｎｇ；ＭＰＰＴ）モジュールを実行し、このような動作点はＭＰＰＴ１〜ＭＰＰＴ３として識別される。
【００２４】
本発明の一実施形態によれば、コントローラ４０は、山登り法（ｐｅｒｔｕｒｂ−ｏｂｓｅｒｖｅ）タイプのＭＰＰＴモジュールを活用する。山登り法タイプのＭＰＰＴモジュールによれば、初期電流基準が命令されれば、制御信号（Ｇｐｖ、２４）に対して初期デューティサイクル命令Ｄが得られる。ＰＶアレイから出力される結果電流Ｉｐｖおよび電圧Ｖｐｖが測定され、結果電力が決定される。
【００２５】
続いて、電流基準は、増加または減少のいずれかの第１方向の増分量に変更され、ＰＶアレイから出力される結果電力が再び決定される。電力出力が増加すると、増分変化は正しい方向に進んでいるが、電力出力が減少すると、増分変化は正しくない方向に進み、続く増分変化の方向が反転する。電流基準の増分変化に対して正しい方向を識別した後、増分変化は電力出力の減少が識別されるときまで続く。この時点で最大電力点が識別され、コントローラ４０はこの動作点における動作を保持する。さらに、コントローラ４０は、日射量が変化するため、ＰＶアレイ上の入射光のレベルに対応する最大電力点で動作を継続するために、ＭＰＰＴモジュールを実行し続ける。
【００２６】
最大電力点でＰＶアレイ８からコンバータ１０に電力伝送を保持するための所望する動作電流を引き出すために、コントローラ４０はメモリ素子４２内に格納されている変調モジュールを実行する。変調モジュールは、周期的な間隔で変調モジュールを実行し、また、スイッチ周期Ｔとして知られている。スイッチ周期Ｔは、変調周波数の逆として定義される。スイッチ周期中に、変調モジュールは、スイッチ周期の一部のためのスイッチング素子２０を有効にする制御信号２４を生成する。スイッチング素子２０が有効にされている間のスイッチ周期の一部または比率は、デューティサイクルＤとして知られている。ＭＰＰＴモジュールは、最大電力点に対応する所望する電流を識別し、このような電流をリファレンス値としてコントローラ４０内の変調モジュールに提供する。変調モジュールは、ＰＶアレイ８とＤＣバス１２との間の電流が最大電力点における動作を達成するための所望する電流よりもさらに大きいかまたはさらに小さいかを決定するためにフィードバック信号を用いる。変調モジュールは、それに応じてデューティサイクルＤを増加または減少させてもよい。
【００２７】
次に図４を参照すると、スイッチング素子２０を制御する制御信号２４の関数としてパルス幅変調の一スイッチ周期ＴにわたってＰＶアレイから流れる電流Ｉｐｖが示される。制御信号２４は、総スイッチ周期Ｔの比率分の間にオンになり、スイッチ周期Ｔの残りの間にオフになる。上述したように、制御信号２４がオンになるスイッチ周期Ｔの比率は、デューティサイクルＤと呼ばれ、またオン時間ｔｏｎと呼ばれる。制御信号２４がオンおよびオフになるとき、スイッチ２０は、交互に電流を導通し、遮断する。スイッチングの結果としてリップル電流Ｉｒが決定する。電力計算は、平均電流値を要求する。従って、電流Ｉｐｖは、スイッチ周期Ｔ全体にわたってフィルタしたりサンプリングすることができ、スイッチ周期Ｔに対する平均電流が決定される。平均電流は、次にＰＶアレイからの電力出力を決定するために用いられる。
【００２８】
コンバータ１０は、コンバータ１０の所望する動作モードを決定するためにＰＶアレイによって生成された電流の大きさをモニターする。第１動作モード中に、コントローラ４０は、オン時間ｔｏｎが変化する間に固定された変調周波数で変調モジュールを実行する。先に図３について示したように、ＰＶアレイ上の総入射光が減少すると、最大電力点における電圧および電流の振幅と、結果的としてＰＶアレイからの電力出力は同様に減少する。このような動作条件下では、制御信号２４のデューティサイクルＤは次第に小さくなり、結果としてスイッチ２０を介して電流が導通する短周期と遮断される長周期が生じる。コントローラ４０は、固定された変調周波数で変調モジュールを実行すると共に、コンバータ１０内の電力損失はＰＶアレイ８によって生成される電力を超過してもよい。従来は、この時点でコンバータ１０が動作を中止したであろう。例えば、ＰＶアレイ８から最大１００キロワットの電力を伝送できる例示的なコンバータ１０は、約４分の１の電力（すなわち、２５キロワット）から全出力（すなわち、１００キロワット）まで９６％の効率で動作し得る。ＰＶアレイが単に１０キロワットを生成したりコンバータ１０の容量の約１０％を生成するとき、動作効率は約９０％に落ちる。従って、従来有効としたコンバータ１０の入力範囲は、ＰＶアレイ８がコンバータの正格容量の１０％から１００％の間を生成するときに該当する。
【００２９】
しかし、本コンバータ１０は、コンバータ１０の動作範囲を拡張するための第２動作モードを有する。効率を改善するために、オン時間に対して予め決められた最小値が設定される。ＭＰＰＴモジュールによって要求される電流が、変調モジュールを実行するコントローラ４０をこのような最小値に到達するようにするとき、コントローラ４０は、第２動作モードで変調モジュールの実行を開始する。最小オン時間ｔｏｎに到達したときに最大電力点で動作を継続するために、コンバータ１０は、パルス幅変調のスイッチ周期Ｔを逆に変える変調周波数を変化させることから開始する。
【００３０】
次に図５を参照すると、固定されたオン時間ｔｏｎおよび変化するスイッチ周期Ｔにおける動作が示される。例えば、図５ａは、第１動作モードが第１動作モードの最小オン時間ｔｏｎに到達した時点を示すことができる。周期Ｔ１は、例えば、１０ｋＨｚのスイッチング周波数に対応する１００μｓｅｃであってもよく、一般的な動作周期と同等である。最大電力点にとどまるために必要な電流が減少し続けると、スイッチ周期は、例えば、Ｔ２に、その後にＴ３まで延びることができる。スイッチ周期が延びため変調周波数は減少する。その結果、スイッチング素子２０は頻繁にオンにならず、それによって対応するスイッチング損失は減少する。結果として、コンバータ１０は、第１動作モードに比べて、第２動作モードの低い電力レベルにおいて高い効率で動作する。例えば、ＰＶアレイ８から最大１００キロワットの電力を伝送が可能な前述したコンバータ１０は、第１動作モードにおけるコンバータ１０の１０％の正格容量にて９０％の効率で動作する。第２動作モードにおいて、コンバータ１０は、コンバータ１０の１０％の正格容量にて代りに約９５％の効率で動作する。増加した効率は、コンバータ１０内での電力損失がＰＶアレイ８によって生成された電力を超える前において、コンバータがコンバータの正格容量の約１％以下まで動作を継続することを許可する。スイッチ周期は、５０Ｈｚのスイッチング周波数に対応する、少なくとも２０ｍｓｅｃまで増加し得ることが企図される。従って、入射光が減少するとき、コンバータ１０は、ＰＶアレイから取得されたエネルギーの総量を増加させるためのさらに広い動作範囲にわたって動作を続けてもよい。
【００３１】
本発明のまた他の態様によれば、コントローラ４０が第２モードにおいて動作中の変調周波数を変更する速度（ｒａｔｅ）を定義するルックアップテーブルがメモリ素子４２に格納されてもよい。電流とスイッチ周期との関係は、非線形である。例えば、１０ｋＨｚスイッチング周波数（すなわち、１００μｓｅｃ周期）で動作するとき、変調周期の１０μｓｅｃ変化は、５０Ｈｚスイッチング周波数（すなわち、２０ｍｓｅｃ周期）で動作するときよりも高い比率の増分を示す。日射量の変化に対するコントローラ４０の応答時間を改善するために、コンバータがさらに高い変調周波数で動作するときよりも、コンバータ１０がさらに低い変調周波数で動作するときに、変調周期がより大きな増分に変更される。ルックアップテーブルは、変化する動作点で変調周波数における所望の増分変化を格納してもよい。
【００３２】
ＰＶアレイ上の入射光が増加し始め、ＰＶアレイの増加によって対応する電力が生成されるにつれて、コンバータ１０は第２モードにおける動作から第１モードにおける動作に戻る。コントローラ４０は、スイッチ周期Ｔが固定された変調周期に対応する持続時間に再び到達するときまでスイッチ周期Ｔを減少させるために変調モジュールを実行する。この時点で、コンバータ１０の動作効率は、固定された変調周期と可変するオン時間ｔｏｎにおける動作のように、再び望ましい動作に改善される。固定された変調周期Ｔと可変するオン時間ｔｏｎとの間の動作間の遷移は、可変する変調周期Ｔと固定されたオン時間ｔｏｎおける動作、両方の動作モードが変調周波数Ｔとオン時間ｔｏｎの両方がそれらの最小値として存在する共通動作点を含むため完全である。
【００３３】
本発明は、本明細書に記載した構成要素の構造および構成の詳細への適用に限定されるものではないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態が可能であり、また、様々な方法で実施または実行することが可能である。上記の変形形態および修正形態は、本発明の範囲に含まれる。また、本明細書で開示および規定される本発明は、説明した個々の特徴またはテキストおよび／または図面から明白な個々の特徴のうちの２つ以上の全ての代替的な組合せに及ぶことが理解されよう。これらの異なる組合せの全ては、様々な本発明の代替的な態様を構成する。本明細書に記載した実施形態は、本発明を実施するために知られている最良の形態について説明しており、当業者が本発明を利用することを可能にする。
【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】
2014533088.tif 000008
2014533088.tif 000009