(57)【要約】  本発明は、最大電力変換効率性で、局所直流電源及び交流（ＡＣ）電源の両方から、制御された直流電圧で電気負荷を供給する、電力コンバータアーキテクチャ及びその動作原理に関する。局所電源が、局所負荷に十分な電気を供給できない場合、ＡＣ電源から電気が付加的に供給される。局所電源が、局所負荷に供給するのに必要な量を超えて電気を供給できる場合にも、電気はＡＣグリッドに供給される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡＣ電源に接続された双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ、
ＤＣ電源に接続され、電圧アップコンバージョン機能を有する第１ＤＣ／ＤＣコンバータ、
電気負荷に接続され、電圧ダウンコンバージョン機能を有する第２ＤＣ／ＤＣコンバータ、
を有する電力コンバータシステムを制御する装置であって、
前記装置は、前記直流電源から前記第１及び第２ＤＣ／ＤＣコンバータを介して、高い優先度で、及び、前記ＡＣ電源から前記ＡＣ／ＤＣコンバータ及び前記第２コンバータを介して、より低い優先度で、制御されたＤＣ電圧及び電力を前記電流負荷に供給するように、測定された電気パラメータの関数として、前記ＡＣ／ＤＣダウンコンバータ並びに前記第１及び第２ＤＣ／ＤＣコンバータ電力の動作を制御するコントローラを有し、
これら２つのＤＣ／ＤＣコンバータの１つは、前記電力コンバータシステムのエネルギー効率性を最大化するためにエネルギー変換をすることなく、その入力を直接出力に伝えるように制御される、前記電力コンバータシステムを制御する装置。
【請求項２】
前記コントローラは、下記の制御機能、
最大電力点で前記ＤＣ電源を動作させること、
前記電気負荷に直流を供給するように調整された電圧を制御すること、
前記ＡＣ電源への入力電流の正弦波時間関数を生成すること、
の少なくとも１つ提供するように前記第１及び第２ＤＣ／ＤＣコンバータ及び前記ＡＣ／ＤＣコンバータを制御する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記コントローラが、前記測定された電気パラメータに基づき、前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータの出力での電力レベルが前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータの入力での電力レベルよりも高いこと、及び前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が、前記電気負荷での出力電圧と本質的に同じであること、を検知した場合に、前記電力コンバータシステムを第１動作モードに設定し、前記第１動作モード中、前記コントローラは、最大出力電力を生成するために前記ＤＣ電源に負荷をかけるように前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータを制御し、エネルギー変換することなく入力を直接出力に伝えるように前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータを制御し、インバータとして動作するように前記ＡＣ／ＤＣコンバータを制御する、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記コントローラは、前記測定された電気パラメータに基づいて、前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータの出力での電力レベルが前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータの入力での電力レベルよりも高いこと及び前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が、前記電気負荷での出力電圧よりも高いことを検知した場合に、前記電力コンバータシステムを第２動作モードに設定し、前記第２動作モード中、前記コントローラは、エネルギー変換することなく入力を直接出力に伝えるように前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータを制御し、前記ＤＣ電源の出力電圧を前記電気負荷時の出力電圧にダウンコンバートするように前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータを制御し、インバータとして動作するように前記ＡＣ／ＤＣコンバータを制御する、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記コントローラが、前記測定された電気パラメータに基づいて、前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータの出力での電力レベルが前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータの入力での電力レベルよりも低いこと、及び前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が前記電気負荷での出力電圧と本質的に同じであることを検知した場合に、前記電力コンバータシステムを第３動作モードに設定し、前記第３動作モード中、前記コントローラは、最大出力電力を生成するために前記ＤＣ電源に負荷をかけるように前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータを制御し、エネルギー変換することなく入力を直接出力に伝えるように前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータを制御し、整流器として動作するように前記ＡＣ／ＤＣコンバータを制御する、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記コントローラが、前記測定された電気パラメータに基づいて、前記ＤＣ電源によって供給される電力レベルが前記電気負荷に要求される電力レベルよりも低いこと、及び前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が前記電気負荷での出力電圧よりも高いことを検知した場合に、前記電力コンバータシステムを第４動作モードに設定し、前記第４動作モード中、前記コントローラは、エネルギー変換することなく入力を直接出力に伝えるように前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータを制御し、前記電気負荷で調整された出力電圧を生成するように前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータを制御し、整流器として動作するように前記ＡＣ／ＤＣコンバータを制御する、
請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記測定された電気パラメータが、前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧及び出力電流、前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電流及び出力電圧、並びに前記ＡＣ／ＤＣコンバータの入力電流を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記電気負荷が発光ダイオード、有機発光ダイオード、及び建物内の電気器具の少なくとも１つを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
ＡＣ電源に接続された双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ、
ＤＣ電源に接続され、電圧アップコンバージョン機能を有する第１ＤＣ／ＤＣコンバータ、
電気負荷に接続され、電圧ダウンコンバージョン機能を有する第２ＤＣ／ＤＣコンバータ、及び
請求項１に記載の装置、
を有する電力コンバータシステム。
【請求項１０】
請求項１に記載の装置を有するチップデバイス。
【請求項１１】
請求項９に記載の電力コンバータシステムを有するチップデバイス。
【請求項１２】
ＡＣ電源に接続された双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ、
ＤＣ電源に接続され、電圧アップコンバージョン機能を有する第１ＤＣ／ＤＣコンバータ、及び
電気負荷に接続され、電圧ダウンコンバージョン機能を有する、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ、
を有する電力コンバータシステムを制御する方法であって、
前記方法は、前記直流電源から前記第１及び第２ＤＣ／ＤＣコンバータを介して、高い優先度で、及び、前記ＡＣ電源から前記ＡＣ／ＤＣコンバータ及び前記第２コンバータを介して、より低い優先度で、制御されたＤＣ電圧及び電力を前記電流負荷に供給するように、測定された電気パラメータの関数として、前記ＡＣ／ＤＣダウンコンバータ並びに前記第１及び第２ＤＣ／ＤＣコンバータ電力の動作を制御するステップを含み、
これら２つのＤＣ／ＤＣコンバータの１つは、前記電力コンバータシステムのエネルギー効率性を最大化するためにエネルギー変換をすることなく、その入力を直接出力に伝えるように制御される、前記電力コンバータシステムを制御する方法。
【請求項１３】
コンピュータデバイス上で動作させる場合に、請求項１２に記載の方法のステップを作るためのコード手段を有するコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、優先度別の電気供給を得るために、コンバータの動作を制御する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
「グリーン（green）」エネルギーの今までになく高まる需要により、太陽発電は、近年のその急速な成長から、多くの注目を集めている。ソーラー・モジュールからの変動する直流（ＤＣ）出力電圧を良好に調整された正弦波交流（ＡＣ）電圧に変換するためには、典型的な太陽電力コンバータシステムのアーキテクチャは、２ステージ又は単一ステージで行う、つまり、ＤＣ／ＤＣコンバータを備える又は備えないアーキテクチャである。ＤＣ／ＤＣステージの存在は、インバータの入力電圧を一定及び制御されたレベルに維持し、電圧及び電力フローの制御を減結合することを可能とする。インバータは、太陽電池（ＰＶ）アレイからのＤＣ電力をグリッド品質のＡＣ電力に変換する。システム・アーキテクチャに依存し、インバータはエネルギー貯蔵部の充電及び放電をも行い、スマートな負荷、例えばスマート電気製品を特に住居システムにおいて、制御する。インバータ／コントローラが適応型ロジックを含む場合は、いつグリッドに過剰なエネルギーが送られ又は貯蔵されるのかを決定することもできる。
【０００３】
インバータ・トポロジのための幾つかの設計目標は、最大入力電力で入力電圧の検知を行うためにソーラーパネルをトラッキングする最大電力点（ＭＰＰ）、及びインバータの最大エネルギー効率性である。インバータをＭＰＰで動作させるには、回路は、現時点の光の状況によって入力電圧を調整できなければならない。ＭＰＰは、通常、開ループ電圧の約７０％であるが、これも選択したパネル技術に依存する。これを達成するためには、入力電圧は、例えばブースト回路によって動的に調整されうる。第２ステージでは、ＤＣ電圧は正弦波グリッド対応電圧に反転されうる。ブースタはＭＰＰになるように入力電圧を調整する。出力インバータは、正弦波出力電流を電力グリッドに注入する。
【０００４】
Florent Boico等による「ニッケル水素充電池用太陽電池充電器」、IEEE transaction on power electronics, Vol.22, No.5, Sept. 2007、は、新しい電圧及び温度ベースの充電制御技術を開示している。充電スピードを上げるためには、ＭＰＰトラッカー（ＭＰＰＴ）が、セピック・コンバータ及びバイパス・スイッチを使用するマイクロ・コントローラで実施される。入力と出力との間に共通基準電位を提供し、入力に連続する電流を提供するため、セピック・トポロジが使用された。バイパス・スイッチはマイクロ・コントローラによって制御される。ＭＰＰは、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御ループを調整することによって得られる。アルゴリズムがＭＰＰ付近で安定すると、マイクロ・コントローラは、ＭＰＰＴが供給された電力を増加するか否かを評価する。これは、直接接続にスイッチングし、充電池に送られた充電電流を比較することで行われる。最善策が保持されるだろう。所定の時間間隔の後、ソーラーパネルのＭＰＰが光の強度又は温度によって変更した場合には、２つの可能性（直接接続又はＭＰＰＴ）が再び実行される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、最大電力変換効率性を備えた、局所ＤＣ電源及びＡＣ電源の両方から制御されたＤＣ電圧で電気負荷を供給できる、改善された電力コンバータシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的は、請求項１に係る装置、請求項９に係るコンバータシステム、請求項１０又は１１に係るチップ装置、請求項１２に係る方法、請求項１３に係るコンピュータプログラムによって達成される。
【０００７】
従って、提案された電力変換解決策は、ＡＣ電源によって供給される双方向ＡＣ／ＤＣコンバージョン／コンバータ、及び局所（非線形）ＤＣ電源によって供給されるＤＣ／ＤＣアップコンバージョン／コンバータを有し、これらは共に、負荷に接続されたＤＣ／ＤＣダウンコンバージョン／コンバータを供給する。これら３つの電力コンバージョン／コンバータの動作は、所定の測定された電気的パラメータの関数として制御される。優先事項は、最大電力点で、局所（非線形）ＤＣ電源から負荷を供給することであり、２つのＤＣ／ＤＣコンバージョン／コンバータのうちの１つは、提案された電力変換のエネルギー効率性を最大にするためにエネルギー変換をすることなく、入力を直接出力に提供するように制御されるだろう。更に、従って、双方向ＡＣ／ＤＣコンバージョン／コンバータは、電源での高調波歪みを低い値に維持するために制御される。
【０００８】
第１態様によると、コントローラは、次の制御機能：
最大電力点における前記ＤＣ電源の動作、
直流を電気負荷に供給するための調整電圧の制御、及び
ＡＣ電源への入力電流の正弦波時間関数の生成、
のうち少なくとも１つを提供するために、第１及び第２ＤＣ／ＤＣコンバータ及びＡＣ／ＤＣコンバータを制御するように適応される。
【０００９】
それに関して、提案されたコンバータシステム及び方法は、調整されたＤＣ電圧で追加的負荷を供給する、及び、非線形ＤＣ電源の利用可能な電力に依存して、整流器あるいはインバータとしてＡＣ／ＤＣコンバータを動作させる、という組み合わさった機能性を提供するのに使用されうる。
【００１０】
上記第１態様と組み合わせることが可能な第２態様によると、測定された電気的パラメータに基づいて、第１ＤＣ／ＤＣコンバータの出力における電力レベルが、第２ＤＣ／ＤＣコンバータの入力における電力レベルよりも高いこと、及び第１ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が本質的に電気負荷における出力電圧と同じであることを検知した場合、コントローラは、電力コンバータシステムを第１動作モードに設定するように適応され、当該第１動作モード中、コントローラは、最大出力電力を生成するのにＤＣ電源に負荷をかけるために第１ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する、エネルギー変換をすることなく入力を直接出力に伝えるために第２ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する、及び、インバータとして動作させるためにＡＣ／ＤＣコンバータを制御する、ために適応される。従って、２つの電気負荷は１つの電源からエネルギーを供給されうる。
【００１１】
上記第１及び第２態様の少なくとも１つと組み合わせることができる第３態様によると、測定された電気的パラメータに基づいて、第１ＤＣ／ＤＣコンバータの出力における電力レベルが、第２ＤＣ／ＤＣコンバータの入力における電力レベルよりも高いこと、及び、第１ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が電気負荷における出力電圧よりも高いことを検知した場合、コントローラは、電力コンバータシステムを第２動作モードに設定するように適応され、当該第２動作モード中、コントローラは、エネルギー変換をすることなく入力を直接出力に伝えるために第１ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する、ＤＣ電源の出力電圧を電気負荷における出力電圧にダウンコンバートするために第２ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する、及び、インバータとして動作させるためにＡＣ／ＤＣコンバータを制御する、ために適応される。従って、ここでも、２つの電気負荷は１つの電源からエネルギーを供給されうる。
【００１２】
上記第１態様乃至第３態様の少なくとも１つと組み合わせることができる第４態様によると、測定された電気的パラメータに基づいて、第１ＤＣ／ＤＣコンバータの出力における電力レベルが、第２ＤＣ／ＤＣコンバータの入力における電力レベルよりも低いこと、及び、第１ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が、電気負荷における出力電圧と本質的に同じであることを検知した場合、コントローラは電力コンバータシステムを第３動作モードに設定するように適応され、当該第３動作モード中、コントローラは、最大出力電力を生成するのにＤＣ電源に負荷をかけるために第１ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する、エネルギー変換をすることなく入力を直接出力に伝えるために第２ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する、及び、整流器として動作させるためにＡＣ／ＤＣコンバータを制御する、ために適応される。従って、ここでは、１つの電気負荷は２つの電源からエネルギーを供給されうる。
【００１３】
上記第１態様乃至第４態様の少なくとも１つと組み合わせることができる第５態様によると、測定された電気的パラメータに基づいて、ＤＣ電源によって供給された電力レベルが、電気負荷において要求される電力レベルよりも低いこと、及び、第１ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が、電気負荷における出力電圧よりも高いことを検知した場合、コントローラは電力コンバータシステムを第４動作モードに設定するように適応され、当該第４動作モード中、コントローラは、エネルギー変換をすることなく入力を直接出力に伝えるために第１ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する、電気負荷における調整された出力電圧を生成するために第２ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する、及び、整流器として動作させるためにＡＣ／ＤＣコンバータを制御する、ために適応される。従って、ここでも、１つの電気負荷は２つの電源からエネルギーを供給されうる。
【００１４】
上記第１態様乃至第５態様の少なくとも１つと組み合わせることができる第６態様によると、測定された電気的パラメータは、第１ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧及び出力電流、第２ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電流及び出力電圧、ＡＣ／ＤＣコンバータの入力電流を有する。それによって、上記制御機能は、コンバータシステムの接続内の単純な手段によって達成されうる。
【００１５】
上記第１態様乃至第６態様の少なくとも１つと組み合わせることができる第７態様によると、電気負荷は、発光ダイオード、有機発光ダイオード、及びビル内の電気器具の少なくとも１つを含む。よって、優先度別電気供給機能を備えた、改善された電力コンバータシステムが提供され得る。
【００１６】
本発明の更なる態様では、電力コンバータを制御するコンピュータプログラムが提供され、当該コンピュータプログラムは、コンピュータプログラムが負荷モニタリング装置を制御するコンピュータ上で動作する場合に、電力コンバータ装置に上記手段のステップを実行させるためのコード手段を有する。
【００１７】
上記装置及びコンバータシステムは、回路基板に搭載されるハードウェア回路、単一チップ又はチップセットとして実装されうる。チップ又はチップセットは、プログラム又はソフトウェアルーチンによって制御されるプロセッサを有しうる。
【００１８】
本発明の実施形態は、従属請求項と各独立請求項との任意の組み合わせが可能であることを理解されたい。
【００１９】
本発明のこれら又は他の態様は、以下説明される実施形態を参照して明確になり解明されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】従来の太陽光コンバータシステムの略ブロック図を示す。
【図２】太陽光発電モジュールの出力電力の非線形特性を、出力電圧の関数として示す。
【図３】従来の太陽光コンバータシステムの状態平面での２つの動作モードを表す図を示す。
【図４】本発明の実施形態によるコンバータ装置の略ブロック図を示す。
【図５】状態平面での実施形態によるコンバータ装置の４つの動作モードを表す図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
下記の実施形態は、最大効率性で優先度別電気供給を達成するためにコンバータの動作を制御する、改善された変換システムに関する。
【００２２】
説明は、図１に描かれている通り、後に説明される提案されたアーキテクチャによって改善されるグリッド接続太陽光システムの従来のコンバータアーキテクチャから始まる。太陽電池モジュールの列は非線形電源を形成し、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の入力に接続されるＤＣ電圧Ｖ1を生成する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０は、非線形電源がその最大電力点（ＭＰＰ）で動作し、よって、最大出力電力Ｐ1＝Ｖ1×Ｉ1を生成するように制御される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０は、ＡＣ電圧Ｖ3でＡＣ電源又は電力グリッドに電気を供給するＤＣ／ＡＣコンバータ（ＤＣ／ＡＣインバータ）１２の入力電圧であるＤＣ出力電圧Ｖ2を生成する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０のトポロジは、ブーストコンバータでもよい。ＤＣ／ＡＣインバータ１２は、単相電源電圧部に接続されるフル・ブリッジ型インバータ、あるいは、３相電源電圧部に接続されるＢ６−ブリッジ型インバータでもよい。
【００２３】
図２は、ＰＶセル又はモジュールの出力電力の非線形特性を、出力電圧Ｖ1の関数として示す。他の非線形電源は、例えば風力システムや燃料電池が該当する。ＰＶモジュールは広い範囲の電圧及び電流で動作される。負荷抵抗をゼロ（すなわち、短絡回路）から無限大（すなわち、開回路）まで変えることによって、最も高い効率性は、モジュールが最大電力を送る点として決定され得る。このＭＰＰは、電流と電圧の積の結果が最大値である場合に起こる。電圧の無い短絡回路電流又は電流の無い開回路電圧では、電力は生みだされない。従って、最大生成電力はこれら２点間のどこか、電力曲線上の唯一の点、つまりＩ−Ｖ曲線の「膝（knee）」（図示されていない）、にあると期待される。この点は、太陽光を電気に変換する際のＰＶモジュールの最大効率性を表す。
【００２４】
図３は、従来の太陽光コンバータシステムの状態平面での図１の従来のコンバータの２つの動作モードを表す図を示す。動作は、電力変換効率性を最大にするために、第１動作モード（ＯＭ１）及び第２動作モード（ＯＭ２）に分けることができる。ＤＣ／ＤＣ（ブースト）コンバータ１０は、Ｖ1がＤＣ／ＡＣコンバータ１２のわずかな入力電圧Ｖ２.nominalよりも低い場合に、その入力電圧Ｖ1からより高い出力電圧Ｖ2にエネルギーを上げる、このことは図３の第１動作モードに対応する。
【００２５】
第２動作モードでは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０は、電力変換効率性を最大にするためにエネルギー変換をすることなく、その入力電圧を直接出力、すなわちＶ1＝Ｖ2、に伝える。第２動作モードは、最大電力点（ＭＰＰ）におけるＶ1がＤＣ／ＡＣインバータ１２の最小要求ＤＣ入力電圧よりも大きい場合、すなわち
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の場合に使用される。
【００２６】
コンバータシステムは２つの制御機能を有する。まず、ＭＰＰ制御は、ＤＣ／ＡＣコンバータ１２で第２動作モードにおいて実現される。あるいは、ＭＰＰ制御は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０で第１動作モードにおいて実現される。次に、ＤＣ／ＡＣコンバータ１２は、ＤＣ入力電流Ｉ2を調整されたＡＣ出力電流Ｉ3に変換する。
【００２７】
下記には、実施形態による提案されたコンバータシステム又はアーキテクチャが説明される。
【００２８】
図４は、実施形態によるコンバータ装置の略ブロック図を示す。コンバータシステムは回路盤上の単一チップとして、あるいは、チップセット又はディスクリートのハードウェア回路として実装することができる。コンバータシステムは、非線形電源の出力にＤＣ出力電圧Ｖ1で接続された第１ＤＣ／ＤＣコンバータ（ＤＣ／ＤＣ１）２０−１の出力時にＤＣ電圧Ｖ2を測定する、専用のコントローラモジュール又はコントローラ２４を有する。第１ＤＣ／ＤＣコンバータ２０−１は、出力電流Ｉ1を非線形電源から引き込む。更に、コントローラ２４は、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ２０−１のＤＣ出力電流Ｉ２．１を測定し、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ２０−１の結果出力電力Ｐ1＝Ｉ２．１×Ｖ２を得る。それに加えて、コントローラ２４は、負荷Ｒloadに接続された第２ＤＣ／ＤＣコンバータ（ＤＣ／ＤＣ２）２０−２の入力電流Ｉ２．４を測定し、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２０−２の結果出力電力Ｐ４＝Ｉ２．４×Ｖ２を得る。その上、コントローラ２４は、負荷Ｒload間の第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２０−２の出力電圧Ｖ４を測定する。それだけでなく、コントローラ２４は、電圧Ｖ3でＡＣ電源に接続された双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ２２のＤＣ入力電流Ｉ２．３を測定し、ＡＣ／ＤＣコンバータ２２の結果入力電力Ｐ３＝Ｉ２．３×Ｖ２を得る。第１ＤＣ／ＤＣコンバータ２０−１の出力端子は、ＡＣ／ＤＣコンバータ２２及び第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２０−２の入力端子と並行に接続される。コントローラ２４によって処理されるアナログ又はデジタル測定値を得るために、測定は適当な測定素子又は回路を用いて実行される。
【００２９】
測定値に基づき、コントローラ２４は３つの制御信号Ｃ１乃至Ｃ３を生成し、上記入力変数と、第１制御信号Ｃ１に基づき第１ＤＣ／ＤＣコンバータ２０−１の動作を制御し、第２制御信号Ｃ２に基づき第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２０−２の動作を制御し、第３制御信号Ｃ３に基づき双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ２２の動作を制御するための制御機能と、を用いてコンバータシステムを動作させる。
【００３０】
上記の従来のコンバータシステムとは対照的に、実施形態による提案されたコンバータシステムは、調整されたＤＣ電圧Ｖ４で追加的負荷Ｒloadを供給し、Ｐ４＞Ｐ１の場合にＡＣ／ＤＣコンバータ２２を整流器として動作させ、Ｐ４＜Ｐ１の場合にＡＣ／ＤＣコンバータ２２をインバータとして動作させる。
【００３１】
本実施形態においてこの機能性を得るためには、専用コントローラ２４は、電圧Ｖ１の非線形電源をその最大電力点で動作させ、局所負荷Ｒloadに直流電流を供給するために調整された電圧Ｖ４を制御し、低い高調波歪みでＩ３の正弦波時間関数を生成する、という３つの制御機能を提供するように適応される。これらの制御機能は、下記に説明され表１にまとめられた４つの動作モードの関数として電力変換効率性を最大化するために、図４のコンバータアーキテクチャの異なる電力コンバータ２０−１、２０−２、２２で実現される。
【００３２】
コントローラ２４は、上記測定値に基づき、Ｐ１＞Ｐ４及びＶ１＜Ｖ２＝Ｖ４を検出した場合に、コンバータアーキテクチャを第１動作モード（ＯＭ１）に設定する。ここで、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ２０−１は、最大出力電力Ｐ１を生成するように非線形電源に負荷をかけるために、第１制御信号Ｃ１によって制御される。この制御されたＭＰＰ動作は第１制御機能である。従って、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ２０−１は、その入力電圧Ｖ１を、ＤＣ電圧Ｖ４と同様にＤＣ／ＡＣコンバータ２２の要求される入力電圧である、調整された出力電圧Ｖ２に上げる。これは第２制御機能を実現する。第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２０−２は、エネルギー効率性を上げるために何らエネルギー変換をすることなく、その入力電圧を直接その出力に伝えるために、第２制御信号Ｃ２によって制御される。非線形電源Ｖ１は、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２０−２の出力時にＤＣ負荷Ｒloadに供給するために、電力レベルＰ４よりも高い電力レベルＰ１を生成する。従って、ＡＣ／ＤＣコンバータ２２は、電圧Ｖ３で正弦波電源（ＡＣ電源）に供給される調整された正弦波電流Ｉ３＞０を生成して、制御された入力電力Ｐ３＝Ｐ１−Ｐ４でインバータとして動作するために、第３制御信号Ｃ３によって制御される。これが第３制御機能である。
【００３３】
コントローラ２４は、上記測定値に基づいて、Ｐ１＞Ｐ４及びＶ１＝Ｖ２＞Ｖ４を検出した場合に、コンバータアーキテクチャを第２動作モード（ＯＭ２）に設定する。ここで、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ２０−１は、エネルギー効率性を上げるために何らエネルギー変換をすることなく、その入力電圧Ｖ１を直接その出力Ｖ２に伝えるために、第１制御信号Ｃ１によって制御される。第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２０−２は、入力電圧Ｖ１をより低く制御された出力電圧Ｖ４にダウンコンバートするために、第２制御信号Ｃ２によって制御される。これが第１制御機能である。電圧Ｖ１の非線形電源は、第２コンバータ２０−２の出力時に、ＤＣ負荷Ｒloadに供給するために、電力レベルＰ４よりも高い電力レベルＰ１を生成する。従って、ＡＣ／ＤＣコンバータは、調整された正弦波電流Ｉ３＞０を電圧Ｖ３で正弦波電源（ＡＣ電源）に生成する、制御された入力電力Ｐ３＝Ｐ１−Ｐ４でインバータとして動作するために、第３制御信号Ｃ３によって制御される。Ｉ３の正弦波時間関数の制御は、第２制御機能である。電圧Ｖ３で交流グリッドに供給された電力レベルＰ３＝Ｐ１-Ｐ４は、第３制御機能である。この第３制御機能は、電圧Ｖ１で非線形電源のＭＰＰ動作をも実現する。
【００３４】
コントローラ２４は、上記測定値に基づいて、Ｐ１＜Ｐ４及びＶ１＜Ｖ２＝Ｖ４を検出した場合に、コンバータアーキテクチャを第３動作モード（ＯＭ３）に設定する。ここで、ＡＣ／ＤＣコンバータ２２は、正弦波電流Ｉ３＜０で制御されたＤＣ電圧Ｖ２＝Ｖ４を生成する整流器として動作するために、第３制御信号Ｃ３によって制御される。これは第１及び第２制御機能である。第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２０−２は、エネルギー効率性を上げるために何らエネルギー変換をすることなく、その入力電圧をその出力Ｖ２＝Ｖ４を伝えるために、第２制御信号Ｃ２によって制御される。第１ＤＣ／ＤＣコンバータ２０−１は、最大出力電力Ｐ１を生成するように非線形電源Ｖ１に負荷をかけるために、第１制御信号Ｃ１によって制御される。従って、入力電圧Ｖ１の電圧は、より高いＤＣ電圧Ｖ２に上げられる。電力レベルＰ１を最大化するためのこの制御されたＭＰＰ動作は、第３制御機能である。
【００３５】
コントローラ２４は、上記測定値に基づいて、Ｐ１＜Ｐ４及びＶ１＝Ｖ２＞Ｖ４を検出した場合に、コンバータアーキテクチャを第４動作モード（ＯＭ４）に設定する。ここで、ＡＣ／ＤＣコンバータ２２は、正弦波電流Ｉ３＜０で制御された直流電圧Ｖ２＝Ｖ１を生成する整流器として動作するために、第３制御信号Ｃ３によって制御される。そのＩ３の正弦波時間関数が、第１制御機能である。Ｉ３の増幅は、整流器が電圧Ｖ１で非線形電源によって供給することができない電力レベルＰ３＝Ｐ４−Ｐ１を加えるように調整される。この制御機能は、非線形電源に最大電力点で動作させる第２制御機能である。第１ＤＣ／ＤＣコンバータ２０−１は、エネルギー効率性を上げるために何らエネルギー変換をすることなく、その入力電圧Ｖ１をその出力Ｖ１＝Ｖ２に伝えるために、第１制御信号Ｃ１によって制御される。ここで、電圧Ｖ１は、整流器として動作するＡＣ／ＤＣコンバータ２２の動作によって制御される、非線形電源のＭＰＰの関数である。第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２０−２は、より高いＤＣ入力電圧Ｖ１＝Ｖ２から調整されたＤＣ電圧Ｖ４を生成するために、第２制御信号Ｃ２によって制御される。これが第３制御機能である。
【００３６】
上記第１乃至第４動作モードは下記にまとめることができる。
【表１】
2014512170.tif 000004
【００３７】
表１から読み取れるように、第１動作モードでは、コンバータシステムは１つの電源（すなわち、非線形ＤＣ電源）を使用し、２つの電気負荷（すなわち、ＡＣ電源及び負荷Ｒload）を供給する、当該モードにおいて、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ２０−１は、非線形ＤＣ電源に対してＭＰＰ制御機能を供給し、及び負荷Ｒloadで出力電圧Ｖ４に対して電圧調整機能を供給するように制御される。ＡＣ／ＤＣコンバータ２２はインバータとして動作するように制御され、ＡＣ電源に正弦波電流Ｉ３を供給する。更に、第２動作モードでは、コンバータシステムは１つの電源（すなわち、非線形ＤＣ電源）を使用し、２つの電気負荷（すなわち、ＡＣ電源及び負荷Ｒload）を供給する、当該モードにおいて、ＡＣ／ＤＣコンバータ２２は、非線形ＤＣ電源に対してＭＰＰ制御機能を供給し、インバータとして動作するように制御され、ＡＣ電源に正弦波電流Ｉ３を供給し、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２０−２は、負荷Ｒloadで出力電圧Ｖ４に対して電圧調整機能を提供するように制御される。その上、第３動作モードでは、コンバータシステムは２つの電源（すなわち、非線形ＤＣ電源及びＡＣ電源）を使用し、１つの電気負荷（すなわち、負荷Ｒload）を供給する、当該モードにおいて、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ２０−１は、非線形ＤＣ電源に対してＭＰＰ制御機能を供給するように制御される。ＡＣ／ＤＣコンバータ２２は、供給されたＡＣ電流Ｉ３の整流器として動作し、及び負荷Ｒloadに出力電圧Ｖ４に対して電圧調整機能を供給するように制御される。最後に、第４動作モードでは、コンバータシステムは２つの電源（すなわち、非線形ＤＣ電源及びＡＣ電源）を使用し、１つの電気負荷（すなわち、負荷Ｒload）を供給する、当該モードにおいて、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２０−２は、負荷Ｒloadで出力電圧Ｖ４に対して電圧調整機能を提供するように制御される。ＡＣ／ＤＣコンバータ２２は、非線形ＤＣ電源に対してＭＰＰ制御機能を提供し、供給されたＡＣ電流Ｉ３の整流器として動作するように制御される。
【００３８】
図５は、実施形態の上記４つの動作モードを、ＡＣ／ＤＣコンバータ２２の入力電力Ｐ３の-Ｐnomと＋Ｐnomとの間という公称範囲にある状態平面で説明する図を示し、当該図において、第１及び第３動作モードはコントローラ２４によって最小電圧Ｖ１，minよりも上の範囲にあり、第２及び第４動作モードは最大電圧Ｖ１，maxに達するまでの範囲にとどまる。
【００３９】
それゆえ、実施形態による提案された電力コンバータシステムは、双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ２２、電圧アップコンバージョン機能を備えた第１ＤＣ／ＤＣコンバータ２０−１、電圧ダウンコンバージョン機能を備えた第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２０−２、及び測定された電気パラメータの関数として、電気負荷Ｒloadが高い優先度でＤＣ電源から制御されたＤＣ電圧及び電力を供給され、及び、低い優先度でＡＣ電源又は電源から電気を供給され、並びに、２つのＤＣ／ＤＣコンバータ２０−１、２０−２の１つがコンバータシステムのエネルギー効率性を最大化するためにエネルギー変換をすることなく、その入力を直接出力に伝えることができるように、上記３つの電力コンバータ２２、２０−１、２０−２の動作を制御するために適応されたコントローラ２４を有する。ＤＣ／ＡＣインバータ２２は、より高い優先度で、ＤＣ電源から電気を、制御されたＤＣ電圧で供給される電気負荷Ｒloadに送り、及び、より低い優先度でＡＣ電源に送るために使用することができる。
【００４０】
限定されない例として、ＤＣ電源は少なくとも単一又は列になった太陽電池モジュール、燃料電池、風力から電力が供給される発電機、及び水力から電力が供給される発電機でもよい。
【００４１】
更に、限定されない例として、制御されたＤＣ電圧は、発光ダイオード（ＬＥＤ）又は有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）、及び／又は制御された直流電圧で建物内の電気器具に供給される。
【００４２】
制御信号の数は、上記信号Ｃ１乃至Ｃ３に限定されない。その数はコントローラ２４によって制御されるコンバータの数に依存する。更に、本発明は、決して上記の測定されたパラメータに限定されない。要求された制御情報を得るために適当な他のパラメータが選択され、測定される。
【００４３】
図、開示、及び添付の請求項の解釈から、請求項に記載された発明を実行する際に、開示された実施形態に対して他のバリエーションがあることは当業者によって理解され、実効され得る。特に、異なるふるまいにより起動される様々な制御機能を提供するために、第１乃至第３実施形態の上記ふるまい検出手順の少なくとも２つは単一の実施形態に組み合わせることができる。
【００４４】
まとめると、本発明は、最大電力電源で、局所直流電源及びＡＣ電源の両方から制御された直流電圧を電気負荷に供給する、電力コンバータアーキテクチャ及びその動作原理に関する。局所電源が、局所負荷に十分な電気を供給することができない場合には、ＡＣ電源から電気が付加的に供給される。局所電源が、局所負荷に供給するのに必要な量を超えて電気を供給する場合にも、電気はＡＣグリッドに供給される。
【００４５】
請求項で、単語「有する“comprising”」は他の要素やステップを除外するものではなく、不定冠詞”a”又は“an”は複数を除外するものではない。
【００４６】
単一ユニット又は装置は、請求項の中で述べられた複数項目の機能を満たすことができる。特定の手段が、相互に異なる従属請求項の中で述べられているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせを効果的に使用することができないと説明しているわけではない。
【００４７】
図1のコンバータアーキテクチャのコントローラ２４の上記過程及び／又は制御ステップは、コンピュータプログラムのプログラムコード手段、及び／又は、専用ハードウェアとして実装され得る。関連するコンピュータプログラムは、光学記憶媒体又は固体媒体といった適当な媒体に記憶／分散され、他のハードウェアと共に、又は他のハードウェアの一部として供給されるが、インターネット又は他の有線又は無線電気通信システムといった他の形式で分配することもできる。
【００４８】
コンピュータプログラムは、光学記憶媒体又は固体媒体といった適当な媒体に記憶／分散され、他のハードウェアと共に、又は他のハードウェアの一部として供給されるが、インターネット又は他の有線又は無線電気通信システムといった他の形式で分配することもできる。
【００４９】
請求項中の参照記号は、請求の範囲を限定すると解釈されるべきではない。
【００５０】
本発明は、最大電力電源で、局所直流電源及び交流（ＡＣ）電源の両方から制御された直流電圧を電気負荷に供給する、電力コンバータアーキテクチャ及びその動作原理に関する。局所電源が、局所負荷に十分な電気を供給することができない場合には、ＡＣ電源から電気が付加的に供給される。局所電源が、局所負荷に供給するのに必要な量を超えて電気を供給する場合にも、電気は交流グリッドに供給される。
【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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