(57)【要約】本発明は、複数のＤＣ電源からの電力を組み合わせるシステム及び方法に関するものである。各電源はコンバータに結合されている。各コンバータは、入力電力を監視して最大電力点に維持することによって、入力電力を出力電力に変換する。ほぼすべての入力電力が出力電力に変換され、制御はコンバータの出力電圧を変化させることを可能にすることによって実行する。インバータが、コンバータの直列接続に並列に接続されて、コンバータからインバータへのＤＣ入力をＡＣ出力に変換する。インバータは、コンバータから取り出される直列電流の量を変化させることによって、インバータの入力における電圧を所望電圧に維持する。コンバータの直列電流及び出力電力が、各コンバータにおける出力電圧を定める。
2010521720.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分散型電力ハーベストシステムにおいて、
複数のＤＣ電源と；
複数のコンバータとを具え、
前記コンバータの各々が、
それぞれの前記ＤＣ電源に結合された入力端子と；
他の前記コンバータに直列に結合され、これにより直列ストリングを形成するための出力端子と；
前記コンバータの前記入力端子における電圧及び電流を所定基準に応じて設定する回路ループと；
前記入力端子で受けた電力を前記出力端子における出力電力に変換する電力変換部とを具え、
前記分散型電力ハーベストシステムがさらに、
前記直列ストリングに結合された電力供給装置であって、当該電力供給装置への入力を所定値に維持する制御部を具えた電力供給装置を具えている
ことを特徴とする分散型電力ハーベストシステム。
【請求項２】
前記制御部が、前記電力供給装置への入力電圧を所定値に維持することを特徴とする請求項１に記載の分散型電力ハーベストシステム。
【請求項３】
前記制御部が、前記電力供給装置への入力電流を所定値に維持することを特徴とする請求項１に記載の分散型電力ハーベストシステム。
【請求項４】
前記電力供給装置がＤＣ／ＡＣインバータを具えていることを特徴とする請求項１に記載の分散型電力ハーベストシステム。
【請求項５】
前記電力供給装置がバッテリ充電器を具えていることを特徴とする請求項１に記載の分散型電力ハーベストシステム。
【請求項６】
前記回路ループが、前記コンバータの前記入力端子における電圧及び電流を、それぞれの前記ＤＣ電源の最大電力点に設定する最大電力点追尾部を具えていることを特徴とする請求項１に記載の分散型電力ハーベストシステム。
【請求項７】
前記電力変換部が、
バックコンバータと；
ブーストコンバータと；
前記最大電力点追尾部、及び前記出力端子における電流または電圧に応答して、前記バックコンバータまたは前記ブーストコンバータのいずれかを選択的に作動させるコントローラと
を具えていることを特徴とする請求項６に記載の分散型電力ハーベストシステム。
【請求項８】
前記バックコンバータと前記ブーストコンバータとがインダクタを共用し、前記コントローラがパルス幅変調部を具えていることを特徴とする請求項７に記載の分散型電力ハーベストシステム。
【請求項９】
前記制御部が、前記電力供給装置に並列に結合されたシャントレギュレータであって前記入力電圧を事前に選択した一定入力電圧に調整するシャントレギュレータを具えていることを特徴とする請求項１に記載の分散型電力ハーベストシステム。
【請求項１０】
さらに、前記電力供給装置に結合された１つ以上の追加的な直列ストリングを具えていることを特徴とする請求項１に記載の分散型電力ハーベストシステム。
【請求項１１】
さらに、
複数の電流センサと；
複数の電圧センサとを具え、
前記電流センサの各々及び前記電圧センサの各々が、それぞれの前記ＤＣ電源の間に結合されて、それぞれ電流情報及び電圧情報を前記最大電力点追尾部に提供することを特徴とする請求項１に記載の分散型電力ハーベストシステム。
【請求項１２】
前記複数のＤＣ電源の各々が、太陽電池パネルまたは建物一体型太陽電池パネルを具えていることを特徴とする請求項１に記載の分散型電力ハーベストシステム。
【請求項１３】
前記複数のＤＣ電源の少なくとも１つが燃料電池を具えていることを特徴とする請求項１に記載の分散型電力ハーベストシステム。
【請求項１４】
前記複数のＤＣ電源の少なくとも１つがバッテリを具えていることを特徴とする請求項１に記載の分散型電力ハーベストシステム。
【請求項１５】
前記コンバータの各々がさらに、所定事象が発生するまで、前記出力電力を事前設定された安全値に制限する安全モジュールを具えていることを特徴とする請求項１に記載の分散型電力ハーベストシステム。
【請求項１６】
前記所定事象が、事前設定されたしきい値を上回る負荷が前記コンバータに加わったこと、または解除信号を検出したことの少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１５に記載の分散型電力ハーベストシステム。
【請求項１７】
前記コンバータの各々がさらに、複数のスイッチングデバイスを具え、前記スイッチングデバイスの各々が、少なくとも１つの前記ＤＣ電源への電流バイパスを形成することを特徴とする請求項１に記載の分散型電力ハーベストシステム。
【請求項１８】
前記太陽電池パネルが複数のセルストリングを具え、前記セルストリングの各々が、直列接続された太陽電池セル、及び前記直列接続された太陽電池セルをバイパスするように結合されたスイッチングデバイスを具えていることを特徴とする請求項１２に記載の分散型電力ハーベストシステム。
【請求項１９】
前記スイッチングデバイスがトランジスタで構成されていることを特徴とする請求項１８に記載の分散型電力ハーベストシステム。
【請求項２０】
前記コンバータの各々がさらに、状態関係データを監視して送信する監視モジュールを具え、前記状態関係データは、前記コンバータへの入力電流、前記コンバータへの入力電圧、前記ＤＣ電源の温度、前記コンバータへの入力電力、及び利用可能な照射、の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の分散型電力ハーベストシステム。
【請求項２１】
複数のＤＣ電源及び複数のＤＣ電力コンバータを有する分散型電力ハーベストシステムから電力を獲得する方法において、
前記ＤＣ電源をそれぞれの前記ＤＣ電力コンバータに結合するステップと；
前記ＤＣ電力コンバータを直列に結合し、これにより少なくとも１つの直列ストリングを形成するステップと；
前記直列ストリングを電力供給装置に結合するステップと；
前記電力供給装置への入力電圧または入力電流の一方を所定値に固定し、これにより、前記直列ストリングを通って流れる電流を、前記ＤＣ電源によって供給される電力に応じて変化させるステップと；
前記ＤＣ電源の各々から出力される電力を個別に制御して、それぞれの前記ＤＣ電力コンバータへの入力電圧及び入力電流を所定基準に応じて個別に変化させるステップと
を具えていることを特徴とする方法。
【請求項２２】
前記入力電圧または入力電流の一方を固定するステップが、前記入力電圧または入力電流の一方を所定の一定値に固定することを含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記直列ストリングを電力供給装置に結合するステップが、前記直列ストリングをＤＣ／ＡＣインバータに結合し、前記ＡＣインバータへの入力電圧を固定することを含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記方法がさらに、出力電力を監視するステップを具え、このステップは、前記ＤＣ電源の最大電力点を追尾するステップを含み、前記入力電圧及び前記入力電流を個別に変化させるステップが、前記入力電圧及び前記入力電流を、前記ＤＣ電源の各々から最大電力を取り出すことのできる値に設定することを含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
さらに、前記ＤＣ電力コンバータの各々の入力電圧及び入力電流を個別に、前記直列ストリングを通って流れる電流によって決まる電流レベル及び浮動電圧を有する出力電力に変換するステップを具えていることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
さらに、前記ＤＣ電力コンバータの各々の入力電圧及び入力電流を個別に、前記直列ストリングを通って流れる電流によって決まる電流レベル及び浮動電圧を有する出力電力に変換するステップを具えていることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
さらに、前記ＤＣ電力コンバータ上の負荷を監視し、前記負荷が事前設定された値に達するまで、前記電力コンバータの各々からの出力電力を事前設定された安全レベルに制限するステップを具えていることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２８】
さらに、前記ＤＣ電源及び前記ＤＣ電力コンバータの少なくとも一方の出力電力を監視し、前記出力電力が所定特性を示した際に、前記ＤＣ電源及び前記ＤＣ電力コンバータの少なくとも一方の電流をバイパスさせることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２９】
さらに、前記ＤＣ電力コンバータの各々を個別に動作させて電力関係データを監視して報告するステップを具え、前記電力関係データは、前記ＤＣ電力コンバータへの入力電流、前記ＤＣ電力コンバータへの入力電圧、前記ＤＣ電源の温度、前記ＤＣ電力コンバータへの入力電力、及び利用可能な照射、の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項３０】
ＤＣ／ＡＣインバータであって、当該ＤＣ／ＡＣインバータへの入力電圧または入力電流を所定値に維持する手段を具えたＤＣ／ＡＣインバータと；
互いに並列接続されて前記ＤＣ／ＡＣインバータに結合された複数の直列ストリングとを具え、
前記直列ストリングの各々が、
複数の太陽電池パネルと；
複数のコンバータとを具え、
前記コンバータの各々が、
それぞれの太陽電池パネルに結合された入力端子と；
他の前記コンバータに直列に結合され、これにより直列ストリングを形成するための出力端子と；
前記コンバータの前記入力端子における電圧及び電流を、それぞれの前記太陽電池パネルの最大電力点に応じて設定する最大電力点追尾部と；
前記入力端子で受けた電力を、前記出力端子における出力電力に変換する電力変換部と
を具えていることを特徴とする太陽光発電設備。
【請求項３１】
前記所定値が一定値を含むことを特徴とする請求項３０に記載の太陽光発電設備。
【請求項３２】
前記電力変換部が、前記入力端子で受けた電力を出力電力に変換し、前記出力電力が、前記直列ストリング内の前記複数の太陽電池パネルによって供給される総電力を前記ＤＣ／ＡＣインバータの入力端子における前記所定値の電圧で除算した値にほぼ等しい電流を有することを特徴とする請求項３０に記載の太陽光発電設備。
【請求項３３】
前記電力変換部が、当該電力変換部のパルス幅変調を制御する電力変換コントローラを具えて、前記直列ストリング内の前記複数の太陽電池パネルによって供給される総電力を前記ＤＣ／ＡＣインバータの入力端子における前記所定値の電圧で除算した値にほぼ等しい電流を有する電力を出力することを特徴とする請求項３２に記載の太陽光発電設備。
【請求項３４】
前記電力変換部の各々が、
バックコンバータと；
ブーストコンバータと；
パルス幅変調器と；
前記パルス幅変調器を制御して、前記バックコンバータまたは前記ブーストコンバータのいずれかを選択的に動作させるデジタルコントローラと
を具えていることを特徴とする請求項３３に記載の太陽光発電設備。
【請求項３５】
前記直列ストリングの各々がさらに、
各々が前記太陽電池パネルの１つの出力電流を測定し、測定した電流信号をそれぞれの前記デジタルコントローラに送信する複数の電流センサと；
各々が前記太陽電池パネルの１つの出力電圧を測定し、測定した電圧信号をそれぞれの前記デジタルコントローラに送信する複数の電圧センサとを具え、
前記デジタルコントローラの各々が、取得可能な最大電力を得るように電流及び電圧を調整する
ことを特徴とする請求項３０に記載の太陽光発電設備。
【請求項３６】
事前設定されたしきい値を上回る負荷が前記コンバータに加わらない限り、前記太陽光発電設備の出力電圧を事前設定された安全値に制限する安全モジュールを具えていることを特徴とする請求項３０に記載の太陽光発電設備。
【請求項３７】
前記太陽電池パネルの各々が複数のセルストリングを具え、前記セルストリングの各々が、直列接続された太陽電池セル、及び前記直列接続された太陽電池セルをバイパスするように結合されたスイッチングデバイスを具えていることを特徴とする請求項３０に記載の太陽光発電設備。
【請求項３８】
前記スイッチングデバイスがトランジスタで構成されていることを特徴とする請求項３７に記載の太陽光発電設備。
【請求項３９】
前記コンバータの各々がさらに、状態関係データを監視して送信する監視モジュールを具え、前記状態関係データは、前記コンバータへの入力電流、前記コンバータへの入力電圧、前記太陽電池パネルの温度、前記太陽電池パネルの空間的向き、及び利用可能な照射、の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項３０に記載の太陽光発電設備。
【請求項４０】
中央負荷に結合された複数のＤＣ電源を有する分散型電力システムにおける、前記中央負荷内の構成要素の信頼性を向上させる方法において、
前記ＤＣ電源を前記中央負荷に結合するステップと；
前記中央負荷への入力を、固定値の所定電圧に維持するステップであって、前記所定電圧は、前記中央負荷内の構成要素にとって安全な動作電圧であるステップと；
前記中央負荷への入力電流を、前記ＤＣ電源から取り出される電力に応じて変化させるステップと
を具えていることを特徴とする方法。
【請求項４１】
前記中央負荷がＤＣ／ＡＣインバータを具え、前記入力を維持するステップが、前記ＤＣ／ＡＣインバータへの入力電圧を維持することを含むことを特徴とする請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記ＤＣ電源を結合するステップが、複数の太陽電池パネルの各々を、複数のコンバータのそれぞれに結合し、前記複数のコンバータのすべてを前記ＤＣ／ＡＣインバータに結合することを含むことを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
さらに、それぞれの前記太陽電池パネルが電気エネルギーを出力し始め次第、それぞれの前記太陽電池パネルから得られた電圧を昇圧させるように、各コンバータを動作させることを特徴とする請求項４２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願のクロスリファレンス）
本願は、次の米国特許仮出願に基づいて優先権を主張し、その全内容を参考文献として本明細書に含める：
米国特許仮出願第60/868,851号、2006年12月6日出願、発明の名称”Distributed Solar Array Monitoring, management and Maintenance”、
米国特許仮出願第60/868,893号、2006年12月6日出願、発明の名称”Distributed Power Harvesting System for Distributed Power Sources”、
米国特許仮出願第60/868,962号、2006年12月7日出願、発明の名称”System, Method and Apparatus for Chemically Independent Battery”
米国特許仮出願第60/908,095号、2007年3月26日出願、発明の名称”System and Method for Power Harvesting from Distributed Power Source”、
米国特許仮出願第60/916,815号、2007年3月9日出願、発明の名称”Harvesting Power from Direct Current Power Sources”。
さらに、本願は次の米国特許通常出願に関連し、その全内容を参考文献として本明細書に含める：
米国特許出願第11/950,224号、2007年12月4日出願、発明の名称”Current Bypass for Distributed Power Harvesting Systems”、
米国特許出願第11/950,271号、2007年12月4日出願、発明の名称”Distributed Power Harvesting Systems Using DC Power Sources”、
米国特許出願第11/950,307号、2007年12月4日出願、発明の名称”A Method for Distributed Power Harvesting Using DC Power Sources”。
【０００２】
（１．発明の分野）
本発明の分野は一般に、分散型ＤＣ電源からの電力生産に関するものであり、特に、直列に設置された分散型ＤＣ電源の管理に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
（２．関連技術）
近年の再生可能エネルギーへの関心の増加は、太陽電池（ＰＶ）、燃料電池、（例えばハイブリッドカー用の）バッテリ、等のような分散型エネルギー発生システムの研究の増加をもたらした。電圧／電流の要求、動作条件、信頼性、安全性、コスト、等の種々のパラメータを考慮してこれらの電源を接続するための種々のトポロジー（接続形態）が提案されている。例えば、これらの電源の大部分は低電圧出力（通常は１セル当たり２、３ボルト、あるいは直列接続されたセルについては２０〜３０ボルト）を供給し、このため、これらの電源の多くは、必要な動作電圧を達成するために直列接続する必要がある。逆に、直列接続は必要な電流を供給し損なうことがあり、このため直列接続の何列かを並列接続して必要な電流を供給する必要があり得る。
【０００４】
これらの電源の各々からの電力発生は、製造条件、動作条件、及び環境条件に依存することも知られている。例えば、製造中の種々の不一致が、２つの同一電源が異なる出力特性を提供することを生じさせ得る。同様に、２つの同一電源が、負荷、温度、等のような動作条件及び／または環境条件に対して異なるように反応し得る。実際の設備では、異なる電源が異なる環境条件を経験することがあり、例えば太陽光発電（ソーラーパワー）設備では、一部のパネルは十分な太陽光が当たるのに対し、他のパネルは陰になり、これにより異なる出力電力を供給する。マルチバッテリ（多重電池）設備では、一部のバッテリが異なるように経年変化し、これにより異なる電力を供給し得る。これらの問題、及び本発明によって提供される解決法はあらゆる分散型電力システムに適用可能であるが、以下の説明は太陽（ソーラー）エネルギーに向き、具体例としてより良い理解を与える。
【０００５】
従来の太陽光発電システムの設備を図１に例示する。個別の太陽電池パネル１０１が供給する電圧が低いので、いくつかのパネルを直列接続してパネルのストリング（列）１０３を形成している。大規模な設備については、より大きい電流が必要である際に、いくつかのストリング１０３を並列接続して全体システム１０を形成することができる。太陽電池パネルは屋外に装着され、これらのリード線は最大電力点追尾（ＭＰＰＴ：Maximum Power Point Tracking）モジュール１０７に接続され、そしてインバータ１０４に接続されている。ＭＰＰＴ１０７は一般に、インバータ１０４の一部として実現される。ＤＣ電源から獲得された電力はインバータ１０４に供給され、インバータ１０４は変動する直流（ＤＣ）を所望の電圧及び周波数を有する交流（ＡＣ）に変換し、この電圧、周波数は通常、１１０Ｖまたは２２０Ｖ、６０Ｈｚ、あるいは２２０Ｖ、５０Ｈｚである（なお、米国でも、多くのインバータが２２０Ｖを生成し、そしてこの２２０Ｖは配電盤内で１１０Ｖ給電線に分割される）。そしてインバータ１０４からのＡＣ電流を用いて、電気器具を動作させるか電力網に給電することができる。あるいはまた、設備が電力網に結合されていない場合は、インバータから抽出した電力を変換兼充電／放電回路に指向させて、生成された過剰電力を電荷としてバッテリに蓄電することができる。バッテリに結合された応用の場合は、インバータ段全体を省略し、ＭＰＰＴ段１０７のＤＣ出力を充電／放電回路に供給することができる。
【０００６】
上述したように、各太陽電池パネル１０１は相対的に非常に低い電圧及び電流を供給する。太陽電池アレイの設計者に直面する問題は、実効値（ＲＭＳ）１２０Ｖまたは２２０Ｖの標準的なＡＣ電流を低電圧の太陽電池パネルの組合せから生成することである。低電圧からのより高い電力の供給は非常に大きい電流を必要とし、このことは、電流の二乗（Ｉ2）のオーダーの大きな導通損を生じさせる。さらに、ＤＣ電流をＡＣ電流に変換するために使用されるインバータ１０４のような電力インバータは、その入力電圧がその出力ＲＭＳ電圧に２の平方根を乗じた値より少し高い際に最も効率が良い。従って、多くの応用では、太陽電池パネル１０１のような電源を組み合わせて適正な電圧または電流に到達させている。最も一般的な方法は、図１に示すように、電源を直列接続して所望電圧に到達させ、並列接続して所望電流に到達させている。多数のパネル１０１を接続してストリング１０３にし、ストリング１０３を並列接続して電力インバータ１０４に接続している。パネル１０１を直列接続してインバータに必要な最小電圧に到達させている。複数のストリング１０３を並列接続してアレイにし、より大きい電流を供給してより高い電力出力を可能にしている。
【０００７】
この構成はコスト及びアーキテクチャの単純さの点で有利であるが、こうしたアーキテクチャにとって文字通りのいくつかの欠点が識別されている。認識されている欠点の１つは、以下に説明するように、個別のパネルから取り出される電力の非最適性によって生じる非効率性である。以上で説明したように、ＤＣ電源の出力は多くの条件によって影響される。従って、各電源から取り出される電力を最大化するために、現在支配的な条件に対するピーク電力を供給する電圧と電流の組合せを取り出す必要がある。条件が変化すると共に、取り出される電圧と電流の組合せも変化させる必要があり得る。
【０００８】
図２に、ＭＰＰＴ回路２０７及びインバータ２０４に接続されたＤＣ電源の１つの直列ストリング、例えば太陽電池パネル２０１ａ〜２０１ｄを例示する。ＤＣ電源２０１毎に、出力電圧が増加する共に電流が減少する。ある電圧値で電流が０になり、一部の応用では負の値をとることがあり、このことは電源がシンク（受電装置）になることを意味する。バイパスダイオードを用いて電源がシンクになることを防止している。各電源２０１の出力電力は電流と電圧の積に等しく（Ｐ＝Ｉ×Ｖ）、当該電源から取り出される電圧に応じて変化する。電流の減少点に近い特定の電流及び電圧で、電力が最大値に達する。発電セルを最大電力点で動作させることが望ましい。ＭＰＰＴの目的は、この最大電力点を見出し、この最大電力点でシステムを動作させて最大電力を電源から取り出すことにある。
【０００９】
従来の一般的な太陽電池パネルのアレイでは、異なるアルゴリズム及び技術を用いて、ＭＰＰＴモジュール１０７を用いたシステム１０の総合出力電力を最適化している。ＭＰＰＴモジュール１０７は、すべての太陽電池パネルの全体から抽出した電流を受け、この電流に対する最大電力点を追尾して最大平均電力を供給し、これにより、より大きい電流を抽出した場合にパネルからの平均電圧が降下し始め、このため獲得される電力を低下させる。ＭＰＰＴ１０７は、全体システム１０からの最大平均電力を生み出す電流を維持する。
【００１０】
最大電力点追尾技術は非特許文献１（T. Esram & P. L. Chapman, “Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking Techniques”, IEEE Transactions on Energy Conversion（将来の刊行用に受理、Issue 99, 2006年、Digital Object Identifier 10.1109/TEC.2006.874220））で調べられ、その内容全体を参考文献として本明細書に含める。
【００１１】
しかし、電源２０１ａ〜２０１ｄは単一のＭＰＰＴ２０７に直列接続されているので、このＭＰＰＴは単一の点を選択しなければならず、この点は、直列接続された電源のＭＰＰ（最大電力点）をある程度平均した値である。実際に、ＭＰＰＴは、これらの電源のごく一部だけにとって最適であるかどの電源にとっても最適でないＩ（電流）−Ｖ（電圧）点で動作する。図２の例では、選択した点は電源２０１ｂにとっては最大電力点であるが、電源２０１ａ、２０１ｃ及び２０１ｄにとっては最大電力点から外れている。結果的に、この構成は達成可能な最良効率で動作しない。
【００１２】
図１の太陽電池システム１０に戻れば、ストリング１０３からの所定出力電圧を固定することは、固定しなければ可能な出力電力より低い出力電力を太陽電池パネルに供給させ得る。さらに、各ストリングは、当該ストリングに沿ったすべての太陽電池パネルを通過した単一電流を搬送する。製造公差、経年変化によりこれらの太陽電池パネルに不整合が生じた場合に、あるいはこれらの太陽電池パネルが故障するか異なる陰りの条件下におかれた場合に、各パネルの電流、電圧及び出力電力が異なってくる。ストリングのすべてのパネルに単一電流を強制的に通すことは、不整合の大きいパネルに、これらのパネルを通る大きな電流による「ホットスポット」を発生させる。従来の集中型の方法のこれら及び他の欠点により、太陽電池パネルは特性を一致させなければならない。一部の場合には、外部ダイオードを用いて不整合の大きいパネルをバイパスさせている。従来のマルチストリング（多数列）の構成では、すべてのストリングを正確に同数の太陽電池パネルで構成し、これらのパネルは同じ型式（モデル）のものを選択し、そして正確に同じ空間的向きに設置して常に同じ太陽光条件におかなければならない。このことは達成することが困難であり、そして非常に高価になり得る。
【００１３】
上述した直列の設備の欠点を克服するための種々の異なるトポロジーが提案されている。例えば、その一部は、各ＤＣ電源にインバータを結合し、これらのインバータのすべてを並列接続することを提案している。他のものは、各ＤＣ電源にＤＣ−ＤＣコンバータを接続し、そしてこれらのコンバータのすべてを直列または並列にして中央インバータに接続することを提案している。ＤＣ−ＤＣコンバータのうちＤＣ電源と共に使用するために提案されているものはブースト（昇圧）コンバータ、バック（降圧）コンバータ、バックブーストコンバータ、またはＣｕｋ（自動昇降圧）コンバータである。各ＤＣ電源内、例えば各太陽電池パネル内にＭＰＰＴを内蔵させてこれらのパネルを直列接続することも提案されている。
【００１４】
分散型電源及び太陽電池パネルに関する上述した問題のさらなる説明は、次の文献を調査されたい。これらの文献は従来技術となり得るものもなり得ないものもある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】T. Esram & P. L. Chapman, “Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking Techniques”, IEEE Transactions on Energy Conversion
【非特許文献２】G. R. Walker and P. C. Sernia, “Cascade DC-DC Converter Connection of Photovoltaic Modules”, Power Electronics Specialists Conference, 2002 (PESC02), Vol.1, IEEE, Cairns, Australia, pp. 24-29
【非特許文献３】Bjorn Lindren, “Topology for Distributed Solar Energy Inverters with a Low Voltage AC-Bus”
【非特許文献４】Johan H. R. Enslin et al., “Integrated Photovoltaic Maximum Power Point Tracking Converter”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol.44, No.6, December 1997
【非特許文献５】R. Alonso et al., “A New Distributed Converter interface for PV Panels”, 20th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 6-10 June 2005, Barcelona, Spain
【非特許文献６】Eduardo Roman, et al., “Intelligent PV Module for Grid-Connected PV Systems”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol,53, No.4, August 2006
【非特許文献７】L. Palma and P. Enjeti, “A Modular Fuel Cell, Modular DC-DC Converter Concept for High Performance and Enhanced Reliability”, Power Electronics Specialists Conference, 2007, PESC2007, IEEE Volume, Issue, 12-21 June 2007, page 2633-2638, Digital Object Identifier 10.1109/PESC.2007.4342432
【非特許文献８】R. Alonso et al., ”Experimental Results of Intelligent PV Module for Grid-Connected PV Systems”, Proceedings of the International Conference held in Dresden, Germany, 4-8 September 2006
【非特許文献９】G. R. Walker and P. C. Sernia, “Cascaded DC-DC Converter Connection of Photovoltaic Modules”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.19, No.4, July 2004
【非特許文献１０】Quashning, V.; Piske, R.; Hanitsch, R., “Cost Effectiveness of Shadow Tolerant Photovoltaic Systems”, Euronsun 96, Freiburg, September 16-19, 1996
【非特許文献１１】R. Orduz and M. A. Egido, “Evaluation Test Results of a New Distributed MPPT Converter”, 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, 3-7 September 2007, Milan, Italy
【非特許文献１２】S. Uriarte et al., “Energy Integrated Management System for PV Applications”, 20th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 6-10 June 2005, Barcelona, Spain
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００６／０１８５７２７号明細書
【特許文献２】スペイン国特許第２２４９１４７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
以上に挙げた文献の一部に記載されているように、個別セル内にインバータを統合することは、高いコスト、（特に太陽光発電設備における）低い安全性、及び低い信頼性を含む多くの欠点を有する。従って、特に太陽電池パネル設備用には直列接続の方がまだ好ましい。ＤＣ−ＤＣコンバータ及びＭＰＰＴを個別の電源に含め、そしてその出力端子を直列にしてインバータに接続する提案は魅力的である。しかし、各パネル内にＭＰＰＴを内蔵させることは直列の応用ではまだ問題がある、というのは、各ＭＰＰＴはその電源を異なる電流で駆動しようとするのに対し、直列接続では、同じ電流がすべてのパネルを通って流れなければならないからである。さらに、最良の結果を提供するＤＣ−ＤＣコンバータの種類、及びこうした装置内にＭＰＰＴを内蔵させる方法が不明確である。従って、複数のＤＣ電源を負荷、即ち電力網、蓄電バンク、等に接続するための有効なトポロジーのための解決法がまだ必要である。
【００１８】
既に上述したように、種々の環境及び動作条件がＤＣ電源の出力電力に影響を与える。太陽電池パネルの場合は、太陽放射、周囲温度、及び木のような近くの物体にせよ雲のような遠くの物体にせよ物体による陰りが、各太陽電池パネルから抽出される電力に影響を与える。使用するパネルの数及び種類に応じて、抽出される電力はその電圧及び電流が大きく変動し得る。所有者及び専門の設置業者でさえも、ソーラーシステムの適切な配向を検証することは困難である。時間と共に、経年変化、ほこり及び汚れの集積、及びモジュールの劣化のような他の多くの要因が太陽電池アレイの性能に悪影響を与える。
【００１９】
太陽電池パネルの外部条件に対する感度は、集中型太陽光発電（ＣＰＶ：Centralized Photovoltaic）を用いる際にさらに深刻になる。こうした設備では、太陽放射はレンズまたはミラーの使用によって小型のセル上に集光される。これらのセルは一般的なＰＶセルよりずっと効率が良く、そして二重接合または三重接合として知られている技術を用い、これらの接合では、複数のｐ−ｎ接合を互いに重ねて構成し、各接合はスペクトルの特定部分からの光をカバーし、そして残りの部分は通過させて次の接合に伝えることを可能にする。従って、これらのセルはずっと効率が良い（４０％以上のピーク効率を有する）。これらのセルは高価であるので、通常は比較的小さいセルを必要とするＣＰＶ応用に用いられる。しかし、ＣＰＶ設備の出力電力は今度は、太陽光スペクトルの（全強度だけでなく）種々の部分の強度の変動、及び使用するレンズまたはミラーの欠陥または歪みに依存する。従って、多数のパネル用に単一のＭＰＰＴを有することは大幅な電力喪失をもたらし、そして本発明の態様に記載するようなパネル（またはセル）レベルのＭＰＰＴを用いることによって大きな利点が実現される。
【００２０】
従来の太陽光発電設備が多くの問題に直面する他の分野は、建物一体型太陽光発電（ＢＩＰＶ：Building-integrated Photovoltaic）の市場の発展である。ＢＩＰＶ設備では、パネルは建設中に、屋上パネルとして、構造として、あるいは壁または窓内の追加的要素としてのいずれかで建物と一体化される。従って、ＢＩＰＶ設備は、パネルの付近の他の構造要素の存在による局所的かつ部分的な陰りの問題がある。さらに、これらのパネルは必然的に建物の多くの異なる面上に配置され、従って各パネルが経験する明暗条件が大きく変化し得る。従来の解決法では、複数パネルを１ストリングにまとめて１つのＭＰＰＴに結合するので、大きな電力喪失がある。より大きな電力を獲得することのできる解決法は明らかに、この種の設備において非常に有益である。
【００２１】
従来の設備のさらに他の問題は、弱い太陽光の場合の貧弱なエネルギー利用である。大部分のインバータは、機能を開始するために特定の最小電圧（一般に１５０Ｖ〜３５０Ｖ）を必要とする。弱い光が存在する場合は、複数パネルからの合計電圧がこの最小値に達せず、従って電力が失われる。従って、弱い光の問題のあるパネルの電圧を昇圧させることのできる解決法は、生成されるエネルギーを獲得することを可能にする。
【００２２】
従来の構成１０による太陽電池アレイの設置中に、設置者は、試験装置を用いて各パネル、各ストリング及びアレイ全体の電流−電圧特性をチェックすることによって、太陽電池アレイの設置及び性能の適正さを検証することができる。しかし、実際には、個別のパネル及びストリングは一般に、全く試験されないかあるいは接続する前のみに試験されるかのいずれかである。このことは、電流測定を、太陽電池アレイへの直列接続、または一般に好都合でないアレイ内の抵抗のいずれかによって行うことにより生じる。その代わりに、設備全体の高レベルの合格／不合格試験のみを実行する。
【００２３】
設備の初期試験後に、太陽電池アレイをインバータ１０４に接続し、インバータ１０４は随意的に監視モジュールを含み、この監視モジュールはアレイ全体の性能を監視する。インバータ内での監視から収集した情報は、アレイの総合出力電力及び電力生産率を含むが、これらの情報は個別の太陽電池パネルの機能についての詳細情報は欠如している。従って、インバータ１０４での監視によって提供される性能情報は、電力喪失が環境条件によるものか、故障によるものか、あるいは太陽電池アレイの不良な設置または保守によるものかを知るためには、通常は不十分である。さらに、総合情報は、検出した電力喪失がどの太陽電池パネル１０１によるものであるかは突き止めない。
【００２４】
以上の観点から、複数のＤＣ電源を負荷に接続するための新たに提案するトポロジーは、設置中及び設置後の容易な試験及び動作検証にも結び付く。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
以下の本発明の概要は、本発明のいくつかの態様及び特徴の基本的理解を与えるために提供する。この概要は本発明の広い概要ではなく、それ自体は、本発明の主要または重要な要素を特に識別すること、あるいは本発明の範囲を線引きすることを意図したものではない。その唯一の目的は、本発明のいくつかの概念を、以下に提示するより詳細な説明への前置きとして簡略化した形式で提示することにある。
【００２６】
本発明の態様は、中央給電装置、例えば単一のインバータまたは単一のコンバータに直列に接続された分散型ＤＣ電源用のトポロジーを提供する。本発明の態様は、分散型電力ハーベスト設備内の個別のＤＣ電源を監視し、各ＤＣ電源からの電流及び電圧を調整して各ＤＣ電源からの出力電力を最大化するシステム及び方法を提供することにある。
【００２７】
本発明の態様によれば、分散型電力ハーベストシステムが：複数のＤＣ電源と；複数のコンバータとを具え、各コンバータは：それぞれのＤＣ電源に結合された入力端子と；他のコンバータに直列に結合され、これにより直列ストリングを形成するための出力端子と；コンバータの入力端子の電圧及び電流を所定基準に応じて設定する回路ループと；これらの入力端子で受けた電力を上記出力端子における出力電力に変換する電力変換部と；上記直列ストリングに結合された電力供給装置とを具え、この電力供給装置は、当該電力供給装置への入力を所定値に維持する制御部を具えている。この制御部は、電力供給装置への入力電圧を所定値に維持することができる。この制御部は、電力供給装置への入力電流を所定値に維持することができる。電力供給装置はＤＣ／ＡＣインバータを具えることができる。電力供給装置は充電器（バッテリチャージャ）を具えることができる。回路ループは、コンバータの入力端子における電圧及び電流を、それぞれのＤＣ電源の最大電力点に設定するＭＰＰＴを具えることができる。電力変換部は：バックコンバータ、ブーストコンバータ、ＭＰＰＴ部、及び出力端子における電流または電圧に応答してバックコンバータまたはブーストコンバータのいずれかを選択的に作動させるコントローラを具えている。バックコンバータ及びブーストコンバータはインダクタを共用することができ、コントローラはパルス幅変調部を具えている。制御部は、電源に並列結合されて上記入力電圧を事前に選択した一定入力電圧に調整するシャントレギュレータ（分路調整器）を具えることができる。このシステムはさらに、電力供給装置に結合された１つ以上の追加的な直列ストリングを具えることができる。このシステムはさらに：複数の電流センサと；複数の電圧センサとを具えることができ、各電流センサ及び各電圧センサは、それぞれのコンバータとＤＣ電源との間に結合されて、電流情報及び電圧情報をＭＰＰＴ部に提供する。複数のＤＣ電源の各々は、太陽電池パネルまたは建物一体型太陽電池を具えることができる。複数のＤＣ電源の少なくとも１つは燃料電池を具えることができる。複数のＤＣ電源の少なくとも１つはバッテリを具えることができる。上記複数のコンバータの各々はさらに、所定事象が発生するまで出力を事前設定された値に制限する安全モジュールを具えることができる。この所定事象は、事前設定されたしきい値を上回る負荷がコンバータに加わったこと、あるいは解放信号を検出したことの一方を含むことができる。各コンバータはさらに、複数のスイッチングデバイスを具えることができ、各スイッチングデバイスは少なくとも１つのＤＣ電源への電流バイパスを形成する。上記太陽電池パネルは複数のセルストリングを具え、各セルストリングは、直列接続された太陽電池セル、及びこれらの直列接続された太陽電池セルをバイパスするように結合されたスイッチングデバイスを具えることができる。このスイッチングデバイスはトランジスタで構成することができる。各コンバータはさらに、状態関係のデータを監視して送信する監視モジュールを具えることができ、この状態関係のデータは：コンバータへの入力電流、コンバータへの入力電圧、電源の温度、コンバータへの入力電力、及び利用可能な照射、の少なくとも１つを含む。
【００２８】
本発明の態様によれば、複数のＤＣ電源及び複数のＤＣ電力コンバータを有する分散型電力システムから電力を獲得する方法が提供され、この方法は、各ＤＣ電源をそれぞれのＤＣ電力コンバータに結合するステップと；これらの電力コンバータを直列結合し、これにより少なくとも１つの直列ストリングを形成するステップと；この直列ストリングを電力供給装置に結合するステップと；この電力供給装置への入力電圧または入力電流の一方を所定値に固定し、これにより、直列ストリングを通って流れる電流を、電源によって供給される電力に応じて強制的に変化させるステップと、各電源からの出力電力を個別に制御し、各コンバータへの入力電圧及び入力電流を所定基準に応じて個別に変化させるステップとを具えている。入力電圧または入力電流の一方を固定するステップは、所定の一定値に固定することを含むことができる。直列ストリングを電力供給システムに結合するステップは、この直列ストリングをＤＣ／ＡＣインバータに結合し、インバータへの入力電圧を固定することを含むことができる。出力電力を監視するステップは、電源の最大電力点を追尾することを含むことができ、入力電圧及び入力電流を個別に変化させることは、入力電圧及び入力電流を、各電源から最大電力を取り出すように設定することを含む。この方法はさらに、各コンバータの入力電圧及び入力電流を個別に変換して、直列ストリングを通って流れる電流によって決まる電流レベル及び浮動（フローティング）電圧を有する電力を出力するステップを具えることができる。この方法はさらに、各コンバータの負荷を個別に監視し、この負荷が事前設定された値に達するまで、各コンバータからの出力電力を事前設定された安全レベルに制限するステップを具えることができる。この方法はさらに、ＤＣ電源及びＤＣ電力コンバータの少なくとも一方の出力電力を監視し、この出力電力が所定の特性を示す際に電流をバイパスするように指向させるステップを具えることができる。この方法はさらに、各電力コンバータを個別に動作させて電力関係のデータを監視して報告するステップを具えることができ、この電力関係のデータは、コンバータへの入力電流、コンバータへの入力電圧、電源の温度、コンバータへの入力電力、及び利用可能な照射、の少なくとも１つを含む。
【００２９】
本発明の態様によれば、太陽光発電設備が提供され、この太陽光発電設備は、当該ＤＣ／ＡＣインバータへの入力電圧または入力電流を所定値に維持する手段を具えたＤＣ／ＡＣインバータと；並列に配置されてこのＤＣ／ＡＣインバータに結合された複数の直列ストリングとを具え、各直列ストリングは：複数の太陽電池パネルと；複数のコンバータとを具え、各コンバータは：それぞれの太陽電池パネルに結合された入力端子と；他のコンバータに直列結合され、これにより１つの直列ストリングを形成するための出力端子と；コンバータの入力端子における電圧及び電流を、それぞれの太陽電池パネルの最大電力点に応じて設定するＭＰＰＴ部と；入力端子で受けた電力を出力端子における出力電力に変換する電力変換部とを具えている。上記所定値は一定値を含むことができる。電力変換部は、入力端子で受けた電力を、上記直列ストリング内の複数の太陽電池パネルによって供給される総電力をインバータの入力端子における所定の定電圧で除算した値にほぼ等しい電流を有する出力電力に変換する。電力変換部は、直列ストリング内の複数の太陽電池パネルによって供給される総電力をインバータの入力端子における所定の定電圧で除算した値にほぼ等しい電流を有する電力を出力するように、この電力変換部のパルス幅変調を制御する電力変換コントローラを具えることができる。各電力変換部は：バックコンバータ；ブーストコンバータ；パルス幅変調器；及びこのパルス幅変調器を制御してバックコンバータまたはブーストコンバータのいずれかを選択的に動作させるデジタルコントローラを具えている。この太陽光発電設備はさらに、事前設定されたしきい値を上回る負荷がコンバータに加わらない限り、出力電圧を事前設定された安全値に制限する安全モジュールを具えることができる。請求項３０の太陽光発電設備は、各太陽電池パネルが複数のセルストリングを具え、各セルストリングは、直列接続された太陽電池セル、及びこれらの直列接続された太陽電池セルをバイパスするように結合されたスイッチングデバイスを具えている。このスイッチングデバイスはトランジスタで構成することができる。各コンバータはさらに、電力関係のデータを監視して送信する監視モジュールを具え、この電力関係のデータは：コンバータへの入力電流；コンバータへの入力電圧；電源の温度；電源の空間的向き；及び利用可能な照射、の少なくとも１つを含む。
【００３０】
本発明の態様によれば、中央負荷に結合された複数のＤＣ電源を有する分散型電力システムにおける負荷内の構成要素の信頼性を向上させる方法が提供され、この方法は：ＤＣ電源を中央負荷に結合するステップと；中央負荷への入力を固定値の所定電圧に維持するステップであって、この電圧は負荷内の構成要素にとって安全な動作電圧であるステップと；中央負荷への入力電流を、ＤＣ電源から取り出した電力に応じて変化させるステップとを具えている。中央負荷はＤＣ／ＡＣインバータを具えることができ、上記入力を維持するステップは、このインバータへの入力電圧を維持することを含む。ＤＣ電源を結合するステップは、複数の太陽電池パネルの各々を、複数のコンバータのそれぞれに結合することと、これらのコンバータのすべてをインバータに結合することを含むことができる。この方法はさらに、それぞれの太陽電池パネルが電気エネルギーを出力し始め次第、それぞれの太陽電池パネルから得られた電圧を昇圧させるように、各コンバータを動作させるステップを具えることができる。
【００３１】
本明細書に含まれその一部を構成する図面は、その説明と共に本発明の実施例を例示し、本発明の原理を説明し例示する働きをする。これらの図面は好適な実施例の主な特徴を図式的方法で例示することを意図したものである。これらの図面は、実際の実施例のすべての特徴を表現することを意図したものではなく、図示した要素の相対寸法を表現することを意図したものでもなく、図示した要素は原寸に比例して描いたものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】ＤＣ電源を用いた従来の集中型電力ハーベストシステムを例示する図である。
【図２】直列接続した一連のＤＣ電源についての電流対電圧の特性曲線を例示する図である。
【図３】本発明の態様による、ＤＣ電源を用いた分散型電力ハーベストシステムを例示する図である。
【図４Ａ】本発明の態様による図３のシステムの、異なる条件下での動作を例示する図である。
【図４Ｂ】本発明の態様による図３のシステムの、異なる条件下での動作を例示する図である。
【図４Ｃ】インバータが入力電流を制御する本発明の実施例を示す図である。
【図５】本発明の他の態様による、ＤＣ電源を用いた分散型電力ハーベストシステムを例示する図である。
【図６】本発明の態様による好適なＤＣ−ＤＣコンバータを例示する図である。
【図７】本発明の態様の制御機能を含む、本発明の態様による電力変換装置を例示する図である。
【図８】従来技術による太陽電池パネルの構成を例示する図である。
【図９】本発明の実施例による、太陽電池ストリングにおける電力喪失を低減する装置を例示する図である。
【図１０】本発明の実施例による、太陽電池ストリングにおける電力喪失を低減する他の装置を例示する図である。
【図１１】本発明の実施例による、太陽電池ストリングをバイパスする装置を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本発明によって提供されるトポロジーは、従来技術のトポロジーに関連する多くの問題を解決し、従来技術のトポロジーに対する多くの利点を有する。例えば、本発明のトポロジーは、直列接続された不整合な電源、例えば不整合な太陽電池パネル、即ち異なる型式及び電力定格のパネル、さらには異なる製造業者及び半導体材料のパネルを直列接続することを可能にする。本発明のトポロジーは、例えば異なる光または温度条件にさらされる太陽電池パネルのような異なる条件下で動作する電源の直列接続を可能にする。本発明のトポロジーは、直列接続されたパネルを異なる向き、あるいは屋根または構造物の異なる部分に設置することも可能にする。これら及び他の特徴及び利点は以下の詳細な説明より明らかになる。
【００３４】
本発明の態様は、複数のＤＣ電源からの電力を組み合わせて単一電源にするシステム及び方法を提供する。本発明の態様によれば、各ＤＣ電源がＤＣ−ＤＣ電力コンバータに関連する。これらのＤＣ電源を当該ＤＣ電源に関連するコンバータに結合することによって形成されたモジュールを直列結合してモジュールのストリングを提供する。そして、このモジュールのストリングを、その入力電圧を固定されたインバータに直列に結合する。各コンバータ内の最大電力点制御ループは、各ＤＣ電源から最大電力を獲得して、この電力を当該電力コンバータからの出力として転送する。コンバータ毎に、ほぼすべての入力電力が出力電力に変換され、このため変換効率は、一部の状況では９０％またはそれ以上になり得る。さらに、この制御は、コンバータの入力電流または入力電圧を最大電力点に固定して、コンバータの出力電圧を変化可能にすることによって実行する。電源毎に、１つ以上のセンサが、当該電源に関連するコンバータへの入力電力レベルの監視を実行する。本発明の一部の態様では、マイクロコントローラが、パルス幅変調を用いて、入力から出力への電力転送に用いるデューティサイクルを調整することによって、最大電力点追尾及び制御を実行することができる。
【００３５】
本発明の１つの態様は、各太陽電池パネルの性能を記録及び／または通信することによって、より大きい度合いのフォールトトレランス（耐故障性）、保守性、及び有用性を提供する。本発明の１つの態様では、最大電力点追尾用に使用されるマイクロコントローラを、監視、記録及び通信機能を実行するために使用することもできる。これらの機能は設置中の迅速かつ容易なトラブルシューティング（故障発見、修理）を可能にし、これにより設置時間を大幅に低減する。これらの機能は、保守作業中の問題の迅速な検出にとっても有益である。本発明の態様は、故障した太陽電池パネルの容易な箇所特定、修理、あるいは交換を可能にする。修理または交換が実現可能でない際には、本発明のバイパスの特徴が信頼性の向上をもたらす。
【００３６】
１つの態様では、本発明は太陽電池セルのアレイに関するものであり、これらのセルからの電力を組み合わせる。各コンバータは、単一の太陽電池セルに取り付けることができ、あるいは直列接続、並列接続、または例えば直列接続されたセルのストリングの並列接続のような両者の接続をされた複数の太陽電池セルに取り付けることができる。一実施例では、各コンバータが太陽電池ストリングの１つのパネルに取り付けられている。しかし、太陽光発電に関連して適用可能であるが、本発明の態様はＤＣ電源を用いたあらゆる分散型電力網において用いることができる。例えば、これらの態様は、多数のセルを有するバッテリ、あるいは多数の燃料電池を搭載したハイブリッド自動車において用いることができる。これらのＤＣ電源は、太陽電池セル、太陽電池パネル、燃料電池、バッテリ、等とすることができる。さらに、以下の説明は、ＤＣ電源のアレイからの電力を組み合わせてＡＣ電圧源にすることに関係するが、本発明の態様は、ＤＣ電源からの電力を組み合わせて他のＤＣ電圧にすることにも適用することができる。
【００３７】
図３に、本発明の実施例による分散型電力ハーベスト構成３０を例示する。構成３０は、複数の電源、例えば太陽電池パネル３０１ａ〜３０１ｄを接続して単一電源にすることを可能にする。本発明の１つの態様では、すべての太陽電池パネルの直列ストリングをインバータ３０４に結合することができる。本発明の他の態様では、太陽電池パネルのストリングの何本かの直列接続を単一のインバータ３０４に接続することができる。インバータ３０４は、例えばバッテリバンクを充電するための充電レギュレータのような他の要素に置き換えることができる。
【００３８】
構成３０では、各太陽電池パネル３０１ａ〜３０１ｄを別個の電力コンバータ回路３０５ａ〜３０５ｄに接続する。１つの太陽電池パネルは、これに関連する電力コンバータ回路と共に、モジュール、例えばモジュール３２０を形成する。各コンバータ３０５ａ〜３０５ｄは、それに接続された太陽電池パネル３０１ａ〜３０１ｄの電力特性に最適に適応し、電力をコンバータの入力端子からコンバータの出力端子に効率的に転送する。コンバータ３０５ａ〜３０５ｄは、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、等とすることができる。コンバータ３０５ａ〜３０５ｄは、複数のコンポーネント（構成要素）コンバータ、例えばバック及びブーストコンバータの直列接続を含むこともできる。
【００３９】
各コンバータ３０５ａ〜３０５ｄは、当該コンバータの出力電流または出力電圧からのフィードバック信号ではなく、太陽電池パネル３０１から来る当該コンバータの入力端子からのフィードバック信号を受信する。こうした制御ループの例は最大電力点追尾（ＭＰＰＴ）ループである。コンバータ内のＭＰＰＴループは、各太陽電池パネル３０１ａ〜３０１ｄからの入力電圧及び入力電流を、その最適な電力点にロックする。
【００４０】
従来のＤＣ−ＤＣコンバータは、その入力端子における広い入力電圧範囲、及び所定値に固定された出力電圧を有することができる。従来のＤＣ−ＤＣ電圧コンバータでは、コンバータ内のコントローラが入力端子における電流または電圧、及び出力端子における電圧を監視する。このコントローラは、適切なパルス幅変調（ＰＷＭ）のデューティサイクルを決定し、出力電圧が降下した場合にデューティサイクルを増加させることによって出力電圧を所定値に固定する。従って、従来のコンバータは、出力電圧上で閉じ、出力電圧を用いてコンバータからの出力電圧をさらに調整及び微調整するフィードバックループを含む。出力電圧を変化させた結果として、入力端子から抽出される電流も変化する。
【００４１】
本発明の態様によれば、コンバータ３０５ａ〜３０５ｄでは、コンバータ内のコントローラ４０５がコンバータの入力端子における電圧及び電流を監視して、取り付けたパネル３０１ａ〜３０１ｄから最大電力が抽出されるようにＰＷＭを決定する。コンバータのコントローラ４０５は、コンバータの入力端子における最大電力点を動的に追跡する。本発明の態様では、従来のＤＣ−ＤＣ電圧コンバータが行っているようにフィードバックループを出力電圧上で閉じるのではなく、フィードバックループを入力電力上で閉じて、最大入力電力を追尾する。
【００４２】
各コンバータ３０５ａ〜３０５ｄ内に、その結果太陽電池パネル３０１ａ〜３０１ｄ毎に別個のＭＰＰＴ回路を有することの結果として、図３に示す実施例における各ストリング３０３は、直列接続された異なる数または異なるブランドのパネル３０１ａ〜３０１ｄを有することができる。図３の回路は、各太陽電池パネル３０１ａ〜３０１ｄの出力端子上でＭＰＰＴを連続的に実行して、温度、太陽放射、陰り、あるいは特定の太陽電池パネル３０１ａ〜３０１ｄに影響する他の性能係数の変化に反応する。その結果、コンバータ３０５ａ〜３０５ｄ内のＭＰＰＴ回路は各パネル３０１ａ〜３０１ｄからの最大可能な電力を獲得して、他の太陽電池パネルに影響するパラメータにかかわらず、この電力を出力として転送する。
【００４３】
こうしたものとして、図３に示す本発明の態様は、各コンバータに入力電流及び入力電圧を供給するＤＣ電源の最大電力点における当該コンバータへの入力電流及び入力電圧を追尾して維持する。コンバータに入力されるＤＣ電源の最大電力も当該コンバータから出力される。コンバータの出力電力は、コンバータの入力電流及び入力電圧とは異なる電流及び電圧を有するようにすることができる。コンバータからの電流及び電圧は、回路の直列接続された部分の要求に対応する。
【００４４】
本発明の態様では、コンバータ３０５ａ〜３０５ｄの出力端子が直列に接続されて単一のＤＣ出力となり、このＤＣ出力は、負荷または電力供給装置への、この例ではインバータ３０４への入力を形成する。インバータ３０４は、直列接続されたこれらのコンバータのＤＣ出力をＡＣ電源に変換する。負荷、この場合はインバータ３０４は、負荷の入力端子における電圧を調整する。即ち、この例では、独立した制御ループ３２０が入力電圧を設定値、例えば４００Ｖに保持する。その結果、インバータの入力電流は取得可能な電力によって決まり、この電流は、直列接続されたすべてのＤＣ電源を通って流れる電流である。他方では、これらのＤＣ−ＤＣコンバータの出力はインバータの入力電流を有しなければならないが、コンバータに入力される電流及び電圧はＭＰＰＴを用いて独立して制御される。
【００４５】
従来技術では、負荷への入力電圧は、取得可能な電力に応じて変化することを許容していた。例えば、太陽光発電設備において大量の太陽光が利用可能である際には、インバータへの入力電圧は１０００Ｖまでにも変化し得る。その結果、太陽光の照射が変化すると共に電圧が変化し、インバータ（あるいは他の電力供給装置または負荷）内の電気的構成部品は変化する電圧を受ける。このことは、これらの構成部品の性能を劣化させやすく、最終的にこれらの構成部品を故障させる。他方では、負荷または電力供給装置、ここではインバータへの電圧または電流を固定することによって、これらの電気的構成部品は常に同じ電圧または電流を受け、従って動作寿命が延びる。例えば、負荷の構成部品（例えば、インバータのコンデンサ、スイッチ及びコイル）は、固定入力電圧または入力電流で、例えばその定格の６０％で動作するように選択することができる。このことは、構成部品の信頼性を向上させ、その動作寿命を延ばし、このことは太陽光発電システムのような応用における動作の喪失を回避するために重要である。
【００４６】
図４Ａ及び４Ｂに、本発明による図３のシステムの、異なる条件下での動作を例示する。好適な構成４０は、図３の構成３０と同様である。図に示す例では、１０個のＤＣ電源４０１／１〜４０１／１０がそれぞれ、１０個の電力コンバータ４０５／１〜４０５／１０に接続されている。ＤＣ電源によって形成されるモジュールと、これらのモジュールに対応するコンバータとが直列に結合されてストリング４０３を形成する。本発明の１つの態様では、直列接続されたコンバータ４０５がＤＣ−ＡＣインバータ４０４に結合されている。
【００４７】
これらのＤＣ電源は太陽電池パネルとすることができ、この例は、１つの例示的場合として太陽電池パネルについて説明する。各太陽電池パネル４０１は、製造公差、陰り、及び他の要因により異なる出力電力を有し得る。この例の目的のために、図４Ａには理想的な場合を例示し、この例ではＤＣ−ＤＣ変換の効率が１００％であるものと仮定し、パネル５０１は理想的であるものと仮定する。本発明の一部の態様では、コンバータの効率を非常に高く、約９０％〜９９％にすることができる。従って、効率１００％の仮定は、例示目的では不合理ではない。さらに、本発明の実施例によれば、各ＤＣ−ＤＣコンバータは電力コンバータとして構成され、即ち、その入力端子で受けた全電力を非常に低い喪失でその出力端子に転送する。
【００４８】
各太陽電池パネル４０１の出力電力は、当該パネルに対応する電力コンバータ４０５内の制御ループによって当該パネルの最大電力点に維持される。図４Ａに示す例では、すべてのパネルが十分な太陽光照射を受け、各太陽電池パネル４０１が２００Ｗの電力を供給する。その結果、ＭＰＰＴループは、パネルからの２００Ｗの全体を当該パネルに関連するコンバータに転送する電流及び電圧レベルを取り出す。即ち、ＭＰＰＴによって定められた電流及び電圧がコンバータへの入力電流Ｉin及び入力電圧Ｖinを形成する。この出力電圧は、インバータ４０４において設定された定電圧によって決まり、これについては以下で説明する。そして出力電流Ｉoutは、総電力、即ち２００Ｗを出力電圧Ｖoutで除算した値である。
【００４９】
上述したように、本発明の特徴によれば、インバータ４０４への入力電圧はインバータによって、制御ループ４２０を用いて制御される（この例では一定に保たれる）。この例の目的として、この入力電圧は４００Ｖに保たれるものと仮定する（２２０ＶのＡＣに変換するための理想的な値である）。１０個の直列接続された電力コンバータが存在し、各々が２００Ｗを供給するものと仮定したので、インバータ４０４への入力電流は２０００Ｗ／４００Ｖ＝５Ａであることがわかる。従って、各コンバータ４０１／１〜４０１／１０を通って流れる電流は５Ａでなければならない。このことは、この理想的な例では、各コンバータが２００Ｗ／５Ａ＝４０Ｖの出力電圧を供給することを意味する。ここで、パネル毎（完全に整合するパネルを仮定する）のＭＰＰＴがＶMPP＝３２Ｖを定めるものと仮定する。このことは、インバータへの入力電圧が３２Ｖであり、入力電流が２００Ｗ／３２Ｖ＝６．２５Ａであることを意味する。
【００５０】
ここで、他の例を挙げ、この例ではシステムが理想的なモード（即ち、完全に整合するＤＣソース、及び全電力がインバータに転送される）に維持されているが、環境条件は理想的ではない。例えば、１つのＤＣ電源が過熱し、故障し、あるいは図４Ｂの例におけるように９番目の太陽電池パネル４０１／９が陰になり、その結果４０Ｗの電力しか生成していない。他のすべての条件は図４Ａの例における通りであり、他の９個の太陽電池パネル４０１は陰になっておらず、まだ２００Ｗの電力を生成している。電力コンバータ４０５／９は、太陽電池パネル５０１／９が最大電力点で動作している状態を保つためのＭＰＰＴを含み、今、この最大電力点は陰りにより低下している。
【００５１】
このストリングから取得可能な総電力は現在９×２００Ｗ＋４０Ｗ＝１８４０Ｗである。インバータへの入力はまだ４００Ｖに維持されているので、インバータへの入力電流は現在、１８４０Ｗ／４００Ｖ＝４．６Ａである。このことは、ストリング内のすべての電力コンバータ４０５／１〜４０５／１０の出力は４．６Ａでなければならないことを意味する。従って、陰になっていない９個のパネルについては、コンバータは２００Ｗ／４．６Ａ＝４３．５Ｖを出力する。他方では、陰になっているパネルパネル４０１／９に取り付けられたコンバータ４０５／９は４０Ｗ／４．６Ａ＝８．７Ｖを出力する。計算をチェックすれば、インバータへの入力は、９個のコンバータが生成している４３．５Ｖと１個のコンバータが生成している８．７Ｖとを加算することによって得られ、即ち(９×４３．５Ｖ)＋８．７Ｖ＝４００Ｖである。
【００５２】
陰になっていない９個のパネルは引き続き図４ＡにおけるＭＰＰＴによって制御され、これにより３２Ｖかつ６．２５Ａであり続ける。他方では、９番目のパネル４０１／９は陰になっているので、そのＭＰＰＴが２８Ｖに低下したものと仮定する。その結果、９番目のパネルの出力電流は４０Ｗ／２８Ｖ＝１．４３Ａになる。この例に見られるように、すべてのパネルが、動作条件にかかわらずその最大電力点で動作する。図４Ｂの例で示すように、１個のＤＣ電源の出力が大幅に低下しても、システムは、インバータへの入力電圧を固定し、そして各コンバータへの入力を独立的に制御してＤＣ電源からＭＰＰ（最大電力点）の電力を取り出すことによって、比較的高い出力電力を維持する。
【００５３】
図４Ａ及び４Ｂに例示するトポロジーの利点は多数あることがわかる。例えば、直列接続された太陽電池パネルのようなＤＣ電源が整合している必要がない。その結果、直列ストリングは、異なる製造業者からのパネル、あるいは屋根の異なる部分上（即ち、異なる空間的向き）に設置したパネルを利用することができる。さらに、いくつかのストリングを並列接続した場合は、これらのストリングが整合する必要はなく、むしろ、各ストリングは異なるパネル、あるいは異なる数のパネルを有することができる。このトポロジーは、ホットスポットの問題を軽減することによって信頼性を強める。即ち、図４Ａに示すように、陰になったパネル４０１／９は１．４３Ａであるのに対し、陰になっていないパネルの出力端子における電流は６．２５Ａである。構成要素が直列接続されている際のこうした電流の相違は、陰になっているパネルに大きな電流を強制的に通し、このことはこの構成要素の過熱及び故障を生じさせ得る。しかし、入力電圧を独立して設定し、各パネルから取り出して当該パネルのコンバータに向ける電力を、各時点における当該パネルのＭＰＰに応じて独立して設定する本発明のトポロジーによって、各パネルの電流は、直列接続されたコンバータから取り出される電流とは独立している。
【００５４】
電力をパネル毎に独立して最適化するので、パネルはＢＩＰＶ設備内の異なる面及び向きに設置することができる。従って、建物一体型設備における低い電力利用の問題が解決され、より多数の設備を有益にすることができる。
【００５５】
説明したシステムは、弱い光の条件におけるエネルギーハーベスト（獲得）の問題も容易に解決することができる。少量の光でも、コンバータ４０５を動作させるのに十分であり、その結果コンバータ４０５はインバータに電力を転送し始める。少量の電力しか取得可能でない場合は、小さい電流しか存在しないが、電圧はインバータを機能させるのに十分なほど高く、電力は実際に獲得される。
【００５６】
本発明の態様によれば、インバータ４０４は、インバータ４０４の入力端子における最適電圧を維持するための制御ループを含む。図４Ｂの例では、インバータ４０４への入力電圧は制御ループ４２０によって４００Ｖに維持される。コンバータ４０５は、太陽電池パネルから取得可能な電力のほぼすべてをインバータ４０４の入力端子に転送する。その結果、インバータ４０４への入力電流は、太陽電池パネルによって供給される電力、及び調整された設定電圧、即ち定電圧のみに依存する。
【００５７】
図１及び図３Ａに示す従来のインバータ１０４は、変化する条件、例えば照射、温度、及び太陽電池アレイの経年変化に適応するために非常に広範囲の入力電圧を有する必要がある。このことは、本発明により設計したインバータ４０４とは対照的である。インバータ４０４は広範囲の入力電圧を必要とせず、従って設計がより単純であり、より信頼性が高い。こうしたより高い信頼性は、とりわけ、インバータの入力端子における電圧スキップ（飛躍）が存在せず、従ってインバータの構成要素がより低い電気的ストレスを受けてより長持ちすることによって達成される。
【００５８】
インバータ４０４が回路の一部である際には、パネルからの電力は、インバータに接続することのできる負荷に転送される。インバータ４０４がその最適な入力電圧で動作することを可能にするために、太陽電池アレイによって生成され、かつ負荷によって使用されない過剰電力は消費される。過剰電力は、電力設備会社に売る選択肢が利用可能であれば、電力設備会社に売電することによって処理することができる。電力網から外れている太陽電池アレイについては、過剰電力をバッテリに蓄電することができる。さらに他の選択肢は、隣接する複数の家屋を一緒に接続してマイクロ電力網を形成し、家屋間での電力の平衡（バランス）を可能にする。太陽電池アレイから取得可能な過剰電力を蓄電または売電しない場合は、過剰電力を消費するための他のメカニズムを用意する。
【００５９】
図４Ａ及び４Ｂに関して説明した特徴及び利点は、少なくとも部分的に、インバータの入力端子に供給される電圧をインバータに定めさせることに起因する。その結果、インバータがその入力端子における電流を定める設計を実現することができる。こうした構成を図４Ｃに示す。図４Ｃは、インバータが入力電流を制御する本発明の実施例を例示する。各太陽電池パネル４０１の出力電力は、当該パネルに対応する電力コンバータ４０５内の制御ループによって当該パネルの最大電力点に維持される。図４Ｃに示す例では、すべてのパネルが十分な太陽光照射を受け、各太陽電池パネル４０１は２００Ｗの電力を供給する。その結果、ＭＰＰＴループは、２００Ｗ全部をパネルから当該パネルに関連するコンバータに転送するための電流レベル及び電圧レベルを取り出す。この電圧はインバータ４０４において設定された定電流によって決まり、これについては以下で説明する。そして出力電圧Ｖoutは、全電力、即ち２００Ｗを出力電流Ｉoutで除算した値である。
【００６０】
上述したように、本発明の特徴によれば、インバータ４０４への入力電流は、インバータが制御ループ４２０を用いて定める。この例の目的で、この入力電流は５Ａに保たれるものと仮定する。各々が２００Ｗを供給する１０個の直列接続された電力コンバータに接続されているものと仮定したので、インバータ４０４への入力電圧は２０００Ｗ／５Ａ＝４００Ｖであることがわかる。従って、各コンバータ４０５／１〜４０５／１０を通って流れる電流は５Ａでなければならない。このことは、この理想的な例では、各コンバータが２００Ｗ／５Ａ＝４０Ｖの電圧を供給することを意味する。ここで、パネル毎のＭＰＰＴがＶMPP＝３２Ｖを定めるものと仮定する。このことは、インバータへの入力電圧が３２Ｖであることを意味し、その入力電流は２００Ｗ／３２Ｖ＝６．２５Ａとなる。
【００６１】
その結果、インバータに電圧ではなく電流を制御させることによって同様の利点が達成される。しかし、従来技術とは異なり、パネルの出力の変化がインバータに流れ込む電流の変化を生じさせない、というのは、この電流はインバータ自体によって定められるからである。従って、インバータが電流または電圧を一定に保つように設計されていれば、パネルの動作にかかわらず、インバータへの電流または電圧は一定のままである。
【００６２】
図５に、本発明の他の態様による、ＤＣ電源を用いた分散型電力ハーベストシステムを例示する。図５は、並列に結合した複数のストリング５０３を例示する。各ストリングは複数のモジュールの直列接続であり、各モジュールは、コンバータ５０５に結合されたＤＣ電源５０１を有する。このＤＣ電源は太陽電池パネルとすることができる。このストリング５０３の並列接続の出力は、ここでも並列に、シャントレギュレータ５０６及び負荷コントローラ５０４に接続されている。負荷コントローラ５０４は、図４Ａ及び４Ｂと同様にインバータとすることができる。シャントレギュレータは、その端子間の電圧を一定に維持する。シャントレギュレータ５０６は過剰電力を消費して、インバータ５０４への入力における入力電圧を調整された値に維持して、インバータの入力電圧が増加することを防止する。シャントレギュレータ５０６を通って流れる電流はインバータ５０４によって取り出される電流を補償して、インバータの入力電圧が一定値、例えば４００Ｖに維持されることを保証する。
【００６３】
インバータの入力電圧を固定することによって、インバータの入力電流は取得可能な電力取り出し量に応じて変化する。この電流は、直列接続されたコンバータのストリング５０３どうしの間で分流される。各コンバータが、当該コンバータの入力電圧を当該コンバータに関連するＤＣ電源の最大電力点に維持する制御ループを含む際に、コンバータの出力電流が決まる。コンバータの電力とコンバータの出力電流とを合わせてコンバータの出力電圧が決まる。コンバータ内の電力変換回路は、コンバータの出力電圧を用いてコンバータの入力電圧をステップアップまたはステップダウンして、この入力電圧からＭＰＰＴによって定められたコンバータの出力電圧を得る。
【００６４】
図６に、本発明による好適なＤＣ−ＤＣコンバータ６０５を例示する。ＤＣ−ＤＣコンバータは通常は、可変または固定のＤＣ入力電圧を、回路の要求に応じてステップダウンまたはステップアップのいずれかを行って、より高い定出力電圧またはより低い定出力電圧にするために用いられる。しかし、図６の実施例では、ＤＣ−ＤＣコンバータを電力コンバータとして使用し、即ち入力電圧を出力電力に転送し、この電力コンバータの入力電圧はＭＰＰＴにより変化するのに対し、出力電流はインバータへの一定の入力電圧によって定められる。即ち、ＤＣ電源の動作条件に応じて、入力電圧及び入力電流は随時変化し得るし、出力電圧及び出力電流も随時変化し得る。
【００６５】
コンバータ６０５は、入力端子６１４及び６１６で、当該コンバータに対応するＤＣ電源６０１に接続されている。ＤＣ電源６０１の変換された電力は出力端子６１０、６１２を通って回路に出力される。入力端子６１４、６１６と出力端子６１０、６１２との間に、コンバータ回路の残りの部分が位置し、この部分は、入力コンデンサ６２０及び出力コンデンサ６４０、逆流防止ダイオード６２２、６４２、及びコントローラ６０６及びインダクタ６０８を含む電力変換回路を含む。
【００６６】
入力端子６１６と６１４とはコンデンサ６２０によって分離され、コンデンサ６２０はＤＣ電圧に対して開路として作用する。出力端子６１０及び６１２もコンデンサ６４０によって分離され、コンデンサ６４０もＤＣ出力電圧に対して開路として作用する。これらのコンデンサはＤＣ阻止またはＡＣ結合コンデンサであり、当該コンデンサに対して選択された周波数の交流を受けると短絡する。出力端子６１０と６１２との間に結合されたコンデンサ６４０も、上述した電力変換回路の一部として動作する。
【００６７】
ダイオード６４２は、出力端子６１０と６１２との間に、電流が出力端子６１２の正のリード線からコンバータ６０５内に逆流し得ないようにする極性で結合されている。ダイオード６２２は、正の出力リード線６１２からＤＣ電流に対する短絡路として作用するインダクタ６０８を通った所と負の入力リード線６１４との間に、出力端子６１２からの電流が太陽電池パネル６０１内に逆流することを防止する極性で結合されている。
【００６８】
ＤＣ電源６１０は太陽電池パネルとすることができる。線６１４と６１６との間には、パネル６０１の太陽電池セル内で生成される正孔対による電位差が存在する。コンバータ６０５は、太陽電池パネル６０１によって供給される電流及び電圧を連続的に監視し、最大電力点追尾アルゴリズムを用いることにより、このパネルからその最大電力点における電流を抽出することによって、最大出力電力を維持する。コントローラ６０６は、ピーク電力追尾を実行するためのＭＰＰＴ回路またはアルゴリズムを含む。ピーク電力追尾及びパルス幅変調ＰＷＭは共に、所望の入力電圧及び入力電流を達成するように実行される。コントローラ６０６内のＭＰＰＴは、例えば摂動兼観測（Ｐ＆Ｏ：Perturb and Observe）、増分コンダクタンス、等のようなあらゆる通常のＭＰＰＴとすることができる。しかし、特に、ＭＰＰＴはパネル上、即ち、コンバータの出力端子ではなくコンバータへの入力端子で直接実行される。そして発生した電力は出力端子６１０及び６１２に転送される。１つのコンバータ６０５の正のリード線６１２が次のコンバータ６０５の負のリード線６１０に接続されるように、複数のコンバータ６０５の出力端子を直列に結合する。
【００６９】
図６では、コンバータ６０５はバック・プラス・ブースト・コンバータとして示している。本明細書で用いる「バック・プラス・ブースト」とは、図６に示すようなブーストコンバータが直接後続するバックコンバータであり、文字通り「カスケード接続されたバックコンバータ−ブーストコンバータ」としても見ることもできる。電圧を降圧させる場合には、ブースト部は実質的に短絡される。電圧を昇圧させる場合には、バック部は実質的に短絡される。「バック・プラス・ブースト」とは、「バック／ブースト・トポロジー」とは異なり、バック／ブースト・トポロジーは電圧を昇圧または降圧させる際に用いることのできる旧式的トポロジーである。バック／ブースト・トポロジーの効率は本質的に、バックまたはブーストより低い。これに加えて、与えられた要求に対して、バック／ブーストコンバータは機能するために、バック・プラス・ブースト・コンバータより大型の受動構成部品を必要とする。従って、図６のバック・プラス・ブースト・トポロジーはバック／ブースト・トポロジーより高い効率を有する。しかし、図６の回路は、バック動作中であるかブースト動作中であるかを連続的に決定する。所望の出力電圧が入力電圧と同様である際の一部の状況では、バック部及びブースト部は共に動作状態であり得る。
【００７０】
コントローラ６０６は、バックコンバータ回路及び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を含むことができる。コントローラ６０６は、バックコンバータ及びブーストコンバータを制御して、バック動作を実行すべきかブースト動作を実行すべきかを決定する。一部の状況では、バック部及びブースト部が共に、一緒に動作し得る。即ち、図４Ａ及び４Ｂの実施例に関して説明したように、入力電圧及び入力電流は、出力電流及び出力電圧の選択とは独立して選択する。さらに、入力値の選択も出力値の選択も、ＤＣ電源の動作に応じてあらゆる瞬時に変化し得る。従って、図６の実施例では、コンバータは、あらゆる時点で入力電流及び入力電圧の選択値が、出力の要求に応じてアップコンバート（上方変換）またはダウンコンバート（下方変換）されるように構成されている。
【００７１】
１つの実現では、コンバータ６０５の一部の機能を内蔵する集積回路（ＩＣ）６０４を用いることができる。ＩＣ６０４は随意的に、屋外の太陽光発電設備に存在する過酷な極限温度に耐えることのできる単一のＡＳＩＣである。ＡＳＩＣ６０４は、２５年以上の長い平均故障間隔（ＭＴＢＦ：Mean Time Between Failures）向けに設計することができる。しかし、複数の集積回路を用いるディスクリート回路の解決法も同様に用いることができる。図６に示す好適な実施例では、コンバータ６０５のバック・プラス・ブースト部はＩＣ６０４として実現される。実際的な考察はシステムの他の区分をもたらし得る。例えば、本発明の１つの態様では、ＩＣ６０４は２つのＩＣを含むことができ、一方はシステム内の大電流及び高電圧を処理するアナログＩＣであり、一方は制御論理回路を含む単純な低電圧デジタルＩＣである。このアナログＩＣはパワー（電力用）ＦＥＴを用いて実現することができ、これは代わりにディスクリート構成部品、ＦＥＴドライバ、Ａ／Ｄ、等で実現することができる。このデジタルＩＣはコントローラ６０６を形成することができる。
【００７２】
図に示す好適な回路では、バックコンバータは、入力コンデンサ６２０、トランジスタ６２８及び６３０、トランジスタ６２８と並列に配置したダイオード６２２、及びインダクタ６０８を含む。トランジスタ６２８、６３０の各々は寄生ボディダイオード６２４、６２６を有する。図に示す好適な回路では、ブーストコンバータは、バックコンバータと共用のインダクタ６０８、トランジスタ６４８及び６５０、トランジスタ６５０と並列に配置したダイオード６４２、及び出力コンデンサ６４０を含む。トランジスタ６４８、６５０の各々は寄生ボディダイオード６４４、６４６を有する。
【００７３】
図１に示すように、直列配置内に電子素子を追加することはシステムの信頼性を低下させ得る、というのは、１つの電子構成部品が壊れればシステム全体に影響し得るからである。具体的には、直列接続された素子の１つの故障により、この故障素子において直列接続の回路が開放される場合は、直列配置全体を通って流れる電流が停止し、これによりシステム全体の機能を停止させる。本発明の態様は、回路の電気素子が、この素子に関連し、この素子が故障した場合に電流を搬送する１つ以上のバイパス経路を有する。例えば、バック部またはブースト部のいずれかの各スイッチングトランジスタはそれ自身のバイパスを有する。いずれかのスイッチングトランジスタの故障時に、回路のこの素子はバイパスされる。また、インダクタの故障時に、電流は、ブーストコンバータ内に用いられるトランジスタの寄生ダイオードを通って、故障したインダクタをバイパスする。
【００７４】
図７に、本発明の態様による電力コンバータを例示する。図７はとりわけ、本発明の実施例によるＤＣ−ＤＣコンバータ７０５の監視及び制御機能を強調する。図にはＤＣ電圧源７０１も示す。簡略化したバック兼ブーストコンバータ回路の部分をコンバータ７０５として示す。図に示す部分は、スイッチングトランジスタ７２８、７３０、７４８及び７５０、及び共通インダクタ７０８を含む。各スイッチングトランジスタは電力変換コントローラ７０６によって制御される。
【００７５】
電力変換コントローラ７０６はパルス幅変調（ＰＷＭ）回路７３３、及び保護部７３７を含むデジタル制御マシン７３０を含む。電力変換コントローラ７０６はマイクロコントローラ７９０に結合され、マイクロコントローラ７９０はＭＰＰＴモジュール７１９を含み、そして随意的に通信モジュール７０９、監視兼記録モジュール７１１、及び保護モジュール７３５を含む。
【００７６】
電流センサ７０３は、ＤＣ電源７０１とコンバータ７０５との間に結合することができ、電流センサ７０３の出力は、これに関連するアナログ−デジタル・コンバータ７２３を通してデジタル制御マシン７３０に供給することができる。電圧センサ７０４は、ＤＣ電源７０１とコンバータ７０５との間に結合することができ、電圧センサ７０４の出力は、これに関連するアナログ−デジタル・コンバータ７２４を通してデジタル制御マシン７３０に供給することができる。電流センサ７０３及び電圧センサ７０４を用いて、ＤＣ電源、例えば太陽電池パネル７０１からの出力電流及び出力電圧を監視する。測定した電流及び電圧はデジタル制御マシン７３０に供給して、コンバータの入力電力を最大電力点に維持するために用いる。
【００７７】
ＰＷＭ回路７３３は、コンバータ回路のバック部及びブースト部のスイッチングトランジスタを制御する。このＰＷＭ回路は、デジタルパルス幅変調（ＤＰＷＭ）回路とすることができる。インダクタ７０８及びスイッチングトランジスタ７５０で取得したコンバータ７０５の出力は、ＰＷＭ回路７３３を制御するために、アナログ−デジタル・コンバータ７４１、７４２を通してデジタル制御マシン７３０に供給される。
【００７８】
ランダムアクセスメモリー（ＲＡＭ）モジュール７１５及び不揮発性ランダムアクセスメモリー（ＮＶＲＡＭ）モジュール７１３は、マイクロコントローラ７９０の外部に配置することができるが、マイクロコントローラ７９０に結合されている。温度センサ７７９及び１つ以上の外部センサインタフェース７０７をマイクロコントローラ７９０に結合することができる。温度センサ７７９を用いて、ＤＣ電源７０１の温度を測定することができる。物理インタフェース（ＰＨＹ）７１７をマイクロコントローラ７９０に結合し、これを用いてマイクロコントローラからのデータを標準的な通信プロトコル及び物理層に変換することができる。コンバータ内には内部電源装置７３９を含めることができる。
【００７９】
本発明の種々の態様では、電流センサ７０３は、電流を測定するために用いることのできる種々の技術によって実現することができる。本発明の１つの態様では、電流測定モジュール７０３は非常に低い値の抵抗を用いて実現される。この抵抗の両端の電圧は、この抵抗を通って流れる電流に比例する。本発明の他の態様では、電流測定モジュール７０３は電流プローブを用いて実現され、この電流プローブはホール効果を用いて、直列抵抗を追加することなしに導体を通る電流を測定する。電流を電圧に変換した後に、データをローパスフィルタに通し、そしてデジタル化することができる。電流センサ７０３に関連するアナログ−デジタル・コンバータは、図７にＡ／Ｄコンバータ７２３として示す。結果的なデータにおけるエリアシング効果は、アナログ−デジタル・コンバータの適切な分解能及びサンプルレートを選択することによって回避することができる。電流センシング技術が直列接続を必要としない場合は、電流センサ７０３はＤＣ電源７０１に並列に接続することができる。
【００８０】
本発明の１つの態様では、電圧センサ７０４が単純な電圧測定技術を用いて太陽電池パネルの出力電圧を測定する。アナログ電圧をローパスフィルタに通してエリアシングを最小化する。そして、アナログ−デジタル・コンバータを用いてデータをデジタル化する。電圧センサ７０４に関連するアナログ−デジタル・コンバータは、図７にＡ／Ｄコンバータ７２４として示す。Ａ／Ｄコンバータ７２４は、ＤＣ電源７０１で測定したアナログ電圧から適切にサンプリングしたデジタル信号を発生するために十分な分解能を有し、ＤＣ電源７０１は太陽電池パネルとすることができる。
【００８１】
最大電力点を追尾するためにコンバータの入力端子で収集した電流及び電圧は、監視目的で用いることもできる。十分な分解能を有するアナログ−デジタル・コンバータは、パネルの電圧及び電流を適正に評価することができる。しかし、パネルの状態を測定するためには、さらに低いサンプルレートでも十分なことがある。ローパスフィルタは、パネルの状態を評価するのに低いサンプルレートで十分であることを可能にする。電流及び電圧データは、分析のために監視兼記録装置に供給する。
【００８２】
温度センサ７７９は、システムが分析プロセスにおいて温度データを用いることを可能にする。温度は、一種の故障及び問題を示す。さらに、電源が太陽電池パネルである場合は、パネルの温度は出力電力生産の係数である。
【００８３】
１つ以上の外部センサインタフェース７０７は、種々の外部センサをコンバータ７０５に接続することを可能にする。外部センサを随意的に用いて、太陽電池パネル７０１、または太陽電池パネル７０１を接続することによって形成されるストリングまたはアレイの状態の分析を強化する。外部センサの例は、周囲温度センサ、太陽放射センサ、及び隣接するパネルからのセンサを含む。外部センサは外部に取り付ける代わりにコンバータ７０５内に集積することができる。
【００８４】
本発明の１つの態様では、電流及び電圧センサ７０３、７０４、及び随意的な温度センサ及び外部センサ７０５、７０７から取得した情報を、通信インタフェース７０９を用いて中央分析ステーションに送信して、監視、制御、及び分析を行うことができる。中央分析ステーションは図には示していない。通信インタフェース７０９はマイクロコントローラ７９０を通信バスに接続する。通信バスはいくつかの方法で実現することができる。本発明の１つの態様では、通信バスはイーサネット（登録商標）またはＲＳ４２２のようなオフ・ザ・シェルフ通信バスを用いて実現される。無線通信または電力線通信のような、パネルを接続している電力線上で実現することのできる他の方法も用いることができる。双方向通信を用いる場合には、中央分析ステーションはマイクロコントローラ７９０によって収集したデータを要求することができる。その代わりに、またはこれに加えて、センサ７０３、７０４、７０５、７０７から取得した情報を、監視兼記録モジュール７１１を用いて、ＲＡＭ７１５またはＮＶＲＡＭ７１３のようなローカルメモリにローカルに記憶することができる。
【００８５】
センサ７０３、７０４、７０５、７０７からの情報は、太陽電池アレイ内の電力喪失に関連する多種の故障の検出及び箇所特定を可能にする。高性能の分析を用いて、太陽電池アレイの特定部分を洗浄または交換するような修正措置を提案することもできる。センサ情報の分析により、環境条件または設置ミスによって生じる電力損失を検出し、高価で困難な太陽電池アレイの試験を回避することもできる。
【００８６】
その結果、本発明の１つの態様では、マイクロコントローラ７９０は、ＭＰＰＴモジュール７１９内のＭＰＰＴアルゴリズムに基づいて、コンバータ７０５に取り付けられたＤＣ電源からコンバータ７０５への入力電力の最大電力点を維持すると同時に、センサ７０３、７０４、７０５、７０７からの情報を収集する。収集した情報はローカルメモリ７１３、７１５に記憶して、外部の中央分析ステーションに送信することができる。本発明の１つの態様では、マイクロコントローラ７９０は、ＮＶＲＡＭ７１３に記憶された事前に定めたパラメータを用いて動作する。ＮＶＲＡＭ７１３に記憶された情報は、製造番号、使用する通信バスの種類、状態更新率、及び中央分析ステーションのＩＤのようなコンバータ７０５についての情報を含むことができる。この情報は、伝送の前に、センサによって収集したパラメータに追加することができる。
【００８７】
コンバータ７０５は、太陽電池アレイの設置中に設置するか、あるいは既存の設備に追設することができる。両方の場合において、コンバータ７０５はパネル接合用の接続ボックス、あるいはパネル７０１どうしを接続するケーブルに接続することができる。各コンバータ７０５には、容易な設置及び太陽電池パネル７０１及びパネルケーブルへの接続を可能にするためのコネクタ及びケーブル配線を設けることができる。
【００８８】
本発明の１つの態様では、物理インタフェース７１７を用いて、標準的な通信プロトコル及び物理層に変換し、これにより、設置及び保守中に、コンバータ７０５を、コンピュータまたはＰＤＡのような種々のデータ端末の１つに接続することができる。そして分析はソフトウェアとして実現し、このソフトウェアは標準的なコンピュータ、組込みプラットフォーム、あるいは専用装置上で実行される。
【００８９】
コンバータ７０５の設置プロセスは、各コンバータ７０５を太陽電池パネル７０１に接続することを含む。センサ７０３、７０４、７０５、７０７の１つ以上を用いて、太陽電池パネル７０１とコンバータ７０５とが適切に結合されていることを保証することができる。設置中に、製造番号のようなパラメータ、物理的箇所、及びアレイの接続トポロジーをＮＶＲＡＭ７１３に記憶することができる。分析ソフトウェアはこれらのパラメータを用いて、太陽電池パネル７０１及びアレイ内の将来の問題を検出することができる。
【００９０】
ＤＣ電源７０１が太陽電池パネルである場合は、太陽光発電の太陽電池パネルの設置者が直面する１つの問題は安全性である。太陽電池パネル７０１は、太陽光のある日中に直列接続される。従って、いくつかの太陽電池パネル７０１が直列接続されている設置の最終段階では、パネルのストリング両端の電圧が危険レベルに達し得る。家庭用の設置では６００Ｖもの電圧が普通である。従って、設置者は感電死の危険に直面する。パネル７０１に接続されたコンバータ７０５は、こうした危険を防止するためのビルトイン（内蔵）機能を用いることができる。例えば、コンバータ７０５は、所定の最小負荷を検出するまで出力電圧を安全レベルに制限する回路またはハードウェアまたはソフトウェアの安全モジュールを含むことができる。この所定負荷を検出して初めて、マイクロコントローラ７９０はコンバータ７０５からの出力電圧を立ち上げる。
【００９１】
安全メカニズムを提供する他の方法は、コンバータ７０５とこれに関連するパネルのストリングまたはアレイ用のインバータとの間の通信を用いることである。この通信は例えば電力線通信とすることができ、大きな、あるいは潜在的に危険な電力レベルが取得可能になる前にハンドシェークを提供することができる。従って、コンバータ７０５は、インバータに電力を転送する前に、関連するアレイ内のインバータからのアナログまたはデジタルの解除信号を待機する。
【００９２】
上述したＤＣ電源７０１の監視、制御、及び分析の方法は、太陽電池パネル上、あるいは太陽電池パネルのストリングまたはアレイ上で、あるいはバッテリまたは燃料電池のような他の電源に対して実現することができる。
【００９３】
図８に、従来技術による太陽電池パネルの構成を例示する。図８では、太陽電池パネル８００が太陽電池セル８０５を具え、これらの太陽電池セルは直列接続されてストリング８１０にグループ化されている。ストリング８１０は互いに直列接続されている。ストリング８１０毎にバイパスダイオード８２０を設けて、１つのストリングの出力電力が低下した場合に、セルを負電圧領域に入れる代わりに、このストリングをそれぞれのダイオード８２０を経由してバイパスすることができ、セルを負電圧領域に入れることは、これらのセルにおける電力消費をもたらすか、これらのセルを焼失させ得る。しかし、電流がダイオードを通って流れると、これらのダイオードはエネルギーを消費する。例えば、５Ａの電流が０．７Ｖの順方向電圧を有する通常のダイオードを通って流れる場合は、この損失は３．５Ｗである。実際は、この損失は簡単に１０Ｗに達し得る。
【００９４】
図９に、本発明の実施例による、太陽電池ストリング内の電力損失を低減する構成を例示する。図９では、太陽電池パネル９００は太陽電池セル９０５で作製され、これらの太陽電池セルは直列接続されてストリング９１０にグループ化されている。ストリング９１０は互いに直列接続されている。ストリング９１０毎にバイパスダイオードを設けて、１つのストリングの出力電力が低下した場合に、このストリングをそれぞれのダイオード９２０経由でバイパスすることができる。これに加えて、ＦＥＴまたはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）のようなスイッチングデバイス９２５をバイパス配置に接続して、それぞれのダイオードをバイパスすることができる。一旦、スイッチングデバイス９２５が、電流が１つのダイオード９２０を経由して流れていることを検出すると（あるいは、一旦、ストリング９１０の両端の電圧が負であることを検出すると）、そのスイッチングデバイス９２５を活性化する。このことは、電流をこのスイッチングデバイスに導き通し、これにより、エネルギーの損失が大幅に低減される。この検出は、例えばストリングの両端の電圧またはダイオードを通る電流を検出することによって行うことができる。
【００９５】
図１０に、本発明の実施例による、太陽電池ストリング内の電力損失を低減する他の構成を例示する。図１０では、太陽電池パネル１０００は太陽電池セル１００５で作製され、これらの太陽電池セルは直列接続されてストリング１０１０にグループ化されている。ストリング１０１０は互いに並列接続されている。ストリング１０１０毎に、ＦＥＴまたはＩＧＢＴのようなバイパス・スイッチングデバイスを設けて、１つのストリングにおける出力電力低下の場合に、このストリングを、それぞれのスイッチングデバイス１０２５経由でバイパスすることができる。一旦、ストリング１０１０が（弱い照射によるにせよ故障によりにせよ）逆バイアスに入ったことを検出すると、そのスイッチングデバイス１０２５をオン状態にし、これにより、電流がそれぞれのスイッチングデバイス１０２５を経由して流れる。その検出は、例えば当該ストリングの電圧または電流を検出することによって行うことができる。
【００９６】
図１１に、本発明の実施例による、太陽電池ストリングをバイパスする構成を例示する。即ち、図１１は、例えば図６のコンバータのようなコンバータを利用して、太陽電池ストリング及び／または太陽電池ストリングの両端に結合されたダイオードのバイパスをトリガすることのできる方法を例示する。図１１では、太陽電池パネル１１００は太陽電池セル１１０５で作製され、これらの太陽電池セルは直列接続されてストリング１１１０にグループ化されている。ストリング１１１０は互いに並列接続されている。ストリング１１１０毎にバイパスダイオード１１２０が設けられ、これにより、１つのストリングの出力電力が低下した場合に、このストリングをそれぞれのダイオード１１２０経由でバイパスすることができる。しかし、図１０に関して説明したように、これらのダイオードは省略することができる。これに加えて、ＦＥＴまたはＩＧＢＴのような１つのスイッチングデバイス１１２５をバイパス配置に接続して、それぞれのストリング１１１０及び／またはダイオード１１２０をバイパスすることができる。一旦、太陽電池ストリングが逆バイアスに入ったことを検出すると、そのスイッチングデバイス１１２５はコントローラ９０６によって活性化される。このことは電流をスイッチングデバイス１１２５に導き通し、これによりエネルギーの損失が大幅に低減される。この検出は例えば、図７の素子７０３及び７０４に関して説明したように、ストリングの両端の電圧またはダイオードを通る電流を検出することによって行うことができる。
【００９７】
本発明は、あらゆる点で限定的ではなく例示的であることを意図した特定例に関して説明してきた。本発明を実施するために、ハードウェア、ソフトウェア及びファームウェアの多種の組合せが適していることは、当業者にとって明らかである。さらに、明細書の考察及び明細書に開示した本発明の実施により、本発明の他の実現は当業者にとって明らかである。本明細書及び例は好適なものに過ぎないと考えるべきであり、本発明の真の範囲は請求項の記載及びこれと等価なものによって示されることを意図している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年8月14日(2009.8.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８４】
本発明の１つの態様では、電流及び電圧センサ７０３、７０４、及び随意的な温度センサ及び外部センサ７０７から取得した情報を、通信インタフェース７０９を用いて中央分析ステーションに送信して、監視、制御、及び分析を行うことができる。中央分析ステーションは図には示していない。通信インタフェース７０９はマイクロコントローラ７９０を通信バスに接続する。通信バスはいくつかの方法で実現することができる。本発明の１つの態様では、通信バスはイーサネット（登録商標）またはＲＳ４２２のようなオフ・ザ・シェルフ通信バスを用いて実現される。無線通信または電力線通信のような、パネルを接続している電力線上で実現することのできる他の方法も用いることができる。双方向通信を用いる場合には、中央分析ステーションはマイクロコントローラ７９０によって収集したデータを要求することができる。その代わりに、またはこれに加えて、センサ７０３、７０４、７０７から取得した情報を、監視兼記録モジュール７１１を用いて、ＲＡＭ７１５またはＮＶＲＡＭ７１３のようなローカルメモリにローカルに記憶することができる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８５】
センサ７０３、７０４、７０７からの情報は、太陽電池アレイ内の電力喪失に関連する多種の故障の検出及び箇所特定を可能にする。高性能の分析を用いて、太陽電池アレイの特定部分を洗浄または交換するような修正措置を提案することもできる。センサ情報の分析により、環境条件または設置ミスによって生じる電力損失を検出し、高価で困難な太陽電池アレイの試験を回避することもできる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８６】
その結果、本発明の１つの態様では、マイクロコントローラ７９０は、ＭＰＰＴモジュール７１９内のＭＰＰＴアルゴリズムに基づいて、コンバータ７０５に取り付けられたＤＣ電源からコンバータ７０５への入力電力の最大電力点を維持すると同時に、センサ７０３、７０４、７０７からの情報を収集する。収集した情報はローカルメモリ７１３、７１５に記憶して、外部の中央分析ステーションに送信することができる。本発明の１つの態様では、マイクロコントローラ７９０は、ＮＶＲＡＭ７１３に記憶された事前に定めたパラメータを用いて動作する。ＮＶＲＡＭ７１３に記憶された情報は、製造番号、使用する通信バスの種類、状態更新率、及び中央分析ステーションのＩＤのようなコンバータ７０５についての情報を含むことができる。この情報は、伝送の前に、センサによって収集したパラメータに追加することができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８９】
コンバータ７０５の設置プロセスは、各コンバータ７０５を太陽電池パネル７０１に接続することを含む。センサ７０３、７０４、７０７の１つ以上を用いて、太陽電池パネル７０１とコンバータ７０５とが適切に結合されていることを保証することができる。設置中に、製造番号のようなパラメータ、物理的箇所、及びアレイの接続トポロジーをＮＶＲＡＭ７１３に記憶することができる。分析ソフトウェアはこれらのパラメータを用いて、太陽電池パネル７０１及びアレイ内の将来の問題を検出することができる。