(57)【要約】  光起電システムを制御する方法は、可変ＤＣ電力出力及び可変ＤＣ電流出力を有する光起電装置を提供することを含む。光起電装置は、最大電力点に対応する電圧出力レベルと電流出力レベルとの組み合わせを有する。ＤＣ電力供給装置が、光起電装置と並列又は直列接続で接続される。ＤＣ負荷は、ＤＣ電力供給装置と光起電装置との組み合わせに接続され、ＤＣ負荷が該組み合わせにより電力供給される。光起電装置の電圧出力と電流出力とが最大電力点又は他の所望の電力点に対応する電圧出力レベルと電流出力レベルとに実質的に一致するように、ＤＣ電力供給装置の特性が調整される。【選択図】図３ａ
2015512080.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光起電システムを制御する方法であって、
可変ＤＣ電力出力及び可変ＤＣ電流出力を有する光起電装置を提供するステップであって、前記光起電装置は最大電力点に対応する電圧出力レベルと電流出力レベルとの組み合わせを有する、ステップと、
前記光起電装置と並列又は直列接続でＤＣ電力供給装置を接続するステップと、
ＤＣ負荷を前記ＤＣ電力供給装置と前記光起電装置との組み合わせに接続し、前記ＤＣ負荷が該組み合わせにより電力供給されるステップと、
前記光起電装置の前記電圧出力と前記電流出力が前記最大電力点に対応する前記電圧出力レベルと前記電流出力レベルに実質的に一致するように前記ＤＣ電力供給装置の特性を調整するステップと、を有する、方法。
【請求項２】
請求項１に記載された方法であって、
前記ＤＣ負荷は、インバータに電気的に結合される、方法。
【請求項３】
請求項１に記載された方法であって、
前記ＤＣ負荷は、インバータに電気的に結合されない、方法。
【請求項４】
請求項１に記載された方法であって、
前記ＤＣ負荷は、可変であり且つ制御可能である、方法。
【請求項５】
請求項１に記載された方法であって、さらに、
前記光起電装置に直列接続で分離ダイオードを接続するステップを有する、方法。
【請求項６】
請求項１に記載された方法であって、さらに、
前記ＤＣ電力供給装置に直列接続で分離ダイオードを接続するステップを有する、方法。
【請求項７】
請求項１に記載された方法であって、
前記ＤＣ電力供給装置の前記特性は、前記ＤＣ電力供給装置の電力出力、電流出力、及び／又は電圧出力を含む、方法。
【請求項８】
請求項１に記載された方法であって、
前記ＤＣ負荷は、ＨＶＡＣシステム、照明システム、冷却システム、データセンター、電気自動車充電システム、換気システム、及び／又はモータを含む、方法。
【請求項９】
光起電システムであって、
可変ＤＣ電圧出力及び可変ＤＣ電流出力を有する光起電装置であって、前記光起電装置は、最大電力点に対応する電圧出力レベルと電流出力レベルとの組み合わせを有する、光起電装置と、
前記光起電装置と並列又は直列接続で接続されるＤＣ電力供給装置と、
前記ＤＣ供給装置と前記光起電装置との組み合わせに接続され、該組み合わせにより電力供給されるように構成される、ＤＣ負荷と、を有し、
前記ＤＣ電力供給装置は、前記光起電装置の前記電圧出力と前記電流出力とが前記ＤＣ電力供給装置の出力の調整に応じて調整可能であるように、調整可能な出力を有し、
前記光起電システムはさらに、
前記ＤＣ電力供給装置に結合され、且つ前記光起電装置の前記電圧出力及び前記電流出力が前記最大電力点に対応する前記電圧出力レベル及び前記電流出力レベルと実質的に一致するように前記ＤＣ電力供給装置の前記出力を自動的に調整するように構成される制御装置を有する、光起電システム。
【請求項１０】
請求項９に記載されたシステムであって、
前記ＤＣ負荷は、インバータに電気的に結合される、システム。
【請求項１１】
請求項９に記載されたシステムであって、
前記ＤＣ負荷は、インバータに電気的に結合されない、システム。
【請求項１２】
請求項９に記載されたシステムであって、
前記ＤＣ負荷は、可変であり且つ制御可能である、システム。
【請求項１３】
請求項９に記載されたシステムであって、さらに、
前記光起電装置に直列接続で接続される分離ダイオードを有する、システム。
【請求項１４】
請求項９に記載されたシステムであって、さらに、
前記ＤＣ電力供給装置に直列接続で接続される分離ダイオードを有する、システム。
【請求項１５】
請求項９に記載されたシステムであって、
前記ＤＣ電力供給装置の前記出力は、前記ＤＣ電力供給装置の電力出力、電流出力、及び／又は電圧出力を含む、システム。
【請求項１６】
請求項９に記載されたシステムであって、
前記ＤＣ負荷は、ＨＶＡＣシステム、照明システム、冷却システム、データセンター、電気自動車充電システム、換気システム、及び／又はモータを含む、システム。
【請求項１７】
光起電システムを制御する方法であって、
可変ＤＣ電力出力及び可変ＤＣ電流出力を有する光起電装置を提供するステップであって、前記光起電装置は最大電力点に対応する電圧出力レベルと電流出力レベルとの組み合わせを有する、ステップと、
前記光起電装置の出力にＤＣ−ＡＣインバータを接続するステップと、
ＤＣ負荷を前記光起電装置の前記出力に接続するステップと、
前記光起電装置の前記電圧出力と前記電流出力が前記最大電力点に対応する前記電圧出力レベルと前記電流出力レベルに実質的に一致するように前記ＤＣ−ＡＣインバータの電流引き込みを調整するステップと、を有する、方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載された方法であって、
前記ＤＣ負荷は、可変であり且つ制御可能である、方法。
【請求項１９】
請求項１７に記載された方法であって、さらに、
前記光起電装置に直列接続で分離ダイオードを接続するステップを有する、方法。
【請求項２０】
請求項１７に記載された方法であって、
前記ＤＣ負荷は、ＨＶＡＣシステム、照明システム、冷却システム、データセンター、電気自動車充電システム、換気システム、及び／又はモータを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［0001］本発明は、光起電装置を制御するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
［0002］光起電（ＰＶ）装置は、セル、モジュール、又はアレイの形であり得る。そのようなＰＶ装置から最大出力を抽出するために、装置は、図１に示すように、その装置の電流電圧（Ｉ−Ｖ）曲線における最大電力点（ＭＰＰ）で作動され得る。この最大電力点は放射照度、温度、経年劣化、及び他の状況で変化するので、ＰＶシステムは、ＰＶ装置がＭＰＰで、又はＭＰＰの近くで作動し続けるために最大電力点追尾（ＭＰＰＴ）として知られる機能を採用する。ＭＰＰＴ機能は、典型的に、ＰＶ装置と電力系統又はＡＣ電気負荷との間に接続された直流（ＤＣ）交流（ＡＣ）ＰＶインバータ（ここでは「インバータ」という）内の電気回路及びアルゴリズムを使用して、実行される。代替的に、ＭＰＰＴ機能は、図２のシステム２０に示されるように、ＰＶ装置に直接接続されるＤＣオプティマイザ（又はＤＣ／ＤＣコンバータ）内の電気回路及びアルゴリズムとして実装され得る。
【発明の概要】
【０００３】
［0003］本発明は、ＰＶ装置がＩ−Ｖ曲線におけるもっとも効率的な電力点で、又はその電力点の近くで、或いは他の所望の電力点で作動することができるようにする方法を提供し得る。インバータ及び／又はＤＣオプティマイザは、本発明を利用するＰＶ設備のためにサイズ／複雑さが取り除かれ又は低減され得る。
【０００４】
［0004］電気負荷の一部または全部がＤＣ電力に直接作動するように設計され且つＰＶ装置及び他の電力源にＤＣバス（「ＤＣマイクログリッド」ともいう）を介して接続される建物又は他のシステム内で、ＭＰＰＴ機能は、ＰＶシステムがＭＰＰで又はこの近くで作動し続けるためにＤＣバスに接続されたＤＣ負荷及び／又はＤＣ源の作動状態を動的に調整することにより建物又はシステムレベルにおいて実行され得る。この概念は、ここでは「システムレベルＭＰＰＴ」とも呼ばれ得る。
【０００５】
［0005］
システムレベルでＭＰＰＴ機能を実行することは、専用のＭＰＰＴ回路及び対応する電力損失を備える追加の電力変換の必要性を除外し得る。したがって、システムレベルでＭＰＰＴ機能を実行することは、コストの低減及びより信頼性の高いシステムをもたらし得る。（例えば、食品の冷蔵、一貫した日中の照明負荷を備えた建物、データセンター等のための）ＰＶ電力が発生されている時間の大部分の間、ＤＣ負荷が利用可能な全てのＤＣＰＶ電力を使用するのに十分な大きさであるシステムにおいて、ＭＰＰＴ機能を含むインバータは、図３ｃに示されるように、システムから完全に除外され得る。インバータが除外された状態では、ＭＰＰＴ機能は、最大ＰＶ電力を得るために実行される必要があり得、システムレベルＭＰＰＴは、この目的を達成するために経済的な代替手段を提供する。単純な例として、システムレベルＭＰＰＴは、ＰＶ装置と並列に接続されるＤＣ電力供給装置の電圧を動的に調整することによって実行され得る。ＤＣ負荷は、ＤＣ電力供給装置とＰＶ装置との並列の組み合わせに接続され得る。ＤＣ電力供給装置の電圧は、ＰＶ装置がＰＶ装置のＭＰＰで又はこの近くでＤＣ負荷に電力を寄与することができるように、動的に調整され得る。ＤＣ負荷は、同様に、ＭＰＰ電圧に対応する広い動的ＤＣバス電圧範囲に渡って作動するように設計され得る。この例は、ＤＣ負荷により消費される電力がＰＶ出力電力よりも通常高い（ＤＣ電力供給装置がＤＣ負荷により必要とされる電力のバランスに寄与する）ときに意味を成し、且つこの例は、二つのＤＣ源間の逆給電を防止するためにＰＶ装置及び／又はＤＣ電力供給源に分離ダイオードを必要とし得る。ＤＣマイクログリッド３００は、この状況に特に適切であり得、ＤＣマイクログリッド３００は、図３ｃに示されるように、ＰＶアレイと電力系統との間にインバータを含まない。
【０００６】
［0006］システムレベルＭＰＰＴは、図３ｃに示されるように、ＰＶ電力発生がＤＣ負荷により消費される電力を実質的に超過するアプリケーションにおいてＭＰＰＴ機能を備えていようがいまいが縮小サイズのインバータを許容するので、より大きなＰＶ装置電力容量は、経済的な見返りの観点からより小さいＤＣ負荷プロファイルに最適化され得る。
【０００７】
［0007］ＰＶ装置は、電力源としてふるまうが、典型的な安定した電圧又は電流源と同じではない。代わりに、ＰＶ装置は、電流電圧（Ｉ−Ｖ）曲線で表される、幅広い異なる電圧及び対応する電流に渡って電力を供給することができる。さらに、Ｉ−Ｖ曲線自身は、温度、放射照度、温度、及び他の要素に基づいて変化する。最大電力を抽出するために、特定の状況下で適用可能な曲線状の最大電力点（ＭＰＰ）である、Ｉ−Ｖ曲線の「膝」でＰＶ装置を作動させることが望ましい。本発明により、ＰＶ装置に接続される回路における他の装置の作動状況を調整することにより、Ｉ−Ｖ曲線における任意の点で作動するようにＰＶ装置を「強制」することができ得る。ＰＶ装置からいっそうの電流を取り付けられた回路に引き出すことは、Ｉ−Ｖ曲線における作動電圧を低下させ得る。例として、ＰＶ装置からいっそうの電流を引き出すことは、いっそうの電流を「下げる」ように調整され得る電気負荷に接続し、したがって回路における効果的な負荷抵抗を低下させることにより達成され得る。ＰＶ装置から少ない電流を取り付けられた回路に引き出すことは、Ｉ−Ｖ曲線における作動電圧を上昇させ得る。例えば、ＰＶ装置から低い電流を引き出すことは、ＰＶ装置に並列に接続されるＤＣ電力供給装置から被接続電気負荷にいっそうの電流を供給することにより達成され得、電気負荷に伝達される電力の総計に影響を与えることなくＰＶ装置から電流負荷の一部を効率的にアンロードする。必要とされたときのＤＣ電力供給装置又は他のソースからの電力の制御された「供給」、及び／又はＤＣ負荷及び調節可能なインバータへの電力の制御された「下降」の動作を通じて、ＰＶ装置は、ＭＰＰを含む、Ｉ−Ｖ曲線における任意の電圧及び電流で作動するために「誘導」され得る。上述の例及び図は、電圧が調整される、ＰＶ装置に並列に接続されるＤＣ電力供給源を示すことを注意されたい。しかしながら、同様の概念は、ＰＶ装置と直列に接続されたＤＣ電力供給源に適用されてもよく、電流は、同様にＰＶ装置に特定の電流で、したがってＩ−Ｖ曲線の定義された点で作動させるように「強制」するために調整される。図示の簡略化のため、並列構成が、ここでの大部分の例及び図面で使用される。
【０００８】
［0008］その一形態において、本発明は、光起電システムを制御する方法であって、可変ＤＣ電圧出力及び可変ＤＣ電流出力を有する光起電装置を供給することを含む、方法を有する。光起電装置は、最大電力点に対応する電流出力レベル及び電流出力レベルの組み合わせを有する。ＤＣ電力供給源は、光起電装置と並列及び／又は直列の組み合わせで接続される。ＤＣ負荷は、ＤＣ電力供給装置と光起電装置との組み合わせに接続され、負荷はその組み合わせにより電力が供給される。ＤＣ電力供給装置の特性は、光起電装置の電圧出力と電流出力とが最大電力点又は他の所望の電力点に対応する電圧出力レベル及び電流出力レベルに実質的に一致するように調整される。
【０００９】
［0009］他の形態において、本発明は、可変ＤＣ電圧出力及び可変ＤＣ電流出力を有する光起電装置を含む光起電システムを有する。光起電装置は、最大電力点に対応する電圧出力レベルと電流出力レベルの組み合わせを有する。ＤＣ電力供給装置は、光起電装置と並列及び／又は直列の組み合わせで接続される。ＤＣ負荷は、ＤＣ電力供給装置と光起電装置との組み合わせに接続され、負荷はその組み合わせにより電力が供給される。ＤＣ電力供給装置は、光起電装置の電圧出力と電流出力とがＤＣ電力供給装置の出力の調整に応じて調整可能なように、調整可能な出力を有する。制御手段は、ＤＣ電力供給装置に結合され、光起電装置の電圧出力及び電流出力が最大電力点又は他の所望の電力点に対応する電圧出力レベル及び電流出力レベルと実質的に一致するように、ＤＣ電力供給装置の出力を自動的に調整する。
【００１０】
［0010］さらに他の形態において、本発明は、可変ＤＣ電圧出力及び可変ＤＣ電流出力を有する光起電装置を提供することを含む、光起電システムを制御する方法を有する。光起電装置は、最大電力点に対応する電圧出力レベルと電流出力レベルとの組み合わせを有する。ＤＣ−ＡＣインバータは、光起電装置の出力に接続される。ＤＣ負荷は、光起電装置の出力に接続される。ＤＣ−ＡＣインバータの電流引き込みは、光起電装置の電圧出力と電流出力とが最大電力点に対応する電圧出力レベル及び電流出力レベルに実質的に一致するように調整される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、ＰＶシステムの最大電力点を示す電圧対電流プロットである。
【図２】図２は、従来技術の既知の光起電システムを示すブロック図である。
【図３ａ】図３ａは、本発明のＤＣマイクログリッドの一実施形態のブロック図である。
【図３ｂ】図３ｂは、本発明のＤＣマイクログリッドの他の実施形態のブロック図である。
【図３ｃ】図３ｃは、本発明のＤＣマイクログリッドのさらに他の実施形態のブロック図である。
【図３ｄ】図３ｄは、本発明のＤＣマイクログリッドのさらに他の実施形態のブロック図である。
【図４ａ】図４ａは、本発明のＤＣマイクログリッドのさらに他の実施形態のブロック図である。
【図４ｂ】図４ｂは、本発明のＤＣマイクログリッドのさらに他の実施形態のブロック図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態に対応するＤＣマイクログリッド及び関連する照明負荷の電力対時刻のプロット例である。
【図６】図６は、本発明の他の実施形態に対応するＤＣマイクログリッド及び関連する照明負荷の電力対時刻のプロット例である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［0011］図３ａを参照すると、ＰＶ装置３２と、可変且つ制御可能インバータ３４と、電力系統３６と、可変且つ制御可能ＤＣ電力供給装置３８と、可変且つ制御可能ＤＣ負荷４０と、を含むＤＣマイクログリッド３０が示される。ＤＣ負荷４０は、ＰＶ装置３２及びＤＣ電力供給装置３８に並列の組み合わせに接続され得る。ＰＶ装置のＭＰＰに対応する可変ＤＣ電圧は、共通のＤＣバス上で生成され得、ＤＣ負荷４０に印加され得る。ＤＣ負荷４０がＰＶ装置３２により提供されるよりも低い電力を消費するとき、インバータ３４は、ＰＶ装置３２からのＤＣ電力を電力系統３６に供給されるＡＣ電力に変換し得る。一方で、ＰＶ装置３２がＤＣ負荷４０により消費される電力の全てを供給しないときは、電力供給装置３８は電力系統３６からのＡＣ電力をＤＣ負荷４０に印加されるＤＣ電力に変換し得る。例えば、電力供給装置３８の出力は、ＰＶ装置３２の出力がＭＰＰであるように制御され得る。即ち、ＰＶ装置３２の電力出力が、電力供給装置３８の電圧出力を変化させることにより制御され得、ＰＶ装置がＩ−Ｖ曲線上で作動する位置を効率的に変化させる。同様に、インバータのＤＣ電流引き込みは、特にＰＶ装置電力がＤＣ負荷要求を超えたときに調節され得、ＰＶ装置がＩ−Ｖ曲線上で作動する位置を再び制御する。システムレベルＭＰＰＴはシステム内の非ＰＶ源及び負荷の一以上を制御することにより実行され得、一方で他の源及び負荷が固定されたままであり得る（制御されず、又は調整可能でない）ことに留意されたい。上記の制御を実行するために、インバータ３４及び／又は電力供給装置３８は、制御装置として機能し得、例えば制御ソフトウェアと協力する目的でそれぞれプロセッサ又は特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を含み得る。図３ｂに示されるように、分離ダイオード４２，４４が、ＰＶ装置３２とＤＣ電力供給装置３８との間のＤＣ逆給電を防止するために設けられ得る。
【００１３】
［0012］図３ｃの代替の実施形態では、ＤＣマイクログリッド３００は、マイクログリッド３００がインバータ３４に対応するインバータ含まないことを除いて、ＤＣマイクログリッド３０と類似する。ＤＣ負荷３４０は、ＰＶ装置３３２とＤＣ電力供給装置３３８との並列の組み合わせに接続され得る。ＤＣマイクログリッド３００は、ＰＶアレイ３３２の電力出力がＤＣ負荷３４０により消費されるよりも大きい電力を生成すると見込まれるアプリケーションに特に適切であり得る。電力供給装置３３８は、電力系統３３６からのＡＣ電力を、ＤＣ負荷３４０に印加されるＤＣ電力に変換し得る。電力供給装置３３８の出力は、ＰＶアレイ３３２の出力がＭＰＰにあるように制御され得る。例えば、ＰＶアレイ３３２の電力出力は、電力供給装置３３８の電圧出力を変化させることにより制御され得る。図３ｄに示されるように、分離ダイオード３４２，３４４が、ＰＶ装置３３２とＤＣ電力供給装置３３８との間のＤＣ逆給電を防止するために設けられ得る。
【００１４】
［0013］本発明の一実施形態によれば、ＤＣバスに接続されるＤＣ負荷及び／又はＤＣ源の作動状況の動的調整は、中央制御ユニットにより実行され得、中央制御ユニットは、モニタと通信し、且つ建物（例えばＨＶＡＣ、照明、冷却、データセンター、電気自動車（ＥＶ）充電、例えば天井ファンのモータの換気装置等）のＤＣ負荷及びＤＣ源（ＰＶ装置、ＤＣ電力供給源等）の制御（調整又は変化）を行う。調整は、実行される基本的な機能を劇的に又は著しく変化させないように行われる（例えば、ＨＶＡＣ速度が変化されても、建物の温度は居住者の快適なレベル内に収められる；ＥＶ充電速度は一日を通じて変化するが、ＥＶはその日の終わりに完全に充電される）。中央制御ユニットとＤＣ負荷及びＤＣ源との間の通信は、有線又は無線で伝えられ得る。制御機能は、他の中央建物制御装置に統合され得、又はシステム内の他の装置の一つ内に実装され得る（例えば、中央制御機能は、ＤＣ電力供給装置内に含まれ得る）。ＰＶ装置がＭＰＰで作動しているかどうかの決定は、ＰＶ装置の電流及び電圧をＤＣバスにおいて監視することにより達成され得、又はシステム内の他のＤＣ負荷及びＤＣ源に流れ込む、又はこれらから流れ出るＤＣ電圧及び電流を知ることにより推測され得る。従来のＭＰＰＴ実装に使用される類似の「捜索（ｓｅｅｋｉｎｇ）」又は他のアルゴリズムが、本発明のシステムに同様に採用され得る（負荷及び／又は源はＭＰＰが見つけられるまで上下に調整される）。
【００１５】
［0014］本発明のシステムは、夜に電力をＤＣ負荷に供給するために、及び環境条件及び／又は負荷の変化に応じてＰＶ装置がＭＰＰ又はこの近くで作動し続けることをサポートするために、ＰＶ電力発生装置及び制御可能可変ＤＣ電力供給装置を有し得る。ＤＣ負荷がどれだけ電力を使用するか、どのＤＣ電圧／電流の組み合わせでＤＣ負荷が作動できるか、いつ電力が使用されるか（或いはいつ電力がバッテリ又は他のエネルギー蓄積装置に蓄積されるか）に関する広い幅及び柔軟性をＤＣ負荷が有する場合、及びＰＶアレイが負荷の範囲に正しくサイズ決めされる場合、システムレベルＭＰＰＴは、ＤＣ電力供給装置なしで及び／又はインバータなしで可能になり得る。例えば、ＤＣ電力供給装置、ＤＣオプティマイザ、又はインバータなしでは、ＭＰＰにおいて又はこの近くにおいて、且つ所与の時間でＰＶ装置から利用可能な電力レベルにおいて、Ｉ−Ｖ曲線上の所望の電圧レベルで作動するように調節され得るモータ又は他の負荷が必要とされる。例えば、ＤＣ電力供給装置、ＤＣオプティマイザ、又はインバータは、ＰＶ装置のＭＰＰ又はこの近くのＩ−Ｖ曲線における所望の電圧レベル及び所与の任意の時間においてＰＶ装置から利用可能な電圧レベルで作動するように調節され得るモータ又は他の負荷には必要とされない。時折利用可能な超過した一部のＰＶ電力が存在する類似の場合に、小さい制御可能且つ可変インバータが組み込まれ得、時折利用可能なＰＶ電力が十分でない場合に、小さい制御可能且つ可変ＤＣ電力供給装置が組み込まれ得る。これらの全ての場合において、システムレベルＭＰＰＴは、ＰＶ装置がそのＭＰＰで、又はこの近くで作動し続けるように制御可能且つ可変の負荷及び源を利用することにより、専用のＭＰＰＴ及び電力変換回路を除外し、又はこれらのサイズを低減する。
【００１６】
［0015］ＰＶ装置電力出力が所定の時間でＤＣ負荷の起こり得る電力要求を超過し得るシステムにおいて、縮小サイズのインバータは、他の制御可能且つ可変ＤＣ負荷のようにＤＣバスに接続され得る。インバータは、他のＤＣ負荷のいずれかにより利用され得ない超過したＰＶ電力を、建物／システムにおける他のＡＣ装置により使用され、且つ／又はクレジット（従来の余剰買取されるＰＶ配列）のための電力系統に輸送されるＡＣ電力に変換し得る。インバータは、除外されるＭＰＰＴ回路及びアルゴリズムを有してもよく、或いは、ＭＰＰＴ回路及び／又はアルゴリズムは、インバータ内に存在して、ＰＶシステムがＤＣ負荷の使用可能な電力よりも多くの電力を発生させているときのためにシステムレベルＭＰＰＴ機能をサポートし得る。どのような場合でも、ＰＶインバータ及び任意のＭＰＰＴ回路のサイズ及びコストは、ＰＶ部品の最大出力容量のためにサイズ決めされたＰＶインバータ及び／又はＤＣコンバータのサイズ及びコストよりも小さくなり得る。
【００１７】
［0016］システムレベルＭＰＰＴのコンセプトの他の実施形態では、ＰＶ装置（例えばＰＶアレイ）のＤＣ出力は、ＤＣ電力供給装置と同じ筐体に直接給電し、ＰＶ装置の電流及び電圧を監視するための電気回路を同様に含み得る。筐体内において、ＰＶ装置のＤＣ出力は、ＤＣ負荷に出力を供給するためにＤＣ電力供給出力に結合され得る。中央制御機能は、同様に同じ筐体内に含まれ得、ＰＶ装置がＭＰＰで、又はこの近くで作動し続けるために、監視されるＰＶ装置の電流及び電圧に基づいてＤＣ電力供給装置を制御し且つ変化させることができ得る。制御機能は、代替的に他の中央建物制御装置に統合され得、又はシステム内の他の装置の一つの内部に実装され得る。ＤＣ電力供給装置と同じ筐体内に電流及び電圧が監視されるＰＶ装置を有することの利点は、システム内の別個の装置の数を制限することであり得る。他の利点は、低システムコストで単純なアプリケーション（例えば、インバータの必要がないアプリケーション）のための「ワンボックス」ソリューションを提供する能力である。このコンセプトは、可変、制御可能ＤＣ負荷及び／又は可変、制御可能インバータがシステムレベルＭＰＰＴ機能の部分として中央制御により管理される場合、及び負荷が管理されず、且つＤＣ電力供給装置の電圧又は電流のみがシステムレベルＭＰＰＴ機能を提供するために変化されるアプリケーションにおいて、実行され得る。
【００１８】
［0017］図４ａにおいて、ＰＶ装置４３２と、可変インバータ４３４と、電力系統４３６と、中央制御機能を備えたＤＣ電力供給モジュール４３８と、ＤＣ負荷４４０とを有するＤＣマイクログリッド４００を含むシステムが示される。ＤＣ負荷４４０は、可変且つ制御可能であってもなくてもよい。ＤＣ電力供給モジュール４３８は、電流及び電圧検知モジュール４４２と、中央制御モジュール及びＭＰＰＴアルゴリズム４４４と、制御可能且つ可変ＤＣ電力供給装置４４６と、を含み得る。したがって、ＰＶ入力及び中央制御は、ＤＣ電力供給装置に統合され得る。要素４４４の中央制御モジュールは、例えば要素４４４のＭＰＰＴアルゴリズムと協働する目的のために、プロセッサ又はＡＳＩＣを含み得る。
【００１９】
［0018］ＤＣ負荷４４０は、ＰＶ装置４３２とＤＣ電力供給装置４４６との並列の組み合わせに接続され得る。ＰＶ装置４３２は、可変ＤＣ電流及び電圧を電流及び電圧検知モジュール４４２に供給し得る。電流及び電圧検知モジュール４４２は、ＰＶ装置４３２がＭＰＰで作動しているかどうかを決定し得る。ＤＣ電力供給装置４４６は、電力系統４３６からのＡＣ電力をＤＣ負荷４４０に印加されるＤＣ電力に変換し得る。ＭＰＰＴアルゴリズム４４４は、ＰＶアレイ４３２がＭＰＰで作動し続けるためにＤＣ電力供給装置４４６の出力を調整し得る（例えば、電圧が調整され得る）。したがって、可変ＤＣ電圧は、ＤＣ負荷４４０に供給され得る。ＤＣ負荷４４０が可変且つ制御可能である実施形態では、ＤＣ負荷４４０及びインバータ４３４は、より複雑なシステムレベルＭＰＰＴアプリケーションのために同様に制御され得る。
【００２０】
［0018］図６は、領域６０２，６０４で示されるように建物照明負荷により消費されるよりも大きいＭＰＰでの電力をＰＶ装置４３２が発生させることができるＤＣマイクログリッド４００の電力対時刻のプロット例である。示されるように、インバータ４３４は、ＰＶ電圧をＤＣ照明に給電することにより、５００ｋＷから１００ｋＷに低減され得る。太陽光発電が利用不可であるとき、又はＤＣ負荷に電力を供給するのに不十分であるときは、ＤＣ電力供給装置４４６のかたちの整流器が、ＤＣ負荷４４０に対する必要とされるＤＣ電力のバランスを提供し得る。
【００２１】
［0019］図４ｂの代替の実施形態においては、ＤＣマイクログリッド４０００は、マイクログリッド４０００がインバータ４３４に対応するインバータを含まないことを除いて、ＤＣマイクログリッド４００と類似している。ＤＣマイクログリッド４０００は、ＰＶ装置４０３２の電力出力がＤＣ負荷４０４０により消費されるよりも大きい電力を生成する見込みがないアプリケーションに特に適切であり得る。ＤＣ電力供給装置４０４６は、電力系統４０３６からのＡＣ電圧をＤＣ負荷４０４０に印加されるＤＣ電圧に変換し得る。電力供給装置４０４６の出力は、ＰＶ装置４０３２の出力がＭＰＰであるように、電流及び電圧検知モジュール４０４２からの入力に基づいて、中央制御及びＭＰＰＴアルゴリズム４０４４により制御され得る。即ち、ＰＶ装置４０３２の電力出力は、ＤＣ電力供給装置４０４６の電圧出力を変化させることにより制御され得る。
【００２２】
［0020］図５は、５０２で示されるように、ＭＰＰでのＰＶ装置４０３２の電力出力がＤＣ照明負荷により消費される電力を超えることがないようにＰＶ装置４０３２がサイズ決めされるＤＣマイクログリッド４０００の電力対時刻のプロット例である。領域５０４，５０６で示されるように、ＰＶ装置４０３２の出力が建物負荷により必要とされるＤＣ電力の総計を供給するのに不十分であるときは、可変電力供給装置４０４６は建物負荷により消費される残りのＤＣ電力を供給し得る。したがって、可変電力供給装置４０４６は、ＰＶアレイ４０３２がＭＰＰで作動し続けるようにし得る。
【００２３】
［0021］ＡＣ負荷での変化は、インバータのＤＣバス側でのＤＣ負荷における対応する変化につながり得るので、インバータのＡＣ側におけるＡＣ負荷を制御し変化させることは、システムレベルＭＰＰＴ機能の部分であり得る。これは、ＡＣ負荷がＡＣ電力系統から分離されるシステムにおいて最も関連し得る。一例は、インバータに接続されるＡＣモータを制御し変化させることであり、ＡＣ負荷を変化させることがＤＣ負荷を変化させることにつながる。
【００２４】
［0022］ＤＣ負荷が、関連する駆動電気回路を備えたモータ（例えば、可変周波数駆動を備える工業用モータ）を含む場合、モータの速度を落とすためにこれらのモータが回生ブレーキを採用することが一般的である。回生ブレーキは、ＤＣバスにフィードバックされ且つ他のＤＣ負荷により利用され得る電力を生成することができる。本発明によれば、モータからのＤＣ電力のこのフィードバックは、システム内の他のＤＣ負荷がＰＶ装置にＭＰＰ又はこの近くで作動させ続けるために正しい量でフィードバック電力を使用するように、システムレベルＭＰＰＴ機能の部分として中央制御により同様に管理され得る。
【００２５】
［0023］インバータ及びＤＣ電力供給装置は、システムレベルＭＰＰＴ機能をサポートするために両方向（ＡＣからＤＣ及びＤＣからＡＣ）に制御可能且つ可変である双方向性インバータに結合され得る。
【００２６】
［0024］ＰＶアレイ上の一つの中央インバータの代わりに、一以上の制御可能且つ可変のストリングインバータが、個々の並列ＰＶモジュールストリングに使用され得る。ストリングインバータは、各ストリングにＭＰＰ又はこの近くで作動させ続けることができ、一方で同様に、電気損失を最小化するために中間ＤＣバス電圧をＤＣ負荷の状況に最適化させる。
【００２７】
［0024］ＰＶ装置からのＤＣバス電圧を最大値、例えばＤＣ負荷の一つの最大定格電圧の一部に制限することが有利である場合、又はシステム電圧を電気規定又は建物規定における最大許容値（例えば、米国電気工事規定の最大６００Ｖ）に制限することが有利である場合に、異なる電圧制限戦略が採用され得る。一つの戦略は、負荷電流を増加させてＰＶ装置により発生されるシステム電圧を最大値以下に保持する（即ち、ＰＶ装置の作動をＩ−Ｖ曲線の下方の電圧点に強制する）ためにＰＶ電圧が最大限度の近くになるときに、可変負荷をオンする、又は増加させることであり得る。他の戦略は、電圧を最大値以下に「固定する」ためのバリスタ、ツェナーダイオード、又は類似の部品を含む部品又は回路を採用することであり得る。ＰＶ装置は、最大電圧が制限されているときはＭＰＰで作動し得ないが、これらの戦略は、めったに起こり得ない状況の間、例えば高い放射照度のときで極端に寒く且つ風の強い状況の間、最大電圧を制限するのに特に有益であり得る。これらの電圧を制限する戦略を採用することで、潜在的な最大電圧状況が最適化された設計に対する制限因子である、より最適化されたシステム設計のための選択肢を提供する。
【００２８】
［0025］他の実施形態では、ＤＣ源は、ＡＣ電力系統ではなく異なるエネルギー源を利用する。例は、燃料電池及び熱電併給装置である。これらのＤＣ電力源は、ＰＶ装置にＭＰＰ又はこの近くで作動させ続けるために同様に制御され且つ変化され得る。
【００２９】
［0026］他の実施形態では、ＰＶ装置は、出力にＤＣオプティマイザ（又はＤＣ／ＤＣコンバータ）を有し、システムレベルＭＰＰＴが、ＤＣオプティマイザの後のＤＣバスのＤＣ源及びＤＣ負荷を使用して実行される。例えば、ＤＣオプティマイザとＤＣ負荷との間のバス電圧が、従来のＤＣオプティマイザに特有な、固定電圧の近くである代わりに広い範囲で変化し得る。ＤＣオプティマイザはＤＣ／ＤＣ電圧変換の範囲の幅で機能する必要がないので、これにより、より低い変換ロスを備えたより単純でより安価なＤＣオプティマイザを可能とし得る。
【００３０】
用語：
ＭＰＰＴ＝最大電力点追尾
ＭＰＴ＝最大電力点
ＡＣ＝交流電流
ＤＣ＝直流電流
ＰＶ＝光起電（太陽電機）
ＰＶ装置は、例えばＰＶセル、ＰＶモジュール、ＰＶモジュールストリング、又はＰＶアレイ全体を含み得る
ＥＶ＝電気自動車
ストレージは、バッテリ、フライホイール、熱媒体（例えば、温水）、又は後で用いるためにエネルギーを蓄積する他の方法の形態をとり得る。
ＤＣ負荷は、通常ＤＣ電力を使用するＤＣ入力を備える任意の装置を含み得る。そのようなＤＣ負荷は、同様に特定の状況下で電力を発生し得る（例えば、モータ、ストレージ、ＥＶ充電、照明等）。
ＤＣ源は、ＤＣ電力を発生させることができる任意の装置を含み得る（例えば、ＰＶ装置、ＡＣ−ＤＣ電力供給装置、燃料電池、熱電気併給（ＣＨＰ）装置等）。
インバータは、ＡＣ装置による使用のため、又は電力系統に電力をフィードバックするためにＤＣをＡＣに変換する任意の装置を含み得る。
ＤＣ電力供給装置は、（通常は電力系統からの）ＡＣをＤＣ負荷による使用のためのＤＣへ変換する任意の装置を含み得る。
ＤＣオプティマイザは、ＭＰＰＴ機能を同様に実行し且つ典型的には出力電圧をより一定の範囲に規制し得るＤＣ−ＤＣコンバータを含み得る。
ＨＶＡＣ＝冷暖房空調設備
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図３ｄ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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