(57)【要約】【課題】代替エネルギー源と共に用いるためのエネルギー変換ステムを開示する。【解決手段】代替エネルギー源は、ＡＣまたはＤＣ電圧のいずれか１つを生成することができる。第１電力変換装置は、源およびＤＣバス間に接続され、第２電力変換装置は、ＤＣバスとグリッドまたは他の負荷との間に接続される。第１電力変換装置は、低エネルギー生成周期中に動作するように構成される。キャプチャーされたエネルギーは、蓄電媒体内に保存される。エネルギーが充分に保存されるとき、このようなエネルギーは、その後、第２電力変換装置を介してグリッドまたは負荷に伝送される。第２電力変換装置は、低発電周期中に断続的に動作するように構成され、十分なエネルギーが保存されると、第２電力変換装置がそれ以上効率的に動作できない点までＤＣバスからのエネルギーを伝送して保存されたエネルギーが低下したときにオフになる。【選択図】図１
2015502126.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力部および出力部を有し、前記入力部から第１形態の電気エネルギーを受信して、前記出力部において所定の大きさでＤＣ電圧を提供するように構成される第１電力変換装置と、
入力部および出力部を有し、前記入力部から前記所定の大きさの前記ＤＣ電圧を受信して、前記出力部においてＡＣ電圧を提供するように構成される第２電力変換装置と、
前記第１電力変換装置の出力部および前記第２電力変換装置の入力部の間に接続され、前記所定の大きさで前記ＤＣ電圧を導通するように構成されるＤＣバスと、
前記ＤＣバスに動作的に接続されたエネルギー蓄積装置と、
を含み、
前記第２電力変換装置は、第１閾値および第２閾値を有し、前記第１閾値未満において、前記ＤＣ電圧から前記ＡＣ電圧への変換を中止し、前記第２閾値を超過すると、前記ＤＣ電圧から前記ＡＣ電圧への変換を開始し、
前記第１電力変換装置は、前記入力部における前記電気エネルギーを前記第２電力変換装置の前記第１閾値未満の前記ＤＣ電圧に変換するように構成され、
前記エネルギー蓄積装置は、前記第１電力変換装置が動作して前記第２電力変換装置が動作しないときに電気エネルギーを保存するように構成される、
電力変換システム。
【請求項２】
前記ＤＣバスおよび前記エネルギー蓄積装置の間に動作的に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータをさらに含む、
請求項１に記載の電力変換システム。
【請求項３】
前記エネルギー蓄積装置は、ウルトラキャパシタである、
請求項２に記載の電力変換システム。
【請求項４】
前記エネルギー蓄積装置は、バッテリーである、
請求項２に記載の電力変換システム。
【請求項５】
前記エネルギー蓄積装置上に存在する充電の状態に対応するフィードバック信号を生成するセンサをさらに含み、
前記第２電力変換装置は、前記フィードバック信号を受信して前記第２電力変換装置の動作を制御するために前記フィードバック信号を前記第２閾値と比較する、
請求項２に記載の電力変換システム。
【請求項６】
前記第１電力変換装置は、
複数の制御信号によって前記入力部を前記出力部に選択的に接続し、前記複数のスイッチのうちの１つに対応する複数のスイッチと、
前記入力部における前記電気エネルギーを第１モードおよび第２モードにおいて前記ＤＣ電圧に変換するための前記制御信号を生成するコントローラと、
を含み、
各スイッチは、前記入力部を前記出力部に選択的に接続することに関るスイッチング損失を有し、
前記コントローラは、第３閾値を超過すると、前記第１モードで動作して、前記第３閾値は前記第１モードにおいて前記スイッチによって生成されるスイッチング損失以上であり、
前記コントローラは、前記第３閾値未満で前記第２モードにおいて動作する、
請求項１に記載の電力変換システム。
【請求項７】
第１電力変換装置および第２電力変換装置を用いて再生可能エネルギー源から前記負荷への電力伝送を制御する方法において、
前記第１および第２電力変換装置がＤＣバスを介して接続され、前記再生可能エネルギー源が可変する発電能力を有し、
前記再生可能エネルギー源によって生成されたエネルギーを前記ＤＣバスに伝送するために前記第１電力変換装置上の制御モジュールを実行するステップと、
前記ＤＣバスからの前記エネルギーの少なくとも一部をエネルギー蓄積装置内に保存するステップと、
前記エネルギー蓄積装置内に保存された前記エネルギーを測定するステップと、
前記ＤＣバスからのエネルギーを前記負荷およびエネルギーグリッドのうちのいずれかに伝送するために、前記第２電力変換装置上の制御モジュールを実行するステップと、
前記ＤＣバスからのエネルギー伝送率を測定するステップと、
を含み、
前記ＤＣバスからのエネルギーを前記前記負荷および前記エネルギーグリッドのうちの１つに伝送するために前記第２電力変換装置上の制御モジュールを実行するステップは、前記ＤＣバスからの前記エネルギー伝送率が第１閾値未満に低下するときに無効になり、
前記ＤＣバスからのエネルギーを前記前記負荷および前記エネルギーグリッドのうちの１つに伝送するために前記第２電力変換装置上の制御モジュールを実行するステップは、前記エネルギー蓄積装置内に保存された前記エネルギーが第２閾値を超過するときに有効になる
第１電力変換装置および第２電力変換装置を用いて再生可能エネルギー源から前記負荷への電力伝送を制御する方法。
【請求項８】
前記ＤＣバスからの前記エネルギーの少なくとも一部を前記エネルギー蓄積装置内に保存するステップは、
前記ＤＣバス上に存在する電圧の振幅を測定するステップと、
前記ＤＣバス上に存在する前記電圧の振幅の関数として、前記ＤＣバスおよび前記エネルギー蓄積装置間のエネルギー伝送のために前記ＤＣバスおよび前記エネルギー蓄積装置間に接続された第３電力変換装置上の制御モジュールを実行するステップと、
をさらに含む、
請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記エネルギー蓄積装置は、ウルトラキャパシタである、
請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記エネルギー蓄積装置は、バッテリーである、
請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記再生可能エネルギー源によって生成されたエネルギーを前記ＤＣバスに伝送するために前記第１電力変換装置上の制御モジュールを実行するステップは、前記再生可能エネルギー源から前記ＤＣバスでのエネルギー伝送率が第３閾値未満に低下するときに無効にされ、前記第３閾値は前記第１閾値未満である、
請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
入力部および出力部を有し、前記入力部から第１形態の電気エネルギーを受信して、前記出力部において所定の大きさでＤＣ電圧を提供するように構成される第１電力変換装置と、
入力部および出力部を有し、前記入力部から前記所定の大きさの前記ＤＣ電圧を受信して、前記出力部においてＡＣ電圧を提供するように構成される第２電力変換装置と、
前記第１電力変換装置の出力部および前記第２電力変換装置の入力部間に接続され、前記所定の大きさで前記ＤＣ電圧を導通するように構成されるＤＣバスと、
入力部および出力部を有し、前記ＤＣバスに接続され、前記入力部における前記ＤＣ電圧を前記出力部において第２ＤＣ電圧に変換するように構成され、前記入力部と前記出力部との間に双方向電力伝送のためにさらに構成される第３電力変換装置と、
前記第３電力変換装置の出力部に動作的に接続されたエネルギー蓄積装置と、
前記エネルギー蓄積装置内に存在するエネルギーの大きさに対応する信号を生成するセンサと、
を含み、
前記第２電力変換装置内の電力伝送率が第１閾値未満に低下するときに、前記第２電力変換装置は、前記ＤＣ電圧から前記ＡＣ電圧への変換を中止し、前記エネルギー蓄積装置内に存在する前記エネルギーの大きさに対応する前記信号が第２閾値以上のときに、前記第２電力変換装置は、前記ＤＣ電圧から前記ＡＣ電圧への変換を開始し、
前記第１電力変換装置内の電力伝送率が第３閾値未満に低下するときに、前記第１電力変換装置は、前記入力部からの前記電気エネルギーを前記ＤＣ電圧に変換するのを中止し、前記第３閾値は前記第１閾値未満であり、
前記エネルギー蓄積装置は、前記第１電力変換装置が動作して前記第２電力変換装置が動作しないときに電気エネルギーを保存するように構成される、
電力変換システム。
【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、低発電レベルで生成されるエネルギーをキャプチャーして、低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】
本明細書に開示する主題は、代替エネルギー源と共に用いるためのエネルギー変換ステムを開示する。エネルギー源は、ＡＣ（風力タービン）またはＤＣ（太陽）エネルギー源であってもよい。エネルギー源に接続されたコンバータは、低エネルギー生成周期中に動作するように構成される。キャプチャーされたエネルギーは、ウルトラキャパシタ（ｕｌｔｒａ−ｃａｐａｃｉｔｏｒ）またはバッテリーなどの蓄電（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｓｔｏｒａｇｅ）媒体内に保存される。十分なエネルギーが保存されるとき、このようなエネルギーは、その次に第２電力変換装置を介してグリッドまたは前記負荷に伝送される。第２電力変換装置は、一般的に低エネルギー生成周期中に再生可能エネルギー源から生成された電力よりもさらに大きい動作電力損失を有するが、エネルギーを保存して、保存されたエネルギーを断続的な（ｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｔ）モードで用いることによって、第２コンバータは効率的な動作点で動作することができる。
【０００８】
本発明の一実施形態によれば、電力変換システムは、入力部および出力部を有する第１電力変換装置および入力部、および出力部を有する第２電力変換装置を含む。前記第１電力変換装置は、前記入力部から第１形態の電気エネルギーを受信して、前記出力部において所定の大きさでＤＣ電圧を提供するように構成され、前記第２電力変換装置は、前記入力部から前記所定の大きさの前記ＤＣ電圧を受信して、前記出力部においてＡＣ電圧を提供するように構成される。ＤＣバスは、前記第１電力変換装置の出力部および前記第２電力変換装置の入力部を接続して、前記所定の大きさで前記ＤＣ電圧を導通するように構成される。エネルギー蓄積装置は、前記ＤＣバスに動作的に接続される。前記第２電力変換装置は、第１閾値（前記第１閾値未満において、前記ＤＣ電圧から前記ＡＣ電圧への変換を中止する）、および第２閾値（前記第２閾値を超過すると、前記ＤＣ電圧から前記ＡＣ電圧への変換を開始する）を有する。前記第１電力変換装置は、前記入力部における前記電気エネルギーを前記第２電力変換装置の前記第１閾値未満の前記ＤＣ電圧に変換するように構成され、前記エネルギー蓄積装置は、前記第１電力変換装置が動作して前記第２電力変換装置が動作しないときに電気エネルギーを保存するように構成される。
【０００９】
本発明の別の態様によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記ＤＣバスおよび前記エネルギー蓄積装置間に動作的に接続されてもよい。前記エネルギー蓄積装置は、ウルトラキャパシタまたはバッテリーであってもよい。センサは、前記エネルギー蓄積装置上に存在する電圧の振幅または充電の状態（ｓｔａｔｅ  ｏｆ  ｃｈａｒｇｅ）に対応するフィードバック信号を生成する。前記第２電力変換装置は、前記フィードバック信号を受信して前記第２電力変換装置の動作を制御するために前記フィードバック信号を前記第２閾値と比較する。
【００１０】
本発明のさらに別の態様によれば、前記第１電力変換装置は、複数の制御信号によって前記入力部を前記出力部に選択的に接続する複数のスイッチを含む。各制御信号は、前記複数のスイッチのうちの１つに対応し、各スイッチは、前記入力部を前記出力部に選択的に接続することに関るスイッチング損失を有する。コントローラは、前記入力部における前記電気エネルギーを第１モードおよび第２モードにおいて前記ＤＣ電圧に変換するための前記制御信号を生成する。前記コントローラは第３閾値を超過する前記第１モードで動作し、前記第３閾値は前記第１モードにおいて前記スイッチによって生成されるスイッチング損失以上であり、前記コントローラは前記第３閾値未満で前記第２モードにおいて動作する。
【００１１】
本発明のまた他の実施形態によれば、第１電力変換装置および第２電力変換装置を用いて再生可能エネルギー源から前記負荷への電力伝送を制御する方法が開示される。前記第１および第２電力変換装置は、ＤＣバスを介して接続され、前記再生可能エネルギー源は可変する発電能力を有する。前記方法は、前記再生可能エネルギー源によって生成されたエネルギーを前記ＤＣバスに伝送するために前記第１電力変換装置上の制御モジュールを実行するステップと、前記ＤＣバスからの前記エネルギーの少なくとも一部をエネルギー蓄積装置内に保存するステップと、前記エネルギー蓄積装置内に保存された前記エネルギーを測定するステップと、前記ＤＣバスからのエネルギーを前記負荷およびエネルギーグリッド（ｅｎｅｒｇｙ  ｇｒｉｄ）のうちのいずれかに伝送するために、前記第２電力変換装置上の制御モジュールを実行するステップと、前記ＤＣバスからのエネルギー伝送率（ｒａｔｅ  ｏｆ  ｅｎｅｒｇｙ  ｔｒａｎｓｆｅｒ）を測定するステップとを含む。前記ＤＣバスからのエネルギーを前記負荷およびエネルギーグリッドのうちのいずれかに伝送するために、前記第２電力変換装置上の制御モジュールを実行するステップは、前記ＤＣバスからの前記エネルギー伝送率が第１閾値未満に低下するときに無効になり、前記エネルギー蓄積装置内に保存された前記エネルギーが第２閾値を超過するときに使用を有効になる。
【００１２】
本発明の別の態様によれば、前記ＤＣバスからの前記エネルギーの少なくとも一部を前記エネルギー蓄積装置内に保存するステップは、前記ＤＣバス上に存在する電圧の振幅を測定するステップと、前記ＤＣバス上に存在する前記電圧の振幅の関数として、前記ＤＣバスおよび前記エネルギー蓄積装置間のエネルギー伝送のために前記ＤＣバスおよび前記エネルギー蓄積装置間に接続された第３電力変換装置上の制御モジュールを実行するステップとをさらに含む。前記再生可能エネルギー源によって生成されたエネルギーを前記ＤＣバスに伝送するために前記第１電力変換装置上の制御モジュールを実行するステップは、前記再生可能エネルギー源から前記ＤＣバスでのエネルギー伝送率が第３閾値未満に低下するときに無効にされてもよく、前記第３閾値は前記第１閾値未満である。
【００１３】
本発明のまた他の実施形態によれば、電力変換システムは、入力部および出力部を有する第１電力変換装置および入力部および出力部を有する第２電力変換装置を含む。前記第１電力変換装置は、前記入力部から第１形態の電気エネルギーを受信して、前記出力部において所定の大きさでＤＣ電圧を提供するように構成され、前記第２電力変換装置は、前記入力部から前記所定の大きさの前記ＤＣ電圧を受信して、前記出力部においてＡＣ電圧を提供するように構成される。ＤＣバスは、前記第１電力変換装置の出力部および前記第２電力変換装置の入力部を接続して、前記所定の大きさで前記ＤＣ電圧を導通するように構成される。前記電力変換システムはまた、入力部および出力部を有する第３電力変換装置を含む。前記入力部は前記ＤＣバスに接続され、前記第３電力変換装置は前記入力部における前記ＤＣ電圧を前記出力部において第２ＤＣ電圧に変換するように構成され、前記入力部と前記出力部との間に双方向（bidirectional）電力伝送のためにさらに構成される。エネルギー蓄積装置は前記第３電力変換装置の出力部に動作的に接続され、センサは前記エネルギー蓄積装置内に存在するエネルギーの大きさに対応する信号を生成する。前記第２電力変換装置は、前記第２電力変換装置内の電力伝送率が第１閾値未満に低下するときに前記ＤＣ電圧から前記ＡＣ電圧への変換を中止し、前記エネルギー蓄積装置内に存在する前記エネルギーの大きさに対応する前記信号が第２閾値以上のときに、前記ＤＣ電圧から前記ＡＣ電圧への変換を開始する。前記第１電力変換装置内の電力伝送率が第３閾値未満に低下するときに、前記第１電力変換装置は前記入力部における前記電気エネルギーを前記ＤＣ電圧に変換するのを中止し、前記第３閾値は前記第１閾値未満であり、前記エネルギー蓄積装置は、前記第１電力変換装置が動作して前記第２電力変換装置が動作しないときに電気エネルギーを保存するように構成される。
【００１４】
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。
【００１５】
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】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る電力変換システムのブロック図である。
【図２】エネルギー蓄積装置としてＤＣ／ＤＣコンバータおよびバッテリーを含む図１の電力変換システムのブロック図である。
【図３】太陽電池アレイなどのＤＣ源に接続された図１のコンバータの概略図である。
【図４】風力タービンなどのＡＣ源に接続された図１のコンバータの概略図である。
【図５】図１のコンバータの一変調周期中の電流のグラフである。
【図６】可変する変調周期のグラフである。
【図７】図１の電力変換システムのインバータの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
最初に図１を見ると、電力変換システムは、エネルギー源６から電力を受信する。本発明の一実施形態によれば、エネルギー源６は、光起電力（ＰｈｏｔｏＶｏｌｔａｉｃ；ＰＶ）アレイまたは風力タービンなどの代替エネルギー源である。エネルギー源６は、第１電力変換装置１０に電気的に接続される。第１電力変換装置１０は、代替エネルギー源６によって生成されたエネルギーを所望する大きさのＤＣ電圧Ｖｄｃに変換するように構成される。ＤＣ電圧Ｖｄｃは、正極レール１４および負極レール１６を有するＤＣバス１２に提供される。当技術分野で理解されるように、正極レール１４および負極レール１６は、共通（ｃｏｍｍｏｎ）または中性（ｎｅｕｔｒａｌ）電圧に対して任意の適切なＤＣ電圧電位を導通してもよく、正極または負極ＤＣ電圧電位に制限されない。さらに、正極レール１４または負極レール１６のいずれか１つは、中性電圧電位に接続されてもよい。正極レール１４は、通常負極レール１６よりもさらに大きい電位を有するＤＣ電圧を導通する。エネルギー蓄積装置１８は、ＤＣバス１２に接続されてＤＣバス１２から電力を取得（ｄｒａｗ）し、ＤＣバス１２に電力を戻すように構成される。第２電力コントクト６０は、ＤＣバス１２と負荷４との間に接続される。本発明の一実施形態によれば、第２電力変換装置６０は、ＤＣバス１２上に存在するＤＣ電圧Ｖｄｃを三相交流電圧に変換するように構成されたインバータである。任意選択で、第２電力変換装置６０は、ＤＣバス１２上に存在するＤＣ電圧Ｖｄｃを負荷４の要求事項によって異なる適切な形態の前記電力に変換してもよい。
【００２０】
図２を参照すると、電力変換システムは、エネルギー蓄積装置１８を構成するＤＣ／ＤＣコンバータ１７およびバッテリー１９を含んでもよい。バッテリー１９は、当技術分野で理解されるように直列および／または並列に接続された１つ以上のバッテリーであってもよい。各バッテリーは、鉛酸蓄電池（ｌｅａｄ−ａｃｉｄ  ｂａｔｔｅｒｙ）、リチウムイオン電池（ｌｉｔｈｉｕｍ−ｉｏｎ  ｂａｔｔｅｒｙ）、亜鉛臭素電池（ｚｉｎｃ−ｂｒｏｍｉｄｅ  ｂａｔｔｅｒｙ）、または、フロー電池（ｆｌｏｗ  ｂａｔｔｅｒｙ）であってもよいが、これらに制限されない。ＤＣ／ＤＣコンバータ１７は、ＤＣバス１２とバッテリー１９との間の双方向エネルギー伝送を管理するように構成され、ＤＣバス１２上に存在するＤＣ電圧Ｖｄｃの振幅をバッテリー１９によって要求される適切な振幅に変換するようにさらに構成される。
【００２１】
次に図３を参照すると、本発明の一実施形態を含む例示的なコンバータ１０を示している。コンバータ１０は、エネルギー源６から入力電圧を受信するように構成された３つの入力端子（Ｔ１〜Ｔ３）を含む。図示した実施形態によれば、エネルギー源６はＰＶアレイである。３つの入力がこの構成のために使用されているが、１つ以上の入力でも同様の結果を提供する。図示した実施形態の入力端子（Ｔ１〜Ｔ３）は、ＤＣ電圧を生成する光起電力アレイから、正極端子＋Ｖｐｖを受信するように共に接続される。任意選択で、各々の入力端子（Ｔ１〜Ｔ３）は、異なる光起電力アレイからの個別の端子に接続されてもよい。光起電力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。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。
【００２２】
図４を参照すると、コンバータ１０の入力端子（Ｔ１〜Ｔ３）は、ＡＣ源に接続されてもよい。図示した実施形態によれば、エネルギー源６は風力タービンである。風力タービンは、三相交流電圧（Ｖ１〜Ｖ３）を生成する。各々の相（Ｖ１〜Ｖ３）は、コンバータ１０の入力端子（Ｔ１〜Ｔ３）のうちの１つに接続される。任意選択で、エネルギー源６は、コンバータ１０に単一または多相電圧のいずれかを提供する異なるＡＣ生成素子であってもよい。
【００２３】
コンバータ１０は、エネルギー源６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）で利用可能になる正極レール１４および負極レール１６を含む。スイッチング素子２０は、通常固体電力素子である。図３および図４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、ゲート信号２４によって制御される。ゲート信号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１６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。
【００２４】
コントローラ４０は、ゲート信号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１４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。
【００２５】
次に図７を参照すると、第２電力変換装置６０は、ＤＣ電圧Ｖｄｃをインバータ６０の出力部６２でＡＣ電圧に変換するように構成されたインバータ６０として配列される。変換は、正極レール１４または負極レール１６のいずれか１つを出力電圧の相のうちの１つに選択的に接続するスイッチング素子７０を用いて行われる。スイッチング素子７０は、通常固体電力素子である。図７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７０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７２は、スイッチング素子７０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７０に並列に接続される。このようなダイオード７２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７０は、ゲート信号７４によって制御される。ゲート信号７４は、スイッチング素子７０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。
【００２６】
コントローラ９０は、制御信号７４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９０は、インバータ６０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９０内で実行される特定の制御ルーチンに依存する。例えば、出力センサ（７６ａ〜７６ｃ）は、各出力部６２上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（７６ａ〜７６ｃ）は各出力部６２上に存在する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７８，８０は、ＤＣバス１２の正極レール１４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９０は、格納された命令を取り出すためにメモリ素子９２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９４とインターフェースに接続されてもよい。本発明の一実施形態によれば、第１コンバータ１０および第２コンバータ６０は、各々の電力変換装置の動作を制御するように構成された分離したコントローラ４０，９０およびメモリ素子４２，９２を有する分離したモジュールである。任意選択で、単一コントローラおよびメモリ素子は、両方の電力変換装置の動作を制御するように構成してもよい。
【００２７】
動作内で、電力変換システムは、源（ｓｏｕｒｃｅ）６によって生成された電力を負荷４に伝送するために動作する。第１電力変換装置１０は、源６からの電力をＤＣバス１２に伝送するように構成され、第２電力変換装置はＤＣバス１２からの電力を負荷４に伝送するように構成される。各電力変換装置１０，６０のコントローラ４０，９０は、所望する形態の電力変換によってＤＣバス１２と入力端子（Ｔ１〜Ｔ３）または出力部６２のいずれか１つとの間にスイッチ２０，７０を選択的に接続するためのスイッチング信号２４，７４を生成する１つ以上の制御モジュールを実行する。
【００２８】
本発明の一実施形態によれば、第２電力変換装置６０の出力部６２は、ＡＣ出力電圧を生成するように構成される。結果的に、ＤＣバス１２上に存在するＤＣ電圧Ｖｄｃは、電力網に同期化されたＡＣ電圧で変換されなければならない。ＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換するために、コントローラ９０は変調ルーチンを実行する。変調ルーチンはまた、スイッチ周期Ｔとして知られる周期的な間隔で実行する。スイッチ周期中に、変調ルーチンはまた、デューティサイクルＤとして知られるスイッチ周期の一部の間スイッチ７０を有効にするスイッチング信号７４を生成する。したがって、出力部における電圧は周期Ｔの一部の間のＤＣバス上に存在する電圧Ｖｄｃと同等で周期Ｔの一部の間の０ボルトと同等である。このような周期に対する電圧の平均値は、ＤＣバスに存在する電圧Ｖｄｃの関数およびデューティサイクルＤの関数として決定される。変調ルーチンは、電圧の平均値が正弦曲線（ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ）の方式に変わり、基本高調波成分（ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ  ｈａｒｍｏｎｉｃ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）が所望するＡＣ出力電圧である近似ＡＣ電圧となり、その結果、デューティサイクルＤを制御する。残りの高調波成分は、電力変換装置内にエネルギー損失を結果的に生じる出力電圧および／または電流上にいくらかのリップルを生成してもよい。スイッチ周期が減少するとき（すなわち、スイッチング周波数が増加するとき）、近似ＡＣ電圧は、実際の正弦曲線の電圧波形にさらに近似し、これによって出力電圧内の高調波損失／歪みが減少する。
【００２９】
本発明の一態様によれば、代替電力源６からの電力を電力網に伝送することが望ましい場合がある。第２電力変換装置６０の出力部６２は、したがって、電力網に接続される。工業基準により、電力網に接続された電力変換装置６０は、低い全高調波歪みを保持しなければならない。結果として、第２電力変換装置６０のスイッチング周波数は、前記基準を充足するために十分に高く保持されなければならない。しかし、スイッチング周波数の増加は、スイッチ７０がオンおよびオフになる頻度（ｒａｔｅ）を増加させ、これによってコンバータ６０内のスイッチング損失が増加する。各スイッチ７０は、オンおよびオフ状態の間を移行するときに特徴的な電力損失、または、非効率を有し、これはまたスイッチング損失として知られる。スイッチング周波数が増加するとき、スイッチ７０と関連するスイッチング損失は、同様に増加する。電力変換装置６０は、伝送される電力が特定のレベル未満に低下するときに動作を中断するように構成される。例えば、ＤＣバス１２からグリッドに最大１００キロワットの電力を伝送できる例示的なコンバータ６０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。しかし、コンバータ６０が約１０キロワット、または、コンバータ６０の容量の１０％を伝送するために要求されるとき、動作効率は約９０％に低下する。したがって、コンバータ６０の動作範囲は、コンバータ６０の正格容量の１０％から１００％の間にある。コンバータ６０の動作を中断するための閾値は、したがって正格容量の１０％と設定され、これはスイッチング損失が伝送される電力のレベルと同等であるか、ほぼ等しい動作点に対応する。
【００３０】
高調波歪みを所望するレベル未満に保持するように構成されるよりも、第１電力変換装置１０は代替電力源６によって生成された最大総エネルギーをＤＣバス１２に伝送するように構成される。第１電力変換装置１０のスイッチ２０は、また、スイッチング損失を有するが、第１電力変換装置１０は第２電力変換装置６０のように高いスイッチング周波数で動作する必要がないこともあり、これによって第１電力変換装置１０と関連するスイッチング損失が減少する。第１電力変換装置１０は、複数のモードで動作するように構成され得ることが企図される。例えば、高電力伝送周期中に、より高いスイッチング周波数で動作することがより効率的なこともあり、低電力伝送周期中に、より低いスイッチング周波数で動作することがより効率的なこともある。第１電力変換装置１０は、したがって、電力伝送のレベルの関数として第１電力変換装置１０が動作するスイッチング周波数を変化させるように構成してもよい。第１電力変換装置１０は、代替エネルギー源６によって生成されるＤＣバス１２に伝送される電力の比率を増加させるために、また他のモードで動作し得ることが企図される。例示的な第１電力変換装置１０は、例えば、最大１００キロワットの電力を源６からＤＣバス１２に伝送するための例示的な第２電力変換装置６０と同様に評価されてもよい。しかし、異なる動作モードにおいて、第１電力変換装置１０は、第１電力変換装置１０の正格容量の約１％から１００％の間の動作範囲を有するように構成してもよい。したがって、第１電力変換装置１０は、第２電力変換装置６０が効率的に動作できない低発電周期中に源６で生成されたエネルギーをＤＣバス１２に伝送してもよい。
【００３１】
次に図５を参照すると、対応するスイッチング素子２０を制御するスイッチング信号２４のうちの１つの関数として第１電力変換装置１０に対するパルス幅変調の一スイッチ周期ＴにわたってＰＶアレイから得られた電流Ｉｐｖが示される。スイッチング信号２４は、総周期Ｔの比率分の間にオンになり、周期Ｔの残りの間にオフになり、スイッチング信号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。スイッチング信号２４がオンおよびオフになるとき、対応するスイッチ２０は交代で電流を導通および遮断する。コントローラ４０は、代替エネルギー源６によって生成されたエネルギーの関数としてデューティサイクルＤを変化させる。例えば、代替エネルギー源６によって生成された総エネルギーが減少するとき、エネルギーをＤＣバス１２に伝送するためにさらに少ないオン時間を必要とするため、デューティサイクルＤを減少させてもよい。スイッチ２０のスイッチング損失がスイッチ２０がオンになることによって伝送される電力を超過する場合、オン時間ｔｏｎは最小値に達するまで減少し続けてもよい。
【００３２】
次に図６を参照すると、第１電力変換装置１０が低エネルギー生成周期中に電力伝送を最大化するように構成される動作モードをさらに含み得ることが企図される。最小オン時間ｔｏｎの間にスイッチ２０が導通した未満のレベルで代替エネルギー源６がエネルギーを生成するとき、電力を伝送する第１電力変換装置１０の動作を続けさせるために、コンバータ１０はパルス幅変調の周期Ｔの変化を開始する。例えば、図６ａは、コンバータが自身が最小デューティサイクルＤに到達した時点を示してもよい。周期Ｔ１は、例えば、１０ｋＨｚのスイッチング周波数に対応する１００μｓｅｃであってもく、一般的な動作周期と同等である。代替エネルギー源６によって生成されたエネルギーがさらに減少するとき、変調周期は、例えば、Ｔ２に、その後にＴ３まで延びることができる。変調周期は、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。したがって、生成されたエネルギーが減少するとき、コンバータ１０は、ＤＣバス１２に伝送される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継続してもよい。本発明の範囲を逸脱しない低発電時の動作に、さらに他の方法を活用し得ることが企図される。
【００３３】
しかし、第１電力変換装置１０の動作範囲が拡張される一方、第２電力変換装置６０の動作範囲は、全高調波歪み上の要求された限界を満たすために拡張することができない。結果として、エネルギー蓄積装置は、第１電力変換装置１０が動作して第２電力変換装置６０が無効である間にＤＣバス１２に伝送されるエネルギーを保存するために用いられる。エネルギー蓄積装置１８内に保存されたエネルギーのレベルは、例えば、エネルギー蓄積装置１８上に存在する電圧レベルに対応する信号を生成する電圧センサによって測定される。保存素子１８内に保存されたエネルギーが適切なレベルに到達するとき、第２電力変換装置６０は、保存されたエネルギーを負荷４に伝送するために使用を有効にする。エネルギー源６が第２電力変換装置６０のエネルギーを負荷４に伝送する速度（ｒａｔｅ）よりも遅い速度でエネルギーを生成し続けると、エネルギー蓄積装置１８内に保存されたエネルギーは第２電力変換装置６０が動作するのに十分なエネルギーレベルがＤＣバス１２上に存在するようにＤＣバス１２上に戻される（ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ  ｂａｃｋ）。第２電力変換装置６０は、エネルギー蓄積装置１８が枯渇して（ｄｅｐｌｅｔｅｄ）これ以上源６によって生成されたエネルギーを補充できない時まで動作を継続してもよい。この時点において、ＤＣバス１２から負荷４へのエネルギー伝送率は、第２電力変換装置６０が動作するように構成され、最終的に無効になる最小レベルに第２電力変換装置６０が到達するまで減少する。
【００３４】
結果として、エネルギー源６の低発電周期中に、第２電力変換装置６０は無効にされてもよく、保存素子１８はＤＣバス１２からの電力を保存素子１８に引出す（ｄｒａｗ）ために動作する。保存素子１８が第２電力変換装置６０が所望するレベルの効率で動作してもよいように十分なレベルのエネルギーを保存した時に、第２電力変換装置６０は使用を有効にする。したがって、エネルギー源６の低発電周期中に、電力変換システムは継続的にエネルギー源６によって生成された電力をキャプチャーして電力をバーストで（ｉｎ  ｂｕｓｔｓ）前記負荷４に伝送する。
【００３５】
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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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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