(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光発電アレイにおけるインテリジェントノード間の電気接続を編成する方法において、
電力伝送要件を選択するステップ、
前記電力伝送要件に関係付けられる１つ以上のパラメータに対して値を指定するステップ、
前記電力伝送要件及び前記パラメータの前記値にしたがって選ばれる直列／並列電気回路の第１の組合せで前記インテリジェントノードを接続するステップ、及び
前記電力伝送要件に関係付けられる前記パラメータの内の１つ以上のパラメータの変化量を測定するステップ、
を含むことを特徴とする光発電アレイにおけるインテリジェントノード間の電気接続を編成する方法。
【請求項２】
前記電力伝送要件に関係付けられるパラメータの測定された変化量が光発電アレイ編成の変更に相関しているか否かを判定するステップ、及び
前記電力伝送要件及び前記パラメータの前記測定された変化量にしたがって選ばれる新しい直列／並列電気回路の組合せで前記インテリジェントノードを接続するステップ、
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の光発電アレイにおけるインテリジェントノード間の電気接続を編成する方法。
【請求項３】
電力伝送要件を選択する前記ステップが、インバータの入力電圧範囲内にある電圧を前記光発電アレイから出力するという要件を選択するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の光発電アレイにおけるインテリジェントノード間の電気接続を編成する方法。
【請求項４】
前記電力伝送要件に関係付けられる１つ以上のパラメータに対して値を指定する前記ステップが、編成可変光発電アレイのインテリジェントノード間の選ばれた直列／並列接続の組合せに関係付けられる光発電アレイ出力電圧値のテーブルを計算するステップをさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の光発電アレイにおけるインテリジェントノード間の電気接続を編成する方法。
【請求項５】
前記電力伝送要件に関係付けられる１つ以上のパラメータに対して値を指定する前記ステップが、
インバータの入力電圧範囲に対する値を得るステップ、及び
前記インバータの入力電圧範囲内の出力電圧を有する直列／並列電気回路の組合せに対応するベースライン編成を光発電アレイに対して選ぶステップ、
をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の光発電アレイにおけるインテリジェントノード間の電気接続を編成する方法。
【請求項６】
前記光発電アレイ出力電圧値のテーブルを前記選ばれたベースライン編成に対する出力電圧値に対して規格化するステップをさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の光発電アレイにおけるインテリジェントノード間の電気接続を編成する方法。
【請求項７】
電力伝送要件を選択する前記ステップが、光発電アレイインピーダンスと負荷インピーダンスを等化するという要件を選択するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の光発電アレイにおけるインテリジェントノード間の電気接続を編成する方法。
【請求項８】
前記電力伝送要件に関係付けられる１つ以上のパラメータに対して値を指定する前記ステップが、編成可変光発電アレイのインテリジェントノード間の選ばれた直列／並列接続の組合せに対するインピーダンスの値を計算するステップをさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の光発電アレイにおけるインテリジェントノード間の電気接続を編成する方法。
【請求項９】
前記電力伝送要件に関係付けられる１つ以上のパラメータに対して値を指定する前記ステップが、
負荷インピーダンスに対する値を得るステップ、及び
他の編成に対して計算されたインピーダンス値よりも前記負荷インピーダンス値に近い計算されたインピーダンス値を有する直列／並列電気回路の組合せに対応する光発電アレイに対するベースライン編成を選ぶステップ、
をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の光発電アレイにおけるインテリジェントノード間の電気接続を編成する方法。
【請求項１０】
前記計算されたインピーダンス値を前記選ばれたベースライン編成に対するインピーダンス値に対して規格化するステップをさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の光発電アレイにおけるインテリジェントノード間の電気接続を編成する方法。
【請求項１１】
電力伝送要件を選択する前記ステップが、最大電力点において光発電アレイから電力を出力するという要件を選択するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の光発電アレイにおけるインテリジェントノード間の電気接続を編成する方法。
【請求項１２】
前記電力伝送要件に関係付けられる１つ以上のパラメータに対して値を指定する前記ステップが、編成可変光発電アレイのインテリジェントノード間の選ばれた直列／並列電気接続の組合せに対する光発電アレイ出力電圧の値を計算するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の光発電アレイにおけるインテリジェントノード間の電気接続を編成する方法。
【請求項１３】
前記電力伝送要件に関係付けられる１つ以上のパラメータに対して値を指定する前記ステップが、光発電アレイ出力電流に対する目標値を指定するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の光発電アレイにおけるインテリジェントノード間の電気接続を編成する方法。
【請求項１４】
前記電力伝送要件に関係付けられる１つ以上のパラメータに対して値を指定する前記ステップが、入射光量及び温度に対する基準条件を指定するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の光発電アレイにおけるインテリジェントノード間の電気接続を編成する方法。
【請求項１５】
光発電アレイ出力電流に対する前記目標値が入射光量及び温度に対する前記指定された基準条件に関係付けられることを特徴とする請求項１４に記載の光発電アレイにおけるインテリジェントノード間の電気接続を編成する方法。
【請求項１６】
前記電力伝送要件に関係付けられる１つ以上のパラメータに対して値を指定する前記ステップが、
光発電アレイ出力電流に対する前記目標値に関係付けられる最大電力点に対する値を決定するステップ、及び
前記最大電力点における光発電アレイ出力電圧に対する値を決定するステップ、
をさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の光発電アレイにおけるインテリジェントノード間の電気接続を編成する方法。
【請求項１７】
他の編成に対して計算された光発電アレイ出力電圧の値よりも前記最大電力点における前記光発電アレイ出力電圧に近い光発電アレイ出力電圧の値を有する直列／並列電気回路の組合せに対応する前記光発電アレイに対するベースライン編成を選ぶステップをさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の光発電アレイにおけるインテリジェントノード間の電気接続を編成する方法。
【請求項１８】
前記電力伝送要件に関係付けられる１つ以上のパラメータに対して値を指定する前記ステップが、光発電アレイ出力電圧の前記計算された値を前記選ばれたベースライン編成に対する光発電アレイ出力電圧の値に対して規格化するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の光発電アレイにおけるインテリジェントノード間の電気接続を編成する方法。
【請求項１９】
前記電力伝送要件に関係付けられる前記パラメータの内の１つ以上のパラメータの変化量を測定する前記ステップが、
光発電アレイ出力電流の新しい値を測定するステップ、
光発電アレイ出力電流の前記新しい値に関係付けられる新しい最大電力点に対する値を決定するステップ、及び
前記新しい最大電力点の前記値における光発電アレイ出力電圧の新しい値を決定するステップ、
をさらに含むことを特徴とする請求項１８に記載の光発電アレイにおけるインテリジェントノード間の電気接続を編成する方法。
【請求項２０】
前記電力伝送要件に関係付けられるパラメータの測定された変化量が光発電アレイ編成の変更に相関しているか否かを判定する前記ステップが、
前記最大電力点における前記値の変化の大きさを決定するステップ、及び
前記最大電力点における前記値の前記変化の大きさが別の光発電アレイ編成と相関しているか否かを判定するステップ、
をさらに含むことを特徴とする請求項１９に記載の光発電アレイにおけるインテリジェントノード間の電気接続を編成する方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、２００９年１月３０日に出願された、米国仮特許出願第６１/１４８８７８号の恩典を主張する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、全般的には光発電アレイにおける光発電パネル間の編成可変電気接続の方法に関し、さらに詳しくは光発電アレイにおいて電力伝送要件にしたがって選択される直列／並列電気回路の組合せで光発電パネルを編成可変な態様で接続する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
入射光量及び温度について指定された条件の下で稼働している光発電(ＰＶ)セルに対しては、ＰＶセルで発生する電力量が最大になるＰＶセルの出力電圧及び出力電流に対する特定の組合せがある。最大電力点(ＭＰＰ)またはＰ最大と称される、ＰＶセルからの最大電力出力は、入射光量の変化、ＰＶセル動作温度の変化及びＰＶセルから電力を受け取る電気負荷のインピーダンスの変化に応じて変化する。ＭＰＰの値は、１つ以上のＰＶモジュールを有するＰＶパネルに対して決定することができ、それぞれのＰＶモジュールには電気回路に接続された多くのＰＶセルがある。ＭＰＰの値は、多くのＰＶパネルでつくられたＰＶアレイ、１つ以上のＰＶアレイを備えるＰＶエリア及び１つ以上のＰＶエリアを備えるＰＶシステムにも、見ることができる。
【０００４】
現在使用されている多くのＰＶアレイにおいては、負荷インピーダンス、温度及び光量についてあらかじめ定められた基準条件の下でＰＶアレイを動作させたときにＰＶアレイがＭＰＰにおいて電力を出力するように、ＰＶアレイ内でＰＶパネルが機械的及び電気的に配置される。例えば、太陽光を電気に変換するための太陽ＰＶアレイからの出力電圧及び出力電流は一年の間の選択された季節及び一日の間の選択された時刻における直射太陽露光に対するＭＰＰに対応する電力を送り出すように選ばれる。しかし、入射光量は太陽のＰＶアレイに対する位置の季節変化及び日周変化の結果として変化するから、ＰＶアレイの電流出力も変化し、関連してＭＰＰ値も変化する。ＰＶアレイのＰＶパネルで受け取られる光量は太陽光の地球大気透過率によっても、例えばＰＶアレイに入射する太陽光量を減少させる天候変化によっても、影響を受ける。温度変化、例えば周囲温度の変化及びＰＶアレイコンポーネントの直接太陽加熱の日周変化または季節変化も、ＰＶアレイからの電力出力にＭＰＰからの偏差を生じさせる。技術上既知のＰＶアレイは通常、アレイが編成された基準条件とは異なる、光量、温度または負荷インピーダンスの条件の結果として、ＭＰＰより小さい電力量を出力する。ＭＰＰで動作していないＰＶアレイは、電力を無駄にしていることがあり、あるいはアレイの電気コンポーネントまたは光発電コンポーネントに損傷が生じる危険があり得る。
【０００５】
交流(ＡＣ)電力を供給するための太陽光発電システムは、ＰＶパネルからの直流(ＤＣ)を電気負荷に供給されるＡＣ電力に変換するために、電力変換装置、例えばＤＣ-ＡＣインバータを備える。大電気負荷に合わせてつくられたインバータは一般に比較的狭いＤＣ入力電圧範囲及び単ＰＶパネルの出力電圧よりも実質的に高い最低ＤＣ入力電圧を有する。したがって、インバータに対するＤＣ入力範囲内の合成ＰＶアレイ出力電圧を形成するために、選ばれた数のＰＶパネルが直列に電気的に接続される。目標出力電流値を供給するために選ばれた数の直列接続ＰＶパネルチェーンがさらに並列に接続されてＰＶアレイが形成される。技術上既知のＰＶアレイでは、それぞれが直列接続ＰＶパネルチェーンにされたパネルの数及び並列接続されたＰＶパネルチェーンの数は固定されている。すなわち、正常稼働中にＰＶパネル間の電気ケーブルが外されて新しい回路編成に再接続されることはない。技術上既知のＰＶアレイにおけるＰＣパネル間の直列／並列電気接続の変更には一般に、労力及び時間がかかるプロセスである、多くの電気ケーブルの取外し及び再接続が必要である。電気負荷の短期変化、短時間の高周囲温度、雲がかかった状態、等のような過渡的現象への応答手段としての技術上既知のＰＶアレイに対する編成変更は一般に実行不能である。さらに、従来技術で既知のＰＶアレイからの出力電圧がインバータの仕様最低入力電圧より低い場合には、アレイからの出力電力はもはやインバータへの入力に適せず、電気負荷への電力供給に用いられることはない。
【０００６】
目標ＭＰＰ値を、入射光量、温度及び負荷インピーダンスに対する選択された基準条件に関係付けるように出力電圧及び出力電流が選ばれるＰＶアレイがある。他に、動作条件の変化に応答してＭＰＰが変化してもＰＶアレイからの電力出力はＭＰＰ近くにとどまるように出力電圧または出力電流を調節するための手段を備えるＰＶアレイもある。ＰＶアレイ出力電圧はインバータの比較的狭いＤＣ入力範囲内にとどまることが好ましいから、ＭＰＰ値の変化に追随するための出力調節を備えるＰＶアレイは一般にアレイ出力電流を調節することでそのようにする。最高電力点トラッカー(ＭＰＰＴ)はＭＰＰ値の変化に応答してＰＶアレイ出力電流を調節するための電気装置の一例である。ＭＰＰＴはＰＶアレイに接続された電気負荷のインピーダンスを調節し、よってＰＶアレイ出力電流を新しいＭＰＰ値に関する値に設定する。
【０００７】
負荷インピーダンスが不変の場合の動作に対するＰＶアレイ、ＭＰＰＴ及びインバータの組合せの設定は普通の仕事である。しかし、実際上負荷インピーダンスは一般に不変ではない。さらに、ＭＰＰＴのコスト及び複雑さは、大規模ＰＶアレイからの出力に存在する高電圧及び大電流にさらされるように設計された半導体デバイスでつくられたＭＰＰＴについては特に、高い。ＭＰＰＴのコスト及び複雑さはＰＶアレイの規模が大きくなるにしたがって急速に増大し、したがって非常に規模の大きいＰＶアレイ、例えば発電所規模ＰＶアレイに合わせてＭＰＰＴまたは同様の調整装置の規模を変更することは簡単なことではない。さらに、高電圧及び大電流で動作する半導体デバイスを用いる複雑な電気装置はその装置が稼働しているシステムの総合信頼性を低めることが知られている。電気的な欠陥をかかえるＭＰＰＴは全ＰＶアレイからの出力を中断させ得るであろう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
電力伝送の１つ以上の要件、例えばＭＰＰの変化に追随するという要件、すなわちＰＶアレイのインピーダンスを負荷インピーダンスに整合させるという要件にしたがって、電力を電気負荷に供給するためにＰＶアレイにおけるＰＶパネル間の直列／並列接続の編成を迅速に調整する方法が必要とされている。さらに、非常に大規模なＰＶアレイ、例えば発電所規模ＰＶアレイに合わせて経済的に規模が変わり得る方法が必要とされている。一点装置の故障がＰＶアレイからの電力出力を中断するような確率を低めるＰＶアレイの出力を調整する方法も必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
ＰＶアレイからの電気負荷への電力出力のための選ばれた電力伝送要件にしたがって、ＰＶパネル間の直列／並列電気接続の組合せを選択する方法が提供される。開示される方法とともに使用するに適するＰＶパネルは本明細書においてインテリジェントノードと称される。電気的に接続された２つ以上のインテリジェントノードは本明細書において編成可変ＰＶアレイと称される。本方法のいくつかの実施例において、インテリジェントノード間の直列／並列接続の組合せは、電気負荷及び編成可変ＰＶアレイに対するインピーダンス等化に関する電力伝送要件にしたがって選択される。本発明の別の実施例において、インテリジェントノード間の直列／並列接続の組合せは、最大電力点における編成可変ＰＶアレイからの電力出力に関する電力伝送要件にしたがって選択される。別の実施例において、編成可変ＰＶアレイにおける直列／並列接続の組合せは、別の電力伝送要件にしたがって決定される。
【００１０】
開示される方法にしたがえば、編成可変ＰＶアレイにおけるインテリジェントノード間の直列／並列電気接続の組合せは、必要に応じて、電力伝送要件に関係付けられる１つ以上のパラメータの値の変化に応答して様々な直列／並列接続の組合せに変更することができる。あるＰＶアレイ編成から別のＰＶアレイ編成への変更は、それぞれのインテリジェントノードに備えられる電気制御スイッチに対しスイッチング状態を設定することで達成される。あるＰＶアレイ編成から別のＰＶアレイ編成への変更は、中央モニタリング／制御コンピュータにシステムによって制御することができ、あるいはその目的のために指定されたインテリジェントノードによって制御することができる。１つ以上の通信インターフェースを通じて、シーケンシャルにまたは同時に、インテリジェントノードにコマンドを送ることができる。
【００１１】
本発明のいくつかの特徴を本節で要約した。本発明の上記及びその他の特徴、態様及び利点は以下の説明に関し、添付図面を参照すると、より良く理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は本発明にしたがう方法の一実施例におけるステップを示すブロック図である。
【図２】図２は本明細書でインテリジェントノードと称される光発電パネルの一実施例の略図である。図２のインテリジェントノードの実施例は他のインテリジェントノードとの選択可能な直列電気接続または並列電気接続に適合され、バイパス回路を備え、さらに、他のインテリジェントノード及び中央モニタリング／制御コンピュータシステムとのデータ及びコマンドの交換に適合される。
【図３】図３はケーブルアセンブリによって直列電気回路に接続された‘整数ｎ’基の図２のインテリジェントノードの単純化した略図である。
【図４】図４はケーブルアセンブリによって並列電気回路に接続された‘整数ｎ’基の図２のインテリジェントノードの単純化した略図である。
【図５】図５は、３基の図２のインテリジェントノードが直列／並列電気接続で相互接続されている、簡単なＰＶアレイの一実施例の単純化した略図である。
【図６】図６はインバータ及び電気負荷を含む電気回路に図２のインテリジェントノードを１２基有するＰＶアレイの一実施例の略図である。図６の実施例における電気負荷は、そのインピーダンスＺ負荷がＰＶアレイの稼働中に変化する電気負荷を表す。図６のＰＶアレイの実施例は、直列／並列セレクタＸ１〜Ｘ１２に対して選ばれる設定にしたがい、図７〜１２の実施例のいずれにも選択的に編成することができる。
【図７】図７は図６のＰＶアレイの実施例に対して成立し得る多くの選択可能な電気編成の１つの実施例についての略図である。図７の実施例においては、ＰＶアレイのインテリジェントノードの全てが並列に電気接続されている。
【図８】図８は、２つのインテリジェントノードグループが直列に電気接続され、それぞれのグループでは６基のインテリジェントノードが並列に電気接続されるように、編成された図６のＰＶアレイの実施例を示す略図である。
【図９】図９は、３つのインテリジェントノードグループが直列に電気接続され、それぞれのグループでは４基のインテリジェントノードが並列に電気接続されるように編成された図６のＰＶアレイの実施例を示す略図である。
【図１０】図１０は、４つのインテリジェントノードグループが直列に電気接続され、それぞれのグループでは３基のインテリジェントノードが並列に電気接続されるように編成された図６のＰＶアレイの実施例を示す略図である。
【図１１】図１１は、６つのインテリジェントノードグループが直列に電気接続され、それぞれのグループでは２基のインテリジェントノードが並列に電気接続されるように編成された図６のＰＶアレイの実施例を示す略図である。
【図１２】図１２は全てのインテリジェントノードが直列に電気接続されている図６のＰＶアレイの実施例を示す略図である。
【図１３】図１３は図１の方法の変型の一実施例である。図１３の実施例においては編成可変ＰＶアレイの出力電圧をＤＣ-ＡＣインバータのＤＣ入力電圧範囲内に維持するという電力伝送要件に対するステップが示される。
【図１４】図１４は図１の方法の他の変型の一実施例である。図１４の実施例においては、編成可変ＰＶアレイのインピーダンスと電気負荷のインピーダンスを等しくするという電力伝送要件に対するステップが示される。
【図１５】図１５は図１の方法の他の変型の一実施例の第１の部分である。図１５の実施例においては、最大電力点(ＭＰＰ)において編成可変ＰＶアレイを稼働させるという電力伝送要件に対するステップが示される。
【図１６】図１６は図１５の実施例の続きである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
光発電(ＰＶ)アレイにおいてＰＶパネル間の接続を直列／並列電気回路の選択可能な組合せで編成することによって、ＰＶアレイに接続された電気負荷にＰＶアレイから電力を効率的に伝送する方法が提供される。開示される方法に関連する変型においては、選ばれた電力伝送要件にしたがって電力が伝送される。電力伝送要件は、ＰＶアレイの好ましい電気的編成を決定するための目標、ガイドラインまたは原理である。いくつかの場合、電力伝送要件は完全には達成できないが、ＰＶアレイパラメータの最適選択によって近づくことはできる。例えば、一変型において、電力伝送要件は編成可変ＰＶアレイからの出力電圧値をＤＣ-ＡＣインバータについてのＤＣ入力範囲仕様の限定範囲内に維持することである。他の変型において、電力伝送要件は最大電力点(ＭＰＰ)においてＰＶアレイから電気負荷に電力を伝送することである。他の変型において、電力伝送要件はＰＶアレイのインピーダンスと電気負荷のインピーダンスとの差を仕様最大誤差より小さくすることである。さらに他の変型において、電力伝送要件は、入射光量、温度またはその他の仕様パラメータの変化にＰＶアレイを迅速に適合させることである。本方法の他の変型は電力伝送要件の組合せに基づく最適化を希求する。
【００１４】
本明細書に開示される実施例とともに用いるに適するＰＶパネルの例はインテリジェントノードと称される。インテリジェントノードの例は、２００８年１０月１日に出願された、名称を「ソーラーパネルアレイのモニタリング及び制御のためのネットワークトポロジー(Network Topology for Monitoring and Controlling a Solar Panel Array)」とする米国特許出願第１２/２４３８９０号の明細書及び、２００９年１月１２日に出願された。名称を「光発電パネル間の接続の選択的編成による光発電アレイからの電力を制御するためのシステム(System For Controlling Power From A Photovoltaic Array By Selectively Configuring Between Photovoltaic Panels)」とする米国特許出願第１２/３５２５１０号の明細書に説明されている。これらの明細書は本明細書に参照として含まれる。
【００１５】
開示される方法の利点には、１００基より少ないＰＶパネルを備えるＰＶアレイから数１０万基のＰＶパネルを備える発電所規模のＰＶアレイまでの、ＰＶアレイからの電力伝送の経済的で効率的な制御がある。別の利点は、稼働条件の変化にＰＶアレイを適合させるための直列／並列電気接続の迅速な再編成である。例えば、比較的低速な無線リンクで中央モニタリング／制御コンピュータと通信している１０万基のインテリジェントノードを有するＰＶアレイにおいて、アレイ内の全てのパネルへの電気接続を５分未満で新しい編成に電気的に切り換えることができるであろう。多くの場合、編成の変更に全てのパネルへの接続の変更は必要ではなく、よってＰＶアレイ内のＰＶパネルへの通信リンクが比較的低速であっても、編成変更は一般に、ＰＶアレイが稼働中に遭遇する多くの過渡現象に追随するに十分に高速であろう。したがって、移動する雲の影、空で太陽が位置を変えるにしたがって位置を変える建造物からの影、電気負荷の変化、天候変化、ＰＶパネル故障、ＰＶパネル保守、等に応答して、開示される方法によりＰＶアレイを再編成することが実際的である。さらに、大規模ＰＶアレイにおいては、個々のＰＶパネルに送られるデータのかなりは比較的高速のデータ経路を伝わり、アレイの再編成に必要な時間を数分から数秒に短縮するであろう。
【００１６】
本方法のいくつかの変型において、ＰＶアレイが大規模になるほど選ばれた電力伝送要件に関する条件にＰＶからの出力をより一層近づけることができる。例えば、本方法のいくつかの変型において、ＰＶアレイが大規模になるほど、ＰＶアレイのインピーダンスをそのアレイから電力を受け取っている電気負荷のインピーダンスにさらに一層近づけることができる。他の変型において、ＰＶアレイが大規模になるほど、動作温度または入射光量の変化に関係して変化したＭＰＰ値にＰＶアレイをさらに一層近づけることができる。他の利点には、半導体コンポーネントを高電圧または大電流にさらさないＰＶアレイ内のＰＶパネル間の直列／並列電気接続の形成、及び一点故障の生じる可能性のあるいずれかの電気装置の排除がある。技術上既知のＰＶ発電システムに比較して向上した信頼性が別の利点である。さらに、開示される方法はＰＶアレイの通常の動作にしたがうことができる。すなわち、アレイは、電気ケーブルの取外し及び再接続を行わずに、直列／並列接続のある組合せから別の組合せに再編成することができる。他の利点は、ＰＶアレイから電力を受け取っている電気負荷へのＰＶアレイからの電力伝送の効率の向上である。
【００１７】
本発明にしたがう方法の一実施例が図１に示される。図１において方法実施例３００はステップ３０２で開始される。ステップ３０４において、編成可変ＰＶアレイによる電気負荷への電力出力に対する電力伝送要件が選択される。この方法の以降のステップは、選択された電力伝送要件に関係付けられるパラメータ及び条件に依存する。
【００１８】
図１の方法実施例３００は続いてステップ３０６に進み、電力伝送要件に関係付けられるパラメータに対して値が指定される。値は、必要に応じて、例えば、編成可変ＰＶアレイ出力電圧、編成可変ＰＶアレイ出力電流、ＰＶアレイインピーダンス、電気負荷インピーダンス、編成可変アレイのインテリジェントノードに入射する光量の平均値またはその他の選ばれたパラメータの、ただしこれらには限定されない、パラメータ測定値で指定される。あるいは、パラメータ値は、光量、温度、負荷インピーダンスまたは電力伝送要件に関わるその他の選ばれたパラメータ対する基準条件に関する目標値を用いる計算の結果として指定することができる。または、いくつかのパラメータは計算によって値を指定することができ、その他のパラメータは測定によって値を計算することができる。
【００１９】
次にステップ３０８において、ステップ３０４で選択された電力伝送要件及びステップ３０６で指定されたパラメータ値にしたがって、インテリジェントノード間の直列／並列接続の第１の組合せが選ばれる。直列／並列接続の第１の組合せは本明細書において編成可変ＰＶアレイのベースライン編成と称される。電力伝送要件に関係付けられるパラメータ値の変動の結果、必要に応じて、ＰＶアレイがベースライン編成から新しい編成に変えられることになる。ステップ３０８において、インテリジェントノード間の直列／並列接続の組合せの選択後、選択された組合せに基づいてインテリジェントノードが電気的に相互接続される。
【００２０】
ステップ３１０において、電力伝送要件に関係付けられる１つ以上のパラメータについて変化の大きさが測定される。例えば、本方法のいくつかの変型において、負荷インピーダンスが様々な時刻に測定され、負荷インピーダンスの変化量が決定される。次いで、ステップ３１２において、ＰＶアレイの編成を変更すべきか否かを判定するために測定された変化量が評価される。あるパラメータの変化量が現行のＰＶアレイ編成よりも新しいＰＶアレイ編成に一層密に相関していれば、ステップ３１４において、ステップ３１２で変更されたパラメータ値に関係付けられる新しいＰＶアレイ編成にしたがって、インテリジェントノード間の接続が再編成される。１つ以上のパラメータの変化量が新しいＰＶアレイ編成に相関していなければ、方法はステップ３１０に戻って１つ以上のパラメータについて新しい値を測定する。図１に示される方法実施例３００について明示的な終止ステップは示されていないが、必要に応じて、本方法が選ばれたいずれかのステップにおいて中断され得ることは理解されるであろう。
【００２１】
本発明にしたがう方法は２基以上のインテリジェントノードを備える編成可変ＰＶアレイに向けられる。インテリジェントノードの一実施例についての回路図が、インテリジェントノードが編成可変ＰＶパネルと称されている、米国特許出願第１２/３５２５１０号の明細書に開示されているインテリジェントノード、及び米国特許出願第１２/２４３８９０号の明細書においてインテリジェントノードについて開示されている制御構造を表している、図２に示される。図２のインテリジェントノード１００は、太陽光から電力を発生するためのＰＶモジュール１０８，インテリジェントノード１００のモニタリング及び制御のためのノードコントローラ１１４，及びＰＶモジュール１０８からの電流／電圧出力を第１の電力コネクタＰ１ １０２上の電流／電圧から選択的に切り離すための電気制御バイパスセレクタ１２０を備える。図２のインテリジェントノード１００はさらに、第２の電力コネクタＰ２ １５６及び別のインテリジェントノード１００に直列電気接続、並列電気接続または直列／並列電気接続の組合せによって選択的に接続するための電気制御直列／並列セレクタＸｎ １３８を備える。
【００２２】
図２のインテリジェントノードは、他のノード、ゲートウエイまたは中央モニタリング／制御コンピュータとの通信に適合されたノードコントローラ１１４を備える。ノードコントローラ、例えば、複数の個別回路コンポーネント、プログラマブルロジックアレイ、ゲートアレイ、特定用途集積回路、あるいはマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラを関連支援回路とともに有する電気回路を、ただしこれには限定されずに、備えることができる。ゲートウエイは、必要に応じて備えられる、インテリジェントノードのグループからデータを、中央モニタリング／制御コンピュータにそのデータを転送する前に収集する、ネットワーク通信デバイスである。また、中央モニタリング／制御コンピュータから受け取られるコマンドは必要に応じてゲートウエイによりインテリジェントノードのグループへの送達が阻止される。
【００２３】
図２のノードコントローラ１１４はいくつかの冗長通信手段の内のいずれかによってデータを送受する。必要に応じて、１つより多くの通信手段を他の装置とデータ及びコマンドを交換するために用いることができる。例えば、必要に応じて、他の装置との有線通信のために複数本の電気配線１６４によってノードコントローラ１１４に電気接続された、制御／モニタリングインターフェースコネクタＰ３ １６２をインテリジェントノードに装備することができる。インテリジェントノードは、必要に応じて、ノードコントローラ１１４の双方向通信ポートに電気接続された電力線通信インターフェース(ＰＬＣ Ｉ/Ｆ)１８２を備えることができ、ＰＬＣインターフェース１８２にはコネクタＰ２ １５６に電気的に結合された回路が備えられる。必要に応じて、データ及びコマンドの交換のために無線トランシーバ(ＸＣＶＲ)１８０も備えられる。無線ＸＣＶＲ １８０はノードコントローラ１１４上の双方向通信ポートに電気接続されて、データ及びコマンドを表す信号を他の無線トランシーバ、例えば、他のインテリジェントノードまたはゲートウエイの無線トランシーバと交換する。ある状況の下で、例えばゲートウエイが稼働していない場合に、インテリジェントノードは、必要に応じて、中央モニタリング／制御コンピュータと無線通信によってデータ及びコマンドを交換することができる。短距離通信に適合された無線トランシーバ１８０，例えばブルートゥーストランシーバをインテリジェントノード１００に備えることができる。あるいは、長距離通信用トランシーバ、例えばワイファイ(Ｗｉｆｉ)トランシーバまたは他の無線通信技術を用いるトランシーバを備えることができる。
【００２４】
図２のノードコントローラ１１４はＰＶモジュール１０８及びインテリジェントノード１００の性能に関わるパラメータをモニタし、バイパスセレクタ１２０の切換状態及び直列／並列セレクタＸｎ １３８の切換状態を別々に設定する。ノードコントローラによってモニタされるパラメータの例には、電流測定回路１７４によって測定されるＰＶモジュール１０８の出力電流、電圧測定回路１７６で測定されるＰＶモジュール１０８の出力電圧、１つ以上の温度測定回路１７８で測定される１つ以上のＰＶモジュール温度、ＰＶモジュール１０８の方位角及び仰角、第２の電力コネクタＰ２ １５６上の電流及び電圧、及び第１の電力コネクタＰ１ １０２上の電流及び電圧があるが、これらには限定されない。ノードコントローラ１１４は、必要に応じて、ＰＶモジュール１０８内またはインテリジェントノード１００内の電気的障害状態、ＰＶモジュール１０８の一部遮光、ＰＶモジュール１０８の表面上の降水、塵埃または屑による電力減少、及び空気中の塵埃、降水または雲量による入射光量減少を検出するように構成することができる。ノードコントローラ１１４は、必要に応じて、ＰＶモジュール表面反射率、入射光強度、ＰＶモジュールの方位角及び仰角をモニタするためのセンサのような、他のセンサをモニタするように構成することもでき、太陽の位置を追随するための方位角モーター及び仰角モーターのようなアクチュエータを制御するように適合させることができる。
【００２５】
電気制御バイパスセレクタ１２０及び電気制御直列／並列セレクタＸｎ １３８の切換状態により、第１の電力コネクタＰ１ １０２及び第２の電力コネクタＰ２ １５６を通過して流れている電力にＰＶモジュール１０８からの電流及び電圧をどれだけ結合できるかが決定される。図２に示されるように、バイパスセレクタ１２０及び直列／並列セレクタＸｎ １３８は双極双投型(ＤＰＤＴ)電気機械リレーであることが好ましい。あるいは、セレクタ(１２０，１３８)のいずれかは、またはいずれも、個別電子コンポーネントでつくられた固体リレーまたは固体スイッチングデバイスで置き換えることができる。いずれのセレクタ(１２０，１３８)も、必要に応じて、単一のＤＰＤＴ電気制御スイッチングデバイスから、ノードコントローラ１１４に電気接続された共通制御線を共有する、一対の単極単投型スイッチングデバイスに変更することができる。
【００２６】
図２を参照すれば、編成可変ＰＶアレイの他のインテリジェントノードからの電力は、第１の端子１５８及び第２の端子１６０を有する第２の電力コネクタＰ２ １５６で、必要に応じて、インテリジェントノード１００に接続することができる。Ｐ２の第１の端子１５８及びＰ２の第２の端子１６０上の電圧及び電流は、後に説明されるように、ＰＶモジュール１０８から出力される電圧及び電流と、バイパスセレクタ１２０及び直列／並列セレクタＸｎ １３８の選ばれた切換状態にしたがって選択的に結合される。Ｐ２の第１の端子１５８は直列／並列セレクタＸｎ １３８の第１のＳ-Ｐスイッチ１４０の並列端子１４４に電気接続される。Ｐ２の第１の端子１５８はさらに、直列／並列セレクタＸｎ １３８の第２のＳ-Ｐスイッチ１４８の直列端子１５４に電気接続される。Ｐ２の第２の端子１６０は第２のＳ-Ｐスイッチ１４８の並列端子１５２に電気接続される。
【００２７】
第１のＳ-Ｐスイッチ１４０の直列端子１４６はバイパスセレクタ１２０の第１のバイパススイッチ１２２の共通端子１２８に電気接続される。第１のＳ-Ｐスイッチ１４０の共通端子１４２は、バイパスセレクタ１２０の第２のバイパススイッチ１３０の共通端子１３２に電気接続される。第１のＳ-Ｐスイッチ１４０の共通端子１４２はさらに、コネクタＰ１の第１の端子１０４に電気接続される。第２のＳ-Ｐスイッチ１４８の共通端子１５０は、ＰＶモジュール１０８上の負端子１１２，コネクタＰ１の第２の端子１０６及びバイパスセレクタ１２０の第１のバイパススイッチ１２２のバイパス端子１２６に電気接続される。
【００２８】
図２を続けて参照すれば、ＰＶモジュール１０８の正端子１１０は電流測定回路１７４の入力に電気接続される。電流測定回路１７４の出力は、バイパスセレクタ１２０の第２のバイパススイッチ１３０の正規端子１３４に電気接続される。バイパスセレクタ制御線１１８がノードコントローラ１１４からバイパスセレクタ１２０の制御入力に制御信号を伝える。バイパスセレクタ制御線１１８上のノードコントローラ１１４からの第１の制御信号はバイパスセレクタ１２０を、ＰＶモジュール１０８からの出力が第１の電力コネクタＰ１ １０２の端子上の電圧及び電流から切り離される、「バイパス」切換状態に設定する。「バイパス」切換状態は本明細書において「Ｂ」切換状態とも称される。バイパスセレクタ制御線１１８上のノードコントローラ１１４からの第２の制御信号はバイパスセレクタ１２０を、ＰＶモジュール１０８からの出力が直列／並列セレクタＸｎ １３８の２つの交互する切換状態の１つにしたがってコネクタＰ１ １０２の端子上の電流及び電圧と選択的に結合される、「正規」切換状態に設定する。「正規」切換状態は本明細書において「Ｎ」切換状態とも称される。図２の実施例において、バイパスセレクタ１２０の第１のバイパススイッチ１２４及び第２のバイパススイッチ１３０は「正規」切換状態で示される。図２はさらに第１のバイパススイッチ１２２の正規端子１２４及び第２のバイパススイッチ１３０のバイパス端子１３６をフローティング状態で示す。回路に取り込まれる雑音を低減するために、必要に応じて、フローティング端子に受動コンポーネントを電気接続できることが当業者には当然であろう。
【００２９】
直列／並列セレクタ制御線１１６がノードコントローラ１１４から直列／並列セレクタＸｎ １３８の制御入力に制御信号を伝える。直列／並列セレクタ制御線１１６上のノードコントローラ１１４からの第３の信号は直列／並列セレクタＸｎ １３８を、本明細書において「Ｓ」切換状態とも称される、「直列」切換状態に設定する。直列／並列セレクタ制御線１１６上のノードコントローラ１１４からの第４の信号は直列／並列セレクタＸｎ １３８を、本明細書において「Ｐ」切換状態とも称される、「並列」切換状態に設定する。図２の実施例において、直列／並列セレクタＸｎ １３８の第１のＳ-Ｐスイッチ１４０及び第２のＳ-Ｐスイッチ１４８は「直列」切換状態で示される。
【００３０】
図３は、ケーブルアセンブリ１６６で直列に電気接続された、‘整数ｎ’基のインテリジェントノードを有する編成可変ＰＶアレイの一実施例を示す。図３に示されるように、直列／並列セレクタ(１３８ Ｘ１,１３８ Ｘ２,…,１３８ Ｘｎ)は「Ｓ」切換状態で示される。図３の実施例において‘ｎ’基のパネルのバイパスセレクタ１２０の全ては「Ｎ」切換状態に設定されている。ＰＶアレイ負出力端子１７０とＰＶアレイ正出力端子１６８の間で測定したＰＶアレイからの出力電圧Ｖ出力は、‘ｎ’基のインテリジェントノードの出力電圧の総和である。図３に示される編成において、編成可変ＰＶアレイの出力電圧はさらに、インテリジェントノード‘ｎ’のコネクタＰ２端子１ １５８とインテリジェントノード１のコネクタＰ１端子１ １０４の間で測定したＰＶアレイの出力電圧Ｖ出力に相当する。あるインテリジェントノードの直列／並列セレクタが「Ｓ」状態に設定され、バイパスセレクタ１２０が「Ｂ」状態に設定されている場合、そのインテリジェントノードからの出力電圧は、第１の電力コネクタＰ１と第２の電力コネクタＰ２の間のＰＶモジュールを迂回するインテリジェントノード内回路によって、出力電圧Ｖ出力から切り離される。
【００３１】
図４は、‘ｎ’基のインテリジェントノードが電気的に接続されて図２の実施例における編成可変ＰＶアレイを形成する、多くの別の電気的編成の内の１つを示す。図４においては、直列／並列セレクタ(１３８ Ｘ１,１３８ Ｘ２,…,１３８ Ｘｎ)が「Ｐ」切換状態にある、‘整数ｎ’基のインテリジェントノード１００が、ケーブルアセンブリ１６６で並列編成に電気的に相互接続される。バイパスセレクタ１２０は「Ｎ」切換状態で示される。ＰＶアレイ負出力端子１７０とＰＶアレイ正出力端子１６８の間で測定した編成可変ＰＶアレイからの出力電圧Ｖ出力は、この実施例の目的に対し、全てが等しい出力電圧を有するインテリジェントノード１００のいずれか１つからの出力電圧に等しい。出力電圧が相異なるインテリジェントノードの場合、ＰＶアレイ出力電圧は並列電気回路を解析するための通常の方法で計算することができる。図４の実施例の編成可変ＰＶアレイからの出力電流は‘ｎ’基のインテリジェントノードのそれぞれからの電流出力、インテリジェントノード１００-１のコネクタＰ１への状況による電流入力及びインテリジェントノード１００-ｎのコネクタＰ２への状況による電流入力の算術和に等しい。ＰＶアレイ負出力端子１７０は、図４に破線の接続線で示されるように、インテリジェントノード１００-ｎのコネクタＰ２端子２ １６０にあるいはインテリジェントノード１００-１のコネクタＰ１端子２ １０６に交互に電気接続することができる。ＰＶアレイ正出力端子１６８は、図４に破線の接続線で示されるように、インテリジェントノード１００-１のコネクタＰ１端子１ １０４にあるいはインテリジェントノード１００-ｎのコネクタＰ２端子１ １５８に交互に電気接続することができる。
【００３２】
図５は、直列／並列接続の組合せで接続された３基のインテリジェントノードを備える、編成可変ＰＶアレイの一実施例を示す。図５の実施例において、インテリジェントノード１００-１の直列／並列セレクタ１３８ Ｘ１は「Ｐ」切換状態に設定されている。インテリジェントノード１００-２の直列／並列セレクタ１３８ Ｘ２は「Ｓ」切換状態に設定されており、インテリジェントノード１００-３の直列／並列セレクタ１３８ Ｘ３は「Ｓ」切換状態に設定されている。図５においてＰＶアレイ正出力端子１６８とＰＶアレイ負出力端子１７０の間で測定したＰＶアレイ出力電圧Ｖ出力は、図４の実施例に示されるように、並列に接続されたインテリジェントノードに対するＰＶアレイ出力電圧のほぼ２倍である。したがって、図５のように編成されたＰＶアレイは、図４のＰＶアレイの実施例よりも低レベルの光量の下で、インバータに対する最小入力電圧以上の出力電圧を発生することができる。図５の実施例におけるような、インテリジェントノード間で選択可能な直列／並列接続を有する編成可変ＰＶアレイは、並列にしか接続されていないインテリジェントノードではインバータ入力への接続には電圧が低すぎる電力しか出力しないような条件下において電力グリッドに出力するための電力を取り込む。
【００３３】
図６の実施例は、１２基のインテリジェントノードを備える編成可変ＰＶアレイでつくられる、直列／並列電気接続の組合せ及び対応する編成可変ＰＶアレイ出力電圧の実施例を説明するために用いることができる。図６はさらに編成可変ＰＶアレイに接続された電気負荷の実施例及び電気負荷に関する信号を受け取るように適合されたモニタリング／制御コンピュータシステムを示し、電気負荷は時間とともに変化し得るインピーダンスを有する。モニタリング／制御コンピュータシステムは、必要に応じて、編成可変ＰＶアレイの直列／並列接続の組合せを選択するために負荷インピーダンスの値を用いることができ、あるいは組合せはその目的のために指定されたインテリジェントノードによって選択され得る。
【００３４】
編成可変ＰＶアレイのいずれか２つの編成の間の出力電圧の差は、先に説明したように、ＰＶアレイインピーダンスの差に対応する。編成可変ＰＶアレイからの出力電圧Ｖ出力は、ＰＶアレイ正出力端子１６８とＰＶアレイ負出力端子１７０の間で測定される。インテリジェントノード１００-１のコネクタＰ１端子１ １０４はＰＶアレイ正出力端子１６８に電気接続され、ＰＶアレイ正出力端子１６８はさらにインバータ１７２の第１のＤＣ入力に電気接続される。インテリジェントノード１００-１２のコネクタＰ２端子１ １５８はＰＶアレイ負出力端子１４０に電気接続され、ＰＶアレイ負出力端子１４０はさらにインバータ１７２の第２のＤＣ入力に電気接続される。図６に単純化された形態で表されるインテリジェントノード１００のそれぞれは、ＰＶモジュール１０８及び直列／並列セレクタ(Ｘ１,Ｘ２,Ｘ３,…,Ｘ１２)を備える。
【００３５】
図７の単純化された等価電気回路に示される第１の選択の編成において、図７ではＰＶモジュール１０８で表されている、図６の実施例の１２基のインテリジェントノードが、並列電気回路で接続される。正端子１１０と負端子１１２に間で測定されるＰＶモジュールからの出力電圧は電圧‘Ｅ’で表される。１２の直列／並列セレクタ(Ｘ１〜Ｘ１２)の全てで「Ｐ」切換状態が選択されていることに対応する、図７の並列電気編成に対して、第１の出力端子１６８と第２の出力端子１７０の間で測定される、編成可変ＰＶアレイの出力電圧Ｖ出力は‘Ｅ’に等しい。
【００３６】
図６〜１２の実施例における１２の直列／並列セレクタについての切換状態を表１にまとめて示す。
【表１】
0005357271.tif 000002
【００３７】
図８〜１２は図６の実施例に対して選択される多くの電気編成を示す。図８は、それぞれのグループ内で６基のインテリジェントノードが並列に接続されている、直列に接続された２つのグループについての等価電気回路を示す。図８のＰＶアレイ編成は第１のＰＶアレイ出力端子１６８と第２のＰＶアレイ出力端子１７０の間に２×Ｅの出力電圧を有し、‘Ｅ’は図７と同様に定められる。ＰＶアレイの１２の直列／並列選択に対する切換状態が表１に示される。
【００３８】
図９は、グループ毎に４基のインテリジェントノードが並列に接続されている、直列に接続された３つのグループについての電気等価回路を示し、ＰＶアレイ出力電圧Ｖ出力は３×Ｅに等しい。図１０は、グループ毎に３基のインテリジェントノードを有する、直列に接続された４つのグループを示し、ＰＶアレイは４×Ｅの電圧を出力する。各グループが並列の２基のインテリジェントノードを有する、直列に接続された６つのグループを示す、図１１に示される編成により、６×Ｅに等しいＰＶアレイ出力電圧Ｖ出力が達成される。最後に、図１２は最高ＰＶアレイ出力電圧値を有する編成を示す。図１２においては、１２基のインテリジェントノードの全てが直列に接続されている。
【００３９】
図６〜１２の実施例は、数１００基，さらには数１０００基ものインテリジェントノードを備える極めて規模の大きい編成可変ＰＶアレイに拡張することができる。いくつかの極めて規模の大きい編成可変ＰＶアレイにおいては、最小ＤＣ入力電圧値が高いインバータが好ましい。例えば、技術上既知のグリッド接続インバータの一実施例において、最小ＤＣ入力電圧は単インテリジェントノードから出力される電圧のほぼ１５倍である。すなわち、そのようなインバータへの入力に十分に大きな出力電圧を発生するために、少なくとも１５基のインテリジェントノードが直列に電気接続される。そのような場合、編成可変ＰＶアレイは多数の直列接続インテリジェントノードチェーンを有し、インテリジェントノードチェーンはさらに相互に並列に接続されて、インバータの入力に接続される。
【００４０】
本発明の実施形態は、複数の直列接続編成可変ＰＶパネルチェーンの並列電気回路を備える、極めて規模の大きなＰＶアレイでの使用に適する。一実施例において単パネルを直列接続編成可変ＰＶパネルチェーンに置き換えることにより、大規模アレイにおける実施形態の動作を本明細書で先に説明した実施例の動作と比較することができる。例えば、最小入力電圧が高いインバータに電力を供給しているＰＶアレイの極めて多数のインテリジェントノードの挙動をモデル化するため、ＰＶモジュール１０８で表される、図６〜１２の実施例のインテリジェントノードのそれぞれを、必要に応じて、直列接続インテリジェントノードチェーンで置き換えることができるであろう。
【００４１】
先の実施例で説明したような、他のインテリジェントノードへの接続に適合されたインテリジェントノード間の接続は、様々な電力伝送要件にしたがって選択的に編成することができる。図１の方法の変型の実施例が図１３〜１６に示される。図１３は、電力伝送要件がＤＣ-ＡＣインバータに対するＤＣ入力電圧範囲内に編成可変ＰＶアレイ出力電圧値を維持することである、変型を示す。図１４は、電力伝送要件が電源インピーダンスと負荷インピーダンスを等化することである、変型を示し、電源インピーダンスはＰＶアレイインピーダンスに対応する。図１５〜１６は、電力伝送要件が編成可変ＰＶアレイをＭＰＰで稼働させることである、方法の変型のステップを示す。
【００４２】
図１３は、電力伝送要件が、ＤＣ-ＡＣインバータに対する最小ＤＣ入力電圧以上であってインバータに対する最大ＤＣ入力電圧以下である大きさのＰＶ出力電圧を発生することである、図１の方法の変型の一実施例を示す。図１３のステップに指定された参照数字は図１に示される対応するステップを示す。図１３の実施例はステップ３０２で開始され、電力伝送方法が選択されるステップ３０４に進む。そのような選択は、例えば、中央モニタリング／制御コンピュータシステムの一部であるディスプレイデバイス上に電力伝送要件に対する様々な選択肢を光発電システムの管理責任者に提示することによって実施することができる。
【００４３】
図１３の実施例においては、図１におけるステップ３０６がステップ３０６-１〜３０６-４を含むように示される。ステップ３０６-１において、ＰＶアレイ出力電圧値のテーブルが計算される。テーブルにおけるそれぞれの入力は、編成可変ＰＶアレイにおけるインテリジェントノード間の選ばれた直列／並列電気接続の組合せからの出力電圧に関係付けられる。ステップ３０６-２において、ＤＣ-ＡＣインバータ入力電圧に対する最小値及び最大値に対する値が得られる。最小入力電圧値及び最大入力電圧値は合わせてインバータに対するＤＣ入力電圧範囲を定める。
【００４４】
インバータに入力される電力に対する電圧値がインバータの仕様ＤＣ入力電圧範囲内にあるときにインバータ出力ＡＣ電圧が仕様電圧範囲内にあることが、当業者には当然であろう。入力電圧が仕様入力範囲を外れていれば、インバータ出力から電力を受けている電気負荷を切り離すことが必要であろう。例えば、太陽の日周運動の結果としてＰＶアレイへの入射光量が減少した場合、ＰＶアレイからの出力電圧は最終的にインバータに対する最小入力電圧以下まで降下するであろう。アレイからのその後の電力出力は、インバータに供給するに十分な大きさの電圧を有する電力を発生するに十分に光量が大きくなるまでは無駄にされる。したがって、編成可変ＰＶアレイは、インテリジェントノード間の直列／並列電気接続を再編成してアレイからの出力電圧を大きくすることによって、無駄にされたであろう電力を取り込むことができる。
【００４５】
図１３を続けて参照すれば、ステップ３０６-３において、編成可変ＰＶアレイに対するベースライン編成が選択される。図１３の実施例におけるベースライン編成は、インバータに対するＤＣ入力電圧範囲内である、ステップ３０６-１で決定された出力電圧を有する編成に相当する。ステップ３０６-４において、ステップ３０６-１で計算された値のテーブルが、必要に応じて、ベースライン編成からの出力値に対して規格化される。規格化は、ＰＶアレイ出力電圧の変化の大きさに相関する新しいＰＶアレイ編成を迅速に選択するに有用である。本明細書に説明される方法の変型における規格化及びその他の計算は中央モニタリング／制御コンピュータシステムによるか、またはこの目的のために指定されたインテリジェントノードによって別個に実施することができる。
【００４６】
ステップ３０８において、インテリジェントノードのアレイは選ばれた直列／並列接続に切り換えられる。ステップ３１０において、編成可変ＰＶアレイの出力電圧が再び測定され、先に測定された値からの変化の大きさが計算される。ステップ３１２において、出力電圧の変化の大きさがインバータ入力範囲の最小値及び最大値と比較される。新しい出力電圧値がインバータ入力範囲から外れていれば、インバータ入力範囲内の値に出力電圧を復帰させるために新しいＰＶアレイ編成が選ばれる。ステップ３１４において、編成可変ＰＶアレイのインテリジェントノードが新しく選ばれた編成に切り換えられる。他方で、ステップ３１０からの電圧が未だにインバータ入力範囲内にあれば、ＰＶアレイ編成を変更せずにステップ３１２からステップ３１０に戻る。図１３に示される方法は編成可変ＰＶアレイのインテリジェントノードの全てが直列に電気接続されるまで有効である。
【００４７】
図１４において、電力伝送要件の別の実施例は電源(すなわち編成可変ＰＶアレイ)インピーダンスと電気負荷インピーダンスを等化することである。図４に示される方法の変型における電力伝送要件は、電気負荷のインピーダンスと電源のインピーダンスが等しいときに、電源、例えば光発電アレイから電気負荷、例えばＡＣ負荷とＡＣ負荷に電力を供給しているＤＣ-ＡＣインバータの組合せに最大電力量が伝送され得るという工学原理に関する。
【００４８】
一般に、インピーダンスＺは周知の関係式(１)：
Ｚ＝Ｒ＋ｉＸ          (１)
によって抵抗Ｒ及び周波数項Ｘに関連付けられる。インテリジェントノードの光発電セルに対しては、式(１)の実数項(Ｒ)が支配的であり、虚数項(ｉＸ)は無視することができる。したがって、インテリジェントノードのＰＶモジュールのインピーダンスＺは、オームの法則及び、インテリジェントノードからのＤＣ電力出力に対する、電圧出力及び電流出力の測定値を用いて決定される、インテリジェントノードのＰＶセルの合成抵抗によって近似することができる。多くのインテリジェントノードが相互接続されているＰＶアレイに対するインピーダンスＺは同様に、アレイからの出力電圧Ｅ及びアレイからの出力電流Ｉを用いて、オームの法則により、式(２)：
Ｚ≒Ｒ＝Ｅ/Ｉ          (２)
として見いだすことができる。選ばれた電流Ｉの値に対し、ＰＶアレイインピーダンスを負荷インピーダンスに整合するためになされるＰＶアレイのインピーダンスの変化はＰＶアレイの出力電圧Ｅの変化に関係付けられる。一実施例として、図７〜１２は、図７のＰＶアレイ(並列接続された１２基のＰＶパネル)のインピーダンスに対する、図示される直列／並列編成のそれぞれについて式(２)により決定されるインピーダンスの相対値‘Ｚｒ’でそれぞれを識別することができる。Ｚｒの値は図７のＺｒ＝１から図１２のＺｒ＝１２の範囲にある。したがって、ＰＶアレイインピーダンスを調節する方法は、ＰＶアレイから電力を受ける電気負荷のインピーダンスの変化の大きさの予測可能な最大誤差範囲内にあるＰＶアレイ出力電圧の離散的な大きさの変化を結果として生じる、インテリジェントノード間の直列／並列接続の組合せの選択に基づく。
【００４９】
図１４は図１に示される方法の変型を表す。図１４のステップに指定された参照数字は図１の対応するステップを示す。図１４において、本発明にしたがう方法の実施例はステップ３０２で開始される。次に、ステップ３０４において、電力伝送要件が選択される。図１４の実施例に示される電力伝送要件は電源インピーダンス、すなわちＰＶアレイインピーダンスと負荷インピーダンスの等化である。
【００５０】
次に、ステップ３０６-１〜３０６-４において、電力伝送要件に関係付けられるパラメータの値が指定される。ステップ３０６-１において、出力電圧の離散的変化の値が計算される。出力電圧の離散的変化は、編成可変ＰＶアレイに対して選択され得る、ＰＶアレイインピーダンスの離散的変化に対応する。
【００５１】
表２は、９６基のインテリジェントノードを有する変性可変ＰＶアレイの実施例によって発生させることができる、先に説明したようなＰＶアレイ出力電圧の段階的離散値に関係付けられる、ＰＶアレイインピーダンスの段階的離散値のいくつかを挙げる。表２は、それぞれの組が‘Ｋ’基の並列接続されたインテリジェントノードを有する、‘Ｊ’組のインテリジェントノードに配置され、‘Ｊ’組のインテリジェントノードは直列に電気接続されている、９６基のインテリジェントノードからつくることができる直列／並列回路の順列を示す。表２の量Ｖは１基のインテリジェントノードからの出力電圧を指す。この実施例の目的のため、編成可変ＰＶアレイのインテリジェントノードの全てに対してＶは同じである。表２の第１のデータ行は９６基のインテリジェントノードが全て並列に電気接続された１組のアレイを表し、第２のデータ行は並列接続された４８基のインテリジェントノードが２組直列に接続されたアレイを表し、以下同様である。表２の最終行は９６基のインテリジェントノードの全てが直列に電気接続されたアレイを表す。表２の「ＰＶアレイのインピーダンス，Ｚ」と題された第３列は、前記並列接続のインテリジェントノードからなるアレイのインピーダンスに対するアレイインピーダンスの相対値を表す。表２の第３列のデータは、電圧源の直列／並列組合せに対する従来方法を用いて計算され、インテリジェントノードのＰＶモジュールが電圧源に対応する。第３列の２つの値の間の差は対応するＰＶアレイ編成のインピーダンスの差に関係付けられる。
【表２】
0005357271.tif 000003
【００５２】
表２には、９６基のインテリジェントノードを有する編成可変ＰＶアレイに見ることができるであろう直列／並列接続の全ての組合せは含まれていない。例えば、編成可変ＰＶアレイの異なる組のインテリジェントノードでは、必要に応じて、それぞれの組で並列に接続されるインテリジェントノードの数が異なり、よって直列に接続できる総組数が変わり、対応して編成可変ＰＶアレイ出力電圧間の段階的離散値差も変わり得る。あるいは、２基以上のインテリジェントノードを直列接続グループに配することができ、次いで直列接続グループを並列に相互接続することができる。表２は、直列／並列組合回路に対する通常の計算方法によって、全てのそのような編成に容易に拡張することができる。表２は、数１０万基のインテリジェントノードを有する編成可変ＰＶアレイを含む、様々な数のインテリジェントノードを有する編成可変ＰＶアレイ用に容易に拡張することもできる。一般に、編成可変ＰＶアレイのインテリジェントノード数が多くなるほど、直列／並列接続の再編成によって達成され得る、出力電圧あるいはＰＶアレイインピーダンスの段階的調節量は小さくなり、電力制御要件に近づく上で行われ得る制御の度合いは一層微細になる。出力電圧の段階的調節の大きさは電力伝送要件の達成における最大誤差量に関係する。
【００５３】
表２の第４列は８基１組の並列接続されたインテリジェントノードが１２組直列接続された編成に規格化されたＰＶアレイインピーダンスの値を示す。第４列は、必要に応じて、表２の他のデータ行のいずれに対しても規格化することができるであろう。例えば、入射光量、温度及び負荷インピーダンスに対する基準条件の下で、編成可変ＰＶアレイから電気負荷への最大電力は、８基１組の並列接続されたインテリジェントノードが１２組直列接続されてアレイが編成されているときに生じ得る。負荷インピーダンスが高くなると、例えば負荷インピーダンスが倍になると、編成可能ＰＶアレイは、表２に示されるように４基１組の並列接続されたインテリジェントノードが２４組直列接続された編成に対応する、インピーダンスが以前の編成の２倍になる編成に切り換えられるであろう。
【００５４】
インテリジェントノード間の直列／並列接続の選ばれた組合せに対するインピーダンスの変化に関する値の表の計算(図１４のステップ３０６-１)後、ステップ３０６-２において負荷インピーダンスに対する値が得られる。多くの光発電システム、特に大規模システムは、負荷インピーダンスを決定する手段及び中央モニタリング／制御コンピュータに負荷インピーダンスに対する値を通信するための手段を有する。ステップ３０６-３においてＰＶアレイに対するベースライン編成が、例えば負荷インピーダンスの現在地に最も近いインピーダンス値に対してアレイを編成することによって、選ばれる。次に、ステップ３０６-４において、ステップ３０６-１で計算されたＰＶアレイインピーダンスの離散的変化に関する値の表が、必要に応じて、現在のＰＶアレイ編成に規格化され、よって負荷インピーダンスの増減に応じるベースライン編成に対するインピーダンスの離散的な増減の大きさの選択を容易にする。
【００５５】
ステップ３０８において、編成可変ＰＶアレイはステップ３０６-１〜３０６-４で決定されたインテリジェントノード間の直列／並列接続の組合せに切り換えられる。次に、ステップ３１０において、新しい負荷インピーダンス違えられ、負荷インピーダンスの変化の大きさが計算される。ステップ３１２において、負荷インピーダンスの変化の大きさが新しい負荷インピーダンスを現在のＰＶアレイインピーダンスに近い方においているか、または別のアレイ編成に対応するＰＶアレイインピーダンスに近い方においているかについて判定がなされる。インピーダンスの変化が十分に大きければ、ステップ３１４においてＰＶアレイ編成が新しい編成に変更され、そうでなければ、ＰＶアレイ編成は変更されず、そのままである。すなわち、判定は、変化の大きさが先のアレイ編成と新しい編成のいずれと一層密に相関するかについてなされる。ステップ３１０において、別の測定／比較サイクルが改めて開始される。
【００５６】
一般に、編成可変ＰＶアレイの直列／並列接続の変化の結果生じる離散的インピーダンス変化量は、負荷インピーダンスの変化量と正確には等しくないであろう。したがって、図１４の実施例における別のステップでは、電気負荷の特定のタイプまたはその他の動作要件に好ましいように、出力電圧の、次の最高段値または次の最低段値を選ぶことができる。あるいは、中央モニタリング／制御コンピュータシステムまたは指定されたインテリジェントノードからインテリジェントノード間の接続を変えるためのコマンドを発することができるであろう。切換コマンドを、必要に応じて、全インテリジェントノードに同時に送るか、またはピアツーピア態様で、すなわちインテリジェントノードからインテリジェントノードに次々に、伝えることができるであろう。
【００５７】
図１５及び図１６は図１に示される方法の別の変型を表す。図１６は実施例の図１５からの続きである。図１５〜１６の実施例は最大電力点(ＭＰＰ)における編成可変ＰＶアレイの稼働に関する電力伝送要件の一例を実施するためのステップを示す。そのような電力伝送要件は、例えば、比較的大きな入力電圧範囲を有する電気負荷に電力を供給している編成可変ＰＶアレイに有用である。図１５〜１６の方法において、入射光量の変化、温度の変化またはＰＶアレイの電流出力または電圧出力に影響し、したがってＭＰＰに変化を生じさせるその他の変化に応答して、ＰＶアレイの編成が変化する。
【００５８】
図１５において、実施例はステップ３０２で開始される。ステップ３０４において、ＭＰＰの変化に追随するＰＶアレイ編成の適合に関する電力伝送要件が選択される。ステップ３０６-１において、選択されたＰＶアレイ編成に対応するＰＶアレイ出力電圧値のテーブルが計算される。ステップ３０６-２において、編成可変ＰＶアレイの出力電流の目標値、例えば、光量、温度及び電気負荷インピーダンスの仕様条件の下でのアレイ動作に関する目標値が指定される。ステップ３０６-３において、ＭＰＰに対する値及び出力電流の目標値においてＭＰＰに関係付けられる電圧値が決定される。例えば、ＭＰＰの値は必要に応じて、基準ステップ３０６-２からのＰＶアレイ出力電流と、ステップ３０６-１のテーブルから得られる、光量、温度の基準条件の下でのＰＶアレイ出力電圧の値との算術積を最大化することによって決定することができる。ステップ３０６-４において、ステップ３０６-３からのＭＰＰ値に最も近い出力電力計算値を与える出力電圧を有する、直列／並列接続の組合せが選ばれる。ステップ３０６-５において、ステップ３０６-１で計算されたＰＶアレイ出力電圧のテーブルが、必要に応じて、ステップ３０６-４で選ばれたアレイ編成に対して規格化される。
【００５９】
ステップ３０６-５の後、図１５の実施例は図１６のステップ３０８に続き、ステップ３０８において、編成可変ＰＶアレイはステップ３０６-４で選ばれた直列／並列接続の組合せに切り換えられる。次いで、図１６のステップ３１０において、ＰＶアレイ出力電流の値が測定される。ステップ３１２において、新しい電流値に関係付けられる新しいＭＰＰの値が計算されて先に決定されたＭＰＰ値と比較される。ステップ３１２においては、ＭＰＰインピーダンスの変化の大きさが新しいＭＰＰ値を現在のＰＶアレイ編成に近い方におくかまたは別のＰＶアレイ編成の出力電圧に対して計算されたＭＰＰに近い方におくかについての判定がなされる。インピーダンスの変化が十分に大きければ、ステップ３１４においてＰＶアレイ編成は新しい編成に変更され、そうでなければ、アレイ編成は変更されず、そのままである。別の測定／比較サイクルがステップ３１０において改めて開始される。
【００６０】
図１の方法が多くの様々な電力伝送要件に適用可能であることが当業者には当然であろう。例えば、入射光量と負荷インピーダンスの同時変化に対してインテリジェントノード間の直列／並列接続の最適編成を見いだすという電力伝送要件は、ＭＰＰの新しい値に最も密に追随し、同時に電源インピーダンスと負荷インピーダンスの間の差を最小にする、編成を見いだすことで達成できるであろう。あるいは、様々な電力伝送要件を、その後の(図１のステップ３１０〜３１４に対応する)測定／再編成サイクルにおいて順次に達成できるであろう。例えば、編成可変ＰＶアレイを、初めにＭＰＰに追随するように、次に、電源インピーダンスと負荷インピーダンスの整合のために、サイクルを反復して、編成できるであろう。
【００６１】
本明細書において別途に明白に説明されていない限り、通常の用語はそれぞれが提示される文脈内で対応する通常の意味を有し、通常の術語はそれぞれの正規の意味を有する。
【符号の説明】
【００６２】
１００    インテリジェントノード
１０８    光発電(ＰＶ)モジュール
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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