(57)【要約】      （修正有）【課題】電力コンバータをプリチャージし、クランプするための装置および方法を提供する。【解決手段】電力コンバータ（１０４）は、複数の直流（ＤＣ）コンジット（１３２／１３３）とＤＣコンジットに結合されるプリチャージおよびクランプ回路とを含む。プリチャージおよびクランプ回路は、少なくとも１つのダイオード（２２８／２３０／２３２／２３４／２３６／２３８）と、ダイオードと並列に結合される少なくとも１つのスイッチングデバイス（２１２／２１４／２１６／２１８／２２０／２２２／２２４／２２６）と、交流（ＡＣ）源（１０６）およびダイオードに結合される少なくとも１つの接触器デバイス（２０８／２０９）とを含む。少なくとも１つの接触器デバイスは、プリチャージおよびクランプ回路をプリチャージ動作と電圧クランプ動作との間で交代させることを容易にするように構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の直流（ＤＣ）コンジット（１３２／１３３）と、
前記ＤＣコンジットに結合されるプリチャージおよびクランプ回路（２００／４００）とを含む電力コンバータ（１０４）であって、前記プリチャージおよびクランプ回路は、
少なくとも１つのダイオード（２２８／２３０／２３２／２３４／２３６／２３８）と、
前記ダイオードと並列に結合される少なくとも１つのスイッチングデバイス（２１２／２１４／２１６／２１８／２２０／２２２／２２４／２２６）と、
交流（ＡＣ）源（１０６）および前記ダイオードに結合される少なくとも１つの接触器デバイス（２０８／２０９／４０５／４０７／４０９）とを含み、前記接触器デバイスは、前記プリチャージおよびクランプ回路をプリチャージ動作と電圧クランプ動作との間で交代させることを容易にするように構成される、電力コンバータ（１０４）。
【請求項２】
前記スイッチングデバイス（２１２／２１４／２１６／２１８／２２０／２２２／２２４／２２６）に結合される複数の抵抗デバイス（２１０／２４４／２４６／４４４／４４６）をさらに含む、請求項１記載の電力コンバータ（１０４）。
【請求項３】
前記抵抗デバイス（２１０／２４４／２４６／４４４／４４６）は、前記接触器デバイス（２０８／２０９／４０５／４０７／４０９）および前記ＡＣ源（１０６）に結合される複数のプリチャージ抵抗（２１０）を含む、請求項２記載の電力コンバータ（１０４）。
【請求項４】
前記抵抗デバイス（２１０／２４４／２４６／４４４／４４６）は、前記スイッチングデバイス（２１２／２１４／２１６／２１８／２２０／２２２／２２４／２２６）に結合される複数のクランプ抵抗（２４４／２４６／４４４／４４６）を含む、請求項２記載の電力コンバータ（１０４）。
【請求項５】
前記プリチャージおよびクランプ回路（２００／４００）はさらに、
前記ダイオード（２２８／２３０／２３２／２３４／２３６／２３８）および前記接触器デバイス（２０８／２０９／４０５／４０７／４０９）を含むＤＣプリチャージ電流伝送回路と、
少なくとも１つのクランプ抵抗（２４４／２４６／４４４／４４６）に結合される前記スイッチングデバイス（２１２／２１４／２１６／２１８／２２０／２２２／２２４／２２６）を含むＤＣクランプ電流伝送回路とを含む、請求項１記載の電力コンバータ（１０４）。
【請求項６】
前記接触器デバイス（２０８／２０９／４０５／４０７／４０９）は、前記ＡＣ源（１０６）と前記スイッチングデバイス（２１２／２１４／２１６／２１８／２２０／２２２／２２４／２２６）との間に位置決めされる少なくとも１つのプリチャージ接触器（２０９／４０７）を含み、前記プリチャージ接触器が閉状態に置かれるとき、前記プリチャージ接触器は、所定のＤＣ電圧まで前記ＤＣコンジット（１３２／１３３）に通電する、請求項１記載の電力コンバータ（１０４）。
【請求項７】
前記スイッチングデバイス（２１２／２１４／２１６／２１８／２２０／２２２／２２４／２２６）は、高速スイッチングデバイス（２１４／２１６／２１８／２２０／２２２／２２４／２２６）を含む、請求項１記載の電力コンバータ（１０４）。
【請求項８】
前記接触器デバイス（４０５）は、
前記プリチャージ接触器が閉状態にあるときは前記ＡＣ源（１０６）を前記ダイオード（２２８／２３０／２３２／２３４／２３６／２３８）に結合するように構成される少なくとも１つのプリチャージ接触器（４０７）と、
前記クランプ接触器が閉状態にあるときは前記スイッチングデバイス（２１２／２１４／２１６／２１８／２２０／２２２／２２４／２２６）をクランプ抵抗（２４４／２４６／４４４／４４６）に結合するように構成される少なくとも１つのクランプ接触器（４０９）とを含む複数の接触器デバイス（４０７／４０９）を含む、請求項１記載の電力コンバータ（１０４）。
【請求項９】
前記接触器アセンブリ（４０５）は、前記クランプ接触器（４０９）が開状態にあるときは前記プリチャージ接触器（４０７）が閉状態にあり、前記クランプ接触器が閉状態にあるときは前記プリチャージ接触器が開状態にあるように構成される、請求項８記載の電力コンバータ（１０４）。
【請求項１０】
少なくとも１つの再生可能エネルギー源（１０２）と、
前記再生可能エネルギー源に結合される電力コンバータ（１０４）とを含む再生可能エネルギー発電施設（１００／３００）であって、前記電力コンバータは、
複数の直流（ＤＣ）コンジット（１３２／１３３）と、
前記ＤＣコンジットに結合されるプリチャージおよびクランプ回路（２００／４００）とを含み、前記プリチャージおよびクランプ回路は、
少なくとも１つのダイオード（２２８／２３０／２３２／２３４／２３６／２３８）と、
前記ダイオードと並列に結合される少なくとも１つのスイッチングデバイス（２１２／２１４／２１６／２１８／２２０／２２２／２２４／２２６）と、
交流（ＡＣ）源（１０６）および前記ダイオードに結合される少なくとも１つの接触器デバイス（２０８／２０９／４０５／４０７／４０９）とを含み、前記接触器デバイスは、前記プリチャージおよびクランプ回路をプリチャージ動作と電圧クランプ動作との間で交代させることを容易にするように構成される、再生可能エネルギー発電施設（１００／３００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で述べる主題は一般に、電力システムの動作を制御することに関し、より具体的には、電力コンバータをプリチャージし、クランプするための装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
いくつかの周知の再生可能エネルギーシステム、例えば太陽光発電施設では、複数の光起電パネル（またソーラーパネルとしても周知の）は、論理的にまたは物理的にグループ化されてソーラーパネルのアレイを形成する。ソーラーパネルアレイは、太陽エネルギーを電力に変換し、その電力を電力グリッドまたは他の目的地に送る。ソーラーパネルは典型的には、直流（ＤＣ）電力を発生させる。そのようなソーラーパネルを電気グリッドに適切に結合するためには、ソーラーパネルから受け取るＤＣ電力は、交流（ＡＣ）電力に変換されなければならない。少なくともいくつかの周知の電力システムは、電力コンバータを使用してＤＣ電力をＡＣ電力に変換する。そのような電力コンバータは、ＤＣ電力を電力グリッドでの使用に適した所定の電圧および周波数を持つＡＣ電力に変換するインバータにＤＣ電力源、すなわちソーラーパネルを結合する複数のＤＣバスを含む。
【０００３】
少なくともいくつかの周知の再生可能エネルギー施設は、可能性のあるバス過電圧状態をクランプするためにＤＣバスを横切って使用される動的放電、すなわち過電圧クランプ回路を含む。そのような過電圧状態は、グリッド障害事象、例えば低電圧ライドスルー（ＬＶＲＴ）およびゼロ電圧ライドスルー（ＺＶＲＴ）過渡事象によって引き起こされることもある。いくつかの周知のクランプ回路は、抵抗デバイスと直列に少なくとも１つの高速スイッチングデバイス、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）またはシリコン制御整流器（ＳＣＲ）を含む。ＤＣバス上に電圧サージがある場合には、クランプ回路のスイッチングデバイスは、閉じて、ＤＣ電流を抵抗デバイスに送ることになり、ここで電流は、熱エネルギーとして消散される。別法として、いくつかの周知のクランプ回路は、電力グリッドに隣接するスイッチングデバイスを含む。そのようなクランプ回路は、電力グリッドにかつ／またはそれから送られる電流の方向を変えて、ＤＣバスを通る電力の流れを制御することによってＤＣバス上の電圧を制御するように構成される。住宅用風力およびソーラーデバイスなどの、再生可能型分散発電（ＤＧ）デバイスでは、追加のクランプ回路が、再生可能エネルギー源で使用されて電力源によって発生する電力をＤＣバスからそらすこともある。
【０００４】
多くの周知の再生可能エネルギー施設はまた、ＤＣバスに結合されるプリチャージ回路も含む。少なくともいくつかの周知のプリチャージ回路は、再生可能エネルギー源からの通電より前にＤＣバスに通電するために、電力グリッドに結合される複数のプリチャージ接触器、整流デバイス、および複数の抵抗デバイスを含む。多くの周知の再生可能エネルギー設備は、コスト的に制約され、空間的に制約される。従って、いくつかの再生可能エネルギー施設については、クランプ回路およびプリチャージ回路の１つまたは両方が、コストおよび空間の制約に起因して排除されることもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１１／００１３４４１号明細書
【発明の概要】
【０００６】
一態様では、電力コンバータは、複数の直流（ＤＣ）コンジットとＤＣコンジットに結合されるプリチャージおよびクランプ回路とを含む。プリチャージおよびクランプ回路は、少なくとも１つのダイオードと、ダイオードと並列に結合される少なくとも１つのスイッチングデバイスと、交流（ＡＣ）源およびダイオードに結合される少なくとも１つの接触器デバイスとを含む。接触器デバイスは、プリチャージおよびクランプ回路をプリチャージ動作と電圧クランプ動作との間で交代させることを容易にするように構成される。
【０００７】
別の態様では、再生可能発電施設を動作させる方法が、提供される。本方法は、少なくとも１つの接触器を閉じることおよび少なくとも１つのダイオードを交流（ＡＣ）源に結合することを含む、少なくとも１つの直流（ＤＣ）コンジットに通電するステップを含む。本方法はまた、接触器を開くことおよび少なくとも１つのスイッチングデバイスをオン状態に置くことによってＤＣコンジットから電力を放電するステップも含む。
【０００８】
なお別の態様では、再生可能エネルギー発電施設は、少なくとも１つの再生可能エネルギー源と再生可能エネルギー源に結合される電力コンバータとを含む。電力コンバータは、複数の直流（ＤＣ）コンジットとＤＣコンジットに結合されるプリチャージおよびクランプ回路とを含む。プリチャージおよびクランプ回路は、少なくとも１つのダイオードと、ダイオードと並列に結合される少なくとも１つのスイッチングデバイスと、交流（ＡＣ）源およびダイオードに結合される少なくとも１つの接触器デバイスとを含む。接触器デバイスは、プリチャージおよびクランプ回路をプリチャージ動作と電圧クランプ動作との間で交代させることを容易にするように構成される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】例となる再生可能発電施設の概略図である。
【図２】例となる代替再生可能発電施設の概略図である。
【図３】図１および図２で示す再生可能発電施設を動作させる例となる方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本明細書で使用するように、用語「ブレード」は、周囲の流体に対して動いているとき反力を提供する任意のデバイスを代表することを目的とする。本明細書で使用するように、用語「風力タービン」は、風力エネルギーから回転エネルギーを発生させる、より具体的には風の運動エネルギーを力学的エネルギーに変換する任意のデバイスを代表することを目的とする。本明細書で使用するように、用語「風力タービン発電機」は、風力エネルギーから発生する回転エネルギーから電力を発生させる、より具体的には風の運動エネルギーから変換される力学的エネルギーを電力に変換する任意の風力タービンを代表することを目的とする。本明細書で使用するように、用語「クランプ回路」および「クランプデバイス」は、任意の過電圧クランプデバイス、すなわち回路の一部分上の電圧を上位パラメータにクランプするそれらのデバイスを代表することを目的とする。
【００１１】
本明細書で述べる方法、装置、およびシステムの技術的効果は、（ａ）プリチャージおよびクランプ回路を共通の機器を使用して１つの回路に詰め込むこと、ならびに（ｂ）所有者／操作者がさもなければコストおよび空間の制約に起因して導入しないこともある再生可能エネルギー源とともにプリチャージおよびクランプ特徴の導入を容易にすることの少なくとも１つを含む。
【００１２】
本明細書で述べる方法、装置、およびシステムは、再生可能エネルギー源のためのプリチャージおよびクランプ回路を共通の機器を使用して１つの回路に組み合わせることを容易にする。本明細書で述べるように、そのような組合せは、再生可能エネルギー源施設のコストおよび空間要件を減少させることを容易にし、それによって混合エネルギー源電力システム内での再生可能エネルギー源の使用を増加させることを容易にする。
【００１３】
図１は、例となる電力システム、すなわち少なくとも１つのソーラーアレイ１０２を形成する複数のソーラーパネル（図示せず）などの複数の再生可能発電ユニットを含む発電施設１００の概略図である。別法として、発電施設１００は、複数の風力タービン、燃料電池、地熱発電機、水力発電機、ならびに／または再生可能および／もしくは非再生可能エネルギー源から電力を発生させる他のデバイスなどの、任意の適切な数および種類の発電ユニットを含む。
【００１４】
例となる実施形態では、発電施設１００および／またはソーラーアレイ１０２は、発電施設１００を所望の電力出力で動作させることを容易にするために任意の数のソーラーパネルを含む。一実施形態では、発電施設１００は、所望の電流および／または電圧出力を発電施設１００から発生させることを容易にするために直列−並列構成で一緒に結合される複数のソーラーパネルおよび／またはソーラーアレイ１０２を含む。ソーラーパネルは、一実施形態では、光起電パネル、太陽熱収集器、または太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する任意の他のデバイスの１つもしくは複数を含む。例となる実施形態では、各ソーラーパネルは、太陽エネルギーがソーラーパネルにぶつかる結果として実質的に直流（ＤＣ）電力を発生させる光起電パネルである。
【００１５】
例となる実施形態では、ソーラーアレイ１０２は、ＤＣ電力を交流（ＡＣ）電力に変換する電力変換アセンブリ１０４、すなわち電力コンバータ１０４に結合される。ＡＣ電力は、配電ネットワーク１０６、または「グリッド」に送られ、ネットワーク１０６はまた、ＡＣ電力源として働くこともある。電力コンバータ１０４は、例となる実施形態では、変換されたＡＣ電力の電圧および／または電流の振幅を配電ネットワーク１０６に適した振幅に調整し、配電ネットワーク１０６の周波数および位相に実質的に等しい周波数および位相でＡＣ電力を提供する。その上、例となる実施形態では、電力コンバータ１０４は、三相ＡＣ電力を配電ネットワーク１０６に提供する。別法として、電力コンバータ１０４は、単相ＡＣ電力または任意の他の位相数のＡＣ電力を配電ネットワーク１０６に提供する。
【００１６】
ソーラーアレイ１０２によって発生するＤＣ電力は、例となる実施形態では、電力コンバータ１０４に結合されるコンバータ導体１０８を通って送られる。例となる実施形態では、電流保護デバイス１１０は、例えばもしエラーまたは障害が発電施設１００内で生じるならば、ソーラーアレイ１０２を電力コンバータ１０４から電気的に切り離す。本明細書で使用するように、用語「切り離す」および「分離する」は、交換可能に使用され、用語「接続する」および「結合する」は、交換可能に使用される。電流保護デバイス１１０は、回路遮断器、ヒューズ、接触器、および／またはソーラーアレイ１０２を電力コンバータ１０４から制御可能に切り離すことを可能にする任意の他のデバイスである。ＤＣフィルター１１２は、ソーラーアレイ１０２から受け取る入力電圧および／または電流をフィルター処理する際に使用するためにコンバータ導体１０８に結合される。
【００１７】
コンバータ導体１０８は、例となる実施形態では、単一入力導体１１４に結合される。別法として、ソーラーアレイ１０２からコンバータ１０４に送られる入力電流は、発電施設１００が本明細書で述べるように機能することを可能にする任意の数の入力導体１１４を通って送られてもよい。例となる実施形態では、電力コンバータ１０４は、入力導体１１４に結合されるＤＣ／ＤＣ昇圧チョッパー１２０を含む。昇圧チョッパー１２０は、ソーラーアレイ１０２から受け取る入力電圧および／または電流をフィルター処理することを容易にする。加えて、ソーラーアレイ１０２から受け取るエネルギーの少なくとも一部分は、昇圧チョッパー１０２内に一時的に貯蔵される。昇圧チョッパー１２０のいくつかの実施形態は、入力導体１１４を通って流れる電流を測定するために少なくとも１つの入力電流センサー（図示せず）を含む。
【００１８】
また、例となる実施形態では、ＤＣ／ＤＣ昇圧チョッパー１２０およびインバータ１３０は、正ＤＣバス１３２および負ＤＣバス１３３によって一緒に結合される。ＤＣバス１３２および１３３は、時には「ＤＣリンク」と呼ばれる。昇圧チョッパー１２０は、入力導体１１４を通ってソーラーアレイ１０２に結合され、それからＤＣ電力を受け取る。その上、昇圧チョッパー１２０は、受け取るＤＣ電力の電圧および／または電流振幅を調整する。例となる実施形態では、インバータ１３０は、昇圧チョッパー１２０から受け取るＤＣ電力を配電ネットワーク１０６に送るためにＡＣ電力に変換するＤＣ／ＡＣインバータである。別法として、可変ＡＣ周波数および電圧を発生させる風力タービンなどの発電デバイスを制限なく含むそれらの実施形態については、昇圧チョッパー１２０は、電力コンバータ１０４が全電力変換アセンブリとなるように電気整流デバイスで置き換えられる、またはそれが追加されてもよい。その上、例となる実施形態では、ＤＣバス１３２および１３３は、それらの間に結合される少なくとも１つのコンデンサ１３４を含む。別法として、ＤＣバス１３２および１３３は、複数のコンデンサ１３４および／または電力コンバータ１０４が本明細書で述べるように機能することを可能にする任意の他の電力貯蔵デバイスを含む。電流が電力コンバータ１０４を通って送られると、電圧が、ＤＣバス１３２および１３３を横切って発生し、エネルギーが、コンデンサ１３４内に貯蔵される。
【００１９】
インバータ１３０は、例となる実施形態では、電力コンバータ１０４が生成する電力の各位相について直列配置で一緒に結合される２つのインバータスイッチ１５０を含む。例となる実施形態では、インバータスイッチ１５０は、高速スイッチング半導体デバイス、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である。別法として、インバータスイッチ１５０は、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、およびバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）を制限なく含む、任意の他の適切なトランジスタまたは任意の他の適切な高速スイッチングデバイスである。その上、各位相のためのインバータスイッチ１５０の各対は、他の各位相のためのインバータスイッチ１５０の各対と並列に結合される。そのため、三相電力コンバータ１０４については、インバータ１３０は、第２のインバータスイッチ１５４と直列に結合される第１のインバータスイッチ１５２、第４のインバータスイッチ１５８と直列に結合される第３のインバータスイッチ１５６、および第６のインバータスイッチ１６２と直列に結合される第５のインバータスイッチ１６０を含む。第１および第２のインバータスイッチ１５２および１５４は、第３および第４のインバータスイッチ１５６および１５８、ならびに第５および第６のインバータスイッチ１６０および１６２と並列に結合される。別法として、インバータ１３０は、任意の適切な構成で配置される任意の適切な数のインバータスイッチ１５０を含んでもよい。
【００２０】
電力コンバータ１０４は、昇圧チョッパーコントローラ１６６およびインバータコントローラ１６８を含む制御システム１６４を含む。昇圧チョッパーコントローラ１６６は、昇圧チョッパー１２０に結合され、それの動作を制御する。より具体的には、例となる実施形態では、昇圧チョッパーコントローラ１６６は、ソーラーアレイ１０２から受け取る電力を最大にするように昇圧チョッパー１２０を動作させる。インバータコントローラ１６８は、インバータ１３０に結合され、それの動作を制御する。より具体的には、例となる実施形態では、インバータコントローラ１６８は、ＤＣバス１３２および１３３を横切る電圧を調節しかつ／またはインバータ１３０からの電力出力の電圧、電流、位相、周波数、および／もしくは任意の他の特性を調整して配電ネットワーク１０６の特性と実質的に整合するようにインバータ１３０を動作させる。
【００２１】
例となる実施形態では、制御システム１６４、昇圧チョッパーコントローラ１６６、および／またはインバータコントローラ１６８は、少なくとも１つのプロセッサを含みかつ／またはそれによって実行される。本明細書で使用するように、プロセッサは、１つもしくは複数のシステムおよびマイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、縮小命令セット回路（ＲＩＳＣ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブル論理回路（ＰＬＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、ならびに／または本明細書で述べる機能を実行する能力がある任意の他の回路などの任意の適切なプログラマブル回路を制限なく含む。上記の例は、典型的なだけであり、それ故に用語「プロセッサ」の定義および／または意味を決して限定することを意図していない。加えて、制御システム１６４、昇圧チョッパーコントローラ１６６、および／またはインバータコントローラ１６８は、非一時的なコンピュータ実行可能命令ならびに動作データ、パラメータ、設定点、しきい値、および／または制御システム１６４が本明細書で述べるように機能することを可能にする任意の他のデータなどのデータを保存する少なくとも１つのメモリデバイス（図示せず）を含む。
【００２２】
昇圧チョッパーコントローラ１６６は、例となる実施形態では、電圧および電流測定結果を入力電圧および電流センサー（図示せず）からそれぞれ受け取る。インバータコントローラ１６８は、例となる実施形態では、電流測定結果を第１の出力電流センサー１７０、第２の出力電流センサー１７２、および第３の出力電流センサー１７４から受け取る。その上、インバータコントローラ１６８は、インバータ１３０からの電圧出力の測定結果を複数の出力電圧センサー（図示せず）から受け取る。例となる実施形態では、昇圧チョッパーコントローラ１６６および／またはインバータコントローラ１６８は、ＤＣバス１３２および１３３の電圧の電圧測定結果をＤＣバス電圧センサー（図示せず）から受け取る。
【００２３】
例となる実施形態では、インバータ１３０は、第１の出力導体１７６、第２の出力導体１７８、および第３の出力導体１８０によって配電ネットワーク１０６に結合される。その上、例となる実施形態では、インバータ１３０は、ＡＣ電力の第１の位相を第１の出力導体１７６を通って配電ネットワーク１０６に、ＡＣ電力の第２の位相を第２の出力導体１７８を通って配電ネットワーク１０６に、およびＡＣ電力の第３の位相を第３の出力導体１８０を通って配電ネットワーク１０６に提供する。第１の出力電流センサー１７０は、第１の出力導体１７６を通って流れる電流を測定するために第１の出力導体１７６に結合される。第２の出力電流センサー１７２は、第２の出力導体１７８を通って流れる電流を測定するために第２の出力導体１７８に結合され、第３の出力電流センサー１７４は、第３の出力導体１８０を通って流れる電流を測定するために第３の出力導体１８０に結合される。
【００２４】
少なくとも１つのインダクタ１８２は、第１の出力導体１７６、第２の出力導体１７８、および第３の出力導体１８０の各々に結合される。インダクタ１８２は、インバータ１３０から受け取る出力電圧および／または電流をフィルター処理することを容易にする。その上、例となる実施形態では、複数のＡＣフィルター１８４は、導体１７６、１７８、および１８０から受け取る出力電圧および／または電流をフィルター処理する際に使用するために第１の出力導体１７６、第２の出力導体１７８、および第３の出力導体１８０に結合される。
【００２５】
例となる実施形態では、第１の接続導体１７７、第２の接続導体１７９、および第３の接続導体１８１は、第１の出力導体１７６、第２の出力導体１７８、および第３の出力導体１８０にそれぞれ結合され、それらからそれぞれ延びる。少なくとも１つの接触器１８６は、第１の出力および接続導体１７６および１７７、第２の出力導体１７８および第２の接続導体１７９、ならびに第３の出力導体１８０および第３の接続導体１８１の各対にそれぞれ結合される。接触器１８６は、例えばもしエラーまたは障害が発電施設１００内で生じるならば、インバータ１３０を第１の接続導体１７７、第２の接続導体１７９、および第３の接続導体１８１から電気的に切り離す。
【００２６】
少なくとも１つのヒューズ１８７および断路スイッチ１８８は、第１の接続導体１７７、第２の接続導体１７９、および第３の接続導体１８１に結合される。ヒューズ１８７および断路スイッチ１８８は、接触器１８６と同様の方法で、例えばもしエラーまたは障害が発電施設１００内で生じるならば、インバータ１３０を配電ネットワーク１０６から電気的に切り離す。その上、例となる実施形態では、保護デバイス１１０、接触器１８６および断路スイッチ１８８は、制御システム１６４によって制御される。別法として、保護デバイス１１０、接触器１８６および／または断路スイッチ１８８は、電力コンバータ１０４が本明細書で述べるように機能することを可能にする任意の他のシステムによって制御される。
【００２７】
電力コンバータ１０４はまた、複合プリチャージおよびクランプ回路２００も含む。プリチャージおよびクランプ回路２００は、第１の接続導体１７７、第２の接続導体１７９、および第３の接続導体１８１にそれぞれ結合される第１のプリチャージコンジット２０２、第２のプリチャージコンジット２０４、および第３のプリチャージコンジット２０６を含む。プリチャージおよびクランプ回路２００はまた、第１のプリチャージコンジット２０２、第２のプリチャージコンジット２０４、および第３のプリチャージコンジット２０６の各々に結合される接触器２０９を含むプリチャージ接触器アセンブリ２０８も含む。各接触器２０９は、２つの分離した位置、すなわち通常閉位置および開位置を含む。発電施設１００を始動させるときは、接触器２０９は、以下でさらに述べるように、配電ネットワーク１０６からＤＣバス１３２および１３３に通電するために通常閉位置にある。ＤＣバス１３２および１３３のプリチャージが完了すると、接触器２０９は、開く。プリチャージおよびクランプ回路２００はさらに、複数のプリチャージ抵抗２１０、すなわち第１のプリチャージコンジット２０２、第２のプリチャージコンジット２０４、および第３のプリチャージコンジット２０６の各々に結合されるプリチャージ抵抗２１０を含む。
【００２８】
プリチャージおよびクランプ回路２００はまた、スイッチングアセンブリ２１２も含む。スイッチングアセンブリ２１２は、例となる実施形態では、第１のプリチャージコンジット２０２、第２のプリチャージコンジット２０４、および第３のプリチャージコンジット２０６が送る電力の各位相について直列配置で一緒に結合される２つのスイッチングデバイス２１４を含む。例となる実施形態では、スイッチングデバイス２１４は、高速スイッチング半導体デバイス、例えばＩＧＢＴである。別法として、スイッチングデバイス２１４は、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、およびバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）を制限なく含む、任意の他の適切なトランジスタまたは任意の他の適切な高速スイッチングデバイスである。その上、各位相のためのスイッチングデバイス２１４の各対は、他の各位相のためのスイッチングデバイス２１４の各対と並列に結合される。
【００２９】
そのため、三相電力コンバータ１０４については、スイッチングアセンブリ２１２は、第２のスイッチングデバイス２１８と直列に結合される第１のスイッチングデバイス２１６、第４のスイッチングデバイス２２２と直列に結合される第３のスイッチングデバイス２２０、および第６のスイッチングデバイス２２６と直列に結合される第５のスイッチングデバイス２２４を含む。第１および第２のスイッチングデバイス２１６および２１８は、第３および第４のスイッチングデバイス２２０および２２２、ならびに第５および第６のスイッチングデバイス２２４および２２６と並列に結合される。別法として、スイッチングアセンブリ２１２は、任意の適切な構成で配置される任意の適切な数のスイッチングデバイス２１４を含んでもよい。さらに、過渡電流値をスイッチングデバイス２１４の所定のパラメータより下に制限するために、電流センサー（図示せず）が、監視および保護のためにデバイス２１４の各々に結合されてもよい。プリチャージ動作の間は、スイッチングデバイス２１４は、オフ状態のままである。電圧クランプ動作の間は、スイッチングデバイスは、オン状態に切り替えられる。プリチャージおよび電圧クランプ動作の両方は、以下でさらに述べられる。
【００３０】
スイッチングアセンブリ２１２はまた、複数のダイオード、すなわち第１のスイッチングデバイス２１６と並列に結合される第１のダイオード２２８、第２のスイッチングデバイス２１８と並列に結合される第２のダイオード２３０、第３のスイッチングデバイス２２０と並列に結合される第３のダイオード２３２、第４のスイッチングデバイス２２２と並列に結合される第４のダイオード２３４、第５のスイッチングデバイス２２４と並列に結合される第５のダイオード２３６、および第６のスイッチングデバイス２２６と並列に結合される第６のダイオード２３８も含む。ダイオード２２８から２３８は、プリチャージ動作の間にＤＣバス１３２および１３３を充電することを容易にする。
【００３１】
スイッチングアセンブリ２１２は、正ＤＣコンジット２４０および負ＤＣコンジット２４２ならびにクランプ抵抗バンク２４４によってＤＣバス１３２および１３３に結合される。抵抗バンク２４４は、ＤＣコンジット２４０および２４２の各々に結合される複数のクランプ抵抗２４６を含む。クランプ抵抗バンク２４４は、クランプ動作の間はＤＣバス１３２および１３３上の電圧の制御を容易にする。加えて、クランプ抵抗２４６は、プリチャージ動作の間はプリチャージ抵抗２１０と連携してＤＣバス１３２および１３３の充電速度を制御する。
【００３２】
さらに、例となる実施形態では、制御システム１６４は、昇圧チョッパーコントローラ１６６およびインバータコントローラ１６８と構成および動作が似ているプリチャージ／クランプコントローラ２４８を含む。プリチャージ／クランプコントローラ２４８は、クランプ動作の間はスイッチングデバイス２１４のパルス幅変調（ＰＷＭ）開閉動作を制御する。プリチャージ／クランプコントローラ２４８はまた、プリチャージ動作の間は接触器２０９の開閉も制御する。いくつかの代替実施形態では、プリチャージ／クランプコントローラ２４８は、プリチャージ動作の間はプリチャージ抵抗２１０およびクランプ抵抗２４６をならびにクランプ動作の間はクランプ抵抗２４６を使用に供する、または使用を中止するように接触器（図示せず）を動作させてもよい。
【００３３】
発電施設１００の通常動作の間は、例となる実施形態では、ソーラーアレイ１０２は、ＤＣ電力を発生させ、そのＤＣ電力を昇圧チョッパー１２０に送る。昇圧チョッパーコントローラ１６６は、昇圧チョッパー１２０を制御して昇圧チョッパー１２０の出力を調整する、すなわちソーラーアレイ１０２から受け取る電力が増やされかつ／または高められるようにソーラーアレイ１０２から受け取る電圧および／または電流を調整する。
【００３４】
インバータコントローラ１６８は、例となる実施形態では、インバータスイッチ１５０のスイッチングを制御してインバータ１３０の出力を調整する。より具体的には、例となる実施形態では、インバータコントローラ１６８は、パルス幅変調（ＰＷＭ）および／または任意の他の制御アルゴリズムなどの適切な制御アルゴリズムを使用して昇圧チョッパー１２０から受け取るＤＣ電力を三相ＡＣ電力信号に変換する。別法として、インバータコントローラ１６８は、インバータ１３０にＤＣ電力を単相ＡＣ電力信号または電力コンバータ１０４が本明細書で述べるように機能することを可能にする任意の他の信号に変換させる。例となる実施形態では、ＡＣ電力の各位相は、ＡＣフィルター１８４によってフィルター処理され、フィルター処理された三相ＡＣ電力は、配電ネットワーク１０６に送られる。
【００３５】
発電施設１００のプリチャージ動作の間は、すなわち発電施設１００を始動させるときは、例となる実施形態では、プリチャージ／クランプコントローラ２４８は、接触器２０９を閉じて、プリチャージ回路電流伝送矢印２５０によって示されるように、ダイオード２２８、２３０、２３２、２３４、２３６、および２３８を通って配電ネットワーク１０６からＤＣコンジット２４０および２４２に通電する。プリチャージ抵抗２１０およびクランプ抵抗２４６は、ＤＣバス１３２および１３３上の電圧の変化率を制御することを容易にする。いったん所定の電圧が、ＤＣバス１３２および１３３上で達成されると、プリチャージ／クランプコントローラ２４８は、接触器２０９を開き、矢印２５０によって示されるような電流伝送は、止められ、ＤＣバス１３２および１３３の過電圧クランプが、可能になる。
【００３６】
発電施設１００のクランプ動作の間は、すなわちＬＶＲＴまたはＺＶＲＴ事象などの予想外のグリッドの過渡的事象に起因してＤＣバス１３２および１３３上に電圧増加があるときは、プリチャージ／クランプコントローラ２４８は、スイッチングデバイス２１４をオン状態に切り替える。コントローラ２４８は、ＰＷＭおよび／または任意の他の制御アルゴリズムなどの適切な制御アルゴリズムを使用して、クランプ回路電流伝送矢印２５２によって示されるように、電流を正ＤＣバス１３２からクランプ抵抗２４６を通って、スイッチングデバイス２１４を通って、クランプ抵抗２４６を通って、負ＤＣバス１３３に送る。ダイオード２２８から２３８は、それらを通る逆電流伝送を防止する。接触器２０９は、スイッチングデバイス２１４を配電ネットワーク１０６から絶縁するために開いたままである。
【００３７】
図２は、施設３００が代替電力コンバータ３０４を含むことを除いて再生可能発電施設１００（図１で示す）に実質的に似ている、例となる代替再生可能発電施設３００の概略図である。この代替実施形態では、電力コンバータ３０４が、次の点を除いて複合プリチャージおよびクランプ回路２００（図１で示す）に似ている代替複合プリチャージおよびクランプ回路４００を含むことを除いて、電力コンバータ３０４は、電力コンバータ１０４（図１で示す）に似ている。
【００３８】
複合プリチャージおよびクランプ回路４００は、プリチャージ抵抗２１０およびスイッチングデバイス２１４に結合される一組の通常開プリチャージ接触器４０７を含む接触器デバイス４０５を含む。接触器デバイス４０５はまた、複数のクランプコンジット４１１によってスイッチングデバイス２１４に結合される一組の通常閉クランプ接触器４０９も含む。例となる実施形態では、接触器デバイス４０５は、任意の接触器デバイスであり、接触器４０７および４０９は、本明細書で述べるような回路４００の動作を可能にする任意の接触器であり、二組の接続端子を有する単一の統一接触器を定義する、すなわち各接触器が通常閉端子および通常開端子を含むプリチャージ接触器４０７およびクランプ接触器４０９の対を制限なく含む。別法として、いくつかの実施形態では、プリチャージ接触器４０７は、第１の同期デバイスを定義し、クランプ接触器４０９は、第２の同期デバイスを定義し、その場合両方の同期デバイスは、複数の同期接点を含む。
【００３９】
クランプ接触器４０９は、複数の抵抗４４６を含む代替抵抗バンク４４４に結合される。プリチャージおよびクランプ回路２００と対照的に、プリチャージおよびクランプ回路４００は、ＤＣコンジット２４０および２４２に結合される抵抗２４６を含まない。
【００４０】
発電施設３００のプリチャージ動作の間は、すなわち発電施設３００を始動させるときは、この代替実施形態では、プリチャージ／クランプコントローラ２４８は、プリチャージ接触器４０７を閉じて、プリチャージ回路電流伝送矢印４５０によって示されるように、ダイオード２２８、２３０、２３２、２３４、２３６、および２３８を通って配電ネットワーク１０６からＤＣコンジット２４０および２４２に通電する。クランプ接触器４０９は、接触器４０７および４０９の「開」および「閉」状態が互いに反対であるようにプリチャージ接触器４０７と機械的にかつ／または電気的に連動する。従って、プリチャージ動作の間は、クランプ接触器４０９は、開いている。プリチャージ抵抗２１０は、ＤＣバス１３２および１３３上の電圧の変化率を制御することを容易にする。いったん所定の電圧が、ＤＣバス１３２および１３３上で達成されると、プリチャージ／クランプコントローラ２４８は、プリチャージ接触器４０７を開き、クランプ接触器４０９を閉じ、矢印４５０によって示されるような電流伝送は、止められ、ＤＣバス１３２および１３３の過電圧クランプが、可能になる。
【００４１】
発電施設３００のクランプ動作の間は、すなわちＬＶＲＴまたはＺＶＲＴ事象などの予想外のグリッドの過渡的事象に起因してＤＣバス１３２および１３３上に電圧増加があるときは、プリチャージ／クランプコントローラ２４８は、スイッチングデバイス２１４をオン状態に切り替える。また、コントローラ２４８は、ＰＷＭおよび／または任意の他の制御アルゴリズムなどの適切な制御アルゴリズムを使用して、クランプ回路電流伝送矢印４５２によって示されるように、電流を正ＤＣバス１３２からスイッチングデバイス２１４を通って、クランプ抵抗４４６を通って、負ＤＣバス１３３に送りもする。ダイオード２２８から２３８は、それらを通る逆電流伝送を防止する。プリチャージ接触器４０７は、スイッチングデバイス２１４を配電ネットワーク１０６から絶縁するために開いたままである。
【００４２】
図３は、再生可能発電施設１００および３００（図１および図２でそれぞれ示す）を動作させる例となる方法５００の流れ図である。少なくとも１つの直流（ＤＣ）コンジット１３２／１３３／２４０／２４２（図１および図２で示す）は、少なくとも１つの接触器デバイス２０８／４０７（図１および図２でそれぞれ示す）を閉じることおよび少なくとも１つのダイオード２２８から２３８（図１および図２で示す）を交流（ＡＣ）源、すなわち配電ネットワーク１０６（図１および図２で示す）に結合することを含むステップ５０２で通電される。ＤＣコンジット１３２／１３３／２４０／２４２からの電力は、接触器デバイス２０８／４０７を開くことおよび少なくとも１つのスイッチングデバイス２１４をオン状態に置くことによってステップ５０４で放電される。
【００４３】
発電施設１００および３００（図１および図２でそれぞれ示す）の代替実施形態は、ソーラーアレイ１０２（図１および図２で示す）によって発生するＤＣ電力と対照的に、ＡＣ電力を発生させる他の発電デバイス、例えば風力タービンを含む。一般に、風力タービンは、多重ブレードを有する回転可能ハブアセンブリを含むローターを含む。ブレードは、風力エネルギーを機械的回転トルクに変換し、それは、ローターを介して１つまたは複数の発電機を駆動する。風力タービンの可変速動作は、風力タービンの定速動作と比較するときエネルギーの獲得を強化することを容易にする。しかしながら、風力タービンの可変速動作は、変動電圧および／または周波数を有する電力を生成する。より具体的には、可変速風力タービンによって発生する電力の周波数は、ローターの回転速度に比例する。典型的には、全電力変換アセンブリ、すなわち電気整流デバイスを含む電力コンバータ１０４および３０４（図１および図２でそれぞれ示す）の代替実施形態は、風力タービン発電機と配電ネットワーク１０６（図１および図２で示す）との間に結合されてもよい。全電力変換アセンブリは、風力タービン発電機から電力を受け取り、さらなる伝送のために固定電圧および周波数を有する電気を配電ネットワーク１０６に送る。
【００４４】
これらの代替実施形態では、全電力変換アセンブリは、風力タービン発電機によって発生するＡＣ電力をＤＣ電力に変換するための整流器を含む。また、そのような全電力変換アセンブリは、ＤＣ電力をＡＣ電力に変換するために、ＤＣバス１３２および１３３（図１および図２で両方を示す）によって定義されるＤＣリンクに似たＤＣバスネットワークによって整流器に結合されるインバータ１３０（図１および図２で示す）に実質的に似たインバータも含む。さらに、そのような全電力変換アセンブリでの整流器およびインバータは、インバータ１３０内のインバータスイッチ１５０（図１および図２で示す）に似た複数の半導体デバイスを含む。その上、そのような整流器およびインバータは、任意のサイズ、任意の電圧、任意の位相数、および任意の周波数の電力変換用途にとって完全にスケーラブルである。
【００４５】
上述の実施形態は、再生可能エネルギー源に結合される電力コンバータのためのプリチャージおよびクランプ回路を１つの回路に組み合わせることを容易にする。具体的には、本明細書で述べる複合プリチャージおよびクランプ回路は、共通の機器を使用して、通常動作ならびにＬＶＲＴおよびＺＶＲＴ過渡現象などの予想外のグリッド事象の間は電力コンバータのＤＣバス上の電圧を所定のパラメータ内に維持することを容易にする。本明細書で述べるように、そのような組合せは、再生可能エネルギー資源施設のコストおよび空間要件を減少させることを容易にし、それによって混合エネルギー源電力システム内での再生可能エネルギー源の使用を増加させることを容易にする。
【００４６】
発電施設、電力変換装置、および複合プリチャージおよびクランプ回路、ならびにそれらを動作させるための方法の例となる実施形態が、上で詳細に述べられる。方法、施設、システム、および装置は、本明細書で述べる特定の実施形態に限定されず、しかしそれどころか施設、システム、および装置の構成要素ならびに／または方法のステップは、本明細書で述べる他の構成要素および／またはステップから独立してかつ別々に利用されてもよい。例えば、電力コンバータ、複合プリチャージおよびクランプ回路、ならびに方法はまた、他の電力変換装置および方法と組み合わせて使用されてもよく、本明細書で述べるような電力システムだけを使った実施に限定されない。それどころか、例となる実施形態は、多くの他の電力変換用途に関連して実施され、利用されてもよい。
【００４７】
本発明の様々な実施形態の特定の特徴が、いくつかの図面で示され、他では示されないこともあるけれども、これは、便宜だけのためである。本発明の原理に従って、図面の任意の特徴は、任意の他の図面の任意の特徴と組み合わせて参照されかつ／または特許請求されてもよい。
【００４８】
この書面による説明は、例を使用してベストモードを含む本発明を開示し、また当業者ならだれでも、任意のデバイスまたはシステムを作りかつ使用することおよび任意の組み込まれた方法を行うことを含み、本発明を実施することを可能にもする。本発明の特許可能な範囲は、クレームによって定義され、当業者に思いつく他の例を含んでもよい。そのような他の例は、もしそれらがクレームの文字通りの言葉と異ならない構造要素を有するならば、またはもしそれらがクレームの文字通りの言葉と実質的に異ならない等価な構造要素を含むならば、クレームの範囲内であることを意図している。
【符号の説明】
【００４９】
１００  発電施設
１０２  ソーラーアレイ
１０４  電力コンバータ
１０６  配電ネットワーク（グリッド）
１０８  コンバータ導体
１１０  電流保護デバイス
１１２  ＤＣフィルター
１１４  第１の入力導体
１２０  昇圧チョッパー
１３０  インバータ
１３２  正ＤＣバス
１３３  負ＤＣバス
１３４  コンデンサ
１５０  インバータスイッチの対
１５２  第１のインバータスイッチ
１５４  第２のインバータスイッチ
１５６  第３のインバータスイッチ
１５８  第４のインバータスイッチ
１６０  第５のインバータスイッチ
１６２  第６のインバータスイッチ
１６４  制御システム
１６６  昇圧チョッパーコントローラ
１６８  インバータコントローラ
１７０  第１の出力電流センサー
１７２  第２の出力電流センサー
１７４  第３の出力電流センサー
１７６  第１の出力導体
１７７  第１の接続導体
１７８  第２の出力導体
１７９  第２の接続導体
１８０  第３の出力導体
１８１  第３の接続導体
１８２  インダクタ
１８４  ＡＣフィルター
１８６  接触器
１８７  ヒューズ
１８８  断路スイッチ
２００  複合プリチャージおよびクランプ回路
２０２  第１のプリチャージ導体
２０４  第２のプリチャージ導体
２０６  第３のプリチャージ導体
２０８  プリチャージ接触器アセンブリ
２０９  接触器
２１０  プリチャージ抵抗
２１２  スイッチングアセンブリ
２１４  スイッチングデバイスの対
２１６  第１のスイッチングデバイス
２１８  第２のスイッチングデバイス
２２０  第３のスイッチングデバイス
２２２  第４のスイッチングデバイス
２２４  第５のスイッチングデバイス
２２６  第６のスイッチングデバイス
２２８  第１のダイオード
２３０  第２のダイオード
２３２  第３のダイオード
２３４  第４のダイオード
２３６  第５のダイオード
２３８  第６のダイオード
２４０  正ＤＣコンジット
２４２  負ＤＣコンジット
２４４  抵抗バンク
２４６  抵抗
２４８  プリチャージ／クランプコントローラ
２５０  プリチャージ回路電流伝送矢印
２５２  クランプ回路電流伝送矢印
３００  発電施設
３０４  電力コンバータ
４００  複合プリチャージおよびクランプ回路
４０５  接触器デバイス
４０７  プリチャージ接触器
４０９  クランプ接触器
４１１  クランプコンジット
４４４  抵抗バンク
４４６  抵抗
４５０  プリチャージ回路電流伝送矢印
４５２  クランプ回路電流伝送矢印
５００  方法
５０２  少なくとも１つの直流（ＤＣ）コンジットに通電するステップ
５０４  ＤＣコンジットから電力を放電するステップ
【図１】
2013106516.tif 000003
【図２】
2013106516.tif 000004
【図３】
2013106516.tif 000005
【外国語明細書】
2013106516000001.pdf