(57)【要約】【課題】改善された直流（ＤＣ）バスの利用率のためのデバイス、システム、および方法の実施形態を提供する。【解決手段】本開示の実施形態は、変圧器の１次巻線を介して背中合わせに電気的に結合された第１のインバータおよび第２のインバータ、ならびに、電源を通る信号出力の波形を調整するためにインバータと並列に電源に接続されたＤＣリンクコンデンサから構成される、直流（ＤＣ）バスの利用率のためのインバータに関する。インバータは、変圧器の２次巻線を介してグリッドに電気的に結合される。また、本開示は、ＤＣをインバータに供給する電源から構成される、直流（ＤＣ）バスの利用率のために使用されるシステムおよび方法を提案する。ＤＣは、インバータによって固定ＡＣに変換され、固定ＡＣをグリッドに供給する。【選択図】図４
2016163538.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流（ＤＣ）バスの利用率のために使用されるインバータであって、
変圧器の１次巻線を介して背中合わせに電気的に結合された第１のインバータおよび第２のインバータと、電源を通る信号出力の波形を調整するために、前記インバータと並列に前記電源に接続されたＤＣリンクコンデンサとを備え、前記変圧器の２次巻線を介してグリッドに電気的に結合される、
インバータ。
【請求項２】
前記第１のインバータおよび前記第２のインバータの同じ相のアームが、前記変圧器の前記１次巻線の各端部に接続される、請求項１に記載のインバータ。
【請求項３】
直流（ＤＣ）バスの利用率のために使用されるシステムであって、
ＤＣを供給する電源と、
変圧器の１次巻線を介して背中合わせに電気的に結合された第１のインバータおよび第２のインバータと、前記電源を通る信号出力の波形を調整するために、前記インバータと並列に前記電源に接続されたＤＣリンクコンデンサとを備えるインバータであって、前記変圧器の２次巻線を介してグリッドに電気的に結合される、インバータと
を備える、システム。
【請求項４】
前記電源が、前記ＤＣを供給するために変換器に結合された二重給電誘導発電機（ＤＦＩＧ）を有する風力タービンである、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記ＤＦＩＧの回転子が前記変換器に電気的に接続され、前記ＤＦＩＧの固定子がグリッドに電気的に接続される、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記電源が、非同期機と結合され、前記ＤＣを供給するために変換器に電気的に接続された風力タービンである、請求項３に記載のシステム。
【請求項７】
前記電源が、同期機と結合され、前記ＤＣを供給するために変換器に電気的に接続された風力タービンである、請求項３に記載のシステム。
【請求項８】
前記電源が、前記ＤＣを供給するために変換器に電気的に接続された太陽電池である、請求項３に記載のシステム。
【請求項９】
請求項３による、ＤＣバスの利用率のために使用される前記システムを備える、風力発電システム。
【請求項１０】
請求項３による、ＤＣバスの利用率のために使用される前記システムを備える、太陽発電システム。
【請求項１１】
直流（ＤＣ）バスの利用率のための方法であって、
電源からＤＣを供給するステップと、
変圧器の１次巻線を介して背中合わせに電気的に結合された第１のインバータおよび第２のインバータを備えるインバータにより、前記ＤＣを固定ＡＣに変換するステップと、
前記変圧器の２次巻線に電気的に結合されたグリッドに前記固定ＡＣを供給するステップと
を含む、方法。
【請求項１２】
前記インバータが、前記固定ＡＣを前記グリッドに供給する間循環電流を抑制するために、前記第１のインバータおよび前記第２のインバータのうちの少なくとも１つにおいてそれらの動作が制御され得る、スイッチから構成される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１のインバータ内の前記スイッチの前記動作が、前記第２のインバータ内の前記スイッチの規定の位置を維持することによって、前記循環電流を抑制するように制御される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
請求項１１による、ＤＣバスの利用率のための前記方法を含む、風力発電システム用の方法。
【請求項１５】
請求項１１による、ＤＣバスの利用率のための前記方法を含む、太陽発電システム用の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、パワーエレクトロニクスの分野に関する。本開示は、改善された直流（ＤＣ）バスの利用率のためのデバイス、システム、および方法の実施形態を開示する。
【背景技術】
【０００２】
現在、再生可能な発電システムは、可変周波数をＤＣに変換する変換器を含む電源、ＤＣリンクコンデンサ、変圧器を介してグリッドに電気的に結合されたインバータから構成される。グリッドと電気的に結合されたインバータは、電源によって供給されたＤＣを固定交流（ＡＣ）に変換する。ＤＣリンクコンデンサは、電源とインバータとの間に並列に電気的に結合される。ＤＣリンクコンデンサとともにインバータは、グリッドの要求に従って有効電力および無効電力を供給する。インバータの無効電力の制御は、発電システムの電圧安定度の平衡を保つために極めて重要である。また、発電システムは、低電圧ライドスルー（ＬＶＲＴ）グリッドコード規格の定義された要件に従って、故障状態の間グリッドと同期しているべきである。しかしながら、所与のＤＣバス電圧の場合、インバータのトポロジーおよび電源内の変動に対する制約のために、既存の発電システムには限界が存在する。
【０００３】
図１は、風力発電システム（１００）の例示的な従来技術の実施形態を示す。システム（１００）は、電源（１０１）、ＤＣリンクコンデンサ（１０８）、および、変圧器兼フィルタ（１１０）を介してグリッド（１１１）と電気的に結合されたインバータ（１０９）から構成される。さらに、電源（１０１）は、風力タービン（１０２）、ギアボックス（１０３）、発電機（１０４）、およびＡＣＤＣ変換器（１０７）から構成される。発電機（１０４）は、同期機または非同期機であり、発電機（１０４）の固定子（１０６）のみが変換器（１０７）に接続される。さらに、風力タービン（１０２）、ギアボックス（１０３）、および発電機（１０４）は、機械的に結合され、風力エネルギーを可変ＡＣの形態である電気エネルギーに変換し、可変ＡＣはさらに、変換器（１０７）によってＤＣに変換される。さらに、システム（１００）内のインバータは、ＤＣを固定ＡＣに変換し、グリッドに供給する。
【０００４】
図２は、風力発電システム（２００）の別の例示的な従来技術の実施形態を示す。システム（２００）は、電源（１０１）、ＤＣリンクコンデンサ（１０８）、および変圧器兼フィルタ（１１０）を介してグリッド（１１１）と電気的に結合されたグリッド側変換器（２０５）から構成される。さらに、電源（１０１）は、風力タービン（１０２）、ギアボックス（１０３）、二重給電誘導発電機（ＤＦＩＧ）（２０１）、および回転子側変換器（２０４）から構成される。風力タービン（１０２）、ギアボックス（１０３）、およびＤＦＩＧ（２０１）は、機械的に結合され、風力エネルギーを可変ＡＣの形態である電気エネルギーに変換する。ＤＦＩＧ（２０１）の回転子（２０２）は回転子側変換器（２０４）に接続され、ＤＦＩＧの固定子（２０３）は直接グリッド（１１１）に接続される。さらに、図１に関して示されたように、同期速度以上において、可変ＡＣは回転子側変換器（２０４）によってＤＣに変換され、ＤＣはグリッド側変換器によって固定ＡＣに変換され、固定ＡＣはグリッド（１１１）に供給される。しかし、同期速度以下において、固定ＡＣはグリッド側変換器（２０５）によってＤＣに変換され、ＤＣは回転子側変換器（２０４）によって可変ＡＣに変換される。
【０００５】
さらに、図３は、太陽発電システム（３００）の例示的な従来技術の実施形態を示す。システム（３００）は、電源（１０１）、ＤＣリンクコンデンサ（１０８）、および、変圧器兼フィルタ（１１０）を介してグリッド（１１１）と電気的に結合されたインバータ（１０９）から構成される。さらに、電源（１０１）は、太陽電池（３０１）およびＤＣＤＣ変換器（３０２）から構成される。電源（１０１）であるＤＣＤＣ変換器と共に、太陽電池（３０１）は、太陽エネルギーをＤＣの形態である電気エネルギーに変換する。インバータ（１０９）は、ＤＣを固定ＡＣに変換し、固定ＡＣはさらにグリッド（１１１）に供給される。
【０００６】
しかしながら、図１、図２、および図３の例示的な実施形態に示されたように、インバータ（１０９）によってグリッド（１１１）に電力を供給するために、インバータ（１０９）は、常に５０Ｈｚの固定周波数および規定されたグリッド電圧に維持されなければならない。しかし、電源（１０１）からの電圧は、風力発電システムでは風速に依存し、太陽発電システムでは太陽電池の両端の電圧降下に依存する、可変周波数の電圧である。したがって、インバータ（１０９）において５０Ｈｚの固定周波数および必要な電圧を得るために、電源（１０１）からの可変周波数を有する電圧は、変換器を使用してＤＣに変換され、次いでインバータ（１０９）によって固定ＡＣに変換される。可変ＡＣをＤＣに変換し、ＤＣを固定ＡＣに変換するこの従来のプロセスでは、ＤＣバス電圧（Ｖｄｃ）は、改善された電力品質を伴ってグリッド（１１１）にエネルギーを供給するために、規定された値に維持されなければならない。利用可能なＤＣリンクコンデンサ（１０８）の電圧は、主に、電源における電力の可用度および電源構成に依存する。ＤＣバス電圧が規定された値よりも小さいとき、維持は困難であり、それによってグリッドに供給される電力が影響され、これは従来のシステムに関する限界である。
【０００７】
さらに、任意の発電システムに実装された既存のインバータ（１０９）の場合、相電圧の最大値は、ＤＣバスの利用率が２／３（Ｖｄｃ）であるにすぎないインバータにおいて発生し、また、零相電圧（ＺＳＶ）は、インバータ（１０９）の単一の切替え状態の場合のみ発生する。これに加えて、既存のインバータ（１０９）の切替えで抑制することが実現不可能な、システムのインバータ内の循環電流が発生するが、これは従来のシステムの別の限界である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、ＤＣバスの利用率を改善し、上述された１つまたは複数の限界を克服するシステムが必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示を介して、従来技術の１つまたは複数の欠点が克服され、さらなる利点が提供される。さらなる特徴および利点は、本開示の技法を介して実現される。本開示のほかの実施形態および態様が本明細書において詳細に記載され、特許請求される開示の一部と考えられる。
【００１０】
本開示は、ＤＣバスの利用率のためのインバータ用の新しいトポロジーを提案する。インバータは、変圧器の１次巻線を介して背中合わせに電気的に結合された第１のインバータおよび第２のインバータから構成され、ＤＣリンクコンデンサは、電源を通る信号出力の波形を調整するために、インバータと並列に電源に接続される。インバータは、変圧器の２次巻線を介してグリッドに電気的に結合される。さらに、本開示は、提案されたインバータの新しいトポロジーにＤＣを供給する電源から構成される、ＤＣバスの利用率のためのシステムを提案する。ＤＣは、インバータによって固定ＡＣに変換され、固定ＡＣをグリッドに供給する。また、本開示は、ＤＣバスの利用率に使用されるシステムにおける方法を提案し、方法は、電源によりＤＣリンクコンデンサを介してインバータにＤＣを供給することに関与する。インバータは、ＤＣを固定ＡＣに変換し、変圧器を介して固定ＡＣをグリッドに供給する。
【００１１】
前述の概要は例示的であるにすぎず、多少なりとも限定するものではない。上述された例示的な態様および特徴に加えて、図面および以下の発明を実施するための形態を参照することによって、さらなる態様および特徴が明らかになる。
【００１２】
本開示に組み込まれ、その一部を構成する添付図面は、例示的な実施形態を示し、説明と一緒に、本開示の概念を説明する働きをする。図において、参照番号の最も左の数字は、参照番号が最初に現れる図を識別する。同じ番号は、同様の特徴および構成要素を参照するために、図全体を通して使用される。ここで、本主題の実施形態によるシステムおよび／または方法のいくつかの実施形態が、ほんの一例として、添付図面を参照して記載される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来の風力発電システムの一実施形態を示す図である。
【図２】従来の風力発電システムの別の実施形態を示す図である。
【図３】従来の太陽発電システムの一実施形態を示す図である。
【図４】本開示による、同期機を有する風力アプリケーションの例示的な実施形態を示す図である。
【図５】本開示による、二重給電誘導発電機（ＤＦＩＧ）を有する風力アプリケーションの例示的な実施形態を示す図である。
【図６】本開示による、太陽アプリケーションの例示的な実施形態を示す図である。
【図７】本開示による、ＰＷＭの空間ベクトル表現を表すプロットを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本明細書における任意のブロック図は、本主題の概念を具現化する例示的なシステムの概念図を表すことが、当業者なら諒解されるはずである。同様に、任意のフローチャート、流れ図、状態遷移図、疑似コードなどは、実質的にコンピュータ可読媒体の中で表され、コンピュータまたはプロセッサが明示的に示されていようとなかろうと、そのようなコンピュータまたはプロセッサによって実行され得る、様々なプロセスを表すことが諒解されよう。
【００１５】
以下の本開示の発明を実施するための形態がより良く理解され得るために、前項は本開示の特徴および技術的な利点を広く要約した。本開示の特許請求の範囲の主題を形成する本開示のさらなる特徴および利点が、以下に記載される。本開示の同じ目的を遂行するために他の構造を修正または設計するための基礎として、開示される概念および特定の態様を容易に利用できることが、当業者なら諒解されるはずである。
【００１６】
本文書において、「例示的」という単語は、「代表例、具体例、または例証として働くこと」を意味するために本明細書で使用される。「例示的」として本明細書に記載される本主題の任意の実施形態または実装形態は、必ずしも他の実施形態より好ましいか、または有利であると解釈されるべきではない。
【００１７】
本開示は様々な修正および代替の形態に影響されやすいが、それらの具体的な実施形態は図面において例として示されており、下記で詳細に記載される。しかしながら、開示される特定の形態に本開示を限定するものではなく、それに反して、本開示は、本開示の精神および範囲に入るすべての修正、均等物、および代替物をカバーするものであることを理解されたい。
【００１８】
「含む」、「含んでいる」という用語、またはそれらの任意の他の変形形態は、非排他的な包含をカバーするものであり、そのため、構成要素またはステップのリストを含むセットアップ、デバイス、または方法は、それらの構成要素またはステップを含むだけでなく、そのようなセットアップまたはデバイスまたは方法に明確に列挙されていないか、または固有ではない他の構成要素またはステップも含む場合がある。言い換えれば、「を含む」によって始まるシステムまたは装置における１つまたは複数の要素は、多くの制約なしに、システムまたは装置において他の要素またはさらなる要素の存在を排除しない。
【００１９】
本開示の実施形態は、ＤＣバスの利用率に使用されるインバータの新しいトポロジーに関する。インバータは、変圧器の１次巻線を介して背中合わせに電気的に結合された第１のインバータおよび第２のインバータから構成され、ＤＣリンクコンデンサは、電源を通る信号出力の波形を調整するために、インバータと並列に電源に接続される。さらに、インバータは、変圧器の２次巻線を介してグリッドに電気的に結合される。また、本開示は、ＤＣを供給する電源、インバータの前記新しいトポロジー、およびインバータと並列に電源に接続されたＤＣリンクコンデンサから構成される、ＤＣバスの利用率に使用されるシステムに関する。また、本開示は、ＤＣを固定ＡＣに変換するインバータに電源からＤＣを供給すること、および変圧器の２次巻線に電気的に結合されたグリッドに固定ＡＣを供給することに関与する、ＤＣバスの利用率のための方法に関する。
【００２０】
本開示の実施形態の以下の発明を実施するための形態において、本明細書の一部を形成する添付図面に対して参照が行われ、実例として、本開示が実践され得る具体的な実施形態が添付図面に示される。これらの実施形態は、当業者が本開示を実践することを可能にするために十分詳細に記載され、本開示の範囲から逸脱することなく、他の実施形態を利用することができ、変更を行うことができることが理解されるべきである。したがって、以下の説明は限定的な意味で捉えられるべきではない。
【００２１】
図４は、本開示による、発電機を有する風力アプリケーションの例示的な実施形態を示す。
【００２２】
図４に示されたように、風力発電システム（４００）は、風力エネルギーを電気エネルギーに変換する。風力発電システム（４００）は、電源（４０１）、ＤＣリンクコンデンサ（４０８）、およびインバータ（４０９）から構成される。インバータ（４０９）は、任意の従来のシステムに存在するインバータに関して修正されたトポロジーを有する。さらに、電源（４０１）は、風力タービン（４０２）、ギアボックス（４０３）、発電機（４０４）、および変換器（４０７）から構成される。システム（４００）内の発電機は同期機であり得る。発電機（４０４）の固定子（４０６）は変換器（４０７）に接続される。さらに、ＤＣリンクコンデンサ（４０８）は、発電システム（４００）内の変換器（４０７）とインバータ（４０９）との間に並列に接続される。インバータユニット（４０９）は、変圧器（４１２）を介して接続された２つのインバータである、第１のインバータ（４１０）および第２のインバータ（４１１）から構成される。発電システム（４００）では、ａ相、ｂ相、およびｃ相のアームを有する第１のインバータの構成は、それぞれ、ａ、ｂ、およびｃで表され、それぞれ、Ｓａ、Ｓｂ、およびＳｃとして表される切替え状態に対応する。同様に、ａ相、ｂ相、およびｃ相のアームを有する第２のインバータの構成は、それぞれ、ａ’、ｂ’、およびｃ’で表され、それぞれ、Ｓａ’、Ｓｂ’、およびＳｃ’として表される切替え状態に対応する。インバータの各アーム（ａ、ｂ、ｃ、ａ’、ｂ’、およびｃ’）の上部スイッチおよび下部スイッチは、互いに補完的である。変圧器（４１２）の１次巻線の各側部は同じ相のインバータの各アームに接続され、変圧器（４１２）の２次巻線は、フィルタ（４１３）を介してグリッド（４１４）に接続される。フィルタ（４１３）は、波形を処理し、所望の波形から不必要な周波数を分離するために使用される。変圧器（４１２）およびフィルタ（４１３）を介したインバータ（４０９）とグリッド（４１４）との間の接続が図４に示される。さらに、電源は、ＤＣの形態で電気エネルギーを供給する。インバータ（４０９）は、固定ＤＣまたは可変ＤＣのうちの１つであるＤＣを固定ＡＣに変換し、フィルタ（４１３）を介してグリッド（４１４）に供給される。
【００２３】
図５は、本開示の一実施形態による、二重給電誘導発電機（ＤＦＩＧ）を有する風力アプリケーションシステムを示す。
【００２４】
図５に示されたように、風力発電システム（５００）は、電源（４０１）、ＤＣリンクコンデンサ（４０８）、および、フィルタ（４１３）を介してグリッド（４１４）に接続されたグリッド側変換器（５０５）を備える。さらに、電源（４０１）は、ＤＦＩＧ（５０１）と電気的に結合された風力タービン（４０２）、および回転子側変換器（５０４）から構成される。さらに、ＤＦＩＧ（５０１）の回転子（５０２）は回転子側変換器（５０４）に接続され、ＤＦＩＧ（５０１）の固定子（５０３）は直接グリッド（４１４）に接続される。固定子（５０３）は、グリッド（４１４）に直接供給される固定ＡＣのソースを生成する。同期速度以上における回転子（５０２）は、ＡＣを回転子側変換器（５０４）に供給し、ＤＣに変換するのに対して、同期速度以下において、回転子側変換器（５０４）は、ＤＣを可変ＡＣに変換し、回転子（５０２）に供給する。
【００２５】
ＤＣリンクコンデンサ（４０８）は、回転子側変換器（５０４）とグリッド側変換器（５０５）との間に並列に接続される。風力発電システム（５００）におけるグリッド側変換器（５０５）の構成は、図４で説明されたインバータ（４０９）の構成と同様である。同期速度以上において、電源（４０１）からのＤＣは、グリッド側変換器（５０５）によって固定ＡＣに変換され、固定ＡＣはグリッド（４１４）に供給される。
【００２６】
図６は、本開示による、太陽アプリケーションシステムを示す。
【００２７】
図６に示されたように、太陽発電システム（６００）は、電源（４０１）、ＤＣリンクコンデンサ（４０８）、ならびに、変圧器（４１２）およびフィルタ（４１３）を介してグリッド（４１４）に接続されたインバータ（４０９）から構成される。さらに、電源（４０１）は、太陽電池（６０１）、および、太陽エネルギーをＤＣの形態である電気エネルギーに変換するＤＣＤＣ変換器（６０２）から構成される。ＤＣリンクコンデンサは、電源（４０１）とインバータ（４０９）との間に並列に接続される。太陽発電システム（６００）において、図４に示されたインバータ（４０９）が構成される。電源（４０１）からのＤＣは、インバータ（４０９）によって固定ＡＣに変換され、固定ＡＣは、変圧器（４１２）およびフィルタ（４１３）を介してグリッド（４１４）に供給される。
【００２８】
一実施形態では、第１のインバータ（４１０）および第２のインバータ（４１１）の上部スイッチおよび下部スイッチは、相（ａ相、ｂ相、およびｃ相）のうちの１つで動作し、ＤＣバス電圧（Ｖｄｃ）は、既定の相の変圧器（４１２）の１次巻線の両端に現れる場合があり、その対応する相についての相電圧である。たとえば、ａ相で動作しているとき、第１のインバータ（４１０）のａ相のアームの上部スイッチがＯＮであり、第２のインバータ（４１１）のａ相のアームの下部スイッチがＯＮである場合、完全なＶｄｃは、インバータのａ相のアームを接続する変圧器の１次巻線の両端のａ相電圧として現れる。同様に、第１のインバータ（４１０）のａ相のアームの下部スイッチがＯＮであり、第２のインバータ（４１１）のａ相のアームの上部スイッチがＯＮである場合、反対方向のＤＣバス電圧（−Ｖｄｃ）は、インバータのａ相のアームを接続する変圧器（４１２）の対応する１次巻線の両端のａ相電圧として現れる。スイッチのこの規定の動作に伴い、完全なＶｄｃは、インバータの従来のトポロジーとは異なり、１次巻線の両端の相電圧として現れる場合がある。インバータ（４１０および４１１）のアームのスイッチの動作を直接制御するインバータ（４０９）は、完全なＶｄｃが相電圧として現れるので、ＤＣバスの利用率を改善する。
【００２９】
切替えパターンの選択で完全なＶｄｃが巻線の両端の相電圧として現れる場合でも、インバータ（４１０および４１１）は共通のＤＣリンクに接続されるので、強力な循環電流が変圧器（４１２）を通って流れる。循環電流を除去するために、零相電圧（ＺＳＶ）が除去されるべきであり、これはパルス幅変調（ＰＷＭ）技法を使用して実行される。ＰＷＭ技法は、インバータ（４０９）においてＺＳＶを完全に除去することができる。ＰＷＭ技法は、循環電流を完全に抑制し、同時に変圧器（４１２）の巻線の両端のＶｄｃを維持するものである。
【００３０】
本開示の一実施形態は、ＰＷＭ技法を使用している。循環電流の抑制により、図４に示されたように、第１のインバータおよび第２のインバータを共通ＤＣバスに接続する柔軟性がもたらされる。アームに接続された相は、（ａ相の場合）ａａ’、（ｂ相の場合）ｂｂ’、および（ｃ相の場合）ｃｃ’と表記される。各アームにおいて、上部スイッチは下部スイッチと補完関係にあり、すなわち、上部スイッチがＯＮである場合、下部スイッチはＯＦＦであり、その逆の場合もある。各アームを使用して、２つの切替え状態を表すことができる。したがって、回路内の６つのアーム（ａ、ｂ、ｃ、ａ’、ｂ’、およびｃ’）は、２６、すなわち６４個の切替え状態を表すことができる。この回路の場合のＺＳＶは式（３）を使用して計算される。
【００３１】
【数１】
2016163538.tif 000003
【００３２】
ここで、図４に示されたように、Ｓａ、Ｓｂ、およびＳｃは、第１のインバータ（４１０）の上部スイッチの切替え状態を表し、Ｓａ’、Ｓｂ’、およびＳｃ’は、第２のインバータ（４１１）の上部スイッチの切替え状態を表す。切替え状態は、１（ＯＮ）および０（ＯＦＦ）のうちの１つである。
【００３３】
すべての切替えの組合せついてのＺＳＶは式３を使用して計算され、表２にまとめられる。
【００３４】
【表１】
2016163538.tif 000004
【００３５】
表２は、新しいトポロジーの６４個の切替え状態すべてについて、相ベクトルおよび空間ベクトルを示す。
【００３６】
表２に示されたように、１〜８（最初の列）は、第１のインバータの切替えの組合せを表し、１’〜８’（最初の行）は、第２のインバータの切替えの組合せを表す。結果として生じた共通モード電圧が、対応する切替えの組合せについて表２に示される。表２から、第１のインバータと第２のインバータのいくつかの切替えの組合せがＺＳＶをもたらすことが明らかである。したがって、１１’、１３’、１５’、２２’、２４’、２６’、３１’、３３’、３５’、４２’、４４’、４６’、５１’、５３’、５５’、６２’、６４’、および６６’である切替えの組合せは、ＺＳＶを完全に取り消すために使用される。
【００３７】
ＺＳＶを取り消すために使用される上記の切替えの組合せについて、相電圧ベクトルが式（４）を使用して計算され、
【００３８】
【数２】
2016163538.tif 000005
対応する相電圧ベクトルが表３にまとめられる。
【００３９】
【表２】
2016163538.tif 000006
【００４０】
表３は、ＺＳＶを与える切替えの組合せについての相電圧ベクトルを示す。ヌルの零相の組合せについての相電圧の振幅は、表３に示されたように√３／２または０のいずれかであり、それは、相電圧が√３／２と０の間で変化し、これらの切替え状態を使用して導出され得る相電圧の最大値が√３／２、すなわち０．８６６であることを示し、図１に示された従来のトポロジーでは、相電圧の最大の振幅は、表１に示された２／３、すなわち０．６６６である。
【００４１】
図７は、本開示による、ＰＷＭの空間ベクトル表現を表すプロットを示す。
【００４２】
図７は、提案されたＰＷＭ（７０１）とともに、従来のＰＷＭ（７０２）と従来のサイン三角形ＰＷＭ（７０３）との間の差異を示す。図１に示された従来のトポロジーを有するＰＷＭでは、０．６６の最大のＤＣバスの利用率を取得することが可能であり、提案されたＰＷＭとともに使用する、図４に示されたインバータ（４０９）では、ＤＣバスの利用率は０．８６６である。図４に示されたインバータ（４０９）は、図７に示されたＤＣバスの利用率に関して、図１に示された従来のシステムよりも良い。さらに、これは、所与のＶｄｃの場合、図４のインバータ（４０９）を使用して導出された相電圧が、図１のインバータ（１０９）の従来のトポロジーよりも２０％大きいことを示す。
【００４３】
取り消された零電圧のＰＷＭを有する、図４に示されたインバータ（４０９）は、ＤＣバス電圧が最小値から最大値に変化しているときでも、一定の周波数および一定の振幅を得るために、変調指数を変化させる用意がある。図４に示されたインバータ（４０９）の場合、最小のＤＣバス電圧の動作範囲は、図１、図２、および図３の従来のインバータ（１０９）のそれよりも２４％小さい。しかし、最大の動作可能なＤＣバス電圧は、従来のインバータ（１０９）と提案されたインバータ（４０９）の両方の構成について同じままである。これは、電源（４０１）からグリッド（４１４）にエネルギーを供給するシステム全体の動作範囲が著しく増大したことを示す。
【００４４】
取り消された零相電圧のＰＷＭ技法を有する、図４に示されたインバータは、ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋにおいてシミュレートされる。このシミュレーションでは、従来のシステムおよび提案されたシステムの両方が、５０Ｈｚで動作するように作成され、変換器の相電圧は、変化するＤＣバス電圧および変調指数とともに観察される。説明されたように、相電圧の振幅は、ＤＣバス電圧および変調指数に依存する。すべての変調指数およびＤＣバス電圧について、相電圧の周波数は５０Ｈｚに維持され、対応する振幅は、変調指数およびＤＣバス電圧における変更に対して変化する。
【００４５】
本開示の実施形態は、従来のシステムと比較して、たとえば２４％以上のＤＣバスの利用率を達成することなどの利点を提供する。ＤＣバスの利用率のためのインバータ（４０９）は、Ｖｄｃの低い値でのＤＦＩＧの動作範囲を改善するだけでなく、より多くの無効電力を注入することによって、故障状態の間の低電圧ライドスルー（ＬＶＲＴ）能力も改善する。
【００４６】
また、インバータ内の循環電流が説明されたように抑制され、第１のインバータ内のスイッチは機能的であり得る。しかしながら、第２のインバータ内のスイッチは、固定ＡＣをグリッドに供給しながら循環電流を抑制するために、本開示内の提案されたアルゴリズムに従って制御することができる。同様に、第２のインバータは機能的であり得るし、循環電流は、第１のインバータ内のスイッチを制御することによって抑制される。さらに、ＤＣバスの利用率を向上する助けとなる１つまたは複数の実施形態に実装された本開示のインバータは、開示された本実施形態に限定されない。しかしながら、当業者は、現在の開示が使用され得るパワーエレクトロニクスの分野内の他のアプリケーションを想定することができる。さらに、本開示は、本開示の範囲から逸脱することなく、若干の修正で同様のアプリケーションにおいて容易に適合することができる。
【００４７】
「１つの実施形態」、「実施形態」、「複数の実施形態」、「その実施形態」、「それらの実施形態」、「１つまたは複数の実施形態」、「いくつかの実施形態」、および「一実施形態」という用語は、特に明確に指定されない限り、「本発明の（すべてではないが）１つまたは複数の実施形態」を意味する。
【００４８】
「含む」、「備える」、「有する」という用語、およびそれらの変形形態は、特に明確に指定されない限り、「限定はしないが含む」を意味する。
【００４９】
「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」という用語は、特に明確に指定されない限り、「１つまたは複数」を意味する。
【００５０】
単一のデバイスまたは物品が本明細書に記載されるとき、単一のデバイス／物品の代わりに、（それらが協働するしないにかかわらず）２つ以上のデバイス／物品を使用できることは容易に明らかである。同様に、（それらが協働するしないにかかわらず）２つ以上のデバイスまたは物品が本明細書に記載される場合、２つ以上のデバイスまたは物品の代わりに単一のデバイス／物品を使用できること、または示された数のデバイスまたは物品の代わりに異なる数のデバイス／物品を使用できることは容易に明らかである。デバイスの機能および／または特徴は、そのような機能／特徴を有すると明示的に記載されていない１つまたは複数の他のデバイスによって代替的に具現化することができる。したがって、本発明の他の実施形態は、そのデバイス自体を含む必要はない。
【００５１】
本発明の様々な実施形態の前述の説明は、例示および説明の目的で提示されている。本発明を開示されたそのままの形態に徹底または限定するものではない。上記の教示に照らして、多くの修正形態または変形形態が可能である。本発明の範囲は、この発明を実施するための形態によって限定されず、むしろ本明細書に添付された特許請求の範囲によって限定されるものである。上記の明細書、例、およびデータは、本発明の構成物の製造および使用の完全な説明を提供する。本発明の精神および範囲を逸脱することなく、本発明の多くの実施形態を行うことができるので、本発明は以下に添付された特許請求の範囲の中に存在する。
【００５２】
最後に、明細書で使用された言語は、主に読みやすさおよび教育の目的で選択されており、本発明の主題を線引きおよび制限するために選択されていない場合がある。したがって、本発明の範囲は、この発明を実施するための形態によって限定されず、むしろ本明細書に基づくアプリケーションで生じる任意の特許請求の範囲によって限定されるものである。したがって、本発明の実施形態の開示は、以下の特許請求の範囲で明記される本発明の範囲を限定するものではなく、例示するものである。
【００５３】
本明細書における実質的に任意の複数形および／または単数形の用語の使用に関して、当業者は、コンテキストおよび／またはアプリケーションに適切なように、複数形から単数形、および／または単数形から複数形に解釈することができる。明確にするために、本明細書において様々な単数形／複数形の置換を明確に説明することができる。
【００５４】
加えて、本開示の特徴または態様がマーカッシュグループの観点から記載された場合、本開示がそれによってマーカッシュグループの任意の個々のメンバーまたはメンバーのサブグループの観点からも記載されることを、当業者なら認識されよう。
【００５５】
様々な態様および実施形態が本明細書において開示されたが、他の態様および実施形態が当業者には明らかであろう。本明細書で開示された様々な態様および実施形態は、例示目的であって限定するものではなく、真の範囲および精神は、以下の特許請求の範囲によって示される。
【符号の説明】
【００５６】
１００  発電機を有する従来の風力発電システム
１０１、４０１  電源
１０２、４０２  風力タービン
１０３、４０３  ギアボックス
１０４、４０４  発電機
１０５、４０５  発電機の回転子
１０６、４０６  発電機の固定子
１０７  ＡＣＤＣ変換器
１０８、４０８  ＤＣリンクコンデンサ
１０９  従来のインバータ
１１０  変圧器兼フィルタ
１１１、４１４  グリッド
２００  二重給電誘導発電機（ＤＦＩＧ）を有する従来の風力発電システム
２０１、５０１  ＤＦＩＧ
２０２、５０２  ＤＦＩＧの回転子
２０３、５０３  ＤＦＩＧの固定子
２０４、５０４  回転子側変換器
２０５、５０５  グリッド側変換器
３００  発電機を有する従来の太陽発電システム
３０１、６０１  太陽電池
３０２、６０２  ＤＣＤＣ変換器
４００  発電機を有する提案された風力発電システム
４０７  変換器
４０９  提案されたインバータ
４１０  第１のインバータ
４１１  第２のインバータ
４１２  変圧器
４１３  フィルタ
５００  ＤＦＩＧを有する提案された風力発電システム
６００  提案された太陽発電システム
７００  提案されたパルス幅変調（ＰＷＭ）技法の空間ベクトル図
７０１  提案されたＰＷＭ
７０２  従来のＰＷＭ
７０３  従来のサイン三角形ＰＷＭ
【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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