JP5985000B2 - 太陽光発電システムの太陽光発電モジュールからのエネルギーを供給するための方法及び当該方法を実行するように設計されたインバータ - Google Patents

Description

本発明は太陽光発電システムの太陽光発電モジュールから供給グリッド内もしくは負荷にエネルギーを供給するための方法に関する。ここで、太陽光発電モジュールにより発生されるＤＣ電圧が、キャパシタを有する中間回路及びＤＣ／ＡＣコンバータを有するインバータにおいてＡＣ電圧に変換され、フィードインモードの動作では、インバータはスイッチングデバイスを介して供給グリッド内もしくは負荷に接続される。

さらに、本発明は、上述した方法を実行するために設計されたインバータであって、フィードインモードの動作において、制御デバイス、キャパシタを有する中間回路、ＤＣ／ＡＣコンバータ、及び出力を供給グリッド内もしくは負荷に接続するためのスイッチングデバイスを用いて、供給グリッド内もしくは負荷に供給するために太陽光発電モジュールにより発生されるＤＣ電圧をＡＣ電圧へと変換するためのインバータに関する。

本発明は、太陽光発電モジュールにより発生される電気エネルギーが供給グリッド内に供給される、グリッド接続された太陽光発電システムに関し、また太陽光発電モジュールから供給されるエネルギーが負荷のために使用され、もしくはバッテリーを充電するために使用される、いわゆるスタンドアローンのインバータに関する。

太陽光発電システムを供給グリッド内もしくは負荷に接続するための方法及びデバイスが、例えば特許文献１もしくは特許文献２などの従来技術として知られている。これらの特許文献では、インバータのスイッチングデバイスの起動前に、インバータの入力電圧が決定される。もし入力電圧が所定のしきい値に達すれば、インバータはスイッチングオンの手順を開始する。ここで、スイッチングデバイスの起動により、インバータは供給グリッド内もしくは負荷に接続される。次に、フィードインモードの動作もしくは供給モードの動作が、最大電力が得られる動作点（ＭＰＰ：最大電力点）において開始される。

独国特許公開第１０２，０１０，０６０，６３３号明細書 欧州特許第２，２４２，１６０号明細書

しかしながら、もし太陽光発電システムがこの入力電力を供給できなければ、インバータはフィードインモードの動作もしくは供給モードの動作を保持できず、それはスイッチングデバイスの動作を停止させ、その結果、インバータは供給グリッドもしくは負荷から再度切断される。この手順がフィードインモードの動作が可能となるまで反復される。ここで、条件が取得された後に可能な限り早くフィードインモードの動作が実行されるように、その反復は比較的短い期間で行われる。ここで、不利益なことは、結果的にスイッチング周期の数が非常に多くなって、スイッチングデバイスの寿命がその数に応じて減少する、ということである。

それ故に、本発明の目的は、上述した不利益を取り除くかもしくは少なくとも低減でき、スイッチングデバイスのただ１回の起動だけでフィードインモードの動作を可能とできる上述した方法及びデバイスの創造にある。

本発明の目的は、上述した方法により実現できる。ここで、インバータの供給グリッドへの接続前に、太陽光発電モジュールの入力電力がテスト手順で決定され、もし決定された太陽光発電モジュールの入力電力が所定の最小入力電力よりも大きいかもしくは同一であればインバータのスイッチングデバイスは起動する。従って、本発明によれば、スイッチングデバイスの起動が行われてフィードインモードの動作が開始される前に太陽光発電モジュールが必要最小入力電力を供給できるか否かのチェックが、インバータが供給グリッド内もしくは負荷に接続される前に行うことができる。この手段により、インバータのスイッチングデバイスのスイッチング周期の数が最小化され、その結果として、スイッチングデバイスの寿命を延ばすことができ、それ故にインバータの寿命を延ばすことができる。スイッチングデバイスのスイッチング周期の数がより低減され、その結果として、より費用効果的なスイッチングデバイスが利用されるように、スイッチングデバイスに対して置かれた要求がまた低減される。同様に、インバータのスイッチングデバイスの起動の最小化の結果として、インバータの動作時間は低減され、その結果として、インバータ自身の電力消費量が最小限に保持される。付加的なハードウェアは本発明の方法の実行には必要とされない。むしろ、理想的には、その方法は太陽光発電システムのインバータの制御デバイスの適切なプログラミングにより迅速かつ簡単に実行される。スタンドアローンの動作の場合には、本発明の方法は同様に有利である。その理由は、スイッチングデバイスの起動の後に接続された負荷が確実に動作されるからである。

本発明の第１の変形例によれば、太陽光発電モジュールの開回路電圧が測定され、この値からテスト電圧及びテスト電流を有するテスト動作点が計算され、テスト手順を用いて、インバータのＤＣ／ＤＣコンバータはテスト電流に対して制御され、太陽光発電モジュールのＤＣ電圧が測定され、次に、もし太陽光発電モジュールのＤＣ電圧がテスト電圧よりも大きいかもしくは同一であれば、インバータのスイッチングデバイスが起動するという点において、太陽光発電モジュールの入力電力が決定される。ここで、テスト手順の間に、太陽光発電モジュールからのエネルギーが中間回路のキャパシタ内に格納される。従って、この解決法では、抽象的なテスト動作点は太陽光発電モジュールの測定された開回路電圧から決定され、太陽光発電モジュールの入力電力が十分であれば、ＤＣ／ＤＣコンバータの制御により、この抽象的な動作点が取得されるかどうかのチェックが行われる。

係数により低減される開回路電圧による所定の最小入力電力の除算による本発明の方法の特徴に従って、テスト動作点のテスト電流が決定される。経験から太陽光発電モジュールの最大電力は開回路電圧よりもちょうど下にある。

従来技術の太陽光発電モジュールのほとんどに対して、最大電力が抽出される太陽光発電モジュールの電流−電圧ダイアグラム上の点は、７０％と９０％との間の係数、好ましく８０％の係数と同一の意味である、開回路電圧の７０％から９０％の電圧、好ましくは８０％の電圧でのいわゆるＭＰＰ（最大電力点）において位置する。

本発明の方法の第２の変形例では、テスト手順の間にインバータの中間回路のキャパシタが太陽光発電モジュールからのエネルギーで充電され、太陽光発電モジュールの開回路電圧の所定の分数を取得するのに必要とされる時間が測定され、もしテスト時間が所定の臨界時間よりも小さいかもしくは同一であれば、インバータのスイッチングデバイスが起動する。

テスト手順の実行前にインバータの中間回路のキャパシタが十分に放電されることを確実とするために、テスト手順の前にキャパシタは放電される。

インバータの中間回路のキャパシタがインバータのＤＣ／ＡＣコンバータを介して、放電抵抗を介して、もしくはキャパシタの自己放電により放電される。

好ましくは、テスト手順は、インバータのスイッチングデバイスが起動してフィードインモードの動作が実行されるまで、所定の時間期間にわたって、好ましくは周期的に実行される。周期時間は、例えば、３０秒とすることができる。

本発明の目的はまた、上述したインバータにより実現され、その制御デバイスが上述した方法を実行するために設計される。

本発明は、添付された複数の図面に基づいてより詳細に説明される。

グリッド接続されたインバータを有する太陽光発電システムの概略的なブロック図を示す。 本発明の方法の第１の変形例を説明するためのフロー図を示す。 第１の本発明の方法を説明するための電流／電圧ダイアグラムを示す。 第１の本発明の方法を説明するための電流／電圧ダイアグラムを示す。 第２の本発明の方法を説明するための電圧／時間ダイアグラムを示す。 第２の本発明の方法を説明するための電圧／時間ダイアグラムを示す。

図１は、ＤＣ電圧源として少なくとも１つの太陽光発電モジュール２を含む太陽光発電システム１の概略的なブロック図を示す。太陽光発電モジュール２はＤＣ電圧Ｕ_ＤＣを供給する。さらに、太陽光発電システム１はさらに、インバータ３と、スイッチングデバイス４とを含み、スイッチングデバイス４を介して、インバータ３により発生されたＡＣ電圧Ｕ_ＡＣは供給グリッド５内もしくは負荷（図示せず）に接続される。インバータ３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６と、中間回路７と、ＤＣ／ＡＣコンバータ８と、制御デバイス９とを有する。その制御デバイス９はまたスイッチングデバイス４を起動もしくは停止することができる。

本発明によれば、スイッチングデバイス４は、太陽光発電モジュール２の入力電力Ｐ_ｅが所定の最小入力電力Ｐ_{ｅ，ｍｉｎ}を取得するときだけに起動する。このフィードインモードの動作では、起動されたスイッチングデバイス４により、太陽光発電モジュール２により供給されるエネルギーは供給グリッド５内に供給されるか、もしくは負荷に供給するために使用される。フィードインモードの動作に対しては、太陽光発電モジュール２からの十分なエネルギーが供給されることがそれ相応に可能とすべきである。その結果、スイッチングデバイスは理想的には１つの単一時間だけで起動される必要がある。もしインバータ３がフィードイン動作点、いわゆるＭＰＰ（最大電力点）で動作されれば、十分な入力電力Ｐ_ｅを入手できる。インバータ３の内部損失は太陽光発電モジュール２の入力電力Ｐ_ｅによりカバーされる。インバータの内部損失は、通常は２桁のワットの範囲内であるべきである。スイッチングデバイス４の好ましくは１つの単一のスイッチング周期を有する信頼できるフィードインモードの動作を確実とするために、テスト手順は停止したスイッチングデバイス４を有する太陽光発電モジュール２に対して実行される。その手順により、太陽光発電モジュール２の入力電力Ｐ_ｅが決定される。その方法は、変圧器を有するインバータ３及び変圧器なしのインバータ３の両方に適している。

いま、その方法の第１の変形例が図２から図４を用いて説明される。図２はその方法のこの変形例を説明するためのフロー図を示す。ブロック１０１によれば、太陽光発電モジュール２の所定の最小入力電力Ｐ_{ｅ，ｍｉｎ}が確立され、太陽光発電モジュール２の開回路電圧Ｕ_ＬＬが測定される。クエリー１０２によれば、開回路電圧Ｕ_Ｌが所定のしきい値を取得したか否かが決定される。もし開回路電圧Ｕ_Ｌが上記しきい値未満であれば、ブロック１０１にリターンする。もし開回路電圧Ｕ_Ｌが上記しきい値を取得すれば、その方法はブロック１０３に移動する。ここで、抽象的なテスト動作点ＡＰがテスト電圧Ｕ_Ｐ及びテスト電流Ｉ_Ｐを用いて確立される。例えば、Ｕ_Ｐ＝ｋ・Ｕ_Ｌに従って、テスト電圧Ｕ_Ｐは開回路電圧Ｕ_Ｌの分数として定義される。ここで、係数ｋは好ましくは７０％と９０％との間、好ましくは８０％である。ＭＰＰは太陽光発電モジュール２のタイプに依存するが、ＭＰＰはしばしば開回路電圧Ｕ_Ｌの８０％にある。テスト電流Ｉ_Ｐはテスト電圧Ｕ_Ｐによる最小入力電力Ｐ_{ｅ，ｍｉｎ}の除算により決定される。この方法では、テスト動作点ＡＰにおけるテスト電圧Ｕ_Ｐ及びテスト電流Ｉ_Ｐに対する値が計算される。ブロック１０４によれば、インバータ３のＤＣ／ＤＣコンバータ６は決定されたこのテスト電流Ｉ_Ｐに対して制御され、太陽光発電モジュール２の入力電圧が測定される。次に、クエリー１０５によれば、テスト動作点ＡＰが取得されたか否かのチェック、すなわち太陽光発電モジュール２の入力電力Ｐ_ｅが動作点ＡＰにおけるテスト電圧Ｕ_Ｐ及びテスト電流Ｉ_Ｐを供給できるのに十分であるか否かのチェックが行われる。確認のイベントにおいて、スイッチングデバイス４はブロック１０６に従って起動し、インバータ３はフィードインモードの動作であるべきである。もし太陽光発電モジュール２の入力電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ６の制御のテストの間にテスト電流ＩＰへと低下すれば、すなわち、もしテスト動作点ＡＰが取得されなければ、その方法はブロック１０１にリターンする。

図３及び図４は図２における方法を説明するための電流／電圧ダイアグラムを示す。図３に係る第１のケースでは、テスト動作点ＡＰが取得される。すなわち、太陽光発電モジュール２の入力電力Ｐ_ｅはインバータ３の損失をカバーするのに十分であり、スイッチングデバイス４は起動する。図４では、テスト動作点ＡＰが取得されない。すなわち、太陽光発電モジュール２の入力電力Ｐ_ｅはインバータ３の損失をカバーするのに不十分であり、スイッチングデバイス４は起動せず、それ故にフィードインモードの動作へと切り替わらない。

それ故に、テスト手順では、インバータ３のＤＣ／ＤＣコンバータ６は太陽光発電モジュール２に対する負荷としての機能を果たす。このため、ＤＣ／ＤＣコンバータ６のスイッチング素子はインバータ３の制御デバイス９により適切に制御される。エネルギーはインバータ３の中間回路７に格納される。従って、ＤＣ／ＤＣコンバータ６はテスト動作点ＡＰに対して決定された電流Ｉ_Ｐに対する電流を制御し、太陽光発電モジュール２の電圧Ｕ_ＤＣ及び電流が測定される。電流制御の間に、測定された電圧はテスト電圧Ｕ_ＤＣ未満に低下されない。すなわち、このチェックは測定された電圧Ｕ_ＤＣのテスト電圧Ｕ_Ｐとの比較により行われる。もし測定された電圧がテスト電圧Ｕ_Ｐ未満に低下しなければ、太陽光発電モジュール２の入力電力Ｐ_ｅに対するチェックは成功し、スイッチングデバイス４は起動することが可能となり、フィードインモードの動作が開始される（図３）。ここで、Ｉ_ＰとＵ_ＤＣとの交点での測定された電圧Ｕ_ＤＣはテスト電圧Ｕ_Ｐよりも大きい。従って、取得された動作点はテスト動作点ＡＰよりも高電力を供給できる。もし測定された電圧がテスト電圧Ｕ_Ｐ未満に低下すれば、すなわち、もし動作点電流Ｉ_Ｐにより設定されなければ、図４から理解できるように、スイッチングデバイス４は起動せず、フィードインモードの動作は開始されない。テスト手順は所定の時間後に反復される。

テスト手順の継続時間は通常数秒の範囲内であり、基本的には、テスト手順の間にエネルギーを格納する中間回路７の容量にまた適合される。

図２から図４に係る方法の第１の変形例は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を有するインバータ３のケースにおいて有利に配置される。

さらに、図５及び図６を用いて、太陽光発電モジュール２からのエネルギーを供給グリッド５内にもしくは負荷に供給するための方法がいま説明される。ここで、テスト手順の間に、インバータ３の中間回路７のキャパシタＣ_ＺＷが太陽光発電モジュール２からのエネルギーで充電され、テスト手順を用いて、太陽光発電モジュール２の開回路電圧Ｕ_Ｌの所定の分数Ｕ_Ｐ（例えば８０％など）を取得するのに必要とされる時間ｔ_Ｌが測定される。もしテスト時間ｔ_Ｌが所定の臨界時間ｔ_ｐ未満であるかもしくは同一であれば、インバータ３のスイッチングデバイス４は起動してフィードインモードの動作が開始される。もしテスト時間ｔ_Ｌが所定の臨界時間ｔ_ｐよりも大きければ、インバータ３のスイッチングデバイス４は起動せず、フィードインモードの動作は開始されない。

当該方法のこの変形例では、中間回路７は最初に放電される。すなわち、これはＤＣ／ＡＣコンバータ８を介して、もしくは放電抵抗（図示せず）を介して行われる。次に、中間回路７のキャパシタＣ_ＺＷは太陽光発電モジュール２からのエネルギーにより充電され、電圧Ｕ_ＤＣは時間ｔの関数として記録される。もし太陽光発電モジュール２の開回路電圧Ｕ_Ｌが取得されたならば、中間回路７のキャパシタＣ_ＺＷは充電される。スイッチングデバイス４の起動のために、例えば、開回路電圧Ｕ_Ｌの８０％などのテスト電圧Ｕ_Ｐが所定の臨界時間ｔ_ｐ未満であるテスト時間ｔ_Ｌ内で取得されるのに十分である。

図５によれば、テスト電圧Ｕ_Ｐは所定の臨界時間ｔ_Ｐ未満である時間ｔ_Ｌで取得され、その結果として、太陽光発電モジュール２は十分な入力電力Ｐ_ｅを供給し、スイッチングデバイス４は起動されてフィードインモードの動作が開始される。

図６によれば、テスト電圧Ｕ_Ｐは所定の臨界時間ｔ_Ｐよりも大きい時間ｔ_Ｌで取得され、その結果として、太陽光発電モジュール２は十分な入力電力Ｐ_ｅを供給せず、スイッチングデバイス４は起動されず、フィードインモードの動作は開始されない。

当該方法のこの第２の変形例では、テスト手順はインバータ３の制御デバイス９により再度実行され、その結果として、ハードウェアに対する変更は必要ではない。

Claims (9)

1. 太陽光発電システム（１）の太陽光発電モジュール（２）からエネルギーを供給グリッド（５）内もしくは負荷に供給するための方法であって、
   上記太陽光発電モジュール（２）により発生されたＤＣ電圧（Ｕ _ＤＣ ）は、キャパシタ（Ｃ _ＺＷ ）及びＤＣ／ＡＣコンバータ（８）を有する中間回路（７）を有するインバータ（３）においてＡＣ電圧（Ｕ _ＡＣ ）に変換され、フィードインモードの動作では、上記インバータ（３）は、スイッチングデバイス（４）を介して上記供給グリッド（５）内もしくは上記負荷に接続され、
   上記インバータ（３）の上記供給グリッド（５）内もしくは上記負荷への接続前に、上記太陽光発電モジュール（２）の入力電力（Ｐ _ｅ ）はテスト手順において決定され、当該決定された太陽光発電モジュール（２）の入力電力（Ｐ _ｅ ）が所定の最小入力電力（Ｐ _{ｅ，ｍｉｎ} ）よりも大きいかもしくは同一のときに、上記インバータ（３）の上記スイッチングデバイス（４）が起動され、
   上記太陽光発電モジュール（２）の入力電力（Ｐ_ｅ）が決定されることを特徴とし、
   上記太陽光発電モジュール（２）の開回路電圧（Ｕ_Ｌ）が測定され、当該測定された値からテスト電圧（Ｕ_Ｐ）及びテスト電流（Ｉ_Ｐ）を有するテスト動作点（ＡＰ）が計算され、テスト手順を用いて、上記インバータのＤＣ／ＤＣコンバータ（６）が上記テスト電流（Ｉ_Ｐ）に対して制御され、上記太陽光発電モジュール（３）の上記ＤＣ電圧（Ｕ_ＤＣ）が測定され、次に、上記太陽光発電モジュール（３）の上記ＤＣ電圧（Ｕ_ＤＣ）が上記テスト電圧（Ｕ_Ｐ）よりも大きいかもしくは同一であるときに、上記インバータの上記スイッチングデバイス（４）が起動され、
   上記テスト手順の間に、上記太陽光発電モジュール（２）の上記エネルギーは上記中間回路（７）の上記キャパシタ（Ｃ_ＺＷ）内に格納されることを特徴とする方法。
2. 上記テスト動作点（ＡＰ）の上記テスト電流（Ｉ_Ｐ）は、上記所定の最小入力電力（Ｐ_{ｅ，ｍｉｎ}）を、係数（ｋ）により減少された上記開回路電圧（Ｕ_Ｌ）により除算することにより決定されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 上記係数（ｋ）は７０％と９０％との間であり、好ましくは８０％であることを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 太陽光発電システム（１）の太陽光発電モジュール（２）からエネルギーを供給グリッド（５）内もしくは負荷に供給するための方法であって、
   上記太陽光発電モジュール（２）により発生されたＤＣ電圧（Ｕ _ＤＣ ）は、キャパシタ（Ｃ _ＺＷ ）及びＤＣ／ＡＣコンバータ（８）を有する中間回路（７）を有するインバータ（３）においてＡＣ電圧（Ｕ _ＡＣ ）に変換され、フィードインモードの動作では、上記インバータ（３）は、スイッチングデバイス（４）を介して上記供給グリッド（５）内もしくは上記負荷に接続され、
   上記インバータ（３）の上記供給グリッド（５）内もしくは上記負荷への接続前に、上記太陽光発電モジュール（２）の入力電力（Ｐ _ｅ ）はテスト手順において決定され、当該決定された太陽光発電モジュール（２）の入力電力（Ｐ _ｅ ）が所定の最小入力電力（Ｐ _{ｅ，ｍｉｎ} ）よりも大きいかもしくは同一のときに、上記インバータ（３）の上記スイッチングデバイス（４）が起動され、
   上記太陽光発電モジュール（２）の入力電力（Ｐ_ｅ）が決定されることを特徴とし、
   上記の間に、上記インバータ（３）の上記中間回路（７）の上記キャパシタ（Ｃ_ＺＷ）は上記太陽光発電モジュール（２）からのエネルギーで充電され、上記太陽光発電モジュール（２）の上記開回路電圧（Ｕ_Ｌ）の所定の分数を取得するのに必要とされる時間（ｔ_Ｐ）が測定され、上記テスト時間（ｔ_Ｌ）が所定の臨界時間（ｔ_Ｐ）よりも小さいかもしくは同一であるときに、上記インバータ（３）の上記スイッチングデバイス（４）が起動されることを特徴とする方法。
5. 上記テスト手順の前に、上記インバータ（３）の上記中間回路（７）の上記キャパシタ（Ｃ_ＺＷ）は放電されることを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載の方法。
6. 上記インバータ（３）の上記中間回路（７）の上記キャパシタ（Ｃ_ＺＷ）は、上記インバータ（３）の上記ＤＣ／ＡＣコンバータ（８）を介して放電されることを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 上記インバータ（３）の上記中間回路（７）の上記キャパシタ（Ｃ_ＺＷ）は、放電抵抗を介して、もしくは上記キャパシタ（Ｃ_ＺＷ）の自己放電により放電されることを特徴とする請求項５または６記載の方法。
8. 上記テスト手順は、上記インバータ（３）の上記スイッチングデバイス（４）が起動されて上記フィードインモードの動作が実行されるまで周期的に実行されることを特徴とする請求項１〜７のうちのいずれか１つに記載の方法。
9. 上記太陽光発電モジュール（２）により発生された上記ＤＣ電圧（Ｕ_ＤＣ）をＡＣ電圧（Ｕ_ＡＣ）に変換して、当該変換されたＡＣ電圧（Ｕ_ＡＣ）を上記供給グリッド（５）内もしくは上記負荷に供給するための上記インバータ（３）であって、
   上記インバータ３は、
   制御デバイス（９）と、キャパシタ（Ｃ_ＺＷ）を有する中間回路（７）と、ＤＣ／ＡＣコンバータ（８）と、上記フィードインモードの動作において、上記出力を上記供給グリッド内もしくは上記負荷に供給するための上記スイッチングデバイス（４）とを備え、
   上記制御デバイス（９）は請求項１〜８のうちのいずれか１つに記載の方法を実行するように設計されたことを特徴とするインバータ（３）。

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