特許 7201689 ３つのブリッジ分岐を有する少なくとも１つのコンバーターモジュールを備えるコンバーター、動作方法、及びそのようなコンバーターの使用

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-12-26

(45)【発行日】2023-01-10

(54)【発明の名称】３つのブリッジ分岐を有する少なくとも１つのコンバーターモジュールを備えるコンバーター、動作方法、及びそのようなコンバーターの使用

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20221227BHJP

   H02M 3/155 20060101ALI20221227BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 E

H02M7/48 R

H02M3/155 H

H02M7/48 T

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2020534466

(86)(22)【出願日】2018-12-12

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-02-22

(86)【国際出願番号】 EP2018084596

(87)【国際公開番号】W WO2019121251

(87)【国際公開日】2019-06-27

【審査請求日】2021-10-11

(31)【優先権主張番号】102017131042.8

(32)【優先日】2017-12-21

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】515078095

【氏名又は名称】エスエムエイ ソーラー テクノロジー アクティエンゲゼルシャフト

【氏名又は名称原語表記】ＳＭＡ Ｓｏｌａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＡＧ

(74)【代理人】

【識別番号】110001302

【氏名又は名称】特許業務法人北青山インターナショナル

(72)【発明者】

【氏名】ファルク，アンドレアス

【審査官】遠藤 尊志

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－０７９５０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第６１４２０６４（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】特開２０１６－０１９３６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１０８５５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１８８３０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－２２０４８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０３２８１０２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１１／０２４２８６７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ７／４２－ ７／９８

Ｈ０２Ｍ ３／００－ ３／４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

コンバーター（６）及びフィルタ（１６）を有する装置であって、前記コンバーター（６）は、ＤＣ源（２）に接続することができる入力（６１、６２）と、第１、第２、第３のブリッジアーム（１１、１２、１３）及び前記ブリッジアーム（１１、１２、１３）の共通のＤＣリンク回路（１４）を有する少なくとも１つのトランスデューサモジュール（１、１’～１’’’）とを備え、前記ブリッジアーム（１１、１２、１３）の各々はそれぞれ相出力（１１３、１２３、１３３）を有し、
前記第１及び前記第２のブリッジアーム（１１、１２）は、前記相出力（１１３、１２３）において交流の形式で第１の電力（５１）を供給するようになっており、
エネルギーストア（４２）は前記第３のブリッジアーム（１３）の前記相出力（１３３）に接続することができ、
前記フィルタ（１６）は、前記エネルギーストア（４２）と前記第３のブリッジアーム（１３３）の前記相出力（１３３）との間に接続され、前記フィルタ（１６）の部品は、前記第３のブリッジアーム（１３）の半導体スイッチ（３１１、３１２）と共に、昇圧及び／又は降圧機能を備えたＤＣ／ＤＣコンバータとして機能し、
前記第３のブリッジアーム（１３）は、前記ＤＣ源（２）と前記エネルギーストア（４２）との間及び前記エネルギーストア（４２）と前記ＤＣリンク回路（１４）との間で第２の電力（５２）を交換するようになっており、
前記コンバーター（６）は、前記第１の電力（５１）と前記第２の電力（５２）との合計が一定の設定値（５３）に一致するような態様で前記ブリッジアーム（１１、１２、１３）を制御するようになっている制御ユニット（１７）を備えることを特徴とする、コンバーター（６）。

【請求項2】

請求項１に記載の装置において、前記一定の設定値（５３）は、前記ＤＣ源（２）の最大電力点（ＭＰＰ）と一致することを特徴とする、装置。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の装置において、前記第１、前記第２、及び前記第３のブリッジアーム（１１、１２、１３）は同じ設計のものであることを特徴とする、装置。

【請求項4】

請求項１～３の何れか一項に記載の装置において、前記第１、前記第２、及び前記第３のブリッジアーム（１１、１２、１３）は双方向の動作方式用に設計されていることを特徴とする、装置。

【請求項5】

請求項１～４の何れか一項に記載の装置において、３つのブリッジアーム（１１、１２、１３）を備える正確に１つのトランスデューサモジュール（１）を有することを特徴とする、装置。

【請求項6】

請求項１～４の何れか一項に記載の装置において、前記装置の前記コンバーター（６）が少なくとも３つのトランスデューサモジュール（１、１’～１’’’）を備え、三相ＡＣ電圧が出力側に供給され、前記三相ＡＣ電圧の各相は、異なるトランスデューサモジュール（１、１’～１’’’）の２つのブリッジアーム（１１、１２）によって供給され、前記第３のブリッジアーム（１３）がエネルギーストア（４２）に結合されることを特徴とする、コンバーター（６）。

【請求項7】

請求項１～６の何れか一項に記載の装置において、前記ＤＣリンク回路（１４）がフィルムコンデンサを備えていることを特徴とする、装置。

【請求項8】

請求項１～７の何れか一項に記載の装置において、前記ブリッジアーム（１１、１２、１３）は、中性点クランプ式（ＮＰＣ）、バイポーラスイッチ中性点クランプ式（ＢＳＮＰＣ）、アクティブ中性点クランプ式（ＡＮＰＣ）、又はフライングキャパシタ（ＦＬＣ）アームからなることを特徴とする、装置。

【請求項9】

コンバーター（６）及びフィルタ（１６）を有する装置を動作させるための方法であって、前記コンバーター（６）は、ＤＣ源（２）に接続可能な入力（３、４）と、第１、第２、第３のブリッジアーム（１１、１２、１３）及び前記ブリッジアーム（１１、１２、１３）の共通のＤＣリンク回路（１４）を有する少なくとも１つのトランスデューサモジュール（１、１’～１’’’）とを備え、前記ブリッジアーム（１１、１２、１３）の各々はそれぞれ相出力（１１３、１２３、１３３）を有し、エネルギーストア（４２）が前記第３のブリッジアーム（１３）の下流に接続され、前記コンバーター（６）は前記ブリッジアーム（１１、１２、１３）を制御するための制御ユニット（１７）も備え、
前記第１及び前記第２のブリッジアーム（１１、１２）は、第１の電力（５１）が前記相出力（１１３、１２３）において交流の形式で供給されるような態様で制御され、
前記フィルタ（１６）は、前記エネルギーストア（４２）と前記第３のブリッジアーム（１３）の前記相出力（１３３）との間に接続され、前記フィルタ（１６）の部品は、前記第３のブリッジアーム（１３）の半導体スイッチ（３１１、３１２）と共に、昇圧及び／又は降圧機能を備えたＤＣ／ＤＣコンバータとして機能し、
前記第３のブリッジアーム（１３）は、第２の電力（５２）が前記ＤＣ源（２）と前記エネルギーストア（４２）との間及び前記エネルギーストア（４２）と前記ＤＣリンク回路（１４）との間で交換されるような態様で制御される、方法において、
前記第１の電力（５１）と前記第２の電力（５２）との合計が、一定の設定値（５３）と一致することを特徴とする、方法。

【請求項10】

請求項９に記載の方法において、前記一定の設定値（５３）は、前記ＤＣ源（２）の最大電力点（ＭＰＰ）と一致することを特徴とする、方法。

【請求項11】

請求項９又は１０に記載の方法において、前記エネルギーストア（４２）に流入する又は前記エネルギーストア（４２）から流出する前記第２の電力（５２）とＡＣ電圧電力として出力される前記第１の電力（５１）とは、前記ＤＣ源（２）からの電力流出を基準にして逆相になっていることを特徴とする、方法。

【請求項12】

請求項９～１１の何れか一項に記載の方法において、前記第１の電力（５１）は、鉄道輸送用の単相エネルギー供給グリッドに供給されることを特徴とする、方法。

【請求項13】

鉄道輸送用の単相エネルギー供給グリッドにＡＣ電力を供給するための請求項１～５の何れか一項に記載のコンバーター（６）及びフィルタ（１６）を有する装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、第１、第２、及び第３のブリッジアームを有する少なくとも１つのトランスデューサモジュールを備えたコンバーターに関し、各ブリッジアームはそれぞれ相出力を有し、全てのブリッジアームに対して共通のＤＣリンク回路が設けられ、またこのコンバーターは、ブリッジアームを制御するための制御ユニットを備える。本発明は、コンバーターを動作させるための方法及びそのようなコンバーターの使用にも関する。

【背景技術】

【0002】

そのようなコンバーターは、例えば、光起電力（ＰＶ）設備からのＤＣ電圧を三相ＡＣグリッドに給電するためのグリッド対応交流に変換するために、インバーターとして使用されることが多い。エネルギー供給グリッドは、通常、全ての電圧レベルに対して三相設計を有し、その場合、グリッドプロバイダーからの送り込み指示により、給電中に三相に対して限られた電力差のみが許容される。この理由のために、－特別な用途を目的としたコンバーターとは別に－、コンバーターには、３つのブリッジアームが装備されることが多い、というのも、これは、殆どの用途目的で必要とされるからである。

【0003】

独国特許第ＤＥ１０２０１４１０４２１６Ｂ３号明細書では、エネルギー供給グリッドが故障した場合に、単相緊急動作で動作することができる三相インバーターを開示している。この緊急動作の間、３つのブリッジアームのうちの２つは、例えば、居住用建物の緊急供給用の単相交流を、これらの２つのブリッジアーム間の少なくとも１つのグリッド相でもたらすことができるような態様で、動作する。第３のブリッジアームは未使用のままである。

【0004】

欧州特許出願公開第ＥＰ２９５０４３９Ａ１号明細書では、ＤＣバスを使用してＤＣ側に接続された双方向電力コンバーターサブユニットからなる電力ルーターについて開示しており、電力コンバーターサブユニットは異なる負荷を供給するか、又はバッテリー若しくはグリッドに電力を供給する。この場合、各サブユニットは、それぞれに接続されたソース又は負荷に対応した電力用に設計されていなければならない。

【0005】

直流を三相交流に変換する場合、ＤＣ源からエネルギーが非常に均一な態様で引き出され、結果として、ＤＣリンク回路－これは、例えば、フィルムコンデンサの形態で設けられることがある－は、ごく軽く負荷をかけられる。「リップル」としばしば呼ばれる、半導体スイッチの切り替え動作から生じる、絶え間なく引き出されるＤＣ電力の変動のみが、ここで和らげられる必要がある。これは、単相交流への変換中には当てはまらない。この場合には、ｓｉｎ^２形式で電力が引き出され、また、ＤＣ源から安定した電力を引き出すことが望まれる場合には、これに応じて、逆／位相のずれた電力を補償する必要がある。従って、三相交流用に寸法決めされたインバーターのＤＣリンク回路は、通常、単相用途に対しては寸法が小さすぎる。

【0006】

効率面での理由から、エネルギーが、接続されたＰＶ設備から、生成される交流の周期全体に渡って、出来る限り均一に引き出されるような態様で、コンバーターを構成し動作させることが望ましい。しかしながら、同時に、出来る限り同一の構造を有するべきである費用対効果の高いコンバーターを使用することも望ましい。具体的には、従来の三相交流給電量を超えて統合グリッドに入る用途のために好ましくは製造することができる「標準的な三相インバーター」をアップグレードすることが望ましいことがある。こういった意味合いで、貯蔵システムの接続について特に言及するべきである、というのも、再生エネルギー源のエネルギー生産が大きく変動するのに起因して、再生エネルギー源と組み合わせた電気エネルギーの貯蔵が、一層重要になってきているからである。

【0007】

従って、本発明の目的は、ＤＣ源に均一に負荷をかけ且つ貯蔵システムにＡＣ電圧及びＤＣ電圧を供給する、３つのブリッジアームを有するトランスデューサモジュールを備えるコンバーターを提供することである。更なる目的は、そのようなコンバーターの動作方法を規定することである。

【0008】

この目的は、それぞれの独立請求項の特徴を有するコンバーター及びコンバーターを動作させるための方法によって達成される。従属請求項は、有利な構成及び発展形態に関係している。

【0009】

本発明によるコンバーターでは、第１と第２のブリッジアームの相出力間にＡＣ電圧電力が供給され、エネルギーストアが、このエネルギーストアを充電及び／又は放電するために、第３のブリッジアームに接続されることがある。ＤＣ源、例えばＰＶ発電機は、コンバーターの入力に接続されることがある。コンバーターは、第１、第２、及び第３のブリッジアームを有する少なくとも１つのトランスデューサモジュールを備え、各ブリッジアームはそれぞれに相出力を有する。トランスデューサモジュールは、それらのブリッジアームに共通のＤＣリンク回路も備えている。第１及び第２のブリッジアームは、ＤＣ源から第１の電力を引き出し、それを相出力において交流として供給するようになっている。エネルギーストアは第３のブリッジアームの相出力に接続されることがあり、第３のブリッジアームは、ＤＣ源とエネルギーストアとの間及びエネルギーストアと共通ＤＣリンク回路との間で第２の電力を交換するようになっている。エネルギーストアは、ＤＣリンク回路を介してＤＣ源から電力を引き出すことができ、前述の電力を貯蔵することができ、電力は、エネルギーストアからＤＣリンク回路に戻るように逆に流れることができ、第１及び第２のブリッジアームを介して、例えば、そこに接続されているグリッドに向かって流れることができる。

【0010】

コンバーターは制御ユニットも備え、この制御ユニットは、第１の電力と第２の電力の合計が一定の設定値と一致するような態様でブリッジアーム又はそれらの半導体スイッチを制御するようになっており、その結果、共通ＤＣリンク回路に流れ込む又は共通ＤＣリンク回路から流れ出る電力の流れは最小限に抑えられる。第１の電力と第２の電力の合計のバランス取りは、エネルギーの流れの瞬間的な振幅と方向に関係し、この結果として実質的に負荷がないままであるように意図された共通ＤＣリンク回路で行われる。本発明によれば、制御ユニットは、第３のブリッジアームを流れる第２の電力と、第１及び第２のブリッジアームを流れる第１の電力との幾何学的な合計が、いつでも、共通ＤＣリンク回路において一定の設定値電力を生じるような態様で、ブリッジアームを制御するようになっており、この一定の設定値電力は、ＤＣ源から引き出され、相出力において交流として出力される。総じて、瞬時値の合計の軽微な変動は、少なくともグリッド周期の持続時間に渡って補償されることが意図されている。

【0011】

これは、エネルギーストアに流入する又はエネルギーストアから流出する電力の瞬時値は、グリッド周波数に関係した時間スケールでＡＣ電圧電力を補償することを意味する。

【0012】

本発明による方法は、ＤＣ源を入力部に接続することができるコンバーターの制御に関する。コンバーターは、第１、第２、及び第３のブリッジアームを有する少なくとも１つのトランスデューサモジュールを備え、各ブリッジアームはそれぞれ相出力と、ブリッジアームに共通のＤＣリンク回路とを有し、またこのコンバーターは、ブリッジアーム又はそれらの半導体スイッチを制御するための制御ユニットも備える。エネルギーストアは、第３のブリッジアームに接続することができる。本発明によれば、第１及び第２のブリッジアームは、第１の電力が、ＤＣ源から引き出され、相出力において交流として供給されるような態様で制御される。言い換えると、ＡＣ電力をグリッドに供給することができ、又は、ＡＣ負荷に電力を供給することができる。第３のブリッジアームは、第２の電力をＤＣ源とエネルギーストアとの間及びエネルギーストアと共通ＤＣリンク回路との間で交換することができるような態様で、制御される。

【0013】

ブリッジアームの制御は、第１の電力と第２の電力の合計が一定の設定値と一致し、その結果、共通ＤＣリンク回路に流れ込む又は共通ＤＣリンク回路から流れ出る電力の流れが最小限に抑えられることを特徴とする。言い換えると、第３のブリッジアームは、エネルギーストアに流入する又はエネルギーストアから流出する電力の瞬時値が、グリッド周波数に関係した時間スケールで、生成されたＡＣ電圧電力を補償するような態様で、制御される。この目的のために、エネルギーストアに流入する又はエネルギーストアから流出する電力とＡＣ電圧電力は、好ましくは逆相になる。

【0014】

このようにして、ＡＣ電圧電力は、ＤＣ源が一定の負荷を有するような態様でエネルギーストアに流入又はエネルギーストアから流出する変動電力によって、各グリッド周波数周期に渡って、補償される。このようにして、エネルギーストアは、従来技術によるデバイスでは通常ＤＣリンク回路内に配置されるコンデンサの機能を少なくとも部分的に引き受けることができる。本発明による方法の結果として、これらのコンデンサは、グリッド周波数の２倍で発生するＡＣ電力中の電力変動を遮断する必要はないが、非常に高い周波数で発生し、半導体スイッチの切り替えによって引き起こされる、電流リップルのみを遮断する必要がある。従って、ＤＣリンク回路中の静電容量は、小さく保たれることがあり、特に、例えば、電解コンデンサよりも耐用年数が長く損失が低いフィルムコンデンサによって必要とされるスペースがより小さいことに関して、且つ経済的にもたらすことができる程度に小さく保たれることがある。

【0015】

１つの有利な構成では、一定の設定値は、ＤＣ源、例えばＰＶ発電機の最大電力点（ＭＰＰ）と一致する。これは、ＤＣ源の最大エネルギー収量にとって重要であり、ＤＣ源及びコンバーターを備える全体システムの効率の最適化をもたらす。

【0016】

コンバーターの更なる有利な構成では、第１、第２、及び第３のブリッジアームは同じ設計のものである。これは「標準的な三相インバーター」を使用するという利点を提供し、標準的な三相インバーターは、例えばバッテリーなどのエネルギーストアと組み合わせた用途向けに、好都合に且つ大量に製造することができ、これは、今までは可能ではなかったことである。更に、ブリッジアームは、必要に応じて、電流がエネルギーストアからＤＣリンク回路に戻るように流れるようにするために、双方向の動作方式向けに設計されていることが好ましく、これにより、エネルギーストアを任意の所望のブリッジアームに接続できるという更なる利点がもたらされる。従って、例えば、グリッドサポート用の無効電流を他のブリッジアーム上で供給することも可能である。

【0017】

更なる有利な構成では、本発明によるコンバーターは、３つのブリッジアームを有する正確に１つのトランスデューサモジュールを備え、従って、例えば局所的負荷に直接的に給電するために、又はアイランドグリッド若しくは上位の統合グリッドに給電するために、３つのブリッジアームのうちの２つの相出力において単相交流を可能にする。しかしながら、この機能は、「標準的な三相インバーター」を使用して提供することができ、標準的な三相インバーターのＤＣリンク回路は、例えば、好ましい省スペースのフィルムコンデンサを用いて構成される。本発明によれば、単相用途用の従来のインバーターと比較したときに無くなっているリンク回路静電容量が、第３のブリッジアームの制御を介した貯蔵ユニットからリンク回路への電力出力及び電力消費により、得られる。

【0018】

本発明によるコンバーターは、３つのブリッジアームをそれぞれ有する少なくとも３つのトランスデューサモジュールを有利にも備えることもあり、三相ＡＣ電圧が出力側に供給され、三相ＡＣ電圧の各相は、異なるトランスデューサモジュールの２つのブリッジアームによって供給され、第３のブリッジアームがエネルギーストアに結合されることがある。これらはそれぞれ、３つのトランスデューサモジュールの第３のブリッジアームのうちの１つにあるエネルギーストアであることがあり、即ち、全部で３つのエネルギーストアがある。或いは、３つのトランスデューサモジュールの全ての第３のブリッジアームが、共通のエネルギーストアに接続されていることがある。

【0019】

３つのブリッジアームをそれぞれ有する少なくとも３つの（構造的に同一の）トランスデューサモジュールを有するコンバーターは、市場では一般的であり、それらのトランスデューサモジュールは通常、より大きな電力を供給できるようにするために、並列に動作する。

【0020】

コンバーターの１つの有利な構成では、エネルギーストアは蓄電池とも呼ばれる（充電式）バッテリーを備える。第３のブリッジアームの相出力又は複数の第３のブリッジアームの複数の相出力は、エネルギーストアの一部を形成することができる。

【0021】

説明した方法は、鉄道輸送用の単相エネルギー供給グリッドにＡＣ電力を給電するのに使用されるコンバーターにおいて、特に有利に使用されることがある。これは、鉄道輸送においては、他のエネルギー供給グリッドでの５０又は６０Ｈｚの代わりに、例えば約１６Ｈｚ（ヘルツ）などのより低いグリッド周波数が用いられることが多いので、特に当てはまる。グリッド周波数が低くなるほど、ＰＶ発電機がグリッド周期に渡って出来る限り均一に負荷をかけられるように意図されている場合に、ＤＣリンク回路において従来技術によるコンバーターに対して使用される必要がある静電容量が高くなる。本発明による方法により、ＤＣリンク回路用の部品に対して妥当な支出をすることにより、単相エネルギー供給グリッドのみにより大きな電力を給電することも可能になる、というのも、フィルムコンデンサを有する「標準的な三相インバーター」で無くなっているリンク回路静電容量は、例えばバッテリーによって「模倣」されるからである。

【0022】

本発明については、図の助けをかりて例示的な実施形態に基づいて以下でより詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】図１は、第１の例示的な実施形態におけるコンバーターを有する構成の概略図を示す。

【図2】図２は、第１の例示的な実施形態の構成におけるＡＣ周期の半分の間の電力分布の概略グラフを示す。

【図3】図３は、第２の例示的な実施形態におけるコンバーターを有する構成の概略図を示す。

【図4】図４は、第２の例示的な実施形態の構成におけるＡＣ周期の半分の間の電力分布の概略グラフを示す。

【発明を実施するための形態】

【0024】

図１は、第１の例示的な実施形態におけるコンバーター６を有する構成を、概略回路図で表す。

【0025】

コンバーター６は、３つのブリッジアーム、即ち第１のブリッジアーム１１、第２のブリッジアーム１２、及び第３のブリッジアーム１３を有するトランスデューサモジュール１を有する。これらのブリッジアーム１１～１３の各々は、直列に接続された２つの半導体スイッチ１１１、１１２、及び１２１、１２２、及び１３１、１３２を備える。コンバーター６の入力６１、６２において、ブリッジアーム１１～１３にＤＣ入力電圧が供給され、この電圧は、ここでは、例として、光起電力（ＰＶ）発電機２によって供給される。各ブリッジアーム１１～１３のそれぞれの２つの半導体スイッチ１１１、１１２、及び１２１、１２２、及び１３１、１３２の間のセンタータップは、図示するトポロジーにおいてブリッジアーム１１～１３の相出力１１３、１２３、１３３を構成する。

【0026】

ＰＶ発電機２は、図１では、単一のＰＶセルの回路記号によって記号的に表わされている。言うまでもないが、ＰＶ発電機２は、複数のＰＶモジュールで構成された多数のＰＶセルを備えることがあり、さらにＰＶモジュールは、ＰＶ発電機２を形成するために、直列及び／又は並列回路状に接続されることがある。

【0027】

図１のコンデンサの回路記号によって表わされるＤＣリンク回路１４は、トランスデューサモジュール１の一部として、ＰＶ発電機２と並列に形成される。

【0028】

個々の半導体スイッチ１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２は、供給された直流を変換するために、好ましくはパルス幅変調方式（ＰＷＭ方式）で、制御ユニット１７によって制御される。図示した例では、半導体スイッチ１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２は、並列に逆接続された還流ダイオードを備えたＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）である。半導体スイッチ１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２の制御は、図１では非常に概略的に示されている。

【0029】

ＰＷＭ方式の切り替え時間を正確に決定するために、ブリッジアーム１１～１３及び／又はコンバーター６の出力における適切な電流及び／又は電圧測定値が必要である。例として、各ブリッジアーム１１～１３の出力電流を測定するための電流測定手段１１４、１２４、及び１３４が図１に示されている。これらは、例えば、測定された磁場に基づいて電流を決定するホールセンサなどのセンサ又は分流器であり得る。測定された電流値は、制御ユニット１７において評価される。明確にするために、相出力１１３、１２３、及び１３３において出力電圧を測定するための、呼応する電圧測定手段は、図１には図示されていない。

【0030】

例として示されたコンバーター６では、センタータップが、コンバーター６の相出力１１３、１２３、１３３を構成する。原則として、それぞれが２つの半導体スイッチとセンタータップとを備えた３つのブリッジアームを有する、図示したいわゆるＢ６トポロジー以外のトポロジーを、コンバーター６において実装することもできる。たとえば、「中性点クランプ式」（ＮＰＣ）、「バイポーラスイッチ中性点クランプ式」（ＢＳＮＰＣ）、「アクティブ中性点クランプ式」（ＡＮＰＣ）、又は「フライングキャパシタ」（ＦＬＣ）などの３レベル又は多レベルのトポロジーを有するコンバーターを使用することも可能である。これらのトポロジーは、Ｂ６トポロジーよりも、１つのブリッジアーム当たりにより多くの半導体スイッチを必要とするであろうが、多くの場合、効率の点で利点をもたらす。

【0031】

３つのブリッジアーム１１～１３を備えたコンバーター６は、入力に供給された直流を三相交流に変換するのに、基本的に適している。これは、しばしばおこるコンバーターの意図される目的であるので、３つのブリッジアームを有するコンバーターは、市場では一般的である。３つのブリッジアームは、一般的に同一の構造を有し、そのそれぞれが同一の電流及び電圧負荷容量を有する。

【0032】

図１に示した用途では、ブリッジアームのうちの２つのみ、ここでは第１のブリッジアーム１１及び第２のブリッジアーム１２を、Ｈブリッジの形態で使用して、供給された入力直流を単相交流に変換する。この目的のために、２つのブリッジアーム１１、１２の相出力１１３、１２３は、フィルタ１５を介してエネルギー供給グリッド３の相に結合される。従って、２つのブリッジアーム１１、１２は、コンバーター６のＡＣアームの一部であるとみなすことができる。

【0033】

この場合には、エネルギー供給グリッド３と結合するために、変圧器３１が設けられている。例として、スイッチング素子３２も、グリッド断路器として存在する。更に、ここでは図示されていない安全装置又は測定装置を、コンバーター６とエネルギー供給グリッド３との間に配置することができる。

【0034】

フィルタ１５は、相出力１１３、１２３とエネルギー供給グリッド３との間のライン中に直列に配置された２つのインダクタ（コイル）１５１と、変圧器３１の一次巻線と並列に配置されたコンデンサ１５２とを備える。フィルタ１５は、いわゆる正弦波フィルタとして機能し、生成される単相交流を平滑化するために使用される。言うまでもないが、インダクタとコンデンサの他の組み合わせをフィルタ１５として使用してすることもできる。

【0035】

この場合には、第３のブリッジアーム１３は、反転のために設けられるのではなく、ＤＣユニット４と接続される。この結合はフィルタ１６を介して行われており、フィルタ１６は、同様に、直列に接続されたインダクタ（コイル）１６１と、ＤＣユニット４と並列に接続されたコンデンサ１６２とを備える。従って、ブリッジアーム１３は、コンバーター６のＤＣアームの一部であるとみなすことができる。

【0036】

この場合には、フィルタ１６の部品、並びに第３のブリッジアーム１３の半導体スイッチ３１１、３１２は、昇圧及び／又は降圧機能を有するＤＣ／ＤＣコンバーターとして機能する。

【0037】

この場合には、「ＤＣユニット」及び「ＤＣ／ＤＣコンバーター」という用語は、電流及び電力が一方向のみに流れることを意味するものとして理解されるべきではない。逆に、本出願によるコンバーター及び本出願による方法は、ＤＣユニット４に流れ込む又はＤＣユニット４から流れ出る電流の電流強度又は極性が、エネルギー供給グリッド３における交流周波数の周期の大きさのオーダーの時間スケールで変化することがある、という事実によって、明確に区別される。

【0038】

この場合には、ＤＣユニット４は、バッテリー４２を結合又は結合解除するためのスイッチング素子４１を備える。バッテリー４２は、ここでは例として、直列に接続された複数のバッテリーセルによって表わされる、充電式バッテリーである。半導体スイッチ３１１、３１２の適切な制御により、ＰＶ発電機２から若しくはＤＣリンク回路１４からバッテリー４２への電流の流れ、又は逆にバッテリー４２からＤＣリンク回路１４への電流の流れが実現される。

【0039】

本出願によれば、バッテリー４２は、ＤＣリンク回路１４の負荷に加勢する又は負荷を軽減するためのエネルギーストアを構成する。なお、フィルタ１６の部品もエネルギーストア機能を有し、従って、バッテリー４２と一緒にエネルギーストアの一部を形成する。

【0040】

コンバーター６とエネルギー供給グリッド３との結合は、以下ではＡＣアームとも呼ばれ、コンバーター６とＤＣユニット４、及びとりわけエネルギーストアとの結合は、ＤＣアームと呼ばれる。

【0041】

図１に示した構成により、ＰＶ発電機２によって供給された交流を、単相エネルギー供給グリッド３に供給することが可能になる。

【0042】

図１による構成の応用分野は、ＰＶ発電機２によって生成された電流を、単相の上位のエネルギー供給グリッド３に供給することである。そのような単相の上位のエネルギー供給グリッド３は、例えば、鉄道輸送において鉄道電線に給電する際に存在し、その結果、図１によって示した構成を、例えば、鉄道電線に沿ったフリーフィールドのＰＶ設備と共に使用することができる。

【0043】

３つのブリッジアームを有するコンバーター、例えば図１に示すコンバーター６の、本出願による動作方法では、ＤＣアームを介してコンバーターによって伝達される電力は、伝達されるＡＣ電力に基づいて設定される。従って、交流のＡＣ周期に渡って瞬間的に変動する電力は、ＤＣアーム内の伝達された電力にも反映される。ＡＣ電力は、交流の１周期内で最小値と最大値との間で２回変動する。これに応じてＤＣアームに伝達される電力も、交流の周波数の２倍で変動するが、これに応じて逆相になる。

【0044】

これは、図２のグラフに概略的に示されており、この図では、コンバーターのＡＣ又はＤＣアーム内に伝達された電力Ｐのプロファイルが、出力交流の位相角φに基づいて示されている。グラフの縦軸には電力Ｐが示されており、グラフの横軸には位相角φが示されている。例として、図２については、図１によるコンバーター６の構造を参照して、以下で説明する。

【0045】

グラフには３つの曲線プロファイルが示されており、３つの曲線プロファイルとは即ち、ＡＣアームにおける交流の図示された半周期に渡って伝達される瞬時第１電力５１、以下ではＡＣ電力５１とも呼ばれる（三相グリッドの１つの相の電力に対応する）と、現時点でＤＣアームにおいてバッテリー４２に送信されている（正の値の場合）又はバッテリー４２から送出されている（負の値の場合）第２の電力５２と、である。ＤＣアームにおいて伝達されるこの電力５２は、以下では貯蔵電力５２とも呼ばれる。更に、第３の電力５３が示されており、これは、ＰＶ発電機２から引き出される平均電力５３に相当する。図示した曲線プロファイルは、伝達された電力を表す。コンバーター６における損失を無視した場合、これらの曲線プロファイルは、同様に、それぞれのＡＣ又はＤＣアームによって受け取られる電力、及びＤＣリンク回路１４から引き出される電力も表す。

【0046】

ＡＣ電力５１は、典型的なサインの２乗の様なプロファイルを示している。本出願によれば、ＤＣ／ＤＣコンバーターの一部である第３のブリッジアーム１３のスイッチング素子１３１、１３２は、伝達される貯蔵電力５２が、伝達されるＡＣ電力５１に対して逆相になるような態様で制御され、その結果、全体的に伝達される電力と、従ってＰＶ発電機２によって供給される電力５３も、一定になる。

【0047】

従って、ＤＣリンク回路１４は、出力ＡＣ電圧の周期に渡って均一に負荷をかけられ、その結果として、電圧の一時的低下が回避され、ＰＶ発電機は常にＭＰＰ（最大電力点）で動作する。これは、ＡＣ電力５１と貯蔵電力５２の合計が一定になるような態様で、生成された交流の図示した半周期の期間中に、バッテリー４２に供給される又はバッテリー４２から引き出される電力を変化させることによって、達成される。

【0048】

この場合には、電力は、図示した例では位相角φが１０５°～１９５°の間の範囲内で、バッテリー４２から時折引き出すこともでき、その後この電力は、ＡＣアームに流れ込む。従って、エネルギーはバッテリー４２からＤＣリンク回路１４に戻るように伝達される。この場合には、コンバーター６のＤＣアームは、ＤＣリンク回路１４を支持する。

【0049】

この手順は、特に、図１によるコンバーター５が鉄道エネルギー供給グリッド３に供給するために使用される場合に、有用である、というのも、これは、しばしば例えば１６．６Ｈｚなどの低周波数で動作し、また、コンバーターのＤＣリンク回路１４は、実際にはより高周波数の５０又は６０Ｈｚでの三相変換用に寸法決めされており、従って、しばしば十分な静電容量を持っていないからである。ＤＣリンク回路１４中の適切に寸法決めされた静電容量は、非常に大きな体積を有し、コストがかかるであろう。本出願による方法の結果として、ＤＣリンク回路１４中の静電容量は、例えば、電解コンデンサよりも耐用年数が長く損失が低いフィルムコンデンサによって必要とされるスペースに関して且つ経済的にもたらすことができる程度に小さく保たれることがある。

【0050】

図２は、伝達されたＡＣ電力が純粋な有効電力である状況を示す。しかしながら、このコンバーターを使用して、有効電力に加えて無効電力をエネルギー供給グリッドと交換することも可能である。ＤＣ／ＤＣコンバーターによって伝達される直流の位相角は、この場合には、ＡＣアーム内を伝達される電流全体の位相角に適応される。

【0051】

コンバーターの１つの開発結果では、コンバーターは、それぞれが３つのブリッジアームを有する複数のトランスデューサモジュールを備えることがある。このとき、各トランスデューサモジュールの２つのブリッジアームを、ＡＣアームにおいてそれぞれ使用することができ、１つのブリッジアームをＤＣアームにおいて使用することができる。ＡＣアームは、合計で１つ以上、例えば３つのＡＣ電圧相に交流を提供することができ、１つの相に割り当てられた２つのブリッジアームは、必ずしも１つのトランスデューサモジュールに対応する必要はない。

【0052】

図３は、３つの三相トランスデューサモジュール１’、１’’、及び１’’’を備えるそのようなコンバーター６を示しており、これらのモジュールは、入力側が、共通のＰＶ発電機２に接続されている。３つの（構造的に同一の）三相トランスデューサモジュールの構成は、より大電力を供給できるようにするために、且つ既に開発済みのデバイスを用いることができるようにするために、コンバーターの市場では一般的である。図３の例では、同一の参照符号は、図１と同一の又は同様に機能する素子を示す。明確にするために、図３中の全ての素子が参照符号を付けられているわけではない。幾つかの素子、例えば制御ユニット（図１では参照符号１７を参照）は、図示されていない。制御ユニットは、１つのトランスデューサモジュールを有するコンバーターの場合の図１に示したものと非常に類似した、互いに通信する３つの制御ユニットから構成することができ、或いは、全てのトランスデューサモジュールに対して共通の制御ユニットが、全ての含まれる半導体スイッチに制御信号を提供することができる。

【0053】

図１のトランスデューサモジュール１と類似の態様で、個々のトランスデューサモジュール１’、１’’、１’’’はそれぞれ３つのブリッジアームを用いて構成される。３つのブリッジアーム－各場合において、トランスデューサモジュール１’、１’’、１’’’のそれぞれのうちの１つ－が、インダクタ１６１を介して共通のコンデンサ１６２に接続されており、バッテリー４２に結合されている。トランスデューサモジュール１’、１’’、１’’’のそれぞれの他の２つのブリッジアームは、インダクタ１５１及びコンデンサ１５２を介して三相出力Ｌ１、Ｌ２、及びＬ３に接続されており、これらの三相出力では、三相エネルギー供給グリッドに給電するための三相交流が提供される。しかしながら、図１の例示的な実施形態とは違って、ブリッジアームと相Ｌ１、Ｌ２、及びＬ３との異なる接続がここでは選択されており、「交差している」と説明することができる。異なるトランスデューサモジュールの２つのブリッジアームがそれぞれ１つの相に供給する。図３では、従って、トランスデューサモジュール１’の１つのブリッジアームと、トランスデューサモジュール１’’の１つのブリッジアームが、相Ｌ１のための交流を生成する。これにより、出力ＡＣ電力とＤＣアームによって供給されることになる電力との間の補償の必要性が低減される。

【0054】

図４は、図２と同様のグラフでの、図３の構成の本発明による動作を示す。図示した曲線のうちの１つは、やはりエネルギー供給グリッドに給電されるＡＣ電力５１を示し、１つの曲線はバッテリー４２に流れ込む貯蔵電力５２を示し、１つの曲線はＰＶ発電機から引き出されるＰＶ電力５３を示す。純粋な三相動作の間、ＡＣ電力５２は、ＤＣ電力の振幅の半分の上にグリッド周波数の２倍が重ね合わせられた正弦波電力成分を有する、ＤＣ電力である。

【0055】

本発明によれば、ここで、バッテリー４２に接続されたブリッジアームは、貯蔵電力５２がＡＣ電力に対して逆相になるような態様で制御され、その結果、ＰＶ発電機２から引き出されるＰＶ電力５３は一定になる。第１の例示的な実施形態と類似の態様で、電力は有利にも、各グリッド周期において、即ちグリッド周期の時間スケールで、出来る限り均一にＰＶ発電機によって出力される。

【0056】

バッテリー４２に流れ込む電流は直流である、というのも、３つのブリッジアームの個々の電流は、（グリッド基本周波数に基づいて）それらの正弦波成分に対して、各場合において６０°オフセットされた態様で制御されるからである。

【符号の説明】

【0057】

１、１’－１’’’ トランスデューサモジュール
１１ 第１のブリッジアーム
１１１、１１２ 半導体スイッチ
１１３ 相出力
１１４ 電流測定手段
１２ 第２のブリッジアーム
１２１、１２２ 半導体スイッチ
１２３ 相出力
１２４ 電流測定手段
１３ 第３のブリッジアーム
１３１、１３２ 半導体スイッチ
１３３ 相出力
１３４ 電流測定手段
１４ ＤＣリンク回路
１５ フィルタ
１５１、１６１ インダクタ
１５２、１６２ コンデンサ
１６ フィルタ
１７ 制御ユニット
２ ＰＶ発電機
３ エネルギー供給グリッド
３１ 変圧器
３２ スイッチング素子
４ ＤＣユニット
４１ スイッチング素子
４２ バッテリー
５１ 第１の電力
５２ 第２の電力
５３ 設定値
６ コンバーター
６１、６２ 入力

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】