特許 7252989 単相エネルギー利用追従インバータ

(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】2023-03-28

(45)【発行日】2023-04-05

(54)【発明の名称】単相エネルギー利用追従インバータ

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20230329BHJP

   H02J 3/38 20060101ALI20230329BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 F

H02J3/38 150

【請求項の数】 17

(21)【出願番号】P 2020573292

(86)(22)【出願日】2019-05-01

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-10-21

(86)【国際出願番号】 US2019030253

(87)【国際公開番号】W WO2020005385

(87)【国際公開日】2020-01-02

【審査請求日】2022-04-06

(31)【優先権主張番号】16/024,480

(32)【優先日】2018-06-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】521367857

【氏名又は名称】エルティー・（ユーエスエイ）・コーポレーション

(74)【代理人】

【識別番号】100118902

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 修

(74)【代理人】

【識別番号】100106208

【弁理士】

【氏名又は名称】宮前 徹

(74)【代理人】

【識別番号】100196508

【弁理士】

【氏名又は名称】松尾 淳一

(72)【発明者】

【氏名】シュイ，ジェフリー・ウェン－タイ

【審査官】柳下 勝幸

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１２／１４９２７４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／０１７０３３６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００６／０１８１９０６（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ７／４８

Ｈ０２Ｊ ３／３８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

単相ＤＣ／ＡＣ変換器を含むデバイスであって、前記単相ＤＣ／ＡＣ変換器は、
実質的に固定された電圧のＤＣエネルギー源から第１のエネルギー抽出を行うようにパルス幅変調器によって駆動される第１のＤＣ／ＡＣ変換モジュールであって、第１の正弦波ＡＣ電力トレインを生成するように前記パルス幅変調器のパルス幅変調器信号のデューティサイクルの第１の部分内で前記第１のエネルギー抽出を行うように構成された前記第１のＤＣ／ＡＣ変換モジュールと、
前記ＤＣエネルギー源からの第２のエネルギー抽出を行うように前記パルス幅変調器によって駆動される第２のＤＣ／ＡＣ変換モジュールであって、９０度前記第１の正弦波ＡＣ電力トレインから位相がずれた第２の正弦波ＡＣ電力トレインを生成するように前記パルス幅変調器の前記パルス幅変調器信号のデューティサイクルの第２の部分内で前記第２のエネルギー抽出を行うように構成され、前記デューティサイクルの前記第２の部分は前記デューティサイクルの前記第１の部分と重なり合わない、前記第２のＤＣ／ＡＣ変換モジュールと、
前記第１の正弦波ＡＣ電力トレインおよび第２の正弦波ＡＣ電力トレインの両方が同じ位相を有するように、前記第１の正弦波ＡＣ電力トレインと第２の正弦波ＡＣ電力トレインとのうちの一方を９０度位相シフトによって調整するように構成された位相調整器と
を含む、デバイス。

【請求項2】

請求項１に記載のデバイスであって、
前記第１のエネルギー抽出と前記第２のエネルギー抽出とが順次に行われるように、前記デューティサイクルの前記第２の部分は前記デューティサイクルの前記第１の部分に隣接する、デバイス。

【請求項3】

請求項１に記載のデバイスであって、前記単相ＤＣ／ＡＣ変換器は電力グリッドの電力線対に結合され、前記第１の正弦波ＡＣ電力トレインおよび第２の正弦波ＡＣ電力トレインの前記位相は前記電力グリッドの前記電力線対と同期する、デバイス。

【請求項4】

請求項１に記載のデバイスであって、前記位相調整器は単相変圧器を含む、デバイス。

【請求項5】

請求項１に記載のデバイスであって、前記位相調整器はインダクタを含む、デバイス。

【請求項6】

請求項１に記載のデバイスであって、前記位相調整器はキャパシタを含む、デバイス。

【請求項7】

請求項１に記載のデバイスであって、
３相ＤＣ／ＡＣ変換モジュールであって、前記単相ＤＣ／ＡＣ変換モジュールを第１のＤＣ／ＡＣ変換モジュールとして含み、前記位相調整器は第１の位相調整器であり、前記パルス幅変調器は第１のパルス幅変調器であり、前記第１のＤＣ／ＡＣ変換モジュールの前記第１の正弦波ＡＣ電力トレインおよび第２の正弦波ＡＣ電力トレインの前記位相は電力グリッドの第１の電力線対と同期する、前記３相ＤＣ／ＡＣ変換モジュール
を含むデバイス。

【請求項8】

請求項７に記載のデバイスであって、前記３相ＤＣ／ＡＣ変換モジュールは、
前記ＤＣエネルギー源からの第３のエネルギー抽出を行うように第２のパルス幅変調器によって駆動される第３のＤＣ／ＡＣ変換モジュールであって、第３の正弦波ＡＣ電力トレインを生成するように前記第２のパルス幅変調器のパルス幅変調器信号のデューティサイクルの第１の部分内で前記第３のエネルギー抽出を行うように構成された前記第３のＤＣ／ＡＣ変換モジュールと、
前記ＤＣエネルギー源からの第４のエネルギー抽出を行うように前記第２のパルス幅変調器によって駆動される第４のＤＣ／ＡＣ変換モジュールであって、第４の正弦波ＡＣ電力トレインを生成するように前記第２のパルス幅変調器の前記パルス幅変調器信号のデューティサイクルの第２の部分内で前記第４のエネルギー抽出を行うように構成され、前記第２のパルス幅変調器の前記パルス幅変調器信号の前記デューティサイクルの前記第２の部分は、前記第２のパルス幅変調器の前記パルス幅変調器信号の前記デューティサイクルの前記第１の部分と重なり合わない、前記第４のＤＣ／ＡＣ変換モジュールと、
前記第３の正弦波ＡＣ電力トレインおよび第４の正弦波ＡＣ電力トレインの両方が前記電力グリッドの第２の電力線対と同期した位相を有するように、前記第３の正弦波ＡＣ電力トレインと第４の正弦波ＡＣ電力トレインとのうちの一方を９０度位相シフトにより調整するように構成された第２の位相調整器と
をさらに含む、デバイス。

【請求項9】

請求項８に記載のデバイスであって、前記第１の位相調整器は第１の単相変圧器を含み、前記第２の位相調整器は第２の単相変圧器を含む、デバイス。

【請求項10】

請求項８に記載のデバイスであって、前記３相ＤＣ／ＡＣ変換モジュールは、
前記ＤＣエネルギー源からの第５のエネルギー抽出を行うように第３のパルス幅変調器によって駆動される第５のＤＣ／ＡＣ変換モジュールであって、第５の正弦波ＡＣ電力トレインを生成するように前記第３のパルス幅変調器のパルス幅変調器信号のデューティサイクルの第１の部分内で前記第５のエネルギー抽出を行うように構成された前記第５のＤＣ／ＡＣ変換モジュールと、
前記ＤＣエネルギー源からの第６のエネルギー抽出を行うように前記第３のパルス幅変調器によって駆動される第６のＤＣ／ＡＣ変換モジュールであって、第６の正弦波ＡＣ電力トレインを生成するように前記第３のパルス幅変調器の前記パルス幅変調器信号のデューティサイクルの第２の部分内で前記第６のエネルギー抽出を行うように構成され、前記第３のパルス幅変調器の前記パルス幅変調器信号の前記デューティサイクルの前記第２の部分は前記第３のパルス幅変調器の前記パルス幅変調器信号の前記デューティサイクルの前記第１の部分と重なり合わない、前記第６のＤＣ／ＡＣ変換モジュールと、
前記第５の正弦波ＡＣ電力トレインおよび第６の正弦波ＡＣ電力トレインの両方が前記電力グリッドの第３の電力線対と同期した位相を有するように、９０度位相シフトによって前記第５の正弦波ＡＣ電力トレインと第６の正弦波ＡＣ電力トレインとのうちの一方を調整するように構成された第３の位相調整器と
をさらに含む、デバイス。

【請求項11】

請求項１０に記載のデバイスであって、前記第１の位相調整器は第１の単相変圧器を含み、前記第２の位相調整器は第２の単相変圧器を含み、前記第３の位相調整器は第３の単相変圧器を含む、デバイス。

【請求項12】

請求項１０に記載のデバイスであって、３相変圧器は、前記第１の位相調整器と、前記第２の位相調整器と、前記第３の位相調整器とを含む、デバイス。

【請求項13】

３相ＤＣ／ＡＣ変換モジュールを含むデバイスであって、前記３相ＤＣ／ＡＣ変換モジュールは第１の単相ＤＣ／ＡＣ変換器と第２の単相ＤＣ／ＡＣ変換器とを含み、
前記第１の単相ＤＣ／ＡＣ変換器は、
実質的に固定された電圧のＤＣエネルギー源から第１のエネルギー抽出を行うように第１のパルス幅変調器によって駆動される第１のＤＣ／ＡＣ変換モジュールであって、第１の正弦波ＡＣ電力トレインを生成するように前記第１のパルス幅変調器のパルス幅変調器信号のデューティサイクルの第１の部分内で前記第１のエネルギー抽出を行うように構成された前記第１のＤＣ／ＡＣ変換モジュールと、
前記ＤＣエネルギー源からの第２のエネルギー抽出を行うように前記第１のパルス幅変調器によって駆動される第２のＤＣ／ＡＣ変換モジュールであって、第２の正弦波ＡＣ電力トレインを生成するように前記第１のパルス幅変調器の前記パルス幅変調器信号のデューティサイクルの第２の部分内で前記第２のエネルギー抽出を行うように構成され、前記第１のパルス幅変調器の前記パルス幅変調器信号の前記デューティサイクルの前記第２の部分は前記第１のパルス幅変調器の前記パルス幅変調器信号の前記デューティサイクルの前記第１の部分と重なり合わない、前記第２のＤＣ／ＡＣ変換モジュールと、
前記第１の正弦波ＡＣ電力トレインおよび第２の正弦波ＡＣ電力トレインの両方が、電力グリッドの第１の電力線対と同期した同じ位相を有するように、前記第１の正弦波ＡＣ電力トレインと第２の正弦波ＡＣ電力トレインとのうちの一方を９０度位相シフトによって調整するように構成された第１の位相調整器と
を含み、
前記第２の単相ＤＣ／ＡＣ変換器は、
前記ＤＣエネルギー源から第３のエネルギー抽出を行うように第２のパルス幅変調器によって駆動される第３のＤＣ／ＡＣ変換モジュールであって、第３の正弦波ＡＣ電力トレインを生成するように前記第２のパルス幅変調器のパルス幅変調器信号のデューティサイクルの第１の部分内で前記第３のエネルギー抽出を行うように構成された前記第３のＤＣ／ＡＣ変換モジュールと、
前記ＤＣエネルギー源からの第４のエネルギー抽出を行うように前記第２のパルス幅変調器によって駆動される第４のＤＣ／ＡＣ変換モジュールであって、第４の正弦波ＡＣ電力トレインを生成するように前記第２のパルス幅変調器の前記パルス幅変調器信号のデューティサイクルの第２の部分内で前記第４のエネルギー抽出を行うように構成され、前記第２のパルス幅変調器の前記パルス幅変調器信号の前記デューティサイクルの前記第２の部分は前記第２のパルス幅変調器の前記パルス幅変調器信号の前記デューティサイクルの前記第１の部分と重なり合わない、前記第４のＤＣ／ＡＣ変換モジュールと、
前記第３の正弦波ＡＣ電力トレインおよび第４の正弦波ＡＣ電力トレインの両方が、前記電力グリッドの第２の電力線対と同期した位相を有するように、前記第３の正弦波ＡＣ電力トレインと第４の正弦波ＡＣ電力トレインとのうちの一方を９０度位相シフトによって調整するように構成された第２の位相調整器と
を含む、
デバイス。

【請求項14】

請求項１３に記載のデバイスであって、前記第１の位相調整器は第１の単相変圧器を含み、前記第２の位相調整器は第２の単相変圧器を含む、デバイス。

【請求項15】

請求項１３に記載のデバイスであって、前記３相ＤＣ／ＡＣ変換モジュールは第３の単相ＤＣ／ＡＣ変換器をさらに含み、前記第３の単相ＤＣ／ＡＣ変換器は、
前記ＤＣエネルギー源からの第５のエネルギー抽出を行うように第３のパルス幅変調器によって駆動される第５のＤＣ／ＡＣ変換モジュールであって、第５の正弦波ＡＣ電力トレインを生成するように前記第３のパルス幅変調器のパルス幅変調器信号のデューティサイクルの第１の部分内で前記第５のエネルギー抽出を行うように構成された前記第５のＤＣ／ＡＣ変換モジュールと、
前記ＤＣエネルギー源からの第６のエネルギー抽出を行うように前記第３のパルス幅変調器によって駆動される第６のＤＣ／ＡＣ変換モジュールであって、第６の正弦波ＡＣ電力トレインを生成するように前記第３のパルス幅変調器の前記パルス幅変調器信号のデューティサイクルの第２の部分内で前記第６のエネルギー抽出を行うように構成され、前記第３のパルス幅変調器の前記パルス幅変調器信号の前記デューティサイクルの前記第２の部分は前記第３のパルス幅変調器の前記パルス幅変調器信号の前記デューティサイクルの前記第１の部分と重なり合わない、前記第６のＤＣ／ＡＣ変換モジュールと、
前記第５の正弦波ＡＣ電力トレインおよび第６の正弦波ＡＣ電力トレインの両方が前記電力グリッドの第３の電力線対と同期した位相を有するように、９０度位相シフトによって前記第５の正弦波ＡＣ電力トレインと第６の正弦波ＡＣ電力トレインとのうちの一方を調整するように構成された第３の位相調整器と
を含む、デバイス。

【請求項16】

請求項１５に記載のデバイスであって、前記第１の位相調整器は第１の単相変圧器を含み、前記第２の位相調整器は第２の単相変圧器を含み、前記第３の位相調整器は第３の単相変圧器を含む、デバイス。

【請求項17】

請求項１５に記載のデバイスであって、３相変圧器は、前記第１の位相調整器と、前記第２の位相調整器と、前記第３の位相調整器とを含む、デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

[0001]ＡＣ電力グリッドシステム（「ＡＣ電力グリッド」、「電力グリッド」、または単に「グリッド」とも呼ばれる）は、１つまたは複数の場合によっては分散した発電所で発電された電気を、電力線に並列に接続された負荷を有する消費者に配給するための少なくとも１対の電力線を有する電力システムである。このような負荷を本明細書では「負荷」または「グリッド負荷」と総称する。

【背景技術】

【0002】

[0002]グリッドの電力線に配給されるいかなる電気も、「電力グリッド規定」に準拠していることが必須である。電力グリッド規定によると、電力グリッドに配給されるエネルギーは、正弦波振動する交流（ＡＣ）電圧トレインの形態である必要がある。電力グリッド規定によると、各電力線対のＡＣ電力トレインは、所定の固定ピーク電圧を有し、所定の固定周波数を有し、電力線対における電力線間の所定の固定位相差で同期しなければならない。

【0003】

[0003]グリッド接続単相ＤＣ／ＡＣ変換器は、直流（ＤＣ）電気を、グリッドの電力線のうちの特定の電力線対について電力グリッド規定に準拠したＡＣ電力に変換することができ、そのＡＣ電力をその特定の電力線対に供給する変換器である。そのようなＤＣ／ＡＣ変換器は、電力グリッド接続インバータと呼ばれるか、または本明細書では「単相ＤＣ／ＡＣ変換器」と呼ぶ。単相ＤＣ／ＡＣ変換器に接続される特定の電力線の対を、本明細書では「電力線対」と呼ぶ。

【0004】

[0004]光起電（ＰＶ）発電所は、太陽光エネルギーを変換してＤＣ電気エネルギーを発生させる。発生されたＤＣエネルギーは、次に、電力線対を介した配給のため、さらには負荷による消費のために、単相ＤＣ／ＡＣ変換器によってＡＣ電力トレインに変換される。このＡＣ電力トレインは、時間領域で振動する正弦波電圧トレインの形態であり、電力グリッド規定に準拠している。ＰＶ電気の発電所を本明細書では「ＰＶ発電所」と称する。

【0005】

[0005]本明細書で特許請求される主題は、いずれかの欠点を解消する実施形態、または上述のものなどの環境のみにおいて作用する実施形態には限定されない。そうではなく、本背景技術は、本明細書に記載の一部の実施形態が実施され得る例示の一技術分野を例示するためにのみ示されている。

【発明の概要】

【0006】

[0006]本明細書に記載の実施形態は、位相調整器と２つのＤＣ／ＡＣ変換モジュールとを使用する単相インバータを含むデバイスに関する。本明細書に記載の原理によると、単相インバータは、ＤＣ源におけるエネルギーを抽出し、変換して、電力グリッド規定に準拠し、グリッドの電力線対と同期する第１の正弦波ＡＣ電力トレインを生成する第１のＤＣ／ＡＣ変換モジュールを含む。この単相インバータは、本明細書で補完（余剰）電力と呼ぶ残存ＤＣ電力の少なくとも一部を抽出し、変換して、第２の正弦波ＡＣ電力トレインが電力線対に対して９０度位相がずれている以外は電力グリッド規定に準拠している第２の正弦波ＡＣ電力トレインを生成する、第２のＤＣ／ＡＣ変換モジュールをさらに含む。なお、この２つの変換デバイスは、時間領域で重なり合うことなく（例えば順次に）それぞれのエネルギーを抽出することに留意されたい。この余剰電力は、典型的には熱として失われることになるはずのものである。

【0007】

[0007]本明細書に記載の少なくとも一部の実施形態によると、単相変換器は、第２の正弦波ＡＣ電力トレインの位相を９０度調整する位相調整器をさらに含む。第２の正弦波ＡＣ電力トレインは、次に、第１の正弦波ＡＣ電力トレインと位相同期するようになり、それによって両方の正弦波ＡＣ電力トレインが電力グリッド規定に準拠することができ、電力グリッドの電力線対と同期することができる。したがって、両方のＡＣ電力トレインは、その電力線対で供給され得る。本明細書に記載の一部の実施形態によると、このデバイスは、３相電力グリッドのそれぞれの電力線対について１つずつ、３つのこのような単相ＤＣ／ＡＣ変換器を含む。

【0008】

[0008]この「発明の概要」は、以下の「発明を実施するための形態」で詳述されている選ばれた概念を簡潔な形で紹介するために提供されている。この「発明の概要」は、特許請求される主題の重要な特徴または本質的な特徴を特定することを意図しておらず、また、特許請求される主題の範囲を判断する助けとして使用されることも意図していない。

【0009】

[0009]上記およびその他の利点および特徴が得られる方式を説明するために、様々な実施形態のより具体的な説明を、添付図面を参照しながら示す。これらの図面は、例示の実施形態のみを図示しており、したがって本発明の範囲を限定するものとみなされるべきではなく、これらの実施形態について添付図面を使用してさらに具体的かつ詳細に記載および説明する。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1A】[0010]図１Ａは、本明細書で言及されているエネルギー抽出、調整、コンディショニング、ＤＣ／ＡＣ変換およびＡＣ電力配給という用語を示し、明確にするための、太陽光発電シーケンスの各モジュールを示す図である。

【図1B】[0011]図１Ｂは、ＡＣ信号（ＤＣ／ＡＣ変換器出力）が電力グリッドシステムの特定の電力線対を介して送信されることを表す、正弦波時間変動（振動）ＡＣ電圧トレインを象徴的に示す図である。

【図2A】[0012]ブーストＤＣ／ＤＣ変換器の典型的な回路である、本明細書に記載の単相エネルギー抽出／調整（コンディショニング）デバイスを示す図である。

【図2B】[0013]バックＤＣ／ＤＣ変換器の典型的な回路である、本明細書に記載の単相エネルギー抽出／変換デバイスを示す図である。

【図2C】[0014]図２Ｃは、ＤＣ／ＤＣバック変換器出力の極性を制御し、それにより図１Ｂに示すようなその結果のＡＣ電圧トレイン出力が生成されるスイッチのブリッジ構造を示す図である。[0015]図２Ｄは、図２Ｃのスイッチのブリッジに送られるＤＣ／ＡＣインバータ電力出力の脈動正弦波ＡＣ電力トレインを象徴的に示す図である。

【図3】[0016]領域Ｉが抽出されたエネルギーを表し、領域ＩＩおよび領域ＩＩＩが余剰エネルギー領域を表す、３つの領域として記載されている１ＰＷＭサイクル中にバック変換器によってコンディショニングされるＤＣエネルギーパルスを象徴的に示す図である。

【図4A】[0017]本明細書に記載の原理による、太陽光電力の各モジュールと、単相ＥＵＴインバータシーケンスの入出力シーケンスとを示す図である。

【図4B】[0018]極性コントローラである位相ずれロックスイッチブリッジに送られる、ＤＣ／ＡＣ変換モジュールの出力である９０度位相ずれ脈動正弦波ＡＣ電力トレインを概略的に示す図である。

【図4C】極性コントローラである位相ずれロックスイッチブリッジに送られる、ＤＣ／ＡＣ変換モジュールの出力である９０度位相ずれ脈動正弦波ＡＣ電力トレインを概略的に示す図である。

【図4D】[0019]それぞれの位相ずれブリッジ構造に供給される２つの電力トレインを概略的に示す図である。

【図4E】[0020]位相ずれブリッジ構造の出力を概略的に示す図である。

【図4F】位相ずれブリッジ構造の出力を概略的に示す図である。

【図4G】[0021]最終的な１つの正弦波電力トレインを概略的に示す図である。

【図4H】位相調整による遅延４０５Ｂの結果である、最終的な１つの正弦波電力トレインを概略的に示す図であり、遅延部分が破線で示されている。

【発明を実施するための形態】

【0011】

[0022]米国特許公開第２０１６／００３６２３２号および第２０１７／０１４９２５０Ａ１号は、従来の単相変換器が直流（ＤＣ）電力入力の半分未満しか抽出および変換することができないという発見を開示している。これらの特許公開は、エネルギー利用のために発電されたＤＣ電気を効率的に抽出するために、発電されたＤＣ電気エネルギーを有効かつ効率的に抽出するようにエネルギー抽出デバイスの特性を整合させる必要があることを教示している。

【0012】

[0023]また、これらの特許公開は、効率的なエネルギー利用のために抽出された電気のコンディショニングおよび／または配給を行うため、関連デバイスも整合させる必要があると教示している。太陽光発電所用の最適化装置として最大電力点追従（ＭＰＰＴ）デバイスを使用する代わりに、上記参照公開文献は、発電所、特にＰＶ発電所用の最適化装置として「最大エネルギー利用点追従装置」を使用することを提案している。このような最適化装置を、本明細書では「ＭＥＵＰＴ最適化装置」と呼ぶ。

【0013】

[0024]上記参照特許公開によると、ＭＥＵＰＴ最適化装置は、参照特許公開で「余剰エネルギー」または「余剰電力」と呼んでいるものを捕捉するために設計されており、これを、発生されるが利用のために抽出および／または電力グリッドに配給されない電気エネルギー（またはそれぞれ、電力）と定義している。余剰エネルギー（または余剰電力）のこの定義を本明細書でも使用する。この余剰電力は、電力グリッドとは約９０度の位相差を有しているので、余剰エネルギーを電力グリッドに直接販売することができない。ＭＥＵＰＴ最適化装置は、捕捉されたすべての余剰エネルギーをエネルギー貯蔵器内に一時的に貯蔵し、次に、この電気エネルギーを調整し、利用のために電力グリッドに配給するようにも設計されている。したがって、ＭＥＵＰＴ最適化装置を組み込むと、ＰＶ発電所の電気売上収益を向上させることができる。

【0014】

[0025]当技術分野におけるいくつかの技能を、ＤＣエネルギー抽出、エネルギー調整、エネルギーコンディショニング、およびエネルギー配給において採用することができる。本明細書に記載の原理は、ＤＣエネルギー源を問わず使用され得る。しかし、本開示は、本明細書で言及されるエネルギー抽出、調整、コンディショニングおよび配給という用語を例示し、明確にするために、太陽光発電ストリングをＤＣエネルギー源の一例として使用する。ただし、本明細書に記載の原理は、太陽光電力の文脈における抽出、調整、コンディショニングおよび配給には限定されない。「エネルギー」という用語と「電力」という用語は異なる物理的意味を有するが、これらの用語は当技術分野において交換可能であり、本明細書でも特に他の意味が明記されていない限り交換可能である。また、「ＡＣ電力トレイン」および「ＡＣ電圧トレイン」という用語は、特に他の意味が明記されていない限り交換可能である。

【0015】

[0026]図１Ａに、太陽光発電シーケンス１０の構成要素を示す。このシーケンスは、一次エネルギー源としての光エネルギー（例えば太陽光エネルギー）から電気エネルギーを生成する光電エネルギー変換デバイス（ＰＶ太陽光ストリング）１０１から開始する。この電気エネルギーは、雲量、太陽の角度、ＰＶセルの効率、および多くのその他の要因に依存する、時間変動電圧を有する。この電気エネルギーは、次に、ＤＣ／ＤＣブースト変換器２０１によって調整され、コンディショニングされて、固定電圧を有するＤＣエネルギー源とされる。極性切り替えコントローラ２２４を追加すると、ＤＣ／ＡＣ変換モジュール２２３が、調整された固定電圧ＤＣ電力を、図１Ｂに示す正弦波時間変動（振動）ＡＣ電圧トレインに変換する。

【0016】

[0027]一例として、ＤＣ／ＡＣ変換モジュール２２３は、パルス幅変調器（ＰＷＭ）によって駆動されるバックモジュールであってよい。このように駆動されるバックモジュールを、ＤＣ／ＡＣ変換器とも呼ぶ。図２Ｃに、ブリッジ構造２２４の一例を示す。図のように、ブリッジ構造２２４は、このＤＣ／ＡＣ変換器のＡＣ出力電圧トレインの同期と極性とを制御する４つのスイッチ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３およびＳ４）の組からなる。ここで、「負荷」は、ブリッジ構造２２４から変圧器２２５を見た負荷を表す。デバイス２０１と２２３との組み合わせを、本明細書では「ＰＷＭ抽出器」と呼ぶことがある。

【0017】

[0028]ブリッジ構造２２４によって生成されたＡＣ電圧電力トレインは、電力グリッド規定に準拠する。再び図１Ａを参照すると、ＡＣ電力トレインは次に、グリッド負荷に接続されたグリッド３００に電力を配給するために変圧器２２５を介して供給される。図２Ａに、変動電圧ＤＣエネルギー源を制御して固定電圧ＤＣ源とすることができるブーストＤＣ／ＤＣ変換器２０１の例示の典型的な回路設計を示す。図２Ｂに、固定電圧ＤＣ源を正弦波ＡＣ電力トレインに変換する単相ＤＣ／ＡＣインバータ２２３の典型的なＰＷＭ駆動バックモジュール回路設計の一例を示す。スイッチブリッジ構造２２４（図２Ｃに示す）が、この単相ＤＣ／ＡＣ変換器２２３の出力の極性と同期とを制御する。単相ＤＣ／ＡＣ変換器２２３（または、ブーストＤＣ／ＤＣ変換器２０１と単相ＤＣ／ＡＣ変換器２２３とを組み合わせる場合はＰＷＭ抽出器）は、３つの単相インバータからなる従来の３相ＤＣ／ＡＣ変換器の従来の単相逆変換モジュールにおけるエネルギー抽出／変換モジュールとしても機能可能である。

【0018】

[0029]第１節：従来のＤＣ／ＡＣ変換の概説
[0030]一般に、実用太陽光ストリングにおける最大発電点（ＭＰＰＰＶ）における電圧は、時間変動し、ＡＣ電力グリッドの規定ピーク電圧よりも低い。エネルギー抽出および調整のためにＰＶ発電所では電圧ブースト抽出器が必要であり、電圧ブースト抽出器は、時間変動低電圧ＤＣ源をコンディショニングして固定高電圧ＤＣエネルギー源とする。

【0019】

[0031]図２Ａに、インダクタＬと、フィードバック制御デューティファクタ調整器ＦＣＤＦＡ（図示せず）によって制御される制御可能スイッチＱと、ダイオードＤと、キャパシタＣとからなる、ＤＣ／ＤＣブーストモジュール２０１の電圧ブースタ回路を示す。スイッチＱは、調節可能デューティファクタにより高周波数（市販製品では典型的には約１８ｋＨｚ）で切り替えられる。フィードバック制御デューティファクタ調整器（ＦＣＤＦＡ）は、このＤＣ／ＤＣブーストモジュール２０１が実質的に一定のＤＣ出力電圧（Ｖ_０）を生じさせるように、調節可能デューティファクタを制御する。言い換えると、このＤＣ／ＤＣブーストモジュール２０１は、時間変動電圧を有するＤＣエネルギー源に変更を加えて、シーケンスの後段のデバイス（すなわち、図１Ａの場合のＤＣ／ＡＣ変換モジュール２２３）に適合する固定ＤＣ電圧Ｖ_０（典型的にはＶ_０＝Ｖ_ｐｋ、ただしＶ_ｐｋはＡＣグリッドのピーク電圧）を有するエネルギー源とする。この後段のＤＣ／ＡＣ変換モジュールは、規定ピーク電圧を有するＤＣ電力を、電力グリッド規定に準拠した正弦波電力トレインの形態のＡＣ電力に変換する。

【0020】

[0032]スイッチＱがオンである期間に、上記設計のインダクタＬは入力ユニット（図１Ａの場合、ＰＶ太陽光ストリング１０１）からエネルギーを抽出する。具体的には、インダクタＬは、ＰＷＭスイッチのフィードバック制御デューティファクタによって規定される期間内に入力電力によって充電される。この充電が行われて、スイッチＱの電圧ｖ_ｓｗを、スイッチの電圧ｖ_ｓｗが適正な値に達するまで入力電圧ｖ_ｉｎに向かって昇圧させる。スイッチＱがオフである期間には、インダクタＬからダイオードＤを通って電流が流れて上記設計キャパシタＣに充電し、それによって所望の出力電圧と等しい定常電圧を生じさせる（グリッド接続の場合、ｖ＝ｖ_０＝ｖ_ｐｋ）。フィードバック制御を使用して、適正に設計された固定ＰＷＭ周波数のスイッチＱのオン－オフ期間のデューティファクタを調節することによって、出力電圧をｖ_ｉｎからＡＣ電力グリッド規定ピーク電圧ｖ_０＝ｖ_ｐｋに昇圧することができる。したがって、この電圧ブースト回路は、後段のＤＣ／ＡＣ変換モジュールへの出力に適合するピーク電圧を生じさせることができる。上述の回路は、当技術分野では「ブーストＤＣ／ＤＣ変換器」または「ブースト変換器」と称される。

【0021】

[0033]上述のように、ブースト変換器は時間変動電圧ＤＣ源（例えばＰＶストリング）に変更を加えて、ＡＣ電力グリッド用に規定されたピーク電圧値と等しくし得る実質的に一定した電圧を有するＤＣ源とするように設計される。なお、通常動作の１ＡＣサイクル中に供給ピーク電圧が減衰するのを防ぐために、図２Ａに示すブースト回路のキャパシタＣの十分なキャパシタンスが設計される。すなわち、このキャパシタＣは、１ＡＣサイクルにわたって電圧を実質的に一定に保つためのものである。この記載の機能を実行するキャパシタは、当技術分野ではしばしば「ＤＣリンク」キャパシタと称される。電力グリッド規定は、ＤＣリンクの微小な電圧変動を許容する。したがって、ＤＣリンクキャパシタは、大量の余剰エネルギーを蓄えるようには設計されないが、それはそのようにすれば、ＡＣ電力グリッドの最大許容電圧変動を超えないようにするために非常に大きな（したがって高額な）キャパシタが必要になるからである。

【0022】

[0034]図２Ｂに、インダクタＬＬと、デューティファクタ調整器ＤＦＡによって制御される制御可能スイッチＱＱと、ダイオードＤＤと、ＤＣリンクキャパシタＣＣとからなる典型的なＤＣ／ＡＣ変換モジュール２２３を示す。スイッチＱＱは、調節可能デューティファクタにより高周波数（市販製品では典型的には約１８ｋＨｚ）で切り換えられる。スイッチＱＱ（しばしば「ＰＷＭスイッチ」と呼ばれる）は、パルス幅変調器（ＰＷＭ）信号によって制御される。この変換モジュール２２３の発生ＡＣ電力トレインが電力グリッド規定に準拠するように、このＰＷＭスイッチのデューティファクタは、デューティファクタ調整器ＤＦＡによって制御される。図のＤＣ／ＡＣ変換モジュール２２３は、当技術分野では「バック変換器」と称される。ＤＦＡに関連付けられるバック変換器２２３は、規定ピーク電圧を有するＤＣエネルギー源を、正弦波ＡＣ電力トレインに変換することができる。この脈動ＡＣ電力トレインは、図２Ｃに示す（図１Ａの極性／同期コントローラ２２４の一例である）スイッチブリッジ構造を介して送られ、次に、変圧器（例えば図１Ａの変圧器２２５）を介してグリッド（例えば図１Ａのグリッド３００）に送られる。上述のように、スイッチブリッジ構造は極性および同期コントローラとして機能する。

【0023】

[0035]図２Ｃに示すように、スイッチＳ１とＳ２が両方ともオンで、スイッチＳ３とＳ４が両方ともオフの場合、負荷に正電圧が印加される。逆に、スイッチＳ３とＳ４が両方ともオンで、スイッチＳ１とＳ２が両方ともオフの場合、負荷に負電圧が印加される。この切り替えが、電力グリッドにおける正／負電圧（またはゼロ電圧クロス）遷移を感知する同期レギュレータ（図２Ｃには図示せず）によって制御される場合、このブリッジ構造２２４は（デューティファクタ調整器ＤＦＡと組み合わさって）、単相ＤＣ／ＡＣ変換器の出力極性および同期を有効に制御することができる。

【0024】

[0036]同期レギュレータは、必要ＡＣ角振動数ω、必要ＡＣピーク電圧ｖ_ｐｋで、位相θがグリッドの対応する電力線対と同期する、ｃｏｓ^２（ωｔ＋θ）によって表される純粋な正弦波電力波形が生成されるように、時間変動ＰＷＭデューティファクタ調整を適時に制御することができる。固定電圧ＤＣ入力と、グリッドにおける寄生インダクタンスおよび寄生キャパシタンスが組み込まれると、インダクタＬＬおよびキャパシタＣＣは、実際には小さくすることができ、または省くこともできる。当技術分野では、「変換器」という用語と「インバータ」という用語（さらには「変換」と「逆変換」）は、交換可能であり、したがって本明細書でも交換可能である。

【0025】

[0037]デューティファクタ調整器ＤＦＡは、バック変換器のスイッチＱＱをオン／オフする設計に従って、デューティファクタを時間の関数として調整する。したがって、適正に設計された回路および調整されたピーク電圧により、この変換モジュールは、ＡＣ電力グリッド規定およびグリッドの対応する電力線の位相の要件を含む、設計要件に応じた所望の出力電圧値、電力形態、周波数、および位相を生じさせることができる。グリッド接続ユニットの場合は、電力グリッドのピーク電圧がドリフトした場合、および／または、電力グリッドの周波数がドリフトした場合に、調整されたＡＣ電力出力を電力グリッドとともにドリフトさせるために、ＡＣ同期レギュレータ（典型的にはＤＣ／ＡＣ変換器に組み込まれる）が採用される。このような生成されたＡＣ電力信号を図３に示す。言い換えると、上述のＰＷＭエネルギー抽出器を使用して、単相ＤＣ／ＡＣ変換器は、固定電圧ＤＣエネルギー源からＤＣ電気エネルギーを抽出し、電力グリッド規定に準拠したＡＣ電力に変換することができる。

【0026】

[0038]きわめて重要なことであるが、上記の単相インバータの出力電力Ｐ（ｔ）は、ｃｏｓ^２（ωｔ＋θ）の形態で時間変動することに留意されたい。したがって、特定の期間にわたって、電力グリッドの電力線を介して配給されるエネルギーは、当該期間にわたるその時間変動出力電力トレインの積分に等しい。その結果の積分値は、同じ期間にわたるエネルギー源の定ＤＣ電力の積分の２分の１に等しいに過ぎない。言い換えると、上述の従来の単相インバータは、最大でもＤＣエネルギー源によって供給されるエネルギーの半分のエネルギーしか抽出し、変換することができない。したがって、残りの未使用エネルギーは、利用可能な入力エネルギーの２分の１より多い。この残量は、上記の参照特許公開に記載されている余剰エネルギーのほとんどを占める。

【0027】

[0039]以下の分析のために、ＤＣエネルギー源は、数ＡＣ電力サイクルの期間中の定電力Ｐ_ｍｘのものであるとする。図３に、（期間Ｄを有する）１ＰＷＭサイクル中の抽出ＤＣエネルギーパルスを示す。以下で明らかにされるように、抽出ＤＣ電力Ｐ_ｘはＤＣ電力Ｐ_ｍｘ以下である。生成される電力が電力グリッド規定に準拠したＰ_ｘ＊ｃｏｓ^２（ωｔ＋θ）に実質的に等しくなるように、このＰＷＭサイクルにおけるデューティファクタｄ（ｔ）／Ｄが、ｄ（ｔ）／Ｄ＝ｃｏｓ^２（ωｔ＋θ）に等しい値に調整され、ここでθはグリッドの対応する電力線対の位相である。図３（具体的には図３の下半分）に、時間間隔Ｄが１ＰＷＭ期間であり、入力ＤＣ電力がＰ_ｍｘであり、抽出電力がＰ_ｘである、電力－時間空間（エネルギー空間と呼ぶ）も図示されている。

【0028】

[0040]図３に示すように、このエネルギー空間は３つの領域に分割される。領域Ｉは、抽出電力Ｐ_ｘ、存続期間Ｄ＊ｃｏｓ^２（ωｔ＋θ）の抽出ＤＣエネルギーパルスを表し、これはＰＷＭ抽出時点に対応する任意の時点ｔにおいてＰ（ｔ）＝Ｐ_ｘ＊ｃｏｓ^２（ωｔ＋θ）の単相ＡＣ電力に変換される。領域Ｉを、「エネルギー抽出区画」または「エネルギー抽出領域」とも呼ぶ。エネルギー源の電力Ｐ_ｍｘと、電力Ｐ_ｘとの間の区画が領域ＩＩＩである。領域ＩＩは、ＰＷＭ期間Ｄ内のエネルギー抽出区画の後の区画である。領域ＩＩと領域ＩＩＩとの組み合わせ区画は、エネルギー空間内の余剰エネルギー区画を表す。余剰エネルギー区画（領域）内のエネルギーは抽出されず、ＡＣ電力に変換されず、したがって従来は利用されない。そうされずに、この余剰エネルギーは最終的に熱として吸収される。

【0029】

[0041]繰り返すと、従来のＤＣ／ＡＣ単相変換器は、時間変動電圧を有するＤＣ電源に変更を加えて、グリッドのピーク電圧などの実質的に一定した特定の電圧を有するＤＣ電源とする、電圧ブーストモジュールを採用する。このＤＣ源は、ＰＷＭ抽出器がＤＣ入力エネルギーを抽出して変換するための入力ＤＣ源の役割を果たす。１ＰＷＭサイクル中のデューティファクタが時点ｔにおいてｃｏｓ^２（ωｔ＋θ）によって制御される場合（位相θは電力グリッドの対応する電力線の位相）、出力電力形式はＡＣ電力規定に準拠する。高レベルでは、各ＰＷＭサイクルのエネルギー空間は２つの領域、すなわち抽出エネルギー領域（例えば図３の領域Ｉ）と、余剰エネルギー領域（例えば図３の領域ＩＩおよび領域ＩＩＩ）とからなる。したがって、抽出エネルギーはＡＣ電力に変換され、電力グリッドの対応する電力線対に供給され、一方、余剰エネルギーは、捕捉されてＭＥＵＰＴ最適化装置などのデバイスに貯蔵されない限り熱になる。

【0030】

[0042]上述のように、参照特許公開は、数ＡＣ期間を通して積分すると、余剰エネルギーの量が少なくとも抽出エネルギーと同じ量であると教示している。言い換えると、従来の単相ＤＣ／ＡＣ変換器は最大でも入力ＤＣエネルギーの２分の１しか抽出、変換することができない。言い換えると、従来の単相ＤＣ／ＡＣ変換器を使用した場合、入力ＤＣエネルギーの少なくとも２分の１が余剰エネルギーになり、これは抽出されず、変換されず、電力グリッドに配給されず、負荷によって利用されず、最終的に熱になる。

【0031】

[0043]第２節：単相ＥＵＴインバータの原理
[0044]当業者には認識されていないが、実際に、単相インバータについての上述の望ましくない結果を軽減する２つの方法がある。第１の方法は、参照特許公開に記載されている原理に従ってエネルギーシステムにＭＥＵＰＴ最適化装置を組み込むことである。他方の方法は本明細書に記載の原理に従うことであり、この方法は、１組の２つのＤＣ／ＡＣ変換モジュールと位相調整器とからなる単相インバータを設計し、２つのＤＣ／ＡＣ変換モジュール間で交替するエネルギーを順次に抽出し、交替は位相調整器によって引き起こされることを提案する。この新規な単相インバータを、単相エネルギー利用追従インバータ、または単相ＥＵＴインバータと呼ぶ。

【0032】

[0045]単相ＥＵＴインバータの第１のＤＣ／ＡＣ変換モジュールは、各ＰＷＭサイクルのエネルギー空間における第１のエネルギー領域（例えば図３の領域Ｉ）を抽出し、変換することによって第１のＡＣ電力トレインを生成する。それに対して、単相ＥＵＴインバータの第２のＤＣ／ＡＣ変換モジュールは、領域Ｉの後のエネルギー領域（例えば図３の領域ＩＩ）を抽出し、変換することによって第２のＡＣ電力トレインを生成する。したがって、時点ｔにおいて、第１のＡＣ電力はＰ（ｔ）＝Ｐ_ｘ＊ｃｏｓ^２（ωｔ＋θ）であり、一方、第２のＡＣ電力はＰ’（ｔ）＝Ｐ_ｘ－Ｐ_ｘ＊ｃｏｓ^２（ωｔ＋θ）＝Ｐ_ｘ＊（１－ｃｏｓ^２（ωｔ＋θ））＝Ｐ_ｘ＊ｓｉｎ^２（ωｔ＋θ））である。この２つの出力ＡＣ電力トレインは、同じピーク電力と、同じ周波数とを有するが、互いに９０度位相がずれている。これは、第１のＡＣ電力トレインが電力グリッド規定および対応する電力線対の位相に準拠する場合、第２のＡＣ電力トレインは、グリッドの対応する電力線対と９０度位相がずれることを意味する。言い換えると、第１のＡＣ電力トレインは電力グリッドの対応する電力線対に配給することができ、電気エネルギーを提供することができるが、一方、第２のＡＣ電力トレインは、同じ電力線対に電力を供給および提供するのに適さない。

【0033】

[0046]本明細書に記載の原理によると、提案の単相ＥＵＴインバータは、位相調整器をさらに含む。この位相調整器は、上記の第２のＡＣ電力トレインの位相を９０度調整することができる。したがって、第２のＡＣ電力トレインは、グリッドの対応する電力線対と同期するように変換される。前述のように、その後、単相ＥＵＴインバータの出力の両方（第１および第２のＡＣ電力トレイン）が、同じ電力線対の電力グリッド規定に準拠することができる。したがって、２つの単相ＡＣ電力トレインは、接続負荷によるその後の消費のためにグリッドの同じ電力線対に配給され得る。

【0034】

[0047]図４Ａに、エネルギー生成と、単相ＥＵＴインバータ４００への入力とを示すブロック図を概略的に示す。入力エネルギー（時間変動電圧を有することを特徴とする）は、ＰＶ太陽光ストリング４０１によって生成される。入力エネルギーは、固定電圧を有するＤＣエネルギー源を生成するようにエネルギーコンディショニングを行うブーストモジュール４０２を通る。ブーストモジュール４０２は、図２Ａのブーストモジュール２０１について上述したように構築され得る。

【0035】

[0048]ブーストモジュール４０２からの固定電圧ＤＣエネルギーは、第１のＰＷＭ駆動ＤＣ／ＡＣバックモジュール４０３Ａによって部分的に抽出されて、グリッド規定に準拠し、電力グリッドの対応する電力線と同じ位相θを有する、第１のＡＣ電力トレイン４０３１Ａ（図４Ｂ参照）Ｐ（ｔ）＝Ｐ_ｘ＊ｃｏｓ^２（ωｔ＋θ）を生成する。図２Ｂを参照し、これは、デューティファクタｄ１（ｔ）／Ｄ＝ｃｏｓ^２（ωｔ＋θ）を有するようにデューティファクタ調整器ＤＦＡにスイッチＱＱを制御させることによって実現可能であることを想起されたい。第１のＰＷＮ駆動ＤＣ／ＡＣバックモジュール４０３Ａは、ＤＦＡが位相外れロックモジュール４０５にも結合されている点を除いて図２Ｂに関して上述したＤＣ／ＡＣバックモジュール２２３と同様に構築され得る。

【0036】

[0049]また、ブーストモジュールからの固定電圧ＤＣエネルギーは、第２のＰＷＭ駆動ＤＣ／ＡＣバックモジュール４０３Ｂによっても部分的に抽出される。第２のＤＣ／ＡＣバックモジュール４０３Ｂは、第１のＤＣ／ＡＣバックモジュール４０３Ａと同様に構築されてよく、第１のＤＣ／ＡＣバックモジュール４０３ＡのスイッチＱＱと、ダイオードＤＤと、インダクタＬＬと、キャパシタＣＣとが互いに接続するのと同様にして互いに接続するスイッチＳＱＱと、ダイオードＳＤＤと、インダクタＳＬＬと、キャパシタＳＣＣとを含む。また、第２のＤＣ／ＡＣバックモジュール４０３ＢのスイッチＳＱＱと、ダイオードＳＤＤと、インダクタＳＬＬと、キャパシタＳＣＣとは、第１のＤＣ／ＡＣバックモジュール４０３ＡのスイッチＱＱ、ダイオードＤＤ、インダクタＬＬ、およびキャパシタＣＣとそれぞれ同じ大きさを有し得る。

【0037】

[0050]しかし、第２のＤＣ／ＡＣバックモジュール４０３ＢのスイッチＳＱＱは、位相ずれロックモジュール４０５を介してデューティファクタ調整器ＤＦＡに結合されている。位相ずれロックモジュール４０５は、第１のＤＣ／ＡＣバックモジュールのスイッチＱＱがオンのときに、第２のＤＣ／ＡＣバックモジュールのスイッチＳＱＱが確実にオフとなり、またその逆となるようにする。したがって、スイッチＳＱＱのデューティサイクルは、１－ｄ１（ｔ）＝１－ｃｏｓ^２（ωｔ＋θ）＝ｓｉｎ^２（ωｔ＋θ）となる。したがって、第２のＤＣ／ＡＣバックモジュール４０３Ｂによって生成される第２のＡＣ電力トレイン４０３１Ｂ（図４Ｃ参照）は、時間変動電力トレインＰ’（ｔ）－Ｐ_ｘ＊ｓｉｎ^２（ωｔ）を有する。以下で詳述するように、この第２のＡＣ電力トレインの位相は、第２のＡＣ電力トレインの位相が となるように、位相調整器によってさらに調整される。

【0038】

[0051]図４Ｂの電力トレイン４０３１Ｂは、その後、９０度調整されてＡＣ電力トレインＰ’’（ｔ）＝Ｐ_ｘ＊ｓｉｎ^２（ωｔ＋θ＋９０^ｏ）とされる。位相調整後、（Ｐ（ｔ）＝Ｐ_ｘ＊ｃｏｓ^２（ωｔ）＋θである）第１のＡＣ電力トレイン４０３１Ａと（調整によりＰ’’（ｔ）＝Ｐ_ｘ＊ｓｉｎ^２（ωｔ＋θ＋９０^ｏ）＝Ｐ_ｘ＊ｃｏｓ^２（ωｔ）＋θとなる）第２のＡＣ電力トレイン４０３１Ｂとが同期するようになり、グリッドの同じ電力線対に供給されるのに適するようになるため、ＡＣ電力トレイン（Ｐｔ）とＰ’’（ｔ）の両方が同期するようになる。ここでは、第１の電力トレインＰ（ｔ）（すなわち図４Ｂの信号４０３１Ａ）はロックブリッジスイッチ構造４０４Ａに供給され、第２の電力トレインＰ’（ｔ）（すなわち図４Ｃの信号４０３１Ｂ）は、第１のロックブリッジ構造４０４Ａと位相がずれている第２のロックブリッジ構造４０４Ｂに供給されると言うにとどめておく。位相ずれロックブリッジ構造４０４Ａおよび４０４Ｂの動作と構造については図４Ｄから図４Ｈを参照して以下で詳述する。

【0039】

[0052]第３節：３相ＥＵＴインバータに適用される原理
[0053]従来の単相ＤＣ／ＡＣ変換器の非効率的エネルギー抽出の根本的原因は、従来の３相ＤＣ／ＡＣ変換器にも存在する。本質的に、従来の３相ＤＣ／ＡＣ変換器は、抽出と変換を行い、１２０度の位相差のある３対の電力線に同様の時間平均ＡＣ電力を配給する３つの単相ＤＣ／ＡＣ変換器を動作させる。したがって、単相ＤＣ／ＡＣ変換器で生じる余剰エネルギーは、従来の３相ＤＣ／ＡＣ変換器の３つの単相ＤＣ／ＡＣ変換器のそれぞれでも生じる。悪材料は、単相ＤＣ／ＡＣ変換器のエネルギー抽出の非効率性のいかなる根本的原因も従来の３相ＤＣ／ＡＣ変換器においては３倍存続することである。好材料は、単相インバータのエネルギー抽出の短所に適用可能な有効な改善策は、３相インバータのエネルギー抽出の短所に対して３倍有効な適用可能改善策ともなり得ることである。

【0040】

[0054]３相ＤＣ／ＡＣインバータが３組の上述の単相ＥＵＴインバータからなる場合、その３相ＤＣ／ＡＣインバータを３相ＥＵＴインバータと呼ぶ。３相ＥＵＴインバータの単相ＥＵＴインバータのそれぞれが、ＤＣエネルギー源（例えばＰＶストリングまたはＰＶ発電所）によって供給されるＤＣ電力の３分の１（１／３）を抽出して２つの単相ＡＣ電力トレインに変換することができ、それらを３相電力グリッドの同じ電力線対に配給することができる。例えば、第１の単相ＥＵＴインバータは、ＤＣエネルギー源によって供給されるＤＣ電力の３分の１を抽出して２つの同期単相ＡＣ電力トレインの第１の組とし、その同期単相ＡＣ電力トレインの第１の組をグリッドの第１の対応する電力線対に配給することになる。第２の単相ＥＵＴインバータは、ＤＣエネルギー源によって供給されるＤＣ電力の別の３分の１を抽出して（第１の同期単相ＡＣ電力トレインの組とは１２０度位相がずれているが、グリッドの第２の電力線対と同期する）２つの同期単相ＡＣ電力トレインの第２の組とし、その同期単相ＡＣ電力トレインの第２の組をグリッドの第２の対応する電力線対に配給する。第３の単相ＥＵＴインバータは、ＤＣエネルギー源によって供給されるＤＣ電力のさらに別の３分の１を抽出して（第１および第２の同期単相ＡＣ電力トレインとは１２０度位相がずれているが、グリッドの第３の電力線対と同期する）２つの同期単相ＡＣ電力トレインの第３の組とし、その同期単相ＡＣ電力トレインの第３の組をグリッドの第３の対応する電力線対に配給する。

【0041】

[0055]したがって、３相ＥＵＴインバータの３つの単相ＥＵＴインバータの共働により、エネルギー源によって供給される入力ＤＣ電力全体のほぼ全部を抽出し、３相電力グリッドの３対の電力線に配給することができる。したがって、本明細書に記載の原理によると、３相ＥＵＴインバータを使用して従来の３相ＤＣ／ＡＣインバータを置き換えた場合、消費用に３相電力グリッドに出力ＡＣ電力を配給するために、ＤＣエネルギー源から抽出される２倍の量のエネルギーを抽出することができる。

【0042】

[0056]第４節：位相調整器の実装例
[0057]本明細書で言及されている位相調整器を設計するために、当技術分野におけるいくつかの技能を採用することができる。例えば、当技術分野でよく知られているように、単相変圧器は単相ＡＣ電圧トレインを、転極に関連するＡＣサイクルの２分の１だけ遅延させ得る。これは単相変圧器が、波形または周波数を変化させることなくＡＣ電力トレインの位相を９０度シフトさせることができることを意味する。（一次と二次との巻数比が１に等しい）理想的な変圧器は、入力ＡＣ電力トレインのピーク電圧をさらに保持することができる。巻数比が１の実際の変圧器は、わずかなピーク電圧降下をもたらすことがある。しかし、この誘起されるピーク電圧降下は、一次対二次巻数比を適切な値に調整することによって補正することができる。したがって、単相変圧器は、本明細書に記載の原理にとってきわめて実際的な位相調整器であり得る。すべての単相ＥＵＴインバータが、その位相調整器として１つの適正な単相変圧器を採用することができる。３相ＥＵＴインバータは、それぞれがこのような位相調整器を備えた３つの単相ＥＵＴインバータを採用することができる。したがって、インダクタまたはキャパシタの使用により位相調整も行うことができる。

【0043】

[0058]また、３相変圧器は、波形または周波数を変更することなく、ＡＣ電力トレインの３相の位相のそれぞれを９０度シフトさせることができる。したがって、上述のように、３相ＥＵＴインバータは、３相電力グリッドにおける３対の電力線と同期するように３つの位相外れＡＣ電圧トレインのすべてを調整する複合位相調整器として１つの３相変圧器のみを採用することもできる。３相ＥＵＴインバータの３つの調整器を１つのみの複合調整器に置き換えることによって、この位相調整器候補は３相ＥＵＴインバータのコストをさらに削減することができる。

【0044】

[0059]第５節：まとめ
[0060]第１節で分析したように、従来のＡＣ単相抽出器はＰＷＭ抽出器を使用してＤＣ入力電力を抽出する。１ＰＷＭサイクル中のデューティファクタが時点ｔにおいてｃｏｓ^２（ωｔ＋θ）によって制御される場合、出力電力は、適正な同期された位相θを想定すればＡＣ電力規定に準拠する。なお、各ＰＷＭサイクルのエネルギー空間は２つの領域からなり、一方は抽出エネルギー領域であり、他方は余剰エネルギー領域であることに留意されたい。参照特許公開は、数ＡＣ期間を通して積分した場合、余剰エネルギーの量は少なくとも抽出エネルギーと同じであると教示している。言い換えると、単相ＤＣ／ＡＣ変換器は最大でも入力ＤＣ電力の半分しか抽出および変換することができない。抽出エネルギーはＡＣ電力に変換され、電力グリッドに供給されるが、余剰エネルギーは捕捉されてＭＥＵＰＴデバイスなどのデバイスに貯蔵されない限り、熱になる。

【0045】

[0061]第２節で説明したように、提案の新規な単相ＤＣ／ＡＣ変換器設計は、１組の２つのＤＣ／ＡＣ変換モジュールと、位相調整器とを含み、これらを使用して順次エネルギー抽出を実施する。この新規な単相ＤＣ／ＡＣ変換器を本明細書では「単相ＥＵＴインバータ」とも称する。単相ＥＵＴインバータの第１のＤＣ／ＡＣ変換モジュールは、各ＰＷＭサイクルのエネルギー空間における第１のエネルギー領域（例えば図３の領域Ｉ）を抽出し、変換することにより第１のＡＣ電力トレインを生成し、一方、第２のＤＣ／ＡＣ変換モジュールは、その後のエネルギー領域（例えば図３の領域ＩＩ）を抽出し、変換することにより第２のＡＣ電力トレインを生成する。したがって、時点ｔにおいて、第１のＡＣ電力はＰ（ｔ）＝Ｐ_ｘ＊ｃｏｓ^２（ωｔ＋θ）であり、第２のＡＣ電力はＰ’（ｔ）＝Ｐ_ｘ＊ｓｉｎ^２（ωｔ＋θ）である。この２つの出力ＡＣ電力トレインは同じピーク電力と、同じ周波数とを有するが、位相が互いに９０度ずれている（図４Ｂと図４Ｃとを比較のこと）。これは、第１のＡＣ電力トレインが電力グリッド規定に準拠し、電力グリッドの対応する電力線対と同期しているが、第２のＡＣ電力トレインがグリッドの同じ電力線対と９０度位相がずれていることを意味する。言い換えると、第１のＡＣ電力トレインは、電力グリッドの対応する電力線対に配給されることができ、電気エネルギーを供給することができ、一方、第２のＡＣ電力トレインは、同じ電力線対に電力を配給および供給するのに適さない。

【0046】

[0062]単相ＥＵＴインバータは、位相調整器をさらに含む。この位相調整器は、上述の第２のＡＣ電力トレインを９０度調整することができる。したがって、第２のＡＣ電力トレインは、グリッドの対応する電力線対と同期するように変換される。前述のように、その後、単相ＥＵＴインバータの出力の両方（第１および第２のＡＣ電力トレイン）が、同じ電力線対の電力グリッド規定に準拠することができる。したがって、単相ＥＵＴインバータの出力、２つの単相ＡＣ電力トレインが、グリッドの同じ電力線対に配給され、接続負荷により消費され得る。

【0047】

[0063]第３節で説明したように、３相ＤＣ／ＡＣインバータが１組の３つの上述の単相ＥＵＴインバータからなる場合、３相ＤＣ／ＡＣインバータを３相ＥＵＴインバータと呼ぶ。３相ＥＵＴインバータの単相ＥＵＴインバータのそれぞれが、ＤＣエネルギー源（例えばＰＶストリング発電所）によって供給されるＤＣ電力の３分の１を抽出し、２つの単相ＡＣ電力トレインに変換し、それらを３相電力グリッドの同じ電力線対に配給する。したがって、３相ＥＵＴインバータの３つの単相ＥＵＴインバータの共働により、エネルギー源によって供給される入力ＤＣ電力全体の全部を抽出し、３相電力グリッドの３対の電力線に配給することができる。したがって、本明細書に記載の原理によると、３相ＥＵＴインバータを使用して従来の３相ＤＣ／ＡＣインバータを置き換えた場合、ＤＣエネルギー源から抽出される２倍の量のエネルギーを抽出することができ、消費のために３相電力グリッドに出力ＡＣ電力を配給することができる。前述のように、従来の単相インバータのこの改善は、従来の３相インバータの改善でもある。

【0048】

[0064]第４節では、第２のＡＣ電力トレインのために必要な９０度位相調整を行うことができ、電力グリッド規定に準拠するための他のすべての仕様を維持することができる実用デバイスについて説明した。また、この候補は、３相ＥＵＴインバータにも適合する。

【0049】

[0065]本明細書に記載の原理で使用されている関連用語を例示し、明確にするために、図４Ａに単相ＥＵＴインバータ４００のための太陽光電力入力および出力シーケンスの各モジュールを示す。この入力シーケンスは、電圧ブーストモジュール４０２への入力源の役割を果たす変動電圧を有するエネルギー源としての太陽光ストリング４０１において生成されるエネルギーから開始する。エネルギー源の出力は、キャパシタＣに蓄積され、ほぼ一定した電圧ＤＣ源である。

【0050】

[0066]言い換えると、この電圧ブーストモジュール４０２は、変動電圧ＤＣエネルギー源に変更を加えて、ＤＣリンクキャパシタＣ（図２ＡのキャパシタＣ参照）に蓄積される固定電圧ＤＣエネルギー源とする。この固定電圧ＤＣエネルギー源は、次に、２組のＤＣ／ＡＣ変換モジュール４０３Ａおよび４０３Ｂへの入力として提供される。この２つの変換モジュールは、ＤＣリンクキャパシタＣからの順次エネルギー抽出を行わせる位相ずれロックＰＷＭスイッチＱＱおよびＳＱＱによって動作させられる。したがって、ＤＣ／ＡＣ変換モジュールはそれぞれ、互いに９０度位相がずれた、それぞれの脈動正弦波電力トレイン４０３１Ａおよび４０３１Ｂ（やはり図４Ｂおよび図４Ｃに示す）を生成する。図Ｄに示すように、この２つの９０度位相がずれた脈動電力トレイン４０３１Ａ（Ｐ’（ｔ））および４０３１Ｂ（Ｐ’（ｔ））は、次に、それぞれ、それぞれの位相ずれロックブリッジスイッチ構造４０４Ａおよび４０４Ｂ（やはり図４Ｄに示す）に送られる。ロックブリッジ構造４０４Ａおよび４０４Ｂのそれぞれは、図２Ｃのブリッジ構造２２４について説明したように構築され得るが、Ｓ１とスイッチＳＳ１が位相ずれした状態に制御され、スイッチＳ２とＳ２２が位相ずれした状態に制御され、スイッチＳ３とＳ３３が位相ずれした状態に制御され、スイッチＳ４とＳ４４が位相ずれした状態に制御される点が異なる。

【0051】

[0067]これらのブリッジ構造は、入力４０３１Ａおよび４０３１Ｂの極性を制御し、それぞれ図４Ｅおよび図４Ｆの４０５Ａおよび４０５Ｂとして示す９０度位相が異なる２つのＡＣ電圧トレインを生成する。図４Ｆに示すように、第２のＡＣ電圧トレイン４０５Ｂは９０度位相調整器４０６に供給されることができ、その結果、第２のＡＣ電圧トレイン４０５Ｂは第１のＡＣ電圧トレイン４０５Ａと位相同期するようになる。したがって、両方のＡＣ電圧トレインはグリッドの同じ電力線対への（変圧器を介した）配給に適合する。完全を期すために、図４Ｇおよび図４Ｈに、一方の電力トレインが位相調整４０６による遅延の結果の信号４０７Ｂである、最終的な２つの同期した電力トレインも示す。遅延部分は、図４Ｈに破線で示されている。他方の結果の電力信号４０７Ａは遅延されない。

【0052】

[0068]本発明は、本発明の趣旨または本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態でも実施され得る。記載の実施形態は、あらゆる点において例示的とみなされるべきであり、限定的とみなされるべきではない。したがって、本発明の範囲は、上記の説明ではなく、添付の特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲の均等の意味および範囲に含まれるすべての変更は、その範囲に包含されるものとする。

【図1A】

【図1B】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図4E】

【図4F】

【図4G】

【図4H】