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公開番号2025088686
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-06-11
出願番号2024064465
出願日2024-04-12
発明の名称電力変換デバイス、電力変換デバイス制御方法、及び太陽光発電システム
出願人ファーウェイデジタルパワーテクノロジーズカンパニーリミテッド
代理人個人,個人
主分類H02M 7/48 20070101AFI20250604BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】電力変換デバイス、電力変換デバイス制御方法、及び太陽光発電システムを提供する。
【解決手段】太陽光発電システムは、モジュールレベルパワーエレクトロニクスデバイスの入力端が、太陽光発電モジュールに接続され、出力端が、直列に接続されてからインバータに接続される。コンポーネントレベルパワーエレクトロニクスデバイスは、直流変換ユニット、信号処理ユニット、及びコントローラを含む。直流変換ユニットは、直流-直流電力変換をする。信号処理ユニットは、インバータによって送信される周期的通信信号を受信する。コントローラは、コンポーネントレベルパワーエレクトロニクスデバイスを、シャットダウンモード、通常動作モード、及び安全動作モードの間で切り替わるように制御する。これら3つの動作モードは、デバイスと人の両方の安全性を確保することができ、速い応答速度を持ち、実装するのが容易である。
【選択図】図5
特許請求の範囲【請求項１】
電力変換デバイスであって、当該電力変換デバイスは、直流変換ユニット、信号処理ユニット、及びコントローラを有し、前記直流変換ユニットは、太陽光発電モジュールによって生成された直流を変換し、変換された直流を次レベル電力変換デバイスに出力するように構成され、
前記信号処理ユニットは、当該電力変換デバイスの出力に接続されるとともに、前記次レベル電力変換デバイスによって送信される周期的通信信号を受信するように構成され、
前記コントローラは、
前記信号処理ユニットがある期間内に前記周期的通信信号を受信しなかったことに応答して、当該電力変換デバイスの出力電圧をシャットダウン電圧にするように制御するよう構成され、前記シャットダウン電圧は、事前設定された安全電圧値であり、
前記信号処理ユニットが前記周期的通信信号を受信したが、前記周期的通信信号が電圧調整命令を含まないことに応答して、当該電力変換デバイスの前記出力電圧を第１の電圧以下にするように制御するよう構成され、
前記信号処理ユニットが前記周期的通信信号を受信し、且つ前記周期的通信信号が前記電圧調整命令を含むことに応答して、当該電力変換デバイスの前記出力電圧を第２の電圧以下にするように制御するよう構成され、前記第２の電圧は前記第１の電圧より低く、前記第２の電圧は前記シャットダウン電圧より高い、
電力変換デバイス。
続きを表示（約 2,800 文字）【請求項２】
前記周期的通信信号は電力線通信（ＰＬＣ）信号であり、該ＰＬＣ信号はハートビートフレームを含み、
前記コントローラは、
前記信号処理ユニットがある期間内に前記ハートビートフレームを受信しなかったことに応答して、当該電力変換デバイスの前記出力電圧を前記シャットダウン電圧にするように制御するよう構成される、
請求項１に記載の電力変換デバイス。
【請求項３】
前記コントローラは、
前記信号処理ユニットが前記ＰＬＣ信号を受信し、且つ前記ＰＬＣ信号が前記ハートビートフレームを含むが前記電圧調整命令を含まないことに応答して、当該電力変換デバイスの前記出力電圧を前記第１の電圧未満にするように制御するよう構成され、
前記信号処理ユニットが前記ＰＬＣ信号を受信し、且つ前記ＰＬＣ信号が前記ハートビートフレーム及び前記電圧調整命令の両方を含むことに応答して、当該電力変換デバイスの前記出力電圧を前記第２の電圧未満にするように制御するよう構成される、
請求項２に記載の電力変換デバイス。
【請求項４】
前記コントローラは、
前記信号処理ユニットが前記ＰＬＣ信号を受信し、且つ前記ＰＬＣ信号が前記ハートビートフレーム及び前記電圧調整命令の両方を含むことに応答して、当該電力変換デバイスの前記出力電圧を当該電力変換デバイスの現在出力電圧のＫ倍に調整するよう構成され、Ｋは１より小さい、又はＫは０．５若しくは０．１である、
請求項３に記載の電力変換デバイス。
【請求項５】
前記コントローラは、
前記信号処理ユニットが前記周期的通信信号を受信したが、前記周期的通信信号が前記電圧調整命令を含まないことに応答して、前記直流変換ユニットを最大電力追従モードで動作するように制御するよう構成され、前記最大電力追従モードにおいて前記直流変換ユニットの出力電圧は変化し、前記直流変換ユニットに接続された前記太陽光発電モジュールの出力電力は最大であり、
前記信号処理ユニットが前記周期的通信信号を受信し、且つ前記周期的通信信号が前記電圧調整命令を含むことに応答して、前記直流変換ユニットを電圧制限モードで動作するように制御するよう構成され、前記電圧制限モードにおいて前記直流変換ユニットの前記出力電圧は一定である、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電力変換デバイス。
【請求項６】
電力変換デバイス制御方法であって、
電力変換デバイスがハートビートフレームを受信しなかったことに応答して、前記電力変換デバイスの出力電圧をシャットダウン電圧にするように制御し、前記シャットダウン電圧は、事前設定された安全電圧値であり、
前記電力変換デバイスが前記ハートビートフレームを受信し、電圧調整命令を受信しなかったことに応答して、前記電力変換デバイスの前記出力電圧を第１の電圧以下にするように制御し、
前記電力変換デバイスが前記ハートビートフレームを受信し、且つ前記電圧調整命令を受信したことに応答して、前記電力変換デバイスの前記出力電圧を第２の電圧以下にするように制御し、前記第２の電圧は前記第１の電圧より低く、前記第２の電圧は前記シャットダウン電圧より高い、
ことを有する方法。
【請求項７】
インバータの入力端電圧が過電圧閾値を超えていることが検出されたとき、前記インバータが、前記電力変換デバイスによって出力された直流電力を受け、前記電圧調整命令を前記電力変換デバイスに配信するように構成され、前記電力変換デバイスが、前記電圧調整命令を受信し、前記電力変換デバイスの前記出力電圧を前記過電圧閾値未満にするように制御し、前記電力変換デバイスは、電力線を介して前記インバータに接続され、前記ハートビートフレーム及び前記電圧調整命令は、前記電力線を介して伝送される、
請求項６に記載の方法。
【請求項８】
インバータの入力端電力が過電力閾値を超えていることが検出されたとき、前記インバータが、前記電力変換デバイスによって出力された直流電力を受け、前記電圧調整命令を前記電力変換デバイスに配信するように構成され、前記電力変換デバイスが、前記電圧調整命令を受信し、前記電力変換デバイスの前記出力電圧を低下させるように制御し、前記電力変換デバイスは、電力線を介して前記インバータに接続され、前記ハートビートフレーム及び前記電圧調整命令は、前記電力線を介して伝送される、
請求項６に記載の方法。
【請求項９】
インバータが置かれた発電システムにおいて孤立効果が発生したことが検出されたとき、前記インバータが、前記電力変換デバイスによって出力された直流電力を受け、前記電圧調整命令を前記電力変換デバイスに配信するように構成され、前記電力変換デバイスが、前記電圧調整命令を受信し、前記電力変換デバイスの前記出力電圧を低下させるように制御し、前記電力変換デバイスは、電力線を介して前記インバータに接続され、前記ハートビートフレーム及び前記電圧調整命令は、前記電力線を介して伝送される、
請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
複数のオプティマイザであり、当該複数のオプティマイザは、太陽光発電モジュールによって生成された直流を変換し、変換された直流をインバータに出力するように構成される、複数のオプティマイザと、
前記インバータであり、前記インバータは、電力グリッド又はユーザ負荷に電力を供給するように構成され、前記インバータは更に、前記複数のオプティマイザにハートビートフレーム及び電圧調整命令を送信するように構成され、前記ハートビートフレーム及び前記電圧調整命令は、前記インバータと前記オプティマイザとの間の電力線を介して伝送される、前記インバータと、
を有し、
前記複数のオプティマイザがある期間内に前記ハートビートフレームを受信しなかったことに応答して、前記複数のオプティマイザの出力電圧がシャットダウン電圧にされ、前記シャットダウン電圧は、事前設定された安全電圧値であり、
前記複数のオプティマイザが前記ハートビートフレームを受信したが、前記電圧調整命令を受信しなかったことに応答して、前記複数のオプティマイザの前記出力電圧が第１の電圧以下にされ、
前記複数のオプティマイザが前記ハートビートフレームを受信し、且つ前記電圧調整命令を受信したことに応答して、前記複数のオプティマイザの前記出力電圧が第２の電圧以下にされ、前記第２の電圧は前記第１の電圧より低く、前記第２の電圧は前記シャットダウン電圧より高い、
太陽光発電システム。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
この出願は、パワーエレクトロニクスの分野に関し、特に、電力変換デバイス、電力変換デバイス制御方法、及び太陽光発電システムに関する。
続きを表示（約 3,700 文字）【背景技術】
【０００２】
現在、再生可能でないエネルギーの不足と悪化する環境汚染に伴い、太陽光発電がますます広く使用されつつある。太陽光発電は、太陽光発電モジュールによって生成された直流を、インバータを用いて交流に変換した後、該交流が交流電力グリッドに接続されたり負荷に供給されたりする。
【０００３】
太陽光発電は、通常、大規模な太陽光発電ステーション、産業及び商業分野、並びに家庭分野で使用される。後者の２つのシナリオでは、通常、電力消費ユーザの近くにある建物の屋根に太陽光発電モジュールが設置される。大きな発電電力を得るために、太陽光発電モジュールは、通常、さらに、直列に接続された複数の太陽光発電パネルによって形成される。故に、太陽光発電モジュール側の直流電圧が大きい。従って、無視できない安全上の問題が発生し、具体的には、インバータ又は太陽光発電モジュールが故障すると、太陽光発電モジュールが設置された屋根が発火することがあり得る。また、太陽光発電モジュールとインバータを修理する必要があるとき、保守要員は、数百又は数千もの高圧直流に直面することになり、太陽光発電モジュール側の過度に高い直流電圧はまたインバータにダメージを生じさせ得る。このことは、太陽光発電システムの長期安定運転に資するものではない。
【０００４】
新しい分散型太陽光発電デバイスとして、モジュールレベルパワーエレクトロニクス（ＭＬＰＥ，Module-Level Power Electronics）デバイスで単一の太陽光発電モジュールを制御し得る。伝統的なストリング太陽光発電と比較して、ＭＬＰＥデバイスの発電効率は改善される。また、モジュールレベルのパワーエレクトロニクスデバイスをどのように用いて、必要なときに太陽光発電モジュール側の電圧を低減させ、電力消費する者又は保守要員の個人的な安全を十分に確保し、発電デバイスを保護し、そして、分散型太陽光発電デバイスの発電及び保守安全性を改善するかが、業界における研究のホットスポットになる。
【発明の概要】
【０００５】
この出願は、インバータデバイスの安全性とユーザ及び保守要員の安全性との両方を十分に確保し、ユーザ電力消費に対する例えばオーバーホール、設置、及び保守などの作業の影響を大幅に減らすための、電力変換デバイス、電力変換デバイスを制御するための動作方法、及び太陽光発電システムを提供する。
【０００６】
第１の態様によれば、この出願の一実施形態は、電力変換デバイスを開示する。当該電力変換デバイスは、直流変換ユニット、信号処理ユニット、及びコントローラを含む。直流変換ユニットの一端が太陽光発電モジュールに接続されるように構成され、直流変換ユニットの他端が次レベル電力変換デバイスの入力端に接続されるように構成される。信号処理ユニットは、当該電力変換デバイスの出力側に置かれ、信号処理ユニットは、次レベル電力変換デバイスによって送信される周期的通信信号を受信するように構成される。コントローラは、信号処理ユニットがある期間に周期的通信信号を受信しなかったことに応答して、シャットダウンモードに切り替わる又はシャットダウンモードで動作し続けるように当該電力変換デバイスを制御するように構成され、シャットダウンモードにおいて、当該電力変換デバイスの出力電圧はシャットダウン電圧であり、シャットダウン電圧は事前設定された安全電圧値であり、信号処理ユニットが周期的通信信号を受信し、且つ周期的通信信号が電圧調整命令を含むことに応答して、安全動作モードに切り替わる又は安全動作モードで動作し続けるように当該電力変換デバイスを制御するように構成され、安全動作モードにおいて、当該電力変換デバイスの出力電圧は第１の電圧より低く、信号処理ユニットが周期的通信信号を受信したが、周期的通信信号が電圧調整命令を含まないことに応答して、通常動作モードに切り替わる又は通常動作モードで動作し続けるように当該電力変換デバイスを制御するように構成され、通常動作モードにおいて、当該電力変換デバイスの出力電圧は第２の電圧より低く、第２の電圧は第１の電圧より低く、第２の電圧はシャットダウン電圧より高い。
【０００７】
第１の態様の技術的ソリューションにおいて、次レベル電力変換デバイスと当該電力変換デバイスは、通信接続と電気接続とを持つ。具体的には、次レベル電力変換デバイスと当該電力変換デバイスとの間の通信方式は電力線通信である。これに基づいて、当該電力変換デバイスの動作モードの切り替えが、周期的通信信号を使用することによって制御される。斯くして、既存の電力線を用いて通信伝送が行われ、それによって、追加の通信線を構築するために必要とされるコストが低減され、周期的通信信号を用いることによって通信が実行されることで、応答速度が速く、実装が単純である。また、当該電力変換デバイスは３つの動作モード間で切り替わる。電力変換デバイスの出力電力が通常動作モードにおいて常に最大であり、ユーザの電力消費要求を最大限に満たすことが確保され得る。安全動作モードでは、障害を適時に検出することができ、次レベル電力変換デバイス側のデバイスの安全性を確保すべく保護機構が始動される。シャットダウンモードにおいて、当該電力変換デバイスの出力電圧は、保守要員及びユーザの人的安全を確保するために、安全電圧よりも低い値に低下され得る。
【０００８】
第１の態様によれば、取り得る一実装において、周期的通信信号はＰＬＣ信号であり、ＰＬＣ信号はハートビートフレームを含む。コントローラは、信号処理ユニットがある期間内にハートビートフレームを受信しなかったことに応答して、シャットダウンモードに切り替わる又はシャットダウンモードで動作し続けるように当該電力変換デバイスを制御するように構成される。ＰＬＣを使用し、ハートビート保護機構を用いて当該電力変換デバイスと次レベル電力変換デバイスとの間の通信ステータスを決定することにより、既存の電力線を使用して、当該電力変換デバイスと次レベル電力変換デバイスとの間の通信ステータスに基づいて、リアルタイムに当該電力変換デバイスの動作モードを正確に制御し得る。
【０００９】
第１の態様によれば、取り得る一実装において、コントローラは、信号処理ユニットがＰＬＣ信号を受信し、且つＰＬＣ信号がハートビートフレームを含むが電圧調整命令を含まないことに応答して、通常動作モードに切り替わる又は通常動作モードで動作し続けるように当該電力変換デバイスを制御するように構成され、信号処理ユニットがＰＬＣ信号を受信し、且つＰＬＣ信号がハートビートフレーム及び電圧調整命令の両方を含むことに応答して、安全動作モードに切り替わる又は安全動作モードで動作し続けるように当該電力変換デバイスを制御するように構成される。ＰＬＣ信号は、ハートビートフレームと電圧調整命令との２つのフォームを含む。当該電力変換デバイスが電圧調整命令を受信する異なるケースに従って、当該電力変換デバイスは、通常動作モード又は安全動作モードで動作するように更に細かく制御される。ハートビートフレームが遮断されない場合において、当該電力変換デバイスは異なる動作モード間で切り替わることもできる。異なる動作モードにおいて、当該電力変換デバイスは、通常の発電状態にあって、次レベル電力変換デバイスに電力を優先的に供給することができ、あるいは、当該電力変換デバイスは、安全な発電状態にあって、次レベル電力変換デバイスに電力を供給するときに次レベル電力変換デバイスの安全性を優先的に確保する。
【００１０】
第１の態様によれば、取り得る一実装において、次レベル電力変換デバイスの入力端電圧が過電圧閾値を超えていることを次レベル電力変換デバイスが検出し、次レベル電力変換デバイスが電圧調整命令を当該電力変換デバイスに配信するとき、コントローラは、当該電力変換デバイスの出力電圧を過電圧閾値未満にするように制御する。この実装では、次レベル電力変換デバイスが次レベル電力変換デバイスの入力端過電圧を検出することが、次レベル電力変換デバイスが電圧調整命令を当該電力変換デバイスに配信するためのトリガ条件である。当該電力変換デバイスが電圧調整命令を受信した後、コントローラは、当該電力変換デバイスの出力電圧を過電圧閾値未満にするように制御する。斯くして、次レベル電力変換デバイスにおいて過電圧が発生したとき、当該電力変換デバイスは、当該電力変換デバイスの出力電圧を迅速に低下させることができ、それによって、次レベル電力変換デバイスの安全性を確保する。
（【００１１】以降は省略されています）

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