ソーラーインバーターおよびバッテリーエネルギー貯蔵システムのアーキテクチャとソリューション

現在、エネルギー転換を促進し、カーボンニュートラリティを達成するための動きの中で、ソーラーインバーターとバッテリーエネルギー貯蔵システム (BESS) は重要な役割を果たしています。ソーラーインバーターは、太陽光パネルによって生成された直流 (DC) を、家庭、産業、グリッドで使用可能な交流 (AC) に変換する役割を担っています。一方、エネルギー貯蔵システムは余剰電力を効率的に蓄えることで、負荷調整、ピークカット、谷間充電、バックアップ電源供給などの機能を実現できます。本記事では、ソーラーインバーターとバッテリーエネルギー貯蔵システムのアーキテクチャ構成およびLittelfuseが提供する関連ソリューションに焦点を当てて探ります。

今日では、ソーラーインバーターやバッテリーエネルギー貯蔵システムが重要な代替エネルギーソリューションとなっています。構造的には、AC結合式ソーラーシステムとDC結合式ソーラーシステムに分けられます。AC結合式ソーラーシステムは、バッテリーを備えた双方向インバーターとソーラーインバーターで構成されるデュアルインバーターを使用し、特に既存プロジェクトに適しており、より柔軟性が高く、設置が容易で、グリッド接続インバーターを保持します。しかし、バッテリーが使用するエネルギーは複数の変換を必要とするため効率が低く、複数の中電圧変圧器やインバーターなどの複数の部品が必要です。既存の太陽光発電（PV）システムにとって、これらは費用対効果に優れています。

DC結合型太陽光発電システムは、1つのインバーターで負荷に電力を供給しており、既存のインバーターの交換が必要で、さらに多くの場合、PVアレイ配線の再構成が必要なため、改修プロジェクトには適していません。ただし、電力が複数回の変換を必要としないため効率が高く、必要なコンポーネントが少なく、BESSとPVシステム間の短いケーブルによって損失が減少します。しかし、コストが高く、既存のPVシステムへの設置が複雑です。

太陽光インバータのトポロジータイプは、マイクロインバータ、ストリングインバータ、マルチストリングインバータ、そして中央インバータに分けられます。マイクロインバータは定格出力が最大300Wで、主に住宅用として使用され、230VAC、単相での出力電圧を持ち、自己消費特性を備えています。ストリングインバータは、定格出力が1kWから10kWで、主に住宅用ですが、電力網への接続にも使用され、230VAC、単相での出力電圧を持ちます。もしパワーオプティマイザやDCオプティマイザ（最大電力点追従機能 (MPPT) を備えたDC-DCコンバータ）がストリングインバータと組み合わせて使用される場合、太陽光システムの全体効率を向上させることができます。MPPT機能は、各PVパネルレベルで実行され、すべてのPVパネルが最大電力点で動作することを保証します。

マルチストリングインバーターは、定格出力が30 kWから200 kWで、主に商業用、産業用、公益用途向けに使用され、出力電圧は400 VAC、三相、自家消費および配電グリッド互換性を特徴としています。中央インバーターは、定格出力が数メガワットに達し、主に中電圧グリッドや太陽光発電所で使用され、出力電圧は400 VACから690 VAC、三相です。

Littelfuseは、太陽光インバーターおよび蓄電システム（BESS）向けに、ヒューズ、金属酸化物バリスタ（MOV）、サージ保護デバイス（SPD）、漏電遮断リレーなどの入力保護部品を含む幅広い製品ラインを提供しています。また、DC-DCコンバータ向けには、MOSFET、ゲートドライバー、過渡電圧抑制（TVS）ダイオード、温度センサーなどの部品があり、DC-ACインバーター向けには、IGBTモジュール、ゲートドライバー、TVSダイオード、温度インジケーターなどの部品を提供しています。

さらに、出力保護用のコンポーネントとして、ヒューズ、MOV、サージプロテクター、ACグランドフォルトリレーなどがあります。また、補助電源用のコンポーネントとして、MOSFET、ゲートドライバ、TVSダイオードなどがあり、BESS用のコンポーネントとして、ヒューズ、TVSダイオード、TVSダイオードアレイ、アークフラッシュリレー、SPD、グランドフォルトリレーなどがあります。さらに、通信インターフェース用のコンポーネントとして、TVSダイオードアレイや多層バリスタ（MLV）があります。製品の種類は非常に多様です。

インバータータイプで分類された場合、Littelfuse のマイクロインバーター向けの潜在的な製品には、MOSFET (Trench Gate Gen2、Ultra-junction X2)、または IGBT (600-650 V Trench)、TVS ダイオード (SMCJ、SMDJ、SMBJ)、負温度係数 (NTC) サーミスター (RA、RB、KR)、炭化ケイ素 (SiC) ショットキーダイオード(650V ダイオード)、MOV (TMOV、UltraMOV、LA)、ヒューズ (215)、ゲートドライバ (IXD_6xxSI)、TVS ダイオードアレイ (SP3130、SP712、SP2555NUTG)、または MLV (MLA、MHS) などが含まれます。

Littelfuse のパワーオプティマイザー向けの潜在的な製品には、MOSFETs (Trench Gate Gen2)、TVSダイオード (SMCJ、SMDJ、1.5SMC、SMBJ)、NTCサーミスタ (RA、RB、KR)、ゲートドライバ (IXD_6xxSI)、TVSダイオードアレイ (SP3130、SP712、SP2555NUTG、SM712)、またはMLVs (MLA、MHS) などがあります。

Littelfuse のストリングインバーター向けの可能性のある製品には、MOV（UltraMOV、LA、SM20、TMOV）、MOSFET（Trench Gate Gen2、Ultra-junction X2）、TVSダイオード（SMCJ、SMDJ、SMBJ）、SiCショットキーダイオード（650Vダイオード）、NTCサーミスタ（RA、RB、KR）、IGBT（600-650 V Trench）、ヒューズ（Class J、Class RK5、KLKD）、ゲートドライバ（IXD_6xxSI、IX4351NE）、TVSダイオードアレイ（SP3130、SP712、SM712、SP2555NUTG）、MLV（MLA、MHS）などが含まれます。

Littelfuse のマルチストリングインバーター向けの潜在的な製品には、以下が含まれます: ヒューズ (SPF、SPFI、SPXV、SPXI、Class T、Class J)、SPD (SPD2 PV、SPD type 2)、SiC MOSFET (LSIC1MO120E0120、LSIC1MO170E1000)、MOSFET (高電圧シリーズ)、SiCダイオード (1200 Vダイオード)、IGBTモジュール (MIXA、MIXG)、高速ヒューズ (L75QS)、TVSダイオード (SMBJ、SMF)、MOV (UltraMOV、LA、SM7)、ゲートドライバー (IX4351NE)、TVSダイオードアレイ (SP3130、SP712、SM712、SP2555NUTG)、MLV (MLA、MHS)。

Littelfuseの中央インバーター向けの潜在的な製品には、インラインヒューズ（SPXI、SPFI）、ヒューズ（SPXV、SPNH、LFPXV、SPF、Class J、Class RK5、Class L）、SPD（SPD2 PV、SPD type 2）、DC切断スイッチ（LS7xx、LS6xx）、SiC MOSFET（LSIC1MO120E0120、LSIC1MO170E1000）、MOSFET（高電圧シリーズ）、SiCダイオード（1200 Vダイオード）、IGBTモジュール（MIXA、MIXG）、高速ヒューズ（PSR、PSX）、TVSダイオード（SMBJ、SMF）、AC地絡リレー（EL-731）、DC地絡リレー（EL-731、SE-601）、ゲートドライバー（IX4351NE）、TVSダイオードアレイ（SP3130、SP712、SM712、SP2555NUTG）、MLV（MLA、MHS）が含まれます。

LittelfuseのBESS向け製品候補には、ヒューズ（501A、881、TLS、JLLN、CNN、885、Class J、Class RK5、Class L）、TVSダイオード（TPSMC、SZ1SMC、SZ1.5SMC、TPSMB、SZ1SMB、SZP6SMB、TPSMA6L、SZ1SMA、TPSMB）、温度センサー（USP16673、RB）、SMDまたはインラインヒューズ（438A、441A、521、483A）、TVSダイオードアレイ（AQ05C、AQ24CAN）、高速ヒューズ（PSR、PSX、ESR）、MOSFET（X3 Class）、ゲートドライバ（IXD_6xxSI）、高電圧DCコンタクタリレー（DCNxx）、アークフラッシュリレー（AF0100）、DC切断スイッチ（LS7xx、LS6xx）、SPD（DCリンク/ACリンク）（SPD type 2）、グラウンドフォルトリレー（SE-601）、IGBTモジュール（MIXA、MIXG）があります。

太陽光インバータおよび蓄電池エネルギーシステム (BESS) は、IEC 61683 - パワーコンディショナー - 効率測定手順を含む多数の安全基準の対象となります。この規格は、独立型およびユーティリティ連系PVシステムで使用されるパワーコンディショナーの効率を測定するためのガイドラインを示しています。IEC 62109-1 - 太陽光発電システム用パワーコンバーターの安全性 - パート1：一般要件。このIEC 62109のパート1は、均一な安全基準を必要とするPVシステムで使用されるパワー変換装置 (PCE) に適用されます。この規格は、火災、エネルギー、感電、機械的、その他の危険から保護するためのPCEの設計および製造に関する最低要件を規定しています。IEC 62109-2 - 太陽光発電システム用パワーコンバーターの安全性 - パート2：インバータに関する特定の要件。IEC 62109のパート2は、太陽光発電システムで使用されるDC-ACインバータ製品に関する特定の安全要件を網羅しています。これらの3つの基準は世界的に適用されます。

UL 1741 - 分散型エネルギー資源で使用されるインバーター、コンバーター、コントローラー、および相互接続システム装置。これらの要件は、単独またはグリッド接続型の電力システム用のインバーター、コンバーター、充電コントローラー、および相互接続システム装置 (ISE) を対象としています。UL 9540A - バッテリーエネルギー貯蔵システムにおける熱暴走火災の伝播を評価するための試験方法に関する規格。この文書は、熱暴走を経験したバッテリーエネルギー貯蔵システムの火災特性を評価します。これら2つの規格は北米向けに適用されます。

EN 50524 - PVインバーターのデータシートとネームプレート。この文書は、安全かつ最適なPVインバーターシステムを構成するための基本情報を提供することを目的としています。EN 50530 - PVインバーターの総合効率。この規格は、グリッド接続型PVシステムで使用されるインバーターの最大電力点追跡（MPPT）の精度を測定する手順を提供します。これら2つの規格はヨーロッパに適用されます。

PSR 高速角形半導体ヒューズは BESS の容量を増やし、それによって電力運用コストを削減し、ピーク時の電力需要を満たすためのバッテリーエネルギー貯蔵システムへの依存を長期間可能にします。これを実現するために、インテグレーターは BESS にさらにバッテリーバンクを追加するか、フローバッテリーソリューションからより高容量のリチウムイオンバッテリーへの切り替えを行うことができます。

しかし、新しいBESSの高い電力密度は、より大きな故障電流を引き起こす可能性があります。高出力レベルでは、故障が大規模な損害や人身事故を引き起こす可能性があります。BESSはより高度な回路保護を必要とし、設計上の課題を提示します。現在BESSで使用されているものよりも高い短絡電流遮断定格を持つヒューズが見つかれば、より多くのバッテリーバンクをBESSに追加することができます。さらに、BESSパワーコンバータで使用されるデリケートな電子部品を保護するために、ヒューズは迅速な遮断能力を持つ必要があります。

Littelfuse PSRシリーズの高速角形半導体ヒューズは、最高の短絡電流定格を提供します：150 kA DCおよび200 kA ACの遮断定格。より高い定格により、結合ボックスの数を減らし、コストと設計の複雑さを低減することができます。PSRシリーズのヒューズはより高速に動作し、より高い短絡電流遮断定格を持っています。PSRシリーズのヒューズのその他の利点には、柔軟な形状と取り付けオプションが含まれます。PSRヒューズシリーズは、一般的に使用されるブロックタイプの形状のヒューズを直接置き換えることができ、大規模な設計変更に伴うコストを回避します。埋め込み型PSRヒューズを並列のバスバーマウント構成に適応させるために、LittelfuseのL字型ブラケットデザインを使用することができます。

Littelfuse PSRシリーズのヒューズを使用することで、1コンテナあたりのコンバイナーの数を1つ削減し、バッテリーユニットを2つ追加することができます。これにより、既存のBESSコンテナの容量が7%増加し、ピーク電力需要時にユーティリティがより長時間バッテリーエネルギー貯蔵システムに依存できるようになり、運用コストを削減できます。

太陽光インバータとバッテリエネルギー貯蔵システムの統合は、エネルギー利用効率を向上させるだけでなく、分散型エネルギー管理、電力網の安定性、エネルギー自立性に新たな可能性をもたらします。パワーエレクトロニクス、バッテリ管理システム（BMS）、通信プロトコル、人工知能の継続的な進歩により、将来のソリューションは、より高い効率性、より高度なインテリジェンス、そしてモジュール性に向けて進化を遂げるでしょう。本記事で紹介されているLittelfuseの太陽光インバータおよびBESSソリューションは、顧客が高信頼性、高性能、かつコスト効率の高い統合型太陽光発電および貯蔵システムを構築する上で役立ち、グリーンエネルギーの持続可能なビジョンに貢献します。