JP2018521428A - ソーラー駆動システムおよび太陽電池アレイの最大電力点に追従する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、ＤＣ電流を発生する少なくとも１つの太陽電池アレイと、ＤＣ電流をＡＣ電流に変換するために太陽電池アレイに電気的に接続された少なくとも１つのインバータと、ＡＣ電流を電気モータに供給するためにインバータに電気的に接続された少なくとも１つの電気モータと、電気モータの現時点の回転数を求めるための少なくとも１つの装置と、を有し、インバータは、摂動および観測最大電力点追従法を実施することによって太陽電池アレイの最大電力点を追従し、求められた電気モータの現時点の回転数を用いて、摂動および観測最大電力点追従法のステップ方向を求める、ように構成されている、ソーラー駆動システムに関する。

Description

説明
本発明は、ソーラー駆動システムおよび電気モータを駆動する太陽電池アレイの最大電力点に追従する方法に関する。

遠隔地および電源がないまたは信頼できる電源がない地域では、水ポンプまたは換気扇の電気モータ等の負荷を駆動するために太陽電池アレイが利用されることがある。

太陽電池アレイの最適作動点は、一定ではなく、日射強度、太陽電池アレイの温度および太陽電池アレイにおいて使用されている太陽電池セルのタイプに依る。したがって、太陽電池アレイは、Ｉ／Ｖ特性の最大電力点で作動するように頻繁に制御され、これにより、アレイ投資による最大利益を得ている。

制御装置アナログ−デジタル−変換器（ＡＤＣ）を使用する従来の太陽電池アレイ出力測定は、精度が比較的低い。特に、出力測定は、誤差を生じ、ＡＤＣおよび後続の整数演算に関連する、積分および微分双方の非線形性を生じる。その結果、最適とは言えない性能または太陽電池アレイの現実の最大電力ピークから外れかつ現実の最大電力ピークよりも小さい偽の電力ピークにおける整定を生じることがある。

太陽電池アレイからの電力抽出を最大化するために、太陽電池アレイによって最大電力点追従（ＭＰＰＴ）を利用することが公知である。ＭＰＰＴによって解決される中心的問題は、太陽電池アレイからの電力伝送効率が、特に、太陽電池アレイによって駆動される負荷の電気的特性に依存するということである。例えば、日射強度が変化すると、最高電力伝送効率を生じる負荷特性が変化し、これにより、ソーラー駆動システムの効率は、電力伝送を最高効率に維持するように、負荷特性が変化したときに最適化される。この負荷特性は、最大電力点と呼ばれ、ＭＰＰＴは、この最大電力点を見つけ出し、負荷特性をそこに維持するプロセスのことである。ＭＰＰＴは、最も利用可能な電力を得るために、太陽電池アレイに提供されるべき最良の負荷を選択するという課題を解決する。太陽電池アレイの出力をサンプリングし、いかなる任意の環境条件に対しても最大電力を得るための適切な抵抗（負荷）を適用することがＭＰＰＴの目的である。

ＭＰＰＴ装置は一般的に、電圧または電流変換、フィルタリングおよび電気モータ等の様々な負荷を駆動するための規制を提供する、電力変換器システムに組み込まれる。ソーラーインバータは、ＤＣ電力をＡＣ電力に変換し、ＭＰＰＴを有してもよい。このようなインバータは、太陽電池アレイからの出力（Ｉ−Ｖ曲線）をサンプリングし、最大電力を得るために適切な抵抗（負荷）を適用する。最大電力点追従は、様々なアルゴリズムを実行し、太陽電池アレイの作動条件に基づいてそれらを切り替えてもよい。

特別なＭＰＰＴ法は、摂動および観測（山登り法：Perturb and Observe（Ｐ＆Ｏ））ＭＰＰＴ法である。この方法では、制御装置は、太陽電池アレイの電圧を少量だけステップ方向に調節することによって負荷を調節し、太陽電池アレイの出力を測定する。電力が増大すると、そのステップ方向へのさらなる調節が、電力がもはや増大しなくなるまで試される。電力が低下すると、ステップ方向が変更される。

本発明の課題は、ソーラー駆動システムの太陽電池アレイの最大電力点に、より高い精度で追従することである。

この課題は、独立請求項によって解決される。有利な実施の形態は、以下の詳細な説明、従属請求項および図面に開示されており、これらの実施の形態は、単独でまたは互いのあらゆる組合せで、発明の有利なまたは好適な態様に関する。

本発明によるソーラー駆動システムは、
−ＤＣ電流を発生する少なくとも１つの太陽電池アレイと、
−ＤＣ電流をＡＣ電流に変換するために太陽電池アレイに電気的に接続された少なくとも１つのインバータと、
−ＡＣ電流を電気モータに供給するためにインバータに電気的に接続された少なくとも１つの電気モータと、
−電気モータの現時点の回転数を求めるための少なくとも１つの装置と、
を有し、
インバータは、摂動および観測最大電力点追従法を実施することによって太陽電池アレイの最大電力点に追従し、求められた電気モータの現時点の回転数を用いて、摂動および観測最大電力点追従法のステップ方向を決定する、ように構成されている。

本発明によれば、電気モータの現時点の回転数は、摂動および観測最大電力点追従（Ｐ＆Ｏ ＭＰＰＴ）法のステップ方向を決定するために使用される。摂動（負荷、電圧）が第１のステップ方向になされ、電気モータの現時点の回転数が増大したならば、それは２つの連続して求められた現時点の回転数の比較により求めることができるものであるが、次の摂動ステップは第１のステップ方向になされる。電気モータの現時点の回転数が第１のステップ方向で減少したならば、ステップ方向が変更され、次のステップは第２のステップ方向になされる。

本発明は、Ｐ＆Ｏ ＭＰＰＴにとって実際の絶対電力レベルはそれほど重要でないという洞察に基づく。代わりに、重要な要因は、電力レベルが増大しているかまたは低下しているかを求めることである。したがって、電力測定線形性は、その単調性より重要でない。

電気モータの現時点の回転数を単純に求めることができ、この回転数は、このような求めから、完璧な精度で分かる。太陽電池アレイの出力が、通常はそうである電気モータの回転数の単調関数であることが分かっている場合、この要因（すなわち、電気モータの回転数）を、電流および電圧測定から導き出される電力の代わりに、Ｐ＆Ｏ ＭＰＰＴステッピングアルゴリズムにおいて利用することができ、その結果、Ｐ＆Ｏ ＭＰＰＴの性能および信頼性に対する著しい改良を生じる。これにより、ソーラー駆動システムの太陽電池アレイの最大電力点に、より高い精度で追従することができる。

本発明によるソーラー駆動システムは、１つの電気モータを共同で駆動するまたはそれぞれが別個の電気モータを駆動する２つ以上の太陽電池アレイを有してもよい。第１の場合には、ソーラー駆動システムは１つのインバータを有する。第２の場合には、ソーラー駆動システムは、各電気モータのための別個のインバータを有する。太陽電池アレイは、光電効果を利用するソーラー太陽電池アレイまたは熱光起電力アレイであってもよい。太陽電池アレイは、直流（ＤＣ）電流と、ＤＣ電圧とを発生する。

太陽電池アレイの電圧を制御するために、インバータは、比例−積分−微分（ＰＩＤ）制御ループを有してもよい。インバータは、交流（ＡＣ）電流と、１相、２相、３相またはそれ以上の相を有するＡＣ電圧とを発生する。

電気モータは、液体、特に水をポンピングするためのポンプのポンプモータまたは例えば換気および／または空調装置の別の駆動モータであってもよい。電気モータは、３相モータであってもよい。

好適には、インバータは、インバータのＡＣ電流の周波数から電気モータの現時点の回転数を求めるように構成されている。これにより、電気モータの現時点の回転数を求めるための付加的なセンサ装置は不要である。電気モータの回転数は、インバータのＡＣ電流の周波数とともに増大し、また、低下する。電気モータの回転数と、インバータのＡＣ電流の周波数との間には独特の割当てがある。インバータ自体の周波数設定点が、電気モータ回転数検出のために利用されてもよい。

好適には、ソーラー駆動システムは、さらに、電気モータに配置されかつインバータに電気的に接続された、電気モータの現時点の回転数を求めるための少なくとも１つの装置を有する。この装置により、電気モータの現時点の回転数を直接的に測定することができる。対応する測定信号をインバータへ送信するために、装置はインバータに電気的に接続されている。この装置は、電気モータの現時点の回転数とは異なる入力を有するが、前記入力から現時点の回転数を正確に求めることができる、あらゆる種類のセンサまたは決定アルゴリズムであってもよい。

装置は、好適には、電気モータに配置された、電気モータの現時点の回転数を検出するための少なくとも１つのセンサエレメントを含み、センサエレメントは、有線または無線によってインバータに接続されている。センサエレメントは、ロータリエンコーダ等であってもよい。

好適には、装置は、電気モータのモータエレクトロニックの１つのコンポーネントであり、モータエレクトロニックは、有線または無線によってインバータに接続されている。したがって、付加的なセンサエレメント等は不要である。

本発明による、電気モータを駆動する太陽電池アレイの最大電力点に追従する方法は、
−電気モータの現時点の回転数を求め、
−摂動および観測最大電力点追従法を行い、
−求められた電気モータの現時点の回転数を用いて摂動および観測最大電力点追従法のステップ方向を求める
ことを含む。

ソーラー駆動システムに関して上述した利点は、対応して、この方法にも関する。特に、ソーラー駆動システムは、方法を実施するために使用されてもよい。

好適には、電気モータの現時点の回転数は、インバータから電気モータに供給されるＡＣ電流の周波数から求められる。これは、インバータ自体によってまたは別個のユニットによって行うことができる。

好適には、電気モータの現時点の回転数は、直接的に測定される。これは、上記装置を用いて行われてもよい。

図面の簡単な説明
本発明の上述の属性およびその他の特徴および利点ならびにそれらを達成する形式がより明らかになるであろう。また、発明それ自体は、添付の図面に関連してなされる発明の実施の形態の以下の詳細な説明を参照することによってさらに理解されるであろう。

本発明の１つの実施の形態によるソーラー駆動システムを示している。 本発明の別の実施の形態によるソーラー駆動システムの電圧制御装置を示している。 本発明の別の実施の形態による、電気モータを駆動する太陽電池アレイの最大電力点に追従する方法を示している。

実施の形態の詳細な説明
図１は、本発明の１つの実施の形態によるソーラー駆動システム１を示している。

ソーラー駆動システム１は、ＤＣ電流ＩpvおよびＤＣ電圧Ｖpvを発生する太陽電池アレイ２を有する。ソーラー駆動システム１は、さらに、ＤＣ電流ＩpvをＡＣ電流に変換し、ＤＣ電圧ＶpvをＡＣ電圧に変換するための、太陽電池アレイ２に電気的に接続されたインバータ３を有する。加えて、ソーラー駆動システム１は、電気モータ４にＡＣ電流を供給するための、インバータ３に電気的に接続された電気モータ４を有する。電気モータ４は、液体、特に水をポンピングするためのポンプ５のポンプモータである。

インバータ３は、摂動および観測最大電力点追従法を行うことによって太陽電池アレイ２の最大電力点に追従し、電気モータ４の現時点の回転数を用いて摂動および観測最大電力点追従法のステップ方向を決定するように構成されている。このために、インバータ３は、さらに、インバータ３のＡＣ電流の周波数から電気モータ４の現時点の回転数を求めるように構成されている。

択一的に、ソーラー駆動システム１は、電気モータ４の現時点の回転数を求めるための装置６を有してもよい。装置６は、求められた現時点の回転数をインバータ３に供給するために、インバータ３に電気的に接続されていてもよい。ほとんどの場合、電気モータ４の回転数は、インバータ３のＡＣ出力周波数であると仮定されるが、外部の装置６を択一的に使用することができる。

装置は、電気モータ４に配置された、電気モータ４の現時点の回転数を検出するための少なくとも１つのセンサエレメント（図示せず）を含んでもよく、センサエレメントは、有線または無線によってインバータ３に接続されている。択一的に、装置６は、電気モータ４のモータエレクトロニック（図示せず）の１つのコンポーネントであってもよく、モータエレクトロニックは、有線または無線によってインバータ３に接続されている。

図２は、本発明の別の実施の形態によるソーラー駆動システム（図示せず）の電圧制御装置７を示している。

電圧制御装置７は、設定点電圧Ｖspと、太陽電池アレイ（図示せず）によって発生された現時点電圧Ｖpvとの差Ｖeを求めるための微分回路８を有する。電圧差Ｖeは、電圧制御装置７のＰＩＤ９に供給される。ＰＩＤ９は、電気モータ（図示せず）へ供給される制御信号Ｆemを生成する。制御信号Ｆemを用い、要求されたアレイ電圧設定点を達成するように電気モータの回転数が調節される。したがって、例えば、電圧ＶpvがＶspよりも高まると、電圧制御装置７は、電圧Ｖpvを再び元のように降下させるために電気モータの回転数を適切に増大させる。このために、電気モータ電力消費は、電気モータの回転数の単調関数である必要がある。

図３は、本発明の別の実施の形態による、電気モータを駆動する太陽電池アレイの最大電力点に追従する方法を示している。

電気モータの現時点の回転数は、継続的にまたは断続的に求められ、摂動および観測最大電力点追従法が行われる。

方法ステップ１０において、負荷／電圧を変化させることによる摂動ステップが行われ、この摂動後に電気モータの現時点の回転数が求められる。次いで、求められた現時点の回転数が、前に求められた電気モータの現時点の回転数と比較される。求められた現時点の回転数が、前に求められた現時点の回転数よりも低いならば、方法ステップ２０においてステップ方向が変更される。求められた現時点の回転数が、前に求められた現時点の回転数よりも大きいならば、ステップ方向は変更されず、次の摂動ステップが、方法ステップ３０において、最後のステップ方向で行われる。これらの方法ステップは、求められた現時点の回転数が、前に求められた現時点の回転数と等しくなるまで反復される。次いで、太陽電池アレイの現時点の電圧が、設定点電圧に到達する。これにより、求められた電気モータの現時点の回転数を用いて、摂動および観測最大電力点追従法のステップ方向が決定される。

本発明は、好適な実施の形態に関連して詳細に説明および記載されているが、本発明は、開示された実施の形態に限定されないことに留意されたい。当業者は、発明の保護範囲を逸脱することなく、これらの実施の形態から他の変化態様を導き出すことができる。

Claims (8)

1. ソーラー駆動システム（１）であって、
   −ＤＣ電流（Ｉpv）を発生する少なくとも１つの太陽電池アレイ（２）と、
   −前記ＤＣ電流（Ｉpv）をＡＣ電流に変換するために前記太陽電池アレイ（２）に電気的に接続された少なくとも１つのインバータ（３）と、
   −前記ＡＣ電流を電気モータ（４）に供給するために前記インバータ（３）に電気的に接続された少なくとも１つの電気モータ（４）と、
   を有し、
   前記インバータ（３）は、摂動および観測最大電力点追従法を実施することによって前記太陽電池アレイ（２）の最大電力点に追従し、前記電気モータ（４）の現時点の回転数を用いて、前記摂動および観測最大電力点追従法のステップ方向を決定する、ように構成されている、
   ソーラー駆動システム（１）。
2. 前記インバータは、該インバータ（３）の前記ＡＣ電流の周波数から前記電気モータ（４）の前記現時点の回転数を求めるように構成されている、請求項１記載のソーラー駆動システム（１）。
3. 前記電気モータ（４）に配置されかつ前記インバータ（３）に電気的に接続された、前記電気モータ（４）の前記現時点の回転数を求めるための少なくとも１つの装置（６）をさらに有する、請求項１記載のソーラー駆動システム（１）。
4. 前記装置（６）は、前記電気モータ（４）に配置された、該電気モータ（４）の前記現時点の回転数を求めるための少なくとも１つのセンサエレメントを含み、該センサエレメントは、有線または無線によって前記インバータ（３）に接続されている、請求項３記載のソーラー駆動システム（１）。
5. 前記装置（６）は、前記電気モータ（４）のモータエレクトロニックの１つのコンポーネントであり、前記モータエレクトロニックは、有線または無線によって前記インバータ（３）に接続されている、請求項３記載のソーラー駆動システム（１）。
6. 電気モータ（４）を駆動する太陽電池アレイ（２）の最大電力点に追従する方法であって、
   −前記電気モータ（４）の現時点の回転数を求め、
   −摂動および観測最大電力点追従法を行い、
   −求められた前記電気モータ（４）の現時点の回転数を用いて前記摂動および観測最大電力点追従法のステップ方向を決定する
   ことを含む、電気モータ（４）を駆動する太陽電池アレイ（２）の最大電力点に追従する方法。
7. 前記電気モータ（４）の前記現時点の回転数を、インバータ（３）から前記電気モータ（４）に供給されるＡＣ電流の周波数から求める、請求項６記載の方法。
8. 前記電気モータ（４）の前記現時点の回転数を、直接的に測定する、請求項６記載の方法。

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