JP2018530840A - 可変速度最大電力点追尾、太陽光誘導電動モータコントローラ、及び永久磁石交流モータ - Google Patents
可変速度最大電力点追尾、太陽光誘導電動モータコントローラ、及び永久磁石交流モータ Download PDFInfo
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Abstract
【選択図】図1
Description
本出願は、2015年10月13日出願の米国仮特許出願第62/240,979号の優先権の利益を主張するものであり、この米国仮特許出願の内容全体が参照をもって本明細書に組み込み記載されているものとする。
1.スタートアップルーチン
−マイクロコントローラ118は、システム104の動作を、決定された周波数及び電圧をVFD114に信号SVFDを介して供給することにより開始する。その結果、周波数f1及び振幅相RMS電圧V1を有するAC信号がモータ106に供給される。
−次に、マイクロコントローラ118は、太陽光PV電流をフィードバックセンサ信号Ipv(太陽光PV電流)を介してチェックし306、Ipvが、特定のパーセンテージ(x%)の値だけ、前の読み取り値から減少する場合(Ipvnew<Ipvold*x%)、これは、モータ106が回転し始めたことを示している。特定の実施形態では、x%は10%である。他方、PV電流センサによる新規読み取り値(Ipv)が、前の読み取り値の所定パーセンテージx%以上である場合、モータ106は、未だ始動していないと判断されるので、マイクロコントローラは別のステップに進み、このステップでは、VFD114の動作周波数304をf2に増加させ、それに応じて、動作相電圧を別の相電圧V2に増加させる。百分率値x%(始動を認識するための閾値)は、適応的であり、ACモータ及び負荷の電力量とともに変化する。
−別の実施形態では、Ipvの減少を観察してモータ回転の正しい始動を確認するのではなく、マイクロコントローラ118は、モータ回転をモータ速度センサ(図示せず)で直接観察する。様々な実施形態では、モータ速度センサとして、磁石及び感知コイル、歯付きホイール、LED、及び光センサ、歯付きホイールセンサ及びリラクタンスセンサ、慣性スイッチ、またはこの技術分野で公知の任意の他の回転センサを挙げることができる。
−マイクロコントローラ118がVFD114の周波数をf2に信号SVFDを介して高くして、f2正弦波周波数を適切な電圧振幅V2で、可変駆動出力端子116に供給する場合。
−マイクロコントローラ118は、Ipvセンサが、新規の太陽光PV電流値が、初期値または前の値の所定パーセンテージx%未満になって、モータが回転し始めたことを意味するまで、またはモータ速度センサが適切な回転数を検出して、DC−DCコンバータ110がMPPT Regular Modeに移行するまで、VFD114の周波数及び電圧を増加させ続け、太陽光PV電流を、フィードバック信号Ipvを介してチェックし続ける。
−太陽光PV電流(Ipv)が、1つの周波数ステップから別の周波数ステップに変更するときに所定の値のパーセンテージx%だけ減少することがなく、周波数が、メモリ122に格納されている周波数の最大値に達する場合(最大周波数は、各モータ種類について公知である)、モータは、回転し始めておらず、マイクロコントローラは、VFD114を動作させるのを中止し、START−UP ROUTINEを所定の中断時間後に再び開始しようとする。これにより、HVACまたは冷凍システムの冷媒を加圧することにより発生する、または全水柱を井戸ポンプの後ろに射出することにより発生する負荷のような幾つかの高い始動負荷を低減することができる。
2.最大電力点追尾(MPPT)レギュラーモード
−一旦、マイクロコントローラ118が、モータが始動したという判断を下すと、DC−DCコンバータは、DC第2電圧112を事前設定値Vsetに、AC/DCモータドライブ114のパワースイッチQ3〜Q8を直接制御している信号Sboostを介して調節する308。
−DCリンク112の調節は、DC−DCコンバータ110が、DCリンク112の電圧値を、当該電圧値が所望の値Vsetに達するまで、昇圧回路(図2)のパワースイッチQ1及びQ2の動作デューティサイクルを変化させることにより調整することを意味している。
−信号フィードバックVdcは、マイクロコントローラ118の測定用DC第2電圧112値である。
−Vdcフィードバック値がVset値よりも小さい場合、DC−DCコンバータのデューティサイクルにより、DC−DCコンバータのデューティサイクルが当該デューティサイクルの最大値に達するまで、Sboost信号の値が増加してDCリンク112の電圧値を増加させる。
−DC−DCコンバータ110が、DCリンク電圧112を、メモリ122に格納されている値により決まる事前設定値Vset、及び最大周波数未満の周波数に調節している状態では、メモリ122に格納されているMPPTアルゴリズムがマイクロコントローラ118上で実行されてVFD114のモータ周波数を増加させ、これは、相RMS電圧をそれに応じて、図3の電圧−周波数曲線に基づいて増加させることを伴う。これを行なうために、マイクロコントローラ118は、光電変換パネルから取り出される現在の電力を光電変換パネルから取り出された前の電力と比較する310。電力が増加した場合、マイクロコントローラは、可変周波数ドライブ114の周波数及び電圧を増加させ312、電力消費量が、太陽光パネル102の電力制限により増加しなかった場合、マイクロコントローラは、可変周波数ドライブ114の周波数及び電圧を減少させる314。
−VFDにより生成されるAC電力の周波数及び電圧を増加させることにより、モータに指示して、より高いRPMで回転させて、VFD114及びモータ106が消費する電力を増加させることにより、太陽光PVパネル102から取り出される電力を増加させる。
−周波数のこの増加は、段階的に行なわれ、第1段階202では、モータ周波数1(f1)をマイクロコントローラ110により設定し、周波数1で動作しているモータ106は、ポイント202(太陽光電流I1及び太陽光電圧V1)で動作するものとして図4に図示される太陽光PV電力に対応する。
−マイクロコントローラ118は次に、VFD114により生成されるモータ電力116の周波数(f2)を増加させ、より高い周波数の隣の動作ポイントは、太陽光PV電流(I2)がより大きく、かつ太陽光PV電圧V2がより小さいポイント204として図4に図示される。VFD周波数増加は、特定のモータ及び負荷に関する最大定格周波数を超えないように制限される。
−マイクロコントローラ118が、モータ周波数を増加し続ける場合、太陽光PVパネルから取得される電力(電力=IxV)が当該電力の最大値になるポイントが発生し、このポイントは図4のポイント206として図示されている。このアルゴリズムにより発見される最大電力点は、日射に伴って大きく変化する。
−周波数が増加し続ける(モータがより高速で回転していてより多くの電力を必要とする)場合、太陽光PVパネル102から出力される電力は、最大電力発生量に達すると減少し始め、太陽光PVパネルが、当該速度での、またはより速い速度でのモータ動作に必要な電力を供給することができないので、電圧が電流増加よりも急速に降下する(図4に図示されるポイント208におけるV−I曲線特性)。
−その結果、DCリンク電圧を維持するための十分な電力をパネルから供給することができないので、DCリンク電圧が降下する。
−一旦、マイクロコントローラが、DCリンク電圧が減少したことを感知する316と、マイクロコントローラは、VFDに現われる周波数を減少させて、より低い周波数ステップに戻して、dc−dcコンバータがDCリンク電圧調節を再度行なうことができるようにする。
−一旦、DCリンク電圧調節が行なわれ、マイクロコントローラ118が、当該DCリンク電圧が必要限界値内に収まっていることを感知すると、MPPTアルゴリズムは、VFD114の周波数増加を再び開始して、モータ106の回転速度を増加させる。DCリンク電圧値が減少して閾値Vfdropを下回る場合、マイクロコントローラは直ちに、動作周波数を所定の周波数減少値f2だけ減少させ、周波数減少値f2は、最大電力点追尾方式内で使用される周波数変化よりもずっと大きな周波数変化(周波数ステップ)である。この周波数がステップf2だけ減少することにより、DCリンク電圧が閾値Vfdropを上回る値に復帰することができない場合、マイクロコントローラ118は、DCリンク電圧が閾値Vfdropよりも大きくなるまで、動作周波数を別のf2だけ減少させる。
3.ストップルーチン
−このようなスタート−ストップイベントが数回連続して発生する場合(試行回数に関する所定限界値が、マイクロコントローラのメモリに格納されている)、マイクロコントローラは、パネル上で利用可能な太陽光エネルギーが、モータを動作させるためには十分ではないという判断を下し、より長い待機時間Wsunだけアイドル状態になる。待機時間Wsun後、最小限の電圧がパネル上で利用可能であり日中条件であることを示している場合、コントローラは、START−UP ROUTINEに戻ることにより始動を再度試みる。
Vaux =VPhs-Vph1、式中、Vauxは、始動用巻線の両端の電圧である…(1)
Vmain =VPh2-VPh1 …………………(2)
VPh1 =Vdc/2+Vdc/2*duty1*sin(x) …………………(3)
VphS =Vdc/2+Vdc/2*duty2*sin(x-θ) …………………(4)
VPh2 =Vdc/2+Vdc/2*duty3*sin(x-γ) …………………(5)
式中、3つの波形は全て、Vdc/2、すなわち入力DC電圧の半分だけずれている。更に、波形VphSが、VPh1に対して角度θだけずれているのに対し、波形VPh2は、VPh1に対して角度γだけずれている。
Vaux= Vdc*duty1*sin(x-90°) ………(7)
Vaux =VphS-VPh1
=> VphS=Vaux+VPh1 = Vdc/2 + Vdc/2*duty1*sin(x) + Vdc*duty1*sin(x-90°)
=> VPhs= Vdc/2 + Vdc*duty1*(sin(x-90°) +1/2*sin(x)) ………(8)
A*sinX+B*sin(X+Y) = C*sin(X+Z) ………(9)
式中、係数Cは以下の通りに計算することができる:
C=sqrt(A2+B2+2*A*B*cos(Y) ………(10)
更に、角度Zは以下の通りに計算することができる:
Z=atan(B*sin(Y)/(A+B*cos(Y)) ………(11)
duty2 = 2.23*duty1
angle θ = 63°
VPh1 =Vdc/2+Vdc/2*duty*sin(x) …………………(12)
VphS =Vdc/2+Vdc/2*2.23*duty*sin(x-63°) …………………(13)
VPh2 =Vdc/2+Vdc/2*duty*sin(x-180°) …………………(14)
式中、dutyは、ACモータの可変周波数動作に対応する相rms電圧と周波数の関係を表わすV/f比である。
組み合わせ
Claims (20)
- AC電動モータと、
少なくとも1つの光電変換パネルと、
電力を前記少なくとも1つの光電変換パネルから受け取り、第2DC電圧を供給するように接続されるDC−DCコンバータと、
前記第2DC電圧を受け取り、AC電力を前記AC電動モータに供給するように接続される可変周波数モータドライブと、
前記第2DC電圧を調節し、最大電力点追尾ファームウェアを使用して前記可変周波数モータドライブの周波数を調整して電力出力を最適化するように構成されるマイクロコントローラと、を備える、システム。 - 前記マイクロコントローラが、前記AC電動モータに供給される前記AC電力の電圧を調整するように更に構成される、請求項1に記載のシステム。
- 前記マイクロコントローラが、前記AC電動モータに供給される前記AC電力の電圧を、前記AC電力の前記電圧が前記AC電力の周波数とともに直線的に増加するよう調整するように構成される、請求項2に記載のシステム。
- 前記マイクロコントローラが、前記ACモータが回転し始めるまで第2DC電圧及び前記AC電力の周波数を漸増させるように適合させたファームウェアを有し、前記マイクロコントローラが、ACモータが回転し始めたことを、前記少なくとも1つの光電変換パネルから受け取る電流の変化を検出することにより認識する、請求項1に記載のシステム。
- 前記最大電力点追尾ファームウェアが、機械読み取り可能な命令を含むことにより、前記少なくとも1つの光電変換パネルから受け取る最大可能電力を探索しながら、また前記第2DC電圧を所定電圧レベルに調節しながら、前記可変周波数モータドライブの周波数を段階的に変化させる、請求項1に記載のシステム。
- 前記最大電力点追尾ファームウェアが、機械読み取り可能な命令を含むことにより、前記第2DC電圧を調整して最大可能電力を前記少なくとも1つの光電変換パネルから取得するとともに、前記ファームウェアが、機械読み取り可能な命令を含むことにより、前記可変周波数ドライブの動作周波数を調整する、請求項1に記載のシステム。
- 前記最大電力点追尾ファームウェアが、前記第2DC電圧を監視して、前記第2DC電圧が減少して所定閾値を下回るようになる場合に、前記可変周波数モータドライブの周波数を減少させるように適合された機械読み取り可能な命令を含む、請求項5に記載のシステム。
- 前記システムが、前記AC電動モータの始動不具合を検出し、前記AC電動モータが始動できない場合に、前記可変周波数モータドライブを再試行時間の間停止し、再試行時間後に、前記AC電動モータの始動を再試行するように構成される、請求項3に記載のシステム。
- 前記システムが、前記AC電動モータを始動させるための再試行回数をカウントし、最大再試行回数をカウントすると、前記可変周波数モータドライブを再試行延長時間の間停止し、前記再試行延長時間後に、前記AC電動モータの始動を再試行するように構成される、請求項8に記載のシステム。
- 前記最大電力点追尾ファームウェアが、機械読み取り可能な命令を含むことにより、前記少なくとも1つの光電変換パネルから受け取る最大可能電力を探索しながら、前記第2DC電圧を、前記可変周波数モータドライブの周波数に比例して増加するレベルに調節しながら、前記可変周波数モータドライブの周波数を段階的に変化させる、請求項1に記載のシステム。
- 前記AC電力が、前記AC電動モータの主巻線に接続される第1相AC電力と、前記AC電動モータの始動用巻線に接続される始動相AC電力と、を含み、前記第1相AC電力及び前記始動相AC電力が、非ゼロの位相シフトだけずれている、請求項1に記載のシステム。
- 前記非ゼロの位相シフトが、58度〜68度、または112度〜122度である、請求項9に記載のシステム。
- 前記AC電力が、前記第1相AC電力の位相から180度ずれた第3相AC電力を更に含み、前記第3相AC電力が、前記始動用巻線及び前記主巻線の両方に接続される、請求項10に記載のシステム。
- 前記AC電力が、前記AC電動モータの主巻線に接続される第1相AC電力と、前記AC電動モータの始動用巻線に接続される始動相AC電力と、を含み、前記第1相AC電力及び前記始動相AC電力が、58度〜68度、または112度〜122度の非ゼロの位相シフトだけずれている、請求項3、4、5、6、7、8、9、又は10に記載のシステム。
- 前記非ゼロの位相シフトが、58度〜68度、または112度〜122度である、請求項9に記載のシステム。
- 第1DC電圧を供給するDC制限電源により給電されるACモータを動作させる方法であって:
前記DC制限電源からの電力を第2DC電圧に変換することと、
前記第2DC電圧からの電力を第1AC周波数のACモータ電圧及び第1AC電圧に変換することと、
前記ACモータ電圧を前記ACモータに供給することと、
前記ACモータの始動を検出することと、
前記ACモータの始動後、電圧及び前記ACモータ電圧の周波数を、最大周波数に達するまで、または前記DC電源の限界に達するまで増加させることとを含む、方法。 - 前記ACモータ電圧が、第1のAC相及び始動用のAC相を含み、前記第1の交流相及び始動用の交流相が、位相が58度〜68度、または112度〜122度だけ異なる、請求項16に記載の方法。
- 前記DC電源の前記限界が、前記DC電源の電圧を前記ACモータ電圧の前記周波数が増加するときに監視し、前記ACモータ電圧の前記周波数が僅かに増加すると、前記DC電源の電圧が所定パーセンテージだけ降下し始めて、所定パーセンテージの電圧降下限界値を超えるようになる時点を判断することにより決定される、請求項17に記載の方法。
- 第1DC電圧を供給するDC制限電源により給電されるACモータを動作させる方法であって:
前記DC制限電源からの電力を第2DC電圧に変換することと、
前記第2DC電圧の電力を第1AC周波数のACモータ電圧及び第1AC電圧に変換することと、
前記ACモータ電圧を前記ACモータに供給することと、
前記ACモータの始動を検出することと、
前記ACモータの始動後、前記ACモータのドライブの前記周波数を変化させて、前記DC制限電圧の最大電力点(MPP)を探索すること、とを含む、方法。 - 前記DC制限電圧が、光電変換パネル及び風力タービンからなる群から選択される装置から供給される、請求項19に記載の方法。
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