JP3712895B2

JP3712895B2 - Mechanical power generation system using solar cells

Info

Publication number: JP3712895B2
Application number: JP21787699A
Authority: JP
Inventors: 照之泉
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1999-07-30
Filing date: 1999-07-30
Publication date: 2005-11-02
Anticipated expiration: 2019-07-30
Also published as: JP2001045796A

Description

【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は、太陽光のエネルギーから交流電力を得て、機械動力を発生させるシステムに関するもので、特に、電動機でほぼ一定回転数で連続運転することに適するシステムに関する。
【０００２】
【背景技術】
太陽電池から得られる電力は気象条件に依存して不安定であるので、太陽電池単独では電力を負荷に対して安定供給できない。そのため、通常は蓄電池を用いて安定化がなされているが、蓄電池を用いることによるコストや保守に問題がある。
したがって、系統連系用インバータを用いて太陽電池と電力系統を連系させる方式が進められている。しかし、系統連系用インバータを用いる方式は、そのインバータが電力系統線につながっているので、それから発生する高周波等により問題を引き起こすことが多い。すなわち、インバータから発生する高周波成分は、インバータと系統線の間に設けられたフィルタで理論的には十分減衰させられるが、実際にはフィルタの巻線間の浮遊容量によって系統線に伝播しやすい。またインバータから発生する高周波が、雑音となり電磁環境を悪くする。また、直流などの低周波成分を低減させるために、インバータのスイッチングに多くの工夫を必要としたり、連系変圧器を用いるなどの対策がとられている。これらの対策が系統連系インバータの価格を上げている。
【０００３】
一方、電気エネルギーの６０〜７０％はモータを通じて機械エネルギーに変換されている。その電気利用の中で、ポンプ負荷のようにほぼ一定の回転数で連続運転される比率も高い。これらの負荷を太陽光の電力で直接に駆動する場合、変動する太陽光電力に対してポンプの負荷動力は所望の量を必要とするので、電力の平衡が取れず、電動機１台では常時運転できない。その対策として、双方向電力フロー機能をもつ変換装置を通じて電力系統と太陽電池を電気的に結合して、電動機を駆動する方法がある。しかし、この双方向性電力変換装置は系統連系インバータの役割を兼ねているので、上述の問題点をはらんでいる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、不規則に変動する太陽光の電力から、安定的に、安価にかつ高周波雑音を散乱させることなく所望の機械動力を得ることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明の太陽電池による機械動力発生システムにおいては、太陽電池と、インバータと、前記インバータと接続した第１の交流回転機および前記第１の交流回転機と回転軸を直結した第２の交流回転機と、前記第１および第２の交流回転機により駆動される機械負荷と、前記インバータに接続され、前記第２の交流回転機と電力系統との接続するための第１のスイッチと、前記太陽電池と電力系統との接続を切り替える第２のスイッチと、前記インバータ、第１のスイッチ、第２のスイッチを制御するコントローラとを備え、前記コントローラにより前記第２のスイッチを電力系統に接続して、前記第１の交流回転機を電力系統により始動し、ほぼ定格回転数となったとき、前記第１のスイッチを投入して前記第２の交流回転機を電力系統により運転し、前記第２のスイッチを太陽電池に接続して、前記第１の交流回転機を太陽電池により駆動するとともに、前記インバータから得られる交流の周波数を制御し、太陽電池から得られる電力を最大とすることを特徴とする。
この構成により、天候によらず機械負荷を始動させることができる。また、曇りや夜間時は第２の交流回転機が電動機として働き機械負荷の動力をまかない、太陽が照ると前記太陽電池の電力で第１の交流回転機を駆動し、機械負荷を分担させて系統電源からの電力を節約するなどして、安定に機械負荷を駆動させることができる。そして、強い日射時に太陽電池の電力が機械負荷以上の電力を発電したときには、第２の交流回転機は発電機として働くので余剰な電力を系統に供給できる。系統が停電している場合でも、第２の交流回転機への励磁電流の供給が止まって発電を停止するので、逆充電現象がおきにくい。
また、インバータが電力系統と直接接続されていないので、高周波による雑音で電磁環境を悪化させない。
交流回転機は、前記コントローラにより、前記インバータから得られる交流の周波数を制御することにより、太陽電池から得られる電力を最大となるようにしているので、前記太陽電池からの電力を有効に利用できる。
【０００６】
前記第１および第２の交流回転機は誘導機とすることにより、安価で堅牢なシステムの構成ができる。
前記第１の交流回転機は誘導機で、前記第２の交流回転機は同期機とすることもできる。この構成では同期機を用いているので、所望の駆動力が一定回転数のもとで得られ、そして無負荷損が小さいので効率がよい。また、太陽光の電力の変動に応じて分担される第２の交流回転機の必要な電力が変わっても、同期機の励磁電流を調節することによって常に力率を１に設定できるために、前期同期機が同期発電機として機能する場合、電力系統に供給する電力の品質を向上できる。
上述の２台の交流回転機を、１台の２固定子を有する誘導機とすることもできる。この構成により、システムを小型化でき、回転軸を合わせる必要がなく、振動も発生しない。
【０００７】
前記コントローラは、モニタ太陽電池により得られるショート電流に比例する電圧により、太陽電池から得られる電力を最大となるように制御することができる。この様に制御することにより、太陽電池から得られる電力が最大となる交流の周波数にするようにインバータを制御している。また、特にシステムの起動時には速やかに太陽電池を最大電力値にできる。
【０００８】
前記コントローラは、前記太陽電池から測定できる電力値を用いて、太陽電池の最大電力点を直接に探索するアルゴリズムを用いて推定し、太陽電池から得られる電力を最大となるように制御する。
そのために、前記モニタ太陽電池を使うことなしに、前記太陽電池から測定できる電力値のみで太陽電池から得られる電力が最大となる交流の周波数にするように、インバータを制御できる。
【０００９】
前記太陽電池から得られる電力が所定値以下の場合は、太陽電池からの電力は用いないで、前記第１の交流回転機を空運転状態にし、第１の交流回転機の無負荷損失を前記第２の交流回転機が負担する必要がなくなり、効率のよい運転ができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、この発明の２台の誘導機を用いた場合のシステム構成を示している。図１において、２台の誘導機Ａ６０と誘導機Ｂ７０とを直結して、この２台でポンプ等の機械的負荷５０を駆動している。誘導機Ａ６０は、汎用インバータ４０を介して太陽電池２０に接続している。誘導機Ｂ７０は電力系統１０に接続している。誘導電動機Ａ６０の回転軸１００と、誘導機Ｂ７０の回転軸１００とは直結されており、動力に関して並列運転している。２台の誘導機の動作は、コンピュータ３５を含むコントローラ３０により制御されている。
【００１１】
この誘導機２台のシステムでは、日射量が小さい場合、誘導機Ｂ７０を電動機として用い、誘導電動機Ａ６０と協力して所望の機械負荷５０を担うことができる。したがって、雨天でも機械負荷５０を運転させ続けることが可能になる。反対に日射量が大きい場合、太陽電池２０の最大発生パワーが機械負荷５０を駆動してもなお余る場合は、誘導機Ｂ７０を発電機として機能させて、余剰パワーを電力系統１０に供給できる。したがって、このシステムは気象条件に無関係に機械負荷５０を連続回転させながら太陽光の電力を無駄なく利用できる。なお、誘導機Ｂ７０を電動機とするか発電機にするかの運転の切り替えは、汎用インバータ４０ヘの指令周波数によって自動的になされる。
【００１２】
以下に、この２台の誘導機によるシステムの動作を詳しく説明する。
コントローラ３０は、モニタ用太陽電池２１からの短絡電流に比例するモニタ電圧Ｖ_m，および太陽電池２０の電流Ｉ_Sと電圧Ｖ_Sの値をＡ／Ｄ変換器３１でデジタル値に変えて入力している。これらの値を用いてコンピュータ３５で制御条件の判断等を行い、その結果でデジタル・アウトプット部３３でスイッチＳＷ１，スイッチＳＷ２を制御するとともに、Ｄ／Ａ変換器３２により汎用インバータ４０への指令周波数ｆ_Aを出力している。
【００１３】
図２は汎用インバータ４０の回路図を示している。図２からもわかるように、この汎用インバータ４０には整流回路が含まれており、ＳＷ２がａ，ｂのどちら側でも（つまり直流、交流にかかわらず）、制御部４２において複数のトランジスタを制御し、コントローラ３０で決められた周波数ｆ_Aの交流の電流に変換している。
【００１４】
コントローラ３０では、太陽電池２０から得られる電力を常に最大にするために、汎用インバータヘの指令周波数ｆ_Aを決定する。一定の機械出力Ｐ_Mを得るために太陽光のエネルギーを最大限に利用できるような周波数ｆ_Aを決めるには、太陽電池２０の電力Ｐ_Sが太陽電池の発生しうる最大電力Ｐ_S ^*に等しくなるようにすればよい。最大電力Ｐ_S ^*は、モニタ用太陽電池２１の短絡電流に比例するモニタ電圧Ｖ_mから、太陽電池２０の実電力Ｐ_Sは実電流Ｉ_Sと実電圧Ｖ_Sから求められる。
【００１５】
さて、太陽電池から最大電力Ｐ_s ^*を得ることができる周波数ｆ_Aを計算する。三相誘導機の一相当たりの入力電圧をＶ、周波数をｆ、一次巻線抵抗をｒ₁、等価二次巻線抵抗をｒ₂、極対数をｐ、滑りをｓ、軸出力をＰとする。回転機Ａ，Ｂに対してこれらの記号を識別するためにそれぞれ添字Ａ，Ｂを付ける。そして、これらを用いて太陽光の電力Ｐ_Sを有効に利用しながら一定の機械出力Ｐ_M(ｎ)を得るためのインバータの周波数ｆ_Aを求める。誘導機Ａが周波数ｆ_Aのインバータで駆動されるとき、滑りｓ_Aは、回転子の１秒当たりの回転数をｎとすると、
【数１】
ｓ_A＝（ｆ_A−ｐ_Aｎ）／ｆ_A
で定義される。ｓ_Aが小さいときのＡ機の出力は、
【数２】
Ｐ_A＝３（Ｖ_A ²／ｒ_2A）・ｓ_A（１−ｓ_A）
で表される。
【００１６】
一方、誘導機の損失は、無負荷損と負荷損とからなる。前者は、機械損を無視すると、鉄損と励磁電流による一次巻線抵抗損の和であり、Ｌ_0Aとする。後者は、負荷電流による二次巻線抵抗損｛ｓ_A／（１−ｓ_A）｝Ｐ_Aと一次巻線抵抗損（ｒ_1A／ｒ_2A）｛ｓ_A／（１−ｓ_A）｝Ｐ_Aの和である。したがって、Ａ機の入力電力Ｗ_Aは次式で表される。
【数３】

太陽光の電力Ａは、インバータの損失をＬ_Iとすると、次のようにＡ機の入力電力と平衡する。
【数４】
Ｐ_S＝Ｗ_A＋Ｌ_I
Ｌ_0Aは、誘導機の入力電圧や周波数の関数であるが、本方法におけるそれらの変動範囲は小さいので、簡単のために一定とみなす。また、Ｌ_Iも、負荷によって少し変わるがそれ自身小さいので、定数とする。この仮定のもとで、数２〜４よりｓ_Aを求めると、
【数５】

が導かれる。
【００１７】
機械的負荷の所要動力Ｐ_M（ｎ）は、誘導機Ａ，Ｂの出力の和に等しい。したがって、Ｐ_Bが数２と同様に表されるので、
【数６】

となる。Ａ機とＢ機は機械的に直結されているので、Ｂ機の回転数もｎである。したがって、数１と同様なｓ_Bを求め、粘性摩擦を伴う機械的負荷の速度出力特性の一般的な式
【数７】
Ｐ_M（ｎ）＝Ｐ₀＋Ｐ₁ｎ＋Ｐ₂ｎ²＋Ｐ₃ｎ³
（ただしＰ_i（ｉ＝０，１，２，３）は負荷によって決まる定数）
を数６に代入して整理すれば、
【数８】

が導かれる。
【００１８】
これはｆ_Aに関する三次代数方程式であるから、その解を簡単な式で表現できない。しかし、ｓ_A，ｒ_2A／Ｖ_A ²，ｒ_2B／Ｖ_B ²などが１に比べて非常に小さいので、数８の解は、Taylor展開して高次項を無視すれば次式で表される。
【数９】

さらに、誘導機の損失である無負荷損Ｌ_0A（鉄損と励磁電流による一次巻線抵抗損の和）と負荷損Ｌ_I（負荷電流による二次巻線抵抗損と一次巻線抵抗損の和）はＰ_Sと比べて無視し、Ｐ₀＋（ｆ_B／ｐ_B）Ｐ₁＋…＝Ｐ_Mとすると、汎用インバータへ４０の指令周波数ｆ_Aは次の式で表せる。
【数１０】

この式により、指令周波数ｆ_Aをコントローラ３０により計算することができる。
【００１９】
さて、図１に示されている２台の誘導機のシステムの始動等のコントローラによる制御を、図３のフローチャートを用いて説明する。
スイッチＳＷ１，ＳＷ２が開放されている状態でシステムを始動する。
次にコントローラ３０がスイッチＳＷ２をｂ側（電力系統側）に投入して、電力系統１０の電力で誘導機Ａ６０を始動する（Ｓ３０）。コントローラ３０はその発生周波数ｆ_Aを徐々に増加して、誘導電動機Ａ６０を起動させ、汎用インバータ４０への指令周波数ｆ_Aを電力系統１０の周波数ｆ_Bに近づける（Ｓ４０，５０）。
指令周波数ｆ_Aが電力系統１０の電源周波数ｆ_Bとほぼ等しくなったとき（Ｓ５０でＹＥＳ）、コントローラ３０は、スイッチＳＷ１を閉じ、ＳＷ２を開放する（Ｓ６０）。これにより、誘導機Ｂ７０は電力系統１０の電力で、電動機として機械負荷を駆動する。
【００２０】
コントローラ３０は、モニタ用太陽電池２１の短絡電流に比例するモニタ電圧Ｖ_mから太陽電池の最大出力値Ｐ_S ^*を算出し、その値が所定値以上の場合（Ｓ８０でＮＯ）、スイッチＳＷ２をａ側に接続し（Ｓ１００）、周波数ｆ_Aを上述の数１０の式を用いて、数１０の式のＰ_sに太陽電池の最大出力値Ｐ_S ^*を代入して算出し（Ｓ１０５）、指令周波数ｆ_Aを出力して（Ｓ１１０）、太陽電池の電力により誘導機Ａ６０を駆動する。この後、太陽電池の最大出力電力値Ｐ_S ^*が所定値以上の場合は、コントローラ３０からの指令周波数により、誘導機Ａ６０を運転する。このとき、太陽電池からのエネルギー（電力）を最大に出力することができる周波数により誘導機Ａ６０を運転している。
太陽電池からの最大出力電力値Ｐ_S ^*が所定値以下の場合（Ｓ８０でＹＥＳ）は、スイッチ２を開放として（Ｓ９０）、誘導機Ａ６０に対して太陽電池からの電力供給を停止し、電力系統からの電力のみで誘導機Ｂ７０を運転することにより、機械負荷５０を駆動する。
【００２１】
図４は、図３のフローチャートのＳ７０以下の流れの結果を示すグラフである。図４中のＰ_S ^*は太陽電池が日射量に応じて発生できる最大電力を、Ｐ_Sは太陽電池が実際に供給している実電力を、Ｗ_Bは電力計で測定したＢ機の入力電力を、Ｐ_Mは機械負荷が消費する動力をそれぞれ示している。
図４の中で示すStart時にＰ_s ^*が所定値以上なので、太陽電池がインバータに接続され、太陽電池の実電力Ｐ_Sが速やかに最大電力値に至っている。その後、天気変動によりＰ_S ^*が大きく変化するのに応じて、コントローラによってＰ_Sがよく追従させられていることがわかる。Ｂ機の入力電力Ｗ_Bは、Ｐ_S＞Ｐ_Mの場合、負となりＢ機が発電機になっていることを示す。入力電力Ｗ_BはＰ_Sと逆方向に変化し、結果として機械負荷量Ｐ_Mを一定に保っている。途中、日射量が激減してＰ_S ^*が所定値以下になると、スイッチ２を自動的に開放して、Ａ機を空運転状態にする。これによって、Ａ機の無負荷損失をＢ機が負担する必要がなくなり、効率良い運転が可能となる。
【００２２】
上述の説明では、モニタ用太陽電池２１からのＶ_mから最大電力Ｐ_s ^*を得て、これによりシステムを制御している。太陽電池２０から測定できる電力値を用いて、太陽電池２０の最大電力点を推定し、これにより制御することもできる。太陽電池２０の最大電力点を求めるために、放物線近似法による直接探索アルゴリズムを使用する。このアルゴリズムの初期値として、数１０のｆ_Aを用い、周波数をｆ_A1＝ｆ_A，ｆ_A2＝ｆ_A＋Δｆ_A，ｆ_A3＝ｆ_A＋２Δｆ_Aの３点におけるそれぞれの電力Ｐ_S1，Ｐ_S2，Ｐ_S3を測定して、次式よりＰ_Sが最大となる新しいｆ_Aを推定するものである。
【数１１】

なお、Ｐ_Sの測定誤差によって、ｆ_Aが最適周波数から大幅に離れないように数１１の右辺第２項にはある上限を設けている。以上の繰り返しによって最大電力点に到達し、その点近傍を保持できる。
【００２３】
図１において、誘導機Ａ６０と誘導機Ｂ７０の代わりに２固定子誘導機１台を用いても同じことができる。２固定子誘導機を用いる場合、装置が小型になり、かつ、回転軸１００を合わせる必要がなく、振動も発生しない利点がある。また、図１において誘導機Ｂ７０の代わりに同期機を用いても同じことができる。同期機を用いる場合、無負荷損が小さいので効率が高まり、また、力率調整も可能になるので電力系統に供給する電力の品質が向上する。
【００２４】
【発明の効果】
この発明は、安価な汎用インバータと誘導機を用いることができるので、システムが低価格で実現できる。また、太陽電池に接続した電動機と電力系統に接続した電動機の２台の電動機を用いているので、日射量に無関係に所望の機械動力を安定的に発生できる。インバータは始動時のみ電力系統と接続されているので高周波雑音による電磁環境を悪化させない。また、電力系統が停電した場合、系統に接続されている電動機への励磁電流の供給が止まって発電を停止するので、逆充電現象が起きない。
【図面の簡単な説明】
【図１】２台の誘導機を用いた本発明の構成例を示すブロック図である。
【図２】図１におけるインバータの回路図である。
【図３】本発明の実施形態の制御を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態の定常状態における運転状況を示すグラフである。
【符号の説明】
１０電力系統
２０太陽電池
２１モニタ用太陽電池
３０コントローラ
３１Ａ／Ｄ変換器
３２Ｄ／Ａ変換器
３３デジタル・アウトプット部
３５コンピュータ
４０汎用インバータ
４２制御部
５０機械負荷
６０誘導電動機Ａ
７０誘導機Ｂ
１００回転軸
ＳＷ１スイッチ
ＳＷ２スイッチ[0001]
[Field of the Invention]
The present invention relates to a system that obtains AC power from sunlight energy and generates mechanical power, and more particularly, to a system that is suitable for continuous operation at a substantially constant rotation speed with an electric motor.
[0002]
[Background]
Since the electric power obtained from the solar cell is unstable depending on weather conditions, the solar cell alone cannot stably supply electric power to the load. Therefore, although stabilization is usually performed using a storage battery, there are problems in cost and maintenance due to the use of the storage battery.
Therefore, the system which connects a solar cell and an electric power system using the grid connection inverter is advanced. However, the system using the grid interconnection inverter often causes problems due to high frequency generated from the inverter connected to the power system line. In other words, the high frequency component generated from the inverter is theoretically sufficiently attenuated by the filter provided between the inverter and the system line, but in reality, it is easily propagated to the system line due to the stray capacitance between the filter windings. . Moreover, the high frequency generated from the inverter becomes noise and deteriorates the electromagnetic environment. Further, in order to reduce low frequency components such as direct current, measures are taken such as requiring many devices for switching the inverter and using an interconnection transformer. These measures increase the price of grid-connected inverters.
[0003]
On the other hand, 60 to 70% of electric energy is converted into mechanical energy through a motor. Among the electricity usage, the ratio of continuous operation at a substantially constant rotational speed, such as a pump load, is also high. When these loads are directly driven by solar power, the pump load power requires a desired amount with respect to fluctuating solar power, so that the power balance cannot be achieved and one motor is always operated. Can not. As a countermeasure, there is a method of driving an electric motor by electrically coupling a power system and a solar cell through a converter having a bidirectional power flow function. However, since this bidirectional power converter also serves as a grid-connected inverter, it has the above-mentioned problems.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to obtain desired mechanical power from irregularly varying sunlight power stably and inexpensively without scattering high-frequency noise.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, in the mechanical power generation system using solar cells according to the present invention, a solar cell, an inverter, a first AC rotating machine connected to the inverter, the first AC rotating machine, and a rotating shaft are provided. A second AC rotating machine directly connected, a mechanical load driven by the first and second AC rotating machines, and connected to the inverter for connecting the second AC rotating machine and the power system A first switch; a second switch that switches connection between the solar cell and the power system; and a controller that controls the inverter, the first switch, and the second switch, and the controller controls the second switch. A switch is connected to the electric power system, and the first AC rotating machine is started by the electric power system. The AC rotary machine is operated by the electric power system, by connecting the second switch to solar cells, to drive the solar cell the first AC rotating machine, to control the frequency of the alternating current derived from said inverter, It is characterized by maximizing the electric power obtained from the solar cell .
With this configuration, the mechanical load can be started regardless of the weather. In addition, when it is cloudy or at night, the second AC rotating machine works as an electric motor and does not power the mechanical load. When the sun shines, the first AC rotating machine is driven by the power of the solar cell to share the mechanical load. The mechanical load can be driven stably by saving power from the system power supply. And when the electric power of a solar cell generates electric power more than a mechanical load at the time of strong solar radiation, since the 2nd AC rotating machine works as a generator, it can supply surplus electric power to a system. Even when the system has a power failure, the supply of excitation current to the second AC rotating machine stops and power generation is stopped, so that the reverse charging phenomenon is unlikely to occur.
Moreover, since the inverter is not directly connected to the power system, the electromagnetic environment is not deteriorated by noise due to high frequency.
The AC rotating machine controls the frequency of the AC obtained from the inverter by the controller so as to maximize the power obtained from the solar cell, so that the power from the solar cell can be used effectively. .
[0006]
By using the first and second AC rotating machines as induction machines, an inexpensive and robust system can be configured.
The first AC rotating machine may be an induction machine, and the second AC rotating machine may be a synchronous machine. Since a synchronous machine is used in this configuration, a desired driving force can be obtained at a constant rotational speed, and the no-load loss is small, so that the efficiency is high. In addition, even if the necessary power of the second AC rotating machine shared according to the fluctuation of solar power changes, the power factor can always be set to 1 by adjusting the excitation current of the synchronous machine. When the first half synchronous machine functions as a synchronous generator, the quality of power supplied to the power system can be improved.
The two AC rotating machines described above can also be an induction machine having one two stators. With this configuration, the system can be miniaturized, the rotation axis does not need to be matched, and vibration does not occur.
[0007]
The controller can control the electric power obtained from the solar cell to a maximum by a voltage proportional to the short current obtained from the monitor solar cell. By controlling in this way, the inverter is controlled so as to obtain an AC frequency that maximizes the electric power obtained from the solar cell. In particular, the solar cell can be quickly brought to the maximum power value when the system is started.
[0008]
The controller estimates using a power value that can be measured from the solar cell using an algorithm that directly searches for the maximum power point of the solar cell, and controls the electric power obtained from the solar cell to be maximum.
Therefore, without using the monitor solar cell, the inverter can be controlled so that only the power value that can be measured from the solar cell has an AC frequency that maximizes the power obtained from the solar cell.
[0009]
When the electric power obtained from the solar cell is equal to or less than a predetermined value, the electric power from the solar cell is not used, the first AC rotating machine is set in an idle operation state, and the no-load loss of the first AC rotating machine is reduced. The second AC rotating machine does not need to be burdened, and efficient operation can be performed.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a system configuration when two induction machines of the present invention are used. In FIG. 1, two induction machines A60 and B70 are directly connected, and a mechanical load 50 such as a pump is driven by these two machines. The induction machine A60 is connected to the solar cell 20 via the general-purpose inverter 40. The induction machine B70 is connected to the power system 10. The rotating shaft 100 of the induction motor A60 and the rotating shaft 100 of the induction machine B70 are directly connected, and are operated in parallel with respect to power. The operations of the two induction machines are controlled by a controller 30 including a computer 35.
[0011]
In this system of two induction machines, when the amount of solar radiation is small, the induction machine B70 can be used as an electric motor, and the desired mechanical load 50 can be taken in cooperation with the induction motor A60. Therefore, it is possible to continue operating the mechanical load 50 even in rainy weather. On the other hand, when the amount of solar radiation is large, if the maximum generated power of the solar cell 20 still remains after driving the mechanical load 50, the surplus power can be supplied to the power system 10 by causing the induction machine B70 to function as a generator. Therefore, this system can use the electric power of sunlight without waste while continuously rotating the mechanical load 50 regardless of weather conditions. The operation switching between the induction machine B70 as an electric motor or a generator is automatically performed according to a command frequency to the general-purpose inverter 40.
[0012]
The operation of the system using these two induction machines will be described in detail below.
The controller 30 inputs the monitor voltage V _m proportional to the short-circuit current from the monitoring solar cell 21 and the values of the current I _S and voltage V _S of the solar cell 20 into digital values by the A / D converter 31. ing. Using these values, the computer 35 determines the control conditions, and as a result, the digital output unit 33 controls the switches SW1 and SW2, and the D / A converter 32 instructs the general-purpose inverter 40. The frequency f _A is output.
[0013]
FIG. 2 shows a circuit diagram of the general-purpose inverter 40. As can be seen from FIG. 2, the general-purpose inverter 40 includes a rectifier circuit, and controls a plurality of transistors in the control unit 42 regardless of whether SW2 is a or b (that is, regardless of direct current or alternating current). Then, it is converted into an alternating current having a frequency f _A determined by the controller 30.
[0014]
In the controller 30, in order to always maximize the power obtained from the solar cell 20, determines the command frequency f _A of the general-purpose inverter f. In order to determine the frequency f _{A at} which the energy of sunlight can be utilized to obtain a constant mechanical output P _M , the power P _S of the solar cell 20 is changed to the maximum power P _S ^* that can be generated by the solar cell. What is necessary is just to make it equal. The maximum power P _S ^* is obtained from the monitor voltage V _m proportional to the short-circuit current of the monitoring solar cell 21, and the actual power P _S of the solar cell 20 is obtained from the actual current I _S and the actual voltage V _S.
[0015]
Now, the frequency f _{A at} which the maximum power P _s ^* can be obtained from the solar cell is calculated. The input voltage per phase of the three-phase induction machine is V, the frequency is f, the primary winding resistance is r ₁ , the equivalent secondary winding resistance is r ₂ , the number of pole pairs is p, the slip is s, and the shaft output is P To do. Subscripts A and B are attached to the rotating machines A and B to identify these symbols, respectively. Then, using these, the inverter frequency f _A for obtaining a constant mechanical output P _M (n) is obtained while effectively using the solar power P _S. When the induction machine A is driven by an inverter having a frequency f _A , the slip s _A is given by assuming that the number of rotations of the rotor per second is n.
[Expression 1]
s _A = (f _A −p _A n) / f _A
Defined by The output of Aircraft A when s _A is small is
[Expression 2]
P _A = 3 (V _A ² / r _2A ) · s _A (1−s _A )
It is represented by
[0016]
On the other hand, the loss of the induction machine consists of no-load loss and load loss. The former is the sum of iron loss and primary winding resistance loss due to exciting current, if mechanical loss is ignored, and is L _0A . The latter includes secondary winding resistance loss {s _A / (1−s _A )} P _A and primary winding resistance loss (r _1A / r _2A ) {s _A / (1−s _A )} P due to load current. The sum of _A. Therefore, the input power W _A of the A machine is expressed by the following equation.
[Equation 3]

The solar power A is balanced with the input power of the A machine as follows, where L _I is the inverter loss.
[Expression 4]
P _S = W _A + L _I
L _0A is a function of the input voltage and frequency of the induction machine, but since the fluctuation range thereof in this method is small, it is regarded as constant for simplicity. Also, L _I is a constant because it varies slightly depending on the load, but is itself small. Under this assumption, s _A is obtained from Equations 2-4.
[Equation 5]

Is guided.
[0017]
The required power P _M (n) of the mechanical load is equal to the sum of the outputs of the induction machines A and B. Therefore, since P _B is expressed in the same manner as Equation 2,
[Formula 6]

It becomes. Since the A machine and the B machine are mechanically connected directly, the rotation speed of the B machine is n. Therefore, s _B similar to Equation 1 is obtained, and a general expression for the speed output characteristics of a mechanical load with viscous friction is given by
P _M (n) = P ₀ + P ₁ n + P ₂ n ² + P ₃ n ³
(Where P _i (i = 0, 1, 2, 3) is a constant determined by the load)
Substituting into Equation 6 and rearranging,
[Equation 8]

Is guided.
[0018]
Since this is a third-order algebraic equation concerning f _A , the solution cannot be expressed by a simple expression. However, since s _A , r _2A / V _A ² , r _2B / V _B ^2, etc. are very small compared to 1, the equation (8) can be expressed by the following equation if Taylor expansion is performed and high-order terms are ignored. The
[Equation 9]

Furthermore, the no-load loss L _0A (the sum of the iron loss and the primary winding resistance loss due to the excitation current) and the load loss L _I (the secondary winding resistance loss and the primary winding resistance loss due to the load current) are the losses of the induction machine. sum) is negligible compared with P _S, the _{_{P 0 + (f B / p}} B) P 1 + ... = a P _M, command frequency f _a of 40 to the general-purpose inverter is expressed by the following equation.
[Expression 10]

From this equation, the command frequency f _A can be calculated by the controller 30.
[0019]
Now, control by the controller such as starting the system of the two induction machines shown in FIG. 1 will be described with reference to the flowchart of FIG.
The system is started with the switches SW1 and SW2 open.
Next, the controller 30 turns on the switch SW2 to the b side (power system side), and starts the induction machine A60 with the power of the power system 10 (S30). Controller 30 gradually increases the generated frequency f _A, the induction motor A60 is activated, close the command frequency f _A to the general inverter 40 to the frequency f _B of the power system 10 (S40,50).
When the command frequency f _A becomes substantially equal to the power frequency f _B of the power system 10 (YES at S50), the controller 30 closes the switch SW1, to open the SW2 (S60). Thereby, induction machine B70 drives a mechanical load as an electric motor with electric power of electric power system 10.
[0020]
The controller 30 calculates the maximum output value P _S ^* of the solar cell from the monitor voltage V _m proportional to the short-circuit current of the monitoring solar cell 21, and if the value is equal to or greater than a predetermined value (NO in S80), the switch SW2 is set. connected to the a side (S100), the frequency f _A is calculated by substituting the maximum output value P _S ^* of the solar cell into P _s in the formula 10 using the above formula 10 (S105), The command frequency f _A is output (S110), and the induction machine A60 is driven by the power of the solar battery. Thereafter, when the maximum output power value P _S ^{* of} the solar cell is equal to or greater than a predetermined value, the induction machine A60 is operated at a command frequency from the controller 30. At this time, the induction machine A60 is operated at a frequency at which the energy (power) from the solar cell can be output to the maximum.
When the maximum output power value P _S ^* from the solar cell is equal to or less than the predetermined value (YES in S80), the switch 2 is opened (S90), the power supply from the solar cell to the induction machine A60 is stopped, and the power The mechanical load 50 is driven by operating the induction machine B70 only with electric power from the system.
[0021]
FIG. 4 is a graph showing the result of the flow after S70 in the flowchart of FIG. The maximum power P _S ^* is the solar cell can be generated according to the amount of solar radiation in FIG 4, P _S is the actual power that is actually supplied solar cell, W _B input of aircraft B as measured by power meter power, P _M represents the power machine load consumes respectively.
Since Start at P _s ^* shown in Figure 4, such a predetermined value or more, the solar cell is connected to the inverter, real power P _S of the solar cell is reached quickly maximum power value. After that, it can be seen that P _S is well followed by the controller as P _S ^* changes greatly due to weather fluctuations. Input power W _B of B machine, if the P _S> P _M, indicating that the negative and becomes B machine is in generator. The input power W _B changes in the opposite direction to P _S, and as a result, the mechanical load P _M is kept constant. In the middle, if the amount of solar radiation decreases drastically and P _S ^* falls below a predetermined value, the switch 2 is automatically opened to put the Aircraft A into the idling state. This eliminates the need for Aircraft B to bear the no-load loss of Aircraft A, and enables efficient operation.
[0022]
In the above description, the maximum power P _s ^* is obtained from V _m from the monitoring solar cell 21, thereby controlling the system. Using the power value that can be measured from the solar cell 20, the maximum power point of the solar cell 20 can be estimated and controlled. In order to obtain the maximum power point of the solar cell 20, a direct search algorithm using a parabolic approximation method is used. As the initial value of this algorithm, using a number 10 of f _A, the frequency _{_{_{f A1 = f A, f A2}}} = f A + Δf A, f A3 = f A + 2Δf respective power P _S1 at three points _A, P _S2 , P _S3 is measured, and a new f _A that maximizes P _S is estimated from the following equation.
[Expression 11]

Note that a certain upper limit is set in the second term on the right side of Equation 11 so that f _A does not deviate significantly from the optimum frequency due to the measurement error of P _S. By repeating the above, the maximum power point is reached and the vicinity of the point can be maintained.
[0023]
In FIG. 1, the same can be achieved by using one two-stator induction machine instead of induction machine A60 and induction machine B70. When the two-stator induction machine is used, there is an advantage that the apparatus becomes small in size, and it is not necessary to match the rotating shaft 100 and no vibration is generated. Further, the same can be achieved by using a synchronous machine instead of the induction machine B70 in FIG. When the synchronous machine is used, the efficiency increases because the no-load loss is small, and the power factor can be adjusted, so that the quality of the power supplied to the power system is improved.
[0024]
【The invention's effect】
Since this invention can use an inexpensive general-purpose inverter and induction machine, the system can be realized at a low price. Further, since two electric motors, that is, an electric motor connected to the solar battery and an electric motor connected to the electric power system are used, desired mechanical power can be stably generated regardless of the amount of solar radiation. Since the inverter is connected to the power system only at the time of starting, the electromagnetic environment due to high frequency noise is not deteriorated. Also, when the power system fails, the supply of excitation current to the motor connected to the system stops and power generation stops, so that the reverse charging phenomenon does not occur.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of the present invention using two induction machines.
FIG. 2 is a circuit diagram of the inverter in FIG.
FIG. 3 is a flowchart showing the control of the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing an operation state in a steady state according to the embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Electric power system 20 Solar cell 21 Solar cell for monitoring 30 Controller 31 A / D converter 32 D / A converter 33 Digital output part 35 Computer 40 General-purpose inverter 42 Control part 50 Mechanical load 60 Induction motor A
70 induction machine B
100 Rotation axis SW1 switch SW2 switch

Claims

A mechanical power generation system using solar cells,
Solar cells,
An inverter;
A first AC rotating machine connected to the inverter and a second AC rotating machine directly connected to the first AC rotating machine and a rotation shaft;
A mechanical load driven by the first and second AC rotating machines;
A first switch for connecting the second AC rotating machine and the power system;
A second switch connected to the inverter and for switching the connection between the solar cell and the power system;
A controller for controlling the inverter, the first switch, and the second switch;
By the controller , the second switch is connected to the power system, the first AC rotating machine is started by the power system, and when the rated rotation speed is almost reached, the first switch is turned on and the The second AC rotating machine is operated by an electric power system, the second switch is connected to a solar cell, the first AC rotating machine is driven by the solar cell , and the AC frequency obtained from the inverter is set. Control
A mechanical power generation system using a solar cell, wherein the electric power obtained from the solar cell is maximized .

2. The mechanical power generation system according to claim 1, wherein the first and second AC rotating machines are induction machines.

2. The mechanical power generation system according to claim 1, wherein the first AC rotating machine is an induction machine and the second AC rotating machine is a synchronous machine.

A mechanical power generation system using solar cells,
Solar cells,
An inverter;
A two-stator induction machine having a first stator connected to the inverter and the second stator;
A mechanical load driven by the two-stator induction machine;
A second switch connected to the inverter and for switching the connection between the solar cell and the power system;
A first switch for connecting the second stator and the power system;
A controller for controlling the inverter, the first switch, and the second switch;
By the controller, said second switch connected to the power grid, the 2 start by stator induction machine power system, when nearly a rated rotational speed, said charged with the first switch 2 The stator induction machine is operated by an electric power system, the second switch is connected to a solar battery, the two stator induction machine is driven by the solar battery, and the AC frequency obtained from the inverter is controlled. ,
A mechanical power generation system characterized by maximizing the electric power obtained from a solar cell .

In the mechanical power generation system by the solar cell in any one of Claims 1-4 ,
The controller controls the electric power obtained from the solar cell to be maximized by a voltage proportional to a short current obtained from the monitor solar cell.

In the mechanical power generation system by the solar cell in any one of Claims 1-4 ,
The controller uses a power value that can be measured from the solar cell, estimates using an algorithm that searches for the maximum power point of the solar cell, and controls the power obtained from the solar cell to be maximum. Machine power generation system.

In mechanical power generation system according to the solar cell according to claim 1,
When the electric power obtained from the solar cell is a predetermined value or less, the electric power from the solar cell is not used.