JP4201104B2 - ソーラポンプシステム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池を独立型の電源として用いて、例えば商用電源の届いていない遠隔地等での飲料水給水等に使用されるソーラポンプシステムに関し、特に太陽電池とその負荷であるコントローラ及びポンプ・モータとのインピーダンスマッチングが最適となるようにして運転するようにしたソーラポンプシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
太陽電池は、図４に示すように、日射量（日射強度）の変化に対応して電流出力Ｉと電圧出力Ｖが変化するＩ−Ｖ特性を持っている。また、同様な出力特性の変化が太陽電池素子温度の変化によっても起こる。一方、太陽電池に接続される負荷が、例えばモータで駆動される渦巻きポンプの場合、渦巻きポンプは、その運転点（バルブ開度）によって必要トルクが変化するため、図５に示すように、右上がりで、ある幅を有するＩ−Ｖ特性を持つ。このＩ−Ｖ特性の下限のラインは、ほぼバルブ締切り時の特性を、Ｉ−Ｖ特性の上限のラインは、ほぼバルブ全開時の最大出力点での特性を示している。
【０００３】
従って、太陽電池の出力端子にモータで駆動される渦巻きポンプを直接接続すると、このシステムの動作点は、図６で示す太陽電池のＩ−Ｖ特性と渦巻きポンプのＩ−Ｖ特性の交点となる。このような場合は、システムが太陽電池の最大出力点から離れた点で動作し、効率の悪いシステムとなってしまう。
【０００４】
このようなシステムの動作効率を高めるため、太陽電池とその負荷との間に最大電力点追跡装置と呼ばれる制御装置（コントローラ）を置き、日射条件や太陽電池の素子温度条件の変化に関わらず、太陽電池負荷と太陽電池のマッチング点が太陽電池の最大出力点に一致するように制御することが一般に行われている。
【０００５】
図７は、太陽電池とその負荷との間にコントローラ（最大電力点追跡装置）を置いた従来例を示す。このコントローラは、太陽電池１とその負荷２との間に設けられるＤＣ−ＤＣ電圧調整器３と、太陽電池１の出力電圧Ｖと出力電流Ｉをそれぞれ検出する分圧器４と分流器５とを備え、ＤＣ−ＤＣ電圧調整器３のスイッチングデューティを変化させることで、これらの電圧Ｖ及び電流Ｉを周期的に微小変動させ、その電圧の変動率ΔＶ／Ｖと電流の変動率ΔＩ／Ｉとを比較し、これらの変動率が等しくなる点を太陽電池１の最大電力点として太陽電池１の最大電力点追跡制御を行うようにしている。
【０００６】
図８は、太陽電池とその負荷との間にコントローラを置いた他の従来例を示す。このコントローラは、太陽電池１とその負荷２との間に設けられるＤＣ−ＤＣ電圧調整器（コンバータ）３と、太陽電池１の出力側に設けられる電圧検出部７及び電流検出部８と、これら検出部７，８からの信号から電圧・電流の積を演算して電力値を検出する乗算器９とを備え、この電力値が最大となるようにして太陽電池１の最大電力点追跡制御を行うようにしている。すなわち、図７の例では電力値そのものの演算を行わずに最大電力点を追跡しているのに対し、この例では乗算器９を用いて直接電力値を検出して最大電力点を追跡するようにしている。
【０００７】
上述のように、従来の太陽電池とその負荷との間に置かれるコントローラは、インバータやＤＣ−ＤＣコンバータといった変換器を制御することによって太陽電池負荷のインピーダンスを太陽電池出力の最大出力点とマッチングさせるようにしたもので、その追跡手法としては様々なものが提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の太陽電池とその負荷との間に置かれるコントローラにあっては、例えば太陽電池の出力電圧と出力電流を検出する検出部を備え、これら検出部からの信号に基づいて電力演算を行ったり、或いは太陽電池の出力電流と出力電圧の変動率を演算して比較するようにしていたため、コントローラの大型化とコストアップに繋がってしまうといった問題があった。つまり、コントローラの小型化やコストダウンのためには、これらの余分な検出部等を備えることなく、最大電力点追跡制御を行えるようにすることが望ましいが、これらの要求に応えることができないのが現状であった。
【０００９】
ここで、太陽電池を電源として直流モータでポンプを駆動するようなソーラポンプシステムでは、ポンプ用モータとして、三相誘導モータやブラシレス直流モータを使用する場合が多い。いずれのモータの場合でも、インバータまたはそれと同一の構成であるコントローラを用いる必要がある。これらのコントローラは、太陽電池システム以外の用途で低コストの汎用品が発売され多用されている。従って、太陽電池を電源とするソーラポンプシステムにおいても、これら汎用品のコンポーネントが流用できれば、コントローラの価格低減に大きな効果がある。
【００１０】
本発明は、上記に鑑みて為されたもので、太陽電池の出力電圧や出力電流を検出することなく、最大電力点追跡制御が行えるようにしたソーラポンプシステムを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、太陽電池を電源として直流モータで駆動されるポンプと、日射によって変化する前記太陽電池の発電量に応じて前記直流モータの回転速度を制御するコントローラとを備えたソーラポンプシステムにおいて、前記コントローラは、前記直流モータの運転電流と回転速度を検出する機能を備え、該運転電流と回転速度の積が最大となる運転点を追跡或いは探求して前記直流モータの回転速度を制御することを特徴とするソーラポンプシステムである。
【００１２】
これにより、太陽電池の最大出力点を直接検出するのではなく、直流モータの出力演算に必要なパラメータを検出し、直流モータの出力が最大になるようにすることで、最大電力点追跡制御を行うことができる。つまり、ポンプ用モータとして、永久界磁型ブラシレス直流モータを使用し、ωを回転角速度、Ｋ_Ｔをトルク定数、Ｉを電機子電流とすると、一般に直流モータの出力Ｐ_Ｏは、Ｐ_Ｏ＝Ｋ_Ｔ・ω・Ｉで表すことができる。このうち、Ｋ_Ｔは定数なので、結局〔ω・Ｉ〕、すなわち直流モータの回転速度と該モータの運転電流の積によって直流モータの出力が監視できることとなる。
【００１３】
ここで、汎用のインバータは、一般に回転速度と電流を常時モニターできるように構成されているので、上述の〔ω・Ｉ〕をモニターする方式で最大電力点追跡制御を行うようにすると、制御回路基板を変更することなく、ソーラポンプシステム用にも使用することができる。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、前記コントローラは、運転電流と回転速度の積を演算し記憶して、この演算値を一定時間毎に前回の演算値と比較し、この比較結果を基に前記直流モータの回転速度を制御することを特徴とする請求項１記載のソーラポンプシステムである。
請求項３に記載の発明は、前記コントローラを汎用のインバータと共通化したことを特徴とする請求項１または２記載のソーラポンプシステムである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１乃至図３を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態のソーラポンプシステムの全体構成を示す。このソーラポンプシステムは、電源としての太陽電池１０と、この太陽電池１０の直流出力を交流電圧に変換するコントローラ１２と、このコントローラ１２で変換された交流電圧で駆動されるブラシレス直流モータ１４とを備え、この直流モータ１４にポンプ１６が連結されて該モータ１４の回転に伴ってポンプ１６が駆動するようになっている。コントローラ１２は、例えば、一般のインバータと同様なパワー回路構成を有している。
【００１６】
図２は、コントローラ１２及び直流モータ１４の基本構成を示す。このコントローラ１２は、位置センサレスのブラシレス直流モータ１４を駆動するものであり、スイッチング素子部２０、スイッチング素子部２０のスイッチング制御を行うゲートドライブ部２２、ゲートドライブ部２２の制御や幾つかの保護制御のためのＰＷＭ生成部２４及び速度制御部２５、最大電力点追跡制御部２６及び速度指令設定部２７から主に構成されている。
【００１７】
直流モータ１４は、三相結線された３つの固定子巻線３０と、この固定子巻線３０が発生する磁界により回転駆動される永久磁石回転子３２とから構成され、この固定子巻線３０に電力を供給すると回転子３２が回転してポンプ１６を駆動するようになっている。図中の１０は太陽電池を示している。
【００１８】
最大電力点追跡制御部２６は、直流モータ１４の運転速度を検出する速度検出部２６ａ、直流モータ１４の運転電流を検出する電流検出部２６ｂ、これら両者２６ａ，２６ｂの出力を乗算して直流モータ１４の出力の近似値を演算する乗算部２６ｃ、この乗算部２６ｃの出力を記憶するサンプルホールド回路２６ｄ、このサンプルホールド回路２６ｄにホールドされた前回の乗算値と乗算部２６ｃで乗算された現在の乗算値とを比較する比較部２６ｅから構成されている。
【００１９】
この最大電力点追跡制御部２６は、直流モータ１４の出力が最大値になるように該直流モータ１４の回転速度を制御するもので、乗算部２６ｃは、常に直流モータ１４の出力の現在値と等価な値、すなわち速度検出値（直流モータ１４の回転角速度ω）とコントローラ１２の出力電流（直流モータ１４の運転電流Ｉ）の積（ω・Ｉ）_ｉをモニタしている。この乗算部２６ｃの出力は、サンプルホールド回路２６ｄによって前回の乗算値（ω・Ｉ）_ｉ−１としてホールドされ、比較部２６ｅで乗算部２６ｃの出力の現在値（ω・Ｉ）_ｉと比較され、その比較結果をもって、速度指令設定部２７にて直流モータ１４の速度指令が決定される。
【００２０】
次に、最大電力点追跡制御部２６の動作を太陽電池の出力の特性を示す図３を参照して説明する。なお、図４に示すように、太陽電池のＩ−Ｖ特性は、概略、定電流領域と定電圧領域とがあり、出力電流Ｉと出力電圧Ｖの積である太陽電池出力Ｐは、図３に示すように、最大電力点をピークとする山状の曲線を描く。
【００２１】
ここで、図３の左上向きの矢印で示すように、直流モータ１４の回転角速度ωと等価な値である速度指令値ｆを高めた時に、比較部２６ｅの出力〔（ω・Ｉ）_ｉ−（ω・Ｉ）_ｉ−１ 〕がプラスであれば、直流モータ１４の出力が前回の値よりも増加しているので、更に速度指令値ｆが一定の割合Δｆだけ増加（＋Δｆ）するように制御する。このようにして、速度指令値ｆを高めて行くと、太陽電池１０の出力のピーク点（最大電力点）を超えて、比較部２６ｅの出力〔（ω・Ｉ）_ｉ−（ω・Ｉ）_ｉ−１ 〕がマイナスになる場合が出現する。そこで、このように速度指令値ｆが一定の割合Δｆだけ増加（＋Δｆ）するように制御した時に、比較部２６ｅの出力がマイナスとなった場合に、速度指令値ｆをΔｆだけ小さく（−Δｆ）するように制御し、太陽電池１０の出力がその最大出力点の近傍で動作するようにコントローラ１２の運転速度を制御する。
【００２２】
先の場合とは逆に、図３に右上向きの矢印で示すように、速度指令値ｆを下げた時に、比較部２６ｅの出力〔（ω・Ｉ）_ｉ−（ω・Ｉ）_ｉ−１ 〕がプラスであれば、直流モータ１４の出力が前回の値よりも増加しているので、更に速度指令値ｆが一定の割合Δｆだけ低下（−Δｆ）するように制御する。このようにして、速度指令値ｆを下げて行くと、太陽電池１０の出力のピーク点（最大電力点）を超えて、比較部２６ｅの出力〔（ω・Ｉ）_ｉ−（ω・Ｉ）_ｉ−１ 〕がマイナスになる場合が出現する。そこで、速度指令値ｆが一定の割合Δｆだけ低下（−Δｆ）するように制御した時に、比較部２６ｅの出力がマイナスとなった場合に、速度指令値ｆをΔｆだけ大きく（＋Δｆ）するように制御し、太陽電池１０の出力がその最大出力点の近傍で動作するようにコントローラ１２の運転速度を制御する。
【００２３】
これにより、太陽電池１０の最大出力点を直接検出するのではなく、直流モータの出力演算に必要なパラメータを検出し、直流モータ１４の出力が最大になるようにすることで、最大電力点追跡制御を行うことができる。
【００２４】
なお、上述の説明では、最大電力点追跡制御部２６をアナログ回路の構成した例を示しているが、実際のコントローラでは、乗算部、比較部、サンプルホールド回路、制御部の機能をマイクロコンピュータのソフトウエアに置き換えることができる。これによって、図２に示したような回路を付加することなく、効果的で経済性にも優れた最大電力点追跡制御が実現できる。
また、本実施例では、位置検出器のないブラシレス直流モータとその駆動用インバータに関する例を示したが、当然位置検出器を有したブラシレス直流モータとその駆動用インバータ、或いはエンコーダ付ブラシレス直流モータ（サーボモータ）とサーボアンプについても同様の制御を行うことが可能である。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、制御回路に太陽電池の出力電圧や出力電流の検出部等を付加することなく最大電力点追跡制御が実現できる。しかも、汎用のインバータは、通常の構成として、運転速度とコントローラ出力電流が常時モニターできるようになっており、制御回路を汎用のインバータと共通化できるので、経済面、製造面で有利である。
【００２６】
更に、本発明は、太陽電池出力の最大電力点を演算制御するのではなく、直流モータの出力を直接検出して、直流モータの出力が最大になるように、すなわちポンプの機械仕事を最大にするように制御しているので、電力有効利用の面でも最も理に適った制御効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明におけるソーラポンプシステムの全体構成を示す図である。
【図２】本発明におけるコントローラ及びモータ部の基本構成を示すブロック図である。
【図３】最大電力点追跡制御の動作の説明に付する、太陽電池の出力特性を示すグラフである。
【図４】太陽電池の日射量の変化に対応したＩ−Ｖ特性を示すグラフである。
【図５】モータで駆動される渦巻きポンプのＩ−Ｖ特性を示す図である。
【図６】太陽電池のＩ−Ｖ特性とモータで駆動される渦巻きポンプのＩ−Ｖ特性を重ね合わせて、インバータ等の電力変換装置でインピーダンスマッチングが行われない場合のポンプ・モータの運転点を示すグラフである。
【図７】太陽電池とこの負荷との間にコントローラを置いた従来例を示す図である。
【図８】太陽電池とこの負荷との間にコントローラを置いた他の従来例を示す図である。
【符号の説明】
１０ 太陽電池
１２ コントローラ
１４ ブラシレス直流モータ
１６ ポンプ
２０ スイッチング素子部
２２ ゲートドライブ部
２４ ＰＷＭ生成部
２５ 速度制御部
２６ 最大電力点追跡制御部
２６ａ 出力電流検出部
２６ｂ 回転角速度検出部
２６ｃ 乗算部
２６ｄ サンプルホールド回路
２６ｅ 比較部
２６ｆ 制御部
２７ 速度指令設定部

Claims (3)

1. 太陽電池を電源として直流モータで駆動されるポンプと、日射によって変化する前記太陽電池の発電量に応じて前記直流モータの回転速度を制御するコントローラとを備えたソーラポンプシステムにおいて、
   前記コントローラは、前記直流モータの運転電流と回転速度を検出する機能を備え、該運転電流と回転速度の積が最大となる運転点を追跡或いは探求して前記直流モータの回転速度を制御することを特徴とするソーラポンプシステム。
2. 前記コントローラは、運転電流と回転速度の積を演算し記憶して、この演算値を一定時間毎に前回の演算値と比較し、この比較結果を基に前記直流モータの回転速度を制御することを特徴とする請求項１記載のソーラポンプシステム。
3. 前記コントローラを汎用のインバータと共通化したことを特徴とする請求項１または２記載のソーラポンプシステム。

Images