JP6495426B2

JP6495426B2 - ソーラーポンプシステム及びソーラーポンプシステムの制御方法

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Publication number: JP6495426B2
Application number: JP2017239604A
Authority: JP
Inventors: チェボンペ
Original assignee: LSIS Co Ltd
Current assignee: LS Electric Co Ltd
Priority date: 2016-12-14
Filing date: 2017-12-14
Publication date: 2019-04-03
Anticipated expiration: 2037-12-14
Also published as: US10273951B2; KR20180068442A; EP3336651A1; CN108233406A; US20180163716A1; KR101881730B1; CN108233406B; JP2018097876A

Description

本発明は、ソーラーポンプシステム及びソーラーポンプシステムの制御方法に係るものである。

ソーラーポンプシステム（ｓｏｌａｒｐｕｍｐｓｙｓｔｅｍ）は、太陽光モジュールで発生するエネルギーを活用してインバータを介してポンプを駆動させて淡水を生産及び供給するシステムである。このようなソーラーポンプシステムは、水道と電気を最も効果的に供給することができる設備である。ソーラーポンプシステムは、水道網インフラが不足している地域で飲料水、農業用水、海水淡水化など、様々な用途に使用される。また、ソーラーポンプシステムは、電力供給が困難な遠隔地で追加的なエネルギーの供給なしに地下水を引き上げて供給することで、奥地の水道及び電力難を解決することができる最適なシステムとして評価されている。インド政府は、灌漑及び飲料水を供給するために、２０１４年５０，０００個のソーラーポンプの設置を許可し、現在まで設置を拡大している。

一方、太陽光を利用して電力を発生する太陽光インバータで重要な制御方法の一つが最大電力点追従（ｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔｔｒａｃｋｉｎｇ、ＭＰＰＴ）制御である。太陽光インバータは、常に太陽電池の最大電力発生地点を追跡するＭＰＰＴ制御を介して最大電力を発電する。

ＭＰＰＴ制御方法のうち最も基礎的な制御方法として、山登り（ｈｉｌｌｃｌｉｍｂｉｎｇ）法がある。この方式は、一定変位だけデューティ（ｄｕｔｙ）を変化させて最大電力点を見つける方式である。山登り方式は、制御機構が簡単且つ単純であるが、日射急変時に最大電力点追従が遅い。

ＭＰＰＴ制御方法のうち最も一般的な制御方法は、摂動及び観測（ＰｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎａｎｄＯｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ）方式である。この方法は、電圧の増減に伴う電力の変化を測定して最大電力点で動作する方式として、光量が低い場合、制御特性が悪くなる。

一方、ＭＰＰＴ制御方法のうちインピーダンスマッチング法（ＩｎｃｒｅｍｅｎｔａｌＣｏｎｄｕｃｔａｎｃｅＭｅｔｈｏｄ）は、負荷のインピーダンスと太陽電池のインピーダンスが等しくなる地点で太陽電池の出力が最大となることを利用する方法である。インピーダンスマッチング法は、追従性能は優れるものの、多少複雑で多くの演算を必要とする。

図１は、従来のソーラーポンプシステムの構成図である。

従来のソーラーポンプシステムにおいて、インバータ１００を制御する制御部２００は、インバータ１００の入力及び出力電流を全て受信すべきであり、インバータ１００は、センサによって電圧及び電流を検出してＭＰＰＴ制御を行う。これにより、従来のソーラーポンプシステムは、電圧と電流を正確に検出する必要があるが、検出正確度が高いほどソーラーポンプシステムに備えられたセンサの価格も高くなる問題点がある。

本発明が解決しようとする技術的課題は、追加的なセンサなしにインバータの直流リンク電圧を利用して最大電力を追従するソーラーポンプシステム及びソーラーポンプシステムの制御方法を提供することである。

上記のような技術的課題を解決するために、ソーラーポンプシステムは、太陽光から直流電力を生産する太陽光モジュールと、ウォータポンプと、前記太陽光モジュールと前記ウォータポンプとの間に連結され、前記ウォータポンプを駆動するために前記直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記直流電力の直流リンク電圧が一定に維持されるように前記交流電力の出力周波数を制御するための制御信号を生成する制御部と、を含む。前記制御部は、前記直流リンク電圧を第１基準レベルと比較し、前記直流リンク電圧が前記第１基準レベルよりも大きい場合、前記交流電力の出力周波数を加減させ、前記直流リンク電圧が前記第１基準レベルよりも小さい場合、前記直流リンク電圧が第２基準レベル以下にならないように出力周波数を決定することができる。

太陽光モジュールから印加される直流電力を交流電力に変換するインバータを制御するためのソーラーポンプシステムの制御方法は、前記直流リンク電圧を第１基準レベルと比較するステップと、前記直流リンク電圧が前記第１基準レベルよりも大きい場合、前記交流電力の出力周波数を加減させるステップと、前記直流リンク電圧が前記第１基準レベルよりも小さい場合、前記直流リンク電圧が第２基準レベル以下にならないように出力周波数を決定するステップと、を含む。

従来のソーラーポンプシステムの構成図である。本発明の一実施例に係るソーラーポンプシステムを示す図である。本発明の一実施例に係るソーラーポンプシステムの制御方法を説明するためのフローチャートである。図３のＳ３６の詳細フローチャートである。

本発明の構成及び効果を十分に理解するために、添付した図面を参照して本発明の好ましい実施例を説明する。しかし、本発明は以下で開示される実施例に限定されるものではなく、様々な形態で具現でき、多様な変更を加えることができる。単に本実施例に対する説明は、本発明の開示が完全になるようにし、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものである。添付された図面で構成要素は、説明の便宜のためにその大きさを実際よりも拡大して示しており、各構成要素の比率は誇張又は縮小されることがある。

ある構成要素が他の構成要素の「上に」あったり、「接して」いると記載された場合、他の構成要素の上に直接当接しているか、又は連結されていてもよいが、中間にさらに他の構成要素が存在することもあると理解するべきする。半面、ある構成要素が他の構成要素の「真上に」あったり、「直接接して」いると記載された場合には、中間にさらに他の構成要素が存在しないと理解することができる。構成要素間の関係を説明する他の表現、例えば、「〜間に」と「直接〜間に」なども同様に解釈することができる。

「第１」、「第２」などの用語は、多様な構成要素を説明するために使用することができるが、上記構成要素は、上記の用語によって限定されてはならない。上記用語は、一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的のみに使用することができる。例えば、本発明の権利範囲を逸脱することなく、「第１構成要素」は「第２構成要素」と命名することができ、同様に「第２構成要素」も「第１構成要素」と命名することができる。

単数の表現は、文脈上明白に異なるように表現しない限り、複数の表現を含む。「含む」又は「有する」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部分品又はそれらを組み合わせたものが存在することを指定するためのもので、一つ又はそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部分品又はそれらを組み合わせたものが付加されることがあると解釈することができる。

本発明の実施例で使用される用語は別に定義されない限り、当該技術分野における通常の知識を有する者に一般的に知られている意味で解釈することができる。

以下、添付した図面を参照して本発明の好ましい実施例を説明することで本発明を詳細に説明する。

図２は本発明の一実施例に係るソーラーポンプシステムを示す。

図２に示されたように、本発明の一実施例が適用されるソーラーポンプシステムは、太陽光モジュール２、電磁適合性フィルタ３（ＥＭＣ：ＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＣｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ）、及びヒューズ４を含むことができる。

太陽光モジュール２は、太陽光から電力を生産することができる。ＥＭＣフィルタ３は、太陽光モジュール２から印加される電力で発生される電磁波干渉を最小化し、このような電磁波干渉による被害を防止して周波数を保護することができる。ヒューズ４は過度な電流が流れる場合、遮断することができる。但し、ＥＭＣフィルタ３及びヒューズ４は、一例示に過ぎないものであり、これらの他に太陽光モジュール２から流入する電力に発生するノイズを除去する多様な構成要素を備えることができる。

このようにＥＭＣフィルタ３及びヒューズ４によってノイズが除去された直流電圧はインバータ装置５に供給される。

インバータ装置５の直流リンクキャパシタ５１は、ＥＭＣフィルタ３及びヒューズ４を経由して太陽光モジュール２から直流電圧を受信することができる。直流リンクキャパシタ５１は、直流電圧を直流リンク電圧に変換することができる。前記変換された直流リンク電圧は制御部１に供給される。制御部１は、直流リンク電圧に基づいてスイッチング信号を生成し、前記生成されたスイッチング信号をインバータ５２に供給することができる。スイッチング信号は、インバータ５２のスイッチング素子のスイッチングを制御する信号であってもよい。即ち、制御部１から提供されたスイッチング信号によって交流電力の出力周波数が制御され、これに対しては以下で説明することにする。スイッチング信号は制御信号として、例えば、ＰＷＭ信号であってもよい。ＰＷＭ信号のデューティ比が可変されることにより、インバータ５２のターンオン時点やターンオン区間が変更され、インバータ５２から出力される交流電力の出力周波数が変更される。

インバータ５２は、制御部１から供給されるスイッチング信号に応答してスイッチングされ、直流電力を交流電力に変換させることができる。

インバータ装置５の直流リンク電圧の変化は日射量によって変動される。例えば、直流リンク電圧が十分である場合、直流リンク電圧の変化量が少なくなり、直流リンク電圧が不足している場合、直流リンク電圧の変化量が大きくなる。

インバータ装置５のインバータ５２から出力される交流電力によってウォータポンプ６が駆動される。ウォータポンプ６によって引き上げられた水は、ウォータタンク７に貯蔵される。ウォータタンク７に移された水は、飲料水、工業用水、農業用水、家畜用水などに使用可能であろう。

本発明の一実施例において、ソーラーポンプシステムは、インバータ装置５の直流リンクキャパシタ５１の直流リンク電圧を検出する電圧センサ５３と、インバータ５２の出力電流を検出する電流センサ５４を更に含むことができる。

急激な周波数変化が頻繁な場合、ウォータポンプ６は故障することがある。このような故障を事前に防止するために、本発明の一実施例の制御方法によれば、直流リンク電圧が十分である場合、安定的に周波数を減速または加速し、直流リンク電圧が十分でない場合（つまり、直流リンク電圧が所定基準値以下である場合）には、速やかに周波数を減少させることができる。直流リンク電圧が十分である場合は、直流リンク電圧が基準値以上である場合を意味することができる。直流リンク電圧が十分でない場合、つまり不足している場合は、直流リンク電圧が基準値以下である場合を意味することができる。このような本発明の一実施例の制御方法により、直流リンク電圧が十分であるか、不足している場合でも、直流リンク電圧がこれ以上減少しないようにすることで、低電圧問題が発生しない状態で太陽光モジュール２が発電するエネルギーを最大限に利用できるメリットがある。

従来は、ウォータポンプを駆動するために、インバータ１００のＰＷＭ出力波形生成及び低電圧／過電圧を検出するための情報として直流リンク電圧を活用した。しかし、本発明の一実施例では、直流リンク電圧の増加及び減少を継続的に確認して、太陽光の日射量による直流リンク電圧の急激な変化を防止するために出力周波数を変化させることができる。

直流リンク電圧の急激な増加は、過電圧問題を引き起こし、直流リンク電圧の急激な低下は、低電圧の問題を引き起こして、低電圧及び高電圧の状態ではウォータポンプ６を運転することができなくなる。ウォータポンプ６の頻繁な停止または運転状態の変化は、急激な周波数変化が頻繁な場合と同様に、ウォータポンプ６の故障の原因となり、多くのエネルギー損失が発生し得る。

本発明の一実施例の制御方法では、このようなウォータポンプ６の頻繁な停止または運転状態が変化しないように、インバータ５２の交流電力の出力周波数を決定し、また、急激に出力周波数が変化しないように交流電力の出力周波数を決定することができる。

図３は本発明の一実施例に係るソーラーポンプシステムの制御方法を説明するためのフローチャートである。

図３に示されたように、本発明の一実施例に係るソーラーポンプシステムの制御方法は、図２の制御部１の動作に関連するものとして、図２及び図３を参考にして説明する。

制御部１は、電圧センサ５３から直流リンク電圧を受信することができる（Ｓ３１）。制御部１は、受信された直流リンク電圧が基準レベルよりも大きいか否かを確認することができる（Ｓ３２）。即ち、制御部１は、直流リンク電圧と基準レベルとの比較を通じて直流リンク電圧が十分であるか、または不足しているかを確認することができる。

直流リンク電圧が十分である場合、即ち、直流リンク電圧が基準レベル以上である場合、制御部１は、受信される直流リンク電圧が減少しているかを確認することができる（Ｓ３３）。

直流リンク電圧が減少している場合、制御部１は、交流電力の出力周波数を所定の段階だけ減少させて出力することができる（Ｓ３４）。このように、インバータ５２の出力周波数が減少するように制御信号が生成される。制御信号は、例えば、ＰＷＭ信号であってもよい。例えば、減少した出力周波数によりＰＷＭ信号が変更される。例えば、ＰＷＭのデューティ比が増加する。

このように変更されたＰＷＭ信号がインバータ５２に供給される。インバータ５２は、ＰＷＭ信号に応答してスイッチングされることにより、インバータ５２から出力される交流電力の出力周波数が減少する。このように減少した交流電力の出力周波数によってウォータポンプ６の速度は遅くなり、それにより直流リンク電圧は増加する。

一方、Ｓ３３の確認の結果、直流リンク電圧が減少していない場合、即ち、安定的であるか、または増加している場合、制御部１は、インバータ５２を制御する出力周波数を増加して出力することができる（Ｓ３５）。このように増加した出力周波数に反映されてＰＷＭ信号が変更される。例えば、ＰＷＭ信号のデューティ比が減少する。

このように変更されたＰＷＭ信号がインバータ５２に供給される。インバータ５２は、ＰＷＭ信号に応答してスイッチングされることにより、インバータ５２から出力される交流電力の出力周波数が増加する。このように増加した交流電力の出力周波数によってウォータポンプ６の速度が速くなり、これによって直流リンク電圧は減少する。

即ち、本発明の制御方法によれば、インバータの直流リンク電圧が十分である場合、出力周波数を増加または減少させて、ウォータポンプ６の運転を最大限速い速度で最大限長時間動作するようにすることができる。

一方、Ｓ３２の確認の結果、直流リンク電圧が基準レベルよりも大きくない場合、つまり、直流リンク電圧が不足している場合、制御部１は、直流リンク電圧が所定レベル以下に下がらないように出力周波数を決定して出力することができる（Ｓ３５）。

図４は、図３のＳ３６の詳細フローチャートである。

図４に示されたように、直流リンク電圧が基準レベル以下に下がらないように出力周波数を決定するために、制御部１は、停電か否かを確認することができる（Ｓ４１）。この時、停電か否かに対する判断は、例えば、直流リンク電圧が停電基準レベルよりも低い場合、停電であると判断することができる。

Ｓ４１の確認の結果、停電でない場合には、直流リンク電圧が基準レベル以下である場合に出力するように予め設定されている周波数指令を出力周波数として出力することができる（Ｓ４２）。これにより、直流リンク電圧が基準レベル以下に減少する場合、制御部１は、ウォータポンプ６の運転速度を減少させて、直流リンク電圧がこれ以上減少しないようにして、太陽光モジュール２が発電するエネルギーを最大限に利用するようにすることができる。

または、Ｓ４１の確認の結果、停電の場合には、制御部１は、電流センサ５４から受信したインバータ装置５の出力電流から滑り周波数（ｓｌｉｐｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を推定することができる（Ｓ４３）。インバータ装置５の出力電流から滑り周波数を推定する方法は非常に多様であり、本発明の技術分野で広く知られている通りであるので、その詳細な説明は省略することにする。また、制御部１は、直流リンク電圧と直流リンク基準レベルとの誤差を決定することができる（Ｓ４４）。その後、制御部１は、停電時予め設定された周波数指令と滑り周波数及び直流リンク電圧と直流リンク基準レベルとの誤差を加算して最終出力周波数を決定することができる（Ｓ４５）。このような最終出力周波数によってインバータ５２がスイッチングされ、このようなインバータ５２のスイッチングによってウォータポンプ６が駆動される。

即ち、停電によって直流リンクが減少する場合に、制御部１は、停電時周波数指令と滑り周波数及び直流リンク電圧と直流リンク基準レベルとの誤差に基づいて最終出力周波数を決定して、最終出力周波数によるインバータ５２のスイッチングによってウォータポンプ６の運転速度を減少させながら直流リンク電圧がこれ以上減少しないようにすることができる。

本発明は、インバータ出力に対する正確なセンシングが要求されず、直流リンク電圧を利用して最大電力を追従するので、簡単に太陽光モジュールの発電エネルギーを最大限に活用することができる。

上記のような本発明は、インバータ出力に対する正確なセンシングが要求されず、直流リンク電圧を利用して最大電力を追従するので、簡単に太陽光モジュールの発電エネルギーを最大限に活用できるようにする効果がある。

以上、本発明に係る実施例が説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当該分野における通常の知識を有する者であれば、これから多様な変形及び均等な範囲の実施例が可能であることを理解するはずである。従って、本発明の真の技術的保護範囲は以下の請求範囲によって定められるべきであろう。

Claims

太陽光から直流電力を生産する太陽光モジュールと、
ウォータポンプと、
前記太陽光モジュールと前記ウォータポンプとの間に連結され、前記ウォータポンプを駆動するために前記直流電力を交流電力に変換するインバータと、
前記直流電力の直流リンク電圧が一定に維持されるように前記交流電力の出力周波数を制御するための制御信号を生成する制御部と、を含み、
前記制御部は、
前記直流リンク電圧を第１基準レベルと比較し、
前記直流リンク電圧が前記第１基準レベルよりも大きく、減少している場合、前記交流電力の出力周波数を減少させ、
前記直流リンク電圧が前記第１基準レベルより大きく、減少していない場合、前記交流電力の出力周波数を増加させ、
前記直流リンク電圧が前記第１基準レベルよりも小さい場合、前記直流リンク電圧が所定レベル以下にならないように出力周波数を決定する、ソーラーポンプシステム。
前記制御部は、
前記交流電力の前記出力周波数が減少する場合、前記減少した出力周波数で前記インバータを制御するための制御信号を生成し、
前記交流電力の前記出力周波数が増加する場合、前記増加した出力周波数で前記インバータを制御するための制御信号を生成する、請求項１に記載のソーラーポンプシステム。
前記制御部は、
前記交流電力の前記出力周波数が決定される場合、前記決定された出力周波数で前記インバータを制御するための制御信号を生成する、請求項１に記載のソーラーポンプシステム。
前記制御部は、
前記直流リンク電圧が前記第１基準レベルよりも小さい場合、停電か否かを確認し、
停電でない場合、予め設定された周波数指令を出力周波数に決定する、請求項１に記載のソーラーポンプシステム。
前記制御部は、
前記直流リンク電圧が停電基準レベルより小さい場合、停電と判断する、請求項４に記載のソーラーポンプシステム。
前記制御部は、
停電の場合、前記インバータの出力電流から滑り周波数を推定し、予め設定された周波数指令、前記滑り周波数及び誤差情報に基づいて出力周波数を決定し、
前記誤差情報は、前記直流リンク電圧と直流リンク基準レベルとの誤差である、請求項４に記載のソーラーポンプシステム。
太陽光モジュールから印加される直流電力を交流電力に変換するインバータを制御するためのソーラーポンプシステムの制御方法において、
直流リンク電圧を第１基準レベルと比較するステップと、
前記直流リンク電圧が前記第１基準レベルよりも大きく、減少している場合、前記交流電力の出力周波数を減少させるステップと、
前記直流リンク電圧が前記第１基準レベルより大きく、減少していない場合、前記交流電力の出力周波数を増加させるステップと、
前記直流リンク電圧が前記第１基準レベルよりも小さい場合、前記直流リンク電圧が所定レベル以下にならないように出力周波数を決定するステップと、
を含む、ソーラーポンプシステムの制御方法。
前記交流電力の出力周波数を減少させるステップは、
前記減少した出力周波数で前記インバータを制御するための制御信号を生成するステップを更に含み、
前記交流電力の出力周波数を増加させるステップは、
前記増加した出力周波数で前記インバータを制御するための制御信号を生成するステップをさらに含む、請求項７に記載のソーラーポンプシステムの制御方法。
前記出力周波数を決定するステップは、
前記交流電力の前記出力周波数が決定される場合、前記決定された出力周波数で前記インバータを制御するための制御信号を生成するステップを更に含む、請求項７に記載のソーラーポンプシステムの制御方法。
前記出力周波数を決定するステップは、
前記直流リンク電圧が前記第１基準レベルよりも小さい場合、停電か否かを確認するステップと、
停電でない場合、予め設定された周波数指令を出力周波数に決定するステップを更に含む、請求項９に記載のソーラーポンプシステムの制御方法。
前記出力周波数を決定するステップは、
停電の場合、前記インバータの出力電流から滑り周波数を推定するステップと、
予め設定された周波数指令、前記滑り周波数、及び誤差情報に基づいて出力周波数を決定するステップを更に含み、
前記誤差情報は、前記直流リンク電圧と直流リンク基準レベルとの誤差である、請求項１０に記載のソーラーポンプシステムの制御方法。