(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池による機械動力発生システムであって、
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、
前記インバータに接続され、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太陽電池による機械動力発生システム。
【請求項２】
請求項１記載の機械動力発生システムにおいて、前記第１および第２の交流回転機は誘導機であることを特徴とする機械動力発生システム。
【請求項３】
請求項１記載の機械動力発生システムにおいて、前記第１の交流回転機は誘導機であり、前記第２の交流回転機は同期機であることを特徴とする機械動力発生システム。
【請求項４】
太陽電池による機械動力発生システムであって、
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の固定子および前記第２の固定子を有する２固定子誘導機と、
前記２固定子誘導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、
前記第２の固定子と電力系統とを接続するための第１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２固定子誘導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２固定子誘導機を電力系統により運転するとともに、前記第２のスイッチを太陽電池に接続して、前記２固定子誘導機を太陽電池でも駆動するとともに、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機械動力発生システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の太陽電池による機械動力発生システムにおいて、
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を特徴とする機械動力発生システム。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれかに記載の太陽電池による機械動力発生システムにおいて、
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ことを特徴とする機械動力発生システム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の太陽電池による機械動力発生システムにおいて、
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ことを特徴とする機械動力発生システム。
【発明の詳細な説明】
【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Ｖm，および太陽電池２０の電流ＩSと電圧ＶS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ｆA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ｆA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ｆAを決定する。一定の機械出力ＰM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ｆAを決めるには、太陽電池２０の電力ＰSが太陽電池の発生しうる最大電力ＰS*に等しくなるようにすればよい。最大電力ＰS*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Ｖmから、太陽電池２０の実電力ＰSは実電流ＩSと実電圧ＶSから求められる。
【００１５】
さて、太陽電池から最大電力Ｐs*を得ることができる周波数ｆA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ＰSを有効に利用しながら一定の機械出力ＰM(ｎ)を得るためのインバータの周波数ｆAを求める。誘導機Ａが周波数ｆAのインバータで駆動されるとき、滑りｓAは、回転子の１秒当たりの回転数をｎとすると、
【数１】
ｓA＝（ｆA−ｐAｎ）／ｆA
で定義される。ｓAが小さいときのＡ機の出力は、
【数２】
ＰA＝３（ＶA2／ｒ2A）・ｓA（１−ｓA）
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、Ｌ0Aとする。後者は、負荷電流による二次巻線抵抗損｛ｓA／（１−ｓA）｝ＰAと一次巻線抵抗損（ｒ1A／ｒ2A）｛ｓA／（１−ｓA）｝ＰAの和である。したがって、Ａ機の入力電力ＷAは次式で表される。
【数３】
0003712895.tif 000002
太陽光の電力Ａは、インバータの損失をＬIとすると、次のようにＡ機の入力電力と平衡する。
【数４】
ＰS＝ＷA＋ＬI
Ｌ0A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、ＬI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ｓAを求めると、
【数５】
0003712895.tif 000003
が導かれる。
【００１７】
機械的負荷の所要動力ＰM（ｎ）は、誘導機Ａ，Ｂの出力の和に等しい。したがって、ＰBが数２と同様に表されるので、
【数６】
0003712895.tif 000004
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ｓB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】
ＰM（ｎ）＝Ｐ0＋Ｐ1ｎ＋Ｐ2ｎ2＋Ｐ3ｎ3
（ただしＰi（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】
0003712895.tif 000005
が導かれる。
【００１８】
これはｆA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、ｓA，ｒ2A／ＶA2，ｒ2B／ＶB2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】
0003712895.tif 000006
さらに、誘導機の損失である無負荷損Ｌ0A（鉄損と励磁電流による一次巻線抵抗損の和）と負荷損ＬI（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ＰSと比べて無視し、Ｐ0＋（ｆB／ｐB）Ｐ1＋…＝ＰMとすると、汎用インバータへ４０の指令周波数ｆAは次の式で表せる。
【数１０】
0003712895.tif 000007
この式により、指令周波数ｆA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ｆA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ｆAを電力系統１０の周波数ｆBに近づける（Ｓ４０，５０）。
指令周波数ｆAが電力系統１０の電源周波数ｆB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Ｖmから太陽電池の最大出力値ＰS*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ｆAを上述の数１０の式を用いて、数１０の式のＰsに太陽電池の最大出力値ＰS*を代入して算出し（Ｓ１０５）、指令周波数ｆA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ＰS*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ＰS*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ＰS*は太陽電池が日射量に応じて発生できる最大電力を、ＰSは太陽電池が実際に供給している実電力を、ＷBは電力計で測定したＢ機の入力電力を、ＰM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Ｐs*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ＰS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ＰS*が大きく変化するのに応じて、コントローラによってＰS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ＷBは、ＰS＞ＰM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ＷBはＰSと逆方向に変化し、結果として機械負荷量ＰMを一定に保っている。途中、日射量が激減してＰS*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Ｖmから最大電力Ｐs*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ｆAを用い、周波数をｆA1＝ｆA，ｆA2＝ｆA＋ΔｆA，ｆA3＝ｆA＋２ΔｆAの３点におけるそれぞれの電力ＰS1，ＰS2，ＰS3を測定して、次式よりＰSが最大となる新しいｆAを推定するものである。
【数１１】
0003712895.tif 000008
なお、ＰSの測定誤差によって、ｆA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
３１            Ａ／Ｄ変換器
３２            Ｄ／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
【図１】
0003712895.tif 000009
【図２】
0003712895.tif 000010
【図３】
0003712895.tif 000011
【図４】
0003712895.tif 000012