CN106487214B - 电源系统的电能输出控制方法 - Google Patents

电源系统的电能输出控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电源系统的电能输出控制方法，包含:利用控制单元检测电源系统的电能转换单元输出的交流电能相位变化；之后，当进入能量储存周期，控制单元根据第一功率因数使电能转换单元输出交流电能，且当控制单元检测交流电能为虚功区时，控制单元控制电能转换单元将交流电网的部份电能储存于能量储存单元中；当进入能量释放周期，控制单元根据第二功率因数使电能转换单元输出交流电能，且驱使电能转换单元释放能量储存单元所储存的电能并入交流电能一并输出至交流电网。其中，能量储存周期以及能量释放周期的功率因数平均值与平均功率因数相等。

Description

电源系统的电能输出控制方法
技术领域
本发明是关于电能输出方法，且特别是有关于应用于光伏电源系统的电能输出方法。
背景技术
太阳能电池是目前相当普及的一种再生能源。一般而言，太阳能电池阵列的输出端可连接至光伏逆变器，以将电池阵列所产生的直流电力转换为交流电力。
传统具有太阳能电池阵列及光伏逆变器的电源系统中，多会设置虚功补偿电路以消除电源系统在运作过程产生的虚功率，进而提升电源系统整体的功率因数。
虚功补偿电路却也让电源系统的输入电压升高，而产生过电压的问题。为了克服过电压问题，就必须另设置电能回收装置以将电能回收；然而，虚功补偿电路及电能回收装置的设置使得电源系统的体积及电路复杂度增加。
发明内容
本发明提供一种电源系统的电能输出控制方法，用以提高电源系统的整体效率。
根据本发明提供一种电源系统的电能输出控制方法，应用于交流电网。本发明的电源系统的电能输出控制方法包含如下步骤。首先，利用控制单元检测电源系统的电能转换单元输出的交流电能相位变化，其中，控制单元具有第一功率因数、第二功率因数以及平均功率因数。之后，当进入能量储存周期，控制单元根据第一功率因数使电能转换单元输出交流电能，且当控制单元检测交流电能为虚功区时，控制单元控制电能转换单元将交流电网的部份电能储存于能量储存单元中；当进入能量释放周期，控制单元根据第二功率因数使电能转换单元输出交流电能，且驱使电能转换单元释放能量储存单元所储存的电能并入交流电能一并输出至交流电网。其中，能量储存周期以及能量释放周期的功率因数平均值与平均功率因数相等。
在本发明的电源系统的电能输出控制方法中，虚功区为交流电能的电流波形及电压波形不同方向的区段，第一功率因数小于平均功率因数，第二功率因数大于平均功率因数。
再者，控制单元可于检测能量储存单元所储存的能量大于第一预定值则进入能量释放周期，并于能量储存单元所储存的能量不大于第二预定值进入能量储存周期，能量储存周期的时间长度可以是不同于能量释放周期的时间长度。
本发明的电源系统的电能输出控制方法是利用控制单元使电源系统进入能量储存周期时，以输出具有第一功率因数的交流电能，同时于交流电能为虚功区时，控制单元控制电能转换单元以让交流电网的部分电能储存于能量储存单元；之后，于电源系统进入能量释放周期时，控制单元使电源系统输出具有第二功率因数的交流电能，控制单元同时驱使电能转换单元释放能量储存单元的电能，能量储存单元释放的电流与电源系统输出的交流电能会一并输出至交流电网。
附图说明
图1绘示依照本发明第一实施方式的电源系统的电路方块图；
图2绘示依照本发明第一实施方式的能量储存单元及电能转换单元的电路图；
图3绘示本发明电源系统输出的交流电能的一波形图；
图4绘示本发明电源系统输出的交流电能的另一波形图；
图5绘示依照本发明第二实施方式的能量储存单元及电能转换单元的电路图；
图6绘示依照本发明第一实施方式的电能转换方法的流程图；
图7绘示依照本发明第二实施方式的电能转换方法的流程图；以及
图8绘示依照本发明第二实施方式的电源系统的电路方块图。
其中，附图标记：
1 电源系统
10 电能转换单元
100、104 储能元件
102 输出滤波器
1040 初级绕组
1042 次级绕组
106 换相器
12 能量储存单元
14 控制单元
140 控制器
144 相位检测器
2 直流供应装置
3 交流电网
A1 虚功区
C1、C2、C3 电容器
D1、D2、D3、D4 二极管
IAC 交流电流
M1、M2、M3、M4 开关元件
S100～S210 电源系统的电能输出控制步骤
VAC 交流电压
具体实施方式
请参照图1，其绘示本发明的电源系统的电路方块图。电源系统1设于直流供应装置2及交流电网3之间，直流供应装置2可例如是由太阳能电池模组，用以提供直流电能(包含直流电压VDC及直流电流IDC)至电源系统1。电源系统1用以将直流电能转换为交流电能(包含交流电压VAC及交流电流IAC)并馈入交流电网3。电源系统1包含电能转换单元10、能量储存单元12以及控制单元14。
电能转换单元10可以光伏逆变器(photovoltaic inverter)来实现。能量储存单元12设于直流供应装置2及电能转换单元10之间，并电连接于直流供应装置2以及电能转换单元10；其中，能量储存单元12与直流供应装置2并联连接。
控制单元14电连接于电能转换单元10以及能量储存单元12，控制单元14预设有第一功率因数、第二功率因数以及平均功率因数；其中，第一功率因数小于平均功率因数，第二功率因数大于平均功率因数。
控制单元14不但可以检测储存于能量储存单元12中的电能，还可以检测电能转换单元10输出的交流电能中交流电压VAC及交流电流IAC的相位变化。控制单元14可例如包含控制器140以及相位检测器144，控制器140电连接于电能转换单元10、能量储存单元12以及相位检测器144。相位检测器144用以检测电能转换单元10输出的交流电能中交流电压VAC以及交流电流IAC的相位变化。在实际实施时，控制器140可以不通过相位检测器144便完成相位检测的功能，例如控制器140可在检测交流电压VAC以及交流电流IAC后，通过运算以取得交流电压VAC以及交流电流IAC的相位变化。
请参照图2，其绘示依照本发明第一实施方式的能量储存单元以及电能转换单元的电路图。为方便说明，图2中更绘示了直流供应装置2、交流电网3以及控制器140。电能转换单元10包含开关元件M1、M2、储能元件100、二极管D1、D2以及输出滤波器102。开关元件M1、M2串接，并与直流供应装置2并接，储能元件100电连接于开关元件M1、M2之间(即端点a)。在本实施方式中，开关元件M1、M2分别为金属氧化物半导体场效应晶体管，储能元件100为电感器。开关元件M1的源极连接至开关元件M2的漏极，开关元件M1的漏极以及开关元件M2的源极分别连接能量储存单元12的两端点。开关元件M1、M2的栅极分别连接于控制器140。二极管D1、D2分别跨接于开关元件M1、M2的漏极以及源极之间；其中，二极管D1、D2的阴极分别连接于开关元件M1、M2的漏极，二极管D1、D2的阳极分别连接于开关元件M1、M2的源极。输出滤波器102电连接在储能元件100及交流电网3之间。
能量储存单元12包含电容器C1、C2，电容器C1、C2串联连接，由电容器C1、C2构成的串联支路与开关元件M1、M2构成的串联支路并联连接。
请同时参照图1以及图2。在进行电能输出时，控制单元14的控制器140是根据第一功率因数或第二功率因数以控制开关元件M1、M2的工作周期。
此外，控制单元14的相位检测器144会检测交流电能的交流电压VAC及交流电流IAC的相位，控制器140会检测能量储存单元12所储存的能量；其中，电源系统1可于能量储存单元12所储存的能量大于第一预定值时进入能量释放周期，并于能量储存单元12所储存的能量不大于第一预定值时进入能量储存周期；或者，电源系统1可于能量储存单元12所储存的能量不大于第二预定值时进入能量储存周期，并于能量储存单元12所储存的能量大于第二预定值时进入能量释放周期，第一预定值大于第二预定值。
在能量储存周期(如图3以及图4所示t1区段)，控制单元14根据第一功率因数使电能转换单元10输出交流电能，并于交流电能的交流电流波型及交流电压波型不同方向的区段所界定的虚功区(如图3以及图4所示A1区)，控制开关元件M1、M2的工作周期，使端点a的电压持续地小于交流电网3的即时电压，以让交流电网3的部分电能进入电源系统1，并储存于能量储存单元12中。其中，端点a的电压可以下式表示:
Va＝D1×VC1+D2×VC2；其中:
D1为开关元件M1的工作周期；
D2为开关元件M2的开关周期；
VC1为电容器C1的电压；以及
VC2为电容器C2的电压。
在能量释放周期(如图3以及图4所示t2区段)，控制单元14根据第二功率因数使电能转换单元10输出交流电能，并控制电能转换单元10的开关元件M1、M2的工作周期，使端点a的电压持续地大于交流电网3的即时电压，以让能量储存单元12的所储存的电能并入交流电能而与前述的交流电能一并输出至交流电网3。
在图3中，能量储存周期的时间长度相同于能量释放周期地时间长度；在图4中，能量储存周期的时间长度不同于能量释放周期的时间长度。然不论能量储存周期的时间长度与能量释放周期的时间长度是否相同，能量储存周期以及能量释放周期的功率因数平均值必须与平均功率因数相等。
请参照图5，其绘示依照本发明第二实施方式的能量储存单元及电能转换单元的电路图。为方便说明，图5中更绘示了直流供应装置2、交流电网3及控制器140。能量储存单元12包含电容器C3，电容器C3并联连接于直流供应器2。电能转换单元10包含开关元件M3、M4、二极管D3、D4、输出滤波器102、储能元件104及换相器106，输出滤波器102与换相器106并连连接。
在本实施方式中，开关元件M3、M4为金属氧化物半导体场效应晶体管，储能元件104为包含初级绕组1040及次级绕组1042的隔离型变压器。初级绕组1040的一端连接于能量储存单元12，另一端连接于开关元件M3的漏极以及二极管D3的阴极。开关元件M3的栅极电连接于控制器140，开关元件M3的源极电连接于能量储存单元12以及二极管D3的阳极。次级绕组1042的一端连接于输出滤波器102，次级绕组1042的另一端连接于开关元件M4的漏极以及二极管D4的阴极，开关元件M4的栅极电连接于控制器140，开关元件M4的源极电连接于输出滤波器102。
请同时参阅图1及图5，在进行电能输出时，控制单元14是根据第一功率因数或第二功率因数以控制开关元件M3、M4的开关状态。
控制单元14的相位检测器144会检测交流电能的交流电压VAC及交流电流IAC的相位，控制器140会检测能量储存单元12所储存的能量；其中，电源系统1可于能量储存单元12所储存的能量大于第一预定值时进入能量释放周期，并于能量储存单元12所储存的能量不大于第一预定值时进入能量储存周期；或者，电源系统1可于能量储存单元12所储存的能量不大于第二预定值时进入能量储存周期，并于能量储存单元12所储存的能量大于第二预定值时进入能量释放周期。
在能量储存周期(如图3以及图4所示t1区段)，控制单元14根据第一功率因数使电能转换单元10输出交流电能。控制单元14于交流电能的交流电流波型及交流电压波型不同方向的区段所界定的虚功区(如图3以及图4所示A1区)，先使开关元件M4导通，开关元件M3截止，以让交流电网3的部分电能储于次级绕组1042；再使开关元件M3导通、开关元件M4截止，以将储存于次级绕组1042的电能耦合至初级绕组1040，并储存于能量储存单元12。
在能量释放周期(如图3以及图4所示t2区段)，控制单元14根据第二功率因数使电能转换单元10输出交流电能。控制单元14先使开关元件M3导通，开关元件M4截止，并使能量储存单元12所储存的电能储于初级绕组1040；再使开关元件M4导通，开关元件M3截止，使能量储存单元12释放的电能并入前述交流电能并与前述的交流电能一并输出至交流电网3。其中，能量储存周期以及能量释放周期的功率因数平均值必须与平均功率因数相等。
综上所述，本发明的电源系统1是利用控制单元140使电源系统1进入能量储存周期时，以输出具有第一功率因数的交流电能，同时于交流电能为虚功区时，控制单元140控制电能转换单元10以让交流电网3的部分电能储存于能量储存单元12；之后，于电源系统1进入能量释放周期时，控制单元140使电源系统1输出具有第二功率因数的交流电能，控制单元140同时驱使电能转换单元10释放能量储存单元12所储存的电能，能量储存单元12释放的电能与电源系统1输出的交流电能会一并输出至交流电网3。
图6以及图7分别绘示本发明第一实施方式及第二实施方式的电源系统的电能输出控制方法的流程图。其中，图6及图7的差异在于电能系统操作于能量储存周期及能量释放周期的判断依据。
在图6中，控制单元14先检测电源系统1输出的交流电能的交流电源及交流电压的相位变化以及能量储存单元12所储存的能量(步骤S100)。判断能量储存单元12所储存的能量是否大于第一预定值(步骤S102)，并于能量储存单元12所储存的能量不大于第一预定值时，进入能量储存周期，电能转换单元10以第一功率因数输出交流电能(步骤S104)。接着，判断电能转换单元10输出的交流电能是否为虚功区(步骤S106)，并于电能转换单元10输出的交流电能为虚功区时，控制单元14使电能转换单元10将交流电网3的部分电能储存于能量储存单元12(步骤S108)。之后，回复步骤S100，重新检测电源系统1输出的交流电能的交流电源及交流电压的相位变化以及能量储存单元12所储存的能量，并于能量储存单元12所储存的能量大于第一预定值时，进入能量释放周期，使电能转换单元10以第二功率因数输出交流电能(步骤S110)。
在图7中，控制单元14先检测电源系统1输出的交流电能的交流电源及交流电压的相位变化以及能量储存单元12所储存的能量(步骤S200)。判断能量储存单元12所储存的能量是否不大于第二预定值(步骤S202)，并于能量储存单元12所储存的能量不大于第二预定值时，进入能量储存周期，电能转换单元10以第一功率因数输出交流电能(步骤S204)。接着，判断电能转换单元10输出的交流电能是否为虚功区(步骤S206)，并于电能转换单元10输出的交流电能为虚功区时，控制单元14使电能转换单元10将交流电网3的部分电能储存于能量储存单元12(步骤S208)。之后，回复步骤S200，重新检测电源系统1输出的交流电能的交流电源及交流电压的相位变化以及能量储存单元12所储存的能量，并于能量储存单元12所储存的能量大于第二预定值时，进入能量释放周期，使电能转换单元10以第二功率因数输出交流电能(步骤S210)。
请参照图8，其绘示本发明第二实施方式的电源系统的电路方块图。在图8中，电源系统1设于直流供应装置2及交流电网3之间，并电连接于直流供应装置2及交流电网3，以供输出具有平均功率因数的交流电能。图8所绘示的电源系统1与图1所绘示的电源系统的差异在于图8所示的控制器14不检测能量储存单元12的电压准位，以开回路的命令给固定的功率因数扰动周期。
电源系统1包含电能转换单元10、能量储存单元12及控制单元14，电能转换单元10电连接于交流电网3，供输出具有第一功率因数或第二功率因数的交流电能。能量储存单元12设于直流供应装置2及电能转换单元10之间，并电连接于直流供应装置2及电能转换单元10。
控制单元14电连接于电能转换单元10，控制单元14具有第一功率因数、第二功率因数以及平均功率因数；其中，第一功率因数小于平均功率因数，第二功率因数大于平均功率因数。
电能转换单元10可于能量储存周期或能量释放周期操作，能量储存周期及能量释放周期的功率因数的平均值相等于平均功率因数。
当进入能量储存周期操作，控制单元14依据第一功率因数使电能转换单元10输出交流电能。此外，当交流电能为虚功区时，控制单元14控制电能转换单元10使交流电网3的部分电能进入电源系统1并储存于能量储存单元12。
当进入能量释放周期，控制单元14依据第二功率因数使电能转换单元10输出交流电能。同时，能量储存单元12释放所储存的电能；其中，能量储存单元12释放电能并入交流电能一并输出至交流电网3。
虽然本发明已以实施方式公开如上，但其并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与修改，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求书保护范围所界定者为准。

Claims (6)

1.一种电源系统的电能输出控制方法，应用于交流电网，其特征在于，该电源系统的电能输出控制方法包含下列步骤：
利用一控制单元检测该电源系统的一电能转换单元输出的一交流电能相位变化，该控制单元具有一第一功率因数、一第二功率因数以及一平均功率因数；
当进入一能量储存周期，该控制单元根据该第一功率因数使该电能转换单元输出该交流电能，且当该控制单元检测该交流电能处于虚功区时，该控制单元控制该电能转换单元将交流电网的部分电能储存于一能量储存单元中；以及
当进入一能量释放周期，该控制单元根据该第二功率因数使该电能转换单元输出该交流电能，且驱使该电能转换单元释放该能量储存单元所储存的电能并入该交流电能一并输出至交流电网；
其中，该能量储存周期以及该能量释放周期的功率因数平均值与该平均功率因数相等。
2.如权利要求1所述的电源系统的电能输出控制方法，其特征在于，还包含下列步骤：当该控制单元检测该能量储存单元所储存的能量大于一第一预定值则进入该能量释放周期。
3.如权利要求1所述的电源系统的电能输出控制方法，其特征在于，还包含下列步骤：当该控制单元检测该能量储存单元所储存的能量不大于一第二预定值则进入该能量储存周期。
4.如权利要求1所述的电源系统的电能输出控制方法，其特征在于，其中该虚功区为该交流电能的电流波形及电压波形不同方向的区段。
5.如权利要求1所述的电源系统的电能输出控制方法，其特征在于，该能量储存周期的时间长度不同于该能量释放周期的时间长度。
6.如权利要求1所述的电源系统的电能输出控制方法，其特征在于，该第一功率因数小于该平均功率因数，该第二功率因数大于该平均功率因数。
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