CN108370156B

CN108370156B - 利用最大电能使用点追踪技术的电力系统

Info

Publication number: CN108370156B
Application number: CN201680058760.5A
Authority: CN
Inventors: 徐文泰; 赖信成; 李传宏
Original assignee: Lt Usa
Current assignee: Lt Usa
Priority date: 2015-10-09
Filing date: 2016-10-10
Publication date: 2022-07-08
Anticipated expiration: 2036-10-10
Also published as: KR20190092259A; AU2021200950B2; US20160036232A1; CO2018004938A2; SA518391292B1; MX2018004061A; CN108370156A; AU2016334482A1; ZA201802204B; KR102612885B1; BR112018007170A2; JP2018530075A; EA039505B1; EA201890919A1; AU2021200950A1; CA2999286A1; EP3360220A4; CL2018000866A1; EP3360220A1; WO2017062962A1

Abstract

当电力系统一直在它的最大电能使用点(MEUP)上操作时，能从系统上得到最大的电能使用效率。实用的MEUP追踪技术使发电机在用于最大功率撷取且还产生接近最大功率的电压下运行；结合本发明的剩余电力撷取设备，以接近完美地撷取所生成的所有电力；将剩余电力暂时储存到设计的储能器中；加上本发明的供应设备，以结合来自撷取器和来自储能器的电能；准备以及配送适量电力以在任何时候都恰好满足瞬间需求。因此，能够寻找并追踪电力系统的MEUP。

Description

利用最大电能使用点追踪技术的电力系统

技术领域

本公开内容总体上涉及利用最大电能使用点(MEUP)追踪技术的电力系统。

背景技术

许多绿能发电机都是利用具有无法固定其强度的天然再生能源作为其初始能源，如太阳能、风力、潮汐和潮波动…等。这类发电机大都会使用一个称之为MPPT的器件，用来追踪随时在改变的最大发电功率的电压点。一般而言，此器件是一个韧体，用来持续寻找并追踪伴随初始能源强度变动所产生的最大发电功率之电压值。

一般说来，传统商用绿能电力系统整合团队会使用MPPT得到的电压来管控整个系统的运作，包括电能产生、电能撷取和电能调节后，再配送给负载的运作。换句话说，传统绿能电力系统会强迫整个系统依据MPPT所指出的最大发电功率的电压点来运作。这种系统的运作方式在本文中称之为”盲目的追随MPPT规范”。

在本专利的主张范围不只是解决前述实际案例的缺点或其使用环境。应该说，本背景叙述仅提供实施案例被应用的领域之一而已。

发明内容

本专利发明人发现盲目的遵循MPPT，并不是最优化的运作方式：第一，盲目的MPPT运作方式不能保证符合电力撷取器件的特性，能够有效益(effectively)与有效率(efficiently)的去撷取生产的电能。第二、盲目的MPPT运作方式在调整电能的器件和(/或)配送撷取电力的器件对应在电能使用效率上，是不保证匹配的。第三、电能的使用效率不只与电能的生产有必然的关联，它也跟电能的消耗有着紧密的关系。第四、在任一电力系统中，即使此系统符合能量与电荷不灭定律，瞬间负载的电力消耗通常仍然不等于该发电机瞬间生产的电力。

盲目的遵循MPPT的运作方式，会导致商业化”绿能电力系统”的设计者忽视掉”每个器件的真实效益与效率，是必须在实际使用环境中用实验量测出”。例如从发电机实际撷取电能的效率与效益，又例如撷取后的电能经过调整后配送电能给负载的效益与效率。根据本专利所述的原理，一个系统的控制器效益与效率就等同于”电能使用效率”是必须在实际使用情况下用实验测出的。在本专利主张范围和本文的叙述中，瞬间的”电能使用效率”可定义为负载瞬间消耗的电能，加上此瞬间储存的电能总和，除以此瞬间发电机生产的电能所得到的商数。在具代表性的实施案例中，所用的瞬间数值都是在”初始能源之输入强度与负载都维持在一段稳定的长时间”状态下所得到的，在这个条件下能让电力生产、电力消耗、电力储存和彼此间的比例，达到一个接近稳定的状态。

在没有说明如何由实验测量去取得相关的电能使用效率数据，一般商用的’绿能电力系统’都宣称它们系统控制器之电能使用效率>90％，但是本专利发明人从许多商用系统的实验测量结果显示：如果采用盲目的遵循MPPT的电压来操作系统，则发电机撷取电力的效益、调整电能后配送给负载的效率、以及电能使用效率都可能是非常差的。一个典型的控制器在盲目的遵循MPPT运作方式下工作，即使商业上声称是高效率，实际效率值却仍然可以低于30％。

本专利倡议在电力系统必须使用”最大电能使用点(MEUP)”追踪技术来取代MPPT追踪技术。当一个电力系统一直在他的MEUP点上操作，则一定能从电力系统上得到最大的电能使用效率。这是能从任一电力系统中榨取出最多电能的唯一办法。

本专利发明人彻底完整地研究了电力系统；量测电力系统每一个环节，从电能的生产、电能的撷取、到电能的调整、电能的配送，和电能的使用效益与效率；所以能把每个环节相关的每个问题揭露出来，加以一一解决。发明人设计出在每一个环节上可增加效率的方法；将每一段环节：电能产生，电能撷取和电能供应，一一地加以优化，而获得到一个很实用的方法去寻找并追踪电力系统的最大电能使用点，MEUPT。

这个MEUPT追踪技术是让发电机在接近最大功率生产点运作，结合本专利发明的剩余电力撷取器，有效的去撷取所有最大生产电力；将未使用的剩余电力暂时储存到所设计的储能器之中；利用所发明的剩余电力撷取器，去结合电力撷取器和储能器中的电能，以适量的电力配送给负载，使它恰恰好，不大不小的能完全满足负载的需求。

如此一来，本专利所叙述的原理就可以真正的优化电力系统，让电能使用最大化。特别是绿能电力系统所使用之再生能源，如太阳能、风力、海浪、潮汐发电…等，它们提供的能量强度常常是忽高忽低，造成发电的电力强度也忽高忽低，而本专利原理正好可以让最大电能使用点的追踪技术(MEUPT)在变动的发电强度问题上展现出最佳电能使用效益来。

本结论综述的目的不在界定本专利主张范围的关键特性或基本特性，也不是用在辅助确定所要求保护的专利主张范围。

附图说明

我们将利用一个较特别的叙述方式，系使用参考附图来呈现所述的不同实施案例，以彰显得到前面所引述的内容、相关优点和特性。但必须理解这些附图只用来描绘实施例，不应该被认为是用来限制本发明的主张范围。本文将藉由使用附图所对应的额外特性和细节来描述与解释这些实施例，可以让专利所述原理更为明显易懂。其中：

图1A象征性地标示出传统电能系统的架构图；

图1B象征性地标示出根据本专利描述原理的电能系统架构图；

图1C象征性地标示出一个电能系统的一般组件架构图；

图2A到2C的符号象征性地标示出，一个直流发电机在不同的负载需求下，藉由一个逆变器所撷取的电流，电压和功率分别与时间对应的函数；

图3A至3C象征性地标示出，一个直流发电机根据不同负载需求，藉由一个脉冲宽度调变器(PWM)所撷取的电流，电压和功率分别与时间对应的函数；

图4象征性地标示出了一种机制；根据本文所述的原理，可藉由一个逆变器的电力撷取器，将遗留的电力撷取出来；和

图5象征性地标示出专利中所提出的机制，在本文所述的原理下，可藉由另一个PWM的电力撷取器将遗留的电力撷取出来。

具体实施方式

第一段：对电力系统的调研

电力系统1000；包括发电机1100、管理器1200、负载1300、和所有与它们相关的模块；这些模块如图1所示。图1A示出了传统电力系统的结构图；而图1B示出了根据本文原理描述的电力系统结构图。任一子系统的效率在本文中定义为这个子系统的输出量除以前子系统的输出量的商数。举例来说如图1C所示，Ec为提供给负载的电能，Eg是发电机产生的电能，则管理器的效率定义为Ec/Eg相除的商数。在图1中被描绘的模块名称列示如下：电力系统1000，发电机1100、控制器或管理器1200、传统电力撷取器1210、电力调整管理器1223、电力配送管理器1225、剩余电力管理器1230，剩余电力撷取/使用器1233，主动式剩余电力撷取器1233A，被动式剩余电力撷取器1233B，电力供给量管理器1233C，电力配送量调整管理器1233D，储能器1235，MPPT 1240，负载1300，灯1310，泵1320，办公设备1330，家电1340，以及空调1350。

如图1A和1B显示，电力系统1000；包括(1)至少一个发电机1100，将初始能量转换成电力；(2)一个控制器子系统1200(也称为“能量管理子系统”或“能量管理器”)，它用来对通过模块1200(从1210至1240)的电力做调节和管理，这些管理功能包括发电机1100的稳压，传统的电力撷取器1210，模块1220用来调整(模块1223)能量，并传送(模块1225)能量给负载，以及执行往后会叙述的其他关键性功能。控制器子系统1200还可以包括其他功能模块，如MPPT 1240。(3)负载1300系由一个或不同的设备(电阻性和/或电感性)组合而成，成为产生电力的使用者；例如(a)(单个或多个)灯，1310；(b)(单个或多个)水泵，1320；(c)(单个或多个)办公设备1330，如(单个或多个)数钞机，(单个或多个)打字机和(单个或多个)计算机；(d)(单个或多个)家电设备1340，如(单个或多个)冰箱，(单个或多个)风扇，(单个或多个)烤面包机，和(e)(单个或多个)冷暖气机1350。此处再重申，电能系统1000包括了(单个或多个)发电机1100，(单个或多个)管理器1200、(单个或多个)负载1300；和组成这3者的所有模块。

发电机是一种器件，可将能量从一种初始能源(如煤，石油，天然气，核能，等等)转换成电力。绿能发电机是利用自然再生能源作为初始能源：包括太阳光，风，潮汐，或波浪运动来产生电力。这些初始能源的强度通常与时间有着巨大的关联性；可产生一组随时间变化的MPPP电压。通常商用绿能系统配有一个MPPT之模块1240(子系统1200中的一个模块)，用来追踪MPPP电压。

发电机的标准效率被定义为它的最大电力生产值，与初始动力输入值(在一个标准的初始动力输入下)相除的商数。但是，如果使用初始能源所产生的动力强度是随着时间不停改变，那么发电机的效率也会随时间变化；所以需要定义一个瞬间效率值；相等于瞬间最大电力生产值(在瞬间初始动力输入下)，除以此瞬间相对应的初始动力输入值所得到的商数。

如图1A中，控制器1200(命名为能源管理子系统，或管理器)的组合包括器件1210，用来撷取发电机1100产生的电力。控制器1200还包括器件1220，以调整电力(模块1223)并输送电力(模块1225)给负载1300。因此本文中将模块1223命名为“电力调整管理器”；并将模块1225命名为“电力配送管理器”。

如图1C所示；控制器效率应该被定义为由负载消耗的电能加上所储存的电能除上由发电机产生的电能所得的商数。也就是；当电能系统的设计若没有储能器来保存剩余电能使它可以在以后时间使用时，控制器效率就等于((电力撷取器1210的效率)×(电力配送管理器1220的效率))。而“电能使用效率”也是以同样的方式定义，就等于“控制器效率”。

器件1210的电力(电能)撷取效率；定义为从器件1210的瞬间输出电力值除以发电机最大生产电力值所得的商数。任何已生产的电力而未被器件1210撷取，就视为器材1210的失效值。器材1220的电力(电能)输送效率；定义为器件1220输送和供给负载的瞬间电力，除以器件1210的电力输出值所得的商数。

注意，当没有负载需求时，电力输送效率为零。当无负载需求时，没有加入储能器的电力系统设计，电力撷取效率也是零。因此，负载需求和储能器容量就会大大的影响电力输送效率；它也会影响电能撷取效率。此事实明显的指出，电力的撷取，调整和输送，与电力需求有着紧密的关联性。是故根据上述的结果可知，单单遵循MPPT的运作方式是不可能导致可以从电力系统获得最大的电能使用效益。

更进一步阐述，某些类型的负载(例如水泵)有很窄的功率操作范围；当所产生之电力和负载所需之电力不相匹配时，会导致与电力系统脱钩。当输送的电力低于需求功率的下限，负载可能立刻终止运作，而突然脱离电力需求端。举例来说，当供应的电力低于一个水泵的操作功率下限时；泵就会停止运作，并与负载需求脱勾，此时发电机所产生的电能就会被浪费了。另一方面，当输送电力高于负载最大功率需求范围时，要嘛一部分电力将不被电力撷取器1210取用而浪费掉了；要不然就会脱离负载。不管发电机是不是遵循MPPP运作，上述情况皆可能发生。事实上，电力供应与需求不相匹配的情况在绿能电力系统中是经常会发生的；尤其太阳能抽水站的绿能电力系统就普遍性的经常发生上述问题。

以上有关图1A所示电力系统的分析可归纳为：(1)负载的功率需求可以大大地影响电能输送效率和电能撷取效率。(2)因此，负载的功率需求也会影响控制器的效率，即电能输送效率和电能撷取效率两个的乘积；(3)控制器最大效率的操作点与MPPT操作点不一定一致。(4)遵循盲目MPPT的运作方式并不能保证从电力系统取得最大的电能效益。还有最重要的一点是；(5)为了优化电力系统的使用效益(使用率)，必需要将电能撷取与电能输送分开来优化；并且遵守能量和电荷不灭的两个定律，将电能生产/撷取和电能调整/消耗的两个过程分开来加以优化。

第二段：本专利发明与其产生之影响

如图1B所示，根据本文所叙述电力系统原理是在传统的电力系统中，加入了器件1230。1230包括器件1233，它是与储能器1235结合在一起使用的。1230命名为“剩余电力管理器”；器件1233则命名为“剩余电力撷取/使用器”。器件1233含有四个模块；分别为1233A，1233B，1233C，1233D；后面将会说明它们的功能和效果。设计得当时，器件1230可选择性地在电力撷取过程中储存剩余的电能，并在电能输送时，增强或降低供应的电力给负载；它也能顺利和有效地处理供应电力与消耗功率不匹配的问题。

进一步来说，器件1233可以在电能撷取过程中运作一段长时间，选择性的储存最多可用的剩余电能到储能器1235中。剩余电能定义为发电机生产的电能中，尚未被传统电力撷取器件1210取走的剩余电能。因此，即使当负载发生脱离时，器件1233仍能帮助电力管理子系统1200从发电机中撷取最大量的电力；图1B的实施例中是将剩余电能变成可用的电力，因而大大地改进了电力的撷取效率。

器件1233还可以选择性运用存储在储能器1235中的电能，在电能不足时提供电能调整模块1223所需要的电能；如此，当负载电力需求大于撷取的电力，或甚至比发电机所提供的电力还大时，器件1220中的电力配送模块1225可以提供足够的电力去满足负载使用的需求。当出现负载需求过高的时段，此设计仍可让系统顺利有效地持续运作，因此它能让电力供应效益提升。也就是说，本文叙述的原理可以减少负载脱钩的频率，而大幅度提高电能输送效率。本文中所描述的原理，也可以在没有电力产生时，运用所储存的剩余电能来延长供电时间；且提高了电能使用量；尤其是像太阳能电力系统，在每天24小时几乎都必需经历几小时的多云或夜间时段是无法发电的。

总结来说，传统的电力系统设计不包括器件1230及其所附属能选择性地撷取剩余电力的模块。所以传统设计无法调整适量的输送电力，(和/)或提供不足的电能，去传输适量的电力，使能刚刚好满足变动的瞬间负载需求。因此，传统的设计缺乏本专利发明所描述的最大电能使用效益的优点。至于传统系统与本文描述原理所衍生的系统差异，可以藉由图1A和图1B看出两者明显的差别。

依本文所叙述的原理，从发电机撷取的电力总和是藉由传统电力撷取器件1210和另外添加的剩余电力撷取器件1230共同撷取所得到的电力。下文将进一步描述，依本文叙述的原理所提出的机制，是可以使两个器件撷取的电力总和，非常接近所生产的电力。因此，若忽视器件1210和1230本身所消耗的电能，实施例的电能撷取效率几乎可以达到100％。

同样依照本文中叙述的原理，器件1230可调节撷取的电力；藉由器件1233的模块(器件1233A，1233B，1233C和1233D)所提供的管理功能，可将分别从发电机和储能器的电能结合，去协助器件1223和1225(在器件1220的模块)提供适量的电力，可以几乎准确的满足负载瞬间需求。因此，器件1230也可以提供将电能生产与电能消耗(使用)分开的功用。

下文进一步要描述的：本文所描述的原理还可以提供一种机制，此机制可安排输入电力是非常接近器件1220所需要的电力；使得器件1220的输出电力可以几乎准确的满足瞬间需求功率。因此若忽视由器件1220和1230本身所消耗的电能，该实施例的电能输送效率也接近100％。如此一来，本文描述的原理可以将电力的生产和电力的消耗分开，并藉由功能管理模块1233A，1233C和1233D与储能器1235和器件1233B的协同工作；让电能生产、电能撷取；和电能配送可以独立地去进行优化。

总括而论，根据本文所描述的原理，加入器件1230，可选择性地将剩余电力确实地储存到适当的临时储能器；该器件1230理论上可提高电能撷取效率到100％。添加的器件1230，特别是它的模块1233C和1233D也可以选择性地把从发电机1100撷取的电力和储能器(1235和设备1233B)中的能量组合为适量的电力，提供给器件1223作为输入电力，如此使器件1225的输出电力可以几乎准确的满足负载瞬间需求。理论上，这可以将电能供给效率提高到100％。因此，本文描述的原理就可以分开电力生产，撷取和输送，个别独立地优化它们的效率。

总结来说；即使符合能量不灭定律，在任何电力系统中，它的负载的瞬间功率消耗通常不等于它生产的电力。如果没有器件1230；当需求功率比系统供电能力(定义为电力生产、撷取，调节和输送的最大能力)大时，它可导致负载脱钩，大大地降低了电能使用效率。另一方面，当系统供电能力比电力需求更大时，可能导致过多电力剩余，这些电力是不会被撷取或输送而导致电力输送(使用)效率降低。

把含有模块1233的器件1230加入系统中，不管负载的需求量是高于或低于瞬间供电能力或者是瞬间产生的电力大小，本发明可以选择暂时储存适量的剩余电能；(和/)或提供适量的电能来恰好满足负载所需求的电力。这不仅有效地减轻了上述传统电力系统所发生的问题，还可以让任何电力系统获得最大的电能使用效益。

第三段：检视传统电力撷取器

传统的电力撷取器包括DC/AC逆变器和脉冲宽度调制(PWM)电力撷取器。本节将探讨这两种典型的传统电力撷取器，来揭示其无效益(ineffectiveness)和无效率(inefficiency)的根本原因。

以下所作的假设可以简化说明情况，又不失去其一般性。假设初始能源可维持恒定的强度(并且发电机是产生恒定的电力)数秒。第一个检视的情况，它所产生的电力是一个恒定的值，表示在直流电流I₁，直流电压V₁，直流功率P₁＝V₁*I₁*pf，(其中pf是功率因子，功率因子在直流的情况下等于1)；在大多数的大型光伏太阳能发电站，撷取电力是用一个传统的“50-60赫兹纯正弦波DC/AC逆变器”来负责撷取电能。接下来，把这一个撷取器当作第一个检视案例，详细检验如下。

如图2A所示；曲线2101描绘如发电机的生产电流；也就是一个恒定的直流电流I₁。而曲线2102、2103和2104是描述四分之一周期的单相余弦波AC逆变器中的三个典型撷取电流(忽略内耗损失；输入＝输出)，它们象征着在三个不同负载需求的情况下的三个电流撷取曲线；曲线2102显示为I₂*COS(ωt)，曲线2103显示为I₃*COS(ωt)或曲线2104显示为I₄*COS(ωt)。依据电荷守恒定律：I₁>I₂，I₁>I₃和I₁>I₄。这四个平均电流值则分别是I₁，(2/π)*I₂，(2/π)*I₃，和(2/π)*I₄，其中π＝3.1416。

如图2B显示；曲线2201描述如发电生产的电压；也就是一个恒定的直流电压V₁，而曲线2202、2203和2204是描述四分之一周期内的单相余弦波AC逆变器的三个典型撷取电压(忽略内耗损失；输入＝输出)，它们象征着三种不同负载需求的情况下，三个电压撷取曲线；曲线2202显示为V₂*COS(ωt)，曲线2203显示为V₃*COS(ωt)，或曲线2204显示为V₄*COS(ωt)。依据能量和电荷守恒定律；V₁>V₂，V₁>V₃，和V₁>V₄。此四个平均电压值则分别为V₁，(2/π)*V₂，(2/π)*V₃和(2/π)*V₄。

图2C中还显示；曲线2301描绘如发电机生产的功率；它是恒定的直流功率P₁，而曲线2302、2303和2304是描述四分之一周期内的单相纯余弦波AC逆变器供给三个不同负载的典型撷取功率(内耗损失忽略不计，输入＝输出)，它们象征着三种不同负载需求的情况下，三个功率撷取曲线：曲线2302显示为P₂*COS(ωt)*COS(ωt)*pf、曲线2303显示为P₃*COS(ωt)*COS(ωt)*pf，和曲线2304显示为P₄*COS(ωt)*COS(ωt)*pf。其中pf是负载的功率因子。依据能量守恒定律，P₁>P₂，P₁>P₃，和P₁>P₄。取pf＝0.75(超过安规要求的pf>0.7)时，四个平均功率分别是：P₁，0.375*P₂，0.375*P₃和0.375*P₄。

这个纯余弦波交流逆变器，能从发电机撷取的电能比例；是以电力撷取器的输出电力，除以平均生产电力所得到的商数。在对应不同负载需求的情况下，三个代表性的电能撷取比例分别为；曲线2302是0.375*P₂/P₁，曲线2303是0.375*P₃/P₁，和曲线2304是0.375*P₄/P₁。因此，即使是在P₁＝P₂的最佳情况，这种电力撷取器的电能撷取效率仍无法超过0.375；若在其它负载情况下，其电力撷取效率会是比0.375更低的数值。

综合以上分析：(1)大多数的“大型光伏太阳能发电站”使用的传统电力撷取器(DC/AC逆变器)只能从太阳能板、或太阳能发电机所生产的电能中撷取小于37.5％的电力(此处为了方便叙述，假设为<40％)；(2)但按照本文描述的原理加入剩余电力撷取器1230；它含有适当设计的器件1233和储能器1235，就可以比传统电力撷取器(DC/AC逆变器)撷取出超过2倍以上的电能。

在下一个小节我们检视另一种典型的传统电力撷取器；PWM电力撷取器。为简化说明但不失去其一般性，我们再次假设初始能源可让发电强度维持恒定(以及恒定发电机输出电力)数秒钟。然后由一个传统的PWM电力撷取器撷取电力。假设太阳能板所生产的电力是一个恒定值(在直流电流I₁，直流电压V₁下，直流功率P₁＝V₁*I₁)。此案例详细检验如下。

如图3A显示；曲线3101描绘如发电机的产生电流；它是一个恒定的直流电流I₁。在忽略内耗损失(输入＝输出)，曲线3102、3103和3104是代表三种不同负载需求的情况下，PWM电力撷取器的三个典型撷取电流曲线。曲线3102描绘出电流大小I₂和负载因子(dutyfactor)δ₂，曲线3103描绘出电流大小I₃和负载因子δ₃，与曲线3104描绘出电流大小I₄和负载因子δ₄。依据电荷不灭定律：I₁>I₂，I₁>I₃和I₁>I₄。四个平均电流值分别是：I ₁，δ₂*I₂，δ₃*I₃和δ₄*I₄。

如图3B显示；曲线3201描绘如发电机产生的电压；它是一个恒定的直流电压V₁，在忽视内耗损失(输入＝输出)，曲线3202、3203和3204是代表三个不同负载需求的情况下，PWM电能撷取器的三个典型撷取电压曲线；曲线3202描绘出电压大小V₂和负载因子δ₂，曲线3203描绘出电压大小V₃和负载因子δ₃，与曲线3204描绘出电压大小V₄和负载因子δ₄。依据能量和电荷不灭定律：V₁>V₂，V₁>V₃和V₁>V₄。四个平均电压值分别为：V₁，δ₂*V₂，δ₃*V₃和δ₄*V₄。

图3C还显示；曲线3301描绘如发电机产生的电力；它是恒定直流功率为P₁＝V₁*I₁，若忽视内耗损失(输入＝输出)，曲线3302、3303和3304是代表三个不同负载需求的情况下，PWM电力撷取器的三个典型撷取功率曲线；曲线3302描绘出功率大小P₂＝V₂*I₂*pf，和负载因子δ₂，其中pf是负载的功率因子。曲线3303描绘出功率大小P₃＝V₃*I₃*pf和负载因子δ₃，曲线3304描绘出功率大小P₄＝V₄*I₄*pf和负载因子δ₄。依据能量不灭定律：P₁>P₂，P₁>P₃，和P₁>P₄。此四个平均功率值分别是：P₁,δ₂*P₂*pf,δ₃*P₃*pf,和δ₄*P₄*pf。

藉由PWM电力撷取器，从发电机中撷取电力的比例是：电力撷取器的平均输出电力除以平均生产电力所得的商数。曲线3302、3303和3304是代表这三个典型撷取电能比例曲线；曲线3302描绘出δ₂*pf*P₂/P₁，曲线3303描绘出δ₃*pf*P₃/P₁和曲线3304描绘出δ₄*pf*P₄/P₁。因此即使是在P₁＝P₂和δ₂＝0.8(一般的负载因子介于0.3～0.8)，并假设pf＝0.75的良好条件下；PWM电力撷取器的电能撷取效率是不会大于0.6。当在P₁>P₂的情况下，甚至会使电能撷取效率小于0.6；若负载因子也低于一般值时(在低电力生产或低负载需求的情况下)，则电能撷取效率也将更小。

如前几节的分析结论：(1)大多数的“太阳能路灯”所使用的传统电力撷取器；PWM器件，只能撷取60％以下的由太阳能板所产生的太阳电能；(2)依本文描述的原理，加上由电能撷取器1233和储能器1235所组成一个良好设计的剩余电能撷取器1230，至少可将传统PWM电能撷取器的撷取电能增加到1.5倍以上。本段已清楚地显示，当使用传统电能撷取器时，为何会发生无效率和无效益的根本原因。

第四段：倡议的完美电能撷取机制

本专利倡议可使用三种方式来设计器件1233，用来撷取大部分发电机产生的剩余电能，这些剩余电能是已经通过传统撷取器1210撷取电力后所剩余的电能。所倡议的三种方式可定义为；主动式，被动式，以及两者的组合。本文中器件1230命名为“剩余电力管理器”，器件1233则命名为“剩余电力核心管理器”。例如，以器件1210是一个“纯正弦波的DC/AC逆变器”为例，建议依据本文所描述的原理加入另一个90度相差的逆变器1233A，此模块1233A具有对所述第一个逆变器1210锁相的功能，在本文中模块1233A命名为“主动式剩余电力撷取器”。

为了详细描述主动式剩余电力撷取器的设计概念，图4显示此概念的示意图；曲线4101显示了发电机所产生的直流功率P₁。曲线4102表示传统电力撷取器；逆变器1210，的电力撷取曲线为P₂*COS(ωt)*COS(ωt)。曲线4120表示被锁定90度相差的另一个逆变器1233A的电力撷取曲线为P₂*SIN(ωt)*SIN(ωt)。请注意COS(ωt)*COS(ωt)+SIN(ωt)*SIN(ωt)是恒等于”1”。因此如图4中显示，通过这两个器件1210和1233A所撷取的电能总和正好等于P₂。

当P₂＝P₁，组合这两个器件的总电能撷取效率是完美的100％。当P₂<P₁，仍有一些固定数量的剩余电力(P₁-P₂)遗留在合并的电能撷取过程中。这些固定的剩余电能，可匹配一个电容性/法拉第器件1233B，就可以很有效且轻易的将电能撷取出来。理论上可以达到完美的撷取效果。本文中1233B命名为“被动式剩余电力撷取器”。此电容性/法拉第器件1233B可以是储能器1235的一部分；但在图1B是把它当做一个独立的实体来强调其独特的功能。从理论上，藉由器件1233和1210组合起来的电能撷取功能，可以撷取所有发电机生产的电能。

当器件1210是一个PWM电力撷取器时，本发明建议加入另一个不同相位的PWM电力撷取器件1233A，1233A能对第一个电力能撷取器件1210进行追踪锁相。图5示意地描绘了这一概念。曲线5101描绘了发电机所产生的直流功率P₁。曲线5102描绘了经过PWM 1210的电力撷取曲线，功率大小P₂和负载因子δ₂。曲线5120描绘了经过另一个与第一个电力撷取器件1210不同相位的PWM 1233A的电力撷取曲线，功率大小P₂，负载因子为(1-δ₂)。两者加总起来的撷取电力，如图5中显示，刚好等于P₂。

当P₂＝P₁，这两个器件组合起来的总电能撷取效率刚好100％。当P₂<P₁，有固定的P₁-P₂电能，当匹配一个电容性/法拉第器件1233B后，可达到一个完美的电能撷取。此电容性/法拉第器件可以做为储能器1235的一部分；然而，图1B只是显示当它为一个独立的实体，来强调其独特的撷取功能。理论上，将撷取电能器件1233和1210组合在一起，可以撷取所有产生的电能。

要注意的是，不同的电能生产和负载需求会产生不同的剩余电力(即(P₁-P₂))，这些剩余电力都可以由被动式剩余电力撷取器1233B完全撷取。幸运的是在实际运作情况下，电力系统不需要精确匹配的电容性/法拉第器件1233B来被动的撷取最大量的剩余电力。通过基本的电路设计技术，可以设计好的电容性/法拉第器件来被动地撷取大部分的剩余电力。然而，发电机的工作电压将被动地从MPPT电压转移到可以撷取最大电力的新电压值(总和撷取器件1210，1233A，及1233B所撷取的所有电力)。在电力系统运作时，这个新电压值基本上是在MPPT电压的附近。换句话说，在结合本文所描述原理的之生产/撷取功能子系统，仍然能够在MPPT电压附近运作下，同时达到最大撷取电能总和；以及几乎能生产最大电力。

第五段：对传统的电能输送管理的调研

本节在审视传统电能输送(供应)管理方式。当电力从发电机撷取后，电力系统需要调配/调整输送的电能；然后输送电力给负载1300使用。这个过程在本文中命名为“电能供应”；或是更精确的命名此过程为“电能输送”。

电能输送(供应)管理的第一个重要议题是：防止电力系统的电力需求超载。第二个是防止电力系统由于负载脱钩而损害电力系统。换句话说，瞬间的负载功率需求不应超过电力系统原始设计的最大输送电力能力(在下一段中会定义)；否则负载可能会脱钩。同时，电能输送管理需要在负载突然脱钩的任一时间点，都能够立即反应处理，防止设备损坏，特别是对系统内电子模块的伤害。

通过下述之步骤进行实验量测，可以量到传统电站瞬间的最大供电能力：步骤(a)量测瞬间的最大发电功率P₁*；(b)量测瞬间的最大撷取电力P₂*；当电力P₁*通过器件1210，可量到其输出电力P₂*；而P2*<P₁*；(c)量测瞬间最大输送电力P₃*；也就是藉由电力P₂*通过器件1220，可量到其输出电力P₃*，而且P₃*<P₂*<P₁*。P₃*定义为电站的瞬间输送电力。它也是负载在此瞬间的最大可使用电力。当P₁*达到电力供应设计的最大值时，与之相应的P₃*则命名为此电力系统的“设计最大输送电力”。另外要注意的是P₁*、P₂*和P₃*在绿能电力系统中的大小(如太阳能电站)是会随时间而变动；而且当使用传统电力撷取器时；P₂*<<P₁*。

得到器件1220的输出电力P ₃*测量值，就可以得到电站的瞬间供应电力。然而，由于器件1220的输出电力与负载需求息息相关，所以这个瞬间电力输送效率仍不能就此确定。例如，当负载1300需求电力P₃，而P₃<P₃*；器件1220可输送电力P₃给负载。在这种情况下，瞬间电力输送效率是负载需求P₃除以P₂*的商数。然而，当负载需求P₃比瞬间输送电力P₃*大时，器件1220可以拒绝负载的电力需求；而与负载脱勾，瞬间电力输送效率则变为零。

注意，此不匹配的电力(P₃*-P ₃)不会输送给负载使用；这些不匹配电力在系统中就会转换成热，而会引起问题。当负载脱勾时，P₃＝0，在这种情况下，巨大的热能P₃*会立刻丢到系统的电路上，此大量的热会加热在系统、发电机、电力撷取器，或电力管理模块内的组件/组件。因为初始能源输入会随时间有大的变动；例如：在零与一个相当大的最大值之间变动；所以一个绿能电力系统的瞬间供应电力；P₃*，也会随着在零与一个相当大的最大值之间变动。因此，此恒定的大负载需求；P₃，会经常大于P₃*；而造成负载脱钩，使瞬间电能输送效率(也是电能使用效率)变成零。任何绿色电力系统若是设计用在拖动一个大而恒定的负载需求(如太阳能抽水站)，就一定，而且经常的会面临这样的困扰。

举例来说，太阳光为太阳能抽水站的初始能源；此太阳能抽水站被设计为当在抽水时去拖动大的负载需求。在一个阳光明媚的晴朗天气，太阳光子输送到太阳能板的光通量在黎明时为零。光通量的定义为每单位时间内输送到被局限面积的太阳能板上的光子总能量。晨曦时阳光从水平面照过来；并不通过安装在水平面上的太阳能板。因此，光通量在黎明为零，然后光通量会一直的增加，直到正午(光照会垂直正射通过太阳能板表面)达到的最大的生产电功率。之后，到下午的光通量，再次随太阳光日落而一直下降，在日落黄昏时光照再度回到水平面，光通量又回到零。但是，这样典型的一天中，有时候可能会有厚厚的云层投射一个暗影在太阳能板上一段时间，当阴影太暗，使电力系统无法提供适量的电力来支持水泵运行，水泵会从负载脱钩。虽然此时的发电功率不一定大到可以驱动大功率的水泵，但却可以足够去伤害到内部的电子、机械..等器件。而本文所描述的原理也刚好可以解决这个问题。

另一方面，供应电力，P₃*也可能比负载需求P₃更大；此多余电力(P₃*-P₃)不会输送给负载。若没有储能器，这多余电力就全浪费了。这些浪费的电能应该算作器件1200的另一个无效益的运作。但是为了减少电站的资本支出，一般大型商业太阳能电站的设计并没有储能器。因此，上述分析的结论是代表实际上经常发生的真实问题。

_.为了评估器件1220的电力输送效率；让我们用一个可以代表一般典型与实际情况的案例来做实境分析研讨。假设有一个120米扬程的太阳能抽水站，分成四个逐段接力抽水区段，每区段30米扬程。4个泵具有相同的运作功率P_r和相同的启动功率P_s。通常P_S>3P_r，有些泵甚至需要P_S>7P_r。

首先，让我们检验传统太阳能抽水站案例。此太阳能抽水站将以遇到“一个特别好的晴天内的12个时段”进行分析。此抽水站在这12个时段的运作情境分别描述如下：

(1)：太阳能板(后方皆视作为太阳能电站)在黎明前，因为没有太阳能输入，不产生任何电力；P(t₁)＝0；没有电力产生，没有电能撷取，没有功率输出，以及没有电能使用。太阳能抽水站的电能使用是0。

(2)：从黎明(6点)至早上7时；太阳能电站产生的电力为P₁*，撷取电力为P₂*，提供电力P(t₂)<P_r，因此，撷取电力不够大到可保持水泵运行；P_r＝V_r*I_r，其中V_r是额定电压与I_r是维持泵工作所需的电流。由于DC/AC逆变器被使用来撷取所产生的电力，P₂*<0.4P₁*，提供电力P(t₂)＝P₂*(忽略器件1220的内耗功率)，以及P₂*<P_r。此电站产生的电力P₁*<2.5P_r，撷取电力P₂*<P_r，以及所提供电力小于抽水功率需求。因此，撷取电力不足以启动作为负载的水泵去消耗所生产的太阳电能；使得电能使用又是零。

(3)：从上午7时至上午8点，太阳能电站的太阳能发电量增加；产生约2.5*1.3P_r的电力，撷取电力～1.3Pr，提供电力可达到P(t₃)～1.3P_r；足以维持一个水泵运行；但没有大到足以启动泵(启动功率P_S，P_S＝V_R*I_S)。须注意的是，通常在泵的额定电压下启动水泵时，电流需要大于I_r的3倍(I_s>3I_r)。电能使用又是零。

(4)：时段从上午8点到上午10点，太阳能电站的太阳能发电量增加；产生电力约2.5*2.9P_r，撷取电力～2.9P_r，提供电力达到P(t₄)～2.9P_r；足以维持一个水泵运行；但仍然没有大到足以启动泵。，此电站无法启动作为负载的水泵去消耗所生产的太阳电能，电能使用仍是零。

(5)：时段从上午10点至12点，电站的太阳能发电量增加；产生电力约2.5*3.7P_r，撷取电力～3.7P_r，提供电力达到P(t₅)～3.7P_r；足以启动一个泵。此电站只能启动一个泵，并且维持水泵负载去消耗所生产的电能。在这个时段电能使用仅为2*P_r。

(6)：中午时突然一片乌云覆盖住天空的一部分，乌云投射阴影到太阳能板上约30分钟；简称为“投射阴影”。提供电力P(t₆)掉到P_r以下；系统被迫与负载脱钩，造成在此期间电力又没有消耗。电能使用又变为零。

(7)：从下午12:30至14:00，阴影逐渐减小其暗度，产生太阳能电力为2.5*2.9P_r；撷取电力2.9P_r，提供电力达到P(t₇)～2.9P_r；足以维持一个泵的运行；但不能启动水泵。该电站仍不能启动水泵负载去消耗所生产的太阳电能，电能使用还是零。

(8)：从下午2点到下午4点，太阳光足够好可产生太阳能电力2.5*3.3P_r；撷取电力3.3P_r，提供电力可达P(t₈)～3.3P_r；已足以启动一个泵(P_S>3P_r)。让一台水泵启动与运作去消耗所生产的太阳电能。电能使用仅为2*P_r。

(9)：时段是下午4点到下午5点以后，电站的太阳能发电量减小；撷取电力2.3P_r，提供电力达到P(t₉)～2.3P_r，仍然足以维持泵的运行。该电站仍不能启动水泵负载去消耗所生产的太阳电能，使用电能仅为1*P_r。

(10)：时段是下午5:00至下午5:30，太阳能电站发电量减少；撷取电力1.1P_r，提供电力达P(t₁₀)～1.1P_r；仍足以保持泵运行。该电站仍维持水泵负载运作去使用所产生的太阳电能。使用电能为0.5*P_r。

(11)：时段是在下午5:30到下午6点，太阳光通量疲软，该电站的发电量上下波动，所提供电力P(t₁₁)在～1.1P_r或低于P_r，亦随着波动。一旦它在P_r以下时，电站关闭水泵，并且在这段期间已没有足够电力可重新启动泵。电站无法启动水泵去使用所产生的太阳电能。电能使用又是零。

(12)：时段是从下午6点到晚上7点(日落天暗)；虽然太阳能电站仍产生一些电力，提供电力为P(t₁₂)<P_r；但已不足以维持一个泵运行。该泵保持停止状态；无电力消耗。日落之后，到下个黎明都将不会有太阳光；因此太阳能发电停止，泵也完全停止。电能使用又是零。

此传统太阳能抽水站的总电能使用量是12个时段内的电能使用总和，一整天下来只有5.5*P_r(Whr)。总共可获得并配送给负载消耗的电能，是在12个时段内所提供电力与供应时间乘积之总和；约28.3*P_r(Whr)。因此，传统太阳能抽水站的电能配送效率为5.5/28.3；等于0.1943，大约是19.4％。因为电力撷取器是一个DC/AC逆变器；由本文第四段(Section Four)所推论其电能撷取率小于0.4(忽略输送时由器件1210和器件1220本身消耗的电能)。因此，它的电能使用效率和控制器效率均低于0.4*0.1943＝0.0777，小于10％。

第六段:本专利的电能输送管理技术

依据本文中所描述原理，对太阳能抽水站中的模块1220电能输送效率进行评估之前，让我们在本段里先进一步阐述有关新模块1233C和1233D的管理功能。为了提高电力输送效率，本文描述的原理是把模块1233C和1233D加入到器件1230。模块1233C被设计可选择性地调节从器件1210所撷取的电能。它可以调整配送出刚好的电力P₂送入器件1220作为输入电力。如此一来，当负载需求小于电力供给能力时，器件1220配送的电力就能够刚好地满足负载需求。当负载需求大于电力供应能力时，模块1233C也被设计成可选择性地调节去让器件1210从发电机的瞬间最大生产电力P₁*中撷取最大电力P₂*；再让调节模块1233D来调整从储存器1235和1233B提供所需要的额外电力P₂**，如此当P₂*+P ₂**的组合电力传给器件1220，该器件1220就可以配送适量的电力，使这电力可以刚刚好的满足负载需求。如此将使供应给器件1220的电力增加，得以处理当发电机1100瞬间所产生的最大生产电力供给系统的瞬间电力比电力需求小的时候。由于这些器件的功能特性，器件1220被命名为“电力配送管理器“；模块1233C被命名为“电力供给量管理器”和模块1233D被命名为“电力配送量调整管理器”。

本文下一段落的说明：对于结合本专利发明的太阳能抽水站，评估其中器件1220的电能输送(供应)效率。如前小节所用的描述方式，我们将再次使用同一个案例，也就是一个120米扬程的太阳能抽水站，由四个逐段接力的抽水区段组合；每个区段的水泵为30米扬程。4个水泵具有相同的操作功率P_r与相同的启动功率P_s。就用前小节传统的抽水站相同调研方式，来探讨结合本专利发明的太阳能抽水站，在经历同样的日照时段及条件所展现出来的结果。

以下所作的假设可以简化说明情况，又不失去其一般性；这些分析是忽略器件1210，1230，和1220本身的功耗；并取其电力撷取效率为100％。这使得供电能力在相同情况下可以比传统逆变器所提供的电力增强成2.5倍。再次以相同的12个时段来重复描述电力使用的情景如下：

(1)：黎明之前，太阳能电站不生产任何电力(比如上午6点)，因为没有阳光；P(t₁)＝0。电能使用率本就为零。

(2)：从黎明(早上6点)至早上7点；太阳能电站发电的供电能力P(t₂)<2.5*P_r(W)，此电力足以维持水泵的运行，但没有大到足以启动水泵需要的功率P_r；P_r＝V_r*P_r，其中V_r与I_r分别为额定电压，以及维持泵运作所需的额定电流。需要注意的是在水泵的额定电压下启动，通常需要大于I_r的3倍(I_s>3I_r)额定电流。因此，该电站无法连接上所述水泵负载，将所产生的太阳能电力提供给负载使用。然而，该模块1233C运用3个管理器件1210，1233A，及1233B将可用的电能～2P_r(Whr)储存到储能器内；这时段中电能使用为～2P_r(Whr)。

(3)：时段是从上午7点至上午8点，太阳能电站的供电能力可达到P(t₃)～2.5*1.3P_r＝3.25P_r(W)，足以启动一个水泵；然后使用所储存的电能启动另外2台水泵，达到3台水泵同时运行。请注意，虽然用于泵的起始功率大，但只需要几秒钟就可启动，然后就可以让它们在正常的额定功率运行。在启动泵的很短时间内所需的额外电能消耗相较于长时间运行的电能消耗是很小的。因此，不需要从储能器提出很大的电能来启动另外两个泵。水泵使用电能3P_r，；而遗留的存储电能为0.25P_r。总使用电能为3.25P_r；，所累计储能～2.25P_r。

(4)：时段是从上午8点到上午10点，太阳能电站发电量增加，供电能力可达P(t₄)～2.5*2.9P_r＝7.25P_r(W)。此电力足以维持3个水泵的运行，并能再启动最后一个泵，进行四个接力水泵的抽水系统，一起抽水以达到120米的扬程。这段期间，该电站可同时运作4台水泵负载去消耗所生产的太阳电能4P_r，并储存可用电能3.25P_r。水泵使用电能为2*4P_r＝8P_r(Whr)和遗留的存储电能为2*3.25P_r＝6.5P_r(Whr)。总使用电能为14.5P_r(Whr)；累积存储到储能器件1235和1233B的电能是8.75P_r(Whr)。

(5)：时段是从上午10点至12点，太阳能电站发电增加，供电能力可达P(t₅)～2.5*3.7P_r＝9.25P_r(W)，此功率足以继续维持4泵运行，且在两小时内将遗留电能5.25P_r存入储能器。水泵使用电能为2*4P_r＝8P_r和使用的储存电能为2*5.25P_r＝10.5P_r。总使用电能为18.5Pr；而且将累积电能19.25P存入储能器1235和1233B。

(6)：在中午时，突然发生天空的一片乌云阴影覆盖电站上的一部分太阳能板，让阴影覆盖在太阳能板上～30分钟；简称为“阴影投射”。太阳能电站供电能力P(t₆)下降到2.5P_r以下。这里的分析不计入太阳能板此时所生产的电力；命令系统从储能器中提出所累积存入的电能来提供水泵所用的电能(以功率4P_r运作0.5小时)，以维持水泵继续运作；也就是忽略了这30分钟内太阳能产生的电力，并命令储能器提供4台水泵在这期间的全部能耗。水泵使用电能是0.5*4P_r＝2P_r，从储能器提出的电能也是2P_r以平衡电能供需。总使用电能是2P_r；累积储存的电能也减少2P_r，降到17.25P_r。

(7)：时段是从下午12:30至14:00，阴影逐渐减小其阴暗程度，太阳能电站发电的供电容量上升到P(t₇)～2.5*2.9P_r＝7.25P_r，足以维持4个水泵运行；和在1.5小时内将遗留电能3.25P_r存入储能器。该电站连接4台水泵作为其负载去使用所生产的太阳能电力；泵的使用电能为1.5*4P_r＝6P_r。使用的储能为1.5*3.25P_r＝4.875P_r。总使用电能为10.875P_r；累积存储在储能器的电能增加至22.125P_r。

(8)：时段是从下午2点到下午4点，阳光好到可使太阳能发电让供电能力可达P(t₈)～2.5*3.3P_r＝8.25P_r，这些电力足以维持4个水泵一起运行，并在2小时内存储电力4.25P_r到储能器中。水泵的使用电能为2*4*P_r＝8P_r；和使用的储能为8.5P_r。总使用电能16.5P_r，累积储存的电能达到30.6255P_r。

(9)：时段是下午4点到下午5点以后，太阳能电站的发电量下降，供电能力为P(t₉)～2.5*2.3P_r＝5.75P_r；仍够维持4个水泵运行；该电站仍连接水泵(负载)和储能器去来消耗和储存生产的太阳能电力。水泵的使用电能仅为4P_r，储能器内被使用掉的电能为1.75P_r。总使用电能为5.75P_r，累积储存的电能达到32.375P_r。

(10)：时段下午5点以后到下午5:30期间，太阳能电站的发电量降低，供电能力为P(t₁₀)～2.5*1.1P_r＝2.75P_r，不足以维持4运行泵；但器件1233C和1233D调动储能器内的能量提供水泵30分钟运作的需求功率1.25P_r，以保持4泵在此期间运行。泵的使用电能为0.5*4P_r＝2P_r和储能器提供0.5*1.25P_r＝0.625P_r电能输出以遵守能量不灭定律。总计水泵的使用电能为2.75P_r；而累积的储存电能则降低到31.75P_r。

(11)：时段在下午5:30到下午6点，阳光暗淡，太阳能电站的发电量上下波动，供电能力P(t₁₁)也忽高忽低；介于～2.5*1.1P_r或低于P_r。此分析则忽略在这期间的太阳能发电，从储能器调出所有需要的电能去维持4泵运行30分钟。水泵所使用电能为0.5*4P_r＝2P_r。泵的总使用电能为2P_r；累积的储存电能也减少2P_r，降到29.75P_r。

(12)：时段从下午6点到晚上7点(日落)；虽然太阳能电站仍产生一些电力，使供应能力为P(t₁₂)<2.5P_r。此分析则忽略此时段生产的电力，此刻在储能器内的电能仍可保持4个泵运行7小时以上；从下午6点开始到没有阳光的晚上，然后，水泵停止。等待下一个日出来提供初始能源给太阳能电站。此4台水泵完全耗尽了今日在储能器内所储存的电能，其使用电能为29.75P_r。

太阳能抽水站运用了本文中所描述的原理，在上述的12个时段内全天使用电能总和约72.75*P_r。而全部可配送之可用电能相当于12个时段的供电能力总和；约75*P_r。因此，结合本专利发明的太阳能抽水站的电能配送效率为72.75P_r除以75P_r的商值，等于0.97，也就是约97％。加上近乎完美的电力撷取，使这个电力系统的电能使用效率为～97％，这与先前所分析的未加入本文描述原理的太阳能抽水站使用效率低于10％的情况要好得太多。比对水泵在当天抽水的总量，结合本文中描述原理的太阳能抽水站抽水量是大于13(＝72.75/5.5)倍于传统太阳能抽水站的抽水量。两者效益可说是天差地别！

第七段：结论

本文描述的原理用来取代传统的“盲目的遵循MPPT运作方式”，我们可以将电力生产、电力撷取、和电力配送及电力需求区隔开来。一方面，在一个新的最大电力撷取电压下，让发电机结合主动/被动撷取器件1210，1233A，1233B，以及储能器1235一起运作，来优化电力生产与撷取。在实际运用时，这个新的电压非常接近MPPP电压。而且，这些新的器件可以主动/被动地撷取未被传统电力撷取器件1210取走的剩余电能；使撷取电力可以接近发电机的最大生产电力，而达到在第四段(Section Four)所描述的，几乎100％的电能撷取效率。

另一方面，电能配送到需求端(负载)的电能优化是藉由加入新器件1233C和1233D，去主动/被动的结合从发电机撷取和从储能器提供的瞬间电力，使电能调整/输送器件可以如同在第六段(Section Six)中所描述那样，在规范的电力规格之下提供适量的电能，使能恰好不多不少地满足当下的负载电力需求。

这样做，在此描述的原理可引导出一种运作机制：电力系统可一直操作在最大电能使用点(MEUP)，榨取出最大的电能效益；特别是绿能电力系统。当这些子系统都被恰当的匹配去优化每个步骤的效率时，这个系统电能使用效率的测量值通常都可提高到95％以上。

总结来说：首先，本文所描述的电力系统加入一个剩余电力管理器1230；具体地说，模块1233A和1233B一起与储能器件1235协同工作，以主动和被动方式撷取尚未被传统电力撷取器件1210撷取的剩余电力。通过这样的做法，撷取电力比例可以提高2倍以上；几乎完全撷取从发电机1100所产生的所有电力。

第二，依本专利发明描述原理所添加的电能供应量调节管理器模块1233C和1233D配合储能器件1233B和1235一起协同工作；如此可使得电力生产/电力撷取过程和电力输送/电力消耗过程区隔开来。因此，这两个过程就可以被个别优化。

第三，模块1233C用来调节模块1233D去主动地和被动地撷取与调整从储能器1235和1233B中得到适量的额外“需求”电能。这个额外”需求”电能是结合了器件1210从模块1100所撷取的瞬间电力，一起转变成一个适量电能。

第四，当该适量的电能被输送到器件1220(模块1223和1225)时，电力将被调节，使能配送恰好不多不少的电力给负载，以满足瞬间负载需求。该模块1223被命名为“电力调整管理器”；模块1225则命名为“电力配送管理器”。

进行优化的程序是：(A)运用基本的电气惯用技术；我们可以设计出主动式剩余电力撷取器1233A和被动式剩余电力撷取器1233B，以及电容性/法拉第器件，使得发电机1100可以在MPPT电压附近下运作，产生接近最大的转换功率，如本文第四段(Section Four)描述，亦可得到最大撷取总电力。(B)生产的电力几乎完美地由传统的和所发明的电力撷取器件1210，1233A，及1233B以主动或被动方式所撷取。(C)本专利发明的器件1233C可调节器件1233D，使能主动地或被动地撷取与调整储能器1235和1233B的电能，得到适量的额外“需求”电能。这个额外电能将结合与调配由器件1210直接撷取模块1100的瞬间电力，一起转变成适量的供应电力。(D)将合并的“适量供应电力”提供给器件1220作为其输入。该输入电力通过器件1220中的模块，以及模块1223来调配；如此当电力通过模块1225，就会转变成器件1220的输出。(E)接下来，器件1220的输出功率，配送到负载1300，并几乎恰好，不多不少地满足负载瞬间需求。因此，本文所描述的原理在理论上可以极大化电能使用，使达到几乎100％。

换句话说，运用本文所描述的原理可以在MPPT电压附近操作，产生接近最大的电力。在结合本专利发明的剩余电力撷取模块，去撷取出最大量的生产电力；将剩余电力暂时储存到所设计的储能器；然后再加上本专利所发明的器件与模块来调节与结合来自撷取器与储能器的电能，成为适量输入电力，然后被调整与配送到负载，恰好满足瞬间负载需求。

因此，本发明可以从电能系统中取得最大的电能效益；尤其是应用在初始能源强度会随时间变化的电力系统，如以阳光，风，潮汐，和波浪为初始能源的电力系统。

本专利发明可实施在其它特定形式而不背离其精神或根本特征的应用。因此，本专利发明所涵盖的范围是由附加在后面的专利主张来界定的，不是由前述的案例说明来界定的。任何所应用的变化及原理的衍伸，只要不违背专利主张之意义及相等效应的范围，都应当要被涵盖在本专利所主张的领域之内。

Claims

1.一种电力系统，包含：

发电机，其将初始能量直接转换为DC电能，所述DC电能在所述发电机的输出处提供；

储能器；

电力撷取器，其以电频率操作，以从发电机和储能器撷取第一正弦脉动DC电力，所述电力撷取器撷取的所述第一正弦脉动DC电力是Pcos²ωt的形式，其中，P是恒定的电力，并且ω是对应于所述电频率的角频率，所述电力撷取器还被配置成将所述第一正弦脉动DC电力转换成AC电力；以及

剩余电力撷取器，其以与所述电力撷取器相同的电频率操作，但其与所述电力撷取器相位锁定成与所述电力撷取器相位相差90度，所述剩余电力撷取器被配置成撷取在所述发电机中产生但未被所述电力撷取器撷取的互补正弦脉动DC电力，所述互补正弦脉动DC电力具有与所述第一正弦脉动DC电力的相位相差90度的相位，使得所述互补正弦脉动DC电力具有Psin²ωt的形式，使得由所述电力撷取器撷取的第一正弦脉动DC电力与由所述剩余电力撷取器撷取的互补正弦脉动DC电力的总和等于恒定的电力P，所述剩余电力撷取器还被配置成将所述互补正弦脉动DC电力中的至少一些临时存储到所述储能器中。

2.根据权利要求1中的电力系统，所述电频率会随时间变动。

3.根据权利要求1中的电力系统，所述电力系统的负载的负载需求会随时间变动。

4.根据权利要求1中的电力系统，所述电力撷取器还在操作电压下操作。

5.根据权利要求4中的电力系统，所述操作电压会随时间变动。

6.根据权利要求1中的电力系统，其中，当所述剩余电力撷取器撷取发电机中产生的互补正弦脉动DC电力时，至少在由所述电力撷取器撷取的电力超过所述电力系统上的负载的负载需求的情况下，抽取所撷取的互补正弦脉动DC电力中的至少一些到所述储能器中。

7.根据权利要求1中的电力系统，还包括：电力装置，其准备来自所述储能器的电力并将来自所述储能器的电力传送至负载。

8.根据权利要求1中的电力系统，其中，当由所述电力撷取器所撷取的电力不足以满足所述电力系统上的负载的负载需求时，电力装置传送来自所述储能器的电力，以满足所述电力系统上的负载的负载需求。

9.根据权利要求8中的电力系统，所述电力装置改变从所述储能器撷取的能量的量，使得所述电力装置提供至少与负载的瞬间变动的负载需求匹配的能量。

10.根据权利要求8中的电力系统，所述电力撷取器还被设计成与所述电力装置和所述剩余电力撷取器组合成组合装置，所组合的电力撷取配送装置执行能量撷取和配送功能。

11.根据权利要求1中的电力系统，所述初始能量是可变能源，使得发电机生成可变的电力量。

12.根据权利要求1的电力系统，所述电力撷取器还包括撷取点追踪器，所述撷取点追踪器追踪由所述电力撷取器和所述剩余电力撷取器从所述电力系统撷取的最大组合电力的时变电压，并且使所述电力系统在最大电力撷取点电压下操作。

13.根据权利要求1中的电力系统，所述剩余电力撷取器撷取一些剩余能量，以增加提供给电网的能量。

14.根据权利要求1中的电力系统，所述剩余电力撷取器进一步包括与可调电力撷取装置耦接的剩余电力管理器，所述可调电力撷取装置以与所述电力撷取器相同的电频率操作，以撷取剩余电力，所述剩余电力产生自初始能量但未被所述电力撷取器撷取以及/或者产生自超过负载需求的电力撷取。

15.根据权利要求14中的电力系统，所述可调电力撷取装置是有源装置，其以与所述电力撷取器相同的电频率操作，并在电频率方面以90度相移与所述电力撷取器锁定，使得所述可调电力撷取装置撷取达到作为剩余电力的互补电力量。

16.根据权利要求14中的电力系统，所述可调电力撷取装置是包括多个有源装置的组合有源装置，其以与所述电力撷取器相同的电频率操作，并且其中，所述多个有源装置共同撷取达到作为剩余电力的互补电力量。

17.根据权利要求14中的电力系统，所述可调电力撷取装置是无源装置，其在电频率方面具有与所述电力撷取器的90度的相移，以撷取达到作为剩余电力的互补电力量。

18.根据权利要求17中的电力系统，无源可调电力撷取装置是具有足够大的电容量的电容性装置，以使无源可调电力撷取装置在电频率方面具有与所述电力撷取器的90度的相移，以撷取达到作为剩余电力的互补电力量。

19.根据权利要求17中的电力系统，无源可调电力撷取装置是具有足够大的电容量的法拉第装置，以使无源可调电力撷取装置在电频率方面具有与所述电力撷取器的90度的相移，以撷取达到作为剩余电力的互补电力量。

20.根据权利要求14中的电力系统，所述可调电力撷取装置是组合的有源和无源装置，使得所述组合的有源和无源装置共同撷取达到作为剩余电力量的互补电力量的剩余电力量。

21.根据权利要求1中的电力系统，所述电力撷取器和所述剩余电力撷取器被组合成组合的电力撷取器，以执行能量撷取功能，

所述储能器进一步被设计成与所述电力撷取器组合，以成为组合的电力撷取器储能器装置，以执行能量撷取功能和能量存储功能二者。