CN111492553A - 光伏电厂 - Google Patents

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赖信成
钟锋泽
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Abstract

一座光伏电站；其至少包含一个交流电力生产单元。此交流电力生产单元包含一个由直流发电机(例如：太阳能板组串)提供直流电力的电能储存器。此电能储存器除了可用来储能当作缓冲以外，同时改善了光伏电站输送电能至电网的效能。不论是否使用电能储存器，截耦器均可用来防止因电能互相抵消所造成的电厂输送至电网电力变少。当光伏电站在进行系统整合时，我们发现在遵循电网规范下，所使用之直流/交流逆变器，它的制造厂商所宣告的额定功率是不可以当作其直流/交流电力转换能力的。

Description

光伏电厂
背景
光伏(PV)发电站将太阳能转换成电力。然后将产生的电力提供给电网。不能提供持续恒定的光照强度是太阳光能源(即，所接收的太阳光)的特性。因此，这种光伏电站中的光伏电力发电机都会加入一个发电优化部件(也称为“优化器”)。其中一种优化器被命名为“最大功率点追踪器(MPPT)”(或“MPPT部件”)，MPPT是用来追踪瞬间的最大发电功率(MPPP)的电压值来控制光伏电站的操作。这种方式在本文中称之为“盲目的遵循MPPT”。MPPT通常是软件或韧体；用来持续寻找并追踪伴随太阳能源因时间变动强度所产生的最大发电功率之电压值。
本专利的主张范围不只是解决上述任何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。
简介
本文描述的实施例直接涉及一种储能系统，此系统包括储能器和系统控制器。当DC能量放电给DC/AC逆变器时，储能器则接受来自DC电源的DC能量来充电。系统控制器节制从储能器放电到DC/AC逆变器的DC能量，来使储能器储存入的DC电能与与放出(给DC/AC逆变器)的电能几乎互相平衡。因为这样的设计会让储能器瞬间充电量和放电量几乎是平衡的，所以相对于不是瞬间平衡的高充电量和高放电量，所需的储能器容量可以变得非常小。以太阳能电站为例，当储能器接收发电站产生全部或大部分电荷情况下，这种控制器设计在充电和放电量很高的状态下就变的很有利。即使在太阳能电站中非常大的输送电流下，这种控制器也能让储能器在电站的应用技术上变得确实可行。
系统控制器包括侦测模块，判定模块和讯息传输模块，侦测模块被配置为测量储能器中电能存储的容量。判定模块被配置用来评估所测量出储能器存储的电能容量是否要进行储存电力大小的调整。讯息传输模块被配置为当判定模块确定要执行储存电力大小调整时，将执行调整的指令编译为讯息码，并将讯息码传送入DC/AC逆变器。
本结论综述的提供是为了以简化的方式介绍一些概念，这些概念将在后面的具体实施方式中进一步描述。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，也不是用在帮助确定所要求保护的专利主张范围。
附图说明
为了能清晰的描述前面所引述的本专利技术之相关优点和特性，发明人使用一个较特别的方式，用对应参考附图来针对不同实施案例加以叙述。但必须理解这些附图只被用来描绘实施例，不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至1C表述在太阳能电站中将截耦部件与储能器结合使用的不同架构；
图2A表述在实验中所设置的电站架构图，其中存在两个传统设置的AC电力生产单元，并且每个电力生产单元具有个别测量输出的功率计和千瓦时计(电度计)；
图2B表述在图2A修改之后的发电站架构图，其中包括截耦装置和储能器，用在验证可输出增强的电力给电网；
图3表述存在两个电力输送通道的发电站架构图，，一个输送通道调用储能器，另一个输送通道不调用储能器；
图4表述代表图3实施例的广义的电站架构图；
图5表述了藉由使用储能器输送电力的电站架构图；
图6表述代表图5实施例的广义电站架构图；
图7表述了太阳能电站的架构图；
图8表述根据本文原理描述的最大能量使用点追踪(MEUPT)控制器的架构图；以及
图9表述了图8MEUPT控制器配置在太阳能电站系统中的架构图。
实施方式
美国专利公告US2016/0036232和US2017/0149250A1(本文内容是参考两专利公告，加以整合后叙述于此)揭露了使用盲目遵循MPPT的光伏电能系统，只能将部分的发电能量提供给电网。这些专利公告也教导，为了能有效地撷取电力供做使用的能量，电力捕获设备必须能与前后设备匹配，才能达到有效率且高效益的撷取所生产的电能。此外，这些专利公告还揭露；一些相关部件也应该进行特性匹配以调节和/或输送撷取的电力，才能有效使用撷取来的电力。
这些专利公告还强调了一个事实；即除了发电端的效率之外，能量使用效率绝对不可避免地也会取决于用需求端的电力需求。甚至进一步揭露，在任何能源系统中，即使符合能量和电荷守恒，典型的电力消耗量也不一定等于电力生产量。
参考引用专利公告的倡议，电力系统必须使用”最大电能使用点(或MEUPT部件)”追踪技术，来取代MPPT(最大发电量电压追踪)技术。这样的优化器在本文称为“MEUPT优化器”。根据所引用的专利公告，MEUPT优化器被设计能够捕获专利公告中所提到的“剩余电能”。剩余电能定义是”已产生的电力中，未被撷取和(/或)输送到电网以供利用的电能”。本文所引用的专利公告中所用“剩余电能”的定义，与上述定义也是相同的。
MEUPT优化器可以被设计成将捕获的剩余电能暂时存储在储能器内；然后调整并将这些电能输送到电网加以使用。因此，将MEUPT优化器并入电站时，就能提高光伏电站的电力销售收入。
第一节：MEUPT优化器的功能
根据US2016/0036232和US2017/0149250A1(“参考专利公告”)中描述的原理，本文揭露的”MEUPT优化器”实施例中包括剩余电力撷取器，储能器和MEUPT控制器。MEUPT控制器是与电力撷取器和DC/AC逆变器协同运作。虽然专业术语中“功率”和“能量”(尽管代表的物理是完全不相同)在电力专业领域中经常是互换使用。因此，除非另有说明，否则两者在本文中具有相同的含义。
电力撷取器从电站生产的DC电源撷取一个初始脉动电力。所撷取的初始电力必须遵循电网的交流电要求。换句话说，所撷取的初始脉动电力具有变动的正弦电压，拥有遵循电网电压范围的峰值电压。此外，电力(与电压的平方成正比)采取与电网同步(具有相同相位和频率)的波形(sin2(ωt)或cos2(ωt))。
另一方面，剩余电力撷取器会撷取剩余脉动电力，而剩余脉动电力是生产的DC电力减去初始脉动电力。换句话说，这个剩余脉动电力是在将初始脉动电力提供给电网之后剩余的电力。与提供给电网的初始脉动电力相比，剩余脉动电力具有90度的相位差。由于这个90度相位差，剩余脉动电力就不能立即转换成交流电供应到同一对电缆，因此必须用储能器来暂时存储剩余(脉动)电力，在储存之后，储能器储存的能量再提供给DC/AC逆变器；使存储的剩余电能能够被转换成与同一对电缆之电力同步(具有相同的相位和频率)的AC电力。
MEUPT控制器被设计能够测量储能器内的存入能量水平；并且估算储能器中可以被撷取的存储能量大小；再将该信息传递给连接的DC/AC逆变器，让恰当的储存能量由DC/AC逆变器撷取出去。然后，被撷取的存储能量，以恰当的脉动电力形式转换成AC电力后提供给对电缆。因此，当并入MEUPT优化器时，光伏电站可以将几乎所有生产的电能提供给电网。相反的，根据引用专利公告内容；在没有MEUPT优化器的情况下，PV电站所产生的电力/电能，仅能够向电网提供少于一半生产的电能。
第二节：用MEUPT改进的传统光伏电站
太阳能电站通常是数百万瓦(MW)的功率等级。传统上，当太阳能电站宣告的额定功率为x MW(其中x是某个正值)时，这意味着所有太阳能板组串的直流发电额定值的总和为x MW。这种传统太阳能电站也配备有3相DC/AC逆变器，所有的逆变器制造商都宣称DC电力转换成AC电力的能力不会大于x MW。而此原则是根据遵循MPPT运行的传统电站所得到的结论。
换句话说，额定x MW的传统光伏电站由x MW个光伏太阳能板串并而成，将太阳能转换为DC电力。这个产生直流电被三相DC/AC逆变器撷取并转换成遵循所有电网AC电力需求的适当AC电力来提供给电网。这个提供给电网的AC电力在本文也被称为“初始脉动电力”。这里再强调一下，所有制造商都宣称DC/AC逆变器的直流电转换的交流电能力不会大于x百万瓦，这也是太阳能板产业宣告所安装的太阳能板的总直流发电量。
根据所引用的两份专利公告US2016/0036232和US2017/0149250A1中的推论，上述的电站中，剩余的脉动电力是确切存在，是太阳能板组串产生的直流电力总量中减去初始脉动电力(由电力撷取器提取)时所剩余的电力。换句话说，该剩余电力与初始脉动电力具有大约90度的相位差。
因为剩余的脉动电力与电网电力相位差约90°，所以这个剩余的脉动电力不能被直接调节并转换成交流电，提供给同一对电缆。根据所引用的专利公告中公开的原理，储能器所暂时储存的能量是包括相位差90度的剩余脉动电力的电能(当剩余脉动电力被存储时即代表剩余电能)。在剩余电能储存在储能器后，剩余电能就可以充当供给DC/AC逆变器的DC电能。然后将该剩余电能转换成遵守所有电网规范(包括与电网同步)的AC电力，让产生的AC电力可以被提供给同一对电缆。
第三节：防止从储能器泄漏能量
在详细说明MEUPT优化器的储能器设计之前，本文首先需阐述一个重要议题。具体而言，太阳能板组串在黄昏时可能会有非常高的电阻，但是当中午太阳光正强时，太阳能板组串可以明显的在来与回的方向上传导电流。因此，储存在储能器中的电能可能会在白天泄漏，去加热太阳能板。如果添加截耦二极管到每组太阳能板组串，就可以让电力确实的从每个太阳能板组串输出给该储能器以充电，而储能器中的电能却不会回流到太阳能板中。图1A，1B和1C描述有配置截耦结构所完成的不同类储能器系统。
第四节：储能器的设计考虑
图1A描绘了储能器1300A的架构图，该储能器被设计为暂时存储由太阳能板组串1100A产生的剩余(直流)电力，即将1100A生产的DC电力转换为AC电力减去由DC/AC逆变器1200A实际拮取的电力后，所导致的剩余电力存入这个储能器。逆变器转换后的交流电再通过变压器1500A提供给电网1600A。剩余电力则通过截耦二极管组1400A，由储能器1300A去接收剩余的脉动电力。在一个实施案例中，该储能器1300A被设计为可暂时存储1百万瓦光伏电站的剩余电能约2分钟。
举一个例子，假设初始能源可保持恒定强度(PV组串1100A的电力生产保持固定强度，所以可允许一个1MW发电机恒定的发电)2分钟。对于下面的分析，初始和剩余的脉动电力都具有相同的周期性波形，但初始和剩余电力有90度的相位差。首先，让我们来看看如何使用强制方式(蛮力法)来设计储能器。请记住储能器的目的是暂时存储剩余电能，以便DC/AC逆变器可以稍后转换此存储的剩余电能。
参考的专利公告中的讨论，对于典型的传统PV电站，剩余电能与产生的DC电能的估计比率大于0.5。为了分析方便，让我们假设光伏电站有1百万瓦光伏太阳能板组串；并将直流电转换成交流电，以提供电网50赫兹和380伏交流电的线路电压。在这种情况下，一个电力周期的持续时间大约等于0.01秒，三相总电流量高达1,000,000/(380/1.732)，其中1.732是3的平方根值。该比率是峰值电压与线电压(线间相电压或三相交流电中的“相电压”)之间的关系。储存该发电站的电力周期中与剩余电能相关的电荷，将需要大约8VFaradays(0.5*0.01*1,000,000/(380/1.732))的等效充电容量，其中“V”是AC电网允许的电压差；也就是设计的储能器在充电前后之电压差。
为了最大化光伏电站的使用能量，在一些实施例中，MEUPT优化器的操作电压应在PV电站最大产生功率的电压的75％左右。换句话说，在MEUPT优化器的那些实施例，将观察到75％的最大功率的对应电压范围内。测得的”电流-电压”对应值表明这个电压范围通常约在80伏。当选择该电压范围作为储能器的充电/放电电压范围(即V＝80伏特)时，在每百万瓦每个电力周期下(其中电力周期约持续0.01秒)，储能器的电容量约为0.1法拉。
如果设计考虑是要存储超过两(2)分钟所累积的最大剩余电能，则所需的等效电容量等于1MW光伏电站的1200法拉(100*120*0.1)。本文称这个所需的等效电容量为“最大总电容量”，且相关的储能量被称为“储能器最大总电容量”或“最大总剩余电能”。
如果仅使用薄膜电容器来满足所需的电容量，那么为满足该电容量所需的薄膜电容器容量将会过大而不符实际需求，并且成本非常高。因此，仅由薄膜电容器组成的储能器是不符合现实需求的。
若用蛮力法的变形设计方式，将法拉第器件(例如电池)整合到储能器设计中以减小体积和容量。从发明人的详细分析显示，对于具有薄膜电容器和法拉第器件的储能器，所需的电容量范围在技术上是实际可行的。然而，使用这样的储能器成本仍然太高，并不利于实际获利。除非，电池的价格保持在相同于现有的性能时，又可以下降到原售价的至少1/3。
若使用电解电容器可以显著降低所需的投资成本。然而，由于这种电容器的寿命相对较短，会造成长期运营成本大为增加。所以，目前使用电解电容器也是不符合现实的。因此，蛮力法并不能达到经济效益有利的设计，并满足储能器所需的最大电容量要求。
这里描述的原理使用发明人观察到的以下事实来解决这个问题：
(1)大多数现有的DC/AC逆变器可以轻易的在一秒内上升或下降3％的功率；而现有500kW DC/AC逆变器在工作期间则可以轻易的在一秒内升降大于10kW。
(2)粗略观察一个典型的一百万瓦光伏电站；每天早上从零功率开始发电，且在日常的正常运作中很少发电量超过10千瓦/秒。
(3)百万瓦级光伏发电站(额定功率大于1百万瓦)偶尔会在电力脉冲期间的短时间内发生大于每秒10千瓦的突增电力。然而与MW级发电站产生的每日总能量相比，这短暂爆发(或甚至每秒100千瓦的较大爆发)的能量是微不足道的。
基于以上的三个事实，发明人确定：(1)每天早上每个太阳能板组串的发电量从零开始；且(2)光伏发电机不能实时产生全功率。因此，剩余脉动电力不会立即上升到发电最大值。换句话说，剩余脉动电力上升速率通常比DC/AC逆变器电力转换的上升速率大得多。而且，任何短暂脉冲增大的能量对于额定1百万瓦或更高的光伏电站的能量收集都不会是一个重大问题。
因此，本专利倡议设计一个可用来能够取代储存最大总剩余电能的储能器，这里所描述的原理是建议设计一个储存净能量的储能器，该净能量(大约超过2分钟)等于输入到储能器中的剩余电能和DC/AC逆变器从储能器中提取出的能量差。在本文中，这个能量差称为“最大剩余电能差”。这个最大剩余电能差的大小远小于最大总剩余电能。因此这种较小的储能器便更容易设计；在技术上是可行，且符合成本要求。
图1B描绘了一个架构，象征性的说明所产生的剩余电力储存在储能器1300B，剩余电力即从一组太阳能板组串1100B产生的电力中减去DC/AC逆变器1201B撷取的电力所剩下储存在储能器1300B的电力。同时，另一个DC/AC逆变器1202B接受MEUPT控制器1310B的指示，以接收来自储能器1300B的DC电能(包含剩余电力)，让1202B所接受的电能与储存在储能器中的剩余电力几乎等量。DC/AC逆变器1201B和1202B两者同时个别将接收到的DC电能转换为AC电力，并且通过相同的变压器1500B将该AC电力提供给同一对电缆1600B。如此一来，储能器1300B的设计与图1A中所示的储能器1300A相比，1300B的净能量储存负担可以减少到非常小的容量。
图1C是按图1B中描绘的配置修改而来，但与图1B中的配置仍具有几乎相同的性能。如图1C所示，由光伏太阳能组串1100C产生的DC电力通过一组二极管1400C储存至储能器1300C。两个DC/AC逆变器1201C和1202C由MEUPT控制器1310C指示，(合计)接收来自储能器1300C的总DC输出电力，此输出电力则近乎等于由光伏太阳能组串所产生输入给储能器的DC电能。因此，对储能器1300C的输入和输出电力中，只要非常小的净输入电力就可以维持储能器稳定的电容量。1201C和1202C两者则同时再将接收到的DC电力个别转换成AC电力，然后经过同一个变压器1500C，供应给同一对电缆1600B。
总之，如图1B所示(当截耦正确时)，在产生的DC电力通过电力撷取器提取(可以内建作为DC/AC逆变器1201B的一个模块)之后，可以用脉动电力形式将剩余电力撷取和存储在储能器，保存该剩余脉动电力。另一个DC/AC逆变器1201B被设计成从储能器1300B中提取大致相等的电能量以减少储存在储能器中净剩余电能。因此，一个相对较小容量的储能器就适合此储能设计的需求。
同样的，如图1C所示(当截耦设计正确时)，储能器1300C可以接收来自光伏组串1100C所有产生的DC电力。然后，由DC/AC逆变器1201C和1202C提取脉动电力，同时剩余电能(剩余电力)的形式为90度相位差之剩余脉动电力，也被动地存储在储能器1300C内。如图中所显示，该剩余电能也自然地被撷取，和自然的存储在储能器1300C中。
采用图1B(或图1C)中描绘的任一设计架构中的储能器都可以提供作为MEUPT优化器的储能器；可以暂时储存90度相位差的小能量净剩余电能。如此原先最大总电容量储存的困难任务就可转移给正确设计的MEUPT控制器解决。
第五节：MEUPT控制器的必要功能
MEUPT控制器应该可以设计到能够引导相关的DC/AC逆变器稳妥的从储能器中抽取恰当的能量，所抽取的能量约相等接近于充入储能器中的剩余电能大小。这样的做法，可以将存入储能器的净能量最小化；并保持储能器维持在均衡而恰当的储电容量下，稳定运行系统。如此运行时，仅需要设计成在短时间间隔内，将充电的剩余电力超过DC/AC逆变器所抽取的电能，存入给储能器；或由储能器内提取不足的电能给DC/AC逆变器。利用这种调控平衡的设计，就可以使用小容量储能器。
使用一个如上所述，有调控能力的控制器，净能量就能够设计在可控制的小范围内。只要让运作时间间隔设计的足够长，而且使DC/AC逆变器运作功率的上升或下降能够快速正确地匹配剩余电能的变动；就能在储能器容量显著降低的同时，还可以确保系统稳定的运行。如此一来，储能器的容量预估可以减少到最大总剩余电能的0.001倍。每百万瓦光伏电站的储能器容量需求则少于2法拉第就够了；这么一来，即使用薄膜电容器当作储能器，都可找到适合可行的薄膜电容规格来使用。本文将用第十二到十四节来描述如何使用一个适当的MEUPT控制器案例。
第六节：电容器/电池的储能器组合
另外一个考虑因素；当使用持续使用良好的薄膜电容器10至15年，仍能保持其原始电容的80％以上，而良好的电池持续使用时间最多5年，能保有约70％的初始电容量。因此，发明者建议储能器设计应小心净能量平衡以优化系统经济效益。此外，储能器中的容量需够大到可以始终维持系统稳定运行。从设计的仿真显示，依照目前薄膜电容器和电池的价格，1百万瓦光伏电站的典型20年储能优化设计，应可采用0.1至1法拉第薄膜电容器以及大约50安培小时便宜的标准车用电池的组串，让储能器在适当的工作电压下运作。
第七节：防止PV组串中的电力相互湮灭
如前所述，图1B和图1C中所应用的截耦技术，允许太阳能板组串对储能器充电；而且阻止电力从储能器倒流回PV太阳能板组串。当恰当地应用截耦二极管时，该技术不仅防止了从储能器通过PV太阳能板组串泄漏电能，而且还可以防止发明人发现的另一个不好现象。这种现象在本文中被称为“PV组串之间的相互电力湮灭现象”，或“相互电力湮灭现象”或“电力湮灭现象”。
当许多光伏组串并联时收集产生的电力时，常会发生这种电力湮灭现象。当并联的不同光伏组串彼此有相当的I-V特性差异时，或者有不同光电转换效率，和/或者有不同的最大功率生产电压时，这种现象就会特别明显。
举例来说，这些并联组中有一部分太阳能板被阴影遮蔽时，阴影下的PV组串将具有比非阴影区的PV串有更低的光电转换效率。换句话说，由于不同区域投射的阴影，即使在一天中的同一时间，这些太阳能板组串也会具有相当的I-V特性差异。将这些太阳能板组串并联时，转换效率高的太阳能板组串会将其部分产生的电力是放电到效率较低的太阳能板组串，导致部分PV太阳能板组串中的电力生产被抵销。发明人已经通过实验证实了这种现象。这些实验还显示，当光伏太阳能板组串接入正确截耦后，就可以防止这种不良现象。
此外，发明者的实验还证实，当并联连接的光伏组串，个别组串具有非常不同的最大功率生产电压时，也会发生电力湮没现象。例如，假设有两个并联的太阳能板串；其中一个由15个串接的太阳能板组成，而另一个由19个串接的太阳能板组成。实验证明19个串接太阳能板所产生的电力确定会通过15个串接的太阳能板组串来释放电力，而导致电力湮灭现象。实验结果显示，上述并联的两个组串所接收到的实际电力，可减少到只有19个串接太阳能板组所产生的一半电力。但当正确截耦时，从上述两个并联的光伏组串接收到的电力可以恢复到19个串接太阳能板组串生产电力的约1.53倍。上述实验显示：(a)确实存在相互电力湮灭现象；和(b)正确的截耦技术可以防止这种电力湮灭现象。
在另一个实验中，光伏电站设置为两个电力生产单元；每个单元由85个相同制造商、相同型号的太阳能板串并联组成。两个电力生产单元中都各配置有五(5)个并联的光伏组串以收集所产生的DC能量。每个光伏组串配置了两组15个串接太阳能板，两组19个串接太阳能板，与一组17个串接太阳能板。当在中午高空并且天空晴朗无阴云时，实验将这10组太阳能板组串的最大功率的生产电压分开测量，最大电力生产电压的最低值是420伏，最高则为610伏。这现象告诉我们，这些并联的太阳能板组串即使在相同的晴空下，仍会有非常不同的最大功率生产电压。
每组电力生产单元经由不同的DC/AC逆变器将收集的DC电力转换为AC电力。为了测量每组生产单元中生产的电能和电力，每个生产单元中每个DC/AC逆变器的AC输出端各连接了一个电度表和一个瓦特计。然后将这些单元连接到变压器以提供电网AC电力。在36天的运作时间内，两台瓦特计的72个读数每天读两次，确认几乎是一样的，并且在36天结束时，从两个电度表的读数也是一致的，这段实验可以证明这两个电力生产单元(包括两套量测仪表)，可以确认是足够一致与相同的。
然后将一个电力生产单元修改为配置成4组并联，每组21个串联的太阳能板组串(其中1个面板不使用)。而另一个电力生产单位维持上述知原来的5组并联的太阳能板组串不修改。然后在正午晴空时量测产生的电力，修改过的电力生产单元，一般为未修改过的电力生产单位的4.1倍以上发电量。然后我们从两个千瓦小时计的读数中得出的六十(60)天提供的累计能量测量值。修改后的电力生产单位提供的电力，是未修改的电力生产单位3.38倍。上述实验明确地证明；在并联的光伏组串中确实存在相互电力湮灭现象，特别是对于并联组串中个别组串具有非常不同I-V特性，或差异很大的最大功率生产电压。
总而言之，根据本文所述正确截耦技术的原理可以防止储能器向太阳能板组串渲泄电能；也可以防止PV组串之间的电力湮灭现象。
第八节：剩余电能存在的证明实验
在说明MEUPT优化器设计之前，此章节文章的描述，可参考专利公告US2016/0036232和US2017/0149250A1中的预测，在确切证明这些PV电站中剩余电能存在的实验。重申一下，在所引用的专利中，剩余电能的定义是指已生产的电能，但未被提取和/或使用之前，就转变为热的电能。具体而言，在光伏电站中，“剩余电能”包括在DC电能生产中，所有未被三相DC/AC逆变器被撷取并转换为AC电力之电能。而MEUPT优化器是设计来捕获/使用这些未被撷取的剩余电能(剩余能量)。以下为实验设计和逐步执行方法的描述。
图2A描绘了PV电站2000A中，包括2个AC电力生产单元2100A和2200A的设置。而2100A和2200A都采用盲目的遵循MPPT的电力生产架构；并向电网2600A提供三相AC电力。AC电力生产单元2100A由DC发电机2110A和三相DC/AC(15KW)逆变器2130A组成。AC电力生产单元2200A由DC发电机2220A和三相DC/AC(15kW)逆变器2230A组成。发电机2110A使用2个并联的PV组串2111A和2112A来产生DC电力。发电机2220A使用另外两个并联的太阳能板组串2221A和2222A来产生直流电力。4个并联的PV组串中的每一串，由25个太阳能板串联组成；每个太阳能板能够在正午和晴朗天空下都能产生250W的电力。
DC发电机2110A将DC电力供应给3相DC/AC逆变器2130A；而DC发电机2220A则向三相DC/AC逆变器2230A供应DC电力。这两个逆变器2130A和2230A将供应的DC电力转换成三相AC电力。在该实验中，电力生产单元2100A和2200A的AC输出功率分别通过两个三相AC瓦特计2351A和2352A来测量。这两个发电单元2100A，2200A的交流发电量(仟瓦*小时)也分别由(仟瓦小时计)电度表2361A，2362A来测定。这些产生的三相AC电力，则通过变压器2500A提供给电网2600A。在光伏电站运行状况下；7天内测量两个AC电力生产单元2100A和2200A的生产电能。
两个千瓦小时计的读数每天在相同时段内都显示相同的读值；这证明了这两个电力生产单位2100A和2200A的所有组件(包括用于测量的两组仪器)基本上都是相同且可信的。之后，两个AC电力生产单元2200A保持不变，而另一个AC电力生产单元2100A被修改为如图2B左侧所示的2100B配置。
将图2A中电力生产单元2200A架构修改得到图2B的电力生产单元2200B。图2B中的组件；2351B，2361B，2352B，2362B，2500B，2600B对应图2A的组件，就是2351A，2361A，2352A，2362A，2500A，2600A。此外，尽管图2B中的电力生产单元2100B的配置与图2A的电力生产单元2100A的配置不同，但图2B的电力生产单元2100B中的一些组件与包含在图2A的电力生产单元2100A中的组件是相同的。例如，图2的光伏组串2111B和2112B分别与图2A的光伏组串2111A和2112A是相同的。同样的，图2B的DC/AC逆变器2130B与图2A的DC/AC逆变器2130A是相同的。
下段章节中的六(6)个步骤是用来描述如何修改电力生产单元2100A的架构成为2100B的架构，2100B就如同图2B的左边所配置的架构。步骤1是在太阳能板组串2111B和2112B，与盲目遵循MPPT的3相DC/AC逆变器2130B之间增加一组截耦二极管2311B的配置。步骤2是增加一组储能器2410B配置在2100B的架构中。步骤3再将储能器2410B通过另一组截耦二极管2312B和开关SW1，连接到DC/AC逆变器2130B的DC输入端。步骤4根据所设计的MEUPT控制器2420B的方向，将另一个三相DC/AC逆变器2130S(20kW)添加配置到2100B架构内，用来操控逆变器2130S。步骤5是将DC/AC逆变器2130S通过另一组截耦二极管2313B和开关SW2，连接到储能器2410B。步骤6是通过开关SW3将逆变器2130S的输出端连接到功率计2351B和电度计2361B上。注意，注意，本文中所引用的“截耦二极管组，可以是二极管领域中称为“阻断二极管”的二极管种类。另外，图1B中所配置的开关SW1，SW2和SW3，让2100B可以依照实验设计的执行步骤，在适当的时机，将相关器件导入实验(或从实验中除去)中。
配置调整后第一晚；将SW2和SW3开关切换成断路，SW1切换成通路。这样，逆变器2130B和2230B在第二天一早就可以开始运作。该系统在这个状况下进行第一天的全天候操作，而这一天量测电力产生单元2100B和2200B的两个电力输出的电表2351B和2352B都显示当天累计读数是相同的。另外，测量储能器2410B端电压的升高可以看出，储能器2410B一早就开始充电。就如电度表2361B和2362B的当天累计读数所示，这两个发电单元2100B和2200B向三相AC电网提供相等的电能量。这个实验步骤确实证明，所增加的截耦二极管组2311B和储能器2410B不会改变发电单元2100B的功率和生产电能量。
开关SW1，SW2和SW3在第一天操作(第二夜)后的晚上都切换成通路。逆变器2130B和2230B在第二天凌晨也开始运作，而逆变器2130S在逆变器2130B和2230B开始运行后大约15分钟内，以较低功率运作。之后，逆变器2130S大约每2分钟增加DC/AC转换功率；这个增加转换功率的过程与所设计的储能控制程序是一致的。两个电力生产单元2100B和2200B整天下来直到接近日落所提供给三相电网的电能，可以在第二天结束时，由两个电度表的读数得出。结果，电度表2351B(对于单元2100B)的当日累计增加读数达到了电度表2352B(对于单元2200B)当日累计增加读数的两倍多。因此，上述实验结果结果显示，从配置调整后的发电单元2100B所提供给电网的一天累计增加电能是未调整的发电单元2200B所提供累积增加电能的两倍多。之后接下来的连续六天，开关SW1，SW2和SW3仍一直保持通路，而调整的电力生产单元2100B每天提供给电网的电能，也一直是电力生产单元2200B的两倍多。
在这六天实验后的晚上，断开SW2和SW3开关的通路。在开关SW2和SW3保持断路期间的连续5天内，从发电单元2100B和2200B每天所提供给电网的电能，又返回到相同的供电量。其后的晚上再次将SW2和SW3切换成通路。并且在随后的连续5天内保持开关SW2和SW3在通路的情况下运作，发电单元2100B每天所测量的每天累积供电电能再次变得比发电单元2200B的每天累计供电电能增加一倍以上。
如前文所说明；执行这个实验则可以毫无疑问地证实；专利公告(US2016/0036232和US2017/0149250A1)中所提出的预测；在PV电站中确有剩余电能的存在。特别是在光伏电站中，当产生的直流电力被三相DC/AC逆变器撷取提供给电网后，还是有剩余电能存在。而其所发明/设计的MEUPT优化器可以捕获并利用这些剩余电能，来增加提供给电网的电力。
第九节：MEUPT优化器设计的几种配置架构
配置调整后的电力生产单元2100B(如图2B中所描述)可以当做配置MEUPT优化器并入PV电力生产单元的一个案例。在这种架构下，MEUPT优化器包括三组截耦二极管组2311B，2312B和2313B；储能器2140B和MEUPT控制器2320B。请注意，在下文中，截耦二极管组被称为“截耦部件”。
如前文所述及图2B所示；这个MEUPT优化器模块的连接方式。请注意在这个实施例中，剩余电能是被储能器2410B以被动方式撷取的。另一个电力撷取器则是包括在3相DC/AC逆变器2130S中的一个模块，这个电力撷取器是撷取储存在储能器2410B中的电能来提供给三相交流电网。逆变器2130S转换得到的AC电力大小，由MEUPT控制器2320B去调节。恰当的设计可以使得充入储能器2410B的电力与从储能器2410B放电的电力几乎平衡。因此，在某个时段内，存入储能器的“净”电力可以被操控去尽可能地减小。较小的净电力有可以使用较小的储能器2410B的优点，但付出的代价是MEUPT控制器2320B要能执行更严格、更快速的充/放电能的管理要求。
图3中描绘了另一个实施例，该实施例阐述了包含MEUPT优化器的光伏电站3000的配置，该MEUPT优化器仅包括一个AC电力生产单元3100，3100使用500kW太阳能板组串3110，将太阳能转换成DC电力。换句话说，AC电力生产单元3100包括DC发电模块3110和3相DC/AC(500kW)逆变器3130。发电模块3110使用80列并联的太阳能板组串来产生DC电力。80列太阳能板组串中的每一列都是由25个太阳能板串联组成；依制造厂商的宣告值，每个面板在中午和晴朗天空下，都可以生产250W直流电力。注意，该DC发电模块3110在本文中称为500kW发电机(80*25*250W＝500kW)；而这个光伏电站则也被称为500千瓦光伏电站。
如图3所示，发电机3110通过截耦部件3311向三相DC/AC逆变器3130(制造厂商宣称500KW逆变器)提供DC电力。发电机3110也经过截耦部件3312向储能器3410提供充电的直流电能。因此，储能器3410被动地收取剩余电能。然后通过截耦部件3313提供DC电力(或放电)给另一个3相DC/AC逆变器3130S(制造厂商宣称为500kW)。逆变器3130依循MPPT优化器来运作，而逆变器3130S则依循MEUPT控制器来运作。逆变器3130和3130S将分别提取发电机3110的DC电力转换成3相AC电力，再通过相同的变压器3500输送给电网(同一对电缆)3600。
前方描述所引用的DC/AC逆变器在使用上可以分为两种类型；即，一种直接接收光伏太阳能板组串所生产的直流电的类型，另一种则从储能器接收直流电的类型。在本文和以下实施方法详细描述中，有需要区分逆变器的类型时，从光伏太阳能板组串接收DC电力的类型称为“PS DC/AC逆变器”；而从储能器接收DC电力的另一类型则称为“ER DC/AC逆变器”。当在本专利公告中使用三相DC/AC逆变器的情况若有需要区分时，逆变器也同样被分类，在本文中分别称为“PS 3相DC/AC逆变器”和“ER 3相DC/AC逆变器“。
从更广义的层次来阐述；如图4的配置所示，其中的MEUPT优化器为x MW光伏电站进行优化，该光伏电站是一个正确设置的太阳能板组串，具有x MW的额定发电能力。所生产的DC电力经过截耦装置4311，供应给制造商宣称“y MW”的“PS 3相DC/AC逆变器”4130撷取。未撷取的剩余电力则通过另一个截耦装置4312送入储能器4410来撷取及存储。所存储的剩余电能通过另一个截耦部件，由另一个制造商宣称z MW“ER 3相DC/AC逆变器”4130S，将4410储能器的DC电能转换成AC电力。逆变器4130由MPPT优化器来调控，而另一个逆变器4130S由MEUPT控制器来调控。两个逆变器都将适量的直流电转换为三相交流电；并且经由相同的变压器4500向电网4600提供三相AC电力。请注意，在此实施例的配置中x＝y＝z＝0.5。
图5描绘了将MEUPT优化器并入大型光伏电站中的另一实施例。该发电站配备额定功率0.5MW太阳能板组串5110，和两个宣称500kW三相DC/AC逆变器5130和5130S。此实施例阐述了MEUPT优化器的另一种配置。光伏电站5000可以被看作包含一个AC电力生产单元(本文中也称为“AC电力生产单元5100”)。AC电力产生单元5100含有DC发电机5110，是由一组额定功率500KW的太阳能板组串，和两个三相DC/AC(每个被宣称为500KW)逆变器5130和5130S所组成。发电机5110则使用80组并联的太阳能板组串生产DC电力。并联的每组组串由25个太阳能板串联组成，每个太阳能板具有额定功率250W的电力生产能力。储能器5410通过截耦部件5311从发电机5110接收DC电力。两个三相DC/AC逆变器5130和5130S分别通过两个截耦二极管部件从储能器5410接收DC电力，两个截耦部件则包括用在逆变器5130的截耦部件5312，以及用在逆变器5130S的截耦部件5313。逆变器5130和5130S是由MEUPT控制器调控，从储能器5410拮取适量的电力，将DC电力转换为3相AC电力，再经由变压器5500提供给电网5600。
为了能更广义地阐述图5中的配置：应用MEUPT优化器对一个x MW光伏电站进行优化。该光伏电站具有一个AC电力生产单元，生产单元含有太阳能板组串，具有总额定功率xMW的DC发电能力。直流发电机则通过截耦部件给储能器充电。储能器再通过两组独立的截耦部件，分别提供直流电给两个三相DC/AC逆变器。制造商宣称两个“ER 3相DC/AC逆变器”的转换能力为z1与z2，合计为z1+z2＝z MW。这两个逆变器都藉由MEUPT控制器调控，将适量的DC电力转换为三相AC电力。两个逆变器产生的AC电力再通过同一个变压器提供给同一对电缆。上面所描述的配置则重绘在图6中显示。请注意，在该配置中x＝0.5，y＝0，z＝1。
此章节的说明将比较图4和图6中所描绘的两种配置。在图4中描绘的配置中，DC发电机供应DC电力给制造商宣称的y MW发电能力的“PS 3相DC/AC逆变器”。并将剩余电力充电到储能器中。图4中储能器提供直流电力给逆变器制造商宣称额定功率为z MW的“ER 3相DC/AC逆变器”。在图6所示的配置中没有“PS 3相DC/AC逆变器”(即y＝0)，所有生产的DC电力会通过截耦部件充电到储能器中；而储能器通过两组独立的截耦部件将DC电力提供给两个“ER 3相DC/AC逆变器”。因此，在图3的配置中x＝y＝z＝0.5；在图6的配置中x＝0.5，y＝0，z＝1。在图6的另一个实施例中，则没有储能器6410，取而代之的由太阳能板组串6110通过截耦部件6311直接向逆变器6130提供DC电力。
直到目前所描述的，MEUPT优化器唯一剩下的设计重点是：确定太阳能板组串的额定能力代表性参数和逆变器额定能力代表性参数两者之间，功率匹配优化的关系。具体而言，就是在优化条件下确认x，y和z的值之间的关系。必须在此提醒，在第二节所述中，y+z的总和值通常不会大于传统光伏电站中的x值。
另外要注意，x值的定义为光伏组串的额定DC电力生产能力的MW发电量；y值设定为制造商所宣称，从PV组串供应的DC电能经“PS 3相DC/AC逆变器”转换的总(MW)发电量；而z值设定为制造商宣称，由储能器提供的DC电能，经“ER 3相DC/AC逆变器”转换的总(MW)发电量。
举例来说，在图6中x等于0.5,表示制造商宣称的光伏电站总发电量为0.5MW；y等于0，表示没有安装“PS 3相DC/AC逆变器”；z等于1，这代表制造商宣称的两个“ER 3相DC/AC逆变器”的合计总额定能力是1MW；是两个逆变器接收来自储能器的DC电力，并将DC电能转换成3相AC电力合并后的结果。请注意，在上述两种配置中，y+z的值不小于x值的2倍。除非另有说明，文中所述的“额定能力”也可称为设备的“额定功率”。
第十节：功率匹配优化的关系
由于不同的(工业)领域，太阳能板额定功率的定义与DC/AC逆变器的额定功率定义不同。太阳能板的额定功率定义为太阳能板在正午晴朗的天空中太阳正射时可以产生的最大直流电力。太阳能板制造商则使用特定类型的照明灯具(这里称为“标准灯具”)垂直照射通过穿过太阳能板表面的光通量，来模拟正午晴朗天空的正射日照。因此，制造商宣称电力生产能力的确是非常接近真正的直流发电机的发电能力。本发明人进行的实验也证实了上述推论。因此判断光伏太阳能板组串的总直流发电能力的宣告值是可信的；因此在本文中描述太阳能板组串的额定功率时，我们就不加注“制造商宣称的能力”。在另一方面，DC/AC逆变器制造业是根据传统电力产业的规范来定义DC/AC逆变器的额定功率，在此被称为“电网规范”。该规范和DC/AC逆变器能力的定义详述如下。
AC电力产业强制实行一个规范(叫做电网规范)，来确保所架构的3相AC电力能够实现所宣称的电力输送能力。三相AC电网电力由3或4条电力线组成，可以将电力线间每对电力线视作为一相，提供随时间变化之正(/余)弦波电压和电流，随时间变化的弦波在本文中又被称为”时变函数”。电网规范将宣称的电压值规格定义为电力线所能承受的“标准”最大电压(称为“线电压”)。同样的，在此规格中宣称的最大电流是指电力线所能承载的最大电流(称为“最大相电流”)。当器件制造要符合电网惯例时，器件规格中宣称的电压是所有相关组件应承受的最大电压。同样，该器件的规格中宣称的最大电流是，连接到一对电力线中与同一相的所有相关组件的最大电流承载能力。这些相关组件的电压和电流的时变函数也需要符合AC电网中每一相的正(/余)弦函数。
再重述如下；三相DC/AC逆变器的指定电压定义为三相电源的线电压；规定的最大电流是定义为对每一相位中的一对电力线能承受的最大电流承载能力；而指定的最大功率则定义为三相可承受的最大功率能力总和。换句话说，当符合电网规范时，每相的电力线和连接的电力设备，就应能传送所规定最大功率的三分之一(1/3)，换句话说，3相DC/AC逆变器制造商“宣称的额定功率”是3*U*I，其中U是相电压，I是相电流。每对电力线能以及相关的电力器件够承受U*I电力，或“制造商宣称额定功率”的1/3；当符合电网规范时，连接到一对电力线的每个模块也需要能承载或输送所宣称的1/3额定功率。
就用一个三相DC/AC逆变器为例，其设定规格是“AC电压＝315VAC；最大电流为916安培；最大功率输出等于500kW“。规格中“交流电压等于315VAC”应理解为：“该逆变器的输出交流线电压为315伏。或者，当3相间平衡时，每相的相电压U是U＝315/1.732＝181.9伏(其中1.732是3的平方根，它是线电压与相电压的比率)。设定的“最大电流＝916安培”则理解为电力线和每相中的所有组件都设计可确保I＝916安培的载流能力。设定的“最大输出功率＝500kW”；应理解为每个DC/AC转换阶段的所有部件的最大DC/AC逆变转换和电力传送能力＝U*I＝181.9*916＝500/3KW；3个转换相位的相关模块的总最大电力转换能力和输出能力是每相的总和，3*U*I＝3*181.9*916＝500kW，这是“制造商宣称的额定功率”的定义(＝3*U*I)，符合前一段所述的电网规范。
3相DC/AC逆变器中的3个相严格的具有120度相位差而相互关联。换句话说，当一对电源线(相位)提供U*I sin2(ωt)的时变功率函数；第二个相的时变功率函数是则提供U*I sin2(ωt+120°)；第三个相则提供U*I sin2(ωt-120°)的时变功率函数。也就是说，此三相中的每对电力线提供三个相互关联的脉动交流电力系统具有严格的关联性，他们是不可以随便变动的。请注意，逆变器电力在这种严格的关联限制下；本文发现并证明逆变器的DC/AC电力转换能力P(t)不等于所设定的“制造商宣称的额定功率”。本文推导的逆变器电力转换能力P(t)是时间的函数，并且是根据电网规范所定义的3相AC功率限制，所推导而得出来的逆变器电力转换能力。
换句话说，逆变器的DC/AC电力转换能力P(t)；是必须从3个相位的时变功率输出之和推导得出的；它们之间有严格相关联的120°相位差；并且必须符合sin2(ωt)或cos2(ωt)的平方正弦随时间振荡的电力波形式；还必须与电网同步(有相同的相位和频率)，使角频率ω成为恒定常数。
现在，让我们推导出三相DC/AC逆变器的时变电力转换能力P(t)。他的每一相DC/AC逆变转换都是时间的函数。所以这个3相DC/AC逆变器的电力转换能力是P(t)＝U*I*(sin2(ωt)+sin2(ωt+120°)+sin2(ωt-120°))。如上所述，U是相电压，I是相电流，ω是电网的固定角频率。此外，数学公理可以证明sin2(ωt+120°)+sin2(ωt-120°)＝cos2(ωt)+1/2。因此，作为时间函数的三相DC/AC逆变器的电力转换能力P(t)的推导是：P(t)＝U*I*(sin2(ωt)+sin2(ωt+120°)+sin2(ωt-120°))＝U*I*(sin2(ωt)+cos2(ωt)+1/2)＝U*I*(1+1/2)＝3/2(U*I)。
如上推导的结果，三相中这些严格相关的三个脉动电力串的功率总和是常数。也就是说，这三对电力线的总输出功率是恒定的。或者说三个相位相关的三个单相DC/AC逆变模块的功率总和是常数(3/2U*I)。但是，该常数仅等于“宣称的功率能力(3U*I)”的一半(1/2)。这是当符合电网规范时，3相逆变器的功率转换能力与3相DC/AC逆变器”制造商宣称的功率能力”之间的关系。
请注意，如前所述，当符合电网规范时，三相DC/AC逆变器的“制造商宣称的额定功率”或前方所提及的“制造商宣称的功率能力”是3*U*I。把它与上面推导的DC/AC转换能力P(t)＝3/2(U*I)拿来相比对；就可以很明显地显示，三相DC/AC逆变器的DC/AC电力转换能力只有“制造商宣称功率能力”的一半。
就如前述的例子；如果使用那个三相DC/AC逆变器。他们宣称的设定“交流电压＝315VAC；最大相电流＝916安培；最大功率输出＝500kW“。我们首先向制造厂商确认他所宣称的最大功率500kW的确等于3*U*I，其中U是从指定的线电压所得到的相电压，I是宣称的最大电流。而依据上述的推导，这个三相DC/AC逆变器的电力转换能力只等于3/2*U*I＝250kW。这个DC/AC电力转换能力也经过单向之U*I测试结果而证实。
参数x，y和z(如本文所定义的)的功率匹配优化的关系是(y+z)的值应不小于2x的值。相关光伏电站由x MW PV太阳能板组串组成；和包括具有y MW的总“制造商宣称功率”的“PS三相直流/交流逆变器”；包括具有z MW的总“制造商宣告功率能力”的“ER 3相DC/AC逆变器”。“PS 3相DC/AC逆变器”和“ER 3相DC/AC逆变器”可以由一个或多个MPPT控制器操控，或由一个或多个MEUPT控制器操控。但为了遵循MEUPT的优化要求，最好所有DC/AC逆变器都通过MEUPT控制器操控。
第十一节：总结
图7概要式的描述PV太阳能电站7000的配置。发电站包括布置在太阳能板组串7100中的x MW的所有太阳能板。太阳能板组串7100中产生的DC电力，通过截耦器件7201，提供DC电力输入到一组3相DC/AC逆变器7301；并通过截耦部件7202，将剩余电力充电到储能器7400中。储能器7400通过截耦部件7203提供DC电力输入给一组三相DC/AC逆变器7302。两个三相DC/AC逆变器7301和7302的AC电力输出通过变压器7500，把升压后的三相AC电力提供给电网7600。逆变器7301的“制造商宣称能力”的总功率是y MW。逆变器7302的“制造商宣告能力”的总功率是z MW。而(y+z)的值不小于2x的值。请注意，当使用类似的配置来描述第二节所述的传统光伏电站时，(y+z)值通常是不会大于x值。因此，当有上述设计的残余电力储能器，而且(y+z)值的设计大于x或甚至更好的1.1x时；这就意味着可以捕获一些剩余电能以增强提供给电力电网的电能。
逆变器7301和7302都可以由本文前述的MEUPT控制器操控。在某些实施例中，MEUPT控制器可以操控一些，一个或不操控逆变器。此外，在某些实施例，发电配置中可以省略7201,7202和7203其中的一个或一些截耦模块。PV太阳能板组串7100提供DC电力输入给逆变器7301。因此，7301在本文中称为“PS逆变器”。储能器7400提供DC电力输入给逆变器7302。因此，7302在本文中称为“ER逆变器”。总“制造商宣称额定功率”和总“制造商宣称的发电能力”的术语在本文中都简称为“宣告功率”。
再一次来解说图7中所描绘的部件与配置：PV电站7000包括x MW太阳能板组串7100作为DC发电机。DC发电机7100通过截耦部件7201，提供给y MW的"PS转换器”7301；并且通过另一个截耦部件7202将剩余电力充电到储能器7400内。7400通过截耦部件7203，提供给“宣告功率”为z MW的“ER逆变器”7302。所有三相DC/AC逆变器7301和7302的三相AC输出电力则通过变压器7500，将转换的3相AC电力提供给电网7600。在一些实施例中，(y+z)值不小于2x值。然而，当有上述残余电力储能器，而且(y+z)值大于x值时，该设计可以由电网上销售电能的增加而获得一部分利益。
根据本文描述的原理；一个MEUPT优化器可以对含有一个或多个AC电力生产单元的小型PV电站或大型PV电站提供服务。此外，通过适当设计的截耦部件，可以防止储能器能量通过PV太阳能板组串泄漏。此外，通过适当设计的截耦部件，可以避免发明者所发现的“相互电力湮灭”现象。而且，储能器可以在“PS逆变器”的电能提取之后，用来撷取接收剩余电能，或者在任何能量撷取过程之前接收所有产生的DC能量。最后，以上所描述的MEUPT优化器设计也能够为含有单相DC/AC逆变器配置的PV电站提供服务。
第十二节：MEUPT控制器的设计限制
图8显示了MEUPT控制器8000(也称为“系统控制器”)，作为图2B的MEUPT控制器2320B的代表案例。MEUPT控制器8000包括3个可执行组件：侦测模块8100，判定模块8200和讯息传输模块8300。
侦测模块8100测量储能器8400中存储的能量水平。储能器的例子有图2B中的储能器2410B，图3中的储能器3410，图4中的储能器4410，图5中的储能器5410。图6中的储能器6410和图7中的储能器7410。
由一个判定模块8200来决定恰当的功率抽取大小，这样做能正确地将充入储能器8400的电力以及从8400撷取出的电力维持在几乎平衡，而使存入的”净”电力几乎为零。
讯息传输模块8300将上述判定的恰当抽取电力大小的编码讯息传送到剩余电力撷取的DC/AC逆变器8500进行解读并执行编码讯息，使得逆变器们可以在指定的电力抽取大小下连续运作，让储能器输出的电力与充入的电力几乎平衡。从储能器8400抽取电能的逆变器8500的例子有图2B中的逆变器2130S，图3中的逆变器3130S，图4中的逆变器4130S，图5中的逆变器5130S，图6中的逆变器6130S，图7中的逆变器7302。
为了让MEUPT的优化器产生经济效益，MEUPT控制器的设计需要考虑以下参数和变量，(1)储能器8400的储能容量；(2)DC/AC逆变器8500转换功率的上升/下降速度；(3)太阳能板的电流-电压特性；(4)光伏电站所在地的气候；(5)MEUPT控制器与剩余DC/AC逆变器会如何一起协同工作，来让储能器的充电电力与从储能器抽取的电力之间的差异达到最小化(或平衡)。只有在考虑到所有前述参数和变量，才能为每个光伏电站或者某个电站中的任一组光伏组串，设计出实用的客制化MEUPT控制器。
第十三节：如何设计MEUPT控制器
在实际的应用上，为每个PV电站或者它的每组PV组串去设计客制化的MEUPT控制器是不经济的。另一方面，当客制化设计控制器是不被允许时；想设计出一款MEUPT控制器能适合所有PV组串或电站来使用，是非常困难的。但是，可以运用的是；储能器的端电压可以被视为受5个参数和变量综合影响的量测值。因此，当选择MEUPT储能器的端电压作为判断参数时，上述5个设计参数可以相对地分开为两部分来考虑。
我们当将测量的端电压与一组现场设定的“标准电压间隔”进行比对之后；发明人清楚地知道，系统当下执行的DC电力撷取和DC/AC转换电力大小，在执行之当下可以量化为三个DC电力撷取情况(1)太低，(2)太高，或(3)刚好。因此，MEUPT控制器设计工作可以分开成为1)一般工业控制器，加上2)客制化的现场设定“标准电压间隔”表(后面简称为“电压间隔表”)来完成。
一旦为某个PV电站构建了现场设定的电压间隔表；电压间隔表就可以与工业控制器去协同工作，来完成所需的MEUPT控制器功能。如图8所示，其中工业控制器包括侦测模块，判定模块以及讯息传输模块。在这种情况下，侦测模块8100用来测量储能器8400的端电压。判定模块8200用来比对测得的电压与电压间隔表；以便确定适当的电力撷取量与充电电力量达到几乎平衡。讯息传输模块8300再将上述确定的恰当电力撷取大小的讯息编码传送到撷取剩余电力的DC/AC逆变器；使得逆变器可以在这个指定撷取电力大小下连续操作，让储能器8400的电力输入和输出接近平衡。如此，可以使存入的”净”电力几乎为零。
在一个实施例中，MEUPT控制器8000的侦测模块8100被设计成实时地测量剩余电力储能器8400的端电压。而判定模块8200仍然可以被设计成在某个指定的时间间隔中执行端电压与标准电压之间的比对(测量的电压与电压间隔表的比较)。此比对结果可能分为以下列三种情况之一：
(1)如果测量的电压和电压间隔表的比对显示电力撷取的过低，则控制器8000可以(通过讯息传输模块8300)要求三相DC/AC逆变器8500转换到下一个指定的时间间隔时增加电力撷取，；
(2)如果测量的电压和电压间隔表的比对显示电力撷取过高，则控制器8000可以(通过讯息传输模块8300)要求三相DC/AC逆变器8500转换到下一个指定的时间间隔时减少电力撷取；
(3)如果测量的电压和电压间隔表的比对，显示电力撷取是恰好，则控制器8000可以要求3相DC/AC逆变器8500在下一次指定时间间隔时(至少到下次比较发生为止)，维持相同的电力撷取。
当DC/AC逆变器的电力撷取/转换的调整步调足够小时，上述设计可以应用在所有类型储能器以及它的储电容量；可以适用于所有类型DC/AC逆变器撷取电力时功率上/下调整的变化速度；可以适用于各种太阳能板组串的电流-电压特性；并且可以适用于所有不同区域光伏电站的气候。最重要的是控制器可以指示三相DC/AC逆变器在抽取储能器电力时，进行极微小的快速调节。
典型传统的集中式3相DC/AC逆变器在被指示时，是可以在非常小的调节步骤下快速操作。它已有配备一个通信管道，在本领域中称为“干接盒”(本文中引用此称呼)。干接盒通常是一组藉由光讯号的6-bit通信管道。我们可以藉由一种编码-译码技术，来通过干接盒控制超过6个电力撷取大小的通信管道。该技术允许传输多达26位阶变化讯息，即64阶讯息来控制所指定撷取电力大小。通过多达64个调整电力撷取大小，就可以很容易地在技术上实现储能器输入能量和输出能量所需的净平衡接近零的需求。
第十四节：结合MEUPT优化器的PV电站
如图9所揭示，一个PV电站9000包含有MEUPT控制器9210的MEUPT优化器9200，MEUPT控制器9200则包含3个可执行组件；即，侦测模块9211，用以测量剩余储能器9400的端电压；判定模块9212，用于测量电压与光伏电站的电压间隔表进行比对；讯息传输模块9213藉由讯息传输模块4213通知3相DC/AC逆变器4502升高，下降或保持在相同电力撷取大小。图9的模块9211,9212和9213分别是图8中组件8100,8200和8300的示范案例。图9的储能器9400是图8的储能器8400的示范案例。逆变器9502是图8的逆变器8500的示范例。
PV电站9000还包含PV太阳能板组串9100。太阳能板组串9100将太阳能转换为DC电力；通过截耦部件9320，将产生的DC电力输送到剩余电能储能器9400。9400通过截耦部件9330将DC电力输送给三相DC/AC逆变器9502。图9的太阳能板组串9100，是将集中的DC电能来源提供给储能器充电，它的例子可以是图2B中的太阳能板组串2111A和2111B，图3中的太阳能板组串3110，图4中的太阳能板组串4110，图5中的太阳能板组串5110和图7中的太阳能板组串7110，图9的截耦部件9320的例子可以是图2B中的截耦部件2312B，图3中的截耦部件3312，图4中的截耦部件4312，图5中的截耦部件5311，图6中的截耦部件6311和图7中的截耦部件7202的实施例。图9的截耦部件9330是图2B中的截耦部件2313B，图3中的截耦部件3313，图4中的截耦部件4313，图5中的截耦部件5313，图6中的截耦部件6313和图7中的截耦部件7203。
如本文所述，用MEUPT控制器9210指示三相DC/AC逆变器9502从储能器9400撷取恰当的电力以平衡来自太阳能板组串9100对储能器充电的输入电力；导致储能器9400中充电或输出电力”净”值接近于零。因此，一个小型储能器9400对PV电站就可以变成为正确的设计。DC/AC逆变器所转换输出的AC电力，则通过变压器9600，在将升压后的AC电力输送给连接的电网9700。
本文所使用的“可执行组件”术语是应用在跟图8和9相关的领域。而“可执行组件”术语，对计算器领域的一般技术人员是很清楚认知的结构名称。至于”计算”的定义可以是软件，硬件，韧件或其组合的结构。例如，当以软件实现时，本(计算器)领域的一般技术人员的认知，可执行组件的结构则可以包括在计算系统上执行的软件目标，程序，方法，包括是否此结构的系统计算堆中存在这样的可执行组件，或者可执行组件存在于计算器可读的存储介质上。
在下面的一个案例中，本专业领域中一般技术人员可认知到；执行组件的结构存在于计算器可读的存储介质上时，由计算系统的一个或多个处理器解读(例如，藉由处理器线程)，导引计算系统去执行功能。这种结构可以是直接由处理器进行计算器可读功能(当可执行组件是二进制的，即是这种情况)。或者，该结构可以被架构为可解读和/或编译(无论是在单阶还是在多阶中)，便产生可由处理器直接解译的这种二进制档案。当使用“可执行组件”术语时，可执行组件的案例结构在计算器领域的一般技术人员养成教育训练，是可以被完全理解掌握的。
本领域一般技术人员术语对“可执行组件”的充分理解，还可包括仅在硬件或韧体中独占或接近独占下实现的结构，譬如现场可程序门阵列(FPGA)内，特定应用的集成电路(ASIC)或任何其他特用的电路。因此，术语“可执行组件”是用于计算器领域的一般技术人员清楚认知的结构术语，无论是以软件，硬件或是两者的组合来实现。
本发明可体现在其它具体形式而不背离其精神或本质特征。所述实施例在所有方面都仅是用来说明，而非限制性的考虑。因此，本发明的专利范围，由附加的权利主张决定，而不是由前方描述指出。其中的含义和权利主张地等效范围内的所有改变，都包括在其权力要求范围之内。

Claims (20)

1.一座光伏电站；至少由一个交流电力生产单元所组成的，而其中任何一个此种交流电力生产单元包含：
一部直流发电机；是由xMW太阳能组串所构成，其中x是个正数值；
一部或多部第一种三相直流/交流逆变器；它的制造厂商所宣告的总额定功率为yMW，此第一种三相直流/交流逆变器接受由直流发电机所提供的直流电力，并将所接受的直流电力转换成交流电力，此交流电力再经由变压器升压后送至电网；
一部能量储存器；用来接收至少一些在直流发电机已生产而未萃取的剩余直流电力；以及
一部或多部第二种三相直流/交流逆变器；它的制造厂商所宣告的总额定功率为zMW，其中z是一个正值，此第二种三相直流/交流逆变器从电能储存器接受直流电力，并将从能量储存器所接受的直流电力转换成交流电力，此交流电力再经由变压器升压后送至电网；
数值y与z的总和大于x。
2.如申请专利范围第1项所述的光伏电站，数值y与z的总和大于2x。
3.如申请专利范围第1项所述的光伏电站，数值y与z的总和在1.1x与2x之间。
4.如申请专利范围第1项所述的光伏电站，数值y小于x。
5.如申请专利范围第1项所述的光伏电站，数值z大于x。
6.如申请专利范围第1项所述的光伏电站，其至少有一个交流电力生产单元可以是一种多重交流电力生产单元组，此多重交流电力生产单元组中的每一个单元的数值(y+z)与x比例是相同的。
7.如申请专利范围第1项所述的光伏电站，更可由至少下列部件之一所组成：
一个第一种截耦器；直流发电机经过第一种截耦器提供直流电力给第一种三相直流/交流逆变器(组)；
一个第二种截耦器；直流发电机经过第二种截耦器提供直流电力给电能储存器：以及
一个第三种截耦器；电能储存器经过第三种截耦器提供直流电力给第二种三相直流/交流逆变器(组)。
8.如申请专利范围第1项所述的光伏电站，更可由至少下列部件之二所组成：
一个第一种截耦器；直流发电机经过第一种截耦器提供直流电力给第一种三直流/交流相逆变器(组)；
一个第二种截耦器；直流发电机经过第二种截耦器提供直流电力给电能储存器；以及
一个第三种截耦器；电能储存器经过第三截耦器提供直流电力给第二种三相直流/交流逆变器(组)。
9.如申请专利范围第1项所述的光伏电站，更可由下列部件所组成：
一个第一种截耦器；直流发电机经过第一种截耦器提供直流电力给第一种三相直流/交流逆变器(组)；
一个第二种截耦器；直流发电机经过第二种截耦器提供直流电力给电能储存器；以及
一个第三种截耦器；电能储存器经过第三种截耦器提供直流电力给第二种三相直流/交流逆变器(组)。
10.如申请专利范围第1项所述的光伏电站，第一种三相直流/交流逆变器(组)在运作时会使用一部MEUPT控制器。
11.如申请专利范围第10项所述的光伏电站，第二种三相直流/交流逆变器(组)在运作时共同使用一部MEUPT控制器。
12.如申请专利范围第1项所述的光伏电站，第二种三相直流/交流逆变器(组)在运作时共同使用一部MEUPT控制器。
13.一座光伏电站；其至少由一个交流电力生产单元所组成，而其中任何一个交流电力生产单元包含：
一部直流发电机；是由xMW太阳能组串所组成的，其中x是个正数值；
一部电能储存器；用来接收至少一些由直流发电机所生产的直流电力；以及
一部或多部三相直流/交流逆变器(组)；它的制造厂商所宣告的总额定功率为zMW，其中z是一个正值，此三相直流/交流逆变器接受由电能储存器所提供的直流电力，并将从电能储存器所接受的直流电力转换成交流电力，此交流电力再经由变压器升压后送至电网；
并且安排数值z大于1.1x。
14.如申请专利范围第13项所述的光伏电站，所安排之数值z大于2x。
15.如申请专利范围第13项所述的光伏电站，其至少有一个交流电力生产单元可以是一种多重交流电力生产单元组，此多重交流电力生产单元组中的每一个单元的数值z与x比例是相同的。
16.如申请专利范围第13项所述的光伏电站，其更可由下列部件所组成；
一个截耦器；电能储存器会经过此截耦器提供直流电力给三相直流/交流逆变器(组)。
17.如申请专利范围第13项所述的光伏电站，更可由下列部件所组成；
一个截耦器；直流发电机会经过此截耦器提供直流电力给电能储存器。
18.如申请专利范围第13项所述的光伏电站，可增加下列部件所组成；
一个第一种截耦器；直流发电机经过第一种截耦器提供直流电力给电能储存器；
一个第二种截耦器；电能储能器经过第二种截耦器提供直流电力给三相直流/交流逆变器(组)。
19.如申请专利范围第13项所述的光伏电站，至少有一部三相直流/交流逆变器在运作时共同使用一部MEUPT控制器。
20.一座光伏电站；其至少由一个交流电力生产单元所组成的，而其中任何一个此种交流电力生产单元包含：
一部或多部三相直流/交流逆变器，这些直流/交流三相逆变器接受直流发电机所提供的直流电力，并将所接受的直流电力转换成交流电力，此交流电力再经由变压器升压后送至电网；以及
一个截耦器；直流发电机经过此截耦器提供直流电力给三相直流/交流逆变器。
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