TW200929833A - Photovoltaic inverter interface device, system, and method - Google Patents

Description

200929833 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明通常有關於將太陽能轉換成為電能之裝置與方 法，而更特別的是有關於用於將太陽能轉至電能更有效轉 換之裝置與方法。 【先前技術】 在相當長的時間裡，已知使用光伏（PV)系統將光能變換 ❹ Ο 成電能，而這些光伏系統已逐漸實現於居家、商業與工業 應用中。儘管近幾年已經進行了這些光伏系統的發展與改 進以改善其效率’然而光伏系統的效率仍聚焦於持續改進 光伏系統的經濟上可行性。 光伏系統典型包含諸多構件，一個產生DC電力之光伏 陣列以及-個將DC電力轉換成AC電力（例如，單相或者 三相電力）之變流器。為了降低因高電流組件所造成的成本 並降低能量的損失，通常期望設計並且操作光伏陣列，致 使所輪出的電壓相對較高，因而電流低。 例如’包含結晶（諸如，單晶或多晶）石夕之光伏陣列 作於1200伏特的開路負載狀態，而非結晶㈣可操作於 1400伏特的開路負载狀態。儘管陣列能夠施加高開路負載 :壓但從陣列汲取電力，陣列的負載錢實質^ 下降□此陣列报少如此操作。例如，於加載條件下， 、、-。晶矽陣列可操作於7 操作於_伏特左右。6G伏特之間，而非晶梦則可 l器可用於各種的電廢額^，藉以適應不常遇到的 5 200929833 電壓條件。但是，相較於設計操作在較低電壓 〜器’額定在較高電壓之變流器典型需要較大的成 本並且較無效率地運作。結果，假如整流器沒必要設計 成操m高開路負載電I，變流器常以比可用的錢無效 率與較兩成本的梦設計。

❹ 例如，合併大約1400伏特左右電壓額定的矽之變流器 實質會遭⑦更大的損失，而且其成本實質超過利用額定 1200V應用㈣之變流器。所以’需要應付現今的技術缺 點、並且提供其他新式與創新特徵之系統及方法。 【發明内容】 顯示於圖式中的本發明典範實施例總結於下。這些與 其他實：例更完整地說明於實施方式一節中。然而，所要 了解的是，不預期將本發明限制於本發明總結或者實施方 式中所說明之形式。熟知該項技術者能夠識別出有數種修 改等效物與替代構造在於申請專利範圍所要表達的精神 與範疇之内。 在某一實施例中’本發明之特徵為一種光伏系統，包 含適以耦合至光伏陣列的第一與第二電極㈣)之第一與第 二輸入端。在此一實施例中’配置一變流器以將自光伏陣 列的DC電力轉換成AC電力，而且配置一耦合至第一與第 二輸入端和變流器之介面部分，以將第一與第二輸入端至 少其中一個與變流器隔離，並且調變從光伏陣列至變流器 之電壓施加以在光伏陣列上增加負載，並降低從光伏 陣列施加至變流器之電壓。 6 200929833 在另一實施例中，本發明之特徵為一種介面於光伏陣 歹J與變流器之方法。在此一實施例中，本發明包含將光伏 陣列與變流器電隔離、在光伏陣列的輸出端上施加一初始 電壓調變置於光伏陣列之上的負載藉以在光伏陣列的輸 出端上提供已降低之電壓、以及利用該已降低之電壓將電 力施加至變流器。 在另一實施例中，本發明之特徵為一種光伏介面，包 ❹含兩個能夠輕合至光伏陣列之輸入端，該輸入端配置以接 收光伏陣列所施加的初始電壓。此外，在此一實施例中， 該介面包含兩個能夠耦合至變流器之輸出端，該輸出端配 置以將操作電壓施加至變流器。再者，將在此一實施例中 的切換區段配置以逐漸設置跨於兩輸入端之負載，藉以將 光伏陣列所施加的初始電壓降低至變流器之操作電壓。 如同以上所敘述的，上述的實施例與實現方式僅為闡 述之目的。熟知該項技術者會經由以下的說明與申請專利 〇 範圍，簡易地識別出本發明數種其他的實施例、實現方式 以及細節。 【實施方式】 此時參照圖示，其中在數個圖示中，以相同的參考數 子指示相似或類似的組件，並且特別指稱圖丨，其為敘述光 伏系統100之方塊圖，其系統100包含透過一光伏（pv)介面 ^4耦合至變流器ι〇8之光伏陣列ι〇2。 通常，光伏陣列102將太陽能轉換成DC電力，此Dc 電力則是藉由變流器108轉換成AC電力（例如，三相電 7 200929833 力）。而且，PV介面204通常操作以致使該設計能夠操作於 較低電壓的變流器i08，用來與pv陣列i〇2連結，其在超 過變流器108所設計的操作電壓下，操作至少—部份 (例如’未加載）β β 在諸多實施例中，PV介自i 〇4為一種低責任因數的裝 置，其僅簡略地在啟動及/或停止運轉期間中操作，藉以逐 步地連接或者切斷PV陣列1〇2至變流器1〇8。例如，在某 ❹ 實施例中’ pv介面104在啟動及/或停止運轉期間中操^ -秒或者幾秒。例如，在某些實施财，從低至高責任週 期（例如，從10%至100%)對介面中的切換區段之責任週期 (duty CyCle)進行脈波寬度調變，藉以逐步對pv陣列加 載，所以將陣列102的電壓從初始電壓（例如，未加載電壓） 降至較低之電壓（例如，大約為變流器丨〇8的最佳電壓）。 一旦PV陣列1〇2加載，而且pv陣列的電壓從其初始 電壓降低，則介面104將PV陣列1〇2耦合至變流器1〇8， Q 介面104的切換區段離開操作狀態。所以，在諸多實施例 中，變流器108不會曝露於pv陣列1〇2潛在損毁的開路負 載電壓，而且在穩態操作期間中（例如，在PV陣列1〇2電 壓降低之後）’端視系統1〇〇效率而定的介面1〇4切換區段 效應並不實際。然而，相對於習知技術，在數個實施例中， 貫質改進系統100之效率由於藉由設計以操作在低於pv陣 列102初始電壓（例如，未加載電壓）的矽來實現變流器1〇卜 如在此進一步所探討的’在某些實施例中，光伏陣列 102為一種雙極性陣列，並在此諸多實施例中，設置至少一 8 200929833 ;0;二陣列2’藉以操作相對於接地之正電歷，同時陣列 且1Γ;:份則操作低於接地電廢。但此確然不需要，而 =在其他的實施財，光伏陣列⑽為 電歷。 操作於實質較高於接地或者較低於接地之 =實：：中，陣列102中之單元包含結晶(例如， ^曰或夕日日）石夕’其在開路負載狀態下操作N細伏特，而 ❹=载狀態下’則操作於780肖960伏特之間。而在其他 的實施例中，該陣列包含由非晶石夕所構成之單元’其在開 路負載狀態下操作於"。〇伏特，而在加載狀態下，則摔作 2 _伏特n熟知該項技術者將會察知的是，光伏 置所設置。例如，光伏單:光伙单疋’以各種不同配 … ；如&伙单…並聯、串聯或以其組合來 怖置之。 如在此所進-步探討的，介面刚之數個實施例有效 ❹*致使低成本與有效率的變流器能夠用來結合有效、高 電麼的PV陣列。例如，替代利用刚伏特的 二器:：之贿)，以適應140。伏特之開路負載pv電磨， 在某^實施例中，將胸伏特的♦實現於變流器⑽其 大概為1400伏特碎成本的一帛，而且更有效率。 再次^照圖2,所示為參照圖i所說明的系統_典範 實施例之概要表示。如所示’在圖2所敘述的系統谓中， 其伏介陣面列2〇2透過一典範介*綱輕合至一變流器 2〇8,其介面2G4包含一由分流開關施所構成的切換區 200929833 段’其中的開Μ 206則是佈置與配置以將變流器2〇8柄合 至陣列202’使變流器2〇8不會暴露於陣列2〇2潛在損壞之 開路負載電壓。 如所示，分流開關206設置跨於陣列2〇2之正負極， 並且藉由一條輸入導線212耦合至介面2〇4的控制區段 210。此外，沿著系統2〇〇的正極串聯佈置一個二極體214 與-接觸器216’其藉由一條控制導線218耦合至控制區段

❹ 210。儘管並無敘述，‘然而在諸多實現方式中，介面的負極 同樣也包含一 DC接觸器，藉以斷開與連接到變流器2〇8的 陣列202之負輸出端。 在諸多實施例中，開關206為一種絕緣閘雙極性電晶 體（IGBT)，其設置致使IGBT的集射電流路㈣合於介面 2〇4的正負極之間，而開_ 2〇6 #閉極則叙合至控制導線 212。然而’在其他的實施例中，藉由其他的切換技術來實 現開關206 ’並不違反本發明的範嘴。 在某些實施财，藉由一配置以執行储存於記憶體中 的指令之處理器來實現控制區段21〇，並非必須的，而在其 他的實施例中，藉由硬體來實現控制區段21〇。同樣也預期 在其他的實施例中，藉由硬體與軟體的組合來實現控制區 段210。同樣也應該確認的是，控制區段2ι〇的描述僅為邏 輯的’而且介面204可受分佈於介面2〇4内部及/或外部 控制構件控制。 在某些實施例中，在啟動期間利用介面2〇4使變流器 2〇8與陣列2〇2在線運作，同時陣列2〇2產生潛在損毁變流 200929833 器208之初始電壓。而 +甘 而且在其他的實施例中，於停止 期間内用介面204將變、，為gg one m , 變流is 208從陣列移除，同時陣列2〇2 仍然施加-基本的電壓跨於系統2〇〇兩極之上。而且在其 他的實施例中，介面2G4用於啟動與停止運轉期間中。 在典範啟動處理期間中，電容器215會充電至接近變 流器爛操作電壓（例如，接近_伏特）（例如，使用並益 顯示的軟啟動開關傳動裝置或者pv陣列2〇2)，而變流器 208隨著接觸器216關齡 ^ ❹

關斷而導通》然後分流開關2〇6閉合， 致使陣列202短路’再者藉關斷分流開關2〇6迫使電流進 入變流器2G8之前’將接觸器216閉合。在此—實施例中 的二極體214會避免匯流排電容器215損壞，同時分流開 關206閉合。 在某一實施例中，於停止運轉期間，將分流開關2〇6 閉合，藉以避免大量的電流透過接觸器216流至變流器 2〇8。然後接觸器216關斷，藉以隔離變流器208與陣列 202，再者將分流開關206關斷。 再次參照圖3 ’所示為參照圖1所說明的系統另一實施 例之概要表示。如所示，在此一實施例中的系統3〇〇包含 一陣列302 ’其透過部分由切換區段實現的介面304耦合至 其切換區段包含一佈置串聯於系統3〇〇正極之 開關320 °如所敘述的，佈置開關320沿著電感器322並聯 DC接觸15 316之路徑，其接觸器316則沿著介面304之正 極5又置。同樣所示為一耦合於介面304正負極間與環流二 極體326之電容器324，該環流二極體326耦合於開關320 200929833 與電感器322之間。在此一實施例中，控制區段3 1〇耗合 至開關320的輸入導線328以及接觸器316的控制導線318 兩者。 在諸多操作模式中’圖3所敘述的介面3〇4操作以逐 漸將陣列302耗合至變流器308,致使變流器3〇8不暴露於 陣列302之潛在損壞電壓（例如，開路負載電壓）。例如，參 照圖4A、4B與4C，所示分別敘述以時間為函數的開關32〇 位置、從陣列302流至變流器3〇8的電流以及陣列3〇2的 ® 電壓之關係圖示。 如所示，一開始當陣列302暴露於陽光下，但尚未耦 合至變流器308時，接觸器316關斷並且陣列3〇2將開路 負載電壓Vi施加至介面304，但並無電流透過介面3〇4而 從陣列302流至變流器308。在時間ti，開關32〇短暫閉合， 如圖4A所示；電流開始流經介面3〇4 ’如圖4b所敘述； 以及如圖4c所示’電壓輸出藉陣列3〇2開始降至低於 ◎ 如圖4A所示，在此操作之典範模式中，對開關32〇之 訊號328進行脈波寬度調變，開關32〇因此閉合，致使開 關320閉合一段在t^t2間連續地較長時間。如圖4a、4b 與4C中所敘述的’隨著開關32〇的責任週期在時間^與& 之間增加，經過介面304而從陣列3〇2至變流器3〇8之電 流持續增加，而在陣列3 Μ , 你平^ 的輪出端上之電壓則會持續從

Vi降至V2。在某一實施例φ，祖8日βΒ ♦ < J中對開關320進行脈波寬度調 變，致使開關320的責任週期會從時間_ ^由接近1〇% 變化至驅，而且開關32()在^與12之間以大約一秒鐘約 12 200929833 _次的時間週期脈動(以及閉合)，但此當然並非必須的， 而且在其他的實施例中’可利用其他的調變架構。 在諸多實施例中，一旦陣列3〇2所輸出的電壓降低至 所期望的位準(例如，對變流器3〇8而言可容忍之位準及/ 或電力輸送的最佳位準）’將接觸器316閉合並將開關32〇 關斷’致使從陣列302所輸出的電壓％施加至變流器则。 例如，在某些實施例中，電壓Vi接近12〇〇 vdc，而電壓 V2則接近900 VDC。

在某些實施例申，介面3〇4同樣也配置以將變流器3〇8 從陣列302解耗合，同時陣列3〇2將一顯著的電壓⑼如， 全載電壓）施加至變流器3〇8。在這些實施例中，開關32〇 閉合’然後接觸器316關斷，藉以致使開關32〇能夠從高 責任週期（例如’ 100%的責任週期）切換至低責任週期（例 如’ 0%) ’逐漸將陣列3〇2從變流器3〇8解耦合。 接著參照圖5，所示為參照圖1所說明的系統另一典範 實施例之概要表示。如所敘述的，系統5〇〇中的介面504 包含由控制區段510所控制的分流開關206與串聯設置開 關320兩者。在此一實施例中，於啟動期間利用串聯開關 320以逐漸將變流器508耦合至陣列502，同時該陣列會以 參照圖3與4所說明之方式，將一電壓施加至系統500之 兩極，而且使用並接開關306將變流器508從陣列502解 耦合’如參照圖2所說明的。 儘管參照圖3與4所探討的串聯開關320或者分流開 關206可用於啟動與停止運轉處理程序兩者之中，然在此 13 200929833 一實施例中，分流開關206能夠更快速地將陣列5〇2從變 流器508移除，而且串聯開關32〇通常較佳地適於將陣列 5 02更為平順地耦合至變流器508。 接著參照圊6 ’所示為流程圖600，敘述一種可以纟士人 參照圖1-5所實現的實現典範方法。如所示，首先將一光伏 陣列（例如，陣列102)電隔離於一變流器（例如，變流器 1〇8)，同時該陣列將電壓（例如，開路負載電壓）施加於陣列 之輸出端（方塊602、604與6〇6)。之後對置於光伏陣列上 〇 的負載進行調變，藉以在光伏陣列的輸出端上提供已降低 之電壓，而該已降低電壓則用來將電力施加至變流器（方塊 608 、 610 與 612)。 如所探討的，在某些實施例中，包含分流開關（例如，

为流開關2 0 6)的開關區段用來調變置於陣列上的負載。再 者，在其他的實施例中，包含串聯佈置開關（例如，串聯佈 置開關320)的切換區段用來調變設置跨於陣列上的負載。 ❹總之’本發明除此之外提供介面於光伏陣列之系統與 方法。熟知該項技術者能夠簡易地確認在本發明中可以從 事數種變體與替代物，其使用與其配置以實質地實現相同 於在此所說明的實施例所實現之結果。所以，不預期將本 發明限制於所揭露的典範形式。諸多變體、修改與替代架 構皆在於所揭露的本發明之範疇與精神之内，如 範圍中所表達的。 S 【圖式簡單說明】 當結合附圖，藉由參照以上的實施方式以及所附的申 14 200929833 請專利範圍，夂# ^ 種目的與優點以及本 乃是顯而易見且更簡易察知的…本發月更-整的了解’ :述光伏系統典範實施例之方塊圖； 圖3為參=1所說明的系統典範實施例之概要表示； ·'， “、、圖1所說明的系統另一實施例之概要夹一. 圏4A為敘j之概要表不’ 圖示·， ^時間為函數而於圖3所述的開關位置之 ❹ 變 不； 流器流為之敛圖述以時間為函數而從陣列流至圖3所述的 壓之為敘述以時間為函數而於圖3所述的光伏阵列電 表示圖5為參照圖1所說明的系統另一典型實施例之概要 施如圖6為流程圖6〇0，教述可連結參照@ 1-5所探討的實 施例所實現之典範方法。 的實 主要元件符號說明】 100 1〇2 104 108 2〇〇 202 204 206 光伏系統 光伏陣列 光伏介面 變流器 系統 雙極性光伏陣列 介面 分流開關 15 200929833

208 變流器 210 控制區段 212 輸入導線 214 二極體 215 電容器 216 接觸器 218 控制導線 300 系統 302 陣列 304 介面 308 變流器 310 控制區段 316 DC接觸器 318 控制導線 320 開關 322 電感器 324 電容器 326 環流二極， 328 輸入導線 500 系統 502 陣列 504 介面 508 變流器 510 控制區段 16 200929833 600 敘述一種典範方法之流程圖 602-612 執行方法600之步驟

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Claims (1)

1. 200929833 十、申謗專利範面： 1. 一種光伏系統，包含： 列的第一與第 第一與第二輸入端，適合耦合至光伏陣 二電極； 一變流器，用以將自井俠陵茨,μ八广 册目尤伏陣列的DC電力轉換成AC電 力；以及 、介面°P刀’耦合至第-與第二輸入端和變流器，用 以將第一與第二輸入端至少其中一個與變流器隔離，並且 © 用以調變從光伏陣列至變浦H夕蕾厭l 计 , τ〜王燹"丨L器之電壓施加，藉以在光伏陣 列上增加負載，並且降低從光伏陣列施加至變流器之電壓。 2. 如申請專利範圍第丨項之系統，其中的介面部分包 含： 一串聯開關，佈置與隔離開關並聯，將每一個串聯與 隔離開關耦合至第一與第二輸入端其中一個，隔離開關配 置以關斷致使將第一與第二輸入端其中一個與變流器隔 離’而串聯開關則是配置能夠閉合連續較長次數，藉以調 ^ 變從光伏陣列至變流器之電壓施加。 3. 如申請專利範圍第2項之系統，其中的串聯開關包含 一絕緣閘極雙極性電晶體。 4. 如申請專利範圍第1項之系統，其中的介面部分包 含： 分流開關，佈置跨於第一與第二輸入端上，分流開關 配置以閉合連續較短次數，藉以調變從光伏陣列至變流器 之電壓施加。 18 200929833 5_如申請專利範圍第1項之系統，其中的介面部分包 含： 一串聯開關’佈置與隔離開關並聯，將每一個串聯與 隔離開關耦合至第一與第二輸入端其中一個’隔離開關配 置以關斷致使第一與第二輸入端其中一個與變流器隔離， 而串聯開關則是配置以閉合連續較長次數，藉以調變從光 伏陣列至變流器之電壓施加；以及 一分流開關，佈置跨於第一與第二輸入端上，分流開 ® 關配置以閉合連續較長的時間週期，藉以調變從光伏陣列 至變流器之電壓施加。 6·如申請專利範圍第5項之系統，其中的串聯開關適以 閉合連續較長的次數’以連續地增加光伏陣列上的負栽， 而分流開關配置以閉合連續的較長時間週期，藉以降低置 於光伏陣列上的變流器負載。 7,如申請專利範圍第1項之系統，其中的介面部分配置 ❹ 以降低由光伏陣列施加至變流器之電壓，從大於1000伏特 至小於1000伏特電壓。 8·一種接合於光伏陣列與變流器之方法，包含： 將光伏陣列電與變流器隔離，· 在光伏陣列的輸出端上施加一初始電壓； 調變置於光伏津列之上的負載，藉以在光伏陣列的輸 出端上提供已降低之電壓；以及 利用該已降低之電壓，藉以將電力施加至變流器。 ★ _ π專利範圍第8項之方法’其中將光伏陣列與變 19 200929833 流器電隔離，包含將光伏陣列的其中—電極與變流器隔離。 1〇·如申請專利範圍第8項之方法，其中在光伏陣列輸 出端上所施加的初始電壓超過13⑽伏特，而其中的已降低 電壓則是小於1 0 〇 〇伏特。 11.如申請專利範圍第8項之方法，其中的調變包含連 續將負載置於光伏陣列上一段較長的時間週期。 12·如申請專利範圍第8項之方法，包含自光伏陣列已 ㈣塵達到所期望的電壓之後將光伏陣列電耗合至變流 ❹ 器。 13. 如申請專利範圍第12項之方法，其中的初始電壓較 高於變流器的設計電壓。 14. 如申請專利範圍第8項之方法包含： 將電流自變流器分流，藉以降低從光伏陣列施加至變 流器之電壓；以及 在分流後，將光伏陣列與變流器電隔離，藉以從光伏 陣列移除變流器。 ❹ 15·—種光伏介面裝置，包含： 兩輸入端’能夠耦合至光伏陣列，該輸入端配置以接 收光伏陣列所接收到的初始電壓； 兩輪出端’能夠耦合至變流器’該輸出端配置以將操 作電壓施加至變流器；以及 一切換區段，配置以逐漸設置負載跨於兩輸入端上， 藉以將光伏陣列所施加的初始電壓降低至變流器的操作電 壓。 20 200929833 16. 如申請專利範圍第15項之光伏介面，其中的切換區 段包含一與隔離開關並聯的串聯開關，將每個串聯與隔離 開關耦合至第一與第二輸入端其中一個，隔離開關配置以 關斷而將第一與第二輸入端其中一個與變流器隔離，而串 聯開關配置能夠閉合連續較長次數，藉以調變從光伏陣列 至變流器的電壓之施加。 17. 如申請專利範圍第16項之光伏介面，其中的切換區 段包含一分流開關’設置跨於第一與第二輸入端上。 〇 I8.如申請專利範圍第16項之光伏介面，其中的切換區 段包含： 一串聯開關，佈置與第一和第二輸入端至少其中一個 串聯，該串聯開關配置以責任週期控制，從低責任週期至 高責任週期，藉以逐漸將光伏陣列耗合至變流器。 19.如申请專利範圍第16項之光伏介面，其中的切換區 段包含： 一分流開關’設置跨於第一與第二輸入端上，該分流 © 開關配置以閉合，藉以致使變流器能夠從光伏陣列移除， 而不使變流器暴露於損壞電流。 十一、圈式： 如次頁 21