TW201121193A - Adaptive photovoltaic inverter - Google Patents

Description

201121193 六、發明說明： 【,务明所屬技系好領】 優先權要求 本申請案主張2009年8月20曰提出申請的美國臨時專 利申請案第61/235,526號案及2010年3月11曰提出申請的美 國專利申請案第12/722,096號案之優先權，此二申請案之全 部内容在此併入本文以為參考資料。 技術領域 此發明與使用在一太陽能模組發電系統中的一DC對 AC換流器有關，該換流器具有調整其操作參數以處理更多 功率且具有增加功率容量的改進設計。 發明背景 一基於太陽能模組的發電系統使用一換流器轉換來自 一光伏打陣列的直流電(DC)成為用於家用電器或可能是一 公用電網的交流電(AC)。換流器具有定義其如何運作的固 定操作參數。光伏打面板隨著時間推移而老化，從而減少 面板之輸出電壓及功率。 【發明内容3 依據本發明之一實施例，係特地提出一種DC對AC換流 器單元，包含一包括一最小操作電壓設定的DC對AC換流 器’該換流器在該最小操作電壓設定以上轉換DC電力成為 AC電力；及一經配置以監控輸入電壓之變化的輸入電壓感 測器。 201121193 圖式簡單說明 第1圖是一方塊圖，繪示包括一DC對AC換流器單元的 太陽能發電系統中的部件連接。 第2圖是在第1圖中所示的該DC對AC換流器單元中所 使用的電壓控制方法之一流程圖。 第3圖是一包括一 DC對AC換流器單元的太陽能電池發 電系統之一示意性方塊圖。 第4圖是一包括一DC對AC換流器單元的太陽能電池發 電系統之一示意性方塊圖。 C實施方式；J 發明詳細說明 一換流器可在一基於太陽能模組的發電系統中使用以 轉換來自一光伏打陣列的直流電(DC)成為用於家用電器或 一交流公用電網的交流電(AC)。目前，市場上的所有換流 器具有定義其如何運作的固定的操作參數。然而，實際上 光伏打面板隨著時間的推移老化且換流器之理想化的操作 參數應該相應地改變。尤其是薄膜面板具有更大幅的老化 特質’且依技術而定每年可降級多達1%或更多。目前最先 進的換能器不能為此做出補償且因此每瓦特（Watt)的價格 過度地高。一用於一太陽能電池發電系統，具有改進設計 的DC對AC換流器單元被描述。藉由在光伏打面板之壽命期 間調整其操作參數，較佳的功率容量可被達到。 在一層面中，一DC對AC換流器單元可包括一包含一最 小操作電壓設定的D C對A C換流器，該換流器在該最小操作 201121193 電壓設定以上轉換DC電力成為AC電力，且—輸入電壓感測 器經配置以監控輸入電壓變化換流器單元可包 括一換流器控制器，該換流器控制器經配置成基於輸入電 壓變化來調整該最小操作電壓設定，以增加換流器單元之 功率谷量。該DC對AC換流器單元可包括—電力開關。該開 關可來回切換以允許電流在二交替方向上流動。該〇(：對八(： 換流器單元可包括一電氣連接至該開關的輸出變壓器。該 換"IL器控制器可包括一電壓檢測模組，該電壓檢測模組可 調整變壓器之輸出且可改變換流器之最小操作電壓。該調 整可手動或自動完成。對變壓器之輸出的調整能使換流器 之最小操作電壓值產生從大約百分之2至大約百分之4的變 化。對δ亥變壓器之輸出的調整能使換流器之最小操作電壓 值產生小於百分之5的變化。對該變壓器之輸出的調整能使 換流器之最小操作電壓值產生小於百分之10的變化。 換流器控制器可包括一軟體控制模組，該軟體控制模 組可從輸入電壓感測器讀取輸入電壓值且必要時調整換流 器之操作參數β該調整能使換流器之最小操作電壓值產生 小於百分之10的變化。該換流器控制器可包括一可程式邏 輯控制模組，該可程式邏輯控制模組從輸入電壓感測器讀 取輸入電壓值且必要時傳送指令以調整換流器之操作參 數。該等指令能使換流器之最小操作電壓值產生小於百分 之10的變化。該DC對AC換流器單元可包括一從一太陽能模 組至DC對AC換流器的DC輸入。該DC對AC換流器單元可 包括一監督控制與資料獲取系統。該監督控制與資料獲取 201121193 系統可包括一從太陽能模組獲取關於DC輸入的資料的感 測器，一控制單元，一從該感測器獲取資料及傳送指令至 電流/電壓控制單元的電腦監督系統，一連接至該感測器， 一將感測器信號轉換成為數位資料且傳送數位資料至該電 腦監督系統的一遠程終端單元，一連接至該遠程終端單元 的一人機介面，以及連接該電腦監督系統至該遠程終端單 元的·一通訊基礎設施。 在一層面中，一基於光伏打模組的發電系統可包括一 光伏打陣列及一DC對AC換流器單元，該DC對AC換流器單 元電氣連接至該光伏打陣列且包括一包含一最小操作電壓 設定的D C對A C換流器，該換流器在該最小操作電壓設定以 上轉換DC電力成為AC電力。該發電系統可包括一經配置以 監控輸入電壓變化的輸入電壓感測器。該發電系統可包括 一換流器控制器，該換流器控制器經配置以基於該輸入電 壓變化來調整該最小操作電壓設定以增加換流器單元功率 容量。該基於光伏打模組的發電系統可包括一電力開關。 該開關可來回切換以允許電流在二交替方向上流動。該基 於光伏打模組的發電系統可包括一電氣連接至該開關的輸 出變壓器。該換流器控制器可包括一控制模組，該控制模 組調整該變壓器之輸出以改變該換流器之最小操作電壓。 對該變壓器輸出之調整能使該換流器之最小操作電壓值產 生小於百分之10的變化。 換流器控制器可包括一軟體控制模組，該軟體控制才莫 組從輸入電壓感測器讀取輸入電壓值且傳送指令至該控制 201121193 模組。該等指令能使換流器之最小操作電壓值產生小於百 分之ίο的變化。該換流器控制器可包括一可程式邏輯控制 模組’該可程式邏輯控制模組從該輸入電壓感測器讀取輸 入電壓值且傳送指令至該控制模組。該等指令能使該換济 器之最小操作電壓值產生小於百分之1 〇的變化。該基於光 伏打模組的發電系統可包括一從一太陽能模組至該〇匸對 AC換流器的DC輸入。該基於光伏打模组的發電系統可包括 一監督控制與資料獲取系統，其中該監督控制與資料獲取 系統可包括一從太陽能電池發電系統獲取關於Dc輸入的 資料的感測器，一電流/電壓控制單元，一從該感測器獲取 >料且傳送私令至该電流/電壓控制單元的電腦監督系 統，一連接至s玄感測器並將感測器信號轉換成為數位資料 且傳送數位資料至該電腦監督系統的遠程終端單元，一連 接至該遠程終端單元的一人機介面，以及一連接該電腦監 督系統至該遠程終端單元的通訊基礎設施。該基於光伏打 模組的發電系統可包括-電氣連接至該換流器的重型安全 斷路開關。該基於光伏打模組的發電系統可包括—鄰接於 該換流器的接地故障檢測及中斷電路。 在-層面中，—種用以建立一基於光伏打模組的發電 系統的方法可包括電氣連接多數個光伏打模組以形成一光 伏打陣列且電氣連接—D c對A c換流器單元至該光伏打陣 列’其中該DC對AC換流器單元可包括—包括一最小操作電 壓-又定的DC對AC換流器，該換流器在該最小操作電壓設定 以上轉換DC電力成為AC電力’一經配置以監控輸入電磨變 201121193 化的輸入電壓感測器，及一換流器控制器，該換流器控制 器經配置以基於該輸入電壓變化來調整該最小操作電壓設 定以增加換流器單元之功率容量。該DC對AC換流器可包括 一電力開關，其中該開關來回切換以允許電流在二交替方 向上流動《該DC對AC換流器可包括一電氣連接至該開關的 輸出變壓器。該換流器控制器可包括一控制模組，該控制 模組調整該變壓器之輸出以改變該換流器之最小操作電 壓。對該變壓器輸出之調整能使該換流器之最小操作電壓 值產生小於百分之10的變化。 該換流器控制器可包括一軟體控制模組，該軟體控制 模組從輸入電壓感測器讀取輸入電壓值且傳送指令至該控 制模組。該等指令能使該換流器之最小操作電壓值產生小 於百分之10的變化。該換流器控制器可包括一可程式邏輯 控制模組，該可程式邏輯控制模組從該輸入電壓感測器讀 取輸入電壓值且傳送指令至該控制模組。該等指令能使該 換流器之最小操作電壓值產生小於百分之1 〇的變化。該Dc 對AC換流器單元可包括一從一太陽能模組至該^^對八€換 流器的DC輸入。該DC對AC換流器單元可包括一監督控制 與資料獲取系統’其中該監督控制與資料獲取系統可包括 一從太陽能電池發電系統獲取關於Dc輸入的資料的感測 器，一電流/電壓控制單元，一從該感測器獲取資料且傳送 指令至該電流/電壓控制單元的一電腦監督系統，一連接至 該感測器，將感測器信號轉換成為數位資料且傳送數位資 料至該電腦監督系統的遠程終端單元，一連接至該遠程終 8 201121193 端單元的一人機介面，以及一連接該電腦監督系統至該遠 程終端單元的通訊基礎設施。方法可包括一將—重型安全 斷開開關電氣連接至換流器的步驟。該方法可包括—安置 一鄰接於該換流器的接地故障檢測及中斷電路的步驟。 參照第1圖’太陽能發電系統10〇可包括光伏打或太陽 能電池陣列11〇。太陽能模組11()可以任何適合的方式配 置，例如，配置成位於地面上或屋頂上的陣列。太陽能電 池陣列110可包括任何適合的光伏打元件，包括薄膜太陽能 元件，諸如，碌化锅(CdTe)或銅銦鎵础(CIGS)。可選擇地， 該等光伏打元件可以是晶態矽太陽能元件或能夠產生直流 電的任何其他適合的光伏打元件。光伏打陣列11〇所產生的 DC電流可藉由電線12〇輸出至〇(：對AC換流器單元13〇。DC 對AC換流器單元no可包括Dc對AC換流器14〇、輸入電壓 感測器150及控制器160。DC對AC換流器140轉換來自光伏 打陣列110的DC輸入功率成為八(^輸出功率。輸入電壓感測 器150監控輸入電壓變化。控制器16〇從輸入電壓感測器15〇 接收輸入電壓值且相應地調整換流器之最小操作電壓以處 理更多功率及增加換流器單元之功率容量。DC^^AC換流器 单元130可輸出功率至ac電力線170。 換流器當在一較高電壓下操作時可處理更多功率但相 同的換流器規格上具有充分的電壓容限以適應老化面板。 通過使DC對AC換流器單元13〇隨著時間推移調整其最小操 作電壓，具有此項技術的換流器可處理明顯更多的功率及 連續地以與面板相同的比率來降低額定能力 。例如’換流 201121193 器典型地具有一最小電壓450V的規格，但是若它們的最小 電壓為540V，則相同的換流器可多處理2〇%的電力。此相 同的換Sil器可接者在十年期間内降低最小電壓至45 〇v。 太％能發電系統1 〇〇可包括監督控制與資料獲取 (SCADA)系統或其他遠端控制模組，其中監督控制與資料 獲取(SCADA)系統或其他遠端控制模組可包括至少一獲取 關於太陽能電池發電系統之輸出的資料的感測器，一電流， 電壓控制單元，一從該感測器獲取資料且傳送指令至該電 流/電壓控制單元的一電腦監督系統，一在過程中連接至該 感測器並轉換感測器信號成為數位資料且傳送數位資料至 a亥監4系統的遠程終端早元(r_tu) ’及一連接至該遠程终端 單元的人機介面。太陽能發電系統1〇〇可進一步包括一接地 故障斷路器（GFCI)。 具有控制器/感測器模組的光伏打換流器可包括不同 功此’諸如從DC對AC之電力轉換及最大功率點追蹤 (MPPT)。MPPT演算法之目的係從太陽能電池陣列中提取 最大可用功率。功率輸出可隨較佳的MPPT演算法而增加。 利用該換流器，MPPT可在如同一集合體在太陽能電池陣列 上被執行。該控制器/感測器模組可在光伏打面板之壽命期 間調整其MPPT演算法以實現較佳的功率容量。 參照第2圖，在實施中，換流器單元13〇使用軟體控制 模組（第3及4圖中的162)來調整換流器之操作參數，諸如， 最小操作電壓。換流器單元130可持續監控輸入電壓且當此 電壓超過某一最低閾值時可告示現在有必要調整變壓器且 10 201121193 更新換流器之操作參數。在步驟200，輸入電壓被檢查。若 輸入電壓在步驟210減小（YES(是))且一預設最低閾值在步 驟230被超過(YES)，則可在步驟240調整輸出變壓器（第4圖 中的142)。換流器140之操作參數可在步驟25〇更新。調整 後的操作參數可包括啟動電壓或MPPT起始點。操作參數之 調整也可包括MPPT追蹤演算法。除此之外，換流器控制器 可被重置以識別該單元降低了 2.5%(或更多）的功率容量。 S玄換"IL器之功率處理容量可在較低的操作電壓下降低。該 換流器之電流谷量可以是固定的。控制器還可經預程式化 以使得未來能夠切換至更新後的操作模式。相反，若輸入 電壓在步驟210未減少（NO(否）)或預設最低閾值未在步驟 230被超越(NO)，則不能調整輸出變壓器且換流器14〇之操 作參數在步驟220保留。在某一實施例中，變壓器調整通常 均為2.5% ’所以此軟體調整也可以是2.5%。變壓器調整還 可以疋5%、10%或15%。此技術適用於所有面板類型但是 薄膜技術通常對此一技術有最大程度上的應用。 參照第3圖，太陽能發電系統1〇〇可包括光伏打或太陽 能電池陣列110。光伏打陣列11 〇所產生的電流可藉由電 線120輸出至DC對AC換流器單元130。DC對AC換流器單元 130可包括DC對AC換流器140、輸入電壓感測器15〇及控制 器160。DC對AC換流器140轉換來自光伏打陣列11 〇的dc輸 入功率成為AC輸出功率。輸入電壓感測器15〇監控輪入電 壓之變化。控制器160從輸入電壓感測器15〇接收輸入電壓 值且相應地調整換流器之最小操作電壓以處理更多功率及 201121193 增加換流器單元之功率容量。DC對AC換流器單元130可輸 出電力至八0電力線170。控制器160可包括調整輸出變壓器 (第4圖中的14 2)以改變換流器之最小操作電壓的控制模組 161。對該輪出變壓器之調整能使該換流器之最小操作電壓 值產生約為百分之2.5步長的變化。控制器160可包括從輸 入電壓感測器150讀取輸入電壓值的軟體控制模組162。軟 體控制模組162可使用決策產生方法（第3圖中所示的流程 圖）來判定指令是否應該被傳送至該控制模組來調整換流 器之最小操作電壓。該等指令能使換流器之最小操作電壓 值產生約為百分之2,5步長的變化。該等指令也能使該換流 器之最小操作電壓值產生大約百分之5、10或15的變化。在 某一實施例中，控制器160可包括一可程式邏輯控制模組， 該可程式邏輯控制模組從輸入電壓感測器15〇讀取輸入電 壓值且傳送指令至控制模組161。在某一實施例中，太陽能 發電系統1〇〇可進一步包括監督控制與資料獲取(SCADA) 系統或其他遠端控制模組》 參照第4圖’其為一包括一簡化換流器電路的圖式，dc 對AC換流器140可包括電力開關141。DC對AC換流器140 可包括電氣連接至該開關的輸出變壓器142。開關141可快 速地來回切換以允許電流沿通過一次繞組之一端且接著沿 另一端的二交替路徑流回。變壓器142中的電流方向交替使 換流器140輸出AC。控制器160可包括調整輸出變壓器以改 變換流器之最小操作電壓的控制模組161。電力開關14丨可 以是機電開關、電晶體開關或任何其他適合類型的半導體 12 201121193 開關。DC對AC換流器140可包括任何其他適合類型的電力 電路拓撲及控制策略。 本發明之多個實施例已被加以描述。然而，將理解的 是可作出各種不同的修改而不背離本發明之精神及範圍。 還應理解的是所附圖式不一定依比例繪製’出示說明本發 明基本原理的各種不同較佳特徵的一略微簡化的圖式。 【圖式簡單說明3 第1圖是一方塊圖，繪示包括一DC對AC換流器單元的 太陽能發電系統中的部件連接。 第2圖是在第1圖中所示的該DC對AC換流器單元中所 使用的電壓控制方法之一流程圖。 第3圖是一包括一DC對AC換流器單元的太陽能電池發 電系統之一示意性方塊圖。 第4圖是一包括一 DC對AC換流器單元的太陽能電池發 電系統之一示意性方塊圖。 【主要元件符號說明】 100…太陽能發電系統 110…光伏打或太陽能電池陣列/太陽能模組/太陽能電池陣列/光 伏打陣列 120.. .電線 130.. . DC對AC換流器單元/換流器單元 140…DC對AC換流器/換流器 141…電力開關/開關 142··.變壓器/輸出變壓器 13 201121193 150.. .輸入電壓感測器 160.. .控制器 161.. .控制模組 162.. .軟體控制模組 170.. .AC電力線 200-250·.·步驟

Claims (1)

1. 201121193 七、申請專利範圍： 1. 一種DC對AC換流器單元，包含： 一DC對AC換流器，包括一最小操作電壓設定，該 換流器在該最小操作電壓設定以上轉換DC電力成為AC 電力；及 一輸入電壓感測器，經配置以監控輸入電壓之變化。 2. 如申請專利範圍第1項所述之DC對AC換流器單元，進一步 包含一換流器控制器，經配置以基於該輸入電壓變化來調 整該最小操作電壓設定以增加該換流器單元之功率容量。 3. 如申請專利範圍第1項所述之DC對AC換流器單元，進一 步包含一電力開關，其中該開關來回切換以允許電流在 二交替方向上流動。 4. 如申請專利範圍第3項所述之DC對AC換流器單元，進一 步包含一電氣連接至該開關的輸出變壓器。 5 ·如申請專利範圍第4項所述之D C對A C換流器單元，其中 該換流器控制器包含一能夠調整該變壓器之輸出及改 變該換流器之最小操作電壓的電壓檢測模組，其中該調 整可以手動或自動完成。 6. 如申請專利範圍第5項所述之DC對AC換流器單元，其中 對該變壓器之輸出之調整能使該換流器之最小操作電 壓值產生從大約百分之2至大約百分之4的變化。 7. 如申請專利範圍第5項所述之DC對AC換流器單元，其中 對該變壓器之輸出之調整能使該換流器之最小操作電 壓值產生小於百分之5的變化。 15 201121193 8.如申明專利範圍第5項所述之DC對AC換流器單元，其中 對该變壓器之輸出之調整能使該換流器之最小操作電 壓值產生小於百分之1〇的變化。 如申清專利範圍第5項所述之Dc對AC換流器單元，其中 =換流器控制器包含__軟體控制模組，該軟體控制模組 …輸入電壓感測器讀取輸入電壓值且必要時調整換流 器之操作參數。 •如申清專利範圍第9項所述之DC對AC換流器單元，其中 。玄调整月Μ吏該換流器之最小操作電壓值產生一約為百 分之2.5步長的變化。 11.如申請專利範圍第5項所述之DC對Ac換流器單元，其中 該換流器㈣H包含—可程式邏輯控制齡，該可程式 邏輯控制模組從該輸入電壓感測器讀取該輸入電壓值 且必要時傳送指令以調整該換流器之操作參數。 2·如申睛專利範圍第11項所述之DC對AC換流器單元，其 中該等指令能使該換流器之最小操作電壓值產生約為 百刀之2.5步長的變化。 13·如申請專利範圍第1項所述之DC對AC換流器單元，進一 步包含一從—太陽能模組至該DC對AC換流器的DC輸入。 14.如申請專利範圍第13項所述之DC對AC換流器單元，進 步包含一監督控制與資料獲取系統，其中該監督控制 與資料獲取系統包含： 一感測器，從該太陽能模組獲取關於該DC輸入的資料； 一控制單元； 16 201121193 一電腦監督系統，從該感測器獲取資料及傳送指令 至電流/電壓控制單元； 一遠程終端單元，連接至該感測器，轉換感測器信 號成為數位資料及傳送數位資料至該電腦監督系統； 一人機介面，連接至該遠程終端單元；及 一通訊基礎設施，連接該電腦監督系統至該遠程終 端單元。 15. —種基於光伏打模組的發電系統，包含： 一光伏打陣列；及 一電氣連接至該光伏打陣列的DC對AC換流器單 元，包含： 一 DC對AC換流器，包括一最小操作電壓設 定，該換流器在該最小操作電壓設定以上轉換DC 電力成為AC電力； 一輸入電壓感測器，經配置以監控輸入電壓之 變化；及 一換流器控制器，經配置以基於該輸入電壓變 化來調整該最小操作電壓設定以增加該換流器單 元之功率容量。 16. 如申請專利範圍第15項所述之基於光伏打模組的發電 系統，進一步包含一電力開關，其中該開關來回切換以 允許電流在二交替方向上流動。 17. 如申請專利範圍第16項所述之基於光伏打模組的發電 系統，進一步包含一電氣連接至該開關的輸出變壓器。 17 201121193 18_如申請專鄉圍第17項所収基於光伏㈣組的發電 系統’其中該換流器控制器包含—控制模組，該控制模 組調整變壓器之輸出以改變換流器之最小操作電壓。、 19. 如申4專利|&jg第18項所述之基於光伏打模組的發電 系統’其中賴變壓ϋ之輸出的調整能使該換流器之最 小操作電壓值產生小於百分之1〇的變化。 20. 如申清專利|巳圍第17項戶斤述之基於光伏打模組的發電 系統’其中該換流器控制器包含__軟體控制模組，該軟 體控制模組可從輸入電壓感測器讀取輸入電壓值且發 送指令至該控制模組。 U.如申請專利範圍第15項所述之基於絲打模組的發電 系統，進-步包含-監督控制與資料獲取系統，其中該 監督控制與資料獲取系統包含： ~ 一感測器，從太陽能電池發電系統獲取關於dc^ 入的資料； w 一電流/電壓控制單元； 一電腦監督系統，從該感測器獲取資料及發 至該電流/電壓控制單元； ' θ 1 一遠端終端單兀，連接至該感測器，轉換感測器作 號成為數位資料及發送數位資料至該電腦監督系統. 一人機介面，連接至該遠端終端單元；及 一通訊基礎設施，連接該電腦監督系統至該遠裎終 端單元。 ' 22_-種用以建立-基於光伏打模組之發電系統的方法包 含： 18 201121193 電氣連接複數個光伏打模組以形成一光伏打陣 列；及 電氣連接一 DC對AC換流器單元至該光伏打陣列， 其中該DC對AC換流器單元包含： 一 DC對AC換流器，包括一最小操作電壓設 定，該換流器在該最小操作電壓設定以上轉換DC 電力成為AC電力； 一輸入電壓感測器，經配置以監控輸入電壓之 變化；及 一換流器控制器，經配置以基於該輸入電壓變 化來調整該最小操作電壓設定以增加該換流器單 元之功率容量。 23.如申請專利範圍第22項所述之方法，其中該DC對AC換 流器單元包含一監督控制與資料獲取系統，其中該監督 控制與資料獲取系統包含： 一感測器，從太陽能電池發電系統獲取關於DC輸 入的資料， 一控制單元； 一電腦監督系統，從該感測器獲取資料及傳送指令 至該控制單元； 一遠程終端單元，連接至該感測器，轉換感測器信 號成為數位資料及傳送數位資料至該電腦監督系統； 一人機介面，連接至該遠程終端單元；及 一通訊基礎設施，連接該電腦監督系統至該遠程終 19 端單元。 201121193 20