TW201125257A - Three phase power generation from a plurality of direct current sources - Google Patents

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Kent Kernahan
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Description

201125257 六、發明說明： 【先前技術】 本申請案係關於由Kernahan等人共同擁有之於2〇〇8年4 月2曰提出的美國專利申請案第㈣61，〇 2 5號現為美國專利 第7，m，864號（下文稱為「·864號專利」），該申請案以引 用的方式全部併入本文中。 由於5午多原因’諸如對由人類活動所造成之全球變暖、 石油及天然氣之增加之成本及其有效性之潛在可能性缺 乏，甚至用於水力發電之水之短缺的關注，業界對用於提 仏此里且具成本效益的方法及材料有極大興趣。許多關注 聚焦於可再生能源’尤其聚焦於使用光伏打面板產生的電 力。當前，來自太陽能設備之電力容量之廣泛使用及安裝 爻許多因素妨礙。當前解決方案受困於低效率、短產品壽 命、不良的商業模式、以及對一大量先期成本（若消費者 不再繼續生活在配備太陽能設備的設施中則此先期成本可 能不被收回以補償資金成本）的消費者抵制。 有效或無效是此等問題之首要。舉例而言，參考圖i, 目前最先進之技術提供組態成一串聯配置的若干太陽能面 板，接著來自該等面板之電力從直流電被轉換成交流電。 但疋’該串面板之效率會由於由串聯連接之面板之任一者 所減少的輸出而大幅降低。减少輸出之來源從鳥屎至來自 突出樹木之面板串列之一部分的陰影或部分陰影不一而 足。 圖2為併網型光伏打系統的一實例，其中由太陽能系統 150641.doc 201125257 k供之電力被驅動至一共用事業公司的電網系統。根據先 前技術之一系統之一代表性組態202展示複數個面板以及 用於將由該等面板所提供之直流電轉換成交流電力的—單 個反相器。本發明之一實例實施例之一代表例係展示為系 統204。注意到204之各面板包含一個別轉換器。 該·864號專利申請案揭示一種發電的二相系統。商用發 電機提供二相高電壓電力給電力電網。所需為經組態以從 光伏打面板提供三相電力的一陣列轉換器。 【發明内容】 在’864號專利中請案之二相系統中，在特定時間下切換 兩個電路支路以將儲存於線圈中之能量提供給兩個輸出終 而。玄兩個輸出終端互為1 80度異相。在本發明中，此概 念係藉由引導邏輯而延伸，使得線圈能量被導引至兩 選擇的輸出終端（_次一個），通過一第三終端返回。用於 流出與汲入電流之終端的選擇在各六十度變化下變化。程 ^係在tb電網頻率更高的—頻率下完成，藉此提供脈衝振 幅調變電流至三個負 組態三個輸出終端^支:中。在特定時間下，引導邏輯 終端對。此係在—兩牛：提供正電流給其他兩個輸出 參考支路處提供序中M，各步驟促成從公共 一 —支路，接著提供給另一支路。接 父期提供時間給線圈以使在下-循環中該 等線圈被放電之前對其等再次充電。 在某些貫施例中，引
更慢。為克服此特徵用L閘流體’其比M0SFET 使用一脈衝延伸濾波器技術。 150641.doc 201125257 【實施方式】 某些術語之定義 島化 一建築物内發電系統之操作，該發電系統通常連接至 一電網，當該發電系統未連接至該電網時該電網持續 操作。 電網 由一外部源提供至一建築物的AC電力，該外部源通常 為一公用事業公司。 PV 光伏打面板；常用之「太陽能面板"solar panel”」的另 一術語 cps 「每秒之循環"cycle per second”」之縮寫；一AC電源 之頻率 AC 「交流電流"alternating current"」之縮寫，然而亦可視 為電壓極性交替提供的「交流電壓”alternating voltage"」° DC 「直流電流''direct current"」之縮寫；總是以一給定極 性而提供的電力。電源之電壓可為固定的或可為不固 定的。 FET 場效應電晶體 MOV 金屬氧化物變阻器。通常用於一電路的過電壓保護。 PAM 脈衝振幅調變。一種信號調變形式，其中訊息資訊係 以一系列信號脈衝之振幅來編碼。 PCM 脈衝碼調變。一類比信號的一種數位表示，其中該信 號之量值在均勻間隔處有規律地取樣，接著量化為呈 一數位（通常為二進位）碼的一系列符號。 THD 總諧波失真。一種對一信號之雜訊的量測。 本發明適用於從任何直流電源至一任意輸出信號組態的 電力轉換。適當直流電源之實例包含電池、風力渦輪機、 地熱、化學、潮汐及壓電一具有一直流輸出的任何電源。 輸出信號組態之實例包含正弦交流電、直流電、梯形波、 150641.doc 201125257 南斯波、方形波、三角波， (例如）在1 〃相性° $隸信號包含 v j )在逐循蜋或其他時間週期其虚>*外 坰、商於㈣基礎上修改輸出波形以 凋適於、修改或消除瞬態雜 .,.s D^. ^ K A，、他凊形之作用的信號。 此類k號亦可包含疊加於基 级士 ^ 低1戰波旎上的符號作為一 在拉組、子系統或系統外模式之間用於通信的方法。 為更清晰理解本發明的操作，首先描述一類似二㈣統 的操作。根據本發明之一種三相系統的操作涉及一不同的 輸出級。在一單相系統中，至脈衝振幅調變（MM)電流轉 換器（稱為一「PAMCC」）之一 Dc#、鱼5 y 」Ji 係連接至一個別太陽能 面板（pv)。-太陽能面板通常由串聯連接的複數個（通常 為七十二個）個別太陽能電池組成，其中各電池在某些電 流處提供約0.5伏特電壓，該電流為照射在該面板上之光 通量強度的-函數。該PAMCC從—”接收直流電流⑴〇 且在其輸出處提供脈衝振幅調變電流。由於在各脈衝之間 各脈衝從近零電流變成調變電流且返回近零，所以脈衝振 幅調變電流脈衝通常為不連續或近乎不連續。該等脈衝係 在相對於一脈衝序列上調變之信號的一高頻下產生。調變 於一脈衝序列上之信號可表示包含DC之一較低頻率正弦 波或其它較低頻率波形的部分。當pAMCC之輸出與類似 PAMCC之輸出並聯連接時，形成一 pAMcc陣列，其中該 等PAMCC之輸出脈衝互為異相。一 pAMCC陣列形成—分 散式多相反相器，其組合輸出為由各PAMCC脈衝振幅調變 之電流的解調變總和。若於由各PAMCC所產生之不連續或 近乎不連續系列脈衝上調變之信號為一 AC電流正弦波， 150641.doc 201125257 則該PAMCC陣列產生一解調變連續厶(：電流波形。此AC電 流波形適用於「負載」（意為由該系統供應電力或部分供 應電力之建築物），同時也適用於至一電網之連接。舉例 而言，在某些實施例中，複數個PV附加PAMCC模組之一 陣列係連接在一起，以向一家庭提供額定的分相、Edis〇n 系統、60 cps、240伏特的AC 。 在討論包括複數個PV附加pAMCC模組之一陣列之前， 首先參看一個別PAMCC。舉例而言，參考圖4，__pv面板 由若干二極體及電容器（如參考數字4〇1所示）電子地表示。 包括一 PAMCC(或有日夺為「微反相器」）的㈣簡單統稱為 PAMCC 400」。電流係由pV 4〇丨向一正輸入終端及一 負輸入終端403提供。該正輸入終端4〇2與—線圈u斗⑽串 聯連接。該負輸入終端4〇3與一線圈L2 4〇5串聯連接。在 某些實施例（未展示）中，線圈L1 4〇6及線圈L2 4〇5包括一 具兩輸入終端及兩輸出終端的一對一變壓器，其中該兩個 線圈係磁搞合的’藉此在兩個路徑上提供大體相同的電 流’此可能對一單相系統有利。在一種三相系統的例示性 實施例中，線圏4〇6及線圈彻係互相獨立的_亦即無磁搞 σ由於在任何給定切換循環内由各線圈所輸送之電力約 等於由另線圈所輸送的電力，但是電壓僅在—循環中某 些點處相等地跨越該兩個線圈405、406,所以此配置改良 ，相系統中的效率。在下文中稱線圈對u 4〇6及[2他為 」07 開關Q1 404(例如一 NMOS FET)係跨越連接 該變壓器407的倉哉也丨 '載側其中Q1 404之源極並聯連接至該 150641.doc 201125257 T1 4 0 7輸出的負線嫂 、+立 ，、而。注思到PV 401之負側及PAMCC 400 之負側係浮動的；即，Α楚 Ρ其等未接地。一控制器412具有一 輸出終端4 14，該輪屮故山4 出〜女而414在一導線411上向q 1 4〇4之 控制閘極（Q1G)提供—信號。在某些實施例中，該控制器 412為具有額外邏輯的一微處理器且由一程式操作。下文 中將更詳細討論該控制器412。 "亥控制器412包括複數個輸出終端，各輸出終端獨立操 作。四個控制器412輸出終端415至418藉由四條導線419至 422(内連接，未展示）而分別連接至四個三端雙向可控矽開 關的控制終端（分別為CRU 424、CR22 423、CR12 425及 CR21 426)。各條導線(及因此之各三端雙向可控石夕開關)由 來自戎控制器412的控制信號獨立控制。CR1夏424及CR22 423之陽極終端並聯連接至丁} 4〇7的正輸出終端。三端雙 向可控石夕開關CR1 2 425及CR21 426之陰極終端並聯連接至 T1 407的負輸出終端。三端雙向可控矽開關CR1丨424之該 陰極終i而及二端雙向可控;g夕開關CR12 425之該陽極終端並 聯連接至一線圈L12 430。三端雙向可控矽開關CR22 423 之該陰極終端及三端雙向可控矽開關CR21 426之該陽極終 端並聯連接至一線圈L22 43 1。任意指定來自線圈l 12 430 的一終端434作為提供一「相位1」（p 1)輸出且任意指定來 自線圈L22 431的一終端436作為提供一「相位2」（P2)輸 出。在某些實施例中，該等線圈L12 430及線圈L22 431體 現為一對一的變壓器。在例示於圖4的實施例中，線圈L12 430及線圈L22 136為分開的線圈。一電容器C12 438係跨 150641.doc 201125257 越線圈L12 430之輸入側及一中性輸出終端432。另一電容 益C 2 2係跨越線圈L 2 2 4 3 1之輸入側及該中性輸出終端 432。在另一實施例中，無中性輸出終端432且有一單電容 器跨越線圈L12 430及線圈L22 431之輸入終端；在此實施 例中’電容器之電壓額定至少為電容器C22 440及電容器 C12 43 8之電壓額定的兩倍。 該系統之操作係藉由導線411及導線41 9至422上的控制 信號而實施。特定言之’導線4 11上之控制信號q 1 g及導 線419上之信號CR11T、導線420上之信號CR22T、導線421 上之信號CR12T及導線422上之信號CR21T在一高頻週期 (例如，30 KHz)下連接與關閉由PV 401提供在PAMCC 400 内呈一序列的電流，此提供由一更慢、60循環型樣調變的 一 PCM信號’藉此提供其振幅為一 pam信號（近似一正弦 波）的一輸出。 參考圖2 ’初始條件如下：Q1 404、CR11 424、CR22 423、CR12 425 及 CR21 426 斷電；線圈 L1 406、線圈 L2 405、L12 43 0及L22 431無電流；且光伏打電池PV1至 PVn呈黑暗。在此條件下，電網AC電壓被施加在P1 434與 P2 436之間且經歷從 L12 430、C12 438、C22 440至 L22 431的一路徑。經選擇用於包括L12 430及C12 438之一重 新建構濾波器的諧振頻率通常選定為約Q1 404之切換頻率 的一半。包括L22 431及C22 440的一重新建構濾波器之諧 振頻率係選定為與含有L12 430及C12 438之重新建構濾波 器的諧振頻率相同。在一實施例中，電晶體Q1 404經選擇 150641.doc •10· 201125257 為約30 kHz的一指定切換頻率，且接著該等重新建構濾波 器之4振頻率係設計為15 kHz。由於電網AC電壓通常為60 Hz，所以在該電網中出現微量的電容電抗性負載。 ^著太陽能面板401曝露在足夠的光下以產生明顯的電 流，電路開始操作。電流之出現可視為跨越Q1 4〇4之電壓 的增加。此刻’藉由將來自控制器412之一信號施加在 Q1G與Q1 S之間的導線411上而開始接通q } 404。該控制器 412與该電晶體qi 404間之界面可為光隔離、變壓器耦合 的’或者可將該該控制器412連接至Qis。在此狀態中， L1 406及L2 405開始以電流充電。當跨越PV 4〇1之電壓降 低至一預定值時，記錄線圈充電時間以計算電流且標準操 作從下一電網零交叉開始。在一實施例中，此為當p丨處之 電壓交叉超過P2處之電壓同時pi開始為正且p2開始為負之 際。此刻，信號CR11T 419及CR21T 422獲確證，使得當 向 CR11 424及CR21 426施加電流時CR11 424及 CR21 426將 導電。 案例1 :電網之正半波P WM調變 在描述PAMCC 400操作時將參考圖5至圖8。注意到，諸 組件對應於圖4之組件，而摒去參考數字以免模糊敘述。 但是吾人參考由圖4提供的參考數字。參看圖5，其中li 406及L2 405已充電，Q1 404被關閉達一脈衝寬度調變時 間。在關閉時間期滿後，接通Q1 404直至電流切換循環結 束。在Q1 404關閉期間’原先儲存於L1 406及L2 405中之 電流連同流進PV 401中之電流一起被施加至cru 424及 150641.doc 201125257
CR21 426的輸入終端’其等由於信號CRUT 419&CR2lT 4之2持續電網之整個正半循環而維持啟用。電網之正半循 %疋義為輸出終端P1 434之電壓大於輸出終端ρ2 4刊之電 C的條件。通過二端雙向可控矽開關CR11 424輸送之電流 脈衝中的電荷最初被儲存於電容器ci2 438上，相對於連 接至輸出終434之線圈U2的端點，此在線圈⑴43〇 鈿建立偏正電壓。通過三端雙向可控矽開關CR21 輸送之電机脈衝中的電荷最初被儲存於電容器C22 上相對於連接至輸出終端p2 436的線圈⑶之端點，此 在線圈L22 431近端上建立—偏負電壓。此為包括⑴ 430 C12 438之重新建構據波器與包括L22 431、⑶彻 之重新建構遽波器兩者的初始條件。此刻，如圖5所示， 該等重新建構錢㈣輸送至其等之脈衝寬度調變電流脈 衝轉換成輸送至電網的—脈衝振幅調變（pAM)半正弦波電 流 505。 4等重新建構渡波_的譜振頻率選定為約Q1刪之切換 頻率的I ’使得在各脈衝寬度調變電流脈衝被輸送至P1 及P2 436時將提供一半的正弦波電流至η 由於各重新建構濾波器之諧振頻率係與施加至該重 新建構f波器之電流的脈衝寬度無關，且施加至該重新建 構m之瞬時電流脈衝的電荷須等於出自該重新建構滤 波器而輸送至電網的半正弦波電流中之電荷，所以輸入電 流脈衝寬度之變化將反映出該等重新建構遽波器之輸出振 幅的變化。隨著該等重新建構據波器之電感器的電流返回 150641.doc 12 201125257 到零因為该等重新建構濾波器之頻率為q 1 404產生脈衝 寬度調變電流脈衝之速率的一半，所以下一電流脈衝被輪 送至D玄專重新建構遽波器的電容器。 Q1 404的關閉時間經調變使得所產生之電流脈衝寬度呈 電肩正弦波的形狀◊該等重新建構濾波器將此脈衝寬度調 1電μ脈衝序列轉變成其振幅依循該電網正弦波形狀之對 應點的一脈衝振幅調變電流脈衝序列。 相對於終端Ρ2 436的輸出，只要終端ρι 434之電網半循 環維持為正，則從「案例丨：電_之正半波p wM調變」開 始藉由重複上文所述之程序而產生更多的電流脈衝。 電網電壓之負零交叉係定義為ρι 434較？2 436偏正後， 終端P1 434之電壓等於終端P2 436之電壓的條件。在負零 交叉之則’接通Q1 404，藉此移除來自crii 424及CR21 426的電流。此刻，解除確證信號CRUT 419及信號cr2it 421，防止三端雙向可控矽開關CR11 424及CR21 426在電 網負半循環期間導通電流。在負零交叉之後，由於終端p ^ 434之電壓較終端P2 436之電壓偏負，則確證信號cr22t 420及彳§號CR12T 421，使得當將電流施加至CR22 423及 CR12 425時其等能導電。 案例2 :電網之負半波p WM調變 參考圖6 ’其中L1 406及L2 405已充電’ qi 404被關閉 達一脈衝寬度調變時間。在關閉時間期滿後，接通Q i 4〇4 直至瞬時電流切換循環結束。在404關閉期間，先前儲 存於L1 406及L2 405中之電流連同流進Pv 4〇1中之電流一 I5064I.doc •13- 201125257 420
起被施加至在電網之整個負半循環内藉由信號CR22T 及CR12T 421而維持啟用之CR12 425及CR22 423的輸入終 端。電網之負半循環定義為終端ρι 434之電壓大於終端^ 436之電壓的條件。通過三端雙向可控矽開關CR22 423輸 送之電流脈衝中的電荷最初被儲存於電容器C22 44〇上， 相對於連接至終端P2 436的端點，此在線圈L22 431近端上 建立一偏正電壓。通過三端雙向可控矽開關CRi2 425輸送 之電流脈衝中的電荷最初被儲存於電容器€】2上，相對於 連接至終端P1 434的端點，此在線圈L12 43〇近端上建立一 偏負電壓。此為包括L12 43()、⑴438之重新建構滤波器 與包括L22 431、C22 44G之重新建構濾波器兩者的初始條 件。此刻’如圖4所示，該等重新建構濾波器將輸送至其 等之脈衝寬度凋變電流脈衝轉換成輸送至電網的一脈衝振 幅調變半正弦波電流。 案例2之重新建構渡波器係與如相關聯案例1所述的組件 相同’·其等之設計及操作在此不再重複。 應點的一脈播接歧々田找* & .丄.
Q1 404的關時間經調變使得所產生之電流脈衝寬度呈 電’周正弦波的形狀。該等重新建構濾波器將此脈衝寬度調 變電流脈衝序列轉變成其振幅依循該電網正弦波形狀之對 只要電網 P2 436之電 變j開始， 衝。 150641.doc 201125257 電網電壓之正零交叉係定義為終端PI 434之電壓較終端 P2 436之電壓偏負後，終端P1 434之電壓等於終端P2 436 之電壓的條件。在正零交叉之前，接通Q1 404，移除來自 三端雙向可控矽開關CR12 425及CR22 423的電流。此刻， 解除確證信號CR12T 421及信號CR22T 420，防止三端雙 向可控矽開關CR1 2 425及CR22 423在電網正半循環期間導 通電流。在正零交又之後，由於P1 434較P2 436偏正，確 證信號CR11T 419及信號CR21T 421，使得當將電流施加 至三端雙向可控矽開關CR11 424及CR21 426時其等能導 電。 著電網再次為正，從標記「案例1 :電網之正半波 PWM調變」的段落開始，程序將再次返回上文所述的程 序。 圖9展示藉由一重新建構濾波器（諸如上文先前所揭示的 重新建構慮波器（L12 430及C12 438 ; L22 431及C22 440) 而將一脈衝寬度調變脈衝轉譯成一脈衝振幅調變（pAM)電 流脈衝之轉換結果的一信號圖。短持續時間之近似矩形電 壓脈衝902為Q1 404之汲極側451(圖4)上的電壓。標記為 908之脈衝寬度接近導線411上之信號㈣（圖4)的脈衝寬度 且週期9H)為PAMCC 400的切換週期。此電壓驅動變壓器 407及PV 401電流通過三端雙向可控矽開關或 CIU2 425(如&前所述，此取決於來自控制器412之控制俨 號的瞬時狀態）進人該等重新建構渡波器之-者的輪入。 該圓形半波整流正弦波9G4為該重新建構渡波器之輸出。 150641.doc •15· 201125257 隨著輸入脈衝之脈衝寬度9〇8(近似）的增加，輸出波形 之振幅增加。在共同時間窗期間，曲線圖之頂部的三角波 形906標繪通過PV 401的電流變動。跡線906展示變壓器 407獨立於提供給該等重新建構渡波器之相對大脈衝寬度 調變電流脈衝而對維持一相對恆定pv 4〇1電流的作用。 圖10指出待描繪於圖丨丨、圖12及圖13之一電網正弦波循 環的狹窄時間片段。 圖11展不一單PAMCC 400的脈衝振幅調變輸出電流。注 意到所示振幅係在如循環實例丨1〇1上所指示的電網電壓之 正峰值附近的一小時間部分上。個別脈衝11〇4具有等於切 換頻率之週期的一週期（1106)，例如（1/3〇 KHz)。 在圖12中，兩個PAMCC(各根據PAMCC 4〇0)之兩個個別 电々α (1200.1及1200.2)定相為相隔一半的切換頻率週期。 上方的跡線1202為兩個PAMCC輸出電流1200.1及1200.2的 總和。/主思到經加總電流12〇2具有比一單pamCC(參看圖 11)之漣波更小的一漣波且具有兩倍於一單反相器之漣波 頻率的漣波頻率。該經加總電流1202不回到零點。 在將兩個PAMCC 400輸出之電流相加之後，圖13展示八 個PAMCC的個別輸出電流（由線13〇〇表示；各波形未編 號），各輸出電流跨越切換頻率之週期平均地定相。舉例 而言，就使用一 30 KHz切換頻率的—系統而言，相對於先 前輸出電流波形，其週期為33.3微秒且各相位延遲（33.3/8) 或4· 1 67微秒。任意數量的PAMCC 400可如此相加。隨著 相加數量的增加各相位延遲一更‘小數量（1/(切換頻率 150641.doc -16- 201125257 *n))，其中「η」為所加PAMCC之數量。注意到圖13所示 之經加總電流僅具有一個別PAMCC之一小部㈣波電流 (圖12)且具有八倍於一個別pAMCC之漣波頻率的漣波頻 率。若各PAMCC 400按其pam電流脈衝序列而在一電網正 弦波上產生一點，定相並相加一組pAMCC，則形成一轉換 器陣列，此將在極高精確度且極低雜訊（漣波）下有效地解 调變-電網正弦波電流。任意數量的陣列轉換器可以此方 式定相且相加。隨著PAMCC之數量的增加，缝波振幅減少 且漣波頻率增加。在—實施例中，兩個或兩個以上的複數 個PAMCC 400個別輸出電流係彼此同相。在某些實施例 中，切換頻率經選擇以便使其與電網頻率(例如，美國的 )…、關，使得漣波將不表示諧波失真。在PAMCC輸出 調I之L號係任思的。在某些實施例中，在輸出 上調變多個信號，其中此等信號之一者(例如)可經提供以 在一任意兩個或兩個以上PAMCC模組之間通信。該 PAMCC調變有時用於校正電網信號的失真。 選定已陣列化之PAMCC 4〇〇之定相的若干方法之一種為 預指派各PAMCC 時槽數，其中該第—槽係排定依揭 一零交又且各PAMCC 400以依該預定（即，指派）序列發射 其PAM信號。在某些實施例中’尤其在具有大量的例子 ^個別MMCC之相位關係係未受控制，其中在不具有確 疋ί相位排I的情況下，其等橫跨_循環將自然地相位 隔。 在一替代實施例中，例示於圖14中，增加一第二電晶 150641.doc 17 201125257 體，其中Q1A 1402及Q1B 1404取代如圖4之電路所示並描 述的早電晶體Q1 404。使用該等兩個電晶體qia 1402及 Q1B 1 404會提供一些潛在的優點，包含減少跨越各電晶體 的電壓；相較於Q1 404的Rds_on(「開啟」電阻）需求，容 許各電晶體之一更寬鬆的Rds_on需求，且容許在相對低的 電壓及穩定的PV 401之陽極及陰極端點下驅動各電晶體。 在此組態中，如先前討論使用Q1 4〇4—樣，同時接通與關 閉Q1A 1402及Q1B 1404二者。電路操作的所有其他態樣維 持相同。Q1A 1402及Q1B 1404為不同的電晶體類型，所以 至其等控制閘極之不同信號係由控制器1412提供。而控制 器1412與圖12之控制器412相同，但添加有輸出終端，其 等分別藉由導線1401及1403而連接至Q1A 1402及Q1B 1404 之控制閘極。 圖15繪示一種三相系統之相位之間的相位關係。此圖及 下一圖指出表示電壓的一垂直軸，但是對於一固定電壓系 統該軸亦將表示電流。任意指定三相為A、B、C。三相電 路係組態成此項技術中已悉知的一「γ叉型」配置或一 j三角型」配置。在一 γ叉型電路中，稱共同節點為 Ν」。可如所見，相位係相隔12〇度。注意到在任何給定 又齒中兩個相位將具有相同的極性且第三相位將具 有相反的極性。 么對於一商用發電機，發電系統係連接至-低阻抗三相電 網’其中功率（因此之電壓電流乘積）係、保持為相同。因而 對於根據本發明之—系統，三相位之各者中的功率係相等 150641.doc 201125257 的0 在根據本發明之一系統中，電流總是從一給定極性之一 同參考被驅動至具有相反極性的兩個終端。參看圖16， 在一電網循環1602時間之一點處，Vb為一負電壓且Va、 Vc二者均為正電壓。為使所要電壓維持在相位A及相位b 上將電Iba 1 從相位B驅動至相位A，接著將電流 Ibc 1606從相位b驅動至相位c。注意到正電流被驅動至正 電壓節點，因此所輸送之電力為正。 現參看圖17，在時間1702處，相位c為一正電壓且相位 A及相位B為負電壓。因此選擇相位c作為共同參考，且將 電流Icb 1704從相位C驅動至相位B，接著將電流17〇6 從相位C驅動至相位a。 圖18係根據本發明之一電路的一實例，其中如上文先前 所述，該電路可經組態以不時對線圈u 18〇2及線圈U 1804充電。接著如先前參考圖16及圖i 7所述般將該等線圈 中之電荷提供給兩個輸出終端。輸出級為一 γ叉型組態。 在圖18之實例中’閘流體181〇1至181〇6(下文通常稱為 「副Ln」）在六條導線之各者中提供對三個輸出終端（A、 B、C)的0N/0FF切換。該等閘流體⑻“之控制閘極的控 制信號係由一控制器1812提供’其中該控制器i8i2包含邏 輯、一程式化微處理器’或用於根據本發明之方法而作決 定並產生適當控制信號的其他構件。在某些實施例中，使 用MOSFET以取代閘流體181〇 网机體通常比MOSFET 慢。在使利流體刪.n的實施例中，某些實施例提供一 150641.doc •19· 201125257 平滑電路’ s亥平滑電路包括高側支路中之一線圈 1814、低側支路中之一線圈L4 1816及—電容器C2 1818。 該平滑電路1 814、1 8 1 ό、181 8提供一較長時間週期的電流 脈衝’藉此配合閘流體的較慢回應時間。 如上文一相糸統之操作中所述，回應於導線1 8 0 8上來自 控制器1812之一信號而將一開關Qi 18〇6(通常為一 MOSFET)驅動為ON，藉此利用來自光伏打面板丨83〇之電 流對線圈L1 1802及線圈L2 1804充電。參考圖16之實例， 其中吾人希望將電流從相位B驅動至相位a，接著從相位b 驅動至相位C。 圖19呈現類似於圖18但其中輸出級組態成一種三角型電 路的本發明之一實施例。 為說明閘流體之換向作用，圖20及圖2丨僅展示接通的閘 流體，且為清晰而移除未供電的導線。參看圖2〇，控制器 1812在電晶體Q1 18〇6關閉下接通閘流體Β_ ΐ8ι〇5及閘流 體A+ 1810.1。線圈L1 18〇2及線圈18〇4不再通過該電晶 體Q1 1806而連接，因此其等之電流被提供至終端A中且 ’’·i i»而B為其返回路控。如圖21所示，當已連接終端b及終 如a達一預疋時間時（下文將討論），關閉閘流體18m 並接通閘流體C+ 1 81 0.3。 只要相位在一給定六十度範圍内便重複上述程序。在各 案例中’首先接為ON之閘流體將導致來自共同參考的更 大電壓變化。一段時間後’將導致更低電壓變化之閘流體 被接為ON。因此吾人看到在一給定六十度週期期間，共 150641.doc 201125257 同參考點總是相同，且在第一個三十度期間，一相位更遠 離该共同參考，且在第二個三十度期間，另一相位離得更 遠。為包含所有十二個三十度時間相位，經由表格丨吾人 可為各窗判定下列閘流體首先接為ON，接著另一者接為 ON。 表格1 相位> Ts. 0-30 30- 60 60- 90 A+C- 90- 120 120· 150 150- 180 180- 210 210· 240 240- 270 270- 300 300· 330 330- 360 1-A+ A+B- B-A+ B-C+ C+B- C+A- A-C+ A-B+ B+A- B+C- aS2 C-A+ C-B+ A+B- A+C- B-C+ B-A+ C+A- C+B- A~B+ A-C+ B+C- B+A- 在表格1中’註解指按圖18的閘流體標記。舉例而言， C-B+」指出接通閘流體181〇 6及閘流體B+ 181〇 2。 ts1為第一時間週期，Tss為第二時間週期，下文有待定 義。 圖22定義下文討論中待使用的特定時間週期及註解慣 例。在時間週期Tsi期間，電流從來自共同參考之一初始 值Ipn被驅動至第_(如先前所討論之電壓中之更大差）電力 執’在時間週期Tsi的結束時電流減少至ISN。此刻，接通 下、-且閘"IL體（參閱表格i)達一時間&。電流開始具有— SN且在時間週期&的最後具有一值^+1。接著關閉所 有問流體’且藉由控制器1812將電晶體Qi 18Q6驅動為開 啟’此在導線1808上提供一信號。在Qi 18〇6接為⑽下， 線圈U 及線圈L2 1刚由光伏打面板183()再充電。週 期T為-固定時間週期，因此可規^ ·· °
Tp=T-Tsl-TS2 150641.doc •21 - 201125257 為 50 Hz 時間週期τ應與比供電電網之頻率更高的一頻率有關。 在一實施例中，週期丁與5()4乘以電網之頻率的—頻率有 關其中美國的電網頻率為6〇出且大多數世界其他國家 圖22之時間週期可以下列方式判定：
Isn = IPn-^T^Tsl [1] 其中’V〇丨定義為第一驅叙 带 示％勁之電力轨的開路電壓， 自光伏打面板18 3 0的電壓，且L為勺人 电座且L為包含互感之兩個線圈以 1802及L2 1804的等效電感。 ln+i=Isn-^T^Ts2 [2] 其中’ V〇2定義為第二驅動之雷 7 电力軌的開路電壓。參考圖 22， /pn+1 = /n+1 + ^ = /ρη _ ί^) c^) ψ^τ52 + ν^-τ^.
[3] 藉由展開方程式[3]之諸項，可得到 ’ρτι+l = ’pr (.-V〇iTsi+vA,~ V〇2TS2+yi.Ts2+ViT- Λ [4] 在捨棄约分項之後得到 ^ρη+ι 一〜η 十-：-- 根據下式吾人得到時間週期TS1期間的平均電流： 150641.doc -22- [5] 201125257 【〇 avel = KrVqi = 其中，KR為由一慢「外迴路」控制以提供所需電流的 導項。現在，重寫諸項： ^512 _ bn 2L T Τ ^51 avel 且根據下式求解TS1 :
2AX 類似求解TS2 〇 avel
Gsn+，n+i)7h _ j Ts2 (V0i-Vi)TslTs2 iV〇2-Vi)Ts22 2 Τ Pn τ IT 2LT
2LT •TS2 X TS2 + l〇 ave2 = 0 如之前吾人定義項： ^ = A2；wi<^i = B2; “2 = C2; 接著 B2±^(B2z-4A2C2) 2A2 [6] 電 m[8] [9] [10][11] . _ · I ： , (/n+i+/pn+i) (T-Tsl-Ts2) Li ave ~ l0 avel ^ l0 avel ^ I -- 150641.doc -23- [12] 201125257 ave = avel + h avez + (^pn + ^ ~ ^02^2 + Vt ^ + ^ ^ (1 -八1 +。2、
T
[13] τι+1 ~ = ~~RpVCj i^PV ~ ^Pvh ave ~ Kin) 其中EPV及RPV為光伏打面板的戴維寧等效。 顯然一太陽能供電電流源最終將不能提供符合負載之需要 的足夠電流。由於目標電流接近可用最大值，所以逐漸減 少目標電流以最小化THD。 衝突之解決方案 若有任何揭示内容以引用的方式併入本文中且此併入之 揭示内容與本發明部分衝突或完全衝突，則對於衝突的程 度、及/或更寬廣的揭示内容、及/或術語之更寬廣定義， 皆由本發明控制。若此類所併入之揭示内容彼此部分衝突 或全部衝突，則對於衝突的程度，由日期在後的揭示内容 所控制。 【圖式簡單說明】 圓1展示先前技術之實例及本發明的一簡要實例。 圖2係併網型光伏打系統的一實例。 圖3係先前電流技術的一實例。 圖4係根據本發明之—罝脐I 4ε丄_ 實例。 早脈衝振幅調變電流轉換器的一 圖5展示一脈衝振幅調變電 相^-電晶趙完成對電二;=二其中在電網正半 波器產生電流脈衝。 電的電路同時重新建職 150641.doc -24· 201125257 圖6展示一脈衝振幅調變電流轉換器，其中在電網正半 相内’電流流入重新建構濾波器。 圖7展示一脈衝振幅調變電流轉換器，其中在電網負半 相内’一電晶體完成對電感器充電的電路同時重新建構濾 波器產生電流脈衝。 圖8展示一脈衝振幅調變電流轉換器，其中在電網負半 相内，電流流入重新建構濾波器。 圖9涉及驅動信號及電流的時序。 圖10展示在以下某些圖式中將詳細檢視之一正弦波電流 中的一些電流部分。 全部經加總電流。 圖11展示由-單脈衝振幅調變電流轉換器提供的脈衝。 圖12展示由雙脈衝振幅調變電流轉換器提供的脈衝及其 器提供的脈衝及其 圖13展示由八脈衝振幅調變電流轉換 全部經加總電流。
負電壓相位的一實例。 一替代電路。 給另兩個相位之_最
正歷相位的—實例。 電流給另兩個相位之
脈彳〜狐顶明雯罨流轉換器的一實例 圖19係組態為— 之一種三相 器的一實例。
15064I.doc •25- 201125257 三相脈衝振幅調變電流轉換器的一實例。 圖20展示相對於如圖1 6所示之電流IBA之一例示性轉換 循環的電流路徑。 圖21展示相對於如圖16所示之電流IBC之一例示性轉換 循環的電流路徑。 圖22定義各個方程式中使用的電流及時間項。 【主要元件符號說明】 400 脈衝振幅調變（PAM)電流 轉換器（PAMCC) 401 太陽能面板 402 PAMCC之正輸入終端 403 PAMCC之負輸入終端 404 NMOS FET開關 Q1 405 線圈2 406 線圈1 412 控制器 414 、 415 、 416 、 417 、 418 412之輸出終端 411 、 419 、 420 、 421 、 422 導線 423 CR22之控制終端 424 CR11之控制終端 425 CR12之控制終端 426 CR2 1之控制終端 430 線圈L12 431 線圈L22 150641.doc -26- 201125257 432 434 436 438 440 505 902 904 906 908 910 1101 1104 1106 1200 1200.1 1200.2 1300 1302 1402 1404 1401 、 1403 、 1506 1412 中性輸出終端 P1終端 P2終端 電容器C12 電容器C22 脈衝振幅調變（PAM)的半 正弦波電流 近似矩形電壓脈衝 半波整流正弦波 三角波 脈衝寬度 切換時段 週期實例 個別脈衝 切換頻率時段 相加電流 個別電流1 個別電流2 八PAMCC波形 漣波 NMOSFET開關 Qla PMOSFET開關 Qlb 導線 控制器 150641.doc -27- 201125257 1502 1512 1600 1602 1604 1606 1702 1704 1706 1802 1804 1806 1808 1810.1 至 1810.6 1812 1814 1816 1818 1830 Cl CR11、CR22、CR12、CR21 PV1、PV2、PVn 安全關閉電晶體TR1 控制器 轉換器陣列模組 電網循環 電流Iba 電流Ibc 某時間點 電流Icb 電流Icb 線圈L 1 線圈L2 開關Q1 導線 閘流體 控制器 線圈L3 線圈L4 電容器C2 光伏打面板 電容器1 三端雙向可控矽開關 太陽能面板 150641.doc -28-

Claims (1)

  1. 201125257 七、申請專利範圍： 1. 一種用於將直流電力轉換成三相交流電力的系統，該系 統包括： 兩個或兩個以上直流電源； 一脈衝振幅調變電流轉換器（「轉換器」），連接至各 直流電源，其中該等轉換器之各者從其各自直流電源處 接收直流電流且在該轉換器之一第一輸出終端提供一第 一相位的一第一脈衝振幅調變電流脈衝，且在一第二輸 出終翊提供一第二相位的一第二脈衝振幅調變電流脈 衝，且在一第三輸出終端提供一第三相位的一第三脈衝 振幅調變電流脈衝’且進—步其中各轉換器之該第一輸 出終端係與該系統中之所有其他轉換器的該等第—輸出 ’.、端並聯地電連接’且各轉換器之該第二輸出終端係與 該系統之所有其他轉換器之該等第二輸出終端並聯地電 連接’且各轉換器之該第三輸出終端係與該系統中之所 有’、他轉換态之δ亥等第二輸出終端並聯地電連接，藉此 至ν兩個轉換态之該第—電流脈衝及該第二電流脈衝及 該第三電流脈衝係與彼此的該第—電流脈衝及該第二電 流脈衝及該第三電流脈衝異相，藉此將該㈣換器之所 :者之各相位的該等電流脈衝相加使得調變至該等轉換 器之脈衝輸出上的一信號被解調變。 2·如請求項1之系統，其中各鳇垃π ^ ^ 轉換益之電流脈衝係與具有 相同電壓相位之所有其他轉換器的電流脈衝異相。 3.如請求項1之系統，其中該 L唬為—種六十循環的交流 150641.doc 201125257 電壓。 如請求項彳$ & μ 带两 '、、先，其中該信號為一近似固定值的直流 5.6. 8. 9. 如請求項1之系統， 如請求項1之系統， 如請求項1之系統， 如請求項1之系統 通k信號。 如請求項8之系統 上0 其中該信號為一種方波。 其中s亥4s就為一種三角波。 其中該信號為一種高斯波。 其中該信號包含用於傳達資料的一 ’其中該通信信號係疊加於該信號 10. 如請求項8之条 « , _ ^ '、冼，其中該通信信號包含從一給定轉換 器至该系統之至 另一轉換态的資料。 11. 如凊求項8之备μ ^ ^ '、統，其中該通信信號包含從一給定轉換 :系統中之所有其他轉換器的資料。 12. 如凊求項8之系統’其中該資料包括相位資料。 A如請求項8之系統’其中該資料包括控制命令。 】4.如：求項8之系統，其中該資料包括操作資料。 、、項1之系統，其中該兩個或兩個以上直流電源為 光伏打面板。 月长項1之系統，其中該兩個或兩個以上直流電源為 風力發電型發電機。 士吻求項1之系統，其中該兩個或兩個以上直流電源為 潮力型發電機。 々《月求項1之系，统’其中該兩個或兩個以上直流電源為 150641.doc 201125257 壓電式發電機。 1 9.如請求項1之系統，其中該兩個或兩個以上直流電源為 電池。 2 0.如請求項1之系統，其中該等電流脈衝經修改以減少該 信號的任何失真。 150641.doc
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