TW201316647A - 電力系統及其中之電力控制方法和裝置 - Google Patents
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Abstract
一種電力控制方法，包含下列步驟。首先，依據輸入電流信號以及指令進行第一比例積分運算。接著，判斷輸入電流信號是否大於電池單元之最大額定充電電流值，以對應產生控制煞車單元之開關信號。然後，依據輸出電壓信號以及預設電壓指令進行第二比例積分運算。隨後，比對輸出電壓信號與電壓指令，以選擇性地設置輸出電流指令。接著，依據輸出電流信號以及指令進行第三比例積分運算，以調整第一對以及第二對開關信號，使開關單元執行相對應之切換動作而調節輸出電壓信號。一種電力系統及其中之電力控制裝置亦於此揭露。
Description
本發明是有關於一種電力系統，且特別是有關於一種電力系統中之電力控制方法和裝置。
近年來，由於環保意識的抬頭，使得再生能源的技術迅速發展。在這些再生能源之中，風力發電係為一種簡單且零污染之發電方式，其利用自然界所產生之風力驅動風力發電機之扇葉，以將外界風力轉換為電力輸出，進而供給元件（如：電池）一定的電力。
然而，當外界風力過大時，風力發電機之扇葉轉速也隨之增加，使得風力發電機所產生之充電電流大於電池的最大額定電流，而影響電池的工作壽命。再者，習知風力發電系統之控制電路中，風力發電機之轉速可能受到電池之輸出電壓影響，造成整個風力發電系統之發電效率無法提升，且在風力發電機與電池之間需要較長的時間才能達到輸入與輸出能量的穩定。
因此，迄今習知技術仍具有上述缺陷與不足之處需要解決。
然而，當外界風力過大時，風力發電機之扇葉轉速也隨之增加，使得風力發電機所產生之充電電流大於電池的最大額定電流，而影響電池的工作壽命。再者，習知風力發電系統之控制電路中，風力發電機之轉速可能受到電池之輸出電壓影響，造成整個風力發電系統之發電效率無法提升，且在風力發電機與電池之間需要較長的時間才能達到輸入與輸出能量的穩定。
因此，迄今習知技術仍具有上述缺陷與不足之處需要解決。
本揭示內容之一態樣在於提供一種電力控制裝置，包含輸入端、輸出端、控制單元以及開關單元。輸入端用以接收發電機所提供能量相對應之輸入電壓信號以及輸入電流信號。輸出端用以傳遞輸出電壓信號以及輸出電流信號給電池單元。控制單元電性耦接輸入端以及輸出端，並用以依據輸入電壓信號、輸入電流信號、輸出電壓信號以及輸出電流信號產生複數個開關信號，開關信號中之一者係用以開啟或關閉與輸入端耦接之煞車單元，使得輸入端所接收之輸入電流信號變化。開關單元電性耦接輸入端、輸出端以及控制單元，並由控制單元產生之開關信號中至少一者所控制以調節輸出電壓信號。
依據本揭示內容之一實施例，其中控制單元包含第一比對模組以及第一比例積分控制器。第一比對模組用以比對輸入電流信號以及輸入電壓信號相對應最大功率輸出之輸入電流指令，以輸出第一差値。第一比例積分控制器電性耦接第一比對模組，用以接收第一差値，並以分段比例積分方式對第一差値作運算處理，以產生第一比例積分輸出。
依據本揭示內容之一實施例，其中控制單元更包含第一判斷模組。第一判斷模組電性耦接第一比例積分控制器，用以判斷輸入電流信號是否大於電池單元之最大額定充電電流値，使得控制單元依據第一判斷模組之判斷結果產生控制煞車單元之開關信號。
依據本揭示內容之一實施例，其中控制單元更包含第二比對模組以及第二比例積分控制器。第二比對模組用以比對輸出電壓信號以及電池單元預設之電壓指令，以輸出第二差値。第二比例積分控制器電性耦接第二比對模組，用以接收第二差值，並以分段比例積分方式對第二差値作運算處理，以產生第二比例積分輸出。
依據本揭示內容之一實施例，其中控制單元更包含第一選擇模組。第一選擇模組電性耦接第一判斷模組以及第二比例積分控制器，其中第一選擇模組依據輸出電壓信號與電壓指令之比較結果選擇性地設置第一比例積分輸出或第二比例積分輸出為輸出電流指令。
依據本揭示內容之一實施例，其中控制單元更包含第三比對模組、第三比例積分控制器以及第二判斷模組。第三比對模組用以比對輸出電流信號以及輸出電流指令，以輸出第三差値。第三比例積分控制器電性耦接第三比對模組，用以接收第三差值，並以分段比例積分方式對第三差値作運算處理，以產生第三比例積分輸出。第二判斷模組電性耦接第三比例積分控制器，並依據第三比例積分輸出決定控制單元輸出開關信號中之第一對開關信號以及第二對開關信號，且控制單元依據第三比例積分輸出調整第一對開關信號以及第二對開關信號，使開關單元執行相對應之切換動作，以調節輸出電壓信號。
依據本揭示內容之一實施例，其中當第一選擇模組設置第一比例積分輸出為輸出電流指令時，電力控制裝置係以大致上固定之輸出電流信號對電池單元充電，當第一選擇模組設置第二比例積分輸出為輸出電流指令時，電力控制裝置係以大致上固定之輸出電壓信號對電池單元充電。
本揭示內容之另一態樣在於提供一種電力系統，包含電力輸入端、電力輸出端、煞車開關、控制單元以及開關單元。電力輸入端用以接收發電機所提供能量相對應之輸入電壓信號以及輸入電流信號。電力輸出端用以傳遞輸出電壓信號以及輸出電流信號給電池單元。煞車開關電性耦接電力輸入端，用以調節輸入電流信號。控制單元電性耦接電力輸入端以及電力輸出端，並用以依據輸入電壓信號、輸入電流信號、輸出電壓信號以及輸出電流信號產生複數個開關信號，開關信號中之一者係用以開啟或關閉煞車開關，使得電力輸入端所接收之輸入電流信號變化。開關單元電性耦接電力輸入端、電力輸出端以及控制單元，並由控制單元產生之開關信號中至少一者所控制以調節輸出電壓信號。
依據本揭示內容之一實施例，其中控制單元係對輸入電壓信號、輸入電流信號、輸出電壓信號、輸出電流信號、電壓指令以及電流指令進行比對與分段比例積分運算，以輸出開關信號。
依據本揭示內容之一實施例，其中開關單元包含第一開關、第二開關、第三開關、第四開關以及電感。第一開關電性耦接控制單元以及電力輸入端。第二開關電性耦接控制單元以及電力輸出端。第三開關電性耦接控制單元、第一開關以及接地端。第四開關電性耦接控制單元、第二開關以及接地端。電感電性耦接第一開關、第二開關、第三開關以及第四開關之間，第一開關、第二開關、第三開關、第四開關與電感形成H型電橋。
依據本揭示內容之一實施例，其中控制單元透過開關信號中之第一對開關信號控制第一開關與第三開關之導通時間，以減少輸出電壓信號。
依據本揭示內容之一實施例，其中第一對開關信號係為互補式脈寬調變信號。
依據本揭示內容之一實施例，其中控制單元透過開關信號中之第二對開關信號控制第二開關與第四開關之導通時間，以增加輸出電壓信號。
依據本揭示內容之一實施例，其中第二對開關信號係為互補式脈寬調變信號。
依據本揭示內容之一實施例，其中控制單元更可輸出開關信號中之另一者，以開啟或關閉與電力輸出端耦接之負載開關。
本揭示內容之又一態樣在於提供一種電力控制方法，包含下列步驟。依據發電機所提供能量相對應之輸入電流信號以及輸入電壓信號相對應最大功率輸出之輸入電流指令進行第一比例積分運算。接著，判斷輸入電流信號是否大於電池單元之最大額定充電電流値。當輸入電流信號大於電池單元之最大額定充電電流値時，產生控制煞車單元之開關信號。然後，依據輸出電壓信號以及電池單元預設之電壓指令進行第二比例積分運算。隨後，比對輸出電壓信號與電壓指令。接著，依據輸出電壓信號與電壓指令之比對結果選擇性地設置第一比例積分運算或第二比例積分運算結果為輸出電流指令。然後，依據輸出電流信號以及輸出電流指令進行第三比例積分運算。隨後，依據第三比例積分運算結果調整第一對開關信號以及第二對開關信號，使開關單元執行相對應之切換動作，以調節輸出電壓信號。
依據本揭示內容之一實施例，其中第一比例積分運算、第二比例積分運算以及第三比例積分運算係將誤差增益函數以及積分增益函數分割成複數個分段區間，使得控制單元對分段區間相對應之增益値進行運算處理，而在分段比例積分方式之操作下加快運算處理的時間。
依據本揭示內容之一實施例，其中進行第一比例積分運算更包含下列步驟。比對輸入電流信號以及輸入電壓信號相對應最大功率輸出之輸入電流指令，以輸出第一差値。利用分段比例積分方式對第一差値作運算處理，以產生第一比例積分輸出。
依據本揭示內容之一實施例，其中進行第二比例積分運算更包含下列步驟。比對輸出電壓信號以及電池單元預設之電壓指令，以輸出第二差値。利用分段比例積分方式對第二差値作運算處理，以產生第二比例積分輸出。
依據本揭示內容之一實施例，其中進行第三比例積分運算更包含下列步驟。比對輸出電流信號以及輸出電流指令，以輸出第三差値。利用分段比例積分方式對第三差値作運算處理，以產生第三比例積分輸出。
依據本揭示內容之一實施例，其中當輸出電壓信號小於電壓指令時，第一比例積分運算結果被設置為輸出電流指令，使得電池單元依據大致上固定之輸出電流信號進行充電，當輸出電壓信號等於電壓指令時，第二比例積分運算結果被設置為輸出電流指令，使得電池單元依據大致上固定之輸出電壓信號進行充電。
依據本揭示內容之一實施例，其中第一對開關信號以及第二對開關信號均為互補式脈寬調變信號。
依據本揭示內容之一實施例，電力控制方法更包含輸出開關信號中之另一者，以控制負載單元之開啟或關閉。
因此，應用本揭示內容之電力系統、電力控制裝置以及電力控制方法，可以均衡分配風力發電機所產生之能量給電池單元以及煞車單元，並使風力發電機、電池單元與煞車單元之間快速達到穩定狀態。
依據本揭示內容之一實施例，其中控制單元包含第一比對模組以及第一比例積分控制器。第一比對模組用以比對輸入電流信號以及輸入電壓信號相對應最大功率輸出之輸入電流指令，以輸出第一差値。第一比例積分控制器電性耦接第一比對模組，用以接收第一差値，並以分段比例積分方式對第一差値作運算處理，以產生第一比例積分輸出。
依據本揭示內容之一實施例，其中控制單元更包含第一判斷模組。第一判斷模組電性耦接第一比例積分控制器，用以判斷輸入電流信號是否大於電池單元之最大額定充電電流値，使得控制單元依據第一判斷模組之判斷結果產生控制煞車單元之開關信號。
依據本揭示內容之一實施例，其中控制單元更包含第二比對模組以及第二比例積分控制器。第二比對模組用以比對輸出電壓信號以及電池單元預設之電壓指令，以輸出第二差値。第二比例積分控制器電性耦接第二比對模組，用以接收第二差值，並以分段比例積分方式對第二差値作運算處理，以產生第二比例積分輸出。
依據本揭示內容之一實施例，其中控制單元更包含第一選擇模組。第一選擇模組電性耦接第一判斷模組以及第二比例積分控制器，其中第一選擇模組依據輸出電壓信號與電壓指令之比較結果選擇性地設置第一比例積分輸出或第二比例積分輸出為輸出電流指令。
依據本揭示內容之一實施例，其中控制單元更包含第三比對模組、第三比例積分控制器以及第二判斷模組。第三比對模組用以比對輸出電流信號以及輸出電流指令，以輸出第三差値。第三比例積分控制器電性耦接第三比對模組，用以接收第三差值，並以分段比例積分方式對第三差値作運算處理，以產生第三比例積分輸出。第二判斷模組電性耦接第三比例積分控制器，並依據第三比例積分輸出決定控制單元輸出開關信號中之第一對開關信號以及第二對開關信號，且控制單元依據第三比例積分輸出調整第一對開關信號以及第二對開關信號，使開關單元執行相對應之切換動作，以調節輸出電壓信號。
依據本揭示內容之一實施例，其中當第一選擇模組設置第一比例積分輸出為輸出電流指令時，電力控制裝置係以大致上固定之輸出電流信號對電池單元充電，當第一選擇模組設置第二比例積分輸出為輸出電流指令時，電力控制裝置係以大致上固定之輸出電壓信號對電池單元充電。
本揭示內容之另一態樣在於提供一種電力系統，包含電力輸入端、電力輸出端、煞車開關、控制單元以及開關單元。電力輸入端用以接收發電機所提供能量相對應之輸入電壓信號以及輸入電流信號。電力輸出端用以傳遞輸出電壓信號以及輸出電流信號給電池單元。煞車開關電性耦接電力輸入端，用以調節輸入電流信號。控制單元電性耦接電力輸入端以及電力輸出端，並用以依據輸入電壓信號、輸入電流信號、輸出電壓信號以及輸出電流信號產生複數個開關信號，開關信號中之一者係用以開啟或關閉煞車開關，使得電力輸入端所接收之輸入電流信號變化。開關單元電性耦接電力輸入端、電力輸出端以及控制單元，並由控制單元產生之開關信號中至少一者所控制以調節輸出電壓信號。
依據本揭示內容之一實施例，其中控制單元係對輸入電壓信號、輸入電流信號、輸出電壓信號、輸出電流信號、電壓指令以及電流指令進行比對與分段比例積分運算，以輸出開關信號。
依據本揭示內容之一實施例，其中開關單元包含第一開關、第二開關、第三開關、第四開關以及電感。第一開關電性耦接控制單元以及電力輸入端。第二開關電性耦接控制單元以及電力輸出端。第三開關電性耦接控制單元、第一開關以及接地端。第四開關電性耦接控制單元、第二開關以及接地端。電感電性耦接第一開關、第二開關、第三開關以及第四開關之間，第一開關、第二開關、第三開關、第四開關與電感形成H型電橋。
依據本揭示內容之一實施例，其中控制單元透過開關信號中之第一對開關信號控制第一開關與第三開關之導通時間，以減少輸出電壓信號。
依據本揭示內容之一實施例，其中第一對開關信號係為互補式脈寬調變信號。
依據本揭示內容之一實施例，其中控制單元透過開關信號中之第二對開關信號控制第二開關與第四開關之導通時間，以增加輸出電壓信號。
依據本揭示內容之一實施例，其中第二對開關信號係為互補式脈寬調變信號。
依據本揭示內容之一實施例，其中控制單元更可輸出開關信號中之另一者，以開啟或關閉與電力輸出端耦接之負載開關。
本揭示內容之又一態樣在於提供一種電力控制方法，包含下列步驟。依據發電機所提供能量相對應之輸入電流信號以及輸入電壓信號相對應最大功率輸出之輸入電流指令進行第一比例積分運算。接著，判斷輸入電流信號是否大於電池單元之最大額定充電電流値。當輸入電流信號大於電池單元之最大額定充電電流値時，產生控制煞車單元之開關信號。然後，依據輸出電壓信號以及電池單元預設之電壓指令進行第二比例積分運算。隨後，比對輸出電壓信號與電壓指令。接著，依據輸出電壓信號與電壓指令之比對結果選擇性地設置第一比例積分運算或第二比例積分運算結果為輸出電流指令。然後，依據輸出電流信號以及輸出電流指令進行第三比例積分運算。隨後，依據第三比例積分運算結果調整第一對開關信號以及第二對開關信號，使開關單元執行相對應之切換動作，以調節輸出電壓信號。
依據本揭示內容之一實施例，其中第一比例積分運算、第二比例積分運算以及第三比例積分運算係將誤差增益函數以及積分增益函數分割成複數個分段區間，使得控制單元對分段區間相對應之增益値進行運算處理，而在分段比例積分方式之操作下加快運算處理的時間。
依據本揭示內容之一實施例，其中進行第一比例積分運算更包含下列步驟。比對輸入電流信號以及輸入電壓信號相對應最大功率輸出之輸入電流指令，以輸出第一差値。利用分段比例積分方式對第一差値作運算處理，以產生第一比例積分輸出。
依據本揭示內容之一實施例，其中進行第二比例積分運算更包含下列步驟。比對輸出電壓信號以及電池單元預設之電壓指令，以輸出第二差値。利用分段比例積分方式對第二差値作運算處理，以產生第二比例積分輸出。
依據本揭示內容之一實施例，其中進行第三比例積分運算更包含下列步驟。比對輸出電流信號以及輸出電流指令，以輸出第三差値。利用分段比例積分方式對第三差値作運算處理，以產生第三比例積分輸出。
依據本揭示內容之一實施例，其中當輸出電壓信號小於電壓指令時，第一比例積分運算結果被設置為輸出電流指令，使得電池單元依據大致上固定之輸出電流信號進行充電，當輸出電壓信號等於電壓指令時，第二比例積分運算結果被設置為輸出電流指令，使得電池單元依據大致上固定之輸出電壓信號進行充電。
依據本揭示內容之一實施例，其中第一對開關信號以及第二對開關信號均為互補式脈寬調變信號。
依據本揭示內容之一實施例，電力控制方法更包含輸出開關信號中之另一者，以控制負載單元之開啟或關閉。
因此，應用本揭示內容之電力系統、電力控制裝置以及電力控制方法，可以均衡分配風力發電機所產生之能量給電池單元以及煞車單元，並使風力發電機、電池單元與煞車單元之間快速達到穩定狀態。
以下將以圖式及詳細敘述清楚說明本揭示內容之精神，任何所屬技術領域中具有通常知識者在瞭解本揭示內容之較佳實施例後，當可由本揭示內容所教示之技術，加以改變及修飾，其並不脫離本揭示內容之精神與範圍。
關於本文中所使用之『約』、『大約』或『大致』一般通常係指數值之誤差或範圍於百分之二十以內，較好地是於百分之十以內，而更佳地則是於百分之五以內。文中若無明確說明，其所提及的數值皆視作為近似值，即如『約』、『大約』或『大致』所表示的誤差或範圍。
請參照第1圖。第1圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種電力系統100之電路方塊示意圖。
上述電力系統100可包含電力控制裝置1000以及與電力控制裝置1000電性耦接之發電機1010、電池單元1020以及煞車單元1030，其中可藉由電力控制裝置1000轉換發電機1010所產生之能量，以均衡分配給電池單元1020以及煞車單元1030，使得電力系統100達到穩定狀態。
電力控制裝置1000可包含輸入端110、輸出端120、控制單元130以及開關單元140。在本實施例中，輸入端110用以接收發電機1010所提供能量相對應之輸入電壓信號Vin以及輸入電流信號Iin。輸出端120用以傳遞輸出電壓信號Vo以及輸出電流信號Io給電池單元1020，其中電池單元1020之電池電壓信號Vb係與輸出電壓信號Vo相等。
控制單元130電性耦接輸入端110以及輸出端120，並用以依據輸入電壓信號Vin、輸入電流信號Iin、輸出電壓信號Vo（亦可稱為電池電壓信號Vb）以及輸出電流信號Io產生複數個開關信號，開關信號中之一者（例如：開關信號SW5），係用以開啟或關閉與輸入端110耦接之煞車單元1030，使得輸入端110所接收之輸入電流信號Iin變化。亦即，開關信號SW5可用以開啟煞車單元1030，以導入發電機1010所產生之部份電流，使得流入輸入端110的電流減少。
開關單元140電性耦接輸入端110、輸出端120以及控制單元130，並由控制單元130產生之開關信號中至少一者所控制以調節輸出電壓信號Vo。例如，控制單元130可藉由調整第一對開關信號SW1, SW3以及第二對開關信號SW2, SW4控制開關單元140的切換動作，使得電池單元1020的電壓Vb（亦即，輸出電壓信號Vo）減少或增加。
需說明的是，上述電流信號Iin, Io和電壓信號Vin, Vo可以是經處理後的數位信號，直接傳送至控制單元130作進一步運算處理，也可以是未經處理的類比信號，傳送至控制單元130而轉換成數位信號後再作處理，亦即本領域具通常知識者可依實際需求選擇電流和電壓信號的形式及其處理方式。
請同時參照第1圖以及第2圖。第2圖係依照本揭示內容之一實施方式繪示一種如第1圖所示之控制單元130之電路方塊示意圖。
在本揭示內容之一實施例中，控制單元130可包含第一比對模組200以及第一比例積分控制器（Proportional Integral Controller, PI Controller）210。第一比對模組200用以比對輸入電流信號Iin以及輸入電壓信號Vin相對應最大功率輸出之輸入電流指令Iicom，以輸出第一差値。第一比例積分控制器210電性耦接第一比對模組200，用以接收第一差値，並以分段比例積分方式（如第8A圖～第10圖所示）對第一差値作運算處理，以產生第一比例積分輸出。需說明的是，上述發電機1010具有預先設置之最大功率輸出的電壓對電流曲線（V-I Curve）。在實際操作上，由發電機1010提供給輸入端110的輸入電流信號Iin與輸入電壓信號Vin不見得是最大功率輸出，因此控制單元130可將輸入電壓信號Vin對應發電機1010之最大功率輸出之電壓對電流曲線，以獲得具有最大功率輸出之電流，藉此作為相對應之輸入電流指令Iicom。然後，控制單元130可偵測發電機1010實際輸出給輸入端110之輸入電流信號Iin，並對此輸入電流信號Iin以及輸入電流指令Iicom進行比例積分運算，進而對發電機1010轉速進行回授控制，使發電機1010達到最大功率輸出。
在本揭示內容之一實施例中，控制單元130更可包含第一判斷模組220。第一判斷模組220電性耦接第一比例積分控制器210，用以判斷輸入電流信號Iin是否大於電池單元1020之最大額定充電電流値，使得控制單元130可依據第一判斷模組220之判斷結果產生控制煞車單元1030之開關信號。舉例來說，當發電機1010所提供之輸入電流信號Iin大於電池單元1020之最大額定充電電流値時，控制單元130可依據第一判斷模組220之判斷結果產生開關信號SW5，以開啟煞車單元1030，並將發電機1010所產生之多餘能量與電流導入煞車單元1030之中。需說明的是，開關信號SW5可為脈寬調變信號（Pulse Width Modulated Signal），用以控制煞車單元1030的導通時間，以調節流入輸入端110的電流。再者，更可透過煞車單元1030回授控制發電機1010之轉速，使輸入電流信號Iin以及輸出電流信號Io達到平衡。
在本揭示內容之一實施例中，控制單元130更可包含第二比對模組230以及第二比例積分控制器240。第二比對模組230用以比對輸出電壓信號Vo以及電池單元1020預設之電壓指令（亦可稱為電池電壓指令Vb-com），以輸出第二差値。第二比例積分控制器240電性耦接第二比對模組230，用以接收第二差值，並以分段比例積分方式對第二差値作運算處理，以產生第二比例積分輸出。
在本揭示內容之一實施例中，控制單元130更可包含第一選擇模組250。第一選擇模組250電性耦接第一判斷模組220以及第二比例積分控制器240，其中第一選擇模組250依據輸出電壓信號Vo與電池電壓指令Vb-Vcom之比較結果，選擇性地設置第一比例積分輸出或第二比例積分輸出為輸出電流指令Iocom。
請同時參照第1圖～第3圖。第3圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式中電池單元之充電模式的時序示意圖。
下列以一實施例說明第一選擇模組250之操作方法及其與電池單元1020之充電模式的關聯性。控制單元130可透過比對實際電池單元1020的電池電壓信號Vb（亦即，輸出電壓信號Vo）以及目標電壓58 V（亦即，電池電壓指令Vb-com）之間的差値，以產生相對應之比例積分輸出。當電池單元1020剛開始進行充電時，其電壓尚未充電至目標電壓58 V，因此電池電壓信號Vb與電池電壓指令Vb-com之間具有較大的差値，使得經第二比例積分控制器240運算之後所得到的第二比例積分輸出之數值可能非常的大。因此，第一選擇模組250將第一比例積分輸出配置為輸出電流指令Iocom，以限制輸出電流指令Iocom之上限値。使得電力控制裝置1000以大致上固定之輸出電流信號Io（例如：22 A）對電池單元1020進行大電流充電，如第3圖所示之定電流模式（Constant Current Mode, CC Mode）。
當電池單元1020即將充飽時，其電壓已經充電至目標電壓58 V，因此電池電壓信號Vb與電池電壓指令Vb-com之間具有較小的差値，使得經第二比例積分控制器240運算之後所得到的第二比例積分輸出之數值可能非常的小。因此，第一選擇模組250將第二比例積分輸出配置為輸出電流指令Iocom，使得電力控制裝置1000以大致上固定之輸出電壓信號Vo對電池單元1020進行低電流充電，如第3圖所示之定電壓模式（Constant Voltage Mode, CV Mode）。此時，隨著電池單元1020逐漸充飽，充電電流亦隨之減少。
在本揭示內容之一實施例中，控制單元130更可包含第三比對模組260、第三比例積分控制器270以及第二判斷模組280。第三比對模組260用以比對輸出電流信號Io以及輸出電流指令Iocom，以輸出第三差値。第三比例積分控制器270電性耦接第三比對模組260，用以接收第三差值，並以分段比例積分方式對第三差値作運算處理，以產生第三比例積分輸出。第二判斷模組280電性耦接第三比例積分控制器270，並依據第三比例積分輸出決定控制單元130輸出開關信號中之第一對開關信號SW1, SW3以及第二對開關信號SW2, SW4，且控制單元130依據第三比例積分輸出調整第一對開關信號SW1, SW3以及第二對開關信號SW2, SW4，使開關單元140執行相對應之切換動作，以調節輸出電壓信號Vo。
舉例來說，控制單元130可依據輸出電流指令Iocom以及輸出電流信號Io之比對結果所產生之第三比例積分輸出，以調整第一對開關信號SW1, SW3以及第二對開關信號SW2, SW4之脈波寬度，進而控制開關單元140中相對應複數個開關之導通時間，以調節輸出電壓信號Vo，因而減少或增加電池單元1020之電壓。
此外，控制單元130更可輸出開關信號SW6以控制輸出端120是否與負載單元1040連接。
需說明的是，控制單元130之中的比對模組、比例積分控制器、判斷模組以及選擇模組係可由軟體、硬體或上述組合方式實現，而不以上述實施例為限。
請參照第4圖。第4圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種電力系統400之電路方塊示意圖。電力系統400可包含電力輸入端410、電力輸出端420、煞車開關430、控制單元440以及開關單元450。
電力輸入端410用以接收發電機4010所提供能量相對應之輸入電壓信號Vin以及輸入電流信號Iin。此外，在發電機4010與電力輸入端410之間更可包含整流單元4020，用以對發電機4010所輸出之三相交流信號進行整流與濾波，以提供給電力輸入端410。電力輸出端420用以傳遞輸出電壓信號Vo以及輸出電流信號Io給電池單元4030。
煞車開關430電性耦接電力輸入端410，用以調節輸入電流信號Iin。控制單元440電性耦接電力輸入端410以及電力輸出端420，並用以依據輸入電壓信號Vin、輸入電流信號Iin、輸出電壓信號Vo（亦可稱為電池電壓信號Vb）以及輸出電流信號Io產生複數個開關信號，開關信號中之一者係用以開啟或關閉煞車開關430，使得電力輸入端410所接收之輸入電流信號Iin變化。舉例來說，當發電機4010轉速過快而產生過多能量與電流時，控制單元440可產生開關信號SW5，以開啟煞車開關430，使得發電機4010所產生之多餘能量與電流導入煞車電阻4040之中。再者，更可透過煞車電阻4040之配置，以回授控制方式調節發電機4010之轉速，使輸入電流信號Iin以及輸出電流信號Io達到平衡。
開關單元450電性耦接電力輸入端410、電力輸出端420以及控制單元440，並由控制單元440產生之開關信號中至少一者所控制以調節輸出電壓信號Vo。例如，控制單元440可藉由調整第一對開關信號SW1, SW3以及第二對開關信號SW2, SW4控制開關單元450中複數個開關（例如：第一開關451～第四開關454）的切換動作，使得電池單元4030的電池電壓信號Vb（亦即，輸出電壓信號Vo）減少或增加。
在本揭示內容之一實施例中，控制單元440係對輸入電壓信號Vin、輸入電流信號Iin、輸出電壓信號Vo、輸出電流信號Io、電池電壓指令Vb-com以及電流指令進行比對與分段比例積分運算（如第8A圖～第10圖所示），以輸出開關信號。例如，控制單元440可接收經類比數位轉換後之輸入電壓信號Vin、輸入電流信號Iin、輸出電壓信號Vo以及輸出電流信號Io，然後再與相對應之電壓與電流指令進行比對與分段比例積分運算，以輸出控制煞車開關430之開關信號SW5以及控制開關單元450之開關信號SW1～SW4。
在本揭示內容之一實施例中，開關單元450可包含第一開關451、第二開關452、第三開關453、第四開關454以及電感455。第一開關451電性耦接控制單元440以及電力輸入端410。第二開關452電性耦接控制單元440以及電力輸出端420。第三開關453電性耦接控制單440、第一開關451以及接地端460。第四開關454電性耦接控制單元440、第二開關452以及接地端460。電感455電性耦接第一開關451、第二開關452、第三開關453以及第四開關454之間，其中第一開關451、第二開關452、第三開關453、第四開關454與電感455形成H型電橋。
請同時參照第4圖以及第5圖。第5圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式中電力系統之降壓模式的時序控制示意圖。
在本揭示內容之一實施例中，控制單元440透過開關信號中之第一對開關信號SW1, SW3控制第一開關451與第三開關453之導通時間，以透過H型電橋減少輸出電壓信號Vo（亦即，減少電池單元4030之電池電壓信號Vb）。
在本揭示內容之一實施例中，第一對開關信號SW1, SW3係為互補式脈寬調變信號。亦即，開關信號SW1以及開關信號SW3之間係為互補。
請同時參照第4圖以及第6圖。第6圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式中電力系統之升壓模式的時序控制示意圖。
在本揭示內容之一實施例中，控制單元440透過開關信號中之第二對開關信號SW2, SW4控制第二開關452與第四開關454之導通時間，以透過H型電橋增加輸出電壓信號Vo（亦即，增加電池單元4030之電池電壓信號Vb）。
在本揭示內容之一實施例中，第二對開關信號SW2, SW4係為互補式脈寬調變信號。亦即，開關信號SW2以及開關信號SW4之間係為互補。
需說明的是，上述開關信號SW1～開關信號SW4係可依據實際操作需求而改變其信號型式，而不以上述實施例為限。
在本揭示內容之一實施例中，控制單元440更可輸出開關信號中之另一者，以開啟或關閉與電力輸出端420耦接之負載開關4050。舉例來說，控制單元440可輸出開關信號SW6，以開啟或關閉負載開關4050。當負載開關4050開啟時，電力輸出端420可與負載裝置4060耦接。當負載開關4050關閉時，電力輸出端420則與負載裝置4060隔離。所以，在此電力系統400中，可藉由對開關信號SW6的控制之下，以決定電力輸出端420是否連接負載裝置4060。
請同時參照第1圖以及第7圖。第7圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種電力控制方法之步驟流程圖。上述電力控制方法可應用於第1圖所示之電力系統100中，並以下列實施例之步驟流程作為說明。首先在步驟710中，控制單元130可獲取發電機1010所提供能量相對應之輸入電壓信號Vin以及輸入電流信號Iin。在步驟715中，控制單元130可依據輸入電流信號Iin以及輸入電壓信號Vin相對應最大功率輸出之輸入電流指令Iicom進行第一比例積分運算。
在上述步驟715中更可包含比對輸入電流信號Iin以及輸入電壓信號Vin相對應最大功率輸出之輸入電流指令Iicom，以輸出第一差値，然後利用分段比例積分方式（如第8A圖～第10圖所示）對第一差値作運算處理，以產生第一比例積分輸出。
在步驟720中，控制單元130可判斷輸入電流信號Iin是否大於電池單元1020之最大額定充電電流値。在步驟725中，若輸入電流信號Iin大於電池單元1020之最大額定充電電流値時，控制單元130產生控制煞車單元1030之開關信號（例如：開關信號SW5），使得輸入電流信號Iin減少。
接著，在步驟730中，控制單元130可獲取輸出端120之輸出電壓信號Vo（亦即，電池單元1020之電池電壓信號Vb）。在步驟735中，控制單元130可依據輸出電壓信號Vo以及電池單元1020預設之電池電壓指令Vb-com，以進行第二比例積分運算。
在上述步驟735中更可包含比對輸出電壓信號Vo以及電池單元1020預設之電池電壓指令Vb-com，以輸出第二差値，然後利用分段比例積分方式對第二差値作運算處理，以產生第二比例積分輸出。
在步驟740中，控制單元130可比對輸出電壓信號Vo與電池電壓指令Vb-com，使得控制單元130可依據輸出電壓信號Vo與電池電壓指令Vb-com之比對結果，選擇性地設置第一比例積分運算或第二比例積分運算結果為輸出電流指令Iocom。舉例來說，當輸出電壓信號Vo小於電池電壓指令Vb-com時，第一比例積分運算結果被設置為輸出電流指令Iocom，如步驟750所示，使得電池單元1020依據大致上固定之輸出電流信號 Io進行充電，亦即，對電池單元1020作定電流充電，如步驟755所示。當輸出電壓信號Vo等於電池電壓指令Vb-com時，第二比例積分運算結果被設置為輸出電流指令Iocom，如步驟760所示，使得電池單元1020依據大致上固定之輸出電壓信號Vo進行充電，亦即，對電池單元1020作定電壓充電，如步驟765所示。
然後，在步驟770中，控制單元130可獲取輸出端120之輸出電流信號Io。需說明的是，若輸出端120未連接負載單元1040時，輸出電流信號Io即為電池單元1020之充電電流。若輸出端120連接負載單元1040時，則輸出電流信號Io即為電池單元1020之充電電流與負載單元1040電流之總和。在步驟775中，控制單元130可依據輸出電流信號Io以及輸出電流指令Iocom進行第三比例積分運算，包含比對輸出電流信號Io以及輸出電流指令Iocom，以輸出第三差値，然後利用分段比例積分方式對第三差値作運算處理，以產生第三比例積分輸出，使得控制單元130可依據第三比例積分運算結果調整第一對開關信號SW1, SW3以及第二對開關信號SW2, SW4，使開關單元140執行相對應之切換動作，以調節輸出電壓信號Vo（亦即，電池電壓信號Vb）。在本實施例中之電力控制方法的操作原理與流程係與第1圖以及第4圖所示之電力系統相同或相似，於此不再贅述。
在本揭示內容之一實施例中，控制單元130可調整第一對開關信號SW1, SW3之脈波寬度，如第5圖所示，以控制開關單元140進行相對應之切換動作而進入降壓模式，使得電池單元1020的電壓減少（亦即，減少輸出電壓信號Vo），如步驟780所示。此外，控制單元130亦可控制第二對開關信號SW2, SW4之脈波寬度，如第6圖所示，以控制開關單元140進行相對應之切換動作而進入升壓模式，使得電池單元1020的電壓增加（亦即，增加輸出電壓信號Vo），如步驟790所示。
需說明的是，上述第一對開關信號SW1, SW3以及第二對開關信號SW2, SW4可為互補式脈寬調變信號。亦即，開關信號SW1與開關信號SW3係為互補，開關信號SW2與開關信號SW4係為互補。此外，上述開關信號SW1～開關信號SW4係可依據實際操作需求而改變其信號型式，且不以上述實施例為限。
再者，上述電力控制方法更可包含輸出開關信號中之另一者（例如：開關信號SW6）以控制負載單元1040之開啟或關閉。當負載單元1040為開啟時，負載單元1040可與輸出端120耦接。當負載單元1040為關閉時，負載單元1040則與輸出端120隔離。因此，可透過控制單元130之開關信號SW6的控制下，以決定輸出端120是否連接負載單元1040。
下列係以一實施例說明分段比例積分方式之操作原理。請參照第8A圖～第10圖。第8A圖以及第8B圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種比例積分方式之誤差增益參數以及分段誤差增益參數示意圖。第9A圖以及第9B圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種比例積分方式之積分增益參數以及分段積分增益參數示意圖。第10圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種利用比例積分方式之轉移函數輸出的時序控制示意圖。
在本揭示內容之一實施例中，第一比例積分運算、第二比例積分運算以及第三比例積分運算係將第8A圖所示之誤差增益參數分割成複數個分段區間t1～t6，如第8B圖所示之分段誤差增益參數。同時，可將第9A圖所示之積分增益參數分割成多個分段區間x1～x6，如第9B圖所示之分段積分增益參數。因此，控制單元130可依據發電機1010、電池單元1020以及煞車單元1030的能量調整狀況而決定操作於哪一個分段區間，以快速判斷誤差增益以及積分增益之數値。然後，依據誤差增益以及積分增益之數値產生多個開關信號，以控制相對應之開關的切換動作，使得發電機1010、電池單元1020以及煞車單元1030之間的能量與電流獲得均衡分配。由上述圖式範例可知，控制單元130可在分段比例積分方式之操作下，以較少的誤差增益以及積分增益之數値進行比例積分運算，進而加快運算處理的時間，使得發電機1010、電池單元1020以及煞車單元1030之間能夠快速達到轉移函數輸出為1的穩定狀態，如第10圖所示。
相較於習知作法，在本發明上述實施例中係採用非線性之比例積分控制的電力控制方法，並透過數位的脈波調變信號控制相對應開關的開啟時間，以均衡分配風力發電機所產生之能量給電池單元以及煞車單元。再者，藉由將誤差增益函數與積分增益函數簡化成多個分段區間，以加快轉移函數輸出的收斂狀況，使風力發電機、電池單元與煞車單元之間快速達到能量、電壓以及電流的穩定狀態。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
關於本文中所使用之『約』、『大約』或『大致』一般通常係指數值之誤差或範圍於百分之二十以內，較好地是於百分之十以內，而更佳地則是於百分之五以內。文中若無明確說明，其所提及的數值皆視作為近似值，即如『約』、『大約』或『大致』所表示的誤差或範圍。
請參照第1圖。第1圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種電力系統100之電路方塊示意圖。
上述電力系統100可包含電力控制裝置1000以及與電力控制裝置1000電性耦接之發電機1010、電池單元1020以及煞車單元1030，其中可藉由電力控制裝置1000轉換發電機1010所產生之能量，以均衡分配給電池單元1020以及煞車單元1030，使得電力系統100達到穩定狀態。
電力控制裝置1000可包含輸入端110、輸出端120、控制單元130以及開關單元140。在本實施例中，輸入端110用以接收發電機1010所提供能量相對應之輸入電壓信號Vin以及輸入電流信號Iin。輸出端120用以傳遞輸出電壓信號Vo以及輸出電流信號Io給電池單元1020，其中電池單元1020之電池電壓信號Vb係與輸出電壓信號Vo相等。
控制單元130電性耦接輸入端110以及輸出端120，並用以依據輸入電壓信號Vin、輸入電流信號Iin、輸出電壓信號Vo（亦可稱為電池電壓信號Vb）以及輸出電流信號Io產生複數個開關信號，開關信號中之一者（例如：開關信號SW5），係用以開啟或關閉與輸入端110耦接之煞車單元1030，使得輸入端110所接收之輸入電流信號Iin變化。亦即，開關信號SW5可用以開啟煞車單元1030，以導入發電機1010所產生之部份電流，使得流入輸入端110的電流減少。
開關單元140電性耦接輸入端110、輸出端120以及控制單元130，並由控制單元130產生之開關信號中至少一者所控制以調節輸出電壓信號Vo。例如，控制單元130可藉由調整第一對開關信號SW1, SW3以及第二對開關信號SW2, SW4控制開關單元140的切換動作，使得電池單元1020的電壓Vb（亦即，輸出電壓信號Vo）減少或增加。
需說明的是，上述電流信號Iin, Io和電壓信號Vin, Vo可以是經處理後的數位信號，直接傳送至控制單元130作進一步運算處理，也可以是未經處理的類比信號，傳送至控制單元130而轉換成數位信號後再作處理，亦即本領域具通常知識者可依實際需求選擇電流和電壓信號的形式及其處理方式。
請同時參照第1圖以及第2圖。第2圖係依照本揭示內容之一實施方式繪示一種如第1圖所示之控制單元130之電路方塊示意圖。
在本揭示內容之一實施例中，控制單元130可包含第一比對模組200以及第一比例積分控制器（Proportional Integral Controller, PI Controller）210。第一比對模組200用以比對輸入電流信號Iin以及輸入電壓信號Vin相對應最大功率輸出之輸入電流指令Iicom，以輸出第一差値。第一比例積分控制器210電性耦接第一比對模組200，用以接收第一差値，並以分段比例積分方式（如第8A圖～第10圖所示）對第一差値作運算處理，以產生第一比例積分輸出。需說明的是，上述發電機1010具有預先設置之最大功率輸出的電壓對電流曲線（V-I Curve）。在實際操作上，由發電機1010提供給輸入端110的輸入電流信號Iin與輸入電壓信號Vin不見得是最大功率輸出，因此控制單元130可將輸入電壓信號Vin對應發電機1010之最大功率輸出之電壓對電流曲線，以獲得具有最大功率輸出之電流，藉此作為相對應之輸入電流指令Iicom。然後，控制單元130可偵測發電機1010實際輸出給輸入端110之輸入電流信號Iin，並對此輸入電流信號Iin以及輸入電流指令Iicom進行比例積分運算，進而對發電機1010轉速進行回授控制，使發電機1010達到最大功率輸出。
在本揭示內容之一實施例中，控制單元130更可包含第一判斷模組220。第一判斷模組220電性耦接第一比例積分控制器210，用以判斷輸入電流信號Iin是否大於電池單元1020之最大額定充電電流値，使得控制單元130可依據第一判斷模組220之判斷結果產生控制煞車單元1030之開關信號。舉例來說，當發電機1010所提供之輸入電流信號Iin大於電池單元1020之最大額定充電電流値時，控制單元130可依據第一判斷模組220之判斷結果產生開關信號SW5，以開啟煞車單元1030，並將發電機1010所產生之多餘能量與電流導入煞車單元1030之中。需說明的是，開關信號SW5可為脈寬調變信號（Pulse Width Modulated Signal），用以控制煞車單元1030的導通時間，以調節流入輸入端110的電流。再者，更可透過煞車單元1030回授控制發電機1010之轉速，使輸入電流信號Iin以及輸出電流信號Io達到平衡。
在本揭示內容之一實施例中，控制單元130更可包含第二比對模組230以及第二比例積分控制器240。第二比對模組230用以比對輸出電壓信號Vo以及電池單元1020預設之電壓指令（亦可稱為電池電壓指令Vb-com），以輸出第二差値。第二比例積分控制器240電性耦接第二比對模組230，用以接收第二差值，並以分段比例積分方式對第二差値作運算處理，以產生第二比例積分輸出。
在本揭示內容之一實施例中，控制單元130更可包含第一選擇模組250。第一選擇模組250電性耦接第一判斷模組220以及第二比例積分控制器240，其中第一選擇模組250依據輸出電壓信號Vo與電池電壓指令Vb-Vcom之比較結果，選擇性地設置第一比例積分輸出或第二比例積分輸出為輸出電流指令Iocom。
請同時參照第1圖～第3圖。第3圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式中電池單元之充電模式的時序示意圖。
下列以一實施例說明第一選擇模組250之操作方法及其與電池單元1020之充電模式的關聯性。控制單元130可透過比對實際電池單元1020的電池電壓信號Vb（亦即，輸出電壓信號Vo）以及目標電壓58 V（亦即，電池電壓指令Vb-com）之間的差値，以產生相對應之比例積分輸出。當電池單元1020剛開始進行充電時，其電壓尚未充電至目標電壓58 V，因此電池電壓信號Vb與電池電壓指令Vb-com之間具有較大的差値，使得經第二比例積分控制器240運算之後所得到的第二比例積分輸出之數值可能非常的大。因此，第一選擇模組250將第一比例積分輸出配置為輸出電流指令Iocom，以限制輸出電流指令Iocom之上限値。使得電力控制裝置1000以大致上固定之輸出電流信號Io（例如：22 A）對電池單元1020進行大電流充電，如第3圖所示之定電流模式（Constant Current Mode, CC Mode）。
當電池單元1020即將充飽時，其電壓已經充電至目標電壓58 V，因此電池電壓信號Vb與電池電壓指令Vb-com之間具有較小的差値，使得經第二比例積分控制器240運算之後所得到的第二比例積分輸出之數值可能非常的小。因此，第一選擇模組250將第二比例積分輸出配置為輸出電流指令Iocom，使得電力控制裝置1000以大致上固定之輸出電壓信號Vo對電池單元1020進行低電流充電，如第3圖所示之定電壓模式（Constant Voltage Mode, CV Mode）。此時，隨著電池單元1020逐漸充飽，充電電流亦隨之減少。
在本揭示內容之一實施例中，控制單元130更可包含第三比對模組260、第三比例積分控制器270以及第二判斷模組280。第三比對模組260用以比對輸出電流信號Io以及輸出電流指令Iocom，以輸出第三差値。第三比例積分控制器270電性耦接第三比對模組260，用以接收第三差值，並以分段比例積分方式對第三差値作運算處理，以產生第三比例積分輸出。第二判斷模組280電性耦接第三比例積分控制器270，並依據第三比例積分輸出決定控制單元130輸出開關信號中之第一對開關信號SW1, SW3以及第二對開關信號SW2, SW4，且控制單元130依據第三比例積分輸出調整第一對開關信號SW1, SW3以及第二對開關信號SW2, SW4，使開關單元140執行相對應之切換動作，以調節輸出電壓信號Vo。
舉例來說，控制單元130可依據輸出電流指令Iocom以及輸出電流信號Io之比對結果所產生之第三比例積分輸出，以調整第一對開關信號SW1, SW3以及第二對開關信號SW2, SW4之脈波寬度，進而控制開關單元140中相對應複數個開關之導通時間，以調節輸出電壓信號Vo，因而減少或增加電池單元1020之電壓。
此外，控制單元130更可輸出開關信號SW6以控制輸出端120是否與負載單元1040連接。
需說明的是，控制單元130之中的比對模組、比例積分控制器、判斷模組以及選擇模組係可由軟體、硬體或上述組合方式實現，而不以上述實施例為限。
請參照第4圖。第4圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種電力系統400之電路方塊示意圖。電力系統400可包含電力輸入端410、電力輸出端420、煞車開關430、控制單元440以及開關單元450。
電力輸入端410用以接收發電機4010所提供能量相對應之輸入電壓信號Vin以及輸入電流信號Iin。此外，在發電機4010與電力輸入端410之間更可包含整流單元4020，用以對發電機4010所輸出之三相交流信號進行整流與濾波，以提供給電力輸入端410。電力輸出端420用以傳遞輸出電壓信號Vo以及輸出電流信號Io給電池單元4030。
煞車開關430電性耦接電力輸入端410，用以調節輸入電流信號Iin。控制單元440電性耦接電力輸入端410以及電力輸出端420，並用以依據輸入電壓信號Vin、輸入電流信號Iin、輸出電壓信號Vo（亦可稱為電池電壓信號Vb）以及輸出電流信號Io產生複數個開關信號，開關信號中之一者係用以開啟或關閉煞車開關430，使得電力輸入端410所接收之輸入電流信號Iin變化。舉例來說，當發電機4010轉速過快而產生過多能量與電流時，控制單元440可產生開關信號SW5，以開啟煞車開關430，使得發電機4010所產生之多餘能量與電流導入煞車電阻4040之中。再者，更可透過煞車電阻4040之配置，以回授控制方式調節發電機4010之轉速，使輸入電流信號Iin以及輸出電流信號Io達到平衡。
開關單元450電性耦接電力輸入端410、電力輸出端420以及控制單元440，並由控制單元440產生之開關信號中至少一者所控制以調節輸出電壓信號Vo。例如，控制單元440可藉由調整第一對開關信號SW1, SW3以及第二對開關信號SW2, SW4控制開關單元450中複數個開關（例如：第一開關451～第四開關454）的切換動作，使得電池單元4030的電池電壓信號Vb（亦即，輸出電壓信號Vo）減少或增加。
在本揭示內容之一實施例中，控制單元440係對輸入電壓信號Vin、輸入電流信號Iin、輸出電壓信號Vo、輸出電流信號Io、電池電壓指令Vb-com以及電流指令進行比對與分段比例積分運算（如第8A圖～第10圖所示），以輸出開關信號。例如，控制單元440可接收經類比數位轉換後之輸入電壓信號Vin、輸入電流信號Iin、輸出電壓信號Vo以及輸出電流信號Io，然後再與相對應之電壓與電流指令進行比對與分段比例積分運算，以輸出控制煞車開關430之開關信號SW5以及控制開關單元450之開關信號SW1～SW4。
在本揭示內容之一實施例中，開關單元450可包含第一開關451、第二開關452、第三開關453、第四開關454以及電感455。第一開關451電性耦接控制單元440以及電力輸入端410。第二開關452電性耦接控制單元440以及電力輸出端420。第三開關453電性耦接控制單440、第一開關451以及接地端460。第四開關454電性耦接控制單元440、第二開關452以及接地端460。電感455電性耦接第一開關451、第二開關452、第三開關453以及第四開關454之間，其中第一開關451、第二開關452、第三開關453、第四開關454與電感455形成H型電橋。
請同時參照第4圖以及第5圖。第5圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式中電力系統之降壓模式的時序控制示意圖。
在本揭示內容之一實施例中，控制單元440透過開關信號中之第一對開關信號SW1, SW3控制第一開關451與第三開關453之導通時間，以透過H型電橋減少輸出電壓信號Vo（亦即，減少電池單元4030之電池電壓信號Vb）。
在本揭示內容之一實施例中，第一對開關信號SW1, SW3係為互補式脈寬調變信號。亦即，開關信號SW1以及開關信號SW3之間係為互補。
請同時參照第4圖以及第6圖。第6圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式中電力系統之升壓模式的時序控制示意圖。
在本揭示內容之一實施例中，控制單元440透過開關信號中之第二對開關信號SW2, SW4控制第二開關452與第四開關454之導通時間，以透過H型電橋增加輸出電壓信號Vo（亦即，增加電池單元4030之電池電壓信號Vb）。
在本揭示內容之一實施例中，第二對開關信號SW2, SW4係為互補式脈寬調變信號。亦即，開關信號SW2以及開關信號SW4之間係為互補。
需說明的是，上述開關信號SW1～開關信號SW4係可依據實際操作需求而改變其信號型式，而不以上述實施例為限。
在本揭示內容之一實施例中，控制單元440更可輸出開關信號中之另一者，以開啟或關閉與電力輸出端420耦接之負載開關4050。舉例來說，控制單元440可輸出開關信號SW6，以開啟或關閉負載開關4050。當負載開關4050開啟時，電力輸出端420可與負載裝置4060耦接。當負載開關4050關閉時，電力輸出端420則與負載裝置4060隔離。所以，在此電力系統400中，可藉由對開關信號SW6的控制之下，以決定電力輸出端420是否連接負載裝置4060。
請同時參照第1圖以及第7圖。第7圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種電力控制方法之步驟流程圖。上述電力控制方法可應用於第1圖所示之電力系統100中，並以下列實施例之步驟流程作為說明。首先在步驟710中，控制單元130可獲取發電機1010所提供能量相對應之輸入電壓信號Vin以及輸入電流信號Iin。在步驟715中，控制單元130可依據輸入電流信號Iin以及輸入電壓信號Vin相對應最大功率輸出之輸入電流指令Iicom進行第一比例積分運算。
在上述步驟715中更可包含比對輸入電流信號Iin以及輸入電壓信號Vin相對應最大功率輸出之輸入電流指令Iicom，以輸出第一差値，然後利用分段比例積分方式（如第8A圖～第10圖所示）對第一差値作運算處理，以產生第一比例積分輸出。
在步驟720中，控制單元130可判斷輸入電流信號Iin是否大於電池單元1020之最大額定充電電流値。在步驟725中，若輸入電流信號Iin大於電池單元1020之最大額定充電電流値時，控制單元130產生控制煞車單元1030之開關信號（例如：開關信號SW5），使得輸入電流信號Iin減少。
接著，在步驟730中，控制單元130可獲取輸出端120之輸出電壓信號Vo（亦即，電池單元1020之電池電壓信號Vb）。在步驟735中，控制單元130可依據輸出電壓信號Vo以及電池單元1020預設之電池電壓指令Vb-com，以進行第二比例積分運算。
在上述步驟735中更可包含比對輸出電壓信號Vo以及電池單元1020預設之電池電壓指令Vb-com，以輸出第二差値，然後利用分段比例積分方式對第二差値作運算處理，以產生第二比例積分輸出。
在步驟740中，控制單元130可比對輸出電壓信號Vo與電池電壓指令Vb-com，使得控制單元130可依據輸出電壓信號Vo與電池電壓指令Vb-com之比對結果，選擇性地設置第一比例積分運算或第二比例積分運算結果為輸出電流指令Iocom。舉例來說，當輸出電壓信號Vo小於電池電壓指令Vb-com時，第一比例積分運算結果被設置為輸出電流指令Iocom，如步驟750所示，使得電池單元1020依據大致上固定之輸出電流信號 Io進行充電，亦即，對電池單元1020作定電流充電，如步驟755所示。當輸出電壓信號Vo等於電池電壓指令Vb-com時，第二比例積分運算結果被設置為輸出電流指令Iocom，如步驟760所示，使得電池單元1020依據大致上固定之輸出電壓信號Vo進行充電，亦即，對電池單元1020作定電壓充電，如步驟765所示。
然後，在步驟770中，控制單元130可獲取輸出端120之輸出電流信號Io。需說明的是，若輸出端120未連接負載單元1040時，輸出電流信號Io即為電池單元1020之充電電流。若輸出端120連接負載單元1040時，則輸出電流信號Io即為電池單元1020之充電電流與負載單元1040電流之總和。在步驟775中，控制單元130可依據輸出電流信號Io以及輸出電流指令Iocom進行第三比例積分運算，包含比對輸出電流信號Io以及輸出電流指令Iocom，以輸出第三差値，然後利用分段比例積分方式對第三差値作運算處理，以產生第三比例積分輸出，使得控制單元130可依據第三比例積分運算結果調整第一對開關信號SW1, SW3以及第二對開關信號SW2, SW4，使開關單元140執行相對應之切換動作，以調節輸出電壓信號Vo（亦即，電池電壓信號Vb）。在本實施例中之電力控制方法的操作原理與流程係與第1圖以及第4圖所示之電力系統相同或相似，於此不再贅述。
在本揭示內容之一實施例中，控制單元130可調整第一對開關信號SW1, SW3之脈波寬度，如第5圖所示，以控制開關單元140進行相對應之切換動作而進入降壓模式，使得電池單元1020的電壓減少（亦即，減少輸出電壓信號Vo），如步驟780所示。此外，控制單元130亦可控制第二對開關信號SW2, SW4之脈波寬度，如第6圖所示，以控制開關單元140進行相對應之切換動作而進入升壓模式，使得電池單元1020的電壓增加（亦即，增加輸出電壓信號Vo），如步驟790所示。
需說明的是，上述第一對開關信號SW1, SW3以及第二對開關信號SW2, SW4可為互補式脈寬調變信號。亦即，開關信號SW1與開關信號SW3係為互補，開關信號SW2與開關信號SW4係為互補。此外，上述開關信號SW1～開關信號SW4係可依據實際操作需求而改變其信號型式，且不以上述實施例為限。
再者，上述電力控制方法更可包含輸出開關信號中之另一者（例如：開關信號SW6）以控制負載單元1040之開啟或關閉。當負載單元1040為開啟時，負載單元1040可與輸出端120耦接。當負載單元1040為關閉時，負載單元1040則與輸出端120隔離。因此，可透過控制單元130之開關信號SW6的控制下，以決定輸出端120是否連接負載單元1040。
下列係以一實施例說明分段比例積分方式之操作原理。請參照第8A圖～第10圖。第8A圖以及第8B圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種比例積分方式之誤差增益參數以及分段誤差增益參數示意圖。第9A圖以及第9B圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種比例積分方式之積分增益參數以及分段積分增益參數示意圖。第10圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種利用比例積分方式之轉移函數輸出的時序控制示意圖。
在本揭示內容之一實施例中，第一比例積分運算、第二比例積分運算以及第三比例積分運算係將第8A圖所示之誤差增益參數分割成複數個分段區間t1～t6，如第8B圖所示之分段誤差增益參數。同時，可將第9A圖所示之積分增益參數分割成多個分段區間x1～x6，如第9B圖所示之分段積分增益參數。因此，控制單元130可依據發電機1010、電池單元1020以及煞車單元1030的能量調整狀況而決定操作於哪一個分段區間，以快速判斷誤差增益以及積分增益之數値。然後，依據誤差增益以及積分增益之數値產生多個開關信號，以控制相對應之開關的切換動作，使得發電機1010、電池單元1020以及煞車單元1030之間的能量與電流獲得均衡分配。由上述圖式範例可知，控制單元130可在分段比例積分方式之操作下，以較少的誤差增益以及積分增益之數値進行比例積分運算，進而加快運算處理的時間，使得發電機1010、電池單元1020以及煞車單元1030之間能夠快速達到轉移函數輸出為1的穩定狀態，如第10圖所示。
相較於習知作法，在本發明上述實施例中係採用非線性之比例積分控制的電力控制方法，並透過數位的脈波調變信號控制相對應開關的開啟時間，以均衡分配風力發電機所產生之能量給電池單元以及煞車單元。再者，藉由將誤差增益函數與積分增益函數簡化成多個分段區間，以加快轉移函數輸出的收斂狀況，使風力發電機、電池單元與煞車單元之間快速達到能量、電壓以及電流的穩定狀態。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、400．．．電力系統
110．．．輸入端
120．．．輸出端
130、440．．．控制單元
140、450．．．開關單元
1000．．．電力控制裝置
1010、4010．．．發電機
1020、4030．．．電池單元
1030．．．煞車單元
1040．．．負載單元
200．．．第一比對模組
210．．．第一比例積分控制器
220．．．第一判斷模組
230．．．第二比對模組
240．．．第二比例積分控制器
250．．．第一選擇模組
260．．．第三比對模組
270．．．第三比例積分控制器
280．．．第二判斷模組
410．．．電力輸入端
420．．．電力輸出端
430．．．煞車開關
451~454．．．第一開關~第四開關
455．．．電感
460．．．接地端
4020．．．整流單元
4040．．．煞車電阻
4050．．．負載開關
4060．．．負載裝置
710~790．．．步驟
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：
第1圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種電力系統之電路方塊示意圖。
第2圖係依照本揭示內容之一實施方式繪示一種如第1圖所示之控制單元之電路方塊示意圖。
第3圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式中電池單元之充電模式的時序示意圖。
第4圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種電力系統之電路方塊示意圖。
第5圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式中電力系統之降壓模式的時序控制示意圖。
第6圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式中電力系統之升壓模式的時序控制示意圖。
第7圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種電力控制方法之步驟流程圖。
第8A圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種比例積分方式之誤差增益函數示意圖。
第8B圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種比例積分方式之分段誤差增益函數示意圖。
第9A圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種比例積分方式之積分增益函數示意圖。
第9B圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種比例積分方式之分段積分增益函數示意圖。
第10圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種利用比例積分方式之轉移函數輸出的時序控制示意圖。
第1圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種電力系統之電路方塊示意圖。
第2圖係依照本揭示內容之一實施方式繪示一種如第1圖所示之控制單元之電路方塊示意圖。
第3圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式中電池單元之充電模式的時序示意圖。
第4圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種電力系統之電路方塊示意圖。
第5圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式中電力系統之降壓模式的時序控制示意圖。
第6圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式中電力系統之升壓模式的時序控制示意圖。
第7圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種電力控制方法之步驟流程圖。
第8A圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種比例積分方式之誤差增益函數示意圖。
第8B圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種比例積分方式之分段誤差增益函數示意圖。
第9A圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種比例積分方式之積分增益函數示意圖。
第9B圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種比例積分方式之分段積分增益函數示意圖。
第10圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種利用比例積分方式之轉移函數輸出的時序控制示意圖。
400．．．電力系統
410．．．電力輸入端
420．．．電力輸出端
430．．．煞車開關
440．．．控制單元
450．．．開關單元
451~454．．．第一開關~第四開關
455．．．電感
460．．．接地端
4010．．．發電機
4020．．．整流單元
4030．．．電池單元
4040．．．煞車電阻
4050．．．負載開關
4060．．．負載裝置
Claims (23)
- 一種電力控制裝置，包含：
一輸入端，用以接收一發電機所提供能量相對應之一輸入電壓信號以及一輸入電流信號；
一輸出端，用以傳遞一輸出電壓信號以及一輸出電流信號給一電池單元；
一控制單元，電性耦接該輸入端以及該輸出端，並用以依據該輸入電壓信號、該輸入電流信號、該輸出電壓信號以及該輸出電流信號產生複數個開關信號，該些開關信號中之一者係用以開啟或關閉與該輸入端耦接之一煞車單元，使得該輸入端所接收之該輸入電流信號變化；以及
一開關單元，電性耦接該輸入端、該輸出端以及該控制單元，並由該控制單元產生之該些開關信號中至少一者所控制以調節該輸出電壓信號。 - 如請求項1所述之電力控制裝置，其中該控制單元包含：
一第一比對模組，用以比對該輸入電流信號以及該輸入電壓信號相對應最大功率輸出之一輸入電流指令，以輸出一第一差値；以及
一第一比例積分控制器，電性耦接該第一比對模組，用以接收該第一差値，並以一分段比例積分方式對該第一差値作運算處理，以產生一第一比例積分輸出。 - 如請求項2所述之電力控制裝置，其中該控制單元更包含：
一第一判斷模組，電性耦接該第一比例積分控制器，用以判斷該輸入電流信號是否大於該電池單元之最大額定充電電流値，使得該控制單元依據該第一判斷模組之判斷結果產生控制該煞車單元之該開關信號。 - 如請求項3所述之電力控制裝置，其中該控制單元更包含：
一第二比對模組，用以比對該輸出電壓信號以及該電池單元預設之一電壓指令，以輸出一第二差値；以及
一第二比例積分控制器，電性耦接該第二比對模組，用以接收該第二差值，並以該分段比例積分方式對該第二差値作運算處理，以產生一第二比例積分輸出。 - 如請求項4所述之電力控制裝置，其中該控制單元更包含：
一第一選擇模組，電性耦接該第一判斷模組以及該第二比例積分控制器，其中該第一選擇模組依據該輸出電壓信號與該電壓指令之比較結果選擇性地設置該第一比例積分輸出或該第二比例積分輸出為一輸出電流指令。 - 如請求項5所述之電力控制裝置，其中該控制單元更包含：
一第三比對模組，用以比對該輸出電流信號以及該輸出電流指令，以輸出一第三差値；
一第三比例積分控制器，電性耦接該第三比對模組，用以接收該第三差值，並以該分段比例積分方式對該第三差値作運算處理，以產生一第三比例積分輸出；以及
一第二判斷模組，電性耦接該第三比例積分控制器，並依據該第三比例積分輸出決定該控制單元輸出該些開關信號中之一第一對開關信號以及一第二對開關信號，且該控制單元依據該第三比例積分輸出調整該第一對開關信號以及該第二對開關信號，使該開關單元執行相對應之切換動作，以調節該輸出電壓信號。 - 如請求項5所述之電力控制裝置，其中當該第一選擇模組設置該第一比例積分輸出為該輸出電流指令時，該電力控制裝置係以大致上固定之該輸出電流信號對該電池單元充電，當該第一選擇模組設置該第二比例積分輸出為該輸出電流指令時，該電力控制裝置係以大致上固定之該輸出電壓信號對該電池單元充電。
- 一種電力系統，包含：
一電力輸入端，用以接收一發電機所提供能量相對應之一輸入電壓信號以及一輸入電流信號；
一電力輸出端，用以傳遞一輸出電壓信號以及一輸出電流信號給一電池單元；
一煞車開關，電性耦接該電力輸入端，用以調節該輸入電流信號；
一控制單元，電性耦接該電力輸入端以及該電力輸出端，並用以依據該輸入電壓信號、該輸入電流信號、該輸出電壓信號以及該輸出電流信號產生複數個開關信號，該些開關信號中之一者係用以開啟或關閉該煞車開關，使得該電力輸入端所接收之該輸入電流信號變化；以及
一開關單元，電性耦接該電力輸入端、該電力輸出端以及該控制單元，並由該控制單元產生之該些開關信號中至少一者所控制以調節該輸出電壓信號。 - 如請求項8所述之電力系統，其中該控制單元係對該輸入電壓信號、該輸入電流信號、該輸出電壓信號、該輸出電流信號、電壓指令以及電流指令進行比對與分段比例積分運算，以輸出該些開關信號。
- 如請求項8所述之電力系統，其中該開關單元包含：
一第一開關，電性耦接該控制單元以及該電力輸入端；
一第二開關，電性耦接該控制單元以及該電力輸出端；
一第三開關，電性耦接該控制單元、該第一開關以及接地端；
一第四開關，電性耦接該控制單元、該第二開關以及接地端；以及
一電感，電性耦接該第一開關、該第二開關、該第三開關以及該第四開關之間，該第一開關、該第二開關、該第三開關、該第四開關與該電感形成H型電橋。 - 如請求項10所述之電力系統，其中該控制單元透過該些開關信號中之一第一對開關信號控制該第一開關與該第三開關之導通時間，以減少該輸出電壓信號。
- 如請求項11所述之電力系統，其中該第一對開關信號係為互補式脈寬調變信號。
- 如請求項10所述之電力系統，其中該控制單元透過該些開關信號中之該第二對開關信號控制該第二開關與該第四開關之導通時間，以增加該輸出電壓信號。
- 如請求項13所述之電力系統，其中該第二對開關信號係為互補式脈寬調變信號。
- 如請求項8所述之電力系統，其中該控制單元更可輸出該些開關信號中之另一者，以開啟或關閉與該電力輸出端耦接之一負載開關。
- 一種電力控制方法，包含：
依據一發電機所提供能量相對應之一輸入電流信號以及一輸入電壓信號相對應最大功率輸出之一輸入電流指令進行一第一比例積分運算；
判斷該輸入電流信號是否大於一電池單元之最大額定充電電流値；
當該輸入電流信號大於該電池單元之最大額定充電電流値時，產生控制一煞車單元之一開關信號；
依據一輸出電壓信號以及該電池單元預設之一電壓指令進行一第二比例積分運算；
比對該輸出電壓信號與該電壓指令；
依據該輸出電壓信號與該電壓指令之比對結果選擇性地設置該第一比例積分運算或該第二比例積分運算結果為一輸出電流指令；
依據一輸出電流信號以及該輸出電流指令進行一第三比例積分運算；以及
依據該第三比例積分運算結果調整一第一對開關信號以及一第二對開關信號，使一開關單元執行相對應之切換動作，以調節該輸出電壓信號。 - 如請求項16所述之電力控制方法，其中該第一比例積分運算、該第二比例積分運算以及該第三比例積分運算係將一誤差增益函數以及一積分增益函數分割成複數個分段區間，使得一控制單元對該些分段區間相對應之增益値進行運算處理，而在一分段比例積分方式之操作下加快運算處理的時間。
- 如請求項17所述之電力控制方法，其中進行該第一比例積分運算之步驟更包含：
比對該輸入電流信號以及該輸入電壓信號相對應最大功率輸出之該輸入電流指令，以輸出一第一差値；以及
利用該分段比例積分方式對該第一差値作運算處理，以產生一第一比例積分輸出。 - 如請求項17所述之電力控制方法，其中進行該第二比例積分運算之步驟更包含：
比對該輸出電壓信號以及該電池單元預設之該電壓指令，以輸出一第二差値；以及
利用該分段比例積分方式對該第二差値作運算處理，以產生一第二比例積分輸出。 - 如請求項17所述之電力控制方法，其中進行該第三比例積分運算之步驟更包含：
比對該輸出電流信號以及該輸出電流指令，以輸出一第三差値；以及
利用該分段比例積分方式對該第三差値作運算處理，以產生一第三比例積分輸出。 - 如請求項16所述之電力控制方法，其中當該輸出電壓信號小於該電壓指令時，該第一比例積分運算結果被設置為該輸出電流指令，使得該電池單元依據大致上固定之該輸出電流信號進行充電，當該輸出電壓信號等於該電壓指令時，該第二比例積分運算結果被設置為該輸出電流指令，使得該電池單元依據大致上固定之該輸出電壓信號進行充電。
- 如請求項16所述之電力控制方法，其中該第一對開關信號以及該第二對開關信號均為互補式脈寬調變信號。
- 如請求項16所述之電力控制方法，更包含：
輸出該些開關信號中之另一者，以控制一負載單元之開啟或關閉。
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