TW201525644A - 太陽能發電系統與其異常檢測方法 - Google Patents

Abstract

一種太陽能發電系統與其異常檢測方法。此太陽能發電系統包含最大功率追蹤控制器以及複數組太陽能發電單元。此太陽能發電系統之異常檢測方法包含標準責任週期值建立階段與供電階段。在標準責任週期值建立階段中，首先檢查太陽能發電單元，以確保太陽能發電單元正常。接著，利用最大功率追蹤控制器來輸出控制訊號至太陽能發電單元來使太陽能發電系統輸出最大功率，並計算太陽能發電單元之標準責任週期範圍。在供電階段中，不定期判斷於太陽能發電單元之責任週期值是否位於相應之標準責任週期範圍內，以確定是否發生異常。

Description

太陽能發電系統與其異常檢測方法

本發明是有關於一種太陽能發電系統與其異常檢測方法，特別是有關於一種適用最大功率追蹤(Maximum Power Point Tracking)技術之太陽能發電系統與其異常檢測方法。

近年來，由於環境污染的問題越來越嚴重，很多國家開始開發新的綠色能源來減少環境污染的問題。太陽能發電系統可將太陽的光能轉為電能，且這種轉換不會產生任何污染性的物質，因此太陽能發電系統逐漸受到重視。太陽能發電系統係由多個太陽能發電單元所組成。為了使系統輸出最大功率，太陽能發電系統通常需藉助最大功率點追蹤演算法來控制太陽能發電單元。

根據太陽能發電單元的配置方式，太陽能發電系統可分為集中式系統和分散式系統。集中式系統設備簡單，但是常因遮陰效應、發電單元劣化或匹配等問題造成最大功率追蹤的技術困難，同時此系統之最大功率輸出將低於 每個太陽能發電單元最大功率輸出的總和，也造成系統發電效率降低之結果。因此，分散式系統變成另一種技術之選擇。分散式系統採用與前述相同之最大功率點追蹤技術，但在每個太陽能發電單元串連一個功率優化器，使得每個太陽能發電單元進行模組階層的最大功率點追蹤；其缺點在於增加許多量測感測器及運算核心的使用，也造成系統建置之成本。分散式系統雖以每個太陽能發電單元的最佳輸出為目的，但是仍須在發電單元端進行電壓與電流量測，及最大功率計算，相對增加系統建置成本。

為了解決上述問題，在此提出一種太陽能發電系統與其異常檢測方法，其可使用系統整體電流及電壓輸出資料來調變整個系統最大功率輸出在最佳值，同時也能瞭解系統中每個太陽能發電單元的發電情形，並判斷各個太陽能發電單元是否因遮陰、劣化、損壞而導致功率出減少。

本發明之一方面是在提供一種太陽能發電系統與其異常檢測方法，其可使整個系統最大功率輸出在最佳值，並根據太陽能發電單元所接收之控制訊號的責任週期來判斷太陽能發電單元是否發生異常。

根據本發明之一實施例，此太陽能發電系統包含最大功率追蹤控制器以及複數組太陽能發電單元。最大功率追蹤控制器係電性連接至太陽能發電單元，以輸出複數組控制訊號至太陽能發電單元，而使太陽能發電系統輸出最 大功率。當太陽能發電單元輸出最大功率時，最大功率追蹤控制器利用控制訊號之複數個責任週期值與標準責任週期範圍，判斷這些責任週期值中之至少一者是否位於標準責任週期範圍內，當責任週期值之至少一者未位於相應之標準責任週期範圍內時，最大功率追蹤控制器決定這些責任週期值之至少一者所對應之太陽能發電單元發生異常。

根據本發明之另一實施例，在此太陽能發電系統之異常檢測方法中，首先提供複數組太陽能發電單元。接著，進行標準責任週期值建立階段，以建立每個太陽能發電單元所對應之標準責任週期值。在標準責任週期值建立階段中，首先檢查太陽能發電單元，以確保太陽能發電單元正常。接著，利用最大功率追蹤控制器來進行最大功率追蹤步驟，以使太陽能發電系統輸出最大功率，並獲得太陽能發電單元所對應之複數個歷史控制訊號。然後，於太陽能發電系統輸出最大功率時，計算這些歷史控制訊號之複數個歷史責任週期值。接著，紀錄太陽能發電單元所對應之責任週期值，做為歷史責任週期，其中每一歷史責任週期值定義為相應太陽能發電單元之一標準責任週期值。然後，根據每一太陽能發電單元之標準責任週期值來計算每一太陽能發電單元之標準責任週期範圍。在供電階段中，首先利用最大功率追蹤控制器來進行最大功率追蹤步驟，以輸出複數個控制訊號至太陽能發電單元來使太陽能發電系統輸出最大功率，其中這些控制訊號係一對一對應至太陽能發電單元。接著，於太陽能發電系統輸出最大功率時， 計算每一控制訊號之責任週期值。然後，判斷太陽能發電單元之一者之責任週期值是否位於相應之標準責任週期範圍內。當這些太陽能發電單元之一者之責任週期值未位於標準責任週期範圍內時，決定此太陽能發電單元發生異常。

由上述說明可知，本發明實施例之太陽能發電系統與其異常檢測方法可根據太陽能發電單元所接收之控制訊號的責任週期來了解系統中每個太陽能發電單元發電情形，並判斷各個太陽能發電單元是否因遮陰、劣化、損壞而導致功率出減少，同時還可提供管理者足夠資訊以訂立替換、清潔等維修工作，並達到系統安裝時所期待之發電成效。

100‧‧‧太陽能發電系統

110‧‧‧MPPT控制器

120‧‧‧太陽能發電單元

122‧‧‧直流/直流轉換器

124‧‧‧光伏模組

130‧‧‧電流感測器

200‧‧‧最大功率追蹤方法

210‧‧‧量測步驟

220‧‧‧梯度計算步驟

230‧‧‧最大值計算步驟

240‧‧‧收斂判斷步驟

250‧‧‧紀錄步驟

260‧‧‧電流判斷步驟

300‧‧‧異常檢測方法

310‧‧‧標準責任週期值建立階段

312‧‧‧檢查步驟

314‧‧‧最大功率點追蹤步驟

316‧‧‧計算與紀錄步驟

318‧‧‧標準責任週期範圍計算步驟

320‧‧‧供電階段

322‧‧‧最大功率點追蹤步驟

324‧‧‧計算步驟

326‧‧‧判斷步驟

V_load‧‧‧總電壓

I_load‧‧‧總電流

D₁~D_n‧‧‧責任週期

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，上文特舉數個較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

第1圖係繪示根據本發明實施例之太陽能發電系統的架構示意圖。

第2圖係繪示最大功率追蹤(Maximum Power Point Tracking)控制器所進行之最大功率追蹤方法的流程示意圖。

第3圖係繪示根據本發明實施例之太陽能發電系統之異常檢測方法的流程示意圖。

請參照第1圖，其係繪示根據本發明實施例之太陽能發電系統100的架構示意圖。太陽能發電系統100包含最大功率追蹤(Maximum Power Point Tracking)控制器110、複數個太陽能發電單元120以及電流感測器130。在本實施例中，每一太陽能發電單元120包含直流/直流轉換器122以及光伏模組124(例如太陽能板)，但本發明之實施例並不受限於此。電流感測器130係用以感測太陽能發電系統100之總電流I_load的大小，並將其傳送給MPPT控制器110。MPPT控制器110係電性連接至電流感測器130以及每一太陽能發電單元120之直流/直流轉換器122，以根據總電流I_load以及太陽能發電系統100之總電壓V_load來輸出控制訊號至直流/直流轉換器122，藉此控制太陽能發電單元120的操作電壓並進行MPPT操作，其中控制訊號為脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation；PWM)訊號，而MPPT控制器110係調整PWM訊號之責任週期來進行MPPT操作。在本實施例中，MPPT控制器110係分別送出責任週期為D₁~D_n的控制訊號至太陽能發電單元120之直流/直流轉換器122。

值得注意的是，在本實施例中總電壓V_load為固定值，因此太陽能發電系統100不需要再額外加裝電壓感測器即可得知總電壓V_load的值。然而，在本發明之其他實施例中，亦可使用電壓感測器來感測總電壓V_load之值。

請參照第2圖，其係繪示MPPT控制器110所進行 之最大功率追蹤方法200的流程示意圖。在本實施例中，最大功率追蹤方法200係利用最大梯度法(Steepest Ascent Method)以及黃金分割法(Golden Section)來進行最大功率追蹤，然而本發明之實施例並不受限於此。在本發明之其他實施例中亦可使用其他方法，例如粒子群演算法(Particle Swarm Optimization；PSO)來進行太陽能發電系統100的最大功率追蹤。

在最大功率追蹤方法200中，首先進行量測步驟210，以分別針對個別太陽能發電單元120之直流/直流轉換器122增加一責任週期ΔD，接著再量測總電流I_load的變化量。n個太陽能發電單元構成的系統，包含目前操作點，共需量測n+1點的數據以計算梯度。接著，進行梯度計算步驟220。以兩個太陽能發電單元構成的系統為例，第k次疊代的操作點x^(k)定義為(D₁,D₂)。除了x^(k)分別還需要量測(D₁+ΔD,D₂)與(D₁,D₂+ΔD)下之目標函數值，再以下列方程式(1)式來計算梯度值：

其中D₁與D₂分別為兩個太陽能發電單元所對應的初始責任週期，而函式f則代表總電流I_load(或總功率)與責任週期之關係。

然後，進行最大值計算步驟230，以沿著梯度方向利用黃金分割法作一維搜尋以找到此方向上的最大值。然而，此處需要限制搜尋長度，以免太長的搜尋長度會增加 不必要的搜尋時間。另一方面，隨著疊代次數的增加，亦可藉由縮小搜尋長度增加追蹤的精度。接著，進行收斂判斷步驟240，以利用下式(2)做為收斂條件來判斷是否收斂：

其中，收斂門檻值ε之值可由使用者根據需求來自行決定。

式(2)中比較相鄰兩次搜尋結果f ^(k)以及f ^(k-1)，將兩者的差值除以前次輸出結果作正規化，如果計算結果小於預先設定的收斂門檻值ε，則判斷MPPT收斂，而此即為最大功率點。找到最大功率點後，接著進行紀錄步驟250，以記錄目前最大功率下的總電流I_load的值。然後，進行電流判斷步驟260，以在運作過程中量測後續的電流值。如果總電流有明顯的改變時即表示系統狀況發生變化，此時再由目前的操作點重新進行最大功率追蹤方法200。例如，使用者可設定一電流變化閥值，當後續的電流值變化超過電流變化閥值時，再重新進行最大功率追蹤方法200。

由上述說明可知，本實施例之最大功率追蹤方法200改善了現有分散式太陽能系統的缺失，其僅需一組系統電壓及電流資訊即可進行太陽能發電系統的最大功率追蹤，進而大幅減少太陽能發電系統建置所需感測器的成本。

另外，在太陽能發電系統100中，每一直流/直流轉換器122的最佳操作責任週期實際上受到各太陽能發電 單元120的最大功率輸出的影響。假設太陽能發電系統10中第i個太陽能發電單元120的最大功率P_MPP,i為已知，由串聯系統可知所有直流/直流轉換器122的輸出電流相等，如果所有太陽能發電單元120均工作在最大功率點上，則第i個太陽能發電單元120之直流/直流轉換器122的輸出電壓V_out,i可以下式(3)計算之：

其中，P_total為太陽能發電系統100所輸出之總功率。由於單一系統中的所有太陽能發電單元120擺放地點相近，操作溫度相差不大，單純考慮光照度的變化，各太陽能板的操作電壓V_MPP,i的相差不多，此時直流/直流轉換器122的操作責任週期(duty cycle)D_i直接受到太陽能電池最大功率值的影響，則操作責任週期D_i可以下式(4)表示：

其中κ=V_Load/V_MPP，其中V_MPP為V_MPP,i的近似值。另外，上式(4)係以直流/直流轉換器122為降壓型轉換器來推得，但本發明實施例之直流/直流轉換器122並不受限於此。

經過移項，最後可得到下式(5)

由上式(5)可知，當太陽能發電系統100完成最大功率點追蹤後，即可以上式(5)來預估各太陽能發電單元 120的實際輸出功率，再進而判斷是否有太陽能發電單元120發生如遮蔽或故障的情況。

請參照第3圖，其係繪示根據本發明實施例之太陽能發電系統之異常檢測方法300的流程示意圖。異常檢測方法300係利用直流/直流轉換器122的操作責任週期來判斷太陽能發電單元120是否異常。異常檢測方法300包含標準責任週期值建立階段310以及供電階段320。標準責任週期值建立階段310係用以建立每一太陽能發電單元120之標準責任週期範圍，以使供電階段320能根據標準責任週期範圍來判斷太陽能發電單元120是否發生異常。

在標準責任週期值建立階段310中，首先進行檢查步驟312，以檢查所有的太陽能發電單元120，以確保太陽能發電單元120正常(未被遮蔽或未故障)。然後，進行最大功率點追蹤步驟314，以利用最大功率追蹤控制器110來進行最大功率追蹤方法，使最大功率追蹤控制器110輸出控制訊號至所有的太陽能發電單元120來使太陽能發電系統100輸出最大功率。在本實施例中，最大功率點追蹤步驟314係利用最大功率追蹤方法200來追蹤最大功率點，但本發明之實施例並不受限於此。在本發明之其他實施例中，亦可利用粒子群演算法來追蹤最大功率點。

接著，進行計算與紀錄步驟316，以於太陽能發電系統100輸出最大功率時，計算出每一太陽能發電單元120所接收之控制訊號之責任週期值，同時紀錄此責任週期值來作為相應太陽能發電單元120之標準責任週期值。然後，進行標準責任 週期範圍計算步驟318，以根據每一太陽能發電單元120所對應之標準責任週期值來計算出相應的標準責任週期範圍，如此每個太陽能發電單元120皆會有一個相應的標準責任週期範圍。在本實施例中，標準責任週期範圍係根據標準責任週期值以及預設容忍範圍來決定。例如，使用者可將預設容忍範圍訂為±5%，則標準責任週期範圍則為標準責任週期值±5%。

另外，由於標準責任週期值建立階段310係用以計算標準責任週期範圍，故在標準責任週期值建立階段310中所獲得的太陽能發電單元控制訊號稱為歷史控制訊號，而歷史控制訊號之責任週期值則稱為歷史責任週期值，以區分標準責任週期值建立階段310和供電階段320中的控制訊號與其責任週期值。

在供電階段320中，首先進行最大功率點追蹤步驟322，以持續利用最大功率追蹤控制器110來進行最大功率追蹤方法200，使最大功率追蹤控制器110輸出控制訊號至所有的太陽能發電單元120來使太陽能發電系統100輸出最大功率。在本發明之實施例中，最大功率點追蹤步驟322可為最大功率點追蹤步驟314的延續。例如，當供電階段320緊接著標準責任週期值建立階段310進行時，可在實施最大功率點追蹤步驟314之後，一直持續以最大功率追蹤方法200來進行最大功率點的追蹤。然而，本發明之實施例並不受限於此。在本發明之其他實施例中，亦可於標準責任週期值建立階段310和供電階段320中插入其他的步驟來提供其他有益的功能。

然後，進行計算步驟324，於太陽能發電系統100輸出最大功率時，計算每一太陽能發電單元120所接收之控制訊號之責任週期值。接著，進行判斷步驟326，以判斷每一太陽能發電單元120所接收之控制訊號之責任週期值是否位於相應之標準責任週期範圍。若某一個太陽能發電單元120之控制訊號之責任週期值未位於相應之標準責任週期範圍內，則決定此太陽能發電單元120發生異常(例如故障或被遮蔽)。

由上述說明可知，本發明實施例之異常檢測方法300不但可利用系統電流及電壓輸出資料來調變整個系統最大功率輸出在最佳值，也可利用每個太陽能發電單元的責任週期值來瞭解系統中每個太陽能發電單元的發電情形，並判斷各個太陽能發電單元是否因遮陰、劣化、損壞而導致功率出減少。如此，本發明實施例之異常檢測方法300可提供管理者足夠資訊來訂立替換、清潔等維修工作，並達到系統安裝時所期待之發電成效。

另外，值得一提的是，在本發明之其他實施例中，使用者可利用責任週期的標準差來訂立標準責任週期範圍。請參照下表一，其係紀錄8個太陽能發電單元120於兩種照度條件(600W/m²,1000W/m²)下產生的二種工作範例(case 1,case 2)，其中D₁-D₈為8個太陽能發電單元120所對應之責任週期值。

根據表一，可計算出Case1和Case2對應之責任週期平均值皆為40，而標準差則分別為3.43與4.63。接著，利用責任週期的標準差來訂立標準責任週期範圍。例如，以責任週期平均值40加上/減去標準差3.43，即可獲得Case1所對應的標準責任週期範圍43.43-36.57，並判斷出責任週期D₁所對應之太陽能發電單元120發生異常。又例如，以責任週期平均值40加上/減去標準差4.63，即可獲得Case2所對應的標準責任週期範圍44.63-35.37，並判斷出責任週期D₁和D₂所對應之太陽能發電單元120發生異常。

再者，在本發明之再一實施例中，可利用太陽能發電單元被判定為異常的時間來判斷此太陽能發電單元是否被遮蔽或是故障。例如，在上述Case1的情況下，若責任週期D₁落在標準責任週期範圍外的時間超過預設之時間閥值，即判斷責任週期D₁所對應的太陽能發電單元故障。在此，時間閥值為太陽能發電單元所在區域的日照時間，但本發明之實施例並不受限於此。在本發明之其他實施例中，使用者可根據實際需求來設定時間閥值。

雖然本發明已以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知 識者，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。

300‧‧‧異常檢測方法

310‧‧‧標準責任週期值建立階段

312‧‧‧檢查步驟

314‧‧‧最大功率點追蹤步驟

316‧‧‧計算與紀錄步驟

318‧‧‧標準責任週期範圍計算步驟

320‧‧‧供電階段

322‧‧‧最大功率點追蹤步驟

324‧‧‧計算步驟

326‧‧‧判斷步驟

Claims (10)

1. 一種太陽能發電系統，包含：複數組太陽能發電單元；以及一最大功率追蹤控制器，電性連接至該些太陽能發電單元，以輸出複數組控制訊號至該些太陽能發電單元來使該太陽能發電系統輸出最大功率；其中，當該太陽能發電系統輸出最大功率時，該最大功率追蹤控制器計算該些控制訊號之複數個責任週期值以及該些太陽能發電單元所對應之複數個標準責任週期範圍，並判斷該些責任週期值之至少一者是否位於相應之該標準責任週期範圍內，當該些責任週期值之該至少一者未位於相應之該標準責任週期範圍內時，該最大功率追蹤控制器決定該些責任週期值之該至少一者所對應之太陽能發電單元發生異常。
2. 如請求項第1項所述之太陽能發電系統，其中該標準責任週期值範圍係根據一標準責任週期值來計算獲得，該標準責任週期值為一預設數值。
3. 如請求項第1項所述之太陽能發電系統，更包含一電流感測器，用以偵測該些太陽能發電單元所輸出之一總電流值，以供該最大功率追蹤控制器根據該總電流值來計算該些太陽能發電單元所輸出之一總功率值，其中該最大功率追蹤控制器係以粒子群演算法(Particle Swarm Optimization；PSO)來使該太陽能發電系統輸出最大功率。
4. 如請求項第1項所述之太陽能發電系統，更包含一電流感測器，用以偵測該些太陽能發電單元所輸出之一總電流值，以供該最大功率追蹤控制器根據該總電流值來計算該些太陽能發電單元所輸出之一總功率值，其中該最大功率追蹤控制器係以最大梯度法(Steepest Ascent Method)以及黃金分割法(Golden Section)來使該太陽能發電系統輸出最大功率。
5. 如請求項第1項所述之太陽能發電系統，其中當該些責任週期值之該至少一者未位於相應之該標準責任週期範圍內時，該最大功率追蹤控制器計算該些責任週期值之該至少一者未位於相應之該標準責任週期範圍內之一異常持續時間，並判斷此異常持續時間是否大於一預設時間閥值，以根據判斷結果來決定該些責任週期值之該至少一者所對應之太陽能發電單元為故障或被遮蔽。
6. 一種太陽能發電系統之異常檢測方法，包含：提供複數組太陽能發電單元；進行一標準責任週期值建立階段，包含：檢查該些太陽能發電單元，以確保該些太陽能發電單元正常；利用一最大功率追蹤控制器來進行一最大功率追蹤法，以使該太陽能發電系統輸出最大功率，並獲得該些太陽能發電單元所對應之複數個歷史控制訊號；於該太陽能發電系統輸出最大功率時，計算該些歷史控制訊號之複數個歷史責任週期值； 紀錄該些太陽能發電單元所對應之該些歷史責任週期值，其中每一該些歷史責任週期值定義為相應太陽能發電單元之一標準責任週期值；根據每一該些太陽能發電單元之一標準責任週期值來計算每一該些太陽能發電單元之一標準責任週期範圍；以及進行一供電階段，包含：利用該最大功率追蹤控制器來進行該最大功率追蹤步驟，以輸出複數個控制訊號至該些太陽能發電單元來使該太陽能發電系統輸出最大功率，其中該些控制訊號係一對一對應至該些太陽能發電單元；於該太陽能發電系統輸出最大功率時，計算每一該些控制訊號之一責任週期值；判斷該些太陽能發電單元之一者之該責任週期值是否位於相應之該標準責任週期範圍內；以及當該些太陽能發電單元之一者之該責任週期值未位於該標準責任週期範圍內時，決定該些太陽能發電單元之該者發生異常。
7. 如請求項第6項所述之太陽能發電系統之異常檢測方法，其中該最大功率追蹤控制器係以粒子群演算法(Particle Swarm Optimization；PSO)來進行該最大功率追蹤步驟，且該太陽能發電系統之異常檢測方法更包含：提供一電流感測器；以及利用該電流感測器來偵測該些太陽能發電單元所輸出之一總電流值，以供該最大功率追蹤控制器根據該總電流值 來計算該些太陽能發電單元所輸出之一總功率值。
8. 如請求項第6項所述之太陽能發電系統之異常檢測方法，其中該最大功率追蹤控制器係以最大梯度法(Steepest Ascent Method)以及黃金分割法(Golden Section)來進行該最大功率追蹤步驟，且該太陽能發電系統之異常檢測方法更包含：提供一電流感測器；以及利用該電流感測器來偵測該些太陽能發電單元所輸出之一總電流值，以供該最大功率追蹤控制器根據該總電流值來計算該些太陽能發電單元所輸出之一總功率值。
9. 如請求項第6項所述之太陽能發電系統之異常檢測方法，其中該標準責任週期範圍係根據該標準責任週期值以及一預設容忍範圍來決定。
10. 如請求項第6項所述之太陽能發電系統之異常檢測方法，更包含：當該些太陽能發電單元之一者之該責任週期值未位於該標準責任週期範圍內時，計算該責任週期值未位於該標準責任週期範圍內之一異常持續時間；以及判斷該異常持續時間是否大於一預設時間閥值，以獲得一判斷結果；其中，當該判斷結果為是時，決定該些太陽能發電單元之該者故障，而當該判斷結果為否時，決定該些太陽能發電單元之該者被遮蔽。