TW202002496A - 追蹤最大電能使用的單相調變器 - Google Patents

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Abstract

本專利依據本文所述的原理，提出一種包含兩個DC/AC調變模塊組合的EUT單相逆變器設計。在任何時候，兩個模塊能夠合在一起，依順序地擷取DC電源的電力，把DC電源提供的大部分電力轉換成兩組AC電力(電壓)脈動。產生的第一組AC電力脈動可以吻合電網規範；而第二組AC電力脈動的相位與電網上電力線所輸送的AC電力相位相差90度。根據本文所述的原理，此EUT單相逆變器中還包含一個相位調節器，可以把第二組AC電力(電壓)脈動的相位調整90度；轉換成為與第一組AC電力同步之電力脈動；因此，產生的兩組AC電力脈動就都能吻合電網規範，並且可以輸出到電網上的同一對電力線。

Description

追蹤最大電能使用的單相調變器
本發明係有關於一種單相調變器。
AC電網是一個具有至少一對電力線的電力系統，它可以把分散在各地的電廠中所生產的電力，輸送給分散在更廣大地區之消費者；這些分散的消費者把負載以併聯的方式連接到電網的電力線上。任何通過電力線輸送的電力都必須符合“電網規範”。電網規範中規定輸送的電力必須是正/餘弦時變電壓振盪的脈動形式；此輸送電力稱之為AC電力。這個AC電力脈動是必須吻合電網規範所規定的固定峰值電壓，固定頻率，並且與電網的輸送電力線上之AC電力同相位。
連接電網所使用的單相DC/AC調變器不但是能夠將直流(DC)電轉換為交流(AC)電力的轉換器，而且所轉換的AC電力是必須符合在電網上特定電力線去輸送的AC電力之電網規範。本文稱此轉換器為”連接電網的逆變器”，或簡稱為”單相DC/AC調變器”。AC電網系統本文簡稱為”電網”；接在單相DC/AC調變器去輸送AC電力的那對電力線在 本文中簡稱為”電力線(power line)”。連接到此電力線上的所有負載總和在本文中就統稱為”負載”。
光伏(PV)電站轉換太陽能來產生DC電力。然後，所產生的DC電力藉由單相調變器轉換成AC脈動電力(或稱AC電力脈動，或AC電力)，再通過電力線輸送，提供給負載去消耗。此傳輸的AC電力是在電力線上，以吻合電網規範之正/餘弦電壓時變震盪的脈動形式，把電力傳輸給使用電力的客戶。光伏(PV)發電站在本文中稱為PV電站或光伏電站。
本專利的主張範圍不限於只在解決前述實際案例的缺點或其使用環境。更正確的說，本專利的背景敘述僅提供用作說明被應用的實施案例中一個技術領域而已。
本文描述的實施例是根據本文所述的原理，把一個相位調節元件和兩個DC/AC調變模塊使用在一個單相調變器設計中。該相位調節元件是用來把AC電力的電壓時變脈動相位調整90°；此元件在本文中稱之為相位調節器。
根據本文描述的原理，所設計的單相調變器包含第一組轉換部件(EE)，以擷取和轉換DC電源的電力，來產生吻合電網規範的第一組AC脈動電力。此單相調變器還包含第二組轉換部件(SEE)，來擷取在第一組(上一組)電力擷取之後所剩餘的一部份電力(本文簡稱剩餘電力)，並把它轉換來產生第二組AC脈動電力，此電力的脈動除了與電網電力線上所輸送的AC電力相位差90度之外，都能吻合電網之電力規 範。請注意，這兩組轉換器件是以微秒(μsec)的時間單位，並且依照固定的順序來擷取電能，不會在相同時間範圍內一起擷取電力；本文稱此電力擷取方式為順序性電能(力)擷取。
根據本文描述的原理，所設計的單相調變器還包含相位調節器，能夠把第二組AC電力脈動相位調整90°；如此第二組AC電力脈動就能夠轉換成吻合電網電力線上所輸送電力的相同相位；那麼，所完成的AC電力就完全吻合電網規範，而可以向電網提供電力。根據本文描述的原理，上述設計的單相調變器在本文稱為”追蹤最大電能使用的單相調變器”；或者簡稱為”EUT單相逆變器”。
換句話說，依據本文描述的原理所設計的EUT單相逆變器，是包括兩個DC/AC調變模塊。在任何時候，兩個模塊的組合是依照順序擷取電力，把DC電源提供的大部分電力轉換成兩組AC電力脈動。不僅所完成的第一組AC電力脈動吻合電網規範；而且第二組交流電力脈動除了與電力線輸送的電網電力有90度相位差外，也都吻合電網規範。而根據本文描述的原理，所設計的EUT單相逆變器所包含的相位調節器，能夠把第二組AC電力脈動的相位調整90度，就可使第二組AC電力脈動與電網上的電力線之AC電力同步。因此，本文所提出的EUT單相逆變器就能夠擷取出由DC電源產生的大部分電力，並且把此DC電力轉換成吻合電網規範的兩組單相AC電力輸出給電網。
本綜論的目的並不用來界定本專利主張範圍的關鍵特性或基本特性，也不是用在輔助確定所要求保護的專利主 張範圍。
10‧‧‧太陽能發電序列模塊
101‧‧‧光電轉換部件(光伏太陽能板組串)、光伏組串
201‧‧‧DC/DC Boost轉換器、Boost DC/DC轉換器、模塊
223‧‧‧電力脈動調變模塊、單相DC/AC調變器、調變模塊、模塊、Buck轉換器、DC/AC調變模塊、DC/AC調變模塊
224‧‧‧開關式電橋結構(Switch bridge structure)、極性開關式(或交互輸送方向)控制器、電橋結構、電橋開關結構、極性/同步控制器
225‧‧‧變壓器
400‧‧‧EUT單相逆變器
401‧‧‧PV太陽能組串、太陽能板組串
403A‧‧‧第一組模塊、DC/AC調變模塊
403B‧‧‧DC/AC Buck模塊、DC/AC調變模塊
404A‧‧‧相鎖開關式電橋結構
404B‧‧‧相鎖開關式電橋結構
4031A‧‧‧第一組AC電力脈動、第一組
4031B‧‧‧第二組AC電力脈動、第二組
405A‧‧‧AC電力脈動
405B‧‧‧AC電力脈動
406‧‧‧相位調節器、AC相位調節器
為讓本揭露之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：圖1A示出了太陽能發電序列的模塊，用來說明並闡述本文所提及的之專業詞語，如電力擷取、調整、調節、DC/AC的調變，和輸送AC電力給電網。
圖1B象徵性地示出(從DC/AC調變器輸出)供應給電網的特定電力線之一個代表AC訊號的正弦時變電壓振盪。
圖2A示出了一個Boost DC/DC調變器的典型電路中所描述的單相電力擷取/調整(或調節)部件；圖2B示出了一個Buck DC/DC調變器的典型電路中所描述的單相電力擷取/轉換(或調節)部件；圖2C示出了開關元件構成的開關式電橋結構，用來控制DC/DC Buck調變器所輸出電力的極性；可以產生如圖1B中所示的AC電壓振盪輸出。
圖2D象徵性地示出了一個DC/AC調變器輸出時，送到”開關式電橋”之正(/餘)電力脈動訊號。
圖3象徵性地示出在一個PWM工作週期中，由Booster調變器調節的輸出DC電力；可以分成3個區域描繪：區域-I代表擷取能量區域，區域-II和區域-III代表剩餘能量區域。
圖4A示出了EUT單相逆變器輸入/輸出電力的序列；包含輸入電力的太陽能板組串和相關的輸出電力模塊所組成之架 構，用來說明和闡述相關專業術語；包括Voltage Boost模塊，可以產生幾乎固定電壓的DC電力去輸送給兩個Buck模塊，通過兩個Buck模塊來分別產生兩組固定電壓振盪的DC電力(或稱為DC振盪電力串)輸出。然後由圖中的兩組異相相鎖的開關式電橋結構分別接收從兩組Buck模塊所輸出之固定電壓振盪的DC電力，來分別產生兩組固定峰值電壓振盪之AC電力脈動，並且此兩組AC電力脈動的相位相差為90度。圖中的相位調節器是用來把其中一組AC電力脈動的相位調整90度，使得兩個電壓振盪之AC電力變成同步，並且適合輸送到電網上同一對電力線上。
圖4B和4C示出了兩個DC/AC調變模塊輸出相位相差90度的兩種異相的正/餘弦AC電力脈動之示意圖，此兩組異相AC電力脈動會分別送入兩個極性控制器；即異相相鎖的開關式電橋。
圖4D和4E示出了相位調節器的結構，如圖所示，此相位調節器用來對兩個單相DC/AC調變模塊所產生之兩組異相電力電壓振盪脈動(如圖4B和4C所示)之其中一組電力脈動的相位調整90°，使兩組電力脈動變成同步。
圖4F和4G示出了在相位調整後，會產生的正(或餘)弦時變電壓振盪的AC電力脈動之示意圖，所示的此兩種電壓振盪AC電力脈動是適合於提供到電網的同一對電力線中的AC電力脈動。
圖4H和4I示出了最後輸送到電網的兩組同步之電力脈動，其中一組電力脈動405B是通過相位調節器延遲相位90度後的 結果。延遲的脈動在圖4I中用虛線標示。
下文係舉實施例配合所附圖式進行詳細說明，但所提供之實施例並非用以限制本揭露所涵蓋的範圍，而結構運作之描述非用以限制其執行之順序，任何由元件重新組合之結構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本揭露所涵蓋的範圍。另外，圖式僅以說明為目的，並未依照原尺寸作圖。為使便於理解，下述說明中相同元件或相似元件將以相同之符號標示來說明。
美國公告專利US2016/0036232和US2017/0149250A1揭露了一個發現；即傳統的單相調變器能擷取、轉換，並且輸出給電網的AC電能，是僅有從直流(DC)電源生產出來，並且輸送給單相調變器電能的一半以下。從這些公告專利的教導：為了有效地擷取生產的DC電力轉換，並且供應電網上所使用的電力，所設計的電力擷取相關器件的特性必需講究它們的匹配，才可以有效益地(effectively)和高效率地(efficiently)擷取所生產的DC電力。
此外，這些公告專利還教導；與電力擷取器相關的其它部件也必須有良好的匹配，以調節和/或輸送所擷取的電力，讓電能的使用效益更高。依參考公告文獻提議；太陽能電站的優化器應改用“最大使用電能追踪器”。此種優化器在本文中稱為“MEUPT優化器”，可以用來取代現有市售光伏(PV)電廠中，一般所使用之”最大功率點追踪(MPPT)器"的優化器。不過對應此市售MPPT優化器更為精確的名稱，應稱之為”最大電力生產的電壓點追蹤(MPPPVT)”器。
根據參考的公告專利，MEUPT優化器是被設計來捕獲 “剩餘電能”或“剩餘電力”，而參考專利中所定義的剩餘電力是指”所生產的電能(或電力)中，沒有被擷取和/或輸入到電網上去使用的電力”。在本文中所用的剩餘電力(或剩餘電能)的定義也是與參考的公告專利相同。由於該剩餘電力與電網的相位差為90°，故這些剩餘電力是無法直接銷售給同一個電網。但在參考專利中，MEUPT優化器還被設計成可把所有捕獲的剩餘電力暫時存儲到儲能器內；然後優化器把這些被儲存的電能擷取，並且調整後，再輸送到電網上被使用。因此當光伏電站結合MEUPT優化器後，發電銷售的收入就能夠增多。
在本文相關的專業領域中，有許多技術可被應用來執行本文所謂的DC電力擷取、電力調整、電力調節以及電力輸送。而在本專利技術所闡述的原理中，這些技術不一定與DC電源的種類相關。不過在本文的案例中，太陽能板組串只是當作DC電源的示範例。本專利利用太陽能電站的實際情況來說明，並且闡述本文所提及的專業詞語，如電力擷取、調整、調節和輸送。換句話說，本文所述的技術原理，並不僅限於在太陽能發電的專業領域應用中才可以被使用，這些技術及原理是可以應用于非常寬廣的電力產業。另外請注意；”電能”、“電力”和“功率”在物理學上具有不同的意義，但除非特別指明，在電力的專業領域上它們是經常被交換使用。另外，儘管“AC電力脈動”、”AC脈動電力”和“AC電壓振盪”在物理上也具有不同意義，但除非特別指明，否則在本文中，它們也是可以交換使用的。
圖1A中的序列10是用來說明光伏電廠組件的排列。序列10啟始於”光電轉換部件(光伏太陽能板組串)”101，此部件能夠把作為初始能量的光能(如太陽能)轉換成DC電力。此生產的不固定電 壓DC電力通過後續連接的”DC/DC Boost轉換器”201來調整成定電壓、定電力DC電(力)源。然後通過與201相連的”電力脈動調變模塊”223，把定電壓的DC電源轉換成弦波時變脈動DC電力。然後再通過加裝在模塊223後方的一個”極性開關式(或交互輸送方向)控制器”224，把弦波時變脈動DC電力用交互輸送方向轉換為在圖1B中所顯示的正(/餘)弦時變電壓振盪AC電力。在圖2C中的”電橋結構”224包含4組開關，用來控制DC/AC調變器所輸出的AC電力脈動與電網之同步性和極性。模塊201和223的組合在本文中也可以稱作“PWM電力擷取器”。
由上述電橋開關結構224輸出的AC電力脈動是必須吻合電網規範。AC電力通過變壓器225調節電壓，然後把AC電力輸送到所連接的電網300(負載)。圖2A所示的是一個”Boost DC/DC轉換器”201的典型電路設計，模塊201把DC電源的變動電壓調節成定電壓的DC電源。圖2B中的電路是”單相DC/AC調變器”223中所使用的，並且被PWM指揮運作的”Buck模塊”電路，此電路把模塊201產生的定電壓、定電力DC電源轉換為時變的正/餘弦DC電力脈動。在圖2C中所示的”開關式電橋結構(Switch bridge structure)”224，用來把該單相DC/AC調變器223所輸出時變DC電力脈動調節成吻合電網要求的極性，並且與電網所輸送的AC電力同步。單相DC/AC調變器223(或結合”Boost DC/DC轉換器”201和”單相DC/AC調變器”223兩者為一模塊，稱作”PWM電力擷取器”)是指傳統上所應用的”單相調變模塊”(即構成傳統三相DC/AC調變器中3組所用的”單相調變器”)上，作為執行電力擷取/調整/調節的模塊。因此，在上述本專利原理的應用中，三相與單相調變器都可以適用。
第一節：探討傳統DC/AC電力轉換
通常在實際的狀況下，太陽能板組串之最大功率產生點的電壓(MPPPV)是一個不固定的電壓值，而且這個DC電壓值通常會小於AC電網所規定的峰值電壓。因此光伏電站需要一個voltage-boost電力擷取器來執行電力擷取和調整；把”不固定的低電壓DC電源”調整成有”固定的高電壓DC電源”。
圖2A所示的是DC/DC Boost模塊的Booster電路，此電路由下列組件構成：一個電感器L；一個由反饋控制負載工作因子調節器(FCDFA；未在圖中所示)調節的可控開關Q；還有二極管D。此電路中；開關Q可在高頻(通常在商品中約為18kHz)下運作，它使用可調整的負載工作因子(adjustable duty factor；本文簡稱ADF)來執行通/斷路切換。FCDFA是用來調節負載工作因子，使DC/DC Boost模塊201產生一個基本恆定的DC輸出電壓(V0)。換句話說，該DC/DC Boost模塊201把不固定電壓的DC電源調整為固定電壓V0的DC電源(通常，V0=Vpk，其中Vpk是AC電網的峰值電壓)，使DC電源可以匹配電路中所連接的後續部件(即圖1A案例下的DC/AC調變模塊223)。然後DC/AC調變模塊223把特定峰值電壓之DC電力，轉換為吻合電網規範的正/餘弦時變DC電力脈動。
當開關Q維持通路的時段，經過設計的電感器L會從電力輸入單元(在圖1A的情況下，此電力輸入單元指的是PV太陽能板組串101)提取電能。具體地說，電感器L是在反饋控制負載工作因子的PWM開關所設定的通路時段內，被輸入電力而被充電。當充電發生時，開關Q上的電壓VSW會增加而趨向於輸入電壓Vin，直到開關兩端的電壓VSW達到適當的平衡值時。在開關Q維持斷路的時段，電流從電感 器通過二極管D，會對設計好的電容器C充電，產生與輸出電壓需求相等之穩定電壓(在連接電網情況下，V=V0=Vpk)。負載工作因子通過回饋控制的使用來調整，此負載工作因子在恰當設計的固定PWM頻率下，調節開關Q的通/斷路週期，就可以把輸出電壓從Vin升高到AC電網指定的峰值電壓V0=Vpk。因此該voltage-Boost電路可以產生輸出給後續連接的DC/AC調變模塊之恰當的峰值電壓。上述電路在本文專業領域中稱為“Boost DC/DC轉換器”或“Boost轉換器”。
如前所述，Booster轉換器被設計成能夠把不固定電壓的DC電源(例如PV太陽能板組串)調整為基本上是定電壓的DC電源，該DC電源的電壓可以等於AC電網中規定的峰值電壓值。注意，為了防止DC電源的峰值電壓在正常操作一個AC電力週期下所發生的電壓衰減，在圖2A中所示的Boost電路中電容器C，就需要設計一個恰當的電容值。也就是說，設計該電容器C時，需要在一個AC電力週期的時段，維持一個本質上恆定的電壓。用來維持此DC電壓恆定的電容器，在本專業領域中稱為“直流鏈結(DC Link)”電容器。由於在電網規範中，通過DC鏈結所能夠容許的電壓變動必須非常小，因此DC鏈結所需要的電容器並不是被設計為了存儲大量的剩餘電能。若是為了用作存儲大量剩餘電能，會需要一個很高電容量的巨大(且昂貴)電容器，才能把剩餘電能儲存下來，並且維持DC/AC轉換後所輸出的AC電力電壓能穩定在AC電網所規範最大電壓之容許電壓變動範圍內。
圖2B所示典型的DC/AC調變模塊；其中包括一個電感器LL，一組受負載工作因子調節器(DFA)調節的可控開關QQ，一組二極管DD和一組DC鏈結電容器CC。開關QQ在高頻率(商業產品中通常約為18kHz)下，受可調節的負載工作因子(ADF)來控制通/斷路切換。 故開關QQ(通常被視作為“PWM開關”)是由PWM的輸出信號來控制。該PWM開關的負載工作因子則由DFA來調節，使得該調變模塊223所產生的AC電力脈動能吻合電網規範。圖2B所示的DC/AC調變模塊223在本文專業領域中的專有名詞稱作“Buck轉換器”。與DFA有關的Buck轉換器223可以把吻合峰值電壓規範的DC電源電力轉換為正/餘弦時變AC電力脈動。這一個時變脈動的交流電力會通過圖2C所示的開關式電橋結構送出(圖2C可作為圖1A的極性/同步控制器224的一個例子)；然後經由變壓器(如圖1A中的變壓器225)把AC電力輸送給電網(如圖1A中的電網300)。如上所述，開關式電橋結構是用來調控正/餘弦時變電力脈動輸出的極性和同步性。
如圖2C所示，當開關S1和S2都通路，並且開關S3和S4斷路時，負載兩端則會外加正向電壓。相反的，當開關S3和S4通路，並且開關S1和S2斷路時，負載兩端會外加負向電壓。當這些切換由”同步引導器(synchronous regulator)”(圖2C中未所示)控制時，該同步引導器會感應到電網上正/負電壓轉換(或零電壓通過時)的準確時間，並且用它來引導並執行開關的通/斷路切換功能，該電橋結構224與DFA結合的部件可以有效地控制單相DC/AC調變器所輸出的正/餘弦時變電力脈波能夠吻合AC電網的極性，並且與AC電網同步。
同步引導器可以及時調整時變的PWM負載工作因子；產生純正(/餘)弦脈波，這個脈波是cos2(ωt)或sin2(ωt)的波形，ω為輸出的正/餘弦時變電力脈波規定的角頻率，Vpk為所規定的正/餘弦時變電力脈動峰值電壓，脈波的相位與電網上之AC電力相位是同步。當同步引導器結合固定電壓的輸入DC脈衝電力，且與電網上所具有寄生電感和寄生電容並存時，電感器LL和電容器CC在實際應用中可以減 小，甚至省略。在本文專業領域中所述的專業詞語：“逆變器”、“轉換器”和“調變器”(並且就"逆變”、“轉換”和“調變”)的字義是可互通的，因此在本文中是可互換使用。
DFA是依據電力脈動來調節負載工作因子(duty factor)，是一個時間函數。此設計用來控制Buck逆變(器)模塊的開關QQ執行通路/斷路工作時間比例。因此，採用恰當設計的電路和調整好的峰值電壓，該Buck調變模塊可以產生符合設計要求所需的輸出電壓、電力形式、頻率和相之AC電力，來吻合交流電網規範的要求，並且吻合存在於相對應電網電力線上的AC電力相位。在連接電網的情況下，電網的頻率、相位及電壓可能會有漂移；DFA會依據交流同步引導器(通常內建在DC/AC調變器中)所指示的這個漂移來把要輸出的電力之頻率、相位及電壓調整好後再輸出給電網。就如同圖2D所示的電力(不是電壓)脈動輸出信號。換句話說，使用上述PWM電力擷取器，單相DC/AC調變器可以把來自DC電源之固定電壓的DC電力加以擷取並轉換成在任何時間都吻合電網規範的AC電力輸出。
上述單相調變器的輸出功率P(t)隨時間以cos2(ωt)或sin2(ωt)的脈動形式變化。因此在特定時段內所通過電網的電力線傳輸的電能，等於在此時段內，對應時間所輸出的電力脈動之積分值。此所得到的傳輸電能(積分值)，僅等於在相同時段內，初始能源所供應之定電壓DC電力對時間積分的一半電能。換句話說，上述傳統的單相調變器最多只能擷取、轉換，然後輸送出”由DC電源所提供電能的一半以下電能”。因此剩餘和未使用的能量是超過可用的輸入能量的一半以上。也就是說，這個未輸送出去的剩餘能量佔有上述參考公告專利中所描述的剩餘能量之絕大部分能量。
讓我們下列分析中假設DC電源在若干個AC脈動循環的時段中具有恆定功率Pmx。圖3揭示在一個PWM工作週期(具有周期D)中擷取的DC電力脈衝。如同將證明的結果；擷取的DC功率Px小於或等於電源的DC功率Pmx。該PWM工作週期的負載工作因子”d(t)/D”經過調節後，相等於d(t)/D=cos2(ωt)或sin2(ωt)的計算值，使得產生的電力等於Px * cos2(ωt)或Px * sin2(ωt)，讓電力脈動從本質上吻合電網規範。圖3還示出了電功率對應時間的座標系(亦稱為能量座標系)，其中D代表一個PWM工作週期長度；輸入直流電力為Pmx；並且擷取的DC電力為Px。
如圖3所示，該能量座標可以被分成3個區域。區域-I代表被擷取電力Px所擷取的DC電力脈衝；當脈波持續時段為D * cos2(ωt)或D * sin2(ωt)，在對應於這個PWM擷取時段中的任一時間t時，DC電力脈衝轉換成單相交流電力脈動P(t)=Px * cos2(ωt)=Px * sin2(ωt)。區域-I也稱為“電能擷取面積”或“電能擷取區域”。而介於DC電源Pmx和擷取電力Px之間的面積定義成區域III。而區域-II則是在每一個PWM工作週期D的電能擷取區域之外的面積。區域-II和區域-III的組合所示就是該能量座標系中的剩餘電能面積。該剩餘電能面積(區域)中的能量是不會被擷取，不會被轉換成AC電力，因此也不能在電網上被使用。相反的，這種剩餘電能最終在系統中只能轉變而成為熱能。
重申一下，傳統的DC/AC單相調變器採用Boost模塊，把DC電源所具有的不固定電壓調整成為基本上固定的設定電壓(例如電網的峰值電壓)，供應給PWM電力擷取器，此定電壓DC電源由PWM電力擷取器去擷取電力，並轉換為DC脈動電力。此時負載工作因子在一個PWM工作週期內，依照cos2(ωt)或sin2(ωt)所對應的時間函數 來調節，使得輸出給電網的AC電力能吻合電網規範。當輸入電力在某個高水平以上，每個PWM工作週期內的輸入電能在能量座標系統上是由兩個區域組成；分成擷取電能區域(例如，圖3中的區域I)和剩餘電能區域(例如，在圖3中區域II和區域III)。所擷取的能量會被轉換為AC電力並提供給電網上相對應的電力線；但剩餘能量除非被捕獲並存儲在MEUPT優化器…等設備中，否則只能轉化為熱能。
如上所述，所引用的公告專利教導；當擷取電力在幾個AC電力週期的時段內積分時，剩餘電能至少與擷取的電能一樣大小。換句話說，傳統的單相DC/AC調變器最多只能擷取輸入的DC電能之一半能量。換句話說，當使用傳統單相DC/AC調變器時，至少一半輸入的DC電能會成為剩餘能量；此剩餘能量沒有被擷取，沒有轉換，沒有輸送上電網，也沒有被負載使用；並且最終轉變成熱能而浪費了。
第二節：EUT單相逆變器的原理
有兩種方法可以消除上述不良後果。第一個方法是遵循所引用的參考公告專利中描述的原理，把MEUPT優化器結合到發電系統中。另一個方法是遵循本文所描述的原理；依照本發明的提議，提出一種單相調變器的設計；使用包含兩組DC/AC調變模塊去進行順序性電力擷取外；包含一個相位調節器。這種新設計的單相調變器本文稱為”追蹤最大能量使用單相逆變器”或”EUT單相逆變器”。
EUT單相逆變器的第一組DC/AC調變模塊通過在每個PWM週期的能量坐標系座標中擷取和轉換第一能量區域(例如，圖3中的區域I)的電能來產生第一組AC電力脈動；而第二組DC/AC調變模塊在通過擷取第一能量區域之外的電能(例如，圖3中的區域II或區域III)，然後轉換產生第二組AC電力脈動。因此，在時間t時，第一組 AC電力是P(t)=Px * cos2(ωt)；而第二組AC電力是P’(t)=Px-Px * cos2(ωt)=Px *(1-cos2(ωt))=Px * sin2(ωt)。這兩組輸出給電網的AC電力脈動具有相同的峰值電壓、峰值功率，相同的頻率，但彼此間相位差為90°。這表示當第一組AC電力脈動吻合電網規範時，第二組AC電力脈動會與電網上輸送的電力相位相差90°。或者說：當第一組AC電力脈動可以提供給電網和在電網上被傳輸時，在電網上所使用的相同一對電力線，就不適合提供和傳輸第二組AC電力脈動。
根據本文描述的原理，所提出的EUT單相逆變器還包含一個相位調節器。此相位調節器可以將上述第二組AC電力脈動的相位調整90度；因此，第二組AC電力脈動變成與電網同步。如此一來，EUT單相逆變器(第一和第二AC電力脈動)所輸出的兩組AC電力脈動，就都可以吻合電網規範，在電網的同一對電力線上去輸送這兩組電力。也就是說，此兩組單相AC電力脈動就可以輸送給電網的同一對電力線，並且被連接在電網上的負載使用(消耗)掉。
圖4A顯示了PV組串之電力產生和輸入到EUT單相逆變器400的架構圖。PV太陽能組串401產生的電力具有不固定電壓的特性。此產生的電力則通過Boost模塊402來調節，以產生具有固定電壓的DC電(力)源。再通過第一組PWM操控的DC/AC Buck模塊來擷取來自固定電壓的DC電源，去產生吻合電網規範之第一組AC電力脈動4031A；P(t)=Px * cos2(ωt)。然後第二組PWM操控的DC/AC Buck模塊403B依順序以鎖定與第一組模塊403A相差90度之相位，去擷取固定電壓的DC電能，以產生第二組AC電力脈動4031B；P’(t)=Px * sin2(ωt)。4031B的相位再通過相位調節器406進一步調節，使得第二組AC電力脈動4031B的相位被調節90度之AC電力脈動；P’(t)=Px * sin2(ωt+90 °)。在相位調整後，兩個交流電力脈動；分別為第一組4031A”P(t)=Px * cos2(ωt)”和第二組4031B”P’(t)=Px * sin2(ωt+90°)=Px * cos2(ωt)”就變成同步，並且適合於提供給電網的同一對電力線。
第三節：應用於3相EUT逆變器的原理
導致傳統的單相DC/AC調變器之電能擷取低效的根本原因，也會存在於傳統的3相DC/AC調變器中。本質上，傳統的三相DC/AC調變器是由三個單相DC/AC調變器所構成，同時執行DC電力擷取和轉換，並對電網3對電力線提供差不多大小的均方根AC電力；彼此間相位差為120度。在單相DC/AC調變器中所產生的”無法提取剩餘電能”問題，也一定會出現在傳統三相DC/AC調變器所用的每一個單相DC/AC調變器中。不幸的是，造成單相DC/AC調變器的低效率擷取電力下的根本原因也肯定存在於傳統的三相DC/AC調變器中。但好消息是；任何適用於傳統單相調變器在擷取DC電能低之缺點的有效補救措施，也可以成為適用於傳統三相逆變器在擷取DC能量低之缺點的有效補救措施。
當一組3相DC/AC逆變器包含前面所述的3個”EUT單相逆變器”時，此3相DC/AC逆變器本文稱之為”EUT三相逆變器”。”EUT三相逆變器”的每組”EUT單相逆變器”可以擷取DC電源(例如，PV組串或太陽能電站)所提供DC電力之1/3去調節和轉換成兩組單相AC電力脈動，並且輸送到三相電網中的同一對電力線。因此，通過EUT三相逆變器中所包含的三個EUT單相逆變器組合後之綜效，可以對DC電源所提供之幾乎所有的DC電力去進行擷取、調整、調節，並且輸送到三相電網的3對電力線中。因此，根據本文描述的原理，當使用EUT三相逆變器代替傳統三相DC/AC逆變器來從DC電源擷 取電力時，EUT三相逆變器可以比傳統三相DC/AC逆變器擷取出兩倍的電能；並且經過調節、調整後，把AC電力輸送到三相電網上供應連結在電網上的負載消耗。
第四節：相位調節器之案例
在相關的專業領域中，有許多技術可被應用來設計本文所述的相位調節器。例如；在本專業領域中眾所周知的，一個單相變壓器所伴隨的一個極性反轉，可以把單相AC電力的電壓振盪延遲半個週期。這表示增加一個單相變壓器，就可以把AC電力脈動的相位調整90度，卻不會改變此AC電力原來的波形或頻率。當一個理想的變壓器之一次側和二次側的線圈比等於1時，它可以進一步保持輸入的AC電力脈動之峰值電壓。但實際上，線圈比為1的變壓器可能會有些微的峰值電壓下降。但是可以通過去調節單相電力二次側對一次側之恰當的轉換比來校正此峰值電壓的下降問題。因此，根據本文所述原理，單相變壓器可以作為一個非常實用的相位調整器。每個EUT單相逆變器可以使用一個適當的單相變壓器作為其相位調節器。而一組EUT三相逆變器可以使用3組具有這種相位調節器的EUT單相逆變器。
此外，一個三相變壓器可以把三相AC電力脈動中的每個單相AC電力脈動之相位都調整90度，而不改變波形或頻率。因此，如前面原理所述，EUT三相逆變器可以僅使用一個三相變壓器作為”組合相位調節器”來調整所有輸出給電網的三組異相AC脈動電力，把這些異相AC電力調整為與電網上三對電力線所輸送之三相電力同步。由於僅使用一個”組合調節器”來替換EUT三相逆變器中的三個EUT單相調節器，設計上就可以進一步降低EUT三相逆變器的成本。
第五節：結論
如同第一節中所分析的結果，傳統的AC單相擷取器採用PWM擷取器來擷取輸入的DC電力。當在時間t中，由cos2(ωt)或sin2(ωt))調節一個PWM週期中的負載工作因子時，輸出的AC電力吻合電網之電力規範。但須注意的是每個PWM週期的能量坐標系由兩個區域組成；一個是擷取電能區域，另一個是剩餘電能區域。在引用的專利公告中教導，當電力在幾個AC電力週期的時段內積分時，剩餘電能的能量至少與擷取電能的能量一樣大小。換句話說，單相DC/AC調變器只能擷取和轉換所輸入的DC電力之最多一半電能。擷取的電能會轉換為AC電力，並且提供給電網；但剩餘電能除非被捕獲並存儲在MEUPT優化器…等設備中，否則只能轉化為熱能而浪費掉。
如第二節所述，本文所提議新的單相DC/AC調變器之設計，使用兩組DC/AC調變模塊去進行順序性電力擷取外；還包含一個相位調節器。新設計的單相DC/AC調變器本文稱之為EUT單相逆變器。EUT單相逆變器的第一組DC/AC調變模塊通過在每個PWM週期的能量坐標系中擷取和轉換第一能量區域(例如，圖3中的區域I)之電能來產生第一組AC電力脈動；而第二組DC/AC調變模塊在第一組DC/AC調變模塊擷取DC電力之後，再擷取和轉換剩餘能量區域(例如，圖3中的區域II或區域III)中的電能，來產生第二組AC電力脈動。因此，在時間t，第一組AC電力脈動是P(t)=Px * cos2(ωt)；而第二組交流電力脈動是P’(t)=Px * sin2(ωt)。這兩組輸出的AC電力脈動具有相同的峰值電壓、峰值功率，相同的頻率，但彼此間相位相差90度。這表示當第一組AC電力脈動吻合電網規範時，第二組AC電力脈動就會與電網上AC電力的相位相差90度。或者說：當第一組AC電力脈動可以提供給電網和在電網上被傳輸時，在電網上所使用的相同一對電力線， 就不適合提供和傳輸第二組AC電力脈動。
本專利所設計的EUT單相逆變器還包含一個相位調節器，此相位調節器可以把前段所述第二組AC電力脈動的相位調整90度；因此，第二組AC電力脈動被調整好，就可以與電網上AC電力同步。如前文所述，兩組EUT單相逆變器所輸出的個別AC電力脈動(第一組或第二組AC電力脈動)就可以都吻合在電網上同一對電力線上輸送電力的電網規範。因此，它所輸出的兩組單相AC電力就都可以輸送到電網的相同電力線上，然後由連接在電網上的負載使用消耗掉。
如前文第三節所述，當一組包含3個本文前面所述的EUT單相逆變器之3相DC/AC逆變器；在本文中稱之為3相EUT逆變器。此EUT三相逆變器的每組EUT單相逆變器可以個別擷取DC電源(例如，PV組串或太陽能電站)所提供DC電力之1/3電力，每組EUT單相逆變器從DC電源所擷取的1/3DC電力，則分別再轉換成兩組單相AC電力脈動，並且經過調節與調整後，再輸送這兩組電力脈動給三相電網上同一對電力線。因此，EUT三相逆變器中三個EUT單相逆變器組合的綜效，就可以把DC電源所提供的幾乎所有DC電力來進行擷取、調節、調整，然後輸送到三相電網之3對電力線上。因此，按照本文所述的原理，當使用EUT三相逆變器代替傳統的三相DC/AC逆變器時，EUT三相逆變器可以從DC電源擷取雙倍的電力；並把EUT三相逆變器所輸出的AC電力輸送到三相電網上，以供連結在電網上的負載使用消耗。因此正如前文所敘述，任何適用於傳統單相調變器擷取DC電能低之缺點的有效補救措施，也可以成為適用於傳統三相逆變器擷取DC電能低之缺點的有效補救措施。
本文第四節描述了一種實用的元件，它可以對第二組 AC電力脈動的相位調整90度，並且仍然保有第二組AC電力脈動所有吻合電網規範的其它規格。而且，應用本專利發明原理所描述的這種元件，也同樣適用於EUT 3相逆變器。
為了說明和闡述在本文描述的原理中所使用的相關專業術語，圖4A示出了太陽能產生的電力輸入給EUT單相逆變器400，和從400輸出AC電力間所有模塊之序列架構。此序列以太陽能板中所產生的電力啟始。由太陽能板組串401所生產的不固定電壓之DC電源，作為輸入電力去提供給Voltage-Boost模塊402。而402就可以提供幾乎固定電壓的DC電源電力輸出給電容器4021來儲存。
換句話說，該Voltage Boost模塊把不固定電壓的DC電源轉換為固定電壓的DC電源，並由DC-link電容器4021來穩定電壓。然後將該固定電壓的DC電源分成兩組DC電力輸入給DC/AC調變模塊403A和403B。這兩個調變模塊由異相鎖定PWM開關來指揮控制，會依照順序地從DC-link電容器4021擷取電能；並且產生兩個相位相差90°的異相電力脈動，這兩個電力脈動如圖4A中(也在圖4D和4E)顯示的4031A和4031B。然後這兩個90°異相電力脈動分別送給如圖4A中所顯示的兩組相鎖開關式電橋結構404A和404B。
這些電橋結構控制了4031A和4031B電力脈動之極性；並且產生兩個相位相差90度之AC電力脈動，就如圖4F和4G中所顯示的405A和405B。然後，AC相位調節器406調整AC電力脈動405B的相位，使得這兩組AC電力脈動同步，並且適合輸送到電網的同一對電力線上。圖4H和4I還示出了最後的兩個同步的AC電力脈動，其中一個電力脈動405B是通過相位調節器406延遲相位的結果。此延遲相位的脈動則如圖4I中虛線所顯示。
本專利發明可實施在其它特定形式而不背離其精神或根本特徵的應用。因此，本專利發明所涵蓋的範圍是由本文後方的專利主張來界定，不是由前述的案例說明來界定。任何所應用的變化及原理的衍伸，只要不違背專利主張之意義及相等效應的範圍，都應當要被涵蓋在本專利所主張的領域之內。
雖然本揭露已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何本領域具通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧太陽能發電序列模塊
101‧‧‧光電轉換部件(光伏太陽能板組串)
201‧‧‧DC/DC Boost轉換器
223‧‧‧電力脈動調變模塊
224‧‧‧極性開關式(或交互輸送方向)控制器
225‧‧‧變壓器
300‧‧‧電網

Claims (7)

  1. 一種追蹤最大電能使用的單相調變器，包括：兩組PWM操作的DC/AC調變模塊之一組單相DC/AC調變器，此兩組PWM操作的DC/AC調變模塊依順序地從固定電壓的DC電源擷取電力；以及第一組DC/AC調變模塊在每個PWM週期中去擷取和轉換DC電源的電力來產生第一組正/餘弦AC電力脈動；而在每個PWM週期中，在第一組DC/AC調變模塊擷取電力之後，再啟動第二組DC/AC調變模塊去擷取DC電源的電力，並且轉換成第二組正/餘弦AC電力脈動。
  2. 如請求項1所述之追蹤最大電能使用的單相調變器，還包含一個相位調節器，可以把兩組AC電力脈動中之一組AC電力脈動的相位調整90度，使得兩組AC電力脈動可以同步，適合向電網的同一對電力輸送線提供AC電力。
  3. 如請求項2所述之追蹤最大電能使用的單相調變器，此相位調節器是單相變壓器。
  4. 如請求項2所述之追蹤最大電能使用的單相調變器，此相位調節器之設計中包含有電感器。
  5. 如請求項2所述之追蹤最大電能使用的單相調變器，此相位調節器之設計中包含有電容器。
  6. 如請求項1所述之追蹤最大電能使用的單相調變器，一個三相DC/AC調變器包括三組此器件，分別成為應用於A相，B相和C相的EUT單相DC/AC調變器；A相的EUT DC/AC調變器產生一個吻合電網電力線輸送電力規範之A相電力脈動，並且產生另一個A'相的電力脈動，但A'相電力脈動與A相電力脈動的相位相差90度；B相的EUT DC/AC調變器產生一個吻合電網電力線輸送電力規範之B相電力脈動，並且產生另一個B'相的電力脈動。但B'相電力脈動與B相電力脈動的相位相差90度；以及C相的EUT DC/AC調變器產生一個吻合電網電力線輸送電力規範之C相電力脈動，並且產生另一個C'相的電力脈動。但C'相電力脈動與C相電力脈動的相位相差90度；使用一個三相變壓器來同時對A'相、B'相和C'相AC電力脈動的相位調整90度。如此一來，A'相電力脈動與A相電力脈動相位相同，就可以提供A'相電力脈動輸出至傳輸A相電力脈動的同一對電力線；並且使得B'相電力脈動與B相電力脈動相位相同，就可以提供B'相電力脈動輸送至傳輸B相電力脈動的同一對電力線；而且使得C'相電力脈動與C相電力脈動相位相同，就可以提供C'相電力脈動輸送至傳輸C相電力脈動的同一對電力線。
  7. 如請求項2所述之追蹤最大電能使用的單相調變器，一個三相DC/AC調變器包括三組請求項1中的器 件，應用於A相，B相和C相的EUT單相DC/AC調變器；每個EUT單相DC/AC調變器可以產生兩組吻合電網規範的AC電力脈動，並且分別向三相電網中的某一對特定電力線來提供與輸出恰當的AC電力。
TW108109172A 2018-06-29 2019-03-18 追蹤最大電能使用的單相調變器 TWI697191B (zh)

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US16/024,480 US10516271B2 (en) 2018-06-29 2018-06-29 Single-phase energy utilization tracking inverter
US16/024,480 2018-06-29

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