TWI444807B - 換流器之類比控制器 - Google Patents

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Description

換流器之類比控制器
本發明係關於一種類比控制裝置，尤指一種應用於發電裝置的換流器之類比控制器。
由於太陽能、風力等的發電系統之輸出功率會隨著外在環境因素而改變。因此，如何有效率地控制太陽能發電系統，使其保持最佳功率輸出效能，是極為重要的設計考量。
請參考第7圖所示，係為現有之雙級式(Two-stage)架構的太陽能發電裝置的系統架構圖，其主要由太陽能板90、最大功率控制器91(Maximum Power Point Tracking,MPPT)、換流器92(Inverter)所組成。所述最大功率追蹤控制器91係位於前級，用以接收所述太陽能板的輸出電壓與電流，並針對太陽能發電實現最大功率追蹤功能。所述換流器92位於後級，係用以將太陽能發電之直流電能轉換為交流電能輸出，其中換流器92係包含一控制器93，所述控制器93需依據前級輸出電壓，適當地調整換流器92之輸出能量，將前級所擷取之能量即時饋入市電端(Utility Line)，達到單位功因(Unity power factor)輸出之效果。
擾動觀察法(Perturb and observe)係為典型的太陽能最大功率追蹤演算方法，如第8圖所示，是根據太陽能發電之輸出功率與電壓間之特性曲線圖，以最大輸出功率點為中心，將操作區域劃分為兩種，分別為正斜率區與負斜率區。當太陽能發電工作於正斜率時，可增加其輸出電壓以使操作點趨近最大功率點，當太陽能發電工作於負斜率時，可降低其輸出電壓以使操作點趨近最大功率點。
由於太陽能發電之輸出功率會受到外界環境因素，如溫度、照度變化之影響，其最大功率追蹤控制器亦可用智慧型控制方式加以設計，例如模糊控制(Fuzzy control)與類神經網路(Neural network)技術可來預測太陽能板之最佳操作點，以獲得平順之最大功率追蹤，但這些技術在實作上卻非常複雜而困難。
現有換流器的控制器之實現方式主要可分為數位電路方式與類比電路方式兩種。數位電路方式之缺點則為精準度受到微處理器位元數限制，不易實現快速精準之控制效果。而現有類比電路方式雖反應迅速，可作到快速精準之追蹤效果，但電路體積龐大，價格昂貴且不易實現複雜的演算法則。
故，有必要提供一種換流器之類比控制器，以解決習知技術所存在的問題。
有鑒於習知技術的缺點，本發明之主要目的在於提供一種換流器之類比控制器，其適用於類比積體電路技術，通過接收發電裝置與市電之輸出電壓與電流資訊，並根據此資訊來適應性地調整導通時間，以提高發電裝置的輸出功率效益，本發明之電路實現成本較低且容易整合至發電裝置的換流器中。
為達上述之目的，本發明提供一種換流器之類比控制器，用於耦接一發電裝置與一具開關的換流器，所述類比控制器包含：一最大功率追蹤單元，用於偵測該發電裝置輸出到該換流器的一輸出電壓及輸出電流，並根據目前所偵測到的輸出電壓與輸出電流的相乘值相對前一時脈所偵測到的輸出電壓與輸出電流值的相乘值的變化而產生一最大功率追蹤電壓；以及一功率因數調整單元，係接收所述最大功率追蹤電壓而產生一斜坡控制電壓，並透過該斜坡控制電壓控制所述換流器之開關切換頻率與開關導通時間，進而控制所述換流器之輸出電流，以增減發電裝置的輸出功率。
在本發明之一實施例中，所述最大功率追蹤單元包含：一電壓偵測單元，係偵測該發電裝置輸出到所述換流器的輸出電壓；一電流偵測單元，係偵測該發電裝置輸出到所述換流器的輸出電流；一功率比較模組，根據目前時脈所接收到的輸出電壓值及輸出電流值與前一時脈所接收到的輸出電壓值及輸出電流值，分別計算出一目前功率和一先前功率，並比較所述目前功率與所述先前功率的大小而輸出一控制信號；以及一追蹤電壓產生單元，接收該控制信號並根據該控制信號的變化而輸出所述最大功率追蹤電壓。
在本發明之一實施例中，所述最大功率追蹤單元偵測電壓及電流所參考的時脈週期係為市電電壓頻率的倒數。
在本發明之一實施例中，所述功率比較模組由乘法器、取樣保持器及比較器所構成；所述追蹤電壓產生單元係由計數器及數位/類比轉換器所構成。
在本發明之一實施例中，所述功率比較模組係於正緣觸發時進行所述目前功率與所述先前功率的比較。
在本發明之一實施例中，功率因數調整單元包含一加法器、一比較器及一正反器，所述加法器係接收所述斜坡控制電壓與所述換流器之輸出電流而輸出一相加值，所述比較器係接收所述相加值與一市電電壓而產生一比較值，所述正反器係根據該比較值產生一脈波寬度調變信號，以輸出所述脈波寬度調變信號控制所述換流器之開關切換頻率與開關導通時間。
本發明主要是在不同照度與溫度條件之下，適應性調整導通時間，進而獲得換流器與發電裝置之輸出電壓與電流特性曲線的最佳化關係，透過此運作機制讓發電裝置的輸出功率最大化。
為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，幷配合所附圖式，作詳細說明如下。下列說明是參考附加的圖式，用以例示本發明可用以實施之特定實施例。本發明所提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「後」、「內」、「外」、「左」、「右」等，僅是參考附加圖式的方向。因此，本發明以下實施例中所提到的方向用語僅是用來輔助說明本發明技術內容，而非用來限制本發明。
請參考第1圖、第2圖及第3圖所示，其中第1圖為本發明換流器之類比控制器一較佳實施例的控制架構示意圖；第2圖為本發明換流器之類比控制器一較佳實施例的輸出波形圖；第3圖為本發明換流器之類比控制器一較佳實施例的最大功率追蹤演算法電路的電路示意圖。本發明的類比控制器是用於耦接一發電裝置100與一換流器101。所述發電裝置100係為太陽能、風力等再生能源的發電裝置；所述換流器101在本實施例中係為一全橋式(full-bridge)直流對交流換流器，共包含開關S1~S4。本發明之類比控制器主要包含一最大功率追蹤單元1及一功率因數調整單元2。
所述最大功率追蹤單元1是用於偵測所述發電裝置100輸出到所述換流器101的一輸出電壓及輸出電流，並根據目前所偵測到的輸出電壓與輸出電流的相乘值相對前一時脈所偵測到的輸出電壓與輸出電流值的相乘值的變化而產生一最大功率追蹤電壓Vref。
更詳細地，所述最大功率追蹤單元1主要包含一電壓偵測單元10、一電流偵測單元11、一功率比較模組12、一追蹤電壓產生單元13。
所述電壓偵測單元10係偵測所述發電裝置100輸出到所述換流器101的輸出電壓。
所述電流偵測單元11係偵測該發電裝置100輸出到所述換流器101的輸出電流。
所述功率比較模組12根據目前時脈所接收到的輸出電壓值及輸出電流值與前一時脈所接收到的輸出電壓值及輸出電流值，分別計算出一目前功率P(t)和一先前功率P(t-1)，並比較所述目前功率P(t)與所述先前功率P(t-1)的大小而輸出一控制信號。所述功率比較模組12由乘法器120、取樣保持器121及比較器122所構成。所述乘法器120係分別根據目前、先前的偵測電壓值和偵測電壓值進行乘法運算，以得到前述的目前功率P(t)和先前功率P(t-1)。所述取樣保持器121係對目前的功率P(t)進行取樣並暫存，並輸出上一次所暫存的先前功率P(t-1)。所述比較器122之兩端分別接收所述目前功率P(t)與先前功率P(t-1)，進行功率比較後輸出一控制信號。本實施例中，所述最大功率追蹤單元1偵測電壓及電流所參考的時脈週期係為市電電壓頻率(Grid voltage frequency)的倒數，而所述功率比較模組12係於正緣觸發時進行所述目前功率P(t)與所述先前功率P(t-1)的比較。如第4圖所示，其為本發明換流器之類比控制器一較佳實施例的取樣保持器的時序圖，以時間t0~t2為例，當t0到t1這段期間，取樣保持器121取樣目前功率P(t)，當t1到t2這段期間，取樣保持器121保持著在t1所得到的功率值，此保持住的功率值在此稱之為P(t-1)，P(t)與P(t-1)在週期時脈正緣觸發(t2)進行比較。
所述追蹤電壓產生單元13係接收前述控制信號並根據該控制信號的變化而輸出所述最大功率追蹤電壓Vref。本實施例中，所述追蹤電壓產生單元13係由計數器130及數位/類比轉換器131所構成。計數器130係接收前述比較器122所輸出的控制信號，以輸出一數位碼，且根據該控制信號處於高電位或低電位以增加或減少所述數位碼的數值。所述數位/類比轉換器130係接收該數位碼，且根據其數值進行轉換成所述的最大功率追蹤電壓Vref。
所述功率因數調整單元2係接收所述最大功率追蹤電壓Vref而產生一斜坡控制電壓Vramp，並透過該斜坡控制電壓Vramp控制所述換流器101之開關S1~S4切換頻率與導通時間，進而控制所述換流器101之輸出電流igrid ，以增減發電裝置100的輸出功率。本實施例中，所述功率因數調整單元2所接收的所述最大功率追蹤電壓Vref係通過一電流鏡(Current mirror)電路200控制對一電容Cs充電之電流，再由兩比較器201、202去決定斜坡控制電壓Vramp之斜率的上下限，從而得到所述斜坡控制電壓Vramp。所述功率因數調整單元2尚包含一加法器20、一比較器21及一正反器22。所述加法器20係接收所述斜坡控制電壓Vramp與所述換流器101之輸出電流igrid 而輸出一相加值，所述比較器21係接收所述相加值與一市電電壓Vgrid 而產生一比較值，所述正反器22係根據該比較值產生一脈波寬度調變信號，以輸出所述脈波寬度調變信號控制所述換流器101之開關S1~S4切換頻率與開關S1~S4的導通時間。
關於本發明所實現的換流器輸出最大功率的效果請參考第5圖所示，其為本發明換流器之類比控制器一較佳實施例的輸出功率對輸出電壓的曲線圖，其中上曲線係太陽能板在600w/m2 光照下的輸出功率對輸出電壓變化，下曲線為太陽能板在200w/m2 光照下的輸出功率對輸出電壓變化；圓點線為輸出功率之追蹤情形，追蹤點隨時間變化的順序為1→ 2→ 3。是以，由第5圖可知，本發明能有效追蹤太陽能板輸出最大功率點，適應性地調整太陽能板輸出電壓與電流特性曲線之關係，藉以得到太陽能板輸出最大功率的效果。
請參考第6圖所示，由於時脈週期為市電電壓頻率的倒數，使最大功率追蹤控制電路產生之斜坡控制電壓Vramp的高度，在同一個市電電壓週期內皆相同，確保輸出電流igrid 追隨Vgrid 之正弦波形，避免輸出電流igrid 產生諧波失真現象，以便提高輸出功率因數。因此本發明可將換流器所擷取的能量即時饋入市電端，達到接近單位功因輸出之效果。
綜上所述，本發明主要係通過最大功率追蹤單元結合功率因數調整單元產生斜坡控制電壓，利用斜坡控制電壓Vramp控制換流器的輸出電流，藉以增減太陽能板輸出功率，完成最大功率追蹤效果。本發明並同時控制輸出電流與市電電壓同相位，降低總諧波失真與功率損失，而達到接近單位功因輸出之效果。
本發明已以較佳實施例方式揭露，然其幷非用以限制本創作，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本創作之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本創作之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．發電裝置
101．．．換流器
1．．．最大功率追蹤單元
10．．．電壓偵測單元
11．．．電流偵測單元
12．．．功率比較模組
120．．．乘法器
121．．．取樣保持器
122．．．比較器
13．．．追蹤電壓產生單元
130．．．計數器
131．．．數位/類比轉換器
2．．．功率因數調整單元
20．．．加法器
21．．．比較器
22．．．正反器
200．．．電流鏡電路
201．．．比較器
202．．．比較器
S1~S4．．．開關
90．．．太陽能板
91．．．最大功率控制器
92．．．換流器
93．．．控制器
第1圖為本發明換流器之類比控制器一較佳實施例的控制架構示意圖。
第2圖為本發明換流器之類比控制器一較佳實施例的輸出波形圖。
第3圖為本發明換流器之類比控制器一較佳實施例的最大功率追蹤演算法電路的電路示意圖。
第4圖為本發明換流器之類比控制器一較佳實施例的取樣保持器的時序圖。
第5圖為本發明換流器之類比控制器一較佳實施例的輸出功率對輸出電壓的曲線圖。
第6圖為通過本發明控制之換流器所擷取之能量即時饋入市電端的電壓與電流波形圖。
第7圖為現有之雙級式架構的太陽能發電裝置的系統架構圖。
第8圖為現有最大功率追蹤方法的輸出功率與輸出電壓的特性曲線圖。
1．．．最大功率追蹤單元
12．．．功率比較模組
120．．．乘法器
121．．．取樣保持器
122．．．比較器
13．．．追蹤電壓產生單元
130．．．計數器
131．．．數位/類比轉換器
2．．．功率因數調整單元
200．．．電流鏡電路
201．．．比較器
202．．．比較器

Claims (5)

  1. 一種換流器之類比控制器，用於耦接一發電裝置與一具開關的換流器，所述類比控制器包含：一最大功率追蹤單元，用於偵測該發電裝置輸出到該換流器的一輸出電壓及輸出電流，並根據目前所偵測到的輸出電壓與輸出電流的相乘值相對前一時脈所偵測到的輸出電壓與輸出電流值的相乘值的變化而產生一最大功率追蹤電壓；以及一功率因數調整單元，係接收所述最大功率追蹤電壓而產生一斜坡控制電壓，並透過該斜坡控制電壓控制所述換流器之開關切換頻率與開關導通時間，進而控制所述換流器之輸出電流，以增減發電裝置的輸出功率；功率因數調整單元包含一加法器、一比較器及一正反器，所述加法器係接收所述斜坡控制電壓與所述換流器之輸出電流而輸出一相加值，所述比較器係接收所述相加值與一市電電壓而產生一比較值，所述正反器係根據該比較值產生一脈波寬度調變信號，以輸出所述脈波寬度調變信號控制所述換流器之開關切換頻率與開關導通時間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的換流器之類比控制器，所述最大功率追蹤單元包含：一電壓偵測單元，係偵測該發電裝置輸出到所述換流器的輸出電壓；一電流偵測單元，係偵測該發電裝置輸出到所述換流器的輸出電流；一功率比較模組，根據目前時脈所接收到的輸出電壓值及輸出電流值與前一時脈所接收到的輸出電壓值及輸出電流值，分別計算出一目前功率和一先前功率，並比較所述目前功率與所述先前功率的大小而輸出一控制信號；以及 一追蹤電壓產生單元，接收該控制信號並根據該控制信號的變化而輸出所述最大功率追蹤電壓。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的換流器之類比控制器，所述最大功率追蹤單元偵測電壓及電流所參考的時脈週期係為市電電壓頻率的倒數。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的換流器之類比控制器，所述功率比較模組由乘法器、取樣保持器及比較器所構成；所述追蹤電壓產生單元係由計數器及數位/類比轉換器所構成。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的換流器之類比控制器，所述功率比較模組係於正緣觸發時進行所述目前功率與所述先前功率的比較。
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