TWI451676B - 直流電源轉換模組、其控制方法、連接器以及能量採集系統 - Google Patents

直流電源轉換模組、其控制方法、連接器以及能量採集系統 Download PDF

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Description

直流電源轉換模組、其控制方法、連接器以及能量採 集系統
本發明係有關於分散式電源(distributed power source)之發電系統，特別係有關於一種光伏轉換模組之控制方法與架構。
近來可再生能源逐漸受到關注，使得分散式電源(例如光伏(PV)電池、燃料電池、車用電池等)的研究愈來愈多。在考量許多因素(例如電壓/電流需求、操作條件、可靠度、安全性、成本…等)之下，亦有相當多的拓樸架構已經被提出用以將這些分散式電源連接至負載。這些分散式直流電源大多只能提供低電壓輸出。一般而言，一個單元(cell)僅能提供幾伏特，而一個由多個單元串接而成的模組則可供幾十伏特。因此，它們需要串接成一模組，以便達到所需的操作電壓。然而，一個模組(即串接而成的一列單元，一般為60個單元)並無法提供所需的電流，故需要將多個模組加以並聯，以便提供所需的電流。
再者，由分散式電源之每一者的發電量會根據製程條件、操作條件與環境條件而有不同。舉例而言，許多製造過程中的不一致將使得兩個相同的電源具有不同的輸出特性。同樣地，兩個相同的電源亦會由於不同的操作條件及/或環境條件(例如負載、溫度…)，而有不同的反應(影響)。在實際的設備中，不同的電源亦可能會遭受不同的環境條件。舉例而言，在光伏電源發電設備中，某些光伏面板會 完全地暴露在太陽光之下，而另一部分則會被遮蔽，故會產生不同的輸出功率。在一多電池設備中，某些電池會具有不同老化程度，故會產生不同的輸出功率。
第1圖係用以說明光伏(photovoltaic；PV)電池之電壓特性曲線與電流特性曲線。對每個光伏電池而言，輸出電流會隨著輸出電壓的增加而減少。光伏電池的輸出功率等於輸出電流與輸出電壓的乘積(即P=I×V)，並且會隨著光伏電池所獲得的輸出電壓而變化。光伏電池在不同的日照條件(irradiating condition)下會具有不同的輸出電流與輸出電壓。在某一特定輸出電壓時，其輸出功率將可到達一最大功率點MPP(即功率-電壓曲線之最大值)。光伏電池最好能操作在最大功率點MPP，並且所謂的最大功率點追蹤(maximum power point tracking；MPPT)之目的係在於找出此點，並將系統操作於最大功率點MPP之上，以便從光伏電池中獲得最大的輸出功率。然而，在真實的情況下，將每個光伏電池都操作在其最大功率點上是十分困難的。
第2圖係用以說明一能量採集系統(power harvesting system)200之最大功率點追蹤原理的相關技術。如圖所示，光伏面板(由多個光伏模組組成)210係藉由一正輸出端211與一負輸出端212連接至一直流-直流轉換器220。直流-直流轉換器220用以供應電力/能量(power)至一負載230。在能量採集系統200中，正輸出端211所耦接之電壓感測器222用以採樣直流-直流轉換器220之輸入電壓(即光伏面板210之輸出電壓)，而負輸出端212所耦接之電流感測器223則用以採樣直流-直流轉換器220之輸入電流 (即光伏面板210之輸出電流)。乘法器224用以將電流感測器223所感測到之輸入電流信號和電壓感測器222所感測到之輸入電壓信號相乘，以便產生一功率信號。最大功率點追蹤控制器221則用以根據此功率信號，將能量採集系統200操作在最大功率點之下。
第3圖係用以說明一連接器(junction box)的相關技術，此連接器330係耦接至光伏模組320。舉例而言，光伏模組320係可為至少一光伏電池單元(PV cell)，或可看作光伏面板的一部分，但不限定於此。如圖所示，微型光伏模組(PV sub-module)310，亦可稱為光伏串列(PV sub-string)，係由數個(例如18個至20個)光伏電池單元串接成一列所構成。多個微型光伏模組310、311與312係串聯地連接以便形成一光伏模組320。光伏模組320係耦接至一個具有至少一個旁路二極體331~333之連接器330，其中微型光伏模組(光伏串列)310、311與312與旁路二極體331~333耦接。旁路二極體331~333的作用係在於保獲光伏模組320之光伏電池不致於遭受過電流或過電壓的損害。
第4圖係說明具有最大功率點追踨控制之集中式能量採集系統(centralized power harvesting system)的相關技術。如圖所示，由於每個光伏模組410所提供的電壓很低，所以需要將多個光伏模組410串接成一個模組串列420。對一個大型設備而言，當需要較大電流時，則會將多個模組串列420加以並聯地連接，以便形成整個能量採集系統400的前級(即電源級或光伏面板)。這些光伏模組410可設 置於戶外，並連接至最大功率追踨(MPPT)模組430，隨後再連接至直流-交流轉換器440。一般而言，最大功率追踨模組430可整合成直流-交流轉換器440的一部分。直流-交流轉換器440用以接收由光伏模組410所獲得的能量，並將這個不穩定的(fluctuating)直流電壓轉換成具有所需電壓與所需頻率的交流電壓。舉例而言，此交流電壓可為110V或220V且60Hz的交流電壓、或220V且50Hz的交流電壓。需注意的是，即使在美國仍有多種轉換器會產生220V的交流電壓，但隨後分成兩個110V饋入電箱中。由直流-交流轉換器440所產生的交流電流可用以操作電器產品或饋入電源網路中。若能量採集系統400並未連接至電源網路，由直流-交流轉換器440所產生的能量亦可以傳送至一轉換暨充/放電電路(conversion and charge/discharge circuit)，用以將多出來的電力/能量充至電池中。在電池式的應用中，直流-交流轉換器440亦可以被省略，而將最大功率點追踨模組430的直流輸出直接饋入充/放電電路。
如上所述，每個光伏模組410僅能提供相當小的電壓與電流，故光伏電池陣列(或光伏面板)的設計者所要面臨的問題在於如何由光伏模組410所提供之小電壓與電流組合成具有110V或220V均方根值的標準交流輸出。一般而言，直流-交流轉換器(例如440)之輸入電壓稍微高於其所輸出之均方根電壓的倍時，將會使用轉換器具有最高的效率。因此，為了達到所需的電壓或電流，在許多的應用中都會將多個直流電源(例如光伏模組410)組合起來。最常見的方式就是將多個直流電源先串聯地連接用以得到所需 的電壓，或是將多個直流電源並聯地連接用以得到所需的電流。如圖所示，多個光伏模組410串接成一個模組串列420，而多個模組串列420則皆與直流-交流轉換器440並聯地連接。多個光伏模組410係串聯地連接用以得到轉換器440所需的最小電壓，而多個模組串列420係並聯地連接用以供應較大的電流，以便提供較高的輸出功率。同樣地，每個光伏模組410中亦可附加一個具有旁路二極體的連接器加以保護，但在第4圖並未繪示出此連接器。
此架構的好處在於成本低與架構簡單，但仍是具有許多的缺點。其缺點之一在於無法讓每個光伏模組410都操作在最佳功率，故導致此架構的效率並不理想，此部分將在以下加以說明。如前所述，光伏模組410的輸出會受到多種因素的影響，故為了由每個光伏模組中獲得最大的功率，所取得之電壓與電流的組合亦需隨情況加以改變。
一般而言，較佳的方式還是將直流電源(特別是光伏模組的設備)加以串聯連接。在第5圖，每個光伏模組510係經由具有旁路二極體之連接器(該圖中未顯示)耦接至具有最大功率追踨控制機制之一直流-直流轉換器520，並且這些直流-直流轉換器520的輸出係串聯地連接。直流-直流轉換器520係感測光伏模組510之輸出電壓與輸出電流(即直流-直流轉換器520的輸入電壓輸入電流)，用以將光伏模組510操作在最大功率點。然而，在串聯連接的情形下所有直流-直流轉換器520的輸出電流必需相同，故即使讓每個光伏模組510具有最大功率追踨控制機制仍會在串聯應用中產生問題。因為每個光伏模組510由數個微型光伏 模組(光伏串列)串聯而成(如圖3所示)，該具有最大功率追踨控制機制之一直流-直流轉換器520不能有效地將光伏模組510中所有微型光伏模組(光伏串列)都操作於最大功率。再者，在每個光伏模組510後面耦接具有最大功率追踨控制機制之一直流-直流轉換器520，而每個具有最大功率追踨控制機制之一直流-直流轉換器520都含有乘法器，故成本比較高。此外，在每個光伏模組510後面耦接具有最大功率追踨控制機制之一直流-直流轉換器520，直流-直流轉換器520測光伏模組510之輸出電壓與輸出電流，並使得該輸出電壓與輸出電流相乘得到功率來進行最大功率追踨控制，這樣最大功率追踨的速度較慢。因此，仍需要一種有效的架構能夠將多個直流電源連接至負載，例如電源網絡、電源儲存庫(power storage bank)…等等。
本發明提供一種直流電源轉換模組，包括一直流電源模組以及一直流-直流轉換模組。此直流-直流轉換模組包括一直流-直流轉換器，由直流電源模組所供電，用以產生一輸出信號；以及一控制模組，用以感測直流-直流轉換模組中之一反映信號，並根據反映信號，控制直流-直流轉換器，使得直流-直流轉換器操作於一預設輸出功率，其中反映信號用以反映直流-直流轉換器之輸出信號。
本發明亦提供一種直流電源轉換模組之控制方法，包括產生一預擾動信號，用以擾動一直流電源轉換模組之控制迴路；對上述直流電源轉換模組中用以反映一輸出電壓 或一輸出電流的信號進行正採樣與負採樣，用以產生第一、第二採樣信號；根據第一採樣信號與第二採樣信號，產生一誤差放大信號；將誤差放大信號與預擾動信號相加，用以產生一控制信號；以及根據控制信號，控制直流電源轉換模組中之一直流-直流轉換器的工作頻率或工作占空比，使得直流-直流轉換器操作在一最大輸出功率。
本發明亦提供一種能量採集系統，包括一光伏模組以及一連接器。光伏模組包括複數個微型光伏模組，每個微型光伏模組係由複數光伏電池串接而成。連接器包括複數個串聯連接的直流-直流轉換模組，並且每個直流-直流轉換模組包括一直流-直流轉換器係由光伏模組中之一者所供電，用以產生一輸出電壓；以及一控制模組，用以感測輸出電壓，並根據所感測之輸出電壓，控制直流-直流轉換器，使得直流-直流轉換器操作於一預設輸出功率。
本發明亦提供一種能量採集系統，包括複數個直流電源轉換模組串列以及一直流-交流轉換模組。直流電源模組串列係並聯地連接，用以提供一第一輸出電壓以及一輸出電流，且每個直流電源模組串列包括複數個串聯連接的光伏轉換模組。每個光伏轉換模組包括一光伏模組，由複數微型光伏模組串接而成；以及一第一直流-直流轉換模組。第一直流-直流轉換模組包括一直流-直流轉換器，由光伏模組所供電，用以產生一第二輸出電壓；以及一控制模組，用以感測第二輸出電壓，並根據所感測之第二輸出電壓，控制直流-直流轉換器，使得直流-直流轉換器操作於一第一預設輸出功率。直流-交流轉換模組耦接至直流電源轉換 模組串列，用以產生一交流電壓。
本發明亦提供一種連接器，包括至少一直流-直流轉換模組，而直流-直流轉換模組包括一直流-直流轉換器以及一控制模組。直流-直流轉換器係由一直流電源模組所供電，用以產生一輸出信號。控制模組用以感測直流-直流轉換模組之一反映信號，並根據所感測之反映信號，控制直流-直流轉換器，使得直流電源轉換模組操作於一預設輸出功率，其中反映信號係用以反映直流-直流轉換器之輸出信號。
第6A圖係為本發明中之分散式直流電源轉換模組之一實施例，此分散式直流電源轉換模組具有最大功率範圍(maximum power range；MPR)之輸出特性。在此實施例中，分散式直流電源轉換模組600係可為一直流電源轉換模組，例如光伏轉換模組(PV conversion module)，但不限定於此。分散式直流電源轉換模組600包含一直流電源模組610。在某些實施例中，直流電源模組610亦可為光伏模組、微型光伏模組(光伏串列)、光伏電池單元，亦可由其他型態的直流電源所取代，例如燃料電池、車用電池，但不限定於此。
如圖所示，分散式直流電源轉換模組600包括一直流電源模組610(例如光伏模組)以及一直流-直流轉換模組620。光伏模組610由一個或多個光伏電池單元所構成，亦可看作光伏面板之一部分，但不限定於此。當分散式直流 電源轉換模組600之輸出電流IOUT為所需電流值時，分散式直流電源轉換模組600之輸出功率相對於其輸出電壓VOUT具有一最大功率範圍。舉例而言，當輸出電壓VOUT高於一下限值或低於一上限值時或在某一區域內，分散式直流電源轉換模組600的輸出功率都基本維持在一預設輸出功率。在此實施例中，預設輸出功率係為最大(輸出)功率，但不限定於此。換言之，此時輸出電壓VOUT不需固定在一特定值，只需在一範圍內皆可使得分散式直流電源轉換模組600的輸出功率為最大功率。此外，當分散式直流電源轉換模組600之輸出電壓VOUT為所需電壓值時，分散式直流電源轉換模組600之輸出功率相對於其輸出電流IOUT亦具有一最大功率範圍。同樣地，此時輸出電流IOUT不需固定在一特定值，只需在一範圍內皆可使得分散式直流電源轉換模組600的輸出功率為最大功率。直流-直流轉換模組620可以為一脈波寬度調變(PWM)轉換模組，也可以為一諧振轉換模組。
第6B圖係為本發明中分散式直流電源轉換模組之另一實施例。相較於第6A圖中所示之架構，分散式直流電源轉換模組600”中之直流-直流轉換模組係由一直流-直流轉換模組620”與一控制模組630所構成。控制模組630係用以感測分散式直流電源轉換模組600”中反映輸出電流IOUT或輸出電壓VOUT的信號，即反映直流-直流轉換模組620”的輸出電流IOUT或輸出電壓VOUT的信號(例如輸出電壓VOUT或輸出電流IOUT信號)，並根據所感測到之反映輸出電壓VOUT或輸出電流IOUT的信號控制直流- 直流轉換模組620”之工作占空比或工作頻率，使得直流-直流轉換模組620”的輸出功率基本為一預設輸出功率。在此實施例中，預設輸出功率係為最大(輸出)功率，但不限定於此。此時，分散式直流電源轉換模組600”的輸出功率亦會是最大功率。第2圖中之先前技術需要兩個感測器來感測光伏模組之輸出電流與輸出電壓，再接著藉由一乘法器加以相乘。然而，本實施例中僅需感測輸出電壓VOUT與輸出電流IOUT中之一者來控制直流-直流轉換模組620”，即可將分散式直流電源轉換模組600操作在最大功率範圍內。在此實施例中，當直流-直流轉換模組620”操作在最大功率時，分散式直流電源轉換模組600與直流電源模組610(例如光伏模組、微型光伏模組或光伏電池單元)亦會操作在最大功率。因此，此實施例相較於第2圖中之先前技術可具有較低的成本與較簡單的架構。
本發明中分散式直流電源轉換模組的另一實施例如第6圖所示，分散式直流電源轉換模組600”中的直流-直流轉換模組是由一直流-直流轉換模組620”與一控制模組630所構成。其中控制模組630，用以感測上述直流-直流轉換模組的一反映信號，並根據所感測的上述反映信號，控制上述直流-直流轉換器，使得上述直流電源轉換模組操作於一預設輸出功率，其中上述反映信號是用以反映上述直流-直流轉換器的上述輸出信號。該輸出信號的值在一預設區間時，上述直流電源轉換模組操作於預設輸出功率，例如最大輸出功率。因此，此實施例相較於第2圖中的習知技術可具有較低的成本與較簡單的架構且最大功率輸出 為一個區間，而不是一個點，易於操作和控制。
第7A圖係為本發明中分散式直流電源轉換模組之另一實施例。在此實施例中，分散式直流電源轉換模組700包括一直流電源模組710(例如光伏模組、微型光伏模組或光伏電池單元)、一降壓轉換器(buck converter)720以及一控制模組730。降壓轉換器720係由直流電源模組710所供電，意即由直流電源模組710獲取電力/能量(例如電壓與電流)。控制模組730用以感測降壓轉換器720之輸出電壓VOUT，並根據所感測到之輸出電壓VOUT控制降壓轉換器720之工作占空比，以便使得分散式直流電源轉換模組700操作在最大功率範圍MPR1內，同時直流電源模組710亦操作在其最大功率點。在此實施例中，降壓轉換器720與控制模組730係構成一個具有最大功率範圍之直流-直流轉換模組。在某些實施例中，控制模組730亦可感測分散式直流電源轉換模組700中反映輸出電流IOUT或輸出電壓VOUT的信號，例如降壓轉換器720之輸出電流IOUT，但不限定於此。
第7B圖係為分散式直流電源轉換模組700之輸出電流與輸出功率相對於輸出電壓的特性曲線。如圖所示，曲線a1係為分散式直流電源轉換模組700的輸出功率相對於輸出電壓VOUT之特性曲線。在一既定條件下，只要控制降壓轉換器720之輸出即可使得直流電源模組710操作在其最大功率點，並不需要控制直流電源模組710之輸出。換言之，在此實施例中，分散式直流電源轉換模組700之最大功率範圍特性係用以取代直流電源模組710之最大功率 點特性。相較於使用直流電源模組710之最大功率點特性，在此實施例中使用分散式直流電源轉換模組700之最大功率範圍特性將可更容易地使直流電源模組710操作在其最大功率點。如第7B圖中所示，當降壓轉換器720之輸出電壓VOUT在小於某一電壓VB的一電壓範圍內(例如電壓VA至VB之間，其中電壓VA可以無限小，接近零)，分散式直流電源轉換模組700皆可操作在其最大功率點之上。換言之，分散式直流電源轉換模組700具有一最大功率範圍MPR1，而非只有一個最大功率點。因此，只要將分散式直流電源轉換模組700的輸出電壓VOUT控制在最大功率範圍MPR1所對應之一最大電壓VB內，即可輕易地將直流電源模組710操作在其最大功率點。除此之外，曲線b1係為分散式直流電源轉換模組700的輸出電流相對於輸出電壓之特性曲線。在某些實施例中，控制模組730亦可感測降壓轉換器720之輸出電流IOUT，並根據所感測到之輸出電流IOUT控制降壓轉換器720之工作占空比或頻率，以便使得分散式直流電源轉換模組700操作在一最大功率範圍內。
第8A圖係為本發明中分散式直流電源轉換模組之另一實施例。在此實施例中，分散式直流電源轉換模組800包括一直流電源模組(例如光伏模組、微型光伏模組或光伏電池單元)810、一升壓轉換器(boost converter)820以及一控制模組830。升壓轉換器820係由直流電源模組810所供電，意即由直流電源模組810獲取電力/能量。控制模組830用以感測升壓轉換器820之輸出電壓VOUT，並根據所感 測到之輸出電壓VOUT控制升壓轉換器820之工作占空比，以便使得分散式直流電源轉換模組800操作在最大功率範圍MPR2內，同時直流電源模組810亦操作在其最大功率點。在此實施例中，升壓轉換器820與控制模組830係構成一個具有最大功率範圍之直流-直流轉換模組。在某些實施例中，控制模組830亦可感測分散式直流電源轉換模組800中反映輸出電流IOUT或輸出電壓VOUT的信號，例如升壓轉換器820之輸出電流IOUT，但不限定於此。
第8B圖係為分散式直流電源轉換模組800之輸出電流與輸出功率相對於輸出電壓VOUT的特性曲線。如圖所示，曲線a2係為分散式直流電源轉換模組800的輸出功率相對於輸出電壓VOUT之特性曲線。在一既定條件下，只要控制升壓轉換器820之輸出電壓VOUT即可使得直流電源模組810操作在其最大功率點，並不需要控制直流電源模組810之輸出。換言之，在此實施例中，分散式直流電源轉換模組800之最大功率範圍特性係用以取代直流電源模組810之最大功率點特性。相較於使用直流電源模組810之最大功率點追踨特性，在此實施例中使用分散式直流電源轉換模組800之最大功率範圍特性將可更容易地使直流電源模組810操作在其最大功率點。如第8B圖中所示，當升壓轉換器820之輸出電壓VOUT在高於電壓VC的一電壓範圍內(例如電壓VC至VD)時，分散式直流電源轉換模組800皆操作在其最大功率狀態。換言之，分散式直流電源轉換模組800具有一最大功率範圍MPR2，而非一個最大功率點。曲線b2係為分散式直流電源轉換模組800的輸 出電流相對於輸出電壓VOUT之特性曲線。在某些實施例中，控制模組830亦可感測升壓轉換器820之輸出電流IOUT，並根據所感測到之輸出電流IOUT控制升壓轉換器820之工作占空比，以便使得分散式直流電源轉換模組800操作在一最大功率範圍內。
第9A圖係為本發明中分散式直流電源轉換模組之另一實施例。在此實施例中，分散式直流電源轉換模組900包括一直流電源模組910、一升降壓轉換器(buck-boost conversion module)920以及一控制模組930。升降壓轉換器920係由直流電源模組910所供電，意即由直流電源模組910獲取電力/能量。控制模組930用以感測升降壓轉換器920之輸出電壓VOUT，並根據所感測到之輸出電壓VOUT控制升降壓轉換器920之工作占空比，以便使得分散式直流電源轉換模組900操作在最大功率範圍之內，同時直流電源模組910亦操作在其最大功率點。在此實施例中，升降壓轉換器920與控制模組930係構成一個具有最大功率範圍之直流-直流轉換模組。在某些實施例中，控制模組930亦可感測分散式直流電源轉換模組900中反映輸出電流IOUT或輸出電壓VOUT的信號，例如升降壓轉換器920之輸出電流IOUT，但不限定於此。
第9B圖係為分散式直流電源轉換模組900之輸出電流與輸出功率相對於輸出電壓的特性曲線。如圖所示，曲線a3係為分散式直流電源轉換模組900的輸出功率相對於輸出電壓VOUT之特性曲線。在一既定條件下，只要控制升降壓轉換器920之輸出即可使得直流電源模組910操作在 其最大功率點之下，並不需要控制直流電源模組910之輸出。換言之，在此實施例中，分散式直流電源轉換模組900之最大功率範圍特性係用以取代直流電源模組910之最大功率點特性。相較於使用直流電源模組910之最大功率點特性，在此實施例中使用分散式直流電源轉換模組900之最大功率範圍特性將可更容易地使直流電源模組910操作在其最大功率點。如第9B圖中所示，無論升降壓轉換器920之輸出電壓VOUT大於或小於既定電壓VE，分散式直流電源轉換模組900皆可係操作在其最大功率點。換言之，分散式直流電源轉換模組900具有一最大功率範圍MPR3(理論上為全電壓範圍)，而非一個最大功率點。曲線b3係為分散式直流電源轉換模組900的輸出電流相對於輸出電壓之特性曲線。在某些實施例中，控制模組930亦可感測升降壓轉換器920之輸出電流IOUT，並根據所感測到之輸出電流IOUT控制升降壓轉換器920之工作占空比，以便使得分散式直流電源轉換模組900操作在一最大功率範圍內。
第9C圖係為本發明中分散式直流電源轉換模組之另一實施例。在此實施例中，分散式直流電源轉換模組950包括一直流電源模組960、一諧振轉換器970以及一控制模組980。諧振轉換器970係由直流電源模組960所供電，意即由直流電源模組960獲取電力/能量。控制模組980用以感測諧振轉換器970之輸出電壓VOUT，並根據所感測到之輸出電壓VOUT控制諧振轉換器970之工作頻率，以便使得分散式直流電源轉換模組950操作在最大功率範圍 之內，同時直流電源模組960亦操作在其最大功率點。在此實施例中，諧振轉換器970與控制模組980係構成一個具有最大功率範圍之直流-直流轉換模組。在某些實施例中，控制模組980亦可感測分散式直流電源轉換模組950中用以反映輸出電流IOUT或輸出電壓VOUT的信號，例如諧振轉換器970中諧振電容上的電壓(亦稱為諧振電容電壓)、高頻變壓器上之電流(例如激磁電感電流或諧振電流或變壓器原邊繞組的電流或變壓器副邊繞組的電流)中之一者或多者，但不限定於此。
第10A圖係為本發明中分散式直流電源轉換模組之另一實施例。如圖所示，分散式直流電源轉換模組1000包括一直流電源模組(例如光伏模組、微型光伏模組或光伏電池單元)1001、一直流-直流轉換器1002以及一控制模組1008，該控制模組包括一預擾動模組1006及一控制回路。直流-直流轉換器1002係由直流電源模組1001所供電，而控制模組1008係採樣直流-直流轉換模組1002之輸出電壓VOUT(或輸出電流)，用以控制直流-直流轉換器1002。控制模組1008包括一負採樣模組1003、一正採樣模組1004、一誤差放大模組1005以及一預擾動(perturb)模組1006。控制回路包括一負採樣模組1003、一正採樣模組1004、一誤差放大模組1005。預擾動模組1006用以提供一預擾動信號PS用以擾動直流-直流轉換器1002的工作占空比或工作頻率，並且預擾動信號PS會影響直流-直流轉換器1002的輸出電壓VOUT(或輸出電流)。正採樣模組1004與負採樣模組1003係耦接至直流-直流轉換器1002的輸出端，用以 採樣直流-直流轉換器1002的輸出(例如輸出電壓VOUT或輸出電流)。但在其他實施例中正採樣模組1004與負採樣模組1003也可耦接至直流-直流轉換器1002的其他部份，只要可以對反映信號(反映輸出電流信號或輸出電壓信號)採樣即可。誤差放大模組1005則根據正採樣模組1004與負採樣模組1003所採樣到的信號，產生一誤差放大信號ES。預擾動模組1006的預擾動信號PS與誤差放大信號ES係送至一組合模組(例如一比較器)1007進行相加(或相減)並與一三角波或鋸齒波比較，用以產生一控制信號CS，用以控制直流-直流轉換器1002的工作頻率或工作占空比。
在一實施例中，第10A圖中之控制模組1008可由硬體電路所實現，但不限定於此。在某些實施例中，第10A圖中之控制模組1008亦可由執行於一數位信號處理器之軟體程式所實現。第10B圖係為第10A圖中分散式直流電源轉換模組1000的控制流程圖。首先，於步驟S10中，產生一預擾動信號，用以擾動分散式直流電源轉換模組1000之控制迴路。舉例而言，擾動上述控制迴路的步驟可包括將一高電平(例如一固定電壓)耦接至控制迴路一固定時間T1，以及將一低電平(例如接地電壓)耦接至控制迴路一固定時間T2，其中高低電平係交錯地耦接至控制迴路。於步驟S12中，對分散式直流電源轉換模組1000之輸出電壓或輸出電流進行正採樣與負採樣。舉例而言，正採樣係在高電平(例如一固定電壓)耦接至控制迴路時，用以產生第一採樣信號，而負採樣係在低電平(例如接地電壓)耦接至控制迴路時，用以產生第二採樣信號。接著，於步驟S14中， 根據所採樣到的信號，產生一誤差放大信號。最後，於步驟S16中，將誤差放大信號與預擾動信號相加(或相減)送入比較器，用以產生一控制信號，以便控制直流-直流轉換器1002的工作頻率或工作占空比，使得分散式直流電源轉換模組1000操作在一最大輸出功率。
第10C圖係為本發明中分散式直流電源轉換模組之另一實施例。如圖所示，如圖所示，分散式直流電源轉換模組1000”包括一直流電源模組1021、一降壓轉換器1025、一採樣模組1030、一誤差放大模組1040、一預擾動模組1050以及一比較器1060。在某些實施例中，降壓轉換器1025亦可由其他型態之轉換器所取代，例如一升壓轉換器、一升降壓轉換器、一返馳式轉換器、一順向式轉換器或一諧振轉換器，但不限定於此。再者，採樣模組1030、誤差放大模組1040、預擾動模組1050以及比較器1060可視為第10A圖中控制模組1008之一具體實施例。直流電源模組1021係用以供電至降壓轉換器1025，採樣模組1030係耦接至降壓轉換器1025之輸出端，用以感測降壓轉換器1025之輸出電壓VOUT。採樣模組1030包括一正採樣開關1032以及一負採樣開關1033，用以採樣降壓轉換器1025之輸出電壓VOUT。採樣模組1030所採樣到的輸出電壓VOUT係送至誤差放大模組1040。誤差放大模組1040係可為一比例放大器、一積分放大器或一差動放大器，用以根據採樣模組1030所採樣到的輸出電壓，產生一誤差放大信號ES。舉例而言，誤差放大模組1040可包括一積分電容，用以作為積分的功能。預擾動模組1050包括一正擾動開關 1051以及一負擾動開關1052，用以產生預擾動信號PS。預擾動信號PS與誤差放大信號皆被輸入至比較器1060之正輸入端，以便進行相加，而比較器1060則根據預擾動信號PS與誤差放大信號ES的相加結果與負輸入端上之一三角波信號TS進行比較，產生一控制信號CS，用以控制降壓轉換器1025之工作占空比。在此實施例中，比較器1060係用作為第10A圖中之組合單元。第10D圖係為第10C圖中正、負擾動開關與正、負採樣開關之波形圖。如圖所示，波形1081與1082分別為正擾動開關1051與負擾動開關1052之切換波形，而波形1091與1092分別為正採樣開關1032與負採樣開關1033之切換波形。在本實施例中，正採樣開關1032與負採樣開關1033交替地開通進行採樣，其採樣頻率遠低於降壓轉換器1025的開關頻率。舉例而言，降壓轉換器1025的開關頻率為500KHz，而正採樣開關1032和負採樣開關1033的開關頻率為20KHz。在某些實施例中，為正採樣開關1032與負採樣開關1033可分別視作一正採樣模組與一負採樣模組。第11圖係為直流電源轉換模組中降壓轉換器之輸出電壓VOUT與工作占空比的關係圖。
第12A圖係為本發明中能量採集系統之一實施例。如圖所示，量能採集系統1200包括一光伏模組1210以及一連接器1220。光伏模組1210係由數個微型光伏模組(即光伏單元串列)1211~1213所構成，每個微型光伏模組(即光伏單元串列)係由複數個(例如18-20個)光伏電池單元(cell)串接而成。連接器1220包括數個具有最大功率範圍之直流- 直流轉換模組1231~1233，直流-直流轉換模組1231~1233的輸出係串聯地連接，並且每個直流-直流轉換模組係由一對應的微型光伏模組所供電，以便由微型光伏模組中取得電力/能量。每個直流-直流轉換模組1231~1233之動作係第6A、6B、7A、8A、9A、9C、10A、10C中所述者相似，於此不再累述。
第12B圖係為本發明中能量採集系統之另一實施例。如圖所示，能量採集系統1200”包括一光伏模組串列1240以及連接器1250~125N。光伏模組串列1240係由數個光伏模組1241~124N所構成，每個光伏模組係由複數個串聯連接的微型光伏模組12411所構成。微型光伏模組12411係由複數個光伏電池單元串接成所構成。每個光伏模組與一個連接器耦接。連接器1250包括一個具有最大功率範圍之直流-直流轉換模組1271以及數個旁路二極體1260。直流-直流轉換模組1271~127N係串聯地連接，並且每個直流-直流轉換模組係由一對應的光伏模組所供電，以便由光伏模組中取得電力/能量。一般而言，微型光伏模組12411中光伏電池的個數係18-20個，但不限定於此。此外，相較於第12A圖之實施例，連接器1250中更包括複數個旁路二極體1260所串接而成的旁路二極體串列，每個旁路二極體串列耦接在對應的直流-直流轉換模組之二輸入端之間。在此實施例中，每個微型光伏模組12411皆與一個對應的旁路二極體1260耦接，並且旁路二極體1260之陽極係耦接至所對應的微型光伏模組12411之負輸出端，而其陰極係耦接至所對應之微型光伏模組12411之正輸出端。 在某些實施例中，每個直流-直流轉換模組之輸入端之間亦可只連接一個旁路二極體1260。每個分散式直流-直流轉換模組1271~127N之動作係第6A、6B、7A、8A、9A、9C、10A、10C中所述者相似，於此不再累述。
第13A圖本發明中能量採集系統之一實施例。如圖所示，能量採集系統1300包括兩個直流電源轉換模組串列1301與1302、一具有最大功率點追蹤功能的第二直流-直流轉換模組1303以及一直流-交流轉換模組1304。需注意的是，本實施例中能量採集系統1300包括兩個直流電源轉換模組串列1301與1302僅為了說明方便，但不限定於此。在某些實施例中，能量採集系統1300亦可包括更多的直流電源轉換模組串列1301與1302。
每個直流電源轉換模組串列1301與1302皆由複數光伏模組與複數個具有最大功率範圍的直流-直流轉換模組所構成，其中光伏模組與直流-直流轉換模組的連接關係可參考第12A圖或第12B圖。舉例而言，直流電源轉換模組串列1301包括光伏模組1320~1329與直流-直流轉換模組1330~1339，而模組串列1302則包括光伏模組1340~1349與直流-直流轉換模組1350~1359。再者，每個光伏模組係連接至一對應的直流-直流轉換模組用以構成一光伏轉換模組。舉例而言，光伏轉換模組1310係由光伏模組1320與直流-直流轉換模組1330所構成。這些光伏轉換模組(例如1310)串聯連接成直流電源轉換模組串列1301與1302。在某些實施例中，光伏模組1320~3219與1340~1349，直流-直流轉換模組1330~1339與1350~1359係設置於戶外， 其中直流-直流轉換模組1330~1339與1350~1359置於連接器中。如前所述，由於本發明之光伏轉換模組具有最大功率範圍的輸出特性，故可輕易地將所連接之光伏模組的功率調整至最佳化，並有效率地轉換來自直流-直流轉換模組之輸入端的電力/能量。在某些實施例中，光伏模組亦可由其他型態之直流電源所取代，例如燃料電池、車用電池，但不限定於此。
每個直流-直流轉換模組1330~1339與1350~1359包括一直流-直流轉換器，由一對應之光伏轉換模組所供電，用以輸出一輸出信號(即輸出電壓及/或輸出電流信號)，以及一控制模組，用以接收光伏轉換模組之輸出電壓或輸出電流作為一迴授信號來控制直流-直流轉換器。舉例而言，直流-直流轉換模組1330~1339與1350~1359係可為PWM轉換器，例如降壓轉換器、升壓轉換器、升降壓轉換器、返馳式轉換器(flyback converter)或順向式轉換器(forward converter)所構成，或為諧振轉換器如串聯諧振轉換器(LLC諧振轉換器)或並聯諧振轉換器，但不限定於此。舉例而言，此控制模組為一最大功率範圍(MPR)控制模組。直流-直流轉換模組1330~1339與1350~1359中的最大功率範圍(MPR)模組用以輕易地將光伏模組操作在最大功率點之上。舉例而言，每個直流-直流轉換模組1330~1339與1350~1359可為第6A、6B、7A、8A、9A、10A、10C、12A、12B中所述之直流-直流轉換模組，但不限定於此。
具有最大功率點追蹤功能的第二直流-直流轉換模組1303則用以抽取來自直流電源轉換模組串列1301與1302 之電力/能量，並加以轉換成直流-交流轉換模組1304的輸入電壓。第二直流-直流轉換模組1303接收由所有光伏轉換模組所抽取出之電流，並為此電流追蹤到最大功率點，以便提供一最大平均功率。因此，若有過多的電流被抽取，則會開始減少來自光伏轉換模組的平均電壓，藉以降低所採集的電力/能量。換言之，第二直流-直流轉換模組1303用以將電流維持在可讓整個能量採集系統1300產生最大平均功率。
光伏模組、日照(solar radiance)、環境溫度、或來自近物(例如樹)或遠方物(例如雲)的遮蔽都會影響到由光伏模組所獲得的能量。根據所使用之光伏模組的數量與型態，所獲得能量在電壓與電流上會有很大的變化。因此，擁有人甚至是專業的安裝人員都難以驗證這個系統的正確動作。再者，隨著時間的變化，許多因素(例如老化、灰塵與污染物堆積以及模組的退化)都會影響光伏模組的效能。
本實施例所提供的架構可決定這些相關的問題。舉例而言，此架構可用以串聯連接不匹配的能量源，例如不匹配的光伏模組(面板)、不同型態或不額定功率之光伏模組，甚至是不同製造商或不同半導體材料之光伏模組。本實施例所提供的架構亦允許操作在不同條件下的能量源(例如照射不同日照或具有不同溫度條件的光伏模組)串聯連接。本實施例所提供的架構亦允許串聯連接的能量源位於不同的方向或屋頂的不同地方。上述優點將在後面詳加說明。
在本發明之一實施例中，直流-直流轉換模組 1330~1339與1350~1359的輸出係串聯地連接成單一的直流電壓VDC，用以作為負載或電源供應器(例如具有最大功率點追蹤功能的第二直流-直流轉換模組1303)之輸入。直流-交流轉換模組1304用以將第二直流-直流轉換模組1303所輸出之直流電壓轉換成所需的交流電壓VAC。舉例而言，此交流電壓VAC可為110V或220V且60Hz的交流電壓、或220V且50Hz的交流電壓。需注意的是，即使在美國仍有多種轉換器會產生220V的交流電壓，但隨後分成兩個110V饋入電箱中。由直流-交流轉換模組1304所產生的交流電壓VAC會被用以操作電器產品或饋入電源網路中，或者藉由一轉換暨充/放電電路(conversion and charge/discharge circuit)，儲存至一電池中。在一個電池式的應用中，直流-交流轉換模組1304亦可以被省略，第二直流-直流轉換模組1303的直流輸出將直接藉由充/放電電路儲存至電池中。
在習知技術中，負載(例如直流-直流轉換器或交流直流轉換器)允許其輸入電壓隨著有效功率(available power)而變化。舉例而言，當光伏設備受到大量的陽光照射時，轉換器的輸入電壓甚至可變高到1000伏特。換言之，當日照改變時，電壓亦隨之變化，且轉換器中之電子元件亦需承受會不穩定的電壓。因此，這將使得電子元件的性能產生退化，並最終使得這些電子元件發生故障。另一方面，藉由固定輸入至轉換器(或其他電源供應器或負載)的電壓或電流，這些電子元件只需承受相同的電壓或電流，故可延長其壽命。舉例而言，可對負載的元件(例如轉換模組之電 容、開關與線圈)加以選擇，以便這些元件操作在固定的壓壓或電流(例如其額定值的60%)之下。如此一來，將可提升元件的可靠度並延長其服務年限，這對需要避免中斷服務的應用(例如光伏供電系統)是十分關鍵的。在此實施例中，具有最大功率點追蹤功能的第二直流-直流轉換模組1303之輸入是可變動的，而其輸出是固定的。
第13A圖與第13B圖係用以說明本發明實施例中之能量採集系統1300在不同操作條件下的動作。
如圖所示，光伏模組1320~1329分別地連接至十個直流-直流轉換模組1330~1339。由光伏模組(直流電源)1320~1329與其對應之直流-直流轉換模組1330~1339所構成的光伏轉換模組係串聯地成一直流電源轉換模組串列1301。在某一實施例中，這些串聯連接的直流-直流轉換模組1330~1339係耦接至一具有最大功率點追蹤功能的第二直流-直流轉換模組1303，而直流-交流轉換模組1304係耦接至第二直流-直流轉換模組1303的輸出端。
在此實施例中直流電源係以光伏模組為例，並以相關之光伏面板加以說明。在某些實施例中，光伏模組亦可由其他型態之直流電源所取代。在此實施例中，光伏模組1320~1329可由於製程容限、遮蔽或其他因素，而具有不同的輸出功率。為了詳加說明此實施例，第13A圖係為一理想範例，假設直流-直流轉換模組(例如降壓轉換器)1330~1339之效率可達到100%，並且光伏模組1320~1329是完全一致的。在本發明之實施例中，直流-直流轉換模組1330~1339的效率非常的高，大約在95%~99% 之間。因此，為了加以說明將其假設為100%並非不合理。再者，每個直流-直流轉換模組1330~1339作為一電源轉換器，意即它們可在很小的損失之下，將所接收到的輸入轉換成其輸出。
每個光伏模組的輸出功率可藉由所對應之直流-直流轉換模組1330~1339中的控制模組與最大功率點追蹤功能的第二直流-直流轉換模組1303中之控制迴路而維持在最大功率點。如第13A圖中所示，所有的光伏模組皆完整地受到太陽光的照射，並且每個光伏模組都可提供200瓦的能量(功率)。
如前所述，在本實施例中，直流-交流轉換模組1304的輸入電壓是由直流-直流轉換模組所控制的(例如維持在一固定值)。舉例而言，在此實施例中為了說明方便，假設直流-交流轉換模組1304的輸入電壓為400V(即用以轉換成220V交流電壓VAC的理想電壓值)。由於直流-直流轉換模組1330~1339之每一者皆提供200瓦的能量，所以提 供至直流-交流轉換模組1304的輸入電流可為安培。因此，流經每個直流-直流轉換模組1330~1339的電流IA亦必須要5安培，這表示在此理想實施例中每個直流-直流轉換模組1330~1339所提供的輸出電壓為伏特。同樣地，流經每個直流-直流轉換模組1350~1359的電流IB亦必須要5安培，且所提供的輸出電壓為伏特。
第13B圖係為能量採集系統1300在非理想環境條件下 的實施例。在此實施例中，光伏模組1329由於被遮蔭，例如僅能提供100瓦的能量。在某些實施例中，直流電源(例如光伏模組)亦有可能因為過熱、功能失常…等等因素，而只能提供較少的能量。由於光伏模組1320~1328未被遮蔽，故仍然可以產生200瓦的能量。具有最大功率範圍之直流-直流轉換模組1339係用以將光伏轉換模組的操作維持在最大功率點，在此最大功率點已因為遮蔽而降低。
此時，由直流電源轉換模組串列1301所取得的總能量為9×200W+100W=1900瓦。由於直流-交流轉換模組1304的輸入電壓仍然維持在400伏特，且第二直流-直流轉換模組1303的輸入電壓已經下降，例如下降至380伏特，所以直 流電源轉換模組串列1301的電流IA為安培，這表示在直流電源轉換模組串列1301中流經每個直流-直流轉換模組1330~1339的電流IA亦必須在5安培。因此，對未被遮蔽的光伏模組1320~1328而言，其對應的直流-直流轉 換模組1330~1338的輸出電壓為伏特。另一方面，被遮蔽的光伏模組1329所附屬之直流-直流轉換模組1339 的輸出電壓為伏特。
由於直流-直流轉換模組1330~1339具有最大功率範圍的特性，故其可輕易地藉由直流-直流轉換模組達到光伏模組1320~1329的最大功率點追蹤。
能量採集系統1300之另一模組串列1302中，所有的光伏模組並未被遮蔽且其輸出功率為200瓦。由於第二直流-直流轉換模組1303的輸入電壓降為380伏特，故模組 串列1302的輸出電流IB為安培。
如此範例所述，無論操作條件(環境條件)為何，所有的光伏模組皆會操作在其最大功率點之上。因此，即使有一直流電源(光伏模組)的輸出大幅度地下降，系統仍然可藉由直流-直流轉換模組之最大功率範圍的特性與第二直流-直流轉換模組1303的最大功率點追蹤控制，維持在相當高的輸出功率，以便在最大功率點之下，由光伏模組抽取能量。
在某些實施例中，具有最大功率點追蹤控制之一直流-交流轉換模組，可用以取代第二直流-直流轉換模組1303與直流-交流轉換模組1304，故第二直流-直流轉換模組1303可被省略。在另一實施例中，直流-交流轉換模組1304亦可被省略，而將第二直流-直流轉換模組1303的直流輸出直接饋入一充/放電電路，例如電池中。
第14A圖係為能量採集系統之另一實施例。在此實施例中，直流轉換模組1430-1439與1450-1459未工作在其最高電壓點，直流電源轉換模組串列1401與1402的輸出電壓較第13圖所對應的實施例中的電壓低，例如為360伏特，但不限於此。在此實施例中，直流電源轉換模組串列1401與1402的輸出電壓為固定值，例如為360伏特。第二直流-直流轉換模組1403則用以將直流電源轉換模組串列1401與1402的輸出電壓(例如360伏特)提升至380伏特或更高。由於光伏模組1420~1429與1440~1449之每一者皆提供200瓦的能量，故流經每個直流-直流轉換模組1430~1439與1450~1459的電流IC與ID亦必須要 安培，這表示在此理想範例中每個直流-直流轉換模組1430~1439與1450~1459所提供的輸出電壓為伏特。
第14B圖為第14A圖中之能量採集系統1400操作在非理想環境條件下的實施例。在能量採集系統1400之模組串列1402中，所有的光伏模組1440~1449並未被遮蔽且其輸出功率為200瓦。由於第二直流-直流轉換模組1403的輸入電壓仍為360伏特，故模組串列1402的輸出電流仍為安培，並且直流-直流轉換模組1450~1459所 提供的輸出電壓仍為伏特。
然而，在此範例中之光伏模組1429被遮蔽，例如僅能提供100瓦的能量。因此，光伏模組1429所對應的直流-直流轉換模組1439的輸出電壓也下降，例如下降到18伏特。因為直流電源轉換模組串列1401的輸出電壓未變，仍然是360伏特，所以直流-直流轉換模組1430~1438的輸出電壓皆為伏特(此實施中的直流-直流轉換模組1430~1438並未工作在最高輸出電壓值，故其輸出電壓仍可以上升)。因此，所有的直流-直流轉換模組1430~1439與1450~1459可藉由其最大功率範圍之輸出特性，將整個能量採集系統1400操作在最大功率點之上。
如此實施例所述，無論操作條件(環境條件)為何，所有的光伏模組1420~1429與1440~1449皆會操作在其最大功率之上。在本發明之實施例中，最大功率範圍(MPR)內直流-直流轉換模組係可設置於連接器(junction box)內，但不 限定於此。在某些實施例中，當光伏模組後面所接的直流-直流轉換模組包括升壓轉換器時，光伏模組或連接器內之旁路二極體皆可以省略。在某些實施例中，具有最大功率點追蹤控制之一直流-交流轉換模組，可用以取代第二直流-直流轉換模組1403與直流-交流轉換模組1404，故第二直流-直流轉換模組1403可被省略。在另一實施例中，直流-交流轉換模組1404亦可被省略，而將第二直流-直流轉換模組1403的直流輸出直接饋入一充/放電電路，例如電池中。
雖然本發明以較佳實施例揭露如上，但並非用以限制本發明。此外，習知技藝者應能知悉本發明申請專利範圍應被寬廣地認定以涵括本發明所有實施例及其變型。
200、400、1200、1200”、1300、1400‧‧‧能量採集系統
210‧‧‧光伏面板
211‧‧‧正輸出端
212‧‧‧負輸出端
220、520‧‧‧直流-直流轉換器
221‧‧‧最大功率點追蹤控制器
222‧‧‧電壓感測器
223‧‧‧電流感測器
224‧‧‧乘法器
230‧‧‧負載
310~312、12411、1211~1213‧‧‧微型光伏模組
320、410、510、1210、1241~124N、1320~1329、1340~1349、1420~1429、1440~1449‧‧‧光伏模組
610、710、810、910、960、1001、1021‧‧‧直流電源模組
330、1220、1250~125N‧‧‧連接器
331~333、1260‧‧‧旁路二極體
420‧‧‧模組串列
430‧‧‧最大功率追踨模組
440‧‧‧直流-交流轉換器
600、600”、700、800、900、950、1000、1000”、1271~127N‧‧‧分散式直流電源轉換模組
620、620”、1231~1233、1330~1339、1350~1359、1430~1439、1450~1459‧‧‧直流-直流轉換模組
630、730、830、930、980、1008‧‧‧控制模組
720、1025‧‧‧降壓轉換器
820‧‧‧升壓轉換器
920‧‧‧升降壓轉換器
970‧‧‧諧振轉換器
1002‧‧‧直流-直流轉換器
1003‧‧‧負採樣模組
1004‧‧‧正採樣模組
1005、1040‧‧‧誤差放大模組
1006、1050‧‧‧預擾動模組
1007‧‧‧組合模組
1030‧‧‧採樣模組
1032‧‧‧正採樣開關
1033‧‧‧負採樣開關
1051‧‧‧正擾動開關
1052‧‧‧負擾動開關
1060‧‧‧比較器
1081、1082、1091、1092‧‧‧波形
1240‧‧‧光伏模組串列
1301、1302、1401、1402‧‧‧直流電源轉換模組串列
1303、1403‧‧‧第二直流-直流轉換模組
1304、1404‧‧‧直流-交流轉換模組
1310‧‧‧光伏轉換模組
VDC‧‧‧直流電壓
VAC‧‧‧交流電壓
CS‧‧‧控制信號
ES‧‧‧誤差放大信號
PS‧‧‧預擾動信號
TS‧‧‧三角波信號
IOUT‧‧‧輸出電流
VOUT‧‧‧輸出電壓
VA~VE‧‧‧電壓
MPP‧‧‧最大功率點
IA~ID‧‧‧電流
MPR1~MPR3‧‧‧最大功率範圍
a1、b1、a2、b2、a3、b3‧‧‧曲線
T1、T2‧‧‧固定時間
本發明能夠以實施例伴隨所附圖式而被理解，所附圖式亦為實施例之一部分。習知技藝者應能知悉本發明申請專利範圍應被寬廣地認定以涵括本發明之實施例及其變型，其中：
第1圖係用以說明光伏電池之電壓特性曲線與電流特性曲線。
第2圖係用以說明一能量採集系統之最大功率點追蹤原理的相關技術。
第3圖係用以說明一連接器的相關技術，此連接器係耦接至能量採集系統中不含有旁路二極體的光伏模組。
第4圖係說明具有最大功率點追踨控制之集中式能量採集系統的相關技術。
第5圖係為另一種集中式能量採集系統。
第6A圖係為本發明中分散式直流電源轉換模組之一實施例。
第6B圖係為本發明中分散式直流電源轉換模組之另一實施例。
第7A圖係為本發明中分散式直流電源轉換模組之另一實施例。
第7B圖係為分散式直流電源轉換模組之輸出電流與輸出功率相對於輸出電壓的特性曲線。
第8A圖係為本發明中分散式直流電源轉換模組之另一實施例。
第8B圖係為分散式直流電源轉換模組之輸出電流與 輸出功率相對於輸出電壓的特性曲線。
第9A圖係為本發明中分散式直流電源轉換模組之另一實施例。
第9B圖係為分散式直流電源轉換模組之輸出電流與輸出功率相對於輸出電壓的特性曲線。
第9C圖係為本發明中分散式直流電源轉換模組之另一實施例。
第10A圖係為本發明中分散式直流電源轉換模組之另一實施例。
第10B圖係為第10A圖中分散式直流電源轉換模組的控制流程圖。
第10C圖係為本發明中分散式直流電源轉換模組之另一實施例。
第10D圖係為第10C圖中正、負擾動開關與正、負採樣開關之波形圖。
第11圖係為光伏轉換模組中降壓轉換器之輸出電壓與工作占空比的關係圖。
第12A圖係為本發明中能量採集系統之一實施例。
第12B圖係為本發明中能量採集系統之另一實施例。
第13A圖係為本發明中能量採集系統之另一實施例。
第13B圖係為本發明中能量採集系統之另一實施例。
第14A圖係為本發明中能量採集系統之另一實施例。
第14B圖係為本發明中能量採集系統之另一實施例。
600”‧‧‧直流電源轉換模組
610‧‧‧直流電源模組
620”‧‧‧直流-直流轉換模組
630‧‧‧控制模組
VOUT‧‧‧輸出電壓
IOUT‧‧‧輸出電流

Claims (50)

  1. 一種直流電源轉換模組，包括：一直流電源模組；以及一直流-直流轉換模組，包括：一直流-直流轉換器，由上述直流電源模組所供電，用以產生一輸出信號；以及一控制模組，用以感測上述直流-直流轉換模組之一反映信號，並根據所感測之上述反映信號，控制上述直流-直流轉換器，使得上述直流電源轉換模組操作於一預設輸出功率，其中上述反映信號僅用以反映上述直流-直流轉換器之一輸出電壓與一輸出電流中之一者。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之直流電源轉換模組，其中上述預設輸出功率為最大輸出功率。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之直流電源轉換模組，其中當上述直流-直流轉換器之上述輸出信號的值在一預設區間時，上述直流電源轉換模組具有最大輸出功率。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之直流電源轉換模組，其中上述直流電源模組為一光伏模組、一微型光伏模組、一光伏電池單元、一燃料電池或一車用電池。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之直流電源轉換模組，其中上述控制模組係根據上述輸出信號，控制上述直流-直流轉換器之工作占空比。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之直流電源轉換模組，其中上述控制模組係根據上述輸出信號，控制上述直流-直流轉換器之工作頻率。
  7. 如申請專利範圍第3項所述之直流電源轉換模組，其中上述直流-直流轉換器為一脈寬調製轉換器。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之直流電源轉換模組，其中上述脈寬調製轉換器為一降壓轉換器、一升壓轉換器、一升降壓轉換器、一返馳式轉換器或一順向式轉換器。
  9. 如申請專利範圍第3項所述之直流電源轉換模組，其中上述直流-直流轉換器為一諧振轉換器。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之直流電源轉換模組，其中上述諧振轉換器為一串聯諧振轉換器。
  11. 如申請專利範圍第3項所述之直流電源轉換模組，其中上述直流-直流轉換器為一降壓轉換器，上述輸出信號為上述直流-直流轉換器之上述輸出電壓，並且上述控制模組係用以將上述輸出電壓控制在一第一電壓以及一第二電壓之間，使得上述直流-直流轉換器操作於上述最大輸出功率，其中上述第一電壓不同於上述第二電壓。
  12. 如申請專利範圍第3項所述之直流電源轉換模組，其中上述直流-直流轉換器為一升壓轉換器，上述輸出信號為上述直流-直流轉換器之上述輸出電壓，並且上述控制模組係用以將上述輸出電壓控制在一第一電壓以及一第二電壓之間，以便上述直流-直流轉換器操作於上述最大輸出功率，其中上述第一電壓不同於上述第二電壓。
  13. 如申請專利範圍第3項所述之直流電源轉換模組，其中上述直流-直流轉換器為一升降壓轉換器，上述輸出信號為上述直流-直流轉換器之上述輸出電壓，並且上述控制模組係用以將上述輸出電壓控制在一第一電壓以及一 第二電壓之間，以便上述直流-直流轉換器操作於上述最大輸出功率，其中上述第一電壓不同於上述第二電壓。
  14. 如申請專利範圍第3項所述之直流電源轉換模組，其中上述直流-直流轉換器為一諧振轉換器，上述輸出信號為上述直流-直流轉換器之上述輸出電流，並且上述控制模組係用以將上述輸出電流控制在一第一電流以及一第二電流之間，以便上述直流-直流轉換器操作於上述最大輸出功率，其中上述第一電流不同於上述第二電流。
  15. 如申請專利範圍第3項所述之直流電源轉換模組，其中上述控制模組包括：一預擾動模組，用以提供一預擾動信號；一採樣模組，用以對上述反映信號進行取採樣，並產生一第一採樣信號與一第二採樣信號；一誤差放大模組，用以根據上述第一採樣信號與上述第二採樣信號，產生一誤差放大信號；一組合模組，用以根據上述擾動信號與上述誤差放大信號，產生一控制信號，以便上述直流-直流轉換器操作在上述最大輸出功率。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之直流電源轉換模組，其中上述組合模組具有一第一輸入端耦接上述擾動信號與上述誤差放大信號，一第二輸入端耦接一三角波信號，以及一輸出端用以輸出上述控制信號。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之直流電源轉換模組，其中上述誤差放大模組係為一比例放大器、一積分放大器或一差動放大器。
  18. 如申請專利範圍第15項所述之直流電源轉換模組，其中上述採樣模組的開關頻率遠低於直流電源轉換模組的開關頻率。
  19. 一種直流電源轉換模組之控制方法，包括：產生一預擾動信號，用以擾動一直流電源轉換模組之控制迴路；對上述直流電源轉換模組中用以反映一輸出電壓或一輸出電流的信號進行正採樣與負採樣，以便產生第一、第二採樣信號；根據上述第一採樣信號與上述第二採樣信號，產生一誤差放大信號；將上述誤差放大信號與上述預擾動信號相加，用以產生一控制信號；以及根據上述控制信號，控制上述直流電源轉換模組中之一直流-直流轉換器的頻率或工作占空比，使得上述直流-直流轉換器操作在一最大輸出功率。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之直流電源轉換模組之控制方法，其中上述擾動上述控制迴路的步驟包括：將一高電平耦接至上述直流-直流轉換器之上述控制迴路，用以進行正採樣；以及將一低電平耦接至上述直流-直流轉換器之上述控制迴路，用以進行負採樣。
  21. 如申請專利範圍第19項所述之直流電源轉換模組之控制方法，其中上述正採樣與負採樣交替地進行。
  22. 如申請專利範圍第19項所述之直流電源轉換模組 之控制方法，其中上述正採樣與負採樣的頻率遠低於上述直流電源轉換模組的開關頻率。
  23. 一種能量採集系統，包括：一光伏模組，包括複數個微型光伏模組，每個微型光伏模組係由複數光伏電池單元串接而成；以及一連接器，包括複數個輸出串聯連接的直流-直流轉換模組，每個直流-直流轉換模組包括：一直流-直流轉換器係由上述微型光伏模組中之一者所供電，產生一輸出電壓；以及一控制模組，用以感測上述輸出電壓，並僅根據所感測之上述輸出電壓，控制上述直流-直流轉換器，使得上述直流-直流轉換器操作於一預設輸出功率。
  24. 如申請專利範圍第23項所述之能量採集系統，其中上述預設輸出功率為最大輸出功率。
  25. 如申請專利範圍第24項所述之能量採集系統，其中每個上述直流-直流轉換器為一降壓轉換器、一升壓轉換器、一升降壓轉換器、一返馳式轉換器、順向式轉換器或一諧振轉換器。
  26. 如申請專利範圍第25項所述之能量採集系統，其中每個上述直流-直流轉換組更包括至少一旁路二極體耦接於上述直流-直流轉換器之二輸入端之間。
  27. 如申請專利範圍第25項所述之能量採集系統，其中每個上述直流-直流轉換組二輸入端之間沒有旁路二極體耦接。
  28. 如申請專利範圍第25項所述之能量採集系統，其 中上述控制模組係根據上述輸出電壓，控制上述直流-直流轉換器之工作占空比或工作頻率。
  29. 一種能量採集系統，包括：複數個直流電源轉換模組串列，其輸出並聯地連接，用以提供一第一輸出電壓以及一輸出電流，且每個直流電源轉換模組串列包括複數個串聯連接的光伏轉換模組，並且每個光伏轉換模組包括：一光伏模組，由複數微型光伏模組串接而成；以及一第一直流-直流轉換模組，包括：一直流-直流轉換器，由上述光伏模組所供電，用以產生一第二輸出電壓；以及一控制模組，用以感測上述第二輸出電壓，並僅根據所感測之上述第二輸出電壓，控制上述直流-直流轉換器，使得上述直流-直流轉換器操作於一第一預設輸出功率；以及一直流-交流轉換模組，耦接至上述直流電源轉換模組串列，用以產生一交流電壓。
  30. 如申請專利範圍第29項所述之能量採集系統，其中上述直流-直流轉換器為一降壓轉換器、一升壓轉換器、一升降壓轉換器、一返馳式轉換器、一順向式轉換器或一諧振轉換器。
  31. 如申請專利範圍第29項所述之能量採集系統，其中上述第一預設輸出功率為第一最大輸出功率。
  32. 如申請專利範圍第29項所述之能量採集系統，其 中上述控制模組係根據上述第二輸出電壓，控制上述直流-直流轉換器之工作占空比或頻率。
  33. 如申請專利範圍第32項所述之能量採集系統，更包括具有一最大功率點追蹤功能之一第二直流-直流轉換組，用以根據上述第一輸出電壓與上述輸出電流，使得上述能量採集系統操作在一第二最大功率點，並產生一第三輸出電壓，上述直流-交流轉換模組係將上述第三輸出電壓轉換成上述交流電壓。
  34. 如申請專利範圍第29項所述之能量採集系統，其中上述第一輸出電壓為一固定電壓。
  35. 一種連接器，包括：至少一直流-直流轉換模組，包括：一直流-直流轉換器，由一直流電源模組所供電，用以產生一輸出信號；以及一控制模組，用以感測上述直流-直流轉換模組之一反映信號，並根據所感測之上述反映信號，控制上述直流-直流轉換器，使得上述直流-直流轉換模組操作於一預設輸出功率，其中上述反映信號僅用以反映上述直流-直流轉換器之一輸出電壓與一輸出電流中之一者。
  36. 如申請專利範圍第35項所述之連接器，其中上述連接器包括複數直流-直流轉換模組，並且上述直流-直流轉換模組之輸出端係串聯地連接。
  37. 如申請專利範圍第36項所述之連接器，其中上述直流電源模組為一光伏模組，並且每個上述直流-直流轉換模組係由上述光伏模組之一微型光伏模組所供電。
  38. 如申請專利範圍第36項所述之連接器，其中上述連接器更包括至少一旁路二極體，耦接於上述直流-直流轉換模組之二輸出端之間。
  39. 如申請專利範圍第35項所述之連接器，其中上述預設輸出功率為最大輸出功率。
  40. 如申請專利範圍第39項所述之連接器，其中當上述直流-直流轉換器之上述輸出信號的值在一預設區間時，上述直流電源轉換模組具有最大輸出功率。
  41. 如申請專利範圍第39項所述之連接器，其中上述直流電源模組為一光伏模組、一微型光伏模組、一光伏電池單元、一燃料電池或一車用電池。
  42. 如申請專利範圍第39項所述之連接器，其中上述控制模組係根據上述輸出信號，控制上述直流-直流轉換器之工作占空比或工作頻率。
  43. 如申請專利範圍第35項所述之連接器，其中上述直流-直流轉換器為一脈寬調製轉換器。
  44. 如申請專利範圍第43項所述之連接器，其中上述脈寬調製轉換器為一降壓轉換器、一升壓轉換器、一升降壓轉換器、一返馳式轉換器或一順向式轉換器。
  45. 如申請專利範圍第35項所述之連接器，其中上述直流-直流轉換器為一諧振轉換器。
  46. 如申請專利範圍第45項所述之連接器，其中上述諧振轉換器為一串聯諧振轉換器。
  47. 如申請專利範圍第39項所述之連接器，其中上述直流-直流轉換器為一降壓轉換器，上述輸出信號為上述直 流-直流轉換器之上述輸出電壓，並且上述控制模組係用以將上述輸出電壓控制在低於一第一電壓以及一第二電壓之間，使得上述直流-直流轉換器操作於上述最大輸出功率，其中上述第一電壓不同於上述第二電壓。
  48. 如申請專利範圍第39項所述之連接器，其中上述直流-直流轉換器為一升壓轉換器，上述輸出信號為上述直流-直流轉換器之上述輸出電壓，並且上述控制模組係用以將上述輸出電壓控制在高於一第一電壓以及一第二電壓之間，以便上述直流-直流轉換器操作於上述最大輸出功率，其中上述第一電壓不同於上述第二電壓。
  49. 如申請專利範圍第39項所述之連接器，其中上述直流-直流轉換器為一升降壓轉換器，上述輸出信號為上述直流-直流轉換器之上述輸出電壓，並且上述控制模組係用以將上述輸出電壓控制在一第一電壓以及一第二電壓之間，以便上述直流-直流轉換器操作於上述最大輸出功率，其中上述第一電壓不同於上述第二電壓。
  50. 如申請專利範圍第39項所述之連接器，其中上述直流-直流轉換器為一諧振轉換器，上述輸出信號為上述直流-直流轉換器之上述輸出電流，並且上述控制模組係用以將上述輸出電流控制在一第一電流以及一第二電流之間，以便上述直流-直流轉換器操作於上述最大輸出功率，其中上述第一電流不同於上述第二電流。
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