TWI461882B - 太陽能模組系統之多點直接預測最大功率點追蹤方法及太陽能模組陣列之控制裝置 - Google Patents

太陽能模組系統之多點直接預測最大功率點追蹤方法及太陽能模組陣列之控制裝置 Download PDF

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Description

太陽能模組系統之多點直接預測最大功率點追蹤方法及太陽能模組陣列之控制裝置
本發明係有關於一種太陽能模組系統的最大功率點追蹤方法，尤指關於在部分遮陰下可多點直接預測最大功率點追蹤方法。
由於能源的短缺與環境變遷，太陽能電池、風力發電及燃料電池等再生能源技術近年來已獲得高度的重視並逐漸發展開來，尤其是太陽能電池最為重要。
習知太陽能電池模組系統中的太陽能模組的等效電路如第1A圖所示，其功率電壓-電流特性曲線如第1B圖所示。太陽能模組10包括一光電流源11、一二極體12、一串聯電阻13、一並聯電阻14。在第1A圖中，Ig 代表太陽能模組10受到受到能量為hv 的光照射而產生的光電流。Ipv 代表太陽能模組10的輸出電流。Vpv 代表太陽能模組10的輸出電壓。Rs 代表串聯電阻13的串聯電阻值，其是由太陽能模組10的製程技術所決定，可由太陽能製造商所提供的太陽能模組10的規格中得知。Rsh 代表並聯電阻14的並聯電阻值。Id 代表通過二極體12的二極體電流。Ish 代表通過並聯電阻14的並聯電流。Vd 代表二極體電壓。
根據柯希荷夫電流定理(KCL)與希荷夫電壓定理(KVL)可知，太陽能模組10的輸出電流Ipv 與二極體電壓Vd 分別以式子(1)、(2)表示：
V d =V pv +R s I pv ………(2)
又根據PN二極體12的特性，二極體電流Id 與二極體電壓Vd 的關係可以式子(3)表示：
在式子(3)中，Isat 代表二極體12的逆向飽和電流，q代表電子帶電量1.602×10-19 庫倫，n代表二極體的理想因子，其值介於1~2之間，k代表波茲曼常數8.62×10-5 eV/K，T代表環境的絕對溫度。將式子(2)、(3)帶入式子(1)可得到輸出電流Ipv 如式子(4)：
實際上，並聯電阻值Rsh 非常大，因此式子(4)可化簡為式子(5)：
因此，由輸出電流Ipv 與輸出電壓Vpv 可得到太陽能模組10的輸出功率P pv =V pv ×I pv 。由第1B圖中可知最大功率點P在輸出功率Ppv 的曲線C1上的切線斜率等於零的地方。切線斜率定義為，由式子(5)可得到斜率β如式子(6)：
為了估算最大功率點功率Pmax ，令β =0，且Vmp 代表接近最大功率點P的估算電壓，Imp 代表接近最大功率點P的估算電流，則式子(6)可化簡為式子(7)：
當太陽能模組處於開路狀態時，輸出電流Ipv =0，則由式子(5)可得到式子(8)：
一般而言，太陽能模組10的規格包含其開路電壓Voc 、短路電流Isc ，其是在特定溫度與日照度下所量測得到。由式子(7)、(8)可得到估計電壓Vmp 與開路電壓Voc 的關係如式子(9)：
當太陽能模組10耦接一直流轉交流轉換器時，則太陽能模組10的輸出功率經由直流轉交流轉換器而輸出一交流功率，經由量測可得到該交流功率的有效線功率Ps 可表示為式子(10)：P s =V s ×I s ×ocs θ=V s ×I T ………(10)
其中Vs 為線電壓的均方根值。Is 為線電流的均方根值。θ為線電壓向量與線電流向量之間的夾角。IT 為線電流值。
另一方面，太陽能模組10的輸出功率P pv =V pv ×I pv ，其為一直流輸出功率。根據能量不滅定律，功率轉換時會有一些能量以熱能的形式發散掉，因此輸出功率Ppv 與交流功率的有效線功率Ps 之間的關係可透過轉換效率η來表示為式子(11)、(12)：ηP pv =P s ………(11)
ηV pv ×I pv =V s ×I T ………(12)
太陽能模組10的輸出電流Ipv 可表示為式子(13)：
如此估計電流Imp 可由估計電壓Vmp 代入式子(13)得到，即。此外，，則式子(9)可表示為式子(14)：
式子(14)中除了估計電壓Vmp 為變數之外，其他參數皆可以透過量測或太陽能模組10製造廠商給定的規格得知。為了解出估計電壓Vmp ，假設估計電壓Vmp 為開路電壓Voc 的倍數，即Vmp =mVk Voc ，其中mVk 代表電壓係數。同時，假設估計電流Imp 為短路電流Isc 的倍數，即Imp =mIk Isc ，其中mIk 代表電流係數。將Vmp =mVk Voc 代入式子(14)可得到式子(15)：
藉此，可由式子(15)計算出mVk ，且將開路電壓Voc 乘以電壓係數mVk 來計算出理想中太陽能電池的最大功率輸出時的估計電壓Vmp ，估計電流Imp 可透過估計電壓Vmp 代入式子(13)算出，還可估算出最大功率點功率Pmax 以及電流係數mIk 。
然而，電壓係數mVk 與電流係數mIk 為經驗值，並不會隨日照強度與環境溫度的變化而改變，所以算出來的最大功率點功率Pmax 並不會隨日照強度與環境溫度的變化而有精確地對應的改變。因此上述的方法必須再輔以擾動觀察法做調整。傳統的擾動觀察法會在最大功率點的左右震盪，而造成能量損失並降低太陽能模組的轉換效率。
值得注意的是，太陽能模組的特性與效能深受環境參數影響，包括溫度、非均勻的日照強度以及遮陰(solar shading)等。其中遮陰可能是落葉或灰塵等遮蔽物造成，至於日照度的改變 將影響太陽能模組的輸出電流，而溫度將影響太陽能模組的輸出電壓。因此，當日照度減少且環境溫度上升時，太陽能模組的功率將下降。
因此，針對有部分遮陰的條件下，在擾動觀察法之前，必須提供一種快速地並準確地追蹤實際最大功率點的方法。
有鑑於先前技術之缺點，本發明之一目的係在提供一種太陽能模組系統的最大功率點預測方法，可快速地並準確地追蹤實際最大功率點。
依據本發明的一實施例，太陽能模組系統的最大功率點預測方法，包括：偵測一太陽能模組陣列的系統參數與環境參數；根據該系統參數與該環境參數估算該太陽能模組陣列包含的每一個太陽能模組的一第一電壓係數；將該第一電壓係數按照不同的遮陰比例估算出複數個第二電壓係數；根據該些第二電壓係數估算對應的複數個局部最大功率點功率；以及比較該些局部最大功率點功率的最大值以決定該太陽能模組陣列的一整體最大功率點。
依據本發明的另一實施例，提供一種預測太陽能模組陣列的最大功率點的控制裝置，該控制裝置耦接於一太陽能模組陣列與一電源轉換器之間，該控制裝置包括：一參數偵測單元、以及一微控制單元，參數偵測單元耦接於該太陽能模組陣列，該參數偵測單元用以偵測該太陽能模組陣列的系統參數與環境參數；微控制單元耦接於該參數偵測單元與該電源轉換器之間，該微控制單元根據該系統參數與該環境參數估算出該太陽 能模組陣列包含的複數個太陽能模組的一第一電壓係數，將該第一電壓係數按照不同的遮陰比例估算出複數個第二電壓係數，根據該些第二電壓係數估算對應的複數個局部最大功率點功率，以及比較該些局部最大功率點功率的最大值以決定該太陽能模組陣列的一整體最大功率點。
是故，由上述可以得知，本發明的太陽能模組陣列執行的最大功率點預測方法與其控制裝置可藉由各別太陽能模組的一第一電壓係數並根據不同的遮陰比例估算出複數個第二電壓係數，再根據該些第二電壓係數估算對應的複數個局部最大功率點功率，藉由比較該些局部最大功率點功率的最大值以決定該太陽能模組陣列的一最大功率點，以快速且準確地追蹤到該太陽能模組陣列的整體最大功率點。
為進一步說明各實施例，本發明乃提供有圖式。此些圖式乃為本發明揭露內容之一部分，其主要係用以說明實施例，並可配合說明書之相關描述來解釋實施例的運作原理。配合參考這些內容，本領域具有通常知識者應能理解其他可能的實施方式以及本發明之優點。圖中的元件並未按比例繪製，而類似的元件符號通常用來表示類似的元件。
首先，請參考第2A圖，第2A圖顯示本發明太陽能模組系統的一實施例之方塊圖。如第2A所示，太陽能模組系統2包括一太陽能模組陣列20、一電源轉換器22、一控制裝置24及一供電網路26。其中電源轉換器22耦接於太陽能模組陣列 20與供電網路26之間。控制裝置24耦接於電源轉換器22與太陽能模組陣列20之間。
根據一實施例，太陽能模組陣列20可包括複數個如第1A圖所示的太陽能模組，多個太陽能模組彼此可以是完全相同的(identical)，且可彼此串聯或並聯。電源轉換器22可包括一直流轉直流轉換單元221及一直流轉交流轉換單元223，其中直流轉直流轉換單元221耦接於太陽能模組陣列20與直流轉交流轉換單元223之間，直流轉交流轉換單元223耦接於供電網路26。控制裝置24可包括一參數偵測單元241及一微控制單元243，其中參數偵測單元241耦接於太陽能模組陣列20與微控制單元243之間，微控制單元243耦接於直流轉交流轉換單元223。
當太陽能模組陣列20在部分遮陰下時，其功率電壓曲線如第2B圖所示，具有多個局部最大功率點(maximum power points,MPPs)，例如第一局部最大功率點A與第二局部最大功率點B。本實施例的技術特徵主要是利用單一太陽能模組的追蹤最大功率點追蹤方法，來假設太陽能模組陣列20中的多個太陽能模組在有部分遮陰的條件下，多個局部最大功率點A、B分別可由單一太陽能模組在沒有遮陰下的最大功率點估算得到，特別是根據每一個局部最大功率點的遮陰程度而計算得到。
更具體地來說，太陽能模組陣列20包括的多個太陽能模組彼此互相串聯，經由參數偵測單元241偵測系統參數與環境參數，系統參數包括多個太陽能模組的個數N、太陽能模組陣列20的開路電壓V'oc 、轉換效率η'、有效線功率P's 、串聯電 阻值R's ，然不限於此。環境參數包括環境溫度T、日照度W(illumination intensity)、遮陰個數nshade ，然不限於此。由於多個太陽能模組彼此是相同的，因此經由微控制單元243將系統參數中的開路電壓V'oc 、轉換效率η'、有效線功率P's 、串聯電阻值R's 除以N後得到單一太陽能模組的參數：開路電壓Voc 、轉換效率η、有效線功率Ps 、串聯電阻值Rs 。
微控制單元243將上述單一太陽能模組的參數代入式子(15)後可計算出單一太陽能模組在無遮陰下的電壓係數mVk (第一電壓係數)以及電流係數mIk (第一電流係數)。
本實施例假設太陽能模組陣列20的整體的最大功率點的電壓係數mmp 落入多個局部最大功率點的電壓係數m'Vk 中的一個。可表示為式子(a)：
其中k為遮陰分類編號，每一個遮陰分類編號對應到遮陰程度，當沒有遮陰時，k =0，當有遮陰時，1 k n shade 。此外，根據偵測到的日照度W的強度與太陽能模組陣列20在標準測試條件的標準輻射強度W'的比值，可得到每一個遮陰的遮陰比例λk ，一般來說，標準測試條件包括標準輻射度1000W/m2 、溫度25℃以及AM1.5G太陽固定輻射光譜。
本實施例舉太陽能模組陣列20是由多個太陽能模組串聯為例，也就是太陽能模組陣列20的輸出電壓V'pv 為每一個太陽能模組的輸出電壓Vpv 的疊加，利用此特性進一步假設太陽能模組陣列20的多個局部最大功率點(例如最大功率點A以及 最大功率點B)的電壓係數m'Vk (第二電壓係數)、電流係數m'Ik (第二電流係數)分別為單一太陽能模組在無遮陰下的電壓係數mVk 以及電流係數mIk 的函數，特別是根據不同的遮陰比例λk 來計算得到，如式子(b)、(c)：
上述假設可以是透過經驗法則或模擬驗證得到，並事先以程式化寫入微控制單元243，經由微控制單元243根據單一太陽能模組在無遮陰下的電壓係數mVk 、電流係數mIk 以及遮陰比例λk 計算出多個局部最大功率點的電壓係數m'Vk ，再分別由多個局部最大功率點的電壓係數m'Vk 計算出對應的太陽能模組陣列20的多個局部最大功率點功率P'max ，計算方式如式子(d)：P 'max =m ' Ik I sc ×m ' Vk NV oc ………(d)
經由微控制單元243比較多個局部最大功率點功率P'max 後，從多個局部最大功率點功率P'max (第一最大功率點功率)中的最大值Pmax 來決定太陽能模組陣列20的整體最大功率點(例如最大功率點A或最大功率點B)以及對應的k。並藉由整體最大功率點對應的k、電壓係數mVk 以及電流係數mIk 代入式子(b)中算出電壓係數m'Vk ，即可得到整體最大功率點的電壓係數mmp =m'Vk 。再藉由最大功率點的電壓係數mmp 算出太陽能模組陣列20的整體最大功率點的估計電壓V'mp = N×mmp ×V'oc 。微控制單元243根據估計電壓V'mp 控制電源轉換器22，以調整太陽能模組陣列20的操作電壓，使太陽能模組陣列20可產生的最大功率點功率Pmax (第二最大功率點功率)透過電源轉換器22提供給供電網路26。
本實施例僅舉太陽能模組陣列20是由多個太陽能模組串聯為例，然熟悉該項技藝者，可將本實施例的技術作修飾後得到太陽能模組陣列20是由多個太陽能模組並聯時的估算方法，在此不贅述。
儘管以上述方法估算出來的太陽能模組陣列20的最大功率點功率Pmax 的誤差已經很小或是已無誤差，但是本實施例仍可以輔以擾動觀察法來得到精準的最大功率點功率Pmax 。
根據一實施例，藉由參數偵測單元241取得太陽能模組陣列20的輸出功率-輸出電壓的特性曲線，微控制單元243根據估計電壓V'mp 計算對應曲線上的點的切線斜率。當該切線斜率大於0時，微控制單元243控制電源轉換器22提供一第一擾動電壓於太陽能模組陣列20的輸出端，使太陽能模組陣列20的輸出電壓增加。當該切線斜率小於0時，微控制單元243控制電源轉換器22提供一第二擾動電壓於太陽能模組陣列20的輸出端，使太陽能模組陣列20的輸出電壓減少。
簡潔來說，配合第2A、2B圖，第2C圖顯示本發明太陽能模組系統的一實施例之多點直接預測最大功率點追蹤方法的流程圖。首先，由控制裝置24的參數偵測單元241偵測太陽能模組陣列20的系統參數與環境參數(步驟S201)，其中系 統參數包括多個太陽能模組的個數N、太陽能模組陣列20的開路電壓V'oc 、轉換效率η'、有效線功率P's 、串聯電阻值R's 。
接著，由控制裝置24的微控制單元243將上述單一太陽能模組的多個參數代入式子(15)後可計算出單一太陽能模組在無遮陰下的電壓係數mVk (第一電壓係數)以及電流係數mIk (第一電流係數)(步驟S203)。
然後，由微控制單元243根據單一太陽能模組在無遮陰下的電壓係數mVk 、電流係數mIk 以及遮陰比例λk 以式子(b)和式子(c)計算出多個局部最大功率點的電壓係數m'Vk (第二電壓係數)和電流係數m'Ik (第二電流係數)(步驟S205)。
接著，由微控制單元243以式子(d)計算出多個局部最大功率點的電壓係數m'Vk 和電流係數m'Ik 所對應的太陽能模組陣列20的多個局部最大功率點功率P'max (步驟S207)。
然後，由微控制單元243比較多個局部最大功率點功率P'max ，從多個局部最大功率點功率P'max (第一最大功率點功率)中的最大值Pmax 來決定太陽能模組陣列20的整體最大功率點(步驟S209)。
接著，微控制單元243藉由整體最大功率點對應的k、電壓係數mVk 以及電流係數mIk 代入式子(b)中算出對應的電壓係數m'Vk ，即可得到整體最大功率點的電壓係數mmp =m'Vk (第三電壓係數)。再藉由最大功率點的電壓係數mmp 算出太陽能模組陣列20的整體最大功率點的估計電壓V'mp =N×mmp ×V'oc 。微控制單元243根據估計電壓V'mp 控制電源轉換器22，以調整太陽能模組陣列20的操作電壓(步驟S211)。
最後，由微控制單元243執行最大功率點的追蹤控制程序(步驟S213)，例如採用擾動觀察法來得到精準的最大功率點功率Pmax 。
是故，由上述實施例可以得知，本發明的太陽能模組系統以及其執行的多點直接預測最大功率點追蹤方法，利用單一太陽能模組的系統參數與環境參數估算太陽能模組系統的系統參數，可快速且精準地估算出太陽能模組系統的最大功率點。
以上敍述依據本發明多個不同實施例，其中各項特徵可以單一或不同結合方式實施。因此，本發明實施方式之揭露為闡明本發明原則之具體實施例，應不拘限本發明於所揭示的實施例。進一步言之，先前敍述及其附圖僅為本發明示範之用，並不受其限囿。其他元件之變化或組合皆可能，且不悖于本發明之精神與範圍。
10‧‧‧太陽能模組
11‧‧‧光電流源
12‧‧‧二極體
13‧‧‧串聯電阻
14‧‧‧並聯電阻
Ig ‧‧‧光電流
Ipv ‧‧‧輸出電流
Vpv ‧‧‧輸出電壓
Rs 、R's ‧‧‧串聯電阻值
Rsh ‧‧‧並聯電阻值
Id ‧‧‧二極體電流
Ish ‧‧‧並聯電流
Vd ‧‧‧二極體電壓
2‧‧‧太陽能模組系統
20‧‧‧太陽能模組陣列
22‧‧‧電源轉換器
221‧‧‧直流轉直流轉換單元
223‧‧‧直流轉交流轉換單元
24‧‧‧控制裝置
241‧‧‧參數偵測單元
243‧‧‧微控制單元
26‧‧‧供電網路
P‧‧‧最大功率點
C1‧‧‧功率曲線
A、B‧‧‧局度最大功率點
第1A圖為習知太陽能模組的等效電路圖。
第1B圖為習知太陽能模組之輸出電壓功率特性圖。
第2A圖為依據本發明太陽能模組系統的一實施例之方塊圖。
第2B圖為依據本發明太陽能模組系統之輸出電壓功率特性圖。
第2C圖為依據本發明太陽能模組系統的一實施例之多點直接預測最大功率點追蹤方法的流程圖。
S201~S213‧‧‧太陽能模組系統的最大功率點預測方法的步驟

Claims (16)

  1. 一種太陽能模組系統的最大功率點預測方法，包括：偵測一太陽能模組陣列的系統參數與環境參數，其中該系統參數包括該些太陽能模組的個數、該太陽能模組陣列的一開路電壓、一轉換效率、一交流功率的一有效線功率以及一串聯電阻值；根據該系統參數與該環境參數估算出該太陽能模組陣列包含的複數個太陽能模組的一第一電壓係數，其中該第一電壓係數為該些太陽能模組中的每一個的一輸出電壓與一開路電壓的比值；根據該系統參數與該環境參數估算一第一電流係數；將該第一電壓係數按照不同的遮陰比例估算出複數個第二電壓係數，其中該些第二電壓係數分別為該第一電壓係數與該第一電流係數的函數；根據該些第二電壓係數估算對應的複數個局部最大功率點功率；以及比較該些局部最大功率點功率的最大值以決定該太陽能模組陣列的一整體最大功率點。
  2. 如申請專利範圍第1項之最大功率點預測方法，其中該轉換效率為該太陽能模組陣列的該有效線功率與一直流輸出功率的比值。
  3. 如申請專利範圍第1項之最大功率點預測方法，其中該環境參數包括一環境溫度、一日照度以及一遮陰個數。
  4. 如申請專利範圍第3項之最大功率點預測方法，其中根據該系統參數與該環境參數估算該第一電壓係數的步驟包括根據該日照度計算出該些遮陰比例。
  5. 如申請專利範圍第1項之最大功率點預測方法，當該第一電壓係數為mVk 、該第一電流係數為mIk 、該些第二電壓係數為m'Vk 、該些太陽能模組的個數為N、該些遮陰比例為λk 以及該遮陰個數為nshade 時，該些第二電壓係數m'Vk 與該第一電壓係數mVk 、該第一電流係數mIk 的關係可由式子表示，其中k表示遮陰分類編號：
  6. 如申請專利範圍第1項之最大功率點預測方法，更包括利用該整體最大功率點對應的一估計電壓來調整該太陽能模組陣列的一操作電壓。
  7. 如申請專利範圍第6項之最大功率點預測方法，其中利用該整體最大功率點對應的該估計電壓來調整該太陽能模組陣列的該操作電壓的步驟包括：從該些第二電壓係數中得到對應到最大功率點的一第三電壓係數；以及根據該第三電壓係數估計出該太陽能模組陣列的該整體最大功率點的該估計電壓。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之最大功率點預測方法，在調整該太陽能模組陣列的該操作電壓之後，更包括執行最大功率點的追蹤控制程序。
  9. 如申請專利範圍第8項之最大功率點預測方法，其中執行最大功率點的追蹤控制程序包括採用一擾動觀察法。
  10. 一種預測太陽能模組陣列的最大功率點的控制裝置，該控制裝置耦接於一太陽能模組陣列與一電源轉換器之間，該控制裝置包括：一參數偵測單元，耦接於該太陽能模組陣列，該參數偵測單元用以偵測該太陽能模組陣列的系統參數與環境參數，其中該系統參數包括該些太陽能模組的個數、該太陽能模組陣列的一開路電壓、一轉換效率、一交流功率的一有效線功率以及一串聯電阻值；以及一微控制單元，耦接於該參數偵測單元與該電源轉換器之間，該微控制單元根據該系統參數與該環境參數估算出該太陽能模組陣列包含的複數個太陽能模組的一第一電壓係數及一第一電流係數，將該第一電壓係數按照不同的遮陰比例估算出複數個第二電壓係數，根據該些第二電壓係數估算對應的複數個局部最大功率點功率，以及比較該些局部最大功率點功率的最大值以決定該太陽能模組陣列的一整體最大功率點，其中該第一電壓係數為該太陽能模組陣列包含的一太陽能模組的一輸出電壓與一開路電壓的比值，該些第二電壓係數分別為該第一電壓係數與該第一電流係數的函數。
  11. 如申請專利範圍第10項之控制裝置，其中該轉換效率為該太陽能模組陣列的該有效線功率與一直流輸出功率的比值。
  12. 如申請專利範圍第10項之控制裝置，其中該環境參數包括一環境溫度、一日照度以及一遮陰個數。
  13. 如申請專利範圍第12項之控制裝置，其中該微控制單元還根據該日照度計算出該些遮陰比例。
  14. 如申請專利範圍第10項之控制裝置，當該第一電壓係數為mVk 、該第一電流係數為mIk 、該些第二電壓係數為m'Vk 、該些太陽能模組的個數為N、該些遮陰比例為λk 以及該遮陰個數為nshade 時，該些第二電壓係數m'Vk 與該第一電壓係數mVk 、該第一電流係數mIk 的關係可由式子表示，其中k表示遮陰分類編號：
  15. 如申請專利範圍第10項之控制裝置，其中該微控制單元還從該些第二電壓係數中得到對應到最大功率點的一第三電壓係數，以及根據該第三電壓係數估計出該太陽能模組陣列的該整體最大功率點的該估計電壓，並利用該整體最大功率點對應的該估計電壓來調整該太陽能模組陣列的該操作電壓。
  16. 如申請專利範圍第15項之控制裝置，其中該微控制單元還採用一擾動觀察法來調整該太陽能模組陣列的該操作電壓。
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