TWI463159B - 直流電源供應器與相關的光伏逆變器測試系統 - Google Patents

Description

直流電源供應器與相關的光伏逆變器測試系統

本發明係相關於一種直流電源供應器，尤指一種可模擬太陽能電池陣列的直流電源供應器。

太陽能電池(solar cell)是目前相當普及的一種再生能源(renewable energy)。一般而言，太陽能電池陣列(solar cell array)的輸出端可連接至光伏逆變器(photovoltaic inverter)，以將電池陣列所產生的直流電力轉換為交流電力。

在進行測試時，光伏逆變器的製造商常會使用直流電源供應器(DC power supply)來模擬太陽能電池陣列。舉例來說，製造商會使用直流電源供應器來產生直流模擬信號，並將此直流模擬信號輸入至光伏逆變器，以測試光伏逆變器的效能(performance)。

然而，很多光伏逆變器都有電感性輸入阻抗(inductive input impedance)的特性。若將光伏逆變器連接在以負迴授控制的直流電源供應器的輸出端，前述電感性輸入阻抗的特性可能會造成直流電源供應器的輸出信號產生震盪，而無法準確地模擬太陽能電池陣列的特性。這可能會導致製造商無法正確測試光伏逆變器的效能，或導致光伏逆變器在測試過程中損毀或甚至爆炸。

為了解決上述問題及其他問題，本發明的實施例揭露了一種直流電源供應器，其包含控制模組、輸出模組、迴授模組、及微分模組。控制模組依據參考信號、迴授信號、以及微分信號產生控制信號。輸出模組依據控制信號產生直流模擬信號。迴授模組依據直流模擬信號的大小產生迴授信號。微分模組依據直流模擬信號對時間的微分產生微分信號。

此外，本發明的實施例揭露了一種光伏逆變器測試系統，此系統除了包含前段所述的直流電源供應器以外，還包含一待測光 伏逆變器。待測光伏逆變器將前述的直流模擬信號轉換為交流輸出信號。

在前述各實施例中，微分信號可正相關於電容值乘上直流模擬信號對時間的微分。

在前述各實施例中，當直流模擬信號對時間的微分小於閥值時，微分模組可將微分信號固定於限定值。

在前述各實施例中，直流電源供應器可用來模擬太陽能電池陣列。

在前述各實施例中，微分模組可包含電容、電阻、及運算放大器。運算放大器的第一輸入端耦接於電容的第一端與電阻的第一端，運算放大器的第二輸入端耦接於固定電位，運算放大器的輸出端耦接於電阻的第二端。

前述的直流電源供應器除了可輸出較穩定的直流模擬信號以外，還可以避免後端的待測裝置損毀，例如避免前述的待測光伏逆變器損毀或甚至爆炸。

圖1為本發明的光伏逆變器測試系統的一實施例功能方塊圖。此光伏逆變器測試系統100包含有一直流電源供應器110以及一待測光伏逆變器(photovoltaic inverter under test)190。直流電源供應器110可模擬一太陽能電池陣列，而測試系統100可用來測試待測光伏逆變器190的效能。

直流電源供應器110可依據一參考信號REF產生一直流模擬信號DCS，以模擬太陽能電池陣列所產生的直流輸出信號。待測光伏逆變器190可依據直流模擬信號DCS產生交流輸出信號ACO。理論上，交流輸出信號ACO與直流模擬信號DCS間的關係即可表示待測光伏逆變器190的效能。

本實施例的直流電源供應器110包含有一控制模組(control module)120、一輸出模組(output module)140、一迴授模組(feedback module)160、以及一微分模組(differentiation module)180。在此架構下，直流電源供應器110可以稱為是負迴授(negative feedback)直流電源供應器。

簡單地說，控制模組120係用來依據一參考信號REF、一迴授信號FB、以及一微分信號DIFF來產生一控制信號CTRL；輸出模組140用來依據控制信號CTRL產生前述的直流模擬信號DCS；迴授模組160用來依據直流模擬信號DCS的大小產生迴授信號FB；微分模組180則用來依據直流模擬信號DCS對時間的微分產生微分信號DIFF。

前段所述任一信號可以是一電壓信號或一電流信號，舉例來說，當直流模擬信號DCS為電流訊號時，直流電源供應器110可以稱為是電流控制的(current controlled)直流電源供應器或是電流控制的負迴授直流電源供應器。而由於輸出模組140可以是一功率級(power stage)，故直流模擬信號DCS的量級(magnitude)可大於前段所述其他信號的量級。

圖2為圖1的控制模組120的一實施例功能方塊圖。在本實施例中，控制模組120包含有一加法單元(adder)122、一減法單元(subtractor)124、以及一控制單元(controller)126。加法單元122用來依據迴授信號FB及微分信號DIFF產生一總和信號SUM，舉例來說，在正常操作範圍內，這三個信號間的關係可表示為SUM=(a×FB)+(b×DIFF)，其中，a與b可為常數，例如a=b=1。減法單元124用來依據參考信號REF及總和信號SUM產生一差值信號DELTA，舉例來說，在正常操作範圍內，這三個信號間的關係可表示為DELTA=(c×REF)-(d×SUM)，其中，c與d可為常數，例如c=d=1。最後，控制單元126用來依據差值信號DELTA產生控制信號CTRL。舉例來說，當差值信號DELTA的值為零時，控制單元126可固定控制信號CTRL的值或工作週期(duty cycle)，以讓直流模擬信號DCS維持不變；當差值信號DELTA的值為正時，控制單元126可調大控制信號CTRL的值或工作週期，以調大直流模擬信號DCS；當差值信號DELTA的值為負時，控制單元126可調小控制信號CTRL的值或工作週期，以調小直流模 擬信號DCS。

如前所述，迴授模組160可依據直流模擬信號DCS的大小產生迴授信號FB，舉例來說，在正常操作範圍內，這兩個信號間的關係可表示為FB=(e×DCS)+f，其中，e與f可為常數，例如0<e<1且f=0。而在直流模擬信號DCS過大時，迴授信號FB可能會被箝制(clamped)在迴授模組160所使用的直流供應電位或接地電位或最大/最小的數位值(maximum/minimum digital value)。為了避免過大的直流模擬信號DCS導致迴授模組160損毀，迴授模組160的輸入端可包含有一衰減單元(attenuator)，以將直流模擬信號DCS轉變為衰減直流模擬信號，再讓其他電路元件依照衰減直流模擬信號的大小產生迴授信號FB。

另外，如前所述，微分模組180可依據直流模擬信號DCS對時間的微分產生微分信號DIFF，舉例來說，在正常操作範圍內，這兩個信號間的關係可表示為DIFF=[g×d(DCS)/dt)+h，其中，d(DCS)/dt表示直流模擬信號DCS對時間的微分、g與h可為常數，例如g>0且h=0。而在直流模擬信號DCS瞬間的變化過大時(不論瞬間變大或瞬間變小)，微分信號DIFF可能會被箝制在微分模組180所使用的直流供應電位或接地電位或是最大/最小的數位值。

圖3為圖1的微分模組180的一實施例電路圖。本實施例的微分模組180包含有一增益單元(gain component)182、一微分單元(differentiator)184、及一增益單元186。增益單元182可將直流模擬信號DCS乘上一增益值(gain)G1以得到一中介信號DCS’，微分單元184可依據中介信號DCS’對時間的微分產生中介信號DIFF’，增益單元186可將中介信號DIFF’乘上一增益值G2以得到微分信號DIFF。增益值G1及G2不一定要大於1，也可以等於或小於1，舉例來說，若增益值G1小於1，則增益單元182亦可稱為一衰減單元(attenuator)，若增益值G2小於1，則增益單元186亦可稱為一衰減單元。若G1=1，則DCS=DCS’，此時或許可省略增益單元182。若G2=1，則DIFF’=DIFF，此時或許可 省略增益單元186。

本實施例的微分單元184包含一電容Cvir、一電阻R1，及一運算放大器(operational amplifier)OP。運算放大器OP的一第一輸入端(圖中的負(-)端)耦接於電容Cvir的一第一端(圖中的右端)及電阻R1的一第一端(圖中的左端)，運算放大器OP的一第二輸入端(圖中的正(+)端)耦接於一固定電位(圖中的接地電位)，運算放大器OP的一輸出端耦接於電阻R1的一第二端(圖中的右端)。

微分單元184接收的中介信號DCS’及輸出的中介信號DIFF’皆可為電壓信號，舉例來說，在正常操作範圍內，這兩個信號間的關係可表示為DIFF’=[(Cvir/R1)×d(DCS’)/dt)。

在圖3的架構下，微分信號DIFF係正相關於(positively correlated to)電容值Cvir乘上直流模擬信號DCS對時間的微分。在直流模擬信號DCS瞬間的變化過大時，微分信號DIFF可能會被箝制在微分模組180所使用的直流供應電位或接地電位。舉例來說，當參考信號REF的值瞬間降低時，可能會導致直流模擬信號DCS對時間的微分為負，且小於一個負的閥值(threshold)，此時，微分模組180可將微分信號DIFF固定在一限定值，例如接地電位0V。

以上實施例的直流電源供應器110有很多優點，舉例來說，它可穩定地輸出直流模擬信號DCS來模擬太陽能電池陣列所產生的直流輸出信號，此外，即使待測光伏逆變器190具有電感性輸入阻抗的特性，直流模擬信號DCS依舊不易有震盪過大的問題。而即使直流模擬信號DCS瞬間的變化很大，也不容易導致待測光伏逆變器190損毀或甚至爆炸。這些優點一方面可以提升測試的準確度及/或可靠度、另一方面也可以降低測試的成本。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100‧‧‧光伏逆變器測試系統

110‧‧‧直流電源供應器

120‧‧‧控制模組

122‧‧‧加法單元

124‧‧‧減法單元

126‧‧‧控制單元

140‧‧‧輸出模組

160‧‧‧迴授模組

180‧‧‧微分模組

182‧‧‧增益單元

184‧‧‧微分單元

186‧‧‧增益單元

190‧‧‧待測光伏逆變器

Cvir‧‧‧電容

R1‧‧‧電阻

OP‧‧‧運算放大器

圖1為本發明光伏逆變器測試系統的一實施例功能方塊圖。

圖2為圖1的控制模組的一實施例功能方塊圖。

圖3為圖1的微分模組的一實施例電路圖。

100‧‧‧光伏逆變器測試系統

110‧‧‧直流電源供應器

120‧‧‧控制模組

140‧‧‧輸出模組

160‧‧‧迴授模組

180‧‧‧微分模組

190‧‧‧待測光伏逆變器

Claims (10)

1. 一種直流電源供應器，包含：一控制模組，用來依據一參考信號、一迴授信號、以及一微分信號來產生一控制信號；一輸出模組，耦接於該控制模組，用來依據該控制信號產生一直流模擬信號；一迴授模組，耦接於該控制模組及該輸出模組，用來依據該直流模擬信號的大小產生該迴授信號；以及一微分模組，耦接於該控制模組及該輸出模組，用來依據該直流模擬信號對時間的微分產生該微分信號。
2. 如申請專利範圍第1項所述的直流電源供應器，其中該微分信號係正相關於一電容值乘上該直流模擬信號對時間的微分。
3. 如申請專利範圍第1項所述的直流電源供應器，其中當該直流模擬信號對時間的微分小於一閥值時，該微分模組將該微分信號固定於一限定值。
4. 如申請專利範圍第1項所述的直流電源供應器，其中該微分模組包含：一電容；一電阻；以及一運算放大器，該運算放大器的一第一輸入端耦接於該電容的一第一端與該電阻的一第一端，該運算放大器的一第二輸入端耦接於一固定電位，該運算放大器的一輸出端耦接於該電阻的一第二端。
5. 如申請專利範圍第1項所述的直流電源供應器，其中該直流電源供應器係用來模擬一太陽能電池陣列。
6. 一種光伏逆變器測試系統，包含：一待測光伏逆變器，用來依據一直流模擬信號產生一交流輸出信號；以及一直流電源供應器，包含：一控制模組，用來依據一參考信號、一迴授信號、以及一微分信號來產生一控制信號；一輸出模組，耦接於該控制模組及該待測光伏逆變器，用來依據該控制信號產生該直流模擬信號；一迴授模組，耦接於該控制模組及該輸出模組，用來依據該直流模擬信號的大小產生該迴授信號；以及一微分模組，耦接於該控制模組及該輸出模組，用來依據該直流模擬信號對時間的微分產生該微分信號。
7. 如申請專利範圍第6項所述的光伏逆變器測試系統，其中該微分信號係正相關於一電容值乘上該直流模擬信號對時間的微分。
8. 如申請專利範圍第6項所述的光伏逆變器測試系統，其中當該直流模擬信號對時間的微分小於一閥值時，該微分模組將該微分信號固定於一限定值。
9. 如申請專利範圍第6項所述的光伏逆變器測試系統，其中該微分模組包含：一電容；一電阻；以及一運算放大器，該運算放大器的一第一輸入端耦接於該電容的一第一端與該電阻的一第一端，該運算放大器的一第二輸入端耦接於一固定電位，該運算放大器的一輸出端耦接於該電阻的一第二端。
10. 如申請專利範圍第6項所述的光伏逆變器測試系統，其中該直流電源供應器係用來模擬一太陽能電池陣列。