TWI475795B - 光伏變流器及其控制方法 - Google Patents

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Description

光伏變流器及其控制方法
本發明係關於一種光伏變流器，尤其是一種具有電力解耦功能之光伏變流器。
按，由於氣候環境變遷及環保意識抬頭，使得產學界相繼投入綠色能源(Green Power)的研發領域中，例如：太陽能、風能、海洋能或地熱能等發電方式。其中，太陽能發電係利用一光伏系統(Photovoltaic System，例如：太陽能板等)將太陽光轉換為直流電力，並透過一光伏變流器(Photovoltaic Inverter)將直流電力轉換成交流電力，以便供電至一市電系統。
美中不足的是，該光伏變流器(例如：返馳式變流器等)之輸出功率含有兩倍市電頻率之交流成分，將會導致該光伏變流器之輸入端含有較大的電流漣波(current ripple)，進而影響該光伏系統之最大功率輸出點(maximum power point)及輸出電流品質。
一般常見的解決方法係如「Young-Hyok Ji,Doo-Yong Jung,Jae-Hyung Kim,Chung-Yuen Won,and Dong-Sung Oh,“Dual Mode Switching Strategy of Flyback Inverter for Photovoltaic AC Modules”,The 2010 International Power Electronics Conference,pp.2924-2929,2010」所示，其中，一太陽能板電性連接一光伏變流器之輸入端，該輸入端並聯一輸入電容，用以抑制該輸入端的電流漣波，該輸入電 容須具備較大電容值，例如：採用13.2毫法拉(mF)電解電容，方可消除電流漣波所造成的影響。惟，由於該光伏變流器通常工作於高溫環境中，且該電解電容較不耐高溫，因此，將導致該光伏變流器的使用年限及可靠度大幅降低，且該電解電容需佔用較大體積。為改善上述問題，遂發展出具有電力解耦功能之光伏變流器。
請參照第1圖所示，其係一種習知光伏變流器9〔詳見Yaow-Ming Chen and Chein-Yao Liao,“Three-Port Flybaek-Type Single-Phase Micro-Inverter With Active Power Decoupling Circuit”,The 2011 IEEE Conference on Energy Conversion Congress and Exposition,pp.501-506,2011〕，該習知光伏變流器9具有一輸入埠91及二輸出埠92a、92b，該輸入埠91並聯一輸入電容93及一太陽能板P；該輸出埠92a與一交流輸出埠A之間設有一展開電路(Unfolder)94，用以控制該交流輸出埠A之輸出訊號；該輸出埠92b電性連接一解耦電路(APDC)95，用以將該輸入電容93之電容值降為40微法拉(μF)。
惟，倘若該太陽能板由30伏特(Volt)升壓至市電電壓值(即110Vrms)，則該習知光伏變流器9之匝數比勢必增加，進一步造成該些電子開關的電壓應力被迫提高，而產生不良影響；再者，該展開電路94與解耦電路95分別採用四個電子開關(例如：MOSFET)，造成電路整體所需電子開關的總數量過多(共10個)，進而提高製造成本及衍生散熱問題。
綜上所述，習知光伏變流器9會導致「電子開關數量 過多」問題，且會有「電子開關的電壓應力提高」之疑慮，在實際使用時更衍生不同限制與缺點，確有不便之處，亟需進一步改良，以提升其實用性。
本發明的目的乃改良上述之缺點，以提供一種光伏變流器及其控制方法，係更改該光伏變流器之電路架構，而降低電子開關使用數量。
一種光伏變流器，係包含：一輸入電路，係由一直流輸入埠並聯一輸入電容器，該輸入電容器串聯一激磁電感器、一第一逆止元件及一第一開關，該激磁電感器之二端形成一第一連接點及一第二連接點；一解耦電路，係由一第二逆止元件及一第二開關串接於該第一連接點及該第二連接點之間，並形成一第一串接點，另由一第三開關及一第三逆止元件串接於該第一連接點及第二連接點之間，並形成一第二串接點，該第二串接點與該第一串接點之間電性連接一解耦電容器；及一輸出電路，係由一變壓器之一輸入埠並聯該激磁電感器，該變壓器之一第一輸出埠串接一第二輸出埠，該第一輸出埠串聯一第四逆止元件、一第四開關及一輸出電容器，該第二輸出埠串聯該輸出電容器、一第五開關及一第五逆止元件，該輸出電容器串聯一輸出電感器及一交流輸出埠。
其中，該解耦電路係由該第二逆止元件之一陽極端電性連接該第二連接點及該第三開關之一輸入端，該第二逆止元件之一陰極端電性連接該第二開關之一輸入端及該解 耦電容器之一端，該第三逆止元件之一陽極端電性連接該解耦電容器之另一端及該第三開關之一輸出端，該第三逆止元件之一陰極端電性連接該第二開關之一輸出端及該第一連接點。
其中，該解耦電容器為一薄膜電容器。
其中，該解耦電容器之電容值為60微法拉。
其中，該輸出電路係由該輸入埠之二端分別電性連接該第一連接點及該第二連接點，該第一輸出埠之一端與該第二輸出埠之一端共同連接形成一共接點，該第一輸出埠之另一端電性連接該第四逆止元件之一陽極端，該第四逆止元件之一陰極端電性連接該第四開關之一輸入端，該第四開關之一輸出端電性連接該第五開關之一輸入端，並形成一連結點，該第五開關之一輸出端電性連接該第五逆止元件之一陽極端，該第五逆止元件之一陰極端電性連接該第二輸出埠之另一端，該輸出電容器之二端分別電性連接該共接點及該連結點，該輸出電感器及該交流輸出埠串接於該輸出電容器之二端之間。
其中，該輸入電路係由該直流輸入埠之二端電性連接該輸入電容器之二端，該輸入電容器的其中一端電性連接該第一連接點，該第二連接點電性連接該第一逆止元件之一陽極端，該第一逆止元件之一陰極端電性連接該第一開關之一輸入端，該第一開關之一輸出端電性連接該輸入電容器之另一端。
其中，該第一開關、該第二開關、該第三開關、該第四開關及該第五開關分別為一電晶體。
其中，該第一逆止元件、該第二逆止元件、該第三逆止元件、該第四逆止元件及該第五逆止元件分別為一個二極體。
其中，另包含一控制裝置，係設有一第一輸出端電性連接該第一開關之一控制端、一第二輸出端電性連接該第二開關之一控制端、一第三輸出端電性連接該第三開關之一控制端、一第四輸出端電性連接該第四開關之一控制端及一第五輸出端電性連接該第五開關之一控制端。
一種光伏變流器之控制方法，係應用於上述光伏變流器，並由該控制裝置取得該光伏變流器之激磁電感器的一激磁電流值、該解耦電路的一解耦電流值及一市電系統輸出的一市電電壓值，並產生一第一控制訊號、一第二控制訊號、一第三控制訊號、一第四控制訊號及一第五控制訊號，用以控制該光伏變流器之第一開關、第二開關、第三開關、第四開關及第五開關之開關狀態，該控制方法包含：一輸入步驟，係導通該第一開關，並切斷該第二開關、該第三開關、該第四開關及該第五開關，使該激磁電感器儲存來自該光伏變流器之直流輸入埠的能量；一解耦步驟，當該激磁電流值升至該激磁門檻值時，切斷該第一開關，若該解耦電流值大於該解耦門檻值，切斷該第二開關及該第三開關，使該激磁電感器釋能至該解耦電容器，若該解耦電流值小於該解耦門檻值，導通該第二開關及該第三開關，使該解耦電容器釋能至該激磁電感器；及一變流步驟，當該解耦電流值等於該解耦門檻值時，若該市電電壓值屬於正半週，導通該第四開關，並切斷該第五開關，使 該光伏變流器之第一輸出埠釋能至該光伏變流器之輸出電容器，若該市電電壓值屬於負半週，導通該第五開關，並切斷該第四開關，使該光伏變流器之第二輸出埠釋能至該輸出電容器，其中，當切斷該第四開關或第五開關時，該輸出電容器經由該光伏變流器之輸出電感器釋能至該光伏變流器之交流輸出埠，而輸出交流電力至該市電系統。
其中，該激磁門檻值為33.71安培。
其中，該解耦門檻值為該市電電壓值之包絡線。
為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：本發明全文所述之「解耦」(Decoupling)，係指降低一變流器之輸入端與輸出端之間的不良影響，例如：該變流器的輸出功率含有兩倍市電頻率之交流成分，而導致該光伏變流器之輸入端含有較大的電流漣波，係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解。
本發明全文所述之「逆止元件」，係指具有逆向截止功能之電子元件，例如：二極體(Diode)等，該逆止元件具有一第一端及一第二端，而且，僅供電流由該第一端流向該第二端，係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解。
本發明全文所述之「開關」，係指具有電子開關功能之元件，例如：金氧半場效電晶體(MOSFET)、接面場效 電晶體(JFET)或雙極性電晶體(Bipolar Transistor)等，皆具有一輸入端、一輸出端及一控制端，其中，該控制端可供一電氣訊號(例如：脈寬調變訊號，PWM)控制該輸出端與該控制端之間呈現導通(ON)或截止(OFF)，係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解。
本發明全文所述之「金氧半場效電晶體」(MOSFET)，係指採用金屬、氧化物及半導體製成之電晶體，可分為P型(PMOS)及N型(NMOS)，皆具有一源極(Source)、一汲極(Drain)及一閘極(Gate)，係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解。
本發明全文所述之「脈寬調變」(Pulse Width Modulation，PWM)，係指脈波訊號之每一週期(cycle)內包含一邏輯〝1〞及一邏輯〝0〞時間，用以控制電子開關通電及斷電，係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解。
本發明全文所述之「包絡線」(envelope)，係指市電電壓或電流振幅轉折點的連接線，用以表示市電電壓或電流振幅變化的邊界值，係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解。
請參閱第2圖所示，其係本發明光伏變流器較佳實施例之電路圖，該光伏變流器包含一輸入電路1、一解耦電路2及一輸出電路3，該輸入電路1分別電性連接該解耦電路2及該輸出電路3。
該輸入電路1係由一直流輸入埠11並聯一輸入電容器12，該輸入電容器12串聯一激磁電感器13、一第一逆止 元件14及一第一開關15，其中，該激磁電感器13之二端形成一第一連接點P1及一第二連接點P2。在此實施例中，該直流輸入埠11、輸入電容器12、激磁電感器13、第一逆止元件14及第一開關15分別以習知雙端連接埠、電容器(例如：薄膜電容器等)、電感器、二極體及電晶體(例如：MOSFET等)作為實施態樣，惟不以此為限。
其中，該直流輸入埠11具有二端，用以電性連接一光伏系統Λ，且該直流輸入埠11之二端電性連接該輸入電容器12之二端；該輸入電容器12較佳採用薄膜電容器，以避免影響電路的工作可靠度，該輸入電容器12的其中一端電性連接該第一連接點P1；該第二連接點P2電性連接該第一逆止元件14之一陽極端141；該第一逆止元件14之一陰極端142電性連接該第一開關15之一輸入端151(例如：NMOS之汲極或PMOS之源極等)；該第一開關15之一輸出端152(例如：NMOS之源極或PMOS之汲極等)電性連接該輸入電容器12之另一端，用以接地(ground，圖未繪示)，該第一開關15另具有一控制端153(例如：NMOS或PMOS之閘極等)，用以輸入一第一控制訊號W1(如第3a圖所示)，例如：PWM訊號，控制該輸入端151與輸出端152之間呈現導通或截止。其中，該輸入電容器12之電容值可選為40微法拉(μF)，該激磁電感器13之電感值可選為22微亨利(μH)，以提供較佳的電路工作可靠度，惟不以此為限。
請再參閱第2圖所示，該解耦電路2係由一第二逆止元件21及一第二開關22串接於該輸入電路1之第一連接 點P1及第二連接點P2之間，並形成一第一串接點C1，另由一第三開關23及一第三逆止元件24串接於該第一連接點P1及第二連接點P2之間，並形成一第二串接點C2，該第二串接點C2與該第一串接點C1之間電性連接一解耦電容器25。在此實施例中，該第二逆止元件21及第三逆止元件24可採用習知二極體，該第二開關22及第三開關23可採用習知電晶體，該解耦電容器25可採用習知電容器(例如：薄膜電容器等)作為實施態樣，惟不以此為限。
其中，該第二逆止元件21之一陽極端211電性連接該第二連接點P2及該第三開關23之一輸入端231，該第二逆止元件21之一陰極端212電性連接該第二開關22之一輸入端221及該解耦電容器25之一端；該第三逆止元件24之一陽極端241電性連接該解耦電容器25之另一端及該第三開關23之一輸出端232，該第三逆止元件24之一陰極端242電性連接該第二開關22之一輸出端222及該第一連接點P1。其中，該第二開關22另具有一控制端223，用以輸入一第二控制訊號W2(如第3a圖所示)，而控制該輸入端221與輸出端222之間呈現導通或截止；該第三開關23另具有一控制端233，用以輸入一第三控制訊號W3(如第3a圖所示)，控制該輸入端231與輸出端232之間呈現導通或截止；該解耦電容器25較佳採用薄膜電容器，以提高電路的工作可靠度，該解耦電容器25之電容值較佳選為60微法拉，使得漣波效應與上述開關的電壓應力之間相互取得平衡。
請再參閱第2圖所示，該輸出電路3係由一變壓器31 之一輸入埠311並聯該輸入電路1之激磁電感器13，該變壓器31之一第一輸出埠312串接一第二輸出埠313，該第一輸出埠312串聯一第四逆止元件32、一第四開關33及一輸出電容器34，該第二輸出埠313串聯該輸出電容器34、一第五開關35及一第五逆止元件36，該輸出電容器34串聯一輸出電感器37及一交流輸出埠38。在此實施例中，該變壓器31採用習知中間抽頭變壓器，該第四逆止元件32及第五逆止元件36採用習知二極體，該第四開關33及第五開關35採用習知電晶體，該輸出電容器34、輸出電感器37及交流輸出埠38分別採用習知電容器、電感器及雙端連接埠，惟不以此為限。
其中，該變壓器31之輸入埠311的二端分別電性連接該第一連接點P1及第二連接點P2；該第一輸出埠312之一端與該第二輸出埠313之一端共同連接形成一共接點P3，該第一輸出埠312之另一端電性連接該第四逆止元件32之一陽極端321；該第四逆止元件32之一陰極端322電性連接該第四開關33之一輸入端331；該第四開關33之一輸出端332電性連接該第五開關35之一輸入端351，並形成一連結點P4；該第五開關35之一輸出端352電性連接該第五逆止元件36之一陽極端361；該第五逆止元件36之一陰極端362電性連接該第二輸出埠313之另一端；該輸出電容器34之二端分別電性連接於該共接點P3及連結點P4(即該共接點P3電性連接該輸出電容器34之其中一端，該連結點P4電性連接該輸出電容器34之另一端)；該輸出電感器37及交流輸出埠38串接於該輸出電容器34 之二端之間，使該交流輸出埠38之二端可供電至一市電系統B；。其中，該第四開關33另具有一控制端333，用以輸入一第四控制訊號W4(如第3b圖所示)，控制該輸入端331與輸出端332之間呈現導通或截止；該第五開關35另具有一控制端353，用以輸入一第五控制訊號W5(如第3b圖所示)，控制該輸入端351與輸出端352之間呈現導通或截止；該輸出電容器34之電容值可選為2.2微法拉；該輸出電感器37之電感值可選為320微亨利。
請參閱第3a及3b圖所示，其係本發明光伏變流器較佳實施例之運作示意圖，其中，本發明光伏變流器使用時，可由一控制裝置(圖未繪示)取得該輸入電路1、解耦電路2、光伏系統A及市電系統B的運作資訊，例如：流出該激磁電感器13之激磁電流IL 、流入該解耦電路2之解耦電流IC 、該光伏系統A輸出之光伏電壓VA 、光伏電流IA 及該市電系統B輸出之市電電壓VB 之值，並據以產生該第一控制訊號W1、第二控制訊號W2、第三控制訊號W3、第四控制訊號W4及第五控制訊號W5，用以控制該第一開關15、第二開關22、第三開關23、第四開關33及第五開關35之開關狀態(即導通或切斷)，使該光伏變流器正常運作。
請參閱第4圖所示，其係本發明光伏變流器之控制方法的運作流程圖，該控制方法包含一輸入步驟S1、一解耦步驟S2及一變流步驟S3。其中： 該輸入步驟S1，係導通該第一開關15，並切斷該第二開關22、第三開關23、第四開關33及第五開關35，使 該激磁電感器13儲存來自該直流輸入埠11的能量。詳言之，如第3a圖所示，該光伏系統A可藉由該直流輸入埠11供電至該輸入電容器12及激磁電感器13，用以儲存該光伏系統A輸出之直流電力。
請一併參閱第5圖所示，當t=t0 時，僅有該第一控制訊號W1導通該第一開關15，該激磁電感器13與該第一逆止元件14、第一開關15及輸入電容器12串聯形成一充/放電迴路(loop)，其中該光伏系統A、輸入電容器12及激磁電感器13之電壓相同，使該光伏系統A釋能至該激磁電感器13，並維持一輸入時段T1 (即時間點t0 至t1 )，在此過程中，該激磁電流IL 之值等於該光伏電流IA 之值，如下式(1)所示： 其中，I13 (t)為該激磁電流IL 的時變函數值，Iin (t)為該光伏電流IA 的時變函數值，Vin 為該光伏電壓VA 之電壓值，L13 為該激磁電感器13之電感量。
當t=t1時，該激磁電流IL 的時變函數值升至一激磁門檻值H1，如下式(2)所示： 其中，Ts 為該些開關元件的切換週期，D1 為該第一開關15之責任週期。由於該激磁門檻值H1在該光伏系統A的固定最大功率電流命令下為一定值，而且，上述開關切換頻率遠大於該光伏系統A之最大功率追蹤頻率，故該光伏電流IA 可維持一定值，如下式(3)所示： 其中，上式(3)之參數定義如前所述。
該解耦步驟S2，當該激磁電流IL 之值升至該激磁門檻值H1時，切斷該第一開關15，若該解耦電流IC 之值大於一解耦門檻值H2，切斷該第二開關22及第三開關23，使該激磁電感器13釋能至該解耦電容器25，若該解耦電流IC 之值小於該解耦門檻值H2，導通該第二開關22及該第三開關23，使該解耦電容器25釋能至該激磁電感器13。詳言之，該激磁門檻值H1可由上式(3)計算而得，如下式(4)所示： 其中，上式(4)之參數定義如前所述。
如第3a及5圖所示，當t=t1 時，該激磁電流IL 之值升至該激磁門檻值H1，該第一開關15被該第一控制訊號W1切斷，使所有開關皆呈切斷狀態，此時，該控制裝置觀察該激磁電感器13流入該解耦電路2之解耦電流IC ，倘若該解耦電流IC 之值(如第5圖所示之X點)大於該解耦門檻值H2(即該市電電壓VB 之值的包絡線sinθ*之絕對值)，表示該激磁電感器13出現造成漣波電流的多餘能量，則該控制裝置持續切斷該第二開關22及第三開關23，使該第二逆止元件21、解耦電容器25及第三逆止元件24共同形成一充電路徑(charging path)，將造成該漣波電流之多餘能量儲存於該解耦電容器25，並且維持一解耦充電時段T2 (即時間點t1 至t2 )，如下式(5)所示： 其中，D2 為該第二逆止元件21及第三逆止元件24之責任週期，V25 為該解耦電容器25的電壓值，其餘參數定義如前所述。在此期間，該解耦電容器25之電壓維持一定值，該解耦電流IC 之值係如下式(6)所示： 其中，I25 (t)為該解耦電容器25之解耦電流IC 的時變函數值，其餘參數定義如前所述，當該解耦電流IC 之值降至該解耦門檻值H2時，即t=t2 ，V25 (t)為該解耦電容器25的電壓時變函數值。
另一方面，當t=t1 時，倘若該解耦電流IC 之值(如第5圖所示之Y點)小於該解耦門檻值H2，表示該激磁電感器13出現造成漣波電流的能量不足部分，則僅由該第二及第三控制訊號W2及W3導通該第二開關22及第三開關23，使該第三開關23、解耦電容器25及第二開關22形成一放電路徑(discharging path)，供該解耦電容器25釋放先前儲存的能量至該激磁電感器13，該解耦電容器25注入該激磁電感器13之電流值係如上式(6)所示，以補足造成該漣波電流之不足部分，並且維持一解耦放電時段T2 ’(即時間點t1 至t2 ’)，如下式(7)所示： 其中，D2 ’為該第二開關22及第三開關23之責任週期，其餘參數定義如前所述。
因此，當時間點t1 至t2 時，如第6圖所示，其係本發 明之輸入功率與輸出功率示意圖，其中，當一輸出功率Eo 與一輸入功率Ei 相比較時，該輸出功率含有兩倍市電頻率之多餘交流成分E1 ，可暫存於該解耦電容器25；當時間點t1 至t2 ’時，該解耦電容器25暫存的能量可補充該輸出功率含有兩倍市電頻率之不足交流成分E2 。藉此，由該解耦電容器25儲存或釋放能量，即可使該解耦電流IC 等於該解耦門檻值H2，避免上述多餘或不足交流成分的現象，以維持該輸出功率的穩定；同時，該輸入電容器12的電容值可以大幅降低，而採用耐高溫環境的薄膜電容器，避免影響電路的工作穩定性。
該變流步驟S3，當該解耦電流IC 之值等於該解耦門檻值H2時，若該市電電壓VB 之值屬於正半週，導通該第四開關33，並切斷該第五開關35，使該第一輸出埠312釋能至該輸出電容器34；若該市電電壓VB 之值屬於負半週，導通該第五開關35，並切斷該第四開關33，使該第二輸出埠313釋能至該輸出電容器34。詳言之，如第3b及5圖所示，該變壓器31可由該第一輸出埠312及第二輸出埠313分別輸出交流電力之不同半週，其中，若該市電電壓值VB 之包絡線sinθ*值屬於正半週，則由該第四控制訊號W4導通該第四開關33，並由該第五控制訊號W5切斷該第五開關35，使該第一輸出埠312、第四逆止元件32、第四開關33及輸出電容器34形成另一充/放電迴路，供該第一輸出埠312釋能至該輸出電容器34，並且維持一變流時段T3 (即時間點t2 至t3 )，如下式(8)所示： 其中，D3 為將該激磁電感器13釋能完畢之責任週期，N為該變壓器31之二次側圈數除以一次側的圈數比(或稱匝數比，Turns Ratio)，vB 為該市電電壓值VB 之包絡線(v B =VB,peak |sinωt|)，其餘參數定義如前所述。其中，第一輸出埠312之流入該輸出電容器34之電流IP 係如下式(9)所示： 其中，上式(9)之參數定義如前所述。
另一方面，若該市電電壓值VB 之包絡線sinθ*值屬於負半週，則由該第五控制訊號W5導通該第五開關35，並由該第四控制訊號W4切斷該第四開關33，使第二輸出埠313、輸出電容器34、第四開關33及第四逆止元件32形成另一充/放電迴路，供電流IN 流入該輸出電容器34，如下式(10)所示： 其中，上式(10)之參數定義如前所述。
更詳言之，當該第四開關33或第五開關35切斷時，由該第一、第二、第三、第四及第五控制訊號W1、W2、W3、W4及W5切斷該第一開關15、該第二開關22、該第三開關23、該第四開關33及該第五開關35，使該輸出電容器34經由該輸出電感器37釋能至該交流輸出埠38，並且維持一輸出時段T4 (即時間點t3 至t4 )，此時，該激磁電感器13並無能量經由該交流輸出埠38轉移至該市電系 統B。其中，藉由該第四開關33或第五開關35反覆切換，該第一輸出埠312及第二輸出埠313輸出的能量可經由該輸出電容器34及輸出電感器37濾波，而輸出交流電力至該市電系統B。
請參閱第7圖所示，其係本發明之控制裝置的連線示意圖，其中，本發明具有電力解耦功能之光伏變流器還可以設有一控制裝置4，該控制裝置4可以由電子電路或可程式化脈波訊號產生器構成，用以依據該光伏系統A、市電系統B、輸入電路1及解耦電路2之工作狀態資訊，例如：流出該激磁電感器13之激磁電流IL 、流入該解耦電路2之解耦電流IC 、該解耦電流IC 作用於解耦電容器25的解耦電壓VC 、該光伏系統A輸出之光伏電壓VA 、光伏電流IA 及該市電系統B輸出之市電電壓VB 等，進而控制該第一開關15、第二開關22、第三開關23、第四開關33及第五開關35之開關狀態，使本發明具有電力解耦功能之光伏變壓器進行相關運作。在此實施例中，該控制裝置4設有一第一輸出端41、一第二輸出端42、一第三輸出端43、一第四輸出端44及一第五輸出端45，對應電性連接該第一開關15之控制端153、第二開關22之控制端223、第三開關23之控制端233、第四開關33之控制端333及第五開關35之控制端353，並輸出該第一控制訊號W1、第二控制訊號W2、第三控制訊號W3、第四控制訊號W4及第五控制訊號W5；該控制裝置4另設有一輸入匯流排46，該輸入匯流排46用以電性連接該光伏系統A、市電系統B、輸入電路1及解耦電路2，並取得上述工作狀態資訊， 以便產生上述控制訊號W1至W5，其產生方式係舉例說明如後所述。
舉例而言，如第8圖所示，其係本發明之控制裝置的內部方塊示意圖，其中，該控制裝置4包含一功率追蹤器(MPPT)、一誤差放大器(PI)、一鎖相迴路(PLL)、一絕對值產生器(ABS)、數個減法器(SUB)、乘法器(MUL)、比較器(CMP)、反相器(INV)及邏輯閘(AND)等，使該光伏電壓VA 之值及光伏電流IA 之值利用該功率追蹤器產生一激磁門檻值H1、該激磁門檻值H1與程式產生之鋸齒波比較而產生的第一控制訊號W1。同時，利用該鎖相迴路產生該市電電壓VB 之值的包絡線(如第5及8圖所示之sinθ*)，以便該絕對值產生器產生該包絡線之絕對值(如第8圖所示之｜sinθ*｜)，而且，該解耦電壓VC 之值與該解耦電壓VC 之目標值VC * 相減的結果利用該誤差放大器產生一誤差值，以便該誤差值、絕對值及激磁門檻值H1經過該乘法器相乘後，可產生一解耦門檻值H2，待該解耦門檻值H2分別減去該解耦電流IC 之值及激磁門檻值H1後，再將該二相減結果進行〝及(AND)〞邏輯運算，即可產生該第二控制訊號W2及第三控制訊號W3。同時，待該包絡線之值與零值相比較後，可採用大於零的部份產生該第四控制訊號W4。同時，將該第四控制訊號W4反相，即可取得小於零的部份，並作為該第五控制訊號W5。
藉由前揭之技術手段，本發明光伏變流器的主要特點列舉如下：該輸入電路1係由該激磁電感器13與該第一逆止元件14、第一開關15及輸入電容器12串聯形成充/放電 迴路；該解耦電路2係由該第二逆止元件21、解耦電容器25及第三逆止元件24形成該充電路徑，並由該第三開關23、解耦電容器25及第二開關22形成該放電路徑；該輸出電路3係由該第一輸出埠312、第四逆止元件32、第四開關33及輸出電容器34形成充/放電迴路，或者，由該第二輸出埠313、輸出電容器34、第四開關33及第四逆止元件32形成充/放電迴路。因此，本發明僅需使用上述五個電子開關，即可進行電力解耦功能，相較習知具有相同功能之光伏變流器，可以降低電子開關使用數量。
藉此，該解耦電容器25可將造成該輸出功率含有兩倍市電頻率之多餘交流成分，在直流電力未轉換為交流電力前，經由該充電路徑暫時儲存；而且，該暫時儲存的能量可經由該放電路徑注入該激磁電感器13，以補充該輸出功率含有兩倍市電頻率之不足交流成分，維持該輸出功率的穩定，可減少電子開關的電壓應力。同時，使得該輸入電容器12的電容值大幅降低，並可採用耐高溫環境的薄膜電容器，避免影響電路的工作穩定性，此為本發明之功效。
又，當該光伏系統A採用250瓦(W)的太陽能板時，亦即本發明光伏變流器操作於250瓦，若電路瓦特數上升，在電壓無變動的情形下，該解耦電容器25的電容值及耐壓值不需增加，即可正常運作，進一步增加本發明的使用裕度。
雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神 和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
 〔本發明〕
1‧‧‧輸入電路
11‧‧‧直流輸入埠
12‧‧‧輸入電容器
13‧‧‧激磁電感器
14‧‧‧第一逆止元件
141‧‧‧陽極端
142‧‧‧陰極端
15‧‧‧第一開關
151‧‧‧輸入端
152‧‧‧輸出端
153‧‧‧控制端
2‧‧‧解耦電路
21‧‧‧第二逆止元件
211‧‧‧陽極端
212‧‧‧陰極端
22‧‧‧第二開關
221‧‧‧輸入端
222‧‧‧輸出端
223‧‧‧控制端
23‧‧‧第三開關
231‧‧‧輸入端
232‧‧‧輸出端
233‧‧‧控制端
24‧‧‧第三逆止元件
241‧‧‧陽極端
242‧‧‧陰極端
25‧‧‧解耦電容器
3‧‧‧輸出電路
31‧‧‧變壓器
311‧‧‧輸入埠
312‧‧‧第一輸出埠
313‧‧‧第二輸出埠
32‧‧‧第四逆止元件
321‧‧‧陽極端
322‧‧‧陰極端
33‧‧‧第四開關
331‧‧‧輸入端
332‧‧‧輸出端
333‧‧‧控制端
34‧‧‧輸出電容器
35‧‧‧第五開關
351‧‧‧輸入端
352‧‧‧輸出端
353‧‧‧控制端
36‧‧‧第五逆止元件
361‧‧‧陽極端
362‧‧‧陰極端
37‧‧‧輸出電感器
38‧‧‧交流輸出埠
4‧‧‧控制裝置
41‧‧‧第一輸出端
42‧‧‧第二輸出端
43‧‧‧第三輸出端
44‧‧‧第四輸出端
45‧‧‧第五輸出端
46‧‧‧輸入匯流排
A‧‧‧光伏系統
B‧‧‧市電系統
C1‧‧‧第一串接點
C2‧‧‧第二串接點
Ei ‧‧‧輸入功率
Eo ‧‧‧輸出功率
E1 ‧‧‧多餘交流成分
E2 ‧‧‧不足交流成分
H1‧‧‧激磁門檻值
H2‧‧‧解耦門檻值
IA ‧‧‧光伏電流
IC ‧‧‧解耦電流
IL ‧‧‧激磁電流
IP ,IN ‧‧‧電流
P1‧‧‧第一連接點
P2‧‧‧第二連接點
P3‧‧‧共接點
P4‧‧‧連結點
S1‧‧‧輸入步驟
S2‧‧‧解耦步驟
S3‧‧‧變流步驟
T1 ‧‧‧輸入時段
T2 ‧‧‧解耦充電時段
T2 ’‧‧‧解耦放電時段
T3 ‧‧‧變流時段
T4 ‧‧‧輸出時段
VA ‧‧‧光伏電壓
VB ‧‧‧市電電壓
VC ‧‧‧解耦電壓
VC *‧‧‧解耦電壓之目標值
W1‧‧‧第一控制訊號
W2‧‧‧第二控制訊號
W3‧‧‧第三控制訊號
W4‧‧‧第四控制訊號
W5‧‧‧第五控制訊號
X,Y‧‧‧解耦電流值
sinθ*‧‧‧市電電壓之包絡線
t0 ,t1 ,t2 ‧‧‧時間點
t2 ’,t3 ,t4 ‧‧‧時間點
〔習知〕
9‧‧‧習知光伏變流器
91‧‧‧輸入埠
92a,92b‧‧‧輸出埠
93‧‧‧輸入電容
94‧‧‧展開電路
95‧‧‧解耦電路
P‧‧‧太陽能板
第1圖：習知光伏變流器的電路圖。
第2圖：本發明光伏變流器較佳實施例之電路圖。
第3a圖：本發明光伏變流器較佳實施例之運作示意圖(一)。
第3b圖：本發明光伏變流器較佳實施例之運作示意圖(二)。
第4圖：本發明光伏變流器之控制方法的運作流程圖。
第5圖：本發明光伏變流器之控制訊號示意圖。
第6圖：本發明之輸入功率與輸出功率示意圖。
第7圖：本發明之控制裝置的連線示意圖。
第8圖：本發明之控制裝置的內部方塊示意圖。
1‧‧‧輸入電路
11‧‧‧直流輸入埠
12‧‧‧輸入電容器
13‧‧‧激磁電感器
14‧‧‧第一逆止元件
141‧‧‧陽極端
142‧‧‧陰極端
15‧‧‧第一開關
151‧‧‧輸入端
152‧‧‧輸出端
153‧‧‧控制端
2‧‧‧解耦電路
21‧‧‧第二逆止元件
211‧‧‧陽極端
212‧‧‧陰極端
22‧‧‧第二開關
221‧‧‧輸入端
222‧‧‧輸出端
223‧‧‧控制端
23‧‧‧第三開關
231‧‧‧輸入端
232‧‧‧輸出端
233‧‧‧控制端
24‧‧‧第三逆止元件
241‧‧‧陽極端
242‧‧‧陰極端
25‧‧‧解耦電容器
3‧‧‧輸出電路
31‧‧‧變壓器
311‧‧‧輸入埠
312‧‧‧第一輸出埠
313‧‧‧第二輸出埠
32‧‧‧第四逆止元件
321‧‧‧陽極端
322‧‧‧陰極端
33‧‧‧第四開關
331‧‧‧輸入端
332‧‧‧輸出端
333‧‧‧控制端
34‧‧‧輸出電容器
35‧‧‧第五開關
351‧‧‧輸入端
352‧‧‧輸出端
353‧‧‧控制端
36‧‧‧第五逆止元件
361‧‧‧陽極端
362‧‧‧陰極端
37‧‧‧輸出電感器
38‧‧‧交流輸出埠
A‧‧‧光伏系統
B‧‧‧市電系統
C1‧‧‧第一串接點
C2‧‧‧第二串接點
P1‧‧‧第一連接點
P2‧‧‧第二連接點
P3‧‧‧共接點
P4‧‧‧連結點

Claims (12)

  1. 一種光伏變流器，係包含：一輸入電路，係由一直流輸入埠並聯一輸入電容器，該輸入電容器串聯一激磁電感器、一第一逆止元件及一第一開關，該激磁電感器之二端形成一第一連接點及一第二連接點；一解耦電路，係由一第二逆止元件及一第二開關串接於該第一連接點及該第二連接點之間，並形成一第一串接點，另由一第三開關及一第三逆止元件串接於該第一連接點及該第二連接點之間，並形成一第二串接點，該第二串接點與該第一串接點之間電性連接一解耦電容器；及一輸出電路，係由一變壓器之一輸入埠並聯該激磁電感器，該變壓器之一第一輸出埠串接一第二輸出埠，該第一輸出埠串聯一第四逆止元件、一第四開關及一輸出電容器，該第二輸出埠串聯該輸出電容器、一第五開關及一第五逆止元件，該輸出電容器串聯一輸出電感器及一交流輸出埠。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光伏變流器，其中該解耦電路係由該第二逆止元件之一陽極端電性連接該第二連接點及該第三開關之一輸入端，該第二逆止元件之一陰極端電性連接該第二開關之一輸入端及該解耦電容器之一端，該第三逆止元件之一陽極端電性連接該解耦電容器之另一端及該第三開關之一輸出端，該第三逆止 元件之一陰極端電性連接該第二開關之一輸出端及該第一連接點。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之光伏變流器，其中該解耦電容器為一薄膜電容器。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之光伏變流器，其中該解耦電容器之電容值為60微法拉。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之光伏變流器，其中該輸出電路係由該輸入埠之二端分別電性連接該第一連接點及該第二連接點，該第一輸出埠之一端與該第二輸出埠之一端共同連接形成一共接點，該第一輸出埠之另一端電性連接該第四逆止元件之一陽極端，該第四逆止元件之一陰極端電性連接該第四開關之一輸入端，該第四開關之一輸出端電性連接該第五開關之一輸入端，並形成一連結點，該第五開關之一輸出端電性連接該第五逆止元件之一陽極端，該第五逆止元件之一陰極端電性連接該第二輸出埠之另一端，該輸出電容器之二端分別電性連接該共接點及該連結點，該輸出電感器及該交流輸出埠串接於該輸出電容器之二端之間。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之光伏變流器，其中該輸入電路係由該直流輸入埠之二端電性連接該輸入電容器之二端，該輸入電容器的其中一端電性連接該第一連接點，該第二連接點電性連接該第一逆止元件之一陽極端，該第一逆止元件之一陰極端電性連接該第一開關之一輸入端，該第一開關之一輸出端電性連接該輸入電容器之另一端。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之光伏變流器，其中該第一開關、該第二開關、該第三開關、該第四開關及該第五開關分別為一電晶體。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之光伏變流器，其中該第一逆止元件、該第二逆止元件、該第三逆止元件、該第四逆止元件及該第五逆止元件分別為一個二極體。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之光伏變流器，另包含一控制裝置，係設有一第一輸出端電性連接該第一開關之一控制端、一第二輸出端電性連接該第二開關之一控制端、一第三輸出端電性連接該第三開關之一控制端、一第四輸出端電性連接該第四開關之一控制端及一第五輸出端電性連接該第五開關之一控制端。
  10. 一種光伏變流器之控制方法，係應用於如申請專利範圍第1項所述之光伏變流器，並由一控制裝置取得該光伏變流器之激磁電感器的一激磁電流值、該解耦電路的一解耦電流值及一市電系統輸出的一市電電壓值，並產生一第一控制訊號、一第二控制訊號、一第三控制訊號、一第四控制訊號及一第五控制訊號，用以控制該光伏變流器之第一開關、第二開關、第三開關、第四開關及第五開關之開關狀態，該控制方法包含：一輸入步驟，係導通該第一開關，並切斷該第二開關、該第三開關、該第四開關及該第五開關，使該激磁電感器儲存來自該光伏變流器之直流輸入埠的能量；一解耦步驟，當該激磁電流值升至該激磁門檻值時，切斷該第一開關，若該解耦電流值大於該解耦門檻值，切 斷該第二開關及該第三開關，使該激磁電感器釋能至該解耦電容器，若該解耦電流值小於該解耦門檻值，導通該第二開關及該第三開關，使該解耦電容器釋能至該激磁電感器；及一變流步驟，當該解耦電流值等於該解耦門檻值時，若該市電電壓值屬於正半週，導通該第四開關，並切斷該第五開關，使該光伏變流器之第一輸出埠釋能至該光伏變流器之輸出電容器，若該市電電壓值屬於負半週，導通該第五開關，並切斷該第四開關，使該光伏變流器之第二輸出埠釋能至該輸出電容器，其中，當切斷該第四開關或第五開關時，該輸出電容器經由該光伏變流器之輸出電感器釋能至該光伏變流器之交流輸出埠，而輸出交流電力至該市電系統。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之光伏變流器之控制方法，其中該激磁門檻值為33.71安培。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之光伏變流器之控制方法，其中該解耦門檻值為該市電電壓值之包絡線。
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