TWI484415B - Solar cell array simulator to adapt to the control method of photovoltaic inverter - Google Patents

Solar cell array simulator to adapt to the control method of photovoltaic inverter Download PDF

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Description

太陽能電池陣列模擬器適應光伏逆變器之控制方法
本發明係關於一種太陽能電池陣列模擬器適應光伏逆變器之控制方法，特別是指一種藉由收斂因子的演算，而使太陽能電池陣列模擬器與光伏逆變器運作之功率-電壓曲線達到收斂之控制方法。
太陽能電池陣列可直接將太陽能轉換為直流電源，若需將其轉換為交流電來用以發電的話，須藉由光伏逆變器來達成。然而，光伏逆變器具有不同的擾動特性，是故不同的太陽能電池陣列需與適當的光伏逆變器匹配，才能達到最大功率效能，因而現今多以直流電源供應器來模擬太陽能電池陣列之輸出電壓電流曲線，並且同時應用於光伏逆變器的最大功率追蹤效能模擬。在這模擬演算的過程中，直流電源供應器一般皆採用CV/CC Mode控制方式，並且配合查表法達成對電壓電流曲線的控制，但由於不同擾動特性之光伏逆變器會有不同的擾動控制方式，如CV/CC/CP/CR Mode等之擾動方式，以下將以CR Mode擾動方式之光伏逆變器及CC Mode控制方式的直流電源供應器為例。
請一併參閱第一圖及第二圖，第一圖係顯示先前技術之電壓-電流曲線控制示意圖，第二圖係顯示先前技術之功率-電壓曲線收斂示意圖。如圖所示，電壓-電流曲線圖中，R1係為光伏逆變器(圖未示)之第一工作 擾動曲線、R2係為光伏逆變器之第二工作擾動曲線且A、B、C、D及E點係為由第一工作擾動曲線R1擾動至第二工作擾動曲線R2時之工作點變化軌跡，其中，太陽能電池陣列(圖未示)之電壓-電流特性線10係取自最大功率追蹤點之切線，且第二工作擾動曲線R2之斜率係大於太陽能電池陣列之電壓-電流特性線10之斜率。
假設A係為工作起始點，當光伏逆變器由第一工作擾動曲線R1擾動至第二工作擾動曲線R2時，由於直流電源供應器(圖未示)係為定電流模式(CC Mode)控制方式，工作點會由工作起始點A移動至第一修正點B，接著藉由查表法控制演算法收斂於太陽能電池陣列之電壓-電流特性線，因此工作點會由第一修正點B移動至第二修正點C，同樣的，由於直流電源供應器係為定電流模式控制方式，工作點會由第二修正點C移動至第三修正點D，最後，藉由查表法控制演算法收斂於太陽能電池陣列之電壓-電流特性線，因此工作點會由第三修正點D移動至第四修正點E，進而收斂於第一工作擾動曲線R1及第二工作擾動曲線R2之區間內，使得直流電源供應器可以順利完成太陽能電池陣列模擬功能，進而在功率-電壓座標系中模擬出收斂功率-電壓曲線20。
請一併參閱第三圖及第四圖，第三圖係顯示先前技術之電壓-電流曲線控制示意圖，第四圖係顯示先前技術之功率-電壓曲線發散示意圖。如圖所示，電壓-電流 曲線圖中，R1係為光伏逆變器之第一工作擾動曲線、R2係為光伏逆變器之第二工作擾動曲線，且A、B、C、D及E點係為由第一工作擾動曲線R1擾動至第二工作擾動曲線R2時之工作點變化軌跡，其中，太陽能電池陣列之電壓電流特性線10係取自最大功率追蹤點之切線，且第二工作擾動曲線R2之斜率係小於太陽能電池陣列之電壓-電流特性線10之斜率。
假設A係為工作起始點，當光伏逆變器由第一工作擾動曲線R1擾動至第二工作擾動曲線R2時，由於直流電源供應器係為定電流模式控制方式，工作點會由A點移動至B點，接著藉由查表法控制演算法收斂於太陽能電池陣列之電壓-電流特性線，因此工作點會由B點移動至C點，同樣的，由於直流電源供應器係為定電流模式控制方式，工作點會由C點移動至D點，然而，在藉由查表法控制演算法收斂於太陽能電池陣列之電壓-電流特性線後，其工作點會由D點移動至E點，進而無法收斂於第一工作擾動曲線R1及第二工作擾動曲線R2之區間內，因此會使直流電源供應器無法完成太陽能電池陣列模擬而失效，進而在功率-電壓座標系中，模擬出發散功率-電壓曲線30。
綜合以上所述，相信舉凡在所屬技術領域中具有通常知識者應不難理解習知技術中，在直流電源供應器模擬太陽能電池陣列過程中，有可能因為不同的電壓-電流特性線的斜率，而使得在功率-電壓座標系之功率-電壓曲線中，模擬會出現失效之問題。
有鑒於在上述習知技術中，普遍存在可能因為太陽能電池陣列不同的電壓電流曲線的斜率，而使得在功率-電壓座標系之功率-電壓曲線中，模擬會出現失效之問題。
緣此，本發明提供一種太陽能電池陣列模擬器適應光伏逆變器之控制方法，藉由加入收斂因子的演算調整，而讓太陽能電池陣列模擬器與光伏逆變器運作之功率-電壓曲線收斂。
本發明為解決習知技術之問題所採用之必要技術手段係提供一種太陽能電池陣列模擬器適應一光伏逆變器之控制方法，該太陽能電池陣列模擬器係在一電壓-電流座標系上具有一電壓-電流特性曲線，且該光伏逆變器對應於該電壓-電流座標系具有複數個擾動曲線，該控制方法包含以下步驟：首先在電壓-電流座標系上，在該些擾動曲線中擷取一第一工作擾動曲線與一第二工作擾動曲線，並在第一工作擾動曲線與第二工作擾動曲線之間定義出一收斂區間，接著在第一工作擾動曲線與電壓-電流特性曲線之交點處擷取一工作起始點，且工作起始點具有一工作起始電流。
之後在第二工作擾動曲線上擷取一第一修正點，且 第一修正點具有工作起始電流與一第一修正電壓，然後在電壓-電流特性曲線上擷取一第二修正點，且第二修正點具有第一修正電壓與一第一修正電流，之後在第二工作擾動曲線上擷取一第三修正點，且第三修正點具有第一修正電流與一第二修正電壓，接著在電壓-電流特性曲線上擷取一第四修正點，且第四修正點具有第二修正電壓與一第二修正電流，之後判斷第四修正點是否落於收斂區間外。
然後在第四修正點落於收斂區間外時，擷取一收斂參數值與逼近電壓-電流特性曲線之一第一電流差異值，並且將其相乘而產生一第一收斂因子，接著在第一工作擾動曲線與電壓-電流特性曲線之交點處擷取工作起始點，且工作起始點具有工作起始電流，然後在第二工作擾動曲線上擷取第一修正點，且第一修正點具有工作起始電流與第一修正電壓，而後在電壓-電流座標系上擷取第五修正點，且第五修正點具有第一修正電壓與一第三修正電流，而第三修正電流係由第一修正電流與第一收斂因子相加而產生。
接著在第二工作擾動曲線上擷取一第六修正點，且第六修正點具有第三修正電流與一第三修正電壓，最後在電壓-電流座標系上擷取一第七修正點，且第七修正點具有第三修正電壓與一第四修正電流，而第四修正電流係由第二修正電流與第二收斂因子相加而產生。
本發明提供一種太陽能電池陣列模擬器適應光伏逆變器之控制方法，由於當其演算發散時，即擷取收斂參數值與電流差異值，並且將其相乘而產生收斂因子，藉由加入收斂因子的演算調整，可讓功率-電壓曲線漸漸地收斂，進而模擬出太陽能電池陣列於功率-電壓曲線。
本發明所採用的具體實施例，將藉由以下之實施例及圖式作進一步之說明。
由於本發明所提供之太陽能電池陣列模擬器適應光伏逆變器之控制方法，可廣泛運用於各種演算儀器及量測儀器等，其組合實施方式不勝枚舉，故在此不再一一贅述，僅列舉其中一個較佳實施例來加以具體說明。
請一併參閱第五圖至第八A圖，第五圖係顯示本發明較佳實施例之太陽能電池陣列模擬器及光伏逆變器之方塊示意圖，第六圖及第六A圖係顯示本發明較佳實施例之功率-電壓曲線演算方法流程圖，第七圖係顯示本發明較佳實施例之電壓-電流特性曲線及擾動曲線示意圖，第八圖及第八A圖係顯示本發明較佳實施例之功率-電壓曲線演算方法示意圖。
如第五圖所示，太陽能電池陣列模擬器2包含一處理單元21、一擷取單元22、一判斷單元23及一運算單元24。擷取單元22係電性連結於處理單元21，判斷單元23係電性連結於擷取單元22，運算單元24係電性 連結於判斷單元23，且負載3係電性連結於太陽能電池陣列模擬器2。
本發明較佳實施例係利用太陽能電池陣列模擬器2來模擬太陽能電池陣列之電壓-電流特性曲線，而光伏逆變器1具有複數個擾動曲線50(圖中僅標示一個)。其中，以下將以定電流模式(CC Mode)控制方式及定電阻模式(CR Mode)擾動方式為例。
另外，為了使本較佳實施例較為清楚，以下將工作起始電流定義為Ii 、第一修正電壓定義為V1 、第一修正電流定義為I1 、第二修正電壓定義為V2 、第二修正電流定義為I2 、第三修正電壓定義為V3 、第三修正電流定義為I3 且第四修正電流定義為I4 ，而功率-電壓曲線演算方法如後：
步驟S101：在該些擾動曲線中擷取一第一工作擾動曲線與一第二工作擾動曲線，並在第一工作擾動曲線與第二工作擾動曲線之間定義出一收斂區間。
步驟S102：在第一工作擾動曲線與電壓-電流特性曲線之交點處擷取一工作起始點。
步驟S103：在第二工作擾動曲線上擷取一第一修正點。
步驟S104：在電壓-電流特性曲線上擷取一第二修正點。
步驟S105：在第二工作擾動曲線上擷取一第三修正點。
步驟S106：在電壓-電流特性曲線上擷取一第四修正點。
步驟S107：判斷第四修正點是否落於收斂區間外。
步驟S108：擷取一收斂參數值與逼近電壓-電流特性曲線之一電流差異值，並且將其相乘而產生一第一收斂因子。
步驟S109：在第一工作擾動曲線與電壓-電流特性曲線之交點處擷取工作起始點。
步驟S110：在第二工作擾動曲線上擷取第一修正點。
步驟S111：在電壓-電流座標系上擷取第五修正點，並且藉由第一收斂因子運算修正電流。
步驟S112：在第二工作擾動曲線上擷取一第六修正點。
步驟S113：在電壓-電流座標系上擷取一第七修正點，並且藉由第二收斂因子運算修正電流。
步驟S114：擷取第七修正點之修正電壓與修正電流，藉以在功率-電壓座標系上標記一收斂數據點。
上述之功率-電壓曲線演算方法中，步驟開始後，太陽能電池陣列模擬器2模擬太陽能電池陣列之電壓-電流特性曲線40，光伏逆變器1具有複數個擾動曲線50(圖中僅標示一個)，處理單元21即於電壓-電流座 標系上產生如第七圖所示之電壓-電流特性曲線40及擾動曲線50示意圖，並且開始演算後續步驟，其中，電壓-電流特性曲線40包含開路電壓(Voc)、短路電流(Isc)、最大功率電壓(Vmp)及最大功率電流(Imp)四項參數。
在產生電壓-電流特性曲線40及擾動曲線50後，隨即進入步驟S101在該些擾動曲線中擷取一第一工作擾動曲線與一第二工作擾動曲線，並在第一工作擾動曲線與第二工作擾動曲線之間定義出一收斂區間。其中，擷取單元22在電壓-電流座標系上，於該些擾動曲線50(圖中僅標示一個)中，擷取出如第八圖所示之一第一工作擾動曲線R1與一第二工作擾動曲線R2，此外，擷取單元22於電壓-電流特性曲線40之最大功率點(Maximum Power Point；MPP)中，擷取該點之切線並且產生電壓-電流特性曲線40’。其中，在本發明之較佳實施例中，係將第一工作擾動曲線R1與第二工作擾動曲線R2之間定義為收斂區間(圖未示)。
擷取單元22擷取完以後，隨即進入步驟S102在第一工作擾動曲線與電壓-電流特性曲線之交點處擷取一工作起始點。其中，擷取單元22於第一工作擾動曲線R1與電壓-電流特性曲線40’交會處擷取一工作起始點A，而工作起始點A具有工作起始電流Ii 。
擷取單元22擷取完工作起始點A後，隨即進入步驟S103在第二工作擾動曲線上擷取一第一修正點。其中，由於太陽能電池陣列模擬器2係為定電流模式控制 方式，因此擷取單元22會於第二工作擾動曲線R2上擷取一第一修正點B，而第一修正點B具有工作起始電流Ii 與一第一修正電壓V1 。即因為是定電流模式控制方式，工作點會由工作起始點A演算至第一修正點B。
擷取單元22擷取完第一修正點B後，即進入步驟S104在電壓-電流特性曲線上擷取一第二修正點。其中，由於欲控制演算法收斂於電壓-電流特性曲線40’，因此擷取單元22會於電壓-電流特性曲線40’上擷取一第二修正點C，而第二修正點C具有第一修正電壓V1 與一第一修正電流I1 。
擷取單元22擷取完第二修正點C後，即進入步驟S105在第二工作擾動曲線上擷取一第三修正點。其中，由於太陽能電池陣列模擬器2係為定電流模式控制方式，因此擷取單元22會於第二工作擾動曲線R2上擷取一第三修正點D，而第三修正點D具有第一修正電流I1 與一第二修正電壓V2 。即因為是定電流模式控制方式，工作點會由第二修正點C演算至第三修正點D。
擷取單元22擷取完第三修正點D後，即進入步驟S106在電壓-電流特性曲線上擷取一第四修正點。其中，由於欲控制演算法收斂於電壓-電流特性曲線40’，因此擷取單元22會於電壓-電流特性曲線40’上擷取一第四修正點E，而第四修正點E具有第二修正電壓V2 與一第二修正電流I2 。
擷取單元22擷取完第四修正點E後，即進入步驟S107判斷第四修正點是否落於收斂區間外。其中，判 斷單元23即判斷第四修正點是否落於收斂區間外。若判斷單元23判斷第四修正點E是落於收斂區間內時，則進行步驟S114擷取第四修正點之修正電壓與修正電流，藉以在功率-電壓座標系上標記一收斂數據點。其中，擷取單元22係擷取第二修正電壓V2 與第二修正電流I2 ，藉以在功率-電壓座標系上標記一收斂數據點。
請一併參閱第五圖至第七圖及第八A圖，第八A圖係顯示本發明較佳實施例之收斂功率-電壓曲線演算方法示意圖。若判斷單元23判斷第四修正點E是落於收斂區間外的話，隨即進入步驟S108擷取一收斂參數值與逼近電壓-電流特性曲線之一電流差異值，並且將其相乘而產生一第一收斂因子。其中，擷取單元22擷取一收斂參數值與一第一電流差異值後，而運算單元24即將收斂參數值與第一電流差異值相乘而產生收斂因子。另外，為了使本較佳實施例較為清楚，以下將收斂參數值定義為K、第一電流差異值定義為△I且第一收斂因子定義為μ，即K*△I=μ，其中收斂參數值K係為小於1。
運算單元24運算完第一收斂因子μ後，處理單元21即開始演算後續步驟，隨即進入步驟S109在第一工作擾動曲線與電壓-電流特性曲線之交點處擷取工作起始點。其中，擷取單元22在電壓-電流座標系上，於第一工作擾動曲線R1與電壓-電流特性曲線40’之交會處擷取工作起始點A，且工作起始點A具有工作起始電流Ii 。
擷取單元22擷取完工作起始點A後，隨即進入步驟S110在第二工作擾動曲線上擷取第一修正點。其中，由於太陽能電池陣列模擬器2係為定電流模式控制方式，因此擷取單元22會於第二工作擾動曲線R2上擷取一第一修正點B，而第一修正點B具有工作起始電流Ii 與一第一修正電壓V1 。即因為是定電流模式控制方式，工作點會由工作起始點A演算至第一修正點B。
擷取單元22擷取完第一修正點B後，隨即進入步驟S111在電壓-電流座標系上擷取第五修正點，並且藉由第一收斂因子運算修正電流。其中，擷取單元22在電壓-電流座標系上擷取第五修正點C’，而第五修正點C’具有第一修正電壓V1 與一第三修正電流I3 。第三修正電流I3 係由第一修正電流I1 與第一收斂因子μ相加而產生，即I3 =I1 +μ，由於第一電流差異值△I係逼近於電壓-電流特性曲線40’，第一電流差異值△I係為負數使得μ為負數，因此I3 經由運算單元24運算後會較I1 小。
擷取單元22擷取完第五修正點C’後，隨即進入步驟S112在第二工作擾動曲線上擷取一第六修正點。其中，由於太陽能電池陣列模擬器2係為定電流模式控制方式，因此擷取單元22會於第二工作擾動曲線R2上擷取一第六修正點D’，而第六修正點D’具有第三修正電流I3 與一第三修正電壓V3 。即因為是定電流模式控制方式，工作點會由第五修正點C’演算至第六修正點D’。
擷取單元22擷取完第六修正點D’後，隨即進入步 驟S113在電壓-電流座標系上擷取一第七修正點，並且藉由第二收斂因子運算修正電流。其中，擷取單元22在電壓-電流座標系上擷取第七修正點E’，而第七修正點E’具有第三修正電壓V3 與一第四修正電流I4 。第四修正電流I4 係由第二修正電流I2 與第二收斂因子μ相加而產生，即I4 =I2 +μ，由於第二電流差異值△I’係逼近於電壓-電流特性曲線40’，第二電流差異值△I’係為正數使得μ為正數，因此I4 經由運算單元24運算後會較I2 大。
擷取單元22擷取完第七修正點E’後，隨即進行步驟S107判斷第七修正點是否落於收斂區間外。其中，判斷單元23即判斷第七修正點是否落於收斂區間外。
若判斷單元23判斷第七修正點是落於區間內的話，隨即進行步驟S114在第七修正點落於收斂區間內時，擷取第三修正電壓與第四修正電流，藉以在功率-電壓座標系上標記一收斂數據點。其中，擷取單元22係擷取第三修正電壓V3 與第四修正電流I4 ，藉以在功率-電壓座標系上標記一收斂數據點。
在標記完收斂數據點後，接著重複執行上述之功率-電壓曲線演算方法並且標記多個收斂數據點後，即可模擬出收斂之功率-電壓曲線而不會有發散之問題。
值得一提的是，若第一次藉由收斂因子運算仍無法演算出收斂之功率-電壓曲線的話，係將收斂參數值調整變小，例如是0.8、0.5及0.3漸漸變小來演算使功率-電壓曲線收斂。
藉由上述之本發明實施例可知，本發明確具產業上之利用價值。惟以上之實施例說明，僅為本發明之較佳實施例說明，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者當可依據本發明之上述實施例說明而作其它種種之改良及變化。然而這些依據本發明實施例所作的種種改良及變化，當仍屬於本發明之發明精神及界定之專利範圍內。
1‧‧‧光伏逆變器
2‧‧‧太陽能電池陣列模擬器
21‧‧‧處理單元
22‧‧‧擷取單元
23‧‧‧判斷單元
24‧‧‧運算單元
3‧‧‧負載
10‧‧‧太陽能電池陣列之電壓-電流特性線
20‧‧‧收斂功率-電壓曲線
30‧‧‧發散功率-電壓曲線
40、40’‧‧‧電壓-電流特性曲線
50‧‧‧擾動曲線
A‧‧‧工作起始點
B‧‧‧第一修正點
C‧‧‧第二修正點
D‧‧‧第三修正點
E‧‧‧第四修正點
R1‧‧‧第一工作擾動曲線
R2‧‧‧第二工作擾動曲線
Voc‧‧‧開路電壓
Isc‧‧‧短路電流
Vmp‧‧‧最大功率電壓
Imp‧‧‧最大功率電流
△I、△I’‧‧‧電流差異值
第一圖係顯示先前技術之電壓-電流曲線控制示意圖；第二圖係顯示先前技術之功率-電壓曲線收斂示意圖；第三圖係顯示先前技術之電壓-電流曲線控制示意圖；第四圖係顯示先前技術之功率-電壓曲線發散示意圖；第五圖係顯示本發明較佳實施例之太陽能電池陣列模擬器及光伏逆變器之方塊示意圖；第六圖及第六A圖係顯示本發明較佳實施例之功率-電壓曲線演算方法流程圖；第七圖係顯示本發明較佳實施例之電壓-電流特性曲線及擾動曲線示意圖；第八圖及第八A圖係顯示本發明較佳實施例之功率-電壓曲線演算方法示意圖。

Claims (7)

  1. 一種太陽能電池陣列模擬器適應一光伏逆變器之控制方法，該太陽能電池陣列模擬器係在一電壓-電流座標系上具有一電壓-電流特性曲線，且該光伏逆變器對應於該電壓-電流座標系具有複數個擾動曲線，該控制方法包含以下步驟：(a)在該電壓-電流座標系上，在該些擾動曲線中擷取一第一工作擾動曲線與一第二工作擾動曲線，並在該第一工作擾動曲線與該第二工作擾動曲線之間定義出一收斂區間；(b)在該第一工作擾動曲線與該電壓-電流特性曲線之交點處擷取一工作起始點，且該工作起始點具有一工作起始電流；(c)在該第二工作擾動曲線上擷取一第一修正點，且該第一修正點具有該工作起始電流與一第一修正電壓；(d)在該電壓-電流特性曲線上擷取一第二修正點，且該第二修正點具有該第一修正電壓與一第一修正電流；(e)在該第二工作擾動曲線上擷取一第三修正點，且該第三修正點具有該第一修正電流與一第二修正電壓；(f)在該電壓-電流特性曲線上擷取一第四修正點，且該第四修正點具有該第二修正電壓與一第二修正 電流；(g)判斷該第四修正點是否落於該收斂區間外；(h)在該第四修正點落於該收斂區間外時，擷取一收斂參數值與逼近該電壓-電流特性曲線之一第一電流差異值，並且將其相乘而產生一第一收斂因子；(i)在該第一工作擾動曲線與該電壓-電流特性曲線之交點處擷取該工作起始點，且該工作起始點具有該工作起始電流；(j)在該第二工作擾動曲線上擷取該第一修正點，且該第一修正點具有該工作起始電流與該第一修正電壓；(k)在該電壓-電流座標系上擷取一第五修正點，且該第五修正點具有該第一修正電壓與一第三修正電流，而該第三修正電流係由該第一修正電流與該第一收斂因子相加而產生；(l)在該第二工作擾動曲線上擷取一第六修正點，且該第六修正點具有該第三修正電流與一第三修正電壓；以及(m)在該電壓-電流座標系上擷取一第七修正點，並擷取該收斂參數值與逼近該電壓-電流特性曲線的一第二電流差異值，藉以將其相乘而產生一第二收斂因子，且該第七修正點具有該第三修正電壓與一第四修正電流，而該第四修正電流係由該第二修正電流與該第二收斂因子相加而產生。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之控制方法，更包含步驟(n)，在該第七修正點落於該收斂區間內時，擷取該第二修正電壓與該第二修正電流，藉以在該太陽能電池陣列模擬器與該光伏逆變器運作之一功率-電壓座標系上標記一收斂數據點。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之控制方法，其係利用一處理單元以演算出該電壓-電流特性曲線及該些擾動曲線。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之控制方法，其係利用一擷取單元擷取該第一工作擾動曲線、該第二工作擾動曲線、該起始工作點、該第一修正點、該第二修正點、該第三修正點、該第四修正點、該收斂參數值及該電流差異值。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之控制方法，其中，該步驟(g)係利用一判斷單元電性連結於該擷取單元以判斷該第四修正點是否落於該收斂區間外。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之控制方法，其係利用一運算單元電性連結於該擷取單元以運算出該第一收斂因子、該第二收斂因子、該第三修正電流及該第四修正電流。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之控制方法，其中該收斂參數值係為小於1。
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