TWI487239B - 應用於太陽發電系統並具有最大功率追蹤之市電並聯換流器 - Google Patents

Description

應用於太陽發電系統並具有最大功率追蹤之市電並聯換流器

本發明是有關於一種應用於太陽發電系統並具有最大功率追蹤之市電並聯換流器，尤指一種可達到結構簡單、有效降低裝置成本、可增加裝置擴充彈性以及使太陽能發電具有最大輸出效能之功效者。

按，太陽能為目前發展最有潛力的再生能源之一。近年來，政府積極推廣再生能源發展，太陽能為近期市場成長最快速也最穩定的能源之一，因此更成為近年來永續能源中政府積極開發的項目，國內廠商也開始競相角逐太陽光電相關市場，經濟部推動2030年太陽光電推廣目標量高達2500MW。

傳統上太陽能模組以串聯方式來提高足夠電壓使用，但串聯方式容易因為遮蔽效應、灰塵累積、太陽能模組老化與製程不均勻特性，造成太陽能發電效率的降低，因此模組化和小型的太陽能系統逐漸受到重視，也由於具有因地制宜和分散式調節的特色，也容易安裝在一般住宅和工業園區。

然，由於地震和海嘯等相關天然災害，也造成了國內外對於再生 能源的需求聲浪高漲，而太陽光電屋頂型政府躉購費率為7.33~10.32元/度，因此，太陽光電產業開始相對受到重視，本發明提出一模組化架構的電路，且能降低成本，期能拓展本所之技術，增加各種再生能源之應用。

在習用的架構下，如中華民國專利第I328730號之「太陽能發電系統之最大功率追蹤方法及裝置」而言，其係使用一最大功率追蹤電路追蹤最大功率點，需額外的電流檢出器來達成輸入功率計算，其成本較高且無模組化並聯的特性，在太陽能系統的成本效益分析上也不符目前期待，且不利於太陽能發電應用的推廣。

且以中華民國專利公開第201037958號之「高效能太陽能系統」觀之，其原理係藉由調整該模組化直流/直流轉換器，搭配一變流器實現太陽能發電系統，其模組化轉換器整合最大功率追蹤功能，雖然可改善太陽能模組串聯造成的效率降低，但增加電路元件成本較高，且兩級式高頻切換設計對於整體電路效率也會造成影響，也成為太陽能發電實際應用的阻礙。

且由美國專利公開第20090284998號之「Method and system for providing maximum power point tracking in an energy generating system」來說，其使用通訊界面和數位類比轉換控制追蹤最大功率點，且需額外的電壓電流偵測器來達成擷取再生能源之最大功率，其成本較高且需一複雜或數位化的控制器，應用在太陽能系統上也不符成本效益且不利於再生能源的推廣。

另再以美國專利20100123428「Battery-Charging Device for a Stand-Alone Generator System having a MPPT Function and Method Thereof」而言，其架構雖然簡單，但仍需偵測輸出電壓電流和計算功率來達到追蹤最大功率點，且需以功率決定電池 充電電流，其成本仍較本專利高，應用在太陽能系統上也不符成本效益且不利於再生能源的推廣。

再由美國專利第US7492162號之「Inverter system」架構而言，其仍需偵測輸出電壓電流和計算功率來達到追蹤最大功率點，且需電池感應方式判斷電流資訊，針對輸出短路的保護功能可由磁場變化來感測，雖可以應用於太陽能系統上，其成本仍較本專利高，應用在太陽能系統上也不符成本效益且不利於再生能源的推廣。

有鑑於此，本案之發明人特針對前述習用發明問題深入探討，並藉由多年從事相關產業之研發與製造經驗，積極尋求解決之道，經過長期努力之研究與發展，終於成功的開發出本發明「應用於太陽發電系統並具有最大功率追蹤之市電並聯換流器」，藉以改善習用之種種問題。

本發明之主要目的係在於，可將直流/交流濾波器與市電並聯，而利用太陽能發電模組將光能轉換成直流電壓源形式輸出，並以MPPT電力轉換器將該直流電轉換成封包與市電電壓同相之高頻電流源，且同時將輸出功率控制到最大，之後再以直流/交流濾波器，輸出一與市電電壓同相且為弦式電流注入至市電，而達到結構簡單、有效降低裝置成本、可增加裝置擴充彈性以及使太陽能發電具有最大輸出效能之功效。

為達上述之目的，本發明係一種應用於太陽發電系統並具有最大功率追蹤之市電並聯換流器，其包含有：一太陽發電模組；一與太陽發電模組連接之MPPT電力轉換器；以及一與MPPT電力轉換器 連接之直流/交流濾波器。

於本發明上述實施例中，該太陽發電模組係包含有多數相互並聯之太陽能板。

於本發明上述實施例中，該MPPT電力轉換器係包含有一連接太陽發電模組之電容、一連接電容之開關元件、一連接電容及開關元件之MPPT控制器、一連接開關元件之電感、及一連接電感之二極體。

於本發明上述實施例中，該直流/交流濾波器係包含有一連接MPPT電力轉換器之電容、分別連接電容之第一、第二、第三與第四開關、及一連接第一、第二、第三與第四開關之電感。

於本發明上述實施例中，該第一、第二、第三及第四開關係相互連接。

於本發明上述實施例中，該第一、第二、第三及第四開關係為低頻開關。

1‧‧‧太陽發電模組

2‧‧‧MPPT電力轉換器

21‧‧‧電容

22‧‧‧開關元件

23‧‧‧MPPT控制器

24‧‧‧電感

25‧‧‧二極體

3‧‧‧直流/交流濾波器

30‧‧‧電容

31‧‧‧第一開關

32‧‧‧第二開關

33‧‧‧第三開關

34‧‧‧第四開關

35‧‧‧電感

4‧‧‧市電

第1圖，係本發明第一實施例之方塊示意圖。

第2圖，係本發明第一實施例之使用狀態示意圖。

第3圖，係本發明第一實施例之控制訊號產生示意圖。

第4圖，係本發明第一實施例之輸入電感電流波形示意圖。

第5圖，係本發明第二實施例之使用狀態示意圖。

請參閱『第1、2、3及第4圖』所示，係分別為本發明第一實施例之方塊示意圖、本發明第一實施例之使用狀態示意圖、本發明第一實施例之控制訊號產生示意圖及本發明第一實施例之輸入 電感電流波形示意圖。如圖所示：本發明係一種應用於太陽發電系統並具有最大功率追蹤之市電並聯換流器，其至少包含有一太陽發電模組1、一MPPT電力轉換器2以及一直流/交流濾波器3所構成。

上述所提之太陽發電模組1係包含有多數相互並聯之太陽能板，而該太陽發電模組1係利用光伏效應將光能轉換成電能，且其電能之輸出係為直流電壓源形式。

該MPPT電力轉換器2係與太陽發電模組1連接，其包含有一連接太陽發電模組1之電容21、一連接電容21之開關元件22、一連接電容21及開關元件22之MPPT控制器23、一連接開關元件23之電感24、及一連接電感24之二極體25，而該MPPT電力轉換器2係將太陽能發電模組1輸出之直流電轉換成與市電4同相且具有麥當勞封包之高頻電流源形式，同時利用MPPT控制器23計算並控制開關元件22，使其將輸出功率控制到最大。

該直流/交流濾波器3係與MPPT電力轉換器2連接，其包含有一連接二極體25之電容30、分別連接電容30之第一、第二、第三與第四開關31、32、33、34、及一連接第一、第二、第三與第四開關31、32、33、34之電感35，其中該第一、第二、第三及第四開關31、32、33、34係呈相互連接型態之低頻開關，而該直流/交流濾波器3係接收與市電4同相且具有麥當勞封包之高頻電流源經由第一、第二、第三及第四開關31、32、33、34轉換成交流且經過電容30及電感35濾波後，輸出一與市電4電壓同相且為弦式電流注入至市電4。如是，藉由上述之結構構成一全新之應用於太陽發電系統 並具有最大功率追蹤之市電並聯換流器。

當本發明於不連續電流模式操作使用時，係以開關元件22切換控制電感24儲存能量，再經由二極體25輸出具有整流後正弦型式封包之脈波電流，再經由輸出電容30、輸出電感35及第一、第二、第三及第四開關31、32、33、34低頻切換為正弦電流至市電4端。

如第3圖所示，其係利用一整流後市電低頻正弦訊號和鋸齒波，比較輸出脈波調變控制訊號(SPWM)至開關元件22；再由第4圖觀之其係利用控制訊號產生電感電流波形，並具有正弦型式封包之特性，而為讓本發明之電路架構操作在不連續電流模式，最大導通率、輸入電壓與輸出電壓須符合下式：

在第1圖中若電路操作在不連續電流模式，輸入功率可近似為輸入電感儲存功率，可表示為：

其中L_m為輸入電感值，f_s為電路切換頻率，△I_L為電感電流每一切換周期的平均變化量。由第4圖可得△I_L可表示為：

其中f為市電頻率，N為每一市電周期開關S1切換次數，I_P為 每一市電周期的尖峰電流，因此，電路輸入的功率可表示為：

其中尖峰電流I_P可表示為：

其中D_P為最大導通率脈波調變控制訊號，V_c1為輸入電壓，最後輸入功率則可表示成：

上式輸入功率為包含輸入電壓與最大導通率之方程式，若利用設計電路中輸入電感和切換頻率，輸入功率可由輸入電壓與最大導通率可得到，相較於習用的輸入功率由輸入電壓與輸入電流相乘而得到，在實現最大功率追蹤時，本發明不需要輸入電流可得到輸入功率，可節省輸入電流感測器之成本，對於模組化之太陽能電力轉換器中節省之成本更為可觀；且至少使本發明達到下列之優點：

1.具有簡單化之最大功率擷取控制方法電路架構。

2.電路架構為單級設計，減少使用電路元件並降低成本，增加整體電路效率。

3.無需複雜電流感測元件，可減少成本和增加可靠度。

4.電路可模組化設計，增加裝置擴充彈性且改善太陽能模組串聯後的缺點。

請參閱『第5圖』所示，係本發明第二實施例之使用狀態示意圖。如圖所示：本發明除上述第一實施例所提型態之外，亦可為本第二實施例之型態，而其所不同之處係在於，本發明之電路架構係可以模組化方式進行實施設計，而讓多數個太陽發電模組1分別連接MPPT電力轉換器2之後，再與一直流/交流濾波器3連接，藉以可利用控制命令相位之交錯方式可使輸出濾波和效率有更好之表現；進而使本發明能更符合實際使用之所需。

綜上所述，本發明應用於太陽發電系統並具有最大功率追蹤之市電並聯換流器可有效改善習用之種種缺點，可將直流/交流濾波器與市電並聯，而利用太陽能發電模組將光能轉換成直流電壓源形式輸出，並以MPPT電力轉換器將該直流電轉換成與市電同相之高頻電流源，且同時將輸出功率控制到最大，之後再以直流/交流濾波器，輸出一與市電電壓同相且為弦式電流注入至市電，而達到結構簡單、有效降低裝置成本、可增加裝置擴充彈性以及使太陽能發電具有最大輸出效能之功效；進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合消費者使用之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧太陽發電模組

2‧‧‧MPPT電力轉換器

21‧‧‧電容

22‧‧‧開關元件

23‧‧‧MPPT控制器

24‧‧‧電感

25‧‧‧二極體

3‧‧‧直流/交流濾波器

30‧‧‧電容

31‧‧‧第一開關

32‧‧‧第二開關

33‧‧‧第三開關

34‧‧‧第四開關

35‧‧‧電感

4‧‧‧市電

Claims (4)

1. 一種應用於太陽發電系統並具有最大功率追蹤之市電並聯換流器，包括有：一太陽發電模組，係將光能轉換成直流電壓源形式輸出；一MPPT電力轉換器，係與該太陽發電模組連接，其包含有一連接太陽發電模組之電容、一連接該電容之開關元件、一連接該電容及該開關元件之MPPT控制器、一連接該開關元件之電感、及一連接該電感之二極體，而該MPPT電力轉換器係將該太陽發電模組輸出之直流電壓源轉換成與市電同相且具有麥當勞封包之高頻電流源形式，同時利用該MPPT控制器計算並控制該開關元件，使其將將輸出功率控制到最大；以及一直流/交流濾波器，係與該MPPT電力轉換器連接，其包含有一連接MPPT電力轉換器之電容、分別連接該電容之第一、第二、第三與第四開關、及一連接該第一、第二、第三與第四開關之電感，而該直流/交流濾波器係接收與市電同相且具有麥當勞封包之高頻電流源經由第一、第二、第三及第四開關轉換成交流且經過電容及電感濾波後，輸出一與市電電壓同相且為弦式電流注入至市電。
2. 依申請專利範圍第1項所述之應用於太陽發電系統並具有最大功率追蹤之市電並聯換流器，其中，該太陽發電模組係包含有多數相互並聯之太陽能板。
3. 依申請專利範圍第1項所述之應用於太陽發電系統並具有最大功 率追蹤之市電並聯換流器，其中，該第一、第二、第三及第四開關係相互連接。
4. 依申請專利範圍第1項所述之應用於太陽發電系統並具有最大功率追蹤之市電並聯換流器，其中，該第一、第二、第三及第四開關係為低頻開關。