TWI514746B - 能源電力調節裝置與其控制方法 - Google Patents

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Description

能源電力調節裝置與其控制方法
本發明是有關於一種能源電力調節裝置與其控制方法。
人類社會的文明建立在能源上，一旦能源匱乏，現代社會的生活與發展將馬上受到嚴重的影響。但石油、天然氣等能源的儲存量是有限的，如果能源不足的話，將發引能源危機。有鑑於此，愈來愈多業者投入於潔淨能源的開發，以解決或解緩能源危機。太陽能屬潔淨能源的其中一種。
在太陽發電過程中，太陽能面板將太陽能轉換成直流電源。太陽能面板所輸出之直流電源經過直流轉直流轉換，及直流轉交流轉換後，再經濾波器濾除高頻信號，以得到交流電源。此交流電源可為用戶所運用或者是可回賣給市電業者。
太陽能發電與日照強度息息相關，但日照強度無時無刻在改變。然而，在太陽能轉換系統的運作過程中，控制電路的運作、開關元件的切換等，會消耗功率。如何使得太陽能電力調節裝置的功率消耗降低，實屬重要關鍵。
本發明係有關於一種能源電力調節裝置與其控制方法，其利用非連續導通控制，使能源電力調節裝置在輕載之情況下，仍維持較高的效率表現，並且消除輸出交流電流之諧波成份。
根據本發明之一實施例，提出一種能源電力調節裝置之控制方法，其包含下列步驟：偵測目前周期的一輸出交流信號，以產生一參考電流命令；比較該參考電流命令與一參考上限功率；以及如果該參考電流命令小於該參考上限功率，則根據該參考電流命令來產生一第一電流命令，藉以進行非連續導通控制並使得該能源電力調節裝置處於一非連續導通狀態下。
根據本發明之另一實施例，提出一種能源電力調節裝置，其包含有一開關電路；一開關控制器，耦接至該開關電路，用以控制該開關電路；一電流命令產生器，耦接至該開關控制器，用以偵測目前周期的一輸出交流信號，藉以產生一參考電流命令，並比較該參考電流命令與一參考上限功率；以及一非連續導通控制器，耦接至該開關控制器與該電流命令產生器。如果該電流命令產生器判斷該參考電流命令小於該參考上限功率，則該電流命令產生器通知該非連續導通控制器，用以根據該參考電流命令來產生一第一電流命令給該開關控制器，該開關控制器用以控制該開關電路進行非連續導通控制，並使得該能源電力調節裝置處於一非連續導通狀態。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下 文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
100‧‧‧太陽能電力調節裝置
C1‧‧‧電容
110‧‧‧脈波寬度調變開關電路
120‧‧‧控制器
130‧‧‧比流器
140‧‧‧濾波器
SW1~SW4‧‧‧開關
122‧‧‧PWM信號控制器
124‧‧‧電流命令產生器
126‧‧‧非連續電流波形控制器
210~250‧‧‧步驟
第1圖係本發明實施例之太陽能電力調節裝置之電路示意圖。
第2圖係本發明施例之太陽能電力調節裝置之控制方法之流程圖。
第3圖係本發明實施例之太陽能電力調節裝置之信號波形圖。
本發明之各個實施例分別具有一或多個技術特徵。在可能實施的前提下，本技術領域具有通常知識者可選擇性地實施任一實施例中部分或全部的技術特徵，或者選擇性地將這些實施例中部分或全部的技術特徵加以組合。
現請參考第1圖，其係發明實施例之太陽能電力調節裝置100之電路示意圖。如第1圖所示，太陽能電力調節裝置100包括：電容C1、脈波寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)開關電路110、控制器120、比流器130與濾波器140。PWM開關電路110包括複數個開關，在此以PWM開關電路110包括開關SW1~SW4為例做說明，但當知本發明並不受限於此。
控制器120包括：PWM信號控制器122、電流命令產生器(current command generator)124與非連續電流波形控制器 (discontinuous current shape controller)126。
第2圖係本發明實施例之太陽能電力調節裝置100之控制方法之流程圖。第3圖係本發明實施例之太陽能電力調節裝置100之信號波形圖。請同時參照第1圖~第3圖。
由太陽能面板(亦可稱為直流電源來源)所輸出的直流電源VDC_IN 可儲存於電容C1內。電容C1耦接至PWM開關電路110。PWM開關電路110受控於控制器120的PWM信號控制器122，以將電容C1所儲存的直流電源轉換成交流電源。
PWM信號控制器122接收由電流命令產生器124所產生的電流命令Icmd ，及非連續電流波形控制器126所產生的非連續電流命令Icmd’ 。基本上，在任意時刻，PWM信號控制器122乃是接收由電流命令產生器124所產生的電流命令Icmd ，及非連續電流波形控制器126所產生的非連續電流命令Icmd’ 的二者之一。也就是說，PWM信號控制器122不會同時接收到電流命令產生器124所產生的電流命令Icmd ，及非連續電流波形控制器126所產生的非連續電流命令Icmd’ 。
根據回授的電流信號Iac ，以及所接收到的電流命令(Icmd 或者是Icmd’ )，PWM信號控制器122產生PWM開關信號給PWM開關電路110，以控制PWM開關電路110的內部開關SW1~SW4的開/關，來產生交流輸出。PWM開關電路110所產生的交流輸出經過濾波器140的濾波後，成為交流電壓Vgrid 與交流電流Igrid 。此交流電壓Vgrid 與交流電流Igrid 可為客戶(比如家庭或 辦公大樓等建築物)所使用，或者亦可回賣給市電業者。
更進一步地說，如第2圖的步驟210所示，根據所轉換出的交流電壓Vgrid 與交流電流Igrid ，來產生參考電流命令Iref 。也就是說，電流命令產生器124根據電流信號Iac 與電壓信號Vac 來產生參考電流命令Iref ，其中，電流信號Iac 與交流電流Igrid 之間乃是存在一定關係。比如，電流信號Iac 是將交流電流Igrid 降低而得，電壓信號Vac 是將交流電流Vgrid 降低而得。
如果讓PWM開關電路110所輸出的大振幅交流電流直接輸入至電流命令產生器124的話，有可能會破壞電流命令產生器124。故而，於本發明實施例中，利用比流器130來將PWM開關電路110所產生的大振幅交流電流降低成電流信號Iac 後，才輸入至電流命令產生器124。
亦即，於步驟210中，電流命令產生器124偵測目前周期的電流信號Iac 與電壓信號Vac 後，利用演算法，如最大功率追蹤法(MPPT,maximum power point tracker)，來比較前一周期的Vgrid 、Igrid 與這個周期的Vgrid 、Igrid ，以產生參考電流命令Iref 。於可能實施例中，參考電流命令Iref 可以表示為交流電流Igrid 的百分比。或者是，於可能實施方式中，參考電流命令Iref 可表示為「百分比」。
得到參考電流命令Iref 後，電流命令產生器124比較參考電流命令Iref 與參考上限功率，如步驟220。比如，電流命令產生器124比較參考電流命令Iref 是否大於(滿載)交流電流的一 半(也就是說，在此例當中，參考上限功率即為(滿載)交流電流的一半)。如果步驟220為是的話，則流程跳至步驟230。如果步驟220為否的話，則流程跳至步驟240。
於步驟230中，電流命令產生器124產生電流命令Icmd =Iref 給PWM信號控制器122。
於步驟240中，非連續電流波形控制器126根據參考電流命令Iref ，做非連續導通控制以產生非連續電流命令Icmd’ (αi ,βi ,n)給PWM信號控制器122。
也就是說，如果電流命令產生器124比較出參考電流命令Iref 大於滿載交流電流Igrid 的一半的話(步驟220為是，這代表目前的輸出功率足夠，可不需要進行非連續導通控制)，則電流命令產生器124產生電流命令Icmd =Iref 給PWM信號控制器122。如果電流命令產生器124比較出參考電流命令Iref 並未大於滿載交流電流Igrid 的一半的話(步驟220為否，這代表目前的輸出功率並不足夠，需要進行非連續導通控制)，則電流命令產生器124通知非連續電流波形控制器126，讓非連續電流波形控制器126根據參考電流命令Iref ，做非連續導通控制以產生非連續電流命令Icmd’ (αi ,βi ，n)給PWM信號控制器122。而且，在同一周期內，電流命令產生器124與非連續電流波形控制器126之中只能有一者產生電流命令給PWM信號控制器122。
於步驟250中，PWM信號控制器122比較所接收到的電流命令(Icmd 或Icmd ’)與迴授電流Iac 後，PWM信號控制器122 產生PWM開關信號，以控制PWM開關電路110當中的開關SW1~SW4的切換。至於PWM信號控制器122如何產生PWM開關信號的細節在此可不特別限定之。在本案實施例中，如果PWM信號控制器122所接收到的電流命令為Icmd =Iref 的話，亦可稱此時的PWM開關處於連續導通狀態；相反地，如果PWM信號控制器所接收到的電流命令為Icmd’ 的話，亦可稱此時的PWM開關處於非連續導通狀態。
現將說明本發明實施例如何進行「非連續導通控制」。
在本發明實施例中，電流命令產生器124可偵測PWM開關電路的輸出電流Iac 與輸出電壓Vac ，以偵測出此時的太陽能電力調節裝置100的輸出功率。電流命令產生器124將目前輸出功率與參考上限功率比較，以判斷太陽能電力調節裝置100是否需要進入非連續導通控制。
如果目前輸出功率低於參考上限功率，則需要進入非連續導通控制。於非連續導通控制下，非連續電流波形控制器126將通知PWM信號控制器122，以控制能讓PWM開關導通的脈寬值，使太陽能電力調節裝置100送出與交流電壓Vgrid 同步之輸出電流Igrid 。
如第3圖所示，非連續電流波形控制器126送出參數αi 、βi 與n(i與n為正整數，1≦i≦n)，其中，參數αi 代表的是PWM開關電路的動作時期寬度，而參數βi 代表的是PWM開 關電路的無動作時期寬度，n則代表在輸出交流電壓的半個周期內的導通次數(或者是說，在半個周期內的動作時期的次數)。如果以第3圖來看，n=5。
也就是說，處於動作時期αi 之間，PWM信號控制器122將控制PWM開關電路110內的開關SW1~SW4進行切換。相反地，如果處於非動作時期βi 之間，PWM信號控制器122將控制PWM開關電路110開關SW1~SW4完全關閉。此外，任一參數αi 與βi 小於交流輸出Vgrid 的半周期，亦即，0≦αi ≦180°；及0≦βi ≦180°。
亦即，動作時期αi 為太陽能電力調節裝置100之動作時期，而非動作時期βi 為太陽能電力調節裝置100的停止動作時期。亦即，於非動作時期βi 之中時，太陽能電力調節裝置100將太陽能面板所輸出的直流電源VDC_IN 儲存於電容C1內；而於動作時期αi 之中時，太陽能電力調節裝置100將暫存於電容C1內的電能進行轉換以得到輸出交流電壓Vgrid 與輸出交流電流Igrid 。
透過調整動作時期αi 、非動作時期βi 以及導通次數n(i=1~n)，可得到幾乎相等於預設值的輸出功率值。
另外，在每一個動作時期αi 中，有至少一次的開關切換(亦即，每一個動作時期αi 包括至少一個開關切換脈波)，以讓開關SW1~SW4將太陽能面板所輸出的所輸出的直流電源VDC_IN 切換成交流電源輸出，此交流電源輸出為非連續導通型態 之電流波形，且由PWM開關電路110所得到的輸出電壓與輸出電壓同相且同步於輸出交流電源Vgrid 與Igrid 。
現將說明如何調整動作時期αi 、非動作時期βi 以及導通次數n。
調整導通次數n，使在半個周期內，太陽能電力調節裝置100在動作時期α1 ~αn 之輸出功率加總等於所需要的輸出功率。例如所需要的輸出功率為10W，非連續電流波形控制器126輸出三個動作時期α1 、α2 與α3 使得在此三個動作時期α1 、α2 與α3 內的功率加總要等於10W。亦即，如果有需要的話，則可以增加導通次數n，以在半個周期內有更多的動作時期，以達成更高的輸出功率。
或者是，調整動作時期αi 之時間寬度，使太陽能電力調節裝置100在半個周期內得到相等於所需要的輸出功率。例如，如果所需要的輸出功率變成5倍的話，則動作時期α i之動作時間寬度也變成5倍，以增加輸出功率來符合所需要的輸出功率。
或者，調整動作時期α i內的開關SW1~SW4的責任周期或頻率，使太陽能電力調節裝置100之輸出功率等於所需要的輸出功率。例如，如果所需要的輸出功率增加時，則可增長動作時期αi 的開關SW1~SW4的責任周期或者是增加開關切換脈波的頻率。
若目前輸出功率超過參考上限功率，則太陽能電力 調節裝置100可不進行非連續導通控制。換句話說，在此情況下，PWM信號控制器122將控制PWM開關電路110內的開關SW1~SW4進行切換，以輸出電流與電壓給後端。
由上述可知，在本發明實施例中，處於非連續導通控制下，非連續電流波形控制器126在輸出參數αi 、βi 與n時，可依所需要的輸出功率來調整這些參數，以使得太陽能電力調節裝置100的轉換效率與輸出電力品質達最佳化的效果。
另外，於本發明實施例中，為讓轉換效率達最大化，可讓最長的動作時期αi 位於輸出電源Vgrid 的峰值處。如第3圖所示，最長的動作時期α3 (α3 在α1 ~α5 中是最大者)於輸出電源Vgrid 的峰值處。而其餘的αi 與βi 則可以對稱或非對稱排列於最長動作時期α3 的兩邊。另外，為增加轉換效率，於輸出電壓Vgrid 的零交越處，可能不會設置動作週期。以第3圖為例，於輸出電壓Vgrid 的零交越處，在轉換效率之要求下，可取消動作時期α5 之設置。
由上述說明可知，在本發明實施例中，於太陽能面板的輸出功率未達參考上限功率的情況下(也就是說，太陽能面板的輸出功率不甚理想)，太陽能電力調節裝置100操作於非連續導通控制模式下，如此一來，太陽能電力調節裝置100的整個周期並非一直在動作，而是透過設定參數αi 、βi 與n來控制PWM開關的導通時期與導通次數。因此，於本發明實施例中，在交流輸出電源的一個工作週期內，相較於習知技術，PWM開關之切換 次數較為減少，能有效降低切換損失，因此大幅提升轉換效率。
此外，於本發明實施例中，為減少非連續導通模式造成之諧波影響，可透過調整參數αi ，消除輸出電流之諧波成份，提高輸出電流之功率因數，將使太陽能電力調節裝置100的輸出電力品質操作在較優化的條件下。
另外，雖然上述實施例係以太陽能面板為例做說明，但當知本發明並不受限於此。本發明其他可能實施例亦可應用於能進行能源轉換的裝置之中(比如，風力發電裝置等)。
綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。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。
210~250‧‧‧步驟

Claims (12)

  1. 一種能源電力調節裝置之控制方法，其包含下列步驟：偵測目前周期的一輸出交流信號，以產生一參考電流命令；比較該參考電流命令與一參考上限功率；以及如果該參考電流命令小於該參考上限功率，則根據該參考電流命令來產生一第一電流命令，藉以進行非連續導通控制並使得該能源電力調節裝置處於一非連續導通狀態；其中，該第一電流命令包括一動作時期參數、一非動作時期參數以及一導通次數參數；該動作時期參數代表該能源電力調節裝置的複數內部開關的一動作時期寬度；該非動作時期參數代表該能源電力調節裝置的該些內部開關的一無動作時期寬度；以及該導通次數參數代表在該輸出交流信號的半個周期內的一導通次數。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之控制方法，更包括：如果該參考電流命令大於該參考上限功率，則根據該參考電流命令來產生一第二電流命令，藉以進行連續導通控制並使得該能源電力調節裝置處於一連續導通狀態。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之控制方法，更包括：將該第一或該第二電流命令比較於一迴授電流信號，以得到 一開關切換信號，該開關切換信號控制該能源電力調節裝置之複數內部開關之切換；其中，該迴授電流信號有關於所偵測到的目前周期的該輸出交流信號。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之控制方法，其中：偵測該目前周期的一轉換後交流輸出電流與一轉換後交流輸出電壓，藉以產生該參考電流命令。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之控制方法，其中：該參考上限功率有關於一滿載輸出交流電流。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之控制方法，其中：於該動作時期寬度內，該些內部開關至少切換一次；以及於該非動作時期寬度內，該些內部開關全不切換。
  7. 一種能源電力調節裝置，其包含有：一開關電路；一開關控制器，耦接至該開關電路，用以控制該開關電路；一電流命令產生器，耦接至該開關控制器，用以偵測目前周期的一輸出交流信號，藉以產生一參考電流命令，並比較該參考電流命令與一參考上限功率；以及一非連續導通控制器，耦接至該開關控制器與該電流命令產生器；如果該電流命令產生器判斷該參考電流命令小於該參考上限功率，則該電流命令產生器通知該非連續導通控制器，用以根 據該參考電流命令來產生一第一電流命令給該開關控制器，該開關控制器用以控制該開關電路進行非連續導通控制，並使得該能源電力調節裝置處於一非連續導通狀態；其中：該非連續導通控制器所產生的該第一電流命令包括一動作時期參數、一非動作時期參數以及一導通次數參數；該動作時期參數代表該能源電力調節裝置的該開關電路的複數內部開關的一動作時期寬度；該非動作時期參數代表該能源電力調節裝置的該開關電路的該些內部開關的一無動作時期寬度；以及該導通次數參數代表在該輸出交流信號的半個周期內的一導通次數。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之能源電力調節裝置，其中：如果該電流命令產生器判斷該參考電流命令大於該參考上限功率，則該電流命令產生器用以根據該參考電流命令來產生一第二電流命令給該開關控制器，該開關控制器用以控制該開關電路進行連續導通控制，並使得該能源電力調節裝置處於一連續導通狀態。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之能源電力調節裝置，其中：該開關控制器將該第一或該第二電流命令比較於一迴授電流信號，以得到一開關切換信號，該開關切換信號控制該能源電力調節裝置之該開關電路之複數內部開關之切換； 其中，該迴授電流信號有關於該電流命令產生器所偵測到的目前周期的該輸出交流信號。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之能源電力調節裝置，其中：該電流命令產生器偵測該目前周期的一轉換後交流輸出電流與一轉換後交流輸出電壓，以產生該參考電流命令。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之能源電力調節裝置，其中：該參考上限功率有關於一滿載輸出交流電流。
  12. 如申請專利範圍第7項所述之能源電力調節裝置，其中：根據該第一電流命令，於該動作時期寬度內，該開關控制器控制該開關電路的該些內部開關至少切換一次；以及根據該第一電流命令，於該非動作時期寬度內，該開關控制器控制該開關電路的該些內部開關全不切換。
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