TWI533579B

TWI533579B - 換流器輸出功率調節方法

Info

Publication number: TWI533579B
Application number: TW103134279A
Authority: TW
Inventors: 陳柏力; 林保全; 游明弘
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2014-10-01
Filing date: 2014-10-01
Publication date: 2016-05-11
Also published as: US20160099659A1; TW201614939A; US9369063B2

Description

換流器輸出功率調節方法

本案係關於一種換流器輸出功率調節方法，特別關於一種運用於換流器中，控制換流器維持輸出功率的方法。

發電系統中，當太陽能模組在太陽光照射強度較弱時，太陽能模組提供給換流器的直流電功率較低，此時，換流器因既有的控制電路造成的損耗，導致轉換效率不佳。此外，當太陽能模組提供穩定的直流電至換流器時，換流器的輸入端係直流形式的恆定狀態，但輸出端卻是輸出正負交替的交流電，導致換流器的輸入端會受到來自於輸出端的漣波的影響，導致系統無法擷取出最大功率輸出。

因此，有鑑於太陽能模組在提供較低的能量時，換流器的轉換效率較差，以及為了提高換流器最大功率追蹤之精準度，實有必要發明一種換流器輸出功率調節方法，透過維持換流器輸出的功率，使得換流器在太陽能模組提供較弱的直流電時，換流器仍可有較佳的轉換效率。

本案提供一種換流器輸出功率調節方法，藉由維持所述換流器輸出交流電的功率在第一參考值以上，使得換流器具有較佳的轉換效率。在太陽能模組能量較低時，儲存太陽能模組輸出能量於電容中，並以判斷電容的電壓是否大於電壓參考值作為換流器輸送能量之依據，使得所述換流器在太陽能模組低能量下，亦能維持在較佳的轉換功率，提升所述換流器的使用效能。

為達上述目的，本案提供一種換流器輸出功率調節方法運用於換流器中，換流器具有電容用以儲存太陽能模組提供的直流能量，於所述換流器輸出功率調節方法中，首先至少轉換太陽能模組提供的直流電成為交流電，判斷交流電的功率是否大於第一功率值。當交流電的功率大於第一功率值時，換流器工作於連續模式。當交流電的功率不大於第一功率值時，換流器工作於不連續模式。於不連續模式中，以太陽能模組提供的能量對電容充電，此時，電容電壓向上增加，並判斷電容的電壓差能量是否大於電壓參考值。當電容的電壓大於電壓參考值時，換流器以脈衝形式提供能量送出，轉換成交流電。

本實施例中，於判斷交流電的功率是否大於第一功率值的步驟中，係判斷太陽能模組及電容提供的能量轉換而成的交流電功率是否大於第一功率值。當太陽能模組及電容所提供的能量轉換而成的交流電功率大於第一功率值時，換流器工作於連續模式。當太陽能模組及電容所提供的能量轉換而成的交流電功率不大於第一功率值時，換流器工作於不連續模式。

實施例中，於轉換太陽能模組以及電容以脈衝形式提供的直流電，成為交流電的步驟中，所述換流器偵測電容所儲存的功率準位變化，當電容所儲存的功率準位有變化時，換流器工作於不連續模式，當電容所儲存的功率準位未有變化時，換流器工作於連續模式。

此外，於以太陽能模組提供的直流電對電容充電的步驟中，所述換流器在電容充電的期間，比較第一時間區間中電容所儲存的功率和第二時間區間中電容所儲存的功率，當第一時間區間中電容所儲存的功率接近第二時間區間中電容所儲存的功率時，取得第一時間區間與第二時間區間之間的時間點，計算在時間點時電容的電壓，作為電壓參考值。電壓參考值對應於一個電壓參考範圍，電壓參考範圍的上限值是電容於第二時間區間結束時的第一電壓值，電壓參考範圍的下限值是電容於第一時間區間起始時的第二電壓值。當電容的電壓大於第一電壓值時，電容以脈衝形式提供直流電，與太陽能模組提供的直流電一併轉換成為交流電。

實施例中，所述換流器輸出功率調節方法中，在電容以脈衝形式提供直流電後，所述換流器判斷電容剩下的電壓是否大於第二電壓值。當電容剩下的電壓大於第二電壓值時，電容持續以脈衝形式提供直流電，並轉換太陽能模組與電容以脈衝形式提供的直流電成為交流電。

以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本案之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

10‧‧‧換流器

12、18‧‧‧濾波器

14‧‧‧電容

16‧‧‧轉換模組

30‧‧‧太陽能模組

50‧‧‧市電系統

t0、t1、t2‧‧‧時間點

Vmp‧‧‧電壓參考值

第1圖係為根據本發明一實施例所繪製的換流器的示意圖。

第2圖係為根據本發明一實施例所繪製的換流器輸出功率調節方法的流程圖。

第3圖係為根據本發明一實施例所繪製的計算電壓參考值的流程圖。

第4圖係為根據本發明一實施例所繪製的電容充電的功率時序圖。

第5圖係為根據本發明一實施例所繪製的換流器轉換效率曲線圖。

第6A圖及第6B圖係為根據本發明另一實施例所繪製的換流器輸出功率調節方法的流程圖。

第7圖係為根據本發明另一實施例所繪製的偵測電容儲存的功率準位變化的流程圖。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。

請一併參照第1圖至第5圖所示，第1圖係為根據本發明一實施例所繪製的換流器的示意圖，第2圖係為根據本發明一實施例所繪製的換流器輸出功率調節方法的流程圖，第3圖係為根據本發明一實施例所繪製的計算電壓參考值的流程圖，第4圖係為根據本發明一實施例所繪製的電容充電的功率時序圖，第5圖係為根據本發明一實施例所繪製的換流器轉換效率曲線圖。

如圖所示，本發明一種換流器輸出功率調節方法運用於換流器10中，換流器10設有輸入端及輸出端。換流器10的輸入端耦接於太陽能模組30，用以接收太陽能模組30產生的直流電，換流器10的輸入端設有濾波器12及電容14，濾波器18用以過濾太陽能模組30提供的直流電雜訊，並將太陽能模組30提供的直流電一部分儲存於電容14中，另一部分傳輸至轉換模組16中，轉換模組16將傳輸的直流電轉換成交流電，並透過設置於輸出端的濾波器18將轉換而成的交流電雜訊過濾後輸出，匯入於市電系統50中，與市電系統50的交流電合併使用太陽能模組30所產生的電力。

如第2圖所示，所述換流器輸出功率調節方法中，首先於步驟S201中，至少轉換太陽能模組30提供的直流電成為交流電，於步驟S203中，判斷交流電的功率是否大於功率值。當交流電的功率大於功率值時，於步驟S205中，換流器10工作於連續模式。當交流電的功率不大於功率值時，於步驟S207中，換流器10工作於不連續模式。在不連續模式下，於步驟S209中，以太陽能模組30提供的直流電對電容14充電。於步驟S211中，判斷電容14的電壓是否大於電壓參考值Vmp。當電容14的電壓大於電壓參考值Vmp時，於步驟S213中，電容14以脈衝形式提供直流電。最後於步驟S215中，電容14以脈衝形式提供的直流電與太陽能模組30提供的直流電一起轉換成交流電。

於步驟S201中，當太陽能模組30接收較強的光線，轉換成較大的直流電時，所述換流器10將太陽能模組30提供的直流電，一部分傳輸至電容14，對電容14進行充電，另一部分的直流電傳輸至轉換模組16中，轉換為交流電。當電容14被充飽，即到達電容14可以儲存的電壓上限時，所述換流器10將太陽能模組30大部分的直流電提供至轉換模組16中，轉換成交流電。

於步驟S203中，所述換流器10開始判斷產生的交流電功率是否大於功率值。當太陽能模組30提供的直流電所轉換的交流電功率大於或等於功率值時，表示太陽能模組30仍可提供較大的直流電。當太陽能模組30提供的直流電所轉換的交流電功率小於功率值時，表示太陽能模組30所提供的直流電減弱，電容14就開始輸出儲存的功率，與太陽能模組30所提供的直流電一併轉換成交流電，使得轉換而成的交流電功率大於或等於功率值。

值得注意的是，當太陽能模組30提供的直流電所轉換的交流電功率小於功率值時，太陽能模組30提供的直流電轉換而成的交流電不足功率值的部分，由原先儲存在電容14的功率補充，此時，電容14以連續波形的形式提供直流電，所述換流器10處於連續模式之下工作。

於步驟S207中，當電容14就輸出儲存的功率，與太陽能模組30所提供的直流電一併轉換而成的交流電的功率仍不大於功率值時，所述換流器10開始工作於不連續模式。

在不連續模式之下，於步驟S209中，太陽能模組30及電容14所提供的直流電停止轉換成交流電，而切換以太陽能模組30提供的直流電對電容14進行充電，此時在充電的過程中，所述換流器10開始計算電壓參考值Vmp。如第3圖及第4圖所示，於步驟S401中，在電容14充電期間，開始比較電容14充電期間中的一個第一時間區間及一個第二時間區間中電容14所儲存的功率。第一時間區間與第二時間區間可以但不限制為兩個連續的時間區間。以第一時間區間和第二時間區間係連續的時間區間為例時，於步驟S403中，當第一時間區間中電容14所儲存的功率與第二時間區間中電容14所儲存的功率接近時，例如第4圖中，時間點t0的功率和時間點t2的功率接近，則取得時間點t0與時間點t2區間中間的時間點t1。

於步驟S405中，計算在第一時間區間與第二時間區間之間的時間點時電容14的電壓，作為電壓參考值Vmp。例如圖式中，以時間點t1時電容14的電壓作為電壓參考值Vmp。於步驟S211中，在計算出電壓參考值Vmp時，電容14仍持續在進行充電。此時，判斷電容14的電壓是否已經大於電壓參考值Vmp。值得注意的是，在計算得到電壓參考值Vmp時，通常電容14的電壓已經大於電壓參考值Vmp，此時進入步驟S213中，電容14以脈衝的形式提供直流電。在步驟S213中，電容14每一次以一個脈衝提供直流電，與太陽能模組30提供的直流電一併轉換為交流電。

為了方便說明功率值以及步驟S213中，電容14提供脈衝的大小，之後說明將以第一功率值取代前述的功率值，並以第5圖所示的轉換效率曲線為例進行說明(第5圖僅為方便說明，並非用以限制本發明所述轉換器的轉換效率)。如第5圖所示，第一功率值關聯於換流器10的最佳轉換效率和最大輸出功率，換言之，第一功率值係換流器10在最佳轉換效率時的最大輸出功率，而第二功率值係指換流器10在最佳轉換效率時，換流器10輸入的功率。換流器10最佳的轉換效率係指換流器10可以將輸入直流電轉換為交流電的最佳比率。

從第5圖所示的轉換效率曲線圖來看，所述換流器10最佳的轉換效率約為95%。以最大輸出功率為250瓦特(Watt，W)的換流器10來說，當換流器10輸出功率到達最大輸出功率的50%，也就是125W時，所述換流器10的轉換效率已大約到達最佳轉換效率95%，此時，換流器10的輸出功率定義為第一功率值，大約為125W。當所述換流器10轉換輸出的交流電功率到達 125W時，換流器10應是輸入約132W(125W/95%=132W)的直流電才能達到輸出125W的交流電，此時換流器10輸入的直流電功率定義為第二功率值，約為132W。值得注意的是，第5圖所示的轉換效率曲線係在所述換流器10操作於連續模式下的轉換曲線，因此第一功率值與第二功率值係在連續模式下計算得到，但不以此為限。

據此，於步驟S213中，電容14每提供一個脈衝的功率與當時太陽能模組30提供的直流電的功率總和正好大約等於或略大於第二功率值。當太陽能模組30和電容14以脈衝形式提供直流電轉換為交流電時，交流電會在與市電系統50的交流電同步，且位於市電系統50交流電的零交越點(Zero-Cross Point)時，匯入於市電系統50中。

於實務上，所謂的零交越點指的是交流訊號從正電壓轉為負電壓或負電壓轉為正電壓的轉換點，此時交流訊號的電壓大約為0伏特(Volt，V)。在與市電系統50的交流電同步且市電系統50的交流電位於0伏特時將轉換而成的交流電匯入市電系統50中，除了避免市電系統50的交流電與換流器10輸出的交流電有相位差的問題，亦可以避免以過大的電壓匯入市電系統50時，電路元件的應力過大，不堪負荷，因此在市電系統50的交流電位於零交越點時匯入交流電。

為了更詳細說明本發明所述換流器輸出功率調節方法，請一併參照第1圖、第6A圖、第6B圖及第7圖所示，第 6A圖及第6B圖係為根據本發明另一實施例所繪製的換流器輸出功率調節方法的流程圖，第7圖係為根據本發明另一實施例所繪製的偵測電容儲存的功率準位變化的流程圖。

如圖所示，於步驟S601，所述轉換器初步操作於連續模式下。於步驟S603中，判斷太陽能模組30與電容14提供的直流電所轉換的交流電功率是否大於第一功率值。當太陽能模組30與電容14提供的直流電所轉換的交流電功率大於第一功率值時，表示太陽能模組30與電容14提供的直流電仍足夠電容14充電及轉換交流電以達到第一參考值，因此回到步驟S601中，繼續工作於連續模式。

於步驟S603中，當太陽能模組30與電容14提供的直流電所轉換的交流電功率不大於第一功率值時，表示太陽能模組30與電容14提供的直流電不足夠使產生的交流電達到第一參考值。當太陽能模組30及電容14提供的直流電轉換而成的交流電功率大於第一功率值時，表示太陽能模組30提供的直流電可能足夠單獨轉換為交流電，使得交流電能大於第一功率值，因此所述換流器10回到步驟S601，並持續判斷輸出的交流電是否大於第一功率值。

當太陽能模組30及電容14提供的直流電轉換而成的交流電功率不大於第一功率值時，表示太陽能模組30提供的直流電可能已經不足，因此於步驟S605中，判斷換流器10輸出的交流電是否與市電同步，並且在市電位於零交越點時，換流器10 暫時停止轉換產生交流電。於此步驟S605中，所述換流器10於同步市電於零交越點時停止轉換產生交流電的目的，係為了避免換流器10在輸出較大的交流電時，突然停止輸出交流電會造成電路元件的能量突然被抽離，造成電路元件的應力過大，故於市電的零交越點時才使換流器10停止轉換產生交流電。因此於步驟S605中，判斷交流電位同步市電於零交越點時，所述換流器10將於步驟S609中，等待交流電同步於零交越點，直到交流電同步市電於零交越點時，才停止轉換產生交流電，故於步驟S609中，在換流器10輸出的交流電尚未同步市電於零交越點時，換流器10仍可以持續轉換產生交流電。

當換流器10輸出的交流電同步市電於零交越點時，換流器10將停止轉換產生交流電，接著，於步驟S607中，以太陽能模組30提供的直流電對電容14充電。在太陽能模組對電容充電的期間，於步驟S611中，判斷電容14的電壓是否小於系統最小操作電壓，當電容14小於系統最小操作電壓時，進入到待機模式(步驟S613)。待機模式可以係指所述換流器10在經過一段時間後，又重新執行判斷所述換流器10轉換輸出的交流電是否可以到達第一參考值，若所述換流器10轉換輸出的交流電可以到達第一參考值，則所述換流器10又重新啟動，對太陽能模組30提供的直流電開始進行轉換。而所述系統最小操作電壓，係指換流器10可以產生運作的最小供應電壓，例如提供換流器10控制電路維持運作的最小工作電壓。

當電容14的電壓不小於系統最小操作電壓時，所述換流器10將持續運作，以太陽能模組30對電容14充電。在太陽能模組30對電容14充電的期間，所述換流器10計算電壓參考值Vmp，並於步驟S617中，判斷是否可以計算出電壓參考值Vmp。電壓參考值Vmp的計算方式如第3圖所示，係比較電容14充電期間中的一個第一時間區間及一個第二時間區間中電容14所儲存的功率。於此實施例中，又以第二時間區間結束時(如第4圖所示的時間點t2)，電容14的電壓值取作為第一電壓值，並以第一時間區間起始時(如第4圖所示的時間點t0)，電容14的電壓值取作為第二電壓值。第一電壓值及第二電壓值分別作為一個電壓參考範圍的下限值和上限值，第一電壓值及第二電壓值之間的電壓參考值Vmp(如第4圖所示的時間點t1時的電容14電壓)則可視為對應於電壓參考範圍。

回到第6B圖來說明，於步驟S617中，當所述換流器10無法計算出電壓參考值Vmp時，所述換流器10將回到步驟S607及步驟S611中，再次判斷太陽能模組30是否已經不足以充電電容14，電容14的電壓是否小於系統最小操作電壓。而當所述換流器10計算出電壓參考值Vmp時，表示所述換流器10亦同樣計算出第一電壓值及第二電壓值。

於步驟S619中，所述換流器10將判斷電容14的電壓是否大於第一電壓值，當電容14的電壓不大於第一電壓值時，太陽能模組30將繼續為電容14充電。當電容14的電壓大於第一電壓值時，表示電容14此時輸出直流電與太陽能模組30提供的直流電的總和可以使所述換流器10有較好的轉換效能，因此電容14可以準備輸出直流電。於電容14輸出直流電之前，於步驟S623，所述換流器10將判斷此時輸出交流電是否可以同步市電於零交越點，當換流器判斷出此時輸出交流電可以同步市電於零交越點時，於步驟S625中，電容14則以脈衝形式提供直流電，於步驟S627中，所述換流器10將轉換太陽能模組30與電容14以脈衝形式提供的直流電，成為交流電，匯入市電中。

之後，電容14以脈衝形式提供直流電輸出後，於步驟S629中，將判斷電容14的電壓是否小於第二電壓值，當電容14的電壓小於第二電壓值時，所述換流器10將回到步驟S603中，判斷所述換流器10輸出交流電的功率是否大於第一功率值。當電容14的電壓不小於第二電壓值時，電容14將繼續以脈衝形式提供直流電，並與太陽能模組30提供的直流電一併轉換為交流電。

如第7圖所示，於步驟S631中，所述換流器10在電容14以脈衝形式提供的直流電的期間，持續偵測電容14所儲存的功率準位變化。於步驟S633中，當電容14所儲存的功率準位仍有變化時，表示以太陽能模組30所提供的直流電轉換為交流電仍不足第一功率值，電容14需要提供儲存的直流電，與太陽能模組30提供的直流電一併轉換為交流電，才能使輸出交流電的功率大於第一功率值，故回到步驟S611中。然而，當電容14所儲存的功率已經無變化，且位於電容14可以儲存的電壓上限時，所述換流器10回到步驟S601中，所述換流器10工作於連續模式。

儘管本文描述了本發明諸實施例，請注意這些實施例僅以範例的方式呈現，而非用以限定本發明。對通曉相關技術者而言，在不悖離本發明的精神下可對實施例做各種形式和細節上改變乃是顯而易見。

綜合以上所述，所述換流器10輸出功率調節方法藉由偵測輸出的交流電，將輸出交流電的功率控制在第一參考值以上，使得換流器10具有較佳的直流電轉換交流電效率。在太陽能模組30提供的直流電較低的輕載模式下，利用於轉換模組16輸入端的電容14儲存太陽能模組30提供的低直流電，並在電容14充電期間，計算電壓參考值作為電容14提供直流電與否的依據，使得太陽能模組30提供的直流電與電容14以脈衝形式提供的直流電總和轉換為交流電時，交流電功率亦可以大約等於或略大於第一參考值，使得所述的換流器10在太陽能模組30提供低直流電的輕載模式下，亦能維持在較佳的轉換功率，提升所述換流器10的使用效能。

雖然本發明以上述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

Claims

一種換流器輸出功率調節方法，運用於一換流器中，該換流器包含一電容，所述換流器輸出功率調節方法包含：至少轉換一太陽能模組提供的直流電，成為一交流電；判斷該交流電的功率是否大於一功率值；當該交流電的功率大於該功率值時，該換流器工作於一連續模式；當該交流電的功率不大於該功率值時，該換流器工作於一不連續模式，並判斷該交流電是否同步於一市電；於該市電的一零交越點時，停止輸出該交流電；於該不連續模式中，以該太陽能模組提供的直流電對該電容充電；判斷該電容的電壓是否大於一電壓參考值；當該電容的電壓大於該電壓參考值時，該電容以脈衝形式提供直流電；以及轉換該太陽能模組以及該電容以脈衝形式提供的直流電，成為該交流電。
如請求項1所述之換流器輸出功率調節方法，其中判斷該交流電的功率是否大於該功率值的步驟中，包含：轉換該太陽能模組以及該電容提供的直流電，成為該交流電；判斷該太陽能模組以及該電容所提供的直流電所轉換的交流電的功率是否大於該功率值；當該太陽能模組以及該電容所提供的直流電所轉換的該交流電的功率大於該功率值時，該換流器工作於該連續模式；以及當該太陽能模組以及該電容所提供的直流電所轉換的該交流電的功率不大於該功率值時，該換流器工作於該不連續模式。
如請求項1所述之換流器輸出功率調節方法，其中於至少轉換該太陽能模組提供的直流電，成為該交流電的步驟中，包含：以該太陽能模組提供的部分直流電對該電容充電；以及該太陽能模組提供給該電容充電剩下的部分直流電轉換成為該交流電。
如請求項1所述之換流器輸出功率調節方法，其中於轉換該太陽能模組以及該電容以脈衝形式提供的直流電，成為該交流電的步驟中，包含：偵測該電容所儲存的功率準位變化；其中當該電容所儲存的功率準位有變化時，該換流器工作於該不連續模式；其中當該電容功率的準位不變化時，該換流器工作於該連續模式。
如請求項1所述之換流器輸出功率調節方法，其中於以該太陽能模組提供的直流電對該電容充電的步驟中，包含：在該電容充電的期間，比較一第一時間區間中該電容所儲存的功率和一第二時間區間中該電容所儲存的功率；當該第一時間區間中該電容所儲存的功率接近該第二時間區間中該電容所儲存的功率時，取得該第一時間區間與該第二時間區間之間的一時間點；以及計算該電容於該時間點時的電壓，作為該電壓參考值，其中該電壓參考值對應於一電壓參考範圍，該電壓參考範圍的上限值為該電容於該第二時間區間結束時的一第一電壓值，該電壓參考範圍的下限值為該電容於該第一時間區間起始時的一第二電壓值。
如請求項5所述之換流器輸出功率調節方法，其中當該電容的電壓大於該第一電壓值時，該電容以脈衝形式提供直流電。
如請求項6所述之換流器輸出功率調節方法，更包含：在該電容以脈衝形式提供直流電後，判斷該電容剩下的電壓是否大於該第二電壓值；當該電容剩下的電壓大於該第二電壓值時，該電容持續以脈衝形式提供直流電；以及轉換該太陽能模組以及該電容以脈衝形式提供的直流電，成為該交流電。
如請求項1所述之換流器輸出功率調節方法，其中於該電容以脈衝形式提供直流電的步驟中，包含：判斷一市電是否位於一零交越點；以及當該市電是否位於該零交越點時，該電容以脈衝形式提供直流電。
如請求項1所述之換流器輸出功率調節方法，其中該功率值關聯於該換流器的一最佳轉換效率與一最大輸出功率，該最佳轉換效率係該換流器轉換的該交流電與該換流器輸入直流電的比值。