TWI604686B - Parallel DC voltage source converters to provide power to alternating current (AC) power systems and methods therefor - Google Patents

Parallel DC voltage source converters to provide power to alternating current (AC) power systems and methods therefor Download PDF

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Description

並聯直流(DC)電壓源變流器以提供電力給交流(AC)電源系統及其方法
本發明係關於通信技術領域，特別關於一種感知無線電系統中的頻譜切換方法和設備。本專利申請要求2011年12月16日提交的第61/576363號美國臨時專利申請的優先權，其內容併入參照文件。
本發明係關於一具並聯直流(DC)電壓源變流器，特別關於一種包含光伏打系統的示範裝置的並聯直流(DC)電壓源變流器，且該系統可獨立或並聯式運作。此獨特科技之使用領域包括但不限定於：太陽能發電、電動汽車、能量儲蓄、不斷電系統、資料中心電源管理、及馬達驅動器等。
近來，液化石油與燃煤對環境、地理、國家安全以及人類健康所造成的負面影響與污染，日漸受到認識，也因此策動了如光伏打發電(太陽能)等乾淨能源的發展。目前，太陽能設備電容量的安裝與廣泛使用，受到數個因素阻礙。當前轉換太陽能能源到並聯與獨立應用裝置的電子途徑，有產品使用年限過短、物理尺寸與重量過大、以及鉅額的維持費用等問題。
今日，光伏打系統使用一變流器轉換太陽能電池中的直流電為並聯與獨立應用裝置可用的交流電。太陽能變流器有三種層級：中央型、串型、與模組型("微型變流器")。目前，最典型的光伏打組列使用一個中央與串型變流器。這些標準系統排列有多個次組列，每一次組列有一個別的太陽能板。一個接線盒組合不同次組列的輸出，向變流器傳輸一個直流電訊號。變流器將直流電轉換為交流電，並將交流電供給網格。在這樣的一個系統中，能夠有效地傳接到網格的能量大小，在系統的回收使用中非常重要。因此，必須盡可能地提高變流器的效能。
效能的高低是光伏打系統的主要經濟驅因，較高的電力產出，直接地等同於擁有者更高的收益。例如，一個傳統的中央或串型系統提供串聯排列的太陽能板，能量板的能量在中央的位置由直流電轉換為交 流電。但串列太陽能板的效能，會因其中任何一塊串聯排列的能量板輸出減弱，而大幅地降低整體功效。影響輸出減弱的原因包括模組故障、鳥類排泄引起的遮蔽、以及任何有形阻礙對串聯能量板的部份遮蔽。
為了增強整體效能，可以使用"微型變流器"，使得單一太陽能板皆連結於一個單一的變流器，獨立地為毗鄰的模組產生能量，無論它們是以串聯或平行的方式排列。個別模組的微型變流器輸出的交流電會組合起來，並平行地連結到網格。雖然在系統中，使用微型變流器比使用單一的中央或串型變流器更加具有效益，今日最佳的微型型變流器平均具有未滿或近似95%單位的效能，而最佳的串型與中央變流器則具有98%單位的效能。
美國專利7,796,412宣示一電力轉換設備。此設備具有至少兩個功率級，其中每個功率級可以將輸入的直流電轉換為交流電輸出。此設備亦有一個可以依據第一個直流電選擇動能的控制器，至少一個可以將第一個直流電轉換為第二個直流電源的功率級，並含有一個連結到功率級的輸出電路，可以把第二直流電轉換為交流電。
美國專利8,089,178宣示一直流電到脈衝振幅調變的電流轉換器，稱為"PAMCC"，連結到一直流電的獨立來源。PAMCC接收直流電，並從其三個輸出端子輸出脈衝振幅調變電流。每一端子的電流為一百二十度異向於其他兩個端子。脈衝以高頻率應合於一系列脈衝的訊號調變所製造。一系列脈衝的訊號調變可以代表部分的低頻正弦波或其他低頻率波型，也包括直流電。當一相位輸出平行地與類似的PAMCC連結時，就組成了一個PAMCC，任一電壓相位輸出脈衝與其他PAMCC相應的電流輸出脈衝是為異位。PAMCC的序列形成一分散的三相位多相換流，其總輸出為各PAMCC各相位電流脈衝振幅調變之解調總和。
在兩種途徑中，高電壓開關元件皆用於平行網格應用。這些途徑的主要缺點為半導體元件高電壓設計的高成本花費，以及高切換耗損的相對過低運作頻率。此外，低切換頻率也需要大型且昂貴的低通過濾元件。因此，交流電系統的應用設備對一可於高切換頻率運作的高效能變流器的需求是很明顯的。
因此，本發明的一個目的即為提供一種改良的新疊型電壓源 變流器，特別關於一種與高電壓與高功率的變流電系統連結的疊型電壓源變流器。
本發明的另一個目的是提供一種用於光伏打介面至網格，以Y型或三角型組構的疊型電壓源變流器。
本發明之一實施型態，係提供一種能量轉換的方式與設備。一個供給交流電源系統的直流電壓源變流器包含多個全橋變流器，每一開關有一主要節點與一次要節點，每一上述全橋變流器有一正極及一負極節點，每一上述全橋變流器有一電壓支援裝置平行通電連結於一前述正極節點與一前述負極節點，以及一直流電源連結於正極與負極節點；在至少一疊型反向器相中，每一疊型反向器相有多個上述的全橋變流器，每一在疊型反向器相中的上述全橋變流器皆以串聯關係連結，前述全橋變流器的次要節點與另一全橋變流器的主要節點連結，前述的串聯互連決定了第一個與最後一個全橋變流器，每一相位於前述的第一個全橋變流器的主要節點有一輸入節點，並在前述的最後一個全橋變流器的次要節點有一輸出節點，一個與每一個全橋變流器連結的局部控制器向全橋變流器傳遞控制信號，輸出一近似正弦的電壓波型；前述的全橋變流器與前述的局部控制器組成一個基本轉換單位；一個系統級的控制器與每一基本轉換單位的局部控制器溝通，系統級的控制器製造系統控制信號，以啟動、停止基本轉換單位的組構，以及選取其操作模式。
此方法包括比較多個直流電源的平均直流電壓與一參考的直流電壓，製造第一個誤差訊號；由平均直流電流與前述監測的平均交流電流層級，製造第二誤差訊號；基於近似正弦電壓波型的第一與第二誤差訊號，啟動及停止多個全橋變流器。
以上方面的實施可能包括一個或以上的下敘情況。此方式可能包括偵測多個直流電源與計算能量的直流電壓層級。此方式包括平衡上述直流電壓層級與比較上述平均值與參考直流電壓之值。此方式包括比較上述平均值與上述偵測的平均交流電流層級。此方式包括從上述的第二誤差訊號製造一相位調變訊號，以及一交流線路電壓偵測週期。一個交流線 路電壓週期可以透過相位鎖定迴路來偵測。此方式包括透過上述的相位調變訊號製造多個予上述全橋變流器的觸發參考訊號。此方式包括測定一調變指數，並為上述的調變指數提供一參考表。另一方面，開關裝置的觸發訊號可基於相位調變之訊號，透過數位信號處理器加以計算。
此方式包括提供基本轉換單位與一系統控制器之間的溝通。該系統控制器控制一個基本轉換單位的運作範圍，也決定了是否需要啟動或停止各基本轉換單位。此方式包括以單一導體串聯多個全橋變流器。
於一實施例中，系統控制器控制單一作為電流源的基本轉換單位，以及多個作為電壓源的基本轉換單位。
於另一實施例中，系統控制器控制多個作為電壓源的基本轉換單位。
於其他上述系統的實施中，可能包括一個或以上的下述情況。三層反向器相可以以Y型或三角型的方式連結。每一基本轉換單位插入一開關，選擇性地在個別階段失誤中使其輸出短路，使其他連結的基本轉換單位得以繼續運作。全橋變流器可以是第一對與第二對開關，每一對上述的開關有多個開關裝置來管控電流，每一上述開關裝置有第一與第二端點，上述的第一對開關有多個開關裝置，與上述的第一端點於上述全橋變流器正極節點處連結，上述第一對開關的開關裝置的第二端點與上述的主要節點連結，上述第一對開關的另一上述開關裝置的第二端點與上述的次要節點連結，上述的第二對開關有多個開關裝置，與上述的第二端點於上述的全橋變流器負極節點處連結，上述第二對開關的其一開關裝置的第一端點與上述主要節點連結，上述第二對開關的另一開關裝置的第一端點與上述次要節點連結。主要節點可以與一感應器連結。次要節點可以和一感應器連結。一電容器可以連結主要與次要節點，製造一局部交流電壓參考值，用以同步基本轉換單位與交流網格相位。在與電容器連結時，每一基本轉換單位偵測線路頻率。電容器也可提供短期防護，在個別裝置故障時避免電流逆流。開關裝置可以是一閉閘裝置，並聯地作為逆平行裝置，相對於彼此運作。閉閘裝置包括一從組中挑選的元件：一個閉閘閘流器、一個絕緣閘極雙極性電晶體、一個金氧半場效應電晶體、一個金屬半導體場效電晶體、一個接面場效電晶體、一個控制金氧半場效應電晶體的閘流 器、一個雙極接面電晶體、一個靜態感應電晶體、一個靜態感應閘流器、一個金氧半場效應電晶體閉閘閘流器、一個氮化鎵電晶體、一個碳化矽電晶體。逆平行裝置可以是一個二極體。每一全橋變流器可以連結到電容器、電池、燃料電池、光伏打電池或生質電池。直流電源與基本轉換單位的全橋變流器之間可以裝置一個降壓或升壓電壓調節電路。在使用包括光伏打電池的直流電源時，在每一基本轉換單位中加諸於直流電源的交流電壓調變，可以由一個主動濾波器解耦。一相位可使用多個基本轉換單位，以相合於特定的柵極電壓。每一基本轉換單位可在不同的直流電源層級中運作。多個基本轉換單位可用於各相位。
另一方面，一個反轉多個直流電源為近似正弦電壓波型的方式包括偵測疊型相位與交流電網格網絡連結的柵極交流電壓層級；以一系統控制器計算疊型基本轉換單位的交流啟動電壓；計算電力、實施最大電力點的追蹤演算法，以及製造一參考直流電壓；平衡上述的輸入直流電壓層級；比較上述的平均直流電壓層級與參考直流電壓；由上述平均值與參考直流電壓的比較中製造第一誤差訊號；比較直流電壓源的平均直流電流與偵測的交流電流層級；由上述平均值與偵測交流電流層級的比較中製造第二誤差訊號；由上述的第二誤差訊號製造相位調變訊號；偵測一具周期的交流線路電壓；製造一直接與上述交流線路電壓之周期相關的相位參考訊號；使用上述的相位參考訊號製造多個全橋變流器的觸發參考訊號；測定一調變指數；以及提供一上述調變指數的參考表。
於一實施中，輸出短路裝置(如繼電器、固態開關或其他)為一可選擇的配置。每一單一的轉換單位可以配置一短路裝置來預防系統因任一串聯單位故障或直流電力輸入不足而無法運作的可能性。短路裝置可由a)局部控制器或b)系統控制器加以控制。系統控制器可以透過電流限制裝置關閉至少一個平行開關，該電流限制裝置作為上述交流線路電壓的相位參考訊號，在疊型基本轉換單位產生電力之前，同步每一基本轉換單位。
另一方面，反轉多個直流電源為近似正弦電壓波型的方式，包括感知多個直流電源的平均直流電壓；根據感知到的直流電壓，啟動與停止多個全橋變流器。
實施例可包括一個或以上的下述情況。此方式包括提供基本轉換單位與一系統控制器之間的溝通。此方式包括偵測交流電壓層級，以及在電壓超過系統控制器計算範圍外時製造第一電壓參考訊號。此方式包括偵測交流電壓層級，以及在電壓保持在系統控制範圍內時製造第一電流參考訊號。此方式包括平衡上述的交流電壓層級，並比較參考直流電壓與上述的平均值。此方式包括平衡上述的交流電流層級，並比較參考直流電流與上述的平均值。
此方式包括由上述的使用者指令訊號製造一相移訊號。此方式包括偵測一有周期的交流線路電壓，並製造一直接與上述交流線路電壓之周期關連的相位參考訊號。此方式包括透過上述的相位參考訊號與相移訊號，製造多個全橋變流器的多個觸發訊號。此方式包括測定一調變指數並提供一上述調變指數的參考表。
此方式包括透過比較相位參考訊號與上/下數位計數器來測定觸發訊號。
優選實施例的優點可能包括一個或以上的下述情形。此系統的每一變流器只需要兩條電纜。此系統是高效能且可擴充的。此系統可以組構為單一或三相位運作使用。此系統是高度可靠、小型、且重量非常輕盈的。此系統可透過單一基本轉換單位的裝置配置，彈性支援多種柵極電壓與頻率。
100‧‧‧光伏打電板
102‧‧‧直流電橋
104‧‧‧交流電橋
110‧‧‧網格
106‧‧‧晶粒級逆變控制器
108‧‧‧通訊收發器
502‧‧‧光伏打電板
504‧‧‧局部控制器
506‧‧‧全橋變流器與濾波器
510‧‧‧網格
520‧‧‧基本轉換單位
522‧‧‧太陽能板
524‧‧‧系統控制器
528‧‧‧開關
530‧‧‧太陽能板
532‧‧‧全橋變流器
534‧‧‧液晶低通濾波器
540‧‧‧系統控制器
550‧‧‧局部控制器
551‧‧‧最大功率追蹤器
552‧‧‧最大功率追蹤器
554‧‧‧相加器
556‧‧‧直流電壓控制器
558‧‧‧限幅器
560‧‧‧相乘器
568‧‧‧通信模組
570‧‧‧相位鎖定迴路
572‧‧‧脈衝寬度調變驅動器
圖1為一示範的電力控制系統。
圖2A為一示範的具系統控制器之疊型相位變流器網格應用。
圖2B為一示範的光伏打電池網格應用之局部控制器。
圖3為一示範的光伏打電池網格應用之最大功率追蹤器過程。
圖4為一示範的模組電壓與電流限制過程，以及抗運作限制的調變指數計算與校驗。
圖5為一示範的具逆派克轉換器之相位鎖定迴路。
圖6A為一示範的控制圖2A系統的系統控制過程。
圖6B為一示範的基本轉換單位，由一局部控制器及具液晶輸出濾波器 與輸入直流升壓轉換器的全橋變流器組成。
圖6C為一示範的基本轉換單位，由一局部控制器及具液晶輸出濾波器、輸入直流升壓轉換器與主動濾波器的全橋變流器組成。
圖6D為一示範的基本轉換單位，由一局部控制器及具液晶輸出濾波器與推拉直流轉換器(獨立組構版本)的全橋變流器組成。
圖7為一示範的獨立型電力系統控制應用。
圖8為一示範的主要基本轉換單位對圖7之獨立應用的控制過程。
圖9為一示範的從屬基本轉換單位對圖7之獨立應用的控制過程。
圖10為一示範的對圖7之獨立應用的系統控制過程。
圖11為一示範的當前發明的發電系統之積體電路實施例。
圖1為一示範的電力控制系統。此系統包括一或多個光伏打電板502。由電板502製造的電力傳導到一個光伏打變流器與濾波器的組合506，再提供到電力網格510。一局部控制器504(下有詳細解釋)監控電板與網格電力，並對變流器與濾波器506傳送控制訊號。
於一實施例中，該局部控制器504控制一全橋變流器，並透過一溝通介面與一系統控制器溝通。此全橋變流器可以獲取光伏打電板製造的能量。一電容器可平滑此光伏打電板的輸出。全橋變流器輸出在抵達輸出區前，會先通過一低通濾波器。
圖2A為一具系統控制器的疊型相位網格應用。圖2A有多個太陽能板522，向基本轉換單位520提供電力。基本轉換單位520以串聯方式連結，每一基本轉換單位520的輸出皆由一系統控制器524控制。串聯連結的基本轉換單位520的輸出，也與電阻器526與開關K1 528串聯。基本轉換單位520也與開關K2 530串聯。開關528與530可以是固態開關，也可以是繼電器。開關528-530都由系統控制器控制。開關528-530向網格534提供輸出。此系統可以處理多個串聯連結的基本轉換單位，每個系統可處理之基本轉換單位的最小與最大值，取決於所有串聯的全橋變流器流動的集合網格電壓與每個基本轉換單位最大與最小的交流輸出電壓級等。每一基本轉換單位可以如電壓源般運作，以有效地疊接基本轉換單位。
於另一實施例中，系統控制器可以將一基本轉換單位如電流 源般配置，而其他的基本轉換單位可被用為電壓源。
於一實施例中，三個獨立的基本轉換單位串聯組可以以三相位轉換系統的方式配置。
於一示範的光伏打模組之網格應用，一個系統控制器包括一個外部調整迴路，控制提供網格電力的開關K1與K2。此系統控制器透過一通信頻道從基本轉換單位接收訊息。此通信頻道可以是有線的，如電力線通信頻道，也可以是無線的，如Zigbee收發器等。此系統控制器亦可進行運算偵測網格異常狀態，並藉由控制開關K1與K2，控制疊型基本轉換單位系統與網格間的斷聯。
圖2B為一圖1基本轉換單位的實施例。一太陽能電板530向一全橋變流器532提供直流電流輸出。全橋變流器532的輸出經過一低通濾波器，該濾波器在一實施例中可以是一液晶型的濾波器。濾波器534向一交流電源網格或交流電源匯流排提供輸出。濾波器534的輸出受局部控制器550監控。系統控制器540監控輸出電源與一具疊型基本轉換單位的相位電流，如圖2A所示。系統控制器傳送命令至一通信模組568，設定限幅器558的參數，以調整變流器532產生的電壓與電流。
圖2B的系統受一最大功率追蹤器模組551監控，其細節於圖3有所討論。最大功率追蹤器模組552監控來自電板530的電力。最大功率追蹤器模組551的輸出傳送至一相加器554，該相加器驅動一直流電壓控制器556，此控制器在一實施例中可為一比積控制器。該直流電壓控制器輸出一參考電流值。電壓控制器556的輸出連接至限幅器558，以製造一輸出m調變指數。一相乘器560接收限幅器558之輸出與一相位鎖定迴路，製造一輸出m sin θ。限幅器558與相位鎖定迴路570監控網格穿過低通濾波器534時的輸出。相乘器560的輸出供應予驅動器572，如脈衝寬度調變驅動器驅動全橋變流器532。
圖3為一示範的最大功率追蹤器過程。首先，此系統感測k時間的電壓V(k)與k時間的電流I(k)(580)。接下來是測定當下與前一時期的電壓差與電流差(582)。在584中，若存在一電壓差，進程將推展至586，測定I(k)加上△I/△V(V(k)是否為零，若為零，則分流至598。若586結果不為零，下一步測定I(k)加上△I/△V(V(k)是否大於零(588)，若大於零則增加 Vr(592)，否則減少Vr(590)。
同樣地，在584中，若電壓差為零，進程將推展至592，測定△I是否為零，若為零，則分流至598。若592測定結果不為零，下一步將測定△I是否大於零，若大於零，則增加Vr(596)，否則減少Vr(594)。
圖4為一示範的網格電壓的電流限制過程。電壓的最大與最小值由系統控制器(610)發出。接下來，該系統會取樣變流器輸出的電壓Vom與電流Iom(612)。接著，此過程於614中測定Vom是否少於Vom最小值Vommin。若輸出的電壓參考值Voref與Vommin相同，則一電壓控制迴路會開始運作。ε設定為Voref扣去Vom的數值(616)，m設定為每秒k1乘以ε加上k2乘ε的數值(618)。
於614，若Vom大於或等於Vommin，此過程會測定Vom是否大於Vom最大值Vommax。若Vom大於Vommax，Voref設定為Vommax，而ε設定為Voref扣去Vom的數值(622)，且電壓控制限制迴路會開始運作。此過程接著設定m為每秒k1乘ε加上k2乘ε(624)。若Vom不大於Vommax，正規電流迴路運作設定Ioref為Iref，而ε設定為Iref扣去Iom的數值(626)。接著，m被設定為每秒k3乘ε加上k4乘ε的數值(628)。
自操作618、624或628後，此過程接著確認調變指數m的可接受範圍。m的範圍mmin設定為Vommin/Vp，而mmax設定為Vomax/Vp(630)。接著，此過程測試m是否大於mmax。若m大於mmax，此過程設定m等於mmax。若m不大於mmax，此過程測試m是否小於mmax，並在m小於mmax時將m設定為mmin(636)。
圖5為一示範的相位鎖定迴路。一單一相位電壓(V β)與一內部製造訊號(V α)被作為一派克轉換區塊的輸入(α β-dq)。此派克轉換器的d軸輸出被用於一控制迴路，以維持輸入訊號的相位及頻率訊息。V α可使用逆派克轉換器獲取，其中輸入為派克轉換器的d與q軸之輸出(dq-α β)，透過一階極點區塊供給。該極點被用於在內部反饋迴路中引入能量儲存元件。
圖6A為一示範的圖2A系統的控制過程。此過程首先初始化n個串聯連結的基本轉換單位間的溝通(660)。此過程接著測量一網格電壓Vgm，並測定一基本轉換單位的啟動電壓Voms=Vgm/n與基本轉換單位 的操作範圍(基於網格電壓與基本轉換單位的數目)Vommax與Vommin(662)。接著，此過程關閉一繼電器或開關K2，並傳送測定的Voms、Vommax與Vommin到各基本轉換單位(664)。
接著，此過程測定疊型變流器相位電壓Vgs是否大於或等於網格電壓Vgm(666)，若Vgs未大於或等於Vgm，則此過程會等候直至電壓達到期望值。一旦達到期望值，此過程將關閉繼電器或開關K1(668)。此為P電板電力傳送到交流網格的正常操作模式。接著，此過程監控傳送至網格的電力Ps，若電力Ps大於或等於最小操作電力Pmin(670)，此過程將迴接到670以持續提供電力。若Ps未大於或等於Pmin，此過程將開啟繼電器K1與K2，並關閉系統(672)。
接著，圖6B至六之D為可與圖2A使用的基本轉換單位之示範。圖6B為一示範的基本轉換單位，包括一局部控制器、具一液晶輸出濾波器的全橋變流器與一直流升壓電路；圖6C為一示範的基本轉換單位，包括一局部控制器、具一液晶輸出濾波器的全橋變流器、一直流升壓電路與主動解耦濾波器；圖6D為一示範的基本轉換單位，包括一局部控制器、具一液晶輸出濾波器的全橋變流器與推拉直流轉換器(獨立版本)。整體來說，升壓轉換器(遞升轉換器)為一輸出直流電壓高於輸入直流電壓的電力轉換器。此為一組包括至少兩個半導體開關(一個二極體與一個電晶體)與至少一個能量儲存元件的切換式電源供應器。由電容器組成的濾波器(有時與感應器共組)通常會被加裝於升壓轉換器輸出以減少輸出的電壓漣波。
一升壓轉換器的基本原則由兩分離的狀態組成：在導通狀態中，開關是關閉的，導致感應器的電流增加；在關閉狀態中，開關是開啟的，感應器電流的唯一通路是透過輸出二極體、電容器與負載量。此導致在導通狀態中累加的能量轉移至輸出電容器。輸入的電流與感應器的電流相同，因此並不如降壓轉換器中是不連續的，與降壓轉換器相比，其輸入濾波器的要求也較低。
圖7為一示範的獨立型電力控制應用。在此過程中，此系統控制器界定每一基本轉換單位的輸出頻率與操作電壓(690)。接著，此系統控制器為一基本轉換單位指派一主要功能(692)，並向所有其他疊型基本轉換單位指派從屬功能(694)。主要者先行啟動，並向從屬基本轉換單位提供 交流電力，作為一參考頻率(696)。每一從屬者透過相位鎖定迴路與參考頻率鎖定，並開始製造各自的交流電力(698)。此系統控制器監控電力產製並在必要時調整基本轉換單位的運作(699)。
圖8為一示範的主要基本轉換單位對圖7之獨立應用的控制過程。此系統設定一輸入參考電壓Vmref為Vg/n，n為串聯連結的基本轉換單位之數量(710)。接著，此過程運行一電流迴路(716)並基於從系統控制器接收的迴路輸出與頻率訊息製造調變訊號。此系統接著測定Vm是否等同於Vmref(718)。若未等同，此系統會檢查是否達到最大功率追蹤(720)。若未達到最大功率追蹤，此系統會再次運行該電流迴路(724)。另外，若已達到最大功率追蹤，系統會通知系統控制器已經達至最大電力(722)。在718中，若Vm等同於Vmref，此過程會向系統控制器發送設定點資訊(726)。
圖9為一示範的從屬基本轉換單位對圖7之獨立應用的控制過程。此系統設定一輸入參考電壓Vmref為Vg/n，n為串聯連結的基本轉換單位之數量(740)。接著，此系統運行一相位鎖定迴路，與交流頻率鎖定，運行電流迴路(742)，並基於相位鎖定迴路之輸出與迴路輸出製造調變訊號。此系統接著測定Vm是否等同於Vmref(744)。若未等同，此系統檢查是否達到最大功率追蹤(746)。若未達到最大功率追蹤，此系統會再次運行該電流迴路(750)。另外，若已達到最大功率追蹤，系統會通知系統控制器已經達至最大電力(748)。於744中，若Vm等同於Vmref，此過程會向系統控制器發送設定點資訊(752)。
圖10為一示範的對圖7之獨立應用的系統控制過程。此系統設定輸入一參考電壓Vmref為Vg/n，n為串聯連結的基本轉換單位之數量(760)，並界定一輸出頻率。接著，此過程向基本轉換單位傳遞參考電壓資訊與輸出頻率(762)。接著，此過程測定Vg是否等同於Vgref(764)。若未等同，此系統會檢查每一基本轉換單位，以了解是否達到最大功率追蹤(766)。若沒有基本轉換單位低於最大功率追蹤，此過程會針對低電壓限制檢查輸出電壓(768)。另外，對於那些輸出低於最大功率追蹤的基本轉換單位，此過程會對這些基本轉換單位增加目標電壓Vm'(770)。於764之後，若Vg等同於Vgref，此過程會通知系統設定點電壓已經達成(772)。
於一實施例中，此系統包括含有兩條標準電纜與接頭的接線 盒。僅使用兩個導體電纜/接頭可減少在安裝時的物質與人力成本。每一基本轉換單位向一串聯連接的交流匯流排提供輸出交流電力。該交流匯流排終止於一個系統控制盒。系統控制器將所有基本轉換單位的輸出連結起來，向一電板供應一單一交流電。光伏打太陽能接收器或電板可使用多個層狀排列於基板頂面的太陽能電池。適合的太陽能電池可能包括如傳統單一或多晶矽太陽能電池、薄膜(如非晶矽、碲化鎘、或銅銦鎵硒化物)太陽能電池，與III-V族之太陽能電池。
圖11為一示範的發電系統之積體電路實施例。一光伏打太陽能接收器或電板100有多個層狀排列於基板頂面的太陽能電池。適合的太陽能電池可能包括如傳統單一或多晶矽太陽能電池、薄膜(如非晶矽、碲化鎘、或銅銦鎵硒化物)太陽能電池，與III-V族之太陽能電池。雖然單一線性的太陽能電池可以單一列狀排列，在其他可能實施中，也可增加或減少太陽能電池的用量，它們也可能以一列、兩列或多列平行排列於基板。此外，兩個或以上的光伏打電板100可以首尾相接地連結放置，以流暢地供電予更大型的接收器。
每個光伏打電板100都與一微型變流器連結，該變流器轉換光伏打電板100產生的直流電源為交流電源。當前發明的微型變流器量出與交流網格同相的電流，並低失真地製造這樣的電流。這是透過使用多個積體電路達成的。於一實施例中，光伏打電板100的輸出受到一直流電橋102的管控，該電橋提供輸出予一交流電橋104。交流電橋輸出104予一電子網格110。直流電橋102與交流電橋104都受到一晶粒級逆變控制器106控制，該控制器透過一通訊收發器108與系統控制器溝通。通訊收發器108可以是電力線通訊、無線通訊如Zigbee，或其他形式的通訊。
一電板可以透過系統控制器連接多個串聯連接的基本轉換單位的電力與電力網格，或在某些應用中，連接使用者家庭的器具。例如，在家庭中，電板已是眾所皆知的交流配電中心，具有多個斷路器與/或保險絲以配送電力到家中各個電路。該電板透過電表與電力網格連結。該電表測定向網格供應的電力量，例如光伏打電板的所有者可以因提供電力而抵消。
基本轉換單位根據控制器製造的控制與開關訊號，將直流電 轉換為交流電。此控制器依據取樣的直流與交流訊號，製造控制與開關訊號。因此，基本轉換單位可以受到最佳的控制，採取特定的運作模式，來應對當下的直流與交流訊號，此即透過最佳地配合電力網格的相位與交流輸出，使得交流電力可以有效地與電力網格結合在一起。
使用這樣的交流匯流排與個別的基本轉換單位，系統可彈性地擴充以應和任何使用者的需求。下述會討論基本轉換單位的架構與功能。
一直流能源向交流電橋提供輸入電力。一解耦電容器過濾交流電橋的開關漣波與交流網格的低頻率漣波。交流電橋可以是一個控制半橋或全橋變流器的脈衝寬度調變，其輸出端子與一交流濾波器連結。該交流濾波器可以是一個低通濾波器，過濾高頻脈衝寬度調變的諧波雜音。輸出電路實行一感測電路以同步交流網格頻率與一斷接繼電器。
在某些實施例中，可能需要一個直流轉換階來調整直流匯流排電壓，以達到最佳成效。例如，一升壓電路可能被用以增加直流連接電容器的操作電壓，進而在交流輸入與輸出端子間容納更大的峰對峰交流操作電壓。更大的峰對峰交流操作電壓可減少製造所需疊型相位交流輸出電壓的單平變流器數量。一降壓電路可能被用以減少直流連結電容器的操作電壓。這可以在交流電橋中使用較低電壓級等電晶體，進而增加單一疊型相位可製造的電力量，並減少系統成本。
直流能源由直流電源供給，可以來自一太陽能板、一電池、或是一交通工具直流發電機等。直流電源的輸出供給予一直流階，一濾波器會平滑其輸出，再提供給一電橋電路。電橋電路的輸出提供予一濾波器，結果輸出階以串聯方式與其他使用適合電纜的基本轉換單位輸出連結。
於此系統的另一實施例中，直流能源透過一光伏打電板提供給每一基本轉換單位。光伏打的輸出提供予一升壓電路，電容器平滑其輸出後，再提供給一全橋變流器電路。此全橋變流器電路的輸出提供給一濾波器，結果輸出予其他使用電纜的基本轉換單位串聯連結。
於一實施例中，輸入電容器的漣波電流於雙線路頻率時波形為正弦波。使用一主動解耦濾波器，光伏打電板的電流可以維持穩定，如此一來，光伏打電板也可以達到最大電力。
以上描述的僅為本發明實施例的幾個實施例，但是，本發明 實施例並非局限於此。因此，一優選實施例的範圍與廣度不應被限制於任何上述的示範性實施例，而應根據以下的申請專利範圍與其等同者加以界定。
502‧‧‧光伏打電板
504‧‧‧局部控制器
506‧‧‧全橋變流器與濾波器
510‧‧‧網格

Claims (21)

  1. 一種並聯直流(DC)電壓源變流器以提供電力給交流(AC)電源系統，向另一交流電源系統提供電力，包括：多個全橋變流器，每一變流器有一主要節點與一次要節點，每一上述全橋變流器有正極與負極節點，每一上述全橋變流器有一電壓支援裝置平行通電相連上述正極節點與上述負極節點，與一直流電源連結正極與負極節點；至少一個疊型變流器相位，每一疊型變流器相位有多個上述的全橋變流器，每一在上述疊型變流器相位中的全橋變流器以串聯方式與上述的次要節點互連，上述其一全橋變流器與另一全橋變流器的上述主要節點相連，上述的串聯式互連界定了第一個全橋變流器與最後一個全橋變流器，每一相位於上述的第一個全橋變流器的主要節點處有一輸入節點，並於上述的最後一個全橋變流器的次要節點處有一輸出節點；一個局部控制器與每一全橋變流器連結，向每一全橋變流器提供控制訊號，以接近地輸出一正弦的電壓波形，每一局部控制器耦接至一溝通收發器；一個或多個開關或繼電器，其串聯連接於每一上述疊型變流器相位與一電力網之間；以及一個與每一局部控制器溝通收發器溝通的系統控制器；該系統控制器製造系統控制訊號，以配置、啟動、停止與運作上述局部控制器的模式選擇，且該系統控制器提供開及關控制信號給上述開關或繼電器，以在上述疊型變流器相位的一輸出電壓為或落在該電力網的一電壓之下時避免從該電力網往上述全橋變流器階流動的電力流。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述之並聯直流(DC)電壓源變流器以提供電力給 交流(AC)電源系統，包括三疊型變流器相位。
  3. 根據申請專利範圍第2項所述之並聯直流(DC)電壓源變流器以提供電力給交流(AC)電源系統，包括以Y型連結的三疊型相位。
  4. 根據申請專利範圍第2項所述之並聯直流(DC)電壓源變流器以提供電力給交流(AC)電源系統，包括以三角型連結的三疊型相位。
  5. 根據申請專利範圍第1項所述之並聯直流(DC)電壓源變流器以提供電力給交流(AC)電源系統，其中每一全橋階含有一開關使其輸出短路，使疊型相位與其他串聯連結的全橋可以運作。
  6. 根據申請專利範圍第1項所述之並聯直流(DC)電壓源變流器以提供電力給交流(AC)電源系統，其中每一全橋變流器包括：一個第一對開關與個第二對開關，每一對上述的開關有多個開關裝置來管控電流，每一上述開關裝置有第一與第二端點，上述的第一對開關有多個開關裝置，與上述的第一端點於上述全橋變流器正極節點處連結，上述第一對開關的開關裝置的第二端點與上述的主要節點連結，上述第一對開關的另一上述開關裝置的第二端點與上述的次要節點連結，上述的第二對開關有多個開關裝置，與上述的第二端點於上述的全橋變流器負極節點處連結，上述第二對開關的其一開關裝置的第一端點與上述主要節點連結，上述第二對開關的另一開關裝置的第一端點與上述次要節點連結。
  7. 根據申請專利範圍第1項所述之並聯直流(DC)電壓源變流器以提供電力給交流(AC)電源系統，包括一連結開關裝置與主要及次要節點的被動低通濾波器。
  8. 根據申請專利範圍第1項所述之並聯直流(DC)電壓源變流器以提供電力給交流(AC)電源系統，其中主要及次要節點間有一電容器與之連結，以同步各節點。
  9. 根據申請專利範圍第6項所述之並聯直流(DC)電壓源變流器以提供電力給交流(AC)電源系統，其中上述開關對包含一閉閘裝置與一逆平行裝置平行連結，相對於彼此運作。
  10. 根據申請專利範圍第9項所述之並聯直流(DC)電壓源變流器以提供電力給交流(AC)電源系統，其中上述的閉閘裝置包括一從組中挑選的元件：一個閉閘閘流器、一個絕緣閘極雙極性電晶體、一個金氧半場效應電晶體、一個金屬半導體場效電晶體、一個接面場效電晶體、一個控制金氧半場效應電晶體的閘流器、一個雙極接面電晶體、一個靜態感應電晶體、一個靜態感應閘流器、一個金氧半場效應電晶體閉閘閘流器、一個氮化鎵電晶體、一個碳化矽電晶體。
  11. 根據申請專利範圍第9項所述之並聯直流(DC)電壓源變流器以提供電力給交流(AC)電源系統，其中逆平行裝置為一個二極體。
  12. 根據申請專利範圍第1項所述之並聯直流(DC)電壓源變流器以提供電力給交流(AC)電源系統，包括一元件連結上述橋型變流器的正極與負極節點，該元件由下列組中挑選：電容器、電池、燃料電池、光伏打電池與生質電池。
  13. 根據申請專利範圍第1項所述之並聯直流(DC)電壓源變流器以提供電力給交流(AC)電源系統，包括一配置於直流電源與全橋變流器之間的非獨立切換式電壓調節電路(如一降壓或升壓轉換器)。
  14. 根據申請專利範圍第1項所述之並聯直流(DC)電壓源變流器以提供電力給交流(AC)電源系統，包括一配置於直流電源與全橋變流器之間的獨立切換式電壓調節電路(如一順向、推拉或半橋)。
  15. 根據申請專利範圍第1項所述之並聯直流(DC)電壓源變流器以提供電力給交流(AC)電源系統，包括一主動濾波器，當其與包括光伏打電池的電流 限制直流源共用時，會解耦加於直流電壓源的交流電流調節。
  16. 根據申請專利範圍第1項所述之並聯直流(DC)電壓源變流器以提供電力給交流(AC)電源系統，包括與不同數量的網格電壓共組的多個全橋。
  17. 根據申請專利範圍第1項所述之並聯直流(DC)電壓源變流器以提供電力給交流(AC)電源系統，其中每一疊型全橋與不同電力運作。
  18. 根據申請專利範圍第1項所述之並聯直流(DC)電壓源變流器以提供電力給交流(AC)電源系統，包括每一相位不同數量的疊型全橋。
  19. 根據申請專利範圍第1項所述之並聯直流(DC)電壓源變流器以提供電力給交流(AC)電源系統，有一系統控制器，包含兩個平行開關，選擇性節連每一疊型反向器相與網格，其中至少一個平行開關與一電流限制裝置串聯連結。
  20. 根據申請專利範圍第1項所述之並聯直流(DC)電壓源變流器以提供電力給交流(AC)電源系統，其中，該系統控制器包括至少兩個平行開關，串聯連結於一疊型反向器相與網格之間，每一上述開關作為該疊型反向器相與網格的斷聯裝置，其中至少一個開關以串聯方式與一電流限制裝置連結，其中上述開關提供一傳導路徑，在系統初始化時，作為一或多個局部限制器的交流線路電壓的電流限制相位參考訊號；該系統控制器計算並溝通每一基本轉換單位的啟動電壓與操作電壓範圍；該系統控制器測定並溝通啟動與停止每一基本轉換單位的控制命令；該系統控制器測定並溝通啟動與停止電洞電壓源變流器的控制命令。
  21. 一種以輸出一接近正弦的電壓波形的方式，包括：檢測網格交流電壓層級，其中一疊型相位與一網格網絡連結；計算疊型全橋的交流啟動電壓； 計算電力並製造一參考直流電壓；平衡上述的直流電壓層級；比較上述的平均直流電壓層級與一參考直流電壓；由上述比較上述平均值與一參考直流電流電壓後，製造一第一誤差訊號；比較一參考直流電流與檢測的交流電流層級；由上述的第一誤差訊號製造一參考訊號；由上述比較上述參考值與上述檢測的交流電流層級後，製造一第二誤差訊號；由上述的第二誤差訊號製造一相位調變訊號；檢測一具周期的交流線路電壓；製造一直接與上述交流線路電壓相關的相位參考訊號；使用上述的相位參考訊號與相位調變訊號，製造多個全橋變流器的觸發訊號；以及為上述的調變指數提供一參考表。
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