TWI697190B

TWI697190B - 順序性電力擷取的三相ｄｃ/ａｃ調變器

Info

Publication number: TWI697190B
Application number: TW108107670A
Authority: TW
Inventors: 徐文泰
Original assignee: 朗天科技股份有限公司
Priority date: 2018-11-20
Filing date: 2019-03-07
Publication date: 2020-06-21
Also published as: EA202091204A1; TW202021257A

Abstract

一種控制元件，可控制順序性地去擷取電能，應用于三相DC/AC調變器。這種三相DC/AC調變器中有三個單相DC/AC調變器，而每個單相調變器各有一組PWM(電力)擷取器。PWM的負載工作因子是依據其相對應的當下(時)AC電力週期的位準來進行調整。這種順序性控制器能夠保證三個PWM電力擷取器彼此間不會產生重疊的工作週期，使每個單相DC/AC調變器都能按順序地，而不會同時地執行電能擷取。這樣設計的三相調變器就能改善從DC電源擷取DC電力的效率。

Description

順序性電力擷取的三相DC/AC調變器

本案是有關於一種調變器，且特別是有關於一種可能力追蹤並優化電力使用的調變器。

單相“直流轉交流”(DC/AC)調變器可以把來自“直流”(DC)電(能)源轉換成符合電網規範的“交流”(AC)電力。在電網規範下，電網上所承載的AC電力脈動必需是正(/餘)弦波形，並具有特定的固定峰值電壓和特定的固定頻率。

傳統的3相DC/AC逆變器能提供AC電力給3對電力線，每對電力線的輸送電力之間需有120°相位差(稱為“A相，B相和C相”)。三相DC/AC逆變器的核心架構是由三個單相DC/AC逆變器所組成。由每個單相逆變器去執行DC電力的擷取和轉換，再將相同均方根功率的交流電力輸送到相對應的電力線。其中一個單相DC/AC逆變器對第一對電力線上供應具有A相的AC電力。第二個單相DC/AC逆變器對第二對電力線上供應具有B相的AC電力。第三個單相DC/AC逆變器對第三對電力線上供應具有C相的AC電力。換句話說，這三個單相DC/AC逆變器都個別擷取大約等量的DC電力；然後將擷取到的DC電力轉換為交流電力，供應的三個交流電力彼此間的相都必須是120°；然後3個逆變器會把3組交流電力送入配置有3條或4條電力線的電網。因此，每對電力線都承載一個相同頻率的單相交流電力，並與其他兩對電力線的交流電力都約略有相同的均方根功率；而彼此間的相位差都必須是120°。在本文專業領域中所述的專業詞語：“逆變器”、“轉換器”和“調變器”(並且就"逆變”、“轉換”和“調變”)的字義是可互通的，因此在本文中是可互換使用。

本專利的主張範圍不限於只在解決前述實際案例的缺點或其使用環境。更正確的說，本專利的背景敘述僅提供用作說明被應用的實施案例中一個技術領域而已。

本文闡述的實施例涉及一個順序(性)控制器；它應用於3相DC/AC調變器，使三個單相逆變器依時間順序去擷取電力。三相逆變器中；第一個單相DC/AC調變器，其含有的第一組PWM電力擷取器，可以從DC電源擷取DC電力，並且轉換為具有第一個相，也吻合電網規範的第一組AC電力。第二個單相DC/AC調變器含有的第二組PWM電力擷取器，從DC電源擷取DC電力，並且轉換成具有第二個相，也符合電網規範的第二組AC電力。而第三個單相DC/AC調變器的第三組PWM電力擷取器，從DC電源擷取DC電力，並且轉換為具有第三個相，吻合電網規範的第三組交流電力。這三組單相逆變器中的 PWM電力擷取器的工作週期是依據其相對應的當下(時)的AC電力週期的位準來調整。

當順序性控制器用來引導第一組PWM電力擷取器執行電力擷取時，會產生第一組PWM工作週期。然後引導第二組PWM電力擷取器在執行電力擷取時，產生第二組PWM工作週期。然後再引導第三個PWM電力擷取器在執行電力擷取時，產生第三組PWM工作週期。如此的電力擷取設計方式與傳統的3相DC/AC逆變器不同，這種順序性控制器能夠保證第一，第二和第三組的PWM工作週期不會重疊，讓第一，第二和第三組PWM電力擷取器依照順序地，而不是同時去擷取電力；如此做法可以改善從DC電源擷取DC電力的效率。

本綜論的提供是以簡化的形式來介紹一些用到的觀念。這些觀念在後面還會詳細描述。本綜論的目的並不用來界定本專利主張範圍的關鍵特性或基本特性，也不是用在輔助確定所要求保護的專利主張範圍。

為讓本案之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附符號之說明如下：

10‧‧‧序列

101‧‧‧光伏太陽能板組串

201‧‧‧DC/DC Boost轉換器

223‧‧‧DC/AC調變模塊

224‧‧‧極性同步與交換控制器

225‧‧‧變壓器

300,6500B,6600B‧‧‧電網

310‧‧‧同時性引導器

510‧‧‧順序性調節器

4110‧‧‧光伏發電機

4210,4220‧‧‧3相DC/AC調變器

6000A‧‧‧光伏電站

6111A,6111B,6112A,6112B,6221A,6222A‧‧‧光伏組串

6100A,6100B,6200A,6200B‧‧‧電力生產單元

6130A,6130B,6130S,6230A,6230B‧‧‧3相DC/AC調變器

6311B,6312B,6313B,D,DD‧‧‧二極管

6320B‧‧‧MEUPT控制器

6351A,6351B,6352A,6352B‧‧‧3相AC瓦特計

6361A,6361B,6362A,6362B‧‧‧電度計

6410B‧‧‧儲能器

6500A,6600A‧‧‧變壓器

DFA‧‧‧負載工作因子調節器

L,LL‧‧‧電感器

Q,QQ,QA-QC,S1-S4‧‧‧開關

C‧‧‧電容器

為讓本揭示內容之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：圖1A示出了太陽能發電序列的模塊，用來說明並闡述本文所提及的之專業詞語，如電力擷取、調整、調節、DC/AC的調變，和輸送AC電力；圖1B象徵性地表示出DC/AC調變器輸送一個代表AC訊息的正餘弦時變AC電壓振盪供應給電網的特定電力線；圖2A示出了Boost DC/DC調變器的典型電路中所描述的單相電力擷取/調整(或調節)部件；圖2B示出了Buck DC/DC轉換器的典型電路中所描述的單相電力擷取/轉換部件；圖2C示出了開關元件構成的交互式電橋結構來控制DC/DC Buck調變器所輸出電力的極性；可以產生如圖1B所示的輸出AC電壓振盪；圖2D象徵性地示出了一個DC/AC調變器輸送給交互式電橋結構開關的正餘弦AC電力脈動；圖2E象徵性地示出在一個PWM工作週期中，由Booster調變器調節的輸出DC電力，包括3個區域：區域-I代表擷取的能量，區域-II和區域-III代表剩餘能量區域；圖3A示出使用傳統3相DC/AC調變器所相對應之電力擷取器的電路；圖3B象徵性地示出一個PWM工作週期中的輸入DC電力脈動；圖3C象徵性地示出圖3中的3個電力擷取器，在一個PWM工作週期中同時地被擷取的電力；圖4象徵性地示出一個DC電源提供DC電力Pmx的架構，此架構是在沒有MEUPT部件下，以該DC電源製造商所宣告的額定功率Pmx提供給兩個相同的3相DC/AC調變器；圖5A示出使用MEUPT調變器的A相電力擷取，B相電力擷取和C相電力擷取之3個電路；圖5B象徵性地示出了由圖5A的順序性控制器所調節的A相，B相和C相的電力擷取之時間順序；圖6A示出實施案例的實驗中發電站架構圖，架構圖中的設置有兩組AC電力生產單元，每組電力生產單元設置中配置有功率計和千瓦小時計以用來測量每個電力生產單元所輸出的AC電力和電能；和圖6B示出圖6A中的發電站在加裝了包含截耦部件和儲能器部件之修改後的架構圖，並且該修改後的發電站被用來驗證了能夠改善電力輸出給電網之效率。

本文所使用的所有詞彙具有其通常的意涵。上述之詞彙在普遍常用之字典中之定義，在本說明書的內容中包含任一於此討論的詞彙之使用例子僅為示例，不應限制到本揭示內容之範圍與意涵。同樣地，本揭示內容亦不僅以於此說明書所示出的各種實施例為限。

在本文中，使用第一、第二與第三等等之詞彙，是用於描述各種元件、組件、區域、層與/或區塊是可以被理解的。但是這些元件、組件、區域、層與/或區塊不應該被這些術語所限制。這些詞彙只限於用來辨別單一元件、組件、區域、層與/或區塊。因此，在下文中的一第一元件、組件、區域、層與/或區塊也可被稱為第二元件、組件、區域、層與/ 或區塊，而不脫離本案的本意。本文中所使用之『與/或』包含一或多個相關聯的項目中的任一者以及所有組合。

關於本文中所使用之『耦接』或『連接』，均可指二或多個元件相互直接作實體或電性接觸，或是相互間接作實體或電性接觸，亦可指二或多個元件相互操作或動作。

於本文中，用語『電路系統(circuitry)』泛指包含一或多個電路(circuit)所形成的單一系統。用語『電路』泛指由一或多個電晶體與/或一或多個主被動元件按一定方式連接以處理訊號的物件。

從根本上來看，3相DC/AC調變器是由3個單相DC/AC調變器組成。每個單相DC/AC調變器是用來執行電力擷取、調整、並且將DC電力轉換成AC電力的功能；然後向3對AC電力線提供約略相等的交流均方根功率；此3組交流電力彼此間相位差必須是120°。因此若想要了解三相DC/AC調變器的運作機制，必須對單相DC/AC調變器有清楚的理解；特別是針對本文所提到的”電力(能)擷取”的功能。另外本文中所述及的電力線和電纜的字義，在本文和相關專業領域中是可以通用互換的。

美國公告專利US2016/0036232和US2017/0149250A1揭露了一個發現；即傳統的單相調變器僅能擷取、調整、轉換，並且輸出少於一半從直流(DC)電源輸入給單相調變器的DC電力。從這些公告專利的教導：為了有效地擷取生產的DC電力供應轉換為電網上被使用的電能，設計的電力擷取部件特性必需要與電力生產單元匹配，才可以有效益地 (effective)和高效率(efficient)地擷取所生產的DC電力。

此外，這些公告專利還教導；與電力擷取器相關的其它部件也必須有良好的匹配，以調節和/或輸送所擷取的電力，讓電能的使用更有效益。依參考公告文獻提議；應改用“最大使用電能追踪器”作為太陽能電站的優化器。此優化器在本文中稱之為“MEUPT優化器”，可以用來取代現有市售光伏(PV)電廠中所用的優化器。此市售的優化器通常被稱為”最大功率點追踪(MPPT)器"。不過對此市售優化器更為貼切的名稱應稱之為”最大電力生產的電壓點追蹤(MPPPVT)”器。

根據參考的公告專利，MEUPT優化器是被設計來捕獲“剩餘能量”或“剩餘電力”，而參考專利中所定義的”剩餘電力”是”所生產的電能(或電力)中，沒有被擷取和/或輸入到電網上去使用的電力”。在本文中所用的剩餘電力(或剩餘電能)的定義也是與參考的公告專利一樣的。由於該剩餘電力與電網的相位差約為90°，故這些剩餘電力是無法直接銷售給同一個電網。但在參考專利中，MEUPT優化器還被設計成可將所有捕獲的剩餘電力暫時存儲到儲能器內；然後優化器把這些被儲存的電能加以調整後，輸送到電網上被使用。因此當光伏電站結合MEUPT優化器後，發電銷售的收入就能夠增多。

在相關的專業領域中，有許多技術可被應用來執行本文所謂的DC電力擷取、電力調整、電力調節以及電力輸送。而在本專利技術所闡述的原理中，這些技術不一定與生產 DC電源的種類相關。不過在本文的案例中，只使用太陽能板組串當作DC電源。並且把太陽能發電站的實際情況拿來說明並闡述本文所提及的之專業詞語，如電力擷取、調整、調節和輸送。換句話說，本文所述的技術原理，並不僅限於在太陽能發電的專業領域才可以使用，這些技術及原理是可以用在相當寬廣的電力產業裡。還有，儘管“電能”、“電力”和“功率”在物理學上具有不同的意義，但除非特別指明，在電力的專業領域上它們通常是被交換使用。另外，儘管物理上“AC電力脈動”和“AC電壓振盪”也具有不同的物理意義，但除非特別指明，否則在本文中也是把它們交換使用的。

圖1A中的序列10是用來說明光伏電廠組件的排列。序列10啟始於光電轉換部件(光伏太陽能板組串)101，此部件能夠把作為初始能量的光能(例如，太陽能)轉換成DC電力，但是此電力的電壓經常是受到各種因素影響而不固定的。這些因素包括雲層遮蔽日照的陰影、太陽入射角度、不同光伏電池的不均等效率以及其他許多影響因素。此生產的不固定電壓的DC電力通過後續連接的DC/DC Boost轉換器201來調整與調節成定電壓的DC電力(源)。然後通過與201相連的DC/AC調變模塊223，把定電壓DC電源轉換成弦波時變脈動直流電力。然後再通過加裝在DC/AC調變模塊223後方的一個極性同步與交換控制器224，把弦波時變脈動直流電力轉換為在圖1B中所顯示的正(/餘)弦時變電壓振盪之AC電力。

舉例來說；DC/AC調變模塊223可以是由脈(波)寬(度)調變模塊(PWM)操作的Buck模塊；這個Buck模塊也可視為DC/AC逆變模塊；它把固定電壓的DC電力調成弦波時變的脈動DC電力。圖2C所示為使用一電橋結構來形成極性同步與交換控制器224的一個範例，此結構的部件名稱在本文和相關專業領域中稱為集成電橋閘控電晶體(Integrated Bridge Gate Transistor；本文簡寫IBGT)。如圖2C所示，極性同步與交換控制器(電橋結構)224包括4組開關(S1，S2，S3和S4)，用來控制DC/AC調變模塊223的輸出AC電力脈動之同步性和極性。圖中所示的“LOAD(負載)”是代表接在極性同步與交換控制器224上面的變壓器225及連接在它的所有電力負載。DC/DC Boost轉換器201和DC/AC調變模塊223的組合在本文中也可以稱作一個“PWM電力擷取器”。

由極性同步與交換控制器224輸出的AC電壓振盪是必須吻合電網的規範。AC電力脈動通過變壓器225調節，然後把AC電力輸送到所連接的電網300(電力負載)。圖2A所示的是一個DC/DC Boost轉換器201的典型電路，DC/DC Boost轉換器201把變動的DC電源電壓調節成定電壓的DC電源。圖2B中的電路是單相DC/AC調變模塊223中被PWM指揮運作的Buck模塊電路，此電路把DC/DC Boost轉換器201產生的定電壓DC電源轉換為時變的正/餘弦DC電力脈動。在圖2C中所示的交互式電橋結構(Switch bridge structure)224，則用來把該單相DC/AC調變模塊223所輸出時變直流電力脈動調節成吻合電網要求的極性，並且與電網輸送的AC電力同步。單相DC/AC調變模塊223(或結合DC/DC boost轉換器201和單相DC/AC調變模塊223兩者為一模塊，稱作”PWM電力擷取器”)是被應用在傳統單相調變模塊(構成傳統三相DC/AC調變器的3個單相調變器)上，作為執行電力擷取/轉換的模塊。

第一段：探討傳統DC/AC電力轉換

一般而言，在實際的狀況下，光伏太陽能板組串之最大功率產生點的電壓(MPPPV)是一個不固定的電壓值，而且這個DC電壓通常會小於AC電網所規定的峰值電壓。因此光伏太陽能板組串需要一個voltage-boost電力擷取器來執行電力擷取和調整；此電力擷取器能把不固定的低電壓DC電源調整成為固定的高電壓DC電源。

圖2A所示的是DC/DC Boost模塊201的Booster電路，此電路由下列組件構成：一個電感器L；一個由反饋控制負載工作因子調節器(FCDFA；未在圖中所示)調節的可控開關Q；還有二極管D。此電路中；開關Q可在高頻(通常在商業產品中約為18kHz)下運作，它使用可調整的負載工作因子(adjustable duty factor；本文簡稱ADF)來執行通/斷路切換。FCDFA是用來調節負載工作因子，使DC/DC Boost模塊201產生一個基本恆定的DC輸出電壓(V₀)。換句話說，該DC/DC Boost模塊201把不固定電壓的DC電源調整為固定電壓v₀的DC電源(通常，V₀=V_pk，其中V_pk是AC電網的峰值電壓)，使DC電源可以匹配電路中所連接的後續部件(即圖1A案例下的DC/AC調變模塊223)。然後DC/AC調變模塊223讓特定峰值電壓之DC電力，轉換為吻合電網規範的正/餘弦時變電力脈動。

在開關Q維持通路的時段，經過設計的電感器L會從電力輸入單元(在圖1A的情況下，此電力輸入單元指的是光伏太陽能板組串101)提取電能。具體地說，電感器L是在反饋控制負載工作因子的PWM開關所設定的通路時段內，輸入電力而被充電。當充電發生時，開關Q上的電壓V_SW會增加而趨向於輸入電壓V_in，直到開關兩端的電壓V_SW達到適當的平衡值。在開關Q斷路的時段，電流從電感器通過二極管D，會對設計過的電容器C充電，產生與輸出電壓需求相等之穩定電壓(在連接電網情況下，V=V₀=V_pk)。通過使用回饋控制來調整負載工作因子，此負載工作因子在恰當設計的固定PWM頻率下，調節開關Q的通/斷路週期，就可以把輸出電壓從V_in升高到AC電網指定的峰值電壓V₀=V_pk。因此，該voltage-Boost電路可以產生輸出給後續連接的DC/AC調變模塊之恰當的峰值電壓。上述電路在本文專業領域中稱為“Boost DC/DC轉換器”或“Boost轉換器”。

如前所述，Booster轉換器被設計成能夠把不固定電壓的DC電源(例如光伏太陽能板組串)調整為基本上是定電壓的DC電源，該DC電源的電壓可以等於AC電網中規定的峰值電壓值。注意，為了防止DC電源的峰值電壓在正常操作一個AC電力週期下所發生的電壓衰減，在圖2A中所示的Boost電路中電容器C，就需要設計一個恰當的電容值。也就是說，設計該電容器C時，需要在一個AC電力週期的時段，維持一個本質上恆定的電壓。用來維持此DC電壓恆定的電容器，在本專業領域中稱為“直流鏈結(DC Link)”電容器。由於在電網規範中，通過DC鏈結所能夠容許的電壓變動必須非常小，因此 DC鏈結所需要的電容器並不是被設計為了存儲大量的剩餘電能。若是為了用作存儲大量剩餘電能，會需要一個很高電容量的巨大(且昂貴)電容器，才能把剩餘電能儲存下來並且維持轉換後所輸出的AC電力能輸出穩定在AC電網所規範最大電壓之容許電壓變動範圍內。

圖2B所示典型的DC/AC調變模塊223；其中包括一個電感器LL，一組受負載工作因子調節器(DFA)調節的可控開關QQ，一組二極管DD和一組DC鏈結電容器CC。開關QQ在高頻率(商業產品中通常約為18kHz)下，受可調節的負載工作因子(ADF)來控制通/斷路切換。故開關QQ(通常被視作為“PWM開關”)是由PWM的輸出信號來控制。該PWM開關的負載工作因子則由DFA來調節，使得該調變模塊223所產生的AC電力脈動能吻合電網規範。圖2B所示的DC/AC調變模塊223在本文專業領域中的專有名詞稱作“Buck轉換器”。與DFA有關的Buck轉換器223可以將吻合峰值電壓規範的DC電源電力轉換為正/餘弦時變脈動AC電力。此一時變脈動的交流電力會通過圖2C所示的交互式電橋結構送出(圖2C可作為圖1A的極性/同步控制器224的一個例子)；然後經由變壓器(如圖1A中的變壓器225)把AC電力輸送給電網(如圖1A中的電網300)。如上所述，交互式電橋結構是用來調節正/餘弦時變電力脈動輸出的極性和同步性的控制器。

如圖2C所示，當開關S1和S2都接通，並且開關S3和S4斷路時，負載兩端則外加正電壓。相反的，當開關S3和S4接通，並且開關S1和S2斷路時，負載兩端會外加負電壓。當這些切換由”同步引導器”(圖2C中未所示)或稱作”同步引導器”控制時，該同步引導器會感應到電網上正/負電壓(或零電壓通過時)的轉換準確時間，並且用它來引導並執行通/斷路切換功能，該極性同步與交換器224與DFA結合的部件可以有效地控制單相DC/AC調變器所輸出的正/餘弦時變電力脈波能吻合AC電網的極性，並且與AC電網同步。

同步引導器(synchronous regulator)可以及時調整時變的PWM負載工作因子；產生純正(/餘)弦脈波，這個脈波是cos²(ω t+θ)的波形，ω為輸出的正/餘弦時變電力脈波所需的角頻率，V_pk為所需的正/餘弦時變電力脈波峰值電壓，θ是脈波的相位角，均與電網上相對應之電力線同步。當同步引導器結合固定電壓的輸入DC脈衝電力，且與電網上所具有寄生電感和寄生電容並存時，電感器LL和電容器CC在實際應用中可以減小，甚至省略。在本文專業領域中所述的專業詞語：“逆變器”、“轉換器”和“調變器”(並且就"逆變”、“轉換”和“調變”)的字義是可互通的，因此在本文中是可互換使用。

DFA依據電力脈動的設計調節負載工作因子是時間的函數，來控制Buck逆變(器)模塊的開關QQ執行通路/斷路工作。因此，採用恰當設計的電路和調整好的峰值電壓，該Buck調變模塊可以產生符合設計要求所需的輸出電壓、電力形式、頻率和相之AC電力，以吻合交流電網規範的要求，並且吻合存在於相對應電網電力線上的電力脈動相位。在連接電網設備的情況下，會使用交流同步引導器(通常內建在DC/AC 調變器中)，此引導器可以在電網的峰值電壓或者電網頻率漂移的情況下，依據這個漂移把要輸出的AC電力調整好後再輸出給電網。此產生的AC電力(不是電壓)輸出信號，如示於圖2E中。換句話說，使用上述PWM電力擷取器，單相DC/AC調變器可以擷取來自DC電源之固定電壓的DC電力，並轉換成吻合電網規範的輸出AC電力。

非常重要的是，上述單相調變器的輸出功率P(t)隨時間以cos²(ω t+θ)的脈動形式變化。因此在特定時段內，通過電網的電力線所傳遞的電能等於在此時段內，依時間所輸出的電力脈動的時間積分值。此所得到的傳輸電能(積分值)，僅等於初始能源所供應，在相同時段內定電壓DC電力對時間積分的一半電能。換句話說，上述傳統的單相調變器最多只能擷取、轉換，然後輸送出由DC電源所提供能量的一半。因此剩餘和未使用的能量是超過可用的輸入能量的一半以上。也就是說，這個未輸送出去的剩餘能量佔有上述參考公告專利中所描述的剩餘能量之絕大部分能量。

為了方便直觀地解說下列分析的目的；讓我們假設DC電源在若干個AC脈動循環的時段中具有恆定功率P_mx。圖2E示出了在一個PWM工作週期(具有周期D)中擷取的DC電能脈衝。如同將證明的結果；擷取的DC功率P_x小於或等於電源的DC功率P_mx。該PWM工作週期的負載工作因子”d(t)/D”經過調節後，相等於d(t)/D=cos²(ω t+θ)的計算值，使得產生的電力等於P_x * cos²(ω t+θ)，讓電力脈動從本質上吻合電網規範，其中θ是相對應存在於電網電力線的電力脈動相。圖2E(具體地，圖2E的下半部分)還示出了電力對應時間的座標系(稱為能量座標系)，其中D代表一個PWM工作週期長度；輸入直流電力為P_mx；並且擷取的DC電力為P_x。

如圖2E所所示，該能量座標可以被分成3個區域。區域-I代表被擷取電力P_x所擷取的DC電力脈衝；當脈波持續時段為D * cos²(ω t+θ)，在對應於PWM擷取時段中的任一時間t時，DC電力脈衝轉換成單相交流電力脈動P(t)=P_x * cos²(ω t+θ)。區域-I也稱為“電能擷取面積”或“電能擷取區域”。而介於DC電源P_mx和擷取電力P_x之間的面積是區域III。區域-II是在PWM工作週期D的電能擷取區域之後的面積。區域-II和區域-III的組合所示就是該能量座標系中的剩餘電能面積。在剩餘電能面積(區域)中的能量不會被擷取，不會被轉換成AC電力，因此在電網規範上也不能被使用。相反的，這種剩餘電能最終在系統中轉變而成為熱能。

重申一下，傳統的DC/AC單相調變器採用Boost模塊，把具有不固定電壓的DC電源調整成為基本上固定的設定電壓(例如電網的峰值電壓)之DC電源，供應給PWM電力擷取器，此定電壓DC電源由PWM電力擷取器去擷取電力，並轉換為DC電力脈衝信號。此時負載工作因子在一個PWM工作週期內，依照cos²(ω t+θ)所對應的時間函數(相θ是相對應存在於電網電力線上的電力振盪相)來調節，此時輸出給電網的AC電力就能吻合電網規範。當輸入電力在某個高水平以上，每個PWM工作週期內的輸入電能在能量座標系統上是由兩個區域組成；分成擷取的能量區域(例如，圖2E中的區域I)和剩餘能量區域(例如，在圖2E中區域II和區域III的組合)。擷取的能量會被轉換為AC電力並提供給電網上相對應的電力線；但剩餘能量除非被捕獲並存儲在MEUPT優化器...等設備中，否則只能轉化為熱能。

如上所述，所引用的公告專利教導；當擷取電力在幾個AC電力週期的時段內積分時，剩餘電能至少與擷取的電能一樣大小。換句話說，傳統的單相DC/AC調變器最多只能擷取輸入的DC電能之一半能量。換句話說，當使用傳統單相DC/AC調變器時，至少一半輸入的DC電能會成為剩餘能量；沒有被擷取，沒有轉換，沒有輸送上電網，沒有被負載使用；並且最終轉變成熱能。

參考公告專利中還強調，單相DC/AC調變器的電能擷取效率低的根本原因會延續地存在於傳統的3相DC/AC調變器中。這是因為本質上一個三相DC/AC調變器是由3個單相DC/AC調變器架構組成，個別執行電力擷取和轉換功能，然後向電網的3對電力線提供近似的時間均方根AC電力，3個輸出AC電力脈波彼此間的相位差必須是120°。

第二節：傳統3相調變器的電能擷取

傳統的3相DC/AC調變器中內建有三個單相DC/AC調變器。每一個單相DC/AC調變器都配備有一個PWM電力擷取器。三個電力擷取器由一個同步引導器來調節，使它們以相同的頻率操作(稱為“PWM頻率”)。圖3A顯示；三個電路301,302和303等同於三個PWM電力擷取器。電路301,302和303採用相同的單相電力擷取器，並且使用與上述相同的操作原理。單相電力擷取器301輸出A相AC電力並具有開關QA；單相電力擷取器302輸出B相AC電力並具有開關QB；單相電力擷取器303輸出C相交流電並具有開關QC。同步引導器310設計用來同時啟動3個電力擷取器中的3個開關QA、QB、QC的通路，並且在相同的頻率，但是不同的負載工作因子下擷取電力。

假設DC電源在一個AC電力週期中具有恆定輸入DC功率P_mx。而且一個PWM工作週期確實是整個AC電力週期的一小部分。圖3B表示一個PWM工作週期中的輸入DC電力，像徵性地呈現在圖3C中。一個PWM工作週期中是由3個電力擷取器擷取DC電力。所擷取的電力在圖3C中的高度值為P_x，在圖3B中P_x低於輸入DC功率P_mx的1/3。A相電力擷取器的該PWM工作週期之負載工作因子調整為等於cos²(ω t)(或sin²(ω t))，使得輸出的AC電力等於P_x * cos²(ω t)(或P_x * sin²(ω t))，能吻合單相輸出AC電力的規範。類似地，B相電力擷取器的該PWM工作週期之負載工作因子被調整為等於cos²(ω t+120°)(或sin²(ω t+120°))，使得所輸出的電力等於P_x * cos²(ω t+120°)(或P_x * sin²(ω t+120°))。此外，C相電力擷取器在此PWM工作週期的負載工作因子被調整為等於cos²(ω t-120°)(或sin²(ω t-120°))，使得輸出的電力等於P_x * cos²(ω t)-120°)(或P_x * sin²(ω t-120°))。此外為吻合三相電網規範，三相交流電力的單相輸出電力彼此間的相位差都必須是120°。

注意，典型的傳統3相DC/AC調變器在電力擷取時具有重疊時段(象徵性的表示如圖3C)。三個擷取器在重疊時段中擷取電力在本文中稱為“同時(性)電力擷取”；並且在本文中用在此同時段擷取電力的引導器(如圖3A所示)稱為“同時性調節器”。

能量守恆定律與極短壽命的電能特性相結合後，迫使同時電力擷取中的三個單相電力擷取的電力總和，不會大於輸入DC電源P_mx(或P_mx>P_x+P_x+P_x；或P_x<(1/3)P_mx)。傳統三相AC電力輸出的電力總和：P(t)=P_x(sin²(ω t)+sin²(ω t+120°)+sin²(ω t-120°))；或P(t)=P_x(cos²(ω t)+cos²(ω t+120°)+cos²(ω t-120°))。由於(sin²(ω t)+sin²(ω t+120°)+sin²(ω t-120°))=(cos²(ω t)+cos²(ω t+120°)+cos²(ω t-120°))=3/2。因此，P(t)=(3/2)P_x<(3/2)*(1/3)P_mx=1/2P_mx。換成口語來說，由於三個單相電力擷取器是同時性擷取電力，所以傳統DC/AC調變器的輸出電力總和無法大於(1/2)P_mx，僅是輸入DC電力的一半。

換句話說，傳統的3相DC/AC調變器的輸出總AC電力無法大於輸入DC電力的一半。或是說，當光伏電站使用這種傳統的調變器，傳統的3相DC/AC調變器僅能擷取並轉換光伏(PV)太陽能板組串所生產DC電力的一半以下。所以光伏電廠所產生的直流電力至少有一半成為剩餘電力。除非剩餘電力被捕獲並存儲在使用MEUPT的設備中，否則剩餘電力就會轉成熱能。

重申一下，傳統的三相DC/AC調變器基本上操作三個單相DC/AC調變器來執行擷取和轉換電力的功能，單相DC/AC調變器把類似的時間均方根AC電力提供給3條或4條電力線組成的3相電網；輸出單相交流電力彼此間的相位差都必須是120°。換句話說，傳統的3相DC/AC調變器是一個操作三個單相DC/AC調變器的DC/AC調變器。輸入給每個單相DC/AC調變器的DC電力為輸入給3相調變器DC電力的1/3，且輸入給單向調變器的1/3電力，又僅有一半的DC電力是被擷取、轉換為單相交流電力，而且此3個輸出的單相電力彼此間的相位差必須是120°；並且把三個單相交流電力輸出給3條或4條電力線的三相電網。每對電力線承載一個相同頻率(AC電力頻率)的單相交流電力，並且具有相同的時間均方根功率；但單向AC電力彼此間的相位差必須是120°。“電力線”和”電纜”的字義在本文和專業領域中是被通用互換的。

根據參考公告專利中所闡述的衍生結果；並在上述理論推導中也再次證實；每個輸入給單相調變器(在3相DC/AC調變器中)的DC電力(此DC電力小於或等於輸入給三相調變器之DC電力的1/3)，只有不到一半的此DC電力被擷取並轉換成單相AC電力輸出。因此，任何傳統三相DC/AC調變器在任一時間所輸出(擷取和轉換)的最大三相交流電力只能是生產的DC電力的一半電力；即，P(t)=3*(1/2)*(1/3)P_mx=(1/2)P_mx。

此處需要強調的是；上述的理論推導揭示了在傳統的三相DC/AC調變器工業中所使用的”同時性擷取電能”設計方式的嚴重後果。這種設計方式已經長期地在三相DC/AC調變器行業中被遵循；而逆變器業界甚至不了解這樣去設計的嚴重後果。本文理論推導出這種電能擷取方式所導致的嚴重後果是第一次被揭露。這樣去設計的嚴重後果導致了”傳統三相DC/AC調變器的3個AC電力輸出的總和小於輸入DC電力的一半”。本文所揭露慣用(共通)的同時性擷取電能設計方式的的確確在綠能電力產業裡一直被這樣設計使用的；特別是應用在光伏電力產業上。

換句話說；傳統的光伏電力產業的的確確是採用同時性擷取電能的設計方式。反過來說，能量守恆定律結合極短壽命的電力特性會迫使每一個這樣設計的單相DC/AC調變器所擷取最大電力(P_x)的總和小於光伏發電DC電源最大電力(P_mx)的三分之一(即，P_x<(1/3)P_mx)。所以在任何時間，傳統的三相交流AC電力輸送的總和是P(t)=(3/2)P_x；也就是說P(t)<(3/2) * (1/3) * P_mx<(1/2)P_mx，或者用口語來說：小於PV發電之最大DC電力的一半。因此，使用傳統的三相DC/AC調變器，至少有一半的PV組串所產生的DC電力變成剩餘電能。這剩餘電能除非被捕獲並存儲在MEUPT優化器...等設備中，否則只能轉化為熱能。

如上所述，使用傳統的3相DC/AC調變器，輸入的DC電力至少有一半會變為剩餘電力。而根據本文揭露的這些訊息，下一個問題可能是：“我們可不可以使用一個以上的傳統三相DC/AC調變器來擷取，轉換和輸送DC剩餘電能來提供交流電(力)源”？從下文描述來理解，它的答案是否定的。

如圖4所示，兩組相同的3相DC/AC調變器4210和4220(每組具有製造商宣稱的額定功率P_mx)連接到PV發電機4110後，PV發電機4110沒有連接可以捕獲和存儲剩餘電能設備(例如，MEUPT優化器)能夠提供最大DC電力P_mx。能量守恆定律僅允許兩個併聯的DC/AC調變器4210和4220中的任一個調變器擷取一半的總輸入DC電力P_mx(即每個調變器僅擷取1/2 P_mx作為輸入電力)。換句話說，兩個相同的3相DC/AC調變器中個別調變器的輸入DC電力僅能是1/2 P_mx。

引用前方所述的3個電力擷取器(在傳統的3相DC/AC調變器中)遵循同時電力擷取的設計方式。每個三相DC/AC調變器僅能轉換一半的輸入DC電力以產生輸出的AC電力；相等於(1/2) * (1/2) * P_mx，或P_mx的1/4。兩個調變器的輸出總交流電力是2 * (1/4) * P_mx；仍然等於(1/2)P_mx。上述推論也可以使用更高額定功率或使用更多個數的DC/AC調變器的情況下進行相關的案例分析，可以得到相同的結論。再次強調，”同時性擷取電能”是導致超過一半以上生產的直流電力成為剩餘電能的根本原因。

下一個問題可能是：“我們能否設計一個實驗去明確地證明當通過傳統的三相DC/AC調變器提取電力時，光伏太陽能板組串產生的一半電能會變成剩餘能量？”本文隨即描述了一個實驗設計。它用來證明如果使用傳統的三相DC/AC調變器擷取PV組串所產生的DC電力時，至少一半以上所產生的DC電力變成剩餘能量。

第三節：決定性的實驗證據

MEUPT優化器是被設計去捕獲/使用上述的剩餘電力-剩餘電能。以下所描述的實驗設置和實驗執行步驟中結合MEUPT優化器，該實驗目的是在明確證明當通過傳統的三相DC/AC調變器擷取電力時，至少一半的光伏發電電力變成為剩餘電能。

圖6A圖示由2個AC電力生產單元6100A和6200A合併的光伏(PV)電站6000A的發電裝置。AC電力生產單元6100A和6200A個別都使用有MPPT之設計方式；將所擷取的DC電力轉換成三相交流電力提供給電網6600A。AC電力生產單元6100A包括(30kW)DC發電機6110A和(30kW)3相DC/AC調變器6130A。AC電力生產單元6200A則包括(30kW)DC電力發電機6220A和(30kW)3相DC/AC調變器6230A。發電機6110A使用2組併聯的PV組串6111A和6112A來生產DC電力。發電機6220A使用另外2組並聯的PV組串6221A和6222A來生產DC電力。4組PV組串中的每一組都是由25個太陽能板串聯組成；每個太陽能板能夠在正午晴朗無雲的天空下產生300W的DC電力。

DC發電機6110A向3相DC/AC調變器6130A供應DC電力；DC發電機6220A向3相DC/AC調變器6230A供應DC電力。然後，這兩個調變器6130A和6230A把所提供的DC電力轉換為3相AC電力。在這個實驗中，電力生產單元6100A和6200A的輸出AC電力分別通過兩個3相AC瓦特計(以千瓦為單位)6351A和6352A來測量功率。這兩個發電單元6100A和6200A所生產的AC電能(以千瓦*小時為單位)，也分別由兩個電度計6361A和6362A分別來測量累計電能。然後通過變壓器6500A將產生的三相AC電力供應給電網6600A。然後進行光伏電站實驗，並且測量兩個AC電力生產單元6100A和6200A所產生的累計電能。

基於兩個電力生產單元6100A和6200A的所有元件(包括兩組用於測量電力與電能的儀器)都相同，故在上述7天實驗時段內，兩個電度計的讀數每天都顯示相等的生產電能值，證實了這兩組設備是足夠的相同。在這7天運作之後，兩個AC電力生產單元的中一個”6200A”保持不變，而另外一個AC電力生產單元”6100A”，修改成不同配置方式”6100B”，如圖6B的左方的圖示。

圖6B的電力生產單元6200B與未修改的圖6A的電力生產單元6200A相同。而且，圖6B的元件6351B，6361B，6352B，6362B，6500B，6600B就是圖6A的元件6351A，6361A，6352A，6362A，6500A，6600A。此外，儘管圖6B中的電力生產單元6100B的配置與圖6A的電力生產單元6100A不同，但是圖6B的電力生產單元6100B中的電力元件仍然是圖6A的生產單元6100A中配置的元件。例如，圖6B的PV組串6111B和6112B分別與圖6A的PV組串6111A和6112A是一樣的。同樣的圖6B的DC/AC調變器6130B與圖6A的DC/AC調變器6130A也是相同的部件。

下段章節中的六(6)個步驟是敘述如何修改電力生產單元6100A成為6100B的架構，6100B就如同圖2B左邊所配置的架構。步驟1是在併聯的太陽能板組串6111B和6112B與遵循MPPT架構的3相DC/AC調變器6130B之間，增加一組截耦二極管6311B的配置。步驟2是增加一組儲能器6410B配置在6100B的架構中。步驟3再將儲能器6410B通過另一組截耦二極管6312B和開關SW1，連接到DC/AC調變器6130B的DC輸入端。步驟4將另一個三相DC/AC調變器6130S(20kW)添加配置到6100B架構內，並且調變器6130S依據所設計的MEUPT控制器6420B的方向來運作。步驟5是把DC/AC調變器6130S通過另一組截耦二極管6313B和開關SW2，連接到儲能器6410B。步驟6是通過開關SW3把調變器6130S的輸出端連接到功率計6351B和千瓦小時計6361B上。注意，本文中所引用的“截耦二極管組”，二極管專業領域中的分類可以是被稱作“阻斷二極管”。另外，圖1B中所配置的開關SW1，SW2和SW3，可以使6100B依照實驗設計的執行步驟，在適當的時機，將相關器件導入實驗(或從實驗中分離開)中。

在上述配置被調整好後的第一晚；將SW2和SW3開關切換成斷路，SW1切換成通路。這樣，調變器6130B和6230B在第二天一早就可以開始運作。量測電力產生單元6100B和6200B的兩個電力輸出的電表6351B和6352B都得出在這運作前的累計讀數是相同的。另外，從測量儲能器6410B端電壓的升高可以確認儲能器6410B一早就開始充電。就如千瓦小時計6361B和6362B的當天累計讀數所示，這兩個發電單元6100B和6200B向三相AC電網提供相等的電能量。這個實驗步驟確實證明，所增加的截耦二極管組6311B和儲能器6410B不會改變發電單元6100B的功率和生產電能量。

開關SW1，SW2和SW3在第一天操作(第二夜)後的晚上都切換成通路。調變器6130B和6230B在第二天凌晨也開始運作，而調變器6130S在調變器6130B和6230B開始運行後大約15分鐘內，以較低功率運作。之後，調變器6130S大約每2分鐘增加DC/AC轉換功率；這個增加轉換功率的過程與所設計的儲能控制程序是一致的。兩個電力生產單元6100B和6200B整天下來直到接近日落所提供給三相電網的電能，可以在第二天結束時，由兩個千瓦小時計的讀數得出。結果，千瓦小時計6351B(對於單元6100B)的當日累計增加讀數達到了千瓦小時計6352B(對於單元6200B)當日累計增加讀數的兩倍多。因此，上述實驗結果顯示，從配置調整後的發電單元6100B所提供給電網的一天累計增加電能是未調整的發電單元6200B所提供累積增加電能的兩倍多。這個實驗進行了連續六天，開關SW1，SW2和SW3仍一直保持通路，而調整的電力生產單元6100B每天提供給電網的電能，也一直是電力生產單元6200B的兩倍多。

在這六天實驗後的晚上，斷開SW2和SW3開關的通路。在開關SW2和SW3保持斷路期間的連續5天內，從發電單元6100B和6200B每天所提供給電網的電能，又返回到相同的供電量。之後的晚上再次將SW2和SW3切換成通路。並且在隨後的連續5天內保持開關SW2和SW3在通路的情況下運作，發電單元6100B每天所測量的每天累積供電電能再次變得比發電單元6200B的每天累計供電電能增加一倍以上。

如前文所說明；執行這個實驗可以毫無疑問地證實；專利公告(US2016/0036232和US2017/0149250A1)中第二節所提出的預測；在PV電站中確實有剩餘電能的存在。特別是在PV電站所產生的DC電力，通過3相DC/AC調變器擷取後，仍然剩餘大約一半的DC電力未被擷取，而多餘下來的電力則變成為剩餘電能。

有兩種方法可以消除前述不良後果。第一個方法是遵循引用的參考公告專利中所敘述的原理，把MEUPT優化器結合到發電系統中。另一個方法是遵循本文此處所敘述的原理，依據本發明所提議：依據A相，B相和C相的負載工作因子之調整來進行順序(性)擷取電力。請注意，本發明用順序(性)電力擷取法替代了傳統的同時(性)電力擷取法。

第四節：順序性電能擷取的提議

本文描述的原理中的提議；實施A相，B相和C相的順序性擷取電力的做法可以保證三個相進行電力擷取的時間不重疊。在每個PWM工作週期中進行順序性電力擷取時，A相首先適時的擷取DC電力；B相在A相擷取電力後立即擷取DC電力；C相應該最後適時的擷取DC電力。通過這樣的做法，所擷取電力的對大強度是P_x，而且在每個相中可以等於輸入最大DC電力值P_mx。這個順序性電力擷取方式與同時性擷取能量的方式不同，同時性擷取電力的方法所擷取的最大電力只能夠是等於P_mx的三分之一(1/3)。

為了使下面的分析符合直覺而且吻合實際情況，讓我們假設AC頻率是50Hz，並且PWM頻率是18KHz。這個假設可以使得AC電力的相位角在每個PWM工作週期的持續時間內恰好前進1⁰。圖5A標示了應用這種新電力擷取器所提議的電路。新的電力擷取電路與圖3A中顯示的傳統電路相類似。請注意在圖3A中所示的傳統電力擷取器中使用的同時性調節器310，在目前的設計是改由順序性控制器510來代替，而變成如圖5A所展示的電路。

這裡要強調的是；由同時性調節器調節的電力擷取是在同時間下啟動的電力擷取；也就是同時性擷取電力的方式是絕對的遵循3個單相DC/AC調變器同時間啟動電力擷取。相反的，由順序性控制器調節的電力擷取是依時間順序來進行電力擷取；也就是由順序性的電力擷取器執行的電力擷取過程是遵循所提議的依據A相，B相和C相的負載工作因子進行調整來順序性的電力擷取。

列舉一個實施案例；在圖5B顯示了使用順序性控制器來控制3相電力擷取的3相DC/AC調變器。在執行這種電力擷取方式時，A相電力擷取被安排(控制)在PWM工作週期啟始時起動，持續時間為d_A(t)；B相電力擷取安排(控制)在A階段電力擷取結束時起動，持續時間為d_B(t)；並且C相電力擷取被安排(控制)為B相電力擷取結束時起動，持續時間為d_C(t)。就這樣，3個相的電力擷取被安排(控制)成順序且無縫地運作。如圖5B所示可以看出，這種電力擷取法保證不會發生重疊的電力擷取時段。實際執行時，在一個電力擷取結束到下一個電力擷取開始之間可能會有一段過渡時間間隔。不過在每個PWM工作週期內，這段時間間隔可以非常短，它可以設計成PWM工作週期的33%，20%，10%或甚至1%以下。因此，每個相的擷取電力的最大強度P_x可以設計成相等於其輸入最大直流電力值P_mx；而如果使用同時性擷取電力方式，則僅能擷取相對於輸入最大直流電力P_mx的某個比例(最多三分之一)。

讓我們把每一個PWM工作週期的持續時間設定為D。A相擷取電力的負載工作因子定義為d_A(t)/D；B相擷取電力的負載工作因子為d_B(t)/D；C相擷取電力的負載工作因子等於d_C(t)/D.依據這裡所描述的原理，本文建議把這三個負載工作因子設定為：d_A(t)/D=2/3 cos²(ω t),d_B(t)/D=2/3 cos²(ω t+120°)，以及d_C(t)/D=2/3 cos²(ω t-120°)。然後根據計算的負載工作因子來分配3個電力擷取的個別相對應時間長度。請注意這三個相之電力擷取持續時段總和；dA(t)+dB(t)+dC(t)恰恰地等於D，即一個PWM工作週期的持續時間。

如前文所述，一個PWM工作週期的時段等於AC電力週期中前進1⁰相位角的時間間隔；因此，若A相、B相、C相的彼此間相位差是120°±1⁰；這-+也完全吻合現有電網相所容許的範圍內。三對電力線中承載的電力總和P(t)；P(t)=P_A(t)+P_B(t)+P_C(t)=P_mx(2/3)(cos²(ω t)+cos²(ω t+120°)+cos²(ω t-120°))=P_mx(2/3)(3/2)=P_mx。換句話說，三相電力線在任何時間下所承載的總功率，基本上可以等於產生的最大DC電力。也就是說，若遵循順序性電力擷取方式，就可以沒有多餘的剩餘電能。另一個說法是：結合順序電力擷取器，3相DC/AC調變器就能夠完全地擷取所有產生的DC電力，在本質上實現零剩餘電能。

再重申一下，本文所述原理是提出順序地且無縫地去擷取3相電力中每個相的相對電力。當3相電力擷取方式改變為順序性時，所擷取電力強度是可以設計成相等於輸入的最大DC電力P_mx。然後依據本文所述的原理更進一步提出；把3個相的負載工作因子分別調整為A相的2/3 cos²(ω t)，B相的2/3 cos²(ω t+120°)，以及C相的2/3 cos²(ω t-120°)。通過這樣的做法，這個3相電力擷取的過程就可以順序性地進行；這3個相的電力擷取也可以在一個PWM工作週期內完全無縫地完成；並且A相，B相和C相的輸出AC電力彼此間的相位差都在120°±1°之可被電網接受的容許範圍內。

因此，當三相DC/AC調變器加入所提議的順序性電力擷取控制器時；所設計的DC/AC調變器可以擷取並轉換整個光伏太陽能板組串產生的最大DC電力P_mx，而沒有多餘的剩餘電能；而且輸出的交流電力也能吻合電網規範。

第五節：順序性控制器的設計考量

舉一個實施例來看；本文提出可以應用PWM的啟始時間來起動A相的電力擷取，持續時間為(2/3)D * cos(ω t)；然後應用A相電力擷取的信號變化(從A相擷取電力的週期開啟到週期關閉)來觸發並且起動B相的電力擷取，持續時間為(2/3)D * cos(ω t+120°)；然後應用B相電力擷取的信號變化(從B相電力擷取週期開啟到週期關閉)來觸發並且起動C相的擷取電力。

再舉另一個實施例：由於一個PWM工作週期明確地推進AC電力相值(例如，1⁰)，因此可以構建一個列表；以A相電力擷取的確定結束時間作為”第一個時間值”，以及B相電力擷取的確定結束時間作為”第二個時間值”。此列表包含可代表整個電力周期循環的展開列項(例如180列代表180⁰的每1⁰相變化)。由於輸送之電力與電壓的平方成正比，並且正餘弦脈波振盪電壓的平方會產生具有振盪電壓兩倍頻率的電力脈動，故360⁰的電壓週期所產生的電力週期變成180⁰。

該時間表的每列之中採用兩個連續時間軸，設計上可以在一個PWM時段內周期性地設定的兩個時間軸來對應A相電力擷取的開始時間(PWM的開始)和電力擷取的結束時間(在該列中的第一時間值)；再對應于B相電力擷取的開始時間(該列中的第一時間值)和電力擷取的結束時間(列中的第二時間值)；然後相對應C相電力擷取的開始時間(列中的第二時間值)和它的結束時間(PWM的結束)。當走完180列，就意味著一個AC電力循環的DC/AC調變轉換過程已完成。然後可以重複同樣過程再進行下一輪DC/AC調變轉換...等等。但此實施例中必須使用具有優於1/180,000秒(或5微秒)時間分辨能力的(計)時鐘。

傳統的三相DC/AC調變器中的”同步化模塊”或”同時(性)控制模塊”，是用AC電力週期的最大電力和最小電力點去同步啟動PWM；如此一來，隨著電網中相/頻率偶爾的漂移，輸出交流電力脈動相就能夠隨之漂移。另外此處所敘述的”同步化模塊”之原理也可以採用一個”同步化元件”來對應電網中相/頻率的漂移來進行電力擷取的引導。

第六節：結論

如第一節所述，傳統的DC/AC單相調變器採用 PWM電力擷取器來擷取輸入DC電力。當在時間t由cos²(ω t)(or sin²(ω t))調節一個PWM工作週期中的負載工作因子時，輸出AC電力就會吻合電網規範。請注意，每個PWM工作週期的能量空間中有兩個區域；一個是被擷取的能量區域，另一個則是剩餘能量區域。參考的公告專利教導，當在幾個AC電力週期時段內積分時，剩餘電能的量至少與擷取的電能一樣大。換句話說，單相DC/AC調變器最多只能擷取、轉換所輸入DC電力的一半。擷取的電能會被轉換為AC電力並提供給電網上相對應的電力輸配線；但剩餘能量除非被捕獲並存儲在MEUPT優化器...等設備中，否則只能轉化為熱能。

如第二節所述，傳統的三相DC/AC調變器操作著三個相同的單相DC/AC調變器操作。每個單相DC/AC調變器可以擷取並把一半的輸入DC電力轉換為吻合電網規範的AC電力。請注意，由於這3個調變器同時啟動能量擷取，那麼輸入直流電力只能等於產生的直流電力最大值的三分之一。因此，三相DC/AC調變器最多只能擷取DC電源提供的一半電力，並且把它轉換成吻合電網規範的AC電力。這三個單相DC/AC調變器的輸出AC電力彼此間的相位差必須是120°。此外，這3個單相輸出交流電力是通過3條或4條電力線提供給電網上使用電力的客戶。

換句話說；傳統的光伏發電產業採用傳統的DC/AC調變器，設計上使用同時性電力擷取機制；因此，能量守恆定律迫使三個所能擷取最大電力強度P_x的總和小於PV組串產生的DC電源最大電力P_mx的三分之一(即P_x<(1/3)P_mx)。數學可以推導出，傳統的三相交流電力輸出的最大電力總和為P(t)=(3/2)P_x；即小於(1/2)P_mx(或是PV組串所產生的直流電力的一半)。因此，當使用傳統的三相DC/AC調變器時，PV組串所生產的DC電力至少有一半變成剩餘電力。但剩餘能量除非被捕獲並存儲在MEUPT優化器...等設備中，否則只能轉化為熱能。

在本文第二節中所述的理論推導揭示了由傳統的三相DC/AC逆變器工業中，所使用”同時性擷取電力”設計會導致的嚴重後果。這種設計方式已經長期地在三相DC/AC調變器行業中被遵循；而逆變器業界甚至不了解這樣去設計而產生的嚴重後果。在本文理論推導這種電能擷取方式所導致的嚴重後果是第一次被揭露。這樣去設計的嚴重後果導致了”傳統三相DC/AC調變器的3個AC電力輸出的總和小於輸入DC電力的一半”。本文所揭露慣用(共通)的擷取電能設計方式的的確確在綠能電力產業裡一直被這樣設計使用的；特別是應用在光伏電力產業上。

有兩種方法可以消除上述不良後果。第一個方法是遵循所引用的參考公告專利中描述的原理，把MEUPT優化器結合到能量系統中。另一個方法是遵循本文所描述的原理；去使用遵循本發明所提議對A相，B相和C相的負載工作因子進行調整的順序(性)電力擷取。

第四節描述了所提出的順序性電力擷取以及負載工作因子調整的原理。在每個PWM工作週期中進行順序性地電能擷取；首先是A相適時的擷取DC電力；B相是在A相擷取電力後立即擷取DC電力；最後才是C相適時的擷取DC電力。通過這樣的方式，所擷取最大電力的強度P_x在A、B、或C相中可以等於生產的最大輸入DC電力P_mx。這種順序性電力擷取與同時性擷取電力的方法截然不同，同時性擷取電力所能擷取的最大電力只能等於P_mx的三分之一(1/3)。

本文敘述的原理建議：A相、B相、以及C相的電力擷取啟始時間要由順序控制器來指揮並且調節。這樣，把3相電力擷取轉成為3個相依順序地去擷取電力；用這樣方式去擷取的最大電力強度可以等於發電機生產所輸入的最大DC電力P_mx。而且運用此處所述的原理，可以更進一步把3個負載工作因子分別調整為A相的2/3 cos²(ω t)，B相的2/3 cos²(ω t+120°)和C相的2/3 cos²(ω t-120°)。通過這樣的調整方式，這3相電力擷取的過程就可以在一個PWM工作週期內，順序地並且完全無縫地順利完成。這樣一來，A相，B相和C相所輸出AC電力相位差都在120°±1°之內；是在電網規範所容許範圍內。因此，當使用所提出的順序性電力擷取器的3相DC/AC調變器時；這個新設計的DC/AC調變器就可以擷取並且轉換所有(或基本上全部)生產的最大電力P_mx，沒有(或很少)多出的剩餘能量。此外，所產生的輸出AC電力也可以輕易地吻合3相AC電網規範。

雖然本案已以實施方式揭露如上，然其並非限定本案，任何熟習此技藝者，在不脫離本案之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本案之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

510‧‧‧順序性調節器

DFA‧‧‧負載工作因子調節器

L‧‧‧電感器

D‧‧‧二極管

C‧‧‧電容器

QA-QC‧‧‧開關

Claims

一個順序性電力擷取控制元件，應用于一組由三個單相DC/AC調變器架構而成的三相DC/AC調變器，此控制元件的配置是用來控制每個單相調變器在DC電力擷取時的順序以及電力擷取的持續時間長度：三相DC/AC調變器中的第一個單相調變器中配置一第一組PWM電力擷取器，可以從DC電源擷取DC電力，並且轉換為第一組AC電力輸送給三相交流電網的第一對電纜，而且該第一組AC電力的頻率和所具有的第一個相，都需吻合存在於三相交流電網的第一對電纜上所輸送的AC電力之電網規範；三相DC/AC調變器中的第二個單相調變器配置一第二組PWM電力擷取器，配置的第二組擷取器可以從DC電源擷取DC電力，並且轉換成第二組AC電力輸送給三相交流電網的第二對電纜中，且該第二組AC電力的頻率與該第一組AC電力相同，但該第二組AC電力所具有的第二個相吻合存在於三相交流電網的第二對電纜上所輸送的AC電力之電網規範；以及三相DC/AC調變器中的第三個單相調變器配置一第三組PWM電力擷取器，配置的第三組擷取器可以從DC電源擷取DC電力，並且轉換成第三組AC電力，該第三組AC電力的頻率與該第一組AC電力相同，但該第三組AC電力所具有的第三個相吻合存在於三相交流電網的第三對電纜所輸送的AC電力之電網規範，其中該順序性電力擷取控制元件包括：配置一個順序性控制器，使該第一個PWM電力擷取器在執行DC電力擷取的期間，具有第一個工作週期，使該第二個PWM電力擷取器在執行DC電力擷取的期間，具有第二個工作週期，然後使該第三個PWM電力擷取器在執行DC電力擷取，具有第三個工作週期；順序性地控制該第一、該第二和該第三個工作週期在工作時間上不會重疊，並且能依序地使該第一、該第二和該第三個PWM擷取器執行電力擷取；該順序性控制器還可以根據在當下(時)該第一組、該第二組以及該第三組AC電力的其中一組的位準所相對應的電力來指揮並調整該第一、該第二和該第三個PWM電力擷取器的負載工作因子，其中在交流電力週期內，對該第一、該第二和該第三個PWM電力擷取器執行負載工作因子進行調整，使該第一個PWM電力擷取器的負載工作因子的時間函數成為2/3 cos²(ωt)，使該第二個PWM電力擷取器的負載工作因子的時間函數成為2/3 cos²(ωt+120°)，並且使該第三個PWM電力擷取器的負載工作因子的時間函數成為2/3 cos²(ωt-120°)。
如請求項1所述的順序性電力擷取控制元件，更包含：一時間表，具有複數列，其中每一列的參數分別對應一組AC電力週期上的位準信息，其中該參數可以代表充分訊息來確定在電網上AC電力所對應的該第一、該第二和該第三個PWM電力擷取器負載工作因子，其中是根據該時間表內的該充分訊息來順序地起動該第一、該第二和該第三個PWM電力擷取器去擷取其相應電力。
如請求項2所述的順序性電力擷取控制元件，其中該充分的訊息是該第一個PWM電力擷取工作的啟始時間和結束時間。
如請求項2所述的順序性電力擷取控制元件，其中該時間表包含複數個列，而且每個列中至少包括一第一個時間值以及一第二個時間值，其中該第一個時間值等於D *(2/3)* cos²(ωt)，該第二個時間值等於D *(2/3)* cos²(ωt+120°)，其中D是PWM工作週期長度，t是AC電力週期內的某一時間。
如請求項1所述的順序性電力擷取控制元件，其中該順序性控制器可以依據一引導器的訊號來調整相對應的所有負載工作因子。
如請求項1所述的順序性電力擷取控制元件，其中每一該第一、該第二和該第三個PWM電力擷取器在PWM電力擷取完畢到下個PWM電力擷取啟動之間的時間間隔不大於該PWM工作週期的三分之一。
如請求項1所述的順序性電力擷取控制元件，其中每一該第一、該第二和該第三個PWM電力擷取器在PWM電力擷取結束到下個PWM電力擷取啟動之間的時間間隔不大於該PWM工作週期的五分之一。
如請求項1所述的順序性電力擷取控制元件，其中每一該第一、該第二和該第三個PWM電力擷取器在PWM電力擷取結束到下個PWM電力擷取啟動之間的時間間隔不大於該PWM工作週期的二十分之一。
如請求項1所述的順序性電力擷取控制元件，其中每一該第一、該第二和該第三個PWM電力擷取器在PWM電力擷取結束到下個PWM電力擷取啟動之間的時間間隔不大於該PWM工作週期的百分之一。
一個順序性電力擷取控制元件，應用於一三相DC/AC調變器中，其中該三相DC/AC調變器中包含一第一個、一第二個與一第三個單相DC/AC調變器，該第一個單相DC/AC調變器又包含有一第一組PWM電力擷取器，該第一組PWM電力擷取器可以從DC電源擷取電力，並且轉換為具有第一個相，能吻合電網規範的一第一組AC電力，該第二個單相DC/AC調變器包含一第二組PWM電力擷取器，該第二組PWM電力擷取器從DC電源擷取電力，並且轉換成具有第二個相，能吻合電網規範的一第二組AC電力，該第三個單相DC/AC調變器包含一第三組PWM電力擷取器，該第三組PWM電力擷取器從DC電源擷取電力，並且轉換為具有第三個相，能吻合電網規範的第三組AC電力，其中此順序性電力擷取控制元件包含：一個順序性控制器，在該第一個PWM電力擷取器執行擷取電力時，引導該第一個PWM電力擷取器具有第一個負載工作因子，在該第二個PWM電力擷取器執行擷取電力時，引導該第二個PWM電力擷取器具有第二個負載工作因子，以及在該第三個PWM電力擷取器執行擷取電力時，引導該第三個PWM電力擷取器具有第三個負載工作因子，其中該順序性控制器可以保證該第一、該第二和該第三個負載工作因子在進行電力擷取的期間不會重疊，而且順序地依照該第一、該第二和該第三個負載工作因子來執行電力擷取，其中，該順序性控制器的配置是根據當下(該第一組AC電力、該第二組AC電力以及該第三組AC電力的其中一組的AC電力週期的位準所相對應的電力來指揮並調整該第一，該第二和該第三個PWM電力擷取器的工作週期，其中，該順序性控制器的配置，在該AC電力週期內，使該第一負載工作因子的時間函數成為2/3 cos²(ωt)，使該第二負載工作因子的時間函數成為2/3 cos²(ωt+120°)，以及使該第三個負載工作因子的時間函數成為2/3 cos²(ωt-120°)。
一個三相DC/AC調變器系統，包含：一三相DC/AC調變器，其中該三相DC/AC調變器中包含一第一個、一第二個與一第三個單相DC/AC調變器，該第一個單相DC/AC調變器所包含的一第一個PWM電力擷取器在執行電力擷取時，引導該第一個PWM電力擷取器具有第一個負載工作因子，該第二個單相DC/AC調變器所包含的一第二個PWM電力擷取器在執行電力擷取時，引導該第二個PWM電力擷取器具有第二個負載工作因子，以及該第三個單相DC/AC調變器所包含的一第三個PWM電力擷取器在執行電力擷取時，引導該第三個PWM電力擷取器具有第三個負載工作因子；一順序性控制器，用以保證該第一、該第二和該第三個負載工作因子在進行電力擷取的期間不會重疊，而且順序地依照該第一、該第二和該第三個負載工作因子來執行電力擷取，其中該順序性控制器的配置，是根據該第一組AC電力、該第二組AC電力以及該第三組AC電力的其中一組電力週期的位準所相對應的電力來指揮並調整該第一、該第二和該第三個PWM電力擷取器的工作週期，其中該順序性控制器更包括一時間表，具有複數列，每列的參數分別對應一組AC電力週期上的位準信息，其中該參數可以代表一充分訊息來確定在電網上AC電力所對應的該第一、該第二和該第三個負載工作因子，其中是根據該時間表內的該充分訊息來順序地起動該第一、該第二和該第三個PWM電力擷取器去擷取其相應電力。
如請求項11所述的三相DC/AC調變器系統，其中該充分訊息是該第一個PWM電力擷取器工作的啟始時間和結束時間。
如請求項11所述的三相DC/AC調變器系統，其中該時間表包含複數個列，每個列中至少包括一第一個時間值以及一第二個時間值，其中該第一個時間值等於D *(2/3)* cos²(ωt)，該第二個時間值等於D *(2/3)* cos²(ωt+120°)，其中的D是PWM工作週期長度，t是AC電力週期內的一時間。