TWI744710B - 具市電併聯與獨立供電功能之無蓄電池型之太陽能發電系統及其方法 - Google Patents

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Abstract

一種無蓄電池型之太陽能發電系統包含一升壓直流-直流電能轉換器及一三埠式電能轉換器，且該三埠式電能轉換器包含一三臂電力電子臂、一濾波電感器組、一解耦合電路、一獨立電壓埠濾波電容器組及一市電埠濾波電容器組。該濾波電感器組連接於該三臂電力電子臂，而該解耦合電路連接於該濾波電感器組，且該獨立電壓埠濾波電容器組並聯連接於該濾波電感器組之第一及第二濾波電感器端點及解耦合電路之間，且該市電埠濾波電容器組並聯連接於該濾波電感器組之第三濾波電感器端點及解耦合電路之間。該三臂電力電子臂之第一及第二電力電子臂皆產生一共模成分電流及一差模成分電流，經該濾波電感器組之二濾波電感器及解耦合電路進行解耦合，以分離產生一已分離共模成分及一已分離差模成分，並將該已分離差模成分經該獨立電壓埠濾波電容器組濾波後輸出至負載，且將該已分離共模成分經該市電埠濾波電容器組濾波後輸出至市電。

Description

具市電併聯與獨立供電功能之無蓄電池型之太陽能發電系統及其方法
本發明係關於一種同時具市電併聯〔grid connection〕與獨立供電〔isolated grid〕功能之無蓄電池型〔battery-less〕之太陽能發電系統及其方法；特別是關於一種具市電併聯與獨立供電功能之無蓄電池型之太陽能發電系統及其方法，其可達成同時具有市電併聯迴路控制及提供獨立電壓埠至緊急負載使用。
一般而言，傳統市電併聯型之太陽能發電系統在市電發生異常時，無法持續提供負載之用電，而具獨立迴路之市電併聯型之太陽能發電系統，在經由孤島運轉偵測後斷電重啟則會有一段短暫之斷電重啟時間。因此，若在市電發生異常之情況下持續提供電能至負載時，則必須採用混合型之太陽能發電系統。然而，由於混合型之太陽能發電系統必須使用蓄電池，因此其在建置上造成提高成本，且其具有控制更為複雜的問題。
習用市電併聯型之太陽能發電系統，例如：中華民國專利公告第TW-I276298號之〝具市電併聯功能之再生能源直流供電系統〞發明專利，其揭示一種具市電併聯功能之再生能源直流供電系統。該具市電併聯功能之再生能源直流供電系統包含至少一再生能源發電系統、至少一最大功率追蹤器、一市電端、一電能平衡器及一主動解聯 控制電路。
然而，前述第TW-I276298號之該具市電併聯功能之再生能源發電系統僅為一般傳統市電併聯型之太陽能發電系統而已，如此在市電發生異常時，由於必須在孤島運轉偵測後需要一斷電重啟時間之斷電重啟，因此其具有無法持續提供負載用電的問題。
另一習用市電併聯型之太陽能發電系統，例如：中華民國專利公告第TW-I356566號之〝具輸入直流電壓漣波抑制之直流/直流電能轉換器之控制方法及其裝置〞發明專利，其揭示一種市電併聯型之太陽能發電系統。該市電併聯型之太陽能發電系統包含一直流輸入電壓源、一直流/直流電能轉換器、一電能緩衝器及一直流/交流電能轉換器。
然而，前述第TW-I356566號之該市電併聯型之太陽能發電系統亦僅為一般傳統市電併聯型之太陽能發電系統而已，如此在市電發生異常時，由於必須在孤島運轉偵測後需要一斷電重啟時間之斷電重啟，因此其具有無法持續提供負載用電的問題。
另一習用市電併聯型之太陽能發電系統，例如：中華民國專利公告第TW-I477046號之〝太陽能電池陣列正電位端接地之市電併聯型太陽能發電系統〞發明專利，其揭示一種市電併聯型之太陽能發電系統。該市電併聯型之太陽能發電系統包含一太陽能電池陣列、一電能緩衝器、一直流-直流轉換器組、一直流-交流轉換器及一控制器。
承上，前述第TW-I477046號之該太陽能電池陣列具有一輸出埠，該輸出埠包含一正電位端與一負電位端，該太陽能電池陣列之輸出埠並聯至該電能緩衝器。該直流-直流轉換器組之輸入埠與太陽能電池陣列之輸出埠 連接，該直流-交流轉換器之輸入埠與直流-直流轉換器組之輸出埠連接，該直流-交流轉換器之輸出埠連接至一交流配電系統。該控制器產生一控制信號分別控制該直流-直流轉換器組及直流-交流轉換器之功率開關之切換。該太陽能電池陣列之輸出埠之正電位端連接至該交流配電系統之接地端，以形成直接接地。
然而，前述第TW-I477046號之該市電併聯型之太陽能發電系統亦僅為一般傳統市電併聯型之太陽能發電系統而已，如此在市電發生異常時，由於必須在孤島運轉偵測後需要一斷電重啟時間之斷電重啟，因此其具有無法持續提供負載用電的問題。
另一習用市電併聯型之太陽能發電系統，例如：中華民國專利公告第TW-M408678號之〝太陽光伏發電系統〞新型專利，其揭示一種與交流市電並聯運轉之太陽光伏發電系統。該與交流市電並聯運轉之太陽光伏發電系統包含一耦合電容單元及一交流模組。該耦合電容單元電性連接一太陽光伏模組，以便對該太陽光伏模組所提供之該直流電源進行濾波，且該太陽光伏模組並聯運轉於一交流市電。
承上，前述第TW-M408678號之該交流模組包含一主動箝位電路、一電力轉換器及一交流選擇開關電路。該主動箝位電路具有一第一箝位開關、一第二箝位開關、一第一箝位電容及一第二箝位電容，而該電力轉換器電性連接該主動箝位電路，且該電力轉換器具有一隔離變壓器。該交流選擇開關電路電性連接該電力轉換器與該交流市電。
然而，前述第TW-M408678號之該市電併聯型之太陽光伏發電系統亦僅為一般傳統市電併聯型之太陽能發電系統而已，如此在市電發生異常時，由於必須在孤島 運轉偵測後需要一斷電重啟時間之斷電重啟，因此其具有無法持續提供負載用電的問題。
另一習用市電併聯型之太陽能發電系統，例如：中華民國專利公告第TW-M327597號之〝具有太陽能之混合型供電電路〞新型專利，其揭示一種市電併聯型之太陽能發電系統。該市電併聯型之太陽能發電系統包含一具有太陽能之混合型供電電路，且該具有太陽能之混合型供電電路包含一第一供電單元、一第二供電單元、一蓄電裝置、一充電裝置及一控制裝置。
承上，前述第TW-M327597號之該第一供電單元包含一太陽能模組及一第一開關，且該第一開關連接於該太陽能模組。該第二供電單元包含一市電電源及一第二開關，且該第二開關連接於該市電電源。該蓄電裝置連接於該第一供電單元及第二供電單元，而該蓄電裝置包含一蓄電模組及一第三開關，且該蓄電模組連接於該第一供電單元及第二供電單元，且該第三開關連接於該蓄電模組。
承上，前述第TW-M327597號之該充電裝置連接於該第一供電單元及蓄電裝置之間，且該控制裝置同時接收擷取自該第一供電單元之一第一電壓訊號及擷取自該蓄電裝置之一第二電壓訊號，以便選擇控制該充電裝置與該第一開關，使該充電裝置對該蓄電裝置充電，該第二開關使該第二供電單元對該蓄電裝置提供電力，且該第三開關使該蓄電裝置輸出電力。
然而，前述第TW-M327597號之該市電併聯型之太陽能發電系統亦僅為一般傳統市電併聯型之太陽能發電系統而已，如此在市電發生異常時，由於必須在孤島運轉偵測後需要一斷電重啟時間之斷電重啟，因此其具有無法持續提供負載用電的問題。
顯然，前述中華民國專利公告第TW-I276298 號、第TW-I356566號、第TW-I477046號、第TW-M408678號及第TW-M327597號之市電併聯型之太陽能發電系統，但其同時不具有市電併聯功能及獨立供電功能，因此其仍存在進一步改良之需求。前述諸中華民國專利僅為本發明技術背景之參考及說明目前技術發展狀態而已，其並非用以限制本發明之範圍。
有鑑於此，本發明為了滿足上述需求，其提供一種具市電併聯與獨立供電功能之無蓄電池型之太陽能發電系統及其方法，其包含一升壓直流-直流電能轉換器及一三埠式電能轉換器，而該三埠式電能轉換器包含一三臂電力電子臂、一濾波電感器組、一解耦合電路、一獨立電壓埠濾波電容器組、一市電埠濾波電容器組及一控制器，且該解耦合電路具有一變壓器，且該變壓器具有一次側及二次側，且該一次側及二次側之匝數相同，以便改善習用市電併聯型之太陽能發電系統在市電發生異常後，經由孤島偵測而轉換器必須重新啟動，因而導致獨立迴路斷電之問題，進而無法供電緊急負載使用。
本發明較佳實施例之主要目的係提供一種具市電併聯與獨立供電功能之無蓄電池型之太陽能發電系統及其方法，其包含一升壓直流-直流電能轉換器及一三埠式電能轉換器，而該三埠式電能轉換器包含一三臂電力電子臂、一濾波電感器組、一解耦合電路、一獨立電壓埠濾波電容器組、一市電埠濾波電容器組及一控制器，且該解耦合電路具有一變壓器，且該變壓器具有一次側及二次側，且該一次側及二次側之匝數相同，以達成簡化整體電路之目的。
為了達成上述目的，本發明較佳實施例之具市電併聯與獨立供電功能之無蓄電池型之太陽能發電系統包 含：一升壓直流-直流電能轉換器，其具有一輸入側及一輸出側，且該輸入側連接至一太陽能電池陣列；及一三埠式電能轉換器，其具有一直流埠、一獨立電壓埠及一市電埠，而該三埠式電能轉換器之直流埠連接至該升壓直流-直流電能轉換器之輸出側，且該三埠式電能轉換器包含：一三臂電力電子臂，其包含一第一電力電子臂、一第二電力電子臂及一第三電力電子臂；一濾波電感器組，其連接於該三臂電力電子臂之第一電力電子臂、第二電力電子臂及第三電力電子臂，且該濾波電感器組包含一第一電感器、一第二電感器及一第三電感器；一解耦合電路，其具有一變壓器，而該變壓器具有一次側及二次側，且該解耦合電路連接於該濾波電感器組之第一電感器、濾波電感器組之第二電感器及一市電埠濾波電容器端；一獨立電壓埠濾波電容器組，其配置於該三埠式電能轉換器之獨立電壓埠，且該獨立電壓埠濾波電容器組並聯連接於該濾波電感器組之第一電感器、濾波電感器組之第二電感器及解耦合電路之間；及一市電埠濾波電容器組，其配置於該三埠式電能轉換器之市電埠，且該市電埠濾波電容器組並聯連接於該濾波電感器組之第三電感器及解耦合電路之間；其中利用控制該三臂電力電子臂之第一電力電子臂、第二電力電子臂及第三電力電子臂之功率開關切換，使該第一電力電子臂及第二電力電子臂之輸出電流皆產生一共模成分電流及一差模成分電流，並將該共模成分電流及差模成分電流經該濾波電感器組之第一電感器及第 二電感器之電感而濾除一高頻諧波電流，且將一已濾除高頻諧波電流經該解耦合電路進行解耦合，以便有效分離產生一已分離共模成分及一已分離差模成分，並將該已分離差模成分經該獨立電壓埠濾波電容器組濾波後輸出至一負載，且將該已分離共模成分經該市電埠濾波電容器組濾波後輸出至一市電系統。
本發明較佳實施例之該共模成分電流為一具市電頻率之共模成分電流，而該差模成分電流為一具相移90度或其它角度之市電頻率之差模成分電流。
本發明較佳實施例之該共模成分電流於該解耦合電路之變壓器形成短路。
本發明較佳實施例之該差模成分電流無法流入至該解耦合電路之變壓器。
本發明較佳實施例之該變壓器之一次側及二次側之匝數相同。
本發明較佳實施例之該第一電力電子臂、第二電力電子臂及第三電力電子臂分別輸出一第一電流、一第二電流及一第三電流。
為了達成上述目的，本發明較佳實施例之具市電併聯與獨立供電功能之無蓄電池型之太陽能發電方法包含：提供一升壓直流-直流電能轉換器及一三埠式電能轉換器，而該升壓直流-直流電能轉換器具有一輸入側及一輸出側，且該三埠式電能轉換器具有一直流埠、一獨立電壓埠及一市電埠，且該三埠式電能轉換器包含一三臂電力電子臂、一濾波電感器組、一解耦合電路、一獨立電壓埠濾波電容器組及一市電埠濾波電容器組，且該解耦合電路具有一變壓器，且該變壓器具有一次側及二次側；將該三埠式電能轉換器之直流埠連接至該升 壓直流-直流電能轉換器之輸出側；將該濾波電感器組連接於該三臂電力電子臂之第一電力電子臂、第二電力電子臂及第三電力電子臂，且該濾波電感器組包含一第一電感器、一第二電感器及一第三電感器；將該解耦合電路連接於該濾波電感器組之第一電感器、濾波電感器組之第二電感器及一市電埠濾波電容器端；將該獨立電壓埠濾波電容器組並聯連接於該濾波電感器組之第一電感器、濾波電感器組之第二電感器及解耦合電路之間；將該市電埠濾波電容器組並聯連接於該濾波電感器組之第三電感器及解耦合電路之間；利用控制該三臂電力電子臂之第一電力電子臂、第二電力電子臂及第三電力電子臂之功率開關切換，使該第一電力電子臂及第二電力電子臂之輸出電流皆產生一共模成分電流及一差模成分電流；將該三臂電力電子臂之第一電力電子臂及第二電力電子臂之輸出電流分別經該濾波電感器組之第一電感器及第二電感器濾除一高頻諧波電流，且將一已濾除高頻諧波電流經該解耦合電路進行解耦合，以便有效分離產生一已分離共模成分及一已分離差模成分；及將該已分離差模成分經該獨立電壓埠濾波電容器組濾波後輸出至一負載，且將該已分離共模成分經該市電埠濾波電容器組濾波後輸出至一市電系統。
本發明較佳實施例之該共模成分電流為一具市電頻率之共模成分電流，而該差模成分電流為一具相移90度或其它角度之市電頻率之差模成分電流。
本發明較佳實施例之該共模成分電流於該解 耦合電路之變壓器形成短路。
本發明較佳實施例之該差模成分電流無法流入至該解耦合電路之變壓器。
本發明較佳實施例之該變壓器之一次側及二次側之匝數相同。
本發明較佳實施例之該第一電力電子臂、第二電力電子臂及第三電力電子臂分別輸出一第一電流、一第二電流及一第三電流。
本發明較佳實施例於該市電系統正常，但該太陽能電池陣列不發電時，提供一由市電提供功率至負載之操作模式。
本發明較佳實施例於該市電系統正常且該太陽能電池陣列亦進行正常發電時，且在該太陽能電池陣列之發電功率大於該負載所需之功率時，提供一太陽能電池陣列所發之多餘之功率將饋入市電操作模式。
本發明較佳實施例於該市電系統正常且該太陽能電池陣列亦進行正常發電時，且在該太陽能電池陣列之發電功率小於該負載所需之功率時，提供一由市電供應不足功率之操作模式。
本發明較佳實施例於該市電系統發生異常或斷電，但該太陽能電池陣列仍進行正常發電時，且在該太陽能電池陣列之發電功率大於該負載所需之功率時，提供一放棄太陽能電池陣列之MPPT及限功率發電之操作模式。
本發明較佳實施例於該市電系統發生異常或斷電，但該太陽能電池陣列仍進行正常發電時，且在該太陽能電池陣列之發電功率小於該負載所需之功率時，提供一卸載負載之操作模式。
本發明較佳實施例於該市電系統發生異常或 斷電且該太陽能電池陣列不發電時，提供一停止運作模式。
1:升壓直流-直流電能轉換器
10:控制器
2:三埠式電能轉換器
21:直流埠
22:獨立電壓埠
23:市電埠
24:三臂電力電子臂
25:濾波電感器組
26:解耦合電路
27:獨立電壓埠濾波電容器組
28:市電埠濾波電容器組
3:太陽能電池陣列
4:負載
5:市電系統
第1圖：本發明較佳實施例之具市電併聯與獨立供電功能之無蓄電池型之太陽能發電系統之電路架構示意圖。
第2圖：本發明較佳實施例之具市電併聯與獨立供電功能之無蓄電池型之太陽能發電系統採用三埠式電能轉換器之電流流向示意圖。
第3(A)圖：本發明較佳實施例之具市電併聯與獨立供電功能之無蓄電池型之太陽能發電系統採用三埠式電能轉換器之差模等效電路之示意圖。
第3(B)圖：本發明較佳實施例之具市電併聯與獨立供電功能之無蓄電池型之太陽能發電系統採用三埠式電能轉換器之共模等效電路之示意圖。
第4(A)圖：本發明較佳實施例之具市電併聯與獨立供電功能之無蓄電池型之太陽能發電系統採用第一操作模式之功率潮流示意圖。
第4(B)圖：本發明較佳實施例之具市電併聯與獨立供電功能之無蓄電池型之太陽能發電系統採用第二操作模式之功率潮流示意圖。
第4(C)圖：本發明較佳實施例之具市電併聯與獨立供電功能之無蓄電池型之太陽能發電系統採用第三操作模式之功率潮流示意圖。
第4(D)圖：本發明較佳實施例之具市電併聯與獨立供電功能之無蓄電池型之太陽能發電系統採用第四操作模式之功率潮流示意圖。
第4(E)圖：本發明較佳實施例之具市電併聯與獨立供電功能之無蓄電池型之太陽能發電系統採用第五操作模式之功率潮流示意圖。
第4(F)圖：本發明較佳實施例之具市電併聯與獨立供電功能之無蓄電池型之太陽能發電系統採用第六操作模式之功率潮流示意圖。
為了充分瞭解本發明之具市電併聯與獨立供電功能之無蓄電池型之太陽能發電系統及其方法，於下文將舉例較佳實施例並配合所附圖式作詳細說明，且其並非用以限定本發明。
本發明較佳實施例之具市電併聯與獨立供電功能之無蓄電池型之太陽能發電系統及其操作方法適用於各種市電併聯型〔grid-connected〕太陽能發電系統、各種獨立供電型〔stand-alone〕太陽能發電系統或其它太陽能發電系統，但其並非用以限制本發明之範圍。
第1圖揭示本發明較佳實施例之具市電併聯與獨立供電功能之無蓄電池型之太陽能發電系統之電路架構示意圖。請參照第1圖所示，舉例而言，本發明較佳實施例之具市電併聯與獨立供電功能之無蓄電池型之太陽能發電系統包含一升壓直流-直流電能轉換器1〔第1圖之左側框所示〕、一三埠式電能轉換器2〔第1圖之右側框所示〕及一控制器10，而該控制器10用以控制操作該升壓直流-直流電能轉換器1及三埠式電能轉換器2，且該升壓直流-直流電能轉換器1連接於該三埠式電能轉換器2。
請再參照第1圖所示，舉例而言，該升壓直流-直流電能轉換器1具有至少一輸入側及至少一輸出側，而該輸入側連接至少一個或數個太陽能電池陣列3或其它具類似功能的直流源〔DC source〕裝置或系統，如第1圖之左側所示。
請再參照第1圖所示，舉例而言，該升壓直流-直流電能轉換器1包含一電容器C solar 、一電感器L DC 、一 電力電子開關S DC 及一二極體D 1 ，而該電容器C solar 、電感器L DC 、電力電子開關S DC 及二極體D 1 適當組合形成該升壓直流-直流電能轉換器1，且該電容器C solar 並聯連接於該太陽能電池陣列3。
請再參照第1圖所示，舉例而言，該三埠式電能轉換器2具有至少一直流埠21〔DC port〕、至少一獨立電壓埠22〔AC port〕及至少一市電埠23〔AC port〕，而該直流埠21連接於該升壓直流-直流電能轉換器1之輸出側，且該獨立電壓埠22可選擇連接於至少一個或數個負載〔例如：緊急負載〕4，如第1圖之右上側所示，且該市電埠23連接於一市電系統〔市電電網〕5，如第1圖之右下側所示。
請再參照第1圖所示，舉例而言，該三埠式電能轉換器2包含一三臂電力電子臂24、一濾波電感器組25、一解耦合電路26、一獨立電壓埠濾波電容器組27及一市電埠濾波電容器組28，且該三臂電力電子臂24、濾波電感器組25、解耦合電路26、獨立電壓埠濾波電容器組27及市電埠濾波電容器組28適當組合形成該三埠式電能轉換器2。
請再參照第1圖所示，舉例而言，該三臂電力電子臂24包含一第一電力電子臂、一第二電力電子臂及一第三電力電子臂，而該第一電力電子臂具有至少二第一電力電子開關組S 1 、S 2 ，且該第二電力電子臂具有至少二第二電力電子開關組S 3 、S 4 ，且該第三電力電子臂具有至少二第三電力電子開關組S 5 、S 6 。另外，該第一電力電子臂輸出一第一電流i 1 ，且該第二電力電子臂輸出一第二電流i 2 ，且該第三電力電子臂輸出一第三電流i 3 。
請再參照第1圖所示，舉例而言，該濾波電感器組25連接於該三臂電力電子臂24之第一電力電子臂、 第二電力電子臂及第三電力電子臂，且該第一電力電子臂、第二電力電子臂或第三電力電子臂為選自一半橋式電力電子臂、一T型電力電子臂或一二二極體箝位電力電子臂，以便濾除該第一電力電子臂之第一電流i 1 、第二電力電子臂之第二電流i 2 及第三電力電子臂之第三電流i 3 之諧波電流，且該濾波電感器組25包含一第一電感器L 1 、一第二電感器L 2 及一第三電感器L 3 。
請再參照第1圖所示，舉例而言，該解耦合電路26具有至少一變壓器〔transformer〕，而該變壓器具有一次側〔primary side〕及二次側〔secondary side〕，且該一次側及二次側係在連接後具有三個端點，且該一次側及二次側之匝數相同，且該解耦合電路26適當連接於該濾波電感器組25之第一電感器L 1 、濾波電感器組25之第二電感器L 2 及市電埠濾波電容器組28之一端。
請再參照第1圖所示，舉例而言，該獨立電壓埠濾波電容器組27配置於該三埠式電能轉換器2之獨立電壓埠22，並選擇經由該獨立電壓埠22輸出電能至該負載4，且該獨立電壓埠濾波電容器組27並聯連接於該濾波電感器組25之第一電感器L 1 、濾波電感器組25之第二電感器L 2 及解耦合電路26之變壓器之兩個端點之間。
請再參照第1圖所示，舉例而言，該市電埠濾波電容器組28配置於該三埠式電能轉換器2之市電埠23，並選擇經由該市電埠23輸出電能至該市電系統5，且該市電埠濾波電容器組28並聯連接於該濾波電感器組25之第三電感器L 3 及解耦合電路26之變壓器之另一端點之間。
第2圖揭示本發明較佳實施例之具市電併聯與獨立供電功能之無蓄電池型之太陽能發電系統採用三埠式電能轉換器之電流流向示意圖，其對應於第1圖所示之無蓄電池型之太陽能發電系統。請參照第1及2圖所示，舉 例而言，利用該控制器10控制操作該三臂電力電子臂24之第一電力電子臂之第一電力電子開關S 1 、S 2 、第二電力電子臂之第二電力電子開關S 3 、S 4 及第三電力電子臂之第三電力電子開關S 5 、S 6 之切換，使該第一電力電子臂之第一電流i 1 及第二電力電子臂之第二電流i 2 產生一共模成分電流〔common mode current〕及一差模成分電流〔differential mode current〕。
請再參照第1及2圖所示，舉例而言，該共模成分電流為一具市電頻率之共模成分電流，而該差模成分電流為一具相移90度或其它角度之市電頻率之差模成分電流，且由於該第一電力電子臂之第一電力電子開關S 1 、S 2 、第二電力電子臂之第二電力電子開關S 3 、S 4 及第三電力電子臂之第三電力電子開關S 5 、S 6 之切換產生一高頻諧波電流，因此利用該濾波電感器組25之第一電感器L 1 及第二電感器L 2 適當濾除該高頻諧波電流。
請再參照第1及2圖所示，舉例而言，將該共模成分電流及差模成分電流經該濾波電感器組25之第一電感器L 1 及第二電感器L 2 濾除該高頻諧波電流，且將該已濾除高頻諧波電流經該解耦合電路26進行解耦合，以便有效分離產生一已分離共模成分及一已分離差模成分，並選擇將該已分離差模成分經該獨立電壓埠濾波電容器組27濾波後輸出至該負載4，且選擇將該已分離共模成分經該市電埠濾波電容器組28濾波後輸出至該市電系統5。
請再參照第1及2圖所示，舉例而言，該三埠式電能轉換器2之三臂電力電子臂24產生該第一電力電子臂之第一電流i 1 及第二電力電子臂之第二電流i 2 分別表示如下：i 1=i DM1+i CM1 (1)
i 2=i DM2+i CM2 (2)
其中i DM1 及i DM2 為差模成份，i CM1 及i CM2 為共模成份；其中差模成份之兩個電流其大小相同，但其方向相反；而共模成份之兩個電流其大小與方向皆相同，因此其可表示如下：i DM1=-i DM2 (3)
i CM1=i CM2 (4)
其中差模成份i DM1 及i DM2 為兩個電流其大小相等，但其方向相反；共模成份i CM1 及i CM2 為兩個電流其大小相等，且其方向相同。
請再參照第1及2圖所示，舉例而言，該三埠式電能轉換器2之三臂電力電子臂24產生該第一電力電子臂之第一電流i 1 及第二電力電子臂之第二電流i 2 經由該解耦合電路26進行解耦合後，可獲得該共模成分電流〔具市電頻率之共模成分電流〕及該差模成分電流〔具60Hz之差模成分電流〕，如第2圖所示。該差模成分電流i DM 為一大小與方向皆與i DM1 相同之電流；該共模成分電流i CM 則由共模成份i CM1 與i CM2 合併而成。該差模成分電流i DM 及共模成分電流i CM 可表示為：i DM =i DM1=-i DM2 (5)
i CM =i CM1+i CM2 (6)
其中i DM1 及i DM2 為差模成份，i DM 為差模電流；而i CM1 及i CM2 為共模成份，i CM 為共模電流。
如第2圖所示，由上述公式(5)及(6)可得該獨立電壓埠22及市電埠23之電流分別可表示為：i ig =i DM -i cf2 (7)
i sg =i CM -i cf1 (8)
其中i ig 為該獨立電壓埠22之電流，而i sg 為該市電埠23之電流，且i cf1 為市電埠濾波電容器組28之電流，且i cf2 為該獨立電壓埠濾波電容器組27之電流。
第3(A)圖揭示本發明較佳實施例之具市電併聯與獨立供電功能之無蓄電池型之太陽能發電系統採用三埠式電能轉換器之差模等效電路之示意圖。請參照第1、2及3(A)圖所示，舉例而言，由於該差模成份i DM1 及i DM2 為兩個電流其大小相同，但其方向相反，因此該差模成份i DM1 及i DM2 可視為單一電流源。基於變壓器之理論，該解耦合電路26之變壓器之一、二次側之打點端之電流必須呈現一進一出的對應狀況，則於第3(A)圖中之差模電流無法流入該解耦合電路26之變壓器，因此該解耦合電路26之變壓器迴路對於差模電流形同開路〔open〕，且該解耦合電路26之變壓器之端電壓v T1 及v T2 可表示為：v T1=-v T2=v ig /2 (9)
其中v T1 為該解耦合電路26之變壓器之第一端電壓，而v T2 為該解耦合電路26之變壓器之第二端電壓，且v ig 為該獨立電壓埠22之電壓。
第3(B)圖揭示本發明較佳實施例之具市電併聯與獨立供電功能之無蓄電池型之太陽能發電系統採用三埠式電能轉換器之共模等效電路之示意圖，其對應於第3(A)圖之三埠式電能轉換器之差模等效電路。請參照第1、2及3(B)圖所示，舉例而言，由於該共模成份i CM1 及i CM2 為兩個電流大小及方向相同，因此該共模成份i CM1 由該解耦合電路26之變壓器之一次側之打點端流入，而該共模成份i CM2 則由該解耦合電路26之變壓器之二次側打點端流出，而在該共模成份i CM1 與i CM2 流出該解耦合電路26之變壓器之後，再合併形成一共模電流i CM 。若忽略該解耦合電路26之變壓器之漏感時，該解耦合電路26之變壓器迴路對於該共模電流i CM 形同短路〔Short〕，因此可推導出該解耦合電路26之變壓器之一、二次側繞組流過之電流為：i CM1=i CM2=i CM /2 (10)
其中i CM1 及i CM2 為共模成份，i CM 為共模電流。
請再參照第1及2圖所示，舉例而言，當系統操作於併網回灌之情況下，由第1圖可知，此時系統實功關係可表示為：P sg =P ig +P loss -P pv (11)
其中P sg 為該市電系統5所提供之實功率，P PV 為該太陽能電池陣列3之發電功率，P ig 為輸出至該負載4之實功率，P loss 為電能轉換器損失之實功率。
請再參照第1及2圖所示，舉例而言，當該太陽能電池陣列3之發電不足以供應該負載4之用電時，該市電系統5必須補足不足該負載4之消耗功率。
請再參照第1及2圖所示，舉例而言，在忽略該解耦合電路26之變壓器之漏感下，可獲得該獨立電壓埠22之輸出電壓v ig 由該差模電流i DM 進行控制，且該獨立電壓埠22之輸出電壓v ig 可表示為：v ig =i cf2×z cf2=i DM ×(z ig //z cf2) (12)
其中v ig 為該獨立電壓埠22之輸出電壓，z ig 為該獨立電壓埠22之負載4之阻抗，z cf2 為該獨立電壓埠22輸出濾波電容之容抗。
請再參照第1及2圖所示，舉例而言，該三臂電力電子臂24之第一電力電子臂之第一電流i 1 及第二電力電子臂之第二電流i 2 可表示為：
Figure 108137917-A0305-02-0020-12
Figure 108137917-A0305-02-0020-13
其中i 1 及i 2 為該三臂電力電子臂24之第一電力電子臂之第一電流及第二電力電子臂之第二電流。
請再參照第1及2圖所示，舉例而言，由上述 公式(13)與(14)顯示可藉由控制該三臂電力電子臂24之第一電力電子臂之第一電流i 1 及第二電力電子臂之第二電流i 2 ，可達成該三埠式電能轉換器2同時市電併聯及提供一交流電壓至該獨立電壓埠22。
第4(A)圖揭示本發明較佳實施例之具市電併聯與獨立供電功能之無蓄電池型之太陽能發電系統採用第一操作模式之功率潮流示意圖。請參照第4(A)圖所示，舉例而言，本發明較佳實施例於該市電系統5正常，但該太陽能電池陣列3不發電時，系統提供一由市電提供功率至負載之操作模式。
第4(B)圖揭示本發明較佳實施例之具市電併聯與獨立供電功能之無蓄電池型之太陽能發電系統採用第二操作模式之功率潮流示意圖。請參照第4(B)圖所示，舉例而言，本發明較佳實施例於該市電系統5正常，且該太陽能電池陣列3亦進行正常發電時，且在該太陽能電池陣列3之發電功率大於該負載4所需之功率時，系統提供一太陽能電池陣列所發之多餘之功率將饋入市電操作模式。
第4(C)圖揭示本發明較佳實施例之具市電併聯與獨立供電功能之無蓄電池型之太陽能發電系統採用第三操作模式之功率潮流示意圖。請參照第4(C)圖所示，舉例而言，本發明較佳實施例於該市電系統5正常且該太陽能電池陣列3亦進行正常發電時，且在該太陽能電池陣列3之發電功率小於該負載4所需之功率時，系統提供一由市電供應不足功率之操作模式。
第4(D)圖揭示本發明較佳實施例之具市電併聯與獨立供電功能之無蓄電池型之太陽能發電系統採用第四操作模式之功率潮流示意圖。請參照第4(D)圖所示，舉例而言，本發明較佳實施例於該市電系統5發生異常或斷電，但該太陽能電池陣列3仍進行正常發電時，且在該太 陽能電池陣列3之發電功率大於該負載4所需之功率時，系統提供一放棄太陽能電池陣列之MPPT及限功率發電之操作模式。
第4(E)圖揭示本發明較佳實施例之具市電併聯與獨立供電功能之無蓄電池型之太陽能發電系統採用第五操作模式之功率潮流示意圖。請參照第4(E)圖所示，舉例而言，本發明較佳實施例於該市電系統5發生異常或斷電，但該太陽能電池陣列3仍進行正常發電時，且在該太陽能電池陣列3之發電功率小於該負載所需之功率時，系統提供一卸載負載之操作模式。
第4(F)圖揭示本發明較佳實施例之具市電併聯與獨立供電功能之無蓄電池型之太陽能發電系統採用第六操作模式之功率潮流示意圖。請參照第4(F)圖所示，舉例而言，本發明較佳實施例於該市電系統5發生異常或斷電，且該太陽能電池陣列3不發電時，系統提供一停止運作模式。
前述較佳實施例僅舉例說明本發明及其技術特徵，該實施例之技術仍可適當進行各種實質等效修飾及/或替換方式予以實施；因此，本發明之權利範圍須視後附申請專利範圍所界定之範圍為準。本案著作權限制使用於中華民國專利申請用途。
1:升壓直流-直流電能轉換器
10:控制器
2:三埠式電能轉換器
21:直流埠
22:獨立電壓埠
23:市電埠
24:三臂電力電子臂
25:濾波電感器組
26:解耦合電路
27:獨立電壓埠濾波電容器組
28:市電埠濾波電容器組
3:太陽能電池陣列
4:負載
5:市電系統

Claims (10)

  1. 一種具市電併聯與獨立供電功能之無蓄電池型之太陽能發電系統，其包含：一升壓直流-直流電能轉換器，其具有一輸入側及一輸出側，且該輸入側連接至一太陽能電池陣列；及一三埠式電能轉換器，其具有一直流埠、一獨立電壓埠及一市電埠，而該三埠式電能轉換器之直流埠連接至該升壓直流-直流電能轉換器之輸出側，且該三埠式電能轉換器包含：一三臂電力電子臂，其包含一第一電力電子臂、一第二電力電子臂及一第三電力電子臂；一濾波電感器組，其連接於該三臂電力電子臂之第一電力電子臂、第二電力電子臂及第三電力電子臂，且該濾波電感器組包含一第一電感器、一第二電感器及一第三電感器；一解耦合電路，其具有一變壓器，而該變壓器具有一次側及二次側，且該解耦合電路連接於該濾波電感器組之第一電感器、濾波電感器組之第二電感器及一市電埠濾波電容器端；一獨立電壓埠濾波電容器組，其配置於該三埠式電能轉換器之獨立電壓埠，且該獨立電壓埠濾波電容器組並聯連接於該濾波電感器組之第一電感器、濾波電感器組之第二電感器及解耦合電路之間；及一市電埠濾波電容器組，其配置於該三埠式電能轉換器之市電埠，且該市電埠濾波電容器組並聯連接於該濾波電感器組之第三電感器及解耦合電路之間；其中利用控制該三臂電力電子臂之第一電力電子臂、第二電力電子臂及第三電力電子臂之功率開關切換，使該第一電力電子臂及第二電力電子臂之輸出電流皆產生一共模成分電流及一差模成分電流，並將該共模成分電流及差模 成分電流經該濾波電感器組之第一電感器及第二電感器之電感而濾除一高頻諧波電流，且將一已濾除高頻諧波電流經該解耦合電路進行解耦合，以便有效分離產生一已分離共模成分及一已分離差模成分，並將該已分離差模成分經該獨立電壓埠濾波電容器組濾波後輸出至一負載，而該負載具有一所需功率，且將該已分離共模成分經該市電埠濾波電容器組濾波後輸出至一市電系統；其中該共模成分電流為一具市電頻率之共模成分電流，而該差模成分電流為一具相移90度或一角度之市電頻率之差模成分電流。
  2. 依申請專利範圍第1項所述之具市電併聯與獨立供電功能之無蓄電池型之太陽能發電系統，其中該三臂電力電子臂之第一電力電子臂、第二電力電子臂及第三電力電子臂分別輸出一第一電流、一第二電流及一第三電流。
  3. 依申請專利範圍第1項所述之具市電併聯與獨立供電功能之無蓄電池型之太陽能發電系統，其中該共模成分電流於該解耦合電路之變壓器形成短路。
  4. 依申請專利範圍第1項所述之具市電併聯與獨立供電功能之無蓄電池型之太陽能發電系統，其中該差模成分電流無法流入至該解耦合電路之變壓器。
  5. 依申請專利範圍第1項所述之具市電併聯與獨立供電功能之無蓄電池型之太陽能發電系統，其中該變壓器之一次側及二次側之匝數相同。
  6. 一種具市電併聯與獨立供電功能之無蓄電池型之太陽能發電方法，其包含：提供一升壓直流-直流電能轉換器及一三埠式電能轉換器，而該升壓直流-直流電能轉換器具有一輸入側及一輸出側，且該三埠式電能轉換器具有一直流埠、一獨立電壓埠及一市電埠，且該三埠式電能轉換器包含一三臂電力電子臂、一濾波電感器組、一解耦合電路、一獨立電壓埠濾波電容器組及一市電埠濾波電容器組，且該解耦合電路具有 一變壓器，且該變壓器具有一次側及二次側；將該三埠式電能轉換器之直流埠連接至該升壓直流-直流電能轉換器之輸出側；將該濾波電感器組連接於該三臂電力電子臂之第一電力電子臂、第二電力電子臂及第三電力電子臂，且該濾波電感器組包含一第一電感器、一第二電感器及一第三電感器；將該解耦合電路連接於該濾波電感器組之第一電感器、濾波電感器組之第二電感器及一市電埠濾波電容器端；將該獨立電壓埠濾波電容器組並聯連接於該濾波電感器組之第一電感器、濾波電感器組之第二電感器及解耦合電路之間；將該市電埠濾波電容器組並聯連接於該濾波電感器組之第三電感器及解耦合電路之間；利用控制該三臂電力電子臂之第一電力電子臂、第二電力電子臂及第三電力電子臂之功率開關切換，使該第一電力電子臂及第二電力電子臂之輸出電流皆產生一共模成分電流及一差模成分電流；將該三臂電力電子臂之第一電力電子臂及第二電力電子臂之輸出電流分別經該濾波電感器組之第一電感器及第二電感器濾除一高頻諧波電流，且將一已濾除高頻諧波電流經該解耦合電路進行解耦合，以便有效分離產生一已分離共模成分及一已分離差模成分；及將該已分離差模成分經該獨立電壓埠濾波電容器組濾波後輸出至一負載，而該負載具有一所需功率，且將該已分離共模成分經該市電埠濾波電容器組濾波後輸出至一市電系統；其中該共模成分電流為一具市電頻率之共模成分電流，而該差模成分電流為一具相移90度或一角度之市電頻率之差模成分電流。
  7. 依申請專利範圍第6項所述之具市電併聯與獨立供電 功能之無蓄電池型之太陽能發電方法，其中該三臂電力電子臂之第一電力電子臂、第二電力電子臂及第三電力電子臂分別輸出一第一電流、一第二電流及一第三電流。
  8. 依申請專利範圍第6項所述之具市電併聯與獨立供電功能之無蓄電池型之太陽能發電方法，其中該共模成分電流於該解耦合電路之變壓器形成短路。
  9. 依申請專利範圍第6項所述之具市電併聯與獨立供電功能之無蓄電池型之太陽能發電方法，其中該差模成分電流無法流入至該解耦合電路之變壓器。
  10. 依申請專利範圍第6項所述之具市電併聯與獨立供電功能之無蓄電池型之太陽能發電方法，其中該變壓器之一次側及二次側之匝數相同。
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