TWI750714B - 動態最佳的最大功率點追踪的方法和系統 - Google Patents

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Abstract

一種太陽能模組動態最佳的最大功率點追踪的方法和系統，包含監控輸入直流電源的輸出功率並執行最大功率點追踪法則以調整輸入電壓至最大功率點，可應用於陰影與日光不穩的太陽能應用。

Description

動態最佳的最大功率點追踪的方法和系統
本發明是有關於一種動態最佳的最大功率點追踪的方法和系統，係可應用於太陽能模組及應用於電力系統連接型電能轉換器應用、交流負載連接型電能轉換器應用或直流負載連接型電能轉換器應用。
Vikas Baghel於2018 Second International Conference on Electronics,Communication and Aerospace Technology發表文獻A Survey on Maximum Power Point Algorithms for PV System為習用太陽能模組的電壓控制技術。第1圖為理想太陽能模組的功率-電壓對應曲線示意圖，正常狀況下曲線屬於拋物線且只有單一最高功率峰值。習用技術控制太陽能模組的電壓於開路電壓101與短路電壓104間，期望使太陽能模組電壓為最大功率點的電壓定義為太陽能模組最大功率點的電壓102，工作於拋物線的單一最高功率峰值定義為太陽能模組最大功率點103。執行標準MPPT(Maximum Power Point Tracking最大功率點追蹤)控制方法使功率為太陽能模組最大功率點103，讓太陽能模組能產出最多功率。
習用技術US20130016536A1考量陰影對太陽能模組產出功率 的影響，第2圖為太陽能模組被陰影影響的功率-電壓對應曲線示意圖。陰影使太陽能模組的功率-電壓對應曲線，由理想太陽能模組的功率-電壓對應曲線200，變為太陽能模組被陰影影響的功率-電壓對應曲線210。太陽能模組被陰影分別產生第一峰值功率211，第二峰值功率212與第三峰值功率213。US20130016536A1調整太陽能模組的電壓於開路電壓201與短路電壓203間，持續調整太陽能模組的電壓並記錄所屬的功率。經由比較太陽能模組的功率，判定第三峰值功率213可產生最大功率後，控制太陽能模組的電壓以產生最大功率。
US20130016536A1其一缺陷，由規範BSEN 50530 Overall efficiency of grid connected photovoltaic inverters可知。太陽光線並非持續固定，而是會隨雲層飄動遮蔽陽光，而讓太陽能模組照度不同，而照度也直接影響太陽能模組的輸出功率。造成這缺陷的主要原因，主因US20130016536A1調整太陽能模組電壓並記錄所屬的功率的過程需要時間，其次太陽光線可能在這段時間變化。因此，所記錄的太陽能模組功率只代表當下的紀錄結果，該功率紀錄結果除了受太陽能模組本身功率-電壓對應曲線影響，也受太陽光線變化影響，因此該功率紀錄結果不為真實功率-電壓對應曲線，也因此US20130016536A1用該功率紀錄結果來判定功率-電壓對應曲線的最大功率點，會因太陽光線變化的自然現象而誤判。第3圖為太陽能模組於不同光線照度下被陰影影響的功率-電壓對應曲線示意圖，可知隨著陽光照度降低，會使陰影影響的太陽能模組曲線由301變為302，再變為303。以第3圖說明習用技術US20130016536A1的誤判，當US20130016536A1於太陽能模組被陰影影響的第一峰值功率對應電壓311時照度為太陽能模組較高照度下被陰影 影響的功率-電壓對應曲線301，當US20130016536A1於太陽能模組被陰影影響的第二峰值功率對應電壓312時照度為太陽能模組中等照度下被陰影影響的功率-電壓對應曲線302，當US20130016536A1於太陽能模組被陰影影響的第三峰值功率對應電壓313時照度為太陽能模組較低照度下被陰影影響的功率-電壓對應曲線303。雖然當太陽能模組被陰影影響的第三峰值功率對應電壓313時功率最高，但因太陽光線會變化的自然特性，US20130016536A1會誤判為太陽能模組被陰影影響的第一峰值功率對應電壓311時功率最高，而使太陽能模組工作於太陽能模組被陰影影響的第一峰值功率對應電壓311，造成太陽能模組的發電量損失。
US20130016536A1其二缺陷，雖然陰影使太陽能模組的功率-電壓對應曲線異常時，有可能讓太陽能模組被調整至第2圖的太陽能模組被陰影影響之最大功率點的電壓222，產生最高功率峰值為第三峰值功率213。但持續調整太陽能模組電壓並記錄所屬的功率的過程，造成應用於沒陰影的狀況下，太陽能模組不是持續於最大功率點的電壓221，也造成太陽能模組功率無法持續於最大功率點202。但不調整太陽能模組電壓並記錄所屬的功率，又無法確認是否應用於沒陰影的狀況。
US20130016536A1其三缺陷，也基於陰影使太陽能模組的功率-電壓對應曲線異常時，有可能讓太陽能模組被調整至第2圖的最大功率點的電壓222，產生最高功率峰值的第三峰值功率213。但持續調整太陽能模組電壓並記錄所屬的功率的過程，造成應用於沒陰影的狀況下，太陽能模組不是持續於最大功率點的電壓221，也造成太陽能模組功率無法持續理想太陽能模組最大功率點202。
本案的第一目的在於為改善光線變化造成之誤判，不採用找尋並記錄峰值功率，可快速完成功率比較，縮短比較時間可改善光線變化造成的誤判，也可快速針對少數電壓持續比較功率直到判定太陽光線穩定且其影響不足造成誤判。
本案的第二目的在於具備區分陰影與否的機制，使太陽能模組無論是否有陰影都能兼顧，降低前述造成的功率損失。
本案的第三目的在於除了理論與技術，也加入實際應用的考量。針對陰影之類異常，進行調整太陽能模組電壓並記錄所屬的功率的過程，會使太陽能模組不是持續於最大功率點，因此，若有需要則再進行，才符合實際應用的最佳效益。
100:理想太陽能模組的功率-電壓對應曲線
101:太陽能模組開路電壓
102:太陽能模組最大功率點的電壓
103:太陽能模組最大功率點
104:太陽能模組短路電壓
200:理想太陽能模組的功率-電壓對應曲線
201:太陽能模組開路電壓
202:理想太陽能模組最大功率點
203:太陽能模組短路電壓
210:太陽能模組被陰影影響的功率-電壓對應曲線
211:第一峰值功率
212:第二峰值功率
213:第三峰值功率
221:理想太陽能模組最大功率點的電壓
222:太陽能模組被陰影影響之最大功率點的電壓
301:太陽能模組較高照度下被陰影影響的功率-電壓對應曲線
302:太陽能模組中等照度下被陰影影響的功率-電壓對應曲線
303:太陽能模組較低照度下被陰影影響的功率-電壓對應曲線
311:太陽能模組被陰影影響的第一峰值功率對應電壓
312:太陽能模組被陰影影響的第二峰值功率對應電壓
313:太陽能模組被陰影影響的第三峰值功率對應電壓
321:太陽能模組被陰影影響的第一峰值功率對應電壓於較高照度下功率
322:太陽能模組被陰影影響的第二峰值功率對應電壓於中等照度下功率
323:太陽能模組被陰影影響的第三峰值功率對應電壓於較低照度下功率
330:太陽能模組開路電壓
331:太陽能模組短路電壓
500:另一功率曲線
501:太陽能模組開路電壓
502:太陽能模組短路電壓
511:第一功率點
512:第二功率點
513:第三功率點
521:第一底值功率
522:第二底值功率
541:第一底值功率之電壓
542:第二底值功率之電壓
S100:偵測一初始功率曲線
S200:取得一波峰電壓組
S300:取得一最大功率點
第1圖為理想太陽能模組的功率-電壓對應曲線示意圖。
第2圖為太陽能模組被陰影影響的功率-電壓對應曲線示意圖。
第3圖為太陽能模組於不同光線照度下被陰影影響的功率-電壓對應曲線示意圖。
第4圖為一種動態最佳的最大功率點追踪方法的步驟流程圖。
第5圖為尋找功率峰值與其對應電壓的實施例之太陽能模組曲線示意圖。
為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
請參閱第4圖所示，其為一種動態最佳的最大功率點追踪方法的步驟流程圖，該方法可應用於太陽能模組以及搭配的電能轉換器(如電力系統連接型電能轉換器、交流負載連接型電能轉換器或直流負載連接型電能轉換器等)，本發明主要欲解決因太陽光線非持續固定，而隨雲層飄動遮蔽陽光讓太陽能模組照度變化，也直接影響太陽能模組的輸出功率。因此研發出解決的方法，該方法包含步驟S100偵測一初始功率曲線、步驟S200取得一波峰電壓組及步驟S300取得一最大功率點，其詳細步驟內容請參閱下方說明。
步驟S100偵測該初始功率曲線，該偵測該太陽能模組以取得該初始功率曲線，並判斷該初始功率曲線的一初始功率波峰點組。其偵測的方式主要先從高電壓開始逐漸調降電壓進行偵測(亦可由低電壓往高電壓逐漸調升進行偵查)，則將最後一次增加趨勢的功率與電壓定義為該初始功率波峰點組之一及該波峰電壓組之一。藉此來偵測出該初始功率曲線，以及判斷出該初始功率波峰點組，而本實施例以配合第3圖為例，偵測到一第一初始功率波峰點321時，當下太陽能模組的照度為一第一功率曲線301，偵測到一第二初始功率波峰點322時，當下太陽能模組的照度為一第二功率曲線302，偵測到一第三初始功率波峰點323時，當下太陽能模組的照度為一第三 功率曲線303。
步驟S200取得該波峰電壓組，藉由與該初始功率波峰點組所對應的電壓定義為該波峰電壓組。根據前一步驟所述，偵測方式主要先從高電壓開始逐漸調降電壓進行偵測。因此在本實施例偵測到該第一初始功率波峰點321時，即可得知對應的一第一波峰電壓311，偵測到該第二初始功率波峰點322時，即可得知對應的一第二波峰電壓312，偵測到該第三初始功率波峰點323時，即可得知對應的一第三波峰電壓313。上述前兩步驟因為從高電壓開始逐漸調降電壓以進行偵測，所以整體偵測花費所需時間需要較長。
步驟S300取得一最大功率點，請配合參考第5圖所示，再次偵測該太陽能模組當下狀態的一另一功率曲線500，並將前一步驟所取得的該波峰電壓組與該另一功率曲線700對應，藉此取得對應於該波峰電壓組的一功率點組，並將該功率點組比對出其中的該最大功率點。該波峰電壓組即為該第一波峰電壓311、第三波峰電壓312和第三波峰電壓313，其與該另一功率曲線500對應後，可取得對應在該另一功率曲線500上的該功率點組，該功率點組分別為一第一功率點511、一第二功率點512及一第三功率點513，最後再將該功率點組進行比對後找出其最大功率點。因此本發明只針對少數為該波峰電壓組所對應的該功率點組比較功率，故可快速完成比較。藉此縮短比較時間可改善光線變化造成的誤判，也可快速針對少數電壓持續比較功率直到判定太陽光線穩定且其影響不足造成誤判。
其中，因為太陽能模組常會因為光線的強弱、遮陰的面積及面板髒污狀況而使得功率曲線會有不同，因此除了理論與技術，也加入實際應用的考量。針對陰影之類異常，進行調整太陽能模組電壓並記錄所屬的功 率的過程，會使太陽能模組不是持續於最大功率點，所以在設計當該波峰電壓組的電壓維持在一預定誤差範圍值中或該最大功率點維持在一預定誤差範圍值中的時候，可判定為在誤差範圍之中而不進行最大功率點的變動。或者藉由調整該波峰電壓組以產生一另一波峰電壓組，並取得對應於該另一波峰電壓組的一另一功率點組，並比對出該另一功率點組的一另一最大功率點。若該另一最大功率點大於該最大功率點，則由該另一最大功率點取代該最大功率點。
為了增加本發明的功能，其與該太陽能模組連接的電能轉換器(本實施利以電力系統連接型電能轉換器為例，但不依此為限)可搭配一系統來進行使用，該系統可具有一使用者操作介面及一遠端操作介面。其中該操作面板介面可包含有一顯示裝置、一按鍵裝置或觸控顯示裝置，顯示裝置及按鍵裝置分別供使用者操作與觀察電能轉換器的工作狀況，或由觸控螢幕讓使用者操作與觀察，如顯示裝置或觸控顯示裝置可顯示太陽能模組的電壓及各電壓對應的功率值，以及由電壓及功率值所呈現的一功率曲線，另藉由按鍵裝置或觸控顯示裝置供使用者觀察及進行操作調整。另外根據P=V*I的公式，所以顯示裝置或觸控顯示裝置另外可顯示太陽能模組的電壓及各電壓對應的電流值，以及由電壓及電流值所呈現的一電壓電流曲線(圖未畫)，並亦可藉由按鍵裝置或觸控顯示裝置供使用者觀察及進行操作調整。且該操作面板更進一步可包含有一USB介面裝置及一儲存裝置，其中使用者可藉由USB介面裝置將一資料傳送至該電能轉換器，藉此操作該電能轉換器並可將該操作資訊藉由顯示裝置來顯示觀察，且可將該儲存裝置中的資訊藉由該USB介面傳輸至外部。另外該遠端操作介面包含有一通訊轉換介面及 一使用者操作介面。該通訊轉換介面可將信號傳輸至使用者操作介面，讓使用者能由使用者操作介面來操作與觀察。其中，通訊轉換介面可為RS485、RS232、RJ45網路、無線網路、藍芽或各種其他類型之通訊介面，而使用者操作介面可為手機、電腦、筆電、平板電腦或各種其他類型之電子設備，或雲端伺服器資料庫，也可以讓使用者透過雲端伺服器來進行操作與觀察電能轉換器的工作狀況。
除了理論與技術，也加入實際應用的考量因此系統更包含有一設定排程功能。針對陰影之類異常，進行調整太陽能模組電壓並記錄所屬的功率的過程，會使太陽能模組不是持續於最大功率點。因此，若有需要則再進行，才符合實際應用的最佳效益。考量有些應用絕對無陰影、有些應用只有少數太陽能模組有陰影、太陽四季仰角不同使影子位置不同而陰影只會出現在特定日期及每天太陽東起西落使陰影只會每天出現在特定時間等可能性，使用者可自行設定排程，於適當時機調整太陽能模組電壓並記錄所屬的功率，以維持電能轉換器在最佳的狀態。
惟，以上所述，僅為本發明較佳具體實施例之詳細說明與圖式，惟本發明之特徵並不侷限於此，並非用以限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本發明申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包括於本發明之範疇中，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。
S100:偵測一初始功率曲線
S200:取得一波峰電壓組
S300:取得一最大功率點

Claims (11)

  1. 一種動態最佳的最大功率點追踪方法，係應用於太陽能模組，該方法包含：偵測一初始功率曲線，偵測該太陽能模組以取得該初始功率曲線，並判斷該初始功率曲線的一初始功率波峰點組；取得一波峰電壓組，藉由與該初始功率波峰點組所對應的至少二個電壓定義為該波峰電壓組，以及；取得一最大功率點，再次偵測該太陽能模組當下狀態的一另一功率曲線，並將取得的該波峰電壓組與該另一功率曲線對應，藉此取得對應於該波峰電壓組的一功率點組，並將該功率點組比對出其中的該最大功率點；其中，在取得該功率點組之前不記錄功率，僅記錄該波峰電壓組；其中，在取得該功率點組之後，針對該功率點組依時間變化重複比對對應該波峰電壓組之各電壓的功率，以獲得該最大功率點。
  2. 如請求項1所述之動態最佳的最大功率點值追踪方法，其中可藉由下列任一選項確認不足造成誤判的條件：該波峰電壓組的電壓維持在一預定誤差範圍值中或該最大功率點維持在一預定誤差範圍值中。
  3. 如請求項1所述之動態最佳的最大功率點追踪方法，其中藉由調整該波峰電壓組以產生一另一波峰電壓組，並取得對應於該另一波峰電壓組的一另一功率點組，並比對出該另一功率點組的一另一最大功率點，若該另一最大功率點大於該最大功率點，則由該另一最大功率點取代該最大功率點。
  4. 如請求項1所述之動態最佳的最大功率點追踪方法，其中該初始功率波峰點組及該波峰電壓組的定義是藉由逐漸調整電壓後，該太陽能模組的功率由漸增加的趨勢變成降低，則將最後一次增加趨勢的功率與電壓定義為該初始功率波峰點組之一及該波峰電壓組之一。
  5. 一種如請求項1至4動態最佳的最大功率點追踪方法的系統，其中該系統具有下列任一使用者操作介面：一操作面板介面及一遠端操作介面，且該操作面板介面可為下列任一選項：一顯示裝置、一按鍵裝置及觸控顯示裝置，進一步該遠端操作介面包含有：一通訊轉換介面及一使用者操作介面。
  6. 如請求項5所述之系統，其中該顯示裝置或該觸控顯示裝置可顯示該太陽能模組的電壓及各電壓對應的功率值，以及由該電壓及功率值所呈現的一功率曲線，另藉由該按鍵裝置或該觸控顯示裝置供使用者觀察及進行操作調整。
  7. 如請求項5所述之系統，其中該顯示裝置或該觸控顯示裝置可顯示該太陽能模組的電壓及各電壓對應的電流值，以及由該電壓及電流值所呈現的一電壓電流曲線，另藉由該按鍵裝置或該觸控顯示裝置供使用者觀察及進行操作調整。
  8. 如請求項5所述之系統，其中該操作面板介面更包含有一USB介面裝置。
  9. 如請求項8所述之系統，其中更包含有一儲存裝置，且該儲存裝置係藉由該顯示裝置顯示所儲存的紀錄。
  10. 如請求項9所述之系統，其中該儲存裝置係供使用者下載該儲存裝置內的資訊。
  11. 如請求項5所述之系統，其中更具備設定排程功能。
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