TWI766719B - 可防止最大功率錯誤追蹤之方法 - Google Patents

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Abstract

一種可防止最大功率錯誤追蹤之方法，包含：在該控制單元之一記憶單元儲存一可變電壓命令值以供調整一太陽能電池之工作點；依該工作點之目前位置之輸出電壓、輸出電流及輸出功率與前一位置之輸出電壓、輸出電流及輸出功率之對應差值產生一輸出電壓差、一輸出電流差及一功率差；以及依所述功率差之極性、所述輸出電壓差之極性及所述輸出電流差之極性作為判斷依據以執行一電壓命令調變程序以更新該記憶單元所儲存的該可變電壓命令值。

Description

可防止最大功率錯誤追蹤之方法
本發明係有關於太陽能電池之最大功率追蹤方法，特別是關於一種用於太陽能電池之防止最大功率錯誤追蹤之方法。
能源是人類生活當中不可或缺的資源，許多產業都需要能源來做為生產的動力。隨著科技的發展，能源的需求量也隨之增加，由2020年全球能源消耗分配比例可知非再生能源消耗的比例佔總消耗能源中的72.7%，而再生能源約佔27.3%。再生能源包括太陽能、水力、風力、地熱、潮汐及地熱等，其中太陽能在2013-2019年間相較於其他再生能源是較為廣泛應用的再生能源，因為其來源豐富、無燃料成本且對環境影響較低。另外，由2009-2019年全球光伏機組以及各年度機組新增情況可看出全球對太陽能發電的需求量正逐年上升。
雖然太陽能資源有諸多好處，但目前市面上所使用的太陽能電池發電效率僅20%。事實上，太陽能電池的電氣特性為一非線性曲線，曲線上存在一最大功率點，吾人須採用最大功率追蹤技術去追蹤此最大功率點才能最大化太陽能電池的電能輸出。然而，由於太陽能電池輸出曲線會受到照度及溫度影響而改變，因此當照度變化時，太陽能功率輸出曲線以及曲線上的最大功率點也會跟著改變，致使太陽能最大功率追蹤技術在追蹤最大功率點的過程中發生誤判。
太陽能最大功率追蹤演算法相關研究可分為兩大重點:
當追蹤系統追至最大功率點周圍時，會在最大功率點周圍進行穩態振盪，並且因為穩態振盪情況而產生功率損失，因此為減少穩態下的損失並提高追蹤的精確度是目前太陽能最大功率追蹤技術需探討的重要課題之一；以及
當系統追蹤至最大功率點之前，會產生暫態追蹤損失，為減少暫態追蹤損失並因應外在環境的變化條件，如何擁有理想的暫態響應也是重要的課題。
傳統固定步階擾動觀察法會發生暫態響應與穩態追蹤精確度之權衡問題，因此有文獻提出將傳統追蹤方式改成變動步階式，藉由功率變化量、電壓變化量、電流變化量及縮放比例因子來決定下一步移動步階的大小。
另外，亦有文獻提出使擾動觀察法與所提模型進行結合的方法，此方法不需要進行溫度量測便能達到高追蹤精確度及快速追蹤特性。
另外，亦有文獻提出太陽能最大功率追蹤系統在照度變化下會發生錯誤追蹤的情形，並針對此情形進行分析。
另外，亦有文獻提到傳統擾動觀察法在照度持續做改變的情況下會產生錯誤追蹤的誤判現象，此方法針對照度上升之錯誤追蹤情況加入電流變化進行判別，即可改善照度變化當下追蹤系統的誤判現象。
另外，亦有文獻提出擾動觀察法在照度快速變化下，可將照度變化當下之總功率變化區分為照度所造成之功率變化以及擾動所造成之功率變化，從中去獲得正確的擾動功率變化量，藉此獲得正確的追蹤方向。
另外，亦有文獻針對增量電導法進行照度變化下的錯誤追蹤改善，傳統增量電導法工作於照度變化情況下也會發生錯追的情形，因此加入電流變化以及電壓變化兩者的判別式去判別此情況下的斜率變化為照度變化下之錯誤追蹤還是無照度變化下的正確追蹤，以此判別式得到正確追蹤方向。
另外，亦有文獻利用統計功率與電壓之間的斜率變化量，藉由連續三次斜率變化量的統計，可觀察出當追蹤系統追蹤至穩態振盪情況下三次斜率的乘積為負，藉由三次斜率的乘積變為正的情況去判斷為照度變化下之錯誤追蹤的情形並進行改善。
另外，亦有文獻在照度變化情況下採用連續擾動三次的方式，藉由前一次擾動結果判斷出此次的擾動方向，並利用此擾動方向進行連續三次擾動，方向分別為此擾動方向-與此擾動方向相反之方向-此擾動方向，藉由三次擾動所分別得到的功率值去求得之間的功率變化，由此功率變化去求得照度變化之功率值，以此判斷正確的追蹤方向。
然而，上述各現有技術方案在降低最大功率點追蹤損失的表現仍有改進的空間，因此，本領域亟需一種新穎的可防止最大功率錯誤追蹤的技術方案。
本發明之主要目的在於揭露一種可防止最大功率錯誤追蹤之方法，其可綜合考量一太陽能電池之輸出功率變化、輸出電壓變化及輸出電流變化以適應性地調變一電壓命令，從而在該太陽能電池之最大功率追蹤過程中大幅降低該太陽能電池之功率耗損。
為達前述目的，一種可防止最大功率錯誤追蹤之方法乃被提出，其係由一控制單元執行一韌體程式實現，其包含：
在該控制單元之一記憶單元儲存一可變電壓命令值並依該可變電壓命令值驅使一電源轉換器調整一太陽能電池之工作點，該工作點包含一輸出電壓及一輸出電流；
依該工作點之目前位置之所述輸出電壓、所述輸出電流及所述輸出電壓和所述輸出電流之積與前一位置之所述輸出電壓、所述輸出電流及所述輸出電壓和所述輸出電流之積之對應差值產生一輸出電壓差、一輸出電流差及一功率差；以及
執行一電壓命令調變程序以更新該記憶單元所儲存的該可變電壓命令值，其包括：判斷該功率差是否大於零，若是，執行一第一程序，若否，則執行一第二程序，其中，該第一程序包括：判斷該輸出電壓差是否大於零，若否，直接將該可變電壓命令值減去該輸出電壓差並以其結果更新該可變電壓命令值，若是，執行一第一子程序，其包括：判斷該輸出電流差是否大於零，若是，將該可變電壓命令值減去該輸出電壓差並以其結果更新該可變電壓命令值，若否，將該可變電壓命令值加上該輸出電壓差並以其結果更新該可變電壓命令值；及該第二程序包括：判斷該輸出電壓差是否大於零，若是，直接將該可變電壓命令值減去該輸出電壓差並以其結果更新該可變電壓命令值，若否，執行一第二子程序，其包括：判斷該輸出電流差是否大於零，若是，將該可變電壓命令值加上該輸出電壓差並以其結果更新該可變電壓命令值，若否，將該可變電壓命令值減去該輸出電壓差並以其結果更新該可變電壓命令值。
在一實施例中，該電源轉換器係一升壓轉換器。
在一實施例中，該控制單元係一微處理器。
為使　貴審查委員能進一步瞭解本發明之結構、特徵及其目的，茲附以圖式及較佳具體實施例之詳細說明如後。
請參照圖1，其繪示本發明之可防止最大功率錯誤追蹤之方法之一實施例的流程圖，其係由一控制單元執行一韌體程式實現。
如圖1所示，該可防止最大功率錯誤追蹤之方法包含：在該控制單元之一記憶單元儲存一可變電壓命令值並依該可變電壓命令值驅使一電源轉換器調整一太陽能電池之工作點，該工作點包含一輸出電壓及一輸出電流(步驟a)；依該工作點之目前位置之所述輸出電壓、所述輸出電流及所述輸出電壓和所述輸出電流之積與前一位置之所述輸出電壓、所述輸出電流及所述輸出電壓和所述輸出電流之積之對應差值產生一輸出電壓差、一輸出電流差及一功率差(步驟b)；以及依所述功率差之極性、所述輸出電壓差之極性及所述輸出電流差之極性作為判斷依據以執行一電壓命令調變程序以更新該記憶單元所儲存的該可變電壓命令值(步驟c)。
在步驟a中，該電源轉換器可為一升壓轉換器，該控制單元可為一微處理器。
在步驟c中，該電壓命令調變程序可包括：判斷該功率差是否大於零，若是，執行一第一程序，若否，則執行一第二程序。
該第一程序包括：判斷該輸出電壓差是否大於零，若否，直接將該可變電壓命令值減去該輸出電壓差並以其結果更新該可變電壓命令值，若是，執行一第一子程序，其包括：判斷該輸出電流差是否大於零，若是，將該可變電壓命令值減去該輸出電壓差並以其結果更新該可變電壓命令值，若否，將該可變電壓命令值加上該輸出電壓差並以其結果更新該可變電壓命令值。
該第二程序包括：判斷該輸出電壓差是否大於零，若是，直接將該可變電壓命令值減去該輸出電壓差並以其結果更新該可變電壓命令值，若否，執行一第二子程序，其包括：判斷該輸出電流差是否大於零，若是，將該可變電壓命令值加上該輸出電壓差並以其結果更新該可變電壓命令值，若否，將該可變電壓命令值減去該輸出電壓差並以其結果更新該可變電壓命令值。
以下將針對本發明的原理進行說明：
一、照度變化下之錯誤追蹤情況分析
1.1擾動觀察法(Perturb and Observe method, P&O)
擾動觀察法(Perturb and Observe method, P&O)為目前業界最常應用的最大功率追蹤方法之一，主要是因為其原理簡單且容易實現，圖2為擾動觀察法之操作流程圖。P&O方法的工作原理主要是透過電壓命令、電流命令或責任週期命令來移動操作點位置，產生電壓、電流與功率的擾動，而此擾動方向是由前一次與本次量測到的電壓與電流值，分別計算出前一次的功率值與本次的功率值，並將這兩次之間的功率變動量與電壓變動量進行判斷後去決定下一步追蹤方向，亦即當此次擾動結果後，得到的功率值相較於上次是提升的，就表示此次擾動方向是往最大功率點進行移動，才會有功率提升的效果，因此擾動方向為正確的，操作點需朝該方向繼續擾動。相反地，當此次擾動結果後，得到的功率值相較於上次是減少的，就表示此次的擾動方向是遠離最大功率點，使得功率減少的情況，因此擾動方向為錯誤的，操作點應該朝著相反方向進行擾動，以實現最大功率點之追蹤。而圖2之程式流程圖是利用電壓命令位移量作為擾動方向去判斷，藉由此次與前一次的電壓命令去得到兩者之間的位移量，再利用此位移量作為擾動方向之判斷。
然而，擾動觀察法是由功率擾動變化量來決定操作點之方向，因此追蹤到最大功率點附近時仍會繼續進行擾動，進而產生穩態追蹤損失，而此功率損失的大小主要取決於擾動命令的大小，當擾動命令較小時，其穩態時的追蹤損失就會減少，但其追蹤之暫態響應時間則會因此增加；當擾動命令較大時，其穩態時的追蹤損失就會增加，但其追蹤之暫態響應時間則會因此減少，故擾動命令大小存在權衡問題。
1.2照度變化下之錯誤追蹤情形分析
擾動觀察法在照度變化的情況下，會因為照度的上升或下降使得整體功率提升或降低，導致得到的功率變化量因為照度而改變，進而影響到追蹤方向的判斷，產生錯誤追蹤的情況，使得功率損失因此而增大。因此本案先針對擾動觀察法在照度變化情況下，追蹤系統之追蹤過程進行探討。首先先假設追蹤系統在照度變化的情況下，追蹤系統已經追蹤至最大功率點的周圍，但由於追蹤系統需持續追蹤最大功率點位置，因此系統只能追蹤到最大功率點周圍最接近最大功率點的位置，並在最靠近最大功率點的位置與此位置前後一個擾動步數的位置形成三點振盪，由圖3可見此三點分別為最接近最大功率點的位置(如圖3上之圓點2)、最靠近最大功率點前一個擾動步數的位置(如圖3上之圓點1) 、最靠近最大功率點後一個擾動步數的位置(如圖3上之圓點3)，因此本案將此三點分別簡稱為左、MPP、右，分別代表圖4上所表示之點1、點2及點3。當追蹤系統追蹤至最大功率點在此三點振盪時，可將其擾動過程分為四個擾動方向，分別為左→MPP、MPP→左、右→MPP以及MPP→右這四種擾動方向。
圖5為最大功率追蹤系統在照度為1000 W/m 2的情況下，其追蹤系統之電壓-時間曲線圖，可由曲線上之電壓看出當追蹤系統追蹤至最大功率點周圍後，即會在三個電壓值之間做來回振盪。
當擾動方向決定好時，照度的變化則將其區分為照度上升與照度下降進行判斷，因此本案以追蹤系統追蹤至最大功率點周圍進行三點振盪後對其進行照度變化，並觀察其追蹤系統的追蹤過程，而追蹤系統所產生的四種擾動方向與照度變化的上升與下降，可將其分為總共八種情況進行探討。在此照度變動設定分別是照度增加為300 W/m 2上升至1000 W/m 2，照度減少為800 W/m 2下降至200 W/m 2。
情況1：照度上升、右往MPP
此情況下由於本身擾動方向如圖6上之點2往點3 (old)方向，因此功率變化為提升的，在無照度變化的情況下，下一步的擾動方向會延續原先方向繼續往左進行擾動，然而加入照度上升後會對整體系統造成功率提升的效果，使原先圖6上之點3 (old)提升至點3 (new)的位置，當擾動結果由圖6上之點2移動至點3 (new)時，整體功率變化為提升的，所以下一步的擾動方向也會延續原先的方向繼續往左進行擾動，因此可以看出此情況下照度的上升並不會對其追蹤方向造成影響，也就不會使追蹤系統產生錯誤追蹤的情況發生。圖7為追蹤系統整體功率-時間的曲線，可以由功率曲線圖的變化看出，在此情況下照度上升的時候，因沒有錯誤追蹤的情形發生，故整體功率並沒有因此產生損失。
情況2：照度上升、MPP往左
此情況下由於本身擾動方向為圖8上之點2往點3(old)方向，因此功率變化為下降的，在無照度變化的情況下，下一步的擾動方向會朝相反方向，也就是向右進行擾動，然而照度上升後會對整體系統造成功率提升的效果，使原先圖8上之點3(old)上升至點3(new)的位置，當擾動結果由圖8上之點2移動至點3(new)時，整體功率變化為提升的，所以下一步的擾動方向會延續原先的方向繼續往左進行擾動，因而移動到更加遠離最大功率點的位置，如圖8上之點4位置。因此照度上升使原先應該向右進行擾動的過程，改為持續向左進行擾動進而遠離最大功率點，可以看出此情況下照度的上升會對其追蹤方向造成影響，使其追蹤系統產生錯誤追蹤的情況發生。圖9為追蹤系統整體功率-時間的曲線，可以由功率曲線的變化看出，在此情況下照度上升的時候，因為錯誤追蹤的情形發生，追蹤系統多走了一步遠離最大功率點的步數，多走一步的當下整體功率因此而降低，如圖9圓圈內所示，雖然在下一步追蹤系統很快找回正確的追蹤方向，但錯誤追蹤造成整體功率損失。
情況3：照度上升、左往MPP
此情況下由於本身擾動方向為圖10上之點2往點3(old)方向，因此功率變化為提升的，在無照度變化的情況下，下一步的擾動方向會延續原先方向繼續往右進行擾動，然而照度上升後會對整體系統造成功率提升的效果，使原先圖10上之點3(old)提升至點3(new)的位置，當擾動結果由圖10上之點2移動至點3(new)時，整體功率變化為提升的，所以下一步的擾動方向也會延續原先的方向繼續往右進行擾動，因此可以看出此情況下照度的上升並不會對其追蹤方向造成影響，也就不會使追蹤系統產生錯誤追蹤的情況發生。圖11為追蹤系統整體功率-時間的曲線，可以由功率曲線的變化看出，在此情況下照度上升的時候，因為沒有錯誤追蹤的情形發生，所以整體功率並沒有產生損失。
情況4：照度上升、MPP往右
此情況下由於本身擾動方向為圖12上之點2往點3(old)方向，因此功率變化為下降的，在無照度變化的情況下，下一步的擾動方向會朝相反方向，也就是向左進行擾動，然而加入照度上升後會對整體系統造成功率提升的效果，使原先圖12上之點3(old)上升至點3(new)的位置，當擾動結果由圖12上之點2移動至點3(new)時，整體功率變化為提升的，所以下一步的擾動方向會延續原先的方向繼續往右進行擾動，因而移動到更加遠離最大功率點的位置，如圖12上之點4位置。因此照度上升使原先應該向左進行擾動的過程，改為持續向右進行擾動進而遠離最大功率點，可以看出此情況下照度的上升會對其追蹤方向造成影響，使其追蹤系統產生錯誤追蹤的情況發生。圖13為追蹤系統整體功率-時間的曲線，可以由功率曲線圖的變化看出，在此情況下照度上升的時候，因為錯誤追蹤的情形發生，追蹤系統多走了一步遠離最大功率點的步數，多走一步的當下整體功率因此而降低，如圖13圓圈內所示，雖然在下一步追蹤系統很快找回正確的追蹤方向，但錯誤追蹤造成整體功率損失。
情況5：照度下降、右往MPP
此情況下由於本身擾動方向為圖14上之點2往點3(old)方向，因此功率變化為上升的，在無照度變化的情況下，下一步的擾動方向會延續原先方向繼續往左進行擾動，然而加入照度下降後會對整體系統造成功率降低的效果，使原先圖14上之點3(old)下降至點3(new)的位置，當擾動結果由圖14上之點2移動至點3(new)時，整體功率變化為下降的，所以下一步的擾動方向會朝相反方向，也就是向右進行擾動，因而移動到更加遠離最大功率點的位置，如圖14上之點4位置。因此照度下降使原先應該持續向左進行擾動的過程，改為向右進行擾動進而遠離最大功率點，可以看出此情況下照度的下降會對其追蹤方向造成影響，使其追蹤系統產生錯誤追蹤的情況發生。圖15為追蹤系統整體功率-時間的曲線，可以由功率曲線圖的變化看出，在此情況下照度下降的時候，因為錯誤追蹤的情形發生，追蹤系統多走了一步遠離最大功率點的步數，多走一步的當下整體功率因此而降低，如圖15圓圈內所示，雖然在下一步追蹤系統很快找回正確的追蹤方向，但錯誤追蹤造成整體功率損失。
情況6：照度下降、MPP往左
此情況下由於本身擾動方向為圖16上之點2往點3(old)方向，因此功率變化為下降的，在無照度變化的情況下，下一步的擾動方向會朝相反方向，也就是向右進行擾動，然而加入照度下降後會對整體系統造成功率降低的效果，使原先圖16上之點3(old)下降至點3(new)的位置，當擾動結果由圖16上之點2移動至點3(new)時，整體功率變化為下降的，所以下一步的擾動方向會朝相反方向，也就是向右進行擾動，因此可以看出此情況下照度的下降並不會對其追蹤方向造成影響，也就不會使追蹤系統產生錯誤追蹤的情況發生。圖17為追蹤系統整體功率-時間的曲線，可以由功率曲線圖的變化看出，在此情況下照度下降的時候，因為沒有錯誤追蹤的情形發生，所以整體功率並沒有因此產生損失。
情況7：照度下降、左往MPP
此情況下由於本身擾動方向為圖18上之點2往點3(old)方向，因此功率變化為上升的，在無照度變化的情況下，下一步的擾動方向會延續原先方向繼續往右進行擾動，然而加入照度下降後會對整體系統造成功率降低的效果，使原先圖18上之點3(old)下降至點3(new)的位置，當擾動結果由圖18上之點2移動至點3(new)時，整體功率變化為下降的，所以下一步的擾動方向會朝相反方向，也就是向左進行擾動，因而移動到圖18上之點4位置。可以看出在此情況下因為照度下降使原先應該持續向右進行擾動的過程，改為向左進行擾動反而更加接近最大功率點，因此此情況下照度的下降雖然會對其追蹤方向造成影響，但此影響反而能使追蹤系統得到正確的追蹤方向，更加接近最大功率點進而減少其追蹤功率的損耗，圖19為追蹤系統整體功率-時間的曲線，可以由功率曲線的變化看出，在此情況下照度下降的時候，由於錯誤追蹤的情形發生，反而使其原先正常情況下可能會遠離最大功率點，進而造成功率損失的情形，因為錯誤追蹤的發生反而得到改善。
由於特殊情況為照度變化至一定大小範圍內才會發生，因此表1為本案針對錯誤追蹤情況下，照度下降與照度上升分別須在多大之照度變化下才會發生特殊情況，而照度下降的特殊情況為照度下降，左往MPP的情況；照度上升則為照度上升，MPP往右的情況。表1上之╳為錯誤追蹤情況下無特殊情況發生，○為錯誤追蹤情況下有特殊情況發生，由分析結果可看出在照度下降，左往MPP的情況下，照度下降需由800W/m 2下降至257 W/m 2以下之照度才會發生特殊情況，而本案所採用的照度變化800W/m2下降至200W/m 2為特殊情況之範圍；在照度上升，MPP往右的情況下，照度上升需由253W/m 2以下之照度上升至1000 W/m 2才會發生特殊情況，而本案所採用的照度變化300W/m 2上升至1000W/m 2並非特殊情況之範圍，因此為錯誤追蹤的情形，在本案需進行錯誤追蹤改善。 表1. 特殊情況整理表
照度下降 (左往MPP) 有無 特殊情況 照度上升 (MPP往右) 有無 特殊情況
800W/m 2→700W/m 2 ╳ 700W/m 2→1000W/m 2 ╳
800W/m 2→500W/m 2 ╳ 500W/m 2→1000W/m 2 ╳
800W/m 2→300W/m 2 ╳ 300W/m 2→1000W/m 2 ╳
800W/m 2→258W/m 2 ╳ 254W/m 2→1000W/m 2 ╳
800W/m 2→257W/m 2 ○ 253W/m 2→1000W/m 2 ○
800W/m 2→256W/m 2 ○ 252W/m 2→1000W/m 2 ○
800W/m 2→200W/m 2 ○ 200W/m 2→1000W/m 2 ○
情況8：照度下降、MPP往右
此情況下由於本身擾動方向為圖20上之點2往點3(old)方向，因此功率變化為下降的，在無照度變化的情況下，下一步的擾動方向會朝相反方向，也就是向左進行擾動，然而加入照度下降後會對整體系統造成功率降低的效果，使原先圖20上之點3(old)下降至點3(new)的位置，當擾動結果由圖20上之點2移動至點3(new)時，整體功率變化為下降的，所以下一步的擾動方向也會朝相反方向，也就是向左進行擾動，因此可以看出此情況下照度的下降並不會對其追蹤方向造成影響，也就不會使追蹤系統產生錯誤追蹤的情況發生。圖21為追蹤系統整體功率-時間的曲線，可以由功率曲線圖的變化看出，在此情況下照度下降的時候，雖然沒有錯誤追蹤的情形發生，但由於照度下降會使整體功率-電壓曲線向左做偏移，因此最大功率點的位置與三點振盪的位置也連帶地向左做偏移，由於此情況下為MPP往右做移動，使得此情況下擾動得到的結果會因此在新的照度下的功率-電壓曲線得到遠離最大功率點的情況發生，進而產生功率上的損失，但此功率損失並非錯誤追蹤所造成的，因此並不將其列入錯誤追蹤的案例當中。
表2為以上八種情況之錯誤追蹤分析統整表，符號○表示為正確的追蹤過程，其過程中並沒有因為照度變化而發生錯誤情況，╳表示為錯誤追蹤的情況，其追蹤過程會因為照度的變化而有追錯方向的問題發生，並且會連帶導致整體功率的損失，△表示為特殊情況下之錯誤追蹤的情形，其追蹤過程也會因為照度的變化而有追錯方向的問題發生，但由於其本身在正確追蹤的情況下反而會因為照度曲線的偏移，進而使追蹤的方向更加遠離最大功率點，錯誤追蹤的情況發生反倒讓追蹤系統能夠準確地追蹤最大功率點，因此此情況雖然有錯誤追蹤的發生，但由於其效果反倒讓系統得到較為正確的方向，因此此情況被列為特殊情況，在此將不被列為需改善的錯誤追蹤情況進行分析。 表2. 八種情況之錯誤追蹤分析表
擾動方向 照度變化 錯誤追蹤情況分析
右→MPP 照度上升 ○
MPP→左 照度上升 ╳
左→MPP 照度上升 ○
MPP→右 照度上升 ╳
右→MPP 照度下降 ╳
MPP→左 照度下降 ○
左→MPP 照度下降 △
MPP→右 照度下降 ○
註:錯誤追蹤情況分析: ○:正確追蹤 ╳:錯誤追蹤 △:特殊情況
二、錯誤追蹤之改善技術
本節提出三種錯誤追蹤情形之改善方法，分別為照度上升時，擾動方向為MPP往右及MPP往左；照度下降時，擾動方向為右往MPP。
2.1加入電流變化進行判別之改善技術
改善照度上升時，MPP往右之錯誤追蹤
此情況下電壓與功率變動量皆為增加的，根據擾動觀察法的程式流程圖(圖2)，在照度不變的情況下，電壓與功率變動量皆為增加時，追蹤系統將會延續原方向做擾動，因此只要在電壓與功率皆為增加的情況下，加入判斷是否有照度變化，便能追蹤正確方向。圖22為1000 W/m 2照度下之太陽能電池輸出電流-電壓曲線，圓點為曲線下之最大功率點，由圖上所標示之dI 1、dV 1與dI 2、dV 2可假設其曲線斜率分別為M 1與M 2，當dV 1及dV 2電壓變動量為正時，從曲線圖上可看出其電流變動量dI 1與dI 2皆為負，因此可得知其曲線斜率M 1與M 2皆為負的，也就是電壓變動量與電流變動量之間為負斜率的關係。當照度變化的情況發生時，追蹤過程如圖23所示，圖為照度300 W/m 2上升至1000W/m 2時電流-電壓曲線圖，原先圖23上之點1在無照度變化的情況下將會移動至圖上之點2，由於照度上升改為移動至圖上之點3，導致電流變動量由原先負變動量(圖23上之dI 21)提升為正變動量(圖23上之dI 31)，使原先電壓變動量與電流變動量之間的負斜率關係變為正，在正常單一照度下不可能會出現電壓變動量與電流變動量為正斜率的關係，因此當正斜率情況發生時，便可知道當下有照度變化的情形發生，便可區別是照度不變之正常追蹤還是照度變化下的錯誤追蹤。而正斜率及負斜率之關係在電壓變動量皆為正的情況下，只要電流變動量由負變為正，便可判斷其追蹤過程為正常追蹤情形還是錯誤追蹤情形，並以此判斷原理便可得圖24之加入電流變化判別後之程式流程圖。
改善照度下降時，右往MPP之錯誤追蹤
針對此情況之改善原理與前一小節相同，皆為加入電流變化判別之方式對其進行改善，而此情形擾動方向為右往MPP，因此電壓變動量為負，由於其電壓變動量與電流變動量之間的斜率關係為負，便可得知電流變動量為正(圖25上之dI 21)。當照度下降時，追蹤過程如圖25所示，為照度800W/m 2下降至 300 W/m 2時電流-電壓曲線圖，原先圖上之點1在無照度變化的情況下將會移動至圖上之點2，由於照度下降改為移動至圖上之點3，導致電流變動量由原先正變動量(圖25上之dI 21)降低為負變動量(圖25上之dI 31)，因此只要判別電流的變動量為正或負，便可以判斷其追蹤過程為正常追蹤情形還是錯誤追蹤情形。當電流變化量為正時，表示並無照度變化發生，為正常追蹤之情況，追蹤系統須往原先方向之相反方向進行擾動；當電流變化量為負時，表示有照度下降之變化，因此為此情況下之錯誤追蹤，須延續原先方向繼續擾動，以此原理便可得圖26本發明之防止錯誤追蹤之流程圖。
三、改善技術之模擬與分析
本節將針對所提出之錯誤追蹤改善方法進行模擬分析，分別將三種錯誤追蹤的情況利用模擬軟體MATLAB進行改善前與改善後的模擬結果評估，並針對連續照度變化之情況進行錯誤追蹤模擬，接著將其錯誤追蹤情況加入所提出之方法進行改善後，對其模擬結果進行分析。而本案所採用的太陽能模組模擬規格如表3所示，為LDK Solar公司所製造之型號為LDK-85太陽能電池模組，以單片太陽能模組做為系統輸入源之規格。 表3. LDK-85太陽能模擬規格
型號 LDK-85
最大功率 P mpp 85 W
開路電壓 V oc 21.6 V
短路電流 I sc 5.28 A
最大功率點電壓 V mpp 17.3 V
最大功率點電流 I mpp 4.93 A
擾動步階量Δ V 1 V
3.1加入電流變化進行判別之改善技術模擬
改善照度上升 MPP往右之情況
圖27為追蹤系統加入電流變化進行判別之追蹤移動過程，照度由300 W/m 2上升至1000 W/m 2，圖上之點4為擾動觀察法產生錯誤追蹤之Drift Point，圖上之點5為擾動觀察法加入所提的電流變化進行判別後，將其改善並移動至的Modified Point。圖27為照度由300 W/m 2上升至1000 W/m 2，且擾動方向為MPP往右時，太陽能最大功率追蹤系統功率-時間曲線圖，圖中一曲線為傳統擾動觀察法追蹤曲線，另一曲線為擾動觀察法加入電流變化進行判別後其追蹤曲線。統整此情況下之追蹤移動過程與功率-時間曲線圖可以看出加入電流變化進行判別後，使其移動過程由圖28上之點4改為移動至圖上之點 5，進而改善其擾動觀察法於錯誤追蹤情況下，所產生的功率損失，得到正確之追蹤方向。
改善照度下降 右往MPP之情況
圖29為追蹤系統加入所提的電流變化進行判別之追蹤移動過程，照度由800 W/m 2下降至200 W/m 2，圖上之點4為擾動觀察法產生錯誤追蹤之Drift Point，圖上之點5為擾動觀察法加入電流變化進行判別後，將其改善並移動至的Modified Point。圖30為照度由800 W/m 2下降至200 W/m 2，且擾動方向為右往MPP時，太陽能最大功率追蹤系統功率-時間曲線圖，圖中一曲線為傳統擾動觀察法追蹤曲線，另一曲線為擾動觀察法加入電流變化進行判別後其追蹤曲線。統整此情況下之追蹤移動過程與功率-時間曲線圖可以看出加入電流變化進行判別後，使其移動過程由圖29上之點4改為移動至圖上之點 5，進而改善其擾動觀察法於錯誤追蹤情況下，所產生的功率損失，得到正確之追蹤方向。
3.2所提方法之改善分析
由表4可看出本案所提之改善技術可針對單一照度變化下之三種錯誤追蹤情況進行改善，分別為照度上升MPP往右時改善此情況下之功率損失9.5W、照度上升MPP往左時改善此情況下之功率損失6.9W以及照度下降右往MPP時改善此情況下之功率損失2.4W。並且針對連續照度上升、連續照度下降以及連續照度上升與下降時，在每個照度變化下發生錯誤追蹤情況時，利用本案所提之改善技術進行判別，使追蹤系統得以追至正確最大功率點方向，減少錯誤追蹤下的功率損失。 表4. 所提方法之改善分析
錯誤追蹤情況 改善功率損失
照度上升，MPP往右 9.5 W
照度上升，MPP往左 6.9 W
照度下降，右往MPP 2.4 W
本案針對這三種錯誤追蹤情況提出改善技術：利用擾動觀察法加入電流變化進行判別，並利用實驗結果與分析可看出本案所提之改善技術可分別對三種錯誤追蹤情況進行改善，使原先採用傳統擾動觀察法下的功率損失得到改善，分別改善照度上升時MPP往右情況下之錯誤追蹤功率損失9.5W、照度上升時MPP往左情況下之錯誤追蹤功率損失6.9W以及照度下降時右往MPP情況下之錯誤追蹤功率損失2.4W。
藉由前述所揭露的設計，本發明乃具有以下的優點：
本發明之可防止最大功率錯誤追蹤之方法可綜合考量一太陽能電池之輸出功率變化、輸出電壓變化及輸出電流變化以適應性地調變一電壓命令，從而在該太陽能電池之最大功率追蹤過程中大幅降低該太陽能電池之功率耗損。
本案所揭示者，乃較佳實施例，舉凡局部之變更或修飾而源於本案之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者，俱不脫本案之專利權範疇。
綜上所陳，本案無論目的、手段與功效，皆顯示其迥異於習知技術，且其首先發明合於實用，確實符合發明之專利要件，懇請　貴審查委員明察，並早日賜予專利俾嘉惠社會，是為至禱。
步驟a:在該控制單元之一記憶單元儲存一可變電壓命令值並依該可變電壓命令值驅使一電源轉換器調整一太陽能電池之工作點，該工作點包含一輸出電壓及一輸出電流 步驟b:依該工作點之目前位置之所述輸出電壓、所述輸出電流及所述輸出電壓和所述輸出電流之積與前一位置之所述輸出電壓、所述輸出電流及所述輸出電壓和所述輸出電流之積之對應差值產生一輸出電壓差、一輸出電流差及一功率差 步驟c:依所述功率差之極性、所述輸出電壓差之極性及所述輸出電流差之極性作為判斷依據以執行一電壓命令調變程序以更新該記憶單元所儲存的該可變電壓命令值
圖1繪示本發明之可防止最大功率錯誤追蹤之方法之一實施例的流程圖。 圖2繪示一擾動觀察法之操作流程圖。 圖3繪示一最大功率追蹤於穩態時之三點振盪示意圖。 圖4繪示圖3之三點振盪之放大示意圖。 圖5繪示1000 W/m 2照度下一電壓-時間曲線。 圖6繪示情況1之追蹤過程示意圖。 圖7繪示情況1之功率-時間曲線。 圖8繪示情況2之追蹤過程示意圖。 圖9繪示情況2之功率-時間曲線。 圖10繪示情況3之追蹤過程示意圖。 圖11繪示情況3之功率-時間曲線。 圖12繪示情況4之追蹤過程示意圖。 圖13繪示情況4之功率-時間曲線。 圖14繪示情況5之追蹤過程示意圖。 圖15繪示情況5之功率-時間曲線。 圖16繪示情況6之追蹤過程示意圖。 圖17繪示情況6之功率-時間曲線。 圖18繪示情況7之追蹤過程示意圖。 圖19繪示情況7之功率-時間曲線。 圖20繪示情況8之追蹤過程示意圖。 圖21繪示情況8之功率-時間曲線。 圖22繪示1000W/m 2照度下之一電流-電壓曲線。 圖23繪示一錯誤追蹤移動表示圖。 圖24繪示加入電流變化以供決定電壓變化方向之一流程圖。 圖25繪示另一錯誤追蹤移動表示圖。 圖26繪示本發明之加入電流變化以供決定電壓變化方向之最大功率追蹤方法之一具體實施例之流程圖。 圖27繪示圖26之最大功率追蹤方法之一模擬結果。 圖28繪示圖26之最大功率追蹤方法之一追蹤移動過程。 圖29繪示圖26之最大功率追蹤方法之另一追蹤移動過程。 圖30繪示與圖29之追蹤移動過程對應之一模擬結果。
步驟a:在該控制單元之一記憶單元儲存一可變電壓命令值並依該可變電壓命令值驅使一電源轉換器調整一太陽能電池之工作點，該工作點包含一輸出電壓及一輸出電流
步驟b:依該工作點之目前位置之所述輸出電壓、所述輸出電流及所述輸出電壓和所述輸出電流之積與前一位置之所述輸出電壓、所述輸出電流及所述輸出電壓和所述輸出電流之積之對應差值產生一輸出電壓差、一輸出電流差及一功率差
步驟c:依所述功率差之極性、所述輸出電壓差之極性及所述輸出電流差之極性作為判斷依據以執行一電壓命令調變程序以更新該記憶單元所儲存的該可變電壓命令值

Claims (3)

  1. 一種可防止最大功率錯誤追蹤之方法，係由一控制單元執行一韌體程式實現，其包含：在該控制單元之一記憶單元儲存一可變電壓命令值並依該可變電壓命令值驅使一電源轉換器調整一太陽能電池之工作點，該工作點包含一輸出電壓及一輸出電流；依該工作點之目前位置之所述輸出電壓與前一位置之所述輸出電壓之差值產生一輸出電壓差，依該工作點之目前位置之所述輸出電流與前一位置之所述輸出電流之差值產生一輸出電流差，及依該工作點之目前位置之所述輸出電壓和所述輸出電流之積與前一位置之所述輸出電壓和所述輸出電流之積之差值產生一功率差；以及執行一電壓命令調變程序以更新該記憶單元所儲存的該可變電壓命令值，其包括：判斷該功率差是否大於零，若是，執行一第一程序，若否，則執行一第二程序，其中，該第一程序包括：判斷該輸出電壓差是否大於零，若否，直接將該可變電壓命令值減去該輸出電壓差並以其結果更新該可變電壓命令值，若是，執行一第一子程序，其包括：判斷該輸出電流差是否大於零，若是，將該可變電壓命令值減去該輸出電壓差並以其結果更新該可變電壓命令值，若否，將該可變電壓命令值加上該輸出電壓差並以其結果更新該可變電壓命令值；及該第二程序包括：判斷該輸出電壓差是否大於零，若是，直接將該可變電壓命令值減去該輸出電壓差並以其結果更新該可變電壓命令值，若否，執行一第二子程序，其包括：判斷該輸出電流差是否大於零，若是，將該可變電壓命令值加上該輸出電壓差並以其結果更新該可變電壓命令值，若否，將該可變電壓命令值減去該輸出電壓差並以其結果更新該可變電壓命令值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之可防止最大功率錯誤追蹤之方法，其中該電源轉換器係一升壓轉換器。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之可防止最大功率錯誤追蹤之方法，其中該控制單元係一微處理器。
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