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    本發明提供一種例示性功率轉換系統，其包括一最大功率點追蹤(MPPT)單元、一DC匯流排、一功率轉換器及一轉換器控制器。該MPPT單元自一電源接收一回饋電流信號及一回饋電壓信號，並至少部分基於該等回饋電流及電壓信號而產生一MPPT參考信號。該DC匯流排自該電源接收DC功率。該功率轉換器將該DC匯流排上之該DC功率轉換為AC功率。該轉換器控制器接收來自該MPPT單元之該MPPT參考信號及在該功率轉換器之一輸出處量測之一輸出功率回饋信號；至少部分基於該MPPT參考信號及該輸出功率回饋信號而產生用於AC功率調節及最大功率提取之控制信號；及發送該等控制信號至該功率轉換器。
    公开号:TW201315116A
    申请号:TW101127347
    申请日:2012-07-27
    公开日:2013-04-01
    发明作者:Zhuo-Hui Tan；xue-qin Wu；xin-hui Wu；Mao-Zhong Gong
    申请人:Gen Electric；
    IPC主号:H02J3-00
    专利说明:
    用於功率轉換系統之最大功率點追蹤及其方法
    本發明之實施例大致上係關於用於轉換及提供電功率以饋電給一電氣系統之功率轉換系統及方法，且更特定言之係關於具有改良之最大功率點追蹤能力之功率轉換系統及方法。
    諸如藉由太陽能發電系統產生之太陽能之再生能源正變為遍及世界之一較大能源。一典型太陽能發電系統包含具有多個互連太陽能電池之一或多個光伏打陣列(PV陣列)。該等PV陣列之太陽能電池將太陽能轉換為DC功率。為將該等PV陣列之輸出介接於一電力網，通常使用一太陽能功率轉換器以將來自該等PV陣列之DC功率改變為AC功率以饋電給一電力網。
    存在各種太陽能功率轉換器組態以將自PV陣列輸出之DC功率轉換為AC功率。一太陽能功率轉換器之一實施方案具有包含一直流轉直流(DC-DC)轉換器級及一直流轉交流(DC-AC)轉換器級之兩級。DC-DC轉換器控制DC功率自PV陣列流動至一DC匯流排上。DC-AC轉換器將供應給DC匯流排之DC功率轉換為可輸出至電力網之AC功率。現有太陽能功率轉換器進一步使用功率轉換器控制器以調節DC-DC轉換器及DC-AC轉換器以補償各種系統變數，諸如DC匯流排電壓及AC電網電壓及頻率。
    歸因於固有非線性特性太陽能電源，精確地預測太陽能電源之最佳操作點並不容易。因此，幾乎全部現有太陽能功率轉換器控制經組態具有一最大功率點追蹤(MPPT)功能，以確保在太陽能發電程序期間自該太陽能電源提取最大功率。可藉由實施多種MPPT演算法(舉例而言，諸如擾動觀察(P&O)演算法及增量電導演算法)之一者達成該MPPT功能。當太陽能功率轉換系統連接至一電力網時，實施此等習知MPPT演算法具有一些限制。一挑戰在於：DC匯流排處可因MPPT輸出功率大於線路側輸出功率而發生一功率不平衡。因此，若功率轉換系統無法快速回應以處置自電源產生之額外功率，則DC匯流排處將存在過電壓問題。當該功率轉換系統連接至可具有大的電壓及頻率變動之一弱電力網時，功率不平衡挑戰可變嚴重。
    因此，可期望提供解決上述問題之系統及方法。
    根據本文揭示之一實施例，提供一種功率轉換系統。該功率轉換系統包括一最大功率點追蹤(MPPT)單元、一DC匯流排、一功率轉換器及一轉換器控制器。該MPPT單元自一電源接收一回饋電流信號及一回饋電壓信號，並至少部分基於該回饋電流信號及該回饋電壓信號而產生一MPPT參考信號。該DC匯流排自該電源接收DC功率。該功率轉換器將該DC匯流排上之DC功率轉換為交流(AC)功率。該轉換器控制器接收來自該MPPT單元之該MPPT參考信號及在該功率轉換器之一輸出處量測之一輸出功率回饋信號；至少部分基於該MPPT參考信號及該輸出功率回饋信號而產生用於AC功率調節及最大功率提取之控制信號；及發送該等控制信號至該功率轉換器。
    根據本文揭示之另一實施例，提供一種操作一功率轉換系統之方法。該方法包括：至少部分基於在一電源之一輸出處量測之一回饋電流信號及一回饋電壓信號而產生一最大功率點追蹤(MPPT)參考信號；至少部分基於該MPPT參考信號及在該功率轉換系統之一輸出處量測之一輸出功率回饋信號而產生控制信號；及將該等控制信號施加於一功率轉換器以在緩解功率不平衡條件的同時可自電源提取最大功率。
    根據本文揭示之又另一實施例，提供一種太陽能功率轉換系統。該太陽能功率轉換系統包括一最大功率點追蹤(MPPT)單元、一DC匯流排、一線路側轉換器及一線路側控制器。該MPPT單元自一光伏打(PV)電源接收一回饋電流信號及一回饋電壓信號，並至少部分基於該回饋電流信號及該回饋電壓信號而產生一MPPT參考信號。該DC匯流排自該PV電源接收DC功率。該線路側轉換器係耦合至該DC匯流排以將該DC匯流排上之DC功率轉換為AC功率。該線路側控制器至少部分基於該MPPT參考信號及在該線路側轉換器之一輸出處量測之一輸出功率回饋信號而產生用於AC功率調節及最大功率提取之控制信號，並供應該等控制信號給該線路側轉換器。
    當參考隨附圖式閱讀下列詳細描述時，將更好地瞭解本發明之此等及其他特徵、態樣及優點，其中貫穿該等圖式相同符號表示相同部分。
    本文揭示之實施例大致上係關於操作具有改良之最大功率點追蹤(MPPT)能力之功率轉換系統。如本文使用，「MPPT能力」指代在軟體或硬體中實施以尋找一太陽能電源之一操作點(其中可自該太陽能電源提取最大功率)之一控制結構或方案。更特定言之，本文描述之MPPT能力之實施方案係基於一電壓源控制結構或方案。如本文使用，「電壓源控制結構或方案」引用一控制實施例，其中主要控制參數之一者係包含功率轉換系統之一電壓量值命令及一相角命令之AC電壓。此外，基於該電壓源控制結構，該MPPT能力經實施以確保該MPPT功率產生與線路側輸出功率協調。因此，可在不使用額外能量儲存裝置之情況下實施功率轉換系統，該能量儲存裝置通常存在於一習知太陽能功率轉換系統中且係用於儲存自太陽能電源產生之額外功率。
    下文將描述本發明之一或多個特定實施例。試圖提供對此等實施例之一簡明描述，在本說明書中並未描述一實際實施方案之所有特徵。應瞭解在任意此實際實施方案之開發中，如在任意工程或設計項目中，必須作出大量特定實施方案決定以達成可隨實施方案變化之開發者之特定目標，諸如符合系統相關及商業相關之限制。此外，應瞭解此一開發上之努力可能係複雜且耗時的，但對於獲利於本發明之一般技術者而言，該開發上之努力將係設計、製作及製造之一例常任務。
    除非另有定義，否則本文使用之技術及科學術語具有相同於本發明所屬技術之一般人員通常所瞭解之意義。如本文使用，術語「第一」、「第二」等等並不表示任何順序、數量或重要性，而係用以區分一元件與另一元件。又，術語「一」及「一個」並不表示數量之一限制，而表示存在引用項之至少一者。術語「或」意謂包含且意謂所列舉項之任一者或全部。本文使用「包含」、「包括」或「具有」及其等變體意謂涵蓋此後列舉之項及其等效物以及額外項。術語「經連接」及「經耦合」並不限於實體或機械連接或耦合，且可包含電連接或耦合(無論直接或間接)。此外，術語「電路」及「控制器」可包含一單一組件或複數個組件，其等係主動及/或被動且係連接或以其他方式耦合在一起(例如，如一或多個積體電路晶片)以提供所描述之功能。
    圖1圖解說明根據本發明之一例示性實施例之一功率轉換系統10之一方塊圖。在下文中，為更好地瞭解本發明之最佳模式，該功率轉換系統10被圖解說明並描述為一太陽能功率轉換系統。然而，一般技術者將容易瞭解，本文描述之一或多個實施例不應限於太陽能應用，此係因為本發明之特定態樣可以一類似方式應用於其他功率轉換系統，包含(例如)燃料電池系統、風力發電系統及潮汐發電系統。
    一般而言，該太陽能功率轉換系統10包含經組態以介接於一太陽能電源12與一電力網18之間之一太陽能功率轉換器14。更具體言之，該太陽能功率轉換器14經組態以將自一太陽能電源12產生之呈直流(DC)電壓或電流之一形式之功率(下文稱為DC功率)轉換為適用於饋電給展示為電力網18之一電氣系統之呈交流(AC)電壓或電流之形式之功率(下文稱為AC功率)。在一實施例中，該太陽能電源12可包含具有可透過光伏打效應將太陽能轉換為DC功率之多個互連太陽能電池之一或多個光伏打陣列(PV陣列)。在一實施例中，電氣系統18可包括一AC電力網，且太陽能功率轉換系統經組態以輸送具有合適頻率及量值之三相AC功率至該AC電力網18。
    在一實施方案中，圖1中所示之功率轉換器14係基於包含一PV側轉換器142及一線路側轉換器144之兩級結構。該PV側轉換器142可包括使自該電源12接收之一DC電壓上升並輸出一較高DC電壓至一DC匯流排146上之一DC-DC轉換器(諸如一DC-DC升壓轉換器)。該DC匯流排146可包含並聯或串聯耦合之一或多個電容器，該一或多個電容器用於將該DC匯流排146之電壓維持在特定位準，且因此可管理自該DC匯流排146流動至該電力網18之能量。該線路側轉換器144可包括將該DC匯流排146上之DC電壓轉換為適用於饋電給該AC電力網18之AC電壓之一DC-AC轉換器。在其他實施方案中，該功率轉換器14可基於一單級轉換器結構，該單級轉換器結構包含用於將一DC匯流排處之DC電壓轉換為具有合適頻率及電壓量值之AC電壓以饋電給該電力網18之一DC-AC轉換器。在該單級或多級實施例中，該功率轉換器14經控制以提供AC功率調節及最大功率提取兩者。如本文使用，「AC功率調節」意謂根據有效功率(active power)或無效功率(reactive power)命令信號調節自功率轉換器輸出之有效功率或無效功率，且「最大功率提取」意謂將太陽能電源之操作點動態移動至其在功率曲線上之最高點(該最高點可回應於諸如輻照之環境變化及溫度變化而變化)以具有自該太陽能電源輸出之最大功率量。
    在一實施方案中，圖1中所示之功率轉換系統10進一步包括經組態以調節自該太陽能電源12輸出之PV功率並調節該線路側轉換器144之輸出處之有效功率或無效功率之一功率轉換器控制器16。在一實施方案中，對應於上述兩級轉換器結構，該功率轉換器控制器16經組態以具有一PV側控制器162及一線路側控制器164。該PV側控制器162經組態以將PV側控制信號166發送至該PV側轉換器142以根據各種命令信號及回饋信號調節自該太陽能電源12輸出之PV功率。該線路側控制器164經組態以將線路側控制信號168發送至該線路側轉換器144以根據各種命令信號及回饋信號調節自該線路側轉換器144輸出之有效功率或無效功率。該PV側轉換器142可包括任何類型的轉換器拓撲，諸如一半橋轉換器、一全橋轉換器或一推挽式轉換器。該線路側轉換器144可包括任何類型的DC轉AC轉換器拓撲，諸如一2階轉換器或一3階轉換器。該PV側轉換器142及該線路側轉換器144可包括複數個半導體切換裝置(未展示)，包含(但不限於)積體閘換向閘流體(IGCT)及絕緣閘雙極性電晶體(IGBT)。該等切換裝置分別回應於PV側控制信號166及線路側控制信號168而接通及斷開。雖然圖解兩個控制器162及164，但是在其他實施例中亦可使用一單一控制器以控制該PV側轉換器142及該線路側轉換器144兩者。
    在一實施方案中，圖1中所示之功率轉換系統10可進一步包括具有一或多個電容性及電感性元件之一PV側濾波器22，該PV側濾波器22用於移除自該太陽能電源12輸出之DC功率之漣波分量並阻止漣波信號自該PV側轉換器142傳輸至該太陽能電源12。該功率轉換系統10可進一步包含具有一或多個電感性元件或電容性元件(未展示)之一線路側濾波器24，該線路側濾波器24用於移除自該線路側轉換器144輸出之三相AC功率之每一相位之諧波信號。
    在一實施方案中，該PV側控制器162接收藉由放置在該DC匯流排146之輸出處之一DC電壓感測器量測之一DC電壓回饋信號156。該PV側控制器162進一步接收一DC電壓命令信號292。該PV側控制器162根據該DC電壓回饋信號156及該DC電壓命令信號292調整該等PV側控制信號166以控制出現在該DC匯流排146處之DC電壓。在替代性實施例中，如藉由指向該線路側控制器164之虛線292所示，該線路側控制器164可替代性或額外地負責控制出現在該DC匯流排146處之DC電壓。更具體言之，該線路側控制器164接收該DC電壓回饋信號156及該DC電壓命令信號292。在一實施例中，該線路側控制器164根據藉由自該DC電壓命令信號292減去該DC電壓回饋信號156而獲得之一DC電壓誤差信號調整該等線路側控制信號168。
    在一實施方案中，圖1中所示之功率轉換系統10可進一步包括一最大功率點追蹤(MPPT)電路26。為圖解說明之目的，該MPPT電路26經展示定位於該功率轉換器控制器16外部。或者，該MPPT電路26可組態於該功率轉換器控制器16內，或更具體言之，組態於該PV側控制器162內。在一實施例中，該MPPT電路26可實施一MPPT演算法以自該太陽能電源12提取最大功率。
    如圖1中所示，該MPPT電路26係與該太陽能電源12、該PV側控制器162及該線路側控制器164電通信。在正常操作中，該MPPT電路26自該太陽能電源12接收一回饋DC電流信號112及一回饋DC電壓信號114。可藉由放置在太陽能電源12之輸出處之一電流感測器28及一電壓感測器32量測該回饋DC電流信號112及該回饋DC電壓信號114。該MPPT電路26實施該MPPT演算法並產生若干參考信號158，該等參考信號158可包含(例如)電流參考信號、電壓參考信號或功率參考信號。在一實施例中，自該MPPT電路26產生之參考信號158被供應給該線路側控制器164。在此情況中，將MPPT擾動添加至該線路側控制器164。該線路側控制器164根據該等參考信號158調整該線路側轉換器144之該等線路側控制信號168以確保自該太陽能電源12提取最大功率。此外，由於根據來自該MPPT電路26之參考信號158控制該線路側轉換器144，故自該線路側轉換器144輸出之功率與自該太陽能電源12輸出之功率經協調使得可在該DC匯流排146上不具備太多應力之情況下達成至少功率平衡之益處。在其他實施例中，可視需要將自該MPPT電路26產生之參考信號158添加至該PV側控制器162，從而可具有提供對MPPT擾動之一較快回應之優點。
    圖2圖解說明根據本發明之一例示性實施例之線路側控制器164之一整體控制圖之一部分。圖2中圖解說明之功能區塊可在硬體或軟體或其等之一組合中實施。在實際應用中，可藉由一微控制器或一數位信號處理器(DSP)實施該線路側控制器164。一般而言，圖2中所示之線路側控制器164經建構以具有一電壓源控制結構。基於該電壓源控制結構，可根據所命令之有效及無效功率調節該線路側轉換器144之輸出處之實際有效功率及無效功率。在所圖解說明實施例中，該線路側控制器164包含一有效功率調節器210、一無效功率或VAR調節器220及一信號產生器240。
    圖2中所示之有效功率調節器210經組態以根據所命令之有效功率調節自該線路側轉換器144輸出之有效功率。更具體言之，在一實施例中，該有效功率調節器210接收一功率回饋信號214及一MPPT功率命令信號212並產生一相角命令信號216。該MPPT功率命令信號212表示在該線路側轉換器144(參見圖1)之輸出端子與電網18之間輸送之所要功率。該功率回饋信號214係在該線路側轉換器144之輸出端子與該電網18之間輸送之實際量測功率。在一實施例中，可藉由使可自(例如)放置在該線路側轉換器144與該電網18之間之一電流感測器34及一電壓感測器36(圖1)獲得之一回饋電流信號154與一回饋電壓信號152相乘而獲得該功率回饋信號214。在一實施例中，該相角命令信號216表示自該線路側轉換器144輸出之AC電壓之一所要相角。
    繼續參考圖2，該無效功率調節器220經組態以根據所命令之無效功率調節自該線路側轉換器144輸出之無效功率。更具體言之，在一實施例中，該無效功率調節器220接收一無效功率回饋信號224及一無效功率命令信號222並產生一電壓量值信號226。該無效功率命令信號222表示在一共同耦合點(該電流感測器34與該電壓感測器36耦合之一點)處之輸出與該電網18之間輸送之所要無效功率且可藉由一電網操作者指示。該無效功率回饋信號224係在該線路側轉換器144之輸出與該電網18之間輸送之實際量測無效功率。可藉由使一回饋電流信號154與一回饋電壓信號152(參見圖1)相乘而獲得該無效功率回饋信號224。該電壓量值命令信號226表示自該線路側轉換器144輸出之AC電壓之一所要電壓量值。在一實施例中，該無效功率調節器220可包括用於藉由自該無效功率命令信號222減去該無效功率回饋信號224產生一無效功率誤差信號之一求和元件(未展示)。該無效功率調節器220可進一步包括用於使用所得無效功率誤差信號而產生該電壓量值命令信號226之一VAR調節器及一電壓調節器(未展示)。
    繼續參考圖2，信號產生器240經組態以根據該相角命令信號216及該電壓量值命令信號226產生該線路側轉換器144之線路側控制信號168。在一實施方案中，該信號產生器240可為用於針對該線路側轉換器144產生呈脈寬調變(PWM)型樣之線路側控制信號168之一PWM信號產生器。
    圖3圖解說明根據本發明之一實施例之圖2中所示之MPPT電路26及有效功率調節器210之一更詳細控制圖。在所圖解說明實施例中，該MPPT電路26包含一PV功率計算單元262及一MPPT參考單元264。該PV功率計算單元262係用以藉由使DC電流信號112與DC電壓信號114相乘而計算當前自太陽能電源12獲得之一實際功率。該MPPT參考單元264係用以接收回饋PV功率信號266並至少基於該回饋PV功率信號266產生一MPPT功率參考信號268。更具體言之，藉由比較該回饋PV功率信號266與一先前參考功率信號而產生該MPPT功率參考信號268。如本文使用，「先前參考功率信號」係自MPPT演算法實施方案產生之一信號且係用以指示預期自太陽能電源12提取之一目標功率。若回饋PV功率與先前參考功率之間之一絕對差經判定小於一預定臨限值，則藉由使當前獲得之回饋PV功率與一預定功率步進值相加而產生該MPPT功率參考信號268。如此處提及，「預定功率步進值」可為取決於系統要求及應用之一固定功率值或一可變功率值。若回饋PV功率與先前參考功率之間之絕對差經判定大於該預定臨限值，則藉由自當前獲得之回饋PV功率減去一預定功率步進值而產生該MPPT功率參考信號268。
    如圖3中進一步所示，自該MPPT電路26產生之MPPT功率參考信號268係供應給該有效功率調節器210之一求和元件250。該求和元件250自該MPPT功率參考信號268減去功率回饋信號214並提供表示該MPPT功率參考信號268與該功率回饋信號214之間之差之一功率誤差信號252。該功率誤差信號252係供應給該有效功率調節器210之一功率調節器254，其中該功率調節器254根據該功率誤差信號252產生一頻率命令信號256，該頻率命令信號256經設計以驅動該功率誤差信號朝向零。該頻率命令信號256係供應給該有效功率調節器210之一相角產生器270，其中該相角產生器270根據該頻率命令信號256產生一相角命令信號216。在一實施方案中，該相角產生器270可使用積分元件以對該頻率命令信號256求積分以產生該相角命令信號216。
    圖4圖解說明根據本發明之另一實施例之圖2中所示之MPPT電路26及有效功率調節器210之一更詳細控制圖，該實施例進一步包括經組態以根據藉由PV功率計算單元262計算之PV功率回饋信號266產生一MPPT電流參考信號267之一MPPT參考及映射單元265。進一步言之，該有效功率調節器210中包含一乘法元件232，其中該乘法元件232藉由使該MPPT電流參考信號267與該回饋PV電壓信號114相乘而產生一MPPT功率參考信號234。類似於上文關於圖3描述之內容，接著使用該MPPT功率參考信號234以產生頻率命令信號256及相角命令信號216。
    圖5圖解說明根據本發明之又另一實施例之圖2中所示之MPPT電路26及有效功率調節器210之一更詳細控制圖。在圖5中圖解說明之控制圖中，該MPPT電路26中之MPPT參考及映射單元265經組態以根據該PV功率回饋信號266產生一MPPT電壓參考信號269。藉由該乘法元件232使該MPPT電壓參考信號269與該PV電流回饋信號112相乘以產生MPPT PV功率參考信號234，該MPPT PV功率參考信號234進一步用於產生頻率命令信號256及相角命令信號216。
    圖6圖解說明根據本發明之一實施例之圖1中所示之PV側控制器162之一詳細控制圖。如上所述，在一態樣中，該PV側控制器162負責調節出現在DC匯流排146處之DC電壓。該PV側控制器162包含一第一求和元件320、一DC電壓控制器324、一映射單元328、一第二求和元件331及一PV電流調節器358。如圖6中所示，在外電壓迴路321中，一DC電壓回饋信號156係供應給該第一求和元件320且自DC電壓命令信號292減去以產生表示該DC電壓命令信號292與該DC電壓回饋信號156之間之差之一DC電壓誤差信號322。該DC電壓命令信號292表示該DC匯流排146處欲達成之一所要DC電壓。藉由該DC電壓控制器324調節該DC電壓誤差信號322以產生一PV功率命令信號326。根據該PV功率命令信號326，藉由該映射單元328映射一PV電流命令信號332。如本文使用，「映射」指代根據一PV功率命令信號獲得一功率曲線上之一PV電流命令信號。如圖6中進一步所示，在內電流迴路333中，該PV電流回饋信號112係供應給該第二求和元件331且自該PV電流命令信號332減去。藉由該PV電流調節器358調節來自該第二求和元件331之所得PV電流誤差信號334，以針對該PV側轉換器142產生PV側控制信號166。
    圖7圖解說明根據本發明之另一實施例之圖1中所示之PV側控制器162之一詳細控制圖。在圖7中圖解說明之控制圖中，進一步包含一前饋控制。更具體言之，在一實施例中，將自該MPPT電路26產生之一MPPT功率參考信號268添加至外電壓迴路321。在一實施例中，如上文關於圖3描述，藉由該MPPT參考單元264根據PV功率回饋信號266產生該MPPT功率參考信號268。該MPPT功率參考信號268係供應給外迴路321中之一第三求和元件330。組合該MPPT功率參考信號268與該PV功率命令信號326以產生一組合PV功率命令信號344。類似於上文關於圖6描述之內容，接著使用該組合PV功率命令信號344以產生PV側控制信號166。可瞭解，藉由添加前饋控制，MPPT控制可更快回應以尋找太陽能電源12(圖1)之最佳操作點。進一步言之，運用該前饋控制，給該PV側控制器162及該線路側控制器164提供進一步協調，使得該DC匯流排146可具有較小電壓應力。
    圖8圖解說明根據本發明之又另一實施例之圖1中所示之PV側控制器162之一詳細控制圖。在圖8之實施例中，前饋控制使用一MPPT電流參考信號267而非如上關於圖7描述之MPPT功率參考信號268。更具體言之，自該MPPT電路26之一MPPT參考及映射單元265根據該PV功率回饋信號266產生該MPPT電流參考信號267。另一差異在於：圖8中所示之DC電壓控制器324經組態以產生一PV電流命令信號332而非一PV功率命令信號。該PV電流命令信號332係供應給一求和元件354以與該MPPT電流參考信號267組合，並產生一組合PV電流命令信號356。藉由PV電流調節器358調節該組合PV電流命令信號356以針對該PV側轉換器142產生PV側控制信號166。
    圖9圖解說明根據本發明之又另一實施例之圖1中所示之PV側控制器162之一詳細控制圖。圖9中所示之DC電壓控制器324經組態以產生一PV電壓命令信號362而非一PV電流或功率命令信號。相應地，該MPPT電路26使用一MPPT參考及映射單元265以供應一MPPT電壓參考信號269給一求和元件364以與該PV電壓命令信號362組合。藉由PV電壓調節器336調節組合PV電壓命令信號366以針對該PV側轉換器142產生PV側控制信號166。
    圖10圖解說明根據一例示性實施例之用於追蹤一太陽能電源之一最佳操作點(其中可提取最大功率)之一方法之一流程圖。可用儲存在一電腦可讀媒體中之軟體指令程式化方法3000，該等軟體指令在藉由一處理器執行時執行該方法3000之各種步驟。該電腦可讀媒體可包含以任何方法或技術實施之揮發性及非揮發性、可抽換式及非可抽換式媒體。該電腦可讀媒體包含(但不限於)隨機存取記憶體(RAM)、唯讀記憶體(ROM)、電可擦除可程式化唯讀記憶體(EEPROM)、快閃記憶體或其他記憶體技術、CD-ROM、數位多功能光碟(DVD)或其他光學儲存器、匣式磁帶、磁帶、磁碟儲存器或其他磁性儲存裝置，或可用以儲存所要資訊並可藉由一指令執行系統存取之任何其他非暫時性媒體。
    在一實施方案中，該方法3000可開始於方塊3002。在方塊3002，獲得一太陽能電源12(參見圖1)之一回饋PV電壓信號114及一回饋PV電流信號112。在一實施方案中，該回饋PV電壓信號114及該回饋PV電流信號112係DC信號且分別藉由一電流感測器28及一電壓感測器32(參見圖1)獲得。
    在方塊3004，計算該太陽能電源12之一回饋PV功率。在一實施方案中，藉由使在方塊3002獲得之回饋PV電壓信號114與回饋PV電流信號112相乘而計算該太陽能電源12之回饋PV功率。
    在方塊3006，計算所計算回饋PV功率與一參考PV功率之間之差。在一實施方案中，該參考PV功率可儲存在與該MPPT電路26相關聯之一記憶體元件中，且表示自該太陽能電源12提取之預期PV功率。在一實施例中，在方塊3006計算該所計算回饋PV功率與該參考PV功率之間之一絕對差值。
    在方塊3008，作出關於在方塊3006計算之功率差是否滿足一預定準則之一判定。在一實施方案中，判定該所計算功率差是否小於一臨限值。若該所計算功率差小於該臨限值，則指示當前獲得之PV回饋功率遵循先前參考功率，且應增大該功率參考信號。在此肯定判定之後，程序前進至方塊3012。若該所計算功率差大於該臨限值，則指示當前獲得之PV回饋功率未遵循先前參考功率，且應降低該功率參考信號。在此否定判定之後，程序進前至方塊3014。
    在方塊3012，藉由增大一預定功率步進值更新該參考功率信號。在一實施例中，該預定功率步進值係固定的。在其他實施例中，該預定功率步進值可變。參考圖11，圖解說明作為PV電壓之一函數之PV功率之曲線410。該曲線410在A5處具有一最佳操作點，其中可自該太陽能電源12提取最大功率。在一第一情況中，該太陽能電源12可開始於該曲線410之右側處之一第一操作點A1。在該第一操作點A1處，該太陽能電源12具有一實際PV功率P1。因為該第一操作點A1經定位遠離最佳操作點A5，所以為減小搜尋時間，可使用具有一相對較大值之一第一功率步進△P1以作出一功率擾動。即，藉由使實際PV功率P1與第一功率步進相加而更新該參考功率信號。如藉由箭頭412指示，在用第一功率步進進行功率擾動之後，操作點可自A1移動至A2。在一第二情況中，該太陽能電源12可開始於圖表410之左側處之一第三操作點A3。在該第三操作點A3處，該太陽能電源12具有一實際PV功率P3。因為該第三操作點A3經定位接近該最佳操作點A5，所以為避免該最佳操作點A5周圍之振盪問題，使用具有一相對較小值之一第二功率步進△P2以與實際PV功率P2相加而得到一新參考功率信號。如藉由箭頭414指示，在用該第二功率步進進行功率擾動之後，該操作點可自A3移動至A4。
    在方塊3014，藉由降低一預定功率步進值更新該參考功率信號。類似於上文在方塊3012描述，該預定功率步進值可取決於諸如搜尋時間及精確度要求之實際要求而為固定或可變。更具體言之，藉由自當前獲得之回饋PV功率減去一預定功率步進值產生該參考功率信號。
    在方塊3016，將所更新參考功率信號傳輸至方塊3006以進行進一步功率差計算。
    雖然已參考例示性實施例描述本發明，但是熟習此項技術者應瞭解在不脫離本發明之範疇之情況下可作出各種改變且等效物可取代本發明之元件。此外，在不脫離本發明之基本範疇之情況下，可作出許多修改以使一特定情境或材料適合本發明之教示。因此，不希望本發明限於揭示為預期用於實行本發明之最佳模式之特定實施例，而希望本發明將包含屬於隨附申請專利範圍之範疇內之全部實施例。
    10‧‧‧太陽能功率轉換系統/功率轉換系統
    12‧‧‧太陽能電源
    14‧‧‧太陽能功率轉換器
    16‧‧‧功率轉換器控制器
    18‧‧‧電力網/電網
    22‧‧‧光伏打(PV)側濾波器
    24‧‧‧線路側濾波器
    26‧‧‧最大功率點追蹤(MPPT)電路
    28‧‧‧電流感測器
    32‧‧‧電壓感測器
    34‧‧‧電流感測器
    36‧‧‧電壓感測器
    112‧‧‧回饋直流(DC)電流信號
    114‧‧‧回饋直流(DC)電壓信號
    142‧‧‧光伏打(PV)側轉換器
    144‧‧‧線路側轉換器
    146‧‧‧直流(DC)匯流排
    152‧‧‧回饋電壓信號
    154‧‧‧回饋電流信號
    156‧‧‧直流(DC)電壓回饋信號
    158‧‧‧參考信號
    162‧‧‧光伏打(PV)側控制器
    164‧‧‧線路側控制器
    166‧‧‧光伏打(PV)側控制信號
    168‧‧‧線路側控制信號
    210‧‧‧有效功率調節器
    212‧‧‧最大功率點追蹤(MPPT)功率命令信號
    214‧‧‧功率回饋信號
    216‧‧‧相角命令信號
    220‧‧‧無效功率調節器/VAR調節器
    222‧‧‧無效功率命令信號
    224‧‧‧無效功率回饋信號
    226‧‧‧電壓量值信號
    232‧‧‧乘法元件
    234‧‧‧最大功率點追蹤(MPPT)功率參考信號
    240‧‧‧信號產生器
    250‧‧‧求和元件
    252‧‧‧功率誤差信號
    254‧‧‧功率調節器
    256‧‧‧頻率命令信號
    262‧‧‧光伏打(PV)功率計算單元
    264‧‧‧最大功率點追蹤(MPPT)參考單元
    265‧‧‧最大功率點追蹤(MPPT)參考及映射單元
    266‧‧‧回饋光伏打(PV)功率信號
    267‧‧‧最大功率點追蹤(MPPT)電流參考信號
    268‧‧‧最大功率點追蹤(MPPT)功率參考信號
    269‧‧‧最大功率點追蹤(MPPT)電壓參考信號
    270‧‧‧相角產生器
    292‧‧‧直流(DC)電壓命令信號/虛線
    320‧‧‧第一求和元件
    321‧‧‧外電壓迴路
    322‧‧‧直流(DC)電壓誤差信號
    324‧‧‧直流(DC)電壓控制器
    326‧‧‧光伏打(PV)功率命令信號
    328‧‧‧映射單元
    330‧‧‧第三求和元件
    331‧‧‧第二求和元件
    332‧‧‧光伏打(PV)電流命令信號
    333‧‧‧內電流迴路
    334‧‧‧光伏打(PV)電流誤差信號
    336‧‧‧光伏打(PV)電壓調節器
    340‧‧‧求和元件
    344‧‧‧組合光伏打(PV)功率命令信號
    354‧‧‧求和元件
    356‧‧‧組合光伏打(PV)電流命令信號
    358‧‧‧光伏打(PV)電流調節器
    366‧‧‧光伏打(PV)電壓命令信號
    410‧‧‧曲線/圖表
    412‧‧‧箭頭
    414‧‧‧箭頭
    A1‧‧‧第一操作點
    A2‧‧‧操作點
    A3‧‧‧第三操作點
    A4‧‧‧操作點
    A5‧‧‧最佳操作點
    圖1係根據本發明之一例示性實施例之一太陽能功率轉換系統之一示意方塊圖。
    圖2係根據本發明之一例示性實施例之藉由圖1中所示之一線路側控制器實施之一控制圖。
    圖3係根據本發明之一例示性實施例之與圖2中所示之一MPPT電路相關聯之一有效功率調節器之一詳細控制圖。
    圖4係根據本發明之另一例示性實施例之與圖2中所示之一MPPT電路相關聯之一有效功率調節器之一詳細控制圖。
    圖5係根據本發明之又另一例示性實施例之與圖2中所示之一MPPT電路相關聯之一有效功率調節器之一詳細控制圖。
    圖6係根據本發明之一例示性實施例之圖1中所示之一PV側控制器之一詳細控制圖。
    圖7係根據本發明之另一例示性實施例之圖1中所示之一PV側控制器之一詳細控制圖。
    圖8係根據本發明之又另一例示性實施例之圖1中所示之一PV側控制器之一詳細控制圖。
    圖9係根據本發明之又另一例示性實施例之圖1中所示之一PV側控制器之一詳細控制圖。
    圖10係根據本發明之一例示性實施例之一太陽能功率轉換系統之最大功率點追蹤之改良實施方案之一方法之一流程圖。
    圖11係圖解說明根據本發明之一例示性實施例之一太陽能電源之PV功率對PV電壓之一圖表。
    26‧‧‧最大功率點追蹤(MPPT)電路
    112‧‧‧回饋直流(DC)電流信號
    114‧‧‧回饋直流(DC)電壓信號
    164‧‧‧線路側控制器
    210‧‧‧有效功率調節器
    214‧‧‧功率回饋信號
    216‧‧‧相角命令信號
    250‧‧‧求和元件
    252‧‧‧功率誤差信號
    254‧‧‧功率調節器
    256‧‧‧頻率命令信號
    262‧‧‧光伏打(PV)功率計算單元
    264‧‧‧最大功率點追蹤(MPPT)參考單元
    266‧‧‧光伏打(PV)功率回饋信號
    268‧‧‧最大功率點追蹤(MPPT)功率參考信號
    270‧‧‧相角產生器
    权利要求:
    Claims (20)
    [1] 一種功率轉換系統，其包括：一最大功率點追蹤(MPPT)單元，其用於自一電源接收一回饋電流信號及一回饋電壓信號，並至少部分基於該回饋電流信號及該回饋電壓信號而產生一MPPT參考信號；一DC匯流排，其用於自該電源接收DC功率；一功率轉換器，其用於將該DC匯流排上之該DC功率轉換為交流(AC)功率；及一轉換器控制器，其用於：接收來自該MPPT單元之該MPPT參考信號及在該功率轉換器之一輸出處量測之一輸出功率回饋信號；至少部分基於該MPPT參考信號及該輸出功率回饋信號而產生用於AC功率調節及最大功率提取之控制信號；及發送該等控制信號至該功率轉換器。
    [2] 如請求項1之功率轉換系統，其中該功率轉換器包括用於將該DC匯流排上之該DC功率轉換為該AC功率之一線路側轉換器；且其中該轉換器控制器包括一線路側控制器，該線路側控制器用於至少部分基於該MPPT參考信號及該輸出功率回饋信號而產生一內部頻率命令信號，藉由對該內部頻率命令信號求積分而產生一相角命令信號，且使用該相角命令信號以產生該等控制信號之至少一些控制信號，其中該等控制信號之該至少一些控制信號係用於控制該線路側轉換器。
    [3] 如請求項2之功率轉換系統，其中該線路側控制器進一步經組態以至少部分基於該DC匯流排上量測之一DC匯流排電壓回饋信號及一DC匯流排電壓命令信號而產生該線路側轉換器之額外控制信號。
    [4] 如請求項2之功率轉換系統，其中該MPPT單元包括：一功率計算單元，其用於接收該回饋電流信號及該回饋電壓信號並藉由使該回饋電流信號與該回饋電壓信號相乘而計算該電源之一電源功率回饋信號；及一MPPT參考單元，其用於接收該電源功率回饋信號並藉由比較該電源功率回饋信號與一先前參考功率信號而產生一MPPT功率參考信號，其中該線路側控制器進一步經組態以在針對該線路側轉換器產生該等控制信號時使用該MPPT功率參考信號。
    [5] 如請求項2之功率轉換系統，其中該MPPT單元包括：一功率計算單元，其用於接收該回饋電流信號及該回饋電壓信號並藉由使該回饋電流信號與該回饋電壓信號相乘而計算該電源之一電源功率回饋信號；及一MPPT參考及映射單元，其用於接收該電源功率回饋信號並根據該電源功率回饋信號而產生一MPPT電流參考信號；及其中該線路側控制器進一步包括一乘法元件，該乘法元件用於藉由使該MPPT電流參考信號與該回饋電壓信號相乘而產生一MPPT功率參考信號，其中該線路側控制器進一步經組態以在針對該線路側轉換器產生該等控制信號時使用該MPPT功率參考信號。
    [6] 如請求項2之功率轉換系統，其中該MPPT單元包括：一功率計算單元，其用於接收該回饋電流信號及該回饋電壓信號並藉由使該回饋電流信號與該回饋電壓信號相乘而計算該電源之一電源功率回饋信號；及一MPPT參考及映射單元，其用於接收該回饋功率信號並根據該電源功率回饋信號而產生一MPPT電壓參考信號；及其中該線路側控制器進一步包括一乘法元件，該乘法元件用於藉由使該MPPT電壓參考信號與該回饋電流信號相乘而產生一MPPT功率參考信號，其中該線路側控制器進一步經組態以在針對該線路側轉換器產生該等控制信號時使用該MPPT功率參考信號。
    [7] 如請求項1之功率轉換系統，其中該功率轉換器包括用於自該電源接收AC或DC功率並轉換該AC或DC功率以在該DC匯流排上提供該DC功率之一電源側轉換器；且其中該轉換器控制器包括一電源側控制器，該電源側控制器經組態以至少部分基於該DC匯流排上量測之一DC匯流排電壓回饋信號及一DC匯流排電壓命令信號而產生該電源側轉換器之控制信號。
    [8] 如請求項7之功率轉換系統，其中該電源側控制器包括：一DC電壓控制器，其用於基於該DC匯流排電壓回饋信號與該DC匯流排電壓命令信號之間之一差而產生一功率命令信號；一映射單元，其用於根據該功率命令信號映射一電流命令信號；及一電流調節器，其用於基於該電流命令信號與該回饋電流信號之間之一差而產生該電源側轉換器之該等控制信號。
    [9] 如請求項8之功率轉換系統，其中該MPPT單元包括：一功率計算單元，其用於接收該回饋電流信號及該回饋電壓信號並藉由使該回饋電流信號與該回饋電壓信號相乘而計算該電源之一電源功率回饋信號；及一MPPT參考單元，其用於接收該電源功率回饋信號並藉由比較該電源功率回饋信號與一先前參考功率信號而產生一MPPT功率參考信號；其中該電源側控制器進一步包括一求和元件，該求和元件用於組合該MPPT功率參考信號與該功率命令信號以映射該電流命令信號。
    [10] 如請求項7之功率轉換系統，其中該電源側控制器包括：一DC電壓控制器，其用於基於該DC匯流排電壓回饋信號與該DC匯流排電壓命令信號之間之一差而產生一電流命令信號；及一電流調節器，其用於基於該電流命令信號與該回饋電流信號之間之一差而產生該電源側轉換器之該等控制信號。
    [11] 如請求項10之功率轉換系統，其中該MPPT單元包括：一功率計算單元，其用於接收該回饋電流信號及該回饋電壓信號並藉由使該回饋電流信號與該回饋電壓信號相乘而計算該電源之一電源功率回饋信號；及一MPPT參考及映射單元，其用於接收該電源功率回饋信號並根據該電源功率回饋信號而產生一MPPT電流參考信號；其中該電源側控制器進一步包括一求和元件，該求和元件用於組合該MPPT電流參考信號與該電流命令信號且在提供該差給該電流調節器之前減去該回饋電流信號。
    [12] 如請求項7之功率轉換系統，其中該電源側控制器包括：一DC電壓控制器，其用於基於該DC匯流排電壓回饋信號與該DC匯流排電壓命令信號之間之一差而產生一電壓命令信號；及一電壓調節器，其用於基於該電壓命令信號與該回饋電壓信號之間之一差而產生該電源側轉換器之該等控制信號。
    [13] 如請求項12之功率轉換系統，其中該MPPT單元包括：一功率計算單元，其用於接收該回饋電流信號及該回饋電壓信號並藉由使該回饋電流信號與該回饋電壓信號相乘而計算該電源之一電源功率回饋信號；及一MPPT參考及映射單元，其用於接收該電源功率回饋信號並根據該電源功率回饋信號而產生一MPPT電壓參考信號；其中該電源側控制器進一步包括一求和元件，該求和元件用於組合該MPPT電壓參考信號與該電壓命令信號且在提供該差給該電壓調節器之前減去該回饋電壓信號。
    [14] 一種操作一功率轉換系統之方法，其包括：至少部分基於在一電源之一輸出處量測之一回饋電流信號及一回饋電壓信號而產生一最大功率點追蹤(MPPT)參考信號；至少部分基於該MPPT參考信號及在該功率轉換系統之一輸出處量測之一輸出功率回饋信號而產生控制信號；及將該等控制信號施加於該功率轉換系統之一功率轉換器以在緩解功率不平衡條件的同時可自該電源提取最大功率。
    [15] 如請求項14之方法，其進一步包括：藉由使該回饋電流信號與該回饋電壓信號相乘而計算該電源之一電源功率回饋信號；根據該電源功率回饋信號而產生一MPPT功率參考信號；及使用該MPPT功率參考信號以針對該功率轉換系統之一線路側轉換器產生控制信號。
    [16] 如請求項15之方法，其進一步包括：比較該所計算之電源功率回饋信號與一先前參考功率信號；判定該所計算之電源功率回饋信號與該先前參考功率信號之間之一差是否滿足一臨限值；及在判定該所計算之電源功率回饋信號與該先前參考功率信號之間之該差滿足該臨限值之後，藉由使該所計算之電源功率回饋信號增大一預定步進值而產生該MPPT功率參考信號。
    [17] 如請求項16之方法，其進一步包括：在判定該所計算之電源功率回饋信號與該先前參考功率信號之間之該差不滿足該臨限值之後，藉由使該所計算之電源功率回饋信號降低一預定步進值而產生該MPPT功率參考信號。
    [18] 如請求項14之方法，其進一步包括：藉由使該回饋電流信號與該回饋電壓信號相乘而計算該電源之一電源功率回饋信號；根據該電源功率回饋信號而產生一MPPT功率參考信號；及使用該MPPT功率參考信號以針對該功率轉換系統之一電源側轉換器產生控制信號。
    [19] 一種太陽能功率轉換系統，其包括：一最大功率點追蹤(MPPT)單元，其用於自一光伏打(PV)電源接收一回饋電流信號及一回饋電壓信號並至少部分基於該回饋電流信號及該回饋電壓信號而產生一MPPT參考信號；一DC匯流排，其用於自該PV電源接收DC功率；一線路側轉換器，其耦合至該DC匯流排以將該DC匯流排上之該DC功率轉換為該AC功率；及一線路側控制器，其用於：至少部分基於該MPPT參考信號及在該線路側轉換器之一輸出處量測之一輸出功率回饋信號而產生用於AC功率調節及最大功率提取之控制信號；及供應該等控制信號給該線路側轉換器。
    [20] 如請求項19之太陽能功率轉換系統，其進一步包括一電源側轉換器及一電源側控制器，其等用於至少部分基於該MPPT參考信號、該DC匯流排上量測之一DC匯流排電壓回饋信號及一DC匯流排電壓命令信號而產生控制信號以調節藉由該電源側轉換器轉換之該DC功率，並供應該等控制信號給該電源側轉換器。
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