TWI381263B - Maximum power tracking device - Google Patents

Description

最大功率追蹤裝置

本發明是有關於一種追蹤裝置，特別是指一種找出能量產生裝置之最大輸出功率的最大功率追蹤裝置。

由於太陽能發電之輸出功率會受到外界環境因素，如溫度、照度變化之影響，因此針對太陽能發電找出其輸出功率的最大值的方法被提出，如圖1所示，擾動觀察法為目前實現最大功率追蹤的一種方法，其是以太陽能發電之輸出功率與電壓間之特性曲線為考量，以最大輸出功率點為中心，可將操作區域劃分為兩種，分別為正斜率區RP與負斜率區RN，當太陽能板的功率輸出操作於正斜率時，可增加其輸出電壓以使操作點趨近最大功率點P_max ，當太陽能板的功率輸出操作於負斜率時，可降低其輸出電壓以使操作點趨近最大功率點P_max 。

如圖2所示，為將上述最大功率追蹤方法以硬體實現實施，其概念為於二不同時間點，最大功率追蹤裝置2根據所量測到太陽能板的輸出電壓和輸出電流以估算出功率而比較前後的功率，再根據功率變化以動態地調整太陽能板經由電源轉換器1輸出到蓄電池的能量，以將能量作最佳化的轉換。

在習知美國專利號US 7053506 B2揭露一種最大功率追蹤裝置，其缺點為照度改變時進行功率追蹤期間被去能(disable)，而無法輸出脈波寬度調變(PWM)信號，如圖3所示的t1~t2期間，使得電源轉換器的等效輸入電阻近似無限大導致太陽能板無法輸出電流，造成能量的浪費，其中參數I_MAX 、I_OMB 分別為太陽能板於二不同穩定照度下的輸出電流。

因此，本發明之目的，即在提供一種避免上述缺失和增加效率的最大功率追蹤裝置。

該最大功率追蹤裝置，適用於與一能源產生裝置和一具有一開關的電源轉換器耦接，且包含：一電壓偵測器、一電流偵測器、一偏移量修正單元，和一脈波調變單元。

該電壓偵測器用於偵測該能源產生裝置輸出到該電源轉換器的一輸出電壓，以提供一偵測電壓值；電流偵測器，用於偵測該能源產生裝置輸出到該電源轉換器的一輸出電流，以提供一偵測電流值。

該偏移量修正單元包括：一功率比較模組，和一電壓準位產生器。

該功率比較模組根據目前所接收到的該偵測電壓值、該偵測電流值與先前所接收到的該偵測電壓值、該偵測電流值，分別估算出一目前功率和一先前功率，再比較該目前功率與該先前功率的大小以輸出一於高、低電位之間變化的控制信號。

該電壓準位產生器接收該控制信號並根據該控制信號的變化以增加或減少所要輸出的一呈類比的偏移電壓。

該脈波調變單元包括一第一差值運算器、一第二差值運算器，和一脈波信號產生模組。

該第一差值運算器分別接收該偵測電壓值和該偏移電壓值，進行相減後再乘以一增益值，而輸出一第一差異。

該第二差值運算器分別接收該偵測電流值和該第一差異值，再進行相減後輸出一第二差異值。

該脈波信號產生模組接收該第二差異值且輸出一責任週期比例根據該第二差異值變化的一脈波寬度調變驅動電壓，並利用該脈波寬度調變驅動電壓控制該電源轉換器之該開關的切換。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

設計理論介紹：

若將電源轉換器的輸入電阻Rin視為可變電阻，而忽略太陽能板內部的並聯輸出電阻Rs只考慮其內部串聯輸出電阻Ro，則等效電路如圖4所示，藉由所量測到輸出電壓V_{pv_sen} 和一輸出電流I_{pv_sen} 改變以調整PWM信號的責任週期比例(duty ratio)以調整電源轉換器的輸入電阻Rin匹配於串聯輸出電阻Ro，而使太陽能板的輸出功率達到最大值。

如圖5所示，虛線33為本發明根據電源轉換器的輸入電阻Rin於多數個照度情況下所設計出的一最大功率負載線，其設計公式為根據不同照度情況量測太陽能板的最大功率點以得到多數個數據，再以一次逼近法將該多數個數據調整成一直線以推出其最大功率負載線公式為

V_{pv_sen} -V_step -kI_{pv_sen} =0　式一

其中，參數V_{pv_sen} 為為太陽能板輸出電壓，V_step 為預定偏移電壓量，I_{pv_sen} 為太陽能板輸出電流，k為一負載斜率，其根據不同太陽能板而定出不同的負載斜率。

電路設計：

如圖6所示，本發明最大功率追蹤裝置之較佳實施例，適用於不同照度和溫度的情況下，偵測一能源產生裝置(在本實施例中以太陽能板為例作說明，但不限於此，也可為風力發電裝置或其他裝置)提供到具有開關S1、S2的電源轉換器34的一輸出電壓V_{pv_se} n和一輸出電流I_{pv_sen} ，以產生一脈波調變(PWM)驅動電壓改變電源轉換器34之開關S1、S2的責任週期比例，以使電源轉換器34的輸入電阻Rin符合該最大功率負載線公式，且包括：一電壓偵測器31、一電流偵測器32、一偏移量修正單元40，和一脈波調整單元6。

電壓偵測器31、電流偵測器32分別偵測太陽能板提供到電源轉換器34的輸出電壓V_{pv_sen} 、輸出電流I_{pv_sen} ，以分別提供一偵測電壓值、一偵測電流值。

該偏移量修正單元40根據偵測電壓值與偵測電流值相乘值的變化以輸出一偏移電壓V_step ，且包括一功率比較模組4，和一電壓準位產生器5。

功率比較模組4根據目前所接收到的偵測電壓值、偵測電流值與先前所接收到的偵測電壓值、偵測電流值，分別估算出一目前功率P(t)和一先前功率P(t-1)，再比較該目前功率P(t)與該先前功率P(t-1)的大小以輸出一於高、低電位之間變化的控制信號，且具有一乘法器41、一取樣保持器42，和一功率比較器43。

該乘法器41分別根據目前、先前的該偵測電壓值和該偵測電壓值的進行乘法運算以得到該目前功率P(t)、先前功率P(t-1)。

取樣保持器42對目前的功率P(t)進行取樣並暫存，且輸出前次暫存的先前功率P(t-1)。

功率比較器43具有一接收該目前的功率信號P(t)的第一端(即：非反向輸入端(+))、一接收該先前的功率信號P(t-1)的第二端(即：反向輸入端(-))，和一輸出端，且進行比較由輸出端輸出一控制信號。

電壓準位產生器5接收該控制信號並根據該控制信號的變化以增加或減少所要輸出的一呈類比的偏移電壓V_step ，且在本實施例中，該電壓準位產生器5包括：一計數器51和一數位至類比轉換器52，但不限於此，也可以其他電路架構實現。

計數器51接收該控制信號以輸出一具有多位元且數位形式表示數值的數位碼，且根據該控制信號處於高電位或低電位以增加或減少其數值。

數位至類比轉換器52接收該數位碼，且根據其數值進行轉換成該偏移電壓V_step 。

在此舉一例子說明，如圖7所示為取樣保持器42的操作時序圖，於時間t0~t1期間是取樣模式，於t1~t2期間是保持模式，假設時脈週期信號CK的前一正緣時間點t0對先前功率信號P(t-1)取樣，而於t1~t2期間則保持先前功率信號P(t-1)，於時脈週期信號CK的目前正緣時間點t2則是對目前功率P(t)取樣，而同時輸出先前功率信號P(t-1)給功率比較器，對目前的功率信號P(t)和上一次的功率信號P(t-1)進行比較。

且若目前的功率信號P(t)大於上一次的功率信號P(t-1)，則輸出一高電位信號使計數器51將目前的數位碼增加一單位，反之則減少一單位，而使偏移電壓V_step 也隨著增加或減少。

回到參閱圖6，該脈波調整單元6根據偏移電壓V_step 的變化輸出一PWM驅動電壓，且包括一第一、二差值運算器61、62，和一脈波信號產生模組7。

第一差值運算器61分別接收該偵測電壓值和偏移電壓V_step ，進行相減後再乘以一增益，而輸出一第一差異值，在本實施例中，第一差值運算器61為一運算放大器OP而其增益相同於式(一)所示負載斜率之倒數(1/k)，且具有一接收該偵測電壓值的第一端(即：非反向輸入端(+))、一接收該偏移電壓V_step 的第二端(即：反向輸入端(-))，和一提供該第一差異值的輸出端。

第二差值運算器62分別接收該偵測電流值和第一差異值，進行相減後輸出一第二差異值，在本實施例中，第二差值運算器62為一運算放大器OP，且具有一接收該偵測電流值的第一端(即：非反向輸入端(+))、一接收該第一差異值的第二端(即：反向輸入端(-))，和一提供該第二差異值的輸出端。

脈波信號產生模組7接收該第二差異值且輸出一責任週期比例根據該第二差異值變化的該脈波寬度調變驅動電壓，並利用該脈波寬度調變驅動電壓控制該電源轉換器34之開關S1、S2的切換，且包括一補償器72、一三角波產生器71、一比較器73，和一緩衝器74。

該三角波產生器71輸出一呈週期變化的鋸齒波信號。

補償器72接收該第二差異值，且提供一零點以抵銷第二差異值中的高頻極點以輸出一低頻比較信號，在本實施例中，該低頻比較信號相對於該鋸齒波信號可視為直流，且該補償器72可以視為一低通濾波器。

比較器73包括一接收該低頻比較信號的第一端(即：非反向輸入端(+))、一接收該鋸齒波信號的第二端(即：反向輸入端(-))，和一輸出端，該輸出端根據該低頻比較信號是否高於該鋸齒波信號以提供一PWM驅動電壓，而該PWM驅動電壓於低頻比較信號高於鋸齒波信號時處於高電位，反之則處於低電位。

緩衝器74接收該PWM驅動電壓且加強其驅動能力以提供給電源轉換器34，藉以調整電源轉換器34之開關S1、S2的責任週期比例。

以下分別針對本發明實際模擬於照度固定與照度改變的暫態追蹤進行討論：

一、照度固定下的暫態追蹤：

如圖8所示，當於照度不變的情況下，且根據所量到的輸出電壓V_{pv_sen} 和輸出電流I_{pv_sen} 所計算出的目前功率P(t)大於上次所估算的先前功率P(t-1)時，則表示追蹤點位於最大功率線的左方，因此偏移量修正單元40將逐漸遞增偏移電壓V_step ，使脈波調整單元6增加PWM驅動電壓的責任週期比例以減少電源轉換器34的輸入電阻Rin，使其逐漸匹配於太陽能板的輸出阻抗Ro而獲得最大功率，因此導致圖8的追蹤點A朝箭頭1所指方向往右逼近第一照度曲線81上的最大功率點B，而當到達最大功率點B時，因為目前功率P(t)與先前功率P(t-1)的第一差異值會於正負之間變化，因此追蹤點將於最大功率點B的左右振盪。

若目前功率P(t)小於先前功率P(t-1)時，則表示追蹤點位於最大功率點的右方，因此偏移電壓V_step 將逐漸遞減，以減少PWM驅動電壓的責任週期比例，而增加電源轉換器34的輸入電阻Rin，且導致追蹤點往左逼近最大功率點。

二、照度改變時的暫態追蹤：

由於最大功率負載線上的點位置近似於不同照度情況的每一實際最大功率點位置，若照度由大逐漸變小時，太陽能板的輸出電流I_{pv_sen} 也隨之逐漸變小，使追蹤點將沿著每一照度的最大功率點的左右振盪且下移直到照度固定，而導致圖8之追蹤點B朝箭頭2所指方向往下移動，直到照度穩定而落於第二照度曲線上的追蹤點C，因為隨著照度越小，位於照度曲線上之近似最大功率處的平滑範圍較大，也就是說平滑範圍附近功率增加的斜率近似於0，因此偏移量修正單元40將在此平滑範圍間調整偏移電壓V_step ，而朝箭頭3所指方向到達第二照度曲線上的最大功率點D，而於其左右振盪。

綜上所述，本發明之較佳實施例的優點為在不同環境條件之下，以預先所估算出的最大功率負載線對能源產生裝置的輸出功率進行連續性的追蹤，不僅可快速地找到最大功率追蹤點，且能避免於追蹤過程中浪費能量，又根據最大功率負載線以實現電路而使所需的電路元件數目相對於先前技術能減少以降低製造成本，且元件數目較少可以積體電路方式整合至電源轉換器中以減少體積。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

31．．．電壓偵測器

32．．．電流偵測器

34．．．電源轉換器

S1、S2．．．開關

40．．．偏移量修正單元

4．．．功率比較模組

41．．．乘法器

42．．．取樣保持器

43．．．功率比較器

5．．．電壓準位產生器

51．．．計數器

52．．．數位至類比轉換器

6．．．脈波調整單元

61．．．第一差值運算器

62．．．第二差值運算器

7．．．脈波信號產生模組

71．．．三角波產生器

72．．．補償器

73．．．比較器

74．．．緩衝器

Rin．．．輸入電阻

Ro．．．輸出電阻

圖1是一示意圖，說明習知最大功率追蹤方法的輸出功率與輸出電壓之間的關係；

圖2是一方塊圖，說明習知最大功率追蹤的系統；

圖3是一示意圖，說明習知進行功率追蹤時的輸出電流；

圖4是一電路圖，說明應用本發明進行功率追蹤的等效電路；

圖5是一示意圖，說明太陽能板的輸出電壓與輸出電流的關係；

圖6是一電路圖，說明本發明之較佳實施例的電路；

圖7是一時序圖，說明該較佳實施例之取樣保持器的時序；及

圖8是該較佳實施例之模擬圖，說明於照度改變下的功率追蹤情況。

31．．．電壓偵測器

32．．．電流偵測器

34．．．電源轉換器

S1、S2．．．開關

40．．．偏移量修正單元

4．．．功率比較模組

41．．．乘法器

42．．．取樣保持器

43．．．功率比較器

5．．．電壓準位產生器

51．．．計數器

52．．．數位至類比轉換器

6．．．脈波調整單元

61．．．第一差值運算器

62．．．第二差值運算器

7．．．脈波信號產生模組

71．．．三角波產生器

72．．．補償器

73．．．比較器

74．．．緩衝器

Claims (8)

1. 一種最大功率追蹤裝置，適用於與一能源產生裝置和一具有一開關的電源轉換器耦接，且包含：一電壓偵測器，用於偵測該能源產生裝置輸出到該電源轉換器的一輸出電壓，以提供一偵測電壓值；一電流偵測器，用於偵測該能源產生裝置輸出到該電源轉換器的一輸出電流，以提供一偵測電流值；一偏移量修正單元，包括：一功率比較模組，根據目前所接收到的該偵測電壓值、該偵測電流值與先前所接收到的該偵測電壓值、該偵測電流值，分別估算出一目前功率和一先前功率，再比較該目前功率與該先前功率的大小以輸出一於高、低電位之間變化的控制信號；一電壓準位產生器，接收該控制信號並根據該控制信號的變化以增加或減少所要輸出的一偏移電壓；及一脈波調變單元，包括：一第一差值運算器，分別接收該偵測電壓值和該偏移電壓值，進行相減後再乘以一增益值，而輸出一第一差異；一第二差值運算器，分別接收該偵測電流值和該第一差異值，再進行相減後輸出一第二差異值；及一脈波信號產生模組，接收該第二差異值且輸出一責任週期比例根據該第二差異值變化的一脈波寬度調變驅動電壓，並利用該脈波寬度調變驅動電壓控制該電源轉換器之該開關的切換。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之最大功率追蹤裝置，其中，該功率比較模組包括一乘法器、一取樣保持器，和一功率比較器，該乘法器分別根據目前、先前的該偵測電壓值和該偵測電壓值的進行乘法運算以得到該目前功率、先前功率，該取樣保持器對該目前功率進行取樣並暫存且輸出前次暫存的先前功率，該功率比較器具有一接收該目前功率的第一端、一接收該先前功率的第二端和一輸出端，且比較該目前功率和該先前功率的大小後由該輸出端輸出該控制信號。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之最大功率追蹤裝置，其中，該第一差值運算器為一運算放大器，且具有一接收該偵測電壓值的第一端、一接收該偏移電壓的第二端，和一提供該第一差異值的輸出端。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之最大功率追蹤裝置，其中，該第二差值運算器為一運算放大器，且具有一接收該偵測電流值的第一端、一接收該第一差異值的第二端，和一提供該第二差異值的輸出端。
5. 依據申請專利範圍第1項所述之最大功率追蹤裝置，其中，該脈波信號產生模組具有一補償器、一三角波產生器，和一比較器，該三角波產生器輸出一呈週期變化的鋸齒波信號，該補償器接收該第二差異值，且提供一零點以抵銷該第二差異值中的高頻極點以輸出一低頻比較信號，該比較器具有一接收該低頻比較信號的第一端、一接收該鋸齒波信號的第二端和一輸出端，該輸出端根據該低頻比較信號是否高於該鋸齒波信號以提供該脈波寬度調變驅動電壓，而該脈波寬度調變驅動電壓於該低頻比較信號高於該鋸齒波信號時處於高電位，反之則處於低電位。
6. 依據申請專利範圍第5項所述之最大功率追蹤裝置，其中，該補償器為一低通濾波器。
7. 依據申請專利範圍第1項所述之最大功率追蹤裝置，其中，該脈波信號產生模組更具有一緩衝器，該緩衝器接收該脈波寬度調變驅動電壓且加強其驅動能力以提供給該電源轉換器。
8. 依據申請專利範圍第1項所述之最大功率追蹤裝置，其中，該電壓準位產生器具有：一計數器，接收該控制信號以輸出一具有多位元且數位形式表示數值的數位碼，且根據該控制信號處於高電位或低電位以增加或減少其數值；及一數位至類比轉換器，接收該數位碼且根據其數值進行轉換成該偏移電壓。