TWI463290B - 具使用變頻及固定責任週期控制之功率增量輔助之增量電導最大功率點追蹤控制器之光電系統及其方法 - Google Patents

具使用變頻及固定責任週期控制之功率增量輔助之增量電導最大功率點追蹤控制器之光電系統及其方法 Download PDF

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Description

具使用變頻及固定責任週期控制之功率增量輔助之增量電導最大功率點追蹤控制器之光電系統及其方法
本發明涉及具功率增量輔助之增量電導最大功率點追蹤(power-increment-aided incremental-conductance MPPT,PI-INC MPPT)控制器之光電系統(photovoltaic system)，尤指一種具使用變頻及固定責任週期控制(variable-frequency constant-duty(VFCD) control)之功率增量輔助之增量電導最大功率點追蹤控制器之光電系統。
第一圖(a)所示為一典型太陽電池單元等效電路，其中D為光二極體，Rsh 為並聯內阻，Rs 為串聯內阻，Iph 為太陽電池的輸出電流。
熟知的太陽能最大功率點追蹤(MPPT)技術共有六種，包含電壓回授法(voltage feedback)、功率回授法(power feedback)、實際量測法(practical measurement)、直線近似法(linear approximation)、擾動觀察法(perturbation and observation)及增量電導法(incremental conductance)等六種。
在這六種方法中，尤以擾動觀察法用得最為廣泛。其方法為利用擾動，量測太陽能板兩端之新的輸出電壓與電流，計算其功率，並與前次取樣之功率做比較，求其變化量；若新的功率值較上一次的功率值高，代表擾動方向正確；反之，則擾動方向需相反。由此決定下一次加減擾動量之動作。由於擾動過程會一直改變太陽能板(或光電陣列)的輸出功率，使其最後的工作點會穩定在最大功率點附近的小範圍內。此法之缺點為擾動過程不會停歇，會在最大功率點附近震盪，因此會造成能量損失而降低轉換效率。
增量電導法則是藉由太陽能板在最大功率輸出點時輸出功率對電壓之變化率為零的這個原則，直接在如第一圖(b)的電流-電壓特性曲線上相對應於dP/dV =0處找到
此處I 為太陽電池電流，V 為太陽電池電壓，ΔV 為電壓增量，ΔI 為電流增量，藉由量測ΔV/ΔI 的電導值與瞬間太陽能板的-I/V 電導相比較，判斷是否大於、小於或等於，以決定下一次的增量變動是否繼續，當增量電導值符合公式(1)時，則太陽能板可以確定工作於最大功率點，即不再進行下一次增量。此法藉著修改邏輯判斷式來進行追蹤，不會有在最大功率點附近的震盪現象，使其更能適應瞬息萬變的大氣條件。然而，增量電導法雖然可以較精確做到MPPT，並減小如擾動觀察法的震盪問題，不過它仍具有一些缺點。如第一圖(b)所示，以太陽照度1000W/m2 之曲線為例說明，若一開始偵測到太陽能板(或光電陣列)工作在電流-電壓曲線上的A點，即在電流-電壓曲線上C點(最大功率點)的左側，同時對應在功率曲線上的A’點；依照增量電導法則，系統將使太陽能板的工作點由A點朝右移動向C點方向追蹤；反之，若偵測到太陽能板工作在電流-電壓曲線上的B點，即在電流-電壓曲線C點(最大功率點)的右側，同對應於功率曲線上的B’點；則系統將使太陽能板的工作點由B點朝左移動向C點方向追蹤。最終當偵測到的ΔI/ΔV 電導值滿足公式(1)時，系統將保持太陽能板工作點停留在電流-電壓曲線上的C點且在功率曲線上的C’點，以維持太陽能板的最大功率輸出。然而增量電導法的缺點是，在電流-電壓曲線上C點(最大功率點)的左側，發現電流對電壓的變化在大部分區段幾乎是定值，約等於短路電流；又在C點的右側，其問題則為電壓對電流的變動較不明顯。換言之，在C點的左側，電流對電壓的變化較不敏感，響應度較差；反之，在C點的右側，則電壓對電流的變化較不敏感。然而，增量電導法之最佳的追蹤範圍卻在C點附近電流與電壓變化較顯著的區域，並具有優良的響應度。惟，上述C點左/右側，分別具有電流對電壓或電壓對電流的變化較不敏感的缺點，導致增量電導法無法完全發揮其功能，使得在進行最大功率追蹤時有遲緩、響應速度慢的現象，影響最大功率輸出效率。
職是之故，發明人鑒於習知技術之缺失，乃思及改良發明之意念，終能發明出本案之「具使用變頻及固定責任週期控制之功率增量輔助之增量電導最大功率點追蹤控制器之光電系統及其方法」。
本案之主要目的在於提供一種具使用變頻及固定責任週期控制之功率增量輔助之增量電導最大功率點追蹤控制器之光電系統及其方法，該技術由功率增量追蹤(PI-MPPT)和增量電導追蹤(INC-MPPT)組成，即在電流與電壓曲線上C點周圍，變化較顯著的區域範圍設定門檻追蹤帶(threshold tracking zone)，若功率增量落入該門檻追蹤帶範圍內，則系統立即進入增量電導的微調追蹤，並以電流-電壓曲線為追蹤參考規範；反之，若功率增量落在該門檻追蹤帶範圍外，則系統立即進行功率增量的粗調追蹤，並以功率-電壓曲線為追蹤參考規範，使所提議之光電系統於進行最大功率追蹤時具有較快之響應與較佳之最大功率輸出效率。
本案之又一主要目的在於提供一種光電系統，包含一功率增量輔助之增量電導最大功率點追蹤控制器，使用一變頻及固定責任週期控制，且由一控制圖表所引導，其中該控制圖表包括一光電電流對光電電壓(Ipv-Vpv)曲線及一光電功率對光電電壓(Ppv-Vpv)曲線，一光電電流就光電電壓變率對光電電壓(dIpv/dVpv-Vpv)曲線，一光電電流就光電電壓變率對系統控制頻率(dIpv/dVpv-fs)曲線，以及一輸出功率對系統控制頻率(Po-fs)曲線。
本案之另一主要目的在於提供一種光電系統，包含一功率增量輔助之增量電導最大功率點追蹤控制器，使用一變頻及固定責任週期控制，且由一光電電流對光電電壓(Ipv-Vpv)曲線及一光電功率對光電電壓(Ppv-Vpv)曲線所引導。
本案之再一主要目的在於提供一種光電系統，包含一控制器，其電路特性係由一光電電流對光電電壓(Ipv-Vpv)曲線及一光電功率對光電電壓(Ppv-Vpv)曲線所構成。
本案之下一主要目的在於提供一種用於一光電系統之控制方法，其中該光電系統具有一控制器，包含下列之步驟：提供一光電電流對光電電壓(Ipv-Vpv)曲線、一光電功率對光電電壓(Ppv-Vpv)曲線與一大於一第一比率與小於一第二比率之門檻追蹤帶(threshold tracking zone)，以引導該控制器；使該控制器運用一變頻及固定責任週期控制(VFCD control)來進行一最大功率點追蹤(MPPT)；當該Ipv-Vpv曲線上之一電導微分率(conductance derivative ratio)位於該門檻追蹤帶中時，使該控制器運用該Ipv-Vpv曲線以進行一增量電導微調追蹤(INC fine tracking)；以及當該電導微分率位於該門檻追蹤帶之外時，使該控制器運用該Ppv-Vpv曲線以進行一功率增量粗調追蹤(PI coarse tracking)。
本案之又一主要目的在於提供一種操作一光電系統之一控制器之方法，包括：提供一光電電流對光電電壓(Ipv-Vpv)曲線及一光電功率對光電電壓(Ppv-Vpv)曲線，用於決定一電導(衍生比率)是否已進入一門檻追蹤帶。
為了讓本發明之上述目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
有鑑於前述習知技藝之缺點，本發明提出一種以功率增量為基礎的增量電導最大功率追蹤(PI-INC MPPT)技術，這項技術由功率增量追蹤(PI-MPPT)和增量電導追蹤(INC-MPPT)組成，該功率增量追蹤稱為粗調追蹤(coarse-tracking)而該增量電導追蹤則稱為微調追蹤(fine-tracking)。這項動機起因於觀察如第一圖(b)的功率曲線，在最大功率點C’的兩側，功率的變化一直是和電壓成明顯的正比率變化，沒有如電流與電壓曲線上有遲緩且不敏感的響應區域問題。因此本專利的方法以保留增量電導法在最大功率C點附近的精確追蹤特性優點，即在電流與電壓曲線上C點周圍，變化較顯著的區域範圍設定門檻追蹤帶(threshold tracking zone,TTZ)，如第一圖(b)所示，等效於將在電流-電壓曲線上的點(ρ1 ,ρ2 )定義為電導臨界區(Conductance Threshold Zone,CTZ=ΔC)，或相當於對應在功率曲線上的功率臨界點(Pp1 ,Pp2 )定義為功率臨界區(Power Threshold Zone,PTZ=ΔP)。此技術法則為當系統所偵測到太陽能板兩端的新輸出電壓與電流所產生的功率P n + 1 ，與前次取樣功率P n 做比較，即功率增量ΔP =P n + 1 -P n ，若功率增量ΔP 落入(Pρ1 ,Pρ2 )的臨界點內範圍，則系統立即進入增量電導的微調追蹤，並以電流-電壓曲線為追蹤參考規範；反之，若功率增量ΔP 落在(Pρ1 ,Pρ2 )的臨界點範圍外，則系統立即進行功率增量的粗調追蹤，並以功率-電壓曲線為追蹤參考規範。以第一圖(b)說明本發明之最大功率追蹤範例，例如系統在某一時刻所偵測到的電壓、電流及計算之功率分別落在電流-電壓曲線上的A點，即功率-電壓曲線上的A’點；經計算功率增量ΔP =P n + 1 -P n 落在(Pρ1 ,Pρ2 )的臨界區範圍外，則系統立即採功率增量追蹤，並以功率-電壓曲線為追蹤參考規範，驅使功率曲線上的A’點快速移向C’點，追蹤直到功率臨界點Pρ1 為止；其間，相對於電流-電壓曲線上的A點移向C，追蹤直到臨界點ρ1 為止；功率增量法則在此區域的追蹤功能比傳統增量電導法則，其受控變化能力比較靈敏且明確。同樣地，倘若系統所偵測到的電壓、電流及計算之功率分別落在電流-電壓曲線上的B點，即功率-電壓曲線上的B’點；如前述，相同的功率增量法則將被採用進行追蹤現象。倘若系統所偵測到的電壓、電流及計算之功率分別落在(Pρ1 ,Pρ2 )的臨界點範圍內，亦即相當於(ρ1 ,ρ2 )範圍內，則系統將立即啟動增量電導追蹤之微調追蹤，並以電流-電壓曲線作為追蹤規範，因此系統可以非常迅速在增量電導準則下到達最大功率點C(即ΔV/ΔI =-I/V )，並對應於最大功率點C’(即dP/dV =0)。這項技術不但可以改善增量電導法的緩慢的追蹤速度，而且能確保最大功率追蹤的準確性，並提高最大功率追蹤效率。第二圖(a)-(b)分別顯示本發明提出之PI-INC MPPT法與增量電導法(INC MPPT)在落於MPP右側或者落於MPP左側時，其追蹤途徑之不同的波形圖。如第二圖(a)所示，當使用本發明提出之PI-INC MPPT法，而落在MPP右側時，將先使用功率-電壓曲線追蹤，當進入(ρ1 ,ρ2 )範圍內，則使用電流-電壓曲線追縱；如第二圖(b)所示，當使用本發明提出之PI-INC MPPT法，而落在MPP左側時，將先使用功率-電壓曲線追蹤，當進入(ρ1 ,ρ2 )範圍內，則使用電流-電壓曲線追縱。至於INC MPPT法，則不論其落點為何，均使用電流-電壓曲線追縱。
依據第一圖(a)，太陽能電池單元的電流與電壓特性可以表示如下：
其中I ph ：光產生電流，I pvo ：黑暗飽合電流，I pv ：PV電流，V pv ：PV電壓，R s ：串聯電阻，A ：非理想因數,k ：Boltzman常數，T ：溫度，q ：電荷。而一太陽能板(或一PV陣列)的輸出功率可表示為
PV陣列的最大功率點(MPP)發生於當
亦即，
根據公式(4)，使用INC-MPPT技術之PV陣列的最大功率點的標準是
參考第一圖(b),在P pv -V pv 曲線上之dP pv /dV pv =0是等於在i pv -v p v 特性曲線上之MPP點dI pv /dV pv =-I pv /V pv 。在穩態時，一個增量可以簡化其表達為
或由下式所代表
從I pv -V pv 曲線所示ΔC，本發明所提出之INC MPPT法之邊界為
而當，
或者
電導差值ΔC 是在TTZ以外。
其中，電導差值ΔC 被定義為
該兩比率ρ 1 與ρ 2 是實數。公式(6)永遠是負值，因為ΔI pv 和ΔV pv 具有相反的符號。據此，從公式(8)與(10)，可知
或者
此外，由(4)，
dP pv =V pv dI pv +I pv dV pv 　(14)，
藉由微分法，(14)是近似於
dP pv ΔP pv =V pv ΔI pv +I pv ΔV pv 　(15)。
所有增量可以定義如下：
ΔP =P n +1 -P n 　(16)
ΔV =V n +1 -V n 　(17)
以及
ΔI =I n +1-I n 　(18)。
其中，所有的下標pv 被省略，使其簡化，因此，ΔP =ΔP pv ， ΔV =ΔV pv ，且ΔI =ΔI pv 。已知追蹤邊界定義於(8)中，在TTZ中之等義的追蹤邊界是
P ρ 1 >ΔP >P ρ 2 　(19)。
在此情況下，使用該PI-INC MPPT法的控制器將藉由INC MPPT法，朝向MPP執行精確的電壓-增量追蹤，但是卻仍然被使用PI法之規則(21)與(22)所監控。此外，當所量測的功率差ΔP 是在TTZ之外，則PI粗調追蹤被維持。
ΔP >P ρ 1 　(20)
或者
ΔP <P ρ 2 　(21)。
將1加到(6)中，得到
以及
(1 -ρ 1 )ΔVI n + 1 >ΔIV n + 1 +ΔVI n + 1 >(1 -ρ 2 )ΔVI n + 1 　(23)，
或者
(1 -ρ 1 )ΔVI n + 1 >ΔP >(1 -ρ 2 )ΔVI n + 1 　(24)。
因為ΔV 與ΔI 具有相反的符號，且ρ2 >ρ1 ，當ΔV >0時，(24)是真確的。而TTZ中一個一般性的追蹤參考邊界的形式如下
(1 -ρ 1 )|ΔV |I n + 1 >ΔP >(1 -ρ 2 )|ΔV |I n + 1 　(25)。
在(23)中的兩個功率門檻界線被定義為
P ρ 1 ≡(1-ρ 1 )|ΔV |I n +1 　(26)
以及
P ρ 2 ≡(1-ρ 2 )|ΔV |I n +1 　(27)。
PI-INC MPPT法可總結如下：
(1)從(16)可知，假定ΔP =0 ，則系統會運作於MPP，且PI-INC MPPT法會以INC-MPPT保持該系統鎖定於MPP。
(2)當ΔP≠0 但是ΔP 在TTZ中時，如在(19)中，PI-INC MPPT法會以INC MPPT微調，使該系統朝向MPP。
(3)當ΔP≠0 但是ΔP 在TTZ外時，如在(20)或(21)中，PI-INC MPPT法會以PI粗調，使該系統朝向如(26)或(27)所律定之兩個功率門檻界線的其中之一。
如第三圖(a)所示為一依據本發明構想較佳實施例之光電系統，其為一光電充電器，包含一功率增量輔助之增量電導(PI-INC)最大功率點追蹤(MPPT)控制器(未顯示，僅示知其輸出訊號為由PI-INC MPPT控制器所引導之具VFCD的PWM)，該控制器使用一變頻及固定責任週期控制(VFCD control)，且由一控制圖表所引導，其中該控制圖表包括一光電電流對光電電壓(Ipv-Vpv)曲線及一光電功率對光電電壓(Ppv-Vpv)曲線、一光電電流就光電電壓變率對光電電壓(dIpv/dVpv-Vpv)曲線、一光電電流就光電電壓變率對系統控制頻率(dIpv/dVpv-fs)曲線以及一輸出功率對系統控制頻率(Po-fs)曲線(上述各種曲線如第四圖所示)。此外，該光電系統更包括一光電陣列(PV array)、一交錯式返馳轉換器、一電池、二極體D1與DT1、電容CB和反閘A2。該交錯式返馳轉換器電連接於該光電陣列，該電池電連接於該交錯式返馳轉換器。該交錯式返馳轉換器包括一第一返馳式轉換器(返馳(1)，具開關QF1、變壓器T1與二極體DFs1)與一第二返馳式轉換器(返馳(2)，具開關QF2、變壓器T2與二極體DFs2)，該第一返馳式轉換器並聯電連接於該第二返馳式轉換器，且該第一與該第二返馳轉換器自該PI-INC MPPT控制器接收一脈波寬調變訊號(即該具VFCD的PWM)，以使該系統進行一最大功率點追蹤(MPPT)。
在第三圖(a)中，假設變壓器內部電阻r Lm 被忽略，且所有兩個返馳轉換器的變數都是一樣的，以利於分析。此外，兩個返馳轉換器所依賴的太陽照度水準，假定是運作於不連續-連續導通模式(DCM)與邊界導通模式(BCM)間，但為易於分析，僅BCM模式被考量。第三圖(b)預測從PV陣列汲取之即時的一次側電流i p1 與i p2 和在節點M合成為i s =i o,if =i B 之二次測輸出電流i s1 與i s2 ，以藉由脈波模式對電池(其為一鉛酸電池)充電。
來自PV陣列之IFC之即時的一次側電流i p1 與i p2 可被定義為
兩個在合成前的輸出電流假定是一樣的，且已知為
從(30)可得到，輸出電流I o , if =I s ，
從公式(31)，可以得到控制到輸出之轉換函數(參看第三圖(c))，已知為
輸出功率對切換頻率將為
公式(33)被放在第四圖之控制圖表中，做為設計參考。在最大功率轉換時，IFC之阻抗Z IFC 應當與PV陣列之阻抗Z pv 共軛：
其中，
Z IFC =j 2πf s L m 　(35)
且
在最大功率轉換時，
使用VFCD之PI-INC MPPT的演算法描繪於第五圖(a)-(b)中。該演算法是依據推導所得之公式(8)與(19)予以程式化，且參考第四圖所示之控制圖表。該演算法的大綱列示於第五圖(a)-(b)中。在第五圖(a)之主程式將抽樣來自PV陣列的即時資訊做為新數據，用於一如第五圖(b)如示之副程式中。該副程式首先使用來自主程式之數據以計算即時之PV電壓、電流與功率，之後進而應用公式(8)與(19)中之標準來執行PI-INC MPPT。主程式一開始提供一個執行方向Dn，其為1或0，以改變頻率俾各自減低或增加PV電流，因此，一開始是朝向MPP而為PI微調或INC粗調。在此演算法中，一功率差異比較是參考(19)而與(26)之Pρ1和(27)之Pρ2來完成的。申言之，藉由該兩功率不等式(20)與(21)，追蹤的方向是很容易決定的。
設計與實驗
按照第五圖(a)-(b)的流程圖之PI-INC MPPT的演算法，由一dsPIC33FJ06GS202微晶片執行模擬。另外，進行一個實驗，設置兩個串接的PV陣列，具有一最大250W之功率，且包括一個規格為45AH之鉛酸電池，其電路架構如第三圖(a)所示；該光電充電器具有24A之正的峰值電流脈波。該IFC當以責任週期0.26自PV陣列汲取能量時，其交錯式頻率fs設定為14.6kHz(其為太陽照度1Kw/m2 時，MPP之頻率)。第六圖(a)-(b)分別顯示使用VFCD控制之IFC的反應，其中第六圖(a)為輸出電流對切換頻率，第六圖(b)為輸出功率對切換頻率；其中實線為模擬結果，虛線為實驗結果(包括太陽照度為1Kw/m2 、600w/m2與300w/m2等三種不同情況)。在第六圖(a)-(b)中模擬的結果相當接近實驗量測之結果。可見PI-INC MPPT的追蹤(控制)圖表(參見第四圖)對實務的設計是極有助益的。
第七圖(a)-(b)分別呈現透過IFC自PV陣列汲取之交錯式高頻微小脈波電流(ip1,ip2)以及在太陽照度1Kw/m2 時之MPP所量測之交錯式二次測電流(is1,is2)。所有的峰值電流都近似於24A，其中量測之波形是與第三圖(b)所預測者相同。第八圖針對不同太陽照度改變時之動態追蹤行為來比較PI-INC MPPT法與INC-MPPT法，其中響應至MPP之追蹤時間是就五種太陽照度的改變之劇本而估計的。此一比較揭露，在一個大的太陽照度改變時，PI-INC MPPT法較INV-MPPT具有快3-4倍之追蹤績效。
實施例：
1.一種光電系統(photovoltaic system)，包含：一功率增量輔助之增量電導(PI-INC)最大功率點追蹤(MPPT)控制器，使用一變頻及固定責任週期控制(VFCD control)，且由一控制圖表所引導，其中該控制圖表包括：一光電電流對光電電壓(Ipv-Vpv)曲線及一光電功率對光電電壓(Ppv-Vpv)曲線；一光電電流就光電電壓變率對光電電壓(dIpv/dVpv-Vpv)曲線；一光電電流就光電電壓變率對系統控制頻率(dIpv/dVpv-fs)曲線；以及一輸出功率對系統控制頻率(Po-fs)曲線。
2.根據實施例1所述之系統，其中該系統是選自由一光電充電器、一光電直流鏈轉換器與一光電逆變器所組成之一群組的其中之一。
3.根據實施例1或2所述之系統，其中當該系統是該光電充電器時，更包括一光電陣列(PV array)、一交錯式返馳轉換器與一電池，該交錯式返馳轉換器電連接於該光電陣列，該電池電連接於該交錯式返馳轉換器，該交錯式返馳轉換器包括一第一返馳式轉換器與一第二返馳式轉換器，該第一返馳式轉換器並聯電連接於該第二返馳式轉換器，且該第一與該第二返馳轉換器自該PI-INC MPPT控制器接收一脈波寬調變訊號，以使該系統進行一最大功率點追蹤(MPPT)。
4.根據以上任一實施例所述之系統，其中當該Ipv-Vpv曲線上之一電導微分率(conductance derivative ratio)位於一大於一第一比率與小於一第二比率之門檻追蹤帶(threshold tracking zone)中時，該控制器使用該Ipv-Vpv曲線以進行一增量電導微調追蹤(INC fine tracking)，而當該電導微分率位於該門檻追蹤帶之外時，該控制器使用該Ppv-Vpv曲線以進行一功率增量粗調追蹤(PI coarse tracking)，當該第一比率為ρ1，而該第二比率為ρ2時，-ρ 1 >>-ρ 2 ，Vpv為該光電陣列之一輸出電壓，Ipv為該光電陣列之一輸出電流，ΔIpv為該Ipv之一變動值，且ΔVpv為該Vpv之一變動值。
5.一種光電系統(photovoltaic system)，包含：一功率增量輔助之增量電導(PI-INC)最大功率點追蹤(MPPT)控制器，使用一變頻及固定責任週期控制(VFCD control)，且由一光電電流對光電電壓(Ipv-Vpv)曲線及一光電功率對光電電壓(Ppv-Vpv)曲線所引導。
6.根據實施例5所述之系統，其中該PI-INC MPPT控制器更受一光電電流就光電電壓變率對光電電壓(dIpv/dVpv-Vpv)曲線、一光電電流就光電電壓變率對系統控制頻率(dIpv/dVpv-fs)曲線以及一輸出功率對系統控制頻率(Po-fs)曲線所引導。
7.一種光電系統(photovoltaic system)，包含：一控制器，其電路特性係由一光電電流對光電電壓(Ipv-Vpv)曲線及一光電功率對光電電壓(Ppv-Vpv)曲線所構成。
8.一種用於一光電系統之控制方法，其中該光電系統具有一控制器，包含下列之步驟：提供一光電電流對光電電壓(Ipv-Vpv)曲線、一光電功率對光電電壓(Ppv-Vpv)曲線與一大於一第一比率與小於一第二比率之門檻追蹤帶(threshold tracking zone)，以引導該控制器；使該控制器運用一變頻及固定責任週期控制(VFCD control)來進行一最大功率點追蹤(MPPT)；當該Ipv-Vpv曲線上之一電導微分率(conductance derivative ratio)位於該門檻追蹤帶中時，使該控制器運用該Ipv-Vpv曲線以進行一增量電導微調追蹤(INC fine tracking)；以及當該電導微分率位於該門檻追蹤帶之外時，使該控制器運用該Ppv-Vpv曲線以進行一功率增量粗調追蹤(PI coarse tracking)。
9.根據實施例8所述之方法，其中該光電系統更包括一光電陣列，當該第一比率為ρ1，而該第二比率為ρ2時，-ρ 1 >>-ρ 2 ，Vpv為該光電陣列之一輸出電壓，Ipv為該光電陣列之一輸出電流，ΔIpv為該Ipv之一變動值，而ΔVpv為該Vpv之一變動值，其中該當該Ipv-Vpv曲線上步驟更包括下列之步驟：當該電導微分率小於該ρ1時，透過該控制器使該Vpv增加一正值之該ΔVpv，並透過該Ppv-Vpv曲線以得知該光電陣列之一輸出功率Ppv之一變動值ΔPpv，且當該ΔPpv/ΔVpvdPpv/dVpv=0時，則停止，其中該dPpv/dVpv為該Ppv對該Vpv之微分值；當該電導微分率大於該p2時，透過該控制器使該Vpv減少一正值之該ΔVpv，並透過該Ppv-Vpv曲線以得知該光電陣列之該輸出功率Ppv之該變動值ΔPpv，且當該ΔPpv/ΔVpvdPpv/dVpv=0時，則停止；當ρ1≦該電導微分率≦ρ2，且ΔIpv/ΔVpv>-Ipv/Vpv時，透過該控制器使該Vpv增加一正值之該ΔVpv，並透過該Ipv-Vpv曲線以得知該光電陣列之該輸出電流Ipv之該變動值ΔIpv，且當ΔIpv/ΔVpv=-Ipv/Vpv時，則停止；以及當ρ1≦該電導微分率≦ρ2，且ΔIpv/ΔVpv<-Ipv/Vpv時，透過該控制器使該Vpv減少一正值之該ΔVpv，並透過該Ipv-Vpv曲線以得知該光電陣列之該輸出電流Ipv之該變動值ΔIpv，且當ΔIpv/ΔVpv=-Ipv/Vpv時，則停止。
10.一種操作一光電系統之一控制器之方法，包括：提供一光電電流對光電電壓(Ipv-Vpv)曲線及一光電功率對光電電壓(Ppv-Vpv)曲線，用於決定一電導(衍生比率)是否已進入一門檻追蹤帶。
綜上所述，本發明在於提供一種具使用變頻及固定責任週期控制之功率增量輔助之增量電導最大功率點追蹤控制器之光電系統及其方法，該技術由功率增量追蹤(PI-MPPT)和增量電導追蹤(INC-MPPT)組成，即在電流與電壓曲線上C點周圍，變化較顯著的區域範圍設定門檻追蹤帶(threshold tracking zone)，若功率增量落入該門檻追蹤帶範圍內，則系統立即進入增量電導的微調追蹤，並以電流-電壓曲線為追蹤參考規範；反之，若功率增量落在該門檻追蹤帶範圍外，則系統立即進行功率增量的粗調追蹤，並以功率-電壓曲線為追蹤參考規範，使所提議之光電系統於進行最大功率追蹤時具有較快之響應與較佳之最大功率輸出效率，故其確實具有進步性與新穎性。
是以，縱使本案已由上述之實施例所詳細敘述而可由熟悉本技藝之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。
第一圖(a)：其係顯示一典型太陽電池單元之等效電路圖；
第一圖(b)：其係顯示一具有指定之門檻追蹤帶之Ipv-Vpv和Ppv-Vpv特性曲線之波形圖；
第二圖(a)-(b)：其係分別顯示本發明提出之PI-INC MPPT法與增量電導法(INC MPPT)在落於MPP右側或者落於MPP左側時，其追蹤途徑之不同的波形圖；
第三圖(a)：其係顯示一依據本發明構想之較佳實施例之光電充電器之電路圖；
第三圖(b)：其係顯示一如第三圖(a)所示之光電充電器隨著太陽照度之改變其預測之動態狀態的波形圖；
第三圖(c)：其係顯示一如第三圖(a)所示之光電充電器自PV陣列汲取能量之控制至輸出之模組的等效電路圖；
第四圖：其係顯示一依據本發明構想之較佳實施例的之光電充電器之控制器的控制圖表之波形圖；
第五圖(a)：其係顯示一依據本發明構想之較佳實施例的使用VFCD之PI-INC MPPT的演算法之程式流程圖；
第五圖(b)：其係顯示一依據本發明構想之較佳實施例的使用VFCD之PI-INC MPPT的演算法之副程式的流程圖；
第六圖(a)-(b)：分別顯示使用VFCD控制之光電充電器在不同之太陽光度下的輸出電流對切換頻率以及輸出功率對切換頻率之波形圖；
第七圖(a)-(b)：分別顯示透過IFC自PV陣列汲取之交錯式高頻微小脈波電流(ip1,ip2)以及在太陽照度1Kw/m2 時之MPP所量測之交錯式二次測電流(is1,is2)；以及
第八圖：其係顯示一針對不同太陽照度改變時之動態追蹤行為來比較PI-INC MPPT法與INC-MPPT法之波形圖。

Claims (10)

  1. 一種光電系統(photovoltaic system)，包含：一功率增量輔助之增量電導(PI-INC)最大功率點追蹤(MPPT)控制器，使用一變頻及固定責任週期控制(VFCD control)來進行一最大功率點追蹤(MPPT)，且由一控制圖表所引導，其中該控制圖表包括：一光電電流對光電電壓(Ipv-Vpv)曲線及一光電功率對光電電壓(Ppv-Vpv)曲線；一光電電流就光電電壓變率對光電電壓(dIpv/dVpv-Vpv)曲線；一光電電流就光電電壓變率對系統控制頻率(dIpv/dVpv-fs)曲線；一輸出功率對系統控制頻率(Po-fs)曲線；以及一大於一第一比率與小於一第二比率之門檻追蹤帶(threshold tracking zone)，其中當該Ipv-Vpv曲線上之一電導微分率(conductance derivative ratio)位於該門檻追蹤帶中時，使該控制器運用該Ipv-Vpv曲線以進行一增量電導微調追蹤(INC fine tracking)，且當該電導微分率位於該門檻追蹤帶之外時，使該控制器運用該Ppv-Vpv曲線以進行一功率增量粗調追蹤(PI coarse tracking)。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光電系統，其中該系統是選自由一光電充電器、一光電直流鏈轉換器與一光電逆變器所組成之一群組的其中之一。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之光電系統，其中當該系統是該光電充電器時，更包括一光電陣列(PV array)、一交錯式返馳轉換器與一電池，該交錯式返馳轉換器電連接於該光電陣列，該電池電連接於該交錯式返馳轉換器，該交錯式返馳轉換器包括一第一返馳式轉換器與一第二返馳式轉換器，該第一返馳式轉換器並聯電連接於該第二返馳式轉換器，且該第一與該第二返馳轉換器自該PI-INC MPPT控制器接收一脈波寬調變訊號，以使該系統進行一最大功率點追蹤(MPPT)。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之光電系統，其中當該第一比率為ρ1，而該第二比率為ρ2時，，Vpv為該光電陣列之一輸出電壓，Ipv為該光電陣列之一輸出電流，△Ipv為該Ipv之一變動值，且△Vpv為該Vpv之一變動值。
  5. 一種光電系統(photovoltaic system)，包含：一功率增量輔助之增量電導(PI-INC)最大功率點追蹤(MPPT)控制器，使用一變頻及固定責任週期控制(VFCD control)來進行一最大功率點追蹤(MPPT)，且由一光電電流對光電電壓(Ipv-Vpv)曲線 、 一光電功率對光電電壓(Ppv-Vpv)曲線及一大於一第一比率與小於一第二比率之門檻追蹤帶(threshold tracking zone)所引導，其中當該Ipv-Vpv曲線上之一電導微分率(conductance derivative ratio)位於該門檻追蹤帶中時，使該控制器運用該Ipv-Vpv曲線以進行一增量電導微調追蹤(INC fine tracking)，且當該電導微分率位於該門檻追蹤帶之外時，使該控制器運用該Ppv-Vpv曲線以進行一功率增量粗調追蹤(PI coarse tracking)。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之光電系統，其中該PI-INC MPPT控制器更受一光電電流就光電電壓變率對光電電壓(dIpv/dVpv-Vpv)曲線、一光電電流就光電電壓變率對系統控制頻率(dIpv/dVpv-fs)曲線以及一輸出功率對系統控制頻率(Po-fs)曲線所引導。
  7. 一種光電系統(photovoltaic system)，包含：一控制器，進行一最大功率點追蹤(MPPT)，且其電路特性係由一光電電流對光電電壓(Ipv-Vpv)曲線 、 一光電功率對光電電壓(Ppv-Vpv)曲線及一大於一第一比率與小於一第二比率之門檻追蹤帶(threshold tracking zone)所構成，其中當該Ipv-Vpv曲線上之一電導微分率(conductance derivative ratio)位於該門檻追蹤帶中時，使該控制器運用該Ipv-Vpv曲線以進行一增量電導微調追蹤(INC fine tracking)，且當該電導微分率位於該門檻追蹤帶之外時，使該控制器運用該Ppv-Vpv曲線以進行一功率增量粗調追蹤(PI coarse tracking)。
  8. 一種用於一光電系統之控制方法，其中該光電系統具有一控制器，包含下列之步驟：提供一光電電流對光電電壓(Ipv-Vpv)曲線、一光電功率對光電電壓(Ppv-Vpv)曲線與一大於一第一比率與小於一第二比率之門檻追蹤帶(threshold tracking zone)，以引導該控制器；使該控制器運用一變頻及固定責任週期控制(VFCD control)來進行一最大功率點追蹤(MPPT)；當該Ipv-Vpv曲線上之一電導微分率(conductance derivative ratio)位於該門檻追蹤帶中時，使該控制器運用該Ipv-Vpv曲線以進行一增量電導微調追蹤(INC fine tracking)；以及當該電導微分率位於該門檻追蹤帶之外時，使該控制器運用該Ppv-Vpv曲線以進行一功率增量粗調追蹤(PI coarse tracking)。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之用於一光電系統之控制方法，其中該光電系統更包括一光電陣列，當該第一比率為ρ1，而該第二比率為ρ2時，，Vpv為該光電陣列之一輸出電壓，Ipv為該光電陣列之一輸出電流，△Ipv為該Ipv之一變動值，而△Vpv為該Vpv之一變動值，其中該當該Ipv-Vpv曲線上步驟更包括下列之步驟：當該電導微分率小於該ρ1時，透過該控制器使該Vpv增加一正值之該△Vpv，並透過該Ppv-Vpv曲線以得知該光電陣列之一輸出功率Ppv之一變動值△Ppv，且當該△Ppv/△VpvdPpv/dVpv=0時，則停止，其中該dPpv/dVpv為該Ppv對該Vpv之微分值；當該電導微分率大於該ρ2時，透過該控制器使該Vpv減少一正值之該△Vpv，並透過該Ppv-Vpv曲線以得知該光電陣列之該輸出功率Ppv之該變動值△Ppv，且當該△ Ppv/△VpvdPpv/dVpv=0時，則停止；當ρ1≦該電導微分率≦ρ2，且△Ipv/△Vpv>-Ipv/Vpv時，透過該控制器使該Vpv增加一正值之該△Vpv，並透過該Ipv-Vpv曲線以得知該光電陣列之該輸出電流Ipv之該變動值△Ipv，且當△Ipv/△Vpv=-Ipv/Vpv時，則停止；以及當ρ1≦該電導微分率≦ρ2，且△Ipv/△Vpv<-Ipv/Vpv時，透過該控制器使該Vpv減少一正值之該△Vpv，並透過該Ipv-Vpv曲線以得知該光電陣列之該輸出電流Ipv之該變動值△Ipv，且當△Ipv/△Vpv=-Ipv/Vpv時，則停止。
  10. 一種操作一光電系統之一控制器之方法，包括：使用一變頻及固定責任週期控制(VFCD control)來進行一最大功率點追蹤(MPPT)；提供一光電電流對光電電壓(Ipv-Vpv)曲線、一光電功率對光電電壓(Ppv-Vpv)曲線及一大於一第一比率與小於一第二比率之門檻追蹤帶(threshold tracking zone)，用於決定一電導(衍生比率)是否已進入該門檻追蹤帶；當該Ipv-Vpv曲線上之該電導(衍生比率)位於該門檻追蹤帶中時，使該控制器運用該Ipv-Vpv曲線以進行一增量電導微調追蹤(INC fine tracking)；以及當該電導(衍生比率)位於該門檻追蹤帶之外時，使該控制器運用該Ppv-Vpv曲線以進行一功率增量粗調追蹤(PI coarse tracking)。
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