TWI600997B

TWI600997B - A solar power system maximum power tracking device

Info

Publication number: TWI600997B
Application number: TW105133554A
Authority: TW
Inventors: Shun-Zhong Wang; Yi-Hua Liu
Priority date: 2016-10-18
Filing date: 2016-10-18
Publication date: 2017-10-01
Also published as: TW201816537A

Description

一種太陽能發電系統之最大功率追蹤裝置

本發明係有關於一種太陽能發電系統之最大功率追蹤裝置，特別是關於一種利用一決定型杜鵑鳥搜尋法以使一太陽能電池之一輸出電壓逐步收斂至一功率最大化電壓之最大功率追蹤裝置。

由於工業發展大量消耗了煤、石油及化石燃料，能源短缺問題乃浮現；另一方面逐漸增加的二氧化碳排放量也造成全球氣候變遷，動、植物棲息地遭受破壞及全球暖化等問題。這些現象均說明了人類對地球的破壞會影響人類的生活環境，情況嚴重的話則可能會威脅到人類的生存。因此，為降低對地球環境之破壞，須找尋新且乾淨之能源，也就是各界所說的綠色能源，包括地熱能、潮汐能、風力能、生物能及太陽能等。其中太陽能為目前最受重視之綠色能源之一，原因在於太陽能為低汙染、不需燃料成本且是取之不盡、用之不竭的能源。

太陽能於2014年營收成長率為12%，高達1兆610億美元，主要原因在於現今太陽能電池的發電效率已較以往提高許多，加上製作成本低廉，因此如何有效應用太陽能能源已成為重要之課題。於綠色能源中，太陽能是最方便取得且乾淨的能源，但由於目前商用太陽能電池的發電效率仍不盡理想，加上太陽光並非全時皆處於全照度狀態且周遭環境之綠樹或建築物都可能影響太陽光照射的強度而導致太陽能的電池功率-電壓特性曲線產生變化，為維持太陽能電池於最佳輸出狀態，便須尋找太陽能電池的最大功率輸出點的位置，此技術稱為最大功率追蹤(Maximum Power Point Tracking, MPPT)技術。

常見的最大功率追蹤控制技術包含開路電壓法、短路電流法、直接量測法、擾動觀察法及增量電導法等。由於各種最大功率追蹤控制技術皆有其優、缺點，使用者須進行評估方能尋找出適合系統的最佳控制技術。太陽能電池最大功率追蹤演算法相關研究方向可分為兩部分說明:

1.由於最大功率追蹤演算法於暫態追蹤時會產生功率損失，為減少追蹤功率損失並提升應變外在環境變化之能力，如何擁有理想的暫態響應便成為重要課題。

2.太陽能發電系統在操作於穩態時，須避免演算法於最大功率點附近振盪，並準確地將操作點置於最大功率點位置以提升整體輸出效率，從而降低追蹤損失。因此如何準確地找尋太陽能電池之最大功率點亦為太陽能發電系統中不可或缺的一環。

由以上兩部分說明可清楚得知最大功率追蹤技術講求追蹤快速及高穩態追蹤精確度，由於傳統固定步階式擾動觀察法會有暫態及穩態響應之權衡問題，故眾多學者提出各式各樣之變動步階式控制法則，期望克服固定步階式擾動觀察法之問題，進而提升整體系統效率。有文獻利用太陽能電池功率-電壓特性曲線之斜率作為步階變化的依據，將傳統增量電導法改進成變動步階式控制，進而提升系統之穩態響應。然而，太陽能電池功率-電壓曲線斜率並非對稱曲線，因此，此作法將造成左半平面追蹤速度較慢的情況。另外有文獻提出自動調整步階的最大功率追蹤法，其係利用增量電導法關係式獲得步階變化曲線以改善變動步階式增量電導法之斜率不足而導致暫態響應過慢之問題。有學者考慮到照度改變可能造成演算法錯追的問題，當照度改變時，利用短路電流使操作點直接放置於最大功率點附近，以降低照度改變時的追蹤功率損失，從而提升暫態響應表現。此外，亦有文獻提出於太陽能發電系統到達穩態時使用二次趨近以改善穩態響應。也有文獻僅使用一感測元件感測電流，利用關係式計算獲得責任週期及電流相互關係以進行演算法判斷，從而降低電路成本。該文獻除了變動步階亦加入變動頻率來加快追蹤速度及提升穩態追蹤精確度，但須加入較多的判斷方能達到成效，故其演算法較複雜且較不易實現。也有文獻使用二進位趨近法以免除於每段區間須執行追蹤重置之情況，並提出自適應二進位及逐步遞減方法，以結合兩者的優勢進行最大功率追蹤以達到降低追蹤功率損失以及提升整體系統效率之目的。也有文獻以增量電導法為基礎應用模糊控制於太陽能發電系統中，以降低程式運算時間及複雜度，從而提升追蹤速度。

雖然習知已有如上述之多種追蹤方法，但其效能仍有改進的空間。

本發明之主要目的在於提供一種可使太陽能電池工作在最大功率輸出狀態之最大功率追蹤裝置，其採用一種決定型杜鵑鳥搜尋法。相較於傳統的杜鵑鳥搜尋法，本發明所採用的決定型杜鵑鳥搜尋法可免除傳統杜鵑鳥搜尋法所牽涉的複雜的列維飛行(Levy Flight)模式運算，從而降低程式的計算量及複雜度。

為達到上述目的，一種太陽能發電系統之最大功率追蹤裝置乃被提出，其具有：

一升壓轉換器，具有一輸入端、一控制端及一輸出端，該輸入端係用以與一太陽能電池耦接，該控制端係用以接收一脈衝寬度調變信號，且該輸出端係用以與一負載耦接；以及

一數位控制器，用以依一韌體程式執行一決定型杜鵑鳥搜尋法以調整該脈衝寬度調變信號之一責任週期，以使該太陽能電池之一輸出電壓逐步收斂至一功率最大化電壓，其中該決定型杜鵑鳥搜尋法包括：

第一步驟：依序使該輸出電壓停留在三個不同電壓值並對應地測得該太陽能電池之三個功率輸出值，並將所述三個不同電壓值中與所述三個功率輸出值中的最大者相對應的一電壓值儲存在一第一記憶單元中，將所述三個不同電壓值中與所述三個功率輸出值中的第二大者相對應的一電壓值儲存在一第二記憶單元中，將所述三個不同電壓值中與所述三個功率輸出值中的最小者相對應的一電壓值儲存在一第三記憶單元中；

第二步驟：依所述第二記憶單元的儲存值及所述第一記憶單元的儲存值進行一第一電壓變動量計算程序以產生一第一電壓變動量命令，且依該第一電壓變動量命令調整所述的責任週期以使該太陽能電池輸出一暫定第二大功率電壓，並測得該太陽能電池在輸出該暫定第二大功率電壓時之一功率輸出值；及依所述第三記憶單元的儲存值、所述第二記憶單元的儲存值及所述第一記憶單元的儲存值進行一第二電壓變動量計算程序以產生一第二電壓變動量命令，且依該第二電壓變動量命令調整所述的責任週期以使該太陽能電池輸出一暫定最小功率電壓，並測得該太陽能電池在輸出該暫定最小功率電壓時之一功率輸出值，其中所述第一電壓變動量計算程序及所述第二電壓變動量計算程序均包含乘以一變動比例因子α之一乘法運算，0＜α＜1；

第三步驟：針對與所述第一記憶單元對應的功率輸出值、與該暫定第二大功率電壓對應的功率輸出值及與該暫定最小功率電壓對應的功率輸出值進行比較，以在所述第一記憶單元的儲存值、該暫定第二大功率電壓及該暫定最小功率電壓中找出產生最大功率輸出值之一新的最大功率電壓，產生第二大功率輸出值之一新的第二大功率電壓，及產生最小功率輸出值之一新的最小功率電壓，並將所述新的最大功率電壓存入所述第一記憶單元中，將所述新的第二大功率電壓存入所述第二記憶單元中以及將所述新的最小功率電壓存入所述第三記憶單元中；以及

第四步驟：返回第二步驟。

在一實施例中，該第二步驟之所述第二電壓變動量計算程序包含一換邊計算程序。

在一實施例中，該第二步驟之所述第二電壓變動量計算程序進一步包含一數值限制程序以限制該暫定最小功率電壓的上限及下限。

在一實施例中，該決定型杜鵑鳥搜尋法進一步包含一照度改變判斷步驟以決定是否回到所述第一步驟。

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，其繪示本發明太陽能發電系統之最大功率追蹤裝置之一實施例方塊圖。如圖1所示，該太陽能發電系統之最大功率追蹤裝置包含一升壓轉換器100及一數位控制器110。

升壓轉換器100具有一輸入端、一控制端及一輸出端，該輸入端係用以與一太陽能電池200耦接，該控制端係用以接收一脈衝寬度調變信號V _PWM，且該輸出端係用以與一負載300耦接。

數位控制器110，可由一DSP(digital signal processing；數位信號處理)晶片實現，用以依一韌體程式執行一決定型杜鵑鳥搜尋法以產生該脈衝寬度調變信號V _PWM，以使該太陽能電池之一輸出電壓V _PV逐步收斂至一功率最大化電壓，其中該決定型杜鵑鳥搜尋法包括：

第一步驟：依序使該輸出電壓V _PV停留在三個不同電壓值並對應地測得該太陽能電池200之三個功率輸出值，並將所述三個不同電壓值中與所述三個功率輸出值中的最大者相對應的一電壓值儲存在一第一記憶單元中，將所述三個不同電壓值中與所述三個功率輸出值中的第二大者相對應的一電壓值儲存在一第二記憶單元中，將所述三個不同電壓值中與所述三個功率輸出值中的最小者相對應的一電壓值儲存在一第三記憶單元中；

第二步驟：依所述第二記憶單元的儲存值及所述第一記憶單元的儲存值進行一第一電壓變動量計算程序以產生一第一電壓變動量命令，且依該第一電壓變動量命令調整該脈衝寬度調變信號V _PWM以使該太陽能電池200輸出一暫定第二大功率電壓，並測得該太陽能電池200在輸出該暫定第二大功率電壓時之一功率輸出值(V _PV*I _PV)；及依所述第三記憶單元的儲存值、所述第二記憶單元的儲存值及所述第一記憶單元的儲存值進行一第二電壓變動量計算程序以產生一第二電壓變動量命令，且依該第二電壓變動量命令調整該脈衝寬度調變信號V _PWM以使該太陽能電池200輸出一暫定最小功率電壓，並測得該太陽能電池200在輸出該暫定最小功率電壓時之一功率輸出值(V _PV*I _PV)；

第四步驟：返回第二步驟。

在該第二步驟中，所述第二電壓變動量計算程序可包含一換邊計算程序(其內容將在後面段落中說明)，且該換邊計算程序可包含一數值限制程序以限制該暫定最小功率電壓的上限及下限。

以下將針對本發明的原理進行說明：

太陽能電池電氣特性：

太陽能電池之電氣特性為一非線性電源，其電壓與電流之間係一指數曲線的關係，因此當太陽能電池輸出電壓變動時，其輸出電流也會隨之變動。圖2為太陽能電池單二極體等效電路，由圖2可得知太陽能電池輸出電壓與電流之關係式可表示為

(1)

其中 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td><img wi="37" he="23" file="02_image003.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 太陽能電池輸出電流 </td><td><img wi="20" he="27" file="02_image005.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 光電轉換電流 </td></tr><tr><td><img wi="22" he="23" file="02_image007.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 二極體等效電流 </td><td><img wi="39" he="23" file="02_image009.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 太陽能電池輸出電壓 </td></tr><tr><td><img wi="24" he="23" file="02_image011.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 並聯等效電阻 </td><td><img wi="23" he="23" file="02_image013.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 串聯等效電阻 </td></tr><tr><td><img wi="13" he="20" file="02_image015.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 載子電荷量(<img wi="93" he="22" file="02_image017.jpg" img-format="jpg"></img>) </td><td><img wi="13" he="15" file="02_image019.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 理想因子 (1至2之間) </td></tr><tr><td><img wi="20" he="17" file="02_image021.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 波茲曼常數(<img wi="130" he="22" file="02_image023.jpg" img-format="jpg"></img>) </td><td><img wi="15" he="17" file="02_image025.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 絕對溫度 </td></tr></TBODY></TABLE>

由於太陽能電池的並聯電阻之阻值遠大於串聯電阻之阻值，故(1)式可化簡成

(2)

為了方便觀察環境溫度與照度改變時對太陽能電池輸出特性曲線之影響，可將式(2)整理成為

(3)

當太陽光照度上升時，半導體因照射光能量增加使轉出的電能量增加，故太陽能電池之光電轉換電流隨之增加。由式(2)得知，太陽能電池輸出電流與光電轉換電流成正比，因此照度增加時，太陽能電池輸出電流亦會有顯著的增加，又由式(3)可知，因自然對數之存在，故太陽能電池輸出電壓於照度上升時只有些微的變化，因此可畫出不同照度下之太陽能電池特性曲線，如圖3a-3b所示，其中圖3a繪示太陽能電池之一電流-電壓曲線；圖3b繪示太陽能電池之一功率-電壓曲線。

太陽能最大功率追蹤系統硬體架構：

本發明所實現之系統架構包含了太陽能電池模擬機、升壓式轉換器及數位信號處理器控制核心三大部分。一般太陽能電池輸出電壓普遍過低，所以需經過轉換器來提升輸出電壓，故本發明硬體電路架構採用升壓式轉換器。控制器部分則採用數位訊號處理器來實現。將取樣所得之太陽能電池輸出電壓及電流訊號輸入至數位訊號處理器進行最大功率追蹤運算，便可計算出適當之責任週期訊號來控制升壓式轉換器開關動作，以達到最大功率追蹤之目的。

升壓型轉換器為直流-直流轉換器的一種，係由電感(L)、電容(C)、二極體(D1)及功率開關(Q)所組成，其架構圖如圖4所示。其中功率開關MOSFET操作於截止區與飽和區，並藉由責任週期的控制來調整升壓轉換器之輸出電壓及電流。假設各元件皆為理想狀態，當開關導通時，輸入電壓跨接於電感L之兩端，因此對電感L儲能，電感電流呈線性上升，二極體D1因逆向偏壓而截止，此時電容C對負載供電；當開關截止時，因電感電流無法瞬間改變流向，因此二極體D1順向導通，此時電感對輸出負載端釋能。若 D為責任比，則由圖4所示之連續導通模式(Continues Conduction Mode，CCM)操作之升壓型轉換器的輸出入電壓轉換比可推導得到為

(4)

太陽能最大功率追蹤系統韌體架構：

太陽能電池的輸出特性曲線為一非線性曲線，曲線的頂點被稱為「最大功率點」。為了成功尋找太陽能電池的最大功率點，便需要一個良好的控制法則及精確度高的控制器，故本發明選用dsPIC33FJ16GS502數位訊號處理器作為最大功率追蹤控制之數位控制核心，其控制系統架構如圖5所示。首先由取樣電路取樣太陽能電池輸出電壓及電流並將其送至數位訊號處理器，經過類比/數位(A/D)轉換後再進入數位濾波器濾波，接著由數位訊號處理器中之最大功率追蹤程式運算得到電壓命令，最後利用PID補償器計算出責任週期以控制升壓式轉換器之開關，以達到最大功率追蹤之功效。

數位濾波器：

由於本發明採用數位控制來實現太陽能最大功率追蹤技術，故選用數位濾波器來協助處理輸入微處理機之電壓、電流訊號。而數位濾波器轉移函數經Z轉換後可表示成

(5)

於(5)式中，若分母係數u ₁,u ₂,u ₃…u _M皆為零，則表示此轉移函數為有限脈衝響應濾波器之轉移函數。有限脈衝響應濾波器雖然須利用較多濾波階數，但其擁有絕對穩定及設計較簡單之優點，故本發明選用有限脈衝響應濾波器當作最大功率追蹤系統之取樣系統濾波器。將有限脈衝響應濾波器之轉移函數轉換成差分方程式，如(6)式所示，其中m為濾波器之階數，y _i為運算係數。

(6)

有限脈衝響應濾波器之工作原理示意如圖6所示，其中為當前取樣訊號、為前次取樣訊號、為前兩次取樣訊號，以此類推至前m次，y ₀至y _m-1為濾波器各項係數。首先將當前訊號和之前各次訊號與相對應係數進行乘法運算，再將其輸出加總即完成一次濾波，接著等待下次取樣訊號並執行前述相同動作，重複此動作之執行即可達到濾波效果。

數位PID控制器：

圖7所示為PID控制結構方塊圖，PID控制器其原理是將輸出結果與命令的誤差，利用比例、積分及微分運算後所得之結果對受控體進行控制。為使系統輸出與命令值相同，因此將命令值 x(t)與輸出回授量 y(t)相減後可產生一誤差量 e(t)，再經過PID控制器運算後得出一輸出控制量 u(t)，如式(7)所示。其中K _p代表比例增益、K _I代表積分增益、K _D代表微分增益。

(7)

式(7)為一連續型PID控制器，因為數位控制系統之輸入與輸出訊號都以離散形式存在，故無法直接套用於數位控制系統中，需採用離散化的方法針對數位取樣進行運算，再利用尤拉(Euler)近似積分與微分法，如式(8)、(9)、(10)所示

(8)

(9)

(10)

根據式(8)、(9)、(10)可得到離散型PID控制器表示式，如(11)式所示，其中 e(n)為目前系統誤差量、 e(n-1)為系統前一次誤差量、T為取樣週期。

(11)

數位訊號處理器內建之暫存器具有固定位元寬度，若以數位訊號處理器實現數位PID控制會因式(11)積分項之存在而可能發生積分飽和之問題，導致數位訊號處理器內建暫存器因持續累加而溢位，間接影響數位PID控制器之控制量。為了預防積分飽和之問題發生，本發明採用增量型PID控制器，其表示式如式(12)所示，其中為輸出變動量、 e(n)為目前系統誤差量、 e(n-1)為系統前一次誤差量、 e(n-2)為系統前兩次誤差量及T為取樣週期，而增量型PID控制只與現在誤差量、前一次誤差量及前兩次誤差量有關，因此可避免積分飽和之問題。

(12)

本發明所提的增量型PID程式實現流程如圖8所示，首先將輸出命令值與當下輸出取樣值相減後得誤差值 e( n)，再將前一次誤差量 e( n-1)及前兩次誤差量 e( n-2)分別運算後可得A、B及C值，再將其值代入式(12)，即可得到一輸出變動量Δ u，其輸出結果(PID _out)等於Δ u與前一次的責任週期量(Duty)相加，再與所設定之責任週期上下限比較，若輸出結果小於Duty _min或大於Duty _max時，則輸出結果分別等於Duty _min或Duty _max，最後依據PID _out來產生所要的責任週期，以達到穩定輸出電壓或電流之目的。

本發明所提的最大功率追蹤演算法：

杜鵑鳥搜尋法則：

杜鵑鳥搜尋法其靈感來自於杜鵑鳥的寄生與繁殖策略，其寄生與繁殖策略可分為以下三種：

1.與同種生物個體進行生存競爭：其行為如同演算法裡各粒子進行性能比較競爭。

2.與原巢主合作一起育雛：其行為如同粒子個體與被比較之粒子個體互相平衡，故不取代其粒子個體。

3.直接佔領原巢主之鳥巢：其行為如同粒子個體相較於原粒子個體更加強大，故可取而代之，鳩佔鵲巢之意。

而文獻所提到之列維飛行模式(Levy flight pattern)為由2004年德國物理學家Dirk Brockmann所發現之模式。Dirk Brockmann於鈔票流通規則研究中發現在大部分的時間裡，鈔票只會在小區域範圍流通，僅有小部分時間鈔票會流通至較遠的地方。而列維飛行模式就如同動物覓食模式，於大多時間裡只會於附近尋找食物覓食，只有少數時間裡會跑至遠方尋找食物覓食，其示意圖由圖9所示，而文獻將其理論套用於杜鵑鳥搜尋鳥巢之策略，其速度向量可表示為

(13)

其中為下一次速度向量、為系統目前速度向量、a為限制變動量因子、為左邊項目分別相乘右邊個別項目符號及為列維飛行函數，而關係式可表示為

(14)

其中l為系統亂數、為飛行長度，且經由參數設計條件，可觀察出列維飛行參數之範圍可由零至無限大，以利於搜尋全域最大功率點位置。

利用杜鵑鳥搜尋法於最大功率追蹤實現之程式流程如圖10所示，首先，先將參數初始化設定，取樣太陽能電池其輸出電壓及電流，計算出太陽能電池之功率，判斷各電壓粒子之距離，若距離小於0.1，表示已追至最大功率點附近，若此時適應值，表示其功率有上升或下降之趨勢，則表示照度改變情況發生，程式重新初始化；若判斷無照度改變情況發生，則繼續判斷其功率是否大於零，若其功率小於零，則直接進入程式末端，不紀錄此次之適應值；反之，若功率大於零，則判斷其時間是否到達所設定之時間，若時間還未到達指定時間，而此次之輸出功率大於前次適應值，則將其輸出電壓及功率紀錄下來；若此次輸出功率未大於前次適應值，則不將其輸出電壓及功率紀錄下來；另一方面，若時間計數至指定時間，且Lévy = 0，利用式(13)計算出下次之電壓命令；若Lévy=1，則捨去所儲存最差之適應值，創造一個新的電壓命令，達到列維飛行之效果，最後依據上述流程持續反覆進行。

決定型杜鵑鳥搜尋法：

由於杜鵑鳥搜尋法程式過於複雜，須計算隨機亂數以及次方函數，計算相當複雜，於實際低成本數位訊號處理器上實現較為困難，且錯綜複雜的判斷及運算可能會增加數位訊號處理器之誤判機率並增加追蹤時間，導致追蹤性能降低，故本發明提出決定型杜鵑鳥搜尋法，在維持前述演算法之理念及其追蹤表現性能之前提下，改善其錯綜複雜之程式流程，利用簡易之判斷及運算達到優越之追蹤性能。本發明所提之決定型杜鵑鳥搜尋法基本操作原理如圖11所示，系統一開始會先以固定位置的三點電壓命令( 、、 )進行取樣，若將三者間具最大功率之電壓點稱之為、於最大與最小功率間之電壓點稱之為、最小功率之電壓點稱之為，若能使與電壓點各自朝向電壓點移動，持續前述動作使與電壓點接近電壓點，便可達到最大功率追蹤之功效，其電壓命令變動關係式如式(15)、式(16)所示，其中D V _cmd _,b 為 V _b 之電壓命令變動量、D V _cmd _,c 為 V _c 之電壓命令變動量、a為變動比例因子。

(15)

(16)

然而決定型杜鵑鳥搜尋法在運作時存在一缺點，當初始粒子點電壓點設置不恰當，將導致系統無法順利追蹤至系統之最大功率點，故本發明提出防止錯追之換邊機制，以避免此情況發生，其防止錯追之換邊機制之動作原理如圖12所示。當程式判斷 V _a _,1電壓點位於三點之最左側或最右側時，程式會啟動換邊機制， V _a _,1電壓點將維持不動，因此 V _a _,1電壓點等於 V _a _,2電壓點， V _c _,1電壓點移至 V _a _,1電壓點的另一側，此時最小 V _c _,2電壓點命令可由(17)計算得到，因三點成一斜直線，故 V _b _,1電壓點與 V _a _,1電壓點距離較短，利用此距離作為換邊機制之變動量，可防止換邊距離過大而導致追蹤速度降低之情形。

(17)

決定型杜鵑鳥搜尋法其操作流程如圖13所示，首先，設置粒子初始擺放位置0＜ par1, par2, par3＜100%及變動比例因子0＜a＜1，其次取樣太陽能電池之開路電壓，進行初始粒子擺放作業及取樣各粒子點之輸出電壓及電流來計算各輸出功率值，接下來判斷是否有照度改變之情況發生，若發生照度改變，則系統重新開始；反之，尋找各粒子點之最大、中間值及最小功率點，進行換邊機制需求判斷，倘若經判斷不需使用換邊機制，此時下一次 V _a _{,
new}電壓點維持於 V _a 電壓點，下一次 V _b _{,
new}電壓點由前次 V _b 電壓點以( V _a - V _b )之a倍朝向前次 V _a 電壓點移動，下一次 V _c _{,
new}電壓點由 V _c 電壓點以( V _a - V _c )之a倍朝向前次 V _a 電壓點移動；反之若最大功率點為最大電壓點或最小電壓點，則表示需進行換邊機制模式，此時之下一次 V _a _{,
new}電壓點則繼續維持於 V _a 電壓點，而下一次 V _b _{,
new}電壓點由前次 V _b 電壓點以( V _a - V _b )之a倍朝向前次 V _a 電壓點移動，而下一次 V _c _{,
new}電壓點需進行換邊機制，換至 V _a 電壓點之另一側，利用 V _a 電壓點為定位點以( V _a - V _b )之a倍朝向 V _b 電壓點的反方向移動，最後再判斷換邊點 V _c _{,
new}是否超過程式所設定之邊界，倘若超過邊界值，將其固定所設定之邊界內，以防止系統產生錯誤之電壓命令，將上述流程反覆運作即可追蹤至最大功率點。流程圖中照度改變判斷是依據各粒子點之電壓差及功率差來做判斷，若各粒子點間電壓差小於0.1，表示其已追至最大功率點附近，理論上功率不會有太大之差異，但若此時功率差大於10瓦特以上，則表示有照度改變之情況發生。

韌體程式實現：

本發明選用數位訊號處理器來實現控制核心，圖14所示為韌體主程式實現架構，其中包括數位訊號處理器內部工作環境設定及初始化、輸入/輸出腳位選擇、中斷需求設計、類比/數位轉換器(ADC)、脈波寬度調變(PWM)及計時器周邊相關設定。首先數位訊號處理器初始化程式中所使用之變數，對內部振盪器進行初始化設定，規劃輸入/輸出埠腳位，設計定時器(TIMER)、類比/數位轉換器(ADC)及脈波寬度調變(PWM)模組並致能類比/數位轉換器(ADC)及脈波寬度調變(PWM)模組中斷向量，接著主程式將進入無限迴圈等待中斷發生。本發明中斷僅使用ADC中斷，其可細分為取樣、濾波、最大功率追蹤副程式三大部分，取樣部分利用類比/數位轉換器將類比量轉換成數位量輸入至數位訊號處理器。為防範高頻雜訊影響程式誤判，本發明使用16階有限脈衝響應濾波器以消除高頻雜訊，還原真實信號。此外，太陽能電池發電系統實際日照變化緩慢，因此本發明設計0.2秒計算一次電壓命令，由於程式設計ADC中斷時間間隔為1 ms，故將timecount 設計於200，當計數未數至200次時，僅對太陽能電池輸入電壓、電流取樣值進行FIR濾波，利用PID運算來追隨太陽能最大功率追蹤副程式所給予之電壓命令以達到準確之電壓追蹤；反之，若計數至200，則表示已經過0.2秒，則判斷升壓轉換器輸入端是否有供電，若有供電則進行最大功率追蹤副程式，將timecount歸零以便下次重新計數；反之，若無供電，則將timecount歸零以便下次重新計數，且進入休息模式。依序將上述之動作反覆運作即可完成最大功率追蹤。

實驗驗證與結果比較分析：

實驗環境與設備：

為測試本發明所提的決定型杜鵑鳥最大功率追蹤搜尋法之正確性，於實際測試時使用AMETEK公司所推出之TerraSAS ETS 600X8 D-PVE太陽能電池模擬機，模擬HESPV公司所推出型號為 HES-50之太陽能電池(共串5片)做為系統輸入來源，太陽能電池電氣規格如表1所示，經串聯後其對應之太陽能電池模擬曲線之電氣規格如表2所示，所產生太陽能電池模擬曲線則如圖15所示。功率級電路為升壓式轉換電路，其規格如表3所示，控制級電路採用Microchip公司所推出之dsPIC33FJ16GS502數位訊號處理器做為控制核心來控制功率級電路之功率開關以達到系統最大功率追蹤。

表1. HES-50太陽能電池模組之電氣規格 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 型號 </td><td> HES-50 </td></tr><tr><td> 最大功率<img wi="33" he="27" file="02_image087.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 50 W </td></tr><tr><td> 開路電壓<img wi="24" he="23" file="02_image089.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 22.1 V </td></tr><tr><td> 短路電流<img wi="23" he="23" file="02_image091.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 3.14 A </td></tr><tr><td> 最大功率點電壓<img wi="33" he="27" file="02_image093.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 17.2 V </td></tr><tr><td> 最大功率點電流<img wi="31" he="27" file="02_image095.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 2.91 A </td></tr></TBODY></TABLE>

表2. 五片一串太陽能電池模組之電氣規格 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 最大功率<img wi="33" he="27" file="02_image087.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 250W </td></tr><tr><td> 開路電壓<img wi="24" he="23" file="02_image089.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 110.5V </td></tr><tr><td> 短路電流<img wi="23" he="23" file="02_image091.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 3.14 A </td></tr><tr><td> 最大功率點電壓<img wi="33" he="27" file="02_image093.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 88.52 V </td></tr><tr><td> 最大功率點電流<img wi="31" he="27" file="02_image095.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 2.84 A </td></tr></TBODY></TABLE>

表3. 升壓式轉換器規格 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 輸入電壓(<img wi="23" he="23" file="02_image097.jpg" img-format="jpg"></img>) </td><td> 70~120V </td></tr><tr><td> 輸出電壓(<img wi="20" he="23" file="02_image098.jpg" img-format="jpg"></img>) </td><td> 180V </td></tr><tr><td> 輸出功率(<img wi="20" he="23" file="02_image100.jpg" img-format="jpg"></img>) </td><td> 250W </td></tr><tr><td> 開關切換頻率(<img wi="20" he="23" file="02_image102.jpg" img-format="jpg"></img>) </td><td> 50kHz </td></tr><tr><td> 輸出電壓漣波(D<i>V<sub>o</sub></i>/<i>V<sub>o</sub></i>) </td><td> 1% </td></tr><tr><td> 輸出電流漣波(D<i>I<sub>o</sub></i>/<i>I<sub>o</sub></i>) </td><td> 20% </td></tr></TBODY></TABLE>

測量項目及性能評估定義：

在進行各太陽能最大功率追蹤方法之比較時，須建立一套標準之量測項目及性能表現評估準則，方可達到比較之公正性。本發明定義下列量測項目準則以進行比較，其示意圖如圖16所示。

1.上升時間 :由功率初始值升至95 %最大功率線所需的時間。

2.穩定時間 :由功率初始值至振幅小於±1%最大功率線(99%最大功率線)範圍內所需的時間。

3.穩態平均功率:紀錄穩態後1秒之功率總和，並除以紀錄資料數量所得。

4.穩態追蹤精確度:將上述穩態平均功率除以最大功率值所得之數據。

5.追蹤電能損失:紀錄追蹤功率值至10秒，再利用最大功率值減去各功率追蹤點數值可得，其中10秒之設定主要是根據模擬結果，各方法之穩定時間最大值為5秒，故將其乘以2以兼顧評估暫態及穩態時之追蹤電能損失。

6.平均追蹤功率損失:利用上述之追蹤電能損失除以10秒可得。

太陽能發電系統之能量來自於太陽光，而在正常一天當中，太陽能之照度會隨著地球的自轉而產生變化，但其變化幅度不大且變化時間區間長，代表太陽能發電系統會長時間處於穩定狀態，僅有少部分時間需要重新執行最大功率追蹤，故本發明將穩態追蹤精確度設置為第一優先考量項目，次要為平均追蹤功率損失，最後才為上升時間及穩態時間之考量，因此本發明追蹤性能評估準則定義為

(18)

由(18)式，穩態追蹤精確度、上升時間表現及穩定時間表現利用前述量測方法即可得知，而平均追蹤功率損失其性質則與前幾項因素不同，其數值越大性能表現就越差，故本發明尋找出各方法之最大平均追蹤功率損失，利用最大平均功率損失與平均功率損失之差值來計算其平均追蹤功率損失表現。

模擬結果：

為驗證所提的最大功率追蹤法之正確性與性能改善，模擬結果會與先前技術，包含固定步階式擾動觀察法和變動步階式擾動觀察法(含比例因子M法、數位PI控制擾動觀察法、自適應變動步階式增量電導法)做比較。進行各最大功率追蹤演算法之模擬時，皆以步階(step)來表示最大功率追蹤命令變動值，本發明將一步階定義為0.2秒來對各最大功率追蹤演算法進行紀錄。表4所示為固定步階式擾動觀察法模擬結果，其固定步階( )採用1 V、3 V及5 V來進行模擬及分析比較，由表4可清楚看出固定步階式擾動觀察法之權衡問題，當固定步階值為5 V時，雖有較快追蹤速度使得10秒內之追蹤電能損失較少，但因其無法達到本發明定義之穩定狀態，故穩定時間無限長，且其穩態追蹤精確度低，若將追蹤電能損失計算時間拉長，會使得此值無限增加；而當固定步階值為1 V時，穩態追蹤精確度高，但因其追蹤速度慢導致上升時間及穩定時間都較長，因此也影響到追蹤電能損失，大幅降低其性能表現分數；而當固定步階值為3 V時，其各項量測值表現平均，使得其性能表現分數最高，故本發明將選用此設計參數值與所提出之演算法進行比較及分析。

表4. 固定步階式擾動觀察法模擬結果 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 步階值量測項目 </td><td><img wi="91" he="23" file="02_image112.jpg" img-format="jpg"></img></td><td><img wi="93" he="23" file="02_image114.jpg" img-format="jpg"></img></td><td><img wi="93" he="23" file="02_image116.jpg" img-format="jpg"></img></td></tr><tr><td> 上升時間 </td><td> - 秒 </td><td> 5 秒 </td><td> 3.2 秒 </td></tr><tr><td> 穩定時間 </td><td> - 秒 </td><td> 5.8 秒 </td><td> - 秒 </td></tr><tr><td> 穩態平均功率 </td><td> 180.68 W </td><td> 257.65 W </td><td> 252.78 W </td></tr><tr><td> 穩態追蹤精確度 </td><td> 69.7 % </td><td> 99.4 % </td><td> 97.52 % </td></tr><tr><td> 追蹤電能損失 </td><td> 7523.9 J </td><td> 2933.3 J </td><td> 1956.9 J </td></tr><tr><td> 平均追蹤功率損失 </td><td> 150.48 W </td><td> 58.67 W </td><td> 39.14 W </td></tr><tr><td> 性能表現 </td><td> 46.77 分 </td><td><b>82.973</b> 分 </td><td> 81.398 分 </td></tr></TBODY></TABLE>

接著針對三種變動步階式最大功率追蹤演算法進行模擬，由於各演算法都需調整參數方能得到系統之較佳值，故利用試誤法依所定義之評估法則依序找尋各演算法之較佳性能表現分數。各演算法之最佳性能表現參數值列於表5，可觀察出各演算法穩態追蹤精確度都可達到100 %，此現象可看出變動步階式控制與傳統固定步階式控制之差異，另外也可發現各演算法之上升及穩定時間都相同，表示其受限於電壓變動命令最大值，故變動步階式控制雖解決固定步階式步階大小設計之權衡問題，但衍生出步階最大值之權衡問題。由性能表現分數可得知三種方法中變動步階式擾動觀察法分數最高，故選擇變動步階式擾動觀察法來與所提出之演算法進行實測比較及分析。

表5. 變動步階式各演算法模擬結果 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 各方法量測項目 </td><td> 變動步階式擾動觀察法 (M=0.17) </td><td> 數位PI控制擾動觀察法 (K<sub>p</sub>=0.45,K<sub>i</sub>=20) </td><td> 自適應變動步階式增量電導法 <img wi="102" he="26" file="02_image118.jpg" img-format="jpg"></img></td></tr><tr><td> 上升時間 </td><td> 3.2 秒 </td><td> 3.2 秒 </td><td> 3.2 秒 </td></tr><tr><td> 穩定時間 </td><td> 3.8 秒 </td><td> 3.8 秒 </td><td> 3.8 秒 </td></tr><tr><td> 穩態平均功率 </td><td> 259.21 W </td><td> 259.19 W </td><td> 259.21 W </td></tr><tr><td> 穩態追蹤精確度 </td><td> 100 % </td><td> 100 % </td><td> 100 % </td></tr><tr><td> 追蹤電能損失 </td><td> 1787.7 J </td><td> 1789.6 J </td><td> 1811.7 J </td></tr><tr><td> 平均追蹤功率損失 </td><td> 35.76 W </td><td> 35.79 W </td><td> 36.23 W </td></tr><tr><td> 性能表現 </td><td><b>89.424</b><b>分</b></td><td> 89.415 分 </td><td> 89.377 分 </td></tr></TBODY></TABLE>

另外，本發明將變動因子分成16等分，其原因為於數位化實現中，數值除法會增加運算所需時間及困難度，因此利用2的倍數當作分母，利用二進位之特性，於程式中將資料左移或右移來執行除法以簡化運算，而16/16數值為1，此數值將導致系統誤判最大功率點，故在此不將其列入模擬及實作比較及分析探討。表6列出均勻照度下各種不同變動因子a下之模擬結果，可看出隨著變動因子愈大，其系統穩定時間愈快，性能表現分數也愈高。

表6. 決定型杜鵑鳥搜尋法於不同a下之模擬結果 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 變動因子a </td><td> 性能表現 </td><td> 變動因子a </td><td> 性能表現 </td><td> 變動因子a </td><td> 性能表現 </td></tr><tr><td> 1/16 </td><td> 79.79分 </td><td> 6/16 </td><td> 94.02分 </td><td> 11/16 </td><td> 96.50分 </td></tr><tr><td> 2/16 </td><td> 85.85分 </td><td> 7/16 </td><td> 94.02分 </td><td> 12/16 </td><td> 96.50分 </td></tr><tr><td> 3/16 </td><td> 89.85分 </td><td> 8/16 </td><td> 94.02分 </td><td> 13/16 </td><td> 96.50分 </td></tr><tr><td> 4/16 </td><td> 91.92分 </td><td> 9/16 </td><td> 94.02分 </td><td> 14/16 </td><td> 96.50分 </td></tr><tr><td> 5/16 </td><td> 93.12分 </td><td> 10/16 </td><td> 94.02分 </td><td><b>15/16</b></td><td><b>96.50</b><b>分</b></td></tr></TBODY></TABLE>

另外，所提出之決定型杜鵑鳥搜尋法亦可使用於部分遮蔽之情況，因其擁有粒子群演算法之精神，利用分散之粒子點逐步搜尋最大功率點之特性，即可增加其命中全區域之最大功率點之機率，故於模擬時，亦把部分遮蔽之情況考慮於比較中。由於是選用5個太陽能電池進行串聯，每個照度最小相差100W/m ²且考慮照度不重複之情況，可計算出共有252( )不同種遮蔽情況。針對252種不同之遮蔽情況進行模擬，整理出252種遮蔽情況模擬結果，如圖17所示。由成功追到最大功率之命中率可得知，於均勻照度下最佳性能表現之變動因子a為15/16，但其在252種遮蔽情況模擬結果不盡理想；反觀變動因子a為9/16時，其命中率高達249次，僅有3種遮蔽情況無法成功命中全區域之最大功率點。由於實際應用環境無法滿足全時均能處於均勻照度，故本發明將部分遮蔽情況加入評估考量，最後選用將變動因子a設為9/16 來實現並與其他方法進行比較及分析。

將各種演算法中所模擬結果之性能表現較優者列於表7。由表中可知擾動觀察法實現容易且結構簡單，但其步階設計須考慮權衡問題，而文獻中提出之三種變動步階式控制演算法皆解決了固定步階式擾動觀察法的權衡問題，也因此獲得良好之穩態響應，但卻會增加程式運算之複雜度，同時無法解決擾動觀察法於部分遮蔽情況下被限制於區域最大功率點，而導致錯追現象發生之問題；而本發明所提出之決定型杜鵑鳥搜尋法不僅解決固定步階式擾動觀察法之設計權衡問題，亦成功達到部分遮蔽之全區域最大功率高命中率，其唯一缺點同時也是所有演算法之缺點，即為無法適用於各種太陽能電池曲線，即變動因子a需依照系統特性進行模擬方能尋找到適用於該系統之最佳值。

表7. 各種演算法之模擬結果比較 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 追蹤演算法量測項目 </td><td><img wi="93" he="23" file="02_image114.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 變動步階式擾動觀察法 (M=0.17) </td><td> 決定型杜鵑鳥搜尋法 a=15/16 </td></tr><tr><td> 上升時間 </td><td> 5 秒 </td><td> 3.2 秒 </td><td> 0.6秒 </td></tr><tr><td> 穩定時間 </td><td> 5.8 秒 </td><td> 3.8 秒 </td><td> 1.8秒 </td></tr><tr><td> 穩態平均功率 </td><td> 257.65 W </td><td> 259.21 W </td><td> 259.21 W </td></tr><tr><td> 穩態追蹤精確度 </td><td> 99.4 % </td><td> 100 % </td><td> 100 % </td></tr><tr><td> 追蹤電能損失 </td><td> 2933.3 J </td><td> 1787.7 J </td><td> 412.69 J </td></tr><tr><td> 平均追蹤功率損失 </td><td> 58.67 W </td><td> 35.76 W </td><td> 8.25 W </td></tr><tr><td> 性能表現 </td><td><b>82.973</b> 分 </td><td><b>89.424</b> 分 </td><td><b>96.77</b>分 </td></tr></TBODY></TABLE>

實測結果：

本發明實測與模擬環境條件相同，各演算法皆以0.2秒更新一次最大功率追蹤命令進行實測，其中固定步階式擾動觀察法與變動步階式擾動觀察法僅測試一般均勻照度(Standard Test Condition, STC)情況，而本發明所提出之決定型杜鵑鳥搜尋法將增加部分遮蔽情況測試。由模擬結果得知選用電壓變動命令D V _cmd = 3V時固定步階式擾動觀察法性能表現最佳，故將電壓變動命令設為3 V來進行實測，實測波形如圖18所示並記錄其相關量測項目數據；採用最佳性能表現之變動步階式擾動觀察法，其比例因子M設計值為0.17來進行實際測試，其實測追蹤波形如圖19所示。本發明決定型杜鵑鳥搜尋法實測分為一般均勻照度實測，和部分遮蔽實測。使用最佳變動因子a設計值9/16進行一般均勻照度實測，其實測追蹤波形圖如下圖20所示。

圖21為圖20波形之放大顯示，其中電壓-時間追蹤波形圖之步數標示可與圖22數字點連結，可依此判斷本發明所提方法是否正確。由圖21可得知初始1、2、3點為初始粒子點設定，其為設置於0.85、0.5及0.15倍的開路電壓值，於圖22可看出一開始就形成一斜直線，依據防止錯追換邊機制原則，當發生此情況需進行換邊作業，故可於圖21中第4及第5點之變化看出此時系統將保留第1點位置，並繼續將各操作點往第6點位置移動，於搜尋至第6、7、1點時又可於圖22看出此時各功率點呈現一斜直線，需進行換邊作業，故可於圖21第8及第9點變化看出，此時系統將目前最大功率點由第1點位置換至第6點位置，並繼續將各操作點往第6點位置移動。依照前述之程序持續進行即可完成最大功率追蹤。

部分遮蔽情況發生將造成太陽能電池特性曲線出現多個峰值，而峰值之多寡取決於有多少種不同照度層級。本發明採用5組太陽能電池串聯進行實測，故最極端之情況將會出現五種不同照度層級導致特性曲線形成五個峰值點。當五個太陽能電池照度分別為100W/m ²、200W/m ²、300W/m ²、500W/m ²及900W/m ²時，全域最大功率點將會出現於第二峰位置，全域最大功率點於第二峰位置之實測太陽能電池特性曲線圖如圖23所示，其最大功率 P _mpp 為56.18 W，最大功率之電壓點 V _mpp 為36.54 V，最大功率之電流點 I _mpp 為1.537 A。實測之追蹤波形圖如圖24，其波形放大如圖25所示，其中電壓-時間追蹤波形圖之步數標示可與圖25數字點連結，可得知初始1、2、3點為初始粒子點設定，其為設置於0.85、0.5及0.15倍的開路電壓值，其中第2點為三者中之最大值，故第1、3點朝第2點位置移動形成第4、5點位置，接著將第2、4、5點進行分析，可得知第5點為最大點且為三點之最左側，因此需進行換邊動作，將第5點設定為最大點位置，將三者中最小點第4點位置換至最大點位置之另一側即達成換邊動作，而第2點則繼續朝著最大點第5點位置移動，之後持續上述動作即可追蹤至全域之最大功率點位置，達成全域最大功率追蹤之目的，由圖26中可看到收斂後追蹤精確度為99.83%。

實驗結果比較及分析：

將各演算法模擬與實測結果進行比較並列於表8，由表8中可看出本發明實際測試與模擬結果差距甚小，故可驗證本發明所模擬數據之正確性。於實際測試結果中，可觀察出固定步階式擾動觀察法由於無法隨著時間調整步階大小而無法同時滿足上升時間短與穩態追蹤精確度高之要求，故固定步階式擾動觀察法之上升時間、穩定時間及穩態追蹤精確度等均劣於其他兩者；而變動步階式擾動觀察法雖然成功克服固定步階式擾動觀察法之權衡問題，但也衍生出步階最大值之設計問題，過大之步階最大值會導致系統不穩定，反之，過小之步階最大值也會造成暫態響應速度過慢之情況，故變動步階式擾動觀察法須一一對各種不同之太陽能電池的電氣規格進行設計，增加設計困難度；而本發明所提出之決定型杜鵑鳥搜尋法可解決上述兩種演算法之問題，因此提升各項量測項目之表現。

表8. 各演算法模擬與實測比較表 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 演算法性能項目 </td><td> 固定步階擾動觀察法 </td><td> 固定步階擾動觀察法 </td><td> 決定型杜鵑鳥搜尋法 </td></tr><tr><td> 模擬結果 </td><td> 實測結果 </td><td> 模擬結果 </td><td> 實測結果 </td><td> 模擬結果 </td><td> 實測結果 </td></tr><tr><td> 上升時間 </td><td> 5 秒 </td><td> 4.6 秒 </td><td> 3.2 秒 </td><td> 2.8 秒 </td><td> 0.6秒 </td><td> 1.8 秒 </td></tr><tr><td> 穩定時間 </td><td> 5.8 秒 </td><td> 5.6 秒 </td><td> 3.8 秒 </td><td> 3.4 秒 </td><td> 2.8秒 </td><td> 3 秒 </td></tr><tr><td> 穩態平均功率 </td><td> 257.65 W </td><td> 248.61 W </td><td> 259.21 W </td><td> 249.8 W </td><td> 259.21 W </td><td> 251.16 W </td></tr><tr><td> 穩態追蹤精確度 </td><td> 99.4 % </td><td> 98.92 % </td><td> 100 % </td><td> 99.40 % </td><td> 100 % </td><td> 99.94 % </td></tr><tr><td> 追蹤電能損失 </td><td> 2933.3 J </td><td> 2082.49 J </td><td> 1787.7 J </td><td> 1092.89 J </td><td> 490.61 J </td><td> 502.62 J </td></tr><tr><td> 平均追蹤電能損失 </td><td> 58.67 W </td><td> 41.65 W </td><td> 35.76 W </td><td> 21.86 W </td><td> 9.81 W </td><td> 10.05 W </td></tr></TBODY></TABLE>

於暫態表現上，本發明的上升時間相較於固定步階式擾動觀察法降低了2.8秒，與變動步階式擾動觀察法相較降低了0.8秒；穩定時間相較於固定步階式擾動觀察法降低了2.6秒，與變動步階式擾動觀察法相較降低了0.4秒，因此得證本發明所提之方法擁有快速追蹤之優點。於穩態部分，固定步階式擾動觀察法進入穩態後會於最大功率點附近振盪導致穩態平均功率降低，其穩態平均功率僅有248.61 W，穩態追蹤精確度為98.92 %；由於變動步階式擾動觀察法加入可變之步階，大幅降低於最大功率點附近之振盪，與固定步階式擾動觀察法相較，可有效提升穩態追蹤精確度至99.40 %；本發明提出之決定型杜鵑鳥搜尋法穩態追蹤精確度為99.94 %，與前兩種方法相比各提升1.02 %與0.54%，故本發明之決定型杜鵑鳥搜尋法有較佳之穩態響應。於追蹤電能損失部分，由於固定步階式擾動觀察法其步階設計須考慮暫態及穩態響應表現之權衡問題，無法兼顧兩者表現，平均追蹤電能損失較多，而變動步階式擾動觀察法因暫態響應較固定步階式擾動觀察法快，故其平均追蹤電能損失較固定步階式擾動觀察法降低47.5 %；而本發明所提出之決定型杜鵑鳥搜尋法不論暫態及穩態響應均有良好的表現，因此其平均追蹤電能損失為三種方法中最低的，與固定步階式擾動觀察法相比減少75.87 %，與變動步階式擾動觀察法相比減少54.02%，故整體成績表現最佳。

結論：

本發明提出決定型杜鵑鳥搜尋法，本發明採用傳統杜鵑鳥搜尋法的精神及理念，但簡化其程式判斷及運算流程並將其實現於數位訊號處理器中，最後再與目前工業界較常被應用之擾動觀察法方法進行性能比較及評估分析。依照實測結果可得知擾動觀察法雖然可利用變動步階式來改善其暫態及穩態響應之權衡問題，但與本發明所提出之追蹤方法相較，本發明之追蹤方法既可應用於部分遮蔽之情況且不論暫態或穩態響應均有良好之表現，因此於上升時間、穩態時間、追蹤電能損失及平均追蹤電能損失方面之表現均為三者中之最佳者，且穩態追蹤精確度更高達99.94%，與變動步階式相較提升了0.5%。由上述可知本發明所提出之決定型杜鵑鳥搜尋法同時具備快速的暫態響應及高性能的穩態響應，也改善變動步階式無法應用於部分遮蔽之問題，因此本方法可於任何環境下成功達到太陽能電池最大功率追蹤之目的。

本發明所揭示者，乃較佳實施例，舉凡局部之變更或修飾而源於本發明之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者，俱不脫本發明之專利權範疇。

綜上所陳，本發明無論就目的、手段與功效，在在顯示其迥異於習知之技術特徵，且其首先發明合於實用，亦在在符合發明之專利要件，懇請　貴審查委員明察，並祈早日賜予專利，俾嘉惠社會，實感德便。

100‧‧‧升壓轉換器

110‧‧‧數位控制器

200‧‧‧太陽能電池

300‧‧‧負載

圖1繪示本發明太陽能發電系統之最大功率追蹤裝置之一實施例方塊圖。圖2為太陽能電池之單二極體等效電路圖。圖3a-3b分別為太陽能電池之一電流-電壓曲線及一功率-電壓曲線。圖4.繪示本發明所採之一升壓轉換器。圖5繪示本發明所採之一控制系統架構。圖6為本發明所採之一有限脈衝響應濾波器之工作原理示意圖。圖7為本發明所採之一PID控制結構方塊圖。圖8為本發明所提出之一增量型PID控制器流程圖。圖9為一列維飛行模式(Lévy flight pattern)示意圖。圖10繪示一杜鵑鳥搜尋法之程式流程圖。圖11繪示本發明所採之一決定型杜鵑鳥搜尋法之基本操作原理。圖12為本發明所採之一防止錯追之換邊機制操作示意圖。圖13為本發明所採之一決定型杜鵑鳥搜尋法之操作流程圖。圖14為本發明所採之一韌體主程式實現架構。圖15為太陽能電池之I-V，P-V模擬曲線圖。圖16繪示本發明所定義之量測項目準則。圖17繪示本發明在部分遮蔽情況下，不同a值成功追到最大功率之命中率。圖18.繪示一固定步階式擾動觀察法之一實測波形。圖19繪示一變動步階式擾動觀察法之一實測波形。圖20為本發明所採一決定型杜鵑鳥搜尋法於均勻照度下之一實測波形。圖21為決定型杜鵑鳥搜尋法於均勻照度實測功率和電壓波形放大。圖22為本發明所採之一決定型杜鵑鳥搜尋法之防止錯追、換邊機制操作圖。圖23繪示在本發明一實測操作中其第二峰為全域最大功率點之一追蹤波形。圖24為圖23之追蹤波形之放大圖。圖25為本發明所採之一換邊機制在第二峰為全域最大功率點時之一操作示意圖。圖26.為本發明第二峰為全域最大功率點之實測。

100‧‧‧升壓轉換器

110‧‧‧數位控制器

200‧‧‧太陽能電池

300‧‧‧負載

Claims

一種太陽能發電系統之最大功率追蹤裝置，其具有：一升壓轉換器，具有一輸入端、一控制端及一輸出端，該輸入端係用以與一太陽能電池耦接，該控制端係用以接收一脈衝寬度調變信號，且該輸出端係用以與一負載耦接；以及一數位控制器，用以依一韌體程式執行一決定型杜鵑鳥搜尋法以調整該脈衝寬度調變信號之一責任週期，以使該太陽能電池之一輸出電壓逐步收斂至一功率最大化電壓，其中該決定型杜鵑鳥搜尋法包括：第一步驟：依序使該輸出電壓停留在三個不同電壓值並對應地測得該太陽能電池之三個功率輸出值，並將所述三個不同電壓值中與所述三個功率輸出值中的最大者相對應的一電壓值儲存在一第一記憶單元中，將所述三個不同電壓值中與所述三個功率輸出值中的第二大者相對應的一電壓值儲存在一第二記憶單元中，將所述三個不同電壓值中與所述三個功率輸出值中的最小者相對應的一電壓值儲存在一第三記憶單元中；第二步驟：依所述第二記憶單元的儲存值及所述第一記憶單元的儲存值之差值進行一第一電壓變動量計算程序以產生一第一電壓變動量命令，且依該第一電壓變動量命令調整所述的責任週期以使該太陽能電池輸出一暫定第二大功率電壓，並測得該太陽能電池在輸出該暫定第二大功率電壓時之一功率輸出值；及依所述第三記憶單元的儲存值、所述第二記憶單元的儲存值及所述第一記憶單元的儲存值進行一第二電壓變動量計算程序以產生一第二電壓變動量命令，且依該第二電壓變動量命令調整所述的責任週期以使該太陽能電池輸出一暫定最小功率電壓，並測得該太陽能電池在輸出該暫定最小功率電壓時之一功率輸出值，其中所述第一電壓變動量計算程序及所述第二電壓變動量計算程序均包含乘以一變動比例因子α之一乘法運算，0<α<1，其中該第二電壓變動量計算程序包含一換邊機制需求判斷程序，其係在所述第一記憶單元的儲存值介於所述第二記憶單元的儲存值和所述第三記憶單元的儲存值之間時，依所述第三記憶單元的儲存值和所述第一記憶單元的儲存值之差值而產生所述第二電壓變動量命令；以及在所述第一記憶單元的儲存值未介於所述第二記憶單元的儲存值和所述第三記憶單元的儲存值之間時，依所述第二記憶單元的儲存值和所述第一記憶單元的儲存值之差值而產生所述第二電壓變動量命令；第三步驟：針對與所述第一記憶單元對應的功率輸出值、與該暫定第二大功率電壓對應的功率輸出值及與該暫定最小功率電壓對應的功率輸出值進行比較，以在所述第一記憶單元的儲存值、該暫定第二大功率電壓及該暫定最小功率電壓中找出產生最大功率輸出值之一新的最大功率電壓，產生第二大功率輸出值之一新的第二大功率電壓，及產生最小功率輸出值之一新的最小功率電壓，並將所述新的最大功率電壓存入所述第一記憶單元中，將所述新的第二大功率電壓存入所述第二記憶單元中以及將所述新的最小功率電壓存入所述第三記憶單元中；以及第四步驟：返回第二步驟。
如申請專利範圍第1項所述之太陽能發電系統之最大功率追蹤裝置，其中該第二步驟之所述第二電壓變動量計算程序進一步包含一數值限制程序以限制該暫定最小功率電壓的上限及下限。
如申請專利範圍第2項所述之太陽能發電系統之最大功率追蹤裝置，其進一步包含一照度改變判斷步驟以決定是否回到所述第一步驟。