TWI836961B - Solar energy optimization device, solar energy generation system and power conversion system using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本揭露是有關於一種功率優化裝置及應用其之發電系統與轉換系統,且特別是有關於一種太陽能功率優化裝置及應用其之太陽能發電系統與電源轉換系統。 The present disclosure relates to a power optimization device and a power generation system and a power conversion system using the same, and in particular to a solar power optimization device and a solar power generation system and a power conversion system using the same.
太陽能板能夠將太陽能轉為電能,是一種乾淨且環保的發電方式。為了減少環境的污染,太陽能發電技術已廣泛應用於各式建築、船舶或車輛上。 Solar panels can convert solar energy into electricity and are a clean and environmentally friendly way of generating electricity. In order to reduce environmental pollution, solar power generation technology has been widely used in various buildings, ships or vehicles.
由於太陽能板會隨著環境、光照等因素的影響,隨時都在改變其電流-電壓特性曲線。為了較佳的工作效率,通常會利用最大功率點追蹤(Maximum power point tracking,MPPT)技術,來取得最大功率點。 Because solar panels are constantly changing their current-voltage characteristic curves due to the influence of the environment, light, and other factors, in order to achieve better working efficiency, the maximum power point tracking (MPPT) technology is usually used to obtain the maximum power point.
本揭露係有關於一種太陽能功率優化裝置及應用其之太陽能發電系統與電源轉換系統,其利用控制電路對轉換電路之轉換參數進行調變,來拉升輸出電壓,使得各個太陽能板模組的輸出功率皆被個別優化,有效地高太陽能發電系統的工作效率。 The present disclosure relates to a solar power optimization device and a solar power generation system and power conversion system using the same, which uses a control circuit to modulate the conversion parameters of the conversion circuit to increase the output voltage, so that the output of each solar panel module The power is individually optimized to effectively increase the efficiency of the solar power generation system.
根據本揭露之一方面,提出一種太陽能功率優化裝置。太陽能功率優化裝置包括數個轉換電路及數個控制電路。各個轉換電路個別串接於一太陽能板模組。這些轉換電路與這些太陽能板模組串接於一最大功率點追蹤電路(Maximum power point tracking circuit,MPPT circuit)。最大功率點追蹤電路依據這些太陽能板模組決定一光伏電流。各個轉換電路用以將各個太陽能板模組之一光伏電壓轉換為一輸出電壓。各個控制電路用以調整各個轉換電路之一轉換參數,以拉升各個輸出電壓,使得相同之光伏電流之下,各個太陽能板模組的一輸出功率被優化。 According to one aspect of the present disclosure, a solar power optimization device is provided. The solar power optimization device includes several conversion circuits and several control circuits. Each conversion circuit is individually connected in series to a solar panel module. These conversion circuits and these solar panel modules are connected in series to a maximum power point tracking circuit (MPPT circuit). The maximum power point tracking circuit determines a photovoltaic current based on these solar panel modules. Each conversion circuit is used to convert a photovoltaic voltage of each solar panel module into an output voltage. Each control circuit is used to adjust a conversion parameter of each conversion circuit to increase each output voltage, so that the output power of each solar panel module is optimized under the same photovoltaic current.
根據本揭露之另一方面,提出一種太陽能發電系統。太陽能發電系統包括數個太陽能板模組、數個轉換電路、一最大功率點追蹤電路(Maximum power point tracking circuit,MPPT circuit)及數個控制電路。這些轉換電路交錯地串接於這些太陽能板模組。這些轉換電路與這些太陽能板模組串接於最大功率點追蹤電路。最大功率點追蹤電路依據這些太陽能板模組決定一光伏電流。各個轉換電路用以將各個太陽能板模組之一光伏電壓轉換為一輸出電壓。各個控制電路用以調整各個轉換電路之 一轉換參數,以拉升各個輸出電壓,使得相同之光伏電流之下,各個太陽能板模組的一輸出功率被優化。 According to another aspect of the present disclosure, a solar power generation system is provided. The solar power generation system includes several solar panel modules, several conversion circuits, a maximum power point tracking circuit (MPPT circuit) and several control circuits. These conversion circuits are interconnected in series with these solar panel modules. These conversion circuits and these solar panel modules are connected in series to the maximum power point tracking circuit. The maximum power point tracking circuit determines a photovoltaic current based on these solar panel modules. Each conversion circuit is used to convert a photovoltaic voltage of each solar panel module into an output voltage. Each control circuit is used to adjust the relationship between each conversion circuit A conversion parameter is used to increase each output voltage so that the output power of each solar panel module is optimized under the same photovoltaic current.
根據本揭露之再一方面,提出一種電源轉換系統。電源轉換系統包括一第一轉換裝置、一第二轉換裝置及一最大功率點追蹤電路。第一轉換裝置具有一第一輸入端、一第一轉換電路、一第一輸出端及一第一控制單元。第一輸入端電性連接一第一電源。第一轉換電路電性連接第一輸入端、第一輸出端及第一控制單元。第二轉換裝置具有一第二輸入端、一第二轉換電路、一第二輸出端及一第二控制單元。第二輸入端電性連接一第二電源。第二轉換電路電性連接第二輸入端、第二輸出端及第二控制單元。最大功率點追蹤電路與第一輸出端及第二輸出端串聯連接。第一控制單元輸出一第一控制信號調整第一轉換電路的一第一輸出電壓,且第二控制單元輸出一第二控制信號調整第二轉換電路的一第二輸出電壓。 According to another aspect of the present disclosure, a power conversion system is proposed. The power conversion system includes a first conversion device, a second conversion device and a maximum power point tracking circuit. The first conversion device has a first input terminal, a first conversion circuit, a first output terminal and a first control unit. The first input terminal is electrically connected to a first power source. The first conversion circuit is electrically connected to the first input terminal, the first output terminal and the first control unit. The second conversion device has a second input terminal, a second conversion circuit, a second output terminal and a second control unit. The second input terminal is electrically connected to a second power source. The second conversion circuit is electrically connected to the second input terminal, the second output terminal and the second control unit. The maximum power point tracking circuit is connected in series with the first output terminal and the second output terminal. The first control unit outputs a first control signal to adjust a first output voltage of the first conversion circuit, and the second control unit outputs a second control signal to adjust a second output voltage of the second conversion circuit.
為了對本揭露之上述及其他方面有更佳的瞭解,下文特舉實施例,並配合所附圖式詳細說明如下: In order to better understand the above and other aspects of this disclosure, the following is a specific example, and the attached drawings are used to explain in detail as follows:
100,300,900:太陽能發電系統 100,300,900:Solar power generation system
110i,310i:太陽能板模組 110i, 310i: Solar panel module
120,220:太陽能功率優化裝置 120,220: Solar power optimization device
121i:轉換電路 121i: conversion circuit
122i,222i:控制電路 122i, 222i: control circuit
130,430,930:最大功率點追蹤電路 130,430,930: Maximum power point tracking circuit
400:電源轉換系統 400: Power conversion system
410:第一轉換裝置 410: First conversion device
411:第一轉換電路 411: First conversion circuit
412:第一控制單元 412: First control unit
420:第二轉換裝置 420: Second conversion device
421:第二轉換電路 421: Second conversion circuit
422:第二控制單元 422: Second control unit
911:第一電源 911: First Power Source
912:第二電源 912: Second power supply
C1:電容 C1: Capacitor
D1:二極體 D1: Diode
E11:第一輸入端 E11: first input terminal
E12:第一輸出端 E12: First output terminal
E21:第二輸入端 E21: Second input terminal
E22:第二輸出端 E22: Second output terminal
I9:光伏電流 I9: Photovoltaic current
L1:電感 L1: Inductor
Pi:最大功率點 Pi: Maximum power point
M11,M21:第一控制模式 M11, M21: first control mode
M12,M22:第二控制模式 M12, M22: Second control mode
PMi:轉換參數 PMi: Conversion parameters
S1:第一控制信號 S1: first control signal
S2:第二控制信號 S2: Second control signal
SLi,SLij:太陽能板 SLi, SLij: Solar panels
SW1:第一開關元件 SW1: first switching element
SW2:第二開關元件 SW2: Second switch element
V1:第一輸出電壓 V1: first output voltage
V1i,V3i:光伏電壓 V1i, V3i: Photovoltaic voltage
V1i’,V3i’:輸出電壓 V1i’, V3i’: output voltage
V2:第二輸出電壓 V2: second output voltage
第1圖繪示根據一實施例之太陽能發電系統的示意圖。 Figure 1 is a schematic diagram of a solar power generation system according to an embodiment.
第2圖繪示根據一實施例之太陽能發電系統。 FIG. 2 shows a solar power generation system according to an embodiment.
第3圖繪示根據一實施例之太陽能功率優化裝置與太陽能板 模組的電路圖。 Figure 3 illustrates a solar power optimization device and a solar panel according to an embodiment Circuit diagram of the module.
第4圖示例說明控制電路調整轉換參數之方式。 Figure 4 shows an example of how the control circuit adjusts the conversion parameters.
第5圖繪示根據另一實施例之太陽能功率優化裝置與太陽能板模組的電路圖。 Figure 5 illustrates a circuit diagram of a solar power optimization device and a solar panel module according to another embodiment.
第6圖示例說明控制電路調整轉換參數之另一種方式。 Figure 6 illustrates another way for the control circuit to adjust the conversion parameters.
第7圖繪示根據另一實施例之太陽能發電系統。 Figure 7 illustrates a solar power generation system according to another embodiment.
第8圖繪示根據一實施例之電源轉換系統。 FIG. 8 shows a power conversion system according to an embodiment.
請參照第1圖,其繪示根據一實施例之太陽能發電系統900的示意圖。太陽能發電系統900包括數個太陽能板SLi及最大功率點追蹤電路(Maximum power point tracking circuit,MPPT circuit)930。太陽能板SLi係以串聯之方式連接。最大功率點追蹤電路930會對所有太陽能板SLi進行最大功率點追蹤,以取得整體最大功率點,並決定光伏電流I9。
Please refer to FIG. 1, which shows a schematic diagram of a solar
由於環境差異和老化情況的不同,各個太陽能板SLi對應於光伏電流I9的功率點並非是每一太陽能板SLi的最大功率點Pi。這將使得部分的太陽能板SLi無法取得最佳的工作效率。 Due to differences in environment and aging, the power point of each solar panel SLi corresponding to the photovoltaic current I9 is not the maximum power point Pi of each solar panel SLi. This will make some solar panels SLi unable to achieve the best working efficiency.
請參照第2圖,其繪示根據一實施例之太陽能發電系統100。太陽能發電系統100包括數個太陽能板模組110i、一太陽能功率優化裝置120及一最大功率點追蹤電路130。太陽能板模組110i係以串聯之方式連接。各個太陽能板模組110i例如是包括一
太陽能板或多個太陽能板。在第2圖之實施例中,各個太陽能板模組110i僅包括一個太陽能板SLi。最大功率點追蹤電路130依據這些串聯的太陽能板模組110i決定整體最大功率點及光伏電流I9。
Please refer to FIG. 2, which shows a solar
在本實施例中,由於太陽能板模組110i係以串聯之方式連接,故流經各個太陽能板模組110i之電流皆為光伏電流I9。
In this embodiment, since the
太陽能功率優化裝置120包括數個轉換電路121i及數個控制電路122i。各個轉換電路121i個別串接於太陽能板模組110i,轉換電路121i與太陽能板模組110i交替地串接至最大功率點追蹤電路130。
The solar
各個轉換電路121i用以將各個太陽能板模組110i之光伏電壓V1i轉換為一輸出電壓V1i’。轉換電路121i例如是一降壓轉換電路(Buck converter circuit)、一升壓轉換電路(Boost converter circuit)、一降壓-升壓轉換電路(buck-boost converter circuit/FLYBACK converter circuit)。轉換電路121i具有快速關斷功能(rapid shunt down),可於系統需求時,斷開太陽能板模組110i之連接。
Each
各個控制電路122i連接於各個轉換電路121i。各個控制電路122i用以調整各個轉換電路121i之一轉換參數PMi。轉換參數PMi例如是一工作週期或一工作頻率。轉換電路121i之轉換參數PMi被調整時,轉換電路121i輸出之輸出電壓V1i’也會被調變。因此,在相同之光伏電流I9之下,可以利用轉換參數PMi
的調整來拉升各個輸出電壓V1i’,使得各個太陽能板模組110i的輸出功率皆被優化。
Each
請參照第3圖,其繪示根據一實施例之太陽能功率優化裝置120與太陽能板模組110i的電路圖。太陽能功率優化裝置120之轉換電路121i例如是包括一第一開關元件SW1、一第二開關元件SW2、一電感L1、一電容C1及一二極體D1。控制電路122i連接於電感L1之輸出端,以回授輸出電壓V1i’至控制電路122i,並由控制電路122i偵測輸出電壓V1i’的變化。控制電路122i更連接於第一開關元件SW1及第二開關元件SW2,以依據輸出電壓V1i’的變化對第一開關元件SW1及第二開關元件SW2進行控制,進而調整轉換參數PMi。
Please refer to FIG. 3 , which illustrates a circuit diagram of the solar
請參照第4圖,其示例說明控制電路122i調整轉換參數PMi之方式。在第一控制模式M11中,控制電路122i以一第一方向調整轉換參數PMi。第一方向例如是增加轉換參數PMi之數值。在第二控制模式M12中,控制電路122i以一第二方向調整轉換參數PMi。第二方向例如是降低轉換參數PMi之數值。
Please refer to Figure 4, which illustrates an example of how the
在第一控制模式M11執行後,若輸出電壓V1i’被拉升,則繼續執行第一控制模式M11(控制電路122i以相同之第一方向繼續調整轉換參數PMi),以使輸出電壓V1i’能夠繼續拉升。在第一控制模式M11執行後,若輸出電壓V1i’被拉低,則變更至第二控制模式M12(控制電路122i以相反之第二方向調整轉換參數PMi),以使輸出電壓V1i’能夠拉升。
After the first control mode M11 is executed, if the output voltage V1i' is pulled up, the first control mode M11 is continued to be executed (the
在第二控制模式M12執行後,若輸出電壓V1i’被拉升,則繼續執行第二控制模式(控制電路122i以相同之第二方向繼續調整轉換參數PMi),以使輸出電壓V1i’能夠繼續拉升。在第二控制模式M12執行後,若輸出電壓V1i’被拉低,則變更至第一控制模式M11(控制電路122i以相反之第一方向調整轉換參數PMi),以使輸出電壓V1i’能夠拉升。
After the second control mode M12 is executed, if the output voltage V1i' is pulled up, the second control mode is continued to be executed (the
優化後之各個太陽能板模組110i之各個輸出電壓V1i’不完全相同。各個輸出電壓V1i’被拉升後,各個太陽能板模組110i的輸出功率也被提升,使得整體輸出功率能夠明顯優化。
Each output voltage V1i' of each
在另一實施例中,控制電路122i也可以對光伏電壓V1i進行偵測,並據以進行轉換參數PMi的調整。請參照第5圖,其繪示根據另一實施例之太陽能功率優化裝置220與太陽能板模組110i的電路圖。太陽能功率優化裝置220之控制電路222i連接於太陽能板模組110i之輸出端,以回授光伏電壓V1i至控制電路122i,並由控制電路122i偵測光伏電壓V1i的變化。控制電路222i更連接於第一開關元件SW1及第二開關元件SW2,以依據光伏電壓V1i的變化對第一開關元件SW1及第二開關元件SW2進行控制,進而調整轉換參數PMi。
In another embodiment, the
請參照第6圖,其示例說明控制電路222i調整轉換參數PMi之另一種方式。在第一控制模式M21中,控制電路222i以第一方向調整轉換參數PMi。第一方向例如是增加轉換參數PMi之數值。在第二
控制模式M22中,控制電路222i以第二方向調整轉換參數PMi。第二方向例如是降低轉換參數PMi之數值。
Please refer to FIG. 6 , which illustrates another way for the
在第一控制模式M21執行後,若光伏電壓V1i被拉升,則繼續執行第一控制模式M11(控制電路222i以相同之第一方向繼續調整轉換參數PMi),以使光伏電壓V1i能夠繼續拉升,進而拉升輸出電壓V1i’。在第一控制模式M21執行後,若光伏電壓V1i被拉低,則變更至第二控制模式M22(控制電路222i以相反之第二方向調整轉換參數PMi),以使光伏電壓V1i能夠拉升,進而拉升輸出電壓V1i’。
After the first control mode M21 is executed, if the photovoltaic voltage V1i is pulled up, the first control mode M11 is continued (the
在第二控制模式M22執行後,若光伏電壓V1i被拉升,則繼續執行第二控制模式M22(控制電路222i以相同之第二方向繼續調整轉換參數PMi),以使光伏電壓V1i能夠繼續拉升,進而拉升輸出電壓V1i’。在第二控制模式M22執行後,若光伏電壓V1i被拉低,則變更至第一控制模式M21(控制電路222i以相反之第一方向調整轉換參數PMi),以使光伏電壓V1i能夠拉升,進而拉升輸出電壓V1i’。
After the second control mode M22 is executed, if the photovoltaic voltage V1i is pulled up, the second control mode M22 is continued (the
優化後之各個太陽能板模組110i之各個輸出電壓V1i’不完全相同。各個輸出電壓V1i’被拉升後,各個太陽能板模組110i的輸出功率也被提升,使得整體輸出功率能夠明顯優化。
After optimization, the output voltages V1i' of each
此外,請參照第7圖,其繪示根據另一實施例之太陽能發電系統300。在第7圖之實施例中,各個太陽能板模組310i包括多個太陽能板SLij。這些太陽能板SLij係以並聯之方式組成太陽能板模組310i。各個轉換電路121i用以將各個太陽能板模組310i之光伏電壓V3i轉換為輸出電壓V3i’。各個控制電路122i可
以調整各個轉換電路121i之轉換參數PMi,以調變轉換電路121i輸出之輸出電壓V3i’。因此,在相同之光伏電流I9之下,可以利用轉換參數PMi的調整來拉升各個輸出電壓V3i’,使得各個太陽能板模組310i的輸出功率皆被優化。在本實施例中,可以並聯的多個太陽能板SLij作為優化的目標,而不是以單個太陽能板SLij作為優化目標。
In addition, please refer to FIG. 7, which shows a solar
根據上述各種實施例,其利用控制電路122i、222i對轉換電路121i之轉換參數PMi進行調變,來拉升輸出電壓V1i’,使得各個太陽能板模組110i、310i的輸出功率皆被個別優化,有效地提高太陽能發電系統100、300的工作效率。
According to the above various embodiments, the
再者,請參照第8圖,其繪示根據一實施例之電源轉換系統400。本揭露之技術亦可實現於電源轉換系統400。如第8圖所示,電源轉換系統400包括一第一轉換裝置410、一第二轉換裝置420及一最大功率點追蹤電路430。第一轉換裝置410具有一第一輸入端E11、一第一轉換電路411、一第一輸出端E12及一第一控制單元412。第一轉換電路411例如是上述之轉換電路121i。第一控制單元412例如是上述之控制電路122i、222i。第一控制單元412例如是上述之控制電路122i。第一輸入端E11電性連接一第一電源911。第一電源911例如是上述之太陽能板模組110i、310i。第一轉換電路411電性連接第一輸入端E11、第一輸出端E12及第一控制單元412。
Furthermore, please refer to FIG. 8 , which illustrates a
第二轉換裝置420具有一第二輸入端E21、一第二轉換電路421、一第二輸出端E22及一第二控制單元422。第二轉換電路421例如是上述之轉換電路121i。第二控制單元422例如是上述之控制電路122i、222i。第二輸入端E21電性連接一第二電源912。第二電源912例如是上述之太陽能板模組110i、310i。第二轉換電路421電性連接第二輸入端E21、第二輸出端E22及第二控制單元422。
The
最大功率點追蹤電路430例如是上述之最大功率點追蹤電路130。最大功率點追蹤電路430與第一輸出端E12及第二輸出端E22串聯連接。
The maximum power
第一控制單元412輸出一第一控制信號S1,以調整第一轉換電路411的一第一輸出電壓V1。第一控制信號S1例如是一脈波寬度調變信號。第一控制單元412係調整第一控制信號S1而改變第一輸出電壓V1的電壓值。舉例來說,第一控制單元412可以調整第一控制信號S1之工作週期或頻率。第一控制信號S1之工作週期或頻率之調整幅度例如是1%或一預設值。在一實施例中,第一控制信號S1之工作週期或頻率之調整幅度可以動態調整,而非固定值。
The
第一控制單元412可以量測第一輸出電壓V1的變化。當第一輸出電壓V1的電壓值較前次量測的電壓值減少時,則第一控制單元412可以反向調整第一控制信號S1之工作週期或頻率。
The
舉例來說,當第一輸出電壓V1的電壓值依據第一控制信號S1的工作週期或頻率的增加而相對應增加時,第一控制單元411持續增加第一控制信號S1的工作週期或頻率。當第一輸出電壓V1的電壓值依據第一控制信號S1的工作週期或頻率的增加而相對應減少時,第一控制單元411減少第一控制信號S1的工作週期或頻率。
For example, when the voltage value of the first output voltage V1 increases correspondingly according to the increase of the duty cycle or frequency of the first control signal S1, the
第二控制單元422輸出一第二控制信號S2,以調整第二轉換電路421的一第二輸出電壓V2。第二控制信號S2例如是一脈波寬度調變信號。第二控制單元422係調整第二控制信號S2而改變第二輸出電壓V2的電壓值。舉例來說,第二控制單元422可以調整第二控制信號S2之工作週期或頻率。第二控制信號S2之工作週期或頻率之調整幅度例如是1%或一預設值。在一實施例中,第二控制信號S2之工作週期或頻率之調整幅度可以動態調整,而非固定值。
The
第二控制單元422可以量測第二輸出電壓V2的變化。當第二輸出電壓V2的電壓值較前次量測的電壓值減少時,則第二控制單元422可以反向調整第二控制信號S2之工作週期或頻率。
The
舉例來說,當第二輸出電壓V2的電壓值依據第二控制信號S2的工作週期或頻率的增加而相對應增加時,第二控制單元422持續增加第二控制信號S2的工作週期或頻率。當第二輸出電壓V2的電壓值依據第二控制信號S2的工作週期或頻率的增加
而相對應減少時,第二控制單元422減少第二控制信號S2的工作週期或頻率。
For example, when the voltage value of the second output voltage V2 increases correspondingly according to the increase in the duty cycle or frequency of the second control signal S2, the
在一實施例中,上述之第一輸出電壓V1的電壓值與上述之第二輸出電壓V2的電壓值可以不相等。 In one embodiment, the voltage value of the first output voltage V1 and the voltage value of the second output voltage V2 may not be equal to each other.
根據上述實施例,其利用第一控制單元412、第二控制單元422調整第一控制信號S1、第二控制信號S2,來拉升第一輸出電壓V1、第二輸出電壓V2,使得第一電源911、第二電源912的輸出功率可以被個別優化,有效地提高電源轉換系統400的工作效率。換句話說,基於最大功率點追蹤電路430決定一光伏電流的條件下,藉由調整第一控制信號S1和第二控制信號S2,以使第一輸出電壓V1及第二輸出電壓V2分別成為局部最大值,從而使得第一輸出電壓V1及第二輸出電壓V2的電壓和最大化,以提高功率。
According to the above embodiment, the
綜上所述,雖然本揭露已以實施例揭露如上,然其並非用以限定本揭露。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者,在不脫離本揭露之精神和範圍內,當可作各種之更動與潤飾。因此,本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 In summary, although the present disclosure has been disclosed in the above embodiments, they are not used to limit the present disclosure. Those with ordinary knowledge in the technical field to which this disclosure belongs can make various modifications and modifications without departing from the spirit and scope of this disclosure. Therefore, the protection scope of the present disclosure shall be subject to the scope of the appended patent application.
100:太陽能發電系統 100:Solar power generation system
110i:太陽能板模組 110i:Solar panel module
120:太陽能功率優化裝置 120:Solar power optimization device
121i:轉換電路 121i:Conversion circuit
122i:控制電路 122i: Control circuit
130:最大功率點追蹤電路 130: Maximum power point tracking circuit
I9:光伏電流 I9: Photovoltaic current
PMi:轉換參數 PMi: conversion parameters
SLi:太陽能板 SLi: solar panel
V1i:光伏電壓 V1i: photovoltaic voltage
V1i’:輸出電壓 V1i’: output voltage
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