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TWI556461B - 電源系統的電能輸出控制方法 - Google Patents

電源系統的電能輸出控制方法 Download PDF

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TWI556461B
TWI556461B TW104125657A TW104125657A TWI556461B TW I556461 B TWI556461 B TW I556461B TW 104125657 A TW104125657 A TW 104125657A TW 104125657 A TW104125657 A TW 104125657A TW I556461 B TWI556461 B TW I556461B
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楊祖成
黃昭睿
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群光電能科技股份有限公司
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Description

電源系統的電能輸出控制方法
本發明是關於電能輸出方法，且特別是有關於應用於光伏電源系統的電能輸出方法。
太陽能電池是目前相當普及的一種再生能源。一般而言，太陽能電池陣列的輸出端可連接至光伏逆變器，以將電池陣列所產生的直流電力轉換為交流電力。
傳統具有太陽能電池陣列及光伏逆變器的電源系統中，多會設置虛功補償電路以消除電源系統在運作過程產生的虛功率，進而提升電源系統整體的功率因數。
虛功補償電路卻也讓電源系統的輸入電壓升高，而產生過電壓的問題。為了克服過電壓問題，就必須另設置電能回收裝置以將電能回收；然而，虛功補償電路及電能回收裝置的設置使得電源系統的體積及電路複雜度增加。
本發明提供一種電源系統的電能輸出控制方法，用以提高電源系統的整體效率。
根據本發明提供一種電源系統的電能輸出控制方法，應用於交流電網。本發明的電源系統的電能輸出控制方法包含如下步驟。首先，利用控制單元偵測電源系統的電能轉換單元輸出的交流電能相位變化，其中，控制單元具有第一功率因數、第二功率因數以及平均功率因數。之後，當進入能量儲存週期，控制單元根據第一功率因數使電能轉換單元輸出交流電能，且當控制單元偵測交流電能為虛功區時，控制單元控制電能轉換單元將交流電網的部份電能儲存於能量儲存單元中；當進入能量釋放週期，控制單元根據第二功率因數使電能轉換單元輸出交流電能，且驅使電能轉換單元釋放能量儲存單元所儲存的電能併入交流電能一併輸出至交流電網。其中，能量儲存週期以及能量釋放週期的功率因數平均值與平均功率因數相等。
在本發明的電源系統的電能輸出控制方法中，虛功區為交流電能的電流波形及電壓波形不同方向的區段，第一功率因數小於平均功率因數，第二功率因數大於平均功率因數。
再者，控制單元可於偵測能量儲存單元所儲存的能量大於第一預定值則進入能量釋放週期，並於能量儲存單元所儲存的能量不大於第二預定值進入能量儲存週期，能量儲存週期的時間長度可以是不同於能量釋放週期的時間長度。
本發明的電源系統的電能輸出控制方法是利用控制單元使電源系統進入能量儲存週期時，以輸出具有第一功率因數的交流電能，同時於交流電能為虛功區時，控制單元控制電能轉換單元以讓交流電網的部分電能儲存於能量儲存單元；之後，於電源系統進入能量釋放週期時，控制單元使電源系統輸出具有第二功率因數的交流電能，控制單元同時驅使電能轉換單元釋放能量儲存單元的電能，能量儲存單元釋放的電流與電源系統輸出的交流電能會一併輸出至交流電網。
請參照圖1，其繪示本發明的電源系統的電路方塊圖。電源系統1設於直流供應裝置2及交流電網3之間，直流供應裝置2可例如是由太陽能電池模組，用以提供直流電能(包含直流電壓VDC及直流電流IDC)至電源系統1。電源系統1用以將直流電能轉換為交流電能(包含交流電壓VAC及交流電流IAC)並饋入交流電網3。電源系統1包含電能轉換單元10、能量儲存單元12以及控制單元14。
電能轉換單元10可以光伏逆變器(photovoltaic inverter)實現之。能量儲存單元12設於直流供應裝置2及電能轉換單元10之間，並電連接於直流供應裝置2以及電能轉換單元10；其中，能量儲存單元12與直流供應裝置2並聯連接。
控制單元14電連接於電能轉換單元10以及能量儲存單元12，控制單元14預設有第一功率因數、第二功率因數以及平均功率因數；其中，第一功率因數小於平均功率因數，第二功率因數大於平均功率因數。
控制單元14不但可以偵測儲存於能量儲存單元12中的電能，還可以偵測電能轉換單元10輸出之交流電能中交流電壓VAC及交流電流IAC的相位變化。控制單元14可例如包含控制器140以及相位偵測器144，控制器140電連接於電能轉換單元10、能量儲存單元12以及相位偵測器144。相位偵測器144用以偵測電能轉換單元10輸出之交流電能中交流電壓VAC以及交流電流IAC的相位變化。在實際實施時，控制器140可以不透過相位偵測器144便完成相位偵測的功能，例如控制器140可在偵測交流電壓VAC以及交流電流IAC後，透過運算以取得交流電壓VAC以及交流電流IAC的相位變化。
請參照圖2，其繪示依照本發明第一實施方式的能量儲存單元以及電能轉換單元的電路圖。為方便說明，圖2中更繪示了直流供應裝置2、交流電網3以及控制器140。電能轉換單元10包含開關元件M1、M2、儲能元件100、二極體D1、D2以及輸出濾波器102。開關元件M1、M2串接，並與直流供應裝置2並接，儲能元件100電連接於開關元件M1、M2之間(即端點a)。在本實施方式中，開關元件M1、M2分別為金屬氧化物半導體場效應電晶體，儲能元件100為電感器。開關元件M1的源極連接至開關元件M2的汲極，開關元件M1的汲極以及開關元件M2的源極分別連接能量儲存單元12的兩端點。開關元件M1、M2的閘極分別連接於控制器140。二極體D1、D2分別跨接於開關元件M1、M2的汲極以及源極之間；其中，二極體D1、D2的陰極分別連接於開關元件M1、M2的汲極，二極體D1、D2的陽極分別連接於開關元件M1、M2的源極。輸出濾波器102電連接在儲能元件100及交流電網3之間。
能量儲存單元12包含電容器C1、C2，電容器C1、C2串聯連接，由電容器C1、C2構成的串聯支路與開關元件M1、M2構成的串聯支路並聯連接。
請同時參照圖1以及圖2。在進行電能輸出時，控制單元14的控制器140是根據第一功率因數或第二功率因數以控制開關元件M1、M2的工作週期。
此外，控制單元14的相位偵測器144會偵測交流電能的交流電壓VAC及交流電流IAC的相位，控制器140會偵測能量儲存單元12所儲存的能量；其中，電源系統1可於能量儲存單元12所儲存的能量大於第一預定值時進入能量釋放週期，並於能量儲存單元12所儲存的能量不大於第一預定值時進入能量儲存週期；或者，電源系統1可於能量儲存單元12所儲存的能量不大於第二預定值時進入能量儲存週期，並於能量儲存單元12所儲存的能量大於第二預定值時進入能量釋放週期，第一預定值大於第二預定值。
在能量儲存週期(如圖3以及圖4所示t1區段)，控制單元14根據第一功率因數使電能轉換單元10輸出交流電能，並於交流電能的交流電流波型及交流電壓波型不同方向的區段所界定的虛功區(如圖3以及圖4所示A1區)，控制開關元件M1、M2的工作週期，使端點a的電壓持續地小於交流電網3的即時電壓，以讓交流電網3的部分電能進入電源系統1，並儲存於能量儲存單元12中。其中，端點a的電壓可以下式表示: ；其中: D1為開關元件M1的工作週期； D2為開關元件M2的開關週期； V C1為電容器C1的電壓；以及 V C2為電容器C2的電壓。
在能量釋放週期(如圖3以及圖4所示t2區段)，控制單元14根據第二功率因數使電能轉換單元10輸出交流電能，並控制電能轉換單元10的開關元件M1、M2的工作週期，使端點a的電壓持續地大於交流電網3的即時電壓，以讓能量儲存單元12的所儲存的電能併入交流電能而與前述的交流電能一併輸出至交流電網3。
在圖3中，能量儲存週期的時間長度相同於能量釋放週期地時間長度；在圖4中，能量儲存週期的時間長度不同於能量釋放週期的時間長度。然不論能量儲存周期的時間長度與能量釋放週期的時間長度是否相同，能量儲存週期以及能量釋放週期的功率因數平均值必須與平均功率因數相等。
請參照圖5，其繪示依照本發明第二實施方式的能量儲存單元及電能轉換單元的電路圖。為方便說明，圖5中更繪示了直流供應裝置2、交流電網3及控制器140。能量儲存單元12包含電容器C3，電容器C3並聯連接於直流供應器2。電能轉換單元10包含開關元件M3、M4、二極體D3、D4、輸出濾波器102、儲能元件104及換相器106，輸出濾波器102與換相器106並連連接。
在本實施方式中，開關元件M3、M4為金屬氧化物半導體場效應電晶體，儲能元件104為包含初級繞組1040及次級繞組1042的隔離型變壓器。初級繞組1040的一端連接於能量儲存單元12，另一端連接於開關元件M3的汲極以及二極體D3的陰極。開關元件M3的閘極電連接於控制器140，開關元件M3的源極電連接於能量儲存單元12以及二極體D3的陽極。次級繞組1042的一端連接於輸出濾波器102，次級繞組1042的另一端連接於開關元件M4的汲極以及二極體D4的陰極，開關元件M4的閘極電連接於控制器140，開關元件M4的源極電連接於輸出濾波器102。
請同時參閱圖1及圖5，在進行電能輸出時，控制單元14是根據第一功率因數或第二功率因數以控制開關元件M3、M4的開關狀態。
控制單元14的相位偵測器144會偵測交流電能的交流電壓VAC及交流電流IAC的相位，控制器140會偵測能量儲存單元12所儲存的能量；其中，電源系統1可於能量儲存單元12所儲存的能量大於第一預定值時進入能量釋放週期，並於能量儲存單元12所儲存的能量不大於第一預定值時進入能量儲存週期；或者，電源系統1可於能量儲存單元12所儲存的能量不大於第二預定值時進入能量儲存週期，並於能量儲存單元12所儲存的能量大於第二預定值時進入能量釋放週期。
在能量儲存週期(如圖3以及圖4所示t1區段)，控制單元14根據第一功率因數使電能轉換單元10輸出交流電能。控制單元14於交流電能的交流電流波型及交流電壓波型不同方向的區段所界定的虛功區(如圖3以及圖4所示A1區)，先使開關元件M4導通，開關元件M3截止，以讓交流電網3的部分電能儲於次級繞組1042；再使開關元件M3導通、開關元件M4截止，以將儲存於次級繞組1042的電能耦合至初級繞組1040，並儲存於能量儲存單元12。
在能量釋放週期(如圖3以及圖4所示t2區段)，控制單元14根據第二功率因數使電能轉換單元10輸出交流電能。控制單元14先使開關元件M3導通，開關元件M4截止，並使能量儲存單元12所儲存的電能儲於初級繞組1040；再使開關元件M4導通，開關元件M3截止，使能量儲存單元12釋放的電能併入前述交流電能並與前述的交流電能一併輸出至交流電網3。其中，能量儲存週期以及能量釋放週期的功率因數平均值必須與平均功率因數相等。
綜上所述，本發明的電源系統1是利用控制單元140使電源系統1進入能量儲存週期時，以輸出具有第一功率因數的交流電能，同時於交流電能為虛功區時，控制單元140控制電能轉換單元10以讓交流電網3的部分電能儲存於能量儲存單元12；之後，於電源系統1進入能量釋放週期時，控制單元140使電源系統1輸出具有第二功率因數的交流電能，控制單元140同時驅使電能轉換單元10釋放能量儲存單元12所儲存的電能，能量儲存單元12釋放的電能與電源系統1輸出的交流電能會一併輸出至交流電網3。
圖6以及圖7分別繪示本發明第一實施方式及第二實施方式的電源系統的電能輸出控制方法的流程圖。其中，圖6及圖7的差異在於電能系統操作於能量儲存週期及能量釋放週期的判斷依據。
在圖6中，控制單元14先偵測電源系統1輸出之交流電能的交流電源及交流電壓的相位變化以及能量儲存單元12所儲存的能量(步驟S100)。判斷能量儲存單元12所儲存的能量是否大於第一預定值(步驟S102)，並於能量儲存單元12所儲存的能量不大於第一預定值時，進入能量儲存週期，電能轉換單元10以第一功率因數輸出交流電能(步驟S104)。接著，判斷電能轉換單元10輸出的交流電能是否為虛功區(步驟S106)，並於電能轉換單元10輸出的交流電能為虛功區時，控制單元14使電能轉換單元10將交流電網3的部分電能儲存於能量儲存單元12(步驟S108)。之後，回復步驟S100，重新偵測電源系統1輸出之交流電能的交流電源及交流電壓的相位變化以及能量儲存單元12所儲存的能量，並於能量儲存單元12所儲存的能量大於第一預定值時，進入能量釋放週期，使電能轉換單元10以第二功率因數輸出交流電能(步驟S110)。
在圖7中，控制單元14先偵測電源系統1輸出之交流電能的交流電源及交流電壓的相位變化以及能量儲存單元12所儲存的能量(步驟S200)。判斷能量儲存單元12所儲存的能量是否不大於第二預定值(步驟S202)，並於能量儲存單元12所儲存的能量不大於第二預定值時，進入能量儲存週期，電能轉換單元10以第一功率因數輸出交流電能(步驟S204)。接著，判斷電能轉換單元10輸出的交流電能是否為虛功區(步驟S206)，並於電能轉換單元10輸出的交流電能為虛功區時，控制單元14使電能轉換單元10將交流電網3的部分電能儲存於能量儲存單元12(步驟S208)。之後，回復步驟S200，重新偵測電源系統1輸出之交流電能的交流電源及交流電壓的相位變化以及能量儲存單元12所儲存的能量，並於能量儲存單元12所儲存的能量大於第二預定值時，進入能量釋放週期，使電能轉換單元10以第二功率因數輸出交流電能(步驟S210)。
請參照圖8，其繪示本發明第二實施方式的電源系統的電路方塊圖。在圖8中，電源系統1設於直流供應裝置2及交流電網3之間，並電連接於直流供應裝置2及交流電網3，以供輸出具有平均功率因數的交流電能。圖8所繪示的電源系統1與圖1所繪示的電源系統的差異在於圖8所示的控制器14不偵測能量儲存單元12的電壓準位，以開迴路的命令給固定的功率因數擾動週期。
電源系統1包含電能轉換單元10、能量儲存單元12及控制單元14，電能轉換單元10電連接於交流電網3，供輸出具有第一功率因數或第二功率因數的交流電能。能量儲存單元12設於直流供應裝置2及電能轉換單元10之間，並電連接於直流供應裝置2及電能轉換單元10。
控制單元14電連接於電能轉換單元10，控制單元14具有第一功率因數、第二功率因數以及平均功率因數；其中，第一功率因數小於平均功率因數，第二功率因數大於平均功率因數。
電能轉換單元10可於能量儲存週期或能量釋放週期操作，能量儲存週期及能量釋放週期的功率因數的平均值相等於平均功率因數。
當進入能量儲存週期操作，控制單元14依據第一功率因數使電能轉換單元10輸出交流電能。此外，當交流電能為虛功區時，控制單元14控制電能轉換單元10使交流電網3的部分電能進入電源系統1並儲存於能量儲存單元12。
當進入能量釋放週期，控制單元14依據第二功率因數使電能轉換單元10輸出交流電能。同時，能量儲存單元12釋放所儲存的電能；其中，能量儲存單元12釋放電能併入交流電能一併輸出至交流電網3。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作各種的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
1‧‧‧電源系統
10‧‧‧電能轉換單元
100、104‧‧‧儲能元件
102‧‧‧輸出濾波器
1040‧‧‧初級繞組
1042‧‧‧次級繞組
106‧‧‧換相器
12‧‧‧能量儲存單元
14‧‧‧控制單元
140‧‧‧控制器
144‧‧‧相位偵測器
2‧‧‧直流供應裝置
3‧‧‧交流電網
A1‧‧‧虛功區
C1、C2、C3‧‧‧電容器
D1、D2、D3、D4‧‧‧二極體
IAC‧‧‧交流電流
M1、M2、M3、M4‧‧‧開關元件
S100~S210‧‧‧電源系統的電能輸出控制步驟
VAC‧‧‧交流電壓
圖1繪示依照本發明第一實施方式的電源系統的電路方塊圖；
圖2繪示依照本發明第一實施方式的能量儲存單元及電能轉換單元的電路圖；
圖3繪示本發明電源系統輸出的交流電能的一波形圖；
圖4繪示本發明電源系統輸出的交流電能的另一波形圖；
圖5繪示依照本發明第二實施方式的能量儲存單元及電能轉換單元的電路圖；
圖6繪示依照本發明第一實施方式的電能轉換方法的流程圖；
圖7繪示依照本發明第二實施方式的電能轉換方法的流程圖；以及
圖8繪示依照本發明第二實施方式的電源系統的電路方塊圖。
S100~S110‧‧‧電源系統的電能輸出控制步驟

Claims (6)

  1. 一種電源系統的電能輸出控制方法，應用於交流電網，該電源系統的電能輸出控制方法包含下列步驟： 利用一控制單元偵測該電源系統的一電能轉換單元輸出的一交流電能相位變化，該控制單元具有一第一功率因數、一第二功率因數以及一平均功率因數； 當進入一能量儲存週期，該控制單元根據該第一功率因數使該電能轉換單元輸出該交流電能，且當該控制單元偵測該交流電能為虛功區時，該控制單元控制該電能轉換單元將交流電網的部份電能儲存於一能量儲存單元中；以及 當進入一能量釋放週期，該控制單元根據該第二功率因數使該電能轉換單元輸出該交流電能，且驅使該電能轉換單元釋放該能量儲存單元所儲存的電能併入該交流電能一併輸出至交流電網； 其中，該能量儲存週期以及該能量釋放週期的功率因數平均值與該平均功率因數相等。
  2. 如請求項第1項所述的電源系統的電能輸出控制方法，更包含下列步驟：當該控制單元偵測該能量儲存單元所儲存的能量大於一第一預定值則進入該能量釋放週期。
  3. 如請求項第1項所述的電源系統的電能輸出控制方法，更包含下列步驟：當該控制單元偵測該能量儲存單元所儲存的能量不大於一第二預定值則進入該能量儲存週期。
  4. 如請求項第1項所述的電源系統的電能輸出控制方法，其中該虛功區為該交流電能的電流波形及電壓波形不同方向的區段。
  5. 如請求項第1項所述的電源系統的電能輸出控制方法，其中該能量儲存週期的時間長度不同於該能量釋放週期的時間長度。
  6. 如請求項第1項所述的電源系統的電能輸出控制方法，其中該第一功率因數小於該平均功率因數，該第二功率因數大於該平均功率因數。
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