TWI305699B - A power inverter for a solar energy photovoltaic system - Google Patents

Description

1305699 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種太陽能光伏系統電源轉換器，尤 其是指一種除可將太陽能電池光電轉換效率達到最高的 利用外，還可減少電路成本，以提高產品競爭力，達到綠 色能源精神，增加太陽能發電效益，利於太陽能光伏系統 應用推廣者。 【先前技術】 按’現有之太陽能光伏系統係如第一圖所示’該太陽 能電池陣列（11)經過直流/直流（DC/DC)轉換器（12)、電壓 電流感測器（13)以及最大功率追蹤控制器（14)、閘極驅動 器（15)提供電源供蓄電池（16)使用；同時，當該太陽能光 伏系統欲將其由太陽光能轉換而成之電能供給消費大眾 使用時’須於直流/直流（DC/DC)轉換器（12)的輸出端接設 直流/交流變頻器（17)。然而，此系統於實際實施使用上 具有以下缺點： 1. 直流/直流（DC/DC)轉換器（12)需外加輔助電源（141)來 驅動功率晶體。 2. 最大功率追蹤控制器（14)需藉由外加輔助電源（141)， 經過橋式整流電路（142)及可產生不同降伏電壓之穩壓 IC(143)、（144)降壓穩定後，所得之工作電壓輸出至最 大功率追蹤控制器（14)、電壓電流感測器（13)及閘極驅 動器（15)，使最大功率追蹤控制器（14)、電壓電流感測 器（13)及閘極驅動器（15)正常工作。 3. 太陽光照度低時，最大功率追縱控制器（14)與直流/直 流（DC/DC)轉換器（12)中之功率晶體仍繼續維持動作， 1305699 造成功率上不必要的損失。 4. 蓄電池（16)在備載狀況除了佔空間外，還有壽命問題必 需定期更換，增加發電成本以及廢棄蓄電池（16)之環境 環保問題。 5. 由太陽能電池陣列（11)作為能源的來源，但是電路裡閘 極驅動器（15)、最大功率追蹤控制器（14)，及電壓電流 感測器（13)…等都必須外加由市電整流降壓進來的輔 助電振（141)提供電力來源，這樣一來與綠色能源真正 的精神互相矛盾，並使電路元件過多，價格提高。 【發明内容】 今’本發明主要即是為改善現有太陽能光伏系統上述 所歹i之缺失’而提供一種除可將太陽能電池光電轉換效率 達到最鬲的利用外，還可減少電路成本，以提高產品競爭 達到綠色能源精神’增加太陽能發電效益，利於太陽 月b光伏系統應用推廣之太陽能光伏系統電源轉換器。 。為了達到上述目的，本發明之太陽能光伏系統電源轉 換器，。。係由直流/直流（DC/DC)轉換器耦合出最大功率追蹤 控制器與閘極驅動器所需的工作電壓，並從直流/直流 (DC/DC)轉換器輸出端，擷取出電流與電壓信號，送入最 大功率追蹤控制器，再藉由最大功率追蹤控制 器内建的程 式來$斷不同照度變化下t太陽能電池陣列最佳的功率 =作點，由此達到最大功率追蹤以及輸出電壓穩定之功 【實施方式】 ^令本發明所運狀技_容、發明目的及其達成之 工^更完整且清楚的揭露’兹於下詳細說明之，並請〆 1305699 併參閱所揭之圖式及圖號： 首先’請參閱第二圖、第三圖及第四圖所示，本發明 之太陽能光伏系統電源轉換器，係由直流/直流（Dc/Dc)轉 換器（2)之耦合電感（21)產生輕合繞組電壓，並在直流/直 流（DC/DC)轉換器（2)輸出端設有一感測電阻（22 )，以將該 感測電阻（22)二端之電壓分別輸出至電壓電流感測器（3) 之電壓感測器（31)及電流感測器（32)，再分別藉電壓感測 器（31)及電流感測器（32)擷取出電壓與電流信號，並將所 掏取之電壓與電流信號供給最大功率追蹤控制器（4)與閘 極驅動器（5)，使最大功率追蹤控制器（4)與閘極驅動器（5) 得到所需的工作電壓及電流，再藉由最大功率追蹤控制器 (4)内建的程式來判斷不同照度變化下之太陽能電池陣列 (6)最佳的功率工作點，使該太陽能電池陣列（6)能夠工作 在最大功率點，以作最大功率之輸出；另外，該受最大功 率追蹤控制器（4)輸出控制之閘極驅動器將最佳的功 率工作點以PWM【脈波寬度調變】脈波輸出，且以此pwM 脈波輸出提供在直流/直流（DC/DC)轉換器（2)中之功率晶 體（23)【MOSFET】的驅動信號，俾當低照度時，最大功率 追蹤控制器（4)進入睡眠狀態，並將功率晶體（23)除能， 減少損失’以達到節能控制之目的。 據此，虽欲將該太陽能光伏系統所轉換之電能以直流 電型式供給消費者使用時【以下請一併參閱第五圖〜第七 圖所示】，須在直流/直流（DC/DC)轉換器（2)輸出端處接 設一感測電阻（71)及一蓄電池（72)，利用該感測電阻（71) 及蓄電池（72)模擬一變動負載（7)，以當直流/直流（DC/DC) 轉換器（2)輸出端電壓大於蓄電池（72)的端電壓時，直流/ 1305699 直流（DC/DC)轉換器（2)輸出電流除了流經感測電阻（71) 之外，其餘的電流將流進蓄電池（72)，以對蓄電池（72)充 電；反之，若直流/直流（DC/DC)轉換器（2)輸出電壓小於 蓄電池（72)上之端電壓時，除直流/直流（DC/DC)轉換器（2) 輸出之電流會流經該感測電阻（71)之外，因此時之蓄電池 (72)相當於為一個電源，所以蓄電池（72)將對該感測電阻 (71)放電，而由於蓄電池（72)在放電及充電時的電壓變動 是非常的緩慢，因此由此特性可以視直流/直流（DC/DC)轉 換器（2)輸出端所輸出之電壓為一穩定之電壓【如第八圖 所示】’同時將此一穩定之輸出電壓供給予電壓電流感測 器（3)、最大功率追蹤控制器（4)及閘極驅動器（5)，使其 不需再外加由市電整流降壓進來的辅助電源，已達綠色能 源真正之精神。 而當欲將該太陽能光伏系統所轉換之電能以交流電 型式供給消費者使用時【請參閱第九圖所示】，須在直流 /直流（DC/DC)轉換器（2)輸出端處接設直流/交流變頻器 (8)，以將該直流/直流（DC/DC)轉換器（2)輸出之直流電經 直流/交流變頻器（8)轉換成交流電，形成一般所謂之市 電。 經由以上的實施說明，可知本發明具有如下所列之各 項優點： 1.由於本發明擷取直流/直流⑽⑽轉換器的輸出功率 以及輸出電壓信號變化率，透過最大功料蹤控制器來 驅動功率晶體，並以擾動觀察法對直流/直流（DC/DC)轉 換器作責任週期的調變，達到阻抗匹配的目的，使得太 陽月b電池陣列㈣卫作在最大功率點，故，可將太陽能 1305699 電池做最大功率輸出以及對太陽能光伏系統進行節能 控制。 2.由於本發明係直接以直流/直流（DC/DC)轉換器輸出端 之輸出電壓，作為電壓電流感測器、最大功率追蹤控制 器及閘極驅動器之電能來源，而令該太陽能光伏系統電 源轉換器只需唯一之太陽能電池電源，無須再於電路中 外加任何辅助電源，達到綠色能源真正之精神。 3·因本發明之太陽能光伏系統本身並未使用到蓄電池，因 此並無佔用空間，及必需定期更換之壽命問題，不會增 加發電成本以及廢棄蓄電池之環境環保問題。 4. 菖本發明欲將該太％能光伏系統所轉換之電能以直流 電型式供給消費者使用時，係利用在直流/直流（DC/DC) 轉換器輸出端處接設之感測電阻及蓄電池模擬一變動 負載，以當直流/直流（DC/DC)轉換器輸出端電壓大於或 小於蓄電池的端電壓時，可對蓄電池進行充電或放電動 作，加上蓄電池在放電及充電時的電壓變動是非常的緩 慢，因此可在直流/直流（DC/DC)轉換器輸出端得到一穩 定之電壓。 5. 當本發明之太陽能光伏系統所轉換之電能欲以交流電 型式供給消費者使用時，則只需在直流/直流（DC/DC)轉 換器之輸出端處接設直流/交流變頻器，以將該直流/直 流（DC/DC)轉換器輸出之直流電經直流/交流變頻器 轉換成交流電。 綜上所述，本發明實施例確能達到所預期之使用功 效，又其所揭露之具體構造，不僅未曾見諸於同類產品 中’亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與 1305699 要求，爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜 准專利，則實感德便。 1305699 【圖式簡單說明】 第一圖··現有之太陽能光伏系統電源轉換器方塊圖 第二圖：本發明之太陽能光伏系統電源轉換器方塊圖 第三圖：本發明之太陽能光伏系統電源轉換器控制電 路圖 第四圖：本發明之電路作動時其功率晶體的VDS電壓 波形圖 第五圖：本發明將該太陽能光伏系統所轉換之電能以 直流電型式供給消費者使用時之示意圖 _ 第六圖：本發明直流/直流（DC/DC)轉換器輸出端電壓 大於蓄電池端電壓之電流流向示意圖 第七圖：本發明直流/直流（DC/DC)轉換器輸出端電壓 小於蓄電池端電壓之電流流向示意圖 第八圖：本發明之電路作動時直流/直流（DC/DC)轉換 器輸出端之輸出電壓V。波形圖 第九圖：本發明將該太陽能光伏系統所轉換之電能以 交流電型式供給消費者使用時之示意圖 ® 【主要元件符號說明】 . <現有> (11) 太陽能電池陣列 (12) 直流/直流（DC/DC)轉換器 (13) 電壓電流感測器 (14) 最大功率追蹤控制器 (141)辅助電源 1305699 G42)橋式整流電路 (143) 穩壓 ic (144) 穩壓 ic (15) 閘極驅動器 (16) 蓄電池 〇7)直流/交流變頻器 <本發明> (2) 直流/直流（DC/DC)轉換器 ^21)耦合電感 (22) 感測電阻 (23) 功率晶體 (3) 電壓電流感測器 (31) 電壓感測器 (32) 電流感測器 (4) 最大功率追蹤控制器 (5) 閘極驅動器 (6) 太陽能電池陣列 ⑺ 變動負載 (71) 感測電阻 (72) 蓄電池 (8) 直流/交流變頻器 12

Claims (1)

1305699 十、申請專利範園： 1. 一種太陽能光伏系統電源轉換器，係包括一太陽能電池 陣列、一直流/直流（DC/DC)轉換器、一電壓電流感測 器、一最大功率追蹤控制器以及一閘極驅動器；其主要 經由直流/直流（DC/DC)轉換器耦合出耦合繞組電壓，且 將該搞合繞組電壓輸出至電壓電流感測器之電壓感測 器及電流感測器’以分別操取出電壓與電流信號，並將 所擷取之電壓與電流信號供給最大功率追蹤控制器與 閘極驅動器，再藉由最大功率追蹤控制器内建的程式來 •判斷不同照度變化下之太陽能電池陣列最佳的功率工 作點，並由閘極驅動器輸出此一信號，進而控制直流/ 直流（DC/DC)轉換器的作動與否，以當低照度時，可令 最大功率追蹤控制器進入睡眠狀態，達到節能控制之目 的。 2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能光伏系統電源轉換 器，其中，該直流/直流（DC/DC)轉換器所產生之耦合繞 籲 組電壓係由一耦合電感耦合形成。 3·如申請專利範圍第1項所述之太陽能光伏系統電源轉換 器，其中，在直流/直流（DC/DC)轉換器輸出端設有一感 測電阻，以將該感測電阻二端之電壓分別輸出至電壓電 流感測器之電壓感測器及電流感測器。 4·如申請專利範圍第1項辦述之太陽能光伏系統電源轉換 器，其中，最大功率追蹤控制器控制閘極驅動器將最佳 的功率工作點以PWM【脈波寬度調變】脈波輪出，且以 13 1305699 此P W Μ脈波輸出提供在直流/直流（D C / D C )轉換器中之功 率晶體【M0SFET】的驅動信號，俾當低照度時，將功率 晶體除能，使最大功率追蹤控制器進入睡眠狀態。 5. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能光伏系統電源轉換 器，其中，該直流/直流（DC/DC)轉換器的輸出端處可接 設有一由感測電阻及電容組成之變動負載，以提供一穩 定之直流電壓供消費者使用。 6. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能光伏系統電源轉換 器，其中，該直流/直流（DC/DC)轉換器的輸出端處可接 設有一直流交流變頻器，以提供一交流電壓供消費者使 用0

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