電力調(diào)節(jié)器電路藉由非線性發(fā)電機以最大化功率的輸出的制作方法
【專利摘要】一電路從一可再生電源接收可變的電壓和電流以及優(yōu)化地加載電源至最大化功率，以輸出至具有固定電壓的一直流總線。一升壓電路和同步整流器具有一可控制的工作周期，以從可再生電源來升壓電壓。一回饋控制電路感測輸出電流和優(yōu)化工作周期以最大化此輸出電流，并因此而最大化輸出功率。由于輸送電流的精確測量是沒有必要的，因而大大地減少復(fù)雜性和費用。電源能從直流總線被隔離，并且一電弧故障感測器能夠確定一電弧的存在和關(guān)閉電力調(diào)節(jié)器，以防止由于電弧或火災(zāi)所造成的損害。
【專利說明】電力調(diào)節(jié)器電路藉由非線性發(fā)電機以最大化功率的輸出
[0001]交叉引用相關(guān)申請
[0002]本申請主張美國臨時案的優(yōu)先權(quán)，美國臨時案的序列號為61/550,922并提交于2011年10月25日，名稱為"電力調(diào)節(jié)器電路藉由非線性發(fā)電機以最大化功率的輸出"其全部的內(nèi)容被引用并入本文的參考文獻(xiàn)。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本公開一般地涉及于電力電子學(xué)的【技術(shù)領(lǐng)域】，以及在一示例性實施例中，本公開涉及一種用于一非線性發(fā)電機的電力調(diào)節(jié)的設(shè)備和系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0004]可再生能源，如具有非線性的功率輸出特性的太陽能光電板和風(fēng)力發(fā)電機，其相對應(yīng)于最大功率輸出既不是最大電壓也不是最大電流。此外，這樣的特征可以隨著操作環(huán)境的改變而做改變，例如，當(dāng)太陽能光電板被樹或其他物體遮蔽時，或者隨著改變風(fēng)力等變化而進(jìn)行驅(qū)動的風(fēng)力發(fā)電機。這些可再生能源可以被稱為無法控制能源的發(fā)電機(Uncontrolled Energy Power Generator, UEPG)。電子裝置可以管理上述的兀件(Device),使得在所有的情況下仍能維持最大的功率輸出。因為設(shè)備需要花費相較對高的成本來利用這些能源以及得到所需的最大化輸出功率，所以從可再生能源來優(yōu)化發(fā)電是重要的。
[0005]例如，監(jiān)控太陽能光電板的輸出以及計算太陽能光電板的輸出電壓乘以輸出電流以求得輸出功率，然而在此過程中電流和電壓的精度量測是必需的。這反過來需要使用具有所需精度和速度的復(fù)雜和昂貴的電子設(shè)備。美國專利第6，844，739號提供更多公知太陽能光伏發(fā)電追蹤系統(tǒng)的細(xì)節(jié)，美國專利第6，844，739號提交于2005年I月18日，名稱為〃最大功率點追蹤的方法及裝置"其全部的內(nèi)容被引用并入本文的參考文獻(xiàn)。
實用新型內(nèi)容
[0006]本公開公開從可再生電源用以調(diào)節(jié)功率的電路和系統(tǒng)。電路從源極接收可變電壓和電流，以及優(yōu)化地加載電源至最大化功率以輸出至具有固定電壓的一直流總線。藉由工作周期控制器從可再生能源升壓電壓至直流總線的固定電壓，以控制具有一可變工作周期的一升壓電路和同步整流器。一回饋控制電路感測輸出的負(fù)載電流，以及優(yōu)化工作周期以最大化此輸出電流，以及因而最大化該輸出功率。感測電路依據(jù)于具有一單一極大值的可再生能源的輸出功率與負(fù)載特性，所以在本公開中輸出電流的精度量測是非必要的，而僅需一振幅和相位的相對量測，因此當(dāng)提高可靠性和耐用性能同時大大地降低復(fù)雜性和成本費用。
[0007]在一實施例中，一隔離變壓器用于從直流總線將可再生電源隔離。在另一實施例中，一電弧故障感測器確定一電弧的存在，例如，一管路以及中斷或關(guān)閉電力調(diào)節(jié)器以防止由于電弧或火災(zāi)所造成的物理損害。
[0008]本公開所公開的系統(tǒng)和裝置可以通過任何手段來實施，并且可以在機器-可讀取媒體的形式下來執(zhí)行以實施一組指令，當(dāng)由機器執(zhí)行時，機器能執(zhí)行創(chuàng)作所公開的任何操作。從附圖和詳細(xì)描述中，本實施例中的其它特征將是顯而易見的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]附圖由舉例的方式來繪示舉例的實施例而并非為限制的方式，其中相似的引用指示為相似的元件。
[0010]圖1是根據(jù)至少一實施例繪示用于調(diào)節(jié)藉由可再生發(fā)電機所供給的電力的一系統(tǒng)的一功能方塊圖。
[0011]圖2是根據(jù)至少一實施例的一電力調(diào)節(jié)器電路的一示意圖。
[0012]圖3是根據(jù)至少一實施例的用于峰值功率辨識的具有顫動以偵測斜率的輸出功率相對于工作周期之圖。
[0013]圖4是根據(jù)至少一實施例繪示一工作周期調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
[0014]圖5是根據(jù)至少一實施例繪示一電力調(diào)節(jié)器和隔離系統(tǒng)。
[0015]圖6是根據(jù)至少一實施例的具有多個平行耦接的可再生能源發(fā)電機的一模塊化系統(tǒng)，其每一個都具有一本地電力調(diào)節(jié)器。
[0016]圖7是根據(jù)至少一實施例的一操作的流程圖藉由最大化輸出電流來提供最大的輸出功率。
[0017]從附圖和下面的詳細(xì)的描述，本實施例中的特征將是顯而易見的。

【具體實施方式】
[0018]本公開公開的電力調(diào)節(jié)器電路的裝置和系統(tǒng)。在下面的描述中，為了解釋的目的而闡述許多具體的細(xì)節(jié)以便提供各種實施例的全面的理解。本公開將是顯而易見的，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實踐各種實施例。從附圖和下面的詳細(xì)的描述，本實施例中的特征將是顯而易見的。
[0019]圖1是根據(jù)至少一實施例繪示用于連接具有一直流總線(Direct Current Bus, DCBus)的一可再生能源的一系統(tǒng)的功能方塊圖。一可再生能源的電源102 (Renewable-EnergyPower Source),亦稱為一無法控制能源的發(fā)電機(Uncontrolled-Energy PowerGenerator, UEPG),例如一太陽能光電板(Solar Photovoltaic Panel)、一造波機(WaveGenerator)、風(fēng)力發(fā)電機(Wind Turbine)等被稱接至電力調(diào)節(jié)器104。而電力調(diào)節(jié)器104反之耦接至具有一固定電壓的一直流總線106，如同藉由固定電壓負(fù)載108耦接到電源102的設(shè)置，其為非線性的連接，因為隨著負(fù)載的改變其輸出電流和電壓并不會發(fā)生線性變化。此外，電源102的輸出電壓、電流和功率隨著情況的改變而變化，例如，太陽對于太陽能光電板，風(fēng)對于風(fēng)力發(fā)電機，波浪對于造波機等。為了從非線性的電源102輸送功率至直流總線106，電力調(diào)節(jié)器104穩(wěn)定電壓以及最大化輸出功率，如藉由將負(fù)載電流最大化。在電力調(diào)節(jié)器104中，最大電流管理器(Maximum Current Manager) 105藉由調(diào)整非線性可再生的電源102的工作電點以最大化負(fù)載電流。負(fù)載電流從而作為電源的代理。因為一固定電壓乘以一最大化的電流是一最大化的功率，所以輸出至固定電壓負(fù)載108的功率是一最大功率。在系統(tǒng)100上藉由劃分管理電壓和管理電流的任務(wù)給不同的負(fù)責(zé)裝置，因而大大地簡化每一負(fù)責(zé)裝置的操作和復(fù)雜性，從而得到一更加具有成本效益、堅固和可靠的系統(tǒng)。最大電流管理器105和固定電壓管理器獨立地進(jìn)行操作，而不需要藉由管理器或另一個電路來執(zhí)行一功率計算(Power Calculat1n)。藉由避免功率計算,消除了復(fù)雜的理論計算電路和準(zhǔn)確的感測裝置，從而降低了成本和復(fù)雜性。因此本公開藉由控制一單一變量、多個變量以提供最大功率點追蹤(Maximum Power Point Tracking, MPPT)。單一變量,如電流。多個變量，如電流和電壓，其中亦包含輸出功率。
[0020]藉由電力調(diào)節(jié)器104下沉一范圍的負(fù)載電流，以使固定電壓管理器109在直流總線106上維持一固定電壓。在一實施例中藉由根據(jù)維持電壓的需要而增加(Adding)或卸除(Shedding)負(fù)載以完成下沉功能(Sinking Funct1n)。儲存功率的負(fù)載,例如電池、飛輪、熱水槽，在由直流電源輸出峰值功率的時間下，儲存功率的負(fù)載是有用的負(fù)載槽(UsefulLoad Sinks)以維持固定的總線電壓。消耗性的負(fù)載，例如，可選的或豪華的負(fù)載，在由直流電源減少功率輸出的時間下，消耗性的負(fù)載是有用的負(fù)載(Useful Load)以將其拆卸用于維持固定總線電壓。而美國申請序號61/489263提供更多關(guān)于電壓管理器和固定電壓負(fù)載的細(xì)節(jié)，其提交于2011年5月24日，名稱為"一種整合和管理替代能源、電網(wǎng)功率以及負(fù)載之間需求/響應(yīng)的系統(tǒng)和方法"其全部的內(nèi)容被引用并入本文的參考文獻(xiàn)。
[0021]現(xiàn)參閱圖2，根據(jù)至少一實施例繪示一可再生電源以及一電力調(diào)節(jié)器電路的一示意圖。來自可再生的電源102的功率，例如一太陽能光電板，其被傳送至一直流總線106輸出線。該輸出線被控制在一大致固定的電壓下，以對于下游電子裝置(DownstreamElectrical Devices)進(jìn)行相容可靠的操作。例如,對于一48伏特的標(biāo)稱總線電壓(NominalBus Voltage),線電壓能波動+/ — I伏特或2%以維持在國家電氣規(guī)定(Nat1nal ElectricCode, NEC)所規(guī)定的50伏特上限之下。在其它系統(tǒng)中，電壓波動可以是0.1%至5%的任意位置，而這取決于該系統(tǒng)的靈敏度以及用于調(diào)節(jié)電壓的控制器和感測器。當(dāng)傳遞至直流總線的平均電流為最大值時，則傳送最大功率。藉由可再生的電源所提供的電壓，其通常低于直流總線106的電壓，但是在一些情況下所提供的電壓可能會超過直流總線的電壓。例如，40V的太陽能光電板能以并聯(lián)方式來安排，然后對于家庭照明和電器的應(yīng)用時，則將可再生的電源所提供的電壓升壓至200伏特,或者對于休旅車(Recreat1n Vehicle, RV)或海運的應(yīng)用，則將可再生的電源所提供的電壓降壓至12伏特。
[0022]根據(jù)一實施例，可再生的電源102使用一直流-直流轉(zhuǎn)換器(DC-DCConverter) 221和一同步整流器(Synchronous Rectifier) 222將能量轉(zhuǎn)移至直流總線106。使用電感(Inductor)Ll和開關(guān)的晶體管Tl (Switching Transistor)的直流-直流轉(zhuǎn)換器221作為一升壓電路，直流-直流轉(zhuǎn)換器221的導(dǎo)電周期時序(Conducting CycleTiming),如供電時間(On Time)和斷電時間(OffTime),是藉由工作周期控制器(DutyCycle Controller, DCC) 224以持續(xù)地控制，其亦稱為一脈沖寬度調(diào)制(Pulse WidthModulat1n，PWM)。工作周期控制器224藉由改變一脈沖寬度調(diào)制的工作周期，以交替改變輸出線所輸出的負(fù)載電流，藉以調(diào)制直流電源的一工作點(Operating Point)。而工作周期視為供電時間與斷電時間的比值。工作周期調(diào)節(jié)460的電路(DutyCycle AdjustmentCircuit, DCAC)交替驅(qū)動工作周期控制器224。在供電時間時，磁場聚集在電感LI并將能量存儲在電感LI中。在斷電時間時，
[0023]在電感LI的磁場崩潰(Collapse),其導(dǎo)致電感LI釋放所儲存的能量至同步整流器222。在此斷電時間時，工作周期控制器224接通晶體管T2，使得晶體管T2傳遞能量至直流總線106。因此，已知直流總線106的電壓是固定的，在一給定的周期下能量轉(zhuǎn)移是正比于在該周期下關(guān)于時間的電流積分值。但應(yīng)注意的是，工作周期控制器224和工作周期調(diào)節(jié)460的電路可以被實現(xiàn)為一個共同電路(Common Circuit)或一模塊。
[0024]工作周期控制器224的周期時間是非臨界的且能根據(jù)創(chuàng)作的考量來做變化。在一實施例中，周期時間是設(shè)為10微秒(Micro Second)。在另一實施例中，周期時間是介于0.1至1000微秒。
[0025]根據(jù)一實施例中，晶體管Tl，T2為功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管(MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistors, MOSFETs),當(dāng)導(dǎo)通時功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管在歐姆模式(OhmicMode)下操作。在這種情況下，金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管的操作基本上呈線性，使得源極(Source)至漏極(Drain)的電壓正比于源極至漏極的電流。因此，在此情況下，藉由偵測和最大化晶體管T2的源極至漏極的電壓，以最大化傳送至直流總線106的功率。功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管通常包含一內(nèi)二極管(Internal D1de)Db,其有時被稱為一內(nèi)接二極管(Body D1de)。根據(jù)一實施例，當(dāng)在晶體管T2的供電時間時,其源極(Source)至漏極(Drain)的電壓低于內(nèi)二極管Db的導(dǎo)通門濫電壓(Conduct1n Threshold Voltage),因此，內(nèi)二極管Db無法傳遞能量至直流總線，且僅僅是作為一安全裝置通過晶體管T2來限制功率消散。此外，有可能可再生的電源102的電壓超過直流總線106的電壓，則內(nèi)二極管Db可以作為一分流(Bypass)以從電感LI輸出功率直接到直流總線106。
[0026]—電流感測器242 (Current Sensor)稱接跨越于同步整流器222的晶體管T2,藉由測量跨越晶體管T2的電壓降以及產(chǎn)生傳遞至工作周期調(diào)節(jié)460的區(qū)塊的一成比例的電流444的訊號來量測導(dǎo)通的晶體管T2的一電流的相對量。從工作周期控制器224輸入至電流感測器242代表在晶體管T2為導(dǎo)通的時候以及能取得電壓降量測(Voltage DropMeasurement)的時候。因此，在本實施例中不需要量測從直流的電源102所輸出的電壓和電流，亦不需要量測從直流-直流轉(zhuǎn)換器221所輸出的電壓。在本實施例中僅需量測從電力調(diào)節(jié)器104的負(fù)載電流。此外，本公開不需要一專用的感測器(Dedicated Sensor)來測量負(fù)載電流。更確切地說，為了切換和感應(yīng)負(fù)載電流的多重目的而再利用晶體管T2，因而降低了成本、復(fù)雜性以及在電路中的元件的數(shù)量。然而，在另一個實施例中，能使用一專用的電流感測器，且特別是一便宜且低準(zhǔn)確的電流感測器被用以測量負(fù)載電流的電流和相位(Phase)。在電力調(diào)節(jié)器104上，電弧故障檢測器(Arc FaultDetector) 230稱接在高電壓線至地面之間，發(fā)送一訊號至工作周期控制器224以關(guān)閉，從而提供一閉合電路(ClosedCircuit)至直流電源，例如，一太陽能光電板藉由其內(nèi)部電阻而能自我調(diào)節(jié)。電弧故障檢測器230避免提供功率至一電弧故障。
[0027]現(xiàn)在參閱圖3，一特性曲線300繪示關(guān)于藉由電力調(diào)節(jié)器104所傳送的平均功率相對于上述所定義的工作周期。當(dāng)工作周期在一最小值，例如，供電時間相對于斷電時間是最小的，通過晶體管Tl產(chǎn)生相對小的導(dǎo)通(Conduct1n)，并且因此，相對少的能量存儲于電感LI和傳送至直流總線106。隨著工作周期增加，在每工作周期電感LI儲存更多能量，因而有更多能量和功率輸出至直流總線106。在某一階段上，增加工作周期導(dǎo)致在每周期所供給能量的減少。為了從可再生的電源102傳送最大功率至直流總線106的目的，因此有一最佳化的工作周期相對應(yīng)于最大負(fù)載電流工作點，而其相對應(yīng)于一峰值輸出功率(PeakDelivered Power) 320至一固定電壓負(fù)載。
[0028]現(xiàn)在參閱圖4，一工作周期調(diào)節(jié)系統(tǒng)系根據(jù)至少一實施例所繪示。工作周期調(diào)節(jié)460 的系統(tǒng)(Duty Cycle Adjustment System)包含一設(shè)定點(Set Point)428 的區(qū)塊I禹接至加法器(Adder)，以及其后再連接至工作周期控制器224，用于功率調(diào)節(jié)器104的系統(tǒng)啟動時以發(fā)起一起始工作周期(Starting Duty Cycle)。一工作周期顫動產(chǎn)生器(DutyCycleDither Generator) 464亦稱接至加法器434,并在其后連接至工作周期控制器224,以增加一輕微的顫動至脈沖寬度調(diào)制的控制器的工作周期，從而確定在負(fù)載電流目前操作上的曲線300的斜率。例如，在一實施例中I千赫茲下可以執(zhí)行顫動(Dither)，雖然可以使用各種各樣的頻率，如相對于工作周期控制開關(guān)頻率用于100千赫茲的開關(guān)的晶體管Tl。這顫動最初將針對藉由工作周期調(diào)節(jié)460的設(shè)定點電路來測定工作點(Operating Point)。例如，再參閱圖3，在標(biāo)示在曲線300的正斜率上的工作點引入顫動訊號302而導(dǎo)致一同相響應(yīng)(In-Phase Response) 304，該響應(yīng)為同相，因為當(dāng)顫動訊號302上升時，同相響應(yīng)304的功率傳送值亦上升，以及當(dāng)顫動訊號302下降時，同相響應(yīng)304的功率傳送值亦下降。另一方面，于標(biāo)示在曲線300的負(fù)斜率上的工作點引入顫動訊號302而導(dǎo)致一反相響應(yīng)(Out-of-Phase Response) 314,該響應(yīng)為反相，因為當(dāng)顫動訊號312上升時,反相響應(yīng)314的功率傳送的值亦上升，以及當(dāng)顫動訊號302下降時，反相響應(yīng)314的功率傳送的值304亦下降。因此，在傳送負(fù)載電流時，通過感測顫動訊號和相應(yīng)變化之間的相位關(guān)系能決定正在操作的電力調(diào)節(jié)器220的峰值輸出功率320在哪一邊。因為直流總線106的電壓基本上是固定的，所以傳送至直流總線106的電流將會正比于傳送至直流總線106的功率。具體而言，功率等于負(fù)載電流乘以負(fù)載電壓，以及在本實施例中負(fù)載電壓是固定的。電流和電壓為功率的分量(Component)。因此，負(fù)載電流成為功率的代理。因此，為了如上所述的檢測相位的目的，電力調(diào)節(jié)器104僅需要監(jiān)控流過晶體管T2的元件的電流，以及比較藉由工作周期顫動產(chǎn)生器464所提供的訊號的這類電流的相位。
[0029]圖4亦提供一回饋回路(Feedback Loop),用于調(diào)節(jié)從設(shè)定點至最大負(fù)載電流工作點的工作周期。圖2的電流感測器242的電路產(chǎn)生一電流444，該電流444正比于藉由晶體管T2所傳導(dǎo)電流，以及傳播成比例的電流444至電阻436，從而提供一個成比例的回饋電壓至乘法器(Multiplier) 472。濾波電容440消除電壓中不需要的噪聲(Noise)。乘法器472耦接到工作周期顫動產(chǎn)生器464，藉由相同的顫動訊號提供至工作周期控制器224以加乘回饋電壓。當(dāng)電流傳送至直流總線時對于顫動訊號是同相的，則乘法器472的輸出將是一個極性，以及當(dāng)電流傳送至直流總線時對于顫動訊號是反相的，則乘法器472的輸出將是一個相反極性的。誤差積分器468持續(xù)地積分乘法器472的輸出以產(chǎn)生一誤差訊號(Error Signal)，隨著顫動產(chǎn)生器464的輸出藉由加法器434以總和誤差訊號并饋送至工作周期控制器224。換句話說，誤差積分器468的輸出變成為工作周期控制器224的一更新設(shè)定點(Updated Set Point)。工作周期調(diào)節(jié)460的電路因此包含一回饋控制電路，其驅(qū)動功率輸出至直流總線106以達(dá)最大負(fù)載電流的峰值輸出功率320和獨立的一最大功率工作點，以及無需控制一直流-直流轉(zhuǎn)換器電路的輸出電壓，例如，假設(shè)一個固定電壓總線106。因為最大功率工作點是利用顫動負(fù)載電流的振幅和相位的相對量測來達(dá)成，而不是功率計算，因此在本實施例中不需要昂貴的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter, ADC)來產(chǎn)生電流和電壓的精確計算以準(zhǔn)確地確定功率。然而，在另一個實施例中，本公開能使用一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，尤其是一便宜的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器且相比于用于其它的最大功率點追蹤的方法有較低準(zhǔn)確度。
[0030]顫動訊號能是任意的多種波形。如果它是對稱的，則具有一零平均之一 50/50工作周期(50/50Duty Cycle with A Zero Average),例如一正弦波(Sine)，三角波(Triangle)或方波(Square Wave),則乘法器472能被實現(xiàn)為一簡單的極性轉(zhuǎn)換開關(guān)(Simple PolaritySwitch)。極性切換的實現(xiàn)藉由切換顫動訊號的極性，而將轉(zhuǎn)換負(fù)載電流的相位和振幅振蕩(Amplitude Oscillat1n)至一直流回饋訊號，以使基本頻率相關(guān)聯(lián)于回饋訊號,其中諧波的影響(HarmonicEffect)是可以忽略的。例如，若訊號藉由顫動產(chǎn)生器464輸出至乘法器472為一正極性，則訊號簡單地傳遞而不會改變；若訊號藉由顫動產(chǎn)生器464輸出至乘法器472為一負(fù)極性,則訊號反轉(zhuǎn)。因此，對于一給定的顫動周期(Given Dither Cycle),誤差積分器468成比例地增量累積至曲線300的斜率，而超過曲線300的斜率則負(fù)載電流是顫動的。顫動訊號被設(shè)置得足夠大，以使相位的檢測為可靠和足夠小的，以便其在效率或回路穩(wěn)定度上不具有顯著的影響。在一個實施例中，峰-峰值百分比在工作周期變化由于顫動是百分之一。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解在顫動幅度(DitherMagnitude)下其變化是可能的，以適應(yīng)各種需要的回路穩(wěn)定性的特性，并且其回路補償(Loop Compensat1n)可以是比例、積分、導(dǎo)數(shù)和它們的組合。一個小的顫動訊號能夠被用來避免偏離峰值功率太遠(yuǎn)，但是這也可能導(dǎo)致在較大的太陽能光電板系統(tǒng)系追蹤一局部最大值(Local Maximum)而不是全域最大值(Global Maximum)。藉由偶而地增加顫動的振幅能夠避免上述情形，例如，達(dá)到20%，然后再讓它減弱(緩慢地)恢復(fù)至正常的低水平，例如，1%，在此其將會保留大部分的時間，例如，99%的時間。然而，實際的持續(xù)時間和幅度的設(shè)置將取決于多少光伏電池(PVcell)是串聯(lián)以及在功率曲線的形狀。在圖3所繪示的平滑和單一的最大曲線代表一單一光伏電池，或在并聯(lián)中的多個光伏電池。如果有更多的太陽能光電板串聯(lián)連接，則所得到的功率曲線可能會具有多個峰，包括一全域最大值和局部最大值，其可能導(dǎo)致最大功率點追蹤去追蹤一局部最大值而不是全域最大值，從而導(dǎo)致一局部最佳化功率生產(chǎn)(Suboptimal Power Product1n)。
[0031]一可選的補償網(wǎng)路(Compensat1n Network)470是稱接在工作周期顫動產(chǎn)生器464和乘法器472之間，以匹配或同步直流的電源102的任何時間常數(shù)的延遲，其采用電阻和電容元件。補償網(wǎng)路有時是有用的，因為可再生能源如太陽能光電板有一相關(guān)聯(lián)的時間常數(shù)，使得在負(fù)載上的變化其發(fā)生快于相關(guān)聯(lián)的時間常數(shù)，將導(dǎo)致相對低的輸出電壓變化，而當(dāng)在負(fù)載上的變化其慢于相關(guān)聯(lián)的時間常數(shù)，將導(dǎo)致明顯的輸出電壓變化。這個時間常數(shù)在概念上可以被認(rèn)為是從等效電容內(nèi)部(Equivalent Capacitance Internal)至可再生的電源102所引起的。顫動周期將取決于可再生的電源102的時間常數(shù)，并且應(yīng)該比這個時間常數(shù)大。例如，如果可再生的電源102具有一秒鐘的一有效時間常數(shù)，則顫動周期應(yīng)至少為幾秒鐘。藉由插入相似于在工作周期顫動產(chǎn)生器464和乘法器472之間的可再生的電源102的時間常數(shù)的一持續(xù)時間的延遲(Delay of Durat1n),低顫動周期能被容納。由于可再生的電源102的時間常數(shù)引入至乘法器472的另一輸入端，這將傾向于補償有效時間的延遲。使用良好匹配的補償網(wǎng)路470，電力調(diào)節(jié)器104的電路能使用一更快的顫動訊號，其將導(dǎo)致一更快的回饋響應(yīng)以及最大負(fù)載電流工作點的一密切的跟蹤，例如，具有較少的延遲(Lag)。
[0032]工作周期調(diào)節(jié)460的電路可以利用數(shù)字(Digital)或模擬(Analog)組件來執(zhí)行，并指出只要回饋回路有效地驅(qū)動系統(tǒng)至最佳工作點的峰值輸出功率320則不需要傳送電流的精確測量。在一實施例中，工作周期控制器224的電路和/或工作周期調(diào)節(jié)460的電路僅使用模擬組件來設(shè)定和調(diào)整工作周期，以及在另一實施例中，僅具有公稱符號數(shù)字的互補式金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS)的組件(Nominal Token Digital CMOS Components)的大部分模擬組件來設(shè)定和調(diào)整工作周期。這是因為在本公開中廣泛的數(shù)字電路并不需要執(zhí)行功率計算，且不需要實現(xiàn)復(fù)雜的算法，來追蹤一實際的最大功率點?；谕瑯拥睦碛桑竟_既不需要具有可程序軟件的電路，亦不需要一運算邏輯單元(Arithmetic Logic Unit, ALU)來進(jìn)行算術(shù)運算，也不需要中央處理單元(CPU)來執(zhí)行軟件實施的程序(Software-1mplemented Program)。在一實施例中，因為其組件和創(chuàng)作的簡單性，電力調(diào)節(jié)器104的電路整合在一單半導(dǎo)體晶粒(SingleSemiconductor Die)上。
[0033]現(xiàn)在參閱圖5，一電力調(diào)節(jié)器和隔離系統(tǒng)根據(jù)至少一實施例所繪示。在一些應(yīng)用中，可再生的電源102和直流總線106之間的隔離是適當(dāng)?shù)幕虮匦璧?。藉由如上所述的直?直流轉(zhuǎn)換器和工作周期優(yōu)化電路來完成電力調(diào)節(jié)器104執(zhí)行的功能。隔離的變壓器(Isolat1n Transformer) 536和相關(guān)組件繪示以形成一直流供給電源(DC Power Supply)?；趶碾娏φ{(diào)節(jié)器104接收一定時訊號(Timing Signal),控制516的電路周期性地接通和斷開場效晶體管(Field Effect Transistors, FETs) 520, 524,以通電一去能的主要的隔離的變壓器 536 (De-Energizing The Primary of Isolat1n Transformer)。當(dāng)場效晶體管斷開時，藉由隔離的變壓器536的一次線圈(Primary Winding)的漏電感(Stray Inductance)以產(chǎn)生返馳二極管(Flyback D1de) 528, 532的回路電流(Return Current)。隔離的變壓器536因此提供一交流電，其藉由二極管540和電容544各別地來整流和濾波。這種構(gòu)造有時被稱為〃雙開關(guān)正向拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(Two-Switch Forward Topology) 〃。
[0034]然后隔離的變壓器536能藉由量測橫越晶體管520，524的電壓預(yù)估傳送至直流總線106的功率，如上所述其在一歐姆模式下工作。利用變壓器536經(jīng)由一非單位匝數(shù)比(Non-Unity Turns Rat1)從低電壓源可以來〃升壓〃電壓。例如，對于工作在40伏特(V)的太陽能光電板和具有200伏特(V)的直流總線106，電力調(diào)節(jié)器104將會提升太陽能光電板的電壓至50伏特(V)，以及變壓器經(jīng)由1:4的匝數(shù)比將進(jìn)一步地提供升壓。可替換地，變壓器536能夠為1:1比例用于提供沒有升壓電壓的一隔離功能，或N:1的比例用于提供結(jié)合有降壓電壓的一隔離功能，其中N是任何所需的降壓比例。為了方便和效率能夠?qū)⑸龎航夭ㄆ?Boost Chopper)的裝置與控制516的裝置進(jìn)行整合。為了安全原因以提供隔離的變壓器536從潛在的負(fù)載或其他來源如一公用電力電網(wǎng)(UtilityPower Grid)來隔離直流的電源102。電力調(diào)節(jié)器104的工作周期是固定的，而不像在圖2和圖4中為可變化。在本實施例中，雖然能使用范圍廣泛的其它工作周期，工作周期是固定在50%。
[0035]圖6根據(jù)至少一實施例具有多個可再生能源發(fā)電機602-1至602-N耦接在太陽能光電板的一模塊化系統(tǒng)，其中N是大于二的任意值，每一個發(fā)電裝置都包括一專用的本地電力調(diào)節(jié)器(Power Condit1ner, PC) 104-1至104-N。這個系統(tǒng)提供了每一可再生能源的發(fā)電機具有被卸除或添加至系統(tǒng)的能力的模塊化，因為其包含其自身的電力調(diào)節(jié)器，一具有有限的評等的中央電力調(diào)節(jié)器將不限制增加至系統(tǒng)的發(fā)電量。此外，電力調(diào)節(jié)器的冗余將允許從容退化(Graceful Degradat1n)和失效模式(Failure Mode),隨著一單一電力調(diào)節(jié)器故障僅需移除相關(guān)的發(fā)電機，而不是移除多個發(fā)電機或所有的發(fā)電機。在每一電力調(diào)節(jié)器的電弧故障檢測功能將包括一門濫時間(Threshold Time)來檢測電弧故障,加上一相等于緩沖的時間以確保電弧故障檢測器并聯(lián)于直流電源上而具有紀(jì)錄電弧故障的一機會。
[0036]現(xiàn)參閱圖7，根據(jù)至少一實施例所繪示一操作的流程圖700藉由最大化輸出電流來提供最大的輸出功率。通過使用在流程圖700中描述的方法，從一可再生能源的電源提供最大化輸出功率的一種便宜、穩(wěn)固和有效的方法。步驟702從一直流電源接收電流，例如一可再生能源的無法控制能源的發(fā)電機(Uncontrolled Energy Power Generator, UEPG)。在步驟704中，使用直流-直流轉(zhuǎn)換器斷開電流。雖然本實施例繪示上述實施直流-直流轉(zhuǎn)換器作為一升壓電路(Boost Circuit)，本公開非常適合于利用一直流-直流轉(zhuǎn)換器配置為降壓電路(BuckCircuit)或升壓-降壓電路(Boost-BuckCircuit)。步驟704輸入一工作周期的設(shè)定點704-A，用以啟動脈沖寬度調(diào)制。此后，提供回饋(Feedback)作為隨后在步驟706-A至712的描述。接著，步驟706提供一輸出負(fù)載電流至一固定電壓輸出線，并最終至一固定電壓負(fù)載槽(Load Sink)，如圖1所示。從步驟706輸出706-A以檢測負(fù)載電流的相位和振幅振蕩，以及產(chǎn)生一直流回饋訊號(DC Feedback Signal),如圖2-4中說明。在步驟712上積分直流回饋訊號，并隨著顫動輸入712被輸入回步驟704而增加直流回饋訊號，用于調(diào)節(jié)直流-直流轉(zhuǎn)換器的工作周期。
[0037]作為流程圖700的一實際實施中，如果確定工作周期的工作點具有一正斜率，如圖3所示，則增加工作周期以接近峰值輸出功率320。如果確定工作周期的工作點為具有一負(fù)斜率，則減少工作周期以接近峰值輸出功率320。當(dāng)斜率陡峭則回饋電壓高且調(diào)整工作周期較大。當(dāng)斜率為零，或平的，則工作周期運作在曲線上負(fù)載電流為一最大值的一反曲點，以及在最大平均值的任一側(cè)測量電流至大約零變化，以及因此回饋為零，因而維持工作周期在最大負(fù)載電流工作點。雖然該方法和設(shè)備的目的是提供一最大負(fù)載電流工作點，其可以理解的是大部分的時間，該系統(tǒng)將提供一個負(fù)載電流，其是相當(dāng)接近于最大負(fù)載電流工作點以從直流電源捕捉約為最大值的功率。該顫動持續(xù)發(fā)生，回饋和調(diào)整、誤差積分等同樣如此。因為可再生能源的無法控制的性質(zhì)，使得在任何時間下直流電源很容易受到功率波動影響。本領(lǐng)域技術(shù)人員藉由本公開的電路和方法將會理解以適應(yīng)于其它應(yīng)用。例如，如果一低電壓電池，例如，舉例一 12伏特深循環(huán)電池(Deep-CycleBattery)是固定電壓負(fù)載108，以及直流電源是一 40伏特太陽能光電板，然后降壓電路可以被取代為升壓電路。通過一替代感測電路(Alternative Sensing Circuit)可以來量測電流傳遞至這樣的電池。例如，關(guān)于傳送功率的曲線300，如果最大功率傳遞至這樣的電池其對應(yīng)于最大電池電壓，后者可以被監(jiān)測和使用作為一用來感應(yīng)傳遞功率和量測峰值輸出功率320的基礎(chǔ)。
[0038]本文中所描述的方法及操作和示范性的實施例相比其可以在不同的序列，例如，在一不同順序。因此，根據(jù)一個給定的應(yīng)用程序，現(xiàn)有的操作中可以插入至少一附加的新操作，或至少一操作可以被簡化或消除。
[0039]從附圖和詳細(xì)描述中，本實施例中的其它特征將是顯而易見的。此外，將理解的是至少部分地藉由處理器和/或電力使用者界面控制在電腦可讀取和電腦可執(zhí)行指令的控制之下，以儲存在一電腦可用的儲存媒體，可以實施本文所公開的各種操作過程和方法。電腦可讀取和電腦可執(zhí)行指令駐留在，例如，在數(shù)據(jù)存儲功能，例如電腦使用的易失性和非易失性存儲器以及為非暫時性的。然而，非暫時的電腦可讀取和電腦可執(zhí)行指令可以駐留在任何類型的電腦可用的儲存媒體。
[0040]本公開的具體實施例的前述描述已經(jīng)呈現(xiàn)用于說明和描述的目的。它們并非旨在將本公開徹底的或限制到公開的具體形式。在不背離各種實施例的廣泛的精神和范圍下，許多修改和變化根據(jù)上述教導(dǎo)是可能的。選擇或描述本實施例是為了以最佳的方式解釋本公開原則和其實際應(yīng)用，以及使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)⒈竟_和各種實施例做各種修改以做最好的利用來適合于預(yù)期的特定用途。但本公開的范圍都應(yīng)屬于本公開所附的權(quán)利要求及其等同物的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種電力調(diào)節(jié)器電路，用于調(diào)節(jié)由一直流電源所接收的功率，該電力調(diào)節(jié)器電路包含: 一輸入線，耦接至該直流電源以接收該功率； 一輸出線，輸出該功率至一外部負(fù)載，其中該輸出線在一固定電壓下工作；以及一直流-直流轉(zhuǎn)換器電路(DC-DC Converter)，耦接該輸入線至該輸出線，用以提供一負(fù)載電流給該外部負(fù)載，于無需要電路來執(zhí)行一功率計算下，為該外部負(fù)載產(chǎn)生一最大輸出功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電路，其中該直流-直流轉(zhuǎn)換器電路包含一最大功率點追蹤(Maximum Power Point Tracking, MPPT)的功能，用于控制影響該輸出功率的多個變數(shù)中的一單一變數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的電路，其中該直流-直流轉(zhuǎn)換器電路產(chǎn)生該最大輸出功率，而無需控制該直流-直流轉(zhuǎn)換器電路的一輸出電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的電路，其中該直流-直流轉(zhuǎn)換器電路藉由最大化該負(fù)載電流以提供該最大輸出功率至該外部負(fù)載。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的電路，其中該直流-直流轉(zhuǎn)換器電路獨立于該輸出線的一電壓外以最大化該負(fù)載電流。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的電路，其中藉由該直流-直流轉(zhuǎn)換器電路產(chǎn)生該最大輸出功率提供給該外部負(fù)載，而不需要一專用傳感器來量測該直流電源的一電流或一電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求2的電路，其中該最大功率點追蹤的功能不需要一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter, ADC)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的電路，其中該直流-直流轉(zhuǎn)換器電路還包含: 一工作周期控制器電路(Duty Cycle Controller Circuit, DCCC),藉由改變一脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulat1n, PWM)的工作周期，交替改變該輸出線所輸出的該負(fù)載電流，藉以調(diào)制該直流電源的一工作點； 一工作周期調(diào)節(jié)電路(Duty Cycle Adjustment Circuit, DCAC),稱接于該工作周期控制器電路，其中該工作周期調(diào)節(jié)電路被配置以設(shè)置一初始工作周期(Initial DutyCycle)，然后顫動該脈沖寬度調(diào)制訊號的該工作周期；以及 一回饋電路(Feedback Circuit),稱接于該工作周期調(diào)節(jié)電路，其中該回饋電路感測藉由該持續(xù)顫動工作周期所引起該負(fù)載電流的一相位和一振幅振蕩(AmpIitudeOscillat1n)，該回饋電路提供一誤差訊號至該工作周期調(diào)節(jié)電路，用以調(diào)節(jié)該工作周期以追蹤該最大負(fù)載電流工作點。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的電路，其中該回饋電路使用模擬組件以調(diào)節(jié)該工作周期，而無需執(zhí)行一功率計算。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的電路，其中該回饋電路藉由積分相關(guān)于該起始顫動訊號的該負(fù)載電流的該相位和該振幅振蕩，藉以產(chǎn)生該誤差訊號。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的電路，其中該直流-直流轉(zhuǎn)換器電路還包含: 一同步整流器(Synchronous Rectifier), f禹接于該輸出線，該同步整流器在一歐姆模式(Ohmic Mode)下工作,藉以產(chǎn)生與該負(fù)載電流成正比的一電壓回饋,該負(fù)載電流通過該同步整流器導(dǎo)通至該輸出線。
12.根據(jù)權(quán)利要求2的電路，其中該最大功率點追蹤的功能不需要具有可程序軟件的電路。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的電路,其還包含: 一隔離變壓器(Isolat1n Transformer),稱接于該直流-直流轉(zhuǎn)換器電路和輸出線之間，該隔離變壓器用于升壓該直流一直流轉(zhuǎn)換器的一輸出電壓至該輸出線的該固定電壓，以及該隔離變壓器從該輸出線提供該直流電源的一隔離功能。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的電路，其中該電路為整合在單晶娃晶粒(singlesilicondie)上。
15.根據(jù)權(quán)利要求8的電路，還包含: 一極性轉(zhuǎn)換開關(guān)(Polarity Switch),轉(zhuǎn)換該負(fù)載電流的該相位和該振幅振蕩至一直流回饋訊號。
16.根據(jù)權(quán)利要求8的電路，還包含: 一補償/延遲網(wǎng)路設(shè)置在該回饋電路，其中該補償/延遲網(wǎng)路被配置以同步回饋訊號。
17.—種發(fā)電系統(tǒng),包含: 一直流電源；以及 一電力調(diào)節(jié)器，耦接于該直流電源，該電力調(diào)節(jié)器包含: 一輸入線，耦接至該直流電源以接收功率； 一輸出線，輸出功率至一外部負(fù)載，其中輸出線在一固定電壓下工作；以及一直流-直流轉(zhuǎn)換器電路，耦接該輸入線至該輸出線，以及于無需執(zhí)行一功率計算下提供一最大輸出功率。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的系統(tǒng)，還包含: 一固定電壓負(fù)載槽系統(tǒng)(Constant Voltage Load Sink system),f禹接該發(fā)電系統(tǒng)的該輸出線，其中該負(fù)載槽系統(tǒng)改變一負(fù)載吸引電流(Load Draw Current)使得一輸出線電壓維持在一固定電壓。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的系統(tǒng)，還包含: 多個直流電源耦接并聯(lián)于一直流總線(DC bus)，其中每一直流電源包含一專用本地電力調(diào)節(jié)器(Dedicated Local Power Condit1ner)。
20.根據(jù)權(quán)利要求17的系統(tǒng),其中該直流電源是一發(fā)電機(PowerGenerator)選自一組的無法控制能源的發(fā)電機(Uncontrolled-Energy Power-Generator),其包含:風(fēng)、波浪、太陽、地?zé)岷推淙魏谓M合。
【文檔編號】G05F1/67GK203965988SQ201290000923
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2012年10月25日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月25日
【發(fā)明者】K·卡梅倫 申請人:K·卡梅倫