太陽能增效儲能系統(tǒng)及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是有關(guān)一種太陽能增效儲能系統(tǒng)及其方法，特別是一種于低太陽輻射時，使光伏逆變器能夠提供最佳太陽電能轉(zhuǎn)換效率、并使由多個太陽能板互連而成的太陽能模塊能夠操作于最大功率輸出點。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)具有最大功率追蹤(Maximum Power Point Tracking)的光伏逆變器(PV-1nverter)不論是依照太陽能板的電壓與電流曲線，而設(shè)置的最佳電壓追隨法(Constant Voltage Tracking/Modified Constant Voltage Tracking),或是標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換功率逐步追隨法(Stepping Up/Down Algorithm)都可以在太陽福射能較高，或是說太陽能板輸出電能較大時達(dá)成光、電轉(zhuǎn)換最大效率要求，但當(dāng)太陽能板工作于低太陽輻射能，或是所謂的輕載工作區(qū)時，往往限于電力開關(guān)元件(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)的最小開關(guān)周期，以及轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)對于脈波周期的控制精度(Resolut1n of PulseWidth Modulat1n)，光伏逆變器中的最大功率追蹤器不但無法準(zhǔn)確地計算合適開關(guān)周期，而且電力開關(guān)元件本身操作時的導(dǎo)通損失(Conducting Loss)與開關(guān)損失(SwitchingLoss)過大，致使多數(shù)的光伏逆變器在輸入功率低于額定功率20%以下的輕載工作區(qū)的效率大幅滑落，更常常由于太陽能板在低太陽輻射能的狀況下，由圖1中可知，為常見的光伏逆變器(SC500MX)的效率曲線，在輸入功率為額定功率的10%以下時，轉(zhuǎn)換率大幅下滑，以實際面來看，多數(shù)光伏逆變器在輸入功率是額定功率的5%以下時，太陽能板所提供的電能，不足以讓光伏逆變器穩(wěn)定工作于最低切換周期(Minimum PWM Duty)，當(dāng)光伏逆變器啟動后，由于太陽能板所提供的電能不足，將會導(dǎo)致輸出電壓下降，并低于至光伏逆變器的最小工作電壓，如此由于輸出的電功率不足以讓光伏逆變器正常運作，將會強迫光伏逆變器又進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)；再加上光伏逆變器在啟動、與截止間跳動，因而會加速光伏逆變器的壽命損耗。
[0003]因此一般的太陽能電廠為避免低太陽輻射下的少許電能收益而損及光伏逆變器的壽命，并減少光伏逆變器交流輸出端不可預(yù)期的總諧波失真(Total HarmonicDistort1n)，多會在光伏逆變器的輸入埠加裝計時器，以排除清晨或傍晚時的低太陽輻射能的干擾。
[0004]但加裝計時器的設(shè)計不但減損了應(yīng)有的發(fā)電總功率，更無法在天候不佳的狀況下，例如陰雨天，或是有霧的天候下，保護(hù)光伏逆變器、保障發(fā)電品質(zhì)，免于太陽能板輕載發(fā)電時的干擾。
[0005]而澳洲的Fronius Internat1nal與中國內(nèi)地的華為技術(shù)有限公司不約而同的采用模組化的設(shè)計架構(gòu)，利用多組小型化的最大功率追蹤模組，依太陽能板輸出的可能最大電功率，輪流切換對應(yīng)的最大功率追蹤模組數(shù)量，無論太陽能板處于輕載或滿載時，達(dá)成整組光伏逆變器都可以工作于高效、穩(wěn)定的狀態(tài)。但是Fronuis Internat1nal的最大功率追蹤模組僅有5KW，雖然在低太陽輻射條件下提供了較好的發(fā)電效率，但受限于功率規(guī)模并不適合于大型光伏發(fā)電系統(tǒng)，而且在多組小型化的最大功率追蹤模組的操作下，許多共用的元件，如開關(guān)電閘、直流濾波器，PWM控制組件會增加不少額外的成本；
[0006]而華為技術(shù)有限公司的最大功率模組為250KW，單機功率為500KW，使用多組500KW機依太陽輻射強度，決定工作的單機數(shù)量，電力輸送會因為太陽能板的幅員廣大，復(fù)雜的配線、電閘的開關(guān)損失，以及太陽能板特性匹配的困難，降低了實際轉(zhuǎn)換效率。
[0007]而華為技術(shù)有限公司于2013年底進(jìn)行了較大型的測試計畫，實驗結(jié)果證明以20KW的小型光伏逆變器200組所成的串列式發(fā)電系統(tǒng)，仍然較500KW光伏逆變器8組的實際光電轉(zhuǎn)換效率來的高3.04%，但若是于低太陽輻射能的條件下(下午17:10)，轉(zhuǎn)換效率甚或相差40.85%。太陽能板于匹配不良的情形下，最大功率追蹤模組僅能操作于折衷下的最大功率點，至使最大功率追蹤模組的效能降低，由此可知，大規(guī)模的太陽能板配置可控制工作數(shù)量的光伏逆變器，仍是無法有效地將低太陽輻射能收入發(fā)電系統(tǒng)。
[0008]另外，由圖2A、2B可知，當(dāng)太陽能板在無法完全依光伏轉(zhuǎn)換效率與光伏電動勢做完整配對的情況下，所有太陽能板無法在相同的工作條件下同時達(dá)成最佳光伏轉(zhuǎn)換效率，而是相對折衷的最佳操作點，因此太陽能板整體效率因而下降。由此可知，當(dāng)太陽能板的數(shù)量越大，這種轉(zhuǎn)換效率下跌的狀況越明顯。
[0009]因此，若是于低太陽輻射狀態(tài)時，將多個太陽能板將所輸出的微小電力對該儲能設(shè)備進(jìn)行充電，并于充電到一定程度后，再將該儲能設(shè)備所儲存的電能、及多個太陽能板所輸出的微小電力，一并輸出至光伏逆變器，以使于低太陽福射狀態(tài)下，該光伏逆變器能夠提供最佳太陽電能轉(zhuǎn)換效率、并使該太陽能模組能夠操作于最大功率輸出點，如此應(yīng)為一最佳解決方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的在于提供一種太陽能增效儲能系統(tǒng)及其方法，能夠于低太陽輻射狀態(tài)時，將多個太陽能板將所輸出的微小電力對該儲能設(shè)備進(jìn)行充電，并于充電到一定程度后，再將該儲能設(shè)備所儲存的電能、及多個太陽能板所輸出的微小電力，一并輸出至光伏逆變器，以使于低太陽輻射狀態(tài)下，光伏逆變器能夠提供最佳太陽電能轉(zhuǎn)換效率、并使該太陽能模塊能夠操作于最大功率輸出點。
[0011]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開了一種太陽能增效儲能系統(tǒng)，其特征在于包含:
[0012]一太陽能模塊，由多個太陽能板互連而成；
[0013]一光伏逆變器，與該太陽能模塊相連接，用以將該太陽能模塊所產(chǎn)生的電力轉(zhuǎn)換為與市電相同電壓與頻率；
[0014]一第一切換開關(guān)，設(shè)置于該太陽能模塊及該光伏逆變器之間；
[0015]一儲能設(shè)備，與該太陽能模塊相連接，而該儲能設(shè)備系由多個電池單元串接而成，而每一個電池單元內(nèi)包含了數(shù)個電池及數(shù)個監(jiān)控模塊，其中該儲能設(shè)備用以儲存該光伏逆變器處于低載運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的太陽能模塊所輸出的電力；
[0016]一第二切換開關(guān)，設(shè)置于該太陽能模塊及該儲能設(shè)備之間；
[0017]一直流轉(zhuǎn)換器，與儲能設(shè)備相連接，該直流轉(zhuǎn)換器為一將該儲能設(shè)備的電力升壓轉(zhuǎn)換為與該太陽能模塊的太陽能板的最佳工作電壓相近的電力轉(zhuǎn)換器；
[0018]一第三切換開關(guān)，設(shè)置于該儲能設(shè)備及直流轉(zhuǎn)換器之間；
[0019]一控制主機，包含了一中央控制單元，該中央控制單元與該第一切換開關(guān)、第二切換開關(guān)、第三切換開關(guān)、太陽能模塊、直流轉(zhuǎn)換器及儲能設(shè)備相連接，其中該中央控制單元判斷該太陽能模塊所輸出的電力使該光伏逆變器處于低載運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，則開啟該第二切換開關(guān)，以使太陽能模塊能夠?qū)⑺a(chǎn)生的電力輸入該儲能設(shè)備中進(jìn)行充電，并于該儲能設(shè)備充電到一定程度，該中央控制單元能夠控制該第三切換開關(guān)連通，其中使該光伏逆變器處于低載運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的太陽能模塊能夠?qū)⑺a(chǎn)生的電力輸出至該光伏逆變器，且該儲能設(shè)備能夠一并進(jìn)行放電、以將電力透過該直流轉(zhuǎn)換器輸出至該光伏逆變器。
[0020]其中，該電池單元的監(jiān)控模塊能夠?qū)⒃撾姵貎Υ娴碾娔苜Y訊回傳至該中央控制單元，該儲能設(shè)備能夠以近似定電壓追蹤模式，將使該光伏逆變器處于低載運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的太陽能模塊所輸出的電力進(jìn)行儲存。
[0021]其中，該中央控制單元能夠控制該直流轉(zhuǎn)換器處于以溫度修正的定電壓追蹤模式，以使該直流轉(zhuǎn)換器能夠提供最佳太陽電能轉(zhuǎn)換效率、并使該太陽能模塊能夠操作于最大功率輸出點。
[0022]其中，該直流轉(zhuǎn)換器為隔離型的轉(zhuǎn)換器。
[0023]其中，該直流轉(zhuǎn)換器內(nèi)具有直流電壓轉(zhuǎn)換電路，用以將該儲能設(shè)備進(jìn)行放電所輸出至該光伏逆變器的電壓墊高。
[0024]還公開了一種太陽能增效儲能方法，其特征在于步驟為:
[0025]于低太陽福射時，將一太陽能模塊的多個太陽能板所輸出的微小電力對一儲能設(shè)備進(jìn)行充電；
[0026]再將該儲能設(shè)備所儲存的電能、及該太陽能模塊的多個太陽能板所輸出的微小電力，一并輸出至一光伏逆變器，以使于低太陽輻射狀態(tài)下，使光伏逆變器能夠提供最佳太陽電能轉(zhuǎn)換工作電壓、并使該太陽