逆变装置及其控制方法与流程

本发明涉及一种电源转换技术，尤其涉及一种逆变装置及其控制方法。

背景技术：

为了降低石化能源的消耗率，现今的电力系统积极的发展再生能源的应用。例如以太阳能产生电源的光电模块(photovoltaic module)、以风能产生电源的风力发电模块、以水流产生电源的水力发电模块或其他类型的再生能源发电模块。然而，上述的再生能源发电模块由于皆是应用自然资源来进行发电，因此其输出功率特性/输出能力会显著地受到环境的影响而有所改变。

举例来说，以光电模块(例如太阳能板)发电的直流电源产生装置为例，天候状况、太阳能板被遮蔽的情形等其他可能的外部条件变化，皆可能会造成光电模块所产生的直流电源的功率特性/输出能力发生变化。

由于此类再生能源发电模块所构成的直流电源产生装置大部分皆具有输出能力不稳定的问题，因此在将此类直流电源产生装置应用于交流电源系统时，后端的逆变装置即需因应此一问题做出设计上的调整。否则，若后端的逆变装置无法针对前端的直流电源产生装置的功率特性改变及时的做出反应，例如输入电压与命令电压差异过大，则常常会造成逆变装置的输入电压无法追随过大的命令电压而导致系统故障的问题。

因此，需要一种逆变装置及其控制方法来解决上述存在问题。

技术实现要素：

本发明的一目的在于提供一种逆变装置，该逆变装置能够防止前端的直流电源产生装置的输出能力突然发生变化时，逆变装置无法及时反应而造成系统故障的问题。

本发明的另一目的在于提供一种逆变装置的控制方法，该逆变装置的控制方法能够防止前端的直流电源产生装置的输出能力突然发生变化时，逆变装置无法及时反应而造成系统故障的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种逆变装置，包括：

一逆变电路，接收一直流输入电源，用以将所述直流输入电源转换为一交流输出电源；

一侦测电路，用以侦测所述直流输入电源的一输入电压与一输入电流；以及

一控制电路，耦接所述逆变电路与所述侦测电路，用以提供一控制信号来控制所述逆变电路，藉以将所述输入电压的电压值调整至所述控制信号所代表的一命令电压，

其中，所述控制电路计算侦测到的输入电压与所述命令电压的一电压差值，并且判断所述电压差值是否大于一默认值，

当所述控制电路判定所述电压差值大于所述默认值时，设定所述命令电压之电压值等于当前的所述输入电压之电压值。

较佳地，所述控制电路包括：

一最大功率点追踪运算模块，用以取样所述输入电压与所述输入电流，计算所述电压差值以判断所述电压差值是否大于所述默认值，并且依据判断结果产生一扰动信号；

一加法器，耦接所述最大功率点追踪运算模块，接收所述扰动信号与一参考信号并且依据所述扰动信号与所述参考信号产生所述命令电压，其中所述命令电压为所述扰动信号所代表的一扰动量与所述参考信号所代表的一前一时间点的命令电压之电压值的叠加；以及

一驱动电路，接收所述命令电压并依据所述命令电压产生所述控制信号。

较佳地，当所述最大功率点追踪运算模块判定所述电压差值小于等于所述默认值时，所述最大功率点追踪运算模块基于一最大功率点追踪运算来调整所述扰动信号。

较佳地，在进行所述最大功率点追踪运算时，所述最大功率点追踪运算模块依据所述输入电压与所述输入电流计算一输入功率，当所述控制电路判定所述电压差值小于等于所述默认值时，所述最大功率点追踪运算模块藉由比较扰动前后的输入功率来调变所述扰动量，藉以产生对应的扰动信号，以令所述输入功率趋近于一最大输入功率。

较佳地，若当前时间点的输入功率大于前一时间点的输入功率，所述最大功率点追踪运算模块提供与前一时间点下的一扰动方向相同的扰动量，以及若当前时间点的输入功率小于等于前一时间点的输入功率，所述最大功率点追踪运算模块提供与前一时间点下的扰动方向相反的扰动量。

与现有技术相比，本发明的逆变装置可藉由计算输入电压与命令电压的电压差值，并且比较电压差值是否超过默认值的方式来判断直流输入电源的功率特性是否发生偏移。其中，在判定直流输入电源的功率特性发生偏移时，将命令电压设定为当前的输入电压，藉以防止输入电压无法追随过大的命令电压而造成系统故障。使得本发明的逆变装置能够防止前端的直流电源产生装置的输出能力突然发生变化时，逆变装置无法及时反应而造成系统故障的问题。

为了实现本发明的另一目的，本发明提供了一种逆变装置的控制方法，适用于追踪所述逆变装置所接收的一直流输入电源的一最大输入功率，其中，所述控制方法包括：

侦测所述直流输入电源的一输入电压与一输入电流；

提供一控制信号来控制所述输入电压，藉以将所述输入电压的电压值调整至所述控制信号所代表的一命令电压；

计算侦测到的输入电压与所述命令电压的一电压差值；

判断所述电压差值是否大于一默认值；以及

当所述电压差值大于所述默认值时，设定所述命令电压之电压值等于当前的所述输入电压之电压值。

较佳地，提供所述控制信号来控制所述输入电压，藉以将所述输入电压的电压值调整至所述控制信号所代表的命令电压的步骤包括：

提供代表一扰动量的一扰动信号；

叠加所述扰动信号至一参考信号，依据所述扰动信号与所述参考信号产生所述命令电压，其中所述命令电压为所述扰动信号所代表的所述扰动量与所述参考信号所代表的一前一时间点的命令电压之电压值的叠加；以及

依据所述命令电压产生所述控制信号。

较佳地，所述逆变装置的控制方法还包括：

当所述电压差值小于等于所述默认值时，基于一最大功率点追踪运算来调整所述扰动信号。

较佳地，基于所述最大功率点追踪运算来调整所述扰动信号的步骤包括：

依据所述输入电压与所述输入电流计算一输入功率；

比较扰动前后的输入功率；以及

依据一比较结果调变所述扰动量，藉以产生对应的所述扰动信号，以令所述输入功率趋近于一最大输入功率。

较佳地，依据所述比较结果调变所述扰动量，藉以令所述输入功率趋近于所述最大输入功率的步骤包括：

判断当前时间点的输入功率是否大于前一时间点的输入功率；

若当前时间点的输入功率大于前一时间点的输入功率，提供与前一时间点下的一扰动方向相同的扰动量；以及

若当前时间点的输入功率小于等于前一时间点的输入功率，提供与前一时间点下的扰动方向相反的扰动量。

与现有技术相比，本发明的逆变装置的控制方法可藉由计算输入电压与命令电压的电压差值，并且比较电压差值是否超过默认值的方式来判断直流输入电源的功率特性是否发生偏移。其中，在判定直流输入电源的功率特性发生偏移时，将命令电压设定为当前的输入电压，藉以防止输入电压无法追随过大的命令电压而造成系统故障。使得本发明的逆变装置的控制方法能够防止前端的直流电源产生装置的输出能力突然发生变化时，逆变装置无法及时反应而造成系统故障的问题。

附图说明

图1为本发明一实施例的逆变装置的示意图。

图2本发明一实施例的控制电路的示意图。

图3为本发明一实施例的直流输入电源的电压-电流关系示意图。

图4为本发明一实施例的直流输入电源的时间-电压关系示意图。

图5为本发明一实施例的逆变装置的控制方法的步骤流程图。

【符号说明】

100：逆变装置

110：逆变电路

120：侦测电路

130：控制电路

131：MPPT运算模块

132：加法器

133：驱动电路

ACout：交流输出电源

CV1、CV2：特性曲线

DCin：直流输入电源

DCG：直流电源产生装置

EG：电网

I1、I1’、I1”、I1”’：电流值

Iout：输出电流

Iin：输入电流

S410～S470：步骤

Sc：控制信号

Sc’：参考信号

Sd：扰动信号

t0、t1、t2：时间点

V1、V1’、V1”、V1”’、V2、Vp：电压值

Vcmd、Vcmd’：命令电压

Vout：输出电压

Vin、Vin’：输入电压

Vth：默认缢

ΔV：扰动量

具体实施方式

为了使本发明所揭露的内容可以被更容易明了，以下特举实施例做为本发明揭露的确实能够据以实施的范例。另外，凡可能之处，在图式及实施方式中使用相同标号的组件/构件/步骤，代表相同或类似部件。

图1为本发明一实施例的逆变装置的示意图。请参照图1，本实施例的逆变装置100适于应用在一交流电源系统中。在所述交流电源系统中，逆变装置100可从前端的直流电源产生装置DCG接收直流输入电源DCin(包含有直流的输入电压Vin与输入电流Iin)，并且依据直流输入电源DCin产生交流输出电源ACout(包含有交流的输出电压Vout与输出电流Iout)提供给后端的电网EG。于此，所述直流电源产生装置DCG可选择为光电模块(photovoltaic module)、风力发电模块、水力发电模块或其他类型的再生能源发电模块，本发明不以此为限。

在本实施例中，逆变装置100包括逆变电路110、侦测电路120及控制电路130。逆变电路接收直流输入电源DCin，并且用以将直流输入电源转换为交流输出电源ACout。其中，所述逆变电路110的电路组态可选择为半桥非对称式、半桥对称式、全桥式或其他可行的逆变电路组态，本发明不对此加以限制。

侦测电路120耦接逆变电路110的输入端以侦测直流输入电源DCin的输入电压Vin与输入电流Iin，并且将所侦测到的输入电压Vin与输入电流Iin的信息输出给控制电路130做为控制的依据。

控制电路130耦接逆变电路110与侦侧电路120。控制电路130用以控制逆变电路110的电源转换及直流输入电源DCin的输入电压Vin大小，藉以令前端的直流电源产生装置DCG的利用率都维持在一定的程度。举例来说，控制电路130可产生一控制信号Sc来控制逆变电路110的直流转交流转换，所述控制信号Sc可选择为用以控制逆变电路110的切换周期的一脉宽调变信号(PWM signal)，但本发明不以此为限。另一方面，控制电路130还可提供一扰动信号Sd来扰动输入电压Vin的电压值大小，藉以实现最大功率点追踪(maximum power point tracking，MPPT)的控制机制，使得前端的直流电源产生装置DCG的输出功率可趋近于规格内的最大功率。

具体而言，本实施例的逆变电路110会依据所接收到的控制信号Sc而将输入电压Vin的电压值调整至控制信号Sc所代表的命令电压Vcmd。举例来说，若当前的输入电压Vin为5V，而控制电路130判定可使前端的直流电源产生装置DCG具有最大输出功率的输入电压Vin为3V时，则此时控制电路130会提供一个对应至命令电压Vcmd为3V的控制信号Sc给逆变电路110，使得逆变电路110反应于控制信号Sc而将输入电压Vin从5V逐渐降至3V。

在本实施例中，控制电路130基本上会依据MPPT的控制机制来设定命令电压Vcmd，并依据命令电压Vcmd产生对应的控制信号Sc以控制直流输入电源DCin，藉以令前端的直流电源产生装置DCG的输出功率可逼近最大功率点。但在输入电压Vin与所设定的命令电压Vcmd的差距过大时，控制电路130即会调整命令电压Vcmd的设定值，藉以防止实际的输入电压Vin无法追随过大的命令电压Vcmd而造成系统失控。

详细而言，前端的直流电源产生装置DCG的功率特性/输出能力并非是维持于固定，其随时可能会因为一些外部条件的变化而造成功率特性的改变。举例来说，若前端的直流电源产生装置DCG为太阳能板所构成的光电模块，则太阳能板的功率特性/输出能力很大程度会受到天气的影响。若是太阳能板被遮蔽住，则会导致输入电流Iin突然下降，且功率特性也会随之改变。此时若控制电路130持续以前一期间的命令电压Vcmd的设定值来产生控制信号Sc控制逆变电路110时，即会造成逆变电路110无法持续运作。

为了解决上述问题，本实施例的控制电路130会计算侦测到的输入电压Vin与命令电压Vcmd的电压差值来作为设定命令电压Vcmd的判断依据。其中，控制电路130会判断输入电压Vin与命令电压Vcmd的电压差值是否大于默认值。当控制电路130判定所计算出的电压差值小于等于默认值时，表示前端的直流电源产生装置DCG的功率特性没有发生太大的偏移，因此控制电路130会基于MPPT运算来调整命令电压Vcmd，并设定输入电压Vin去追随命令电压Vcmd的电压值，藉以令直流输入电源DCin可具有最大功率。反之，当控制电路130判定电压差值大于默认值时，表示直流电源产生装置DCG可能因为外部条件的变化而造成功率特性曲线的偏移，故此时控制电路130会设定命令电压Vcmd的电压值等于当前的输入电压Vin的电压值。换言之，在输入电压Vin与命令电压Vcmd的电压差值超过默认值的情况下，控制电路130会设定命令电压Vcmd的电压值去追随当前的输入电压Vin，再以此命令电压Vcmd设定值为基础进行MPPT运算，藉以防止输入电压Vin无法追随过大的命令电压Vcmd而造成系统故障。

控制电路130的具体系统架构如图2所示。请参照图2，控制电路130包括MPPT运算模块131(亦即最大功率点追踪运算模块)、加法器132及驱动电路133。

在本实施例中，MPPT运算模块131会取样输入电压Vin与输入电流Iin，计算输入电压Vin与命令电压Vcmd的电压差值以判断所述电压差值是否大于默认值，并且依据判断结果产生扰动信号Sd。其中，当MPPT运算模块131判定所述电压差值小于等于默认值时，MPPT运算模块131会基于MPPT运算来调整扰动信号Sd。而当MPPT运算模块131判定所述电压差值大于等于默认值时，MPPT模块不做MPPT运算，控制电路130会设定命令电压Vcmd的电压值去追随当前的输入电压Vin，亦即设定该命令电压的电压值等于当前的该输入电压的电压值。

在MPPT运算中，控制电路130的MPPT运算模块131会依据输入电压Vin与输入电流Iin计算输入功率，并且藉由比较扰动前后的输入功率来调变扰动量ΔV以产生对应的扰动信号Sd。举例来说，若当前时间点的输入功率大于前一时间点的输入功率，则MPPT运算模块131提供的扰动信号Sd为与前一时间点下的扰动方向相同的扰动量ΔV(以正扰动量+ΔV表示)，以及若当前时间点的输入功率小于等于前一时间点的输入功率，则MPPT运算模块131提供的扰动信号Sd为与前一时间点下的扰动方向相反的扰动量ΔV(以负扰动量-ΔV表示)。

接着，利用加法器132将扰动信号Sd与一参考信号Sc’进行叠加，藉以产生对应的命令电压Vcmd提供至驱动电路133。换言之，加法器132所产生的命令电压Vcmd为扰动信号Sd所代表的扰动量ΔV与参考信号Sc’所代表的电压值的叠加。在本实施例中，参考信号Sc’所代表的电压值为前一时间点的命令电压Vcmd’。因此，加法器132所产生的命令电压Vcmd实际上会等于扰动量ΔV与前一时间点的命令电压Vcmd’的叠加，亦即Vcmd＝Vcmd’+ΔV或Vcmd＝Vcmd’-ΔV。藉此，驱动电路133会基于设定的命令电压Vcmd产生对应的控制信号Sc来控制逆变电路110的作动。其中，本实施例的驱动电路133更包括一脉宽调变产生电路，其产生的控制信号Sc为用以控制逆变电路110的切换周期的一脉宽调变信号(PWM signal)。

举例来说，搭配图3来看，假设当前时间点的输入电压Vin为电压值V1’并且前一时间点的输入电压Vin为电压值V1”。控制电路在所述时间点之间提供了负扰动方向(即，令电压降低)的扰动量ΔV。此时，控制电路130会根据输入电压Vin与输入电流Iin计算出当前时间点的输入功率P1’为V1’×I1’，并且前一时间点的输入功率P1”为V1”×I1”。其中，控制电路130会根据功率计算的结果判定当前的输入功率P1’大于前一时间点的输入功率P1”，因此继续提供与前一时间点扰动方向相同的扰动量ΔV，亦即令V1’＝V1”-ΔV，使得输入电压Vin朝向具有最大输入功率P1的电压值V1趋近。

另一方面，若当前时间点的输入电压Vin为电压值V1”’并且前一时间点的输入电压Vin为电压值V1。控制电路130在所述时间点之间提供了负扰动方向的扰动量ΔV。在此情形下，由于控制电路130会根据输入电压Vin与输入电流Iin计算出当前时间点的输入功率P1”’(等于V1”’×I1”’)小于前一时间点的输入功率P1，因此控制电路130会改为提供正扰动方向(即，令电压提升)的扰动量ΔV，亦即令V1”’＝V1+ΔV，使得输入电压Vin朝向具有最大输入功率P1的电压值V1趋近。

下面结合图3与图4来说明本发明实施例的逆变装置100的具体控制流程。其中，图3是绘示直流电源产生装置DCG在不同外部条件下的输入电压Vin与输入电流Iin的关系。图4则是绘示直流输入电源DCin时间与输入电压Vin的关系。

请一并参照图3与图4，在本实施例中，直流电源产生装置DCG在时间点t0至t1的期间内的功率特性可利用特性曲线CV1表示。在此期间内，控制电路130会先设定符合特性曲线CV1的最大功率点的电压值V1作为当前的命令电压Vcmd的设定值。

具体而言，在期间t0至t1内，由于直流电源产生装置DCG的功率特性尚未发生变化，因此控制电路130会判定命令电压Vcmd与输入电压Vin之间的电压差值(即，|V1-Vin|)小于默认值。控制电路130此时会执行MPPT运算，藉以基于设定的电压值V1产生对应的控制信号Sc来控制逆变电路110的作动。其中，控制电路130会反应于扰动信号Sd而增加或减少一扰动量，以增加或降低输入电压Vin的电压值大小，从而将输入电压Vin的电压值调整至命令电压Vcmd的电压值V1。

以时间的观点来看，如图4的期间t0至t1内的输入电压Vin波形所示，输入电压Vin会在趋近于命令电压Vcmd的电压值V1的区间内反应于扰动量ΔV的变化而在电压值V1附近来回震荡，藉以动态地稳定于电压值V1上。

接着，在时间点t1至t2的期间内，直流电源产生装置DCG的功率特性反应于外部条件的变化而从特性曲线CV1变成特性曲线CV2。此时，由于输入电压Vin与命令电压Vcmd的电压差值尚未超过默认值Vth，控制电路130还无法判断出外部条件已经发生改变，故控制电路130于期间t1至t2内仍会将命令电压Vcmd设定为电压值V1。因此，在此期间内，由于输入电压Vin小于命令电压Vcmd，逆变电路110会停止切换。

在时间点t2时，输入电压Vin与命令电压Vcmd的电压差值达到默认值Vth，此时控制电路130会根据电压差值判定外部条件的变化已经造成直流电源产生装置DCG的功率特性曲线发生偏移。控制电路130会在时间点t2将命令电压Vcmd从电压值V1改设定为电压值V2。因此，在此期间内，逆变电路110会反应于控制信号Sc重新使输入电压Vin于电压值V2附近来回震荡。

其后，控制电路130会以类似于上述的MPPT控制方式来调整命令电压Vcmd与输入电压Vin，使得命令电压Vcmd与输入电压Vin可在一段时间后稳定于特性曲线CV2的最大功率点所对应的电压值Vp。

图5为本发明一实施例的逆变装置的控制方法的步骤流程图。本实施例的逆变装置的控制方法可应用于图1实施例所绘示的逆变装置100中，但本发明不仅限于此。在本实施例的控制方法中，首先，由逆变电路(如110)接收直流输入电源DCin(步骤S410)，并且由侦测电路(如120)侦测直流输入电源DCin的输入电压Vin与输入电流Iin(步骤S420)。接着，由控制电路(如130)提供控制信号Sc来控制输入电压Vin，藉以将输入电压Vin的电压值调整至控制信号Sc所代表的命令电压Vcmd(步骤S430)。其后，控制电路会计算侦测到的输入电压Vin与命令电压Vcmd的电压差值(步骤S440)，并且依据电压差值判断所述电压差值是否大于默认值(步骤S450)。

若步骤S450判断为是，则控制电路会设定命令电压Vcmd的电压值等于当前的输入电压Vin的电压值(步骤S460)。反之，若步骤S450判断为否，则控制电路会基于MPPT运算来调整所产生的扰动信号Sd(步骤S470)，使得直流输入电源DCin的输入功率可实质上地被维持在最大功率点附近。

其中，图4实施例所述的控制方法可根据前述图1至图3的说明而获得充足的支持与教示，故相似或重复之处于此不再赘述。

综上所述，本发明的逆变装置及其控制方法，可藉由计算输入电压与命令电压的电压差值，并且比较所述电压差值是否超过一默认值的方式来判断直流输入电源的功率特性是否发生偏移。其中，在判定直流输入电源的功率特性发生偏移时，将命令电压设定为当前的输入电压，再以此命令电压的设定值为基础进行最大功率点追踪运算，藉以防止输入电压无法追随过大的命令电压而造成系统故障。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。