本發(fā)明是關于電能輸出方法，且特別是有關于應用于光伏電源系統(tǒng)的電能輸出方法。

背景技術：

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(tǒng)具有太陽能電池陣列及光伏逆變器的電源系統(tǒng)中，多會設置虛功補償電路以消除電源系統(tǒng)在運作過程產生的虛功率，進而提升電源系統(tǒng)整體的功率因數(shù)。

虛功補償電路卻也讓電源系統(tǒng)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(tǒng)的體積及電路復雜度增加。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種電源系統(tǒng)的電能輸出控制方法，用以提高電源系統(tǒng)的整體效率。

根據(jù)本發(fā)明提供一種電源系統(tǒng)的電能輸出控制方法，應用于交流電網(wǎng)。本發(fā)明的電源系統(tǒng)的電能輸出控制方法包含如下步驟。首先，利用控制單元檢測電源系統(tǒng)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(shù)、第二功率因數(shù)以及平均功率因數(shù)。之后，當進入能量儲存周期，控制單元根據(jù)第一功率因數(shù)使電能轉換單元輸出交流電能，且當控制單元檢測交流電能為虛功區(qū)時，控制單元控制電能轉換單元將交流電網(wǎng)的部份電能儲存于能量儲存單元中；當進入能量釋放周期，控制單元根據(jù)第二功率因數(shù)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并 入交流電能一并輸出至交流電網(wǎng)。其中，能量儲存周期以及能量釋放周期的功率因數(shù)平均值與平均功率因數(shù)相等。

在本發(fā)明的電源系統(tǒng)的電能輸出控制方法中，虛功區(qū)為交流電能的電流波形及電壓波形不同方向的區(qū)段，第一功率因數(shù)小于平均功率因數(shù)，第二功率因數(shù)大于平均功率因數(shù)。

再者，控制單元可于檢測能量儲存單元所儲存的能量大于第一預定值則進入能量釋放周期，并于能量儲存單元所儲存的能量不大于第二預定值進入能量儲存周期，能量儲存周期的時間長度可以是不同于能量釋放周期的時間長度。

本發(fā)明的電源系統(tǒng)的電能輸出控制方法是利用控制單元使電源系統(tǒng)進入能量儲存周期時，以輸出具有第一功率因數(shù)的交流電能，同時于交流電能為虛功區(qū)時，控制單元控制電能轉換單元以讓交流電網(wǎng)的部分電能儲存于能量儲存單元；之后，于電源系統(tǒng)進入能量釋放周期時，控制單元使電源系統(tǒng)輸出具有第二功率因數(shù)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(tǒng)輸出的交流電能會一并輸出至交流電網(wǎng)。

附圖說明

圖1繪示依照本發(fā)明第一實施方式的電源系統(tǒng)的電路方塊圖；

圖2繪示依照本發(fā)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(fā)明電源系統(tǒng)輸出的交流電能的一波形圖；

圖4繪示本發(fā)明電源系統(tǒng)輸出的交流電能的另一波形圖；

圖5繪示依照本發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)明第二實施方式的電源系統(tǒng)的電路方塊圖。

其中，附圖標記：

1 電源系統(tǒng)

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 相位檢測器

2 直流供應裝置

3 交流電網(wǎng)

A1 虛功區(qū)

C1、C2、C3 電容器

D1、D2、D3、D4 二極管

IAC 交流電流

M1、M2、M3、M4 開關元件

S100～S210 電源系統(tǒng)的電能輸出控制步驟

VAC 交流電壓

具體實施方式

請參照圖1，其繪示本發(fā)明的電源系統(tǒng)的電路方塊圖。電源系統(tǒng)1設于直流供應裝置2及交流電網(wǎng)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(tǒng)1。電源系統(tǒng)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)并饋入交流電網(wǎng)3。電源系統(tǒng)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)來實現(xiàn)。能量儲存單元12設于直流供應裝置2及電能轉換單元10之間，并電連接于直流供應裝置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并聯(lián)連接。

控制單元14電連接于電能轉換單元10以及能量儲存單元12，控制單元14預設有第一功率因數(shù)、第二功率因數(shù)以及平均功率因數(shù)；其中，第一功率因數(shù) 小于平均功率因數(shù)，第二功率因數(shù)大于平均功率因數(shù)。

控制單元14不但可以檢測儲存于能量儲存單元12中的電能，還可以檢測電能轉換單元10輸出的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以及相位檢測器144，控制器140電連接于電能轉換單元10、能量儲存單元12以及相位檢測器144。相位檢測器144用以檢測電能轉換單元10輸出的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可以不通過相位檢測器144便完成相位檢測的功能，例如控制器140可在檢測交流電壓VAC以及交流電流IAC后，通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(fā)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(wǎng)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、二極管D1、D2以及輸出濾波器102。開關元件M1、M2串接，并與直流供應裝置2并接，儲能元件100電連接于開關元件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晶體管，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的漏極，開關元件M1的漏極以及開關元件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的柵極分別連接于控制器140。二極管D1、D2分別跨接于開關元件M1、M2的漏極以及源極之間；其中，二極管D1、D2的陰極分別連接于開關元件M1、M2的漏極，二極管D1、D2的陽極分別連接于開關元件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(wǎng)3之間。

能量儲存單元12包含電容器C1、C2，電容器C1、C2串聯(lián)連接，由電容器C1、C2構成的串聯(lián)支路與開關元件M1、M2構成的串聯(lián)支路并聯(lián)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(jù)第一功率因數(shù)或第二功率因數(shù)以控制開關元件M1、M2的工作周期。

此外，控制單元14的相位檢測器144會檢測交流電能的交流電壓VAC及交流電流IAC的相位，控制器140會檢測能量儲存單元12所儲存的能量；其中，電源系統(tǒng)1可于能量儲存單元12所儲存的能量大于第一預定值時進入能量釋放周期，并于能量儲存單元12所儲存的能量不大于第一預定值時進入能量儲存周期；或者，電源系統(tǒng)1可于能量儲存單元12所儲存的能量不大于第二預定值時 進入能量儲存周期，并于能量儲存單元12所儲存的能量大于第二預定值時進入能量釋放周期，第一預定值大于第二預定值。

在能量儲存周期(如圖3以及圖4所示t1區(qū)段)，控制單元14根據(jù)第一功率因數(shù)使電能轉換單元10輸出交流電能，并于交流電能的交流電流波型及交流電壓波型不同方向的區(qū)段所界定的虛功區(qū)(如圖3以及圖4所示A1區(qū))，控制開關元件M1、M2的工作周期，使端點a的電壓持續(xù)地小于交流電網(wǎng)3的即時電壓，以讓交流電網(wǎng)3的部分電能進入電源系統(tǒng)1，并儲存于能量儲存單元12中。其中，端點a的電壓可以下式表示:

V_a＝D1×V_C1+D2×V_C2；其中:

D1為開關元件M1的工作周期；

D2為開關元件M2的開關周期；

V_C1為電容器C1的電壓；以及

V_C2為電容器C2的電壓。

在能量釋放周期(如圖3以及圖4所示t2區(qū)段)，控制單元14根據(jù)第二功率因數(shù)使電能轉換單元10輸出交流電能，并控制電能轉換單元10的開關元件M1、M2的工作周期，使端點a的電壓持續(xù)地大于交流電網(wǎng)3的即時電壓，以讓能量儲存單元12的所儲存的電能并入交流電能而與前述的交流電能一并輸出至交流電網(wǎng)3。

在圖3中，能量儲存周期的時間長度相同于能量釋放周期地時間長度；在圖4中，能量儲存周期的時間長度不同于能量釋放周期的時間長度。然不論能量儲存周期的時間長度與能量釋放周期的時間長度是否相同，能量儲存周期以及能量釋放周期的功率因數(shù)平均值必須與平均功率因數(shù)相等。

請參照圖5，其繪示依照本發(fā)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(wǎng)3及控制器140。能量儲存單元12包含電容器C3，電容器C3并聯(lián)連接于直流供應器2。電能轉換單元10包含開關元件M3、M4、二極管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并連連接。

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晶體管，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的一端連接于能量儲存單元12，另一端連接于開關元件M3的漏極以及二 極管D3的陰極。開關元件M3的柵極電連接于控制器140，開關元件M3的源極電連接于能量儲存單元12以及二極管D3的陽極。次級繞組1042的一端連接于輸出濾波器102，次級繞組1042的另一端連接于開關元件M4的漏極以及二極管D4的陰極，開關元件M4的柵極電連接于控制器140，開關元件M4的源極電連接于輸出濾波器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(jù)第一功率因數(shù)或第二功率因數(shù)以控制開關元件M3、M4的開關狀態(tài)。

控制單元14的相位檢測器144會檢測交流電能的交流電壓VAC及交流電流IAC的相位，控制器140會檢測能量儲存單元12所儲存的能量；其中，電源系統(tǒng)1可于能量儲存單元12所儲存的能量大于第一預定值時進入能量釋放周期，并于能量儲存單元12所儲存的能量不大于第一預定值時進入能量儲存周期；或者，電源系統(tǒng)1可于能量儲存單元12所儲存的能量不大于第二預定值時進入能量儲存周期，并于能量儲存單元12所儲存的能量大于第二預定值時進入能量釋放周期。

在能量儲存周期(如圖3以及圖4所示t1區(qū)段)，控制單元14根據(jù)第一功率因數(shù)使電能轉換單元10輸出交流電能?？刂茊卧?4于交流電能的交流電流波型及交流電壓波型不同方向的區(qū)段所界定的虛功區(qū)(如圖3以及圖4所示A1區(qū))，先使開關元件M4導通，開關元件M3截止，以讓交流電網(wǎng)3的部分電能儲于次級繞組1042；再使開關元件M3導通、開關元件M4截止，以將儲存于次級繞組1042的電能耦合至初級繞組1040，并儲存于能量儲存單元12。

在能量釋放周期(如圖3以及圖4所示t2區(qū)段)，控制單元14根據(jù)第二功率因數(shù)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，并使能量儲存單元12所儲存的電能儲于初級繞組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釋放的電能并入前述交流電能并與前述的交流電能一并輸出至交流電網(wǎng)3。其中，能量儲存周期以及能量釋放周期的功率因數(shù)平均值必須與平均功率因數(shù)相等。

綜上所述，本發(fā)明的電源系統(tǒng)1是利用控制單元140使電源系統(tǒng)1進入能量儲存周期時，以輸出具有第一功率因數(shù)的交流電能，同時于交流電能為虛功區(qū)時，控制單元140控制電能轉換單元10以讓交流電網(wǎng)3的部分電能儲存于能量儲存單元12；之后，于電源系統(tǒng)1進入能量釋放周期時，控制單元140使電源系統(tǒng) 1輸出具有第二功率因數(shù)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(tǒng)1輸出的交流電能會一并輸出至交流電網(wǎng)3。

圖6以及圖7分別繪示本發(fā)明第一實施方式及第二實施方式的電源系統(tǒng)的電能輸出控制方法的流程圖。其中，圖6及圖7的差異在于電能系統(tǒng)操作于能量儲存周期及能量釋放周期的判斷依據(jù)。

在圖6中，控制單元14先檢測電源系統(tǒng)1輸出的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于第一預定值(步驟S102)，并于能量儲存單元12所儲存的能量不大于第一預定值時，進入能量儲存周期，電能轉換單元10以第一功率因數(shù)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(qū)(步驟S106)，并于電能轉換單元10輸出的交流電能為虛功區(qū)時，控制單元14使電能轉換單元10將交流電網(wǎng)3的部分電能儲存于能量儲存單元12(步驟S108)。之后，回復步驟S100，重新檢測電源系統(tǒng)1輸出的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，并于能量儲存單元12所儲存的能量大于第一預定值時，進入能量釋放周期，使電能轉換單元10以第二功率因數(shù)輸出交流電能(步驟S110)。

在圖7中，控制單元14先檢測電源系統(tǒng)1輸出的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于第二預定值(步驟S202)，并于能量儲存單元12所儲存的能量不大于第二預定值時，進入能量儲存周期，電能轉換單元10以第一功率因數(shù)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(qū)(步驟S206)，并于電能轉換單元10輸出的交流電能為虛功區(qū)時，控制單元14使電能轉換單元10將交流電網(wǎng)3的部分電能儲存于能量儲存單元12(步驟S208)。之后，回復步驟S200，重新檢測電源系統(tǒng)1輸出的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，并于能量儲存單元12所儲存的能量大于第二預定值時，進入能量釋放周期，使電能轉換單元10以第二功率因數(shù)輸出交流電能(步驟S210)。

請參照圖8，其繪示本發(fā)明第二實施方式的電源系統(tǒng)的電路方塊圖。在圖8中，電源系統(tǒng)1設于直流供應裝置2及交流電網(wǎng)3之間，并電連接于直流供應裝 置2及交流電網(wǎng)3，以供輸出具有平均功率因數(shù)的交流電能。圖8所繪示的電源系統(tǒng)1與圖1所繪示的電源系統(tǒng)的差異在于圖8所示的控制器14不檢測能量儲存單元12的電壓準位，以開回路的命令給固定的功率因數(shù)擾動周期。

電源系統(tǒng)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電連接于交流電網(wǎng)3，供輸出具有第一功率因數(shù)或第二功率因數(shù)的交流電能。能量儲存單元12設于直流供應裝置2及電能轉換單元10之間，并電連接于直流供應裝置2及電能轉換單元10。

控制單元14電連接于電能轉換單元10，控制單元14具有第一功率因數(shù)、第二功率因數(shù)以及平均功率因數(shù)；其中，第一功率因數(shù)小于平均功率因數(shù)，第二功率因數(shù)大于平均功率因數(shù)。

電能轉換單元10可于能量儲存周期或能量釋放周期操作，能量儲存周期及能量釋放周期的功率因數(shù)的平均值相等于平均功率因數(shù)。

當進入能量儲存周期操作，控制單元14依據(jù)第一功率因數(shù)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(qū)時，控制單元14控制電能轉換單元10使交流電網(wǎng)3的部分電能進入電源系統(tǒng)1并儲存于能量儲存單元12。

當進入能量釋放周期，控制單元14依據(jù)第二功率因數(shù)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釋放電能并入交流電能一并輸出至交流電網(wǎng)3。

雖然本發(fā)明已以實施方式公開如上，但其并非用以限定本發(fā)明，任何本領域的技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，當可作各種的更動與修改，因此本發(fā)明的保護范圍當視后附的權利要求書保護范圍所界定者為準。