专利名称：具有电容转换功能的太阳能光电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳能光电系统，尤指一种具有电容转换功能的太阳能光电系统。
背景技术：
自从1970至1980年代发生了两次石油危机，替代能源的寻求与研究即为各重要国家的主要政策之一。并且，由于近期工业化急速发展，造成石化能源短缺价格上升，且衍生出另一环境问题便是二氧化碳过度排放造成地球气候异常且温度上升。为了有效降低对石化能源的依赖，便有许多再生能源应运而生，如太阳能及风能等。
由于太阳能具有无污染、无公害的特性，且又取之不尽用之不竭，因此，太阳能的应用具有相当发展的潜力。由于近年来太阳能电池的积极研究发展，已达到相当高的效率， 因此逐渐受到欧、美、日等各国的重视，并制订政策鼓励推展应用。
太阳能光电系统主要是通过太阳能板进行光电转换而产生直流电源，再经电力调节器将直流电源转换成交流电源以供负载使用或馈入市电的总线与市电同步并联运转。因此，就功能而言，可区分为以下三种类型(1)独立型(Stand-alone system)、(2)市电并联型(grid-connection system)以及( 混合型(hybrid system)。独立型系统所指的是太阳能光电系统没有与其他电源连结运转，只能直接供给系统所接的负载，所以此系统较适合用于偏远地区或海上孤岛等没有市电供应的地方。市电并联型系统所指的是太阳能光电系统与电力公司网路并联，只要市电电力可正常送达的任何地点均适用此类系统。若太阳能光电系统发电量大于负载需求，则可将多余电力逆潮流馈入市电，反之，当太阳能光电系统发电量不足负载使用时，市电将可供应不足的部分。此外，为了因应电力品质不稳定的问题，而发展出混合型系统。太阳能光电系统在市电停止供电时，通过搭配蓄电池组使用，可立即与市电隔离，形成独立运转供电，以提供短暂电力。等到市电恢复供电时，太阳能光电系统则恢复与市电并联，同时也对蓄电池组进行充电。
请参见图1为公知太阳能光电系统的示意图。以市电并联型的太阳能光电系统为例说明，亦即，该太阳能光电系统与一交流市电60A并联运转。该太阳能光电系统包含一太阳能电池10A、一输入滤波电容20A、一直流/直流转换器30A、一直流/交流转换器40A以及一滤波电路50A。通过该太阳能电池IOA将光能转换为电能，以提供一直流输出电压Vpv 与一直流输出电流Ipv。该输入滤波电容20A电性连接该太阳能电池10A，以提供后端电路的能量转换操作时，所需的储能、释能与滤波之用。其中，该输入滤波电容20A通常为一电解电容(electrolytic capacitor) 0电解电容的铝电极涂以铝氧化物以作为介质材料，涂有氧化物的电极置放于导电的液状电解质中。然而，电解电容的电解液却是导致电解电容不利于长期使用的主要原因，通常电解电容平均使用年限为五年，因此，若使用在条件更严苛的环境，则电解电容使用寿命将更短少。
该直流/直流转换器30A电性连接该输入滤波电容20A。以该直流/直流转换器 30A为一反激式转换器(flykick converter)为例予以说明。该直流/直流转换器30A包含一隔离变压器(isolated transformer) 302A、一功率开关元件304A、一二极管306A以及一滤波电容308A。该直流/直流转换器30A接收该输入滤波电容20A所输出的滤波电压为该隔离变压器302A的一次侧输入电压Vpr，并流入该隔离变压器302A的一次侧输入电流 Ipr0通过该功率开关元件304A的切换，将输入的能量传送至输出端，并通过该隔离变压器 302A的一、二次侧线圈的匝数比，将滤波后该直流电源的电压电位升高。
该直流/交流转换器40A电性连接该直流/直流转换器30A。该直流/交流转换器40A可为一全桥式架构。该直流/交流转换器40A包含四个功率开关元件，亦即分别为一第一功率开关元件402A、一第二功率开关元件404A、一第三功率开关元件406A以及一第四功率开关元件408A。并且，每一这些功率开关元件402A 408A皆含有一反向并联二极管(未标示)，或称为本体二极管(bodydiode)。此外，该直流/交流转换器40A由两组桥臂所构成，每组桥臂由上述两个功率开关元件所组成，如图1所示，该第一功率开关元件 402A与该第二功率开关元件404A以及该第三功率开关元件406A与该第四功率开关元件 408A分别形成一桥臂。该直流/交流转换器40A可通过正弦脉冲宽度调制(Sinusoidal Pulse-ffidth-Modulation, SPWM)或方波切换(square-wave switching)方式，进而控制这些功率开关元件402A 408A的切换，将升压后该直流电源转换为振幅与频率皆可调制的该正弦波交流电源。
该滤波电路50A电性连接该直流/交流转换器40A，并且，该滤波电路50为一滤波电感502A与一滤波电容504A所组成，以对该直流/交流转换器40A所产生的该交流电源的高频谐波成份滤掉。
对于在整个太阳能光电系统能量转换过程，转换效率与使用寿命是为目前整个工业界所追求的目标。但，若因电解电容的电解液限制该太阳能光电系统的使用寿命，除了造成整体发电可靠度下降之外，更将导致整体太阳能光电系统的设备建构成本与发电成本提尚ο
因此，如何设计出一种具有电容转换功能的太阳能光电系统，取代传统的电解电容，以增加该太阳能光电系统的使用寿命，乃为本申请发明人所欲行克服并加以解决的一大课题。发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种具有电容转换功能的太阳能光电系统。具有电容转换功能的太阳能光电系统通过太阳能电池提供直流电源，并且转换直流电源为交流电源，再与交流市电并联运转。太阳能光电系统更包含电容转换装置、直流/直流转换器、 直流/交流转换器以及滤波电路。
电容转换装置电性连接太阳能电池，且包含彼此电性连接的电感、第一功率开关元件、第二功率开关元件及电容，以对太阳能电池输出的直流电源提供滤波与能量转换。直流/直流转换器电性连接电容转换装置，以将滤波后直流电源的电压电位升高。直流/交流转换器电性连接直流/直流转换器，以将升压后直流电源转换为交流电源。滤波电路电性连接直流/交流转换器，以对交流电源滤波。
借此，通过电容转换装置取代传统太阳能光电系统所使用的电解电容，以增加太阳能光电系统的使用寿命。
为了能更进一步了解本发明为达成预定目的所采取的技术、手段及功效，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明的目的、特征与特点，当可由此得一深入且具体的了解，然而所附附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。
图1为公知太阳能光电系统的示意图2为本发明具有电容转换功能的太阳能光电系统的一较佳实施
图3为本发明的一电容转换装置的电路图。
其中，附图标记
IOA太阳能电池20A输入滤波电容
30A直流/直流转换器302A隔离变压器
304A功率开关元件306A二极管
308A滤波电容40A直流/交流转换器
402A第一功率开关元件404A第二功率开关元件
406A第三功率开关元件408A第四功率开关元件
50A滤波电路502A滤波电感
504A滤波电容60A交流市电
Vpv直流输出电压Ipv直流输出电流
Vpr一次侧输入电压Ipr一次侧输入电流
10太阳能电池20电容转换装置
202电感204第一功率开关元件
206第二功率开关元件208电容
30直流/直流转换器302隔离变压器
304功率开关元件306二极管
308滤波电容40直流/交流转换器
402第三功率开关元件404第四功率开关元件
406第五功率开关元件408第六功率开关元件
50滤波电路502滤波电感
504滤波电容60交流市电
Vpv直流输出电压Ipv直流输出电流
Vpr一次侧输入电压Ipr一次侧输入电流
Ceq等效输入电容Veq等效输入电压
Co等效输出电容Vo等效输出电压具体实施方式
兹有关本发明的技术内容及详细说明，配合
如下
请参见图2为本发明具有电容转换功能的太阳能光电系统的一较佳实施例的电路图。该具有电容转换功能的太阳能光电系统，通过一太阳能电池10提供一直流电源，并且转换该直流电源为一交流电源，再与一交流市电60并联运转。其中，该直流电源包含一直流输出电压Vpv与一直流输出电流Ipv。该太阳能光电系统更包含一电容转换装置20、 一直流/直流转换器30、一直流/交流转换器40以及一滤波电路50。
该电容转换装置20电性连接该太阳能电池10，以对该太阳能电池10所提供的该直流电源滤波。请参见图3为本发明的该电容转换装置的电路图。该电容转换装置20为一电力电子转换装置。假设该电容转换装置20为一无损失(lossless)的装置，因此，由能量不灭原理可得知该电容转换装置20转换前后的电容储存能量相同，亦即，
Ceq X Veq2 = CoX Vo2 ；
其中，Ceq与Veq分别表示该电容转换装置20的等效输入电容与等效输入电压； 该Co与Vo分别表示该电容转换装置20的等效输出电容与等效输出电压。因此，该电容转换装置20的等效输入电容Ceq = (Co X Vo2)/Veq2,因此，可将低电压操作的大电容通过该电容转换装置20转换为等效的高电压小电容。如此一来，可将原本使用的低电压操作大电容值的电解电容，替换为高电压操作的小电容值的非电解电容。亦即，原先所需的低电压大电容值所需储存的能量通过电力电子转换装置的切换方式，转换为高电压小电容值的电容器。如此，通过该电容转换装置20很容易地转换所需的电容材质，而不影响整体太阳能转换器的性能。因此，在太阳能转换器中即不再需要使用电解电容，而能以大大地提高寿命。
如前所述，配合参见图2，该电容转换装置20为一电力电子转换装置，该电容转换装置20包含一电感202、一第一功率开关元件204、一第二功率开关元件206以及一电容 208。该电容转换装置20为一升压式转换器(boost converter)，以取代传统所使用低电压大电容值的电解电容。该电容转换装置20接收该太阳能电池10所输出的该直流输出电压 Vpv与该直流输出电流Ipv，利用该电容转换装置20的等效输入电容特性，提供该直流/直流转换器30能量转换操作时，所需的储能、释能与滤波之用。
该直流/直流转换器30电性连接该电容转换装置20，以将滤波后该直流电源的电压电位升高。在本实施例中，该直流/直流转换器30可为一反激式转换器(flykick converter)。该直流/直流转换器30包含一隔离变压器(isolated transformer) 302、一功率开关元件304、一二极管306以及一滤波电容308。该直流/直流转换器30接收该电容转换装置20的输出电压，作为该直流/直流转换器30的该隔离变压器302 —次侧输入电压Vpr，并流入该隔离变压器302的一次侧输入电流Ipr。当该功率开关元件304闭合时，能量储存于该隔离变压器302的激磁电感(未图示)内，而当该功率开关元件304打开时，能量传送至输出端。并且，由于该太阳能电池10的输出电压较低，因此，通过该隔离变压器302的一、二次侧线圈匝数比，将滤波后该直流电源的电压电位升高，而能降低因负载变动所造成的电压变动的影响。此外，该直流/直流转换器30提供最大功率追踪(maximum power point tracking, MPPT)功能，通过侦测该太阳能电池10的该直流输出电压Vpv与该直流输出电流Ipv，再根据最大功率点追踪策略，找出该太阳能电池10的最佳工作点，进而确定所使用的脉冲宽度调制(pulse width m0dulati0n，PWM)信号的占空比(duty cycle), 以输出该脉冲宽度调制信号至一驱动电路。如此，利用实现该最大功率追踪，提高该太阳能电池10的输出功率，使该太阳能光电系统工作在最大输出功率进而提高发电效率。
值得一提，通过控制该第一功率开关元件204与该第二功率开关元件206的切换周期，亦即，当该第一功率开关元件204导通(闭合)并且该第二功率开关元件206截止 (打开)时，该电感202为储能操作。反之，当该第一功率开关元件204截止(打开)并且该第二功率开关元件206导通(闭合)时，该电感202为释能操作。因此，流经该电感202 的电流可提供补偿流入该隔离变压器302的一次侧输入电流Ipr的谐波能量之用。并且， 通过流经该电感202的电流为连续的特性，可使谐波成分大大地减低，因此，可减少高频滤波电路的使用。
此外，该电容转换装置20的该第二功率开关元件206可为一二极管所取代(未图示)。当该二极管通以顺偏电压时，允许电流流通；相反地，当该二极管通以逆偏电压时，电流无法流经，因此该二极管可提供导通与截止的开关特性。
此外，该直流/交流转换器40电性连接该直流/直流转换器30，以将升压后该直流电源转换为该交流电源。在本实施例中，该直流/交流转换器40为一全桥式直流/交流转换器。该直流/交流转换器40包含四个功率开关元件，亦即一第三功率开关元件402、一第四功率开关元件404、一第五功率开关元件406以及一第六功率开关元件408。通常，每一这些功率开关元件402 408皆含有一反向并联二极管(未标示)，或称为本体二极管 (body diode)。该直流/交流转换器40由两组桥臂所构成，每组桥臂由上述两个功率开关元件所组成，如图2所示，该第三功率开关元件402与该第四功率开关元件404以及该第五功率开关元件406与该第六功率开关元件408分别形成一桥臂。并且，为了避免同一桥臂上两功率开关元件在非完全导通或截止状态下发生短路的情况，须要在上下桥臂二极管导通与截止中间错开，延迟一段时间，此段时间称为死区时间(dead time)或称短路防止时间。 其中，该直流/交流转换器40通过一高频切换方式，例如一正弦脉冲宽度调制(sinusoidal pulse-width-modulation, SPWM)切换方式，驱动该直流/交流转换器40的这些功率开关元件402 408，亦即，利用比较正弦波(或称调制波)与三角波(或称载波)，产生脉冲宽度调制信号，进而控制这些功率开关元件的切换。此外，该直流/交流转换器40可通过一低频切换方式，例如一方波切换(square-wave switching)方式，驱动该直流/交流转换器 40的这些功率开关元件402 408。因此，该直流/交流转换器40将升压后该直流电源转换为振幅与频率皆可调制的该正弦波交流电源。
此外，该滤波电路50电性连接该直流/交流转换器40，以对该交流电源滤波。在本实施例中，该滤波电路50为一滤波电感502与一滤波电容504所组成。通过该滤波电感 502与该滤波电容504所组成的二阶低通滤波器，以对该直流/交流转换器40所产生的该交流电源的高频谐波成份滤掉，以产生频率为60Hz (基本波)的低频交流弦波信号。
借此，通过该电容转换装置20所提供的储能、释能与滤波功能，以取代传统的电解电容，以增加该太阳能光电系统的使用寿命。
综上所述，本发明具有以下的优点
1、利用该电容转换装置取代传统的电解电容，则克服传统电解电容的电解液导致寿命大大降低的问题，进而提高该太阳能光电系统的使用寿命；
2、该电容转换装置为一电力电子转换装置，并且，可以是任何型式的升压转换器， 可提供该电容转换装置更弹性的电路设计；
3、通过流经该电容转换装置的该电感电流为连续的特性，可使谐波成分大大地减低，故此，可减少高频滤波电路的使用；
4、利用该电容转换装置取代传统的电解电容，可提高整体发电可靠度，并降低整体太阳能光电系统的设备建构成本与发电成本。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种具有电容转换功能的太阳能光电系统，其特征在于，通过一太阳能电池提供一直流电源，并且转换该直流电源为一交流电源，再与一交流市电并联运转；该太阳能光电系统更包含一电容转换装置，电性连接该太阳能电池，且包含彼此电性连接的一电感、一第一功率开关元件、一第二功率开关元件以及一电容，以对该太阳能电池输出的该直流电源提供滤波与能量转换；一直流/直流转换器，电性连接该电容转换装置，以将滤波后该直流电源的电压电位升高；一直流/交流转换器，电性连接该直流/直流转换器，以将升压后该直流电源转换为该交流电源；及一滤波电路，电性连接该直流/交流转换器，以对该交流电源滤波；通过该电容转换装置取代传统太阳能光电系统所使用的电解电容，以增加该太阳能光电系统的使用寿命。
2.根据权利要求1所述的具有电容转换功能的太阳能光电系统，其特征在于，该电容转换装置为一升压式转换器。
3.根据权利要求1所述的具有电容转换功能的太阳能光电系统，其特征在于，该直流/ 直流转换器为一反激式转换器。
4.根据权利要求1所述的具有电容转换功能的太阳能光电系统，其特征在于，该直流/ 直流转换器提供最大功率追踪功能。
5.根据权利要求1所述的具有电容转换功能的太阳能光电系统，其特征在于，该直流/ 交流转换器为一全桥式直流/交流转换器。
6.根据权利要求1所述的具有电容转换功能的太阳能光电系统，其特征在于，该直流/ 交流转换器通过一高频切换方式，驱动该直流/交流转换器的功率开关元件。
7.根据权利要求1所述的具有电容转换功能的太阳能光电系统，其特征在于，该直流/ 交流转换器通过一低频切换方式，驱动该直流/交流转换器的功率开关元件。
8.根据权利要求1所述的具有电容转换功能的太阳能光电系统，其特征在于，该滤波电路为一滤波电感与一滤波电容所组成。
9.根据权利要求6所述的具有电容转换功能的太阳能光电系统，其特征在于，该高频切换方式为一正弦脉冲宽度调制方式。
10.根据权利要求7所述的具有电容转换功能的太阳能光电系统，其特征在于，该低频切换方式为一方波切换方式。
全文摘要
本发明公开一种具有电容转换功能的太阳能光电系统，通过一太阳能电池提供一直流电源，并且转换该直流电源为一交流电源，再与一交流市电并联运转。该太阳能光电系统更包含一电容转换装置、一直流/直流转换器、一直流/交流转换器以及一滤波电路。并且，该电容转换装置包含彼此电性连接的一电感、第一功率开关元件、第二功率开关元件以及一电容。借此，通过该电容转换装置所提供的储能、释能与滤波功能，以取代传统的电解电容，以增加该太阳能光电系统的使用寿命。
文档编号H02M3/06GK102545669SQ20101059796
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月21日 优先权日2010年12月21日
发明者李圣华 申请人:台达电子工业股份有限公司