基於規則能量控制策略實驗

本文用戶端負載曲線則參考文獻[58]中之住宅型用戶曲線，作為負載依據如 圖 6.2 所示，將上述曲線使用可程式電子負載建立用戶端負載曲線，接著對鋰電 池電源進行排程規劃。而太陽能電源功率曲線則是藉由台灣國立師範大學國際會 議廳 2017 年 1 月到 2017 年 12 月的日照、溫度及直流功率的太陽能板數據，總 共資料筆數 4,682,342 筆，運用此數據訓練類神經網路，利用類神經網路來預設 太陽能功率，得出一日太陽能電源功率曲線，並使用電源供應器將上述曲線排程，

最後利用簡易型時間電價計費方式，算出用戶的電費支出。

圖6.2 各類型用戶之負載曲線

依台電收費為兩個月為一期，根據統計一般住宅型用戶在非夏日月平均每期 用電度數約 604 度，夏季月平均用電量為 794 度，折算為每月非夏季月平均用電 度數為 302 度，夏季月為 397 度。如此一來，透過公式(6-1)推算，可計算出住宅 用戶每日的平均用電功率，再套用圖 6.2 住宅型占比曲線，即可得到一日住宅型 負載曲線。

(W)= (Wh)

30 24 月平均用電功率

日平均功率 (6-1)

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為驗證基於規則能量控制策略之模式皆可運行，將模擬夏日及非夏日二種情 境，為了實驗便利故將實驗時間縮時主要以驗證策略正確及可行性，使一天 24 小 時縮時 15 倍。一天 24 小時縮時為 1 小時 36 分鐘、半小時縮時為 2 分鐘，負載 變動(取樣時間) 取 2 分鐘變動一次。下列為本研究所需的各項資料如下：

1. 蓄電池參數規格：

◆ 容量：24AH

◆ 電壓：47~53V

◆ 充電速率：1/6 C (3.9 小時)

◆ 放電速率：1/6 C (3.9 小時)

◆ 殘量初始值：30% (48.8V)

◆ 最小殘量值：30%

◆ 最大殘量值：95% (52.7V) 2. 電價選擇

◆ 簡易型時間電價 3. 太陽能一日功率排程

本文類神經架構由太陽能板的溫度及日照當作輸入，輸出為太陽能輸出 功率如圖6.3。其三層結構的神經網路，分別為輸入層、隱藏層及輸出層；輸 入層的功能有將外部輸入傳遞進隱藏層，不對輸入值做任何處理；隱藏層式 將輸入的信號做計算處理，由於對面的介面只有輸入層跟輸出層，故此層稱 為隱藏層；輸出層則將計算結果作輸出。

82

圖6.3 類神經網路架構圖

圖6.4 類神經網路訓練收斂過程

本研究太陽能資料採用台灣師範大學國際會議廳 2017 年 1 月到 2017 年 12 月的日照、溫度及直流功率的太陽能板數據，取樣區間為上午 7：30 分至 下午6：00，取樣時間為 20 分鐘一次，利用類神經網路來預測太陽能功率，

hidden layer (tansig)

output layer (tansig) input layer

Radiation

Module Temperature

Solar cell power

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使取樣時間可增加為10 分鐘一次，情境一選擇非夏日季節 2017 年 01 月 20 日，將某一天的日照量及背太陽能板溫度如圖 6.5 與圖 6.7 藉由類神經網路 預測，進而得出一日太陽能電源功率曲線如圖6.6 與圖 6.8 所示，由於電子負 載硬體規格受限將此功率縮小5 倍以利實驗進行。其中 PSolar 為實際太陽能 功率曲線；NN-PSolar 為透過類神經網路訓練出的太陽能功率曲線；Radiation 為太陽能板日照量；module temperature 為太陽能板溫度。

圖6.5 2017 年 1 月 20 日日照及溫度曲線圖

圖6.6 2017 年 1 月 20 日功率曲線圖

--- Radiation --- Module temperature

— PSolar --- NN-PSolar

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圖6.7 2017 年 8 月 25 日日照及溫度曲線圖

圖6.8 2017 年 8 月 25 日功率曲線圖

4. 住宅型一日負載排程

圖 6.9 與圖 6.10 為非夏日、夏日住宅型之日負載曲線，可看出對於一般 家庭用戶其生活作息通常於上午5 點過後使用廚房類型之電器產品，使得時 段5 至時段 7 之負載有些微的提升，而上午 8 點大部份人外出工作之後，家 庭的負載多半保持待機的狀態，因此負載曲線於白天的時段相當平滑，等到 下午5 點大部分人陸續下班後及下課的時段，則大量使用電器產品如：電視、

電腦、電燈、電鍋、吹風機、微波爐、瓦斯爐、抽油煙機、洗衣機、烘乾機 等，故在此時段17 以後的負載將明顯上升。夏日時氣候屬於炎熱狀態下，人

--- Radiation --- Module temperature

— PSolar --- NN-PSolar

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們對電器產品冷氣的依賴度提高，故夏日負載功率更高，而非夏日與夏日住 宅型之日負載曲線和人們生活作息關連性較大，故曲線上較無差異。

圖6.9 一日負載曲線(非夏日)

圖6.10 一日負載曲線(夏日)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Time(hr)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Time(hr)

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6.2.1 情境一(非夏日)

情境一為針對非夏日用戶多能量管理，系統測試規劃如圖 6.5、圖 6.7 及圖 6.9 所示，在此實驗中，太陽能、市電及鋰電池之輸出電壓分別設為 48V、48V 與 47~53V，家用負載之輸出電壓設定為 50V。在此架構中，控制器將依照負載需求 對各模組進行功率流向與大小控制，鋰電池可配合功率流向需求進行儲能與釋能，

使三台模組將有不同功率分配比以獲得最大能源使用效益，其輸出結果如圖6.11 至圖6.13 所示。

由圖 6.11 可觀察即每半小時負載變動時，實際的負載輸出功率依照一日負載 排程所設計地輸出，而負載端直流鏈電壓在實驗時間達 1 小時 36 分鐘內皆可穩 在 50V 如圖 6.12。

圖6.11 RBCS 之負載功率曲線(非夏日)

圖6.12 RBCS 之輸出電壓(非夏日)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Time(hr)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Time(hr)

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圖 6.13 依序為太陽能電流、市電電流、蓄電池電流。首先太陽能電流如圖 6.7 所設計地從早上 8 點至下午 16 點對負載進行供電，而鋰電池定電流 4 安培充放 電，在凌晨 0 點充電至 3 點多充滿，7 點半放電至 11 點半放完皆如蓄電池規格參 數所設計地操作，且在電價便宜時段 0 點至 3 點多時進行充電；在電價昂貴時約 7 點半放電約放至 11 點半；最後在電價便宜時段 22 點半充電至 0 點，也與簡易 型時間電價相符。最後則由市電補上太陽能電源及鋰電池不足以滿足需求負載的 電量。

圖6.13 RBCS 之太陽能電流、市電電流、蓄電池電流(非夏日)

6.2.1 情境二(夏日)

情境二為針對夏日用戶多能量管理，系統測試規劃如圖 6.6、圖 6.8 及圖 6.10 所示，在此實驗中，太陽能、市電及裡鋰電池之輸出電壓分別設為48V、48V 與 47~53V，家用負載之輸出電壓設定為 50V。在此架構中，控制器將依照負載需求

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

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0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Time(hr)

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對各模組進行功率流向與大小控制，鋰電池可配合功率流向需求進行儲能與釋能，

使三台模組將有不同功率分配比以獲得最大能源使用效益，其輸出結果如圖 6.14 至圖6.16 所示。

由圖 6.14 可觀察夏日季節的最大及平均輸出功率雖比非夏日大，但依然如一 日負載排程所設計地輸出，而負載端直流鏈電壓在實驗時間達 1 小時 36 分鐘內 皆可穩在50V 如圖 6.15。

圖6.14 RBCS 之負載功率曲線(夏日)

圖6.15 RBCS 之輸出電壓(夏日)

圖 6.16 依序為太陽能電流、市電電流、蓄電池電流。首先太陽能電流如圖 6.7 所設計地從早上 8 點至下午 18 點對負載供給電能，但時段 9 至時段 13 此區間於

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Time(hr)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Time(hr)

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基於規則能量控制策略下無法將太陽能電能及鋰電池電能作有效地能源分配，故 此時段太陽能儘管能滿足需求負載且可對鋰電池進行充電，但鋰電池仍以定電流 4 安全放電，導致白白浪費此區間再生能源。而鋰電池部分仍以定電流 4 安培充 放電，在凌晨 0 點充電至 3 點多充滿，早上 7 點半放電至 11 點半放完皆如蓄電 池規格參數所設計地操作，且在電價便宜時段0 點至 3 點多時進行充電；在電價 昂貴時約 7 點半放電約放至 11 點半；最後在電價便宜時段 22 點半充電至 0 點，

也與簡易型時間電價相符。最後則由市電補上太陽能電源及鋰電池不足以滿足需 求負載的電量。

圖6.16 RBCS 之太陽能電流、市電電流、蓄電池電流(夏日)