實驗結果與討論 - 再生能源發電系統之研製-子計畫二：具遠端監控與故障偵測功能之太陽光能發電系統之研製(III)

功率晶體驅動電路﹝Base Driver﹞

最大功率追蹤空間向量調變

T1 TTT_a_a_a⁺⁺⁺TTT_a_a_a⁻⁻⁻TTT_b_b_b⁺⁺⁺TTT_b_b_b⁻⁻⁻TTT_c_c_c⁺⁺⁺TTT_c_c_c⁻⁻⁻

功率晶體驅動電路﹝Base Driver﹞

換流器故障偵測迴路

太陽電池電路中包含了太陽能電池板、TMS320C240 數位信號處理器、電力電路、功率晶體驅動電路（Base Driver）、蓄電池、三相隔離變壓器、電壓回授電路和電流回授電路，各個部份分述如下。

高直流電流，而串聯或並聯模組可交替使用以便得到想要的直流電壓或直流電流值。由於太陽電池的製程較為複雜，所以會造成每一太陽電池模組的特性不完全一致，另外環境的因素，如周圍溫度、灰塵、雲的阻礙等，使得每一模阻所產生的電壓、電流都不會相同，而造成某些模組成為其它模組負載的情況發生，在這個情況下因為能量的消耗會使得模組的溫度上升，當太陽能電池板的內部溫度超過時即可能造成模組損懷；另外，當太陽能陣列中有模組損壞時則所有的電壓會全部落在這個模組之上，因此為解決上述的情況，本研究在每一個模組並聯一個旁路二極體（bypass diode），如圖 8.4 所示，如此便可提供每一模組一個能量散逸的低阻抗路徑，克服了多個模組連接時的問題。

C

o 100

85 −

太陽

地面

傾斜角=所處緯度+¹⁵^° 太陽電池

太陽

地面

傾斜角=所處緯度+¹⁵^° 太陽電池

圖 8.3 太陽電池裝置圖

blocking diode by-pass

diode

N_s

= 2

N_p

= 3

圖 8.4 太陽能電池模組的連接方式圖

8.2.2 數位信號處理器 TMS320C240

數位信號處理器 TMS320C240 是由德州儀器公司發展出來針對電力電子及馬達控制的晶片。它可快速且有效率地處理數位信號並可直接輸出脈寬調變（PWM）

控制信號至電力電子驅動電路。其特性如下：[35-37]

․32-bit 之中央邏輯運算元（CALU）

․16-bit＊16-bit 之乘法運算能力

․8 個具有加法運算能力之 16-bit 輔助暫存器

․544 words＊16 bits 資料／程式 RAM

․16K words＊16 bits flash EEPROM

․最大定址空間可達 224K words＊16 bit

․6 個外部中斷

․使用 CMOS 的製造技術，功率消耗小

․50-ns（20MIPS）指令週期

․12 個 PWM 信號輸出（其中有 9 個是獨立的）和 dead band 的設定

․3 個 16-bit 計時器並有 6 個模態，包括有連續上數、連續上數／下數等功能

․提供鎖相迴路（PLL）

․28 組獨立、可程式的 I／O

․具有串列通訊界面（SCI）

․2 組 10-bit 數位／類比轉換器，轉換時間 10

μ

s 以內

但在硬體實作上採用的是 TMS320F240 Emulation Board 和 XDS510PP Emulator，

它除了保有 TMS320C240 的各種特性外，還加入了許多 TMS320C240 所無但經常使用的週邊介面電路，如：記憶體擴充模組、4 組數位/類比轉換通道 ( 12 bit )、

LED 顯示等功能，其系統方塊圖如圖 8.5 所示。

Data AddrData Addr

Addr Data

Data Data Data

Data

On Board Display

IO Port

RS-232 Interface A/D

Interface C240

Main C’KT

Encoder

PWM DIO

PHA PHB

本研究的最大功率追蹤電路如圖 8.6 所示，電路結構是採用降壓型（Buck）直 TMS320C240 直接設定。圖 8.8 為昇壓控制器的內部結構方塊圖，電壓回授信號與命令電壓比較之後經過 PI 控制器產生比較信號，然後再與三角波比較產生

+

多組輸出，每一組輸出採用串聯型式連接在一起，而每一組輸出具有相同的輸出所生產之功率晶體（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT），最大耐壓為六百伏特、電流為五十安培，其編號為 2MB50-060。在功率晶體驅動電路部份採用富士電機公司生產的 EXB-840 之積體電路，其電路如圖 8.10 所示，本積體電路採用光耦合 ( photo couple ) 的方式將控制信號傳送至電力電路側，驅動電路之電源為獨立供給的形式，故電力電路與控制電路間沒有任何連接的線路，當系統發生故障時，可將電力電路與控制電路完全隔離。在功率晶體驅動電路中為了防止功率晶體的上下臂同時導通，常會在功率晶體驅動電路上加入時間延遲及互鎖電路 ( Lock-Out Circuit )，而本研究則使用數位信號處理器 TMS320C240 內部的 Dead-Band 控制暫存器 DBTCON 來產生 PWM 信號的 Dead-band，因此可省略時 間延遲及互鎖電路的製作；而本研究設定的 dead-band 時間為 3.3 s

μ

。

#1 Collector

#1 Gate

#1 Emitter

#1 Ground

#1 20+ V

#2+20^V

#2 Ground

#2 Emitter

#2 Gate

#2 Collector +V_CC

8.2.5 電壓和電流感測電路

電壓感測電路如圖 8.11 所示，目的在將電力電路之電壓信號經過隔離轉換為類比信號。本研究之電壓感測器設計為負回授放大電路，由 1MΩ 電阻將輸入電壓依一定比例分壓，然後再經由 ANALOG DEVICES 公司生產的隔離放大器 ( AD210AN ) 輸出至控制系統側，並由二階低通濾波器濾除高頻雜訊後送往 TMS320C240 之類比/數位轉換器進行轉換，以供程式運算。本研究之電壓感測器之用途，主要為偵測太陽電池端電壓和三相市電電壓。

16 17 19 18 14 15

PWRCOM PWR

FB 1

2 3 4 29 30

AD210

OP07 + 5V

+15V

0 0 0 2. μf

0 0 0 1. μf

−IN +IN I_COM +V_ISS

−V_ISS

V_O

O_COM

+V_OSS

−V_OSS 1MΩ

200Ω 200Ω

圖 8.11 電壓回授電路

電流感測器如圖 8.12 所示，主要用來將電路之電流信號經過隔離轉換成類比信號。本研究流感應器之設計，係利用霍爾效應元件 ( LT-100P ) 將電力電路之電流以每匝 1000：1 安培的比例轉化成信號電流源，流經 50 歐姆之精密電阻轉成電壓信號，再由二階低通濾波器濾除高頻雜訊後送往 TMS320C240 之類比/數位轉換器進行轉換，經數位信號處理器讀取回授供控制程式作運算。本研究之電流感測器之用途，主要為偵測太陽電池之輸出電流及三相換流器的輸出電流。

-15V +15V

LT-100P (HALL Effect)

250:1

OP07

50Ω 10kΩ

10kΩ

A/D

+ 5V

圖 8.12 電流回授電路

8.3 程式流程

本研究的程式發展流程如圖 8.13 所示，首先利用數位信號處理器 TMS320C240 特有之組合語言來撰寫原始程式，再經過組譯、連結等步驟而完成 TMS320C240 可執行的共同物件檔案格式（COFF）檔，然後利用個人電腦之印表機通訊介面傳送到 EVM 電路板內的靜態記憶體 SRAM，並可藉由除錯程式（debug program）進行除錯工作。另外，可執行的 COFF 檔也可轉換成十六進制的燒錄檔，再經由印表機通訊介面燒錄至 TMS320F240 內部的快閃式記憶體（Flash Memory），如此便可在 EVM 電路板上直接執行己經發展完成的程式。TMS320F240 大多數的數學運算指令只要一個機械週期（machine cycle）就可完成，所以對於操作為 20 MHz 的 TMS320F240 而言，執行一個數學運算指令只要 50 ns 便可完成，因此對於本研究的各項控制法則的運算，TMS320F240 均能以最短的時間做出回應。

數位信號處理器 TMS320C240 雖然擁有快速之數學計算能力，然而所欠缺的除法運算則需先由許多減法指令合成，撰寫成可隨時呼叫使用之除法服務巨集。

因為數位信號處理器 TMS320C240 為固定點型式，不具浮點運算之功能，一般使用“ Q(x)模態＂的資料形式來增加精確度，若以 Q(15)模態而言，每一個數是由

組合語言來源檔

組譯器

COFF物件檔

連結器

可執行的COFF檔巨集庫

連結庫

機械碼轉換單元

EPROM燒錄器

除錯工具 error

error

error 組合語言來源檔

組譯器

COFF物件檔

連結器

可執行的COFF檔巨集庫

連結庫

機械碼轉換單元

EPROM燒錄器

除錯工具 error

error

圖 8.13 程式發展流程圖

一符號位元及 15 個小數位元所表示，又 Q(13)模態，每一個數是由一符號位元、

13 個小數位元及 2 個整數位元所表示，而在本文程式中使用一種 D(x)的資料形式，

D(x)的資料形式和傳統的 Q(x)模態的資料形式具有式 (8.1)的關係，

(8.1)

(

x Q x

( ) = 15 − )

在加、減法運算上，D(x)與 Q(x)模態的運算方式相同，但在乘法運算上，D(x)模態的運算方式如式 (8.2)

(

^x ^y

)

D y D x

( ) * ( ) = +

(8.2)

例如：一 D(-3)的資料乘一 D(3)的資料，而所得的資料為 D(0)，如此作法較傳統的 Q(x)模態的資料形式更具彈性，且有更高的動態精確度。本研究程式可分成兩大部份，一為對於一般負載時，另一個為對三相市電並聯時。依序將在下兩節中討論：

8.3.1 一般負載時程式規劃

10.56 us

13.4 us

3 us

0.3 us

圖 8.14 一般負載時的程式流程圖

圖 8.15 是擾動觀察法的程式流程圖，在流程圖中，首先判斷太陽能板的輸出

圖 8.16 是梯度法的程式流程圖，首先必需計算出目前情況下的太陽能曲線梯

開始

計算ΔP及ΔDC

根據模糊函數及規則庫，求出輸出的工作週期 DC

儲存 Pk _1 、 DCk _1

結束開始

計算 ΔP及ΔDC

根據模糊函數及規則庫，求出輸出的工作週期 DC

儲存 Pk _1 、 DCk _1

結束

圖 8.17 模糊控制法程式流程圖

8.3.2 市電並聯時的程式規劃

圖 8.18 為市電並聯時的程式流程圖，主程式首先設定系統參數，包括 Timer 的中斷時間、是否接受外部中斷等，接下來判斷市電 A 相電壓是否交越零點，

若是，則再判斷是否為 PWM 中斷週期，如果是，則利用 Timer 中斷時所計算出來的市電 d 軸和 q 軸電壓及市電參考角度

50

θ 來計算功率晶體所需的導通時間。

開　始 PSPICE 的電路模擬結果與實測結果做一比較，可以看出本研究測結果的正確性，

而本研究的實測圖形係利用儲存式數位示波器（Tektronix TDS-460A）測量而得。

8.4.1 太陽能最大功率追蹤實驗結果

本節之實驗架構採用圖 8.2 的形式，太陽能陣列由四片太陽能板串聯組合，因此可得到最大輸出電壓為 84.4 V，最大輸出電流為 3.8 A。測量最大功率時，本研究採用一 18.8Ω 的電阻為負載，以便能完整的求出各日照量下的最大功率。我們以四片太陽能電池板串聯測量低日照量時的最大功率追蹤效果，圖 8.19 及圖 8.20 為擾動觀察法在日照量約為 35 時的電壓、電流及功率響應曲線圖，圖 8.21 及圖 8.22 為梯度法在日照量約為 35 時的電壓、電流及功率響應曲線圖，

比較圖 8.23 及圖 8.24 為模糊控制法在日照量約為 35 時的電壓、電流及功率響應曲線圖。由圖 8.19、8.21 及 8.23 可發現梯度法的動態響應和穩態響應皆為最好，而模糊控制法則比擾動觀察法好一些。比較圖 8.20、8.22 及 8.24 的功率曲線可看出在相同日照量下，梯度法所得到的最大功率較模糊控制法及擾動觀察法高出約 20-25 W。而且穩態響應較好，而模糊控制法比擾動法約多 5W，穩態響應也比較好一點。

/ cm2

mW

/ cm2

mW

/ cm2

mW

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0

10 20 30

Vpv(Volt)

time (sec)

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0

0.5 1 1.5 2

Ipv(Amp)

time (sec)

圖 8.19 擾動法在日照量約為 35

mW

/ cm²時的電壓、電流響應曲線圖

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Ppv(Watt)

time (sec)

圖 8.20 擾動法在日照量約為 35

mW

/ cm²時的功率響應曲線圖

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0

10 20 30 40

Vpv(Volt)

time (sec)

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0

1 2 3

Ipv(Amp)

time (sec)

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0

10 20 30 40

Vpv(Volt)

time (sec)

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0

1 2 3

Ipv(Amp)

time (sec)

圖 8.21 梯度法在日照量約為 35

mW

/ cm²時的電壓、電流響應曲線圖

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0

10 20 30 40 50 60 70 80

Ppv(Watt)

time (sec)

圖 8.22 梯度法在日照量約為 35

mW

/ cm²時的功率響應曲線圖

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0

10 20 30

Vpv(Volt)

time (sec)

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0

0.5 1 1.5 2

Ipv(Amp)

time (sec)

圖 8.23 模糊控制法在日照量為 35

mW

/ cm²時的電壓、電流響應曲線圖

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Ppv(Watt)

time (sec)

圖 8.24 模糊控制法在日照量為 35

mW

/ cm²時的功率響應曲線圖

本研究以梯度法實測夏季晴天之日照量及最大功率追蹤結果，如圖 8.25 及圖

在文檔中再生能源發電系統之研製-子計畫二：具遠端監控與故障偵測功能之太陽光能發電系統之研製(III) (頁 110-156)