第三章 最大功率追蹤控制
3.3 最大功率追蹤模擬
為了驗證系統最大功率追蹤控制之可行性，本論文使用 PSIM 作為主要之 模擬軟體，其為美國Powersim 公司開發[23]，為一種電力電子模擬軟體，軟體 內建包括一般常用的電子元件、變壓器、馬達及負載模型…等等，且具備了類 比與數位元件，可進行類比/數位混合模擬，並內建 C 語言所設計之動態連結檔 (DLL)之連結方塊，更能與 MATLAB/Simulink 模擬軟體進行同步連結模擬，且 模擬速度較快，適合模擬時間較長之風力發電系統。
建立風力發電模擬系統前須先建立一風力發電機之模擬方塊，如圖 3.9 所 示，風車模擬方塊是利用第二章所介紹之風車特性方程式為基礎所建立，發電 機部分使用PSIM 內建的永磁同步發電機(PMSM)模型，並利用圖 2.3 於內部建 立不同風速下之風車特性曲線表，提供不同轉數時
C
P值之查表，表3.1 為模擬 7m/s 風、10m/s 風、15m/s 風所建立之特性曲線表，並假設於三種不同風速下，三個不同的最大功率點
C
P皆為 0.4，上述所建之特性曲線及發電機參數皆為假 設，與實際 400W 垂直軸發電機之參數並不相同，但並不影響驗證最大功率追 蹤控制器之正確性。風車模擬方塊 PMSM方塊
查表方塊
表3.1 風力發電模擬系統特性曲線表
圖3.10 風力發電系統開迴路測試方塊
表3.2 系統模擬參數表
參數名稱 風速 葉片半徑 C1 C2 L PWM 頻率 電池電壓 參數數值 7~15m/s 0.53m 940uF 940uF 2mH 10kHz 48V
圖3.11 7m/s 風下，輸出之功率曲線
圖3.12 10m/s 風下，輸出之功率曲線
圖3.13 15m/s 風下，輸出之功率曲線
PSIM 模擬時，MPPT 控制器之設計，利用 C 程式語言撰寫，並使用 PSIM 內建的動態連結 DLL 檔連結方塊，如圖 3.14 所示，而連結之程式如 圖3.15 所示，最大功率追蹤之撰寫方式為依據圖 3.8 之流程來撰寫，由於Vdc 及I 具有漣波，因此 DLL 檔內加入了平均值計算器，計算一周期之平均dc 值，增加回授信號之正確性，其模擬原理為先將功率電路之V 及dc I 回授dc 至DLL 連結方塊，再將V 及dc I 相乘為功率後，進行 MPPT 之運算，運算dc 結果之責任周期與一10
kHz
之鋸齒波進行比較，產生升壓電路開關之PWM 訊號，進而控制發電機之轉速，如此反覆追蹤至最大功率點，而擾動觀察 法方面，設定擾動頻率為5Hz ，擾動量為 0.01， 輸出 PWM 之責任周期預 設為0.1，直線近似法範圍設計為 0.1，觀察模擬結果之效率C
P、發電機轉 速，輸出功率及Duty 之波形，與先前紀錄之功率曲線最大功率點相比對，觀察是否追蹤至最大功率點，並比較擾動觀察法及混合型之追蹤情況，驗 證混合型追蹤法則之可行性。
Vdc Idc
圖3.14 PSIM 及 C 語言連結模擬
#include <math.h>
__declspec(dllexport) void simuser ( t, delt, in, out) double t, delt;
double *in, *out;
{
double Tperiod=1.0/5.0,Ts=1.0/4000.0;
static double P,duty=0.1,Pk=0.0,temp_P=0.0,t_start=0.1,P_start=0.0, p_avg,i_in,v_in,i_avg,v_avg,t_table=2,p_n=0;
static int n1=0,nk=1,signal_duty=0,signal_P=1,nt=1;
if (t>=nk*Tperiod)
if (duty-in[2]>0.05 || duty -in[2] < -0.05) duty=in[2];
if(t>=t_start) {
i_in=in[0]+i_in;
v_in=in[1]+v_in;
n1=n1+1;
if(t>=t_start+Tperiod) {
i_avg=i_in/n1;
v_avg=v_in/n1;
p_avg=i_avg*v_avg;
i_in=0;
if(signal_P==1) {
if(signal_duty==1) {
duty=duty+0.01;
signal_duty=1;
}
else if(signal_duty==0) {
duty=duty-0.01;
signal_duty=0;
} }
else if(signal_P==0) {
out[3]=i_avg;
out[4]=v_avg;
out[5]=n1;
折衷值，而圖3.17、圖 3.20、圖 3.23 為各風速下 Duty 與功率之特性曲線，可以 更清楚觀察出，當功率上升時，Duty 由 0.1 持續向上追蹤，直到追蹤至最大功 率點。
圖 3.16 及圖 3.18 為 7m/s 風下之模擬結果，於最大功率點之
C
P為0.39，轉 速(Vrpm)約為 280rpm，功率(P)約為 52W，輸出之責任周期(duty_out)約為 0.53，與開迴路模擬之最大功率點相符合，而擾動觀察法於8 秒達最大功率點，混合 型為5 秒。
追蹤區間 擾動區間
圖3.16 7m/s 風下，擾動觀察法模擬結果
圖3.17 7m/s 風下，Duty-Power 特性曲線
追蹤區間 擾動區間
跳躍區間
圖3.18 7m/s 風下，混合型模擬結果
圖 3.19 及圖 3.21 為 10m/s 風下之模擬結果，最大功率點之
C
P為0.4，轉速 (Vrpm)約為 350rpm，功率(P)約為 140W，輸出之責任周期(duty_out)為 0.48，與 開回路模擬之最大功率點相符合，而擾動觀察法於9 秒達最大功率點，混合型 為3 秒。0 10 20 30 40 50 60
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Duty Power(W)
圖3.19 10m/s 風下，擾動觀察法模擬結果
圖3.20 10m/s 風下，Duty-Power 特性曲線 0
40 80 120 160 200
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Duty
Power(W)
追蹤區間 擾動區間 跳躍區間
圖3.21 10m/s 風下，混合型模擬結果
圖 3.22 及圖 3.24 為 15m/s 風下之模擬結果，於最大功率點之
C
P為0.4，轉 速(Vrpm)約為 450rpm，功率(P)約為 380W，輸出之責任周期(duty_out)約為 0.42，與開回路模擬之最大功率點相符合，而擾動觀察法於6 秒達最大功率點，混合 型為1 秒。
追蹤區間 擾動區間 圖3.22 15m/s 風下，擾動觀察法模擬結果
圖3.23 15m/s 風下，Duty-Power 特性曲線 0
100 200 300 400 500
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Duty Power(W)
圖3.24 15m/s 風下，混合型模擬結果
由於風的變化相當快速且頻繁，因此如圖 3.14 所示，建立了多風速查表方 塊，模擬風速突然改變時，最大功率追蹤控制器之追蹤狀況，模擬時假設風速 原為7m/s 風，於模擬時間 10 秒時升至 10m/s 風，15 秒時升至 15m/s 風，模擬 結果如圖3.15 所示，當風速改變時，
C
P會下降後，再追蹤至最大效率0.4，表 示於風速突然改變時，控制器依然會快速追蹤至最大功率點。圖3.25 多風速查表方塊
圖3.26 風速改變時，MPPT 模擬結果