第三章 三階層升壓電路控制策略
3.3 電壓平衡控制
3.3.3 本文提出電壓平衡控制策略
G1
將上式展開，經過化簡可以得到輸入電壓與如下式(3.15)所示
將式(3.15)代入式(3.14)，可以得到
)
G1
G2
t1
t0 t2 t3 t0
Ts 1
Ivc 2
Ivc
s contT v 1
s cont T v 2 iL
1
vtri vtri2
t4 t
(a)
G1
G2
t1
t0 t2 t3 t0
Ts 1
Ivc 2
Ivc
s contT v 1
s cont T v 2
iL 1
vtri vtri2
t4 t
(b)
圖 3.15 電路開關組態vcont1+vcont2 >1電壓不平衡之電流波形 (a) vC1 >vC2
(b) vC1 <vC2
將式(3.20)代入式(3.19)，可以得到
模擬主要著眼於加入本文電壓平衡控制前後之電容電壓
C1
v 與
C2
v 之變化波
形。加入前後之文獻電壓平衡控制兩個開關之跨壓
T1
V 與
T2
V 、電容電壓
C1
v 與
C2
v 電感電流i 、各電流漣波值及輸出電壓L v 如圖 3.17 及圖 3.18 所示。 dc
由模擬結果可看出當在電容值不相等時之電容電壓
C1
v 與
C2
v 不平衡使開關 跨壓VT1與
T2
V 不一致，也導致各電感電流漣波(Ivc1,Ivc2)不相等，而使電感電流 漣波變大。加入本文電壓平衡控制時有效達到電容電壓
C1
v 與
C2
v 平衡且開關跨壓
T1
V 與
T2
V 相等，電感電流漣波一致且讓電流漣波減少，且輸出電壓與輸入電壓比 與傳統單開關升壓電路相同。相較之下，本文所提出之電壓平衡控制僅一電流迴 路控制電壓平衡，因不需多餘之電壓感測器更能降低成本及較佳的電壓平衡追隨 效果加以達成電壓平衡控制。
V
V
第四章
太陽能供電之直流微電網系統 控制策略
4.1 直流微電網系統控制架構
本文提出太陽能供電之獨立直流微電網系統架構，如圖 4.1 所示。輸入電源 為太陽能電源，架構分別為三階層升壓直流/直流轉換器(Three-LevelBoost dc/dc converter)，雙向直流直流轉換器(Bidirectional dc/dc converter)及控制架構。
L
Three-Level Boost DC/DC Converter
Bidirectional DC/DC Converter
MPPT Controller
(圖4.3)
1
vcont vcont2
Voltage Balance Controller
(圖3.13)
G1 G2
DC Link Voltage Controller (圖4.10)
contB
v
iB
Control Scheme
vdc
Purposed Sampling
本文之獨立運轉供電系統意指太陽能能源系統直接供應能量給負載使用，並 未與其它電源連結。依據系統電路為兩階段電路架構(Two-Stage Circuit)及控制架 構各別介紹及解析。
三階層升壓電路架構分析-太陽能供電之直流微電網系統中升壓直流/直流 轉換器為三階層升壓電路架構，由電感L及開關T 、1 T 及二極體2 D 、1 D 和電容2
C 、1 C 所組成。在三階層升壓電路控制策略中，藉由回授電感電流2 i 從本文所L 提出之交錯取樣策略得到漣波電流值Ivc1、Ivc2及I ，平均電流L I 經由最大功率L 追蹤控制器產生開關信號G 完成最大功率追蹤控制，維持太陽能最大功率點輸1 出;漣波電流值Ivc1及Ivc2經由本文提出之電壓平衡控制器產生開關信號G 達成2 電容電壓平衡控制，達到系統中三階層升壓電路控制。
雙向直流直流轉換器架構分析-系統之三階層升壓電路操作在最大功率追蹤 及電壓平衡控制使直流鏈電壓為不可控制，造成負載無法正常工作。故系統之雙 向直流直流轉換器在電壓控制模式操作，可視為一直流電壓提供穩定電壓給予平 衡太陽能及負載使用。雙向直流直流轉換器電路架構由電感L 及開關B T 、B1 TB2及 蓄電池所組成。藉由回授直流鏈電壓v 與直流鏈電壓命令dc v 經由直流鏈電壓控*dc 制器產生開關信號G 、B1 GB2控制直流鏈電壓。直流微電網系統中雙向直流直流 轉換器為維持直流鏈電壓穩定下，太陽能發電維持在最大功率點輸出下，供給負 載過多或不足，電池可以即時充電或放電，平衡太陽能及負載功率穩定。
4.2 太陽能最大功率追蹤
本文輸入電源端為太陽能電源，而太陽能電源受到日照量強度、表面溫度、
負載及元件劣化等條件所影響，為了確保太陽能電源操作在最大功率點，因此本 文使用觀察擾動法(Perturb & Observe)進行太陽能最大功率追蹤。本文利用三階 層升壓電路來實現最大功率追蹤，使用直流/直流轉換器控制太陽能之輸出電壓
利用交錯取樣策略中之取樣之輸入電感平均電流I 及工作週期L vcont1得知
直流鏈電壓Vdc =200V 進行模擬。太陽能電源模擬參數及系統電路參數如表 4.1 及表 4.2 所示。其模擬控制電路架構如下圖 4.5 所示。
表 4.1 太陽能電源模擬參數 太陽能最大點功率Pmpp 480W 太陽能最大功率點電壓Vmpp 100V 太陽能最大功率點電流Impp 4.8A 太陽能開路電壓Voc 117.64V
太陽能短路電流I sc 5.33A 太陽能電池溫度 C° 25°C 太陽能電池日照量強度S 1000W/m2
表 4.2 系統電路參數
輸入電源Vpv 太陽能電源
電感L 1mH
控制命令vcont1 0.4 電容C1, C2 2200uF 開關切換頻率 f s 20kHz 控制命令變化量∆vcont1 0.002
本文之最大功率追蹤控制器
交錯技術 交錯取樣策略
太陽能電源
圖 4.5 模擬三階層升壓電路之本文最大功率追蹤控制架構
模擬主要著眼於本文最大功率追蹤控制啟動模擬之變化波形，各別負載分別 為電阻100Ω、200Ω及直流鏈電壓Vdc =200V 最大功率追蹤控制之如圖 4.6、圖 4.7 及圖 4.8 所示。藉由觀察模擬圖可以發現，所提出之最大功率追蹤控制策略 不同負載大小的情況下都可有效追至最大功率點及保持系統的穩定。在負載大時 暫態追蹤最大功率點時間較短，相反之則較長;而在不同負載時所追至最大功率 點之控制命令不同，使輸出電壓v 會不一樣，因此下一章節介紹本文提出之直dc 流微電網架構，固定直流鏈端，穩定負載輸出。
使用本文提出之最大功率追蹤器的優點僅需回授電流來就可達成太陽能最 大功率追蹤，簡化硬體電路，節省系統成本，其演算法有效簡化程式流程，增加 系統效率。
V 120
V 100
V 80
A 2
A 4
A 6
W 500
W 400
W 300
A 2
A 4
A 6
7 . 0
6 . 0
5 . 0
V 300
V 200
V 100
4 . 0
vpv
iL
ppv
IL
1
vcont
vdc
ms 200 MPPT
0
圖 4.6 本文之最大功率追蹤啟動模擬波形(100Ω)
vpv
iL
ppv
IL
1
vcont
vdc
V 120
V 100
V 80
A 2
A 4
A 6
W 500
W 400
W 300
A 2
A 4
A 6
7 . 0
6 . 0
5 . 0
V 400
V 300
V 200
4 . 0
ms 200 MPPT
0
圖 4.7 本文之最大功率追蹤啟動模擬波形(200Ω)
V
4.3 雙向直流直流轉換器之蓄電池充放電 架構及控制
對於搭配儲能系統之太陽能發電系統而言，能量管理使相當重要。有好的能 量控制策略，將使系統運作達到最佳狀態，進而提升系統整體效率。本節介紹此 雙向直流直流轉換器之直流鏈控制策略及作為系統之能量平衡控制，以維持平衡 太陽能及負載功率穩定。一方面在此轉換器具有升壓功能，提供能量給予直流負 載使用。另一方面此轉換器具有降壓功能，使太陽能多餘之能量給予儲能系統進 行充電。
蓄電池組透過充、放電來平衡系統能量，本文採用雙向直流直流轉換器作為 蓄電池予直流鏈間的能量傳遞橋樑，此雙向直流直流轉換電路如圖 4.9 所示，主 要由蓄電池及電感L 及開關B T 、B1 TB2所組成。而蓄電池之規格參數如表 4.3 所 示。
1
TB
2
TB
LB L
O A D
Battery
1
DB
2
DB
vdc
iB
idc
iLoad
圖 4.9 雙向直流直流轉換電路
本文之雙向直流直流轉換器採用 4 顆蓄電池串聯而成，其蓄電池組電壓為 48V，並經由雙向直流直流轉換器升壓將蓄電池組電壓升壓至系統所需之直流鏈 電壓 200V，其直流鏈電壓控制器如圖 4.10 所示。
vdc
*
vdc
Voltage Controller
Current Controller
iB
*
iB vcontB
s kvp+kvi
s kip+kii
藉由回授直流鏈電壓v 與直流鏈電壓命令dc v 經由直流鏈電壓控制器產生*dc
控制命令vcontB，控制命令與三角波比較後產生開關信號G 、B1 GB2對其上、下臂
開關T 、B1 TB2使蓄電池組進行充放電控制，達到本文之能量管理之目的。
表 4.3 蓄電池 LONG WP22-12NE 之規格參數 電壓值(Voltage) 12V 容量(Nominal Capacity) 22AH at 20hr
浮充電壓(Standby Use) 13.5~13.8V 循環壽命(Cycle Use) 14.4~15.0V 工作溫度(Operating Temperature) 25°C
重量(Weight) 6.45kg 體積(mm) 181×76×167
根據太陽能供電及負載情況中，直流微電網系統之運作模式依雙向直流直流 轉換器分為升壓模式及降壓模式，各別介紹及解析。
4.3.1 雙向直流直流轉換器之降壓操作模式
當太陽能電源操作在最大功率點輸出下功率大於負載所需時，為了維持直流 鏈電壓的穩定，此時雙向直流直流轉換器操作在降壓模式，以 PWM 信號控制上 臂開關T 導通或截止，太陽能輸出多餘的能量來對電池進行充電，維持平衡負B1 載，其系統電路如圖 4.11 所示。由於直流鏈電壓大於蓄電池組電壓，因此電感LB 在上臂開關T 導通時會吸收在直流鏈上的能量，並在開關B1 T 截止時經由下臂開B1 關TB2向蓄電池進行充電。
PV array
Battery
DC
DC DC
Three-Level Boost DC/DC Converter
Bidirectional DC/DC Converter
L O A D DC Link
vdc
DC
圖 4.11 直流微電網系統降壓模式
依照圖 4.10 直流微電網系統降壓模式之直流鏈電壓控制器，本文之蓄電池 組充電操作，運用電壓控制器，來限制充電電流大小，雖然充電時間較長，但對 電池使用壽命期限較延長。
4.3.2 雙向直流直流轉換器之升壓操作模式
當太陽能電源操作在最大功率點輸出下功率小於負載所需時，為了維持直流 鏈電壓的穩定，此時雙向直流直流轉換器操作在升壓模式，以 PWM 信號控制上 臂開關TB2導通或截止，從電池執行放電操作，提供能量至負載，維持平衡負載，
其系統電路如圖 4.12 所示。由於直流鏈電壓於蓄電池組電壓，因此將蓄電池儲 存在電感L 上的能量，並在經由開關B T 導通時放電至直流鏈上，穩定直流鏈電B1 壓，平衡太陽能及負載功率穩定。。
PV array
Battery
DC
DC
DC DC
Bidirectional DC/DC Converter
L O A D DC Link
vdc
Three-Level Boost DC/DC Converter
圖 4.12 直流微電網系統升壓模式
依照圖 4.10 直流微電網系統升壓模式之直流鏈電壓控制器，本文之蓄電池 組放電操作，是為維持直流鏈電壓穩定。藉由回授實際直流鏈電壓v 追隨直流dc 鏈電壓命令v ，經由電壓控制器得知電流命令dc* i*B調節蓄電池組電流i ，達到穩B 定放電控制。
4.4 直流微電網系統控制模擬
根據圖 4.1 的控制架構，利用電腦模擬軟體 PSIM 來驗證本文所提出以太陽 能供電之獨立直流微電網系統控制的電路架構，如圖 4.13 所示，討論所提之直 流微電網系統控制的暫態及穩態特性。將太陽能電源並接至三階層升壓電路，三 階層升壓電路連接至雙向直流直流轉換器，最後並接至負載端，為整體之系統電 路架構。其中控制器部分，包括本文交錯取樣策略、太陽能最大功率追蹤控制器、
電壓平衡控制器以及直流鏈電壓控制器。
本文交錯取樣策略 交錯技術
直流鏈電壓控制器 電壓平衡控制器 最大功率追蹤器
太陽能電源 三階層升壓電路 雙向直流直流轉換器
圖 4.13 直流微電網系統控制之模擬電路圖
模擬之太陽能電源模擬參數於表 4.1，直流微電網系統參數及控制參數列於 表 4.4。
表 4.4 直流微電網系統參數及控制參數
表 4.4 直流微電網系統參數及控制參數