直流微電網系統控制啟動實作

第五章實作電路與結果

5.4 直流微電網系統控制啟動實作

由於在太陽能電源未達到最大功率追蹤時，直流微電網系統無法提供最大功率輸出於負載端，所以須將啟動最大功率追蹤控制。啟動過程為設置控制命令

4 .

1 =0

vcont 之啟動太陽能最大功率追蹤實作如圖 5.13 所示;到達最大功率追蹤點穩態時將電壓平衡控制啟動於三階層升壓電路之波形過程變化如圖 5.14 所示。

如圖 5.13 所示，可以看到在一開始啟動太陽能最大功率追蹤的時候，輸入電壓v_pv及電感電流i 快速達到最大功率點之電壓點及電流點，而電容電壓_L v_C₁及

v 因電容值不一致隨著最大功率點追蹤使電壓差距越大。如圖 5.14 所示，此時將系統切至電壓平衡控制，可看出兩者電容電壓慢慢趨近至平衡，即可完成電壓平衡控制，完成系統之啟動實作。

ms 500 V

100 V 80

V 120

A 4

A 2

A 6

V 100

V 80

V 120

vpv

v MPPT

圖 5.13 系統控制啟動之太陽能最大功率追蹤實作波形

ms 500 V

100 V 80

V 120

A 4

A 2

A 6

V 100

V 80

V 120

vpv

Voltage Balance

vpv

圖 5.14 系統控制啟動之電壓平衡控制實作波形

到達最大功率追蹤點穩態時之未啟動電壓平衡控制之電容電壓不平衡，使電感電流漣波不一致之電容電壓及電感電流漣波波形實作如圖 5.15 所示;啟動電壓平衡控制使電容電壓平衡及電感電流漣波一致，電壓平衡控制之電感電流漣波波形實作如圖 5.16 所示。

如圖 5.15 所示，可以看到未啟動電壓平衡控制的時候，因電容電壓

v 及

v 不相等使電感電流i 漣波波形不一致，而取樣之電流漣波值_L I 、_L I_vc₁及I_vc₂不相等;切至電壓平衡控制如圖 5.16 所示，可看出電容電壓

v 及

v 平衡使電感電流 i 漣波波形一致，而取樣之電流漣波值相等，完成系統之電壓平衡控制。 L

5.5 直流微電網系統穩態實作波形

在直流微電網系統控制實作中，直流微電網系統參數及控制參數如表 4.2 所示，輸出負載R_Load分別為50Ω及200Ω。在各別情況下觀察穩態下直流鏈電壓

v 、各別電容電壓dc v_C₁,v_C₂、電池電流i 波形。 _B

觀察電池電流i 可以發現，穩態下負載_B R_Load為200Ω，實作結果如圖 5.17 所示，太陽能產生之最大功率下供給超過負載所需求，太陽能輸出多餘的能量對電池進行充電，而此電池電流i 為正;穩態下負載_B R_Load為50Ω，實作結果如圖 5.18 所示，在太陽能產生之最大功率下不足供給於負載，此電池會進行放電提供至負載，而此電池電流i 為負。整體觀察，直流微電網系統正常操作下，可知在_B 不同負載下，所提出之直流微電網系統控制策略，在穩態操作下是可行的。

V 200

V 150

V 100

A 0

A 5

A

− 5

v v

v

i

us 20

圖 5.17 直流微電網系統負載波形(R_load = 200Ω)

V 200

V 150

V 100

A 0

A

− 5 A

− 10

v

v v

i

us 20

圖 5.18 直流微電網系統負載波形(R_load = 50Ω)

5.6 直流微電網系統負載切換實作波形

負載切換造成直流微電網系統控制進入暫態，因此必須考慮讓電路能在較短的時間內由不穩定的暫態回復到穩態中。根據圖 5.19 所示，當切載開始時負載從50Ω切換至200Ω，負載由重載切入輕載，太陽能維持在最大功率下供給超過負載所需求，使直流鏈電壓上升，此時直流鏈電壓控制使電池電流i 從負至正，_B 約在 250ms 維持直流鏈電壓穩定;根據圖 5.20 所示，當切載開始時負載從200Ω切換至50Ω，負載由輕載切入重載，太陽能維持在最大功率下供給不足負載所需求，使直流鏈電壓下降，此時直流鏈電壓控制使電池電流i 從正至負，約在 250ms_B 維持直流鏈電壓穩定。根據直流微電網系統控制實作，其不論是在穩態實作或者是暫態實作，系統均能維持穩定。

v

v v

i

A 0

A 5

ms 50 V

100 V 150

V 200

A

− 5

圖 5.19 直流微電網系統切載波形(R_load =50Ω→200Ω)

v

v v

i

ms 50 A

0 A 5

V 100

V 150

V 200

A

− 5

圖 5.20 直流微電網系統切載波形(R_load =200Ω→50Ω)

第六章

結論

本文呈現以三階層升壓電路實現太陽能供電之獨立直流微電網系統，並以模擬與實驗的方式，驗證控制架構的可行性。獨立直流微電網系統設計中，以電池作為雙向直流直流轉換器，具有功率雙向流動的能力，在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，維持直流鏈電壓穩定。以 FPGA 為實現平台，提出僅感測單一電流設計出電壓平衡控制及最大功率追蹤控制，進而達成之控制。

獨立直流微電網控制系統 FPGA 電路設計，其實現採用階層式、模組化的設計方式，其控制系統主要包含利用本文交錯取樣策略、電壓平衡控制及最大功率追蹤控制、直流鏈電壓控制器、PI 回授控制電路以及 PWM 產生電路。而透過 PSIM，整合太陽能電源以及控制系統進行系統層次模擬，驗證電路功能的正確性。

由實驗結果觀察可知直流微電網系統控制實作，其不論是在穩態實作或者是暫態實作，系統均能維持穩定。

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在文檔中以三階層升壓電路實現太陽能供電之獨立直流微電網系統 (頁 95-105)

第五章 實作電路與結果

5.4 直流微電網系統控制啟動實作

5.5 直流微電網系統穩態實作波形

V 200

V 150

V 100

A 0

A 5

A

− 5

v v

v

i

us 20

V 200

V 150

V 100

A 0

A

− 5 A

− 10

v

v v

i

us 20

5.6 直流微電網系統負載切換實作波形

v

v v

i

A 0

A 5

ms 50 V

100 V 150

V 200

A

− 5

v

v v

i

ms 50 A

0 A 5

V 100

V 150

V 200

A

− 5

第六章

結論

參考文獻

第五章實作電路與結果