1.4 論文架構
本論文共分為五個章節，各章內容大綱概述如下:
第一章、緒論
簡述本論文之研究背景、動機與目的，以及研究方法與架構。
第二章、太陽光伏發電系統(Photovoltaic Generations System,PVGS)與電池儲能系 統(Battery Energy Storage System,BESS)介紹
介紹本論文模擬所用之 PVGS，與 BESS 之架構、特性、種類介紹與電池監 控。
第三章、研究方法與模擬軟體
說明本文模擬中 PVGS 與 BESS 兩系統之動作方式，與 OpenDSS 程式，以 及成本效益計算方式。
第四章、模擬結果與分析
使用 OpenDSS 程式模擬出台電 NO.22 饋線上 PVGS 分析，以整年度之日照 量與溫度變化設定，計算出不同 PVGS 裝置容量下，該 PVGS 最大實功率注入 量，最後設定 PVGS 與 BESS 成本效益參數值，來計算該饋線上之最大成本效益 值與靈敏度分析。
第五章、結論
對本研究結果做一結論與建議。
第二章 太陽光伏發電系統與電池儲能系統介紹
2.1 太陽光伏發電系統介紹
太陽能光伏發電系統(Photovoltaic Generations System, PVGS)，為光伏半導體 材料的光生伏特效應，將太陽能轉化為電能的設備。優點有無耗盡的一天、無噪 音、可就地發電、建設週期短，可利用建築物屋頂建置來發電，缺點則會因天氣 變化，如陰雲、颱風…等，導致無法持續吸收太陽能，穩定其輸出電能[19]。
第一塊太陽能板(電池)在 1954 年由美國的 Bell Labs 發展出來(轉換效率約 6%)，其太陽能板是為半導體材料的結合，太陽能板構造摻有磷雜質的矽，稱為 N 型半導體，與摻有硼雜質的矽，稱為 P 型半導體，兩者結合而成[22]。其 PV 種類分兩大類，有機系與無機系，第一類為矽晶系列(Silicon Based)，也就是無 機系，一般常見為單晶矽、多晶矽，再者為化合物系列，碲化鎘(CdTe)、砷化鎵 (CIS)，以及多種 III-V 族化合物，第二類為有機系，其不同之處為製造過程中，
導入有機物與奈米科技，如有機薄膜太陽能電池、染料光敏化太陽能電池，圖 2.1 為 PV 種類[20-23]。
圖 2-1、PV 種類[20]
圖 2.2 為基本 PV 架構，表 2-1 為美國材料與試驗協會(American Society for Testing and Materials, ASTM)測試中(光譜分布 AM1.5、照度 1,000W/m2、溫度 25oC)，各半導體材料之太陽能板發電效率，顯示出目前在眾多太陽能發電系統 中，以第一代最為普遍且較實用。
圖 2-2、典型的太陽能模組架構[23]
表 2-1、各太陽能板模組與效率測量結果[21]
2.2 電池儲能系統介紹
電池儲能系統(Battery Energy Storage System,BESS)的使用時機在於當再生 能源發電時(如:太陽能、風力能…等)，電力輸出至電網，超過負載的所需，假設 此時無 BESS 系統，則電網將把多餘能量直接消耗掉(排除掉)，也就是說浪費這 些多發出的電能，但當有 BESS 時，則可將這些多餘的電力，儲存起來，以備供 電不足時，提供即時的補充發電，使電力可穩定，降低用戶的停電時間[24-29]。
一般儲能系統必須具備的基礎重要特性包括低的建置、操作、以及維護成本，
且必須遠低於一般緊急備用發電機，如柴油或天然氣發電機，其適合應用場合為 下表 2-3 所示。
表 2-2、儲能系統所適合應用場合[25]
應用領域 發電功能 輔助供電功能 微電網系統應用
主要方式
能量管理，負載調 節，尖峰發電。
頻率調節，旋轉備 用電源，長期備用 電源，虛功控制。
與再生能源結合，
提高系統可靠度。
主要作用
提高發電設備利用 率，減少對系統總 裝機容量的要求。
降 低 輔 助 設 備 成 本。
提高微電網中設備 利用率，延緩新增 投資。
由於台灣地理環境與電網需求條件等相關因素，現在的發展或商業化大型儲 能技術中，已發展已水力儲能方式為主。
依美國能源部經驗，欲消除電網因風力及太陽能網上之瞬間變化，須高反應 速率儲能裝置，容量為電網上再生能源裝置容量的 8~15%；另外，為消除每日 之尖、離峰用電差異，需安裝電網上再生能源裝置容量約 20%之儲能裝置，下列 將敘述常見的儲能，圖 2-3 為目前的儲能的種類及容量選擇，表 2-4 為 IEEE2012 年研究各儲能系統技術特點與成本:
圖 2-3、儲能的種類及容量選擇[26]
表 2-3、儲能系統技術特點與成本統計[27]
電能(超級電容器(Super Capacitor))[30-33]
超級電容器是一種具備高儲電能力，以及能提供強大脈衝功率的物理二次電 源，依據電化學雙電平衡理論製成。
圖 2-4、超級電容器充、放電原理[31]
優點特性:高功率密度(1,000-20,000W/kg)、短充放電時間、長循環壽命。
缺點:價格昂貴(1kWh 約需 60 萬台幣，2014 年業者估可降至 34 萬)。
電化學能(燃料、鉛酸電池)[34-36]
1839 年，由燃料電池之父 William Grove 爵士發明，藉由觸媒將水電解反應 逆向操作，產生電流。燃料電池是一種系統，可以把反映物的化學能直接轉換為 電能的電化學裝置，本身是不具備除能特性。
圖 2-5、燃料電池基本結構[34]
鉛酸電池又稱為鉛蓄電池，一樣是將化學能和直流電能相互轉換，可達重復 使用的效果，最常見的為汽車的電瓶。
圖 2-6、鉛酸電池充放電示意圖[36]
飛輪(Flywheel)、空氣壓縮儲能系統(Compressed Air Energy Storage,
CAES)、抽蓄電廠(Pumped Hydro))[37-40]
美國宇航局(NASA)Glenn 研究中心，在 60~70 年代間，開始把飛輪做為儲 能電池應用在衛星上，直到 90 年代後，技術層面的突破，給飛輪帶來更大的發 展空間。飛輪系統通過小型轉子，在低摩擦環境中不斷旋轉來儲存動能，即是藉 由動能所產生的能量，飛輪的加速與減速為儲能與釋能，其儲存的動能與其質量、
半徑的平方、旋轉速度(RPM)的平方成正比。
𝐸𝐸𝑘𝑘 =𝐾𝐾 × 𝑚𝑚 × 𝑟𝑟2×𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅2 (2.3)
表 2-4、飛輪介紹比較[37]
種類 低速飛輪(Low Speed Flywheel) 高速飛輪(High Speed Flywheel)
儲 能 裝 置圖
儲能量 低 高
損失 高 低
速 度
/rpm
10,000 rpm 100,000 rpm
壓縮空氣儲能系統類似於一個大容量的蓄電池，將空氣壓入地底深處適合氣 體儲存之鹽穹、廢礦坑、或含水層等，以壓力能的型態儲存，當用電尖峰期時，
釋放地下的壓縮空氣，進行發電，壽命可長達 30 年以上。[38]
圖 2-7、壓縮空氣儲能[39]
抽蓄發電又稱抽水儲能電站，為一種特殊水力發電廠，以離峰電力將水由下 池抽蓄存於上池中，於尖峰用電時提供電力來補充發電量之不足，以水的位能儲 存起來之大型裝置，在用電的尖峰時間用來發電。
目前台灣有明潭抽蓄發電廠(1,600MW)及大觀二廠(1,000MW)，但其缺點較 多，如缺水、土地面積需廣大、建置時間長、初期建置成本高外，還需考量環保 等問題。
圖 2-8、抽蓄水力發電示意圖[40]
超導儲能系統(Superconducting Magnetic Energy Storage, SMES)[41-42]
超導材料在低於其臨界溫度下，結構中電子與晶格相互作用，沒有能量的損 失，完全不受晶格影響，因此電阻是零。且進入超導態後，會拒絕磁力線進入，
因此具有反磁性。除此之外，因為在超導體內電阻是零，傳輸電能時不會有電力 損失，所以可做為發電廠與城市之間電力輸送之用。另外，因電流在超導體內流 動不會衰減，若把超導體線圈做得很大，便可儲存大量的電流。當需要時，可以 把超導線圈的控溫區升至高於臨界溫度，這時電流會被迫向外流，超導線圈便成 為強大的電能儲存與供應器。
電池充放電之監測
BESS 進行充電或停止放電的操作，是經由檢查電池電量的充電狀態(State of Charge, SOC)，來進行檢測 BESS 目前是需充電或是要放電，最常見的方式為庫 倫測定法，藉由測量電池電流隨時間的淨增加或減少來計算 BESS 的 SOC，確保 SOC 維持在合理的範圍內，防止過度充放電對電池的損傷。
當 SOC=0%，表示該電量完全用光，SOC=100%，表示電池飽和，若電池每 次放電皆全數釋放，對其壽命而言，比少量的充放電之衰減速度還要來得大，以 鋰離子(Li-ion)二次電池來範例，其電池壽命是以循環做計算，也就是充放電要 使用達 100%才算一次循環，下圖 2-9 為鋰離子電池充放電循環示意圖。
圖 2-9、鋰離子電池充放電循環示意圖
至於何時充電、放電至多少時即要充電，對電池容量衰減來說相當重要，當 電池皆以 100%充放電約 500 次左右，電池容量及小於原來的 80%，但若在 SOC=60% ~ 80%之間就進行充電動作，則可達至 2500 次循環以上，電池容量才 會衰減至原來的 80%。
第三章 研究方法與模擬軟體
本文以台電饋線為例，考量其饋線末端之「PV 與 BESS 最大併網容量」及
「投資效益最大化」，同時依循台電陽光屋頂百萬座計畫相關之併聯技術與規定，
進行配電系統併聯 PV 與 BESS 之規劃探討；投資效益最大化則以常見的成本效 益分析方法:淨現值(Net Present Value, NPV)法、益本比(Benefit-Cost Ratio, B/C Ratio or BCR)法，以投資效益最大化為主要目標，尋找出該饋線上 PV 與 BESS 最大併網容量。
3.1 PV 與 BESS 運轉控制流程
本文為提升 PV 併網容量，乃設計加入 BESS 系統，避免超出最大 PV 實功 率注入量時所進行之減量發電，以善用太陽光能。
由於電壓變動可能造成電器使用之問題，電子產品更是對於電壓變化具有極 高之敏感度。依據目前台灣電力公司再生能源發電系統併聯技術要點中之電壓變 動規範[43]，如表 3-1 所示，若發電廠併接於 69kV(含)以上輸電業者，及發電廠 併接於 22.8kV(含)以下配電系統者，電壓變動率都應維持在±2.5%內。本文饋線 末端併聯 PV 與 BESS 是併接於 11.4kV 發電之配電系統，應符合±2.5%之規範。
表 3-1、台電再生能源發電系統之電壓變動規範
電壓等級 變動率(%)
69.0kV(含)以上(輸電系統) ±2.5
22.8kV(含)以下(配電系統) ±2.5
圖 3-1、PV 與 BESS 運轉控制流程圖
圖 3-1 為 PV 與 BESS 流程圖，其中包含三大運轉模式:
(一)、最大功率追蹤點(Maximum Power Point Tracking Mode, MPPT Mode) 當電壓變化小於責任分界點(Point of Commom Coupling, PCC)之電壓規範約 束時，PV 將以 MPPT 發電注入電網，而 PCC 規範約束為匯流排電壓變動率，如 式(3.1)，不得大於 2.5%，其中 VwithPV為有 PV 注入之匯流排電壓，VwithoutPV為無 PV 注入之匯流排電壓，此時操作在模式最大功率追蹤點模式(MPPT Mode)。
|𝑉𝑉𝑤𝑤𝑤𝑤𝑤𝑤ℎ𝑃𝑃𝑃𝑃−𝑉𝑉𝑤𝑤𝑤𝑤𝑤𝑤ℎ𝑜𝑜𝑜𝑜𝑤𝑤𝑃𝑃𝑃𝑃|
𝑉𝑉𝑤𝑤𝑤𝑤𝑤𝑤ℎ𝑜𝑜𝑜𝑜𝑤𝑤𝑃𝑃𝑃𝑃
∗ 100%
(3.1)當匯流排電壓變動率達 2.5%時，其 PV 最大實功率注入量為𝑅𝑅𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚，當匯流 排變動率超出 2.5%時，則進入模式(二)或(三)
(二)、儲能模式(Enegry Storage Mode)
會先行判斷其儲能量是否已超出電池可儲存之最大容量值𝐸𝐸𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚，如果沒 有，則將其超出 PCC 規範約束之 PV 實功率注入量，存入電池中，當電池已達 到最大容量值時，則不再儲存而減量發電。
當 PV 發電量造成匯流排電壓超出台電電壓規範時，該超出之電量將進入
當 PV 發電量造成匯流排電壓超出台電電壓規範時，該超出之電量將進入