1.1 研究動機
太陽光能是一種安全無污染的再生能源，且具有相當大的開發潛力，所以近 年來歐美日等地均有相當多的太陽光能發電廠設備啟用。以往太陽能電池發電由 於發電成本過高以致於無法被大量使用，但隨著能源與環保需求帶動技術，並加 上政府政策配合而促使太陽光能發電的成本持續下降，太陽能電池發電因此日趨 符合經濟效益。太陽能電池發電在日照量充沛的季節可以使成本大幅降低，所以 若將太陽能電池發電應用於我國夏季尖峰用電時期，不僅可降低市電限電及停電 的時間，也可使太陽能發電系統更為普及。
在 1993 年第七屆國際太陽光電科學與工程會議（PVSEC, International Photovoltaic Science and Engineering Conference）中之“Residence New Ready＂討 論結果為太陽能電池應用於建築上最具發展潛力。英、美、日、加等先進國家自 1990 年起相繼提出「綠建築」等環保理念，期望能減緩建築物對地球環境所造成 的能源負荷與破壞。在亞洲地區，繼新加坡、日本之後，我國也已於 1995 年起正 式將「建築物節能規範」納入建築法規（即綠建築憲法），因開發環保發電屋為未 來建築物新趨勢，因此太陽能電池皆朝與建築物結合發展，例如太陽能電池屋頂、
遮陽（雨）棚、窗、牆壁等，開發太陽能電池屋之製造技術以促進新能源與環保 民生實用化。
本研究針對台灣夏季冷氣及冰箱用電量大增，造成限電和停電之問題而發展 一套可利用太陽能電池之能量推動三相交流感應馬達，且可將多餘之電能送往市 電 網 路 之 系 統 。 系 統 之 架 構 核 心 採 用 德 州 儀 器 生 產 的 數 位 信 號 處 理 器 TMS320C240，並利用其特有之組合語言完成最大功率追器之控制法則、三相換 流器之調變法則、蓄電池之充放電控制及市電網路並聯之控制。本研究亦對系統 輸出最重要部份之三相換流器設計一套換流器的故障偵測方法，以避免三相換流 器故障時，系統會有損壞之情況發生。
1.2 相關文獻之回顧
太陽能電池在近幾年來由於成本下降，使得太陽能發電越來越受重視，所以 許多學者便投身於太陽能發電系統開發與應用的行列，以下謹對相關之文獻做一 說明：
在太陽能電池之最大功率追蹤法則上，Singer 等人 [1]利用增量電導法
（Incremental and Conductance method）追蹤太陽能電池的最大功率輸出點，其優 點是當太陽光照量變動時，其輸出端電壓能以平穩的方式追隨其變化。Harashima 等人 [2]提出擾動觀察法（Perturbation and Observation method），其使用的類比／
數位轉換器（A/D Converter）較少，可大量降低硬體成本，且具有控制迴路簡單 的優點，因此廣受大家使用。
在太陽能發電系統之應用方面亦有相當多的文獻，如 Hirachi [3]等人完成了 以太陽能系統為基礎之不斷電系統（UPS），這套系統不僅可用太陽能電池之電力 對蓄電池充電，在日照量低時亦可利用市電對蓄電池充電。最後並以實驗結果証 實這套系統之可行性。Tanaka 等人 [4]以太陽能系統為架構完成了兩種型式的太 陽能空調系統，一種為單方向性系統（Unidirectional System），可由太陽能或市電 推動空調機；另一種為雙向性系統（Bidirectional System），除了具有單方向性系 統之特性之外，還可將太陽能電池的多餘能量送往市電網路。最後並詳盡的分析 各個季節時這兩種系統的節省能源程度。
在充電器方面，當數個蓄電池串聯充電時蓄電池的壽命將與所串聯之蓄電池 數量成指數性關係減少 [5]，因此 Kutkut 等人 [5,6]便提出了均勻充電器的觀念：
當數個串聯的蓄電池充電時由於充電速度不同，將導致一部份的蓄電池先完成充 電，若持續對飽和之蓄電池充電將會使蓄電池電壓超過排氣電壓（Gassing Voltage）
值，造成蓄電池壽命減短。利用電力 電子技術中的返馳式轉換器（Flyback Converter），將其多組輸出分別接到各個蓄電池的兩端，可以使各個蓄電池之充電 電壓相同，而達到均勻充電的目的。
電力電子電路分析技巧方面，Middlebrook 等人 [7]在 1981 年提出利用狀態
空間平均法（State Space Averaging Method），解決了無法利用電腦分析脈寬調變 電路的困難，然而狀態空間平均法只適用於元件較少的電路上，因此 Czarkowski 等 人 [8] 針 對 此 一 問 題 ， 提 出 了 利 用 能 量 守 恆 定 理 （ Principle of Energy Conservation）來分析脈寬調變電路，此方法不僅可使用在元件數量較多的電路 上，亦可分析包含有寄生電阻（Parasitic resistance）之電路。
在換流器部份 Broeck 等人 [9]針對空間向量調變法則行分析，並與一般的正 弦波的波寬調變方式（Sinusoidal PWM）進行比較，發現空間向量調變法的電流 諧波（Current Harmonic）較一般的正弦波的波寬調變方式小，若以馬達為負載時，
由於電流失真較小，故損失較小，其轉矩脈動亦較小。
Peuget 等人 [10]利用電流回授的方式，將三相電流轉換到靜止座標軸，並依 據換流器故障時靜止座標軸上 d 軸及 q 軸的合成電流向量軌跡斜率來判斷換流器 中的功率晶體是否有發生故障，並對於感應馬達在無負載及有負載的情況下，換 流器發生故障後應該如何保護系統做了詳細的分析。
1.3 研究目的
本計畫之目的是設計與實現一套以數位信號處理器為基礎之太陽光能發電系 統，此系統具有遠端監控與故障偵測之功能，基本上，本系統係由太陽能電池、
充電器、電池組、直流截波器、換流器、數位信號處理器及通訊介面所組成。其 中，我們依據梯度法及模糊控制法則設計一新型之最大功率追蹤法，使得太陽能 電池模組可持續地輸出最大功率，太陽能電池的輸出功率被用來對蓄電池充電及 供給換流器所需的直流匯流排電壓。同時，我們使用均勻充電器來對串聯電池組 充電以延長蓄電池壽命，在換流器的調變方法方面，我們使用電壓空間向量調變 法以減少電流諧波，並且可使換流器的直流匯流排電壓有效地被利用；同時，我 們亦利用換流器之輸出電流來偵測換流器之故障狀態，並經由通訊介面傳送至遠 端監控系統；而且，利用電壓源換流器，可使太陽能電池所產生的電能直接與市 電並聯供電，而解決夏季尖峰電力不足的問題；另外。通訊介面係由 RS-232C 組 成，以執行數位信號處理器與監控系統之通訊；同時，本系統亦包含適當之人機
介面，以執行遠端監控之功能。
最後，我們使用數位信號處理器及個人電腦設計與實現此一具有遠端監控與 故障偵測功能之太陽光能發電系統，以達成低成本、易維修、易擴充及高可靠度 之特性。