獨立型太陽能發電系統發生短路故障的動態特性分析

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獨立型太陽能發電系統發生短路故障的動態特性分析

廖立智1_、陳盟仁1_、吳有基2_、劉國才1_、陳招榮1 1. _{國立高雄應用科技大學電機工程系} 2. _{國立聯合大學電機系} E-mail: [email protected]

摘要

本論文主要在探討太陽能發電系統在獨立運轉情況下發生三相短路故障的動態特性。該系統主要包括太陽能發電系統、功率調節系統、三相變壓器、感應電動機、以及靜態負載等。研究方法是先推導系統組件的數學模型，接著利用 SimPowerSystems 模組開發並依系統架構連接，最後進行動態特性模擬與分析。研究結果顯示在此種運轉模式下系統變數的變動情形是可以接受的並且應可和實際運轉情形一致。本研究最大的價值是可做為太陽能系統規劃、運轉、以及系統擴充的重要參考。關鍵詞：太陽能發電系統、功率調節系統、MATLAB/Simulink、SimPowerSystems

1. 前言

台灣地區自產能源缺乏，99%以上能源需仰賴進口。原油價格日益高漲，連帶天然氣、煤炭價格都受到影響，新能源或綠色再生能源的開發熱潮將進一步掀起。面對能源使用量增加、化石能源枯竭的情況，唯有提高再生能源的使用比例，才能面對嚴峻能源挑戰。根據經濟部能源局的規劃，再生能源發電的總裝置容量，將在 2025 年達到全國總裝置容量 15%。要達到這個目標，必須增設再生能源發電容量約 8450MW。台電積極配合政府的「再生能源發展方案」，進行各類型再生能源的發展評估。具發展潛力的小水力、風力、太陽光電、海洋溫差以及波浪發電等低碳能源均列為發展重點。到 2008 年底為止，台電再生能源（含慣常水力）裝置容量為 2184MW，占系統裝置容量 5.7%，淨尖峰能力為 1326MW，占系統淨尖峰能力 3.4%[1,2]。經濟部於 2009 年啟動 5 項節能減碳政策，其中之一是公共建築引進太陽光電及打造台灣最大太陽光電發電廠。台電公司目前已完工運轉中的太陽光電發電系統有樹林綜合研究所、台北市區營業處、大林電廠、南投區處、高訓中心、金門區處、南部展示館、台中電廠、花蓮及台東區處等共 233.5kW。2010 年 2 月在高雄縣永安鹽灘的自有土地上建置 4MW 的太陽能發電系統，完成後與旁邊的台電興達發電廠併聯發電[3]。此外，台電也制定「外界提供處所合作設置太陽能發電系統作業要點」以配合其他重要電源開發。實施方式是由公司以外的機構提供適宜場所設置太陽光電系統，擴大太陽光電的普及性。目前較大型的太陽能光電系統有高雄世運會場、台南柳營科技園區、北台光電遊憩城[4,5]。太陽能模組的輸出為一個直流源，需經過轉換器提供輸出，因此在太陽能發電系統控制方面更顯得重要。Shataf 等人提出一個新的最大功率追蹤器控制法則，其使用四象限的 PWM 轉換器，藉此獲得良好的最大功率追蹤速度[6]。Abdulaziz 等人使用 ANFIS 模型，提出線性相關性分析實驗數據。該研究使用短路電流和開路電壓作為輸入因素，模糊控制器利用 ANFIS 的輸出電壓進行最大功率追蹤因而達到高效率與低漣波[7]。Xiaojin 等人提出一種新型微太陽能系統結構與最大功率追蹤方法。該研究採用 Fibonacci 序列可改善日照度不均的情況[8]。Bellini 等人研究零電流轉換器，使太陽能發電系統在傳輸損失上有明顯的降低[9]。 Lee 等人開發一種新的高效率 DC/DC 轉換器，應用於實務上相當實惠[10]。Senjyu 等人提出使用最小階觀

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測控制方法。根據負載的變化控制太陽能功率得到最小的頻率誤差，進而有效地減少頻率的誤差並且達到最大功率輸出[11]。Hashimoto 等人提出一個使用半橋式整流變頻器加上新的控制電路新的變頻器，進而得到較高的效率以及較低的漣波電壓[12]。Kakimoto 等人利用雙層電容器控制太陽能發電的斜率，使得電容快速吸收太陽光電的漣波，進而改變輸出斜率[13]

本論文主要目的在探討獨立型太陽能發電系統在發生短路故障情況下的動態特性。研究方法是採用 MATLAB 內建的 Simulink 與架構在同一環境下的 SimPowerSystems 來建構模組，並且模擬三相短路故障發生時系統變數變化情形。此研究的價值在於可以作為獨立型太陽能發電系統規劃、運轉、以及擴充的重要參考。

2. 獨立型太陽能發電系統

2.1 系統架構圖

圖 1 為一個獨立型太陽能發電系統的架構，此系統的組件包括一組太陽能模組（Photovoltaic Array, PV）、一套功率調節系統（Power Conditioning System, PCS）、一部三相感應電動機（Induction Motor）、一台三相變壓器（Power Transformer）、以及集總的靜態負載（Lumped Static Load）。

2.2 太陽能模型 太陽能模組是由許多太陽能電池串並聯所組成。太陽能電池是由許多 P-N 接面的半導體組成，能夠直 接將光能轉換成電能。如圖 2 所示，太陽能模組的等效電路可以用一個電流源表示，其中電流源 Iph用來表示太陽能板經由光照射後所產生的電流，Dj用來表示一個 P-N 接面的二極體，Rs和Rsh則分別表示材料內部的等效串聯和並聯電阻，RL表示外加負載電阻，Ipv及 Vpv則分別表示太陽能板的輸出電流及電壓。一般情況下，Rsh的值很大，Rs而的值很小。為了簡化分析可將 Rsh和 Rs忽略不計[14]。太陽能電池的輸出電流與輸出電壓的關係可以表示成 mp tt a st tt oc mp sc pv

T

t

E

t

I

E

t

E

V

C

V

C

I

t

I

(

)

=

{

1 −

[exp(

)

−

1 ]}

+

(

)

)[

(

)

+

0 .

002 (

)

+

1 ]

−

2 1

α

(1)

))

(

02 .

0 )

(

)]

)

(

log(

0539

.

0

1 [

)

(

T

t

E

t

E

t

E

V

t

V

_a _tt st tt mp pv

=

+

β

+

(2) 1 2

(1

mp

) exp[

mp

]

sc o

I

V

C

c

I

C V

−

= −

(3) 2

1 ln(1

)

mp oc mp sc

V

C

I

−

=

−

(4) 其中Ipv是太陽能電池輸出電流，Isc是太陽能電池短路電流，Voc是太陽能電池開路電壓，Vmp、Imp是太陽能電池在最大功率點的電壓及電流，Ett是太陽日照強度，Est是太陽能電池參考日照強度，α 為太陽能電池電 流溫度係數，β 為太陽能電池電壓溫度係數，Ta是環境溫度，其參數設定參照 Siemens SP75 規格[15,16]。

(3)

圖 3 是太陽能電池在固定環境溫度下，當日照強度改變時，其輸出電流與輸出電壓的關係圖。由 PV 模組的特性曲線得知，PV 模組既非電壓源亦非電流源。因此，與轉換器結合時，PV 模組可當作電壓源也可當作電流源，等效電路如圖 4 所示。

圖 1 獨立型太陽能發電系統架構

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圖 3 環境溫度為 25℃，日照度變動時，太陽能電池輸出電流與輸出電壓關係圖圖 4 PV 模組電流源轉換器與電壓源轉換器 2.3 功率調節系統模型 功率調節系統（PCS）的功能之一是將太陽能的直流電壓，轉換成市電的電壓及頻率。一般而言分散式電源與市電連接都須經過 PCS 的轉換，如燃料電池、風能發電、太陽能發電及微輪機等。圖 5 顯示 PCS 的系統方塊圖，包含了昇壓轉換器、最大功率追蹤器、以及換流器三部份[17]。圖 5 功率調節系統方塊圖

(5)

2.4 昇壓轉換器模型 圖 6 為昇壓轉換器的架構圖。假設電容器 C 已被充電，則當功率開關 IGBT 導通時，VDS=0，電感電流逐漸增加；此時由於在二極體D1陽極之電位會小於輸出電壓V0，所以，二極體D1就會因逆向偏壓而截止，負載電壓由電容釋放能量來維持[10]。昇壓轉換器的電壓方程式可以表示成

1

o 1

V

D

=

−

(5) 其中V0為昇壓後的直流電壓，V1為昇壓前的直流電壓，D 為轉換器之責任週期。 圖 6 昇壓轉換器電路圖 2.5 最大功率追蹤器模型 目前最大功率追蹤有許多方法如電壓迴授法、功率迴授法、擾動與觀察法、增量電導法、直線近似法、實際量測法等。而擾動觀察法則是ㄧ般最多也最容易操作的方法，其追踨法則是在每間隔一段時間，加入一個擾動信號，來檢測目前是否在操作在最大功率點[18-20]。圖 7 所示為以 PWM 為擾動源之最大功率追 蹤系統架構。此方法除可改善傳統擾動觀察法的缺點外，亦具有快速追踨最大功率的優點[20]。圖 7 中，Vpv 是太陽能電池端電壓，Ipv是太陽能電池輸出電流，亦為電感器上的電流，p(t)是計算 Vpv乘以Ipv 而得的瞬

時功率，Psample是每一次 PWM 開始時取樣值，誤差量 e(t)為瞬時功率 p(t)減去 Psample，e(t)經由積分器輸出 u

與三角波做比較，得到的訊號來調整 PWM 的責任週期，方程式可表示成

∫

−

=

K

p

t

P

dt

(6)

圖 7 最大功率追蹤器架構圖 2.6 換流器 換流器是可將輸入的直流電轉換為可與網路連接的交流電的裝置。利用閘極信號切換電力電子元件的開閉，經過濾波後可得到所需的交流電壓頻率。在本研究中使用弦波比較法改變 PWM 的脈波寬度作為閘極信號，將直流電壓轉換為 60Hz 的交流電壓，便可與負載連接[21]。圖 8 為換流器的架構圖。換流器的 A 相電壓方程式可以表示成 o a AN

m

V

=

0 .

5

(7) 其中VAN為 A 相的相電壓，V0為昇壓後的直流電壓，ma為調變指標。換流器的線電壓可表示成 o a AN LL

V

m

V

(

)

0 .

612

2

3 ₌

=

₍

_≤

₁

₎

a

m

(8) 圖 8 換流器電路圖

(7)

2.7 三相感應電動機模型 三相感應電動機的定子結構為三相對稱繞組，轉子結構則有繞線式與鼠籠式可供選擇。感應電動機的電壓方程式參考到靜止軸後可表示成 qs s ss m qs ds s ss m ds qr m r m r rr r rr qr dr r m m r rr r rr dr

v

r

pL

0 pL

0 i

v

0 r

pL

0 pL

i

v

pL

L

r

pL

L

i

v

L

pL

L

r

pL

i

ω

+

⎡ ⎤ ⎡

⎤ ⎡ ⎤

⎢ ⎥ ⎢

₊

⎥ ⎢ ⎥

⎢ ⎥ ⎢

₌

⎥ ⎢ ⎥

⎢ ⎥ ⎢

−

+

−

⎥ ⎢ ⎥

⎢ ⎥ ⎢

₊

⎥ ⎢ ⎥

⎢ ⎥ ⎢

⎥ ⎢ ⎥

⎣ ⎦ ⎣

⎦ ⎣ ⎦

(9) 其中 vqs及 iqs分別是 q 軸定子電壓及電流，vds及 ids 分別是 d 軸定子電壓及電流，vqr及 iqr分別是 q 軸轉子 電壓及電流，vdr及 idr分別是 d 軸轉子電壓及電流，Lm是磁化電感，p 是微分運算子[22,23]。 2.8 三相變壓器模型 變壓器的主要目的是在相同頻率下，將能量從一個電壓、電流準位轉換至另一個電壓、電流準位。三相變壓器的電壓方程式可表示成 q1 1 11 m q1 d 1 1 11 m d 1 q 2 m 2 22 q 2 d 2 m 2 22 d 2 v r pL 0 pL 0 i v 0 r pL 0 pL i v pL 0 r pL 0 i v 0 pL 0 r pL i + ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ ⎢ ₊ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢₌ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ + ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ₊ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ (10) 其中 vd1及 id1是 d 軸一次側電壓及電流，vq1及 iq1是 q 軸一次側電壓及電流，vd2及 id2 是 d 軸二次側電壓及 電流，vq2及 iq2是 q 軸二次側電壓及電流，r1及 r2是一次側電阻及二次側電阻，L11及 L22是一次側自感及二 次側自感，Lm是磁化電感，p 是微分運算子。 2.9 靜態負載模型 集總的靜態負載可考慮成包含電阻性和電感性負載，其電壓方程式可表示成

0

qk sk sk qk dk sk sk dk

v

r

pL

i

v

r

pL

i

+

⎡ ⎤ ⎡

₌

⎤ ⎡ ⎤

⎢ ⎥ ⎢

₊

⎥ ⎢ ⎥

⎣ ⎦ ⎣

⎦ ⎣ ⎦

(11) 其中 vdk及 idk是 d 軸電壓及電流，vqk及 iqk 是 q 軸電壓及電流，rsk及 Lsk是電阻及電感，p 是微分運算子。

3. 動態特性模擬

3.1 SimPowerSystems 模組 圖 9 為獨立型太陽能發電系統的 SimPowerSystems 模組架構圖，主要包括四部份—A 部份是太陽能發電系統，B 部份是 PCS，C 部份是靜態負載，D 部份是電動機負載[24,25]。

(8)

圖 9 獨立型太陽能系統架構圖 3.2 模擬順序 圖 10 為模擬的時序圖。由圖中可看出負載順序加入，10 秒時在 220V 匯流排發生三相短路故障，10.2 秒時故障排除，總模擬時間 14 秒。圖 10 模擬時序圖 3.3 模擬結果 本模擬觀察重點在故障發生時及排除後的響應。圖 11(a)、11(b)顯示太陽能系統輸出電壓與昇壓轉換器輸出電壓會隨著負載的併入而降低，故障發生時電壓降為 0，故障排除後，因為日照度不足，電壓仍低於額定。圖 11(c)、11(d)、11(e)顯示太陽能系統輸出電流、昇壓轉換器輸出電流、以及 PCS 的 A 相電流，會隨著負載的併入而增加，故障發生時，電流明顯增加，故障排除後，恢復穩定。圖 11(f)、11(g)顯示太陽能輸出功率會因為負載變動與日照度變化而不同，故障時有明顯下降，排除後很快恢復穩定，因為此時電壓較低，因此輸出功率也較低。圖 11(h)顯示 PCS 的電壓響應會隨著負載的併入而降低，故障發生時電壓降為 0，

(9)

故障排除後，因為日照度不足，電壓仍低於額定。。圖 11(i)、11(j)顯示 PCS 供應的實功率與虛功率隨著負載的併入而增加，故障導致功率下降，排除後會恢後到穩定。圖 12(a)~12(f)顯示靜態負載的實功率與虛功率都與匯流排電壓變動呈現平方關係，故障發生造成電壓的瞬間下降，也影響了實功率與虛功率。圖 12(g)~12(i)顯示電動機的轉速與轉矩都受到匯流排電壓變動的影響，故障發生造成轉矩下降，轉速也會下降，故障排除後恢復穩定。 4. 結論 本論文主要探討太陽能發電系統獨立運轉時發生短路故障的動態特性。模擬結果顯示故障發生時，由於匯流排電壓急速下降，導致所有系統組件的系統變數都受到相當程度的影響；故障排除後都能恢復到穩定值。整體而言，太陽能發電系統在這種運轉模式下的動態特性是可以接受的並且應可和實際運轉情形一致。此研究最大的價值是可以做為太陽能發電系統規劃、運轉、以及擴充的重要依據。

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0 2 4 6 8 10 12 14 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 時間(秒) PV 輸出電壓 (a) PV 輸出電壓 0 2 4 6 8 10 12 14 -10 -5 0 5 10 15 20 時間(秒) PC S A 相電流 (e) PCS A 相電流 0 2 4 6 8 10 12 14 0 1 2 3 4 5 6 7 時間(秒) PC S 實功率 (i) PCS 實功率 0 2 4 6 8 10 12 14 0 0.5 1 1.5 時間(秒) 昇壓轉換器輸出電壓 (b) 昇壓轉換器輸出電壓 0 2 4 6 8 10 12 14 0.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 時間(秒) 日照度 (f) PV 日照度 0 2 4 6 8 10 12 14 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 時間(秒) PC S 虛功率 (j) PCS 虛功率 0 2 4 6 8 10 12 14 0 1 2 3 4 5 6 時間(秒) PV 輸出電流 (c) PV 輸出電流 0 2 4 6 8 10 12 14 0 0.5 1 1.5 2 2.5 時間(秒) PV 輸出功率 (g) PV 輸出功率 0 2 4 6 8 10 12 14 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 時間(秒) SL1 A 相電壓 (k) SL1 A 相電流 0 2 4 6 8 10 12 14 0 1 2 3 4 5 6 時間(秒) 昇壓轉換器輸出電流 (d) 昇壓轉換器輸出電流 0 2 4 6 8 10 12 14 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 時間(秒) PC S 平均電壓 (h) PCS 平均電壓 0 2 4 6 8 10 12 14 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 時間(秒) SL2 A 相電流 (l) SL2 A 相電流圖 11 PV 與 PCS 的變數變動情形

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0 2 4 6 8 10 12 14 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 時間(秒) S L1 平均電壓 (a) SL1 平均電壓 0 2 4 6 8 10 12 14 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 時間(秒) S L2 平均電壓 (d) SL2 平均電壓 0 2 4 6 8 10 12 14 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 時間(秒) Mot o r 實功率 (g) Motor 實功率 0 2 4 6 8 10 12 14 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 時間(秒) SL1 實功率 (b) SL1 實功率 0 2 4 6 8 10 12 14 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 時間(秒) SL2 實功率 (e)SL2 實功率 0 2 4 6 8 10 12 14 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 時間(秒) Mot o r 轉速 (h) Motor 轉速 0 2 4 6 8 10 12 14 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 時間(秒) SL1 虛功率 (c) SL1 虛功率 0 2 4 6 8 10 12 14 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 時間(秒) SL2 虛功率 (f) SL2 虛功率 0 2 4 6 8 10 12 14 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 時間(秒) Mot o r 轉矩 (i)Motor 轉矩圖 12 SL1、SL2 與 Motor 的變數變動情形

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