行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
邁向潔淨電網之規劃策略與運轉控制之研究--具用戶端電
力品質改善與再生能源電力轉換界面功能之混合型電力調
整器
研究成果報告(精簡版)
計 畫 類 別 ： 整合型 計 畫 編 號 ： NSC 98-2221-E-151-063- 執 行 期 間 ： 98 年 08 月 01 日至 99 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立高雄應用科技大學電機工程系 計 畫 主 持 人 ： 周宏亮 計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：黃永政 碩士班研究生-兼任助理人員：蕭錦成 碩士班研究生-兼任助理人員：洪啟欣 博士班研究生-兼任助理人員：沈家民 處 理 方 式 ： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢中 華 民 國 99 年 09 月 16 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
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邁向潔淨電網之規劃策略與運轉控制之研究－具用戶端電力品質
改善與再生能源電力轉換界面功能之混合型電力調整器(1/3)
計畫類別：□個別型計畫 ■整合型計畫
計畫編號：
NSC
98-2221-E-151-063-執行期間：
2009 年 08 月 01 日至 2010 年 07 月 31 日
執行機構及系所：
國立高雄應用科技大學-電機工程系
計畫主持人：
周宏亮
計畫參與人員：
沈家民、黃永政、蕭錦成、洪啟欣
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：■精簡報告 □完整報告
本計畫除繳交成果報告外，另須繳交以下出國心得報告：
□赴國外出差或研習心得報告
□赴大陸地區出差或研習心得報告
□出席國際學術會議心得報告
□國際合作研究計畫國外研究報告
(有補助出席國際學術會議，但因故未動支該經費)
處理方式：
除列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
■涉及專利或其他智慧財產權，□一年■二年後可公開查詢
中 華 民 國 99 年 07 月 30 日
具用戶端電力品質改善與再生能源電力轉換界面功能之混合型電力調整器(1/3)
A Hybrid Power Conditioner for Power Quality Improvement of Customer Side and Renewable Power Generation Interface (1/3) 計畫編號：NSC 98-2221-E-151-063- 執行期限：2009 年 08 月 01 日至 2010 年 07 月 31 日 主持人：周宏亮 國立高雄應用科技大學 電機工程系 計畫參與人員：沈家民、黃永政、蕭錦成、洪啟欣 中文摘要 中文摘要中文摘要 中文摘要 本計畫提出一具太陽能發電與主動式電力濾 波器功能之電壓控制式市電倂聯型電能轉換器， 此電能轉換器可濾除負載諧波電流，並將太陽能 電池陣列所產生的直流電能轉換成交流電能注入 市電或提供給負載使用。除此之外，本計畫亦發 展一新式孤島運轉偵測方法，並將此偵測方法結 合至電壓控制式市電倂聯型電能轉換器之控制器 中。此電壓控制式市電倂聯型電能轉換器具有簡 單的控制方式、迅速的暫態響應、無需電流檢測 器和具有多種功能之優點。最後，本計畫利用一 電壓控制式市電倂聯型電能轉換器之硬體雛型進 行實測，實測結果証明本計畫所提出之電壓控制 式市電倂聯型電能轉換器可達到預期之功能。 關鍵字：太陽能、主動式電力濾波器、電能轉換 器 Abstract
In this project, a voltage-mode grid-connected power converter (VGPC) with the functions of photovoltaic generation and active power filter (APF) is proposed. The proposed power converter can filter out the harmonic currents of load and convert the power generated by the solar cell array into an AC power for supplying power to the local load and injecting it into the utility grid. Besides, a novel islanding detection method is incorporated into the controller of the VGPC. The proposed VGPC has the advantages of simple control, rapid transient response, no current sensor and multiple functions. A prototype is developed and tested to verify the performance of the proposed VGPC. The experimental results show that the performance of the proposed VGPC is as expected.
Keywords： solar cell array, active power filter, power converter. 一 一 一 一、、、、前言前言前言前言 為了降低對石化能源之依賴與改善全求暖化 之問題，積極發展太陽能已為全球之趨勢。由於 太陽能大量使用，使太陽能電池生產生產成本大 幅下降[1]。市電倂聯型太陽能發電系統中，電能 轉換器扮演著非常重要的角色，電能轉換器用以 將太陽能電池所產生之直流電能轉換成交流電能 並注入市電或提供電能給負載。為了使市電倂聯 型太陽能發電系統注入市電之電流為一弦波電流 且電流相位與市電電壓同相位，其控制方式可區 分為電流控制式[2-4]與電壓控制式[5]兩種，電流 控制式市電倂聯型電能轉換器之控制方式為直接 控制電能轉換器之輸出電流。而傳統電壓控制式 市電倂聯型電能轉換器必需藉由控制電能轉換器 之輸出電壓振幅與相角，方能控制電能轉換器之 輸出電流，其暫態響應與電流控制式相比較，傳 統電壓控制式因需兩控制迴路(振幅與相角)其暫 態響應較差，除此之外，其控制電路也較複雜， 因此，市電倂聯電能轉換器其控制方式一般皆使 用電流控制式，但電壓控制式市電倂聯型電能轉 換器具有改善電力品質(如：尖波、陷波與電壓失 真等)之優點，因此，越來越受到重視[6]。若電壓 控制式市電倂聯型電能轉換器能改善暫態響應較 差之缺點，則其將更具有發展價值。 小型或中型之太陽能發電系統中，當市電發 生異常或市電斷電時，太陽能發電系統必需即時 切離市電避免發生孤島運轉[7-8]。孤島運轉現象 之偵測方法可分為下列幾種，有被動式、主動式 [3, 7, 9-10]與配電系統層級法[11]；被動式孤島運 轉偵測方法[12-13]是利用偵測市電中，電力相關 參數的改變來判定，因此，被動式孤島運轉偵測 方法具有“不可偵測區域”，無法滿足偵測孤島運 轉標準之規範[8]；配電系統層級法因需要外加電 感器與電容器，故將增加建製成本與響應較差等 缺點；主動式孤島運轉偵測方法是利用太陽能發 電系統之電力轉換器，其輸出電流含有微量的擾 動，此方法目前被廣範所使用。 因非線性負載所造成之諧波電流會對電力系 統造成諧波汙染，並且降低電力品質，而諧波電 流可利用被動式與主動式電力濾波器來抑制。被 動式電力濾波器具有低成本之優點，其缺點為會 因電力系統之電抗與頻率而改變其濾波特性，對
敏感性負載會有所影響，且有並聯或串聯共振之 風險，而被動式電力濾波器也只能濾除固定之諧 波電流[16-17]。主動式電力濾波器不但可以抑制 諧波電流並且可以同時補償虛功，而一般主動式 電力濾波器其控制方式大都為電流控制式，但亦 有電壓控制式之主動式電力濾波器[18]。 本計畫提出一控制器較為簡單之電壓控制式 市電倂聯型電能轉換器，其同時具有太陽能發電 與主動式電力濾波器之功能，因此，此電能轉換 器可以濾除非線性負載所產生之諧波電流，同時 可以將太陽能所產生之直流電能轉換成交流電能 注入市電，並提供電能給負載。本計畫也提出一 孤島運轉現象偵測方法，並且將此偵測方法結合 於電壓控制式市電倂聯型電能轉換器之控制器 中；最後，本計畫發展一硬體雛行驗證此電壓控 制式市電倂聯型電能轉換器之可行性。 二 二 二 二、、、、研究方法研究方法研究方法研究方法 2.1 系統架構系統架構系統架構系統架構 圖 1 所示為本計畫所提出之電壓控制式市電 倂聯型電能轉換器之系統架構，此電壓控制式市 電倂聯型電能轉換器包含有一太陽能電池、一直 流/直流升壓轉換器、一直流/交流電能轉換器、兩 個線路開關(CB1 和 CB2)和一數位信號處理器為 基礎之控制器。直流/直流升壓電能轉換器連接於 太陽能電池輸出端，將太陽能電池所產生之不穩 定直流電源升壓，並執行最大功率追蹤(MPPT)之 功能，而輸出端並接至一直流匯流排，此直流匯 流排為直流/交流電能轉換器之直流輸入端。直流 /交流電能轉換器輸出端經由一連接電感和線路 開關 CB1 與市電連接，而負載經由一線路開關 CB2 與直流/交流電能轉換器之輸出端連接，此直 流/交流電能轉換器之功能為： 1. 將直流/直流電能轉換器轉換後的直流電能轉 換成交流電能，並將交流電能提供給負載使用 或注入市電。 2. 不論太陽能電池是否產生電能，此電能轉換器 皆具有主動式電力濾波器之功能，可將非線性 負載所產生之諧波電流濾除，並可同時補償負 載所需之虛功。 3. 市電異常時能有效偵測孤島運轉現象，將電能 轉換器切離市電並停止運轉，防止發生危險。 圖 1 本計畫所提出電壓控制式市電倂聯型電能轉換器之系 統架構圖。 2.2 傳統電壓控制式市電倂聯型直流傳統電壓控制式市電倂聯型直流傳統電壓控制式市電倂聯型直流傳統電壓控制式市電倂聯型直流/交流電能轉交流電能轉交流電能轉交流電能轉 換器 換器換器 換器 電壓控制式市電倂聯型直流/交流電能轉換 器其輸出電壓為一交流電壓源。圖 2 所示為電壓 控制式市電倂聯型直流/交流電能轉換器之簡化 模型，若市電電壓為理想弦波電壓，其可表示為 ) sin( ) (t V t vs = P ω (1) 式中，Vp與 ω 分別為市電電壓之振幅與市電電壓 之頻率。電壓控制式市電倂聯型直流/交流電能轉 換器之輸出電壓被控制成為一具有電壓振幅 Vc和 電壓相角 δ 之弦波電壓，其可表示為 ) sin( ) (t =V ωt−δ vc C (2) 圖 2 所示中，從市電所提供的實功量 Ps與虛功量 Qs可表示為 δ = sin s C P s X 2 V V P (3) ) cos ( − δ = P C s C s V V X 2 V Q (4) 式中，Xs 為連接電感之電抗。當相位角 δ 為負值 時，市電所提供之實功 Ps為負值，其代表太陽能 發電系統所產生之實功大於負載所消耗之實功， 而剩餘的電能將注入市電中，因此，電力潮流方 向為電能轉換器流入市電側。反之，當相位角 δ 為正值時，市電所提供之實功 Ps為正值，其代表 太陽能發電系統所產生之實功小於負載所消耗之 實功，而不足的電能由市電來提供，因此電力潮 流方向由市電流入負載。當市電正常且功率因數 為單位功因時，(4)式中市電所提供虛功 Qs必需為 0，故代入(4)式中並重新整理可得 δ = Ccos P V V (5)
圖 2 電壓控制式市電倂聯型直流/交流電能轉換器之簡化模 型。 如上文所述，當電壓控制式市電倂聯型直流/ 交流電能轉換器輸出電壓在相位角 δ 很小時，調 整電壓控制式市電倂聯型直流/交流電能轉換器 輸出電壓之相位角，對改變實功電力潮流較為敏 感，調整電壓控制式市電倂聯型直流/交流電能轉 換器輸出電壓振幅，對改變虛功電力潮流較為敏 感，因此，分別控制電壓控制式市電倂聯型直流/ 交流電能轉換器之輸出電壓振幅與相位角，即可 調整實功與虛功之電力潮流大小[18]。故傳統電壓 控制式市電倂聯型直流/交流電能轉換器之控制 方式必需包含一振幅控制迴路與一相位角控制迴 路[19]，因此，整體電能轉換器之暫態響應會變的 較差，且控制電路也會較為複雜[18-19]。 2.3 本計畫之電壓控制式市電倂聯型直流本計畫之電壓控制式市電倂聯型直流本計畫之電壓控制式市電倂聯型直流本計畫之電壓控制式市電倂聯型直流/交流電交流電交流電交流電 能轉換器 能轉換器 能轉換器 能轉換器 A. 控制原理控制原理控制原理控制原理 若傳統電壓控制式市電倂聯型直流/交流電 能轉換器能將輸出電壓振幅控制迴路與相位角控 制迴路，兩控制迴路整合成一控制迴路，則控制 電路可較為簡單，並且可改善控制系統之暫態響 應速度。本計畫基於上述理由提出一演算法，若 市電電流為一弦波電流且相位與市電電壓同相位 或相位相反，可表示為 ) sin( ) (t I t is =± s1 ω (6) 式中，+Is1表示市電電流與市電電壓同相位，則實 功電力潮流從市電流向電壓控制式市電倂聯型直 流/交流電能轉換器；-Is1表示市電電流與市電電壓 相位相反，則實功電力潮流為由電壓控制式市電 倂聯型直流/交流電能轉換器流向市電。從圖 2 所 示中，電壓控制式市電倂聯型直流/交流電能轉換 器之輸出電壓可表示為 1 s s s c V jX I V = m (7) 從(7)式得知，不論實功電力潮流的方向為何，連 接電感上兩端的電壓與市電電壓皆相互垂直，因 此稱連接電感兩端電壓為垂直電壓。故將市電電 壓減去此垂直電壓即可獲得電壓控制式市電倂聯 型直流/交流電能轉換器之輸出電壓，然而市電電 壓可由電壓偵測元件直接量測取得，電感上兩端 的電壓也為已知，唯一所需決定之參數為電壓控 制式市電倂聯型直流/交流電能轉換器之輸出電 壓，亦即未知之參數為垂直電壓之振幅。從(7)式 中得知，垂直電壓之振幅大小與市電電流振幅大 小成一比例值，且市電之實功電力潮流與市電電 流振幅大小成一比例值，因此，垂直電壓之振幅 就會決定從市電所提供之實功量與電力潮流方 向。而市電必需依照太陽能發電系統所產生電能 大小與負載所需消耗電能大小來提供不同實功 量，故藉由調整垂直電壓振幅來控制市電所需提 供不同之實功。若得先分別計算各個所需提供或 消耗的實功量再加以控制，此控制電路將會相當 複雜，因此必需避免分別求得各個之實功量來加 以控制。電壓控制式市電倂聯型直流/交流電能轉 換器之直流匯流排上有一直流電容器，此直流電 容器可作為能量緩衝之緩衝器，如圖 1 所示，當 市電所提供實功大於太陽能發電系統所產生實功 與負載所消耗實功之差值時，過多的電能將會注 入至直流電容器中，而直流電容器上之直流電壓 將會因充電而上升，此時必需降低垂直電壓振幅 以達到整體系統功率平衡；反之，當市電所提供 之實功小於太陽能發電系統所產生實功與負載所 消耗實功之差值時，不足的電能由直流電容器來 提供，而直流電容器上之直流電壓會因放電而下 降，此時必需提高垂直電壓振幅以達到整體系統 功率平衡。因此，改變垂直電壓振幅可調整電壓 控制式市電倂聯型直流/交流電能轉換器之直流 匯流排電壓。 從上述可知，本計畫所提出之電壓控制式市 電倂聯型直流/交流電能轉換器所需計算的參數 只有垂直電壓之振幅，因此，將傳統電壓控制式 市電倂聯型直流/交流電能轉換器所需兩迴路控 制改換成本計畫所提出之電壓控制式市電倂聯型 直流/交流電能轉換器只需控制單一迴路之控制 方法，其控制器相對簡單，並可避免兩控制迴路 相互影響的問題，且可改善傳統電壓控制式市電 倂 聯 型 直 流 / 交 流 電 能 轉 換 器 暫 態 響 應 差 之 缺 點，而本計畫所提出之電壓控制式市電倂聯型直 流/交流電能轉換器暫態響應速度與電流控制式 市電倂聯型直流/交流電能轉換器相似。電壓控制 式市電倂聯型直流/交流電能轉換器產生之弦波 電壓提供給負載，並且控制市電之實功電力潮 流。圖 2 所示中，不論負載是否為非線性負載， 市電電壓與電壓控制式市電倂聯型直流/交流電 能轉換器之輸出電壓皆為弦波電壓時，則市電電 流將會被控制為弦波電流，因此，電壓控制式市 電併聯型直流/交流電能轉換器輸出弦波電壓具
有主動式電力濾波器之功能，而負載所需之諧波 電流將由直流/交流電能轉換器來提供，因此，可 以免除負載諧波電流複雜之計算，此控制方式與 具主動式電力濾波器功能之電流控制式市電倂聯 型直流/交流電能轉換器之控制電路相比較，也相 對較簡單。除此之外，本計畫所提出之電壓控制 式市電併聯型直流/交流電能轉換器不需有電流 偵測元件即可達成控制目的。 B. 新式新式新式新式偵測孤島運轉方法偵測孤島運轉方法偵測孤島運轉方法偵測孤島運轉方法 如圖 2 所示，當發生孤島運轉或太陽能發電 系統所產生之電能恰巧等於負載所消耗之電能而 達功率平衡時，電壓控制式市電併聯型電能轉換 器輸出電壓會與市電電壓相同；反之，當市電正 常且太陽能發電系統所產生之電能與負載所消耗 之電能未達功率平衡時，電壓控制式市電併聯型 電能轉換器輸出電壓將與市電電壓不相同，本計 畫利用此概念提出新式偵測孤島運轉方法。當市 電電壓與電壓控制式市電併聯型電能轉換器輸出 電壓相同時，對垂直電壓之振幅加入一擾動量， 以判別是否發生孤島運轉，而垂直電壓之振幅可 決定市電所提供之實功量，故加入一振幅擾動量 至垂直電壓，可破壞太陽能發電系統產生電能與 負載所消耗電能之功率平衡，若此時市電正常 時，市電電壓與電壓控制式市電併聯型電能轉換 器輸出電壓將不會相同，則垂直電壓不為 0；反 之，若經由擾動後，市電電壓與電壓控制式市電 併聯型電能轉換器輸出電壓仍相同，而垂直電壓 為 0 時，即可判定目前系統已發生孤島運轉現 象，則市電倂聯型太陽能發電系統將會停止運 轉，線路開關 CB1 和 CB2 將會打開，使太陽能發 電系統切離市電。 圖 3 本計畫所提出偵測孤島運轉現象流程圖。 圖 3 所示為本計畫所提出偵測孤島運轉現象 流程圖。如圖 3 所示，分別偵測市電電壓 Vs與電 壓控制式市電併聯型電能轉換器輸出電壓 Vc，並 將兩電壓相減後取絕對值，若其值大於預先設定 值 Verr 時，則垂直電壓之振幅將不加入擾動量， 故垂直電壓振幅擾動值△V 為 0；反之，市電電壓 Vs 與電壓控制式市電併聯型電能轉換器輸出電壓 Vc 相減後取絕對值，其值小於或等於預先設定值 Verr時，則垂直電壓之振幅加入一電壓振幅擾動值 △V，其值不為 0。預先設定值 Verr為一非常接近 0 之值但不為 0，此是為了避免量測電壓時所造成 的誤差量而造成誤動作。當加入一電壓振幅擾動 值△V 至垂直電壓振幅後，再次量測市電電壓 Vs 與電壓控制式市電併聯型電能轉換器輸出電壓 Vc，並將兩電壓相減後取絕對值，若其值大於預 先設定值 Verr時，其表示目前市電處於正常情況， 而之前是因為太陽能發電系統所產生之電能與負 載所消耗之電能達到功率平衡，故將電壓振幅擾 動值△V 設定為 0，線路開關 CB1 和 CB2 持續閉 合，太陽能發電系統持續運轉；反之，市電電壓 Vs 與電壓控制式市電併聯型電能轉換器輸出電壓 Vc 相減後取絕對值，若其值仍小於預先設定值 Verr，表示目前已處於孤島運轉狀態，則線路開關 CB1 和 CB2 將會打開，使太陽能發電系統切離市 電並停止運轉。因此，本計畫所提出之孤島運轉 現象偵測方法，能有效偵測出目前太陽能發電系 統是否處於孤島運轉狀態。一般而言，實際運作 中太陽能發電系統所產生電能與負載所消耗電能 達到平衡情況極微少見，而本計畫所提出之偵測 孤島運轉方法，是在連結電感端電壓加入一電壓 振幅擾動值△V，以破壞系統功率平衡，若再次偵 測市電電壓 Vs與電壓控制式市電併聯型電能轉換 器輸出電壓 Vc後相減取絕對值，若其值仍小於預 先設定值 Verr，此表示系統發生不平衡時，卻沒有 電流由電壓控制式市電併聯型直流/交流電能轉 換器經連接電感流入或流出市電，因此可判定太 陽能發電系統發生孤島運轉，故本計畫所提出之 偵測孤島運轉方法能有效的偵測出系統是否發生 孤島運轉。 傳統主動主動式偵測孤島運轉方式是加入一 擾動信號至市電倂聯型電能轉換器之輸出電流 [10]，本計畫所提出之偵測孤島運轉方法其優點為 當太陽能發電系統所產生之電能與負載所消耗之 電能未達到平衡時，並不會加入偵測孤島擾動信 號，因此，市電電流近似一弦波電流，其相位與 市電電壓同相位或相位相反，且市電電流因沒有 任何擾動信號，可以持續保持低總諧波失真，實 際上在太陽能發電系統所產生之電能與負載所消 耗之電能達到平衡之機會很小，故偵測孤島運轉
現象而擾動分散式發電系統之情況減少許多。 C. 最大功率追蹤控制方法最大功率追蹤控制方法最大功率追蹤控制方法最大功率追蹤控制方法 太陽能發電系統之最大功率追蹤方法非常很 多[20]，而擾動觀察法[21]具有控制簡單之優點， 因此本計畫所使用之最大功率追蹤控制方法為擾 動觀察法，並將此控制方法加入於直流/直流升壓 電能轉換器中。 2.4 控制方塊圖控制方塊圖控制方塊圖控制方塊圖 圖 4 所示為本計畫所提出之電壓控制式市電 倂聯型直流/交流電能轉換器控制方塊圖，此直流 / 交 流 電 能 轉 換 器 經 由 計 算 獲 得 一 參 考 電 壓 信 號，此參考電壓信號用來控制電壓控制式市電倂 聯型直流/交流電能轉換器之輸出電壓。從(7)式中 可知，市電電壓減去連接電感端之電壓即可獲得 此參考電壓信號，而市電電壓可直接由電壓檢測 元件量測獲得，而連接電感兩端的電壓為一弦波 電壓，且與市電電壓相互垂直。市電電壓經由電 壓檢測元件輸出電壓信號，再輸入一帶通濾波 器，其中心頻率與市電電壓基波頻率相同，主要 濾除市電電壓中之諧波成份，此純基波之電壓弦 波信號輸入一相移電路，以得到一領先市電電壓 90 度之弦波信號，此信號即為連接電感兩端之電 壓單位弦波信號，也稱為單位垂直電壓。為了避 免複雜的計算出太陽能發電系統所產生之電能與 負載所消耗之電能，垂直電壓之振幅可用來調整 電壓控制式市電倂聯型直流/交流電能轉換器之 直流匯流排電壓，且直流匯流排電壓可經由電壓 檢測元件獲得，並與直流設定電壓輸入一減法器 相減，可獲得一誤差信號，此誤差信號由一比例 積分控制器作為誤差放大與修正，而此直流設定 電壓為電壓控制式市電倂聯型直流/交流電能轉 換器在穩態時之直流匯流排電壓。本計畫所提出 偵測孤島運轉方法之控制流程圖，如圖 3 所示， 其產生一偵測孤島運轉擾動信號用以判定系統是 否發生孤島運轉，此偵測孤島擾動信號及為垂直 電壓振幅擾動信號，若太陽能發電系統所產生之 電能與負載所消耗之電能其差值大於預先設定值 時，則垂直電壓振幅擾動信號△V 為 0；反之，若 太陽能發電系統所產生之電能與負載所消耗之電 能其差值小於預先設定值時，則垂直電壓振幅擾 動信號△V 不為 0。此垂直電壓振幅擾動信號與比 例積分控制器輸出信號相加，產生一垂直電壓振 幅信號，此振幅信號與相移電路之輸出信號相 乘，產生一垂直電壓信號，將市電電壓偵測信號 與垂直電壓信號輸入至一減法器相減，以獲得一 參考電壓信號，此參考電壓信號即為電壓控制式 市電倂聯型直流/交流電能轉換器之輸出電壓期 望值信號。此參考電壓信號減去實際電壓控制式 市電倂聯型直流/交流電能轉換器之輸出電壓信 號，所產生之誤差值輸入至波形控制器，其波形 控制器輸出信號經由一脈寬調變電路產生一脈寬 調變信號，將此脈寬調變信號用來驅動電壓控制 式市電倂聯型直流/交流電能轉換器之電力電子 開關元件。 圖 4 本計畫所提出之電壓控制式市電倂聯型直流/交流電能 轉換器控制方塊圖。 三 三三 三、、、結果與討論、結果與討論結果與討論 結果與討論 本計畫製做一硬體雛型以驗證所提出之電壓 控制式市電倂聯型電能轉換器，硬體雛型之主要 參數如表 1 所示。 表 1 硬體雛型之主要參數 市電電壓 120 V, 60 Hz 連接電感 5 mH 開關切換頻率 20 kHz 直流匯流排電壓 220 V 直流電容器 4,700 µF 濾波電感 2 mH 濾波電容 50 µF R-L-C 負載 14.4 Ω - 15.28 mH - 461 µF 若太陽能電池沒有產生電能時，負載所使用 電能由市電提供，此運轉模式稱為主動式電力濾 波器模式，圖 5 至圖 7 所示為電壓控制式市電倂 聯型電能轉換器運轉在主動式電力濾波器模式下 之實驗結果圖。圖 5 所示為在市電正常時，電壓 控制式市電倂聯型電能轉換器運轉之實驗結果， 由圖 5(d)可看出負載為非線性負載，其總諧波失 真(THDi)為 41.2%；而圖 5(d)中之市電電流其相位 近乎與市電電壓同相位，功率因數(PF)為 0.99， 而其 THDi為 4.8%。此實驗結果可證明本計畫所 提出之電壓控制式市電倂聯型電能轉換器在市電 正常情況下具有主動式電力濾波器之功能。圖 6 所示為電壓控制式市電倂聯型電能轉換器運轉在 市電電壓包含有尖波與陷波情況下之實驗結果。 如圖 6(c)所示，因市電電壓所包含之電壓尖波與 陷波被連接電感所阻隔，電壓控制式市電倂聯型 電能轉換器之輸出電壓在市電電壓包含有尖波與
陷波情況下，仍為一弦波電壓，故此電壓控制式 市電倂聯型電能轉換器具有防止負載遭受市電電 壓尖波與陷波影響之功能。圖 7 所示為電壓控制 式市電倂聯型電能轉換器運轉在市電電壓失真且 突降情況下之實驗結果，此時市電電壓總諧波失 真因數(THDv)為 11.4%。如圖 7 所示，電壓控制 式市電倂聯型電能轉換器之輸出電壓仍為一失真 電壓，但市電電流近乎為一弦波電流，其市電電 流 THDi只有 3.9%，在市電電壓突降時，負載電 壓會隨著市電電壓瞬時的變化，而市電電流仍保 持為一弦波電流，且與市電電壓同相位。此實驗 結果可證明本計畫所提出之電壓控制式市電倂聯 型電能轉換器在市電電壓失真情況下，仍具有主 動式電力濾波器之功能。 當太陽能發電系統所產生之電能大於負載所 需之電能時，多餘的電能將會注入市電，將此模 式稱為發電模式。圖 8 所示為電壓控制式市電倂 聯型電能轉換器運轉於發電模式之實驗結果，市 電電壓之 THDv為 4.0%，而市電電流仍為接近弦 波電流，其 THDi只有 4.6%，且市電電流相位與 市電電壓反相位，功率因數為 0.97，故實功電力 潮流從電壓控制式市電倂聯型電能轉換器流入市 電中。由圖 5 與圖 8 之從實驗結果可驗證本計畫 所提出之電壓控制式市電倂聯型電能轉換器具有 雙相電力潮流之功能。圖 9 所示為電壓控制式市 電倂聯型電能轉換器在負載瞬間加載暫態實驗結 果，當負載加載時，流入市電之電流振幅相對減 小，且市電電流仍然非常接近弦波電流，其市電 電流相位與市電電壓仍為相位相反。此實驗結果 證明本計畫所提出之電壓控制式市電倂聯型電能 轉換器具有良好快速的暫態響應。 圖 5 市電正常時，電壓控制式市電倂聯型電能轉換器運轉 之實驗結果，(a)市電電壓，(b)市電電流，(c)電能轉換器輸 出電壓，(d)負載電流。 圖 6 電壓控制式市電倂聯型電能轉換器運轉在市電電壓包 含有尖波與陷波情況下之實驗結果，(a)市電電壓，(b)市電 電流，(c)電能轉換器輸出電壓，(d)負載電流。 圖 7 電壓控制式市電倂聯型電能轉換器運轉在市電電壓失 真且突降情況下之實驗結果，(a)市電電壓，(b)市電電流， (c)電能轉換器輸出電壓，(d)負載電流。 圖 8 電壓控制式市電倂聯型電能轉換器運轉於發電模式之 實驗結果，(a)市電電壓，(b)市電電流，(c)電能轉換器輸出 電壓，(d)負載電流。 圖 9 電壓控制式市電倂聯型電能轉換器在負載瞬間加載暫 態實驗結果，(a)市電電壓，(b)市電電流，(c)電能轉換器輸 出電壓，(d)負載電流。
一般測試抗孤島運轉功能是利用 R-L-C 負載 來進行測試，而頻率響應為市電電壓頻率 60Hz， 品質因數為 2.5，用此負載來驗證本計畫所提出之 電壓控制式市電倂聯型電能轉換器偵測孤島運轉 方法[13]。若電壓控制式市電倂聯型電能轉換器所 產生之電能等於 R-L-C 負載所消耗之電能時，則 市電電流趨近於 0，本計畫利用此條件進行偵測 孤島運轉方法之測試。本計畫所提出之電壓控制 式市電倂聯型電能轉換器容量為 1kW，則 R-L-C 負載參數分別為 14.14Ω、15.28mH 和 461µF。如 圖 10 所示為本計畫所提出之太陽能發電系統偵 測孤島運轉現象實驗結果，在市電正常時，電壓 控制式市電倂聯型電能轉換器所產生之功率與 P-L-C 負載所需之功率達到平衡，故市電電流趨 近於 0，圖 10(b)所示。市電斷電時，市電電流為 0A，當電壓控制式市電倂聯型電能轉換器偵測到 發生孤島運轉現象時，電能轉換器會停止運轉， 線路斷路器 CB1 和 CB2 將會開起，電壓控制式市 電倂聯型電能轉換器切離市電，其偵測時間為 64mS。 圖 10 本計畫所提出之太陽能發電系統偵測孤島運轉現象 實驗結果，(a)市電電壓，(b)市電電流，(c)電能轉換器輸出 電壓，(d)負載電流。 圖 11 所示為 1kW 負載下含 75%馬達負載測 試偵測孤島運轉現象之實驗結果，當市電正常 時，電壓控制式市電倂聯型電能轉換器所產生之 功率與負載 1kW 內含 75%馬達負載所需之功率達 到平衡，故市電電流驅近於 0，圖 11(b)所示。在 市電斷電時，市電電流為 0A，當電壓控制式市電 倂聯型電能轉換器偵測到發生孤島運轉現象時， 電能轉換器會停止運轉，線路斷路器 CB1 和 CB2 將會開起，電壓控制式市電倂聯型電能轉換器將 切離市電，其偵測時間為 62mS。由上述實驗結果 可知，本計畫所提出具偵測孤島運轉方法之電壓 控制式市電倂聯型電能轉換器能有效的偵測出系 統是否發生孤島運轉。 圖 11 1kW 負載下含 75%馬達負載測試偵測孤島運轉現象之 實驗結果，(a)市電電壓，(b)市電電流，(c)電能轉換器輸出 電壓，(d)負載電流。 四 四四 四、、、結論、結論結論 結論 本計畫提出一具有太陽能發電系統與主動式 電力濾波器功能之電壓控制式市電倂聯型電能轉 換器，並提出一適用於壓控制式市電倂聯型電能 轉換器之新式孤島運轉之偵測方法，且將此方法 結合至電壓控制式市電倂聯型電能轉換器之控制 器中；此電壓控制式市電倂聯型電能轉換器之特 點為控制簡單、不需電流偵測元件和有良好的暫 態響應速度。最後發展一硬體雛行驗證此電壓控 制式市電倂聯型電能轉換器之可行性。經由硬體 雛型之實驗結果驗證本計畫所提岀電壓控制式市 電倂聯型電能轉換器可濾除非線性負載所產生之 諧波電流、改善功率因數與將太陽能發電系統所 產生之直流電能轉換成交流電能注入至市電中， 並且有效偵測出孤島運轉現象。 五 五五 五、、、計畫成果自評、計畫成果自評計畫成果自評 計畫成果自評 本計畫之研究成果達成計畫書中之預期目 標。目前已將研究成果在國內外期刊、研討會論 文、專利逐步發表成果相當豐碩；此外，本研究 之成果亦將有助於提供產業界解決相關問題之重 要參考。研究成果如下： 申請中之專利：2 件（申請中） 期刊論文：1 篇(投稿審查中) 研討會之論文：1 篇 六 六六 六、、、參考文獻、參考文獻參考文獻 參考文獻
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國科會
國科會
國科會
國科會補助
補助
補助
補助專題研究計畫成果報告自評表
專題研究計畫成果報告自評表
專題研究計畫成果報告自評表
專題研究計畫成果報告自評表
請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況、研究成果之學術或應用價
值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）
、是否適
合在學術期刊發表或申請專利、主要發現或其他有關價值等，作一綜合評估。
1.
請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況作一綜合評估
■ 達成目標
□ 未達成目標（請說明，以 100 字為限）
□ 實驗失敗
□ 因故實驗中斷
□ 其他原因
說明：
2.
研究成果在學術期刊發表或申請專利等情形：
論文：□已發表 ■未發表之文稿 □撰寫中 □無
專利：□已獲得 ■申請中 □無
技轉：□已技轉 □洽談中 □無
其他：
（以 100 字為限）
3.
請依學術成就、技術創新、社會影響等方面，評估研究成果之學術或應用價
值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）（以
500
字為限）
本計畫提出一具太陽能發電與主動式電力濾波器功能之電壓控制式市電倂聯
型電能轉換器，此電能轉換器可濾除負載諧波電流，並將太陽能電池所產生
的直流電能轉換成交流電能注入市電或提供給負載使用。除此之外，本計畫
發展一新式有簡單的控制方式、迅速的暫態響應、無需電流檢測器和多種功
能之優點。偵測孤島運轉方法，並將此偵測方法結合至電壓控制式市電倂聯
型電能轉換器之控制器中，降低系統的複雜度。此電壓控制式市電倂聯型電
能轉換器具
附件二國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表
日期：99 年 07 月 05 日國科會補助計畫
國科會補助計畫
國科會補助計畫
國科會補助計畫
計畫名稱：具用戶端電力品質改善與再生能源電力轉換界面功能 之混合型電力調整器(1/3) 計畫主持人：周宏亮 計畫編號：NSC 98-2221-E-151-063- 領域：電力工程 （中文）適用於電壓控制式電能轉換器之孤島運轉偵測方法 （專利申請中）
研發成果名稱
研發成果名稱
研發成果名稱
研發成果名稱
（英文）Islanding Detection Method for the Voltage-Mode Power Converter
成果歸屬機構
成果歸屬機構
成果歸屬機構
成果歸屬機構
國立高雄應用科技大學
發明人
發明人
發明人
發明人
(
((
(創作人
創作人
創作人)
創作人
))
)
周宏亮、沈家民、 吳坤德、吳晉昌 （中文） 一種分散式發電系統孤島運轉之偵測方法，此方法係控制一與市 電倂聯之電壓控制式電能轉換器之輸出電壓；當市電電源正常 時，電壓控制式電能轉換器不產生擾動信號；若該市電電源故障 時，電壓控制式電能轉換器產生一與市電電壓垂直之擾動信號， 以破壞系統實功平衡，如此能立即的偵測出孤島運轉現象之發生。技術說明
技術說明
技術說明
技術說明
（英文） An islanding detection method for a distributed generation power
system is disclosed. No disturbance signal is generated by the grid-connected voltage-mode power converter when the power is normal, and a disturbance signal orthogonal to the utility voltage is generated by the grid-connected voltage-mode power converter when the utility power system fails. Hence, the power balance between the utility, the load and distributed generation power system will be broken. Thus, the islanding operation can be detected effectively.
產業別
產業別
產業別
產業別
電力電子, 電能轉換器
技術
技術
技術
技術/
//
/產品
產品
產品應用
產品
應用
應用
應用範圍
範圍
範圍
範圍
分散式發電系統
技術移轉可行性及預期
技術移轉可行性及預期
技術移轉可行性及預期
技術移轉可行性及預期
效益
效益
效益
效益
本發明係指一種適用於電壓控制式電能轉換器之孤島運轉偵測方 法，當市電故障跳脫且再生能源所產生之電能恰巧與負載所消耗 之總電能相同時，此電壓控制式電能轉換器能有效偵測出孤島運 轉發生，並將分散式發電系統停止運轉並切離市電系統，以防止 維修人員因維修電力饋線發生觸電之危險，此發明偵測孤島運轉 方法是建構於市電併聯電壓控制式電能轉換器之控制器中。可做 為市電併聯型電壓控制式之再生能源電源轉換設備之孤島偵測 方法。 註：本項研發成果若尚未申請專利本項研發成果若尚未申請專利本項研發成果若尚未申請專利本項研發成果若尚未申請專利，，，，請勿揭露可申請專利之主要內容請勿揭露可申請專利之主要內容請勿揭露可申請專利之主要內容請勿揭露可申請專利之主要內容。。。。 附件三
國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表
日期：99 年 07 月 05 日國科會補助計畫
國科會補助計畫
國科會補助計畫
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計畫名稱：具用戶端電力品質改善與再生能源電力轉換界面功能 之混合型電力調整器(1/3) 計畫主持人：周宏亮 計畫編號：NSC 98-2221-E-151-063- 領域：電力工程 （中文）適用於電流控制式電能轉換器之孤島運轉偵測方法 （專利申請中）
研發成果名稱
研發成果名稱
研發成果名稱
研發成果名稱
（英文）Islanding Detection Method for the Current-Mode Power Converter
成果歸屬機構
成果歸屬機構
成果歸屬機構
成果歸屬機構
國立高雄應用科技大學
發明人
發明人
發明人
發明人
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(創作人
創作人
創作人)
創作人
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周宏亮、沈家民、 吳坤德、吳晉昌 （中文） 一種分散式發電系統孤島運轉之偵測方法，此方法係控制一與市 電併聯之電流控制式電能轉換器之輸出電流；當市電電源正常 時，電流控制式電能轉換器不產生擾動信號；若該市電電源故障 時，電流控制式電能轉換器產生一與負載電電壓同相位之擾動信 號，以破壞系統實功平衡，如此能立即偵測出孤島運轉現象之發 生。技術說明
技術說明
技術說明
技術說明
（英文） An islanding detection method for a distributed generation power
system is disclosed. No disturbance signal is generated by the grid-connected current-mode power converter when the power is normal, and a disturbance signal which is in phase with the load voltage is generated by the grid-connected current-mode power converter when the utility power system fails. Hence, the power balance between the utility, the load and distributed generation power system will be broken. Thus, the islanding operation can be detected effectively.
產業別
產業別
產業別
產業別
電力電子, 電能轉換器
技術
技術
技術
技術/
//
/產品
產品
產品應用
產品
應用
應用
應用範圍
範圍
範圍
範圍
分散式發電系統
技術移轉可行性及預期
技術移轉可行性及預期
技術移轉可行性及預期
技術移轉可行性及預期
效益
效益
效益
效益
本發明係指一種適用於電流控制式電能轉換器之孤島運轉偵測方 法，當市電故障跳脫且再生能源所產生之電能恰巧與負載所消耗 之總電能相同時，此電流控制式電能轉換器能有效偵測出孤島運 轉發生，並將分散式發電系統停止運轉並切離市電系統，以防止 維修人員因維修電力饋線發生觸電之危險，此發明偵測孤島運轉 方法是建構於市電併聯電流控制式電能轉換器之控制器中。可做 為市電併聯型電流控制式之再生能源電源轉換設備之孤島偵測 方法。 註：本項研發成果若尚未申請專利本項研發成果若尚未申請專利本項研發成果若尚未申請專利本項研發成果若尚未申請專利，，，，請勿揭露可申請專利之主要內容請勿揭露可申請專利之主要內容請勿揭露可申請專利之主要內容請勿揭露可申請專利之主要內容。。。。 附件三
國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表
日期 2010年09月08日國科會補助計畫
研發成果名稱
發明人
(創作人)
技術說明
技術移轉可行性及
預期效益
技術/產品應用範圍
產業別
計畫名稱: 計畫主持人: 計畫編號: 學門領域: (中文) (英文)成果歸屬機構
(中文) (英文) 具用戶端電力品質改善與再生能源電力轉換界面功能之混合型電力調整器 周宏亮 98 -2221-E -151 -063 - 電力系統 適用於電壓控制式電能轉換器之孤島運轉偵測方法Islanding Detection Method for the Voltage-Mode Power Converter
國立高雄應用科技大學 周宏亮,沈家民,吳坤德,吳晉昌 本技術為一種分散式發電系統孤島運轉之偵測方法，此方法係控制一與市電倂 聯之電壓控制式電能轉換器之輸出電壓；當市電電源正常時，電壓控制式電能 轉換器輸出電壓不產生擾動電壓信號；若該市電電源故障時，電壓控制式電能 轉換器輸出電壓會產生一與市電電壓垂直之擾動信號，以破壞整體系統實功平 衡，如此能立即的偵測出孤島運轉現象之發生，並將分散式發電系統與市電切 離，避免發孤島運轉和防止電力維修人員維修電力系統中而發生觸電之危險。
An islanding detection method for a distributed generation power system is disclosed. No disturbance signal is generated by the grid-connected voltage-mode power converter when the power is normal, and a disturbance signal orthogonal to the utility voltage is generated by the grid-connected voltage-mode power converter when the utility power system fails. Hence, the power balance between the utility, the load and distributed generation power system will be broken. Thus, the islanding operation can be detected effectively.
電機及電子機械器材業；其他工業製品製造業 電力電子與電能轉換器相關產業。 由於分散式發電系統皆需要有抗孤島運轉偵測，本研發技術是將孤島運轉偵測方法結 合至電壓控制式電能轉換器之控制器中，因此在整體系統建構時，不需增加額外成本 ，即可達成分散式發電之相關規範。 註：本項研發成果若尚未申請專利，請勿揭露可申請專利之主要內容。
98 年度專題研究計畫研究成果彙整表
計畫主持人：周宏亮 計畫編號： 98-2221-E-151-063-計畫名稱：邁向潔淨電網之規劃策略與運轉控制之研究--具用戶端電力品質改善與再生能源電力轉換 界面功能之混合型電力調整器 量化 成果項目 實際已達成 數（被接受 或已發表） 預期總達成 數(含實際已 達成數) 本計畫實 際貢獻百 分比 單位 備 註 （ 質 化 說 明：如 數 個 計 畫 共 同 成 果、成 果 列 為 該 期 刊 之 封 面 故 事 ... 等） 期刊論文 0 0 100% 研究報告/技術報告 0 0 100% 研討會論文 0 0 100% 篇 論文著作 專書 0 0 100% 申請中件數 2 2 100% 專利 已獲得件數 0 0 100% 件 件數 0 0 100% 件 技術移轉 權利金 0 0 100% 千元 碩士生 3 3 100% 博士生 1 1 100% 博士後研究員 0 0 100% 國內 參與計畫人力 （本國籍） 專任助理 0 0 100% 人次 期刊論文 0 0 100% 研究報告/技術報告 0 0 100% 研討會論文 1 1 100% 篇 論文著作 專書 0 0 100% 章/本 申請中件數 0 0 100% 專利 已獲得件數 0 0 100% 件 件數 0 0 100% 件 技術移轉 權利金 0 0 100% 千元 碩士生 0 0 100% 博士生 0 0 100% 博士後研究員 0 0 100% 國外 參與計畫人力 （外國籍） 專任助理 0 0 100% 人次其他成果
![圖 2 電壓控制式市電倂聯型直流/交流電能轉換器之簡化模 型。 如上文所述，當電壓控制式市電倂聯型直流/ 交流電能轉換器輸出電壓在相位角 δ 很小時，調 整電壓控制式市電倂聯型直流/交流電能轉換器 輸出電壓之相位角，對改變實功電力潮流較為敏 感，調整電壓控制式市電倂聯型直流/交流電能轉 換器輸出電壓振幅，對改變虛功電力潮流較為敏 感，因此，分別控制電壓控制式市電倂聯型直流/ 交流電能轉換器之輸出電壓振幅與相位角，即可 調整實功與虛功之電力潮流大小[18]。故傳統電壓 控制式市電倂聯型直流](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/9libinfo/8822006.232534/5.892.136.358.49.206/對改變虛功電力潮流較為敏感因此分別控制電壓控制式型直流直流.webp)
