行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
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(II)
研究成果報告(精簡版)
計 畫 類 別 ： 個別型 計 畫 編 號 ： NSC 99-2221-E-151-067- 執 行 期 間 ： 99 年 08 月 01 日至 100 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：黃建譯 碩士班研究生-兼任助理人員：林文正 博士班研究生-兼任助理人員：沈家民 公 開 資 訊 ： 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 100 年 09 月 15 日
中 文 摘 要 ： 本計畫提出一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，其具有市電倂聯、能量儲存、 電力品質改善與適用於分散式再生能源發電系統之功能。本 計畫所提出之混合型電力調整器不但具有再生能源之電力轉 換器之功能，同時也可提供不同電力品質的電壓給不同類型 之負載。此混合型電力調整器可操作成四種模式，其中兩種 模式適用於市電併聯，另外兩種模式則適用於獨立運轉。此 混合型電力調整器具有以下特色：(a)將再生能源產生之電能 經電力轉換器注入市電，(b)儲存電能於電池組中，(c)具有 主動式電力濾波器之功能，(d) 不論市電是否正常，皆能輸 出優質電力品質與不間斷電能提供給敏感性負載使用。本計 畫中建構一硬體雛型並進行實測以驗證所提出之混合型電力 調整器功能之可行性，經實驗結果證明其符合預期效果。 中文關鍵詞： 再生能源、市電併聯發電系統、電能轉換器、主動式電力濾 波器
英 文 摘 要 ： This paper proposes a hybrid power conditioner (HPC), integrating the functions of grid-connection, energy storage and power quality improvement, for a
distributed power generation system using a renewable energy source. The proposed HPC not only can act as the power conversion interface of the distributed power generation system, it can also supply different voltage sources with different power qualities to different loads. The operation of the proposed HPC can be divided into four modes, two modes for the grid-connection condition and the other two modes in the stand-alone condition. The salient features of the proposed HPC are as follows: (a) it can convert and inject the generated power of renewable energy sources into the grid, (b) it can store energy in the battery set, (c) it can act as an active power
filter, (d) it can supply regulated and uninterrupted power to the critical load regradless the utility is nominal or not. To verify the performance of the proposed HPC, a prototype is developed and tested. The experimental results show that the performance of the proposed HPC is as expected.
英文關鍵詞： renewable energy source, grid-connected power generation system, power converter, active power filter.
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
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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
(2/2)
計畫類別：■個別型計畫 □整合型計畫
計畫編號：
NSC
99-2221-E-151-067-執行期間：
2010 年 08 月 01 日至 2011 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、黃建譯、林文正
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 100 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(2/2)
Hybrid Power Conditioner for Power Quality Improvement of Customer Side and Renewable Energy Interface (2/2) 計畫編號：NSC 99-2221-E-151-067- 執行期限：2010 年 08 月 01 日至 2011 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、黃建譯、林文正 中文摘要 中文摘要中文摘要 中文摘要 本計畫提出一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，其 具有市電倂聯、能量儲存、電力品質改善與適用 於分散式再生能源發電系統之功能。本計畫所提 出之混合型電力調整器不但具有再生能源之電力 轉換器之功能，同時也可提供不同電力品質的電 壓給不同類型之負載。此混合型電力調整器可操 作成四種模式，其中兩種模式適用於市電併聯， 另外兩種模式則適用於獨立運轉。此混合型電力 調整器具有以下特色：(a)將再生能源產生之電能 經電力轉換器注入市電，(b)儲存電能於電池組 中，(c)具有主動式電力濾波器之功能，(d) 不論 市電是否正常，皆能輸出優質電力品質與不間斷 電能提供給敏感性負載使用。本計畫中建構一硬 體雛型並進行實測以驗證所提出之混合型電力調 整器功能之可行性，經實驗結果證明其符合預期 效果。 關鍵字：再生能源、市電併聯發電系統、電能轉 換器、主動式電力濾波器 Abstract
This paper proposes a hybrid power conditioner (HPC), integrating the functions of grid-connection, energy storage and power quality improvement, for a distributed power generation system using a renewable energy source. The proposed HPC not only can act as the power conversion interface of the distributed power generation system, it can also supply different voltage sources with different power qualities to different loads. The operation of the proposed HPC can be divided into four modes, two modes for the grid-connection condition and the other two modes in the stand-alone condition. The salient features of the proposed HPC are as follows: (a) it can convert and inject the generated power of renewable energy sources into the grid, (b) it can store energy in the battery set, (c) it can act as an active power filter, (d) it can supply regulated and uninterrupted power to the critical load regradless the utility is nominal or not. To verify the performance of the proposed HPC, a prototype is
developed and tested. The experimental results show that the performance of the proposed HPC is as expected.
Keywords: renewable energy source, grid-connected
power generation system, power
converter, active power filter. 一 一一 一、、、前言、前言前言 前言 為了減緩溫室效應問題，近年來小容量再生 能源分散式發電系統快速發展，其再生能源包含 太陽能、風力與燃料電池等[1-2]。小容量再生能 源分散式發電系統能直接提供電能給電網上之負 載使用，或是直接將電能注入至市電[3-4]。因此， 分散式發電系統之發展為未來之趨勢。智慧型電 網是由許多微電網所組成的，其具有增加發電廠 與輸配電之整體效率、可增加用電可靠度與可改 善用戶端之電力品質；微電網是由用電客戶、發 電廠、再生能源與儲能系統所組成，其可操作成 獨立運轉或與大型電網倂聯運轉。儲能元件可依 照儲存能力來區分為大型之社區型儲能系統或是 小型之家庭電池儲能系統。 再生能源如太陽能和風力為具間歇性之能 源，且會受到天氣氣候影響發電量，因此，微電 網中電力調整器必需有能力調節太陽能與風力之 間歇性能源，而家庭電池儲能能夠解決此問題， 其能對電網進行儲能與釋能。在電池儲能系統 中，使用磷酸鋰鐵(LiFePO4)正極材料之鋰鐵電 池，其週期性充放電壽命次數可達到數千次，此 特性大幅增加家庭電池儲能系統實際應用之可行 性。 傳統具有電池儲能之市電倂聯型再生能源發 電系統如圖 1 所示[5-8]，當市電正常時，再生能 源經由電能轉換器將產生之電能注入市電或對電 池組進行充電，敏感性負載與一般性負載皆由市 電提供電能。反之，當市電故障時，電池組將會 進行放電，將電能經由直流-交流逆變器轉換成交 流電能提供給敏感性負載使用。然而，傳統具有 電池儲能之市電併聯型再生能源發電系統，在市 電正常時，具有所有負載之電力品質直接與市電
2 相同之缺點。小容量電力系統(如：微電網)在負載 含有非線性負載或負載變動情況下，負載電壓會 遭受電壓失真與擾動之情況，低劣的電力品質可 能危害敏感性負載。因此，可利用增加一在線式 不斷電電源供應器來解決電力品質之問題，這將 會增加設備成本與降低能源轉換效率。 圖 1 傳統具有電池儲能之市電併聯型再生能源發電系統。 本計畫提出一混合型電力調整器，其具有市電 併聯、再生能源發電、儲能與電力品質改善之功 能。此混合型電力調整器不但具有再生能源分散 式發電系統電能轉換界面之功能，同時能產生不 同電力品質之電源提供給不同負載，微電網中， 不同負載對電力品質有不同之需求[9]，而本計畫 之混合型電力調整器能產生特定電力品質供給不 同負載使用。本計畫所提出之混合型電力調整器 具有下列功能：(a)將再生能源產生電能經轉換後 並注入市電電網中，(b)以電池組作為儲能系統， 將電能進行儲存或釋放，(c)具有主動式電力濾波 器之功能，(d)不論市電是否正常，皆能輸出優質 電力品質與不間斷電能之電源提供給敏感性負載 使用。本計畫建構一硬體雛型並進行實測以驗證 本計畫所提出混合型電力調整器功能之可行性。 二 二 二 二、、、、系統架構系統架構系統架構系統架構 圖 2 所示為計畫所提出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 整器系統架構圖。此混合型電力調整器包含有一 再生能源、一直流電容器、一直流-直流升壓轉換 器、一電池組、一直流-交流逆變器 I、一直流-交 流逆變器II、一連結電感(Ls)、三個線路開關(CB1、 CB2 和 CB3)與一數位信號處理器(DSP)為基礎之 控制器。再生能源可為太陽能或是小容量之風力 發電，若再生能源為太陽能時，輸出端產生為一 直流電源，其可直接連接至直流-直流升壓轉換器 之輸入端；若再生能源為一小容量之風力發電 時，輸出端產生一交流電能，其經由一橋式整流 將交流電能轉換成直流電能，再連接至直流-直流 升壓轉換器[4, 10-17]。直流-直流升壓式電能轉換 器在市電正常時，具有升壓與再生能源(太陽能或 風能)最大功率追蹤之功能[4, 10-11, 16]；當市電 故障時，直流-直流升壓轉換器將再生能源之輸出 電能經轉換控制後對電池組充電。直流-交流逆變 器 I 輸出端經由一連結電感 Ls和線路開關 CB1與 市電併聯，而負載 I 直接連接至市電，負載 II 連 接至直流-交流逆變器 I 之輸出端與線路開關 CB2 之後，並且利用正弦波脈寬調變(SPWM)方式來控 制直流-交流逆變器 I 之輸出弦波電壓，由 SPWM 控制所產生輸出電壓諧波為切換頻率之整數倍。 直流-交流逆變器 I 之切換頻率非常高，且切換頻 率遠離輸出電壓之基波頻率，因此，輸出電壓諧 波成份能夠輕易的被一濾波電感 Lf1 與一濾波電 容 Cf1 所組成之低通濾波器所濾除。直流-交流逆 變器I 之直流側連接至電池組，此直流-交流逆變 器 I 在市電正常時具有雙向電力潮流，可對電池 組進行定電壓/定電流(CC/CV)充電、轉換再生能 源所產生之電能與具有主動式電力濾波器之功能 等，因此，市電電流將會是一弦波電流，其相位 與市電電壓同相位或相位相反；孤島運轉偵測方 法亦整合於直流-交流逆變器 I 之控制器內，以偵 測是否發生孤島運轉。若偵測出市電故障發生孤 島運轉時，控制器會將線路開關 CB1切離，使分 散式發電系統與市電電網切離，此時，線路開關 CB2也同時切離負載II；若市電恢復正常時，則線 路開關 CB1與 CB2會再次投入，使分散式發電系 統與市電併聯運轉，同時提供電能給負載 I 與負 載II。 圖 2 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之系統架構。 直流-交流逆變器 II 之直流側之連接至電池 組，不論市電是否正常供電，直流-交流逆變器 II 皆提供一穩定不間斷電能供給負載III 所使用，而 直流-交流逆變器 II 之切換諧波由一濾波電感 Lf2
與一濾波電容 Cf2所組成之低通濾波器濾除。當電 池組電壓低於設定之放電電壓時，直流-交流逆變 器II 將會停止運作，此時線路開關 CB3將會切離 停止供電給負載 III。如圖 2 所示，負載 III 所使 用電源之電力品質與市電電網無關，因此，由負 載III 來看，本計畫之混合型電力調整器之功能類 似於一在線式不斷電電源供應器(UPS)，若與傳統 在線式不斷電電源供應器相比較，本計畫之混合 型電力調整器之直流側，因有再生能源經由直流-直流升壓轉換器與電池組一起提供直流電能，故 有較長備用電源時間之優點。當電池組電壓低於 設定之最低放電電壓時，再生能源產生之電能仍 可經由直流-直流升壓轉換器對電池組充電；當電 池組電壓高於一預設電壓時，直流-交流逆變器 II 將會再次啟動運轉。因此，本計畫之混合型電力 調整器非常適合應用於因天災(如：地震或颱風) 所造成之電力中斷。 根據前述，本計畫之混合型電力調整器提供 包含有一般電力品質、高電力品質與優質電力品 質等三等級電力品質電能給不同負載使用；一般 電力品質電源則直接由市電供電，跟隨市電之電 力品質而變動，提供給負載 I 使用；而混合型電 力調整器提供一高電力品質與一優質電力品質之 電源，高電力品質電源能免除市電電壓含有電壓 突波與陷波之干擾，並提供電能給負載II 使用； 優質電力品質之電源則不論市電是否正常供電或 遭受諧波汙染電力品質低劣，混合型電力調整器 皆能提供一優質電力品質電源給負載 III 所使 用。因此，用戶端可依照負載需求之電力品質來 提供不同電力品質電源，故本計畫所提出之混合 型電力調整器能提供不同電力品質電源給不同負 載使用。 三 三 三 三、、、、混合型混合型混合型混合型電力調整器電力調整器電力調整器電力調整器之電力潮流之電力潮流之電力潮流之電力潮流 本計畫之混合型電力調整器運作方式可以分 為四種模式，在市電併聯運轉下有兩種模式，另 外兩種模式則操作在獨立運轉下。 3.1 市電併聯運轉市電併聯運轉市電併聯運轉市電併聯運轉 當市電正常時，混合型電力調整器併聯市電 運轉，此時，直流-直流升壓轉換器具有將再生能 源所輸出之直流電壓升壓與對再生能源進行最大 功率追蹤之功能。直流-交流逆變器 II 輸出為一固 定峰值與固定頻率之弦波電壓，此電壓為優質電 力品質之電源，提供給負載III 使用，其可避免遭 受市電電壓之擾動與干擾。直流-交流逆變器 I 運 轉與再生能源所產生之電能大小有關，此混合型 電力調整器在市電正常情況下可區分為下列兩種 運轉模式。 模式 模式模式 模式一一一：一：： ： 模式一中，再生能源產生之電能大於負載 III 與電池組充電時所需電能，直流-交流逆變器 I 被 控 制 成 對 電 池 組 進 行 定 電 流/定 電壓充 電 模式 (CC/CV)，若經直流-交流逆變器 I 轉換後剩於電 能大於負載 II 所需之電能時，則多餘的電能將會 注入至電網中；反之，若經直流-交流逆變器 I 後 剩於電能小於負載 II 所需求電能時，不足的電能 將會由市電提供。此時，直流-交流逆變器 I 同時 具有主動式電力濾波器之功能，以補償負載 II 所 需之諧波電流與虛功。因此，市電電流將會是一 弦波電流，其電流相位會與市電電壓同相位或相 位相反，並且達到近單位功因。此模式之電力潮 流如圖3(a)所示。 模式二 模式二模式二 模式二：：： ： 模式二中，再生能源所產生電能小於負載 III 與電池組充電時所需之總電能，不足提供給負載 III 與電池組充電時所需之總電能將由市電經由直 流-交流逆變器 I 來提供，此時，直流-交流逆變器 I 仍會控制電池組進行定電流/定電壓(CC/CV)模 式充電，並且同時具有主動式電力濾波器之功 能。因此，市電電流仍為弦波電流且相位與市電 電壓同相位，並達到單位功因。此模式之電力潮 流如圖3(b)所示。 (a) (b) 圖 3 本計畫所提出混合型電力調整器在市電併聯時之電力 潮流，(a)模式一，(b)模式二。 3.2 獨立運轉獨立運轉獨立運轉 獨立運轉 直流-交流逆變器 I 之控制器內包含有孤島偵 測功能[18]，因此，本計畫之混合型電力調整器在 市電故障時能夠偵測出發生孤島運轉，此時，直 流-交流逆變器 I 將會停止運轉，線路開關 CB1和
4 CB2 會切離，使混合型電力調整器、市電與負載 II 斷開，負載 I 和負載 II 停止電源供電，直流-直 流升壓轉換器會跟隨再生能源所產生電能大小來 控制。本計畫之混合型電力調整器在獨立運轉下 可區分成下列兩種模式。 模式三 模式三 模式三 模式三：：：： 模式三中，再生能源所產生的電能大於負載 III 與電池組充電所需之總電能時，直流-直流升壓 轉換器將再生能源所產生直流電壓升壓，此時， 直流-直流升壓轉換 器會限制再生能源輸出功 率，對電池組進行定電流/定電壓(CC/CV)充電， 防止因過充而造成電池組損壞。在此模式下，直 流-直流升壓轉換器不執行再生能源最大功率追 蹤之功能，而直流-交流逆變器 II 仍將直流電能轉 換成優質電力品質之交流電能提供給負載III，因 此，負載III 在市電故障時仍可有優質交流電能使 用。此模式之電力潮流如圖4(a)所示。 (a) (b) 圖 4 本計畫所提出混合型電力調整器在獨立運轉時之電力 潮流，(a)模式三，(b)模式四。 模式四 模式四 模式四 模式四：：：： 模式四中，再生能源所產生的電能小於負載 III 所需之電能時，負載 III 不足的電能將由電池 組提供，此時，直流-直流升壓轉換器將再生能源 所產生之直流電壓升壓，並對再生能源進行最大 功率追蹤之功能，直流-交流逆變器 II 仍將直流電 能轉換成優質電力品質之交流電能，提供給負載 III 所使用。因此，不論市電是否正常供電，負載 III 之電源不會中斷。若電池組電壓低於設定之最 後放電電壓時，直流-交流逆變器 II 會停止運轉， 防止電池組之電池因過放電造成電池損壞，此 時，直流-直流升壓轉換器仍運轉成最大功率追蹤 或定電流/定電壓充電之功能對電池組充電，當電 池組電壓高於一預設電壓時，直流-交流逆變器 II 會再重新啟動運轉。此模式之電力潮流如圖 4(b) 所示。 四 四四 四、、、電力轉換器之控制原理、電力轉換器之控制原理電力轉換器之控制原理 電力轉換器之控制原理 4.1 直流直流直流直流-交流交流交流交流逆變逆變逆變逆變器器器器 I 直流-交流逆變器 I 為一改良之電壓控制式電 能轉換器[19]，圖 5 所示為電壓控制式之直流-交 流逆變器 I 之等效電路圖，直流-交流逆變器 I 可 控制輸出電壓 vc1之振幅與相角。當市電電壓為一 弦波電壓，且直流-交流逆變器 I 產生一弦波電壓 時，連結電感兩端之電壓為一弦波電壓，因此， 不論負載 II 是否為非線性負載，流經連結電感之 市電電流將是一弦波電流，負載 II 之諧波電流由 直流-交流逆變器 I 提供，故改良之電壓控制式直 流-交流逆變器 I 能夠濾除負載 II 之諧波電流。改 良之電壓控制式之直流-交流逆變器 I 能免除用電 流控制式必需複雜計算諧波含量，故控制器較為 簡單。 圖 5 電壓控制式市電併聯型再生能源發電系統之等效電 路。 改良之電壓控制式之直流-交流逆變器 I 中， 結合相位控制迴路與振幅控制迴路成為一控制迴 路，因此具有主動式電力濾波器之功能，不但可 補償負載所需之諧波電流，也可提供負載所需之 虛功量，使市電電流達到弦波電流並與市電電壓 同相位或相位相反。市電電流可表示為 ) sin( ) (t I t is =± s1 ω (1) 式中，+Is1表示市電電流與市電電壓同相位，實功 電力潮流從市電流出；-Is1表示市電電流與市電電 壓相位相反，實功電力潮流由混合型電力調整器 注入至市電。如圖5 所示，直流-交流逆變器 I 輸 出電壓可表式示為 Vc =Vs m jXsIs1 (2) 改良之電壓控制式其控制參數只需調整連結電感 兩端電壓振幅，因此，可簡化整體控制電路，並 改善暫態響應之問題。 直流-交流逆變器 I 之控制器中包含孤島偵測 功能，本計畫所使用之孤島偵測方法為虛擬電感 控制法[18]來控制直流-交流逆變器 I 之輸出電 壓，利用虛擬電感來偵測孤島運轉，而虛擬電感
圖 6 直流-交流逆變器 I 之控制方塊。 操作頻率明顯設定高於市電基本波頻率，其表示 當市電正常時，虛擬電感控制信號將會很小(趨近 於零)，並不會影響混合型電力調整器之運作。圖 6 所示為直流-交流逆變器 I 之控制方塊圖。直流-交流逆變器 I 控制器為一改良之電壓控制式，因 此，直流-交流逆變器 I 輸出電壓之參考信號必需 被計算，從(2)式中，輸出電壓參考信號是由市電 電壓減去連結電感兩端電壓所獲得，而市電電壓 可直接由電壓量測器直接獲得，根據上文所述， 連結電感兩端電壓相位會與市電電壓相互垂直， 且為一弦波電壓。市電電壓經偵測器輸入一中心 頻率與市電電壓頻率相同之帶通濾波器I，濾除市 電電壓之諧波成份，帶通濾波器 I 之輸出信號送 至一相移電路以得到一落後90 度之垂直信號，相 移電路輸出信號為連結電感兩端之電壓信號波 形。為了避免負載III、電池組與再生能源之複雜 實功計算，連結電感兩端電壓之振幅大小可由電 壓信號 S1控制。電池組充電控制採用一電壓外迴 路控制與一電流內迴路控制，而電池組連接在直 流-交流逆變器 I 之直流匯流排上，直流匯流排電 壓將會等於電池組之電壓。偵測出電池組電壓信 號並與直流設定電壓(Vdc_set)相減，而誤差值輸入 至一比例-積分控制器 I，此直流設定電壓為電池 組之浮充電壓，為確保電池組在低電壓時充電電 流不大於最大充電電流，比例-積分(P-I)控制器 I 後加入一限制器，以限制電池組充電電流不超過 最大充電電流達到定電流(CC)充電模式，偵測電 池組電流信號並與限制器輸出信號相減，將誤差 信號輸入一比例-積分控制器 II，比例-積分控制器 II 輸出信號為連結電感兩端電壓之振幅信號，將 相移電路輸出信號與振幅信號輸入一乘法器相乘 以得到一電壓信號 S1。 孤島偵測方法加入直流-交流逆變器 I 之控制 器內，帶通濾波器 I 之輸出信號與市電電壓偵測 信號輸入一減法器相減，以得到市電電壓諧波成 份，減法器之輸出信號輸入一帶通濾波器 II，帶 通濾波器 II 之中心頻率高於市電電壓基本波頻 率，本計畫設定帶通濾波器 II 之中心頻率為 70Hz，帶通濾波器 II 之輸出送至一積分控制器與 一高通濾波器以產生虛擬電感控制信號 S2。電壓 信號 S1 與虛擬電感控制信號 S2 送至一加法器相 加，可得到連結電感電壓之控制信號。連結電感 電壓控制信號與市電電壓信號輸入一減法器相減 以得到一參考信號，此參考信號即為直流-交流逆 變器 I 輸出電壓之參考信號，將電壓參考信號與 直流-交流逆變器 I 輸出電壓信號輸入一減法器相 減，減法器輸出之誤差信號輸入至一波形控制 器，波形控制器輸出信號送至一脈寬調變電路以 產生調變信號，將調變信號輸入至驅動電路產生 直流-交流逆變器 I 功率開關元件之驅動信號。 4.2 直流直流直流直流-交流交流交流交流逆變逆變逆變逆變器器器器 II 不論混合型電力調整器操作於市電併聯運轉 模式或是獨立運轉模式，直流-交流逆變器 II 皆輸 出一優質電力品質之交流電壓提供給負載 III 使 用，而直流-交流逆變器 II 之直流電能由市電經直 流-交流逆變器 I、再生能源經直流-直流升壓轉換 器或電池組所提供。直流-交流逆變器 II 有再生能 源能提供電能，因此在獨立運轉提供備用電源之 供電時間會比傳統式不斷電電源供應器長。若電 池組電壓低於設定之最低放電電壓時，此時再生 能源也能經由直流-直流升壓轉換器對電池組充 電，當電池組電壓升高達至一設定電壓時，直流 -交流逆變器 II 將會啟動運轉，這種設計對於因天 然災害所造成市電斷電是非常有幫助的。圖 7 所 示為直流-交流逆變器 II 之控制方塊圖。偵測直流 -交流逆變器 II 輸出電壓並送至均方根值(RMS)計 算電路，以獲得輸出電壓 RMS 值，RMS 電壓計
6 算電路之輸出與設定電壓值(Vc2_set)送至一比較 器，將比較結果送至比例-積分控制器。由弦波表 產生一個振幅為一之參考弦波信號，參考弦波信 號與比例-積分控制器輸出信號送至一乘法器相 乘以產生電壓參考信號，電壓參考信號與偵測直 流-交流逆變器 II 之輸出電壓送至一比較器，比較 器之輸出信號送至一波形控制器，而波形控制器 輸出信號送至一脈寬調變電路產生調變信號，此 調變信號送至驅動電路以產生直流-交流逆變器 II 功率開關元件之驅動信號。 4.3 直流直流-直流升壓轉換器直流直流 直流升壓轉換器直流升壓轉換器直流升壓轉換器 圖8 所示為直流-直流升壓轉換器控制方塊。 控制器將會產生兩個控制信號 S3和 S4，此兩控制 信號分別為充電模式(CC/CV)控制信號與最大功 率追蹤模式控制信號。同一時間只存在一種模式 運作。 充電模式中，直流設定電壓 Vdc_set為電池組之 浮充電壓，為了限制電池組在低電壓時之充電電 流，因此比例-積分器 I 後面加入一限制器，此限 制器限制電池組之充電電流以進行定電流充電模 式。偵測電池組電流與限制器輸出至一減法器相 減，將誤差量輸入至比例-積分控制器 II 產生一充 電模式之控制信號 S3。 在最大功率追蹤模式中，有一電壓偵測器與 一電流偵測器分別量測再生能源輸出電流與輸出 電壓，將兩偵測信號輸入至最大功率追蹤控制器 中，以決定再生能源輸出電壓參考信號 Vin_set，本 計畫所使用之最大功率追蹤為擾動觀察法[20]。偵 測再生能源輸出電壓與最大功率追蹤控制器輸出 電壓參考信號 Vin_set相比較，比較結果輸入至比例 -積分控制器 III 以獲得最大功率追蹤模式之控制 信號 S4。 在孤島運轉情況下，比較充電模式與最大功 率追蹤模式之控制信號，以決定直流-直流升壓轉 換器運轉模式。當充電模式之控制信號 S3小於最 大功率追蹤模式之控制信號 S4時，直流-直流升壓 轉換器之控制器將會選擇充電模式之控制信號 S3，並運轉於充電模式，此時也表示再生能源所 產生電能大於負載 III 與電池組充電所需之總電 能，因此，直流-直流升壓轉換器限制再生能源輸 出功率，使電池組進行定電流/定電壓模式充電， 保護電池組防止因過充造成電池組損壞；反之， 當充電模式之控制信號 S3大於最大功率追蹤模式 之控制信號 S4時，直流-直流升壓轉換器之控制器 會選則最大功率追蹤模式之控制信號 S4，並運轉 於最大功率追蹤模式，表示再生能源所產生電能 小於負載III 與電池組充電所需之總電能。在市電 併聯情況下，直流-直流升壓轉換器只操作於最大 功率追蹤模式。 在選擇控制信號後與偵測再生能源輸出電流 信號輸入一減法器相減，相減結果送至一比例-積 分控制器IV，比例-積分控制器 IV 之輸出信號送 至脈寬調變電路產生調變信號，將調變信號送至 驅動電路產生直流-直流升壓轉換器功率開關元 件之驅動信號。 圖 7 直流-交流逆變器 II 之控制方塊。 圖 8 直流-直流升壓轉換器之控制方塊。
五 五 五 五、、、、實驗結果實驗結果實驗結果實驗結果 本計畫中發展一硬體雛型以驗證所提出之混 合型電力調整器之性能，硬體雛型之相關參數如 表 1 所示。此硬體雛型之再生能源是選用太陽能 光電板，太陽能光電板陣列是採用兩串並聯而 成，每串有八個太陽能光電板串聯而成。 表 1 硬體雛型之相關參數 系統參數 市電電壓 120 V, 60 Hz 連結電感 5 mH 切換頻率 20 kHz 太陽能光電板模組 額定功率 75W 開路電壓 21.7V 短路電流 5.0A 直流-直流升壓轉換器 直流電容器 (C1) 4,700 µF 電感 (L1) 3mH 直流-交流逆變器 I 直流匯流排電壓 185V~224 V 電池組 1612V, 7AH 顆電池串連 濾波電感(Lf1) 2 mH 濾波電容(Cf1) 20 µF 直流-交流逆變器 II 濾波電感(Lf2) 0.67mH 濾波電容(Cf2) 20µF 圖9 至 11 所示為混合型電力調整器在市電併 聯情況下之實驗結果圖。圖 9 所示為混合型電力 調整器運轉在模式一之實驗結果，此時，市電電 壓總諧波失真因數為4.1%，如圖 9(a)所示。負載 II 為一整流型非線性負載，其負載 II 電流含有大 量諧波電流，總諧波失真因數為 54%，如圖 9(d) 所示，此值遠超過IEEE Std.519 之標準，會污染 市電電網。經由本計畫之混合型電力調整器吸收 負載II 所需知諧波量與虛功量後，市電電流趨近 於一弦波電流，且相位與市電電壓相位相反，此 時實功電力潮流將注入市電，如圖 9(b)，市電電 流之總諧波失真因數為4.5%，符合 IEEE Std.519 之標準規範，可避免負載諧波汙染市電電網。此 時，再生能源所產生電能提供給負載 II、電池組 充電電能與負載III 所使用，且將多餘的電能注入 至市電。圖10 所示為混合型電力調整器運轉在模 式二之實驗結果。如圖10(b)所示為混合型電力調 整器吸收負載II 之諧波與虛功量後，市電電流趨 近於一弦波電流，且相位與市電電壓同相位，此 時，再生能源產生電能不足提供給負載 II、電池 組充電電能與負載 III，不足電能將由市電來提 供，此時市電電流總諧波失真因數為 4.7%。圖 9 與圖10 驗證直流-交流逆變器 I 不但具有雙向電力 潮流，且具有主動式電力濾波器之功能。圖11 所 示為混合型電力調整器在改變負載 II 之實驗結 果，起初再生能源所產生之電能小於負載III、電 池組充電電能與負載 II 所需之電能，此時電力潮 流由市電流入至混合型電力調整器；當負載 II 卸 載後，再生能源產生電能大於載III、電池組充電 電能與負載 II 所需之電能，此時多餘的電能注入 至市電，而運轉模式由模式二切換至模式一，且 圖 11(b)所示為市電電流相位由與市電電壓同相 位轉換至相位相反。因此，圖11 所示可驗證直流 -交流逆變器 I 具有良好的暫態響應。 圖 9 混合型電力調整器於模式一之實驗結果，(a)市電電 壓，(b)市電電流，(c)直流-交流逆變器 I 輸出電壓，(d)負載 II電流。 圖 10 混合型電力調整器於模式二之實驗結果，(a)市電電 壓，(b)市電電流，(c)直流-交流逆變器 I 輸出電壓，(d)負載 II電流。 圖 11 混合型電力調整器於負載 II變動下之實驗結果(由模式 二切換至模式一)，(a)市電電壓，(b)市電電流，(c)直流-交 流逆變器 I 輸出電壓，(d)負載 II 電流。 圖 12 所示為混合型電力調整器在市電含有 突波與陷波之實驗結果。因連結電感能抑制市電 電壓之突波與陷波之干擾，使直流-交流逆變器 I
8 輸出電壓為一弦波電壓，如圖12(c)所示為含突波 與陷波之干擾之市電電壓波形下直流-交流逆變 器 I 之輸出電壓波形。此可驗證本計畫所提出之 混合型電力調整器能有效的保護負載 II，防止遭 受市電電壓突波與陷波之干擾。 圖 12 混合型電力調整器在市電含有突波與陷波之實驗結 果，(a)市電電壓，(b)市電電流，(c)直流-交流逆變器 I 輸出 電壓，(d)負載 II 電流。 圖 13 直流-交流逆變器 II 輸出電壓與輸出電流之實驗結 果，(a) 直流-交流逆變器 II 輸出電壓，(b) 負載 III 電流。 圖 14 在獨立運轉模式下，負載 III 瞬間卸載之實驗結果(模 式 4 轉換至模式 3)，(a)直流匯流排電壓，(b)電池組電流， (c)直流-交流逆變器 II 輸出電壓，(d)負載 III 電流。 圖 13 所示為直流-交流逆變器 II 輸出電壓與 輸出電流之實驗結果。由圖中可知，直流-交流逆 變器II 輸出電壓近乎為一弦波電壓，總諧波失真 因數為 3.1%，且負載 III 為一非線性負載，負載 III 電流所諧波失真因數為 60.5%。負載 III 連接於 直流-交流逆變器 II 之輸出端，而非直接連接至市 電，因此市電之電力品質將無法影響負載III，此 實驗結果驗證直流-交流逆變器 II 能提供一優質 電力品質電源給負載 III 使用。圖 14 所示為在獨 立運轉模式下，負載III 瞬間卸載之實驗結果。因 再生能源產生電能小於負載III 所需電能，不足電 能由電池組提供，此時運轉在模式四，電池組電 流為負值，如圖 14(b)所示。當負載 III 減少時， 再生能源產生電能大於負載III 所消耗之電能，多 餘的電能將會對電池組充電，此時運轉在模式 三，因此，電池組電流將由負值轉變成正值，如 圖 14(b)所示。圖 14 所示驗證本計畫所提出之混 合型電力調整器在模式變換中，具有良好的暫態 響應。 一 R-L-C 負載相互並聯其值分別為 14.4Ω、 15.28mH 與 461µF，並將 R-L-C 負載放至負載 II 以測試偵測孤島運轉功能[21]。此 R-L-C 負載響 應頻率為60Hz，品質因數為 2.5。直流-交流逆變 器 I 輸出功率若與 R-L-C 負載恰巧相等時，市電 電流將會趨近於 0，並利用在符合 IEEE1547[22] 此條件下來驗證偵測孤島運轉功能。圖15 所示為 混合型電力調整器在孤島運轉之實驗結果。在市 電故障斷電前，市電電流趨近於0，如圖 15(b)所 示，此表示再生能源所產生電能恰巧與 R-L-C 負 載所消耗電能相等。在市電斷電後，市電電流將 變為0 且直流-交流逆變器 I 輸出電壓會因為加入 虛擬電感控制信號 S2遭受擾動，而偵測孤島運轉 方式將偵測直流-交流逆變器 I 輸出電壓是否遭受 擾動。如圖 15 所示，當發生孤島運轉時，直流-交流逆變器 I 停止運轉，偵測孤島運轉時間為 56ms，此符合 IEEE-1547 之規範。圖 16 所示為混 合型電力調整器在孤島運轉發生時之暫態實驗結 果。如圖16 所示，直流-交流逆變器 I 在偵測發生 孤島運轉時，直流-交流逆變器 I 將會停止運轉， 且混合型電力調整器將會與市電切離，並轉換成 獨立運轉模式。在此實驗中，因直流-交流逆變器 輸出的功率與負載 II 所消耗的功率不相同，因此 能很快速偵測到發生孤島運轉。在市電斷電後， 並偵測出發生孤島運轉，直流-交流逆變器 II 依然 能提供優質電力品質電源給負載III 使用。此實驗 結果可證明不論混合型電力調整器在市電併聯時 或獨立運轉狀態，直流-交流逆變器 II 皆能提供優 質電力品質電能給負載III 使用。 圖 15 混合型電力調整器在孤島運轉之實驗結果，(a)市電電 壓，(b)市電電流，(c)負載 II 電壓，(d)負載 II 電流。
圖 16 混合型電力調整器在孤島運轉發生時之暫態實驗結 果，(a)市電電壓，(b)市電電流，(c)直流-交流逆變器 II 輸出 電壓，(d)負載 III 電流。 圖 17 所示為在太陽瞬間遮蔽情況下之最大 功率追蹤實驗結果，此時，環境溫度、太陽能光 電板背板溫度與太陽照度分別為 24.4℃、45.4℃ 與 852W/m2。當太陽能光電板遭受遮蔽時，最大 功率會持續追蹤使太陽能光電板輸出最大功率， 因此，太陽能光電板輸出電壓、輸出電流與輸出 功率也會跟隨改變。如圖17 所示，此實驗驗證本 計畫所提出混合型電力調整器之直流-直流升壓 轉換器能有效並快速使太陽能光電板達到最大功 率追蹤之功能。 圖 17 太陽瞬間遮蔽情況下之最大功率追蹤實驗結果，(a) 再生能源輸出電壓，(b)再生能源輸出電流，(c)再生能源輸 出功率。 圖 18 市電併聯情況下電池組充電之實驗結果，(a)電池組電 壓，(b)電池組電流。 圖 18 所示為在市電併聯情況下電池組充電 之實驗結果，電池組在定電流(CC)充電情況下， 充電電流為2.1A，且電池組電壓將會慢慢上升， 當電池組電壓達到浮充電壓時，電能轉換器將會 改變成定電壓充電(CV)模式。在定電壓充電模式 時，電池組電壓固定不變而充電電流將會慢慢降 低。圖18 所示為驗證本計畫所提出混合型電力調 整器在市電併聯情況下，能有效對電池組進行定 電流/定電壓(CC/CV)充電。 六 六六 六、、、結論、結論結論 結論 本計畫所提出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，其 具有市電併聯、儲能系統與電力品質改善等功 能，並且可提供不同電力品質電源給不同的負載 使用。經過實驗結果證明此混合型電力調整器含 有以下之特點：(a)直流-交流逆變器 I 不但具有雙 向電力潮流，而且同時含有主動式電力濾波器之 功能，並有良好之暫態響應，(b)孤島偵測方法包 含在直流-交流逆變器 I 之控制器內，並且可有效 偵測出發生孤島運轉，(c)不論處於市電併聯狀況 或是獨立運轉狀態，直流-交流逆變器 II 能產生一 優質電力品質之電能提供給負載III 使用，(d)直流 -直流升壓轉換器能 將再生能源產生之電壓升 壓，同時具有再生能源最大功率追蹤控制之功 能，有效獲取最大電能，(e)混合型電力調整器能 對電池組進行定電流/定電壓(CC/CV)充電。綜合 以上，本計畫所提出之混合型電力調整器能實際 應用於微電網中。 七 七七 七、、、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。研究成果將在國內外期刊、研討會論文逐步 投稿發表；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： 期刊論文：1 篇(投稿審查中) 參考資料 參考資料參考資料 參考資料
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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，其含有以下之特點：(a)直流-交流逆變器 I 不但具有雙向電力潮流，
而且同時含有主動式電力濾波器之功能，以及有良好暫態響應。(b)孤島偵測方
法包含在直流-交流逆變器 I 之控制器內，並且可有效偵測出發生孤島運轉。(c)
不論處於市電併聯或是獨立運轉，直流-交流逆變器 II 能產生一優質電力品質之
電能提供給負載
III 使用。(d)直流-直流升壓轉換器能將再生能源產生不可控之
電壓升壓，同時具有再生能源最大功率追蹤控制之功能，有效獲取最大電能。
(e)
混合型電力調整器能對電池組進行定電流/定電壓充電。綜合以上，本計畫所提
出之混合型電力調整器能實際應用於微電網中。
附件二國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表
日期:2011/08/23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 (II) 計畫主持人: 周宏亮 計畫編號: 99-2221-E-151-067- 學門領域: 電力系統無研發成果推廣資料
99 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： 99-2221-E-151-067-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(II) 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 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 2 2 100% 輸入錯誤 博士生 1 1 100% 輸入錯誤 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% 輸入錯誤 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% 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
