太陽能獨立型系統最大功率追蹤
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(2) 目錄 目錄................................................................................................................................0 目錄 研究背景、 一、研究背景 、動機與目的 .......................................................................................1 二、文獻探討 ...............................................................................................................1 三、研究流程 ...............................................................................................................2 四、研究內容 ...............................................................................................................3 4.1 使用設備.........................................................................................................3 使用設備 軟體................................................................................................................3 軟體 硬體................................................................................................................3 硬體 4.2 最大功率追蹤器設計 ....................................................................................5 法一、 法一 、擾動觀察法 .......................................................................................5 法二、 法二 、三點權位法 .......................................................................................6 4.3 操作流程.........................................................................................................9 操作流程 4.4 研究成果....................................................................................................... 11 研究成果 五、結論與建議 ......................................................................................................... 11 六、參考資料 ............................................................................................................. 11.
(3) 一、研究背景、 研究背景、動機與目的 人類在追逐高科技進度的同時，才漸漸發現往年依賴石油的情況過於嚴重， 使得全球出現能源危機，同時也造成地球臭氧層破洞、溫室效應等現象，衝擊世 界各地的生態環境，且地球的表面溫度近年來不斷地上升，造成冰河面積大幅銳 減，加速海平面上升，威脅許多沿海地區之島嶼。此外，空氣中之二氧化碳排放 量也有逐年增長之趨勢，因而促使地球溫度逐年上升，影響到地球的自然環境， 為了能夠兼顧科技發展與環境的永續經營與維護，如何節制具污染性的石油、煤 與天然氣等石化燃料，同時積極開發再生能源，則成了各國於經濟發展上需要考 慮的問題。 近來，許多先進國家無不重視再生能源的未來性，積極將之列入長期國家政 策發展之重要指標，而我國亦對此不遺餘力，提高政府之推動層級來帶動新興之 太陽光電產業，並利用各縣市之地域性與其他特色，加強其營運經驗，並利用各 項補助及獎勵推廣太陽能發電，期望能創造政策與經濟之雙贏局面[4]，而根據 經濟部所發布之「太陽光電發電示範系統設置補助辦法」中指出，獨立型系統每 峰瓩裝置容量最多可補助新台幣三十五萬元[5]，至 2007 年為止，我國太陽光電 系統之累積裝置容量已達 2.06MW，且目前仍在成長當中，預計要在 2015 年到 達 320MW，並於 2025 年到達 1000W。而對於獨立型系統而言，因為可單獨供 應負載所需之電力，並將其剩餘電力儲於蓄電池，供夜晚所需之用電，因此為了 提高太陽能發電能量之利用率，以促進系統整體效率之提升，故本文乙太陽光伏 獨立型發電系統之研究為主，研究其最大功率追蹤法則之優劣，期望能增進其系 統效率及太陽能發電的實用性。[1]-[5]. 二、文獻探討 一個典型的獨立型系統如圖 1 所示：. Battery. ＋ PV Module. Vp. DC/DC Converter. －. 圖1. Load. 太陽能獨立型發電系統架構. 通常太陽能板的輸出電壓與電流並不會與電池的規格相同，因此通常需要用 一些電力電子轉換器，如降壓轉換器(Buck Converter)，將電壓與電流作一轉換以. 1.
(4) 因應負載之需求。其中 DC/DC Converter 之控制架構如圖 2 所示： Load. DC/DC Converter Battery. PWM. Vp Vp, Ip. Voltage Controller. MPPT Controller 圖2. DC/DC Converter 之控制架構. 其中 Vp, Ip 分別為太陽能板之輸出電壓與電流，以 MPPT 控制器做追蹤調 整，再經過電壓控制器(Voltage Controller)產生 PWM 開關控制信號，確保太陽能 板不會遠離其工作點。故本文希望能設計良好的 MPPT 來改善其系統性能。. 三、研究流程 由於本研究之重點貴在太陽能板控制於操作點以輸出最高電力，因此我們首 先要參考已經證實可用之 MPPT 法則，先在模擬軟體 PSIM 上做相關電路設計之 驗證，然後再將其應用於硬體機台中，其流程如圖 3。其中太陽光源以舞臺燈與 白熾燈代替，再以 Matlab 的 Real-Time 系統進行監測，當硬體驅動連結時，便可 透過 D/A 卡傳送訊號至主機處理並將 PWM 信號與步級馬達仰角命令傳回集電 板機台，形成一個完善的系統迴路. 圖3. 研究流程圖. 2.
(5) 四、研究內容 研究內容 4.1 使用設備 軟體： 軟體 ：PSIM 6.0、 、Matlab/Simulink 硬體(由台灣仿真科技股份有限公司提供 由台灣仿真科技股份有限公司提供) 硬體 由台灣仿真科技股份有限公司提供 1. 太陽能集光板操作機台 調光器 調光器. 模擬光源. 太陽能集光板. 步進馬達(PC 檔調光板仰角) 步進馬達 光板仰角 照度計(需開蓋 照度計 需開蓋) 需開蓋. 左：白熾燈. 右：舞臺燈 光源(藍色舞臺燈 光源 藍色舞臺燈+白色白熾燈 藍色舞臺燈 白色白熾燈) 白色白熾燈. 操作模式切換. 舞臺燈調光器 調光器 白熾燈調光器 圖 4 操作機台示意圖 (操作模式切換：分 PC 與 JOG 檔，切 PC 檔時從電腦下光源命令(以電壓表示)， 切 JOG 檔時以該機臺上之調光器順時針轉動來設定光源亮度). 3.
(6) 2. 主機控制箱 太陽能板監看電表. PC/JOG 切換 機台太陽能板接點. PV 板輸出點. 充電控制器接點. JOG 調光設定. DC/DC 電力轉換器 (上面：buck converter 下麵：boost converter). 仰角監控 (H 表太陽能板 與地面平行) (a)正面. 舞臺燈調光驅動開關. 蓄電池接點. 白熾燈調光驅動開關. 舞臺燈控制接點. 白熾燈控制接點. (b)背面 圖 5 主機控制箱正背面結構(調光驅動開關在太陽能集光板操作機台的側面也 有，當要調整光源時務必將四個開關扳至”on”，且操作機台側面之舞臺燈調光驅 動開關與機台內之散熱風扇相連，如不扳至”on”將無法使風扇運轉) 3. 蓄電池(如圖 6)與負載(如圖 7). 圖6. 圖7. 4.
(7) 4.2 最大功率追蹤器設計 本研究以擾動觀察法與三點權位法為主，設計其 MPPT 控制器，讓太陽能 板確實操作至工作點以增加其效率。 法一、 法一 、擾動觀察法. 圖8. 擾動觀察法之控制流程圖(附註：[6]). 如圖 8 所示，擾動觀察法乃藉由目前之太陽能板輸出功率(Pn+1)與電壓(Vn+1) 以及前一時刻之太陽能板輸出功率(Pn)與電壓(Vn)或其初值相比較，來決定其輸 出電流，進而逼近最大功率點，本研究乃依其特性設計出如圖 9 之控制器架構。. 圖9. 擾動觀察法最大功率追蹤器. 5.
(8) 其中，Vdir 可決定追蹤方向，若數值愈大代表追蹤的起點與從開路電壓做追 蹤之方向相同，若數值愈小則與從短路電流做追蹤之方向相同。 三點權位法 法二、三點權位 法 考慮擾動觀察法會於最大功率點附近振盪造成功率之損失，故藉由週期性擾 動太陽能輸出端電壓，並與功率做三點比較，這三個點分別為電流工作點 A、點 B 與點 C，其可能的擾動狀態與詳細之控制流程如圖 10(附註：[7])。. (a). 圖 10. (b) (a)三點權位法可能的擾動狀態 (b)三點權位比較法之控制流程圖. 6.
(9) 由此可知，若 B 點的功率超過或等於 A 點，則增加權重，反之則減少權重； 若 C 點的功率小於 A 點，則增加權重，反之則減少權重。當發生兩次增加權重， 則需增加工作週期，反之則減少工作週期。若在增加權重後，已追蹤到最大功率 點或是太陽輻射之變化相當快速時，則工作週期便不需再做修正，反之亦然。根 據其控制流程與精神，可設計出如圖 11 之追蹤器。. 圖 11. 三點權位法最大功率追蹤器. 除了上述提到的三點權位法之外，為能確保當總權重變化為 0 之時基準點 A 能夠更確實落於最大功率點，故可加入中點追蹤之概念，猶如圖 12 所示，若取 一小段之 ABC 線段進行線性化，則可將 B 與 C 點的中點求出做為參考點 A*， 並藉由追蹤 AA*之線段斜率來協助吾人得知 A 點是否到達最大功率點。. 7.
(10) (a). (b). (c). (d) 圖 12 (a)太陽能板 P-V 曲線圖 (b)II 區曲線放大圖(A 恰為最大功率點) (d) IV 區曲線放大圖 (c)I 區曲線放大圖. 8.
(11) 4.3 操作流程 Step1: 依據圖 13 接線. 圖 13 降壓轉換器之 MPPT 接線實驗圖 Step2: 打開主機控制箱電源及其背面之調光驅動開關、太陽能集光板操作機台側 面之調光驅動開關(控制舞臺燈與風扇的開關是同一個)，若切至自動檔(PC)，則 由電腦下亮度命令(見 Step3、Step4)；若切至手動檔(JOG)，則由集光板機臺上之 調光器調整集光板所受的光照強度(見 Step 4) Step3: 打開 Matlab，確定預設路徑為 c:\ft_6810，並打開 Model 作編譯動作，當 出現“successful completion of Real-Time Workshop build procedure for model”的字 樣後，點選“Connect to Target”並開始 run 該 Model(如圖 14)。 Pulse. 仰角控制. 調光器 Light 1. Analog Output. Light 2. Step Motor Subsystem. buck converter 開關控制信號輸出器. Analog Output. Light Control Subsystem. Advantech PCI-1716 [auto]. Feedback V. Light 1 Command (V). Ip. 18. Vp*. Vstart. Light 2 Command (V) Vstart. Vcon_Buck. PWM Vcon. Vp. MPPT 初始追蹤電壓. Bad Link. Direction. MPPT. Vcon_Buck. 0~100V. Saturation2. Vpv Buck Subsystem Vpv (V). MPPT PV Voltage. PV 量測. Ipv. PV Voltage (Vdc). Ipv (A) PV Current (Idc). Ppv PV Current. Ppv (W) PV Power (W). Analog Input. Lux Voltage Lux Meter (Lux). Analog Input. PV Feedback Subsystem. Advantech PCI-1716 [auto]. Lux Meter (Lux). Lux Buck Voltage (V). Vbu. Feedback V. Vbu (V) Buck Current (A). buck converter 量測. Ibu Ibu (A). Feedback I Buck Power (W). Pbu Pbu (W). Buck Feedback Subsystem. 圖 14. Matlab/Simulink Real-Time Model. 9. D/A Converter_1.
(12) Step4: 切換自動檔時，打開調光器 Model(如圖 15)，更改 block 的數值，範圍為 8.5~10，命令電壓數值愈大燈泡愈亮，若改變 Light Command Voltage 1 的命令， 則所有舞臺燈將隨該命令一同調整亮度；若改變 Light Command Voltage 2 的命 令，則所有白熾燈將隨該命令一同調整亮度。若切換手動檔，則由圖 4 之調光器 對機台的舞臺燈與白熾燈進行控制，其中舞臺燈有三個旋鈕，每一個旋鈕僅控制 一個舞臺燈；白熾燈則有兩個旋鈕，每一個旋鈕控制一排(五顆)白熾燈，兩個旋 鈕愈往順時針轉動則燈泡愈亮。. 圖 15. 自動擋下的調光器命令 Model. Step5: 監測數據並記錄(圖 16~圖 18). 圖 16. 集光板機台模擬光源運作情形. 圖 18. 圖 17. 主機控制箱上電表顯示的數據. 10. 追蹤過程.
(13) 4.4 研究成果 照度增強，太陽能理當能維持在此環境條件下之最大功率，這也是 MPPT 控制器應當做的，不過，由於圖 14 預設是採用以擾動觀察法為概念設計之追蹤 控制器，故即便將舞臺燈開到最亮，也無法確實準確落於最大功率點(見附件 1)， 為了能夠將其準度提高許多，故將前面討論到之三點權位法及其附有中點追蹤概 念的兩個控制器，分別做一次定點追蹤實驗，看是否能較快、較精準地讓太陽能 板操作於工作點，由此三種不同想法得到的實驗結果及比較表如附件 2~5 所示。 由此可知無論追蹤方向為何，三點權位法都能比擾動觀察法更能精確地讓太陽能 板操作於最大功率點。. 五、結論與建議 本研究所做之最大功率追蹤控制器，旨在改善太陽能光電系統之效率，有效 地讓太陽能板於其工作點操作，確實供應負載及蓄電池之需求，然對這類型之太 陽光電系統而言，如何更確實調節蓄電池之充電電流與電壓來保護蓄電池並控制 其電力分配情形，將是使該系統應用更擴充之關鍵，因此著實希望未來能結合完 備之充電電流控制器，一方面適時補償 MPPT 控制器，完成精確之最大功率追 蹤，另一方面也控制蓄電池之充放電速率，以求能穩定供應後端之負載。. 六、參考資料 [1] ‘Earth’s Temperature Tracker’, http://www.giss.nasa.gov/research/features/200711_temptracker/ [2] ‘University of Colorado Global mean sea level’, http://sealevel.colorado.edu/ [3] ‘Global Warming – Misconceptions’, http://www.coolantarctica.com/Antarctica%20fact%20file/science/global_warming3.h tm [4] 財團法人中技社，「落實台灣太陽光電兆元產業政策」議題對政府之建言 [5] 經濟部能源局，太陽光電發電示範系統設置補助辦法，民國 94 年 [6] 江炫樟，"太陽能電力轉換器系統之分析與設計" [7] Joe-Air Jiang, Tsong-Liang Huang, Ying-Tung Hsiao and Chia-Hong Chen, “Maximum Power Point Tracking for Photovoltaic Power System,” Tamkang Journal of Science and Engineering, Vol. 8, No 2, pp. 147_153, 2005.. 11.
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