太陽光發電技術之研究與新型太陽光變頻器之研製

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

太陽光發電技術之研究與新型太陽光變頻器之研製

計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC92-2623-7-009-002-ET 執行期間： 92 年 01 月 01 日至 92 年 12 月 31 日 執行單位： 國立交通大學電機與控制工程學系 計畫主持人： 鄒應嶼 報告類型： 完整報告 處理方式： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 93 年 3 月 30 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫

■ 成 果 報 告

□期中進度報告

太陽光發電技術之研究與新型太陽光變頻器之研製

(1/3)

計畫類別：■

個別型計畫 □ 整合型計畫

計畫編號：NSC 92－2623－7－009－ET

執行期間： 92 年 1 月 1 日至 92 年 12 月 31 日

計畫主持人：鄒應嶼

　 教授

共同主持人：

計畫參與人員：

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

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計

畫、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

執行單位：交通大學電機與控制工程系

中 華 民 國 93 年 1 月 30 日

目 錄

摘要(中文) ...2 摘要(英文) ...3 一、計劃緣由與目的 ...4 二、電路架構分析 ...6 三、系統規劃設計 ...6 四、全橋式 DC-DC 轉換之原理與設計 ...6 五、變流器之原理與設計 ...6 六、太陽光變頻器併網控制之原理與模擬 ...6 七、太陽光變頻器之硬體設計與實現 ...6 八、研究成果與討論 ...50 參考文獻 ... 計畫成果自評 ... 附錄

摘 要

本計畫擬發展高性能併網型太陽光發電系統的關鍵技術，並實際製作 一個模組式多功能太陽光發電系統。應用太陽能於再生能源發電系統，由 於具有環保易於安裝等優點，再加上商品化技術的成熟與國家計畫性的輔 助推動，已成為先進國家發展分散式電源系統的主要選擇。太陽能光伏變 頻器 (photovoltaic inverter, PV-inverter)可直接將太陽能光電池所產生的電能 饋入市電，因此不僅可提供使用者的自用電源，也可提供公眾電源另一種 型式的電力來源，形成一個分散式的發電系統。由於光伏變頻器具有廣大 的市場發展潛力，先進國家已開始制訂法規來規範併聯電系統的產業安全 標準。有鑑於光伏變頻器未來的發展潛力，本計畫為期三年，研究與發展 高效率光伏變頻器的系統設計與控制技術。本年度著重於高效率光伏變頻 器的系統規劃與設計，針對單相PV inverter提出模組化的變頻器電路架 構，採用高頻開關，設計符合EMI標準的輸出濾波器，可應用於110/220V 供電網路，額定功率為2kVA，發展以DSP為核心的全數位控制技術，進行 最大功率追蹤控制法則的模擬以及變頻器併網控制的控制器設計與模擬。 關鍵詞： 太陽能光電池、光伏變頻器、DSP控制、市電併聯控制、最大功率轉 換追蹤控制、孤島效應偵測與保護、智慧型最大功率追蹤控制

Abstract

This project focuses on the development of advanced digital control technology for utility-tied photovoltaic inverters. Solar energy has found its great potential in the development of renewable energy due to its easy installation, low cost, and direct applications to the current utility network. The photovoltaic inverter, PV-inverter, can directly transfer the solar energy form the solar cells to the utility power network. The PV inverter can provide electrical power to the home appliances as well as electricity to the utility without using the cumbersome battery. Applications of the PV inverters make it possible to realize distributed power generation systems, this can greatly relief the requirement to build conventional power plants. Because of the great potential in promotion the PV inverters in residential electrical generation, industrialized countries are now proceeding legislations of standards and regulations for utility interface of residential and intermediate PV systems. In order to keep cope with the future development trend, this three-year project focuses on the development of key technologies for advanced utility-connected PV inverters. In the first year, we will focus on the development of a high-efficiency modular power converter for the utility-connected PV inverters. High frequency soft-switching techniques will be used in the design of the PWM inverter to comply with the stringent efficiency requirement. A PWM inverter module with a rated power of 2 kVA has been constructed in applications to 110/220V utility grids. A systematic design procedure has been developed for the synthesis of the output filters of the PWM inverter to comply with the EMI standards. Fully digital control technique for the grid-connected PV inverters based a single-chip DSP controlled has been developed.

Keywords ：solar cell, photovoltaic inverter, utility-tied inverter control, robust control, maximum power point tracking, islanding detection and protection, DSP control, intelligent control

一、計劃緣由與目的

1.1 太陽光發電系統 再生能源(renewable energy)係指可自行再生的能源，例如日光能、風 能、潮汐能、地熱能、生物廢料能等等[1]-[4]。將再生能源有效且經濟的 轉換為一般民生供電，已成為先進科技國家兼顧環保與發電的重要產業發 展政策。此外，根據全世界石油生產統計[5]，石油產量將於十年內達到高 峰，爾後產量將逐年降低，這不僅意味著油價(包括電價)將不再便宜，也 可能導致真正石油危機的到來，間接引發全球經濟風暴。有鑑於再生能源 對未來世界環保與經濟發展的重要性，各先進國家無不全力推動再生能源 的發展計畫[6]-[9]。

太陽光變頻器(Photovoltaic inverter, 簡稱PV inverter)可直接將太陽能光 電池所產生的電能饋入市電，如圖1.1所示，不僅可提供使用者的自用電 源，也可提供公眾電源另一種型式的電力來源，形成一個分散式的發電系 統。太陽光發電技術可以說是電力電子技術、發電技術、與光電材料技術 的綜合衍生技術，太陽光變頻器是其衍生之關鍵產品。雖然環保與能源危 機是引發太陽光變頻器發展的原因，但是其市場發展契機則取決於發電效 率與成本等兩大因素。 由於過去三、四十年來持續發展高污染工業，台灣的自然環境已受到 嚴重的破壞，台灣溫室效應氣體CO2的排放量，在公元2010年將超過1990 年的兩倍，且每年夏季均面臨電力不足的危機，其中夏天尖峰負載用電量 遠高於離峰用電量是很重要的原因，導致在每天的用電高峰時刻均有限電 的可能，對社會造成巨大損失，因此若能有效抑低尖峰用電量，或以再生 能源供給之，則台灣將可擺脫限電的惡夢與減少對自然環境的破壞。 由於全球的氣候改變，以及可預見未來的石化能源危機，太陽光電能 因其乾淨的特性與未來巨大的開發潛力，而受到各國政府、公司及民眾的

青睞。特別是在日本及歐洲，太陽光電能系統已風靡工業界。像是利用太 陽光電能來提供路燈照明、通訊中繼站、及一些緊急用電的例子不勝枚 舉。在貧窮的國家，估計約有十億人住在沒有市電的鄉村，若能利用太陽 光電能提供電視、收音機、照明等家用電力，是最符合經濟效益與環保的 解決方案。 Electrical Distribution System AC PV Panel DC AC DC PV Inverter PV Panel DC AC DC PV Inverter PV Panel DC AC DC PV Inverter PV Panel DC AC DC PV Inverter PV Panel DC AC DC PV Inverter PV Panel DC AC DC PV Inverter 圖 1.1 太陽能發電系統的系統架構圖 自1992年起，美、歐、日等國之電力公司，已展開向住宅用太陽光電 能供電系統購買多餘電力(net metering)之行動，以緩和電力公司在尖峰用 電時供電不足之窘態。德國與日本政府更以補助方式鼓勵住宅用太陽光電 能供電系統之開發與使用，其中日本政府的補助金額更高達全部費用的三 分之二。台灣的能源95%以上均仰賴進口，更應極力推廣太陽能的應用， 以彌補石化能源之不足。

從長期投資觀點而言，太陽光發電是最符合經濟與環保效益的，恩此 歐美先進工業國家，已開始推動住宅用太陽光電能系統。由於目前太陽光 發電系統仍然相當昂貴，因此多由政府提供補助優惠措施，來協助系統的 安裝及採取有效的方法來推廣太陽光電能系統的使用，更須立法使電力公 司來購買系統多餘的太陽光電能，使太陽光電能系統在系統電力的供給上 更具彈性及效益。 日本政府於1994年已訂定了完善的住宅用太陽光電能供電系統安裝補 助計畫。此計畫不但促使日本頂尖的半導體公司及液晶顯示器公司更積極 投入此太陽能市場的生產與製造，更創造了無限商機。日本政府每年約花 費11億日元在住宅用太陽光電能供電系統安裝的補助計畫上，它的目標是 全日本3%的電力消耗要由太陽能來提供，也就是相當於5 GW的電力。

1997年6月美國能源部提出Million Solar Roofs Initiative (MSRI)草案， 期望在2010年在美國建構完成一百萬個具有太陽能能源系統的建築，1998 年 美 國 柯 林 頓 政 府 實 施 『 百 萬 太 陽 能 屋 頂 計 畫 』 (million solar roofs program)，有計畫的推動太陽光電能及太陽能熱水器的使用，目前美國約 有10,000個太陽能屋頂，預計2010年全美國將有超過一百萬個太陽能屋 頂。 歐聯的能源委員會也提出一計畫在歐洲補助建造500,000棟的太陽能房 屋，並在開發中國家另建500,000棟太陽能房屋，歐洲政府每年花5億美金 來補助此計畫。在歐洲荷蘭的Nieuwland計畫，建立一了座太陽能社區，它 包含有5,000個房屋且擁有、公寓、綜合運動場、育護中心及學校各一座， 而所有的建築全部裝有太陽光電板，可發約1 MW的太陽光電能。此電力 不僅夠社區消耗，而且剩餘電力更可完全饋回市電。此Nieuwland計畫只是 冰山一角，指示著太陽能時代的來臨。全世界太陽光電能系統自1990年 後，正以驚人的速度成長，其總發電量為30 MW。而1997年首次超過100

MW大關，從90 MW向120 MW趨進。直至1998年年底，全球太陽光電能總 發電量已達750 MW。 太陽能產業正持續成長，為將來的地球能源展露了一道曙光。它不僅 有20%的年成長率，而且價格也在下降中。它的應用領域也不斷擴增，效 率更加提昇，使用壽命長達20年以上。然而太陽光電能供電系統有不易取 得、不易與市電整合、不易量測系統發電量等問題，並且價格昂貴。為了 解決此問題及增加太陽光電能系統的親和性，必須從減少系統元件數目、 降低系統售價及提高系統效能著手。為達此目的，選擇適當的太陽光電板 及合適的太陽光電能系統是兩大關鍵。 1.2 PV inverter市場發展趨勢 就太陽光發電系統而言，併聯型 PV inverter 將最具發展潛力，原因如下： 1. 從實際的併聯系統得到的經驗可推廣至許多相關應用上。 2. 併聯系統將使政府在 “能源自主”及 “無污染能源開發”的投資上得到 回收。 3. 併聯系統可遞送太陽光電能至市電，降低了市電尖峰用電量的需 求，並可節省電力公司為了每日僅供應數小時的尖峰用電所增加的 發電機組，同時也減少了燃料的消耗及 CO2 的排放。 4. 目前電力的儲存仍需依靠蓄電池，但蓄電池所佔空間龐大，且所費 不貲。而併聯系統之不足電力可由市電來提供，省去蓄電池等儲能 設備。 5. 併聯系統對於想要安裝太陽光電能系統且有能力負擔的民眾提供選 擇。 但是要將此種併聯系統應用在商業大樓上，則因其所有權、付款、及 售價等問題大大降低了需求。併聯系統要有廣大的市場就非住宅用系統莫 屬了，如圖1.2所示。它不但易於市電整合、易於量測發電量、且價格比較 便宜。然而，傳統的系統架構複雜，如圖1.3所示，它通常有直流到直流轉 換器做最大功率點追蹤(MPPT)或兼做充電器，再經一級直流到交流換流器

產生交流輸出，再與市電併聯供電。傳統系統因多級串接，不但體積龐 大、價格昂貴、且效率低落。 為了解決以上的問題，本計畫採用圖1.4的架構來實現併聯系統，省去 了一直流到直流轉換器及昂貴的儲能設備。此外，期望以數位信號處理器 TMS320F24xx來控制換流器達成最大功率追蹤、併聯運轉(grid-connection mode)及自立運轉(stand-alone mode)的正常動作及實現一些簡單保護功能。 如此系統在縮小體積、減輕重量、降低成本上有所突破，也符合目前電子 系統中輕、薄、短、小和數位化的趨勢，更提高了系統的實用性及可靠 度。 家用電器 家用電器 家用電器 電力公司 發電機組 _瓦特表 住宅用太陽光電能 供電系統 W 配電盤 圖 1.2 住宅用太陽光電能供電系統與電力公司連接示意圖 直流到直流 轉換器 DC/DC Converter 直流到直流 轉換器 DC/DC Converter 太陽光電板 PV array 直流到交流 換流器 DC/AC Inverter 蓄電池 Battery 蓄電池 Battery 市電 utility 市電 utility 圖 1.3 傳統併聯型太陽光電能供電系統架構圖

直流到交流 換流器 DC/AC Inverter 太陽光電板 PV array 市電 utility 圖 1.4 單級之併聯型太陽光電能供電系統架構圖 併聯型太陽能發電系統的應用雖然可以解決諸多的能源問題，但由於 電力的併聯，太陽能發電系統經由市電網路的連結將直接對電力系統及其 他各用電戶造成影響。其影響所及除了本身之太陽能發電系統與電力系統 之供電設備及其他用電戶之設備外，還包括維修工作人員及公眾的安全以 及電力系統的電力品質與供電可靠度等。而隨著趨勢的發展，將會有越來 越多的太陽能發電系統併聯於市電網路上，太陽能發電對電力系統的影響 也將更趨明顯。因此，併聯系統之保護協調將是不容忽視的重要課題。 併聯系統之保護裝置簡稱為連結系保護裝置，其設置具有局限化故障 事故範圍之意義。在併聯系統中，當太陽能發電系統發生故障時，為避免 波及併聯系統，太陽能發電設備應即時與電力系統解除併聯；而當所併聯 之電力系統發生故障時，亦須要將太陽能發電設備迅速且確實地與電力系 統解除併聯，其目的除了確保太陽能發電系統不因電力系統之故障事故而 發生損毀外，亦保證包含一般用戶之部分系統不發生單獨運轉之情形，亦 稱之為孤島效應 (islanding phenomenon)。 所謂的單獨運轉是指用戶自備發電設備併聯之電力系統與其系統電源 切離，而僅由用戶自備發電設備群來發電並對線路負載供應電力之狀態。 在太陽能發電系統與市電併聯運轉的狀態下，如因輸配電線事故等使系統 電源被中斷時，若不立刻將太陽能發電系統予以切離的話，將發生安全上 的問題以及再送電時出現障礙等。 太陽光發電系統是一個包含多種關鍵元件與技術的綜合產品，一般的

術的發展，主要在於材料技術，不是本產品開發計畫的重點。太陽光變頻 器基本上是一個以電力電子技術為核心的電源轉換產器，其性能評估指標 包含多項因素，如效率、功率密度、輸出電流總諧波失真、功率變化穩定 性、最大功率轉換追蹤控制之整體效率、可靠性、每瓦價格、控制技術、 安全保護等等。工業先進國家在太陽光變頻器領域的研究發展已有相當時 日，這其中的關鍵技術包括：最大功率轉換追蹤控制、電網併聯控制、孤 島效應偵測與控制、認證標準與安全規範製定等等，國內近年來也致力於 太陽光發電技術的發展，但在產品開發方面，仍有相當的距離。本計畫發 展發展併聯型太陽變頻器的關鍵技術，建立提升國內產業界發展新型併聯 型太陽變頻器的基礎。 1.3 報告內容 本報告共分八章，內容安排如下：第一章說明計劃緣由與目的，同時 說明目前太陽光發電系統的發展現況與趨勢。第二章探討併網型太陽光變 頻器的電路架構；第三章針對擬設計的併網型太陽光變頻器提出系統規劃 設計與說明；第四章探討DC-DC全橋式轉換器之原理，包括工作模式與轉 換器電路設計，接著推導其電路模型並據以設計其電壓模式控制器，其次 說明太陽能電池之特性及所採用之最大功率點追蹤控制方法，最後再將所 提之最大功率點追蹤控制器與DC-DC轉換器之PV電壓控制結合，由一些 PSIM模擬結果來加以驗證所提電路及控制方法之有效性。第五章探討變流 器之原理與設計，首先說明採用單電壓極性切換(unipolar voltage switching) 之單相電壓源全橋式變流器之原理，接著推導其電路模型，據以設計其各 式控制器包括電流迴路以及直流鏈電壓迴路之控制器等。這些控制器之設 計並以實際DSP程式撰寫為考量，因此包含了數位控制方式以及C++程式 之說明。最後並將設計所得以PSIM模擬來加以驗證，除包含變流器本身之 模擬外，亦結合了DC-DC轉換器作整個系統之模擬。

第六章說明太陽光變頻器的數位控制器設計與實現，並說明併網數位 式電流控制之原理與模擬；第七章說明太陽光變頻器之硬體設計與實現； 第八章說明本計畫現階段的研究成果與討論。

二、電路架構分析

應用太陽能於再生能源發電系統，由於具有環保易於安裝等優點，再 加上商品化技術的成熟與國家計畫性的輔助推動，已成為先進國家發展分 散式電源系統的主要選擇。 Inverter Power conditioner

Rectifier Unit UtilityUtility

Load Solar battery Solar battery Power conditioner battery Emergency load

Self type system • For emergency power

Emergency

Usual

Direct current interconnection • For inverter control

Solar battery Power conditioner

Load Load

• For no power supply

Stand alone Solar battery Solar battery Load Load (a) Stand-alone Utility Utility

(b) Stand-alone with utility

(b) Line tie PV inverter with AC Backup

Load Load Power conditioner

Interconnection system • Clean energy

Solar battery Solar battery

(c) Line tie PV inverter

Utility Utility 圖 2.1 不同型式太陽光變頻器的系統架構圖 太陽光變頻器根據其應用需求有許多不同的型式，圖2.1所示為不同型 式太陽光變頻器的系統架構圖，圖2.1(a)為獨立型太陽光變頻器，將太陽能 轉換為負載所需的電能，如獨立使用的電子系統，其供電隨著日照而改 變，供電狀況不穩定，一般應用於非關鍵性的場合。圖2.1(b)為可由市電一 起供電的混和式太陽光變頻器，負載電能由太陽能與市電提供，負載所需 功率的差額由市電提供，此種型式的變頻器可提供穩定的電源，但若負載 所需的電力較低時，亦無法運用所產生的多餘電能。圖2.1(c)為併網型太陽 光變頻器，可將太陽光轉換之電能直接饋入市電，系統不需要蓄電池。圖 2.1(d)為可提供備份電力的不斷電併網型太陽光變頻器，除了可將太陽光轉

換之電能饋入市電以外，當市電中斷時，亦可由電池提供電力並維持系統 電力的正常供應。 PV Panel DC AC DC PV Inverter Electrical Distribution System AC 圖 2.2 併網型太陽光變頻器的系統方塊圖

併網型太陽能光伏變頻器 (photovoltaic inverter, PV-inverter)可直接將太 陽能光電池所產生的電能饋入市電，不需要額外的電池組來儲能，如圖2.2 所示，因此大幅的降低了電池的安裝與維護成本，也去除了潛在的報廢電 池所可能造成的環境污染。 併網型太陽光發電系統由於裝置容量的不同發展出不同架構的太陽光 變頻器電路架構如圖2.3所示。圖2.3(a)為集中式的太陽光變頻器，主要應 用於大型三相為主的太陽光發電系統。圖2.3(b)為中容量的串聯併網型太陽 光變頻器，將太陽能電板模組予以串聯以便獲得較高的電壓，變頻器採用 單級式變頻器以提高發電效率。圖2.3(c)為小容量的併網型太陽光變頻器， 由於太陽光模組的輸出電壓較低，多採用兩級式變頻器。 由於太陽能電板之發電電壓通常每個約12V左右，不容易達到高壓需 求，一般皆須以兩級研製；前級為直流轉換級負責將太陽能板電壓提高， 常用者以推挽式直流轉換器予以昇壓，其屬隔離型直流轉換器，但多開 關、體積大為其缺點，影響效率，而效率是太陽光發電系統關性的指標， 故尋求單開關、高效率及穩健之直流轉換器及探討成為重要的議題；後級 則扮演直流轉交流的變流器角色，目前皆採單相單電壓AC110V或AC220V

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(a) PV plant with central inverter.

(b) PV plant with string inverters. ~ = -+ ~ = ~ = -+ ~ = -+ ~ = ~ = -+ ~ = -+ ~ = ~ = -+ line line ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = line

(c) PV plant with module inverters. ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = line

(c) PV plant with module inverters.

圖 2.3 併網型太陽光變頻器的系統架構圖 電路架構的分類 併網型太陽光變頻器的電路架構基本上根據其是否與市電隔離，可分 為隔離型與非隔離型，而隔離的方式又可分為低頻(市電頻率)與高頻(一般 高於20 kHz)兩種。 由於太陽光模組所產生的電壓為直流電壓，一塊單片的太陽光模組(面 積約為60cm x 120cm)的最大輸出功率電壓約為17V，因此必須藉由數塊太

陽光模組才能得到所需求的功率，同時這些太陽光模組又必須經由適當的 串聯與併聯才能得到與太陽光變頻器匹配的輸入電壓與電流。太陽光變頻 器的設計為了適應不同太陽光模組的組合同時達到最大功率轉換的效果， 其可達到的MPPT輸入電壓控制範圍就成為重要的性能指標。

併網型太陽光變頻器必需要將輸入直流電壓予以升壓及變流(直流-交 流轉換)，其電路架構又可分為單級式(single-stage power conversion)與雙級 式(double-stage power conversion)。一般而言，單級式的功率轉換效率較 高，但MPPT輸入電壓控制範圍較小；雙級式的功率轉換效率較低，但 MPPT輸入電壓控制範圍較大。 雙級式單相三線太陽光變頻器 台灣的家庭市電供電線制為單相三線制(1φ3W 110/220V)，光伏變頻 器AC220V輸出時無法提供中性點，除非裝設變壓器解決，否則併聯市電 時，可能造成兩單相負載不平均而導致分壓不均，致使負載燒毀發生危險 事故，因此必須發展單相三線制變流輸出之設計，一般設計以三相六開關 形成單相三線輸出，但開關過多不僅降低效率，控制也更為複雜，目前仍 處於研究階段，未見商品化之產品發表。 圖2.4所示為本研究提出的新型三線單相式多功能併網型太陽光變頻器 的電路架構圖，前級為單開關升壓式直流轉換器，具有電路簡單及效率高 之特性，因應太陽能電池在不同日照條件下之輸出電壓變動範圍，調整責 任週期比驅動開關切換，提供穩定之直流鏈電壓，二極體並提供前後級隔 離及保護太陽能板；同時，配合最大功率追蹤技術，達到最大的能源轉換 效率。 後級採用雙半橋式變流電路架構，輸出兩組共地之反相AC110V電 壓，再以電壓差觀念，提供相對AC220V之較高輸出電壓，提供台灣地區

種電壓選擇之優點外，更可為將來太陽能系統與家庭用電線制之併聯需 求，省去變壓器轉換的金錢及空間浪費。

S4 S2 S1 S3

Solar Cell Array

AC 110/220V (50/60Hz)

High-frequency

Boost Converter Low-frequency Inverter Bridge AC filter Single–phase Three–wire Electric Utility Lines G B N A Digital Signal Processor DSP Optional Front Panel Controller RS – 232 or 422 Grid Voltage Feedback

Inverter Current Feedback Grid Voltage Feedback Ground Current Feedback G L D C₁ C₂ S5 S4 S2 S1 S3

Solar Cell Array

AC 110/220V (50/60Hz)

High-frequency

Boost Converter Low-frequency Inverter Bridge AC filter Single–phase Three–wire Electric Utility Lines G B N A Digital Signal Processor DSP Optional Front Panel Controller RS – 232 or 422 Grid Voltage Feedback

Inverter Current Feedback Grid Voltage Feedback Ground Current Feedback G L D C₁ C₂ S5 圖 2.4 三線單相式併網型太陽光變頻器的電路架構圖

太陽光發電系統的規劃

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+ -

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line M N N = M x L vdc Idc vPV I_PV 圖 2.5 太陽光模組的排列組合圖 考慮併網型變頻器電路架構的重要考量之一就是效率與成本，電路架 構基本上可分為單級式(single-stage power conversion)與雙級式(double-stage power conversion)。雖然單級式電路架構的效率較高，但是直流鏈電壓必須 高於市電之峰值電壓，以110V市電而言，直流鏈電壓必須高於150V，考慮 實際狀況，一般的直流鏈電壓定於200V，對220V的供電系統，直流鏈電壓 則定於400V。雖然雙級式電路架構的效率較低，但可進行最大功率轉換的 電壓範圍則較大，整體效率則可能較高，但成本較高。 典型的單板太陽光模組(PV module)為60 cm x 120 cm、100 W、最大功 率電壓17V，因此一個併網型太陽光發電系統通常必須要由數十個乃至數 百個太陽光模組組成，圖2.5所示是太陽光模組的排列組合圖。決定併網型 變頻器電路架構的另一個重要考量之一就是額定功率，一個基本的太陽光 模組的額定功率約為100 W，以2 kW併網型變頻器為例，若效率為90%， 則輸入功率為2222W，若每塊太陽光模組之最大轉換功率為100W，則需要 23塊太陽光模組，為了要組成MxL的矩陣，則需要24塊。24塊太陽光模組 有1x24、2x12、3x8、4x6四種組合，其最大輸出功率電壓分別為408V、 204V、136V、102V。若考慮110V供電系統，則單級式可採用2x12的組 合，對於220V供電系統，則單級式可採用2x12的組合。

現階段由於太陽電池模組的輸出電壓限制，因此低功率(<2 kW)的併網 型變頻器多採用雙級式電路架構，但為了降低成本與提昇效率，太陽電池 模組的最大功率電壓將逐漸提升，單級式則將成為主流。 分散式電力供應系統 圖 2.6 併網型分散式電力供應系統 併網型太陽能光伏變頻器不僅可提供使用者的自用電源，也可提供公 眾電源另一種型式的電力來源，形成一個分散式的發電系統。圖2.6是不同 電力來源所形成的併網型分散式電力供應系統，藉由微電子與電力電子技 術的發展，二十一世紀將出現眾多這種以小型的分散式電力供應系統，以 不同的能量來源來產生電力，這其中併網型變頻器就有如電力網路的控制 閘口，具有龐大的發展潛力。

併網型太陽光變頻器的產品分析 由於併網型變頻器具有潛在的廣大應用市場，因此已逐漸成為指標性 的規格產品，表2.1列出2 kVA左右的商品化併網型太陽光變頻器，從其中 可看出其效率多介於90-94%。 表 2.1 商品化併網型太陽光變頻器的比較表 120 Vdc 　 　 400 Vdc 600 Vdc 120 Vdc

Absolute Maximum PV Open Circuit Voltage (Voc)

　 450 Vdc 450 Vdc 　 　 52~85 Vdc

Full Power Output

180~240 Vdc 100~380 Vdc 150~400 Vdc 100~400 Vdc 125~600 Vdc 44~85 Vdc Mppt Voltage Range 200 Vdc 　 150~450 Vdc 200 Vdc 125~600 Vdc 48 Vdc

DC Input Voltage (Nominal)

50/60 Hz 50 Hz 50 Hz 60 Hz 49.8~50.2 Hz 60 Hz Frequency (Nominal) 　 　 　 　 　 Current source AC Output Characteristics 92% 95% 94.40% 92.50% 96% 94% Efficency (Peak) 2000W 1600W 1800W 2000W 1900W 2000W Continuous Power 104~115 Vac 　 212~264 Vac 105~127Vac 198~260 Vac 211~264 Vac

AC Output Voltage Range

110 Vac 230 Vac 240 Vac 120 Vac 240 Vac 240 Vac

AC Output Voltage (Nominal)

Apollo 2000 QS2000 IG2000 2500 2KW 2100TL STXR2000 Sysgration Mastervolt Fronius Omnion Sunny Boy Xantrex 120 Vdc 　 　 400 Vdc 600 Vdc 120 Vdc

Absolute Maximum PV Open Circuit Voltage (Voc)

　 450 Vdc 450 Vdc 　 　 52~85 Vdc

Full Power Output

180~240 Vdc 100~380 Vdc 150~400 Vdc 100~400 Vdc 125~600 Vdc 44~85 Vdc Mppt Voltage Range 200 Vdc 　 150~450 Vdc 200 Vdc 125~600 Vdc 48 Vdc

DC Input Voltage (Nominal)

50/60 Hz 50 Hz 50 Hz 60 Hz 49.8~50.2 Hz 60 Hz Frequency (Nominal) 　 　 　 　 　 Current source AC Output Characteristics 92% 95% 94.40% 92.50% 96% 94% Efficency (Peak) 2000W 1600W 1800W 2000W 1900W 2000W Continuous Power 104~115 Vac 　 212~264 Vac 105~127Vac 198~260 Vac 211~264 Vac

AC Output Voltage Range

110 Vac 230 Vac 240 Vac 120 Vac 240 Vac 240 Vac

AC Output Voltage (Nominal)

Apollo 2000 QS2000 IG2000 2500 2KW 2100TL STXR2000 Sysgration Mastervolt Fronius Omnion Sunny Boy Xantrex Competitor Specifications Competitor Specifications

三、系統規劃設計

本研究擬發展高性能併網型太陽光發電系統的關鍵技術，並實際製作 一個額定功率為2 kW的模組式多功能太陽光發電系統。圖3.1所示是一個併 網型太陽光發電系統的系統架構圖，包含四個子系統：太陽光模組、功率 轉換器、控制器、與監控軟體。本計畫將發展其中的功率轉換器、控制 器、與監控軟體，並整合太陽光模組完成一個額定功率為2 kW的併網型太 陽光發電系統。 3.1 系統發展平台 本研究主要著重於併網型太陽光變頻器的數位控制技術，首先針對硬 體電路之開路特性分析設計，並以簡化之模型進行多迴路控制器設計，應 用不同控制器之特性及優點，達到降低成本、提高能源轉換效率、增加系 統頻寬、改善系統暫態及穩態特性之目的。 系統架構之數位控制模擬及控制參數設計採用電路模擬軟體PSIM建構 完成，配合自行研發建立之實驗平台，如圖3.1所示，以DSP為基礎之數位 控制板、功率級，配合一個自行發展的視窗化DSP監控軟體WinDSP，進行 整 合 實 測 驗 證 。 經 RS-232 作 為 數 位 控 制 卡 與 電 腦 間 資 料 的 連 結 ， 因 WinDSP具有線上觀察控制波形與調整控制器參數的功能，使控制程式之 發展更加方便與快速。 本研究採用PSIM模擬軟體進行數位電源控制模擬及設計，未來將以單 晶片DSP實現控制法則做準備，完成全數位控制太陽能光伏變流器整體測 試。先由模擬分析確認提出控制架構之可行性，再進行電路與控制的設計 與實現。 本研究設計全數位控制之單相三線制太陽能光伏變流器，以數位訊號 處理器(DSP)為基礎，全數位式設計達到光伏能之高轉換效率、最大功率追 蹤及市電併聯技術及保護等多項複雜之快速控制需求。選擇昇壓型轉換電

路為前級，後級以雙半橋式為輸出之硬體架構，完成一個適用於具有單相 三線制系統之地區，提供多電壓之穩定輸出，兼具備用電源提供與高效能 環保發電之目的，符合時代需求之趨勢。控制架構前級採用多迴路控制方 式，回授調整追蹤太陽能板之最大輸出能量，提供穩定之直流鏈電壓；後 級則控制兩組半橋式轉換器輸出提供共地點，適合市電併聯需求以發展併 聯技術。 升壓器 booster 市電 utility 換流器 Inverter 功率轉換器級 (power converter) 輸入 濾波器 Input Filter 控制功能： _{•開機程序控制} •MPPT控制 •併網電流控制 •孤島效應保護 控 制 器 (controller) 監控介面： •控制介面 •顯示介面 •遠端監控 輸出 濾波器 Output Filter Grid-Connected PV Inverter RS-232 USB SNMP TCP/IP Monitoring Software 圖 3.1 併網型太陽光發電系統的系統架構圖 S1 D1 S2 Co D2 Lf _Vdc Vs Is DSP Controller Utility Line 110/220V, 50/60Hz DC/DC Converter S0

Solar Cell Array Windpower Turbine DC 15~30V Battery DC 24V Traffic Lamps LED Lamps DC/AC Converter 圖 3.2 多功能太陽光變頻器數位控制技術發展平台示意圖

3.2 系統架構及功能 本計畫所研製之太陽能發電系統如圖3.3所示，包含太陽能電池模組 (PV modules)、DC-DC轉換器、變流器、同步開關等。電力之轉換為兩 級，DC-DC轉換器先將低壓(30~80 VDC)之太陽能電池電壓升壓至200VDC 之直流鏈電壓，變流器再將此200VDC之電壓轉換成交流110VAC提供給負 載並同時與市電並聯。同步開關(SW)用以在市電異常時將發電系統與市電 之連接斷開，以確保太陽能電力不致在市電中斷時仍對市電送電，造成線 上可能有維修人員之觸電。太陽能電池模組之容量為2KW，負載最大容量 為4KW。DC-DC轉換器及變流器均採用PWM切換，以2KW之轉換容量估 算，DC-DC轉換器之效率約為85%，變流器之效率約為90%，因此從太陽 能電池端至負載端之電能轉換效率為0.85×0.9=75%左右。 DC-DC Converter Inverter ~ PV Modules Utility 30~80V 2KW 200V_dc 110V/60Hz SW Load 4KVA η=85% η=90% DC-DC Converter DC-DC

Converter InverterInverter ~~

PV Modules PV Modules Utility 30~80V 2KW 200V_dc 110V/60Hz SW SW Load 4KVA Load Load 4KVA η=85% η=90% 圖 3.3 所研製之雙級式太陽能發電系統架構圖 系統各部分之功能說明如下： DC-DC 轉換器 由於太陽能電池之電壓會隨著日照強度、溫度及工作點變化連帶影響 其功率輸出，因此需借助轉換器控制太陽能電池之電壓(或電流)以得到最 高之轉換功率，使太陽能電池之效益達到最高。除此由於變流器所需之直 流電壓甚高，因此在太陽能電池容量有限之條件下可能無法直接以太陽能 電池串聯得到如此高之電壓，故DC-DC轉換器尚兼具升壓之功能。本計畫 將太陽能電池模組電壓設定在30~80VDC之範圍之考量如下：(1)此電壓範

圍大致需要4-5片10~15V之太陽能電池模組串聯，對於使用50W、75W、 100W、150W等太陽能電池模組所組成之2KW系統，較易得到適當之太陽 能電池陣列組合(分別為4×10、4×8、4×5、5×3)；(2)此電壓範圍與一般電信 設備(-48VDC)用途相近，本計畫所開發之轉換器系統及技術等未來亦可以 應用至電信設備所需之UPS上。 變流器 變流器之目的為平衡系統之電力，亦即將太陽能之電力轉換至交流側 並補充系統本身(包括變流器及DC-DC轉換器)之電力損耗，此平衡電力之 控制可以藉由維持直流鏈電壓來達成。此外太陽能藉由變流器饋入市電之 電流波形為正弦，在本計畫中設定THD<5%，功率因數>0.995。 同步開關 同步開關之目的在控制太陽能發電系統與市電之連結，當太陽能發電 系統與市電均正常且同步時，同步開關導通。反之當太陽能發電系統與市 電二者有任一異常或二者未達同步時，同步開關將截止。太陽能發電系統 除判斷本身之工作狀況外，亦隨時監控市電電壓，當市電故障時需有能力 可以偵測以防止孤島效應發生，同步開關必須適時截止以防太陽能電力繼 續饋入系統，造成線上可能維修人員之觸電。 根據太陽能電池之發電量、轉換器、市電等之工作狀況，所提系統可 以區分成兩種工作模式：發電模式與停機模式，工作原理說明如下。 發電模式 當太陽能電池模組之電壓在30V~80V範圍內，DC-DC轉換器可以將之 升壓轉換至直流鏈。若太陽能所發之電力大於負載之電力需求時，系統之 電力潮流如圖3.4(a)所示，太陽能之電力除提供負載使用外，多餘之電力將 饋入市電。反之若太陽能所發之電力小於負載之電力之電力需求時，系統

之電力潮流如圖3.4(b)所示，太陽能小於負載電力部分，將由市電自動補 充。此模式由於太陽能電池實際發電因此稱之為發電模式。 DC-DC Converter Inverter ~ PV Modules Utility Load DC-DC Converter Inverter ~ PV Modules Utility Load DC-DC Converter Inverter ~ PV Modules Utility Load (a) (b) (c) DC-DC Converter Inverter ~ PV Modules Utility Load DC-DC Converter DC-DC

Converter InverterInverter ~~ PV Modules PV Modules Utility Load Load DC-DC Converter Inverter ~ PV Modules Utility Load DC-DC Converter Inverter ~ PV Modules Utility Load DC-DC Converter DC-DC

Converter InverterInverter ~~ PV Modules PV Modules Utility Load Load DC-DC Converter Inverter ~ PV Modules Utility Load DC-DC Converter Inverter ~ PV Modules Utility Load DC-DC Converter DC-DC

Converter InverterInverter ~~ PV Modules PV Modules Utility Load Load (a) (b) (c) 圖 3.4 太陽能發電系統之工作模式：(a) 發電模式(發電量大於負載需求 時)；(b) 發電模式(發電量小於負載需求時)；(c)停機模式 停機模式 當太陽能電池模組之電壓在30V~80V之範圍外亦或市電故障時，DC-DC轉換器及變流器都將停止動作，同時同步開關將切離市電，此模式稱之 為 停 機 模 式 如 圖 3.4(c) 所 示 。 在 市 電 正 常 但 太 陽 能 電 池 模 組 之 電 壓 在 30V~80V之範圍外時仍將整個系統停止之目的為減少系統本身待機之損 失。當太陽能電池電壓及市電均恢復正常時，系統內部之同步信號首先與 市電同步後再同時觸發同步開關及轉換器，開始發電。

3.3 系統之轉換器電路架構 本計畫所採用之轉換器電路架構如圖3.5所示，其中之DC-DC轉換器採 用具變壓器且二次側為全橋形式整流之全橋式轉換器，變流器採用單相電 壓源全橋形式；控制器包含MPPT控制器與併網電流控制器，控制器採用 單晶片DSP以軟體方式實現。 ~ d C d V + - + Vs _ Is L o V + -Io IL Load C Inverter DC-DC Converter Ip Ci + VP -PWM and Drive Circuits PWM and Drive Circuits PV Voltage Regulator

Maximum Power Point Tracking (MPPT) Controller Current Controller DC Voltage Regulator SW VP IP VP * P V Vcon_P Vcon_I * d V d V * o I o I ~ ~ d C d V + -Cd d V + - + Vs _ Is L o V + -o V + -Io IL Load Load C Inverter DC-DC Converter Ip Ci + VP -PWM and Drive Circuits PWM and Drive Circuits PWM and Drive Circuits PWM and Drive Circuits PV Voltage Regulator PV Voltage Regulator

Maximum Power Point Tracking (MPPT) Controller

Maximum Power Point Tracking (MPPT) Controller Current Controller Current Controller DC Voltage Regulator DC Voltage Regulator SW VP IP VP * P V Vcon_P Vcon_I * d V d V * o I o I 圖 3.5 所採用之轉換器電路架構圖 DC-DC轉換器採用電壓模式控制用以控制太陽能電池之電壓(Vp)，太

陽能電池之電壓由最大功率點追蹤(MPPT，Maximum Power Point Tracking) 控制器設定，此電壓命令即獲得最大功率點之操作電壓。

用雙迴路控制，外迴路用以調整直流鏈電壓並產生內迴路之電流命令，內 迴路則為電流控制迴路使變流器之輸出電流能緊密追隨其命令，電流調整 之誤差產生控制電壓，再藉由PWM得到變流器開關之觸發信號。

四、全橋式DC-DC轉換器之原理與設計

4.1 全橋式DC-DC轉換器之原理 如圖3.3所示，所提之雙級式太陽能供電系統利用全橋式DC-DC轉換器 以追蹤太陽能電池最大功率點之方式將太陽能轉換至高壓直流鏈側，變流 器再以維持直流鏈電壓之方式將太陽能所轉換之電力轉移至交流側。在此 以圖4.1之電路來表示全橋式DC-DC轉換器，其中太陽能電池以一電流源、 直流鏈電壓則以一直流電壓源來近似實際之狀況。採用PWM切換控制之全 橋式DC-DC轉換器之工作波形如圖4.2所示，其中對角線之開關成對觸發 (即(Q1、Q4)與(Q2、Q3))，各負責半週之操作，開關之責任週期由一控制電 壓(vcon)與一週期性之三角波(振幅vt)比較。分析時假設開關及二極體均為理 想，當開關(Q1、Q4)觸發導通時(0<t<tON<Ts/2)，變壓器一次側電壓為Vp， 變壓器之匝數比為n:1，因此二次側之電壓V2及全橋式二極體整流器之輸出 電壓Vdi均為Vp /n。變壓器匝數比之設定必須使在太陽能電壓為最低時，Vp /n之大小仍大於直流鏈電壓Vd，使電感電壓為正，電感電流Id在此時為上 升，並將太陽能電力轉移給直流鏈。當開關截止時(tON<t<Ts/2)，為維持電 感電流之連續，二次側四個 I_d + V_p -L + Vd -C_p n : 1 + V₂ -I_p + V_di -Q₁ Q₂ Q₃ Q₄ I_d + V_p -L + Vd -C_p n : 1 + V₂ -I_p + V_di -Q₁ Q₂ Q₃ Q₄ 圖 4.1 全橋式 DC-DC 轉換器電路

電感電流下降。後半週動作與前半週類似，但觸發之開關改為(Q2、Q3)， 此時 V2之電壓為-Vp /n 但經全橋式二極體整流後之電壓仍為 Vp /n，電感電 流為上升。當開關截止時四個二極體亦形成飛輪使電感電流下降。最後之 直流鏈電壓 Vd為輸入電壓 Vp之平均值，即： n V D n V v v n V T t V p p t con p s ON d = = = 2 (4.1) D 為開關之責任週期。 V_d V_di I_d V₂ Q₁Q₄ Q₂Q₃ V_p/ n t_ON T_s / 2 t_ON T_s / 2 v_tm v_con V_d V_di I_d V₂ Q₁Q₄ Q₂Q₃ Q₁Q₄ Q₂Q₃ V_p/ n t_ON T_s / 2 t_ON T_s / 2 v_tm v_con 圖 4.2 採用 PWM 切換控制之全橋式 DC-DC 轉換器之工作波形 4.2 全橋式DC-DC轉換器之小信號模型推導 利用狀態平均法由圖4.1之電路可得： n I D I dt dV C_p p = _p − d (4.1)

d p d d D V n V dt dI L = − (4.2) 在工作點上加一小擾動並移除工作點之穩態值可得電路之小信號模型： D n I n I D I dt V d C_p p _p d d ~ ~ ~ ~ − − = (4.3) d p con pwm d p p d d V V n D v k V V n D D n V dt I d L ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ − + = − + = (4.4) t p pwm nv V k = (4.5) 其中”~”表示小信號之變化量。利用(4.3)及(4.4)可得 DC-DC 轉換器閉迴路 系統之方塊圖如圖 4.3 所示，其中迴授之信號為輸入電壓 Vp，kv為電壓之 感測增益。輸入電壓之命令v*_p由最大功率點追蹤控制器產生，Gv為 PV 電 壓控制器。 d sL 1 p wm k Gvp v k d I ~ con v~ + -+ -+ p V~ d V~ * ~ p v n 1 p s C 1 n D p I ~ + p v~ MPPT Controller p V p I t d nv I -d sL 1 p wm kp wm k Gvp v k_v k d I ~ con v~ + -+ -+ p V~ d V~ * ~ p v n 1 n 1 p s C 1 p s C 1 n D n D p I ~ + p v~ MPPT Controller MPPT Controller p V p I t d nv I t d nv I -圖 4.3 DC-DC 轉換器閉迴路系統之方塊-圖 4.3 全橋式DC-DC轉換器之PV電壓控制器設計 由圖4.3可得電壓控制迴路之轉換器部分開迴路響應為：

2 2 2 2 2 2 ) _{( )} ( ~ ~ ) ( o g p d d d p t p v d con p p s g s k C L n D s I L n DV s v C k I v v s H ω + + = + + = = (4.6) p d o C L n D 1 =

ω

, d d p I L n DV g 2 = , t p v d g v C k I k = (4.7) 考慮實際之數值與輸入電壓之變化，Hp(s)之波德圖如圖 4.4 所示，其中極 點 g(>>ωo)非常高，設計控制器時予以忽略。共振頻率 wo 及低頻增益 (k_gg/w_o2)將隨輸入電壓之變化而變化，輸入電壓越高增益越高但共振頻率 越低；反之，輸入電壓越低增益越低但共振頻率越高。控制器可以採用 PI 控制器： s z s k G_vp = d( + ) (4.8) z ω_c H_p1(V_p,max) H_p2(V_{p,m in}) H_p(V_p,noninal) G_vp ω_c1 ωc2 dB 10 -10 -20 -30 o ω 1 o ω 2 o ω z ω_c H_p1(V_p,max) H_p2(V_{p,m in}) H_p(V_p,noninal) G_vp ω_c1 ωc2 dB 10 -10 -20 -30 o ω 1 o ω 2 o ω 圖 4.4 Hp(s)之波德圖以及 PI 控制器之設計 若選定 z<ωo(min)(即圖中之ωo1)，則可滿足系統之迴路增益(GvpHp)在任一輸 入 電 壓 下 之 零 交 越 頻 率ωc(crossover frequency) 時 之 增 益 斜 率 均 為

-20dB/decade，而且最終之下降斜率均為 -40dB/decade，滿足穩定度之要 求。由圖 4.4 亦可知，不同之輸入電壓會得到不同之零交越頻率，輸入電 壓越高，零交越頻率越高；輸入電壓越低，零交越頻率則越低。 PI設計之法則為根據一正常(nominal)電壓選定零交越頻率ωc，再根據 ωo(min)選擇z使z較ωo(min)稍小，以保證在任何情況下系統均為穩定(即z不大於 ωo(min))。最後kd之決定可令： ) ( 1 ) ( c p c vp H G

ω

ω

= (4.9) 獲得。 4.4 太陽能電池特性與最大功率點追蹤(MPPT)控制器設計 太陽能電池特性 太陽能電池模組(PV module)乃由許多太陽能電池(cell)串並聯所組成， 每一太陽能電池為由P-N接面的半導體所組成，經由光照射後會形成一電 流源提供給負載作功。太陽能電池模組之等效電路如圖4.5所示，其中電流 源Iph用來表示太陽能電池模組藉由光照射後所產生之電流，Dj用以表示P-N 接面之二極體，Rsh和Rs則分別表示材料內部的等效並聯及串聯電阻，在一 般情況下，Rsh值很大，而Rs值很小，因此一般為了簡化分析起見可將Rsh與 Rs忽略不計。Ro表示外部負載，I、V則分別表示太陽能電池模組之輸出電 流及電壓。 I_ph Rsh R_s R_o + V_p -D_j I_p I_ph Rsh R_s R_o + V_p -D_j I_p

圖 4.5 太陽能電池模組之等效電路 由圖4.5之等效電路，結合半導體P-N接面特性可得太陽能電池模 組之輸出電壓與電流方程式： ] 1 ) [exp( − − = s p sat p ph p p n V kAT q I n I n I _(4.10) 其中 Ip：太陽能電池模組之輸出電流(A) Vp：太陽能電池模組之輸出電壓(V) Np：太陽能電池模組之並聯數 Ns：太陽能電池模組之串聯數 q：一個電子之電荷量(1.6×10-19 C) K：波茲曼常數(1.38×10-23 J/oK) T：太陽能電池模組之表面溫度(oK) A：太陽能電池模組之理想因數(A=1~5) Isat：太陽能電池模組之反向飽和電流(A) Isat可以表示如下： )] 1 1 ( exp[ ) ( 3 T T kA qE T T I I r gap r rr sat = − (4.11) 其中 Tr：太陽能電池模組之參考溫度(oK) Irr：太陽能電池模組在參考溫度Tr時之反向飽和電流。 Egap：半導體材料跨越能間帶間隙時所需能量。

另外，太陽能電池模組所產生之電流Iph將隨日照強度與大氣溫度改 變，可用(4.12)之方程式近似： i r i scr ph T T S K I I = + ( − )]⋅ 1000 [ (4.12) 其中 Iscr：太陽能電池模組工作在參考溫度和 1KW/m2的日照條件下之短路電流 Ki：太陽能電池模組短路電流之溫度係數(mA/oK) Si：太陽的日照強度(KW/m2) 太陽能電池模組之輸出功率可利用(4.11)求得： ] 1 [exp( − − = = s p p sat p p ph p p p n V KAT q V I n V I n I V P (4.13) 藉由改變日照強度和大氣溫度等條件，由(4.11)、(4.12)及(4.13)可以模 擬方式繪出太陽能電池模組之電氣特性圖，包括Ip-Vp以及P-Vp等分別如圖 4.6及圖4.7所示。一Siemens製造之75W太陽能電池模組如表4.1所示，圖4.6 是模擬此太陽能電池模組在固定環境溫度25o C下當日照度改變時其輸出電 流、輸出電壓與輸出功率之關係。可以看出當日照度改變時對太陽能電池 之電壓並不會有太大之影響，但對其所能提供的最大電流值有非常顯著之 變化，因此日照度強弱勢乃影響太陽能電池模組輸出功率之重要因素。圖 4.7模擬此太陽能電池模組在固定日照強度下，當溫度變化時模組輸出電 流、輸出電壓及輸出功率之關係圖。由圖可以明顯看出當溫度升高時模組 之開路電壓會降低，但其短路電流卻增加，整體而言輸出功率會略為下 降，由此可見環境溫度之高低亦會直接影響太陽能電池模組之最大輸出功 率。

表 4.1 單一太陽能電池模組之特性(Siemens SP75) 電器特性 規 格 額定最大輸出功率(W) 75 額定電流(A) 4.4 額定電壓(V) 17.0 短路電流 Isc (A) 4.8 開路電壓 Voc (V) 21.7 正常工作電壓 NOTC (o C) 45.2 短路電流溫度係數 Ki (mA/oC) 2.06 開路電壓溫度係數(V/o C) -0.77 1.0KW/m2 0.8KW/m2 0.6KW/m2 0.4KW/m2 0.2KW/m2 0 5 10 15 20 25 0 1 2 3 4 5 5 0 Ii 1, Ii 2, Ii 3, Ii 4, Ii 5, 25 0 V_i 1.0KW/m2 0.8KW/m2 0.6KW/m2 0.4KW/m2 0.2KW/m2 0 5 10 15 20 25 0 1 2 3 4 5 5 0 Ii 1, Ii 2, Ii 3, Ii 4, Ii 5, 25 0 V_i (a) 0 5 10 15 20 25 0 20 40 60 80 100 100 0 Pi 1, Pi 2, Pi 3, P_{i 4}, Pi 5, 25 0 Vi 1.0KW/m2 0.8KW/m2 0.6KW/m2 0.4KW/m2 0.2KW/m2 0 5 10 15 20 25 0 20 40 60 80 100 100 0 Pi 1, Pi 2, Pi 3, P_{i 4}, Pi 5, 25 0 Vi 1.0KW/m2 0.8KW/m2 0.6KW/m2 0.4KW/m2 0.2KW/m2 (b)

圖 4.6 太陽能電池模組在固定環境溫度(25o C)下，當日照度改變時其： (a)I-V 特性；(b)P-V 特性 經由以上之太陽能電池模組特性模擬曲線可知，日照強度及環境溫度 為影響太陽能電池模組輸出功率之兩個重要因素，當太陽能電池模組在瞬 息萬變之環境下工作時，溫度與日照強度隨時都可能改變 ，因此欲使太 陽能電池模組能輸出其最大功率，必須隨工作環境改變其工作點，亦即改 變太陽能電池模組之電壓及電流，此種控制稱為最大功率點追蹤(MPPT， Maximum Power Point Tracking)控制。最大功率點追蹤之方法有許多種，包 括電壓回授法、功率回授法、擾動觀察法、增量電導法、直線近似法等， 這些方法從方法之簡單性、準確性及響應速度等來看各有利弊。本計畫採 用計算較為準確、響應速度亦非常快速之功率回授法。 0 5 10 15 20 25 0 20 40 60 80 100 100 0 Pi 1, Pi 2, Pi 3, Pi 4, Pi 5, 25 0 Vi 0o_C 25o_C 50o_C 75o_C 100o_C 0 5 10 15 20 25 0 20 40 60 80 100 100 0 Pi 1, Pi 2, Pi 3, Pi 4, Pi 5, 25 0 Vi 0o_C 25o_C 50o_C 75o_C 100o_C 0o_C 25o_C 50o_C 75o_C 100o_C (a) 0 1 2 3 4 5 5 0 Ii 1, Ii 2, Ii 3, Ii 4, Ii 5, 25 0 Vi 0o_C 25o_C 50o_C 75o_C 100o_C 0 1 2 3 4 5 5 0 Ii 1, Ii 2, Ii 3, Ii 4, Ii 5, 25 0 Vi 0o_C 25o_C 50o_C 75o_C 100o_C 0o_C 25o_C 50o_C 75o_C 100o_C

圖 4.7 太陽能電池模組在固定日照強度(1KW/m2 )下，當溫度變化時其： (a)I-V 特性；(b)P-V 特性 最大功率點追蹤需改變太陽能電池模組之工作電壓或電流，因此必須 借助轉換器來達成，圖4.8及圖4.9所示為利用DC-DC轉換器來實現MPPT之 兩種方法，圖4.8為利用電壓模式控制，由MPPT控制器計算達到最大功率 點所需之太陽能電池模組工作電壓，並以此當成電壓命令控制轉換器之責 任週期，使轉換器之輸入電壓追隨此命令達到MPPT之目的。同樣的亦可 以採用如圖4.9所示之電流模式控制方式，由MPPT控制器計算達到最大功 率點所需之太陽能電池模組工作電流，並以此當成電流命令控制轉換器之 責任週期，使轉換器之輸入電流追隨此命令達到MPPT之目的。 Maximum Power Point Calculation DC-DC Converter PV Modules Voltage Controller PWM To Inverter V_P * P V I_P P V Maximum Power Point Calculation DC-DC Converter DC-DC Converter PV Modules Voltage Controller Voltage Controller PWM PWM To Inverter V_P * P V I_P P V P V 圖 4.8 利用電壓模式控制 DC-DC 轉換器來實現 MPPT 之方法

Maximum Power Point Calculation DC-DC Converter PV Modules Current Controller PWM To Inverter V_P * P I I_P P I Maximum Power Point Calculation DC-DC Converter DC-DC Converter PV Modules Current Controller Current Controller PWM PWM To Inverter V_P * P I I_P P I P I 圖 4.9 利用電流模式控制 DC-DC 轉換器來實現 MPPT 之方法 所提之最大功率點追蹤控制方法 本計畫所採用最大功率點追蹤(MPPT)控制之方式為採用電壓模式控 制，亦即所計算之最大功率點乃用以產生轉換器之輸入電壓命令( * p v )，只 要電壓控制器能使輸入電壓追隨此電壓命令即能達到最大功率點追蹤之功 能。計算最大功率點所對應之電壓方法如圖4.10所示，乃利用功率-電壓之 斜率(dP/dVp)正負判斷所在之操作區域，並利用適應控制方式調整在各區中 電壓命令變化之幅度。當dP/dVp>0表示操作在第I區，欲得到最大功率可以 增加輸入電壓之命令；反之，當dP/dVp<0表示操作在第II區，欲得到最大 功率可以減少輸入電壓之命令。當dP/dVp變化較小則進入第III區，本區中 需減少電壓之調整量以準確趨近最大功率點。本計畫以數位方式來實現上 述輸入電壓命令之計算，如下： III or II or I i , )) ( ) ( ( ) 1 ( ) ( * * = − + ∆ ∆ = i p p p m v m sign P m v m f v (4.10) 其中 m 表示第 m 個取樣週期，fi為電壓命令每次之改變值，fI>fII。第 I 區之 改變量較大乃因第 I 區之斜率較小，因此需要較大幅度之電壓變化以獲得 較佳之追蹤速度；反之，在第 II 區之改變量較小因第 II 區之斜率較大，因

I 與 II 區震盪之問題。第 III 區為斜率變化乃至於功率變化非常小之區域， 為使最終之工作點越接近最大功率點，當進入此區後 fIII之值調至非常小， 一來可以減少震盪二來可以增進精確度。由於太陽能電池之特性變化時間 常數非常長，因此 MPPT 之取樣時間可以較轉換器控制迴路高出許多。 P V_p 0 > p dV dP 0 < p dV dP Increase V_p Decrease Vp I III II P V_p 0 > p dV dP 0 < p dV dP Increase V_p Decrease Vp I II P V_p 0 > p dV dP 0 < p dV dP Increase V_p Decrease Vp P V_p 0 > p dV dP 0 < p dV dP P V_p 0 > p dV dP 0 < p dV dP Increase V_p Decrease Vp I III II 圖 4.10 所提之最大功率點追蹤控制方法 4.5 模擬驗證 系統參數 本計畫所採全橋式DC-DC轉換器之參數如下： Vp=30~80Vdc，Vd=200V，n=0.1， Vt=5V/50KHz，Ld=1mH，Cp=1000µF (4.11) 本 計 畫 以 Vp=60V 當 成 正 常 之 工 作 點 ， 根 據 (2.6) 可 求 得 在 P = 1KW (Id=5A)下之系統轉移方程式，為： Vp=60V： 2 5 3331 ) 10 4 ( 50 ) ( + × + = s s s H_p ， Vp=30V： 2 5 1 6663 ) 10 4 ( 50 ) ( + × + = s s s H_p ，

Vp=80V： 2 5 2 2500 ) 10 4 ( 50 ) ( + × + = s s s H_p (4.12) (2.12)中各 Hp(s)之波德圖如圖 4.4 所示，選擇 PI 控制器之 z = 2400rad/s (略 低於ωo,min)，則由(2.9)可得 kd=(2400+33312)/50(2400+4×105)=0.552。MPPT 之取樣時間為 100Hz，適應控制之 fI=1V、fII=0.2V、fIII=0.05V。 PSIM 模擬電路與模擬結果 根據上述所得，驗證DC-DC轉換器之PSIM模擬電路建立如圖4.11所 示，其中以一電流源來代表太陽能電池模組，模組之輸出電流固定為 10A。為驗證DC-DC轉換器確實可以操作在30~80VDC之工作範圍，轉換器 之電壓命令設定由一開始之30V突然步級變化為80V。模擬之輸入電壓波形 如圖4.12所示，藉由所設計之PV電壓控制器確實能使輸入電壓在0.2s內即 能追隨電壓命令之變化，驗證所提之PV電壓控制器設計確實可行。為驗證 MPPT控制器之設計，將模擬太陽能電池模組之輸入電流源改成一電壓控 制電流源，電壓-電流之特性乃根據前述(4.12)及(4.13)來撰寫，並代入表4.1 之參數。MPPT控制器乃根據(4.10)並以C++撰寫再轉換成DLL程式，以便 於在PSIM模擬程式中呼叫。包含MPPT及DC-DC轉換器之Psim模擬程式如 圖4.13所示，為驗證在不同日照度下MPPT控制之性能，刻意將日照量由一 開始之1KW/m2_{變化為0.6KW/m}2_{。模擬之結果如圖4.14所示，由上而下分} 別表示輸入電壓及其命令、輸入功率、輸入電流及轉換器之控制電壓，由 P可知在二照度下均能追蹤最大之功率點，驗證所提採用適應控制之MPPT 控制器確實準確而且響應快速。由電壓追隨其命令之響應知前面之電壓控 制器仍然有效。這些均驗證所提DC-DC轉換器系統確實能與MPPT控制結 合而且性能均能達到原先設計要求。

PWM PWM

圖 4.11 驗證 DC-DC 轉換器之 PSIM 模擬電路

PWM PWM

圖 4.14 日照量由 1KW/m2_{變化為 0.6KW/m}2_{下 MPPT 控制之模擬結果}

五、變流器之原理與設計

5.1 全橋式電壓源變流器與正弦式PWM

所提系統採用如圖5.1所示之單相全橋式電壓源變流器，其開關之切換 控制採用如圖5.2所示之單電壓極性(uni-polar voltage)切換PWM。變流器之

A臂與B臂有各自之控制電壓(vcontrolA及vcontrolB)，但二控制電壓為反相(即

vcontrolA = -vcontrolB)，如圖5.2(a)所示。二控制電壓分別與三角波vtri比較，當

控制電壓較三角波大時，上方之開關觸發，轉換器臂之輸出電壓(相對於N

點)為Vd；反之則觸發下方之開關，轉換器臂之輸出電壓為0，因此二臂之

輸出電壓vAN及vBN分別如圖5.2(b)及圖5.2(c)所示。最後之輸出電壓為二臂之

電壓差(即vo = vAN - vBN)，其波形如圖5.2(d)所示，電壓在Vd及0，或是-Vd及0

壓之基本波振幅大小與控制電壓大小成正比，頻率極為控制電壓之頻率 (ω1)： t V m v_o,1 = _{a d}sin

ω

₁ (5.1) 其中 ma為振幅調制指數， tri control a

v

v

m

ˆ

ˆ

=

(5.2) Load o V + -L o I L I + A T − A T + B T − B T d V A C B N Load o V + -L o I L I + A T − A T + B T − B T d V A C B N 圖 5.1 全橋式電壓源變流器

v_controlA v_controlB v_controlA v_controlB 圖 5.2 Uni-polar 正弦式 PWM (2) PWM 輸出電壓之頻譜如圖 5.2(e)所示，除基本波外，其諧波次數出現 在 h = j(2mf)±k 之位置，其中 mf為頻率調制指數， 1

ω

ω

_s f

m

=

(5.3) ωs為三角波之頻率，j、k 為整數且 k 為奇數。由之可知諧波出現在兩倍切 換頻率之整倍數上，可以等效將切換頻率提高一倍。此外由於電壓之變動

量僅為 Vd，因此輸出濾波器之截止(cut-off)頻率( LC c 1 = ω )可以設計較 寬，L-C 體積可以大量降低。一般截止頻率設定為小於切換頻率之 1/10， 因此採用單電壓極性切換 L-C 之選擇可以設定為：

10

2

1

ω

1

ω

f c

m

LC

=

=

(5.4)

5.2

變流控制器設計 變流器之電路模型 由圖5.1採用PWM切換之單相全橋式電壓源變流器，可得以下之電路 方程式： o BN AN o

_V

_V

_V

dt

dI

L

=

−

−

(5.5) 若忽略 PWM 之高頻切換項，各臂之輸出電壓可以表示為： d tri conA AN

V

v

v

V

)

ˆ

2

2

1

(

+

=

, _d tri conB BN

V

v

v

V

)

ˆ

2

2

1

(

+

=

(5.6)

其中

v

_conA、

v

_conB為 A、B 臂之控制電壓，

vˆ

_tri為 PWM 三角波之振幅。由 於單電壓極性切換下 vconA=-vconB=vcon，將之與(5.6)共同代入(5.5)可得：

o con pwm o

_k

_v

_V

dt

dI

L

=

−

(5.7) 其中 tri d pwm

v

V

k

ˆ

=

，可以視為變流器之電壓增益。另外由電容電流亦可得： L o o

_I

_I

dV

C

=

−

(5.8)

變流器之控制器可根據(5.7)及(5.8)來加以設計。 電感L值之選擇必須以變流器所能轉移之最大功率來計算，變流器之輸 出實功率為：

δ

ω

sin

2

)

(

1 o o con pwm o

V

L

V

v

k

P

=

−

(5.9) 其中δ為 vcon與 Vo電壓之夾角。考慮 PWM 控制電壓之相角可以任意調整， 而且 PWM 在任何情況均位於線性調制區(即 ma≤1)，則最大輸出功率為：

L

V

V

V

P

_o d o o 1 max , max , max ,

2

)

(

ω

−

=

(5.10) 最大之 L 可由最大輸出功率來選擇。一旦 L 決定，輸出電容 C 亦可以利用 (5.4)決定。 電感電流控制器設計 電流迴路設計如圖5.3所示，其中kv及ks分別為電壓及電流之感測增 益，kq為類比轉數位之增益。若感測電路為-1.65~1.65V(5.3V之系統)且系統 數值以N位元來表示，則

3

.

3

2

N q

k

=

(5.11) 在數位控制下PWM之責任週期若仍以N位元來表示，則各開關之責任 週期為： ) 2 2 ( 1 N con N A

v

D

₊

=

−

+

， ) 2 2 ( 1 N con N B

v

D

₊

=

−

−

(5.12) 因此(5.7)可表示為：

sL 1 pwm k k₁ q v pwmk k k 1 s k o I o i * o i con v + -+ -+ ₊ o V ff v Power c ircuits * o v k_q sL 1 pwm kpwm k k₁ q v pwmk k k 1 q v pwmk k k 1 s k_s k o I o i * o i con v + -+ -+ ₊ o V ff v Power c ircuits * o v k_q k_q 圖 5.3 電流迴路控制方塊圖 o con pwm o d N con o d A o

_D

_V

_V

v

_V

_V

_k

_v

_V

dt

dI

L

=

_{+ B+}

−

=

₋₁

−

=

−

2 ) D -( (5.13) kpwm值必須修正為： 1 2 −

=

N d pwm

V

k

(5.14) 所提之電流控制器採用迴授配合前向控制(feedforward control)方式， 利用電壓命令 * o

v

乘上增益1/kpwmkvkq來直接抵消輸出電壓Vo對於電流迴路之 擾動。電流迴路之響應可由電流迴授迴路求得為： I I q s pwm q s pwm o o

u

s

u

L

k

k

k

k

s

L

k

k

k

k

i

i

+

=

+

=

1 1 * (5.15) 此處 uI即為電流迴路之頻寬：

L

k

k

V

L

k

k

k

k

u

_I pwm s q d s 3 . 3 2 ₁ 1

₌

=

(5.16) 其可以利用電流誤差放大器之增益 k1 來加以設定，一般電流迴路之頻寬以 不超過切換頻率之 1/4 為準則，本計畫採用 1/5。