行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
再生能源課程實習模組教育素材之開發與研製 研究成果報告(精簡版)
計 畫 類 別 ： 個別型
計 畫 編 號 ： NSC 97-2511-S-011-001-
執 行 期 間 ： 97 年 08 月 01 日至 98 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣科技大學電機工程系
計 畫 主 持 人 ： 劉益華
計畫參與人員： 博士班研究生-兼任助理人員：羅一峰 博士班研究生-兼任助理人員：廖瑋星
報 告 附 件 ： 出席國際會議研究心得報告及發表論文
處 理 方 式 ： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 98 年 09 月 30 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
再生能源課程實習模組教育素材之開發與研製
Development of curriculum and evaluation modules for renewable energy experiment courses
計畫編號：NSC 97-2511-S-011 -001 - 執行期限：97/08/01至98/07/31
主 持 人：劉益華 台灣科技大學電機工程學系
計畫參與人員： 羅一峰、廖瑋星
摘要
本計畫提出一套再生能源整合實驗系統，來改善並 強化再生能源科技研究及教學環境，增進學生實務經驗 與技學素養，使所培育學生很容易與產業界接軌，以突 破目前再生能源領域發展的最大瓶頸。期待能在再生能 源科技研究及人才培育上做出重要貢獻，以奠定我國跨 世紀再生能源與綠色科技社會的基礎。本計畫達到下列 成果：完成四種基本再生能源實驗用電路(太陽能電池充 電系統、獨立型太陽能發電設備、風力機基本電機控制 以及定置型小型燃料電池發電系統)之電路雛形。以微處 理機/FPGA 為基礎完成前述四種實驗電路之控制平台 (太陽能之最大功率追蹤技術、風力機之功率控制技術以 及燃料電池之負載控制技術)。整合完成再生能源整合教 學/實驗環境。
關鍵詞：太陽能電池充電系統，獨立型太陽能發電設備，
風力機基本電機控制，定置型小型燃料電池發電系統，
再生能源整合實驗系統，自動量測系統。
Abstract
An integrated renewable energy experiment environment is proposed in this project to improve and strengthen the renewable energy researching and teaching environment, and promote the students’ working experience and technological knowledge. It can be expected that the educated students can fulfill the requirements of the renewable energy industry after the training. The goals of this project can be summarized as follows: Develop four basic experimental platform prototypes for renewable energy generation. Develop digital control platforms for the previous four experimental setups using microcontroller and FPGAs. Complete the PC-based integrated renewable energy experiment environment based on previous words.
Keywords: solar battery charger, stander along PV generation system, wind turbine control, fuel cell generation system, renewable energy.
I. 前言
能源是一個國家的科技能夠持續進步的原動 力，在所有人類使用的能源中，電力為工業之母，
並與國計民生息息相關。然而自然資源有限，如果 不能生生不息，終有耗盡的一天。故需要未雨綢 繆，尋求資源的源源供給，並減少對環境的衝擊，
尋找替代燃料及再生能源（Renewable energy）乃 成為目前的當務之急。對世界各國而言，再生能源 的發展都是各國政府所致力研究的課題。我國積極 推動再生能源發展，除向國際社會宣示我國對降低 溫室氣體排放的誠意與努力外，並能對內宣導與鼓 勵利用再生能源，強化社會大眾的綠色環保與永續 發展觀念；此外，開發自產能源，同時創造國內再
生能源產業，將原本要付出的溫室氣體減量代價，
轉化為一種投資，間接促成產業結構調整。
II. 研究目的
綜合以上所言，為了能夠充分掌握此一龐大商 機，也為了拓展我國能源產業的全球市佔率，培養 具再生能源相關知識的研究人才乃是相當重要且 刻不容緩的。在經由以上以產業界的觀點與目前教 育體系現況對再生能源產業應用背景，發展現況與 面臨的困難與挑戰，以及未來發展契機的綜合分析 後，已瞭解產業界對再生能源相關人力求才若渴的 緣由與背景，並探究學術界培育再生能源技術人才 的現況與所遭遇到瓶頸，而衍生出再生能源技術核 心人力供需不平衡問題。在瞭解再生能源業者對培 育的學生所需具備的技學素養後，本計畫將提出一 套以產業需求為導向之再生能源教學課程與實習 教材，來提昇大專學生之技學素養與實務製作能 力，藉由教學課程、教學方式、實習教材與實驗結 果呈現方式的改革與優質的學習環境，配合高科技 應用知識與產業界最新產品動態資訊的傳遞，吸引 學生投入再生能源技術領域，以培育技學兼備的學 生，滿足現代產業界對高級再生能源人才在質與量 上的需求。
為使課程內容和產業界需求契合，加強學生的 專業素養，將著重於再生能源相關應用電路之設 計。本計畫針對四種再生能源應用電路，開發實驗 用電路雛形以供學生進行實際系統實現之用。在完 成個別電路實作與功能測試之後，學生將可進一步 學習以微處理機/FPGA 為基礎之再生能源電路控 制技術/演算法之設計。此外，本計畫也輔以電腦 輔助之自動化量測系統之建立，以減少學生對電路 不易實現之挫折感，資料的自動擷取與量測生動的 呈現，可縮短枯燥冗長的測試時間、增加測試精準 度、易於觀察整個操作範圍之電路響應。由於再生 能源的高級人才不易培養也無法短期養成，因除必 須具備數位與類比電路設計經驗與能力外，更必須 具備各式能量來源基本特性之瞭解。因此，本計畫 提出一套再生能源整合實驗系統，來改善並強化再 生能源科技研究及教學環境，增進學生實務經驗與 技學素養，使所培育學生很容易與產業界接軌，以 突破目前再生能源領域發展的最大瓶頸。
III. 研究方法
根據前述的說明，目前再生能源的產業中，最 重要的當屬太陽能、風力能以及燃料電池產業。為 使學生能夠熟悉這三種產業相關的應用，本計畫擬 設計四種簡單的再生能源相關應用電路，並輔以可 數位規劃之控制器核心，使學生得以藉著實作與控 制程式之撰寫練習得而到相關的知識，並培養其進 入相關產業的基礎能力。
a. 太陽能電池充電系統：
太陽能電池充電系統和一般充電系統最大的 不同點在於它的充電特性與環境溫度和照度有 關，輸出電流與輸出電壓間的關係為式(1)所示，
即輸出電流等於短路電流減去等效二極體洩漏電 流與並聯阻抗洩漏電流。圖 1 為太陽能電池充電系 統架構圖，系統架構圖中主要分為 4 大部分，太陽 能模組、電源轉換器電路、電池模組及數位控制 器。
( )
exp
s1
ssc o
K th
q V R I V R I I I I
nKT R
+ +
= − − −
(1)
DC-DC Converter
(SEPIC) PV model
(4 塊，5V~8V)
Digital Controller (MPPT, P&O)
Battery Cell
Duty Cycle Vpv
Ipv Vbat
Vpv Ipv
Vbat Ibat PV model
圖 1 太陽能電池充電系統
由於太陽能板輸出之電壓為變動的，故需藉由 一電源轉換器電路將電源轉換為負載所需之電 源。數位控制器讀取太陽能板之輸入電壓、輸入電 流及輸出電壓，經由數位控制器對太陽能板作最大 功率追蹤，使得負載可吸收當下太陽能板之最大提 供能量，透過工作週期(Duty cycle)控制電源轉換器 電路達成最大功率追蹤，並迴授電池端電壓，判斷 電池電壓是否達到充飽狀態，若電池充飽，則數位 控制器將關閉充電電源，保護電池免於過充電，造 成損害。
b. 獨立型太陽能發電設備
圖 2 為所開發系統之架構圖，此系統所有的能 量來源皆來自太陽能，由於太陽能是一種電壓變動 率較大的電源，且只存在於日間，所以在兼具電壓 調節與儲存能量的條件下，此系統之前級係採用一 個返馳式轉換器為架構的電池充電器。此充電器是 以太陽能最大功率輸出的方式對鉛酸電池作充 電，若負載需求能量超出太陽能所產生的能量，則 此轉換器將結合鉛酸電池一起對負載供電。而系統 的鉛酸電池是以兩顆串接的方式使用，所以電池兩 端電壓不足以提供變流器以交流 110V 輸出的需 求，因此在電池與變流器之間，需利用一個直流電 壓轉換器將電壓升至直流 150V 以上。
圖 2 所開發之獨立型太陽能供電系統架構圖
以下為系統規格：
輸入電壓：DC 30 ~ 84 V(隨太陽能電池工作 點而變動)。
輸出電壓：AC 110V。
輸出頻率：60 HZ。
輸出功率：300W。
電池儲存能量：7A/小時(150 瓦/1 小時) 。 太陽能板最大輸出功率：200W。
太陽能在使用上的一大特徵是輸入電壓變動 率較大，所以需要一能量調節器來穩定太陽能輸 出。故本系統是選用架構簡單，且適合用在功率較 低的返馳式轉換器。
而充電器的規格為：
輸入電壓為 30V~84V。
輸出電壓為 27V。
最大輸出功率 160W。
操作頻率 50kHz。
最大磁通密度 Bm=0.25T。
其中直流轉換器的目的，乃是將電池的電壓作 升壓轉換，以提供變流器的輸入電壓，由於變流器 有電壓利用率的問題，所以此轉換器主要目的是將 電池的 DC 24V 升壓至 DC 200V，其電路架構是採 用順向式轉換器架構。
順向式轉換器的規格為：
輸入電壓為 DC 23 V~27V。
輸出電壓為 27V。
最大輸出功率 160W。
切換頻率 50k Hz。
此系統輸出是一交流110V、頻率60Hz的輸出 規格，所以需要利用一個直流轉交流的變流器來完 成。其SPWM驅動信號主要是利用一個三角載波信 號對一個正弦控制信號作取樣，其取樣後的結果透 過變流器表現出來。所以在實現上，需要一個三角 載波信號產生電路與一個正弦控制信號，將兩個信 號做適當的處理後(平移、放大與濾波)，再將這兩 個處理後的信號輸入一比較器做比較，其比較後的 結果，即是單一橋臂的驅動信號。
c. 風力機基本電機控制：
圖 3 為風力機基本電機控制實驗之系統架構 方塊圖，本實驗之硬體電路包括功率驅動電路、光 耦合隔離電路、以 FPGA 實現之空間向量控制核 心，4*4 鍵盤、速度顯示用七段顯示器以及輔助電 源所組成，系統各組成單元分述如下：
･ 光耦合隔離電路：用以隔離 FPGA 控制器與功率 驅動電路，作為增加驅動能力、隔離控制電路與
電力電路以及電路保護用。
･ 4*4 鍵盤：將控制指令藉由 4*4 鍵盤輸入到 FPGA 控制器，本實驗使用數字鍵 0 ~9，啟動鍵 以及停止鍵。
･ 七段顯示器：將輸入的指令和馬達轉速顯示在七 段顯示器上。
圖 4 為此系統之軟體架構方塊圖。
圖 3 風力機基本電機控制系統架構
圖 4 軟體架構
d. 定置型小型燃料電池發電系統：
圖 5 為一定置型燃料電池發電系統架構圖。由 於燃料電池為一不穩定直流源，並且為低電壓，因 此在使用燃料電池時，必須使用直流/直流轉換器 以穩定其低電壓輸出。
圖 5 為一定置型燃料電池發電系統架構圖
在此使用同步整流降壓式直流轉換器，其中電 源轉換器之輸出電壓利用電壓回授電路進行負回 授控制，電壓回授信號經由 dsPIC 微處理器進行數 位濾波處理後，再經由數位 PID 補償器演算，最
終會產生合適之功率開關責任週期輸出。同步整流 降壓式直流轉換器功能流程圖如圖 6 所示。另外可 以由圖 5 看到，本系統的輸出級與獨立型太陽能發 電系統是一樣的，因此不予贅述。
+
- +−
Microchip dsPIC30F4012 微處理器電路 (PWM+Digital PID+Digital
Filter) S1
開關MOSFET光耦合閘極隔離驅 動電路1
輸出電壓分壓回授電路
功率級與信號級隔離電路 S2
開關MOSFET光耦合閘極隔離驅 動電路2
S1 Lf1
S2 Cf1 Ro Vo
Vi
圖 6 同步整流降壓式直流轉換器功能流程圖
IV. 所開發之模型暨模擬結果 a. 太陽能電池充電系統：
直流轉換器電路圖如圖 7 所示，該電路直流/直流 轉換部分為 SEPIC 轉換器架構，由 L1 和 L2 電感、
D 二極體、 Q1 開關元件及 Cs 和 Co 電容所構成。
並藉由脈波寬度調變方式來控制開關元件的導通 與截止，進而達到輸出可調節之目的。圖 8 為電感 電流波形。
圖 7 SEPIC 轉換器
圖 8 電流連續時之電流波形
太陽能電壓為 6V 時，工作週期操作在 50%時 之輸出波形如圖 9 所示，圖 9 中 CH1 為開關導通 波形，CH2 為對電池充電電壓，CH3 為充電電流。
電池電壓從 3.72V 升至 3.77V，如圖 10 所示。圖 11 為電路實體圖。
圖 9 工作週期為 50%充電
圖 10 工作週期為 50%充電數分鐘後
圖 11 實體電路圖
b. 獨立型太陽能發電設備：
在一般日照時段，電池充電器的部份不斷的以 擾動觀察法進行最大功率追蹤來從太陽能板上取 得最大的輸出功率，圖 12 為太陽能板在照度改變 時的最大功率點變化曲線圖。當負載所需能量較太 陽能板所提供的能量小時，太陽能板的多餘能量便 開始對電池充電；相對的，當輸出負載所需功率較 大時，則由電池以及太陽能板一起提供能量。
圖 12 改變照度時最大功率點曲線圖
由於電池上的電壓會依照其本身所剩的電量而有
所變化，所有，此直流電壓變換器主要在提供最末 端的變流器一個穩定的直流電壓，並透過控制核心 以查表的方式而產生的 SPWM（Sinusoidal pulse width modulation）驅動信號給變流器再經過濾波器 來輸出正弦波形的電壓，圖 13 為變流器的輸出電 壓波形。
圖 13 變流器輸出電壓波形
c. 風力機基本電機控制：
交流感應馬達之穩定轉速與外加電源頻率有 關，在變速驅動系統中往往需要一個可變壓變頻的 交流電源。本實驗使用 Altera 公司所出品之 UP2 實習板，開發適用於三相感應馬達之變速系統。自 行研究出在 VHDL 語言中所建立的正弦波位準表 內是由 0 度到 π/3，有別於一般的 0 度到 π/2 演算 法。以 60 個點來組成三相弦波表，不僅可減少 ROM 的空間外，並可產生其二次諧波成份。圖 14 為輸入 60Hz 控制命令時馬達 a-b 相端電壓圖。圖 15 為三相感應馬達實體電路圖。
圖 14 60 Hz 輸出控制命令時馬達 a-b 相端電壓圖
圖 15 三相感應馬達實體電路圖
d. 定置型小型燃料電池發電系統：
將對所設計並完成硬體實踐之數位降壓式直 流轉換器進行測試，首先量測轉換器的轉換效率，
測試條件為輸入電壓固定，調整輸出電流方式進行 轉換效率分析，所量測之數據如表 1 所示：
表 1 數位式同步整流降壓式直流轉換器效率量測數據表 輸入電壓 輸入電流 輸出電壓 輸出電流 轉換效率
6.082 V 0.133 A 3.351 V 0.2 A 82.68 % 6.033 V 0.397 A 3.322 V 0.6 A 83.23 % 6.052 V 0.609 A 3.397 V 0.9 A 82.96 %
以下量測同步整流降壓式直流轉換器之波形 為假定負載為固定負載Ro =20 ; Ω Po =20W時，改 變輸入電壓V ，測量 dsPIC30F4012 微處理器所輸i 出的脈波寬度調變訊號 PWM1H、PWM1L，其分 別控制功率開關元件 S1與 S2之閘-源極電壓V 。 GS
輸入電壓Vi =4.5 V 時：
輸出電壓Vo =3.3 V，與預期的輸出數值相符。
f1
iL
f1
VC
S1
S2
(TIME : 10.0 µs/div ; CH1 : 5.00 V/div ; CH2 : 5.00 V/div ; CH3 : 100 mA/div ; CH4 : 5.00 V/div)
圖 16 同步整流降壓式直流轉換器量測波形(Vi=4.5 V)
輸入電壓Vi =6.0 V 時：
輸出電壓Vo =3.3 V，與預期的輸出數值相符。
S1
S2
f1
iL
f1
VC
(TIME : 10.0 s/div ; CH1 : 5.00 V/div ; CH2 : 5.00V/div ; CH3 : 50 mA/div ; CH4 : 5.00 V/div)
圖17同步整流降壓式直流轉換器量測波形(Vi=6.0 V)
輸入電壓Vi =10.0 V 時：
輸出電壓Vo =3.3 V，與預期的輸出數值相符。
S1
S2
f1
iL
f1
VC
(TIME : 10.0 µs/div ; CH1 : 5.00 V/div ; CH2 : 5.00 V/div ; CH3 : 100 mA/div ; CH4 : 5.00 V/div)
圖18 同步整流降壓式直流轉換器量測波形(Vi=10.0 V )
V. 結論
再生能源所涵蓋之領域極廣，主要包含各式再 生能源包括太陽能發電、風力能發電、燃料電池發 電以及其附屬設備如儲能系統及電力電子轉換器 介面等；而在應用上，再生能源之應用系統可分為 可攜式產品用電源、獨立發電型、運輸工具用以及 市電併聯型等。
本計畫為了配合再生能源相關技術發展之需 要，並擴大再生能源之應用領域，所完成之工作項 目預期可達到輔助加速培養此方面之技術研發與 人才之培育的目的。預期成效可分下列幾方面來探 討：
‧ 教育方面：可加強學生再生能源發電之觀念，
實施能源轉換技術之教育，使其擁有再生能源技術 之基本訓練，使學生在學校即可學習到業界產品製 作技術，在出校門之前即有一技之長，提高學生在 社會上之競爭力。接著以此基礎，進一步激發學生 創意，可將業界研發產品所碰到問題，或是業界想 研發之新產品，利用再生能源專題製作設計新產品 之雛型，如此可進一步拉進學生與業界距離，使得 所訓練教育出來的學生是業界直接可用之人才，以 減少多餘之訓練成本，減輕業界人才訓練所發費之 金錢與時間，達到業界、學生、學校三贏效果。
‧ 推廣示範方面：可建立教學示範系統，除了 讓學生實際瞭解再生能源系統結構並收集各式系 統操作資料外，還可供各界參觀宣傳，開授再生能 源推廣教育班，以推展相關技術予一般社會大眾。
‧ 研究發展方面：可研發再生能源關鍵技術、
提昇本系研究計畫特色及能量、與產業界建立產學 合作關係，並進一步協助再生能源產業發展。
‧ 實用方面：可節省電能耗費，減少化石能源 使用、降低溫室氣體排放量，達到省能、省錢、環 保目的。
VI. 計畫自評
本計畫計產出國際期刊論文一篇，國際會議論 文 4 篇。培育碩士級學生二名，於 98 年 6 月畢業。
本計畫亦完成四種再生能源之實驗電路：太陽能、
風力能以及燃料電池。本計畫亦成功將各式電路與 教材結合，其呈現成果如本報告第四章。計畫成果 應符合本計畫之規劃。
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劉益華
台灣科技大學 電機工程學系 November 30, 2008
參加會議經過
本人於 11 月 23 日搭乘中華航空班機前往新加坡(Singapore)參加 2008 年 IEEE 再 生 能 源 科 技 國 際 會 議 (International Conference on Sustainable Energy Technology)，本次會議於新加坡之 Singapore Management University 校內的 SMU Conference Centre 舉辦。
大會活動於十一月二十四日正式展開. 除了一般論文發表的議程外, 大會亦安排 了數場講習課程(tutorial)，其中與本人研究較相關者有包括：
1.再生能源模擬技術
主講人：Dr. Jost Allmeling, Founder, Managing Director of Plexim
大綱：This tutorial will explain the keys to modeling renewable energy system which allows for a rapid simulation. One factor is the choice of simulation package.
Simulation programs have different features which are designed to cater to one or more simulation levels. The operation of the simulation engine also impacts the speed of the simulation. For example, packages which implement ideal switching transitions allow significant improvements in speed at the circuit and system levels. The other factor relevant to allowing a rapid simulation is the adoption of good modeling techniques. This tutorial will explain modeling techniques that allow improvements in speed at the circuit and system levels of a renewable energy system since these are typically the levels of interest. A case study, based on a standalone photovoltaic-battery system, will be presented and used to demonstrate the applications of these simulation techniques.
2.再生能源系統
主講人：Dharshana Muthumuni
大綱： This workshop will cover selected topics related to the grid integration of renewable energy sources. Those issues that require a detailed analysis based on electromagnetic transient simulations (EMT) will be the main focus. A number of applications areas such as AC transients, faults and protection, Power quality and application of FACTS devices will be discussed. Course attendees will be able to experiment with the case studies in an interactive hands-on workshop environment using the PSCAD Simulation software. No previous experience with the software is required.
11 月 25 日至 11 月 27 日為全體與會人員的共同議程，其中本人於 11 月 25 日參 加 Solar Energy 1 太陽能技術議程，該議程中報告之論文包括 Wen-Jung Chiang 等 人 發 表 之 "Maximum Power Point Tracking Method for the Voltage-Mode Grid-Connected Inverter of Photovoltaic Generation System"、Gang Yang 等人發表 之"The Computer Aided Design Method for Determining the Monthly Optimum Tilt Angle of PV Arrays"、R. Ramaprabha 等人發表之"Modelling and Simulation of Solar PV Array Under Partial Shaded Conditions"、M. M. Casaro 等發表之"Behavior Matching Technique Applied to a Three-Phase Grid-Connected PV System"以及 M. F.
Schonardie 等人發表之"Application of the dq0 Transformation in the Three-Phase Grid-Connected PV Systems with Active and Reactive Power Control"等文。會中亦 針對各式先進太陽能控制技術進行一深入之探討。
11 月 26 日參加 Poster 1 議程，此議程包含約 40 篇論文進行壁報之發表，本人於 該議程中發表"Development of an Energy Efficient Street Light Driving System",
"RGB LED Backlight Driving System with Area Contro"等兩篇文章。
11 月 27 日參加 Wind Energy 5 風力能發電技術議程，該議程中報告之論文包括 M. Pathmanathan 等 人 發 表 之 " Detailed Investigation of Semi-Bridge Switched-Mode Rectifier for Small-Scale Wind Turbine Applications"、Hiroyuki Mori 等人發表之" Application of Gaussian Process to Wind Speed Forecasting forWind Power Generation"、A. P. Tennakoon 等人發表之" Operational Restrictions with Maximum Power Extraction of DFIG Connected Wind Farms"、C. H. Dharmakeerthi 等人發表之" Field Experience with an Islanded Micro Wind Power Plant"以及 Xunwen Su 等人發表之" Reactive Power Optimization Control of Wind Farms with Fixed-Speed Wind Turbine Generators"等文。會中針對各式先進風力發電設計技術 進行探討。
會議結束後，於 11 月 28 日搭機返國。
與會心得
IEEE 再 生能 源科 技 國際會 議(International Conference on Sustainable Energy Technology)新加坡大學於 2008 年首次舉辦之會議，會中針對再生能源主題進行 探討，吸引相當多的學界人士前來參與，是一個交換及吸收新資訊的良機，並使 得亞太地區之研究學者有機會進行交流。由於本年計畫主題為再生能源實驗電路 開發，參加此一會議可瞭解再生能源相關知識與最新研究狀況。本人於參與會議 時見識了其他同領域研究學者的報告，使人受益良多，並認識了不少不同國家的 學者。
攜回資料及內容
1. IEEE ICSET 2008 Conference Proceedings: 記錄場地、時間、演講者、題目及 摘要等。
2. IEEE ICSET 2008 Conference 完整報告光碟。
