先進能源發電系統之研製---總計畫(III)

行政院國家科學委員會專題研究計畫結案報告(第三年)

先進能源發電系統之研製--總計畫(3/3)

計畫類別：整合型計畫

計畫編號：NSC96-2221-E-011-092

執行期間：96 年 08 月 01 至 97 年 07 月 31 日

計畫主持人：葉勝年 教授

成果報告類型：完整報告

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

執行單位：國立臺灣科技大學電機工程系 中 華 民 國 97 年 10 月 24 日

一、中文摘要

本計畫第三年已完成風力、太陽光電、燃料電池及蓄電池等先進 能源發電系統之雛型。在風力發電方面採用感應發電機及同步發電 機，配合功率轉換器，可將風力驅動之變壓及變頻的電源，轉換為定 電壓及定頻率之電源。在燃料電池、太陽光電發電則配合直流-直流 功率轉換器，完成最大功率追蹤控制，以提高發電效益。同時，配合 蓄電池充放電控制及系統能量管理，使此能源發電系統，不僅能獨立 供電，亦能與市電併聯。本計畫有智慧型控制之風力驅動感應發電系 統、六相永磁式同步發電機之風力發電系統、燃料電池與鉛酸電池發 電系統及能源管理控制器、以數位信號處理器為基礎之燃料電池發電 系統、燃料電池與太陽能混合發電系統及模組化多功能太陽能發電系 統等六個子計畫。計畫執行期間為三年，已建立風力驅動感應機及同 步機發電、太陽光能發電、燃料電池發電及蓄電池儲、釋能之管理，

並配合最大功率控制及高效率功率轉換器，以提高發電效益及供電品 質。本進度報告將簡介各子計畫第三年之研究方法及成果。

關鍵詞：風力、太陽光電發電、燃料電池、蓄電池、功率轉換器

2

Abstract

In the third year, the prototype of the advanced energy generation systems including wind power, photovoltaic, fuel cells and battery storage have been built. The wind power system adopted induction generator, synchronous generator and power converter to convert the wind-driven source from variable-voltage and variable-frequency to fixed-voltage and fixed-frequency. Fuel cells and Photovoltaic generator were formed by DC-DC power converter to complete maximum power control and raise the efficiency. Through the control of the battery charging/discharging and system energy management, the energy generating system can not only be connected to electric grid, but also supply the power independently. The three-year research has studied wind-driven induction and synchronous generations, photovoltaic generation, fuel-cell generation, and the management of charging/discharging for batteries according to maximum power control and high-efficiency power converter, with emphasis on raising the generation benefit and power quality. Details concerning the analyses and results of each of the subprojects in the third year are given.

Keywords:

Wind Power, Photovoltaic, Fuel Cell, Battery, Power Converter.

二、計畫緣由與目的

能源是現代人類生活之必需品，亦為經濟發展之原動力。依據估 計，石油剩餘的儲存量僅可供 40 餘年使用，天然氣的剩餘儲藏量是 60 餘年，煤則約 230 年，這些存量都將隨著開採的日增而漸趨枯竭。

伴隨而來的是石化原油價格高漲，以及環保意識之抬頭，對於具有環 保特性的替代能源，需求殷切。目前先進或潔淨能源的發電系統有水 力、風力、地熱、太陽光電能、沼氣、燃料電池及生質能等，在先進 國家如日本、德國….等，皆積極開發潔淨能源發電技術，且已有相 當成果。國內在此方面的設備及技術則大都依賴進口。

本計畫結合國內各大學之電力電子及電力系統的研究團隊，針對 目前最可行的潔淨能源，例如風力、太陽光電、燃料電池等發電系統，

進行整合性研究。本計畫的總體目標為先進能源發電系統的分析、設 計、實體製作及技術建立，並在計畫的執行中，結合多所學校師資，

分工合作開發風能、太陽光電、燃料電池等發電系統的各項技術，同 時亦可將此研究成果推廣至業界，以提升國內先進能源發電系統自主 技術及產品競爭力。

本計畫將建立發電機模式、燃料電池模式、太陽能發電及功率轉 換器的模式，並採用套裝軟體 Matlab/Simulink 作為共同的軟體分析 及模擬工具，以便於交流。另外，實體製作方面採用德儀公司之數位 信號處理器(DSP-TI-320FXXX)系列，其介面電路及軟體規劃具有共 同性，易於實作技術交流及整合。此先進能源發電系統的分析、設計 及製作計畫，將可培育國內再生能源技術研發人才。而此成果之推

4

三、研究方法

子計畫一：智 慧 型 控 制 之 風 力 驅 動 感 應 發 電 系 統 之 研 製 （主持人：林法正）

本計畫本年度旨在設計一結合改良型粒子群尋優法(Improved Particle Swarm Optimization, IPSO)之放射狀基底函數網路(Radial Basis Function Network, RBFN) 控 制 系 統 ， 配 合 交 流 / 直 流 / 交 流 (AC/DC/AC)功率轉換器應用於風力驅動三相感應發電機系統，如圖1 所示。首先利用RBFN控制系統與交流/直流(AC/DC)功率轉換器將感 應發電機所產生之變動頻率及變動電壓之三相交流電源轉換為固定 電壓之直流電源，接著再利用另一個RBFN控制系統與直流/交流 (DC/AC)功率轉換器將直流電源轉換至三相交流電源以提供負載使 用，並藉由倒傳遞法則線上訓練兩個RBFN之參數。此外，結合了IPSO 來線上搜尋最佳的學習速率，以增進網路的學習能力並使網路有更快 的收斂速度。最後由實作結果可驗證本計畫所設計之控制系統在不同 風速及負載變化下，皆能有良好的追隨響應與強健性。

依據前面之說明，本計畫之研究方法如下：

a、 首 先 將 感 應 發 電 機 系 統 轉 至 同 步 旋 轉 座 標 軸 可以簡化電壓 及轉矩方程式，使系統易於分析及控制。

b、 以永磁同步馬達模擬實際之3kW、三葉片水平軸式風車，其風車 之葉片直徑為3.4公尺。在一固定之風速情況，風車之工作點主 要乃決定於風車本身與負載二者之特性，風車產生之能量主要受 實際風速與轉子轉速的影響。而實際上在說明風車特性會以一功 率係數C_p與尖端速度比λ之關係曲線圖所示，此曲線圖於風車製 造設計時，透過製造商經測試並計算而得。最後利用編碼器偵測 馬達之實際轉速，以完成應用積分-比例之閉迴路速度控制系統。

c、 設計RBFN控制系統。此網路是由輸入層(Input Layer)、隱藏層 (Hidden Layer)及輸出層(Output Layer)所組成。本計畫中所使用之 RBFN架構在輸入層、隱藏層及輸出層分別有2、9及1個神經元。

d、 藉由倒傳遞演算法來推導出網路的線上學習法則。

e、 在學習速率的選取方面，如果學習速率過大會導致網路發散，太 小又會使網路收斂速度過慢。為了能找到最佳的學習速率來提升 網路的學習能力與加快收斂速度，本計畫採用IPSO來線上尋找最 佳之學習速率。

f、 建立以PC-DSP為基礎之感應發電系統實測架構，包含驅動系統 與PC-DSP控制電腦系統建立及軟硬體介面製作。圖2為利用 PC-DSP並列處理機控制之風力驅動感應發電機系統架構圖，為 了降低個人電腦中央處理器之計算負擔和增加計算三相命令電 流的精確性，故利用一TMS320C32 DSP執行座標軸轉換之計 算。其中控制風車仿真系統之轉矩命令電流並經由一數位/類比 轉換器傳送到永磁同步馬達伺服驅動器，三相命令電流亦經由數 位/類比轉換器傳送到功率轉換器。而電流控制脈波寬度調變之 功率轉換器是採用由Mitsubishi Co.所製造之 IGBT 做切換元 件，其切換頻率為15kHz。

6

− +

負載

+∑ +

φ

−3 Δ 永磁同

步馬達

感應 發電機

∫

座標轉換 座標轉換

+

− ∑

− + 原

動 機

編碼器

θr

θe′ ωr

ib

ic

ia

*

ia i_b^* i_c^* i_u^* i_v^* i_w^*

+

Ta

−

Ta

+

Tb

−

Tb

+

Tc

−

Tc

′+

Ta

′−

Ta

′+

Tb

′−

Tb

′+

Tc

′−

Tc

idc

Vdc

Cdc

u u v i ,

v v v i ,

w w v i ,

Lp

*

i′ds

*

i′qs

*

ids

隔離與驅動 電路

電流控制脈波 寬度調變 電流控制脈波

b 寬度調變

i

iu

iv

Ta T_b T_c T ′_a T ′_b T ′_c

ddt 結合改良型

粒子群尋優 法之放射狀 基底函數網 路控制系統 ddt

∫

^θe

∑

*

Vuv

Vuv

*

iqs

*

* ds r

qs

i T

i ωsl

ωe

*

Vdc

Vdc

ωe′ ia

ddt

隔離與驅動 電路

結合改良型 粒子群尋優 法之放射狀 基底函數網 路控制系統

− +

負載

+∑ +

φ

−3 Δ 永磁同

步馬達

感應 發電機

∫

座標轉換 座標轉換

+

− ∑

− + 原

動 機

編碼器

θr

θe′ ωr

ib

ic

ia

*

ia i_b^* i_c^* i_u^* i_v^* i_w^*

+

Ta

−

Ta

+

Tb

−

Tb

+

Tc

−

Tc

′+

Ta

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Ta

′+

Tb

′−

Tb

′+

Tc

′−

Tc

idc

Vdc

Cdc

u u v i ,

v v v i ,

w w v i ,

Lp

*

i′ds

*

i′qs

*

ids

隔離與驅動 電路

電流控制脈波 寬度調變 電流控制脈波

b 寬度調變

i

iu

iv

Ta T_b T_c T ′_a T ′_b T ′_c

ddt 結合改良型

粒子群尋優 法之放射狀 基底函數網 路控制系統 ddt

∫

^θe

∑

*

Vuv

Vuv

*

iqs

*

* ds r

qs

i T

i ωsl

ωe

*

Vdc

Vdc

ωe′ ia

ddt

隔離與驅動 電路

結合改良型 粒子群尋優 法之放射狀 基底函數網 路控制系統

圖1 結合改良型粒子群尋優法之放射狀基底函數網路控制系統方塊

− +

記憶體 數位信

號處理 器 Pentium

微處理器 ic

ia

ib

伺服控制卡

PC-DSP 控制電腦

伺服控制卡

電流控制脈波 寬度調變 電流控制脈波

寬度調變

+

Ta

−

Ta

+

Tb

−

Tb

+

Tc

−

Tc

′+

Ta

′−

Ta

′+

Tb

′−

Tb

′+

Tc

′−

Tc

idc

Vdc

Cdc

u u v i ,

v v v i ,

w w v i ,

Lp

Ta T_b Tc T ′_a T ′_b T ′_c

ia

ib

iu

iv

*

ia i_b^* i^*_c i_u^* i_v^* i_w^*

Vdc

ωr

隔離與驅動 電路

隔離與驅動 電路 永磁同

原動機 步馬達

感應發 電機

編碼器 介面與 計時器 編碼器

介面與 計時器 數位/類比

轉換器

數位/類比 轉換器

類比/數位 轉換器 類比/數位

轉換器

負載 φ

−3 Δ

Vuv

− +

記憶體 數位信

號處理 器 Pentium

微處理器 ic

ia

ib

ic

ia

ib

伺服控制卡

PC-DSP 控制電腦

伺服控制卡

電流控制脈波 寬度調變 電流控制脈波

寬度調變

+

Ta

−

Ta

+

Tb

−

Tb

+

Tc

−

Tc

′+

Ta

′−

Ta

′+

Tb

′−

Tb

′+

Tc

′−

Tc

idc

Vdc

Cdc

u u v i ,

v v v i ,

w w v i ,

Lp

Ta T_b Tc T ′_a T ′_b T ′_c

ia

ib

iu

iv

*

ia i_b^* i^*_c i_u^* i_v^* i_w^*

Vdc

ωr

隔離與驅動 電路 隔離與驅動

電路

隔離與驅動 電路 隔離與驅動

電路 永磁同

原動機 步馬達

感應發 電機

編碼器 介面與 計時器 編碼器

介面與 計時器 數位/類比

轉換器

數位/類比 轉換器

類比/數位 轉換器 類比/數位

轉換器

負載 φ

−3 Δ

Vuv

圖2 利用PC-DSP並列處理控制之風力驅動感應發電機系統架構圖

8

子計畫二：燃料電池與太陽能混合發電系統之研製 （主持人：葉勝年）

本子計畫太陽能採用昇壓型直流-直流功率轉換器及最大功率追 蹤控制，進而提昇太陽能電池之能量轉換效率。而燃料電池採用全橋 相移式直流-直流功率轉換器及高頻零電壓切換，有效轉換燃料電池 之產出能量。另外，文中蓄電池組採用昇/降壓型直流-直流功率轉換 器作為充、放電控制，用以維持再生能源與負載之間的功率平衡，並 提供穩定直流電壓予負載。最後，系統採用三相三階層變流器作為直 流-交流能量轉換之用，除了可減少輸出電壓之諧波含量，還能將能 量轉換為交流電源，供給三相獨立負載或傳輸至市電網路。

本計畫已建立功率轉換器數學模型，並使用 MATLAB/Simulink 模擬軟體分析整體系統，以作為數位控制器之設計依據。在實體製作 方面，採用數位信號處理器(DSP, TMS320LF2812)為系統控制核心，

並搭配可程式邏輯元件(CPLD, XC9536)以及電壓、電流回授與功率轉 換器之控制策略，完成整體系統之實體製作。

圖3為本子計畫整體系統架構圖。太陽能發電系統採用10片單晶 矽BP275F太陽能電池串聯而成；燃料電池發電系統採用NexaTM Power Module燃料電池模組；能量平衡系統採用14顆GP12400密閉式 鉛酸蓄電池串聯而成；三相三階層變流器輸出部分利用電感及電容所 組成之二階低通濾波器得到三相弦波交流電源，並經過電力變壓器將 低壓大電流轉換為高壓小電流之電力形式，以提供負載或市電使用。

n4 vpv Tpv

Cpv

Lpv D_pv

Cdc vdc

v1

v2 Sa

C2

Sb Sc a− T

a+ T

b− T

+ Tb

c− T

Lf Lf

C1 C^f

Cf

Za Z_b ea c+

T

Cf

eb

ec

Zc n1 n2 n₃

Lf +

+

+

+

+

+

+

+ −

+ −

+ −

iac

ibc

icc

ipv Lf1

Cfc

vfc

T1⁺

T1⁻

T2⁺

T2⁻ D1⁺

C1⁺

D1⁻

C1⁻

D2⁺

C2⁺

D2⁻

C2⁻

Ls

Tr

2 1

n N

=N

D5

D6

D8

D7

vbat C_bat Lbat

+ Tbat

bat−

T −

Dbat + Dbat

+

2

Lf

ifc

ip

1 2

2

if

ibat

+

−¹² v

iaf

ibf

icf

vaf

vcf

vbf

vas

vbs

vcs

ias

ibs

ics iw

iv

iu v_u

vv

vw

圖3 燃料電池與太陽能結合之混合發電系統架構圖

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子計畫三：六相永磁式同步電機之風力發電系統研製 （主持人：黃仲欽）

風力發電機方面，本計畫採用雙三相永磁式同步發電機配合全橋 式二極體整流器之並聯電路結構，不僅可降低整流後直流電壓之漣波 成分，亦可縮小體積及成本。在直流-直流功率轉換方面，採用昇/降 壓式直流截波器控制蓄電池之儲、釋能，以維持供電的可靠性。另於 直流-交流功率轉換方面，採用三相三階層直流-交流功率轉換器，其 優點為有效減少輸出電壓之諧波含量，且可獨立供電及與市電併聯，

其架構如圖4所示，達到分散式供電系統之功能。

本計畫風力發電系統採原動機模擬風速，帶動永磁式同步發電 機，於雙三相全橋式二極體整流器串聯或並聯模式下建立直流鏈電 壓。將三顆12 V、20Ah鉛酸電池串聯，經昇/降壓式直流截波器進行 能量轉換，並利用其雙向功率轉換特性達到系統功率平衡，維持直流 鏈電壓穩定。直流-交流功率轉換採用三相三階層直流-交流功率轉換 器，經昇壓變壓器將低壓22V轉換至高壓220V，提供三相交流負載或 與市電併聯使用。控制核心採用數位信號處理器TMS320F2812，回授 蓄電池電壓、直流鏈上臂及下臂電壓、濾波電容電壓、直流鏈電流、

蓄電池電流、濾波電感電流及負載電流。控制策略採數位程式完成，

使控制方法之發展及修改具有相當的彈性。

Za Z_b Z_c

閘極驅動電路

DSP TMS320F2812

PC

雙三相永磁式 同步發電機

ea

eb

ec

n5

n1 n2 n3

n4

i′bs

i′cs

Cf

Cf

Cf

Lf

Lf

Lf

ia f

ibf

ic f

Tc⁺

Tb⁺

Ta⁺

Tc⁻

Tb⁻

Ta⁻

Sa

Sb

Sc

i2

i4

i1

i3

v1

v2 1

ic

2

ic

C1

C2

ibat

vbat

Lbat

Tbat⁺

Tbat⁻

vdc

Cdc dc1

v

S2

S1

Dt⁺

Dt⁻

Ds⁺

Dr⁺

Ds⁻

Dr⁻

Dx⁺ D_y⁺ D_z⁺

Dx⁻ Dy⁻ D_z⁻ ir

is

it

ix

iy

iz

Rs

Rs

Rs

Rs

Rs

Rs

Ls

Ls

Ls

Ls

Ls

Ls

er

es

et

n'

n

ex

ey

ez

零 點 偵 測 電 路 數位控制發展平台

i′a s

e′a

Emulator XDS510PP

e′b

e′c

ias

ibs

ics

電 壓 回 授 電 路

電 流 回 授 電 路 閘極驅動電路

ea

vbat

v1

v2

e′a

e′b

ibat

iaf

ibf

i′as

i′bs

idc 2

vdc

a b

c g

P

N

圖4 小型風力發電系統架構圖

12

子計畫四：以數位信號處理器為基礎之燃料電池發電系統之研製 （主持人：王文智）

本子計畫設計與實現一套以數位信號處理器為基礎之燃料電池 發電系統，如圖5所示，此系統具有遠端監控與獨立供電或市電並聯 之功能，基本上，本系統係由燃料電池、充電器、電池組、直流轉換 器、換流器、數位信號處理器及通訊介面所組成。本子計畫所使用之 燃料電池組為Ballard公司所製造，額定功率為1.2kW之燃料電池組，

此一燃料電池組係由47個單一燃料電池串接而成，同時，本計畫使用 德儀公司之數位信號處理器TMS320LF2812建構直流轉換器與三相 換流器，以構成全數位化燃料電池發電系統控制平台，其整體結構圖 如圖6所示。其中，我們設計滑動模式控制法則與模糊控制法則，以 分別控制直流轉換器與換流器，克服燃料電池之非線性特性，使得燃 料電池可穩定地輸出最大功率，燃料電池之輸出功率可提供換流器所 需之直流匯流排電壓與蓄電池之充電電源。在換流器的調變方法方 面，我們使用電壓空間向量調變法以減少電流諧波，並且可使換流器 的直流匯流排電壓被有效地利用；而且，利用電壓源換流器，可使燃 料電池所產生的電能直接與市電併聯供電或獨立供電，而達成分散式 電源之功能；同時，我們亦設計一以單晶片為基礎之通訊介面，以傳 送訊息至遠端監控系統，此通訊介面包含RS-232C及無線通訊系統，

以執行數位信號處理器與監控系統之通訊；同時，本系統亦包含適當 之人機介面，以執行遠端監控之功能。

隔離驅 動電路

繼電器 控制

Load c

+ _

Load b Load a Relay 1 : 2

Relay Relay

1 : 15 +

_

Excess Fuel

Air in Water and heat H2 out

O2

H2O e^- e^-_H+

H⁺ H⁺ H⁺

Proton Exchange Membrane Fuel Cell

Fuel in

1

1 2

2

vfc

ifc L_dc i_dc

Cdc vdc

ia

ic

ib

iu

iv

iw c b_ _ i

ic c i_{c a_}

f_c

C Cf_bC_{f_a}

A/D

capture PWM

I/O

_ f a

L

_ f b

L

_ f c

L + e_c _

eb

+ _

ea

+ _

零點 偵測

電壓.電 流迴授

vdc

vun、 、 、v_vn v_wn

、 、 、 、

、a

i i_b i_u i_v i_r i_s

市電 e_a、e_b、e_c TMS320F2812^{DSP #1}

DSP #2 TMS320F2812

CAN - Controller

CAN - Controller

CAN_L

PC 並列連接埠/

JATG控制介面

Terminal 120 Ohm CAN -

Transceiver

CAN BUS

CAN - Transceiver

Terminal 120 Ohm

CAN_H

ir

is

it

vwn+

− +

− +

− vvn v_un

圖5 燃料電池發電系統基本結構圖

DC/DC 轉換器

DC/AC 換流器

電池

DSP 控制單元 燃料

電池堆 負載

控 制 信 號

功 率 晶 體

回 授 信 號

電 壓 電 流 控

制 信 號

控 制 信 號

功 率 晶 體

14

子計畫五：燃料電池與鉛酸電池發電系統能量管理控制器之研製 （主持人：華志強）

本計畫目的在於建立一套隔離型混合式發電系統，將燃料電池電 源與負載端隔離，藉以提升整體系統供電之安全與穩定性。並提出最 佳化之電力監控與能源管理系統，使本系統具有能量穩定、負載分配 及暫態補償等功能。第一年採用之系統架構為Boost轉換器，第二年 改用架構如圖7之全橋式轉換器，第三年研究以第二年之全橋式轉換 器為基礎，並加入零電壓切換控制技術，燃料電池之輸出電壓變動範 圍由20V至42V，經零電壓切換全橋轉換器控制將燃料電池輸出電壓 提昇至200V。其中，全橋零電壓轉換器採用零電壓切換技術藉由降 低切換損失以提高轉換效率，並利用定電壓控制策略與加入箝制二極 體之設計，使燃料電池提供穩定的輸出功率至直流鏈側，即使負載發 生變動時直流鏈電壓也能夠穩定。本計畫利用蓄電池充放電控制達到 系統功率調節之功能。以雙向轉換器連接燃料電池與蓄電池，透過適 當的控制雙向轉換器之功率開關，完成能量儲存與過載補償，並供應 穩定直流電源至後級單相全橋變流器。

最後，本計畫以高性能之數位信號處理器(DSP, TMS320LF2407A) 為控制核心，完成額定負載 800W 與峰值負載 1kW 之混合式發電系 統，並整合監控程式與系統控制程式設計流程，以實驗結果驗證系統 之運作效能。

Fuel Cell Battery

Load S1

S2

S3

S4

Lf

C^f C¹

C² L1 D1

D2

․

․

․ TR Ccoup

S5

S6

S7

S8

C³ C⁴

C5

N^p1 Ns1

Ns2

S9

S10

L² Bi-directional

converter Full-Bridge converter Singe phase inverter

D S P 2 4 0 7 A Ifc

Vbat

Ibat

Vdc-bus

vo

Ifc_refVbat_ref Ibat_refVdc-bus_refv^o_ref

Gate Driver

․․․․․․

S10

․․․․․․

S1 S2 S9

PWM1 PWM2 PWM9 PWM10

LabVIEW Data Acquisition

NI-Pad 6015 Ifc Vfc

Vbat

Ibat Computer

Mouse Keyboard

Gas、Pressure sensor

Hydrogen Air Pressure Current

sensor

Voltage sensor Voltage

sensor Current

sensor

Voltage sensor

Voltage sensor

USB Digital I/O

圖 7 燃料電池與鉛酸電池發電系統能量管理控制架構

子計畫六：模組化多功能太陽能發電系統之研製（主持人：呂文隆）

本計畫第三年完成市電併聯型太陽能發電系統，兼具不斷電系統 之功能，其架構如圖 8 所示，共分為兩大部分，其一為硬體電路，包 含電力電路、驅動電路、控制電路、數位信號處理器及其週邊介面電 路，太陽能陣列方面，採用單晶矽額定190W 之太陽電池模板，兩串

16

電，以獲取太陽能的最佳利用及最佳調度；透過全橋式變流器之控制 將直流電轉換為交流電，供給交流負載所需電能。

本研究已建立整個多功能市電併聯型太陽能發電系統之數學模 型，並使用 MATLAB/Simulink 套裝軟體進行分析，以作為數位控制 器 之 設 計 依 據 。 在 實 體 製 作 方 面 ， 採 用 數 位 信 號 處 理 器(DSP, TMS320LF2812)為控制核心，並搭配電壓、電流回授與功率轉換器之 控制策略，完成整體系統之實體製作。

full- bridge inverter

i_L3 L3 boost

chopper DC

P₁

vc1

+

-

vb

boost /buck DC chopper

ib

iL LO AD

vc2

+

-

to fast AC switch SW1

feed- back &

isolated circuit

TMS320LF2407

digital signal processor

digital output

PWM output

A/Dinput

control input

IGBT driver MOSFET

driver

currents &

voltages signal IGBT

driver

boost chopper DC

is

io

+ -

vs

圖 8 多功能市電併聯型太陽能發電系統之架構圖

四、研究成果

本計畫第三年各子計畫成果簡述如下：

子計畫一：智 慧 型 控 制 之 風 力 驅 動 感 應 發 電 系 統 之 研 製 （主持人：林法正）

本 計 畫 所 採 用 之 感 應 發 電 機 為 一4極 、 7.5kW、 120V、

54A、2000rpm之 三 相 感 應 發 電 機，其 中 感 應 發 電 機 之 參 數 如 下 所 示 ：

, 0001 . 0 ,

05 . 0 ,

17 .

0

R L H

R

_s = Ω _r = Ω _ls =

L

_lr =0.0003

H

,

L

_m =0.0061

H

此 外，實 測 所 使 用 之 原 動 機 為 一4極、3.5kW、120V、26.4A、

2000rpm之 三 相 永 磁 同 步 馬 達 。

本計畫利用實測結果來驗證應用結合IPSO與RBFN控制之系統 於感應發電機系統。在感應發電機之PC-DSP並列處理機控制系統 中，其控制程式使用一個主程式及二個中斷服務程式(ISR)完成即時 控制程序。主程式的功能首先在設定的各項參數及輸入/輸出的初始 化，然後設定中斷服務程式的中斷週期。在中斷程式致能後，主程式 監控其控制資料訊息以及每6ms更新粒子群尋優法所搜尋到之最佳 學習速率。ISR1是Pentium與 DSP間的介面程式，其取樣速率為 0.05ms。首先由雙埠記憶體(Dual Port RAM, DPRAM)獲得三相命令電 流，並經多功能介面卡之數位/類比轉換器傳送至功率轉換器。ISR2 的取樣週期為2ms，其主要功能是用以讀取編碼器所偵測到感應馬達 轉子位置訊號和類比/數位轉換器所回傳之直流鏈電壓和負載端三相 交流電壓，再執行結合IPSO之RBFN控制系統以產生控制命令和操作 RBFN之線上訓練，最後將d-q軸命令電流傳送到DPRAM。其中利用

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IPSO 能線上找到最佳之學習速率，故結合 IPSO 之 RBFN 控制系統 無論在負載變化或風速變化下，直流鏈電壓與負載端三相交流電壓皆 能有良好之追隨響應。

子計畫二：燃料電池與太陽能混合發電系統之研製（主持人：葉勝年）

本子計畫之系統以數位信號處理器為控制核心，搭配可程式邏輯 元件與硬體電路及軟體程式完成實體製作。本系統規格與參數設定如 下：

1. 直流鏈電壓命令：240V。

2. 太陽能發電系統、能量平衡系統及三相三階層變 流器之開關切換頻率：10kHz。

3. 燃料電池發電系統之開關切換頻率：60kHz。

4. 變流器輸出側濾波電感：0.5mH。

5. 變流器輸出側濾波電容：20μF。

6. 輸出相電壓命令峰值：180V。

7. 輸出相電壓命令頻率：60Hz。

已完成 1600W 的獨立供電系統及市電併聯系統，並由實測以驗 證理論分析。在獨立運轉模式下，固定輸出頻率為 60Hz、有效值為 220V 的三相線電壓。在市電併聯模式下，可提供實功率及虛功率至 市電網路。最後，三相三階層變流器之滿載運轉效率約為 93.5%，且 輸出線電壓之總諧波失真率為3.61%，符合 IEEE Std. 519 之規範。

利用最大功率追蹤及昇壓型直流-直流功率轉換器控制太陽能發 電系統輸出最大功率；燃料電池發電系統則採用全橋相移式直流-直 流功率轉換器，其本身具備零電壓切換特性，能降低開關在高頻切換 下所造成的切換損失；由具有雙向功率轉換功能之昇/降壓直流-直流 功率轉換器，配合不同的功率分配情況，調節各發電系統間的能量；

最後分別利用同步旋轉座標電壓與電流控制模式，將三相三階層變流 器應用於獨立運轉與市電併聯供電。

子計畫三：六相永磁式同步電機之風力發電系統研製 （主持人：黃仲欽）

本子計畫已完成以數位信號處理器為基礎之小型風力發電系 統。風力發電機方面，本文採用雙三相永磁式同步發電機配合全橋式 二極體整流器之並聯電路結構，不僅可降低整流後直流電壓之漣波成 分，亦可縮小體積及成本。在直流-直流功率轉換方面，採用昇/降壓 式直流截波器控制蓄電池之儲、釋能，以維持供電的可靠性。另於直 流-交流功率轉換方面，採用三相三階層直流-交流功率轉換器，其優 點為有效減少輸出電壓之諧波含量，且可獨立供電及與市電併聯，達 到分散式供電系統之功能。在風力發電之最大功率追蹤控制方面，採 用發電機的輸出經橋式整流後電壓及電流回授，並由電流及電壓乘積 以計算其功率，配合直流鏈電壓及輸出功率擾動觀察以達到最大功率 追蹤控制。

本文採用數位信號處理器TMS320F2812為整體系統之控制核 心，本系統已完成520 W的發電系統雛形。系統在獨立運轉下，其額 定輸出線電壓有效值為220 V，頻率為60 Hz。在併聯運轉下，可提供 最大實功率及虛功率至電力網路。此外，整體系統之運轉效率為 81%，且三相三階層直流-交流功率轉換器輸出線電壓之總諧波失真 率為2.57%。實驗結果驗證本文之理論分析及控制法則的可行性。

子計畫四：以數位信號處理器為基礎之燃料電池發電系統之研製 （主持人：王文智）

本子計畫首先研製一燃料電池發電系統之直流功率轉換器，係將

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壓因負載而改變時，本子計畫所提出之滑動模式控制器能使直流鏈電 壓具有較快速的響應及強健性。

另外，在換流器方面，本子計畫研製一基於模糊邏輯控制之三相 換流器，亦以數位信號處理器TMS320F2812為整體系統之控制核心，

分別使用比例-積分控制器與模糊邏輯控制器計算出電壓命令後，經 由 電 壓 空 間 向 量 脈 寬 調 變 技 術 計 算 出 各 臂 開 關 的 責 任 週 期(duty cycle)，控制三相換流器於獨立運轉時輸出三相線電壓有效值為 220V、頻率為60Hz的交流電，三相換流器之運轉效率最高可達91%，

而輸出線電壓之總諧波失真率為2.45%，符合IEEE Std. 519之規範；

並且應用控制區域網路以遠端來達成獨立運轉與市電併聯運轉模式 之切換，同時監測系統之電壓、電流值；併聯運轉模式下，可提供實 功率及虛功率至電力網路。應用模糊邏輯控制之三相換流器在負載改 變時，能有效控制電壓、電流，具有較快速的動態響應。收斂速度不 但較使用比例-積分控制器之換流器快，且因無過衝量，功率輸出較 穩定；穩態時，其穩態誤差也較使用比例-積分控制器之三相功率轉 換器小，更適用於分散式發電系統。實驗結果驗證本子計畫之理論分 析及控制法則的可行性。

在遠端監控方面，本子計畫研製一套以CAN 為基礎的無線監控 燃料電池發電系統。運用CAN 所具有之穩定性、即時性、具除錯性 以及可整合性等優點，將燃料電池發電系統的所有資訊正確無誤地傳 送到CAN 匯流排上，並且結合無線通訊技術與應用 LabVIEW 虛擬 儀器技術，建立遠端無線監控燃料電池發電系統，驗證了無線通訊技 術結合控制區域網路CAN 的可行性。

子計畫五：燃料電池與鉛酸電池發電系統能量管理控制器之研製 （主持人：華志強）

本計畫完成以燃料電池為主要電源、蓄電池為輔助電源結合具有 隔離電源與負載作用之混合式電源系統，額定負載800W，峰值負載 1kW。此外，系統搭配 LabVIEW 圖控式程式語言，完成一套燃料電 池與蓄電池之即時監控管理系統。