行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
嵌入分散式電源之電力系統運轉規劃與效能提升策略研究--以 DSP 為基礎之新型市電併聯型分散式發電系統電力轉換
器之研製
研究成果報告(精簡版)
計 畫 類 別 ： 整合型 計 畫 編 號 ： NSC 96-2221-E-151-062- 執 行 期 間 ： 96 年 08 月 01 日至 97 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：劉宗磊 碩士班研究生-兼任助理人員：蕭順天 碩士班研究生-兼任助理人員：蕭新興 博士班研究生-兼任助理人員：蔣文榮 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 ： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢中 華 民 國 97 年 08 月 28 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
以 DSP 為基礎之新型市電併聯型分散式發電系統電力轉換器之研製
計畫類別：■ 個別型計畫 □ 整合型計畫
計畫編號：NSC 96-2221-E-151-062-
執行期間：2007 年 08 月 01 日至 2008 年 07 月 31 日
計畫主持人：周宏亮
共同主持人：
計畫參與人員：蔣文榮 劉宗磊 蕭順天 蕭新興
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：國立高雄應用科技大學
中 華 民 國 97 年 8 月 25 日
以 DSP 為基礎之新型市電併聯型分散式發電系統電力轉換器之研製
DSP Based Novel Power Converter for the Grid-connected Distributed Power Generation System
計畫編號：NSC 96-2221-E-151-062- 執行期限：2007 年 08 月 01 日至 2008 年 07 月 31 日 主持人：周宏亮 國立高雄應用科技大學 電機系 計畫參與人員：蔣文榮 劉宗磊 蕭順天 蕭新興 中文摘要 本計畫將研製一以數位訊號處理器為 基礎之新型具孤島偵測之市電併聯型分散 式發電系統之電力轉換器，該電力轉換器為 一市電併聯之電壓源型電壓控制式電力轉 換器，其可提供高功率因數且電流為弦波之 電流注入配電系統；由於孤島效應偵測技術 為確保市電併聯型再生能源電力轉換器之 安全供電之重要技術，本計畫中亦將發展結 合於電壓控制式電力轉換器控制器之孤島 效應偵測方法。為驗證本計畫所提方法之可 行性，將於本計畫中將完成一硬體雛型以驗 証其功能。實測結果証明其可達到預期之效 果。 關鍵字：分散式發電，電力轉換器，孤島效 應 Abstract
In this project, a DSP based novel power converter interface for the grid-connected renewable energy is proposed. This power converter is a voltage-controlled power converter has the function of islanding detection, and it can inject a sinusoidal current with unity power to the utility. The islanding detection can guarantee the safety operation and high power quality of the distributed power generation systems. An islanding detection method incorporated in the controller of the voltage-source will also be proposed in this propose. Finally, a hardware prototype is developed and tested to verify the performance of the proposed method. The experimental results show that the performance of the grid-connected power
converter is as expected.
Keywords ： distribution power generation system, power converter, islanding
一、前言與研究目的 近年來由於工業的高度發展，不但使得 地球上傳統之石化能源快速枯竭，更造成全 球環境的嚴重衝擊，如何減少對傳統之石化 能源的依賴，已成為目前世界各國之重要研 究課題。為了減輕對環境的嚴重衝擊，因此 有京都議定書之簽訂以限制二氧化碳的排 放量，為達成減少對石化能源之依賴以降低 二氧化碳的排放量，必須加速再生能源之開 發與利用。分散式發電系統為未來電力系統 發展之趨勢【1, 2】，而與市電併聯之再生 能源發電系統佔分散式發電系統之比例將 日漸增加，再生能源如風力發電或太陽能發 電與電力系統併聯之主要關鍵技術為電力 轉換器界面技術，而電力轉換器界面技術包 含電力電子之相關技術、孤島效應偵測技術 與最大功率追蹤技術，關於再生能源電力轉 換器技術可分為電流控制式【3-5】與電壓 控制式【6, 7】，至今大多數文獻均採用電 壓源型電流控制式。電流控制式將電力轉換 器操作成電流源且控制標地為電力轉換器 之輸出電流，若要其輸出電流與市電電壓同 相位，則需採閉迴路控制。其優點為具有響 應時間快速，但其若運轉成防災型備用電 力 時 ， 則 必 須 再 多 一 電 壓 迴 路 以 控 制 該 輸 出 電 壓 ， 其 控 制 電 路 相 對 較 為 複 雜 。 而傳統電壓控制式將電力轉換器操作成電 壓源且其控制標地為電力轉換器之輸出電
壓，若要其輸出電流與市電電壓同相位，則 需個別控制經由電力轉換器輸出電壓振幅 與相位，與電流控制式相較下，其缺點為必 需藉由控制電力轉換器輸出電壓之振幅及 相位雙迴路，具有控制電路複雜與雙迴路控 制導致暫態響應特性不佳。但優點為控制標 地為電力轉換器之輸出電壓所以只需電池 提供電能便可以簡易操作成防災型備用電 力【8-10】。 為確保再生能源電力轉換器之供電品 質與安全供電，歐、美、日等國之研究機構 紛紛制訂管制規範標準，如IEEE 929-2000 、IEEE 1547.1、VDE0 126-1-1 及 UL 1741 等【11-14】，上述管制標準中有關供電品 質則大多參考IEEE 519 之規定。而有關安 全供電方面則強調孤島運轉之偵測保護；所 謂的孤島運轉是指電力系統電源因故中斷 時，再生能源發電系統與負載未切離電力系 統網路而呈現獨立的電力供需系統。當斷路 器開路時，系統處於孤島運運轉模式下，此 時系統電壓可能發生劇烈變化，或仍維持穩 定的供電，而依據歐、美、日等國之研究機 構 紛 紛 制 訂 管 制 規 範 標 準 ， 如 IEEE 929-2000、IEEE 1547.1、VDE0 126-1-1 及 UL 1741 等之規定，一旦斷路器開路，不論 何種情況，保護裝置都應即時將太陽光電能 發電系統切離電力系統網路。孤島運轉發生 時，保護裝置應儘速檢出並終止孤島運轉的 持續，否則不論對供電系統或受電用戶都可 能造成不利的影響，甚至造成公眾以及電力 公司輸電線路維修人員之安全危害，而當越 來越多的再生能源發電系統併入電力系統 網路時，發生孤島運轉時間延長的機率就越 大，此時造成重大傷害的可能性也越大，因 此，孤島運轉之防止及檢測是不容輕忽。關 於孤島運轉偵測技術至今已多篇文獻提出 若干偵測方法【15-20】，主要可分為被動 偵測方法（passive detection method）、主動 偵測方法（active detection method）和配電 系統層級法（grid-level method）。被動偵測 方法係利用偵測系統參數變化，以判別是否 發生孤島運轉現象，如系統頻率偵測法、電 壓振幅偵測法及諧波含量偵測法等。然這些 被動型偵測方法均存在有一不感帶，所謂不 感帶係這些被動型偵測方法無法偵測出孤 島運轉之狀況，因此被動偵測方法無法完全 滿足上述管制規範標準。 主動偵測方法，其係在分散式電源系統 之輸出電流中加入一微量小擾動。當市電電 源系統正常時，由於市電電源足夠強健，因 此該微量小擾動不致造成任何影響。反之， 一旦市電電源系統中斷時，由於該微量小擾 動可引起頻率或電壓的大幅變化，因此其可 由保護電驛偵測而可判定為發生孤島運轉 現象。此時，將該市電電源系統與分散式電 源系統立即解聯，以避免發生孤島運轉現象 。如上所述，主動偵測方法均利用分散式電 源系統之電力轉換器產生一微小失真，於市 電電源系統中斷時偵測出該分散式電源系 統孤島運轉之現象。然而，這些主動型偵測 方法均必須受限於相關之國際管制規範標 準，因此分散式電源系統之供應電流之總諧 波失真率必須小於 5%。簡言之，這些主動 偵測方法產生之電流失真量必須受到限制 ，因而影響偵測孤島運轉現象的時間及可靠 度，因此，仍可能存在有一不感帶，且其採 用控制電路的結構亦相對複雜。 至於配電系統層級偵測法一般用於配 電電壓較低之分散式發電系統，其利用多組 感 測 器 作 其 通 信 設 備 及 偵 測 孤 島 運 轉 現 象，或在電力網路的輸配線路上加裝一電感 及電容器偵測，當電力網路中斷時，即將電 感或電容器投入藉由無效功率破壞系統平 衡狀態，達到電壓、頻率擾動，使分散式電 源 系 統 能 偵 測 到 此 一 中 斷 發 生 並 將 其 切 離。其缺點為必須裝設多個檢測設備或額外 在電力網路加入電感或電容，將增加製造成 本，與其他孤島偵測方法相較，其暫態響應 不佳。 本計畫發展出以TMS320F2407數位控
制器為基礎之一種具孤島效應偵測功能之 新型單相市電併聯電壓源型電壓控制式之 單相電力轉換器界面，改善傳統電壓控制式 電力轉換器必需藉由控制電力轉換器輸出 電壓之振幅及相位雙迴路控制之問題，具有 控制電路簡單與暫態響應佳，本計畫中除進 行系統之分析模擬外，並將完成一硬體雛型 以驗証其功能。 二、研究方法 2.1 傳統電壓控制演算法 由於電力轉換器可以等效成一個電壓 源，因此，單相市電併聯電壓源型電壓控制 式電力轉換器電路可等效成如圖1所示之雙 電壓源之系統。由圖1可看出其包含一市電 電壓源，一電力轉換器所產生之電壓及一負 載。若市電電壓為一非理想弦波(市電電壓 畸變)，則可表示為： ) t ( v ) t sin( V ) t ( vs = P ω + sd （1） 其中 Vp 和ω各別為基波之峰值電壓與基波 之角頻率，和vsd(t)為市電電壓失真之成份。 市電聯型電壓源型電壓控制式電力轉 換器之輸出電壓（經濾波器率除高頻切換雜 訊）可被控制為包含一可控基波之電壓(Vc) 和可控相角(δ)及一市電電壓失真之成份 vsd(t)，其可表示為： ) t ( v ) t sin( V ) t ( vc = C ω +δ + sd （2） 市電併聯電壓源型電壓控制式電力轉 換器之輸出電流可表示如下： dc c t 0 c s s c I ) t sin( I dt ] ) t ( v ) t ( v [ L 1 ) t ( i + θ + ω = ∫ − = （3） 其中 2 C 2 C P s c (V V cos ) (V sin ) L 1 I − δ + δ ω = （4） ) ) sin V ( ) cos V V ( cos V V ( sin 2 C 2 C P C P 1 δ + δ − δ − = θ − （5） 而Idc為電感電流之初值，在穩態下，Idc會衰 減到零。由式（3）可知在市電電壓失真下， 藉由於控制電力轉換器之輸出電壓之波形 與相位可控制市電電流為一正弦波而不受 市電電壓失真之影響。因此，新型單相市電 併聯型電壓源型電壓控制式電力轉換器能 夠有效地將分散式發電系統其輸出電流失 真度控制在低於法規規定之5%，以確保分 散式發電系統之供電品質。 圖 1 市電併聯型電壓源型電壓控制式電力轉換器電 路圖等效電路 由圖1可知單相市電併聯型電壓源型電 壓控制式電力轉換器送回電源之基波實功 與基波虛功分別為： δ = sin X 2 V V P s C P c （6） ) cos V V ( X 2 V Q P C s C c = − δ （7） 其中Xs為一連結電感之感抗(ωLS)。由於新 型單相市電併聯型電壓源型電壓控制式電 力轉換器界面，其電力轉換器之輸出電流與 市電電壓同相位之正弦波，即由電力轉換器 僅傳送實功至市電，因此，式（7）虛功Qc 必須為零，意即： δ =V cos VP C （8） 若電力轉換器之輸出電壓被控制成正 弦波，同時其振幅與相位能滿足式（8）， 則新型單相市電併聯型電壓源型電壓控制 式電力轉換器將可以提供高功率因數且電 流為弦波之電力回送給市電。 由以上分析可知傳統電壓控制式電力 轉換器必需藉由輸出電壓的振幅與相位之 雙迴路控制方能達到單位功因之目的，且電 力轉換器之輸出實功剛好與再生能源產生 之實功平衡；因此，傳統電壓源型電壓控制
式電力轉換器其控制電路複雜，且雙迴路控 制將導致暫態響應特性不佳。 2.2 本計畫所提之新型市電併聯型電壓源 型電壓控制式電力轉換器 圖2為本計畫所提之新型市電併聯型電 壓源型電壓控制式電力轉換器，從圖2中可 看出採用直流電能經由電力轉換器將其直 流電能轉換為交流電能供給負載及反饋注 入市電。該市電電源及分散式電源經第一電 磁開關（CB1）與第二電磁開關（CB2）形 成並聯，其用以提供一負載電壓，以便供應 電能至一負載。第一電磁開關接在該市電電 源及負載之間，其用以解聯該市電電源。同 樣的，第二電磁開關接在該分散式電源及負 載之間，其用以解聯該分散式電源。其中第 一電磁開關與第二電磁開關亦可為固態開 闢或其它開闢。為了消除電力轉換器運轉所 產生之高頻切換雜訊，藉由加裝一小濾波電 感與小濾波電容所組成之低通濾波器於電 力轉換器之輸出端。並且此低通濾波器與連 結電感串聯之L-C-L濾波器用於本計畫所提 之新型市電併聯型電壓源型電壓控制式電 力轉換器。 圖2 新型市電併聯型電壓源型電壓控制式電力轉換 器電路 2.2.1 新型市電併聯型電壓源型電壓控制式 電力轉換器之控制理論 傳統電壓源型電壓控制式電力轉換器 採雙迴路控制將導致其控制電路複雜且暫 態響應特性不佳。而電流控制式電力轉換器 其優點為具快速響應和電路簡單，為了兼具 電流控制式優點本計畫之電壓控制式電力 轉換器採用電流間接控制電壓之方法，本計 畫所提之新型市電併聯型電壓源型電壓控 制式電力轉換器之輸出電流為其控制之標 的。期望市電併聯型電壓源型電壓控制式電 力轉換器之輸出電流為弦波且與市電電壓 同相位表示如下： ) t sin( I ) t ( ic = c ω （9） 從圖1 可知，電力轉換器之輸出電壓可表示 如下： c s s c V jX I V = + （10） 本計畫所發展之新型單相市電併聯型 電壓源型電壓控制式電力轉換器之基本原 理可由圖11之向量圖說明式（10），由圖中 可發現市電電壓向量大小Vs(t)與連結電感 電壓向量大小VL(t)相加即可得到電力轉換 器之輸出電壓Vc(t)，而連結電感電壓為超前 市電電壓90度之弦波，所以市電電壓經一90 度相位移電路後可以得到連結電感電壓向 量之相位，而連結電感電壓向量的大小正比 於市電電流之振幅，若電力轉換器產生如圖 3所示Vc(t)之電壓向量，則市電電流與市電 電壓同相，因而市電電流之振幅即決定送回 市電之實功，亦即垂直向量之振幅可決定送 回市電之實功。送回市電之實功之大小乃由 再生能源產生之能量所決定，意即垂直電壓 之 大 小 係 藉 由 再 生 能 源 產 生 之 能 量 所 決 定。在實務上連結電感包含一寄生電阻。考 慮電感上之寄生電阻，電力轉換器輸出電壓 從式（10）將會有一小相移介於電力轉換器 輸出電流與市電電壓。然而電感上之寄生電 阻與整個感抗相較下非常小。因其相移角度 亦非常小，所以整體功率因數還是非常接近 單位功因。 由圖3中可看出本計畫所提之新型單相 市電併聯型電壓源型電壓控制式電力轉換 器控制只要將市電電壓加上一垂直向量(連 結電感電壓之向量)即可同時求得電力轉換 器之輸出電壓之振幅及相位，只需採用單一
迴路控制器以控制垂直向量之振幅；因此， 本計畫相較於傳統電壓源型電壓控制式電 力轉換器必需藉由控制電力轉換器輸出電 壓之振幅及相位雙迴路控制【21】，具有控 制電路簡單且不需任何電流檢出器與暫態 響應特性較佳之優點。 圖 3 市電併聯型電壓源型電壓控制式電力轉換器之 向量 2.2.2 本計畫所提之孤島運轉偵測方法 孤島運轉之偵測方法係加入一小量之 正回授控制信號，其控制信號藉此偏移市電 電源頻率。此一小量之正回授控制迴路被稱 為“頻率偏移＂。當該市電電源正常時，負 載電壓即為市電電壓，由於該市電電源非常 強健且未包含該頻率偏移之操作頻率，該頻 率偏移控制信號將不產生作用，因此，市電 電源正常時，該孤島運轉之偵測方法幾乎不 會對分散式電源之輸出電流產生干擾。當該 市電電源故障或不正常時，由於強健之市電 電源已不存在而無法提供固定頻率之電壓 供應至負載，因此由該分散式電源系統單獨 供電至該負載，而該頻率偏移發生作用，因 而將改變負載電壓之操作頻率，或造成該負 載電壓之振幅產生明顯的變動，如此能即時 偵測是否發生孤島運轉之現象，使本方法具 有縮短偵測時間、減少分散式電源系統輸出 電流失真，並提升偵測之可靠度。 2.3 控制方法 由圖4可看出，本計畫所發展之新型單 相市電併聯型電壓源型電壓控制式電力轉 換器其控制器輸出參考信號包含一功率控 制信號S1、一孤島運轉偵測控制信號S2與漣 波抑制穩壓迴路S3。 首先，負載電壓（市電電壓）由第一電 壓檢出器檢出後，送至該第一帶通濾波器取 得市電電壓基波成份，經相移電路與一振幅 信號相乘得到一垂直向量信號，該垂直向量 信號為超前負載電壓90度之弦波，垂直向量 信號的大小將決定市電電流之振幅，即決定 電力轉換器送回市電之實功量，將電壓檢出 器取樣負載電壓（市電電壓）與垂直向量信 號相加可得到功率控制信號S1，功率控制信 號S1用以控制該分散式電源產生之實功 率，該振幅信號由該再生能源產生之能量大 小決定。 孤島運轉偵測控制信號S2用以使電力 轉換器輸出電壓頻率偏離市電電源頻率，孤 島運轉偵測控制之操作頻率接近且略高於 該市電電源之操作頻率，以偵測孤島運轉現 象。電壓檢出器檢出之負載電壓送至第一帶 通濾波器，第一帶通濾波器亦為市電電源頻 率，檢出之負載電壓再與該第一帶通濾波器 之輸出送至該減法器相減，該減法器之輸出 為該負載電壓之非市電電源頻率成份。將該 減法器之相減結果送至第二帶通濾波器，第 二帶通濾波器之中心頻率略高於該市電電 源之操作頻率，第二帶通濾波器之輸出再經 一放大器即可得到該孤島運轉偵測控制信 號S2。將該功率控制信號S1與該孤島運轉偵 測控制信號S2送至該加法器相加。 由功率控制信號S1與該孤島運轉偵測 控制信號S2相加得到新型單相市電併聯型 電壓源型電壓控制式電力轉換器參考訊號 Vref(t)。在傳統電壓控制式電力轉換器此參 考信號將會送與脈波寬度調變電路操作為 調變信號與高頻三角波載波相比較。當電力 轉換器之直流電壓為固定下，電力轉換器輸 出電壓值直接正比於Vref(t)。然而，因為太 陽能光電模組或永磁式同步發電機經交流/ 直流整流器之直流端輸出電壓經直流/直流 電力轉換器及直流/交流轉換器受高頻切換 開關而影響直流電容器上漣波電壓變動，其 漣波電壓頻率為基波頻率兩倍，進而造成新
型單相市電併聯型電壓源型電壓控制式電 力轉換器輸出較差之電力品質。考慮其漣波 影響，新型單相市電併聯型電壓源型電壓控 制式電力轉換器輸出電壓表示如下： ) t ( v V V~ V ) t ( v ref tri dc dc o = ∧+ （11） 其中Vdc和V~dc為直流成份與交流漣波成份 訊號所構成的直流電源，Vˆtri為高頻載波振 幅。從市電併聯型電壓源型電壓控制式電力 轉換器將被設計為開迴路控制，其漣波電壓 將 會 影 響 電 力 轉 換 器 輸 出 電 壓 和 電 流 失 真。換言之也就是將會影響電力轉換器之輸 出電流THD﹪惡化。除此之外，也將會影響 電力轉換器之輸出電流相移及功因變差之 結果。為了避免直流電壓漣波之影響，本計 畫將修正電力轉換器之調變信號vmod(t)： ) t ( v V~ V V ) t ( v ref dc dc dc mod = + （12） 然而，電力轉換器輸出電壓可表示如下： ) t ( v V V ) t ( v ref tri dc o = ∧ （13） 因此，電力轉換器輸出電壓直接正比於參考 信號Vref(t)。 由圖4可看出，直流電壓經由第二電壓 檢出器且將其檢出電壓送至第二放大器，其 放大倍率為1 Vdc，最後可得S3信號，其表 示如下： dc dc dc 3 V V ~ V S = + （14） 調變信號vmod(t)式（12）可由參考信號Vref(t) 與S3信號相除得之。最後得到該電力轉換器 之調變信號vmod(t)。接著將該調變信號vmod(t) 之輸出送至該脈波寬度調變電路，將該脈波 寬度調變電路之輸出再送至該驅動電路產 生該電力轉換器之電力電子開關元件之驅 動信號。 當該市電電源正常時，由於該市電電源 之電壓即為負載電壓，由於該市電電源非常 強健，其電壓頻率很穩定，不包含該孤島運 轉偵測控制電路中第二帶通濾波器之中心 頻率成份，因此該分散式電源系統之輸出電 流幾乎不受該孤島運轉偵測控制電路之影 響，而維持低於管制規範標準之總諧波失真 率，在此條件下電力轉換器之功率控制信號 S1為主要之參考信號；反之，當該市電電源 斷電或不正常時，由於強健之市電電源已不 存在，無法提供固定頻率之電壓供應負載， 因此，由該分散式電源系統單獨供電至負 載，所以該分散式電源系統操作之孤島運轉 偵測控制電路發生作用，孤島運轉偵測控制 信號S2將被放大，進而使電力轉換器輸出電 壓頻率偏離市電電源頻率，而進一步放大孤 島運轉偵測控制信號S2，使電力轉換器輸出 電壓頻率進一步偏離市電電源頻率，直到孤 島運轉被成功偵測。 圖4 本計畫所提之控制方塊圖 三、結果與討論 為驗證本計畫所提以 TMS320F2407 數 位控制器為基礎之一種新型單相市電併聯 型電壓源型電壓控制式之單相電力轉換器 界面，將完成一電力轉換器容量為750W 硬 體雛型並進行以下不同條件下將測試其性 能實測，該硬體雛型之主要參數如表 1 所 示。依IEEE 929-2000 之規定電壓範圍與保 護電驛跳脫時間限制設定如表2 所示【11】， 另頻率範圍為 59.3-60.5Hz，意即頻率若高 於60.5Hz 或低於 59.3Hz 則保護電驛將在 6 週期時間內跳脫。綜合以上規範所定義範 圍，本計畫所提新式抗孤島偵測技術將偵測
出超過此規範範圍則立即與市電解聯，以保 護後端之設備安全及損壞。本計畫將針對電 阻負載、電阻-電感-電容負載及非線性負載 等不同負載進行測試，實測結果分別說明如 下。 表1 硬體電路參數 市電電壓 120 V, 60 Hz 連結電感 5 mH 切換頻率 20 kHz 直流電壓 200 V 直流電容 4700 µF 濾波電感 60 µH 濾波電容 1 µF 電阻-電感-電容負載 19.2 Ω - 20.3 mH - 345.3 µF 表2 IEEE 929-2000規範之電壓範圍與保護電驛跳脫 時間限制【11】 電壓（責任點端電壓） 最大跳脫時間 V < 60 6 cycles 60 ≤ V < 106 120 cycles 106 ≤ V ≤ 132 正常運轉 132 < V < 165 120 cycles 165 ≤ V 2 cycles 在電阻性負載情況下，電力轉換器所提 供之實功幾乎等於負載所消耗之實功。負載 電阻值為19.2Ω。圖 5 所示為電力轉換器操 作於市電電壓正常下之電阻性負載之實測 結果。其中由圖5 其市電電壓總諧波失真率 為2.3﹪，圖 5 可看出電力轉換器輸出電流 為弦波且與市電電壓幾乎同相位，其電流振 幅幾乎等於負載電流。圖6 之電力轉換器輸 出電流總諧波失真率為4﹪遠小於 IEEE Std. 929-2000 法規規定之 5﹪之內，可確保分散 式發電系統之供電品質。 而圖 7 為在電阻性負載下本計畫所提 之孤島偵測實測結果，由圖中可看出當孤島 運轉發生時負載電壓之振幅會發生明顯的 變化，因此可藉由偵測負載電壓之振幅變化 偵測出孤島現象，由實測結果可知在此條件 下本計畫所提之孤島運轉之偵測方法其偵 測時間為 14ms。跳脫時間之定義為市電電 源中斷與CB1 及 CB2 打開之間隔時間。因 此，本計畫所發展之孤島偵測方法在此負載 條件下能夠從市電負載電壓之振幅變化，有 效的偵測出孤島運轉現象，並將分散式發電 系統切離配電電源。 圖 5 電阻性負載市電電壓正常時之實測結果，（a） 市電電壓，（b）負載電壓，（c）電力轉換器輸出電流， （d）負載電流 圖6 市電併聯之電力轉換器輸出電流失真率大小 圖 7 電阻性負載孤島運轉之實測結果，（a）市電電 壓，（b）負載電壓，（c）電力轉換器輸出電流，（d） 負載電流 在電阻-電感-電容性負載情況下，負載 電阻值為19.2Ω、電感值 20.3mH 與電容值
345.3μF。在市電正常狀況下，電力轉換器 所提供之實功等於負載所消耗之實功。圖8 為在電阻-電感-電容性負載下本計畫所提之 孤島偵測實測結果，由圖中可看出當孤島運 轉 發 生 時 負 載 電 壓 之 頻 率 產 生 明 顯 的 變 動，因此可藉由偵測負載電壓之頻率產生明 顯的變動偵測出孤島現象。圖8(b)之負載電 壓 之 振 盪 為 將 電 力 轉 換 器 跳 脫 後 ， 負 載 R-L-C 所剩餘能量產生。然而，因負載中存 有R 負載，其衰減速度快，由實測結果在此 條件下本計畫所提之孤島運轉之有效偵測 方法其偵測時間為65ms。 圖 8 電阻-電感-電容性負載孤島運轉之實測結果， （a）市電電壓，（b）負載電壓，（c）電力轉換器輸 出電流，（d）負載電流 圖9 中在非線性負載（單相橋整電路組 成由直流電容器與電阻）與圖 10 電壓失真 情況下，其市電電壓總諧波失真率為9﹪(包 含 6.6V (R.M.S) 3rd, 3.7V (R.M.S.) 5th, 2.9V (R.M.S.) 7th, 等)與負載電流總諧波失真率 為50.3﹪。孤島運轉之偵測方法其偵測時間 為 25ms。此證實當市電電壓含有電壓畸變 或負載為非線性負載下，電力轉換器之輸出 電流並不會因加入孤島運轉之偵測方法而 受影響，並且可有效偵測孤島運轉現象。 本計畫所發展之孤島運轉方法，其偵測 時間在不同負載負載條件及不同品質因數 下有所不同。表3 所示為在品質因數為 2.5 下之不同負載容量比例所對應之電力轉換 器容量比例下之孤島偵測之跳脫時間。表4 所示為負載容量比例在100﹪所對應之電力 轉換器容量比例100﹪下，但不同品質因數 下之孤島偵測之跳脫時間。從表3 與表 4 可 看出負載容量比例在 100﹪及品質因數在 2.5 情況下為最難偵測，亦即在最難偵測下 其偵測時間最長為 65ms。從以上實測結果 可看出本計畫所提之孤島偵測運轉方法之 跳脫時間均能夠符合IEEE 929-2000 法規， 可確保分散式發電系統之安全運轉。 圖 9 非線性負載孤島運轉之實測結果，（a）市電電 壓，（b）負載電壓，（c）電力轉換器輸出電流，（d） 負載電流 圖10 市電電壓失真之實測結果，（a）市電電壓，（b） 電力轉換器輸出電流 表 3 品質因數為 2.5 但不同負載條件下孤島偵測之 跳脫時間 負載實功 轉換器輸出 跳脫時間 25% 25% 39 ms 50% 50% 40 ms 75% 75% 50 ms 100% 100% 65 ms 125% 100% 24 ms 表4 負載滿載（100﹪）但不同品質因數下孤島偵測 之跳脫時間 轉換器輸出容量 品質因數 跳脫時間 100% 2.5 65 ms 100% 2 45 ms 100% 1 40 ms 100% 0 14 ms
當再生能源電量改變時，電力轉換器之 輸出電流必須跟隨改變。圖 11 中可看出本 計畫所提之電力轉換器輸出電流變化暫態 之實驗結果。由圖中電力轉換器輸出電流由 2.1A (R.M.S.) 到 6.25A (R.M.S.)。此實驗結 果可驗證本計畫所提之電壓控制式電力轉 換器暫態性能佳且暫態性能近似電流控制 式電力轉換器。本計畫所提之電壓控制式電 力轉換器之暫態響應優於傳統電壓源型電 壓控制式電力轉換器。 圖 11 電力轉換器輸出電流變化暫態之實測結果， （a）市電電壓，（b）電力轉換器輸出電流 四、結論 本計畫研製一以數位訊號處理器為基 礎之具孤島偵測之市電併聯型分散式發電 系統之電力轉換器。本計畫採電流間接控制 電壓之控制方式，只要將市電電壓加上一垂 直向量(－連結電感電壓之向量)即可同時求 得電力轉換器之輸出電壓之振幅及相位，只 需採用單一迴路控制器以控制垂直向量之 振幅；因此，本計畫相較於傳統電壓源型電 壓控制式電力轉換器必需藉由控制電力轉 換器輸出電壓之振幅及相位雙迴路控制，具 有控制電路簡單且不需任何電流檢出器與 暫態響應特性較佳之優點。除此之外，結合 於控制器之孤島運轉偵測方法，當該市電電 源故障或不正常時，由於強健之市電電源已 不存在而無法提供固定頻率之電壓供應至 負載，藉由偵測電壓頻率或負載電壓振幅之 變動，能即時偵測是否發生孤島運轉之現 象，使本方法具有縮短偵測時間、減少分散 式電源系統輸出電流失真，並提升偵測可 靠 度 。 實測結果証實本計畫所發展之以 TMS320F2407 數位控制器為基礎之一種新 型單相市電併聯型電壓源型電壓控制式之 單相電力轉換器界面可達到預期之功能。 五、計畫成果自評 本計畫以 TMS320F2407 數位控制器為 基礎之一種新型單相市電併聯型電壓源型 電壓控制式之單相電力轉換器界面；其研究 計畫內容與原計畫符合且研究皆達預期目 標。目前已將研究成果在國內外期刊、研討 會論文、專利逐步發表成果相當豐碩；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。 六、參考文獻
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可供推廣之研發成果資料表
□ 專利已經核准 ■可技術移轉 日期：97 年 8 月 25 日國科會補助計畫
計畫名稱：以 DSP 為基礎之新型市電併聯型分散式發電系統電力 轉換器之研製 計畫主持人：周宏亮 計畫編號：NSC 96-2221-E-151-062- 學門領域：電力工程技術/創作名稱
一種結合於市電併聯型電力轉換器之孤島運轉偵測裝置與控制方 法發明人/創作人
蔣文榮 周宏亮 吳晉昌 中文： 一種以數位訊號處理器為基礎之新型具孤島偵測之市電併聯 型分散式發電系統之電力轉換器，該電力轉換器為一市電併聯之電 壓源型電壓控制式電力轉換器，其可提供高功率因數且電流為弦波 之電流注入配電系統；由於孤島效應偵測技術為確保市電併聯型再 生能源電力轉換器之安全供電之重要技術，亦發展結合於電壓控制 式電力轉換器控制器之孤島效應偵測方法。技術說明
英文：A DSP based novel power converter interface for the grid-connected renewable energy is proposed. This power converter is a voltage-controlled power converter has the function of islanding detection, and it can inject a sinusoidal current with unity power to the utility. The islanding detection can guarantee the safety operation and high power quality of the distributed power generation systems. An islanding detection method incorporated in the controller of the voltage-source will also be proposed in this propose.
可利用之產業
及
可開發之產品
分散式電源轉換設備，電力電子產業技術特點
一種以數位訊號處理器為基礎之新型具孤島偵測之市電併聯 型分散式發電系統之電力轉換器，該電力轉換器為一市電併聯之電 壓源型電壓控制式電力轉換器，其可提供高功率因數且電流為弦波 之電流注入配電系統；由於孤島效應偵測技術為確保市電併聯型再 生能源電力轉換器之安全供電之重要技術，亦發展結合於電壓控制 式電力轉換器控制器之孤島效應偵測方法。推廣及運用的價值
可做為市電併聯型之再生能源電源轉換設備 ※ 1.每項研發成果請填寫一式二份，一份隨成果報告送繳本會，一份送 貴單位研 發成果推廣單位（如技術移轉中心）。 ※ 2.本項研發成果若尚未申請專利，請勿揭露可申請專利之主要內容。 ※ 3.本表若不敷使用，請自行影印使用。 附件二出席國際學術會議心得報告
計畫編號 NSC 96-2221-E-151-062 計畫名稱 嵌入分散式電源之電力系統運轉規劃與效能提升策略研究--以 DSP 為基礎之新型市電併聯型分散式發電系統電力轉換器之研製 出國人員姓名 服務機關及職稱 周宏亮 國立高雄應用科技大學 電機工程系 教授 會議時間地點 時間：2007/11/27—2007/11/30 地點：泰國曼谷 Swissôtel Le Concorde會議名稱 The Seventh International Conference on Power Electronics and Drive Systems
發表論文題目
1. Novel Auxiliary Diagnosis Method for State-of-Health of Lead-Acid Battery
2. A Novel Maximum Power Point Tracking Method for the Photovoltaic System
一、參加會議經過
The Seventh International Conference on Power Electronics and Drive Systems (2007 PEDS) 於11 月 27~30 日在泰國曼谷 Swissôtel Le Concorde 舉行。該會議由 Chulalongkorn University, IEEE Thailand Section, IEEE IAS/PELS Joint Chapter, Singapore Section 等所主辦及 IEEE Power Electronics Society, IEEE Industry Applications Society, IEEE Industrial Electronics Society 所協 辦，PEDS 國際會議每兩年在世界各國舉辦一次會議，為電力界相當盛大的會議，其結合產 業界及學術界人士共同討論在電力電子與驅動系統相關議題之應用，而世界各地學者都會前 來發表研究成果。會議期間共有45 oral sessions 分別被安排於五個場地發表，另有 17 poster sessions；最後總共有 305 篇論文來自 31 個國家。本人於 11 月 27 日到達現場完成報到手續， 會議分成下列幾項主題分組研討：
Oral Sessions：
1A: Motor Drives I (PMSM) 1B: DC/DC Converters I 1C: Power Quality & FACTs I
2A: Motor Drives II (PMSM) 2B: DC/DC Converters II 2C: Power Quality & FACTs II
3A: Motor Drives III (PMSM) 3B: DC/DC Converters III 3C: Power Quality & FACTs III
4A: Motor Drives IV (SRM) 4B: Utility Applications II 4C: Power Quality & FACTs IV
5A: Motor Drives V (Induction Motor) 5B: Motor Drives VI (SRM) 5C: Renewable Energy II 6A: Motor Drives VII (Synchronous) 6B: Modulation Techniques I 6C: Multilevel Converters I 7A: Motor Drives IX (Miscellaneous) 7B: Modulation Techniques II 7C: Multilevel Converters II
1D: Power Semiconductor Devices 1E: Utility Applications I 1F: Switch Model Power Converters I 2D: Power Electronics Components I
3D: Power Electronics Components II 3E: Power Electronics Applications I 3F: Switch Model Power Converters III 4D: Power Electronics Applications II 4E: Renewable Energy I 4F: Power Quality & FACTs IV 5D: DC/DC Converters IV 5E: Switch Model Power Converters V 5F: Switch Model Power Converters IV
6D: Motor Drives VIII (BLDC) 6E: Renewable Energy III 6F: Switch Model Power Converters VI
7D: Inverter I 7E: Renewable Energy IV 7F: Power Electronics Applications III
8D: DC/DC Converters V
Poster Sessions：
P1: Motor Drives I (BLDC) P9: Inverter II P17: Power Quality & FACTs I
P2: Motor Drives II (Induction Motor) P10: Power Electronics Applications I P3: Motor Drives III (Induction Motor) P11: Power Electronics Applications II P4: Motor Drives IV (PMSM & SRM) P12: Power Electronics Applications III
P5: DC/DC Converters P13: Power Electronics Components
P6: Switch Model Power Converters I P14: Power Quality & FACTs I P7: Switch Model Power Converters II P15: Power Quality & FACTs II
P8: Inverter I P16: Utility Applications
第二日(28 日)早上開幕並舉行 Keynote Lecture 及 Plenary Session；其中 Keynote Lecture 主題為Power Electronics for Future Utility Applications，而 Plenary Session 主題分別為 Digital Control Generations-Digital Controls for Power Electronics Through the Third Generation 與 Power Electronics and Control of Renewable Energy Systems。28-30 日連續三天時間舉行論文發 表。本人此次研討會共有兩篇論文發表。
本人之第一篇論文於11 月 28 日 15:40 Session 2D（Power Electronics Components I）場次 中發表”Novel Auxiliary Diagnosis Method for State-of-Health of Lead-Acid Battery”論文，當 日跟與會專家學者相互討論有關鉛酸電池在健康狀態估測方法之比較及實用性，在不斷電系 統(UPS)使用中之鉛酸電池，其使用情況為備用電源之方式，應如何估測其健康狀態也引起眾 多討論，因為本人發表論文討論之重點在於鉛酸電池放電過程中之曲線為電池健康狀態估測 之依據，對於鉛酸電池在浮動充電情況下如何估測鉛酸電池之健康狀態並未深入探討。本論 文之成果較適用於Cycle Use，而 UPS 為 Stand Use，電池在健康狀態估測之研究，可以作為 未來研究的方向。
本人之第二篇論文於11 月 29 日上午 10:40-12:20 於第 4E 場地發表，論文題目為：”A Novel
Maximum Power Point Tracking Method for the Photovoltaic System”。近年來由於石化能源
大量使用，不但導致地球上石化能源之快速枯竭，亦造成嚴重之環境污染，基於能源多元化 及環境保護之觀點，太 陽 能 發 電 之發展為必然之趨勢，而最大功率追蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)為太陽能發電之關鍵技術；因此，有關 MPPT 技術之研究非常重 要。當日與會專家學者提出有關太陽能發電效率之問題，基於目前太陽能發電高成本之問
研討會會場之留影 二、與會心得 在會議期間本人也參與多個oral session 並聆聽學者闡述其論文基本精神、方法與其研究 結果，從中釐清了許多相關技術的觀念，進而了解未來相關技術可能發展的趨勢。綜觀此次 參與會議之成果，能與多國專業與會人員進行交流，研討會期間除了能吸收各種新知識外， 更是一項難能可貴的經驗。此外在本次大會期間非能夠認識一些來自不同地方之專家學者， 並聽取他們在電力電子與驅動系統領域的研究經驗，期未來之研究，能更有前瞻性與創造力。
