工程科技與教育學刊 第八卷 第三期 民國一○○年九月 第 351～358 頁
獨立型太陽能發電系統動態特性分析
廖立智1、陳盟仁1、吳有基2、張志明1、劉國才1 1國立高雄應用科技大學電機工程系 2聯合大學電機系 E-mail : [email protected]摘 要
本論文主要在探討太陽能發電系統在獨立運轉情況下負載變動時的動態特性。該系統主要包括太陽能 發電系統、功率調節系統、三相變壓器、感應電動機、以及靜態負載等。研究方法是先推導系統組件的數 學模型，接著利用 SimPowerSystems 模組開發並依系統架構連接，最後進行動態特性模擬與分析。研究結 果顯示在此種運轉模式下系統變數的變動情形是可以接受的並且應可和實際運轉情形一致。本研究最大的 價值是可做為太陽能系統規劃、運轉、以及系統擴充的重要參考。 關鍵詞：太陽能發電系統、動態特性分析、功率調節系統、MATLAB/Simulink、SimPowerSystems1. 前 言
太陽能模組的輸出為一個直流源，需經過轉換器提供輸出，因此在太陽能發電系統控制方面更顯得重 要。文獻[1]提出一個新的最大功率追蹤器控制法則，其使用四象限的 PWM 轉換器，藉此獲得良好的最大 功率追蹤速度。文獻[2]使用 ANFIS 模型，提出線性相關性分析實驗數據。該研究使用短路電流和開路電壓 作為輸入因素，模糊控制器利用 ANFIS 的輸出電壓進行最大功率追蹤因而達到高效率與低漣波。文獻[3] 提出一種新型微太陽能系統結構與最大功率追蹤方法。該研究採用 Fibonacci 序列可改善日照度不均的情 況。文獻[4]研究零電流轉換器，使太陽能發電系統在傳輸損失上有明顯的降低。文獻[5]開發一種新的高效 率 DC/DC 轉換器，應用於實務上相當實惠。文獻[6]提出使用最小階觀測控制方法。根據負載的變化控制太 陽能功率得到最小的頻率誤差，進而有效地減少頻率的誤差並且達到最大功率輸出。文獻[7]提出一個使用 半橋式整流變頻器加上新的控制電路新的變頻器，進而得到較高的效率以及較低的漣波電壓。文獻[8]利用 雙層電容器控制太陽能發電的斜率，使得電容快速吸收太陽光電的漣波，進而改變輸出斜率。 本論文主要目的在探討獨立型太陽能發電系統的動態特性。研究方法是採用 MATLAB 內建的 Simulink 與架構在同一環境下的 SimPowerSystems 來建構模組，並且模擬負載變動時系統變數變化情形。此研究的 價值在於可以作為獨立型太陽能發電系統規劃、運轉、以及擴充的重要參考。2. 獨立型太陽能發電系統
2.1 系統架構圖 圖 1 為一個獨立型太陽能發電系統的架構，此系統的組件包括一組太陽能模組（Photovoltaic Array, PV）、一套功率調節系統（Power Conditioning System, PCS）、一部三相感應電動機（Induction Motor）、一 台三相變壓器（Power Transformer）、以及集總的靜態負載（Lumped Static Load）。圖 1 獨立型太陽能發電系統架構 2.2 基本模組 1. 太陽能模組 太陽能 輸出 電壓隨 著輸 入不同 的環 境溫度 及日 照強度 而改 變，其 太陽 能最大 功率 也會跟 著 改 變 [9-11]。圖 2(a)為太陽能模組的圖像，輸入端為環境溫度(Ta)、日照強度(Ett)、太陽能輸出直流電流，輸 出端為太陽能輸出直流電壓。圖 2(b)為內部架構圖，由於目前 SimPowerSystems 尚無太陽能模組，故本 研究是以 Simulink 組合而成[12,13]。 2. 昇壓轉換器模組 太陽能輸出電壓後，先經由昇壓轉換器將電壓提升到某一個等級，其開關導通的責任週期（Duty Cycle）由最大功率追蹤器發出的訊號控制[5]。 圖 3(a)為昇壓轉換器模組的圖像，輸入端為太陽能輸出直流電壓、及最大功率追蹤器控制信號，輸 出端為昇壓後的直流電壓。圖 3(b)為模組內部架構。此模組包括了開關元件 IGBT、LC 濾波器、二極體。 3. 最大功率追蹤器模組 當日照強度改變時，太陽能輸出電壓、功率也會跟著改變，這時最大功率追蹤器的功用在於，使系 統的輸出功率操作在最大值，不會因為某些模組因為被遮蔽或其他因素，造成系統輸出功率被拖累而驟 降[17]。 圖 4(a)為最大功率追蹤器的圖像，輸入端為太陽能輸出功率，輸出端為 PWM 控制訊號。圖 4(b)為模 組內部架構。此模組包括了功率取樣器、積分器、PWM 比較器等。 4. 換流器模組 換流器主要作用為將輸入的直流電壓，轉換為 3Ø 60Hz 的交流電壓。圖 5 為換流器模組的圖像與內 部結構圖。輸入端為直流電壓、以及閘極信號，輸出端為 A、B、C 三相電壓[18]。
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5. 鎖相迴路模組
圖 6(a)為鎖相迴路模組圖像。輸入端為參考系統的三相電壓（Vref），以及太陽能發電系統的三相電 壓（Vabc），輸出端為角度誤差信號（sin），以及控制開關信號（com）。圖 6(b)為鎖相迴路模組內部架構 圖包含三相對 dq0 軸轉換器（abc_to_dq0 transformation）、比例積分控制器（PI controller）、以及積分器 （Integrator）等模組。 (a) 圖像 (b) 內部架構 圖 2 太陽能模組圖像與內部架構圖 (a) 圖像 (b) 內部架構 圖 3 昇壓轉換器模組圖像與內部架構圖 (a) 圖像 (b) 內部架構 圖 4 最大功率追蹤圖像與內部架構圖
(a)圖像 (b)參數視窗 圖 5 換流器模組圖像與內部結構圖 (a) 圖像 (b) 內部架構 圖 6 鎖相迴路模組圖像與內部架構圖
3. 動態特性模擬
3.1SimPowerSystems 模組 圖 7 為獨立型太陽能發電系統的 SimPowerSystems 模組架構圖，主要包括四部份—A 部份是太陽能發 電系統，B 部份是 PCS，C 部份是靜態負載，D 部份是電動機負載。 3.2 模擬時序 圖 8 為負載變動模擬的時序圖。由圖中可看出負載順序加入，總模擬時間 12 秒。圖 9 為系統發生故障 模擬的時序圖。由圖中可看出負載順序加入，10 秒時在 220V 匯流排發生三相短路故障，10.2 秒時故障排 除，總模擬時間 14 秒。獨立型太陽能發電系統動態特性分析 355 圖 7 獨立型太陽能系統架構圖 圖 8 負載變動模擬時序圖 圖 9 系統發生短路故障模擬時序圖 3.3 模擬結果 圖 10 顯示負載變動模擬系統變數變動情形。圖 10(a)、10(b)顯示太陽能系統輸出電壓與昇壓轉換器輸 出電壓會隨著負載的併入而降低。圖 10(c)、10(d)、10(e)顯示太陽能系統輸出電流、昇壓轉換器輸出電流、 以及 PCS 的 A 相電流，會隨著負載的併入而增加。圖 10(f)、10(g)顯示太陽能輸出功率會因為負載變動與 日照度變化而不同。圖 10(h)顯示 PCS 的電壓在 10 秒後因為日照度較低，加上負載電流造成的壓降，導致 明顯的壓降。圖 10(i)顯示 PCS 供應的實功率隨著負載的併入而增加。
圖 11 顯示系統發生短路故障模擬系統變數變動情形。本模擬觀察重點在故障發生時及排除後的響應。 圖 11(a)、11(b)顯示太陽能系統輸出電壓與昇壓轉換器輸出電壓會隨著負載的併入而降低，故障發生時電壓 降為 0，故障排除後，因為日照度不足，電壓仍低於額定。圖 11(c)、11(d)、11(e)顯示太陽能系統輸出電流、 昇壓轉換器輸出電流、以及 PCS 的 A 相電流，會隨著負載的併入而增加，故障發生時，電流明顯增加，故 障排除後，恢復穩定。圖 11(f)、11(g)顯示太陽能輸出功率會因為負載變動與日照度變化而不同，故障時有 明顯下降，排除後很快恢復穩定，因為此時電壓較低，因此輸出功率也較低。圖 11(h)顯示 PCS 的電壓響應 會隨著負載的併入而降低，故障發生時電壓降為 0，故障排除後，因為日照度不足，電壓仍低於額定。圖 11(i)、11(j)顯示 PCS 供應的實功率與虛功率隨著負載的併入而增加，故障導致功率下降，排除後會恢後到 穩定。
4. 結 論
本論文主要探討太陽能發電系統獨立運轉時的動態特性。模擬結果顯示日照度充足時，隨著負載順序 併入，太陽能發電系統輸出功率會上升。當日照度不足時，端電壓會下降，特別是有電動機負載時，電壓 會降得更低，併聯的靜態負載也會受到相當程度的影響。模擬結果也顯示短路故障發生時，由於匯流排電 壓急速下降，導致所有系統組件都受到相當程度的影響，故障排除後都能恢復到穩定值。整體而言，太陽 能發電系統在這種運轉模式下的動態特性是可以接受的並且應可和實際運轉情形一致。此研究最大的價值 是可以做為太陽能發電系統規劃、運轉、以及擴充的重要依據。參考文獻
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獨立型太陽能發電系統動態特性分析 357 0 2 4 6 8 10 12 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 時間(秒) PV 輸 出電壓 (a) PV 輸出電壓 0 2 4 6 8 10 12 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 時間(秒) PC S A 相電流 (e) PCS A 相電流 0 2 4 6 8 10 12 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 時間(秒) PC S 實功 率 (i) PCS 實功率 0 2 4 6 8 10 12 0 0.5 1 1.5 時間(秒) 昇壓轉換 器輸出電壓 (b) 昇壓轉換器輸出電壓 0 2 4 6 8 10 12 0.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 時間(秒) 日照度 (f) PV 日照度 0 2 4 6 8 10 12 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 時間(秒) PC S 虛功率 (j) PCS 虛功率 0 2 4 6 8 10 12 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 時間(秒) PV 輸 出電流 (c) PV 輸出電流 0 2 4 6 8 10 12 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 時間(秒) PV 輸 出功率 (g) PV 輸出功率 0 2 4 6 8 10 12 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 時間(秒) SL 1 A 相電流 (k) SL1 A 相電流 0 2 4 6 8 10 12 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 時間(秒) 昇壓轉 換器輸出 電流 (d) 昇壓轉換器輸出電流 0 2 4 6 8 10 12 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 時間(秒) PC S 平均 電壓 (h) PCS 平均電壓 0 2 4 6 8 10 12 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 時間(秒) SL 2 A 相電 流 (l) SL2 A 相電流 圖 10 負載變動模擬系統變數變動情形
0 2 4 6 8 10 12 14 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 時間(秒) PV 輸出 電壓 (a) PV 輸出電壓 0 2 4 6 8 10 12 14 -10 -5 0 5 10 15 20 時間(秒) PC S A 相電 流 (e) PCS A 相電流 0 2 4 6 8 10 12 14 0 1 2 3 4 5 6 7 時間(秒) PC S 實功率 (i) PCS 實功率 0 2 4 6 8 10 12 14 0 0.5 1 1.5 時間(秒) 昇壓轉 換器輸出 電壓 (b) 昇壓轉換器輸出電壓 0 2 4 6 8 10 12 14 0.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 時間(秒) 日照 度 (f) PV 日照度 0 2 4 6 8 10 12 14 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 時間(秒) PC S 虛功 率 (j) PCS 虛功率 0 2 4 6 8 10 12 14 0 1 2 3 4 5 6 時間(秒) PV 輸出 電流 (c) PV 輸出電流 0 2 4 6 8 10 12 14 0 0.5 1 1.5 2 2.5 時間(秒) PV 輸出功率 (g) PV 輸出功率 0 2 4 6 8 10 12 14 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 時間(秒) SL1 A 相電 壓 (k) SL1 A 相電流 0 2 4 6 8 10 12 14 0 1 2 3 4 5 6 時間(秒) 昇壓轉 換器輸出 電流 (d) 昇壓轉換器輸出電流 0 2 4 6 8 10 12 14 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 時間(秒) PC S 平均 電壓 (h) PCS 平均電壓 0 2 4 6 8 10 12 14 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 時間(秒) SL2 A 相電 流 (l) SL2 A 相電流 圖 11 短路故障模擬系統變數變動情形
![圖 1 獨立型太陽能發電系統架構 2.2 基本模組 1. 太陽能模組 太陽能 輸出 電壓隨 著輸 入不同 的環 境溫度 及日 照強度 而改 變，其 太陽 能最大 功率 也會跟 著 改 變 [9-11]。圖 2(a)為太陽能模組的圖像，輸入端為環境溫度(Ta)、日照強度(Ett)、太陽能輸出直流電流，輸 出端為太陽能輸出直流電壓。圖 2(b)為內部架構圖，由於目前 SimPowerSystems 尚無太陽能模組，故本 研究是以 Simulink 組合而成[12,13]。 2](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/9libinfo/8829964.234925/2.892.168.685.65.558/太陽能為太陽能模組圖像輸入端為環境溫度Ta由於尚無太陽能模組故.webp)
