行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
總計畫(3/3)
計畫類別： 整合型計畫
計畫編號： NSC93-2213-E-011-008-
執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 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： 葉勝年
報告類型： 完整報告
處理方式： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 94 年 10 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
再生能源發電系統之研製-總計畫(3/3)
計畫類別：□ 個別型計畫 ■ 整合型計畫 計畫編號：NSC93-2213-E-011-008
執行期間： 91 年 08 月 01 日到 94 年 07 月 31 日
計畫主持人：葉勝年 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：國立台灣科技大學電機工程系
一、 中文摘要
本計畫第三年已完成太陽能、風能及沼氣等再生能源發電系統雛形。太陽能採用直流截波 器及直流-交流功率轉換器作其他形式的功率轉換，風能及沼氣的發電機則採用交流感應發電機 及永磁同步發電機。本計畫共有六個子計畫，涵蓋發電機控制、太陽能最大功率追蹤、蓄電池 充放、虛功率補償、電力系統穩定度分析、保護協調、電力調度、系統監控及風力機的設計等 技術。本計畫將建立沼氣引擎之感應發電機、風能驅動感應發電機、風能驅動永磁式同步發電 機、太陽能發電及蓄電池儲、釋能技術。同時亦將完成系統監控作為再生能源之能源管理、電 力調度，以提高電力品質。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：再生能源、沼氣發電、風力發電、太陽能蓄電池、功率轉換器、系統穩定度、監 控、電腦輔助設計、實作技術
Abstract
In the third year, the prototype of the generation system of renewable energy for photovoltaic, wind and biogas have been built. Solar power will be converted to electric power through DC chopper and DC to AC converter. In addition, induction and permanent-magnet synchronous machines will be used to generate wind and biogas powers. This project has six subprojects, including the generator control, maximum photovoltaic power tracking technique, battery charging and discharging, var compensator, analysis of the power system stability, protection and coordination, loading dispatch, remote control, design of wind machine, etc. This three-year project will not only develop the induction generator using biogas engine, the permanent-magnet synchronous generator using wind-driven prime mover, photovoltaic energy generation system, battery charging and discharging, but also accomplish remote control for the management of renewable energy, loading dispatch for increasing power quality. Details concerning the analyses and results of each of the subprojects in the third year are given.
Keywords: renewable energy, biogas generation, wind power generator, photovoltaic, batteries, power converter, power system stability
二、計畫緣由與目的
近年來由於全球環保意識抬頭，對於新能源與潔淨能源的需求殷切，且台灣能源極為缺乏，
因此尋求具有環保的替代能源實為刻不容緩。依據經濟部新能源及潔淨能源研究開發規劃小組 所規劃，國內再生能源的使用，至西元2020 年預定占總能源之 3﹪。目前再生能源的發電系統 有小水力、風力、地熱、太陽能及沼氣等。日本及歐美各國皆積極開發風力及太陽能發電技術 且已具相當成果，而國內這些再生能源的發電產品大都依賴進口。由於台灣為海島，風力豐沛 且日照率高，非常適合發展風力及太陽能發電系統。此外，沼氣發電，亦是本計畫所涵蓋的研 究範圍。
本計畫的主要目的是透過團隊合作方式，發展再生能源發電系統之相關技術。各子計畫將 共同採用 MATLAB/Simulink 之計算機分析軟體，數位訊號處理器及功率轉換器，以從事設計 及實作。同時整合各計畫的相關理論，以分工合作方式，建立沼氣發電、風力發電、太陽能發 電及混合使用發電系統，不僅能獨立供電，亦要與市電並聯，提高供電品質。本計畫所涵蓋的 技術有發電機控制、太陽能最大功率追蹤、蓄電池充放、虛功率補償、電力系統穩定度分析、
配電保護協調、系統監控及風力機的設計等。此再生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。而此成果之推廣，不僅提高環保效益，亦能節約能源以 利經濟發展。
三、研究方法
子計畫一：感應發電機之沼氣發電系統之研製
（主持人：王醴）
此子計畫的沼氣發電系統為台灣南部某一食品工廠中一部三相、380 V、Δ 連接、100 kW、
60 Hz、4 極、滿載轉速在 1820 RPM 之感應發電機，其沼氣產生量約為每天 1500 m3。有鑒於 前兩年單機系統受限於容量、設備及場地之問題，為了善加利用更多的再生能源、減少環境污 染，沼氣發電系統在可允許的沼氣產生容量下，可以朝向多部發電機併聯運轉來發展，即可達 到更多實功率產生，俾提升供電之可靠度、穩定度等，故第三年計畫以沼氣發電系統之雙部感 應發電機併聯運轉來進行分析，內容包含：雙機系統之架構、三相平衡系統分析、雙機系統進 行共振頻率點分析、實際現場量測之總諧波失真值與各次諧波量等。
子計畫二：具遠端監控與故障偵測功能之太陽光能發電系統之研製（主持人：王文智）
設計與實現一套以數位信號處理器為基礎之太陽光能發電系統，此系統具有遠端監控與故 障偵測之功能，基本上，本系統係由太陽光能電池、充電器、電池組、直流截波器、換流器、
數位信號處理器及通訊介面所組成。其中，依據梯度法及模糊控制法則設計一新型之最大功率 追蹤法，使得太陽光能電池模組可持續地輸出最大功率，太陽光能電池的輸出功率被用來對蓄 電池充電及供給換流器所需的直流匯流排電壓。同時，本計畫使用均勻充電器來對串聯電池組 充電以延長蓄電池壽命；在換流器的調變方法方面，本計畫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有效地被利用；同時，本計畫亦利用換流器之輸出 電流來偵測換流器之開路故障狀態，並經由通訊介面傳送至遠端監控系統；而且，利用電壓源 換流器，可使太陽光能電池所產生的電能直接與市電並聯供電，而解決夏季尖峰電力不足的問 題；另外。通訊介面係由RS-232C 組成，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。最後，本計畫使用數位信號處理器及個 人電腦設計與實現此一具有遠端監控與換流器開路故障偵測功能之太陽光能發電系統，以達成 低成本、易維修、易擴充及高可靠度之特性。
子計畫三：具靜態虛功率補償感應發電機之風力發電系統研製（主持人：王順源）
此子計畫的第三年結合前二年計畫，整合變頻供電系統與靜態虛功率補償架構(Static VAR Compensator, SVC)，組立完成具靜態虛功率補償感應發電機變頻供電系統。結合兩者的優點可 有效改善感應發電系統因發電機轉速及負載引起的電壓及頻率的變化，使輸出電壓及其電壓頻 率穩定於目標值，大幅提高感應發電機輸出的電力品質。變頻供電系統將發電機端電壓經三相 整流濾波後，得一直流輸出電壓提供變流器作變頻供電，因此輸出電壓頻率不受發電機轉子速度 影響，並可依命令動態調整輸出電壓頻率至目標值。靜態虛功率補償器對感應發電機在高電壓、
加載及卸載下皆可有效的補償發電機輸出電壓穩定度。另外，在此兩個系統內植入灰決策預測 控制器，灰色預測控制器具有預測系統響應趨勢及事前補償控制之功能，加上以灰決策動態調整 預測步距，使變頻供電系統及靜態虛功率補償器有更優異的動態性能。
子計畫四：太陽能與風力發電複合系統之研製
（主持人：黃仲欽）
此子計畫以直流/直流升壓型功率轉換器，搭配擾動觀察法作為最大功率追蹤控制器，使太 陽能電池與風力發電機於當時大氣環境下輸出最大功率，有效利用再生能源。另外，文中亦提 出直流升/降壓式截波器作為蓄電池儲、釋能控制，完成系統能量平衡管理，提高供電可靠度。
最後，本發電系統採用三相三階層變流器作為直流/交流轉換之用，一方面利用三階層架構減少 輸出電壓之諧波含量，另一方面將再生能源輸出之直流電轉變成交流電，供給三相負載獨立使 用或傳輸至電力網路，達到分散式供電系統之功能。
子計畫五：永磁式同步發電機之風力發電系統之研製（主持人：葉勝年）
此子計畫提出交流-直流-交流功率轉換器，將風力發電所產生之變動電壓及頻率轉換為固 定電壓及頻率之單相電源。本文之系統藉偵測功率轉換器之直流鏈電壓、發電機之線電壓及線 電流，調節發電機之輸出功率。文中之直流-交流轉換器採用單相全橋式變流器，達成輸出電壓 控制，且完成控制參數的設計，能獨立運轉，亦可與市電並聯。本文整個系統首先採用計算機 之套裝軟體Matlab/Simulink 模擬，然後以低價位之 16 位元數位信號處理器 (DSP,
TMS320LF2407A) 為控制核心，完成實體製作。
子計畫六：高效率風力發電系統之研製
（主持人：張添丁）
此子計畫的第三年目標在於完成高效率風力發電系統的原型結構，包括風力機機體構造、
永磁交流發電機、旋轉導電裝置及降壓整流充電裝置等。有別於原裝進口的小型風力發電機，
在本計劃中我們提出一種新的設計理念，利用三相變壓器做為三相交流發電機與蓄電池組間之 耦合裝置，因此可提高發電機的額定電壓，相對的也提高了整體風力發電系統的效率。
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：感應發電機之沼氣發電系統之研製
（主持人：王醴）
針對應用在沼氣發電系統之市電併聯型感應發電機組，完成了穩態分析、起動暫態分析，
並經由實測與模擬的比較，可以得知所推導的電機參數以及所建立之系統模型是正確可行的。
本計畫第二年也利用等效阻抗來分析系統的故障電流、導線容量與斷路器容量，藉此希望對找 出感應發電機更好的保護與設定。本計畫第三年將所研究系統擴展至雙機併聯運轉麼模式，同 樣地針對雙機系統的穩態分析、啟動暫態、轉速變動時做穩定度分析，並藉著改變並聯電容器 的大小來進行共振頻率點的掃瞄，此外也利用可程式控制器(PLC)對沼氣發電單機以及雙機系統 做控制器來模擬其保護電路，並提出相關建議供廠商參考。綜合三年之研究計畫成果，已經針 對一個國內實際的沼氣發電系統之兩部 100 kW 感應發電機併聯運轉特性完成若干理論與實務 的比較與驗證，對於國內許多焚化爐及垃圾掩埋場採用感應發電機做為沼氣發電系統之發電機 組，以及風力用感應發電機系統、小水力發電機組、波浪能發電機組等研究，將可提供特性分 析的參考。
子計畫二：具遠端監控與故障偵測功能之太陽光能發電系統之研製（主持人：王文智）
圖1 為本計畫使用德儀公司之數位信號處理器 TMS320LF2407 建構之全數位化太陽光能發 電系統控制平台，圖2 則為本計畫使用單晶片微算機 AT89C51 製作之太陽光能發電系統遠端監 控介面電路。圖3 為 A 相上臂開路故障時之伺服端電腦監控畫面，而圖 4 為其遠端監控畫面，
此可看到相對應的 LED 變為紅色，圖 5 為太陽光能發電系統之遠端監控結構圖，顯示了遠端 監控之可行性。
圖1 基於數位信號處理器 TMS320LF2407 之太陽光能發電系統控制核心
圖2 基於單晶片微算機 89C51 之遠端監控介面電路
圖3 A 相上臂故障時之伺服端電腦監控畫面
圖4 A 相上臂故障時之遠端電腦監控畫面
圖5 太陽光能發電系統之遠端監控結構圖
子計畫三：具靜態虛功率補償感應發電機之風力發電系統研製（主持人：王順源）
建立靜態虛功率補償之感應發電機系統模型：根據感應發電機在靜止參考座標下的 d-q 軸 等效數學模型(1)及 SVC 數學模型(2)和(3)建立靜態虛功率補償之感應發電機系統模型，利用 MATLAB-Simulink 來模擬 SVC 系統，以分析 SVC 系統特性。完成組立具靜態虛功率補償感應 發電機變頻供電系統及相關驅動電路設計：利用交流三相133 Hz，1 KW，200 V，5.6 A 之交流 伺服馬達代替風力機，帶動三相60 Hz，0.75 KW，220 V，3.1 A 之感應發電機，將發電機輸出 端並聯自激電容組(60μF、Y 接)，再並聯由功率元件 IGBT、儲能電抗器 L(100mH、10A)及限 流電阻 R(16Ω)組裝而成的電流型靜態虛功率補償器，其後連接三相整流器、濾波電感 Ldc
(40mH)、濾波電容 Cdc (1410μF)和功率元件 IGBT 組成的變頻器，最後以三相 60 Hz，0.75 KW，
220 V，3.1 A 之感應電動機當作負載。另外設計及實作 IGBT 驅動電路，其中主要包括相位判 別電路、切換式電源供應電路及光耦合驅動電路。完成具靜態虛功率補償感應發電機變頻供電 系統之灰決策預測控制器(GDPC)設計及動態模擬。
子計畫四：太陽能與風力發電複合系統之研製
（主持人：黃仲欽）
採用數位信號處理器為控制核心，搭配硬體電路與軟體程式完成實體製作。利用擾動觀察 法搭配直流/直流升壓型截波器控制再生能源發電系統輸出最大功率；並由具有雙向功率轉換功 能之直流升/降壓式截波器，配合不同的功率分配情況，調節各發電系統間的能量，藉由充放電 方式達到功率平衡控制；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 器應用於獨立運轉供電與市電並聯供電。根據上述控制策略完成520W 的功率輸出，此外整體 系統之運轉效率為83%，在三相平衡電阻性負載測試下，輸出三相電源之電壓總諧波失真率為 2.7%，符合 IEEE Std. 519 規範。
子計畫五：永磁式同步發電機之風力發電系統之研製（主持人：葉勝年）
此子計畫已完成整個系統首先採用計算機之套裝軟體Matlab/Simulink 模擬，然後以低價位 之16 位元數位信號處理器(DSP, TMS320LF2407A)為控制核心，完成實體製作，並提出 780 W 發電系統之供電測試。結果顯示轉速在0 至 700 rpm 之間任意變化，皆能使變流器輸出電壓有 效值維持於110 V，且頻率保持在 60 Hz，實測結果驗證了本系統之可行性。本文著重於變速永 磁式同步發電機之功率輸出，其電路主體架構由交流-直流-交流功率轉換器及昇/降壓式直流截 波器電路組合而成，將變動電壓及頻率轉換為穩定單相電源供負載使用，或與市電並聯。於獨 立運轉模式時，負載為純電阻，電壓總諧波失真率為4.5%，符合規範，電壓調整率小於 2%，
系統效率90%。若操作於市電並聯運轉模式時，當永磁式同步發電機之轉速變動時，可維持定 電流、定功率輸出，並可改善市電端之功率因數近於單位功因。
子計畫六：高效率風力發電系統之研製（主持人：張添丁）
本研究計劃如期成功地完成一組容量為 400w 之高效率風力發電系統，如圖 6 所示，並獲 得下列成果:
(1). 高效率: 12V 之蓄電池組的負載而言，AIR 403 永磁式三相交流發電機之三相不平衡輸出的 滿載(400W)效率約為 72﹪，此永磁式三相交流發電機的三相平衡輸出的效率則約 87﹪，雖 然加上三相變壓器的損失後，在蓄電池組端的效率變為67%，但亦高於 AIR403 的 62%。
若對24V 之蓄電池組的負載而言，在蓄電池組端的效率可提升到 73%。
(2). 風力機滿載轉速較低，產生之噪音亦較低；當發電機滿載時 AIR403 的轉速約為 1900 rpm，
而本研究的原型機約祇有1500 rpm，故可降低運轉之噪音。
(3). 對 12V，24V，36V 及 48V 蓄電池組所使用的風力發電系統，利用三相變壓器做為三相發 電機與負載間的耦合裝置，使三相發電機的輸出電壓可提高到90V 以上，以獲得高效率及 簡化發電機之規格。
(4). 由於採用隔離的雙繞組變壓器，且在高壓測繞組為 Y 接地的情況下，亦可達到雷擊保護的 功能。
(5). 過壓保護裝置的設計比 AIR 403 的一相調壓電路更能保護風力機的過壓或超速運轉。
圖6 風力發電系統
五、結論
(1)在沼氣發電系統方面:
本計畫對於推導出正確的系統模型及參數，可對實際沼氣發電系統之穩定度及系統的暫態 特性做深入完整的研究。另外，在分散式能源(如風力發電、太陽能發電、燃料電池、微渦輪機 發電系統、小水力發電系統、汽電共生系統等)發展迅速的時代裡，有愈來愈多的系統是包含好 幾種不同的發電系統，所以未來也可以參考沼氣發電系統的研究結果後，模擬更複雜的、具有 多種分散式能源組合在一起的發電系統，進行穩態分析、暫態分析等相關研究。
(2)在太陽能發電系統及監控方面:
此監控系統包含適當之人機介面，以執行遠端監控之功能；並使用數位信號處理器及個人 電腦設計與實現此一具有遠端監控與換流器開路故障偵測功能之太陽光能發電系統，以達成低 成本、易維修、易擴充及高可靠度之特性。
(3)在感應發電機方面:
提出之具SVC(Static VAR Compensator)補償感應發電機變頻供電系統，可有效改善感應發 電機因轉軸轉速與負載變動下，所引起之電壓變動，亦可動態調整變流器輸出之電壓頻率至目 標值，大幅提升感應發電機供電品質與電壓穩定度。並由實驗比較可知，植入 GDPC(Grey Decision Prediction Controller)之 SVC 有較佳的電壓動態響應，證明 GDPC 的動態響應性能優於 比例積分控制器。
(4)太陽能與風力發電複合系統方面:
已建立數位信號理器作為系統之控制核心，研製太陽能與風力複合發電系統，並加入蓄電 池充、放電功能及採用新型三階層變流器輸出三相交流電源，提供三相平衡負載或電力網路使 用，完成再生能源發電系統之獨立運轉供電與市電並聯供電，以符合未來採取的「分散式高效 率供電系統」趨勢。並提出之太陽能及風力發電之功率轉換器皆採用直流/直流升壓型功率轉換 器，其電路簡單、控制容易，適用於搭配擾動觀察法進行最大功率追蹤控制，使太陽能及風力 發電系統於當時氣候下輸出最大功率。蓄電池充、放電系統則採用直流升/降壓式截波器，具有 調節功率之功能使直流鏈電壓維持穩定。而三相三階層直流/交流功率轉換器經二階低通濾波得 到三相弦波電源，經電力變壓器轉換可提供負載或市電使用。本文已完成 520W 的複合發電系 統之雛型，並由實測驗證其可行性。
(5)永磁同步發電機之風力發電系統方面:
本計畫提出之交流-直流-交流(AC-DC-AC)功率轉換器應用於變速之永磁式同步發電機與 電力系統或負載之間，除作為功率轉換用之外，同時亦偵測功率轉換器之直流鏈電壓以控制發 電機之輸出功率，並隨轉速的快慢而調整。發電機側之交流-直流功率轉換器採用三相全橋半控 型整流器，以電流控制策略，控制直流鏈電壓，由直流鏈電壓的變動經電壓調節器產生與發電 機電壓信號同相之命令電流，再使實際輸入電流追隨命令電流，調節直流輸出電壓。負載側之 直流-交流功率轉換器，採用單相全橋式變流器，主要目的在於產生穩定性和可靠性高的固定電 壓及頻率之正弦交流電源，且當負載變動時皆能有很快的暫態響應。直流-直流功率轉換器採昇 /降壓型直流截波器（boost/buck dc chopper）架構，作為蓄電池放電及充電之電路。
(6)高效率風力發電系統方面:
本計畫之永磁式三相交流發電機的三相平衡輸出的效率則高達約87﹪，雖然加上三相變壓 器的損失後，在蓄電池組端的效率變為67%，亦高於 AIR403 的 62%。另原型機約在 1500 rpm 以下，可降低運轉之噪音。利用三相變壓器做為三相發電機與負載間的耦合裝置，使三相發電
六、參考文獻
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