行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告
總計畫(1/3)
計畫類別： 整合型計畫
計畫編號： NSC94-2213-E-011-081-
執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 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： 精簡報告
處理方式： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 95 年 5 月 29 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫期中精簡報告 先進能源發電系統之研製--總計畫（1/3）
Development of power conversion system for advanced energy-main project --main project(1/3) 計畫編號：NSC 94-2213-E-011-081
執行期限： 94 年 08 月 01 日 至 95 年 07 月 31 日 主持人：葉勝年 教授 國立台灣科技大學電機工程系
一、 中文摘要
本計畫第一年已完成風力、太陽光能、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之電源，轉換為定電壓及定頻率之 電源。在燃料電池、太陽光能發電則配合直流-直流功 率轉換器，完成最大功率控制，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，亦能與市電並聯。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，將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一年之研究方法 及成果。
關鍵詞：風力、太陽光能、燃料電池、蓄電池、功率轉 換器、市電並聯
Abstract
In the first year, the prototype of the advanced energy generation systems including wind power, photovoltaic, fuel cells and battery storage have been built. The wind power systems use either induction generator or synchronous generator and power converter to convert the wind-driven source from varying-voltage and varying-frequency to fixed-voltage and fixed-frequency. Fuel cells and Photovoltaic generator are connected with 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 generating system can not only be operated in paralled with electric grid, but also supply the power independently. A three-year period of research is planned to conduct the study of 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 first year are given.
Keywords: Wind Power, Photovoltaic, Fuel Cell, Battery, Power Converter, Grid-Connected.
二、計畫緣由與目的
能源為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 43 年使用，
天然氣的剩餘儲藏量為 62 年，煤則為 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，也有相當成果。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 陽光能、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、太陽光能、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 模 式 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：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）
子計畫一第一年對風速與風車所產生之能量作一 模型化，並利用永磁同步馬達作為原動機以模擬實際之 風車，再者將原動機與感應發電機結合以形成感應發電 系統，其中採用間接磁場導向架構以控制感應發電機，
並利用個人電腦(PC)-數位信號處理器(DSP)並列處理器 為控制核心及伺服控制介面卡所組成之雙處理器硬體 模式，將感應發電系統所產生變動頻率及電壓之電源利 用交流/直流轉換器轉換為穩定之直流功率輸出。接著 採 用 具 有 線 上 學 習 能 力 之 遞 迴 式 模 糊 類 神 經 網 路 (Recurrent Fuzzy Neural Network, RFNN)控制直流鏈輸 出功率，使感應發電機與交流/直流轉換器達到穩定之 功率控制。最後再以實測結果驗證遞迴式模糊類神經網
路控制器之控制特性。
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）
子計畫二提出以數位信號控制為基礎之燃料電池 功率轉換器的設計及製作；目的是要將燃料電池之功率 輸出至負載端，並提高整體能源使用效益。在功率轉換 器方面，有具零電壓切換之全橋式直流-直流功率轉換 器，可將低壓之燃料電池輸出電壓提昇為直流鏈電壓 200 V，採用高頻及零電壓切換，並利用全橋式直流-直 流功率轉換器有效地將燃料電池的功率傳送至負載 端；另外，運用昇/降壓型直流截波器調節來自燃料電 池與蓄電池的能量，使直流鏈電壓保持穩定。
同時，採用數位信號處理器(DSP, TMS320LF2407A) 為控制核心，配合電壓、電流回授信號完成整體系統控 制，其中全橋式直流-直流功率轉換器採用功率控制，
配合直流截波器充放電控制，不僅能提高整個發電系統 效率，亦可減少硬體電路。第一年所採用之燃料電池是 由許多單一燃料電池所堆疊而成，容量為1.2 kW，利用 全橋式直流-直流功率轉換器將燃料電池之低壓 26 V～
43 V 提昇至 200 V。當負載變動時會使直流鏈電壓亦隨 之變動，此時，本文之系統將利用蓄電池之充放電功能 來穩定直流鏈電壓，以達到功率平衡，並利用蓄電池穩 定了直流電電壓。蓄電池之直流-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。
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）
子計畫三之系統包含風力發電機、電力電路及數 位控制電路等三大部分。風力發電機部分，採用六相 24 槽 22 極轉子外轉型永磁式同步發電機，並利用一伺 服馬達，以機械耦合方式帶動風力發電機，替代大地 風力場中，風能所轉換之機械旋轉動能。為配合本文 交流-直流功率轉換器之控制策略，吾人於發電機轉子 側加裝編碼器，以供回授轉子磁極角位置用。在電力 電路中，主要可分為交流-直流功率轉換器及昇/降壓式 直流截波器等。交流-直流功率轉換器，為採六相交流 -直流全橋全控型功率轉換器所組成，目的是將風力發 電機所感應之六相變動交流電源，轉換成一穩定之48 V 直流鏈電壓，以供應直流負載使用。為提高系統獨 立負載時供電可靠度，本計畫於直流鏈端加入功率控 制單元，以昇/降壓式直流截波器連接一 39 V 蓄電池 組，使系統直流鏈電壓穩定，達功率平衡之目的。
數位控制電路部分，採德州儀器公司所生產之低價 位 16 位元數位信號處理器為控制核心，具有 40MIPS 高執行速度，適合本系統開發與應用。其介面電路規劃 可分為四大部分，分別為連接電腦端之JTAG 埠與模擬 器(Emulator XDS510PP PLUS)；兩組脈波寬度調變信號 電路(EVA、EVB)，負責輸出功率晶體切換責任週期所 需之調變訊號；回授系統電壓及電流實際值之 10 位元 類比/數位轉換器；最後為估算發電機磁極角位置之方 波解碼脈波電路。
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）
子計畫四研製之燃料電池發電系統係由燃料電池 組、蓄電池、直流轉換器、換流器、數位信號處理器及 通訊介面所組成。基本上，以燃料電池組為核心所構成 之燃料電池發電系統除了必須具備供氣系統、燃料處理 器、燃料電池組、直流轉換器、換流器、與冷卻系統之 外，尚須具備燃料電池控制器，如此才能夠進行氣、水、
熱、電之管控，而構成一個具有良好運轉特性之發電系 統。
因為單一燃料電池之可用輸出電壓介於0.5 伏特至 1.0 伏特之間，故需串接多個燃料電池以形成燃料電池 組，而產生較高之輸出電壓；蓄電池可作為功率調整之 用，即當燃料電池組之輸出功率高於負載時，多餘之能 量即向蓄電池充電，而當燃料電池組之輸出功率低於負 載時，即由蓄電池放電以提供不足之能量；又因燃料電 池組係一低電壓、大電流之化學動力源，且其動態響應 較差，故使用直流轉換器以提升電壓之準位；再使用換 流器將直流電源轉換成振幅及頻率均可調之正弦式交 流電源，以供獨立供電或並聯供電之用；數位信號處理 器係作為控制之核心，以建構一全數位化燃料電池發電 系統控制平台；通訊介面可傳送訊息至遠端監控系統，
以執行遠端監控之功能。
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）
子計畫五的第一年目標是研製一具有雙向功率潮 流之燃料電池發電系統，以質子交換膜燃料電池結合鉛 酸電池提供能量管理、負載分配、提升燃料電池發電系 統負載容量以及降低燃料電池成本。運用彈性控制策略 於雙向直流/直流轉換器，調節燃料電池輸出電流以及 鉛酸電池充電電壓與電流，達成電池與燃料電池間功率 潮流之調節、主動功率分配與能量儲存。最後整合雙向 直流轉換器、昇壓直流轉換器以及單相換流器，以DSP 為控制核心架構一500 瓦發電系統並測試其運作效能。
其 系 統 包 含 雙 向 直 流/ 直 流 轉 換 器 (Bi-directional dc/dc converter) 、 直 流 升 壓 轉 換 器 (Step-up dc/dc converter) 以 及 單 相 直 / 交 流 轉 換 器 (Single-phase inverter)。本系統之直流雙向轉換器採用 Buck-Boost 架 構連結燃料電池(28-43V 高壓端)與鉛酸電池(24V 低壓 端)，燃料電池端輸出視為負載端，提供主要功率，鉛 酸電池則透過雙向轉換器作充放電控制，利用這樣簡單 的架構達到主動式混合電源雙向功率潮流與能量分 配。本系統後級採用單相換流器架構，將一直流電壓轉 換成系統所需之交流輸出電壓及頻率(110 V、60Hz)。
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）
子計畫六提出模組化多功能太陽能發電系統之研 製，結合太陽能最大功率追蹤、蓄電池能量儲存及變流 器之並聯控制，以提高分散式太陽能發電系統之效率。
其架構包含直流昇壓截波器、直流昇/降壓截波器、直 流/交流變流器、蓄電池組、驅動電路、控制電路、數
位信號處理器及其週邊介面電路等。
第一年完成模組化獨立型太陽能發電系統，以擾動 觀察法結合直流昇壓截波器，達成太陽能模組最大功率 追蹤的目的。並以直流昇/降壓式截波器，配合負載容 量及太陽能取用功率，以控制蓄電池之充、放電能。而 負載端採用全橋式變流器，以模組化設計之概念，提高 系統之擴張性及強健性，而直流昇壓截波器及變流器之 控制則以電流預測控制法完成。本研究先分析太陽能陣 列之輸出特性，結合太陽能最大功率追蹤及電力電路之 控制法，對獨立型太陽能發電系統作計算機模擬，然後 以數位信號處理器(TMS320LF2407)為控制核心，完成 1kW 容量之模組化獨立型太陽能發電系統並進行測 試，以驗證其可行性與實用性。
四、研究成果
本計畫第一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）
圖1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。本子計畫所採用之感應發電機為 4極、7.5kW、120V、54A、2000rpm之三相感應發電機，
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。本子計畫利用實測結果 來驗證以RFNN為控制之風力驅動感應發電機系統，並 驗證RFNN控制器之強健性。
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。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 流鏈電壓和電流值、並計算出實際之轉速與直流鏈功 率，再操作RFNN 之線上訓練和執行 RFNN 控制器以 產生控制命令，最後將d-q 軸命令電流傳送到 DPRAM。
其中利用 DSP 的一個副程式執行對轉子磁通角速度積 分和座標軸轉換的計算。
實測部分，本子計畫針對二組不同風速下之操作情 況，分別為6 m/s 及 10 m/s，其相對的馬達轉速命令分 別為960rpm 及 1600rpm，並以磁場控制電流為 38A，
負載為 20Ω作測試。此外，將感應發電機之最大輸出 功率乘上功率轉換器之轉換效率，以獲得各個風速下相 對應的直流鏈功率命令分別為400W 及 1850W。首先驅 動風車控制迴圈，待轉軸轉速於一秒鐘內追上轉速命令 後，再驅動間接磁場導向控制之脈波寬度調變功率轉換 器使其操作在發電機模式，以調節其直流鏈輸出功率。
由實測結果可知，具有線上調整能力之RFNN 控制器能 使風車仿真系統追上其轉速命令，直流端在0.8 秒左右 即可達到風車系統所推算之感應發電機最大輸出功率 命令。
交/直流 功率轉換器
− +
編碼器 風車 仿真器
感應發 電機
電流控制脈波寬度 調變 並列處理機控制電腦
永磁同 步馬達
idc Vdc Cdc Rdc
Ta Tb Tc ia ib
* ia
* ib
Vdc
θr 永磁同步馬達
伺服驅動器
編碼器 耦合器
θm Pentium
微處理器
記憶體
數位訊號 處理器
伺服控制卡 編碼器界面 與計時器 數位/類比 轉換器
類比/數位 轉換器
* 1 iqs
風速
啟動 電壓
交/直流 功率轉換器
− +
編碼器 風車 仿真器
感應發 電機
電流控制脈波寬度 調變 並列處理機控制電腦
永磁同 步馬達
idc Vdc Cdc Rdc
Ta Tb Tc ia ib
* ia
* ib
Vdc
θr 永磁同步馬達
伺服驅動器
編碼器 耦合器
θm Pentium
微處理器
記憶體
數位訊號 處理器
伺服控制卡 編碼器界面 與計時器 數位/類比 轉換器
類比/數位 轉換器
* 1 iqs
風速
啟動 電壓
圖1 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
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）
圖2 為子計畫五燃料電池發電系統實體架構圖，依 據圖2 之系統整體韌體架構，以組合語言撰寫程式，完 成了變燃料電池發電系統之實體製作，當負載變動時，
直流鏈電壓仍可維持穩定，使負載側可得穩定直流電 源。同時本研究之全橋式直流-直流功率轉換器採用功 率控制並使功率電晶體操作在零電壓切換，可有效傳遞 燃料電池功率至直流鏈側及降低切換損失；直流截波器 主要用來調節直流鏈電壓上的功率，穩定直流鏈電壓。
圖3 為直流負載由 327 W 增加至 500 W 時，其直流鏈 電壓vdc與蓄電池電流的響應。
閘極驅動電路
DSP TMS320LF2407A
Emulator XDS510PP
PC
電壓及 電流 回授
vf
vB 閘極驅動電路
idc
iB
if 2
Lf
Cdc
T1−
Ls
+
− vdc
2 1
n N
=N ip
idc
T1+
T2−
T2+
D1
D2C2
C1 D3C3
D4C4
D5
D6
D7
D8
Tr
TA
TB
D9
D10
a b
N 1
Cf +
− 1
Lf
H2
O2
vf Lb
iB
vB
if
Rdc
vdc
圖2 燃料電池發電系統實體架構圖
0 50 100 150 200 250 300
-6 -4 -2 0 2 4 6
dc( ) v V
time(0.5s/div)
time(0.5s/div)
B( ) i A
圖3 直流負載由 327 W 增加至 500 W 之實測波形：(a) 直流鏈電壓vdc；(b) 蓄電池電流波形iB。 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）
六相並聯型交流-直流功率轉換器其系統架構圖如 圖4所示。依據圖4風力發電系統之實體架構圖完成系統 製作。本子計畫完成實體電路製作與軟體撰寫後，為驗 證系統之穩定性，進行六相風力發電機定轉速操作測 試，此時未加入功率調節用蓄電池組，以驗證本子計畫 六相風力發電系統之發電穩定性與可靠度。圖5中，假 設發電機操作於550 rpm且負載為750 W，觀察發電機各 相輸出電流可驗證六相發電機 abc 繞組與xyz繞組輸出 電流相位互差120度，且 a 相電流相位落後xyz相電流30 度。圖6中，假設發電機操作於550 rpm且加載750 W，
觀察穩態時發電機輸出電壓與電流關係與輸出電流總 諧波失真率，驗證本子計畫六相全橋全控交流-直流功 率轉換器具有輸入側電流為正弦波，總諧波失真率僅為 3.59%，功因接近為1.0。
. . . P M S G 6φ
Ta− Tb− Tc− 六相全橋全控
功率轉換器
直流鏈及昇/降壓型 直流截波器 六相永磁式同步發電機
與編碼器
Ta+ Tb+ Tc+
Tx− Ty− Tz− Tx+ Ty+ Tz+
2 Cdc
1
Cdc Lb
+ TB
−
TB vB
iB
閘極驅動 閘極驅動
DSP TMS320LF2407A 編碼器
回授
vd c
ib 電壓及
電流 回授
iB vB
iyx i ia ia
ix iy ib ic
iz
vd c
直 流 負 載
交流-直流功率轉換器
PWM1~PWM12 昇/降壓型直流截波器 T1PWM T2PWM A
B Z
圖4 六相風力發電系統架構圖
- 4 0 - 3 0 - 2 0 - 1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0
a( )
i A
(1 0 )
t i m e m s d i v ( )a
- 4 0 - 3 0 - 2 0 - 1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0
( ) ix A
(1 0 )
t i m e m s d i v ( )b
圖5 發電機轉速為 550 rpm，輸出功率為 750 W 時，
六相發電機輸出相電流實測結果： (a) a 相電流 ia；(b) x 相電流ix。
- 4 0 - 3 0 - 2 0 - 1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0
(1 0 )
t i m e m s d i v
a( )
v V
( )a
- 4 0 - 3 0 - 2 0 - 1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0
( ) ia A
(1 0 )
t i m e m s d i v ( )b
0 2 0 4 0 6 0 8 0
1 0 0 ia M a g ( % o f F u n d a m e n t a l )
T H D = 3 . 5 9 %
H a r m o n i c o r d e r
0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0
( c )
圖6 發電機轉速為 550 rpm，負載為 750 W，此時發 電機 abc 繞組之實測結果：(a) a 相輸出相電壓
v ；(b)a a 相輸出電流i ；(c)a a 相輸出電流i 之頻a 譜。
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）
子計畫四之燃料電池發電系統基本結構圖如圖7 所 示，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，其模擬與實驗結果之比較如 圖8 所示，最大誤差約為 10%，顯示了模擬程式之精確 度是可接受的。同時，燃料電池組經由直流電子負載分 別為5 安培、15 安培、25 安培與 45 安培之測試，及直 流轉換器與換流器分別經由 70 Ω 與 140 Ω 之負載測 試，顯示本計畫所研製之燃料電池發電系統之性能是可 接受的。
DC/DC 轉換器
DC/AC 換流器
電池
DSP 控制單元 燃料
電池組 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
圖7 燃料電池發電系統基本結構圖
圖8 燃料電池組之模擬與實驗結果圖
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）
圖9 是子計畫五之直流轉換電路圖，雙向轉換器採 用 Buck-Boost 架構連結燃料電池(28-43V 高壓端)與鉛 酸電池(24V 低壓端)，燃料電池端輸出視為負載端，提 供主要功率，鉛酸電池則透過雙向轉換器作充放電控 制，利用這樣簡單的架構達到主動式混合電源雙向功率 潮流與能量分配。
圖9 子計畫三直流轉換電路
子計畫五提出一結合高能量密度、高發電效率之燃 料電池與低成本、響應快之鉛酸電池之混合式電源系 統，以前者為主要功率來源，後者為輔助電源，可提升 燃料電池壽命、最大輸出功率與降低成本。在過載600W 輸出時，燃料電池與鉛酸電池分別提供約 500W 以及 100W。在彈性控制策略下，雙向轉換器具有良好的動 作特性，達到重載時快速響應以及功率補償。在輕載至 滿載劇烈變動之下，直流升壓轉換器與單相換流器亦能 穩定輸出端之直/交流電壓。在系統效率方面，燃料電 池相較於一般傳統發電機，具有 40%~60%高發電效率 (後者約為 10~30%)，合併各級電力電子轉換器仍能達 到全系統 30%~40%之輸出效率，因此，混合式系統相 當適合應用在中低功率之小型家庭負載與電動車等用 途，有效解決能源需求與降低發電系統成本。
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）
圖 10 為子計畫六獨立型太陽能發電系統之架構 圖，圖 11 為獨立型太陽能發電系統之模擬結果，系統 於0.2 秒時切入 1kW 之非線性負載，並對蓄電池定電流 充電(3 安培) ，於約 0.33 秒左右蓄電池充電至接近飽和 點(106V)，改以定電壓充電，至 0.8 秒時直流截波器之
輸入功率下降，為維持穩定的輸出，蓄電池放電操作，
負載及直流鏈電壓幾乎不受影響。由圖中可見蓄電池由 定電流、定電壓充電及放電之轉態過程，響應快速，為 縮短模擬時程，本模擬之蓄電池電容量設定為0.1F。表 1 為太陽能陣列(SANYO HIT-190B 二串三並)於太陽光 日照強度542W/m2時，未追蹤控制及以直流昇壓截波器 結合擾動觀察法追蹤控制下之輸出結果，可明顯看出，
在最大功率追蹤控制時，其輸出功率遠較未追蹤控制時 為佳。
vc2 full-
bridge inverter
iL3
L3 boost
chopper DC
P1
vc1
+
- vb boost /buck chopperDC
ib
iL AC
L O AD
+ -
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
圖10 獨立型太陽能發電系統之架構圖
圖11 獨立型太陽能發電系統之模擬結果(a)直流昇壓截 波器電流 iL1;(b)直流鏈電壓 Vc1; (c)蓄電池電流 ib
(d) 蓄電池電壓 Vb
表2 太陽能陣列於最大功率追蹤及未追蹤時之比較
未追蹤控制 擾動觀察法追蹤控制
負載 輸出電 壓(V)
輸出電 流(A)
輸出功 率(W)
輸出電 壓(V)
輸出電 流(A)
輸出功 率(W) 20Ω 103 5.3 545.9 100 5.4 540 24Ω 106 4.7 498.2 104 5.1 530.4 28Ω 110 4.1 451 103 5.1 525.3 35Ω 112 3.3 369.6 102 5.3 540.6 47Ω 115 2.6 299 105 5.2 546 70Ω 117 1.8 210.6 100 5.3 530 140Ω 120 0.9 108 103 5.4 556.2
五、結論及效益
(1) 在 智 慧 型 控 制 之 風 力 驅 動 感 應 發 電 系 統 方 面:
子計畫一係利用 RFNN 來控制感應發電機系統直 流鏈功率與風車仿真系統。首先，利用間接磁場導向機 制來控制感應發電機系統，接著設計一具有線上調整功 能之RFNN 來控制直流鏈上之功率，使其在不同風速下 能產生對應之最大功率輸出。此外，再利用RFNN 設計 一閉迴路之風車仿真系統來產生在不同風速下之最大 功率並控制其轉速。由實測的結果可以明顯的看出，本 計畫所提出之 RFNN 控制器具有良好的追隨響應與強 健性。
(2) 在燃料電池與太陽能混合發電系統方面:
子計畫二之系統以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。利用功率控制法 使全橋式直流-直流功率轉換器將燃料電池發電系統所 產生的能量送至直流鏈側；並由具有雙向功率轉換功能 之直流截波器，配合不同的負載情況，調節直流鏈電壓 上的能量，藉由充放電方式達到功率平衡控制。根據上 述控制策略完成500W 的功率輸出，此外整體系統之運 轉效率為84%。
目前，已完成第一年計畫的預期成果。本文之燃料電池發 電系統正與大同世界科技公司洽談大功率之燃料電池發電系 統之產學案。
(3) 在六相永磁式同步電機之風力發電系統方面:
子計畫三第一年著重於六相並聯型交流-直流功率 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直流電源供負載使用。本子計畫 已完成純電阻性負載750 W 之系統實測，且經由六相全 橋全控交流-直流功率轉換器控制後，本發電系統進行 加卸載與發電機三相繞組故障測試，均可使輸出直流電 壓達穩定命令值48 V，且發電機輸出電流總諧波失真率 為3.59%，功率轉換器輸入側功因達 0.9 以上，其轉換 效率約達90%，證明本子計畫之六相風力發電系統具有 良好之功率轉換特性及高供電可靠度。
子計畫三涵蓋六相永磁式同步發電機之設計與六 相功率轉換器之製作及整體系統能源管理控制，並採用 低成本之數位信號處理器為控制核心，具有相當商品價 值，目前正與台灣風能公司洽談產學合作專案。
(4) 在數位信號處理器為基礎之燃料電池發電系統方 面:
子計畫四完成之項目如下：使用數位信號處理器建 構一全數位化之燃料電池發電系統控制平台，與基於滑 動模式控制法之燃料電池輸出功率控制法則，不僅可使 燃料電池輸出功率具有較高之強健性，而且可改善燃料 電池發電系統之輸出響應。再者，由於子計畫四研製之 燃料電池發電系統控制核心為全數位化結構，不但具有 體積較小、成本較低之特性，而且具有穩定性較高、擴 充性較易之性能；因此，依據實驗結果之顯示，子計畫 四所完成之初步研究成果確實能達到預期目標，具有甚 佳之應用價值。
(5) 在燃料電池與鉛酸電池發電系統能量管理控制器 方面:
子計畫五提出一結合高能量密度、高發電效率之燃 料電池與低成本、響應快之鉛酸電池之混合式電源系 統，可提升燃料電池壽命、最大輸出功率與降低成本。
在彈性控制策略下，雙向轉換器具有良好的動作特性，
達到重載時快速響應以及功率補償；定電流充電至85%
SOC 下改以定電壓充電，可保護鉛酸電池避免過充，也 會有較佳之充電效率。在系統效率方面，燃料電池相較 於一般傳統發電機，具有 40%~60%高發電效率，合併 各級電力電子轉換器仍能達到全系統 30%~40%之輸出 效率，因此，混合式系統相當適合應用在中低功率之小 型家庭負載與電動車等用途，有效解決能源需求與降低 發電系統成本。
(6)在模組化多功能太陽能發電系統方面:
子計畫六第一年完成1kW 獨立型太陽能發電系統 之設計、分析及模擬，實體製作亦完成初步之架設及軟 體控制程式之撰寫。成功地將太陽能陣列特性結合直流 昇壓截波器以達到最大功率追蹤之控制；配合負載容量 及太陽能取用功率，以控制蓄電池之充、放電能，並以 全橋式變流器完成直流/交流功率轉換之目的。子計畫 六以MATLAB/ SIMULINK 套裝軟體，完成獨立型太陽 光電系統之分析、設計及模擬，此可縮短實際系統之開 發流程，而以數位信號處理器(TMS320LF3407)為核心 之實體製作及控制技術，可提高系統之擴張性，相關技 術可提供產業界於太陽光電系統設計之參考，目前正與 亞力電機股份有限公司洽談產學合作。
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