市電與太陽光電能單級直流並聯供電系統

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2008 第七屆台灣電力電子研討會暨展覽會台灣台南 2008 年 9 月 5 日

市電與太陽光電能單級直流並聯供電系統

Single-Stage DC Power Supply by Paralleling the Utility and a Photovoltaic System at DC Side

范奕超李天鵬郭書瑋羅有綱邱煌仁

Yi-Chao Fan Ting-Peng Lee Shu-Wei Kuo Yu-Kang Lo Huang-Jen Chiu

國立臺灣科技大學電子工程系

Department of Electronic Engineering, National Taiwan University of Science & Technology

摘要摘要摘要摘要

本文主旨為研究太陽能光電系統與市電經功率因數修正器之直流電壓並聯，基於原有的市電與太陽能電池直流並聯供電系統[1]中，在最大功率追蹤器後端仍需串聯一級 DC/DC 轉換器，才可與直流市電並聯，由於多串聯一級轉換器即會造成多一級的損失，不符合現今高效率、低損耗的要求，所以本文將以原有的市電與太陽能電池直流並聯供電統為基礎，進一步探討市電與太陽能電池單級直流並聯供電之條件。在市電與太陽能電池單級直流並聯系統中，太陽能最大功率追蹤器與功率因數修正器將延續原有兩級直流並聯系統中的架構與控制模式，只改變太陽能電池模組的輸出端電壓，以及測試與常用直流市電電壓並聯，進而歸納整理出單級直流並聯之相關條件。

最後經實驗證明單級直流並聯系統，除了可與直流市電並聯之外，同時並可將太陽能之最大功率輸出至負載，達到高效率節能的目的。

關鍵字：最大功率追蹤、功率因數修正、市電並聯

Abstract

This thesis focuses on the research study of a DC power system fed by utility with a power factor corrector (PFC) and a photovoltaic (PV) system parallel-connected at DC side. In conventional system, an additional DC/DC converter is required following the maximum power point tracking (MPPT) circuit in order to be parallel-connected with the PFC. This additional stage will increase the system power loss, thus cause this approach improper for high efficiency and low power loss requirements.

Therefore, this thesis will, based on the basic methodology of the existing one, propose and study a single-stage DC power supply system by paralleling the utility-PFC and the PV system at DC side.The topology and control method for MPPT and PFC are discussed. The output port of the PV system is connected to the output of the PFC at different voltage levels. Then, the operating conditions for the presented single-stage DC power supply system are deduced and analyzed. Experimental results show the feasibility of the proposed single-stage topology, which can effectively transfer the tracked maximum power from the PV system to the load.

Keywords: Maximum Power Point Tracking, Power Factor Correction,Parallel-Connected Utility

一一一一、、、、前言前言前言前言

能源價格不斷上漲及溫室效應日趨嚴重，各種綠色能源已逐漸被各界重視與採納，太陽能被視為最取代石化能的源再生能源之一。所以要如何將太陽能發揮到最大效能，如何配合系統需求達到節能及省電的功效，即

為目前能源技術最重要的課題。

要使太陽能電池達到最大的發電效率，除了利用新製程與原料改善太陽能電池(Solar Cell)本身的限制，在控制技術上應使用最大功率追蹤技術(Maximum Power Point Tracking，MPPT)使太陽電池能輸出最大功率。

與市電並聯[2]方面，目前現行的架構大都為交流並聯系統，依其連接方式可分為可逆流系統與不可逆流系統，可逆流系統即當負載小於太陽能最大功率時可將多餘的能量饋回市電系統，而不可逆流系統在當時即要做電力控制保護，解除最大功率追蹤的功能，使太陽能輸出功率等於小於負載所需功率，以免系統損壞。

並聯系統架構可分單級系統與多級系統，多級系統又可分為有蓄電池與無蓄電池兩種。多級有蓄電池系統如圖1，其優點為市電及太陽能同時失效時，仍然可以供電給與負載，但是蓄電池有壽命與成本問題，故有多級無蓄電池並聯系統[3]。單級並聯系統如圖2所示，其與市電並聯架構只有一級，所以系統效率會高於多級並聯系統，且通常是使用降壓-升壓式(BUCK-BOOST)換流器，此架構優點為輸入電壓範圍大、無須輸出濾波電感及架構簡單。

上述皆為太陽能發電與市電交流並聯系統，而交流系統在並聯時需注意電壓的振幅大小、功率因數、諧波成分及並聯頻率問題外，還須防止孤島效應的發生，及多級系統的效率問題，此為交流並聯的主要缺失。

圖1 多級有蓄電池並聯系統架構圖

2008 第七屆台灣電力電子研討會暨展覽會台灣台南 2008 年9 月5 日

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2008 第七屆台灣電力電子研討會暨展覽會台灣台南 2008 年 9 月 5 日因此本論文將以市電與太陽能電池直流並聯供電

系統為基礎，如圖 3，提出市電與太陽能電池單級直流並聯系統，如圖 4，並對於市電經功率因數修正器後，

常用輸出直流電壓 200 至 400 伏特間不同電壓準位之並聯條件加以分析。

圖3 為最大功率追蹤器串聯了一級升壓式轉換器與功率因數修正器串接一並聯二極體後，作直流並聯供電給後級負載，達到省電節能的效果，但這種架構會在並聯二級體與升壓轉換器上造成多於的損失。為了改善圖3系統的缺點，本文提出如圖4所示之架構，實作電路之實驗波形及數據驗證了此架構可將最大功率傳至負載端。最主要的優點為:

(1) 保留原有太陽能與直流市電並聯的優點。

a. 以直流方式與市電並聯，藉此簡化交流並聯複雜度。

b. 太陽能電池可達成最大功率輸出，達到節能目的。

c. 可直接避免孤島效應之發生。

d. 可廣泛的應用在直流負載系統。

(2) 減少一級直流轉換器及並聯二極體上的損失，可提高效率。。。。

(3) 使用較少的元件可有效降低成本。

圖3 MPPT串聯升壓式轉換器與市電直流並聯系統方塊圖

圖4 MPPT與市電單級直流並聯系統方塊圖

二二二

二、、、太陽能電池電氣特性、太陽能電池電氣特性太陽能電池電氣特性太陽能電池電氣特性

圖5為太陽能電池的理想電路模型，式(1)表示其I-V 關係。











 −







− 

=

−

= exp 1

T s Ph D

Ph nV

I V I I I

I (1)

其中

IPh：不同日照下的太陽能電池短路電流。

Is：等效二極體逆向飽和電流。

n：理想參數值，一般介於1~2之間。

圖6是單二極體太陽能電池等效電路模型[4]，可以用式(2)來描述其I-V特性，其逆向飽和電流亦為溫度之

函數，如式(3)。

P s T

s s

Ph R

IR V nV

IR I V

I

I − +











 −



 



−  +

= exp 1 (2)















 



 −



 



= 

T T nk qE T

I T I

r G r

Phr s

1 exp 1

3 (3)

其中

Rs：矽內部電阻與電極電阻等之串聯等效電阻。

Rp：接面不完全的並聯電阻。

IPhr：太陽能電池在溫度T_r時的逆向飽和電流。

Tr：太陽能電池參考溫度(ºK)。

EG：跨越能隙所需要的能量。

q：電荷量(1.6 × 10⁻¹⁹ C)。

圖5 太陽能電池理想電路模型

圖6 太陽能電池實際電路模型(單二極體)

當日照很高的時候，因為二極體電流I_D遠大於洩漏電流I_P，故可將式(2)簡化成式(4)：











 −





 +

−

= exp 1

T s s

Ph nV

IR I V

I

I (4)

利用式(4)可以描繪出I-V及V-P特性曲線，如圖7。

從圖中可以發現，太陽能電池的輸出P並非線性變化，

而是溫度及日照強度的函數，其中定義最大功率點為 Pmpp。

本文採用西門子(SIEMENS)公司所製造的SP75單晶矽太陽能電池，由SP75的資料手冊得知，太陽能電池的電氣特性如表I所示。將相關參數表I及太陽能電池單二極體模型如圖6以Matlab軟體模擬後，不同溫度及照度下的I-V模擬特性曲線如圖8(a)及圖8(b)所示。圖9(a)及圖 9(b)為不同溫度及照度下的P-V模擬特性曲線，曲線中電壓、電流所圍成的最大面積值即為在當時條件下所能取得的最大功率。由這兩圖可知日照量越大則可輸出電流越高，輸出功率隨之上升，而太陽能電池輸出功率則是與溫度成反比。

圖7 太陽能電池輸出I-V及V-P特性曲線

(3)

表I SP75單晶矽太陽能電池電氣特性 (1000W/m²、25 ºC）

最大輸出功率 75 W 最大輸出功率下之額定電流 4.4 A 最大輸出功率下之額定電壓 17 V 輸出短路電流 4.8 A 輸出開路電壓 21.7 V 短路電流溫度係數 2.06 A/ºC 開路電壓溫度係數 -0.77 V/ºC

(a) (b)

圖8 太陽能電池在(a)不同溫度(b)不同照度下的I-V模擬特性曲線

(a) (b)

圖9 太陽能電池在(a)不同溫度(b)不同照度下的P-V模擬特性曲線

太陽能電池陣列(Array)是由許多小單位的太陽能電池所組成，組成的方式有多模組串聯組合及多模組並聯組合。將小單位的太陽能電池串聯組合可以提高整個模組輸出的直流電壓位準。反之，並聯組合可以提高輸出的直流電流準位，因此可以依照系統及設計者的需求來選擇串並聯組合設計。

本文所採用SIEMENS– SP 75單晶矽太陽能電池，是由36個單晶矽太陽能電池串聯所組成的模組。

三三三

三、、、、功率因數修正器功率因數修正器功率因數修正器功率因數修正器

本文採用主動式功率因數修正器[5-11]，由於升壓型功率因數修正器具有控制容易、電感在輸入端可抑制電流突波且輸入電流連續使得電磁干擾(EMI)較小與適合高功率使用等眾多優點，因此本文採用以Unitrode的 UC3854為控制IC的升壓型功率因數修正器來達到功率因數修正的效果，其中電感電流可以選擇為連續模式 (Continuous Current Mode，CCM)。圖10 為平均電流模式之升壓型功因修正器。

圖10 平均電流模式之升壓型功因修正器四

四四

四、、、最大功率追蹤與太陽能最大功率追蹤器、最大功率追蹤與太陽能最大功率追蹤器最大功率追蹤與太陽能最大功率追蹤器最大功率追蹤與太陽能最大功率追蹤器由圖7可以知道，太陽能電池的電壓電流並非呈現線性關係，且會因環境的改變使得特性曲線也相對的不同。所以除了太陽能電池製程之外，要能發揮太陽能電池最大效能關鍵即是在最大功率追蹤技術[12-16]。圖11 為增量電導法演算法[17-18]示意圖，當電壓增加時會使功率點落在最大功率點的右半邊，反之則是落在最大功率點的左半邊，此演算法可以利用式(8)及式(9)描述之。

I V

P = ×

(8)

dV I V dI dV

V I d dV

dP = ( × ) = × +

(9) 假如式(9)中的dP/dV=0，可改寫為：

V I dV

dI = −

(10)

延續功率回授法的觀念，增量電導法也是利用當系統達到最大功率輸出時dP/dV=0的特性，在最大功率點的左半邊則是dP/dV>0，反之則是dP/dV<0。圖12及圖13 分別為增量電導法的控制流程圖及系統方塊圖，根據 dP/dV=0的概念，藉由偵測太陽能電池輸出電流，再經過微處理控制器以增量電導演算法運算，配合硬體電路即可達到最大功率追蹤的目的。

最大功率追蹤器大多都使用 DC/DC轉換器 [2] 架構，可採用降壓轉換器、升壓轉換器或是升降壓轉換器型式。本文因須與功率因數修正器並聯，而功率因數修正器輸出電壓高於太陽能電池輸出電壓，所以採用升壓轉換器形式，如圖13，其中Vpv為太陽能電池輸出電壓、

Ipv為太陽能電池輸出電流。並以增量電導法實現最大功率追蹤。控制器則是以Microchip公司的PIC16F877單晶片微處理器[19] ，配合硬體電路來實現最大功率追蹤演算法。

圖11 太陽能最大功率追蹤-增量電導法

圖12 增量電導法控制流程圖

(4)

圖13 太陽能最大功率追蹤-增量電導法(I&C)

五五

五五、、、、市電市電市電市電/太陽能並聯系統設計及實際數據波形分析太陽能並聯系統設計及實際數據波形分析太陽能並聯系統設計及實際數據波形分析太陽能並聯系統設計及實際數據波形分析本節介紹市電與太陽能直流並聯供電系統分析，以及實際電路的量測波形與數據分析，首先分析直流方式的並聯系統，並定義實際電路規格。而B與C分別為400W 功率因數修正器設計以及並聯供電前後的波形分析。

A.

並聯系統分析

圖 14 為直接並聯方式之系統架構圖，圖中負載假設為定電阻負載，且日照固定，太陽能電池模組穩定發電。在未並聯時，太陽能電池模組單獨對負載供給最大功率的關係式如下：

1

B 1 PV

V

= D×

V

− (11)

( ¹ )

CB

D

PV

I = − I

(12)

B

L C B

V

R

= I (13) 其中

D ：太陽能最大功率追蹤器的責任週期。

V ：太陽能最大功率追蹤器的輸出電壓。 B

VPV：太陽能電池模產生最大功率時的端電壓。

ICB：太陽能最大功率追蹤器的輸出電流。

IPV：太陽能電池模產生最大功率時的輸出電流。

R ：定電阻負載。 L

而在與直流市電並聯後，由於功率因數修正器具有對輸出端回授穩壓之功能，所以負載端電壓(圖 14 中

VB

電壓)會較只有太陽能電池模組單獨供電時上升至功率因數修正器的輸出電壓

V ′

B。另外，由於日照等條件固定，所以VPV、

IPV也應當固定不變，此時太陽能最大功率追蹤器的責任週期，為了符合升壓式轉換器的電壓轉換方程式將會增加，而最大功率追蹤器的輸出電流

ICB也會因為責任週期增加而減少，最後最大功率追蹤器的輸出端所看到的負載，將不會是並聯前的定電阻負載

R

L^，

而是並聯後的負載端電壓

V ′

_B除以最大功率追蹤器的輸出電流

I ′

CB之值，如式(14)所示:

B

L C B

V

R ′

= I_′^′ (14) 其中

R′

L是指最大功率追蹤器的輸出端所看到的負載。

另外由阻抗的觀點來看，在負載端並聯上功率因數修正器的輸出電壓，可以視為原本的定電阻負載並聯一負電阻，其方程式如下：

// ^B ^L ^B

L L

AB L AB B

V R V R R

I R I V

′ − ′

′ = =

− − ′

(15) 而由圖 14 可知

I

AB為功率因數修正器的輸出電流，並且

I

AB為負載電流減去並聯後最大功率追蹤器的輸出電流

I ′

CB^{，其表示式如下：}

B

A B C B

L

I V I

=

R ′

− ′

(16) 將(16)式的

I

AB^{代入(15) ，}R′ 可由(17)重新表示如下： _L

L B B

L

B L C B B C B

R V V

R V R I V I

′ ′

′ = − =

′ − ′ − ′ ′

(17) (17)式所表示之R′ 與(14)式相同，即表示系統在並聯_L 後，在最大功率追蹤器可變動的責任週期內，太陽能電池模組仍可以有最大功率的輸出。

圖14 直接並聯方式之系統架構圖

經由實際電路的數據及波形，可以證明此系統的確改善了原有兩級並聯的缺點，發揮太陽能電池的最高效能，並且減少多餘的轉換損失。

以下為本系統實際電路的規格：

PFC：輸出400W，輸出電壓200~400VDC，滿載效率92%。

太陽能電池模組：西門子SP75 (Ppk=75W)兩片串聯。並聯負載：400W。

圖15 多級並聯系統之架構圖

B. 400W

功率因數修正器之實驗波形及數據分析

表II為實際量測數據表，功率因數及效率都在0.996 及90%以上。圖16為輸入電壓110V Vac，輸出瓦數滿載 400W時之電壓電流波形。

表II 功率因數修正器實際量測數據表 Vac (V) Io (A) Vop (V) η(%) PF

110 0.5 199.2 92.1 0.996 110 1.0 198.6 92.8 0.998 110 1.5 197.1 93.13 0.999 110 2.0 196 93.5 0.999 110 0.25 400 93 0.998

(5)

110 0.5 399 93.5 0.999 110 0.75 398 93.7 0.999 110 1.0 398 93.4 0.999

圖16 Po = 400W之市電電壓與電流波形 (CH1= 10V/div，CH2=100V/div，CH3=5A/div)

C.

太陽能最大功率追蹤器與市電並聯前後波形與數據

圖18與圖19分別為未並聯負載為100Ω與400Ω時，

太陽能最大功率點輸出電壓與太陽能最大功率追蹤器的責任週期與輸出電壓。其中比較兩圖可發現當增加負載電阻時，太陽能最大功率追蹤器的責任週期與輸出電壓也相同地增加。

圖 18 負載 100Ω 之最大功率追蹤器的輸入電壓、

責任週期及輸出電壓之波形

(CH1= 40V/div，CH2=20V/div，CH3=200V/div)

圖 19 負載 400Ω 之最大功率追蹤器的輸入電壓、

責任週期及輸出電壓之波形

(CH1= 40V/div，CH2=20V/div，CH3=200V/div)

圖20與圖21分別為負載為100Ω並聯200V直流電壓與負載400Ω並聯400V直流電壓時，太陽能最大功率點輸出電壓與太陽能最大功率追蹤器的責任週期與輸出電壓。

圖 20 並聯電壓 200V 負載 100Ω 之最大功率追蹤器的輸入電壓、責任週期及輸出電壓之波形 (CH1= 40V/div，CH2=20V/div，CH3=200V/div)

圖 21 並聯電壓 400V 負載 400Ω 之最大功率追蹤器的輸入電壓、責任週期及輸出電壓之波形 (CH1= 40V/div，CH2=20V/div，CH3=200V/div)

經圖18至圖21，可將並聯前後同負載電阻的圖 18與圖20以及圖19與圖21相互比較，可發現當太陽能最大功率追蹤器的輸出電壓被並聯的PFC提升至PFC的輸出電壓，而太陽能的輸出電壓因最大功率點固定而不變，為了符合升壓式轉換器的電壓轉換方程式，此時太陽能最大功率追蹤器的責任週期將會增加。

另外，並聯前後太陽能最大功率追蹤器的責任週期與輸出電壓的增加，與圖18、圖19負載電阻增加，導致太陽能最大功率追蹤器的責任週期與輸出電壓增加的情況相同，所以並聯一直流電壓情況，

可視為在太陽能最大功率追蹤器的負載電阻端上並聯一負電阻。由圖18至圖21的比較結果，即可印證本文第五節的並聯分析結果。

圖 22 與圖 23 分別為負載為 100Ω 並聯 200V 直流電壓，並聯前後最大功率追蹤器的輸入電壓、

輸入電流及太陽能電池之輸出最大功率。圖 24 與圖 25 分別為負載為 400Ω 並聯 400V 直流電壓，並聯前後最大功率追蹤器的輸入電壓、輸入電流及太陽能電池之輸出最大功率。

Vac

Is

Duty

Vpv

Vpv Duty

Duty

Duty Vout

Vout

(6)

圖 22 負載 100Ω 之最大功率追蹤器的輸入電壓、輸入電流及太陽能電池輸出至最大功率追蹤器之功率波形 (CH1= 40V/div，CH2=2A/div，CH3=50W/div)

圖 23 並聯電壓 200V 負載 100Ω 之最大功率追蹤器的輸入電壓、

輸入電流及太陽能電池輸出至最大功率追蹤器之功率波形 (CH1= 40V/div，CH2=2A/div，CH3=50W/div)

圖 24 負載 400Ω 之最大功率追蹤器的輸入電壓、輸入電流及太陽能電池輸出至最大功率追蹤器之功率波形 (CH1= 40V/div，CH2=2A/div，CH3=50W/div)

圖 25 並聯電壓 400V 負載 400Ω 之最大功率追蹤器的輸入電壓、

輸入電流及太陽能電池輸出至最大功率追蹤器之功率波形 (CH1= 40V/div，CH2=2A/div，CH3=50W/div)

經圖22至圖25，可將並聯前後同負載電阻的圖22 與圖23以及圖24與圖25做比較，可發現太陽能電池之輸

出最大功率在並聯前後皆相同，即證明本系統的最大功率追蹤器與PFC之輸出直流電壓並聯後，在可變動的責任週期內仍可維持最大功率追蹤的功能。

六六六六、、、、結論結論結論結論

本論文以單級直流方式，將太陽能電池經過最大功率追蹤器直接並聯至市電系統，同時將太陽能電池的最大功率傳至負載端，不但保留原有太陽能與市電直流並聯的優點，簡化交聯並聯的複雜度，且有效的改善原有市電與太陽能電池直流並聯供電系統中，因多串聯一級並聯用升壓式轉換器而造成的損失。在系統上，共用了功率因數修正器與最大功率追蹤器的輸出電容，並且減少並聯二極體的使用，可減少二極體上的損失，同時有效的降低元件數，可達到減少成本目的。最後由於本系統沒有做功率控制，所以設定負載容量須大於太陽能電池可發電的最大功率，故本系統無法獨立運轉，必須與市電併聯對負載供電。

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Vpv

Ipv

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市電與太陽光電能單級直流並聯供電系統