行政院國家科學研究委員會專題研究計畫期中進度報告 再生能源發電系統之研製 —
子計畫四:太陽能與風力發電複合系統之研製（1/3）
Development of solar and wind hybrid power conversion system– Subproject 4(1/3)
計畫編號: NSC91-2213-E-011-099 執行期限: 91/08/01-92/07/31 主持人: 黃仲欽 副教授
執行機構: 國立台灣科技大學電機工程系 研究助理: 陳守誠 陳立修 蘇家瑋 林冠明
一. 中文摘要
本計畫旨在設計及製作太陽能與風力 發電複合系統。本系統結合太陽能電池、
永磁式同步發電機及蓄電池，經由功率轉 換器，將太陽能、風能儲存於蓄電池及供 給直流負載。在太陽能電池控制方面，本 文採用直流截波器及擾動觀察法為最大功 率追蹤，以提高能量轉換效率。本系統將 採用功率控制策略以調節風力驅動永磁式 同步發電機，使得在變速的情況亦能有固 定的直流電壓輸出，同時採用直流截波器 作為蓄電池儲、釋能量控制，以提供穩定 直流電給負載。
本文將建立功率轉換器的模式，完成 太陽能及風力發電系統之計算機模擬，並 設計功率控制之數位控制器。實體製作方 面，採用高性能、低成本的數位訊號處理 器（DSP,TMS320LF2407A）為控制核心，
減少硬體電路。本文已完成約500W的發電 系統之雛形，並由實驗以驗證理論分析。
Abstract：
This project presents the design and development of solar and wind hybrid power conversion system. It combines solar cells, batteries, and permanent-magnet synchronous generator to build a multiple energy source utility system by power conversion devices.
The generated energy is converted to DC source for DC loads and the redundancy part is stored in batteries for reservation. DC-chopper and Perturb-and-observe algorithm are applied for maximum power point tracking to enhance conversion efficiency for the en- ergy management of solar cells. The wind driven permanent-magnet synchronous generator is con- trolled by the scheme of power balance. The resulted stable DC power then is supplied to DC loads under varied wind speed and solar radiation, and lack and redundance are buffered by batteries.
In this report, power converter model have been built by discrete method. The control algorithms of the system is be simulated by Matlab/Simulink. Then, a high performance digital processor (TMSLF2407A) have been used to implement the system for reducing the circuit components and cost. Finally, the experi- ment results for 500W hybrid power converter system are given to justify the analysis.
二. 緣由
歐美、日、德等國近年來視發展再生 能源為重要政策，如日本自1994年實施補 助獎勵辦法推廣太陽能發電，預計2003年 太陽能發電容量達250MW。國內經濟部於八 十九年五月訂定「太陽光電發電示範系統 設置補助辦法」，補助民眾或法人在國內 設罝太陽能發電示範系統[1]。風力發電部 分，國內在民國七十九年底在澎湖七美完 成200KW風力電廠，民國九十年底於澎湖中 屯興建完工四座600KW風力發電機組[2]。
由於台灣缺少自然能源，百分之九十五以 上能源需依賴國外進口，因此發展可循環 使用的再生能源，是刻不容緩的努力方針。
以再生能源利用而言，結合太陽能與 風力發電之複合系統[3,4]為較具發展潛 力的，其原因如下：
(1)單一再生能源往往易受季節、氣候等因 素影響，使得系統之供電連續性大打折 扣，缺乏實用性，而複合性系統可彌補上 述缺點，以達供電之連續性。
(2)若考量能源管理策略，複合性系統因調 度之便利性，易於使用能源管理控制，可 提高供電效率。
(3)太陽能與風力具互補性，實用易達成。
基於上述各點原因，本文將研製太陽 能與風力發電複合系統，提高系統效率。
太陽能及風力發電複合系統之整體架構圖 如圖1所示。在風力發電系統，採用三相開 關型交流-直流轉換器，配合同步旋轉座標 轉換，達到功率因數接近1，以提高發電機 運轉效率。太陽能發電系統，則採取昇壓 直流截波器，使用擾動觀察法得到太能陽 最大功率輸出。最後利用雙向充、放電路 作為蓄電池調節輸出功率及儲、釋能量之 用 。 本 文 採 用 數 位 信 號 處 理 器 (TMS320LF2407A)為控制核心，以完成實 體製作，目前已完成500W的複合發電機系 統雛形，並由實測驗証分析之可行性。
ModulePV
L1
T D1
Ta
Ta vas
Cdc
Tc
Tc
vcs
Tb
Tb
vbs
rm
wind-turbine P.M.
S.G.
ibs ics ias
dc C 1
pv 1
直流 負載 L
bt b
DSP TMS320LF2407A
Emulator XDS510PP
PC
gate driver gate driver
speed &
synchronous detector
voltage &
current feedback
ias ibs ipv
i1
i2 i3
v
v v
vdc vpv idc
r
ib2 b2
v
T2
T2
vbt
ipvib2 (N)
(N)
圖1 系統整體架構之方塊圖
三. 研究方法與成果 1. 研究方法 A、電力電路
太陽能及風力發電複合系統之整體電 力電路如圖2所示，包含太陽能板、最大功 率追蹤控制及其功率轉換器、永磁式同步 電動機作模擬風力驅動、永磁式同步發電 機、交流/直流轉換器、雙向直流/直流轉 換器、蓄電池、電容、電感等部分。其中 功率電晶體開關元件(Ta,Tb,Tc) (Ta,Tb,Tc) 為互斥，作為三相交流轉直流開關式轉換 器。T1用於直流轉直流昇壓式截波器，作 為太陽能最大功率追蹤轉換器。(T2,T2)用 於直流轉直流昇/降壓式截波器，以供蓄電 池雙向充、放電之用。直流鏈經Cdc穩壓與 濾波可提供穩定的直流電壓於直流負載。
B、複合系統之控制
(1)交流-直流功率轉換器分析及控制[5]
假設圖2中之開關元件為理想者，且同 一臂之開關狀態為互斥，如此，三相開關 型整流器可簡化成如圖3之等效電路。其中 開關狀態(Sa,Sb,Sc)當上臂導通、下臂截止 時為1，下臂導通、上臂截止時為0。
ModulePV
L1
T D1
Ta
Ta
va s
Cd c
Tc
Tc
vcs
Tb
Tb
vb s
rm
wind-turbine P.M.
S.G.
ibs
ics
ias
d c
C 1
pv 1
直流 負載 L
b t b
ip v
i1
i2
i3
v
v v
id c
ib2 b2
v
T2
T2 (N)
(N)
圖2 複合系統之電力電路圖
ebs
ecs
rs
Ls
rs
rs
eas
n
Ls
Ls
i3 idc
Sa
1 0
Sb
1 0
Sc
1 0 vas
vbs
vcs
Rdc
vdc
Cdc
ias
ibs
ics
永磁式同步發電機
圖3 三相開關型交流-直流轉換器之等效電路圖
圖3可推導出電感及電容之狀態方程式為
as as s as as
s i e r i v
dt
L d (1)
bs bs s bs bs
s i e ri v
dt
L d (2)
cs cs s cs cs
s i e r i v
dt
L d (3)
dc c cs b bs a as dc dc dc
dc i S i S i S i
R i v dtv
C d 3 (4)
其中
cs bs as e e
e , , ：永磁式同步發電機端電勢相電壓
cs bs as i i
i , , ：永磁式同步發電機之輸出電流
cs bs as v v
v , , ：三相交流-直流功率轉換器輸入相電壓
i 3 ：三相交流-直流功率轉換器之輸出電流
v dc ：直流鏈電容Cdc之電壓 i ：dc 等效直流負載之電流
s
，rs
L ：三相交流-直流功率轉換器昇壓電感之
等效電感及電阻。
(1)至(4)式可作為三相開關型交流-
直流轉換器之分析及計算機模擬之依據。
在三相座標系統下，因電壓及電流具 有時變與相互耦合之關係，在動態的分析 上較為困難，所以在此採用座標系統之轉 換來作為電路上之分析與設計。即將三相 座標系統之物理量轉換為同步旋轉座標系 統下直軸、交軸與零相序成分。其座標系 統之轉換矩陣為
c b a r
r r
r r
r
o d q
f f f
f f f
2 1 2
1 2
1
3) sin( 2 3) sin( 2 sin
3) cos( 2 3) cos( 2 cos
3
2
(5)
其反轉換關係為
o d q
r r
r r
r r
c b a
f f f
f f f
1 3) sin( 2 3) cos( 2
) 1 3 sin( 2 3) cos( 2
1 sin cos
(6)
o d
q f f
f , , ：交、直及零軸之電壓或電流之瞬間值
c b
a f f
f , , ：a ,,b c軸之電壓或電流之瞬間值
r ：發電機側之電壓角位置
假設為三相平衡系統，根據同步座標 軸轉換矩陣，將(1)至(3)式經(5)式轉換整 理為狀態方程式如下:
ds s r qs s qs qs qs
s i e v ri L i
dt
L d (7)
qs s r ds s ds ds ds
s i e v ri Li
dt
L d (8)
其中 r r
dtd
由(7)、(8)式可推導出三相開關型交 流-直流轉換器之控制命令值為
ds s r qs qs
qs e u L i
v* * (9)
qs s r ds ds
ds e u Li
v* * (10) 其中
) (*
*
qs qs iqs
qs G i i
u (11)
) ( *
*
ds ds ids
ds G i i
u (12) 上式中Giqs及Gids分別為三相開關型
交流-直流轉換器之交軸及直軸電流控制 器，其採取比例-積分控制器。將直流鏈 電壓vdc回授與命令電壓比較得電壓誤差 信號，經比例-積分電壓調節器Gvdc 得交 軸命令電流i*qs。根據(9)(10)式即可得電壓
控 制 電 壓 命 令 值v 與*qs v*ds 經 (6) 式 反 轉 換，可得三相控制命令電壓vas* ,vbs* ,vcs* ， 經正弦脈寬調變控制產生開關責任週期 決定開關切換狀態，迫使實際電流追隨命 令電流，達到功率因數接近1。其中r的 取得係由永磁式同步發電機所附設的霍 耳效應感測器，因此一個電氣週期可得六 個區間，再經由數位信號處理器計算查表 即可獲得。三相開關型交流轉直流轉換器 之控制方塊圖如圖4所示。其中 為等效'm 至定子側之轉子磁通鏈。若操作於獨立風 力發電系統時，開關切至1，以穩定直流 鍵電壓。當操作於並聯運轉時；當開關切 至0，此時發電機之q 軸電流命令值設定 為額定電流之峰值，已達到於最大功率控 制。(此切換模式可由直流功率及蓄電池 的電量作決定之。)
Gi ds
Gi qs
s rL
iqs
ids
(6)
*
vas
*
vc s
(5)
r s rL
*
vqs
*
vds
r
*
vbs
*
vdc
vdc
vdc
0
*
ids
ids
*
iqs
iqs
*
uds
*
uqs
0
eds eqsrm'
SPWM
Ta
Ta
Tb
Tb
Tc
Tc
voltage sensor current sensor
A/D A/D
A/D ias
ibs
vdc
gate driver
current regulator
*
iqs 0 v dc 1
G voltage regulator
rectifier to 3
圖4 三相開關型交流-直流轉換器控制方塊圖
(2)太陽能電池最大功率追蹤控制
在不同的溫度及陽光照度下，太陽能 電池的最大輸出功率皆不相同。為了有效 利用其工作點，在本文採用擾動與觀察 (perturb & observe)法[6][7]，此法是利 用不斷擾動輸出電壓，藉由比較輸出功率 來決定開關責任週期，以迫使工作電壓達 到最大功率點。此法優點是不需量測太陽 電池內部參數及外部環境條件。本文將用 此方法配合昇壓直流截波器作太陽能功率 之控制。
依圖2之電力電路中，若太陽能電池之 電流ipv 為連續性且忽略C 之充電電流，其1 功率電晶體T1 及快速二極體D1所組成昇壓 型直流截波器之開關狀態S1表示為
截止 : D 導通, : T 若 0
導通 : D 截止, : T 若 S 1
1 1
1 1
1 (13)
其開關模式電流i 及電壓1 v 分別為1
ipv
S
i1 1 (14) Sdc
1 1 (15) 其中ipv 為太陽能電池之輸出電流。綜 合其開關等效電路如圖5所示。太陽能電池 之擾動觀察法，將回授其電壓vpv及電流
ipv，作功率的計算，由功率及電壓的變化 以決定功率電晶體T1 的責任週期達到最 大功率輸出，其流程如圖6所示，其Ppv為 電壓vpv及電流ipv 的乘積。
0 1
+
_
Cdc
+
_ PV Module
vdc
r1
L1
vpv C1
+
_ v1 ipv
i1
S1
圖5 太陽能功率控制之昇壓型直流截波器
是 否
是 否 是 否
pv pv、 i 感測v
開始
計算功率Ppv
? ) 1 ( ) (n pvn
pv P
P
)? 1 ( ) (n pvn
pv v
v vpv(n)vpv(n1)?
責任週期 的 降低T1 責任週期
的 降低T1
責任週期 的 增加T1 責任週期
的 增加T1
返迴
圖6 擾動觀察法之控制流程圖
(3)蓄電池充、放電控制[8][9]
圖2中之昇壓/降壓直流截波器電路之
T2 及T2控制為互斥關係，則可推導出雙向 充、放電等效電路如圖7所示，其開關狀態
S2可表示
導通 : T 截止, : T 若 0
截止 : T 導通, : T 若 1
- 2 2
- 2 2
S2 (16)
其電壓及vb2電流ib2 之開關狀態方程式為
dc
b S
2 2 (17)
2 2
2 S ib
i (18) 其電感 L2 的微分方程式表示
bt b b dc
bt b b b b
v i r v S
v i r v dti L d
2 2
2 2 2 2
2
(19) 平均值模式及其電流預測控制可得
] )
( 1 [
2 2 2
* 2
* 2
2 b b b bt
sw dc
v v r i T i
L
S v (20)
其中
sw
ib T
G L2 ，S*2為責任週期，0 S2*1。
C 1
0 dc dc
v
i2
S2
rb
L2 2
ib
2
vb vbt
b
圖7 雙向充、放電等效電路圖
配合直流截波器之模式，其蓄電池之 充、放電控制方塊如圖8所示。圖8(a)為直 流負載定電壓控制，將回授直流鏈電壓vdc
配合直流鏈電壓命令值以調節蓄電池電流
2
ib 達到放電之控制。圖8(b)為充電控制方 塊圖，本文採取比例-積分控制器。在充電
時，採取二階段式充電技術，即當蓄電池 電壓未達浮充電壓，使用定電流充電，此 時將開關切至0。當蓄電池電壓充至浮充電 壓，則將開關切至1，改由定電壓充電。如 此，將可獲得較短的充電時間，及延長的 電池壽命。
Gib
current regulator vd c
* 2 ib
vbt
dc PWM
v 1
* S2
Gate driver
T2
T2 boostbuckchopper DC DC to
/
2
ib
Gvdc
voltage regulator
voltage sensor
A/D vd c
current sensor
A/D ib 2
*
vdc
(a)
Gib
Gvb
voltage
regulator current
regulator
1
* 0
ib2
v
*
ib2
2
ib
vbt
PWM vdc
1
* S2
Gate driver
T2
T2
voltage sensor
A/D vb t
current sensor
A/D ib 2
電壓型
電流型
*
chopper buck boost
DC DC to
/
*
vbt bt
(b)
圖8 蓄電池充、放電控制
(a)直流鏈電壓控制之蓄電池放電控制方塊圖 (b)定電流及定電壓充電控制方塊圖
四. 實體製作
圖1為本文系統整體架構圖。其控制核 心是採用德儀所生產之數位信號處理器 (TMS320LF2407A)，配合數位信號處理器之 軟體程式撰寫，以完成實體制作。硬體方 面可分為(1)原動機及發電機;(2)太陽能 板(3)功率電晶體及其驅動電路。其中永磁 式同步發電機、太陽能板規格及系統電路 參數如附錄A所示。
五. 複合系統之模擬及實測
圖9及圖10為蓄電池放電，至0.06秒 時，風力發電系統並聯供電，此時發電機 轉速為2500rpm，運轉於最大功率模式之 模擬及實測，比較其結果相吻合，以驗証 實作的可行性。圖11為兩片太陽能電池串 聯(0.2kW/m2，32℃)，配合擾動觀察法所 得之輸出波形。由圖可知其功率輸出於最 大 功 率 點 附 近 擾 動 。 其 直 流 負 載
dc 11
R 。
六. 結論
本文以德儀生產之數位信號處理器
（TMS320LF2407A）為控制核心，利用 三相開關型整流器及直流截波器，達到風 力發電輸入功因接近1，提高其輸出效率 及太陽能最大功率追蹤，且直流鏈電壓響 應快速。最後搭配蓄電池作儲、釋能量及 功率調節之用。如此，整體系統將有良好 的暫態及穩態響應。本文系統已完成500W 複合發電系統之雛形，並有實測與模擬相 比較，以驗証系統之可行性。
附錄A
永磁式同步發電機參數
(8P,340W,14A,3000rpm,1.1N-m)
等效定子側電阻 ：0.0635 等效定子側電感 ：0.2mH
等效至定子側之轉子磁通鏈'm：0.0105V s/rad.
太陽能電池單模組電氣規格(1kW/m2，25℃)
型號 BP 275F
開路電壓 21.4V
短路電流 4.75A
最大功率點 17V ,4.45A
電流溫度係數α 0.065%/℃
電壓溫度係數β -80mV/℃
最大功率 75W
系統電路參數
發電機側電感值Ls : 0.28mH 太陽能電池側電感值L1 : 0.34mH 蓄電池側電感值L2 : 0.95mH
蓄電池組端電壓vbt : 24V(2顆電池串聯) 蓄電池單顆內阻rb : 10m
直流鏈電容值Cdc : 3300F 直流鏈電壓命令值vdc* : 48V 數位控制器取樣週期Ts : 50s
七. 參考文獻
[1] 胡忠興，“太陽能發電系統之裝置與併聯技術
”，電機月刊第十二卷第二期，pp.130-145，民國 91年2月。
[2] 蘇華宗，“澎湖中屯風力發電介紹”，電機技師 第93期，pp.39-48，民91年6月。
[3] Nehrir, M.H.; LaMeres, B.J.; Venkataramanan, G.;
Gerez, V.; Alvarado, L.A., “ An approach to evaluate the general performance of stand-alone wind/photovoltaic generating systems”, Power En- gineering Society Summer Meeting, 2000. IEEE , Volume: 4 , 2000.
[4] Valenciaga, F.; Puleston, P.F.; Battaiotto, P.E.,
“Power control of a photovoltaic array in a hybrid electric generation system using sliding mode techniques”, Control Theory and Applications, IEE Proceedings- , Volume: 148 Issue: 6 , Nov 2001, pp. 448 -455.
[5] 曾兆利，“以數位信號處理器為基磁之永磁式同 步發電機功率控制系統之研製”， 國立台灣科 技大學電機工程研究所碩士論文，民國九十年。
[6] Hussein, K.H.; Muta, I.; Hoshino, T.; Osakada, M.,
“Maximum photovoltaic power tracking: an algo- rithm for rapidly changing atmospheric condi- tions”,Generation, Transmission and Distribution, IEE Proceedings- , Volume: 142 Issue: 1 , Jan 1995, pp. 59 -64.
[7] Chihchiang Hua; Jongrong Lin; Chihming Shen,
“Implementation of a DSP-controlled photovoltaic system s on , Volume: 45 Issue: 1 , Feb 1998, pp.
99-107.
[8] 呂文隆，“單相半橋多功能不斷電系統之研製
”， 國立台灣科技大學電機工程研究所博士論 文，民國八十九年。
[9] 李視誠，“智慧型蓄電池電力轉換設備之研製
”， 國立台灣大學機械工程研究所碩士論文，
民國八十六年。
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0
20 40 60
time(sec) (a)
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0
5 10 15
time(sec) (b) (V)
(A)
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 -20
-10 0 10 20
time(sec) (c)
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 -20
-10 0 10 20
time(sec) (d) (V)
(A) vdc
2
ib
ias
eas
圖9 複合系統之模擬結果(a)直流鏈電壓 (b)蓄電池 電流 (c)發電機端a相輸出電壓 (d)發電機端a 相輸出電流
vdc
2
ib
eas
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 -20
-10 0 10 20
time(sec) (c)
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 -20
-10 0 10 20
time(sec) (d) (V)
(A)
ias
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0
20 40 60
time(sec) (a)
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0
5 10 15
time(sec) (b) (V)
(A)
圖10 複合系統之實測結果(a)直流鏈電壓 (b)蓄電 池電流 (c)發電機端a相輸出電壓 (d)發電機 端a相輸出電流
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0
10 20 30 40
time(sec) (a)
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0
0.5 1 1.5 2
time(sec) (b) (W)
(A) Ppv
ipv
圖11 太陽能系統之實測結果(a)太陽能電池輸出功 率 (b)太陽能電池輸出電流
