太陽光電發電系統交直流變流器最佳化之研究介紹
一. 前言
近年來能源消耗快速，使得如何運用永續資源來當作人類可用能源的 課題越形重要；永續能源方面有：太陽能、潮汐、風力、地熱、生質 能…等。
現今的架構主要是一發電源配上一變流器的架構，都為一比一的架 構。而本論文為一比多的架構；在一般架構下，一太陽能電池配對一 變流器，當太陽能電池發電是處於轉換器最大轉換效率時，經過變流 器才能得到最大的發電效率；但當太陽能電池發電是一半功率或不到 時，經過變流器，所能得到的發電效率則會降低將變流器的效率一直 工作在最大效率，則能得到最大的發電量，因此，將變流器的額定降 低或是將多個太陽能面板並聯，用多台並聯處理，當太陽能電池發電 量到最大功率時，則多台一起工作，若是太陽能電池發電量只有一半 功率或不到時，則關掉數台變流器，讓剩下的變流器能工作在最大效 率點，則能得到較高的發電效率。
二. 太陽能併市電系統原理與架構 1. 雙級式太陽能發電系統
圖 1 為雙級式太陽能發電系統架構圖，發電量大於負載需求時，將太 陽能電池的供電提供給負載，多餘的電量則輸出至大電網或是市電；
發電量小於負載需求時，將大電網或市電的電力傳輸給負載，同步開 關(SW)用在維修或者是夜間狀態時將發電系統與市電之連接斷開。
圖 1 雙級式太陽能發電系統架構圖
2. 全橋相移升壓軟性切換 DC/DC 轉換器架構簡介
DC/DC 轉換器架構是採用全橋相移式零電壓切換(ZVS)轉換方式，因 為有零電壓切換(ZVS)的關係，可以降低功率開關的電壓應力，並可 以抑制電路上的突波現象。
Vin
QA
QB
QC
QD
DA
DB
DC
DD
C
C
oss, AC
oss,B
C
oss,C
oss,DL
RC
OR
On : 1
D1 D3
D2 D4
ILR
圖 2 全橋式轉換器架構
3. 單相全橋式變流器(DC-AC)
單相全橋式變流器由兩個單臂變流器所組成，主要是在相同的輸入電 壓下，全橋式變流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍，且全橋式變流 器之輸出及開關電流僅為半橋式的一半，此特點對於高功率的使用者 來說，是很方便的，因為可以降低使用並聯元件的要求。
2 Vd
2 Vd
V
dv
o v
Ao v
Bo圖 3 單相全橋式變流器(DC-AC)電路圖
4. 控制電路板介紹
依照計劃，需要控制兩個繼電器(Relay)，來決定變流器(Inverter) 是否導通，因此需要一控制單元來做兩個繼電器的控制中心，並判斷 在何時該啟動、何時該停止。因此以 AT89S51 為控制中心，來做為控 制電路板
圖 4 偵測與驅動電路板實體圖
三. 太陽能切換器系統架構圖架構說明
圖 5 的系統架構圖，是以太陽能陣列發電，經過多台的變流器 (Inverter)轉換交流電，再與市電併聯，控制器(Controller)是這個 架構的核心，控制多個變流器(Inverter)的開關，目的就是運用這些 能源，來達到提升效率的作用。
圖 5 太陽能切換器系統架構圖
四. 實測與模擬
1. 演算法之簡介：當太陽能系統使用多組變流器時，代表著其所需 的切換開關將隨著變多，因此，如何判別哪些切換開關該開啟或關閉 以提高效率和節省電能，將需要適當的演算法去做一計算。
組合法：C(n,r)
從一個 n 個相異物件(皆不重複)集合中可產生多少種不同的 r 個 物件的無順序的子集合。
本計畫所開發出來的程式，將可拓展至 n 台變流器之模擬，只需 將每一台變流器的特性參數輸入，即可得知在系統的功率輸入範圍 裡，其每一個不同的功率下之最佳開關切換組合。
2. 變流器單台實測：
單台測試主要是針對 SMA SB 1100 和 SMA SB 1200 測試，在變流器前 端用直流電源供應器來做供電，後端則接瓦特計，並利用瓦特計來做 輸出功率的量測，最後將電送入市電端，並且計算變流器的效率曲 線，如圖 7 與圖 8 所示。
圖 6 單台變流器測試架構
圖 7 SB1100 效率曲線圖
圖 8 SB1200 效率曲線圖
3. 雙變流器並聯切換模擬與實測：
並聯模式再加上 SW(開關)的切換，其目的就是改善效率，圖 13 是由 SB1200 和 SB1100 的結合的效率曲線圖形，從圖 13 可知道，因為有 不同的最大效率追蹤(MPPT)，所以在不同的發電量下，有不同的轉換 效率，因此在不同發電量下，有時 SB1100 的效率大於 SB1200，也有 時 SB1100 小於 SB1200，所以加上 SW(開關)做變流器開關切換，讓轉 換效率可以處在最高點，並且維持在最佳效率點。
圖 9 變流器並聯切換架構圖
如圖 10 所示，在約 100 瓦(W)~400 瓦(W)之間以 SB1200 的效率最高，
所以開啟 SB1200 做轉換能量的動作；若大於 400 瓦(W)，以 SB1100 效率最好，所以開啟 SB1100 做轉換能量，以這樣的方式作轉換可以 將效率保持在一定水準上。但若太陽能電池發電超過 1K 瓦(W)以上兩 台變流器都必須開啟，不然會對變流器造成破壞，經研究過的最佳點 為 800 瓦(W)，SMA 公司的變流器從關機到開機運行需要 45 秒以上的
時間，所以為了安全起見當太陽能電池的發電量超過 800 瓦(W)時開 啟兩台是最保險的方式，當兩台開啟時，若有均流的條件下，則每台 會分到 400 瓦(W)的電力，從圖 11 表示 400 瓦(W)的功率也有 90%以 上。
圖 10 SB1100 和 SB1200 效率曲線比較圖
圖 11 切換後與 SB1100 效率曲線比較模擬圖
圖 12 顯示，開關切換變流器與無均流下兩台皆啟動的效率，則有開 關切換的效率曲線好於兩台變流器皆啟動的效率，因此開關切換確實 能達到效率提升的動作。圖 13 與圖 14 是開關切換與單台 SB1100 與 單台 SB1200 的效率曲線比較圖。
圖 12 切換後和 SB1200 效率曲線比較模擬圖
圖 13 實際測得 SB1100 與 SB1200 切換效率與非均流效率比較圖
圖 14 加上開關切換與單台 SB1100 效率曲線比較圖
五. 結論
1. 自動程式
因當初購買變流器，假設變流器多台並聯可以均流，因此 AT89S51 內部的自動切換程式是以均流的情形下作開關的動作，但現在確認兩 台的效率曲線不同，故重新計算結果並修改單晶片程式，將切換點改 在 400 瓦(W)與滿載時開啟雙台即可。
2. 從此論文中可看出兩種結果：
(1)均流情況下
若均流的情形下先開啟一台變流器，待此變流器將近滿載(1200 瓦(W)) 後，再開啟第二台變流器；開啟第二台變流器後，為均流情形，則效 率會較高；若天氣情況良好，則能量上升快速，則可以提前至 900~1000
瓦(W)時做開啟，以避免變流器過載；反之若天氣情況不良，則能量 上升較慢，則近滿載時才做開啟的動作。均流情況下，開關能控制變 流器是否開啟運作，尤其在低能量時，單台運作比兩台均流來得效率 高，因此開關變流器能提升效率。
(2)非均流情況下
若是為非均流的情形，則需比較兩台變流器的效率曲線，以計劃中的 兩台變流器 SMA SB1100 與 SMA SB1200 來做比較下，因低能量時，
SB1200 的效率較高，則先開啟 SB1200 達到 400 瓦(W)，因 400 瓦(W) 後 SB1100 的效率較 SB1200 高，則關閉 SB1200，開啟 SB1100，則會 達到較高的效率曲線，因此開關切換對非均流情形下是有更大的效率 提升作用。
