再生能源發電系統之研製-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(II)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告

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(2/3)

計畫類別： 整合型計畫

計畫編號： NSC92-2213-E-011-024-

執行期間： 92 年 08 月 01 日至 93 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： 王文智

計畫參與人員： 龍建儒，趙震邦

報告類型： 精簡報告

處理方式： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，1 年後可公開查詢

中 華 民 國 93 年 5 月 24 日

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

再生能源發電系統之研製-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(2/3) Design and Implementation of A Photovoltaic Energy Generation System

with Remote Control and Fault Detection 計畫編號：NSC 92-2213-E-011-024

執行期限： 92 年 08 月 01 日 至 93 年 07 月 31 日

計劃主持人：王文智 國立台灣科技大學電機工程系

計畫參與人員：龍建儒、趙震邦 國立台灣科技大學電機工程系

E-mail: [email protected]

一、中文摘要

本計畫擬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，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，我們擬依據梯度法及模糊控 制法則設計一新型太陽光能電池最大功率追 蹤法則，使得太陽光能電池模組可持續地輸出 最大功率，然後，我們擬使用數位信號處理器 及個人電腦設計與實現此一太陽光能發電系 統，以達成低成本、易維修、易擴充及高可靠 度之特性。

關鍵字：太陽光能發電系統，模糊控制，最大 功率追蹤法。

Abstract

In this project, the design and implementation of a DSP-based photovoltaic energy generation system is studied. This system is composed of the photovoltaic modules, batteries, DC chopper, voltage source inverter, digital signal processor and communication interface. The combination of the gradient method and fuzzy logic is used to design a novel maximum power point tracking technique so that the maximum output power of the photovoltaic modules can be extracted effectively. Finally, the combination of the digital signal processor and Personal Computer is used as the controller of the photovoltaic energy generation system. The experimental results will be provided in this project. Due to its structure simplicity, the characteristics of low-cost, easy to maintain and expand, and high reliability will be achieved.

Keywords: photovoltaic energy generation system, fuzzy logic, maximun power point tracking.

二、計畫緣由與目的

太 陽 光 能 是 一 種 安 全 無 污 染 的 再 生 能 源，且具有相當大的開發潛力，所以近年來歐 美日等各地均有相當多的太陽光能發電廠設 置啟用。以往太陽光能電池發電由於發電成本 過高以致於無法被大量使用，但隨著能源與環 保需求帶動技術，並加上政府政策配合而促使 太陽光能發電的成本下降，太陽光能電池發電 因此日趨符合經濟效益。所以若將太陽光能電 池發電應用於我國夏季尖峰用電時期，不僅可 降低市電限電及停電的時間，也可使太陽光能 發電系統更為普及。然而太陽光能電池的輸出 功率會受日照強度、溫度、元件老化及光電材 料等因素影響，所以，設計者必須瞭解各種太 陽光能電池的優劣點，挑選適當的種類，並控 制太陽光能發電系統的功率輸出，使其能在單 位 面 積 內 讓 太 陽 光 能 電 池 發 揮 最 大 的 發 電 量，此即所謂最大功率追蹤法。在太陽光能電 池之最大功率追蹤法則上，Singer 等人 [1]利 用增量電導法 (Incremental and Conductance method) 追蹤太陽光能電池的最大功率輸出 點，其優點是當太陽光照量變動時，其輸出端 電壓能以平穩的方式追隨其變化。Harashima 等 人 [2] 提 出 擾 動 觀 察 法 (Perturbation and Observation method) ，其使用的類比/數位轉換 器 (A/D Converter) 較少，可大量降低硬體成 本，且具有控制迴路簡單的優點，因此被廣泛 使用。

本計畫之目的是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，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，我們擬依據梯度法及 模糊控制法則設計一新型太陽光能電池最大 功率追蹤法則，使得太陽光能電池模組可持續 地輸出最大功率。然後，我們擬使用數位信號 處理器及個人電腦設計與實現此一太陽光能 發電系統，以達成低成本、易維修、易擴充及 高可靠度之特性。

三、研究方法

3.1 太陽光能電池之等效電路模型

太陽光能電池之基本特性與 P-N 二極體類 似，而其等效電路圖則如圖 1 所示。電路中包 含有等效線路串聯電阻( R )、等效並聯電阻

( R )、非線性電阻(

)及與日照量有關之電流 源及二極體(

)。其中並聯電阻( R )值很大可

以忽略，因此太陽光能電池端電流可用(1)式表 示

] 1 ) ) [exp( (  



 mkT

R I V I q

I

I

(1) 其中，

與

分別表示太陽光能電池之端電 流與端電壓， I

為太陽能電池在無日照下之 反向飽和電流， m 為實驗上非理想常數，通常 接 近 於 1 ，

為 波 茲 曼 常 數 ( Boltzmann constant )，

為電子電荷量， T 為絕對溫度。

此外，(1)式中之 I

為：

1 1 exp ^Gap

sat rr

r r

T qE

I I

T mk T T

 

   

      

    

(2)

其中， T 表示太陽光能電池之參考溫度，

I 為

太陽光能電池在溫度 T 時之反向飽和電流，

為半導體能隙（矽之

），由(2) 式可以看出反向飽和電流是溫度的函數，其 次，太陽光能電池產生之內部電流 I 會隨著日

照和大氣溫度之變化而改變，如下式所示：

  ⁱ₁₀₀

sc i r

I^I K TT S

(3) 其中， I 為太陽光能電池在參考溫度和日照條

件(

)下所測得之短路電流值， K

為太陽光能電池之短路電流溫度係數， S 為日

照強度(

)。我們利用(1)式，可畫出

pv

pv V

I 

特性曲線，而最大功率點 P

是電壓 電流乘積最大之工作點，也是曲線中所能畫出 最大面積之長方形，如圖 2 所示，如何運用開 關元件及追蹤法則以求得最大功率點就是我 們的研究目標之一。

3.2 基於模糊控制法之最大功率追蹤法則 在本計畫中，我們使用模糊控制法設計一 新型太陽光能電池之最大功率追蹤法則，其 中，輸入變數為太陽能板之功率/電流斜率值，

mpv

，與太陽能板之功率變化量，

，輸出 變數為電流命令變化量，  。同時，我們採 I

用三角形歸屬函數，且分為五個語意變數，即 負大（NB）、負小（NS）、零（ZE）、正小

（PS）、正大（PB），而模糊控制法之決策表 如表 1 所示，經由輸入變數之組合以產生對應 之輸出，另外，本計畫選擇重心法以進行反模 糊化而產生輸出電流命令變化量，完成太陽能 板之最大功率追蹤法則。

3.3 太陽光能發電系統

在本計畫中，我們使用升壓型(Boost)轉換 器與模糊控制法研製太陽光能發電系統之新 型最大功率追蹤器，其電路結構圖如圖 3 所 示，因為升壓型轉換器之特性為電流控制型，

所以開關元件之工作週期(Duty Cycle)與電流 之變化量有關，因此我們利用電流命令之變化 以調整太陽光能電池輸出功率之大小，以完成 最大功率追蹤之功能。同時，我們使用降壓- 升壓型(Buck-Boost) 轉換器製作電池充放電電 路，其基本架構係採用非隔離式雙向型電池充 放電電路，其電路結構圖如圖 4 所示。另外，

本計畫使用單晶片微算機製作太陽光能發電 系統遠端監控之介面電路，再利用 LabView 撰 寫遠端監控之程式。

四、研究成果

圖 5 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 6 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。

在本計畫中，太陽光能發電系統由十一片

太陽能板串聯組合，因此最大輸出電壓為 210 V，最大輸出電流為 3.5 A。為了測試與比較擾 亂觀察法與模糊控制法在太陽光能發電系統 之最大功率追蹤方面之性能，我們先建立一直 流端電壓(340V)，並在輸出功率固定之條件下 (400W)，選擇負載電阻為 289Ω，再由太陽能 板與電池分別供應負載電流；圖 7 與圖 8 分別 為 利 用 擾 亂 觀 察 法 所 量 測 之 太 陽 能 板 之 電 壓、電流、及功率變化之波形圖。其中，Channel 1 為太陽能板之輸出電壓、Channel 2 為太陽 能板之輸出電流，而太陽能板之平均輸出功率 為 170 W，電池輸出功率為 230W，由圖 8 可 以看出擾亂觀察法之太陽能板輸出功率之變 化甚大且不穩定。圖 9 為在擾亂觀察法下之太 陽能板輸出功率追蹤實驗結果，亦顯示輸出功 率之變化甚大。圖 10 與圖 11 分別為利用模糊 控制法所量測之太陽能板之電壓、電流、及功 率變化之波形圖。其中，Channel 1 為太陽能 板之輸出電壓、Channel 2 為太陽能板之輸出 電流，而太陽能板之平均輸出功率為 143 W，

電池輸出功率為 257W，由圖 11 可以看出模糊 控制法之太陽能板輸出功率雖然較小卻甚為 穩定。圖 12 為在模糊控制法下之太陽能板輸 出功率追蹤實驗結果，亦顯示輸出功率之變化 較小且比較穩定。圖 13 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。

五、參考文獻

[1] S. Singer, and A. Braunstein, “Maximum Power Transfer from a Nonlinear Energy Source to an Arbitrary Load”, IEE Proceedings of Generation Transmission & Distribution, Vol. 134, No. 4, pp.

281-287, 1987.

[2] F. Harashima, and H. Inaba, “Microprocessor Controlled SIT Inverter for Solar Energy System”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol.

IE-34, No. 1, pp. 50-55, Feb., 1985.

[3] K. Hirachi, T. Mii, T. Nakashiba, K. G. D. Laknath, and M.Nakaoka,“Utility-Interactive Multi-Functional Bi-directional Converter for solar Photovoltaic Power Conditioner with Energy Storage Batteries”, 22nd International Conference on Industrial Electronics, Control, and Instrumentation, Vol. 3, pp. 1681-1686, 1996.

[4] T. Markvart, Solar Electricity, John Willy & Sons, 1995.

[5] S. J. Fonash, Solar Cell Device Physics, Academic Press, 1981.

[6] C. M. Hu, and R. M. White, Solar Cells from Basic to Advanced Systems, McGraw-Hill, 1987.

[7] Texas Instrument, TMS320C24X DSP Controllers CPU, System and Instruction Set, 1997.

[8] M. Nagao, H. Horikawa, and K.Harada,“Photovoltaic System Using Buck-Boost PWM Power Inverter”, Electrical Engineering in Japan, Vol. 115, No. 5, pp.

885-892, 1995.

六、圖表

表 1 太陽光能電池最大功率追蹤之模糊控制法決策表

mpv

I



NB NB NS ZE PS PB

NS NS NS ZE PS PS

ZE ZE ZE ZE ZE ZE

PS NS NS ZE PS PS

Ppv



PB NB NS ZE PS PB

Dj

Rsh Rs

I_ ^{Ipv ＋}

－

Vpv Rj

圖 1 太陽光能電池之等效電路

圖 2 太陽光能電池Ipv-V_pv特性曲線和最大功率點

圖 3 太陽光能電池之最大輸出功率追蹤電路結構圖

圖 4 基於降壓-升壓型轉換器之電池充放電電路結構圖

圖 5 基於數位信號處理器 TMS320LF2407 之太陽光能 發電系統控制核心

圖 6 基於單晶片微算機 AT89C51 之遠端監控介面電路

圖 7 擾動觀察法之太陽能板電壓及電流波形圖

太陽能板輸出功率變化(擾動觀察法)

0 40 80 120 160 200 240 280

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 量測時間(sec)

太陽能板輸出功率(W)

功率變化

圖 8 擾動觀察法之太陽能板輸出功率變化圖

擾動觀察法

0 40 80 120 160 200 240 280

0 1 2 3 4 5 6

太陽能板輸出電流(A)

太陽能板輸出功率(W)

功率軌跡 收斂點

圖 9 擾動觀察法之太陽能板輸出功率追蹤實驗圖

圖 10 模糊控制法之太陽能板電壓及電流波形圖

太陽能板輸出功率變化(模糊控制法)

0 40 80 120 160

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 量測時間(sec)

太陽能板輸出功率(W)

功率變化

圖 11 模糊控制法之太陽能板輸出功率變化圖

擾動觀察法

0 40 80 120 160 200 240 280

0 1 2 3 4 5 6

太陽能板輸出電流(A)

太陽能板輸出功率(W)

功率軌跡 收斂點

圖 12 模糊控制法之太陽能板輸出功率追蹤實驗圖

圖 13 太陽光能發電系統之遠端監控結構圖

七、計畫成果自評

本計畫完成之項目如下：使用數位信號處 理器TMS320LF2407建構一全數位化之太陽 光能發電系統控制平台，不僅可實現智慧型太 陽光能電池之最大輸出功率追蹤法則，而且可 提高太陽光能發電系統之輸出響應；使用單晶 片微算機AT89C51製作太陽光能發電系統遠 端監控之介面電路，再配合LabView軟體設計 之監控程式，可使本計畫研製之太陽光能發電

系統不但具有就地監控之功能，而且具有Web 網路監控之功能，同時，本系統不但含有具親 和力之操作介面，而且具有易維修之特性。

再者，由於本計畫研製之太陽光能發電系 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，本計畫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。

可供推廣之研發成果資料表

□

可申請專利 ■ 可技術移轉 日期：93 年 5 月 25 日

國科會補助計畫

計畫名稱：具遠端監控與故障偵測功能之太陽光能發電系統之研 製(2/3)

計畫主持人：王文智

計畫編號：NSC92-2213-E-011-024 學門領域：電力學門

技術/創作名稱 高性能 DSP 控制器在太陽光能發電系統之控制技術

發明人/創作人 王文智 中文：

本技術包含兩部分，一為以數位信號處理器 TMS320LF2407 為 基礎所建構之數位化太陽光能發電系統控制平台，另一為基於模 糊控制法之太陽光能電池最大功率追蹤法則，不但可以減緩太陽 光能發電系統精確數學模型之需求，而且由於太陽光能發電系統 之控制核心為數位化結構，因此具有穩定性較高、擴充性較易之 性能。

技術說明 _英文：

The technique is composed of two parts, one is the DSP-based controller, the other is the maximum power point tracking algorithm which is based on the fuzzy logic. The burden of the precise mathematical model of the photovoltaic energy generation system can be released. The fully digital structure of the control core of the photovoltaic energy generation system has the benefit of high stability and easy expansion.

可利用之產業 及 可開發之產品

1. 再生能源產業 2. 數位控制器

技術特點

1. 全數位化控制器結構，可提高系統之可程式化能力及穩定性。

2. 基於模糊控制法之最大功率追蹤法則，具有可使太陽能板之輸 出功率比較平穩之特性。

3. 使用 C 語言發展控制程式，具有較佳之移植性。

推廣及運用的價值 全數位化、小型化、低成本。

※

每項研發成果請填寫一式二份，一份隨成果報告送繳本會，一份送 貴單位研發成果推 廣單位（如技術移轉中心）。

※ 2.本項研發成果若尚未申請專利，請勿揭露可申請專利之主要內容。

※ 3.本表若不敷使用，請自行影印使用。