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(II)

(1)

行政院國家科學委員會專題研究計畫期中進度報告

子計畫四：太陽能與風力發電複合系統之研製(2/3)

計畫類別：整合型計畫

計畫編號： NSC92-2213-E-011-023-

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：黃仲欽

報告類型：精簡報告

處理方式：本計畫可公開查詢

中華民國 93 年 5 月 25 日

(2)

行政院國家科學研究委員會專題研究計畫進度報告總計畫: 再生能源發電系統之研製（2/3）

子計畫:太陽能與風力發電複合系統之研製-子計畫(四)（2/3）

Development of solar and wind hybrid power conversion system– Subproject (4)

計畫編號: NSC91-2213-E-011-099 執行期限: 92/08/01-93/07/31

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: 林榮輝李惇榮洪士偉

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。在太陽能電池控制方面，

配合最大功率追蹤，以提高太陽能能量轉換效率。同時，利用併聯式功率轉換器，

並且利用開關訊號之分時控制法，使系統在擴大容量時能將系統發電容量平均分配在個別轉換器上，降低輸出直流鏈電壓之漣波。另外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。

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。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[5]，減少硬體電路。本文已完成直流電壓為360V，輸出功率約為1500W的發電系統之雛型，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 systems. For solar cells, the perturb-and-observe algorithm is adopted to implement maximum power point tracking (MPPT) technique on dc-to-dc power converter in order to enhance conversion efficiency of power converter connected with solar cells. Simultaneously, dc-to-dc power converters controlled by current-sharing algorithm are in parallel; therefore, switching signals are interleaved on each switch of power converter averagely. This can not only expand system capacity from each power converter, but also

decrease voltage ripple at dc-link. On the other hand, the wind driven permanent-magnet synchronous generator controlled by power-balanced algorithm results a stable dc source at dc-link under various wind speed and dc loads. Besides, a buck-boost dc-to-dc chopper is used to charge or discharge batteries in order to adjust power follow between wind generator, solar cells and dc loads so the surplus electricity can be stored into batteries to enhance the overall efficiency of the proposed system.

In this report, the digitalized mathematical models are built and simulated by Malab/Simulink.

Then, a digital signal processor (DSP, TMS320LF2407A) is used to implement the system in order to reduce circuitry complexity. The prototype 1500W hybrid power conversion system is developed under 360V of dc-link. Finally, the experimental results are given to justify the analysis.

二. 緣由

由於再生能源具有不穩定與間歇性的特點。故使用再生能源時，應考慮到發電系統的平衡供電效益，所以複合系統為較具發展潛力的能源利用方式，太陽能與風力之間因具有其互補性[1,2]，晝間提供太陽能足夠充裕，而夜間則風力較強可補足電力不足部分，實用上易於達成使供電品質能夠連續提供。若考量能源管理策略，複合性系統採用蓄電池儲、釋能控制，

可以當做整體能源調度之分配運用，可提

高其供電效率與供電品質。使用多組功率

轉換器併聯系統容量將可使功率平均分配

在個別功率轉換器上，所以可選用容量較

(3)

低之功率級開關元件，以降低功率轉換器之成本。基於上述之原因，本文將研製太陽能與風力發電之複合系統如圖1，所示。

圖1中，太陽能及風力發電之功率轉換器皆採用升壓型直流-直流功率轉換器，其電路簡單，可適用不同輸入電壓及功率並聯使用[3,4]，且易於系統的擴充，以提高容量。

蓄電池充、放電則採用降-昇型功率轉換器，具有調節功率之功能使負載電壓維持固定。上述之太陽能、風力及蓄電池之功率控制，皆採用數位控制器且由數位信號處理器（DSP,TMS320LF2407A）之軟體程式完成[5]。以減少硬體電路。本文已完成約1500W複合發電機系統之雛型。並由實測驗證其可行性。

L1

Q1 D1

C1

L2

Q2 D2

C2

L3

Q3 D3

C3

Cdc +

- v_{d c} DC bus

負載 dc load

ibat +

QB

−

QB

ibat

vbat 充電電流方向

放電電流方向 + DB

− B D

Battery bank N

N

N N

N

L4

QG D4

C4

N

ωrm

P.M.

S.G.

1

iL

2

iL

3

iL

DSP TMS320LF2407A

Emulator XDS510PP

PC

gate driver gate driver

voltage current

feedback vdc

vw vbat

feedback

d1 d2 d3 dG

+ dB dB⁻

1

ipv ipv2 iG

3

ipv ibat io

1 vpv vpv2 vpv3

1 vpv

2 vpv

3 vpv

vw 太陽能模組-1

太陽能模組-2

太陽能模組-3

bat

n i

i+

∑⁵

1

i5

iw 1 iD

2

iD

3

iD

4 iD

圖1 系統整體架構之方塊圖。

三. 研究方法與成果 A、太陽能發電系統

本文採用三回路之太陽能發電之功率轉換器其電力電路如圖2所示。圖2中太陽能板每一回路約1300W，其電壓約為150∼

300V，皆採用昇壓型直流-直流功率轉換器，故輸出電壓不受輸入電壓及功率影響，可維持在360V，以供給直流負載。本文為分散二極體電流（

i_D₁,i_D₂,i_D₃

）的導通時序，其場效電晶體之（

Q Q Q₁, ₂, ₃

）的切換時序，其開關狀態（

d d₁, ₂,d ）如圖3所₃

示，圖3為在責任週期為0.5時之時序圖，若

配合最大功率追蹤或維持直流鏈電壓控制，而其責任週期將隨控制而變動，但其時序狀態將可分為前、中、後時序而切換。

如此可減少直流鏈電壓的漣波成份，使直流電壓輸出更為平滑。

L₁

Q₁ D₁

C₁

L₂

Q₂ D₂

C₂

L3

Q3 D3

C₃

C_o +

- v_dc DC bus

負載

1

iL i_D₁

2

iL iD2

3

iL iD3

P

N

1

vPV

2

vPV

3

vPV

圖2 本文之太陽能發電功率轉換器之等效電路圖。

d1 ON OFF

d2 ON OFF

d3

ON (a)

(b)

(c) 0

0

0 20

20

OFF

圖3 當責任週期為0.5時之升壓型功率轉換器的功率開關元件導通狀態; (a) 功率電晶體^Q¹的開關狀態d₁， (b) 功率電晶體Q2的開關狀態

d2，(c) 功率電晶體Q3的開關狀態d3。

B、風力發電系統

本文採用永磁式同步發電機作為風力發電機，其發電機輸出電壓將隨風速成正比關係，且本文將採用三相二極體整流及升壓型直流-直流功率轉換器，其電路圖如圖4所示。圖4中，功率級場效型電晶體的開關狀態

d ，即能調節。風力發電機的功_w

率可依電流

i_w

的額定電流限制，及配合電流擾動達到最大功率輸出，其控制方塊圖如圖5所示，但其限制為直流鏈電壓

v 需_dc

高於

v 方能達到正常工作。 _w

ωrm

ibs

ics

P.M.

S.G.

ias

wind-turbine

L₄

Q_G D₄

N i4

vas

vbs

vcs

vw

+

-

4

iD

iw

P +

- vdc

(4)

圖4. 風力發電機等效電路圖

current regulator

PWM Gate

driver

current sensor A/D

to DC DC boost chopper

− vdc

1 Gib

vw

最大功率發電

voltage sensor

A/D v^w

4

d*

iw

*

iw ∆iw

（a）

功率計算

Ｚ^-1 取平均值

電流擾動之最大功率控制

*

iw

( ) P nw

1

( )

P nw − vw

iw

Vw

Iw

（b）

圖5 (a)風力最大功率控制方塊圖; (b)風力大功率控制方法。

C.能量調節控制策略

利用蓄電池當發電系統之能量調節，當發電系統發電量大於供應所需能量時可將多餘能量往蓄電池儲能，當發電系統能量小於供應所需能量時蓄電池可作為放電控制，達到供電品質平穩，配合直流截波器之模式，其蓄電池之充、放電控制方塊[7,8]如圖6所示。當太陽能與風力發電之輸出功率無法提供給負載側時蓄電池此時執行放電模式，其控制方塊圖如。圖7(a) 所示，執行定電壓控制，將回授直流鏈電壓

v_{d c}

配合直流鏈電壓命令值以調節蓄電池電流

i_bat

達到放電之控制。當太陽能與風力發電之輸出功率大於負載所能吸收時為了維持直流電壓的穩定，蓄電池將執行充電控制模式，將多餘的再生能源儲存與蓄電池中，其圖7(b)為充電控制方塊圖。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，及延長電池的壽命，若蓄電池的能量以飽和，則此能量將放棄不用，發電系統也將改用定電壓控制，以防止蓄電池過度充電，而損壞蓄電池。

蓄電池之電感

L 之微分方程式為 _B

B bat B dc B bat bat

L d i d v r i v

dt = − −

(1)

其中

L 為蓄電池直流濾波電感，_B r 為蓄電_B

池直流濾波電感之內阻。

平均值模式及其電流預測控制可得 1

2

* *

[ ( ) ]

B bat bat bat

dc sw

d L i i v v T

= − +

(2) 其中

sw ib T

G = L²

，

d_B^*

為責任週期，

0≤d_B^* ≤1

。

v_bat QB

+

Q_B^-

L_B v_dc

P

N

ibat

C_dc i_c

∑ⁿin 1

+

DB

−

DB

IGBT

（LOAD）

io

ibat B

vbat

L

+

QB

Battery bank

+ DB

− DB

io

∑ⁿin 1

（LOAD）

P

N

ibat B

vbat

L

_

QB

−

DB +

DB

Battery bank io

∑ⁿin 1

（LOAD）

P

N

v_dc C_dc i_c v_dc C_dc

i_c

放電狀態充電狀態

(a)

(b)

(c)

圖6 蓄電池之功率轉換器;（a）整體蓄電池電力電路圖（b）充電狀態電力電路圖（c）放電狀態電力電路圖。

current regulator

vbat

PWM

*

dB

Gate driver + T2

−

T2 ^boost^buck^chopper DC DC to

/

− ibat

voltage regulator

voltage sensor

A/D v^dc

current sensor A/D

* vdc

vdc Gvdc

*

ibat

Gib

vdc 1

r2 ibat

∆

ibat

(a)

voltage

regulator current

regulator

1

0

ibat

PWM

*

dB

Gate driver + T2

− T2

voltage sensor

A/D v^bt

current sensor

A/D i^bat

電壓型

電流型

chopper buck boost

DC DC to

/

−

* vbat

vbat

* ibat

vdc 1 Gib

Gvb

vbat ibat

∆

*

ibat

(b)

圖7 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。

(5)

四. 實體製作

本文依據圖1為系統整體架構作為實體制作。控制核心是採用德儀公司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，其流程如圖8所示。圖8中流程主要會有太陽能、永磁式同步發電機及蓄電池充、放電控制及脈波寬調變控制等。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。

過電壓或過電流保護

程式開始

電流及電壓回授訊號

太陽能發電控制

永磁式同步發電機控制

蓄電池充，放電控制

脈波寬調變控制

1 2 3

*, *, *

d d d

*

dw

*

dB

1, 2, 3, w, B, B

d d d d d⁺ d⁻

停止 NO

YES

圖8 程式控制流程圖。

五. 複合系統之實測及成果

本文依附錄A系統規格及參數實測，當直流負載（等效負載）為90

^Ω

時功率約為 1500W，太陽能做最大功率追蹤控制，以及配合永磁式發電機控制，其直流鏈電壓響應如圖9所示，圖9中其穩態維持360V，

顯示本系統之電壓不受負載及輸入電壓影響。

圖10為太陽能電池之各回路及風力發電機之功率轉換器之穩態電壓電流，由圖 10(a)~(c)可知，其電流在切換時序不同時，

所產生之峰值發生時間亦不同，可減少直流電壓之漣波效果。當發電機轉速為 1500

r pm

為固定時，且單獨供給負載之定電壓控制實測結果如圖11所示，圖11可知發電機經整流後電壓約為120V，而控制後其直流鏈電壓約為360V，如圖11（b）所示。

另外其電感電流

i_w

及開關狀態

d_w

之穩態響應如圖11（c）及（d）所示。當負載約為 200W時，其轉速由1350

r pm

至1500

r pm

再降至1400

r pm

變化時，其整流電壓

v_w

，直流鏈電壓

v_dc

及電感電流

i_w

如圖12所示。圖 12 可知其直流鏈電壓乃維持固定約為 360V，不受風速轉速及負載變動影響。

六. 結論

本文以德儀生產之數位信號處理器

（TMS320LF2407A）為控制核心，利用併聯型功率轉換器配合開關狀態分時控制，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。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1500W，360V直流鏈電壓之複合發電系統雛形，並有實測與模擬相比較，以驗証系統之可行性。

七. 參考文獻

[1] M. H. Nehrir, B. J. LaMeres, G.

Venkataramanan, V. Gerez and L. A. Alvarado,

“An Approach to Evaluate The General Performance of Stand-Alone Wind/Photovoltaic Generating Systems,” IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 15, pp. 433-439, 2000.

[2] F. Valenciaga, P. F. Puleston and P. E. Battaiotto,

“Power Control of a Photovoltaic Array in a Hybrid Electric Generation System Using Sliding Mode Techniques,” Proceedings of IEE Control Theory and Applications, vol. 148, pp.

448-455, 2001.

[3] R. Giral, , L .Martinez-Salamero, S.Singer,

“Interleaved converters operation based on CMC

(6)

” Power Electronics, IEEE Transactions on , Volume: 14 Issue: 4 , pp.643 -652, July 1999.

[4] A. Prodic, D. Maksimovic, R.W. Erickson,

“ Design and implementation of a digital PWM controller for a high-frequency switching DC-DC power converter Industrial Electronics Society, ” 2001. IECON '01. The 27th Annual Conference of the IEEE , vol.13, pp:893 – 898, 2001.

[5] TMS320LF/LC24xA DSP Controllers Reference Guide, System, and Peripherals, Texas Instruments, 2001.

[6] F. A. Himmelstoss, “Analysis and Comparison of Half-Bridge Bidirectional DC-DC Converters,” Proceedings of IEEE PESC, vol. 2, pp. 922-928, 1994.

[7] 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。

[8] 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。

附錄A：系統規格及參數與波形圖

（一）太陽能電池單模組電氣規格(1kW/m²，25℃) 1. 型號：BP4170S

2. 開路電壓：44.27V 3. 短路電流：5.29A 4. 最大功率點：35.5V、4.6A 5. 電流溫度係數：0.065％/C 6. 電壓溫度係數：-80Mv/C

7. 太陽能電池等效串聯電阻：0.959Ω 8. 太陽能電池等效並聯電阻：85.719Ω 9. 8片太陽能板串聯其功率約為1300W

（二）永磁式同步發電機參數 1. 額定容量：1100W/1.5HP 2. 額定電壓：150V 3. 額定轉速：2000 rpm 4. 極數：4P

5. 等效定子側電阻： 0 0635. mΩ 6. 等效定子側電感： 0 2. mH

（三）系統電路參數

1. 風力發電機側電感值L : _w 0 85. mH 2. 太陽能電池側電感值L L₁, ₂,L : ₃ 5mH 3. 蓄電池側電感值L : _B 2mH 4. 蓄電池組端電壓v_bat : 240V

(20顆12V電池串聯)

5. 蓄電池單顆內阻r : 100mΩ_B 6. 直流鏈電容值C : 2200 H_dc µ 7. 直流鏈電壓命令值v : _dc^* 360V 8. 數位控制器取樣週期T : 50 s_s µ

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6

0 50 100 150 200 250 300 350 400

(sec) (V)

vdc

圖 9 複合系統之實測結果其太陽能輸出約為 1200W，風力機約為350W其直流鏈電壓建立到 360V之波形圖，負載為90Ω。

0 0.2 0.4 0.6 08 1 0 0.2 0.4 0.6 08

0 5 10

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8

0 5 10

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8

0 5 10

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8

0 2 5

1

iL

2

iL

3

iL

iwind (A)

(A)

(a)

(b)

(c)

(d)

20 s/div 20 s/div 20 s/div 20 s/div

圖10 複合系統之實測結果之太陽能與風力之開關訊號分時控制下之電感電流波形。

(7)

0 40 80 120 160

50 150 250 350 450

-0.2 0 0.2 0.4 0.6

-10 0 10 20 30

20 μs/div

20 μs/div (a)

(b)

(c)

(d)

圖 11 風力發電機單獨使用定電壓控制：（a）發電機整流後電壓

v_w

;（b）直流鏈電壓

v_dc

：360V;（c）風力機功率轉換器之電感電流

i_w

;（d）開關狀態

d_w

。

0 40 80 120 160

50 150 250 350 450

-20 -10 0 10 20

(a)

(b)

(c)

2 s/div

2 s/div 3

22

1 0 -1

圖12 風力發電機單獨使用定電壓控制當風力機轉速變動時之波形負載為 620Ω：（a）風力機整流後電壓v_w;（b）直流鏈電壓v_dc;（

c

）風力機功率轉換器之電感電流i_w。

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(II)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告

子計畫四：太陽能與風力發電複合系統之研製(2/3)

計畫類別： 整合型計畫

計畫編號： NSC92-2213-E-011-023-

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： 黃仲欽

報告類型： 精簡報告

處理方式： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 93 年 5 月 25 日

行政院國家科學研究委員會專題研究計畫進度報告 總計畫: 再生能源發電系統之研製（2/3）

子計畫:太陽能與風力發電複合系統之研製-子計畫(四)（2/3）

計畫編號: NSC91-2213-E-011-099 執行期限: 92/08/01-93/07/31

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: 林榮輝 李惇榮 洪士偉

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。在太陽能電池控制方面，

配合最大功率追蹤，以提高太陽能能量轉 換效率。同時，利用併聯式功率轉換器，

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。

二. 緣由

可以當做整體能源調度之分配運用，可提

高其供電效率與供電品質。 使用多組功率

轉換器併聯系統容量將可使功率平均分配

在個別功率轉換器上，所以可選用容量較

低之功率級開關元件，以降低功率轉換器 之成本。基於上述之原因，本文將研製太 陽能與風力發電之複合系統如圖1，所示。

圖1中，太陽能及風力發電之功率轉換器皆 採用升壓型直流-直流功率轉換器，其電路 簡單，可適用不同輸入電壓及功率並聯使 用[3,4]，且易於系統的擴充，以提高容量。

三. 研究方法與成果 A、太陽能發電系統

本文採用三回路之太陽能發電之功率 轉換器其電力電路如圖2所示。圖2中太陽 能板每一回路約1300W，其電壓約為150∼

300V，皆採用昇壓型直流-直流功率轉換 器，故輸出電壓不受輸入電壓及功率影 響，可維持在360V，以供給直流負載。本 文為分散二極體電流（

）的導通 時序，其場效電晶體之（

）的切 換時序，其開關狀態（

示，圖3為在責任週期為0.5時之時序圖，若

配合最大功率追蹤或維持直流鏈電壓控 制，而其責任週期將隨控制而變動，但其 時序狀態將可分為前、中、後時序而切換。

如此可減少直流鏈電壓的漣波成份，使直 流電壓輸出更為平滑。

B、風力發電系統

本文採用永磁式同步發電機作為風力 發電機，其發電機輸出電壓將隨風速成正 比關係，且本文將採用三相二極體整流及 升壓型直流-直流功率轉換器，其電路圖如 圖4所示。圖4中，功率級場效型電晶體的 開關狀態

率可依電流

的額定電流限制，及配合電 流擾動達到最大功率輸出，其控制方塊圖 如圖5所示，但其限制為直流鏈電壓

高於

C.能量調節控制策略

配合直流鏈電壓命令值以調節蓄電 池電流

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 電池的壽命，若蓄電池的能量以飽和，則 此能量將放棄不用，發電系統也將改用定 電壓控制，以防止蓄電池過度充電，而損 壞蓄電池。

蓄電池之電感

(1)

其中

池直流濾波電感之內阻。

平均值模式及其電流預測控制可得 1

(2) 其中

，

為責任週期，

。

四. 實體製作

程式開始

電流及電壓回授訊號

太陽能發電控制

永磁式同步發電機控制

蓄電池充，放電控制

脈波寬調變控制

停止 NO

YES

圖8 程式控制流程圖。

五. 複合系統之實測及成果

本文依附錄A系統規格及參數實測，當 直流負載（等效負載）為90

時功率約為 1500W，太陽能做最大功率追蹤控制，以 及配合永磁式發電機控制，其直流鏈電壓 響應如圖9所示，圖9中其穩態維持360V，

顯示本系統之電壓不受負載及輸入電壓影 響。

圖10為太陽能電池之各回路及風力發 電機之功率轉換器之穩態電壓電流，由圖 10(a)~(c)可知，其電流在切換時序不同時，

所產生之峰值發生時間亦不同，可減少直 流 電 壓 之 漣 波 效 果 。 當 發 電 機 轉 速 為 1500

為固定時，且單獨供給負載之定 電壓控制實測結果如圖11所示，圖11可知 發電機經整流後電壓約為120V，而控制後 其直流鏈電壓約為360V，如圖11（b）所示。

另外其電感電流

及開關狀態

之穩態響 應如圖11（c）及（d）所示。當負載約為 200W時，其轉速由1350

至1500

再 降至1400

變化時，其整流電壓

，直 流鏈電壓

及電感電流

如圖12所示。圖 12 可 知 其 直 流 鏈 電 壓 乃 維 持 固 定 約 為 360V，不受風速轉速及負載變動影響。

六. 結論

本 文 以 德 儀 生 產 之 數 位 信 號 處 理 器

行政院國家科學委員會專題研究計畫期中進度報告

計畫類別：整合型計畫

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：黃仲欽

報告類型：精簡報告

處理方式：本計畫可公開查詢

中華民國 93 年 5 月 25 日

行政院國家科學研究委員會專題研究計畫進度報告總計畫: 再生能源發電系統之研製（2/3）

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: 林榮輝李惇榮洪士偉

本計畫旨在設計及製作太陽能與風力發電複合系統。在太陽能電池控制方面，

配合最大功率追蹤，以提高太陽能能量轉換效率。同時，利用併聯式功率轉換器，

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。

高其供電效率與供電品質。使用多組功率

低之功率級開關元件，以降低功率轉換器之成本。基於上述之原因，本文將研製太陽能與風力發電之複合系統如圖1，所示。

圖1中，太陽能及風力發電之功率轉換器皆採用升壓型直流-直流功率轉換器，其電路簡單，可適用不同輸入電壓及功率並聯使用[3,4]，且易於系統的擴充，以提高容量。

本文採用三回路之太陽能發電之功率轉換器其電力電路如圖2所示。圖2中太陽能板每一回路約1300W，其電壓約為150∼

300V，皆採用昇壓型直流-直流功率轉換器，故輸出電壓不受輸入電壓及功率影響，可維持在360V，以供給直流負載。本文為分散二極體電流（

）的導通時序，其場效電晶體之（

）的切換時序，其開關狀態（

配合最大功率追蹤或維持直流鏈電壓控制，而其責任週期將隨控制而變動，但其時序狀態將可分為前、中、後時序而切換。

如此可減少直流鏈電壓的漣波成份，使直流電壓輸出更為平滑。

本文採用永磁式同步發電機作為風力發電機，其發電機輸出電壓將隨風速成正比關係，且本文將採用三相二極體整流及升壓型直流-直流功率轉換器，其電路圖如圖4所示。圖4中，功率級場效型電晶體的開關狀態

的額定電流限制，及配合電流擾動達到最大功率輸出，其控制方塊圖如圖5所示，但其限制為直流鏈電壓

配合直流鏈電壓命令值以調節蓄電池電流

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，及延長電池的壽命，若蓄電池的能量以飽和，則此能量將放棄不用，發電系統也將改用定電壓控制，以防止蓄電池過度充電，而損壞蓄電池。

本文依附錄A系統規格及參數實測，當直流負載（等效負載）為90

時功率約為 1500W，太陽能做最大功率追蹤控制，以及配合永磁式發電機控制，其直流鏈電壓響應如圖9所示，圖9中其穩態維持360V，

顯示本系統之電壓不受負載及輸入電壓影響。

圖10為太陽能電池之各回路及風力發電機之功率轉換器之穩態電壓電流，由圖 10(a)~(c)可知，其電流在切換時序不同時，

所產生之峰值發生時間亦不同，可減少直流電壓之漣波效果。當發電機轉速為 1500

為固定時，且單獨供給負載之定電壓控制實測結果如圖11所示，圖11可知發電機經整流後電壓約為120V，而控制後其直流鏈電壓約為360V，如圖11（b）所示。

之穩態響應如圖11（c）及（d）所示。當負載約為 200W時，其轉速由1350

再降至1400

，直流鏈電壓

如圖12所示。圖 12 可知其直流鏈電壓乃維持固定約為 360V，不受風速轉速及負載變動影響。

本文以德儀生產之數位信號處理器

圖 11 風力發電機單獨使用定電壓控制：（a）發電機整流後電壓

;（b）直流鏈電壓

：360V;（c）風力機功率轉換器之電感電流