再生能源發電系統之研製---子計畫二：燃料電池與太陽能混合發電系統研製(III)

行政院國家科學委員會專題研究計畫結案報告

先進能源發電系統之研製—子計畫二 燃料電池與太陽能混合發電系統研製(3/3)

計畫類別：整合型計畫

計畫編號：NSC96-2221-E-011-095

執行期間：96 年 08 月 01 至 97 年 07 月 31 日

計畫主持人：葉勝年 教授

成果報告類型：完整報告

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計 畫、列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

執行單位：國立臺灣科技大學電機工程系 中 華 民 國 97 年 10 月 24 日

一、中文摘要

本計畫旨在研製太陽能與燃料電池複合式發電系統。太陽能採用 昇壓型直流-直流功率轉換器及最大功率追蹤控制，進而提昇太陽能 電池之能量轉換效率。而燃料電池採用全橋相移式直流-直流功率轉 換器及高頻零電壓切換，有效轉換燃料電池之產出能量。另外，文中 蓄電池組採用昇/降壓型直流-直流功率轉換器作為充、放電控制，用 以維持再生能源與負載之間的功率平衡，並提供穩定直流電壓予負 載。最後，系統採用三相三階層變流器作為直流-交流能量轉換之用，

除了可減少輸出電壓之諧波含量，還能將能量轉換為交流電源，供給 三相獨立負載或傳輸至市電網路。

本文已建立功率轉換器之數學模型，並使用MATLAB/Simulink 模擬軟體分析整體系統，以作為數位控制器之設計依據。在實體製作 方面，採用數位信號處理器(DSP, TMS320LF2812)為系統控制核心，

並搭配可程式邏輯元件(CPLD, XC9536)以及電壓、電流回授與功率轉 換器之控制策略，完成整體系統之實體製作。本文已完成1600W的獨 立供電系統及市電併聯系統，並由實測以驗證理論分析。在獨立運轉 模式下，固定輸出頻率為60Hz、有效值為220V的三相線電壓。在市 電併聯模式下，可提供實功率及虛功率至市電網路。最後，三相三階 層變流器之滿載運轉效率約為93.5%，且輸出線電壓之總諧波失真率 為3.61%，符合IEEE Std. 519之規範。

關鍵詞：太陽能電池、燃料電池、三相三階層變流器。

Abstract

This project presents the development of a solar and fuel-cell hybrid power conversion system. In solar-cell system, the boost dc-dc power converter and maximum power point tracking (MPPT) are designed to achieve high power output and enhance conversion efficiency. In fuel-cell system, the phase shifted full-bridge converter adopts zero voltage and high frequency switching scheme to improve conversion efficiency and reduce the output current ripples. In addition, a boost/buck dc-dc chopper is designed to discharge or charge batteries in order to regulate the power flow between renewable energy and system loads so that it can supply stable dc power to system loads. Finally, a three-phase three-level inverter is proposed to convert dc power into ac power and reduce the output vol- tage harmonics. The system realized can be operated either in a stand-alone fashion or connected with power grid.

In this project, the digitized mathematical model and controller design are built and simulated by MATLAB/Simulink. Then, a high-performance, low-cost digital signal processor (DSP, TMS320LF2812) and complex programmable logic device (CPLD, XC9536) are used to implement the system for reducing the circuit components and cost. Experimental results for 1600W hybrid power conversion system are given to justify the analysis. The rated line-voltage is 220V and the frequency is 60Hz.

Besides, the experimental results show that the full-load efficiency of the three-phase three-level inverter reaches 93.5% and voltage harmonic distortion is 3.61%, which complies with IEEE Std. 519.

Keywords:

solar-cell, fuel-cell, three-phase three-level inverter.

二、緣由及目的

面臨能源、環境與後代子孫存亡的種種議題[1]，世界先進各國 無不積極投入目前極具潛力的再生能源(renewable energy)相關研 究，如：太陽能、燃料電池、風力等，其潔淨無污染、取之不盡等優 點，將是未來人類永續發展的主流能源。但有鑑於目前再生能源易受 季節與氣候的影響，單一再生能源將朝複合式再生能源發電的方向邁 進。太陽能可於白天提供能量，晚間或陰雨天則由燃料電池提供，抑 或是由燃料電池提供全天能量，太陽能則輔助不足之能量所需，任何 一種供電方式，其相輔相成的互補發電策略，將使得複合發電系統提 供更為穩定的電力來源。

圖 1 為本文整體系統架構圖。太陽能發電系統採用 10 片單晶矽 BP275F 太陽能電池串聯而成[2]；燃料電池發電系統採用 NexaTM Power Module 燃料電池模組[3, 4]；能量平衡系統採用 14 顆 GP12400 密閉式鉛酸蓄電池串聯而成[5]；三相三階層變流器輸出部分利用電 感及電容所組成之二階低通濾波器得到三相弦波交流電源，並經過電 力變壓器將低壓大電流轉換為高壓小電流之電力形式，以提供負載或 市電使用。

三、研究方法

1. 太陽能與燃料電池發電系統

圖2 為太陽能發電系統電力電路圖，主要由太陽能電池模組、昇 壓電感、功率電晶體、功率二極體及濾波電容所組成。

n 4 v pv C _pv T pv

L pv D _pv

C dc v dc

v 1

v 2 S a

C 2

S b S c

a − T

a + T

b − T

+ T b

c − T

L f L f

C 1 C ^f

C f

Z a Z _b e a c +

T

C f

e b

e c

Z c n 1 n 2 n 3

L f +

+

+

+

+

+

+

+ −

+ −

+ −

i ac

i bc

i cc

i pv L f

1

C fc

v fc

T

1⁺

T

1⁻

T

2⁺

T

2⁻ D1⁺ C1⁺

D1⁻ C1⁻ D2⁺ C2⁺

D2⁻ C2⁻

L s

T r

2 1

n N

= N

D

5

D

6

D

8

D

7

v bat C _bat L bat

+ T bat

−

T bat −

D bat + D bat

+

2

L f

i fc

i p

1 2

2

i f

i bat

+

−

¹²

v

i

af

i

bf

i

cf

v

af

v

cf

v

bf

v

as

v

bs

v

cs

i

as

i

bs

i

cs

i

w

i

v

i

u

_v

_u

v

v

v

w

圖 1 整體系統架構圖

v pv T _pv

L pv D _pv

v dc

+ +

i pv

C dc

−

+

− i dc

R pv

圖2 太陽能發電系統電力電路圖

假設功率電晶體及功率二極體為理想特性，並根據開關狀態之關 係，可得到開關狀態

1 : , :

0 : , :

pv pv

pv

pv pv

T D

d T D

= ⎨⎧⎪

⎪⎩

若 導通 截止

若 截止 導通 (1)

電感電流之微分方程式為

(1 )

pv pv pv pv pv pv dc

L d i v R i d v

dt

= − − − (2)

利用電流預測法於開關元件之每一切換週期，將命令電流與實際 電流之誤差換算出開關責任週期加以切換，使實際電流追隨命令電 流。因此在平均值模式下，可求出開關切換責任週期命令為

*

1

(

^pv

)

pv dc pv pv

dc

d v v L i

v t

= − + Δ

Δ (3)

藉 由 調 整

d ^* _pv

控 制 電 感 電 流

i _pv

大 小 ， 並 搭 配 最 大 功 率 追 蹤 (maximum power-point tracking, MPPT)控制之擾動觀察法週期性地進 行增減載動作，可得太陽能電池之最大功率輸出，其控制方塊如圖3 所示。

1 v dc

G ipv

T pv

+

− +

*

d pv

*

u pv

v pv v _dc

pv ( ) i k Δ

− + Δ i ^pv

*

i pv

v dc

v pv

i pv

+

− +

−

pv ( ) v k Δ

i pv pv ( )

i k ( 1) i pv k −

pv ( ) v k

( 1)

v pv k − v ^t

圖3 太陽能發電系統控制方塊圖

圖4 為燃料電池發電系統電力電路圖，主要由燃料電池模組、一 次側濾波電感、一次側濾波電容、功率電晶體、諧振電感、高頻變壓 器、橋式整流器、二次側濾波電感、二次側濾波電容所組成[6]。

1

L f

C fc

+

v fc

T 1 ⁺

T 1 ⁻

T 2 ⁺

T 2 ⁻ D

1⁺

C

1⁺

D

1⁻

C

1⁻

D

2⁺

C

2⁺

D

2⁻

C

2⁻

L s

T r

2 1

n N

= N

D 5

D 6 D ₈ D 7

i fc

i p

1

2

C dc 2

L f

v dc +

− i dc

+ +

−

+

− ¹² v

f 2

i

圖4 燃料電池發電系統電力電路圖

全橋相移式直流-直流功率轉換器之控制方塊如圖5所示，運用 CPLD作為輔助元件不但可以簡化DSP之程式撰寫，同時還能減少多 組PWM的輸出腳位，使系統在未來仍具有擴充性。本文利用晶片設 計軟體Active HDL模擬全橋相移式直流-直流功率轉換器PWM信 號，以驗證理論之可行性，如圖6所示。利用功率電晶體之寄生電容、

變壓器之漏電感的諧振電路以及配合相移控制，可將其在切換過程中 達成零電壓切換特性，以減少功率電晶體之切換損失，其零電壓切換 之實測結果如圖7所示。

− + v t

*

d fc

T 1 ⁻

T 1 ⁺

T 2 ⁺

T 2 ⁻

d a

d b

圖5 全橋相移式直流-直流功率轉換器之脈波寬度調變控制方塊圖

圖6 全橋相移式直流-直流功率轉換器脈波寬度調變之模擬結果

(20 / )

v ds V div

(2 / ) time

μ

s div

(10 / ) v gs V div

圖7 全橋相移式直流-直流功率轉換器零電壓切換之實測結果 假設功率電晶體、高頻變壓器與整流二極體為理想元件，並根 據開關狀態之關係，可得到開關狀態

d ₁

及

d ₂

定義為

1 1

1

1 1

1 : , :

0 : , :

T T

d T T

+ −

+ −

= ⎨⎧

⎩

若 導通 截止

若 截止 導通 (4)

2 2 2

2 2

1 : , :

0 : , :

T T

d T T

+ −

+ −

= ⎨⎧

⎩

若 導通 截止

若 截止 導通 (5)

燃料電池發電系統同樣採用電流預測法作為控制器的設計依 據，因此在平均值模式下

* * *

12

(

1 2

)

_fc

v

=

d

−

d v

(6)

由於

d 及 ₁ d 之開關信號為互補特性，因此二者的責任週期相加恆為 ₂

1，所以令

d ₁ ^*

+

d ₂ ^*

= 代入(6)可分別得到 1

*

* 12

1

1(1 ) 2

_fc d v

= +

v

(7)

*

* 12

2

1(1 ) 2

_fc d v

= −

v

(8)

全橋相移式直流-直流功率轉換器之控制目的係使燃料電池傳遞 能量至直流鏈端，因此需控制燃料電池之輸出電流，使燃料電池之輸 出電流經由高頻變壓器對直流鏈電容充電，其控制方塊如圖8所示。

1 2 v _fc G ifc

T 1 ⁺

+ d ^* fc

−

i fc

*

v 12

v dc 2

i f

T 1 ⁻

T 2 ⁺

T 2 ⁻

i fc

Δ

v t

*

u fc

v fc

×

v dc 2

i f

v fc

i fc

G pfc + P fc

*

i fcc

* + P fc

− P fc

Δ

1 v fc

*

i fco

+

*

i fc

圖8 燃料電池發電系統控制方塊圖

2. 複合系統之能量管理

本文採用昇/降壓型直流-直流功率轉換器作為蓄電池組與直流鏈 間的能量傳遞橋梁，此能量平衡系統之電力電路如圖 9 所示。主要由 蓄電池組、昇/降壓電感、功率電晶體、飛輪二極體及濾波電容所組 成。

a. 直流-直流功率轉換器降壓模式操作

當複合發電系統所提供之功率大於負載所需時，為了維持直流鏈 電壓的穩定，此時將昇/降壓型直流-直流功率轉換器操作在降壓模 式。本文之蓄電池組充電操作，乃運用定電壓充電的方式完成，並藉 由電壓控制器之電流限制，來限制充電電流大小，雖然充電時間較 長，但控制簡單。其控制方塊如圖10 所示。

C bat

L bat

+ v dc

v bat

+ +

−

D bat ⁺

T bat ⁺

T bat ⁻ D _bat ⁻ i dc

i bat

C dc

圖9 蓄電池充放電系統電力電路圖

1 v dc

G vbat G _ibat

T bat ⁺

+ +

*

d buck

*

u bat

v bat

− + Δ i ^bat

*

i bat

v bat

i bat

i bat

v bat

−

* +

v bat Δ v _bat

v t

b. 直流-直流功率轉換器昇壓模式操作

當複合發電系統所提供之功率小於負載所需時，為了維持直流鏈 電壓的穩定，此時將昇/降壓型直流-直流功率轉換器操作在昇壓模 式。本文之蓄電池組放電操作，目的在維持直流鏈電壓穩定，使系統 能正常動作，因此藉由控制實際直流鏈電壓追隨命令直流鏈電壓的方 式，調節蓄電池組電流，達到穩定放電控制。其控制方塊如圖 11 所 示。

1 v dc

G ibat

G vdc ⁺

+ −

* boost

* d u bat

v dc v _bat

− + Δ i ^bat

*

i bat

v dc

v bat

i bat

i bat

T bat ⁻

v dc

−

* + v dc

v bat

Δ v ^t

圖11 能量平衡系統之昇壓模式控制方塊圖 3. 三相三階層變流器之分析及控制

圖 12 為三相三階層變流器電力電路圖，主要由三臂六個功率電 晶體與三個雙向功率開關所組成，而直流鏈端需要二個電容串接以形 成一中性點，並藉由調變控制來產生三種相電壓狀態。三相三階層變 流器之功率開關調變信號運用 DSP 與 CPLD 之軟體控制與邏輯判斷 後，進而產生每臂各個功率電晶體所需的開關切換信號，其控制方塊 如圖13 所示。

C 1

v

C 2

v

S a

C 2

S b

S c

T a ⁻

T a ⁺

T b ⁻

T b ⁺

T c ⁻

i af

C 1 T ^{c +}

i bf

i cf

v af

v cf

v bf +

+

n +

v dc

i 2

i 1 C

1

i

i 4

i 3 C

2

i

L f

n L f

L f

C f Z ^a Z _b Z _c C f C _f

⎧ ⎪

⎨ ⎪

⎩

v as

i bs

i cs

i ac i _bc i _cc v bs

v cs

i as

+

−

C dc

R f

R f

R f

圖12 三相三階層變流器電力電路圖

假設功率電晶體為理想元件，並根據開關狀態關係，可得到開關 狀態

d _a

、

d _b

、

d _c

之定義為

1 : , : , : 0 : , : , : 1 : , : , :

x x x

x x x x

x x x

T T S

d T T S

T T S

+ −

+ −

+ −

⎧ ⎪

= ⎨ ⎪− ⎩

若 導通 截止 截止 若 截止 截止 導通 若 截止 導通 截止

(9)

三相三階層變流器交流側之濾波電容與濾波電感之動態方程式為

f abcf abcf abcs f abcf

L d i v v R i

dt = − −

 

(10)

f abcs abcf abcs

C d v i i

dt = −



(11)

*

v af

*

v bf

*

v cf

*

v af

*

v bf

*

v cf

v t

PWM a

PWM a

PWM b

PWM c

PWM c

P a

P b

P c

T a ⁺

T b ⁺

T c ⁺

T a ⁻

T b ⁻

T c ⁻

S a

S b

S c

PWM b

− +

− +

− +

− +

− +

− +

v gnd

圖13 三相三階層變流器之脈波寬度調變控制方塊圖

由於上述之動態方程式是在三相座標系統下，其電壓與電流乃具 有時變及相互耦合的特性，因此在控制器的設計上較為複雜。故本文 採用座標系統轉換，將時變物理量轉換為同步旋轉座標系統下之非時 變量，以易於系統之分析與控制器之設計。將(10)及(11)轉換後 可得 交、直軸電壓與電流方程式如下：

e

e e e qf e

qs qf f qf f e f df

v v R i L di L i

dt ω

= − − − (12)

e

e e e df e

ds df f df f e f qf

v v R i L di L i

dt ω

= − − + (13)

e

e e qs e

qs qf f e f ds

i i C dv C v

dt ω

= − − (14)

e

e e ds e

ds df f e f qs

i i C dv C v dt ω

= − +

(15)

其中 v _qf ^e 、 v _df ^e 分別為三相變流器之輸出交軸、直軸電壓； v _qs ^e 、 v _ds ^e 分 別為三相負載之交軸、直軸電壓； i _qf ^e 、 i _df ^e 分別為三相變流器輸出之 交軸、直軸電流。

a.

同步旋轉座標系統下之電壓控制模式

本文採用電壓控制模式應用於獨立運轉供電系統[7-11]，主要目的 乃為了控制負載端為三相平衡之電壓源輸出。假設負載端之三相電壓 命令值為

*

* *

*

sin

sin( 120 ) sin( 120 )

as e

bs m e

cs e

v t

v v t

v t

ω ω ω

⎡ ⎤ ⎡ ⎤

⎢ ⎥= ⎢ − ° ⎥

⎢ ⎥ ⎢ ⎥

⎢ ⎥ ⎢⎣ + ° ⎥⎦

⎣ ⎦

(16)

其中 v ^* _m 為相電壓峰值命令； ω _e = 2 π f _e 為三相電源角頻率； f 為三相 _e 電源頻率。故經由理論分析及推導後同步旋轉座標系統下電壓控制方 程式表示為

*

(

*

)

e e e

qc qv qs qs

i

=

G

D

v

−

v (17)

* ( * )

e e e

dc dv ds ds

i

=

G

D

v

−

v (18)

由(12) ~ (15)可知經由調節濾波電容上之電流，即可得到三相三 階層變流器輸出電壓之調節量，可減少負載變化所影響的阻尼特性，

使負載電壓變化量維持在最小範圍之內。忽略等效串聯電阻 R _f 補償 項，簡化後可表示為

*

(

*

)

e e e e e

qf qi qf qf e f df qs

v

=

G

D

i

−

i

+

ω L i

+

v (19)

*

(

*

)

e e e e e

df di df df e f qf ds

v

=

G

D

i

−

i

−

ω L i

+

v (20)

其中 G _qi 、 G _di 分別為交、直軸電流調節器，配合電流閉迴路控制，以

提高其電壓響應速度，其控制方塊如圖 14 所示。

1 2 G qi

G qv

G di

G dv

0

( )

e

qd e

T θ

0

( )

e

qd e

T θ

0

( )

e

qd e

T θ

G

_Δ

E

+

i af

i bf

i cf

i as

i bs

i cs

v as

v bs

v cs

+ +

+ + +

+ +

−

+

− +

+ +

+

+

+

−

−

−

T x

⁺

T x

⁻

S x

*

d af

*

d bf

*

d cf

*

v af

*

v bf

*

v cf

*

u

0

Δ E E

*

Δ

*

e

v qf

e

*

v df

e

i qf

e

i df

e

i ds

e

i qs

e

v ds

e

v qs

*

e

u df

*

e

u qf

*

e

i dc

*

e

i qc

*

e

v qs

*

e

v ds

1 0

( )

e

qd e

T

⁻

θ

θ e

θ e

*

e

i qf

*

e

i df

v qs

Δ

v ds

Δ

e L f

ω

e L f

ω +

− i qf

Δ

i df

Δ

+

+ +

+

v t

1 v dc

+ + + + + +

*

' v af

*

' v bf

*

' v cf

圖14 三相三階層變流器電壓控制方塊圖(獨立運轉模式)

b.

同步旋轉座標系統下之電流控制模式

本文採用電流控制模式應用於市電併聯供電系統[8,9]，可視為電 流源與電壓源並聯，藉由回授輸出電感電流進行控制。並利用同步信 號偵測電路，使三相三階層變流器輸出三相電流與市電網路同步，且 透過控制電流大小與相位，將可決定送出不同比例的實功率與虛功 率，使系統不僅可提供實功率至市電網路，亦具有市電端虛功率補償 之能力。根據(12) ~ (15)作為同步旋轉座標系統下電流控制模式之電 流控制器設計用。忽略等效串聯電阻 R _f 補償項，簡化整理可得

*

(

*

)

e e e e e

qf qi qf qf e f df qs

v

=

G

D

i

−

i

+

ω L i

+

v (21)

*

(

*

)

e e e e e

df di df df e f qf ds

v

=

G

D

i

−

i

−

ω L i

+

v

(22)

因此其控制方塊如圖

15

所示。

1 2 G _Δ E

+ + +

+

−

T x ⁺

T x ⁻

S x

*

d af

*

d bf

*

d cf

*

u 0

Δ E E *

Δ

1 v dc

+ + +

+ + +

* ' v af

* ' v bf

* ' v cf

0 ( )

e

qd e

T θ

0 ( )

e

qd e

T θ

e L f

ω

e L f

ω G qi

G di

θ e

1

0 ( )

e

qd e

T

⁻

θ +

+ +

+

+ −

+ +

−

−

* e

v qf

* e

v df

e

i qf

e

i df

e

v ds

e

v qs

* e

u df

θ e

* e

u qf

* e

i qf

* e

i df

i qf

Δ

i df

Δ

+ + +

*

v af

*

v bf

*

v cf

v t

i af

i bf

i cf

v as

v bs

v cs

圖

15

三相三階層變流器電流控制方塊圖

(

市電併聯模式

)

四、實測結果

本文之系統規格與參數設定如下：

1.

直流鏈電壓命令：

240V

。

2.

太陽能發電系統、能量平衡系統及三相三階層變流器之開關切 換頻率：

10kHz

。

3.

燃料電池發電系統之開關切換頻率：

60kHz

。

4.

變流器輸出側濾波電感：

0.5mH

。

5.

變流器輸出側濾波電容：

20μF

。

6.

輸出相電壓命令峰值：

180V

。

7.

輸出相電壓命令頻率：

60Hz

。

圖

16

為直流負載變動由

450W

增加至

1800W

再減少至

450W

，太 陽能與燃料電池發電系統併入與切離複合系統時，功率平衡控制下之 蓄電池組充放電波形。由圖

16(c)

可看出當負載為

450W

時，太陽能 發電系統維持最大功率輸出約

750W

，此時輸出功率足以供應負載所 需，蓄電池組充電之電流 i _bat 約為

3.5A

。當加載至

1800W

時，將加入 燃料電池發電系統之功率輸出約

550W

，以補助太陽能發電系統之功 率不足之情況，但由於太陽能與燃料電池發電系統之總和功率仍不足 負載所需，因此蓄電池組繼續維持放電狀態，其放電電流 i _bat 由原本 約

8.5A

下降至

6.7A

。當負載切回至

450W

時，蓄電池組由放電立即 轉為充電，其充電電流 i _bat 約為

7.5A

。當太陽能發電系統切離複合系 統時，此時負載仍維持約

450W

，因此蓄電池組由充電轉為放電狀態，

其放電電流 i _bat 約為

1.8A

。最後燃料電池再行切離，蓄電池組之放電 電流 i _bat 變至約

3.1A

。

圖

17

為系統操作於獨立運轉模式下，三相負載變動由

550W

增加

至

1600W

再減少為

550W

，三相三階層變流器輸出電壓與電流之暫態

實測波形。由圖

17(a)

及

(b)

得知當負載變動時，直流鏈電壓短暫變化

後，立即回復至穩定狀態，而變流器之輸出電壓會產生瞬間變動，但

隨後便回復至命令值。另外由圖

17(c)

可明顯看出負載變化情形，其

圖

18

為系統操作於獨立運轉模式下，由太陽能發電約

750W

及 燃料電池發電約

500W

與蓄電池組約

350W

提供三相負載約

1600W

時，三相三階層變流器輸出電壓與電流之穩態實測波形。由圖

18(a) ~ (c)

可看出輸出之線電壓 v 峰值約 _uv

314V

，電壓總諧波失真率約為

3.61%

。由圖

18(e)

及

(f)

可看出輸出相電壓峰值約

180V

，相電流峰值 約

5.95A

，功率因數約

0.96

。

圖

19

為系統操作於市電併聯模式下，提供實功率

600W

及虛功率 約

-300VAR

至市電網路時，三相三階層變流器輸出電壓與電流之穩態 實測波形。圖

19(a)

為直流鏈電壓 v _dc 約

240V

，圖

19(b)

為市電線電壓 e _ab 峰值約為

320V

，圖

19(c)

為變壓器二次側相電壓 v _un 峰值約

185V

，以 及輸出至市電網路的線電流 i _u 峰值約

1.82A

，功率因數約

0.894

。其中 電流由複合發電系統流出且超前電壓約

26.6°

，因此為電感性。

圖

20

為系統由獨立運轉模式切換至市電併聯模式時，三相三階層

變流器輸出電壓與電流之暫態實測波形。由圖

20(b)

及

(c)

得知當系統

由獨立運轉切換至市電併聯時，其變壓器二次側電壓立即轉為與市電

電壓同步，而圖

20(c)

可以看出電流在切換後會先經過約

200ms

的延遲

時間才啟動市電併聯機制，主要目的為避免繼電器

(relay)

在系統模式

切換過程中因火花而造成危險。另外，由於系統為了將所產生之功率

傳送至市電網路，在啟動時電流較大，而啟動後其傳送功率之大小與

性質則可依市電需求作調整。

(100 / ) v dc V div

(3 / ) time s div ( ) a

(75 / ) v bat V div

(3 / ) time s div ( ) b

(5 / ) i bat A div

(3 / ) time s div ( ) c

(75 / ) v pv V div

(3 / ) time s div ( ) d

(5 / ) i pv A div

(3 / ) time s div ( ) e

(300 / )

P pv W div

(3 / ) time s div ( ) f

(3 / ) time s div ( ) g

(15 / ) v fc V div

(3 / ) time s div ( ) h

(10 / ) i fc A div

(3 / ) time s div ( ) i

(300 / )

P fc W div

圖

16 (a)

直流鏈電壓；

(b)

蓄電池組電壓；

(c)

蓄電池組電流；

(d)

太陽

能電池輸出電壓；

(e)

太陽能電池輸出電流；

(f)

太陽能電池輸

出功率；

(g)

燃料電池輸出電壓；

(h)

燃料電池輸出電流；

(i)

圖

21

為系統操作於獨立運轉模式下，由太陽能發電約

750W

提供 單相家用風扇約

60W

時，三相三階層變流器輸出電壓與電流之穩態實 測波形。由圖

21(b)

及

(c)

可分別看出變壓器一次側輸出線電壓峰值 v _abs 約

158V

，線電流 i 峰值約 _as

0.77A

。

(100 / ) v dc V div

(40 / ) time ms div ( ) a

(100 / ) v uv V div

(40 / ) time ms div ( ) b

(2 / ) i u A div

(40 / ) time ms div ( ) c

圖

17 (a)

直流鏈電壓；

(b)

變壓器二次側輸出線電壓；

(c)

變壓器二次

側輸出線電流

(100 / ) v uv V div

(10 / )

time ms div ( ) a

(10 / )

time ms div ( ) b

(100 / ) v vw V div

(100 / ) v wu V div

(10 / )

time ms div ( ) c

(100 / ) v dc V div

(10 / )

time ms div ( ) d

(75 / )

v un V div

(10 / )

time ms div ( ) e

(2 / )

i u A div

(10 / )

time ms div ( ) f

圖

18 (a)

變壓器二次側

u

、

v

相輸出線電壓；

(b)

變壓器二次側

v

、

w

相輸出線電壓；

(c)

變壓器二次側

w

、

u

相輸出線電壓；

(d)

直流

鏈電壓；

(e)

變壓器二次側

u

相輸出相電壓；

(f)

變壓器二次側

u

相輸出線電流

(100 / ) v dc V div

(20 / )

time ms div ( ) a

(100 / ) v uv V div

(20 / )

time ms div ( ) b

(75 / ) v un V div

(20 / )

time ms div ( ) c

(2 / ) i u A div

圖

19 (a)

直流鏈電壓；

(b)

變壓器二次側

u

、

v

相輸出線電壓；

(c)

變壓

器二次側

u

相輸出相電壓與相電流

(100 / ) v dc V div

(100 / ) time ms div ( ) a

(100 / ) v uv V div

(100 / ) time ms div ( ) b

(75 / ) v un V div

(100 / ) time ms div ( ) c

(5 / ) i u A div

圖

20 (a)

直流鏈電壓；

(b)

變壓器二次側

u

、

v

相輸出線電壓；

(c)

變壓

器二次側

u

相輸出相電壓與相電流

(100 / ) v dc V div

(10 / ) time ms div 0

( ) a (50 / )

v abs V div

(10 / ) time ms div 0

( ) b (1 / )

i as A div

(10 / ) time ms div 0

( ) c

圖

21 (a)

直流鏈電壓；

(b)

變壓器一次側

a

、

b

相輸出線電壓；

(c)

變壓

器一次側輸出線電流

五、結論

本文之系統以數位信號處理器為控制核心，搭配可程式邏輯元件 與硬體電路及軟體程式完成實體製作。利用最大功率追蹤及昇壓型直 流

-

直流功率轉換器控制太陽能發電系統輸出最大功率；燃料電池發 電系統則採用全橋相移式直流

-

直流功率轉換器，其本身具備零電壓 切換特性，能降低開關在高頻切換下所造成的切換損失；由具有雙向 功率轉換功能之昇

/

降壓直流

-

直流功率轉換器，配合不同的功率分配 情況，調節各發電系統間的能量；最後分別利用同步旋轉座標電壓與 電流控制模式，將三相三階層變流器應用於獨立運轉與市電併聯供 電。本文完成約

1600W

之功率輸出，此外三相三階層變流器之運轉 效率為

93.5%

，電壓總諧波失真率為

3.61%

，符合

IEEE Std. 519

規範。

六、自我評估

本計畫之成果符合預期，其中部分成果已在

2007

年第六屆電力電

子研討會發表，並獲得優秀論文獎。另此計畫的部分研究成果是與大

同世界公司合作之大產學案。

七、參考文獻

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83%E6%9A%96%E5%8C%96&variant=zh-tw, 2006.

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， 國立台灣科技 大學電機工程研究所碩士論文，民國九十一年。

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