多功能太阳光电能并网供电系统

多功能太阳光电能并网供电系统摘要为了避免太阳光电能并网供电系统在缺乏日照时无法工作的缺点，本文提出多功能太阳光电能并网供电系统」。本系统应用既有的硬件架构，并在控制方式与软件上略加修改，使本系统在无日照时可以作为高功因电子安定器使用。此外，若再加上一单级双向的充/放电器，使本系统也可提供紧急照明用电。由于需要较复杂之控制程序，本系统之控制核心采用数字信号处理器(TMS320F240)。最后我们实际制作一个「多功能太阳光电能并网供电与照明系统」，并利用计算机仿真与硬件实测结果来验证系统之可行性与实用性。以类似的原理，可将此既有硬件扩充至其它多功能应用，使其兼具功因校正、不断电功能、主动滤波及并网供电等多用途。一、前言于现今高科技环境下，能源是促进经济发达与社会进步的原动力。目前所使用之主要能源为化石能源，然而其蕴藏量有限，且在开发过程造成空气污染、环境破坏，因此环保意识抬头的今天，积极开发低污染及低危险性的能源乃为迫切需要。太阳光电能是干净、安全且随处可得的能源，唯其发电成本目前仍然偏高，因此各国均不断地研发各种相关技术[1]~[6]，藉以提高系统效率并降低发电成本。以日本、德国、荷兰、意大利、奥地利等国而言，虽其日照量及年平均日照时数均不如我国，但仍计画将太阳光电能普及于一般家庭的应用。以国内而言，95%以上的能源皆仰赖进口，若能逐渐推广普及太阳光电能系统的使用，虽在整个国家电力来源比例中，尚不能成为主要电力，却能减少煤、油燃料的进口，及污染、二氧化碳的排放量，并且对舒缓尖峰电力负载也有助益。太阳光电池为直流输出之电源，因此需要一操作于高频模式之半桥或全桥式直流/交流电力转换器，来将直流电源转换成交流输出，并与电网并联供电[3]~[6]。如图1所示为一般太阳光电能并网供电系统之架构图，其中全桥式换流器的开关依序切换，产生弦波式脉宽调变(SinusoidalPulse-WidthModulation:SPWM)[10]方波，再经由LC低通滤波器滤波后成为弦波电流，即可与市电并联供电。然而此系统架构在缺乏日照时(例如阴天或晚上)即无法运作，对系统中既有之切换组件与控制电路而言，这无疑是一项极大之浪费。因此，在本文中将提出一太阳光电能并网供电与照明系统，以克服上述之缺点。我们利用同步开关理论[7]，并配合不同的脉宽调变方式，可在缺乏日照时将既有之换流器硬件架构移作功因校正与安定器使用，并且兼顾整体系统效率的提升，以期许能将太阳光电能的应用在国内普及化；此外，加上一双向充/放电器且再利用既有的全桥式换流器，本系统又可提供紧急照明。整个系统的设计理念是将既有的硬件架构发挥到淋漓尽致，而仅在控制方式与软件上略加修改。藉由此系统的研制，可逐步扩充其容量，并将太阳光电能扩展至其它应用范围，有助于抑制现有发电设备之尖峰负载，并减少对火力及核能发电之依赖。此外，由于本系统需要较复杂之控制程序，所以其控制核心采用数字信号处理器(TMS320F240)［12］、［13］。图1.太阳光电能并网供电系统方块示意图二、系统架构与其操作模式介绍(范例一)如图2所示，为本文所提出的「多功能太阳光电能并网供电与照明系统」，其中主要包括了太阳能光电板(SolarArray)、全桥式换流器、半桥高功因电子安定器、充/放电器、系统控制器、各式滤波器及继电器。系统的操作模式可分为：电网并联供电(GridConnection)：此模式主要在有阳光照射时运作，电力由光电板输向市电，此时全桥换流器的开关依序切换产生弦波式脉宽调变方波(SinusoidalPulse-WidthModulation:SPWM)［10］，经由L-C低通滤波器滤波后成为弦波电流，馈入市电。除此之外，系统随时侦测太阳光电板之输出电压、电流，并配合最大功率追踪(MPPT)法则［1］、［2］,动态地调整输出弦波电流的大小，以达到最大功率点追踪的功能。功因校正与安定器：此模式主要在无阳光照射(例如：晚上)且需照明时运作，电力由市电经高功因电子安定器供向灯具。经适当的同步操作，并配合不同之控制方式使原有全桥换流器可兼具功因校正与安定器的功能，其电力拓朴结构的推导过程将在下一节作详细之介绍。在此模式下，功率开关S与S只利用其反相并联二极管作为被动开关组件使用；此外，藉由s3s4功率开关S与S的交互导通，则可产生高频方波电压源，再经高频LCs1s2滤波器滤波，即可提供给灯管高频弦波电源做为点灯之用，并可兼具功因校正之功能［8］、［9］。(3)充/放电与安定器：此模式主要在晚上且无市电时运作。充电器可在平时由市电或太阳光电能供电，而储存足够之能量，等到市电断电而需紧急照明时，则电池放电至大电容C上。藉由功率开关S与S的交互导通，可s1s2产生高频弦波电源来驱动灯管，并可做调光功能。图2.多功能太阳光电能并网供电与照明系统方块示意图三、功因校正与安定器推导本文之主要目的乃在于提供一具有多功能之太阳光电能并网供电与照明系统之电路架构，除了保有将太阳光电能转成交流输出并与电网并联供电的功能外，在缺乏日照时由电网馈入电力，原有之电路架构可同时兼具电子安定器及功因校正的功能，是以可使原有之全桥式电力转换器发挥最大功用，充分利用了既有之切换组件及控制电路。经由适当的同步操作，全桥换流器可兼具功因校正与安定器的功能，其电力拓朴结构之推导过程如图3所示。图3(a)示出一直流升压(Boost)转换器串接一半桥式换流器，其中直流升压(Boost)转换器负责功因校正，而半桥式换流器则做安定器。若将直流升压(Boost)转换器改成交流升压(Boost)转换器，则仍然可做功因校正，其电路示于图3(b)。接着利用同步开关理论［7］，我们将图3(b)中之S与S、S与S做同步操作，则可得到图3(c)所示的电路架构。TOC\o"1-5"\h\zb11 b2 2最后，将图3(c)中之二极管D与D换成主动开关S与S，则可得到如图3(d)所1 2 s3 s4示的电路图。将图3(d)的电路与图2中之全桥式换流器比较，可知图2中之全桥式换流器逆向操作且将S与S看成被动开关时，并藉由S与S的交互导通，可s3 s4 s1 s2兼具功因校正与安定器的功能。由以上的推导过程可以看出，利用不同之脉宽调变方式来控制全桥式换流器的四个切换组件，可使既有之电路架构发挥最大功用，有效利用控制电路及驱动电路。藉此不仅可以保有原有之换流器功能，且可在缺乏日照时将系统移作高功因电子安定器使用，因此而大大提高系统功能且能降低成本，此乃本系统所欲达成之主要目标。由于白天用电量高，造成尖峰负载问题，所以现有之太阳光电能发电系统皆在白天尽量发电，并且馈入电网，有助于抑制尖峰负载。此系统即根据此理念所设计出之电路结构，在缺乏日照时将其进一步用于点灯，藉此提高系统效能。以一般街灯照明系统为例，有阳光时利用太阳能来发电并馈入电网；至于晚上或无日照时，则不发电，而由市电提供能量用来点灯，因此将本电路架构应用在太阳能街灯系统是非常适合的。UtilityPower60HzUtilityPower60HzDCBoostConverterHalf-BridgeInverter(a)

(b)CHalf-BridgeInverterCHalf-BridgeInverter(c)C(d)(c)C(d)图3.功因校正与安定器整合电路推导过程四、各操作模式之动作原理分析介绍完本系统之电路架构以及其推导过程之后，在本节之中将针对电网并联供电及功因校正与安定器这两个操作模式，分别分析其电路动作原理。A.电网并联供电模式：当本系统操作于电网并联供电模式时，图2中的Relay_1与Relay-3闭合，而Relay_2则接到下方接点；此外，因为不需要点灯，所以Relay_4开启。图4为系统操作于此模式下之等效电路图。图4.系统操作于电网并联供电模式之电路图本系统采用电压源(Voltage-Fed)之电流控制(Current-Controlled)和电压控制(Voltage-Controlled)换流器，来分别达成并联运转及自立运转之功能。并利用技术已相当成熟的正弦脉波宽度调变(SPWM)[10]信号来驱动四个功率开关(S〜S)，s1s4以产生我们所需的弦波输出。其调变方式基本上是由我们所需频率之弦波控制信号与一锯齿波比较所得，如图5(a)所示。图4中之全桥式换流器中，其左臂(S与S)及右臂(S与S)分别被v与s1 s2 s3 s4 triv及-v 之比较信号所控制。而S与S的开关状态如下：TOC\o"1-5"\h\zcontrolcontrol s1 s2当v >v二S导通，此时v=v，controltri s1 AN d当v<vnS导通，此时v=0，control tri s2 AN因此v之波形如图5(b)所示。同理，S与S开关状态如下：AN s3 s4当-v>vnS导通，此时v=v，control tri s3 BN d当-v<vnS导通，此时v=0，control tri s4 BN因此v之波形即如图5(c)所示。在上面四种开关状态的组合下，其全桥式功率级BN输出v之电压波形如图5(d)所示，再经由LC滤波器滤波后，即可产生弦波式输AB出电压。而v输出电压准位关系如下：AB

(1)S，s1Ss4导通；vAN=v5dvBN=0;vAB=vd(2)S，S导通；v=0,v=v；v=-vs2s3ANBNdABd(3)S，S导通；v=v,v=v；v=0s1s3ANdBNdAB(4)S，s2Ss4导通；vAN=0,vBN=0；vAB=0使用SPWM调变方式的好处在于能使全桥功率级输出电压v之谐波成份，将往AB高频的开关切换频率为中心移动［11］。如此一来，我们只须用较小的L、C值来作为滤波器，便可达到良好的滤波效果，故可大大缩小换流器的体积和重量。0 t(b)(c)td(d)图5.全桥式换流器之正弦脉波宽度调变讯号示意图

0 t(b)(c)td(d)图5.全桥式换流器之正弦脉波宽度调变讯号示意图B.功因校正与安定器模式：当本系统操作在功因校正与安定器模式时，图2中的Relay_1与Relay_4闭合,而Relay_2则是接到上方的L；此外，由于此时没有太阳光电能，因此Relay_3pf是开启的。为了方便分析起见，我们将此模式的电路图重画于图6，图中采用串联谐振并联负载的方式，而L、C分别为谐振电感、电容，R则为灯管等效电rrlamp阻。CUtilityPower60HzCUtilityPower60Hz图6.具功因校正功能的倍压整流型SRPLI电路图我们知道在此模式下S与S仅被作为被动开关组件使用，因此图6即为一s3 s4个具功因校正功能的倍压整流型串联谐振并联负载换流器（SRPLI）电路图。在此图中，以电感L作为能量缓存器，并取出A、B两点间的方波电压作为dither讯pf号［8］、［9］。将此高频的方波讯号拉到市电输入侧，将经由LC低通滤波器滤波后，而得到近似于弦波的输入电流，如此即可达到功因校正的功能。在此电路中，每半周期（1120秒）的平均输入功率P可以表示如下：iVV2D2fVV2D2fCIP lLf

pfssin2(2吋t)f2idtJo(1)IP其中f为开关切换频率，f为电源频率，V为电源电压峰值，V为电容C上之电s l IP c压（直流链电压），D则为S的导通周期。由于P可以由总灯管输出功率决定，因s2 i此我们可以由上式求出电感L之值。pf

此外，藉由s与s的交互导通，我们可以得到一个如图7所示的等效电路s1 s2图。由于在Q=R乙LC较大时，方波电压源V可以用其基本波来近似，此时lamp' rr AB再利用弦波稳态的相量(Phasor)观念分析图7之电路，则灯管电压V及电流I可以oo分别表示如下：(2)(3)I=VRo olamp因此灯管输出功率可以(4)五、仿真与实验结果I=VRo olamp因此灯管输出功率可以(4)根据以上的分析结果，我们实际设计一个多功能太阳光电能并网供电与照明系统，其中之规格及重要组件值如下所示：市电：110V，60Hz,太阳光电板：SOLAREXMAGASX-60X16，

灯管：GETBX26WX4(R二2670),lampL二4.77mH,C=5卩F,sLL二430pfH,L=1.7mH,C=5.6nF,rrC=470rF,C=C=0.1rF。12针对系统的两个操作模式,我们分别进行计算机仿真及量测一些重要波形以下将就这些实际量测结果与计算机仿真比较说明：A.电网并联供电模式：图8为系统之全桥式换流器在闭回路控制下,但不与市电并联供电时（称之为自立运转模式）,其输出电压与电流的仿真与实测波形。除了输出电压在峰值有些许失真,以及输出电流在零交越处稍稍落后电压波形外,输出电压及电流仍近似60Hz之正弦波,并与仿真结果十分相近,亦可达到我们的需求。表1为此情况下,输出电压的总谐波失真及奇数次谐波大小。(a)(50V/div,10A/div,5ms/div)(a)(50V/div,10A/div,5ms/div)voo(b)(50V/div,10A/div,5ms/div)voo(b)(50V/div,10A/div,5ms/div)图8.(a)系统自立运转时，输出电压及电流之仿真波形(b)系统自立运转时，输出电压及电流之实测波形表1.自立运转时，输出电压之总谐波失真与奇数次谐波量测结果总谐波失真(THD)6.5%3次谐波6.0%5次谐波0.97%7次谐波1.62%9次谐波1.44%11次谐波0.56%13次谐波1.2%图9为本系统与电网并联供电时，输出电压与电感电流的量测结果。此时由于与市电并联的影响，输出电压已被拉到市电的输出波形，在此情况下我们主要控制输出电流，使其能追随市电的弦波电压；如此一来，太阳光电板将可经由全桥式换流器送出实功率给负载。系统能依所给予之指令而有不同的输出电流，因此再配以最大功率追踪控制，即能随日照强度而随时调节输出电流，达到最大功率点追踪的效果。由图9可以明显看出输出电流近似一理想的弦波，由此可以证明本系统确实可以与市电并联供电。此外，我们亦量测并联供电且在重载时输出电流的总谐波失真及奇数次谐波大小，并将其记录在表2中，其中不论是总谐波失真或各次谐波都很小，这也更进一步地证实了本电路架构及控制策略的可行性。

(50V/div,10A/div,5ms/div)图9.操作在电网并联供电模式时，输出电压及电流之实测波形表2.操作在电网并联供电模式时，输出电流之总谐波失真与奇数次谐波量测结果总谐波失真(THD)5.9%3次谐波3.9%5次谐波0.4%7次谐波1.6%9次谐波0.3%11次谐波0.3%13次谐波0.15%B.功因校正与安定器模式：如图10所示，为灯管电压、电流的仿真与实测结果。由图中可以看出两者十分相近，唯实测之灯管电流有些许涟波，乃因灯管之非线性特性所造成。此外输入电压及电流的仿真与实测波形则示于图11。由图中我们可以发现电流的高频涟波极小，且与电压几乎没有相位差，表示此系统具有良好之功率因子及低谐波失真，这由表3中的实测结果也可得到验证。表3中的结果皆符合IEC1000-3-2要求，证明本系统具有良好之可行性与实用性。

”f.---.1/\丫-lam1\X、、■--.1iIZ、*lOmp、、、1—卩s/div)(b)(100V/div,500mA/div,5图10.(a)操作在功因校正与安定器模式时，(b)操作在功因校正与安定器模式时卩s/div)灯管电压及电流之仿真波形卩s/div)(b)(100V/div,500mA/div,5图10.(a)操作在功因校正与安定器模式时，(b)操作在功因校正与安定器模式时卩s/div)灯管电压及电流之仿真波形，灯管电压及电流之实测波形(a)(50V/div,1A/div,5ms/div)sisis(b)(50V/div,1A/div,5ms/div)图11.(a)操作在功因校正与安定器模式时，输入电压及电流之仿真波形(b)操作在功因校正与安定器模式时，输入电压及电流之实测波形表3.功率因子及输入电流谐波量测结果功率因子0.995总谐波失真(THD)10.9%3次谐波10%5次谐波1.46%7次谐波2.63%9次谐波1.41%11次谐波0.61%13次谐波1.09%六、多功能太阳光电能应用系统(范例二)以上所介绍的系统是属于较特定的应用，若将其朝较普遍性的应用延伸，则可得到如图12之系统架构，此系统包含太阳能光电板、升压转换器、换流器、最大功率追踪控制器、充/放电控制器、主动电力滤波控制器及弦波式脉宽调变器(SPWM)。在此文中，我们提出两种实际的电路实现方式，其中一种是由分离式的电力转换器所组成，如图13所示，在此电路架构图中，升压器是由传统的boost转换器来实现，而充/放电器则由一个全桥式的电流输出型转换器来达成。另外一种架构是将升压器及充/放电器整合而成，如图14所示。在此电路中，升压器与

充/放电器形成一个三端口的电力转换器结构，电力依控制切换组件的方向在此三埠中互流。以类似的原理，可推导出其它的三埠电力级，如图15所示。图12.多功能太阳光电能供电系统方块图图13.多功能太阳光电能供电系统电路架构图

utilityutilitySPWM和主動電力 y >濾波控制 孤島現象檢出與防制TMS320F240utilityutilitySPWM和主動電力 y >濾波控制 孤島現象檢出與防制TMS320F240充/放電器控制、最大功率追蹤控制及PV電力監控TMS320F240图14.充/放电路与升压电路整合后之多功能太阳光电能供电系统电路架构图BB(a)(b)(a)(b)S'm4S'm4(c)(d)

(c)(d)(e)(f)(g)(h)(e)(f)(g)(h)图15.充/放电器与升压转换器整合之可能架构电路图此种多功能太阳光电能供电系统其操作模式可分为：⑴电网并联供电(GridConnection):此模式主要在日照强度充足时运作，电力由升压转换器的输出提供直流电源输向换流器，此时换流器的开关依序切换产生弦波式脉宽调变方波(SinusoidalPulse-WidthModulation:SPWM),经由滤波电感L滤波后成为弦波电流，馈入市电。⑵主动电力滤波(ActivePowerFilter):换流器操作在此模式时，其主要功能为消除电流谐波与改善系统功率因子，此时换流器的开关经由适当的切换，其输出电流将追随控制器所计算出之参考电流，注入电力系统，其控制方块图如图16所示。不断电操作模式(UPS):当无日照且无市电时，本子系统可操作在不断电模式，单独供电给负载。为了能确保供电之连续性，本子系统会随时做断电侦测，若市电一断，则会在4ms以内迅速由电池经充/放电、升压转换器及换流器而供电给负载。当无日照对电池充电时，此系统可由市电经换流器及反向升压器对电池充电，此时换流器兼作功因校正功能，以减少电流谐波。c(ref)图16.主动电力滤波器控制方块图七、结论经由之前分析与探讨，证明本文所提之「多功能太阳光电能并网供电与照明系统」确实可行。经由开关的共享并配合不同之控制方式，可将原有之硬件架构发挥至淋漓尽致，以降低成本、提高效率。本系统利用高频切换的技术来操作开关，可使电路的体积缩小、重量轻且无噪音。除此之外，未来可以多模块并联的方式来提高系统容量，并配合以交错(Interleave)的控制方式，以缩小电感电流之涟波，降低输出滤波电感之体积及加快系统响应。藉由此多功能太阳光电能发电系统之研制，可逐年将技术扩展至其它相关应用范围，有助于开发更多的再生能源，以解决能源不足之危机。参考文献：F.Harashima,H.InabaandN.Takashima,“Microprocessor-ControlledSITInverterforSolarEnergySystem,”IEEETrans.onIndustrialElectronics,Vol.IE-34,No.1,Feb.1987,pp.50-55.K.H.Hussein,I.Muta,T.HoshinoandM.Osakada,“MaximumPhotovoltaicPowerTracking:analgorithonforrapidlychangingatmosphericconditions,”IEEproc.Gener.Transm.Distrib,Vol.142,No.1,Jan1995,pp.59-64.SSureshBahuandSPalanichamy,“PCBasedControllerForUtilityInterconnectedPhotovoltaicPowerConversionSystem,”ProceedingofPowerElectronicsConference,VOL1,Jan1996,pp.101-106.[4]R.J.Hacker,D.K.MunroandJ.M.Thornycroft,“SmallGrid-ConnectedSolarPhotovoltaicGeneratorsInTheUK,”ProceedingsoftheRenewableEnergyConference,1993,pp.61-66.[5]M.Yamaguchi,K.KawarabayashiandT.Takuma,“DevelopmentofaNewUtility-ConnectedPhotovoltaicInverterLINEBACK,”ProceedingofINTELEC'94,pp.676-682.[6]K.Hirachi,T.Mii,T.Nakashiba,K.G.D.LaknathandM.Nakaoka,“Utility-InteractiveMulti-func