臺灣博碩士論文加值系統

本論提出太陽能與燃料電池混合式系統在提供恆定功率需求下，實現能源互補供應的構想，並使輸出負載湧浪電壓在允許的範圍內。所提混合電力系統係由昇壓電流源轉換器(Boost Current Converter， BCC)擷取太陽能源，而Z-Source轉換器(Z-Source Converter)則做為燃料電池能源轉換。採用Z-Source轉換器的目的在於取代直流匯流排的電池，因此在太陽能不出現時，Z-Source轉換器需承擔所有匯流排提供負載所需的能量。基於此二能源在互補能源調節時會造成直流匯流排的電壓出現湧浪現象，可能會超出負載允許電壓範圍，特別是當燃料電池的能量由大變小時；因此本論文提出緩啟動的控制策略，以降低湧浪電壓。此外，在定功率匯流排需求下，本研究並針對太陽光照度變化，控制昇壓電流轉換器之責任週期dB 及對應Z-Source轉換器之責任週期dZ，進行太陽能和燃料電池輸出能量的互補增/減，使直流匯流排的電壓穩定。最後，研製一組250W的太陽能與燃料電池混合系統，以實驗驗證在不同的太陽光照度下，混合系統的能量互補供給功能及湧浪電壓的抑制能力，並和理論分析比較。

This thesis presents a hybrid photovoltaic (PV) and fuel cell (FC) system to provide constant power demand for load based on complementary energy supply ideas, and reduce the voltage surge at DC bus. The proposed hybrid power system uses a boost current source converter (BCC) to capture PV energy, while the Z-Source Converter (ZCS) is used as the fuel cell energy conversion. Using Z-Source Converter aims to replace the battery widely connected at DC bus for regulation. If the PV energy disappears, Z-Source converter is required to bear all the energy required at DC bus. However, the energy hybrid at DC bus during hybrid may cause voltage surge phenomenon to disturb the load regulation, especially when the fuel cell energy changed from high to low. Therefore, a soft-start control strategy to reduce the surge voltage is proposed in this thesis. In addition, under constant power bus demand, the study for regulating the boost duty cycle dB and the corresponding Z-Source duty cycle dZ is also conducted to optimize energy dispatch between the PV and fuel cell energies so as to increase the DC bus voltage stability. Finally, a prototype of 250W PV and fuel cell hybrid system is implemented to verify the hybrid ability and voltage surge suppression under different solar irradiations and compare with theoretical analysis.

目錄
摘要 I
Abstract II
誌謝 III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XI
符號索引 XII
第一章 緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 研究內容 3
1.3 論文大綱 5
第二章 再生能源混合電力系統 7
2.1 再生能源簡介 7
2.2 再生能源混合電力系統種類 9
2.3 太陽能與燃料電池混合電力系統概述 19
第三章 太陽能最大功率追蹤法昇壓型轉換器 25
3.1 太陽能最大功率追蹤法則 25
3.2 功率-增量電導之最大功率追蹤昇壓型轉換器分析 36
3.2.1太陽能昇壓電流源轉換器分析 36
3.2.2功率-增量電導法之分析 45
第四章 燃料電池饋入式Z-Source直流-直流轉換器 46
4.1 燃料電池原理簡述 46
4.2 燃料電池饋入式Z-Source轉換器特性 52
4.2.1燃料電池饋入式Z-Source DC-DC轉換器 54
4.3 Z-Source轉換器小訊號分析 64
第五章 太陽能與燃料電池混合電力控制分析設計 70
5.1 混合電力控制策略 70
5.2 混合電力系統能量調度管理策略 70
5.3 混合電力系統控制分析與推導 73
5.3.1太陽能前饋式昇壓轉換器控制分析 75
5.3.2燃料電池Z-Source 轉換器控制分析 78
5.3.3混合電力系統控制關係推導 83
第六章 混合電力系統設計與製作 86
6.1 混合電力系統實務設計規範 86
6.2 混合電力系統之硬/軟體設計 89
6.2.1太陽能最大功率追蹤昇壓型轉換器設計 89
6.2.2功率-增量電導控制系統程式設計 91
6.2.3燃料電池饋入式Z-Source轉換器設計 94
6.3 混合電力系統控制數學理論應證 96
第七章 混合電力系統元件與回授控制設計 100
7.1 混合電力系統實例 100
7.1.1 實務規格 101
7.1.2 元件估測與選用 101
7.2 混合電力系統回授控制設計 105
7.2.1 超前補賞控制器設計 108
第八章 混合電力系統實務量測 110
8.1 混合電力系統量測、分析與討論 110
8.1.1 燃料電池饋入式Z-Source轉換器波形量測 110
8.1.2昇壓型轉換器波形量測 114
8.1.3 太陽能與燃料電池混合式系統波形量測 116
8.2 混合電力系統可靠穩定度分析 119
8.2.1混合電力系統湧浪電壓抑制補償器性能量測 119
8.2.2混合電力系統太陽能最大功率追蹤性能量測 124
第九章 結論與未來展望 126
9.1結論 126
9.2未來展望 127
參考文獻 129


圖目錄
圖1.1全球2000-2100能源組合示範變化情形(來源:IEA) 2
圖1.2典型可再生能源的混合電力系統拓撲 3
圖2.1混合電力系統 8
圖2.2混合型直流匯流排系統 10
圖2.3混合型交流匯流排系統 11
圖2.4混合型交流匯流排系統 12
圖2.5太陽能與風力混合式電力系統 20
圖2.6多種再生能源搭配蓄電設備混合電力系統 21
圖2.7燃料電池與蓄電設備混合電力系統 22
圖2.8太陽能與燃料電池搭載蓄電設備混合電力系統 23
圖2.9太陽能與燃料電池混合電力系統 24
圖3.1太陽能電池構造與發電原理 26
圖3.2太陽能電池等效電路模型 26
圖3.3不同照度下對太陽能電池輸出電壓跟輸出電流影響 29
圖3.4不同溫度下對太陽能電池輸出電壓跟輸出電流影響 29
圖3.5太陽能特性曲線(雙組串聯) 31
圖3.6太陽能P-I特性曲線 33
圖3.7功率-增量電導之最大功率追蹤昇壓型轉換器拓 36
圖3.8昇壓型轉換器電路 36
圖3.9昇壓型轉換器開關導通時之等效電路 38
圖3.10昇壓型轉換器開關截止時之等效電路 39
圖3.11連續操作昇壓型轉換器時序波形圖 41
圖3.12昇壓型轉換器開關截止非連續模式時之等效電路 42
圖3.13非連續操作昇壓型轉換器時序波形圖 44
圖3.14太陽能電池最大功率之 及 比較圖 45
圖4.1燃料電池之電解化學轉換圖(轉至:ELECTRIC CIRCUIT) 48
圖4.2燃料電池電壓與電流密度之特性曲線圖 50
圖4.3燃料電池饋入式Z-Source轉換器結構 52
圖4.4 Z-Source轉換器等效電路 53
圖4.5 Z-Source電路於Shoot-throughru及Nonshoot-through狀態 53
圖4.6 Z-Source轉換器電路 54
圖4.7 Z-Source轉換器開關導通時之等效電路 56
圖4.8 Z-Source轉換器開關導通時之簡化等效電路 56
圖4.9 Z-Source轉換器開關截止時之等效電路 57
圖4.10 Z-Source轉換器連續導通模式時序波形圖 60
圖4.11 Z-Source轉換器開關截止不連續模式時之等效電路 61
圖4.12 Z-Source轉換器不連續導通模式時序波形圖 63
圖4.13 Z-Source轉換器控制方塊圖 67
圖5.1 太陽能與燃料電池混合電力系統 71
圖5.2太陽能與燃料電池混合電力系統三種工作狀態 72
圖5.3太陽能與燃料電池混合電力系統之推導架構 74
圖5.4昇壓型轉換器操作於非連續模式之電感與輸出電流波形 76
圖5.5 Z-Source轉換器操作於連續模式之電感與輸出電流波形 79
圖5.6 Z-Source轉換器操作於邊界模式之電感與輸出電流波形 81
圖5.7 Z-Source轉換器操作於非連續模式之電感與輸出電流波形 82
圖5.8太陽能與燃料電池混合系統輸出負載等效電路 83
圖6.1太陽能與燃料電池混合電力系統電路架構 87
圖6.2燃料電池之內部等效電路與特性曲線 88
圖6.3質子交換膜燃料電池實測曲線 88
圖6.4太陽能與燃料電池混合電力系統 89
圖6.5太陽能昇壓型轉換器電路 90
圖6.6太陽能功率-增量電導最大功率追蹤法流程 92
圖6.7功率-增量電導於太陽能特性曲線 93
圖6.8 Z-Source 轉換器昇壓比 94
圖6.9燃料電池饋入式Z-Source轉換器元件設計 94
圖6.10 Z-Source之輸出/輸入電流與開關導通比之關係曲線 97
圖6.11混合電力之等效電阻與太陽能照度之關係曲線 98
圖6.12燃料電池/太陽能輸出電流與太陽能導通比 關係曲線 99
圖6.13太陽能與燃料電池之 關係曲線 99
圖7.1太陽能與燃料電池混合電力系統實際電路 100
圖7.2混合電力系統電壓回授控制迴路 105
圖7.3 Z-Source 轉換器之 轉移函數波德圖 106
圖7.4 轉移函數波德圖 107
圖7.5 開迴路轉移函數開迴路之頻率響應 108
圖7.6反向運算放大器之超前補賞控制器電路 108
圖7.7 控制器轉移函數之頻率響應 109
圖8.1 Z-Source轉換器於DCM模式(輕載) 111
圖8.2 Z-Source轉換器於BCM模式(中載) 112
圖8.3 Z-Source轉換器於CCM模式(重載) 113
圖8.4太陽能昇壓轉換器於 照度電路波形 115
圖8.5太陽能昇壓轉換器於 照度電路波形 115
圖8.6太陽能昇壓轉換器於 照度電路波形 115
圖8.7混合電力系統於不同照度時之輸入/輸出電流 117
圖8.8混合電力系統於 照度電路波形 118
圖8.9混合電力系統於 照度電路波形 118
圖8.10混合電力系統於 照度電路波形 118
圖8.11混合電力系統於 啟動電路波形 120
圖8.12混合電力系統於 啟動電路波形 120
圖8.13混合電力系統於 啟動電路波形 120
圖8.14太陽能電力系統以 併入混合電力系統暫態波形 122
圖8.15太陽能電力系統以 併入混合電力系統暫態波形 122
圖8.16太陽能電力系統以 併入混合電力系統暫態波形 122
圖8.17混合電力系統於太陽光 照度變化之暫態波形 123
圖8.18混合電力系統於太陽光 照度變化之暫態波形 123
圖8.19混合電力系統於太陽光 照度變化之暫態波形 123
圖8.20混合電力系統於不同照度變化之實際電路量測 124
圖8.21混合電力系統於不同照度變化之最大功率曲線 125
圖8.22太陽能與燃料電池混合電力系統實際電路 128
表目錄
表2.1再生能源優缺點比較表 18
表3.1太陽能電池規格表 ; 28
表3.2最大功率追蹤法之優缺點與應用比較 35
表4.1各種燃料電池優缺點比較 51
表6.1混合電力系統之再生能源發電系統規格 96
表7.1太陽能與燃料電池混合電力系統電氣規格表 101
表7.2太陽能與燃料電池混合電力系統元件表 104
表7.3超前補償控制器元件參數 109
表8.1最大功率追蹤所需時間 125

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