臺灣博碩士論文加值系統

本文旨在研製一太陽能發電整流變流器與市電併聯發電系統，以結合太陽能光電與市電併聯發電，本文所使用系統中以三臂式整流變流器為主架構，因其擁有轉換效率高、控制策略簡易，以及電壓調整等功能，可更有效的利用太陽能源，以提供一穩定可靠的電源。系統內為降低電路設計及控制的複雜度，本文利用數位訊號處理器運算速度快、控制語法簡易的特點，作為系統的控制中心，以期有效的控制本文所提之太陽能發電整流變流器與市電併聯系統。

另為改善現有三臂式整流變流器系統由市電端供電至負載端時，易造成能量轉換損失，明顯地降低系統整體轉換效率的缺點，因此在控制策略中加入四種模式切換，除可改善上述之缺點使得系統效率提高外，結合蓄電池的使用，亦使得本文系統更具備不斷電系統的功能。

為測試所提系統之效能，本文透過以改變系統負載需求的方式，驗證當系統處於正常供電狀況下，其市電、太陽能與負載間能量自動平衡之效果，另在驗證本文系統負載電壓調整之功能方面，本文採用一自耦變壓器連接於市電，改變其電壓值，以驗證市電電壓變動時，本文系統穩定電壓供應於負載的能力。經由實驗結果發現，本文所提之系統的確能達到能量自動平衡以及負載電壓調整等效果，證明了本文所提系統架構的可行性。

This thesis is focused on developing a rectifier and inverter structure for a grid-connected solar photovoltaic (PV) system. The three-armed type of rectifier and inverter is adopted as the main structure of the system, due to its high efficiency、easy operating strategy, and voltage regulating properties. The solar energy can be more effectively employed as a reliable power supply. In order to reduce complexity of circuit design and system control, the digital signal processor (DSP) is used by means of its high calculating speed, simple syntax for programming as a control core of the system. Anticipated is the effective control of the rectifier and inverter structure for a grid-connected solar photovoltaic system.

As the grid supplies the load demand through the three-armed type of rectifier and inverter, energy conversion losses therein occurs. As a result, efficiency of the whole system is degraded. To improve the drawback, four switching modes are proposed and implemented in the system as control strategies. In addition to eliminating the drawback and ameliorating the system efficiency, the integration of battery in the system further equips the system with the characteristics of the uninterruptible power supply (UPS).

To verify the performance of the proposed system, effectiveness of the energy balancing among solar PV, grid power, and load demand is examined. On the other hand, to investigate the function of load voltage regulating, an auto-transformer is used to change the voltage on the grid terminal. The performance of reliable voltage supplying capability of the system can thus be demonstrated. Experimental results reveal that the feasibility of the proposed system is proved in the automatic energy balancing and the load voltage regulating characteristics.

目 錄
中文摘要 I
Abstract II
誌謝 III
目 錄 IV
圖目錄 VIII
表目錄 XII
第一章 緒論 1
1-1 研究背景與動機 1
1-2 文獻回顧 2
1-3 研究方法 3
1-4 本論文貢獻 5
1-5 本論文組織架構 6
第二章 太陽能發電系統 7
2-1 太陽能電池簡介 7
2-1-1太陽能電池發電原理 7
2-1-2 太陽能電池種類 8
2-2太陽能電池特性 10
2-3 最大功率追蹤法則 16
2-4 鉛酸蓄電池 25
2-4-1 電池特性 27
2-4-2 電池充電方式 28
2-5 太陽能發電系統 34
2-5-1 獨立型系統 34
2-5-2 市電併聯型系統 35
2-5-3 混合型系統 36
2-6 本章結論 37
第三章 現有三臂式整流變流器 38
3-1 三臂式整流變流器簡介 38
3-1-1 單級式太陽能市電併聯系統 38
3-1-2 兩級式太陽能市電併聯系統 39
3-1-3 全橋、半橋與三臂式單相系統 40
3-1-4 三臂式太陽能市電併聯系統 42
3-2 硬體電路設計 44
3-2-1 RCD緩震電路設計 44
3-2-2 LC濾波電路設計 47
3-2-3 電壓回授電路 50
3-2-4 電流回授電路 51
3-2-5 電壓箝位電路 52
3-2-6 過電壓保護電路 53
3-2-7 精密全波整流與正、負半週判別電路 54
3-2-8 功率電晶體驅動電路 55
3-2-9 電池充放電路 55
3-3 本章結論 56
第四章 改良型三臂式整流變流器與系統架構 58
4-1 系統組織架構 58
4-1-1 整流臂控制 59
4-1-2 變流臂控制 61
4-1-3 共通臂結構 62
4-2 數位訊號處理器(DSP) 64
4-3 正弦脈波寬度調變技術(SPWM) 68
4-4 系統模式切換 75
4-4-1 模式1：正常供電模式 77
4-4-2 模式2：電池充電模式 78
4-4-3 模式3：電壓調整模式 79
4-4-4 模式4：蓄電池放電模式 80
4-5 本章結論 80
第五章 實驗結果與討論 81
5-1 實驗參數設定與設計 81
5-2 模式切換驗證 83
5-2-1 模式1：正常供電模式 84
5-2-2 模式2：電池充電模式 94
5-2-3 模式3：電壓調整模式 97
5-2-4 模式4：蓄電池放電模式 99
5-3 實驗結果討論 100
5-4 本章結論 102
第六章 結論與未來發展 103
6-1 結論 103
6-2 未來展望 103
參考文獻 105

圖目錄
圖2-1 太陽能電池模組等效電路 11
圖2-2 不同日射量、固定環境溫度(25℃)下之特性曲線 14
圖2-3 不同環境溫度、固定日射量(1 kW/m2)下之特性曲線 15
圖2-4 擾動觀察法控制流程圖[31-32] 19
圖2-5 三點權位功率型態圖（權位值不為零）[33] 21
圖2-6 三點權位功率型態圖（權位值為零）[33] 22
圖2-7 增量電導法控制流程[33] 23
圖2-8 太陽能輸出功率與電壓特性[14] 24
圖2-9 電池分類[36,37] 26
圖2-10 鉛酸蓄電池構造圖[38] 27
圖2-11 電池定電壓充電曲線[35] 29
圖2-12 電池定電流充電曲線圖[35] 29
圖2-13 二階段充電法之電池充電曲線[35] 30
圖2-14 脈衝充電法[35] 31
圖2-15 ReflexTM 充電法[35] 31
圖2-16 電池充放流程圖 33
圖2-17 獨立型太陽能發電系統 34
圖2-18 市電併聯型太陽能發電系統 35
圖2-19 混合型太陽能發電系統 36
圖3-1 單級式太陽能市電併聯系統 39
圖3-2 兩級式太陽能市電併聯系統 40
圖3-3 全橋、半橋與三臂式單相轉換系統 41
圖3-4 三臂式太陽能市電併聯系統 43
圖3-5 緩震電路分類 45
圖3-6 RCD緩震電路 46
圖3-7 電壓迴授電路圖 51
圖3-8 電流迴授電路圖 52
圖3-9 正向箝位電路原理 53
圖3-10 正向箝位電路 53
圖3-11 過電壓保護電路 54
圖3-12 精密全波整流與正負半週期判別電路 54
圖3-13 IGBT驅動電路 55
圖3-14電池充放電路 56
圖4-1 系統組織架構圖 58
圖4-2 三臂式整流變流器 59
圖4-3 整流臂之控制方塊圖[14] 60
圖4-4 變流臂之控制方塊圖 62
圖4-5 DMA-DSP 2407控制單板[44] 65
圖4-6 雙極性電壓切換之波形與頻譜 71
圖4-7 單極性電壓切換之波形與頻譜 73
圖4-8 模式切換流程圖 76
圖4-9 模式1電路架構圖 77
圖4-10 模式2電路架構圖 78
圖4-11 模式3電路架構圖 79
圖4-12 模式4電路架構圖 80
圖5-1 A/D轉換取樣週期比較 82
圖5-2 太陽光電能特性曲線及太陽能輸出電壓圖 83
圖5-3 太陽能發電滿足負載需求之電壓電流(Vs =50Vrms ) 86
圖5-4 太陽能發電無法滿足負載需求之電壓電流(Vs=50Vrms) 87
圖5-5 太陽能發電滿足負載需求之電壓電流(Vs=60Vrms) 89
圖5-6 太陽能發電無法滿足負載需求之電壓電流(Vs=60Vrms) 90
圖5-7 負載變化0.3kW上升至1kW 92
圖5-8 負載變化1kW下降至0.3kW 93
圖5-9 太陽能發電無法供電時之電壓電流(Vs=50Vrms) 95
圖5-10 太陽能發電無法供電時之電壓電流(Vs=60Vrms) 96
圖5-11 蓄電池充電電流與電壓 97
圖5-12 電壓調整模式下之電壓與電流(Vs=60Vrms) 98
圖5-13 蓄電池放電模式之負載電壓、電流 99

表目錄
表2-1 SP75 太陽能電池規格表[28] 13
表3-1 兩級、單級以及三臂式系統轉換效率比較表[14] 44
表4-1 TMS320LF2407A系列特性及用途分類表 [44] 67
表4-2 雙極性電壓切換變流器開關函數表 69
表4-3 單極性電壓切換的變流器開關函數表 72
表4-4 模式切換開關動作表 75
表5-1 元件參數表 81
表5-2 三臂式系統效率比較表 100

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