臺灣博碩士論文加值系統

本論文主要目的在於設計一個以125W單晶矽太陽能板、模擬太陽光之鹵素燈照度控制電路、升壓型直流-直流轉換器及FPGA控制晶片所組成之實驗平台以量測太陽能板在不同照度下之特性曲線並驗證最大功率追蹤演算法的有效性。
為了改善傳統擾動觀察法(P&O)在固定控制變量下因照度迅速變動而導致演算法發散之缺點，本論文提出增益規劃法，依據太陽能板輸出功率對電壓之斜率大小來決定控制變量。如此一來不僅可以有效縮短最大功率追蹤所需的時間及降低穩態時功率搖擺的現象，並可避免演算法的發散。此外，由於太陽能功率對電壓特性曲線具有非線性的特性，所以在功率對電壓斜率的即時計算上，本論文採用中間微分法來改善傳統尤拉方程式的計算誤差，以提高最大功率點落點的準確度。
為了更進一步證明所提演算法的收斂特性及最大功率點落點的準確度，本論文採用MATLAB軟體中之圖形化使用者介面來建立鹵素燈照度控制方塊及太陽能板負載控制方塊，以即時顯示在特定照度下太陽能板輸出功率對電壓的特性曲線及演算法收斂的軌跡。

The purpose of this thesis is to design a prototypal PV array platform, including a 125W monocrystalline silicon PV array, an irradiation-controlled circuit for halide lamps to simulate the solar light, a boost DC-DC converter and an FPGA control chip, in order to identify the parameter of the PV array and verify the effectiveness of the maximum power point tracking (MPPT) algorithm under various irradiations.
The conventional perturbation and observation algorithm (P&O) subjected to the sudden changes in irradiation would tend to divergence due to its lack of flexibility while adopting the constant control change at each iterative step. This thesis proposes a gain scheduling technique, a collection of the power gradient of the PV array related to various output voltages, is able to provide a correct direction in control change at each iterative step. Therefore, not only the numbers of the iteration and the steady-state power swing can be reduced, but the algorithm divergence is avoidable. In addition, since the power-to-voltage curve of the PV array is inherently nonlinear, a centered differentiation technique is adopted in place of the conventional Euler formula which is suffered from poor precision in calculating the gradient of the power curve, such that the MPP direction can be accurately located.
To further investigate the convergence and steady-state performance of the proposed algorithm, the irradiation control of the halide lamps and the load control of the PV array were implemented using the MATLAB featured with a Graphical User Interface (GUI) such that the real-time presentation of the power-to-voltage curve of the PV array and the convergent trajectory of the MPPT algorithm under various irradiations is achievable.

目錄
第一章 緒論 1
1.1研究背景 1
1.2文獻回顧 4
1.3研究動機 6
1.4研究方法與目的 8
1.5論文內容介紹 9
第二章 系統原理與分析 11
2.1前言 11
2.2太陽能發電系統 11
2.2.1太陽能板種類 11
2.2.2太陽能發電原理 15
2.2.3太陽能板特性 18
2.2.4太陽光源 23
2.2.5最大功率追蹤 25
第三章 最大功率追蹤演算法設計 35
3.1前言 35
3.2太陽能板工作點斜率鑑別 35
3.2.1尤拉微分法 35
3.2.2中間微分法 41
3.3控制器增益規劃 45
第四章 實驗平台硬體架構與軟體規劃 53
4.1前言 53
4.2系統架構 53
4.3硬體電路設計 55
4.3.1照度控制電路 55
4.3.2升壓式DC-DC轉換器 72
4.3.3霍爾感測器及電路 79
4.4韌體電路設計 83
4.5軟體程式規劃 88
第五章 實驗結果 93
5.1前言 93
5.2太陽能板特性曲線量測 93
5.3太陽能板最大功率追蹤 98
第六章 結論與未來展望 107
6.1結論 107
6.2未來展望 108
參考文獻 111
作者簡歷及相關著作 117

圖目錄
圖2.1太陽能電池發電原理圖 17
圖2.2太陽能板等效電路及外接負載圖 18
圖2.3太陽能板輸出電壓與輸出電流關係圖 21
圖2.4太陽能板輸出電壓與輸出功率關係圖 22
圖2.5太陽能板輸出電流與輸出功率關係圖 22
圖2.6光波長與短路電流曲線 25
圖2.7擾動觀察法架構示意圖 26
圖2.8擾動觀察法追蹤情況示意圖 27
圖2.9擾動觀察法控制流程圖 29
圖2.10增量電導法架構示意圖 32
圖2.11增量電導法追蹤情況示意圖 33
圖2.12增量電導法控制流程圖 34
圖3.1捨去誤差(Truncation Error)示意圖 36
圖3.2導函數均值定理示意圖 37
圖3.3前進微分近似法示意圖 38
圖3.4後退微分近似法示意圖 39
圖3.5中間微分近似法示意圖 40
圖3.6擾動觀察法及增量電導法MPPT方塊圖 42
圖3.7正常之太陽能板功率-電壓曲線 44
圖3.8太陽能電池輸出電壓與輸出功率之特性曲線 46
圖3.9照度變化時擾動觀察法的發散現象 47
圖3.10增益規劃表三維座標圖 50
圖3.11增益規劃擾動觀察法示意圖 51
圖3.12規劃增益擾動觀察法最大功率追蹤控制流程圖 52
圖4.1太陽能電池實驗平台整體架構圖 54
圖4.2鹵素燈照度控制電路架構圖 56
圖4.3二極體橋式全波整流示意圖 57
圖4.4具有濾波電容之實際單相二極體橋式整流器 57
圖4.5 RC電路的響應曲線 58
圖4.6 之理想二極體整流器 59
圖4.7整流器之波形：(a)圖4.6(a)；(b)圖4.6(b) 61
圖4.8理想情況下之線電流iS 62
圖4.9全橋式整流器輸入及輸出電壓之量測波形 63
圖4.10 IGBT電路符號及等效電路圖 64
圖4.11一般半導體功率開關典型的安全操作區域曲線及操作軌跡 66
圖4.12 (a) RC Snubber；(b) RCD Snubber 66
圖4.13功率電晶體驅動電路圖 70
圖4.14責任週期100%時照度控制電路之量測波形 71
圖4.15責任週期70%時照度控制電路之量測波形 72
圖4.16升壓式DC-DC轉換器 72
圖4.17連續導通模式：(a)開關導通；(b)開關截止 74
圖4.18升壓式DC-DC轉換器連續與不連續導通之邊界 76
圖4.19責任週期30％時升壓式DC-DC轉換器之量測波形 78
圖4.20責任週期70％時升壓式DC-DC轉換器之量測波形 78
圖4.21霍爾電流轉換器內部構造示意圖 79
圖4.22霍爾電流感測器電路原理 80
圖4.23霍爾電壓感測器電路原理 81
圖4.24 FIR數位濾波器轉移函數方塊圖 83
圖4.25 FPGA基本結構方塊圖 85
圖4.26 FPGA內的基本邏輯方塊組成圖 85
圖4.27 EPM7064S接腳圖 87
圖4.28 FPGA電路功能模擬圖 87
圖4.29電壓、電流信號回授給Matlab做運算之方塊圖 89
圖4.30功率-電壓之斜率計算Matlab演算方塊圖 90
圖4.31增益規劃法演算方塊圖 91
圖5.1太陽能板輸出電壓對功率之量測軌跡 94
圖5.2四階多項式曲線擬合與量測軌跡 98
圖5.3傳統擾動觀察法高照度變動至低照度時功率對電壓之變動軌跡 100
圖5.4增益規劃擾動觀察法高照度變動至低照度時功率對電壓之變動軌跡 100
圖5.5傳統擾動觀察法低照度變動至高照度時功率對電壓之變動軌跡 101
圖5.6增益規劃擾動觀察法低照度變動至高照度時功率對電壓之變動軌跡 101
圖5.7高照度變動至低照度時功率對時間之變化曲線 102
圖5.8低照度變動至高照度時功率對時間之變化曲線 102
圖5.9鹵素燈及太陽能板實體圖 103
圖5.10實驗平台系統實體圖 104
圖5.11整流器電路實體圖 104
圖5.12照度控制電路實體圖 105
圖5.13升壓式DC-DC轉換器電路實體圖 105

表目錄
表2.1太陽能板單板電氣規格(1000W/m2，25℃) 21
表2.2本實驗所使用之鹵素燈規格 24
表2.3擾動觀察法控制策略 28
表2.4增量電導法控制策略 31
表3.1增益規劃擾動觀察法之增益規劃表 49
表3.2增益規劃表中各項參數設定值 49
表3.3增益規劃與傳統擾動觀察法比較表 50
表4.1 TLP250光耦合器規格表 70
表5.1傳統與增益規劃擾動觀察法最大功率追蹤結果比較表 99

參考文獻

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