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系統識別號 U0002-1701200615521100
中文論文名稱 具穩壓控制之太陽能陣列最大功率儲能系統
英文論文名稱 Maximum power tracking with voltage regulator for the solar array power system
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 電機工程學系博士班
系所名稱(英) Department of Electrical Engineering
學年度 94
學期 1
出版年 95
研究生中文姓名 陳家宏
研究生英文姓名 Chia-Hong Chen
學號 890350050
學位類別 博士
語文別 中文
口試日期 2006-01-10
論文頁數 127頁
口試委員 指導教授-蕭瑛東
委員-高文秀
委員-卓明遠
委員-黃聰耀
委員-黃聰亮
委員-蕭瑛東
中文關鍵字 太陽能陣列  三點權位法  最大功率點追蹤  串接型返馳式電壓轉換器 
英文關鍵字 Solar array  Maximum Power Point Tracking(MPPT)  Three-Point Weight Comparison Method(TPWCM)  Series Connect Boost Unit(SCBU)  flyback converter 
學科別分類
中文摘要 在傳統太陽能陣列發電系統中使用串聯或並聯二極體的方式並不能有效改進發電效率降低的問題,即使在電力轉換器前加上最大功率點追蹤電路也無法改善此問題。本論文提出一種改善太陽能陣列發電系統中,因某單一模組部份遮蔭或特性較差時,而使得整體發電效率嚴重下降的解決方法,並維持輸出直流電壓的穩定。本文提出的方法是在每一片太陽能電池模組輸出加上一個高效率之返馳式串聯連接的昇壓轉換器,其線性的輸出、入特性再結合三點權位最大功率追蹤電路,將使得單片太陽能電池模組同時擁有定電壓輸出及最大功率追蹤雙重特性。電路結構簡單,體積也小,幾乎只要放在電池模組背後的接線盒內即可。電池模組依然可以任意的串、並聯連接,若是模組發生部份遮蔭現象,也只影響該模組,對其他模組的發電量毫無影響。甚至不同品牌的太陽能電池模組,只要輸出電壓相近皆可串、並聯使用,不影響整體發電效率。另外,本文利用串接型返馳式電壓轉換器類似自耦變壓器特性,設計一昇壓電路,用來解決蓄電池組並聯充電與放電的問題,並加快充電時間。
英文摘要 The electric power supplied by a photovoltaic power generation system depends on the solar radiation and temperature. Designing efficient PV systems heavily emphasizes to track the maximum power operating point. This work develops a novel three-point weight comparison method that avoids the oscillation problem of the perturbation and observation algorithm which is often employed to track the maximum power point. Furthermore, this study proposes the series connected boost unit integrated with the proposed maximum power point tracking algorithm to improve the efficiency of the solar system. Finally, this work implements a low cost control unit on a single chip based on the proposed method to adjust the output voltage of the solar cell array. Finally, experimental results confirm the performance of the proposed method.
論文目次 目 錄
中文摘要…………………………………………………I
英文摘要…………………………………………………II
誌謝………………………………………………………III
圖表索引…………………………………………………VII
符號說明…………………………………………………XIV
第一章 緒論……………………………………………1
1.1 國內目前能源使用概況……………………………1
1.2 太陽能電池之發展與現況…………………………4
1.2.1 太陽能電池之發展………………………………4
1.2.2 太陽能電池目前之現況…………………………5
第二章 太陽能發電簡介………………………………8
2.1 基本介紹……………………………………………8
2.2 太陽能電池基本原理………………………………10
2.3 太陽能電池之種類…………………………………14
2.3.1 單晶矽太陽電池…………………………………14
2.3.2 多晶矽太陽電池…………………………………15
2.3.3 非晶矽太陽電池…………………………………15
2.4 太陽能電池等效電路………………………………16
2.5 太陽能電池的串並聯問題…………………………21
2.5.1 串聯問題…………………………………………21
2.5.2 並聯問題…………………………………………24
2.5.3 太陽能電池陣列…………………………………26
第三章 最大功率追蹤控制法則………………………29
3.1 電壓迴授法…………………………………………29
3.2 功率迴授法…………………………………………31
3.3 擾動觀察法…………………………………………32
3.4 增量電導法…………………………………………36
3.5 兩點功率比較法的缺失……………………………38
第四章 三點權位比較法……………………………40
4.1 三點權位比較法原理………………………………40
4.2 三點權位比較演算法………………………………43
第五章 串接型返馳式直流昇壓轉換器……………46
5.1 基本結構……………………………………………46
5.2 效率…………………………………………………48
5.3 在太陽能發電模組中的應用………………………50
5.4 太陽能模板串、並聯結構的應用…………………54
第六章 儲能系統………………………………………56
6.1 電池的選擇…………………………………………56
6.2 充電方式介紹………………………………………57
6.2.1 單階段充電法……………………………………57
6.2.2 兩階段混合充電法………………………………60
6.2.3 多階段定電流定電壓混合充電法………………61
6.2.4 脈衝電流充電法…………………………………63
6.2.5 串接式脈衝電流充電法…………………………66
6.3 蓄電池組……………………………………………70
第七章 實驗結果……………………………………75
7.1設計直流昇壓轉換器………………………………75
7.2設計波寬調變電路…………………………………80
7.3 A/D、D/A及單晶片設計……………………………83
7.4 硬體架構及線路……………………………………86
7.5 太陽能電池模擬光源系統…………………………91
7.6 太陽能電池模組遮蔭情形…………………………93
7.7 三點權位比較法之MPPT……………………………98
7.8 以VHDL實現太陽能電池穩壓器…………………104
第八章 結論………………………………………110
第九章 未來展望…………………………………113
參考資料……………………………………………116
附錄(太陽能發電系統設計範例)…………………121
作者簡歷……………………………………………125
圖 目
圖2.1、太陽電池基本結構斷面圖……………………………………10
圖2.2、光電轉換基本原理,(a)基本結構,(b)受光照射時載子分
離,(c)載子堆積,(d)加上負載可引出電流………………12
圖2.3、光譜波長與感應短路電流的相對曲線圖……………………13
圖2.4、太陽光譜分佈曲線圖……………………………………………13
圖2.5、太陽電池等效電路……………………………………………16
圖2.6、太陽能電池電流-電壓特性曲線圖……………………………18
圖2.7、太陽能電池功率-電壓特性曲線圖……………………………19
圖2.8、太陽電池串聯後的特性曲線……………………………………21
圖2.9、特性曲線不同的太陽電池串聯後的結果………………………22
圖2.10、太陽電池晶片被遮蔭前、後的等效電路,(a)遮蔭前,(b)遮
蔭後…………………………………………………………23
圖2.11、太陽電池並聯後的特性曲線,(a)特性相同,(b)特性不同24
圖2.12、太陽電池模組一般並聯結構…………………………………25
圖2.13、太陽電池模組並聯加入防逆流二極體結構…………………25
圖2.14、不同特性模組並聯後總功率將下降…………………………26
圖2.15、太陽電池陣列若其中晶片被部份遮蔭情形…………………27
圖3.1、電壓迴授控制法………………………………………………30
圖3.2、衛星電力副系統控制圖………………………………………30
圖3.3、功率迴授控制法………………………………………………31
圖3.4、擾動觀察法基本流程…………………………………………33
圖3.5、擾動觀察法判斷不良的情形………………………………34
圖3.6、擾動觀察法可能發生誤判的原因……………………………35
圖3.7、增量電導法控制程式流程……………………………………37
圖3.8、照度變化在偵測功率時會發生誤判(a)同一照度,(b)照度變化
時…………………………………………………………3 9
圖4.1、最大功率點附近資料型態……………………………………41
圖4.2、三點權位比較法中照度快速變化時功率點可能被偵測情況42
圖4.3、照度變化時偵測不同的功率點而工作點卻不會移動………42
圖4.4(a)、三點權位比較法控制流程圖……………………………43
圖4.4(b)、三點權位比較法控制流程圖(續)……………………44
圖5.1、返馳式(flyback)轉換器基本架構……………………………46
圖5.2、串接型返馳式直流電壓調整器結構…………………………47
圖5.3、串接結構的示意圖……………………………………………48
圖5.4、串接式轉換器整體效率計算圖示……………………………49
圖5.5、串接結構之太陽能電池可穩定輸出電壓……………………51
圖5.6、串接結構返馳式轉換器之輸入電壓線性迴授模擬電路52
圖5.7、模擬結果,Vb:輸入電壓,Vf:返馳式壓差,Vout:輸出電
壓…………………………………………………………5 2
圖5.8、完整太陽能電池模組之電壓調整器的架構…………………53
圖5.9、附電壓調整器之太陽能模組的串、並聯結構圖……………54
圖6.1、定電壓充電法…………………………………………………58
圖6.2、定電流充電法…………………………………………………58
圖6.3、定功率充電法…………………………………………………59
圖6.4、定電壓定電流充電法…………………………………………60
圖6.5、雙定電流充電法………………………………………………61
圖6.6、多段定電流定電壓充電法……………………………………62
圖6.7、多段定電流充電法……………………………………………62
圖6.8、正脈衝電流充電法……………………………………………63
圖6.9、多階段混合脈衝充電法(a)(b)(c)三種類型V-I 關係………64
圖6.10、ReflexTM 脈衝充電法…………………………………………65
圖6.11、獨立型太陽能發電系統能量傳遞變化曲線…………………67
圖6.12、蓄電池設計不當每日充放電容量將與日遞減………………68
圖6.13、串接型返馳式脈衝電流充電法結構圖………………………69
圖6.14、太陽能發電系統常使用的蓄電池串、並聯結構……………71
圖6.15、加入保護二極體之蓄電池儲能系統…………………………72
圖6.16、穩壓型太陽能發電及儲能系統架構圖………………………73
圖6.17、利用蓄電池電壓來決定太陽能電池工作點………………74
圖7.1、太陽電池最佳效率點與阻抗關係……………………………75
圖7.2、昇壓轉換器基本結構…………………………………………76
圖7.3、昇壓轉換器之轉換率與工作週期之關係……………………76
圖7.4、最大功率點與阻抗之設計…………………………………78
圖7.5、轉換器輸出電流在連續導通與不連續導通模式之邊界……79
圖7.6、波寬調變輸出電路(選用TL494 設計)…………………81
圖7.7、迴授信號與D 值變化範圍………………………………82
圖7.8、EM78P447SB 內部硬體架構圖……………………………84
圖7.9、ADC0809 內部架構圖…………………………………………85
圖7.10、MPPT 整體實驗硬體架圖.……………………………………86
圖7.11、昇壓轉換器電路圖……………………………………………87
圖7.12、波寬調變輸出電路圖…………………………………………87
圖7.13、類比/數位、數位/類比及單晶片電路圖……………………88
圖7.14、昇壓轉換器實體照片…………………………………………89
圖7.15、類比/數位、數位/類比及單晶片電路實體照片……………89
圖7.16、整體系統架構實體照片………………………………………90
圖7.17、模擬光源之製作架構圖………………………………………91
圖7.18、太陽能電池電流-電壓(I-V)特性曲線(強照度與弱照度)…92
圖7.19、太陽能電池功率-電壓(P-V)特性曲線(強照度與弱照度)…93
圖7.20、弱照度下的電流-電壓(I-V)曲線……………………………94
圖7.21、弱照度下的功率-電壓(P-V)曲線……………………………94
圖7.22、弱照度下遮蔭一只晶片的I-V 曲線…………………………95
圖7.23、弱照度下遮蔭一只晶片的P-V 曲線…………………………95
圖7.24、強照度下的電流-電壓(I-V)曲線……………………………96
圖7.25、強照度下的功率-電壓(P-V)曲線……………………………96
圖7.26、強照度下遮蔭一只晶片的I-V 曲線………………………97
圖7.27、強照度下遮蔭一只晶片的P-V 曲線………………………97
圖7.28、強照度下太陽電池之電壓與工作週期波形…………………99
圖7.29、強照度下太陽電池之電流與工作週期波形…………………99
圖7.30、弱照度下太陽電池之電壓與工作週期波形………………100
圖7.31、弱照度下太陽電池之電流與工作週期波形……………100
圖7 . 3 2、照度由弱變化至強時的電壓、電流變化波形………1 0 1
圖7.33、照度由強變化至弱時的電壓、電流變化波形…………101
圖7.34、照度由零漸近增加至弱照度再增至強照度,後再降至弱照
度、最終降至零之電壓、電流及功率的變化波形……102
圖7.35、弱照度變化至強照度之電壓、電流X-Y 曲線…………102
圖7.36、照度由零慢慢增加至強照度之電壓、電流X-Y 曲線…103
圖7.37、照度由零迅速增加至強照度之電壓、電流X-Y 曲線…103
圖7.38、三點權位法MPPT 電路架構……………………………105
圖7.39、以VHDL 實現三點權位法MPPT 電路板……………106
圖7.40、太陽能電池穩壓電路板實測輸出電壓波形與D 值波形107
圖7.41、負載電阻為100Ω時的輸出波形……………………………108
圖7.42、負載電阻為20Ω時的輸出波形……………………………108
表 目
表1.1、台電長期電源開發方案9405 版……………………………2
表1.2、全國能源會議中對太陽光電系統設置目標……………………3
表10.1、小家庭電氣產品每日用電量預估表…………………………123
參考文獻 [1]蔡勳雄,“全球環保趨勢與我國能源政策,”國家政策論壇,第一卷,第一期,三月,中華民國九十年。
[2]“全國能源會議”結論報告書,第二次會議,六月廿、廿一日,中華民國九十四年。
[3]台灣電力公司全球資訊網,電源開發方案,http://www.taipower.com.tw/home_6.htm。
[4]莊嘉琛 編譯,太陽能工程-太陽電池篇,全華圖書公司,86年8月。
[5]R. H. Wills, “Maximum Power Point Tracking Controllers for Telecom Applications-Analysis & Economics,” 26th of Photovoltaic Science Conference (PVSC), Sept. 30 - Oct. 3, 1997, pp. 1109-1112.
[6]H. E. S. A. Ibrahimm, and F. F. Houssiny, “Microcomputer Controlled Buck Regulator for Maximum Power Point Tracker for DC Pumping System Operates from Photovoltaic System,” Proceedings of the IEEE International Fuzzy Systems Conference, Vol. 1, August 22-25, 1999, pp. 406-411.
[7]J. H. R. Enslin, and D. B. Snyman, “Simplified Feed-Forward Control of the Maximum Power Pont in PV Installations,” Proceedings of the IEEE Power Electronics Motion Control International Conference, 1992, Vol. 1, pp. 548-553.
[8]H. Sugimoto, and H. Deng, “A New Scheme for Maximum Photovoltaic Power Tracking Control,” Proceedings of the IEEE Power Conversion Conference, Nagaoka 1997, Vol. 2, pp. 691-696.
[9]P. Midya, P. T. Kerin, R. J. Turnbull, R. Reppa, and J. Kimball, “Dynamic Maximum Power Point Tracker for Photovoltaic Applications,” Proceedings of the IEEE Power Electronics Specialists Conference (PESC), 27th Annual, Vol. 2, 1996, pp. 1710-1716.
[10]J. H. R. Enslin, “Maximum Power Point Tracking: a Cost Saving Necessity in Solar Energy Systems,” Industrial Electronics Society, 16th Annual Conference of IEEE, Vol. 2, 1990, pp. 1073-1077.
[11]K. H. Hussein, I. Muta, T. Hoshino, and M. Osakada, “Maximum Photovoltaic Power Tracking: an algorithm for rapidly changing atmospheric condition,” Proceedings of the IEE Gener. Transm. Distrib, Vol. 142, No. 1, January 1995, pp. 59-64.
[12]E. Koutroulis, K. Kalaitzakis, and N. C. Voulgaris, “Development of a Microcontroller-Based Photovoltaic Maximum Power Point Tracking Control System,” IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 16, No. 1, January 2001, pp. 46-54.
[13]M. Matsui, T. Kitano, D. Xu, and Z. Yang, “A New Maximum Photovoltaic Power Tracking Control Scheme Based on Power Equilibrium at DC Link,” Proceedings of the Industrial Electronics Society, The 25th Annual Conference of the IEEE, Vol. 1, 1999, pp. 804-809.
[14]H. J. Beukes, and J. H. R. Enslin, “Analysis of a New Compound Converter as MPPT, Battery Regulator and Bus Regulator for Satellite Power Systems,” IEEE Transations on Energy Conversion, Vol. 1, 1993, pp. 846-852.
[15]R. M. Button, “An advanced photovoltaic array regulator module,” Proceedings of the 31st Intersociety Energy Conversion Engineering Conference (IECEC), Vol. 1, Aug. 11-16, 1996, pp. 519 - 524.
[16]M. Bodur, and M. Ermis, “Maximum Power Point Tracking for Low Power Photovoltaic Solar Panels,” Proceedings of the IEEE Electro Technical Conference, Vol. 2, 1994, pp. 758-761.
[17]N. Mohan, and T. M. Undeland, W. P. Robbins, POWER ELECTRONICS, 2nd Edition, by John Wiley & Sons, Inc. , 1995.
[18]D. B. Snyman, and J. H. R. Enslin, “Analysis and Experimental Evaluation of a New MPPT Converter Topology for PV Installations,” Proceedings of the International Industrial Electronics, Control, Conference, Vol. 1, 1992, pp. 542-547.
[19]F. Giraud, and Z. M. Salameh, “Analysis of the Effects of a Passing Cloud on a Grid-Interactive Photovoltaic System with Battery Storage using Neural Networks,” IEEE Transations on Energy Conversion, Vol.14, No.4, December 1999, pp. 1572-1577.
[20]J. H. R. Enslin, and D. B. Snyman, “Combined Low- Cost, High-Efficient Inverter, Peak Power Tracker and Regulator for PV Applications,” IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.6, No.1, January 1991, pp. 73-82.
[21]莊志遠,微電腦控制多相快速充電器之設計考量,清雲科技大學電機工程研究所碩士論文,2004。
[22]S. Duryea, S. Islam, and W. Lawrance, “A Battery Management System for Stand Alone Photovoltaic Energy System,” Industry Applications Magazine, IEEE Vol. 7, Issue 3, May-June 2001, pp. 67-72.
[23]A. Brambilla, M. Gambarara, A. Garutti, and F. Rouchi, “New Approach to Photovoltaic Arrays Maximum Power Point Tracking,” Proceedings of the IEEE Power Electronics Specialists Conference, PESC 99. 30th Annual IEEE, Vol. 2, 1999, pp. 632-637.
[24]C. Hua, and C. Shen, “Control of DC/DC Converters for Solar Energy System with Maximum Power Tracking,” Industrial Electronics, Control and Instrumentation, Proceedings of the 23rd International Conference, Vol. 2, 1997, pp. 827-832.
[25]C. T. Pan, J. Y. Chen, C. P. Chu, and Y. S. Huang, “A Fast Maximum Power Point Tracker for Photovoltaic Power System,” Industrial Electronics Society Proceedings, The 25th Annual Conference of the IEEE, Vol. 1, 1999, pp. 390-393.
[26]W. Swiegers, and J. H. R. Enslin, “An Integrated Maximum Power Point Tracker for Photovoltaic Panels,” Proceedings of the Industrial Electronics, 1998, Vol. 1, pp. 40-44.
[27]劉銘中,張獻中編著,EM78P447S微控制器原理與I/O應用,儒林圖書公司,2000年12月初版。
[28]譚振文編著,EM78電子隨身卡製作原理,儒林圖書公司,2000年8月初版。
[29]黃顯川編著,EM78447活用與實作,高立圖書公司,1999年6月。
[30]E. L. Dereniak, and D. G. Crowe, Optical Radiation Detectors, John Wiley & Sons Ltd., 1984.
[31]P. R. K. Chetty, Satellite Technology and its Applications. 2nd Edition, Mc Graw Hill.
[32]L. Castaner, S. Silvestre, Modelling Photovoltaic System Using PSpice, John Wiley & Sons Ltd., 2002.
[33]I. Glasner, and J. Appelbaum, “Advantage of Boost VS. Buck Topology for Maximum Power Point Tracker in Photovoltaic Systems,” Proceedings of the IEEE Electrical and Electronics Engineers in Israel, 1996, pp. 355-358.
[34]M. G. Simoes, and N. N. Franceschetti, “Fuzzy Optimisation Based Control of a Solar Array System,” Proceedings of the IEEE Electronic Power Application, Vol. 146, No. 5, September 1999, pp. 552-558.
[35]G. M. Masters, Renewable and efficient electric power systems, John Wiley & Sons Inc., 2004.
[36]T. F. Wu, C. H. Chang, and Y. H. Chen, “a Fuzzy-Logic-Controlled Single-Stage Converter for PV-Powered Lighting System Applications,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 47, Issue 2, April 2000, pp. 287-296.
[37]I. S. Cha, J. G. Choi, and G. J. Yu, “M.P.P.T. for Temperature Compensation Photovoltaic System with Neural Networks,” Proceedings of the IEEE 26th PVSC, Sept. 30 - Oct. 3, Anaheim CA, 1997, pp. 1321-1324.
[38]W. F. Su, S. J. Huang, and C. E. Lin, “Economic Analysis for Demand-Side Hybrid Photovoltaic and Battery Energy Storage System,” IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 37, No. 1, Jan. - Feb. 2001, pp. 171-177.
[39]C. Y. Won, D. H. Kim, S. C. Kim, W. S. Kim, and H. S. Kim, “A New Maximum Power Point Tracker of Photovoltaic Arrays Using Fuzzy Controller,” Proceedings of the 25th Annual PESC, Vol. 1, IEEE, 1994, pp. 396-403.
[40]O. Rodrigues, and P. Ghosh, “Series interconnection of DC-DC converters for output control,” Power Electronics in Transportation, 2004, pp. 133 - 137.
[41]H. Oman, “Space Solar Power Development,” IEEE AES Systems Magazine, Vol. 152, February 2000, pp. 3-8.
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