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太陽光電能之轉換與控制

太陽光電能之轉換與控制. 周宏亮 2008/11/26. 國立高雄應用科技大學 電機系. 電力電子應用研究室. 內容. 太陽光電能之發展契機 太陽能發電系統 孤島現象之相關法規 孤島現象之偵測方法 最大功率追蹤方法 電流控制式電能轉換器設計實例 電壓控制式電能轉換器設計實例 結論. 太陽光電能之發展契機 (1/12). 溫室效應 ， 全球氣候變遷 ， 全球暖化 CO 2 成長 ： 我國 1990-2006 年平均成長率 5.6% ；其中 1990-1998 為 6.9% ， 1999-2006 年為 4.3% 。

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太陽光電能之轉換與控制

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  1. 太陽光電能之轉換與控制 周宏亮 2008/11/26 國立高雄應用科技大學 電機系 電力電子應用研究室

  2. 內容 • 太陽光電能之發展契機 • 太陽能發電系統 • 孤島現象之相關法規 • 孤島現象之偵測方法 • 最大功率追蹤方法 • 電流控制式電能轉換器設計實例 • 電壓控制式電能轉換器設計實例 • 結論

  3. 太陽光電能之發展契機(1/12) • 溫室效應，全球氣候變遷，全球暖化 • CO2成長：我國1990-2006年平均成長率5.6%；其中1990-1998為6.9%，1999-2006年為4.3%。 • 影響未來能源選擇：因應全球溫室氣體管制趨勢，高碳能源使用受限，無碳與低碳能源發展迅速。 說明：a. 不包括國際航運排放CO2， b. 以「購買力平價」（purchase power parity）及2000年美元幣值計。 OECD (Organization for Economic Cooperation and Development) 資料來源：International Energy Agency, CO2 Emissions from Fuel Combustion, 2007.

  4. 太陽光電能之發展契機(2/12) • 溫室效應，全球氣候變遷，全球暖化 (1855－1995全球平均地球表面溫度的變化年平均值) (資料來源：WMO,1996)

  5. 太陽光電能之發展契機(3/12) • 溫室效應，全球氣候變遷，全球暖化  溫度快速升溫情況，而全球氣候和生態環境將產生劇烈的變化，包括： • 海平面的上升。  根據氣候變遷政府間專家委員會（IPCC）所公布2001年最新評估報告指出，由於人類持續排放溫室氣體的結果，預估在2100年時，全球平均地面溫度可能升高攝氏1.4到5.8度。  聯合國「政府間氣候變遷問題小組」2007年2月在所提重大報告的第一冊中預言，海平面在2100年以前，將上升18至59公分。  IPCC第四次評估報告重點內容，應於2100年將全球溫度上升控制在2℃以內，奠立全球本世紀溫室氣體減緩與調適政策規劃基礎。 資料來源: 諾貝爾和平獎，IPCC第四次評估報告

  6. 太陽光電能之發展契機(4/12) • 溫室效應，全球氣候變遷，全球暖化 • 全球氣候變遷，暴雨或乾旱，氣候變的異常，例如熱浪、寒流、颱風、水災或旱災等造更多損害。 • 土地沙漠化，生態環境改變，動植物生態發生變化大規模的遷移等。 • 因天然災害導致的全球經濟與保險損失是無法評估的。

  7. 太陽光電能之發展契機(5/12) • 京都議定書 • 生效日：2005年2月16日正式生效。 • 簽署狀況：177個締約國；惟美國尚未批准。 • 減量目標：規範38個工業國家及歐盟須在2008~2012年間，將其溫室氣體排放量降至1990年排放水準平均再減5.2％。 資料來源:經濟部能源會

  8. 太陽光電能之發展契機(6/12) • 能源儲存量有限，能源價格飛漲 • 我國能源供給結構以化石能源為主，其中碳排放量較高之煤炭與石油占83.25%，低碳能源僅占16.75%。 • 我國自產能源不豐，對進口能源供給依賴甚重，進口能源依存度達99.22%。 • 其中，對石油依賴尤深，石油依存度達51.14%，面對高油價時代，應積極減少對石油之依賴，以降低油價高漲之衝擊。 資料來源：BP statistical review of world energy June 2008

  9. 太陽光電能之發展契機(7/12) • 國家發展重點計畫 :再生能源發展 重點: 加速法規制度建置、擴大新技術與創新應用展示，以營造有利環境。 資料來源:經濟部能源會

  10. 太陽光電能之發展契機(8/12) • 2008年7月永續能源政策綱領 • 政策目標：「能源安全、環境保護、經濟發展」  未來8年每年提高能源效率2％以上，使能源密度於2015年較2005年下降20%以上；並藉由技術突破及配套措施，2025年下降50%以上。  全國二氧化碳排放減量，於2020年間回到2008年排放量，於2025年回到2000年排放量，發電系統中低碳能源占比由40%增加至2025年的55%以上。  未來4年內建立符合國內經濟成長率的能源安全供應系統。 • 政策原則：「二高二低」  能源消費與能源供應兩者均須遵守「高效率」、「高價值」、「低排放」及「低依賴」的二高二低基本原則。 • 各國政府之獎勵與補助

  11. 太陽光電能之發展契機(9/12) • 推動能源結構改造與效率提升 • 積極發展無碳再生能源，有效運用再生能源開發潛力，於2025年占發電系統的15%。  以風力發電、太陽光電、生質能為主要推動項目，致力技術研發降低成本及提高設置誘因，並輔以推動其他再生能源發電如地熱、海洋能、氫能等，全面有效運用再生資源，以達目標 。 我國再生能源推動現況與未來發展目標 資料來源:經濟部能源會

  12. 太陽光電能之發展契機(10/12) • 太陽光電技術 • 全球設置量及成長率：  2007年全球設置量為2,826 MWp，較2006年成長 62%，前5年年平均成長率為43%，以年成長率31%樂觀估計2010年裝置量可達6,266 MWp。 • 全球市場(設置量)結構分佈：  全球太陽電池市場分佈集中，自2003~2006年全球十大市場均占90%，2007年德、西、日、美即占85%市場。 資料來源：SolarBuzz；工研院太陽光電科技中心整理(2008/09)

  13. 7000 MWp 單位： 6266 5853 6000 2010 31 % 樂觀預估至 年，成長率 5000 4438 4262 4206 4000 2010 16% 保守預估至 年，成長率 3314 2826 3000 2001~2007 43% 年成長率 2000 1744 1465 1091 1000 522 408 306 266 152 90 76 29 44 0 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 太陽光電能之發展契機(11/12) • 太陽光電技術 全球太陽光電市場設置量 2007年太陽光電電池主要市場國家 資料來源：SolarBuzz；工研院太陽光電科技中心整理(2008/09)

  14. 太陽光電能之發展契機(12/12) • 太陽光電技術 • 太陽電池產品發展趨勢：  矽晶太陽電池2007年占有率89.6%，預估至2020年仍是市場主流。  次世代矽薄膜太陽電池2010年市場將占有15% 。  第三代太陽電池預估2020年約占8% 。 • 全球產業生態：  太陽電池產業集中於少數幾家大廠，2007年茂迪產量176.4MWp 為全球第6位。 太陽電池產品趨勢 資料來源：工研院太陽光電科技中心整理(2008/09)

  15. +V +I -V 太陽能發電系統(1/17) • 太陽能電池之電氣特性 • 太陽能電池等效電路模型 • 常用太陽電池電路符號 • 忽略並∕串聯電阻Rsh和Rs的情形下，其輸出功率可表示

  16. 太陽能發電系統(2/17) • 太陽能電池之電氣特性 • 不同日照量下的特性曲線圖 • 太陽電池日照強度增強時短路電流與最大輸出功率升高

  17. 太陽能發電系統(3/17) • 太陽能電池之電氣特性 • 不同溫度下的特性曲線圖 • 太陽電池溫度升高時輸出電壓與最大輸出功率降低

  18. 太陽能發電系統(4/17) • 不同太陽電池材料種類與效率狀況 資料來源:工研院

  19. 太陽能發電系統(5/17) • 不同太陽電池材料種類 資料來源:工研院

  20. 太陽能發電系統(6/17) • 太陽能發電系統應用 • 獨立型發電系統 • 市電併聯型太陽能發電系統 • 緊急防災型(混合型)太陽能發電系統

  21. 太陽能發電系統(7/17) • 太陽能發電系統應用 • 獨立型太陽能發電系統之優缺點為： • 優點： • 所產生之電力自給自足，而不影響到其他的系統。 • 缺點： • 蓄電池的價錢日異昂貴、體積大與重量重，此外，還有電池維護與更換之問題； • 分散式電源無法發電時，若蓄電池電力消耗殆盡之後，負載便無電可用。

  22. 太陽能發電系統(8/17) • 太陽能發電系統應用 • 市電併聯型太陽能發電系統的優缺點為： • 優點： • 市電可以提供系統不足之電力，可免除昂貴且佔空間的蓄電池組設備； • 系統架構簡單，如有裝置逆潮流系統，還可以回賣電力給電力公司。 • 缺點： • 市電中斷時市電倂聯型分散式發電系統之電能轉換器將自動關機，無法持續提供負載電能，此時整體系統電力將中斷而無提供緊急電力之防災供電功能。

  23. 太陽能發電系統(9/17) • 太陽能發電系統應用 • 緊急防災型(混合型)太陽能發電系統的優缺點為： • 優點： • 當市電異常斷電時，能持續供電給特殊負載使用，以提高負載供電之可靠度。 • 缺點： • 蓄電池的價錢日異昂貴、需經常維護、體積大、重量重、建置成本較高，系統較複雜。

  24. 太陽能發電系統(10/17) • 太陽光電能產業電力轉換器之關鍵技術 • DC / DC電力轉換器 • DC / AC逆變器與市電併聯技術 • 電池充 / 放電技術 • 高效率電力電子電路架構與控制技術 • 最大功率追蹤技術 • 孤島偵測技術 • 上述最大功率追蹤技術與孤島偵測技術技術為目前太陽光電能產業電力轉換器之關鍵技術急待加強之重點技術

  25. 太陽能發電系統(11/17) • 不斷電電源產業之關鍵技術 • DC / DC電力轉換器 • DC / AC電力轉換器 • 電池充 / 放電技術 • 高效率電力電子電路架構與控制技術 • 上述四項技術與不斷電電源產業技術關聯度高

  26. 太陽能發電系統(12/17) • 主動式電力濾波器與固態需功補償器產業電力轉換器之關鍵技術 • DC / AC電力轉換器 • DC / AC逆變器與市電併聯技術 • 上述兩項技術與主動式電力濾波器與固態需功補償器產業有高度技 術重疊

  27. 太陽能發電系統(13/17) • 依電能轉換器控制不同區分： • 電流控制式電能轉換器 • 電壓控制式電能轉換器

  28. 太陽能發電系統(14/17) • 電能轉換器控制方法 • 電流控制式電能轉換器：控制標地為電能轉換器之輸出電流 基本原理： 圖中可看出其包含一市電電壓源、一電能轉換器輸出之電流源及一負載。若市電電壓為一正弦波，則可表示為： 其中Vs為相電壓振幅之大小，而電能轉換器之輸出電流可以被控制為︰ 其中Ic為電流振幅之大小。 電流控制式電能轉換器電路圖等效電路

  29. 太陽能發電系統(15/17) • 電能轉換器控制方法 • 傳統電壓控制式電能轉換器：控制標地為電能轉換器之輸出電壓 基本原理： 若市電電壓為一非理想弦波(市電電壓畸變)，則可表示為： 其中Vs和w各別為基波之峰值電壓與基波之角頻率，和vsd(t)為市電電壓失真之成份。 電壓控制式電力轉換器之輸出電壓可表示為： 電壓控制式電能轉換器電路圖等效電路

  30. 太陽能發電系統(16/17) • 電能轉換器控制方法 • 傳統電壓控制式電能轉換器 基本原理： • 電壓控制式電力轉換器之輸出電流可表示如下： • 單相市電併聯型電壓源型電壓控制式電力轉換器送回電源之基波實功與基波虛功分別為： • 傳統電壓控制式電力轉換器必需藉由輸出電壓的振幅與相位之雙迴路控制方能達到單位功因之目的。 其中

  31. 太陽能發電系統(17/17) • 電能轉換器控制方法 • 電流控制式電能轉換器：控制標地為電能轉換器之輸出電流 優點：響應時間快速。 缺點：運轉成防災型備用電力時，則必須再多一電壓迴路以控制該輸出 電壓，其控制電路相對較為複雜。 • 傳統電壓控制式電能轉換器：控制標地為電能轉換器之輸出電壓 優點：只需配合電池提供電力，便可以很容易的操作成防災型備用電力。 缺點：必需藉由控制電能轉換器輸出電壓之振幅及相位雙迴路，因此控 制電路複雜且雙迴路控制導致暫態響應特性不佳。

  32. 孤島現象之相關法規(1/12) • 何謂孤島運轉 孤島運轉是指電力系統電源因故中斷時，再生能源發電系統與負載未切離電力系統網路而呈現獨立的電力供應系統。

  33. 孤島現象之相關法規(2/12) • 系統示意圖 • 電力轉換器實功率 =負載實功率 • 電力轉換器虛功率 =負載虛功率

  34. 孤島現象之相關法規(3/12) • 孤島運轉將造成許多不良的影響： • 當電力網路供電中斷後，電力網路將緊急進行轉供和修復動作。但由於此一分散式系統仍然持續獨立供電給負載，極可能造成維修人員觸電的危險。 • 以太陽能供電系統而言，在孤島現象發生時，由於其失去電力網路電壓做為參考訊號；所以電力轉換器的輸出電壓、電流及頻率將出現不穩定的情況；若未及時將其切離系統，會造成某些敏感性負載受到損害。 • 與電力網路連結運轉的分散式電源系統若是三相系統，若發生孤島現象將形成欠相供電，而造成用戶三相負載的不良影響。 • 孤島現象亦將影響電力網路的保護協調動作。 • 於電力網路恢復供電時可能造成同步的問題。

  35. 孤島現象之相關法規(4/12) • 美國：IEEE Std. 929-2000、IEEE Std. 1547.1、UL1741 • 德國：VDE 0126-1-1、G83 • 日本：JIS C8962、C84.1-1995 • IEEE Std. 929-2000用於10KW之PV小型系統裝置。 • 亦適用於中型10KW以上至500KW。 • 大型系統500KW以上與市電系統容量相關。

  36. 孤島現象之相關法規(5/12) • 品質因數 Q：品質因數 R：負載電阻值 C：負載電容值 L：負載電感值 Q：品質因數 P ：電阻實功量 varc：電感虛功量 varL：電容虛功量

  37. 孤島現象之相關法規(6/12) • 諧振頻率 f ：共振頻率 C：負載電容值 L：負載電感值 • 諧振特性

  38. 孤島現象之相關法規(7/12) • 頻率： (a) 小型太陽能系統需有一固定運轉頻率範圍59.3-60.5Hz。(北美)(依各國不同所定) (b) 對於中型和大型太陽能系統，市電必須能夠調整至特殊之環境運轉頻率。 (c) 當市電頻率超出59.3-60.5Hz範圍時，換流器需緊急在6週期內偵測出並停止運轉。

  39. 孤島現象之相關法規(8/12) • 波形畸變： (a) 換流器額定輸出之電流總諧波失真需小於 5%。 (b) 偶次諧波範圍須小於< 25%奇次諧波，偶次諧波將在下列表中。

  40. 孤島現象之相關法規(9/12) • 功率因數： 當換流器輸出功率超過10%額定輸出功率時，太陽能系統必須操作於在功率因數> 0.85(落後或超前)，以防止對系統注入過多之無效功率。目前大部份市電併聯型太陽能電力轉換器皆設計接近單位功因。

  41. 孤島現象之相關法規(10/12) • 配電電壓： 整體系統以120伏特作為系統標稱電壓。

  42. 孤島現象之相關法規(11/12) • 孤島保護有效性建議測試電路如下圖： 抗孤島之測試電路 • 選擇Q = 2.5(相當於功率因數0.37)或Q < 2.5作為測試電路之量測依據。

  43. 孤島現象之相關法規(12/12) • 負載實功對應換流器輸出比例：

  44. 孤島現象之偵測方法(1/5) 孤島效應偵測目前方法之分類： • 主動偵測方法：主動的對系統的電壓或頻率施以週期性之擾動，並觀察電力網路是否受到影響以做為判斷依據。 • 被動偵測方法：利用監測電力網路的狀態來達成，如以電壓大小、頻率為電力網路是否己經中斷的依據。 • 配電系統層級偵測方法：此偵測方法不需對電能轉換器之孤島運轉偵測額外多控制機制，在電力網路的配電線路上隨時加裝一電感及電容器以破壞系統平衡狀態。 • 通信協定法：通信協定法主要原理是利用監控配電系統相關斷路器或開關之狀態，以達到跳脫分散式電源，停止繼續供電。

  45. 孤島現象之偵測方法(2/5) 假設責任點端電壓及電流為： 孤島現象之偵測方法可利用之特性有以下參數： • Ip 電流振幅 • 頻率 • 相位角 • iinv 之失真度 • 市電電壓之失真度

  46. 孤島現象之偵測方法(3/5) • 主動偵測方法 1、輸出電力變動法 2、阻抗量測 3、諧波注入或特殊頻率之阻抗偵測 4、配電阻抗改變偵測法 5、主動式頻率偏移偵測法 6、Sandia電壓偏移偵測法 7、Sandia頻率偏移偵測法

  47. 孤島現象之偵測方法(4/5) • 被動偵測方法 1、過∕欠電壓（OUV）與過∕欠頻率（OUF）偵測法 2、急遽電壓相位偵測法 3、電壓諧波偵測法 4、輸出功率變化率偵測法 5、頻率變化率偵測法

  48. 孤島現象之偵測方法(5/5) • 配電系統層級偵測方法 1、加裝一電感及電容器 • 通信協定法 1、電力載波通信法 2、轉移跳脫法

  49. 最大功率追蹤方法(1/2) • 何謂最大功率追蹤 由於太陽能電池的輸出功率會受到外界環境因素，如日照強度、溫度、元件老化及光電材料等影響，為了讓太陽光電池能發揮最大的效能，必須對太陽能光電系統的功率轉換級加以適當之控制，使其在各種不同工作環境之下，均能自太陽光電池汲取最大功率，此控制方法即所謂的最大功率追蹤法（Maximum Power Point Tracking, MPPT）。

  50. 最大功率追蹤方法(2/2) • 傳統最大功率追蹤法： 1、最佳點近似估測法 2、擾動觀察法 3、模糊邏輯控制法 4、直線近似法 5、實際測量法 6、電壓迴授法 7、功率迴授法 8、增量電導法

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