綠色能源與電源管理/UPS輯:Grid Converter

Grid Converter ∼ 分散式發電系統的閘門

電子月刊,199期,20122

主編:鄒應嶼

 

主編簡介:

鄒應嶼先生,交通大學電子研究所博士。

現任交通大學電機與控制工程系教授、前瞻電力電子中心主任。

曾曾任職於工研院電子研究所、美國維琴尼亞理工學院電力電子中心訪問學者、交通大學電機與控制工程研究所所長、工研院、中科院、同步輻射中心顧問、國科會、經濟部、與專利局計畫審查委員、並歷經國內多家科技公司之技術諮詢顧問。

 


專輯前言

    綠色再生能源的主要兩個來源是太陽能與風力。

    風力發電系統的大型化可降低其每千瓦小時的發電成本,因此朝向大型化的方向發展,從目前1-2MW的單組風力發電系統,朝向未來3-5MW的方向發展。

    太陽能發電系統由於太陽光模組(PV Module)具有可組合的特性,可根據裝置容量的需求來進行最佳效率的組合,可適用大小不同容量的需求,並與風力發電系統整合,構成一個結合風力與太陽能的再生能源電廠。

    再生能源所產生的電力必須加以儲存或饋入電網才能加以利用,太陽光變頻器(PV Inverter)的功能是將太陽光模組(PV Module)產生的直流電轉換為交流電。若是將電能先儲存至電池,再轉換為與市電相同的交流電,稱之為獨立型變頻器;直接將電能饋入電網的,則稱之為併網型變頻器;同時具有兩者之功能則稱之為混和型變頻器。以家用住宅為對象的3-5 kW併網型變頻器將是未來市場最龐大、競爭最激烈的產品。

    每一個太陽光模組所產生的電力,都必須藉由太陽光變頻器才能轉換成可使用的交流電,因此,PV Inverter不僅隨著太陽能發電的市場成等比例的成長。同時因為其扮演著系統整合的角色,可以提供諸如電力監控、管理、計費等額外的電能管理服務,相關的電腦網路資訊服務也必須藉由PV Inverter才能提供電力資訊的管理與服務。此外,太陽光變頻器的系統裝置廠商也必須負責後續的維修、服務與擴充安裝。因此太陽光變頻器不僅扮演著綠色功能系統整合的角色,更是綠色電能是否可靠與發揮整合效益的關鍵產品。

   太陽光變頻器的系統整合必須結合電力電子、自動控制、網路資訊等技術以發揮其整合效益,而其降低成本與提高可靠度則必須進一步的整合半導體功率模組、電源管理IC、磁性元件、高效能電容的發展。目前太陽能發電技術與產品的發展可以說僅僅處於萌芽階段,未來仍有廣大的發展與改善空間。隨著全球對綠色能源的需求,太陽光變頻器的產品與技術都將持續快速成長,建構一個分散式可自我維持的綠色能源供電系統,而智慧電網也將架構在此分散式發電系統,同時整合現有之電力網路監控而發揮電網管理的功能。

   併網轉換器(Grid Converter)泛指可將電力饋入市電之電力轉換系統,太陽能、燃料電池、風力發電等各種再生能源均需藉由併網轉換器將產生之電能饋入電網,因此,併網轉換器可稱之為分散式發電系統的閘門,肩負著系統整合、電力品質、與電力監控等功能,扮演著有如人體心臟與頭腦的雙重角色,是發展智慧型分散式電力系統的關鍵技術。本專輯針對此一主題,邀請國內相關研究學者專家,發表他們的研究成果。

   蔡明村、黃志銘、江柏樟等先生之『以對稱相移調變法實現小電容量光伏發電系統』以數位訊號處理器實現小電容量光伏發電系統。為了簡化系統將傳統直流-直流轉換器與直流-交流轉換器串接之兩級架構簡化為一單級直流-交流轉換器,以全橋轉換器為主電路架構,發展對稱相移調變技術以獲得較高轉換效率,並經由數位訊號處理器完成最大功率點以及交流電流迴路控制,建立一套輸出300W與市電併聯之實作證明其可行性,可最為發展小型光伏變頻器設計的參考。  

    鄭世仁、童永平、羅有綱、邱煌仁、任國光、傅國盛、游國輝、高乾敏等先生之『應用於燃料電池之數位控制直流/直流轉換器研製』,發展燃料電池之數位控制電流饋入全橋直流-直流轉換器,分析與討論其工作原理與設計準則。此雛型轉換器使用數位訊號處理器TMS320F2808實現數位控制,採用主動箝位電路降低元件應力與提昇轉換效率。

     黃仲欽、鍾秉學、簡君哲、苗延浩、張仁山、陳堃峯等先生所發表的『風力發電用之三相市電併聯之功率轉換器研製』,發展一個可適用於市電併聯之三相直流-交流功率轉換器。採用三相獨立運轉則採用電壓控制策略,控制輸出電壓來追隨命令電壓,具有三相平衡之電壓源輸出,並加入風力發電機平台與電壓控制模式之獨立運轉功能。林志鴻、吳任政等先生所發表的『具太陽能電力低成本單晶片正弦脈寬調變全橋式反流器之研製』,研製一具脈寬調變控制之太陽能充電器,並可經由一個單晶片產生脈寬調變控制之推挽式變壓器升壓反流器產生交流電壓。

    華志強、李柏儀、方毅雄等先生所發表的『磷酸鋰鐵電池均勻充電電路之研製』,提出以單晶片數位信號處理器為基礎研製一磷酸鋰鐵電池為主之均勻充電電路,其電池壽命與安全性更優於其他電池並針對串聯電池組設計一改良式電容切換式均勻充電電路,可提高電池組效能及延長電池使用壽命。趙中興、謝振中先生所發表的『以燃料電池為核心之風光電複合不斷電系統』,以燃料電池為核心之風光電複合,此不斷電系統是將多種再生能源所產生的電能提供交流負載,達到節能效果並維持穩定的供電。本專輯由於文章反應熱烈但受限於期刊篇幅限制,上述兩篇文章無法在本輯完整刊出,將刊登於下月期刊,謹向作者與讀者先生們致歉,也感謝大家的支持與鼓勵。

    本專輯以併網轉換器與不斷電系統之關鍵技術為主題,邀請了相關的學者專家發表他們最新的研究成果,希望在綠色能源領域能整合學術研究、技術發展與產業應用,共同推動這個正在迅速發展的新興綠能產業。

本期特論包含下列主題:

 


台灣新竹交通大學電力電子系統與晶片實驗室