併網型太陽光變頻器的發展現況與規劃


 

太陽光發電技術:併網型光伏變頻器的發展況

 

鄒應嶼 教 授

電力電子與運動控制實驗室

台灣新竹交通大學 電機與控制工程系 

May 12, 2002 

 

太陽光變頻器 (光伏變頻器)

      

太陽光變頻器(Photovoltaic Inverter, 簡稱PV inverter)出現,太陽光變頻器主要可分為三種型式:離線型(off-grid)或稱之為獨立(stand-alone inverters)型,此種變頻器由電池供電,提供方波型式的交流輸出,僅提供獨立系統的用電,不可與市電並聯;

在線型(grid-connected)或稱之為線互動型(utility-interactive),此種變頻器可與市電並聯,將太陽光電池的輸出直接轉換為市電,也同時提供用戶的一般用電;第三種稱之為混和互動型(utility-interactive with stand-alone mode),除了具備在線型的優點之外,當市電斷電時,有如在線型UPS一般,藉由電池提供電源。

太陽光變頻器(PV inverter)

  獨立型(stand-alone inverters)

  在線型(grid-connected)

  混和互動型(utility-interactive with stand-alone  mode)

應用太陽能於再生能源發電系統

       再生能源(renewable energy)係指可自行再生的能源,例如日光能、風能、潮汐能、地熱能、生物廢料能等等[1]-[4]。將再生能源有效且經濟的轉換為一般民生供電,已成為先進科技國家兼顧環保與發電的重要產業發展政策。此外,根據全世界石油生產統計[5],石油產量將於十年內達到高峰,爾後產量將逐年降低,這不僅意味著油價(包括電價)將不再便宜,也可能導致真正石油危機的到來,間接引發全球經濟風暴。有鑑於再生能源對未來世界環保與經濟發展的重要性,各先進國家無不全力推動再生能源的發展計畫[6]-[9]。

       應用太陽能於再生能源發電系統,由於具有環保易於安裝等優點,再加上商品化技術的成熟與國家計畫性的輔助推動,已成為先進國家發展分散式電源系統的主要選擇。太陽能光伏變頻器 (photovoltaic inverter, PV-inverter)可直接將太陽能光電池所產生的電能饋入市電,如圖1所示,因此不僅可提供使用者的自用電源,也可提供公眾電源另一種型式的電力來源,形成一個分散式的發電系統。

圖1 太陽能發電系統的系統架構圖

       由於光伏變頻器具有廣大的市場發展潛力,先進國家不僅政策性的發展太陽能科技,同時也藉由立法程序制訂法規來規範併聯電系統的產業安全標準。

       美國自1970年起,由能源部主導,成立國家再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory, NREL),開始有計畫的發展再生能源技術,以配合美國經濟與能源發展的需求,這其中包含了每次為期五年的『光伏計畫』(photovoltaics program)。美國能源部在1999年底,發表了『2000-2004光伏計畫』[10],此計畫對未來人類生活的影響將不亞於六0年代的阿波羅計畫。『2000-2004光伏計畫』將著重於太陽光電池效率的改善、太陽光發電模組製造成本的降低、系統裝置可靠度的提升、安裝標準與安全法規的制訂與推動,以及加強產業界的參與及整合。為了降低成本以便推廣至一般家庭住戶,預計太陽光發電模組的製造成本在2004年,必須低於每瓦一美元的標準,效率必須高於97%,故障率必須低於1%。

       過去十餘年來,太陽能發電的裝置容量快速成長,1988-2000全世界光伏變頻器模組的裝置容量如圖2所示[1],2000年太陽能發電已達288MW,1995-2000年的平均複合成長率為20%,若以每年20%的平均複合成長率來計算,預估至2020年,裝置容量將達11GW。由此可見光伏變頻器不僅可成為一種新的電力來源,也將成為一種新的家用產品。

圖2 1988-2000全世界光伏變頻器模組的裝置容量 [1]

根據估計,全世界光照的1/6000若能轉換為電力[11],即足以提供全球所需之能源。雖然太陽能具有廣大的應用潛力,商品化的時機也日益成熟,但將太陽光電發電技術應用於家庭住戶,仍有許多的困難有待克服[12]-[13]。例如:太陽光電池的效率過低,目前銷售的太陽光電池的效率約介於15-18%,其可靠度有待改善,平均故障時間仍低於10年,且具有易碎的特性,不易維護。但新一代的太陽光電池,利用多種新型半導體材料,如Crystalline Silicon、Thin Film Silicon、Amorphous Silicon、CIS: Copper Indium diSelenide、Cadmium Telluride (CdTe),可進一步解決這些問題,在實驗室中,利用一種稱之為PERL (passivated emitter, rear locally diffused)的矽元件光電轉換技術,已可達到23.1%的光電轉換效率[14]。另一種稱之為熱光電元件(Thermophotovoltaics device)的技術,可將熱能(含紅外線)有效的轉換為電能[15]-[16],這些新型光電轉換元件的發展,將有助於太陽光發電的普及。

將太陽光電發電應用於家庭住戶,仍有相當多的技術有待進一步的改善,其中關鍵之一,是要簡化安裝太陽光電發電系統的成本與過程。為了克服此一問題,目前已有商品化的太陽光變頻器(Photovoltaic Inverter, 簡稱PV inverter)出現,太陽光變頻器主要可分為三種型式:離線型(off-grid)或稱之為獨立(stand-alone inverters)型,此種變頻器由電池供電,提供方波型式的交流輸出,僅提供獨立系統的用電,不可與市電並聯;在線型(grid-connected)或稱之為線互動型(utility-interactive),此種變頻器可與市電並聯,將太陽光電池的輸出直接轉換為市電,也同時提供用戶的一般用電;第三種稱之為混和互動型(utility-interactive with stand-alone mode),除了具備在線型的優點之外,當市電斷電時,有如在線型UPS一般,藉由電池提供電源。

       在線型光伏變頻器直接將太陽能轉換為電能,因此不需要體積龐大、價格高、且不易維護的電池組。在線型光伏變頻器將所產生的電力直接饋入電網,有如一個獨立的小型發電機,因此可形成分散式的電供應系統,藉由新型的『淨電錶』(net meter),用戶可以向電力公司領取發電費,形成住宅發電系統[17]-[20],這種新形態的電力產生方式,將會引發新形態的商業競爭,間接促進高效率發電技術的發展。

       為了因應這種發展趨勢,美日歐洲等先進國家,開始制訂太陽能發電系統的安裝法規,同時也著手修改相關的電力法規[68]-[74]。在線型光伏變頻器若根據其容量來區分,又可分為單相式與三相式,一般3 kVA以下的系統多為單相式,3-5 kVA之間兩者均有,5 kVA以上則多為採用三相式。由於在線型光伏變頻器必須具備可以並聯的條件,因此預估單相式光伏變頻器將成為實際推廣太陽能發電的主流。

       關於在線型光伏變頻器相關的研究,國內外已有相當的發展[21]-[23],這些研究包括新型電路架構的發展轉換效率的改善、最大轉換能量追蹤控制、輸出功率因數控制、市電並聯控制、孤島效應偵測與保護等等。這些研究對光伏變頻器的商品化已奠定了相當的基礎,然而根據美國NREL的研究,目前銷售的光伏變頻器仍然有相當多的技術問題有待改善[24]。這些問題可分為三個層面來看,其一是關於太陽能光電池效率與可靠度的改善,其二是關於光伏變頻器系統效率與單位成本(US$/Watt)的改善,其三則是關於量產技術的改善與法規的建立。本計畫著重於光伏變頻器系統效率與單位成本的改善,發展具有實用化的光伏變頻器設計技術。

 

併網型太陽光變頻器的研究規劃

       目前學術界關於太陽光發電技術的研究,大多著重於新型電路的發展與新方法的探討,隨著電力電子技術的發展與光電變頻器的市場推廣,其商品化技術的發展也愈為重要,本計畫的重點就是以理論分析為基礎,配合新型元件的發展,發展單相光電變頻器的商品化實現技術,同時製作一個光伏變頻器原型機以驗證所發展的設計方法。為了要能夠有效的改善光電變頻器系統效率與單位成本(US$/Watt),發展具有實用化的光伏變頻器設計技術。

       本計畫採取模組化設計方式,同時利用新型功率與控制元件來減少元件的數目,一方面可提高系統的可靠度,另一方面也可將控制功能軟體化,使其具有擴充性。本研究之目的即在於發展應用於太陽能光電池併聯市電發電系統的實用化技術,其中主要著重於效率改善、DSP控制技術、與孤島效應自動偵測保護技術。

       關於太陽光發電技術的發展,可以分為幾個方向來探討:

太陽光變頻器電路架構的發展

       太陽光變頻器的電路架構基本上是一個採用輸出電流控制的直流轉換成交流的反流器(inverter),根據輸出的電源型式可分為單相光伏變頻器與三相光伏變頻器,若根據輸出的波形,則可分為方波式或弦波式,圖4是Trace Technology公司所分析整理的的光伏變頻器電路架構[25],但主要是針對目前市場已銷售的機種,對於新型光電變頻器電路架構的比較分析,目前仍缺乏具體的分析研究。太陽能電池的輸出可串聯成一高壓輸出,若此直流電壓高於輸出電壓之峰值,則為降壓型反流器,反之則為升壓型反流器。為提高效率太陽光變頻器一般並不提供輸入與輸出的隔離,同時為了降低因功率元件所造成的損失,通常採用降壓型反流器的電路架構。

       太陽光變頻器的效率一般必須高於90%,近年來其效率需求規格日益嚴苛,預估未來新型太陽光變頻器的效率必須介於95-97%。提升光伏變頻器效率的主要關鍵在於降低主動與被動功率元件的損失,採用快速功率元件與降低開關頻率是設計的前提,但也必須顧及體積與漣波電流的限制,發展特殊的柔切電路也是必須考慮的設計方法。

表1 光電變頻器電路架構的比較分析 [25]

       多功能太陽光變頻器也是一個值得探討的領域,就結構而言,一個多功能太陽光變頻器必須提供太陽能、負載、市電、與電池四者之間的電力流向與調節控制,除了在電路架構上必須力求精簡,轉換效率的提升與體積的縮小也是重要的設計目標,這些技術的發展,都必須結合電力電子的專業技術並配合實際需要的發展。

太陽光變頻器DSP控制技術的發展

       一個多功能的太陽光變頻器,必須整合多種控制技術,這其中包括:最大功率轉換追蹤控制技術、市電並聯技術、輸出電流諧波失真控制技術、高功因充電控制技術、電力平衡技術等等。此外,一個多功能的太陽光變頻器也可能因為應用的需要,必須整合其他監控與通訊技術。

       高性能單晶片的發展,提供複雜電力轉換系統一個非常良好的整合平台,目前DSP已應用於馬達與電力轉換系統的控制[26]-[28],產業界目前所採用的DSP控制器,主要包括TI (TMS320F240)、Analog Devices (ADMC300)、Hitachi (SH7045)、NEC (UPD78F0988)、Motorola (68H908MR24)、Mitsubishi (M30624FG)等等[29]-[31]。目前國內學術研究與商品應用所採用的DSP主要包括TMS320C25、TMS320C30、TMS320F240、ADMC300、ADMC400、SH7045等等,實際以商品化的產品仍然相當有限。表2列出一些常用微控器計算效能的比較分析,可作為選用微控器的參考。

表2 常用微控器計算效能的比較分析

       德州儀器早於1990年推出其第一顆以工業應用控制為主的單晶片DSP控制器TMS320C14,雖然計算效能以較傳統的微控器大為提升,但是由於I/O介面不完整,同時應用技術的發展也不成熟,因此並未廣泛應用於工業產品。德州儀器隨後於1996年底推出TMS320x24x,運算能力達到20 MIPS,包含了以馬達控制為應用對象的完整介面,此一單晶片DSP的推出,進一步的引發了DSP在學術應用與實際工業產品應用的發展。

       德州儀器於2002年又推出了新一代的單晶片DSP TMS320F24xx [32],其運算能力高達40 MIPS,一個基本的16位元乘法運算,只需要25 nsec,新型的TMS320F28xx DSP控制晶片,其運算速度更高達 400MIPS。一般 2-5 kVA電力轉換系統的開關頻率,大多介於10-50 kHz。假設功率元件的開關週期為20 msec,則TMS320F24xx的指令週期(instruction cycle)為25 nsec,也就是說,在一個開關週期內可進行1000次運算。

       由於單晶片DSP控制器的計算效能持續提高,價格卻繼續降低,應用DSP於電力電子系統的整合與控制,已是必然的發展趨勢,未來新一代的多功能太陽光變頻器也將應用DSP數位控制技術。

最大功率轉換追蹤控制技術

      一個多功能的太陽光發電系統,牽涉多種不同功能的電力轉換器,因此其中也包含許多控制的問題。在互動式太陽光變頻器系統,有兩個主要的控制問題,一是最大功率轉換追蹤控制技術(Maximum Power Point Tracking, MPPT),另一個是輸出電流控制技術。太陽能光電池的輸出電壓與電流有非線性的特性,其輸出功率也會隨著日照與溫度的變化而改變,因此必須根據太陽能光電池所能產生的電力自動調節輸出,使其與負載相配合以達到最大的功率轉換效率。

       關於太陽能光電池的最大功率轉換追蹤(MPPT)控制技術,國內外已有相當的研究,也發展出各種控制方法[33]-[46],諸如查表法[33]、前饋法[34]、擾動觀察法(perturbation and observation method, P&O) [35]-[43]、增量電導法(incremental conductance)[42]-[44],其中擾動觀察法由於易於實現,是較常被採用的方法,但是無可避免的會因為擾動而產生功率波動,因而造成額外的損失,因而以擾動觀察法為基礎,又發展出各種衍生的改良方法,如三點權位比較法[45]、斜率法[46]等等。

       由於太陽能光電池的非線性特性,不容易根據其電壓與功率的非線性關係建立線性的控制方法,因此除了以不同的方式偵測其最大功率操作點(maximum power point)的變化,也必須發展追蹤控制的方法,前者主要是以P/V、DP/DV、或是增量式電導變化為依據,後者則是以建立小性號線性模型或是模糊邏輯控制的追蹤控制方法。由於太陽能發電系統的非線性特性,模糊控制與類神經控制方法亦應用於解決SCA最大功率轉換追蹤控制之問題[47]-[53],這些方法能彌補一些傳統控制方法的缺點,如控制參數的靈敏性、適用範圍的限制等等,但是這些方法也有其缺點,如不易實現、不易建立有效的經驗法則等等。為改善此一問題,本研究擬發展一種具有強韌特性的模糊控制方法,此方法可自動調整PID控制器的參數以達到最大功率轉換的目的。

太陽光發電系統併聯控制技術

      由於太陽光發電系統將太陽能光電池所產生的功率直接轉換至市電,因此並需將電力饋入電網,其控制方式有如一個與市電電壓同步的電流控制脈寬調變反流器(PWM inverter),為了降低饋入電流對電網產生的電力諧波,因此饋入電網電流波形的總諧波失真越低越好,其控制效果有如一個輸出功率因數為1的交流電源供應器。

       傳統的太陽光變頻器多採用兩級式電路架構,前級是一個升壓型DC-DC轉換器,後級是一個全橋式DC-AC轉換器,由於必須經過兩次電力轉換,系統的效率難以提高。新式的太陽光變頻器則採用單級式電路架構,太陽能光電池的直流鏈電壓必須高於輸出電壓之峰值,其控制原理如一個電壓轉電流的雙向PWM DC-AC轉換器。由於必須兼顧最大功率轉換控制與輸出電流同步波形控制,因此形成一個複雜的非線性控制問題。此外,也可以利用PV inverter的雙向電力控制特性,不論是在發電模式或是主動功因控制模式,均可達到輸出功因控制的功能。

       太陽光變頻器控制技術的發展可從幾個方面來說明,一是因應電路架構改變所衍生的控制技術[54]-[61],例如單級式或兩級式、單相或三相、硬切或柔切、有無備用電池組等等;另一是控制策略所採行的控制理論,如傳統的PID控制、或是智慧型neuro-fuzzy;還有就是因為實現方法所衍生的的控制技術,例如類比控制、微處理器控制、或是DSP/CPLD控制等等。太陽光變頻器並聯控制的主要關鍵在於如何維持太陽光電池的最大功率轉換,同時又能夠達到低諧波失真的輸出電流同步控制,過去文獻所發表的控制方法,大多是針對特定的情況,發展其控制方法。至於,將功率轉換器的動態特性、系統干擾、輸出波形失真一併考慮的系統化設計方法,則仍有待進一步的發展。為了整體的改善系統的效能,本計畫將針對所提出的柔切單級式太陽光變頻器,發展出一個系統化的設計方法,使開關次數能夠降到最低,而仍能夠符合電源諧波規範與日照變化的動態響應。

孤島效應偵測與保護技術

      由於太陽光變頻器必須與市電直接並聯,因此相關的保護措施必須發展完備。將電力饋入電網,可能面臨的一些技術與法規問題就必須解決,諸如電力品質、電力系統的穩定性、孤島效應、負載保護、安全規範、發電效益費計算等等。當市電斷電時,太陽光變頻器若持續發電,會行成一個孤立的發電系統,由於負載變化不易掌握,一方面可能會造成局部性的電力不穩定現象,另一方面,也可能由於變頻器持續供電,相連接的電網將處於上電狀態,如此可能造成對維修人員的危險。因此,太陽光變頻器必須具備孤島效應的自動偵測功能,並且即時的將變頻器脫離電網,以保護相關的系統與人員。

       關於孤島效應偵測技術的發展,已有有相當的研究[62]-[67],這些方法主要是偵測太陽光發電系統輸出電壓因為市電失效所導致的改變,最常見的方法是偵測電壓幅度的改變,但是由於電力系統的複雜性與不確定性,這樣的方法常會發生誤判斷的情況。為了解決此一問題,孤島效應偵測技術主要朝向兩個方向發展,一是偵測指標研究,也就是定義更為有效的量測參數,作為判斷市電斷電的依據,這其中包括:電壓、頻率、相位、乃至於波形失真、阻抗變化等等;二是判斷方法的改善,當可資評定斷電的偵測指標增加時,如何有效判定斷電的發生就成為一個複雜的問題,在這一方面,以經驗法則為基礎的智慧型控制方法,例如模糊邏輯、類神經網路、灰色理論就應用於孤島效應偵測。

未來發展

      隨著最大功率轉換追蹤控制、輸出功因控制、並聯控制、與孤島效應保護等技術的日益成熟,這些方法也逐漸應用於商品化的太陽光變頻器,但是由於在應用狀況的多變性,例如日照的變化快慢、光電池日照的不均勻、負載阻抗特性的變化等等,太陽光變頻器的最大功率轉換追蹤控制方法,必須與功率轉換器、光電池、日照變化、溫度變化進行整體化的設計考量。利用先進的數位信號處理器將太陽光變頻器的各種控制功能整合,同時利用先進的控制方法改進其穩定性與整體效率,即成為未來太陽光變頻器控制技術發展的趨勢。

研究目標

      本計畫的研究目標,就是以發展太陽光變頻器實用化技術為目標,針對其中最關鍵的兩個問題:效率改善與控制整合,發展新型的電路架構與控制方法。為了提升整體效率,本計畫將發展單級式PWM inverter的柔切開關技術,並以此為基礎,發展DSP以為核心的系統整合控制技術,利用智慧型控制方法與數位控制技術,實現一個具有多功能操作模式的單相模組式太陽光變頻器。

國內研究現況

      關於太陽光發電的研究,國內目前已有相當的發展[75]-[110],政府單位以能委會主導,推動國內再生能源的發展。2002年工研院材料所與清雲技術學院陸續舉辦太陽光電發電系統技術研討會[75]-[76],對推廣太陽光發電技術的推廣具有積極的效果。工研院材料所目前積極推動太陽光發電的相關技術,特別是新型矽光電元件的發展。

       國內大學近年來在太陽光發電技術領域也進行了相當廣泛的研究,諸如交通大學鄒應嶼教授從事關於併聯型太陽光變頻器DSP控制 研究、雲林科技大學林堅楊、葉文昌教授亦從事關於矽晶薄膜太陽光電池的研究,雲林科技大學華志強、中正大學吳財福、成功大學陳建富、聯合技術大學江炫樟、台大電機陳秋麟等教授從事關於多功能太陽光發電系統、最大功率轉換追蹤控制與並聯控制的相關研究,雲林科技大學陳一通教授也特別針對太陽光變頻器從事柔切技術之研究,成功大學黃世杰、逢甲大學黃思倫教授從事孤島效應之研究,雲林科技大學王耀醇教授從事太陽能電力系統故障分析之研究。

       這些相關研究的發展,已建立我國太陽光發電的基本能力與人才培育,對未來推動新能源技術的發展,具有積極的幫助。由於太陽光發電仍屬未來性的產業,其國際市場目前仍然相當有限,國內產業界僅有少數廠商從事太陽光變頻器的製造,產業規模仍然非常有限,相關技術也不夠完備。但是由於太陽光發電的未來發展深具潛力,也適合國內產業的發展,因此,下一階段的發展應朝向結合產官學研的發展,引導國內廠商與學術界合作,落實太陽光變頻器實務技術的發展,有效降低新型太陽光變頻器的研發與製造成本。

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