多功能太陽光電能并網(wǎng)供電系統(tǒng)(已修改)
2025-05-28 12:01 本頁面
【正文】 多功能太陽光電能并網(wǎng)供電系統(tǒng)摘要 為了避免太陽光電能并網(wǎng)供電系統(tǒng)在缺乏日照時(shí)無法工作的缺點(diǎn)，本文提出「多功能太陽光電能并網(wǎng)供電系統(tǒng)」。本系統(tǒng)應(yīng)用既有的硬件架構(gòu)，并在控制方式與軟件上略加修改，使本系統(tǒng)在無日照時(shí)可以作為高功因電子安定器使用。此外，若再加上一單級雙向的充/放電器，使本系統(tǒng)也可提供緊急照明用電。由于需要較復(fù)雜之控制程序，本系統(tǒng)之控制核心采用數(shù)字信號處理器(TMS320F240)。最后我們實(shí)際制作一個(gè)「多功能太陽光電能并網(wǎng)供電與照明系統(tǒng)」，并利用計(jì)算機(jī)仿真與硬件實(shí)測結(jié)果來驗(yàn)證系統(tǒng)之可行性與實(shí)用性。以類似的原理，可將此既有硬件擴(kuò)充至其它多功能應(yīng)用，使其兼具功因校正、不斷電功能、主動(dòng)濾波及并網(wǎng)供電等多用途。一、前言 于現(xiàn)今高科技環(huán)境下，能源是促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)與社會進(jìn)步的原動(dòng)力。目前所使用之主要能源為化石能源，然而其蘊(yùn)藏量有限，且在開發(fā)過程造成空氣污染、環(huán)境破壞，因此環(huán)保意識抬頭的今天，積極開發(fā)低污染及低危險(xiǎn)性的能源乃為迫切需要。太陽光電能是干凈、安全且隨處可得的能源，唯其發(fā)電成本目前仍然偏高，因此各國均不斷地研發(fā)各種相關(guān)技術(shù)[1]~[6]，藉以提高系統(tǒng)效率并降低發(fā)電成本。以日本、德國、荷蘭、意大利、奧地利等國而言，雖其日照量及年平均日照時(shí)數(shù)均不如我國，但仍計(jì)畫將太陽光電能普及于一般家庭的應(yīng)用。以國內(nèi)而言，95%以上的能源皆仰賴進(jìn)口，若能逐漸推廣普及太陽光電能系統(tǒng)的使用，雖在整個(gè)國家電力來源比例中，尚不能成為主要電力，卻能減少煤、油燃料的進(jìn)口，及污染、二氧化碳的排放量，并且對舒緩尖峰電力負(fù)載也有助益?！ √柟怆姵貫橹绷鬏敵鲋娫?，因此需要一操作于高頻模式之半橋或全橋式直流/交流電力轉(zhuǎn)換器，來將直流電源轉(zhuǎn)換成交流輸出，并與電網(wǎng)并聯(lián)供電[3]~[6]。如圖1所示為一般太陽光電能并網(wǎng)供電系統(tǒng)之架構(gòu)圖，其中全橋式換流器的開關(guān)依序切換，產(chǎn)生弦波式脈寬調(diào)變 (Sinusoidal PulseWidth Modulation: SPWM)[10]方波，再經(jīng)由LC低通濾波器濾波后成為弦波電流，即可與市電并聯(lián)供電。然而此系統(tǒng)架構(gòu)在缺乏日照時(shí)(例如陰天或晚上)即無法運(yùn)作，對系統(tǒng)中既有之切換組件與控制電路而言，這無疑是一項(xiàng)極大之浪費(fèi)?！ ∫虼?，在本文中將提出一太陽光電能并網(wǎng)供電與照明系統(tǒng)，以克服上述之缺點(diǎn)。我們利用同步開關(guān)理論[7]，并配合不同的脈寬調(diào)變方式，可在缺乏日照時(shí)將既有之換流器硬件架構(gòu)移作功因校正與安定器使用，并且兼顧整體系統(tǒng)效率的提升，以期許能將太陽光電能的應(yīng)用在國內(nèi)普及化；此外，加上一雙向充/放電器且再利用既有的全橋式換流器，本系統(tǒng)又可提供緊急照明。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念是將既有的硬件架構(gòu)發(fā)揮到淋漓盡致，而僅在控制方式與軟件上略加修改。藉由此系統(tǒng)的研制，可逐步擴(kuò)充其容量，并將太陽光電能擴(kuò)展至其它應(yīng)用范圍，有助于抑制現(xiàn)有發(fā)電設(shè)備之尖峰負(fù)載，并減少對火力及核能發(fā)電之依賴。此外，由于本系統(tǒng)需要較復(fù)雜之控制程序，所以其控制核心采用數(shù)字信號處理器(TMS320F240)[12]、[13]。圖1. 太陽光電能并網(wǎng)供電系統(tǒng)方塊示意圖二、系統(tǒng)架構(gòu)與其操作模式介紹(范例一) 如圖2所示，為本文所提出的「多功能太陽光電能并網(wǎng)供電與照明系統(tǒng)」，其中主要包括了太陽能光電板(Solar Array)、全橋式換流器、半橋高功因電子安定器、充/放電器、系統(tǒng)控制器、各式濾波器及繼電器。系統(tǒng)的操作模式可分為：(1) 電網(wǎng)并聯(lián)供電(Grid Connection)：此模式主要在有陽光照射時(shí)運(yùn)作，電力由光電板輸向市電，此時(shí)全橋換流器的開關(guān)依序切換產(chǎn)生弦波式脈寬調(diào)變方波(Sinusoidal PulseWidth Modulation: SPWM)[10]，經(jīng)由LC低通濾波器濾波后成為弦波電流，饋入市電。除此之外，系統(tǒng)隨時(shí)偵測太陽光電板之輸出電壓、電流，并配合最大功率追蹤(MPPT)法則[1]、[2]，動(dòng)態(tài)地調(diào)整輸出弦波電流的大小，以達(dá)到最大功率點(diǎn)追蹤的功能。(2) 功因校正與安定器：此模式主要在無陽光照射(例如：晚上)且需照明時(shí)運(yùn)作，電力由市電經(jīng)高功因電子安定器供向燈具。經(jīng)適當(dāng)?shù)耐讲僮?，并配合不同之控制方式使原有全橋換流器可兼具功因校正與安定器的功能，其電力拓樸結(jié)構(gòu)的推導(dǎo)過程將在下一節(jié)作詳細(xì)之介紹。在此模式下，功率開關(guān)與只利用其反相并聯(lián)二極管作為被動(dòng)開關(guān)組件使用；此外，藉由功率開關(guān)與的交互導(dǎo)通，則可產(chǎn)生高頻方波電壓源，再經(jīng)高頻LC濾波器濾波，即可提供給燈管高頻弦波電源做為點(diǎn)燈之用，并可兼具功因校正之功能[8]、[9]。(3) 充/放電與安定器：此模式主要在晚上且無市電時(shí)運(yùn)作。充電器可
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