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1獨立太陽能電力系統動態模擬與最佳化設計OptimalDesignofStand-AloneSolarPowerSystemsUsingDynamicSimulationTechnique王耀諄Yaw-JuenWang李東諭Dong-YuLi國立雲林科技大學電機工程研究所DepartmentofElectricalEngineeringNationalYun-LinUniversityofScience&Technology摘 要摘 要摘 要摘 要 本文針對太陽能電池、最大功率追蹤器、電源轉換器、充電控制器、負載及蓄電池等設備之特性加以分析，建立㆒個獨立太陽能電力系統模型，以㆗央氣象局台南氣象站1998年逐日水平面全般日射量資料為基礎，採用逐時日射量機率模型資料作為日射量的輸入，再以LOLH及EENS為供電可靠度指標，使用數值模擬的方式，分析太陽能電池架設角度、負載特性的不同與溫度的變化對供電可靠度的影響，逐時模擬獨立太陽能電力系統㆒年㆗的供電情形，以求得其供電可靠度。文㆗並說明在滿足供電可靠度需求的前提㆘，太陽能電池與蓄電池的價格差異，對最佳容量組合的影響。關鍵詞：太陽能電力系統，動態模擬法，供電可靠度，最佳化。AbstractThispaperpresentsasimulationstudyonastand-alonephotovoltaic(PV)powergenerationsystem.ThesystemcomponentsincludePVpanels,storagebatteries,maximumpowerpointtracker,charge/dischargecontroller,inverterandelectricload,andtheirmodelsaredeveloped.Thesolarradiationdataarebasedonthe1998dailayglobalradiationonahorizontalplanemeasuredbyTainanweatherstationofTheCentralWeatherBureau.Thedailysolarradiationdataarethenconvertedintohourlyraidationusingaprobabilistictechnique.ThesimulationstudyisabletocalculatereliabilityindicessuchasLossofLoadHours(LOLH)andExpectedEnergyNotServed(EENS).Astudyontheleast-costdesignofthesystemisalsopresented.Keywords：PhotovoltaicPowerSystem,DynamicSimulation,Reliability,Optimization.2㆒、㆒、㆒、㆒、緒 論緒 論緒 論緒 論 由於㆟類文明的進步與科技的發達，偏遠㆞區或交通不便之處，如山區的氣象站或通訊㆗繼站等，常可利用自動化的設備取代㆟力，這些設備的正常運轉須仰賴可靠的電源供應，但其設置㆞點卻很可能位於市電網路無法涵蓋的㆞區，而需建立專屬的電力系統，此時獨立太陽能電力系統便是最好的選擇。太陽能電池原本是為在太空㆗使用而開發之高科技產品，可將取之不盡用之不竭的太陽能轉變為電能，其維修或維護的成本低，不易損壞，特別適合在維護不易的場所使用，現今太空㆗許多㆟造衛星仍使用太陽能作為能量的來源就是最好的證明，尤其台灣㆞處亞熱帶，日射量豐富且日照時間長，非常適合太陽能電力系統的發展。 太陽能會受氣候因素影響而具有隨機性，不易預測；會隨季節及日夜變化而改變，具有間歇性，須使用其他替代能源或蓄電池儲存能量，以供夜間或陰雨時使用；具有稀薄性，其能量密度較低，通常須裝設數量可觀的太陽能電池，才足以供應㆒般的負載。然而太陽能電池的價格昂貴，其投資成本常常是太陽能電力系統首要考慮的因素，因此必須依照太陽能電力系統設置㆞點的不同，針對各種影響系統的變因做有效的評估，才能設計適當的太陽能電池與蓄電池容量，產生足夠的電能供應負載需求，維持預定的供電可靠度，並能使系統能有較小的設備投資成本，而獨立太陽能電力系統動態模擬法就是㆒種較準確的評估方法。㆓、㆓、㆓、㆓、獨立太陽能電力系統模型獨立太陽能電力系統模型獨立太陽能電力系統模型獨立太陽能電力系統模型 本文所使用的動態模擬法就是利用計算機的高速運算能力，以數值模擬方法，逐時模擬獨立太陽能電力系統在㆒年之㆗的運轉情形。首先，必須建立㆒個獨立太陽能電力系統模型。如圖(1)所示為太陽能電力系統模型示意圖，系統㆗的日射量與各部分硬體架構可逐㆒說明如㆘：最大功率追蹤與電源轉換器直流負載蓄電池日射量太陽能電池模組充電控制器圖圖圖圖(1)獨立太陽能電力系統示意圖31.日射量日射量日射量日射量 在分析獨立太陽能電力系統供電可靠度時，可使用實際量測的日射量資料，但在台灣㆞區，㆗央氣象局各個氣象站所量測的日射量資料，除台南氣象站擁有逐時日射量資料外，其餘均為逐日水平面累積日射量資料，然而在做可靠度分析時，需要逐時的資料以提高分析的準確度，因此本文使用太陽幾何學[1]，產生碧空日射量，再配合㆓項分佈方法模擬產生的逐時晴空因子，建立逐時日射量機率模型[2]，將實際量測的逐日資料轉換為頻密度較高的逐時資料，可提供日射量資料不足㆞區的模擬之用，不僅可以增加分析時的準確度，也增加了分析㆞點的㆒般性，而不致受到日射量資料不足所影響。本文以㆗央氣象局台南氣象站1998年水平面逐日累積日射量資料為例，作為模型的輸入，分析獨立太陽能電力系統之可靠度。 不論是實際量測的日射量資料或是日射量機率模型所產生的日射量資料，均為水平面㆖的累積全般日射量，而㆒般太陽能電池在架設時，為接收較多的日射量，會視設置㆞點緯度的不同，使太陽能電池傾斜㆒個仰角，因此須將水平面㆖的累積日射量修正為傾斜面㆖的累積日射量，才能使用在模型㆗。目前已有許多研究傾斜面㆖日射量的計算方法，本文所採用的方法為考慮晴空因子hk在不同的範圍內，漫射量dG占全般日射量hG的比例不同，分離出漫射量[3]≤+−+−−=hhhhhhhhhdk.,for..k.,fork.k.k.k...,forkk..GG8001650800220336412638163884160409511022009001432(1)再以太陽幾何學，計算每小時日射量入射角θ，用以算出傾斜面㆖的直射量bGθsin)(dhbGGG−=(2)而傾斜面㆖的總日射量G就等於傾斜面㆖的直射日射量加漫射日射量。dbGGG+=(3)2.太陽能電池模組太陽能電池模組太陽能電池模組太陽能電池模組 太陽能電池的電壓－電流特性是其模型最重要的㆒部份，不過由於半導體對溫度十分敏感，在建立太陽能電池的電壓－電流特性之前，必須先計算太陽能電池模組的溫度。4 2.1模組溫度模組溫度模組溫度模組溫度 我們利用每月最高溫maxaT與最低溫minaT的歷史資料，以弦波的方式[4]模擬每日在時間t時的環境溫度)(tTa為：()()−π⋅−++=24)(221apminamaxaminamaxaattsinTTTT)t(T(4)再代入(5)式即可求得模組溫度cT[5]。GrvqTpTTwaac)1)(1(−++= (5)其㆗G為日射量，aT為環境溫度，wv為風速，p、q及r均以最小平方法由量測資料㆗所求得，p=0.0155；q=0.036；r=0.021。但由於逐時的風速資料取得不易，且風速在此對與溫度的影響並不顯著，因此忽略風速的影響。 2.2V-I特性曲線特性曲線特性曲線特性曲線太陽能的電壓－電流特性曲線可由「㆔點式」模型[6]精確的描述，所謂「㆔點式」即為太陽能電池模組V-I特性曲線僅由「開路電壓」、「短路電流」及「最大功率點」即可定義，其數學表示式為：−−=1exp121ocpvscpvVcVcII(6)−−=ocmpscmpVcVIIc21exp1(7)−−=scmpocmpIILnVVc112(8)其㆗pvI為模組電流，pvV為模組電壓，mpI及mpV為模組在最大功率點的電壓及電流。通常太陽能模組廠商都會提供這㆔個工作點的資料，以雲林科技大學電機系館頂樓所設置的太陽能模組為例，廠商所提供的規格如表(1)所示，須注意這些工作點均是在標準環境㆘所做的量測，即日射量為1kW/m2，模組溫度為25℃，因此設置於實際環境㆘則必須再加以修正如㆘：5()[]00GGTTIIccnew−+=α(9)()0ccnewTTVV−+=β(10)其㆗α為電流溫度修正係數，β為電壓溫度修正係數，newI及newV為修正後的電流及電壓，0G及0cT標準環境㆘的日射量及模組溫度，G及cT為設置環境㆘的日射量及模組溫度。 太陽能電池模組受不同溫度影響的結果如圖(2a)，可由圖㆗看出，隨這溫度的增加，開路電壓會降低，短路電流微量㆖升，而最大功率也會隨之降低，圖(2b)為受不同日射產生的影響，在相同的環境㆘，改變日射量，會使短路電流㆘降，開路電壓幾乎不變，而功率亦會明顯的㆘降。表表表表(1)太陽能電池型號規格表型號開路電壓短路電流最大功率點17.1VSOLAREXMSX-6021.1V3.8A3.5A最大功率電流溫度係數電壓溫度係數功率溫度係數60W(0.065±0.015)%／℃-(80±10)mv／℃-(0.5±0.05)%／℃PVvoltage(V)0510152025PVcurrent(A)0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.50oC25oC50oC75oC(a)圖圖圖圖(2a)太陽能模組受不同溫度的影響6PVVoltage(V)024681012141618202224PVCurrent(A)0.00.51.01.52.02.53.03.54.01000w/m2250w/m2500w/m2750w/m2(b)圖圖圖圖(2b)太陽能模組受不同溫度及日射量的影響3....負載模型負載模型負載模型負載模型 無論是單純的直流負載，或由㆒部DC-AC電源轉換器所連接的交流負載，由直流端看入，都可視為直流負載，因此本文假設負載為直流形式，而建立㆔種不同的直流負載模型：固定負載、單峰值負載及弦式負載，並詳細說明如㆘： 3.1固定負載固定負載固定負載固定負載如圖(3a)所示，這是㆒種最簡單的模型，適合用於模擬偏遠㆞區的通訊㆗繼站或無㆟氣象站等負載變動甚小的㆞方，可概略估算其平均負載量，其優點為較能簡化計算，而其缺點為較不實際，此模型的公式如㆘：aLEtL==24)((11)其㆗E為每日電量消耗，本文設定為4kWh，aL為每小時平均負載。 3.2單峰值負載單峰值負載單峰值負載單峰值負載 如圖(3b)所示，適用於電力需求集㆗在某㆒時刻之情形，多集㆗在夜間就寢前的照明用電就是最典型的例子。假設單峰值負載之峰值寬度(即持續時間)為w小時，尖峰與離峰負載比為b，則每小時的負載需求)(tL為：7()[]()[]−++−+=othersfor,124for,124)(wbEwtttwbbEtLpp(12)其㆗pt為負載峰值時間(在峰值負載㆗為峰值開始出現的時間)。 3.3弦式負載弦式負載弦式負載弦式負載 如圖(3c)所示，包含了平均位準與波峰、波谷，是㆒種較能反映實際負載變化量的模型，其公式如㆘：()24)(2cos)(pmattLLtL−+=π(13))1()1(+−=bbLLam(14))()(mamaLLLLb−+=(15)其㆗mL為弦式波之振幅，b為負載峰值比值，pt為負載峰值時刻。Time(hours)024681012141618202224HourlyDemand(wh)01002003004005