应用FPGA之换流器研制 第一章 绪论.doc

昆山科技大学电机工程系硕士论文应用场规划逻辑数组电路之太阳能发电系统换流器研制The Design of a Stand-alone Photovoltaic Inverter Via Field Programmable Gate Array研 究 生：蔡誌元 Student: Chih-Yuan Tsai指导教授：白富升 Advisor: Fu-Sheng PaiDepartment of Electrical EngineeringKun Shan UniversityTainan, Taiwan, R.O.C.Thesis for Master of ScienceJune 2005中华民国九十四年六月第一章 绪论1-1 研究背景与动机综观整个人类科技发展史，自工业革命后至今无疑是最璀璨的一段。人类不断地努力进行各种科技研发、机器改良等工作，致使今日人类能够过着既富裕又舒适的生活，人类日常中赖以活动的交通工具譬如汽车、火车、飞机以及轮船等，其动力所需的能源，从最早期的伐木、煤矿到最近的石油、天然气、核燃料等1，但这些能源的总量并不因时间的累积而增加，反倒是日渐减少。除了量的减少外，能源的使用开发过程中也产生了巨大的后遗症；由于大量的使用石化燃料，造成空气中二氧化碳及其它有害物质的大量增加，使得温室效应(Greenhouse Effect)的后果与日俱增，导致全球气温暖化、气候异常以及生态发生巨变等地球环境的浩劫。 近年台湾由于工业高度的发展及生活水平的提升，相对地用电量不断逐年增加，每到夏季便面临电力不足的危机，其中尖峰负载用电量远大于离峰负载用电量，若开发新电厂以满足尖峰时刻的用电量，不但需要庞大的设厂费用和日后地方回馈金补助外，还必须面对当地生态的破坏、人民的健康及经济型态的改变等等众多事项，因此设立新电厂是非常不符合经济效益与成本考虑。而以往因应措施除了加强倡导民众节约能源外，一方面自民国七十八年起台电公司开始实施季节性电价调整，提高七、八、九月份的电价费率，其将用电量分为三段式，以累计方式计算家庭电费(累计方式为110度以下每度2.2元；110至330度之间每度2.7元；330度以上者每度3.3元；而非夏季电费每度为2.6元)。然而夏季家庭用电全天计费方法如以上所示并没有像夏季工业用电计费方式区分为离峰用电及尖峰用电(离峰时段为夜间十时卅分至翌日清晨七时卅分)，此一方案姑且不论是否对家庭用电消费者有失公平原则，其自实施季节性用电方案这十几年来夏季节与非夏季负载变动并没有显著的效果，负载变动依然逐年不断增加。对此，台电公司解释为，此导因于空调产品的普及和人民生活的提升，以至于负载变动逐年增大；由上例可见替代能源的方案的重要性及必行性。 台湾地区能源资源非常缺乏，大部分所需的能源都必须仰赖进口，因此开发无污染的新能源，并有效的使用它是急需努力的工作；目前较具有开发价值的再生能源如太阳能、风力、水力、地热、生质以及潮汐等天然能源，此类能源与石化能源相较，具有低环境污染、可循环利用等优点，而台湾位处亚热带地区，成年日照充足，故非常适于太阳能源的研究开发。太阳能源干净、无污染且不会破坏生态环境，同时更具有安全性、便利性且取之不竭等优点，所以在石化能源逐渐短缺的今日，选择太阳能做为替代能源是解决能源危机的途径之一。 目前，太阳能的用途主要有太阳热能与太阳光电能两项。太阳热能，是利用太阳能集热器将太阳辐射转变成热能，随着集热器的设计有反射光板或聚焦方式的不同，集热产生的温度高低也不相同。太阳热能所加热的水或空气可以用作暖房、温室、洗涤、工业制程用热水、干燥和蒸馏等用途。经由反射与聚焦方式所产生的高温水蒸汽，也可以用来推动涡轮机发电。但是太阳热能发电厂所需的建地面积很大，同时必须日射量及日照时间长的地点，才具有经济价值。 除太阳热能的应用外，太阳能也可以利用太阳光电池，将太阳辐射直接转换成电能。太阳光电池的原理主要是利用光电效应，把光线直接照射在硅或砷化镓等半导体材料在电池基板构成的P-N接面上，亦破坏了晶体上电子-电洞对的电性平衡，少数载子得以突破接面处位能，造成电流流动之现象，而产生电压。由于太阳光电池制作成本相当高，早期只用作人造卫星电力的来源，不过由于硅的含量丰富及相关技术都已相当成熟，况且它有不污染环境、不影响生态，可独立发电的优点，所以在取代石化能源的发展工程上太阳能电池已被视为最理想的能源之一。1-2 目的及方法 台湾由于地理环境之因素，太阳能量最大的时刻亦常是台湾地区温度最高，用电最尖峰之时段，如能妥善运用太阳能发电系统的并联供电特性，将可有效纾解台电在用电尖峰时段的供电压力。太阳光电能转换系统由太阳能板及电能转换器组成，其具结构简单、易于模块化、且发电过程不产生污染物等优点，因此有鉴于太阳光电系统具发展潜力，本文即在研究独立型太阳光电能系统之换流器电路，所设计之换流器设定为直流到交流电压转换及输出之装置，从控制理论来看，如欲使该换流器可控制输出电压准位，则系统可采电流回授法或电压回授法，在文献J. E. Quaicoe等人曾从事以回授滤波电容电流、换流器输出电流、或负载电流为变量，进行稳压研究9；P. C. Loh等人则进一步就控制理论予以分析，并找出电流回授法最佳之设计方10。至于电压回授控制法乃利用瞬时电压回授控制法，经由回授系统输出电压値，辅以内电压波形及外电压振幅之控制回路，来达到具固定频率与振幅之电压输出11,12。今鉴于电压回授法具备具高度准确控制特性，在本文中即采用此种方法，再配合脉宽调变技术(Pulse Width Modulation, PWM)设计换流器，以期可提高换流器的稳压精度，并减少输出电压受负载种类与瞬时之影响。 传统的换流器控制方式一般是采取模拟装置来完成，但模拟电路长期运转后，易受到组件老化及温度影响而产生参数漂移的问题，但是随着超大规模集成电路之技术不断创新，微处理机的速度及功能也大幅提升，数字运算处理的速度限制也明显的改善，故目前利用计算器及特殊用途的数字电路，来执行讯号的处理控制，已经成为一种趋势；本文以硬件描述语言，进行场效可程序逻辑闸数字化之控制，由于电路数字化不但可以改善模拟电路组件老化、参数漂移、系统不易修改及体积庞大等问题，亦可达到体积小重量轻、不受周边环境影响、降低制作成本、易于修改及维修等目的。本文提出应用场规划逻辑数组设计之太阳光电能系统之换流器，经由实验测试结果验证，确实可以将太阳光电能量转换成交流格式供给负载使用。其系统相关原理控制将于下章节详述说明，且进行深入探讨。1-3 内容大纲本论文共分五章，其内容纲要如下所述：第一章 针对本论文之研究动机、目的与方法，予以概要说明。第二章 说明太阳光电池的光电转换原理及特性，并介绍各种太阳光电池及其用途。第三章 介绍各种太阳光电转换系统之架构，并针对本文所设计之独立型太阳光电能系统之主要硬件电路架构和相关控制理论，作详细分析介绍。第四章 系统软硬件规划，其先介绍相关开发工具及程序语言，接着陆续详述本论文之数字控制器和换流器的各部份组