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研究生： 周鈞彥
Chun-Yen Chou
論文名稱： 以模擬退火法實現太陽能最大功率追蹤系統
A Photovoltaic Maximum Power Point Tracking System based on the Simulated Annealing Algorithm
指導教授： 連國龍
Kuo-Lung Lian
口試委員: 黃仲欽
Jonq-Chin Hwang
郭明哲
Ming-Tse Kuo
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 電資學院 - 電機工程系
Department of Electrical Engineering
論文出版年： 2015
畢業學年度： 103
語文別： 中文
論文頁數： 63
中文關鍵詞： 太陽能最大功率追蹤 、最佳化演算法 、模擬退火法 、改良型模擬退火法
外文關鍵詞： Maximum Power Point Tracking (MPPT), Optimization Algorithm, Simulated Annealing (SA), Improve Simulated Annealing
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    • 太陽能電池電壓與電流特性曲線會表現出非線性的關係，是由於日照與溫度的改變。當部分遮蔽情況發生，電壓與功率特性曲線上可能存在多峰的情形，此時若要輸出最大功率，最大功率追蹤系統的發展將不可缺少。

    在本論文中，設計了一個最大功率追蹤系統的直流-直流升壓轉換器，其控制演算法是基於一種啟發式演算方法，也就是模擬退火法(SA)。雖然已有相關文獻將模擬退火法改編並應用於最大功率追蹤控制上，但其獲得全域最佳解所需的追蹤時間太長，因此本論文改進了現有的模擬退火法，大幅減少追蹤時間並維持模擬退火法原本所擁有的最大功率追蹤效率。

    Photovoltaic cells exhibit nonlinear V-I characteristic curve, which vary with insolation and temperature. When partial shading occurs, there may exist multiple maximum points in the P-V characteristic. To extract the maximum power, the development of a maximum power point tracking (MPPT) system is necessary.

    In this thesis, we design an MPPT system with a DC-DC converter whose MPPT control algorithm is based on a meta-heuristic method, known as simulated annealing (SA). Although SA has been adapted for MPPT control in the literature, their tracking times to obtain the global maximum point are excessively long. This thesis essentially improves the existing SA methods to drastically reduce the tracking time without compromising the MPPT efficiency.

    目錄 摘要…………………………………………………………………i Abstract……………………………………………………………..ii 目錄………………………………………………………………...iii 圖目錄…………………………………...........................................vi 表目錄…………………………………............................................x 第一章 緒論…………………………………………………..........1 1.1 研究動機與目的……………………………………….......1 1.2 文獻回顧…………………………………………………...2 1.3 系統架構與規格……………………………………….......4 1.4 論文大綱…………………………………………………...5 第二章 交錯式直流-直流升壓轉換器…………………………….6 2.1 前言………………………………………………………...6 2.2 太陽能電池………………………………………………...6 2.2.1 太陽能電池簡介………………………………….....6 2.2.2 太陽能電池模型………………………………….....6 2.3 太陽能電池之部分遮蔽特性……………………………...8 2.3.1 簡介……………………………………………….....8 2.3.2 太陽能電池部分遮蔽之特性……………………….9 2.4 交錯式直流-直流升壓轉換器控制架構…………………10 2.4.1 交錯式直流-直流升壓轉換器電力架構…………..10 2.4.2 交錯式直流-直流升壓轉換器控制策略…………..11 第三章 太陽能最大功率追蹤演算法……………………………13 3.1 前言……………………………………………………….13 3.2 模擬退火法………………….............................................13 3.2.1 模擬退火法基礎理論簡介...……………………....13 3.2.2 模擬退火法演算流程...............................................14 3.2.3 模擬退火法之參數簡介...........................................17 3.3 改良型模擬退火法.............................................................18 第四章 PSIM電路模擬..................................................................19 4.1 前言.....................................................................................19 4.2 太陽能模擬曲線.................................................................20 4.3 模擬退火法模擬結果.........................................................24 4.3.1 模擬退火法單峰曲線模擬結果...............................24 4.3.2 模擬退火法右峰高曲線模擬結果...........................25 4.3.3 模擬退火法中峰高曲線模擬結果...........................27 4.4 改良型模擬退火法模擬結果.............................................28 4.4.1 改良型模擬退火法單峰曲線模擬結果...................28 4.4.2 改良型模擬退火法右峰高曲線模擬結果...............30 4.4.3 改良型模擬退火法中峰高曲線模擬結果...............31 4.5 模擬結果比較.....................................................................33 第五章 硬體實測結果....................................................................34 5.1 前言.....................................................................................34 5.2 數位訊號處理器介面電路.................................................34 5.3 交錯式控制架構.................................................................35 5.4 太陽能模擬機與太陽能曲線.............................................36 5.5 模擬退火法之硬體實測結果與實驗波形.........................38 5.5.1 模擬退火法單峰曲線實測結果...............................39 5.5.2 模擬退火法右峰高曲線實測結果...........................40 5.5.3 模擬退火法中峰高曲線實測結果...........................41 5.5.4 模擬退火法照度變化實測結果(單峰→右峰高→中峰 高)..............................................................................42 5.5.5 模擬退火法照度變化實測結果(中峰高→單峰→右峰 高)..............................................................................43 5.6 改良型模擬退火法之硬體實測結果與實驗波形.............45 5.6.1 改良型模擬退火法單峰曲線實測結果...................45 5.6.2 改良型模擬退火法右峰高曲線實測結果...............46 5.6.3 改良型模擬退火法中峰高曲線實測結果...............47 5.6.4 改良型模擬退火法照度變化實測結果(單峰→右峰高 →中峰高)...................................................................48 5.6.5 改良型模擬退火法照度變化實測結果(中峰高→單峰 →右峰高)...................................................................50 5.6.6 改良型模擬退火法照度變化實測結果(歐洲標準 EN50530動態測試)..................................................51 5.7 實驗結果比較.....................................................................58 第六章 結論與未來展望................................................................61 6.1 結論.....................................................................................61 6.2 未來展望.............................................................................61 參考文獻..........................................................................................62 圖目錄 圖1-1 擾動觀察法可能情況............................................................2 圖2-1 基本太陽能電池等校電路....................................................7 圖2-2 太陽能電池I-V特性曲線(I=IL-Id).........................................7 圖2-3 太陽能電池模組日照降低造成輸出總電流下降................8 圖2-4 太陽能電池模組發生遮蔽情況............................................8 圖2-5 模擬太陽能電池串聯模型....................................................9 圖2-6 太陽能電池於部分遮蔽情況下所產生之I-V特性曲線....10 圖2-7 交錯式直流-直流升壓轉換器電力架構.............................10 圖2-8 太陽能系統控制方塊圖.......................................................11 圖2-9 交錯式直流-直流升壓轉換器之電壓閉迴路控制方塊.....12 圖3-1 模擬退火法示意圖..............................................................14 圖3-2 模擬退火法流程圖..............................................................16 圖4-1 PowerSIM模擬太陽能最大功率追蹤系統..........................19 圖4-2 模擬太陽能電池陣列遮蔽情況..........................................20 圖4-3(a) 模擬太陽能電池陣列I-V曲線單峰情況.......................21 圖4-3(b) 模擬太陽能電池陣列P-V曲線單峰情況......................21 圖4-4(a) 模擬太陽能電池陣列I-V曲線右峰高情況...................22 圖4-4(b) 模擬太陽能電池陣列P-V曲線右峰高情況..................22 圖4-5(a) 模擬太陽能電池陣列I-V曲線中峰高情況...................23 圖4-5(b) 模擬太陽能電池陣列P-V曲線中峰高情況..................23 圖4-6(a) 模擬退火法於單峰情況之電壓追蹤模擬結果..............24 圖4-6(b) 模擬退火法於單峰情況之功率追蹤模擬結果..............25 圖4-7(a) 模擬退火法於右峰高情況之電壓追蹤模擬結果..........26 圖4-7(b) 模擬退火法於右峰高情況之功率追蹤模擬結果..........26 圖4-8(a) 模擬退火法於中峰高情況之電壓追蹤模擬結果..........27 圖4-8(b) 模擬退火法於中峰高情況之功率追蹤模擬結果..........28 圖4-9(a) 改良型模擬退火法於單峰情況之電壓追蹤模擬結果..29 圖4-9(b) 改良型模擬退火法於單峰情況之功率追蹤模擬結果..29 圖4-10(a) 改良型模擬退火法於右峰高情況之電壓追蹤模擬結果 .......................................................................................30 圖4-10(b) 改良型模擬退火法於右峰高情況之功率追蹤模擬結果 .......................................................................................31 圖4-11(a) 改良型模擬退火法於中峰高情況之電壓追蹤模擬結果 .......................................................................................32 圖4-11(b) 改良型模擬退火法於中峰高情況之功率追蹤模擬結果 .......................................................................................32 圖5-1 交錯式直流-直流升壓轉換器經由DSP控制架構.............36 圖5-2 太陽能部分遮蔽模擬曲線單峰情況..................................37 圖5-3 太陽能部分遮蔽模擬曲線右峰高情況..............................37 圖5-4 太陽能部分遮蔽模擬曲線中峰高情況..............................38 圖5-5(a) 模擬退火法於單峰情況下之實測電壓追蹤波形..........39 圖5-5(b) 模擬退火法於單峰情況下之實測功率追蹤波形..........39 圖5-6(a) 模擬退火法於右峰高情況下之實測電壓追蹤波形......40 圖5-6(b) 模擬退火法於右峰高情況下之實測功率追蹤波形......40 圖5-7(a) 模擬退火法於中峰高情況下之實測電壓追蹤波形......41 圖5-7(b) 模擬退火法於中峰高情況下之實測功率追蹤波形......41 圖5-8(a) 模擬退火法於照度變化下(單峰→右峰高→中峰高)之 電壓追蹤波形.................................................................42 圖5-8(b) 模擬退火法於照度變化下(單峰→右峰高→中峰高)之 功率追蹤波形.................................................................43 圖5-9(a) 模擬退火法於照度變化下(中峰高→單峰→右峰高)之 電壓追蹤波形.................................................................44 圖5-9(b) 模擬退火法於照度變化下(中峰高→單峰→右峰高)之 功率追蹤波形.................................................................44 圖5-10(a) 改良型模擬退火法於單峰情況下之實測電壓追蹤波形 .......................................................................................45 圖5-10(b) 改良型模擬退火法於單峰情況下之實測功率追蹤波形 .......................................................................................46 圖5-11(a) 改良型模擬退火法於右峰高情況下之實測電壓追蹤波 形...................................................................................46 圖5-11(b) 改良型模擬退火法於右峰高情況下之實測功率追蹤波 形...................................................................................47 圖5-12(a) 改良型模擬退火法於中峰高情況下之實測電壓追蹤波 形...................................................................................47 圖5-11(b) 改良型模擬退火法於中峰高情況下之實測功率追蹤波 形...................................................................................48 圖5-13(a) 改良型模擬退火法於照度變化下(單峰→右峰高→中 峰高)之電壓追蹤波形...................................................49 圖5-13(b) 改良型模擬退火法於照度變化下(單峰→右峰高→中 峰高)之功率追蹤波形...................................................49 圖5-14(a) 改良型模擬退火法於照度變化下(中峰高→單峰→右 峰高)之電壓追蹤波形...................................................50 圖5-14(b) 改良型模擬退火法於照度變化下(中峰高→單峰→右 峰高)之功率追蹤波形...................................................51 圖5-15 歐規動態測試太陽能曲線編號一....................................52 圖5-16 歐規動態測試太陽能曲線編號二....................................52 圖5-17 歐規動態測試太陽能曲線編號三....................................53 圖5-18 歐規動態測試太陽能曲線編號四....................................53 圖5-19 歐規動態測試太陽能曲線編號五....................................54 圖5-20 歐規動態測試太陽能曲線編號六....................................54 圖5-21(a) 改良型模擬退火法於歐規標準照度變化(由功率大→ 功率小)下之電壓追蹤波形..........................................55 圖5-21(b) 改良型模擬退火法於歐規標準照度變化(由功率大→ 功率小)下之功率追蹤波形..........................................56 圖5-22(a) 改良型模擬退火法於歐規標準照度變化(由功率小→ 功率大)下之電壓追蹤波形..........................................57 圖5-22(b) 改良型模擬退火法於歐規標準照度變化(由功率小→ 功率大)下之功率追蹤波形..........................................57 表目錄 表1-1 擾動觀察法變化情況............................................................3 表4-1 單峰情況之追蹤模擬結果比較..........................................33 表4-2 右峰高情況之追蹤模擬結果比較......................................33 表4-3 中峰高情況之追蹤模擬結果比較......................................33 表5-1 類比/數位轉換器信號量測範圍與回授信號之介面規劃 .............................................................................................35 表5-2 靜態測試單峰情況之追蹤實驗結果比較..........................58 表5-3 靜態測試右峰高情況之追蹤實驗結果比較......................58 表5-4 靜態測試中峰高情況之追蹤實驗結果比較......................58 表5-5 動態測試照度變化(單峰→右峰高→中峰高)情況下之追蹤 實驗結果比較......................................................................59 表5-6 動態測試照度變化(中峰高→單峰→右峰高)情況下之追蹤 實驗結果比較......................................................................59

    [1] E. Koutroulis, K. Kalaitzakis, N.C. Voulgaris, "Development of a microcontroller-based, photovoltaic maximum power point tracking control system," IEEE Transactions on Power Electronics, vol.16, no.1, pp.46,54, Jan 2001

    [2] J.A.B. Vieira, A.M. Mota, "Maximum power point tracker applied in batteries charging with PV panels," Industrial Electronics, Symposium on IEEE International, vol., no., pp.202,207, July 2008

    [3] C. Hang, D. Zhao, J. Wamg, and G. Chen, "A modified MPPT method with variable perturbation step for photovoltaic system," Power Electronics and Motion Control Conference,IEEE 6th International, vol., no., pp.2096,2099, May 2009

    [4] C. Hang, D. Zhao, J. Wamg, and G. Chen, “A modified MPPT method with variable perturbation step for photovoltaic system,” IEEE Conference, IPEMC '09., pp. 2096-2099, 2009.

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    [9] http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_cell

    [10] 陳逸軒，"以多粒子擾動觀察法克服遮蔽問題之太陽能最大功率追蹤演算法"，碩士論文，國立台灣科技大學，民國103年

    [11] S. Kirkpatrick, C.D .Gelatt Jr, M.P. Vecchi, "Optimization by Simulated Annealing," Science, New Series, vol. 220, no. 4598, pp. 671-680, May 1983

    [12] http://zh.wikipedia.org/ wiki/Simulated_annealing

    [13] 蘇鴻潤，"模擬退火法之參數選擇"，碩士論文，國立台灣技術學院機械工程技術研究所，民國86年

    [14] http://powersimtech.com/products/psim/

    [15] Chroma Datasheet of 62150H-1000S, Chroma, Available at: http://www.chroma.com.tw/product/detail.aspx?id=2437

    [16] 振芫禎，"太陽能最大功率追蹤器之研究"，碩士論文，私立大同大學，民國97年

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    全文公開日期 本全文未授權公開 (校外網路)
    全文公開日期 2020/08/24 (國家圖書館：臺灣博碩士論文系統)
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