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研究生: 蘇俊彥
CHUN-YEN SU
論文名稱: 適用於太陽能發電系統之快速最大功率追蹤演算法研究
Study on Fast Maximum Power Point Tracking Algorithms for Photovoltaic Generation Systems
指導教授: 劉益華
Yi-Hua Liu
口試委員: 邱煌仁
Huang-Jen Chiu
王順忠
Shun-Chung Wang
鄧人豪
Jen-Hao Teng
劉益華
Yi-Hua Liu
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: 2022
畢業學年度: 110
語文別: 中文
論文頁數: 159
中文關鍵詞: 太陽能發電系統快速最大功率追蹤演算法模擬與測試平 台
外文關鍵詞: Solar power generation system, Fast maximum power tracking algorithm, Simulation and test platform
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  • 隨著全球再生能源發電的佔比日趨擴大,其中太陽能發電更扮演
    著舉足輕重的角色。太陽能發電系統裝置量逐年上升,為求發電效率
    最大化,開發能夠將太陽能板快速且準確的操作在最大功率輸出點之
    最大功率追蹤技術是關鍵的研究方向。太陽能電池之電氣特性為一非
    線性曲線,且在不同的照度、溫度條件下,最大功率點都會有所不同,
    而由於實際應用下太陽光照射不會是固定照度,因此所有的最大功率
    追蹤演算法都會有兩大研究重點:加快追蹤速度以及降低因穩態震盪
    所造成之功率損失。而能達成前述目標的最大功率追蹤法則被稱為快
    速最大功率追蹤演算法。
    本論文基於所建置之模擬與實驗測試平台,並研究與實現文獻中
    所提出之十種不同快速最大功率追蹤演算法,藉由所建置之相同測試
    環境以達到公平、公正的評測,最後並針對各演算法之優劣進行分析
    和比較以提供使用者有效之參考。為驗證所提模擬平台之正確性,本
    文亦實際完成一400W 太陽能最大功率追蹤電路,並且在相同的測試
    環境下,將各演算法實現至最大功率追蹤硬體電路上,並以實驗結果
    展示各演算法之優劣性。


    As the proportion of global renewable energy power generation
    increases, solar power generation has become an important role. Besides,
    the number of solar power generation systems grows year by year. With the
    aim to maximize power generation efficiency, it is crucial to develop a
    maximum power tracking technology that can rapidly and accurately
    operate the solar panel at the maximum power point. The electrical
    characteristics of solar cells are non-linear, and the maximum power points
    vary under different irradiances and temperature conditions. Moreover,
    since the insolation is not constant in practical applications, there are two
    major research priorities in all the maximum power tracking algorithms:
    accelerating the tracking speed and reducing the power loss caused by
    steady-state oscillations. The maximum power tracking algorithm that can
    achieve the aforementioned goals is called the fast maximum power
    tracking algorithm.
    In this study, a simulation and experimental test platform has been
    implemented to reproduce ten different fast maximum power tracking
    algorithms proposed in the literature. Also, the same test environments
    have been built to achieve an impartial evaluation. Finally, the advantages
    and disadvantages of each algorithm are analyzed to provide users with
    effective references. In addition, a 400W prototyping circuit has been
    realized in this study, aiming to verify the correctness of this proposed
    simulation platform. Moreover, each algorithm has been implemented on
    the actual circuits under the same test environments, and the strengths and
    weaknesses of each algorithm are shown in the experimental results.

    目錄 摘要 i Abstract ii 致謝 iii 目錄 vi 圖目錄 x 表目錄 xvi 第一章 緒論 1 1.1研究背景 1 1.2研究目的 2 1.3文獻探討 3 1.4論文大綱 4 第二章 太陽能電池介紹與建模 5 2.1 太陽能電池簡介 5 2.2 太陽能電池結構與原理 5 2.3太陽能電池分類 7 2.3.1矽型太陽能電池 8 2.3.2化合物型太陽能電池 8 2.3.3有機半導體型太陽能電池(第三世代太陽能電池) 8 2.4太陽能電池電氣特性 9 2.4.1單二極體模型 9 2.4.2太陽能電池陣列模型 11 2.4.3基於朗伯W函數(Lambert W Function)之太陽能單二極體模型 12 第三章 最大功率追蹤硬體架構 14 3.1轉換器分析 15 3.1.1定電壓輸入升壓型轉換器分析 15 3.1.2前饋式升壓型轉換器分析 19 3.2前饋式升壓型轉換器元件設計 23 第四章 適用於太陽能發電之快速最大功率點追蹤技術 29 4.1前言 29 4.2傳統最大功率追蹤技術 30 4.2.1開路電壓法 30 4.2.2短路電流法 30 4.2.3擾動觀察法 31 4.2.4增量電導法 32 4.3因應照度變化之快速最大功率追蹤演算法簡介 35 4.3.1基於閾值設定步伐之最大功率追蹤法[4, 9] 35 4.3.2自適應調變步伐最大功率追蹤法[4- 8] 36 4.3.3基於擾動觀察法之最大功率鎖定調變步伐追蹤法[10, 11] 36 4.3.4基於擾動觀察法之切線斜率計算方法[12] 37 4.3.5決定型杜鵑鳥搜尋法[13] 37 第五章 模擬與實驗結果 38 5.1實驗環境介紹 38 5.2太陽能最大功率追蹤性能評估標準 40 5.2.1太陽能照度變化條件設定 40 5.2.2太陽能演算法性能評測標準 41 5.3太陽能演算法分析模擬與實測 44 5.3.1文獻方法(一)閾值切割模擬與實測[9] 45 5.3.2文獻方法(二)改變M值之閾值分割法模擬與實測[4] 48 5.3.3文獻方法(三)自適應調變步伐追蹤法模擬與實測[5] 51 5.3.4文獻方法(四)增加電流變量之自適應調變方法模擬與實測[6] 54 5.3.5文獻方法(五)決定型自適應調變法模擬與實測[7] 57 5.3.6文獻方法(六)低運算需求之自適應調變法模擬與實測[8] 61 5.3.7文獻方法(七)三點震盪變步法之一模擬與實測[10] 64 5.3.8文獻方法(八)三點震盪變步法之二模擬與實測[11] 68 5.3.9文獻方法(九)切線斜率交叉法模擬與實測[12] 72 5.3.10文獻方法(十)決定型杜鵑鳥法模擬與實測[13] 75 5.4實驗結果與分析 80 5.4.1定照度穩定時間分析 80 5.4.2定照度穩態追蹤效率 82 5.4.3定照度平均追蹤電能損失分析 85 5.4.4變照度追蹤效率分析 87 5.4.5各方法總結比較 90 第六章 結論與未來展望 93 6.1結論 93 6.2未來展望 94 參考文獻 95 附錄A模擬和實測波形圖 100 方法(一)模擬結果波形圖 100 方法(一)實測結果波形圖 102 方法(二)模擬結果波形圖 104 方法(二)實測結果波形圖 106 方法(三)模擬結果波形圖 108 方法(三)實測結果波形圖 110 方法(四)模擬結果波形圖 112 方法(四)實測結果波形圖 114 方法(五)模擬結果波形圖 116 方法(五)實測結果波形圖 118 方法(六)模擬結果波形圖 120 方法(六)實測結果波形圖 122 方法(七)模擬結果波形圖 124 方法(七)實測結果波形圖 126 方法(八)模擬結果波形圖 128 方法(八)實測結果波形圖 130 方法(九)模擬結果波形圖 132 方法(九)實測結果波形圖 134 方法(十)模擬結果波形圖 136 方法(十)實測結果波形圖 138  

    1] Renewable Energy Policy Network for the 21st Century, Available at : https://www.iea.org/
    [2] Giovanni Petrone, Carlos Andres Ramos-Paja, Giovanni Spagnuolo, ”Photovoltaic Sources Modeling,” Wiley-IEEE Press, (2016).
    [3] D. Lalili, A. Mellit, N. Lourci, “Input output feedback linearization control and variable step size MPPT algorithm of a grid-connected photovoltaic inverter,” Renewable Energy, Vol.36, pp.3282-3291, (2011).
    [4] Muralidhar Killi, Susovon Samanta, “An Adaptive Voltage Sensor Based MPPT for Photovoltaic Systems with SEPIC Converter including Steady State and Drift Analysis,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 62, No. 12, pp. 7609-7619, (2015, 12).
    [5] Yuxiang Shi, Rui Li, Yaosuo Xue, Hui Li, “High-Frequency-Link-Based Grid-Tied PV System With Small DC-Link Capacitor and Low-Frequency Ripple-Free Maximum Power Point Tracking,” IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 31, No. 1, pp. 328-339, (2016,01).
    [6] Abdelhamid Loukriz, Mourad Haddadi, Sabir Messalti, ”Simulation and experimental design of a new advanced variable step size Incremental Conductance MPPT algorithm for PV systems,” Science Direct ISA Transactions, Vol. 62, pp. 30-38, (2016).
    [7] Yie-Tone Chen, Zhi-Hao Lai, Ruey-Hsun Liang, ”A novel auto-scaling variable step-size MPPT method for a PV system,” Science Direct Solar Energy, Vol. 102, pp. 247-256, (2014).
    [8] Nahla E. Zakzouk, Mohamed A. Elsaharty, Ahmed K. Abdelsalam,
    96
    Ahmed A. Helal, Barry W. Williams, ”Improved performance low-cost incremental conductance PV MPPT technique,” IET Renewable Power Generation, (2015),
    [9] Hassan Fathabadi,” Novel fast dynamic MPPT (maximum power point tracking) technique with the capability of very high accurate power tracking,” Science Direct Energy, Vol. 94, pp. 466-475, (2016).
    [10] Jubaer Ahmed, Zainal Salam. ”An improved perturb and observe (P&O) maximum power point tracking (MPPT) algorithm for higher efficiency,” Science Direct Applied Energy, Vol.150, pp. 97-108, (2015).
    [11] Trevor Hocksun Kwan, Xiaofeng Wu. “An adaptive scale factor based MPPT algorithm for changing solar irradiation levels in outer space,” Science Direct Acta Astronautica, Vol. 132, pp. 33-42, (2017).
    [12] Bo-Ruei Peng, Kun-Che Ho, Yi-Hua Liu. ”A Novel and Fast MPPT Method Suitable for Both Fast Changing and Partially Shaded Conditions,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 65, No. 4, (2018).
    [13] Venkata Reddy Kota, Muralidhar Nayak Bhukya, ”A Novel Linear Tangents Based P & O Scheme for MPPT of a PV System,” Science Direct Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 71, pp. 257-267, (2017).
    [14] 顧鴻壽,「太陽能電池元件導論顧鴻壽,「太陽能電池元件導論: 材料、元件、製程、系統」,高材料、元件、製程、系統」,高立圖書有限公司,民國立圖書有限公司,民國101年年02月月01日日。。
    [15] 吳義利,「切換式電源轉換器吳義利,「切換式電源轉換器 : 原理與實用設計技術原理與實用設計技術(實例設計實例設計導向導向)」,文笙總經銷,民國」,文笙總經銷,民國101年年。。
    [16] 呂呂文隆、張簡士琨、曾國境,「交換式電源設計文隆、張簡士琨、曾國境,「交換式電源設計(第三版第三版)」,全華」,全華圖書,民國圖書,民國101年年07月月11日日。。
    97
    [17] EPARC,「電力電子學綜論,「電力電子學綜論(第二版第二版)」,全華圖書,民國」,全華圖書,民國101年年06月月30日日。。
    [18] 王俊仁,「適用於太陽能部分遮蔭情形之兩段式最大功率追蹤技王俊仁,「適用於太陽能部分遮蔭情形之兩段式最大功率追蹤技術」,國立台灣科技大學電機工程系術」,國立台灣科技大學電機工程系碩碩士學位論文,民國士學位論文,民國108年年01月。月。
    [19] 徐峻彥,「適用於太陽能發電系統之徐峻彥,「適用於太陽能發電系統之PI調變式擾動觀察最大功率調變式擾動觀察最大功率追蹤技術」,國立台灣科技大學電機工程系碩士學位論文,民國追蹤技術」,國立台灣科技大學電機工程系碩士學位論文,民國108年年01月月
    [20] 彭柏瑞,「以太陽能特性方程式為基礎之快速最大功率追蹤技術彭柏瑞,「以太陽能特性方程式為基礎之快速最大功率追蹤技術研製」,國立台灣科技大學電機工程系博士學位論文,民國研製」,國立台灣科技大學電機工程系博士學位論文,民國106年年12月。月。
    [21] 陳章豪,「基於元啟發算法的太陽能電池模型參數識別之研究」,陳章豪,「基於元啟發算法的太陽能電池模型參數識別之研究」,國立台灣科技大學電機工程系碩士學位論文,民國國立台灣科技大學電機工程系碩士學位論文,民國110年年07月。月。
    [22] 翁敏航,「太陽能電池材料·制造·檢測技術」,科學出版社,民國翁敏航,「太陽能電池材料·制造·檢測技術」,科學出版社,民國102年年04月月01日。日。
    [23] Qiang Mei, Mingwei Shan, “A Novel Improved Variable Step-Size Incremental-Resistance MPPT Method for PV Systems,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol.58, pp2427-2434.
    [24] Ashish Pandey, Nivedita Dasgupta,” High-Performance Algorithms for Drift Avoidance and Fast Tracking in Solar MPPT System,” IEEE Transtion on Energy Conversion, Vol.23, pp.681-689,(2008).
    [25] Fangrui Liu, Shanxu Duan,” A Variable Step Size INC MPPT Method for PV Systems,” IEEE Transation on Industrial Electronics, Vol.55, pp.2622-2628, (2008).
    [26] Ghias Farivar, Behzad Asaeim,” An Analytical Solution for Tracking Photovoltaic Module MPP,” IEEE Journal of Photovoltaics, Vol.3
    98
    pp.1053-1061, (2013).
    [27] Cuauhtemoc Rodriguez, Gehan A. J. Amaratunga, “Analytic Solution to the Photovoltaic Maximum Power Point Problem,” IEEE Transactions on Circuits and System, Vol.54, pp2054-2060, (2007)
    [28] Ausias Garrigo’s, Jose M. Blanes, “Real time estimation of photovoltaic modules characteristics and its application to maximum power point operation,” Science Direct Renewable Energy, Vol.32, pp.1059-1076, (2007).
    [29] G. Petrone, G. Spagnuolo, “Analytical model of mismatched photovoltaic fields by means of Lambert W-function,” Sciencr Direct Solar Energy Material & Solar Cells, Vol. 91, pp.1652-1657, (2007).
    [30] Wei Xu, Chaoxu Mu, Jianxun Jin, “Novel Linear Iteration Maximum Power Point Tracking Algorithm for Photovoltaic Power Generation,” IEEE Transations on Applied Superconductivity, Vol.24, pp.0600806, (2014).
    [31] Qian Zhang, Changsheng Hu, Lin Chen,” A Center Point Iteration MPPT Method With Application on the Frequency-Modulated LLC Microinverter,” IEEE Transation on Power Eletronics, Vol.29, pp.1262-1274, (2014).
    [32] Whei-Min Lin, Chih-Ming Hong,” Neural-Network-Based MPPT Control of a Stand-Alone Hybrid Power Generation System,” IEEE Transations on Power Eletronics, Vol.26 pp.3571-3581 (2011).
    [33] Yi-Hua Liu, Chun-Liang Liu, Jia-Wei Huang, “Neural-network-based maximum power point tracking methods for photovoltaic systems operating under fast changing environments,” SciVerse Science Direct Solar Energy, Vol.89, pp.42-53, (2013).
    [34] Santi Agatino Rizzo, Giacomo Scelba, “ANN based MPPT method for rapidly variable shading conditions,” Applied Energy, Vol.145,
    99
    pp.124-132, (2015).
    [35] R. Arulmurugan, N. Suthanthiravanitha, ”Model and design of a fuzzy-based Hopfield NN tracking controller forstandalone PV applications,” Electric Power Systems Research, Vol.120, pp.184-193, (2015).
    [36] Houria Boumaaraf, Abdelaziz Talha, “A three-phase NPC grid-connected inverter for photovoltaic applications using neural network MPPT,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol.49, pp1171-1179, (2015).
    [37] Ali Chikh, Ambrish Chandra, “An Optimal Maximum Power Point Tracking Algorithm for PV Systems With Climatic Parameters Estimation,” IEEE Transactions on Sustainable Energy, Vol.6, pp.644-652, (2015).
    [38] Ammar A. Aldair, Adel A. Obed, “Design and implementation of ANFIS-reference model controller based MPPT using FPGA for photovoltaic system,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol.82, pp.2202-2217, (2018).

    無法下載圖示 全文公開日期 2025/08/10 (校內網路)
    全文公開日期 2025/08/10 (校外網路)
    全文公開日期 2025/08/10 (國家圖書館:臺灣博碩士論文系統)
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