並網型光伏發電系統變頻器尺寸規劃 (sizing the inverter)

第四章：並網型光伏發電系統規劃(Planning and Sizing Grid-Connected

Photovoltaic Systems)

編著：蘇漢儒

光伏發電系統規劃與安裝

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參考資料來源：Planning and Installing PhotovoltaicSystems A guide for installers, architects and engineers ( second edition ).

First published by Earthscan in the UK and USA in 2008. Copyright © The German Energy Society

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4.4 變頻器尺寸。 4.4.1 選擇變頻器的數量和額定功率。4.4.2 選擇變頻器的工作電壓。4.4.2.1 串列的最大模組數目。4.4.2.2 串列的最小模組數目。

目錄

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4.4.2.3 最佳化電壓。4.4.3 決定串列的數目。4.4.4 程式模擬串列的數目。4.5 選擇並網型光伏發電系統電纜。

目錄

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4.4 變頻器尺寸 ( Sizing the inverter )

變頻器技術規格提供重要的安裝及尺寸資料。

當決定變頻器的尺寸時，它們必須藉由審視光伏發電系統和連接模式來決定變頻器的數量、電壓位準和功率等級。

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4.4.1 選擇變頻器的數量和額定功率( Choosing the number and power rating of inverters )

變頻器的數量和額定功率是由光伏發電系統和系統概念來決定。

依據德國電氣協會的指導規範(VDEW guideline in Germany ；German Electricity Association) 允許單相並聯視在輸送功率 (An apparent feed power ； SAC) 為 4.6KVA 。

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依此而定，變頻器的額定輸出功率 (T

he nominal output power) 必須符合此值，若超過 4.6KVA 則必須使用多相(Multi-phase) 輸送。若可能，使用幾個單相變頻器組合成為三相變頻器( 最大不平衡負載為 4.6KVA) 。

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幾個單相變頻器組合成為三相變頻器，依據 2004 年 3 月 VDN 公報 (VDN bulletin 03/2004) 所敘述的德國電氣協會指導規範，允許在 10 分鐘周期內輸出最大功率，高於變頻器額定輸出功率 10 ％，進入公共電力網。

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變頻器製造商們一致公佈保證這些參數：

變頻器最大輸出功率 = Smax 10 minutes < 1.1 x SN

光伏發電陣列和變頻器兩者的每一個輸出數值有最佳化匹配。

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變頻器額定輸出功率設定為 ± 20

％在標準測試條件的光伏發電陣列輸出功率，依賴變頻器、光伏發電模組和位置條件，譬如區域性的隔離及光伏發電模組的方位。

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參考資料來源： Distribution of annual solar irradiance at the module plane of a system in Munich, Germany (Ft. Haselhuhn)


變頻器額定輸出功率設定為 -20 ％在標準測試條件的光伏發電陣列輸出功率

變頻器額定輸出功率設定為 +20 ％在標準測試條件的光伏發電陣列輸出功率

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不要相信變頻器製造商提供的最大可連接光伏功率 (PV power) ，經驗告訴我們經常會導致變頻器超載。

可靠的方法是經由變頻器額定效率計算直流功率 ( 從交流額定功率估算變頻器額定效率 ) 。

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變頻器製造商公佈的交流額定功率，係定義變頻器在室溫 25°C (±2°C)

不會停止工作 ( 當機 ) ，變頻器能夠持續輸出交流功率進入公共電力網。

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計算直流功率平均值，大約比變頻器額定交流功率高 5 ％。下列公式定義直流功率輸入變頻器的範圍。

PPV = 光伏陣列功率。

PINV DC = 變頻器直流功率。

0.8 × PPV < PINV DC < 1.2 × PPV


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( 例 )

PPV = 光伏陣列輸出功率 = 1000W 。

PINV DC = 輸入變頻器直流功率。

0.8 × PPV < PINV DC < 1.2 × PPV

→ 800W < PINV DC < 1200W


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光伏陣列功率與變頻器額定交流功率的比率，定義為變頻器尺寸因數(CINV； The inverter sizing factor) 。

PVINV

INV AC

PC

P


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變頻器尺寸因數敘述變頻器的利用水準 (Level of utilization) ，典型的變頻器尺寸因數是 1 ，其利用水準範圍如下：

INV0.83 < C < 1.25


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當變頻器安裝在頂樓或戶外，因為工作在高溫環境因此必須降低變頻器的工作功率。因為極端的溫度和其他環境因數，某些位置並不適合安裝變頻器。當有任何安裝位置的疑問時，可參閱使用手冊或洽詢製造商。


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德國佛萊堡 (Freiburg) 的 Fraunhofer

ISE (Fraunhofer - Institute For Solar E

nergy System)(歐洲規模最大的太陽能研究機構 - 太陽能系統研究所 )

研究員 Bruno Berger 調查研究變頻器尺寸因數與功率損失。


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德國佛萊堡 ( Freiburg )

參考資料來源： http://www.google.com

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德國佛萊堡 - 太陽能系統研究所

參考資料來源： Fraunhofer - Institute For Solar Energy System

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德國的太陽能名城 --弗萊堡

參考資料來源： http://www.tpwu.org.tw/periodical/392/1701.htm (臺灣石油公會網頁 )

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德國佛萊堡大學

參考資料來源： http://www.google.com

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Fraunhofer ISE 研究員 Bruno Berger

研究發現變頻器尺寸因數 1.1 至 1.

2 時增加損失 0.5 ％至 1 ％，當在短暫的日照峰值 ( 最大瞬間日照 ) 變頻器會截止 (Cutting out ) 工作。


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變頻器尺寸因數 1.2 至 1.3 時增加損失 1 ％至 3 ％，這些研究是建立於朝南方、傾斜角 30° 的光伏發電模組陣列。

有 /無變壓器的變頻器，年平均效率與變頻器尺寸因數的關係，如下列圖示。


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參考資料來源：Simulated annual efficiencies of inverters with transformers ( Fraunhofer ISE )


η= 年平均效率 = 93.6％

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參考資料來源：Simulated annual efficiencies of inverters without transformers ( Fraunhofer ISE )


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光伏發電模組陣列沒有最佳化排列或者有一部分遮蔭，從技術及經濟層面的觀點考慮，可以選用較小型變頻器尺寸。

必須在心裡勞記不同變頻器的超載特性曲線，經常超載工作將使變頻器壽命快速縮短老化。


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使用非晶矽 (Amorphous) 光伏發電模組，在選用變頻器尺寸時必須計算光伏發電模組光衰退化因數。

非晶矽光伏發電模組具有初始光衰 (The initial light degradation) 特性，在第一個月使用期間的發電功率會比往後的常態額定功率高 15 ％。


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匹配非晶矽光伏發電模組，在選用變頻器的電壓和電流規格時，初始光衰特性必須納入計算。

初始光衰期間的工作電壓比常態額定電壓高 11 ％，工作電流比常態額定電流高 4 ％。


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4.4.2 選擇變頻器的工作電壓( Voltage selection )

變頻器的工作電壓是串聯連接的串列光伏發電模組的總電壓。

自從光伏發電模組電壓和整個光伏發電模組陣列的電壓係依賴環境溫度而定，選用適合在冬天和夏天兩種極端溫度工作的變頻器。

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為使變頻器與光伏發電模組陣列有最佳之匹配，必須計算發電模組的溫度與日照 (Irradiance) 工作參數。

光伏發電模組陣列的輸出電壓是極度的受環境溫度的狀態影響而改變其輸出電壓。

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變頻器的工作範圍必須與光伏發電模組陣列的電壓 - 電流特性曲線有最佳之匹配。

變頻器最大功率點 (MPP) 的工作範圍必須包含光伏發電模組陣列的電壓 - 電流特性曲線在不同溫度最大功率點的工作範圍。

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不要忽略變頻器的截止電壓 (Turn-

off voltage) 和電壓阻抗 (Voltage res

istance ) ，這些參數必須納入計算，必須要了解變頻器工作電壓範圍(詳細閱讀變頻器規格說明書 ) 。

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參考資料來源： PV array l-V curves and an inverter's operating range ( R. Haselhuhn )

變頻器工作電壓範圍變頻器最大輸入電流

變頻器截止電壓

低溫

常溫高

溫

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4.4.2.1 串列的最大模組數目( Maximum number of modules in a string )

在德國冬天的溫度是 -10°C (臺灣冬天的溫度大約是 12°C至 16°C) 低溫使光伏發電模組的輸出電壓升高。

在晴朗的冬天，若切斷變頻器電路，再重新復原變頻器電路時將導致過高的開路 (Open circuit) 電壓。

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光伏發電模組的開路電壓必須低於變頻器的最大直流輸入電壓，否則會傷害變頻器。

串聯連接模組的最大數目 (ηmax) 是變頻器的最大直流輸入電壓除以光伏發電模組在 -10°C 的開路電壓。

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在臺灣冬天的室外溫度是 12°C至16°C (各地的冬天平均溫度可參考氣象局發佈的氣象資料 ) ，因此在臺灣計算串聯連接模組的最大數目是變頻器的最大直流輸入電壓除以光伏發電模組在臺灣冬天平均溫度的開路電壓。

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ηmax = 串聯連接光伏發電模組的最大數目。

Vmax (INV) = 變頻器的最大直流輸入電壓。 VOC (module -10°C) = 光伏發電模組在 -10°C 的開路電壓。

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max (INV)max

OC (module -10 C)

Vη

V

串聯連接光伏發電模組的最大數目

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廠商產品規格型錄不會說明光伏發電模組在負 10°C 的開路電壓數值，廠商使用變化電壓百分比 ( V △ percentage) 或毫伏特每 °C

(mV per °C) ，因溫度變化而變化的開路電壓數值是負數數值。

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單晶矽或多晶矽光伏發電模組在負10℃時，開路電壓數值比在標準測試條件時升高 14 ％。

VOC (module -10°C)

= VOC (STC) - 35 × V℃ △

VOC (module -10°C) = 1.14 × VOC (STC)

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4.4.2.1 一個串列的最大模組數目( Maximum number of modules in a string )

參考資料來源： Temperature dependence of the electrical characteristics of PV modules ( R. Haselhuhn )

開路電壓曲線

德國冬季溫度

臺灣冬季溫度

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4.4.2.2 串列的最小模組數目( Minimum number of modules in a string )

夏天時，安裝在屋頂的光伏發電模組，其工作溫度會容易上升至 70

℃ ，這樣的工作溫度通常被應用於決定一個串列光伏發電模組的最小模組數目的基準。

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在德國，一個通風系統良好 (Wel

l-Ventilated Systems) 的光伏發電模組，使用最大工作溫度 60℃作為決定一個串列光伏發電模組的最小模組數目的基準。

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整個夏季的日照，使光伏發電系統的輸出電壓數值低於在標準測試條件 ( 光伏發電模組規格說明書標示的額定輸出電壓數值 ) 的輸出電壓數值，這是因為夏季溫度升高的關係。

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假如光伏發電系統的輸出電壓數值低於變頻器最小的 MPP ( 最大功率點 ) 電壓，這時候將無法輸送最大功率，在這樣惡劣的情況之下變頻器會當機。

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因此，光伏發電系統串列的最小模組數目的尺寸必須設計在變頻器最小的 MPP 輸入電壓數值除以光伏發電模組在 70°C 的 MPP 輸出電壓。

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ηmin = 串聯連接光伏發電模組的最小數目。

VMPP (INV min) = 變頻器最小的 MPP 輸入電壓。VMPP (module 70°C) = 光伏發電模組在 70°C

的 MPP 輸出電壓。

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下列公式提供最低限度的光伏發電系統串列的最小模組數目。

MPP (INV min)min

MPP (module 70 C)

Vη

V

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假如廠商產品規格型錄沒有說明光伏發電模組在 70°C 的 MPP 電壓數值，可使用標準測試條件時的VMPP電壓數值計算在 70°C 的 MPP

電壓的變化電壓百分比 ( V△ ％ )

或毫伏特每 °C (mV per °C) 。

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單晶矽或多晶矽光伏發電模組在 70

℃時， MPP 電壓數值比在標準測試條件時低 18 ％。

VMPP (module 70°C)

= VMPP (STC) ＋ 45 × V℃ △

VMPP (module 70°C) = 0.82 × VOC (STC)

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參考資料來源： Temperature dependence of the electrical characteristics of PV modules ( R. Haselhuhn )

開路電壓曲線

德國夏季溫度

臺灣夏季溫度

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光伏發電系統位置決定最大發生溫度(Maximum Occurring Temperature ) 。當決定變動電壓，這樣的因素必須納入計算。安裝在屋頂和建築物正面一體成型的光伏發電系統，若沒有通風，其工作溫度會上升至 100℃。

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在此例中，工作溫度 100℃的 VMPP

電壓是被應用作為決定一個串列光伏發電模組的最小模組數目。

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4.4.2.3 最佳化電壓( Voltage Optimization )

最佳化變頻器尺寸，心中必須記得變頻器的工作效率係依賴串列光伏發電模組的輸出電壓。只有少數變頻器製造廠商會提供不同變頻器工作電壓的變頻器效率特性曲線。

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一些變頻器 ( 例如：變頻器製造廠商 Fronius 、 Siemens 、 SMA 和 Sunw

ays) 送到瑞士伯格朵夫 (Burgdorf)伯恩大學 (Bern University)應用科學光伏實驗室詳細測試在不同變頻器工作電壓的變頻器效率。

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瑞士伯格朵夫 ( Burgdorf ) 高聳的城堡

參考資料來源： http://maps.google.com/

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瑞士伯格朵夫城堡 ( Burgdorf )

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瑞士伯格朵夫 (Burgdorf)伯恩大學 (Bern University)

參考資料來源： http://maps.google.com/

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伯恩大學 (Bern University)應用科學光伏實驗室的網址 (www.pvtest.c

h) 可查閱變頻器廠商委託光伏實驗室測試認證的變頻器效率技術資料。

光伏發電模組陣列與變頻器緊密匹配能提高發電效率數個％。

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伯恩大學應用科學光伏實驗室( Bern University - Photovoltaic Laboratory )

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SolarMax 2000E 變頻器效率曲線

Filling factor 75%

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注入因數 75% (filling factor 75% )

與三種不同的電壓範圍 ( 分別是 18

0V 、 320V 和 420V)做為測量參數，測量變頻器追蹤效率 (Trackin

g efficiency ) 。

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Filling factor 75%

SolarMax 2000E 變頻器 MPPT曲線

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Filling factor 75%


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Filling factor 75%


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Filling factor 75%

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4.4.3 決定串列的數目( Determining the number of strings )

必須確定光伏陣列 (PV array) 的最大輸出電流沒有超過變頻器的最大輸入電流，才能確定串列的數目。

最大的串列數目 = 變頻器的最大輸入電流除以最大的串列電流。

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最大的串列數目 (ηstring ) ：

max INVstring

n string

I

I

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光伏陣列最大輸出電流超過變頻器最大輸入電流，會使變頻器過載工作，縮短變頻器使壽命或破壞變頻器的電子元件。

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4.4.4 程式模擬串列的數目(Sizing using simulation programs)

假如串列的數目不正確，超過限制數值，模擬程式會提供警訊。

不能盲目信賴模擬程式，即使沒有超過限制數值，模擬程式會產生誤差數值，因此有可能不是最佳化的串列數目。

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4.4.4 程式模擬串列的數目(Sizing using simulation programs)

許多模擬程式執行串列數目模擬時，只有使用每小時日照數值 (Hourly

irradiance values) 。

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4.5 選擇並網型光伏發電系統電纜( Selecting and sizing cables for grid-tied PV systems )

當選擇光伏發電系統直流電纜尺寸及型號時，必須參考國家法令和法規 (National codes and regulations)

規定允許應用在並網型光伏系統(Grid-tied PV systems) 的直流電纜尺寸及型號。

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下述說明，基本上是適用在德國。在其他國家可能不完全適用。保險絲及其他附屬導線的規格亦同樣。( 註：電纜、保險絲及其他附屬導線的選配必須符合該地區的電工法規規範 )

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規劃設計一個屋頂安裝光伏模組，測量該建築物的陳列和配置，必須要概略的計算直流電纜長度。適當的排列光伏模組能減少光伏模組電纜長度、電纜損失 ( Cable losses )

和突波耦合 ( Surge coupling ) 。

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參考資料來源： Module wiring variants : the variant on the right optimises wiring lengths and surge coupling (R. Haselhuhn)

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參考資料來源： wiring diagram for a 2kW system with central inverter (R. Haselhuhn)

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選擇光伏發電系統的直流電纜尺寸時，必須注意三項基本規範：

1. 電纜的電壓等級。 2. 電纜的電流傳導容量。 3. 最小的電纜損失。


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完成光伏發電系統規劃設計之後，必須繪製光伏發電系統電纜佈線圖。它能作為安裝指南並作為光伏發電系統文件。


並網型光伏發電系統變頻器尺寸規劃 (sizing the inverter)

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