參考資料之來源及日期：Why PV Inverters Failures May Lead to AC Power Quality Issues, Dec. 5, 2024

網頁：https://www.ecmweb.com/renewables/solar/article/55242780/why-pv-inverter-failures-may-lead-to-ac-power-quality-issues

參考資料之作者：William Sekulic, Greg Linder

隨著太陽光電發展日益蓬勃，變流器在電網中扮演的角色舉足輕重，一旦變流器發生故障，會為電網帶來莫大影響。發表於EC&M的「Why PV Inverters Failures May Lead to AC Power Quality Issues？」一文，即著墨於太陽光電變流器故障對電力品質之影響。

參考資料作者表示，儘管變流器的可靠度與日俱增，仍然是PV系統中最常見的故障點。變流器故障原因龐雜，包含安裝瑕疵、產品老化等皆屬可能。根據Christof Bucher、Jasmin Wandel及David Joss於2022年發表的論文「Life Expectancy of PV Inverters and Optimizers in Residential PV Systems.」，提及大約34%的變流器於安裝後的15年內發生故障。

多數串列型變流器及微型變流器，屬於無變壓器結構(transformer-less inverter)，在直流側及交流側之間沒有電流隔離裝置，僅由功率半導體開關，透過特定周期的導通及關閉，將直流電源輸入轉換為交流仿正弦波輸出。倘變流器電路中的功率半導體開關發生故障，可能會對上游的直流組件及下游的交流組件造成破壞。

為解決上述問題，參考資料作者提出可在變流器電路中加入失效安全旁路開關(fail-safe bypass switch)作為變流器故障保護。前述開關可以在功率半導體開關故障時流側電路短接至接地端，阻止直流電流流入交流側，從而保護交流組件。惟參考資料作者亦表示，若變流器故障保護不存在或設計不當，變流器故障引發之故障電流會直接流向交流側，最終雖可讓交流斷路器跳閘，但直流電弧無法在短時間內消除，使得交流斷路器阻抗特性發生變化。然而該變化卻不易被維修人員發現，導致維修人員僅更換變流器而未更換斷路器，繼續投入使用，日積月累下不僅造成系統的電力品質下降，也提高變流器的故障頻率。此外，變流器輸出波形為仿弦波，係透過濾波器將諧波濾除，方能提供正弦波至交流側。變流器故障產生的高熱量，可能導致濾波器的部分元件脫落而失效，維修人員若未修復濾波器，變流器輸出的仿弦波將流入交流側，使系統總諧波失真提高，亦會影響系統的電力品質。

參考資料作者透過監控裝置追蹤某PV案場，在發現變流器發生故障後，即利用紅外線熱成像儀觀察交流斷路器，並未出現明顯發熱，但交流側匯流排上產生明顯的諧波雜訊。而在修復濾波器及更換交流斷路器後，諧波問題立刻得到改善。綜觀上述問題成因，參考資料作者指出多數交流斷路器的特性不足以快速熄滅直流電弧，當直流故障電流流經斷路器時，其開關元件無法及時跳脫，過多的電弧及熱能不僅導致斷路器的阻抗產生變化，也會熔斷濾波器的焊點致使變流器產生的諧波流入交流側，造成系統的壓降、三相不平衡及總諧波失真，汙染系統的電力品質。

最後，參考資料作者總結，交流斷路器通常不具直流消弧裝置，PV系統若採用無變壓器變流器(transformer-less inverter)，易因變流器故障，使得直流故障電流流入交流側，導致交流斷路器各相阻抗不均勻增加，降低系統電力品質，建議在變流器電路的架構中設計安全措施，以防止災難性故障和設備損壞。我國近年來太陽光電建置數量如雨後春筍，尤須正視變流器故障對電力品質的衝擊。太陽光電案場相關電力工程人員於設計、安裝及維護時，應符合我國「用戶用電設備裝置規則」，若為併接台電公司電網之案場，設計者亦須檢討諧波失真率，以符合「台灣電力股份有限公司再生能源發電系統併聯技術要點」諧波管制。本文所提變流器故障帶來的影響，或可提供電力工程設計人員參考，以優化案場的電路架構設計方式，期能減少故障頻率及維持穩定的電力品質。

經濟部能源署113年度「電力工程技術規範及高壓用電設備管理計畫(1/3)」

台灣綜合研究院電力工程研究團隊 編輯

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