當世界各國都在談能源轉型，如何把太陽能、風能等再生能源穩定輸出到電網，也成為熱門研究課題。國立臺灣師範大學車輛與能源工程學士學位學程教授副教授劉華棟，率領研究團隊與國內外學者合作，成功將有限控制集模型預測控制（FCS-MPC）應用於單相五階層 T 型多階層逆變器，打造出一台「輕薄短小」卻能高效率輸出電力的裝置，提供再生能源應用新觀點。

　　劉華棟長期鑽研電動車電力應用和太陽能領域，除了國內研究，也積極與海外學者共同合作交流。最初接觸多階層逆變器，也源自於一次跨國交流，當他看見印度研究人員以多組開關與電容器組成的新架構，取代台灣常見的四開關設計，設計優勢在於重量大幅減輕，甚至能做到「攜帶式」供電，也就展開與印度阿里格爾穆斯林大學教授Adil Sarwar、臺灣科技大學教授林長華的三方合作。

　　從概念到實體原型，過程並不順利。研究初期，電路設計屢遭失敗，甚至多次發生「元件燒毀」的情況，耗費了不少材料成本。雖然每次失敗都是挫折，但同時也提供了重新驗證假設的契機。為了突破困境，劉華棟於 2025 年特地前往印度團隊實驗室，實地觀察硬體配置與控制器設計，並將經驗帶回台灣加以改良。經過多次嘗試，團隊終於成功研製出能穩定運作的五階層逆變器，並致力於使其電力品質達到國際標準。

　　逆變器的功能，是將直流電（DC）轉換為交流電（AC）。傳統逆變器輸出的交流電波形較為粗糙，需要額外的濾波裝置來改善電力品質；多階層逆變器（Multilevel Inverter, MLI）則透過增加輸出電壓的階層數，模擬出更接近理想正弦波的波形。

　　劉華棟團隊採用「單相五階層 T 型拓撲」，其結構由分裂直流鏈路、六個開關及兩個雙向開關組成，並搭配 LC 濾波器，不僅能減少元件使用數量、降低 LC 濾波器體積，更能有效改善輸出電壓品質，並提升電壓輸出的穩定性。

圖1：單相五階層 T 型拓撲結構圖

圖2：有限控制集模型預測控制策略與 T 型系統架構圖
 

 　　實驗數據顯示，FCS-MPC 在多階層逆變器的控制應用中具有良好的適用性，這種方法能有效降低開關損耗，更可無縫銜接至可再生能源系統應用中，包括太陽能系統、風能系統及儲能系統，並可增強電網支援、負載平衡及能量管理的功能。

　　劉華棟指出，在再生能源系統中，它可以直接接入太陽能板，將直流電轉成高品質交流電，並與市電併網。也可結合人工智慧（AI）技術，如模糊邏輯、類神經網路、強化學習等方法，自動調整 MPC 或 PWM 控制參數，達到自適應控制，進一步提升系統穩定性與效率。

　　隨著電動車普及，逆變器的「輕薄短小」設計更顯重要，這項技術也可應用於電動車車載逆變器與充電樁，或進一步結合太陽能、風力與儲能裝置，發展具能源管理（EMS）功能的逆變器系統，實現最大功率點追蹤（MPPT）、負載平衡與微電網調度控制。

　　目前這項研究成果仍停留在學術論文階段，尚未進入商業化，但東南亞已有相關應用案例，若要將技術落地台灣，仍需要廠商願意投入，才能從實驗室走向市場。劉華棟期待未來能與產業合作，推動產品化，讓研究成果真正服務社會。

　　不過，研究的腳步並未止步於此。印度團隊已經實現十餘階層的成果，劉華棟透露，團隊後續將規劃挑戰更高階層。「階層越多，電力品質就越好。」然而，階層數的增加也意味著元件數量與成本的提升，如何在成本與性能之間取得平衡，將是下一階段的重要挑戰。

(採訪撰文 | 由本校公共事務中心提供)。

原文出處：Lin, C.-H., Farooqui, S. A., Liu, H.-D., Huang, J.-J., & Fahad, M. (2023). Finite Control Set Model Predictive Control (FCS-MPC) for Enhancing the Performance of a Single-Phase Inverter in a Renewable Energy System (RES). Mathematics, 11(21), 4553. https://doi.org/10.3390/math11214553