CN103362745A

CN103362745A - 风力发电系统

Info

Publication number: CN103362745A
Application number: CN2012101033925A
Authority: CN
Inventors: 萧智鸿; 詹程杰; 洪云麒
Original assignee: Delta Optoelectronics Inc
Current assignee: Delta Optoelectronics Inc
Priority date: 2012-04-10
Filing date: 2012-04-10
Publication date: 2013-10-23

Abstract

本发明公开了一种风力发电系统，其包含风力发电机、控制单元以及负载单元。风力发电机包含扇叶模块以及发电机，其中扇叶模块受外部风力推动而驱动发电机运转以产生电能。控制单元依据风力发电机的运转特性以及外部风力的速度来控制风力发电机，使得风力发电机依此操作于正常模式、转速控制模式或安全模式。负载单元电性耦接控制单元，并接收风力发电机所产生的电能。本发明的风力发电系统，可依据转速控制条件以及外部风力的强度判断风力发电机的操作模式，使其运作于正常模式、转速控制模式以及安全模式中的一者，以适应自然环境的变化，保护整个风力发电系统的正常运作。

Description

风力发电系统

技术领域

本发明是有关于一种发电系统，且特别是有关于一种风力发电系统。

背景技术

近年来，由于环保意识的抬头，使得再生能源的技术迅速发展。在这些再生能源之中，风力发电为一种简单且零污染的发电方式，其利用自然界所产生的风力驱动风力发电机的扇叶，以将外部风力转换为电能输出，进而供给负载(如：电池或输电网络)一定的电力。

然而，当外部风力增强时，风力发电机的扇叶转速也随的增加，使得风力发电机所产生的电能可能大于负载的可承受范围，造成发电系统的设备故障。再者，当外部风力过大时，风力发电机本体可能无法承受过高的转速而失控或损毁。

因此，迄今现有技术仍具有上述缺陷与不足之处需要解决。

发明内容

为解决现有技术中的上述问题，本发明提供了一种风力发电系统。

本发明提供了一种风力发电系统，其包含风力发电机、控制单元以及负载单元。风力发电机包含扇叶模块以及发电机，其中扇叶模块用以受外部风力的推动而驱动发电机的运转以产生电能。控制单元电性耦接风力发电机，并用以依据风力发电机的转速、输出功率、抽载电流、噪音以及外部风力的速度来控制风力发电机，其中当风力发电机的转速、输出功率、抽载电流、噪音中至少一者的数值超过临界值时，控制单元控制风力发电机由正常模式切换至转速控制模式，而当外部风力的速度大于预设风速时，控制单元控制该风力发电机由转速控制模式切换至安全模式。负载单元电性耦接控制单元，并用以接收风力发电机所产生的电能。

依据本发明内容的一实施例，当风力发电机所产生的电能大于负载单元的可承受值、风力发电机的转速大于预设安全转速、风力发电机的抽载电流大于绕线线径的可承受值或是风力发电机所产生的噪音大于预设规范值时，控制单元控制风力发电机由正常模式切换至该转速控制模式。

依据本发明内容的一实施例，当风力发电机操作于转速控制模式时，风力发电机的输出功率维持一定值。

依据本发明内容的一实施例，风力发电机在正常模式下依据一风速功率曲线产生电能，风速功率曲线为外部风力的速度所对应的风力发电机的最大功率输出。

依据本发明内容的一实施例，负载单元还包含转换单元、输电网络以及储电单元。转换单元用以将风力发电机所产生的电能转换成一电源。输电网络电性耦接转换单元，并用以接收转换单元所输出的电源。储电单元与转换单元并联耦接，用以储存风力发电机所产生的电能。

依据本发明内容的一实施例，风力发电系统还包含刹车单元，其电性耦接风力发电机与控制单元，其中控制单元更用以输出一控制信号，刹车单元依据控制信号控制风力发电机的转速。

依据本发明内容的一实施例，控制单元所产生的控制信号为开关脉冲信号或是脉冲宽度调变信号。

依据本发明内容的一实施例，控制单元将风力发电机所产生的部份电能分配给刹车单元，以调节风力发电机传递至负载单元的电能。

依据本发明内容的一实施例，控制单元在转速控制模式下调整刹车单元的开关周期，以控制风力发电机的转速。

依据本发明内容的一实施例，控制单元用以通过刹车单元的最大扭力抽载方式将风力发电机控制于一低速运转状态，使得风力发电机操作于安全模式。

因此，运用本发明所揭示的技术内容可改善上述现有技术的缺点与不足之处。

附图说明

为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附图式的说明如下：

图1为依照本发明内容的一实施方式的一种风力发电系统的电路方块示意图。

图2为依照本发明内容的一实施方式的一种风力发电系统的控制方法的流程示意图。

图3为本发明内容的一实施例中风力发电机的风速功率曲线示意图。

图4为本发明内容的一实施例中风力发电机的正常模式、转速控制模式以及安全模式下的输出功率示意图。

其中，附图标记说明如下：

100：风力发电系统

110：风力发电机

112：扇叶模块

114：发电机

120：控制单元

130：负载单元

132：转换单元

134：输电网络

136：储电单元

140：刹车单元

210～270：操作步骤

具体实施方式

以下将以图式及详细叙述清楚说明本发明内容的精神，任何所属技术领域中具有通常知识者在了解本发明内容的较佳实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。

关于本文中所使用的“约”、“大约”或“大致”一般通常是指数值的误差或范围于百分之二十以内，较好地是于百分之十以内，而更佳地则是于百分之五以内。文中若无明确说明，其所提及的数值皆视作为近似值，即如“约”、“大约”或“大致”所表示的误差或范围。

另外，关于本文中所使用的“耦接”或“连接”，均可指二或多个元件相互直接作实体或电性接触，或是相互间接作实体或电性接触，而“耦接”还可指二或多个元件相互操作或动作。

图1绘示依照本发明内容的一实施方式的一种风力发电系统100的电路方块示意图。风力发电系统100可包含风力发电机110、控制单元120以及负载单元130。风力发电机110可包含扇叶模块112以及发电机114，其中扇叶模块112受外部风力的推动，以驱动发电机114的运转而产生电能。控制单元120电性耦接风力发电机110，并依据风力发电机110的转速、输出功率、抽载电流(Load current)、噪音以及外部风力的强度决定风力发电机110操作于正常模式、转速控制模式以及安全模式中的一者。负载单元130电性耦接控制单元120，用以接收风力发电机110所产生的电能。

需说明的是，在本实施例中，扇叶模块112可包含多个扇叶(fan blades)，当外部风力推动扇叶而产生扭力时，扇叶模块112即受扭力的驱动而旋转，并通过传动装置(未绘示)驱动发电机114，以产生电能。

在本实施例中，负载单元130可包含转换单元132、输电网络(Grid)134以及储电单元136。转换单元132可为换流器(Inverter)，用以将风力发电机110所产生的电能转换成所需的电源(例如：交流电源)，以提供给输电网络134。输电网络134电性耦接转换单元132，用以接收转换单元132所输出的电源。储电单元136与转换单元132并联耦接，用以储存风力发电机110所产生的电能，在实作上，储电单元136可为电池。

在本发明内容的一实施例中，风力发电系统100还可包含刹车单元140。刹车单元140电性耦接风力发电机110与控制单元120，用以控制风力发电机110的转速。在一实施例中，控制单元120还用以输出一控制信号，刹车单元140依据此控制信号控制风力发电机110的转速。例如，当控制单元120判断风力发电机110的转速过快而需要减速时，控制单元120可输出开关脉冲信号或是脉冲宽度调变(PWM)信号给刹车单元140，以调整刹车单元140的开关周期，进而控制风力发电机110的转速。此外，控制单元120还可将风力发电机110所产生的部份电能分配给刹车单元140，以调节风力发电机110传递给负载单元130的电能。

图2绘示依照本发明内容的一实施方式的一种风力发电系统的控制方法的流程示意图。此控制方法可应用于图1所示的风力发电系统100中，其装置结构与上述实施例相同或相似，于此不再赘述。首先，在步骤210中，启动控制单元120，以决定风力发电机110的操作模式。随后，在步骤220中，设置风力发电机110于正常模式，使风力发电机110可依据如图3所示的风速功率曲线产生电能。图3绘示本发明内容的一实施例中风力发电机110的风速功率曲线示意图。在本实施例中，随着外部风力的提升，扇叶模块112的转速随的增加，使得发电机114所产生的电能亦随的增加。此外，风速功率曲线为扇叶模块112与发电机114于各风速下匹配的最大功率曲线，使得风力发电机110在对应的各个风速下均具有最大功率输出。

接着，在步骤230中，控制单元120可判断转速控制条件是否符合。举例来说，转速控制条件可包含风力发电机110所产生的电能大于负载单元130的可承受值(例如：100MW)、风力发电机110的转速大于预设安全转速(例如：1200RPM)、风力发电机110的抽载电流大于绕线线径的可承受值(例如：30A)以及风力发电机110所产生的噪音(例如：机械噪音或气动噪音)大于预设规范值(例如：75dB)中至少一者。若是，执行步骤240，切换风力发电机110由正常模式切换至转速控制模式，以控制风力发电机110的转速，使得风力发电机110所产生的电能小于负载单元130的可承受范围、风力发电机110的转速小于预设安全转速、风力发电机110的抽载电流小于绕线线径的可承受范围以及风力发电机110所产生的噪音小于预设规范值中至少一者，并维持风力发电机110的输出功率在安全范围之内。若否，则返回至步骤220。

其后，在步骤250中，控制单元120可判断外部风力的速度是否大于预设风速(例如：18m/s)。若是，执行步骤260，切换风力发电机110由转速控制模式至安全模式，以降低风力发电机110的转速，保护整个风力发电系统100的安全。若否，则返回至步骤220。

图4绘示本发明内容的一实施例中风力发电机110的正常模式、转速控制模式以及安全模式下的输出功率示意图。举例来说，当外部风力小于A点的风速(例如：12m/s)时，风力发电机110是操作于正常模式。此时，风力发电机110的输出功率随着风速的提升而随的增加，并在对应风速下具有最大功率输出。

当外部风力大于A点的风速而小于C点的风速(例如：18m/s)且符合上述转速控制条件的判断机制时，控制单元120将风力发电机110由正常模式切换至转速控制模式，以控制风力发电机110的转速，使其输出功率不再随着风速的提升而增加。需说明的是，在此转速控制模式中，控制单元120可提供控制信号给刹车单元140，通过调整刹车单元140的开关周期，以控制风力发电机110的转速。再者，控制单元120还可通过最大功率点偏移方式，将风力发电机110的最大功率曲线偏移，使得风力发电机110在风速的提升之下仍可维持安全范围内的转速与输出功率，而不再依照图3所示的风速功率曲线产生电能。因此，风力发电机110的输出功率在转速控制模式下可大致维持在如图4中B点所示的功率值。

当外部风力大于C点的风速时，风力发电机110的转速无法再由上述转速控制模式控制，而可能使得风力发电机110产生转速失控或损毁等现象。此时，控制单元120可将风力发电机110由转速控制模式切换至安全模式，并可通过刹车单元140及/或发电机114的最大扭力抽载方式将风力发电机110控制于在低速运转状态，亦即将风力发电机110的速度下拉至低速运转状态，以保护风力发电系统100，使得风力发电机110在安全模式下大致维持在图4中D点所示的低功率输出。

在本发明内容的一实施例中，上述方法还包含在单位时间内侦测外部风力是否仍然大于预设风速，如步骤270所示。若是，执行步骤260，以维持风力发电机110于安全模式。若否，则返回至步骤220。

举例来说，当台风来袭时，其瞬间风力往往超过风力发电机110所能承受的最大风速(例如：18m/s)，因此，在台风来袭期间，控制单元120可依据侦测到的平均或瞬间风力值将风力发电机110切换至安全模式。随后，控制单元120可在单位时间(例如：1小时、12小时或24小时)内侦测外部风力是否仍然大于预设风速，以判断台风是否远离。例如，当所侦测到的12小时的平均外部风力并非大于预设风速时，代表台风已远离，则可返回至步骤220，以恢复风力发电机110于正常模式。

相较于现有作法，在本发明内容上述实施例中，可依据上述转速控制条件以及外部风力的强度判断风力发电机的操作模式，使其运作于正常模式、转速控制模式以及安全模式中的一者，以适应自然环境的变化，保护整个风力发电系统的正常运作。

在本发明内容中所提及的步骤，除特别叙明其顺序者外，均可依实际需要调整其前后顺序，甚至可同时或部分同时执行，而不以上述为限。

虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims

1.一种风力发电系统，包含：

一风力发电机，包含一扇叶模块以及一发电机，其中该扇叶模块用以受一外部风力的推动而驱动该发电机的运转以产生电能；

一控制单元，电性耦接该风力发电机，并用以依据该风力发电机的转速、输出功率、抽载电流、噪音以及该外部风力的速度来控制该风力发电机，其中当该风力发电机的转速、输出功率、抽载电流、噪音中至少一者的数值超过一临界值时，该控制单元控制该风力发电机由一正常模式切换至一转速控制模式，而当该外部风力的速度大于一预设风速时，该控制单元控制该风力发电机由该转速控制模式切换至一安全模式；以及

一负载单元，电性耦接该控制单元，并用以接收该风力发电机所产生的电能。

2.如权利要求1所述的风力发电系统，其中当该风力发电机所产生的电能大于该负载单元的可承受值、该风力发电机的转速大于一预设安全转速、该风力发电机的抽载电流大于一绕线线径的可承受值或是该风力发电机所产生的噪音大于一预设规范值时，该控制单元控制该风力发电机由该正常模式切换至该转速控制模式。

3.如权利要求2所述的风力发电系统，其中当该风力发电机操作于该转速控制模式时，该风力发电机的输出功率维持一定值。

4.如权利要求1、2或3所述的风力发电系统，其中该风力发电机在该正常模式下依据一风速功率曲线产生电能，该风速功率曲线为该外部风力的速度所对应的该风力发电机的最大功率输出。

5.如权利要求1所述的风力发电系统，其中该负载单元还包含：

一转换单元，用以将该风力发电机所产生的电能转换成一电源；

一输电网络，电性耦接该转换单元，用以接收该转换单元所输出的该电源；以及

一储电单元，与该转换单元并联耦接，用以储存该风力发电机所产生的电能。

6.如权利要求1所述的风力发电系统，还包含：

一刹车单元，电性耦接该风力发电机与该控制单元，其中该控制单元还用以输出一控制信号，该刹车单元依据该控制信号控制该风力发电机的转速。

7.如权利要求6所述的风力发电系统，其中该控制单元所产生的该控制信号为一开关脉冲信号或是一脉冲宽度调变信号。

8.如权利要求6所述的风力发电系统，其中该控制单元将该风力发电机所产生的部份电能分配给该刹车单元，以调节该风力发电机传递至该负载单元的电能。

9.如权利要求6所述的风力发电系统，其中该控制单元在该转速控制模式下调整该刹车单元的开关周期，以控制该风力发电机的转速。

10.如权利要求6所述的风力发电系统，其中该控制单元用以通过该刹车单元的最大扭力抽载方式将该风力发电机控制于一低速运转状态，使得该风力发电机操作于该安全模式。