TW201341655A - 風力發電系統 - Google Patents

Abstract

一種風力發電系統，其包含風力發電機、控制單元以及負載單元。風力發電機包含扇葉模組以及發電機，其中扇葉模組受外部風力推動而驅動發電機運轉以產生電能。控制單元依據風力發電機的運轉特性以及外部風力之速度來控制風力發電機，使得風力發電機依此操作於正常模式、轉速控制模式或安全模式。負載單元電性耦接控制單元，並接收風力發電機所產生之電能。

Description

風力發電系統

本發明是有關於一種發電系統，且特別是有關於一種風力發電系統。

近年來，由於環保意識的抬頭，使得再生能源的技術迅速發展。在這些再生能源之中，風力發電係為一種簡單且零污染之發電方式，其利用自然界所產生之風力驅動風力發電機之扇葉，以將外部風力轉換為電能輸出，進而供給負載（如：電池或輸電網路）一定的電力。
然而，當外部風力增強時，風力發電機之扇葉轉速也隨之增加，使得風力發電機所產生之電能可能大於負載的可承受範圍，造成發電系統的設備故障。再者，當外部風力過大時，風力發電機本體可能無法承受過高的轉速而失控或損毀。
因此，迄今習知技術仍具有上述缺陷與不足之處需要解決。

本揭示內容之一態樣在於提供一種風力發電系統，其包含風力發電機、控制單元以及負載單元。風力發電機包含扇葉模組以及發電機，其中扇葉模組係用以受外部風力之推動而驅動發電機之運轉以產生電能。控制單元電性耦接風力發電機，並用以依據風力發電機之轉速、輸出功率、抽載電流、噪音以及外部風力之速度來控制風力發電機，其中當風力發電機之轉速、輸出功率、抽載電流、噪音中至少一者的數值超過臨界值時，控制單元控制風力發電機由正常模式切換至轉速控制模式，而當外部風力之速度大於預設風速時，控制單元控制該風力發電機由轉速控制模式切換至安全模式。負載單元電性耦接控制單元，並用以接收風力發電機所產生之電能。
依據本揭示內容之一實施例，當風力發電機所產生之電能大於負載單元的可承受值、風力發電機之轉速大於預設安全轉速、風力發電機之抽載電流大於繞線線徑之可承受值或是風力發電機所產生的噪音大於預設規範値時，控制單元控制風力發電機由正常模式切換至該轉速控制模式。
依據本揭示內容之一實施例，當風力發電機操作於轉速控制模式時，風力發電機之輸出功率係大約維持一定值。
依據本揭示內容之一實施例，風力發電機在正常模式下係依據一風速功率曲線產生電能，風速功率曲線係為外部風力之速度所對應之風力發電機的最大功率輸出。
依據本揭示內容之一實施例，負載單元更包含轉換單元、輸電網路以及儲電單元。轉換單元用以將風力發電機所產生之電能轉換成一電源。輸電網路電性耦接轉換單元，並用以接收轉換單元所輸出之電源。儲電單元與轉換單元並聯耦接，用以儲存風力發電機所產生之電能。
依據本揭示內容之一實施例，風力發電系統更包含煞車單元，其電性耦接風力發電機與控制單元，其中控制單元更用以輸出一控制信號，煞車單元依據控制信號控制風力發電機之轉速。
依據本揭示內容之一實施例，控制單元所產生之控制信號係為開關脈衝信號或是脈衝寬度調變信號。
依據本揭示內容之一實施例，控制單元係將風力發電機所產生之部份電能分配給煞車單元，以調節風力發電機傳遞至負載單元之電能。
依據本揭示內容之一實施例，控制單元係在轉速控制模式下調整煞車單元之開關週期，以控制風力發電機之轉速。
依據本揭示內容之一實施例，控制單元係用以透過煞車單元之最大扭力抽載方式將風力發電機控制於一低速運轉狀態，使得風力發電機操作於安全模式。
因此，運用本發明所揭示之技術內容可改善上述習知技術之缺點與不足之處。

以下將以圖式及詳細敘述清楚說明本揭示內容之精神，任何所屬技術領域中具有通常知識者在瞭解本揭示內容之較佳實施例後，當可由本揭示內容所教示之技術，加以改變及修飾，其並不脫離本揭示內容之精神與範圍。
關於本文中所使用之『約』、『大約』或『大致』一般通常係指數值之誤差或範圍於百分之二十以內，較好地是於百分之十以內，而更佳地則是於百分之五以內。文中若無明確說明，其所提及的數值皆視作為近似值，即如『約』、『大約』或『大致』所表示的誤差或範圍。
另外，關於本文中所使用之『耦接』或『連接』，均可指二或多個元件相互直接作實體或電性接觸，或是相互間接作實體或電性接觸，而『耦接』還可指二或多個元件相互操作或動作。
第1圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種風力發電系統100之電路方塊示意圖。風力發電系統100可包含風力發電機110、控制單元120以及負載單元130。風力發電機110可包含扇葉模組112以及發電機114，其中扇葉模組112受外部風力的推動，以驅動發電機114的運轉而產生電能。控制單元120電性耦接風力發電機110，並依據風力發電機110之轉速、輸出功率、抽載電流、噪音以及外部風力的強度決定風力發電機110操作於正常模式、轉速控制模式以及安全模式中之一者。負載單元130電性耦接控制單元120，用以接收風力發電機110所產生之電能。
需說明的是，在本實施例中，扇葉模組112可包含複數個扇葉（fan blades），當外部風力推動扇葉而產生扭力時，扇葉模組112即受扭力之驅動而旋轉，並透過傳動裝置（未繪示）驅動發電機114，以產生電能。
在本實施例中，負載單元130可包含轉換單元132、輸電網路（Grid）134以及儲電單元136。轉換單元132可為換流器（Inverter），用以將風力發電機110所產生之電能轉換成所需之電源（例如：交流電源），以提供給輸電網路134。輸電網路134電性耦接轉換單元132，用以接收轉換單元132所輸出之電源。儲電單元136與轉換單元132並聯耦接，用以儲存風力發電機110所產生之電能，在實作上，儲電單元136可為電池。
在本揭示內容之一實施例中，風力發電系統100更可包含煞車單元140。煞車單元140電性耦接風力發電機110與控制單元120，用以控制風力發電機110之轉速。在一實施例中，控制單元120更用以輸出一控制信號，煞車單元140依據此控制信號控制風力發電機110之轉速。例如，當控制單元120判斷風力發電機110之轉速過快而需要減速時，控制單元120可輸出開關脈衝信號或是脈衝寬度調變(PWM)信號給煞車單元140，以調整煞車單元140之開關週期，進而控制風力發電機110之轉速。此外，控制單元120更可將風力發電機110所產生的部份電能分配給煞車單元140，以調節風力發電機110傳遞給負載單元130之電能。
第2圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種風力發電系統之控制方法的流程示意圖。此控制方法可應用於第1圖所示之風力發電系統100中，其裝置結構係與上述實施例相同或相似，於此不再贅述。首先，在步驟210中，啟動控制單元120，以決定風力發電機110之操作模式。隨後，在步驟220中，設置風力發電機110於正常模式，使風力發電機110可依據如第3圖所示之風速功率曲線產生電能。第3圖係繪示本揭示內容之一實施例中風力發電機110之風速功率曲線示意圖。在本實施例中，隨著外部風力的提升，扇葉模組112的轉速隨之增加，使得發電機114所產生之電能亦隨之增加。此外，風速功率曲線係為扇葉模組112與發電機114於各風速下匹配之最大功率曲線，使得風力發電機110在對應之各個風速下均具有最大功率輸出。
接著，在步驟230中，控制單元120可判斷轉速控制條件是否符合。舉例來說，轉速控制條件可包含風力發電機110所產生之電能大於負載單元130的可承受值（例如：100 MW）、風力發電機110之轉速大於預設安全轉速（例如：1200 RPM）、風力發電機110之抽載電流大於繞線線徑的可承受值（例如：30 A）以及風力發電機110所產生的噪音（例如：機械噪音或氣動噪音）大於預設規範値（例如：75 dB）中至少一者。若是，執行步驟240，切換風力發電機110由正常模式切換至轉速控制模式，以控制風力發電機110之轉速，使得風力發電機110所產生之電能小於負載單元130的可承受範圍、風力發電機110之轉速小於預設安全轉速、風力發電機110之抽載電流小於繞線線徑的可承受範圍以及風力發電機110所產生的噪音小於預設規範値中至少一者，並維持風力發電機110之輸出功率在安全範圍之內。若否，則回復至步驟220。
其後，在步驟250中，控制單元120可判斷外部風力的速度是否大於預設風速（例如：18 m/s）。若是，執行步驟260，切換風力發電機110由轉速控制模式至安全模式，以降低風力發電機110之轉速，保護整個風力發電系統100的安全。若否，則回復至步驟220。
第4圖係繪示本揭示內容之一實施例中風力發電機110之正常模式、轉速控制模式以及安全模式下的輸出功率示意圖。舉例來說，當外部風力小於A點之風速（例如：12 m/s）時，風力發電機110係操作於正常模式。此時，風力發電機110之輸出功率隨著風速的提升而隨之增加，並在對應風速下具有最大功率輸出。
當外部風力大於A點之風速而小於C點之風速（例如：18 m/s）且符合上述轉速控制條件之判斷機制時，控制單元120將風力發電機110由正常模式切換至轉速控制模式，以控制風力發電機110之轉速，使其輸出功率不再隨著風速的提升而增加。需說明的是，在此轉速控制模式中，控制單元120可提供控制信號給煞車單元140，藉由調整煞車單元140之開關週期，以控制風力發電機110之轉速。再者，控制單元120更可透過最大功率點偏移方式，將風力發電機110之最大功率曲線偏移，使得風力發電機110在風速的提升之下仍可維持安全範圍內的轉速與輸出功率，而不再依照第3圖所示之風速功率曲線產生電能。因此，風力發電機110之輸出功率在轉速控制模式下可大致維持在如第4圖中B點所示的功率値。
當外部風力大於C點之風速時，風力發電機110之轉速無法再由上述轉速控制模式控制，而可能使得風力發電機110產生轉速失控或損毀等現象。此時，控制單元120可將風力發電機110由轉速控制模式切換至安全模式，並可透過煞車單元140及/或發電機114之最大扭力抽載方式將風力發電機110控制於在低速運轉狀態，亦即將風力發電機110的速度下拉至低速運轉狀態，以保護風力發電系統100，使得風力發電機110在安全模式下大致維持在第4圖中D點所示之低功率輸出。
在本揭示內容之一實施例中，上述方法更包含在單位時間內偵測外部風力是否仍然大於預設風速，如步驟270所示。若是，執行步驟260，以維持風力發電機110於安全模式。若否，則回復至步驟220。
舉例來說，當颱風來襲時，其瞬間風力往往超過風力發電機110所能承受之最大風速（例如：18 m/s），因此，在颱風來襲期間，控制單元120可依據偵測到的平均或瞬間風力値將風力發電機110切換至安全模式。隨後，控制單元120可在單位時間（例如：1小時、12小時或24小時）內偵測外部風力是否仍然大於預設風速，以判斷颱風是否遠離。例如，當所偵測到之12小時的平均外部風力並非大於預設風速時，代表颱風已遠離，則可回復至步驟220，以恢復風力發電機110於正常模式。
相較於習知作法，在本揭示內容上述實施例中，可依據上述轉速控制條件以及外部風力之強度判斷風力發電機之操作模式，使其運作於正常模式、轉速控制模式以及安全模式中之一者，以適應自然環境的變化，保護整個風力發電系統之正常運作。
在本揭示內容中所提及的步驟，除特別敘明其順序者外，均可依實際需要調整其前後順序，甚至可同時或部分同時執行，而不以上述為限。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．風力發電系統

110．．．風力發電機

112．．．扇葉模組

114．．．發電機

120．．．控制單元

130．．．負載單元

132．．．轉換單元

134．．．輸電網路

136．．．儲電單元

140．．．煞車單元

210~270．．．操作步驟

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：
第1圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種風力發電系統之電路方塊示意圖。
第2圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種風力發電系統之控制方法的流程示意圖。
第3圖係繪示本揭示內容之一實施例中風力發電機之風速功率曲線示意圖。
第4圖係繪示本揭示內容之一實施例中風力發電機之正常模式、轉速控制模式以及安全模式下的輸出功率示意圖。

100．．．風力發電系統

110．．．風力發電機

112．．．扇葉模組

114．．．發電機

120．．．控制單元

130．．．負載單元

132．．．轉換單元

134．．．輸電網路

136．．．儲電單元

140．．．煞車單元

Claims (10)

1. 一種風力發電系統，包含：
   一風力發電機，包含一扇葉模組以及一發電機，其中該扇葉模組係用以受一外部風力之推動而驅動該發電機之運轉以產生電能；
   一控制單元，電性耦接該風力發電機，並用以依據該風力發電機之轉速、輸出功率、抽載電流、噪音以及該外部風力之速度來控制該風力發電機，其中當該風力發電機之轉速、輸出功率、抽載電流、噪音中至少一者的數值超過一臨界值時，該控制單元控制該風力發電機由一正常模式切換至一轉速控制模式，而當該外部風力之速度大於一預設風速時，該控制單元控制該風力發電機由該轉速控制模式切換至一安全模式；以及
   一負載單元，電性耦接該控制單元，並用以接收該風力發電機所產生之電能。
2. 如請求項1所述之風力發電系統，其中當該風力發電機所產生之電能大於該負載單元的可承受值、該風力發電機之轉速大於一預設安全轉速、該風力發電機之抽載電流大於一繞線線徑之可承受值或是該風力發電機所產生的噪音大於一預設規範値時，該控制單元控制該風力發電機由該正常模式切換至該轉速控制模式。
3. 如請求項2所述之風力發電系統，其中當該風力發電機操作於該轉速控制模式時，該風力發電機之輸出功率係大約維持一定值。
4. 如請求項1、2或3所述之風力發電系統，其中該風力發電機在該正常模式下係依據一風速功率曲線產生電能，該風速功率曲線係為該外部風力之速度所對應之該風力發電機的最大功率輸出。
5. 如請求項1所述之風力發電系統，其中該負載單元更包含：
   一轉換單元，用以將該風力發電機所產生之電能轉換成一電源；
   一輸電網路，電性耦接該轉換單元，用以接收該轉換單元所輸出之該電源；以及
   一儲電單元，與該轉換單元並聯耦接，用以儲存該風力發電機所產生之電能。
6. 如請求項1所述之風力發電系統，更包含：
   一煞車單元，電性耦接該風力發電機與該控制單元，其中該控制單元更用以輸出一控制信號，該煞車單元依據該控制信號控制該風力發電機之轉速。
7. 如請求項6所述之風力發電系統，其中該控制單元所產生之該控制信號係為一開關脈衝信號或是一脈衝寬度調變信號。
8. 如請求項6所述之風力發電系統，其中該控制單元係將該風力發電機所產生之部份電能分配給該煞車單元，以調節該風力發電機傳遞至該負載單元之電能。
9. 如請求項6所述之風力發電系統，其中該控制單元係在該轉速控制模式下調整該煞車單元之開關週期，以控制該風力發電機之轉速。
10. 如請求項6所述之風力發電系統，其中該控制單元係用以透過該煞車單元之最大扭力抽載方式將該風力發電機控制於一低速運轉狀態，使得該風力發電機操作於該安全模式。