TW201406049A - 風力發電系統及其激磁式同步發電機的控制方法 - Google Patents

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Abstract

一種獨立供電型風力發電系統及其激磁式同步發電機的控制方法。在此方法中，利用同軸配置，將風機輸入、增速機、激磁式同步發電機與電動機整合於同一傳動軸，將輸入風能轉換為電能輸出至負載。同時藉由激磁場控制，以達到穩定電壓輸出的目標。透過電動機伺服控制，於風力改變之情況下，可穩定控制激磁式同步發電機之轉速，進而使輸出電源的頻率穩定。藉由量測電動機的輸入能量、電力轉換器及蓄電池組等所構成之能量流管理單元，進行能量儲存與釋放，以完成獨立供電型風力發電的激磁式同步發電機之控制。

Description

風力發電系統及其激磁式同步發電機的控制方法
本發明是有關於一種發電機及其控制方法，且特別是有關於一種應用於獨立供電型風力發電系統及其激磁式同步發電機的控制方法。風力發電系統可透過同軸配置與激磁場控制，使激磁式同步發電機將輸入風能轉換成電能輸出，並利用電動機進行激磁式同步發電機的轉速伺服控制。透過蓄電池及電力轉換器的相互結合，且量測電動機的輸入能量所構成之能量流管理控制方法，進行儲存能量與釋放能量，使激磁式同步發電機可應用於獨立供電型風力發電系統。
目前一般發電系統架構是以永磁式發電機為主要發電設備，其需要藉由交-直流、蓄電池與直-交流轉換器設備，將輸入電源經由轉換後輸出，如此轉換方式，會造成電力轉換的功率損耗，使整體發電系統轉換率降低，並增加發電設備的成本。當輸入風能變動與輸出負載增加時，由於永磁式發電機無法控制其激磁場大小，因此當負載端所需要的能量增加時，其可能造成負載端的電壓無法維持恆定，而降低輸出電源的品質。
本發明之獨立供電型風力發電系統包含風機、傳動軸、增速機、激磁式同步發電機、電動機、驅動器、編碼器、電流偵測器、昇壓型轉換器、蓄電池組、激磁場控制、整流及降壓型轉換器、發電機電壓及電流、負載及數位訊號處理器。
本發明之主要目的係在於提供一種獨立供電型風力發電系統之激磁式同步發電機的控制方法，其利用同軸配置，將風機輸入、增速機、激磁式同步發電機與電動機整合於同一傳動軸，將輸入風能轉換為電能輸出至負載。於輸入風能充足時，激磁式同步發電機輸出電能並直接提供至負載端，同時，透過能量流管理單元與數位訊號處理器控制，經由整流及降壓型轉換器，對蓄電池組充電儲存電能。於風力變化過程中所造成之輸入風能不足時，透過能量流管理單元，藉由蓄電池組、昇壓型轉換器及電動機來進行伺服控制，透過蓄電池之能量提供至電動機，使激磁式同步發電機得以穩定轉速，如此，可以穩定輸出電源的頻率。此外，藉由激磁場控制將激磁式同步發電機的電壓資訊回授，控制激磁式同步發電機的激磁場大小，來達到穩定輸出電壓的目的。
本發明係利用激磁式同步發電機將輸入風能轉換為電能輸出，提供負載電源。同時藉由激磁場控制，以達到穩定電壓輸出的目標。透過電動機的伺服控制，於風力改變之情況下，可穩定控制激磁式同步發電機之轉速，進而使輸出電源的頻率穩定。藉由量測電動機的輸入能量、電力轉換器及蓄電池組等所構成之能量流管理單元，進行能量儲存與釋放，以完成獨立供電型風力發電的激磁式同步發電機之控制。
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，本說明書將特舉出一系列實施例來加以說明。但值得注意的是，此些實施例只係用以說明本發明之實施方式，而非用以限定本發明。
請參閱圖1，其顯示本發明之一實施例之獨立供電型風力發電系統之激磁式同步發電機的控制架構圖。本發明之方法可應用於風力發電系統(如下述之實施例)，然不限於此，其亦可應用於其他發電系統，例如水力、火力、洋流與潮汐發電，本發明之應用領域範圍可為各種動力發電系統相關之再生能源控制技術。
請再參閱圖1，此發電系統包含風機10、傳動軸11、增速機20、激磁式同步發電機30、電動機40、驅動器41、編碼器42、電流偵測器43、昇壓型轉換器50、蓄電池組51、整流及降壓型轉換器53、負載60、數位訊號處理器70。
請再參閱第圖1，當風機10輸入風能時，利用同軸配置，將風機10輸入、增速機20、激磁式同步發電機30與電動機40整合於同一傳動軸11，將輸入風能經由增速機20傳遞至激磁式同步發電機30，並轉換為電能來輸出至負載60上。藉由數位訊號處理器70來進行激磁場控制，以控制激磁式同步發電機30的激磁場大小，進行自動電壓調控，穩定激磁式同步發電機30輸出的電壓值。
請再參閱圖1，當輸入風能充足時，激磁式同步發電機30輸出的電能除了提供給負載60外，也可將多餘的能量經由第一能量流管理單元1之整流及降壓型轉換器53，對蓄電池組51來進行充電儲存能量，使激磁式同步發電機30的輸出電能可以完全被利用。
請再參閱圖1，當輸入風能不足時，其會導致激磁式同步發電機30的轉速受到影響，使輸出電源的頻率改變。因此，本發明的控制方法可藉由電動機伺服控制來穩定激磁式同步發電機30的轉速及輸出電源頻率。激磁式同步發電機30與電 動機40的轉速與頻率，皆可透過編碼器42輸出至數位訊號處理器70運算後獲得，當激磁式同步發電機30的轉速與額定的轉速相互比較並有轉速誤差時，數位訊號處理器70輸出一速度命令至驅動器41，使電動機40根據此速度命令來進行速度伺服控制，藉此來穩定激磁式同步發電機30的轉速與輸出電源的頻率。
請再參閱圖1，透過第二能量流管理單元2之蓄電池組51及電動機40，可提供進行電動機速度伺服控制所需的電能。在第二能量流管理單元2中，藉由儲存於蓄電池組51中的電能，將電能經過昇壓型轉換器50進行昇壓，以提供驅動器41進行電動機伺服控制，使電動機40提供激磁式同步發電機30一能量，穩定激磁式同步發電機30的轉速與輸出電壓的頻率。當蓄電池組51的電力不足時，也可透過市電的電源，提供電動機40驅動的能量。
請再參閱圖2，藉由編碼器42所獲得之電動機角度θM，可進而獲得電動機轉速ωM。根據速度命令ωM-cmd與電動機轉速ωM相比較所得到的轉速誤差，轉速伺服控制器及驅動器41可藉此控制電動機40的轉速。利用同軸配置的方式，將風機10的轉速ωW及轉矩T W，以及電動機40的轉速ωM與轉矩T M整合，以產生提供給激磁式同步發電機30的轉速ωG及轉矩T G。同時，根據自動電壓調控來產生調整激磁式同步發電機之激磁場大小的控制訊號I f，以穩定激磁式同步發電機30的輸出電壓，並將電能輸出至負載60。
如圖2所示，上述之第一能量流管理單元1及第二能量流管理單元2可整合於一能量流管理單元中，此整合的能量流管理單元可包括昇壓型轉換器50、蓄電池組51、降壓型轉換器 53及AC-DC轉換器55。
請再參閱圖2，當輸入風能充足時，能量流管理單元會將激磁式同步發電機30的輸出電壓經過AC-DC轉換器55，與降壓型轉換器53輸出充電電流I B，對蓄電池組51進行充電儲存電能，並且將電動機的輸入電壓V a,V b,V c、電流I a,I b,I c、轉速ωM及角度θM等資訊彙整，來獲得電動機40的輸入能量並進行蓄電池組51的充電控制。當輸入風能變動時，藉由蓄電池組51釋放所儲存的能量，經由昇壓型轉換器50，進行昇壓以提供驅動器所需要的DC Bus電壓，來完成電動機的轉速伺服控制。
請參閱圖3，當進行蓄電池組充電時，其能量控制方式為透過電流偵測器43將電動機40的輸入電流I a,I b,I c回授至數位訊號處理器70，並根據電動機40的輸入電壓V a,V b,V c來獲得電動機輸入的能量P M ，將輸入電動機的能量P M 與電動機能量命令P M cmd 進行比較，於系統穩態時，電動機能量命令P M cmd 的值會設定為零，其比較結果再經過一比例積分控制器57獲得△P訊號。其中，K P 與K I 分別為比例參數與積分參數。此時，將蓄電池組的電壓V B及充電電流I B相乘所獲得的蓄電池充電能量P B回授，並與訊號△P進行比較，接著將此比較結果經過比例積分控制器57產生控制訊號，並透過降壓型轉換器之降壓增益K B ，以進行蓄電池組充電的控制。
請參閱第4圖，當進行激磁式同步發電機輸出電壓控制時，藉由將激磁式同步發電機30的輸出電壓均方根值V rms回授，並與電壓命令V cmd進行比較以獲得電壓誤差，將此電壓誤差經過比例積分控制器57與激磁增益K F ，來產生激磁式同步發電機之激磁場控制訊號，以調整激磁式同步發電機的輸出電 壓，達到穩壓輸出的目的。
請參閱第5圖，線L1表示風機所輸入的能量，線L2表示蓄電池組51所充電儲存的能量，線L3表示電動機40所提供的能量，線L4表示發電機30輸出至負載60的能量。如圖5所示，於時間10秒之前，風力發電系統之輸入風能充足且穩定，因而蓄電池組51可進行充電儲存能量，電動機40則無需提供能量。當於區間A1、區間A3、區間A5時，輸入風能開始變動，於上述區間A1、A3、A5中，輸入風能小於發電機30輸出至負載60的能量，因而蓄電池組51利用所儲存的電能來提供驅動電動機所需的能量，以維持負載60的能量穩定。當於區間A2、區間A4時，輸入風能大於發電機30輸出至負載的能量，因而發電機30輸出電能至負載60外，也將多餘的能量充電至蓄電池組51中進行儲能，此時，電動機30無需提供能量。
綜上所述，雖然本發明已用較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，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。
A1、A2、A3、A4、A5‧‧‧區間
L1、L2、L3、L4‧‧‧線
1‧‧‧第一能量流管理單元
2‧‧‧第二能量流管理單元
10‧‧‧風機
11‧‧‧傳動軸
20‧‧‧增速機
30‧‧‧激磁式同步發電機
40‧‧‧電動機
41‧‧‧驅動器
42‧‧‧編碼器
43‧‧‧電流偵測器
50‧‧‧昇壓型轉換器
51‧‧‧蓄電池組
53‧‧‧降壓型轉換器
55‧‧‧AC-DC轉換器
57‧‧‧比例積分控制器
60‧‧‧負載
70‧‧‧數位訊號處理器
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，所附圖式之詳細說明如下：圖1顯示本發明之一實施例之獨立供電型風力發電系統之激磁式同步發電機的控制架構圖。
圖2顯示本發明之一實施例之風力發電系統激磁式同步發 電機之轉速伺服控制的架構圖。
圖3顯示本發明之一實施例之蓄電池的充電控制的方塊圖。
圖4顯示本發明之一實施例之電壓調整控制的方塊圖。
圖5顯示本發明之一實施例之能量流管理的模擬圖
1‧‧‧第一能量流管理單元
2‧‧‧第二能量流管理單元
10‧‧‧風機
11‧‧‧傳動軸
20‧‧‧增速機
30‧‧‧激磁式同步發電機
40‧‧‧電動機
41‧‧‧驅動器
42‧‧‧編碼器
43‧‧‧電流偵測器
50‧‧‧昇壓型轉換器
51‧‧‧蓄電池組
53‧‧‧降壓型轉換器
60‧‧‧負載
70‧‧‧數位訊號處理器

Claims (5)

  1. 一種風力發電系統之激磁式同步發電機的控制方法，包含如下步驟：利用同軸配置，將風機的輸入、該激磁式同步發電機與電動機整合於同一傳動軸，將該風機的輸入風能轉換為電能輸出至負載；以及於該風力發電系統為一穩態時，利用一能量流管理單元來量測該電動機的輸入能量，並將該電能經過整流及電力轉換器，以進行一蓄電池組的電能儲存過程。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之控制方法，更包含如下步驟：當該輸入風能變動時，進行一電動機伺服控制，使該激磁式同步發電機之轉速穩定，並穩定所輸出之該電能的頻率，其中在該電動機伺服控制的過程中，用於驅動該電動機之驅動器所需的電能是由儲存於該蓄電池組中的電能，並經由該電力轉換器來將電源提供至該驅動器。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之控制方法，其中當該蓄電池組之能量不足時，該電動機是利用市電之輸入電能來進行驅動。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之控制方法，更包含如下步驟透過一電壓調整控制將該激磁式同步發電機的輸出電壓 回授，而與一電壓命令比較，並進行該激磁式同步發電機之一激磁場控制，以調整該激磁式同步發電機的該輸出電壓。
  5. 一種風力發電系統，包含：傳動軸；風機，設置於該傳動軸上；激磁式同步發電機，設置於該傳動軸上，用於將該風機的輸入風能轉換為電能來輸出至負載；電動機，設置於該傳動軸上；以及能量流管理單元，連接於該電動機，其中該風力發電系統為一穩態時，該能量流管理單元量測該電動機的輸入能量，並將該電能經過整流及電力轉換器，以進行一蓄電池組的電能儲存過程。
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