TW201513540A - 風力發電系統之並聯輸入串／並聯輸出隔離型直流／直流轉換器 - Google Patents

風力發電系統之並聯輸入串／並聯輸出隔離型直流／直流轉換器 Download PDF

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Shih-Jen Cheng
Jhih-Wun Siao
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/76—Power conversion electric or electronic aspects

Abstract

本發明旨在提出新的直流/直流轉換器系統，系統主要由三台相移式全橋轉換器所組成。這三台相移式全橋轉換器的輸入側並聯連接，而輸出側可透過串並聯切換電路做串聯或並聯連接，系統提供了九種不同輸出連接模式做切換，由風力發電機所輸出的電壓值來判斷。在較低的切入電壓時，使用三台轉換器串聯輸出來達成高輸出電壓增益。當風力發電機達到額定輸出功率，此時風力發電機所提供電壓為最高電壓，而三台相移式全橋轉換器輸出端採用並聯連接分擔輸出電流。本發明所提出的轉換器主要提供了應用於大範圍輸出電壓的風力發電機，並且在整個操作範圍內得到更高的效率。

Description

風力發電系統之並聯輸入串/並聯輸出隔離型直流/直流轉換器
本發明係關於一種產生穩定直流輸出用之直流/直流轉換器的方法及裝置，主硬體電路架構圖如圖一所示；系統電路分為兩個部分，第一部分如圖二所示，是以三組的相移式全橋轉換器104、105、106做組合，其輸入部分為並聯型式，輸出部分為分別接至串並聯切換電路107。第一部分主要是做最大功率點的追蹤，使風力發電系統維持在最大功率輸出，第二部分如圖三所示，為串並聯切換電路107，主要是使用雙象限電子式開關301做切換開關，將三組的相移式全橋轉換器104、105、106的輸出做串聯與並聯之間的動作切換，於輸入電壓低時為使系統有高增益比，讓輸出電壓達到額定電壓而使用串聯模式，而在輸入電壓較高的狀態下只需要較低的增益比且功率較大，故使用並聯模式輸出，使得轉換器能應用在大範圍的輸入電壓，也能在固定電壓的直流匯流排109上輸出功率，且並聯模式輸出可以使各轉換器共同分配輸出功率，相比於單台轉換器輸出相同功率，並聯輸出系統整體效率也較為提升且在轉換器製作上較容易，若搭配合適的切換策略轉換器利用率也會隨之提高。
傳統風力發電機所使用的轉換方式為單台轉換器架構，傳統風力發電機架構請參閱圖四；單台轉換器須因應大範圍輸入電壓變動及大電流輸入，其功率開關元件勢必承受相當大的電流，本發明之多台連接方法利用了多台轉換器輸入端並聯，來達成均分輸入電流給各台轉換器，以減少單台轉換器需要承受的大電流應力，故能解決輸入端的電流應力問題；在傳統單台轉換器的使用上，為了因應大範圍輸入電壓，因此所使用的變壓器匝比也比較大，變壓器匝比越大其轉換效率越差，而本發明之各台轉換器已將各種不同電壓範圍完成模式分配，在各種功率曲線啟用相應的模式可得到最大功率，且各台轉換器之變壓器匝比變小則效率變高；在傳統單台轉換器的輸出上，需要較大耐壓的輸出二極體，但是一般的功率半導體開關元件通常難以承受如此之高電壓，而在本發明之串並聯電路的模式分配下，較高電壓的輸出由多台轉換器共同分壓，如此一來解決輸出二極體耐壓問題，使之可以應用於更高壓的場合；此外因為多台單一瓦數較小，在輸出電感與輸出電容的使用上可選用較小的規格，並縮小單台轉換器的體積，在材料的應用上較為容易，減少使用元件時需要串並聯的可能，降低元件之間特性差異所造成的誤差，傳統單台轉換器在使用範圍上較易受到元件的限制，針對此一缺點，以多台串並聯之連接方法可以使系統的轉換電壓範圍更大、元件所需耐壓耐流降低、效率提高等優點。
本發明之目的即在提供一個穩定直流輸出用之直流/直流轉換器的方法與裝置，為達成上述發明目的，本發明係由相移式全橋轉換器104、105、106，串並聯電路107、電壓感測電路108、電流感測電路109及控制驅動裝置110所組合構成。相移式全橋轉換器電路請參閱圖二；其輸入電源電壓為三相風力發電機102輸出之交流電源，經過三相整流器103整流所轉換成的直流電源。相移式全橋轉換器主要是由四個功率開關202形成的全橋架構，在此架構中利用主變壓器207之一次側漏感串聯諧振電感203與金氧半場效電晶體(MOSFET)的寄生電容做為諧振電路，使功率開關202可達到零電壓的切換，減少其切換損失進而增加轉換器效率。二次側整流電路中之元件：204為輸出整流二極體，205為輸出濾波電感，206為輸出濾波電容；而二次側輸出之電壓經過串並聯電路107中的雙象限電子式開關301切換狀態組合，在不同的功率條件下可以達成穩定的總電壓輸出，控制切換狀態由控制驅動裝置110來完成。
本發明的控制驅動裝置110與電壓感測電路111、電流感測電路112共同運行，主要是將實際感測到的輸入電源電壓、輸入電源電流等類比訊號，轉換為類比/數位模組可接收之訊號。而實現功能是利用控制驅動裝置110所包含之數位信號處理器(digital signal processor,DSP)，配合可程式規劃進行相關信號的設定、感測、比較與產生。而由數位信號處理器所產生的信號將經由控制驅動裝置110去驅動功率開關202，以及雙象限電子式開關301的切換狀態，以完成本發明之控制部分。
101‧‧‧主硬體電路架構
102‧‧‧三相風力發電機
103‧‧‧三相整流器
104‧‧‧相移式全橋轉換器1
105‧‧‧相移式全橋轉換器2
106‧‧‧相移式全橋轉換器3
107‧‧‧串並聯電路
108‧‧‧電壓感測電路
109‧‧‧電流感測電路
110‧‧‧控制驅動裝置
111‧‧‧直流負載
112‧‧‧直流匯流排
113‧‧‧直流輸入電壓正端
114‧‧‧直流輸入電壓負端
115‧‧‧直流輸出電壓正端
116‧‧‧直流輸出電壓負端
117‧‧‧轉換器1輸出正端
118‧‧‧轉換器1輸出負端
119‧‧‧轉換器2輸出正端
120‧‧‧轉換器2輸出負端
121‧‧‧轉換器3輸出正端
122‧‧‧轉換器3輸出負端
201‧‧‧輸入電容
202‧‧‧功率開關
203‧‧‧諧振電感
204‧‧‧整流二極體
205‧‧‧輸出濾波電感
206‧‧‧輸出濾波電容
207‧‧‧變壓器
301‧‧‧雙象限電子式開關
圖一為本發明之系統架構示意圖。
圖二為本發明之相移式全橋轉換器電路圖。
圖三為本發明之串並聯電路圖。
圖四為傳統風力發電機架構示意圖。
圖五為本發明之風力機電壓-功率曲線之區間分配圖。
圖(a)為本發明之串並聯切換電路模式一。
圖(b)為本發明之串並聯切換電路模式二。
圖(c)為本發明之串並聯切換電路模式三。
圖(d)為本發明之串並聯切換電路模式四。
圖(e)為本發明之串並聯切換電路模式五。
圖(f)為本發明之串並聯切換電路模式六。
圖(g)為本發明之串並聯切換電路模式七。
圖(h)為本發明之串並聯切換電路模式八。
圖(i)為本發明之串並聯切換電路模式九。
表一為本發明之切換策略功能表。
請參閱圖一為本發明之並聯輸入串/並聯輸出之隔離型直流/直流轉換器的系統架構示意圖，包含主要硬體電路裝置：相移式全橋轉換器104、105、106及串並聯電路107、電壓感測電路108、電流感測電路109、控制驅動裝置110等部份。相移式全橋轉換器104、105、106主要是用來傳遞能量，相移式全橋轉換器電路請參閱圖二；當三相風力發電機102輸出之交流電源，經過三相整流器103整流所轉換成直流電源後，輸入至相移式全橋轉換器104、105、106中進行功率分配與電壓調整，三台相移式全橋轉換器104、105、106所分配的功率與輸入電壓範圍皆不相同，可經由設定三台主變壓器207的匝比，來達到在不同的功率條件下，所需要完成的額定輸出功率；而相移式全橋轉換器104、105、106是由四個功率開關202形成的全橋架構，在電壓感測電路108及電流感測電路109接收到輸入電源訊號以後，由控制驅動裝置110進行最大功率追蹤，控制四個功率開關202的導通狀態來改變輸出功率。當功率條件變化時，透過控制驅動裝置110改變串並聯電路107的六個雙象限電子式301導通狀態，可使三台相移式全橋轉換器104、105、106的輸出端連接方式改變，完成模式切換動作；串並聯電路107請參閱圖三。
本發明之最大宗旨在於能夠使系統在不同功率條件下，達成穩定的最大功率輸出，不同的功率條件對應不同的模式，功率條件與對應模式請參閱圖五，各模式的切換狀態請參閱表一；在模式一時請參閱圖(a)，為三機串聯模式，此時串並聯切換電路的開關S 1與S 2導通，S 3~S 6截止，因為輸入電壓很低，所以將三台轉換器輸出端串聯達到高升壓效果。在模式二時圖(b)，為兩機串聯模式，串並聯切換電路開關S 1與S 6導通，S 2~S 5截止，此狀態為輸入電壓已可由相移式全橋轉換器1以及相移式全橋轉換器2，兩 台較高升壓比的轉換器升壓到額定輸出電壓，故將相移式全橋轉換器3升壓比最低的轉換器切離。在模式三時請參閱圖(c)，為單台轉換器輸出，從這個階段開始，模式3~9皆為用功率判斷模式切換，此模式下相移式全橋轉換器1已可以獨自升壓到額定輸出電壓，因此只使用單台轉換器輸出，串並聯切換電路S 3導通，其餘皆截止。在模式四時請參閱圖(d)，當輸入功率超過相移式全橋轉換器1的額定容量時，控制驅動裝置將會判斷切換到下一個模式輸出，由相移式全橋轉換器2獨自輸出，串並聯切換電路S 5與S 6導通。在模式五時請參閱圖(e)，為第一個並聯模式，因輸入功率已超過相移式轉換器2的額定容量，故將相移式全橋轉換器1並聯輸出，以提供更大的輸出功率，串並聯切換電路在這模式下S 3、S 5以及S 6導通。在模式六時請參閱圖(f)，因為輸入功率超過相移式全橋轉換器1與相移式全橋轉換器2並聯輸出額定容量，故將相移式全橋轉換器1與相移式全橋轉換器2關閉，相移式全橋轉換器3啟動獨自輸出功率，此時串並聯切換電路S 4導通，其餘皆截止。在模式七時請參閱圖(g)，當輸入功率過高，相移式全橋轉換器3無法獨自提供更大的功率，因此將相移式全橋轉換器1與其並聯輸出，以提供更大功率輸出，串並聯切換電路在此模式下S 3與S 4導通，其餘皆截止。在模式八時請參閱圖(h)，為相移式全橋轉換器2與相移全橋轉換器3並聯輸出，因輸入功率超過前一個模式轉換器並聯的最大額定功率，此時串並聯切換電路S 4~S 6導通，S 1~S 3截止。在模式九時請參閱圖(i)，為轉換器最後一個模式，因輸入功率已超過模式8額定輸出功率，因此將三台轉換器一起並聯輸出，達到轉換器滿載輸出，而串並聯切換電路S 3~S 6導通，S 1與S 2截止。
101‧‧‧主硬體電路架構
102‧‧‧三相風力發電機
103‧‧‧三相整流器
104‧‧‧相移式全橋轉換器1
105‧‧‧相移式全橋轉換器2
106‧‧‧相移式全橋轉換器3
107‧‧‧串並聯電路
108‧‧‧電壓感測電路
109‧‧‧電流感測電路
110‧‧‧控制驅動裝置
111‧‧‧直流負載
112‧‧‧直流匯流排
113‧‧‧直流輸入電壓正端
114‧‧‧直流輸入電壓負端
115‧‧‧直流輸出電壓正端
116‧‧‧直流輸出電壓負端
117‧‧‧轉換器1輸出正端
118‧‧‧轉換器1輸出負端
119‧‧‧轉換器2輸出正端
120‧‧‧轉換器2輸出負端
121‧‧‧轉換器3輸出正端
122‧‧‧轉換器3輸出負端

Claims (3)

  1. 一種使用於大範圍直流輸入之直流-直流轉換器之裝置，包括有：主硬體電路裝置及控制驅動裝置，其中又包括：一主硬體電路裝置之昇壓變壓器、電力開關、串並聯切換電路，使多組相移式全橋轉換器輸出端串/並聯連接產生高壓直流電壓輸出以提供直流匯流排電源，其具有高升壓比，並具有大範圍輸入電壓之功能；一主硬體電路裝置之相移式全橋轉換器與串並聯切換電路，使其產生大功率輸出；一控制驅動裝置接收電壓感測、電流感測之訊號，以供給控制驅動裝置，產生適當的輸出訊號，經電力開關驅動電路觸發電力開關，進而達到最大功率追蹤及輸出端串並聯切換功能。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之主硬體電路裝置，其中該電力開關係由高功率半導體元件，如雙接面電晶體、閘極隔離電晶體或金屬氧化物半導體場效電晶體等組成之高功率固態電子開關。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之控制驅動裝置，接收電壓及電流的訊號後，經控制程序處理，產生輸出訊號以啟閉電力開關，以使輸出串/並聯聯接切換，並具有大範圍輸入電壓及輸出串/並聯聯接切換之功能。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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TWI625024B (zh) * 2016-11-16 2018-05-21 台達電子工業股份有限公司 電動車充電設備及充電方法
CN109951089A (zh) * 2019-03-26 2019-06-28 哈工大（张家口）工业技术研究院 单相准单级式ac-dc变换器的控制方法

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