TWI398576B - 風力發電模擬裝置 - Google Patents

Description

風力發電模擬裝置

本發明是有關於一種發電模擬系統，特別是指一種風力發電模擬系統。

參閱圖1，一般而言，一風力發電裝置包含一風力渦輪機91、一永磁同步發電機92，及一調整單元93。

該風力渦輪機91受到風力影響而帶動該永磁同步發電機92以產生一第一交流電訊號，再經由該調整單元93調整該第一交流電訊號以產生一輸出交流電訊號，將該輸出交流電訊號傳送至一市電系統8上。

然而，該風力發電裝置在啟用之前，其系統可靠度必須經由系統模擬的程序，以取得該風力發電裝置在不同狀態時的相關狀態參數，然而，傳統上，由於風力發電裝置的設備相當龐大且昂貴，因此很難在建置之前就完成系統模擬，往往都需要等到建置完成後才得以進行系統模擬以進行相關參數的調校動作，此外，該風力發電裝置不論是否在正常運作或是系統模擬時，在啟動之前都需要先經過一燒機測試階段，以確保該風力發電裝置能夠提供可靠度高且頻率穩定的輸出交流電訊號之後，才會將該輸出交流電訊號傳送至該市電系統8上，所以，參閱圖2，當該風力發電裝置9在燒機測試階段時，該調整單元93之輸出端(即所謂負載端)需要電連接於一電阻性負載90，使得該永磁發電機921在燒機測試階段產生之交流電訊號的電能可以釋放掉，直到該永磁式發電機921完成燒機測試之後，再將該調整單元93之輸出端電連接於該市電系統8上，但這樣的做法導致於燒機測試階段時的大量電能將經由該電阻性負載90而浪費掉。

因此，如何設計出一個既可以模擬一風力發電裝置，又可以大幅降低進行系統模擬時無謂的電能浪費，是相當值得研究的議題。

因此，本發明之目的，即在提供一種風力發電模擬裝置，適用於接收一市電系統提供之一市電訊號，以模擬一永磁同步發電機提供之一變頻變壓訊號，其包含：一發電單元，與該市電系統電連接，其包括：一第一變電模組，具有一與該市電系統電連接以接收該市電訊號之第一端，及一第二端，其轉換該市電訊號為一第一直流電訊號且由該第二端輸出或是由該第二端接收一第二直流電訊號轉換為一輸出交流電訊號並輸出至該市電系統中；及一第二變電模組，具有一用以接收該第一直流電訊號之第一端，及一第二端，其轉換該第一直流電訊號為一具有變頻變壓特性之一第一交流電訊號並由該第二端輸出；一調整單元，具有一接收該第一交流電訊號之第一端，及一第二端，將該第一交流電訊號轉換為一第二直流電訊號；及一控制單元，分別與該第一變電模組、該第二變電模組，及該調整單元電連接，用以偵測整體電路功率並據此判斷整體電路功率與一預設之額定功率大小關係，以控制該第二變電模組之第一端接收之直流電訊號是該調整單元輸出之第二直流電訊號，或是該第一變電模組輸出之第一直流電訊號與該第二直流電訊號之和。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

本發明是利用一既有之市電系統所提供之一市電訊號，將其轉換為一變頻變壓的交流電訊號後，以模擬一風力發電裝置之永磁同步發電機所提供之一變頻變壓電訊號，進而可以據此設計出一風力發電模擬裝置，以作為一風力發電裝置之燒機測試平台。

參閱圖3，本發明之一較佳實施例，適用於接收一市電系統8提供之一市電訊號，以模擬一永磁同步發電機提供之一變頻變壓訊號，其包含：一發電單元1及一調整單元2，其中，該發電單元1包括一具有一第一端111及一第二端112之第一變電模組11及一具有一第一端121及一第二端122之第二變電模組12，該調整單元2包括一具有一第一端211及一第二端212之第三變電模組21。

該第一變電模組11之第一端111與該市電系統8電連接，以接收該市電訊號或將一輸出交流電訊號輸出至該市電系統8中，此外，該第一變電模組11之第二端112、該第二變電模組12之第一端121、該第三變電模組21之第二端212分別與該控制單元3電連接，該控制單元3根據整體電路功率與該額定功率的大小關係，將該第一變電模組11輸出之一第一直流電訊號送至該第二變電模組12中，或是將該第三變電模組21輸出之一第二直流電訊號送至該第二變電模組12中，或是將該第三變電模組21輸出之該第二直流電訊號送至該第一變電模組11中。此外，該第二變電模組12之第二端122則與該第三變電模組21之第一端211電連接，並輸出一第一交流電訊號至該第三變電模組21中。

參閱圖4，在本實施例中，該第一變電模組11是利用一個功率因素修正器以實現之，該功率因素修正器具有一電容器C 、三個電感器L ₁ ~L ₃ 、六個開關元件S ₁ ~S ₆ ，及六個二極體D ₁ ~D ₆ ，而每一電感器與對應之開關元件電連接之後，每一開關元件再與對應之二極體以反向並聯方式電連接，因此經由控制每一開關元件導通與否，得以調整輸出電壓及頻率，此外，該功率因素修正器之輸入端P _A 與輸出端Q _A 如圖4中所示，該輸入端P _A 即為該第一變電模組之第一端111且與該市電系統8電連接，該輸出端Q _A 與該電容器C 之二端電連接，即為該第一變電模組11之第二端112且與該控制單元3電連接。

參閱圖5，該第二變電模組12是以一個三相變流器實現之，其具有六個開關元件S ₂₁ ~S ₂₆ 、六個二極體D ₂₁ ~D ₂₆ ，且每一開關元件與其對應之二極體以反向並聯方式電連接，因此，經由控制每一開關元件之導通與否，得以調整輸出電壓及頻率，其中，輸入電壓端V _d 即為該第二變電模組12之第一端121，用以接收該第一變電模組11輸出之第一直流電訊號，而該輸出電壓端V _o 即為該第二變電模組12之第二端122，用以輸出一具有變壓變頻特性的第一交流電訊號。

參閱圖6，該第三變電模組21是以一個三相功率因素修正器實現之，其具有三個電感器L ₃₁ ~L ₃₃ 、六個開關元件S ₃₁ ~S ₃₆ 、六個二極體D ₃₁ ~D ₃₆ ，及一個輸出電容C _out ，每一電感器與對應之開關元件電連接，然後每一開關元件與對應之二極體以反向並聯方式電連接，因此，經由控制每一開關元件之導通與否，得以調整輸出電壓及頻率，其中，輸入電壓端V _AC 即為該第三變電模組21之第一端211，用以接收該第二變電模組12輸出之該第一交流電訊號，而該輸出電壓端V _DC 即為該第三變電模組21之第二端212，用以輸出一第二直流電訊號。

回復參閱圖3，當該發電單元1啟動時，該控制單元3切換將該第一變電模組11之第二端112與該第二變電模組12之第一端121電連接，因此，該第一變電模組11之第一端111接收由該市電系統8供應之一市電訊號，並將其轉換為一第一直流電訊號之後，將該第一直流電訊號經由該控制單元3傳送至該第二變電模組12中，然後該第二變電模組12轉換該第一直流電訊號為一具有變頻變壓特性之第一交流電訊號之後，將其傳送至該第三變電模組21中。

當該第三變電模組21接收到該第一交流電訊號之後，該控制單元3偵測並判斷整體電路功率是否大於或等於一預設的額定功率，若是，則切換該第二變電模組12之第一端121與該第三變電模組21之第二端212電連接，因此，該第三變電模組21將該第一交流電訊號轉換為一第二直流電訊號之後，再將該第二直流電訊號經由該控制單元3傳送至該第二變電模組12中，並將該第二直流電訊號更新為新的第一直流電訊號，然後，該第二變電模組12轉換新的第一直流電訊號為一新的第一交流電訊號，再傳送至該第三變電模組21中以轉換為一新的第二直流電訊號，依此類推；另外，當該控制單元3判斷出整體電路功率小於該額定功率時，該控制單元3將切換該第二變電模組12之第一端121分別與該第三變電模組11之第二端212、該第一變電模組11之第二端112電連接，因此，可以使得該第一變電模組11輸出該第一直流電訊號以增加整體電路功率至大於該額定功率，然後該第二變電模組12將所接收之該第一直流電訊號及該第二直流電訊號作為一新的第二直流電訊號，並將其轉換為一新的第一交流電訊號以輸出至該第三變電模組21中，所以，藉由上述方式，燒機測試時該第三變電模組21所產生之第二直流電訊號得以作為下一次輸入該第二變電模組12之輸入訊號，而整體電路功率隨著燒機測試的時間增加而下降時，該控制單元3得以判斷整體電路功率與該額定功率的大小關係，並適當地藉由該第一變電模組11輸出之該第一直流電訊號補充，使得整體電路功率可以增加至超過該額定功率為止，因此本實施例得以有效回收利用燒機測試時所產生的電能。

此外，本發明之第一變電模組11亦可以一雙向轉換器實現，換句話說，該第一變電模組11可操作於將一直流電訊號轉換為一交流電訊號的變流模式，或將一交流電訊號轉換為一直流電訊號的整流模式之間，因此在本發明中，該控制單元3將控制該第一變電模組11操作於該整流模式中，直到燒機測試完成後，該第三變電模組21接收一實際永磁同步發電機輸入之第一交流電訊號並轉換為依第二直流電訊號時，該控制單元3控制該第一變電模組11操作於該變流模式中，因此，當燒機測試完成後，本實施態樣得以直接應用於該永磁同步發電機上。

在本實施例中，該第二直流電訊號傳回至該第二變電模組12，使得該第二變電模組12轉換出新的第一交流電訊號所需的電能可以利用之前所產生的電能，因此可以使得該發電單元1及該第三變電模組21於該燒機測試階段所產生的電能有效被利用，有利於降低該第三變電模組21進行燒機測試無謂的電能浪費。此外，本實施例利用具有直流轉交流及交流轉直流雙向功能之第一變電模組11，可以減少所需要變電模組的數量，由於一變電模組之成本及造價都相當昂貴，因此，藉由本實施例可以大幅降低風力發電模擬裝置之成本。

綜上所述，本發明之該等較佳實施例皆是利用該發電單元產生該第一交流電壓訊號傳送給該調整單元，該發電單元之成本遠遠低於一永磁同步發電機之成本，因此，欲建構一風力發電裝置時，可以根據本發明之風力發電模擬裝置，利用該發電單元取代一永磁同步發電機及相關輸入機組，以大幅降低該風力發電裝置在設計初期時進行系統模擬的設計成本，同時，利用本發明之發電單元產生一第一交流電訊號所需的電能可以利用之前所產生的電能，可以減少不必要的電能浪費，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1．．．發電單元

11．．．第一變電模組

111．．．第一端

112．．．第二端

12．．．第二變電模組

121．．．第一端

122．．．第二端

2．．．調整單元

21．．．第三變電模組

211．．．第一端

212．．．第二端

3．．．控制單元

8．．．市電系統

圖1是一傳統風力發電裝置之系統示意圖；

圖2是該傳統風力發電裝置處於燒機測試階段時之系統示意圖；

圖3是本發明之較佳實施例之系統示意圖；

圖4是本發明之第一變電模組之電路圖；

圖5是本發明之第二變電模組之電路圖；及

圖6是本發明之調整單元之電路圖。

1．．．發電單元

11．．．第一變電模組

111．．．第一端

112．．．第二端

12．．．第二變電模組

121．．．第一端

122．．．第二端

2．．．調整單元

21．．．第三變電模組

211．．．第一端

212．．．第二端

3．．．控制單元

8．．．市電系統

Claims (8)

1. 一種風力發電模擬裝置，適用於接收一市電系統提供之一市電訊號，以模擬一永磁同步發電機提供之一變頻變壓訊號，其包含：一發電單元，與該市電系統電連接，其包括：一第一變電模組，具有一與該市電系統電連接以接收該市電訊號之第一端，及一第二端，其轉換該市電訊號為一第一直流電訊號且由該第二端輸出；及一第二變電模組，具有一用以接收該第一直流電訊號之第一端，及一第二端，其轉換該第一直流電訊號為一具有變頻變壓特性之一第一交流電訊號並由該第二端輸出；一調整單元，具有一接收該第一交流電訊號之第一端，及一第二端，將該第一交流電訊號轉換為一第二直流電訊號；及一控制單元，分別與該第一變電模組、該第二變電模組，及該調整單元電連接，用以偵測一整體電路功率並據此判斷整體電路功率與一預設之額定功率大小關係，以控制該第二變電模組之第一端接收之直流電訊號是該調整單元輸出之第二直流電訊號，或是該第一變電模組輸出之第一直流電訊號與該第二直流電訊號之和。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之風力發電模擬裝置，其中，該控制單元判斷該整體電路功率小於該額定功率， 該控制單元控制該第二變電模組之第一端分別與該調整單元之第二端、該第一變電模組之第二端電連接。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之風力發電模擬裝置，其中，該控制單元判斷該整體電路功率大於或等於該額定功率，該控制單元控制該第二變電模組之第一端與該調整單元之第二端電連接。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之風力發電模擬裝置，其中，該第一變電模組之第一端是輸入或輸出一交流電訊號，該第一變電模組之第二端是輸入或輸出一直流電訊號。
5. 依據申請專利範圍第1項所述之風力發電模擬裝置，其中，該第一變電模組是一個功率因素修正器。
6. 依據申請專利範圍第1項所述之風力發電模擬裝置，其中，該第一變電模組是一個雙向轉換器。
7. 依據申請專利範圍第1項所述之風力發電模擬裝置，其中，該第二變電模組是一個三相變流器。
8. 依據申請專利範圍第1項所述之風力發電模擬裝置，其中，該調整單元是一個三相功率因素修正器。