TWI463068B - 直驅式風力／潮汐同步發電系統 - Google Patents

直驅式風力／潮汐同步發電系統 Download PDF

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TWI463068B
TWI463068B TW097144418A TW97144418A TWI463068B TW I463068 B TWI463068 B TW I463068B TW 097144418 A TW097144418 A TW 097144418A TW 97144418 A TW97144418 A TW 97144418A TW I463068 B TWI463068 B TW I463068B
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Jiann Fuh Chen
Tsorng Juu Liang
Jui Chi Kao
Yun Fen Li
Chih Yuan Chen
He Huang
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Jiann Fuh Chen
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Description

直驅式風力/潮汐同步發電系統
本發明係有關一種直驅式風力/潮汐同步發電系統，尤其是指一種具有低起動轉矩、最大功率追蹤及可控激磁電流之發電系統；其係以繞線式轉子之感應發電機取代目前應用於風力及水力之永磁式同步發電機，並藉由另一永磁式交流發電機提供同步發電機轉子直流激磁電流，連接兩發電機間之可控交流轉直流整流器，利用無線遙控方式控制輸出激磁電流大小，以根據當時風力(或潮汐)之大小，提供不同之激磁電流，並依據輸出電壓、電流、頻率無線回授給可控交流轉直流整流器，做最大功率追蹤，且在低轉速時也可提供電力供應。
目前風力發電系統(1)之架構如第一圖所示，係包括：風力渦輪機(11)、永磁式同步發電機(12)、三相全橋式整流器(13)及直流轉交流換流器(14)。風力渦輪機(11)與永磁式同步發電機(12)採直接機械耦合方式驅動，永磁式同步發電機(12)是以永久磁鐵作為轉子磁極，定子裝置則為三相繞組。電樞繞組裝設於定子上，而磁場繞組則裝設於轉子上，轉子是以原動機帶動旋轉產生旋轉磁場，原動機可利用水力、火力或風力等方式供應機械能，此旋轉磁場在發電機定子繞組，感應產生一組三相電壓輸出，再將永磁式同步發電機(12)輸出的三相交流電壓經三相全橋式整流器(13)整流成直流變動電壓之直流電，再將 該直流電經由直流轉交流換流器(14)轉換成穩定交流電壓，提供給一般負載或並聯市電(15)。
而水力發電主要是利用水的位能轉換成機械能，再將機械能轉換成電能。水力發電可分為川流式、水壩(庫)式、以及抽蓄式發電。目前水力發電系統(2)如第二圖所示，係由水輪機(21)、發電機(22)、三相變壓器(23)等所組成。其原理則是利用高度的落差自高處向下衝擊產生力量或大流量的水流，經過一定的水路，利用這種力量作用於水輪機(21)的轉動部份，使水輪機(21)轉動，而水輪機(21)的轉動軸與發電機(22)相連接，發電機(22)會隨著轉動而發出電來。若將水位提高來沖水輪機(21)，可發現水輪機(21)轉速增加。因此可知水位差愈大則水輪機(21)所得動能愈大，可轉換之電能愈高。
又，利用風能轉換成電力的方法，一般為同步式發電機、非同步式感應發電機和永磁式同步發電機。傳統上最常應用在風力發電之發電機形式為感應發電機，但近年來由於整流與變頻技術日漸純熟且大量廣泛的應用到電機領域上，可將發電機輸出電壓頻率經由整流器及換流器後轉換為系統頻率，因此永磁式同步發電機已逐漸應用到風力、水力發電系統中。此外，風(水)力機之發電機則常使用永磁式同步發電機，因構造簡單且效率高，適用於偏遠地區、人跡罕至且無電力可用之處。
永磁式同步發電機具有下列各項優點：(1)穩定度較佳。(2)不需外加直流激磁電源。(3)構造簡單，裝置成本低。(4) 易於操作與低維修成本。(5)適用於直驅式風力輪機，不需外加變速裝置。(6)無電刷式轉子，堅固耐用。
永磁式發電機主要是利用轉子所產生的磁場，吸引定子磁場異極而產生電力，若要產生相同的頻率，增加發電機之極數可相對降低發電機的轉速，但增加轉子極數，必須加大發電機直徑，更大的直徑與輪殼使得轉子上之永久磁鐵體積更為龐大且沉重，因此，在利用外力帶動之葉片旋轉啟動時，需要更大的啟動轉矩方可使原動機動作，依據目前的技術，當風速在3~5(m/s)左右時，風力機才會開始發電；當風速達到12~15(m/s)左右時，風力機即進入額定操作轉速；當風速達到25~40(m/s)左右時，風力機為避免損害即進入停機狀態。
因此，若能設計一種低啟動轉矩功能，並可降低轉子的體積與重量，且能進行最大功率追蹤，將可大大提升發電效益，同時提高發電效率，而得以有效改善目前風力及水力發電系統存在之缺失。
本發明其一目的，在於降低風(水)力發電機組的體積與重量，達到具有低啟動轉矩功能之直驅式發電機為目標；永磁式發電機主要是利用轉子所產生的磁場，吸引定子磁場異極而產生電力，發電機的轉速較低時，所需發電機的極數較多，但增加轉子極數，必須加大發電機直徑，使得轉子上之永久磁鐵體積更為龐大且沉重，因此，在利用外力帶動之渦輪機旋轉啟動 時，需要更大的啟動轉矩方可使原動機動作。
為達此目的，本發明將繞線式轉子用於同步發電機取代目前應用於風力及水力上之永磁式同步發電機，藉由轉子上之繞線槽數設計轉子極數，大幅降低轉子的體積與重量，使得發電機整體直徑變小，且原動機不需太大外力即可啟動旋轉，以大幅提升發電效益。
本發明其二目的，在於提供可以控制激磁電流之直驅式發電機，利用在軸上之可控交流轉直流整流器在不同轉速下，提供同步發電機轉子直流激磁電流，並使用無線遙控方式控制，做最大功率追蹤，提高發電效率。
為達此目的，本發明之發電系統包含一同步直驅式發電機、一永磁式發電機及一可控交流轉直流整流器，此兩組發電機之轉子為同一轉軸，經由渦輪機直接驅動，而可控交流轉直流整流器置於此轉軸上，永磁式發電機之輸出電流經由可控交流轉直流整流器轉為直流後，提供同步直驅式發電機轉子磁場所需電流，因此可於低轉速時提供較少電流而高轉速時提供較大電流，以擴大可利用之風速(或流速)範圍。
為令本發明所運用之技術內容、發明目的及其達成之功效有更完整且清楚的揭露，茲於下詳細說明之，並請一併參閱所揭之圖式及元件符號：請參第三圖，其為本發明之直驅式風力/潮汐同步發電系 統(3)，其包含永磁式發電機(31)、可控交流轉直流整流器(32)及同步發電機(33)；其中：該永磁式發電機(31)與同步發電機(33)之轉子為同一轉軸，而可控交流轉直流整流器(32)設置於該轉軸之上，該永磁式發電機(31)為提供同步發電機(33)激磁電流，且該同步發電機(33)係使用繞線式轉子(331)【請一併參閱第四圖】，該繞線式轉子(331)具有低起動轉矩、極數多、體積及重量皆較小之特色。
據此，利用風力(潮汐)直接帶動轉軸，使永磁式發電機(31)產生電力，該電力經該可控交流轉直流整流器(32)後便提供給繞線式轉子(331)之同步發電機(33)作為激磁電流，該同步發電機(33)所產生之電力再經過轉換器(4)轉換後供應至負載(5)。
另，上述之永磁式發電機(31)可使用低額定容量之型式，其體積及重量皆較小；至於可控交流轉直流整流器(32)則可選用針對實際應用選擇適合之型式。
又，該永磁式發電機(31)之轉子與同步發電機(33)之繞線式轉子(331)的轉軸可經由渦輪機(34)直接驅動。
再者，於同步發電機(33)輸出端進一步設置一無線傳輸系統(35)，其主要作用係因為同步發電機(33)之轉子磁場由永磁式發電機(31)經可控交流轉直流整流器(32)提供，因此，在不同風速(或流速)底下，將同步發電機(33)輸出電壓、電流及頻 率，經由無線傳輸系統(35)回授給該可控交流轉直流整流器(32)，以控制該可控交流轉直流整流器(32)之輸出電流，藉此調控激磁電流來達到最大功率追蹤。
經由以上的說明可知，本發明至少具有如下所列之各項優點：
(1)具有低起動轉矩：
傳統利用於風力(或潮汐)之發電機為永磁式發電機，當額定容量往上提升時，會因永磁式轉子極數增加，造成體積及重量增加，並令起動轉矩升高，而於風速(或流速)較低時卻無法啟動，本發明因係使用繞線式轉子取代永磁式轉子，在高極數下，具有低截面直徑、體積小及重量小與起動轉矩小之優點，因此，於風速(或流速)較低時也可啟動轉子，提供負載電力。
(2)具有最大功率追蹤功能：
本發明之同步發電機的激磁電流是由永磁式發電機經交流轉直流整流器後所提供，因此，可藉由調整可控交流轉直流整流器之輸出電流來控制激磁電流，達到可在不同風速(或流速)底下調整激磁電流，進而做到最大功率追蹤。
(3)無線傳輸控制：
本發明可進一步利用無線傳輸回授同步發電機之輸出電壓、電流、頻率給交流轉直流整流器，使該可控交流 轉直流整流器之輸出能根據該回授之電壓、電流、頻率進行調控。
綜上所述，本發明實施例確能達到所預期之使用功效，又其所揭露之具體構造，不僅未曾見諸於同類產品中，亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求，爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。
 <本發明>
(3)‧‧‧直驅式風力/潮汐同步發電系統
(31)‧‧‧永磁式發電機
(32)‧‧‧可控交流轉直流整流器
(33)‧‧‧同步發電機
(331)‧‧‧繞線式轉子
(34)‧‧‧渦輪機
(35)‧‧‧無線傳輸系統
(4)‧‧‧轉換器
(5)‧‧‧負載
<現有>
(1)‧‧‧風力發電系統
(11)‧‧‧風力渦輪機
(12)‧‧‧永磁式同步發電機
(13)‧‧‧三相全橋式整流器
(14)‧‧‧直流轉交流換流器
(15)‧‧‧負載或並聯市電
(2)‧‧‧水力發電系統
(21)‧‧‧水輪機
(22)‧‧‧發電機
(23)‧‧‧三相變壓器
第一圖：風力(潮汐)永磁式同步機發電系統架構圖
第二圖：水力發電系統示意圖
第三圖：本發明之風力(或潮汐)發電系統示意圖
第四圖：本發明之發電機繞線式轉子示意圖
(3)‧‧‧直驅式風力/潮汐同步發電系統
(31)‧‧‧永磁式發電機
(32)‧‧‧可控交流轉直流整流器
(33)‧‧‧同步發電機
(34)‧‧‧渦輪機
(35)‧‧‧無線傳輸系統
(4)‧‧‧轉換器
(5)‧‧‧負載

Claims (5)

  1. 一種直驅式風力/潮汐同步發電系統，其包含一組永磁式發電機、一組可控交流轉直流整流器及一組使用繞線式轉子之同步發電機，該永磁式發電機之轉子透過該可控交流轉直流整流器與同步發電機之轉子連設，使該永磁式發電機提供同步發電機之轉子激磁電流，且該同步發電機之轉子係使用繞線式轉子，其中該同步發電機之輸出處設置有一無線傳輸系統，令該可控交流轉直流整流器經由該無線傳輸系統，回授該同步發電機之輸出電流、電壓及頻率，來調控提供繞線式轉子之同步發電機的激磁電流。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之直驅式風力/潮汐同步發電系統，其中永磁式發電機轉子與同步發電機之繞線式轉子為同一轉軸。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之直驅式風力/潮汐同步發電系統，其可控交流轉直流整流器為設置於該轉軸上。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之直驅式風力/潮汐同步發電系統，其中繞線式轉子之同步發電機為利用感應式發電機構造之同步發電機。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之直驅式風力/潮汐同步發電系統，其中永磁式發電機轉子與同步發電機之繞線式轉子轉軸經由渦輪機直接驅動。
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