TWI473405B - 電力轉換裝置及其控制方法 - Google Patents

Description

電力轉換裝置及其控制方法

本發明係關於一種轉換裝置及其控制方法，特別關於一種電力轉換裝置及其控制方法。

近年來，由於環保意識的抬頭和石化能源(例如石油、煤)的逐漸枯竭，讓世界各國察覺到新型能源開發的重要性。由於風力是取之不盡、用之不竭的能源，除了沒有能源耗盡的疑慮之外，也可以避免能源被壟斷的問題。因此，世界各國也積極地發展風力發電系統，期望由增加風力的利用來減低對石化能源的依賴。風力發電機的發電原理是利用空氣流動所產生的風壓，推動風力渦輪機的葉片使之旋轉，以產生機械能，再藉此機械能帶動發電機轉子旋轉而產生電能。此電能一般需先經由一電力轉換裝置進行轉換後，才可將風力發電機輸出的電能儲存或供給負載使用，或者將其併入供電電網使用。

請分別參照圖1A及圖1B所示，其中，圖1A為習知一種風力發電機G於不同風速下，輸出功率P_WG (kW)與輸出電壓V_{WG_rms} (均方根值)的特性曲線圖，而圖1B為習知一種風力發電機G於不同風速下，輸出電壓V_{WG_rms} (均方根值)及輸出電流I_{WG_rms} (均方根值)的特性曲線圖。

由圖1A及圖1B之曲線可得知，風力發電機G在不 同風速下之最大功率點之電壓與電流值皆不同。如圖1A所示，各風速的最大功率點可以用一條線相連來形成最大功率近似線，並透過此近似線可找出在每一風速下的最大功率點所對應的電壓值，再將此電壓值對照圖1B之電壓及電流特性曲線，即可找出在最大功率點上之所對應的電流值。

另外，請參照圖1C所示，其為習知一種電力轉換裝置1之示意圖。於此，電力轉換裝置1可接收一風力發電機G輸出之電能，並將電能轉換後供應給一負載L使用。

於習知技術中，為了達到最大功率追蹤與三相功率因數修正之功能，以提高風力發電機G之機電轉換效率，電力轉換裝置1通常必須使用兩組轉換器才可實現，其中之一為功率因數修正轉換器11，另一為最大功率追蹤轉換器12。其中，功率因數修正轉換器11的目的是使風力發電機G輸出之電流相位與電壓相位接近或相等，以達到較高的功率因數而提高效率。另外，最大功率追蹤轉換器12的目的是使風力發電機G於不同的風速下，均可操作在最大功率點上，亦即使風力發電機G操作於圖1A及圖1B之最大功率近似線上。因此，藉由電力轉換裝置1之功率因數修正轉換器11及最大功率追蹤轉換器12之作用，可提高風力發電機G之機電轉換效率。

然而，習知之電力轉換裝置1係分別使用一個功率因數修正轉換器11及一個最大功率追蹤轉換器12，不僅電力轉換裝置1之電路體積過大、元件成本增加，更導致電 力轉換系統的整體效率降低。

有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種電力轉換裝置，可同時實現風力發電機之最大功率限制與三相功率因數修正，並具有縮小電路體積、減少元件成本及提高整體電路效率的優點。

為達上述目的，依據本發明之一種電力轉換裝置與一風力發電機配合，風力發電機輸出一交流訊號，交流訊號包含一交流電壓訊號及一交流電流訊號，電力轉換裝置包括一交流對直流轉換電路以及一控制模組。交流對直流轉換電路接收交流訊號，並具有一切換單元。控制模組包含一訊號處理電路、一運算電路、一電流偵測電路、一電流控制電路及一脈寬調變電路。訊號處理電路具有一減法單元，減法單元依據交流電壓訊號及一參考電壓輸出一第一直流訊號。運算電路依據交流電壓訊號、第一直流訊號及一電壓誤差訊號輸出一參考訊號。電流偵測電路依據交流電流訊號輸出一電壓訊號。電流控制電路依據參考訊號及電壓訊號輸出一誤差訊號。脈寬調變電路，依據誤差訊號輸出一控制訊號控制切換單元，以使交流電流訊號的相位與波形實質上與交流電壓訊號相同，並使風力發電機操作於最大功率點。

為達上述目的，依據本發明之一種電力轉換裝置之控制方法與一風力發電機配合，風力發電機輸出一交流訊 號，交流訊號包含一交流電壓訊號及一交流電流訊號，電力轉換裝置包括一交流對直流轉換電路以及一控制模組，控制模組包含一訊號處理電路、一運算電路、一電流偵測電路、一電流控制電路及一脈寬調變電路，交流對直流轉換電路接收交流訊號，並輸出一輸出電壓，控制方法包括：藉由訊號處理電路之一減法單元依據交流電壓訊號及一參考電壓輸出一第一直流訊號；藉由運算電路依據交流電壓訊號、第一直流訊號及一電壓誤差訊號輸出一參考訊號；藉由電流偵測電路依據交流電流訊號輸出一電壓訊號；藉由電流控制電路依據參考訊號及電壓訊號輸出一誤差訊號；以及藉由脈寬調變電路依據誤差訊號輸出一控制訊號控制交流對直流轉換電路之一切換單元，以使交流電流訊號的相位與波形實質上與交流電壓訊號相同，並使風力發電機操作於最大功率點。

承上所述，因本發明之電力轉換裝置及其控制方法中，控制模組之一訊號處理電路具有一減法單元，減法單元依據係交流電壓訊號及一參考電壓輸出一第一直流訊號，一運算電路係依據交流電壓訊號、第一直流訊號及一電壓誤差訊號輸出一參考訊號，一電流偵測電路係依據交流電流訊號輸出一電壓訊號，一電流控制電路係依據參考訊號及電壓訊號輸出一誤差訊號，而一脈寬調變電路係依據誤差訊號輸出一控制訊號控制交流對直流轉換電路之切換單元，以使交流電流訊號的相位與波形實質上與交流電壓訊號相同，並使風力發電機操作於最大功率點。與習 知相較，本發明之電力轉換裝置不僅為一單級式風力發電電力轉換器，並可同時實現風力發電機之最大功率限制與三相功率因數修正之功能，故具有縮小電路體積、減少元件成本及提高整體電路效率的優點。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種電力轉換裝置及其控制方法，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

請參照圖2A及圖2B所示，其中，圖2A為本發明較佳實施例之一種電力轉換裝置2的功能方塊示意圖，而圖2B為圖2A之電力轉換裝置2之一交流對直流轉換電路3之電路示意圖。

如圖2A所示，本發明之電力轉換裝置2係與一風力發電機G配合。其中，風力發電機G可輸出一交流訊號(三相交流訊號)，而交流訊號可包含一交流電壓訊號V_WG (包含三相交流電壓訊號V_{WG_A} 、V_{WG_B} 、V_{WG_C} )及一交流電流訊號I_WG (包含三相交流電流訊號I_{WG_A} 、I_{WG_B} 、I_{WG_C} )。

電力轉換裝置2包括一交流對直流轉換電路3以及一控制模組4。於此，電力轉換裝置2係為一單級式風力發電電力轉換器，可同時實現風力發電機G之最大功率限制與三相功率因數修正之功能。而風力發電機G輸出之三相交流電壓訊號V_{WG_A} 、V_{WG_B} 、V_{WG_C} 可分別輸入交流對直流轉換電路3及控制模組4，且三相交流電流訊號I_{WG_A} 、 I_{WG_B} 、I_{WG_C} 輸入控制模組4。於此，可藉由電流感測器(圖未顯示)分別感測風力發電機G之輸出訊號，以得到三相交流電流訊號I_{WG_A} 、I_{WG_B} 、I_{WG_C} 。另外，交流對直流轉換電路3可輸出一輸出電壓V_O 給一負載L。

如圖2B所示，在本實施例中，交流對直流轉換電路3可例如為一三相三開關昇壓型轉換器。其中，由於接收風力發電機G輸出之交流訊號為三相，故交流對直流轉換電路3亦為三相電路，且每一相的電路均相同。交流對直流轉換電路3具有一切換單元，在本實施例中，切換單元具有三個切換開關S_a 、S_b 、S_c 。另外，交流對直流轉換電路3更具有三個整流單元31a、31b、31c、四個電容C_a 、C_b 、C_c 、C_O )、六個電感L_a1 、L_a2 、L_b1 、L_b2 、L_c1 、L_c2 及六個二極體D_a1 、D_a2 、D_b1 、D_b2 、D_c1 、D_c2 。

整流單元31a、31b、31c可分別接受三相交流電壓訊號V_{WG_A} 、V_{WG_B} 、V_{WG_C} ，並分別與電容C_a 、C_b 、C_c 電性連接。於此，整流單元31a、31b、31c可分別為一全橋整流器。另外，電感L_a1 、L_a2 之一端分別與整流單元31a及電容C_a 電性連接，電感L_a1 、L_a2 之另一端分別與切換開關S_a 及二極體D_a1 、D_a2 電性連接；電感L_b1 、L_b2 之一端分別與整流單元31b及電容C_b 電性連接，電感L_b1 、L_b2 之另一端分別與切換開關S_b 及二極體D_b1 、D_b2 電性連接；電感L_c1 、L_c2 之一端分別與整流單元31c及電容C_c 電性連接，電感L_c1 、L_c2 之另一端分別與切換開關S_c 及二極體D_c1 、D_c2 電性連接。另外，電容C_O 之一端分別與二極體D_a1 、 D_b1 、D_c1 電性連接，而電容C_O 之另一端分別與二極體D_a2 、D_b2 、D_c2 電性連接。其中，三相三開關昇壓型轉換器係為一習知技藝，不再多作說明。

請同時參照圖2C及圖2D所示，其中，圖2C為圖2A中，交流對直流轉換電路3的其中一相(例如A相)及控制模組4的其中一相之功能方塊示意圖，而圖2D為圖2C之控制模組4之電路示意圖。於此，其中一相之交流對直流轉換電路及控制模組仍分別標示3、4。另外，交流對直流轉換電路3及控制模組電4之另二相(即B相及C相)與圖2C及圖2D相同。以下將說明圖2C及圖2D之控制方式，熟悉此技藝者可由圖2C及圖2D中得知另二相電路及其控制方式。

如圖2C及圖2D所示，控制模組4包含一訊號處理電路41、一運算電路42、一電流偵測電路43、一電流控制電路44、一脈寬調變電路45、一電壓回授補償電路46、一濾波整流電路47及一訊號轉換電路48。其中，電壓回授補償電路46具有一第一分壓單元461及一誤差放大單元462，而濾波整流電路47包含二低通濾波單元471、472。另外，訊號處理電路41具有一減法單元411及一第二分壓單元412。

濾波整流電路47可依據交流電壓訊號V_{WG_A} 輸出一第二直流訊號V_ff 。於此，交流電壓訊號V_{WG_A} 為一交流正弦波訊號，需先經整流單元31a之全波整流而成為一直流半波電壓訊號(以V_{WG_r} 表示)後，才輸入濾波整流電 路47。低通濾波單元471、472可將直流半波電壓訊號V_{WG_r} 過濾而成為一直流電壓訊號。其中，低通濾波單元471具有一電阻R_ff1 及一電容C_ff1 ，而低通濾波單元472具有一電阻R_ff2 及一電容C_ff2 ，且低通濾波單元472之電容C_ff2 與一電阻R_ff3 並聯。其中，低通濾波單元472輸出之電流訊號流經電阻R_ff3 後可得到第二直流訊號V_ff 。於此，第二直流訊號V_ff 為一直流電壓訊號。

訊號處理電路41之第二分壓單元412可將參考電壓V_ref 進行分壓，以輸出一第二分壓訊號V_ref’ ，而第二分壓訊號V_ref’ 係輸入減法單元411之正端。於此，第二分壓單元412可包含二電阻R_ref1 及R_ref2 ，而第二分壓訊號V_ref’ =(R_ref2 /(R_ref1 +R_ref2 )×V_ref 。

減法單元411係依據直流半波電壓訊號V_{WG_r} 及一參考電壓V_ref 而輸出一第一直流訊號V_d ，並輸入運算電路42。於此，第一直流訊號V_d 為一直流電壓訊號。另外，減法單元411是接收濾波整流電路47輸出之第二直流訊號V_ff 及第二分壓訊號V_ref’ 而輸出第一直流訊號V_d 。其中，第二直流訊號V_ff 係藉由一電阻R_D1 與減法單元411之負端電性連接，而第二分壓訊號V_ref’ 係藉由另一電阻R_D3 與減法單元411之正端電性連接。另外，訊號處理電路41更可包含二電阻R_D2 、R_D4 。電阻R_D2 分別連接於減法單元411之負端及減法單元411之輸出端，而電阻R_D4 分別連接於減法單元411之正端、電阻R_D3 之一端及一接地端。在本發明中，減法單元411的主要功能是用來將風 力發電機G輸出的電壓、電流和功率之操作點限制於最大功率點的近似線上，當風力發電機G功率操作點上升至最大功率點時，藉由減法單元411之作用，可限制風力發電機G之輸出電壓和電流，使風力發電機G操作於最大功率點。

訊號轉換電路48將交流電壓訊號V_WG 經全波整流後的一直流半波電壓訊號V_{WG_r} 轉換成一電流訊號I_r ，並輸入運算電路42。於此，直流半波電壓訊號V_{WG_r} 係為交流電壓訊號V_{WG_A} 經整流單元31a之全波整流後所產生的，並為一直流半波訊號，故電流訊號I_r 亦為一直流半波訊號。其中，如圖2D所示，訊號轉換電路48係為一電阻R_AC ，以將直流半波電壓訊號V_{WG_r} 轉換成電流訊號I_r ，並輸入運算電路42。

電流偵測電路43係依據交流電流訊號I_{WG_A} 輸出一電壓訊號V_CS 。於此，電流偵測電路43可包含一霍爾元件及一全波整流電路，且交流電流訊號I_{WG_A} 需先經由整流單元31a之全波整流後輸出一直流半波電流訊號I_{WG_r} ，再輸入電流偵測電路43，經電流偵測電路43之偵測轉換後得到電壓訊號V_CS ，並輸入電流控制電路44。於此，電壓訊號V_CS 亦為一直流半波訊號。

電壓回授補償電路46係依據交流對直流轉換電路3輸出之一輸出電壓V_O 及參考電壓V_ref 輸出一電壓誤差訊號V_e ，而電壓誤差訊號V_e 可輸入運算電路42。於此，電壓誤差訊號V_e 可因應交流對直流轉換電路3輸出之輸出 電壓V_O 的變化而提供對控制訊號CS的補償。在本實施例中，第一分壓單元461可包含二電阻R_ref3 及R_ref4 ，故第一分壓訊號V_r =(R_ref4 /(R_ref3 +R_ref4 )×V_O 。其中，第一分壓訊號V_r 輸入誤差放大單元462之負端，而參考電壓V_ref 輸入誤差放大單元462之正端。於此，誤差放大單元462係為一電壓誤差放大器(voltage error amplifier)。由於電壓誤差放大器的特性，可使第一分壓訊號V_r 之電壓值及其波形實質上與參考電壓V_ref 相同(即負端上的第一分壓訊號V_r 會追隨正端上之參考電壓V_ref 的變化)。

運算電路42依據交流電壓訊號V_{WG_A} 、第一直流訊號V_d 及電壓誤差訊號V_e 而輸出一參考訊號I_ref 。在本實施例中，運算電路42係為一乘/除法單元，並可將電流訊號I_r 乘以電壓誤差訊號V_e 後，再除以第一直流訊號V_d 的平方，以得到參考訊號I_ref 。其中，參考訊號I_ref 實質上與電流訊號I_r 成一比例。換言之，經運算電路42運算後，參考訊號I_ref 之波形、振幅可與電流訊號I_r 成一非線性的比例。此外，電流訊號I_r 為一直流半波訊號，故參考訊號I_ref 亦為一直流半波訊號。

另外，控制模組4更可包括一控制電阻R_MO ，控制電阻R_MO 係依據參考訊號I_ref 而產生一控制電壓V_MO 。於此，參考訊號I_ref 流入控制電阻R_MO (電流I_MO )時，可產生控制電壓V_MO ，故控制電壓V_MO 與參考訊號I_ref 成正比。其中，控制電壓V_MO 係輸入電流控制電路44之正端，而電壓訊號V_CS 係輸入電流控制電路44之負端。另外，控制電 壓V_MO 與參考訊號I_ref 成正比，故控制電壓V_MO 的波形與交流電壓訊號V_WG 經全波整流後的波形成一比例。

電流控制電路44係依據參考訊號I_ref 及電壓訊號V_CS 輸出一誤差訊號V_C 。於此，電流控制電路44係為一平均電流控制電路，並可為一電流誤差放大器(current error amplifier)。由於誤差放大器的特性，可使電壓訊號V_CS 之電壓值及其波形實質上與控制電壓V_MO 相同(即電流誤差放大器負端上的電壓訊號V_CS 會追隨正端上之控制電壓V_MO 的變化)，而風力發電機G之交流電流訊號I_{WG_A} 的大小及其波形將由參考訊號I_ref 決定，此即為平均電流模式控制法。於此，由於控制電壓V_MO 之相位及波形與參考訊號I_ref 成正比，而參考訊號I_ref 與電流訊號I_r 成一比例，故控制電壓V_MO 的波形與電流訊號I_r 的波形成比例。另外，由於電流誤差放大器負端上的電壓訊號V_CS 會追隨正端上之控制電壓V_MO 的變化，因此，可透過電流控制電路44之平均電流模式控制法讓風力發電機G之交流電流訊號I_{WG_A} 的波形追隨交流電壓訊號V_{WG_A} 的波形，進而改善風力發電機G負載端之功率因數。

此外，脈寬調變電路45係依據誤差訊號V_C 而輸出一控制訊號CS，以控制切換單元，以使交流電流訊號I_WG 的相位與波形實質上與交流電壓訊號V_WG 相同，並使風力發電機G操作於最大功率點。本發明由於訊號處理電路41之減法單元411的功用是用來限制交流電壓訊號V_WG 及交流電流訊號I_WG ，進而控制風力發電機G操作於最大功率 點。另外，電流控制電路44之平均電流模式控制法可讓風力發電機G之交流電流訊號I_{WG_A} 的波形追隨交流電壓訊號V_{WG_A} 的波形，進而改善風力發電機G負載端之功率因數。故脈寬調變電路45輸出之控制訊號CS可控制交流對直流轉換電路3之切換單元之切換開關S_a ，藉此，可使交流電流訊號I_WG 的相位與波形實質上與交流電壓訊號V_WG 相同，並使風力發電機G操作於最大功率點。

另外，請參照圖2E所示，其為本發明另一較佳實施例之一種電力轉換裝置2a的功能方塊示意圖。

與電力轉換裝置2主要的不同在於，電力轉換裝置2a之交流對直流轉換電路3a係為一三相六開關昇壓型轉換器。在本實施例中，切換單元具有六個切換開關S_ap 、S_an 、S_bp 、S_bn 、S_cp 、S_cn 。另外，交流對直流轉換電路3a更具有三個電感L_a 、L_b 、L_c ，及七個二極體D_ap 、D_an 、D_bp 、D_bn 、D_cp 、D_cn 、D，及一電容C_O 。其中，切換開關S_ap 、S_an 、S_bp 、S_bn 、S_cp 、S_cn 分別與二極體D_ap 、D_an 、D_bp 、D_bn 、D_cp 、D_cn 並聯連接。另外，各相切換開關S_ap 、S_an 、S_bp 、S_bn 、S_cp 、S_cn 分別藉由電感L_a 、L_b 、L_c 與風力發電機G電性連接。電容C_O 的兩端分別與二極體D之一端及一接地端電性連接。於此，三相六開關昇壓型轉換器係為一習知技藝，不再多作說明。

另外，本實施例之控制模組4a(A相)之電流偵測電路43a係依據交流電流訊號I_{WG_A} 輸出電壓訊號V_CS ，電流偵測電路43a包含一全波整流單元，可將交流電流訊號 I_{WG_A} 整流成直流半波電流訊號I_{WG_r} 。於此，交流對直流轉換電路3a並不具有整流單元。另外，脈寬調變電路45a係依據誤差訊號V_C 而輸出之控制訊號可包含控制訊號CS_ap 、CS_an ，以分別對應控制交流對直流轉換電路3a之A相的切換開關S_ap 、S_an 。再者，控制模組4a更可包括一全波整流電路49，全波整流電路49可先將交流電壓訊號V_{WG_A} 整流成一直流半波電壓訊號V_{WG_r} 後再輸入濾波整流電路47及訊號轉換電路48。另外，控制模組4b(B相)輸出之控制訊號CS_bp 、CS_bn 係分別對應控制交流對直流轉換電路3a之B相的切換開關S_bp 、S_bn ，而控制模組4c(C相)輸出之控制訊號CS_cp 、CS_cn 係分別對應控制交流對直流轉換電路3a之C相的切換開關S_cp 、S_cn 。控制模組4b(B相)及控制模組4c(C相)與控制模組4a(A相)相同，於此不再贅述。

此外，電力轉換裝置2a之控制模組4a、4b、4c之其它技術特徵可參照控制模組4之相同元件，於此不再贅述。

請分別參照圖3A所示，其為本發明之電力轉換裝置2、2a之控制模組之一參數K_ff 與控制電阻R_MO 的關係曲線圖。

在特定的風速下，可設計控制模組之參數K_ff 及控制電阻R_MO 的參數值來符合特定風速下所對應之關係曲線，即可使風力發電機G在特定風速下實現最大功率限制的功能。以下為本發明之參數K_ff 及控制電阻R_MO 的參數公式：

其中，R_{MO_MPP} 為特定風速下，最大功率點之控制電阻R_MO 的值，V_{MO_MPP} 為同一風速下，最大功率點之控制電壓V_MO 的值，V_{MPP_rms} 為同一風速下，最大功率點之均方根電壓值，而K_{ff_MPP} 為同一風速下，最大功率點之參數K_ff 的值。因此，本發明可將風力發電裝置G於每一風速下所要限制的電壓和電流值(為已知數值)代入上述公式，即可求得最大功率點時之R_MO 及K_ff 之參數值。

如圖3A所示，本發明可藉由將參數K_ff 與控制電阻R_MO 的參數值設計於各風速之曲線的交會點M上，以使風力發電機G在任一風速下皆可達到最大功率限制之目的。另外，由於電流控制電路44(電流誤差放大器)的控制電壓V_MO 的波形，與風力發電機G輸出之交流電壓訊號V_WG 經訊號轉換電路48後之電流訊號I_r 之波形成一比例，故透過電流控制電路44之平均電流模式控制法，即可讓風力發電機G輸出之交流電流訊號I_WG 的波形追隨輸出之交流電壓訊號V_WG 的波形，進而改善風力發電機G負載端之功率因數。

另外，請參照圖3B所示，其為風力發力機G在一特定風速下(例如風速為9 m/s)，電力轉換裝置2、2a之輸入三相總功率及其輸入、輸出電壓及電流之波形示意圖。 其中，P_WG (kW)為輸入電力轉換裝置2、2a之三相總功率(即風力發電機G輸出之三相總功率)，V_WG (V)及I_WG (A)分別為輸入電力轉換裝置2、2a之電壓及電流(即風力發電機G之輸出電壓及電流)，I_O (A)及V_O (V)分別為電力轉換裝置2、2a輸出之電流及電壓，而虛線L1所對應各數值為最大功率點時的數值。

如圖3B所示，當負載電流I_O 增加，但風力發電機G的功率尚未達到最大功率點時，因本發明之電力轉換裝置2、2a具備電壓回授補償電路46，所以電力轉換裝置2、2a的輸出電壓V_O 可幾乎維持在定值。然而，當負載電流I_O 持續增加，使得負載所需功率超過風力發電機G所能提供之最大功率時(超過虛線L1)，因風力發電機G的功率已被限制在最大功率點，所以電力轉換裝置2、2a的輸出電壓V_O 將會下降。同時，風力發電機G輸出的交流電壓訊號V_WG 與交流電流訊號I_WG 亦會被限制在最大功率點所對應的電壓和電流值上。此外，根據模擬驗證結果，本發明之電力轉換裝置2、2a的最大功率點追蹤率可高達99.9%以上。

請參照圖3C所示，其為本發明之電力轉換裝置2、2a的作用下，風力發力機G在一特定風速下(例如風速為9m/s)之三相電壓及電流的波形示意圖。

由圖3C可明顯發現，本發明之電力轉換裝置2、2a可使風力發電機G輸出之電流I_WG 之波形追隨輸出電壓V_WG 之波形，證明本發明之電力轉換裝置2、2a亦具備有 三相功率因數修正之功能。

另外，請分別參照圖2A、圖2C及圖4所示，其中，圖4為本發明之較佳實施例之一種電力轉換裝置之控制方法流程示意圖。

電力轉換裝置之控制方法係與風力發電機G配合，風力發電機G輸出一交流訊號，交流訊號可包含一交流電壓訊號V_WG 及一交流電流訊號I_WG 。電力轉換裝置2包括一交流對直流轉換電路3以及一控制模組4。其中，交流對直流轉換電路3可接收風力發電機G輸出之交流訊號，並輸出一輸出電壓V_O 給一負載L。另外，控制模組4包含一訊號處理電路41、一運算電路42、一電流偵測電路43、一電流控制電路44及一脈寬調變電路45。

本發明之電力轉換裝置之控制方法包括步驟S01~S05。

首先，步驟S01係為，藉由訊號處理電路41之一減法單元411依據交流電壓訊號V_WG 及一參考電壓V_ref 輸出一第一直流訊號V_d 。其中，於輸出第一直流訊號V_d 之前，控制方法更可包括：藉由一濾波整流電路47依據交流電壓訊號V_WG 輸出一第二直流訊號V_ff ，且第二直流訊號V_ff 係輸入減法單元411之負端。另外，更藉由訊號處理電路41之一第二分壓單元412將參考電壓V_ref 進行分壓，以輸出一第二分壓訊號V_ref’ ，且第二分壓訊號V_ref’ 係輸入減法單元411之正端。

接著，於步驟S02中，係藉由運算電路42依據交流 電壓訊號V_WG 、第一直流訊號V_d 及一電壓誤差訊號V_e 輸出一參考訊號I_ref 。其中，於輸出參考訊號I_ref 之前，控制方法更可包括：藉由一訊號轉換電路48將交流電壓訊號V_WG 經全波整流後的直流半波電壓訊號V_{WG_r} 轉換成一電流訊號I_r ，並輸入運算電路42。另外，更藉由一電壓回授補償電路46依據輸出電壓V_O 及參考電壓V_ref 輸出電壓誤差訊號V_e 。此外，再藉由運算電路42將電流訊號I_r 乘以電壓誤差訊號V_e 後，再除以第一直流訊號V_d 的平方，以得到參考訊號I_ref 。

另外，於步驟S03中，係藉由電流偵測電路43依據交流電流訊號I_WG 輸出一電壓訊號V_CS 。

接著，於步驟S04中，係藉由電流控制電路44依據參考訊號I_ref 及電壓訊號V_CS 輸出一誤差訊號V_C 。其中，於輸出誤差訊號V_C 之前，控制方法更可包括：藉由一控制電阻R_MO 依據參考訊號I_ref 而產生一控制電壓V_MO ，且控制電壓V_MO 與參考訊號I_ref 成正比。

最後，步驟S05係為，藉由脈寬調變電路45依據誤差訊號V_C 輸出一控制訊號CS控制交流對直流轉換電路3之一切換單元，以使交流電流訊號I_WG 的相位與波形實質上與交流電壓訊號V_WG 相同，並使風力發電機G操作於最大功率點。

此外，本發明之電力轉換裝置之控制方法的其它技術特徵已於上述中詳述，於此不再贅述。

綜上所述，因本發明之電力轉換裝置及其控制方法 中，控制模組之一訊號處理電路具有一減法單元，減法單元依據係交流電壓訊號及一參考電壓輸出一第一直流訊號，一運算電路係依據交流電壓訊號、第一直流訊號及一電壓誤差訊號輸出一參考訊號，一電流偵測電路係依據交流電流訊號輸出一電壓訊號，一電流控制電路係依據參考訊號及電壓訊號輸出一誤差訊號，而一脈寬調變電路係依據誤差訊號輸出一控制訊號控制交流對直流轉換電路之切換單元，以使交流電流訊號的相位與波形實質上與交流電壓訊號相同，並使風力發電機操作於最大功率點。與習知相較，本發明之電力轉換裝置不僅為一單級式風力發電電力轉換器，並可同時實現風力發電機之最大功率限制與三相功率因數修正之功能，故具有縮小電路體積、減少元件成本及提高整體電路效率的優點。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1、2、2a‧‧‧電力轉換裝置

11‧‧‧功率因數修正轉換器

12‧‧‧最大功率追蹤轉換器

3、3a‧‧‧交流對直流轉換電路

31a、31b、31c‧‧‧整流單元

4、4a、4b、4c‧‧‧控制模組

41‧‧‧訊號處理電路

411‧‧‧減法單元

412‧‧‧第二分壓單元

42‧‧‧運算電路

43、43a‧‧‧電流偵測電路

44‧‧‧電流控制電路

45‧‧‧脈寬調變電路

46‧‧‧電壓回授補償電路

461‧‧‧第一分壓單元

462‧‧‧誤差放大單元

47‧‧‧濾波整流電路

471、472‧‧‧低通濾波單元

48‧‧‧訊號轉換電路

49‧‧‧全波整流電路

C_a 、C_b 、C_c 、C_ff1 、C_ff2 、C_O ‧‧‧電容

CS、CS_ap 、CS_an 、CS_bp 、CS_bn 、CS_cp 、CS_cn ‧‧‧控制訊號

D、D_a1 、D_a2 、D_b1 、D_b2 、D_c1 、D_c2 、D_ap 、D_an 、D_bp 、D_bn 、 D_cp 、D_cn ‧‧‧二極體

G‧‧‧風力發電機

I、I_O 、I_MO ‧‧‧電流

I_r ‧‧‧電流訊號

I_ref ‧‧‧參考訊號

I_WG 、I_{WG_A} 、I_{WG_B} 、I_{WG_C} ‧‧‧交流電流訊號

I_{WG_r} ‧‧‧直流半波電流訊號

I_{WG_rms} ‧‧‧輸出電流

K_ff 、K_{ff_MPP} ‧‧‧參數

L‧‧‧負載

L1‧‧‧虛線

L_a 、L_b 、L_c 、L_a1 、L_a2 、L_b1 、L_b2 、L_c1 、L_c2 ‧‧‧電感

P_WG (kW)‧‧‧輸入電力轉換裝置之三相總功率

R_AC 、R_D1 、R_D2 、R_D3 、R_D4 、R_ff1 、R_ff2 、R_ff3 、R_{MO_MPP} 、R_ref1 、R_ref2 、R_ref3 、R_ref4 ‧‧‧電阻

R_MO ‧‧‧控制電阻

S01~S05‧‧‧步驟

S_a 、S_b 、S_c 、S_ap 、S_an 、S_bp 、S_bn 、S_cp 、S_cn ‧‧‧切換開關

V_C ‧‧‧誤差訊號

V_CS ‧‧‧電壓訊號

V_d ‧‧‧第一直流訊號

V_e ‧‧‧電壓誤差訊號

V_ff ‧‧‧第二直流訊號

V_MO ‧‧‧控制電壓

V_r ‧‧‧第一分壓訊號

V_ref ‧‧‧參考電壓

V_ref’ ‧‧‧第二分壓訊號

V_WG 、V_{WG_A} 、V_{WG_B} 、V_{WG_C} ‧‧‧交流電壓訊號

V_{WG_r} ‧‧‧直流半波電壓訊號

V、V_O 、V_{WG_rms} ‧‧‧輸出電壓

圖1A為習知一種風力發電機於不同風速下，輸出功率與輸出電壓的特性曲線圖；圖1B為習知一種風力發電機於不同風速下，輸出電壓及輸出電流的特性曲線圖；圖1C為習知一種電力轉換裝置之示意圖；圖2A為本發明較佳實施例之一種電力轉換裝置的功 能方塊示意圖；圖2B為圖2A之電力轉換裝置之一交流對直流轉換電路之電路示意圖；圖2C為圖2A中，交流對直流轉換電路的其中一相及控制模組的其中一相之功能方塊示意圖；圖2D為圖2C之控制模組之電路示意圖；圖2E為本發明另一較佳實施例之一種電力轉換裝置的功能方塊示意圖；圖3A為本發明之電力轉換裝置之控制模組之一參數與控制電阻的關係曲線圖；圖3B為風力發力機在一特定風速下，電力轉換裝置之輸入三相總功率及其輸入、輸出電壓及電流之波形示意圖；圖3C為本發明之電力轉換裝置的作用下，風力發力機在一特定風速下之三相電壓及電流的波形示意圖；以及圖4為本發明之較佳實施例之一種電力轉換裝置之控制方法流程示意圖。

2‧‧‧電力轉換裝置

3‧‧‧交流對直流轉換電路

31a‧‧‧整流單元

4‧‧‧控制模組

41‧‧‧訊號處理電路

411‧‧‧減法單元

412‧‧‧第二分壓單元

42‧‧‧運算電路

43‧‧‧電流偵測電路

44‧‧‧電流控制電路

45‧‧‧脈寬調變電路

46‧‧‧電壓回授補償電路

461‧‧‧第一分壓單元

462‧‧‧誤差放大單元

47‧‧‧濾波整流電路

48‧‧‧訊號轉換電路

C_a 、C_O ‧‧‧電容

CS‧‧‧控制訊號

D_a1 、D_a2 ‧‧‧二極體

I_O ‧‧‧電流

I_r ‧‧‧電流訊號

I_ref ‧‧‧參考訊號

I_{WG_A} ‧‧‧交流電流訊號

I_{WG_r} ‧‧‧直流半波電流訊號

L‧‧‧負載

L_a1 、L_a2 ‧‧‧電感

R_MO ‧‧‧控制電阻

S_a ‧‧‧切換開關

V_C ‧‧‧誤差訊號

V_CS ‧‧‧電壓訊號

V_d ‧‧‧第一直流訊號

V_e ‧‧‧電壓誤差訊號

V_ff ‧‧‧第二直流訊號

V_MO ‧‧‧控制電壓

V_r ‧‧‧第一分壓訊號

V_ref ‧‧‧參考電壓

V_ref’ ‧‧‧第二分壓訊號

V_{WG_A} ‧‧‧交流電壓訊號

V_{WG_r} ‧‧‧直流半波電壓訊號

V_O ‧‧‧輸出電壓

Claims (20)

1. 一種電力轉換裝置，與一風力發電機配合，該風力發電機輸出一交流訊號，該交流訊號包含一交流電壓訊號及一交流電流訊號，該電力轉換裝置包括：一交流對直流轉換電路，接收該交流訊號，並具有一切換單元；以及一控制模組，包含：一濾波整流電路，接收該交流電壓訊號經全波整流後的一直流半波電壓訊號，並輸出一第二直流訊號；一訊號處理電路，具有一減法單元，該第二直流訊號輸入該減法單元的一端，一參考電壓進行分壓後輸入該減法單元的另一端，且該減法單元輸出一第一直流訊號；一運算電路，接收該第一直流訊號及一電壓誤差訊號，並輸出一參考訊號；一電流偵測電路，接收該交流電流訊號，並輸出一電壓訊號；一電流控制電路，接收該參考訊號及該電壓訊號，並輸出一誤差訊號；及一脈寬調變電路，接收該誤差訊號，並輸出一控制訊號控制該切換單元，以使該交流電流訊號的相位與波形實質上與該交流電壓訊號相同，並使該風力發電機操作於最大功率點。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電力轉換裝置，該控制 模組更包括：一電壓回授補償電路，依據該交流對直流轉換電路輸出之一輸出電壓及該參考電壓輸出該電壓誤差訊號。
3. 如申請專利範圍第2項所述之電力轉換裝置，其中該電壓回授補償電路具有一第一分壓單元及一誤差放大單元，該第一分壓單元將該輸出電壓進行分壓，以輸出一第一分壓訊號，該第一分壓訊號輸入該誤差放大單元之負端，該參考電壓輸入該誤差放大單元之正端。
4. 如申請專利範圍第3項所述之電力轉換裝置，其中該誤差放大單元使該第一分壓訊號之電壓值及其波形實質上與參考電壓相同。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電力轉換裝置，其中該訊號處理電路具有一第二分壓單元，該第二分壓單元將該參考電壓進行分壓，以輸出一第二分壓訊號，該第二分壓訊號係輸入該減法單元之正端。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電力轉換裝置，其中該第二直流訊號係輸入該減法單元之負端。
7. 如申請專利範圍第1項所述之電力轉換裝置，其中該濾波整流電路包含二低通濾波單元。
8. 如申請專利範圍第1項所述之電力轉換裝置，該控制模組更包括：一訊號轉換電路，將該直流半波電壓訊號轉換成一電流訊號輸入該運算電路。
9. 如申請專利範圍第8項所述之電力轉換裝置，其中該運算電路將該電流訊號乘以該電壓誤差訊號後，再除以該第一直流訊號的平方，以得到該參考訊號。
10. 如申請專利範圍第8項所述之電力轉換裝置，其中該參考訊號實質上與該電流訊號成一比例。
11. 如申請專利範圍第8項所述之電力轉換裝置，該控制模組更包括：一控制電阻，依據該參考訊號而產生一控制電壓，且該控制電壓與該參考訊號成正比。
12. 如申請專利範圍第11項所述之電力轉換裝置，其中該控制電壓輸入該電流控制電路之正端，該電壓訊號輸入該電流控制電路之負端。
13. 如申請專利範圍第11項所述之電力轉換裝置，其中該控制電壓的波形與該交流電壓訊號經全波整流後的波形成一比例。
14. 如申請專利範圍第11項所述之電力轉換裝置，其中該電流控制電路使該電壓訊號之電壓值及其波形實質上與該控制電壓相同。
15. 一種電力轉換裝置之控制方法，與一風力發電機配合，該風力發電機輸出一交流訊號，該交流訊號包含一交流電壓訊號及一交流電流訊號，該電力轉換裝置包括一交流對直流轉換電路以及一控制模組，該控制模組包含一濾波整流電路、一訊號處理電路、一運算電路、一電流偵測電路、一電流控制電路及一脈寬調 變電路，該交流對直流轉換電路接收該交流訊號，並輸出一輸出電壓，該控制方法包括：藉由該濾波整流電路接收該交流電壓訊號經全波整流後的一直流半波電壓訊號，並輸出一第二直流訊；藉由該訊號處理電路之一減法單元輸出一第一直流訊號，其中該第二直流訊號輸入該減法單元的一端，一參考電壓進行分壓後輸入該減法單元的另一端；藉由該運算電路接收該第一直流訊號及一電壓誤差訊號，並輸出一參考訊號；藉由該電流偵測電路接收該交流電流訊號，並輸出一電壓訊號；藉由該電流控制電路接收該參考訊號及該電壓訊號，並輸出一誤差訊號；以及藉由該脈寬調變電路接收該誤差訊號，並輸出一控制訊號控制該交流對直流轉換電路之一切換單元，以使該交流電流訊號的相位與波形實質上與該交流電壓訊號相同，並使該風力發電機操作於最大功率點。
16. 如申請專利範圍第15項所述之控制方法，其中於輸出該第一直流訊號之前，該控制方法更包括：藉由該訊號處理電路之一第二分壓單元將該參考電壓進行分壓，以輸出一第二分壓訊號，該第二分壓 訊號係輸入該減法單元之正端。
17. 如申請專利範圍第15項所述之控制方法，其中該第二直流訊號係輸入該減法單元之負端。
18. 如申請專利範圍第15項所述之控制方法，其中於輸出該參考訊號之前，該控制方法更包括：藉由一訊號轉換電路將該直流半波電壓訊號轉換成一電流訊號輸入該運算電路。
19. 如申請專利範圍第18項所述之控制方法，其中於輸出該參考訊號之前，該控制方法更包括：藉由該運算電路將該電流訊號乘以該電壓誤差訊號後，再除以該第一直流訊號的平方，以得到該參考訊號。
20. 如申請專利範圍第18項所述之控制方法，其中於輸出該誤差訊號之前，該控制方法更包括：藉由一控制電阻依據該參考訊號而產生一控制電壓，且該控制電壓與該參考訊號成正比。