TWI485322B - 風力發電模擬裝置及其控制方法 - Google Patents

風力發電模擬裝置及其控制方法 Download PDF

Info

Publication number
TWI485322B
TWI485322B TW101134130A TW101134130A TWI485322B TW I485322 B TWI485322 B TW I485322B TW 101134130 A TW101134130 A TW 101134130A TW 101134130 A TW101134130 A TW 101134130A TW I485322 B TWI485322 B TW I485322B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
signal
sine wave
unit
control
voltage
Prior art date
Application number
TW101134130A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201413107A (zh
Inventor
Ray Lee Lin
Wei Cheng Chen
Original Assignee
Univ Nat Cheng Kung
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Univ Nat Cheng Kung filed Critical Univ Nat Cheng Kung
Priority to TW101134130A priority Critical patent/TWI485322B/zh
Publication of TW201413107A publication Critical patent/TW201413107A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI485322B publication Critical patent/TWI485322B/zh

Links

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Landscapes

  • Control Of Eletrric Generators (AREA)

Description

風力發電模擬裝置及其控制方法
本發明係關於一種模擬裝置及其控制方法，特別關於一種電子式風力發電模擬裝置及其控制方法。
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。其中，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。除了可將風力發電機產生的電能儲存或供給負載使用外，也可將其併入供電電網使用。
請分別參照圖1A及圖1B所示，圖1A為習知一種風力發電機於不同風速下，輸出功率P與電壓V的特性曲線圖，而圖1B為習知一種風力發電機於不同風速下，輸出電壓V與電流I的特性曲線圖。由圖1A及圖1B可看出，於不同的風速下，風力發電機輸出之特性曲線均相當類似，而且可透過最大功率追蹤方式來得到風力發電機輸出的最大功率，以有效利用風力。
另外，請參照圖1C所示，其為風力發電機輸出之頻 率f與電壓V的特性曲線圖。由圖1C可發現，雖然風速大小不同，但風力發電機之輸出頻率與電壓幾乎是成線性比例的關係。
另外，因風力發電機內部構造包含風力渦輪機和發電機兩種設備，故其設備的成本相當高、體積也相當大，而且運轉時的噪音也相當大，並有維護不易的缺點，導致風力發電系統的相關研究具有相當的不便利性。因此，為了進行風力發電的相關研究，習知技術係提出一種機械式風力發電模擬裝置來模擬風力發電機的輸出訊號，以供後續的研究。
請參照圖1D所示，其為習知一種機械式風力發電模擬裝置1之示意圖。
機械式風力發電模擬裝置1包含一變頻馬達機組以及一發電機。其中，係將電能輸入變頻馬達機組，使馬達產生轉動的機械能並輸入發電機後，使發電機產生如上述圖1A~圖1C所示之與風力發電機輸出特性相同之交流電，藉此來取代風力發電機，以方便進行風力發電系統的相關研究。
然而，機械式風力發電模擬裝置1於運作時，不僅變頻馬達機組和發電機轉動時會產生相當大的噪音，而且其設備成本也比較高、體積也較大，使得設備維護時仍需消耗相當多的時間及人力成本。
因此，如何提供一種風力發電模擬裝置及其控制方法，可具有較低設備成本、較小設備體積及較少噪音污染 的優點，也可免除設備維護的時間與人力的消耗，以取代傳統的機械式風力發電模擬裝置，已成為重要課題之一。
有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種可具有較低設備成本、較小設備體積及較少噪音污染的優點，也可免除設備維護的時間與人力的消耗，以取代傳統的機械式風力發電模擬裝置之風力發電模擬裝置及其控制方法。
為達上述目的，依據本發明之一種風力發電模擬裝置包括一電源供應單元、一切換單元、一濾波單元以及一控制模組。電源供應單元輸出一直流訊號。切換單元與電源供應單元電性連接，並接收直流訊號。濾波單元與切換單元電性連接，濾波單元接收切換單元的輸出訊號，並產生一交流正弦波訊號。控制模組分別與電源供應單元及切換單元電性連接，控制模組依據直流訊號或交流正弦波訊號輸出一控制訊號，以控制切換單元，以使交流正弦波訊號之振幅和頻率分別與直流訊號之電壓成正比。
在一實施例中，風力發電模擬裝置更包括一儲能單元，其分別與電源供應單元及切換單元電性連接，儲能單元儲存直流訊號之能量。
在一實施例中，控制訊號係藉由一正弦波脈寬調變技術控制切換單元之一開關元件。
在一實施例中，直流訊號與一風力發電機的輸出具有相同軌跡的電壓-電流及電壓-功率特性曲線。
在一實施例中，控制模組具有一壓控單元，壓控單元與電源供應單元電性連接，並依據直流訊號輸出一正弦波參考訊號，且正弦波參考訊號之頻率與直流訊號的電壓成正比。
在一實施例中，正弦波參考訊號之頻率與交流正弦波訊號之頻率係相同。
在一實施例中，控制模組具有一訊號處理單元，訊號處理單元與濾波單元電性連接，並依據交流正弦波訊號輸出一正弦波參考訊號，並使正弦波參考訊號之振幅與頻率成正比。
在一實施例中，正弦波參考訊號之振幅與交流正弦波訊號之振幅成正比。
在一實施例中，控制模組更具有一比較單元，比較單元比較正弦波參考訊號之電壓與一比較訊號之電壓，並輸出一切換訊號。
在一實施例中，當正弦波參考訊號於一期間內之電壓大於比較訊號之電壓時，比較單元於期間輸出切換訊號。
在一實施例中，控制模組更具有一編碼單元，編碼單元依據切換訊號輸出控制訊號，以控制開關元件的導通與截止。
在一實施例中，控制訊號具有複數子控制訊號，且至少兩組子控制訊號的波形係為互補。
為達上述目的，依據本發明之一種風力發電模擬裝置之控制方法，風力發電模擬裝置包含一電源供應單元、一 切換單元、一濾波單元以及一控制模組，控制方法包括藉由電源供應單元輸出一直流訊號、藉由切換單元接收直流訊號、藉由濾波單元接收切換單元的輸出，並產生一交流正弦波訊號以及藉由控制模組依據直流訊號或交流正弦波訊號輸出一控制訊號，以控制切換單元，以使交流正弦波訊號之振幅和頻率分別與直流訊號之電壓成正比。
在一實施例中，於輸出控制訊號的步驟中，係藉由控制模組之一壓控單元依據直流訊號輸出一正弦波參考訊號，且正弦波參考訊號之頻率與直流訊號的電壓成正比。
在一實施例中，係藉由控制模組之一訊號處理單元依據交流正弦波訊號輸出一正弦波參考訊號，並使正弦波參考訊號之振幅與頻率成正比。
在一實施例中，於輸出控制訊號的步驟中，係藉由控制模組之一比較單元，比較正弦波參考訊號之電壓與一比較訊號之電壓，並輸出一切換訊號。
在一實施例中，於輸出控制訊號的步驟中，係藉由控制模組之一編碼單元依據切換訊號輸出控制訊號，以控制開關元件的導通與截止。
承上所述，因本發明之風力發電模擬裝置及其控制方法係藉由電源供應單元輸出一直流訊號，而切換單元可接收直流訊號，並利用濾波單元濾除切換單元輸出之高頻成分後，產生一交流正弦波訊號。另外，更藉由控制模組依據直流訊號或交流正弦波訊號輸出一控制訊號，以控制切換單元，以使交流正弦波訊號之振幅和頻率分別與直流訊 號之電壓成正比。藉此，可使本發明之風力發電模擬裝置輸出之特性曲線與實際風力發電機輸出之特性曲線相符合，因此，本發明之風力發電模擬裝置可取代風力發電機或機械式風力發電模擬裝置進行風力發電系統之相關研究，故可降低設備成本、縮小設備體積、降低噪音和免除設備維護的時間與人力成本消耗。
以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種風力發電模擬裝置及其控制方法，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。
請參照圖2所示，其為本發明較佳實施例之一種風力發電模擬裝置2的功能方塊示意圖。
本發明之風力發電模擬裝置2係為一電子式風力發電模擬裝置，其可模擬風力發電機的輸出，使研究者可以進行風力發電系統的相關研究。因此，風力發電模擬裝置2可輸出與風力發電機及習知之機械式風力發電模擬裝置的電壓-電流、電壓-功率及頻率-電壓相同特性曲線的交流正弦波訊號。
風力發電模擬裝置2包括一電源供應單元21、一切換單元22、一濾波單元23以及一控制模組24。
電源供應單元21係輸出一直流訊號DC。在本實施例中，電源供應單元21係為一可程控的直流電源供應器，並可編程與風力發電機或機械式風力發電模擬裝置之電 壓-電流及電壓-功率之特性曲線軌跡相同之直流訊號DC。換言之，本實施例之電源供應單元21可依據要模擬的風力發電機之電壓-電流及電壓-功率的特性曲線進行編程，使直流訊號DC與要模擬的風力發電機之特性曲線軌跡相同。其中，直流訊號DC之電壓值大小由風力發電模擬裝置2的負載端來決定。
切換單元22與電源供應單元21電性連接。切換單元22可接收直流訊號DC，並產生一交流訊號AC1。
濾波單元23與切換單元22電性連接。濾波單元23可接收切換單元22輸出之交流訊號AC1，並濾除交流訊號AC1之高頻成分，以產生一交流正弦波訊號AC2。其中，交流訊號AC1之高頻成分的來源係為切換單元22之關關切換時所產生之高頻方波。
控制模組24分別與電源供應單元21及切換單元22電性連接，控制模組24可依據直流訊號DC或交流正弦波訊號AC2而輸出一控制訊號CS，以控制切換單元22，以使交流正弦波訊號AC2之振幅和頻率分別與直流訊號DC之電壓成正比。在本實施例中，控制模組24係依據直流訊號DC而輸出控制訊號CS，以控制切換單元22。
以下，請分別參照圖3A~圖3C以及圖4所示，以詳細說明本發明之風力發電模擬裝置。其中，圖3A係為本發明另一較佳實施例之一種風力發電模擬裝置3之電路示意圖，圖3B係為風力發電模擬裝置3之控制模組34的示意圖，而圖3C係為圖3B之控制模組34之訊號示意圖。 於此，風力發電模擬裝置3係為單相電路，故可輸出單相之交流訊號AC1及交流正弦波訊號AC2。
如圖3A所示，風力發電模擬裝置3包括一電源供應單元31、一切換單元32、一濾波單元33以及一控制模組34。另外，風力發電模擬裝置3更可包括一儲能單元35，於此，儲能單元35分別與電源供應單元31及切換單元32電性連接。其中，儲能單元35係為一電容C2，並可儲存電源供應單元31輸出之直流訊號DC的電能。
電源供應單元31可輸出一直流訊號DC。本實施例之電源供應單元31係為一可程控的直流電源供應器，並可編程與風力發電機或機械式風力發電模擬裝置之電壓-電流及電壓-功率之特性曲線軌跡相同之直流訊號DC。換言之，電源供應單元31可依據要模擬的風力發電機之電壓-電流及電壓-功率特性曲線進行編程，使直流訊號DC與要模擬的風力發電機之特性曲線軌跡相同。因此，如圖4所示，直流訊號DC之電壓(VDC )-電流(IDC )的特性曲線軌跡係與圖1B之風力發電機之電壓V-電流I的特性曲線軌跡實質上相同。
請再參照圖3A所示，切換單元32與電源供應單元31電性連接，切換單元32係接收直流訊號DC，並產生一交流訊號AC1。在本實施例中，切換單元32係具有4只開關元件S1~S4及4只二極體D1~D4，二極體D1~D4係分別對應開關元件S1~S4設置。其中，開關元件S1~S4可分別為一功率電晶體，且4只開關元件S1~S4分別與4 只二極體D1~D4並聯連接。
濾波單元33與切換單元32電性連接。濾波單元33可接收切換單元32輸出的交流訊號AC1，並濾除切換單元32之開關元件S1~S4切換時所產生之高頻成分，以產生一交流正弦波訊號AC2。於此，濾波單元33係為包含一電感L及一電容C1之低通濾波器，而交流正弦波訊號AC2係為單相之正弦波訊號。
控制模組34分別與電源供應單元31及切換單元32電性連接，控制模組34可接收直流訊號DC，並依據直流訊號DC輸出一控制訊號CS，以控制切換單元32。於此，控制訊號CS係可藉由一正弦波脈寬調變(Sinusoidal Pulse Width Modulation,SPWM)技術控制切換單元32之開關元件S1~S4進行切換。
在本實施例中，如圖3B所示，控制模組34具有一壓控單元341、一比較單元342及一編碼單元343。
壓控單元341與電源供應單元31電性連接，並接收直流訊號DC而輸出一正弦波參考訊號Vf ，其中，正弦波參考訊號Vf 之頻率與直流訊號DC的電壓成正比。於此，壓控單元341係為一壓控振盪器(voltage-controlled oscillator,VCO)，壓控振盪器可依據輸入之直流訊號DC的電壓控制正弦波參考訊號Vf 的頻率，且正弦波參考訊號Vf 的頻率與直流訊號DC的電壓成正比。其中，正弦波參考訊號Vf 之振幅大小為一固定值，且其頻率與交流正弦波訊號AC2之頻率相同。
比較單元342可比較正弦波參考訊號Vf 之電壓與一比較訊號Vc 之電壓，並輸出一切換訊號SS。如圖3C所示，正弦波參考訊號Vf 係為一低頻正弦波訊號，而比較訊號Vc 係為一高頻的三角波訊號，且正弦波參考訊號Vf 的最大振幅與比較訊號Vc 的最大振幅相等。另外，切換訊號SS係為一正弦波脈寬調變(SPWM)訊號。於此，比較單元342可為一比較器，其可將正弦波參考訊號Vf 之電壓與比較訊號Vc 之電壓進行比較。當正弦波參考訊號Vf 於一期間(例如時間t1與t2之間)內之電壓大於比較訊號Vc 之電壓時，則比較單元342於該期間內輸出切換訊號SS(VS1 )，反之，則比較單元342不輸出切換訊號SS。因此，可得到如圖3C之切換訊號SS的波形(方波)。
另外，編碼單元343可依據切換訊號SS輸出控制訊號CS，以控制開關元件S1~S4的導通與截止。在本實施例中，編碼單元343係為一PWM產生器，其可將切換訊號SS進行編碼而產生4個子控制訊號VS1 、VS2 、VS3 、VS4 之控制訊號CS。其中，子控制訊號VS1 即為切換訊號SS，而子控制訊號VS1 、VS2 的波形成互補，子控制訊號VS3 、VS4 的波形成互補，且子控制訊號VS1 與VS4 的波形係相同。
請再參照圖3A及圖3B所示，具有4個子控制訊號VS1 、VS2 、VS3 、VS4 之控制訊號CS係輸入切換單元32，以分別對應控制開關元件S1~S4之切換，進而可使交流正弦波訊號AC2之振幅和頻率分別與直流訊號DC之電壓成正比。於此，交流正弦波訊號AC2之電壓峰值係等於直 流訊號DC之電壓值，而正弦波參考訊號Vf 之頻率與直流訊號DC的電壓成正比，使得具有4個子控制訊號VS1 、VS2 、VS3 、VS4 之控制訊號CS輸入切換單元32後，可使交流正弦波訊號AC2之振幅和頻率分別與直流訊號DC之電壓成正比。由於本發明之電源供應單元31輸出之直流訊號DC之電壓-電流及電壓-功率特性曲線的軌跡與風力發電機(或傳統機械式風力發電模擬裝置)之特性曲線的軌跡相同，且藉由控制訊號CS控制切換單元32之開關元件S1~S4切換後，可使交流正弦波訊號AC2之振幅和頻率分別與直流訊號DC之電壓成正比。因此，風力發電模擬裝置3輸出之交流正弦波訊號AC2的特性曲線可與風力發電機或傳統機械式風力發電模擬裝置之特性曲線相同，故可模擬風力發電機的輸出。另外，與風力發電機及傳統機械式風力發電模擬裝置比較，本發明不僅具有較低設備成本、較小設備體積及較少噪音污染的優點，也可免除設備維護的時間與人力的消耗。此外，本發明係為電子式風力發電模擬裝置，可較機械式風力發電模擬裝置省電。
請參照圖5A~圖5C所示，其分別為本發明單相之風力發電模擬裝置3輸出之交流正弦波訊號AC2的功率P-電壓V、電壓V-電流I及頻率f-電壓V之特性曲線示意圖。
由圖5A及圖5B可看出，本發明之風力發電模擬裝置3之模擬曲線(由點狀組成)與實際風力發電機輸出之功率-電壓和電壓-電流特性曲線相符合。因此，證明風力發 電模擬裝置3確實可模擬出與實際風力發電機之輸出電壓、電流與功率相同特性之交流電訊號。另外，如圖5C所示，風力發電模擬裝置3所產生之交流電之頻率f與電壓V成一線性比例關係，此線性比例關係亦與風力發電機輸出之頻率-電壓之特性曲線軌跡相同。因此，證明本發明之風力發電模擬裝置3確實可模擬實際的風力發電機之輸出訊號，藉此，可用來取代風力發電機或機械式風力發電模擬裝置進行模擬研究，以降低設備成本、縮小設備體積、降低噪音和免除設備維護的時間與人力成本的消耗。
另外，請參照圖6A~圖6C所示，其中，圖6A為本發明另一實施態樣之風力發電模擬裝置3a的電路示意圖，圖6B為風力發電模擬裝置3a之控制模組34a的其中一相電路之功能方塊示意圖，而圖6C為圖6B之控制模組34a的訊號示意圖。其中，於圖6B中，只顯示控制模組34a之其中一相電路的功能方塊圖，而控制模組34a之另二相電路的功能方塊圖與圖6B相同，只是輸出之子控制訊號分別為VS3 、VS4 及VS5 、VS6 。
與風力發電模擬裝置3主要的不同在於，風力發電模擬裝置3為單相電路，而風力發電模擬裝置3a係為三相電路，並可模擬三相之風力發電機的輸出。因此，切換單元32a輸出之交流訊號AC1係為三相交流訊號。其中，切換單元32a具有六只開關元件S1~S6及六只二極體D1~D6，且二極體D1~D6係分別對應開關元件S1~S6設置。其中，開關元件S1~S6可分別為一功率電晶體，且六只 開關元件S1~S6分別與六只二極體D1~D6並聯連接。
另外，濾波單元33a係包含三個電感La、Lb、Lc及三個電容Ca、Cb、Cc，且係為連接成Y接法之三相低通濾波器，而輸出之交流正弦波訊號AC2亦為三相之交流訊號。再者，本實施例之控制訊號CS係具有六個子控制訊號VS1 、VS2 、VS3 、VS4 、VS5 、VS6 以分別對應控制切換單元32a之六只開關元件S1~S6，而圖6B只顯示子控制訊號VS1 、VS2 ，子控制訊號VS3 、VS4 、VS5 、VS6 並未顯示，不過，熟知此技藝者自可由圖6B而推得子控制訊號VS3 、VS4 、VS5 、VS6 之狀況。此外，由於控制模組34a含有三相之控制電路，故如圖6C所示，正弦波參考訊號亦具有三相的訊號Vf1 、Vf2 、Vf3 (彼此相位相差120度)，以分別對應三相的交流正弦波訊號AC2。
另外，與圖3C不同的是，如圖6C所示，本實施例之子控制訊號VS1 、VS2 的波形成互補，子控制訊號VS3 、VS4 的波形成互補，而子控制訊號VS5 、VS6 的波形成互補，且子控制訊號VS1 、VS3 及VS5 的相位彼此相差120度。另外，交流正弦波訊號AC2之相電壓峰值係等於1/2倍的直流訊號DC之電壓值。
此外，風力發電模擬裝置3a之其它技術特徵可參照風力發電模擬裝置3，於此不再贅述。
另外，請參照圖7A及圖7B所示，其中，圖7A為本發明又一實施態樣之風力發電模擬裝置3b的電路示意圖，而圖7B為風力發電模擬裝置3b之控制模組34b的其 中一相電路之功能方塊示意圖。於圖7B中，只顯示控制模組34b之其中一相電路的功能方塊圖，而控制模組34b之另二相電路的功能方塊圖與圖7B相同，並未顯示。
與風力發電模擬裝置3a主要的不同在於，風力發電模擬裝置3b之電源供應單元31b為一般習知之直流電源供應器，其輸出的直流訊號DC為一般的直流電，故電源供應單元31b並不具備有可編程的能力，當然也無法編程與風力發電機或機械式風力發電模擬裝置之電壓-電流及電壓-功率有相同特性曲線之軌跡。
另外，本實施例之風力發電模擬裝置3b之控制模組34b係依據交流正弦波訊號AC2而輸出控制訊號CS。其中，控制模組34b具有一訊號處理單元341b，訊號處理單元341b與濾波單元33a電性連接。訊號處理單元341b可依據交流正弦波訊號AC2而輸出正弦波參考訊號Vf4 ，並使正弦波參考訊號Vf4 之振幅與頻率成正比，且正弦波參考訊號Vf4 之振幅與交流正弦波訊號AC2之振幅成正比。於此，訊號處理單元341b例如為一數位訊號處理器(digital signal processor,DSP)，並可以電壓感測元件及電流感測元件(圖未顯示)分別感測交流正弦波訊號AC2之電壓與電流，並將其輸入訊號處理單元341b。不過，輸入訊號處理單元341b之交流正弦波訊號AC2的電壓與電流訊號需先經過適當的降壓或轉換(圖未顯示)後再輸入。
要注意的是，需先將所要模擬之風力發電機的輸出訊號(即所需要的交流正弦波訊號AC2)之電能曲線參數匯 入訊號處理單元341b中，以控制訊號處理單元341b，以使輸出之正弦波參考訊號Vf4 之振幅與頻率成正比，並使輸出之正弦波參考訊號Vf4 之振幅與所要模擬之交流正弦波訊號AC2之振幅成正比。此外，在本實施例中，根據風力發電模擬裝置3b的負載需求，並配合已匯入電能曲線參數的訊號處理單元341b，經由控制模組34b調整輸出之控制訊號CS，使交流正弦波訊號AC2可以符合風力發電機的電能特性曲線，例如可符合風力發電機的功率-電壓、電壓-電流及頻率-電壓等特性曲線。
此外，風力發電模擬裝置3b之其它技術特徵可參照風力發電模擬裝置3a，於此不再贅述。
特別說明的是，圖7A顯示的切換單元32a、濾波單元33a及控制模組34b雖然分別為一三相電路，而圖7B說明的是控制模組34b之其中一相電路功能，故訊號處理單元341b若應用於圖3A之單相電路時仍適用，於此不再特別說明。
請參照圖8A~圖8C所示，其分別為本發明三相之風力發電模擬裝置3a或3b輸出之交流正弦波訊號AC2的功率P-電壓V、電壓V-電流I及頻率f-電壓V之特性曲線示意圖。於此，只顯示交流正弦波訊號AC2其中一相的特性曲線圖。
由圖8A及圖8B可發現，本發明之風力發電模擬裝置3a或3b之模擬曲線與實際風力發電機輸出之功率-電壓和電壓-電流特性曲線相符合。因此，證明風力發電模擬裝置 3a或3b確實可模擬出與實際風力發電機輸出電壓、電流與功率相同特性之三相交流電訊號。另外，如圖8C所示，風力發電模擬裝置3a或3b所產生之交流電之頻率f與電壓V成一線性比例關係，此線性比例關係亦與風力發電機輸出之頻率-電壓之特性曲線軌跡相同。因此，證明本發明之風力發電模擬裝置3a或3b確實可模擬出與實際風力發電機相同的特性曲線之三相交流訊號，藉此，可用來取代風力發電機或機械式風力發電模擬裝置進行模擬研究，以降低設備成本、縮小設備體積、降低噪音和免除設備維護的時間與人力成本消耗。
另外，請分別參照圖6A、6B及圖9所示，其中，圖9為本發明之一種風力發電模擬裝置之控制方法流程示意圖。本發明之風力發電模擬裝置之控制方法包括步驟S01~S04。
如圖6A所示，風力發電模擬裝置3a包括一電源供應單元31、一切換單元32a、一濾波單元33a以及一控制模組34a。另外，風力發電模擬裝置3a更包括一儲能單元35。
如圖6A及圖9所示，於步驟S01中，係藉由電源供應單元31輸出一直流訊號DC。
接著，於步驟S02中，係藉由切換單元32a接收直流訊號DC。
另外，於步驟S03中，係藉由濾波單元33a接收切換單元32a的輸出，並產生一交流正弦波訊號AC2。於此，濾波單元33a可接收切換單元32a輸出的三相交流訊號 AC1，並濾除其高頻成分，以產生三相之交流正弦波訊號AC2。
最後，進行步驟S04，係藉由控制模組34a依據直流訊號DC或交流正弦波訊號輸出一控制訊號CS，以控制切換單元32a，以使交流正弦波訊號AC2之振幅和頻率分別與直流訊號DC之電壓成正比。於此，控制訊號CS係藉由一正弦波脈寬調變技術控制切換單元32a之開關元件S1~S6。另外，在本發明之一實施例中，如圖6B所示，係藉由控制模組34a之一壓控單元341依據直流訊號DC輸出一正弦波參考訊號Vf1 ，且正弦波參考訊號Vf1 之頻率與直流訊號DC的電壓成正比。再者，正弦波參考訊號Vf1 之頻率與交流正弦波訊號AC2之頻率係相同。另外，在另一實施例中，如圖7B所示，係藉由控制模組34b之一訊號處理單元341b依據交流正弦波訊號AC2而輸出一正弦波參考訊號Vf4 ，並使正弦波參考訊號Vf4 之振幅與頻率成正比，並正弦波參考訊號Vf4 之振幅與交流正弦波訊號AC2之振幅成正比。此外，係藉由控制模組34a或34b之一比較單元342，比較正弦波參考訊號Vf1 或Vf4 之電壓與一比較訊號Vc 之電壓，並輸出一切換訊號SS。其中，當正弦波參考訊號Vf1 或Vf4 於一期間內之電壓大於比較訊號Vc 之電壓時，比較單元342於該期間內輸出切換訊號SS。此外，係藉由控制模組34a或34b之一編碼單元343a依據切換訊號SS輸出控制訊號CS，以控制切換單元32a之開關元件S1~S6的導通與截止。
再說明的是，於本發明一實施例中，當電源供應單元21為一可程控的直流電源供應器，電源供應單元21可編程與風力發電機或機械式風力發電模擬裝置之電壓-電流及電壓-功率之特性曲線軌跡相同之直流訊號DC。換言之，電源供應單元21可依據要模擬的風力發電機之電壓-電流及電壓-功率的特性曲線進行編程，使直流訊號DC與要模擬的風力發電機之特性曲線軌跡相同。另外，於本發明另一實施例中，當電源供應單元31b為一般習知之直流電源供應器，其輸出的直流訊號DC為一般的直流電，因此係可根據風力發電模擬裝置3b的負載需求，並配合已匯入所要模擬之風力發電機的輸出訊號之電能曲線參數的訊號處理單元341b，經由控制模組34b調整輸出之控制訊號CS，使交流正弦波訊號AC2可以符合風力發電機的功率-電壓、電壓-電流及頻率-電壓等電能特性曲線。
此外，本發明之風力發電模擬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，因本發明之風力發電模擬裝置及其控制方法係藉由電源供應單元輸出一直流訊號，而切換單元可接收直流訊號，並利用濾波單元濾除切換單元輸出之高頻成分後，產生一交流正弦波訊號。另外，更藉由控制模組依據直流訊號或交流正弦波訊號輸出一控制訊號，以控制切換單元，以使交流正弦波訊號之振幅和頻率分別與直流訊號之電壓成正比。藉此，可使本發明之風力發電模擬裝置輸出之特性曲線與實際風力發電機輸出之特性曲線相符 合，因此，本發明之風力發電模擬裝置可取代風力發電機或機械式風力發電模擬裝置進行風力發電系統之相關研究，故可降低設備成本、縮小設備體積、降低噪音和免除設備維護的時間與人力成本消耗。
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‧‧‧機械式風力發電模擬裝置
2、3、3a、3b‧‧‧風力發電模擬裝置
21、31、31b‧‧‧電源供應單元
22、32、32a‧‧‧切換單元
23、33、33a‧‧‧濾波單元
24、34、34a、34b‧‧‧控制模組
341‧‧‧壓控單元
341b‧‧‧訊號處理單元
342‧‧‧比較單元
343、343a‧‧‧編碼單元
35‧‧‧儲能單元
AC1‧‧‧交流訊號
AC2‧‧‧交流正弦波訊號
C1、C2、Ca、Cb、Cc‧‧‧電容
CS‧‧‧控制訊號
D1~D6‧‧‧二極體
DC‧‧‧直流訊號
f‧‧‧頻率
IDC 、Irms ‧‧‧電流
L、La、Lb、Lc‧‧‧電感
P‧‧‧功率
S01~S04‧‧‧步驟
S1~S6‧‧‧開關元件
SS‧‧‧切換訊號
t、t1、t2‧‧‧時間
VDC 、Vrms ‧‧‧電壓
Vc ‧‧‧比較訊號
Vf 、Vf1 、Vf2 、Vf3 、Vf4 ‧‧‧正弦波參考訊號
VS1 、VS2 、VS3 、VS4 、VS5 、VS6 ‧‧‧子控制訊號
圖1A為習知一種風力發電機於不同風速下，輸出功率與電壓的特性曲線圖；圖1B為習知一種風力發電機於不同風速下，輸出電壓與電流的特性曲線圖；圖1C為風力發電機輸出頻率與電壓的特性曲線圖；圖1D為習知一種機械式風力發電模擬裝置之示意圖；圖2為本發明較佳實施例之一種風力發電模擬裝置的功能方塊示意圖；圖3A係為本發明另一較佳實施例之一種風力發電模擬裝置之電路示意圖；圖3B係為本發明另一較佳實施例之一種風力發電模擬裝置之控制模組的示意圖；圖3C係為圖3B之控制模組的訊號示意圖；圖4為直流訊號之電壓-電流的特性曲線示意圖；圖5A~圖5C分別為本發明單相之風力發電模擬裝置 輸出之交流正弦波訊號的功率-電壓、電壓-電流及頻率-電壓之特性曲線示意圖；圖6A為本發明另一實施態樣之風力發電模擬裝置之電路示意圖；圖6B為本發明另一實施態樣之風力發電模擬裝置之控制模組的其中一相電路之功能方塊示意圖；圖6C為圖6B之控制模組的訊號示意圖；圖7A為本發明又一實施態樣之風力發電模擬裝置的電路示意圖；圖7B為圖7A之風力發電模擬裝置之控制模組的其中一相電路之功能方塊示意圖；圖8A~圖8C分別為本發明三相之風力發電模擬裝置輸出之交流正弦波訊號的功率-電壓、電壓-電流及頻率-電壓之特性曲線示意圖；以及圖9為本發明之一種風力發電模擬裝置之控制方法流程示意圖。
2‧‧‧風力發電模擬裝置
21‧‧‧電源供應單元
22‧‧‧切換單元
23‧‧‧濾波單元
24‧‧‧控制模組
AC1‧‧‧交流訊號
AC2‧‧‧交流正弦波訊號
CS‧‧‧控制訊號
DC‧‧‧直流訊號

Claims (20)

  1. 一種風力發電模擬裝置，包括：一電源供應單元，係輸出一直流訊號；一切換單元，與該電源供應單元電性連接，並接收該直流訊號；一濾波單元，與該切換單元電性連接，該濾波單元接收該切換單元的輸出訊號，並產生一交流正弦波訊號；以及一控制模組，分別與該電源供應單元及該切換單元電性連接，該控制模組依據該直流訊號或該交流正弦波訊號輸出一控制訊號，以控制該切換單元，以使該交流正弦波訊號之振幅和頻率分別與該直流訊號之電壓成正比。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之風力發電模擬裝置，更包括：一儲能單元，分別與該電源供應單元及該切換單元電性連接，該儲能單元儲存該直流訊號之能量。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之風力發電模擬裝置，其中該控制訊號係藉由一正弦波脈寬調變技術控制該切換單元之一開關元件。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之風力發電模擬裝置，其中該直流訊號與一風力發電機的輸出具有相同軌跡的電壓-電流及電壓-功率特性曲線。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之風力發電模擬裝置，其 中該控制模組具有一壓控單元，該壓控單元與該電源供應單元電性連接，並依據該直流訊號輸出一正弦波參考訊號，且該正弦波參考訊號之頻率與該直流訊號的電壓成正比。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之風力發電模擬裝置，其中該正弦波參考訊號之頻率與該交流正弦波訊號之頻率係相同。
  7. 如申請專利範圍第3項所述之風力發電模擬裝置，其中該控制模組具有一訊號處理單元，該訊號處理單元與該濾波單元電性連接，並依據該交流正弦波訊號輸出一正弦波參考訊號，並使該正弦波參考訊號之振幅與頻率成正比。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之風力發電模擬裝置，其中該正弦波參考訊號之振幅與該交流正弦波訊號之振幅成正比。
  9. 如申請專利範圍第6項或第8項所述之風力發電模擬裝置，其中該控制模組更具有一比較單元，該比較單元比較該正弦波參考訊號之電壓與一比較訊號之電壓，並輸出一切換訊號。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之風力發電模擬裝置，其中當該正弦波參考訊號於一期間內之電壓大於該比較訊號之電壓時，該比較單元於該期間輸出該切換訊號。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之風力發電模擬裝置，其中該控制模組更具有一編碼單元，該編碼單元依據 該切換訊號輸出該控制訊號，以控制該開關元件的導通與截止。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之風力發電模擬裝置，其中該控制訊號具有複數子控制訊號，且至少兩組子控制訊號的波形係為互補。
  13. 一種風力發電模擬裝置之控制方法，該風力發電模擬裝置包含一電源供應單元、一切換單元、一濾波單元以及一控制模組，該控制方法包括：藉由該電源供應單元輸出一直流訊號；藉由該切換單元接收該直流訊號；藉由該濾波單元接收該切換單元的輸出，並產生一交流正弦波訊號；以及藉由該控制模組依據該直流訊號或該交流正弦波訊號輸出一控制訊號，以控制該切換單元，以使該交流正弦波訊號之振幅和頻率分別與該直流訊號之電壓成正比。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之控制方法，其中該控制訊號係藉由一正弦波脈寬調變技術控制該切換單元之一開關元件。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之控制方法，其中於輸出該控制訊號的步驟中，係藉由該控制模組之一壓控單元依據該直流訊號輸出一正弦波參考訊號，且該正弦波參考訊號之頻率與該直流訊號的電壓成正比。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之控制方法，其中該正 弦波參考訊號之頻率與該交流正弦波訊號之頻率係相同。
  17. 如申請專利範圍第14項所述之控制方法，其中於輸出該控制訊號的步驟中，係藉由該控制模組之一訊號處理單元依據該交流正弦波訊號輸出一正弦波參考訊號，並使該正弦波參考訊號之振幅與頻率成正比。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之控制方法，其中該正弦波參考訊號之振幅與該交流正弦波訊號之振幅成正比。
  19. 如申請專利範圍第16項或第18項所述之控制方法，其中於輸出該控制訊號的步驟中，係藉由該控制模組之一比較單元，比較該正弦波參考訊號之電壓與一比較訊號之電壓，並輸出一切換訊號。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之控制方法，其中於輸出該控制訊號的步驟中，係藉由該控制模組之一編碼單元依據該切換訊號輸出該控制訊號，以控制該開關元件的導通與截止。
TW101134130A 2012-09-18 2012-09-18 風力發電模擬裝置及其控制方法 TWI485322B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW101134130A TWI485322B (zh) 2012-09-18 2012-09-18 風力發電模擬裝置及其控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW101134130A TWI485322B (zh) 2012-09-18 2012-09-18 風力發電模擬裝置及其控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201413107A TW201413107A (zh) 2014-04-01
TWI485322B true TWI485322B (zh) 2015-05-21

Family

ID=53723505

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW101134130A TWI485322B (zh) 2012-09-18 2012-09-18 風力發電模擬裝置及其控制方法

Country Status (1)

Country Link
TW (1) TWI485322B (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW201139842A (en) * 2010-05-05 2011-11-16 Jiann-Fuh Chen A wind power simulation device
TW201141020A (en) * 2010-05-05 2011-11-16 Jiann-Fuh Chen A wind power simulation device
CN101672893B (zh) * 2008-09-10 2012-08-08 华东电力试验研究院有限公司 模拟电网频率变化的发电机组一次调频性能测试方法
CN102636352A (zh) * 2012-04-23 2012-08-15 华北电力大学 一种永磁直驱风力发电机组模拟实验系统

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101672893B (zh) * 2008-09-10 2012-08-08 华东电力试验研究院有限公司 模拟电网频率变化的发电机组一次调频性能测试方法
TW201139842A (en) * 2010-05-05 2011-11-16 Jiann-Fuh Chen A wind power simulation device
TW201141020A (en) * 2010-05-05 2011-11-16 Jiann-Fuh Chen A wind power simulation device
CN102636352A (zh) * 2012-04-23 2012-08-15 华北电力大学 一种永磁直驱风力发电机组模拟实验系统

Also Published As

Publication number Publication date
TW201413107A (zh) 2014-04-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Liu et al. A direct power conversion topology for grid integration of hybrid AC/DC energy resources
Singh et al. Design and implementation of four-leg voltage-source-converter-based VFC for autonomous wind energy conversion system
TWI568149B (zh) 電能轉換裝置及其控制方法
Mekhilef Performance of grid connected inverter with maximum power point tracker and power factor control
CN105897018B (zh) 一种高压大容量储能变流器的拓扑结构及控制方法
Singh et al. Delta-modulated ac–ac converter for PM WECS
CN107968587B (zh) 混合型海上风场直流换流器的辅助换流器及控制方法
Lin et al. NOC-based multiple low-order harmonic currents suppression method
Adle et al. Photovoltaic based series z-source inverter fed induction motor drive with improved shoot through technique
Rahman et al. Low noise inverter for poly phase microgrid system
Bagawade et al. Adaptive proportional-resonant controller based reactive power control for wind energy conversion systems
TWI485322B (zh) 風力發電模擬裝置及其控制方法
Jibhakate et al. Power factor improvement using nine switch AC-DC-AC converter
Escobar et al. An indirect matrix converter for CCHP microturbines in data center power systems
Bao et al. A PWM multilevel current-source inverter used for grid-connected wind energy conversion system
Isen Modelling and simulation of hysteresis current controlled single-phase grid-connected inverter
Escobar-Mejía et al. New control strategy for indirect matrix converters operating in boost mode
YANG A design approach for DC voltage controller of CHB-based STATCOM
Wenjun et al. The comparative study of different methods about constructing switching table in DPC for three-level rectifier
Kalpana et al. A Novel 31 Level Cascaded H-Bridge Inverter
Ertasgin et al. Analysis and design of single-phase current-source grid-connected PV inverter
Bagawade et al. Three-phase reactive power control using one-cycle controller for wind energy conversion systems
Cossutta et al. A novel modulation technique for single phase current source inverters with Active Buffering
Ge et al. A New Buck-Boost AC/DC Converter with Two Switches for DC Microgrid
Liu et al. 750-kW interleaved buck converter dc supply control implementation in a low-cost FPGA

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees