TWI494505B - 風力發電系統及其控制方法 - Google Patents

Description

風力發電系統及其控制方法

本發明是有關於一種發電系統及其控制方法，且特別是有關於一種風力發電系統及其控制方法。

近年來，由於環保意識的抬頭，使得再生能源的技術迅速發展。在這些再生能源之中，風力發電係為一種簡單且零污染之發電方式，其利用自然界所產生之風力驅動風力發電機之扇葉，以將外部風力轉換為電能輸出，進而供給負載(如：電池或輸電網路)一定的電力。

然而，當外部風力增強時，風力發電機之扇葉轉速也隨之增加，使得風力發電機所產生之電能可能大於負載的可承受範圍，造成發電系統的設備故障。再者，當外部風力過大時，風力發電機本體可能無法承受過高的轉速而失控或損毀。

習知技術中，面對外部風力過大時進行風力發電機之保護機制包含透過電子元件將發電機的三相輸出短路，以利用發電機之扭力將扇葉與發電機的轉速降至最低。例如，利用繼電器或斷路器，並以電控方式或人工手動方式啟動，以將發電機的三相輸出短路。但是，當風力發電機處於高速運轉時，若利用三相短路方式之發電機最大扭力直接將風力發電機急停，容易造成扇葉與發電機結構上的損壞。

因此，迄今習知技術仍具有上述缺陷與不足之處需要 解決。

本揭示內容之一態樣在於提供一種風力發電系統及其控制方法，其中風力發電系統至少包含風力發電機、控制單元以及負載單元，上述控制方法包含下列操作步驟。首先，啟動控制單元，以決定風力發電機之操作模式。隨後，設置風力發電機於正常模式，使風力發電機依據最大功率抽載曲線產生電能。接著，判斷是否符合轉速控制條件，若是，切換風力發電機由正常模式至轉速控制模式，以透過最大功率點偏移方式限制風力發電機之輸出電能。其後，判斷外部風力是否大於預設風速，若是，切換風力發電機由轉速控制模式至安全模式，以透過最大扭力抽載方式降低風力發電機之轉速，保護風力發電系統。

依據本揭示內容之一實施例，上述方法更包含在單位時間內偵測外部風力是否仍然大於預設風速，若是，維持風力發電機於安全模式。

依據本揭示內容之一實施例，其中轉速控制條件包含風力發電機所產生之電能大於負載單元的可承受範圍。

依據本揭示內容之一實施例，其中轉速控制條件包含風力發電機之轉速大於預設安全轉速。

依據本揭示內容之一實施例，其中轉速控制條件包含風力發電機之抽載電流大於繞線線徑的可承受範圍。

依據本揭示內容之一實施例，其中轉速控制條件包含風力發電機所產生的噪音大於預設規範值。

依據本揭示內容之一實施例，其中當風力發電機操作於安全模式時，風力發電機被下拉至低速運轉狀態。

依據本揭示內容之一實施例，其中風力發電機所產生之電能係透過控制單元分配至負載單元與煞車單元中。

本揭示內容之另一態樣在於提供一種風力發電系統，包含風力發電機、控制單元以及負載單元。風力發電機包含風扇模組以及發電機，其中風扇模組受外部風力的推動，以驅動發電機的運轉而產生電能。控制單元電性耦接風力發電機，並依據風力發電機之轉速、輸出功率、抽載電流、噪音以及外部風力的強度決定風力發電機操作於正常模式、轉速控制模式以及安全模式中之一者。負載單元電性耦接控制單元，用以接收風力發電機所產生之電能。

依據本揭示內容之一實施例，上述系統更包含煞車單元。煞車單元電性耦接風力發電機與控制單元，用以接收控制單元所分配之電能。

依據本揭示內容之一實施例，上述系統更包含煞車單元。煞車單元電性耦接該風力發電機與該控制單元，並用以接收該控制單元所產生之一控制信號，使得該煞車單元之開關週期進行調整，以控制該風力發電機之轉速。

依據本揭示內容之一實施例，其中控制單元係用以控制風力發電機操作於正常模式，且風力發電機在正常模式依據一最大功率抽載曲線產生電能。

依據本揭示內容之一實施例，其中控制單元係用以依據風力發電機之一轉速控制條件將風力發電機由正常模式切換至轉速控制模式，使得風力發電機之輸出電能限制在 一定範圍內。此外，風力發電系統可包含煞車單元，其中煞車單元電性耦接風力發電機與控制單元，並用以接收控制單元所產生之一控制信號，其中在轉速控制模式下，煞車單元之開關週期係依據控制信號進行調整而控制風力發電機之轉速。

依據本揭示內容之一實施例，控制單元係用以於一外部風力之速度大於一預設風速時將切換風力發電機由轉速控制模式至安全模式。

依據本揭示內容之一實施例，控制單元係用以判斷一外部風力之速度是否大於一預設風速，並於外部風力之速度大於預設風速時將風力發電機之轉速緩降至一低速運轉狀態。

因此，運用本發明所揭示之技術內容可改善上述習知技術之缺點與不足之處。

以下將以圖式及詳細敘述清楚說明本揭示內容之精神，任何所屬技術領域中具有通常知識者在瞭解本揭示內容之較佳實施例後，當可由本揭示內容所教示之技術，加以改變及修飾，其並不脫離本揭示內容之精神與範圍。

關於本文中所使用之『約』、『大約』或『大致約』一般通常係指數值之誤差或範圍於百分之二十以內，較好地是於百分之十以內，而更佳地則是於百分之五以內。文中若無明確說明，其所提及的數值皆視作為近似值，即如『約』、『大約』或『大致約』所表示的誤差或範圍。

第1圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種風力發電系統100之電路方塊示意圖。風力發電系統100可包含風力發電機110、控制單元120以及負載單元130。風力發電機110可包含風扇模組112以及發電機114，其中風扇模組112受外部風力的推動，用以驅動發電機114的運轉而產生電能。控制單元120電性耦接風力發電機110(或者直接或間接耦接發電機114)，並依據風力發電機110之轉速、輸出功率、抽載電流、噪音以及外部風力的強度決定風力發電機110操作於如第2圖所示之正常模式、轉速控制模式以及安全模式中之一者，以限制風力發電機110之轉速與輸出功率在安全範圍內。第2圖係繪示本揭示內容之一實施例中風力發電機110之正常模式、轉速控制模式以及安全模式下的輸出功率示意圖。

負載單元130電性耦接控制單元120，可用以接收風力發電機110所產生之電能。在本實施例中，負載單元130可包含輸電網路(Grid)以及儲電單元(例如：電池)，且整個風力發電系統100之配置方式不以此為限。

需說明的是，在本實施例中，風扇模組112可包含複數個扇葉(fan blades)，當外部風力推動扇葉而產生扭力時，風扇模組112即受扭力之驅動而旋轉，並透過傳動裝置(未繪示)驅動發電機114，以產生電能。

在本揭示內容之一實施例中，風力發電系統100更可包含煞車單元140。煞車單元140電性耦接風力發電機110與控制單元120，可用以接收控制單元120所分配之電能，以調節風力發電機110傳送給負載單元130之電能。另一 方面，煞車單元140更可接收控制單元120所產生之控制信號，煞車單元140並藉由控制信號調整本身的開關週期，以控制風力發電機110之轉速。

請同時參照第1圖與第2圖。當外部風力小於A點之風速(例如：12m/s)時，風力發電機110係操作於正常模式。此時，風力發電機110依據最大功率抽載曲線(maximum power extraction curve)產生電能，使其在各個對應風速下均具有最大功率輸出。

當外部風力大於A點之風速而小於C點之風速(例如：18m/s)或符合上述轉速控制條件之判斷機制時，控制單元120將風力發電機110由正常模式切換至轉速控制模式，以透過最大功率點偏移(maximum power point shifting)方式限制風力發電機110之輸出電能，並控制風力發電機110之轉速。需說明的是，在此轉速控制模式中，控制單元120可透過最大功率抽載曲線之偏移，使風力發電機110不再依照最大功率抽載曲線產生電能。此外，控制單元120可將風力發電機110所產生之多餘電力分配至煞車單元140中，以調節負載單元130所接收之電能。再者，控制單元120更可提供控制信號給煞車單元140，藉由調整煞車單元140之開關週期，以控制風力發電機110之轉速。因此，在轉速控制模式中，風力發電機110在外部風力的提升之下仍可保持在安全轉速範圍內，並維持一定的輸出功率，如第2圖中B點所示。

當外部風力大於C點之風速時，風力發電機110之轉速無法再由上述轉速控制模式控制，而可能使得風力發電 機110產生轉速失控或損毀等現象。此時，控制單元120可將風力發電機110由轉速控制模式切換至安全模式，並可透過最大扭力抽載(maximum torque extraction)方式降低風力發電機110之轉速。因此，風力發電機110被下拉至低速運轉狀態，使得風力發電機110在安全模式下大致約維持在第2圖中D點所示之低功率輸出，以保護風力發電系統100之正常運作。

第3圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種風力發電系統之控制方法的流程示意圖。此控制方法可應用於第1圖所示之風力發電系統100中，但不以此為限，其裝置結構係與上述實施例相同或相似，於此不再贅述。同時參照第1圖和第3圖，首先，在步驟310中，可啟動控制單元120，以決定風力發電機110之操作模式。隨後，在步驟320中，設置風力發電機110於正常模式，使風力發電機110可依據最大功率抽載曲線產生電能。需說明的是，在此正常模式中，隨著外部風力的提升，風扇模組112的轉速隨之增加，使得發電機114所產生之電能亦隨之增加。此外，最大功率抽載曲線係為風扇模組112與發電機114於各風速下匹配之最大功率輸出狀態，使得風力發電機110在對應之各個風速下均具有最大功率輸出。

接著，在步驟330中，控制單元120可判斷轉速控制條件是否符合。舉例來說，轉速控制條件可包含風力發電機110所產生之電能大於負載單元130的可承受範圍(例如：100MW)、風力發電機110之轉速大於預設安全轉速(例如：1200rpm)、風力發電機110之抽載電流大於繞線 線徑的可承受範圍(例如：30A)以及風力發電機110所產生的噪音(例如：機械噪音或氣動噪音)大於預設規範值(例如：75dB)中至少一者。若轉速控制條件符合的話，執行步驟340，將風力發電機110由正常模式切換至轉速控制模式，以透過最大功率點偏移方式限制風力發電機110之輸出電能在安全範圍內，使得風力發電機110所產生之電能小於負載單元130的可承受範圍、風力發電機110之轉速小於預設安全轉速、風力發電機110之抽載電流小於繞線線徑的可承受範圍以及風力發電機110所產生的噪音小於預設規範值中至少一者。若轉速控制條件不符合的話，則回復至步驟320。再者，風力發電機110所產生之電能可透過控制單元120分配至負載單元130與煞車單元140中，以調節負載單元130所接收之電能在可承受範圍之內。

其後，在步驟350中，控制單元120可判斷外部風力之速度是否大於預設風速(例如：18m/s)。若是，執行步驟360，切換風力發電機110由轉速控制模式至安全模式，以透過最大扭力抽載方式降低風力發電機110之轉速，保護整個風力發電系統100的安全。若否，則回復至步驟320。

在本揭示內容之一實施例中，上述方法更包含在單位時間內偵測外部風力是否仍然大於預設風速，如步驟370所示。若是，執行步驟360，以維持風力發電機110於安全模式。若否，則回復至步驟320。

舉例來說，當颱風來襲時，其瞬間風力往往超過風力發電機110所能承受之最大風速(例如：18m/s)，因此， 在颱風來襲期間，控制單元120可依據偵測到的平均或瞬間風速值將風力發電機110切換至安全模式。隨後，控制單元120可在單位時間(例如：1小時、12小時或24小時)內偵測外部風力是否仍然大於預設風速，以判斷颱風是否遠離。例如，當所偵測到之12小時的平均外部風力並非大於預設風速時，代表颱風已遠離，則可回復至步驟320，以恢復風力發電機110於正常模式。

請同時參照第1圖~第4圖。第4圖係繪示本揭示內容之一實施例中風力發電機110於各風速之最大功率抽載下之扭力轉速曲線示意圖，其中曲線402~曲線420分別表示外部風力為2m/s~20m/s時的風力發電機110之扭力對轉速曲線圖。舉例來說，風力發電機110之最大可承受扭力可為5.9N-m，預設安全轉速為1200rpm以下。當外部風力為10m/s時，風力發電機110可被控制在扭力為4N-m與轉速為700rpm的安全範圍內，如第4圖之M點所示。當風力提升至12m/s時，風力發電機110之轉速若要控制在700rpm，則扭力達到最大可承受扭力之5.9N-m，如第4圖之E點所示。當風力提升至20m/s時，風力發電機110之轉速若要控制在700rpm，則扭力達到13.5N-m，如第4圖之G點所示，此時已超出風力發電機110之最大可承受扭力，造成風力發電機110的損毀。此外，當風力為20m/s時，風力發電機110之扭力若要控制在5.9N-m，則轉速達到2400rpm，如第4圖之F點所示，此時轉速遠超過風力發電機110之預設安全轉速，並造成風力發電機110的損毀。由此可知，在本實施例中，當外部風力大於 12m/s時，必須將風力發電機110切換至轉速控制模式或安全模式，並透過最大功率點偏移或最大扭力抽載方式控制風力發電機110之轉速與扭力在安全範圍內，以維持風力發電系統100的正常運作。

第5A圖係繪示本揭示內容之一實施例中風力發電機110於最大功率抽載與最大扭力抽載下之扭力轉速曲線示意圖。曲線500為風力發電機110在最大扭力抽載下之扭力轉速曲線圖，曲線510為風力發電機110在外部風力為10m/s時的最大功率抽載下之扭力轉速曲線圖。當風力過大時，控制器120可將風力發電機110設置於安全模式，並透過最大扭力之電流抽載，如曲線500所示，以壓制外部風力藉由風扇模組112所帶入之扭力，將風力發電機110之轉速緩降至低速運轉狀態。當風力並未過大時，若將風力發電機110設置於安全模式，則風力發電機110之轉速會下降至接近停止狀態，如曲線500與曲線510之交會點所示。

第5B圖係繪示本揭示內容之一實施例中風力發電機110於各風速之最大功率抽載與最大扭力抽載下之扭力轉速曲線示意圖，其中曲線500為風力發電機110在最大扭力抽載下之扭力轉速曲線圖，曲線510~曲線520分別為風力發電機110在外部風力為10m/s~20m/s時的最大功率抽載下之扭力轉速曲線圖。若以12m/s之外部風力為例，最大扭力抽載曲線與最大功率抽載曲線係交會於J點，因此，當風力發電機110操作於安全模式時，風力發電機110在最大扭力抽載狀態下的轉速約為20rpm。當外部風 力提升至20m/s時，風力發電機110在最大扭力抽載狀態下的轉速也隨之提高至約100rpm，如M點所示。因此，在本實施例中，風力發電機110具有主動控制之優點，並可減緩在高風速下風力發電機110急停所造成的損傷。

相較於習知作法，在本揭示內容上述實施例中，控制單元可依據上述轉速控制條件以及外部風力之強度主動判斷風力發電機之操作模式，使風力發電機可操作於正常模式、轉速控制模式以及安全模式，並分別透過最大功率抽載、最大功率點偏移以及最大扭力抽載等方式控制風力發電機的轉速與輸出功率，以維持整個風力發電系統之正常運作。

在本揭示內容中所提及的步驟，除特別敘明其順序者外，均可依實際需要調整其前後順序，甚至可同時或部分同時執行，而不以上述為限。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧風力發電系統

110‧‧‧風力發電機

112‧‧‧風扇模組

114‧‧‧發電機

120‧‧‧控制單元

130‧‧‧負載單元

140‧‧‧煞車單元

310~370‧‧‧操作步驟

500、510、512、514、518、520‧‧‧曲線

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種風力發電系統之電路方塊示意圖。

第2圖係繪示本揭示內容之一實施例中風力發電機之 正常模式、轉速控制模式以及安全模式下的輸出功率示意圖。

第3圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種風力發電系統之控制方法的流程示意圖。

第4圖係繪示本揭示內容之一實施例中風力發電機於各風速之最大功率抽載下之扭力轉速曲線示意圖。

第5A圖係繪示本揭示內容之一實施例中風力發電機於最大功率抽載與最大扭力抽載下之扭力轉速曲線示意圖。

第5B圖係繪示本揭示內容之一實施例中風力發電機於各風速之最大功率抽載與最大扭力抽載下之扭力轉速曲線示意圖。

310~370‧‧‧操作步驟

Claims (14)

1. 一種風力發電系統之控制方法，其中該風力發電系統至少包含一風力發電機、一控制單元以及一負載單元，該控制方法包含：啟動該控制單元，以決定該風力發電機之操作模式；設置該風力發電機於一正常模式，使該風力發電機依據一最大功率抽載曲線產生電能；判斷是否符合一轉速控制條件，若是，切換該風力發電機由該正常模式至一轉速控制模式，以透過一最大功率點偏移方式，偏移該最大功率抽載曲線，限制該風力發電機之輸出電能；以及判斷外部風力是否大於一預設風速，若是，切換該風力發電機由該轉速控制模式至一安全模式，以透過一最大扭力抽載方式降低該風力發電機之轉速，保護該風力發電系統。
2. 如請求項1所述之方法，更包含：在一單位時間內偵測外部風力是否仍然大於該預設風速，若是，維持該風力發電機於該安全模式。
3. 如請求項1所述之方法，其中該轉速控制條件包含：該風力發電機所產生之電能大於該負載單元的可承受 範圍。
4. 如請求項1所述之方法，其中該轉速控制條件包含：該風力發電機之轉速大於一預設安全轉速。
5. 如請求項1所述之方法，其中該轉速控制條件包含：該風力發電機之抽載電流大於繞線線徑的可承受範圍。
6. 如請求項1所述之方法，其中該轉速控制條件包含：該風力發電機所產生的噪音大於一預設規範值。
7. 如請求項1所述之方法，其中該風力發電系統還包括一煞車單元，該風力發電機所產生之電能係透過該控制單元分配至該負載單元與該煞車單元中。
8. 一種風力發電系統，包含：一風力發電機，包含一風扇模組以及一發電機，該風扇模組受外部風力的推動，以驅動該發電機運轉而產生電能；一控制單元，電性耦接該風力發電機，並依據該風力 發電機之轉速、輸出功率、抽載電流、噪音以及外部風力的強度決定該風力發電機操作於一正常模式、一轉速控制模式以及一安全模式中之一者；以及一負載單元，電性耦接該控制單元，用以接收該風力發電機所產生之電能，其中，在該正常模式下，該控制單元控制該風力發電機依據一最大功率抽載曲線產生電能，其中，在該轉速控制模式下，該控制單元透過一最大功率點偏移方式，偏移該最大功率抽載曲線，限制該風力發電機之輸出電能，其中，在該安全模式下，該控制單元透過一最大扭力抽載方式降低該風力發電機之轉速。
9. 如請求項8所述之風力發電系統，更包含：一煞車單元，電性耦接該風力發電機與該控制單元，用以接收該控制單元所分配之電能，以調節該風力發電機傳送給該負載單元之電能。
10. 如請求項8所述之風力發電系統，更包含：一煞車單元，電性耦接該風力發電機與該控制單元，並用以接收該控制單元所產生之一控制信號，使得該煞車單元之開關週期進行調整，以控制該風力發電機之轉速。
11. 如請求項8所述之風力發電系統，其中該控制單元係用以依據該風力發電機之一轉速控制條件將該風力發電機由該正常模式切換至該轉速控制模式，使得該風力發電機之輸出電能限制在一定範圍內。
12. 如請求項11所述之風力發電系統，更包含：一煞車單元，電性耦接該風力發電機與該控制單元，並用以接收該控制單元所產生之一控制信號，其中在該轉速控制模式下，該煞車單元之開關週期係依據該控制信號進行調整而控制該風力發電機之轉速。
13. 如請求項11所述之風力發電系統，其中該控制單元係用以於一外部風力之速度大於一預設風速時將該切換風力發電機由該轉速控制模式至該安全模式。
14. 如請求項11所述之風力發電系統，其中該控制單元係用以判斷一外部風力之速度是否大於一預設風速，並於該外部風力之速度大於該預設風速時將該風力發電機之轉速緩降至一低速運轉狀態。