TWI499193B - 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

本發明係關於一種電力轉換裝置及其控制方法，特別關於一種應用於風力發電機之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。另外，各風速的最大功率點可以用一條近似線相連來形成一最大功率近似線，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，一為三相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，三相功率因數修正轉換器11的目的是使風力發電機G輸出的三相電流之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。

本發明之目的為提供一種不僅可同時實現風力發電機之最大功率限制及功率因數修正，並具有元件數少、成本低及控制簡單的優點之電力轉換裝置及其控制方法。

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直流轉換電路以及一控制模組。交流直流轉換電路接收交流訊號並輸出一輸出電壓，且具有一開關元件。控制模組包含一電壓感測電路、一諧波產生電路及一最大功率追蹤電路。電壓感測電路依據交流電壓訊號產生一電壓參考訊號。諧波產生電路依據電壓參考訊號產生一諧波注入訊號。最大功率追蹤電路具有一減法電路、一運算電路、一電流感測電路、一電流控制電路及一脈寬調變電路。減法電路依據電壓參考訊號輸出一第一直流訊號及一第二直流訊號。運算電路依據第一直流訊號、第二直流訊號及一電壓誤差訊號輸出一參考訊號。電流感測電路依據交流電流訊號的其中一相輸出一前饋訊號。電流控制電路依據參考訊號及前饋訊號輸出一誤差訊號。脈寬調變電路依據誤差訊號及 諧波注入訊號輸出一控制訊號控制開關元件，以使風力發電機操作於最大功率近似線上。

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直流轉換電路以及一控制模組，交流直流轉換電路接收交流訊號並輸出一輸出電壓，且具有一開關元件，控制模組包含一電壓感測電路、一諧波產生電路及一最大功率追蹤電路，最大功率追蹤電路具有一減法電路、一運算電路、一電流感測電路、一電流控制電路及一脈寬調變電路，控制方法包括：由電壓感測電路依據交流電壓訊號產生一電壓參考訊號；由諧波產生電路依據電壓參考訊號產生一諧波注入訊號；由減法電路依據電壓參考訊號輸出一第一直流訊號及一第二直流訊號；由運算電路依據第一直流訊號、第二直流訊號及一電壓誤差訊號輸出一參考訊號；由電流感測電路依據交流電流訊號的其中一相輸出一前饋訊號；由電流控制電路依據參考訊號及前饋訊號輸出一誤差訊號；以及由脈寬調變電路依據誤差訊號及諧波注入訊號輸出一控制訊號控制開關元件，以使風力發電機操作於最大功率近似線上。

承上所述，因本發明之電力轉換裝置及其控制方法中，電力轉換裝置之交流直流轉換電路接收交流訊號並輸出一輸出電壓，且具有一開關元件。另外，控制模組包含一電壓感測電路、一諧波產生電路及一最大功率追蹤電路，電壓感測電路依據交流電壓訊號產生一電壓參考訊號，諧波產生電路依據電壓參考訊號產生一諧波注入訊號，而最大功率追蹤電路具有一減法電路、一運算電路、一電流感測電路、一電流控制電路及一脈寬調變電路。減法電路依據電壓參考訊號輸出一第一直流訊號及一第二直流訊號，運算電路依據第一直流訊號、第二直流訊號及一電壓誤差訊號輸出一參考訊號，電流感測電路依據交流電流訊號的其中一相輸出一前饋訊號，電流控制電路依據參考訊號及前饋訊號輸出一誤差訊號，且脈寬調變電路依據誤差訊號及諧波注入訊號輸出一控制訊號控制開關元件，以使風力發電機操作於最大功率近似線上。藉此，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，且具有元件數少、成本低及控制簡單的優點。

1、2‧‧‧電力轉換裝置

11‧‧‧三相功率因數修正轉換器

12‧‧‧最大功率追蹤轉換器

3‧‧‧交流直流轉換電路

4‧‧‧控制模組

5‧‧‧電壓感測電路

51‧‧‧三相變壓器

52‧‧‧全橋整流單元

6‧‧‧諧波產生電路

61‧‧‧高通濾波單元

62‧‧‧反相放大單元

621‧‧‧放大器

7‧‧‧最大功率追蹤電路

71‧‧‧減法電路

711‧‧‧低通濾波單元

712‧‧‧差動放大單元

7121‧‧‧減法器

72‧‧‧運算電路

73‧‧‧電流感測電路

74‧‧‧電流控制電路

75‧‧‧脈寬調變電路

76‧‧‧電壓回授補償電路

761‧‧‧分壓單元

762‧‧‧誤差放大單元

C_f1 、C_f2 、C_h 、C_O ‧‧‧電容

CS‧‧‧控制訊號

D、D_ap 、D_an 、D_bp 、D_bn 、D_ep 、D_cn 、D_s ‧‧‧二極體

G‧‧‧風力發電機

I_MO 、I_O 、I_{WG_rms} ‧‧‧電流

I_ref ‧‧‧參考訊號

I_WG 、I_{WG_A} ‧‧‧交流電流訊號

L‧‧‧負載

L1‧‧‧虛線

L_a 、L_b 、L_c ‧‧‧電感

P_WG ‧‧‧輸出功率

R_d 、R_ff1 、R_ff2 、R_ff3 、R_h 、R_h1 、R_h2 、R_ref1 、R_ref2 、R_ref3 、R_ref4 、R_D1 、R_D2 、R_D3 、R_D4 ‧‧‧電阻

R_MO ‧‧‧控制電阻

S‧‧‧開關元件

S01~S07‧‧‧步驟

V_C ‧‧‧誤差訊號

V_d ‧‧‧第二直流訊號

V_e ‧‧‧電壓誤差訊號

V_f ‧‧‧第一直流訊號

V_h ‧‧‧濾波訊號

V_inj ‧‧‧諧波注入訊號

V_k ‧‧‧前饋訊號

V_MO ‧‧‧控制電壓

V_O 、V_{WG_rms} ‧‧‧輸出電壓

V_r ‧‧‧電壓參考訊號

V_ref ‧‧‧參考電壓

V_rf 、V_ref’ ‧‧‧分壓訊號

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

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之電力轉換裝置的部分電路示意圖。

圖2C為圖2B之電壓感測電路及諧波產生電路的電路示意圖。

圖2D為圖2B之控制模組之最大功率追蹤電路的電路示意圖。

圖2E為電力轉換裝置之交流電壓訊號、電壓參考訊號、濾波訊號及諧波注入訊號的波形示意圖。

圖3A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3B為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。

圖3C為於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。

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。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之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的部分電路示意圖。

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 (包含三個相位的交流電壓訊號V_{WG_A} 、V_{WG_B} 、V_{WG_C} )及一交流電流訊號I_WG (包含三個相位的交流電流訊號，圖2A只顯示I_{WG_A} )。

電力轉換裝置2包括一交流直流轉換電路3以及一控制模組4。其中，控制模組4包含一電壓感測電路5、一諧波產生電路6及一最大功率追蹤電路7。於此，電力轉換裝置2係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G之最大功率限制與三相功率因數修正之功能。另外，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} 可分別輸入交流直流轉換電路3及控制模組4，且三相交流電流訊號的其中一相係輸入控制模組4之最大功率追蹤電路7。於此，可藉由電流感測器(圖未顯示)感測風力發電機G之輸出訊號，以得到其中任何一相之交流電流訊號。本實施例係感測交流電流訊號I_{WG_A} ，並輸入最大功率追蹤電路7。當然，也可使用其它二相之任何一相的電流訊號輸入最大功率追蹤電路7。此外，交流直流轉換電路3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。

如圖2B所示，在本實施例中，交流直流轉換電路3為一三相單開關升壓型轉換器，並工作於不連續導通模式。由於風力發電機G輸出之交流訊號為三相，故交流直流轉換電路3亦為三相電路，不過，交流直流轉換電路3只具有一開關元件S，故為一三相單開關升壓型轉換器，且具有元件數少、成本低及控制簡單的優點。另外，交流直流轉換電路3更具有3個電感L_a 、L_b 、L_c ，8個二極體D_ap 、D_an 、D_bp 、D_bn 、D_cp 、D_cn 、D_s 、D及一個電容C_O 。其中，二極體D_ap 、D_an 、D_bp 、D_bn 、D_cp 、D_cn 係構成一全波整流器，且全波整流器分別藉由電感L_a 、L_b 、L_c 與風力發電機G電性連接。另外，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，而二極體D_s 跨接於開關元件S。於此，三相單開關升壓型轉換器係為一習知技術，不再多作說明。

請參照圖2C至圖2E所示，其中，圖2C為圖2B之電壓感 測電路5及諧波產生電路6的電路示意圖，圖2D為圖2B之控制模組4之最大功率追蹤電路7的電路示意圖，而圖2E為電力轉換裝置2之交流電壓訊號V_WG 、電壓參考訊號V_r 、濾波訊號V_h 及諧波注入訊號V_inj 的波形示意圖。

電壓感測電路5依據交流電壓訊號V_WG 產生一電壓參考訊號V_r 。於此，如圖2C所示，電壓感測電路5包含一三相變壓器51、一全橋整流單元52及一電阻R_d ，全橋整流單元52分別與三相變壓器51及電阻R_d 電性連接。其中，三相變壓器51可將三相的交流電壓訊號V_{WG_A} 、V_{WG_B} 、V_{WG_C} 降壓，並經全橋整流單元52整流後輸出電壓參考訊號V_r ，電壓參考訊號V_r 跨接於電阻R_d 的二端。於此，如圖2E所示，電壓參考訊號V_r 的頻率係為交流電壓訊號V_WG 頻率的6倍(六倍頻)，並可作為最大功率追蹤控制機制之電壓前饋訊號。

請再參照圖2C所示，諧波產生電路6係依據電壓參考訊號V_r 產生一諧波注入訊號V_inj 。其中，諧波產生電路6包含一高通濾波單元61及一反相放大單元62。高通濾波單元61具有一電容C_h 及一電阻R_h ，而反相放大單元62具有二電阻R_h1 、R_h2 及一放大器621。電容C_h 的一端與電阻R_d 的一端電性連接，電容C_h 的另一端分別與電阻R_h 的一端及電阻R_h1 的一端電性連接。另外，放大器621的負端連接至電阻R_h1 的另一端，放大器621的正端係接地，而電阻R_h2 跨接於放大器621的負端與輸出端之間。高通濾波單元61可濾除電壓參考訊號V_r 之低頻的部分，並產生一濾波訊號V_h 。另外，本實施例之電阻R_h1 及電阻R_h2 的阻值相等，因此，反相放大單元62只使濾波訊號V_h 反相而不放大，以輸出諧波注入訊號V_inj 。如圖2E所示，由於電壓參考訊號V_r 的頻率為交流電壓訊號V_WG 頻率的6倍，因此，諧波注入訊號V_inj 的頻率亦為交流電壓訊號V_WG 頻率的6倍。

由於交流直流轉換電路3之電壓轉換比越高，電感電流的波形失真越小、功率因數越高；反之，若電壓轉換比越低，電感電流波形失真越大，功率因數則越低。由於交流直流轉換電路3之電壓轉換比越低時，輸入交流直流轉換電路3之電流會具有較大的五次諧波成分，導致輸入電流波形失真，因此，為了要降低五次諧波成分，可於控制訊號中加入四次 或六次諧波成分(六次諧波即為六倍頻之輸入電壓頻率)，以改善輸入電流的波形。因此，本發明為了克服三相單開關升壓型轉換器在低電壓轉換比時，輸入的三相交流電流訊號嚴重失真之問題，在輸入交流直流轉換電路3之脈寬調變訊號中注入一調變訊號(即諧波注入訊號V_inj )，藉此，可改善輸入交流電流失真的問題。其中，此調變訊號(諧波注入訊號V_inj )的頻率為風力發電機G輸出的交流訊號之6倍，故可稱為六倍頻的諧波注入法。

另外，如圖2B及圖2D所示，最大功率追蹤電路7具有一減法電路71、一運算電路72、一電流感測電路73、一電流控制電路74及一脈寬調變電路75。另外，最大功率追蹤電路7更具有一電壓回授補償電路76。

減法電路71依據電壓參考訊號V_r 輸出一第一直流訊號V_f 及一第二直流訊號V_d 。其中，減法電路71主要的功能係將風力發電機G之輸出電壓和功率限制於風大發電機G的最大功率近似線上。減法電路71具有一低通濾波單元711及一差動放大單元712，低通濾波單元711係依據電壓參考訊號V_r 輸出第一直流訊號V_f ，而差動放大單元712則依據第一直流訊號V_f 及一參考電壓V_ref 產生第二直流訊號V_d 。於此，經過減法電路71之低通濾波單元711則產生第一直流電壓訊號V_f ，而第一直流電壓訊號V_f 再與分壓訊號V_ref' 相減後可得到第二直流訊號V_d ，以作為最大功率追蹤控制機制之參考訊號。其中，低通濾波單元711可過濾電壓參考訊號V_r 之低頻部分，並輸出第一直流訊號V_f 。低通濾波單元711具有三電阻R_ff1 、R_ff2 、R_ff3 及二電容C_f1 、C_f2 ，電阻R_ff1 的一端與電容C_f1 的一端電性連接，電阻R_ff1 的另一端連接至電壓參考訊號V_r 。電阻R_ff2 的一端與電容C_f1 的一端、電容C_f2 的一端及電阻R_ff3 的一端電性連接。

另外，差動放大單元712將參考電壓V_ref 進行分壓而得到一分壓訊號V_ref' ，分壓訊號V_ref' 係透過電阻R_D3 連接至一減法器7121之正端，而第一直流電壓訊號V_f 係透過電阻R_D1 連接至減法器7121之負端。另外，電阻R_D2 分別連接於減法器7121之負端及減法器7121之輸出端，而電阻R_D4 分別連接於減法器7121之正端、電阻R_D3 之一端及接地端。其中，分壓訊號V_ref' =(R_ref2 /(R_ref1 +R_ref2 )×V_ref ，而減法器7121的輸出端即輸出第二 直流訊號V_d ，並輸入運算電路72。在本發明中，減法器7121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的功率操作點上升至最大功率點時，藉由減法器7121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操作於最大功率的近似線上。

另外，電壓回授補償電路76係依據交流直流轉換電路3輸出之輸出電壓V_O 及參考電壓V_ref 輸出一電壓誤差訊號V_e ，電壓誤差訊號V_e 係輸入運算電路72。於此，電壓誤差訊號V_e 可因應交流直流轉換電路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。其中，電壓回授補償電路76具有一分壓單元761及一誤差放大單元762，分壓單元761可將輸出電壓V_O 進行分壓而輸出一分壓訊號V_rf 。於此，分壓單元761包含二電阻R_ref3 及R_ref4 ，故分壓單元761輸出之分壓訊號V_rf =(R_ref4 /(R_ref3 +R_ref4 )×V_O 。其中，分壓訊號V_rf 係輸入誤差放大單元762之負端，而參考電壓V_ref 則輸入誤差放大單元762之正端。誤差放大單元762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，可使分壓訊號V_rf 之電壓值及其波形實質上與參考電壓V_ref 相同(即負端上的分壓訊號V_rf 會追隨正端上之參考電壓V_ref 的變化)。

運算電路72依據第一直流訊號V_f 、第二直流訊號V_d 及電壓誤差訊號V_c 輸出一參考訊號I_ref 。在本實施例中，運算電路72係為一乘/除法單元，並可將將第一直流訊號Vf乘以電壓誤差訊號V_e 後，再除以第二直流訊號V_d 的平方，以得到參考訊號I_ref 。

電流感測電路73依據交流電流訊號I_WG 的其中一相輸出一前饋訊號V_k 。於此，電流感測電路73依據交流電流訊號I_{WG_A} 輸出前饋訊號V_k 。當然，電流感測電路73也可依據交流電流訊號I_WG 的其它二相之任何一相輸出前饋訊號V_k 。電流感測電路73可包含一霍爾元件(電流傳感器)、一整流電路及一低通濾波器(圖未顯示)。交流電流訊號I_{WG_A} 需先經由電流傳感器感測，並經整流電路整流後，再經低通濾波器濾除低頻訊號，以得到直流之前饋訊號V_k ，並輸入電流控制電路74。

另外，最大功率追蹤電路7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74之正端，而前饋訊號V_k 係輸入電流控制電路74之負端。另外，電流控制電路74依據參考訊號I_ref 及前饋訊號V_k 輸出一誤差訊號V_c ，而誤差訊號V_c 與諧波注入訊號V_inj 相加後輸入脈寬調變電路75中。於此，電流控制電路74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)。由於參考訊號I_ref 係依據第一直流訊號V_f 及第二直流訊號V_d 而得到，且第一直流訊號V_f 及第二直流訊號V_d 是經過低通濾波單元711濾波整流後之直流訊號，另外，誤差放大器(電流控制電路74)可使前饋訊號V_k 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前饋訊號V_k 會追隨正端上之控制電壓V_MO 的變化)，使風力發電機G輸出之交流電流訊號I_WG 跟隨最大功率時之控制電壓值，達到最大功率追蹤之目的。

脈寬調變電路75係依據誤差訊號V_c 及諧波產生電路6輸出之諧波注入訊號V_inj 而輸出一控制訊號CS，其中，控制訊號CS係輸入交流直流轉換電路3，並控制交流直流轉換電路3之開關元件S，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操作於最大功率點近似線上。由於減法電路71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操作於最大功率近似線上。另外，諧波產生電路6輸出之六倍頻的諧波注入訊號V_inj 可降低風力發電機G之輸出交流電流訊號波形之五次諧波成分，進而改善電力轉換裝置2之功率因數。故脈寬調變電路75輸出之控制訊號CS可控制交流直流轉換電路3之開關元件S，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操作如圖1A及圖1B所示之最大功率近似線上。

請參照圖3A所示，其為風力發力機G在一特定風速下(例如風速為9m/s)，電力轉換裝置2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之電壓及電流(即風力發電機G之輸出電壓及電流)，V_O (V)及I_O (A)分別為電力轉換裝置2輸出之電壓及電流，而虛線L1所對應的各個數值為最大功率點時的數值。

如圖3A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具備電壓回授補償電路76，所以電力轉換裝置2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、負載所需功率持續上升至風力發電機G的最大輸出功率P_WG 時，風力發電機G的輸出功率P_WG 將因交流直流轉換電路3之滿載電流而被限制於最大功率點上(即虛線L1所對應之數值)。若負載所需功率持續增加而超過風力發電機G的最大輸出功率P_WG 時(也就是負載電流I_O 超過交流直流轉換電路3之滿載電流時)，因風力發電機G的輸出功率P_WG 已被限制在最大功率點上，所以電力轉換裝置2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。

另外，請參照圖3B及圖3C所示，其中，圖3B為風力發力機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，而圖3C為於本發明之電力轉換裝置2的作用下，風力發力機G在該特定風速下(例如風速為9m/s)之三相電壓及電流的波形示意圖。

比較圖3B與圖3C可明顯發現，透過本發明之電力轉換裝置2之諧波注入機制可使風力發電機G輸出之交流電流訊號I_WG 之波形失真量較小，且交流電流訊號I_WG 之波形可追隨輸出交流電壓訊號V_WG 之波形，證明本發明之電力轉換裝置2亦具備有三相功率因數修正之功能。

另外，請分別參照圖2A至圖2D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2之控制方法流程示意圖。

本發明之電力轉換裝置2之控制方法係與風力發電機G配合，電力轉換裝置2的技術特徵已於上述中詳述，不再贅述。其中，電力轉換裝置之控制方法包括步驟S01~S07。

首先，步驟S01係為：由電壓感測電路5依據交流電壓訊 號V_WG 產生電壓參考訊號V_r 。

接著，進行步驟S02：由諧波產生電路6依據電壓參考訊號V_r 產生諧波注入訊號V_inj 。其中，於此步驟S02中，控制方法更可包括：由諧波產生電路6之高通濾波單元61濾除電壓參考訊號V_r 之低頻部分而產生濾波訊號V_h 。另外，再由諧波產生電路6之反相放大單元62使濾波訊號V_h 反相，以輸出諧波注入訊號V_inj 。其中，電壓參考訊號V_r 及諧波注入訊號V_inj 的頻率分別為交流電壓訊號V_WG 的6倍。

再者，於步驟S03中，由減法電路71依據電壓參考訊號V_r 輸出第一直流訊號V_f 及第二直流訊號V_d 。其中，於此步驟S03中，控制方法更可包括：由減法電路71之低通濾波單元711依據電壓參考訊號V_r 輸出第一直流訊號V_f 。另外，再由減法電路71之差動放大單元712依據第一直流訊號V_f 及參考電壓V_ref 產生第二直流訊號V_d 。

接著，進行步驟S04：由運算電路72依據第一直流訊號V_f 、第二直流訊號V_d 及電壓誤差訊號V_e 輸出參考訊號I_ref 。其中，由運算電路72輸出參考訊號I_ref 之步驟S04之前，控制方法更可包括：由電壓回授補償電路76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 。另外，由運算電路72輸出參考訊號I_ref 的步驟S04之前，控制方法更可包括：由運算電路72將第一直流訊號V_f 乘以電壓誤差訊號V_e 後，再除以第二直流訊號V_d 的平方，以得到參考訊號I_ref 。

再者，執行步驟S05為：由電流感測電路73依據交流電流訊號I_WG 的其中一相輸出前饋訊號V_k 。於此，電流感測電路73係依依據交流電流訊號I_{WG_A} 輸出前饋訊號V_k 。

接著，進行步驟S06：由電流控制電路74依據參考訊號I_ref 及前饋訊號V_k 輸出誤差訊號V_c 。其中，由電流控制電路74輸出誤差訊號V_c 的步驟S06之前，控制方法更可包括：由控制電阻R_MO 依據參考訊號I_ref 產生控制電壓V_MO ，且控制電壓V_MO 與參考訊號I_ref 成正比。

最後，進行步驟S07：由脈寬調變電路75依據誤差訊號V_c 及諧波注入訊號V_inj 輸出控制訊號CS控制開關元件S，以使風力發電機G操作於最大功率近似線上。其中，誤差訊號V_c 與諧波注入訊號V_inj 係相加 後輸入脈寬調變電路75，以使脈寬調變電路75產生控制訊號CS。

此外，本發明之電力轉換裝置2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，電力轉換裝置之交流直流轉換電路接收交流訊號並輸出一輸出電壓，且具有一開關元件。另外，控制模組包含一電壓感測電路、一諧波產生電路及一最大功率追蹤電路，電壓感測電路依據交流電壓訊號產生一電壓參考訊號，諧波產生電路依據電壓參考訊號產生一諧波注入訊號，而最大功率追蹤電路具有一減法電路、一運算電路、一電流感測電路、一電流控制電路及一脈寬調變電路。減法電路依據電壓參考訊號輸出一第一直流訊號及一第二直流訊號，運算電路依據第一直流訊號、第二直流訊號及一電壓誤差訊號輸出一參考訊號，電流感測電路依據交流電流訊號的其中一相輸出一前饋訊號，電流控制電路依據參考訊號及前饋訊號輸出一誤差訊號，且脈寬調變電路依據誤差訊號及諧波注入訊號輸出一控制訊號控制開關元件，以使風力發電機操作於最大功率近似線上。藉此，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，且具有元件數少、成本低及控制簡單的優點。

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。

2‧‧‧電力轉換裝置

3‧‧‧交流直流轉換電路

4‧‧‧控制模組

5‧‧‧電壓感測電路

6‧‧‧諧波產生電路

61‧‧‧高通濾波單元

62‧‧‧反相放大單元

7‧‧‧最大功率追蹤電路

71‧‧‧減法電路

711‧‧‧低通濾波單元

712‧‧‧差動放大單元

72‧‧‧運算電路

73‧‧‧電流感測電路

74‧‧‧電流控制電路

75‧‧‧脈寬調變電路

76‧‧‧電壓回授補償電路

761‧‧‧分壓單元

762‧‧‧誤差放大單元

C_O ‧‧‧電容

CS‧‧‧控制訊號

D、D_ap 、D_an 、D_bp 、D_bn 、D_cp 、D_cn 、D_s ‧‧‧二極體

I_O ‧‧‧電流

I_ref ‧‧‧參考訊號

I_{WG_A} ‧‧‧交流電流訊號

L‧‧‧負載

L_a 、L_b 、L_c ‧‧‧電感

R_MO ‧‧‧控制電阻

S‧‧‧開關元件

V_C ‧‧‧誤差訊號

V_d ‧‧‧第二直流訊號

V_c ‧‧‧電壓誤差訊號

V_f ‧‧‧第一直流訊號

V_inj ‧‧‧諧波注入訊號

V_k ‧‧‧前饋訊號

V_MO ‧‧‧控制電壓

V_O ‧‧‧輸出電壓

V_r ‧‧‧電壓參考訊號

V_rf 分壓訊號

V_ref ‧‧‧參考電壓

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

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：一交流直流轉換電路，接收該交流訊號並輸出一輸出電壓，且具有一開關元件；以及一控制模組，包含：一電壓感測電路，依據該交流電壓訊號產生一電壓參考訊號；一諧波產生電路，依據該電壓參考訊號產生一諧波注入訊號；及一最大功率追蹤電路，具有：一減法電路，依據該電壓參考訊號輸出一第一直流訊號及一第二直流訊號；一運算電路，依據該第一直流訊號、該第二直流訊號及一電壓誤差訊號輸出一參考訊號；一電流感測電路，依據該交流電流訊號的其中一相輸出一前饋訊號；一電流控制電路，依據該參考訊號及該前饋訊號輸出一誤差訊號；及一脈寬調變電路，依據該誤差訊號及該諧波注入訊號輸出一控制訊號控制該開關元件，以使該風力發電機操作於最大功率近似線上。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電力轉換裝置，其中該交流直流轉換電路係為一三相單開關升壓型轉換器。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電力轉換裝置，其中該最大功率追蹤電路更具有一電壓回授補償電路，該電壓回授補償電路依據該輸出電壓及一參考電壓輸出該電壓誤差訊號。
4. 如申請專利範圍第3項所述之電力轉換裝置，其中該電壓回授補償電路具有一分壓單元及一誤差放大單元，該分壓單元將該輸出電壓進行分壓，以輸出一分壓訊號，該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。
5. 如申請專利範圍第4項所述之電力轉換裝置，其中該誤差放大單元使該分壓訊號之電壓值及其波形實質上與參考電壓相同。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電力轉換裝置，其中該減法電路具有一低通濾波單元及一差動放大單元，該低通濾波單元依據該電壓參考訊號輸出該第一直流訊號，該差動放大單元依據該第一直流訊號及一參考電壓產生該第二直流訊號。
7. 如申請專利範圍第1項所述之電力轉換裝置，其中該運算電路將該第一直流訊號乘以該電壓誤差訊號後，再除以該第二直流訊號的平方，以得到該參考訊號。
8. 如申請專利範圍第7項所述之電力轉換裝置，其中該最大功率追蹤電路更具有一控制電阻，該控制電阻依據該參考訊號產生一控制電壓，且該控制電壓與該參考訊號成正比。
9. 如申請專利範圍第8項所述之電力轉換裝置，其中該電流控制電路使該前饋訊號之電壓值及其波形實質上與該控制電壓相同。
10. 如申請專利範圍第1項所述之電力轉換裝置，其中該電壓感測電路將該交流電壓訊號降壓及整流而輸出該電壓參考訊號。
11. 如申請專利範圍第10項所述之電力轉換裝置，其中該諧波產生電路包含一高通濾波單元及一反相放大單元，該高通濾波單元濾除該電壓參考訊號之低頻部分而產生一濾波訊號，該反相放大單元使該濾波訊號反相而輸出該諧波注入訊號。
12. 如申請專利範圍第11項所述之電力轉換裝置，其中該誤差訊號與該諧波注入訊號相加後輸入該脈寬調變電路。
13. 如申請專利範圍第11項所述之電力轉換裝置，其中該電壓參考訊號或該諧波注入訊號的頻率分別為該交流電壓訊號的6倍。
14. 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直流轉換電路以及一控制模組，該交流直流轉換電路接收該交流訊號並輸出一輸出電壓，且具有一開關元 件，該控制模組包含一電壓感測電路、一諧波產生電路及一最大功率追蹤電路，該最大功率追蹤電路具有一減法電路、一運算電路、一電流感測電路、一電流控制電路及一脈寬調變電路，該控制方法包括：由該電壓感測電路依據該交流電壓訊號產生一電壓參考訊號；由該諧波產生電路依據該電壓參考訊號產生一諧波注入訊號；由該減法電路依據該電壓參考訊號輸出一第一直流訊號及一第二直流訊號；由該運算電路依據該第一直流訊號、該第二直流訊號及一電壓誤差訊號輸出一參考訊號；由該電流感測電路依據該交流電流訊號的其中一相輸出一前饋訊號；由該電流控制電路依據該參考訊號及該前饋訊號輸出一誤差訊號；以及由該脈寬調變電路依據該誤差訊號及該諧波注入訊號輸出一控制訊號控制該開關元件，以使該風力發電機操作於最大功率近似線上。
15. 如申請專利範圍第14項所述之控制方法，其中於由該減法電路輸出該第二直流訊號之前，該控制方法更包括：由該減法電路之一低通濾波單元依據該電壓參考訊號輸出該第一直流訊號；及由該減法電路之一差動放大單元依據該第一直流訊號及一參考電壓產生該第二直流訊號。
16. 如申請專利範圍第15項所述之控制方法，其中於由該運算電路輸出該參考訊號之前，該控制方法更包括：由該運算電路將該第一直流訊號乘以該電壓誤差訊號後，再除以該第二直流訊號的平方，以得到該參考訊號。
17. 如申請專利範圍第16項所述之控制方法，其中於由該電流控制電路輸出該誤差訊號之前，該控制方法更包括：由一控制電阻依據該參考訊號產生一控制電壓，且該控制電壓與該參考訊號成正比。
18. 如申請專利範圍第14項所述之控制方法，其中於由該諧波產生電路產 生該諧波注入訊號的步驟中，該控制方法更包括：由該諧波產生電路之一高通濾波單元濾除該電壓參考訊號之低頻部分而產生一濾波訊號；及由該諧波產生電路之一反相放大單元使該濾波訊號反相，以輸出該諧波注入訊號。
19. 如申請專利範圍第18項所述之控制方法，其中該誤差訊號與該諧波注入訊號相加後輸入該脈寬調變電路。
20. 如申請專利範圍第18項所述之控制方法，其中該電壓參考訊號及該諧波注入訊號的頻率分別為該交流電壓訊號的6倍。