TWI543490B - 發電裝置 - Google Patents

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TWI543490B TW104101151A TW104101151A TWI543490B TW I543490 B TWI543490 B TW I543490B TW 104101151 A TW104101151 A TW 104101151A TW 104101151 A TW104101151 A TW 104101151A TW I543490 B TWI543490 B TW I543490B
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Description

發電裝置
本發明係有關於一種發電裝置，特別是有關於一種具有三相交流同步發電機的發電裝置，其中，三相交流同步發電機的定子具有三相開放之線圈，並與一變壓器及電力轉換器組合。
近幾年來，由於氣候變遷對人類帶來的警訊，讓各國政府紛紛思考如何減碳節能，並減少對化石能源的依賴性再生能源泛指多種取之不竭的能源，如太陽能、風力、潮汐能、地熱能等等。目前再生能源所產生的輸出電力普遍都是直接併聯至電網。然而，併聯的電力必須滿足與電網電力具有相同頻率、電壓及相位的要求。
本發明提供一種發電裝置，提供一第一相端電壓、一第二相端電壓、一第三相端電壓予一電力系統，並包括一檢測模組、一控制模組、一電力轉換器、一變壓器、一三相交流同步發電機。檢測模組檢測電力系統的一第一相電壓、一第二相電壓以及一第三相電壓，用以產生一檢測結果。控制模組處理檢測結果，用以產生一第一控制信號。電力轉換器根據第一控制信號，用以做出一補償電壓，並輸出至變壓器之一次側。 變壓器在其與發電機定子相連接之二次側，產生二次側三相補償電壓。三相交流同步發電機包括一定子以及一轉子。定子具有開放之三相線圈。轉子設置有複數磁石，在發電機運轉時，轉子在相應之定子各相線圈上產生感應之反電動勢。各相定子線圈之一端與變壓器二次側連接，前述之二次側補償電壓與發電機各相線圈上感應之反電動勢加成後，於各相定子線圈另一端產生各相端電壓。
在與欲併聯之電力系統併聯之前，該交流永磁同步發電機先經由原動機驅動，運轉於與電力系統之同步轉速，然後與透過電力轉換器之檢測與控制來調整變壓器二次側之三相補償電壓，即可調整交流永磁同步發電機輸出之三相端電壓，使該交流永磁同步發電機之三相端電壓之幅值與相位在併聯之前，調整到與欲併聯之電力系統之三相端電壓之幅值與相位相同，然後即可使該交流永磁同步發電機直接與電力系統併聯，並將該交流永磁同步發電機產生之電力饋送至電力系統中。
在一可能實施例中，發電裝置更包括一輔助馬達以及一驅動模組。輔助馬達耦接至三相交流同步發電機轉子的非驅動軸端。驅動模組根據一第二控制信號控制該輔助馬達。控制模組根據檢測結果，得知電力系統三相端電壓與交流永磁同步發電機三相端電壓之相位差，用以產生第二控制信號，並驅動該輔助馬達帶動三相交流同步發電機做適當之加減速，以使前述之相位差能快速地減少並趨近於零。
為讓本發明之特徵和優點能更明顯易懂，下文特 舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
100A、100B、500‧‧‧發電系統
110、510‧‧‧機械變速裝置
120、520‧‧‧發電裝置
130、530‧‧‧電力系統
111‧‧‧渦輪
112‧‧‧傳動系統
VUT、VVT、VWT‧‧‧相端電壓
121、521‧‧‧檢測模組
122、522‧‧‧控制模組
123、523‧‧‧電力轉換器
124、524‧‧‧變壓器
125、340、350、360、525‧‧‧定子
126、310、320、330、526‧‧‧轉子
129‧‧‧三相交流同步發電機
VU,130、VV,130、VW,130、VU,530、VV,530、VW,530‧‧‧相電壓
SD1‧‧‧檢測結果
SC1~SC3‧‧‧控制信號
V123、V523‧‧‧補償電壓
VU,123、VV,123、VW,123、VU,523、VV,523、VW,523‧‧‧一次側相電壓
VU,PC、VV,PC、VW,PC‧‧‧二次側補償電壓
126-1、526-1‧‧‧驅動軸端
126-2、526-2‧‧‧非驅動軸端
127、527‧‧‧開關模組
128‧‧‧升壓變壓器
211~213‧‧‧一次側線圈
214‧‧‧磁芯
215~217‧‧‧二次側線圈
311~314、321~324、331~338‧‧‧磁石
411~413‧‧‧相線圈
第1A、1B及5圖為本發明之發電系統示意圖。
第2圖為第1圖的變壓器的一可能示意圖。
第3A~3C圖本發明之轉子的可能剖面圖。
第4圖為本發明第1圖的定子的示意圖。
第1A圖為本發明之發電系統示意圖。如圖所示，發電系統100A包括一機械變速裝置110、一發電裝置120以及一電力系統130。本發明並不限定機械變速裝置110的內部架構。在本實施例中，機械變速裝置110具有一渦輪(turbine)111以及傳動系統(drive train)112。渦輪111為變速運轉，而傳動系統112的輸出為固定轉速。在一可能實施例中，渦輪111係為一原動機(prime move)，用以產生一機械功。
發電裝置120產生三相端電壓VUT、VVT與VWT以與電力系統130併聯並輸出電力。三相端電壓VUT、VVT與VWT之間的相位差為120度。在本實施例中，發電裝置120包括一檢測模組121、一控制模組122、一電力轉換器(power converter)123、一變壓器(transformer)124以及一三相交流同步發電機129。在其它實施例中，機械變速裝置110與發電裝置120可整合成一風力發電機。
檢測模組121檢測電力系統130的三相電壓VU,130、VV,130、VW,130，用以產生一檢測結果SD1。本發明並不限定檢 測模組121的內部架構。只要能夠檢測三相電壓的架構，均可作為檢測模組121。
控制模組122處理檢測結果SD1，用以產生一控制信號SC1。在本實施例中，控制模組122處理檢測結果SD1，用以得知電力系統130的三相電壓VU,130、VV,130、VW,130的電壓幅值與相位，並根據得知結果產生控制信號SC1。
電力轉換器123根據控制信號SC1產生一三相補償電壓V123。在本實施例中，三相補償電壓V123包括一次側相電壓VU,123、VV,123、VW,123，並輸出至變壓器124之一次側。在其它實施例中，電力轉換器123亦可稱為三相變流器。
變壓器124之一次側接收三相補償電壓V123，因此在其二次側可輸出二次側三相補償電壓VU,PC、VV,PC、VW,PC予三相交流同步發電機129。第2圖為變壓器124的接線示意圖。如圖所示，變壓器124具有一次側線圈211~213、一磁芯214、二次側線圈215~217。當一次側線圈211~213接收一次側相電壓VU,123、VV,123、VW,123時，根據電磁耦合效應，二次側線圈215~217可產生二次側三相補償電壓VU,PC、VV,PC、VW,PC。
請參考第1A圖，三相交流同步發電機129包括一定子125以及一轉子126。本發明並不限定三相交流同步發電機129的種類。在一可能實施例中，三相交流同步發電機129係為一交流永磁同步發電機。在本實施例中，定子125具有三相線圈(未顯示於第1A圖中，但稍後會說明)，其一端與變壓器124的二次側相連接，轉子126貼附有複數磁石(未顯示，但稍後將會說明)。當轉子126轉動時，轉子126可在三相線圈上產生三 相反電動勢VU,PMSG、VV,PMSG、VW,PMSG。因此，二次側三相補償電壓VU,PC、VV,PC、VW,PC與定子125三相線圈上所感應產生之三相反電動勢VU,PMSG、VV,PMSG、VW,PMSG加成後，將可產生三相端電壓VUT、VVT、VWT。
在本實施例中，定子125包覆轉子126，但轉子126的驅動軸端(drive-end)126-1與非驅動軸端(non-drive end)126-2係突出定子125。驅動軸端126-1耦接機械變速裝置110，用以接收來自一原動機(如渦輪或馬達)之機械功。在其它實施例中，定子125可被能轉子126所圍繞。
在本實施例中，發電裝置120更包括一開關模組127。開關模組127根據控制信號SC2將三相端電壓VUT、VVT、VWT與電力系統130連接，以饋送三相交流同步發電機129所產生之電力至電力系統130中。由於控制模組122根據電力系統130的三相電壓VU,130、VV,130、VW,130的電壓幅值調整三相端電壓VUT、VVT、VWT的電壓幅值，故可確保三相端電壓VUT、VVT、VWT的幅值等於電力系統130的三相電壓VU,130、VV,130、VW,130的幅值。
本發明並不限定電力系統130的種類。在一可能實施例中，電力系統130係為大樓供電裝置，用以供電予大樓裡的住戶。在其它實施例中，電力系統130可能具有一輸配線(transmission line或distribution line)，用以將三相端電壓VUT、VVT、VWT併聯至電網(Grid)。
第1B圖為本發明之發電系統的另一實施例。第1B圖相似第1A圖，不同之處在於第1B圖的發電系統100B更包括 一升壓變壓器128，用以調整三相端電壓VUT、VVT、VWT的電壓幅值。在另一可能實施例中，若三相端電壓VUT、VVT、VWT的電壓幅值已等於電力系統130的三相電壓VU,130、VV,130、VW,130的電壓幅值時，則可省略升壓變壓器128。
第3A~3C圖本發明之轉子的可能剖面圖。如圖所示，轉子310、320、330設置有複數磁石311~314、321~324、331~338。本發明並不限定磁石係設置在轉子的何處以及磁石的型態。在第3A圖中，磁石311~314係貼附在轉子310的外側，在此例中，定子340包覆轉子310。
在第3B圖中，磁石321~324係貼附在轉子320的內側。在此例中，定子350設置在轉子320的內部。在第3C圖中，磁石331~338設置在轉子330的內側，並且以錐狀方式排列。在此例中，定子360設置在轉子330的內部。本發明並不限定磁石311~314、321~324及331~338的種類。在一些實施例中，磁石311~314、321~324及331~338係為永久磁石或是超導磁石(superconducting magnet)。
第4圖為本發明第1圖的定子125的示意圖。如圖所示，定子125包括三相線圈411~413。在本實施例中，三相線圈411~413係為開放Y接(open Y)方式設置。當轉子被原動機帶動運轉時，三相線圈上產生三相反電動勢VU,PMSG、VV,PMSG、VW,PMSG。相線圈411的一端接收二次側補償電壓VU,PC，與相線圈411上之反電動勢VU,PMSG加成後，於相線圈411的另一端產生相端電壓VUT。相線圈412的一端接收二次側補償電壓VV,PC，與相線圈412上之反電動勢VV,PMSG加成後，於相線圈412的另一端 產生相端電壓VVT。相線圈413的一端接收二次側補償電壓VW,PC，與相線圈413上之反電動勢VW,PMSG加成後，於相線圈413的另一端產生相端電壓VWT。
在本實施例中，當轉子轉動時，轉子上的磁石將經過三相線圈411~413，因此，三相線圈411~413將產生反電動勢VU,PMSG、VV,PMSG、VW,PMSG。此時，若分別提供二次側補償電壓VU,PC、VV,PC、VW,PC予三相線圈411~413的一端時，三相線圈411~413便可產生三相端電壓VUT、VVT、VWT，並且三相端電壓VUT、VVT、VWT可隨著二次側補償電壓VU,PC、VV,PC、VW,PC而調整變動。
第5圖為本發明之發電裝置的另一可能實施例。在此例中，當電力系統530具有一輸配線時，表示發電裝置520所產生的三相端電壓VUT、VVT、VWT將會併聯至電網上，因此，發電裝置520所產生的三相端電壓VUT、VVT、VWT的幅值與相位需符合電網的三相電壓的幅值與相位。
在本實施例中，控制模組522根據檢測模組521的檢測結果SD1，得知電力系統530的三相電壓VU,530、VV,530、VW,530的電壓幅值，再根據得知結果產生控制信號SC1，用以調整定子525所產生的三相端電壓VUT、VVT、VWT。在一可能實施例中，三相端電壓VUT、VVT、VWT的電壓幅值約略等或高於電力系統530的三相電壓VU,530、VV,530、VW,530的電壓幅值，但不超過5%。
在另一可能實施例中，控制模組522根據檢測結果SD1得知電力系統530的三相電壓VU,530、VV,530、VW,530的至少二 者的相位，再擷取三相端電壓VUT、VVT、VWT中之對應二者的相位，經運算處理後，得知電力系統530與三相端電壓VUT、VVT、VWT之間的相位差，並根據相位差，產生控制信號SC3。
本發明並不限定控制模組522的內部架構。在一可能實施例中，控制模組522包括一鎖相迴路(phase lock loop)，用以得知三相端電壓VUT、VVT、VWT與電力系統530的三相電壓VU,530、VV,530、VW,530之間的相位差。
驅動模組528根據控制信號SC3控制輔助馬達529的轉速，用以調整轉子526的轉角。在本實施例中，輔助馬達529係耦接轉子526的非驅動軸端526-2，用以調整轉子526的轉角，進而調整發電裝置520的三相端電壓VUT、VVT、VWT的相位，使其能配合電網併聯的要求。另外，轉子526的驅動軸端526-1係耦接機械變速裝置510，用以接收來自一原動機之機械功。
本發明並不限定輔助馬達529的種類。在一可能實施例中，輔助馬達529係為一伺服馬達(servo motor)。在另一可能實施例中，伺服馬達的額定功率係小於發電裝置520的額定功率的5%。在其它實實施例中，在完成電網併聯後，輔助馬達529便可保持同步旋轉，而不需持續做功。
在本實施例中，發電裝置120或520檢測外部電力系統的三相電壓，用以產生電壓幅值與相位相符的三相端電壓。當發電裝置120或520併聯電網時，就不會因幅值差或相位差而發生火花。
除非另作定義，在此所有詞彙(包含技術與科學詞彙)均屬本發明所屬技術領域中具有通常知識者之一般理解。 此外，除非明白表示，詞彙於一般字典中之定義應解釋為與其相關技術領域之文章中意義一致，而不應解釋為理想狀態或過分正式之語態。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，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。
100A‧‧‧發電系統
110‧‧‧機械變速裝置
120‧‧‧發電裝置
130‧‧‧電力系統
111‧‧‧渦輪
112‧‧‧傳動系統
VUT、VVT、VWT‧‧‧相端電壓
121‧‧‧檢測模組
122‧‧‧控制模組
123‧‧‧電力轉換器
124‧‧‧變壓器
125‧‧‧定子
126‧‧‧轉子
SD1‧‧‧檢測結果
SC1~SC3‧‧‧控制信號
V123‧‧‧補償電壓
126-1‧‧‧驅動軸端
126-2‧‧‧非驅動軸端
VU,130、VV,130、VW,130‧‧‧相電壓
VU,123、VV,123、VW,123‧‧‧一次側相電壓
VU,PC、VV,PC、VW,PC‧‧‧感應電壓
127‧‧‧開關模組
129‧‧‧三相交流同步發電機

Claims (10)

  1. 一種發電裝置，提供一第一相端電壓、一第二相端電壓、一第三相端電壓予一電力系統，並包括：一檢測模組，檢測該電力系統的一第一相電壓、一第二相電壓以及一第三相電壓，用以產生一檢測結果；一控制模組，處理該檢測結果，用以產生一第一控制信號；一電力轉換器，根據該第一控制信號，產生一補償電壓；一變壓器，根據該補償電壓，產生一第一二次側補償電壓、一第二二次側補償電壓以及一第三二次側補償電壓；一三相交流同步發電機，包含：一定子，具有一第一相線圈、一第二相線圈、一第三相線圈，該第一相線圈的一端接收該第一二次側補償電壓，該第一相線圈的另一端產生該第一相端電壓，該第二相線圈的一端接收該第二二次側補償電壓，該第二相線圈的另一端產生該第二相端電壓，該第三相線圈的一端接收該第三二次側補償電壓，該第三相線圈的另一端產生該第三相端電壓；以及一轉子，設置有複數磁石；其中，當該轉子轉動時，該轉子在該第一、第二及第三相線圈上分別生成一第一反電動勢、一第二反電動勢以及一第三反電動勢； 其中，該第一相端電壓係由該第一二次側補償電壓以及該第一反電動勢所決定，該第二相端電壓係由該第二二次側補償電壓以及該第二反電動勢所決定，該第三相端電壓係由該第三二次側補償電壓以及該第三反電動勢所決定。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發電裝置，其中該等磁石之一者係為一永久磁石。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之發電裝置，其中該等磁石之一者係為一超導磁石。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之發電裝置，其中該轉子更包括：一驅動軸端，接收一來自原動機之機械功；以及一非驅動軸端，耦接一輔助馬達。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之發電裝置，更包括：一驅動模組，根據一第二控制信號，控制該輔助馬達的轉速，用以調整該轉子的一轉角。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之發電裝置，其中該控制模組根據該檢測結果，得知該電力系統的該第一、第二及第三相電壓的至少二者與該第一、第二及第三相端電壓之對應二者的電壓之間的差異，用以產生該第二控制信號。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之發電裝置，其中該控制模組包括一鎖相迴路。
  8. 如申請專利範圍第4項所述之發電裝置，其中該輔助馬達係為一伺服馬達。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之發電裝置，其中該伺服馬達的額定功率小於該發電裝置的額定功率的5%。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之發電裝置，其中該等磁石係貼附在該轉子的外側或內側。
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