TWI568930B - 風力發電系統 - Google Patents

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Description

風力發電系統
本案係關於一種風力發電系統，尤指一種控制簡單，且可減少生產成本的風力發電系統。
當前，能源危機日益嚴重，導致新能源(如風能、太陽能等)技術發展日益受到研發人員的關注和重視。與此同時，在再生能源的發電系統中，電機輸出的交流電往往與交流電網的頻率和幅值不一致，此時，通常需要借助於變換電路，以將電機輸出的交流電轉換為與交流電網的頻率和相位一致的交流電，再經由隔離變壓器而將交流電輸出至交流電網，藉此實現並網發電。
以中壓風力發電系統為例，適用於中壓，例如1KV~10KV，之傳統的風力發電系統主要包括下列幾種包含變換器之電路架構，第一種為功率單元級聯式電路架構，第二種為使用例如1.7KV耐壓等級的功率器件串聯組成的多電平(三電平以上)電路架構，第三種則為直接採用高耐壓等級(例如3.3KV、4.5KV或6KV等)的功率器件的多電平(兩電平以上)電路架構。
然而第一種風力發電系統由於需由複數個，例如六個以上，的變換電路以級聯方式連接，而因應複數個變換電路內之多個獨立的直流母線，故電連接於交流電網及風力發電系統之間的隔離變壓 器的次級側便需具有複數個次級繞組，例如六個以上，以與多個變換電路電連接，如此一來，勢必使得使用第一種風力發電系統之工廠或設備等的整體成本提高。至於第二種風力發電系統，其雖然可使用耐壓等級相對較低的功率器件(開關元件)來構成，但對應地也需使用較多的功率器件，藉此形成三電平以上的電路架構，如此一來，第二種風力發電系統不但具有功率器件的控制係較為複雜之問題，亦因使用較多的功率器件而具有較高的生產成本。至於第三種風力發電系統雖然可為兩電平電路架構並可使用相對較少的功率器件，然而第三種風力發電系統卻需使用耐壓等級較高之功率器件，而耐壓等級較高的功率器件價格較昂貴，如此一來，造成第三種風力發電系統的生產成本提高。
因此，如何發展一種可改善上述習知技術缺失之風力發電系統，實為相關技術領域者目前所迫切需要解決之問題。
本案之目的在於提供一種風力發電系統，其係不但具有複數個第一變換電路，更具有第二變換電路，且第二變換電路之複數個第二機側端口中之任一第二機側端口係與對應之第一變換電路之第一機側端口串聯電連接，而第二變換電路之第二網側端口係與隔離變壓器之複數個次級繞組中對應的次級繞組電連接，第二變換電路可選擇性地運作來分擔複數個第一變換電路的電能轉換工作，藉此降低複數個第一變換電路所承受的電壓應力，俾解決習知發電系統具有生產成本較高以及功率器件的控制較為複雜之缺失。
本案之另一目的在於提供一種風力發電系統，該風力發電系統之 第二變換電路可依據風力發電機之三相繞組中之任一相繞組的相電壓及與其相連之第一變換電路之第一機側端口所輸出的輸出電壓的最大值之間的比較結果而執行撬棍模式運作或非撬棍模式運作，以藉由撬棍模式運作減少風力發電系統之電能損耗，並藉由非撬棍模式運作使第二變換電路分擔複數個第一變換電路的電能轉換工作。
本案之又一目的在於提供一種風力發電系統，該風力發電系統之複數個第一變換電路之複數個第一機側變換器及第二變換電路之第二機側變換器係可採用正弦脈波寬度調變而進行載波移相控制，進而減少複數個第一變換電路之第一機側端口及第二變換電路之複數個第二機側端口的瞬間電壓變化量及電壓諧波
為達上述目的，本案之一較廣義實施態樣為提供一種風力發電系統，係電連接於風力發電機以及隔離變壓器之間，風力發電系統係包含：複數個第一變換電路，每一第一變換電路之第一機側端口係與風力發電機電連接，每一第一變換電路之第一網側端口係與隔離變壓器之複數個次級繞組中對應的次級繞組電連接，每一第一變換電路係進行電能轉換；以及第二變換電路，第二變換電路之第二網側端口係與複數個次級繞組中對應的次級繞組電連接，且第二變換電路更包含複數個第二機側端口，每一第二機側端口係與對應之第一變換電路之第一機側端口串聯連接，並經由第一變換電路與風力發電機電連接，第二變換電路係選擇性地運作，並於運作時進行電能轉換，以分擔複數個第一變換電路的電能轉換工作。
1‧‧‧風力發電系統
10、20、50‧‧‧第一變換電路
100‧‧‧第一機側端口
101‧‧‧第一網側端口
102、202‧‧‧第一機側變換器
103、203‧‧‧第一網側變換器
104‧‧‧第一直流母線儲存單元
105‧‧‧斬波電路
11、21、31、41‧‧‧第二變換電路
110‧‧‧第二機側端口
111‧‧‧第二網側端口
112、212、312‧‧‧第二機側變換器
113、213、313‧‧‧第二網側變換器
114‧‧‧第二直流母線儲存單元
8‧‧‧風力發電機
80‧‧‧電能傳輸端
T‧‧‧隔離變壓器
Np‧‧‧次級繞組
Vdc1‧‧‧第一直流電壓
Vdc2‧‧‧第二直流電壓
V_Fa、V_Fb、V_Fc‧‧‧相電壓
V_Ha、V_Hb、V_Hc‧‧‧輸出電壓
V_conv_a、V_conv_b、V_conv_c‧‧‧輸出電壓
V_Gen_a、V_Gen_b、V_Gen_c‧‧‧相電壓
tri1、tri2、tri3‧‧‧載波
S_a‧‧‧調變波
ia、ib、ic‧‧‧三相電流
Vab‧‧‧線電壓
第1圖係為本案第一較佳實施例之風力發電系統之電路結構示意圖。
第2圖係為本案第二較佳實施例之風力發電系統之電路結構示意圖。
第3圖係為本案第三較佳實施例之風力發電系統之電路結構示意圖。
第4圖係為本案第四較佳實施例之風力發電系統之電路結構示意圖。
第5圖係為本案第五較佳實施例之風力發電系統之電路結構示意圖。
第6圖係為第1圖所示之風力發電系統之部份結構示意圖。
第7圖係為第6圖所示之風力發電系統的簡化模型示意圖。
第8圖係為第1圖所示之風力發電系統在第一載波移相模式下進行SPWM載波移相控制時，風力發電系統之A相電路的調製波形圖。
第9圖係為第1圖所示之風力發電系統在第二載波移相模式下進行SPWM載波移相控制時，風力發電系統之A相電路的調製波形圖。
第10圖係為在第一載波移相模式下進行SPWM載波移相控制時，為兩電平之電路架構之第一變換電路或第二變換電路的三相電流及電流頻譜分析的波形圖。
第11圖係為在第一載波移相模式下沒有進行SPWM載波移相控制時，為兩電平之電路架構之第一變換電路或第二變換電路的三相電 流及電流頻譜分析的波形圖。
第12圖係為在第二載波移相模式下進行SPWM載波移相控制時，為兩電平之電路架構之第一變換電路或第二變換電路的三相電流及電流頻譜分析的波形圖。
第13圖係為在第二載波移相模式下沒有進行SPWM載波移相控制時，為兩電平之電路架構之第一變換電路或第二變換電路的三相電流及電流頻譜分析的波形圖。
體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖示在本質上係當作說明之用，而非架構於限制本案。
請參閱第1圖，其係為本案第一較佳實施例之風力發電系統之電路結構示意圖。如第1圖所示，本實施例之風力發電系統係電連接於一風力發電機及一隔離變壓器T之間，其中隔離變壓器T之初級側可與一交流電網電連接，本實施例之風力發電系統1可將風力發電機8所產生之交流電能轉換後經由隔離變壓器T傳送至交流電網，當然亦可將經由隔離變壓器T所接收到之交流電網之交流電能轉換後傳送至風力發電機8，因此，風力發電系統1實際上可以單向或是雙向的方式轉換及傳遞能量。
於上述實施例中，風力發電機8及交流電網之電壓等級可為但不限於中壓等級，例如1KV~10KV。
風力發電系統1主要包含複數個第一變換電路10及一第二變換電 路11，其中每一第一變換電路10之一第一機側端口100係與風力發電機8之電能傳輸端80電連接，每一第一變換電路10之一第一網側端口101係與隔離變壓器T之次級側的複數個次級繞組Np中對應的次級繞組Np電連接，每一第一變換電路10可將風力發電機8所產生之交流電能轉換，並經由隔離變壓器T傳送至交流電網。當然，於其它實施例中，每一第一變換電路10亦可經由隔離變壓器T接收交流電網所產生之交流電能，並將交流電網產生之交流電能轉換後輸出至風力發電機8。
第二變換電路11之複數個第二機側端口110中之任一第二機側端口110係與對應之第一變換電路10之第一機側端口100串聯電連接，並經由第一變換電路10而與風力發電機8之電能傳輸端80之其中一相繞組電連接，第二變換電路11之一第二網側端口111係與複數個次級繞組Np中對應的次級繞組Np電連接，第二變換電路11係選擇性地進行運作，並於運作時將風力發電機8所產生之交流電能轉換，並經由隔離變壓器T傳送至交流電網。當然，於其它實施例中，第二變換電路11亦可經由隔離變壓器T接收交流電網所產生之交流電能，並將交流電網產生之交流電能轉換後輸出至風力發電機8。當第二變換電路11運作時，可分擔複數個第一變換電路10的電能轉換工作，使複數個第一變換電路10所承受的電壓應力降低。
於上述實施例中，風力發電機8可為但不限於為一三N相的風力發電機，其中N為自然數，例如第1圖所示，風力發電機8為3相風力發電機，故風力發電機8之電能傳輸端80實際上可為三相繞組(未圖示)，每一相繞組各自具有一相電壓，而每一第一變換電路10 之第一機側端口100實際上電連接於風力發電機8之三相繞組中的其中一相繞組。另外，第一變換電路10之個數可為三的倍數，例如第1圖所示，第一變換電路為3個。隔離變壓器T之次級繞組Np的個數則對應於第一變換電路10之個數與第二變換電路11之個數的總和，例如第1圖所示，對應於三個第一變換電路10及一個第二變換電路11，故次級繞組Np之個數為4個。
另外，如第1圖所示，每一第一變換電路10可為但不限於三相/單相轉換電路，且每一第一變換電路10包含一第一機側變換器102、一第一網側變換器103及第一直流母線儲存單元104。第一機側變換器102係具有一第一交流側及一第一直流側，第一交流側係與第一變換電路10之第一機側端口100電連接，並經由第一機側端口100而與風力發電機8電連接，第一機側變換器102可為但不限於以脈衝寬度調變(PWM)方式運作，且第一交流側實際上係構成第一機側端口100。第一網側變換器103具有一第二交流側及一第二直流側，第二交流側係與複數個次級繞組Np中對應的次級繞組Np電連接，實際上係構成第一網側端口101，第一網側變換器103可為但不限於以脈衝寬度調變方式運作。第一直流母線儲存單元104可為但不限於由至少一匯流排電容所構成，且電連接於第一機側變換器102之第一直流側和第一網側變換器103之第二直流側，用以儲存一第一直流電壓Vdc1。第一變換電路10藉由第一機側變換器102、第一網側變換器103及第一直流母線儲存單元104而構成交流/直流/交流電路架構。
又於一些實施例中，如第1圖所示，第一變換電路10可為兩電平之電路架構，且第一機側變換器102係具有兩個橋臂，故第一 機側變換器102實際上可為單相全橋兩電平之電路架構，而兩個橋臂構成H橋，每一橋臂具有彼此串聯連接之兩個開關元件，其中開關元件可為但不限於由絕緣閘雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor；IGBT)所構成。第一網側變換器103則為三相全橋兩電平之電路架構，而第一網側變換器103係具有三個橋臂(A相橋臂、B相橋臂及C相橋臂)，每一橋臂具有彼此串聯連接之兩個開關元件。另外，第一機側變換器102更可具有一斬波電路(Chopper)105，係與第一機側變換器102之兩個橋臂並聯連接，該斬波電路105係由至少一開關元件及至少一電阻串聯連接所構成，斬波電路105用以抑制第一變換電路10中之電壓和電流，以構成保護機制。
第二變換電路11可為但不限於三相/三相轉換電路，且第二變換電路11包含一第二機側變換器112、一第二網側變換器113及一第二直流母線儲存單元114，其中第二機側變換器112係具有一第三交流側及一第三直流側，該第三交流側係與第二變換電路11之複數個第二機側端口110電連接，並經由第二機側端口110而與每一第一變換電路10之第一機側端口100串聯電連接，且與風力發電機8之電能傳輸端80電連接，第二機側變換器112可以脈衝寬度調變方式運作。第二網側變換器113係具有一第四交流側及一第四直流側，該第四交流側係與複數個次級繞組Np中對應的次級繞組Np電連接，實際上係構成第二網側端口111，第二網側變換器113可以脈衝寬度調變方式運作。第二直流母線儲存單元114係電連接於第二機側變換器112之第三直流側和第二網側變換器113之第四直流側，用以儲存一第二直流電壓Vdc2。第二變換電路11藉 由第二機側變換器112、第二網側變換器113及第二直流母線儲存單元114而構成交流/直流/交流電路架構。
於上述實施例中，第二變換電路11可為兩電平之電路架構，第二機側變換器112及第二網側變換器113分別具有三個橋臂，例如第二機側變換器112及第二網側變換器113可為三相全橋兩電平之電路架構，每一橋臂具有彼此串聯連接之兩個開關元件，且第二機側變換器112之每一橋臂的交流側端口係形成複數個第二機側端口110中對應之第二機側端口110。當然，第二機側變換器112同樣可具有斬波電路，而第二機側變換器112之斬波電路的電路結構及特性係類似於第一機側變換器102之斬波電路105，故於此不再贅述。
當然，第一變換電路及第二變換電路之電路架構並不侷限於如第1圖所示，以下將以第2-5圖來示範性說明第一變換電路及第二變換電路的其它可能實施態樣，而由於第2-5圖所示之第一變換電路及第二變換電路的作動原理皆相仿，故僅以相同符號之元件代表結構與功能相仿，不再贅述元件特徵及作動方式。請參閱第2圖，其係為本案第二較佳實施例之風力發電系統之電路結構示意圖。由第2圖所示可知，相較於第1圖所示之第一變換電路10，本實施例之風力發電系統1之第一變換電路20係改為三電平之電路架構，而第一變換電路20之第一機側變換器202係改為單相全橋三電平之電路架構，而第一網側變換器203係改為三相三電平之電路架構。
另外，相較於第1圖所示之第二變換電路11，本實施例之第二變換電路21同樣改為三電平之電路架構，而第二變換電路21之第二 機側變換器212及第二網側變換器213係改為三相三電平之電路架構。
請參閱第3圖，其係為本案第三較佳實施例之風力發電系統之電路結構示意圖。由第3圖所示可知，相較於第1圖所示之第二變換電路11為交流/直流/交流電路架構，本實施例之第二變換電路31係改為雙級矩陣變換電路，故屬於交流/交流電路架構，因此第二變換電路31實際上僅具有第二機側變換器312及第二網側變換器313，而不具有類似於第1圖所示之第二直流母線儲存單元114。
請參閱第4圖，其係為本案第四較佳實施例之風力發電系統之電路結構示意圖。由第4圖所示可知，相較於第3圖所示之第二變換電路31，本實施例之第二變換電路41雖然同樣為交流/交流電路架構，但第二變換電路41之電路態樣係改為常規矩陣變換電路。
請參閱第5圖，其係為本案第五較佳實施例之風力發電系統之電路結構示意圖。由第5圖所示可知，相較於第4圖所示之第一變換電路10為交流/直流/交流電路架構，本實施例之第一變換電路50係改為三相/單相矩陣變換電路，即為交流/交流電路架構。
以下將以第1圖所示之風力發電系統1之電路架構來示範性說明本案可達到之功效。請參閱第6圖及第7圖並配合第1圖，其中第6圖係為第1圖所示之風力發電系統之部份結構示意圖，第7圖係為第6圖所示之風力發電系統的簡化模型示意圖。於第6圖及第7圖中，相電壓V_Fa、相電壓V_Fb及相電壓V_Fc分別為第二變換電路11於A相之第二機側端口110、B相之第二機側端口110及C相之第 二機側端口110所輸出之相電壓，輸出電壓V_Ha為與風力發電機8之三相繞組中之A相繞組電連接之第一變換電路10之第一機側變換器102於第一交流側所輸出之輸出電壓，輸出電壓V_Hb為與風力發電機8之三相繞組中之B相繞組電連接之第一變換電路10之第一機側變換器102於第一交流側所輸出之輸出電壓，輸出電壓V_Hc為與風力發電機8之三相繞組中之C相繞組電連接之第一變換電路10之第一機側變換器102於第一交流側所輸出之輸出電壓，相電壓V_Gen_a、V_Gen_b、V_Gen_c分別為風力發電機8於三相繞組中之A相繞組、B相繞組及C相繞組的相電壓，輸出電壓V_conv_a為與風力發電機8之三相繞組中之A相繞組電連接之第一變換電路10於第一機側端口100所輸出之輸出電壓，輸出電壓V_conv_b為與風力發電機8之三相繞組中之B相繞組電連接之第一變換電路10於第一機側端口100所輸出之輸出電壓，輸出電壓V_conv_c為與風力發電機8之三相繞組中之C相繞組電連接之第一變換電路10於第一機側端口100所輸出之輸出電壓。
其中三個第一變換電路10實際上分別輸出的輸出電壓V_Ha、V_Hb及V_Hc為：V_Ha=Vdc1 * S_Ha；V_Hb=Vdc1 * S_Hb；V_Hc=Vdc1 * S_Hc；其中S_Ha、S_Hb、S_Hc分別為與A相繞組電連接之第一機側變換器102之橋臂上之開關元件的占空比、與B相繞組電連接之第一機側變換器102之橋臂上之開關元件的占空比及與C相繞組電連接之 第一機側變換器102之橋臂上之開關元件的占空比，Vdc1為第一變換電路10之第一直流母線儲存單元104的第一直流電壓(當第1圖之第一變換電路10改為如第5圖所示之矩陣變換電路時，第一直流電壓Vdc1則對應改為虛擬直流電壓)。又第二變換電路11於A相、B相及C相所輸出之相電壓V_Fa、相電壓V_Fb及相電壓V_Fc分別為：V_Fa=Vdc2/2 * S_Fa
V_Fb=Vdc2/2 * S_Fb
V_Fc=Vdc2/2 * S_Fc
其中S_Fa、S_Fb、S_Fc分別為第二變換電路11之第二機側變換器112之三個橋臂上之開關元件的占空比，Vdc2為第二變換電路11之第二直流母線儲存單元114的第二直流電壓(當第1圖之第二變換電路11改為如第3圖或第4圖所示之矩陣變換電路時，第二直流電壓Vdc2則對應改為虛擬直流電壓)。
由於第二變換電路11之每一第二機側端口110係與對應之第一變換電路10之第一機側端口100串聯電連接，即第一變換電路10之第一機側端口100所輸出之輸出電壓與第二變換電路11之對應的第二機側端口110所輸出之輸出電壓係串聯運行，故相電壓V_Fa和輸出電壓V_Ha之和等於第一變換電路10於A相之輸出電壓V_conv_a，同理相電壓V_Fb與輸出電壓V_Hb和等於第一變換電路10於B相之輸出電壓V_conv_b，相電壓V_Fc和輸出電壓V_Hc之和等於第一變換電路10於C相之輸出電壓V_conv_c。因此當Vdc1=Vdc2，且S_Hx=S_Fx(其中，x=a,b,c)，則複數個第一變換 電路10分別於第一機側端口100所輸出之輸出電壓V_conv_a、V_conV_b及V_conv_c為：V_conv_a=V_Ha+V_Fa=Vdc1 * S_Ha+Vdc2/2 * S_Fa=3/2 * Vdc1 *S_Ha；V_conv_b=V_Hb+V_Fb=Vdc1 * S_Hb+Vdc2/2 * S_Fb=3/2 * Vdc1 *S_Hb；V_conv_c=V_Hc+V_Fc=Vdc1 * S_Hc+Vdc2/2 * S_Fc=3/2 * Vdc1 *S_Hc；故由上述公式可推出，當Vdc1=2000V且在最大占空比時，每一第一變換電路10所輸出的線電壓可達到最大的輸出線電壓為：
因此本案之風力發電系統1實際上可實現對3.3kV風力發電機8的控制。
由上可知，本案之風力發電系統1除了具有複數個第一變換電路外，更具有第二變換電路，其中第二變換電路之每一第二機側端口110係與對應之第一變換電路10之第一機側端口100串聯電連接，而第二變換電路11之一第二網側端口111係與複數個次級繞組Np中對應的次級繞組Np電連接，而藉由上述之電路架構，隔離變壓器T之次級繞組Np之個數便可減少，例如第1圖所示，隔離變壓 器T之次級繞組Np僅需要四個，故使用本案之風力發電系統1之工廠或設備等的整體成本可降低。此外，本案風力發電系統1可藉由第二變換電路來分擔複數個第一變換電路的電能轉換工作，藉此降低複數個第一變換電路所承受的電壓應力，故風力發電系統1可選用例如耐壓程度低的功率器件(開關元件)(例如1.7KV)即可實現對中壓之風力發電機8的控制。又本案之風力發電系統1在功率器件之數目控制在相對較少的情況下，可無須使用耐壓程度較高，例如3.3kV、4.5kV或6kV等，的功率器件，是以可大幅減少風力發電系統1之生產成本。
另外，於一些實施例中，第1至5圖所示之第二變換電路更可依據風力發電機8之三相繞組中之任一相繞組的相電壓及與其相連之第一變換電路之第一機側端口100所輸出的輸出電壓的最大值之間的比較結果而執行一撬棍(crowbar)模式運作或一非撬棍模式運作，以下將以第1圖所示之風力發電系統1來示範性說明。於第1圖所示之風力發電系統1中，當風力發電機8之三相繞組中之任一相繞組的相電壓小於或等於與其相連的第一變換電路10之第一機側端口100所輸出的輸出電壓的最大值時，第二變換電路11便執行撬棍(crowbar)模式運作，使第二變換電路11之第二機側端口110形成短路(例如控制第二機側變換器112內之所有橋臂中位於上方之開關元件導通或所有橋臂中位於下方之開關元件導通)，故當第二變換電路11執行撬棍模式運作時，風力發電系統1實際上僅複數個第一變換電路10運作而進行風力發電機8及交流電網之間的電能轉換，而藉由撬棍模式運作，風力發電系統1可因第二變換電路11係執行撬棍(crowbar)模式運作而減少電能的損 耗。反之，當風力發電機8之三相繞組中之任一相繞組的相電壓大於與其相連之第一變換電路10之第一機側端口100所輸出的輸出電壓的最大值時，第二變換電路11便執行非撬棍模式運作，此時第二變換電路11係運作(例如第二變換電路11內之所有開關元件係進行導通或截止之切換運作)而進行電能轉換，以分擔複數個第一變換電路10的電能轉換工作，其中第二變換電路11於第二機側端口110所輸出之相電壓實質上係可為但不限於為對應之第一變換電路10於第一機側端口100所輸出之輸出電壓的二分之一。
另外，本案之風力發電系統1更為但不限於具有一控制電路(未圖示)，其係可控制第二變換電路11執行撬棍模式運作或非撬棍模式運作。
為了減少複數個第一變換電路之第一機側端口100及第二變換電路之複數個第二機側端口110之瞬間電壓變化量(dv/dt)及電壓諧波，於一些實施例中，第1-4圖所示之複數個第一變換電路之複數個第一機側變換器及第二變換電路之第二機側變換器更可採用正弦脈波寬度調變(Sinusoidal PWM；SPWM)而進行載波移相控制，且依據第二變換電路之電路架構及運行模式，載波移相控制可設置不同的移相角度。
請參閱第8-13圖，其中第8圖係為第1圖所示之風力發電系統在第一載波移相模式下進行SPWM載波移相控制時，風力發電系統之A相電路的調製波形圖，第9圖係為第1圖所示之風力發電系統在第二載波移相模式下進行SPWM載波移相控制時，風力發電系統之A相電路的調製波形圖，第10圖係為在第一載波移相模式下進行 SPWM載波移相控制時，為兩電平之電路架構之第一變換電路或第二變換電路的三相電流(ia、ib、ic)及電流頻譜分析的波形圖，第11圖係為在第一載波移相模式下沒有進行SPWM載波移相控制時，為兩電平之電路架構之第一變換電路或第二變換電路的三相電流及電流頻譜分析的波形圖，第12圖係為在第二載波移相模式下進行SPWM載波移相控制時，為兩電平之電路架構之第一變換電路或第二變換電路的三相電流及電流頻譜分析的波形圖，第13圖係為在第二載波移相模式下沒有進行SPWM載波移相控制時，為兩電平之電路架構之第一變換電路或第二變換電路的三相電流及電流頻譜分析的波形圖。
首先，在第一載波移相模式下，亦即當第一變換電路及第二變換電路皆為交流/直流/交流電路架構時，若第二變換電路處於非撬棍模式運作，每一第一變換電路之第一機側變換器的兩個橋臂(例如為H橋)的載波及第二變換電路(例如為三相全橋)之三個橋臂中對應的橋臂的載波之間的相移角度分別為120°，亦即以第8圖中A相電路的調變為例，其中tri1為第一變換電路之第一機側變換器的左橋臂的載波，tri2為第一變換電路之第一機側變換器的右橋臂的載波，tri3為第二變換電路之第二機側變換器的對應橋臂的載波，由圖可知，每一第一變換電路之第一機側變換器的兩個橋臂的載波及第二變換電路之三個橋臂中對應的橋臂的載波之間的相移角為120°，且調變波S_a完全相同，在此調變方式下，第一變換電路輸出之線電壓Vab(如第1圖所示)可有7電平，因此相較於第11圖所示在第一載波移相模式下沒有進行SPWM載波移相控制，本案之風力發電系統1如第10圖所示在第一載波移相模 式下進行SPWM載波移相控制確實減小了複數個第一變換電路之第一機側端口100及第二變換電路之第二機側端口110上的瞬間電壓變化量及電流諧波。另外，在第一載波移相模式下，若第二變換電路處於撬棍模式運作，由於第二變換電路11之機側變換器112係處於短路狀態，故僅複數個第一變換電路之第一機側變換器採用正弦脈波寬度調變而進行載波移相控制，且每一第一機側變換器的兩個橋臂的載波之間的相移角度為180°，而在此狀況下，同樣可減小複數個第一變換電路之第一機側端口100及第二變換電路之第二機側端口110上的瞬間電壓變化量及電流諧波。
在第二載波移相模式下，亦即在第一變換電路為交流/直流/交流電路架構且第二變換電路為交流/交流電路架構的條件下，第一變換電路之第一機側變換器係採用正弦脈波寬度調變而進行載波移相控制，因此無論第二變換電路係處於非撬棍模式運作或撬棍模式運作時，每一第一變換電路之第一機側變換器的任意兩個橋臂間的載波之間的相移角為180°。亦即如第9圖所示，其中tri1為第一機側變換器的左橋臂的載波，tri2為第一機側變換器的右橋臂的載波，且調變波S_a完全相同，在此調變方式下，第一變換電路輸出之線電壓Vab(如第1圖)可有5電平，因此相較於第13圖所示在第二載波移相模式下沒有進行SPWM載波移相控制，本案之風力發電系統1如第12圖所示在第二載波移相模式下進行SPWM載波移相控制確實減小了複數個第一變換電路之第一機側端口100及第二變換電路之第二機側端口110上之瞬間電壓變化量及電流諧波，另外通過撬棍模式運作，幅度調變比可比非撬棍模式運作提高1.5倍，從而更降低諧波分量。
綜上所述，本案提供一種風力發電系統，該風力發電系統除了具有複數個第一變換電路外，更具有第二變換電路，且第二變換電路之第二機側端口係與每一第一變換電路之第一機側端口串聯電連接，而第二變換電路之一第二網側端口係與複數個次級繞組中對應的次級繞組電連接，藉此不但可使隔離變壓器之次級繞組之個數減少，且因第二變換電路可選擇性地運作來分擔複數個第一變換電路的電能轉換工作，藉此降低複數個第一變換電路所承受的電壓應力，故風力發電系統可選用耐壓程度較低之功率器件即可實現對中壓之風力發電機的控制，此外，本案之風力發電系統在功率器件之數目控制在相對較少的情況下可無須使用耐壓程度較高的功率器件，更大幅減少風力發電系統之生產成本。再者，由於本案之第二變換電路可依據風力發電機之三相繞組中之任一相繞組的相電壓與及與其相連的第一變換電路之第一機側端口所輸出的輸出電壓的最大值之間的比較結果而執行撬棍模式運作或非撬棍模式運作，故可藉由撬棍模式運作減少風力發電系統之電能損耗，並藉由非撬棍模式運作使第二變換電路分擔複數個第一變換電路的電能轉換工作。更甚者，本案之風力發電系統之複數個第一變換電路之複數個第一機側變換器及第二變換電路之第二機側變換器係可採用正弦脈波寬度調變而進行載波移相控制，進而減少複數個第一變換電路之第一機側端口及第二變換電路之第二機側端口之瞬間電壓變化量及電流諧波。
本案得由熟習此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。
1‧‧‧風力發電系統
10‧‧‧第一變換電路
100‧‧‧第一機側端口
101‧‧‧第一網側端口
102‧‧‧第一機側變換器
103‧‧‧第一網側變換器
104‧‧‧第一直流母線儲存單元
105‧‧‧斬波電路
11‧‧‧第二變換電路
110‧‧‧第二機側端口
111‧‧‧第二網側端口
112‧‧‧第二機側變換器
113‧‧‧第二網側變換器
114‧‧‧第二直流母線儲存單元
8‧‧‧風力發電機
80‧‧‧電能傳輸端
T‧‧‧隔離變壓器
Np‧‧‧次級繞組
Vdc1‧‧‧第一直流電壓
Vdc2‧‧‧第二直流電壓
ia、ib、ic‧‧‧三相電流
Vab‧‧‧線電壓

Claims (20)

  1. 一種風力發電系統，係電連接於一風力發電機以及一隔離變壓器之間，該風力發電系統係包含：複數個第一變換電路，每一該第一變換電路之一第一機側端口係與該風力發電機電連接，每一該第一變換電路之一第一網側端口係與該隔離變壓器之複數個次級繞組中對應的該次級繞組電連接，每一該第一變換電路係進行電能轉換；以及一第二變換電路，該第二變換電路之一第二網側端口係與該複數個次級繞組中對應的該次級繞組電連接，且該第二變換電路更包含複數個第二機側端口，每一該第二機側端口係與對應之該第一變換電路之該第一機側端口串聯連接，並經由該第一變換電路與該風力發電機電連接，該第二變換電路係可選擇性地執行一撬棍模式運作或執行一非撬棍模式運作，並於該非撬棍模式運作時進行電能轉換，以分擔該複數個第一變換電路的電能轉換工作。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之風力發電系統，其中該風力發電機之電壓等級係為1KV~10KV。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之風力發電系統，其中每一該第一變換電路之該第一機側端口與該風力發電機之三相繞組中對應的一相繞組電連接。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之風力發電系統，其中當該風力發電機之該三相繞組中之任一相繞組的相電壓大於與其相連的該第一機側端口所輸出之一輸出電壓的最大值時，該第二變換電路係執 行該非撬棍模式運作。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之風力發電系統，其中當該風力發電機之該三相繞組中之任一相繞組的相電壓小於或等於與其相連的該第一機側端口所輸出之該輸出電壓的最大值時，該第二變換電路係執行該撬棍模式運作，而於該撬棍模式中，該第二變換電路之每一該第二機側端口係形成短路。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之風力發電系統，其中該第一變換電路係為三相/單相轉換電路，且為交流/直流/交流之電路架構。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之風力發電系統，其中該第二變換電路係為三相/三相轉換電路，且為交流/直流/交流之電路架構。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之風力發電系統，其中每一該第一變換電路包含一第一機側變換器，且該第一機側變換器包含兩個橋臂。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之風力發電系統，其中該第二變換電路包含一第二機側變換器，該第二機側變換器包含三個橋臂。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之風力發電系統，其中該複數個第一變換電路之該第一機側變換器及該第二變換電路之該第二機側變換器係採用正弦脈波寬度調變而進行載波移相控制，且當該第二變換電路處於該非撬棍模式運作時，每一該第一機側變換器的兩個該橋臂的載波及該第二變換電路之三個該橋臂中對應的該橋臂的載波之間的相移角度分別為120°。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之風力發電系統，其中該複數個第一變換電路之該第一機側變換器係採用正弦脈波寬度調變而進行載波移相控制，且當該第二變換電路處於該撬棍模式運作時，每一該第一機側變換器的兩個該橋臂的載波之間的相移角度為180°。
  12. 如申請專利範圍第5項所述之風力發電系統，其中該第一變換電路及該第二變換電路係兩電平之電路架構。
  13. 如申請專利範圍第5項所述之風力發電系統，其中該第一變換電路及該第二變換電路係為三電平之電路架構。
  14. 如申請專利範圍第6項所述之風力發電系統，其中該第二變換電路係為三相/三相轉換電路，且為交流/交流之電路架構。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之風力發電系統，其中每一該第一變換電路包含一第一機側變換器，且該第一機側變換器包含兩個橋臂，而每一該第一機側變換器係採用正弦脈波寬度調變而進行載波移相控制，每一該第一機側變換器的兩個該橋臂的載波之間的相移角度為180°。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之風力發電系統，其中該第二變換電路係為雙級矩陣變換電路。
  17. 如申請專利範圍第14項所述之風力發電系統，其中該第二變換電路係為常規矩陣變換電路。
  18. 如申請專利範圍第5項所述之風力發電系統，其中該第一變換電路係為三相/單相轉換電路，且為交流/交流之電路架構。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之風力發電系統，其中該第一變換電路係為三相/單相矩陣變換電路。
  20. 如申請專利範圍第1項所述之風力發電系統，其中該複數個第一變換電路係為三個，且該隔離變壓器之該次級繞組的個數係對應於該第一變換電路之個數與該第二變換電路之個數的總和而為四個。
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