TWI682352B - 風力發電模擬系統 - Google Patents

Abstract

一種風力發電模擬系統，其包括電子處理裝置、控制介面、伺服馬達、扭力裝置以及風力發電裝置。電子處理裝置透過控制介面令伺服馬達轉動以模擬風場且回傳伺服馬達的轉速資訊至控制介面，扭力裝置偵測伺服馬達於運轉時的扭力資訊並回傳其至控制介面，控制介面的運算單元運算出模擬發電量並傳送其至電子處理裝置；風力發電裝置根據風場的風力產生實際發電量，並透過控制介面回傳其至電子處理裝置，最後電子處理裝置根據實際發電量和實際發電量運送出轉換效率，透過轉換效率的計算，模擬和預估風力發電裝置產生的發電量。

Description

風力發電模擬系統

本發明關於一種風力發電模擬系統，透過伺服馬達模擬風場，並搭配控制介面和電子處理裝置的運算，模擬和預估風力發電裝置產生的發電量。

由於環保意識的抬頭，政府目前正積極尋找其他綠色能源來替代核能發電廠，而風力發電由於其所佔的地面積較小及單位土地發電量則較高，而成為為綠色能源的首選並備受期待。

隨著風力發電的發展，越來越多企業需要測試風力發電裝置的可行性，以確保風力發電裝置在整個實際風力發電系統中能運作以發電，勢必需要模擬風場的環境來實測風力發電裝置的運作，因此，本發明之發明者思索並設計一種風力發電模擬系統，以期針對習知技術之缺失加以改善，進而增進產業上之實施利用。

有鑑於上述習知之問題，本發明的目的在於提供一種風力發電模擬系統，用以解決習知技術中所面臨之問題。

基於上述目的，本發明提供一種風力發電模擬系統，一種風力發電模擬系統，其包括電子處理裝置、控制介面、伺服馬達、扭力裝置以及風力 發電裝置。控制介面電性連接電子處理裝置並具有運算單元；伺服馬達電性連接控制介面，當電子處理裝置下達控制指令至控制介面時，控制介面根據控制指令使伺服馬達運轉以取得伺服馬達的轉速資訊及模擬風場，並回傳轉速資訊至控制介面；扭力裝置機械性連接伺服馬達及電性連接控制介面，並感測伺服馬達於運轉時的扭力資訊，且回傳扭力資訊至控制介面，運算單元根據接收的扭力資訊和轉速資訊運算出模擬發電量，並傳送模擬發電量至電子處理裝置；風力發電裝置電性連接控制介面且機械性連接扭力裝置，伺服馬達透過扭力裝置傳遞風場的能量至風力發電裝置，風力發電裝置從而產生實際發電量，並透過控制介面回傳實際發電量至電子處理裝置，電子處理裝置根據模擬發電量和實際發電量運算出轉換效率，電子處理裝置顯示模擬發電量和實際發電量的數值，透過轉換效率的計算，模擬和預估風力發電裝置產生的發電量及性能，進而提供工程師評估的依據。

較佳地，更包括負載元件，負載元件連接於風力發電裝置和控制介面之間。

較佳地，控制介面為嵌入式控制器，電子處理裝置設有相應控制介面的程式，以利於工程師控制伺服馬達及加快轉速資訊和扭力資訊的處理速度。

較佳地，控制介面具有控制端和接收端，控制端連接伺服馬達，接收端連接扭力裝置及風力發電裝置。

較佳地，伺服馬達具有驅動件及偵測件，驅動件和偵測件皆連接控制端，驅動件接收控制指令使伺服馬達運轉，偵測件偵測伺服馬達運轉時的轉速並整合其為轉速資訊及回傳轉速資訊至控制介面。

較佳地，電子處理裝置建立風力發電模型於控制介面，運算單元根據風力發電模型運算，工程師也能根據風力發電裝置的不同建立不同的風力發電模型。

較佳地，電子處理裝置更包括資料庫，資料庫儲存每次運算單元運算的模擬發電量、每次風力發電裝置產生的實際發電量以及每次電子處理裝置運算的轉換效率，以提供工程師評估及將風力發電裝置的內部元件配置最佳化。

承上所述，本發明之風力發電模擬系統，其可具有一或多個下述優點：

(1)本發明之風力發電模擬系統，透過伺服馬達模擬風場，並搭配電子處理裝置的控制介面的運算，評估及模擬風力發電裝置欲產生的發電量及性能。

(2)本發明之風力發電模擬系統，透過資料庫的設置，評估風力發電裝置的實際發電量及轉換效率，並優化風力發電裝置的內部元件配置。

10‧‧‧電子處理裝置

11‧‧‧資料庫

20‧‧‧控制介面

21‧‧‧運算單元

22‧‧‧控制端

23‧‧‧接收端

30‧‧‧伺服馬達

31‧‧‧驅動件

32‧‧‧偵測件

40‧‧‧扭力裝置

50‧‧‧風力發電裝置

51‧‧‧負載元件

AE‧‧‧實際發電量

C‧‧‧控制指令

CE‧‧‧轉換效率

Ek‧‧‧風場的能量

M‧‧‧風力發電模型

R‧‧‧轉速資訊

SE‧‧‧模擬發電量

T‧‧‧扭力資訊

第1圖為本發明之風力發電模擬系統的第一實施例的方塊圖。

第2圖為本發明之風力發電模擬系統的第一實施例的伺服馬達的數據圖。

第3圖為本發明之風力發電模擬系統的第二實施例的方塊圖。

第4圖為本發明之風力發電模擬系統的第二實施例的伺服馬達和風力發電裝置的數據圖。

第5圖為本發明之風力發電模擬系統的第二實施例的負載元件的數據圖。

第6圖為本發明之風力發電模擬系統的第二實施例的伺服馬達模擬風速3m/s到10m/s的正弦波和風力發電裝置之發電量的數據圖。

本發明之優點、特徵以及達到之技術方法將參照例示性實施例及所附圖式進行更詳細地描述而更容易理解，且本發明可以不同形式來實現，故不應被理解僅限於此處所陳述的實施例，相反地，對所屬技術領域具有通常知識者而言，所提供的實施例將使本揭露更加透徹與全面且完整地傳達本發明的範疇，且本發明將僅為所附加的申請專利範圍所定義。

請參閱第1圖，其為本發明之風力發電模擬系統的第一實施例的方塊圖。於本實施例中，本發明之風力發電模擬系統，其包括電子處理裝置10、控制介面20、伺服馬達30、扭力裝置40以及風力發電裝置50。控制介面電性連接電子處理裝置10並具有運算單元21、控制端22以及接收端23；伺服馬達30電性連接控制介面20的控制端22，且包括連接控制端22的驅動件31和偵測件32，當電子處理裝置10下達控制指令C至控制介面20時，控制介面20傳輸控制指令至驅動件31，驅動件31接收控制指令C使伺服馬達30運轉及模擬風場，偵測件32偵測伺服馬達30運轉時的轉速並整合其為轉速資訊R及回傳轉速資訊R至控制介面20；扭力裝置40機械性連接伺服馬達30及電性連接控制介面40的接收端23，並感測伺服馬達30於運轉時的扭力資訊T，且回傳扭力資訊T至控制介面40的接收端，運算單元21接收扭力資訊T和轉速資訊R，同時電子處理裝置10建立風力發電模型M於控制介面20，運算單元21根據扭 力資訊T、轉速資訊R以及風力發電模型M運算出模擬發電量SE，並傳送模擬發電量SE至電子處理裝置10；風力發電裝置50電性連接控制介面20且機械性連接扭力裝置40，伺服馬達30透過扭力裝置40傳遞風場的能量Ek至風力發電裝置50，風力發電裝置50從而產生實際發電量AE，並透過控制介面20回傳實際發電量AE至電子處理裝置10，電子處理裝置10根據模擬發電量AE和實際發電量SE運算出轉換效率CR，電子處理裝置10顯示模擬發電量AE和實際發電量SE的數值，透過轉換效率CR的計算，模擬和預估風力發電裝置50產生的發電量及性能，進而提供工程師評估的依據。

另外，控制介面20為嵌入式控制器，電子處理裝置10設有相應控制介面20的程式，以利於工程師控制伺服馬達30及加快轉速資訊R和扭力資訊T的處理速度；舉例來說，控制介面20為NI CompactRIO，程式為Labview，當然也可為其他種類的控制器和程式，而並未侷限於本發明所列舉的範圍。

請參閱第2圖，其為本發明之風力發電模擬系統的第一實施例的伺服馬達的數據圖。如第2圖所示，並搭配第1圖說明：估計伺服馬達30的預估功率為1500W，測得的伺服馬達30的額定扭力約為24Nm，接著開始啟動伺服馬達30，伺服馬達30的轉速資訊R的數值開始升高至1500rpm至1600rpm之間並慢慢開始趨於穩定至1500rpm，同時，伺服馬達30的控制扭力開始從24Nm開始下降並慢慢開始穩定於10Nm，從而算出實際功率的曲線圖，實際功率的曲線所運算的式子如下：實際功率=控制扭力*轉速資訊R/9.5488

從上述得知，伺服馬達30能根據預估功率穩定地輸出，並搭配前述式子加以調整控制扭力和轉速資訊R。

請參閱第3圖，其為本發明之風力發電模擬系統的第二實施例的方塊圖。於本實施例中，相同元件符號之元件，其配置與前述類似，其類似處於此便不再加以贅述。

如第3圖所示，更包括負載元件51，負載元件51連接於風力發電裝置51和控制介面20之間；電子處理裝置10更包括資料庫11，資料庫11儲存每次運算單元21運算的模擬發電量SE、每次風力發電裝置50產生的實際發電量AE以及每次電子處理裝置10運算的轉換效率CR，以提供工程師評估及將風力發電裝置50的內部元件配置最佳化，且資料庫11內存有各種不同的風力發電模型M，工程師也能根據風力發電裝置50的不同，利用不同的風力發電模型M估算模擬發電量SE，以因應各種類型的風力發電裝置50。

請參閱第4圖，其為本發明之風力發電模擬系統的第二實施例的伺服馬達和風力發電裝置的數據圖。如第4圖所示，並搭配第3圖說明如下：(1)估計伺服馬達30的預估功率為1600W，接著開始啟動伺服馬達30，伺服馬達30的轉速資訊R的數值在為2000rpm和1300rpm之間振盪，在800ms至約3200ms之間開始穩定為2000rpm；伺服馬達的控制扭力開始從約24Nm下降振盪，並在800ms約3200ms之間開始穩定於7.5Nm；扭力資訊T為扭力裝置40感測伺服馬達30的數值而剛開始處於振盪狀態，並在1000ms之後開始偵測的伺服馬達30的扭力值而增加，且在2500ms時開始與控制扭力的數據同步；實際功率開始輸出為1600W，同時風力發電裝置50開始從原本的輸出400W開始逐步增加至1600W。(2)接著在時間為3200ms至4000ms之間振盪，並在4000ms之間開始趨於穩定於1700rpm，同時扭力資訊T逐漸穩定於9.5Nm，控制扭力逐漸穩定於9N m。

請參閱第5圖，其為本發明之風力發電模擬系統的第二實施例的負載元件的數據圖。如第5圖所示，並搭配第3圖和第4圖說明：電壓在1000ms開始上升至約200V，電流在1000ms開始上升至約6A開始穩定，功率在1000ms開始上升至約1100W開始穩定，且負載元件51的平均功率轉換效率為0.71，得知負載元件51能妥善地運用風力發電裝置50的發電量。

請參閱第6圖，其為本發明之風力發電模擬系統的第二實施例的伺服馬達模擬風速3m/s到10m/s的正弦波和風力發電裝置之發電量的數據圖。電子處理裝置10輸入正弦波的控制指令至控制介面20，控制介面20使伺服馬達30運轉以模擬風速3m/s到10m/s的風場，其中，伺服馬達30的模擬轉速的數值600rpm對應風速3m/s，伺服馬達30的模擬轉速的數值2000rpm對應風速10m/s。當風速為3m/s時，伺服馬達30的控制扭力之扭力值約為2Nm，伺服馬達30的實際功率約為100W，同時，伺服馬達30的風場的能量Ek透過扭力裝置40傳輸至風力發電裝置50，使風力發電裝置50和伺服馬達30同步轉動，風力發電裝置50此時的轉速約為600rpm，風力發電裝置50從而開始發電並輸出發電量約為100W；當風速為10m/s時，伺服馬達30的控制扭力之扭力值約為23Nm，伺服馬達30的實際功率約為5000W，同時，伺服馬達30的風場的能量Ek透過扭力裝置40傳輸至風力發電裝置50，使風力發電裝置50和伺服馬達30同步轉動，風力發電裝置50此時的轉速約為1500rpm，風力發電裝置50從而開始發電，並輸出發電量約為5000W且其為最大之發電量。

綜上所述，本發明之風力發電模擬系統，透過伺服馬達30來模擬風場，並搭配風力發電裝置50和控制介面20以及風力發電模型M的建立，運算出模擬發電量AE、實際發電量SE以及轉換效率CR，評估風力發電裝置50 的性能，且資料庫11具有各種不同類型的風力發電模型M，以因應各種類型的風力發電裝置50。總括而言，本發明之風力發電模擬系統，具有如上述的優點，模擬及評估風力發電裝置50的運作和性能。

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。

10‧‧‧電子處理裝置

20‧‧‧控制介面

21‧‧‧運算單元

22‧‧‧控制端

23‧‧‧接收端

30‧‧‧伺服馬達

31‧‧‧驅動件

32‧‧‧偵測件

40‧‧‧扭力裝置

50‧‧‧風力發電裝置

AE‧‧‧實際發電量

C‧‧‧控制指令

CE‧‧‧轉換效率

M‧‧‧風力發電模型

R‧‧‧轉速資訊

Ek‧‧‧風場的能量

Claims (7)

1. 一種風力發電模擬系統，其包括：一電子處理裝置；一控制介面，電性連接該電子處理裝置並具有一運算單元；一伺服馬達，電性連接該控制介面，當該電子處理裝置下達一控制指令至該控制介面時，該控制介面根據該控制指令使該伺服馬達運轉以取得該伺服馬達的一轉速資訊及模擬一風場，並回傳該轉速資訊至該控制介面；一扭力裝置，機械性連接該伺服馬達上及電性連接該控制介面，並感測該伺服馬達於運轉時的一扭力資訊，且回傳該扭力資訊至該控制介面；以及一風力發電裝置，電性連接該控制介面且機械性連接該扭力裝置，該伺服馬達透過該扭力裝置傳遞該風場的能量至該風力發電裝置，該風力發電裝置從而產生一實際發電量，並透過該控制介面回傳該實際發電量至該電子處理裝置；其中，該電子處理裝置包括一資料庫，該資料庫儲存每次該運算單元運算的一模擬發電量、每次該風力發電裝置產生的該實際發電量以及每次該電子處理裝置運算的一轉換效率。
2. 如申請專利範圍第1項所述之風力發電模擬系統，其中，該運算單元根據接收的該扭力資訊和該轉速資訊運算出該模擬發電量，並傳送該模擬發電量至該電子處理裝置，該電子處理裝置根據該模擬發電量和該實際發電量運算出該轉換效率。
3. 如申請專利範圍第2項所述之風力發電模擬系統，其中，該電子處理裝置建立一風力發電模型於該控制介面，該運算單元根據該風力發電模型運算。
4. 如申請專利範圍第1項所述之風力發電模擬系統，其中，更包括一負載元件，該負載元件連接於該風力發電裝置和該控制介面之間。
5. 如申請專利範圍第1項所述之風力發電模擬系統，其中，該控制介面為嵌入式控制器。
6. 如申請專利範圍第1項所述之風力發電模擬系統，其中，該控制介面具有一控制端和一接收端，該控制端連接該伺服馬達，該接收端連接該扭力裝置及該風力發電裝置。
7. 如申請專利範圍第6項所述之風力發電模擬系統，其中，該伺服馬達具有一驅動件及一偵測件，該驅動件和該偵測件皆連接該控制端，該驅動件接收該控制指令使該伺服馬達運轉，該偵測件偵測該伺服馬達運轉時的轉速並整合其為該轉速資訊及回傳該轉速資訊至該控制介面。

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