TWI697196B - 發電系統的動力分配控制裝置及其動力分配控制方法 - Google Patents

發電系統的動力分配控制裝置及其動力分配控制方法 Download PDF

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Abstract

一種發電系統的動力分配控制裝置包括行星齒輪組、主電機、受控電機與控制器。行星齒輪組具有三個旋轉元件，包括太陽齒輪、環形齒輪以及行星架，各旋轉元件適於作為輸入端、第一連接端以及第二連接端，輸入端適於接收輸入功率並將其分配至第一連接端以及第二連接端。主電機連接第一連接端，受控電機連接第二連接端。控制器依據主電機轉速來改變受控電機的負載，包括將受控電機作為發電機來儲存來自第二連接端的能量，或是將受控電機作為馬達而輸出能量至第二連接端，以控制第一連接端的轉速，進而穩定主電機的輸出功率。

Description

發電系統的動力分配控制裝置及其動力分配控制方法
本揭露是有關於一種發電系統，且特別是有關於一種發電系統的動力分配控制裝置及其動力分配控制方法。
由於再生能源的不穩定特性，如何降低再生能源對電網的衝擊是再生能源的關鍵技術。一般來說，習知技術以屏蔽或旁通超限能量做為維持電力穩定輸出的主要技術手段，例如地熱能源以旁通閥控制入口熱源之流量、風力能源以改變葉片攻角調節葉片轉速等。在電力併網(on-grid)的技術領域，多利用控制電機轉速、或採用在線式不斷電系統(On-line UPS)以達成電力輸出穩定之目標。關於控制電機轉速，由於動力來源的不穩定特性，一般採用機械轉換的方式以穩定電機轉速，然而此將造成能量傳遞損耗而降低系統效率。關於線式不斷電系統(On-line UPS)，則受限於電池之成本與壽命而使生產與維護成本增加。
此外，若發電機組為固定齒比的直驅系統，動力將直接傳遞至電機系統。為屏蔽超限能量，其電網端需負擔龐大的成本以吸收超限能量，或者必須設計可調節輸入能量之控制機制。此外，電機的轉速若直接受到輸入軸轉速影響，將使電機系統之工作轉速難以維持於設計點轉速下，電機之離點操作將導致系統效率低落。
有鑒於此，本揭露提出一種可自適調節能量轉換效率以追求最大功率輸出，並持續提供穩定電力的動力分配控制裝置及其動力分配控制方法，其利用行星齒輪組將動力分配至兩組相依的電機，並控制其中一組電機之負載以使另一組電機的轉速維持穩定，以實現低成本之併網控制技術。
本揭露的實施例提供一種發電系統的動力分配控制裝置。動力分配控制裝置包括行星齒輪組、主電機、受控電機以及控制器。行星齒輪組，具有三個旋轉元件，包括太陽齒輪、環形齒輪以及行星架，各旋轉元件適於作為輸入端、第一連接端以及第二連接端，輸入端適於接收輸入功率並將其分配至第一連接端以及第二連接端。主電機連接第一連接端。受控電機連接第二連接端。控制器連接主電機與受控電機，並且依據主電機轉速來改變受控電機的負載，包括將受控電機作為發電機來儲存來自第二連接端的能量，或是將受控電機作為馬達而輸出能量至第二連接端，以控制第一連接端的轉速，進而穩定主電機的輸出功率。
基於上述，本揭露諸實施例所述發電系統的動力分配控制裝置及其動力分配控制方法可以兼顧最大輸出功率與功率穩定性。本揭露採用行星齒輪式傳動系統，輸入功率分別分配至主電機與受控電機，並依據主電機轉速來改變受控電機的負載。當輸入功率過大時，使受控電機作為發電機來儲存多餘的輸入功率，當輸入功率過小時，使受控電機作為馬達來補充不足的輸入功率，進而穩定主電機的輸出功率。
為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
100、200:動力分配控制裝置
110:行星齒輪組
111:太陽齒輪
112:環形齒輪
113:行星架
114:行星齒輪
120:主電機
130:受控電機
140:控制器
210:控制電路
220:儲能裝置
230:電力轉換器
240:輸入軸
250:轉速量測裝置
310:絞盤
PIN:輸入功率
POUT:輸出功率
P*:目標功率
S910~S950:步驟
圖1是本揭露之一實施例中的發電系統的動力分配控制裝置的示意圖。
圖2是本揭露之一實施例中的發電系統的動力分配控制裝置的系統方塊圖。
圖3是圖1中行星齒輪組的各旋轉元件連接至主電機、受控電機與絞盤的第一實施例。
圖4是圖1中行星齒輪組的各旋轉元件連接至主電機、受控電機與絞盤的第二實施例。
圖5是圖1中行星齒輪組的各旋轉元件連接至主電機、受控電機與絞盤的第三實施例。
圖6是圖1中行星齒輪組的各旋轉元件連接至主電機、受控電機與絞盤的第四實施例。
圖7是圖1中行星齒輪組的各旋轉元件連接至主電機、受控電機與絞盤的第五實施例。
圖8是圖1中行星齒輪組的各旋轉元件連接至主電機、受控電機與絞盤的第六實施例。
圖9為太陽齒輪的力矩與轉速的物理模型示意圖
圖10為主電機與受控電機在動力分配控制前後的功率-時間曲線的示意圖
圖11是本揭露之一實施例中的動力分配控制方法的示意圖。
本揭露的動力分配控制裝置適於電力併網之發電系統，適用於各種電力來源，例如是地熱、風力等。雖然下列實施例繪示了幾種可能的態樣，但動力分配控制裝置的實際數量、形狀、位置等當可隨著應用的場合以及需求有所變化，而不限於下列實施例所示的內容。所屬技術領域中具有通常知識者在參酌本揭露的內容後，當可依申請當時的技術水平，以本揭露的技術特徵為基礎進行可能的更動與調整。
本揭露具功率追蹤特性以及超限能量屏蔽能力，適於高變異之輸入功率環境，例如諸多再生能源。
圖1是本揭露之一實施例中的一種發電系統的動力分配 控制裝置100，其包括行星齒輪組110、主電機120、受控電機130以及控制器140。行星齒輪組110具有三個旋轉元件，包括太陽齒輪111、環形齒輪112以及行星架113，太陽齒輪111、環形齒輪112以及行星架113可以是既有結構，本揭露未限於此。在一實施例中，上述三個旋轉元件分別做為行星齒輪組110的輸入端、第一連接端與第二連接端(未繪示)，本實施例並未限制上述三個旋轉元件分別與輸入端、第一連接端與第二連接端的對應關係。舉例來說，可以是環形齒輪112作為輸入端、行星架113作為第一連接端以及太陽齒輪111作為第二連接端，也可以是環形齒輪112作為輸入端、太陽齒輪111作為第一連接端以及行星架113作為第二連接端，以此類推共六種連接關係，於後文詳述。
在一實施例中，行星齒輪組110是具有兩個自由度的機械傳動裝置，意即只有當知道三個旋轉元件中任意兩個旋轉元件的轉速時，才能確定另一旋轉元件的轉速。參照圖1，行星齒輪組110的輸入端接收輸入功率PIN並將輸入功率PIN分配至第一連接端與第二連接端，其中輸入端、第一連接端與第二連接端分別為太陽齒輪111、環形齒輪112以及行星架113的其中一者。
主電機120連接在行星齒輪組110的第一連接端與控制器140之間，輸入功率PIN可透過行星齒輪組110的第一連接端而分配至主電機120，從而主電機120可提供輸出功率POUT至外部。在一實施例中，主電機120例如是一種發電機，本揭露未限於此。
受控電機130連接在行星齒輪組110的第二連接端與控制器140之間，因此輸入功率PIN可透過行星齒輪組110的第二連接端而分配至受控電機130，從而將來自第二連接端的能量儲存於控制器140中。另一方面，控制器140亦可將能量反向輸入驅動受控電機130，進而輸出功率至第二連接端。在一實施例中，受控電機130在一時段中可視為一種發電機，而在另一時段中可視為一種馬達，本揭露未限於此。
控制器140連接主電機120與受控電機130，並且依據主電機120轉速條件來改變受控電機130的負載，包括將受控電機130作為發電機來儲存來自第二連接端的能量，或是將受控電機130作為馬達而輸出能量至第二連接端，以控制第一連接端的轉速，進而穩定主電機120的輸出功率。具體而言，控制器140接收目標功率P*，並依據一個主電機120的轉速條件來改變受控電機130的負載。在一實施例中，功率P*為主電機120穩定輸出之目標功率，結合當下之主電機120轉速資料即可推算受控電機之控制因子，關於控制因子的計算方式於後文詳述。控制器140依據主電機120轉速來改變受控電機130的負載的方式有兩種，包括使受控電機130作為發電機將來自第二連接端的能量儲存於控制器140內，或是使受控電機130作為馬達，控制器140提供能量以驅動受控電機130進而輸出能量至第二連接端。由於受控電機130連接至第二連接端，且行星齒輪組110具有兩個自由度，因此在控制器140改變受控電機130的負載後，得以依據輸入端與第二 連接端而控制第一連接端的轉速，進而穩定主電機120的輸出轉速與輸出功率POUT。
圖2是本揭露之一實施例中的發電系統的動力分配控制裝置200的系統方塊圖。請同時參照圖1與圖2，與圖1相同之處不再贅述，相較於圖1，圖2還包括輸入軸240，輸入軸240為一種可接收不穩定能量來源的機械軸，用以接收輸入功率PIN，並將輸入功率PIN往行星齒輪組110傳輸。此外，控制器140包括控制電路210、儲能裝置220以及電力轉換器230與轉速量測裝置250。
控制電路210連接轉速量測裝置250以及電力轉換器230，控制電路210接收目標功率P*，並透過轉速量測裝置250擷取行星齒輪組110的三個旋轉元件中第一連接端的轉速資料，以取得主電機120的轉速資訊，控制電路210藉由目標功率P*以及主電機120的轉速資料來計算電力轉換器230的輸出電流大小與流向，並提供電力轉換器230一指令以使電力轉換器230輸出經計算的輸出電流至受控電機130，而改變受控電機130的負載，其計算方式於後文詳述。
儲能裝置220連接電力轉換器230，在一實施例中，儲能裝置220例如是電池或超級電容，用以儲存或釋放來自第二連接端的能量至電力轉換器230。
電力轉換器230連接受控電機130、儲能裝置220與控制電路210，電力轉換器230可依據控制電路210所提供的指令分配 來自儲能裝置220的能量至受控電機130，所述指令可使電力轉換器230輸出經計算的輸出電流至受控電機130。由於行星齒輪組110為具兩個自由度的機械傳動裝置，因此可透過調整第二連接端的轉速來控制第一連接端的轉速，進而穩定主電機的輸出功率POUT。
轉速量測裝置250配置於主電機120與控制電路210之間，用以量測主電機120的轉速資訊，並提供給控制電路210。控制電路210依據已量測的轉速資訊來計算受控電機130的負載特性參數，接著通過已計算的負載特性參數來改變受控電機130的負載，從而調整第二連接端的轉速來使第一連接端的轉速維持穩定，進而穩定主電機120的輸出功率POUT。在一實施例中，受控電機130的負載特性參數即控制因子，關於控制因子的計算方式於後文詳述。
表一為環形齒輪112、太陽齒輪111與行星架113的機械參數表。參照表一，環形齒輪112、太陽齒輪111與行星架113的扭力分別為TR、TS以及TA。環形齒輪112、太陽齒輪111與行星架113的轉速分別為ω R 、ω S 以及ω A 。環形齒輪112、太陽齒輪111的齒數分別為ZR、ZS。環形齒輪112、太陽齒輪111與行星架113的轉動慣量分別為IR、IS以及IA，環形齒輪112、太陽齒輪111與行星架113分別連接至絞盤310、受控電機130與主電機120。
<表一>
Figure 108145642-A0305-02-0012-1
圖3是圖1中行星齒輪組的各旋轉元件連接至主電機、受控電機與絞盤的第一實施例。在此實施例中，環形齒輪112作為行星齒輪組110的輸入端，行星架113作為行星齒輪組110的第一連接端，而太陽齒輪111作為行星齒輪組110的第二連接端。並且，絞盤310連接至環形齒輪112，主電機120連接至行星架113，受控電機130連接至太陽齒輪111。其中，絞盤310用以提供輸入功率PIN。在此實施例中，行星齒輪組110還包括多個行星齒輪114，圖式僅為實施示例，本揭露並未限制行星齒輪114的數量。
同時參照圖3與表一，太陽齒輪111的半徑為RS，行星齒輪114的半徑為RP，環形齒輪的半徑為RR。依據上述，可定義行星齒輪系統的廣義座標(θ S ,θ A ,θ R ,θ P )與廣義力矩(T S ,T A ,T R ,T P )，其中S對應太陽齒輪111，A對應行星架113，R對應環形齒輪112，而P對應行星齒輪114。由行星齒輪系統的拘束條件與幾何條件可 列出(1)-(3)式：
Figure 108145642-A0305-02-0013-2
Figure 108145642-A0305-02-0013-3
R R =R S +2R P …(3)將(1)(2)(3)式整理可得到(4)式：
Figure 108145642-A0305-02-0013-4
 由於在同模數條件下半徑比等於齒數比，因此
Figure 108145642-A0305-02-0013-5
，故(4)式可改寫為(5)式：
Figure 108145642-A0305-02-0013-6
 關於行星齒輪系統總動能如(6)式：
Figure 108145642-A0305-02-0013-7
 由於行星齒輪114僅作為傳動用途，未與負載機構(即主電機120、受控電機130與絞盤310)結合，因此廣義力矩T P =0，且可合理假設IS、IA、IR皆遠大於IP。因此在低轉速下，可忽略IP、mP的質量效應，故(6)式可改寫為：
Figure 108145642-A0305-02-0013-8
 由虛功原理可知T P →0，故可推得(8)式：
Figure 108145642-A0305-02-0013-88
 結合(7)式與(8)式，並利用(5)式進行變數變換，即可以運用拉格朗日法(Lagrange method)計算運動方程組。
在第一實施例中，行星架113連接主電機120，而太陽齒輪111連接受控電機130，因此可由(5)式推得(9)式：
Figure 108145642-A0305-02-0014-10
 將(9)式代入(7)式可得(10)式：
Figure 108145642-A0305-02-0014-15
 由(9)式整理可得(11)式：
Figure 108145642-A0305-02-0014-12
 將(11)式帶入(8)式可得：
Figure 108145642-A0305-02-0014-13
 經比較係數後可得廣義力QS與QA，如(12)式：
Figure 108145642-A0305-02-0014-14
 將(10)(12)代入
Figure 108145642-A0305-02-0014-16
可得(13)式：
Figure 108145642-A0305-02-0014-17
 整理聯立方程式(13)，並消除T R 可得運動關係式(14)式：
Figure 108145642-A0305-02-0014-18
 在第一實施例中，行星架113連接主電機120，假設主電機120負載固定，則當主電機120達目標功率時轉速固定時，滿足(15)式：
Figure 108145642-A0305-02-0015-19
 其中P*為目標功率。接著，將(15)式代入(14)式，整理可推導出第一實施例的控制因子
Figure 108145642-A0305-02-0015-20
如(16)式：
Figure 108145642-A0305-02-0015-21
 其中α A 為行星架113的角加速度，α S 為太陽齒輪111的角加速度。加速度資訊在代入主電機120、受控電機130模型之物理模型後，可簡化消除，進而得到最終之控制方程式，如後實施例詳述。
同時參照圖2與圖3，藉由從主電機120的轉速資訊以及目標功率P*所計算的控制因子
Figure 108145642-A0305-02-0015-22
，控制電路210可以提供指令至電力轉換器230，以使電力轉換器230接收或釋出儲能裝置220之電能予受控電機130，從而改變受控電機130所輸出的扭力大小以及轉速，使主電機120轉速維持穩定。
圖4是圖1中行星齒輪組的各旋轉元件連接至主電機、受控電機與絞盤的第二實施例。在此實施例中，環形齒輪112作為行星齒輪組110的輸入端，太陽齒輪111作為行星齒輪組110的第一連接端，而行星架113作為行星齒輪組110的第二連接端。並且，絞盤310連接至環形齒輪112，主電機120連接至太陽齒輪111，受控電機130連接至行星架113。其中，絞盤310用以提供輸入功率PIN。在此實施例中，行星齒輪組110還包括多個行星齒 輪114，圖式僅為實施示例，本揭露並未限制行星齒輪114的數量。
在第二實施例中，太陽齒輪111連接主電機120，假設主電機120負載固定，則當主電機120達目標功率時轉速固定時，滿足(17)式：
Figure 108145642-A0305-02-0016-23
 其中P*為目標功率。接著，將(17)式代入(14)式，整理可推導出第二實施例的控制因子
Figure 108145642-A0305-02-0016-24
如(18)式：
Figure 108145642-A0305-02-0016-25
 其中α A 為行星架113的角加速度，α S 為太陽齒輪111的角加速度。加速度資訊在代入主電機120、受控電機130模型之物理模型後，可簡化消除，進而得到最終之控制方程式，如後實施例詳述。
同時參照圖2與圖4，藉由從主電機120的轉速資訊以及目標功率P*所計算的控制因子
Figure 108145642-A0305-02-0016-26
，控制電路210可以提供指令至電力轉換器230，以使電力轉換器230接收或釋出儲能裝置220之電能予受控電機130，從而改變受控電機130所輸出的扭力大小以及轉速，使主電機120轉速維持穩定。
圖5是圖1中行星齒輪組的各旋轉元件連接至主電機、受控電機與絞盤的第三實施例。在此實施例中，行星架113作為行星齒輪組110的輸入端，環形齒輪112作為行星齒輪組110的 第一連接端，而太陽齒輪111作為行星齒輪組110的第二連接端。並且，絞盤310連接至行星架113，主電機120連接至環形齒輪112，受控電機130連接至太陽齒輪111。其中，絞盤310用以提供輸入功率PIN。在此實施例中，行星齒輪組110還包括多個行星齒輪114，圖式僅為實施示例，本揭露並未限制行星齒輪114的數量。
同時參照圖5與表一，將(5)式整理為(19)式：
Figure 108145642-A0305-02-0017-27
 將(19)式代入(7)式可得(20)式：
Figure 108145642-A0305-02-0017-29
 將(19)式整理可得(21)式：
Figure 108145642-A0305-02-0017-30
 將(21)式代入(8)式可得：
Figure 108145642-A0305-02-0017-31
 經比較係數後可得廣義力QS與QA，如(22)式：
Figure 108145642-A0305-02-0017-32
 將(20)(22)代入
Figure 108145642-A0305-02-0017-33
可得(23)式：
Figure 108145642-A0305-02-0018-34
 整理聯立方程式(23)，並消除T A 可得運動關係式(24)式：
Figure 108145642-A0305-02-0018-35
 在第三實施例中，環形齒輪112連接主電機120，假設主電機120負載固定，則當主電機120達目標功率時轉速固定時，滿足(25)式：
Figure 108145642-A0305-02-0018-36
 其中P*為目標功率。接著，將(25)式代入(24)式，整理可推導出第三實施例的控制因子
Figure 108145642-A0305-02-0018-37
如(26)式：
Figure 108145642-A0305-02-0018-38
 其中α R 為環形齒輪112的角加速度，α S 為太陽齒輪111的角加速度。加速度資訊在代入主電機120、受控電機130模型之物理模型後，可簡化消除，進而得到最終之控制方程式，如後實施例詳述。
同時參照圖2與圖5，藉由從主電機120的轉速資訊以及目標功率P*所計算的控制因子
Figure 108145642-A0305-02-0018-39
，控制電路210可以提供指令至電力轉換器230，以使電力轉換器230接收或釋出儲能裝置220之電能予受控電機130，從而改變受控電機130所輸出的扭力大小以及轉速，使主電機120轉速維持穩定。
圖6是圖1中行星齒輪組的各旋轉元件連接至主電機、 受控電機與絞盤的第四實施例。在此實施例中，行星架113作為行星齒輪組110的輸入端，太陽齒輪111作為行星齒輪組110的第一連接端，而環形齒輪112作為行星齒輪組110的第二連接端。並且，絞盤310連接至行星架113，主電機120連接至太陽齒輪111，受控電機130連接至環形齒輪112。其中，絞盤310用以提供輸入功率PIN。在此實施例中，行星齒輪組110還包括多個行星齒輪114，圖式僅為實施示例，本揭露並未限制行星齒輪114的數量。
在第四實施例中，環形齒輪112連接主電機120，假設主電機負載固定，則當主電機達目標功率時轉速固定時，滿足(27)式：
Figure 108145642-A0305-02-0019-40
 其中P*為目標功率。接著，將(27)式代入(24)式，整理可推導出第四實施例的控制因子
Figure 108145642-A0305-02-0019-41
如(28)式：
Figure 108145642-A0305-02-0019-42
 其中α R 為環形齒輪112的角加速度，α S 為太陽齒輪111的角加速度。加速度資訊在代入主電機120、受控電機130模型之物理模型後，可簡化消除，進而得到最終之控制方程式，如後實施例詳述。
同時參照圖2與圖6，藉由從主電機120的轉速資訊以及目標功率P*所計算的控制因子
Figure 108145642-A0305-02-0019-43
，控制電路210可以提供指令 至電力轉換器230，以使電力轉換器230接收或釋出儲能裝置220之電能予受控電機130，從而改變受控電機130所輸出的扭力大小以及轉速，使主電機120轉速維持穩定。
圖7是圖1中行星齒輪組的各旋轉元件連接至主電機、受控電機與絞盤的第五實施例。在此實施例中，太陽齒輪111作為行星齒輪組110的輸入端，行星架113作為行星齒輪組110的第一連接端，而環形齒輪112作為行星齒輪組110的第二連接端。並且，絞盤310連接至太陽齒輪111，主電機120連接至行星架113，受控電機130連接至環形齒輪112。其中，絞盤310用以提供輸入功率PIN。在此實施例中，行星齒輪組110還包括多個行星齒輪114，圖式僅為實施示例，本揭露並未限制行星齒輪114的數量。
同時參照圖7與表一，將(5)式整理為(29)式：
Figure 108145642-A0305-02-0020-44
 將(29)式代入(7)式可得(30)式
Figure 108145642-A0305-02-0020-45
 將(29)式整理可得(31)式：
Figure 108145642-A0305-02-0020-46
 將(31)式代入(8)式可得：
Figure 108145642-A0305-02-0020-47
Figure 108145642-A0305-02-0021-96
 上式經比較係數後可得廣義力QS與QA，如(32)式：
Figure 108145642-A0305-02-0021-48
 將(30)(32)代入
Figure 108145642-A0305-02-0021-49
可得(33)式：
Figure 108145642-A0305-02-0021-50
 整理聯立方程式(33)，並消除T S 可得運動關係式(34)式：
Figure 108145642-A0305-02-0021-51
 在第五實施例中，行星架113連接主電機120，假設主電機120負載固定，則當主電機120達目標功率時轉速固定時，滿足(35)式：
Figure 108145642-A0305-02-0021-52
 其中P*為目標功率。接著，將(35)式代入(34)式，整理可推導出第五實施例的控制因子
Figure 108145642-A0305-02-0021-53
如(36)式：
Figure 108145642-A0305-02-0021-54
 其中α A 為行星架113的角加速度，α R 為環形齒輪112的角加速度。加速度資訊在代入主電機120、受控電機130模型之物理模型後，可簡化消除，進而得到最終之控制方程式，如後實施例詳述。
同時參照圖2與圖7，藉由從主電機120的轉速資訊以及 目標功率P*所計算的控制因子
Figure 108145642-A0305-02-0022-55
，控制電路210可以提供指令至電力轉換器230，以使電力轉換器230接收或釋出儲能裝置220之電能予受控電機130，從而改變受控電機130所輸出的扭力大小以及轉速，使主電機120轉速維持穩定。
圖8是圖1中行星齒輪組的各旋轉元件連接至主電機、受控電機與絞盤的第六實施例。在此實施例中，太陽齒輪111作為行星齒輪組110的輸入端，環形齒輪112作為行星齒輪組110的第一連接端，而行星架113作為行星齒輪組110的第二連接端。並且，絞盤310連接至太陽齒輪111，主電機120連接至環形齒輪112，受控電機130連接至行星架113。其中，絞盤310用以提供輸入功率PIN。在此實施例中，行星齒輪組110還包括多個行星齒輪114，圖式僅為實施示例，本揭露並未限制行星齒輪114的數量。
在第六實施例中，環形齒輪112連接主電機120假設主電機120負載固定，則當主電機120達目標功率時轉速固定時，滿足(37)式：
Figure 108145642-A0305-02-0022-56
 其中P*為目標功率。接著，將(37)式代入(34)式，整理可推導出第六實施例的控制因子
Figure 108145642-A0305-02-0022-59
如(38)式：
Figure 108145642-A0305-02-0022-57
 其中α A 為行星架113的角加速度，α R 為環形齒輪112的角加速度。加速度資訊在代入主電機120、受控電機130模型之物理模型後，可簡化消除，進而得到最終之控制方程式，如後實施例詳述。
同時參照圖2與圖8，藉由從主電機120的轉速資訊以及目標功率P*所計算的控制因子
Figure 108145642-A0305-02-0023-60
，控制電路210可以提供指令至電力轉換器230，以使電力轉換器230接收或釋出儲能裝置220之電能予受控電機130，從而改變受控電機130所輸出的扭力大小以及轉速，使主電機120轉速維持穩定。
關於受控電機130的控制方程式，以第一實施例為例，推導如下。首先整理(14)式以獲得(39)式：
Figure 108145642-A0305-02-0023-61
 將(19)式對時間微分可得(40)式：
Figure 108145642-A0305-02-0023-62
 將(40)式代入(39)式可得(41)式：
Figure 108145642-A0305-02-0023-63
 整理(40)式可獲得(42)式：
Figure 108145642-A0305-02-0023-64
 將(42)式代入(39)式可得(43)式：
Figure 108145642-A0305-02-0023-65
 假定輸入軸240轉速條件
Figure 108145642-A0305-02-0023-66
整理(5)式可獲得(45)式：
Figure 108145642-A0305-02-0024-67
 將(44)代入(45)式可得(46)式與(47)式：
Figure 108145642-A0305-02-0024-68
Figure 108145642-A0305-02-0024-69
 由於在第一實施例中，受控電機130與太陽齒輪111相連接，因此受控電機130與太陽齒輪111的物理模型相關聯。請參照圖9，圖9為太陽齒輪111的力矩與轉速的物理模型示意圖，其中橫軸為太陽齒輪111的轉速
Figure 108145642-A0305-02-0024-91
，縱軸為太陽齒輪111的力矩T S 。圖9中的斜線為太陽齒輪111的力矩-轉速方程式，橫軸交點相等於力矩T S 為0時的空載轉速ω t0，縱軸交點相等於使太陽齒輪111轉速為0時所需提供予受控電機130的力矩值，其斜率代表受控電機130之負載特性。亦即前述之控制因子以KS表示，總結受控電機130之物理模型可以表示如(48)式：
Figure 108145642-A0305-02-0024-70
 此外，由於在第一實施例中，主電機120與行星架113相連接，且主電機120作為發電機之用，當其轉速為0時亦無扭力值，其物理模型為通過原點之扭力-轉速關係圖，且其斜率為負值，相似於太陽齒輪111，可推知行星架113的力矩與轉速方程式如(49)式：
Figure 108145642-A0305-02-0024-71
 其中，K A 為行星架113之負載特性。 將(48)式與(49)式代入(42)式、(43)式、(46)式與(47)式可獲得(50)式、(51)式、(52)式與(53)式：
Figure 108145642-A0305-02-0025-72
Figure 108145642-A0305-02-0025-73
Figure 108145642-A0305-02-0025-74
Figure 108145642-A0305-02-0025-75
 將(52)式與(53)式代入(50)式與(51)式可推得(54)式與(55)式：
Figure 108145642-A0305-02-0025-76
Figure 108145642-A0305-02-0025-77
 其中，
Figure 108145642-A0305-02-0025-79
，
Figure 108145642-A0305-02-0025-80
。 將(54)式對
Figure 108145642-A0305-02-0025-92
微:分可得(56)式，將(55)式對
Figure 108145642-A0305-02-0025-93
微分可得(57)式：
Figure 108145642-A0305-02-0025-81
Figure 108145642-A0305-02-0025-82
 將(56)式與(57)式代入第一實施例的(16)式可得(58)式：
Figure 108145642-A0305-02-0025-83
 因此，受控電機130的新控制因子K S '可由(58)式推知：
Figure 108145642-A0305-02-0025-84
Figure 108145642-A0305-02-0026-85
 (59)式即為受控電機130的控制方程式。其中，K S 相當於舊的太陽齒輪111控制因子，
Figure 108145642-A0305-02-0026-87
即一齒數代入值，P *為目標功率，
Figure 108145642-A0305-02-0026-95
為行星架113的轉速，K A 為行星架113的之負載特性，當固定負載條件下K A 為定值。
圖10為主電機120與受控電機130在動力分配控制前後的功率(kW)-時間曲線(sec)的示意圖。參照圖10，在未經動力分配控制時，主電機120的功率-時間曲線為細實線(未經動力分配控制之主電機)而受控電機130的功率-時間曲線為粗實線(未經動力分配控制之受控電機)。經動力分配控制後，主電機120的功率-時間曲線改變為細虛線(經動力分配控制之主電機)而受控電機130的功率-時間曲線為粗虛線(經動力分配控制之受控電機)。由圖10可看出，經動力分配控制後，受控電機130的負載被改變，使主電機120的輸出功率變異顯著地收斂，從而穩定主電機120所提供的輸出功率。
本揭露提供的動力分配控制方法適用於發電系統(未繪示)，發電系統包括行星齒輪組110、主電機120與受控電機130。行星齒輪組110具有三個旋轉元件，包括太陽齒輪111、環形齒輪112以及行星架113，上述三個旋轉元件分別做為行星齒輪組110的輸入端、第一連接端與第二連接端(未繪示)，輸入端用以接收輸入功率並將其分配至第一連接端以及第二連接端。主電機120連接第一連接端，而受控電機130連接第二連接端。動力分配控制 方法包括依據主電機120轉速來改變受控電機130的負載，包括將受控電機130作為發電機來儲存來自第二連接端的能量，或是將受控電機130作為馬達而輸出能量至第二連接端，以控制第一連接端的轉速，進而穩定主電機120的輸出功率。
以圖11為例，圖11是本揭露之一實施例中的動力分配控制方法的示意圖。該動力分配方法適用於發電系統，發電系統所包含裝置如圖1所述，不再贅述。於步驟S910，發電系統開始動力分配控制方法。接著，於步驟S920，發電系統依據主電機轉速來計算控制因子，以改變受控電機130的負載。於步驟S930，在計算出控制因子增量，判斷控制因子增量為正值或負值。當控制因子增量為正值時，進入步驟S940。當控制因子增量為負值時，進入步驟S950。於步驟S940，增加受控電機130之負載，利用增加電力轉換器之充放電功率，以控制第一連接端的轉速，進而穩定主電機120的輸出功率。於步驟S950，減少受控電機130之負載，利用減少電力轉換器之充放電功率，以控制第一連接端的轉速，進而穩定主電機120的輸出功率。
綜上所述，本揭露諸實施例所述發電系統的動力分配控制裝置及其動力分配控制方法可以兼顧最大功率輸出與電力品質的穩定。本揭露採用行星齒輪式傳動系統以及功率追蹤功率技術，將輸入功率分別分配至主電機與受控電機，並量測主電機的轉速來計算副發電機負載之控制因子。從而控制副發電機的負載狀態。當輸入功率過大時，使受控電機作為發電機來儲存多餘的輸入功 率，當輸入功率過小時，使受控電機作為馬達來補充不足的輸入功率，從而穩定主電機的輸出功率。本揭露具功率追蹤特性以及超限能量屏蔽能力，可提升旋轉機械系統的效率，適於高變異之輸入功率環境，可避免外部再生能源在極端情況的輸入能量衝擊再生能源系統機組。此外，本揭露可有效控制主電機的轉速以收斂至目標轉速，可大幅節省控制器之設計開發成本。
100:動力分配控制裝置
110:行星齒輪組
111:太陽齒輪
112:環形齒輪
113:行星架
120:主電機
130:受控電機
140:控制器
PIN:輸入功率
POUT:輸出功率
P*:目標功率

Claims (9)

  1. 一種發電系統的動力分配控制裝置，包括： 一行星齒輪組，具有三個旋轉元件，包括一太陽齒輪、一環形齒輪以及一行星架，各該旋轉元件適於作為一輸入端、一第一連接端以及一第二連接端，該輸入端適於接收一輸入功率並將其分配至該第一連接端以及該第二連接端； 一主電機，連接該第一連接端； 一受控電機，連接該第二連接端；以及 一控制器，連接該主電機與該受控電機，並且依據一主電機轉速來改變該受控電機的負載，包括將該受控電機作為一發電機來儲存來自該第二連接端的能量，或是將該受控電機作為一馬達而輸出能量至該第二連接端，以控制該第一連接端的轉速，進而穩定該主電機的輸出功率。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的動力分配控制裝置，其中該環形齒輪作為該輸入端，該行星架作為該第一連接端，該太陽齒輪作為該第二連接端，且該主電機轉速與目標功率用以推算下式(1)所定義的該受控電機的控制因子：
    Figure 03_image085
    …… (1) 其中，Z S為該太陽齒輪的齒數，Z R為該環形齒輪的齒數，T S為該太陽齒輪的電機扭力，I S為該太陽齒輪的轉動慣量，ω S為該太陽齒輪的轉速，α S為該太陽齒輪的角加速度，I A為該行星架的轉動慣量，ω A為該行星架的轉速，α A為該行星架的角加速度，P *為目標功率。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的動力分配控制裝置，其中該環形齒輪作為該輸入端，該太陽齒輪作為該第一連接端，該行星架作為該第二連接端，且該主電機轉速與目標功率用以推算下式(2)所定義的該受控電機的控制因子：
    Figure 03_image099
    …… (2) 其中，Z S為該太陽齒輪的齒數，Z R為該環形齒輪的齒數，I S為該太陽齒輪的轉動慣量，T A為該行星架的扭力，ω S為該太陽齒輪的轉速，α S為該太陽齒輪的角加速度，I A為該行星架的轉動慣量，ω A為該行星架的轉速，α A為該行星架的角加速度，P *為目標功率。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的動力分配控制裝置，其中該行星架作為該輸入端，該環形齒輪作為該第一連接端，該太陽齒輪作為該第二連接端，且該主電機轉速與目標功率用以推算下式(3)所定義的該受控電機的控制因子：
    Figure 03_image133
    …… (3) 其中，Z S為該太陽齒輪的齒數，Z R為該環形齒輪的齒數，T S為該太陽齒輪的扭力，I S為該太陽齒輪的轉動慣量，ω S為該太陽齒輪的轉速，α S為該太陽齒輪的角加速度，I R為該環形齒輪的轉動慣量，ω R為該環形齒輪的轉速，α R為該環形齒輪的角加速度，P *為目標功率。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的動力分配控制裝置，其中該行星架作為該輸入端，該太陽齒輪作為該第一連接端，該環形齒輪作為該第二連接端，且該主電機轉速與目標功率用以推算下式(4)所定義的該受控電機的控制因子：
    Figure 03_image143
    …… (4) 其中，Z S為該太陽齒輪的齒數，Z R為該環形齒輪的齒數，T R為該環形齒輪的扭力，I S為該太陽齒輪的轉動慣量，ω S為該太陽齒輪的轉速，α S為該太陽齒輪的角加速度，I R為該環形齒輪的轉動慣量，ω R為該環形齒輪的轉速，α R為該環形齒輪的角加速度，P *為目標功率。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的動力分配控制裝置，其中該太陽齒輪作為該輸入端，該行星架作為該第一連接端，該環形齒輪作為該第二連接端，且該主電機轉速與目標功率用以推算下式(5)所定義的該受控電機的控制因子：
    Figure 03_image175
    …… (5) 其中，Z S為該太陽齒輪的齒數，Z R為該環形齒輪的齒數，T R為該環形齒輪的扭力，I A為該行星架的轉動慣量，ω A為該行星架的轉速，α A為該行星架的角加速度，I R為該環形齒輪的轉動慣量，ω R為該環形齒輪的轉速，α R為該環形齒輪的角加速度，P *為目標功率。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的動力分配控制裝置，其中該太陽齒輪作為該輸入端，該環形齒輪作為該第一連接端，該行星架作為該第二連接端，且該主電機轉速與目標功率用以推算下式(6)所定義的該受控電機的控制因子：
    Figure 03_image181
    …… (6) 其中，Z S為該太陽齒輪的齒數，Z R為該環形齒輪的齒數，T A為該行星架的扭力，I A為該行星架的轉動慣量，ω A為該行星架的轉速，α A為該行星架的角加速度，I R為該環形齒輪的轉動慣量，ω R為該環形齒輪的轉速，α R為該環形齒輪的角加速度，P *為目標功率。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的動力分配控制裝置，其中該控制器包括： 一轉速量測裝置，量測該主電機的轉速資訊； 一控制電路，連接該轉速量測裝置與一電力轉換器； 一儲能裝置，連接一電力轉換器，用以儲存或釋放來自該第二連接端的能量；以及 一電力轉換器，連接該受控電機、該儲能裝置與該控制電路，用以依據該控制電路的一指令，輸出來自該儲能裝置的能量至該受控電機。
  9. 一種動力分配控制方法，適用於一發電系統，該發電系統包括如申請專利範圍第1-8項中任一項所述之動力分配控制裝置，該動力分配控制方法包括： 該發電系統依據該主電機轉速來計算一控制因子，以改變該受控電機的負載；以及 計算出該控制因子增量，判斷該控制因子增量為正值或負值， 其中，當該控制因子增量為正值時，增加該受控電機的負載，以控制該第一連接端的轉速，進而穩定該主電機的輸出功率，當該控制因子增量為負值時，減少該受控電機的負載，以控制該第一連接端的轉速，進而穩定該主電機的輸出功率。
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