TWI446138B - 風力發電之激磁式同步發電機系統的控制方法 - Google Patents

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Description

風力發電之激磁式同步發電機系統的控制方法
本發明是有關於一種風力發電之激磁式同步發電機系統的控制方法，且特別是有關於一種控制方法，其藉由電動機伺服控制與激磁式同步發電機控制激磁電流，使發電機定速驅動以穩定電壓、頻率且與市電同相位，並控制激磁電流使激磁式同步發電機得以最大功率輸出。
目前一般發電系統架構，皆是以動力來源藉由傳動機構將轉動能量傳遞至發電機，其轉動的速度和扭力取決於瞬間的動力來源大小，因此，其可用轉速範圍受到極大限制，才能確保發電機轉速波動變化於一定空間，當動力來源超過或低於標準範圍，則發電機組將會停機直到動力來源能量回復至標準範圍內，如此被動式的發電方式，需要藉由交-直流與直-交流轉換器設備來將電源輸出。然而，如此轉換方式，會造成電力轉換的功率損耗，使整體發電系統轉換率降低，並增加發電設備的成本。
此外，現今大部份之發電系統，其發電機設備皆使用感應式發電機，當市電負載增加時，由於感應發電機無法控制其激磁場電流，因此當負載端所需要的能量增加時，其可能造成發電機輸出端的電壓無法維持恆定，而降低輸出電源的品質。
本發明之主要目的係在於提供一種風力發電之激磁式同步發電機系統的控制方法，藉由電動機伺服控制與同步發電機 激磁電流控制架構，調節傳動機構的轉速輸出，於風力來源變化過程中所造成之輸入轉速過高或不足時，利用電動機伺服控制，使傳動機構得以輸出穩定轉速，且達到控制其相位的目的，如此，使同步發電機能穩速運轉，且可以穩定輸出發電的頻率與相位；進而，由最大功率決定單元將風能輸入功率與電動機微調功率整合，以決定功率命令，再將同步發電機之輸出功率回授，產生一激磁電流命令控制激磁式同步發電機之輸出電壓與電流，使激磁式同步發電機可以達到最大功率輸出的目的。
本發明係利用電動機穩頻相位伺服控制架構，與激磁式同步發電機最大功率追蹤激磁電流控制架構，使風力發電系統能於輸入之動力來源變動情況下，維持傳動機構穩定轉速輸出，以達到控制電壓、頻率及相位的目的，並由功率回授和激磁電流控制架構，使風力發電系統可產生最大功率輸出至市電負載。
根據本發明之實施例，本發明之風力發電之激磁式同步發電機系統的控制方法，包含如下步驟：藉由偵測該激磁式同步發電機的輸出電壓、電流及功率並回授其資訊，以控制該激磁式同步發電機的激磁電流，使得該激磁式同步發電機輸出一最大功率至一市電負載；以及依據一編碼器的資訊，進行一電動機的伺服控制，使得一傳動機構以一預設速度來驅動該激磁式同步發電機，以輸出電壓、頻率和相位，而產生一與市電同相位之三相交流電源，並使該三相交流電源與該市電負載並聯。
在本發明之一實施例中，該方法更包含如下步驟：當一動力來源減弱時，根據該編碼器的資訊來調整一工作責任週期增 加，驅使該電動機追隨以市電相位為基準之位置命令而降低位置誤差，並提供一微調功率，使得該同步發電機維持在一穩定轉速，同時，調整一激磁控制系統之激磁電流，使得該激磁式同步發電機的激磁場電流減小，且使該電動機減少驅動該激磁式同步發電機時所需要的微調功率，以穩定輸出電壓、頻率及相位，並輸出該最大功率至該市電負載。
在本發明之一實施例中，該方法更包含如下步驟：當動力來源增強時，根據該編碼器的資訊來調整一工作責任週期減少，驅使該電動機追隨以市電相位為基準之位置命令而降低位置誤差，使得該同步發電機維持在一穩定轉速，同時，調整該激磁控制系統之激磁電流，使該激磁式同步發電機的激磁場電流上昇，以穩定輸出電壓、頻率及相位，並輸出該最大功率至該市電負載。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，本說明書將特舉出一系列實施例來加以說明。但值得注意的是，此些實施例只係用以說明本發明之實施方式，而非用以限定本發明。
請參閱圖1，其為風力發電之激磁式同步發電機系統的控制方法架構的示意圖，本發明之方法可應用於風力發電系統(如下述之實施例)，然不限於此，其亦可應用於其他發電系統，例如水力、火力、洋流與潮汐發電，本發明之應用領域範圍可為各種動力發電系統相關之再生能源控制技術。
如圖1所示，本發明之發電系統可包含一風力來源(動力來源)10、一傳動機構20、一激磁式同步發電機30、一市電負載 40、一功率驅動變頻器50、一脈波寬度調變控制單元51、一電動機60、一編碼器61、一電流偵測單元62、一激磁控制系統單元70、一電壓、電流及功率偵測單元71、一相位偵測單元72及一數位訊號處理控制器80。
請再參閱圖1，當動力來源10輸入時，傳動機構20藉由風力來源10所提供的風能輸入來驅動激磁式同步發電機30開始運轉，藉由激磁控制系統70來提供激磁電流訊號，使得激磁式同步發電機30產生電能輸出至市電負載40。
請再參閱圖1，激磁式同步發電機30藉由編碼器61將目前同步發電機轉子30的位置資訊送至數位訊號處理控制器80中，數位訊號處理控制器80將利用相位偵測單元72以獲得市電之相位資訊，並以此資訊做為目前的位置命令與實際獲得之發電機轉子位置資訊互相比較，以決定PWM控制單元51的責任週期寬度，並將功率開關導通時序送到功率驅動變頻器50，以驅動電動機60，藉由電動機位置伺服控制的方式，使傳動機構20穩速輸出驅動激磁式同步發電機30，如此，可穩定發電機輸出電壓的頻率，並且使輸出電壓與市電同相位。當激磁式同步發電機30轉動時，可利用電壓、電流及功率偵測單元71所回授之訊號，而偵測同步發電機輸出的電壓、電流和功率值。數位訊號處理控制器80可根據電壓、電流及功率偵測單元71之資訊，而給予激磁控制系統70激磁電流控制，以調整發電機之激磁場電流使發電機能穩定輸出電壓和電流。
請再參閱圖1，當風力來源10減弱使輸入轉速減緩時，為維持傳動機構20穩速轉動，數位訊號處理控制器80會根據編碼器61與電流偵測單元62的資訊調整PWM控制單元51，使工作責任週期增加驅使電動機60追隨以相位偵測單元72回授 後所得之位置命令而降低位置誤差，使激磁式同步發電機30能維持在一穩定轉速；同時，為維持激磁式同步發電機30穩速轉動，數位訊號處理控制器80會調整激磁控制系統70之激磁電流，讓發電機激磁場電流減小，使電動機60減少驅動發電機所需要的微調功率。
請再參閱圖1，當風力來源10增強使輸入轉速上昇時，為維持傳動機構20穩速轉動，數位訊號處理控制器80會根據編碼器61與電流偵測單元62的資訊調整PWM控制單元51，使馬達工作責任週期減少，驅使電動機60追隨以相位偵測單元72回授後所得之位置命令而降低位置誤差，使激磁式同步發電機30能維持在一穩定轉速；同時，由於風力來源10增加使轉速上昇，為維持激磁式同步發電機30穩速轉動，數位訊號處理控制器80會調整激磁控制系統70之激磁電流，使發電機激磁場電流上昇，以完全利用風力來源10驅動發電機時所提供的風能輸入，使發電機輸出最大功率至市電負載40。
請參閱圖2，本發明之發電系統更可包含最大功率決定單元81，其依據風能輸入功率P W (V W )和電動機微調功率△P (I m )(亦即[P W (V W )+△P (I m )])來決定發電系統的最大功率，藉由風速(V W )可以得知風能輸入功率P W (V W )使發電機輸出功率追隨。要使發電系統效率提高，不僅輸出功率要追隨風能輸入功率，並且電動機消耗較少的能量便能達到定轉速控制，因此偵測電動機輸入電流(Im )使電動機輸入電流盡量為零，藉此可以利用電動機輸入電流來產生一個電動機微調功率△P (I m )。利用風能輸入功率和電動機微調功率之總和[P W (V W )+△P (I m )]供給發電機最大功率追隨的功率命令P * ，再進行激磁場電流控制，達到此發電系統最大功率追隨。
請參閱圖3，藉由最大功率決定單元81可產生一功率命令P * ，從發電機輸出端利用功率偵測單元71，可獲得發電機輸出之即時輸出功率資訊P O ，將此資訊回授並與功率命令互相比較，經過功率控制器82以產生激磁電流命令至激磁控制系統，因此激磁控制系統70可產生激磁電流I E 以控制激磁式同步發電機30的激磁場大小，使發電機產生一最大功率輸出至市電負載40。
綜上所述，雖然本發明已用較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，本發明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，當可作各種之更動與潤飾，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。
10‧‧‧動力來源
20‧‧‧傳動機構
30‧‧‧激磁式同步發電機
40‧‧‧市電負載
50‧‧‧功率驅動變頻器
51‧‧‧脈波寬度調變控制單元
60‧‧‧電動機
61‧‧‧編碼器
62‧‧‧電流偵測單元
70‧‧‧激磁控制系統單元
71‧‧‧電壓、電流及功率偵測單元
72‧‧‧相位偵測單元
80‧‧‧數位訊號處理控制器
81‧‧‧最大功率決定單元
82‧‧‧功率控制器
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下：圖1繪示依照本發明之風力發電之激磁式同步發電機系統的控制方法架構的示意圖。
圖2繪示依照本發明之一實施例之最大功率決定單元方塊圖。
圖3繪示依照本發明之一實施例之激磁式同步發電機輸出電流及功率回授控制方塊圖。
10‧‧‧動力來源
20‧‧‧傳動機構
30‧‧‧激磁式同步發電機
40‧‧‧市電負載
50‧‧‧功率驅動變頻器
51‧‧‧脈波寬度調變控制單元
60‧‧‧電動機
61‧‧‧編碼器
62‧‧‧電流偵測單元
70‧‧‧激磁控制系統單元
71‧‧‧電壓、電流及功率偵測單元
72‧‧‧相位偵測單元
80‧‧‧數位訊號處理控制器

Claims (3)

  1. 一種風力發電之激磁式同步發電機系統的控制方法，包含如下步驟：藉由偵測該激磁式同步發電機的輸出電壓、電流及功率並回授其資訊，以控制該激磁式同步發電機的激磁電流，使得該激磁式同步發電機輸出一最大功率至一市電負載；以及依據一編碼器的資訊，進行一電動機的伺服控制，使得一傳動機構以一預設速度來驅動該激磁式同步發電機，以輸出電壓、頻率和相位，而產生一與市電同相位之三相交流電源，並使該三相交流電源與該市電負載並聯；當一動力來源減弱時，根據該編碼器的資訊來調整一工作責任週期增加，驅使該電動機追隨以市電相位為基準之位置命令而降低位置誤差，並提供一微調功率，使得該同步發電機維持在一穩定轉速，同時，調整一激磁控制系統之激磁電流，使得該激磁式同步發電機的激磁場電流減小，且使該電動機減少驅動該激磁式同步發電機時所需要的微調功率，以穩定輸出電壓、頻率及相位，並輸出該最大功率至該市電負載。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包含如下步驟：當動力來源增強時，根據該編碼器的資訊來調整一工作責任週期減少，驅使該電動機追隨以市電相位為基準之位置命令而降低位置誤差，使得該同步發電機維持在一穩定轉速，同時，調整該激磁控制系統之激磁電流，使該激磁式同步發電機的激磁場電流上昇，以穩定輸出電壓、頻率及相位，並輸出該最大功率至該市電負載。
  3. 一種風力發電的激磁式同步發電機系統，包含：一風力來源；一激磁同步發電機；一傳動機構，通過該風力來源所提供的風能輸入來驅動該激磁同步發電機運轉；一激磁控制系統，用於提供一激磁電流訊號至該激磁同步發電機，使得該激磁同步發電機產生電能輸出至一市電負載；一電動機，用於控制該傳動機構的傳動；一數位訊號處理控制器，根據該市電負載的一相位資訊與該激磁同步發電機的一轉子位置資訊來決定一PWM控制單元的責任週期寬度；以及一功率驅動變頻器，用於接收該PWM控制單元所傳來的一功率開關導通時序，以驅動該電動機。
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