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第三章 小型風力發電機充電器之研製

3.3 WTG 充電系統之設計

由前述WTG特性之說明可知,WTG之輸出功率與風速(U)及功 率係數Cp有關,欲在同一風速下獲得最大功率需使Cp維持在Cp,max, 而由圖3.3 可知,欲維持Cp,max需調整λ值使λopt。而λ由(3.4)可知,

需在各風速下調整發電機轉速值以保持λopt。因此為追蹤此最大功 率點,過去常用之方法為量測或估測風速[17],再利用風速資料控制 發電機轉速以使得λopt。此種方法需要風速及馬達轉速資料成本昂 貴。為改善此缺失,[18]利用轉速及發電機輸出功率估測風速,再由 風速與轉速資料得到發電機之轉速命令,由於發電機與風車輸出不 同,其間之效率特性為非線性,因此其採用類神經網路控制[19]或模 糊控制[18,56]來加以補償。[19]所提之方法,進一步使用馬達之電壓、

電流資料估測轉速,可以達到無感測轉子參數之特性,這些無感測器 之方法基本上與無感測器馬達之驅動技術類似,不過上述各種方法仍 需事先得知風車之Cp-λ特性以操作在λopt

針對本論文所採用之PMSG 型式,[20]提出如圖3.5 所示偵測整 流子直流側功率並控制其電壓之方式以達到MPPT控制目的,其原理 乃利用整流後之直流電壓與發電機輸出電壓成正比,且發電機端電壓 與其速度電壓幾乎呈線性關係之觀念,控制直流電壓即能控制轉速,

將直流電壓以如同PV之增量電導法MPPT方式根據直流功率變化遞

迴 調 整 電 壓 , 直 至 達 到 最 大 功 率 點 。 此 種 方 法 稱 為 爬 坡 搜 尋 法 (hill-climb search method)[20],除進一步省略發電機任何參數之量測 包括轉速及電壓及電流資料外,事先不需得知風車之特性資料,然其 缺點為使適用於機械慣量較小系統,而且其響應速度較慢。

本論文所研製之WTG屬於小型系統,風車之慣量非常小,因此 可利用所提用於PV之 MPPT方法其具備幾個優點:(1)MPPT 控制不 需要感測發電機轉速;(2)與PV模組之 MPPT控制方法相同二者電路 可以模組化設計;(3)具備適應控制特性可以兼顧 MPPT 的調整速度 與精確度。

所提風力發電部分之控制架構如圖 3.12 所示,其利用最大功率 點追蹤(MPPT)控制器產生可以使發電機輸出最大功率之整流電壓命 令,再由電壓控制器調整使整流器之電壓為所設定之電壓命令,電壓 控制器產生一轉換器之電流命令,此電流命令與充電控制迴路之電流 命令相加,由一減法器及限流電路決定最後之轉換器電流命令。最終 再經過電流控制器與PWM 得到轉換器開關之切換信號。藉由上述之 控制器安排可達成如圖 3.13 為風力發電系統之功率分配情形,圖 3.13(a)為當 WTG 所發電力較負載所需電力為小時;3.13(b) WTG所 發出的電力雖較負載電力為大,但所多出之電力仍不足以最大充電電 流對蓄電池充電,以上二種狀況充電控制迴路之 PI 控制器為正向飽

合,在經由正向限制為零之限制器(Limiter 2)後充電控制迴路對電流 命令無任何貢獻,因此電流命令完全由 MPPT決定,故WTG均操作 在最大功率點。3.13(c) 所示為WTG之最大功率點較負載及電池充電 需求電力總合為大時,在此情況下為達 WTG所發電力與負載及充電 需求電力平衡,WTG 需偏離其最大功率點以降低產生電力。充電控 制迴路之 PI 控制器將進入負向工作區影響 MPPT 產生之電流命令,

使最終之電流命令由充電控制迴路決定,當電池電壓未達設定電壓 時,(Limiter 1)用以設定最大之充電電流;當電池電壓接近設定電壓 時控制器開始進入線性區使充電電流命令減少,最終將達到電池維持 在所設定電壓且使充電電流僅提供電池本身之損耗。此充電方式可以 達到定電流充電、定電壓充電及浮充等三階段充電的目的來增長電池 的壽命。

圖 3.12 所提風力發電系統之控制架構

` PMSG

WTG

Ig

Vg

+

-Vb

Ib RL

Drive

current controller voltage

controller

Limiter 2 Limiter 1

+ +

+ -charging PI

controller MPPT controller

*

Is

Is

*

Ib

Ib

Ig

Vg

Vb

*

Vb

SEPIC converter

Vg

*

Vg

圖 3.13 系統之電力流通情形:(a) WTG所發電力較負載所需電力為 小時;(b) WTG所發出的電力雖較負載電力為大,但所多出 之電力仍不足以最大充電電流對蓄電池充電;(c) WTG 之最 大功率點較負載及電池充電需求電力總合為大。

Vg

Vg

Battery charging power

(Less than the max. charge power) Load power

Battery discharging power

Load power

Battery charging power

(equal to the max. charge power) (a)

(b)

(c)

Battery charging power

(Less than the max. charge power) Battery charging power

(Less than the max. charge power) Load power

Battery charging power

(Less than the max. charge power) Load power

Load power

WTG power

Battery charging power

(equal to the max. charge power) Battery charging power

(equal to the max. charge power) (a)

(b)

(c)

P

P

WTG power

WTG power

Vg

Vg

Vg

Battery charging power

(Less than the max. charge power) Load power

Battery discharging power

Load power

Battery charging power

(equal to the max. charge power) (a)

(b)

(c)

Battery charging power

(Less than the max. charge power) Battery charging power

(Less than the max. charge power) Load power

Battery charging power

(Less than the max. charge power) Load power

Load power

WTG power

Battery charging power

(equal to the max. charge power) Battery charging power

(equal to the max. charge power) (a)

(b)

(c)

P

P

WTG power

WTG power

Vg

3.4 風力充電系統之模擬及實作

3.4.1 實驗系統之模擬

系統之各式控制器乃根據上述規格重新設計,在實作之前本論文 先行以PSIM模擬軟體加以驗證,PSIM之模擬電路圖如3.14所示。

本論文假設 WTG之電壓及功率範圍與第二章所述之 PV 模組充 電系統相同,因此採用與第二章相同規格之 SEPIC 轉換器,其設計 請參見第二章,在此不在重述。風車及發電機乃配合 SEPIC 調整其 參數,使其工作範圍與PV模組相同,本論文之規格如下:

風車部份

R=1.2m,在 12m/s可以產生最大 Pm約為80W 發電機部份

極數為12 極,

k

ω =30

V

/1000

rpm

L

s =7.5

mH

R

s =0.3Ω 圖3.14之模擬電路圖中,風車之特性乃以前面(3.1)至(3.8)式所建 立,其經過一控制至電力轉換及一與風車機械系統等效之電路後得到 一風車之輸出轉矩(Tm),此轉矩帶動發電機並經整流子後得到 SEPIC 之輸入電壓。圖3.14亦包含一保護電路,其目的在風速過高使 SEPIC 之輸入電壓過高時將輸入電壓短路,亦即相當於將發電機輸出予以短 路,用以保護風車及發電機損壞。

模擬之測試條件為在12m/s 下風車之最大輸出功率為80W,一開

始負載電阻為10W(10歐姆),使WTG之輸出超過負載及充電需求(充 電功率設在40W);在t=0.1ms 時將負載變化為100W (1 歐姆並聯10 歐姆),因此 WTG將脫離 MPPT。超過 WTG 所能提供,所以 WTG 應操作在MPPT。

模擬結果如圖 3.15 所示,一開始 SEPIC 之輸入電壓 Vg被提至 35V,使Pm=60W,此時充電電流被設定在定電流充電方式(Ib=2.5A), t=0.1ms 後,經MPPT及電壓調整器後被控制在Vg=25V使 Pm=80W

,確實達到最大功率點,電池電流(Ib)為放電以補足負載之用電需求,

這些均印證了所設計系統確實能達到所設計之功能與性能。

3.14

風力充電系統之

PSIM

模擬電路

SEPIC 轉換器

電流模式控制

MPPT控制器

充電控制器

MPPT

保護電路 發電機

整流子 風車

Tm Te

圖3.15 WTG 充電器特性模擬

3.4.2 實驗系統之製作與驗證

本章實際製作之系統如圖3.16所示,包含一 80W之WTG充電 系統以及一WTG之模擬系統,詳細說明如下:

(1)WTG之模擬系統

本論文利用半橋式轉換器模擬風車帶動永磁同步發電機並經過 整流器後得到直流輸出電壓。風車與發電機包含其機械系統乃以 MATLAB Simulink之方塊建置如圖3.17所示,最後透過 MATLAB Real-time control 的方式控制半橋式轉換器使其輸出具備風車加發 電機之特性。WTG模擬器方塊中P-ω特性曲線乃根據前述風車特性

) / 2 ( ,V* V div Vg g

×10

) / 20 ( W div P

) / 10 ( A div Ib

方程式所求得並且加入實際風車系統之二階機械動態響應如下:

2 2

2

2 n n

n

s s

ξω ω

ω

+

+

(3.16) 此響應之參數可依據不同風車之特性來做改變使本模擬系統更接近 實際風車系統。

(2)WTG充電系統

3.18所示為在MATLAB Real-time control上之 WTG及MPPT 控制器之連接方塊。其他硬體電路均與 PV 系統相同。圖 3.19 為 WTG 之啟動過程所量測之波形,用以驗證 MPPT 之追蹤響應,圖 3.20為達MPPT點時之觀察結果;圖 3.21及3.22為對應前述模擬之 功率平衡驗證所量測到之波形響應,這此數據均與模擬相符再次印 證所提各式控制電路之有效性圖 3.23為 WTG 模擬器之響應,所模 擬風車之狀態可由此量測數據中清楚得知,以上實驗結果雖不使用 實際風車響應之特性,但從模擬及實作的結果可看出確實與實際風 車所量測到的數據類似,驗證了此模擬器確實可以達到在無實際風 車或無風天氣的情況下做實驗的便利性。

圖3.16 WTG 系統之實作電路架構

圖3.17 以MATLAB Real-time control 之WTG系統模擬器程式

圖3.18 以MATLAB Real-time control來實現WTG之MPPT控制器

Analog

input Z

1 Z 1

Z 1

Z 1

+ + + + +

4 4 6 6 4 4 Z 1

Z 1

Z 1

Z 1

+ + + + +

4 4 6 6 4 4

Z 1 Z 1

k

k +

+ kk

3

Analog output

-+

-+ +

+

Gain

Gain Gain

Gain

Gain Gain

Gain

memory Gain

unit delay

unit delay

unit delay

unit delay unit

delay unit delay

unit delay

unit delay

unit delay

unit delay

zero-order hold zero-order

hold

product

constant

saturation saturation

P

V DC

power supply

synchronous buck converter

SEPIC Electronic

LOAD +

Vg

Vg Ig

A/D

MPPT controller

D/A D/A

*

Vg

Vconp

WTG Emulator controller

PC Matlab real-time control WTG Emulator

DC power supply

synchronous buck converter

SEPIC Electronic

LOAD +

Vg

Vg Ig

A/D

MPPT controller

D/A D/A

*

Vg

Vconp

WTG Emulator controller

PC Matlab real-time control WTG Emulator

風速

+

-+ +

Gain Gain

D/A converter

A/D converter

P

characteristic ω

P

Mechanic Dynamic Vg

Ig

圖3.19 WTG系統啟動後 MPPT過程之波形

圖3.20 WTG系統達到 MPPT點之響應

Vg

Ig

Pg

(5V/div)

(10W/div)

(1A/div)

0 5 10 15 20

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Vg

P

圖3.21 WTG所發出電力小於負載需求時蓄電池放電且WTG操作在 MPPT

圖3.22 WTG 所發出電力大於負載需求時蓄電池充電且WTG脫離 MPPT

Vp(10V/div)

Ip(2A/div)

IL(2A/div)

IB (2A/div)

10µs/div Vg(10V/div)

Ig(2A/div)

IL(2A/div)

IB (2A/div)

10µs/div Vp(10V/div)

Ip(2A/div)

IL(2A/div)

IB (2A/div)

10µs/div Vg(10V/div)

Ig(2A/div)

IL(2A/div)

IB (2A/div)

10µs/div Vg(10V/div)

Ig(2A/div)

IL(2A/div) (2A/div)

Ib

10µs/div 10µs/div

圖 3.23 WTG模擬器之:(a)功率;(b)電壓;(c)電流追蹤波形

P

Vp

Io

*

Io

Vg

(a)

(b)

(c)

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