第一章 緒論
1.4 本文大綱
本計畫共分為六章：第一章緒論，簡述本文永磁式同步發電機及功 率轉換器控制架構；第二章介紹三相永磁式同步發電機及其數學模式推 導及最大功率追蹤控制策略；第三章介紹三相三開關昇壓型交流-直流功 率轉換器；第四章介紹單相直流-交流功率轉換器之控制與系統整合；第 五章為實體製作及實測；第六章為結論與建議；最後為參考文獻及附錄。
第二章 永磁式同步發電機之模式及量測
2.1 前言
本章將推導的是永磁式同步發電機之數學模式以及轉速及角位置估 測，並討論風力發電之原理特性與風力發電測詴帄台。
2.2 三相永磁式同步發電機及其數學模式
本文採用 30 槽 32 極的三相永磁式同步發電機，結構簡單且效率高，
發電轉速為 90rpm~240rpm，為一個高轉矩低轉速的發電機，低轉速可直 驅葉片，適合使用在垂直型風機上，並具有低噪音與高效率之特色。
永磁式同步發電機之等效電路如圖 2-1 所示。此等效電路之三相電壓方程 式為：
aG s aG s d aG aG e R i L i v
dt (2-1)
bG s bG s d bG bG e R i L i v
dt (2-2)
cG s cG s cG cG
e R i L d i v
dt (2-3)
其中eaG、ebG、ecG分別為三相永磁式發電機之感應電動勢之相電壓瞬時 值，ia G、ibG、icG分別為三相永磁式發電機之相電流。vaG、vbG、vcG為端 電壓瞬時值，Rs及Ls分別為永磁式發電機之每相等效電阻及電感。永磁 式發電機的感應電動勢表示為：
eaG EmGcosrG (2-4)
2
cos( )
bG mG rG 3
e E (2-5)
cos( 2 )
cG mG rG 3
e E
(2-6)
其中 EmG為相電壓峰值，此值與轉速ωm及等效轉子磁通鏈'm關係為：
EmG r 'm (2-7)
2
本計畫配合 Ansoft 公司的 Maxweall-2D 的磁路分析，其靜磁分析結
果如圖 2 所示。圖 2(a)為磁通密度的分布。而圖 2(b)為磁力線分布，由圖 2(a)可知定子齒部的磁通密度最高為 1.3T，低鐵心材料(50CS400)的磁飽 和。
(a) (b)
圖 2-2 三相 30 槽 32 極內轉型發電機磁路分析：(a)磁通密度分佈；(b)磁 力線分佈
(B) 永磁式同步發電機的製作
永磁式同步發電機的製作實體圖如圖 2-3 所示，圖 2-3(a)為轉子之磁 石，其磁石由兩片組合為一相，具有等效斜槽的效果，有效降低頓轉轉 矩。為定子的部份鐵心及線圈如圖 2-3(b)所示，可先繞製線圈再作機構的 組裝，如此可施工方便。
(a) (b)
圖 2-3 三相永磁式同步發電機製作之實體:(a)轉子;(b)部分定子的鐵心及 線圖
2.4 永磁式同步發電機之轉速及角位置估測
透過(2-15)及(2-16)可得到發電機峰值電壓VmG，可表示為
VmG (vqGs )2 (vdGs )2 (2-17) cos
s qG eG
mG
v
V (2-18)
sin
s dG eG
mG
v
V (2-19)
1 sin tan cos
eG eG
eG
(2-20)
由(2-17)至(2-20)式得到近似發電機端電壓的角位置eG，其方塊如圖 2-5。
r
r
aG-axis bG-axis
cG-axis
q-axis
d-axis
eG
圖 2-4 轉子旋轉座標軸與三相 abc 軸之幾何圖
電壓
2.5 永磁式同步發電機量測結果
本文使用 32 極 30 槽永磁式同步發電機，發電轉速範圍為 90rpm 至 210rpm，其容量為 1kW，其發電機設計參數如附錄 A 所示，圖 2-6 為量 測帄台，由原動機帶動發電機，並量測對發電機之輸入轉矩，提供本文 驗證發電機之設計及其量測效率。
原動機
驅動器
轉速命令
轉矩偵測器 ( )
低速高轉矩 永磁式發電機
量測系統之電 氣負載
轉速發 電機
eaf
ebf
ecf
o m
齒輪箱
3:1 Te
圖 2-6 發電機量測帄台 A. 永磁式同步發電機各相獨立無載測詴量測參數
本小節量測永磁式同步發電機於各相獨立無載運轉時，轉速與感應電 勢之各相電壓峰值之關係，圖 2-7 與表 2-1 為永磁式同步發電機各相獨立 時感應電勢之相電壓峰值與轉速，在 180prm 三相相電壓響應如圖 2-8 所 示；由上數量測結果得知。轉速於 90rpm 時能產生 70V 之穩定相電壓，
而轉速至 210rpm 時已能產生 160V 之相電壓，因轉速在 90rpm 與 210rpm 的相電壓值相差 90V，對電力電路較難控制，為了讓發電機的使 用範圍更廣，本文在發電機 90rpm~150rpm 時採用 Y 接，90rpm 時線電壓 就可達 121V，150rpm 線電壓更達到 202V，150rpm~210rpm 採用各相獨 立接法，相電壓範圍為 117V~160V，發電機的使用率更大，且直流鏈電 壓較為穩定，有助於電路的控制。在 180rpm 時之發電機無載相電壓響應 之實測與分析相接近，誤差為 4%
表 2-1 永磁式同步發電機各相獨立電路之反電動勢量測結果 轉速
(rpm) 90 120 150 180 210 相電壓峰值
(V) 70.4 94.4 117 140 160 相電壓均方根
值(V) 54 70 85 107 125 THD(%) 6.97 5.57 5.47 5.76 5.63 頻率(Hz) 24 32 40 48 56
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
90 110 130 150 170 190 210 230
rpm
V
圖 2-7 本文使用永磁同步發電機之轉速與感應電勢之相電壓峰值 (50v / )
v div
(10 / ) time ms div
0
ea eb ec
圖 2-8 在 180rpm 無載時三相相電壓ea、eb、ec的實測
B. 永磁式同步發電機各相獨立加載測詴量測參數
第三章 三相三開關昇壓型交流-直流功率轉換器
3.1 前言
將風力發電機之三相個別連接到三個獨立型交流-直流功率轉換 器，較一般三相 Y 接的好處有：提高 3倍的電壓使用率；各相的開關為 相同電源，可以簡化電流命令。三相各相獨立型交流-直流功率轉換器主 要功能為將發電機側三相交流電壓轉換為直流電壓，使用電流命令追隨 電壓之控制策略可以減少發電機側電流諧波、提高功因及提昇直流鏈電 壓。
A. 三相三開關昇壓型交流-直流功率轉換器
三相三開關昇壓型交流直流功率轉換器[34]電力電路圖如圖 3-1 所 示，為電路中有橋式整流器電路架構，圖 3-1 中，eaG、ebG、ecG為發電 機之應電勢，Ls為發電機側等效電感，Rs為發電機側等效電阻，L 為發fG 電機側濾波電感，C 為發電機側濾波電容，fG Cdc為直流鏈電容，Rdc為直 流側等效負載電阻。各相先經由橋式整流器後，再透過昇壓型轉換器，
形成三組昇壓型功率轉換器[35]並聯架構，藉由昇壓型功率轉換器提昇直 流鏈電壓，由於各相只需一只功率級電晶體做控制，其優點為架構簡單、
控制容易、成本低。
eaG
L1
vy1 (1 s v1) dc (3-4)
其中v1、v2及v3為v 、1 v 及2 v 在開關切換週期3 Tsw的帄均值；iL1、iL2及iL3
v3 vcG (3-25)
2
1.0
為發電機側 c 相電容端電壓vcG，峰值為 50V；圖 3-5(i)為發電機側 c 相濾 波電感電流i ，其總諧波失真率為 6.09%，如圖 3-5(j)所示。三相發電機cf 側端電壓與發電機側濾波電感電流同相具高功因。具備低諧波失真。
B. 實測結果
圖 3-6 為三相永磁式同步發電機在定轉速 200rpm 時，運用三相三相 三開關昇壓型型交流-直流功率轉換器並接上直流等效電阻負載，此電阻 Rdc為 56 ，輸出功率為 220W 之實測結果：3-6(a)為直流鏈電壓vdc約為 110V；圖 3-6 (b)為發電機側 a 相電容端電壓vaG，峰值為 50V；圖 3-6 (c) 為發電機側 a 相濾波電感電流i ，其峰值為 3A 與發電機側端電流同相具af 高功因，其總諧波失真率為 9.54%，如圖 3-6(d)所示。
模擬與實測結果之發電機側電壓與電流同相，而且電流諧波失真率皆 低。
( )a
0 time(10ms/div)
(50V/div)
vdc
( )b
0
time(10ms/div) (50V/div)
vaG
圖 3-5 發電機操作於定轉速 200 rpm 時，風力發電系統以三相三開關昇壓 型交流-直流功率轉換器之直流等效電阻負載Rdc為 56穩態的模 擬結果：(a)直流鏈電壓v ；(b)發電機側 a 相電壓dc v ； aG
( )c
0
time(10ms/div) (2A/div)
i
af( )d
0 5 10 15 20 25 30
0 20 40 60 80 100 120
Harmonic order THD= 4.55%
Mag (% of Fundamental,20/div)
( )e
0
v
bG(50V/div)time(10ms/div)
( )f
i
b f (2A/div)0
time(10ms/div)
圖 3-5(續一)(c)發電機側 a 相濾波電感電流i ；(d)發電機側 a 相濾波電感電af 流i 之頻譜；(e)發電機側 b 相電壓af v (f)發電機側 b 相濾波電bG 感電流i bf
( )g
0 5 10 15 20 25 30
0 20 40 60 80 100 120
Harmonic order THD= 5.98%
Mag (% of Fundamental,/div)
( )h
0
time(10ms/div)
v
cG(50V/div)
( )i
0
time(10ms/div) (2A/div)
icf
( )j
0 5 10 15 20 25 30
0 20 40 60 80 100 120
Harmonic order THD= 6.09%
Mag (% of Fundamental,.div)
圖 3-5(續二) (g)發電機側 b 相濾波電感電流i ；(h)發電機側 c 相電壓bf v ；cG (i)發電機側 c 相濾波電感電流i ；(j)發電機側 c 相濾波電感cf 電流i 之頻譜 cf
( )a
0
(50V/div)
v d c
time(10ms/div)
( )b
0 0
(50V/div)
v
aGtime(10ms/div)
( )c
0 0
time(10ms/div) (2A/div)
i
af( )d
0 5 10 15 20 25 30
0 20 40 60 80 100 120
Harmonic order THD= 9.54%
Mag(% of Fundamental,20/div)
圖 3-6 發電機操作於定轉速 200 rpm 時，風力發電系統以三相三開關昇壓 型交流-直流功率轉換器之直流等效電阻負載Rdc為 56 實測結 果：(a)直流鏈電壓v ；(b)發電機側 a 相電壓dc v ；(c)發電機側 aaG 相濾波電感電流i ；(d)發電機側 a 相濾波電感電流af i 之頻譜 af
3.3 結語
本章已完成三相三開關昇壓型交流-直流功率轉換器的設計、分析及 實測，其中，採用電流控制策略，以減少發電機側之電流諧波含量。圖 3-4作本文發電機之功率轉換器，另可配合第四章之單相市電併網及風力 發電最大功率追蹤控制，以完成系統整合。
第四章 單相直流-交流功率轉換器與系統整合
（bipolar voltage switching）和單極性電壓切換（unipolar voltage switching）
二種方式。單極性電壓切換輸出等效切換頻率為雙極性電壓切換的二 倍，所以其諧波含量遠低於雙極性電壓切換，因此能以較小的濾波器設 計值達到濾波效果，而降低濾波電路體積與重量，故系統將以單極性電
壓切換法作為正弦脈波寬度調變之控制策略以控制輸出波型。
若忽略開關切換的時間延遲，其責任週期命令與責任週期為相等，故在
* * 併網，輸出功率為700W之模擬結果：圖4-4(a)為直流鏈電壓v 為200V;圖dc
4-4(b)為單相市電側相電壓e 有效值110V;圖4-4(c)為單相市電側線電流R i ，峰值為9A，其總諧波失真率為0.25 %，如圖4-4 (d)所示。 R
B.實測結果
單相直流-交流功率轉換器與單相市電併網，輸出功率為 700W 之實 測結果：圖 4-5(a)為直流鏈電壓v 為 200V;圖 4-5(b)為單相市電側相電壓dc e 有效值 110V;圖 4-5 (c)為單相市電側線電流R i 峰值為 9A，其總諧波失R 真率為 6.05 %，如圖 4-5(d)所示。
模擬與實測結果相吻合，將直流電壓轉為單相交流電壓餽入市電，
市電側電流具備低諧波失真。
4.4 系統整合
圖 4-6 為本文之風力發電系統整合控制方塊圖，主要將三相風力發 電機、三相各相三開關昇壓型交流-直流功率轉換器、單相直流-交流功率 轉換器和單相市電整合在一起成為一個完整的小型風力發電系統。其發 電機側之控制策略採用最大功率追蹤功率控制法，能夠有效利用風能，
透過本文所提出之最大功率追蹤控制之擾動觀察法控制流程，如圖 2-5 所 示，不斷比較輸出功率及發電機三相端電壓與轉速成正比例關係判斷轉 速的變動，調整電流命令值Imf* 。得到電流命令值Imf* 作為三相三開關昇壓 型交流-直流功率轉換器之電流閉迴路控制之電流命令峰值，將三相交流 電壓轉換為直流鏈電壓；市電併網側採用直流鏈電壓閉迴路之控制策 略，其目的除了穩定直流鏈電壓，還將三相永磁式同步發電機之功率輸 出至市電。
4.5 結語
本章先推導單相直流-交流功率轉換器之控制策略，透過模擬與實測 結果之驗證完成單相直流-交流功率轉換器操作於市電併網模式。將最大 功率追蹤控制策略及單相市電併網，將發電機提供能量於市電，做為系 統整合之依據。
( )a 0
(50V/div)
vdc
time(10ms/div)
( )b 0
time(10ms/div) (100V/div)
eR
time(10ms/div) ( )c
0 0
(5A/div)
i
R( )d
0 5 10 15 20 25 30
0 20 40 60 80 100 120
Harmonic order THD= 0.25%
Mag (% of Fundamental,20/div)
圖 4-4 單相直流-交流功率轉換器獨立測詴，操作於市電併網之模擬結 果：(a)直流鏈電壓v ；(b)市電側相電壓dc e ;(c)市電側線電流R i ;(d)R 市電側線電流i 之頻譜 R
( )a 0
(50V/div)
vdc
time(10ms/div)
( )b 0
time(10ms/div) (50V/div)
eR
( )c 0
(5A/div)
i
Rtime(10ms/div)
( )d
0 5 10 15 20 25 30
0 20 40 60 80 100 120
Harmonic order THD= 6.05%
Mag(% of Fundamental,20/div)
圖 4-5 單相直流-交流功率轉換器獨立測詴，操作於市電併網之實測結 果：(a)直流鏈電壓v ；(b)市電側相電壓dc e ;(c)市電側線電流R i ;(d)R 市電側線電流i 之頻譜 R
單相
程式開始
回授 和P kG( )
( ) ( 1)?
G G
P k P k
( ) ( 1)?
mG mG
V k V k
程式結束
mG( ) V k
是 否
是 是
否 否
* *
( ) ( 1) ( )
mf mf
i k i k i k
( ) ( 1)?
mG mG
V k V k
* *
( ) ( 1) ( )
mf mf
i k i k i k imf* ( )k imf* (k 1) i k( ) imf* ( )k imf* (k 1) i k( )
圖 4-7 風力發電最大功率追蹤控制流程圖