第六章 結論及成果自評
6.1 結論
本子計畫三垂直型風車發電系統之永磁式發電機及功率控制器之研 製，包含永磁式同步發電機、功率轉換器控制及市電併網，本計畫完成 32 極 30 槽永磁式同步發電機、發電系統三相交流-直流功率轉換器及單 相直流-交流功率轉換器系統整合，並與單相市電併網。
在永磁式同步發電機方面，本計畫採用 32 極 30 槽之設計，有低轉 速高轉矩、低噪音優點，發電機製作方面採用分散定子、槽的組合，定 子由六塊模組組成，轉子由八塊模組組成，方便自動繞線機操作，加快 繞線速度，減少大型模具的費用。
在功率轉換器控制方面，發電機側採用各相獨立接線之三相永磁式 同步發電機連接於三相各相獨立型交流-直流功率轉換器，主要將小型風 力發電機輸出之變動電壓及頻率的交流電源轉換為直流鏈電壓，配合最 大功率追蹤控制策略之擾動觀察法，將風力發電機抽取最大功率。採用 各相獨立的優點能提高電壓範圍使用率，控制策略採用輸入電流命令追 隨輸入電壓波形方式，則有效降低發電機側電流諧波，有助於提升效率。
在單相直流-交流功率轉換器方面，使用電流控制模式與市電併網提供實 功率。本文利用數位信號處理器做為控制核心，配合硬體電路與軟體程 式流程來完成實體製作。
6.2 本計畫的成果自評
本計畫的成果自評如表 6-1，其績效如下：
1. 參與本計畫已獲得碩士學位有賴孟修及陳信炫二位。
2. 本計畫的發電機及功率轉換器，正與巨亞公司及品勝公司洽談技轉。
3. 本計畫的功率轉換器的控制技術，以發表國內電力電子研討會有 3 篇，其題目如下
A. 小型風力發電用之交流-直流-交流功率轉換器之研製 B. 以數位信號處理器為基礎之風力發電及照明系統之研製 C. 無轉速偵測裝置之永磁式同步發電機控制系統研製 4. 本文的新型功率轉換器正在撰寫專利申請書。
表 6-1 可供推廣之研發成果資料表
日期：100 年 03 月 01 日
計畫名稱：垂直軸式層狀型風力發電系統之研製-子計畫三垂直型風車發電系統之永磁式發電 機及功率控制器之研製(1)
計畫主持人：黃仲欽
計畫編號：NSC99-2623-E-011-002-ET
論文
期刊
研討會
發表於 2010 第九屆台灣電力電子研討會論文共 3 篇，論文題目為 1. 小型風力發電用之交流-直流-交流功率轉換器之研製
2. 以數位信號處理器為基礎之風力發電及照明系統之研製 3. 無轉速偵測裝置之永磁式同步發電機控制系統研製
技術報告
專利
申請 新型交流-直流功率轉換器之控制策略的專利申請，正在撰寫。
取得 技轉 與產業界、研發機
構互動成果
與產業界合作的廠商有巨亞公司、品勝公司。可將發電機及功率轉換器做技 轉。
可利用之產業及可 開發之產品
1. 低轉速高效率永磁式發電機 2. 以 DSP 為基礎之新型功率轉換器
技術特點
1. 永磁式同步發電機的設計方面，採用多及結構，不僅具有低速高轉矩，並 採用分散定子、槽的組合，可減少大型模具的費用。
2. 新型功率轉換器方面，採用各相獨立繞組控制及 DSP 為基礎，其功率轉 換器的控制及最大功率追蹤皆由軟體程式完成之。
推廣及運用價值
本產品可用小型風力發電系統使用，作為 LED 路燈及廣告燈的電源供給。
註：本項研發成果若尚未申請專利，請勿揭露可申請專利之主要內容。
參考文獻
[1] C. E. A. Silva, D. S. Oliveira Jr., L. H. S. C. Barreto and R. P. T. Bascope,
“A Novel Three-phase Rectifier with High Power Factor for Wind Energy Conversion Systems,” Power Electronics Conference, Brazilian, pp. 985-992, 2009.
[2] R. Ramakumar, H. J. Allison and W. L. Hughes, “Analysis of the Parallel-Bridge Rectifier System,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol. IA-9, no.4, pp. 425-436, 1973.
[3] M. R. Sahid, A. H. M. Yatim, “Brief Study on the Efficiency of Several Single-phase PFC Topologies,” Power and Energy Conference, IEEE 2nd International, pp. 341-344, 2008.
[4] L. Huber, Y. Jang, M. M. Jovanovic, “Performance Evaluation of Bridgeless PFC Boost Rectifiers,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 23, Issue 3, pp. 1381-1390, 2008.
[5] B. M. Nagai, K. Ameku and J. N. Roy, “Performance of a 3 kW Wind Turbine Generator with Variable Pitch Control System,” Applied Energy, vol. 86, no. 9, pp. 1774-1782, 2009.
[6] G. Müller, M. F. Jentsch and E. Stoddart, “Vertical Axis Resistance Type Wind Turbines for Use in Buildings,” Renewable Energy, vol. 34, no. 5, pp. 1407-1412, 2009.
[7] A. P. Tennakoon, A. Atputharajah, S. G. Abeyratne and J. B. Ekanayake,
“Doubly-Fed Induction Generators for Wind Power Generation,”
International Conference on Industrial and Information Systems, pp.
135-140, 2007.
[8] A. Binder and T. Schneider, “Permanent Magnet Synchronous Generators for Regenerative Energy Conversion - a Survey,” European Conference on Power Electronics and Applications, p. 10, 2005.
[9] T. M. H. Nicky, K. Tan and S. Islam, “Mitigation of Harmonics in Wind Turbine Driven Variable Speed Permanent Magnet Synchronous Enerators,” The 7th International Power Engineering Conference, pp.
1159-1164, 2005.
[10] J. Azzouzi, G. Barakat and B. Dakyo, “Analytical Modeling of an Axial
Flux Permanent Magnet Synchronous Generator for Wind Energy Application,” IEEE International Conference on Electric Machines and Drives, pp. 1255-1260, 2005.
[11] Z. Kai, H. M. Kojabadi, P. Z. Wang and C. Liuchen, “Modeling of a Converter-connected Six-phase Permanent Magnet Synchronous Generator,” International Conference on Power Electronics and Drives Systems, pp. 1096-1100, 2005.
[12] M. Popesci, M. V. Cistelecan, L. Melcescu and M. Covrig, “Low Speed Directly Driven Permanent Magnet Synchronous Generators for Wind Energy Applications,” International Conference on Clean Electrical Power, pp. 784-788, 2007.
[13] P. Lampola, Directly Driven Low Speed PM Generators for Wind Power Applications, PhD Thesis, Acta Politechnica Scandinavica, Electrical engineering series, no. 101, Espoo, 2000.
[14] H. Li and Z. Chen, “Design Optimization and Site Matching of Direct-drive Permanent Magnet Wind Power Generator Systems,”
Renewable Energy, vol. 34, no. 4, pp. 1175-1184, 2009.
[15] F. Wang, J. Bai, Q. Hou and J. Pan, “Design Features of Low Speed Permanent Magnet Generator Direct Driven by Wind Turbine,”
Proceedings of the Eighth International Conference on Electrical Machines and Systems, vol. 2, pp. 1017-1020, 2005.
[16] R. J. Wang, M. J. Kamper, K. Van der Westhuizen and J. F. Gieras,
“Optimal Design of a Coreless Stator Axial Flux Permanent Magnet Generator,” IEEE Transaction on magnetics, vol. 41, pp. 55-64, 2005.
[17] M. Ooshima, S. Kitazawa, T. Fukao and D. G. Dorrell, “Design and Analyses of a Coreless-stator-type Bearingless Motor/Generator for Clean Energy Generation and Storage Systems,” IEEE Transaction on magnetics, vol. 42, pp. 3461-3463, 2006.
[18] X. Y. Wang and J. J. Du, “Performance Analysis of a Wedgy Airgap Disk Coreless Permanent Magnet Synchronous Motor,” Mechatronics and Automation, pp. 1811-1816, 2006.
[19] T. F. Chan and L. L. Lai, “An Axial-flux Permanent-Magnet
Synchronous Generator for a Direct-Coupled Wind-Turbine System,”
IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 22, pp. 86-94, 2007.
[20] 蕭鈞毓，“六相及雙三相繞組永磁式同步電機之分析及設計”，國立台 灣科技大學電機研究所碩士論文，民國九十七年。
[21] K. Ohyama, S. Arinaga, Y. Yamashita, “Modeling and Simulation of Variable Speed Wind Generator System Using Boost Converter of Permanent Magnet Synchronous Generator,” Power Electronics and Applications European Conference, pp. 1-9,2007.
[22] T. Archer, K. Tan and S. Sugiarto, “VS-CCI and VS-CCI/APF Configuration for PMSG Wind Energy Conversion System,”
Universities Power Engineering Conference, pp. 1-6, 2007.
[23] H. Van Der Broeck, H. C. Skudelny and G.V. Stanke, “Analysis and Realization of A Pulse Width Modulator Base on Voltage Space Vectors,”
IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 24, no. 1, pp. 142-149, 1998.
[24] 何昆哲，“以數位訊號處理器為基礎之小型風力發電系統研製”，國立 台灣科技大學電機研究所碩士論文，民國九十六年。
[25] B. N. Singh, P. Jain, and G. Joos, “Three-phase AC-DC Regulated Power Supplies : a Comparative Evaluation of Different Topologies,” in Proc. IEEE APEC Conf., vol. 1, pp. 523-518, 2000.
[26] E. Koutroulis and K. Kalaitzakis, “Design of a Maximum Power Tracking System for Wind-energy-conversion Applications,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 53, no. 2, pp. 486-494, 2006.
[27] N. P. W. Strachan and D. Jovcic, “Dynamic Modelling, Simulation and Analysis of an Offshore Variable-speed Directly-driven Permanent-magnet Wind Energy Conversion and Storage System (WECSS),” Europe of OCEANS, pp. 1-6, 2007.
[28] 高永昌，“全橋半控型功率轉換器於風力發電系統之應用”，國立台灣 科技大學電機工程研究所碩士論文，民國九十八年。
[29] A. B. Raju, K. Chatterjee and B. G. Fernandes, “A Simple Maximum Power Point Tracker for Grid Connceted Variable Speed Wind Energy Conversion System with Reduced Switch Count Power Converter,”
IEEE-PESC Conference Record, vol. 2, no. 1, pp. 748-753, 2003.
[30] R. Datta, V. T. Ranganathan, “A Method of Tracking The Peak Power Points for a Variable Speed Wind Energy Conversion System,” IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 18, issue. 1, pp. 163-168, 2003.
[31] 于俊傑，“風力發電最大功率追蹤技術之研究”，中原大學電機工程研 究所碩士論文，民國九十二年。
[32] 朱億樵，“風力發電用之三臂及六臂半控型交流-直流功率轉換器之研 製”，國立台灣科技大學電機工程研究所碩士論文，民國九十八年。
[33] 蘇長成，“風力發電系統之功率轉換器研製”，國立台灣科技大學電機 工程研究所碩士論文，民國九十七年。
[34] 潘宣宏，“小型風力發電機之混合型交-直流轉換器之研製”，國立成 功大學電機工程研究所碩士論文，民國九十五年
[35] Z. Bing, M. Chen, S. K. T. Miller, Y. Nishida, J. Sun, “Recent Developments in Single-Phase Power Factor Correction,” IEEE Power Conversion Conference, pp. 1520-1526, 2007.
[36] C. Petrea, M. Lucanu, “Bridgeless Power Factor Correction Converter Working at High Load Variations,” Proceedings of the 2007 International Symposium on Signals, Circuits and Systems, vol. 2, pp. 1-4, 2007.
[37] T. Qi, L. Xing, J. Sun, “Dual-Boost Single-Phase PFC Input Current Control Based on Output Current Sensing,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 24, Issue 11, pp. 2523-2530, 2009.
[38] A. Karaarslan, I. Iskender, “Pure Sinusoidal Input Voltage Based Bridgeless PFC Converter Using TMS320F2812 Digital Dignal Processor,” Proceedings of the 2009 International Symposium on Electrical and Electronics Engineering, pp. I-234 - I-238, 2009.
[39] C.E.A. Silva, R.T. Bascope, D.S. Oliveira, D, “Three-phase Power Factor Correction Rectifier Applied to Wind Energy Conversion Systems,”
Applied Power Electronics Conference and Exposition, pp. 768-773, 2008.
[40] R. Srinivasan, R.Oruganti, “Analysis and Design of Power Factor Correction Using Half Bridge Boost Topology,” Applied Power Electronics Conference and Exposition, vol. 1, pp. 489-499, 1997.
[41] B. Su, Z. Lu, “An Interleaved Totem-Pole Boost Bridgeless Rectifier with Reduced Reverse-Recovery Problems for Power Factor Correction,”
IEEE Transactions on Power Electronics, Issue 99, pp. 1-1, 2010.
[42] W. Y. Choi, J. M. Kwon, B. H. Kwon, “Bridgeless Dual-boost Rectifier with Reduced Diode Reverse-recovery Problems for Power-Factor Correction,” Power Electronics, IET, vol. 1, Issue 2, pp. 194-202, 2008.
[43] 林君達，“低噪音風能轉換系統用永磁式同步發電機之設計及控制”，
國立台灣科技大學電機工程研究所碩士論文，民國九十八年。
[44] A. Abouloifa, F. Giri, I. Lachkar, F.Z. Chaoui, “Nonlinear Control Design and Averaging Analysis of Full-bridge Boost Rectifier,” IEEE International Symposium onIndustrial Electronics, pp. 93-98, 2008.
[45] Y. K. Lo, S. Y. Ou and H. J. Chiu, “On Evaluating the Current Distortion of the Single-Phase Switch-Mode Rectifiers with Current Slope Maps,”
IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 49, pp. 1128-1137, 2002.
[46] J. W. Choi and S. K. Sul,“Fast current control controller in three-phase ac/dc boost converter using d-q axis crosscouping,”IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 13, no. 1,pp. 562-570, 1985.
[47] T. M. Rowan and R. J. Kerkman,“Design and experimental results of a brushless AC servo drive,”IEEE Transactions on Industry Application, vol IA-22, no. 4, 1986.
[48] 劉宗憲，“非隔離併網型太陽能功率轉換器共模電流之抑制”，國立台 灣科技大學電機工程研究所碩士論文，民國九十八年。
[49] 黃崇哲，“小型風力發電系統之功率轉換器研製”，國立台灣科技大學 電機工程研究所碩士論文，民國九十九年。
[50] 呂紹豪，“永磁式同步發電機之風力發電系統之研製”， 國立台灣科 技大學電機工程研究所碩士論文，民國九十二年。
[51] 康宗仁，“永磁式同步發電機之風力發電功率控制系統之研製” ， 國 立台灣科技大學電機工程研究所碩士論文，民國九十四年。
[52] 黃昌圳，“小容量風力發電機的研製”，私立逢甲大學電機工程研究所 碩士論文，民國九十一年。
[53] 李季憲，“以數位信號處理器為基礎之切換式整流器研製”，國立台灣 科技大學電機工程研究所碩士論文，民國九十六年。
[54] 許坤興，“以數位信號處理器為基礎之太陽能與燃料電池複合發電系 統之研製”，國立台灣科技大學電機工程研究所碩士論文，民國九十 七年。
[55] 潘郁昕，“風力發電系統之功率轉換器研製”，國立台灣科技大學電機 工程研究所碩士論文，民國九十七年。
[56] 林功偉，“以數位信號處理器為基礎之電池儲能系統研製”，國立台 灣 科技大學電機工程研究所碩士論文，民國九十八年。
附錄 A 30 槽 32 極內轉型發電機規格及參數
相數(m) 三相
槽數(Ns) 30
極數(N ) p 32
額定轉速 180rpm / 210rpm
感應電勢之基本波頻率 48 Hz /56Hz
定子每槽線圈數 90 匝
定子繞線線徑 導體 1.0mm，最大外徑 1.102mm (1 根)
定子繞組配置 Y 接單槽直繞式
定子內徑/外徑(直徑) 260mm /320mm 轉子內徑/外徑(直徑) 220mm / 257mm 氣隙長度(單邊) 1.5 mm
軸向鐵心有效長度(積厚) 70mm
鐵心材料 50CS400
永磁材料 NdFeB35
槽面積(mm2)(全部)/(半邊) 324 / 162
單相電阻(Ω) 2.43
交軸電感L (H) q 0.053 直軸電感Ld(H) 0.0292 磁通鏈向量m' (V/rad/s) 0.5855
額定功率(kW) 1
導體的佔槽率 0.624
感應電動勢的相電壓峰值(V) 284.4/331.8 感應電勢線電壓峰值(V) 402.2/470 感應電勢相電壓峰值諧波失真(%) 1.03
估計額定電流(A)(rms 值)(3 倍導體
面積) 2.36
附錄 B 整體系統之參數
表 B-1 Matlab-Simulink/Simpower 之整體系統模擬參數
名稱 數值
發電機極數N p 26 定子側等效電阻RS(Ω) 0.5 定子側等效電感LS(mH) 7 定子側等效磁通鏈m' (V/rad-s) 0.122
發電機極數N p 26 定子側等效電阻RS(Ω) 0.5 定子側等效電感LS(mH) 7 定子側等效磁通鏈m' (V/rad-s) 0.122