緒論

1.1 研究背景與動機

近年來由於能源危機的問題愈趨嚴重，而石油、天然氣、煤氣等無法再生 之石化能源的大量使用，已經面臨枯竭，且燃燒石化能源所產生之二氧化碳等 氣體的大量排放，產生的空氣污染及溫室效應亦是現今重要課題，為了減少對 於石化能源的依賴，因此世界各國積極的尋求替代能源，如太陽能、風能、熱 能、水力、潮汐能、生質能等等，無環境污染且取之不竭，而我國對於再生能 源的開發及利用也是相當重視，民國96年底再生能源裝置容量為210.3萬瓩，占 系統裝置容量5.5%，在94年6月的全國能源會議中，預計2025年再生能源裝置容 量到達800~900萬瓩，占系統裝置容量10~12%為目標[1]，因此對於再生能源之 相關研究亦相對重要。

再生能源中以太陽能及風力最具潛力，而在風力發電[2]方面，2007年全球 風力發電新增裝置容量為18,800MW，總裝置容量達到93,106MW，到2011年新 增裝置容量達到33,500MW，總裝置容量達到203,151MW，預估2007~2011年新 增裝置容量成長率為15.5%，累計裝置容量成長率為21.5%[3-4]，因此風力發電 在全球亦是未來重點能源開發之一，在國內，因台灣屬海島地形，許多地區年 平均風速高於4公尺/秒，相當適合風力發電，目前台電也正在進行風力第一~四 期發電計畫，預估2010年總裝置容量可達215.9萬，且台電正計劃收購民營之再 生能源，如台塑集團的台朔重工公司在麥寮離島工業區建造的風力發電廠，因 此台灣之風力發電未來亦是相當有前景。

風力發電依照用途不同，可分為獨立型、併網型及混合型，獨立型發電系 統是將產生之電能儲存於蓄電池，作為獨立電源，一般運用於偏遠無市電系統 之地區，例如山區氣象站、離島地區及基地台等等，或是使用於路燈、告示牌 等應用，併網型發電系統則是將產生之電能經由變頻器轉換成AC110V或220V 60Hz，直接饋入市電，提供一般地區用電，而混合型則是將獨立型及併網型結 合，依照不同需求配合使用。

下，輸出功率依風力機轉速之不同而改變，但風速變化相當快速，使風力機容 機輸出之三相交流電轉為直流電，再經由升壓型直流轉換器(DC/DC boost converter)[24-27]將能量儲存於蓄電池，而數位電路方面，由於科技的快速進步，

電路數位化已是目前的趨勢，雖然目前市面上仍以 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)為主，但現場可程式化邏輯閘陣列(Field-Programmable Gate Array, FPGA)克服了 ASIC 不夠靈活之缺點，可方便修改設計，因此本計劃利用 FPGA 作為控制核心，將最大功率追蹤控制程式下載於 FPGA 系統晶片，以此

升壓型直流轉換器及蓄電池，數位電路則使用Altera 公司之 QuartusII 系統開發

ModelSIM 軟體共同模擬，將 VHDL 程式碼載入 ModelSim，使用 Simulink 連結 方塊連結PSIM 及 ModelSim，模擬數位電路 IC 閉迴路之工作情況，實測方面，

使用工業風扇模擬實際風場，並利用變壓器改變風扇之電壓，藉以模擬不同風 速下之風場，為了驗證最大功率追蹤控制之正確性，利用控制升壓型直流轉換 器之責任週期，建立風力機轉速及輸出功率之特性曲線，最後將VHDL 程式下 載至FPGA(Altera Cyclone EPC12F256C8)晶片中，進行系統實測及驗證。

C

三相二極體整流器

L D

1 S C2

垂直軸風力發電機 升壓型直流轉換器

FPGA

Cyclone EPC 12 F256C8

圖1.1 系統架構圖