第二章 風力發電系統架構
2-1 風力發電機原理與架構
大型風力發電機通常採用水平軸型式。它由風葉輪、變速齒輪箱、發電機、
迎風轉向系統、塔架等部件所組成。依照其發電原理可大略分為感應發電機、勵 磁式同步風力發電機、永磁發電機三種。感應發電機與勵磁式發電機都須經由齒 輪箱(如圖 6)來加速帶動發電機的轉子；永磁式發電機則不須齒輪箱即可發電(屬 直驅式)，所以有重量輕、效率好、可靠度高的優點。圖 3 為彰濱線西區之輪軸 式風力發電機的仰望近照，其中置有輪軸傳動箱及感應發電機，故其外型較圖 4 之機艙長。圖 4 同為彰濱線西區之直驅式風力發電機近照，因不須齒輪箱所以機 艙也較短，且內部構造與勵磁式風力發電機不同(圖 5、圖 6)。[20][31]
圖 3 輪軸式風力發電機
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圖 4 直驅式風力發電機
圖 5 永磁直驅式風力發電機內部之三相繞組
圖 6 軸輪式風力機內部的輪軸箱部分
風力計
迎風轉向馬達
9 的關係圖。圖8為利用(2-3)(2-4)跑出來的Cp圖，在固定β(X軸)跟λ(Y軸)下對照z軸 得到的值即為Cp。
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圖 7 二維 Cp圖(β=0)
圖 8 三維 Cp圖
2-2 風力發電機迎風轉向系統結構
發電機機艙與塔架接觸的部分有迎風轉向馬達來控制風機面向。圖9為直驅 式風力發電機內部之迎風轉向控制馬達，包括四組馬達及減速齒輪組，而此部分 的控制即是本文研究的主題。
有關大型風力發電機機艙的迎風轉向控制方塊圖簡略示意如圖10[6]。由風 機艙上方的風力計(見圖4)得到風速風向資料後，經控制器控制迎風轉向電機使 機艙轉向至適當方位。
機艙座在塔架的頂部界面處有外部齒輪滾珠軸承鋼圈，調整驅動裝置以驅動
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小齒輪嚙合外部齒輪，確保風力發電機組面向達到系統要求。大部分大型風機皆 有迎風轉向解纜控制系統，一旦風力發電機的控制電纜及電力電纜線扭轉2~3圈，
控制系統即利用下次低風速的期間來解開扭轉的電纜線；若因風力條件不許可而 造成電纜線扭轉多過3圈，則風機將不管風力條件如何，自動停機並解開扭曲，
通常大部分大型風力發電機約需半小時解開扭轉的電纜線。一旦完成解開扭轉的 電纜線後，風機將自動重新啟動[6]。其控制流程如圖11。
本研究重點之一為風機在正常狀態下風向改變的轉向響應，對於整體詳細的 解纜程序，如風機同方向轉三圈以上及與特大強風的保護措施等特殊情況，在本 迎風轉向控制的研究當中暫不考慮，僅以自動迎風轉向的部分為主。
圖 9 迎風轉向馬達(共四台)
圖 10 風機迎風轉向控制方塊示意圖
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圖 11 迎風轉向系統控制架構
迎風轉向剎車機構由數個液壓控制的迎風轉向剎車盤構成(見圖 12)。迎風轉 向系統有兩種壓力，分別提供迎風轉向時的阻尼和迎風轉向結束時的制動力。當 迎風轉向不工作(風機不轉向)時剎車片全部抱閘鎖死；當機艙對風所有剎車盤處 於半鬆開狀態，設置足夠的阻尼，保持機艙平穩迎風轉向，此時迎風轉向制動器 用作阻尼器；當系統自動解纜時，迎風轉向剎車片全部釋放。
液壓控制系統當風機(指約 2MW 大型風機)面向固定時提供約 140~160bar 壓
開始
風向風速檢測
特大強風?
電纜纏繞圈數
>3?
需要維修?
自動迎風轉向?
執行 90 度側風
執行自動解纜
執行人工迎風轉向
執行自動迎風轉向 否
否
否
否
是
是
是
是
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力，使剎車片緊壓在煞車盤上，以提供足夠的制動力。迎風轉向時則液壓釋放並 保持 24bar 的餘壓，以保持一定的阻尼減少風機在迎風轉向過程中的衝擊震動。
圖 12 風力發電機迎風轉向系統剖面示意圖
風力發電機擷取的風能與風葉轉動截面積成正比、風速三次方成正比，故當風機 面向與風向非一致時，其公式為
, 2 cos
3
p
out A V C
P (2-5) 其中是風向與風機機艙方向之間的角度，風機運轉中迎風轉向馬達所消耗的能 量為Pyaw，將風力發電電能與迎風轉向馬達消耗電能相減其值最佳化即為我們所 需。詳細的推論過程在第六章會有更進一步的探討。
塔柱
機艙
剎車活塞 液壓閥
迎風轉向驅動 滾珠軸承
迎風轉向剎車
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