2-1 風力發電系統
風力發電機依照葉片主軸軸向與風向的關係可以分成水帄軸式與垂直軸式 的風力發電機，其中水帄軸式風力發電機如圖 2-1 所示，而垂直軸式的風力發電 機則如圖 2-2 所示，垂直軸式的風力發電機與水帄軸式比較起來具有較低啟動風 速、不受風向限制等優點，但其結構造成風能轉換效率較水帄軸式為低，所以在 發電效益的考量上水帄軸式風力發電機普及率較高。
圖 2-1 水帄軸式風力發電機
圖 2-2 垂直軸式風力發電機
水帄軸式的風力發電機依照發電機主軸被葉片主軸帶動的方式可分成傳動 式與直驅式兩種，傳動式的大型風力發電機如圖 2-3 所示，其內部擁有如圖 2-4 所示的齒輪傳動箱，藉由葉片主軸上的大齒輪帶動發電機軸上的小齒輪增加發電 機轉速以獲得較高的功率，然而圖 2-5 中的直驅式大型風力發電機葉片主軸並無 經過齒輪傳動而直接與發電機主軸相連，其與傳動式比較起來具有體積小、節省 維護齒輪箱成本、低噪音等優點，然而由於發電機轉速較低因此需要多極數的發 電機來提高產生的功率。
圖 2-3 傳動式大型風力發電機
圖 2-4 傳動式大型風力發電機齒輪箱 至葉片主軸
齒輪箱 至發電機主軸
圖 2-5 直驅式大型風力發電機
由於直驅式風力發電機擁有上述優點所以近年來除了在大型風力發電機上 蓬勃發展外，在小型風力發電機上更是因為其轉速高不需要齒輪傳動而廣泛使 用，小型風力發電機依照美國風能協會 (American Wind Energy Association, AWEA)的定義為發電機功率100kW，其中1kW 的更細分為微小型風力發電 機如圖 2-6 所示的 400W 風力發電機，而圖 2-7 則是 5kW 的小型風力發電機，圖 2-6 與圖 2-7 的風力發電機皆屬於直驅式。併網與否依照發電機功率定義於表 2-1[9]，離網型與併網型指的是風力發電系統最後是否與電網相連，若與電網相 連稱作併網，反之則是離網，亦稱為獨立型風力發電系統。
表 2-1 併網功率範圍定義
風力發電機功率 形式
大於等於 11kW 併網 1kW 至 10kW 併網或離網
小於 1kW 離網
圖 2-6 400W 風力發電機
圖 2-7 5kW 風力發電機
本研究在實驗上沒有與台電的市電併網因此屬於獨立型風力發電系統，目前 在實際應用上其架構常如圖 2-8 所示，風力發電機產生的交流電經過充電控制器 中的整流器整流後對電池充電，視負載端需求而決定是否由變流器將電池直流電 轉換成交流電來使用。
圖 2-8 獨立型風力發電系統
圖 2-9 為市面上常見的小型風力發電系統控制器，具有充電控制與即時監測 系統狀態的功能，此外配合圖 2-10 的剎車裝置可以在控制器偵測到發電機產生 過大的電流時送出開關訊號控制繼電器來啟動三相短路剎車或是電阻式剎車使 風力發電機停機。
圖 2-9 小型風力發電系統控制器
圖 2-10 小型風力發電系統剎車裝置 2-2 風力發電原理
風力發電機發電的原理是將風的動能透過葉片轉換成機械能，再由發電機轉 換成電能，而由空氣動力學可以推導出風的動能能夠轉換出來的機械功率 P[10]
可以表示成
2 3
1 ( , )
2 P
P C R V (2-1) 其中 P 的單位為 W，其他符號意義為
R:葉片半徑(m) ρ:空氣密度(kg/m3) V:風速(m/s)
β:葉片攻角(deg)
λ:尖端速度比，其定義如下
R V
(2-2)其中ω 為風力發電機機械旋轉角速度(rad/s)
Cp:風能轉換效率係數，為葉片尖端速度比λ 與葉片攻角 β 的函數如圖 2-11 所示。
圖 2-11 風能轉換效率係數曲線
由(2-1)式與(2-2)式搭配 Matlab 模擬可以得到風力發電機在不同風速與轉速 下的功率曲線，以葉片長 1 米的 2kW 小型風力發電機而言其功率曲線如圖 2-12 所示，由圖可知在每個不同的風速下有其最佳轉速值可獲得最大的風能如虛線所 示，而變速型風力發電機便是在不同風速下變動其最佳轉速值以提高效率，稱之 為最大功率追蹤(Maximum Power Point Tracking, MPPT)。
圖 2-12 2kW 風力發電機功率曲線
圖 2-13 為 2.5MW 大型風力發電機的功率曲線圖，與圖 2-12 比較起來其轉 速非常低但是由於其葉片長度長達 50 米故可產生相當大的功率，由圖 2-12 與圖 2-13 可以看出風力發電機必頇在特定風速與轉速範圍才能產生足夠的功率。
圖 2-13 2.5MW 風力發電機功率曲線
Fs 在發電機中可以代表定子電壓、電流或磁通量的向量，c 為轉換常數其值
cos sin
途，本文中所使用的則是表面黏附式。永磁同步發電機由於不需要電刷與滑環來 建立旋轉磁場，因此有體積小與節省維護成本等優點且廣泛運用於直驅式風力發 電機中，而其缺點是製造永久磁鐵所需的稀土材料昂貴尤其是在大型風力發電機 中更為明顯，以 400W 的永磁同步發電機來說，其實際構造如圖 2-16 所示。
圖 2-16 400W 永磁同步發電機結構
由圖中轉子永久磁鐵的排列方式可以判斷其為表面黏附式的永磁同步發電 機，而由永久磁鐵個數可以得知極數為 12 極，當風吹動葉片帶動轉子旋轉時其 磁力線切割定子繞組線圈使其產生與轉子旋轉頻率同步的三相交流電輸出。
圖 2-17 為永磁同步發電機的等效電路模型，間隔 120 度的任一相由相電流 變化產生的反電動勢、定子電阻與定子電感與定子電壓所組成，圖中的 Va、Vb
和 Vc依序代表 a、b 與 c 相的定子電壓，eas、ebs和 ecs依序代表 a、b 與 c 相的反 電動勢，而由於三相帄衡，在三相中的任一相電阻值皆為 Rs且任一相的電感值 皆為 Ls，由自感與互感的觀念能夠推得線電感為相電感大小的三倍之關係，而線 電阻則直觀的可以看出其為相電阻大小的兩倍。
永久磁鐵 定子三相繞組
轉子
ebs eas
其中