當今的大型發風力電機種類，主要為垂直式風機，葉片通常為三葉，整個風 機的結構主要由塔柱、葉片、齒輪箱、發電機、電力電子設備與傳輸裝置組成，
在風力發電的過程中，首先必定需經由風機的運作將風能轉換為機械能，因此風 機設備的好壞，直接影響了功率擷取大小以及運行的安全和可靠度，而輸出功率 可依葉片大小決定，輸出功率較高者甚至可達數百萬瓦級。
根據空氣動力學，風能的功率可表達為 P =1
2 ρAV� (2.1)
ρ為空氣密度；A 為葉片轉動經過之面積；V 為風速
直觀上考慮風的流動，其速度在經過葉片後並不會直接消失，表示風機並無法完 全的吸收輸入的風能，而風能與機械能間轉換關係可由貝茲法則[4]推得，如圖 2.1，根據能量守恆與質量守恆定律，推得出在葉片後端風速 V2 為前端風速 V1 的三分之一時，可得到最大的吸收功率 P�
P� =16 27 (
1
2 ρAV��) (2.2)
8
9
圖 2.2 功率因數於不同角度下之變化
圖 2.2 中顯示不同尖端速度比與葉片旋角下，風機之功率係數有所不同，一 般而言當 β 越大時迎風面接觸的面積越小，理所當然的風能吸收的效率較差功 率係數越小，同時可以發現在不同角度下最大的功率轉換係數 C�，皆對應於不 同的尖端速度比 λ，這表示對適當範圍內的風速，轉速能依尖端速度比的關係來 作為工作速率的設定，使風能吸收的效率最大，同時利用角度對功率的影響，更 可以設計風機轉速的工作範圍，維持機組的安全性，這便是最大功率追蹤控制與 旋角控制的基本概念。
10
圖 2.3 不同轉速下發電機之工作區域
在了解風能轉換的關係後，接著設定風機的工作範圍，如圖共可分為四個階段 階段 1
此時風機處於啟動階段，由於風機開始轉動，其轉速處在一很低的範圍內，
此階段下風機的運行脫離於電網，也不存在功率的追蹤，直到轉速上升至工作範 圍內，才開始執行最大功率追蹤任務。另外當風速小於切入風速時，風機同樣會 運作於此區域內，利用旋角控制使轉速變化於一允許的範圍內，避免轉速過低而 運作於共振轉速附近影響機械結構[4]。
轉速恆定
轉速(rad/s) 1
2
3
4
功率(w)
功率恆定
ω�_���
風速(m/s) ω�_���
圖 2.4 不同風速下之工作區域[5]
11
階段 2
在此階段內，風速位於切速風速與額定風速之間，此時風機能有效吸收風 能，且不會對機械結構造成破壞，因此轉速的值隨風力增強而上升，同時系統運 作於最佳功率吸收點上，功率因子維持於 C���� 上，即最大功率追蹤控制點，
一旦風速超出額定風速後，風機便脫離功率追蹤，跳往下個區域。
階段 3
當轉速過高超出額定轉速，此時風機在最佳功率追蹤狀況下所吸收的風能，
以超過機組的負載量，若不作出相對應的措施，將使風機故障、葉片損毀，此時 將採取定轉速控制，透過槳矩的旋角控制，固定風機的轉速於最大值上，這時功 率因子將不在保持於固定點上，而是根據尖端速度比與功率因子的關係，隨風速 的升降控制轉速固定，其工作點將在固定旋角值下，隨尖端葉速比與功率因素之 關係而移動。
階段 4
當階段 3 中轉速維持最大而風速繼續上升，此時輸出的功率將超出系統的 額定值，將使變電裝置受損，因此在此階段中要求吸收的風能維持在定值，同時 使葉片的轉速不高於最大轉速，為達成此要求，必須使用旋角與功率因素的關 係，適時調整 Cp 之大小，即旋角控制的主要工作區，若風速仍繼續提高使旋角 控制也無法抑制其轉速，最後將會停止風機運作以保護設備安全。
12