再生能源發電系統之研製---總計畫(II)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告

總計畫(2/3)

計畫類別： 整合型計畫

計畫編號： NSC92-2213-E-011-022-

執行期間： 92 年 08 月 01 日至 93 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣科技大學電機工程系

計畫主持人： 葉勝年

報告類型： 精簡報告

處理方式： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 93 年 5 月 31 日

行政院國家科學委員會專題研究計畫期中進度報告

再生能源發電系統之研製--總計畫（2/3）

Development of power conversion system for renewable energy--main project(2/3) 計畫編號：NSC 92-2213-E-011-022

執行期限： 92 年 08 月 01 日 至 93 年 07 月 31 日 主持人：葉勝年 教授 國立台灣科技大學電機工程系 計畫參與人員：陳明宏、蔡雅嵐、呂佩娟

一、中文摘要

本計畫第二年已完成太陽能、風能及沼氣等再生能 源發電系統。太陽能採用直流截波器及直流-交流功率 轉換器作其他形式的功率轉換，風能及沼氣的發電機則 採用交流感應發電機及永磁同步發電機。本計畫共有六 個子計畫，涵蓋發電機控制、太陽能最大功率追蹤、蓄 電池充放、虛功率補償、電力系統穩定度分析、保護協 調、電力調度、系統監控及風力機的設計等技術。本計 畫將建立沼氣引擎之感應發電機、風能驅動感應發電 機、風能驅動永磁式同步發電機、太陽能發電及蓄電池 儲、釋能技術。同時亦將完成系統監控作為再生能源之 能源管理、電力調度，以提高電力品質。本進度報告將 簡介各子計畫第二年之研究方法及成果。

關鍵詞：再生能源、沼氣發電、風力發電、太陽光 能、蓄電池、功率轉換器、系統穩定度、監控、電腦輔 助設計、實作技術

Abstract

In the second year, the generation system of renewable energy for photovoltaic, wind and biogas have been built.

Solar power is converted to electric power through DC chopper and DC to AC converter. In addition, induction and permanent-magnet synchronous machines are used to generate wind and biogas powers. This project has six subprojects, including the generator control, maximum photovoltaic power tracking technique, battery charging and discharging, var compensator, analysis of the power system stability, protection and coordination, loading dispatch, remote control, design of wind machine, etc. This three-year project will not only develop the induction generator using biogas engine, the permanent-magnet synchronous generator using wind-driven prime mover, photovoltaic energy generation system, battery charging and discharging, but also accomplish remote control for the management of renewable energy, loading dispatch for increasing power quality. Details concerning the analyses and results of each of the subprojects in the second year are given.

Keywords: renewable energy, biogas generation, wind power generator, photovoltaic, batteries, power converter, power system stability

二、計畫緣由與目的

近年來由於全球環保意識抬頭，對於新能源與潔淨 能源的需求殷切，且台灣能源極為缺乏，因此尋求具有 環保的替代能源實為刻不容緩。依據經濟部新能源及潔

淨能源研究開發規劃小組所規劃，國內再生能源的使 用，至西元 2020 年預定占總能源之 3﹪。目前再生能源 的發電系統有小水力、風力、地熱、太陽能及沼氣等。

日本及歐美各國皆積極開發風力及太陽能發電技術且 已具相當成果，而國內這些再生能源的發電產品大都依 賴進口。由於台灣為海島，風力豐沛且日照率高，非常 適合發展風力及太陽能發電系統。此外，沼氣發電，亦 是本計畫所涵蓋的研究範圍。

本計畫的主要目的是透過團隊合作方式，發展再生 能 源 發 電 系 統 之 相 關 技 術 。 各 子 計 畫 共 同 採 用 MATLAB/Simulink 之計算機分析軟體，數位訊號處理 器及功率轉換器，以從事設計及實作。同時整合各計畫 的相關理論，以分工合作方式，建立沼氣發電、風力發 電、太陽能發電及混合使用發電系統，不僅能獨立供 電，亦要與市電並聯，提高供電品質。本計畫所涵蓋的 技術有發電機控制、太陽能最大功率追蹤、蓄電池充 放、虛功率補償、電力系統穩定度分析、配電保護協調、

系統監控及風力機的設計等。此再生能源發電系統的分 析、設計及製作計畫，將可培育國內再生能源技術研發 人才。而此成果之推廣，不僅提高環保效益，亦能節約 能源以利經濟發展。

三、研究方法

子計畫一：感應發電機之沼氣發電系統之研製

（主持人：王醴）

本子計畫旨在研究市電並聯型感應發電機於沼氣 發電系統之應用，並利用數學模型建立完整的等效電 路，以探討在不同條件下之故障電流、導線容量、斷路 器容量之影響，並與實際情形作比較分析。此外在不同 進相電容下對共振頻率點做模擬計算，並針對系統感應 發電機在不同轉速及是否含有進相電容下做電壓、電流 諧波量測與分析。最後並對該沼氣發電系統之感應發電 機保護電路作分析與建議。

子計畫二：具遠端監控與故障偵測功能之太陽光能發 電系統之研製（主持人：王文智）

在本子計畫使用升壓型(Boost)轉換器與模糊控制 法研製太陽光能發電系統之新型最大功率追蹤器，其電 路結構圖如圖 1 所示，因為升壓型轉換器之特性為電流 控制型，所以開關元件之工作週期(Duty Cycle)與電流之 變化量有關。因此，利用電流命令之變化以調整太陽光 能電池輸出功率之大小，以完成最大功率追蹤之功能。

同時，採用降壓-升壓型(Buck-Boost) 轉換器製作電池充

放電電路，其基本架構係採用非隔離式雙向型電池充放

電電路，其電路結構圖如圖 2 所示。另外，本計畫使用

單晶片微算機製作太陽光能發電系統遠端監控之介面 電路，再利用 LabView 撰寫遠端監控之程式。

圖 1 太陽光能電池之最大輸出功率追蹤電路結構圖

圖 2 基於降壓-升壓型轉換器之電池充放電電路結構圖

子計畫三：具靜態虛功率補償感應發電機之風力發電 系統研製（主持人：王順源）

此子計畫為自激式感應發電機供電給負載時，會造 成發電機端電壓及激磁電流下降，相反的卸載時會使發 電機端電壓上升，為使端電壓維持穩定不受負載特性干 擾，本研究採用以功率元件組成之靜態虛功率補器(SVC) 來提供發電機在負載變動時所需的虛功率，藉由補償系 統虛功率以達到電壓穩定的效果。圖 3 為本研究研製之 電流型 SVC 系統架構，其中感應發電機模組由電容自 激建立端電壓以供應負載，而控制器模組依據電壓誤差 命令動態調整 SVC 模組中功率級電晶體(IGBT)之責任 週期(duty cycle)，以改變 SVC 補償虛功率的量，進而控 制輸出端電壓穩定至命令值。

IG

Excitation Capacitors Iga Igb

Igc

Ia Ib

Ic

V

_L

*

VL1 AC

LOAD

1

2

3 5

4 6

R

L V

_P

V

_N

V

_dc

+

-

PWM

GENERATOR P I C

自激式感應發電 機模組

控制器模組

SVC模組 負載

圖 3 感應發電機靜態虛功率補償供電系統架構圖 子計畫四：太陽能與風力發電複合系統之研製

（主持人：黃仲欽）

本子計畫將研製太陽能與風力發電之複合系統如 圖所示。圖 4 中，太陽能及風力發電之功率轉換器皆採 用升壓型直流-直流功率轉換器，其電路簡單，可適用

不同輸入電壓及功率並聯使用，且易於系統的擴充，以 提高容量。蓄電池充、放電則採用降-昇壓型功率轉換 器，具有調節功率之功能使負載電壓維持固定。上述之 太陽能、風力及蓄電池之功率控制，皆採用數位控制器 且 由 數 位 信 號 處 理 器 (SP, S320LF2407A)軟體程式完 成，以減少硬體電路。本文已完成約 1500W 複合發電 機系統之雛型，並由實測驗證其可行性。

L₁

Q₁ D1

C1

L₂

Q₂ D₂

C₂

L₃

Q₃ D₃

C3

Cdc +

- v_dc DC bus

負載 dc load

ibat B+

Q

B−

Q ibat

vbat 充電電流方向

放電電流方向 + DB

− DB

Battery bank N

N

N N

N

L4

QG D4

C₄

N

ωrm

P.M.

S.G.

1 iL

2 iL

3 iL

DSP TMS320LF2407A

Emulator XDS510PP

PC gate driver gate driver

voltage current

feedback vdc

vw vbat

feedback

d1 d2 d3 dG d^+B d⁻B

1

i

pv i_pv2

iG

3

i

pv ibat i_o

1

vpv vpv2 vpv3 1

vpv

2

vpv

3

vpv

vw 太陽能模組-1

太陽能模組-2

太陽能模組-3

bat

n i

i+

∑⁵

1

i5

iw 1 iD

2 iD

3 iD

4

iD

圖4 系統整體架構之方塊圖

本文採用三回路之太陽能發電之功率轉換器其電 力 電 路 如 圖 5 所示。圖 5 中太陽能板每一回路約 1300W，其電壓約為 150∼300V，皆採用昇壓型直流- 直流功率轉換器，故輸出電壓不受輸入電壓及功率影 響，可維持在 360V，以供給直流負載。圖 6 為在責任 週期為 0.5 時之時序圖，若配合最大功率追蹤或維持直 流鏈電壓控制，其責任週期將隨控制而變動，但其時序 狀態將可分為前、中、後時序而切換。如此可減少直流 鏈電壓的漣波成分，使直流電壓輸出更為平滑。

L₁

Q₁ D₁

C₁

L₂

Q₂ D₂

C₂

L₃

Q₃ D₃

C₃

C_o

+

- v

_dc

DC bus

負載

1

i

L

i

_D1

2

i

L

i

_D2

3

i

L

i

D3

P

N

1

v

PV

2

v

PV

3

v

PV

圖5 本文之太陽能發電功率轉換器之等效電路圖

d1 _{ON OFF}

d2 _{ON OFF}

d3

ON (a)

(b)

(c) 0

0

0 20

20

20

OFF

圖 6 當責任週期為 0.5 時之升壓型功率轉換器的功率開 關元件導通狀態; (a) 功率電晶體 ^Q

¹

的開關狀態 d ，(b) ₁ 功率電晶體 Q

₂

的開關狀態 d ₂ ，(c) 功率電晶體 Q ₃ 的開 關狀態 _d

₃

子計畫五：永磁式同步發電機之風力發電系統之研製

（主持人：葉勝年）

本 子 計 畫 提 出 之 交 流 / 直 流 / 交 流 功 率 轉 換 器 (AC/DC/AC)常應用於變速之永磁式同步發電機與電力 系統之間，作為功率轉換用。本系統藉由偵測發電機電 流及功率轉換器之直流鏈電壓以控制發電機輸出功 率，並隨轉速的快慢而調整。

發電機側之交流-直流功率轉換器採用三相半橋昇 壓型整流器，以電流控制策略，控制直流鏈電壓，由直 流鏈電壓的變動經電壓調節器產生與發電機電壓信號 同相之命令電流，再使實際輸入電流追隨命令電流，調 節直流輸出電壓。負載側之直流-交流功率轉換器，採 用單相三線式開關型變流器，主要目的在於產生穩定性 和可靠性高之單相三線式交流電源，且當負載變動時有 良好暫態響應。

(A)、交流-直流功率轉換器之分析及控制

本文採用三相全橋半控型整流器，如圖 7 所示，其 中 v _dc 為直流鏈電壓，C dc 為直流鏈電容，R dc 為直流鏈 等效負載。

i

r

i

s

i

t

L

1

T

r

+

− v

dc

C

dc

T

s

T

t

D

r

D

s

D

t

r s

t

R

dc

r

1

+

− +

−

− o +

e′ro

e′so e′to

L

1

r

1

L

1

r

1

i

1

i

2

圖 7 交流-直流功率轉換器電力電路

(B)、直流-交流功率轉換器之分析及控制

本文採用之單相三線式直流-交流功率轉換器之架 構如圖 8 所示，目的在將風力發電機經過整流所得之直 流鏈電壓轉換成穩定頻率及電壓之單相三線式電源，再 經過濾波器供負載使用。

C

dc

T

a+

T

a-

T

n+

T

b+

T

n-

T

b-

a' n'

b' L

f

L

f

L

f

C

f

C

f

a

n

N b

i

af

i

nf

i

bf

i

a

i

n

i

b

PM SG

ac-dc power converter

+

v

dc

-

Load C

f ωrm

圖 8 單相三線式直流-交流功率轉換器電力電路

子計畫六：高效率風力發電系統之研製

（主持人：張添丁）

由 於 永 磁 材 料 之 發 展 快 速 ， 特 別 是 釹 鐵 硼

（Nd-Fe-B）材料，使製造高效率之永磁式發電機得以 實現，利用此種永磁材料所製造而成之發電機具重量 輕、結構簡單及可靠度高之優點，故本研究計畫以徑向 式的釹鐵硼永磁發電機為設計的對象，並與進口之風力 機葉片結合成一小型風力發電系統。

永磁電機因定子開口槽的存在，造成氣隙磁通密度 的脈動（稱為槽脈動），引起永久磁鐵內部產生渦流損 耗而使溫度上升，此種槽脈動，同樣地對發電機本身產 生頓轉轉矩（cogging torque）。及增加感應電勢的諧波。

因為發電機之頓轉轉矩以及開路感應電壓乃決定於相 對磁導函數及磁通密度等因素，而上述因素則為定子的 槽口寬度、轉子永久磁極的形狀、磁極高度及寬度之非 線性函數，所以發電機設計問題，基本上屬於不可微分 性質的非線性函數之最佳化問題。

基因演算法(Genetic Algorithms) 是近來被廣為應 用之隨機直接搜尋方法，經由各種應用結果，顯示其極 適於處理非線性最佳化的問題，因此本研究計畫以它來 求解發電機之設計問題。

四、研究成果

根據前節之說明，本計畫第二年各子計畫成果簡 述如下：

子計畫一：感應發電機之沼氣發電系統之研製

（主持人：王醴）

本計畫所研究的沼氣發電機為台灣本島南部某一 大型食品工廠中一部三相、380 V、∆ 連接、100 kW、

60 Hz、4 極、滿載轉速 1820 RPM 之感應發電機，其沼 氣產生量約為每天 1500 m ³ ，其沼氣發電流程如圖 9 所 示。當沼氣產生之後，經由電磁閥、穩壓閥之後，再加 入空氣後經由空氣/沼氣混合器，最後利用調速閥作為 沼氣量的控制以達到引擎轉速的控制。引擎帶動發電機 轉軸，使感應發電機定子端連結至配電系統或者廠內其 他負載用電。

引 擎 調速閥

A/F 混 合 器 空氣

穩壓閥

電磁閥

沼氣

市電系統

瓩時表 負載

發電機

圖9 沼氣發電系統之流程圖

在不同轉速下，對含及不含進相電容器時之感應發 電機之三個端電壓(V 1 、 V 2 、 V 3 )以及三個線電流(I L1 、 I L2 、 I L3 )之諧波量實際量測與分析，經整理後分析諧波數據 結果如下：

(1) 當加上進相電容器時，會使電流諧波量大量增加，

由未含電容器時的最大值 3.46%，增加到含有電容 器時的最大值 12.48%，約增加 3 倍。由於該部感 應發電機屬於廠內用電，對於 5%之 IEEE 諧波失真 規範較不成問題。

(2) 二個不同轉速時的電壓諧波失真總量均不超過 1.5%。轉速的高低對電壓及電流諧波之影響不大，

基本上來看，當轉速較低時，產生的電流總諧波失 真量較多一些。

(3) 轉速調至 1809 RPM 時，因感應發電機系統發電條 件不穩定，會使諧波記錄之結果起伏變化較大。

(4) 電壓諧波比電流諧波小，也較穩定，這是因為該部 感 應 發 電 機 與 廠 內 用 電 系 統 直 接 併 聯 的 關 係所 致，而廠內負載有許多三相大型感應馬達及單相冷 氣及燈具等負載，因此電流量含有較大的諧波，電 流不平衡度也較高。

(5) 雖然僅比較含及不含 600 µF 之電流諧波結果，但 由比較可以發現當電容值增加時，這些遠高於基波 頻率的並聯、串聯共振頻率點均會逐漸降低，且並 聯共振之阻抗大小|Z|也會逐漸降低(但串聯共振阻 抗幾乎為零)，故進相電容值的增加受並聯共振影 響會放大在高次諧波電流的特性，而受制於廠內用 電電壓的維持接近固定不動特性，因此電壓諧波量 影響不大。

子計畫二：具遠端監控與故障偵測功能之太陽光能發 電系統之研製（主持人：王文智）

圖 10 為本計畫使用德儀公司之數位信號處理器 TMS320LF2407 建構之全數位化太陽光能發電系統控 制平台。在本計畫中，太陽光能發電系統由十一片太陽 能板串聯組合，因此最大輸出電壓為 210 V，最大輸出 電流為 3.5 A。為了測試模糊控制法在太陽光能發電系 統之最大功率追蹤方面之性能，我們先建立一直流端電 壓(340V)，並在輸出功率固定之條件下(400W)，選擇負 載電阻為 289Ω，再由太陽能板與電池分別供應負載電 流；圖 11 為太陽光能發電系統之遠端監控結構圖，顯 示了遠端監控之可行性。

圖 11 太陽光能發電系統之遠端監控結構圖

子計畫三：具靜態虛功率補償感應發電機之風力發電 系統研製（主持人：王順源）

本子計畫之主要成果如下：

(1) 完成 SVC 直流側電感設計：在設計直流電感 L 時，

為了使直流側有較大的直流及較小的漣波成分，所 以依據換流器之載波頻率及最大容許漣波電流量 來設計電感 L。

(2) 完 成 建 立 靜 態 虛 功 率 補 償 之 感 應 發 電 機 系 統 模 型：根據感應發電機在靜止參考座標下的 d-q 軸等 效 數 學 模 型 及 SVC 數 學 模 型 ， 並 利 用 MATLAB-Simulink 來建立靜態虛功率補償之感應 發電機系統模型。

(3) 完成靜態虛功率補償之感應發電機系統及相關驅 動電路設計組立：利用交流三相 133 Hz，1 k W，

200 V，5.6 A 之交流伺服馬達帶動三相 60Hz，0.75

k W，220V，3.1A 之感應發電機及在發電機輸出端 並聯自激電容組(60µF、Y 接)，組成自激發電機。

利用功率元件 IGBT 組裝換流器，後並接儲能電抗 器 L 組成電流型靜態虛功率補償器。另外設計 IGBT 驅動電路，其中主要包括相位判別電路、切換式電 源供應電路及光耦合驅動電路。

(4) 完成靜態虛功率補償之感應發電機系統實驗特性 測試及分析：圖 12 所示為發電機瞬間加載特性實 作結果，在 2.5 秒之前發電機已加入 SVC 補償輸出 線電壓於命令值 180V，於時間 2.5 秒時加入一負載 (每相 RL=968Ω、 ∆ 接)，觀察得知發電機輸出電 壓瞬間降低，電壓誤差(ev)為負，此時控制器驅使 SVC 責任週期下降，隨之 SVC 直流側電壓(Vdc)及 電流(Idc)下降，發電機線電壓有效值(Vrms)、發電 機線電壓(VL1)及線電流(Iga)上升。直到時間約 6 秒，實際電壓與命令電壓之誤差趨近 0，系統各參 數達到一穩定狀態，使輸出電壓穩定在命令電壓。

圖 10 基於數位信號處理器 TMS320LF2407

之太陽光能發電系統控制核心

圖 12 發電機瞬間加載特性實作結果圖 (a)發電機轉子轉速 (b)線電壓誤差 (c)SVC duty cycle (d)線電壓有效值 (e)發電機線電壓 (f)發電機線電流 (g)SVC 直流側電壓 (h)SVC 直流側電流

子計畫四：太陽能與風力發電複合系統之研製

（主持人：黃仲欽）

本子計畫之系統已完成實體製作。其控制核心是採 用 德 儀 公 司 所 生 產 之 數 位 信 號 處 理 器 (TMS320LF2407A)，配合數位信號處理器之軟體撰寫程 式。

本子計畫當直流負載（等效負載）為 90

^Ω

時功率約 為 1500W，太陽能做最大功率追蹤控制，以及配合永磁 式發電機控制，其直流鏈電壓響應如圖 13 所示，圖 13 中其穩態維持 360V，顯示本系統之電壓不受負載及輸 入電壓影響。

圖 14 為太陽能電池之各回路及風力發電機之功率 轉換器之穩態電壓電流，由圖 14(a)~(c)可知，其電流在 切換時序不同時，所產生之峰值發生時間亦不同，可減 少直流電壓之漣波效果。

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6

0 50 100 150 200 250 300 350 400

(sec) (V)

v

dc

圖 13 複合系統之實測結果其太陽能輸出約為 1200W，

風力機約為 350W 其直流鏈電壓建立到 360V 之波形 圖，負載為 90Ω

0 0.2 0.4 0.6 08 1 0 0.2 0.4 0.6 08

0 5 10

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8

0 5 10

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8

0 5 10

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8

0 2

5

1

i

L

2

i

L

3

i

L

i

wind (A)

(A)

(A)

(A)

(a)

(b)

(c)

(d)

20 s/div 20 s/div 20 s/div 20 s/div

圖 14 複合系統之實測結果之太陽能與風力之開關訊號 分時控制下之電感電流波形

子計畫五：永磁式同步發電機之風力發電系統之研製

（主持人：葉勝年）

本子計畫詳明系統之整體韌體架構，並以組合語 言撰寫程式，當發電機轉速於1200rpm~2000rpm範圍 內作變動時，發電機側之電壓及頻率隨轉速變化，但 直流鏈側仍可得固定之直流電壓，負載側可得平衡之 單相三線式電源，以完成變速發電機之實體製作。同 時本文之交流-直流功率轉換器，採用電壓回授三相循 序切換控制，可有效降低切換損失；直流-交流功率轉 換器於獨立負載運轉時採用電壓模式控制，使輸出電 壓總諧波失真率及電壓調節率在合理範圍內，在不平 衡負載時，可抑制電壓之不平衡度在一合理範圍內。

圖15為發電機轉速1840rpm 時，輸出功率276W之 發電機線電流實測波形，此電流具有對稱特性，可提 供直流鏈功率，並維持直流鏈電壓穩定。圖16為直流- 交流功率轉換器之單相三線式220/110V電壓輸出，頻 率為60Hz，其中圖16(a)~(c)為線電壓及各相電壓，線 電壓峰值約為310V，相電壓峰值約為155V，而中性點 電壓 v an +v bn 如圖 16(d)所示，其鏈波峰值約為12V左 右，可顯示具平衡效果。圖16(e)及(f)分別為各相負載 電流，本實例為電阻性負載，故其電流峰值大小相同，

相位相差 180 。圖16(b)及(c)之電壓頻譜如圖17(a)及(b) °

所示，顯示其低次諧波小，總諧波失真率約為7.77%。

time(20ms/div)

time(20ms/div)

time(20ms/div) 0

(a)

0

0

(b)

(c) i

r

(1A/div)

i

s

(1A/div)

i

t

(1A/div )

圖15 發電機轉速1840 rpm時，輸出功率276W之實測波 形：(a)線電流i r ；(b)線電流i s ；(c)線電流i t

time(20ms/div)

time(20ms/div)

time(20ms/div)

time(20ms/div)

time(20ms/div)

time(20ms/div) v

ab

(200V/div)

v

an

(100V/div)

v

bn

(100V/div)

v

an

+v

bn

(10V/div)

i

a

(1A/div)

i

b

(1A/div)

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

圖16 直流-交流功率轉換器220V側輸出254W，純電阻 負載之實測波形：(a)輸出電壓v ab ；(b)輸出電壓v an ；(c) 輸出電壓v bn ；(d)v ab + v bn ；(e)輸出電流i a ；(f)輸出電流 i b

5 10 15 20 25 30

0 20 40 60 80 100

Harmonic order v

an

Mag (% of Fundamental )

THD= 7.77%

5 10 15 20 25 30

0 20 40 60 80 100

Harmonic order v

bn

Mag (% of Fundamental )

THD= 6.93%

(a)

(b)

圖17 直流-交流功率轉換器220V側輸出254W，純電阻 負載之輸出電壓頻譜：(a)a相電壓頻譜；(b)b相電壓頻 譜

子計畫六：高效率風力發電系統之研製

（主持人：張添丁）

（一）由風力機之葉片長度與功率之關係可知，在相同 的水平軸葉片長度下，風力機所得能量與風速之立方成 正比，在每秒 12 公尺之風速下風力機的葉片（直徑）

必須長達 1.5 公尺才能使風力機獲得 764W 的功率（尚 未考慮發電機本身之效率），若葉片長度縮減為 1 公尺 時，則在相同風速下，僅能獲得 339W 的功率;當風速降 為每秒 10 公尺時，前者的輸出功率驟降為 442W，而後 者則驟降為 196W，除非在沿海等風速較大之地區，否 則應設計採用較長之風力機葉片以彌補風速不足之缺 點。

（二）永磁同步發電機之設計流程圖

本研究計劃使用下列之流程圖來設計永磁式交流發電 機：

永磁體尺寸是否 正確？

永磁發電機之設計規格

估算永磁體體積，尺寸並 確定永磁體工作點 計算電機主要尺寸

設計電樞繞組及電樞槽形

槽孔大小是否適當？

利用Maxwell 2D /3D電磁 分析軟體模擬，進行參數

及特性分析

規格相符？

完成

調整磁鐵工作點 調整磁通密度與極弧係數

調整電樞長徑比

否

否

否 是

是 是

圖 18 永磁同步發電機設計流程圖

（三）本研究計畫以一個六極九槽之永磁式發電機的設 計，進行測試模擬，其結果如表一及表二所示。表一中 第二欄為原始尺寸；而第三欄、第四欄、第五欄為使用 本計畫所提出的演算法，分別針對三種磁極型式，在 T

_cog

與 T HD 極小化之目標下所求得之尺寸。表二則為對應 於表一各磁極型式之頓轉轉矩、基本波開路感應電壓以 及總諧波電壓失真。由表一、二結果顯示，針對三種磁 極型式之發電機，利用本計畫所提出的演算法來設計，

雖然基本波電壓稍有減少，但是對嚙合轉矩以及總諧波 電壓失真皆可有效地降低。

表一

矩形磁級 (原始)

矩形磁級 (最佳化)

步階磁級 (最佳化)

梯形磁級 (最佳化)

b

^(mm) 2.05 1.51 1.62 1.63

1

W m

(mm) 30 25 21.3 18

2

W m

^(mm) 28.4 29.7

1

h m

^(mm) 4.5 4.5 2.2 4.5

2

h m

^{(mm) 2.3}

表二

矩形磁級 (原始)

矩形磁級 (最佳化)

步階磁級 (最佳化)

梯形磁級 (最佳化)

T cog

^(N.m) _(100%) ^0.028 _(89%) ^0.025 _(57%) ^0.016 _(29%) ^0.008

V ₁ rms

(V/匝)

0.087 (100%)

0.085 (98%)

0.083 (95%)

0.082 (94%)

HD

T

(%)

30.72 (100%)

16.98 (55%)

12.83 (42%)

10.27 (33%)

五、結論

（1）在沼氣發電系統方面：

建立了廠內配電變壓器、感應發電機/感應電動 機、進相電容器、廠內等效負載、配電系統連接之完整 系統穩態模型：該完成的數學穩態模型分析法除可用於 分析個別模型系統之使用參數對故障條件之變動影響 外，也可瞭解不同模型系統間的交互影響關係，有助於 修正所使用系統的運轉條件及設備特性(如容量選擇、

電壓等級、動作時間等)，使整體系統的工作特性得以 更加深入。對於一些無法實際量測參數的系統，可以藉 由既有模型的發展及參數的修正，使模型結果之特性與 實際特性接近，則此模型可用來分析系統異常或實際無 法達成的運轉條件，有助於評估系統特性需要加強的重 要部分。

共振頻率點分析與諧波量測：由於進相電容器的數 值大小，除了會影響其對感應機虛功量的提供外，也會 影響整體電氣系統運轉下之共振頻率變動，尤其是並聯 共振。如果該共振點與系統電源頻率的整數倍有關，則 有可能發生使系統不穩定運轉的特性，最後導致系統發 生嚴重事故。由於本計畫實際系統之共振頻率點與系統 特性(機組、線路、廠內用電、等效負載之參數)有關，

不易量測，因此需要建立穩態系統模型加以分析。本年 度計畫中的系統電源頻率的整數倍的特定頻率也與諧 波的產生情況有關，因此對於系統諧波量的增加也必須 深入，才能一併解決共振點及穩定運轉的情況，俾使整 體研究計畫更臻完備。由於系統諧波無法預估，必須現 場量測，故需採用三相電力諧波分析儀做不同運轉工作 點及不同量測點的記錄。

（2）在太陽能發電系統及監控方面：

使用數位信號處理器TMS320LF2407 建構一全數位化之 太陽光能發電系統控制平台，不僅可實現智慧型太陽光能電 池之最大輸出功率追蹤法則，而且可提高太陽光能發電系統 之輸出響應；使用單晶片微算機AT89C51 製作太陽光能發電 系統遠端監控之介面電路，再配合LabView 軟體設計之監控 程式，可使本計畫研製之太陽光能發電系統不但具有就地監 控之功能，而且具有Web 網路監控之功能，同時，本系統不 但含有具親和力之操作介面，而且具有易維修之特性。

再者，由於本計畫研製之太陽光能發電系統控制核心為 全數位化結構，不但具有體積較小、成本較低之特性，而且 具有穩定性較高、擴充性較易之性能；因此，依據實驗結果

之顯示，本計畫所完成之初步研究成果確實能達到預期目 標，具有甚佳之應用價值。

（3）在感應發電機方面：

經由模擬及實驗結果之相互對照，證明本研究提出之電 流型靜態虛功率補償感應發電系統，可有效地改善感應發電 機因負載的變化，引起立即性的電壓變動，所造成之端電壓 調整率較差的缺點，大幅提升感應發電機系統之電壓穩定度。

（4）太陽能與風力發電複合系統方面：

以德儀生產之數位信號處理器（TMS320LF2407A）為控 制核心，利用併聯型功率轉換器配合開關狀態分時控制，提 高其輸出效率及太陽能最大功率追蹤，且直流鏈電壓響應快 速。搭配蓄電池作儲、釋能量及功率調節之用，如此，整體 系統將有良好的暫態及穩態響應。本文系統已完成1500W，

360V 直流鏈電壓之複合發電系統雛形，並有實測與模擬相比 較，驗証了系統之可行性。

（5）永磁式同步發電機之風力發電系統方面：

重於變速永磁式同步發電機之功率傳輸，利用交流 -直流-交流功率轉換器，將變動頻率及電壓之電源轉換 為穩定單相三線式交流電源輸出，以供負載使用，已完 成 270W 之系統實測，其輸出電壓調整率小於 3%，電 壓總諧波失真率低於 8.6%，效率 90.94%。系統以數位 信號處理器為控制核心，整個數位控制皆由軟體完成，

以減少系統體積、增加穩定性，並完成實體製作，達到 功率控制之目的。

（6）高效率風力發電系統方面：

永磁式發電機之工作點須與風力機之轉速互相配 合：本研究計畫曾嘗試利用現成之永磁式同步電動機

（3Φ、220V、750W、3000rpm）與風力機葉片組合，並 用 24 吋工業用 1Hp 風扇相距約 2 公尺處對吹，葉片的 高速旋轉已能發出刺耳的聲音，但此時發電機的輸出不 到 50W；因此，永磁式發電機應如何才能與風力機葉片 得到最佳的匹配，尚須進一步研究。

本計畫成功

地

提出一個新的演算法則，此一以基因 演算法為基礎之求解方式，確實能夠有效

地

決定發電機 定子的槽口寬度、轉子永久磁極的形狀、磁極高度及寬 度，以降低發電機之頓轉轉矩以及開路感應電壓之總諧 波失真。經由模擬之結果，證明本計畫所提方法確實深 具有效性。

此外，本子計畫（一）之沼氣發電部分成果已與南 部的某食品公司建教合作;子計畫二∼五之太陽能及風 力發電系統技術已與士林電機公司建教合作。

六、參考文獻

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