行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告
子計畫五：永磁式同步發電機之風力發電系統研製(1/3)
計畫類別： 整合型計畫
計畫編號： NSC91-2213-E-011-101-
執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 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
計畫參與人員： 呂紹豪、陳明宏、陳仁傑、黃泰銘
報告類型： 精簡報告
處理方式： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 92 年 5 月 27 日
行政院國家科學委員會專題研究計劃進度報告 再生能源發電系統之研製-子計畫五：
永磁式同步發電機之風力發電系統之研製(1/3)
Development of wind power system with permanent-magnet synchronous generator
計劃編號 : NSC 91-2213-E-011-101 執行期限：91年08月01至92年07月31日
主持人： 葉勝年 教授
執行機構 : 國立台灣科技大學電機工程系 研究助理 : 呂紹豪、陳明宏、陳仁傑、黃泰銘 一、中文摘要
本文旨在設計及製作具有變速永磁式同步發電機之功率控制系統。本系統採用交流 -直流轉 換器，將變動頻率及電壓之電源轉換為固定電壓之直流電源。本系統 藉偵測功率轉換器之直流鏈 電壓，調節發電機之輸出功率， 並配合蓄電池儲能控制，完成能源調節及分配。 文中並利用發電 機端電壓回授，配合座標 系統轉換，以估測永磁式同步發電機之轉子磁場角位置，作為永磁式發 電機之最大功率輸出控制，如此，將不需額外轉子位置回授元件。
本文以低價位之 16 位元數位信號處理器(TMS320F240)為控制核心完成實體製作，目前已完 成 200W 發電系統之雛型，實側結果驗證了本系統之可行性。
關鍵詞: 風力發電機，永磁式同步機
Abstract
This report presents the design and implementation of a power controller for variable speed permanent- magnet synchronous generators.In this system, AC-to-DC power converter is adopted to con ver t thr ee-phase electrica l p o w e r f r o m v a r i a b l e-fr equen c y a n d va ri a bl e-vol t a g e t o constant-voltage. The DC-to-DC power chopper adjusts the dc-link voltage from batteries. Speed and dc-link voltage of power converter are detected to adjust the output power of the generator to yield constant power and constant current in the output of generator. In addition, the rotor speed is calculated under stationary-frame transformation to implement a rotor position sensorless control system. It can not only get balanced three-phase source from generator output, but also supply the DC power stably.
A low cost, 16 bits digital signal processor (DSP TMS320F240) is used to implement the combined drive system of generator with 200W capacity. Besides, experiments are given to justify the analysis.
Keywords : wind power generator , permanent-magnet synchronous machine
二、緣由
本文提出之交流/直流功率轉換器(ac/dc power converter)常用於交流電動機控制，在輸入及輸
出側具有改善電流諧波含量及功率因數之效，且能控制雙向功率轉換。本文將此功率轉換器運用 於變速之永磁式同步發電機與直流鏈電壓之間，作為功率轉換用，同時偵測直流鏈電壓以調節發 電機輸出功率。為了達到此功能，本文採用三相電流預測控制，以減少電流諧波及提高功率因數，
改善永磁式發電機之運轉效率。此外，本文採用交流側電壓回授，以估測其電壓的相位角及頻率，
而不需額外的轉子位置回授裝置，即不需編碼器，降低整體成 本。
在蓄電池方面，當蓄電池未達設定電壓，以定電流充電， 而當蓄電池電壓達到設定電壓時，
為了避免電池電壓超過汽化電壓，造成電解液因為汽化而減少，影響電池的特性，縮短蓄電池的 使用壽命，甚至造成不可逆的破壞，因此改以定電壓充電，充電控制需隨電池電壓作調整。蓄電 池的充、放電控制採用昇降壓之直流截波器(boost and buck dc chopper)，配合風力變速，可使其 直流電壓維持固定，不受負載及風力影響。
本文藉交流-直流功率轉換器及直流截波器以建立整個系統之模式， 如圖 1 所示，並採用交 流電流預測控制及直流電流磁滯控制，完成功率及蓄電池充、放電控制 。系統使用數位信號處理 器(DSP,TMS320F240) 為控制核心，以完成實體製作。
permanent -magnet synchronous
generator
full-bridge switch
mode rectifier
load
wind-turbine
DC Link
boost and buck dc chopper
battery i1
iB
i2
圖 1 系統架構圖
三、研究方法 (A)、電力電路
整個系統的電力電路如圖 2 所示，其中，Ta與T 、a T 與b T 及b T 與c T 之功率電晶體用於c 交流-直流轉換之全橋開關式整流器，而T1與T1用於直流-直流轉換之直流昇/降壓式截波器。直 流鏈電容Cdc具有穩壓與濾波的功用。在功能方面，蓄電池可以吸收直流鏈電容之能量充電，亦 可釋放電能至負載。直流鏈之電能可經由風力發電供給，亦可藉蓄電池之放電取得。所以接於直 流鏈之負載可經由適當的控制而得到持續穩定的電壓供給，即使在風力不足 狀態下，經由蓄電池 之迅速釋能，接於直流鏈之負載亦不致斷電，亦能維持固定電壓，而不受負載的影響。
wind-turbine P.M.
S.G.
Ta Tb Tc
Ta Tb Tc
ibs
ics
vbs
vcs
ias
vas
vdc
+ + +
- - -
L2
wrm
T1+
T1- iB Cdc load
i1 i2
vB
圖 2 系統電力電路
圖 2 中功率電晶體導通或截止狀態的控制，必須使每一相之上、下臂晶體開關狀態為互斥，即上 臂之電晶體導通，則下臂為截止，反之亦然。若將功率電晶體視為理想的開關元件， Sa、Sb、
Sc及S1為其開關函數，上臂導通、下臂截止時為 1，下臂導通、上臂截止時為 0，則圖 2 可簡 化為圖 3 之等效電路。
eb s
ec s
rs
Ls
rs
rs
ea s
s Ls
Ls
i2
Sa
1 0
Sb
1 0
Sc
1 0 va s
vb s
vc s
Rd c
vd c
ia s
ib s
ic s
1 0 i1
L2
iB
vB
Cd c
S1
圖 3 系統簡化之等效電路圖 若發電機側為三相平衡系統，則圖3中開關端電壓vas,vbs,vcs可用開關狀態Sa,Sb,Sc及
直流鏈電壓
vdc表示之，即
c b a dc
cs bs as
S S v S
v v v
2 1 1
1 2 1
1 1 2 3
( 1 )
如此，由圖 3 即可推導出整個系統之狀態方程式為：
dc c b a as s as as
s i e ri S S S v
dt
L d )
3 1 3 1 3
(2
(2)
dc b a c cs s cs cs
s i e ri S S S v
dt
L d )
3 1 3 1 3
(2
(3)
dc b a c cs s cs cs
s i e ri S S S v
dt
L d )
3 1 3 1 3
(2
(4)
B B dc
B Sv ri v
dti
L2 d 1 2 (5)
2
1 i
S i S i S i S i dtv
Cdcd dc as abs b cs c B (6)
令vdc* 、i*B分別為直流鏈電壓及蓄電池電流之參考命令，以此參考命令為輸入，並回授發電 機相電壓eas,ebs,ecs、電流
cs bs
as i i
i , , 、直流鏈電壓v 、蓄電池電流dc iB及蓄電池電壓vB，即可設 計出開關之控制變數，以控制整個風力發電系統。而 若忽略等效定子電阻rs的損失，則可得直 流側電壓與電流的關係為
i2
v v p dt C d
dc s dc
dc (7) 其中ps (3 2)vmim。vm及im分別為發電機側之相電及相電流峰值，(7)式為三相開關型整流 器輸入端為單位功因及正弦波時，發電機側及直流側之功率平衡方程式，可作為直流鏈電壓 vdc
之控制器設計依據。
(B)、全橋開關式整流器及直流昇 /降壓截波器之控制 1、全橋開關式整流器之控制
本文將回授發電機側之相電壓，配合三相座標系統下之電流預測型控制器，使命令電流與發 電機內電勢同相，並使實際電流追隨命令電流，且若命令電流波形與發電機輸出電壓同步且為純 正弦波，則在發電機側具有近單位功因及低諧波含量，可減少系統損失，提高系統效率。
在靜止座標軸轉換公式中
abcs s qdo s
qd K e
v 0 (8)
當中靜止轉換矩陣Kqdos 為
2 1 2 1 2 1
2 3 2 0 3
2 1 2 1 1
3
s 2 Kqdo
(9)
若發電機在三相平衡下，則其電壓eas、ebs、ecs可表示為
r m
as V
e cos (10) )
120 cos(
m r
bs V
e (11) )
120 cos(
m r
cs V
e (12) 其中，r為轉子磁場之角位置，帶入(8)式，即可求出靜止座標轉換下的直軸以及交軸電壓
0 sin ˆ cos ˆ
r r
m s o s d s q
V v v v
(13)
其中，ˆr為估測之轉子磁場之角位置，由(13)式可得Vm (vqs)2(vds)2 (14)
由(10)、(11) 、(12)及(14)可計算各相之單位波形uas、ubs及ucs為
r m
as
as e V
u cosˆ (15) 3 )
ˆ 2 cos(
bs m r
bs e V
u (16)
3 ) ˆ 2 cos(
)
(
as bs r
cs u u
u (17) 整個風力發電系統之控制方塊圖如圖 4 所示。
靜 止 座 標 轉 換
ase
bse
cse
r m s
q V
v cos
r m s
d V
v sin
* ib s
sws T L
sws T L
sr
sr
* va s
*bs
v
* vc s
PWM Gate Driver
a
T
a
T
b
T
Tb
c
T
c
T
D A/
D A/
D A/
Current Sensor
Voltage Sensor D A/
D A/
Voltage Sensor
ase
bse
asi
asu
bsu
dcv
mV
- -
-
-
* i a s
- -
- -
ase
bse
asi
ib s
- -
bsi
軟 體 硬 體
* vb s
*cs
v (14)
( 1 5 ) ( 1 6 ) ( 1 7 )
vdcG
*dc
v
dcv
I*m c o n t r o l l e r v o l t a g e
i t e r l i m -
digital filter digital filter
m a x i m u m p o w e r
* Im
rpm wr1400
rpm wr1400
圖 4 風力發電系統之控制方塊圖
當風力獨立供電時，其發電機各相電流峰值命令為
K v K v dt
Im* P1 dc I1 dc (18) 式中
KP1 ﹕比例常數 KI1 ﹕積分常數 vdcvdc* vdc
當輸出功率為最大時，其峰值命令Im* 即為發電機之額定電流的峰值。
本文之電流控制採用電流預測控制法，其為在一切換週期中，利用命令電流與實際電流之誤 差，計算出開關之責任週期，迫使實際電流在一切換週期內向命令電流收斂。假設 Tsw為開關之 切換週期，則一個切換週期內之平均值v*as、vbs* 及v*cs為
as as
as
as i
dt i d
e
v* Rs Ls (19)
bs bs
bs
bs i
dt i d
e
v* Rs Ls (20)
cs cs
cs
cs i
dt i d
e
v* Rs Ls (21) 其預測在一個切換週期TSW，即能使實際電流追至命令電流。當中
) T (
1 * sw
as as
as i i
dti
d (22)
) T (
1 *
sw bs bs
bs i i
dti
d (23)
) T (
1 *
sw cs cs
cs i i
dti
d (24)
將(19)～(24)式代入(2)～(4)式，可得S*a、Sb*及Sc*分別為
T ] ) L T R L (
2[ *
sw s
sw s s
*
as as as
dc
a e i i
S v (25) T ]
) L T R L (
2 [ *
sw s
sw s s
*
bs bs bs
dc
b e i i
S v (26) T ]
) L T R L (
2 [ *
sw s
sw s s
*
cs cs cs
dc
c e i i
S v (27)
當中Sa*、Sb*及Sc*分別為開關函數Sa、Sb及Sc之責任週期。故若控制功率電晶體之責任週期
分別等於Sa*、Sb*及Sc*，則在高切換頻率下，每一開關週期內實際電流將能追隨命 令電流。
2、直流昇 /降壓截波器之控制
圖 5 為蓄電池充、放電電流之控制方塊圖。當風力足夠正常供電時，蓄電池之充、放電電流 命令i*B，將直接由監控系統決定；當電源中斷時則須控制蓄電池釋能，以確保直流鏈電壓穩定。
由圖 5 可知在電源斷電時，蓄電池之放電電流可由(28)式決定
i t e r l i m
* B
B v
v
* B
B v
v
磁滯控 制法
*
i B Gate
Driver
Voltage Sensor
Current sensor
T1
T1
iB vd c
vB
A/D
A/D
* iB
* vB
vB
軟體 硬體
iB
v d c G c o n t r o l l e r v o l t a g e
i t e r l i m
* vd c
vd c
Gv B
c o n t r o l l e r v o l t a g e l i mi t e r
* iB
rpm wr1400
rpm wr1400
圖 5 蓄電池充、放電電流控制方塊圖
K v K v dt
IB* P2 dc I2 dc (28) 式中
KP2﹕比例常數 KI2﹕積分常數
本文在蓄電池系統控制方面採電流磁滯控制法 係將電流命令與實際電流比較，當iB 0 時，令功率電晶體上臂T 全週期導通(ON)，功率電晶體下臂1 T 全週期截止(OFF)；反之，當1
0
iB 時，令功率電晶體上臂T1全週期截止，功率電晶體下臂T 全週期導通。來維持蓄電池1 端電壓或直流鏈電壓固定。
四、實體製作與實測
依據圖 6 之風力發電系統之實體架構圖完成系統製作，其製作及之參數如下：
wind-turbine P.M.
S.G.
Ta Tb Tc
Ta Tb Tc
ibs
ics
vbs
vcs
vas
+ + +
- - -
wrm ias
i1
L2 T1
+
T1- iB
vB
DS P ( T M S 32 0F 24 0 ) A/D A/D
A/D vB
iB
ia
ib
vcb
vab vdc
i2
l o a d vdc
Cdc
b as e d rives
b ase drives
圖 6 風力發電系統實體架構圖 1. 永磁式同步發電機極數：4
2. 永磁式同步發電機額定功率：750W 3. 永磁式同步發電機額定電流：3.4A 4. 永磁式同步發電機額定轉速：3000RPM 5. 永磁式同步發電機額定轉矩：2.4N-m
6. 永磁式同步發電機等效電感Ls：11mH
7. 永磁式同步發電機等效電阻Rs：1.5Ω
8. 等效磁通鏈 λ'm ：0.174V s/rad 9. 電池側電感Lb：5.8mH
10. 直流鏈電容器Cdc：3300F
11. 數位控制器取樣週期Ts：100s 12. 蓄電池組端電壓：24V(2個電池串聯）
圖 7 為直流鏈命令電壓vdc為 70V，直流純電阻負載 200W，充電電流 1.5 安培時，其交流 發電機之輸出功率約為 250W 之實測結果，其電流總諧波失真率約為 2.5%，輸入功因 pf=0.942。
圖 7(a)為永磁式同步發電機之相電壓va，因受交流-直流功率轉換器之切換影響，將有高頻的諧 波含量，其峰值約 22.5 V。圖 7(b)為發電機 a 相電流，其峰值約為 6.25A 且與圖 7(a)之電壓波形 同相。圖 7(c)、圖 7(d)及圖 7(e)分別為直流鏈電壓、蓄電池電壓及電流波形 ，圖 7(f)為 發電機 a 相電流之頻譜。圖 8 為當直流鏈命令電壓vdc* =70V，負載 200W，放電電流 6.5 安培，風力發電 系統供電不足時之實測之暫態響應圖。由圖 9(a)及圖 9(b)可見直流鏈電壓及蓄電池電流由充電至 放電之轉態過程，響應快速。圖 10 為負載 185W，充電電流 1.5 安培，系統瞬間充電、放電、充 電之實測暫態響應圖。由圖 10(a)及圖 10(b)中可見負載在瞬間斷電、復電時直流鏈電壓及蓄電池 端電壓幾乎不受影響。由圖 10(c) 可見蓄電池電流響應快速。
五、結論
本文系統提出交流-直流功率轉換器及蓄電池充、放電控制之實體製作，使系統於發電機側，
具有近單位功因(Unity Power Factor)及低電流諧波含量，以改善發電機運轉效率，此外亦配合蓄 電池儲能控制，完成能源調節及分配，使永磁式同步發電機達到定電壓、定功率的輸出。本文已 完成 200W 容量之風力發電系統之製作。
六、參考文獻
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[2] J. W. Choi and S. K. Sul, “Fast Current Controller in Three-Phase AC/DC Boost Converter Using d-q Axis Crosscoupling”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.13, No.1, pp.179-pp.185, January (1998).
[3] 曾宏舜，“高功因三相開關型整流器之研製”， 國立台灣科技大學電機工程研究所碩士論文，
民國八十七年。
[4] L. Malesani and P. Tomasin, “PWM Current Control Techniques of Voltage Source Converters–a Survey”, IEEE-IECON Proceedings, Vol. 2, pp. 670 -675, 1993.
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0 ) / 12 (Vdiv
) / 10 ( msdiv time
va
(a)
0 ) / 2 (Adiv
) / 10 ( msdiv time
ia
(b)
0 ) / 30 (Vdiv
) / 10 ( msdiv time
vdc
(c)
0 ) / 10 (Vdiv
) / 10 ( msdiv time
vB
(d)
0 ) / 1 (Adiv
) / 10 ( msdiv time
iB
(e)
Harm onic order
F u nd am en ta l (5 5Hz) = 6. 33 5 , THD= 2.5 0%
Mag(%ofFundamental)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1
0 10 20 40 60 80 100
ia s
(f)
圖7 風力發電系統之實測結果：(a)永磁式同步發電機之a相電壓va，頻率為55Hz ; (b) 永磁式 同步發電機之a相電流ia ; (c)直流鏈電壓vdc ; (d)蓄電池電壓vB;(e)蓄電池電流iB ; (f) 永磁 式同步發電機之a相電流ia之頻譜
0 ) / 30 ( Vdiv
) / 10 ( msdiv time
vdc
(a)
0 ) / 5 (Adiv
) / 10 ( msdiv time
iB
(b)
圖8 儲能系統放電之穩態實測結果：(a)放電時之直流鏈電壓vdc;(b)蓄電池放電電流iB;
0 ) / 20 ( Vdiv
) / 10 ( msdiv time
vdc
(a)
0 ) / 1 (Adiv
) / 10 ( msdiv time
iB
(b)
圖9 風力發電系統風速不足時由儲能系統補上之暫態實測結果：(a)直流鏈電壓vdc;(b)蓄電池
電流iB
0 ) / 20 ( Vdiv
) / 10 ( msdiv time
vd c
(a)
0 ) / 10 (Vdiv
) / 10 ( msdiv time
vB
(b)
0 ) / 2 (Adiv
) / 400 ( msdiv time
iB
(c)
圖10儲能系統瞬間充電、放電、充電之實測結果： (a)直流鏈電壓vdc;(b)蓄電池電壓vB;(c)蓄電
池電流iB
