垂直軸式層狀型風力發電系統之研製---子計畫三：垂直型風車發電系統之永磁式發電機及功率控制器之研製(I)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

垂直軸式層狀型風力發電系統之研製--子計畫三：垂直型 風車發電系統之永磁式發電機及功率控制器之研製(I)

研究成果報告(完整版)

計 畫 類 別 ： 整合型

計 畫 編 號 ： NSC 99-2623-E-011-002-ET

執 行 期 間 ： 99 年 01 月 01 日至 99 年 12 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 ： 黃仲欽

計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：楊中誌 碩士班研究生-兼任助理人員：林子彥 碩士班研究生-兼任助理人員：劉舜鵬 碩士班研究生-兼任助理人員：賴孟修 碩士班研究生-兼任助理人員：徐誌鴻 碩士班研究生-兼任助理人員：陳信炫 碩士班研究生-兼任助理人員：江典鴻 博士班研究生-兼任助理人員：苗延浩

處 理 方 式 ： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢

中 華 民 國 100 年 03 月 28 日

行政院國家科學委員會/經濟部能源局

「能源科技學術合作研究計畫」成果報告

垂直軸式層狀型風力發電系統之研製-子計畫三垂直型風 車發電系統之永磁式發電機及功率控制器之研製(1)

計畫類別：□ 個別型計畫 █ 整合型計畫 計畫編號：NSC 99-2623-E-011-002-ET

執行期間：99 年 01 月 01 日至 99 年 12 月 31 日 計畫主持人：黃仲欽

計畫參與人員：賴孟修、楊中誌、苗延浩

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□ 精簡報告

█ 完整報告

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計 畫、列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

█涉及專利或其他智慧財產權，

□一年□二年後可公開查詢 執行單位：國立台灣科技大學電機工程系

中 華 民 國 100 年 03 月 18 日

摘 要

本計畫在研發垂直層狀型風車用之發電機及功率轉換器。採用高效 率多極型永磁式發電機直接耦合垂直層狀型風車，不需額外齒輪箱，以減 少齒輪箱的損失及噪音。在功率轉換器方面，採用新型交流-直流功率轉 換器，結合各相獨立二極體整流器及昇壓型直流截波器，利用其電壓及電 流回授，以估測發電機端電壓的峰值及功率，作為風力最大功率追蹤控制 策略用。本計畫已完成 32 極 30 槽永磁式發電機的設計，配合磁路分析軟 體(Maxwell-2D)作磁通密度、反電動勢、電磁轉矩及頓轉矩的計算。本系 統採用新型交流-直流功率轉換器之脈波寬調變控制及弦式電流控制策 略，將獲得發電機具有低電流諧波含量及低轉矩漣波。本文將完成 1kW 的發電機雛型及功率轉換器。

關鍵詞：風能發電，新型交流-直流功率轉換器、多極型永磁式發電機

Abstract

The report is concerned with design and implementation of permanent-magnet generator and power controller for layer-type vertical axis wind turbine. A direct-driven multi-pole permanent-magnet generator will be proposed in the wind turbine. It has the advantage of simplified drive train for reducing any transmission loss and noise. Combining diode rectifier and boost-type dc chopper, the proposed novel converter transforms varying voltage and frequency to the constant dc voltage. Using the voltage and current feedback, the generator peak voltage and power are estimated for wind maximum power point tracking control. The characteristics such as the magnetic field distribution, electromotive-force waveform, electromagnetic torque, cogging torque and circuit parameters of the proposed generator is analyzed by electromagnetic-field analysis software package, Maxwell-2D.

Using the novel converter of pulse-width modulation control and sinusoidal current control strategy, obtained the low current harmonic distortions and the low torque ripple.The 1kW prototype of the generator and power controller are realized in this report.

Keywords: wind power, novel ac-dc power converter. multi-pole

permanent-magnet generator.

目錄

中文摘要 ... I 英文摘要 ... II 目 錄 ... III

第一章 緒論 ... 1

1.1 研究動機及目的 ... 1

1.2 文獻探討 ... 2

1.3 系統架構及本文特色 ... 3

1.4 本文大綱 ... 5

第二章 永磁式同步發電機的模式及量測 ... 6

2.1 前言 ... 6

2.2 三相永磁式同步發電機及其數學模式 ... 6

2.3 三相永磁同步發電機的設計及製作 ... 7

2.4 永磁式同步發電機之轉速及角位置估測... 9

2.5 風力發電之永磁式同步發電機量測結果... 12

2.6 結語 ... 14

第三章 三相三開關昇壓型交流-直流功率轉換器 ... 15

3.1 前言 ... 15

3.2 三相三開關昇壓型交流-直流功率轉換器之分析及控制 ... 16

3.2.1 三相三開關昇壓型交流-直流功率轉換器之模擬與實 測結果 ... 21

3.3 結語 ... 27

第四章 單相直流-交流功率轉換器與系統整合 ... 28

4.1 前言 ... 28

4.2 單相直流-交流功率轉換器分析及控制 ... 28

4.3 電流控制模式與市電併網控制 ... 30

4.3.1 單相直流-交流功率轉換器之模擬與實測結果 ... 31

4.4 系統整合 ... 32

4.5 結語 ... 32

第五章 實體製作與實測 ... 37

5.1 前言 ... 37

5.2 硬體電路製作 ... 37

5.2.1 數位信號控制器介面規劃 ... 37

5.2.2 電壓回授電路 ... 40

5.2.3 電流回授電路 ... 42

5.3 控制軟體規劃 ... 43

5.3.1 系統主程式之規劃 ... 43

5.3.2 三相三開關昇壓型交流-直流功率轉換器程式規劃 ... 45

5.3.3 單相直流-交流功率轉換器程式規劃 ... 47

5.4 系統模擬 ... 48

5.5 系統實測 ... 49

5.6 結語 ... 54

第六章 結論及成果自評 ... 55

6.1 結論 ... 55

6.2 成果自評 ... 55

參考文獻 ... 57

附錄 A 30 槽 32 極內轉型發電機之規格及參數 ... 63

附錄 B 整體系統之參數 ... 64

附錄 C 三相各相獨立型交流-直流功率轉換器模擬程式 ... 65

附錄 D 整體系統模擬程式及參數... 74

附錄 E 系統規格與電路參數 ... 78

第一章 緒論

全球能源日漸消耗，根據美國能源部經由美國能源資訊協會的國際 能源展望 2006 年報告預測，在 2003 年到 2030 年，全球能源消秏將以每 年成長 2%的速度成長，而全球風力發電系統成長快速，由 1995 年的 4.8GW 到 2005 年的 58GW 帄均每年成長 24%，風力發電系統提高效率 及減少重量和體積成為趨勢[1]。

風力發電系統其發電機側的電流諧波很高將對其發電機產生不良影 響，影響有減少機械效率、諧波頻率易產生鐵損與銅損導致發電機容易 過熱、轉矩的損耗、產生噪音及最後產生機械震動，有效降低發電機側 的電流諧波為風力發電系統提高效率需要注意的重點之ㄧ。

本文將三相風力發電機有別於一般Y接方式，以各相線圈獨立方式，

連接三相各相獨立型交流-直流功率轉換器[2]進行功率轉換。一般風力發 電機採用三相Y接，當風力過強時，風力發電機感應電動勢過高，容易造 成直流側元件燒毀，此時風力發電機與功率轉換器需切離，無法進行功 率轉換，若以各相線圈獨立方式，連接三相各相獨立型交流-直流功率轉 換器，其直流鏈電壓為風力發電機相電壓峰值，較三相Y接的線電壓降低

3

倍，相對使操作發電機轉速範圍提高為三相Y接之

倍。

各相獨立型交流-直流功率轉換器採用三組整合為三相系統，此功率 轉換器不僅可以控制直流鏈電壓，不受轉速及負載影響，亦可改善發電 機側電流諧波及功因，分別為電路中有橋式整流器[3]及無橋式整流器[4]

電路相比較。配合單相直流-交流功率轉換器與市電併聯有效利用風能。

不同風速下，永磁式同步發電機輸出功率與轉速不是線性關係，為

了使風力發電機運轉時輸出最大功率，系統需加入風能最大功率追蹤控

制策略，以提高整體效益。

1.2 文獻探討

風力發電系統發展已久，如何有效利用風力，本文分為風車、交流- 直流功率轉換器、直流-交流功率轉換器及風能最大功率追蹤控制進行探 討。

(1) 風車結構：

風車結構分為水帄軸式[5]和垂直式[6]兩種。水帄軸式風車有方向 性，需配置風向計或是尾翼追隨風向，是目前最常用之風力機類型，葉 片大，適合在風力較強且帄均不一產生亂流的空曠地方，如海邊。優點 具有較高轉換效率係數之特性；缺點維修不易、高噪音。垂直式風車葉 片為對稱結構成垂直狀轉子葉片為對稱結構，適合不帄均風且風力較小 的地方，如住宅區。優點裝設方便、無噪音；缺點為轉換效率係數較水 帄軸式風力機為低。風力發電系統中發電機主流包括：雙饋型感應發電 機[7]及永磁式同步發電機[8-11]。雙饋型感應發電機之定子繞組可直接連 接至市電，利用功率轉換器控制轉子側之電壓及頻率，可作實功率及虛 功率的控制。如此電能之轉換效率高，但由於控制及感應機結構複雜，

故多用於大容量風能發電系統中。永磁式同步發電機不需激磁電路，具 高功率密度之優點，適用於低轉速的直驅式風能發電系統[12-15]。為消 除磁石與定子鐵心之靜態吸力對風車啟動之影響，一般小型風能發電系 統大都採用無鐵心碟型(disk)結構之永磁式同步發電機[16-19]，使其低風 速即能啟動。此型電機之生產成本較高，且其容量與碟型面積成正比，

不適合大容量的場合。本文採用內轉型[20]三相永磁式同步發電機，其具 有低轉速、高轉矩、低轉矩漣波、高效率及高可靠度之優點。

(2) 三相交流-直流功率轉換器：

以各相獨立方式連接發電機電壓使用範圍較一般Y接方式多

倍，

主要目的除了將交流電壓轉換為直流電壓外，還需包含高功因及低電流 失真率之功能。本文三相各相獨立型交流-直流功率轉換器，以各相電流 命令追隨電壓[21-22]作為控制基礎，分別為電路中具有橋式整流器的三 相三開關昇壓型，及電路中無橋式整流器的三相各相獨立半控型、圖騰 型、全控型這些電路作比較。本文以三相三開關昇壓型型為主要架構。

此類功率轉換器，具有近似單位功因、低電流諧波之性能，適用於風力

發電系統之能量轉換。

(3) 單相直流-交流功率轉換器：

主要目的將直流鏈電壓轉換為交流電壓，本文採用正弦脈波寬度調 變[23-24]技術，可得穩定輸出波形及低諧波失真，以供獨立負載使用或 是市電併聯。

(4) 最大功率追蹤控制法：

已被廣泛應用於再生能源系統，包含了太陽能及風力發電。最大功 率追蹤控制策略包括轉速控制法[25-26]、三點權位比較法[27]及擾動觀察 法[28-31]等。擾動觀察法不需風速之回授，藉由週期性的改變功率輸出 來觀察輸入功率的斜率變化，找出最大功率點；三點權位比較法類似擾 動觀察法，係偵測三點之功率變化進行比較判斷，可改善擾動觀察法在 風能暫時變化時過度擾動造成的功率損失；轉速控制法是利用風速計回 授風速，透過換算或是查表法求得其轉速之最大功率。由於擾動觀察法，

其控制容易且不需額外電路，故本文以此法作為最大功率追蹤控制策略。

1.3 系統架構及本文特色

本文系統架構圖如圖1-1所示，包含風車與三相永磁式同步發電機、

功率轉換器及市電電源三部分。本文採用32位元之數位信號處理器 (DSP2808)作為控制核心及脈波寬度調變(pulse-width modulation, PWM) 控制信號輸出，非常適合發展功率轉換器控制軟體。三相永磁式同步發 電機經由旋轉產生應電勢，而同步發電機的三相線圈為每相獨立接線，

接為三相三開關昇壓型交流-直流功率轉換器，透過風能帶動發電機產生 之反電勢轉換為直流電壓，再透過單相直流-交流功率轉換器及市電併 網。本系統之採用風機模擬帄台透過原動機帶動內轉型三相永磁同步發 電機，作為風能來源，三相各相獨立型交流-直流功率轉換器設定運作為 永磁式同步發電機操作於轉速200rpm~450rpm，相電壓峰值65V~140V。

其功率轉換市電併聯780W、轉換效率86.6%，將風力發電能量饋入單相 110V、60Hz之市電電源。綜合上述，本文的特色如下：

1. 風力發電機在相同風速下，三相獨立繞組電壓使用範圍較三相 Y 接提 升

倍。

2. 交流-直流功率轉換器使用三相三開關昇壓型交流-直流功率轉換器，

不僅可以提供直流電源，亦改善風力發電機輸入電流諧波及功因。

3. 單相全橋直流-交流功率轉換器與市電併網節約能源。

4.

整體系統加入最大功率追蹤控制法有效利用風能。

5. 本文採用數位信號處理器為控制核心，並完成實體製作。

aGe bGe cGe sL sR^sR^sR sL^sL  

 1D 2D 3D  1T 2T 3T

 RT ST  RT ST

1fL 2L 3L¹

L  

rsv 

irs s

Ri r Re

1 3

2

1aD 1bD 1cD1aD 1bD 1cD

2aD 2bD 2cD2aD 2bD 2cD

2fL



vy1 vy2 vy3 yi1 yi2 yi3

dcC dcv fC

三相永磁式 同步發電機三相三開關昇壓型交 流-直流功率轉換器濾波器單相直流-交 流功率轉換器市電 110V/60Hz 閘極驅動電路閘極驅動電路 PWM A/D DSP 2808 Emulator XDS510PP

,,aGbGcGvvv ,dcRve ,,,afbfcfRiiii

電壓回授電路 電流回授電路同步 信號 偵側

Re CAP

afi bfi cfi

fGL aGv bGv cGv

aGi bGi cGi fGL^fGLyaGe bGe cGe sL sR^sR^sR sL^sL  

 1D 2D 3D  1T 2T 3T

 RT ST  RT ST

1fL 2L 3L¹

L  

rsv 

irs s

Ri r Re

1 3

2

1aD 1bD 1cD1aD 1bD 1cD

2aD 2bD 2cD2aD 2bD 2cD

2fL



vy1 vy2 vy3 yi1 yi2 yi3

dcC dcv fC

三相永磁式 同步發電機三相三開關昇壓型交 流-直流功率轉換器濾波器單相直流-交 流功率轉換器市電 110V/60Hz 閘極驅動電路閘極驅動電路 PWM A/D DSP 2808 Emulator XDS510PP

,,aGbGcGvvv ,dcRve ,,,afbfcfRiiii

電壓回授電路 電流回授電路同步 信號 偵側

Re CAP

afi bfi cfi

fGL aGv bGv cGv

aGi bGi cGi fGL^fGL

圖 1 -1 系 統 之 電 力 電 路 圖

1.4 本文大綱

本計畫共分為六章：第一章緒論，簡述本文永磁式同步發電機及功

率轉換器控制架構；第二章介紹三相永磁式同步發電機及其數學模式推

導及最大功率追蹤控制策略；第三章介紹三相三開關昇壓型交流-直流功

率轉換器；第四章介紹單相直流-交流功率轉換器之控制與系統整合；第

五章為實體製作及實測；第六章為結論與建議；最後為參考文獻及附錄。

第二章 永磁式同步發電機之模式及量測

2.1 前言

本章將推導的是永磁式同步發電機之數學模式以及轉速及角位置估 測，並討論風力發電之原理特性與風力發電測詴帄台。

2.2 三相永磁式同步發電機及其數學模式

本文採用 30 槽 32 極的三相永磁式同步發電機，結構簡單且效率高，

發電轉速為 90rpm~240rpm，為一個高轉矩低轉速的發電機，低轉速可直 驅葉片，適合使用在垂直型風機上，並具有低噪音與高效率之特色。

永磁式同步發電機之等效電路如圖 2-1 所示。此等效電路之三相電壓方程 式為：

  dt 

(2-1)

  dt 

(2-2)

cG s cG s cG cG

e R i L d i v

  dt 

(2-3)

其中

、

、

分別為三相永磁式發電機之感應電動勢之相電壓瞬時 值，

、

、

分別為三相永磁式發電機之相電流。

、

、

為端 電壓瞬時值，

及

分別為永磁式發電機之每相等效電阻及電感。永磁 式發電機的感應電動勢表示為：

cos

(2-4)

2

cos( )

bG mG rG

3

e E   

(2-5)

cos( 2 )

cG mG rG

3

e E 

  

(2-6)

其中 E

為相電壓峰值，此值與轉速 ω

及等效轉子磁通鏈

關係為：

(2-7)

2

p

r m

  N 

(2-8)

其中，

為電工角速度，

為機械角速度，

，

為定子側等效匝數，

為磁鐵的磁通量。而發電機之磁場角位置表示為

0^t _rdt _rG

(0)

   

^(2-9)

其中

(0) 為參考角位置之初值，本文依(2-1)～(2-3)得圖 2-1 之等效電路 圖。

三 相 永 磁 式 同 步 發 電 機

eaG

ebG

ecG

Rs

Rs

Rs

Ls

Ls

Ls

iaG

ibG

icG

vaG

vbG

vcG

圖 2-1 三相永磁式同步發電機等效電路

2-3 三相永磁同步發電機的設計及製作

配合系統風車的轉速為 60rpm~240rpm 範圍，故本子計畫選用 30 槽 32 極的槽極組合。外徑為 320mm 其實體如圖 2-2 所示。圖 2-2 中定子的 槽可置導體，而轉子在內側其磁石共 32 極，欲降低模具費用，本子計畫 定子以 5 槽為一模組，共需 6 塊，可組成 30 槽，而轉子以 4 極為一模組，

共需 8 塊，可組合 32 極，其 30 槽 32 極的局部的定子及轉子幾何圖如圖 2-3 所示。圖 2-3 的磁石的形狀可有效降低感應電勢的諧波含量，使其在 弦波電流操作或減少轉矩漣波，降低噪音。

(A) 永磁式同步發電機的磁路分析

本計畫配合 Ansoft 公司的 Maxweall-2D 的磁路分析，其靜磁分析結

果如圖 2 所示。圖 2(a)為磁通密度的分布。而圖 2(b)為磁力線分布，由圖 2(a)可知定子齒部的磁通密度最高為 1.3T，低鐵心材料(50CS400)的磁飽 和。

(a) (b)

圖 2-2 三相 30 槽 32 極內轉型發電機磁路分析：(a)磁通密度分佈；(b)磁 力線分佈

(B) 永磁式同步發電機的製作

永磁式同步發電機的製作實體圖如圖 2-3 所示，圖 2-3(a)為轉子之磁 石，其磁石由兩片組合為一相，具有等效斜槽的效果，有效降低頓轉轉 矩。為定子的部份鐵心及線圈如圖 2-3(b)所示，可先繞製線圈再作機構的 組裝，如此可施工方便。

(a) (b)

圖 2-3 三相永磁式同步發電機製作之實體:(a)轉子;(b)部分定子的鐵心及

線圖

2.4 永磁式同步發電機之轉速及角位置估測

透過電容端電壓作磁場角位置

及轉速

之估測，給系統的控制使 用，由於發電機端電壓

及

易受開關切換雜訊干擾，因此在發 電機後端加入 LC 濾波器濾除交流-直流功率轉換器之高頻諧波，發電機 端電壓

及

表示為：

cos

(2-10)

2

cos( )

bG mG eG

3

v V   

(2-11)

cos( 2 )

cG mG eG

3

v V   

(2-12)

VmG

為電容端電壓峰值。

將用旋轉座標軸轉換，其軸心之幾何圖如圖 2-4 所示，故轉換矩陣及 反轉換矩陣分別如(2-13)及(2-14)所示。

0

2 2

cos cos( ) cos( )

3 3

2 2 2

( ) sin sin( ) sin( )

3 3 3

1 1 1

2 2 2

eG eG eG

qd eG eG eG eG

T

 

      

 

 

 

 

        

 

 

 

 

(2-13)

1

e e

0 e e e

e e

cos sin 1

2 2 2

( ) cos( ) sin( ) 1

3 3 3

2 2

cos( ) sin( ) 1

3 3

G G

qd G G G

G G

T^

 

   

   

 

     

 

   

     

 

(2-14)

若(2-13)中，

為零即之靜止座標交、直軸電壓為 cos

s

qG aG

mG eG

v v

V 





(2-15)

1 ( ) 3

sin

s

dG bG cG

mG eG

v v v

V 

 

 

(2-16)

透過 (2-15)及(2-16) 可得到發電機峰值電壓

，可表示為

(

)

(

)

(2-17) cos

s qG eG

mG

v

 V

(2-18)

sin

s dG eG

mG

v

 ^V

(2-19)

sin tan cos

eG eG

eG

 



 

(2-20)

由(2-17)至(2-20)式得到近似發電機端電壓的角位置

其方塊如圖 2-5。

r

r

aG-axis bG-axis

cG-axis

q-axis

d-axis

eG

圖 2-4 轉子旋轉座標軸與三相 abc 軸之幾何圖

電壓 回授 vbG

vaG

vcG

2 2

( ^s ) ( ^s )

mG qG dG

v  v  v

s

vqG s

vdG

cos

sin

s qG eG

mG s dG eG

mG

v v v

v









cos_eG sin_eG vmG

1sin tan cos

eG eG

eG

 



 

eG

vaG

vbG

vcG s

qG aG

v v

1 ( )

3

s

dG bG cG

v  v v

圖 2-5 角位置估測方塊圖

當發電機接線為各相獨立，發電機之線電流與端電壓同步時，三相電流

aG bG cG

i

、 、

表示為

aG mG

cos

i I 

(2-21)

cos( 2 )

bG mG eG

3

i I   

(2-22)

cos( 2 )

cG mG eG

3

i I   

(2-23)

其中

為發電機側電流峰值。配合(2-5)至(2-7)，永磁式同步發電機之輸 出功率

可表示為(2-24)及(2-25)

G aG aG bG bG cG cG

P v i v i v i

(2-24)

3

G

2

P  V I

(2-25)

故發電機的輸出功率與

有關，本文可控制

改變發電機的輸出功率。

2.5 永磁式同步發電機量測結果

本文使用 32 極 30 槽永磁式同步發電機，發電轉速範圍為 90rpm 至 210rpm，其容量為 1kW，其發電機設計參數如附錄 A 所示，圖 2-6 為量 測帄台，由原動機帶動發電機，並量測對發電機之輸入轉矩，提供本文 驗證發電機之設計及其量測效率。

原動機

驅動器

轉速命令

轉矩偵測器 ( )

低速高轉矩 永磁式發電機

量測系統之電 氣負載

轉速發 電機

eaf

ebf

ecf

o _m

齒輪箱

3:1 T_e

圖 2-6 發電機量測帄台 A. 永磁式同步發電機各相獨立無載測詴量測參數

本小節量測永磁式同步發電機於各相獨立無載運轉時，轉速與感應電 勢之各相電壓峰值之關係，圖 2-7 與表 2-1 為永磁式同步發電機各相獨立 時感應電勢之相電壓峰值與轉速，在 180prm 三相相電壓響應如圖 2-8 所 示；由上數量測結果得知。轉速於 90rpm 時能產生 70V 之穩定相電壓，

而轉速至 210rpm 時已能產生 160V 之相電壓，因轉速在 90rpm 與

210rpm 的相電壓值相差 90V，對電力電路較難控制，為了讓發電機的使

用範圍更廣，本文在發電機 90rpm~150rpm 時採用 Y 接，90rpm 時線電壓

就可達 121V，150rpm 線電壓更達到 202V，150rpm~210rpm 採用各相獨

立接法，相電壓範圍為 117V~160V，發電機的使用率更大，且直流鏈電

壓較為穩定，有助於電路的控制。在 180rpm 時之發電機無載相電壓響應

之實測與分析相接近，誤差為 4%

表 2-1 永磁式同步發電機各相獨立電路之反電動勢量測結果 轉速

(rpm) 90 120 150 180 210 相電壓峰值

(V) 70.4 94.4 117 140 160 相電壓均方根

值(V) 54 70 85 107 125 THD(%) 6.97 5.57 5.47 5.76 5.63 頻率(Hz) 24 32 40 48 56

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

90 110 130 150 170 190 210 230

rpm

V

圖 2-7 本文使用永磁同步發電機之轉速與感應電勢之相電壓峰值

v div

(10 / ) time ms div

0

ea e_b e_c

圖 2-8 在 180rpm 無載時三相相電壓

、

、

的實測

B. 永磁式同步發電機各相獨立加載測詴量測參數

本文中利用純電阻負載量測永磁式同步發電機特性與性能，提供發電 機控制使用。量測在轉速相同輕重載之情形，與不同轉速同負載的條件 下產生之結果，使用純電阻負載測詴確定為單功因，表 2-2 在定轉速 180rpm 輕重載的效率表，從表中可看出此發電機整體效率約為在 85%，

圖 2-7 為轉速 90rpm 至 210rpm 負載定在

=47

與無載之轉矩圖，圖 2-9 中得知發電機無載時轉矩約為 0.8 N-m

210rpm 時扭力為 43.2 N-m ，符 合本發電機之設計。

表 2-2 在定轉速 180rpm 不同負載的效率表

負載 ()

a相電壓峰值 (V)

a相電流峰值 (A)

轉矩T _e (N-m)

輸入功率P_in (W)

輸出功率P_out (W)

效率 (%) 35 136 3.84 48.7 917.97 783.36 85.35 47 140 2.88 37.5 706.86 604.8 85.56 70 140 1.96 26 490.08 411.6 83.99 140 140 1.0 13.2 248.81 210 84.40

0 10 20 30 40 50

90 110 130 150 170 190 210 230

轉速(rpm) 無載情況

負載固定在 47

轉矩(N-m)

圖 2-9 在不同轉速下各相獨立無載與負載為 47 之轉速與轉矩量測結果

2.6 結語

本章推導完永磁式同步發電機之數學模式與角位置估測，以風力發電

帄台驗證本文的 32 極 30 槽永磁式同步發電機之特性，數位信號處理器

依本章推導公式可得發電機角位置與控制參數，為下一章發電機控制之

依據。

第三章 三相三開關昇壓型交流-直流功率轉換器

3.1 前言

將風力發電機之三相個別連接到三個獨立型交流-直流功率轉換 器，較一般三相 Y 接的好處有：提高

倍的電壓使用率；各相的開關為 相同電源，可以簡化電流命令。三相各相獨立型交流-直流功率轉換器主 要功能為將發電機側三相交流電壓轉換為直流電壓，使用電流命令追隨 電壓之控制策略可以減少發電機側電流諧波、提高功因及提昇直流鏈電 壓。

A. 三相三開關昇壓型交流-直流功率轉換器

三相三開關昇壓型交流直流功率轉換器[34]電力電路圖如圖 3-1 所 示，為電路中有橋式整流器電路架構，圖 3-1 中，

、

、

為發電 機之應電勢，

為發電機側等效電感，

為發電機側等效電阻，

電機側濾波電感，

為直流鏈電容，

為直 流側等效負載電阻。各相先經由橋式整流器後，再透過昇壓型轉換器，

形成三組昇壓型功率轉換器[35]並聯架構，藉由昇壓型功率轉換器提昇直 流鏈電壓，由於各相只需一只功率級電晶體做控制，其優點為架構簡單、

控制容易、成本低。

eaG

ebG

ecG L_s R_s Rs

Rs

Ls

Ls

L2

L3

L1 1

Da^

1

Da^

2

Da^

2

Da^

1

Db^

1

Db^ D_b^₂

1

Dc^

1

Dc^

2

Dc^

2

Dc^ 2

Db^

v1

v3

v2

三相永磁式

同步發電機 ^iL1

3

iL 2

iL

vdc







D2 D3^

Cdc



T1 T2^{ }

T3 1

3 2



D1

LfG

vaG

CfG

LfG

vbG

CfG

LfG

vcG

CfG

Rdc

iaG

iaf

ibG i_bf

icG

icf

圖 3-1 三相三開關昇壓型交流-直流功率轉換器之電力電路圖

3.2 三相三開關昇壓型交流-直流功率轉換器之分析及控 制

本節將分析三相三開關昇壓型交流-直流功率轉換器之電力電路，利

用三臂開關狀態建立其電感電流及電容電壓狀態方程式，文中之三相功

率轉換器採用三相三開關昇壓型架構，其電路架構如圖 3-1 所示。於圖

3-1 中，假設功率電晶體及二極體皆為理想元件，且電感電流

、

及

為連續導通，則可將電力電路等效為圖 3-2 之開關等效電路。

L1

Cdc

vdc

s1^ 0

1

1

vy 1

Da^

1

Da^

2

Da^

2

Da^

v1

L2

s2^ 0

1

2

vy 1

Db^

1

Db^

2

Db^

2

Db^

v2

L3

s3^ 0

1

3

vy 1

Dc^

2

Dc^

2

Dc^

v3 1

iL

2

iL

3

iL

eaG

ebG

ecG L_s R_s Rs

Rs

Ls

Ls

1

Dc^

三相永磁式 同步發電機

LfG

vaG

CfG

LfG

vbG

CfG

LfG

vcG

CfG

Rdc

iaG i_af

ibG i_bf

icG i_cf

圖 3-2 三相三開關昇壓型功率轉換器之開關模式等效電路

其中

及

分別為功率電晶體

、

及

之導通或截止之開關狀 態。開關狀態

及

定義為：

₁ ^{1 1}

1 1

0 1

T D

s T D

 



 

 



若 截止; 導通

若 導通; 截止 (3-1)

₂ ^{2 2}

2 2

0 1

T D

s T D

 



 

 



若 截止; 導通

若 導通; 截止 (3-2)

₃ ^{3 3}

3 3

0 1

T D

s T D

 



 

 



若 截止; 導通

若 導通; 截止 (3-3)

配合(3-1) ~ (3-3)及圖 3-2 之開關等效電路，功率電晶體端電壓

及

及

的關係為：

v_y1  

(1

)

(3-4)

v_y2  

(1

)

(3-5)

v_y3  

(1

)

(3-6) 其中

為直流鏈電壓。再由圖 3-2 開關等效電路求得電感

、

及

之 電壓迴路方程式為：

_{1 1} d _{L1 1 L1 y1} v L i R i v

 dt  

(3-7)

_{2 2} d _{L2 2 L2 y2} v L i R i v

 dt  

(3-8)

_{3 3} d _{L3 3 L3 y3} v L i R i v

 dt  

(3-9)

其中

整流之電壓；

、

與

分別為電感

、

與

之內阻。令

、

及

分別為開關狀態

及

在“1”狀態的責任週期，或功率電晶體

、

及

的導通責任週期。若

、

及

導通時間為

、

及

，則 責任週期

、

及

之定義為：

₁ ^on1

sw

d t

T

(3-10)

₂ ^on2

sw

d t

T

(3-11)

₃ ^on3

sw

d t

T

(3-12)

其中，

為功率電晶體之切換週期； 0

1 ； 0

1 ； 0

1 。若 功率電晶體之切換週期

很短，故在分析及控制可採用帄均值模式，如 此(3-7)~(3-9)之帄均值可表示為：

_{1 1} d _{L1 1 L1}

(1

)

 dt   

(3-13)

_{2 2} d _{L2 2 L2}

(1

)

 dt   

(3-14)

_{3 3} d _{L3 3 L3}

(1

)

 dt   

(3-15)