先進能源發電系統之研製---子計畫三---六相永磁式同步發電機之風力發電系統研製(I)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告

子計畫三：六相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： NSC94-2213-E-011-069-

執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 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： 黃仲欽

報告類型： 精簡報告

處理方式： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 95 年 5 月 29 日

行政院國家科學委員會專題研究計畫期中精簡報告 先進能源發電系統之研製-子計畫三：

六相永磁式同步發電機之風力發電系統研製(1/3)

Development of wind power system with a six-phase permanent-magnet Synchronous generator

計劃編號 : NSC 94-2213-E-011-069 執行期限：94年08月01至95年07月31日

主持人： 黃仲欽 副教授

執行機構 : 國立台灣科技大學電機工程系 研究助理 : 陳立修、謝明志

一、中文摘要

本計畫旨在設計及製作六相永磁式同步發電機 之風力發電系統。六相電機不僅可分散繞組及功率 轉換器之容量，亦可降低整流後直流電壓的漣波成 分。本系統採用並聯之全控型交流-直流功率轉換，

可將六相同步發電機之變動電壓轉換為固定之直流 電壓。本文將建立六相功率轉換器數學模式，同時 配合電流回授及同步旋轉座標軸轉換之電流控制，

可降低輸入電流諧波含量、提高功率因數及發電機 運轉效率。本系統將採用高性能之 16 位元數位信號 處理器（DSP, TMS320LF2407A）為控制核心，目前 已完成 750 W 發電系統之雛形，並由實測結果驗證 理論之可行性。

關鍵詞：六相、永磁式同步發電機、功率轉換器 Abstract

This proposal presents the design and implementa- tion of wind power systems with a six-phase permanent- magnet synchronous generators. It can not only distribute winding and the capacity of power converter, but also re- duce the ripple of rectified dc voltage. Parallel full- controlled ac-dc power converter will be adopted to con- vert the varying voltage of six-phase permanent-magnet synchronous generators to constant dc voltage. In the ac- to-dc power converter, the mathematical model of the six-phase switch-mode recitifier is derived. The current control method of six-phase synchronous rotating frame transformation is used to reduce the current harmonics and increase the power factor on input side of generator, and thereby increase the efficiency of the generator. A low-cost, 16-bit digital signal processor (DSP, TMS320LF2407A) is used to serve as the core control device to implement a 750 W protype generation system.

Finally, experiments are given to justify the feasibility of system.

Keywords : six-phase, permanent-magnet synchro- nous generator, power converter

二、緣由及目的

本計畫採具有高效率、低生產成本且體積小之

永磁式同步風力發電機；以往三相永磁式同步發電 機風力發電系統中，受限於電力電子功率轉換器技 術影響，風力發電機運轉時需風力場之風能達一定 風速，且風力發電機轉子葉片達工作轉速才可進行 功率轉換[1]；在地球上由於受日照影響，使得在不 同地區會有不同的氣溫產生，其相對的空氣溫度也 會有所不同，當溫度高時熱空氣上升，周圍的冷空 氣過來補充，於是便產生了風。在風與風力機之間 的 關 係 中 ， 空 氣 流 在 穿 越 葉 片 後 其 流 動 路 徑 會 擴 增，且大於風力機葉片之旋轉面積，在這個過程中 空氣流動速度將減慢，因此使得空氣失去了部分的 動能，根據能量不滅定律我們可發現，這些流動過 程中所失去的動能透過葉片後進而產生了葉片的旋 轉動能。本計畫採用六相 24 槽 22 極轉子外轉型永磁 式同步發電機，其定子繞線方式採用集中繞，雙 Y 接中間抽頭繞線結構，利用六相交流-直流功率轉換 器進行功率轉換，依直流鏈接線方式不同，可使其 切換於直流鏈串聯或直流鏈並聯模式，當風力場風 速低時，可將交流-直流功率轉換器操作於串聯模 式，以為持直流鏈之穩定電壓，反之，當風力場風 速過高時，則將交流-直流功率轉換器操作於並聯模 式；本計畫中將針對小型低容量六相永磁式同步風 力機發電系統，於高風速、高轉速情況下，採六相 並聯型交流-直流功率轉換器操作模式之分析與實體 製作，其系統架構圖如圖 1 所示，共可分為六相風力 發電機及編碼器部分、六相全橋全控功率轉換器及 昇/降壓型直流截波器等，並以數位信號處理器為控 制核心。

. . . PM SG 6φ

Ta⁻ Tb⁻ Tc⁻

六相全橋全控 功率轉換器

直流鏈及昇/降壓型 直流截波器 六相永磁式同步發電機

與編碼器

Ta⁺ Tb⁺ Tc⁺

Tx⁻ Ty⁻ Tz⁻ Tx⁺ Ty⁺ Tz⁺

2

Cdc 1

Cdc L^b

+ TB

−

TB vB

iB

閘極驅動 閘極驅動

DSP TMS320LF2407A 編碼器

回授

vdc

ib

電壓及 電流 回授

iB

vB

iy^x

i ia

ia

ix iy

ib

ic

iz

vdc

直 流 負 載

交流-直流功率轉換器 PWM1~PWM12

昇/降壓型直流截波器 T1PWM T2PWM A

B Z

圖 1 六相風力發電系統架構圖

三、研究方法

本計畫系統包含風力發電機、電力電路及數位 控制電路等三大部分。風力發電機部分，採用六相 24 槽 22 極轉子外轉型永磁式同步發電機，並利用一 伺服馬達，以機械耦合方式帶動風力發電機，替代 大地風力場中，風能所轉換之機械旋轉動能。為配 合本文交流-直流功率轉換器之控制策略，吾人於發 電機轉子測加裝編碼器，以供回授轉子磁極角位置 用。在電力電路中，主要可分為交流-直流功率轉換 器及昇/降壓式直流截波器等。交流-直流功率轉換 器，為採六相交流-直流全橋全控型功率轉換器所組 成，目的是將風力發電機所感應之六相變動交流電 源，轉換成一穩定之 48 V 直流鏈電壓，以供應直流 負載使用。為提高系統獨立負載時供電可靠度，本 計畫於直流鏈端加入功率控制單元，以昇/降壓式直 流截波器連接一 39 V 蓄電池組[2]，使系統直流鏈電 壓穩定，達功率平衡之目的。

數位控制電路部分，採德州儀器公司所生產之 低價位 16 位元數位信號處理器為控制核心，具有 40MIPS 高執行速度，適合本系統開發與應用。其介 面電路規劃可分為四大部分，分別為連接電腦端之 JTAG 埠與模擬器(Emulator XDS510PP PLUS)；兩組 脈波寬度調變信號電路(EVA、EVB)，負責輸出功率 晶體切換責任週期所需之調變訊號；回授系統電壓 及電流實際值之 10 位元類比/數位轉換器；最後為估 算發電機磁極角位置之方波解碼脈波電路，以完成 六相同步旋轉座標軸轉換之電流及功率控制。

(A)、六相永磁式同步發電機之設計及參數量測 永磁同步電機磁石材料，採用稀土永磁材料製 成，具有高剩磁密度(Residual Induction,B_r)、高磁矯 頑力(Coercivity,H_c)、高磁能積(H_c⋅B_r)和線性退磁 曲線的優異磁性能[3]，可以容許所製成的電機具有 較大的氣隙長度和氣隙磁密，因而在永久磁鐵的安 置和磁路結構設計上有很大的靈活性，可以根據不 同的使用場合，製成與傳統電機不同的結構形狀和 尺 寸 ， 故 本 計 畫 中 發 電 機 採 釹 鐵 硼 稀 土 永 久 磁 石 (NdFeB，N42)；三相發電機與六相發電機在相同功 率輸出條件下，六相發電機因具有兩組三相繞組，

在適當控制之下可有效平分輸出功率，因此六相發 電機每相繞線所流經電流僅為三相發電機的ㄧ半，

對於發電機發電效率即可明顯提高。本計畫利用商 用分析軟體(Magsoft Flux2D)，針對本文之發電機進 行磁路與電氣特性的分析，其模擬幾何剖面圖如圖 2 所示。

a 相 繞 組 繞 線 區 x相繞組繞線區 b相繞組繞線區

c相繞組繞線區

z相繞組繞線區 y

相 繞 組 繞 線 區

圖 2 六相永磁式同步發電機磁路分析軸幾何剖面圖

本 計 畫 推 導 六 相 永 磁 式 同 步 發 電 機 之 數 學 模 式，同時進行實體參數量測[4]。當發電機此時操作 於無載狀態下，輸出之相電壓等於發電機內電勢，

可得轉子等效至定子側之磁通鏈λ ′ 為 _m

(

^/

)

m m

r

E V s rad

λ ′ = ω − (1)

本計畫之同步發電機因定子繞線方式採用集中 繞，雙 Y 接中間抽頭繞線結構，故在任一繞組中選 擇其中兩相，在此兩相間加入一直流電壓源，量測 其電壓V_dc與電流I_dc即可得直流電阻R[5]。

dc dc

R V

= I (2)

又因為採 Y 接繞線結構，所以定子等效電阻R_s 可換算為

2

s R

R = (3)

同時配合同步旋轉座標軸轉換[6]，可得推導得 到發電機運轉的穩態電壓方程式為

'

1 1 11 1 12 2

r r r r

r m vq r is q rL id d rLd id

ω λ = + +ω +ω (4)

1 1 11 1 12 2

0=v^r_d +r i_{s d}^r −ω_r(L i_{q q}^r +L i_{q q}^r ) (5)

'

2 2 22 2 21 1

r r r r

r m vq r is q rLd id rLd id

ω λ = + +ω +ω (6)

2 2 22 2 21 1

0=v_d^r +r i_{s d}^r −ω_r(L_q i_q^r +L i_{q q}^r ) (7) 且 abc 繞組及xyz繞組定子側交、直軸等效電感為

11 11

q d

L =L (8)

22 22

q d

L =L (9)

且L_q12、L_d12、L_q21及L_d21其值非常的小，故可 忽略不計。綜合上述之(1)至(9)可量得六相永磁式同 步發電機之參數，其中 abc 繞組與 xyz 繞組之轉子磁 通 鏈 曲 線 近 似 相 等 ， 其 值 λ_m^′=λ_mabc^′=λ_mxyz^′ 約 為 0.03932（V-s/rad.）；定子等效電阻R 約為_s 0.232 歐

姆 ； 定 子 測 等 效 電 感

11 22 11 22 0.433( )

s q q d d

L =L =L =L =L = mH 。

(B)、六相永磁同步發電機及六相交流-直流功率轉換器 之分析及控制

本計畫採全橋全控型功率轉換器，其電力電路 圖如圖 3 所示，其中v 為直流鏈電壓，_dc C_dc1、C_dc2 為直流鏈電容，R 為等效負載。在全橋全控型功率_dc 轉換器中適當地控制開關切換，可使輸入端功率因 數接近 1，降低輸入電流諧波含量，得到穩定低漣波 之 輸 出 直 流 鏈 電 壓 ， 提 高 發 電 機 運 轉 效 率 之 優 點 [7]，其缺點為此功率轉換器必須同時控制六個開關 的 開 關 狀 態 ， 且 同 一 臂 之 上 、 下 開 關 狀 況 需 為 互 斥，同時，為避免實體製作時，因上、下臂開關元 件之導通與截止時間重疊，導致直流鏈電壓短路，

因此上、下臂開關狀態需考慮盲時，故控制電路之 設計較為複雜，在開關驅動電路的設計上，亦需考 慮驅動電源的隔離。在此架構中可以操作於連續電 流模式與不連續電流模式，在連續電流模式操作下 可使輸出之直流電壓漣波成分較小，輸入側電流接 近完美之正弦波且低諧波含量存在，因此其特性為 各型功率轉換器中最佳者。

+

- +

-

- +

Rdc Vdc1

+

- Cdc1 +

Ta T_b⁺ T_c⁺

−

Ta T_b⁻ T_c⁻

ea

eb

ec n

ia

ib

ic

+

- +

-

-

+ Cdc2

+

Tx T_y⁺ T_z⁺

−

Tx T_y⁻ T_z⁻

ex

ey

ez n

ix

iy

iz

六相永磁式同步發電機

Vdc2 +

-

Vdc +

-

S1 S2

'

Rs Ls

Rs Ls

Rs Ls

Rs Ls

Rs Ls

Rs Ls

圖 3 六相全橋全控型功率轉換器電力電路圖 表1 六相功率轉換器切換狀態 開關切換狀態 功率轉換器

操作模式

功率轉換器 輸出電壓

1: , 2:

S ON S OFF _操作模式 ^串聯 v_dc =v_dc1+v_dc2

1: , 2:

S OFF S ON _操作模式 ^並聯 v_dc =v_dc1=v_dc2

1: , 2:

S OFF S OFF 系統切離 v_dc =0 註： ON 表示開關導通， OFF 表示開關截止

依表 1 可得六相功率轉換器切換狀態，當風力發 電機運轉於低轉速時，為使其輸出直流鏈電壓為持 穩定，可將功率轉換器操作於串聯模式，此時直流 鏈電壓v_dc =v_dc1+v_dc2，因直流鏈電壓是由繞組 abc 與 繞組 xyz 之功率轉換器輸出直流電壓串聯共同建立，

故若在串聯模式操作時，每組功率轉換器各臂功率 晶體承受較低之直流跨壓，但因為此時直流鏈電壓 是由兩組直流電壓串聯共同建立，因此若有一組功 率轉換器產生誤動作時，將可能使直流鏈電壓不穩 定，間接影響系統可靠度。

同理，當風力發電機運轉於高轉速時，可將功 率 轉 換 器 操 作 於 並 聯 模 式 ， 此 時 直 流 鏈 電 壓

1 2

dc dc dc

v =v =v ，故若在並聯模式操作時，假設兩組 功率轉換器之系統操作響應相同，則流經每組功率 轉換器各臂功率晶體之電流可平均分配，且若有一 組功率轉換器故障時，系統尚可提供一半之額定功 率輸出，故其可靠度較串聯模式高。

假設發電機側輸出為六相平衡之電源，則開關 端電壓v 、_a v 、_b v 及_c v 、_x v 、_y v 可用開關狀態_z S 、_a S 、b S 及_c S 、_x S 、_y S ，而直流鏈電壓以_z v_dc1、v_dc2 表示之[8]，即

1

2 1 1

1 2 1

3 1 1 2

a a

dc

b b

c c

v S

v v S

v S

− −

⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤

⎢ ⎥= ⎢− − ⎥ ⎢ ⎥

⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥

⎢ ⎥ ⎢− − ⎥ ⎢ ⎥

⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦

(10)

2

2 1 1

1 2 1

3 1 1 2

x x

dc

y y

z z

v S

v v S

v S

− −

⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤

⎢ ⎥= ⎢− − ⎥ ⎢ ⎥

⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥

⎢ ⎥ ⎢− − ⎥ ⎢ ⎥

⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦

(11)

由圖 3 可得 abc 繞組之電感及電容之動態微分方 程式為

s a a s a a

L d i e R i v

dt = − − (12)

s b b s b b

L di e R i v

dt = − − (13)

s c c s c c

L di e R i v

dt = − − (14)

1

1 1 1 1

dc

dc dc a a b b c c dc

dc

v

C d v i i S i S i S i

dt = −R = + + − (15) 而 xyz 繞組之電感及電容之動態微分方程式為

s x x s x x

L d i e R i v

dt = − − (16)

s y y s y y

L d i e R i v

dt = − − (17)

s z z s z z

L di e R i v

dt = − − (18)

2

2 2 2 2

dc

dc dc x x x x x x dc

dc

v

C d v i i S i S i S i

dt = − R = + + − (19) 在 六 相 系 統 系 統 中 ， 電 壓 及 電 流 為 時 變 的 關 係，在動態的分析及控制上比較困難。故本計畫採 用轉子同步旋轉座標系統[9]，將六相系統之物理量 方程式轉換至qd 軸，其中0 0軸表示為零相序的量，

在本文中忽略不計，故將(12)至(14)及(16)至(18)經轉 子 同 步 旋 轉 座 標 系 統 轉 換 ， 可 得 發 電 機 各 繞 組 之 交、直軸電壓方程式為

1 1 ( 1 1) 1

r r r r r

q q s q s q r s d

v e R i L d i L i

dt ω

= − + − (20)

1 1 ( 1 1) 1

r r r r r

d d s d s d r s q

v e R i L d i L i

dt ω

= − + + (21)

2 2 ( 2 2) 2

r r r r r

q q s q s q r s d

v e R i L d i L i

dt ω

= − + − (22)

2 2 ( 2 2) 2

r r r r r

d d s d s d r s q

v e R i L d i L i

dt ω

= − + + (23)

再將(20)至(23)改寫為

1 1 1 1 1 1

r r r r r r

q q q r s d s q s q

u e v L i R i L di ω dt

= − − = + (24)

1 1 1 1 1 1

r r r r r r

d d d r s q s d s d

u e v L i R i L di ω dt

= − + = + (25)

2 2 2 2 2 2

r r r r r r

q q q r s d s q s q

u e v L i R i L di ω dt

= − − = + (26)

2 2 2 2 2 2

r r r r r r

d d d r s q s d s d

u e v L i R i L d i ω dt

= − + = + (27)

由(24)至(27)可知，u_q^r₁、i_q^r₁，u_q^r₂、i_q^r₂，u 、_d^r₁

1 r

i 及d u_d^r₂、i 為線性關係故其交、直軸電流控制器可_d^r₂ 採比例-積分控制器G_q1、G 、_d1 G_q2，G_d2而得，其中

* *

1 1 ( 1 1)

r r r

q iq q q

u =G o i −i (28)

* *

1 1 ( 1 1)

r r r

q iq q q

u =G o i −i (29)

* *

1 1 ( 1 1)

r r r

d id d d

u =G o i −i (30)

* *

2 2 ( 2 2)

r r r

q iq q q

u =G o i −i (31)

* *

2 2 ( 2 2)

r r r

d id d d

u =G o i −i (32)

上式中"o"符號為乘法運算子，假設六相永磁式同 步發電機輸出為六相平衡電源，則各相應電勢分別為

a r mcos r

e =ω λ′ θ (33)

cos( 120 )

b r m r

e =ω λ′ θ − ° (34)

cos( 240 )

c r m r

e =ω λ′ θ − ° (35)

cos( 30)

x r m r

e =ω λ′ θ − (36)

cos( 150 )

y r m r

e =ω λ′ θ − ° (37)

cos( 270 )

z r m r

e =ω λ′ θ − ° (38)

各相輸出電流分別為

1cos( )

a m r i

i =I θ θ− (39)

1cos( 120 )

b m r i

i =I θ θ− − ° (40)

1cos( 240 )

c m r i

i =I θ θ− − ° (41)

2cos( 30)

x m r i

i =I θ θ− − (42)

2cos( 150 )

y m r i

i =I θ θ− − ° (43)

2cos( 270 )

z m r i

i =I θ θ− − ° (44)

其中I_m1與I_m2分別為發電機 abc 繞組與 xyz 繞組 輸出電流之峰值，θ 為應電勢與電流的相位差。將_i (33)至(38)代入同步旋轉座標系統中[9]可得發電機 交、直軸電壓分別為

1 r

q r m

e =ω λ′ (45)

1 0

r

ed = (46)

2 r

q r m

e =ω λ′ (47)

2 0

r

ed = (48)

另將(39)至(44)代入同步旋轉座標系統中可得發 電機各繞組輸出交、直軸電流分別為

1 1cos

r

q m i

i =I θ (49)

1 1sin

r

d m i

i =I θ (50)

2 2cos

r

q m i

i =I θ (51)

2 2sin

r

d m i

i =I θ (52)

由(45)至(48)與(49)至(52)得六相永磁式同步發電 機各繞組輸出實功率及虛功率分別為

1

3 2

r

abc r m q

P = ω λ′i (53)

1

3 2

r

abc r m d

Q = ω λ′i (54)

2

3 2

r

xyz r m q

P = ω λ′i (55)

2

3 2

r

xyz r m d

Q = ω λ′i (56)

綜合上述推導可知，若控制發電機輸出各相電流 使其與應電勢同相位，即θ 為零，則可由(49)至(56)_i 知，六相發電機各繞組此時直軸電流i 與_d^r₁ i 應為零，_d^r₂ 交軸電流i_q^r₁與i_q^r₂等於發電機輸出電流峰值I_m1與I_m2， 故六相發電機輸出虛功率為零，因此六相發電機各繞 組輸出實功率P_abc與P_xyz可分別由交軸電流i_q^r₁與i_q^r₂控 制。故由上述推導即得六相並聯型交流-直流功率轉換 器之控制方塊圖如圖 4 所示。

(C)、儲能系統控制

本計畫風力發電系統中，為使風力發電輸出功 率與負載消耗功率可達到供需平衡，同時在風能能 量 不 足 或 過 多 時 又 可 維 持 穩 定 功 率 提 供 給 負 載 使 用，因此於系統直流鏈側加入一由昇/降壓型直流截 波器與蓄電池組組成之儲能系統，此儲能系統依據 直流鏈電壓值，即可決定直流截波器之操作模式，

當風力發電系統輸出功率高於負載消耗功率，此時 將直流截波器操作於降壓模式，將多餘功率傳送至 蓄電池端提供充電用；反之，當風力發電系統輸出 功率低於負載消耗功率，此時將直流截波器操作於 昇壓模式，將不足功率於蓄電池端傳送至直流鏈側 提供負載使用。其中昇/降壓型直流截波器之控制方 塊圖如圖 5 所示。

+ +

+ + +

-

+ - +

- +

- +

-

ωr

ˆr

θ

ia

ib

ix

iy

1

vd c

a, a

T⁺ T⁻

b, b

T⁺ T⁻

c, c

T⁺ T⁻

x, x

T⁺ T⁻

y, y

T⁺ T⁻

z, z

T⁺ T⁻ S P W M

*

va

*

vb

*

vc

*

vx

*

vy

*

vz 1(ˆ)

q d o r

T⁻ θ

1(ˆ 3 0 )0 q d o r

T⁻ θ −

(ˆ)

q d o r

T θ

ˆ 0

( 3 0 )

q d o r

T θ − 1 r

iq

* 1 r

iq

* 2 r

iq

* *

1 2 0

r r

d d

i =i =

* * *

1 2

d c d c d c

v =v =v 1

vd c

數 位 / 類 比 轉 換 器

電 流 回 授 電 路

* 1 r

vq

* 1 r

vd

* 2 r

vq

* 2 r

vd 1

v d c

G Gi q1

1

Gid 2

Gi q

2

Gi d

1 r

rL is d r m

ω ω λ ′

− +

2 r

rL is d r m

ω ω λ ′

− +

1 r rL is q

ω

2 r rL is q

ω -

- - -

ia

ib

ix

iy

, , A B Z 12

轉 速 及 位 置 回 授 2 x 6 x 6 I P M 1

I P M 功 率 轉 換 器 及 驅 動 電 路

六 相 發 電 機 vdc

2 r

iq 1 r

id

2 r

id

* 1 r

uq

* 1 r

ud

* 2 r

ud

* 2 r

uq

圖 4 六相並聯型交流-直流功率轉換器之控制方塊圖

iBd 電流 感測器 類比/數位

轉換

vdc 電壓 感測器 類比/數位

轉換

直流截 波器 GiB

iBd

*

iBd

vB

Gvd

vdc

*

vdc u^*Bd

Vdc

1

PWM

電壓 感測器 類比/數位

轉換

vB +

dB

−

dB

*

vbd ^閘級

驅動 電路 vdc

*

dB 電流 感測器 類比/數位

轉換

電壓 感測器 類比/數位

轉換

GiB

iBc

*

iBc

Gvc

vB

*

vB u^*_Bc

Vdc

1 PWM

vB

+

dB

−

dB

iBc

vB

*

vbc

直流截 閘級 波器 驅動 電路

*

dB

(a)

(b)

圖 5 直流截波器之控制方塊圖：(a)昇壓模式控制方 塊圖；(b)降壓模式控制方塊圖。

四、實測結果

本計畫依據圖 1 之風力發電系統之實體架構圖完 成系統製作，系統參數如下：

1. 永磁式同步發電機極數：22 2. 永磁式同步發電機額定功率：1 kW 3. 永磁式同步發電機額定電流：20 A 4. 永磁式同步發電機額定轉速：1000 rpm 5. 直流鏈電容C_dc1、

2

Cdc ：3300 µF 6. 蓄電池側電感LB：0.5 mH 7. 數位控制器取樣週期T ：100 µs _s

本計畫完成實體電路製作與軟體撰寫後，為驗證 系統穩定性，進行六相風力發電機定轉速及變轉速之 加、卸載操作測試，以驗證本文六相風力發電系統之 發電穩定性與可靠度。

(1) 圖6中，假設發電機操作於550 rpm且負載為750 W，觀察發電機各相輸出電流可驗證六相發電機

abc 繞組與 xyz 繞組輸出電流相位互差120度，且 a 相電流相位落後 xyz 相電流30度。

(2) 圖7中，假設發電機操作於600 rpm，此時於無載 情況下瞬間加載至500 W，瞬間加載時，直流鏈電 壓約下降10 V，同時在40ms後達到命令電壓，因此 系統響應速度快。

(3) 圖8中，假設發電機操作於500 rpm、負載為250 W，此時發電機之 xyz 繞組因故障跳脫切離系統，

輸出直流鏈電壓為持穩定，因此本計畫六相發電 系統配合並聯型六相全橋全控交流-直流功率轉換 器時具有高供電可靠度。

(4) 圖9中，假設發電機操作於550 rpm且加載750 W，

觀察穩態時發電機輸出電壓與電流關係與輸出電 流總諧波失真率，驗證本計畫六相全橋全控交流- 直流功率轉換器具有輸入側電流為正弦波，總諧

波失真率僅為3.59%，功因接近為1.0。

(5) 圖10中，發電機轉速由500 rpm下降至0 rpm再上升 至600 rpm，負載為510 W之變轉速測試，實驗驗 證本風力發電系統具供電穩定性，不受風速變動 而影響供電品質。

- 4 0 - 3 0 - 2 0 - 1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0

( ) ia A

(1 0 )

t i m e m s d i v ( )a

- 4 0 - 3 0 - 2 0 - 1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0

x( )

i A

(1 0 )

t i m e m s d i v ( )b

圖 6 發電機轉速為 550 rpm，輸出功率為 750 W 時，

六相發電機輸出相電流實測結果：(a)a 相電相 i ；(b)a x 相電流i 。 _x

- 4 0 - 3 0 - 2 0 - 1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0

(2 0 )

t i m e m s d i v

a( )

i A

( )a

- 4 0 - 3 0 - 2 0 - 1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0

( ) ix A

(2 0 )

t i m e m s d i v ( )b

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0

(^{2 0} )

t i m e m s d i v ( )

vd c V

( )^c

圖 7 發電機轉速為 600 rpm，負載由無載瞬間加載至 500 W 之實測結果：(a) a 相電流i ；(b) x 相電流 _a

i ；(c)直流鏈電壓x v 。 _dc

- 4 0 - 3 0 - 2 0 - 1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 ia( )A

(^{2 0} ) t i m e m s d i v ( )a

- 4 0 - 3 0 - 2 0 - 1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0

(2 0 )

t i m e m s d i v

x( )

i A

( )b