行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
子計畫五：永磁式同步發電機之風力發電系統研製(3/3)
計畫類別： 整合型計畫
計畫編號： NSC93-2213-E-011-011-
執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 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： 完整報告
處理方式： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 94 年 10 月 28 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ■ 成 果 報 告
□期中進度報告
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(3/3)
計畫類別：□ 個別型計畫 ■ 整合型計畫 計畫編號：NSC93-2213-E-011-011
執行期間： 91 年 08 月 01 日到 94 年 07 月 31 日
計畫主持人：葉勝年 共同主持人：
計畫參與人員：康宗仁、陳瑩燦、許志榮、張佑榮、余景州、潘健倫
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
□赴大陸地區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
一、中文摘要
本報告旨在設計及製作可變轉速之永磁式同步發電機功率控制系統。文中提出以交流-直 流-交流功率轉換器，將風力發電所產生之變動電壓及頻率轉換為固定電壓及頻率之單相電 源。本文之系統藉偵測功率轉換器之直流鏈電壓、發電機之線電壓及線電流，調節發電機之輸 出功率。文中之直流-交流轉換器採用單相全橋式變流器，達成輸出電壓控制，且完成控制參 數的設計，能獨立運轉，亦可與市電並聯。
本文整個系統首先採用計算機之套裝軟體 Matlab/Simulink 模擬，然後以低價位之 16 位元 數位信號處理器(DSP, TMS320LF2407A)為控制核心，完成實體製作，並提出 780 W 發電系統 之供電測試。結果顯示轉速在 0 至 700 rpm 之間任意變化，皆能使變流器輸出電壓有效值維持 於 110 V，且頻率保持在 60 Hz，實測結果驗證了本系統之可行性。
Abstract：
This report presents the design and implementation of a power control system for variable-speed permanent-magnet synchronous generators(PMSG). In this system, ac-to-dc and dc-to-ac power con- verters are proposed to convert the three-phase varying voltage and frequency PMSG power to single- phase source with constant voltage and frequency.Specifically, the output power of the overall system is adjusted by detecting the dc-link voltage of power converters as well as the line voltage and line current of the generator. The single-phase full-bridge inverter designed can not only control the output voltage but also operate in either stand-alone or grid-connected fashion.
The performance of the system is simulated by Matlab/Simulink. Then, a low-cost, 16-bit digital signal processor (DSP, TMS320LF2407A) is used to implement the control functions of the system.
The experimental results for a 780 W generation system show that the output voltage and frequency can be held at 110 V and 60 Hz, respectively, when the speed varies from 0 to 700 rpm. The feasibil- ity of the generation system is verified experimentally.
Keywords : permanent-magnet synchronous generator, power converter
二、緣由及目的
風力來自於大自然，是一種取之不盡、用之不竭的能源，利用風力發電不但具經濟效益且 無環境污染與產生溫室效應等問題。近幾年來歐美等國更積極地投入風力發電機的研究[1]，
使得風力發電機的性能與效益皆大幅提升。
全球風力發電在過去十年來的裝置容量以急遽的速度成長中，平均每年增長超過25％，迄 2004年，總容量已達47,616MW[2]，其發展之實力不容忽視。由於台灣位處亞熱帶，明顯的東 北季風與西南季風季節交替，所以風能潛力相當優越，民國九十三年十一月全台首座商轉風力 發電機於石門風力電廠運轉，每年可取代3891公噸煤，減少可觀的二氧化碳排放，在這未來六 年中，台電公司規劃在西部沿海地區設置三百六十二座風力發電機具，預計到2010年台灣風力 發電總裝置容量將達500MW以上。
一般風力發電機採用感應機，並聯於電力系統上[3]，但由於感應機效率較低且需要起動 裝置，故較為不經濟。為了提高發電機運轉效率，採用永磁式同步發電機為一可行途徑。本文 提出以高效率永磁式同步發電機及交流-直流-交流(AC-DC-AC)功率轉換器[4]組成之風力驅動 發電系統，如圖 1 所示，此系統將變動風力之發電機輸出經由交流-直流功率轉換器轉換為固 定電壓之電源，並配合蓄電池儲釋能控制，完成能源調節及分配，再經由直流-交流功率轉換 器轉換為單相電源，以供負載使用。
三、研究方法
本文提出之交流-直流-交流(AC-DC-AC)功率轉換器應用於變速之永磁式同步發電機與電力 系統或負載之間，除作為功率轉換用之外，同時亦偵測功率轉換器之直流鏈電壓以控制發電機 之輸出功率，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全橋半控型整流器，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，採用單相全 橋式變流器，主要目的在於產生穩定性和可靠性高的固定電壓及頻率之正弦交流電源，且當負 載變動時皆能有很快的暫態響應。直流-直流功率轉換器採昇/降壓型直流截波器（boost/buck dc chopper）架構，作為蓄電池放電及充電之電路。
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[5]，如圖 2 所示，其中v 為直流鏈電壓，Cdc dc為直流鏈電 容，Rdc為等效負載。
本文之交流-直流功率轉換器之控制，僅檢出永磁式同步發電機之線電流及線電壓，且不 需轉速回授元件，可減少硬體成本，與三相全橋全控型整流器比較，其特點為僅需三只功率電 晶體，且閘極驅動器只需一組電源，在控制方面不需考慮全控型之導通延遲時間，與三相全橋 二極體整流器比較，其特點為輸出電壓可控制。
本文回授發電機之線電壓 vrs、vst、vtr，並比較其大小，撿出相電壓為最大之120°區間內，
對該相之開關作切換。亦即，對三只功率電晶體做循序切換，其切換狀態如圖 3 所示。
根據圖 3 之循序切換控制，圖 2 之三相全橋半控型整流器可視為三組昇壓式直流-直流功 率轉換器。首先假設功率電晶體開關為理想者，以 r 相為例，在60° 180~ °區間內，且 r 相電流 為連續時，可等效如圖 4 所示。其餘區域依此類推，則開關狀態 dx可表示為
⎩⎨
=⎧
截止 若
導通 若
: 0
: 1
x
x Tx
d T (1)
其中x 分別代表 r、s 或 t 相。
電感之微分方程式
dc x x
x
x v ri d v
dti
L d 2 (1 )
2 1 = − 1 − − (2)
其中 ix在60° 180~ °區間代表相電流 ir，vx代表線電壓 vrs。發電機電流 ix的調節，可由開關狀態
dx控制之，在每一切換週期 TSW之平均值模式，以 dx*表示開關 Tx之責任週期(duty cycle)，其 範圍為0≤d*x≤1。若在一切換週期中，使其實際電流ix追隨命令電流ix*
，則其責任週期dx*
為
( )
⎥⎦
⎢ ⎤
⎣
⎡ − − + +
= x x x x dc
sw
x dc i i v ri v
T L
d* v1 2 1 * 21
(3)
根據(3)，本文提出三相全橋半控型整流器之控制如圖 5 所示。圖中將回授之直流鏈電壓 vdc配合直流鏈電壓命令值vdc*
以調節發電機線電流ix，以維持一穩定之直流鏈電壓。
B、儲能系統控制
當風力足以正常供電給負載，並有多餘能量時，此時昇/降壓式直流截波器[6]操作在降壓 模式，將直流鏈電容的多餘能量透過降壓式截波器儲存在蓄電池，其充電控制方塊圖如圖 6 所 示。當風力小，發電量不足以維持直流鏈電壓穩定時，此時操作直流截波器於昇壓模式，可將 蓄電池的能量透過昇壓截波器釋放至直流鏈電容，以維持直流鏈電壓固定，提供負載所需之功 率，其放電控制方塊圖如圖 7 所示。
C、直流-交流功率轉換器之分析及控制
本文採用之單相全橋式直流-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固定電壓及頻率之單相電源，再經過濾波器以供負載使用，或與 市電並聯運轉。
本文提出振幅鎖定迴路[7-8]之控制方法，其目的為當負載瞬時劇烈變動時，系統皆能提供 穩定及具低電壓調整率之交流電壓源輸出，以符合諧波規範。
此法乃將輸出電壓訊號與一弦波訊號uo=sin( tω )，經數學運算之後，獲得輸出電壓訊號振 幅值，所有繁雜的數學運算皆由數位訊號處理器完成。以下分析振幅鎖定迴路控制法之數學模 型，假設輸出電壓vo(t)為一基本波與高次諧波分量所合成，表示為
...
5 , 3 , 1 , )
!sin(
) 1 (
1
0 + =
= ∑∞
=
n t
n n V t v
n m n
o ω θ (4)
其中ω0為2πf0t， f0為輸出頻率。進行數位化運算時，輸出電壓訊號藉由數位訊號處理器之類 比/數位轉換，其值對電壓命令訊號之角度偏移微小，因此忽略θn，以便於進行分析，故vo(t)
可表為
∑∞
=
=
=
1
0 ), 1,3,5...
!sin(
) 1 (
n m
o n t n
V n t
v ω (5)
令uˆo表示振幅大小為 1，且無相位移之單位弦波函數sin(ω0t)，則uˆo可表示為
) ˆ sin( 0t
uo= ω (6)
將(5)與(6)作乘法運算得
...]
) 4
!cos 3 4 1
!cos 5 (1
) 2 cos 2
!cos 3 (1 1 2 [ 1 ) ˆ (
0 0
0 0
+
− +
− +
=
⋅
t t
t t
V u t v
m o o
ω ω
ω
ω (7)
(7)為vo(t)與uˆo運算之結果，其結果經數位濾波器濾除交流成分之後，可以獲得一直流電 壓值Vo，因此，所提之振幅鎖定迴路控制方法，容易設計控制器及簡化控制器架構，只需針對 輸出電壓變動經電壓調節器Gv1，採用比例-積分控制器加以調節得到直流補償命令u*v，便可於 暫態時獲得快速響應，穩態能消除穩態誤差，使得輸出電壓追隨命令電壓，因此改善弦波控制 容易出現之缺點，其控制方塊圖如圖 9 所示。
與市電並聯運轉時，本文變流器採用電流控制模式，本系統與市電並聯可視為電流源與電 壓源並聯，藉由回授輸出電感電流控制，其電流諧波較小，較接近正弦波，且響應速率快、控 制簡單，若利用同步偵測電路，則可產生一輸出電流與市電同步，使市電端功率因數接近於 1.0，而傳送實功率予市電系統，屬直接型，較符合實際，且可省略濾波電容以杜絕循環電流 產生，其控制方塊圖如 10 所示。
四、實測結果
本文依據圖 11 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：16
2. 永磁式同步發電機額定功率：3 kW 3. 永磁式同步發電機額定轉矩：28.65 N-m 4. 永磁式同步發電機額定電流：14.5 A 5. 永磁式同步發電機額定轉速：1000 rpm 6. 濾波電容C1：1 μF
7. 昇壓電感L1：5 mH 8. 直流鏈電容Cdc：3300μF 9. 濾波電感Lf：0.5 mH 10. 市電側濾波電感L2：8 mH 11. 濾波電容Cf：20 μF
12. 數位控制器取樣週期Ts：100 μs
本文依據圖 11 之系統整體韌體架構，及配合圖 5~10 控制方塊，並以組合語言撰寫程式，
完成了變速發電機之實體製作，當發電機轉速於 0~700 rpm 範圍內作變動時，直流鏈電壓仍可 維持穩定，使負載側可得穩定單相電源。同時本文之交流-直流功率轉換器，採用電壓前饋三 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振幅鎖 定控制法，空載時電壓總諧波失真率為 3%，輸出 780 W，純電阻負載時，電壓總諧波失真率
為 4.5%，皆符合規範；於市電並聯運轉時採用電流控制模式，以維持定電流、定功率輸出至 市電系統。
圖 12 為發電機轉速 450 rpm 時，輸出功率 550 W 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 13 所示為，發電機轉速 450 rpm，
輸出功率為 550 W 之直流鏈電壓實測波形。圖 14 為直流-交流功率轉換器電壓vo輸出 770 W 之 實測結果，其中圖 14(a)~(c)為輸出電壓vo、輸出電流io與輸出電壓vo之頻譜，輸出電壓vo峰值 為 155 V，圖 14(b)輸出電流io峰值為 10 A。輸出電壓vo之頻譜如圖 14(c)所示，輸出電壓vo總 諧波失真率約為 4.48%，功率因數為 0.998。圖 15 為直流-交流功率轉換器電壓vo輸出 580 W，
當轉速由 450 rpm 降至 0 再上升至 450 rpm 之實測結果，其中圖 15(a)~(c)為輸出電壓vo、輸出 電流io與輸出電壓vo之頻譜，輸出電壓vo峰值為 155 V，圖 15(b)輸出電流io峰值為 7.5 A。輸 出電壓vo之頻譜如圖 15(c)所示，輸出電壓vo總諧波失真率約為 4.41%。
圖 16 為當轉速 450 rpm 時，系統操作於並聯運轉模式輸出功率為 450 W 之實測結果，其 中圖 16(a)~(b)為市電電源vs、輸出電感電流ia，市電電源vs峰值為 155 V，圖 16(b)輸出電感 電流ia峰值為 5.8 A。由實測結果顯示本文可由變速發電機提供穩定之直流鏈電壓，亦可提供 單相負載，且與市電並聯運轉時，能維持定電流、定功率輸出至市電系統。
五、圖表
Cdc
+
− vdc Tr
Dt
Lf Cf a+
T
a− T
b+ T
b− T
ia a
b Ts Tt
Ds Dr
vo
負載 io
Lb B+ T
B−
T vB
iB 市
電1φ L1
PM SG it
is
ir L1 L1
C1
L2 vs ωrm
N turbine
wind−
圖 1 系統架構圖
+
- +
-
- +
vrs
vst
Rdc vdc Cdc
+
- o
Dr Ds Dt
Tr Ts Tt
L1
L1
L1 rs
rs
rs Ls
Ls
Ls ero
eso
eto
ir
is
it
永磁式同步發電機 ωrm
圖 2 交流-直流功率轉換器電力電路
degree(電氣角)
0 60 120 180 240 300 360
0
0 60 120 180 240 300 360
vrs vst vtr
0 60 120 180 240 300
0 360
vrs vtr vst
60 120
0 0
180 240 300 360
1 dr
60 120
0 0
180 240 300 360
1 ds
60 120
0 0
180 240 300 360
t 1 d
degree(電氣角) degree(電氣角) degree(電氣角) degree(電氣角) degree(電氣角)
vr vs vt
vt
) (a
) (b
) (c
) (d
) (e
) ( f )
/ 100 ( V div vll
) / 100 ( Vdiv vll
) / 50 ( Vdiv vphase
0
圖 3 三相全橋半控型整流器開關切換狀態：(a) 發電機線電壓；(b) 發電機線電壓絕對值；
(c) 發電機相電壓；(d) r 相開關命令 dr；(e) s 相開關命令 ds；(f) t 相開關命令 dt
+
- -
+
0
1dx vdc Cdc Rdc i2
i1
2r1 2L1 ix
vx
圖 4 三相全橋半控型整流器之單相等效電路圖
依據圖3 決定之
vdc
*dc
v i*x
ix
ix ix Δ
vx
*c v
vx ix
vrs
vst
ir
is dx
*x
d ux
*
Im
vdc 1
Gv Gi
2r1
PWM
kHz 10
圖 5 三相全橋半控型整流器之控制方塊圖
電流 感測器 類比/數位
轉換
電壓 感測器 類比/數位
轉換 GiB
iBc
*Bc
i
Gvc
vB
*
vB
* B2
u
vdc 1
vB Bc*
i
1
0 S10
B+
d
−
dB
iBc
vB 10=0
S ,定電流充電
10=1
S ,定電壓充電
* b2
v 直流截
波器 閘級 驅動 電路 Bc*
i dB*
PWM
圖 6 蓄電池充電控制方塊圖
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 iB 波器
G iBd
*
iBd
vB Gvd
vdc
*dc
v u*B1
vdc 1
電壓 感測器 類比/數位
轉換
vB B+
d
B−
d
* b1
v 閘級
驅動 電路 vdc
*
dB PWM
圖 7 蓄電池放電控制方塊圖
Cdc +
− vdc
Lf
Cf a+
T
a− T
b+ T
b− T
ia
vo +
− 負 載 io
icf
a b
ac-dc power converter L1
PM SG it
is ir
L1 L1
+
− va
C1 ωrm
turbine wind−
N
圖 8 單相全橋式直流-交流功率轉換器電力電路圖
閘極驅動 電路與功 率轉換器 正弦脈
寬調變 信號
直流-交流 功率轉換器 v1
G m*
V Vm
uˆo
乘算器
vo 電壓 感測器 振幅鎖定迴
路控制運算
Vm
*m
u v*a Vm
Δ
類比/數位
數位濾波器 vo 轉換
*v
u
*b
d
*a
d
uˆo
Vo 2
圖 9 具振幅鎖定控制之單相全橋電壓控制模式 功率轉換器控制方塊圖
閘極驅動 電路與功 率轉換器 正弦脈
寬調變 信號
vs 電壓 感測器
vo
*
u1 v*a
類比/數位 轉換
直流-交流 功率轉換器
ia 電流 感測器 類比/數位
轉換
*a
i
i1 G ia
a*
d
b*
d
am*
i
同步偵測
計數器 電路 vs
uˆs
ia
Δ
(max)
iam
圖 10 並聯運轉時變流器控制系統方塊圖
單相負載 110V 二階 濾波器 直/交流功率
轉換器 蓄電
池組 昇/降壓型
直流截波器 直流鏈
三相全橋半 控型整流器 永磁式同步發電機
Cdc +
− vdc Tr
Dt
Lf Cf a+
T
a− T
b+ T
b− T
ia a
b Ts Tt
Ds Dr
vo
負載 io
Lb +B T
−B
T vB
iB
閘極驅動 閘極驅動
DSP TMS320LF2407A 電壓及
電流 回授 vrs
ir 電壓及
電流 回授
vdcB v
iB
vo 閘極驅動
vst
is io
市 電 L1
PM SG it
is ir L1 L1
C1
ia vs
vs L2 ωrm
turbine
wind− +
− N
圖 11 風力發電系統實體架構圖
) / 2 0
( m s d i v
t i m e )
it( A
) / 2 0
( m s d i v
t i m e )
it( A
) / 2 0
( m s d i v
t i m e )
ir( A
) ( a
) ( b
) ( c 2 0
1 5 1 0 5 0
−5
−1 0
−1 5
−2 0 2 0 1 5 1 0 5 0
−5
−1 0
−1 5
−2 0
2 0 1 5 1 0 5 0
−5
−1 0
−1 5
−2 0
圖 12 發電機轉速 450 rpm 時，輸出功率 550W 之實測波形：
(a)線電流 ir；(b)線電流 is；(c)線電流 it
0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0
) / 2 0 ( m s d i v t i m e )
vd c( V
圖 13 發電機轉速 450 rpm 時，輸出功率 550W 之直流鏈電壓實測波形
- 2 0 0 - 1 5 0 - 1 0 0 - 5 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0
) ( a )
vo( V
) / 2 0
( m s d i v
t i m e
5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0
0 2 0 4 0 6 0 8 0
1 0 0 T HD= 4 . 4 8 %
Ma g ( % o f F u n d a me n t a l)
Ha r mo n i c o r d e r vo
) ( c - 2 0
- 1 5 - 1 0 - 5 0 5 1 0 1 5 2 0
) ( b )
io( A
) / 2 0
( m s d i v
t i m e
圖 14 直流-交流功率轉換器電壓 vo輸出 770 W 之實測結果:
(a)輸出電壓 vo;(b)輸出電流 io;(c)輸出電壓 vo之頻譜
- 2 0 0 - 1 5 0 - 1 0 0 - 5 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0vo( V )
)
( a t i m e(2 0ms /d i v)
- 2 0 - 1 5 - 1 0 - 5 0 5 1 0 1 5 2 0io( A)
)
( b t i m e(2 0ms /d i v)
5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0
0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0
Ha r mo n i c o r d e r T HD = 4 . 4 1 % M a g ( % o f F u n d a me n t a l)
vo
) ( c
圖 15 直流-交流功率轉換器電壓 vo輸出 580 W，當轉速由 450 rpm 降至 0 再上升至 450 rpm 之 實測結果:(a)輸出電壓 vo;(b)輸出電流 io;(c)輸出電壓 vo之頻譜
2 0 1 5
1 0 5
0
−1 5
−1 0
−5
−2 0
) / 2 0
( m s d i v
t i m e )
( b 2 0 0
1 5 0 1 0 0
5 0 0
−5 0
1 0 0
− 1 5 0
− 2 0 0
−
) / 2 0
( m s d i v
t i m e )
( a )
vs( V
) ia( A
圖 16 當轉速為 450 rpm 時，系統操作於並聯運轉模式輸出功率為 450 W 之實測結果:(a)市電電 源vs;(b)輸出電感電流 ia
六、結論及效益
本文著重於變速永磁式同步發電機之功率輸出，其電路主體架構由交流-直流-交流功率轉 換器及昇/降壓式直流截波器電路組合而成，將變動電壓及頻率轉換為穩定單相電源供負載使 用，或與市電並聯。於獨立運轉模式時，負載為純電阻，電壓總諧波失真率為 4.5%，符合規 範，電壓調整率小於 2%，系統效率 90%。若操作於市電並聯運轉模式時，當永磁式同步發電 機之轉速變動時，可維持定電流、定功率輸出，並可改善市電端之功率因數近於單位功因。本 計畫建立的技術有永磁式同步發電機之功率控制策略，蓄電池儲、釋能控制，單相市電並聯及 單獨運轉控制策略，另永磁式同步發電機控制技術正與士林電機公司洽談合作事宜。
七 、參考文獻
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