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研製(II)

(1)

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(2/3)

計畫類別：整合型計畫

計畫編號： NSC92-2213-E-011-025-

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

(2)

行政院國家科學委員會專題研究計畫進度報告

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(2/3)

Development of wind power system with permanent-magnet synchronous generator 計畫編號 : NSC 92-2213-E-011-025

執行期限：92年08月01至93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 : 曾祥雲、陳明宏、康宗仁、柯柏年、陳瑩燦

一、中文摘要

本文旨在設計及製作可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-交流轉換器組成功率轉換器，將變動頻率及電壓之電源轉換為固定頻率及電壓之單相三線式電源。本系統偵測功率轉換器之直流鏈電壓，調節發電機之功率輸出。

文中之直流-交流轉換器採用單相三線式變流器，達成輸出電壓控制，且完成控制參數的設計。

本文整個系統首先使用 MATLAB SIMULINK 軟體模擬，然後以低價位之 16 位元數位信號處理器 (TMS320F2407)為控制核心完成實體製作，目前已完成 300W 發電系統之雛型，實測結果驗證了本系統之可行性。

關鍵詞: 永磁式同步發電機、功率轉換器 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 and dc-to-ac power inverter are designed to convert single-phase, three-wire electricity generated by synchronous generator from variable- frequency and variable-voltage to constant-frequency and constant-voltage. Dc-link voltage of power converter is detected to adjust the output power of the generator.

The output voltage of the single-phase, three-wire inverter is controlled to remain constant. Besides, the parameter design of inverter had also completed.

The performance of the system is first simulated by MATLAB SIMULINK. Then, a low-cost, 16-bit digital signal processor (DSP TMS320F2407) is used to implement the combined drive system of generator with 300W capacity. Besides, experiments are given to justify the analysis.

Keywords : permanent-magnet synchronous generator, power converter

二、緣由

隨著經濟持續發展及生活水準提高，對電力需求日漸殷切，又因大眾對環保意識提高，電源開發

的困難與日俱增，使地球能源逐漸減少，因此再生能源的開發在今日再度受到相當的重視，而風力就是其中的一種再生能源，風力資源來自於大自然，

是一種取之不盡、用之不竭的能源，所以利用風力帶動發電機發電不但具有經濟效益且無環境污染。

由於台灣位處亞熱帶，冬日具東北季風，沿海、離島及高山等地區具風力發電之潛力，如民國八十年二月國內第一座以風力發電廠正式在澎湖的七美島運作，該電廠具有二部 100kW 的感應發電機 (Induction Generators)[1]，而現今全世界之風力發電機的裝置容量已超過 2000MW，世界能源組織評估，公元 2020 年以前，世界新風能總容量將達 180000MW 至 474000MW 之間[2]。一般風力發電機採用感應機，並接於電力系統上[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，採用無刷同步發電機，但同步機有同步頻率的問題。本文提出高效率永磁式同步發電機及交流/直流/交流功率轉換器(AC/DC/AC)[4]

組成風力驅動發電機，如圖 1 所示，將變動風力轉換為固定電壓與頻率之電源，而不需考慮發電機同步轉速問題。

Cdc

+ vdc

−

單相三線式負載 110/220V PM

SG ωrm

ir

is

it

L1

三相全橋半控型整流器

單相三線式變流器

LC二階濾波器

圖 1 系統架構圖

三、研究方法

本文提出之交流/直流/交流(AC/DC/AC)功率轉換器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，同時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

(3)

流電源，且當負載變動時有良好暫態響應。

本文將針對交流-直流功率轉換器及直流-交流功率轉換器詳作說明。

(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_dc為直流鏈電壓，Cdc為直流鏈電容，Rdc

為直流鏈等效負載。

ir

is

it

L1

Tr

+

− vdc Cdc

Ts Tt

Dr Ds Dt

r s

t

Rdc

r1

+

− +

−

− o +

e′ro

e′so e′to

L1 r1

i1 i2

圖 2 交流-直流功率轉換器電力電路本文之交流-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，與三相全橋開關型整流器比較，其特點為僅需三只切換開關與閘極驅動器，且閘極驅動器只需一組電源；與三相全橋二極體整流器比較，其特點為輸出電壓可控制。

本文前授發電機之線電壓 vrs、vst、vtr，並比較其大小，對三只開關(power MOSFET)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，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。其餘區域以此類推。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。

電感之微分方程式

dc x L

L L

L v i r d v

dti

L d 2 (1 )

2 ₁ = ₋ − ₁− − (2)

其中 iL在60°~180°區間代表相電流 ir，vL-L代表線電壓 vrs。發電機電流iL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，其 dx*表示開關 Tx 之責任週期 (duty cycle) ，其範圍為

1

0≤d^*_x≤ 。若在一切換週期中，使其實際電流 iL追隨命令電流iL*，則其責任週期dx*為

( )

² ¹

2 1

* 1

* 1 +



 



 − − +

= i i v ₋ i r

T L

d v _L _L _L _L _L

SW

x dc (3)

根據(3)，三相全橋半控型整流器之控制方塊如 圖 5 所示。將回授直流鏈電壓 v_dc配合直流鏈電壓命令值vdc*以調節發電機線電流iL，以維持一穩定之直流鏈電壓。

degree(電氣角)

60 120

0 0

180 240 300 360

r 1 d

60 120

0 0

180 240 300 360

s1

d

60 120

0 0

180 240 300 360

t 1

d

(a)

(b)

(c)

(d)

(e) (V)

0 60 120 180 240 300

-400 -200 0 200 400

360

vrs v_st v_tr

(V)

0 60 120 180 240 300

0 200 400

360

vrs vtr vst

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) r 相開關命令 dr

(d) s 相開關命令 ds

(e) t 相開關命令 dt

i_L 2L1

+

−

v_dc Cdc Rdc

2r1

− + VL-L

dx

i₁ i₂

0 1

圖 4 三相全橋半控型整流器之單相等效電路圖

Gv Gi

2r₁

PWM d_r

vdc*

vdc i_L

iL*

ΔiL*

vL-L

10kHz vdc

1 1

圖 5 三相全橋半控型整流器之控制方塊圖

(4)

(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[6]

之架構如圖 6 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。

Cdc

Ta+

Ta-

Tn+ Tb+

Tn- Tb-

a' n'

b' Lf

Lf

Cf

a

n

N b

iaf

inf

ibf

ia

in

ib

PM SG ωrm

ac-dc power converter

+

vdc

−

Load Cf

圖 6 單相三線式直流-交流功率轉換器電力電路圖連續電流模式下，直流-交流功率轉換器之理想 開關等效電路如圖 7 所示。其中開關狀態 d_x可表示為





= ⁺₊ ⁻₋

導通截止，

若

截止導通，

若

: :

0

: :

1

x x

x x x

T T

T

d T (4)

其中x 分別代表 a、n 或 b。

Cdc

a'

n' b'

Lf

Lf Cf

Cf a

n

b N

iaf

inf

ibf

ia

in

ib 1

0

1 0

da

dn

db Cf

Load +

vdc

-

圖 7 直流-交流功率轉換器之理想開關等效電路圖電感Lf之電壓方程式

af f an dc a af

f i d v v R i

dt

L d = − − ⁽⁵⁾

bf f bn dc b bf

f i d v v R i

dt

L d = − − ⁽⁶⁾

nf f dc n nf

f i d v R i

dt

L d = − ⁽⁷⁾

其中Rf為電感Lf之內阻。

本系統中，為了得到 v_an與 vbn為一大小相同，

相位相反之電壓，故單相三線式直流-交流功率轉換器之 a 臂與 b 臂開關切換狀態如同雙極性脈波寬度調變切換( bipolar PWM switching )之全橋式直流-交流功率轉換器( full-bridge inverter ) ，則

=1 + b

a d

d (8)

由(5)-(6)可得

( a ) dc d df df

df

df i d v v R i

dt

L d = 2 −1 − − (9) 由 2×(7)-(5)-(6)可得

( n ) dc c cf cf

cf

cf i d v v R i

dt

L d = 2 −1 − − (10) 其中

f

df L

L ≡

bf af

df i i

i ≡ −

ab bn an

d v v v

v ≡ − =

f

df R

R ≡

f

cf L

L ≡3

) (_af _bf

nf

cf i i i

i ≡ =− +

( an bn)

c v v

v ≡− +

f

cf R

R ≡3

電容Cf之電流方程式

a af ab f an

f v i i

dt C d dtv

C d + = − ⁽¹¹⁾

b bf ab f bn

f v i i

dt C d dtv

C d − = − ⁽¹²⁾

整理後可得

d df d

df v i i

dt

C d = − ⁽¹³⁾

c cf c

cf v i i

dt

C d = − ⁽¹⁴⁾

其中

f

df C

C ≡3

ab bn an

d v v v

v ≡ − =

bf af

df i i

i ≡ −

b a

d i i

i ≡ −

f

cf C

C ≡

( an bn)

c v v

v ≡− +

) (_af _bf

nf

cf i i i

i ≡ =− +

(a b)

c i i

i ≡− +

根據(9)、(10)、(13)及(14)，本文之單相三線式直流-交流功率轉換器數學模式可分成二個獨立之子系統：

1.差異模式子系統 ( differential-mode subsystem )

df d dc df a df

d

df df df

df df

d v C i

L i d

v

L R L

C dti

d dtv d















− +















 −

+



























− −

=













0 1 )

1 2 ( 0 1

0 1

(15) 2.共同模式子系統( common-mode subsystem )

cf c dc cf n cf

c

cf cf cf

cf cf

c v C i

L i d v

L R L

C dti

d dtv d















− +















 −

+



























− −

=













0 1 )

1 2 (

0 1

(16)

根據(15)及(16)之電感電壓方程式，平均值模式下之開關責任週期為



 



 − + + +

= df df d dc df df

sw df dc

a i i v v R i

T L

d v ( )

2

1 _*

* (17)



 



 − + + +

= _cf _cf _c _dc _cf _cf

sw cf

n dc i i v v R i

T L

d v ( )

2

1 *

* (18)

若控制功率電晶體之開關狀態 d_x的責任週期使其等於dx*，則在高頻切換下，實際電流與命令電流間存在之誤差極小。換言之，在每一切換週期內，

實際電流即能追隨命令電流。

(5)

四、實測結果

依據圖 8 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：4

2. 永磁式同步發電機額定功率：520W 3. 永磁式同步發電機額定電流：2.4A 4. 永磁式同步發電機額定轉速：2000RPM 5. 直流鏈電容Cdc：3300µF

6. 濾波電感L_f：500µH 7. 濾波電容 C_f：60µF

8. 數位控制器取樣週期T_s：100µs

DSP TMS320LF2407A A/D

Cdc Ta+

Ta- Tn+ Tb+

Tn- Tb- a'

n' b'

Lf

Lf Cf

Cf

a

n

b N

iaf

inf

ibf

ia

in

ib

+

vdc

−

Load

Cf

PM SG

ωrm ir

is

it

L1

Dr Ds Dt

Tr Ts Tt

gate drive gate drive

PWM

A/D ia

ib

iaf

ibf

vdc

ir

is

e′rs

e′st

r s

t 永磁式同步發電機

及昇壓電感

三相半全橋半

控型整流器直流鏈單相三線式變流器二階濾波器單相負載

110/220V

圖 8 風力發電系統實體架構圖

本節詳細說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，完成了變速發電機之實體製作。同時本文之交流-直流功率轉換器，採用電壓前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 9 為發電機轉速 1840 rpm 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 10 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 10 (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 van+vbn如圖 10 (d) 所示，其鏈波峰值約為 12V 左右，可顯示具平衡效果。圖 10(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 10(b)及(c)之電壓頻譜如圖 11(a)及(b)所示，圖中顯示其低次諧波小，總諧波失真率約為 7.77%。當 a 相功率為 250W 時，且 b 相為空載，其 線電壓及相電壓波形如圖 12(a)~(c)所示，圖 12(d)為中性點電壓 van+vbn，其鏈波電壓抖動峰值約為 20V 左右，但不影響負載。圖 12(e)及(f)分別為相電流波形，因 b 相為空載故其電流為零，圖 13(a)及(b)為圖

12 之相電壓頻譜，其總諧波失真率為 8.6%。由此結果顯示本文可由變速發電機提供穩定之直流鏈電壓，亦可提供單相三線式負載且不需額外變壓器。

time(20ms/div)

time(20ms/div) 0

(a)

0

(b)

(c) ir(1A/div)

is(1A/div)

it(1A/div)

圖 9 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 it

time(20ms/div)

time(20ms/div) vab(200V/div)

van(100V/div)

vbn(100V/div)

van+vbn(10V/div)

ia(1A/div)

ib(1A/div)

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

圖 10 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 van；(c)輸出電壓 v_bn；(d)v_an+ vbn； (e)輸出電流 i_a；(f)輸出電流 i_b

(6)

5 10 15 20 25 30 0

20 40 60 80 100

Harmonic order van Mag (% of Fundamental )

THD= 7.77%

5 10 15 20 25 30

0 20 40 60 80 100

Harmonic order vbnMag (% of Fundamental )

THD= 6.93%

(a)

(b)

圖 11 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

time(20ms/div)

time(20ms/div) vab(200V/div)

van(100V/div)

vbn(100V/div)

van+vbn(10V/div)

ia(1A/div)

ib(1A/div)

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

圖 12 直流-交流功率轉換器 110V 側輸出 250W，純電阻不平衡負載之實測波形：(a)輸出電壓 vab； (b) 輸出電壓 van； (c) 輸出電壓 vbn； (d)v_an+ vbn；(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 van Mag (% of Fundamental )

THD= 8.60%

5 10 15 20 25 30

0 20 40 60 80 100

Harmonic order vbnMag (% of Fundamental )

THD= 6.93%

(a)

(b)

圖 13 直流-交流功率轉換器 110V 側輸出 250W，純 電阻不平衡負載之電壓頻譜：(a)a 相電壓頻 譜；(b)b 相電壓頻譜

五、結論

本文著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，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。

六、參考文獻

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Speed Brushless-Type Double-Frequency Synchronous Generators”, IEE Japan, Vol. 110, No. 1, pp. 119-128, 1990.

[4] S. Nonaka and T. Kawaguchi, “A New Variable-Speed AC Generator System Using a Brushless Self-Excited-Type Synchronous Machine”, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 28, No. 2, pp. 490-496, 1992.

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[6] C. M. Liaw and S. J. Chiang, “Design and Implementation of a Single-Phase Tthree-Wire Transformerless Battery Energy Storage System”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 41, No. 5, pp. 540 -549,1994.

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