再生能源發電系統之研製-子計畫四：太陽能與風力發電複合系統之研製(III)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

子計畫四：太陽能與風力發電複合系統之研製(3/3)

計畫類別： 整合型計畫

計畫編號： NSC93-2213-E-011-009-

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： 黃仲欽

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-子計畫四：

太陽能與風力發電複合系統之研製(3/3)

計畫類別：□ 個別型計畫 ■ 整合型計畫 計畫編號：NSC93-2213-E-011-009

執行期間： 91 年 08 月 01 日到 94 年 07 月 31 日

計畫主持人：黃仲欽 共同主持人：

計畫參與人員：蔡宗志、王俊超、謝明志、林信宏

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

一、中文摘要

本文旨在設計及製作太陽能與風力混合型發電系統。本系統以直流/直流升壓型功率 轉換器，搭配擾動觀察法作為最大功率追蹤控制器，使太陽能電池與風力發電機於當時 大氣環境下輸出最大功率，有效利用再生能源。另外，文中亦提出直流升/降壓式截波器 作為蓄電池儲、釋能控制，完成系統能量平衡管理，提高供電可靠度。最後，本發電系 統採用三相三階層變流器作為直流/交流轉換之用，一方面利用三階層架構減少輸出電壓 之諧波含量，另一方面將再生能源輸出之直流電轉變成交流電，供給三相負載獨立使用 或傳輸至電力網路，達到分散式供電系統之功能。

關鍵字: 太陽能發電，風力發電，獨立供電，市電並聯

Abstract

This report presents the design and implementation of a solar and wind power hybrid generating system. The system adopts the dc/dc boost power converter as well as per- turb-and-observe algorithm for the maximum power point tracking of the hybrid system to achieve all-time optimum power output and realize the effective use of renewable energy. In addition, a dc boost/buck chopper is designed to charge or discharge batteries in order to regulate the power flow between solar cells, wind turbine and system loads so that it can ac- complish the management of energy balance control and enhance the reliability of the whole system. Finally, a three-phase, three-level inverter is proposed to reduce the output voltage harmonics. The system realized can be operated either in a stand-alone fashion or connected with power grid.

Key words: solar power, wind power, stand-alone, grid-connected

二、緣由

台灣地區自產能源缺乏，必須仰賴能源進口，但地理位置的優勢，日照相當充裕且 時間長，而在離島及沿海地區常年風力強勁，因此相當適合太陽能發電及風力發電。有 鑑於單一再生能源易受季節、氣候等因素影響，導致系統之供電連續性不佳，發電量不 穩定，因此結合太陽能及風力發電，並配合蓄電池之充放電特性，使得複合發電系統[1]

具有較完整的供電調度，並且提高系統運轉之可靠性。另外，傳統的二階層變流器[2]

是利用6個功率電晶體開關作為功率轉換器，其輸出電壓及電流的諧波含量比多階層變 流器高。因此本文提出新型三階層變流器[3]，利用12個功率電晶體開關作為功率轉換 器，相對於二階層變流器而言，在相同的切換頻率及濾波器下，階層的增加，使得輸出 電壓諧波含量減少，具有較低的總諧波失真率。但相對此電路架構需要較多功率電晶體 元件，且控制方式較傳統變流器複雜。

基於上述原因，本文以數位信號理器作為系統之控制核心，研製太陽能與風力複合 發電系統，並加入蓄電池充、放電功能及採用新型三階層變流器輸出三相交流電源，提 供三相平衡負載或電力網路使用，完成再生能源發電系統之獨立運轉供電與市電並聯供 電，以符合未來採取的「分散式高效率供電系統」趨勢，其系統架構如圖1所示。

三、研究方法

本文提出之太陽能及風力發電之功率轉換器皆採用直流/直流升壓型功率轉換器，其 電路簡單、控制容易，適用於搭配擾動觀察法進行最大功率追蹤控制，使太陽能及風力 發電系統於當時氣候下輸出最大功率。蓄電池充、放電系統則採用直流升/降壓式截波 器，具有調節功率之功能使直流鏈電壓維持穩定。而三相三階層直流/交流功率轉換器經 二階低通濾波得到三相弦波電源，經電力變壓器轉換可提供負載或市電使用。本文已完 成520W的複合發電系統之雛型，並由實測驗證其可行性。

(A)、太陽能發電系統

本文之太陽能發電系統電力電路如圖2所示。

太陽能電池模組採用三組並聯方式，每組由二片太陽能光電板串聯，其開路電壓約 為36～42V，並接直流/直流升壓型功率轉換器作為功率控制之用。在連續電流模式下，

若定義開關狀態d_pv為

1 : , :

0 : , :

= ⎨⎧⎪

⎪⎩

若 導通 截止

若 截止 導通

pv pv

pv

pv pv

T D

d T D (1)

可得電感電流之微分方程式為

= −

pv pv pv x

L d i v v

dt (2)

利用電流預測法於開關元件之每一切換週期，將命令電流與實際電流之誤差換算出 開關責任週期加以切換，以迫使實際電流於每一切換週期皆能趨近命令電流。因此在平 均值模式下，可求出開關切換責任週期命令為

* 1

1 ( Δ )

= − − Δ

pv

pv pv pv

dc

d v L i

v t (3)

藉由調整d^*_pv控制電感電流i_pv大小，並搭配擾動觀察法週期性地進行增減載動作，可得 到太陽能電池之最大功率輸出，其控制方塊圖如圖3所示。利用擾動觀察法之最大功率 追蹤(MPPT)控制，得到之命令電流與實際電流比較，將其誤差量經由比例-積分控制器 產生下一週期功率轉換器所需之開關切換責任週期。

(B)、風力發電系統

本文之風力發電系統電力電路如圖4所示。將原動機作為風力來源，永磁式同步發 電機作為風力發電機，由三相二極體整流器將風力發電機輸出之變頻交流電源整流成定 頻直流電源，經直流/直流升壓型功率轉換器作為風力發電系統之功率控制。由於目前風 力用永磁式同步發電機，其內部大部分已將輸出之三相交流電經由三相二極體整流為直 流電，其缺點為整流器輸入側之功率因素較低，電流諧波含量較大，但此乃發生於發電 機側，對負載之影響較小。

因為本文之永磁式同步發電機經三相二極體整流器，作交流對直流轉換，其整流輸 出電壓v_w隨發電機轉速ω_m而改變，呈正比關係，因此可將回授轉速方式改由回授電壓判 斷[4]，以減少轉速回授的不便，並利用直流/直流升壓型功率轉換器搭配擾動觀察法進 行功率調節。同樣地，採用電流預測法作為控制器的設計依據，其控制方塊圖如圖5所 示。將擾動觀察法之最大功率追蹤(MPPT)控制，得到之命令電壓經電壓調節器及電流調 節器產生下一週期功率轉換器所需之開關切換責任週期，使實際電壓追隨命令電壓，完 成風力發電系統之最大功率追蹤。

(C)、三相三階層直流/交流功率轉換器之分析及控制

本文採用三相三階層直流/交流功率轉換器，在直流鏈需要兩個電容，藉由開關控制 以產生三階層的相電壓，其三相三階層變流器之等效電力電路如圖6所示，根據圖6可得 到三相三階層變流器之相電壓與開關狀態的關係如表1所示。

表1 三相三階層變流器之相電壓與開關狀態關係 開關狀態

輸出電 壓

vxg ^x1

T⁺ Tx2 T_x⁻₁

v1 1 0 0

0 0 1 0

v2

− 0 0 1

, , x=a b c

若圖6中之功率開關元件為理想特性，且根據表1的開關狀態關係，則其等效開關電 路如圖7所示。圖7之開關狀態d d d_a, _b, _c表示為

1 1 2

1 1 2

1 1 2

1 : , : , :

0 : , : , :

1 : , : , :

x x x

x x x x

x x x

T T T

d T T T

T T T

+ −

+ −

+ −

⎧⎪

= ⎨⎪−⎩

若 導通 截止 截止

若 截止 截止 導通

若 截止 導通 截止

(4)

而開關函數所表示的相電壓v_xg為

1

2

1

0 0

1

x

xg x

x

v d

v d

v d

=

⎧⎪

=⎨ =

⎪− = −

⎩ 若 若 若

(5)

若圖7中之輸出側為三相平衡電源或負載，則三相三階層變流器之端電壓為[5]

2 1 1

1 1 2 1

3 1 1 2

a n a g

a b cn b n b g

cn cg

v v

v v v

v v

⎡ ⎤

− −

⎡ ⎤ ⎡ ⎤

⎢ ⎥

⎢ ⎥ ⎢ ⎥

=⎢ ⎥= ⎢− − ⎥⎢ ⎥

⎢ ⎥

⎢ ⎥ ⎢− − ⎥

⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦

(6)

其中上、下臂電容電壓的誤差值為

1 2

E v v

Δ = − (7)

而交流側濾波電感及濾波電容之動態方程式為

f abc abcn uvwn f abc

L di v v r i

dt = − −

  (8)

f uvwn abc uvw

C d v i i

dt = −

 (9)

由於上述之動態方程式是在三相座標系統下分析，其電壓及電流方程式具有時變及 相互耦合的特性，因此在控制器的設計上較複雜，且有相位延遲的問題。為了分析及控 制分便，本文採用同步旋轉座標系統，將三相座標系統之物理量轉換為同步旋轉座標系 統下直軸(d-axis)、交軸(q-axis)與零相序(zero-sequence)成分。在穩態時，平衡三相系統 的零相序成分為零，而直軸與交軸成分為非時變之物理量，故易於系統之分析與控制器 之設計。

配合轉換關係式，可將(8)及(9)轉換為同步旋轉座標之交軸、直軸電壓與電流方程 式，表示如下

_

_ _ _ _

e q abc

e e e e

q abc q uvw f q abc f e f d abc

v v r i L di L i

dt ω

− = + + (10)

_

_ _ _ _

e d abc

e e e e

d abc d uvw f d abc f e f q abc

v v r i L di L i

dt ω

− = + − (11)

_

_ _ _

e q uvw

e e e

q abc q uvw f e f d uvw

i i C dv C v

dt ω

− = + (12)

_

_ _ _

e d uvw

e e e

d abc d uvw f e f q uvw

i i C dv C v

dt ω

− = − (13)

其中v_{q abc}^e_{_} 、v_d^e_{_abc}為三相三階層變流器輸出之交軸、直軸電壓；v_{q uvw}^e_{_} 、v_d^e_{_uvw}為三相

負載之交軸、直軸電壓；i_{q abc}^e_{_} 、i_d^e_{_abc}為三相三階層變流器輸出之交軸、直軸電流；i_{q uvw}^e_{_} 、

_ e d uvw

i 為三相負載之交軸、直軸電流。

a.電壓控制模式

本文三相三階層變流器操作於電壓控制模式[6]下，配合控制技巧使其輸出為弦波電 壓，將三階層變流器視為一交流電壓源，使其輸出電壓追隨命令電壓，一般應用於獨立 供電系統。為了控制負載端為三相平衡電壓源輸出，假設負載端之三相電壓命令值為

*

* *

*

sin sin( 120 ) sin( 120 )

un e

vn m e

w n e

v t

v v t

v t

ω ω ω

⎡ ⎤ ⎡ ⎤

⎢ ⎥= ⎢ − ° ⎥

⎢ ⎥ ⎢ ⎥

⎢ ⎥ ⎢⎣ + ° ⎥⎦

⎣ ⎦

(14)

其中v_m^* 為相電壓峰值命令，ω_e =2πf_e為三相電源角頻率，f_e=60H_z為三相電源頻率。而(14) 經過同步旋轉座標轉換後，可得三相負載端之交、直軸電壓命令表示為

* _

* *

_

* 0 _

0

0

e q uvw e

d uvw m

e uvw

v

v v

v

⎡ ⎤ ⎡ ⎤

⎢ ⎥=⎢ ⎥

⎢ ⎥ ⎢ ⎥

⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦

⎣ ⎦

(15)

根據(12)、(13)得知電容電流對負載端電壓之影響，可作為同步旋轉座標系統下電 壓控制模式之電壓控制器設計用。因此，濾波電容之電流可命令為

* * *

_ _ _

( )

e e e e

qc qv q uvw q uvw e f d uvw

i =G D v −v +ωC v (16)

* * *

_ _ _

( )

e e e e

dc dv d uvw d uvw e f q uvw

i =G D v −v −ωC v (17) 其中“D＂為運算子，G_qv、G_dv分別為交、直軸電壓調節器，採用比例-積分控制器以提 高響應速度並減少穩態誤差。此外，根據(10)、(11)可得三相三階層變流器之電壓控制 關係式為

* * *

_ ( ) _ _

e e e e e

q abc qi qc qc e f d abc q uvw

v =G D i −i +ωL i +v (18)

* * *

_ ( ) _ _

e e e e e

d abc di dc dc e f q abc d uvw

v =G D i −i −ω L i +v (19) 由(18)及(19)可得同步旋轉座標系統下電壓控制模式，交、直軸各自獨立之電壓及 電流控制方程式，作為三相三階層變流器之電壓及電流閉迴路控制之依據。其控制方塊 圖如圖8所示，利用此方塊圖可達到有效控制三相負載端電壓的大小，使輸出電壓在負 載變動下能維持最小的變化量，以提供穩定的電源。

b.電流控制模式

本文三相三階層變流器操作於電流控制模式[7]下，配合控制技巧使其輸出為弦波電

市電系統。如此，在同步旋轉座標系統控制下，調節直軸電流以控制實功率輸出，調節 交軸電流以控制虛功率輸出，使系統操作在並聯運轉時，能夠完成功率的控制。

假設濾波電容非常小可忽略濾波電容電流的影響，則根據三相變流器的架構，可設 定三相變流器於同步旋轉座標下之輸出瞬時實功率p_e及瞬時虛功率q_e分別為

_ _ _ _

3( )

2

e e e e

e q uvw q abc d uvw d abc

p = v i +v i (20)

_ _ _ _

3( )

2

e e e e

e d uvw q abc q uvw d abc

q = v i −v i (21)

由於本文採用電流源與電壓源並聯的方式，因此三相變流器之相電壓峰值v_m與市電 相同，可得

_ _ e 0

q uvw e

m d uvw

v

v v

⎡ ⎤ ⎡ ⎤

⎢ ⎥ ⎢ ⎥=

⎢ ⎥ ⎣ ⎦

⎣ ⎦ (22)

根據(22)，(20)、(21)可改寫為(23)、(24)

_

3 2

e

e m d abc

p = v i (23)

_

3 2

e

e m q abc

q = v i (24)

由此可知當三相變流器並聯上市電時，其輸出相電壓峰值固定，調節直軸電流可以 控制實功率，調節交軸電流可以控制虛功率。根據功率命令值p^*_e及q^*_e，可得到四種功率 分配狀態，在實功率方面，p^*_e為正值表示三相變流器提供能量給電力網路，p_e^*為負值表 示三相變流器從電力網路吸收能量；在虛功率方面，q^*_e為正值表示三相變流器擁有電容 性負載特性會提供虛功，q^*_e為負值表示三相變流器擁有電感性負載特性會吸收虛功。

根據(12)、(13)作為同步旋轉座標系統下電流控制模式之電流控制器設計用。忽略 等效串聯電阻r_f 補償項，簡化整理可得

* * *

_ ( _ _ ) _ _

e e e e e

q abc qiL q abc q abc e f d abc q uvw

v =G D i −i +ω L i +v (25)

* * *

_ ( _ _ ) _ _

e e e e e

d abc diL d abc d abc e f q abc d uvw

v =G D i −i −ωL i +v (26) 其中G_qiL、G_diL分別為交、直軸電流調節器，採用比例-積分控制器以提高響應速度 並減少穩態誤差。由(25)、(26)可得同步旋轉座標系統下電流控制模式，交、直軸各自 獨立之電流控制方程式，作為三相三階層變流器之電流閉迴路控制之依據。其控制方塊 圖如圖9所示，其中交、直軸電流命令需限制在最大值範圍內，即系統之額定容量，以 避免系統崩潰。利用此方塊圖可以控制傳送至市電之實功率及虛功率大小，使系統不僅 可提供實功率至電力網路，亦具有虛功率補償能力以提升市電側功率因數。

c.三階層變流器中性點電位對稱之控制

由於負載變化及開關切換狀態的影響，中性點電位會有偏移的情況發生，若三階層 功率轉換器之中性點電位不對稱，即上、下臂之電容電壓不相等，會使得輸出電壓、電 流含有直流成分，而造成諧波含量提高。因此本文依上、下臂電容電壓誤差量ΔE調整 三相電壓命令，使其電壓誤差值為零，達到上、下臂電容電壓相等，其控制方塊如圖10 所示。控制實際誤差量ΔE追隨命令誤差量ΔE^*，此命令值設定為零，即上、下臂電容電 壓各為直流鏈電壓的一半，方為對稱。其直流鏈電壓補償值u_o^*為

* *

( )

o E

u =G_Δ D Δ − ΔE E (27) 其中G_ΔE為三階層功率轉換器之上、下臂電壓誤差調節器，採用比例控制。此外，G_ΔE

的極性需視功率轉換方向而決定，當直流鏈側提供功率給市電時，G_ΔE為負值。當市電 提供功率給直流鏈側時，G_ΔE為正值。如此才能使上、下臂電容電壓達到對稱。

(D)、複合系統之能量管理

本文利用蓄電池作為再生能源發電系統之能量調節，當發電系統供應之能量大於負 載所需時，可將多餘能量送往蓄電池儲存；當發電系統供應之能量小於負載所需時，可 從蓄電池釋放能量以補充所需，達到能量平衡控制。

蓄電池充放電系統採用直流升/降壓式截波器作為蓄電池與直流鏈間的功率平衡控 制，蓄電池充放電系統之電力電路如圖11所示，主要控制元件為一功率晶體對(T_bat⁺ 、

Tbat⁻ )，其中P、N兩端表示與太陽能發電系統、風力發電系統以及三相三階層變流器直流 鏈並聯之端點。

a.直流截波器升壓模式

當太陽能與風力發電系統所提供之功率小於負載所需吸收時，為了維持直流鏈電壓 的穩定，此時將直流升/降壓式截波器操作在升壓模式(T_bat⁺ 截止、T_bat⁻ 導通)，讓蓄電池執 行放電操作。將蓄電池儲存在電感上的能量，經由飛輪二極體D_bat⁺ 釋放至直流鏈，並控 制T_bat⁻ 之開關責任週期來調節直流鏈電壓大小。其放電狀態下之控制方塊圖如圖12所 示，目的在維持直流鏈電壓穩定，使三相三階層變流器能正常動作，因此藉由控制實際

b.直流截波器降壓模式

當太陽能與風力發電系統所提供之功率大於負載所能吸收時，為了維持直流鏈電壓 的穩定，此時將直流升/降壓式截波器操作在降壓模式(T_bat⁺ 導通、T_bat⁻ 截止)，讓蓄電池執 行充電操作。由於直流鏈電壓大於蓄電池電壓，因此電感在T_bat⁺ 導通時會吸收直流鏈上 的能量，並在T_bat⁺ 截止時經由飛輪二極體D_bat⁻ 向蓄電池充電，同樣可控制T_bat⁺ 之開關責任週 期來維持蓄電池定電壓充電。其充電狀態下之控制方塊圖如圖13所示。利用定電壓充電 的方式完成，並藉由控制器之電流限制，來限制充電初期的電流大小，雖然充電時間較 長，但控制簡單，可節省程式判斷的時間。

四、實測結果

本文依據圖1之整體系統架構完成系統製作，其參數如下所示：

直流鏈電壓命令：48V

功率電晶體開關切換頻率：10kHz 變流器輸出側濾波電感：0.5mH 變流器輸出側濾波電容：20μF 輸出相電壓命令峰值：180V 輸出相電壓命令頻率：60Hz

圖14為二階層變流器與三階層變流器在相同操作條件下，穩態運轉下量測未經濾波 之線電壓波形與其諧波失真率頻譜。圖中可以看出三階層變流器的輸出電壓擁有較多的 電壓準位，弦波近似度較佳，其電壓總諧波失真率4.79%小於二階層變流器之5.79%。

圖15為直流負載變動由142W增加至265W再減少至18W，其太陽能發電系統維持最 大功率輸出205W時，功率平衡控制下之蓄電池充放電波形。由圖(b)可看出當負載為 142W時，太陽能發電系統之輸出功率足以供應負載，蓄電池充電之電流約為1.8A。當 負載為265W時，太陽能發電系統之輸出功率不足以供應負載，蓄電池放電之電流約為 1.7A。當負載為18W時，太陽能發電系統之輸出功率遠大於負載所需，因此蓄電池充電 之電流約為5.2A。

圖16為三相平衡負載為520W時，系統操作於獨立運轉模式下，三相變流器輸出變 壓器負載側之線電壓穩態波形。可看出線電壓有效值約為220V，其電壓總諧波失真率約 為2.57%。

圖17為三相平衡負載變動由347W增加至520W時，系統操作於獨立運轉模式下，三 相變流器輸出電壓、電流於變壓器負載側之暫態波形。由圖(b)得知當負載變動時，變流 器之輸出電壓會產生瞬間變動，但隨後回復至命令大小。由圖(c)可看出負載明顯由小變 大之變化情形，其電流峰值變化由1.27A增加至1.92A。

圖18為三相平衡負載變動由520W減少至174W時，系統操作於獨立運轉模式下，三 相變流器輸出電壓、電流於變壓器負載側之暫態波形。由圖(b)得知當負載變動時，同樣 地，變流器之輸出電壓會產生短暫變動，但隨後立即回復至穩態值。由圖(c)可看出負載 明顯由大變小之變化情形，其電流峰值變化由1.92A減少至0.65A。

圖19為系統操作於並聯運轉模式下，提供實功率約275W及虛功率約-300VAR至電 力網路時，三相變流器輸出電壓、電流於變壓器負載側之暫態波形。圖(c)之相電壓峰值 約為187V，相電流峰值約為1.45A，功率因數約為0.676。其中相電壓波形落後線電壓波 形約30度，相電流波形落後相電壓波形約47.5度。

五、圖表

P C P V

m o d u le

?m

P M S G

w in d - tu r b in e

b a tte r y b a n k N

N

N N

1

Ta⁺

1

Ta⁻ 1

Tb⁺

1

Tb⁻ 1

Tc⁺

1

Tc⁻ 2

Ta 2

Tb 2

Tc

Tpv

Tw pv P L

Lw

b a t

L Cpv

Cw

Dpv

Dw

Cb at

Cd c

C1

C2

Lf

Lf

Lf

Cf

Cf

Cf

eb

ec

vpv

vw

iw

ipv

b a t

i vd c

v1

b a t

v

va

vb

vc

vu

vv

vw

Za Z_b Zc

ea

S1 u'

v

'

vv

'w

v

b a t

D⁺

b a t

D⁻

b a t

T⁻

b a t

T⁺

a

b c

n1 n2 n3

n4

n5

v2

Y -Y tr a n s fo r m e r

V o lta g e &

C u r re n t F e e d b a c k

D S P T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A

E m u la to r X D S 5 1 0 P P

G a te D riv e r G a te D riv e r

S y n c h ro n o u s D e te c t

圖1 整體系統架構圖

PV module

vpv

ipv L_pv

Tpv

Dpv

Cdc Rdc vdc

idc

圖2 太陽能發電系統電力電路圖

pv( ) i k

( 1) ipvk−

( 1) vpv k−

pv( )

v k Δv_pv( )k

pv( ) i k Δ

MPPT

*

ipv

ipv

Gipv

ipv

Δ

vpv

vx 1 vdc

PWM Control

Tpv ^DC-DC

Boost Converter

*

upv d^*_pv

current sensor voltage sensor A/D

A/D ^pv

v

ipv

1

圖3 太陽能發電系統控制方塊圖

Cd c R_{d c} v_{d c} idc

eas

eb s

ecs

Ls

Ls

Ls

rs

rs

rs

ias

ibs

ics

永 磁 式 同 步 發 電 機 內 部 等 效 電 路

vw

iw

Tw

Lw D_w

s

vas

vb s

vcs

圖4 風力發電系統電力電路圖

MPPT v^x 1

vdc

PWM Control

DC-DC Boost Converter

w( ) i k

( 1) i kw −

w( ) v k

( 1) v kw −

w( ) Δi k

w( )

Δv k ^vw

G Giw

*

vw

vw

vw

Δ iw^*

iw

iw

Δ

vw

Tw

*

uw

current sensor voltage sensor A/D

A/D 1

*

dw

vw

iw

圖5 風力發電系統控制方塊圖

Lf

Lf

Lf

n

1

Tc⁻ 1

Tc⁺ 1

Tb⁺

1

Tb⁻ 1

Ta⁻ 1

Ta⁺

C1

C2

a

b

c g

2

Ta

2

Tb

2

Tc

ia

ib

ic

vdc

P

N i1

i3 i4

ig

v1

v2

i2

Load c

u

v

w

iu

iv

iw

Cf

Cf C_f iac

ibc

icc _Lo

ad b Load a

1

ic

2

ic

圖6 三相三階層變流器等效電力電路圖

C1

C2

a

b

c g

ia

ib

ic

1

1

1

−1

−1 0

0

0 da

db

dc

vdc

P

N v1

v2

i1 i₂

i3 i₄ ig

Lf

Lf

Lf

Cf

Cf

Cf

n w

v u

iw

iv

iu

iac

ibc

icc

−1

Load c Load b Load a

1

ic

2

ic

圖7 三相三階層變流器等效開關電路圖

* _ e q uvw

v

_ e q u vw

v Gq v

* _ e d u v w

v

Gq i

Gd i

Gd v

* e

idc

* _ e q abc

u

* _ e d a b c

u v_d^e*_{_a b c}

* _ e q a bc

v

1

0( )

q d e

T⁻ θ

0( )

qd e

T θ

0( )

q d e

T θ

vu n

vv n

vw n _

e d uvw

v

e

iq c

e

idc

ia c

ibc

ic c

θe

θe

θe

1

Tx⁺

1

Tx⁻

2

Tx

* e

iqc v^*_an

*

vbn

*

vcn

* _ e eC vf d uvw

ω

* _ e eC vf q uvw

ω

−

*

_ _

e e

eL if d a bc vq u vw

ω +

*

_ _

e e

eL if q a b c vd u v w

ω

− + m ulti -lev el

S P W M

3- p h ase 3 -lev el Inv e rter

v o ltage sen sor A / D

A / D cu rren t

sen sor

圖8 三相三階層變流器之電壓控制方塊圖

* _ e q abc

u

* _ e d abc

u v_d^e*_{_abc}

* _ e q abc

v

1 0( )

qd e

T⁻ θ multi -level SPWM

0( )

qd e

T θ

θe

θe

1

Tx⁺

1

Tx⁻

2

Tx

3-phase 3-level Inverter

*

van

*

vbn

*

vcn

GdiL

GqiL

* _ e q abc

i

* _ e d abc

i

ia

ib

ic _

e q abc

i

_ e d abc

i

*

_ _

e e

eL if q abc vd uvw

ω

− +

*

_ _

e e

eL if d abc vq uvw

ω +

current sensor A/D

2 *

3

e

m

Q v

2 *

3

e

m

P v

*

Pe

*

Qe

d-limiter

* 2 * 2 * 2

_ _

e e

m d abc q abc

i =i +i q-limiter

圖9 三相三階層變流器之電流控制方塊圖

*

van

*

vbn

*

vcn

* 0

ΔE =

G_ΔE

ΔE

*

uo v^'*_an

'*

vbn

'*

vcn

圖10 三階層變流器中性點電位對稱控制方塊圖

P

N

vdc

Cdc

Tbat⁺

Tbat⁻

Lbat

Cbat v_bat Rdc

idc

ibat

圖11 蓄電池充放電系統電力電路圖