TWI312030B - A maximum power point tracking method and device for a wind power generator - Google Patents
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Description
1312030 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 '本發明係關於一種風力發電系統之最大功率追蹤方 法及裝置，特別是關於利用改變一直流/交流變流器之交流 輸出电流之振幅及觀察一永磁式同步風力發電機經—交济 /直流轉換器之直流輸出電壓的變化情形，以決定下—次的 交流輸出電流振幅之調整方向之風力發電系統之最大功率 • 追縱方法及裝置。 【先前技術】 近年來由於工業的高度發展，石化能源大量使用，不但導 致地球上石化能源之快速枯竭，亦造成嚴重之環境污染，基於 能源多兀化及環境保護之觀點，再生能源之發展為必然之趨勢 一，風能為再生能源重要來源之一，如果能夠有效利用風能，不 但可以解決能源需求的問題，更可以減少環境汙染及降低全球 之溫室效應。 _ -風力發電系統是藉由風力帶動至少一葉片旋轉，進而轉 動-風力發電機組產生電力，該風力發電系統所產生之電力會 Ik該風力發電機的轉速而有所變化，為了從該風力發電系統中 榻取最大電能，因此必須控制該風力發電機之轉速以達成此目 的’習用風力發電系統之最大功率追蹤方法及裝i，如美國 專利第US6, 984, 899及US6, 608, 397號等是利用風力發電系統 之機械裝置的控制，以控制該風力發電機之轉速，進而得到 最大功率風力發電彡、統採用該機械裝置來控制該風力發電機 之轉速’其穌較高，且其可靠度及響應速度均不佳，近年來 D:\linda\PK Pat\PKl0iB5.d〇c 06/12/13/11:53 Μ 6 131203Ό 2了：少該機械靖置，而改利用-固態電能轉換系統 另4，輸將該風力發電機產生之—電壓振幅 項“均不穩定之交流電能，轉制穩定的交流電能饋入一配
電糸統或供給至少-負載，而另—個風力發電祕之最大功率 追縱方法及裝置，即是_—風力發電機組之輸出所連接之 一電能轉鮮之-控制電路巾結合最大辨追縱之控制，以控 制該風力^機之轉速娜最大魏，胃狀電能機 器之最大功率追蹤方法為擾動觀察法(p— and -_ti〇nmetil〇d)，如論文”施-麵抑醫㈣社純⑽鈿 wind tu論es，’，IEEE PESC，觀 3,讓，pp 謝4獅它是利 用-種藉由-f能轉齡統之控伽週雛地輕—風力發電 機之轉速’並測量該風力發電機的輸出電力，由該風力發電機 的輪出電力之變化來決定該風力發電機之轉速之調整方向，重 複以上步驟以增大該風力發電機輪出電力，來達到最大功率追 縱方法及裝置’然*此方法必須計算輪出電力，並控制該風力 發電機之轉速’所以該控制電路較為複雜。 有鑑於此’本發明改良上述之缺點，其僅係利用改變 一電能轉換系統之一直流/交流變流器之交流輸出電流之 振幅，並觀察該電能轉換系統之一交流/直流轉換器之直流 輸出電壓的變化情形’由該直流輸出電壓的變化情形來決 定該直流/交流變流器輸出之交流電流振幅之調整方向，以達 成最大功率追蹤之目的，因此能有效降低該電能轉換系統 的控制複雜度。 【發明内容】 一 7 一 D:\Linda\fK PaUPKlOISi doc
06/12/13/11:53 «I 1312030 本發明之主要目的係提供—種風力發電系統之最大 功率追縱方法及裝置，其係藉由控制連接於一永磁式同步 風力發電機輸出之-電能轉換系統，以達到風力發電系统 之最大功率追縱之目的，該電能轉換系統包含一交流/直流 轉換器及-錢/交流變流^，較流/錢轉換器連接到ς 水磁式同步風力發電機之輸出，該交流/直流轉換哭之直产 輸出連接到該直流/交流變流器之輸入，該直流/交流變流^ 之交流輸出連接到-配電系統。該最大功率追鞭方法係改 變該電能轉換系統之直流/交流變流器之交流輸出電流之 振幅，並觀察該電能轉換純之交流/直流轉難之直流輸 出電堡的變化情形，由該直流輸出電屢的變化情形來決定 下一次直流/交流變流器之交流輸出電流振幅之調整方向 荀，▲如該交流/直流轉換ϋ之直流輪出電壓之變化量與該直流 /父流變流器之交流輸出電流之—變化量同方向，則依原來 之方向調整該直流/交流變流器交流輸出電流之振幅^小 ，反之，該交流/錢轉麵之錢輸出電Μ之變化量料 直流/交流變流ϋ之交流輸出電流之變化量方向相反，則改 變該直流/交流變心交流輸出電流之純大小的調整方 =依序重覆上述步驟，因此本發明不需要實際計算輸出 功率’即可達成該風力發電系統最大功率追縱的目的，使 得本發明具有降倾電能轉⑽、統控制複雜度之功效。 【實施方式】 為讓本發日狀上敍其他目的、特徵及優點能更明顯 易憧’下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式， 1312030 作洋細說明如下： 統俜包丄、、、第1圖所不’本發明較佳實施例之風力發電系 ^：；；；㈣式同步風力發賴卜—錢/直流轉換器 鞭裝具最大功率追 2可撰白—_ 配电系統6。該交流/直流轉換器 流轉換器之"it體二極體整流驗合—直流/直
寬調變之交％、ϋΓ 轉換112進-步可選擇具脈 永磁式同牛i f 該交流/直流轉換器2用以將該 能‘=:電機1產生之交流電能轉換成-直流電 輪出端t二交流/直流轉換器2之直流 電容3建立之兮^ 該交流/直流轉換器2在該健能 機1之輪出^壓將正比於該永磁式同步風力發電 ，該直流輪Φ恭 w、盗2轉換產生一直流輪出電能 便對應產生進一步饋入該直流/交流變流器4，以 统6。 ^輸出電流’以輸出交流電能至該配電系 請參照第1 具最大功率追二::二:其揭示本發明較佳實施例之 大功率追縱h 制早元5之控制方塊圖。該具最 單元51、之控制單元5之控制方塊具有—電流_ 一乘法器54偵測單兀52、一鎖相迴路控制單元53、 動電路57。該^法器55、—控制器56及一脈寬調變驅 流器4之交^流債測單元51係用以擷取該直流/交流變 别出電流1inv’以產生一電流信號。該電壓偵 U:\Linda\M! p8t\Wl0ie5.doc 1312030 3早疋52係、用以擷取該配電系'統6之交流電I Vs⑴之信 二_从產生該電翻測單元5 2之—電壓信號^該電塵偵測 52之輪出電壓信號送至該鎖相迴路控制單元53，其 ^以產生—與配電系統6電壓同相位之正弦信號。該乘 =54係用以將該鎖相迴路控制單元53之輸出信號與一 叹疋，直流/交流變流器4交流輸出電流信號之振幅κ相乘 二以、生—輸出電流參考信號。該減法器55係用以將該電 ^測單=51輸出之電流信號與該乘法器54輸出之輸出 電抓 > 考仏號作相減，該減法器55輸出送到該控制器％ 以產生控制信號’最後該控制信號送到該脈寬調變驅動 電路57以產生該直流/交流變流ϋ 4之電力電子功率開關 η 了脈寬調變信號。第2圖中該設定的直流/交流變流 器4交流輪出電流信號之振幅κ，由第3圖之流程圖來決 定。 έ] 假設配電系統6的交流電壓為 vs(t) = Vpsin(Wt) (1、 該直流/交流變流If 4之輸出電流控繼—正弦波且與該配電 系統6之交流電壓同相位，即 iinv(t) = IinvSin(〇t) ,_ (2, 則該直流/交流變流器4之輪出功率為
Pinv = 2VplinV (3、 而風能經該交流/直流轉換器2轉換成一直流電壓後之輪出功 率為
Pwind =V- wind
Xlwi, (4) 10 — D:\Lin<Ja\PK Pat'vPKlOlflS. doe
Hfi/12/I3/Il：53 AK 1312030 假设該交流/直流轉換器2沒有損失，則 p
inv = Vwin/1 χ J wind X Awind
Vplinv (5) 變化不 由於該配電系統6之交流電驗轉法 大’在某特鱗間可將其視為—倾，因二振幅 出功率正比於該直流/交流變絲4之 ^電系統之輪 ⑸中可發現控制該直她變流 =幅。= 可控制風能發電系統之輸出功率，進而心之振幅便 2電機1之轉速，而改變該永磁式同步二 ^將又影響該永磁式时風力發電機丨之輸^流電 J)請再參照第1 _示，本發雜佳實施例之具最大功 縱I置之彳：制單S 5由—數位信號處理器完成。該具 最大功率追縣置之㈣衫5侧取敍流/直流轉換器 2的直机輸出電壓vwind(t)、直流/交流變流器4的交流輸出 電M Iinv(t)及配電系、统6的交流電壓v⑻之信號作輸入， 以決定該具最大功率追蹤裝置之控制單元 5中交流輸出電 流信號之振幅K。 明參照第3圖所示，其揭示本發明較佳實施例之最大 功率追縱方法。其包括下列步驟：〔S11〕設定該直流/交 々丨i_k々丨《•器4之一交流輪出電流信號之一振幅κ初始值；〔 S12〕擷取該交流/直流轉換器2之直流輸出電壓作為初始 值Vwind—u，；〔 S13〕提供該直流/交流變流器4之輸出電 流參考信號；〔S14〕使該風力發電系統於該輸出電流參考
0^/12/13/11:53 AM 0：\Lifldfi\PK Pat\Pi(l0195.(l« 11 — 1312030
L號之下運作—時間間隔；〔S15〕回授該永磁式同步風力 發電機1」蚊流/直輯換m直錄”壓參考值 Vwindj，該直流輸出電壓參考值係因應該直流/交流變流器 4=輸出電齡相朗纽；〔灿〕比㈣直流輪出電 堅^考值相對於該直流輸出電壓初始值之一變化，並且與 及變化同方向地改變該直流/交流變流器4交流輪出電流信 號之振巾田K，〔S17〕以改變後的直流輸出電壓參考值取代 該直流輸出電壓初始值；以及重覆步驟〔sn〕至〔阳〕 印再參照第3 ®所示’細觀職交流/直流轉換器, 輪出電壓之大小之變化’以調整該直流/交流變流器1 出雷:机振巾田之方法說明於下：調整該直流/交流變流器4 Μ ' 心大丨、，觀測該父流/直流轉換器2輸出電壓之變 f \鳩纽銳直流/交流變流^交流輪丨電流之掮 :心二察該永磁式同步風力發電機1經該交流/直流轉 :輪^流電壓之變化情形，來決定下次該直流/交流變 、轉:心輸出電流之振幅別、的難方向，若該直流/交 之交流輸出電流之振幅調大，觀察該交流/直流轉 ·*、/吉直机電屋’若該永磁式同步風力發電機1經該交 Γ哭二換112輸出直流糕上升，職示該直流/交流變 :變流紐之顏脑_大，反之，若該直流/ 拖哭9 之讀輪出電流之振幅調升後，該交流/直流轉 夕錢魏顶，則反向崎該直流/交流變流器4 之父流輪”流之振幅大小。 D:\LiwIa'PK Pet\PICJOI9S.doc
06/Ι2/13/η：53 AM —12 — 1312030 請再參照第3圖所示，藉由設定該直流/交流變流器4 輸出電流振幅K值之初始值，並回授對應於該初始值的交流/ 直流轉換器2之直流輸出電壓〔正比於該永磁同步發電機1輸 出電壓〕當作Vwind—rH，增加K值後並延遲一段時間，使風力發 電系統穩定後再次讀取該交流/直流轉換器2輸出直流電壓
Vwind—n ’由〜―與VwincU-Ι比較來決定K值變化方向，若Vdncug Vwind_rH則K值增加，反之，若，則K值減少，決 疋新的K值後’將Vwind_n存至Vwind_n-1，進行下一次取樣及比較。 請再參照第3圖所示’該最大功率追蹤方法亦不限於需 在設定該直流/交流變流器4的交流輸出電流之初始值振幅 K，並且回授在此K值下永磁式同步風力發電機丨經該交流/ 直流轉換器2的直流輸出電壓後，必須增加該直流/交流變流 ' V 為4的父流輸出電流之振幅〔即K值增加〕；意即，亦可以減 少該直流/交流變流器4的交流輸出電流之振幅κ以提供該輸 出電流參考信號〔如第3圖所示，即以κ值減少方塊取代κ值 增加方塊〕，更重要的是，再比較該永磁式同步風力發電機 1經該交流/直流轉換器2之直流輸出電壓^心相對於Vwindj i 變化之後，再與該交流/直流賴H 2之直流輸丨電壓變化相 同之方向地改變該預設之交流輸出電流之振幅κ之大小。 另外’清再參&第1至2圖所示’該g己電系統6之配電 端的交流先_電壓侧單元52峨檢出後，產生一電 壓信號’復經該鎖相迴路控制單元53產生與該配電系统6之 交罐同相位且為弦波之鎖相迴路信號，再將此鎖相迴路信 號與設定的直流/交流變流器4交流輪出電流信號之振幅κ利 D:\Linde\m Pat\m〇l95.doc —13 — «/I2/J3/H:S3 1312030 用該^法& 54細相乘之後，制該直流/交流變流114之輸 出電肌參考彳§翻望值，接著，將經由該電流偵測單元51操 取之直流/交流變流器4之交流輸出電流所產生之電流信號， 與其輸出電流參考信號期望值利用該減法器55相減之後，再 =控制H 56產生該控制錢，將該控制信號送到該脈寬調 憂驅動電路57，以產生直流/交流變流器4所需之脈寬調變 (PWMMs號，以達到追縱風能最大功率之目的；更重要的是， 由於不必真正地去計算風力發電系統的輸出功率，因此使用本 發明所述之最大功率追縱方法的實際電路配置與習知技術相 比，其係更為簡單而又節省成本。 如上所述，相較於習用風力發電系統之最大功率追蹤 造：方法及裝置必須真正計算輸出電力，以進行最大功率之追 蹤，^具有增加控制複雜度等缺點，本發明藉由調整該直 流/父流變流器4之-交流輸㈣流振幅，域察該交流/直流 ，換ϋ2之一直流輸出電壓之一變化量，以決定該直流/交流 變流器4之交流輸出電流振幅_整方向，以達成最大功率 追縱之—目的’其_實可有效降低整體的控制複雜度，是故 ’本案貫為-具有產翻雜、新穎性以及進步性之發明。 雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用 以，定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神 和範圍之内’相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本 發明所保護之技術範脅，因此本發明之保護範圍當視 之申請專利範圍所界定者為準。 D:\UiKb\re ftt\WI0l9S.<k>c —14 — 0r,/»2/l3/U：53 ΑΧ 1312030 【圖式簡單說明】 第1圖：本發明較佳實施例之風力發電系統架構方塊圖 〇 第2圖：本發明較佳實施例之風力發電系統之最大功率 追縱方法及裝置之控制方塊圖。 第3圖：本發明較佳實施例之風力發電系統之最大功率 追蹤方法及裝置之最大功率追縱裝置之控制流程圖。
【主要元件符號說明】 交流/直流轉換器 直流/交流變流器 1 永磁式同步風力發電機2 3 儲能電容 4 5 具最大功率追蹤裝置之控制單元 6 配電系統
51電流偵測單元 53 鎖相迴路控制單元 55 減法器 57脈寬調變驅動電路 S11設定直流/交流變流 振幅K初始值 52電壓彳貞測單元 54乘法器 56控制器 之一交流輪出電流信號之一 S12擷取交流/直流轉換
V 器之直流輪出電壓作為初始值 wind η-1 S13提供直流/交流變流器之輸出電流參考作號 S14使該風力發電季 儿 - a寺間間隔 電Ά考信號之下射 P:\Linde\PK P8t\PK10IS5. doc
06/12/13/11:53 AM —15 — 1312030
S15回授該永磁式同步風力發電機經交流/直流轉換器 後之一直流輸出電壓參考值Vwind_n S16比較直流輸出電壓參考值相對於該直流輸出電壓 初始值並判斷K值之增減方向 S17以改變後的直流輸出電壓參考值取代該直流輸出 電壓初始值 O:\Linde\PK Pat\PKI0195.doc —16 — nr</l2/l3/ll:S3 ΛΜ
Claims (1)
131203Ό 十、申請專利範圍： _種風力發電系統之最大神追縱裝置，其包含： 时風力發錢，其顺轉換為-交 :交^錄轉㈣，錢接雜永磁式同步風力發電 ===崎料物嫩織能轉換
交流變流ϋ，聽連接至該交流/直雜換器之 机輸出^，將該交流/直流轉換器產生之直流電能轉 換成-交流輪出電能饋入一配電系統；及 二具最大神追縱裝置之控鮮元，其係藉侧整該直流 父流變流器之-交流輸出電流之振幅大小，並觀察該交 流/直流轉換器之-直流輸出電壓之—變化量，以進一步 該直流/交流賴n之交賴ώ f叙振幅大 化方向； 广中田該父4_/直流轉換H之直流触電壓之變化量與該 直流/交賴流n之交流輸&電流之振幅大小之—變化量 同方向’則依原來之方向調整該直流/交流變流器之交流 輸出電流之振幅大小；反之，該交流/錢轉換器之直流 輸出電壓之變化量錢直流/交流變紅之交流輸出電流 之振幅大小之變化量方向相反，則改變直流/交流變流器 之交流輸出電流之振幅大小的調整方向。 2、依申請專觀圍第〗項所述找力發電祕之最大功率 追蹤裝置，其巾該具最大功率追縱裝置之控制單元係利 D:\Linda\PK Pat\PKlOieS.doc 06/12/13/11:53 « —17 — 1312030 用一數位處理器以擷取該交流/直流轉換器的直流輸出 電壓、直流/交流變流器的交流輸出電流，及配電系統 的父流電壓之信號作輸入以控制該直流/交流變流器能 從該永磁式同步風力發電機擷取最大能量。 °°此 3、依申請專利範圍第2項所述之風力發電系統之最大 追蹤裝置，其巾該具最大神追蹤裝置之㈣單元具有 =電流偵測單元、—電壓偵測單元、—鎖相迴路控制單 =、一乘法器、-減法器、—控制器及_脈寬調變驅動 4、 依申請專利範圍第3項所述之風力發電系統之最大 麵 追，裝置，其中該電壓_單元_以擷取-配電系統 的交流電壓，以產生一電壓信號。 ’、 5、 依申請專機圍第3項所狀風力發衫統之最大 縱f置’其巾觸相迴路控制單元_輯取該電壓 偵測單元產生之電壓彳古號 I 電墨同相位之二產生一與配電系統之交流 6、 依申請專鄕_ 3項所狀風力發衫統之最大功率 其中該乘法器係用以將該鎖相迴路輪出之正 山號與該具最^率追《置之控辟元決定之輸 輪出電流信號之振幅相乘，以產生-輸出電: 專Hi第3項所叙風力發衫統之最大功率 盘一則㈣亩該Ϊ去器係用以將該輸出電流參考信號 ”口 W該錢/父流變流器之交流輪出電流信號相 DALinda\re Pet\PKI〇i9S. (be 1312030 減，並經該控制器以產生―控制 變驅動電路以產生該直流流== 电子功率開關元件之一脈寬調變信號。 力 、「種風:!電系統之最大功率“，其包含步驟. 之一振幅初始值；之又流輸出電流信號
〔b〕擷取交流/直流轉換器的直流輪 該初始值係因應該交流輪出電流初刀生始值， 〔c〕提供該纽/交流紐_之輪㈣流 _夺、 ⑷使該風力發電系統於該輪出電流參考值之 一時間間隔； 〔e〕回授該永磁式同步風力發電機經交流/直流轉換 器後之-直流輸出電壓參考值，該直流輸出電壓 參考值係因辆輪丨電流參考信號所產生；
8 v 〔f〕比較該錢輸iiif壓參考值姉於該直流輸出電 壓初始值之一變化，與該變化同方向地改變直流 /交流變流器輪出電流參考信號； 〔g〕以改·的該錢輸丨電壓參考值取代該直流輸 出電壓初始值；及 〔h〕重覆步驟〔c〕至〔g〕。 '115. —19 — 06/12/13/11:53 Μ
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2006
- 2006-12-13 TW TW095146664A patent/TWI312030B/zh not_active IP Right Cessation
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