TWI420772B - 風力發電之輸出功率調節電路 - Google Patents

Description

風力發電之輸出功率調節電路

本發明係關於一種用於併聯市電之風力發電之電能處理電路，特別是關於一種風力發電機之輸出功率調節電路。

目前，全球正嚴重面臨能源短缺的問題，許多業者因此而紛紛投入相關替代性能源之研究及開發，其中又以綠色能源為重點的發展方向之一。所謂綠色能源即自然環境中能重複利用且不造成環境污染之能源，例如太陽能、潮汐能、洋流能及風力能等。特別是風力能之利用，由於風力資源取得容易，因此風力發電單元可隨處設置，使得風力發電平台的發展成為目前綠色能源產業中的首要選項。

風力發電機主要係由一扇葉組、一變速箱、一發電機及一電能轉換器構成，該扇葉組結合該變速箱，且該變速箱結合該發電機，該發電機之輸出電性連接該電能轉換器。藉此，當該風力發電機之扇葉組風能引動時，該扇葉組帶動該變速箱轉動，且該發電機由於係與該變速箱結合而變速旋轉，此時，該發電機將轉動時的機械能轉換為電能輸出至該電能轉換器，並透過該電能轉換器之轉換產生一穩定之電能，供應至一負載或併入市電。

然而，一般而言，上述風力發電機用於倂聯市電時具有以下缺點：

1、電能轉換器之儲能元件之損壞：在能量轉換之過程中，該風力發電機需要進行電能管理，因此電能轉換器需要設置如儲能電容及蓄電池等元件，由於該風力發電機之能量來源係取自於風能，當外界風能過大的情況下，使轉換之電能超過該儲能元件最大容量之限制，而造成過充狀況，其將導致電能轉換器之儲能元件之損壞，或縮短該儲能元件之使用壽命。

2、孤島效應導致風力發電機之損壞：由於該風力發電機同時並聯該負載及市電系統，當負載或市電系統需要進行設備之檢修作業而被予以斷電時，因外界風力的關係，該風力發電機仍持續運作，但此時該風力發電機產生之能量無法送入市電，因而導致該風力發電機極容易超越其最大額定轉速而有損壞之虞。

基於上述原因，有必要進一步改良上述習用風力發電機等缺點。

本發明主要目的係提供一種用於併聯市電之風力發電之輸出功率調節電路，以提高電能轉換器之儲能元件之功效。

本發明次要目的係提供一種用於併聯市電之風力發電之輸出功率調節電路，以避免孤島效應導致風力發電機之損壞。

根據本發明用於併聯市電之風力發電之輸出功率調節電路，包含一電能輸入埠、一電能輸出埠及一功率調節組件。該電能輸入埠與該電能輸出埠相互並接，該電能輸入埠係供並接一發電機之一定子線圈，該電能輸出埠係供並接一儲能單元及一電能轉換器；該功率調節組件包含一啟動開關及一調節電阻，該啟動開關係與該調節電阻相互串聯連接，該啟動開關及該調節電阻所構成的串聯電路與該電能輸出埠並聯；其中該功率調節組件之啟動開關受控於一外部控制信號形成導通狀態時，該功率調節組件用以調節該發電機、該儲能單元及該電能轉換器之間的功率。

為讓本發明之上述之他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請參照第1圖所示，其揭示一風力發電單元1、本發明第一實施例之輸出功率調節電路2、一儲能單元3及一電能轉換器4之電路連接示意圖。上述單元構成一風力發電系統，該風力發電系統係可供應一負載電能，並與一市電系統併聯運轉。

該風力發電單元1包含一扇葉組11、一變速箱12及一發電機13。該扇葉組11在受風能引動時，可驅動該變速箱12轉動，並帶動該發電機13變速以較高轉速旋轉，使該發電機13之一定子線圈131感應一電流，該電流並自該定子線圈131加以輸出。

本發明第一實施例之輸出功率調節電路2具有一電能輸入埠21及一電能輸出埠22，該電能輸入埠21與該電能輸出埠22相互並接，該輸出功率調節電路2之電能輸入埠21供並接該發電機13之定子線圈131；而該輸出功率調節電路2之電能輸出埠22供並接該儲能單元3及該電能轉換器4。該電能轉換器4另連接到一負載及一市電系統(未繪示)。該風力發電單元1及該儲能單元3之間設有一全波整流二極體組D，以便透過該全波整流二極體組D將該風力發電單元1及該輸出功率調節電路2所產生之交流形式之電流全波整流為一直流形式之電流，該直流形式之電流可饋入該電能轉換器4進行電能轉換，該轉換出的電能可進一步供應至該負載或選擇併入市電。

本發明第一實施例之輸出功率調節電路2另具有一功率調節組件23。該功率調節組件23係並聯於該電能輸出埠22。該功率調節組件23進一步包含一啟動開關231及一調節電阻232；該啟動開關231係與該調節電阻232相互串聯連接，串聯的該啟動開關231及該調節電阻232再與該電能輸出埠22並聯；該啟動開關231係可為一機械式開關(如繼電器)或一電子式開關(如TRIAC)，而該啟動開關231為因應頻繁切換之操作，較佳係選擇電子式開關；該調節電阻232之作用係用以降低該儲能單元3及該電能轉換器4之電壓，因此，該調節電阻232較佳係為一小額定電阻，例如選自一5~10歐姆電阻值之電阻，且該調節電阻232因需要承受大電流，而選擇設置一高功率電阻，該高功率電阻具有一散熱片，以便大電流通過該高功率電阻產生之熱量得以藉由該散熱片進行散熱。

請再參照第1圖所示，本發明第一實施例之功率調節組件23之啟動開關231供耦接一控制器5，該控制器5用以偵測該電能轉換器4之一直流輸入電壓，並依據該直流輸入電壓控制該啟動開關231形成導通或斷開。

當該風力發電單元1之發電機13因該扇葉組11轉動而轉換出電流，並對該儲能單元3及該電能轉換器4充電及供應時，該控制器5偵測該直流輸入電壓未達到最高設定上限電壓，此時，控制該啟動開關231形成斷開狀態，在此一情況下，該風力發電單元1之發電機13轉換出的電流持續對該儲能單元3及該電能轉換器4供電。上述的控制方式係根據以下的理論分析：當該發電機13在穩定運轉狀況下，依電磁理論分析可得，該發電機13之輸出電壓與轉速成正比，而且，由於該發電機13之輸出電流與該發電機13產生的反作用力矩成正比，因此其輸出電流則會與外界風力大小亦成正比。

一旦該風力發電單元1之扇葉組11仍持續轉動，且該儲能單元3充電使得該充電電壓持續攀升直到達到充電電壓的設定上限時，為避免該儲能單元3因充電過量而造成該控制器5損壞之結果，該控制器5此時控制該啟動開關231形成導通狀態，由於該調節電阻232之電阻值相較於該儲能單元3及該電能轉換器4之阻抗甚小，但該發電機13因慣性轉動而無法立即改變轉速時，相對的，該發電機13輸出電壓亦不會立即改變，反而將該發電機13輸出電壓施加於該調節電阻232，因此，該調節電阻232上會流通一高值電流，而使得該發電機13的反作用力矩瞬間增加，進而減緩該風力發電單元1之扇葉組11之轉速，使該儲能單元3及該電能轉換器4上所建立之電壓逐漸降低，直到上述電壓低於該儲能單元3之充電電壓的設定下限時，該控制器5則控制該啟動開關231再次形成斷開狀態。藉由上述之操作，可使該輸出功率調節電路2作為調節該風力發電單元1對該儲能單元3、該電能轉換器4及該電能轉換器4後端負載或市電系統之功率。

請參照第2圖所示，其揭示本發明第二實施例之輸出功率調節電路6，該輸出功率調節電路6同樣具有一電能輸入埠61、一電能輸出埠62及一功率調節組件63，該功率調節組件63亦包含一啟動開關631及一調節電阻632，且該功率調節組件63之啟動開關631亦供耦接一控制器5’。上述第二實施例之構件與第一實施例之輸出功率調節電路2所有構件具有相同的電路樣態，於此不多贅述。

請再參照第2圖所示，相較於本發明第一實施例，第二實施例之輸出功率調節電路6另包含一輔助功率調節組件64，其包含一輔助啟動開關641及一輔助調節電阻642。

該輔助啟動開關641係與該輔助調節電阻642相互串聯連接，串聯的該輔助啟動開關641及該輔助調節電阻642再與該電能輸出埠62並聯，該輔助啟動開關641亦供耦接該控制器5’；該輔助啟動開關641係可為一機械式開關(如繼電器)或一電子式開關(如TRIAC)，考量該輔助啟動開關641瞬間需流過很大的電流，該輔助啟動開關641較佳係選擇繼電器。

該輔助調節電阻642之作用有二：其一為用以輔助該功率調節組件63進行該功率調整；另一為用以防孤島效應造成該發電機13及該電能轉換器4之損壞。該輔助調節電阻642係具有一電阻值，且該輔助調節電阻642之電阻值遠小於該調節電阻632之電阻值，而該輔助調節電阻642之電阻值與該調節電阻632之電阻值之間的較佳關係為：該調節電阻632之電阻值大於一預設值，該預設值係為該輔助調節電阻642之電阻值的10倍，且該輔助調節電阻642因需要承受大電流，而選擇設置一高功率電阻，該高功率電阻同樣具有一散熱片，以進行散熱。

以下將進一步說明該輔助調節電阻642用以保護該發電機13及該電能轉換器4在強風狀況下不致遭到損壞。在啟動該功率調節組件63之操作後，由於該扇葉組11受到強風吹動而仍轉動很快時，該發電機13因慣性轉動而無法立即改變轉速，故該發電機13輸出電壓亦不會立即改變，反而將該發電機13輸出電壓施加於該輔助調節電阻642，因此，該輔助調節電阻642上會流通一高值電流，且流通於該輔助調節電阻642上之高值電流會比前述流通於該調節電阻632上之高值電流大很多(因為該輔助調節電阻642之電阻值遠小於該調節電阻632之電阻值之故)，而使得該發電機13產生一極大的反作用力矩，迫使該發電機13減速，直到該發電機13以一極低之轉速進行運轉為止，此時，該發電機13因運轉於極低速而使該發電機13輸出很小的功率，且此時的輸出功率不會對該電能轉換器4造成影響，因而可防止孤島效應造成該發電機13及該電能轉換器4之損壞。

藉由上述之操作，可使該輸出功率調節電路6進一步輔助調節該風力發電單元1對該儲能單元3、該電能轉換器4及該電能轉換器4後端負載或市電系統之間的功率。

其中該控制器5’用以接收該電能轉換器4之直流電壓輸入，且該控制器5’耦接至該輔助調節電阻642，以便該控制器5’可偵測該輔助調節電阻642之通過電流，且該輔助調節電阻642之通過電流正比於該發電機13之反作用力矩，一旦該輔助調節電阻642上的流通電流低於設定下限時，代表外界風力可能已經變小至該扇葉組11’轉速的安全操作範圍，此時，該控制器5’控制該輔助啟動開關641斷開，使該發電機13復逐漸增速，以進行該發電機13之正常操作。

請參照第3圖所示，其揭示一風力發電單元1’、本發明第三實施例之二個輸出功率調節電路7、一儲能單元3’及一電能轉換器4’之電路連接示意圖。其中上述單元為三相電路之連接示意圖。

該風力發電單元1’包含一扇葉組11’、一變速箱12’及一發電機13’。該風力發電單元1’之扇葉組11’及變速箱12’與第一實施例相同，於此不作贅述；相較第一實施例，該發電機13’係為一三相系統之發電機，該發電機13’具有三個電源端R、S、T，任二相個別設有一輸出功率調節電路7，亦即，在該二電源端R、S之間設有一輸出功率調節電路7；而在該二電源端T、S之間另設有一 輸出功率調節電路7。

各該輸出功率調節電路7具有一電能輸入埠71、一電能輸出埠72、一功率調節組件73及一輔助功率調節組件74，且該輸出功率調節電路7供耦接一控制器5”，其電路樣態、操作及作用與第一實施例及第二實施例相同，於此不多贅述。

另外，本發明第三實施例之二個輸出功率調節電路7後端連接一三相全波整流二極體組D’，以便將三相交流電全波整流為直流電；該三相全波整流二極體組D’後端又連接該儲能單元3’，該儲能單元3’係具有三個儲能電容，各該儲能電容分別進行該直流電之儲能操作。

本發明第三實施例之輸出功率調節電路7藉由上述之電路連接結構，可用以調節該風力發電單元1’對該儲能單元3’、該電能轉換器4’及該電能轉換器4’後端負載或市電系統之功率。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，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疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧風力發電單元

11‧‧‧扇葉組

12‧‧‧變速箱

13‧‧‧發電機

131‧‧‧定子線圈

1’‧‧‧風力發電單元

11’‧‧‧扇葉組

12’‧‧‧變速箱

13’‧‧‧發電機

2‧‧‧輸出功率調節電路

21‧‧‧電能輸入埠

22‧‧‧電能輸出埠

23‧‧‧功率調節組件

231‧‧‧啟動開關

232‧‧‧調節電阻

3‧‧‧儲能單元

3’‧‧‧儲能單元

4‧‧‧電能轉換器

4’‧‧‧電能轉換器

5‧‧‧控制器

5’‧‧‧控制器

5”‧‧‧控制器

6‧‧‧輸出功率調節電路

61‧‧‧電能輸入埠

62‧‧‧電能輸出埠

63‧‧‧功率調節組件

631‧‧‧啟動開關

632‧‧‧調節電阻

64‧‧‧輔助功率調節組件

641‧‧‧輔助啟動開關

642‧‧‧輔助調節電阻

7‧‧‧輸出功率調節電路

71‧‧‧電能輸入埠

72‧‧‧電能輸出埠

73‧‧‧功率調節組件

74‧‧‧輔助功率調節組件

R‧‧‧電源端

S‧‧‧電源端

T‧‧‧電源端

D‧‧‧全波整流二極體組

D’‧‧‧三相全波整流二極體組

第1圖：本發明第一實施例之輸出功率調節電路與一風力發電系統之電路連接示意圖。

第2圖：本發明第二實施例之輸出功率調節電路與一風力發電系統之電路連接示意圖。

第3圖：本發明第二實施例之輸出功率調節電路與一三相風力發電系統之電路連接示意圖。

1．．．風力發電單元

11．．．扇葉組

12．．．變速箱

13．．．發電機

131．．．定子線圈

2．．．輸出功率調節電路

21．．．電能輸入埠

22．．．電能輸出埠

23．．．功率調節組件

231．．．啟動開關

232．．．調節電阻

3．．．儲能單元

4．．．電能轉換器

5．．．控制器

D．．．全波整流二極體組

Claims (8)

1. 一種風力發電之輸出功率調節電路，包含：一電能輸入埠；一電能輸出埠，該電能輸入埠與該電能輸出埠相互並接，該電能輸入埠係供並接一發電機之一定子線圈，該電能輸出埠係供並接一儲能單元及一電能轉換器；及一功率調節組件，包含一啟動開關及一調節電阻，該啟動開關係與該調節電阻相互串聯連接，該啟動開關及該調節電阻所構成的串聯電路與該電能輸出埠並聯；其中該功率調節組件之啟動開關受控於一外部控制信號形成導通狀態時，該功率調節組件用以調節該發電機、該儲能單元及該電能轉換器之間的功率。
2. 依申請專利範圍第1項所述之風力發電之輸出功率調節電路，其中另包含一輔助功率調節組件，該輔助功率調節組件進一步包含一輔助啟動開關及一輔助調節電阻，該輔助啟動開關係與該輔助調節電阻相互串聯連接，串聯的該輔助啟動開關及該輔助調節電阻與該電能輸出埠並聯。
3. 依申請專利範圍第2項所述之風力發電之輸出功率調節電路，其中該功率調節組件之啟動開關供耦接一控制器，該控制器另耦接該儲能單元或該電能轉換器。
4. 依申請專利範圍第3項所述之風力發電之輸出功率調 節電路，其中該輔助啟動開關及該輔助調節電阻耦接該控制器。
5. 依申請專利範圍第1項所述之風力發電之輸出功率調節電路，其中該功率調節組件之啟動開關為一電子式開關。
6. 依申請專利範圍第2項所述之風力發電之輸出功率調節電路，其中該功率調節組件之調節電阻具有一電阻值，該電阻值介於5~10歐姆之範圍，且該調節電阻為一高功率電阻。
7. 依申請專利範圍第2項所述之風力發電之輸出功率調節電路，其中該輔助功率調節組件之輔助啟動開關為一機械式開關。
8. 依申請專利範圍第6項所述之風力發電之輸出功率調節電路，其中該調節電阻之電阻值大於一預設值，該預設值係為該輔助調節電阻之電阻值的10倍，且該輔助調節電阻為一高功率電阻。