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風力發電機之最大功率
追蹤
指導教授：蔡明村 博士
研究生：黃志銘
1
前言

2
由於石化能源的短缺，使得再生能源的
應用相當廣泛，結合存能系統，利用
MPPT(Sepic)將風力機發揮最大的電力，
一部分的電能儲存在電池中，一部份的
電能則供應直流負載使用，達到再生能
源的利用
風力發電機原理

3
風力發電原理如圖1，
空氣流動時產生風
壓，推動風力機葉
片轉動，進而帶動
發電機轉動發電，
轉換過程將由風能
→機械能→電能的
能量轉換。
A0
A1
A2
V0
V1
V2
圖1空氣流動經風力機示意圖
系統架構(SEPIC)

為了將風力發電機在不同風速下皆能達到最大功率輸出，
如圖2我們由三相電壓經SEPIC轉換器、迴授訊號至單晶
片PIC18處理器，再由驅動電路，推動功率晶體，使此系
統達到最佳的穩定輸出。
PMSG
電壓 電流
迴授
Vwind
PIC18F4520
SEPIC
轉換器
Vb
脈波寬度調變
驅動訊號
圖2 風力發電系統控制方塊圖
4
直流
負載

如圖3所示為一個SEPIC轉換器電路：
IL1
Vin
VC1
VL1
L1
Cin
IDS
Q1
ID1
L2
VL2
IL2
圖3 SEPIC轉換器電路
5
Iwind
D1
C1
VDS
VD1
C2
Vdc1

當功率晶體導通時，輸入電壓跨於電感兩端，此時電感電
流將直線上升，對進行儲能動作，且在穩態時，和一週期
平均值都各為零，故由形成的迴路可推算，所以也會有同
樣的跨壓，故電感電流也跟著持續上升，對進行儲能動作，
等效電路，如圖4所示。
VL1
V C1
Vdc1
Vin
L1
C1
Cin
IL1
IL2
L2
VL2
C2
圖4 功率晶體開關Q1導通D1截止
6

當功率晶體截止時，進行釋能狀態，對充電且將能量送至
輸出端，此時也放電至輸出，使電感電流與開始下降，等
效電路如圖5所示：
VL1
V C1
ID1
Vin
L1
IL1
L2
VL2 ID1=IL1+IL2
圖5 功率晶體開關Q1截止D1導通
7
Vdc1
D1
C1
Cin
VD1
C2
VGS
DTs
VDS
t
Vin  Vdc1
I DS
t
VD1
t
Vin  Vdc1
t
I D1
t
VL1
Vin
t
 Vdc1
I L1
t
VL 2
Vin
t
 Vdc1
I L2
t
VC1
t0
8
t1
t2
t
圖6 SEPIC元件電壓、電流波形圖

當SEPIC轉換器操作於連續導通模式，其推導過程與周期之
關係如下：
1.功率晶體開關Q1導通D1截止時
dI Vin

dt L
Vin Vin
1 1
I  t  t  I 0  Vin (  )t  I 0
L1 L2
L1 L2
I
9
Vin
DT  I 0 
 a
L1 L2
L1  L2
2.功率晶體開關截止二極體導通時
V
dI
 O
dt
L
I
10
VO
(1  D)T  I 0 
 b
L1 L2
L1  L2
3.忽略元件損失，電壓電流責任週期平均值為0，其Vin與Vo
的關係式如下所示，得知D>0.5為昇壓，反之當D<0.5時為
降壓。
Vin
L1 L2
LL
DT  I 0  VO 1 2 (1  D)T  I 0
L1  L2
L1  L2
VO
D

Vin 1  D
11
最大功率追蹤
450
由圖7可知在不同的風
速下均有一最大功率點，
為了使風力發電系統在
每個風速下都能工作在
最大功率點，因此必須
利用最大功率追蹤技術
來控制風力發電機之轉
速，以達到風力發電機
輸出最大功率之目的。
v  11m / s
400
350
v  10m / s
輸出功率(W)

最大功率曲線
pm (    )
300
pm1(    )
pm2(    )
250
pm3(    )
v  9m / s
pm4(    )
200
pm5(    )
v  8m / s
pm6(    )
150
v  7m / s
100
v  6m / s
v  5m / s
50
0
0
10
20
30
40
50
60
發電機轉速(rad/s)
70
80
90
 ( )  1( )  2( )  3( )  4( )  5( )  6( )
圖7 不同風速下的風力發電機之輸出功率對發電機轉速
12
擾動觀察法


13
擾動觀察法是目前最普遍應用在風力與太陽能發電系統上
的最大功率追蹤技術，其架構簡單，程式設計容易，但此
技術本身會使工作點在最大功率點附近左右擾動，不會停
留在固定一點上，因此造成能量損失，降低風力發電系統
的效率。
擾動觀察法主要是藉由週期性增加或減少功率開關的責任
週期，並回授風力發電系統輸出電壓和電流，計算輸出功
率，比較責任週期變化前後輸出功率的大小，作為下一步
調整責任週期大小的依據。
開始
初始值設定
讀取In，Vn
計算Pn
是
是
Dn > Dn-1
Dn = Dn-1 + dD
否
Pn > Pn-1
否
是
Dn = Dn-1 - dD
Dn = Dn-1 - dD
Dn > Dn-1
Pn-1 = Pn
Dn-1 = Dn
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圖8 擾動觀察法控制方塊圖
否
Dn = Dn-1 + dD
查表法

因為用擾動觀察法追到最大功率點的時間較長，所以利用
發電機功率曲線預先建立一個最大功率點的table表比較目
前輸出功率的差，來決定功率開關的責任週期開大或開小，
再做擾動觀察法Duty加1或減1。以縮短追到最大功率點所
消耗的時間。
Pdecrease  Ptable  Po
15
結論

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本文最大功率追蹤以查表法為基礎再做擾動觀察，減少在
最大功率追蹤時所消耗的時間以及能量損耗，未來結合
D/A轉換與市電併聯加上孤島效應偵測之完整架構。