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小型風力發電機之最大 功率追蹤探討 指導教授：蔡明村 博士 研究生：黃志銘 1 目錄 2 摘要……………………………………………3 前言……………………………………………4 風力發電機原理………………………………5 系統架構(SEPIC)………………………………6 最大功率追蹤…………………………………14 實測流程………………………………………19 孤島效應簡介…………………………………20 結論……………………………………………22 摘要 1. 2. 3 提出一獨立型風力發電系統之最大功 率追蹤，所提的系統架構為SEPIC轉 換器，其轉換器具備昇降壓，適合自 然界風場不穩定風速下應用。 此系統利用數位訊號處理器PIC18偵 測最大功率點位置，並控制風力發電 系統SEPIC轉換器之責任週期，以達 到最大功率追蹤。 前言 4 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 5 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 6 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 7 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 8 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 9 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 10 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 11 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 12 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 13 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 14 擾動觀察法 15 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 16 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 17 三相交流輸入 查表法流程 零點偵測 PIC計數 對應頻率為多 少HZ 對應Table表 Pdecrease Ptable Po Yes Pdecrease 0 ? 增加Duty 減少Duty 進入擾動觀察法 18 圖9 查表法 No 三相交流輸入 實測流程 初始值設定 零點偵測 如圖10所示： AD轉換 讀取V、I Yes 判斷V、I是否在 Vset、Iset設定區 間 固定Duty Yes No 判斷V是否大 於Vset 減少Duty Yes No 判斷I是否大 於Iset 減少Duty 進入查表法 模式 進入MPPT模 式 19 圖10 實測流程圖 孤島效應簡介 孤島現象是指分散式電源與市電網路併聯供電時，當市電網路發 生故障後，分散式電源未立即檢知並切離系統，此時雖然市電網 路無法正常供電給負載，但分散式電源卻能持續供電給負載，造 成負載與分散式電源形成一個獨立於市電網路中的子系統，此子 系統與市電網路上其他隔離設備仍有電能的產生、傳輸與消耗， 成為電力系統上的「孤島」。 市電電源 孤島運轉 Load Load Load Load 主變壓器 CB DGS 圖11 孤島運轉 20 Load 當孤島現象發生時若無立即偵測出，造成分散式電源形成孤島運 轉，可能導致如下的不良影響： 1.當孤島運轉發生時，負載設備所消耗的電能全由分散式電源供應，因 此 負載端的電壓振幅和頻率由分散式電源所決定，若分散式電源無法控制 電壓振幅和頻率在正常的範圍內，使得負載設備的電壓振幅和頻率超出 容許操作範圍，造成設備的損壞。 2.當負載設備容量大於分散式電源所能供應的容量時，造成分散式電源內 電力轉換設備超載運轉而燒毀。 3.當市電網路發生故障時，電力維修人員將緊急進行電力轉供與修復動作， 但由於分散式電源未與市電網路作解聯，仍然持續供電給負載，可能造 成電力維修人員觸電的危險，嚴重威脅到電力維修人員的生命安全。 21 結論 22 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。