发电装置的制造方法
【专利摘要】一种发电装置，提供三相交流电力予一电力系统。检测模块检测电力系统的三相电压，用以产生一检测结果。控制模块处理检测结果，用以产生第一控制信号。电力转换器根据第一控制信号，产生一补偿电压。变压器根据补偿电压产生二次侧三相补偿电压。三相交流同步发电机包含一转子以及一定子。定子具有三相线圈，分别接收二次侧三相补偿电压，并于与电力系统并联端产生三相端电压。转子设置有多个磁石。当转子转动时，转子在三相线圈上产生三相反电动势。三相端电压是由二次侧三相补偿电压与三相反电动势所决定。
【专利说明】
发电装置
技术领域
[0001]本发明是有关于一种发电装置，特别是有关于一种具有三相交流同步发电机的发电装置，其中，三相交流同步发电机的定子具有三相开放的线圈，并与一变压器及电力转换器组合。【背景技术】
[0002]近几年来，由于气候变迀对人类带来的警讯，让各国政府纷纷思考如何减碳节能， 并减少对化石能源的依赖性。再生能源泛指多种取之不竭的能源，如太阳能、风力、潮汐能、 地热能等等。目前再生能源所产生的输出电力普遍都是直接并联至电网。然而，并联的电力必须满足与电网电力具有相同频率、电压及相位的要求。
【发明内容】
[0003]本发明提供一种发电装置，提供一第一相端电压、一第二相端电压、一第三相端电压予一电力系统，并包括一检测模块、一控制模块、一电力转换器、一变压器、一三相交流同步发电机。检测模块检测电力系统的一第一相电压、一第二相电压以及一第三相电压，用以产生一检测结果。控制模块处理检测结果，用以产生一第一控制信号。电力转换器根据第一控制信号，用以做出一补偿电压，并输出至变压器的一次侧。变压器在其与发电机定子相连接的二次侧，产生二次侧三相补偿电压。三相交流同步发电机包括一定子以及一转子。 定子具有开放的三相线圈。转子设置有多个磁石，在发电机运转时，转子在相应的定子各相线圈上产生感应的反电动势。各相定子线圈的一端与变压器二次侧连接，前述的二次侧补偿电压与发电机各相线圈上感应的反电动势加成后，于各相定子线圈另一端产生各相端电压。
[0004]在与欲并联的电力系统并联之前，该交流永磁同步发电机先经由原动机驱动，运转于与电力系统的同步转速，然后与透过电力转换器的检测与控制来调整变压器二次侧的三相补偿电压，即可调整交流永磁同步发电机输出的三相端电压，使该交流永磁同步发电机的三相端电压的幅值与相位在并联之前，调整到与欲并联的电力系统的三相端电压的幅值与相位相同，然后即可使该交流永磁同步发电机直接与电力系统并联，并将该交流永磁同步发电机产生的电力馈送至电力系统中。
[0005]在一可能实施例中，发电装置还包括一辅助马达以及一驱动模块。辅助马达耦接至三相交流同步发电机转子的非驱动轴端。驱动模块根据一第二控制信号控制该辅助马达。控制模块根据检测结果，得知电力系统三相端电压与交流永磁同步发电机三相端电压的相位差，用以产生第二控制信号，并驱动该辅助马达带动三相交流同步发电机做适当的加减速，以使前述的相位差能快速地减少并趋近于零。
[0006]为让本发明的特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下:【附图说明】
[0007]图1A、图1B及图5为本发明的发电系统示意图；
[0008]图2为图1A、1B的变压器的一可能不意图；
[0009]图3A?3C本发明的转子的可能剖面图；
[0010]图4为本发明图1A、1B的定子的示意图。
[0011]【符号说明】
[0012]100A、100B、500:发电系统；
[0013]110、510:机械变速装置；
[0014]120、520:发电装置；
[0015]130、530:电力系统；
[0016]111:涡轮；
[0017]112:传动系统；
[0018]VUT、VVT、VWT:相端电压；
[0019]12U521:检测模块；
[0020]122、522:控制模块；
[0021]123、523:电力转换器；
[0022]124、524:变压器；
[0023]125、340、350、360、525:定子；
[0024]126、310、320、330、526:转子；
[0025]129:三相交流同步发电机；
[0026]Vu, 13。、Vv, 13。、Vw, 13。、"\^,53。、Vv,53。、Vw,53。:相电压；
[0027]SD1:检测结果；
[0028]Sa?S 控制信号；
[0029]V123、V523:补偿电压；
[0030]123、Vv, 123、Vw, 123、"\^,523、Vv,523、Vw,523:—次侧相电压；
[0031]VUiPC、Vv,PC、Vw,rc:二次侧补偿电压；
[0032]126-1、526-1:驱动轴端；
[0033]126-2、526-2:非驱动轴端；
[0034]127、527:开关模块；
[0035]128:升压变压器；
[0036]211?213:—次侧线圈；
[0037]214:磁芯；
[0038]215?217:二次侧线圈；
[0039]311 ?314、321 ?324、331 ?338:磁石；
[0040]411 ?413:相线圈。【具体实施方式】
[0041]图1A为本发明的发电系统示意图。如图所示，发电系统100A包括一机械变速装置110、一发电装置120以及一电力系统130。本发明并不限定机械变速装置110的内部架构。在本实施例中，机械变速装置110具有一涡轮(turbine) 111以及传动链系统(drive train) 112。涡轮111为变速运转，而传动系统112的输出为固定转速。在一可能实施例中， 祸轮111为一原动机(prime move)，用以产生一机械功。
[0042]发电装置120产生三相端电压VUT、VVT与VWT以与电力系统130并联并输出电力。三相端电压VUT、VVT与VWT之间的相位差为120度。在本实施例中，发电装置120包括一检测模块121、一控制模块122、一电力转换器(power converter) 123、一变压器 (transformer) 124以及一三相交流同步发电机129。在其它实施例中，机械变速装置110 与发电装置120可整合成一风力发电机。
[0043]检测模块121检测电力系统130的三相电压7。,13。、￥\13。、￥￥,13。，用以产生一检测结果SD1。本发明并不限定检测模块121的内部架构。只要能够检测三相电压的架构，均可作为检测模块121。
[0044]控制模块122处理检测结果SD1，用以产生一控制信号Sei。在本实施例中，控制模块122处理检测结果SD1，用以得知电力系统130的三相电压VUil3。、VVil3。、VWil3。的电压幅值与相位，并根据得知结果产生控制信号S?。
[0045]电力转换器123根据控制信号Sa产生一三相补偿电压V 123。在本实施例中，三相补偿电压^123包括一次侧相电压\\123、'\^123、'\^123，并输出至变压器124的一次侧。在其它实施例中，电力转换器123亦可称为三相变流器。
[0046]变压器124的一次侧接收三相补偿电压V123，因此在其二次侧可输出二次侧三相补偿电压\rc、Vv，rc、VWiPC予三相交流同步发电机129。图2为变压器124的接线示意图。如图所示，变压器124具有一次侧线圈211?213、一磁芯214、二次侧线圈215?217。当一次侧线圈211?213接收一次侧相电压VUil23、VVil23、VWil2Jt，根据电磁耦合效应，二次侧线圈215?217可产生二次侧三相补偿电压VUiPC、Vv,rc、VW,PC。
[0047]请参考图1A，三相交流同步发电机129包括一定子125以及一转子126。本发明并不限定三相交流同步发电机129的种类。在一可能实施例中，三相交流同步发电机129 为一交流永磁同步发电机。在本实施例中，定子125具有三相线圈(未显示于图1A中，但稍后会说明)，其一端与变压器124的二次侧相连接，转子126贴附有多个磁石(未显示， 但稍后将会说明)。当转子126转动时，转子126可在三相线圈上产生三相反电动势\PMSS、 Vv，PMSG、VW，PMSG〇 因此，二次侧三相补偿电压VUiPe、VViPe、VWiPe与定子125三相线圈上所感应产生的三相反电动势\ PMSG、Vv，PMSG、 Vw,pmsc加成后，将可产生三相端电压VUT、VVT、VWT。
[0048]在本实施例中，定子125包覆转子126,但转子126的驱动轴端(drive-end) 126-1 与非驱动轴端(non-drive end) 126-2是突出定子125。驱动轴端126-1耦接机械变速装置 110,用以接收来自一原动机(如涡轮或马达)的机械功。在其它实施例中，定子125可被能转子126所围绕。
[0049]在本实施例中，发电装置120还包括一开关模块127。开关模块127根据控制信号 SC2将三相端电压V UT、VVT、VWT与电力系统130连接，以馈送三相交流同步发电机129所产生的电力至电力系统130中。由于控制模块122根据电力系统130的三相电压VUil3。、Vv,13。、 VWil3(]的电压幅值调整三相端电压V UT、VVT、VWT的电压幅值，故可确保三相端电压V UT、VVT、VWT 的幅值等于电力系统130的三相电压Vu,130、Vv，130、Vw，130 的幅值。
[0050]本发明并不限定电力系统130的种类。在一可能实施例中，电力系统130是为大楼供电装置，用以供电予大楼里的住户。在其它实施例中，电力系统130可能具有一输配线 (transmiss1n line 或 distribut1n line)，用以将三相端电压 VUT、VVT、VWT 并联至电网 (Grid) 〇
[0051]图1B为本发明的发电系统的另一实施例。图1B相似图1A，不同之处在于图1B的发电系统100B还包括一升压变压器128,用以调整三相端电压VUT、VVT、VWT的电压幅值。在另一可能实施例中，若三相端电压VUT、VVT、VWT的电压幅值已等于电力系统130的三相电压 V。, 13。、Vv, 13。、Vw, 13。的电压幅值时，则可省略升压变压器128。
[0052]图3A?3C为本发明的转子的可能剖面图。如图所示，转子310、320、330设置有多个磁石311?314、321?324、331?338。本发明并不限定磁石是设置在转子的何处以及磁石的型态。在图3A中，磁石311?314是贴附在转子310的外侧，在此例中，定子340 包覆转子310。
[0053]在图3B中，磁石321?324是贴附在转子320的内侧。在此例中，定子350设置在转子320的内部。在图3C中，磁石331?338设置在转子330的内侧，并且以锥状方式排列。在此例中，定子360设置在转子330的内部。本发明并不限定磁石311?314、321? 324及331?338的种类。在一些实施例中，磁石311?314、321?324及331?338为永久磁石或是超导磁石(superconducting magnet)。
[0054]图4为本发明图1A、图1B的定子125的示意图。如图所示，定子125包括三相线圈411?413。在本实施例中，三相线圈411?413为开放Y接(open Y)方式设置。当转子被原动机带动运转时，三相线圈上产生三相反电动势\PMSS、VViPMSS、VWiPMSS。相线圈411的一端接收二次侧补偿电压VUiPe，与相线圈411上的反电动势VUiPMS(；加成后，于相线圈411的另一端产生相端电压VUT。相线圈412的一端接收二次侧补偿电压Vv#，与相线圈412上的反电动势VViPMS(；加成后，于相线圈412的另一端产生相端电压VVT。相线圈413的一端接收二次侧补偿电SVWiPe，与相线圈413上的反电动势VWiPMS(；加成后，于相线圈413的另一端产生相纟而电压Vrr。
[0055]在本实施例中，当转子转动时，转子上的磁石将经过三相线圈411?413,因此，三相线圈411?413将产生反电动势\PMSe、VWiPMSe。此时，若分别提供二次侧补偿电压 VUirc、Vv,PC、Vw,Pe予三相线圈411?413的一端时，三相线圈411?413便可产生三相端电压 VUT、VVT、VWT，并且三相端电压VUT、VVT、VWT可随着二次侧补偿电压V _、Vv, rc、Vw, Pe而调整变动。
[0056]图5为本发明的发电装置的另一可能实施例。在此例中，当电力系统530具有一输配线时，表示发电装置520所产生的三相端电压VUT、VVT、VWT将会并联至电网上，因此，发电装置520所产生的三相端电压Vut、Vvt、Vwt的幅值与相位需符合电网的三相电压的幅值与相位。
[0057]在本实施例中，控制模块522根据检测模块521的检测结果SD1，得知电力系统530 的三相电压\53(]、\53(]、VWi53。的电压幅值，再根据得知结果产生控制信号Sa，用以调整定子 225所产生的三相端电压VUT、VVT、VWT。在一可能实施例中，三相端电压VUT、VVT、VWT的电压幅值约略等或高于电力系统530的三相电压￥。,53。、￥\53。、￥153。的电压幅值，但不超过5%。
[0058]在另一可能实施例中，控制模块522根据检测结果SD1得知电力系统530的三相电压\53。^,53。^,53。的至少二者的相位，再撷取三相端电压￥『￥?、￥?中的对应二者的相位，经运算处理后，得知电力系统530与三相端电压VUT、VVT、VWT之间的相位差，并根据相位差，广生控制彳目号SC3D
[0059]本发明并不限定控制模块522的内部架构。在一可能实施例中，控制模块522包括一锁相回路(phase lock loop)，用以得知三相端电压Vut、Vvt、Vwt与电力系统530的三相电压 Vl)，530、Vv，530、VW，530 之间的相位差。
[0060]驱动模块528根据控制信号Se3控制辅助马达529的转速，用以调整转子526的转角。在本实施例中，辅助马达529是耦接转子526的非驱动轴端526-2,用以调整转子526 的转角，进而调整发电装置520的三相端电压Vut、Vvt、Vwt的相位，使其能配合电网并联的要求。另外，转子526的驱动轴端526-1是耦接机械变速装置510,用以接收来自一原动机的机械功。
[0061]本发明并不限定辅助马达529的种类。在一可能实施例中，辅助马达529为一伺服马达(servo motor)。在另一可能实施例中，伺服马达的额定功率是小于发电装置520的额定功率的5%。在其它实实施例中，在完成电网并联后，辅助马达529便可保持同步旋转， 而不需持续做功。
[0062]在本实施例中，发电装置120或520检测外部电力系统的三相电压，用以产生电压幅值与相位相符的三相端电压。当发电装置120或520并联电网时，就不会因幅值差或相位差而发生火花。
[0063]除非另作定义，在此所有词汇(包含技术与科学词汇)均属本发明所属技术领域中具有通常知识者的一般理解。此外，除非明白表示，词汇于一般字典中的定义应解释为与其相关技术领域的文章中意义一致，而不应解释为理想状态或过分正式的语态。
[0064]虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。
【主权项】
1.一种发电装置，其特征在于，提供一第一相端电压、一第二相端电压、一第三相端电 压予一电力系统，该发电装置包括:一检测模块，检测该电力系统的一第一相电压、一第二相电压以及一第三相电压，用以产生一检测结果；一控制模块，处理该检测结果，用以产生一第一控制信号；一电力转换器，根据该第一控制信号，产生一补偿电压；一变压器，根据该补偿电压，产生一二次侧第一相补偿电压、一二次侧第二相补偿电压 以及一二次侧第三相补偿电压；一三相交流同步发电机，包含一定子以及一转子；该定子具有一第一相线圈、一第二 相线圈、一第三相线圈，该第一相线圈的一端接收该二次侧第一相补偿电压，该第一相线圈 的另一端产生该第一相端电压，该第二相线圈的一端接收该二次侧第二相补偿电压，该第 二相线圈的另一端产生该第二相端电压，该第三相线圈的一端接收该二次侧第三相补偿电 压，该第三相线圈的另一端产生该第三相端电压；该转子设置有多个磁石；其中，当该转子转动时，该转子在该第一、第二及第三相线圈上分别生成一第一相反电 动势、一第二相反电动势以及一第三相反电动势；其中，该第一相端电压是由该二次侧第一相补偿电压以及该第一相反电动势所决定， 该第二相端电压是由该二次侧第二相补偿电压以及该第二相反电动势所决定，该第三相端 电压是由该二次侧第三相补偿电压以及该第三相反电动势所决定。2.根据权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述磁石的一者为一永久磁石。3.根据权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述磁石的一者为一超导磁石。4.根据权利要求1所述的发电装置，其特征在于，该转子还包括:一驱动轴端，接收一来自原动机的机械功；以及一非驱动轴端，耦接一辅助马达。5.根据权利要求4所述的发电装置，其特征在于，还包括:一驱动模块，根据一第二控制信号，控制该辅助马达的转速，用以调整该转子的一转 角。6.根据权利要求5所述的发电装置，其特征在于，该控制模块根据该检测结果，得知该 电力系统的该第一、第二及第三相电压的至少二者与该第一、第二及第三相端电压的对应 二者的相位之间的差异，用以产生该第二控制信号。7.根据权利要求6所述的发电装置，其特征在于，该控制模块包括一锁相回路。8.根据权利要求4所述的发电装置，其特征在于，该辅助马达为一伺服马达。9.根据权利要求8所述的发电装置，其特征在于，该伺服马达的额定功率小于该发电 装置的额定功率的5%。10.根据权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述磁石是贴附在该转子的外侧或 内侧。
【文档编号】H02P9/00GK105991075SQ201510084308
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月16日
【发明人】桂人杰
【申请人】财团法人工业技术研究院